CN102853934B - 无线温度湿度传感器及系统和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无线温度湿度传感器及系统和测量方法，该无线温度湿度传感器包括基底、馈电网络、天线、以及声表面波振荡器。其中：声表面波振荡器通过天线经由馈电网络馈电；声表面波振荡器包括基准振荡器和测量振荡器；且基准振荡器和测量振荡器之间的谐振频率差值被用以编码待测温度和/或湿度。该系统可同时监测温度与湿度，或选择性地监测湿度或温度。此外，传感器随材料及连接件老化发生的谐振频率漂移在差分编码中被有效抑制，从而提高测量的长期稳定性并避免在使用过程中校准。

Description

无线温度湿度传感器及系统和测量方法

技术领域

本发明涉及一种无线传感器，具体涉及使用声表面波振荡器的温度湿度传感器。

背景技术

声表面波(Surface Acoustic Wave—SAW)传感器是一种以SAW为信息敏感载体的传感器，具有敏感精度高、响应时间快、适用范围宽、体积小等特点，在航空航天、食品卫生、环境监测、医药化工、过程监控、军事安全等领域获得了广泛的应用，SAW传感器显示了独特的技术优点。

目前已有多种声表面波多参量传感器，例如，中国实用新型专利第CN201837405U号公开了一种反射式脉冲信号声表面波传感器，遥测装置发出的无线脉冲信号被传感器天线接收并驱动叉指换能器产生射频声表面波，该声波脉冲被发射器反射并通过换能器及天线反向发射至遥测装置。该传感器通过检测反射延时变化提取温度等敏感量。中国专利申请第CN102313614公开了一种提高精度的声表面波温度传感器，使用多个反射器产生带有时间间隔的反射脉冲序列，通过结合使用该序列脉冲的延时差与单一频率下的多个脉冲间相位差来提高温度检测精度。上述专利使用了包含压电材料的声表面波装置。应注意到，随着压电材料或电气连接件的老化，反射延时会出现漂移，从而影响测度的长期稳定性。同时该结构包含较大尺寸的延时传输线，除不易小型化外，还引入较高的路径损耗，减小可靠的无线通信距离。

另外，中国专利第CN201348624Y号中还公开了一种多通道声表面波化学传感器装置，这种装置包含多个并行的声表面波检测通道以及一个参考通道，通过混频器产生各检测通道与参考通道间的频率差值并经由线缆送至分析装置。该发明需要使用有线方式传输较低频率的差频信号，并包含有源外围电路，从而无法实现无源无线传感器。此外，该装置不包含温度或湿度检测功能。

发明内容

本发明的目的是提供一种易于小型化且不会由于器件的老化而引起测量精度下降的无线温度湿度传感器。

根据本发明的第一方面，本发明提供了一种无线温度湿度传感器，包括基底、馈电网络、天线、以及声表面波振荡器，其特征在于：

所述声表面波振荡器通过所述天线经由所述馈电网络馈电；

所述声表面波振荡器包括基准振荡器和测量振荡器；且

所述基准振荡器和测量振荡器之间的谐振频率差值被用以编码待测温度和/或湿度。

一优选实施例中，所述的无线温度湿度传感器中，所述测量振荡器包括湿度测量振荡器和温度测量振荡器；所述基准振荡器、所述湿度测量振荡器和温度测量振荡器并联连接；

所述温度测量振荡器具有与所述基准振荡器不同的频率温度系数；以及所述湿度测量振荡器表面附着亲水性涂层，使所述湿度测量振荡器具有与所述基准振荡器不同的频率湿度系数。

优选地，所述温度测量振荡器置于封闭的封装结构内，以便选择性地监测温度。

优选地，所述湿度测量振荡器通过亲水性薄膜镀层来封装，以便选择性地监测湿度。

另一优选实施例中，所述传感器能够同时监测温度与湿度，或选择性地监测温度或湿度。

另一优选实施例中，所述基准振荡器和所述测量振荡器在同一片或多片的单层或多层压电材料膜基底上制作。

优选地，所述基准振荡器与所述测量振荡器具有不同的相对基底晶体相角的朝向

优选地，所述薄膜镀层通过气相或液相镀膜附着在基底和湿度测量振荡器的表面。

根据本发明的第二方面，本发明还提供一种无线温度湿度传感器系统，包括基底、馈电网络、天线、声表面波振荡器、以及遥测装置，其特征在于：

所述声表面波振荡器通过所述天线经由所述馈电网络馈电；

所述声表面波振荡器包括基准振荡器和测量振荡器，所述基准振荡器与测量振荡器具有不同的相对基底晶体相角的朝向；

所述基准振荡器和测量振荡器之间的谐振频率差值被用以编码待测温度和/或湿度；且

所述遥测装置扫描所述声表面波振荡器反射信号的谐振频率或电平相位并计算其差值，以便提取待测温度或湿度。

一优选实施例中，所述无线温度湿度传感器工作频率范围与临近的同型传感器工作频率范围互不重叠，以方便所述遥测装置同时查询。

一优选实施例中，所述遥测装置具备人机界面以提供温度和/或湿度读数，以及处理装置以提供预设门限的报警信号。

一优选实施例中，所述遥测装置包括有线或无线中继器或集线器，以便实现集群并与远程监控装置保持单向或双向通信。

根据本发明的第三方面，本发明还提供了一种测量温度和/或湿度的方法，其特征在于：采用上面所述的无线温度湿度传感器及其系统，并利用所述基准振荡器与所述测量振荡器的频率差来编码温度和/或湿度。

本发明的第一方面的无线温度湿度传感器中，所有声表面波振荡器均由集成的天线通过馈电网络馈电，各振荡器工作在相邻或相同谐振频率，振荡器间谐振频率差值被用以编码待测温度或湿度。基准振荡器与各测量振荡器在同一基底上按优选的朝向加工，可分别实现相对于基底晶体相角不同的夹角，从而使得基准振荡器具有与各测量振荡器不同的频率温度系数。各振荡器可以具有统一或分立的封装结构。同时其中一个测量振荡器表面附着亲水性涂层，并与外环境直接接触，使其具有与基准振荡器不同的频率湿度系数，该振荡器提供湿度测度，而没有亲水涂层的振荡器则提供温度测度。且此温度测度也可被进一步用于补偿湿度检测中的温度影响。同时各振荡器随材料及连接件老化发生的谐振频率漂移或相位漂移在差分编码中被有效抑制。

根据本发明的第二方面的无线温度湿度传感器系统中，上述传感器与遥测装置协同工作。遥测装置使用有限带宽的高频连续调频电磁波照射前述传感器，被传感器天线接收后激励声表面波振荡器，并通过天线反馈至遥测装置。如果温度或湿度测度低于或高于预设门限，该装置会告警，并将该信号发布到远处的接收装置。

附图说明

图1是本发明的无线无源温度湿度传感器的示意性结构俯视图；

图2是根据本发明的无线温度湿度传感器的示意性结构剖视图；

图3是本发明的传感器的一个实施例的频谱结构与频率差值的示意图；以及

图4和5为一个实施例中的温度湿度和频率之间关系的曲线图，其中，图4为湿度测量中频率随相对湿度的变化，图5为各频率及频差随温度及湿度的变化。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

图1示出本发明的无线无源温度湿度传感器100的示意性结构俯视图。如图1所示，传感器100包括：压电基底106，集成天线104，馈电网络105，温度测量振荡器101，基准振荡器102，和/或湿度测量振荡器103。其中，温度测量振荡器101和湿度测量振荡器103为测量振荡器。压电基底106为温度敏感的晶片或薄膜，其硬度、密度及尺寸随温度变化。在实施时，可根据具体应用来选择压电基底106的材料、切片方向及厚度。优选地，压电基底106的材料为铌酸锂、水晶、氧化锌、氮化铝、硫化镉、或硅酸镓镧等。此外，该基底底部还包含必要的支撑层，该支撑层材料优选地为陶瓷或金属支架，支撑层的厚度可根据需要来选择。

集成天线104为小型化集成天线，本例中为曲折线偶机子、微带贴片、倒F或开槽天线。其射频接地与传感器的地电位相连接，同时通过可选的阻抗匹配网络提高馈电效率。集成天线用于传递或反馈温度和/或湿度信号，并用于对湿度测量振荡器、温度测量振荡器、以及基准振荡器无线供电。

馈电网络105连接天线信号抽头，可使用微带线或金属跳线连接，可根据需要来选择馈电网络105的微带线或金属跳线的长度和直径或宽度。

振荡器101、102和103为声表面波振荡器，分别包含叉指换能器101b、102b和103b，以及短路反射器101a、102a和103a。各叉指换能器与对应反射器工作在相同频率点，各振荡器分别工作在相邻而不重叠的谐振频率f₁、f₂和f₃。振荡器101、102和103并联连接，同时，基准振荡器101具有与测量振荡器102和103不同的相对基底晶体相角的朝向，其朝向夹角为θ_r，优选地，夹角范围为25°至45°。

图2示出本发明的无线无源温度湿度传感器100的示意性结构剖视图。其中，衬底107为起支撑作用的无源衬底，本实施例中为金属支架。基底106为温度敏感的压电晶片或压电薄膜，可使用单晶生长工艺制备切片后固定在支架上，也可使用物理或化学气相镀膜于支架表面。随后使用包括光刻、激光雕刻、印刷或粘结等表面微加工工艺在压电基底上加工特定形状和厚度的金属膜结构202（即振荡器中的叉指换能器），金属膜结构材料可选自铝、金、钨、铜、钛等材料及其合金。需要指出的是，各振荡器101、102、103可制作在同一片或多片的单层或多层压电材料膜基底上。

各振荡器101、102、103可使用两种封装方式来封装，即通过薄膜镀层201封装或壳体203来封装。其中，薄膜涂层201可通过气相或液相镀膜附着在压电基底与金属膜结构表面，本实施例中使用氧化铝材料（也可使用氧化硅等材料）形成钝化表面来达到密封温度测量振荡器101和基准振荡器102目的。或者，使用高孔率的氧化锌或氮化铝等孔状材料来形成吸附蒸汽的亲水性薄膜镀层201来封装湿度测量振荡器103，且亲水性薄膜镀层201的上表面暴露于外环境中。图中所示的实施例中，使用高孔率的氧化锌或氮化铝等孔状材料来形成吸附蒸汽的亲水性薄膜镀层201来封装湿度测量振荡器103，而使用金属、陶瓷或塑料壳体通过粘结或焊接方式固定在温度测量振荡器101和基准振荡器102上来封装温度测量振荡器和基准振荡器。

另一个优选实施例中，传感器100中，使用铌酸锂基片的160nm厚铝-铜质薄膜插指换能器，压电基片底部还包含金属支架，厚度可取600微米至数毫米，优选地，本实施例中厚度为1毫米，各振荡器101、102、以及103含有50对电极，以及对称分布于振荡器两侧的100个周期长度的反射栅。传感器的工作频率设计在860MHz附近。首先使用氧化锌多孔薄膜封装湿度测量振荡器103，并使用氧化硅薄膜实现惰性封装温度测量振荡器101和基准振荡器102。

图3为本发明的一实施例中的传感器100的随温度湿度变化的曲线图。本例中各振荡器分别工作在频率f₁、f₂和f₃，其中温度测量振荡器工作在频率f₁，基准振荡器工作在频率f₂，湿度测量振荡器工作在频率f₃。频率差△f_T用于编码温度，△f_H用于编码湿度：

Δf_T＝f₂-f₁   （1）

Δf_H-f₃-f₂    （2）

应注意，若附近有同型传感器时，需优选频率范围以避免频率冲突，同时保证遥测装置可同时查询（即可检测到并可识别）这些传感器。

图4和5为一个实施例中的温度湿度和频率之间关系的曲线图。其中，图4为湿度测量中频率随相对湿度的变化，图5为各频率及频差随温度及湿度的变化。

具体地，湿度测量振荡器上表面涂层（膜）随外环境蒸汽分压C_V按以下规律变化改变密度ρ：

$\mathrm{\ρ}\left(C_V\right)={\mathrm{\ρ}}_0+\frac{C_V}{k+C_V/{\mathrm{\ρ}}_V}---\left(3\right)$

其中k为膜厚度决定的常量，ρ_v为蒸汽密度。而且，膜厚度也随吸附蒸汽而变厚。

图5显示了这两个变化使得涂覆有该膜的湿度测量振荡器内高频声波速率变化从而引起频变。当相对湿度在0%到100%范围内变化时，该频变可达150ppm。应注意，此时用于编码湿度的频差Δf_H是包含可能的相对于室温的温度变化ΔT＝T-T₀和相对于参考环境湿度的湿度变化ΔH＝H-H₀引起的频率变化的总频差(其中T₀为室温，H₀为参考环境湿度)，因此相对湿度需按以下方式提取：

$\mathrm{\ΔH}-H_c=\sqrt{\underset{i=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_i{\left({\mathrm{\Δf}}_H\right)}^i+\underset{i=0}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\γ}}_i{\left({\mathrm{\Δf}}_T\right)}^i}---\left(4\right)$

其中H_c、β_i(i＝0...M)及γ_i(i＝0...P)为校准系数，在出厂时使用曲线拟合或迭代法求解向量方程组方式校准。此流程可分为两步：

首先在预设湿度H₀...H_(M+1)及环境温度T₀下测量湿度测量振荡器103与基准振荡器102的频差Δf_H，建立以下方程组并迭代求解H_c、β_i(i＝0...M):

$\left[\begin{array}{c}{H_C}^2\\ {(H_1-H_0-H_C)}^2\\ {(H_{M+1}-H_0-H_C)}^2\end{array}\right]-\left[\begin{array}{cccc}1& \mathrm{\Δ}{f}_{H_0}& \·\·\·& {\left({\mathrm{\Δf}}_{H_0}\right)}^M\\ 1& {\mathrm{\Δf}}_{H_1}& \·\·\·& {\left({\mathrm{\Δf}}_{H_1}\right)}^M\\ \·& \·& & \·\\ \·& \·& & \·\\ \·& \·& & \·\\ 1& {\mathrm{\Δf}}_{H_{(M+1)}}& \·\·\·& {\left({\mathrm{\Δf}}_{H_{(M+1)}}\right)}^M\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\β}}_0\\ {\mathrm{\β}}_1\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\mathrm{\β}}_M\end{array}\right]=0---\left(5\right)$

随后在预设温度T₀...T_p及参考环境湿度H₀下测量湿度测量振荡器103与基准振荡器102的频差Δf_H及基准振荡器102与温度测量振荡器101频差Δf_T，建立以下方程组并求解γ_i(i＝0...P)：

此外，也可取比待解向量长度更长的测量采样点数，即多于M+2的湿度样点数或大于P+1的温度样点数进行拟合得到上述校准参数。上述湿度测量过程及校准方式使得传感器可直接提取湿度。须注意，上述湿度测量中，器件老化引起的频率漂移即已在频率差分Δf_T及Δf_H中抵消，因此使用过程中无需再次校准各系数，从而保证了湿度测量的长期稳定性。

另外，该传感器也可通过以下方式提取温度。具体地，通过△f_T的高阶多项式可提取相对于出厂校准环境温度的温度变化△T:

$\mathrm{\ΔT}-T_c=\sqrt{\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i{\left({\mathrm{\Δf}}_T\right)}^i}---\left(7\right)$

其中，校准系数T_c、各α_i（i＝0...N）在出厂时使用迭代法求解向量方程方式校准，即在预设温度T₀...T_N+1下测量基准振荡器102与温度测量振荡器101的频率差值，并建立以下方程组，通过迭代法解出T_c、α_i(i＝0...N)：

$\left[\begin{array}{c}{T_C}^2\\ {(T_1-T_0-T_C)}^2\\ {(T_{N+1}-T_0-T_C)}^2\end{array}\right]-\left[\begin{array}{cccc}1& {\mathrm{\Δf}}_{T_0}& \·\·\·& {\left({\mathrm{\Δf}}_{T0}\right)}^N\\ 1& {\mathrm{\Δf}}_{T1}& \·\·\·& {\left({\mathrm{\Δf}}_{T1}\right)}^N\\ \·& \·& & \·\\ \·& \·& & \·\\ \·& \·& & \·\\ 1& {\mathrm{\Δf}}_{T(N+1)}& \·\·\·& {\left({\mathrm{\Δf}}_{T(N+1)}\right)}^N\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_0\\ {\mathrm{\α}}_1\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\mathrm{\α}}_N\end{array}\right]=0---\left(8\right)$

同样的，上述的温度测量中，器件老化引起的频率漂移即已在频率差分Δf_T中抵消，因此使用过程中无需再次校准各系数，从而保证了温度测量的长期稳定性。

本发明的另一实施例中，上述温度湿度传感器还可与遥测装置（未图示）协同工作而构成传感器系统，其中，遥测装置可为本领域已知的适当的遥测装置，在此不再详述。遥测装置使用有限带宽高频连续调频电磁波照射前述传感器，被传感器天线接收后激励各声表面波振荡器（温度测量振荡器101、基准振荡器102、以及湿度测量振荡器103）。此间，压电薄膜基底形变并充电，从而在照射关闭后仍维持短暂振荡，并通过天线将各振荡器频率反馈至遥测装置。该遥测装置可包含人机界面及数据处理功能，可在本地直接显示温度湿度度数并根据预设阈值报警。而且，该遥测装置还可包括有线或无线中继器或集线器，以便实现集群并与远程监控装置保持单向或双向通信，将温度和/或湿度数据发布至远方的控制装置以形成集群组网能力。

另外，需要指出的是，当仅需要测量温度时，本发明的传感器系统可不包括湿度测量振荡器。同理，当仅需测量湿度时，本发明的传感器系统可不包括温度测量振荡器。而且，根据具体应用，在一个传感器中，可设置多个温度测量振荡器和/或多个湿度测量振荡器和/或多个基准振荡器，以提高测量精度及可靠性。

以上已详细描述了本发明的较佳实施例，但应理解到，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改。这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (12)

1.一种无线温度湿度传感器，包括基底、馈电网络、天线、以及声表面波振荡器，其特征在于：

所述声表面波振荡器通过所述天线经由所述馈电网络馈电；

所述声表面波振荡器包括基准振荡器和测量振荡器，所述基准振荡器与所述测量振荡器并联连接；

所述基准振荡器与所述测量振荡器具有不同的相对基底晶体相角的朝向；且

所述基准振荡器和测量振荡器之间的谐振频率差值被用以编码待测温度和/或湿度。

2.根据权利要求1所述的无线温度湿度传感器，其特征在于：

所述测量振荡器包括湿度测量振荡器和温度测量振荡器，所述基准振荡器、所述湿度测量振荡器和温度测量振荡器并联连接；

所述温度测量振荡器具有与所述基准振荡器不同的频率温度系数；以及

所述湿度测量振荡器表面附着亲水性涂层，使所述湿度测量振荡器具有与所述基准振荡器不同的频率湿度系数。

3.根据权利要求1所述的无线温度湿度传感器，其特征在于：所述传感器能够同时监测温度与湿度，或选择性地监测温度或湿度。

4.根据权利要求1所述的无线温度湿度传感器，其特征在于：所述基准振荡器和所述测量振荡器在同一片或多片的单层或多层压电材料膜基底上制作。

5.根据权利要求2所述的无线温度湿度传感器，其特征在于：所述温度测量振荡器置于封闭的封装结构内，以便选择性地监测温度。

6.根据权利要求2所述的无线温度湿度传感器，其特征在于：所述湿度测量振荡器通过亲水性薄膜镀层来封装，以便选择性地监测湿度。

7.根据权利要求6所述的无线温度湿度传感器，其特征在于：所述薄膜镀层通过气相或液相镀膜附着在基底和湿度测量振荡器的表面。

8.一种无线温度湿度传感器系统，包括基底、馈电网络、天线、声表面波振荡器、以及遥测装置，其特征在于：

所述声表面波振荡器通过所述天线经由所述馈电网络馈电；

所述声表面波振荡器包括基准振荡器和测量振荡器，所述基准振荡器与所述测量振荡器并联连接，所述基准振荡器与测量振荡器具有不同的相对基底晶体相角的朝向；

所述基准振荡器和测量振荡器之间的谐振频率差值被用以编码待测温度和/或湿度；且

所述遥测装置扫描所述声表面波振荡器反射信号的谐振频率或电平相位并计算差值，以便提取待测温度或湿度。

9.根据权利要求8所述的无线温度湿度传感器系统，其特征在于：相互临近的所述无线温度湿度传感器工作频率范围互不重叠，以方便所述遥测装置同时查询。

10.根据权利要求8所述的无线温度湿度传感器系统，其特征在于：所述遥测装置具备人机界面以提供温度和/或湿度读数，以及处理装置以提供预设门限的报警信号。

11.根据权利要求8所述的无线温度湿度传感器系统，其特征在于：所述遥测装置包括有线或无线中继器或集线器，以便实现集群并与远程监控装置保持单向或双向通信。

12.一种测量温度和/或湿度的方法，其特征在于：采用权利要求1-7中任一项所述的无线温度湿度传感器，并利用所述基准振荡器与所述测量振荡器的频率差来编码温度和/或湿度。