CN1618078A

CN1618078A - 识别标签

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Publication number: CN1618078A
Application number: CN02827555.1A
Authority: CN
Inventors: J·布伦戈特; L·霍夫; S·霍尔姆; A·隆内克莱夫; D·T·王; R·W·贝恩斯泰因
Original assignee: Vivid AS
Current assignee: Vivid AS
Priority date: 2001-11-27
Filing date: 2002-11-27
Publication date: 2005-05-18
Anticipated expiration: 2022-11-27
Also published as: ATE304194T1; EP1461761A1; NO20015792D0; JP4402459B2; CN100367289C; JP2005510743A; EP1461761B1; DE60206073D1; DK1461761T3; WO2003046801A1; US7307537B2; DE60206073T2; AU2002365534A1; NO315396B1; NO20015792L; US20070063852A1; CA2468486A1

Abstract

本发明涉及一种用于嵌入到位于液体中的目标的识别芯片。该识别芯片包括谐振器(100)，其呈现多个不同的谐振频率，其中谐振频率的组合对于该识别芯片是唯一的。通过使芯片暴露于声学轮询信号、测量声学响应信号和分析响应信号的频率，能够识别该识别芯片。该谐振器(100)包括空腔形成部分(110，120)和膜片(130)。声学谐振频率是通过至少一个空腔(140)来确定的，其由空腔形成部分(110，120)和膜片(130)包围。该识别芯片可以植入到鱼中，其目的在于当鱼位于水中时识别鱼。

Description

识别标签

技术领域

本发明通常涉及识别系统，其中通过声学远程轮询来识别与目标相关联的识别芯片。

本发明特别涉及嵌入到目标中的识别芯片，该目标在需被识别时位于液体中。

背景技术

存在着为处于液体，诸如水，包括盐水中的目标加标签的需要。

特别是养渔业的发展，具有对质量控制和可追踪能力的不断增长的需求，已经导致了为水中的活生物体，特别是鱼加标签和进行识别的需要。

因此，需要一种识别芯片，该芯片能够简单、快速和廉价地植入到诸如活鱼的活生物体中，该芯片能够永久植入在鱼中，而对鱼、对鱼的生长，或者对随后用鱼生产的产品质量没有任何不便，该芯片的制造廉价，不需要储备的能量就可以工作，能和廉价并且简单的检测/传感设备一起使用，其允许大量不同的识别代码，允许在穿过鱼的组织时、在穿过水时和在鱼活动时的有效和可靠的探测/读取，其在可变压强条件下，从大气压到很深处的水压都能够令人满意地工作，在可变温度条件下能够令人满意地工作，并且该芯片难于假造。

现有技术状况

NO-884144描述了用于识别鱼的识别系统，其中在鱼中植入了组合的接收器、编程和发射器。该组合的可植入体被描述为具有电子电路的芯片，并且在实施例中声称能够发送“回声能量”，其可归因于通过发送器/读取器体发送的能量。该出版物没有指出为了获得识别芯片，该芯片是如何植入的解决方案，其不需要内部能量存储或者供应，其提供大量的不同的识别组合，并且其允许在穿过鱼的组织时、在穿过水时和在鱼活动时进行有效且可靠的识别。

US-5134370描述了用于检测识别芯片的装置，其中芯片可以植入到鱼中。在这种情况中，芯片是基于利用电磁信号进行轮询的。由于水对电磁信号的吸收，这种设备不适合用于水中的目标，诸如活鱼的识别。

发明概述

本发明的一个目的是提供适合于识别位于诸如水的液体，包括盐水中的目标的识别芯片。

本发明的第二目的是提供一种方法，用于为位于液体中的需被识别的目标加标签。

本发明的进一步的目的是提供用于为液体中的目标加标签并且进行识别的方法。

本发明的另一个目的是提供用于为液体中的目标加标签并且进行识别的系统。

通过由下面的专利权利要求而显而易见的特征，获得了本发明的上述目标和其它优点。

附图简述

通过参考附图，本发明现将以优选实施例的方式得到更详细的描述，附图中：

图1A-1B是根据本发明的识别芯片的顶视图和截面图，

图2A-2E是根据本发明的识别芯片的不同实施例的截面图，

图3A-3B是使用了根据本发明的识别芯片的识别系统的实施例的框图，

图4A-4B是适用于嵌入到鱼中的识别芯片的截面图，

图5A-5B是通过表面微机械加工制造的、根据本发明的识别芯片中的谐振器的截面的截面图。

发明详述

图1A是根据本发明用于识别在液体中的目标的识别芯片的顶视图。图1B是沿图1A中的A-A轴的识别芯片的截面图。

该芯片包括声学谐振器100并由其组成，其呈现了多个不同的谐振频率，其中谐振频率的组合对于该识别芯片是唯-的。这允许通过使芯片暴露于声学轮询信号下、测量声学响应信号和分析响应信号的频率来识别该识别芯片。

谐振器100包括空腔形成部分110、120和膜片(membrane)130。该谐振器的声学谐振频率是通过空腔形成部分110、120和膜片140包围的六个空腔140确定的。

空腔形成部分110、120包括具有上表面的基板110和具有附着于基板110的上表面的下表面的可刻蚀盘120。该基板110包括玻璃晶片，而可刻蚀盘120由硅制作。

可刻蚀盘120的上表面同样附着于膜片130的下表面。该可刻蚀盘120进一步包括在下表面和上表面之间的六个穿通的圆形开口，结果该六个空腔中的每一个由基板、相应的穿通开口和膜片包围。

图1B是沿图1A的A-A轴的识别芯片的截面图。因此，该图说明了包括在由A-A轴横切的谐振器100中的总共六个空腔140中的三个。图1B说明了每一个空腔由基板110、可刻蚀盘120和膜片130包围。

图1A说明了从上面观察，谐振器100可以是矩形形状。在实际的实施例中，该形状可以比图1A所示更延长或者是杆形状。这在将识别芯片嵌入到诸如鱼的生物体中时提供了实用的优势，其中该嵌入将通过具有最小可能的横截面的孔而有利地执行。

图1A-1B说明了空腔具有不同的尺寸，特别具有不同的横截面，并且更具体地，在每一个空腔的横截面是圆形时具有不同的直径。

空腔的数目对于可能的编码组合的数目是决定性的。如果具有不同谐振频率的空腔数目指定为n，则可能的编码组合的数目是2n-1。

可以直接制造具有不同空腔横截面组合的谐振器，或者可以利用全套的空腔组合来制造芯片，其随后通过破坏那些将不包括在代码中的空腔的膜片来进行编码。

图2A-2E说明了根据本发明的识别芯片的不同实施例的截面图。

图2A说明了用于植入到诸如鱼的活生物体中的识别芯片的第一

实施例的剖面图。

该识别芯片包括声学谐振器100，其呈现多个不同的谐振频率，其中谐振频率的组合对于识别芯片是唯一的。这允许通过使该芯片暴露于声学轮询信号下、测量声学响应信号和分析响应信号的频率来识别该识别芯片。

该谐振器100包括空腔形成部分，其在图2A的实施例中包括玻璃晶片110形式的基板和硅晶片120形式的可刻蚀部分。硅晶片120的下表面通过阳极接合的方式来附着于玻璃晶片110的上表面。硅晶片120包括在下表面和上表面之间的两个穿通开口。

硅晶片120的上表面同样附着于由氮化硅制成的膜片130的下表面。优选地，膜片利用适度的预加应力，其典型地是50MPa-500MPa的量级，优选在100MPa-300MPa的范围内。

穿通开口的壁是倾斜的，结果是硅晶片的下表面上的开口大于上表面上的开口。该形状是制造工艺的结果，该制造工艺基于氮化硅膜片，全包覆的硅层预先附着于其上，随后利用氢氧化钾KOH进行各向异性湿法刻蚀以去掉对应于最后的开口的硅材料。这种工艺产生了具有倾斜(54.7°)侧壁的正方形膜片部分。

由此，玻璃晶片110、硅晶片120和膜片130包围了两个不同尺寸的空腔140。这些空腔决定了谐振器100的两个不同的谐振频率。

图2B说明了识别芯片的一个实施例，其中硅晶片120仅具有一个在下表面和上表面之间的穿通开口，结果该芯片包括一个空腔。然而，该膜片130的下表面包括由硅材料覆盖的区域122。在下表面上没有被硅覆盖的膜片部分具有不同尺寸。由于此，只要波束122中的刚性足够大使得膜片部分彼此相当独立地振动，芯片100仍将呈现数个不同的谐振频率。

与图2A的实施例相比，该实施例需要较小的总基板面积，由此允许更好地由硅材料制成。然而，一定数量的声学耦合将发生在未覆盖的膜片部分之间，并且由于在多个点处没有膜片的附着，所以该芯片将具有可接受最大压强的较小值。

图2C说明了类似于图1A-B的实施例的识别芯片的实施例，其中硅晶片120在下表面和上表面之间具有四个穿通开口，结果是该芯片包括四个空腔。

穿通开口的壁垂直于玻璃晶片、硅晶片和膜片的公共水平方向，结果是硅片的下表面上的开口几乎与上表面上的开口一样。这个形状是制造工艺的结果，其基于氮化硅膜片，完全覆盖的硅层预先附着于其上，并且随后进行干法反应离子刻蚀(RIE刻蚀)用以去掉对应于最后开口的硅材料。这种工艺导致了具有近似直线的壁的膜片部分。这提供了非常好的空间利用性，但是需要更复杂的制造工艺。

图2D说明了一种识别芯片，其中空腔形成部分仅包括玻璃晶片110形式的基板。玻璃晶片110的上表面具有面积不同但深度相同的4个凹陷。膜片130的下表面附着于玻璃晶片110的上表面。这导致四个空腔中的每一个均由凹陷和膜片130的一部分包围。

该实施例的制造中的第一阶段是利用刻蚀在玻璃晶片中形成凹陷140。然后附加氮化硅膜片，初始附着于硅晶片上，在其上通过刻蚀去掉全部硅材料。

在图2E中，膜片130的上表面附着于硅晶片150的下表面，其具有穿通开口。每一个开口与玻璃晶片110中的3个刻蚀凹陷之一重合。

在图2A-2E的所有实施例中，空腔140优选地包含真空。用气体替代真空也是可行的，在这种情况下如果所述气体是空气或者具有大的“重”分子的气体，这将是有利的。

这样做的目的在于能够尽可能地限制扩散。“重”气体的例子是氟化烃和SF₆。

在图2A-2E的所有实施例中，识别芯片有利地包括具有预定义谐振频率的基准空腔以用于校准和补偿压强和温度的变化。前面的陈述，即该空腔可以包含真空、空气或者其它气体，同样可以用于该基准空腔。

在图2A-2E的所有实施例中，识别芯片可以有利地包括谐振器周围的封装(未示出)。该封装优选地由生物相容材料制成，例如为冰的水或者具有类似水特性的声学特性的其它材料，因此确保该封装基本不影响谐振器的声学特性。可替换地，该芯片可以包括没有封装的谐振器。

图3A说明了其中使用了根据本发明的识别芯片的识别系统的框图。

该系统基于声学轮询信号的发射和声学响应信号的测量。识别芯片包括呈现谐振频率组合的谐振器。通过比较发射的和检测的信号的特征，该系统被设置为产生与该识别芯片相关联的唯一身份。

用根据本发明的识别芯片100为通常是鱼或者其它活生物体的目标加标签。发射变换器30被设置为向目标10发射声波，而接收变换器40被设置为接收来自目标10的声波。

在目标10和每一个变换器30，40之间的是液体，通常是水，包括盐水。

该系统进一步包括控制单元50，其控制信号发生器34和记录单元46。信号发生器34被设置为提供信号，该信号包括在超声范围的频率，特别是在频率范围20kHz-3MHz之间，并且更优选在100kHz和300kHz之间。该信号可以是窄带，控制单元被设置为在一段时间内在较广的区域上改变或者扫描信号频率。可替换的，该信号可以是具有已知频谱的宽带。该信号利用放大器32进行放大，其向发射变换器30提供放大的信号。

接收变换器40被设置为截取反射或者散射的声学信号，其受到目标10中的识别芯片100所影响。

来自接收变换器40的信号被馈送到放大器42，并且由此输出的信号通过模拟-数字转换器44转换成数字信号。该数字信号被馈送到记录单元46，其还接收来自控制单元50的控制信号。该记录单元包括带有程序的计算机，其在执行过程中比较发射的声学信号和接收的声学信号上的信息，并且通过建立谐振频率得到与识别芯片100相关联的识别。

图3B说明该系统的可替换的实施例，其中代替分别的发射变换器30和接收变换器40，使用组合的发射和接收变换器36，其被设置为在不同时期用作发射器和接收器。该变换器36连接到发射/接收开关38，其在用作发射器时将由放大器32提供的信号引导至该变换器36，或者在其用作接收器时将由该变换器接收的信号引导至放大器42。在图3B中，还在目标10的相对侧上提供反射器12。这引起由变换器36接收的信号首先穿过包含识别芯片100的目标发射，并且然后由该反射器反射。也可以在没有反射器12的情况下实现该系统。

其它组合和替换对于该系统是可能的，例如，在如图3A中所示不使用反射器的情况下，可以在测量设备中使用具有公共发射和接收变换器36的测量设置。基于图3A，另一个变化是在目标的相对侧上放置发射和接收变换器。为了覆盖更宽的总频率范围，使用多于一个的、具有不同交叠频率范围或者中心频率的发射和/或接收变换器也是有利的。

图4A说明了适用于轻易嵌入到鱼中的识别芯片的截面图。

识别芯片1包括根据上述实施例的任一实施例的声学谐振器100。该谐振器也可以包括如上面提到的封装。

芯片1进一步包括尖的外壳200，该外壳由能够在活生物体中融化、溶解或者分解的材料制成。使用优选用冰制成。该外壳200简化了在生物体中嵌入识别芯片。

图4B说明了适用于轻易嵌入到鱼中的识别芯片的变化的截面图。

识别芯片包括根据上述实施例的任一实施例的声学谐振器100。该谐振器也可以如包括上面提到的封装。

该芯片1进一步包括针状扩展部分202，该扩展部分由能够在活生物体中融化、溶解或者分解的材料制成。使用优选用冰制成。该扩展部分202简化了在生物体中嵌入识别芯片。

图5A-5D说明通过表面微机械加工制造的根据本发明的识别芯片中的谐振器的截面的截面图。

在图5A-5D的每一个图中，说明了在识别芯片中的声学谐振器100中的多个空腔中的一个，用于位于液体中的目标识别。该声学谐振器100呈现多个不同的谐振频率，其中谐振频率的组合对于该识别芯片是唯一的。谐振器100包括空腔形成部分110和膜片130。该声学谐振频率由至少一个空腔140确定，其由空腔形成部分110和膜片130包围。通过表面微机械加工制造该谐振器100。

空腔形成部分110优选是硅基板，但是玻璃可以是可替换的可能方案。制造过程基于Si晶片，在其上通过始终从晶片的同一侧进行淀积膜、对膜构图和刻蚀来形成所需要的结构。在这些所使用的工艺中的重要特征是所谓的牺牲层，其是嵌入在结构中的层，以便通过刻蚀掉该牺牲层使覆盖层随后与那些位于下面的层分离。从牺牲层被淀积起直到其被刻蚀掉，该牺牲层必须能够承受晶片所必须经历的工艺阶段，例如为使随后的层具有期望的特性而必须进行的加热。牺牲层还必须能够通过刻蚀移除而不损伤晶片的其它部分。为此目的，该牺牲层通常包含或多或少掺杂的氧化硅，或者可替换地是光敏抗蚀剂或者金属。

可以通过首先在平面Si晶片上淀积氧化硅形式的牺牲层来制造谐振器100。可替换地，可以使用玻璃晶片。该牺牲层被进一步构图，以便呈现出所期望的空腔140的形式。然后须施加形成膜片130的膜，优选地包含多晶硅或者氮化硅。然后通过刻蚀去掉牺牲层。这通常是通过在膜片130中刻蚀一个或者优选的多个孔来执行，通过这些小孔刻蚀剂可以达到该牺牲层。这些孔之后必须被密封，这可以通过施加较厚的膜片材料层完成，或者通过将牺牲材料的“通道”中实际膜片外部的牺牲层的开口设置在实际空腔之外来完成。然后通过将材料仅放置于孔的附近、并且让实际膜片成为如同它在初始淀积之后的样子来密封该孔。以这种方式通常更容易控制最终的膜片厚度。

图5A说明了利用表面微机械加工制造的谐振器100中的空腔140。膜片130具有隆起的部分，而基板110是平坦的。在该实施例的制造中，例如氧化硅的牺牲层首先被均匀淀积在整个Si晶片上面。然后通过刻蚀对其进行构图，结果是仅留下对应于所需要的空腔140的牺牲层的部分。刻蚀剂不侵蚀基板晶片，结果是在刻蚀工艺之后该基板110保持平坦。在整个晶片上淀积膜片膜。然后为膜片膜开口通向牺牲层，刻蚀掉该牺牲层，并且密封该刻蚀孔。

图5B同样说明了利用表面微机械加工制造的谐振器100中的空腔140。膜片130具有隆起部分，而基板110在将要定义空腔140的区域内具有凹陷。该实施例通过首先用薄的氮化硅膜片覆盖基板110而制造，该氮化硅膜片从将要定义空腔140的区域内去掉。然后通过蒸汽加热该晶片，结果是在去掉氮化物的地方生长了二氧化硅层。这里的二氧化硅层构成了牺牲层。然后可以去掉氮化硅。然后在整个晶片上淀积实际的膜片膜(例如氮化硅)。然后对其开口通向牺牲层，这是刻蚀出来的，并且密封该刻蚀孔。因为Si晶片的氧化消耗了少量的Si材料，所以该空腔140呈现出向Si晶片内的部分下陷。图5B的实施例类似图2D所示的实施例，但是在图2D的描述中，基板材料具体为玻璃，而这可能涉及需要“硅熔合接合”以便在基板和膜片或膜之间得到充分好的接合。

图5C还说明了利用表面微机械加工制造的谐振器100中的空腔140。膜片130具有隆起部分，而基板110也具有在将要定义空腔140的区域中的隆起部分，虽然该隆起部分较低。在制造该实施例中，首先在整个Si晶片上均匀淀积或者生长牺牲层。然后通过刻蚀对其进行构图。如果使用的刻蚀技术同样侵蚀Si晶片，则最终的谐振器将呈现出在晶片表面之上的略微隆起。膜片膜被淀积在整个晶片上，在其上刻蚀掉牺牲层，如上所述。

图5D还说明了利用表面微机械加工制造的谐振器100中的空腔140。这里膜片130是平坦的，与图2A-2E所示的实施例为相同的方式。基板110在定义空腔140的区域内具有凹陷。为了得到这个结构，将膜片膜从第二基板转移。在这种情况中，首先必须刻蚀出凹陷，或者必须建立围绕该凹陷的区域，并且在顶部接合平坦的膜。这在实践中通过在第二基板上形成膜来完成，其然后将接合至具有面对该晶片的膜的原始晶片。然后可以刻蚀掉该膜的支承晶片。

对于本发明的所有实施例正确的是，谐振频率受到下列因素影响，即，膜片中挠曲强度和弹性、膜片的尺寸和形状、沿周界的膜片的附着、以及膜片下面的空腔的高度h且如果膜片下面的空腔是以具有压强P的气体填充的，其中h/p＜10μm/atm。然而，如果抽空该空腔，那么高度h对于谐振频率将不是重要的，假设高度h足够大(h＞1μm)以便确保在由轮询信号的激发期间膜片不会触击空腔的底部。

可以理解，对于识别芯片上的空腔的布局存在多种可能方案。例如，该空腔可以被设置为1、2、3或者4行。在伸长或者杆形状的实施例中，其对于在鱼中植入芯片是优选的，则一单一行将是适合的。

Claims

1.一种用于识别位于液体中的目标的识别芯片，其特征在于，它包括：

声学谐振器(100)，其呈现多个不同的谐振频率，其中谐振频率的组合对于该识别芯片是唯一的，因此使得该识别芯片通过使该芯片暴露于声学轮询信号下、测量声学响应信号和分析响应信号的频率而被识别。

2.根据权利要求1的识别芯片，

其中谐振器(100)包括空腔形成部分(110，120)和膜片(130)，并且其中声学谐振频率是通过至少一个空腔(140)来确定的，其由空腔形成部分(110，120)和膜片(130)包围。

3.根据权利要求2的识别芯片，

其中空腔形成部分(110，120)包括

-具有包含至少一个凹陷的上表面的基板(110)，

并且其中膜片(130)的下表面通过至少一个空腔由至少一个凹陷和膜片(130)包围的方式附着于基板的上表面。

4.根据权利要求3的识别芯片，

其中膜片(130)的上表面附着于可刻蚀晶片(150)的下表面，而其中可刻蚀晶片(150)包括穿通开口，其与基板(110)中的至少一个凹陷重合。

5.根据权利要求2的识别芯片，

其中空腔形成部分(110，120)包括：

-具有上表面的基板(110)，和

-具有附着于基板(110)的上表面的下表面的可刻蚀晶片(120)，其中可刻蚀晶片的上表面还附着于该膜片(130)的下表面，并且其中可刻蚀晶片(120)包括在下和上表面之间的至少一个穿通开口，结果是至少一个空腔由该基板、至少一个穿通开口和该膜片包围。

6.根据权利要求5的识别芯片，

其中可刻蚀晶片(120)具有一个在下和上表面之间的穿通开口，结果是该芯片包括一个空腔，并且其中不同的谐振频率由包括由可刻蚀材料(122)覆盖的区域的膜片的下表面产生。

7.根据权利要求2-6的其中之一的识别芯片，

包括多个不同尺寸的空腔，结果是该识别芯片呈现多个不同的谐振频率。

8.根据权利要求2-7的其中之一的识别芯片，

其中基板包括玻璃制成的晶片，其中可刻蚀晶片由硅制成，并且其中膜片由氮化硅制成。

9，根据权利要求1-8的其中之一的识别芯片，用于植入诸如鱼的活生物体中，

其中该芯片进一步包括栓剂形状的延伸部分或者尖的外壳，由能够在活生物体中溶解或者分解的材料制成，其中该延伸部分或者外壳简化了该识别芯片的植入。

10.根据权利要求9的识别芯片，

其中该延伸部分或者外壳由冰制成。

11.根据权利要求2-10的其中之一的识别芯片，

其中利用表面微机械加工制造该谐振器。

12.根据权利要求11的识别芯片，

其中该空腔形成部分(110，120)包括基本平坦的基板(110)，而其中膜片(130)具有至少一个隆起区域，并且其中膜片(130)的下表面附着于基板的上表面，结果是至少一个空腔由基板和膜片(130)的隆起区域所包围。

13.根据权利要求12的识别芯片，

其中基本平坦的基板(110)是平坦的。

14.根据权利要求1 2的识别芯片，

其中基本平坦的基板(110)在对应于空腔(140)的区域中下陷或者隆起。

15.根据权利要求2-14的其中之一的识别芯片，

其中声学谐振频率取决于膜片的特性，特别是膜片的挠曲强度、弹性、尺寸和形状。

16.一种用于为位于液体中的目标加标签并且进行识别的方法，其特征在于包括以下步骤：

-为目标装配如权利要求1-10的其中之一所述的识别芯片，

-使该目标和由此的识别芯片暴露于声学轮询信号下，

-测量声学响应信号，

-分析该响应信号的频率，和

-根据该分析，识别该识别芯片和由此的目标。

17.根据权利要求16的方法，

其中目标是诸如鱼的活生物体，并且其中为目标装配识别芯片的步骤包括将该识别芯片嵌入到该生物体中。

18.一种用于为位于液体中的目标加标签并且进行识别的系统，包括：

-加标签设备，被设置用于为该目标装配如权利要求1-10的其中之一所述的识别芯片，

-声学发射设备，用于使该目标和由此的识别芯片暴露于声学轮询信号下，

-测量设备，用于测量声学响应信号，

-计算机，被设置为

-读取和分析该响应信号的频率，和

-根据该分析，识别该识别芯片和由此的目标。

19.根据权利要求18的系统，

其中目标是诸如鱼的活生物体，并且其中加标签设备被设置为将该识别芯片嵌入到该生物体中。