CN108862184B - 一种同位素电池供能的谐振式声表面波无线传感器 - Google Patents

Abstract

一种同位素电池供能的谐振式声表面波无线传感器，涉及无线传感。设有同位素电池、微型充放电执行开关、谐振式声表面波无线传感器和发射天线；所述同位素电池使用同位素辐射源激励二氧化钛材料而产生亚微安级电流；所述充放电执行开关采用并联式悬臂梁MEMS开关结构，充放电执行开关设有基底、金属悬臂梁和接地电极；所述谐振式声表面波无线传感器设有衬底、反射栅、压电介质层和叉指电极，谐振式声表面波无线传感器用于在充电周期中收集同位素电池能量，存储能量大小与激励电压、叉指对数、孔径宽度、叉指单位电容等成正比；所述发射天线用于接收IDT上的频率变化信号，向外发送带有传感量信息的频率信号。

Description

一种同位素电池供能的谐振式声表面波无线传感器

技术领域

本发明涉及无线传感，尤其是涉及一种同位素电池供能的谐振式声表面波无线传感器。

背景技术

无线传感器网络是当前信息领域中研究的热点之一，可用于环境信息如压力、应变、湿度、湿度、扭力、质量吸附、分子吸附、气体成分、辐射等环境物理量的监测，实现信号的采集、处理和无线发送。无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术，在现实生活中得到了越来越广泛的应用。无线传感器网络的优点是可以对监测环境实现分布式的无线传感器网络化布置，进而实现某些特殊环境中的参数监测和信息传输。例如在密闭或狭窄的空间环境中、高速旋转物体、恶劣环境(如核辐射场、高温高压、生化场等)等不易布置线路或不易维护的环境中，使用无线传感器网络通常是最佳选择。

无线传感器的能源供应是制约无线传感器网络稳定长期工作的一个主要瓶项。目前，无线传感器网络主要能源供给方案有普通化学电池、燃料电池、环境能量收集电池(如太阳能、振动能量、电磁场能量、热能等)等。普通化学电池需要定期维护或更换，对环境温度适应性差，特别不适于密闭或恶劣环境中的应用；燃料电池需要燃料存储装置和定期补充燃料，不易维护。环境能量收集电池通常需要整流和电能管理等装置而使整个传感器设计变的相当复杂。对于一些环境能量，如太阳能、电磁能和振动能量等，往往受限于能量供给的时效性和能量收集器件的可靠性和环境适用性。

同位素电池是利用放射性同位素衰变释放的能量转换成电能的自主发电装置，具有能量密度高、寿命长、工作可靠、环境适应性强、无需维护等特点，非常适合作为无线传感网络节点的供电能源。同位素电池的寿命可根据同位素的半衰期来计算，一般达到十年或数十年之久。由于能量密度高，同位素电池可被制备成微型电池供传感器使用。

无线传感器主要使用射频信号实现传感信息的发送。声表面波传感器可以在不使用其他调理电路的情况直接输出与被传感量相关的频率信号，非常适合于结构简单、性能稳定的无线传感检测系统。声表面波传感器的基本工作原理是传感器在受到外界环境的压力、湿度、湿度、扭力、质量吸附等环境物理参量的作用时，其谐振频率会随着环境物理参量的变化而变化，根据谐振频率的测试结果进行相应数据处理就可以得到环境物理参量的变化情况。

根据谐振式声表面波无线传感器的基本结构，通过向声表面波无线传感器插指电极(IDT)提供激励电压，将会在谐振式声表面波无线传感器中储存能量，总能量大小与激励电压、叉指对数、孔径宽度、叉指单位电容等成正比。IDT短路放电后产生阶跃响应，谐振器筛选出由IDT结构决定的固有谐振信号，该信号受环境参量影响后可再次通过IDT转为射频信号并通过天线发射出去，从而实现环境参量的无线检测。

综上所述，为了能用于特殊环境参量检测，并在长时间内高效主动地向外发送无线传感信息，研发一种同位素电池供能的谐振式声表面波无线传感器，对整个无线传感器技术领域的进步和相关产业的发展具有积极的推动作用。

发明内容

针对无线传感网络对长寿命免维护能源的需求问题，本发明提供一种同位素电池供能的谐振式声表面波无线传感器。

本发明设有同位素电池、充放电执行开关、谐振式声表面波无线传感器和发射天线；

所述同位素电池使用同位素辐射源激励二氧化钛材料而产生亚微安级电流，用于长期地对谐振式声表面波无线传感器进行充电；

所述充放电执行开关采用并联式悬臂梁MEMS开关结构，充放电执行开关设有基底、金属悬臂梁和接地电极，由同位素电池向金属悬臂梁与接地电极之间施加电压，金属悬臂梁在电场力的作用下发生弯曲变形；所述充放电执行开关的金属悬臂梁在电场力的作用下发生变形与接地电极接触后，正负电荷复合，电场力消失，金属悬臂梁恢复原有状态；所述充放电执行开关的闭合及断开时间由金属悬臂梁微机械结构控制；所述金属悬臂梁在电场力的作用下发生变形与接地电极接触后放电，产生阶跃响应；

所述谐振式声表面波无线传感器设有衬底、反射栅、压电介质层和叉指电极，谐振式声表面波无线传感器用于在充电周期中收集同位素电池能量，存储能量大小与激励电压、叉指对数、孔径宽度、叉指单位电容等成正比；

所述发射天线用于接收IDT上的频率变化信号，向外发送带有传感量信息的频率信号。

所述同位素电池包括同位素辐射源、收集电荷的电极和底板；同位素辐射源用于激励二氧化钛材料而产生数百纳的电流，同位素辐射源位于二氧化钛材料的上表面，收集电荷的电极和底板分别设于二氧化钛材料的上下表面，二氧化钛材料与镀有收集电荷电极层的上下底板封装，同位素电池的寿命主要取决于同位素辐射源元素的半衰期。所述同位素电池把同位素衰变的能量转换为电能，具有输出电压和电流的能力，可以为具有电容结构的谐振式声表面波无线传感器充电。同位素电池产生的电流送至充放电执行开关，充放电执行开关中的金属悬臂梁收集电荷，同时通过与金属悬臂梁向谐振式声表面波无线传感器充电。随着电荷的积累，电势随之升高，金属悬臂梁与接地电极之间的静电力使金属悬臂梁弯曲变形。

所述同位素电池可采用热电式、直接充电式、直接转换式、间接转换式等各类型同位素电池的任意一种，优选基于贝塔伏特效应的直接转换式同位素电池。所述同位素电池使用的同位素辐射源在衰变时能够辐射贝塔粒子的辐射源，其半衰期不低于10年。所述同位素电池的同位素材料可包括氢-3(氚)、镍-63、碳-14、钴-60、钷-146、锶-90、铯-137、氪-85、铊-204等中的至少一种。

所述谐振式声表面波无线传感器可具有单端口或双端口结构，谐振式声表面波无线传感器的压电介质层和叉指电极可组成电容器结构，因此具备存储和释放电荷的能力；采用双端口结构的谐振式声表面波无线传感器具有两个IDT结构，谐振式声表面波无线传感器的双端同时配备有反射栅，谐振式声表面波无线传感器的谐振频率会因环境参数变化而改变，可用于如压力、应变、湿度、扭力、质量吸附、分子吸附、气体成分、辐射等环境物理量的检测。

随着充放电执行开关金属悬臂的金属悬臂梁与接地电极之间形成的静电场力的进一步增加，引起金属悬臂梁与接地电极接触放电，产生阶跃响应。谐振式声表面波无线传感器筛选出由结构决定的固有谐振信号。

谐振式声表面波无线传感器与发射天线相连接的IDT将声表面波转换为携带有温度等传感信息的频率电信号，并由发射天线向外发送带有传感信息的频率电信号，达到主动式无线传感的目的。

所述谐振式声表面波无线传感器的叉指电极的结构可应用于多种频率场景，从几十MHz至几个GHz，广泛地覆盖了目前无线传感的主要频带，优选以315MHz和433MHz为应用频段。

所述充放电执行开关可采用微型充放电执行开关。

所述无线传感器因使用半衰期达数十年之久的同位素电池配合结构简单的谐振式声表面波无线传感器，而无需使用其他电子元件，能达到长寿命无线传感应用的目的。

本发明利用同位素电池供能并实现传感信息无线发送的长寿命谐振式声表面波无线传感器。同位素电池对谐振式声表面波无线传感器进行充电，由微型充放电执行开关控制充放电回路。在充电过程中谐振式声表面波无线传感器收集同位素电池能量，随着电荷积累产生静电力导致微型充放电执行开关的金属悬臂梁弯曲而与接地电极短路放电，产生阶跃响应，谐振式声表面波无线传感器筛选出固有谐振信号，谐振频率仅取决于插指结构及环境变量，再由天线向外发射谐振信号，以此达到长寿命无线传感应用的目的。本发明能在长时间内(取决于辐射元素的半衰期，如氚基同位素电池为10年)高效主动地向外发送无线传感信息，可广泛应用于轮胎压力-温度监控、机械扭矩保护等旋转密闭环境的免维护无线传感检测。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明实施例设有同位素电池1、微型充放电执行开关2、谐振式声表面波无线传感器3及发射天线4。

所述同位素电池1使用同位素辐射源激励二氧化钛材料而产生亚微安级电流，用于长期地对谐振式声表面波无线传感器3进行充电。

所述充放电执行开关2采用并联式悬臂梁MEMS开关结构，充放电执行开关2设有基底21、金属悬臂梁22和接地电极23，由同位素电池1向金属悬臂梁22与接地电极23之间施加电压，金属悬臂梁22在电场力的作用下发生弯曲变形；所述充放电执行开关2的金属悬臂梁22在电场力的作用下发生变形与接地电极23接触后(参见B端)，正负电荷复合，电场力消失，金属悬臂梁22恢复原有状态；所述充放电执行开关2的闭合及断开时间由金属悬臂梁22的微机械结构控制；所述金属悬臂梁22在电场力的作用下发生变形与接地电极23接触后，产生阶跃响应。

所述谐振式声表面波无线传感器3筛选出由结构决定的固有谐振信号，而谐振频率受外界如压力、应变、湿度、湿度、扭力、质量吸附、分子吸附、气体成分、辐射等环境物理量的影响；所述谐振式声表面波无线传感器3设有衬底31、反射栅32、压电介质33和叉指电极34，谐振式声表面波无线传感器3用于在充电周期中收集同位素电池1能量，存储能量大小与激励电压、叉指对数、孔径宽度、叉指单位电容等成正比。

所述发射天线4用于接收IDT上的频率变化信号，向外发送带有传感量信息的频率信号。

所述同位素电池1包括镍-63辐射源、收集电荷的电极和底板；镍-63辐射源用于激励二氧化钛材料而产生数百纳的电流，镍-63辐射源位于二氧化钛材料的上表面，收集电荷的电极和底板分别设于二氧化钛材料的上下表面，二氧化钛材料与镀有收集电荷电极层的上下底板封装，同位素电池1的寿命主要取决于镍-63辐射源元素的半衰期。

所述谐振式声表面波无线传感器3可采用双端口谐振式表面波传感器，具有两个IDT谐振器，谐振器外侧两端同时配备有反射栅，谐振式声表面波无线传感器3的谐振频率随外界压力、湿度、湿度、扭力、质量吸附等环境信息变化而变化。

同位素电池1产生的电流送至充放电执行开关2的A端，充放电执行开关2中的金属悬臂梁22收集电荷，同时通过与金属悬臂梁22的C端向谐振式声表面波无线传感器3充电。随着电荷的积累，电势随之升高，金属悬臂梁22与接地电极23之间的静电力使金属悬臂梁22下移。

随着充放电执行开关2金属悬臂的金属悬臂梁22与接地电极23之间形成的静电场力的进一步增加，引起金属悬臂梁22弯曲变形并与接地电极23接触放电，产生阶跃响应。谐振式声表面波无线传感器筛选出由结构决定的固有谐振信号。

谐振式声表面波无线传感器3的D端的IDT将声表面波转换为携带有传感信息的频率电信号。

谐振式声表面波无线传感器3的D端与发射天线4相连接，发射天线4工作于谐振式声表面波无线传感器的固有谐振频带而向外发送频率电信号，达到主动式无线传感的目的。

Claims (10)

1.一种同位素电池供能的谐振式声表面波无线传感器，其特征在于设有同位素电池、充放电执行开关、谐振式声表面波无线传感器和发射天线；

所述同位素电池使用同位素辐射源激励二氧化钛材料而产生亚微安级电流，同位素电池用于对谐振式声表面波无线传感器充电；

所述充放电执行开关采用并联式悬臂梁MEMS开关结构，充放电执行开关设有基底、金属悬臂梁和接地电极，由同位素电池向金属悬臂梁与接地电极之间施加电压，金属悬臂梁在电场力的作用下发生弯曲变形；所述充放电执行开关的金属悬臂梁在电场力的作用下发生变形与接地电极接触后，正负电荷复合，电场力消失，金属悬臂梁恢复原有状态；所述充放电执行开关的闭合及断开时间由金属悬臂梁微机械结构控制；所述金属悬臂梁在电场力的作用下发生变形与接地电极接触后放电，产生阶跃响应；

所述谐振式声表面波无线传感器设有衬底、反射栅、压电介质层和叉指电极，谐振式声表面波无线传感器用于在充电周期中收集同位素电池能量，存储能量大小与激励电压、叉指对数、孔径宽度、叉指单位电容成正比；

所述发射天线用于接收IDT上的频率变化信号，向外发送带有传感量信息的频率信号。

2.如权利要求1所述一种同位素电池供能的谐振式声表面波无线传感器，其特征在于所述同位素电池包括同位素辐射源、收集电荷的电极和底板；同位素辐射源用于激励二氧化钛材料而产生数百纳的电流，同位素辐射源位于二氧化钛材料的上表面；所述收集电荷的电极和底板分别设于二氧化钛材料的上下表面，二氧化钛材料与镀有收集电荷电极层的上下底板封装。

3.如权利要求1所述一种同位素电池供能的谐振式声表面波无线传感器，其特征在于同位素电池产生的电流送至充放电执行开关，充放电执行开关中的金属悬臂梁收集电荷，同时通过金属悬臂梁一端向谐振式声表面波无线传感器充电。

4.如权利要求1所述一种同位素电池供能的谐振式声表面波无线传感器，其特征在于所述同位素电池采用热电式、直接充电式、直接转换式、间接转换式中的一种。

5.如权利要求4所述一种同位素电池供能的谐振式声表面波无线传感器，其特征在于所述同位素电池为基于贝塔伏特效应的直接转换式同位素电池。

6.如权利要求1所述一种同位素电池供能的谐振式声表面波无线传感器，其特征在于所述同位素电池的同位素材料包括氢-3(氚)、镍-63、碳-14、钴-60、钷-146、锶-90、铯-137、氪-85、铊-204中的至少一种。

7.如权利要求1所述一种同位素电池供能的谐振式声表面波无线传感器，其特征在于所述谐振式声表面波无线传感器具有单端口或双端口结构，谐振式声表面波无线传感器的压电介质层和叉指电极组成电容器结构。

8.如权利要求7所述一种同位素电池供能的谐振式声表面波无线传感器，其特征在于采用双端口结构的谐振式声表面波无线传感器具有两个IDT结构，谐振式声表面波无线传感器的双端同时配备有反射栅，谐振式声表面波无线传感器的谐振频率会因环境参数变化而改变，用于压力、应变、湿度、扭力、质量吸附、分子吸附、气体成分、辐射环境物理量的检测。

9.如权利要求1所述一种同位素电池供能的谐振式声表面波无线传感器，其特征在于谐振式声表面波无线传感器与发射天线相连接的IDT将声表面波转换为携带有温度传感信息的频率电信号，并由发射天线向外发送带有传感信息的频率电信号。

10.如权利要求1所述一种同位素电池供能的谐振式声表面波无线传感器，其特征在于所述充放电执行开关采用微型充放电执行开关。