CN102636204A - 自编号声表面波无源无线谐振型传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自编号声表面波（SAW）无源无线谐振型传感器（SAW传感器），它采用多个SAW谐振器并接，其中一个为基准谐振器，采用传感量敏感特性较小的设计。其余的SAW谐振器为敏感谐振器，至少一个敏感谐振器对应于一个待测传感量，它们分别设计为对相应待测传感量具有明显敏感特性的结构。在规定工作频段内，采用频分方式设置各SAW谐振器谐振频率容许区间组，各区间不重合。SAW传感器采用频率区间组合编号，编号总数等于各频率区间数的积。本发明是一种自编号传感器，它保持了通用频差结构SAW传感器的优点，且通过粗测传感器内各谐振器谐振频率，可识别其编号，引用该传感器的实际参数，能较大提升传感量值测试精度。

Description

自编号声表面波无源无线谐振型传感器

技术领域

本发明涉及物联网无线传感器，特别是声表面波（SAW）无源无线谐振型传感器（SAW传感器）。

技术背景

声表面波（SAW）传感器是利用压电芯片及其上的叉指换能器等换能结构对外界环境参量应力的敏感性，测试其电学特性来获得环境参量值，已在许多领域得到应用。

物联网的兴起使无线传感器受到重视，由于SAW器件不需外界能源、其叉指换能器可直连天线收发射频无线电波并且能在恶劣环境下工作等特点，无源无线SAW传感器成为各国研发重点。

SAW无源无线传感器按检测原理分为两种类型：延迟型和谐振型。SAW无源无线谐振型传感器（下称SAW传感器），主要利用了SAW谐振器的谐振频率与所处环境传感量值相关的特点，已有商品应用在汽车轮胎、电力网等多种场合。

现今SAW传感器，主要结构为直接连接一小型天线（传感器天线）的SAW谐振器（组合）。SAW谐振器是一个谐振元件，其谐振频率对所处环境的传感量敏感。当传感器天线接收到阅读器发出的同频段脉冲询问信号后，被强迫激励，储存电磁能量。在询问脉冲激励完成后，能量弛豫，会通过传感器天线向外发射具有频率为其谐振频率的电磁回波。阅读器接收并检测回波频率特性，就可以换算出传感器所处环境的传感量值。其特点是：频率测试技术成熟；回波信号较强，测试灵敏度好；利用谐振器谐振频率的不同，可以实现防碰撞功能。

目前SAW传感器，采用了多种结构：

单谐振器型：传感器仅由一个SAW谐振器构成，测试其谐振频率来得到传感器环境传感量值。其不足是：直接测试高频频率，需要高精度本振源；当传感器与阅读器距离变化时，无线信道对频率测试影响加大。

双谐振器型：传感器由两个谐振频率不同的SAW谐振器构成，测试两个SAW谐振器谐振频率差，来得到传感器所处环境传感量值，克服了单谐振器型的不足，这种频差结构是目前SAW传感器的主流。

多谐振器型：为多个物理量同时检测而增加谐振频率不同的SAW谐振器。如汽车用SAW胎压传感器，使用了三个谐振频率不同的SAW谐振器封装在一个管座内，共用一个天线，可同时测出汽车轮胎内的温度和压力。

自编号传感器：附加了只作为编号码元用的N个谐振频率不同的SAW谐振器，实现2^N编号。由于一个传感器至少有N+1个谐振频率不同的SAW谐振器，占用频段宽，结构复杂。

由上述，为获得传感器所处环境下待检测传感量值，必须保证在规定环境下传感量参考值时（校准状态下）的传感器各SAW谐振器谐振频率（基础值）与产品规范标称值一致。目前，由于器件制程工程能力的限制，实际SAW传感器在校准状态下其各SAW谐振器谐振频率基础值与其标称值有较大的差异，导致测试精度下降。

发明内容

采用编号SAW传感器可解决因器件制程工程能力的限制，实际SAW传感器的谐振频率基础值与其标称值有较大差异，导致测试精度下降这个问题。通过现场识别SAW传感器编号，查阅该传感器实际参数（各谐振器谐振频率基础值等）资料，就能明显提升传感量值的测试精度。但现有自编号传感器，至少由N+1个谐振频率不同的SAW谐振器构成，结构复杂。

本发明设计一种自编号SAW无源无线谐振型传感器（SAW传感器），是将频差结构中的一个谐振器设计为基准谐振器，并通过频分方式实现编号。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：自编号SAW无源无线谐振型传感器采用多个SAW谐振器并接。其中一个为基准谐振器，采用传感量敏感特性较小的设计，其谐振频率f0称为SAW传感器的基准频率。其余的SAW谐振器，称为敏感谐振器，其谐振频率称为SAW传感器的敏感频率，至少一个敏感谐振器对应于一个待测传感量，它们分别设计为对相应待测传感量具有明显敏感特性的结构。

所有SAW谐振器通过匹配网络与传感器小型天线直连。

不同的SAW谐振器，可以是采用不同压电材料制作的，也可以是在同一压电材料上通过晶向各异排列、叉指换能器结构以及加载介质膜等设计工艺技术制作的。

在规定的SAW传感器工作频段内，采用频分方式设置各SAW谐振器的谐振频率容许区间组。区间大小应考虑在需要的传感量变化范围内和使用环境条件下，各SAW谐振器的谐振频率变化和器件工艺容差之和不超出区间。

各谐振器的谐振频率区间组内区间数可以不同，所有谐振器谐振频率的区间均不重合。

 SAW传感器采用频率区间组合编号。粗测出SAW传感器的各谐振频率值，可得到SAW传感器的编号。同一型号SAW传感器的编号总数等于各谐振频率区间数的积。

一些编号组合的多个SAW传感器构成的传感器组，具有防碰撞功能。

本发明有益效果在于所述自编号传感器结构简单，它保持了通用频差结构SAW传感器的优点，并且通过粗测传感器内各谐振器的谐振频率，可识别其编号，引用该个体传感器的实际参数，能较大提升传感量值测试精度。

附图说明

图1为本发明实施例的自编号SAW无源无线谐振型传感器示意图。

图2为本发明实施例的一SAW双谐振器型温度传感器例的频率区间设置和编号为A1的传感器的两个谐振器谐振频率标称值。

图3为本发明实施例的防碰撞功能示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明自编号SAW无源无线谐振型传感器的示意图，传感器采用多个SAW谐振器并接。其中一个为基准谐振器，采用传感量敏感特性较小的设计，其谐振频率f0称为SAW传感器的基准频率。其余N个SAW谐振器，称为敏感谐振器，其谐振频率称为SAW传感器的敏感频率，至少一个敏感谐振器对应于一个待测传感量，它们分别设计为对相应待测传感量具有明显敏感特性的结构。

所有SAW谐振器通过匹配网络与传感器小型天线直连。

不同的SAW谐振器，可以是采用不同压电材料制作的，也可以是在同一压电材料上通过晶向各异排列、叉指换能器结构以及加载介质膜等设计工艺技术制作的。

本发明可以采用多个谐振器同时检测多个传感量，谐振器的数目至少比待测传感量数多一个（即必须有一个基准谐振器）。

采用一个传感量敏感特性较小设计的SAW谐振器作为基准谐振器，有两个优点：一是增加同型号传感器的编号能力，二是对产品一致性较好的传感器，即使不引入个体传感器的实际参数，差频测试的测试误差不会太大，有较好的实用性。

SAW基准谐振器一般是采用石英基片制作的高Q谐振器，采取多种技术手段，尽量减小工艺制程和环境应力对其谐振频率的影响。这样，基准谐振器的单个频率区间范围较窄，也就是说，可以设置较多的基准频率区间。

为简明，下面以一采用双谐振器的温度传感器为例说明本发明。

温度传感器设计工作频率为434MHz频段。在434MHz频段内，石英基准谐振器的频率区间只要0.2MHz，利用2MHz频宽就可以设置十个基准谐振器区间。

敏感谐振器，需要较宽的频率区间，其宽度主要由压电基片材料的传感量敏感特性、待测传感量值范围、其它环境参数影响和器件制程工艺容差等确定。

前述温度传感器设计例，选用压电材料的温度系数为8ppm/℃，待测温度范围为100℃，在434MHz频段内，温度敏感谐振器的频率区间约为0.5MHz，利用2MHz频宽最多只能设置四个温度敏感谐振器频率区间。

在规定的SAW传感器工作频段内，采用频分法设置各SAW谐振器的固有谐振频率容许区间，各区间不重合。

在上述温度传感器设计例中，因只检测环境温度，故采用两个SAW谐振器已足够。使用432MHz~436MHz频段，可以设置传感器的基准频率区间和温度敏感频率区间如图2，其中基准频率区间采用字母A，B，…J表示，位于433MHz~435MHz间，每个区间宽0.2MHz，而温度敏感频率区间采用数字1，2，…表示，分列基准频率区间的两侧，区间宽度为0.5MHz。

SAW传感器采用频率区间组合编号，同一型号SAW传感器的编号总数等于各频率区间数的积。

在所述温度传感器设计例中，其编号依次为：A1，A2，A3，A4，B1，…J4，共40个编号。其中A1表示传感器的基准谐振器谐振频率标称值为433.1MHz，位于基准频率区间A，而其敏感谐振器谐振频率标称值为432.25MHz，位于敏感频率区间1，如图2中的粗实线表示。余此类推。

在使用时，应先粗测出SAW传感器的基准频率和敏感频率，由两频率值得到各自的频率区间，由于设置的频率区间不重合，所测SAW传感器的编号是唯一的，就可以查阅该编号传感器个体在校准状态下基准频率和敏感频率的基础值。由此，再采用差频测试技术，就能得到准确的待测环境温度。

选取编号各位相异的多个SAW传感器构成的一组，具有防碰撞功能，最大防碰撞数为基准频率和各敏感频率的频率区间数中较小值。例如上述温度传感器设计例中，采用A2，B1，C4和D3四个传感器构成的一组，就具有防碰撞功能，能同时检测四处的温度。图3上图示意构成同一防碰撞传感器组的四个传感器，它们的八个谐振器的频率设置，下图为阅读器所测谐振频率谱示意，可以区分各传感器，并测出各传感器所处环境温度。

SAW传感器芯片采用标准SAW器件设计和工艺技术制作，并应用户要求集成为一个实用化的传感器，阅读器采用常规频率测试技术，并可集成到无线网络中。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书其等效物界定。

Claims (6)

1.一种自编号声表面波无源无线谐振型传感器，其特征在于：它采用多个声表面波谐振器并接；其中一个为基准谐振器；其余的声表面波谐振器为敏感谐振器，至少一个敏感谐振器对应于一个待测传感量，它们分别设计为对相应待测传感量具有明显敏感特性的结构；所有谐振器通过匹配网络与传感器小型天线直连。

2.根据权利要求1所述的自编号声表面波无源无线谐振型传感器，其特征在于：在规定工作频段内，采用频分方式设置各声表面波谐振器谐振频率容许区间组，各区间不重合；声表面波传感器采用频率区间组合编号，编号总数等于各频率区间数的积。

3.根据权利要求1所述的自编号声表面波无源无线谐振型传感器，其特征在于：所述基准谐振器，采用传感量敏感特性较小的设计。

4.根据权利要求1所述的自编号声表面波无源无线谐振型传感器，其特征在于：所述基准谐振器，是采用石英基片制作的高Q谐振器。

5.根据权利要求1所述的自编号声表面波无源无线谐振型传感器，其特征在于：不同的声表面波谐振器，可以是采用不同压电材料制作的，也可以是在同一压电材料上通过晶向各异排列、叉指换能器结构以及加载介质膜等设计工艺技术制作的。

6.根据权利要求1和2所述的自编号声表面波无源无线谐振型传感器，其特征在于：一些编号组合的多个声表面波传感器构成的传感器组，具有防碰撞功能。

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