CN1181814A - 无线问答表面波技术传感器 - Google Patents

Abstract

在无线问答表面波技术传感器中,灵敏元件(12)是阻抗,它被电连接到传感器的表面波结构(26)作为终端负载。

Description

无线问答表面波技术传感器

本发明涉及一种无线问答无源传感器。

与本发明相关的表面波装置连同传感器从专利WO 93/13495、WO/CH93/00252、US-A-3273146、US-A-4725841及专利US-A-4620191中已为人所知。

所引用的公开专利描述了构造和运用各种表面波装置的方法，这些装置都有共同的因数，即借助叉指换能器，在压电基底上从电信号产生表面波，这些表面波在基底表面通常基本上沿垂直于换能器电极的叉指准线方向传播。借助第二个叉指换能器，甚至可以是上面描述过的换能器以双模式工作，能够从表面波恢复在特性上被改变了的射频信号。如在以前的技术中所描述的，那种表面波装置还可以包含其他结构，诸如反射器结构，其他换能器结构等等。例如，它也可以有色散的反射器/换能器滤波器结构，编码的滤波器结构，等等。

本发明的一个基本方面及要素是无线问答表面波技术传感器是无源的，即不需要(直流)电源，射频信号，例如瞬时脉冲、调频连续波(FM-CW)信号和线性调频脉冲等从远程射频发射机被发射至此传感器。

传感器部分的表面波装置，即它的输入换能器结构为此目的而安装一个天线用于发射脉冲的无线接收。一个相应的天线被连接到表面波装置的经二个换能器结构，或者在已提到过的以双模式工作的一换能器情况中，同样的天线被用来发射回表面波装置的响应脉冲信号，它在一个远程接收机上被接收。被发射回的响应脉冲信号通常不同于由表面波装置接收的信号，即要根据待确定的电流强度测量值，这实际上是因为在表面波装置上的物理作用。

无线问答表面波装置已被用于公路收费系统、道路隧洞等中，但在这里是涉及用于目标识别的响应脉冲信号预编程单个编码的探测。无线问答表面波装置也已被用于计量学，这些装置一般被构造成延迟线，从事测量是为了计量的目的，以致在表面波装置中待确定的测量值引起声波在传播时间上的变化。此变化可以基于在基底中的电场(横向定向于表面波的传播方向)，该电场通过诸如压电效应在基底相应的部分区域产生在传播时间上的变化(专利EP 0166065)。例如，利用在声波传播时间上的变化的温度传感器是众所周知的(专利EP 0465029)。一种利用在表面波装置基底表面的组织薄膜阻抗变化的装置适合于测量该薄膜的表面加载，例如一种待识别/数值测量的化学物质(电子信函，23卷(1987)，No.9,446/447)。一种相关的压力仪也是已知的，在其中基底的力学特性，诸如弯曲，作为表面波装置基底材料中的压力的函数而变化，引起声波在传播时间上的变化，使之可用于确定测量值(Proceedings IEEE，64卷，(1976)，754-6页)。然而，在此最后提到的装置中，没有设置远程无线问答。

本发明的目的是提供一种新的结构用于借助表面波的远程问答、无线问答传感器件。

此目的通过权利要求1借助一种装置完成，该装置具有：

-带表面波结构的表面波装置和(至少)一个天线；

-(至少)一个灵敏阻抗元件作为传感器部件，具有发射和接收天线及电子评价器件的射频发射机和接收机；

其中，阻抗元件处于由传感器部件所探测的效应中，并被电连接到表面波结构。发射机用于问答脉冲的无线电发射，接收机与其评价，器件用于无线电接收及在表面波装置脉冲响应中被该效应影响的变化的定性/定量评价。

该阻抗元件可以是一种电抗元件(例如一种依赖于磁场的元件)，它被电连接到表面波装置的至少一个表面波结构。作为由传感器探测的效应的函数，阻抗元件必须适合于改变其电阻抗性能。

参考附图，给出了本发明的进一步解释。

图1、2和3示出了用于按照本发明的传感器表面波装置的实施例，在每个例子中带有被连接的阻抗元件。

在图1至图3所示出的例子中，各表面波装置21具有虽然简单、但能够解释用于本发明的表面波装置工作机理本质的结构。22指表面波装置21的压电基底。在基底22的一个表面，叉指换能器结构23以已知的方式被设置。24指天线，包含两个偶极子。但也可以设置另外的天线结构，例如板形天线，环形天线等。射频问答信号30由天线24接收，在两个偶极子间产生的射频电压加到换能器23的两个叉指结构上。作为输入换能器的换能器23产生的表面波25在基底22的表面上/中传。该表面波由25示意性地表明。当它传播时，它也进入结构26的作用区，26由于其指条而对波26起到反射器的作用。因为结构26(同时)被设计成叉指结构，如图所见，阻抗元件12被电连接到它的两个叉指结构，元件12对射频电压起到电端阻抗的作用，借助声表面波，在结构26中又产生射频电压。因为元件12的电阻抗作为该效应的幅度的函数而变化，这引起结构26(复)电端阻抗的变化。一个影响被产生，它(在极端情况下)各不相同地存在于非常高的端阻抗和基本上短路的端阻抗之间，这是作为幅度的函数。通过适当地选择元件12电学量的大小，在每种情况中都能设定元件12的端阻抗的合适的测量范围。31指示响应脉冲信号。

换句话说，元件12因此起到电端阻抗的作用，它构成了本发明的新颖的特性。

在已知的换能器P矩阵描述中，该换能器的反射能如下表示为其电端阻抗的函数： $P_{11}\left(Y_{\mathrm{Last}}\right)=P_{11}\left(\mathrm{SC}\right)+2\·\frac{P_{13}^2}{(P_{33}+Y_{\mathrm{Last}})}$

在其中P₁₁(SC)是短路反射因子，P₁₃是声电转换，P₃₃是换能器导纳，Y_lost是端口导纳。

为了保护器件抗各种电磁干扰，(在每种情况中)设置一个窄带天线是有利的。

图1示出了一种特殊的表面波装置，它具有基底22及存在于其上的表面波结构。23指输入/输出换能器，用于无线电接收及无线电再发射的偶极子天线24连接到它上面。被连接到阻抗元件12、作为表面波反射器的换能器26被设置在基底22上换能器23的一侧。图1中，在基底22表面的另一侧，设置两个参考反射器226和326，除了通过传感器元件12测量效应，它们也负责确定发射机/接收机和传感器元件12之间的距离以及传感器元件的温度。例如，表面波部件与其作为发射/接收站的部分之间的距离可能连续变化。在此情况下，距离和温度测量的基础是实际的传感器元件12被同样定位在基底上或定位于离基底一个小的确定的距离。在传感器元件距离(变化)和温度的确定中，进行信号处理时能够消除传感器信号可能的已知的横向灵敏度。

适合于本发明的表面波装置另外的区域被示出于图2和3中。图2示出带模式耦合换能器的装置。在基底2上由71和71’指示的换能器是输入/输出换能器，并带着它们的偶极子天线24。换能器72同样是被模式耦合到换能器71和71’的表面波结构。模式耦合换能器72连接到阻抗元件12，且其端阻抗的变化，即元件12在磁场中的变化，是待评价的测量值，如在上面所描述的例子。

图3示出了一表面波谐振器装置。在基底22上，包含输入/输出换能器23、23’及如前连接到阻抗元件的换能器26。123和123’指反射器结构，在基底表面传播的声波在其上被反射回来，以致这些反射器具有谐振器反射镜的作用。

传感器元件12对表面波结构响应的结果被表达为，或能被测量为在响应脉冲信号上的一个变化，以与问答信号相关的幅度和/或相位来表示。

按照本发明的传感器以在本质上已知的方式来检验/校准，如在许多情况中应用的校准输出数值测量值的传感器/测量仪器的方法。

表面波装置也能和与阻抗相关的传感器12以混合方式集成为附加的表面波晶片。传感器12可以是诸如设置在大尺寸支承基底上的电阻元件，而且，压电薄膜，例如氧化锌薄膜，也用到该支承基底上作为基底薄膜22用于表面波装置。传感器元件可以是诸如在硅基底上/中的半导体部件。

合适的阻抗(12)包括电阻、容抗和感抗，其中一种或几种结合在一起。例如，它们可以是光敏电阻、磁致电阻、温敏电阻、碳膜传声器等等，和/或可变电容二极管、电容位置/位移传感器、温度传感器以及电感元件，如线圈、位移拾取/位置换能器等等。

Claims (9)

1.一种传感器装置，

具有带表面波结构(23，26)及一天线(24)的表面波装置(21)；

具有作为传感器部分的灵敏阻抗元件(12)；

具有带无线电天线及电子评价器件的射频发射机和接收机(30，31)；

其中，处于由传感器部分探测的效应中的阻抗元件(12)被电连接到表面波结构(26)的至少一个上；

发射机被设计用于问答脉冲(30)的无线电发射，接收机与其评价器件被设计用于无线电接收及在表面波装置脉冲响应中被阻抗元件上的效应影响的变化的定性/定量评价。

2.如权利要求1所述的传感器装置，其中，灵敏元件是电阻元件。

3.如权利要求2所述的传感器装置，其中，电阻元件是磁致电阻。

4.如权利要求2所述的传感器装置，其中，电阻元件是光敏电阻。

5.如权利要求1所述的传感器装置，其中，灵敏元件是可变电容二极管。

6.如权利要求1所述的传感器装置，其中，灵敏元件是置于磁场中的线圈。

7.如权利要求1至6其中之一所述的传感器装置，其中，表面波装置(21)是表面波谐振滤波器。

8.如权利要求1至6其中之一所述的传感器装置，其中，表面波装置(21)是延迟线。

9.如权利要求1至6其中之一所述的传感器装置，其中，表面波装置是模式耦合换能器装置。

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