CN110770755A - 压电射频标识（rfid）天线 - Google Patents

Abstract

描述了一种包括集成电路和压电基板的传感器。所述压电基板适于用作所述集成电路的天线。所述天线可以是RFID天线，并且所述集成电路可以是RFID集成电路。

Description

压电射频标识(RFID)天线

技术领域

该设备针对在超高频带中操作的射频标识装置(RFID)。

背景技术

本部分旨在向读者介绍可能与以下描述的实施例有关的技术的各个方面。相信该讨论有助于向读者提供背景信息，以促进对本公开的各个方面的更好理解。因而，应该理解的是，应从这个角度阅读这些陈述。

射频标识(RFID)是使用无线电波来自动标识人或物体的技术的通用术语。RFID系统使用附在要标识的物体上的标签或标记。被称为询问器或读取器的双向无线电发射器-接收器向标签发送信号并读取其响应。取决于范围、尺寸、成本和底层技术，存在几种类型RFID标签。

RFID标签可以是无源的、有源的或电池辅助(或半)无源的。有源标签具有板载电池，并周期性地传输ID信号。电池辅助无源(BAP)标签具有板载小电池，并且当存在RFID读取器时被激活。无源标签由于没有电池因而更便宜且更小，代替地，标签使用由读取器传输的无线电能量作为电源。但是，为了操作无源标签，必须以比信号传输强约一千倍的功率电平对其进行照明。这造成干扰和暴露于辐射的不同。能量转换由RF能量采集器执行，RF能量采集器一般包括被调谐到从RFID读取器接收的波的天线和整流器/倍增器。

标签或者可以是只读的，在数据库中具有用作密钥的工厂指派的序列号，或者可以是读/写的，其中特定于物体的数据可以由系统用户写入标签中。现场可编程标签可以一次写入、多次读取；用户可以用电子产品代码来写入“空白”标签。

RFID标签包括至少两部分：集成电路(IC、微芯片或芯片)，用于存储和处理信息、调制和解调射频(RF)信号、从入射的读取器信号中收集DC功率、以及其它专用功能；以及天线，用于接收和传输信号。标签信息被存储在非易失性存储器中。RFID标签包括分别用于处理传输和传感器数据的或者固定或者可编程的逻辑。

RFID读取器传输编码的无线电信号以询问标签。RFID标签接收消息，并然后利用其标识和/或其它信息进行响应。这可以仅是唯一的标签序列号，或者可以是与产品相关的信息，诸如库存号、批次或批号、生产日期、或其它具体信息。由于标签具有单独的序列号，因此RFID系统设计可以区分可能在RFID读取器范围内的多个标签，并同时读取它们。

RFID系统可以被分类为在不同频带中操作的两个主要类别。这两类之间的差别基于读取器和标签之间的物理耦合的类型，其可以是磁耦合(感应耦合)或电磁耦合(辐射耦合)。当在相隔通常小于一个波长的两个平行导体之间存在变化的磁场时，发生感应耦合或磁耦合(MC)，从而引起沿着接收导体的电压变化。它一般适用于高达100MHz左右的超高频(VHF)范围的频率。在基于感应耦合的RFID系统中，标签从近似(proximately)耦合的磁场中获取其能量，并通过为其自己的天线加载不同的阻抗来做出响应。

当源和目标(或受害者)相隔通常大于一个波长的较大距离时，发生辐射或电磁耦合。源和目标充当无线电天线：源发射或辐射电磁波，该电磁波在两者之间的空间中传播，并被目标拾取或接收。辐射耦合一般适用于100MHz以上的频率。在基于辐射耦合的RFID系统中，标签从读取器辐射的电磁场中获取其能量，并将其反射回去，通过其自身的阻抗进行调制，从而呈现出不同的雷达横截面(RCS)。RCS是目标在雷达接收器方向上反射雷达信号的能力的度量。

第一类(感应耦合)的耦合性质将读取范围限制到读取器或标签天线的尺寸的数量级(一般为几厘米)，而第二类(辐射耦合)的范围可以达到数十米，这取决于标签的性质(无源和有源)及其灵敏度。对于使用无源标签在超高频(UHF)频带或微波频带中操作的远程RFID系统，传入的RF信号(从远程RFID读取器发出并通过标签天线耦合)的一部分被转换为DC，用于芯片的供电。一旦芯片被激活，接收的信号就被接口解调，并被存储在芯片存储器中的信息反射(反向散射)调制。芯片激活是使用无源标签的RFID系统的可实现范围的限制因素。目前，使用现有技术水平的无源标签和读取器可以在视线(LOS)条件下达到10米的典型范围。

电子产品代码(EPC^TM)第2代(Gen2)空中接口协议定义了在860MHz-960MHz UHF(或者也称为900MHz)频带中操作的、询问器和无源标签的RFID系统的物理和逻辑要求。在过去的十年中，EPC Gen2已将自己确立为跨多个区段的UHF实现方式的标准，并且是越来越多的RFID实现方式的核心。

最近随着无线传感器的爆炸式增长，已出现了符合EPC Gen2标准的新一代RFID芯片，其电源输入连接到硬币大小的电池，从而将装置范围扩大到几十米。新装置不是严格的无源装置，而是可以视为半无源装置。但是，由于更换电池的复杂性和成本，电池寿命对于这些新一代装置的商业成功不仅是不方便的，而且也可能是致命的。

虽然RFID标签现在已被确立为用于物体标识和跟踪的标准技术，但是一些研究旨在将RFID标签(包括无源标签)的性能扩展为超出标识功能(超出RFID的ID)。具体而言，RFID标签和系统正将标识功能与对物理或生物信号的感测相结合。对于许多这样的系统，感测模块(例如，温度、压力等)通过辅助有线接口耦合到RFID芯片，以在芯片的存储器中存储/更新所感测的数据。

发明内容

所提出的设备涉及用感测能力增强的天线，以用于无线系统。将意识到的是，提出的设备不限于任何具体类型的装置，并且可以应用于任何无线通信装置，诸如例如射频标识装置(RFID)。

根据本公开的第一方面，提供了一种传感器，该传感器包括集成电路和压电基板，其中该压电基板适于用作该集成电路的天线。

在另一实施例中，该天线是RFID天线，并且该集成电路是RFID集成电路。

在另一实施例中，压电基板是柔性的。

在另一实施例中，压电基板被金属化。

在另一实施例中，压电基板由选自包括聚偏二氟乙烯(PVDF)和聚偏二氟乙烯(PVDF)的共聚物的组的材料形成。

在另一实施例中，天线感测振动能、声能和冲击能中的至少一个。

在另一实施例中，压电基板将感测到的振动能、声能和冲击能中的至少一个转换为电能。

在另一实施例中，使用所转换的电能的至少一部分用于以下至少一个：为所述集成电路供电、和在所述集成电路的存储器中存储所检测的信号信息。

根据本公开的第二方面，公开了一种方法，该方法用于使用具有部署在其上的天线的压电基板来感测振动能、声能和冲击能中的至少一个；并然后将感测到的振动能、声能和冲击能中的至少一个转换为电能。

在另一实施例中，该方法还包括使用转换后的电能的至少一部分用于以下至少一个：为耦合到所述天线的集成电路供电、和在所述集成电路的存储器中存储所感测的信号信息。

由本公开的元素实现的一些处理可以是计算机实现的。因而，这样的元素可以采取以下形式：完全硬件实施例、完全软件实施例(包括固件、常驻软件、微代码等)、或结合软件和硬件方面的实施例，这些方面在本文中一般都被称为“电路”、“模块”或系统。此外，这样的元素可以采取在任何有形表达介质中实施的计算机程序产品的形式，在该介质中实施有计算机可用的程序代码。

由于本公开的元素可以用软件实现，因此本公开可以被实施为计算机可读代码，以提供给任何合适的载体介质上的可编程设备。有形载体介质可以包括存储介质，诸如软盘、CD-ROM、硬盘驱动器、磁带装置、或固态存储装置等。暂态载体介质可以包括信号，诸如电信号、光信号、声信号、磁信号、或电磁信号，例如微波或RF信号。

附图说明

现在将仅通过举例的方式并参考以下附图，来描述本公开的实施例，其中：

图1图示了根据本公开实施例的示例性RFID系统的简化框图；

图2图示了根据本公开实施例的示例性RFID标签装置的简化框图；

图3示出了其上部署有金属层的示例性柔性压电膜；

图4A图示了图3所示的金属化压电膜的平面图；

图4B图示了图3所示的金属化压电膜的示意性侧视图；以及

图5图示了根据本公开一个实施例的示例性方法的流程图。

应当理解的是，附图是出于说明本公开的构思的目的，并且不一定是用于说明本公开的唯一可能的配置。

具体实施方式

本公开针对能够感测机械冲击、振动能和/或声信号的射频标识装置(RFID)。

根本上，无源RFID装置充当能量收集器。RF能量收集可以由被调谐到从RFID读取器接收的波的天线和整流器/倍增器执行。实际上，由RFID读取器传输、并通过RFID天线耦合的传入的RF信号的能量的一部分可以通过整流器/倍增器转换为DC，以用于RFID芯片的供电，并因此不用于无线通信链路。

图1图示了根据本公开实施例的示例性RFID系统100的简化框图。RFID系统100包括RFID读取器装置110和RFID标签装置150。RFID读取器装置110包括耦合到RFID读取器天线130的RFID读取器电路120。RFID标签装置150包括耦合到RFID标签天线170的RFID标签电路160。RFID标签装置150可以使用例如粘合膜附接到要感测的物体。

RFID读取器装置110在RFID读取器电路120中生成并调制请求消息以创建发射器信号，并且通过天线130经由电磁波辐射该发射器信号。RFID标签天线170被调谐以接收从RFID读取器天线130辐射的波。天线是专用的换能器或转换器，其将RF场转换为交流(AC)，或者反之亦然。RFID标签天线170将接收到的波的电磁场转换为电信号。

RFID标签装置150从电信号汲取功率，并使用它来给RFID标签电路160上电。在无源RFID标签中，电信号可以使RFID标签电路160完全上电，或者在半无源RFID标签的情况下，使RFID标签电路160部分上电。RFID标签电路160还接收并解调电信号以检索请求消息。然后，RFID电路160用其(多个)标识号和/或其它信息来生成并调制响应消息。通过RFID标签天线170经由电磁波来辐射所调制的响应消息。

无源和半无源RFID标签的其中一方面是经由反向散射重新调制RFID读取器电磁波的方法。由于RFID标签被设计为一般具有电抗性(例如，电容性)阻抗，因此任何传入的电磁波都被天线反射(再辐射)到其源。因此，当RFID读取器装置110将电磁波传输到RFID标签装置150时，该波被RFID标签装置150反射回RFID读取器装置110。由于这种反射特性，RFID标签装置150能够通过调制再辐射的电磁波来编码消息。当RFID标签电路160中的晶体管在两个离散阻抗状态之间快速切换时，会发生波的实际调制。由于每个阻抗状态可以具有电阻特性和电容特性(实阻抗和虚阻抗)两者，因此RFID标签装置150可以执行再辐射信号的相位和振幅调制两者。

RFID读取器装置110可以通过RFID读取器天线130接收再辐射的波，并将这些波转换为包含响应消息的数字数据。应该理解的是，RFID读取器电路120可以是相关领域普通技术人员公知的任何RFID读取器电路或IC。同样，RFID读取器天线130可以是相关领域普通技术人员公知的任何天线，例如，偶极天线、环形天线、倒F形天线、单极天线、贴片或微带天线等。

图2图示了根据本公开实施例的示例性RFID标签装置200的简化框图。RFID标签装置200可以类似于RFID标签装置150。RFID标签装置200包括RFID天线210。RFID标签装置200还包括模拟前端(AFE)220、数字处理器270和存储器280，它们一起类似于RFID标签电路160。

天线210优选地在超高频(UHF)频带中操作。利用感测任何机械冲击、振动或声信号的能力增强天线210。在本公开的一方面中，天线210在压电膜上形成。图3示出了其上部署有金属层315的示例性柔性压电膜305。

图4A图示了图3所示的金属化压电膜的平面图。在图4A中，金属层315部署在压电膜305上。图4B图示了图3所示的金属化压电膜的示意性侧视图。在图4B中，压电膜305的两侧具有部署在其上的金属层315。图4A-4B中描绘的金属层具有正方形形状。然而，天线的几种拓扑和形状是预期的，并且是设计选择的问题。

压电膜通常具有在12-13的范围内的相对介电常数。与部署在常规基板上的天线相比，这种相对介电常数允许较小的天线尺寸。常规基板的相对介电常数通常在2-4的范围内。因此，例如，相对介电常数比常规基板高约四(4)倍的基板可以具有尺寸比部署在具有相同性能的常规基板上的天线小约两(2)倍的天线。

除了在UHF频带中操作的天线210之外，该天线是高效的机械到电换能器，用于检测和/或捕获由于其部署在压电膜上而引起的冲击、振动或声信号。压电膜的合适示例包括聚偏二氟乙烯(PVDF)和聚偏二氟乙烯的共聚物。

AFE 220耦合到天线210，并且包括整流器230、调节器240、解调器250、调制器260和振动/冲击/声信号集成电路290。整流器230执行接收到的电信号的整流/倍增功能，并且向调节器240提供直流(DC)功率。RF能量收集器围绕RF整流器构建，RF整流器是使用电容器和二极管的网络将RF功率从较低电压转换为较高DC电压的电路。RFID天线210的输入端通过匹配网络连接到二极管整流器，并且对于给定的二极管特性和固定的RF输入功率，优化负载以实现最大的RF-DC转换器效率。作为示例，来自Avago^TM的HSMS-286系列的RF检测器二极管非常适合用于从900MHz至5.8GHz频率范围的能量收集。

调节器240耦合到整流器230，并通过RFID标签装置200的其余部件将输入功率调节到期望的电平，该RFID标签装置200的其余部件耦合到调节器240。解调器250耦合到调节器240和天线210，并且接收和解调输入电信号以接收来自RFID读取器(例如，RF读取器装置110)的请求消息以及可能的控制信号。调制器260耦合到调节器240和天线210，并且调制包括其(多个)标识号和/或其它信息、以及可能的控制信号的响应消息。通过RFID标签天线210经由电磁波来辐射经调制的响应消息。

振动/冲击/声信号集成电路(IC)290耦合到天线210并从其接收感测到的机械冲击、振动或声信号。振动/冲击/声信号IC 290将机械、振动或声信号转换为电能，该电能的一部分可以用于为芯片的存储器280供电，检测信号信息，并在芯片的存储器280中存储检测到的信号信息。振动/冲击/声信号IC290优选地包括放大器和模数电路(未示出)，其用于对来自数字处理器270的信号进行后处理或用于将信息存储在存储器280中。例如，在冲击检测的情况下，振动/冲击/声信号集成电路290可以是基于简单状态机的IC，其取决于与可编程阈值相比的模拟输入信号的电平，来提供两种输出状态。可替代地，当需要时，电池(未示出)可以用于高速模数转换器(ADC)或微控制器的电源，而天线210仅提供要存储的冲击、振动或声信号信息。

数字处理器270耦合到调节器240、解调器250和调制器260。数字处理器270从解调器250接收并解释数字请求消息和控制信号，并请求(多个)标识号和/或其它信息。存储器280可以是非易失性存储器，包括只读存储器(ROM)或读写存储器。存储器280根据请求将必要的信息提供给数字处理器270。数字处理器270还可以包括时钟管理、数据编码(例如，纠错编码)、数据解码(例如，纠错解码)、数据加密、数据解密、抗共谋等操作。数字处理器270可以包括数字逻辑电路，包括例如(多个)有限状态机(FSM)和寄存器。数字处理器270可以包括控制RFID标签装置200的操作的控制器或处理器。数字处理器270还可以生成适当的控制信号，并将包括(多个)标识号和/或其它信息以及可能的控制信号的响应消息发送到调制器260。

应该理解的是，RFID标签装置200的各种部件可以是本领域技术人员公知的电路，并且将不进行详细描述。应该理解的是，RFID标签装置200中可以存在其它公知部件，例如，频率振荡器。应该理解的是，RFID标签装置200和对应的RF读取器(例如，RFID读取器装置110)可以符合至少一个RFID标准，例如，EPC Gen2、国际标准组织ISO 18000系列标准等。

根据本公开的一个或多个实施例，RFID标签装置200(未示出)中可以包括多于一个整流器/倍增器电路或RF收集器，所述多个整流器/倍增器从多个频带中收集能量。

图5图示了根据本公开的另一方面的示例性方法的流程图。在步骤405中，使用部署在压电基板上的天线来感测振动能、声能和冲击能中的至少一个。优选地在UHF频带中操作的天线是高效的机械-电换能器，用于检测和/或捕获由于其部署在压电膜上而引起的冲击、振动或声信号。压电膜的合适示例包括聚偏二氟乙烯(PVDF)和聚偏二氟乙烯的共聚物。

然后，如步骤415中所描绘的，将感测到的振动能、声能和冲击能中的至少一个转换为电能。振动/冲击/声信号IC将在步骤405期间感测到的机械、振动或声信号转换为电能。转换后的能量的一部分可以用于为存储器供电，检测信号信息，并将检测到的信号信息存储在存储器中。可替代地，当需要时，电池(未示出)可以用于高速模数转换器(ADC)或微控制器的电源，而天线仅提供要存储的冲击、振动或声信号信息。

应当理解的是，附图中所示的元素可以以各种形式的硬件、软件或其组合来实现。优选地，这些元素在一个或多个适当编程的通用目的装置上以硬件和软件的组合来实现，所述通用目的装置可以包括处理器、存储器和输入/输出接口。在本文中，短语“耦合”被定义为意指直接连接或通过一个或多个中间部件间接连接。这样的中间部件可以包括基于硬件和软件两者的部件。

本描述说明了本公开的原理。因此，将意识到的是，本领域技术人员将能够设计虽然未在本文中明确描述或示出、但实施本公开的原理并且包括在其范围内的各种布置。

本文陈述的所有示例和条件语言旨在用于教育目的，以帮助读者理解本公开的原理、和发明人为促进本领域所作出贡献的构思，并且应被解释为不限于这样的具体阐述的示例和条件。

而且，本文中阐述本公开的原理、方面和实施例、及其具体示例的所有陈述都旨在涵盖其结构和功能上的等效物。此外，这样的等效物旨在包括当前已知的等效物以及将来开发的等效物两者，即，任何开发的执行相同功能的元件，不管结构如何。

因此，例如，本领域技术人员将理解的是，本文呈现的框图表示实施本公开原理的说明性电路系统的概念图。类似地，将理解的是，任何流程图、流图、状态转变图、伪代码等表示可以实质上在计算机可读介质中表示并且因此由计算机或处理器执行的各种处理，无论这种计算机或处理器是否明确示出。

附图中所示的各种元件的功能可以通过使用专用硬件、以及能够与适当软件相关联地执行软件的硬件来提供。当由处理器提供时，这些功能可以由单个专用处理器、由单个共享处理器、或由多个个别处理器提供，其中一些可以共享。而且，术语“处理器”或“控制器”的明确使用不应当被解释为专门指代能够执行软件的硬件，而是可以隐含包括但不限于数字信号处理器(DSP)硬件、用于存储软件的只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、以及非易失性储存器。

还可以包括常规和/或定制的其它硬件。类似地，图中所示的任何开关仅是概念上的。它们的功能可以通过程序逻辑的操作、通过专用逻辑、通过程序控制和专用逻辑的交互、或者甚至手动地执行，如从上下文中更具体地理解的，特定技术可由实现者选择。

在本文的权利要求中，被表达为用于执行指定功能的手段的任何元件旨在涵盖执行那个功能的任何方式，包括例如a)执行那个功能的电路元件的组合或b)任何形式的软件，因此包括固件、微代码等，与用于执行那个软件以执行功能的适当电路系统相结合。由这样的权利要求定义的公开在于以下事实：由各种所阐述的手段提供的功能按照权利要求所要求的方式被组合并集合在一起。因此认为可以提供那些功能的任何手段都等效于本文所示的手段。

Claims (14)

1.一种传感器，包括：

集成电路(220)；以及

压电基板(305)，其中所述压电基板适于用作所述集成电路(210)的天线。

2.如权利要求1所述的传感器，其中所述天线是RFID天线，并且所述集成电路是RFID集成电路。

3.如前述权利要求中任一项所述的传感器，其中所述压电基板是柔性的。

4.如前述权利要求中任一项所述的传感器，其中所述压电基板被金属化。

5.如前述权利要求中任一项所述的传感器，其中所述压电基板由选自包括聚偏二氟乙烯(PVDF)和聚偏二氟乙烯(PVDF)的共聚物的组的材料形成。

6.如前述权利要求中任一项所述的传感器，其中所述天线感测振动能、声能和冲击能中的至少一个。

7.如权利要求6所述的传感器，其中所述压电基板将所感测的振动能、声能和冲击能中的至少一个转换为电能。

8.如权利要求7所述的传感器，其中使用所转换的电能的至少一部分用于以下至少一个：为所述集成电路供电、和在所述集成电路的存储器中存储所检测的信号信息。

9.一种方法，包括：

使用具有部署在其上的天线的压电基板来感测(405)振动能、声能和冲击能中的至少一个；以及

将所感测的振动能、声能和冲击能中的至少一个转换(415)成电能。

10.如权利要求9所述的方法，还包括：

使用所转换的电能的至少一部分用于以下至少一个：为耦合到所述天线的集成电路供电、和在所述集成电路的存储器中存储所检测的信号信息。

11.如权利要求10所述的方法，其中所述天线是RFID天线，并且所述集成电路是RFID集成电路。

12.如权利要求9-11中任一项所述的方法，其中所述压电基板由选自包括聚偏二氟乙烯(PVDF)和聚偏二氟乙烯(PVDF)的共聚物的组的材料形成。

13.一种装置，包括如权利要求1至8中任一项所述的传感器。

14.一种用于可编程设备的计算机程序产品，该计算机程序产品包括当被装载到所述可编程设备中并由其执行时、用于实现如权利要求9-12中任一项所述的方法的指令序列。

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