CN103392126A

CN103392126A - 用于监视固体结构内的参数的集成电子设备和使用这样的设备的监视系统

Info

Publication number: CN103392126A
Application number: CN2011800682166A
Authority: CN
Inventors: A·帕加尼; B·穆拉里
Original assignee: STMicroelectronics SRL
Current assignee: STMicroelectronics SA; STMicroelectronics SRL
Priority date: 2010-12-22
Filing date: 2011-10-20
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2031-10-20
Also published as: US9097637B2; EP2656057A1; WO2012084295A1; ITMI20102365A1; IT1403612B1; EP2656057B1; CN103392126B; US20130342186A1

Abstract

一种用于检测和监视固体结构(300)内的局部参数的设备(100)。该设备包括：在单个芯片上制作的集成检测模块(1)，具有包括至少一个集成传感器(10)和集成天线(11)的集成功能电路装置部分(16)；以及电磁装置(2)，用于发送／接收信号和能量交换。集成功能电路装置部分(16)包括面向芯片外部的功能表面(18)。钝化层(15)被布置用于完全覆盖至少功能表面(18)，从而完全密闭地密封并且从周围环境电绝缘集成检测模块(1)。通过磁或者电磁耦合操作地无线连接集成天线(11)、电磁装置(2)和远程天线(221)。

Description

用于监视固体结构内的参数的集成电子设备和使用这样的设备的监视系统

技术领域

本发明涉及用于监视固体结构内的参数的集成电子设备，并且具体地涉及根据权利要求1的前序部分的一种用于检测和监视参数的设备。

本发明也包括一种用于监视固体结构内的参数的系统，其使用前述用于监视参数的集成电子设备。

背景技术

在固态结构中(具体在例如桥梁、建筑、隧道、铁路、反应堆壁、水坝、堤防、管线和都市传送线的地下结构等)的负载承载结构中，很重要的是在许多点监视显著参数，如例如压强、温度和机械应力。

定期地或者连续地执行的这样的监视在初始阶段和在结构的寿命期间都是有用的。

出于这一目的，在这一应用领域中也已知应用能够低成本提供良好性能的基于电子传感器的电子监视设备。

通常向待监视的结构的表面上或者在结构中已经预见的并且从外界可访问的凹陷内应用这样的设备。

然而这样的设备不能穷尽地检测待监视的结构内的如下参数，为了评估结构的质量、它的安全性、它的老化度、它对可变大气条件的反应等，知道这些参数是很有用的。

另外，仅能在已经构建结构之后而不能在构建它之时应用这样的设备。因此，它们不能评估可能的初始缺陷。

作为对这些要求的部分回应，美国专利US6,950,767中所示解决方案提供一种电子监视设备，其完全包含(即“掩埋”)在制作待监视的结构的材料(例如加固混凝土)内。

更具体而言，在专利US6,950,767中，在结构中掩埋的设备是单个容器中封包的整个系统，该容器由在衬底上组装的不同部分(诸如集成电路、传感器、天线、电容器、电池、存储器、控制单元)组成并且在通过用金属连接制作的电连接来一起连接的不同芯片中制作。

总而言之，US6,950,767因此描述“封装中的系统(SiP)”类型的解决方案，其中用注模材料(诸如环氧树脂)的壳体涂覆SiP。

这样的系统由于在该系统中包括的无线电通信子系统而与外界通信，该无线电通信子系统必须具有在尺寸上以能够与远程系统通信这样的方式设定的天线。

US6,950,767的系统也包括具有与功率供应相关的功能的子系统，例如在它通过电磁波从外界接收能量的情况下为整流器或者另外为它自己的用于内部生成功率供应的电池。

将观察到旨在于在建筑材料(例如然后将固化的液体混凝土)中初始地“嵌入”的、然后保持“掩埋”于固体结构中的监视系统受到严格条件，例如可能甚至为数百个大气压的极高压强。

也有能够损坏系统的例如由于水渗透而随时间磨损的许多其它原因。

已知系统如US6,950,767的系统的缺点源于如下事实：即使在封装中装入它们，它们仍然是复杂系统，因此可能在面临它们必须在其中工作的操作条件时受损。

具体而言，在US6,950,767的SiP的各种部分之间的电互连可能在面临结构中插入的SiP必须经受的机械应力时易受影响。

另外，必须留在封装中的用于允许传感器检测相对参数的“窗”可能是针对可能潮湿渗透的弱点。

另外，在涂层材料中的破裂或者缺陷可能允许水在SiP以内渗透并且引起短路。

除了水之外，其它物质(诸如潜在有腐蚀的酸)也可能渗透。

一般而言，虽然被设计用于提到的用途，但是系统如US6,950,767的系统的可靠却由于这样的系统的尽管被小型化的结构的复杂性而具有限制。

也将观察到US6,950,767的解决方案提供在待监视的结构的不同点、但是在位置的位置使用许多SiP。必须基于技术如三边测量估计位置。这可能引起各种缺点，这些缺点包括：

-如果传感器的位置的估计不正确，则外部远程数据收集和处理系统获得的数据可能不准确或者难以解译；

-如果结构由加固混凝土制作并且包括金属结构(例如钢杆)，则不可能控制和避免电磁屏蔽影响；这可能危及与外界的通信和／或不同SiP的位置的检测。

本发明的目的是设计和提供一种用于监视固体结构内的参数的集成电子设备，改进该集成电子设备以便至少部分避免以上参照现有技术描述的缺点。

具体而言，在提高各种类型的建筑结构的安全性这一更一般情境中提出一种简单、鲁棒并且更可靠的改进的监视设备以允许测量实心结构的至少一个物理数量。

发明内容

这一目的由根据权利要求1的一种设备实现。

在从属权利要求2至11中限定这样的设备的又一实施例。

在权利要求12中限定一种包括根据本发明的设备的监视系统。

在从属权利要求13至15中限定这样的系统的又一实施例。

附图说明

根据本发明的用于监视参数的电子设备的更多特征和优点将从参照附图给出的用于指示而非限制用途的优选示例实施例的以下具体描述中变得清楚，在附图中：

-图1图示根据本发明的示例的电子监视设备的功能图；

-图2A和图2B示出两个简化截面图，这些截面图分别涉及图1的电子监视设备中包括的集成检测模块的两个实施例；

-图3图示根据本发明的更多示例的电子监视设备的结构图；

-图4示意地图示根据本发明的示例的监视系统；

-图5示出根据本发明的监视系统中包括的内部监视子系统的一个实施例；

-图6A和图6B分别示出根据本发明的内部监视系统的细节的两个实施例；

-图7图示根据本发明的内部监视子系统的细节的又一实施例。

具体实施方式

参照图1，根据本发明的示例描述用于检测和监视固体结构内的一个或者多个局部参数的电子设备100(下文为了简洁而将限定该设备为“监视设备”)。

监视设备100包括半导体芯片(下文简单地限定为芯片)上制作的集成检测模块1，其中半导体通常是硅。

监视设备100也包括固定地连接到集成检测模块1的电磁装置2，该电磁装置用于在集成检测模块1与图1中未示出的外部控制和数据收集系统之间发送／接收远程通信信号并且交换能量。

集成检测模块1包括集成功能电路装置部分16。出于本描述的目的，术语“集成功能电子装置模块”意味着指示集成检测模块1的如下部分，该部分被布置用于实施模块本身中包括的功能块，如例如下文描述的功能块。

如图1中所示，集成检测模块1的集成功能电路装置部分16包括能够检测和监视表征待监视的结构的一个或者多个参数的集成传感器10，这些参数将被保持于控制之下。通常，这样的参数是压强和／或温度和／或机械应力。

将观察到根据备选实施例，如下文将更清楚地示出的那样，在集成检测模块1中可以集成多于一个的传感器，并且它们中的每个可以检测一个或者多个参数。

也将注意，可检测的参数可以不同于以上作为示例引用的参数，只要它们在半导体上或者在制作集成检测模块1的单个芯片中集成的结构上引起可检测影响即可。

通常，集成传感器10能够将温度或者压强值变换成电学变量，例如利用这样的例如对半导体中的电子／空穴的迁移率引起的已知变化。

关于这一点，已知的是迁移率与半导体材料的结晶取向独立地依赖于温度并且根据支配压电电阻现象的法则以依赖于半导体材料的结晶取向的方式依赖于压强。具体而言，参照米勒指数，在限定表征晶体的平面和轴时使用常用符号表示，例如考虑平面(001)中的N型晶体：在这样的示例中，如果相对于与结晶取向关联的参考系沿着轴[100]和轴[010]施加应力，则对机械应力、因此对压强的灵敏度在它的最大值，而它沿着轴[110]在它的最小值。

因此，利用集成检测模块1的芯片上集成的部件的适当配置，可以通过补偿来自温度的依赖性来构建压强传感器或者反之通过补偿来自压强的依赖性来构建温度传感器。

应当注意，对老化和磨损的其它依赖性鉴于它们在很长时间段(例如数年内)显现而容易区别于前述依赖性并且被补偿。

根据一个实施例，传感器10是用惠斯登桥配置中集成的四个电阻器形成的压强传感器，在该配置中，两个压敏电阻器沿着与结晶取向关联的轴[100]和[010]取向，而另外两个沿着轴[110]取向，这是与压电电阻效应的最小灵敏度轴的角度重合的取向。以这一方式，测量对“温度”参数的依赖性完全可忽略，并且在这一意义上，可以认为以与“温度”参数基本上独立的方式测量“压强”参数。

根据更多示例实施例，传感器10是第一和第二环形振荡器制作的压强和温度传感器，每个环形振荡器包括级联的多个集成部件(例如三个或者奇数数目的“反相器”或者另外是两个或者偶数数目的“差分缓冲器”)。第一振荡器的集成部件由具有与第二振荡器的材料的取向不同的结晶取向的半导体材料构成：例如分别具有沿着轴[110]和[100]或者[010]的取向。

以这一方式，具有沿着[110]的取向的第一振荡器(其中压电(即压电电阻)影响在它的最小值)的振荡频率基本上仅依赖于温度，因为压强的影响完全可忽略；因此，可以解译这样的频率为温度传感器的输出。

具有取向[100]或者[010]的第二振荡器的振荡频率如果排除由于第一振荡器的输出而已知的温度的影响则基本上仅依赖于压强；因此，可以解译这样的频率为压强传感器的输出。

应当注意，在以上描述的示例中，为了传感器10工作，不必有在集成检测模块1以外的膜或者其它部件。

再次参照图1，将观察到集成检测模块1的集成功能电路装置部分16也包括集成天线11。

集成天线11执行向集成检测模块1以外无线发送测量的数据(即如下电学变量中的每个电学变量的强度，这些电学变量分别依赖于并且代表待检测和监视的物理数量之一)的功能。

集成天线11也执行从外界接收操作命令的功能。

另外，集成天线11执行接收集成模块1的远程功率供应所必需的射频波的更多功能而无需本地电池或者功率供应。

借助集成检测模块1中包括的至少一个金属化部件层(例如铝或者铜)制作集成天线11。

如图1中所示，集成检测模块1的集成功能电路装置部分16也包括以下辅助功能块：功率供应电路12、驱动电路13和控制电路14。

功率供应电路12被布置用于从集成天线11接收的射频波获得集成检测模块1的操作所必需的电功率供应。出于这一目的，功率供应电路12连接到集成天线11以接收射频波；并且它也连接到集成传感器10和集成功能电路装置106的其它功能块(即在图1的示例中为驱动电路13和控制电路14)以供应电功率。

驱动电路13被布置用于驱动集成天线11，从而它无线发送测量的数据。出于这一目的，驱动电路13操作地连接到集成天线11，并且也连接到传感器10和控制电路14，驱动电路13从传感器10接收测量的数据并且从控制电路14接收相关命令。

控制电路14被布置用于根据从外界发送的并且集成天线11接收的操作命令规定的控制来控制集成模块1中存在的集成功能电路装置的操作。出于这一目的，控制电路14在一侧上操作地连接到集成天线11(它通过该集成天线接收操作命令)，而在另一侧连接到传感器10、驱动电路13和功率供应电路12以致动这样的命令。

可以借助例如在RFID(射频标识符)技术领域中的本身已知电路或者智能卡制造技术制作功率供应电路12、驱动电路13和控制电路14。因此，这里将不具体描述它们。

关于这一点，应当注意，集成天线11的操作模式可以有利地基于通常为RFID技术的负载调制技术。

参照图2A和图2B，现在关注集成检测模块1的物理结构的一些细节，以上已经描述该检测模块的功能结构。

图2A的简化截面图示意地代表硅衬底17和集成功能电路装置部分16。集成功能电路装置部分16为了简化而由单层示意地表示，但是如公知的那样，它当然可以由多层制作。

将观察到硅衬底17和集成功能电路装置部分16形成在其上制作集成检测模块1的单个芯片。

集成功能电路装置部分16包括面向这样的芯片的外部的功能表面18(即功能电路装置表面)。功能表面18因此是芯片的外表面的如下部分，该部分属于集成功能电路装置部分16。

集成检测模块1也包括钝化层15。

在图2A中所示实施例中，钝化层15是被布置用于完全覆盖集成功能电路装置部分16的至少所述功能表面18的不可渗透和保护层，从而集成检测模块1作为整体被完全密闭地密封并且与周围环境电绝缘。

这样的钝化层15可以例如由氧化硅、氮化硅或者碳化硅制作。

将观察到，明确地在集成检测模块1上并且具体在集成功能电路装置部分16的功能表面18上制作钝化层15，从而无金属化部件朝着外界可访问。具体而言，钝化层15有利地也覆盖在最终应用中非操作的如下可能金属化部件，即这些金属化部件可以存在于包含集成电路的芯片上，以便在从已经在其上制造它们的硅晶片被切割之前允许它们的测试。

应当注意，可以根据本身已知的、因此图2A中未示出的解决方案借助例如密封环密闭地密封集成检测模块1的一些部分，即图2A的截面图中的“侧部”部分。另外，密封并且电绝缘集成检测模块1的衬底17(即图2A的截面图中的“底部”部分)本身。

因此，被布置用于覆盖集成功能电路装置部分16的功能表面18(即图2A的示意图中的芯片的“顶部”部分)的钝化层15在一方面为必需，而在另一方面足以保证整体上密闭地密封并且与周围环境电绝缘集成检测模块1的单个芯片。

应当注意，为了检测待监视的参数而必需的所有功能由集成检测模块1形成于其中的单个芯片以内存在的块执行这样的事实使这样的密封和这样的完全电绝缘有可能。

具体而言，集成检测模块1由于以上描述的特征而有利地能够提供它的功能而无需用于朝着集成模块本身的外部的连接的任何接线和／或金属化部件。因此，它不具有朝着外界的任何金属端子，即不具有无接线键合和／或“焊盘”和／或“凸块”，因此可以将其完全密封和电绝缘。

另外，集成检测模块1能够执行它的检测功能而无需更多介入块，并且无需对制作待监视的结构的固体材料的更多保护壳。因此可以在这样的结构中嵌入它并且与它直接接触放置。

将观察到缺乏更多保护壳并不使集成检测模块1易碎，而实际上提高它的可用性和可靠性。

实际上，钝化层15使集成检测模块1关于水、潮湿和任何其它外部腐蚀或者退化剂受完全保护，而不具有将诸如受所述剂攻击的弱点，如例如金属化部件。

关于这一点，将观察到可以例如在构建为封装中系统的监视设备中也在有整个封装中系统周围的保护壳时攻击存在的这样的弱点。

另外，关于机械阻力，正是形成集成检测模块1的半导体材料本身保证所需性能。

实际上，半导体材料(例如硅)具有允许它抵抗、但不断裂并且高达至少1500个大气压的压强正确工作的机械性质，只要这样的压强均匀并且这样的压强值仍然在集成检测模块1放置于其中的固体材料以内的压强以上即可。

这些特征允许在构建待监视的结构期间(例如在液体混凝土浇灌步骤期间)在结构本身中嵌入集成检测模块1，并且它们也允许集成模块1以后在混凝土已经固化之后从(例如加固混凝土的)固体结构以内操作，从而相对于典型要求具有长寿命和良好可靠性参数。

根据图2B中所示集成检测模块1的又一实施例，制作钝化层15以便在已经切割已经在其上制造集成模块1的硅晶片之后完全覆盖集成模块。有利地，这样的实施例在已经提到已知的用于保护除了功能表面18之外的部分的溶液出于无论任何原因而视为不充分的情况下提供集成检测模块1的密闭密封和电绝缘的进一步保障。

再次参照图1，考虑用于接收／发送用于远程通信和能量交换的信号的电磁装置2。

这样的电磁装置2满足允许在集成检测模块1与外部控制和数据收集系统之间通信的要求，该外部控制和数据收集系统远程地处于例如距待监视的结构、因此距集成检测模块1的数厘米或者数米距离。考虑到由于电磁场必须穿过的待监视的固体结构所致的衰减，这也意味着需要发送近场或者远场电磁能量。

面临这一点，在集成检测模块1中包括的集成天线11本身由于主要归因于它的小尺寸的固有限制而不能保障远程通信。

应当注意，在这里描述的实施例中，电磁装置2由于其结构而允许发送／接收远程通信信号(例如如先前已经描述的那样为传感器发送测量数据和接收操作命令)以及交换能量以供应功率(例如如先前已经描述的那样接收射频波以供应功率)。

在图1中所示实施例中，电磁装置2是以电磁扩展和集中设备2的形式，该设备具有在集成检测模块1的集成天线11上集中外部电磁场及其有关能量并且类似地朝着例如外部控制和数据收集系统的远程天线扩展集成天线11发射电磁场及其有关能量的性质。

这样的电磁扩展和集中设备2包括通过电连接网络23一起连接的至少两个天线，例如第一天线21和第二天线22。这样的电连接网络23可以例如是简单传输线或者另一电路。

第一天线21借助电磁场(用图1中的F符号指示)并且优选地通过磁场耦合(即近场磁耦合)与集成检测模块1的集成天线11通信。

第二天线22通过电磁场耦合(即远场电磁耦合)与例如外部控制和数据收集系统的远程天线通信。

第一和第二天线21、22中的每个天线可以是赫兹偶极子或磁偶极子或者甚至另一类型的已知天线，只要它能够执行以上描述的功能即可。

现在考虑图3，该图从结构观点示出根据本发明的监视设备10并且具体图示电磁装置2的又一实施例。

将观察到，在图3中使用与图1中相同的编号，其中指示的部分相同或者具有相同功能。

在图3中所示实施例中，监视设备100也包括例如由聚合材料制作的支撑3，例如通过胶合将集成检测模块1和电磁装置2集成于该支撑上。

应当注意，这样的支撑3主要执行如下文将举例说明的如下功能，执行功能为保持相互固定地连接的集成检测模块1和电磁装置2并且也在待监视的结构以内的预定位置保持监视设备100。

在图3中所示实施例中，电磁扩展和集中设备2的(即电磁装置2的)第一天线21包括线圈21。

另外，电磁扩展和集中设备2的(即电磁装置2的)电连接网络23包括本身已知的适配电路23。

另外，电磁扩展和集中设备2的(即电磁装置2的)第二天线22包括赫兹偶极子天线22。

线圈21与集成检测模块1接近放置，并且在它周围延伸以便与集成天线11磁耦合。向赫兹偶极子天线22传送由集成天线11在充当磁偶极子的线圈21上感应的电流。

这样的传送优选地由适配电路23调解，这允许提高电磁扩展和集中设备2的总性能。

如已经观察到的那样，电磁扩展和集中设备2的第二天线22在这一情况下为适合于远场通信的赫兹偶极子。电磁装置2因此可以在这一情况下视为混合变换器(transformer)，在该混合变换器中，赫兹偶极子(即赫兹偶极子天线22)与集成检测模块1的集成天线11磁耦合。

有利地，设计磁偶极子(即线圈21)以便最小化它的尺寸并且优化它与集成天线11的耦合。

也有利地，设计赫兹偶极子(即天线22)以便优化远场通信。

关于这一点，赫兹偶极子天线的尺寸通常与操作波长可比较，该操作波长与通信频率相关。

根据一个非限制实施例，根据本发明的监视设备100可以使用在约为800MHz或者以上的频率的UHF传输频带，这意味着它配备有厘米级合理尺寸的赫兹偶极子。

然而，将观察到可以在不同实施例中使用宽频率频带范围，从而根据具体应用来发现在一方面为待保障的通信距离与另一方面为视为适合的赫兹偶极子的尺寸之间的平衡。

从与监视设备100关联的发送／接收信道的传输带宽的观点来看，无特别严格要求，因为它必须支持的通信相对简单并且意味着少量信息。数十千赫兹(例如200千赫兹)的带宽便已足够。

如已经观察到的那样，电磁装置2基于已经描述的相同基础结构可以不仅发送和接收远程通信而且在赫兹偶极子天线22的工作频带内的频率从充分功率的电池波接收能量。这样的接收的能量通过已经描述的功率供应电路12用于集成检测模块1的功率供应(即用于“远程功率供应”)。

现在具体参照图4，考虑用于监视固体结构内的参数的系统200(下文为“监视系统”200)，该系统利用以上描述的监视设备100。这样的监视系统200能够监视在待监视的固体结构内的一个点或者多个点的一个或者多个参数(因此为“局部”参数)。

应当注意，仅用于示例目的的图4的表示未按比例。具体而言，为了图示的清楚，在图4中放大监视设备100的相对尺寸。

监视系统200在图4中所示实施例中包括固体结构300以内(即，内部)的内部监视子系统210以及外部控制和数据收集子系统220。

将观察到，在图4的示例中，待监视的结构是包括钢加固杆301的加固混凝土柱。因此在这样的加固混凝土柱内已经从构建它时包括内部监视子系统210。具体而言，在建造期间，在框架确定的体积以内的所需位置适当地布置内部监视子系统210。随后，在这样的框架以内浇灌液体混凝土，因此包围内部监视子系统210并且在固化期间俘获它，从而这样的子系统在结束时“掩埋”于加固混凝土柱以内。

清楚地，如果待监视的结构不同于上述柱，则相似考虑也适用。

内部监视子系统210包括监视设备支撑结构211(下文将简单地指示为“支撑结构”211)和根据本发明固定到该支撑结构的多个监视设备100。

支撑结构211被布置用于提供支撑，并且用于在已知和预限定的位置固定内部监视子系统210中包括的多个监视设备100中的每个监视设备。

这样的支撑结构211在固体结构300以内延伸。

在图4的示例中，支撑结构211是测锤(plumb-bob)，并且它沿着柱300的一个维度直线延伸。

这样的支撑结构211的定位在图4的示例中沿着与加固杆之一平行的轴，但是相对于它们朝着柱的外围部分移置，从而加固杆未构成电磁屏蔽从而恶化来自和朝着支撑结构211支撑的监视设备100的电磁通信。

在其它一些实施例中，支撑结构211可以是任何形状，例如沿着另一维度为直线或者另外为多边形链(如图5中所示)或者另外为半圆或者广义曲线或者其它形状。

用来设置这样的形状的标准依赖于待监视的结构的形状：例如参考曲线形状，该形状适合于隧道的拱顶的曲线形状。

支撑结构211的定位在不同实施例中可以不同于图4中已经图示的定位，只要仔细保证支撑结构211被定位成使得它不被待监视的固体结构300中可能存在的金属结构屏蔽即可。

应当注意，支撑结构211的形状和定位确定可以是内部监视子系统210的许多不同类型的几何形状。

用来确定内部监视子系统210的几何形状的标准在不同实施例中可以依赖于待监视的结构的形状和结构本身内的待监视的显著点(例如沿着结构的一个或者多个轴或者具体为从结构观点来看的关键点)的选择。

制作支撑结构211的材料可以是多种，例如金属或者合成。一个具体实施例提供支撑结构211是绳索211，在锚定点212之间拉紧该绳索以形成无论任何几何形状，例如三角波(如图5中所示)或者方波或者在加固杆301周围的螺旋或者另一不规则几何形状。这样的锚定点212可以例如是钉，这些钉在建造待监视的结构期间部分地穿透其中发生混凝土浇灌的框架。

也应当注意，支撑结构211并且因此内部监视子系统210的几何形状可以包括未连接在一起的不同部分，每个部分具有以上列举的特征。

一个或者多个监视设备100根据本发明借助支撑3连接到支撑结构211。监视设备100中的每个监视设备在已知和适当预限定的位置固定到支撑结构211。

具体而言，支撑3可以用任何已知方式胶合或者机械固定地连接到支撑结构211。

根据图6A中所示一个备选实施例，有由聚合材料支撑的支撑条300，该支撑条诸如将固定到支撑结构211并且适合于在预限定的距离和位置收纳多个监视设备100。替换多个单支撑3使用这样的支撑条30使得有可能用更大精确度控制在不同监视设备100之间的距离。

有利地，可以对支撑条30打孔，从而如图6B中所示具有孔31，以便尽可能少地变更待监视的结构。如图7中所示，在支撑条30上，可以有监视设备100，这些监视设备具有互不相同的各种类型的电磁扩展和集中设备2。

例如可以有用于远场通信的电磁扩展和集中设备以及用于近场通信的电磁扩展和集中设备。

另外，用于远场通信的电磁扩展和集中设备可以具有不同取向以考虑来自固体结构以外(即外部)的系统的电磁信号的不同可能到达方向。因此，这样的电磁扩展和集中设备的天线可以根据用途例如是在竖直方向上极化的天线、在水平方向上极化的天线和／或根据不同角度取向的天线。

有利地，如下实施例是有可能的，在这些实施例中，相同监视设备包括多个集成检测模块并且也包括具有多于两个天线的电磁扩展和集中设备。

例如图7图示监视设备100’，该监视设备包括两个集成检测模块1’和1”，并且也包括具有三个天线的电磁扩展和集中设备2’：用于远场通信的一个天线22’；以及用于近场通信的两个天线21’、21”。天线21’、21”适合于分别与监视设备100’中包括的两个不同集成检测模块1’、1”通信。

同样在图7中，可以看出如何可以分别借助相互串联布置的线圈21’和更多线圈21”制作用于近场通信的天线21’和21”。线圈21’与天线22’直接耦合，而更多线圈22”通过线圈21’与天线22’耦合。

可以在如下情况下有利地应用这样的解决方案，在该情况下，在相同监视设备中使用两个集成检测模块，其中之一是冗余的，从而如果损坏两个集成检测模块之一则不危及操作，在该情况下将使用冗余集成检测模块。

也可以在如下情况下有利地应用这样的解决方案，在该情况下，两个集成检测模块1’、1”是两个独立集成检测模块，只要进行配置以避免在与两个模块有关的通信之间的冲突即可：例如出于这一目的，有可能应用如例如RFID领域中已知的能够避免在消息之间出现冲突的通信协议；否则，有可能应用如下文将具体说明的用于区分与两个不同集成检测模块1’、1”关联的标识频率的技术。

同样参照图4中所示监视系统200，现在考虑外部控制和数据收集子系统220(将限定为“外部子系统”220)。

外部子系统220包括外部子系统天线221(将限定为“外部天线221”)、数据收集、存储和处理装置222、功率供应和远程功率供应装置223。

应当注意，外部子系统220可以有利地处于便于安装的适当位置、甚至处于距待监视的结构300的某一距离，只要这样的距离允许内部监视子系统210内的通信即可。

外部天线221出于这一目的而能够与内部监视子系统210中包括的监视设备100中的每个监视设备的电磁装置2中的每个电磁装置通信，以便如已经举例说明的那样通过图4中的F’所示的电磁场与它交换远程通信和能量信号。

根据又一实施例，外部子系统220可以包括任何数目的外部天线221。

通过外部天线221，外部子系统220接收内部监视子系统210的一个或者任何多个设备100发送的数据，该数据代表相应传感器10检测和测量的一个或者多个参数；向数据收集、存储和处理装置222转发这样接收的数据。

另外，通过天线221，外部子系统220向内部监视子系统210的一个或者任何多个设备100发送控制信号、例如命令；这样的控制信号例如用来配置给定的设备100和／或在某个时刻或者连续地请求某个参数的测量或者用于其它命令、配置或者远程维护功能。

最后，同样通过天线221，外部子系统220发送用于内部监视子系统210的一个或者任何多个设备100的远程功率供应的电磁能量；如以上已经举例说明的那样，功率供应和远程供应装置223例如以射频波的形式向外部天线221供应这样的能量。

现在参照数据收集、存储和处理装置222，应当注意，可以借助一个或者多个处理器制作它们，这些处理器在物理上的位置与外部子系统220的其它单元在一起或者甚至位于远处并且通过任何类型的远程通信网络一起连接。

数据收集、存储和处理装置222例如可以执行许多不同种类的处理，并且并非出于限制的目的：监视不同参数的空间分布图而有或者无插值；监视不同参数的时间和历史进展；与阈值比较以确定可能退化和危险条件；等等。

现在参照功率供应和远程供应装置223，应当注意，它们可以包括例如基于太阳能电池或者基于燃料电池或者基于可再充电电池的不同类型的功率生成器。

一个优选实施例为了增加这样的功率供应和远程供应装置223的自治时间并且最小化它的维护而包括用于日间操作的太阳能电池和用于由夜间操作的在白天期间由太阳能电池充电的(例如1法拉5伏特而尺度为2x5cm、厚度为3mm的)一个或者多个超级电容器(super-capacitor)。

现在更具体关注在外部子系统220与内部监视子系统210之间的远程通信功能(即远程通信模式)。这样的远程通信包括在外部子系统220与内部子系统210的监视设备100中的每个监视设备之间交换控制信号和涉及测量的数据的信号。

为了管理这样的远程通信，在许多终端与一个收集点之间可以使用已知远程通信协议，例如RFID技术中已知的协议。

出于这一目的，每个监视设备100可以由个别代码表征、被编程并且例如在适当存储器单元、诸如防熔断链路或者熔断链路或者其它存储器单元中被写入。

备选地，根据一个优选实施例，作为个别代码，有可能使用向每个监视设备100分配的标识符频率。对于监视设备100中的每个监视设备而言不同和唯一的这样的标识符频率允许通过个别物理信道与每个监视设备100“直接”通信；在这一情况下，每个监视设备100的电磁装置2将能够在相应标识符频率发送／接收信号。

有利地，将标识符频率用于每个监视设备100使得有可能更好地管理在许多终端与收集点之间的远程通信从而允许并行同时通信。

应当注意，根据以上指示的方式中的任一方式有可能标识监视设备100不仅对于管理通信而且对于区别和适当评估收集、存储和处理装置222接收的数据而言颇为重要。

具体而言，这样的收集、存储和处理装置222通过标识某个监视设备100也可以标识它的已知和预限定的位置以便允许对接收的数据的更简单以及更有效解译和处理。

另外，在监视设备10将出故障或者不正确工作的情况下，收集、存储和处理装置222可以识别异常在何处、考虑缺乏来自预定位置的数据并且例如通过对来自与出故障的设备相邻的设备的数据进行插值来规避异常。

应当注意，在图7中所示监视设备100’中，如以上已经描述的那样，有利地有可能向两个集成检测设备1’和1”中的每个集成检测设备分配不同标识符频率以便允许它们独立工作。

如可见的那样，本发明的目的由以上描述的监视设备和监视系统借助它们的特征来实现。

实际上，本发明的监视设备简单、鲁棒和可靠、能够在建造期间和在相应操作寿命期间耐受待监视的固体结构以内的压强和温度并且也相对于主要退化原因、如例如归因于水和潮湿的退化原因特别鲁棒。

另外，本发明的监视系统允许在多个监视设备与外部数据收集和处理子系统之间有效交换信息从而允许后者个别识别监视设备以确定性的方式知道它们的位置并且正确解译它们的数据。

本领域技术人员可以向以上描述的设备和处理系统的实施例带来也与现有技术组合的单元修改、适配和用其它功能等效单元的单元替换并且甚至产生混合实现方式以便满足相关要求而未脱离所附权利要求的范围。如属于一个可能实施例的描述的特征中的每个特征可以与描述的其它实施例独立地实现。

Claims

1.一种用于检测和监视固体结构(300)内的一个或者多个局部参数的设备(100)，包括：

-集成检测模块(1)，具有包括至少一个集成传感器(10)和集成天线(11)的集成功能电路装置部分(16)，在单个芯片上制作所述集成检测模块(1)，所述集成功能电路装置部分(16)包括面向所述芯片的外部的功能电路装置表面(18)；

-电磁装置(2)，用于发送／接收用于在所述集成检测模块(1)的所述集成天线(11)与远程天线(221)之间的远程通信和能量交换的信号，所述电磁装置(2)固定地连接到所述集成检测模块(1)；

其特征在于：

-所述集成检测模块(1)也包括：钝化层(15)，被布置用于完全覆盖所述集成功能电路装置部分(16)的至少所述功能电路装置表面(18)，从而所述集成检测模块(1)被完全密闭地密封并且与周围环境电绝缘；

-通过磁耦合或者电磁耦合操作地无线连接所述集成天线(11)、所述电磁装置(2)和所述远程天线(221)。

2.根据权利要求1所述的设备(100)，其中所述钝化层(15)被布置用于完全涂覆在其上制作所述集成检测模块(1)的所述单个芯片。

3.根据权利要求1或者2所述的设备(100)，其中所述至少一个集成传感器(10)能够检测在以下组的参数之中选择的一个或者多个参数：压强、温度、机械应力。

4.根据权利要求3所述的设备(100)，其中所述集成传感器(10)是能够分别利用硅中的依赖于温度的压电电阻效应和硅中的依赖于温度的迁移率变化的现象来测量它受到的压强或者温度的压强或者温度传感器。

5.根据权利要求3所述的设备(100)，其中所述集成传感器(10)包括惠斯登桥配置中的测量电路，在所述惠斯登桥配置中，两个电阻器由具有用于最大化压电电阻效应的结晶取向的材料制作，并且另两个电阻器由具有用于最小化压电电阻效应的结晶取向的材料制作，从而以与所述温度变化基本上独立的方式测量所述压强参数。

6.根据权利要求3所述的设备(100)，其中所述集成传感器包括具有级联的多个集成部件的测量电路，所述多个集成部件被配置用于构建环形振荡器，所述集成部件由具有用于最大化压电电阻效应的结晶取向的材料制作，从而所述环形振荡器以与所述温度条件基本上独立的方式测量指示所述压强参数的频率。

7.根据权利要求3所述的设备(100)，其中所述集成传感器包括具有级联的多个集成部件的测量电路，所述多个集成部件被配置用于构建环形振荡器，所述集成部件由具有用于最小化压电电阻效应的结晶取向的材料制作，从而所述环形振荡器以与所述压强条件基本上独立的方式测量指示所述温度参数的频率。

8.根据任一前述权利要求所述的设备(100)，其中所述电磁装置(2)包括电磁扩展和集中设备(2)，所述电磁扩展和集中设备(2)包括：

-第一天线(21)，被配置用于通过用于近场电磁通信的磁耦合与所述集成天线(11)通信；

-第二天线(22)，被配置用于通过用于远场电磁通信与所述外部控制和数据收集系统(220)的所述远程天线(221)通信；

-电连接网络(23)，被配置用于耦合所述第一天线(21)和所述第二天线(22)。

9.根据权利要求8所述的设备(100′)，也包括至少一个额外集成检测模块(1″)，所述设备(100″)具有电磁扩展和集中设备(2)，所述电磁扩展和集中设备(2)包括：

-第一天线(21)，包括线圈(21′)，所述线圈被配置用于通过用于近场电磁通信的磁耦合与所述集成检测模块(1′)的所述集成天线通信；

-至少一个相应更多第一天线(21″)，包括更多线圈(21″)，所述更多线圈被配置用于通过用于近场电磁通信的磁耦合与所述更多集成检测模块(1″)的所述集成天线通信；

操作地一起串联连接的所述第一天线的所述线圈(21′)和所述更多第一天线的更多线圈(21″)。

10.根据权利要求1或者2所述的设备，其中所述集成模块(1)也包括在所述单个芯片上集成的RFID技术中的所述集成天线(11)的驱动电路(13)。

11.根据任一前述权利要求所述的设备，其中所述集成天线(11)能够借助所述电磁装置(2)捕获由所述远程天线(221)发送的电磁波以用于所述集成检测模块(1)的远程功率供应。

12.一种用于监视在固体结构(300)中的多个点的一个或者多个参数的系统(200)，包括：

-在所述固体结构(300)以内布置的内部监视子系统(210)；

-在所述固体结构(300)以外并且相对于所述固体结构(300)远程布置的外部控制和数据收集子系统(220)；

其特征在于：

-所述内部监视子系统(210)包括穿过所述固体结构(300)内的待监视的所述点的支撑结构(211)，并且也包括多个根据权利要求1至11中的任一权利要求所述的监视设备(100)，所述多个监视设备(100)中的每个监视设备在已知和预限定的位置固定到所述支撑结构(211)；

-所述外部控制和数据收集子系统(220)包括：

-外部天线(221)，能够与所述监视设备(100)的所述电磁装置(2)电磁通信；

-数据收集、存储和处理装置(222)，被布置用于接收、存储和处理来自多个监视设备(100)的代表待监视的参数的数据；以及

-功率供应和远程供应装置(223)，适合于通过所述外部天线(221)向所述外部控制和数据收集子系统(220)供应功率能量并且向所述内部监视子系统(210)远程供应功率能量。

13.根据权利要求12所述的监视系统(200)，其中待监视的所述结构(300)包括金属加固结构(301)，并且其中所述支撑结构(211)被定位成使由于所述金属加固结构(301)所致的电磁影响可忽略。

14.根据权利要求12所述的监视系统(200)，其中每个监视设备(100)以唯一标识频率操作，从而在每个监视设备(100)与所述外部子系统(220)之间的通信以所述监视设备(100)的所述相应唯一标识频率发生。

15.根据权利要求14所述的监视系统(200)，其中所述数据收集、存储和处理装置(222)被布置用于基于识别所述接收的数据来自所述监视设备(100)中的哪个监视设备来区分和解译所述接收的数据，基于所述相应监视设备(100)的所述唯一标识频率的识别来执行所述识别。