JP6993327B2 - 低損失音響波センサおよびタグおよび高性能アンテナおよびその遠隔活性化のための方法 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
この出願は、その全体が参照によって本明細書に組み込まれる２０１５年７月８日出願の米国仮出願第６２／１８９，９３６号の利益を主張する。

本発明の分野は、表面音響波デバイスまたはＳＡＷデバイスを含む表面発生音響波デバイスに関する。本発明の分野はまた、ＳＡＷデバイスとともに使用するためのアンテナ、およびＳＡＷデバイスの応用、ならびに電界および磁界に関する測定を実行するための関連する方法に関する。

音響波センサ：物理的な測定（温度、圧力、トルク、歪み等）と、広範囲な化学的および生物学的な検出問題とに対する応用のために、表面発生音響波（表面音響波またはＳＡＷとして知られる）デバイスに基づくセンサが１９８０年代以降開発されている。これらの広範な種類にわたるデバイスは、以下を含む公開文献に詳細に説明されている。Ｐａｓｓｉｖｅ ＳＡＷ－ｂａｓｅｄ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｓｅｎｓｏｒ ａｎｄ ｓｙｓｔｅｍと題された米国特許第７，２６８，６６２号、ＳＡＷ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ ａｎｄ ｓｙｓｔｅｍと題された米国特許第７，４３４，９８９号、Ａｃｏｕｓｔｉｃ ｗａｖｅ ａｒｒａｙ ｃｈｅｍｉｃａｌ ａｎｄ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｅｎｓｏｒと題された米国特許第７，５００，３７９号、Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｄｅｄ ｓｅｎｓｏｒｓ ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｎｇ ｔａｐｅｒｓと題された米国特許第７，７９１，２４９号、Ｃｏｄｅｄ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｗａｖｅ ｓｅｎｓｏｒｓ ｕｓｉｎｇ ｔｉｍｅ ｄｉｖｅｒｓｉｔｙと題された米国特許第８，０９４，００８号、ＳＡＷ Ｓｅｎｓｏｒ ｔａｇｓ ｗｉｔｈ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅと題された米国特許第８，４４１，１６８号、Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍｏｎｉｔｏｒ ｆｏｒ Ｕｌｔｒａ－ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍｓと題された米国特許第９，１２１，７５４号、Ｐｏｗｅｒ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ａｎｄ Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ Ｓｅｎｓｏｒと題された米国特許出願第１３／６７９，６０７（ＵＳ２０１３０１３０３６２Ａ１）号、Ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌｌｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉａｂｌｅ Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ Ｓｅｎｓｏｒｓ， Ｔａｇｓ， ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓと題された米国特許出願第１３／６９４，８８９（ＵＳ２０１３０１８１５７３Ａ１）号。

音響波センサ監視システム：音響波センサデバイスは、一般に、選択されたセンサとともに動作するように特化して設計された広範囲のワイヤおよびワイヤレス監視システムアーキテクチャ内で動作されている。システムアーキテクチャは、通常、具体的なデバイス特性および適用要件に基づいて選択され、一般に、出力されたセンサ測定結果を提供するために、センサ周波数、位相、遅延、振幅、または電力スペクトル密度の絶対的または微分的な測定結果、および、ターゲットパラメータの変化を受けるこれら量の変化を含む。従来のワイヤレス監視システムアーキテクチャは、パルスレーダのような遅延測定システム、フーリエ変換ベースの測定システム、遅延ラインおよび共振器ベースの発振システム、および、時間積分型相関器ベースの監視システムを含む。無線アーキテクチャは、従来のホモダインとヘテロダインとのミックスダウンシステム、および（ベースバンドへ、または、近ベースバンドへの）ダイレクト変換システムを含む。選択された監視システムのソフトウェア定義された無線実施は、柔軟性およびパフォーマンスの観点から有利であり得る。

ＳＡＷマルチストリップ結合器：マルチストリップ結合器（ＭＳＣ）は、高い電気機械結合係数で基板内を表面音響波が自由に伝搬することに作用する広帯域低損失方向性結合器である。これら構成要素は、Ｍａｒｓｈａｌｌ、Ｎｅｗｔｏｎ、およびＰａｉｇｅによって著された、「Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ Ｍｕｌｔｉｓｔｒｉｐ Ｃｏｕｐｌｅｒ」、ＩＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｓｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ、Ｖｏｌ． ＳＵ－２０、Ｎｏ． ２、１９７３年４月、１２４～１３３頁、および「Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ Ｍｕｌｔｉｓｔｒｉｐ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ａｎｄ Ｔｈｅｉｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」、ＩＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｓｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ、Ｖｏｌ． ＳＵ－２０、Ｎｏ． ２、１９７３年４月、１３４～１４３頁、によって記述されているように、１９７０年代初期より理解されている。ＭＳＣは、ＳＡＷフィルタおよび遅延ラインにおいて広く使用されている。しかしながら、ＳＡＷセンサおよびセンサタグにおいてＭＳＣを使用して可能となる利点は、公開文献において発見される研究においては認識されていない。ＭＳＣ素子は、音響ビームをリダイレクトするために、音響エネルギーを１つのトラックから別のトラックへ伝達させるために、多くのトラック間に音響信号を分配するために、タップされた遅延ラインの動作を強化するために、三重遷移の抑制、（「Ｂｕｌｋ Ｗａｖｅ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｂｙ ａ Ｍｕｌｔｉｓｔｒｉｐ Ｃｏｕｐｌｅｒ （ＭＳＣ）」、Ａｒｃｈｉｖｅｓ ｏｆ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ、１９９８年、１２５～１３７頁において、Ｄａｎｉｃｋｉによって議論されるような）バルク波およびスプリアス信号の抑制、および（種々の機能の中でも特に）周波数変調のため、（ブロードバンド音響信号を単一のポイントにおいて反射させる低損失の概ね理想的な音響「ミラー」を生成することを含む）音響信号を反射させるために、高阻止および／または低損失ＳＡＷデバイス、他の望ましいＳＡＷデバイス応答を生成するために、および、他の数多くの有用な機能を実行するために使用され得る。

公開文献において発見されるいくつかの有用なＭＳＣ構成が、参照のために本明細書において例示される。先ず、図１は、第１の（上部）音響トラックにおけるアポダイズされたトランスデューサ１０４（アポダイズは、逆極性の電極間で空間的に変動する重なりの長さを言う）と第２の（下部の）音響トラックにおけるアポダイズされていないトランスデューサ１０６との間に配置された、直線状のＭＳＣ１０２を備えたＳＡＷデバイス１００を図示する。上部トラックにおいてＳＡＷによって生成された電圧は、ＭＳＣによって遮られ、下部トラックへ伝達され、下部トラックにわたって一様に拡散され、下部トラックにおいて対応する表面波を生成する。ＭＳＣにおいて、ストリップの数が適切に選択されると、アポダイズされたトランスデューサによって右へ発生されたＳＡＷが、１００％の効率で、下部音響トラックの上方へ結合される。上部音響トラックにおいて伝搬するバルク波は、ＭＳＣによって影響されず、直線内を伝搬し続け、バルク波が引き起こしたいずれの干渉も除去される。また、ＭＳＣは、バルク波を第２のトランスデューサへ向けて発生させた場合、アポダイズされたトランスデューサからの音響エネルギーを、一様なフルアパチャにわたって拡散させる。したがって、当該技術分野では、通常は、単一の音響トラックにおいて、一列に直列化されることがないであろう２つのアポダイズされたトランスデューサ間でＭＳＣが使用され得ることが良く知られている。ストリップの数を調節することによって、上部トラックから下部トラックへ伝達されるエネルギーの量が調節され得る。含まれる材料の電気機械結合係数に基づいて、異なる基板上のトラック間の、所与の％のエネルギー伝達を有効にするために、異なる数のストリップも必要とされる。伝達されているＳＡＷによって経験される位相シフトはまた、伝達されたエネルギーのパーセントに関連するトラック間で位相シフトをさせる方式で、ストリップの数と、基板材料とに依存する。１００％の伝達の場合、下部トラックで生成されたＳＡＷは、上部トラックにおけるＳＡＷに対して１８０°の位相シフトを有する一方、５０％エネルギー伝達の場合、トラック間の位相シフトは９０°である。

異なる音響トラックにおけるラインをジョグすること（または、オフセットすること）、（同じまたは異なる音響アパチャの）１つのトラックから、１つよりも多くのトラックへ伝達すること、およびその他によって導かれる位相オフセットを含む直線状のＭＳＣのバリエーションが存在し得る。図２は、直線状のＭＳＣの修正されたバージョンを図示し、ここでは、ＭＳＣの中央領域が扇形に開かれている。この領域は、音響トラック間の基板の一部に対応する。この領域においてＭＳＣトレースを曲げることは、音響波が、この未使用領域における上部および下部の音響トラックにおいて伝搬している音響波と同一直線である方向に発生されることを阻止する。発生されるいずれの波も、代わりに偏角で発生される。

有用である第２の既知のＭＳＣ構成は、Ｕ形状のＭＳＣである。この構成は、図３に図示されるように、直線状のＭＳＣが曲げられ、２つの端部が揃えられるように屈曲される場合に生じるものとして考えられ得る。元の直線状のＭＳＣは、既知の効率のトラック変更ＭＳＣであり、下部トラックにおいて右へ発生されたであろうＳＡＷが、Ｕ形状のＭＳＣにおいて左に発生される。「Ｕ」の２つのアームの中央における間隔は、信号の１００％がＵ形状のＭＳＣの左に反射されることを保証するために選択される。この構成は、あたかもＵの２つのアーム間の間隔に理想的な音響ミラーが存在しているかのように、左から入射したＳＡＷの１００％を効率的に反射させる広帯域反射体を生成する。

代替のリング形状のＭＳＣ反射体構成は、Ｂｒｏｗｎによって著され、「Ｌｏｗ－Ｌｏｓｓ Ｄｅｖｉｃｅ Ｕｓｉｎｇ Ｍｕｌｔｉｓｔｒｉｐ Ｃｏｕｐｌｅｒ Ｒｉｎｇ Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ Ｒｉｐｐｌｅ Ｃａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎ」と題されたＩＥＥＥ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ、１９８６年、７１～７６頁によって議論されるいくつかの利点を有する。上記図示されたＵ形状のＭＳＣの底部トレースを考慮すると、トレースの曲線領域は、所望される音響トラックにおけるＳＡＷの生成に寄与しないＭＳＣの部分に対応する。したがって、これら領域は短いほど良いが、リソグラフ要件は、隣接するトレース間の最小分離空間を必要とし、サイズを増加させる。それに加えて、電極の間隔は、関心対象となるＳＡＷの場合、音響波長の４０％のオーダにあるため、ＳＡＷがＭＳＣの下を通過し、第１の電極が最大ＳＡＷ電圧に近い場合、隣接する電極は最低電圧に近くなる。交互する極性における隣接電極は、顕著なトレース間キャパシタンスを導く。これは、ＭＳＣのパフォーマンスを変化させる。交互するリング形状のＭＳＣ反射体が、図４に図示される。ここでは、１つおきの曲線部分が、ＭＳＣの反対端にあるように、Ｕの両側における２つのトレースを接続する曲線状の（すなわち、このケースでは、セグメント化されたライン）トレース部分が交互にされる。これは、「Ｕ」形状をリングへ変化させ、先頭にある曲線状のセグメントの大半が１つの極である一方、底部にある大半が他の極であることを保証し、これらトレースの部分によって導かれるトレース間キャパシタンスを実質的に低減する。この説明では、「大半」が使用される。なぜなら、ＳＡＷ波長に対するトレース間隔の非同期性質は、各端部（先頭および底部）内の極性が、その領域内でゆっくりと変動することを意味するからである。しかし、パフォーマンスの向上は顕著である。

分散素子を組み込んだＳＡＷセンサ：チャープトランスデューサのような分散素子は、レーダ拡大器／コンプレッサのペアのようなＳＡＷ信号処理デバイスにおいて長く使用されている。これら素子はまた、ＳＡＷ Ｓｅｎｓｏｒ ｔａｇｓ ｗｉｔｈ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅと題された米国特許第８，４４１，１６８号において議論されるように、ＳＡＷセンサにおいても使用されている。チャープ素子は、処理利得の実現を可能にする。これは、ＳＡＷダイにおいて有効化され得るか、または、システムの別の部分へ分散され得る。アップチャープ信号がダウンチャープを用いて畳み込まれた（または、その逆）場合に、パルス圧縮は発生する。パルス圧縮を生成するために、代用周波数コードパルスもまた使用され得る。チャープパルス圧縮は、時間長さＴ内でＦ_ｌｏｗからＦ_ｈｉｇｈへの周波数成分を含む（すなわち、帯域幅Ｂ＝Ｆ_ｈｉｇｈ－Ｆ_ｌｏｗを有する）信号を採用し、逆のチャープスロープを有するデバイスを用いて畳み込むことによって（すなわち、入力信号がアップチャープであれば、圧縮フィルタはダウンチャープであり、その逆も同様である）、この信号を、ＢＴの平方根（ＢＴ）によって増加する電圧振幅を用いて、持続時間ｔ≒１／Ｂの狭いパルスへ変換する。ＳＡＷデバイスでは、５０、１００、２００またはそれ以上のＢＴ積を実現することがかなり容易であり、これは、顕著な処理利得を生成し得る。

ＳＡＷセンサタグ：ＳＡＷデバイスは、ＳＡＷ Ｓｅｎｓｏｒ ｔａｇｓ ｗｉｔｈ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅと題された米国特許第８，４４１，１６８号において議論されているような外部電圧生成またはインピーダンス変動センサへのワイヤレスインターフェースデバイスとして使用されている。ＳＡＷセンサタグインターフェースデバイスは、通常は、電源を投入されたワイヤシステムにおいて動作される（バッテリのない、またはパッシブな）センサのワイヤレス読取を可能にし得る。個別に識別可能な、または、ＲＦＩＤ対応であるＳＡＷワイヤレスインターフェースデバイスは、ＳＡＷセンサタグまたはＳＡＷセンサタグワイヤレスインターフェースデバイスと称される。Ｂｒｏｃａｔｏは、「Ｐａｓｓｉｖｅ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｓｅｎｓｏｒ Ｔａｇｓ」、Ｓａｎｄｉａ Ｒｅｐｏｒｔ ＳＡＮＤ２００６－１２８８、Ｓａｎｄｉａ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ、Ａｌｂｕｑｕｅｒｑｕｅ、Ｎｅｗ Ｍｅｘｉｃｏ ８７１８５、２００６年３月において、取り付けられたセンサにおける変動を測定するために、経路の１つにおいて反射体と並列に電気的に接続された測定量を用いてインピーダンスを変化させるセンサとともに、ＳＡＷ微分遅延ラインが使用され得ることを実証した。他の研究者も、「Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐａｓｓｉｖｅ ＳＡＷ Ｒａｄｉｏ Ｔｒａｎｓｐｏｎｄｅｒｓ ａｓ Ｓｅｎｓｏｒｓ」、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ， Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ， ａｎｄ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ、Ｖｏｌ． ４５、Ｎｏ． ５、１９９８年９月、１２８１～１２９２頁においてＲｅｉｎｄｌらによって、「Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｐａｓｓｉｖｅ ＳＡＷ Ｓｅｎｓｏｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ａｎｄ Ｄｏｍｅｓｔｉｃ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ １９９８ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ、５９５～６０１頁においてＳｃｈｏｌｌらによって、「Ａ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ－Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ Ｕｓｉｎｇ ａ ＳＡＷ Ｈｙｂｒｉｄ Ｓｅｎｓｏｒ」、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ、Ｖｏｌ． ４８、Ｎｏ． １２、２０００年１２月、２７３０～２７３３頁においてＳｃｈｉｍｅｔｔａらによって記述されているものを含む類似のデバイスを実証した。

より最近では、スイッチ、ＲＴＤ、サーミスタ、歪みゲージ、および音響放射センサを含む広範な外部センサおよびデバイスを読み取るために使用され得る、ＲＦＩＤ対応の、分散的な、半分散的な、および非分散的なＳＡＷワイヤレスインターフェースデバイスの適用範囲が実証された。低い（～２０Ω）抵抗から、適度に高い（５ｋΩ超）抵抗まで変動する実部Ｒｅ（Ｚ）を有するインピーダンス（Ｚ）を有する外部センサとともに動作するようにＳＡＷセンサを適応するための方法が図示され、後者は、通常はＳＡＷデバイスと良好にインターフェースしないデバイスである。この研究は、ＮＡＳＡ ＳＢＩＲフェーズＩ契約ＮＮＸ０９ＣＥ４９Ｐのための最終レポート、２００９年７月２２日に記述されている。（ＡＥセンサ、熱電対等のような）電圧生成外部センサのために、外部センサ電圧は、ゼロバイアス（通常オン）の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）におけるゲート電圧として印加される。

米国特許第７，２６８，６６２号 米国特許第７，４３４，９８９号 米国特許第７，５００，３７９号 米国特許第７，７９１，２４９号 米国特許第８，０９４，００８号 米国特許第８，４４１，１６８号 米国特許第９，１２１，７５４号 米国特許出願第１３／６７９，６０７（ＵＳ２０１３０１３０３６２Ａ１）号 米国特許出願第１３／６９４，８８９（ＵＳ２０１３０１８１５７３Ａ１）号

Ｍａｒｓｈａｌｌ、Ｎｅｗｔｏｎ、およびＰａｉｇｅ著、「Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ Ｍｕｌｔｉｓｔｒｉｐ Ｃｏｕｐｌｅｒ」、ＩＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｓｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ、Ｖｏｌ． ＳＵ－２０、Ｎｏ． ２、１９７３年４月、１２４～１３３頁 Ｍａｒｓｈａｌｌ、Ｎｅｗｔｏｎ、およびＰａｉｇｅ著、「Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ Ｍｕｌｔｉｓｔｒｉｐ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ａｎｄ Ｔｈｅｉｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」、ＩＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｓｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ、Ｖｏｌ． ＳＵ－２０、Ｎｏ． ２、１９７３年４月、１３４～１４３頁 Ｄａｎｉｃｋｉ著、「Ｂｕｌｋ Ｗａｖｅ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｂｙ ａ Ｍｕｌｔｉｓｔｒｉｐ Ｃｏｕｐｌｅｒ （ＭＳＣ）」、Ａｒｃｈｉｖｅｓ ｏｆ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ、１９９８年、１２５～１３７頁 Ｂｒｏｗｎ著、「Ｌｏｗ－Ｌｏｓｓ Ｄｅｖｉｃｅ Ｕｓｉｎｇ Ｍｕｌｔｉｓｔｒｉｐ Ｃｏｕｐｌｅｒ Ｒｉｎｇ Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ Ｒｉｐｐｌｅ Ｃａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎ」、ＩＥＥＥ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ、１９８６年、７１～７６頁 Ｂｒｏｃａｔｏ著、「Ｐａｓｓｉｖｅ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｓｅｎｓｏｒ Ｔａｇｓ」、Ｓａｎｄｉａ Ｒｅｐｏｒｔ ＳＡＮＤ２００６－１２８８、Ｓａｎｄｉａ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ、Ａｌｂｕｑｕｅｒｑｕｅ、Ｎｅｗ Ｍｅｘｉｃｏ ８７１８５、２００６年３月 Ｒｅｉｎｄｌ他著、「Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐａｓｓｉｖｅ ＳＡＷ Ｒａｄｉｏ Ｔｒａｎｓｐｏｎｄｅｒｓ ａｓ Ｓｅｎｓｏｒｓ」、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ， Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ， ａｎｄ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ、Ｖｏｌ． ４５、Ｎｏ． ５、１９９８年９月、１２８１～１２９２頁 Ｓｃｈｏｌｌ他著、「Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｐａｓｓｉｖｅ ＳＡＷ Ｓｅｎｓｏｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ａｎｄ Ｄｏｍｅｓｔｉｃ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ １９９８ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ、５９５～６０１頁 Ｓｃｈｉｍｅｔｔａ他著、「Ａ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ－Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ Ｕｓｉｎｇ ａ ＳＡＷ Ｈｙｂｒｉｄ Ｓｅｎｓｏｒ」、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ、Ｖｏｌ． ４８、Ｎｏ． １２、２０００年１２月、２７３０～２７３３頁 ＮＡＳＡ ＳＢＩＲフェーズＩ契約ＮＮＸ０９ＣＥ４９Ｐのための最終レポート、２００９年７月２２日 Ｄａｎｉｃｋｉ著、「Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ Ｒｅｖｅｒｓｉｎｇ Ｍｕｌｔｉｓｔｒｉｐ Ｃｏｕｐｌｅｒ」、Ａｒｃｈｉｖｅｓ ｏｆ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ、２２７～２３８頁、１９９４年１月

本発明は、従来のシステムに対してより低損失および／または高められた時間ダイバーシティパフォーマンスを示すＳＡＷセンサおよびセンサタグデバイス実施形態を提供する。導電性媒体における効率的な動作のために適切なアンテナが提供される。電流およびスケールされた電圧を（磁界と電界それぞれの測定によって）測定し得るセンサもまた開示される。

ＭＳＣ素子を使用した低損失微分遅延ラインＳＡＷセンサ：従来のＳＡＷ微分遅延ラインセンサはしばしば、ＳＡＷトランスデューサおよび反射体素子およびダイレイアウトを利用する結果、トランスデューサからの双方向損失、反射体動作における非効率、および、多数の音響トラックによる電力分配損失を含む損失メカニズムとなる。これら要因のすべては、入力された信号強度に対して反射した各センサ応答の信号強度を低減させる傾向にある。これは、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）に負の影響を与え、所与の無線およびアンテナのセットを使用してそのようなデバイスが読み取られ得るワイヤレス範囲を低減する。より高い損失はまた、所与の無線監視システムのために、センサおよびセンサタグデバイスによって生成された測定結果の精度に負の影響を与え得る。本発明は、従来のデバイスと比べてより低い損失のデバイスを生成する新規なデバイス実施形態におけるＭＳＣ素子の使用を教示する。

高められた時間ダイバーシティを有する低損失微分遅延ラインＳＡＷセンサ：時間ダイバーシティは、ＳＡＷセンサおよびタグのセットの特性であり、デバイスのセットが共通の無線周波数（ＲＦ）監視パルスによって活性化される場合に、各デバイスが分離した別の時間範囲内で応答することを可能にする。本発明は、等しい数の個別に検出可能な応答を生成することが可能な従来のデバイスよりも短時間かつ低損失で応答を生成する分散的および／またはＭＳＣ素子を組み込むＳＡＷセンサおよびセンサタグデバイス実施形態を教示する。これら特性は、所与の合計時間長さ内で、より長い時間ダイバーシティを有するパッシブなワイヤレスセンサのセットの構築を可能とし、デバイス間干渉なしで同時に動作することが可能なより多くのセンサまたはセンサタグデバイスを備えたセンサシステムの生成を可能とする。本発明による、より低損失なデバイスは、デバイスが読み取られ得るワイヤレス範囲を増加するか、または、各デバイスによって生成される測定結果の精度を向上させるか、またはこれら両方の組合せを行う。

ＳＡＷセンサの遠隔読取のための誘導結合および共鳴磁気結合：大半の従来のワイヤレスＳＡＷセンサは、伝搬している時間変動する電磁信号によって相互作用する従来の放射アンテナによって活性化される。そのようなアンテナは、金属面に搭載された場合、または、導電性媒体に浸漬された場合、適切に機能しない。短距離（高々１ｃｍまたは２ｃｍ）においてＳＡＷデバイスをワイヤレスに活性化するために、誘導結合を使用する、液体中で使用するためのいくつかのＳＡＷデバイスが実証された。本発明は、金属の多い環境において、および／または、導電性媒体に浸漬された場合、長い範囲にわたるＳＡＷセンサおよびセンサタグの遠隔活性化および読み取りのための共鳴磁気アンテナの使用を教示する。

電流および電圧のワイヤレス測定：本発明は、通電媒体（ＣＣＣ）の周囲の電界および磁界の測定によって、ＣＣＣにおける電圧および電流を測定するために、ＦＥＴおよびＳＡＷセンサタグワイヤレスインターフェースデバイスを備えたフィールドプローブを使用することを含むデバイス、装置、システム、および方法を教示する。本発明はまた、ＡＣ電力系統における電流および電圧の相対位相（先行または遅行）を判定し、したがって、力率を判定するために必要な情報を提供するデバイス、装置、システム、および方法をも教示する。そのような情報は、たとえば、送電グリッドの状態をモニタする際に有用である。

本開示の態様は、電界および／または磁界の強度をワイヤレスに測定するための装置を含む。この装置は、１つまたは複数の音響波センサまたはセンサタグデバイスと、少なくとも１つのトランジスタと、測定されているフィールドと相互作用し、電圧を生成するように動作可能な少なくとも１つのフィールドプローブと、１つまたは複数のアンテナとを含む。

本開示のさらなる態様は、表面音響波センサタグデバイスを含む。デバイスは、圧電基板と、前記圧電基板の少なくとも一部に配置された少なくとも１つの第１のトランスデューサと、前記圧電基板上に形成され、音響波伝搬の方向に沿って前記第１のトランスデューサから隔離された、少なくとも１つの第２の表面音響波素子とを含み、前記少なくとも１つの第２の表面音響波素子は、少なくとも１つのマルチストリップ結合器（ＭＳＣ）を含む。

本開示のさらに他の態様は、ＳＡＷセンサの遠隔活性化および読取のためのアンテナを含む。このアンテナは、磁気共鳴をその間に生成するように動作可能な磁気結合素子の少なくとも１つのペアを含み、磁気結合素子の前記少なくとも１つのペアは、導電性材料に浸漬されたＳＡＷデバイスへ、および、導電性材料に浸漬されたＳＡＷデバイスから、エネルギーおよびデータを伝達することができる。

本発明のさらに別の態様、特徴、および利点は、単に、本発明を実行するために企図される最良のモードを含む典型的な実施形態および実施を例示することによって、以下の詳細説明から明らかである。本発明はまた、他のおよび異なる実施形態であることが可能であり、そのいくつかの詳細は、本発明の精神および範囲からすべて逸脱することなく、様々な観点において修正され得る。したがって、図面および説明は、本質的に例示的であり、限定的ではないと見なされるべきである。

本発明は、以下に与えられた詳細説明から、および、本発明の様々な実施形態の添付図および図面から、より十分に理解されるであろう。しかしながら、これは、本発明を具体的な実施形態に限定すると解釈されるべきではなく、説明および理解のみのためである。

直線状にトラックが変化するＭＳＣを組み込んだ従来のＳＡＷデバイスの概要表現を図示する図である。 （音響トラック間に）中央領域を有する修正された直線状のＭＳＣの概要表現を図示する図であり、トレースは、音響波が、上部および下部の音響トラックにおいて、音響波へ同一直線状に発生されることを阻止するように曲げられている。 従来のＵ形状のＭＳＣを生成するために屈曲された直線状のＭＳＣを図示する図である。 従来のリング形状のＭＳＣを図示する図である。 従来のＳＡＷトランスデューサおよび反射素子を利用する微分遅延ラインＳＡＷセンサのセットのためのフォトマスク配置の部分図である。 本開示の態様によるリングタイプのＭＳＣを組み込んだ低損失ＳＡＷ微分遅延ラインセンサの概要表現を図示する図である。 本開示の態様によるリングタイプのＭＳＣと、１つよりも多くの音響トラックとを組み込んだ低損失ＳＡＷ微分遅延ラインセンサの別の実施形態の概要表現を図示する図である。 本開示の態様によるセンサが結合された２つの音響トラック低損失ＳＡＷ微分遅延ラインと、リングタイプのＭＳＣと外部インピーダンス変動デバイスとの両方を組み込むセンサタグデバイスとの実施形態の概要表現を図示する図である。 本開示の態様によるトラック変化ＭＳＣとリングタイプＭＳＣとを組み込んだ低損失ＳＡＷ微分遅延ラインセンサ実施形態の概要表現を図示する図である。 本開示の態様による低損失ＳＡＷ微分遅延ラインＳＡＷセンサ実施形態の概要表現を図示する図である。 本開示の態様による低損失ＳＡＷ微分遅延ラインセンサ実施形態の別の概要表現を図示する図である。 本開示の態様による追加のＳＡＷデバイスの概要表現を図示する図である。 本開示の態様による追加のＳＡＷデバイスの概要表現を図示する図である。 本開示の態様による追加のＳＡＷデバイスの概要表現を図示する図である。 本開示の態様による分散素子およびトラック変化ＭＳＣ反射体を備え、パルス圧縮を使用する低損失ＳＡＷデバイスの概要表現を図示する図である。 本開示の態様による分散素子およびトラック変化反射ＭＳＣ素子を備え、パルス圧縮を使用する低損失微分ラインＳＡＷセンサの概要表現を図示する図である。 本開示の態様によるトラック変化ＭＳＣおよびリング形状のＭＳＣ反射体素子および分散素子を備え、パルス圧縮を使用するデバイスの概要表現を図示する図である。 本開示の態様によるパルス圧縮を使用するコンパクトな単一の音響トラック低損失微分遅延ラインセンサの概要表現を図示する図である。 本開示の態様による電圧および電流モニタリングシステムの内部の切欠図である。 本開示の態様による図１７Ａに図示されたシステムのための導電体を囲む機械的ハウジングを図示する図である。 本開示の態様による３相送電線における動作における図１７Ａおよび図１７Ｂのシステムを図示する図である。 本開示の態様によるワイヤレスでバッテリのないＳＡＷ電流センサタグアセンブリの概要表現を図示する図である。 本開示の態様によるワイヤレスでバッテリのないＳＡＷ電圧センサタグアセンブリの概要表現を図示する図である。 本開示の態様による電流（大きさおよび方向）および電圧（大きさおよび極性）をモニタする際に使用するために多数のＦＥＴを備えたＳＡＷワイヤレスインターフェースデバイス構成を図示する図である。 本発明の態様によるフィールドプローブの２つのリードを介して過渡電圧抑制（ＴＶＳ）デバイスが追加された図２１の回路を図示する図である。

本発明の実施形態は、信号強度を効率的に増加させ（すなわち、損失を低減させ）、および／または、従来のデバイスに対して、ＳＡＷセンサおよびセンサタグデバイスの、高められた時間ダイバーシティパフォーマンスを提供するためのデバイス、装置、システム、および方法を教示する。導電性媒体における効率的な動作のために適切なアンテナが開示される。電流およびスケールされた電圧を（磁界と電界それぞれの測定によって）測定し得るセンサもまた開示される。

ＭＳＣ素子を使用した低損失微分遅延ラインＳＡＷセンサ：従来のＳＡＷ微分遅延ラインセンサは、短絡された、または、開回路トランスデューサまたは電極のアレイのいずれかである通常の反射体を備えた双方向トランスデューサを利用する。図５に図示される部分的なマスク配置は、ラベルされた２００のようなデバイス（またはダイ）のアレイを例示し、各々が、並列して電気的に供給される２つの入力トランスデューサ２０２を（各ダイの左端に）有し、２つの通常の反射体２０４が、異なる距離、すなわち、異なる音響遅延で右に配置されている。各ダイにおけるラベルにおけるＳＣおよびＯＣは、それぞれ短絡および開回路反射体を示す。これらデバイスは、トランスデューサからの双方向損失と、反射体動作における非効率とを含む損失メカニズムを被る。それに加えて、２つのトランスデューサへ並列的にフィードすることは、電力分配「損失」を引き起こし、入力された信号強度に対する各音響経路における信号強度を低減させる。一方向トランスデューサは、一方向のみに音響波を送り、受け取るので、一方向トランスデューサは、双方向損失を低減するために使用され得る。

選択された開示された装置、デバイス、システム、および方法は、ほぼ１００％の効率の反射体を提供するために、上記説明したようなリング形状のＭＳＣ反射体を使用し、非効率的な反射体による損失を著しく低減する。これら反射体を使用する追加の利点は、通常の反射体を用いたケースでそうであるように、反射されたＳＡＷ応答が反射体によって時間的に広げられることがない点である。反射された応答は、あたかも、リングＭＳＣ反射体の中央に配置されたほぼ理想的なミラーから反射されたかのように見える。これは、デバイス識別における１つの要因として、時間ダイバーシティを利用するＳＡＷセンサのために有益である。いくつかのデバイス実施形態が以下に提供される。

第１の実施形態は、図６に概略的に図示されるように、双方向トランスデューサと、両側に配置された２つのリングＭＳＣ反射体とを使用する単純な微分遅延ラインである。ＳＡＷデバイス２１０は、トランスデューサから異なる距離に配置された２つのリングＭＳＣ反射体２１４の間に配置されたトランスデューサ２１２を含む。パルスを印加されると、このデバイスは、トランスデューサと各反射体との間の往復移動間隔と、音響波速度とによって決定される異なる遅延で、２つの応答を生成する。明らかに、この構成は、有用なセンサを作成するための多くの手法において修正され得る。遅延は、通過帯域において１つまたは複数のノッチで帯域通過応答を生成する２つの近くに配置された応答を生成するために調節され得る。あるいは、化学的、生物学的、または他の検体の検出のために適切なセンサを生成するために、表面上の１つまたは複数の領域における伝搬経路の部分へ、フィルムまたは他の表面処理が導入され得る。物理的なダイ搭載およびパッケージング技術および他の方法もまた、そのようなデバイスを、パラメータの仕分けのための物理的センサとして使用するために適応させるために使用され得る。各々が、上記で図示されたような微分遅延ラインを含む多数の音響トラックを備えたデバイスの構築は、多くの目的のために有用な多数の測定を行うことが可能なセンサを生成し得る。音響トラック（または複数の音響トラック）における多数のトランスデューサの追加は、外部センサをＳＡＷダイへ接続する手段を提供し得、前記外部センサまたは複数の外部センサへワイヤレスインターフェースデバイスを提供し、また、１つまたは複数のＳＡＷセンサ測定結果をも潜在的に提供する。このタイプの構成は、（ＳＡＷダイによって測定された）温度および（外部歪みゲージによって測定され、ＳＡＷ応答によって読み取られ、または、ＳＡＷダイによって測定された）歪み、（ＳＡＷダイによって測定され、または、ＳＡＷに対して外部のＦＥＴを使用して測定され、ＳＡＷダイを通じて読み取れられた）電圧、および／または、（ワイヤレスインターフェースデバイスとしてＳＡＷを通じて読み取られた）加速度のような多数のパラメータの測定結果のために有用であり得る。チャープ／分散コーディング、ダイレクトシーケンススペクトル拡散（ＤＳＳＳ）コーディング、および他の既知の技術のようなコーディングを含む様々なダイバーシティ技術が、これらデバイスに組み込まれ得る。

別の実施形態が図７に図示される。ここでは、（一方向トランスデューサであり得る）２つのトランスデューサ２２２を左に備えた２つの音響トラックデバイス２２０が、表面上の異なる音響遅延において配置された２つのリングＭＳＣ反射体２２４へ向けてＳＡＷを発生させる。トランスデューサによって発生された音響波は、ダイにおいて右に伝搬し、ダイ表面のＳＡＷ素子の間隔と音響波速度とによって決定される時間遅延で、反射して戻される。トランスデューサは共通のバスバーを共有して図示されているが、これは、デバイス構成および動作のために必須ではない。これは、２つを超える多数のトラックへ拡張され得、１つの音響トラックにおけるトランスデューサの一方の側における領域からの多数の応答を可能にするために、外部センサへ接続され得るトランスデューサのような追加のＳＡＷ素子とともに、または、部分的に反射する通常の反射体とともに使用され得る。１つの音響トラックにおける多数のトランスデューサを用いて、これらデバイスは、デバイスのＳ１１応答が、アンテナへ取り付けられた１つのポートを介して測定される反射モードにおいて、または、同じアンテナへ取り付けられた２つ以上のトランスデューサを介したＳ２１応答が測定される反射伝送モードにおいて使用され得る。明確化のために、２つ（またはそれ以上の）入力トランスデューサが、独立したバスバーを用いて形成されるのであれば、これらトランスデューサのうちの１つは、外部センサへのインターフェースとして使用され得る。あるいは、この目的を果たすために、他のトランスデューサが追加され得る。

図８は、センサタグ実施形態の単なる一例を図示し、ここでは、１つのトランスデューサが、負荷を変動させる外部インピーダンスへ取り付けられている。電圧生成外部センサおよび他のデバイスもまた、ＦＥＴをインターフェースデバイスとして使用して読み取られ得る（以下の電流および電圧感知の項を参照）。図８では、ＳＡＷデバイス２３０は、３つのトランスデューサ２３２と、多数（この例では４つ）のＵ形状のＭＳＣ２３８とを含み、３つのトランスデューサのうちの１つ２３４は、負荷を変動させる外部インピーダンス２３６へ接続される。

別のＭＳＣ素子は、トラック変化ＭＳＣである。トラック変化ＭＳＣ素子２４２を組み込む単純なＳＡＷ微分遅延ラインセンサ実施形態２４０が、図９に図示される。図示された構成では、通常、５０％トラック変化結合器になるようにＭＳＣ２４２を構築する。これによって、トランスデューサ２４４からの上部トラックにおいて右へ伝搬する音響エネルギーの半分が、遠くのＭＳＣリング反射体２４６へ伝搬し続ける一方、他の５０％は下部トラックへ変化し、より近いＭＳＣリング反射体２４８から反射する。このタイプのトラック変化構成は、双方向トランスデューサの一方の側において使用され得るか、または、片側または両側にトラック変化ＭＳＣを備えた両側式のデバイスが構築され得る。等しくない音響アパチャを備えたトラック変化ＭＳＣ、２つ以上の音響トラックを備えたデバイス、および、遅延オフセット、および／または、ＭＳＣトレースのサブ高調波または高調波拡散を伴うトラック変化ＭＳＣのような他の変形が、いくつかの目的のために有用である。

図１０は、様々な種類のトランスデューサおよび反射体に加えて、トラック変化ＭＳＣとリング形状のＭＳＣとの両方を組み込み、結果として、従来のデバイスを使用する所与のサイズのＳＡＷダイのために、別の方法で可能であるよりも、反射ＳＡＷ応答の一部に対してより長い音響遅延を有する、折り込まれた音響トラックとなる低損失ＳＡＷ微分遅延ラインＳＡＷセンサの概要表現を図示する。具体的には、図１０は、５つの個々のＳＡＷダイ２５０を図示する。各ダイでは、単一のトランスデューサ２５２が、入力／出力（Ｉ／Ｏ）トランスデューサとして動作し、音響波を上方および下方へ発生させる。上方への伝搬波は、デバイスの右上にある反射体２５４によって反射される（この例では、開回路電極を備えたアポダイズされた反射体であるが、別のダイは、アポダイズされていない反射体２５６を図示する）。この反射された応答は、発生トランスデューサへ戻り、第１の応答を提供する。下方へ発生された音響波は、下方のＭＳＣ２５８へ伝搬し、これは、５０％トラック変化ＭＳＣである。この信号の半分はＭＳＣ２５８の右を通り抜けて下方へ渡り、底部右でリング形状のＭＳＣ反射体２６０に反射する。右側で上方方向に通過する部分はキャンセルされるが、信号からの位相寄与以外は、左側のリング形状のＭＳＣ反射体２６２に反射するので、この反射した応答は、その後、トラック変化ＭＳＣ２５８によって左へ効率的に移動される。左トラック２６６へ移動された初期信号の５０％は、右トラック２６８における波に対する９０°位相シフトで下方へ発生される。これは、下方へ伝搬し、下部リング反射体に反射し、トラック変化ＭＳＣへ戻る。これら波の相対的な位相の結果、右トラックにおける上方への伝搬波がなくなり、伝搬するエネルギーのすべてが左トラックにおいて上方へ進む。これは、先頭左の反射体２６４（この例でもアポダイズされた反射体）から反射され、下方へ戻る。この波は、底部においてリングＭＳＣ反射体２６０および２６２によって反射された、分離された、変化されたトラックの別の経路を通って進み、最終的に、右トラックにおいて再結合され、Ｉ／Ｏトランスデューサへ向かって上方を進む。Ｉ／Ｏトランスデューサは、第２の応答を生成する。このデバイス実施形態は、波がＩ／Ｏトランスデューサから下部リングＭＳＣ反射体へ伝搬し、ダイの先頭へ戻り、リングＭＳＣ反射体へ戻り、Ｉ／Ｏトランスデューサまで戻った後、第２の応答が発生すると、所与のダイサイズのためのセンサデバイスにおける微分遅延を著しく増加させる能力を提供する。したがって、第２の反射の全体的な遅延は、底部反射体と先頭反射体との間の距離のほぼ３倍に対応し、図６乃至図９に図示された単純な微分遅延ライン構成と比べて顕しい増加となる。（ノッチデバイスを除外する）微分遅延ラインのためのセンサ感度は、より高い感度を有するセンサを生成するより長い遅延を有する微分遅延に部分的に依存し、（このまたは他の既知のＭＳＣ構成を使用して）ダイ表面において音響応答を「折り込む」能力が、向上された応答感度を有するセンサを生成し得る。最後に、この構成は、入力／出力トランスデューサとして１つのみのトランスデューサしか必要としないという事実は、２つまたは複数のトランスデューサが、電気的に並列に接続された場合に生じるように、電力分配損失がないことを意味する。これはセンサ損失をさらに低減する。適切な設計で、（本開示で説明された実施形態の中でもとりわけ）この実施形態は、相対的に短い遅延で生じる近い反射体２５６からの多数の遷移応答を生成するように設計され得、位相曖昧さを除去し、センサまたはセンサタグデバイスから抽出された測定結果の精度を高めるために使用され得る３つ以上の異なる遅延応答を提供する。

図１１は、多数のトランスデューサを組み込む低損失ＳＡＷ微分遅延ラインセンサの別の概要表現を図示し、前記トランスデューサの１つまたは複数へ接続された外部デバイスを読み取るために使用され得るＳＡＷセンサまたはＳＡＷセンサタグワイヤレスインターフェースデバイスとして、または、選択された測定がＳＡＷデバイス自身によってなされる一方、他の測定が外部デバイスによってなされ、インターフェースとしてＳＡＷデバイスによってワイヤレスに読み取られる結合されたデバイスとして有用にする。具体的には、このデバイス２７０は、３つのトランスデューサ２７２、トラック変化ＭＳＣ２７４、およびリング形状のＭＳＣ反射体２７６を含む。このデバイス２７０は、外部デバイス測定結果に依存して音響応答を生成するために、外部センサおよび（インピーダンス変換構成要素およびＦＥＴのような）他の構成要素へ取り付けられたトランスデューサの１つまたは複数が備えられたセンサタグとして使用され得る。

図１２Ａ～図１２Ｃは、本発明の態様による３つの追加のデバイス実施形態の概要表現を図示する。図１２Ａを参照して示すように、ＳＡＷ微分遅延ラインデバイス２８０は、１つの音響トラックにおける２つ以上のトランスデューサ２８２と、リング反射体２８４として図示される２つ以上の反射体とを含む。このデバイス２８０は、伝送モードにおいて使用され得、ここで、トランスデューサ２８２は、共通のアンテナに電気的に並列に接続され、反射された応答は、Ｓ２１およびＳ２２の伝送応答の組合せである。あるいは、１つのトランスデューサが、Ｉ／Ｏトランスデューサとして使用され得、他のトランスデューサが、反射体として、または、外部インピーダンス変動または電圧生成デバイスへのインターフェースとして使用され得る。（２つのトランスデューサ間の）間隔２８６、（トランスデューサと反射体との間の）間隔２８８および２９０は、パフォーマンス特性の範囲を備えたデバイスを生成するために変動され得る。間隔２８６に対応する音響遅延は、第１の伝送応答が生じる時間と、この応答の多数の遷移が生じる時間とを決定する。間隔２８８および２９０による音響遅延は、等しくなるか、僅かに等しくないか、または、非常に等しくないことがあり得る。等しい間隔２８８および２９０は、出力時に、位相において加わる反射を生成する。多数の遷移効果によって、このデバイス２８０は未だに多数の応答を生成する。これは有用であり得る。僅かに異なる間隔２８８および２９０は、時間が僅かにオフセットした２つの応答を生成する。これは、１つまたは複数のノッチを有する電力スペクトル密度（ＰＳＤ）を有する結合された周波数領域応答という結果になり得る。

図１２Ｂを参照して示すように、ＳＡＷデバイス２９２は、リング形状のＭＳＣ２９６の中央領域内の単一のトランスデューサ２９４からなる。図１２Ｃを参照して示すように、ＳＡＷデバイス３００は、リング形状のＭＳＣ３２０内に２つ以上のトランスデューサ３１０を含む。デバイス２９２および３００の両方が、それぞれ１つのポートおよび２つのポートである共鳴デバイスとして機能する。デバイス３００におけるトランスデューサ３１０間に追加された間隔は、初期音響遅延をデバイス応答へ追加するために使用され得る。追加された初期音響遅延を有する共鳴またはリンギング応答はまた、１つではなく２つのトランスデューサを備えた図６に類似した２つのトランスデューサの両側にある（リング形状のＭＳＣのような）２つの高効率反射体の間の２つのトランスデューサを使用して実施され得る。追加の実施形態は、２つ以上のトランスデューサを含み得る。

このアプローチは、多数の音響トラック、ＵＤＴを有する単一側のダイ、または、（１つまたは複数のトラックにおける）両面ダイ、および代替ＭＳＣ構成を組み込む他の多くの構成（ファンを備えられたＭＳＣ、Ｊ形状のＭＳＣ、インタリーブされたＵ形状のＭＳＣ、および他の多く）を含むように拡張され得るので、これは単に、可能なデバイス実施形態の小さな部分セットである。本開示の範囲内で、これら実施形態のいずれかはまた、ワイヤレスインターフェースデバイス（またはセンサタグ）を生成するために、表面における様々な場所に追加のトランスデューサを含み得る。これは、外部インピーダンス変動または電圧生成センサへのインターフェースとして使用され得る。本開示の範囲内の他の実施形態は、追加の反射体およびＭＳＣ素子、多数の音響トラック、およびトランスデューサ、またはこれらの組合せを含み得る。結果として得られるデバイスは、ＳＡＷセンサとして使用され得、ここでは、すべての測定が、ＳＡＷダイによってダイレクトになされる。あるいは、結果として得られるデバイスは、センサタグとして、測定されたパラメータの変化に応じて変動するインピーダンスを有する、または、電圧を生成する外部測定デバイスへのワイヤレスインターフェースデバイスとして役立ち得る。または、結果として得られるデバイスは、ハイブリッドデバイスであり得る。ここで、選択された測定は、ＳＡＷダイによってダイレクトになされ、他の測定は、外部デバイスによってなされ、外部デバイスが接続されるセンサタグデバイスを通じてワイヤレスに読み取られる。

高められた時間ダイバーシティを備えた低損失微分遅延ラインＳＡＷセンサ：多くの最近の研究は、非干渉性のパッシブなワイヤレスセンサのセットを開発することに集中しており、これによって、較正された測定結果が、トランシーバの視野内で同時に動作するセンサのセットから取得されるようになり得る。時間ダイバーシティ、周波数ダイバーシティ、コードダイバーシティ、および／または、チャープダイバーシティは、個々に識別可能で非干渉性のデバイスを作成する組合せで使用されている。所与の適用環境において利用可能な帯域幅に依存して、これらダイバーシティ技術は、ともに良好に動作するセンサのセットを達成するために適切な方式で組み合わされ得る。センサセットの時間ダイバーシティ容量を高める１つの手法は、各ＳＡＷセンサ応答パルスの時間長さを減少させることである。なぜなら、狭い時間範囲内に限定されたパルスは、前記パルスのより多くが、所与の時間範囲内で適合することを可能にするからである。しかしながら、従来の有限インパルス応答（ＦＩＲ）ＳＡＷフィルタの場合、トランスデューサの時間長さは、その帯域幅に反比例して関連付けられている。これは、非常に短いトランスデューサがブロードバンドであることを意味する。これは、周波数ダイバーシティのための容量を低減させる。それに加えて、非常にブロードバンドな信号は、（ＩＳＭ帯域におけるような）無線周波数（ＲＦ）電子伝送のために許可されたＦＣＣ周波数範囲内に適合しないことがあり得る。また、非常に短いトランスデューサを使用している場合、別のトレードオフがあり、追加の各電極重なりが、より多くのエネルギーをＳＡＷ基板へ結合する。よって、非常に短いトランスデューサを使用することは、電気機械結合の全体的な効率を低減し得、デバイス損失を増加させる。したがって、物理学的性質が、従来のＳＡＷ構成のためのダイバーシティスキームを実現することを試みている場合になされ得るトレードオフを制限する。

本明細書において開示されたデバイスは、比較によって、時間において非常に狭く、同時に、著しく増加した信号レベルを有するＳＡＷ応答を生成するために、パルス圧縮によって導入される時間圧縮および信号処理利得を活用し、時間ダイバーシティと損失低減との両方を向上する。図１３は、本開示の態様による１つのＳＡＷ微分遅延ラインデバイス３２０を図示する。このデバイス３２０では、逆方向のチャープスロープを備えた２つのトランスデューサ３２２が、２つの音響トラックに位置する。各端部には、両方のトラックが１００％の効率で変化し、また、反射波の方向をも変化させる反転ＭＳＣ素子３２４が配置されている。２つのトランスデューサ３２２が電気的に並列して接続されている場合、音響波は、上部および下部の両方の音響トラックにおいて左および右へ同時に発生される。ダウンチャープである上部音響トラックにおいて左へ発生された信号（高周波数が最初に到来し、その後低周波数が到来する）は、底部音響トラックに下方へ結合される。ここで、信号は、効率的に反転され、右へ伝搬する。（最初に低周波数を有し、その後高周波数を有するアップチャープである）下部トラックにおいて、トランスデューサによって受信された場合、チャープ信号がトランスデューサにおいて十分になるまでは非常に少ない出力信号しかなく、この時点で、強い畳み込み応答ピーク（圧縮ピーク）が生成される。偶然にも、下部トラックにおいて左へ発生された波は、アップチャープである。これは反射され、上部トラックへ反転され、ここで、上部トランスデューサにおいてダウンチャープによって圧縮される。左において、２つの伝搬経路からの２つの圧縮されたパルスが同時に発生し、加わる。上部および下部の音響トラックにおいて、右へ発生された音響波を含む類似の処理は、右において、音響伝搬経路および反射体から第２の圧縮されたパルスを生成する。

したがって、アンテナによって並列的にフィードされたトランスデューサを用いて、ＳＡＷセンサについて従来のように、任意の信号を活性化することは、反対方向の伝搬である上部および下部のトラックにおいて、信号を生成し、入力信号よりも著しく強い信号強度を有し、また、時間的に非常に短い出力された圧縮パルスのペアを生成するために、トランスデューサにおいて再結合する。以前に議論されたように、高いＢＴ積を有するＳＡＷデバイスは、かなり長い持続時間の信号を、時間的にはるかに狭いパルスへ変換し得る。パルス圧縮は、ＢＴの平方根（ＢＴ）によって増加する電圧振幅を用いて、持続時間ｔ≒＞１／Ｂのパルスを生成し得る。例として、１００であるＢＴは、種々の組合せの中でも特に、５０ＭＨｚの帯域幅で、２ミリ秒の長さであるＳＡＷトランスデューサにおいて実施され得る。このＢＴは、元の信号よりも１０倍大きい振幅を有する２０ナノ秒幅である圧縮されたパルスを生成し、時間範囲を５０倍まで低減しながら、２０ｄＢの処理ゲインを生じさせる。

微分遅延ラインとして動作するように設計されたセンサのグループは、時間においてインタリーブされた応答パルスを用いて設計され得、個々のセンサ応答は、（周波数およびコードダイバーシティも使用されるのであれば、周波数におけるウィンドウ化と、コーディングとの畳み込みとに加えて）適切な時間領域ウィンドウ化によって抽出される。周波数ダイバーシティおよび／またはコードダイバーシティを含めることは、時間ダイバーシティの所与の帯域幅および度合のために可能な合計センサセットサイズを増加させ得る。

トランスデューサ３２２は、図示されるように互いに対して（左から右へ）オフセットされ得るか、または、垂直に揃えられ得る。また、トランスデューサペアが中央に配置され得、これによって、両側からの反射が同時に戻ってトランスデューサに達し、１つの大きな出力パルスを生成するようになるか、または、トランスデューサ３２２のペアが、１つの側または他の側へオフセットされるようになり得る。トランスデューサ３２２が垂直に揃えられ、中央の１つの側へオフセットされるのであれば、これは、異なる時間において２つの強い出力パルスを生成する微分遅延ラインを生成する。２つの反転ＭＳＣ素子間の配置と独立してトランスデューサが垂直に揃えられていない（すなわち、互いに対して左から右へオフセットされている）場合、および／または、垂直に揃えられ、２つの反転ＭＳＣ素子に対して中心を外されている場合、類似の微分遅延ライン応答が発生する。

トラック変化の一例である１００％反射性ＭＳＣは、「Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ Ｒｅｖｅｒｓｉｎｇ Ｍｕｌｔｉｓｔｒｉｐ Ｃｏｕｐｌｅｒ」、Ａｒｃｈｉｖｅｓ ｏｆ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ、２２７～２３８頁、１９９４年１月にＤａｎｉｃｋｉによって示されているものである。図１４は、この構成を組み込む本開示の態様による、低損失微分遅延ラインＳＡＷセンサ３３０の概要表現を図示する。センサ３３０はまた、図示されるようなチャープセンサを備えたチャープトランスデューサ３３４を含むか、または、図示される２つのチャープは等しく、両方とも左から右へミラーされ得るか、または、上部および下部の音響トラック間でスワップされ得、すべて名目上は同一の結果となる。これらの構成のうちのいずれかについても、この実施形態の全体動作は、図１３のデバイス３２０に関して説明されるようなものである。反射性トラック変化反転ＭＳＣ素子３３２では、ＭＳＣストリップは、１２０°離れるように間隔が置かれ、これによって、図示されるようなすべての３つのトレースのうちの２つをスワップすることは、第１のトラックにおける波伝搬に対し、第２のトラックにおける音響波伝搬の方向を逆にする。（ラインが同期しておらず、音響波の反射を生成することを保証するために、ＭＳＣライン間隔に対して細心の注意が払われるべきであることが注目されるべきである）。

本発明による反転トラック変化ＭＳＣ素子を実施する別の手法は、トラック変化ＭＳＣを、適切な構成でリング形状のＭＳＣ反射体素子と組み合わせることである。図１５は、逆方向のチャープを備えた２つのトランスデューサ３４２と、通常は５０％トラック変化ＭＳＣである２つのトラック変化ＭＳＣ３４４と、４つのリング形状のＭＳＣ反射体３４６とを含むそのような１つのデバイス３４０実施形態を図示する。上述されたように、中央トランスデューサは、並列的にフィードされ得、（図示されるように）分離し得、または電気的にダイ上に接続され得る。この構成が、センサタグインターフェースデバイスとして使用されることを可能にするために、追加の構成要素が加えられ得る。

本発明によるパルス圧縮を使用する、よりコンパクトな単一の音響トラック低損失微分遅延ラインセンサ３５０が、図１６に図示される。この実施形態は、２つのリング形状のＭＳＣ反射体３５４によって囲まれた、対称的にチャープされた中央トランスデューサ３５２を使用する。（ダウンチャープによって後続されるアップチャープである）左へ送られた分散信号が反射され、入力トランスデューサと再び時間を揃えられた場合、時間持続において短い強い圧縮パルスを生成する。同じ処理が右に対しても発生する。ここでも、単一のトランスデューサ入力デバイスとして、電力分配損失はない。処理利得は、出力センサ信号レベルをかなり（２０ｄＢまたはそれ以上まで容易に）高める。

図１６に図示される例示的なデバイス３５０では、スムーズなアップチャープが、時間反転されたダウンチャープによって後続される。しかし、任意の時間対称分散トランスデューサ構成は、ステップチャープ、周波数コードされたチャープ（周波数チャープの部分は、時間的に「カット」および「シャッフル」される）、非線形チャープ、変動チャープスロープからなるチャープ、およびその他を含む類似の効果のために使用され得る。コードはまた、以前に述べられたように導かれ得るが、この構成で使用するには、トランスデューサ３５２において使用される任意のコードもまた時間対称でなければならない。

この発明の態様による他のデバイスは、導波管を生成するため、表面における電界をショートさせるため、または、（磁歪性フィルム、生物学的部分、および化学的に敏感で選択的なフィルムにおけるように）ターゲット測定量へ感度を取り入れるために、上記構成の複製コピーを備えた、同じまたは異なる遅延を備えた、および／または、トランスデューサ、外部センサ素子に取り付けられたトランスデューサ、反射体（従来式またはリングＭＳＣ反射体）、ＭＳＣ、およびフィルムまたは表面処理などの他の追加的なＳＡＷ要素を備えた、多数の音響トラックを含む実施形態を含む。説明されたデバイス実施形態は、レイリー波、屈曲プレート波（ＦＰＷ）、ラブ波、表面横波（ＳＴＷ）、せん断水平音響プレートモード（ＳＨ－ＡＰＭ）、レイヤガイド音響プレートモード（ＬＧ－ＡＰＭ）、レイヤガイドせん断水平音響プレートモード（ＬＧ－ＳＨＡＰＭ）、漏れ表面波、および、疑似ＳＡＷモードを含む多くの表面発生音響波のうちのいずれかを使用して実施され得る。説明されたトランスデューサおよび／または反射体は、テーパ、傾斜、ステップ状テーパ、アポダイズ、重みをかけられた後退、ＥＷＣ、ＵＤＴ、ＳＰＵＤＴ、分散、および／または、導波管構成であり得る。これらの技術のすべてはまた、分散的調波技術を組み込んで使用され得る。

本明細書で説明された実施形態の大まかな本質が明確であり、当業者は、議論された技術の１つまたは複数の組合せを使用して生成され得る広範なデバイス構成が存在することを理解するであろう。本明細書で説明され、図面において例示された本発明の実施形態は、限定されないが、極薄のフィルムおよびナノ材料を含む広い範囲の材料の堆積をモニタすることが可能なデバイス実施形態を提供する。本発明のいくつかの好適な形式および実施形態が例示され説明されたが、上記で述べられた発明的な概念から逸脱することなく、様々な変形および修正がなされ得ることが当業者に明らかになるであろう。

ＳＡＷセンサの遠隔読取のための誘導結合および共鳴磁気結合：現在まで、文献で説明された大半のワイヤレスＳＡＷセンサは、従来式のアンテナによって活性化されている。ダイポール、モノポール、パッチ、マイクロストリップ、スロット、および多くの他のアンテナ構成が、伝搬している時間変動電磁（ＥＭ）信号と相互作用する従来の「放射」アンテナによってＳＡＷセンサを活性化するために使用されている。短距離（高々１ｃｍまたは２ｃｍ）においてＳＡＷデバイスをワイヤレスに活性化するために、誘導結合を使用する、液体中で使用するためのいくつかのＳＡＷデバイスが実証された。（海水または重い塩水のように）僅かに乃至適度に導電性である媒体において、また、金属の多い環境において動作し得るワイヤレスＳＡＷセンサを生成するために有利であり得る幅広い応用が存在する。金属面に搭載された場合、従来の放射アンテナは適切に機能しない。導電率は、波の電界部分をショートさせる傾向があるので、ＥＭ信号は、導電性または部分的に導電性である媒体の中では著しく高い損失を経験する。したがって、センサを活性化し、読み取る代替方法が必要とされた。磁界は、磁界が存在する媒体の導電率によって「ショート」されないので、電力の伝達のための磁気方法は、高導電率環境においてより有用である。

共鳴磁気結合は、Ｗｉｔｒｉｃｉｔｙのような会社による電力伝達のために実証され、（空気中）数メートルにわたる高い効率のワイヤレス電力伝達を可能にする。金属を介した電力およびデータの磁気通信もまた、磁気信号を使用して実証されている。たとえば、Ｈｙｄｒｏ－Ｔｅｃｈ（Ｃｏｒｅｙ Ｊａｓｋｏｌｓｋｉ社長）は、金属シリンダによって電力およびセンサデータを伝達させるために磁気信号を使用した。ここでも、共鳴磁気結合は、より効率的な電力伝達を提供する。

本発明のいくつかの態様は、導電性環境においてＳＡＷデバイス（種々の中でも特にセンサおよびセンサタグ）を活性化させ、読み取るために、適切なマッチング構成要素を備えたコイル（平面およびヘリカル）、磁気電気モノポールおよびダイポールのような磁気「アンテナ」を開示する。アンテナを、周囲の環境から絶縁するために、様々な電気絶縁材料が使用され得る。ヘリカルコイルは、断面において、円形、楕円形、長方形、正方形、または他の形状であり得、平面ループおよびコイルもまた、種々の中でも特にヘリカル誘導子に類似した形状のような多くの形状からなり得る。本発明の他の態様は、データの伝達のために、磁気電力伝達を、磁気電力信号の電気負荷変調と組み合わせる。磁気「アンテナ」は、金属表面上に搭載され得るか、または、非常に近くなり得、ＳＡＷセンサを活性化するため、および、センサデータを受信するために使用され得る。そのような方法は、導電性媒体において、および、いくつかの金属面において、いくつかの金属面の周囲で、およびいくつかの金属面を潜在的に介して動作し得る。導電性の液体中でのＳＡＷセンサの動作は、本発明の態様を使用してうまく行くことが実証された。

電流および電圧のワイヤレス測定：ＳＡＷデバイスは、ＳＡＷダイを横切る印加電圧によって生成された音響波速度の変化によって、電圧をダイレクトに測定することが可能であることが１９７０年代初期に示された。しかしながら、周波数または遅延における著しい変化を生成するために必要とされる電圧は、現実的なダイ厚みのために大きかった（数１００ボルトからｋＶ）。より最近の研究は、（ＡＥセンサ、熱電対等のような）外部センサによって生成された電圧を読み取ることが可能なワイヤレスデバイスを生成するために、ゼロバイアス（通常オン）電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）とともにＳＡＷデバイスが使用され得ることを示した。外部センサ電圧は、ＦＥＴにおけるゲート－ソース（Ｇ－Ｓ）電圧として印加され、ＦＥＴのドレン－ソース（Ｄ－Ｓ）抵抗を修正する。このＤ－Ｓインピーダンスは、ＳＡＷトランスデューサを介して負荷インピーダンスとして電気的に接続され、Ｄ－Ｓ抵抗の変化は、負荷を加えられたトランスデューサから反射されたＳＡＷ応答を変える。

以前に開発されたハイブリッドＦＥＴ／ＳＡＷセンサタグワイヤレスインターフェースデバイスと、本明細書で説明された本発明の態様による有利なＳＡＷ実施形態を使用する他のデバイスが、電界および磁界を測定するために使用され得、電界の大きさおよび符号と、磁界の大きさおよび方向とをモニタすることによって、高電圧線（および他の電流伝送導電体）における電圧および電流に関する、および、電流および電圧の相対位相（先行または遅行）に関する情報を提供し得、力率を判定するために必要な情報を提供する。そのような情報は、たとえば、送電線および他の電気機器の状態をモニタリングする際に有用であり得る。

本発明の特定の態様による別のタイプのシステムは、パッシブなワイヤレス送電線電圧、電流、および温度モニタリングセンサシステムである。このシステムは、電流伝送導電体の周囲の電界および磁界を測定するために、フィールドプローブを備えたＳＡＷセンサおよびセンサタグを利用する。これは、導電体における電圧および電流のためのプロキシを提供する。電力グリッドの配電部分は、今日では、実質的にブラインドで実行する。すなわち、配電線および変換器の状態に関するリアルタイムデータは、ほとんどグリッドオペレータに利用可能ではない。スマートメータを確認することは、個々のメータレベルにおいて停電に関するデータを提供し得るが、停電の詳細、場所、および原因に関してオペレータに通知する自動化された診断ツールは利用可能ではない。同様に関連して、問題が生じる前に構成要素の故障を予測し得るグリッドのための予測ツールは存在しない。配電グリッドのイベントドリブンコンディションベースのモニタリング（ＣＢＭ）は、オペレータが、故障に近づいている変圧器のような初期の故障を識別し、停電を阻止するための予防的なメンテナンスを優先させることを可能とする。予防的なメンテナンスを実行するコストは、停電に対応するコストよりもはるかに安いので、そのようなシステムは、グリッド安定性を高めながら、オペレーティングコストを低減し得る。しかしながら、広く普及したモニタリングを、特に、ローカル配電レベルで可能にするために十分低いコストであるグリッドの配電モニタリングのための現在の方法は存在しない。送電線に沿って、個々の粒度のスパンレベルまで配電され得る低コストモニタリングシステムは、グリッド状態のモニタリングにおいて先例がない感度を達成し得る。

図１７Ａおよび図１７Ｂは、本開示の態様による電圧および電流モニタリングシステム４００の様々な概要表現を図示する。図１７Ａは、システムのケーシング４０８の内部の切欠図であり、ケーシング４０８は、電流センサ４０６および電圧センサ４０４のための機械的なハウジングの役割を果たすのみならず、送電線のためのホットスティック搭載を含む電流伝送導電体４０２へシステムを取り付けるための搭載手段を提供する。図１７Ｂは、導電体４０２の周囲にクローズされた機械的なハウジング４００を備えたシステムを図示する。図１８は、本開示の態様による３相送電線におけるシステム動作のための概念を図示する。各々または３相導電体は、線上に搭載された図１７Ａおよび図１７Ｂに図示されたシステム４００に対応するワイヤレスでバッテリのないセンサモジュールを有する。リーダまたはラジオとも称されるワイヤレス監視器が、送電線の下方のポール上に搭載される。リーダは、線上のセンサシステムを活性化するＲＦ信号を送信し、その後、反射されたセンサシステムＲＦ応答を受信し、デジタル化する。ローカル信号処理後、センサデータは、スマートグリッドネットワークを経由して、または、携帯電話またはワイヤレスメッシュネットワークを経由して、または、任意の所望されるワイヤレス通信システムまたはプロトコルによって、グリッドオペレータへ伝達され得る。単一のリーダは、多数のセンサ（１つの監視器の視野内に多くとも３２個またはそれ以上）からデータを収集し、解釈することができる。デジタル信号処理（ＤＳＰ）およびワイヤレス通信ハードウェアのすべてを、モニタされている送電線または変圧器から離れたアクセス可能な場所に搭載され得るリーダへ移動することは、高電圧線に搭載されたラジオを備えたシステムと比較して、コストを低減し、システム信頼性を高める。使用されるＳＡＷデバイスは、厳しい環境で動作し、困難のある環境において数１０年間を超える寿命を実証した。

ＳＡＷセンサタグアセンブリモジュールはどのようにして電圧および電流を測定するか：ＡＣ電線における時間変動する電流によって生成される磁界に（垂直に）、ワイヤのループを配置することによって、ワイヤループ内に電流を誘導させる。理想的な開回路ループのために、この電流は、ループの開放端を介する電圧を誘導する。ループの終端を、フルブリッジ整流器へ、その後ＦＥＴのゲートへ接続することによって、送電線における電流が変化すると、時間変動するドレン－ソースＦＥＴインピーダンスが生成され得る。

図１９は、本開示の態様による、ワイヤレスでバッテリのないＳＡＷ電流センサタグアセンブリの概要表現を図示する。このアセンブリは、ＦＥＴインターフェースモジュール、ＳＡＷセンサタグ、およびアンテナへ接続された磁気フィールドプローブセンサを含む。ＳＡＷセンサタグは、ＦＥＴへワイヤレスインターフェースを提供し、ＦＥＴゲートへ印加されたフィールドプローブ電圧によって修正されたＤ－Ｓインピーダンスを読み取り、したがって、磁気フィールドを、最終的には、ライン電流をモニタする。本発明の代替実施形態では、ＦＥＴのゲートおよびソースが、コイル終端を介して取り付けられた、ワイヤの周囲に配置されたＲｏｇｏｗｓｋｉコイルが、図Ａに図示された単純なループの代わりに使用され得、電圧を、送電線に対するコイルの位置に対する依存を低くする。本発明によるＦＥＴインターフェースを使用して、ＳＡＷセンサは、生成された磁界の強度および方位を検出することによって、電流の大きさおよび方向を検出することができる。監視器によって収集されたデータは、電流の大きさおよび方向を時間の関数として含み得る。このデータは、電源系統の各フェーズのために収集され得、相対的な電流振幅および位相情報の抽出を可能にする。

図２０は、本開示の態様によるワイヤレスでバッテリのないＳＡＷ電圧センサタグアセンブリの概要表現を図示する。ここでもまた、このアセンブリは、電界に基づいて電圧を生成し得るフィールドプローブ、ＦＥＴインターフェース、ＳＡＷセンサタグ、およびアンテナからなるが、このケースでは、フィールドプローブは、電界を検出するように設計される。ＡＣ送電線の周囲では、時間変動する電界が、線における電圧へ直接的に関連する電界強度で形成するであろう。電界強度は、線からの半径方向距離の概ね逆数として減少する。電界に２つの放射状に分離したプローブを配置することによって、プローブ間の電圧差が測定され得、本明細書に開示されたＳＡＷセンサタグの１つへ取り付けられたＦＥＴを駆動させるために使用され得る。電流モニタリングのケースにおけるように、ＦＥＴの時間変動するインピーダンスは、ＳＡＷタグをロードし、ＦＥＴのインピーダンスのワイヤレスな読取を可能にする。その結果、我々は、電界強度を、さらには送電線電圧をモニタし得る。電界が、接地するべき線からの距離に対応する距離にわたって、接地するために減少し、それは、場所毎に、そして異なる線タイプで変動し得るので、ラインからの任意の所与の距離における電界強度もまたこれら要因とともに変動する。したがって、接地に対する線における絶対的な電圧を確立するために、較正がなされ得ないのであれば、電界強度を測定することは単に、線における電圧のスケールされた測定結果を提供することになる。

ＡＣ電力系統において使用するための完全な線モニタリングセンサシステム（図１７Ａおよび図１７Ｂにおける４００）は、電流流れの方向の判定を可能にするために、名目上６０Ｈｚサイクルの正負両部分の間、電流と電圧との両方が測定されることを必要とする。電流と電圧との間の相対的な位相を発見することはまた、両信号のための正確なゼロ交差検出を必要とする。図２１は、本開示の態様による、電流（大きさおよび方向）および電圧（大きさおよび極性）をモニタする際に使用するために多数のＦＥＴを備えたＳＡＷワイヤレスインターフェースデバイス構成を図示する。電圧Ｖ１およびＶ２を生成するフィールドプローブは、時間変動する磁界の検出のためのループ（またはＲｏｇｏｗｓｋｉコイル）と、電界測定のための単純な（単純なモノポールアンテナに類似した）電気的なプローブである。

電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の場合、ゲート－ソース（Ｇ－Ｓ）電圧は、ＦＥＴのドレン－ソース（Ｄ－Ｓ）インピーダンスを制御する。いくつかのＦＥＴは、正のＧ－Ｓ電圧を有するＳＡＷデバイスとともに使用するために望ましいＤ－Ｓインピーダンス特性を示す一方、他のＦＥＴは、負のＧ－Ｓ電圧を有するＳＡＷデバイスとともに使用するために望ましいＤ－Ｓインピーダンス特性を示し、さらに他のＦＥＴは、ゼロ電圧をまたぐＧ－Ｓ電圧で機能する。

図２１に図示されるＳＡＷ／ＦＥＴ構成については、２つの電圧が、（電界または磁界を測定する）フィールドプローブからプルされ、時間変動する微分電圧の大きさ｜Ｖ_１（ｔ）－Ｖ_２（ｔ）｜を生成し、微分入力の符号に依存して、２つのＦＥＴのうちの１つに対するプローブ電圧の印加を制御するためにダイオードが使用される。線電流または電圧の正の半サイクル（図示された波形）では、Ｖ１は、Ｖ２よりもより正であり、先頭のダイオードを活性化し、Ｖ１を、底部のＦＥＴのゲートへ印加し、Ｖ２は、ＦＥＴソースへ印加される。適切なＦＥＴ選択で、この印加電圧は、下部ＦＥＴのドレン－ソースにおけるインピーダンス変化を引き起こす。これは、取り付けられたＳＡＷトランスデューサの反射率を修正する。トランスデューサから反射した音響波信号の変化は、ＦＥＴ抵抗、またはゲート電圧、または最終的には電界または磁界強度の変化として解釈され得る。負の半サイクルでは、Ｖ１は、Ｖ２よりもより負であり、先頭ダイオードをシャットオフさせ、底部ダイオードを活性化させる。ここで、Ｖ２は、先頭ＦＥＴのゲートに渡され、Ｖ１は、ソースへ印加される。これは、先頭ＳＡＷトランスデューサへ取り付けられたＦＥＴのドレン－ソースインピーダンスを修正する。このように、フィールドプローブからの入力微分信号の正の半分および負の半分は、個別に識別可能および測定可能である。

上記の議論は、本質的にゼロしきい電圧を有する理想的なダイオードを仮定する。しかしながら、入力信号経路のための現実的なダイオードの使用は、このアプローチのパフォーマンスに影響を与え、そこでは、最も現実的なダイオードは、（典型的には）０．７Ｖ程度であり得る非ゼロしきい電圧（Ｖ_ＴＨ）を有する。これは、ダイオードが作動する電圧である。したがって、ＦＥＴゲートへ渡された電圧は、ダイオードのしきい電圧によって低下される。入力信号のゼロ電圧交差ポイントはまた、ダイオードしきい電圧によって、追跡することが困難となり得る。この作動電圧は、図２１に図示される回路に対して、システムが、－Ｖ_ＴＨから＋Ｖ_ＴＨ（典型的には約－０．７Ｖから＋０．７Ｖ）の微分プローブ出力に対して応答しない「デッドゾーン」を示させ得るが、低しきい電圧ダイオードの慎重な選択でデッドゾーンを減少させ得る。

ＳＡＷセンサタグアセンブリは、遷移が珍しくない高電圧送電線環境において動作するため、保護回路を含めることが重要である。図２２は、図２１の回路を図示し、フィールドプローブの２つのリードを介してＴＶＳデバイスが追加されている。これは、たとえ線の中に電流または電圧のサージが存在する場合であっても、フィールドプローブの微分出力があらかじめ決定されたレベルを超えないことを保証する。

図１７における完全なモニタリングシステム４００は、（図２２に図示された）２つのＳＡＷセンサタグアセンブリ、すなわち、線電圧をモニタするための１つと、線電流をモニタするための１つとを含む。それに加えて、本発明の１つの実施形態は、送電線温度を判定するためのＳＡＷ温度センサを含む。これらセンサおよびセンタタグのすべては、単一の基板上で実施され得るか、または、その代わりに、本発明の１つの実施形態におけるセンサタグアセンブリを実施するためにともに使用される多数の基板を利用することが可能である。潜在的には、基準ダイと、１つまたは複数のセンシングダイとの、２つ以上のダイが使用され得る。ダイは、共通のサンプルプレナムにともに搭載され得るか、または、基準デバイスが、１つのパッケージに密閉封入され得る一方、センシングダイは、別のパッケージ内の関心対象の媒体へ露出される。基準ダイは、温度または他のパラメータのための１つまたは複数のセンシングダイとともに結合され得、パッケージ内に密閉封入され得る。このパッケージは、外部センシングダイに電気的に接続され得る。これは、センシングダイまたはトラックのうちの１つにおける音響応答をロードする。

本明細書において含まれた例示は本質的に典型例であり、本発明のすべての態様を包含するとは限らない。当業者であれば、本発明の実施形態によって提供される改良は、限定されないが様々なダイバーシティ技術（中でもコード、チャープ、時間、および周波数ダイバーシティ）を組み込んだものを含む広範な既知のＳＡＷセンサおよびセンサタグ構成のいずれかを用いて動作するように実施され得ることを認識するであろう。広範な既知のコーディング技術が、説明された実施形態と組み合わせて実施され得る。単純なオン－オフキーイング、位相変調、パルス位置変調、および他の多くの技術が、干渉なしでともに動作するコードの数を増やすために、本明細書で説明された技術とともに使用され得ることが当業者によって理解されるであろう。周波数ダイバーシティ、符号ダイバーシティ、時間ダイバーシティ、および他の既知の技術が、望ましい特性を有するデバイスのセットを達成するために組み合わされ得る。これら技術のいずれかは、システムにおいてともに動作し得るセンサの数を増加させるために、前述したデバイス実施形態において利用され得る。そのような構成を利用するデバイスはまた、個々のデバイスの識別が所望されるＲＦＩＤタグおよびセンサタグの用途のためにも有用となり得る。それに加えて、これら技術の組合せは、いくつかの環境において有利であり得る。

本発明の他の実施は、本明細書で開示された本発明の明細書および実施の考慮から、当業者に明らかになるであろう。説明された実施形態の様々な態様および／または構成要素は、単独で、または、任意の組合せで使用され得る。明細書および例は、典型例のみとして考慮され、本発明の真の範囲および精神は、以下の特許請求の範囲によって示されることが意図される。

１００ ＳＡＷデバイス
１０２ マルチストリップ結合器
１０４ トランスデューサ
１０６ トランスデューサ
２００ デバイス
２０２ 入力トランスデューサ
２０４ 反射体
２１０ ＳＡＷデバイス
２１２ トランスデューサ
２１４ ＭＳＣ反射体
２２０ 音響トラックデバイス
２２２ トランスデューサ
２２４ ＭＳＣ反射体
２３０ ＳＡＷデバイス
２３２ トランスデューサ
２３４ トランスデューサ
２３６ 外部インピーダンス
２３８ マルチストリップ結合器
２４０ ＳＡＷ微分遅延ラインセンサ
２４２ トラック変化ＭＳＣ素子
２４４ トランスデューサ
２４６ リング反射体
２４８ リング反射体
２５０ ＳＡＷダイ
２５２ トランスデューサ
２５４ 反射体
２５６ 反射体
２５８ マルチストリップ結合器
２６０ 反射体
２６２ 反射体
２６４ 反射体
２６６ 左トラック
２６８ 右トラック
２７０ デバイス
２７２ トランスデューサ
２７４ トラック変化ＭＳＣ
２７６ ＭＳＣ反射体
２８０ ＳＡＷ微分遅延ラインデバイス
２８２ トランスデューサ
２８４ リング反射体
２８６ 間隔
２８８ 間隔
２９０ 間隔
２９２ ＳＡＷデバイス
２９４ トランスデューサ
３００ ＳＡＷデバイス
３１０ トランスデューサ
３２０ マルチストリップ結合器
３２２ トランスデューサ
３２４ 反転ＭＳＣ素子
３３０ 低損失微分遅延ラインＳＡＷセンサ
３３２ 反射性トラック変化反転ＭＳＣ素子
３３４ チャープトランスデューサ
３４０ デバイス
３４２ トランスデューサ
３４４ トラック変化ＭＳＣ
３４６ ＭＳＣ反射体
３５０ 音響トラック低損失微分遅延ラインセンサ
３５２ 中央トランスデューサ
３５４ ＭＳＣ反射体
４００ モニタリングシステム
４０２ 電流伝送導電体
４０４ 電圧センサ
４０６ 電流センサ
４０８ ケーシング

Claims (12)

1. 装置の外部のオブジェクトによって生成された少なくとも一つの電界および／または磁界の強度をワイヤレスに測定するための装置であって、
   複数のパラメータのうちの少なくとも一つのパラメータを測定するように構成された１つまたは複数の音響波センサまたはセンサタグデバイスと、
   前記少なくとも一つの電界および／または磁界と相互作用し、電圧を生成するように動作可能な少なくとも１つのフィールドプローブと、
   前記少なくとも一つのフィールドプローブによって生成された電圧に応答するインピーダンスを生成するように構成された少なくとも１つのトランジスタと、
   前記１つまたは複数の音響波センサまたはセンサタグデバイスを活性化するための無線周波数信号を受信し、前記１つまたは複数の音響波センサデバイスにおける音響波の伝搬によって生じた遅延の後に、無線周波数応答信号を送信するように構成された１つまたは複数のアンテナと、を備え、
   前記１つまたは複数の音響波センサまたはセンサタグデバイスは密閉封入されたパッケージアセンブリ内に搭載されており、これによって前記装置の外部の電界が前記１つまたは複数の音響波センサまたはセンサタグデバイスを横断して確立されるのを防ぐ、装置。
2. 前記トランジスタが電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）である、請求項１に記載の装置。
3. 前記ＦＥＴのドレンおよびソースは、前記１つまたは複数の音響波デバイスにおける少なくとも１つのトランスデューサに電気的に接続され、
   前記少なくとも１つのフィールドプローブによって生成された前記電圧は、前記ＦＥＴのゲートと前記ソースとの間の前記ＦＥＴのゲートへ印加される、請求項２に記載の装置。
4. 前記オブジェクトは、ある電圧で導電体であり、
   前記導電体の周囲の前記少なくとも一つの電界の強度を測定するために、前記少なくとも１つのフィールドプローブは、前記導電体から異なる半径方向距離に配置された２つの導電性オブジェクトを備える、請求項１に記載の装置。
5. 前記オブジェクトはＡＣ電流を伝送する導電体であり、
   前記磁界の強度を、前記導電体を通過する電流として測定するために、前記少なくとも１つのフィールドプローブは、前記導電体を含むループの面に配置された１つまたは複数の導電性ループを備える、請求項１に記載の装置。
6. 前記オブジェクトはＡＣ電流を伝送する導電体であり、
   前記１つまたは複数の導電性ループは、Ｒｏｇｏｗｓｋｉコイルをさらに備える、請求項５に記載の装置。
7. 前記オブジェクトはＡＣ電流を伝送する導電体であり、
   前記磁界の強度を、前記導電体を通過する電流として測定するために、前記少なくとも１つのフィールドプローブは、電流トランスデューサ（ＣＴ）を備える、請求項１に記載の装置。
8. 電界および／または磁界の強度をワイヤレスに測定するためのシステムであって、
   請求項１に記載の電界および／または磁界の強度をワイヤレスに測定するための１つまたは複数の装置と、
   前記１つまたは複数の装置を活性化するために無線周波数信号を送信し、前記１つまたは複数の装置からデータを収集し、前記システムの外部のオブジェクトによって生成された前記少なくとも一つの電界及び／又は磁界の強度の測定を生み出すために前記データを解釈するように動作可能な少なくとも１つのワイヤレスリーダと、を備えるシステム。
9. 導電体によって伝送された電流および電圧をワイヤレスに測定するためのシステムであって、
   請求項１に記載の電界の強度をワイヤレスに測定するための少なくとも１つの装置と、
   請求項１に記載の磁界の強度をワイヤレスに測定するための少なくとも１つの装置とを備え、
   前記装置は、ワイヤレス通信のために１つの共有されたアンテナを利用してよく、
   前記装置は、１つの共有された音響波デバイスを利用してよく、
   前記装置は、１つまたは複数のワイヤレスリーダによって監視され得る、システム。
10. 前記１つまたは複数の音響波センサまたはセンサタグデバイスが、無線周波数活性化信号を受信し、測定された前記少なくとも一つのパラメータによって変調された無線周波数応答信号を生成するように構成されており、
    前記１つまたは複数の音響波センサまたはセンサタグデバイスが、
    ＲＦ活性化信号に応答して音響波を発生させる少なくとも一つのトランスデューサと、
    それを横断して前記音響波が伝搬する少なくとも一つの音響波伝搬経路又は音響波チャネルと、
    前記音響波と相互作用するように構成された少なくとも一つの第二のトランスデューサ又は反射体と、を含む、請求項１に記載の装置。
11. 装置の外部のオブジェクトによって生成された電界及び磁界の両方の強度をワイヤレスに測定するための装置であって、
    複数のパラメータのうちの少なくとも一つのパラメータを測定するように構成された１つまたは複数の音響波センサ又はセンサタグデバイスと、
    測定された前記電界と相互作用し、電圧を生成するように動作可能な少なくとも１つのフィールドプローブと、
    測定された前記磁界と相互作用し、電圧を生成するように動作可能な少なくとも１つのフィールドプローブと、
    前記電界と相互作用するように動作可能な前記少なくとも一つのフィールドプローブによって生成された電圧に応答するインピーダンスを生成するように構成された少なくとも１つのトランジスタと、
    前記磁界と相互作用するように動作可能な前記少なくとも一つのフィールドプローブによって生成された電圧に応答するインピーダンスを生成するように構成された少なくとも１つのトランジスタと、
    前記１つまたは複数の音響波センサまたはセンサタグデバイスを活性化するための無線周波数信号を受信し、前記１つまたは複数の音響波センサデバイスにおける音響波の伝搬によって生じた遅延の後に、無線周波数応答信号を送信するように構成された１つまたは複数のアンテナと、を備える装置。
12. 電界及び磁界の両方の強度をワイヤレスに測定するためのシステムであって、
    請求項１１に記載の電界及び磁界の両方の強度をワイヤレスに測定するための１つ又は複数の装置と、
    前記１つまたは複数の装置を活性化するための無線周波数信号を送信し、前記１つ又は複数の装置からデータを収集し、前記システムの外部のオブジェクトによって生成された電界及び磁界の強度の測定を生み出すために前記データを解釈するように動作可能な少なくとも１つのワイヤレスリーダと、を備えるシステム。

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