本實用新型屬于應(yīng)變傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于無線應(yīng)變測量的標(biāo)簽式無線傳感器。

背景技術(shù)：

隨著半導(dǎo)體工藝及電子技術(shù)的發(fā)展，利用真空蒸發(fā)、濺射、化學(xué)氣相淀積等工藝技術(shù)使材料薄膜化的技術(shù)，在電子器件方面有了迅速的發(fā)展。各種與體型材料不同性能的薄膜傳感元件也應(yīng)運(yùn)而生，薄膜電阻應(yīng)變計是眾多薄膜傳感元件中的一種應(yīng)變電阻敏感元件。由于薄膜電阻應(yīng)變計的基底及組成材料的無機(jī)質(zhì)化，其厚度尺寸很薄，能夠達(dá)到幾個微米，是傳統(tǒng)箔式應(yīng)變片的1/10。薄膜化、無機(jī)質(zhì)化了的應(yīng)變片具有尺寸小、可靠性高、耐熱性好等特性。

各種金屬或合金及半導(dǎo)體氧化物的薄膜應(yīng)變片，由于其由真空蒸發(fā)、濺射、化學(xué)氣相淀積或等離子氣相淀積等工藝制成，因而具有幾乎沒有蠕變、滯后等特性，特別是能獲得電阻溫度系數(shù)低且穩(wěn)定的產(chǎn)品，便于大批量生產(chǎn)，有利于制成高性能、低成本的傳感器。薄膜應(yīng)變片目前已被應(yīng)用于多個領(lǐng)域，例如壓電傳感器就是采用了薄膜應(yīng)變片感知壓力的變化，具有成本低、尺寸小(厚度薄)、可靠性高、精度高、長期穩(wěn)定性好等優(yōu)點。但是，薄膜電阻應(yīng)變計在測量時需要大量線纜連接，耗費(fèi)成本，兼之不具有無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ埽势洳荒軐Y(jié)構(gòu)(如固體發(fā)動機(jī)等)的應(yīng)變進(jìn)行實時、在線、無線的測量，不易應(yīng)用于正式產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。

另一方面，在監(jiān)測系統(tǒng)領(lǐng)域，為了進(jìn)一步實現(xiàn)無線測量的功能，利用射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)信息RFID電子標(biāo)簽(簡稱標(biāo)簽)技術(shù)業(yè)已被引入。標(biāo)簽由一個微小的標(biāo)簽芯片和天線構(gòu)成，無源RFID標(biāo)簽的能量來自讀寫器發(fā)射的射頻能量，無須內(nèi)置電源，在應(yīng)用時，將標(biāo)簽附著在物體上，以識別物體或結(jié)構(gòu)的信息，達(dá)到無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ埽哂畜w積小、重量輕、成本低、幾乎無使用壽命限制等優(yōu)點。

綜上所述可以看出，結(jié)合薄膜電阻應(yīng)變計的高可靠、低功耗、長壽命等優(yōu)點以及標(biāo)簽的無線傳輸、成本低等優(yōu)點，研究無線傳輸及高可靠性的無線傳感器具有很重要的意義和價值。但迄今為止，本領(lǐng)域尚未發(fā)現(xiàn)結(jié)合有RFID標(biāo)簽技術(shù)的無線傳感器產(chǎn)品的文獻(xiàn)報道，因而也未能有效解決利用傳感器對結(jié)構(gòu)的應(yīng)變進(jìn)行實時、無線信號傳輸測量的技術(shù)難題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題加以解決，提供一種標(biāo)簽式無線傳感器，該標(biāo)簽式無線傳感器具有可對結(jié)構(gòu)的應(yīng)變進(jìn)行實時、在線、無線測量的優(yōu)點，同時還具有高可靠性、長壽命、高測量精度的特點。

為實現(xiàn)以上發(fā)明目的而采用的技術(shù)解決方案如下所述。

一種標(biāo)簽式無線傳感器，包括集成設(shè)置在一塊PCB板上的由薄膜電阻應(yīng)變計組成的惠斯通電橋、信號處理模塊、微控制器、帶有天線的RFID芯片、電源管理芯片、儲能電容及場效應(yīng)管，惠斯通電橋的輸出信號端接至信號處理模塊的輸入端，信號處理模塊的輸出/輸入端與微控制器的輸入/輸出端連接，微控制器與RFID芯片交互連接，電源管理芯片通過儲能電容及場效應(yīng)管為信號處理模塊和微控制器提供電能信號，儲能電容的儲能輸出端同時與信號處理模塊及微控制器的儲能輸入端連通，場效應(yīng)管的漏極與信號處理模塊和微控制器的接地端連接。實際工作中，薄膜電阻應(yīng)變計受應(yīng)變產(chǎn)生的微小電壓信號經(jīng)信號處理模塊放大后通過微控制器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，最后通過RFID芯片將測量數(shù)據(jù)以電磁波的形式發(fā)送出去，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)應(yīng)變的無線測量。

上述標(biāo)簽式無線傳感器中，惠斯通電橋中薄膜電阻應(yīng)變計由基底材料、金屬絲柵、應(yīng)變計保護(hù)層和引線組成，其中，基底材料采用厚度在20～50μm的聚酰亞胺薄膜，金屬絲柵為首先通過金屬濺射薄膜工藝將鎳鉻金屬鍍在基底材料表面形成金屬膜，再經(jīng)過刻蝕工藝將鍍在基底材料上的金屬膜刻蝕形成惠斯通電橋電路的金屬絲柵，在金屬絲柵兩端的延伸有焊接點段，應(yīng)變計保護(hù)層為通過反應(yīng)離子束濺射沉積工藝制成的厚度為500納米～1微米的Si₃N₄材料膜，引線的兩端分別與金屬絲柵兩端的焊接點段對應(yīng)連接。

上述標(biāo)簽式無線傳感器中，惠斯通電橋包括兩個定值電阻、一個用于應(yīng)變測量的工作應(yīng)變電阻片以及一個用于溫度補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償應(yīng)變電阻片，惠斯通電橋的工作應(yīng)變電阻片通過外接導(dǎo)線與PCB板連接。

上述標(biāo)簽式無線傳感器中，金屬絲柵的阻值為1500±5Ω，厚度1μm。

上述標(biāo)簽式無線傳感器中，RFID芯片包括一個SPI主機(jī)，RFID芯片通過天線接收射頻能量并將之轉(zhuǎn)換成直流能量，實現(xiàn)與微控制器的交互。

上述標(biāo)簽式無線傳感器中，天線采用能夠通過無線方式發(fā)射和接收電磁波的金屬材料制片式天線。

上述標(biāo)簽式無線傳感器中，RFID芯片通過接收閱讀器發(fā)射的射頻能量給標(biāo)簽內(nèi)部電子元器件提供能量。

與傳統(tǒng)的薄膜應(yīng)變計傳感器技術(shù)相比，本實用新型具有如下特點：

一、本實用新型具有對結(jié)構(gòu)應(yīng)變進(jìn)行實時、在線式或無線傳輸?shù)臏y量的特點，在實際測量應(yīng)用時，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)變，薄膜電阻應(yīng)變計中金屬絲柵的長度會隨著結(jié)構(gòu)的變形而變化，導(dǎo)致金屬絲柵的阻值發(fā)生變化，給傳感器提供電壓，于是即可通過惠斯通電橋的方式測量電壓的變化來表征應(yīng)變值，再通過天線將信息傳遞到外部的接收器，實現(xiàn)無線應(yīng)變測量；

二、本實用新型的輸出信號大小與應(yīng)變成正比例關(guān)系；

三、本實用新型通過金屬濺射薄膜制備工藝制備敏感器件，因此可以大大提高傳感器的長期可靠性及壽命；

四、本實用新型的外形尺寸很小，制作中將惠斯通電橋與天線集成，厚度可以做到小于1mm，而且電路板易與結(jié)構(gòu)表面相共形。

附圖說明

圖1是本實用新型所述標(biāo)簽式無線傳感器的原理結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是該標(biāo)簽式無線傳感器中薄膜電阻應(yīng)變計的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中各數(shù)字標(biāo)記的名稱分別是：1－接地；2－標(biāo)簽芯片電源引腳；3－應(yīng)變計電源引腳；4－電源管理芯片；5－儲能電容；6－信號處理模塊；7－惠斯通電橋，7a－應(yīng)變計保護(hù)層,7b－基底材料，7c－金屬絲柵，7d－引線；8－微控制器；9－RFID芯片；10－天線；11－場效應(yīng)管。

具體實施方式

參見附圖，本實用新型所述標(biāo)簽式無線傳感器由惠斯通電橋7、信號處理模塊6、微控制器8、帶有天線10的RFID芯片9、電源管理芯片4、儲能電容5及場效應(yīng)管11組成。

該標(biāo)簽式無線傳感器中惠斯通電橋7的結(jié)構(gòu)如圖2所示，由基底材料7b、金屬絲柵7c、應(yīng)變計保護(hù)層7a和應(yīng)變計引線7d組成?；撞牧?b為聚酰亞胺薄膜基底，將其制成矩形尺寸；通過濺射制備工藝將鎳鉻合金靶材濺射到基底材料7b表面，形成金屬膜，再經(jīng)過刻蝕工藝將鍍在基底材料7b上的金屬膜進(jìn)行刻蝕，形成惠斯通電橋電路的金屬絲柵7c，其間的惠斯通電橋包括兩個定值電阻、一個用于應(yīng)變測量的工作應(yīng)變電阻片以及一個用于溫度補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償應(yīng)變電阻片，金屬絲柵7c的阻值為1500±5Ω，厚度1μm，在金屬絲柵兩端的延伸有焊接點段；之后，在金屬絲柵7c表面再鍍一層厚度為500納米～1微米的Si₃N₄材料膜，構(gòu)成應(yīng)變計保護(hù)層7a，防止敏感柵過早、過快氧化，起到防護(hù)的作用；引線7d的兩端分別與金屬絲柵兩端的焊接點段對應(yīng)連接。

本實用新型的實際制作結(jié)構(gòu)中，電源管理芯片4、儲能電容5、信號處理模塊6、由薄膜電阻應(yīng)變計組成的惠斯通電橋7、微控制器8、RFID芯片9、天線10以及場效應(yīng)管11焊接在一塊PCB板上，惠斯通電橋中的工作應(yīng)變片通過外接導(dǎo)線與PCB板連接。具體元器件構(gòu)成上，RFID芯片9可選用型號為ANDY100的器件，微控制器8可選用型號為MSP430G2233的器件，信號處理模塊6可選用型號為INA333AIDGK或TPS76918DBV的放大器芯片，電源管理芯片4可選用型號為MAX6427的器件。上述各構(gòu)件的連接形式為：RFID芯片9(ANDY100)的RF+和RF-引腳與天線10相連，VIO引腳和VDD引腳與電源管理芯片4的VDD和儲能電容5相連，CAL引腳和EERST引腳接地，CS引腳、SCK引腳、MOSI引腳和MISO引腳與微控制器8(MSP430G2233)的對應(yīng)引腳相連；電源管理芯片4(MAX6427)的PG引腳與場效應(yīng)管11的G(柵極)引腳相連，GND引腳接地；微控制器8(MSP430G2233)的VDD引腳與儲能電容5的正極相連，VREF引腳、ADC、GPIOS分別與信號處理模塊6(INA333AIDGK或TPS76918DBV)的REF引腳、SOUT引腳和CTRL引腳相連；信號處理模塊6的輸入引腳與薄膜電阻應(yīng)變計組成的惠斯通電橋7的輸出信號線相連；場效應(yīng)管11的S(源極)引腳接地，D(漏極)引腳與微控制器8和信號處理模塊6的GND引腳相連。

本實用新型實際工作中，RFID芯片9收集天線10接收到的射頻能量并將之轉(zhuǎn)化為直流能，儲能電容5儲存能量為微控制器芯片8、信號處理模塊6提供能量，微控制器8通過RFID芯片9中的SPI主機(jī)接收讀寫命令，控制應(yīng)變測量的進(jìn)行。信號處理模塊6中的線性穩(wěn)壓器為信號處理模塊6中的儀表放大器提供穩(wěn)定的電壓，儀表放大器對薄膜電阻應(yīng)變計組成的惠斯通電橋7受應(yīng)變影響產(chǎn)生的微小電壓信號進(jìn)行放大后，通過微控制器8中的ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，最后通過RFID芯片9發(fā)送出去。

以上所述僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和補(bǔ)充，這些改進(jìn)和補(bǔ)充也應(yīng)視為本實用新型的保護(hù)范圍。