CN101371134A - 被用作rfid和用作传感器的声波装置 - Google Patents

被用作rfid和用作传感器的声波装置 Download PDF

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Abstract

一种声波装置和相关系统和方法，具有一些实施例，包括具有声波传感器和SAW RFID的装置。在一些实施例中，通过捕获来自周围环境的能量而供能该装置，不需要询问RF信号。

Description

被用作RFID和用作传感器的声波装置
技术领域
实施例通常涉及被用作传感器和射频识别(RFID)装置的声波装置。
背景技术
一般地，已知压电材料当在特定方向上发生应变(压缩或拉伸)时，在它们的部分表面上产生电荷，并且当移除压力时电荷消失。该机械应力产生与该应力成比例的电极化。该极化表现为压电材料上的电压。沿着特定轴的机械应力和电极化之间的关系在本领域是已知的。这些压电材料被用于可以将机械能转换成电能的电-机械变换器(electro-mechanical transducer)。
叉指式变换器(interdigital transducer，IDT)是用于激励或检测压电衬底上的声波的一种方式。例如，IDT可以包括经由两个母线(busbar)彼此交替连接的压电衬底的表面上的多个平行的金属电极。例如，其可以利用光刻方法被制备。施加至母线的AC电压引起谐波形变(harmonic deformation)，并且从IDT辐射声波。类似地，进入IDT的声波引起两个电极母线之间的RF信号。
SAW(表面声波)RFID装置可以是具有与其耦合的天线的编码IDT。可以接收询问无线电信号，并且可以产生声波。反射器IDT部件(或者优选地具有SAW反射能力的金属薄膜反射器条)的空间图案可以反射回来编码的声学信号，该编码的声学信号产生编码RF返回信号，也就是说，在每一个反射器处声波被部分反射，并且被转换回天线发射的电信号。该信号包括关于反射器的数量和位置的信息。例如，该信息可以表示二进制数标识符。该RF信号典型地在50MHz至几GHz的范围中。
声波传感器利用声波作为传感机构。当声波传播通过压电材料的表面，或在压电材料的表面上传播声波时，对于传播路径的特性的任何变化都会影响波的速度和振幅。通过测量传感器的频率或相位特性可以监控声波特性的变化。声波传播或反射特性的这种变化可以与被测量的相应物理、电或化学参数相关。例如，温度通常影响声波速度。比如压力、扭矩和加速度等机械参数可以影响声波传感器的弹性形变特性。阻抗传感器可以影响反射信号的振幅和相位。距离传感器可以取决于信号延迟。定向传感器可以取决于多普勒相位的测量。其它传感器可被设计成检测气体浓度，pH，流体流动，粘度，密度，磁场等等。例如，大多声波化学检测传感器可以基于传感器的质量灵敏度以及化学选择涂层，该化学选择涂层吸收导致增大传感器质量负载的感兴趣的蒸汽。当这些各种声波传感器是无线时，它们通常通过询问RF信号供电。
可以存在各种模式的振动，比如表面声波(SAW)模式，体声波(BAW)模式，挠性板模式(FPM)，声学板模式，剪切-水平声学板模式(SH-APM)，振幅板模式(APM)，厚度剪切模式(TSM)，扭转模式，勒夫波(lovewave)，漏表面(leaky surface)声波(LSAW)模式，伪表面声波(PSAW)模式，横模式，掠面(surface-skimming)模式，谐波模式以及泛音模式。通常地，声波装置被设计成最佳化一个或多个模式，并且抑制其它模式。
在各种文献中讨论了上面对于声波装置的应用，比如美国专利公开US2005/0225200；美国专利公开US2005/0226773；美国专利公开US2005/0231067；美国专利公开US2005/0240110；美国专利公开US2005/0277839；X，Q.Bao等人，“Saw Temperature Sensor and RemoteReading System”(IEEE 1987 Ultrasonics Symposium，pp.583-85)；Colin，K.Campbell，“Understanding Surface Acoustic Wave(SAW)Devices for Mobile and Wireless Application and DesignTechnique-Session 16：AnOverview of SAW Device forMobile/Wireless Communications”2004(可在http://www3.sympatico.ca/colin.kydd.Campbell/找到)；LeonhardReindl，“Wireless Passive SAW Identification Marks and Sensors”(2nd Int.Syp.Acoustic Wave Devices for Future MobileCommunication Svstem，Chiba Univ.3rd-5March 2004)；以及LeonhandReindl，“Wireless Passive SAW Idenfication，Marks and Sensors”(IEEE 2002 Int’1 Frequency Control Symposium Tutorials，1 June2002)。这些文献于此被参考结合。
已知各种装置可以产生(harness)原本会被消耗的能量(从外部源)。例如压电装置，热-电装置，磁弹性装置，压电-磁弹性装置，光-声装置，光-电装置等，可以用于根据周围源和结合具体应用可利用的源而捕获能量。
附图说明
附图不必须用以衡量。
图1是描述了本发明的一个例子的方块图；
图2是描述了本发明的另一例子的方块图；
图3是描述了具体化本发明的系统的例子的方块图；
图4是IDT的例子的透视图；
图5是沿着图4的线5-5获得的横截面图；
图6是描述了图1的例子的修改的方块图；
图7是描述了图2的例子的修改的方块图。
具体实施方式
在本发明允许有以各种形式的实施例的同时，在附图中示出和在下面描述一些实施例，可以理解，下面的公开内容被认为是本发明的例证，并且不试图限制本发明至所所描述或阐述的具体实施例。
在本发明的一些实施例中，声波装置包括声波传感器和SAW RFID。例如，它们可以使用相同的天线。它们也可以在相同的衬底上。这简化了制造，使包装更紧凑，并且降低成本。
图1是描述了本发明的一个例子的方块图。SAW RFID 110和SAW谐振器传感器载体120被表现为相同装置100的部分，并且被电连接至相同的天线130。在该例子中，SAW RFID 110包括具有平行的金属电极112的IDT部件111，该平行的金属电极经由两个母线113而交替地彼此电连接。以被设计成表示二进制识别码的方式隔开金属膜反射器条114。被施加至母线113的AC电压引起谐波形变，并且从IDT部件111辐射声波。反射器条114的空间图案反射回在母线113之间被转换成编码RF信号的编码声学信号，并通过天线130作为RFID发射。
在图1的例子中，装置100也包括具有IDT部件121和122的SAW谐振器传感器载体120。IDT部件121被以如IDT部件111的类似的方式电连接至天线130。传感器140可以是电容、电阻和/或电感传感器，并且作为IDT部件122的电负载被连接。被传感的参数改变负载(也就是传感器140)的阻抗，并改变IDT部件122的反射行为，以及并因此改变来自IDT部件121的RF信号的反射行为。在共用相同的天线130的同时，SAW RFID 110和SAW谐振器传感器载体120可以具有彼此稍有差别的中心频率。
图2是描述了本发明的另一例子的方块图。SAW RFID 210和SAW传感器220被表示为相同装置200的部分，并被电连接至相同的天线230。在图2中的例子中表示的SAW RFID 210类似于在图1的例子中表示的SAW RFID 110。
在图2的例子中，装置200也包括被示出为IDT的SAW传感器220，它以如图1的例子中的IDT部件121类似的方式电连接至天线230。在图2的例子中，传感器220可以在衬底上。作为例子，传感器220可以是具有被蚀刻衬底的底部的压力传感器。也就是说，IDT(也就是传感器220的)的部分可以在对压力和应变非常敏感的蚀刻隔膜(diaphragm)上。当衬底的该部分被合适地曝光时，被测量参数将被与声波特性的变化相关联，并因此与至天线230的RF信号相关联。
图3是其中声波装置310与信息站320通信的系统的示例描述。在图3的例子中，信息站320被描述为连接至天线324的接收器或收发器322。仅作为例子，声波装置310可以是在图1中描述的装置100或在图2中描述的装置200。依据本发明，RFID信号和传感器信号可从声波装置310获得。信息站320包括适于从预期来自声波装置310的信号提取期望信息的电路，如现有技术已知的。
在图1和2的例子每一个描述的声波装置都具有SAW RFID和SAW传感器或具有SAW谐振器传感器载体的SAW传感器，同时，可以存在多个传感器。
图4描述了IDT400的例子的透视图，并且图5是沿着图4的线5-5获得的横截面图。在图4和5的例子中，在压电衬底404上形成电极406，具有涂层402。例如，涂层402可以是吸收感兴趣的蒸汽的化学选择性涂层，从而改变IDT400的声学特性。例如，该结构将有用于化学检测传感器。涂层402不需要覆盖压电衬底404的整个表面。
在一些实施例中，具有用于传感不同的化学制品的不同涂层的多个传感器将全部是声波装置310的部分。
可以由多种材料形成压电衬底404，比如石英，铌酸锂(LiNbO3)，钽酸锂(LiTaO3)，Li2B4O7，GaPO4，硅酸镓镧(La3Ga5SiO14)，ZnO，以及外延生长氮化物，比如Al，Ga或In，只指出了一些。可以由多种材料形成IDT电极406，例如金属材料，比如Al，Pt，Au，Rh，Ir，Cu，Ti，W，Cr或Ni；比如NiCr或CuAl的合金；或者金属-非金属化合物，比如基于TiN，CoSi2或WC的陶瓷。
在声波装置310的一些实施例中，IDT的不同振动模式(比如IDT400的例子)可以用于分别传感不同的参数。
在图3的例子中，在一些实施例中，通过询问由收发器322发射的RF信号可以给声波装置310供电。然而，在一些实施例中，从声波装置310可以发送传感器信息和识别信息至接收器322，不需要RF请求。在这种情况中，增大了信噪比(signal to noise level)，并因此增大了发射距离。不需要询问RF信号，而捕获来自周围环境的能量，声波装置310可以自供电。各种装置可以产生原本会被消耗的能量。例如压电装置，热-电装置，磁弹性装置，压电-磁弹性装置，光-声装置，光-电装置等，可以用于根据周围源和结合特定应用可利用的源而捕获能量。
图6是描述了图1的例子的修改的方块图。如在图1的例子中，SAWRFID 610和SAW谐振器传感器载体620被表示为相同的装置600的部分，并被电连接至相同的天线630。传感器载体620包括IDT部件621和622。IDT部件621电连接至天线630。传感器640作为IDT部件622的电负载被连接。被传感的参数改变负载的阻抗，并改变IDT部件622的反射行为，并因此改变来自IDT部件621的RF信号的反射行为。
然而，图6描述了附加的能量捕获元件650，其被设计成将一些在特定应用中可获得的其它能量转换成有用的电能。例如，这可以是热-电装置，该热-电装置可以采用可获得的热能。作为另一个例子，元件650可以是谐振结构(具有压电层)，该谐振结构被设计成响应可获得的振动源的特征频率，或被设计具有混杂的周围噪声范围中的谐振频率。压电材料中的机械应力产生自身表示压电材料上的电压的电极化。作为例子，利用集成电路技术，这种谐振结构可被悬梁制备。
例如，典型的步骤可以起始于具有利用湿氧化工艺形成于顶部和底部侧面上的二氧化硅(SiO2)层(典型地大约2微米厚)的硅晶片。然后通过利用溅射工艺沉积钛(Ti)和铂(Pt)层，可以在顶部侧面上形成底电极，继之以任意的电极构图步骤。该Ti典型地是大约50纳米厚，并且充当粘合层，并且电极金属Pt典型地是几百纳米厚。接下来，沉积压电薄膜(典型地0.1至5微米厚)。例如，通过重复的溶胶凝胶(solgel)工艺可以沉积三微米的锆钛酸铅(PZT)膜。通过如用于底电极的相同的工艺然后可以在压电薄膜的上部沉积顶电极。通过利用标准的光刻图案化与湿和/或干蚀刻工艺的组合，随后可以形成顶电极的顶部装置图案、压电薄膜、底电极和谐振梁。利用例如结合金属(比如镍(Ni))电镀的SU-8工艺或UV-LIGA等工艺，可以以晶片级制备可选的质块(proof mass)。
在顶侧步骤之后，在进行至从底部选择性地移除体硅(Si)的底侧步骤之前可以保护顶部侧面，以便形成具有期望厚度的悬梁(cantilever beam)谐振器。用于这种Si微加工步骤的典型的方法是在底部侧面上构图SiO2，并且然后利用湿化学(比如氢氧化钾(KOH))溶液蚀刻曝光的Si区域。
继续图6，能量捕获元件650上的电压可被施加至整流元件660(比如整流或功率调节电路等)，然后至振荡元件670(比如振荡器和其它电路等)，以实现适用于给SAW RFID610和SAW传感器载体620供电的RF信号。
图7是描述了图2的例子的修改的方块图。如在图2的例子中的，SAW RFID710和SAW传感器720被表示为相同的装置700的一部分，并被电连接至相同的天线730。然而，图7描述了能量捕获元件750的添加，其被设计成将一些在特定应用中可获得其它能量转换成有用的电能。这可以类似于在上面讨论的能量捕获元件650。能量捕获元件750上的电压可被施加至整流元件760(类似于元件660)，并且然后至振荡元件770(类似于元件670)，以便实现适用于给SAW RFID710和SAW传感器720供电的RF信号。
从上面的内容可以看出，可以实施修改和变形，只要不脱离本发明的新颖概念的精神和范围。可以理解，试图不关于所示或所述的具体实施例地进行限制，或被推断。

Claims (10)

1.一种声波装置，包括：
天线；
声波射频识别部分；
声波传感器部分；
声波射频识别部分电连接至天线；
声波传感器部分电连接至天线；
当在声波射频识别部分中产生声波时，声波射频识别部分能够反射回编码的声学信号；
声波射频识别部分能够将编码的声学信号转换成编码的RF信号；
根据被传感的参数，声波传感器部分能够修改传感器声波的特性；
声波传感器部分能够产生包括关于被传感参数的信息的传感器RF信号。
2.如权利要求1中的声波装置，
其中该装置的至少一部分包括叉指式变换器部件；
该叉指式变换器部件能够将声波转换成RF信号。
3.如权利要求1中的声波装置，
其中该装置的至少一部分包括叉指式变换器部件；
该叉指式变换器部件包括多个金属电极。
4.如权利要求1中的声波装置，
其中声波射频识别部分包括具有声波反射能力的金属膜反射器条的空间图案；
该条的空间图案与该装置的识别码相关联。
5.如权利要求1中的声波装置，
其中该装置的至少一部分包括压电材料；
该压电材料能够将振动转换成该装置的至少部分上的电压差。
6.如权利要求1中的声波装置，其中声波传感器部分包括多个传感器。
7.如权利要求1中的声波装置，
声波传感器部分包括叉指式变换器部件；
该声波传感器部分能够利用叉指式变换器部件的不同振动模式来分别传感不同的参数。
8.如权利要求1中的声波装置，其中该声波传感器部分能够传感来自包括物理参数、电参数、化学参数、温度、压力、扭矩、加速度、阻抗、距离、方位、气体浓度、pH、流体流动、粘度、密度和磁场的组中的至少一个参数。
9.如权利要求1中的声波装置，进一步包括：
能量捕获元件；
该能量捕获元件能够将来自该装置附近的环境的能量转换成用于给该装置供电的能量。
10.如权利要求9中的声波装置，进一步包括：
整流电路；
振荡电路；
整流电路电连接至能量捕获元件；
振荡电路电连接至整流电路；
振荡电路电连接至声波射频识别部分；
振荡电路电连接至声波传感器部分。
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