WO2014015577A1 - 无线温度湿度传感器及系统和测量方法 - Google Patents

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Abstract

一种无线温度湿度传感器（100），包括基底（106）、馈电网络（105）、天线（104）、以及声表面波振荡器（101，102，103）。其中：声表面波振荡器（101，102，103）通过天线经由馈电网络（105）馈电；声表面波振荡器（101，102，103）包括基准振荡器（102）和测量振荡器（101，103）；且基准振荡器（102）和测量振荡器（101，103）之间的谐振频率差值被用以编码待测温度和/或湿度。本发明还包括一种无线温度湿度传感器系统和采用上述无线温度湿度传感器测量温度和/或湿度的方法。该系统可同时监测温度和湿度，可选择性地监测湿度或温度。此外，传感器随材料及连接件老化发生的谐振频率漂移在差分编码中被有效抑制，从而提高测量的长期稳定性并避免在使用过程中校准。

Description

无线温度湿度传感器及系统和测量方法 技术领域
本发明涉及一种无线传感器， 具体涉及使用声表面波振荡器的温度湿度传 感器。 背景技术
声表面波 (Surface Acoustic Wave— SAW)传感器是一种以 SAW为信息敏感 载体的传感器， 具有敏感精度高、 响应时间快、 适用范围宽、 体积小等特点， 在航空航天、 食品卫生、 环境监测、 医药化工、 过程监控、 军事安全等领域获 得了广泛的应用， SAW传感器显示了独特的技术优点。
目前已有多种声表面波多参量传感器， 例如， 中国实用新型专利第
CN201837405U号公开了一种反射式脉冲信号声表面波传感器，遥测装置发出的 无线脉冲信号被传感器天线接收并驱动叉指换能器产生射频声表面波， 该声波 脉冲被发射器反射并通过换能器及天线反向发射至遥测装置。 该传感器通过检 测反射延时变化提取温度等敏感量。 中国专利申请第 CN102313614公开了一种 提高精度的声表面波温度传感器， 使用多个反射器产生带有时间间隔的反射脉 冲序列， 通过结合使用该序列脉冲的延时差与单一频率下的多个脉冲间相位差 来提高温度检测精度。 上述专利使用了包含压电材料的声表面波装置。 应注意 到， 随着压电材料或电气连接件的老化， 反射延时会出现漂移， 从而影响测度 的长期稳定性。 同时该结构包含较大尺寸的延时传输线， 除不易小型化外， 还 引入较高的路径损耗， 减小可靠的无线通信距离。
另外， 中国专利第 CN201348624Y号中还公开了一种多通道声表面波化学 传感器装置， 这种装置包含多个并行的声表面波检测通道以及一个参考通道， 通过混频器产生各检测通道与参考通道间的频率差值并经由线缆送至分析装置。 该发明需要使用有线方式传输较低频率的差频信号， 并包含有源外围电路， 从 而无法实现无源无线传感器。 此外， 该装置不包含温度或湿度检测功能。
- 1 - 替换页 （细则第 26条） 发明内容
本发明的目的是提供一种易于小型化且不会由于器件的老化而引起测量精 度下降的无线温度湿度传感器。
根据本发明的第一方面，本发明提供了一种无线温度湿度传感器，包括基底、 馈电网络、 天线、 以及声表面波振荡器， 其特征在于：
所述声表面波振荡器通过所述天线经由所述馈电网络馈电；
所述声表面波振荡器包括基准振荡器和测量振荡器； 且
所述基准振荡器和测量振荡器之间的谐振频率差值被用以编码待测温度和 /或 湿度。
一优选实施例中， 所述的无线温度湿度传感器中， 所述测量振荡器包括湿度测 量振荡器和温度测量振荡器； 所述基准振荡器、 所述湿度测量振荡器和温度测量振 荡器并联连接；
所述温度测量振荡器具有与所述基准振荡器不同的频率温度系数； 以及所述湿 度测量振荡器表面附着亲水性涂层， 使所述湿度测量振荡器具有与所述基准振荡器 不同的频率湿度系数。
优选地，所述温度测量振荡器置于封闭的封装结构内，以便选择性地监测温度。 优选地， 所述湿度测量振荡器通过亲水性薄膜镀层来封装， 以便选择性地监测 湿度。
另一优选实施例中， 所述传感器能够同时监测温度与湿度， 或选择性地监测温 度或湿度。
另一优选实施例中， 所述基准振荡器和所述测量振荡器在同一片或多片的单层 或多层压电材料膜基底上制作。
优选地，所述基准振荡器与所述测量振荡器具有不同的相对基底晶体相角的朝 向
优选地，所述薄膜镀层通过气相或液相镀膜附着在基底和湿度测量振荡器的表 面。
根据本发明的第二方面， 本发明还提供一种无线温度湿度传感器系统， 包括基 底、 馈电网络、 天线、 声表面波振荡器、 以及遥测装置， 其特征在于- 所述声表面波振荡器通过所述天线经由所述馈电网络馈电；
所述声表面波振荡器包括基准振荡器和测量振荡器， 所述基准振荡器与测量振
-2- 替换页 （细则第 26条） 荡器具有不同的相对基底晶体相角的朝向；
所述基准振荡器和测量振荡器之间的谐振频率差值被用以编码待测温度和 /或 湿度； 且
所述遥测装置扫描所述声表面波振荡器反射信号的谐振频率或电平相位并计 算其差值， 以便提取待测温度或湿度。
一优选实施例中，所述无线温度湿度传感器工作频率范围与临近的同型传感器 工作频率范围互不重叠， 以方便所述遥测装置同时査询。
一优选实施例中，所述遥测装置具备人机界面以提供温度和 /或湿度读数， 以及 处理装置以提供预设门限的报警信号。
一优选实施例中， 所述遥测装置包括有线或无线中继器或集线器， 以便实现集 群并与远程监控装置保持单向或双向通信。
根据本发明的第三方面，本发明还提供了一种测量温度和 /或湿度的方法，其特 征在于： 采用上面所述的无线温度湿度传感器及其系统， 并利用所述基准振荡器与 所述测量振荡器的频率差来编码温度和 /或湿度。
根据本发明的第四方面， 本发明还提供了一种测量温度和 /或湿度的方法， 包括 步骤： 在被测物体上布置上面所述的无线温度湿度传感器； 获取基准振荡器和测 量振荡器的频率并计算所述基准振荡器与所述测量振荡器间的频率差； 以及利 用所述频率差计算被测物体的温度和 /或湿度。
本发明的第一方面的无线温度湿度传感器中， 所有声表面波振荡器均由集 成的天线通过馈电网络馈电， 各振荡器工作在相邻或相同谐振频率， 振荡器间 谐振频率差值被用以编码待测温度或湿度。 基准振荡器与各测量振荡器在同一 基底上按优选的朝向加工， 可分别实现相对于基底晶体相角不同的夹角， 从而 使得基准振荡器具有与各测量振荡器不同的频率温度系数。 各振荡器可以具有 统一或分立的封装结构。 同时其中一个测量振荡器表面附着亲水性涂层， 并与 外环境直接接触， 使其具有与基准振荡器不同的频率湿度系数， 该振荡器提供 湿度测度， 而没有亲水涂层的振荡器则提供温度测度。 且此温度测度也可被进 一步用于补偿湿度检测中的温度影响。 同时各振荡器随材料及连接件老化发生 的谐振频率漂移或相位漂移在差分编码中被有效抑制。
根据本发明的第二方面的无线温度湿度传感器系统中， 上述传感器与遥测 装置协同工作。 遥测装置使用有限带宽的高频连续调频电磁波照射前述传感器，
- 3 - 替换页 （细则第 26条） 被传感器天线接收后激励声表面波振荡器， 并通过天线反馈至遥测装置。 如果 温度或湿度测度低于或高于预设门限， 该装置会告警， 并将该信号发布到远处 的接收装置。 附图说明
图 1是本发明的无线无源温度湿度传感器的示意性结构俯视图；
图 2是根据本发明的无线温度湿度传感器的示意性结构剖视图；
图 3 是本发明的传感器的一个实施例的频谱结构与频率差值的示意图； 以 及
图 4和 5为一个实施例中的温度湿度和频率之间关系的曲线图， 其中， 图 4 为湿度测量中频率随相对湿度的变化， 图 5 为各频率及频差随温度及湿度的变 化。 具体实施方式
以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明， 以便更清楚理解本发明 的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制， 而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。
图 1示出本发明的无线无源温度湿度传感器 100的示意性结构俯视图。 如 图 1所示， 传感器 100包括： 压电基底 106， 集成天线 104， 馈电网络 105， 温 度测量振荡器 101， 基准振荡器 102， 和 /或湿度测量振荡器 103。 其中， 温度测 量振荡器 101和湿度测量振荡器 103为测量振荡器。 压电基底 106为温度敏感 的晶片或薄膜， 其硬度、 密度及尺寸随温度变化。 在实施时， 可根据具体应用 来选择压电基底 106的材料、 切片方向及厚度。 优选地， 压电基底 106的材料 为铌酸锂、 水晶、 氧化锌、 氮化铝、 硫化镉、 或硅酸镓镧等。 此外， 该基底底 部还包含必要的支撑层， 该支撑层材料优选地为陶瓷或金属支架， 支撑层的厚 度可根据需要来选择。
集成天线 104为小型化集成天线， 本例中为曲折线偶机子、 微带贴片、 倒 F 或开槽天线。 其射频接地与传感器的地电位相连接， 同时通过可选的阻抗匹配 网络提高馈电效率。 集成天线用于传递或反馈温度和 /或湿度信号， 并用于对湿 度测量振荡器、 温度测量振荡器、 以及基准振荡器无线供电。
-4- 替换页 （细则第 26条） 馈电网络 105 连接天线信号抽头， 可使用微带线或金属跳线连接， 可根据 需要来选择馈电网络 105的微带线或金属跳线的长度和直径或宽度。
振荡器 101、 102和 103为声表面波振荡器，分别包含叉指换能器 101b、102b 和 103b， 以及短路反射器 101a、 102a和 103a。 各叉指换能器与对应反射器工作 在相同频率点， 各振荡器分别工作在相邻而不重叠的谐振频率 、 f2和 f3。 振荡 器 101、 102和 103并联连接， 同时， 基准振荡器 101具有与测量振荡器 102和 103不同的相对基底晶体相角的朝向， 其朝向夹角为 ， 优选地， 夹角范围为 25° 至 45°。
图 2示出本发明的无线无源温度湿度传感器 100的示意性结构剖视图。 其 中， 衬底 107为起支撑作用的无源衬底， 本实施例中为金属支架。 基底 106为 温度敏感的压电晶片或压电薄膜， 可使用单晶生长工艺制备切片后固定在支架 上， 也可使用物理或化学气相镀膜于支架表面。 随后使用包括光刻、激光雕刻、 印刷或粘结等表面微加工工艺在压电基底上加工特定形状和厚度的金属膜结构 202 (即振荡器中的叉指换能器） ， 金属膜结构材料可选自铝、 金、 钨、 铜、 钛 等材料及其合金。 需要指出的是， 各振荡器 101、 102、 103 可制作在同一片或 多片的单层或多层压电材料膜基底上。
各振荡器 101、 102、 103可使用两种封装方式来封装， 即通过薄膜镀层 201 封装或壳体 203来封装。 其中， 薄膜涂层 201 可通过气相或液相镀膜附着在压 电基底与金属膜结构表面， 本实施例中使用氧化铝材料 （也可使用氧化硅等材 料） 形成钝化表面来达到密封温度测量振荡器 101和基准振荡器 102 目的。 或 者， 使用高孔率的氧化锌或氮化铝等孔状材料来形成吸附蒸汽的亲水性薄膜镀 层 201来封装湿度测量振荡器 103，且亲水性薄膜镀层 201的上表面暴露于外环 境中。 图中所示的实施例中， 使用高孔率的氧化锌或氮化铝等孔状材料来形成 吸附蒸汽的亲水性薄膜镀层 201来封装湿度测量振荡器 103， 而使用金属、陶瓷 或塑料壳体通过粘结或悍接方式固定在温度测量振荡器 101 和基准振荡器 102 上来封装温度测量振荡器和基准振荡器。
另一个优选实施例中， 传感器 100中， 使用铌酸锂基片的 160nm厚铝 -铜质 薄膜插指换能器，压电基片底部还包含金属支架，厚度可取 600微米至数毫米， 优选地， 本实施例中厚度为 1毫米， 各振荡器 101、 102、 以及 103含有 50对电 极， 以及对称分布于振荡器两侧的 100个周期长度的反射栅。 传感器的工作频 替换页 （细则第 26条) 率设计在 860MHz附近。首先使用氧化锌多孔薄膜封装湿度测量振荡器 103， 并 使用氧化硅薄膜实现惰性封装温度测量振荡器 101和基准振荡器 102。
图 3为本发明的一实施例中的传感器 100的随温度湿度变化的曲线图。 本 例中各振荡器分别工作在频率 &、 f2和 f3， 其中温度测量振荡器工作在频率 f 基准振荡器工作在频率 f2，湿度测量振荡器工作在频率 f3。频率差 用于编码 温度， △¾用于编码湿度：
(1)
△fH = f3 - f2 (2)
应注意， 若附近有同型传感器时， 需优选频率范围以避免频率冲突， 同时 保证遥测装置可同时査询 （即可检测到并可识别） 这些传感器。
图 4和 5为一个实施例中的温度湿度和频率之间关系的曲线图。其中， 图 4 为湿度测量中频率随相对湿度的变化， 图 5 为各频率及频差随温度及湿度的变 化。
具体地， 湿度测量振荡器上表面涂层 （膜） 随外环境蒸汽分压 ^按以下规 律变化改变密度 p: p(^) = o + -¾7- (3)
/ pv
其中 fc为膜厚度决定的常量， pv为蒸汽密度。 而且， 膜厚度也随吸附蒸汽而 变厚。
图 5显示了这两个变化使得涂覆有该膜的湿度测量振荡器内高频声波速率 变化从而引起频变。当相对湿度在 0%到 100%范围内变化时，该频变可达 150ppm。 应注意， 此时用于编码湿度的频差 Δ 是包含可能的相对于室温的温度变化 ΔΤ = T - To和相对于参考环境湿度的湿度变化 ΔΗ = H - HQ引起的频率变化的总 频差 (其中 ^为室温， HQ为参考环境湿度)， 因此相对湿度需按以下方式提取：
Figure imgf000008_0001
其中 H(：、 (1 = 0 ... ^1)及^(1 = 0 ... ?)为校准系数， 在出厂时使用曲线拟合或 迭代法求解向量方程组方式校准。 此流程可分为两步：
首先在预设湿度^…^！^+^及环境温度^下测量湿度测量振荡器 103 与基
一 6—
替换页 （细则第 26条） 准振荡器 102的频差 AfH， 建立以下方程组并迭代求解 He：、 βί(ϊ = 0 ... Μ):
Figure imgf000009_0001
随后在预设温度^...7^ 及参考环境湿度 下测量湿度测量振荡器 103与基 准振荡器 102的频差 ΔίΗ及基准振荡器 102与温度测量振荡器 101频差 AfT，建立 以下方程组并求解^0 = 0 ... ?) :
Figure imgf000009_0005
Figure imgf000009_0002
Figure imgf000009_0006
此外， 也可取比待解向量长度更长的测量采样点数， 即多于 Μ+2的湿度样 点数或大于 P+1 的温度样点数进行拟合得到上述校准参数。 上述湿度测量过程 及校准方式使得传感器可直接提取湿度。 须注意， 上述湿度测量中， 器件老化 引起的频率漂移即已在频率差分 AfT及 Δ 中抵消，因此使用过程中无需再次校准 各系数， 从而保证了湿度测量的长期稳定性。
另外， 该传感器也可通过以下方式提取温度。 具体地， 通过 的高阶多 项式可提取相对于出厂校准环境温度的温度变化 ΔΤ:
Figure imgf000009_0003
其中， 校准系数 Tc、 各 ai ( i = 0...N) 在出厂时使用迭代法求解向量方程方 式校准，即在预设温度 T。...TN+1下测量基准振荡器 102与温度测量振荡器 101的 频率差值， 并建立以下方程组， 通过迭代法解出丁（
(
Figure imgf000009_0004
同样的，上述的温度测量中，器件老化引起的频率漂移即已在频率差分 AfT中 抵消， 因此使用过程中无需再次校准各系数， 从而保证了温度测量的长期稳定 性。 替换页 （细则第 26条) 本发明的另一实施例中， 上述温度湿度传感器还可与遥测装置 （未图示） 协同工作而构成传感器系统， 其中， 遥测装置可为本领域已知的适当的遥测装 置， 在此不再详述。 遥测装置使用有限带宽高频连续调频电磁波照射前述传感 器， 被传感器天线接收后激励各声表面波振荡器（温度测量振荡器 101、 基准振 荡器 102、 以及湿度测量振荡器 103 ) 。 此间， 压电薄膜基底形变并充电， 从而 在照射关闭后仍维持短暂振荡， 并通过天线将各振荡器频率反馈至遥测装置。 该遥测装置可包含人机界面及数据处理功能， 可在本地直接显示温度湿度度数 并根据预设阈值报警。 而且， 该遥测装置还可包括有线或无线中继器或集线器， 以便实现集群并与远程监控装置保持单向或双向通信， 将温度和 /或湿度数据发布 至远方的控制装置以形成集群组网能力。
另外， 需要指出的是， 当仅需要测量温度时， 本发明的传感器系统可不包 括湿度测量振荡器。 同理， 当仅需测量湿度时， 本发明的传感器系统可不包括 温度测量振荡器。 而且， 根据具体应用， 在一个传感器中， 可设置多个温度测 量振荡器和 /或多个湿度测量振荡器和 /或多个基准振荡器， 以提高测量精度及可 靠性。
以上已详细描述了本发明的较佳实施例， 但应理解到， 在阅读了本发明的 上述讲授内容之后， 本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改。 这些等 价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
- 8- 替换页 （细则第 26条)

Claims

权 利 要 求
1.一种无线温度湿度传感器， 包括基底、 馈电网络、 天线、 以及声表面波振荡 器， 其特征在于：
所述声表面波振荡器通过所述天线经由所述馈电网络馈电；
所述声表面波振荡器包括基准振荡器和测量振荡器； 且
所述基准振荡器和测量振荡器之间的谐振频率差值被用以编码待测温度和 /或 湿度。
2.根据权利要求 1所述的无线温度湿度传感器， 其特征在于：
所述测量振荡器包括湿度测量振荡器和温度测量振荡器， 所述基准振荡器、 所 述湿度测量振荡器和温度测量振荡器并联连接；
所述温度测量振荡器具有与所述基准振荡器不同的频率温度系数； 以及 所述湿度测量振荡器表面附着亲水性涂层，使所述湿度测量振荡器具有与所述 基准振荡器不同的频率湿度系数。
3.根据权利要求 1所述的无线温度湿度传感器， 其特征在于： 所述传感器能够 同时监测温度与湿度， 或选择性地监测温度或湿度。
4.根据权利要求 1所述的无线温度湿度传感器， 其特征在于： 所述基准振荡器 和所述测量振荡器在同一片或多片的单层或多层压电材料膜基底上制作。
5. 根据权利要求 1所述的无线温度湿度传感器，其特征在于：所述基准振荡器 与所述测量振荡器具有不同的相对基底晶体相角的朝向。
6.根据权利要求 2所述的无线温度湿度传感器， 其特征在于： 所述温度测量振 荡器置于封闭的封装结构内， 以便选择性地监测温度。
7.根据权利要求 2所述的无线温度湿度传感器， 其特征在于： 所述湿度测量振 荡器通过亲水性薄膜镀层来封装， 以便选择性地监测湿度。
8.根据权利要求 7所述的无线温度湿度传感器， 其特征在于： 所述薄膜镀层通 过气相或液相镀膜附着在基底和湿度测量振荡器的表面。
9.一种无线温度湿度传感器系统， 包括基底、 馈电网络、 天线、 声表面波振荡 器、 以及遥测装置， 其特征在于：
所述声表面波振荡器通过所述天线经由所述馈电网络馈电；
所述声表面波振荡器包括基准振荡器和测量振荡器，所述基准振荡器与测量振 荡器具有不同的相对基底晶体相角的朝向； 所述基准振荡器和测量振荡器之间的谐振频率差值被用以编码待测温度和 /或 湿度； 且
所述遥测装置扫描所述声表面波振荡器反射信号的谐振频率或电平相位并计 算其差值， 以便提取待测温度或湿度。
10. 根据权利要求 9所述的无线温度湿度传感器系统， 其特征在于： 所述无 线温度湿度传感器工作频率范围与临近的同型传感器工作频率范围互不重叠， 以方 便所述遥测装置同时查询。
1 1. 根据权利要求 9所述的无线温度湿度传感器系统， 其特征在于： 所述遥 测装置具备人机界面以提供温度和 /或湿度读数， 以及处理装置以提供预设门限的报 警信号。
12. 根据权利要求 9所述的无线温度湿度传感器系统， 其特征在于： 所述遥 测装置包括有线或无线中继器或集线器， 以便实现集群并与远程监控装置保持单向 或双向通信。
13. 一种测量温度和 /或湿度的方法， 其特征在于： 采用权利要求 1-8中任一 项所述的无线温度湿度传感器， 并利用所述基准振荡器与所述测量振荡器的频率差 来编码温度和 /或湿度。
14. 一种测量温度和 /或湿度的方法， 步骤如下：
在被测物体上布置如权利要求 1-8中任一项所述的无线温度湿度传感器； 获取基准振荡器和测量振荡器的频率并计算所述基准振荡器与所述测量振 荡器间的频率差； 以及
利用所述频率差计算被测物体的温度和 /或湿度。
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