CN206514804U - 一种标签式无线传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于无线应变测量的标签式无线传感器，包括由薄膜电阻应变计组成的惠斯通电桥、信号处理模块、微控制器、带有天线的RFID芯片、电源管理芯片、储能电容及场效应管，惠斯通电桥的输出信号端接至信号处理模块的输入端，信号处理模块的输出/输入端与微控制器的输入/输出端连接，微控制器与RFID芯片交互连接。实际工作中，惠斯通电桥受应变产生的微小电压信号经信号处理模块放大后通过微控制器转换成数字信号，最后通过RFID芯片将测量数据以电磁波的形式发送出去，实现对结构应变的无线测量。本实用新型具有可对结构的应变进行实时、在线、无线测量的优点，同时还具有高可靠性、长寿命、高测量精度的特点。

Description

一种标签式无线传感器

技术领域

本实用新型属于应变传感器技术领域，具体涉及一种用于无线应变测量的标签式无线传感器。

背景技术

随着半导体工艺及电子技术的发展，利用真空蒸发、溅射、化学气相淀积等工艺技术使材料薄膜化的技术，在电子器件方面有了迅速的发展。各种与体型材料不同性能的薄膜传感元件也应运而生，薄膜电阻应变计是众多薄膜传感元件中的一种应变电阻敏感元件。由于薄膜电阻应变计的基底及组成材料的无机质化，其厚度尺寸很薄，能够达到几个微米，是传统箔式应变片的1/10。薄膜化、无机质化了的应变片具有尺寸小、可靠性高、耐热性好等特性。

各种金属或合金及半导体氧化物的薄膜应变片，由于其由真空蒸发、溅射、化学气相淀积或等离子气相淀积等工艺制成，因而具有几乎没有蠕变、滞后等特性，特别是能获得电阻温度系数低且稳定的产品，便于大批量生产，有利于制成高性能、低成本的传感器。薄膜应变片目前已被应用于多个领域，例如压电传感器就是采用了薄膜应变片感知压力的变化，具有成本低、尺寸小(厚度薄)、可靠性高、精度高、长期稳定性好等优点。但是，薄膜电阻应变计在测量时需要大量线缆连接，耗费成本，兼之不具有无线数据传输的功能，故其不能对结构(如固体发动机等)的应变进行实时、在线、无线的测量，不易应用于正式产品的结构健康监测系统。

另一方面，在监测系统领域，为了进一步实现无线测量的功能，利用射频信号自动识别目标对象并获取相关信息RFID电子标签(简称标签)技术业已被引入。标签由一个微小的标签芯片和天线构成，无源RFID标签的能量来自读写器发射的射频能量，无须内置电源，在应用时，将标签附着在物体上，以识别物体或结构的信息，达到无线数据传输的功能，具有体积小、重量轻、成本低、几乎无使用寿命限制等优点。

综上所述可以看出，结合薄膜电阻应变计的高可靠、低功耗、长寿命等优点以及标签的无线传输、成本低等优点，研究无线传输及高可靠性的无线传感器具有很重要的意义和价值。但迄今为止，本领域尚未发现结合有RFID标签技术的无线传感器产品的文献报道，因而也未能有效解决利用传感器对结构的应变进行实时、无线信号传输测量的技术难题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于对现有技术存在的问题加以解决，提供一种标签式无线传感器，该标签式无线传感器具有可对结构的应变进行实时、在线、无线测量的优点，同时还具有高可靠性、长寿命、高测量精度的特点。

为实现以上发明目的而采用的技术解决方案如下所述。

一种标签式无线传感器，包括集成设置在一块PCB板上的由薄膜电阻应变计组成的惠斯通电桥、信号处理模块、微控制器、带有天线的RFID芯片、电源管理芯片、储能电容及场效应管，惠斯通电桥的输出信号端接至信号处理模块的输入端，信号处理模块的输出/输入端与微控制器的输入/输出端连接，微控制器与RFID芯片交互连接，电源管理芯片通过储能电容及场效应管为信号处理模块和微控制器提供电能信号，储能电容的储能输出端同时与信号处理模块及微控制器的储能输入端连通，场效应管的漏极与信号处理模块和微控制器的接地端连接。实际工作中，薄膜电阻应变计受应变产生的微小电压信号经信号处理模块放大后通过微控制器转换成数字信号，最后通过RFID芯片将测量数据以电磁波的形式发送出去，实现对结构应变的无线测量。

上述标签式无线传感器中，惠斯通电桥中薄膜电阻应变计由基底材料、金属丝栅、应变计保护层和引线组成，其中，基底材料采用厚度在20～50μm的聚酰亚胺薄膜，金属丝栅为首先通过金属溅射薄膜工艺将镍铬金属镀在基底材料表面形成金属膜，再经过刻蚀工艺将镀在基底材料上的金属膜刻蚀形成惠斯通电桥电路的金属丝栅，在金属丝栅两端的延伸有焊接点段，应变计保护层为通过反应离子束溅射沉积工艺制成的厚度为500纳米～1微米的Si₃N₄材料膜，引线的两端分别与金属丝栅两端的焊接点段对应连接。

上述标签式无线传感器中，惠斯通电桥包括两个定值电阻、一个用于应变测量的工作应变电阻片以及一个用于温度补偿的补偿应变电阻片，惠斯通电桥的工作应变电阻片通过外接导线与PCB板连接。

上述标签式无线传感器中，金属丝栅的阻值为1500±5Ω，厚度1μm。

上述标签式无线传感器中，RFID芯片包括一个SPI主机，RFID芯片通过天线接收射频能量并将之转换成直流能量，实现与微控制器的交互。

上述标签式无线传感器中，天线采用能够通过无线方式发射和接收电磁波的金属材料制片式天线。

上述标签式无线传感器中，RFID芯片通过接收阅读器发射的射频能量给标签内部电子元器件提供能量。

与传统的薄膜应变计传感器技术相比，本实用新型具有如下特点：

一、本实用新型具有对结构应变进行实时、在线式或无线传输的测量的特点，在实际测量应用时，结构产生应变，薄膜电阻应变计中金属丝栅的长度会随着结构的变形而变化，导致金属丝栅的阻值发生变化，给传感器提供电压，于是即可通过惠斯通电桥的方式测量电压的变化来表征应变值，再通过天线将信息传递到外部的接收器，实现无线应变测量；

二、本实用新型的输出信号大小与应变成正比例关系；

三、本实用新型通过金属溅射薄膜制备工艺制备敏感器件，因此可以大大提高传感器的长期可靠性及寿命；

四、本实用新型的外形尺寸很小，制作中将惠斯通电桥与天线集成，厚度可以做到小于1mm，而且电路板易与结构表面相共形。

附图说明

图1是本实用新型所述标签式无线传感器的原理结构示意图。

图2是该标签式无线传感器中薄膜电阻应变计的结构示意图。

图中各数字标记的名称分别是：1－接地；2－标签芯片电源引脚；3－应变计电源引脚；4－电源管理芯片；5－储能电容；6－信号处理模块；7－惠斯通电桥，7a－应变计保护层,7b－基底材料，7c－金属丝栅，7d－引线；8－微控制器；9－RFID芯片；10－天线；11－场效应管。

具体实施方式

参见附图，本实用新型所述标签式无线传感器由惠斯通电桥7、信号处理模块6、微控制器8、带有天线10的RFID芯片9、电源管理芯片4、储能电容5及场效应管11组成。

该标签式无线传感器中惠斯通电桥7的结构如图2所示，由基底材料7b、金属丝栅7c、应变计保护层7a和应变计引线7d组成。基底材料7b为聚酰亚胺薄膜基底，将其制成矩形尺寸；通过溅射制备工艺将镍铬合金靶材溅射到基底材料7b表面，形成金属膜，再经过刻蚀工艺将镀在基底材料7b上的金属膜进行刻蚀，形成惠斯通电桥电路的金属丝栅7c，其间的惠斯通电桥包括两个定值电阻、一个用于应变测量的工作应变电阻片以及一个用于温度补偿的补偿应变电阻片，金属丝栅7c的阻值为1500±5Ω，厚度1μm，在金属丝栅两端的延伸有焊接点段；之后，在金属丝栅7c表面再镀一层厚度为500纳米～1微米的Si₃N₄材料膜，构成应变计保护层7a，防止敏感栅过早、过快氧化，起到防护的作用；引线7d的两端分别与金属丝栅两端的焊接点段对应连接。

本实用新型的实际制作结构中，电源管理芯片4、储能电容5、信号处理模块6、由薄膜电阻应变计组成的惠斯通电桥7、微控制器8、RFID芯片9、天线10以及场效应管11焊接在一块PCB板上，惠斯通电桥中的工作应变片通过外接导线与PCB板连接。具体元器件构成上，RFID芯片9可选用型号为ANDY100的器件，微控制器8可选用型号为MSP430G2233的器件，信号处理模块6可选用型号为INA333AIDGK或TPS76918DBV的放大器芯片，电源管理芯片4可选用型号为MAX6427的器件。上述各构件的连接形式为：RFID芯片9(ANDY100)的RF+和RF-引脚与天线10相连，VIO引脚和VDD引脚与电源管理芯片4的VDD和储能电容5相连，CAL引脚和EERST引脚接地，CS引脚、SCK引脚、MOSI引脚和MISO引脚与微控制器8(MSP430G2233)的对应引脚相连；电源管理芯片4(MAX6427)的PG引脚与场效应管11的G(栅极)引脚相连，GND引脚接地；微控制器8(MSP430G2233)的VDD引脚与储能电容5的正极相连，VREF引脚、ADC、GPIOS分别与信号处理模块6(INA333AIDGK或TPS76918DBV)的REF引脚、SOUT引脚和CTRL引脚相连；信号处理模块6的输入引脚与薄膜电阻应变计组成的惠斯通电桥7的输出信号线相连；场效应管11的S(源极)引脚接地，D(漏极)引脚与微控制器8和信号处理模块6的GND引脚相连。

本实用新型实际工作中，RFID芯片9收集天线10接收到的射频能量并将之转化为直流能，储能电容5储存能量为微控制器芯片8、信号处理模块6提供能量，微控制器8通过RFID芯片9中的SPI主机接收读写命令，控制应变测量的进行。信号处理模块6中的线性稳压器为信号处理模块6中的仪表放大器提供稳定的电压，仪表放大器对薄膜电阻应变计组成的惠斯通电桥7受应变影响产生的微小电压信号进行放大后，通过微控制器8中的ADC转换成数字信号，最后通过RFID芯片9发送出去。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种标签式无线传感器，其特征在于：包括集成设置在一块PCB板上的由薄膜电阻应变计组成的惠斯通电桥(7)、信号处理模块(6)、微控制器(8)、带有天线(10)的RFID芯片(9)、电源管理芯片(4)、储能电容(5)及场效应管(11)，惠斯通电桥(7)的输出信号端接至信号处理模块(6)的输入端，信号处理模块(6)的输出/输入端与微控制器(8)的输入/输出端连接，微控制器(8)与RFID芯片(9)交互连接，电源管理芯片(4)通过储能电容(5)及场效应管(11)为信号处理模块(6)和微控制器(8)提供电能信号，储能电容(5)的储能输出端同时与信号处理模块(6)及微控制器(8)的储能输入端连通，场效应管(11)的漏极与信号处理模块(6)和微控制器(8)的接地端连接。

2.根据权利要求1所述的标签式无线传感器，其特征在于：所述的惠斯通电桥(7)中薄膜电阻应变计由基底材料(7b)、金属丝栅(7c)、应变计保护层(7a)和引线(7d)组成，其中，基底材料(7b)采用厚度在20～50μm的聚酰亚胺薄膜，金属丝栅(7c)为首先通过金属溅射薄膜工艺将镍铬金属镀在基底材料(7b)表面形成金属膜，再经过刻蚀工艺将镀在基底材料上的金属膜刻蚀形成惠斯通电桥电路的金属丝栅，在金属丝栅两端的延伸有焊接点段，应变计保护层(7a)为通过反应离子束溅射沉积工艺制成的厚度为500纳米～1微米的Si₃N₄材料膜，引线(7d)的两端分别与金属丝栅两端的焊接点段对应连接。

3.根据权利要求1或2所述的标签式无线传感器，其特征在于：所述的惠斯通电桥(7)包括两个定值电阻、一个用于应变测量的工作应变电阻片以及一个用于温度补偿的补偿应变电阻片，惠斯通电桥的工作应变电阻片通过外接导线与PCB板连接。

4.根据权利要求2所述的标签式无线传感器，其特征在于：所述金属丝栅(7c)的阻值为1500±5Ω，厚度1μm。

5.根据权利要求1所述的标签式无线传感器，其特征在于：所述的RFID芯片(9)包括一个SPI主机，RFID芯片(9)通过天线(10)接收射频能量并将之转换成直流能量，实现与微控制器(8)的交互。

6.根据权利要求1或5所述的标签式无线传感器，其特征在于：所述的天线(10)采用能够通过无线方式发射和接收电磁波的金属材料制片式天线。