KR20020038931A - 패시브 센서용 질의 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

SAW 소자같은 패시브 센서의 공진 주파수를 결정하기 위한 장치로서, 상기 장치는 1) 다수의 주파수의 신호를 상기 패시브 센서(2)에 전송하는 수단(5, 7, 3), 2) 상기 신호 전송과 동시에 상기 패시브 센서로부터 신호를 수신하는 수단(3, 7), 3) 센서가 그 공진 주파수에서 구동중일 때 발생하는 수신 신호 및 송신 신호간 관계의 특성 변화를 식별하기 위해 수신 신호를 송신 신호와 비교하는 수단을 포함한다. 일반적으로, 패시브 센서가 구동되는 주파수가 센서의 공진 주파수를 거쳐감에 따라, 패시브 센서에 의해 발생되는 신호의 위상이나 진폭이 변할 것이다. 위상이나 진폭의 이러한 변화를 식별함으로서, 공진이 발생하는 시점을 감지할 수 있다. 패시브 센서가 공진 주파수에서 구동중임을 비교값이 표시하는 순간에 송신 신호의 주파수는 센서의 공진 주파수이다.

Description

패시브 센서용 질의 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR INTERROGATING A PASSIVE SENSOR}

온도, 압력, 응력변형과 같은 매개변수들을 감시하기 위해 사용되는 표면음향파(SAW) 소자는 잘 알려져 있다. 이러한 소자들은 압전 기판에 증착되는 마이크로-구조물로 만들어지는 공진기로 구성된다. 증착물은 빗-형태로 생긴 한 쌍 이상의 삽입형 전극을 형성하도록 배열된다. 일반적으로, 전극은 알루미늄으로 만들어지고(물론 다른 전도체들이 사용될 수도 있음), 100 옹스트롬 수준의 두께를 가진다. 압전 기판은 세라믹이나 쿼츠 물질로 제작되는 것이 일반적이다.

현재, 전극 쌍 중 한 전극에 전기 펄스 신호를 공급하는 것은 관련된 SAW 소자를 트랜스듀서로 작용하게 한다. 입력 전기 신호는 전극 쌍 중 나머지 한 전극에 기판을 통해 전달되는 표면파로 변환된다. 상기 나머지 전극에 표면파가 도달하면, 변환(transducing)이 역전되고 출력 전기 신호가 발생한다. 이 출력 신호는 특성 공진 주파수를 가지며, 이 주파수는 마이크로-구조 증착물의 형태를 포함한 다수의인자(예를 들어 삽입형 전극간 간격)에 따라 좌우된다. 기판이 변형됨에 따라 전극 쌍내 삽입형 전극의 간격이 변하기 때문에, SAW 소자의 조건 변화는 소자 공진 주파수를 감시함으로서 결정될 수 있다. 이 방식으로, SAW 소자의 조건에 영향을 미치는 온도, 압력, 응력변형같은 매개변수들이 측정될 수 있다. 예를 들어, SAW 소자의 온도가 내려가면, 압전 기판의 크기가 줄어들고, 삽입형 전극들이 더 가까워진다. 그 결과, SAW 소자의 공진 주파수가 증가한다. 이 증가는 온도 변화의 표시를 제공함으로서 측정될 수 있다.

SAW 소자에 질의하기 위한 공지 기술의 시스템에서, 여기 펄스 형태의 입력 신호(일반적으로 그 주기가 10㎲)가 공진 개시를 위해 질의 장치에 의해 소자 전극 중 하나에 공급된다. 여기 펄스의 종료에 이어, SAW 소자에 의해 발생되는 출력 신호는 공진 주파수에서 짧은 시간 주기동안 안정화 이전에 과도기적 상태로 진행된다. 출력 신호의 안정화에 소요되는 시간 내에, 질의 장치는 신호 송신 모드로부터 신호 수신 모드로 스위칭된다. 그후 SAW 소자로부터의 출력 신호는 질의 장치에 의해 수신될 수 있고, 출력 신호 주파수를 결정하도록 적절하게 분석될 수 있다. 출력 신호의 주파수는 SAW 소자의 공진 주파수와 같다.

그러나, SAW 소자로부터의 출력 신호를 안정화시킬 필요성과, 질의 장치를 송신 모드와 수신 모드간에 스위칭할 필요성은 질의 과정을 엉뚱하게 연장시킬 수 있다. 특히, 다수의 패시브 센서가 동일한 질의 장치에 의해 질의받는 상황에서 더욱 그러하다. 이는 공지 기술 시스템에서 인지된 문제점이다.

패시브 센서의 공진 주파수를 빠르고 편리한 방식으로 결정하는 장치 및 방법을 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.

서로 다른 동작 원리 하에서 기능하는 두 개 이상의 패시브 센서에 질의하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이 발명의 또다른 목적이다.

본 발명은 패시브 센서에 질의(interrogation)하는 장치 및 방법에 관한 것이고, 특히 표면 음향파(SAW) 소자를 통합한 패시브 센서에 질의하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 질의 장치와 그 관련 패시브 센서의 블록도표.

도 2는 신호 송신 및 수신을 위한 수단의 회로도.

본 발명의 첫 번째 태양은 패시브 센서의 공진 주파수를 결정하기 위한 장치를 제공하는 것으로서, 상기 장치는 1) 다수의 주파수의 신호를 상기 패시브 센서에 전송하는 수단, 2) 상기 신호 전송과 동시에 상기 패시브 센서로부터 신호를 수신하는 수단, 3) 센서가 그 공진 주파수에서 구동중일 때 발생하는 수신 신호 및 송신 신호간 관계의 특성 변화를 식별하기 위해 수신 신호를 송신 신호와 비교하는 수단, 4) 패시브 센서가 공진 주파수에서 구동중임을 비교값이 표시하는 순간에 송신 신호의 주파수를 결정하기 위한 수단을 포함한다.

따라서 본 발명에 따르는 장치는 SAW 소자처럼 패시브 센서에 구동 신호를 전송하고, 이와 동시에 구동 신호에 따라 센서에 의해 발생되는 신호를 수신한다. 질의 장치에 의해 수신되는 복귀 신호는 송신 신호와 비교된다. 송신 신호와 수신 신호는 송신기, 수신기, 센서의 상호간격에 의해 결정되는 위상 관계를 가질 것이다. 어떤 간격에 대해서도, 위상 관계는 센서를 구동하는 신호와, 이 구동 신호에 따라 센서에 의해 발생되는 신호 사이의 위상 관계에 따라 좌우된다. 구동 신호와, 구동 신호에 따라 센서에 의해 생성되는 신호간 위상 관계는 센서의 공진 주파수에서 변화할 것이다.

송신 신호의 주파수가 변화하지만 송신기, 수신기, 센서간의 거리는 일정하게 유지됨에 따라 수신 신호를 송신 신호와 비교함으로서, 구동 신호에 따라 센서에 의해 발생되는 신호의 위상 변화를 감지할 수 있다. 주파수가 감지되는 순간에 송신기가 센서를 구동하는 주파수는 센서의 공진 주파수일 것이고, 이에 따라 앞서 설명한 바처럼 공진이 감지될 때, 송신기가 센서를 구동할 때의 주파수를 식별함으로서 공진 주파수를 직접 얻을 수 있다.

구동 신호는 센서의 기대 공진 주파수에 걸친 주파수의 포괄적 범위로 변조되는 주파수인 고주파 신호이다. 구동/비교 시스템과 관련된 안테나와, 센서와 관련된 안테나를 이용하여 무선 신호로 센서와 송신기간 갭 사이에서 신호가 전송되는 것이 선호된다. 센서에 구동 신호를 전송하고 센서로부터 신호를 수신하기 위해 구동/비교 시스템에 단일 안테나가 사용되는 것이 선호된다. 송신 및 수신 신호의 비교는 호모다인 수신기(homodyne receiver)를 이용하는 것이 효과적이다.

본 발명의 두 번째 태양은 패시브 센서의 공진 주파수를 결정하기 위한 방법을 제공하는 것으로서, 상기 방법은, 1) 다수의 주파수의 신호들을 상기 패시브 센서에 송신하고, 2) 상기 신호 송신과 동시에 상기 패시브 센서로부터 신호를 수신하며, 3) 센서가 그 공진 주파수에서 구동되고 있을 때 발생하는 수신 신호 및 송신 신호간 관계의 특성 변화를 식별하도록 수신 신호를 송신 신호와 비교하고, 4) 센서가 그 공진 주파수에서 구동중임을 비교값이 표시할 때 송신 신호의 주파수를 결정하는, 이상의 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 질의 장치의 기본 구조는 도 1의 블록도표로 도시된다. 이 도면은 고주파 신호를 이용하는 SAW 소자같은 패시브 센서(2)와 통신하는 질의 장치(1)를 도시한다. 따라서, 질의 장치와 패시브 센서에는 적절한 안테나(3, 4)가 제공된다. 단일 패시브 센서(2)가 도 1에 도시되지만, 발명에 따르는 간섭 장치는 동일 종류일 수 있고 동일 종류가 아닐 수도 있는 다수의 센서를 질의하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 높은 "Q" 패시브 센서(가령, SAW 소자)는 낮은 "Q" 패시브 센서와 연계하여 질의받을 수 있다.

도 1에 도시되는 질의 장치는 고주파 신호를 발생시키기 위한 RF 소스(5)를 포함한다. RF 소스의 동작 주파수는 산업 과학 의료(ISM) 주파수 범위 내(즉, 868MHz 또는 2.45GHz)일 수 있고, 그렇지 않을 경우 적정한 값으로 취할 수 있다. RF 소스(5)에 의해 발생되는 RF 신호의 성질은 적절한 프로세서/제어기(6)에 의해 결정된다.

프로세서/제어기(6)로부터의 명령에 따라 RF 소스(5)에 의해 발생되는 고주파 신호는 패시브 센서(2)에 전송되어, 고주파 신호를 동시에 송신 및 수신할 수 있는 송/수신 회로("TX/RX")(7)를 통해 패시브 센서(2)가 질의받을 수 있다.

도 1의 질의 장치에 제공되는 TX/RX 회로(7)는 도 2에 도식적으로 도시된다. 도 2에 도시되는 TX/RX 회로(7)는 RF 소스(5)로부터 RF 입력(8)을 수신한다. 입력이 방향성 커플러(9)에 공급되고, 방향성 커플러(9)는 대부분의 RF 신호를출력(11)에 전달하고 RF 신호의 일부를 출력(10)에 전달한다. 출력(11)에서의 벌크 신호는 출력(13)을 통해 안테나(3)에 구동 신호를 제공하기 위해 직교 하이브리드 소자(12)를 통과한다.

커플러 출력(10)에서의 RF 신호는 직교 하이브리드(14)를 통과하여 입력 기준 신호를 호모다인 감지기(16)에 제공한다. 호모다인 감지기로의 또다른 입력은 직교 하이브리드로부터 라인(15)을 통하여 도출된다. 직교 하이브리드(12)는 안테나로부터 수신한 신호를 호모다인 감지기의 전력 스플리터 입력으로 보낸다. 호모다인 감지기의 동작에 관한 추가 정보를 위해서는 1990년 G Hygate와 J F Nye에 의해 Measurement Science and Technology 703-709쪽에 출판된 논문, "Measuring microwave field directly with an optically modulated scatterer"을 살펴볼 수 있다.

RF 소스(5)에 의해 발생되는 구동 신호에 따라 패시브 센서(2)에 의해 발생되는 고주파 신호가 질의 장치에 의해 수신되면, 원래 전송된 고주파 출력 신호와 TX/RX 회로(7)에 의해 조합된다. 일반적으로, 출력(송신) 및 입력(수신) 신호의 위상 및 진폭 비교값이 영향을 받는다. TX/RX 회로(7)에 의해 발생된 조합 신호는 패시브 센서가 그 공진 주파수에서 구동중인 지 여부를 결정하는 프로세서/제어기(6)에 입력으로 제공된다.

사용시에, RF 소스(5)는 질의받을 센서의 공진 주파수에 걸친 순차적 범위의 주파수를 가지는 구동 신호를 생성한다. 이 주파수 범위는 서로 다른 주파수를 가지는 구분된 세트의 주파수 펄스로, 또는 연속적으로 변하는 주파수로 생성될 수있다. RF 소스(5)는 센서의 공진 주파수에 걸친, 본질적으로 연속인 범위의 구동 주파수를 제공하도록 주파수 변조되는 RF 신호를 생성한다.

센서(2)가 그 공진 주파수보다 작은 주파수에서 구동중일 때, 구동 신호에 따라 발생시키는 신호는 구동 신호를 위상 지연(phase lag)시킬 것이다. 센서가 그 공진 주파수보다 큰 주파수에서 구동중일 때, 구동 신호에 따라 발생시키는 신호는 구동 신호를 위상 선행(phase lead)시킬 것이다. 공진 점에서, 구동 신호와 그 결과 신호는 동상(in-phase)이거나 180도 이상(out-of phase)일 것이다. 송신 신호가 공진 주파수를 지나감에 따라 수신 신호와 송신 신호간 위상 관계를 감시함으로서, 공진 시에 발생하는 위상 변화가 TX/RX 회로(7)에서 감지될 수 있다. 대안으로, 센서(2)로부터 TX/RX 회로에서 수신한 신호의 진폭이 송신된 구동 신호의 진폭과 비교될 수 있다. 공진 시점에서, 수신 신호의 진폭은 감소할 것이고, 이는 수신 신호 및 송신 신호의 진폭 비교로부터 감지할 수 있다. 프로세서/제어기는 출력 신호의 주파수를 기준하여 공진 주파수를 결정할 수 있고, 질의 하에서 특정 패시브 센서에 대한 데이터 측정에 따라 적절한 매개변수(가령, 온도) 측정을 제공할 수 있다.

Claims (10)

1. 패시브 센서의 공진 주파수를 결정하기 위한 장치로서, 상기 장치는,

   - 다수의 주파수의 신호를 상기 패시브 센서에 전송하는 수단,

   - 상기 신호 전송과 동시에 상기 패시브 센서로부터 신호를 수신하는 수단,

   - 센서가 그 공진 주파수에서 구동중일 때 발생하는 수신 신호 및 송신 신호간 관계의 특성 변화를 식별하기 위해 수신 신호를 송신 신호와 비교하는 수단,

   - 패시브 센서가 공진 주파수에서 구동중임을 비교값이 표시하는 순간에 송신 신호의 주파수를 결정하기 위한 수단

   을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 구동 신호는 센서의 기대 공진 주파수에 걸친 포괄적 주파수 범위로 주파수 변조되는 고주파 신호인 것을 특징으로 하는 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 구동 신호는 센서의 기대 공진 주파수에 걸친 순차적 범위의 분리된 주파수들의 가지는 펄스를 포함하는 고주파 신호인 것을 특징으로 하는 장치.
4. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 신호들은 구동/비교 시스템과 관련된 안테나와, 센서와 관련된 안테나를 이용하여 송신기 및 센서간 갭 사이에서 무선 신호로 송신되는 것을 특징으로 하는 장치.
5. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 센서에 구동 신호를 송신하고 센서로부터 그 결과 신호를 수신하기 위해 구동/비교 시스템에 단일 안테나가 사용되는 것을 특징으로 하는 장치.
6. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 송신 신호와 수신 신호간 비교가 위상 비교인 것을 특징으로 하는 장치.
7. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 송신 신호와 수신 신호의 비교가 진폭 비교인 것을 특징으로 하는 장치.
8. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 송신 신호와 수신 신호의 비교는 호모다인 수신기(homodyne receiver)를 이용하여 실행되는 것을 특징으로 하는 장치.
9. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 센서가 표면 음향파(SAW) 소자인 것을 특징으로 하는 장치.
10. 패시브 센서의 공진 주파수를 결정하기 위한 방법으로서, 상기 방법은,

    - 다수의 주파수의 신호를 상기 패시브 센서에 송신하고,

    - 상기 신호 송신과 동시에 상기 패시브 센서로부터 신호를 수신하며,

    - 센서가 그 공진 주파수에서 구동중일 때 발생하는 수신 신호 및 송신 신호간 관계의 특성 변화를 식별하기 위해 수신 신호를 송신 신호와 비교하고,

    - 센서가 그 공진 주파수에서 구동 중임을 비교값이 표시할 때의 순간에 송신 신호의 주파수를 결정하는,

    이상의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.