FI116188B - Menetelmä ja laitteisto kohteiden sähkömagneettisen energian muuttamiseksi - Google Patents
Menetelmä ja laitteisto kohteiden sähkömagneettisen energian muuttamiseksi Download PDFInfo
- Publication number
- FI116188B FI116188B FI20001214A FI20001214A FI116188B FI 116188 B FI116188 B FI 116188B FI 20001214 A FI20001214 A FI 20001214A FI 20001214 A FI20001214 A FI 20001214A FI 116188 B FI116188 B FI 116188B
- Authority
- FI
- Finland
- Prior art keywords
- frequency
- micromechanical
- energy
- converting
- mechanical
- Prior art date
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06K—GRAPHICAL DATA READING; PRESENTATION OF DATA; RECORD CARRIERS; HANDLING RECORD CARRIERS
- G06K19/00—Record carriers for use with machines and with at least a part designed to carry digital markings
- G06K19/06—Record carriers for use with machines and with at least a part designed to carry digital markings characterised by the kind of the digital marking, e.g. shape, nature, code
- G06K19/067—Record carriers with conductive marks, printed circuits or semiconductor circuit elements, e.g. credit or identity cards also with resonating or responding marks without active components
- G06K19/07—Record carriers with conductive marks, printed circuits or semiconductor circuit elements, e.g. credit or identity cards also with resonating or responding marks without active components with integrated circuit chips
- G06K19/0723—Record carriers with conductive marks, printed circuits or semiconductor circuit elements, e.g. credit or identity cards also with resonating or responding marks without active components with integrated circuit chips the record carrier comprising an arrangement for non-contact communication, e.g. wireless communication circuits on transponder cards, non-contact smart cards or RFIDs
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/74—Systems using reradiation of radio waves, e.g. secondary radar systems; Analogous systems
- G01S13/75—Systems using reradiation of radio waves, e.g. secondary radar systems; Analogous systems using transponders powered from received waves, e.g. using passive transponders, or using passive reflectors
- G01S13/751—Systems using reradiation of radio waves, e.g. secondary radar systems; Analogous systems using transponders powered from received waves, e.g. using passive transponders, or using passive reflectors wherein the responder or reflector radiates a coded signal
- G01S13/753—Systems using reradiation of radio waves, e.g. secondary radar systems; Analogous systems using transponders powered from received waves, e.g. using passive transponders, or using passive reflectors wherein the responder or reflector radiates a coded signal using frequency selective elements, e.g. resonator
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06K—GRAPHICAL DATA READING; PRESENTATION OF DATA; RECORD CARRIERS; HANDLING RECORD CARRIERS
- G06K19/00—Record carriers for use with machines and with at least a part designed to carry digital markings
- G06K19/06—Record carriers for use with machines and with at least a part designed to carry digital markings characterised by the kind of the digital marking, e.g. shape, nature, code
- G06K19/067—Record carriers with conductive marks, printed circuits or semiconductor circuit elements, e.g. credit or identity cards also with resonating or responding marks without active components
- G06K19/0672—Record carriers with conductive marks, printed circuits or semiconductor circuit elements, e.g. credit or identity cards also with resonating or responding marks without active components with resonating marks
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06K—GRAPHICAL DATA READING; PRESENTATION OF DATA; RECORD CARRIERS; HANDLING RECORD CARRIERS
- G06K19/00—Record carriers for use with machines and with at least a part designed to carry digital markings
- G06K19/06—Record carriers for use with machines and with at least a part designed to carry digital markings characterised by the kind of the digital marking, e.g. shape, nature, code
- G06K19/067—Record carriers with conductive marks, printed circuits or semiconductor circuit elements, e.g. credit or identity cards also with resonating or responding marks without active components
- G06K19/07—Record carriers with conductive marks, printed circuits or semiconductor circuit elements, e.g. credit or identity cards also with resonating or responding marks without active components with integrated circuit chips
- G06K19/0716—Record carriers with conductive marks, printed circuits or semiconductor circuit elements, e.g. credit or identity cards also with resonating or responding marks without active components with integrated circuit chips at least one of the integrated circuit chips comprising a sensor or an interface to a sensor
- G06K19/0717—Record carriers with conductive marks, printed circuits or semiconductor circuit elements, e.g. credit or identity cards also with resonating or responding marks without active components with integrated circuit chips at least one of the integrated circuit chips comprising a sensor or an interface to a sensor the sensor being capable of sensing environmental conditions such as temperature history or pressure
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06K—GRAPHICAL DATA READING; PRESENTATION OF DATA; RECORD CARRIERS; HANDLING RECORD CARRIERS
- G06K19/00—Record carriers for use with machines and with at least a part designed to carry digital markings
- G06K19/06—Record carriers for use with machines and with at least a part designed to carry digital markings characterised by the kind of the digital marking, e.g. shape, nature, code
- G06K19/067—Record carriers with conductive marks, printed circuits or semiconductor circuit elements, e.g. credit or identity cards also with resonating or responding marks without active components
- G06K19/07—Record carriers with conductive marks, printed circuits or semiconductor circuit elements, e.g. credit or identity cards also with resonating or responding marks without active components with integrated circuit chips
- G06K19/0723—Record carriers with conductive marks, printed circuits or semiconductor circuit elements, e.g. credit or identity cards also with resonating or responding marks without active components with integrated circuit chips the record carrier comprising an arrangement for non-contact communication, e.g. wireless communication circuits on transponder cards, non-contact smart cards or RFIDs
- G06K19/0726—Record carriers with conductive marks, printed circuits or semiconductor circuit elements, e.g. credit or identity cards also with resonating or responding marks without active components with integrated circuit chips the record carrier comprising an arrangement for non-contact communication, e.g. wireless communication circuits on transponder cards, non-contact smart cards or RFIDs the arrangement including a circuit for tuning the resonance frequency of an antenna on the record carrier
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
- H02J50/10—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
- H02J50/12—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling of the resonant type
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
- H02J50/20—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using microwaves or radio frequency waves
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
- Micromachines (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
- General Induction Heating (AREA)
- Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)
Description
116188
Menetelmä ja laitteisto kohteiden sähkömagneettisen energian muuttamiseksi
Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen menetelmä sähkömagneettisen energian muuttamiseksi.
5
Keksinnön kohteena on myös laitteisto ja elementti sähkömagneettisen energian muuttamiseksi.
Tunnetussa tekniikassa käytetään yleisimmin kappaleiden tunnistamiseen viivakoodia. Se 10 luetaan yleisimmin lasersäteen avulla. Myös rf-alueelle on kehitetty sekä passiivisia että aktiivisia koodipiirejä tai saattomuisteja. Ne toimivat joko matalilla taajuuksilla (noin 100 kHz), keskisuurilla taajuuksilla (noin 13 MHz), suurilla taajuuksilla (400 MHz) tai mikroaaltoalueella (2,46 GHz tai 5,4 GHz). Suurin osa koodipiireistä tai saattomuisteista perustuu "perinteisten" muistipiirien käyttöön. Energia piirille saadaan magneettikentästä. 15 Suurilla taajuuksilla on käytetty myös SAW-piirejä (Surface Acoustic Wave). Eräässä menetelmässä sähköinen pulssi muutetaan pintaääneksi, joka heijastuu piezoaktiivisen aineen pinnalle asetetuista metallisista heijastimista. Piiri on suhteellisen kallis ja ilmiö on lineaarinen, joten sen havaittavuus ei ole paras mahdollinen. Myös informaation virittäminen kapealle taajuusalueelle on vaikea.
..li' 20 [ ] Perinteistä muistitekniikkaa käyttävien passiivisten piirien ongelma on lukuetäisyys. Jos ' ; käytetään pientaajuisia magneettikenttiä, kentänvoimakkuus alenee hyvin nopeasti ,,. (etäisyys kolmanteen potenssiin) etäisyyden funktiona. Indusoitunutta jännitettä voidaan !! kasvattaa virityspiirien tai muuntajien avulla, mutta käytännössä 0,5 m lukuetäisyys on jo • » 25 äärimmäisen hankalaa savuttaa. Mikroaalloilla voidaan kenttää fokusoida ja täten .···. kentänvoimakkuus voi olla suhteellisen suuri myös pitkillä etäisyyksillä. Valitettavasti . ’ ·. suurilla taajuuksilla suuren jännitteen synnyttäminen on hankalaa. On huomattava, että . \ ongelma ei ole niinkään teho vaan piipiirien tarvitseman jännitteen synnyttäminen.
’· ··, Nykyään yleisesti kuvitellaan, että ei ole mahdollista synnyttää noin 3 V:n jännitettä 10 30 m:n etäisyydellä ja tämän vuoksi yritykset hakevat muita ratkaisuja koodin tekemiseksi. Esim. SAW:n käyttö on yksi tällainen esimerkki.
2 116188
Lisäksi tunnetun tekniikan mukaisesti mikroaaltotehoa mitataan mm. bolometrin avulla. Bolometri toimii hyvin lyhyillä sähkömagneettisilla aalloilla, mutta pienemmillä taajuuksilla kuten esimerkiksi mikro- ja millimetriaaltoalueella tarvittavan elektroniikan aiheuttama kohina heikentää suorituskykyä merkittävästi.
5 Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä kuvatun tekniikan puutteellisuudet ja aikaansaada aivan uudentyyppinen menetelmä ja laitteisto sähkömagneettisen energian muuntamiseksi.
10 Keksintö perustuu siihen, että käytetään sellaista muunninkomponenttia, joka käsittää sähkömekaanisia värähtelyelementtejä kuten esimerkiksi palkkimaisia kondensaattoreita, jotka on sovitettu resonanssiin esimerkiksi kelan avulla. Komponentti käsittää lisäksi välineet mekaanisen energian muuntamiseksi takaisin sähköiseen muotoon eri jännitteellä ja/tai taajuudella vastaanotettuun sähköiseen signaaliin nähden.
15
Yksi keksinnön edullinen suoritusmuoto perustuu siihen, että käytetään sellaista passiivista tunnistuskomponenttia, joka käsittää sähkömekaanisia värähtelyelementtejä kuten esimerkiksi palkkimaisia kondensaattoreita, jotka on sovitettu resonanssiin esimerkiksi kelan .:. avulla. Toisen keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaan osa kondensaattoreista voidaan •; ·.: 20 sähköisesti passivoida, jotta kullekin tunnistuskomponentille saadaan muista poikkeava koodi.
• I
: _: Yksi keksinnön edullinen suoritusmuoto soveltuu mikro-ja millimetriaaltoalueen tehon • * » :' mittaukseen ja se perustuu siihen, että kentän tehoa mitataan mikromekaanisella, tyypillisesti 25 piimikromekaanisella anturilla. Tyypillisesti mikromekaaninen anturi on palkkimainen, ja : mikromekaanisen rakenteen mekaanista tilaa muutetaan sähköisellä taivutuksella *··.' herkkyyden lisäämiseksi sekä taajuusalueen virittämiseksi mittausalueen muuttamista • 1\1' varten. Mikromekaaninen anturi on joko viritetty mitattavalle taajuudelle tai vaihtoehtoisesti •,,,; vastaanottoantennin ja mikromekaanisen anturin sisältävän piirin väliin on edullisesti 30 sijoitettu katkoja, joka katkoo mikroaaltotehoa edullisesti mekaanisen piirin » I » : ’ ·. · resonanssitaaj uudella.
3 116188 Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.
Keksinnön mukaiselle laitteistolle on puolestaan tunnusomaista se, mikä on esitetty 5 patenttivaatimuksen 11 tunnusmerkkiosassa.
Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja.
Pintamikromekaniikan avulla valmistettu komponentti on edullinen valmistaa. Keksinnön 10 mukaisessa ratkaisussa lähetys- ja vastaanottotaajuudet poikkeavat toisistaan, joten paluusignaalin erottaminen tulosignaalista on helppoa. Keksinnön mukainen tunnistuskom-ponentti on myös helppo koodata sähköisesti. Radiotaajuinen energia on keksinnön mukaan muutettavissa sellaiseksi sähköiseksi energiaksi, joka soveltuu piiteknologiaan perustuvien piirien jännitevaatimuksiin.
15
Keksinnön mukaisesti voidaan muodostaa hyvyysluvultaan (Q-arvo) erinomainen mekaaninen elementti mikroaaltotehon ilmaisua varten, jolloin päästään selvästi tunnettua tekniikkaa parempaan herkkyyteen erityisesti milli- ja mikroaaltopituuksien kentänvoimakkuuksien ilmaisussa. Lisäksi ilmaisimen keskitaajuutta voidaan muuttaa ,...: 20 hyvyysluvun juurikaan alentumatta.
·;··· Jos moduloimme rf-kenttää millä tahansa taajuudella ja tämä modulaatio saa aikaan :' ’ ‘: modulaatiotaajuudella voiman joka aktivoi mikromekaanisen resonanssin, on värähtelyn : amplitudi resonanssissa niin suuri, että elektroniikka ei rajoita kohinaa vaan ainoastaan 25 esim. kaasun aiheuttama vaimennus mikromekaanisessa värähtelijässä. Laskut osoittavat • » ; että mikromekaniikalla voimme valmistaa herkemmän millimetrialueen (tai rf alueen) *...' ilmaisimen kuin mitä voidaan tehdä bolometrillä.
• » » : Keksintöä ryhdytään seuraavassa lähemmin tarkastelemaan oheisten kuvioiden mukaisten : ‘ ’ ‘; 30 suoritusesimerkkien avulla.
• · »
Kuvio 1 esittää yläkuvantona yhtä keksinnön mukaista tunnistuskomponenttia.
4 116188
Kuvio 2 esittää halkileikattuna sivukuvantona kuvion 1 komponenttia.
Kuvio 3 esittää sijaiskytkentää kuvion 1 ratkaisusta.
5
Kuvio 4 esittää kaaviollisesti yhtä keksinnön mukaista laitteistoa.
Kuvio 5 esittää kaaviollisesti yhtä keksinnön mukaisen tunnistuskomponentin ja tämän antennin yhdistelmää.
10
Kuvio 6 esittää kaaviollisesti yhtä keksinnön mukaista komponenttia, jossa rf-energia on piirin sisäisesti muunnettavissa sähköenergiaksi piirin tarvitsemalle jännitetasolle.
Kuvio 7 esittää lohkokaaviona yhtä keksinnön mukaista anturiratkaisua mikro- ja 15 millimetriaaltoalueen tehon mittausta varten.
Kuviossa 1 on keksinnön mukainen tunnistuskomponentti kuvattu ylhäältäpäin. Komponentti koostuu kymmenestä palkista 4, joiden alapuolella on johtava alue. Palkit 4 on .;. rei ’itetty 6 rakenteen keventämiseksi ja tyviosat 5 on kavennettu herkkyyden lisäämiseksi.
....: 20 Elektrodien kontaktialueet on esitetty viitenumeroilla 3. Palkit 4 ja näitä yhdistävät johtimet ; on edullisesti kauttaaltaan metalloitu saijavastuksen saamiseksi mahdollisimman pieneksi.
•: · · · Esitetyssä ratkaisussa kapasitiivinen virta joutuu kulkemaan vasemmanpuoleisista heilureis- : ; ta oikeanpuoleisiin heilureihin alatason kautta. 1
Kuvion 2 mukaisesti komponentti on muodostettu substraatille 7, jonka päälle on muodos-· tettu eristekerros 8. Eristekerros voi koostua kahdesta eri kerroksesta, joistaetsautuva kerros * *.. ’ voi olla noin 100 pm ja kiinteä kerros 200 - 300 pm paksu. Kiinteä eriste voidaan kasvattaa : myös jälkikäteen hapettamalla piin 7 pinta. Alustan 7 johtavaan alueen elektrodien (ei :: kuvattu) ja palkkien 4 alapintojen välille muodostuu kondensaattorin elektrodiväli 9, joka : ’' ’: 30 pyritään saamaan mahdollisimman pieneksi, tyypillisesti n. 100 - 500 nm korkeaksi. Palkin '/l 4 pinta-ala (kuvion 1 suunnasta katsottuna) voi olla pieni, esimerkiksi alle 100 pm2 resonanssitaajuuden kasvattamiseksi. Resonanssitaajuuden kasvattamiseksi voidaan 5 116188 palkkien 4 pintaa vielä etsata valmistusvaiheessa. Palkkien 4 dimensiot ja alustan 7 ja palkin välinen liitos 10 siis määräävät kunkin kondensaattorin resonanssitaajuuden.
Kunkin palkki 4 on mitoitettu siten, että palkin värähtelytaajuus poikkeaa muista palkeista. 5 Resonanssitaajuus kannattaa mitoittaa suuremmaksi kuin 100 kHz, mieluimmin aina taajuuteen 1 MHz asti. Eri elementtien 4 taajuudet voitaisiin valita esimerkiksi yhtälöllä f, f(l+l/12),...,f(l+i/12),..,f(l+10/12).
Palkit voidaan toteuttaa siten, että sopivalla sähköohjauksella halutut palkit 4 saadaan 10 tarttumaan kiinni eristekerrokseen 8 kyseisten palkkien passivoimiseksi ja näin elementin uudelleen koodaamiseksi. Elementtikohtaisen passivoinnin mahdollistamiseksi tulee kukin elementti olla erillisesti kytkettävissä passivointijännitteeseen. Keksinnön yksinkertaistamiseksi on esitetty7 ainoastaan 10 värähtelyelementtiä 4. Näitä elementtejä on käytännön elementeissä enemmän, tyypillisesti useita kymmeniä.
15
Kuvion 3 mukaisessa ratkaisussa palkkien 4 ja alustan 7 elektrodien muodostamat kondensaattorit 11 on kytketty rinnan. Kun tähän järjestelmään syötetään amplitudimoduloitu herätesignaali, alkavat kondensaattorit 11 värähdellä ja värähtelyenergia siirtyy antennin (ei kuvattu) kondensaattoreiden 11 välillä muuttuen mekaanisesta energiasta sähköiseksi ...: 20 energiaksi. Navoista 12 piiri kytketään antenniin.
‘Seuraavassa konkreettinen esimerkki kuvion 2 tai 3 mukaisen rakenteen lukutekniikasta.
Tyypillisiä käyttötaajuuksia ovat n. 400 MHz, 900 MHz, 2,5 GHz ja 5,2 GHz. Seuraavassa E! oletetaan synnytetyksi (modulaatiolla jne. ) kaksi taajuutta 2,500 GHz ja 2,501 GHz, 25 jotka syötetään avaruuteen suunnattuna anturia kohti. Anturissa on antennijärjestely, joka mahdollisimman tehokkaasti pyrkii synnyttämään mikromekaanisen "kapasitanssin" yli .···. mahdollisimman suuren jännitteen (todellisuudessa jännitteellä on optimitaso, jonka yli . '. sitä ei pitäisi enää kasvattaa). Antennin sovitus optimoidaan yhdessä mikromekaanisen kapasitanssin kanssa.
30 ‘ . Nyt meillä on kaksi suuritaajuista signaalia kunkin kondensaattorin 11 yli. Tiedämme, että voima, joka on energian derivaatta matkan suhteen on verrannollinen jännitteen neliöön 6 116188 (u ). Jos nyt sijoitamme signaalimme tähän yhtälöön huomaamme, että anturiin vaikuttaa noin 5 Ghz:n (herätteiden summa) komponentti, joka ei johda liikkeeseen (liian suuri taajuus saamaan liikettä aikaan) ja 1 MHz:n komponentti (herätteiden erotus), joka voi saada liikettä aikaan. Kuvitellaan nyt, että anturin yhden palkin mekaaninen resonanssitaa-5 juus on 1 MHz. Vain tämä palkki lähtee liikkeeseen, koska voiman ja liikkeen suhde riippuu palkin Q-arvosta ja siitä, onko voiman taajuus sama kuin resonanssitaajuus. Nyt kun palkki heiluu 1 Mhz:llä, kapasitanssi vaihtelee aiheuttaen vaihemodulaation (tai taajuusmodulaation). Eli kapasitanssin yli syntyy ekvivalentti signaaligeneraattori aikaisemmin mainittujen 2,5 GHz ja 2,501 GHz:n lisäksi taajuuksille 2,5 GHz + 1 Mhz, 10 2,5 GHz - 1 MHz, 2,501GHz + 1 MHz ja 2,501 GHz - 1 MHz.. Nämä kaikki ovat vaihemodulaatiotaajuuksia. Alkuperäinen signaali oli amplitudimoduloitu. Herätetaajuudet voidaan tehdä esim. täydellisellä amplitudimodulaatiolla tai amplitudimodulaatiolla, jonka jälkeen kantoaalto poistetaan. Näin anturielementistä "heijastunut signaali" on muuttanut modulaatiotaan ja siinä on sellaisia taajuuskomponentteja, joita lähetyssignaalissa ei ollut 15 eli 2,5 GHz-1 MHz = 2,499 GHz ja 2,501 GHz + 1 MHz = 2,502 GHz.
Asia voidaan selittää ajattelemalla perinteistä amplitudimoduloitua signaalia, missä yleisessä tapauksessa on kolme signaalia: päänauha ja kaksi sivunauhaa. Jos näin tehdään vastaus on vaihemoduloitu signaali, missä modulaatiotaajuus on 2f, missä f on 20 amplitudimoduloinnin taajuus.
• |
Edellä kuvatussa esimerkissä anturiin on syötetty vain kaksi taajuutta, koska se on
• I
* · !!! syötettävien taajuuksien minimimäärä, jotta palkki voidaan lukea. Käytännössä koodin • * lukeminen vaatii herätetaajuuksien eron muuttamista tai useiden herätetaajuuksien syöttä-: . ·. 25 mistä (vrt. sarjamuotoinen datan lukeminen tai rinnakkaistyyppinen datan lukeminen).
• *« f . *' ‘; Lisäksi yhdenkin palkin lukeminen voidaan tehdä useammalla kuin kahdella taajuudella - *. esim. amplitudimodulaatiolukutekniikassa on kolme taajuutta käytössä, vaikka varsinaisia .··, taajuuksia on vain kaksi: kantoaalto ja kaksi sivunauhaa. Tilanteen tekee monimut-
* I
kaisemmaksi vielä se, että vaihemodulaatiossa syntyy myös enemmän taajuuksia, mutta !", 30 "kevyessä" modulaatiossa vain ensimmäisen kertaluvun sivunauhoilla on merkitystä.
Anturi on normaali antenni, jossa yritetään mahdollisimman tehokkaasti kytkeä sähkö- 7 116188 magneettista energiaa palkin liikkeeksi. Kysymys on siis yhdistetystä antennista ja impe-danssimuuntajasta, joka suunnitellaan siten, että syntynyt vaihemodulaatio signaali olisi mahdollisimman voimakas.
5 Antenni on sama sisäänmenevälle (herätteelle) ja ulostulevalle signaalille, koska esim.2,5 GHz realistisen antennin sähköinen kaistaleveys aina vähintään 10 Mhz ja todennäköisesti tätäkin laajempi. Koska mekaanisten resonanssien taajuudet ovat käytännössä aina alle 1 MHz, kaikki sivunauhat sopivat antennin kaistalle. Toisin sanoen yksinkertainen viritetty kehäantenni tai dipoliantenni impedanssimuuntajineen riittää keksinnön mukaiseen 10 anturiin.
Kuvion 4 mukaisesti laitteisto käsittää lähettimen 20, joka lähettää herätesignaalin sekä vastaanottimen 21 herätteen aikaansaaman signaalin vastaanottamiseksi. Lähetin 20 lähettää esimerkiksi amplitudimoduloidun laajakaistaisen signaalin kaistalla Afl (tai 15 vaihtoehtoisesti useita kiinteitä taajuuksia) ja tunnistinelementeistä 22 - 25 saapuvat signaalit Δί2-Δί5 vasteena lähettimen signaalille aina tunnistinelementin 22 - 25 koodauksen mukaan. Kukin elementti 22 - 25 siis lähettää värähtelyelementtiensä mekaanisista ominaisuuksista ja näiden mahdollisesta lukituksesta riippuvaisen signaalin, jossa on useita taajuuspiikkejä. Taajuuspiikit ilmaistaan vastaanottimessa 21 ja taajuuspiikkiyhdistelmän t * * - ·: 20 perusteella voidaan kohde tunnistaa.
I · · * · · ’ ; Teoreettisesti tarkasteltuna keksintö toimii seuraavasti: «· t »
Periaate voidaan esittää matemaattisesti seuraavalla tavalla. Palkki toteuttaa seuraavan 25 yhtälön d2 x dx dl , d 1 εΑ , 1C , ;,., m..... + ,_ +.b.- f.- -,,CU)- (- T iV)- - - 7.u i « k ' : · missä m on heilurin massa, k jousivakio η kitkakerroin ja T/jännite kapasitanssissa C. Jos » > »
• I
’·;** kapasitanssin yli on kaksi signaalia (oletamme tässä yksinkertaisuuden vuoksi, että : 30 amplitudit ovat yhtä suuret), joiden taajuus on lähellä toisiaan, voimme kirjoittaa voiman
» i » I I
‘ ‘ muotoon 8 116188
1 2C 2 1 2C
F = -~u —(^\ηωίι + ίΐηω21) = - ~ ΰ ~ + sm 2 ωj t + sm 2 ωj I + sw(ω] - ω2)Ι + sin(ωj + ω2JO
2 1 4 1
Käytännössä ainoat voimatermit, joilla on merkitystä, ovat tasajännite-ja erotaajuustermi. Muut voimatermit eivät aiheuta liikettä palkkiin. Nyt voimme kirjoittaa liikettä aiheuttavan voiman muodossa 1 ,C
5 F = - ~ (2 + s'm(a>i +ω2)0 4 l
Jos ωι - ω2 = <&res (®2 > gm), saamme heilurin liikkeelle yhtälön
dx 1 2 C
V ώ = - 4 ö j sin(©, - ω2)/ 10 Massa ja jousivakio eliminoituvat, koska palkki toimii resonanssissa. Tästä seuraa
, , 1 2 C
*(0= J
4 ω,,^ηΐ
Jos palkin hyvyysluku on suuri, koska (kitkatermi η on vastaavasti pieni), palkin amplitudi 15 on suuri ja liike on sinimäinen. Koska kapasitanssin elektrodien etäisyys on lc=l+x , « . : saadaan Kapasitanssia vastaava impedanssi muotoon 1 l + x(t)/l 1 f 1 , C ) : " ‘: coC(t) ωεΑ coC\ 4 com η l ) '.,.· 20 Ajasta riippuvan kondensaattorin virta voidaan nyt antaa muodossa • „ / λ
··> * U(t) coCu(sin ωι t + sin ω2 0 - · , , / ? C
.*·. K0 =-= —— -----* aCu( sm o] t + sm o)2 0 l-~u-vcos ^res1
Y«) , +1. .....C cos„ , l < oresVl2 J
. 1 + u 2cos 1 il'· ^ (Ores 01 9 116188
Virta voidaan kirjoittaa muotoon
f Ec Q ') Ec Q
1(0 = ω€ύ |J - -~-2 - (sirua11 + sin ω2 0 - - ~ γ(sin6ω, - cons)t + sinfω, + ωη,)ί) missä Ec on keskimääräinen sähköstaattinen energia kondensaattorissa Ec = 1 , 1 „ ,
Et- 2Cu 5 Virrassa on kaksi uutta taajuutta: toi - ω,·£ί ja ω2 + corej. (Huom. olemme olettaneet että ω2 >®l).
Jos anturin aktivoiminen taajuuksilla ecu ja ω2 tuottaa “heijastuksena41 ko. taajuudet, on anturissa resonanssi taajuudella toi - co2. Jos lisäämme kolmannen taajuuden, voimme 10 tarkastella toista mekaanista resonanssia jne. Bitit voidaan lukea usealla taajuudella samanaikaisesti tai lukemalla ne aikajaotteisesti. On myös mahdollista tehdä kombinaatio taajuus- ja aikajaotteisesta menetelmästä.
Virittämällä mekaaninen kapasitanssi, voimme kasvattaa mekaanisen kondensaattorin 15 jännitettä ja täten mekaanista liikettä. Tämä tarkoittaa, että esimerkiksi kuvion 5 mukaisesti ,antennielementin 30 lisäksi tulee antennipiiriin lisätä mahdollinen kaistanrajoitin 31 ja , *. ; viritys siten tulee toteuttaa siten, että anturi 32 näkyy reaalisena antennista katsottuna. An- .. ·turikokonaisuus on tyypillisesti sijoitettu oleellisen tasomaiselle laminaatille 33.
:" ]: 20 Koska pieneen piikappaleeseen on hankala tehdä kontaktia, kannattaa siruun lisätä kela, johon antennipiiristä kytkeydytään induktiivisesti. Kelaa voidaan käyttää samalla anturika- :: pasitanssin virittämiseen kantoaaltotaajuuksilla.
• · : : : Jos antureiden yli asetetaan vaihtojännite ja jos substraatin ja palkin väliin kytketään •,,. · 25 tasajännite, palkin 4 differentiaaliyhtälö voidaan kirjoittaa muodossa: ίο 116188 dX2 , dX , , v 1 £A(Udc + Um· sin o>t f m—— + η-+ k X —--r- d2t dt 2 (lo-X)
Olettamalla, että palkin 4 hyvyysluku on suuri, ainoastaan sinimäinen liike on sallittu, joten X = Xjc + XocSM(M + P)
Sijoittamalla tämä differentiaaliyhtälöön saadaan voiman tasakomponentti muotoon - = sAUx J_ :2π (l+osin?/ () ~21?(1-χΖ/'2π]° P-gsin(t + p)7 εΑ Udc2 (e75g ,Υ, π πλ πΙ+(,^:Aw+,l2u(TP+-2) missä 1 0 Xdc = Xdc / 1(1 < Xac = Xac ( lo ’ O = Ucc (Udc > ς = Xac /O ~ Xdc)·
Jos ζ > 0,7 ja υ « 1, yhtälö saadaan muotoon f j r 3.75ς Λ2
(F)*eA
' Ui Ml-xJ 15 ‘ * * j Ensimmäisen kertaluvun malli antaa amplitudille yhtälön * « ,··. _QmsAUdcUa c ’ , , * X“C · - 2 ;i ma Jo , **. 20 missä Qm on mekaaninen hyvyysluku, (om mekaaninen resonanssitaajuus ja m palkin , ‘, massa. Toisaalta Udc ei voi ylittää kriittistä jännitettä, joka saadaan yhtälöstä t 0 2 Jkn '· ; ‘ 3 . 3εΑ 116188 n
Sijoittamalla kriittinen jännite amplitudiyhtälöön, saadaan 2_Qm 6C uw.
9 ω„, m l0 5 Vastaavasti tasavoimatermi saadaan muotoon
f e3'7* Y
(F)= J klo
\24(1 - xlk)J
Jos amplitudi xac on suuri, vaikuttaa palkkiin suuri tasavoimakomponentti. Tämä ajaa 10 palkin kiinni seinämään. Toisin sanoen resonanssissa olevat palkit ajautuvat kiinni, jos dc-jännite on pienempi kuin ns. kriittinen jännite. Näin dc-biasoinnilla saadaan haluttu heiluri tarttumaan alustaan kiinni, jos yleensä jousivakio ja pinnassa olevat voimat sallivat anturin jumiuttamisen.
15 Keksinnöllisen ajatuksen puitteissa voidaan ajatella käytettäväksi joko yksipalkkista tunnistuselementtiä tai vaihtoehtoisesti monipalkkisessa elementissä ainoastaan yhtä palkkia tuotteen statuksen ilmaisuun. Statustietona voi olla esimerkiksi varkaustieto, < I * "*t prosessin jonkin vaiheen läpäisytieto tai jokin muu kappaleen statuksesta kertova * * · « informaatio. Varkausilmaisimen tapauksessa yksittäinen palkki siis saatettaisiin sähköisellä • I « » * « ' 20 kentällä “kiinni" runkorakenteeseen, eikä rakennetta esimerkiksi voisi aktivoida kopauttamalla tai ravistelemalla. Uudelleen aktivointi olisi mahdollista ainoastaan • · , ·\ sähköisesti ja näin keksinnön mukainen ratkaisu soveltuu erittäin hyvin mm.
t · kirjastosovelluksiin, joissa anturin tulee olla luotettavasti aktivoitavissa ja passivoitavissa lukuisia kertoja.
( * 25 ; ,1, Keksinnön mukainen rakenneratkaisu mahdollistaisi myös kaukoluettavan kiihtyvyysantu- * > t . “. rin, jossa käden eri sormiin sijoitettaisiin koodiltaan toisistaan poikkeavat kiihtyvyysanturit _ Y t ja tietoa käytettäisiin sormien asentopaikannukseen. Näin voitaisiin korvata näppäimistö i > « ,.,.: tai vaihtoehtoisesti ohjaussauva.
30 12 116188
Kuvion 6 sovelluksessa on kuvattu ns. rf-paristo, jolla rf-kentän energia on muunnettavissa sopivalle jännitetasolle mikropiirien käytettäväksi. Piiri käsittää vastaanotettavalle rf-taajuudelle viritetyn antennin 40 sekä tähän kytketyn sovituspiirin 41. Antenni ja sovituspiiri vastaanottavat rf-energian ja siirtävät sen induktiivisesti 5 värähtely äkomponentille 43 muuntaj an 42 avulla. Mikromekaaninen värähtelijäpiiri 43 on esimerkiksi palkkimainen kondensaattori, joka on viritetty toimintataajuudelle virityspiirin 44 avulla. Näin vastaanotettu rf-energia saa värähtely äpiirin liikkuvan elementin värähtelemään ennalta määrätyllä taajuudella. Kondensaattoripiirin 43 liikkuvaan osaan on järjestetty staattinen sähkövaraus. Varatun värähtelijän liike muodostaa sähköenergian, 10 j oka on purettavissa napoihin 46 syötettäväksi edelleen sähköisen piirin käyttöjännitteeksi.
Seuraavassa on esitetty kuvion 6 komponentin teoreettinen tarkastelu.
Kuvion 6 ratkaisuun viitaten arvioidaan tilannetta, missä mekaanisia heilureita käytetään 15 rf-koodin tekemiseen tai riittävän suuren jännitteen generoimiseen. Oletetaan mekaaninen heiluri, jonka massa on m, jousivakio A: ja kitka η. Oletetaan yksinkertaisuuden vuoksi levykondensaattori, johon on asetettu varaus Q. Nyt voimme kirjoittaa d2x dx , „ d _ dfl^ / Q TT)2' dt2 dt dx ώcl 2 \C(x,/) ) • « .... missä E on sähköstaattinen energia ja C(x,t) on ajasta ja levyjen etäisyydestä 1 -x , · ·, riippuvainen kapasitanssi. Levykondensaattorin tapauksessa kapasitanssi voidaan kiqoittaa muotoon: C(x,t)=sA/(l -x). Oletetaan, että syötämme palkkiin jännitteen i t * * * ‘ ‘ 25 U = ^ (sin(ö)^ + ~ a)m )t + sin(^ -1 a>m )t), jolloin » · > * » r- 1 ^ i( n 1 SA j r2 1 sAtf. 2( . \ • : F =---Q +-U =—=-E7 =—(sin«mt + extra) V\ 2dx{{* t-x ) J 2 e 2l2 * V m ' 116188 13 missä extra sisältää vakiotermin ja mikroaahotaajuisen komponentin. Vakiotermi taivuttaa palkkia hiukan ja suurtaajuinen termi ei vaikuta palkkiin, koska palkin mekaaninen taajuus on tätä taajuutta paljon pienempi.
5 Oletetaan seuraavaksi, että palkin resonanssitaajuus on ov Jos eksitaatiovoima on sama, saadaan palkin liikkeelle lauseke εΑΫ„Ύ . C//Q. .
’ 2 ωηηί2 2 ki 10 Mekaanisen resonaattorin hyvyysluku saadaan yhtälöstä:
Qm = - , missä ωη. = k!m
V
Koska heilurissa on varaus, saadaan vaihtojännite 15 Q i =_£x(t)_Q?!f2QnL · ,
Uac C0+C(/)~ C0£-x(t) C0 £ 2k£2 SmC°m ..li’ Hyötysuhteen maksimoimiseksi, heilurin lähtö tulee virittää. Tämä nostaa napajännitteen ' * parhaimmillaan Qs-kertaiseksi, missä Qs on virityspiirin hyvyysluku (n.10 - 30). Kun ’· '· 20 palkkiin laitetaan varausta, se siirtyy. Siirtymä ei tietenkään voi olla liian suuri. Oletetaan, ^ / että se enintään ‘/il, jolloin » * * • · Q-ikl2C0 .
’ _ 11: 25 Sijoittamalla tämä edelliseen yhtälöön, saadaan 14 116188
Uac Sin = \V>fy-Q<1 Sin ω"1
Jos värähtelevä palkki viritetään kelalla, saadaan jännite Q-kertaiseksi. Nyt voimme kirjoittaa kuormittaman jännitteen muotoon 1 ^ u ~-ΫΗ— Q.Qm sin(oj ac Ί ΚΙ f/ x-'SzZsm m ä vpi 5
Yhtälöstä huomataan, että jännitteen muunnos perustuu ennen kaikkea siihen, että mikromekaaninen rakenne suunnitellaan siten, että VPj on suhteellisen pieni (0,1 V -1 V) ja että komponentti valmistetaan siten, että mekaaninen hyvyysluku on mahdollisemman suuri (1000 - 10 000). Sähköisellä virityspiirillä ei ole mitään mahdollisuuksia päästä 10 vastaaviin hyvyyslukuihin. Pitkillä etäisyyksillä voi olla alle 10 mV. Oletetaan, että VPi=l V, Qs-30, ja Qm=1000, saadaan uac=3 V. Koska antoimpedanssi on suuri, tehoa ei saada kovin paljon. Pitkillä etäisyyksillä teho jää 10 pW:n luokkaan. Tämä tarkoittaa käytännössä sitä, että koodin lukeminen luotettavasti kestää sitä kauemmin, mitä kauempana anturi on lähettimestä ja mitä pienemmällä tehotasolla toimitaan. Jos ' “. 15 mikroaaltoteho suunnataan hyvin, se voi olla vielä 10 m:n päässä antennin pinta-alalla jopa ! 1 mW.
• 1 · • 1» * » · · 1 · • · . ’ 1 1. Mikro- ja millimetrialueen mikromekaanista mittaussovellusta tarkastellaan seuraavassa ;. kuvioon 7 viitaten.
20 • » j : : Oletetaan tilanne, missä mikroaaltoteho P saapuu impedanssista R kelan L virittämänä :: mikromekaaniseen kondensaattoriin C. Oletetaan lisäksi, että LC-piirin kokonaishäviöt : vastaavat antennin syöttöimpedanssia. Syntyneen järjestelmän sijaiskytkentä on annettu kuviossa 7. Jännitelähde U = ^j2PRet/ ja vastuksen ekvivalentti kohinalämpötila Teq = :1 25 (Trad + Tb)/2, missä Trad on antennin säteilyimpedanssista ja antennin lämpötilasta riippuva ’· lämpötila ja Tb LC-piirien häviöiden lämpötila. Käytännössä Tb on lähes sama kuin komponentin ’’fyysinen” lämpötila ja Tratj riippuu paljon antennin omista dissipaatioista.
15 116188
Optimaalisessa tilanteessa Trad riippuu ainoastaan kohteen lämpötilasta ja voi pienimmillään esim. avaruussovellutuksissa on 3 K, joka on sama kuin maailmankaikkeuden lämpötila. Järjestelmän hyvyysluku Qs = to^CReq. Nyt voimme ilmaista kondensaattorin yli vaikuttavan jännitteen muodossa 2 ^2 203 2 Q2
5 TJ2=2PRen=-^P = -^=^P uc co^C Aco^C
missä Acorf= cörf/Qs on mitattavan mikroaallon kaistaleveys. Sähköisestä häviöstä aiheutuva kokonaisfluktuaatio voidaan kiijoittaa muotoon 10 (t f2 \ = ^b^rad +^b) noisej
Mikromekaaninen ’’heiluri” toteuttaa differentiaaliyhtälön d2x dx , .
m—- + η—+kx = F(t) dt2 ' dt 15 t t‘ j missä m on liikkuvan levyn massa, η on häviökerroin ja k on jousivakio, χ kuvaa levyn ‘: * : poikkeamaa tasapainotilasta ja F(t) kuvaa sekä mekaanista että sähköstaattista voimaa. Jos • · *. ·: käytämme mäntämoodissa toimivaa elektrodirakennetta, jännite U synnyttää voiman F= » ' ' ViClf/i, missä Z on elektrodien välisen raon korkeus.
20
• I
’ · · ’ Oletetaan, että jännitteen aiheuttaman voiman muutoksen mittauksen epätarkkuus rajoittuu , , mikromekaanisen komponentin fluktuaatioon, voimme kirjoittaa * » · • * * • *
. !·. ~—(Ur+U f=F
« · ; 2 i ^ C noise / n ''··/ 25 * · · \t,> missä voimakohinan autokorrelaatiofunktio on ((Fn(t) * Fn(t - )) = 2 k$Ttf]0(t) ja sen ♦ » ’. * ‘: tehotiheys Sf = 4kp^. Sähköisen kohinan Unoise kokonaisfluktuaatio on (U2noise)=kpTet/C.
Jos systeemiin integroitu hakkuri ei muuta ekvivalenttilämpötilaa, termisen kohinan 16 116188 aiheuttama voima on staattinen, ajasta riippumaton vakio. Tässä analyysissä emme huomioi termisen kohinan aiheuttamaa kohinaa, koska sen vaikutus on useimmissa tapauksissa mekaanista kohinaa pienempi.
5 Jos oletamme, että pienin mitattava rf-teho rajoittuu mekaanisen dissipaation fluktuaatioon, saamme
eoJ ,- Acos I eT
AP = -^4AkBTtmAwm = —f MaTt Q, Q,' Λι 10 missä Ek- VzkC2. Olemme lausuneet mikromekaanisen komponentin kitkakertoimen η mekaanisen hyvyysluvun Qm avulla seuraavasti: η = m(oJQm. Lisäksi olemme käyttäneet yhtälöä com = Jk/m, joka antaa mikromekaanisen palkin resonanssitaajuuden kytkentäkertoimen ja massan avulla tilanteessa, missä hyvyysluku on kohtuullisen suuri. Mittauksen kaistaleveys määräytyy mekaanisesta hyvyysluvusta seuraavasti: Acom = (oJQm 15 ja rf-kaista ΑωΓ/= (or/Qy On luonnollista, että resoluutio rajoittuu toisaalta rf-kaistaan ja toisaalta informaatiokaistaan, koska sama tilanne nähdään myös diodi-ilmaisimien .:. yhteydessä. Se, että sähköinen hyvyysluku näkyy yhtälössä, j ohtuu kuitenkin siitä, että LC- ·:· · piirin hyvyysluku mitä todennäköisemmin rajoittuu mekaanisten dissipaatioiden aiheuttamaan efektiiviseen sähköiseen hyvyyslukuun. Tässä tapauksessa resoluutio 20 riippuisi ainoastaan mikromekaanisen komponentin ominaisuuksista. On jopa » · * :· todennäköistä, että yhtälö supistuu muotoon, missä jäljelle jää vain otto- ja antokaistojen tulo ja terminen energia.
I * t •; j · Oletetaan, että m = 10'7kg, l = 10'8m, cor/ = 2π*200 GHz, Acom = 2n*\ kHz, ζ)5 = 30ja Tb= *; 25 300 K, saamme AP ~ 1,2 pW/VHz. Jäähdyttämällä mikromekaaninen komponentti 70 * » · K:iin, sallimalla 10 kertaa pienempi informaatiokaista, pienentämällä palkin massa 10
I · I
*;1 /^g:aan ja pienentämällä palkin rako 100 nm:stä 50 nm:iin, saamme AP ~ 0,1 pW/ Jliz .
t f '* Tätä lukua alhaisempaa tehoresoluutiota on vaikea saavuttaa. Analyysi osoittaa kuitenkin, *· että periaatteessa mikromekaanisesti voidaan valmistaa rf-tehoilmaisin, joka on samaa 30 luokkaa tai parempi kuin mikrobolometri.
17 116188
Olemme analysoineet mikromekaanisen ilmaisimen herkkyyden staattisessa tilanteessa. Olemme olettaneet, että kapasitanssin mittaus voidaan suorittaa ilman lisäkohinaa. Käytännössä 1/f kohinasta johtuen, systeemiin kannattaa lisätä hakkuri, jonka taajuus on 5 sama kuin mikromekaanisen ilmaisimen resonanssitaajuus. Hakkuri aiheuttaa muuttuvan voiman, joka synnyttää suuren Q-arvon omaavassa mikromekaanisessa palkissa suuren liikkeen. Tämä helpottaa signaalin havaitsemista, koska palkissa oleva kiinteä varaus synnyttää värähtelevässä palkissa ac-jännitteen, joka voidaan lukea siten, että elektroniikka ei lisää kohinaa.
10
Resoluutio on sitä parempi, mitä pienempi elektrodien välinen rako on. Olemme kehittäneet menetelmän, missä voimme säätää mikromekaanisen komponentin raon ac-virralla jopa kymmenenteen osaan alkuperäisestä. Hyödyntämällä virta-ajoa, voimme parantaa mikromekaanisen ilmaisimen resoluutiota merkittävästi. Virta-ajossa käytettyä 15 virtaa voidaan käyttää myös palkin asennon tai liikkeen mittaamiseen.
Kuvaamme laitteiston vielä esimerkin avulla. Oletetaan, että haluamme mitata rf-signaalia taajuuksilla 260 GHz - 280 GHz. Signaali kulkee ’’laajakaistaisen” antennin kautta kelaan, * i · • · : joka virittää mikromekaanisen kapasitanssin noin taajuudelle 270 GHz. Piirin hyvyysluku ) I t · i 20 tulee olla luokkaa 10 - 30, jotta rf-kaista olisi sopiva. Antennin ja resonanssipiirin välissä * ; voi olla katkoja, joka katkoo rf-signaalin esim. 1 MHz:n taajuudella. Syntynyt 1 MHz:n voima mittaavan palkin yli synnyttää jaksollisen voiman, joka synnyttää suuren mekaanisen liikkeen, jos palkin mekaaninen resonanssitaajuus on 1 MHz. Palkin ’’läpi” ajetaan 100 MHz:n rf-virta, joka saa aikaan staattisen voiman palkkiin siten, että voimme : 25 säätää elektrodien välisen etäisyyden esim. 0,5 pm:stä 0,1 pm:iin. Virtaa säätämällä voimme muuttaa kapasitanssin arvoa ja sitä kautta rf-signaalin keskitaajuutta. Tämä . mahdollistaa mitattavan signaalin taajuussisällön analyysin. Toisin sanoen menetelmä ;**. toimii alkeellisena spektrianalysaattorina. 100 MHz:n rf-virta synnyttää jännitteen • * · elektrodien yli, joka on suoraan verrannollinen palkin asentoon. Mittaamalla 100 MHz:n ; 30 jännite ja vaihelukitsemalla se 100 MHz:n virtasignaaliin saamme mitattua palkin 1 MHZ:n liikkeen. 100 MHz:n jännitteen mittausta voidaan parantaa virittämällä mikromekaaninen kapasitanssi sähköisellä kelalla resonanssiin.
18 116188
Olemme esittäneet menetelmän, missä mikroaaltotaajuista signaalia esim. alueella 100 GHz-1000 GHz voidaan mitata mikromekaanisella palkilla. Myös suurempia taajuuksia voidaan mitata. Mikromekaaniseen komponenttiin voidaan suhteellisen helposti integroida 5 satoja elementtejäjoten menetelmä mahdollistaa millimetrialueen ja submillimetrialueen kameran valmistamisen. Koska resoluutio on suhteellisen hyvä ja mitattava taajuus voi vaihdella periaatteessa hyvin laajoissa rajoissa jopa valoalueelle saakka, menetelmää voidaan käyttää hyvin monissa eri sovelluksissa.
* t • I t
• I
• · · • · · • t • , • · ·
• I
* · · * · 1 • · 1 t
» « I
* 1 · * · ·
I I
• I » · · · · * 1 * · • · · » |
* 1 I
• t
Claims (8)
116188
1. Menetelmä sähkömagneettisen energian muuttamiseksi mekaaniseksi energiaksi, jossa menetelmässä muuntimeen (22-25) kohdistetaan sähkömagneettista säteilyä, 5 - käytetään sellaista muuntavaa elementtiä, joka käsittää ainakin yhden värähtelevän elementin (4), joka kykenee muuttamaan kohdistetun sähkömagneettisen säteilyn mekaaniseksi energiaksipa 10. värähtelevän elementin (4) mekaaninen energia muutetaan takaisin sähköiseksi energiaksi, tunnettu siitä, että 15. mitataan mikro-tai millimetriaaltoalueen sähkökentän tehon suuruutta. • I • I * • ' · “ ·* 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, mikromekaanisen • · » elementin taipuisa elementti kuten esimerkiksi palkki säädetään mittauksen aikana ‘ · · ·' normaalitilaa lähemmäksi vastaelektrodiaan.
3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, mittauksen aikana ·;·" 20 taipuisan elementin kuten palkin sijaintia vastaelektrodistaan edelleen muutetaan • '.: mittaustaaj uuden muuttamiseksi.
4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että •: · · * piimikromekaanisia elementtejä on jäljestetty laajemmaksi mittauskokonaisuudeksi kuten riviksi tai matriisiksi mikroaaltokameraelementin toteuttamiseksi. 1
5. Muunninlaitteisto sähkömagneettisen säteilyn muuntamiseksi mekaanisen energian kautta toiseen muotoon, joka käsittää 116188 - muuntunen (22-25), joka käsittää ainakin yhden värähtelevän elementin kuten palkin (4) tai vastaavan, joka puolestaan käsittää välineet mekaanisen energian muuntamiseksi edelleen sähköiseen muotoon 5. lähettimen (20) sähkömagneettisen säteilyn lähettämiseksi muuntimeen (22-25), tunnettu siitä, että - laitteisto käsittää välineet mikroaaltotehon suuruuden mittaamiseksi. 10
6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että se käsittää välineet mikromekaanisen elementin taipuisan elementin kuten esimerkiksi palkin säätämiseksi mittauksen aikana anturin herkkyyden ja/tai mittaustaajuuden muuttamiseksi.
7. Muunninelementti (22 - 25) sähkömagneettisen säteilyn muuttamiseksi toiseen muotoon, jolloin - muunninelementti (22-25) käsittää ainakin yhden värähtelevän elementin kuten palkin (4) tai vastaavan, sekä elimet mekaanisen värähtelyenergian muuttamiseksi • 1 *: 20 takaisin sähköenergiaksi, • * ' ·'' tunnettu siitä, että < * · » » · * * » * ’.,.: - laite käsittää välineet mikroaaltotehon suuruuden mittaamiseksi. 25
8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että se käsittää välineet "; ’' mikromekaanisen elementin taipuisan elementin kuten esimerkiksi palkin säätämiseksi t mittauksen aikana anturin herkkyyden ja/tai mittaustaajuuden muuttamiseksi. < i * * « * * · 116188
Priority Applications (7)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FI20001214A FI116188B (fi) | 1999-06-08 | 2000-05-19 | Menetelmä ja laitteisto kohteiden sähkömagneettisen energian muuttamiseksi |
| AT00931301T ATE422058T1 (de) | 1999-06-08 | 2000-06-05 | Verfahren und anordnung zur umwandlung der elektromagnetischen energie von objekten |
| US09/980,860 US6819246B1 (en) | 1999-06-08 | 2000-06-05 | Method and apparatus for converting electromagnetic energy of objects |
| EP00931301A EP1183550B1 (en) | 1999-06-08 | 2000-06-05 | Method and apparatus for converting electromagnetic energy of objects |
| PCT/FI2000/000499 WO2000075688A1 (en) | 1999-06-08 | 2000-06-05 | Method and apparatus for converting electromagnetic energy of objects |
| AU49282/00A AU4928200A (en) | 1999-06-08 | 2000-06-05 | Method and apparatus for converting electromagnetic energy of objects |
| DE60041488T DE60041488D1 (de) | 1999-06-08 | 2000-06-05 | Verfahren und anordnung zur umwandlung der elektromagnetischen energie von objekten |
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FI991307 | 1999-06-08 | ||
| FI991307A FI991307A (fi) | 1999-06-08 | 1999-06-08 | Menetelmä ja laitteisto kohteiden sähkömagneettisen energian muuttamis eksi |
| FI20001214A FI116188B (fi) | 1999-06-08 | 2000-05-19 | Menetelmä ja laitteisto kohteiden sähkömagneettisen energian muuttamiseksi |
| FI20001214 | 2000-05-19 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FI20001214A FI20001214A (fi) | 2000-12-08 |
| FI116188B true FI116188B (fi) | 2005-09-30 |
Family
ID=26160746
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FI20001214A FI116188B (fi) | 1999-06-08 | 2000-05-19 | Menetelmä ja laitteisto kohteiden sähkömagneettisen energian muuttamiseksi |
Country Status (7)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6819246B1 (fi) |
| EP (1) | EP1183550B1 (fi) |
| AT (1) | ATE422058T1 (fi) |
| AU (1) | AU4928200A (fi) |
| DE (1) | DE60041488D1 (fi) |
| FI (1) | FI116188B (fi) |
| WO (1) | WO2000075688A1 (fi) |
Families Citing this family (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| AU2003901240A0 (en) * | 2003-03-17 | 2003-04-03 | Zip Holdings Pty Ltd | Memory devices |
| US7236092B1 (en) * | 2004-08-02 | 2007-06-26 | Joy James A | Passive sensor technology incorporating energy storage mechanism |
| TW200628768A (en) | 2004-10-01 | 2006-08-16 | Northrop Grumman Corp | Focal plane antenna to sensor interface for an ultra-sensitive silicon sensor |
| WO2007105606A1 (en) * | 2006-03-15 | 2007-09-20 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Semiconductor device |
| WO2007149621A2 (en) * | 2006-04-19 | 2007-12-27 | Cornell Research Foundation, Inc. | Methods and systems for object identification and for authentication |
| WO2008061313A1 (en) * | 2006-11-24 | 2008-05-29 | Mems-Id Pty Ltd | Tagging methods and apparatus |
| EP2124171B1 (en) | 2008-05-22 | 2012-08-01 | Bluechiip Ltd | Tagging methods and apparatus |
| US9618366B2 (en) | 2014-11-25 | 2017-04-11 | Mitutoyo Corporation | Absolute encoder scale configuration with unique coded impedance modulations |
| US10908304B2 (en) * | 2019-05-15 | 2021-02-02 | Honeywell International Inc. | Passive smart sensor detection system |
Family Cites Families (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4746830A (en) * | 1986-03-14 | 1988-05-24 | Holland William R | Electronic surveillance and identification |
| GB9009739D0 (en) * | 1990-05-01 | 1990-06-20 | Disys Inc | Transponder system |
| NO176900C (no) * | 1992-07-31 | 1995-06-14 | Micro Design As | Framgangsmåte for individuell identifikasjon ved bruk av elektronisk interrogering, og en identifikasjonsbrikke for samme |
| GB2280806B (en) * | 1993-08-04 | 1997-10-08 | Advanced Saw Prod Sa | Saw filter |
| GB2280807B (en) * | 1993-08-04 | 1997-10-22 | Advanced Saw Prod Sa | Saw filter |
| EP0677752B1 (de) * | 1994-04-15 | 2001-06-27 | Siemens Aktiengesellschaft | Sensorsystem |
| US5469170A (en) * | 1994-10-20 | 1995-11-21 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | Passive SAW-ID tags using a chirp transducer |
| US5563583A (en) * | 1994-11-23 | 1996-10-08 | International Business Machines Corporation | Multibit magnetic radio frequency tag using micromechanics |
| US5734326A (en) * | 1994-11-28 | 1998-03-31 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | Recognition tag for use in a system for identifying distant items |
| US5812065A (en) | 1995-08-14 | 1998-09-22 | International Business Machines Corporation | Modulation of the resonant frequency of a circuit using an energy field |
| EP0827105A3 (de) * | 1996-08-29 | 2000-10-25 | Siemens Aktiengesellschaft | Mit akustischen Oberflächenwellen arbeitende Identifizierungs- oder Sensoranordnung - OFW-Anordnung |
| US6060815A (en) * | 1997-08-18 | 2000-05-09 | X-Cyte, Inc. | Frequency mixing passive transponder |
-
2000
- 2000-05-19 FI FI20001214A patent/FI116188B/fi active IP Right Grant
- 2000-06-05 EP EP00931301A patent/EP1183550B1/en not_active Expired - Lifetime
- 2000-06-05 AU AU49282/00A patent/AU4928200A/en not_active Abandoned
- 2000-06-05 AT AT00931301T patent/ATE422058T1/de not_active IP Right Cessation
- 2000-06-05 US US09/980,860 patent/US6819246B1/en not_active Expired - Fee Related
- 2000-06-05 DE DE60041488T patent/DE60041488D1/de not_active Expired - Lifetime
- 2000-06-05 WO PCT/FI2000/000499 patent/WO2000075688A1/en active Search and Examination
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US6819246B1 (en) | 2004-11-16 |
| DE60041488D1 (de) | 2009-03-19 |
| FI20001214A (fi) | 2000-12-08 |
| ATE422058T1 (de) | 2009-02-15 |
| WO2000075688A1 (en) | 2000-12-14 |
| EP1183550A1 (en) | 2002-03-06 |
| EP1183550B1 (en) | 2009-01-28 |
| AU4928200A (en) | 2000-12-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Reindl et al. | SAW-based radio sensor systems | |
| EP2656506B1 (en) | Sensor and a sensor system | |
| US9476975B2 (en) | Non-linear resonating sensor and a method | |
| US6664708B2 (en) | Method and device for non-contact detection of external electric or magnetic fields | |
| EP2379988B1 (en) | System and method for remote reading of resonant sensors | |
| Buff et al. | Remote sensor system using passive SAW sensors | |
| FI116188B (fi) | Menetelmä ja laitteisto kohteiden sähkömagneettisen energian muuttamiseksi | |
| EP2335182B1 (en) | Ringup/ ringdown interrogation of rfid tags | |
| US20020121988A1 (en) | Apparatus and method for interrogating a passive sensor | |
| US8441168B2 (en) | Saw sensor tags with enhanced performance | |
| US9322906B2 (en) | Wireless MEMS sensor and method of reading the same | |
| CN101258392A (zh) | 无源混合lc/saw/baw无线传感器 | |
| US6640628B2 (en) | Level-measuring device | |
| WO2010088011A1 (en) | Mems devices and remote sensing systems utilizing the same | |
| Gallagher et al. | Mixed orthogonal frequency coded SAW RFID tags | |
| WO2013150326A1 (en) | Passive wireless microphone | |
| Reindl et al. | Wireless remote identification and sensing with SAW devices | |
| Scholl et al. | Surface acoustic wave devices for sensor applications | |
| Reindl | Wireless passive sensors: Basic principles and performances | |
| Seifert et al. | Wirelessly interrogable acoustic sensors | |
| US20240014542A1 (en) | Wireless passive electronic component and associated reading system | |
| WO2024096848A2 (en) | Ultra-high-frequency subharmonic tags for passive and far-field identification | |
| Hausleitner et al. | State of the art radio interrogation system for passive surface acoustic wave sensors | |
| Gnadinger | Vibration analysis based on surface acoustic wave sensors | |
| Vernooy et al. | Remote excitation and readout of a high Q silicon resonator |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FG | Patent granted |
Ref document number: 116188 Country of ref document: FI |