CN104025124A - 基于rfid的设备和用于与传感器结合的方法 - Google Patents

Abstract

传感器配备有RFID读取器、RFID芯片和电耦合至RFID芯片并且经配置用于从RFID读取器接收信号和传递信号至RFID读取器的天线。传感材料也被电连接至RFID芯片，并且具有可变的电性能。RFID芯片经配置用于调制通过天线接收的信号，并且利用调制的信号驱动传感材料。

Description

基于RFID的设备和用于与传感器结合的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年10月25日提交的美国临时申请号61/550,941的利益，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本主题涉及射频识别(“RFID”)设备。更具体地，本主题涉及结合传感器使用的RFID设备。

背景技术

已知传感器用于分析它们所位于的环境的一个或多个特征，包括但不限于，温度、液面和声音传播速度。共振传感器的实例包括调谐电路(电学共振器)和石英晶体(声电共振器)。传感器可经配置使得可通过环境中的感兴趣的特征影响至少一个它的性能。在共振传感器的实例中，传感器的共振频率受感兴趣的特征影响。因此，传感器的共振频率表示感兴趣的特征的量或存在，并且这种特征的量的变化体现为传感器的共振频率的变化。相关的接收设备经配置用于检测或接收来自传感器的信号并分析信号，以确定环境中感兴趣的特征的性质和/或量，包括环境中的任何变化。

已知的共振传感器的一个可能的缺点是由于环境噪声难以精确地估计共振传感器的状态。对这个缺点的一个解决方法已经是将RFID技术并入传感器，如在美国专利申请公开号2007/0090926和2010/0141273中描述的，其通过引用并入本文。这种系统有助于减少环境噪声的影响，从而允许更精确地估计共振传感器的状态，但是并入RFID技术的这种已知传感器仍然存在改进的余地。

发明内容

存在可在下面描述和要求的设备和系统中单独地或一起实施的本主题的几个方面。可单独或结合本文描述的主题的其他方面利用这些方面，并且这些方面在一起的描述不打算排除这些方面单独的应用或单独或以不同的组合要求这些方面，正如在所附的权利要求中阐明的那样。

在一个方面，传感器包括RFID读取器、RFID芯片、天线和传感材料。天线被电连接至RFID芯片并且经配置用于从RFID读取器接收信号以及将信号传递至RFID读取器。传感材料被电连接至RFID芯片，并且具有可变电性能。RFID芯片经配置用于调制通过天线接收的信号并且利用调制的信号驱动传感材料。

在另一个方面，用于操作传感器的方法包括提供传感器，其包括RFID芯片、电连接至RFID芯片的天线和电连接至RFID芯片并且具有可变电性能的传感材料。通过天线将信号发送至RFID芯片，并且调制信号以产生调制的信号。利用调制的信号驱动传感材料。

附图说明

图1是实施本公开的方面的传感器的基本结构的示意图；

图2是图1中所示类型的传感器的示意图，更详细地示出其RFID芯片和传感材料；

图3是实施本公开的方面的传感器的另一个实施方式的基本结构的示意图；

图4是实施本公开的方面的传感器的仍另一个实施方式的基本结构的示意图；

图5是实施本公开的方面的传感器的另一个实施方式的示意图；

图6是实施本公开的方面的传感器的另一个实施方式的基本结构的示意图；和

图7是图6中所示类型的传感器的示意图，更详细地示出其RFID读取器和传感材料。

具体实施方式

如要求的，本文公开了本发明的详细实施方式；然而应该明白，公开的实施方式仅仅是本发明的示例，其可以以多种形式实施。因此，本文公开的具体细节不应该被解释为限制性的，但是仅仅解释为权利要求的基础，和解释为用于教导本领域技术人员以实质上任何适当的方式多方面利用本发明的代表性基础。

根据本文描述的方法和设备，在传感器中利用RFID技术以减少环境噪声的影响，从而允许更精确地估计传感器的状态。根据本公开的传感器包括RFID读取器、RFID芯片、天线和传感材料。如本文将更详细地描述的，可不同地布置传感器的部件。虽然本文示出和描述了许多传感器配置，但是应该明白，列举的实施方式仅仅是示例性的，而不是限制性的，并且可在具有其他配置的传感器中利用本文描述的原理。

图1示出了根据本公开的传感器10的一个实施方式的基本结构。在图1的实施方式中，传感器10包括RFID读取器12、RFID芯片14和电连接至RFID芯片14的天线16和传感材料18。RFID读取器12经配置以产生RF场并且产生和接收RF信号。在图1中，将由RFID读取器12产生的信号(其可以是UHF信号)标为20，而将由RFID读取器12接收的或传递至RFID读取器12的信号(其可以是UHF信号)标为22。如果将天线16放置在RF场内，则可通过天线16接收由RFID读取器12产生的信号20。天线16经配置以在通过RFID芯片14和/或传感材料18处理或修饰初始信号20之后将返回信号22发送至RFID读取器12。可不同地配置天线16，在一个实施方式中是UHF天线。可配置天线16，使得它的电性能(例如，它的阻抗)在传感器10的使用期间基本上保持一致，然而，如本文将详细描述的，RFID芯片14和/或传感材料18的一个或多个电性能可在使用期间变化。

图2更详细地示出适当的RFID芯片14和传感材料18。在图2的实施方式中，RFID芯片14包括电连接在一起的探测器24、反向散射调制器26和逻辑电路28。RFID读取器12产生信号20，该信号由天线16接收，并且向前传递至探测器24。探测器24(在图2中图解为二极管)允许电流从天线16流至逻辑电路28，但是不允许从逻辑电路28反向流至天线16。通过这种配置，信号必须首先经过逻辑电路28和传感材料18，从而在被返回至天线16(通过反向散射调制器26)用于传递至RFID读取器12之前经历一些修饰或调制(它的性质取决于逻辑电路28和传感材料18的配置)。

图解反向散射调制器26为晶体管，并且在图2的实施方式中，用于放大从逻辑电路28返回到天线16的信号。如果提供，这种反向散射调制器26允许RFID芯片14以较低的频率工作，从而降低RFID芯片14的成本和操作它所需的功率。在一个实施方式中，逻辑电路28可以运行以便降低初始信号20的频率(例如，将信号的频率除以因数2)。在另一个实施方式中，逻辑电路28可相反地运行，以便提高初始信号20的频率(例如，将信号的频率乘以因数2)。当调制信号的特征时，可将信号的一个或多个其他特征基本上保持一致或确定(例如，调制信号的频率，同时保持确定的电压)。除了(或代替)调制初始信号20的频率，在向前传递初始信号20至传感材料18之前，逻辑电路28可另外地调整初始信号20，如在图2中大体图解的。

传感材料18(在图2中图解为包括感应器30和电容器32的共振器)具有可变电性能，使得由天线16产生的信号22将根据传感材料18的状态而变化。如果提供传感材料18作为共振器，如图2中示出的，可变电性能可以是振幅的峰共振频率、明确的相位状态、与设备的Q相关的因数和在感应器30连同电容器32的确定的频带上的这种因数的任何组合。可提供共振器作为电设备或机械设备，并且其由任何多种材料形成，包括但不限于压电材料和/或电弹性聚合物(electro-elasticpolymer)，但是不另外地限于，比其中机械运动与电信号相互作用的结构更具体的任何材料。也可在不背离本公开的范围的情况下利用非-共振器传感材料(例如，简单的线性电阻式传感器)和利用其他可变电性能的传感材料。

不管传感材料18的性质，它与来自RFID芯片14的调制的信号相互作用，并将信号返回至逻辑电路28。通过反向散射调制器26将返回的信号从RFID芯片14传递至天线16，并且然后向后传递至RFID读取器12。在一个实施方式中，具有确定的电压和变化的频率的调制的信号用于驱动传感材料18。可通过与初始信号20存在已知关系的逻辑电路28改变频率。通过测量用以驱动返回信号22的功率，可以确定传感材料18的状态(例如，运行频率)。在另一个实施方式中，不是测量功率，而是经由相对高的阻抗通过将调制的信号驱动到传感材料18上和当频率变化时测量其上的电压可以确定传感材料18的状态。由于在与传感材料18相互作用之前已经通过RFID芯片14调整了初始信号20，所以减少环境噪声的影响，从而允许更精确地估计传感材料18的状态。

图3和4图解了传感器，其中通过传感材料18处理的信号用于调制RFID芯片14的输入阻抗，通过天线16将来自RFID芯片14的信号反向散射至RFID读取器以确定传感材料18的状态。在图3的传感器34中，将传感材料18电连接在天线16和RFID芯片14之间，并且利用的信号20和22是交流电，通过整流的信号驱动传感材料18。在图4的传感器36中，传感材料18电连接RFID芯片14的上游和下游。

图5示出利用RFID读取器(未示出)、天线16、RFID芯片14和传感材料18的传感器38的另一个可选择的配置。在图5的实施方式中，RFID芯片14包括探测器/反射器24和逻辑电路28，以及调频器40和相位比较器42。通过天线16接收来自RFID读取器的信号20，并且经由探测器24向前传递至RFID芯片14。然后通过调频器40处理信号，以便改变其频率(例如，通过将其乘以或除以)。然后，将调制的信号传递至相位比较器42和传感材料18(其图解为具有感应器30和电容器32的共振器，但是不限于这种配置)。将通过传感材料18传递的调制的信号引导至相位比较器42，将该信号与来自调频器40的调制的信号进行比较用于确定其间的相位差(其是通过传感材料18传递的调制的信号的产物)。将相位差信息传递至逻辑电路28，其将它引导至探测器/反射器24，以便作为返回信号22通过天线16被反向散射至RFID读取器。

图6和7图解了其中返回信号或辐射46来自传感材料18自身而不是天线16的传感器44的实施方式。图6示出这种传感器44的基本结构，图7更具体地示出传感器44。传感器44包括RFID读取器12(图7)，其包括经配置用于将初始信号20传递至天线16的发送器48。天线16向前传递信号至RFID芯片14，其可比得上参考图1-5的实施方式在上面描述的RFID芯片中的一个。RFID芯片14调整信号(例如，通过调制它的频率)和然后将调制的信号发送至传感材料18，其图解为具有感应器30和电容器32的共振器。传感材料18的感应器30担当共振线圈以产生辐射46(例如，电磁辐射、磁辐射或声音辐射)，其通过RFID读取器12的接收器50(例如，相干磁接收器)进行检测，用以确定传感材料18的状态。可以以等于从RFID芯片14发送至传感材料18的调制的信号的频率驱动由传感材料18发射的辐射46。传感器44将来自传感材料18的辐射46和来自天线16的返回信号发送至RFID读取器12，用以确定传感材料18的状态，这也在本公开的范围内。在这种实施方式中，可通过RFID读取器12的发送器48接收来自天线16的返回信号。

除了上述的传感技术之外，根据本公开也可以在传感器中利用其他技术，特别是当提供传感材料为共振器时。例如，可利用来自RFID芯片的脉冲信号驱动共振器，并且可以测量信号下降到相对于初始状态的确定水平所用的时间，用于确定共振器的状态。可通过来自RFID读取器的初始信号定义时间间隔。

应该明白，上述的实施方式是本主题的原理的一些例证性应用。在不背离要求保护的主题的精神和范围的情况下，本领域的技术人员可以作出许多修饰，包括单独地公开的或本文要求保护的特征的那些组合。为此，其范围不限于以上描述，而是如在权利要求中阐述的，并且应该明白，权利要求可以涉及本文中的特征，包括单独地公开的或本文要求保护的特征的组合。

Claims (15)

1.一种传感器，其包括：

RFID读取器；

RFID芯片；

天线，其被电连接至所述RFID芯片并且经配置用于从所述RFID读取器接收信号和将信号传递至所述RFID读取器；和

传感材料，其被电连接至所述RFID芯片并且具有可变电性能，其中所述RFID芯片经配置用于调制通过所述天线接收的信号并且利用所调制的信号驱动所述传感材料。

2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述传感材料包括共振器并且所述可变电性能包括共振频率。

3.根据权利要求2所述的传感器，其中所述共振器包括感应器和电容器。

4.根据权利要求1-3所述的传感器，其中所述RFID芯片经配置用以接收来自所述传感材料的信号，并且至少部分基于来自所述传感材料的信号调制所述RFID芯片的输入阻抗，并且所述RFID芯片通过所述天线将信号反向散射至所述RFID读取器。

5.根据权利要求1-4所述的传感器，其中所述RFID芯片经配置用于直接分析所述传感材料的状态并且通过所述天线将信号发送至所述RFID读取器。

6.根据权利要求1-5所述的传感器，其中所述天线经配置以在所述传感器的使用期间具有基本上保持一致的阻抗。

7.根据权利要求1-6所述的传感器，其中所述天线包括UHF天线。

8.根据权利要求1-7所述的传感器，其中所述RFID芯片经配置用于通过降低其频率调制由所述天线接收的信号。

9.根据权利要求1-8所述的传感器，其中所述RFID芯片经配置用于通过提高其频率调制由所述天线接收的信号。

10.根据权利要求1-9所述的传感器，其中所述RFID芯片经配置用于利用具有确定的电压和变化的频率的调制的信号驱动所述传感材料。

11.一种用于操作传感器的方法，其包括：

提供传感器，其包括RFID芯片、电连接至所述RFID芯片的天线和电连接至所述RFID芯片并且具有可变电性能的传感材料；

通过所述天线将信号发送至所述RFID芯片；

调制所述信号以产生调制的信号；和

利用所述调制的信号驱动所述传感材料。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述提供传感器包括提供具有共振器的传感材料，并且所述可变电性能包括共振频率。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述提供传感器包括提供具有感应器和电容器的传感材料。

14.根据权利要求11-13所述的方法，进一步包括：

将来自所述传感材料的信号发送至所述RFID芯片，从而至少部分基于来自所述传感材料的信号调制所述RFID芯片的输入阻抗；并且

通过所述天线将来自所述RFID芯片的信号反向散射。

15.根据权利要求11-14所述的方法，进一步包括：

直接分析所述传感材料的状态；并且

通过所述天线至少部分地基于所述传感材料的状态发送信号。