專利名稱：包括可伸展硅的傳感器網(wǎng)絡的制作方法
技術領域：
本公開的領域通常涉及傳感器網(wǎng)絡，并更特別涉及與包括可伸展硅的傳感器網(wǎng)絡有關的方法和系統(tǒng)。
背景技術：
監(jiān)視例如大面積結構健康的現(xiàn)有解決方案包括基于電線和光纖互連傳感器網(wǎng)絡。 盡管光纖通信使某些通信系統(tǒng)中低功率器件成為可能，但它不能夠在不使網(wǎng)絡節(jié)點間互連復雜化的情況下處理傳感器陣列。其它考慮包括可制造性、輸入/輸出信號的機械連接、可縮放性以及電線/光纖線束、電力總線和數(shù)據(jù)總線的成本和可靠性。

發(fā)明內容
在一個實施例中，提供了一種傳感器網(wǎng)絡，其包括可伸展硅襯底和在可伸展硅襯底上制造的多個節(jié)點。節(jié)點包括能量收集和存儲元件、通信器件、感測器件和處理器中的至少一個。節(jié)點經(jīng)由互連導體互連。在另一實施例中，提供了一種制造網(wǎng)絡的方法。該方法包括在期望區(qū)域上伸展硅介質，處理所伸展的硅介質從而在其上生成多個節(jié)點，并利用可伸展介質內的導電路徑來冗余互連所生成的節(jié)點，從而形成網(wǎng)絡。在又一實施例中，提供了一種監(jiān)視結構的網(wǎng)絡。該網(wǎng)絡包括可伸展硅襯底、在可伸展硅襯底上制造的多個傳感器、在可伸展硅襯底上制造的至少一個通信器件和在可伸展硅襯底上制造的至少一個能量收集和存儲元件?？缮煺构枰r底包括在其中的多個導電路徑， 導電路徑互連多個傳感器、至少一個通信器件和至少一個能量收集和存儲元件。網(wǎng)絡被配置為跨越結構而連接，從而分散傳感器。來自傳感器的數(shù)據(jù)經(jīng)由至少一個通信器件傳遞到外部器件。


圖1是圖解在有利實施例中使用可伸展硅制造的傳感器網(wǎng)絡的系統(tǒng)框圖。圖2是圖解在另一有利實施例中傳感器網(wǎng)絡的圖示，其包括互連能量收集和存儲元件、無線和有線通信器件、微傳感器和網(wǎng)絡管理處理器的可伸展硅。圖3是圖解在另一有利實施例中使用可伸展硅制造傳感器網(wǎng)絡的方法的流程圖。
具體實施例方式圖1是基于可伸展硅的傳感器網(wǎng)絡10的框圖。在圖解實施例中，在可伸展硅襯底上制造三個節(jié)點。三個節(jié)點包括電源節(jié)點12、處理器節(jié)點14和傳感器節(jié)點16。節(jié)點經(jīng)在可伸展硅襯底中形成的互連導體20、22和M互連。在一個實施例中，電源節(jié)點12可以是能量收集和存儲元件。例如，電源節(jié)點可以是與硅基納/微機電系統(tǒng)(N/MEMS)集成的壓電發(fā)電機。在該實施例中，該組合能夠發(fā)電和儲電。電源節(jié)點12可以向處理器節(jié)點14和傳感器節(jié)點16兩者提供這種電力。在其它實施例中，多個節(jié)點12可以跨越可伸展硅襯底分布，從而向具有這種處理、感測和通信功能的節(jié)點供電。處理器節(jié)點14包括處理功能，并可以包括RF接收器和發(fā)送器30，用于與能夠用無線通信方法的傳感器節(jié)點16的各部分通信。處理器節(jié)點14可以進一步包括處理能力，用于經(jīng)例如數(shù)字交通工具網(wǎng)絡接口 40通信。圖1的實施例可以包括RF到數(shù)字變換器32和數(shù)字到RF轉換器34，用于促進在交通工具網(wǎng)絡40和傳感器節(jié)點16之間經(jīng)RF接收器/發(fā)送器30的通信。處理器節(jié)點14可以被配置為管理和監(jiān)視傳感器網(wǎng)絡10的行為，包括發(fā)電和耗電、數(shù)據(jù)采集以及在傳感器網(wǎng)絡10內和與外部器件(例如交通工具網(wǎng)絡40)的通信。盡管可替換實施例通過有線操作能力而操作，但是傳感器節(jié)點16可以具有無線操作能力。在兩種配置中，傳感器節(jié)點16包括傳感器元件50和通信元件52。傳感器元件 50可以包括集成形成的信號調節(jié)電路或信號調節(jié)電路可以與傳感器元件物理分離。如在圖1中示出的傳感器節(jié)點16被配置為無線操作，相似于上面描述的處理器節(jié)點14。然而，考慮如下實施例，在其中可伸展硅介質用作在傳感器節(jié)點16和處理器節(jié)點14 之間的通信互連，如可伸展硅互連20示出的。在圖解實施例中利用可伸展硅互連22來從電源節(jié)點12向處理器節(jié)點14供電，同時在圖解實施例中利用可伸展硅互連M來從電源節(jié)點12向傳感器節(jié)點16供電。圖2是使用可伸展硅105制造的傳感器網(wǎng)絡100的圖解。在圖解實施例中，網(wǎng)絡 100包括在可伸展硅105上已經(jīng)制造的多個部件。這些部件包括例如能量收集和存儲元件 110、通信器件120、傳感器130和網(wǎng)絡管理處理器140。通信器件120可以包括無線和有線器件。如在此描述的，多個部件集成在可伸展硅105的介質上，該可伸展硅提供在其中形成的多個導電路徑160(互連)，該導電路徑160提供例如從能量收集和存儲元件110到通信器件120、傳感器130和網(wǎng)絡管理處理器140的電力傳導。導電路徑160也提供上面列出部件之間的至少一些通信。如在此進一步描述并且在一個實施例中，可伸展硅105形成自治型無線傳感器網(wǎng)絡的一部分。由于用可伸展硅互連160內建于網(wǎng)絡160的冗余而得到了高可靠性。同樣，網(wǎng)絡100可以利用各種網(wǎng)絡部件之間替換通道來實現(xiàn)傳感器130和現(xiàn)有交通工具通信網(wǎng)絡之間的可靠通信。由于圖解的網(wǎng)絡100具有它自己的電源能量收集和存儲元件110，因此這種網(wǎng)絡的添加不會加重交通工具電力系統(tǒng)的負擔?？缮煺构杞橘|105是優(yōu)秀使能器(enabler)，因為在其上形成的每個節(jié)點都可以被轉為提供期望功能的部件。例子包括處理器功能和微型傳感器節(jié)點。在一個實施例中， 節(jié)點具有大約200微米的尺寸。在一個實施例中，可伸展硅介質105是由制造廠處理過的單片硅管芯處理而來的，其尺寸在一厘米和二十厘米之間，并在更大面積上伸展。該處理得到多個魯棒的導體，其在介質105上制造的各個節(jié)點之間經(jīng)過。網(wǎng)絡100解決與能量存儲器件的重量和可支持性、網(wǎng)絡節(jié)點間互連的復雜性、可制造性、輸入/輸出信號的機械連接和可縮放性有關的現(xiàn)有問題中至少一些。更具體地，包括網(wǎng)絡100的系統(tǒng)使具有多應用的大面積網(wǎng)絡化傳感器覆蓋成為可能。一個這種應用包括監(jiān)視如下結構的結構健康，在其中多個上面提及的傳感器向外部系統(tǒng)可以詢問的處理元件提供數(shù)據(jù)。其它應用包括利用在介質105上制造的可應用傳感器來監(jiān)視空氣動力學表面上的氣流，以及監(jiān)視使用航空航天結構時可能遭遇的積冰和其它危險狀況。現(xiàn)在轉到網(wǎng)絡100的單個部件，能量收集和存儲元件110向網(wǎng)絡100的其它元件供電。在一個實施例中，在元件110內利用納米壓電發(fā)電機效應來將機械應力轉為電流或電壓，以便向網(wǎng)絡100的其它部件(包括可能在介質105上制造的任何傳感器)供電。在一個具體實施例中，在網(wǎng)絡100中利用氧化鋅(SiO)納米線。在襯底上使用化學合成以任何曲率和材料性質生長這些ZnO納米線。這些ZnO納米線發(fā)電機在大約一平方毫米的面積中產(chǎn)生毫瓦量級的功率。隨著納米線襯底面積擴展，與這種能量收集和存儲元件110關聯(lián)的功率輸出成比例增加。同樣，這些器件容易與可伸展硅基納/微電子器件集成，從而開發(fā)魯棒的納/微機電系統(tǒng)(N/MEMS)。在某些實施例中，元件110的能量收集節(jié)點并入電容基或其它能量存儲部件，從而滿足網(wǎng)絡100的能量需求。關于通信器件120，至少一個實施例包括允許數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡100和從網(wǎng)絡100傳輸?shù)臒o線收發(fā)器節(jié)點。這種實施例稱為基于硅系統(tǒng)的單芯片收發(fā)器。一個實施例在收發(fā)器集成電路的制造中并入可伸展硅，所述收發(fā)器集成電路的制造包括在單管芯上開發(fā)無線收發(fā)器的RF部件和基帶部件。無線收發(fā)器節(jié)點可以直接連接到外部器件。硅提供了高度集成和低成本(這對于大規(guī)模制造是期望的)，并且也具有減小功耗的潛力。較低功耗允許使用更廉價的封裝材料，例如塑料，這大大減小了芯片成本。對于使用硅的集成解決方案，雙極晶體管和CMOS是最受歡迎的工藝技術。雙極技術提供高速度并在模擬應用中最普通使用。CMOS具有較低的限頻，但提供高度集成，這對于數(shù)字應用有吸引力。傳感器節(jié)點130形成用硅基器件構建的網(wǎng)絡。在各種實施例中，傳感器節(jié)點130 可以包括用于結構健康監(jiān)視的傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、振動傳感器、積冰傳感器和動態(tài)氣流分離傳感器，以及其它傳感器類型。在一個實施例中，傳感器節(jié)點130包括信號調節(jié)電路，從而提供傳感器節(jié)點130和通信器件120之間的接口和/或傳感器節(jié)點和網(wǎng)絡管理處理器140之間的接口。網(wǎng)絡管理處理器140可以為有源傳感器節(jié)點130監(jiān)視網(wǎng)絡并確定它們是否屬于網(wǎng)絡。在各種實施例中，通過上面描述的能量收集和存儲元件110供應通信器件120、傳感器節(jié)點130和網(wǎng)絡管理處理器140需要的電力。圖3是進一步圖解制造包括可伸展硅的傳感器網(wǎng)絡(例如在此描述的傳感器網(wǎng)絡)的方法的流程圖200。在流程圖200中圖解的方法包括在期望的區(qū)域上伸展202硅介質，處理204伸展的硅介質從而在其上生成許多節(jié)點，并利用206可伸展介質內的導體來冗余互連生成的節(jié)點從而形成網(wǎng)絡。如在此進一步描述，處理204伸展的硅介質可以包括生成能量收集和存儲元件、 通信器件、感測器件和處理器中一個或多個，而利用206可伸展介質內的導體可以包括從能量收集和存儲元件向各個通信器件、感測器件和處理器發(fā)送電力。在一個實施例中，處理204伸展的硅介質包括生成具有無線通信能力的至少一個通信器件。在另一實施例中，處理204伸展的硅介質包括生成能夠與外部網(wǎng)絡通信的至少一個處理器。如在此進一步描述，流程圖200描述的方法對多種應用有用，并且因此，處理 204伸展的硅介質可以包括但不限于生成結構健康監(jiān)視和管理的傳感器、生成積冰傳感器以及生成被配置為感測圍繞傳感器的空氣的動態(tài)氣流分離的傳感器。
在此描述的各種實施例可以用于例如飛行器和其它交通工具的結構健康監(jiān)視和管理。在這類應用中，可伸展硅襯底能夠伸展出例如高達其原尺寸的100倍。在結構健康應用中，這種襯底可以跨越結構的相關部分附著。在配置中，傳感器能夠感測環(huán)境的改變， 向網(wǎng)絡處理器(例如網(wǎng)絡管理處理器140)提供數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡處理器進而利用通信器件120來將傳感器數(shù)據(jù)傳遞到外部系統(tǒng)。除結構健康監(jiān)視之外的應用的例子包括周圍空氣的動態(tài)流分離以及監(jiān)視結構上的積冰。在此描述的自治型無線傳感器網(wǎng)絡適應航空航天應用的嚴格配置控制需求，并改進適合在惡劣環(huán)境中安裝的傳感器設計和構建方法。可以將用于苛刻和要求高的環(huán)境的多種溫度傳感器、壓力傳感器和流量傳感器用在期望獨特應用的飛行器和航空發(fā)動機中。同樣，描述的網(wǎng)絡具有合并先進數(shù)據(jù)系統(tǒng)架構的能力，該先進數(shù)據(jù)系統(tǒng)架構對于傳遞、存儲和處理來自大數(shù)量不同傳感器的大量健康管理數(shù)據(jù)是必需的。在一個實施例中，網(wǎng)絡100可以被配置為作為集成交通工具健康管理(IVHM)系統(tǒng)的一部分而運行，所述IVHM系統(tǒng)提供結構系統(tǒng)、推進系統(tǒng)、熱防護系統(tǒng)和其它關鍵系統(tǒng)的實時狀況，以便最優(yōu)化交通工具管理和任務控制。在這類系統(tǒng)中，機載實時感測系統(tǒng)是交通工具健康管理系統(tǒng)的關鍵部件。為了提供這種能力，網(wǎng)絡100包括如下傳感器，其具有經(jīng)受苛刻航空航天操作環(huán)境的能力，同時還具有最小的尺寸、重量和電力要求。該書面描述使用例子公開各種實施例，包括最優(yōu)模式，并且也使本領域技術人員能夠實踐這些實施例，包括制造和使用任何器件或系統(tǒng)，并執(zhí)行任何結合的方法。專利性范圍由權利要求限定，并且可以包括本領域技術人員想到的其它例子。這些其它例子，如果它們具有并非不同于權利要求的文字語言的結構元件，或如果它們包括具有與權利要求的文字語言非實質差別的等效結構元件，那么它們在權利要求的范圍內。
權利要求
1.一種傳感器網(wǎng)絡，包含可伸展硅襯底；以及在所述可伸展硅襯底上制造的多個節(jié)點，所述節(jié)點包括能量收集和存儲元件、通信器件、感測器件和處理器中的至少一個，所述節(jié)點經(jīng)由在所述襯底中形成的互連導體互連。
2.根據(jù)權利要求1所述的傳感器網(wǎng)絡，其中所述能量收集和存儲元件被配置為向所述通信器件、所述感測器件和所述處理器供電。
3.根據(jù)權利要求1所述的傳感器網(wǎng)絡，其中所述能量收集和存儲元件包括壓電器件， 所述壓電器件被配置為將機械應力轉換為電能。
4.根據(jù)權利要求1所述的傳感器網(wǎng)絡，其中所述可伸展硅襯底包括用于互連所述節(jié)點的多個導體。
5.根據(jù)權利要求1所述的傳感器網(wǎng)絡，其中所述節(jié)點的一部分包括無線通信能力。
6.根據(jù)權利要求5所述的傳感器網(wǎng)絡，其中所述無線通信能力包括RF收發(fā)器。
7.根據(jù)權利要求1所述的傳感器網(wǎng)絡，其中所述節(jié)點中的至少一個包括與所述傳感器網(wǎng)絡外部的系統(tǒng)通信的處理能力。
8.根據(jù)權利要求7所述的傳感器網(wǎng)絡，其中與所述外部的系統(tǒng)的通信是經(jīng)由交通工具網(wǎng)絡接口。
9.根據(jù)權利要求1所述的傳感器網(wǎng)絡，其中所述感測器件包括結構健康監(jiān)視和管理傳感器、積冰傳感器和被配置為感測動態(tài)氣流分離的傳感器中的至少一個，所述感測動態(tài)氣流分離的傳感器感測圍繞該傳感器的空氣的動態(tài)氣流分離。
10.根據(jù)權利要求1所述的傳感器網(wǎng)絡，其中所述可伸展硅襯底包括在區(qū)域上伸展的單片硅管芯。
11.根據(jù)權利要求1所述的傳感器網(wǎng)絡，其中所述能量收集和存儲元件包括在所述可伸展硅襯底上生長的氧化鋅納米線。
12.根據(jù)權利要求1所述的傳感器網(wǎng)絡，其中所述感測器件包括溫度傳感器、壓力傳感器和振動傳感器中的至少一個。
13.一種制造網(wǎng)絡的方法，包括在期望區(qū)域上伸展硅介質；處理所伸展的硅介質從而在其上生成多個節(jié)點；以及利用所述可伸展介質內的導體來冗余互連所生成的節(jié)點，從而形成所述網(wǎng)絡。
14.根據(jù)權利要求13所述的方法，其中處理所伸展的硅介質包括生成能量收集和存儲元件、通信器件、感測器件和處理器中的至少一個。
15.根據(jù)權利要求14所述的方法，其中利用所述可伸展介質內的導體包括從所述能量收集和存儲元件發(fā)送電力到所述通信器件、所述感測器件和所述處理器。
16.根據(jù)權利要求14所述的方法，其中處理所伸展的硅介質包括生成具有無線通信能力的至少一個通信器件。
17.根據(jù)權利要求14所述的方法，其中處理所伸展的硅介質包括生成能夠與外部網(wǎng)絡通信的至少一個處理器。
18.根據(jù)權利要求13所述的方法，其中處理所伸展的硅介質包括生成結構健康監(jiān)視和管理傳感器、積冰傳感器和被配置為感測動態(tài)氣流分離的傳感器中的至少一個，所述感測動態(tài)氣流分離的傳感器感測圍繞該傳感器的空氣的動態(tài)氣流分離。
19.一種監(jiān)視結構的網(wǎng)絡，所述網(wǎng)絡包括 可伸展硅襯底；在所述可伸展硅襯底上制造的多個傳感器； 在所述可伸展硅襯底上制造的至少一個通信器件；以及在所述可伸展硅襯底上制造的至少一個能量收集和存儲元件，所述可伸展硅襯底包括在其中的多個導電路徑，所述導電路徑互連所述多個傳感器、所述至少一個通信器件和所述至少一個能量收集和存儲元件，所述網(wǎng)絡被配置為跨越分散所述傳感器的結構而連接， 來自所述傳感器的數(shù)據(jù)經(jīng)由所述至少一個通信器件傳遞到外部器件。
20.根據(jù)權利要求19所述的監(jiān)視結構的網(wǎng)絡，進一步包括與所述至少一個能量收集和存儲元件、所述至少一個通信器件和所述多個傳感器互連的至少一個處理器，所述至少一個處理器可操作來與所述網(wǎng)絡外部的系統(tǒng)通信。
全文摘要
本發(fā)明描述一種傳感器網(wǎng)絡，其包括可伸展硅襯底和在可伸展硅襯底上制造的多個節(jié)點。節(jié)點包括能量收集和存儲元件、通信器件、感測器件和處理器中的至少一個。節(jié)點經(jīng)由在襯底中形成的互連導體互連。
文檔編號G01M5/00GK102326064SQ201080008438
公開日2012年1月18日 申請日期2010年1月7日 優(yōu)先權日2009年2月19日
發(fā)明者J·L·維安, M·A·卡拉萊羅 申請人:波音公司