被動(dòng)無(wú)線傳感器的制造方法
【專利摘要】RFID傳感器標(biāo)簽可包括普通RFID電路和功能(諸如整流器22、調(diào)制器24、邏輯器26和存儲(chǔ)器27)以及基于諧振器的時(shí)鐘產(chǎn)生器或振蕩器(23)。振蕩器(23)是具有高Q值的穩(wěn)定的基于諧振器的振蕩器?；谥C振器的振蕩器(23)負(fù)載有傳感器元件(42)，該傳感器元件(42)調(diào)諧振蕩頻率，即振蕩頻率對(duì)測(cè)量的量敏感。因此，提供具有基于諧振器的振蕩器和傳感器元件的被動(dòng)RFID傳感器，其中，如果需要感測(cè)，則振蕩頻率可以取決于傳感器元件。這一概念與現(xiàn)有的RFID標(biāo)簽兼容，并且可以用于測(cè)量外部量而無(wú)需縮短讀出距離。
【專利說(shuō)明】
被動(dòng)無(wú)線傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及被動(dòng)無(wú)線傳感器(passive wireless sensor)。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳感器是一種將測(cè)量的量轉(zhuǎn)換為可讀取的格式(通常為電信號(hào)）的器件。近來(lái)，市 場(chǎng)上已經(jīng)可以購(gòu)買到實(shí)際上用于任何測(cè)量目的的傳感器。根據(jù)連接方式，傳感器可被分為 無(wú)線傳感器和有線傳感器。有線傳感器通過(guò)線束或電纜組件連接到讀取器裝置。無(wú)線傳感 器可以在沒(méi)有物理連接到該傳感器的情況下被讀取，且通常通過(guò)為傳感器裝備無(wú)線電收發(fā) 器來(lái)實(shí)現(xiàn)。發(fā)送的無(wú)線電信號(hào)被接收器解讀，該接收器將無(wú)線信號(hào)轉(zhuǎn)換為期望的輸出。在例 如由于苛刻的操作條件(比如溫度和壓力）、旋轉(zhuǎn)部件或者布線的成本以及復(fù)雜性而難以進(jìn) 行有線連接的許多應(yīng)用中，無(wú)線操作可以是有益的。然而，無(wú)線傳感器也具有一些缺點(diǎn)，例 如由電池導(dǎo)致的有限壽命、由衰減和干擾導(dǎo)致的有限讀出距離、由于信號(hào)的不可控傳播導(dǎo) 致的安全問(wèn)題以及潛在的通信速度低?；陔娫匆约巴ㄐ旁?，無(wú)線傳感器可以被分為三 類:主動(dòng)(act ive)傳感器、半被動(dòng)傳感器和被動(dòng)傳感器。
[0003] 主動(dòng)無(wú)線傳感器通常既具有無(wú)線電收發(fā)器又具有用于為收發(fā)器供電的內(nèi)置電池。 具有自身電源的主動(dòng)無(wú)線傳感器能夠使用強(qiáng)大的發(fā)射器和敏感的接收器。然而，內(nèi)置電池 限制了壽命時(shí)間并且還增加了體積和重量。由于更復(fù)雜的電路，主動(dòng)傳感器的價(jià)格可能比 被動(dòng)傳感器的價(jià)格高得多。
[0004] 半被動(dòng)無(wú)線傳感器不包含無(wú)線電收發(fā)器，然而其裝備有電池。電池被用于為集成 電路（1C)供電并且使傳感器獨(dú)立于讀取器裝置運(yùn)行或者維持傳感器中的存儲(chǔ)器。半被動(dòng)電 池輔助傳感器應(yīng)用調(diào)制背向散射技術(shù)進(jìn)行通信。這意味著半被動(dòng)傳感器不需要從內(nèi)置電池 獲得任何電力來(lái)進(jìn)行發(fā)射，而傳感器簡(jiǎn)單地將由讀取器裝置發(fā)射的功率中的一些反射回 去。
[0005] 與主動(dòng)傳感器和半被動(dòng)傳感器不同，被動(dòng)傳感器不需要內(nèi)置電池。因此，它們可以 更簡(jiǎn)單、更小、更便宜，并且它們的壽命不受電源的限制。被動(dòng)無(wú)線傳感器的典型的讀取距 離在10cm到3m之間。被動(dòng)無(wú)線傳感器可以被分為四個(gè)主要類別:射頻識(shí)別(RFID)標(biāo)簽、電諧 振電路傳感器、表面聲波(SAW)、諧波傳感器和互調(diào)傳感器。
[0006] SAW傳感器利用在壓電基片上圖案化的叉指換能器將電磁能轉(zhuǎn)換為表面聲波 (SAW)。然后，SAW通過(guò)聲反射器被操縱、被轉(zhuǎn)換回電磁能、并且被輻射回讀取器裝置。測(cè)量的 量影響SAW在壓電基片上的傳輸特性。使用用于感測(cè)元件的壓電材料的需求限制了可能的 應(yīng)用。此外，SAW標(biāo)簽僅使能硬編碼標(biāo)識(shí)(ID)，因而它們不為芯片提供任何存儲(chǔ)器。
[0007] 諧振傳感器由簡(jiǎn)單的諧振電路組成，該諧振電路的諧振對(duì)測(cè)量的量很敏感。這些 傳感器要求與讀取器近場(chǎng)耦合，這將它們的讀出距離限制在幾厘米以內(nèi)。
[0008]當(dāng)被具有一種或多種信號(hào)音(tone)的讀取器照射(illuminate)時(shí)，諧波傳感器以 諧波頻率散射回傳感器數(shù)據(jù)。換言之，傳感器混合信號(hào)音(非線性是必要的以便設(shè)置混合） 并反射包含偏移讀取器頻率的諧波積的信號(hào)。諧波讀取器接收發(fā)射頻率的諧波，然后對(duì)接 收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以找到導(dǎo)致產(chǎn)生此諧波的對(duì)象的確切位置和移動(dòng)性。這一概念針對(duì)遙 測(cè)首次提出。最近，已經(jīng)研制出用于感測(cè)應(yīng)用的互調(diào)通信原理。在此原理中，通過(guò)兩個(gè)緊密 定位頻率來(lái)激勵(lì)傳感器，并且傳感器數(shù)據(jù)以互調(diào)頻率被散射回。此方法能夠穿過(guò)非常大的 距離(甚至幾十米)無(wú)線讀出通用傳感器元件(例如，MEMS傳感器）。傳感器還可以配備有ID。 然而，這一概念需要特殊的讀取器，并且其不提供存儲(chǔ)器或防碰撞協(xié)議。在W02011/121180 和US6378360中公開(kāi)了這種方法。
[0009] RFID是使用無(wú)線電波在標(biāo)簽與讀取器之間進(jìn)行通信的識(shí)別技術(shù)，并且被用于識(shí)別 物體。與光學(xué)條形碼識(shí)別技術(shù)相比，RFID具有一些優(yōu)點(diǎn)，例如在讀取器裝置與標(biāo)簽之間不需 要視線，并且RFID讀取器能夠同時(shí)讀取數(shù)百個(gè)標(biāo)簽。被動(dòng)RFID標(biāo)簽使用圖1中所示的調(diào)制背 向散射通信原理。當(dāng)標(biāo)簽10與RFID讀取器11通信時(shí)，其調(diào)制接收的信號(hào)12并將信號(hào)12的一 部分13反射回讀取器。典型的被動(dòng)標(biāo)簽包括連接到應(yīng)用專用微芯片的天線。當(dāng)被RFID收發(fā) 器或讀取器無(wú)線詢問(wèn)時(shí)，RFID標(biāo)簽天線從RFID讀取器接收功率和RF信號(hào)并將它們供應(yīng)至芯 片。芯片處理該信號(hào)并將請(qǐng)求的數(shù)據(jù)發(fā)送回RFID讀取器。根據(jù)發(fā)射的數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)制背向散射 的信號(hào)。RFID的最高操作頻率和讀取距離受到集成電路（1C)的整流功率的限制，并且分別 為幾 GHz以及5-10m。
[0010] RFID主要用于識(shí)別。RFID標(biāo)簽配備有可重寫(xiě)的存儲(chǔ)器，這賦予了 RFID標(biāo)簽可重復(fù) 使用的特征，然而他們對(duì)于測(cè)量外部量是無(wú)用的。通過(guò)使RFID標(biāo)簽配備外部傳感器以及讀 取外部傳感器的數(shù)字邏輯器件，RFID也已經(jīng)表現(xiàn)出可以適用于測(cè)量。這種方法的好處在于 其可以使用通用的傳感器元件并且因此可以很好地適用于非常廣泛的應(yīng)用。然而，在該方 法中，需要在標(biāo)簽中包括額外的A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)字電路，以使傳感器能夠被讀出。由于額外 的電子器件而增加的功耗顯著減小了讀出范圍（例如，具有8位A/D轉(zhuǎn)換器的情況下，從5m減 至0.3m)。額外的傳感器元件還增加了功耗。在下列文獻(xiàn)中討論了額外的數(shù)字電路和A/D轉(zhuǎn) 換器的實(shí)施注意事項(xiàng)：1、2009年2月出版的名為"Development and Implementation of RFID Technology(RFID技術(shù)的發(fā)展和實(shí)施)"的圖書(shū)中的第9章 "Smart RFID Tags(智能 RFID標(biāo)簽)"，ISBN 978-3-902613-54-7，出版社為奧地利維也納的I-Tech，詳見(jiàn):http: // www.intechopen.com/books/development_and_implementation_of_rfid_technology。 [0011]總之，目前的被動(dòng)無(wú)線傳感器技術(shù)存在一些局限性。沒(méi)有一種技術(shù)可以同時(shí)提供 感測(cè)、RFID技術(shù)的復(fù)雜特征(諸如識(shí)別和防碰撞）以及大的讀出距離。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種被動(dòng)無(wú)線傳感器，其可以提供感測(cè)、復(fù)雜功能以 及大的讀出距離。
[0013] 本發(fā)明的目的由根據(jù)所附的獨(dú)立權(quán)利要求所述的被動(dòng)無(wú)線傳感器和系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 在從屬權(quán)利要求中公開(kāi)了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
[0014] 本發(fā)明的一個(gè)方面在于一種被動(dòng)無(wú)線發(fā)射應(yīng)答器，包括：用于利用背向散射原理 進(jìn)行通信以提供射頻識(shí)別(RFID)特征的天線、整流器、振蕩器和調(diào)制器；以及用于感測(cè)預(yù)定 變量的感測(cè)元件，其中所述振蕩器是基于諧振器的振蕩器(例如，LC振蕩器、RLC振蕩器、晶 體振蕩器、基于MEMS諧振器的振蕩器），并且所述感測(cè)元件連接到所述振蕩器，并且從所述 振蕩器輸出的調(diào)制頻率被布置為取決于所述預(yù)定變量的感測(cè)值。
[0015] 在一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)射應(yīng)答器還包括用于射頻識(shí)別（RFID)特征(諸如識(shí)別和防碰 撞）的控制邏輯器和/或存儲(chǔ)器。
[0016] 在一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)射應(yīng)答器的主要部分利用集成電路技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且其中感 測(cè)元件可以是外部組件，諸如MEMS傳感器。通常，可以使用電阻、電容和電感傳感器元件，因 為它們都可以影響電諧振器的諧振。電阻傳感器的示例包括溫度和應(yīng)變傳感器。電感傳感 器包括超聲換能器(其可以以特定的激勵(lì)頻率感應(yīng)）、接近傳感器和電感繼電器。其它變量 (諸如電壓或力)可以例如使用變?nèi)荻O管和壓電材料被轉(zhuǎn)換為電容。
[0017] 在一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)射應(yīng)答器的主要部分利用集成電路技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且其中振 蕩器的至少一部分包括外部組件，諸如外部諧振器、外部MEMS諧振器、外部電感器。
[0018] 在一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)射應(yīng)答器的主要部分利用集成電路技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且其中感 測(cè)元件和振蕩器的諧振器部分利用諧振傳感器或MEMS諧振傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0019] 在一個(gè)實(shí)施例中，振蕩器可以是考畢茲(Collpitts)振蕩器、邁斯納(Meissner)振 蕩器、阿姆斯特朗(Armstrong)振蕩器或哈特萊(Hartley)振蕩器。此外，可以利用更復(fù)雜的 振蕩器結(jié)構(gòu)。
[0020] 在一個(gè)實(shí)施例中，振蕩器負(fù)載有許多可切換的傳感器元件?？梢悦看芜x擇一個(gè)感 測(cè)元件以對(duì)振蕩器提供負(fù)載，因此影響振蕩頻率。以這種方式，發(fā)射應(yīng)答器可以配備有能夠 被獨(dú)立地讀取的多個(gè)傳感器。發(fā)射應(yīng)答器具有可以打開(kāi)特定的感應(yīng)元件并將其余的感應(yīng)元 件斷開(kāi)的邏輯電路。讀取器裝置可以向發(fā)射應(yīng)答器發(fā)送關(guān)于打開(kāi)什么傳感器的指令。
[0021] 在一個(gè)實(shí)施例中，LC或RLC振蕩器是包括有源(active)放大裝置、電容分壓器和反 饋電感的考畢茲振蕩器。
[0022] 在一個(gè)實(shí)施例中，從LC或RLC振蕩器輸出的調(diào)制頻率的電壓電平取決于電容分壓 器的電容分壓器比。
[0023] 在一個(gè)實(shí)施例中，被動(dòng)無(wú)線發(fā)射應(yīng)答器包括天線與整流器之間的高通濾波器、整 流器的DC輸出端與振蕩器的輸入端之間的低通濾波器、以及振蕩器的輸出端與調(diào)制器的輸 入端之間的帶通濾波器中的一個(gè)或多個(gè)。
[0024] 在一個(gè)實(shí)施例中，整流器包括整流二極管D1，并且其中所述整流二極管還提供調(diào) 制器的混頻器。
[0025] 在一個(gè)實(shí)施例中，所調(diào)制的背向散射信號(hào)中包括從詢問(wèn)頻率偏移振蕩頻率的邊 帶，所述振蕩頻率取決于預(yù)定變量的感測(cè)值。
[0026]本發(fā)明的一個(gè)方面在于一種系統(tǒng)，包括RFID讀取器以及根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的至 少一個(gè)被動(dòng)無(wú)線發(fā)射應(yīng)答器。
[0027]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的被動(dòng)無(wú)線傳感器概念可提供：
[0028] 1)RFID(存儲(chǔ)器、ID和防碰撞)的所有復(fù)雜特征，
[0029] 2)使用通用的外部感測(cè)元件（例如MEMS傳感器）來(lái)測(cè)量外部量(諸如壓力或加速 度)的可能性，
[0030] 3)非常大的讀出距離(>10m)，以及 [0031] 4)與現(xiàn)有的RFID讀取器的兼容性。
【附圖說(shuō)明】
[0032]在下面，將參照附圖以優(yōu)選實(shí)施例的方式來(lái)更詳細(xì)地描述本發(fā)明，在附圖中：
[0033]圖1示出在RFID系統(tǒng)中的背向散射通信原理；
[0034]圖2是示出RFID標(biāo)簽架構(gòu)的示例的功能性框圖；
[0035]圖3是示出RC振蕩器的電路圖；
[0036]圖4A示出LC振蕩器的示例；
[0037]圖4B示出利用集成電路芯片和外部組件來(lái)實(shí)現(xiàn)的RFID傳感器標(biāo)簽的示例；
[0038]圖4C示出設(shè)置有兩個(gè)或多個(gè)感測(cè)元件的RFID傳感器標(biāo)簽的示例；
[0039]圖5A是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的用于RFID傳感器的通信原理的系統(tǒng)圖； [0040]圖5B是示出用于RFID傳感器的通信原理的譜圖；
[0041] 圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施例的RFID傳感器裝置的框圖和電路圖；以及
[0042] 圖7是示出振蕩輸出電壓隨著輸入供電電壓而改變的曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0043]圖2顯示了示出射頻識(shí)別（RFID)發(fā)射應(yīng)答器(標(biāo)簽)架構(gòu)的示例的功能性框圖。在 示出的示例中，RFID標(biāo)簽10可包括：天線21，直接與標(biāo)簽的前端阻抗匹配（未示出匹配電 路），以與RFID讀取器11通信;模擬RF前端，通?？梢园瑢F功率轉(zhuǎn)換為直流(DC)的整流 電路22、時(shí)鐘產(chǎn)生器或振蕩器23、調(diào)制器24和解調(diào)器25。還可以具有邏輯部件或數(shù)字控制模 塊26,其可被配置為提供期望的功能，例如用于處理詢問(wèn)指令、執(zhí)行防碰撞協(xié)議、執(zhí)行數(shù)據(jù) 完整性檢驗(yàn)、運(yùn)行存儲(chǔ)器讀取-寫(xiě)入操作以及執(zhí)行輸出控制和數(shù)據(jù)流。該邏輯實(shí)施方式通常 遵守已定義的標(biāo)準(zhǔn)和特定的相關(guān)協(xié)議。此外，可以提供存儲(chǔ)存1C器(memory storage)27。根 據(jù)用戶的需要，如果既實(shí)現(xiàn)讀取能力又實(shí)現(xiàn)寫(xiě)入能力，則可能需要非易失性存儲(chǔ)存貯器。 [0044]如上所討論的，被動(dòng)RFID標(biāo)簽使用調(diào)制背向散射原理進(jìn)行通信。當(dāng)標(biāo)簽與讀取器 進(jìn)行通信時(shí)，標(biāo)簽對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制并將信號(hào)的一部分反射回讀取器。在現(xiàn)有的RFID 系統(tǒng)中，調(diào)制頻率與標(biāo)簽的時(shí)鐘頻率相同。在現(xiàn)有的RFID系統(tǒng)中，時(shí)鐘頻率產(chǎn)生23利用頻率 較不穩(wěn)定的低效RC振蕩器來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，較大的帶(40或160kHz，± 15 % )被分配給標(biāo)簽的調(diào) 制響應(yīng)。在當(dāng)前系統(tǒng)中，調(diào)制頻率本身不攜帶任何信息，并且頻譜效率差(信息帶可以低至 整體帶的十分之一）。此振蕩器也消耗較大功率。圖3中示出包含晶體管M1、電阻R1和電容器 C1的RC振蕩器的示例。
[0045]當(dāng)前的被動(dòng)無(wú)線傳感器不能同時(shí)提供RFID技術(shù)的感測(cè)和復(fù)雜特征。這可以通過(guò)配 備具有基于諧振器的振蕩器(LC振蕩器、RLC振蕩器、晶體振蕩器等）的RFID標(biāo)簽和傳感器元 件而實(shí)現(xiàn)，以便使得RFID的復(fù)雜特征以及用于測(cè)量外部量而無(wú)需縮短讀出距離成為可能。 [0046]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，RFID標(biāo)簽裝置中的不穩(wěn)定的RC振蕩器由具有高Q值的 穩(wěn)定的基于諧振器的振蕩器替代，并且RFID設(shè)置有傳感器元件以便使得RFID的復(fù)雜特征以 及用于測(cè)量外部量而無(wú)需縮短讀出距離成為可能?；谥C振器的振蕩器的示例包括哈特 萊、考畢茲、阿姆斯特朗和邁斯納LC振蕩器或RLC振蕩器、不同的晶體振蕩器以及基于MEMS (微機(jī)電系統(tǒng)）、SAW(表面聲波)和BAW(體聲波)諧振器的振蕩器。本文所描述的針對(duì)LC振蕩 器的示例性實(shí)施例可以類似地應(yīng)用到RLC振蕩器。應(yīng)理解的是，如果將最小量電阻R引入到 LC振蕩器中，則LC振蕩器將變得像RLC振蕩器一樣。在實(shí)踐中，所有LC振蕩器可以被認(rèn)為是 RLC振蕩器，因?yàn)樵陔姼衅鱈中始終存在電阻R。另一方面，優(yōu)選地最小化電阻元件R，因?yàn)殡?阻元件R增加了功耗并且縮短了讀出距離。本發(fā)明還可以使用具有減少的測(cè)量分辨率的RC 振蕩器。RC振蕩器的優(yōu)點(diǎn)在于其可以被集成。
[0047]首先，基于諧振器的振蕩器能夠大幅提高RFID的頻譜效率，從而能夠以不同的調(diào) 制頻率同時(shí)讀取許多標(biāo)簽(最先進(jìn)技術(shù)的讀取器已經(jīng)使能載波頻率多址接入方案，這不應(yīng) 與調(diào)制頻率多址接入方案混淆）。此外，基于諧振器的振蕩器可以負(fù)載有感測(cè)元件，該感測(cè) 元件調(diào)諧振蕩頻率，即振蕩頻率變?yōu)閷?duì)測(cè)量的量敏感。換言之，提供具有基于諧振器的振蕩 器和傳感器元件的被動(dòng)RFID傳感器，其中，如果需要感測(cè)，則振蕩頻率可以取決于傳感器元 件。因此，此概念與現(xiàn)有的RFID標(biāo)簽兼容，并且可以使能用于測(cè)量外部量而無(wú)需縮短讀出距 離的可能性。
[0048]還可以以其諧振對(duì)測(cè)量的量敏感這樣的方式例如通過(guò)設(shè)計(jì)MEMS諧振器來(lái)使諧振 器和傳感器結(jié)合。例如，MEMS諧振器的諧振頻率可以對(duì)溫度和應(yīng)變敏感，因此可以從諧振頻 率獲得這些參數(shù)。
[0049]本發(fā)明的實(shí)施例提供了許多益處。首先，可以利用現(xiàn)有的RFID讀取器詢問(wèn)RFID傳 感器標(biāo)簽，因?yàn)樗鼈円呀?jīng)測(cè)量了標(biāo)簽的時(shí)鐘頻率(即，調(diào)制頻率）。不需要對(duì)用于與根據(jù)本發(fā) 明的實(shí)施例的傳感器RFID進(jìn)行通信的現(xiàn)有的RFID讀取器進(jìn)行硬件修改。RFID傳感器標(biāo)簽還 可以配備有外部傳感器元件而不會(huì)縮短任何讀出距離。事實(shí)上，當(dāng)RC振蕩器由基于諧振器 (例如LC、RLC、石英晶體、SAW或BAW諧振器或MEMS諧振器）的振蕩器替代時(shí)，RFID標(biāo)簽的功耗 已經(jīng)略有下降。
[0050]圖4A示出包含晶體管Ml和LC諧振器41(具有并聯(lián)連接的電感器L1和電容器C2)的 基于諧振器的LC振蕩器的示例。
[0051 ] 圖4B示出RFID傳感器標(biāo)簽的示例，其中普通RFID電路和功能(諸如整流器22、調(diào)制 器24、邏輯器26和存儲(chǔ)器27)以及時(shí)鐘產(chǎn)生器23的一部分(諸如晶體管Ml和電容器C1)在集 成電路芯片43上實(shí)現(xiàn)，而振蕩器23的一部分(諸如電感器L1或諧振器）以及感測(cè)元件42(諸 如電容傳感器Cs)可以實(shí)現(xiàn)為連接到集成電路芯片43的外部組件?；蛘撸麄€(gè)諧振器(諸如 諧振器41)可以由一個(gè)或多個(gè)外部組件實(shí)施，或者可以采用一些其它類型的配置。此概念允 許利用潛在的低成本電感器、諧振器和傳感器或者諧振傳感器。例如，MEMS諧振器和傳感器 或者M(jìn)EMS諧振傳感器可以是可用的。MEMS諧振傳感器是諧振裝置，其諧振對(duì)測(cè)量的量敏感。 測(cè)量的量通過(guò)測(cè)量裝置的諧振而獲得。MEMS諧振器和傳感器的成本處于0.5到2€，并且批 量生產(chǎn)的RFID芯片的成本約為0.1 €。作為對(duì)比，具有傳感器接口的批量生產(chǎn)的高頻(HF)和 近場(chǎng)通信(NFC)RFID標(biāo)簽花費(fèi)$2.59到3.46。
[0052] 圖4C示出設(shè)置有兩個(gè)或更多個(gè)感測(cè)元件42-1、42-2、的發(fā)射應(yīng)答器或RFID 傳感器標(biāo)簽的示例。RFID傳感器標(biāo)簽可包括普通RFID電路和功能（諸如整流器22、調(diào)制器 24、邏輯器26和存儲(chǔ)器27)以及基于諧振器的時(shí)鐘產(chǎn)生器或振蕩器23,諸如在其它示例性實(shí) 施例中所描述的。感測(cè)元件42-1、42-2、…、42-N可以選擇性地一次一個(gè)地使能以加載 (load)振蕩器23,使得從振蕩器23輸出的調(diào)制頻率取決于所使能的感測(cè)元件42的預(yù)定變量 的感測(cè)值。換言之，可以逐一地選擇一個(gè)感測(cè)元件以對(duì)振蕩器提供負(fù)載，從而影響振蕩頻 率。以這種方式，發(fā)射應(yīng)答器可以配備有能夠被獨(dú)立地讀取的多個(gè)傳感器。發(fā)射應(yīng)答器可以 具有可以打開(kāi)特定的感應(yīng)元件并將其余的感應(yīng)元件斷開(kāi)的邏輯電路。例如，發(fā)射應(yīng)答器可 包括選擇器44,例如開(kāi)關(guān)電路或者模擬多路復(fù)用器，其被布置為選擇性地將多個(gè)感測(cè)元件 42-U42-2.....42-N中的一個(gè)感測(cè)元件連接到振蕩器23以及將其余的感測(cè)元件與振蕩器 斷開(kāi)?？梢愿鶕?jù)預(yù)定的順序來(lái)執(zhí)行選擇性地使能、開(kāi)關(guān)或連接?？蛇x擇地，讀取器裝置可以 向其上感測(cè)元件42-1、42-2、42-Ν被打開(kāi)的發(fā)射應(yīng)答器發(fā)送指令。例如，邏輯器26可以接收 來(lái)自讀取器的選擇命令并相應(yīng)地控制選擇器44。
[0053]圖5A和圖5B示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的用于RF ID傳感器的通信原理。在圖 5A和圖5B中，f 和f QSC分別表示載波頻率和振蕩頻率。使用從讀取器11發(fā)射的RF (射頻)CW (載波）信號(hào)來(lái)激勵(lì)RFID傳感器。首先，通過(guò)整流器22(諸如圖4B中的整流器22)將RF信號(hào)轉(zhuǎn) 換為DC電壓。經(jīng)整流的電壓為振蕩器23加電，振蕩器23在其輸出端產(chǎn)生低頻正弦波f QSC。最 后，振蕩信號(hào)fosc被饋送至調(diào)制器24,以實(shí)現(xiàn)背向散射原理。調(diào)制器24基于天線與整流器21/ 調(diào)制器24之間的匹配來(lái)調(diào)制信號(hào)并將其返回至天線21。結(jié)果，在從傳感器反射的信號(hào)中，存 在邊帶fof-fosc和fcw+fosc。邊帶從載波fcrf扁移了振蕩頻率fosc。
[0054]為了說(shuō)明的目的，僅通過(guò)以下主要部件對(duì)本發(fā)明的示例性實(shí)施例進(jìn)行描述:天線 21、整流器22、LC振蕩器23、調(diào)制器24和感測(cè)元件42,如圖6所示。與具有合適的匹配電路的 整流器22匹配的天線21對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是公知的。此外，在天線21與整流器22之間 可能有高通濾波器51，在整流器21的DC輸出端與低頻振蕩器23的輸入端之間可能有低通濾 波器52,以及在振蕩器23的輸出端與調(diào)制器24的輸入端之間可能有帶通濾波器53。
[0055]被動(dòng)RFID傳感器50通常從讀取器裝置11的詢問(wèn)信號(hào)收集其操作所需的所有能量。 然而，也可以將其它能量收集器附連到所提出的傳感器裝置以實(shí)現(xiàn)增加的讀出范圍。可能 的能量收集器包括光電池和太陽(yáng)能電池、熱電偶、振動(dòng)能量收集器、風(fēng)力渦輪機(jī)(也在微觀 層面)和聲學(xué)收集器。讀取器裝置11用連續(xù)波(CW)照射標(biāo)簽，且RFID傳感器利用電壓整流器 22來(lái)產(chǎn)生操作所需的電源電壓V DC。在小信號(hào)條件下，其中RFID傳感器經(jīng)常在大距離下操作， 整流器的效率與峰值A(chǔ)C電壓成比例。整流器22可以基于非線性元件，諸如二極管D1，并且其 用于將AC電壓轉(zhuǎn)換為DC。最簡(jiǎn)單的整流器可以包含零偏置肖特基二極管D1。天線21可以通 過(guò)高通濾波器51(諸如隔直電容)與整流二極管D1隔離，且振蕩器23可以通過(guò)低通濾波器52 (諸如RF扼流圈）在RF與天線21和整流器22隔離，以防止RF能量在DC負(fù)載中（即在振蕩器23 中）消散。
[0056]如前所討論的，傳感器利用調(diào)制背向散射原理進(jìn)行通信。在示例性實(shí)施例中，調(diào)制 的背向散射可以通過(guò)將振蕩器輸出fosc施加到整流器22來(lái)實(shí)現(xiàn)。換言之，整流二極管D1還被 用作調(diào)制器24的一部分。在調(diào)制器24中，整流二極管D1被用作混頻器。帶通濾波器63(諸如 RF扼流圈）允許振蕩器頻率fosdl過(guò)并停止其它頻率。振蕩信號(hào)fQSC調(diào)制整流二極管D1的RF 阻抗。在振蕩頻率f CISC下的電壓與原輸入頻率fCT混合，在和(fcw+f CISC)和差(fcw-f CISC)頻率處 產(chǎn)生信號(hào)。因此，在從傳感器50反射的信號(hào)中存在邊帶。例如，由RFID傳感器反射的功率取 決于二極管參數(shù)、RFID傳感器輸入功率(Vdc)、振蕩器輸出電壓Vosc和天線21的內(nèi)部電阻。 [0057]當(dāng)被用在被動(dòng)無(wú)線傳感器中時(shí)，振蕩器23必須產(chǎn)生大輸出電壓并且其功耗必須 小。RFID傳感器50的功耗主要發(fā)生在振蕩器電路23中以產(chǎn)生振蕩器輸出電壓，傳感器讀出 距離取決于該振蕩器輸出電壓。因此，通過(guò)設(shè)計(jì)能夠以超低電源電壓工作的振蕩器，可以使 RFID傳感器50的功耗任意小。此外，RFID傳感器50的較大讀出距離可以通過(guò)產(chǎn)生大振蕩器 輸出電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。前面的分析是在假設(shè)傳感器未配備有數(shù)字1C電子器件的情況下進(jìn)行的。 當(dāng)包括有數(shù)字電子器件時(shí)，由于數(shù)字電路的功耗，讀出距離可被限制。
[0058]振蕩器電路23可以利用各種振蕩器拓?fù)鋪?lái)實(shí)現(xiàn)。經(jīng)典的振蕩器拓?fù)涞氖纠?畢茲振蕩器、邁斯納振蕩器、阿姆斯特朗振蕩器和哈特萊振蕩器。考畢茲振蕩器也許是歷史 上使用最廣泛的振蕩器，因?yàn)槠鋸V泛用于高達(dá)100MHz的商業(yè)信號(hào)產(chǎn)生器并且還因?yàn)槠浜苋?易實(shí)現(xiàn)。在示例性實(shí)施例中，簡(jiǎn)單的考畢茲振蕩器拓?fù)湟呀?jīng)被選擇用于說(shuō)明而不是旨在將 本發(fā)明限制于此振蕩器拓?fù)洹?br>[0059]參照?qǐng)D6,示例性振蕩器23可以通過(guò)低電壓考畢茲振蕩器來(lái)實(shí)現(xiàn)。示例性振蕩器電 路包含共柵放大器，其包括晶體管M1、由電容器C1和C2組成的電容分壓器以及反饋電感器 Ll〇
[0060] 振蕩器的功耗很大程度上取決于半導(dǎo)體制造工藝和晶體管技術(shù)類型。常用工藝是 硅(Si)、砷化鎵(GaAs)和硅鍺(SiGe)。所使用的典型技術(shù)是雙極結(jié)型晶體管(BJT)、場(chǎng)效應(yīng) 晶體管(FET)和異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)。振蕩器的功耗還取決于晶體管的偏置電路和閾值 電壓。金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(M0SFET)是一種類型的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)。與BJT 相比，M0SFET可以被做得相當(dāng)小，并且其操作需要較低功率。因此，在示例性實(shí)施例中，可以 使用具有非常低的閾值電壓的M0SFET晶體管Ml (諸如ALD800)。
[0061] 為了超低壓操作，M0SFET晶體管Ml的控制端子直接連接到電源電壓VDC，漏極端子 經(jīng)由反饋電感器L1連接到電源電壓V DC，并且源極端子經(jīng)由串聯(lián)連接的電感器L2和偏壓電阻 Rblas接地。感測(cè)元件42可以在振蕩器的輸出端處提供負(fù)載電阻Rl。所需的反饋可以通過(guò)由在 漏極端子與地之間串聯(lián)連接的電容器C1和C2形成的電容分壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)。C1與C2之間的中間 節(jié)點(diǎn)連接到源極端子并且提供振蕩器的輸出。電容分壓器C1-C2確定振蕩器電壓V DC與VQSC之 間的比。
[0062] 可以將等效電容Ceq和電容分配比η。寫(xiě)為
[0065]圖7通過(guò)下表1所列出的參數(shù)值以及產(chǎn)生100kHz下信號(hào)的目的來(lái)示出振蕩輸出電 壓隨著輸入供電電壓而改變。振蕩器需要4mV的最小電源電壓來(lái)啟動(dòng)振蕩，這使得該振蕩適 于用在被動(dòng)無(wú)線傳感器中。
[0066]表1.在振蕩器仿真中使用的參數(shù) 反饋電感器 偏置電感器 L2=10mH 電容器 Ci = 3JnF
[0067] 電容器 C2=i6nF 負(fù)載電阻 Κ).5ΜΩ 反饋電阻 Rbias = 50Q
[0068] 在振蕩器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，一些關(guān)鍵特征已經(jīng)被實(shí)現(xiàn)，這些關(guān)鍵特征可以在設(shè)計(jì)振 蕩器時(shí)予以考慮。可以通過(guò)減小電容分壓器比以及增大反饋電感器的品質(zhì)因數(shù)(Q)使振蕩 器的功耗任意低。研究發(fā)現(xiàn)，整流的DC電壓取決于二極管參數(shù)、輸入功率和負(fù)載阻抗。振蕩 器輸出電壓取決于整流的DC電壓、振蕩電路拓?fù)?、以及諧振器的品質(zhì)因數(shù)和特征阻抗。此 外，可以通過(guò)減小電容分壓器比率來(lái)使振蕩器的功耗任意小。另外，傳感器的調(diào)制反射功率 取決于混頻器二極管參數(shù)、傳感器的輸入功率和振蕩器的輸出電壓。
[0069]對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)講將明顯的是，本發(fā)明構(gòu)思可以以不同的顯然替代方式來(lái) 實(shí)施。本發(fā)明及其實(shí)施例不限于上面描述的示例，而是可以在權(quán)利要求書(shū)的范圍內(nèi)進(jìn)行改 變。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種被動(dòng)無(wú)線發(fā)射應(yīng)答器，包括：用于利用背向散射原理進(jìn)行通信以提供射頻識(shí)別 (RFID)特征的天線、整流器、振蕩器和調(diào)制器；以及用于感測(cè)預(yù)定變量的感測(cè)元件，其中所 述振蕩器基于諧振器，并且所述感測(cè)元件連接到所述振蕩器，并且從所述振蕩器輸出的調(diào) 制頻率被布置為取決于所述預(yù)定變量的感測(cè)值。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的被動(dòng)無(wú)線發(fā)射應(yīng)答器，其中所述感測(cè)元件還包括用于諸如識(shí) 別和防碰撞的射頻識(shí)別(RFID)特征的控制邏輯器和/或存儲(chǔ)器。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的被動(dòng)無(wú)線發(fā)射應(yīng)答器，其中所述發(fā)射應(yīng)答器的主要部分利 用集成電路技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且其中所述感測(cè)元件是外部組件。4. 根據(jù)權(quán)利要求1到3中任一項(xiàng)所述的被動(dòng)無(wú)線發(fā)射應(yīng)答器，其中所述發(fā)射應(yīng)答器包括 多個(gè)感測(cè)元件，選擇性地每次使能一個(gè)感測(cè)元件以加載所述振蕩器，使得從所述振蕩器輸 出的所述調(diào)制頻率取決于所使能的感測(cè)元件的預(yù)定變量的感測(cè)值。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的被動(dòng)無(wú)線發(fā)射應(yīng)答器，其中所述發(fā)射應(yīng)答器包括選擇裝置，該 選擇裝置被布置為根據(jù)預(yù)定順序或者根據(jù)從讀取器裝置接收到的指令選擇性地使能所述 多個(gè)感測(cè)元件中的一個(gè)并且禁用其余的感測(cè)元件。6. 根據(jù)權(quán)利要求1到5中任一項(xiàng)所述的被動(dòng)無(wú)線發(fā)射應(yīng)答器，其中所述發(fā)射應(yīng)答器的主 要部分利用集成電路技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且其中所述振蕩器的至少一部分包括外部組件，諸如 外部諧振器。7. 根據(jù)權(quán)利要求1到6中任一項(xiàng)所述的被動(dòng)無(wú)線發(fā)射應(yīng)答器，其中所述發(fā)射應(yīng)答器的主 要部分利用集成電路技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且其中所述感測(cè)元件和所述振蕩器的諧振器部分利用 諧振傳感器或MEMS諧振傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。8. 根據(jù)權(quán)利要求1到7中任一項(xiàng)所述的被動(dòng)無(wú)線發(fā)射應(yīng)答器，其中基于諧振器的所述振 蕩器包括LC振蕩器、RLC振蕩器、晶體振蕩器以及基于MEMS(微機(jī)電系統(tǒng)）諧振器、SAW(表面 聲波)諧振器或BAW(體聲波)諧振器的振蕩器中的一個(gè)。9. 根據(jù)權(quán)利要求1到8中任一項(xiàng)所述的被動(dòng)無(wú)線發(fā)射應(yīng)答器，其中所述振蕩器是考畢茲 振蕩器、邁斯納振蕩器、阿姆斯特朗振蕩器和哈特萊振蕩器中的一個(gè)。10. 根據(jù)權(quán)利要求1到9中任一項(xiàng)所述的被動(dòng)無(wú)線發(fā)射應(yīng)答器，其中所述振蕩器是包括 有源放大裝置、電容分壓器和反饋電感的考畢茲LC或RLC振蕩器。11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的被動(dòng)無(wú)線發(fā)射應(yīng)答器，其中從所述LC或RLC振蕩器輸出的所 述調(diào)制頻率的電壓電平取決于所述電容分壓器的電容分壓器比。12. 根據(jù)權(quán)利要求1到11中任一項(xiàng)所述的被動(dòng)無(wú)線發(fā)射應(yīng)答器，包括所述天線與所述整 流器之間的高通濾波器、所述整流器的DC輸出端與所述振蕩器的輸入端之間的低通濾波器 以及所述振蕩器的輸出端與所述調(diào)制器的輸入端之間的帶通濾波器中的一個(gè)或多個(gè)。13. 根據(jù)權(quán)利要求1到12中任一項(xiàng)所述的被動(dòng)無(wú)線發(fā)射應(yīng)答器，其中所述整流器包括整 流二極管D1，并且其中所述整流二極管還提供所述調(diào)制器的混頻器。14. 根據(jù)權(quán)利要求1到12中任一項(xiàng)所述的被動(dòng)無(wú)線發(fā)射應(yīng)答器，其中所調(diào)制的背向散射 信號(hào)包括從詢問(wèn)頻率偏移振蕩頻率的邊帶，所述振蕩頻率取決于所述預(yù)定變量的感測(cè)值。15. -種系統(tǒng)，包括RFID讀取器以及根據(jù)權(quán)利要求1到14中任一項(xiàng)所述的至少一個(gè)被動(dòng) 無(wú)線發(fā)射應(yīng)答器。
【文檔編號(hào)】H04B1/59GK106031049SQ201380081913
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2013年12月30日
【發(fā)明人】V·維卡里
【申請(qǐng)人】美卓流體控制有限公司