CN107624266B - 用于微波炉的微波供电传感器组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于微波炉的微波供电的传感器组件。所述微波供电的传感器组件包括微波天线，所述微波天线具有预定调谐频率以响应于预定激励频率下的微波辐射而生成RF天线信号。所述微波供电的传感器组件的直流供电电路操作性地耦合到所述RF天线信号，以从所述RF天线信号提取能量并且产生供电电压。传感器连接到所述供电电压并且被配置成测量在微波炉腔室中加热的食物的物理或化学特性。

Description

用于微波炉的微波供电传感器组件
技术领域
本发明涉及一种用于微波炉的微波供电的传感器组件。所述微波供电的传感器组件包括微波天线，所述微波天线具有预定调谐频率以响应于预定激励频率下的微波辐射而生成RF天线信号。所述微波供电的传感器组件的直流供电电路操作性地耦合到所述RF天线信号，以从所述RF天线信号提取能量并且产生供电电压。传感器连接到所述供电电压并且被配置成测量在微波炉腔室中加热的食物的物理或化学特性。
背景技术
微波炉是众所周知的且高度流行的厨房电器，用来通过微波光谱内的电磁辐射来加热并烹饪食物，致使食物内的极化分子转动并产生热能。微波炉能够快速且高效地加热食物，因为稠密食物的外部内的激励非常均匀。微波炉经常用于重新加热先前烹饪的食物和烹饪各种食物。然而，待制备的食物的温度和其他物理或化学特性是未知的，这尤其在微波炉所通常获得的快速食物制备或加热方面到达食物的预期制备状态(诸如温度)是有困难的。
因此，将有利的是将有源传感器设备或组件放置在微波炉的隔间或炉室内，以允许用户或消费者监测待制备食物的某些物理或化学特性。由于微波炉隔间内部的极其EMI恶劣的环境，将为有源传感器组件供电的电池或类似的化学能量储存设备放置在微波炉中可能非常不安全。另外，不时地更换有源传感器组件的电池使得难以将电池供电的有源传感器设备或组件与外部环境气密地密封。
US 4,297,557公开了一种具有温度探针的微波炉，该温度探针嵌入保持在烹饪器皿中的食物中，以测量食物温度。温度探针包括具有电源的电子电路和温度响应电路。电源电路包括通过捕获来自微波炉内部的微波能量的能量的环形天线、整流二极管和供电电容器。温度信号由近场磁耦合无线地从温度探针的电感器天线发射到微波炉炉室外部的接收电感天线。
US 2004/0056027公开了一种适于在微波炉中加热液体的水壶。该水壶配备有用于例如通过改变颜色来指示烧水壶的内容物的温度的简单温度指示器。这并未特定地公开耦合到热敏电阻的电子电路。
US 2006/0207442示出了一种用于微波炉中的替换的容器，该容器中布置有用于冷却容器的内容物的冷却装置。冷却设备由从微波炉中的微波捕获的能量驱动。
然而，微波炉中的微波电磁辐射或微波磁场的强度经常是过量的，并且会不可逆地损坏微波供电的传感器组件的直流供电电路或其他电子电路的各种有源或无源部件。部件损坏可能由微波供电的传感器组件的RF天线响应于RF电磁辐射而传送的RF信号电压导致，该信号电压超过直流供电电路的有源或无源部件的最大额定电压和/或最大额定功率。这种损坏性的RF信号电压可能导致直流供电电路的有源或无源部件毁坏。直流供电以及可能地附加电子电路集成在次微米CMOS半导体基板上的情况尤其是这样，该半导体基板对可以忍受的而不会导致半导体基板内形成的有源或无源部件过热或故障的电压水平和/或功率水平施加严格限制。
因此，将有利的是能够限制当暴露于微波炉内部的过量微波能量水平时由RF天线所捕获的并且供应到微波供电的有源传感器组件的直流供电电路的功率量。然而，由于吸收或耗散小型CMOS半导体基板的部件内的大量功率或许是不可能的或者至少是非常不切实际的，另外将有利的是防止太多能量进入半导体基板。
另外，令人期望的是在食物加热期间将食物的期望物理或化学特性的某些测量参数值发射到微波炉炉室的外部。以此方式，用户或消费者能够在制备或烹饪期间监测食物的物理或化学特性，并且可以例如在参数值到达目标值或期望值时停止微波炉。所传输的参数值可以被数字地编码为数据信号，并且可以例如包括食物的当前或瞬时温度。然而，通常难以在食物制备期间可靠地将无线数据信号发射到微波炉外部，这是由于微波炉炉室内部的微波电磁场的前述过量强度的缘故。微波电磁场倾向于干扰承载无线数据信号的所有类型的常规RF信号。为了使情况恶化，微波炉的炉室基本上重构当被设计成阻挡发射任何RF信号的法拉第笼，以避免可能有害的微波辐射泄露到外部并到达用户。因此，用于将数据信号与食物的测量物理或化学特性的当前参数值发射到炉室的外部的可靠的、灵活的且低成本的数据信号传输机制是令人期望的。
发明内容
本发明的第一方面涉及一种用于微波炉的微波供电的或可微波供电的传感器组件。所述微波供电的传感器组件包括微波天线，所述微波天线具有预定调谐频率以响应于预定激励频率下的微波辐射而生成射频(RF)天线信号。所述微波供电的传感器组件还包括耦合到所述RF天线信号的RF功率限制器，所述RF功率限制器用于根据预定信号限制特征来限制所述RF天线信号的幅值或功率，从而产生受限的RF天线信号。所述微波供电的传感器组件的直流供电电路，所述直流供电电路耦合到所述受限的RF天线信号并且被配置成对所述受限的RF天线信号整流以产生供电电压。传感器连接到所述供电电压并且被配置成测量在微波炉腔室中加热的食物的物理或化学特性。
所述微波供电的传感器组件的一个实施例被配置成用于使用发射微波辐射的标准915MHz频率的工业类型的微波炉。所述微波供电的传感器组件的另一个实施例被配置成用于使用发射微波辐射的标准2.45GHz频率的消费者类型的微波炉。所述微波天线的调谐频率和可能的物理尺寸可以例如在这些类型的微波供电的传感器组件之间不同。在任一种情况下，所述微波天线对由工业或消费者变体类型的微波炉的炉室中的微波辐射在对放置在炉室中的食物加热期间产生的激励做出响应。所述微波天线生成所述RF天线信号，并且所述直流供电电路对所述受限的RF天线信号或者当所述微波供电的传感器组件缺少所述RF功率限制器时直接对所接收的RF天线信号整流并从其提取能量。所述直流(DC)供电电路所生成的供电电压可以连接到所述微波供电的传感器组件的有源电子电路和部件并且为其供电。所述有源电子电路和部件可以包括所述传感器、数字处理器、显示器、光数据传输器等等。因此，所述微波供电的传感器组件能够在不需要任何电池源的情况下通过依赖于从炉室中的微波辐射获得的能量来操作。
所述食物可以包括液体，诸如牛奶、水、婴儿奶粉、咖啡、茶、果汁或其他可饮用物质，或者所述食物可以包括固体或冷冻食物，诸如面包、肉类或晚餐。在炉室内部加热所述食物期间，所述食物可以被布置在合适的容器或器皿中。所述食物容器或器皿可以包括杯子、瓶子或盘子等等。所述传感器可以与所述食物物理接触，以在炉室内加热或准备期间测量或检测所述食物的物理特性，诸如温度、粘度、压力、颜色、湿度、反射率、导电率等等。所述传感器可以被布置成测量所述食物的核心处的物理或化学特性，例如温度。可替代地，所述传感器可以被布置成例如通过接触所述食物的外表面来测量所述食物的表面处的物理或化学特性。后一实施例可以用来检测特定食物的表面是否已经到达卫生或消毒目的目标或处理温度。所述微波供电的传感器组件可以容纳在食物探针中，所述食物探针在微波炉中准备所述食物期间被插入所述食物。所述传感器的一些实施例可以在不与所述食物物理接触的情况下操作，而是例如使用红外(IR)温度检测器等等来远程地感测/测量所述食物的物理特性。所述传感器的感测部分可以可替代地或另外测量或检测所加热的食物的化学特性，例如所述食物中的水含量或某些化学成分(盐分、糖分等等)的存在和/或浓度。所述微波供电的传感器组件可以包括多个不同类型的传感器或者包括多个相同类型的传感器。多个不同类型的传感器可以被配置成测量所述食物的不同物理特性和/或化学特性，而多个相同类型的传感器可以被配置成测量所述食物的不同位置(例如同时测量所述食物的核心和表面)的物理或化学特性，例如，温度。
所述RF功率限制器可以包括跨所述RF天线信号连接的可变阻抗电路，其中，所述可变阻抗电路被配置成呈现随着在所述预定激励频率下所述RF天线信号的幅值或功率增加而降低的输入阻抗，以减小所述功率限制器的输入阻抗与所述微波天线的阻抗之间的匹配。
所述可变阻抗电路可以被配置成在所述RF天线信号的低于阈值水平的功率或幅值水平呈现基本上恒定的输入阻抗；并且在所述RF天线信号的高于所述阈值水平的功率或幅值水平呈现逐渐或突然减小的输入阻抗。所述可变阻抗电路的输入阻抗可以例如随着在所述阈值水平以上所述RF天线信号的输入功率增加而逐渐减小。所述阈值水平可以是功率阈值或幅值阈值。
所述可变阻抗电路可以包括以下参照附图进一步详细讨论的PIN限制器二极管或受控FET晶体管。所述供电电路可以包括用于根据以下参照附图进一步详细讨论的原因对所述受限的RF天线信号整流的一个或多个RF肖特基二极管。
在本发明的一些实施例中，所述微波天线可以从用于操作所述微波供电的传感器组件的特定实施例的微波辐射的预期激励频率(2.45GHz或915MHz)下调预定频率量。所述微波天线的预定调谐频率可以例如与微波辐射的预定激励频率(915MHz或2.45GHz)相差多于+50％或多于-33％，诸如至少+100％或至少-50％。下调减小了所述微波天线拾取的微波能量的量值并且因此减小了施加到所述RF功率限制器(如果存在的话)和所述直流供电电路的RF天线信号的水平，并且可以辅助保护所述直流供电电路不受所述RF天线信号的过高电压或功率水平的影响，如果所述微波天线被放置在炉室内的热点处的话。
所述微波天线的调谐频率比标准2.45GHz(或915MHz)微波辐射频率更高带来所述微波天线的物理尺寸更小的附加益处。更小的物理尺寸带来以下参照附图进一步详细讨论的各种益处。
所述微波天线可以包括以下各项中的至少一项：单极天线、双极天线、微带天线。所述微波天线可以在支撑所述微波供电的传感器组件的载体或基板(诸如印刷电路板)的引线或导线图案中一体地形成。单极微波天线通常是紧凑的和全向的。
在本发明的一个实施例中，所述微波天线的发电阻抗是所述RF功率限制器在所述微波辐射的所述预定激励频率下的输入阻抗的至少两倍。
所述微波供电的传感器组件优选地由壳体封闭。如果所述壳体包括允许微波辐射到达所述微波天线而基本上不会有显著的衰减并且因此捕获微波能量的导电材料，所述微波天线优选地被布置在所述壳体外部。所述导电壳体可以包括封闭至少所述RF功率限制器和所述供电电路并且保护所述RF功率限制器和所述供电电路不受微波电磁辐射的影响的金属片或金属网。
所述壳体可以被气密地密封以保护封闭在其中的电路和传感器不受所述食物的或存在于炉室内的有害液体、气体或其他污染物的影响。所述传感器的感测部分可以从所述壳体伸出，以允许所述感测部分与所述食物物理接触。
所述微波供电的传感器组件可以包括数字处理器，所述数字处理器耦合到所述供电电压以接收操作功率；其中，所述传感器经由所述处理器的输入端口耦合到所述数字处理器，所述输入端口用于接收所述食物的物理或化学特性的测量参数值。所述传感器被配置成将测量参数值按照数字格式或模拟格式传送到所述数字处理器的输入端口。以下参照附图进一步详细地讨论所述数字处理器的各种技术细节和益处。
所述微波供电的传感器组件的有利实施例包括光数据传输器，所述光数据传输器耦合到所述数字处理器或直接耦合到所述传感器以接收所述食物的物理或化学特性的测量参数值并将其光传输到炉室的外部。所述光数据传输器可以被配置成发射包括按照数字格式编码的测量参数值的光数据信号。所述光数据信号被发射到布置在炉室外部的合适光接收器。本领域技术人员将理解的是，所述光数据信号完全不会受到炉室内部的微波辐射的以上讨论的过量水平的影响。另外，光数据传输器可以按照紧凑的形状因数和低成本商购。所述光数据传输器可以包括调制LED二极管，所述调制LED二极管通过可见光谱中的光波或红外光谱中的光波发射光数据信号。所述光数据传输器可以被配置成根据特定的应用在加热所述食物期间连续地、按照有规律的时间间隔或按照不规律的时间间隔发射所述光数据信号。
所述光接收器可以包括光电检测器，诸如LED。所述光接收器可以附接到炉室的玻璃盖的外表面，以接收穿透玻璃盖的那一部分光数据信号。如果玻璃盖的内表面由形成微波炉的上述法拉第笼的一部分的金属网或网格覆盖，所述光电检测器可以被放置在所述金属网或网格的开口/开孔内，以允许承载所述光数据信号的光波不受阻挡地传播到所述光电检测器。所述光电检测器可以电气地或无线地耦合到微波炉的微处理器并且将所接收的光数据信号(包括测量参数值)发射到微波炉的微处理器或控制器。微波炉的微处理器可以被配置成使用所接收的参数值来控制微波炉的操作。
所述微波供电的传感器组件的另一个实施例包括参数指示器，所述参数指示器用于将所述食物的监测物理或化学特性的参数值显示给炉室的外部。所述参数指示器可以被布置在所述微波供电的传感器组件的外壳体表面上。所述参数指示器可以包括选自LED、不同颜色的多个LED、扬声器、字母数字显示器、电子墨水纸组的至少一个指示器。以下参照附图进一步详细地讨论所述参数指示器的功能和技术细节。然而，电子墨水纸用作参数指示器在一些应用中特别有吸引力，因为电子墨水纸允许用户在微波炉关闭一段时间之后检查测量参数值。电子墨水纸的超低功耗使得电子墨水纸仅使用保持在微波供电的传感器组件的直流供电电路的储存元件(例如电容器)上的相对有限量的能量而起作用。
如上所述，微波供电的传感器组件可以包括温度传感器，例如热敏电阻。
本发明的第二方面涉及一种食物容器，该食物容器包括根据上述微波供电的传感器组件实施例中的任一个实施例的微波供电的传感器组件。微波供电的传感器组件的传感器(诸如温度传感器)被布置成与食物容器的食物进行物理接触或感测接触。因此，食物容器可以在食物制造地点或工厂处等待后一个食物填充过程的制造之后腾空。可替代地，食物容器可以由终端用户手动地填充。在此后续食物填充过程之后，保持在食物容器中的食物与传感器感测接触。
微波供电的传感器组件可以按照许多方式附接到或集成到食物容器。在某些实施例中，微波供电的传感器组件部分地或全部地嵌入食物容器的壁区域、盖区域或底部区域。微波供电的传感器组件可以在容器制造过程期间例如使用注塑成型或通过到已经成型的容器的二次成型材料而集成到食物容器的材料中。食物容器可以包括各种类型的材料，诸如以下各项中的一项或多项：塑料、纸板、玻璃和瓷器。
本发明的第三方面涉及一种监测在微波炉中加热的食物的物理或化学特性的方法，所述方法包括以下步骤：
a)将上述实施例中任一项所述的微波供电的传感器组件的传感器与所述食物物理接触或感测接触，
b)将所述食物放置在所述微波炉的炉室内，
c)激活所述微波炉以在所述炉室内产生预定激励频率的电磁辐射，由此辐照并加热所述食物；所述方法还包括以下步骤中的至少一个：
在所述微波供电的传感器组件上显示所述食物的物理或化学特性的参数测量值；
经由无线数据通信链路将所述食物的物理或化学特性的参数值传输到布置在所述炉室外部的无线接收器。
无线数据通信链路优选地包括例如上述光数据传输器，用于建立到布置在炉室外部的上述光接收器的光数据发射通道。光数据传输器可以将光数据信号发射为可见光谱或红外光谱中的光波。
监测食物的物理或化学特性的方法可以包括根据RF功率限制器的预定信号限制特征来限制RF天线信号的幅值或功率。信号限制特性可以由RF天线信号的信号波形的削峰或者由自动增益控制(AGC)函数执行，而不会使RF天线信号的信号波形失真。
本发明的第四方面涉及一种用于微波炉的微波供电的传感器组件，包括微波天线，所述微波天线具有预定调谐频率以响应于预定激励频率下的微波辐射而生成RF天线信号。该组件还包括直流供电电路，所述直流供电电路耦合到所述受限的RF天线信号并且被配置成对所述受限的RF天线信号整流并产生供电电压。传感器(诸如温度传感器)由所述供电电压供电并且被配置成测量在微波炉腔室中加热的食物的物理或化学特性。微波供电的传感器组件另外包括无线数据传输器，优选地是光数据传输器，该无线数据传输器操作性地耦合到传感器以接收物理或化学特性的测量参数值并且将测量参数值光传输到炉室的外部。
根据本发明的第四方面的微波供电的传感器组件可以另外包括耦合在RF天线信号与直流供电电路之间的RF功率限制器。RF功率限制器被配置成根据RF功率限制器的信号限制特征来限制RF天线信号的幅值或功率。RF功率限制器向直流供电电路的输入端产生受限的RF天线信号。RF功率限制器可以与以上结合本发明的第一方面讨论的RF功率限制器实施例或以下参照附图进一步详细讨论的RF功率限制器的任一实施例相同。
微波供电的传感器组件可以包括参数指示器，所述参数指示器用于将所述食物的物理或化学特性的参数测量值显示给所述微波炉腔室的外部；
其中，所述参数指示器包括选自以上结合本发明的第一方面讨论的LED、不同颜色的多个LED、扬声器、字母数字显示器、电子墨水纸的至少一个指示器。
本发明的第五方面涉及一种食物探针，该食物探针包括根据上述微波供电的传感器组件实施例中的任一个实施例的微波供电的传感器组件。该食物探针可以包括封闭并保护微波供电的传感器组件的细长壳体，如以下参照附图进一步详细地讨论的。
附图说明
将参照附图更详细地描述本发明的优选实施例，在附图中：
图1是根据本发明的第一实施例的用于微波炉中的微波供电的传感器组件的简化示意框图，
图2是根据本发明的第二实施例的用于微波炉中的微波供电的传感器组件的简化示意框图，
图3是根据本发明的第三实施例的用于微波炉中的微波供电的传感器组件的简化示意框图，
图4A)示出根据本发明的第一、第二和第三实施例的微波供电的传感器组件的第一示例性RF功率限制器和直流供电电路的简化电路图，
图4B)示出根据本发明的第一、第二和第三实施例的微波供电的传感器组件的第二示例性RF功率限制器和直流供电电路的简化电路图，
图5示出包括根据组件的上述实施例中任一项的集成微波供电的传感器组件的具有婴幼儿配方奶粉的奶瓶，
图6示出集成在食物容器的壁区域中的微波供电的传感器组件的示例性食物容器；以及
图7示出包括根据上述实施例中任一项的微波供电的传感器组件的温度探针。
具体实施方式
图1是根据本发明的第一实施例的用于工业或消费者类型的微波炉(未示出)中的微波供电的传感器组件100的简化示意框图。微波供电的传感器组件100包括微波天线102，该微波天线具有位于例如在介于800MHz与3.0GHz之间的调谐频率下的微波范围内的预定调谐频率。微波天线102对工业或消费者类型的微波炉的炉室内所生成的微波辐射或电磁场在加热放置在炉室内的食物期间产生的激励做出响应。本领域技术人员将理解的是，对于被设计成用于消费者类型的微波炉的微波供电的传感器组件而言，微波天线102的调谐频率可以被设计为约2.45GHz，并且对于被设计成用于工业类型的微波炉的微波供电的传感器组件而言，可以被设计为915MHz。微波天线102的调谐频率可以另外从上述微波辐射的预期激励频率(2.45GHz或915MHz)下调预定的量。
食物可以包括液体(诸如牛奶、水、婴幼儿配方奶粉、咖啡、茶、果汁或其他可饮用的物质)，或者食物可以是固态的或冷冻的并且包括面包、肉类或晚餐。食物可以在微波炉中加热期间可以被布置在合适的容器或器皿(诸如杯子或盘子等等)中。微波供电的传感器组件的传感器108的感测部分可以与食物物理接触，以在加热/制备期间测量或检测食物的物理特性，诸如温度、粘度、压力、颜色、湿度、反射率、导电率等等。在替代方案中，传感器108可以在不与食物物理接触的情况下操作，而是通过远程或非接触式感测(例如使用红外(IR)温度检测器等等)来测量食物的物理特性。传感器108的感测部分可以可替代地测量或检测待加热的食物的化学特性，例如食物中的水含量或某些化学试剂(诸如盐分、糖分等等)的存在和/或浓度。
本领域技术人员将理解的是，传感器可以被配置成测量或检测食物的若干不同的物理特性和/或一个或多个化学特性。微波供电的传感器组件100可以包括用于测量食物的不同物理特性和/或化学特性的多个不同类型的传感器。
微波天线102响应于炉室中的RF电磁辐射所产生的激励而生成RF天线信号。RF天线信号电连接或耦合到可选的RF功率限制器104的输入端。RF功率限制器104被配置成根据RF功率限制器104的信号限制特征来限制RF天线信号的幅值、功率或能量。RF功率限制器104由此在RF功率限制器104的输出端产生受限的RF天线信号VLIM。预定的信号限制特征可以例如包括在RF天线信号的例如低于某个阈值水平的较小水平下的线性行为和高于阈值水平下的非线性行为。以此方式，RF天线信号的水平和受限RF天线信号的水平可以对于低于阈值水平的RF天线信号而言基本上相同，而受限的RF天线信号的水平可以小于RF天线信号的高于阈值水平的水平。以下另外详细地讨论用于产生可选的RF功率限制器104的不同类型的信号限制特征的各种电路细节和机构。
微波供电的传感器组件100的RF功率限制器104是有利的，因为限制器104保护电连接或耦合到受限的RF天线信号的下游直流供电电路106不受RF天线信号的过大功率或幅值响应于炉室中的RF电磁辐射所产生的过压情况的影响。这些过量信号输入情况与正常的无线RF数据通信设备的操作相反，其中，挑战经常在于获得足够的RF功率来安全地传输或解码调制到载波中的数据信号。相比之下，微波供电的传感器组件100将通常被放置为非常靠近炉室中的RF电磁辐射源，从而导致RF天线信号的特别大的电压和输入功率。另外，炉室中的微波辐射的强度由于驻波而在通过炉室时高度地可变。这些驻波导致在用微波辐射的高度不同的磁场强度操作期间在炉室内部形成所谓的“热点”和“冷点”。微波供电的传感器组件100应当被配置成一方面当放置冷点时从微波天线提取足够的功率以确保适当的操作，并且另一方面当微波天线位于热点时忍受非常大幅值的RF天线信号。在后一种情况下，RF功率限制器104确保这些大幅值的RF天线信号通过将进入RF信号功率的较大部分反射回微波天线进行发射而得到衰减，如以下另外详细讨论的。
直流供电电路106被配置成对受限的RF天线信号VLIM整流并且从其提取直流供电电压VDD。直流供电电路106可以包括耦合到整流元件的输出端的一个或多个滤波器或平滑电容器。可以使用若干类型的整流元件，诸如半导体二极管或有源受控的半导体开关/晶体管。在一个实施例中，整流元件包括在电路块106上示意性地示出的肖特基二极管。该一个或多个滤波器或平滑电容器用于抑制直流供电电压VDD上的电压纹波和噪声，并且可以另外用作能量储存器。该能量储存器储存所提取的能量持续某个时间段，并且确保直流供电电压在以下另外详细讨论的RF天线的短下降期间保持充电或上电。传感器108的电源端子或输入端连接到直流供电电压VDD，以接收操作功率。传感器108可以包括需要上电以适当地操作的各种类型的有源数字和/或模拟电子电路和/或显示部件。
微波供电的传感器组件100优选地包括围绕并封闭至少RF功率限制器104、直流供电电路306和传感器106的壳体或外壳110。壳体110可以气密地密封，以保护封闭在其中的电路和传感器不受炉室内的有害液体、气体或其他污染物的影响。传感器108的上述感测部分可以从壳体110伸出，以允许感测部分与食物物理接触。壳体110可以包括导电层或屏障(诸如金属片或金属网)，该导电层或屏障封闭至少RF功率限制器104和供电电路106以及可选地传感器108不受微波炉在操作期间产生的强RF微波电磁场的影响。微波或RF天线102被放置在电屏障壳体110外部，以允许捕获来自微波辐射或磁场的微波能量。
食物的测量或检测物理特性和/或化学特性可以按照许多方式指示给微波炉的用户。在微波供电的传感器组件100的某些实施例中，前者包括显示器，该显示器被配置成将食物的测量物理和/或化学特性的参数值或相应的参数值显示给微波炉的外部，如以下参照图3进一步详细讨论的。在微波供电的传感器组件100的替代实施例中，前者包括无线数据通信传输器，该无线数据通信传输器被配置成将食物的测量物理和/或化学特性的参数值或相应的参数值发射给微波炉的外部，如以下参照图2进一步详细讨论的。
图2是根据本发明的第二实施例的用于工业或消费者类型的微波炉(未示出)中的微波供电的传感器组件200的简化示意框图。已经为微波供电的传感器组件的第一和第二实施例的相应的元素和特征分配相应的参考标记，以方便比较。微波供电的传感器组件200包括微波天线202，该微波天线的特征与上述微波天线102的特征相同。RF天线信号电耦合到RF功率限制器204的输入端，该RF功率限制器的特征可以与上述可选的RF功率限制器104的特征相同。RF功率限制器204的输出端耦合到直流供电电路206，该直流供电电路被配置成对受限的RF天线信号VLIM整流并且如上结合微波供电的传感器组件100的第一实施例所述的那样从其提取直流供电电压VDD。
直流供电电压VDD耦合到传感器208、控制器214(诸如数字处理器)和光数据传输器218的相应的电源端子或输入端。因此，这些电路连接到直流供电电压VDD，以接收操作功率。传感器208可以包括需要上电以适当地操作的各种类型的有源数字和/或模拟电子电路和/或显示部件。数字处理器可以包括被配置成执行微波供电的传感器组件200的各种预定的控制功能的硬接线数字处理器。在替代方案中，数字处理器214可以包括软件可编程微处理器，该软件可编程微处理器适于根据存储在软件可编程微处理器的程序存储器中的可执行程序指令集执行微波供电的传感器组件200的控制功能。数字处理器214可以包括连接到传感器208的输入端口，以接收食物的前述物理或化学特性的测量参数值。传感器208的感测部分可以与食物物理或感测接触，以在加热/制备期间测量或检测食物的物理特性，诸如温度、粘度、压力、颜色、湿度、反射率、导电率等等。本领域技术人员将理解的是，测量参数值可以由传感器208根据传感器208以及与其集成的任何信号调节电路的特征以模拟格式或数字格式输出。如果参数值是以数字格式输出的，数字处理器214的输入端口可以包括普通I/O端口或工业标准数据通信端口(诸如I2C或SPI)。如果参数值是由传感器208以模拟格式输出的，数字处理器214的输入端口可以包括连接到内部A/D转换器的模拟输入端，以将所接收的参数值转换为数字格式并且创建包括测量参数值的相应数据流或数据信号。光数据传输器218耦合到数字处理器214的数据端口，以将按照预定数据格式编码的测量参数值供应给光数据传输器218，从而光调制并传输到布置在炉室外部的合适的光接收器(未示出)。光数据传输器218可以包括将光数据信号发射为可见光谱或红外光谱中的光波的调制LED二极管。所述光接收器可以包括光电检测器，诸如LED。数字处理器214和光数据传输器218可以被配置成根据特定应用在加热食物期间在有规律的时间间隔或者在不规律的时间间隔连续地发射光数据信号。微波供电的传感器组件200优选地包括围绕并封闭至少RF功率限制器204、直流供电电路208、数字处理器214、传感器218和光数据传输器218的壳体或外壳210。壳体210的特性可以与上述壳体110的特性相同。
微波炉可以包括具有由金属网或网格覆盖的内表面的玻璃盖，该金属网或网格充当微波炉的EMI屏障，以防止微波炉在操作期间发射的微波辐射泄露到炉室外部的外部环境。光电检测器可以直接附接到微波炉的玻璃盖的外表面，使得光数据信号通过玻璃盖发射到光电检测器。光电检测器可以被放置在EMI屏障的开口中，以允许承载光数据信号的光波可以毫无阻碍地传播到光电检测器。光电检测器可以电气地或无线地耦合到微波炉的微处理器并且将所接收的光数据信号(包括测量参数值)发射到微波炉的控制器。微波炉的微处理器可以被配置成使用所接收的参数值来控制微波炉的操作。在一个实施例中，食物的测量参数值可以包括食物的当前温度，并且微波炉的微处理器可以被配置成当食物的当前温度到达某个目标温度时结束加热。
图3示出根据本发明的第三实施例的用于工业或消费者类型的微波炉(未示出)中的微波供电的传感器组件300的简化示意框图。已经为微波供电的传感器组件的第二和第三实施例的相应的元素和特征分配相应的参考标记，以方便比较。微波供电的传感器组件300与前述微波供电的传感器组件200之间的主要区别在于光数据传输器218已经由显示器312替换。显示器312充当用于将食物的物理或化学特性的测量参数值显示给微波炉的外部的参数指示器。显示器312同样由微波供电的传感器组件300的直流供电电路306所生成的直流供电电压VDD供电。如上所述，直流供电电路306从受限的RF天线信号VLIM提取能量或功率。然而，RF功率限制器304是可选的电路，并且微波供电的传感器组件的其他实施例可以将RF天线信号直接耦合到直流供电电路306，而无需任何中间RF信号限制。显示器312充当用于将食物的物理或化学特性的参数监测值显示给微波炉的外部的参数指示器。显示器312优选地被配置成以足够的大小和/或亮度指示测量参数值，以允许用户在微波炉的操作期间通过微波炉的玻璃门或玻璃盖读取当前参数值。显示器312可以包括各种类型的参数值指示器，诸如LED、多个不同颜色的LED、扬声器、字母数字显示器和电子墨水纸。
微波供电的传感器组件300优选地包括围绕并封闭至少RF功率限制器304、直流供电电路306、数字处理器314、传感器308和显示器312的壳体或外壳210。壳体210的特性可以与上述壳体110的特性相同。
图示出4A)适于用在微波供电的传感器组件的上述第一、第二和第三实施例中的任一实施例的第二示例性RF功率限制器1204、304和直流供电电路206、306的简化电路图。RF功率限制器包括PIN限制器二极管和平行电感器L1。PIN限制器二极管D1从RF天线信号耦合到RF功率限制器的接地，并且将可变分流阻抗呈现给微波天线202、302，其中分流阻抗根据进入RF天线信号的水平变化。与在微波天线202、302的输出端处产生的RF天线信号相比，RF功率限制器因此生成受限的或衰减的RF天线信号VLIM。受限的RF天线信号VLIM施加到直流供电电路206、306，尤其是施加到形式为肖特基二极管D2的整流元件的阴极。平行电感器确保PIN限制器二极管D1的适当直流偏置。对于较小水平的RF天线信号，PIN限制器二极管的阻抗较大，例如大于1000ohm，并且随着RF天线信号的水平增加而逐渐地减小，使得RF功率限制器的输入阻抗按照相应的方式起作用。在一个示例性实施例中，微波天线的发电阻抗可以为约1000ohm，直流电源的输入阻抗可以为约200ohm，并且PIN限制器二极管的阻抗对于较小水平的RF天线信号高于1000ohm。随着RF天线信号的水平增加，对于较大水平的RF天线信号，PIN限制器二极管的阻抗可以逐渐减小到达约50ohm的值或者甚至更小。因此，微波天线和RF功率限制器之间的阻抗匹配随着RF天线信号的水平增加而逐渐恶化。结果是，随着RF天线信号的水平增加，RF天线信号的增加部分被反射回微波天线并且从其发出。因此，将直流供电电路的部件与可能导致较大水平的RF天线信号的上述过压和/或过热问题的过量RF电压水平和功率水平屏蔽。
图示出4B)适于用在微波供电的传感器组件的上述第一、第二和第三实施例中的任一实施例的第二示例性RF功率限制器1204、304和直流供电电路206、306的简化电路图。RF功率限制器包括可控MOSFET晶体管M1。可控MOSFET M1从RF天线信号耦合到RF功率限制器的接地，并且将可变分流阻抗呈现给微波天线，其中分流阻抗根据进入RF天线信号的水平变化。然而，尽管PIN限制器二极管的阻抗特征和信号限制特征由PIN二极管自身的固有参数确定，MOSFET M1的信号限制特征可以由数字处理器214、314通过控制或调节M1的栅极/控制端子305的栅极电压来精确地控制。该特征在控制或适配RF功率限制器的本实施例的阻抗特征方面以及因此在信号限制特征方面提供了很大的灵活性。数字处理器214、314可以例如经由合适的输入端口监测直流供电电压VDD的水平。数字处理器可以被配置成响应于直流供电电压VDD满足合适的标准(例如，到达阈值电压)时通过调节M1的栅极电压来急剧地或逐渐地减小M1的阻抗。后者可以指示电源的额定直流电压或者指示直流供电电路106、206、306的满充电状态，使得来自RF天线信号的进入功率量值可以有利地降低，以避免直流供电电路中的上述可能有害的过压情况。数字处理器可以控制M1的阻抗，使得其在预定的阈值水平下保持基本上恒定并且在阈值水平以上减小到更小的阻抗。M1的高于预定的阈值水平的更小阻抗可以基本上恒定或可变，使得阻抗随着直流供电电压增加而逐渐减小。
图5示出包括奶瓶的第一示例性食物容器520。奶瓶包含婴幼儿配方奶粉部分528。奶瓶520包括根据上述实施例中任一项的集成微波供电的传感器组件100、200、300。奶瓶520被设计成用于使用2.45GHz微波辐射的消费者类型的微波炉。微波供电的传感器组件优选地包括围绕并封闭集成的微波供电的传感器组件的上述电路。壳体的特性可以与以上结合微波供电的传感器组件100的第一实施例讨论的壳体110的特性相同。微波供电的传感器组件被布置在奶瓶520的瓶壁522的底部区域。瓶壁522可以包括聚碳酸酯，并且因此可以透过红外光和/或可见光。温度传感器526从微波供电的传感器组件的壳体伸出，以与婴幼儿配方奶粉528物理接触并测量其当前温度。在替代方案中，温度传感器526可以被布置在壳体内部并且通过合适的材料接口与婴幼儿配方奶粉528热接触。微波供电的传感器组件包括较短的单极微波天线502。单极微波天线502的调谐频率优选地在某种程度上高于微波炉的微波辐射的2.45GHz辐射频率。因此，单极微波天线502被有意地下调，这提供了许多优点。单极微波天线502相对于以2.45GHz微波辐射频率进行调谐的更高调谐频率使得单极微波天线502的物理尺寸更小。更小的物理尺寸使得微波供电的传感器组件的尺寸更小并且更容易集成到各种设备(诸如本发明的奶瓶510)中。下调还减小了单极微波天线502所拾取的微波能量的量值并且因此减小了施加到RF功率限制器204、304(如果存在的话)和直流供电电路206、306的RF天线信号的水平。在本实施例中，单极微波天线相对于以2.45GHz微波辐射频率进行调谐的调谐频率可以至少高50％，使得单极微波天线502的调谐频率处于或高于3.675GHz。微波供电的传感器组件还包括结合微波供电的传感器组件200的第二实施例讨论的光数据传输器。光数据传输器被配置成发射光数据信号530，该光数据信号包括由温度传感器526在微波炉中加热奶瓶剂期间所产生的婴幼儿配方奶粉528的测量温度值。光数据信号530可以是红外的并且具有足够大的水平或功率，以穿透瓶壁522并且穿透微波炉门到达如上所述布置在炉室外部的光接收器。本领域技术人员将理解的是，光数据传输器可以由显示器(诸如上述显示器312)替换或补充。显示器可以指示婴幼儿配方奶粉528的测量温度值或者简单地指示婴幼儿配方奶粉的某个预先编程的目标温度到达炉室的外部。用户可以通过在加热期间通过读取显示器上的温度指示来监测婴幼儿配方奶粉的当前温度并且当到达期望温度时中断微波炉。在替代方案中，微波炉的前述微处理器可以被配置成当到达期望温度时自动地中断微波炉的加热。这需要微波供电的传感器组件所发射的光数据信号经由如上所述安装在微波炉门上的光电检测器耦合到微波炉的微处理器。
图6示出例如奶瓶形式的第二示例性食物容器620。食物容器620包括根据上述实施例100、200、300中任一项的微波供电的传感器组件600。微波供电的传感器组件600部分地或完全地嵌入在容器材料的壁区域622或可能地其他容器区域内。微波供电的传感器组件600可以使用制造技术(诸如注塑成型)或者通过二次成型嵌入在食物容器620的壁区域615中。食物容器620可以包括各种类型的注塑成型兼容材料。微波供电的传感器组件600的传感器626(例如温度传感器或化学传感器)被布置成与保持在食物容器620中的食物628(例如，婴幼儿配方奶粉)物理接触。壁区域622的围绕微波供电的传感器组件600的放大区域650示出传感器626如何至少部分地伸出到壁材料的内表面外部，以与食物628物理接触。
图7示出包括根据上述实施例100、200、300中任一项的微波供电的传感器组件的示例性温度探针740。温度探针740具有许多用途并且可以例如结合食物728的微波加热插入保持在食物容器720(诸如杯子、盘子等等)中的食物728中。微波供电的传感器组件包括主部分700和与主部分700物理地分开的传感器部分726。分开的传感器部分726可以经由一个或多个电导体或电线连接到主部分700。可替代地，传感器部分726和主部分700可以经由无线数据通信链路连接。微波供电的传感器组件优选地封闭在或布置在温度探针740的壳体或外壳734内，例如用于方便终端用户操纵和处置的细长圆柱形壳体。温度探针740可以在使用期间插入食物728，使得至少传感器部分726嵌入食物728，以在微波炉炉室内加热期间准确地测量食物728的相关物理和/或化学特性。

Claims (18)

1.一种用于微波炉的微波供电的传感器组件，包括：
微波天线，所述微波天线具有预定调谐频率并且用于响应于预定激励频率下的微波辐射而生成RF天线信号，
RF功率限制器，所述RF功率限制器耦合到所述RF天线信号并且用于根据预定信号限制特征来限制所述RF天线信号的幅值或功率，以产生受限的RF天线信号，
直流供电电路，所述直流供电电路耦合到所述受限的RF天线信号并且被配置成对所述受限的RF天线信号整流并产生供电电压，
传感器，所述传感器连接到所述供电电压并且被配置成测量在微波炉室中加热的食物的物理或化学特性。
2.根据权利要求1所述的微波供电的传感器组件，其中，所述RF功率限制器包括跨所述RF天线信号连接的可变阻抗电路；
其中，所述可变阻抗电路被配置成呈现随着在预定激励频率下所述RF天线信号幅值或功率的增加而降低的输入阻抗，以减小所述功率限制器的输入阻抗与所述微波天线的阻抗之间的匹配。
3.根据权利要求2所述的微波供电的传感器组件，其中，所述可变阻抗电路被配置成：
在所述RF天线信号的低于阈值水平的功率水平下呈现第一基本上恒定的输入阻抗；以及
在所述RF天线信号的高于所述阈值水平的功率水平下呈现逐渐减小的输入阻抗。
4.根据权利要求3所述的微波供电的传感器组件，其中，所述可变阻抗电路包括PIN限制器二极管或受控FET晶体管。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的微波供电的传感器组件，其中，所述供电电路包括用于对所述受限的RF天线信号整流的一个或多个RF肖特基二极管。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的微波供电的传感器组件，其中，所述微波天线的所述预定调谐频率与所述微波辐射的所述预定激励频率相差多于+50 %或多于-33 %。
7.根据权利要求6所述的微波供电的传感器组件，其中，所述微波天线的所述预定调谐频率比所述微波辐射的所述预定激励频率高至少50%。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的微波供电的传感器组件，其中，所述微波天线包括以下各项中的至少一项：单极天线、双极天线、贴片天线。
9.根据权利要求1-4中任一项所述的微波供电的传感器组件，其中，所述微波天线的发生器阻抗是所述RF功率限制器在所述炉室中的所述微波辐射的所述预定激励频率下的输入阻抗的至少两倍。
10.根据权利要求1-4中任一项所述的微波供电的传感器组件，包括导电壳体，诸如金属片或金属网，所述导电壳体封闭至少所述RF功率限制器和所述供电电路并且保护至少所述RF功率限制器和所述供电电路不受微波电磁辐射影响。
11.根据权利要求1-4中任一项所述的微波供电的传感器组件，还包括：
数字处理器，所述数字处理器耦合到所述供电电压并且用于接收操作功率；
其中，所述数字处理器经由输入端口耦合到所述传感器，所述输入端口用于接收所述食物的测量物理或化学特性的参数值。
12.根据权利要求11所述的微波供电的传感器组件，还包括：
光数据传输器，所述光数据传输器耦合到所述数字处理器并且用于接收所述食物的测量物理或化学特性的参数值并且将所述参数值光传输到所述炉室的外部。
13.根据权利要求1-4中任一项所述的微波供电的传感器组件，包括参数指示器，所述参数指示器用于将所述食物的监测物理或化学特性的参数值显示给所述炉室的外部；
其中，所述参数指示器包括选自单个LED、多个不同颜色的LED、扬声器、字母数字显示器、电子喷墨纸的至少一个指示器。
14.一种食物容器，包括根据权利要求1-13中任一项所述的微波供电的传感器组件；
其中，所述微波供电的传感器组件的传感器被布置成与所述食物容器的食物进行物理接触或感测接触。
15.根据权利要求14所述的食物容器，其中，所述微波供电的传感器组件部分地或全部地嵌入所述食物容器的壁区域、盖区域或底部区域。
16.一种食物探针，包括根据权利要求1-13中任一项所述的微波供电的传感器组件。
17.一种监测在微波炉中加热的食物的物理或化学特性的方法，所述方法包括以下步骤：
a）将根据权利要求1-13中任一项所述的微波供电的传感器组件的传感器与所述食物物理接触或感测接触，
b）将所述食物放置在所述微波炉的炉室内，
c）激活所述微波炉以在所述炉室内产生预定激励频率的电磁辐射，从而辐照并加热所述食物；以及下列附加步骤中的至少一个：
在所述微波供电的传感器组件上显示所述食物的测量物理或化学特性的参数值；
经由无线数据通信链路将所述食物的物理或化学特性的参数值传输到布置在所述炉室外部的无线接收器。
18.根据权利要求17所述的监测食物的物理或化学特性的方法，其中，所述无线数据通信链路包括光数据传输通道。
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