一種通用電抗型傳感元件用無(wú)源無(wú)線遙測(cè)接口芯片的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種傳感元件用無(wú)線遙測(cè)接口，特別是采用聲表面波技術(shù)的一種通用 電抗型傳感元件用無(wú)源無(wú)線遙測(cè)接口芯片
【背景技術(shù)】
[0002] 物聯(lián)網(wǎng)的興起推動(dòng)了傳感器的發(fā)展，新型無(wú)線傳感器成為研發(fā)重點(diǎn)。無(wú)線傳感，是 通過(guò)無(wú)線信道實(shí)現(xiàn)傳感信息獲取過(guò)程。被動(dòng)式無(wú)線傳感系統(tǒng)，由應(yīng)答器、讀寫器和信息處理 機(jī)構(gòu)成（圖1)。應(yīng)答器是一個(gè)能在待測(cè)環(huán)境中運(yùn)行并具有產(chǎn)生及回傳環(huán)境參量傳感信息的 獨(dú)立部件，主要由傳感元件、無(wú)線遙測(cè)接口和天線組成，其中無(wú)線遙測(cè)接口是實(shí)現(xiàn)傳感信息 射頻無(wú)線電化的部件。讀寫器是激勵(lì)應(yīng)答器工作和接收射頻傳感信號(hào)的設(shè)備。
[0003] 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)推薦無(wú)線傳感系統(tǒng)使用860MHz~960MHz超高頻頻段，北美為902~ 928MHz，歐洲為865~868MHz，而我國(guó)擬采用840~845MHz和920~925MHz兩個(gè)頻段。
[0004] 現(xiàn)今成熟的通用傳感元件要實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感功能，其應(yīng)答器幾乎都必須連接電路復(fù) 雜的無(wú)線遙測(cè)接口，而一般采用的無(wú)線遙測(cè)接口，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且需要提供直流電源。簡(jiǎn)化應(yīng)答 器的無(wú)線遙測(cè)接口，盡量降低應(yīng)答器的外接能源要求，是所有應(yīng)答器追求的目標(biāo)。
[0005] 目前，廣受重視的聲表面波無(wú)線傳感系統(tǒng)，其應(yīng)答器是一種采用聲表面波技術(shù)制 作的無(wú)源應(yīng)答器，其特點(diǎn)是它將傳感元件與無(wú)線遙測(cè)接口兩者功能集于一身:基于聲表面 波器件中壓電晶片上的叉指換能器(IDT)在直連射頻天線后能實(shí)現(xiàn)電磁波收發(fā)功能，并利 用壓電基片的機(jī)械特性或其上吸附膜質(zhì)量效應(yīng)對(duì)外界環(huán)境參數(shù)的敏感性，采用被動(dòng)式無(wú)線 傳感系統(tǒng)的射頻激勵(lì)檢測(cè)回波方式來(lái)實(shí)現(xiàn)環(huán)境敏感參量的無(wú)線遙測(cè)。目前在電力系統(tǒng)溫度 在線實(shí)時(shí)檢測(cè)中得到推廣應(yīng)用的是聲表面波諧振器型無(wú)源無(wú)線傳感系統(tǒng)，其原理示意如圖 2示。
[0006] 近來(lái)，將聲表面波器件與通用電學(xué)傳感器結(jié)合，以通用傳感元件的敏感電學(xué)特性 調(diào)制聲表面波器件可測(cè)電特性來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感功能的應(yīng)答器研究工作得到重視。本文涉及 的是聲表面波諧振器接口型應(yīng)答器(簡(jiǎn)稱接口型應(yīng)答器），其中用聲表面波諧振器作為無(wú)線 遙測(cè)接口核心元件。它是利用通用電抗型傳感元件的敏感電抗變化來(lái)調(diào)制聲表面波諧振器 匹配網(wǎng)絡(luò)頻率以實(shí)現(xiàn)其無(wú)線傳感功能。圖3為聲表面波諧振器接口型應(yīng)答器結(jié)構(gòu)示意。
[0007] 本文所指的通用電抗型傳感元件，是指目前已成熟的，以電抗變化為敏感信息的 傳感元件。
[0008] 可見(jiàn)，聲表面波諧振器接口型應(yīng)答器與前述聲表面波諧振器型無(wú)源無(wú)線傳感系統(tǒng) 的應(yīng)答器應(yīng)用原理相同，也是采用被動(dòng)式無(wú)線傳感系統(tǒng)的射頻激勵(lì)檢測(cè)回波頻率方式來(lái)實(shí) 現(xiàn)環(huán)境敏感參量的無(wú)線傳感。目前較成熟的聲表面波諧振器型無(wú)源無(wú)線傳感系統(tǒng)的閱讀器 和信息處理機(jī)也完全適合于此類接口型應(yīng)答器。
[0009] 對(duì)于一般有源通用電抗型傳感元件，如接口型應(yīng)答器攜帶微型電池，屬于有源應(yīng) 答器類型；如接口型應(yīng)答器有射頻電能轉(zhuǎn)換裝置，并由閱讀器采用射頻供電，則屬于半無(wú)源 應(yīng)答器類型。如電抗型傳感元件是無(wú)源的，那么，接口型應(yīng)答器也是無(wú)源的。
[0010] 所以，聲表面波諧振器接口型應(yīng)答器簡(jiǎn)單易用，有較大的應(yīng)用前景，本專利就是對(duì) 此種應(yīng)答器的改進(jìn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 聲表面波諧振器接口型應(yīng)答器具有如下特征：
[0012] 1.采用聲表面波諧振器作為其無(wú)線遙測(cè)接口的核心元件；
[0013] 2.采用聲表面波無(wú)線傳感系統(tǒng)的射頻激勵(lì)檢測(cè)回波頻率方式獲取傳感信息；
[0014] 3.其功能等價(jià)于聲表面波無(wú)線傳感系統(tǒng)的常規(guī)應(yīng)答器，實(shí)現(xiàn)環(huán)境敏感參量的無(wú)線 傳感功能；
[0015] 4.所用無(wú)線遙測(cè)接口是無(wú)源的，大大降低了應(yīng)答器的電源要求。如通用電抗型傳 感元件也是無(wú)源的，則整個(gè)應(yīng)答器也是無(wú)源的，就可構(gòu)成無(wú)源無(wú)線傳感系統(tǒng)。
[0016] 聲表面波諧振器接口型應(yīng)答器由三部分構(gòu)成（圖3):通用電抗型傳感元件，采用聲 表面波諧振器為核心元件的無(wú)線遙測(cè)接口，小型化天線。
[0017] 由于聲表面波諧振器具有收發(fā)脈沖電磁波功能，采用通用電抗型傳感元件的電抗 傳感信號(hào)調(diào)制聲表面波諧振器的頻率特性就能使其完成無(wú)線遙測(cè)接口功能。
[0018] 聲表面波諧振器接口型應(yīng)答器的工作原理是:被動(dòng)式無(wú)線傳感系統(tǒng)的閱讀器，向 接口型應(yīng)答器發(fā)出激勵(lì)脈沖電磁波信號(hào)，接口型應(yīng)答器對(duì)同頻脈沖電磁波產(chǎn)生諧振接收， 獲得能量;在激勵(lì)脈沖停止后，利用所存儲(chǔ)的能量將通用電抗型傳感元件所產(chǎn)生的模擬傳 感信號(hào)變換為射頻頻率信號(hào)，并發(fā)回閱讀器接收處理；閱讀器和信息處理機(jī)提取環(huán)境參量 變化值，實(shí)現(xiàn)環(huán)境參量的無(wú)線傳感功能。
[0019] 對(duì)于半無(wú)源接口型應(yīng)答器，所用無(wú)線傳感系統(tǒng)的閱讀器還應(yīng)提供射頻供電。
[0020] 為彰顯傳感信息，接口的外特性必須具有最佳的阻抗匹配和頻率牽引的作用：
[0021] ?頻率牽引：使接口與常規(guī)傳感元件的組合體的諧振頻率，在其允許的失配范圍 內(nèi)，隨傳感器電抗變化而改變。
[0022] ?阻抗匹配:使接口與常規(guī)元件的組合體和天線能實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸，減小損耗。
[0023] 接口型應(yīng)答器中的無(wú)線遙測(cè)接口為聲表面波諧振器型無(wú)源無(wú)線遙測(cè)接口，簡(jiǎn)稱無(wú) 線遙測(cè)接口，將其單獨(dú)構(gòu)成一個(gè)接口組件，則具有如下特點(diǎn)：
[0024] 1.簡(jiǎn)化了通用電抗型傳感元件實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感功能的方法；
[0025] 2.傳感信息是準(zhǔn)數(shù)字化的，適應(yīng)數(shù)字化聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用；
[0026] 3 .如通用電抗型傳感元件是無(wú)源的，則構(gòu)成的接口型無(wú)線傳感應(yīng)答器也是無(wú)源 的，特別適用于長(zhǎng)期和嚴(yán)酷環(huán)境應(yīng)用。
[0027]多年的研究，已證明接口組件只需由聲表面波諧振器及阻容匹配網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，已得 到有效的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌l(fā)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)元件值與聲表面波諧振器參數(shù)密切相關(guān)。
[0028] 目前，制作應(yīng)答器的單位，并非聲表面波諧振器生產(chǎn)廠，對(duì)聲表面波諧振器的性能 了解欠缺，致使網(wǎng)絡(luò)匹配難度大，很難得到最佳效果。
[0029] 特別是，使用PCB版制作網(wǎng)絡(luò)電路時(shí)，由于PCB版的寄生效應(yīng)及質(zhì)量不一致，設(shè)計(jì)的 匹配元件值與實(shí)際會(huì)有較大的偏離，使得制作接口組件的人工花費(fèi)大，而且一致性難以保 證。
[0030] 為此，本發(fā)明公開(kāi)了一種新技術(shù)方案:采用微電子技術(shù)將現(xiàn)今常用的PCB版電路， 集成為一種芯片，稱為通用電抗型傳感元件用無(wú)源無(wú)線遙測(cè)接口芯片，其特征是：
[0031] ?芯片襯底為壓電基片；
[0032] ?芯片上制作有一個(gè)或多個(gè)聲表面波諧振器，其諧振頻率各不相同；
[0033] ?芯片上制作有與所述聲表面波諧振器各自配對(duì)的電感和電容；
[0034] ?芯片上各聲表面波諧振器與其配對(duì)的電感電容構(gòu)成低失配網(wǎng)絡(luò)；
[0035] ?接口芯片襯底，采用溫度系數(shù)極低的壓電石英基片；
[0036] ?采用標(biāo)準(zhǔn)微電子技術(shù)將電容和電感集成在壓電基片上。
[0037]本發(fā)明所述無(wú)源無(wú)線遙測(cè)接口芯片，體小易用，大大簡(jiǎn)化了通用電抗型傳感器實(shí) 現(xiàn)無(wú)線傳感功能的方法。只要一個(gè)本發(fā)明所述芯片，再配上小型化天線，通用電抗型傳感元 件就成為具有無(wú)線傳感功能的無(wú)線傳感應(yīng)答器，應(yīng)用于被動(dòng)式無(wú)線傳感系統(tǒng)中。
[0038]采用多諧振器的芯片，可以連接多個(gè)通用電抗型傳感元件，構(gòu)成多功能無(wú)線傳感 應(yīng)答器。
[0039]本發(fā)明所述芯片，是即接即用的傻瓜式芯片，通用電抗型傳感元件連接本發(fā)明所 述芯片時(shí)，不需要任何硬軟件調(diào)整和附加電源，就增加了無(wú)線傳感功能。
[0040]本發(fā)明所述芯片，采用高穩(wěn)定聲表面波諧振器，模擬最優(yōu)化匹配網(wǎng)絡(luò)，精確設(shè)計(jì)其 接口匹配元件，并采用微電子工藝批量生產(chǎn)，產(chǎn)品性價(jià)比高，性能一致性好。
【附圖說(shuō)明】
[0041]圖1被動(dòng)式無(wú)線傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0042]圖2聲表面波諧振器型無(wú)源無(wú)線傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0043]圖3聲表面波諧振器接口型應(yīng)答器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044]圖4聲表面波器件中的叉指換能器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0045]圖5單端對(duì)聲表面波諧振器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0046]圖6單端對(duì)聲表面波諧振器駐波圖形和聲表面波能量分布結(jié)構(gòu)示意圖；
[0047]圖7聲表面波諧振器型應(yīng)答器的電磁回波結(jié)構(gòu)示意圖；
[0048]圖8實(shí)用的常規(guī)聲表面波諧振器型應(yīng)答器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0049]圖9串聯(lián)式聲表面波諧振器接口型應(yīng)答器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0050]圖10并聯(lián)式聲表面波諧振器接口型應(yīng)答器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0051]圖11聲表面波諧振器等效電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0052]圖12-1和12-2串聯(lián)式接口匹配：串聯(lián)C2的作用示意圖；
[0053]圖13-1和13-2串聯(lián)式接口匹配:并聯(lián)L2的作用示意圖；
[0054]圖14-1和14-2電容型傳感串聯(lián)式接口型應(yīng)答器的傳感響應(yīng)示意圖；
[0055]圖15-1和15-2電容型位移傳感串聯(lián)式接口應(yīng)答器的傳感響應(yīng)示意圖；
[0056]圖16-1和16-2電感型傳感串聯(lián)式接口應(yīng)答器的傳感響應(yīng)示意圖；
[0057]圖17-1和17-2并聯(lián)式接口匹配特性示意圖；
[0058]圖18-1和18-2電容型傳感并聯(lián)式接口應(yīng)答器的傳感響應(yīng)示意圖；
[0059]圖19-1和19-2電感型傳感并聯(lián)式接口應(yīng)答器的傳感響應(yīng)示意圖；
[0060] 圖20聲表面波諧振器靜電容對(duì)傳感性能的影響示意圖；
[0061]圖21聲表面波諧振器Q值對(duì)傳感特性的影響示意圖；
[0062]圖22接口匹配電容值變化對(duì)電感型傳感接口型應(yīng)答器傳感特性的影響示意圖；
[0063]圖23聲表面波石英器件芯片制作工藝示意圖；
[0064]圖24平面電極結(jié)構(gòu)叉指電容示意圖；
[0065]圖25三明治結(jié)構(gòu)電容示意圖；
[0066]圖26集成平面電感示意圖；
[0067]圖27串聯(lián)式接口芯片實(shí)施例示意圖；
[0068]圖28并聯(lián)式接口芯片實(shí)施例示意圖；
[0069]圖29采用三明