ДАТЧИК ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ С УСТРОЙСТВОМ НА АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ
PHYSICAL PARAMETER SENSOR HAVING ACOUSTIC WAVE DEVICE

Родственные заявки
[0001] Данная заявка претендует на приоритет по дате подачи патентной заявки США №12/031,055, поданной 14 февраля 2008 г., содержание которой включено в данное описание в полном объеме посредством ссылки.
Область использования изобретения
[0002] Изобретение относится к измерению параметров, в частности, к датчику, в котором применено электромагнитное устройство (ЭМУ) для преобразования изменений в импедансном элементе, связанных с измеряемой физической величиной, в поддающийся измерению сигнал. Измеряемая величина определяется как физический параметр, количественно определяемый измерением.
Предпосылки создания изобретения

[0003] Существующие датчики основаны на явлениях, которые не обеспечивают высокую чувствительность и удаленный контроль таких параметров, как магнитные поля и им подобные. Например, датчики на эффекте Холла распознают напряжение, порождаемое дрейфом носителей зарядов при воздействии магнитного поля на ток. Принцип действия других датчиков основан на распознавании силы Лоренца, действующей на проводник в магнитном поле. Другие устройства, такие как магнитострикционные тонкослойные датчики, используют эффект удлинения ферромагнитных материалов, таких как кобальт и магнитострикционный сплав Terfenol-D, под действием магнитных полей. Terfenol-D является зарегистрированным товарным знаком фирмы Edge Technologies, Inc.
[0004] Датчики на магниторезистивных элементах или традиционные магниторезистивные датчики обычно содержат концентраторы потока и измеряют падение сопротивления в зависимости от приложенного магнитного поля. Другие датчики используют такой эффект, как гигантский магнитный импеданс (ГМИ). Для использования ГМИ применяют, например, проводник NiFe, покрытый BeCu. Ток высокой частоты пропускают через проводник и измеряют активную составляющую полного сопротивления. Данное измерение сопротивления показывает наличие магнитных полей. Эти датчики могут быть очень зависимы от температуры, что приводит либо к низкой точности, либо дорогостоящим мероприятиям по коррекции. Таким образом, такие датчики имеют недостатки в отношении размеров, цены, потребления энергии и доступа к выходным данным.
[0005] Измерения других физических параметров при существующем уровне техники производятся без затруднений. Температуру обычно измеряют по напряжению, вызванному эффектом термопары Зеебека, за счет изменения сопротивления термопреобразователя сопротивления (ТПС, известного как «resistance-temperature device», RTD) или за счет изменения вольтамперных характеристик диодного перехода полупроводникового устройства.
[0006] Электрические поля измеряют путем прямого измерения потенциала между двумя проводящими зондами (вольтметр) с известным расстоянием и за счет нелинейных эффектов (эффектов второго порядка) в устройствах путем модуляции упругой постоянной (электроакустика) или искривления границ зоны проводимости (полупроводники).
[0007] Измерения устройствами на акустических волнах предоставляют универсальный способ измерения физического параметра, поскольку воздействие происходит на электрический элемент со сосредоточенными параметрами, а затем этот элемент допускает применение нескольких физических систем и взаимодействий с измеряемой физической величиной.
[0008] Исходя из изложенного, имеется потребность в технике для измерений, которая обеспечивают пассивный, беспроводной и бесконтактный способ измерения и дистанционного опроса при очень малых габаритах, низкой стоимости и низком потреблении энергии.
Сущность изобретения
[0009] Преимущества объединения внешнего импедансного элемента и устройства на акустических волнах включают в себя очень малые габариты, низкую стоимость, низкое потребление энергии, работу в пассивном режиме, то есть отсутствие аккумуляторов, а также возможность индивидуального дистанционного опроса при помощи считывающего устройства СВЧ-диапазона.
[0010] Предложен датчик, в котором применены электромагнитное устройство (ЭМУ) и нагрузочный импедансный элемент для преобразования физического поля или его параметра в поддающийся измерению сигнал. Нагрузка представляет собой элемент со сосредоточенными или распределенными параметрами импеданса, который в виде примера, не ограничивающего объем изобретения, содержит емкость, индуктор. резистор, или резонатор, и чувствителен ко внешним физическим параметрам, таким как давление, температура, деформация, напряжение, ускорение, акустические колебания, химическая концентрация, биохимическая концентрация, вязкость, плотность, модуль упругости, электрические поля или магнитные поля. ЭМУ, например, может представлять собой устройство на акустических волнах (AWD), в котором акустические волны использованы для получения высокостабильной электрической характеристики, такой как сдвиг фазы, резонансная частота, вносимое затухание или им подобные, которая чувствительна к параметру физически чувствительного нагрузочного элемента.
[0011] Один из вариантов осуществления настоящего изобретения предоставляет устройство на акустических волнах, выполненное как одноканальный резонатор, имеющий последовательный электромеханический резонанс, подключенный параллельно со статической емкостью преобразователя в соответствии с хорошо известной моделью эквивалентной цепи Баттерворда-Ван Дайка (BvD). Параллельно с резонатором подключен импедансный элемент, физически чувствительный к какому-либо физическому параметру. Резонатор подключен к антенне и опрашивается в беспроводном режиме известными техническими средствами. При частоте несколько выше частоты последовательного резонанса электромеханической части цепи механическая индуктивная часть образует параллельный резонансный контур со статической емкостью датчика. Параллельный резонанс обеспечивает прием электрического сигнала с антенны, сохранение в резонаторе и медленное переизлучение как сигнал обратного рассеяния. Частота сигнала обратного рассеяния модулируется изменениями в состоянии параллельно подключенного импедансного элемента. Например, одним из вариантов такого устройства датчика является физически чувствительная к магнитным полям емкость, включенная параллельно емкости датчика на акустических волнах.
[0012] В одном из иллюстративных вариантов осуществления изобретения использовано двухканальное устройство на акустических волнах, в котором энергия попадает в первый канал и переизлучается как сигнал обратного рассеяния с первого канала. Частота оптимального обратного рассеяния сигнала возмущается электрической нагрузкой, подключенной ко второму каналу.
[0013] Другие варианты осуществления изобретения могут включать в себя различные физически реактивные устройства, такие как термисторы, полупроводники. деформируемые конденсаторы, пьезорезисторы и им подобные, используемые как нагрузка или связь одного или более измерительных каналов. Для резонаторов может быть использовано устройство на акустических волнах, в котором энергия попадает и переизлучается на одном и том же канале, - конфигурация, которая далее названа отражающим датчиком независимо от количества физических каналов в данном устройстве на акустических волнах. Резонаторы могут также быть сконфигурированы с устройством на акустических волнах, в котором энергия попадает на один канал, а распознается на другом канале, - конфигурация, которая далее названа сквозным датчиком. Как отражающие, так и сквозные датчики могут содержать по меньшей мере один дополнительный канал, с которым функционально связан физически чувствительный импедансный элемент (детектор). «Функционально соединенный» или «функционально связанный» включает в себя индуктивно и емкостно связанные элементы, а также то, что непосредственное соединение проводником не требуется.
[0014] В резонансном датчике к устройству возбуждения и измерения, предназначенному для определения и оценки резонансной частоты, для выработки значащих и идентифицируемых данных может быть одновременно подключено ограниченное количество детекторов. Другая категория датчиков использует методы широкополосного временного интервала, такие как отражательная линия задержки с отводом, используемая в радиочастотной идентификации. В этом случае каждая точка отвода дает возможность установки встречно-гребенчатого преобразователя, подключенного к детектору. Несколько детекторов могут быть использованы для модулирования отражения функционально связанного с ними отвода, причем каждый отвод вызывает возмущение в переданном или рассеянном в обратном направлении сигнале за определенное время относительно опроса, соответствующее физическому расположению отвода.
[0015] Варианты осуществления изобретения включают в себя систему для измерения физической величины, содержащую по меньшей мере один детектор с элементом, имеющим переменный импеданс, чувствительный по меньшей мере к одной измеряемой величине, и по меньшей мере одно электромагнитное устройство (ЭМУ), имеющее по меньшей мере один канал, в которой детектор функционально связан с упомянутым каналом, а ЭМУ электрически чувствительно к выходному сигналу детектора. Другой вариант осуществления изобретения дополнительно содержит беспроводное устройство опроса для измерения параметров ЭМУ.
[0016] В еще одном варианте осуществления изобретения ЭМУ выбрано из группы, состоящей из следующих устройств: объемные резонаторы, оптоволоконные линии задержки, резонаторы СВЧ, диэлектрические резонаторы, линии задержки на акустических волнах, резонаторные устройства на акустических волнах, линии задержки на магнитостатических волнах (MSW), резонаторы на магнитностатических волнах (MSW), линии задержки на устройствах с зарядовой связью (CCD), устройства с акустическим переносом заряда (ACT), полосковые резонаторы, резонаторы на поверхностном плазменном резонансе, интегрированные оптические резонаторы и оптические резонаторы перестраиваемых лазеров.
[0017] В одном из вариантов осуществления изобретения ЭМУ представляет собой по меньшей мере одно устройство на акустических волнах (AWD). В другом варианте осуществления изобретения устройство на акустических волнах представляет собой резонатор на накопленной энергии. Устройство на акустических волнах может быть предназначено для переизлучения электрической энергии, попадающей на входной канал. Устройства на акустических волнах могут также содержать входной канал и по меньшей мере один измерительный канал, причем детектор функционально связан с измерительным каналом. Устройство на акустических волнах также может представлять собой линию задержки с отражающими отводами, содержащую отражающие отводы, в тех случаях, когда по меньшей мере один из отражающих отводов содержит по меньшей мере один встречно-гребенчатый преобразователь (IDT), причем встречно-гребенчатый преобразователь содержит по меньшей мере один измерительный канал. Варианты осуществления изобретения могут дополнительно содержать множество отражающих отводов, обеспечивающих идентификационную последовательность, специфичную для данной системы.
[0018] Другие варианты осуществления изобретения предусматривают, что каждое устройство на акустических волнах содержит входной канал и по меньшей мере один измерительный канал, причем по меньшей мере один детектор функционально связан с по меньшей мере одним измерительным каналом; и по меньшей мере один детектор представляет собой переменный конденсатор, чувствительный к магнитным полям.
[0019] Другой вариант осуществления изобретения предусматривает, что каждое устройство на акустических волнах содержит входной канал и по меньшей мере один измерительный канал, причем по меньшей мере один детектор функционально связан с по меньшей мере одним измерительным каналом; и по меньшей мере один детектор с элементом, имеющим переменный импеданс, представляет собой переменный конденсатор, чувствительный к давлению.
[0020] В других вариантах осуществления изобретения измеряемая физическая величина выбрана из группы, состоящей из следующих параметров: магнитное поле, электрическое поле, давление, деформация, напряжение, температура, акустические колебания, ускорение, химическая концентрация, биохимическая концентрация, вязкость, плотность и модуль упругости.
[0021] В других вариантах осуществления изобретения детектор с элементом, имеющим переменный импеданс, представляет собой переменный конденсатор, у которого значение емкости изменяется в зависимости от перемещения одного или более элементов переменного конденсатора. В вариантах осуществления изобретения переменный конденсатор выбран из группы, состоящей из гребенчатого конденсатора, консольного конденсатора и конденсатора с подвешенной мембраной.
[0022] В других вариантах осуществления изобретения детектор с элементом, имеющим переменный импеданс, выбран из группы, состоящей из: химически чувствительного сопротивления, химического полевого транзистора (Chem-FET) и полевого транзистора со структурой металл-оксид-полупроводник (известный как «МОП-транзистор» или «metal-oxide-semiconductor field-effect transistor», MOSFET). В другом варианте осуществления изобретения детектор с элементом, имеющим переменный импеданс, представляет собой резонатор на акустических волнах (AWD).
[0023] В некоторых вариантах осуществления изобретения материал элемента детектора с элементом, имеющим переменный импеданс, выбран из группы, состоящей из следующих материалов: железо (Fe), никель (Ni), кобальт (Со), магнетит и ферромагнитный сплав.
[0024] Другой вариант осуществления изобретения представляет собой способ измерения физической величины, включающий следующие операции: изменение импеданса детектора с элементом, имеющим переменный импеданс, вызванное измеряемой физической величиной; изменение свойств устройства на акустических волнах, вызванное изменением импеданса; опрос устройства на акустических волнах; получение ответного сигнала от устройства на акустических волнах; и определение значения измеряемой физической величины по полученному сигналу. В этом варианте осуществления изобретения в операции опроса может быть использован контур, выбранный из группы, состоящей из колебательного контура, передающего контура, отражательного контура и контура пассивного беспроводного опроса.
[0025] Другой вариант осуществления изобретения представляет собой датчик, содержащий: электромагнитное устройство (ЭМУ), содержащее по меньшей мере один электрический канал; по меньшей мере один детектор с элементом, имеющим переменный импеданс, функционально связанный с по меньшей мере одним электрическим каналом, в тех случаях, когда по меньшей мере один детектор с элементом, имеющим переменный импеданс, выполнен чувствительным по меньшей мере к одной измеряемой физической величине, а упомянутое ЭМУ электрически чувствительно к значению параметра, полученного с по меньшей мере одного детектора, причем значение отклика ЭМУ представляет физический параметр.
[0026] Упомянутые особенности и преимущества, описанные в настоящем документе, не охватывают все возможные случаи, и, в частности, многие дополнительные особенности и преимущества станут очевидны среднему специалисту в этой области техники с помощью прилагаемых фигур, описания и формулы изобретения. Кроме того, следует заметить, что терминология, использованная в данном описании, выбрана главным образом для ясности и в целях пояснения сущности, а не ограничения объема изобретения.
Краткое описание прилагаемых фигур
[0027] Фиг.1 представляет собой схематический вид в перспективе гребенчатого конденсатора, выполненного в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
[0028] Фиг.2 представляет собой схему одноканального резонатора поверхностных акустических волн (ПАВ) с внешним детектором, выполненного в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
[0029] Фиг.3А представляет собой схему двухканального ПАВ-резонатора с внешним детектором, выполненного в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
[0030] Фиг.3В представляет собой схему двухпортового двухканального ПАВ-резонатора, функционально соединенного с детектором резонатора объемных акустических волн (известных как «bulk acoustic wave», BAW) устройства на акустических волнах.
[0031] Фиг.4 представляет собой схему трехканального ПАВ-резонатора с внешним детектором, выполненного в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
[0032] Фиг.5 представляет собой компоновочную схему пассивного ПАВ-устройства с беспроводным опросом, выполненного в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
[0033] Фиг.6 представляет собой график моделированной зависимости потерь на отражение от емкости для иллюстративного варианта осуществления изобретения.
[0034] Фиг.7 представляет собой график 700 моделированной зависимости потерь на отражение от емкости в части графика, показанного на Фиг.6, для иллюстративного варианта осуществления изобретения. Он показывает линейность значений потерь на отражение для значений емкости в диапазоне от 1 пФ до 10 пФ.
[0035] Фиг.8 представляет собой график моделированной зависимости частоты при минимальных вносимых потерях от емкости для иллюстративного варианта осуществления изобретения.
[0036] Фиг.9 представляет собой график измеренной функции электрического переноса как функции частоты для ПАВ-фильтра для иллюстративного варианта осуществления изобретения.
[0037] Фиг.10 представляет собой часть графика, показанного на Фиг.9, в полосе от 23 Мгц до 2340 МГц.
[0038] Фиг.11 представляет собой круговую диаграмму Смита для измеренного коэффициента отражения на входе и на выходе для иллюстративного варианта осуществления изобретения.
[0039] Фиг.12 представляет собой часть круговой диаграммы Смита, показанной на Фиг.11, для измеренного коэффициента отражения на входе и на выходе.
[0040] Фиг.13 представляет собой график зависимости измеренных вносимых потерь ПАВ-фильтра от расстояния до магнита для иллюстративного варианта осуществления изобретения.
[0041] Фиг.14 представляет собой график зависимости изменения измеренных вносимых потерь ПАВ-фильтра от изменения потока магнитной индукции для иллюстративного варианта осуществления изобретения.
Подробное описание
[0042] Настоящее изобретение имеет отношение к категории устройств, в целом называемых электромагнитными устройствами (ЭМУ). Они взаимодействуют с определенной электрической цепью и запоминают отображение электрического сигнала. Известны ЭМУ, которые отвечают требованиям изобретения и используют оптические, магнитостатические, акустические и радиоволны как в линии задержки, так и в резонансных структурах. Однако имеются и другие применения, и приведен неполный перечень возможных реализаций.
[0043] Как поясняется далее в описании к заявке, имеются ограничения для ЭМУ по их использованию в изобретении. Примеры использования таких устройств, как устройства на акустических волнах (AWD), иллюстрируют варианты осуществления изобретения, в которых использованы пригодные ЭМУ.
[0044] По настоящему изобретению создана система, которая показывает высокую чувствительность к физическим параметрам. Многие физические параметры имеют хорошо изученное влияние на простые импедансные устройства, такие как резисторы (тензометрические датчики, термисторы и им подобные), конденсаторы (по изменению эффективной диэлектрической толщины или константы), индукторы и так далее. Однако прямое измерение импеданса этих устройств может быть нецелесообразным с практической точки зрения. В некоторых случаях изменения физического параметра вызывают изменения импеданса, которые меньше разрешающей способности простых емкостных измерительных приборов и им подобных. В других случаях значения импеданса слишком велики для точного измерения простой встроенной измерительной аппаратурой.
[0045] Данное изобретение направлено на решение этих задач созданием преобразовательного устройства, функционально связанного с датчиком на импедансном элементе. Изменения импеданса изменяют электрические характеристики ЭМУ. Это позволяет облегчить измерения изменений электрических параметров.
[0046] В одном из примеров резонатор обеспечивает поддающуюся измерению резонансную частоту, которая чувствительна к изменению значения показателя на импедансном элементе. Измерение изменений этой частоты требует способности к точному инструментальному измерению резонансной частоты резонатора. Это накладывает ограничения на соотношение средней частоты к ширине полосы (Q) резонатора, когда он нагружен измерительной системой. В нагруженном состоянии Q может быть по меньшей мере 100 или же выше 1000.
[0047] В другом примере линия задержки обеспечивает сдвинутое по времени отображение сигнала опроса. Задержка времени для отображения опорного сигнала или амплитуда отображения опорного сигнала может быть выполнена чувствительной к изменениям импеданса функционально связанного чувствительного элемента. Минимальный интервал, до которого может быть измерено время задержки, обратно пропорционален частоте. Количество информации пропорционально произведению время-частота. Измерения могут быть привязаны к стандартным факторам, например, таким как точка 3 дБ. Произведение аналогично нагрузке Q резонатора. Произведение время-частота может быть по меньшей мере 100 или же выше 1000.
[0048] Величину Q резонатора при нагрузке цепью опроса и импедансным элементом, а также произведение время-частота линии задержки в целом определим как добротность (известную как «figure of merit», FOM) данного ЭМУ.
[0049] Некоторые варианты осуществления изобретения могут обеспечивать пассивный беспроводной контроль импеданса простого чувствительного элемента. Это может быть осуществлено использованием резонансных свойств резонатора ЭМУ или фазы (или задержки, или пиковой частоты) линии задержки ЭМУ для обеспечения значащего отклика обратного рассеяния на электрический сигнал. Эта задача может устанавливать требования к произведению частота-время для ЭМУ. Кроме того, выбор частоты может быть ограничен действующим законодательством, нормативами и правилами, устанавливающими разрешенные полосы частот в каждой стране эксплуатации. Они обычно составляют от сотен МГц до нескольких ГГц. В иллюстративных целях в примерах будет принято значение 1 ГГц.
[0050] Для простоты измерения рассеянного сигнала из пассивного датчика требуется время задержки (для линий задержки) порядка 1 мкс. Это определяет величину произведения частота-время порядка 1000. Для резонансных систем обратного рассеяния время посылки (обратное ширине полосы резонатора) должно иметь порядок 1 мкс для обеспечения достаточно точного замера частоты. Для этого случая Q с нагрузкой также имеет значение приблизительно 1000.
[0051] В иллюстративных целях может быть рассмотрена длина простой линии передачи, например, коаксиального кабеля, при сигнале опроса, поданном с одного конца, и импедансном элементе, представляющем собой нагрузку на дальнем конце линии передачи. Получение произведения частота-время 100 при 100 МГц требует задержки 1 мкс. Это достигается применением около 150 метров коаксиального кабеля для получения задержки на двухстороннее прохождение отраженного сигнала. Также может быть использован резонатор с настроечным шлейфом от коаксиального кабеля. Однако потери в кабеле могут ограничивать его функциональные возможности. Подобным образом электромагнитные и высокочастотные полосковые резонаторы и им подобные также являются потенциальными средствами осуществления ЭМУ и могут иметь преимущества в размерах.
[0052] Также возможно оснащение оптического волокна электронно-оптическим преобразователем. Недостаток, состоящий в потерях при распространении, может быть преодолен. Однако физический размер все же оказывает свое влияние. Интегральная оптика может обеспечивать возможность создания интегральных оптических схем с достаточным временем задержки и приемлемыми потерями при распространении, то есть рассматриваться в качестве ЭМУ.
[0053] Варианты осуществления изобретения, обеспечивающие упомянутую добротность при физически целесообразных размерах, включают в качестве примера, не ограничивающего объем изобретения: линии задержки и резонаторы на акустических волнах (AWD), линии задержки и резонаторы на магнитостатических волнах (известных как «magnetostatic wave», MSW), линии задержки на устройствах с зарядовой связью (известных как ПЗС, или «charge-coupled device», CCD), содержащие устройства с акустическим переносом заряда (известные как «acoustic charge transport», ACT), диэлектрические резонаторы, полосковые резонаторы, поверхностные плазменные резонаторы, интегрированные оптические резонаторы (включая оптические резонаторы, которые могут иметь место в перестраиваемых лазерах) и им подобные. Использование устройств на акустических волнах в приведенных примерах представляет собой только лишь иллюстративные варианты осуществления изобретения.
[0054] В целом резонансные структуры обеспечивают односигнальный выход (например, по частоте) для одиночного импедансного чувствительного элемента. Однако устройства с линиями задержки могут иметь множество каналов, обеспечивающих множество задержанных копий сигнала. Некоторая их часть может быть функционально связана с множеством чувствительных элементов, тогда как другая их часть может быть жестко закодированной для обеспечения идентификационной последовательности, специфичной для данного датчика и известной в области радиочастотной идентификации (известной как «radio frequency identification», RFID).
[0055] В других вариантах осуществления изобретения категория импедансных элементов, обеспечивающих требуемые свойства, включает полупроводниковые датчики. Импеданс перехода таких устройств, как биполярные транзисторы и полевые транзисторы (известные как ПТ, или «field effect transistors», FET), представляет собой удобное средство, при помощи которого получают импеданс, зависящий от физического параметра. Например, прямая фотопроводимость объемных полупроводников, а также оптическое переключение биполярных фототранзисторов обеспечивает сопротивление, определяемое изменением потока фотонов в импедансном датчике.
[0056] В других вариантах осуществления тонкий полупроводящий канал в полевом транзисторе создает сопротивление, которое непосредственно зависит от электрических полей. Такая структура обеспечивает очень высокую величину импеданса (с емкостной связью) приложенного напряжения, преобразуя упомянутое напряжение в сопротивление. В химически чувствительном варианте осуществления использованы хеморезистивные датчики, основанные на модуляции сопротивления полупроводящего полимера или полупроводящего окисла металла химической поверхностной или объемной реакцией. Оно демонстрирует использование характеристики объемной проводимости.
[0057] В некоторых вариантах осуществления изобретения с химическим полевым транзистором (известным как «Chem-FET») использован химически селективный электрод на контакте изолированного затвора для электрохимической выработки потенциала, который модулирует сопротивление перехода полевого транзистора (ПТ). Такой химический полевой транзистор (Chem-FET), функционально связанный с ЭМУ, обеспечивает дистанционный пассивный опрос химического состояния недоступной точки.
[0058] В одном из вариантов осуществления описанного датчика на акустических волнах применено устройство на акустических волнах (AWD) для преобразования и усиления ответного сигнала функционально соединенного импедансного элемента (детектора), физически чувствительного к измеряемой физической величине. В одном из иллюстративных вариантов осуществления использован датчик магнитного поля на конденсаторе микроэлектромеханической системы (МЭМС) для изменения ответного сигнала фильтра на поверхностных акустических волнах (ПАВ-фильтра).
[0059] Другие физические параметры, такие как давление, деформация, напряжение, температура, электрическое поле, акустические колебания, ускорение, вязкость, модуль упругости, плотность, химическая концентрация, биохимическая концентрация и им подобные в равной степени могут быть использованы для изменения импеданса. Данный перечень подлежащих измерению физических величин следует истолковывать как иллюстративный и неисчерпывающий. Специфичные измеряемые величины, такие как рН, влажность, общее кислотное число, общее щелочное число и им подобные, представляют химические концентрации. Такие специфичные измеряемые величины, как крутящий момент и прогиб, представляют собой варианты напряжения и деформации.
[0060] Другие устройства на акустических волнах (AWD), такие как резонаторы и линии задержки с использованием ПАВ или других акустических волн, также могут быть использованы вместо ПАВ-фильтра. Устройства на акустических волнах могут включать в себя устройства на акустических волнах с кремниевой основой (Si AWD), устройства на акустических волнах МЭМС (MEMS AWD) и им подобные. Использование акустических волн в примерах представляет собой иллюстративные варианты осуществления изобретения; другие резонаторы или линии задержки могут быть сконфигурированы на соответствующий опрос и отклик импедансным элементам. При упоминании устройств на акустических волнах (AWD) подразумеваются альтернативные электромагнитные устройства (ЭМУ). Альтернативные варианты осуществления с использованием других ЭМУ могут включать в себя оптоволоконные линии задержки, резонаторы СВЧ, диэлектрические резонаторы и им подобные.
[0061] Функционально связанный конденсатор в варианте осуществления изобретения с переменным конденсатором - ПАВ-фильтром демонстрирует существенные изменения значения при приложении магнитного поля. Элемент в виде устройства на акустических волнах выполнен чувствительным к состоянию внешнего параллельно или последовательно подключенного конденсатора. Теоретическое моделирование и результаты измерений демонстрируют хорошие характеристики датчиков магнитного поля. Они включают в себя относительно широкую полосу линейной корреляции между приложенным магнитным полем и общими параметрами устройства на акустических волнах, включая величину функции передачи и центральную частоту при использовании фильтра или резонатора. Тот же подход может быть использован также для измерений на ферромагнитных материалах.
[0062] Существуют многочисленные варианты осуществления изобретения, в которых использован конденсатор, чувствительный к магнитному полю. В основном значение емкости изменяется при изменении расстояния между двумя пластинами, и это изменение расстояния вызывается магнитным полем. Значение характеристики конденсатора изменяется в целом в зависимости от перемещения одного или более элементов переменного конденсатора. В других вариантах осуществления изобретения термин «емкость» может означать любой физически чувствительный импедансный элемент. Этот подход может продемонстрировать способ беспроводного опроса датчика на акустических волнах с низким уровнем Q с использованием его как импедансного элемента, представляющего собой нагрузку пассивного беспроводного датчика с высоким Q. Описанные ниже иллюстративные варианты осуществления механических структур могут быть использованы с емкостями, чувствительными к магнитному полю.
[0063] На Фиг.1 вариант осуществления 100 микроэлектромеханической системы (МЭМС) с гребенчатым конденсатором использован для реализации конденсатора нагрузки. Как гребенчатые, так и консольные или мостовые варианты осуществления конструкции могут быть использованы для реализации характеристик конденсатора нагрузки. Преимущества применения конструкций МЭМС включают низкую цену и размеры, а также возможность содержать конструкции на интегральных схемах.
[0064] Следует отметить, что моделирование ПАВ позволяет рассчитать емкость гребенчатой структуры, поскольку аналогичная структура используется во встречно-гребенчатых преобразователях ПАВ; это не означает, что используются только датчики типа ПАВ. Это означает, что абсолютное значение характеристики внешнего конденсатора в этом варианте осуществления изобретения может быть определено путем использования простых аналитических выражений или методик полуавтоматизированного проектирования для встречно-гребенчатых преобразователей (известных как «interdigital transducer», IDT) на ПАВ или же может быть физически измерено. Затем это значение емкости коррелируется с измеренным значением параметра. Результаты моделирования внешнего конденсатора, соединенного параллельно с одноканальным резонатором, как на Фиг.2, показывают, что сдвиг частоты при минимальных вносимых потерях на резонансной частоте дает четкую линейную характеристику изменения емкости между 0,1 пФ и 10 пФ при функциональном соединении с резонаторным ПАВ-фильтром на 2326 МГц.
[0065] Варианты осуществления изобретения с емкостной структурой также могут быть использованы для измерения давления. Например, часть штырей гребенки встречно-гребенчатой МЭМС может быть выполнена как подвижные штыри 120, как показано на Фиг.1 в качестве неограничивающего примера. При приложении магнитного поля или давления к подвижной части 105 гребенчатого конденсатора 100 штыри 120 перемещаются в направлении, обозначенном 115, относительно штырей 110. Это вызывает изменение зоны перекрытия между штырями 110 и 120. Хорошо известно, что изменение зоны перекрытия приводит к изменению значений емкости. Структура конденсатора независимо от его конструкции может быть подключена к устройству на поверхностных акустических волнах для измерения изменений различных значений параметров окружающей среды.
[0066] На Фиг.2 показан вариант осуществления 200, имеющий функциональную связь одноканального резонатора поверхностных акустических волн 215 с внешним детектором импедансного элемента 205. Следует отметить, что элемент, показанный обозначением 205 переменного конденсатора, является только иллюстративным и может быть использован любой двухполюсный импедансный элемент или сеть. На других фигурах показано условное обозначение переменного импеданса. Это условное обозначение переменного импеданса означает наличие переменных конденсаторов. Как указано выше, следует также отметить, что «функционально соединенный» или «функционально связанный» включает в себя индуктивно и емкостно связанные элементы, а также то, что непосредственное соединение проводником не требуется. Данная конфигурация с отражателями 210, 220 обеспечивает максимальную чувствительность, однако может внести изменения в условия сочетаемости входа. Таким образом, в некоторых применениях может быть желательным использование «двухканального» чувствительного элемента, как показано на Фиг.3А и 3В.
[0067] На Фиг.3А показан вариант осуществления 300А с соединением между двухканальным резонатором поверхностных акустических волн с встречно-гребенчатым преобразователем 315 и отражателями 330, 335, а также внешним детектором 305 импедансного элемента. Детектор 305 импедансного элемента является выводом для второго канала 310, а первый канал 320 использован как измерительный канал 325. Эта конструкция обеспечивает относительно стабильную характеристику импеданса нагрузки для измерений, однако позволяет модулирование резонансной частоты или задержки времени зависимым от измеряемого параметра импедансом. Внешний детектор 305 импедансного элемента альтернативно может быть подключен также между входным 320 и выходным 310 портами. Как и ранее, элемент 305 может представлять собой любой двухполюсный импедансный элемент или сеть.
[0068] На Фиг.3В показан вариант осуществления изобретения 300В также с соединением между двухканальным резонатором поверхностных акустических волн с встречно-гребенчатым преобразователем 365 и отражателями 380, 385, а также внешним детектором импедансного элемента 355. Аналогично, детектор 355 импедансного элемента является выводом для второго канала 360, а первый канал 370 использован как измерительный канал 375. Однако в данном варианте осуществления изобретения детектор 355 представляет собой устройство на акустических волнах (AWD), а конкретно - резонатор объемных акустических волн. Частота параллельного резонанса датчика объемных акустических волн (BAW) должна совпасть с резонансной частотой резонирующего устройства на акустических волнах (AWD) или встречно-гребенчатого преобразователя (IDT) устройства на акустических волнах (AWD) типа линии задержки. Ненагруженный датчик объемных акустических волн (BAW) первоначально является преимущественно реактивным и выдает чистый коэффициент отражения на соответствующем выходе. В зависимости от конструкции устройства на акустических волнах (AWD), в частности отвода, возмущения на детекторе будут приводить к изменениям в фазе или амплитуде отраженного сигнала. Устройство на акустических волнах (AWD) может быть выполнено с хорошим временем накопления энергии (добротностью), требуемой пассивной системой беспроводных датчиков вне зависимости от изменяющейся в широком диапазоне добротности резонатора детектора объемных акустических волн (BAW).
[0069] На Фиг.4 показан вариант осуществления изобретения 400 с передаточным датчиком (например, цепь генератора с обратной связью) с использованием трех встречно-гребенчатых преобразователей (IDT), состоящий из входного канала 405, выходного канала 410, измерительного порта 415 датчика плюс отражатели 420 и 425. Между встречно-гребенчатым преобразователем (IDT, измерительный канал датчика) и внешним детектором 430 импедансного элемента существует функциональная связь. Аналогично может быть использован любой двухполюсный импедансный элемент или сеть. Также может быть изменена компоновка входов, выходов и измерительных каналов датчика, и другие конструкции могут быть использованы в других вариантах осуществления для конкретной линии задержки и геометрии резонатора, включая использование множества измерительных каналов датчиков.
[0070] Как показано в варианте осуществления изобретения 500, показанном на Фиг.5, изменения на внешних детекторах 505 импедансного элемента могут быть получены беспроводным путем при объединении с приемопередатчиком ПАВ. Отдельный приемопередатчик (не показан) выдает сигналы 510 опроса радиочастоты, которые попадают на входной электрический порт датчика через антенну 515. Антенна 520 ответчика переизлучает запаздывающее эхо 525 или модулирует непрерывный входной сигнал с использованием хорошо известных способов обратного рассеяния. Часто физически одна и та же антенна служит для обеих целей. На схеме, показанной на Фиг.5, обобщенно изображено пассивное ПАВ-устройство 530, объединенное с множеством внешних детекторов 505 импедансных элементов, функционально связанных с каналами 535 датчиков. Дополнительные каналы 535 датчиков и встречно-гребенчатые преобразователи (IDT) 540 могут быть использованы в различных вариантах осуществления изобретения. Переменный импеданс влияет на характеристики отражений 545 встречно-гребенчатых преобразователей (IDT) 540 на ПАВ с встречно-гребенчатым преобразователем 550. Это влияет на ретранслированный ответный сигнал 525 на полученный запросный сигнал 510 ретранслятора. Изображенный ответный сигнал 525 показывает три эхосигнала трех отражений 545 от трех встречно-гребенчатых преобразователей (IDT) 540. В одном из вариантов осуществления второй встречно-гребенчатый преобразователь подключен ко второй антенне СВЧ.
[0071] На Фиг.6 показан график 600 результатов моделирования зависимости 605 потерь на отражение от емкости для резонатора ПАВ, каскадированного на емкость с внешней нагрузкой в прототипе варианта осуществления устройства на акустических волнах (AWD). Диапазон линейности заметен от 1 пФ до 10 пФ. Это устройство может представлять собой, например, одноканальный резонатор, использующий изменение значений последовательно нагруженной (внешней) магниточувствительной емкости.
[0072] Фиг.7 представляет собой график 700 результатов моделирования зависимости 705 потерь на отражение от емкости в части графика, показанного на Фиг.6, для иллюстративного варианта осуществления изобретения. Он показывает линейность значений потерь на отражение для значений емкости в диапазоне от 1 пФ до 10 пФ. Это может обеспечить математическое ожидание результирующих потерь на отражение как изменения емкости переменного конденсатора в зависимости от измеряемых величин.
[0073] Фиг.8 представляет собой график 800 результатов моделирования зависимости 805, где показан диапазон линейности при изменении частоты в точке с минимальными вносимыми потерями (известными как «insertion loss», IL) в зависимости от изменения значения (внешней) параллельно нагруженной емкости для иллюстративного варианта осуществления изобретения. В этом случае диапазон емкости составляет от 0,1 пФ до 10 пФ. Соответствующее изменение частоты может быть использовано в качестве параметра датчика в зависимости от измеряемых величин.
[0074] На Фиг.9-14 показаны измеренные данные для иллюстративного варианта осуществления изобретения. В этом варианте осуществления изобретения детектор переменного импедансного элемента представляет собой консольный переменный конденсатор. Методика измерений предусматривает емкостную металлическую консоль, подключенную со стороны входов устройства ПАВ (фильтр с 2326 МГц) между подключениями фазы и заземления. Магнитный диск перемещался по направлению к консоли с расстояния 10 мм (0,39 дюйма). Пять измерений (точки 1, 2, 3, 4 и 5) регистрировались с шагом 2 мм (0,079 дюйма). Точка 1 является начальной, самой дальней точкой от датчика, а точка 5 является последней, ближайшей точкой от датчика. Размеры магнитного диска составляли: толщина 0,100 дюйма (2,54 мм) и диаметр 0,375 дюйма (9,525 мм).
[0075] На Фиг.9 и 10 показана измеренная электрическая передаточная функция как зависимость частоты для откликов передачи (S21) устройства ПАВ от изменения магнитного поля. Измеренная кривая показывает падение вносимых потерь устройства при изменении магнитного поля.
[0076] Фиг.9 представляет собой график 900 измеренных вносимых потерь от амплитуды частотного сигнала как функции частоты для варианта осуществления изобретения, в котором переменный конденсатор выполнен в виде ПАВ-фильтра. Параметры для точек измерения и кривых следующие. Для точки 1, кривая 905, fc = 2326,41 МГц, a IL = -12,63 дБ. Для точки 2, кривая 910, fc = 2326,39 МГц, IC = -15,27 дБ. Для точки 3, кривая 915, fc = 2326,43 МГц, IL = -18,26 дБ. Для точки 4, кривая 920, fc = 2326,48 МГц, IL = -21,22 дБ. И наконец, для точки 5, кривая 925, fc = 2326,51 МГц, вносимые потери IL = -25,66 дБ.
[0077] Фиг.10 представляет собой график 1000, являющийся частью графика, показанного на Фиг.9, показана полоса от 2315 МГц до 2340 МГц (1005). Обозначения кривой и точек соответствуют показанным на Фиг.9. В частности, 1005 и 905 представляют ту же кривую, что 1015 и 915, 1010 и 910, 1015 и 915, 1020 и 920, а также 1025 и 925.
[0078] Фиг.11 представляет собой круговую диаграмму Смита 1100 коэффициента отражения на входе 1105 и на выходе 1110 для варианта осуществления изобретения, в котором переменный конденсатор выполнен в виде ПАВ-фильтра, показанного на Фиг.9 и 10. Круговые диаграммы Смита (Фиг.11 и 12) показывают изменения импеданса на стороне входа (S11) ПАВ устройства, где установлена консоль. Помеченные данные 1, 2, 3, 4 и 5 соответствуют тем же измерениям для Фиг.9-14. Значения для выхода 1110 (S22) в данном случае являются неизменными.
[0079] Фиг.12 представляет собой круговую диаграмму Смита 1200 увеличенной части круговой диаграммы Смита, показанной на Фиг.11, где более подробно изображен коэффициент отражения при измерениях на входе 1205 и на выходе 1210 для данного варианта осуществления переменного конденсатора - ПАВ-фильтра.
[0080] Фиг.13 представляет собой график 1300 зависимости изменения вносимых потерь ПАВ-фильтра от расстояния 1305 до магнита. Он также соответствует варианту осуществления изобретения, в котором переменный конденсатор выполнен в виде ПАВ-фильтра, показанного на Фиг.9-12. Как и в предыдущем случае, помеченные данные 1, 2, 3, 4 и 5 соответствуют тем же точкам измерения для Фиг.9-14. На графике показано приблизительно линейное соотношение между расстоянием от магнитного диска до консоли и рассогласованием импеданса ПАВ-устройства вследствие уменьшения вносимых потерь.
[0081] Фиг.14 представляет собой график 1400 вносимых потерь ПАВ-фильтра от изменения потока 1405 магнитной индукции также для варианта осуществления переменного конденсатора - ПАВ-фильтра, показанного на Фиг.9 и 13. На данном графике также показано приблизительно линейное соотношение между потоком силовых магнитных линий на импедансном детекторе в виде переменного конденсатора и рассогласованием импеданса ПАВ-устройства.
[0082] Во многих вариантах осуществления упомянут или показан конденсатор. Практически пригоден любой импедансный элемент, физически чувствительный к измеряемой величине. Специалист интуитивно ожидает, что емкостные и индуктивные элементы изменяют только фазу или частоту, тогда как изменения сопротивления изменяют амплитуду. Однако реактивные импедансные элементы могут значительно изменять амплитуду, а также фазу, а резистивные элементы могут существенно изменять частоту и фазу устройства на акустических волнах (AWD). В приведенном пассивном беспроводном примере конденсатор использован для изменения отраженного (обратного) сигнала. Изменение передаваемых сигналов равным образом возможно. Даже в показанном отраженном сигнале могут присутствовать дополнительные невозмущенные отражения в реальном датчике, которые следует учитывать при установлении эталонного значения. Импедансный элемент также может представлять собой одноканальное устройство на акустических волнах (AWD) (например, устройство на объемных акустических волнах (BAW)), имеющее требуемую чувствительность, причем для обеспечения пассивного беспроводного опроса, измерения на упомянутом импедансном элементе осуществляют двухканальным устройством на акустических волнах (AWD).
[0083] В предшествующих примерах описаны устройства на поверхностных акустических волнах с встречно-гребенчатыми преобразователями (IDT), предусматривающими электрические каналы. Встречно-гребенчатые преобразователи способны генерировать другие моды, включая такие поверхностно распространяемые акустические моды волн (известные как «surface guided acoustic wave, SGAW») как волны Лява, волны Лэмба, волны Седзава, волны Рэлея, Блуштейна-Гуляева и другие поверхностно-поперечные волны, акустические плоские моды, приповерхностные объемные акустические волны и многие другие. Ничто в настоящем описании не должно истолковываться как ограничение объема изобретения или толкования устройства на акустических волнах в формуле изобретения любым конкретным видом акустической волны, а приведенные примеры должны истолковываться только лишь как иллюстративные.
[0084] В описание вариантов осуществления изобретения включены встречно-гребенчатые преобразователи (IDT). Однако также применимы плоскопараллельные преобразователи с объемными акустическими волнами с возбуждением поля по толщине и копланарные электроды устройств с объемными акустическими волнами с возбуждением боковым полем. Использование вихревых токов в металлическом листе с подмагничиванием магнитным полем смещения или стационарных токов в змеевидной или другой конфигурации в магнитном поле известно для индуцирования акустических волн и также подразумевается в толковании понятия преобразователя или электрического порта.
[0085] Вышеприведенное описание вариантов осуществления изобретения приведено только лишь в иллюстративных и описательных целях. Оно не должно истолковываться как исчерпывающее или ограничивающее объем изобретения конкретными описанными формами. В свете настоящего описания возможны многочисленные изменения и усовершенствования. Объем изобретения ограничен не настоящим подробным описанием, а прилагаемой формулой изобретения.