具有UHFRFID通信功能的温度传感装置的制作方法

本实用新型设计射频识别技术领域，且特别涉及一种具有UHF RFID通信功能的温度传感装置。

背景技术：

射频识别(Radio Frequency Identification，简称RFID)技术是利用射频远距离通信的方式已达到物品的识别、跟踪和管理。目前广泛应用在商业自动化、交通运输管理以及防伪等众多领域。

在交通运输管理领域通常会涉及到冷链物流(新鲜食品、葡萄酒等)；疫苗、药品等环境敏感性物品监测；专用仓库内重要物资，如粮食、薯类等温度监测；建筑材料温度监测等，这些环境都要使用都温度传感器。现有的有线温度传感器主要是依靠直流电源供电，如依靠电池进行供电。电池供电最主要的问题是电池的寿命所带来一系列的保养、维护问题。其次是电池的安全性问题：现有的电池存在着安全性差的问题，比如爆炸、漏液等，以及一系列环保的问题。

此外，现有的温度传感器其数据主要采用有线进行传输，常见的温度传感器一般有四条线，包括电源线两条，数据线两条。有线的温度传感器有可能会引起整个系统的短路、积灰等问题，同时也会给布局布线带来很大的麻烦。

技术实现要素：

本实用新型为了克服现有温度传感器依靠电池进行供电而存在电池寿命短以及安全性能差的问题，提供一种能利用自由空间内的高频信号进行供电的具有UHF RFID通信功能的温度传感装置。

为了实现上述目的，本实用新型提供一种具有UHF RFID通信功能的温度传感装置，该装置包括天线、射频能量转换模块、温度传感器和射频传输模块。天线接收自由空间内的超高频无线信号。射频能量转换模块与天线相连接，将超高频无线信号转换为电信号。温度传感器获取被测物的温度并与射频能量转换模块电性连接，射频能量转换模块为温度传感器供电。射频传输模块分别电性连接射频能量转换模块、温度传感器和天线，射频能量转换模块为射频传输模块供电，温度传感器获得的温度信号经射频传输模块和天线进行无线传输。

于本实用新型一实施例中，温度传感器包括温度检测模块、读取电路、存储模块和通信控制模块。温度检测模块检测被测物的温度。读取电路电性连接温度检测模块，读取温度检测模块的数据。存储模块电性连接读取电路，存储温度数据。通信控制模块电性连接射频传输模块、存储模块和温度检测模块，通信控制模块接收射频传输模块输出的信号并对温度检测模块进行控制或者将存储模块内的温度数据传输给射频传输模块。

于本实用新型一实施例中，温度检测模块包括两个与温度相关的电流源，其中一个与温度正相关，另一个与温度负相关。

于本实用新型一实施例中，读取电路包括：

交错相连的第一开关管和第二开关管，在工作状态中两者交替导通；

电容，连接在第一开关管和第二开关管之间。

于本实用新型一实施例中，第一开关管和第二开关管均为NPN三极管，第一开关管的基极与第二开关管的集电极相连接，第二开关管的基极和第一开关管的集电极相连接，电容连接在第一开关管的发射极和第二开关管的发射极之间。

于本实用新型一实施例中，电容包括两个首尾相连接的第一电容和第二电容。

于本实用新型一实施例中，读取电路还包括与第一开关管和第二开关管相连接的信号放大器，信号放大器包括对称设置的两个MOS管，两个MOS管的栅极分别与第一开关管的输出端和第二开关管的输出端相连接，两个MOS管的漏极分别经两个电流源接地，两个MOS管的源极与另一电流源相连接。

于本实用新型一实施例中，读取电路还包括由四个开关管组成的并连接在电源和地之间的轨到轨比较器，轨到轨比较器将第一开关管和第二开关管输出的信号以满摆幅进行输出。

于本实用新型一实施例中，读取电路还包括补偿电路，补偿电路包括第一补偿管和第二补偿管，第一补偿管和第二补偿管分别与第一开关管和第二开关管对应设置，第一补偿管的发射极与第一开关管的发射极相连接，第一补偿管的基极和集电极接地，第二补偿管的发射极与第二开关管的发射极相连接，第二补偿管的基极和集电极接地。

于本实用新型一实施例中，读取电路还包括匹配调节电路，匹配调节电路包括由相反信号控制的两组开关，两组开关通过改变第一开关管、第二开关管、第一负载电阻和第二负载电阻之间的位置进行失配调节，第一负载电阻连接在第一开关管和电源之间，第二负载电阻连接在第二开关管和电源之间。

综上所述，本实用新型提供的具有UHF RFID通信功能的温度传感装置与现有技术相比具有以下优点：

射频能量转换模块将天线所接受到的来自于自由空间内的超高频无线信号转换为直流电为温度传感器和射频传输模块进行供电，实现温度传感装置的自供电。该设置解决了现有温度传感器因为电池寿命和安全性的问题。此外，温度传感器所检测的数据同样可以通过射频传输模块以高频无线电的形式发送出去，实现数据的无线传输。有效解决了现有的有线传感器易短路安全性差的问题，极大简化了布局布线。即本实用新型提供一种无源无线且具有超高频无线通信功能的温度传感器。同时，该温度传感装置工作时尖峰电流极小，降低了传感装置工作对片上模拟电源的污染，同时避免由于瞬时电流过大触发片上过流保护。

为让本实用新型的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1所示为本实用新型一实施例提供的具有UHF RFID通信功能的温度传感装置的原理框图。

图2所示为图1中温度传感器的原理框图。

图3所示为图3中第一开关管、第二开关管、第一电流源、第二电流源以及电容的简化图。

图4所示为读取电路的详细原理图。

图5所示为图3中电容上流经的电流和端电压的时序图。

图6所示为电容放电时间比与温度数据的曲线图。

图7所示为图1所示的具有UHF RFID通信功能的温度传感装置工作时的电流曲线。

图8所示为图7中A处的放大图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本实施例提供的具有UHF RFID通信功能的温度传感装置天线1、射频能量转换模块2、温度传感器3和射频传输模块4。天线1接收自由空间内的超高频无线信号。射频能量转换模块2与天线1相连接，将超高频无线信号转换为电信号。温度传感器3获取被测物的温度并与射频能量转换模块2电性连接，射频能量转换模块2为温度传感器供电。射频传输模块4分别电性连接射频能量转换模块2、温度传感器3和天线1，射频能量转换模块2为射频传输模块4供电，温度传感器3获得的温度信号经射频传输模块4和天线1进行无线传输。

于本实施例中，射频能量转换模块2为射频-直流变换器(RF-DC变换器)，具体而言，射频-直流变换器为电容和二极管组成的电荷泵结构。然而，本实用新型对射频-直流变换器的具体结构不作任何限定。于其它实施例中，可采用MOS管来形成射频-直流变换器。

于本实施例中，温度传感器3包括温度检测模块31、读取电路32、存储模块33和通信控制模块34。温度检测模块31检测被测物的温度。读取电路32电性连接温度检测模块31，读取温度检测模块31的数据。存储模块33电性连接读取电路32，存储温度数据。通信控制模块34电性连接射频传输模块4、存储模块33和温度检测模块31，通信控制模块34接收射频传输模块4输出的信号并对温度检测模块31进行控制或者将存储模块33内的温度数据传输给射频传输模块4。

于本实施例中，温度检测模块31包括两个与温度相关的电流源，其中一个与温度正相关，如图3和图4中的第二电流源I₂；另一个与温度负相关，如图3和图4中的第一电流源I₁。第一电流源I₁和第二电流源I₂可为电压信号或电流信号与温度相关的三极管、MOS管或二极管等感温器件所形成。于本实施例中，第一电流源I₁和第二电流源I₂是基于两个NPN三极管产生的。

于本实施例中，如图3和图4所示，读取电路32包括交错相连的第一开关管Q₁和第二开关管Q₂以及电容C_F。于本实施例中，第一开关管Q₁和第二开关管Q₂均为NPN三极管，第一开关管Q₁的基极与第二开关管Q₂的集电极相连接，第二开关管Q₂的基极和第一开关管Q₁的集电极相连接。第一开关管Q₁和第二开关管Q₂之间形成正反馈作用，在工作状态中两者交替导通。电容C_F连接在第一开关管Q₁的发射极和第二开关管Q₂的发射极之间。然而，本实用新型对此不作任何限定。于其它实施例中，第一开关管Q₁和第二开关管Q₂可为MOS管。

在该电路中，第一电流源I₁上流经的电流I1是与温度负相关的电流，第二电流源I₂上流经的电流I2是与温度正相关的电流，电流I1与作为感温器件的NPN三极管的基极发射极电压V_BE成正比，I2与两个在相同集电极电流偏置下的作为感温器件的NPN三极管的基极发射极电压差DV_BE成正比，并且I1+I2为一个与温度轻微正相关的电流以减小V_BE的非线性对输出的影响，其温度系数根据工艺不同而不同。

由于在正常工作状态，第一开关管Q₁和第二开关管Q₂两者交替导通，因而图中电容C_F被电流I1和I2交替放电。根据电荷守恒原则，电流I1，I2流经电容C_F的时间与其大小成反比，即I1/I2＝t_L/t_H，t_H为电流I1对电容C_F的放电时间，t_L为电流I2对电容C_F的放电时间。则电容C_F的放电时间比为t_L/t_H＝I1/I2∝f(V_BE/DV_BE)，根据V_BE/DV_BE与温度T之间的关系，可以得到温度T和t_L/t_H之间的关系曲线，经线性化后可得T＝1/(a+t_L/t_H),其中a为线性化参数。

本实施例提供的读取电路通过第一开关管Q₁和第二开关管Q₂来形成多稳态谐振器，极大简化了传感器温度数据的读取以及与其它模块的连接。进一步的，针对不同的温度传感器可通过调节线性化参数a进行校准。为匹配第一开关管Q₁的发射极电容和第二开关管Q₂的发射极电容，于本实施例中，电容C_F包括两个首尾相连接的第一电容和第二电容。

为提高信号检测的精度，于本实施例中，读取电路还包括与第一开关管Q₁和第二开关管Q₂相连接的信号放大器。该信号放大器将第一开关管Q₁的集电极电压V1和第二开关管Q₂的集电极电压V2进行放大。于本实施例中，信号放大器包括对称设置的两个MOS管，分别为第一MOS管M_P1和第二MOS管M_P2。第一MOS管M_P1和第二MOS管M_P2的栅极分别与第一开关管Q₁的输出端(集电极)和第二开关管Q₂的输出端(集电极)相连接(在图4中cpb所控制的那组开关闭合)，第一MOS管M_P1的漏极和第一MOS管M_P2的漏极分别经两个电流源Ib1，Ib2接地，第一MOS管M_P1的源极和第二MOS管M_P2的源极分别经第一负载电阻R₁和第二负载电阻R₂与另一电流源Ib0相连接。

于本实施例中，读取电路还包括由四个开关管M_p3、M_p4、M_n1、M_n2(开关管M_p3、M_p4为PMOS管，开关管M_n1、M_n2为NMOS管)组成的并连接在电源和地之间的轨到轨比较器，轨到轨比较器将第一开关管和第二开关管输出的信号以满摆幅进行输出，即输出为VDD(电源电压)或GND(地)。摆幅指的是最大值和最小值的差，该差值越大意味着信号的波动越明显，也就越容易获得有效的输出，更有利于后续信号的数字处理。

图4所示为详细的读取电路的电路图，以下对具体的工作原理进行阐述。图中T₀为经轨到轨比较器处理器处理后的时钟信号。具体而言，在图4中，若当信号cpb所控制的那组开关导通且第一开关管Q1导通，第二开关管Q2截止时，电容C_F经电流I2放电，放电时间为t_L，V1点电压为VDD-(I1+I1)R1；V2点电压为VDD-(I1+I2)R2/β,其中β为NPN三极管的电流放大倍数。同时，开关管M_p1，开关管M_p2放大V1点和V2点的电压差并隔离输出端电平转换时的噪声；开关管M_p3截止，开关管M_p4导通，开关管M_n1导通，T₀输出低电平。而当第一开关管Q1截止，第二开关管Q2导通；电容C_F经电流I1放电，放电时间为t_H，T₀输出高电平。因此，本实施例提供的读取电路中，T₀输出的时钟信号中低电平所占的时间与高电平所占的时间比即为t_L/t_H。根据公式t_L/t_H∝f(V_BE/DV_BE)，可以得出T₀输出的时钟信号中低电平所占的时间与高电平所占的时间比∝f(V_BE/DV_BE)，即通过检测T₀输出的时钟信号中低电平所占的时间与高电平所占的时间比可得到待测物体的温度。

由于传感器所检测的温度会涉及到高温，在高温情况下第一开关管Q₁和第二开关管Q₂有可能会发生高温漏电，高温漏电流会影响电流I1和电流I2，从而影响检测温度。为有效避免高温漏电流的影响，于本实施例中，读取电路还包括补偿电路。补偿电路包括第一补偿管Q₁’和第二补偿管Q₂’，第一补偿管Q₁’和第二补偿管Q₂’分别与第一开关管Q₁和第二开关管Q₂对应设置。第一补偿管Q₁’的发射极与第一开关管Q₁的发射极相连接，第一补偿管Q₁’的基极和集电极接地；第二补偿管Q₂’的发射极与第二开关管Q₂的发射极相连接，第二补偿管Q₂’的基极和集电极接地。在电路设计时可设置第一补偿管Q₁’和第一开关管Q₁同型号，第二补偿管Q₂’和第二开关管Q₂同型号，即可实现高温漏电补偿。然而，本实用新型对第一补偿管Q₁’和第二补偿管Q₂’的结构不作任何限定。于其它实施例中，第一补偿管Q₁’和第二补偿管Q₂’可为分别与第一开关管Q1和第二开关管Q2相匹配的二极管。所述匹配为两者在高温情况下的漏电流尽可能的相接近。

于本实施例中，读取电路还包括匹配调节电路，匹配调节电路包括由相反信号(cp和cpb)控制的两组开关，两组开关通过改变第一开关管、第二开关管、第一负载电阻和第二负载电阻之间的位置进行失配调节，以减小由于制造过程中的电阻，三极管性能偏差引起的片与片之间的输出偏差。

于本实施例中，存储模块33为寄存器，存储在寄存器内的温度数据可大幅度提高温度数据的读写速率。然而，本实用新型对此不作任何限定。于其它实施例中，存储器33也可为非易失性存储器。

进一步的，如图7和图8所示，由于采用了电流舵来控制所有有源器件在工作时的电流大小，在工作时，整个装置的电流尖峰极小，有效减小了传感器对片上电压源的污染。同时，由于芯片有瞬时过流保护，该传感器极少触发过流状态。

综上所述，射频能量转换模块将天线所接受到的来自于自由空间内的超高频无线信号转换为直流电为温度传感器和射频传输模块进行自供电。该设置解决了现有温度传感器因为电池寿命和安全性的问题。此外，温度传感器所检测的数据同样可以通过射频传输模块以高频无线电的形式发送出去，实现数据的无线传输。有效解决了现有的有线传感器易短路安全性差的问题，极大简化了布局布线。即本实用新型提供一种无源无线且具有超高频无线通信功能的温度传感器。

进一步的，采用多稳态谐振器来对获取的温度信号进行处理，不仅有效降低了温度传感器的复杂程度，同时也简化了其与射频能量转换模块和射频传输模块之间的连接。同时，该温度传感装置工作时尖峰电流极小，降低了传感装置工作对片上模拟电源的污染，同时避免由于瞬时电流过大触发片上过流保护。

虽然本实用新型已由较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟知此技艺者，在不脱离本实用新型的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，因此本实用新型的保护范围当视权利要求书所要求保护的范围为准。