一种通用电抗型传感元件用无源无线遥测接口芯片制造技术

本实用新型专利技术涉及一种通用电抗型传感元件用无源无线遥测接口芯片，其衬底为压电基片。芯片上集成有一个或多个谐振频率各不相同的声表面波谐振器，和与各声表面波谐振器配套的电感电容，各声表面波谐振器与配套的电感电容构成低失配网络。前述一个芯片就是一个通用电抗型传感元件的无线遥测接口，配上天线，就构成声表面波谐振器接口型无线传感应答器。通用电抗型传感元件输出的模拟传感信号被变换为射频回波频率信号，实现了通用电抗型传感元件无线传感功能。本实用新型专利技术简化并保证了通用电抗型传感元件实现无线传感功能，且传感信息是准数字信号，简化了应用。特别是无源的通用电抗型传感元件能构成无源无线传感应答器，适合长期和严酷环境应用。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种传感元件用无线遥测接口，特别是采用声表面波技术的一种通用电抗型传感元件用无源无线遥测接口芯片。
技术介绍
物联网的兴起推动了传感器的发展，新型无线传感器成为研发重点。无线传感，是通过无线信道实现传感信息获取过程。被动式无线传感系统，由应答器、读写器和信息处理机构成(图1)。应答器是一个能在待测环境中运行并具有产生及回传环境参量传感信息的独立部件，主要由传感元件、无线遥测接口和天线组成，其中无线遥测接口是实现传感信息射频无线电化的部件。读写器是激励应答器工作和接收射频传感信号的设备。国际标准推荐无线传感系统使用860MHz～960MHz超高频频段，北美为902～928MHz，欧洲为865～868MHz，而我国拟采用840～845MHz和920～925MHz两个频段。现今成熟的通用传感元件要实现无线传感功能，其应答器几乎都必须连接电路复杂的无线遥测接口，而一般采用的无线遥测接口，结构复杂且需要提供直流电源。简化应答器的无线遥测接口，尽量降低应答器的外接能源要求，是所有应答器追求的目标。目前，广受重视的声表面波无线传感系统，其应答器是一种采用声表面波技术制作的无源应答器，其特点是它将传感元件与无线遥测接口两者功能集于一身：基于声表面波器件中压电晶片上的叉指换能器(IDT)在直连射频天线后能实现电磁波收发功能，并利用压电基片的机械特性或其上吸附膜质量效应对外界环境参数的敏感性，采用被动式无线传感系统的射频激励检测回波方式来实现环境敏感参量的无线遥测。目前在电力系统温度在线实时检测中得到推广应用的是声表面波谐振器型无源无线传感系统，其原理示意如图2示。近来，将声表面波器件与通用电学传感器结合，以通用传感元件的敏感电学特性调制声表面波器件可测电特性来实现无线传感功能的应答器研究工作得到重视。本文涉及的是声表面波谐振器接口型应答器(简称接口型应答器)，其中用声表面波谐振器作为无线遥测接口核心元件。它是利用通用电抗型传感元件的敏感电抗变化来调制声表面波谐振器匹配网络频率以实现其无线传感功能。图3为声表面波谐振器接口型应答器结构示意。本文所指的通用电抗型传感元件，是指目前已成熟的，以电抗变化为敏感信息的传感元件。可见，声表面波谐振器接口型应答器与前述声表面波谐振器型无源无线传感系统的应答器应用原理相同，也是采用被动式无线传感系统的射频激励检测回波频率方式来实现环境敏感参量的无线传感。目前较成熟的声表面波谐振器型无源无线传感系统的阅读器和信息处理机也完全适合于此类接口型应答器。对于一般有源通用电抗型传感元件，如接口型应答器携带微型电池，属于有源应答器类型；如接口型应答器有射频电能转换装置，并由阅读器采用射频供电，则属于半无源应答器类型。如电抗型传感元件是无源的，那么，接口型应答器也是无源的。所以，声表面波谐振器接口型应答器简单易用，有较大的应用前景，本专利就是对此种应答器的改进。
技术实现思路
声表面波谐振器接口型应答器具有如下特征：1.采用声表面波谐振器作为其无线遥测接口的核心元件；2.采用声表面波无线传感系统的射频激励检测回波频率方式获取传感信息；3.其功能等价于声表面波无线传感系统的常规应答器，实现环境敏感参量的无线传感功能；4.所用无线遥测接口是无源的，大大降低了应答器的电源要求。如通用电抗型传感元件也是无源的，则整个应答器也是无源的，就可构成无源无线传感系统。声表面波谐振器接口型应答器由三部分构成(图3)：通用电抗型传感元件，采用声表面波谐振器为核心元件的无线遥测接口，小型化天线。由于声表面波谐振器具有收发脉冲电磁波功能，采用通用电抗型传感元件的电抗传感信号调制声表面波谐振器的频率特性就能使其完成无线遥测接口功能。声表面波谐振器接口型应答器的工作原理是：被动式无线传感系统的阅读器，向接口型应答器发出激励脉冲电磁波信号，接口型应答器对同频脉冲电磁波产生谐振接收，获得能量；在激励脉冲停止后，利用所存储的能量将通用电抗型传感元件所产生的模拟传感信号变换为射频频率信号，并发回阅读器接收处理；阅读器和信息处理机提取环境参量变化值，实现环境参量的无线传感功能。对于半无源接口型应答器，所用无线传感系统的阅读器还应提供射频供电。为彰显传感信息，接口的外特性必须具有最佳的阻抗匹配和频率牵引的作用：·频率牵引：使接口与常规传感元件的组合体的谐振频率，在其允许的失配范围内，随传感器电抗变化而改变。·阻抗匹配：使接口与常规元件的组合体和天线能实现最大功率传输，减小损耗。接口型应答器中的无线遥测接口为声表面波谐振器型无源无线遥测接口，简称无线遥测接口，将其单独构成一个接口组件，则具有如下特点：1.简化了通用电抗型传感元件实现无线传感功能的方法；2.传感信息是准数字化的，适应数字化联网应用；3.如通用电抗型传感元件是无源的，则构成的接口型无线传感应答器也是无源的，特别适用于长期和严酷环境应用。多年的研究，已证明接口组件只需由声表面波谐振器及阻容匹配网络构成，已得到有效的网络拓扑，并发现，网络元件值与声表面波谐振器参数密切相关。目前，制作应答器的单位，并非声表面波谐振器生产厂，对声表面波谐振器的性能了解欠缺，致使网络匹配难度大，很难得到最佳效果。特别是，使用PCB版制作网络电路时，由于PCB版的寄生效应及质量不一致，设计的匹配元件值与实际会有较大的偏离，使得制作接口组件的人工花费大，而且一致性难以保证。为此，本技术公开了一种新技术方案：采用微电子技术将现今常用的PCB版电路，集成为一种芯片，称为通用电抗型传感元件用无源无线遥测接口芯片，其特征是：·芯片衬底为压电基片；·芯片上制作有一个或多个声表面波谐振器，其谐振频率各不相同；·芯片上制作有与所述声表面波谐振器各自配对的电感和电容；·芯片上各声表面波谐振器与其配对的电感电容构成低失配网络；·接口芯片衬底，采用温度系数极低的压电石英基片；·采用标准微电子技术将电容和电感集成在压电基片上。本技术所述无源无线遥测接口芯片，体小易用，大大简化了通用电抗型传感器实现无线传感功能的方法。只要一个本技术所述芯片，再配上小型化天线，通用电抗型传感元件就成为具有无线传感功能的无线传感应答器，应用于被动式无线传感系统中。采用多谐振器的芯片，可以连接多个通用电抗型传感元件，构成多功能无线传感应答器。本技术所述芯片，是即接即用的傻瓜式芯片，通用电抗型传感元件连接本技术所述芯片时，不需要任何硬软件调整和附加电源，就增加了无线传感功能。本技术所述芯片，采用高稳定声表面波谐振器，模拟最优化匹配网络，精确设计其接口匹配元件，并采用微电子工艺批量生产，产品性价比高，性能一致性好。附图说明图1被动式无线传感系统结构示意图；图2声表面波谐振器型无源无线传感系统结构示意图；图3声表面波谐振器接口型应答器结构示意图；图4声表面波器件中的叉指换能器结构示意图；图5单端对声表面波谐振器结构示意图；图6单端对声表面波谐振器驻波图形和声表面波能量分布结构示意图；图7声表面波谐振器型应答器的电磁回波结构示意图；图8实用的常规声表面波谐振器型应答器结构示意图；图9串联式声表面波谐振器接口型应答器结构示意图；图10并联式声表面波谐振器接口型应答器结构示意图；图11声表面波谐振器等效电路结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通用电抗型传感元件用无源无线遥测接口芯片，其特征在于，芯片衬底为压电基片；芯片上设置有一个或多个声表面波谐振器，其谐振频率各不相同；芯片上设置有与所述声表面波谐振器各自配对的电感和电容；芯片上各声表面波谐振器与其配对的电感电容构成低失配网络。

【技术特征摘要】
1.一种通用电抗型传感元件用无源无线遥测接口芯片，其特征在于，芯片衬底为压电基片；芯片上设置有一个或多个声表面波谐振器，其谐振频率各不相同；芯片上设置有与所述声表面波谐振器各自配对的电感和电容；芯片上各声表面波谐振器与其配对的电感电容构成低失配网络。2.根据权利要求1中所述的一种通用电抗型传感元件用无源无...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈培杕，夏前亮，黄润华，高琳，
申请(专利权)人：中电科技德清华莹电子有限公司，
类型：新型
国别省市：浙江;33