專利名稱：無線溫度濕度傳感器及系統(tǒng)和測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無線傳感器，具體涉及使用聲表面波振蕩器的溫度濕度傳感器。
背景技術(shù)：
聲表面波(Surface Acoustic Wave—SAW)傳感器是一種以SAW為信息敏感載體的傳感器，具有敏感精度高、響應(yīng)時(shí)間快、適用范圍寬、體積小等特點(diǎn)，在航空航天、食品衛(wèi)生、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)藥化工、過程監(jiān)控、軍事安全等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，SAW傳感器顯示了獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。目前已有多種聲表面波多參量傳感器，例如，中國實(shí)用新型專利第CN201837405U號(hào)公開了一種反射式脈沖信號(hào)聲表面波傳感器，遙測(cè)裝置發(fā)出的無線脈沖信號(hào)被傳感器天線接收并驅(qū)動(dòng)叉指換能器產(chǎn)生射頻聲表面波，該聲波脈沖被發(fā)射器反射并通過換能器及天線反向發(fā)射至遙測(cè)裝置。該傳感器通過檢測(cè)反射延時(shí)變化提取溫度等敏感量。中國專利申 請(qǐng)第CN102313614公開了一種提高精度的聲表面波溫度傳感器，使用多個(gè)反射器產(chǎn)生帶有時(shí)間間隔的反射脈沖序列，通過結(jié)合使用該序列脈沖的延時(shí)差與單一頻率下的多個(gè)脈沖間相位差來提高溫度檢測(cè)精度。上述專利使用了包含壓電材料的聲表面波裝置。應(yīng)注意到，隨著壓電材料或電氣連接件的老化，反射延時(shí)會(huì)出現(xiàn)漂移，從而影響測(cè)度的長期穩(wěn)定性。同時(shí)該結(jié)構(gòu)包含較大尺寸的延時(shí)傳輸線，除不易小型化外，還引入較高的路徑損耗，減小可靠的無線通信距離。另外，中國專利第CN201348624Y號(hào)中還公開了一種多通道聲表面波化學(xué)傳感器裝置，這種裝置包含多個(gè)并行的聲表面波檢測(cè)通道以及一個(gè)參考通道，通過混頻器產(chǎn)生各檢測(cè)通道與參考通道間的頻率差值并經(jīng)由線纜送至分析裝置。該發(fā)明需要使用有線方式傳輸較低頻率的差頻信號(hào)，并包含有源外圍電路，從而無法實(shí)現(xiàn)無源無線傳感器。此外，該裝置不包含溫度或濕度檢測(cè)功能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種易于小型化且不會(huì)由于器件的老化而引起測(cè)量精度下降的無線溫度濕度傳感器。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，本發(fā)明提供了一種無線溫度濕度傳感器，包括基底、饋電網(wǎng)絡(luò)、天線、以及聲表面波振蕩器，其特征在于所述聲表面波振蕩器通過所述天線經(jīng)由所述饋電網(wǎng)絡(luò)饋電；所述聲表面波振蕩器包括基準(zhǔn)振蕩器和測(cè)量振蕩器；且所述基準(zhǔn)振蕩器和測(cè)量振蕩器之間的諧振頻率差值被用以編碼待測(cè)溫度和/或濕度。一優(yōu)選實(shí)施例中，所述的無線溫度濕度傳感器中，所述測(cè)量振蕩器包括濕度測(cè)量振蕩器和溫度測(cè)量振蕩器；所述基準(zhǔn)振蕩器、所述濕度測(cè)量振蕩器和溫度測(cè)量振蕩器并聯(lián)連接；
所述溫度測(cè)量振蕩器具有與所述基準(zhǔn)振蕩器不同的頻率溫度系數(shù)；以及所述濕度測(cè)量振蕩器表面附著親水性涂層，使所述濕度測(cè)量振蕩器具有與所述基準(zhǔn)振蕩器不同的頻率濕度系數(shù)。優(yōu)選地，所述溫度測(cè)量振蕩器置于封閉的封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)，以便選擇性地監(jiān)測(cè)溫度。優(yōu)選地，所述濕度測(cè)量振蕩器通過親水性薄膜鍍層來封裝，以便選擇性地監(jiān)測(cè)濕度。另一優(yōu)選實(shí)施例中，所述傳感器能夠同時(shí)監(jiān)測(cè)溫度與濕度，或選擇性地監(jiān)測(cè)溫度或濕度。另一優(yōu)選實(shí)施例中，所述基準(zhǔn)振蕩器和所述測(cè)量振蕩器在同一片或多片的單層或多層壓電材料膜基底上制作?！?yōu)選地，所述基準(zhǔn)振蕩器與所述測(cè)量振蕩器具有不同的相對(duì)基底晶體相角的朝向優(yōu)選地，所述薄膜鍍層通過氣相或液相鍍膜附著在基底和濕度測(cè)量振蕩器的表面。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，本發(fā)明還提供一種無線溫度濕度傳感器系統(tǒng)，包括基底、饋電網(wǎng)絡(luò)、天線、聲表面波振蕩器、以及遙測(cè)裝置，其特征在于所述聲表面波振蕩器通過所述天線經(jīng)由所述饋電網(wǎng)絡(luò)饋電；所述聲表面波振蕩器包括基準(zhǔn)振蕩器和測(cè)量振蕩器，所述基準(zhǔn)振蕩器與測(cè)量振蕩器具有不同的相對(duì)基底晶體相角的朝向；所述基準(zhǔn)振蕩器和測(cè)量振蕩器之間的諧振頻率差值被用以編碼待測(cè)溫度和/或濕度；且所述遙測(cè)裝置掃描所述聲表面波振蕩器反射信號(hào)的諧振頻率或電平相位并計(jì)算其差值，以便提取待測(cè)溫度或濕度。一優(yōu)選實(shí)施例中，所述無線溫度濕度傳感器工作頻率范圍與臨近的同型傳感器工作頻率范圍互不重疊，以方便所述遙測(cè)裝置同時(shí)查詢。一優(yōu)選實(shí)施例中，所述遙測(cè)裝置具備人機(jī)界面以提供溫度和/或濕度讀數(shù)，以及處理裝置以提供預(yù)設(shè)門限的報(bào)警信號(hào)。一優(yōu)選實(shí)施例中，所述遙測(cè)裝置包括有線或無線中繼器或集線器，以便實(shí)現(xiàn)集群并與遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置保持單向或雙向通信。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，本發(fā)明還提供了一種測(cè)量溫度和/或濕度的方法，其特征在于采用上面所述的無線溫度濕度傳感器及其系統(tǒng)，并利用所述基準(zhǔn)振蕩器與所述測(cè)量振蕩器的頻率差來編碼溫度和/或濕度。本發(fā)明的第一方面的無線溫度濕度傳感器中，所有聲表面波振蕩器均由集成的天線通過饋電網(wǎng)絡(luò)饋電，各振蕩器工作在相鄰或相同諧振頻率，振蕩器間諧振頻率差值被用以編碼待測(cè)溫度或濕度?；鶞?zhǔn)振蕩器與各測(cè)量振蕩器在同一基底上按優(yōu)選的朝向加工，可分別實(shí)現(xiàn)相對(duì)于基底晶體相角不同的夾角，從而使得基準(zhǔn)振蕩器具有與各測(cè)量振蕩器不同的頻率溫度系數(shù)。各振蕩器可以具有統(tǒng)一或分立的封裝結(jié)構(gòu)。同時(shí)其中一個(gè)測(cè)量振蕩器表面附著親水性涂層，并與外環(huán)境直接接觸，使其具有與基準(zhǔn)振蕩器不同的頻率濕度系數(shù)，該振蕩器提供濕度測(cè)度，而沒有親水涂層的振蕩器則提供溫度測(cè)度。且此溫度測(cè)度也可被進(jìn)一步用于補(bǔ)償濕度檢測(cè)中的溫度影響。同時(shí)各振蕩器隨材料及連接件老化發(fā)生的諧振頻率漂移或相位漂移在差分編碼中被有效抑制。根據(jù)本發(fā)明的第二方面的無線溫度濕度傳感器系統(tǒng)中，上述傳感器與遙測(cè)裝置協(xié)同工作。遙測(cè)裝置使用有限帶寬的高頻連續(xù)調(diào)頻電磁波照射前述傳感器，被傳感器天線接收后激勵(lì)聲表面波振蕩器，并通過天線反饋至遙測(cè)裝置。如果溫度或濕度測(cè)度低于或高于預(yù)設(shè)門限，該裝置會(huì)告警，并將該信號(hào)發(fā)布到遠(yuǎn)處的接收裝置。


圖I是本發(fā)明的無線無源溫度濕度傳感器的示意性結(jié)構(gòu)俯視圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的無線溫度濕度傳感器的示意性結(jié)構(gòu)剖視圖；圖3是本發(fā)明的傳感器的一個(gè)實(shí)施例的頻譜結(jié)構(gòu)與頻率差值的示意圖；以及
圖4和5為一個(gè)實(shí)施例中的溫度濕度和頻率之間關(guān)系的曲線圖，其中，圖4為濕度測(cè)量中頻率隨相對(duì)濕度的變化，圖5為各頻率及頻差隨溫度及濕度的變化。
具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明，以便更清楚理解本發(fā)明的目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)理解的是，附圖所示的實(shí)施例并不是對(duì)本發(fā)明范圍的限制，而只是為了說明本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)質(zhì)精神。圖I示出本發(fā)明的無線無源溫度濕度傳感器100的示意性結(jié)構(gòu)俯視圖。如圖I所示，傳感器100包括壓電基底106，集成天線104，饋電網(wǎng)絡(luò)105，溫度測(cè)量振蕩器101，基準(zhǔn)振蕩器102，和/或濕度測(cè)量振蕩器103。其中，溫度測(cè)量振蕩器101和濕度測(cè)量振蕩器103為測(cè)量振蕩器。壓電基底106為溫度敏感的晶片或薄膜，其硬度、密度及尺寸隨溫度變化。在實(shí)施時(shí)，可根據(jù)具體應(yīng)用來選擇壓電基底106的材料、切片方向及厚度。優(yōu)選地，壓電基底106的材料為銀酸裡、水晶、氧化鋒、氣化招、硫化鋪、或娃酸嫁倆等。此外，該基底底部還包含必要的支撐層，該支撐層材料優(yōu)選地為陶瓷或金屬支架，支撐層的厚度可根據(jù)需要來選擇。集成天線104為小型化集成天線，本例中為曲折線偶機(jī)子、微帶貼片、倒F或開槽天線。其射頻接地與傳感器的地電位相連接，同時(shí)通過可選的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)提高饋電效率。集成天線用于傳遞或反饋溫度和/或濕度信號(hào)，并用于對(duì)濕度測(cè)量振蕩器、溫度測(cè)量振蕩器、以及基準(zhǔn)振蕩器無線供電。饋電網(wǎng)絡(luò)105連接天線信號(hào)抽頭，可使用微帶線或金屬跳線連接，可根據(jù)需要來選擇饋電網(wǎng)絡(luò)105的微帶線或金屬跳線的長度和直徑或?qū)挾取Ｕ袷幤?01、102和103為聲表面波振蕩器，分別包含叉指換能器101b、102b和103b，以及短路反射器101a、102a和103a。各叉指換能器與對(duì)應(yīng)反射器工作在相同頻率點(diǎn)，各振蕩器分別工作在相鄰而不重疊的諧振頻率f\、f2和f3。振蕩器101、102和103并聯(lián)連接，同時(shí)，基準(zhǔn)振蕩器101具有與測(cè)量振蕩器102和103不同的相對(duì)基底晶體相角的朝向，其朝向夾角為9,，優(yōu)選地，夾角范圍為25°至45°。圖2示出本發(fā)明的無線無源溫度濕度傳感器100的示意性結(jié)構(gòu)剖視圖。其中，襯底107為起支撐作用的無源襯底，本實(shí)施例中為金屬支架。基底106為溫度敏感的壓電晶片或壓電薄膜，可使用單晶生長工藝制備切片后固定在支架上，也可使用物理或化學(xué)氣相鍍膜于支架表面。隨后使用包括光刻、激光雕刻、印刷或粘結(jié)等表面微加工工藝在壓電基底上加工特定形狀和厚度的金屬膜結(jié)構(gòu)202 (即振蕩器中的叉指換能器)，金屬膜結(jié)構(gòu)材料可選自鋁、金、鎢、銅、鈦等材料及其合金。需要指出的是，各振蕩器101、102、103可制作在同一片或多片的單層或多層壓電材料膜基底上。各振蕩器101、102、103可使用兩種封裝方式來封裝，即通過薄膜鍍層201封裝或殼體203來封裝。其中，薄膜涂層201可通過氣相或液相鍍膜附著在壓電基底與金屬膜結(jié)構(gòu)表面，本實(shí)施例中使用氧化鋁材料(也可使用氧化硅等材料)形成鈍化表面來達(dá)到密封溫度測(cè)量振蕩器101和基準(zhǔn)振蕩器102目的。或者，使用高孔率的氧化鋅或氮化鋁等孔狀材料來形成吸附蒸汽的親水性薄膜鍍層201來封裝濕度測(cè)量振蕩器103，且親水性薄膜鍍層201的上表面暴露于外環(huán)境中。圖中所示的實(shí)施例中，使用高孔率的氧化鋅或氮化鋁等孔狀材料來形成吸附蒸汽的親水性薄膜鍍層201來封裝濕度測(cè)量振蕩器103，而使用金屬、陶瓷或塑料殼體通過粘結(jié)或焊接方式固定在溫度測(cè)量振蕩器101和基準(zhǔn)振蕩器102上來封裝溫度測(cè)量振蕩器和基準(zhǔn)振蕩器。
另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，傳感器100中，使用鈮酸鋰基片的160nm厚鋁-銅質(zhì)薄膜插指換能器，壓電基片底部還包含金屬支架，厚度可取600微米至數(shù)毫米，優(yōu)選地，本實(shí)施例中厚度為I毫米，各振蕩器101、102、以及103含有50對(duì)電極，以及對(duì)稱分布于振蕩器兩側(cè)的100個(gè)周期長度的反射柵。傳感器的工作頻率設(shè)計(jì)在860MHz附近。首先使用氧化鋅多孔薄膜封裝濕度測(cè)量振蕩器103，并使用氧化硅薄膜實(shí)現(xiàn)惰性封裝溫度測(cè)量振蕩器101和基準(zhǔn)振蕩器102。圖3為本發(fā)明的一實(shí)施例中的傳感器100的隨溫度濕度變化的曲線圖。本例中各振蕩器分別工作在頻率f\、f2和f3，其中溫度測(cè)量振蕩器工作在頻率，基準(zhǔn)振蕩器工作在頻率f2，濕度測(cè)量振蕩器工作在頻率f3。頻率差A(yù) fT用于編碼溫度，A fH用于編碼濕度A fT = f2-fj ( I)A fH-f3-f2 (2)應(yīng)注意，若附近有同型傳感器時(shí)，需優(yōu)選頻率范圍以避免頻率沖突，同時(shí)保證遙測(cè)裝置可同時(shí)查詢(即可檢測(cè)到并可識(shí)別)這些傳感器。圖4和5為一個(gè)實(shí)施例中的溫度濕度和頻率之間關(guān)系的曲線圖。其中，圖4為濕度測(cè)量中頻率隨相對(duì)濕度的變化，圖5為各頻率及頻差隨溫度及濕度的變化。具體地，濕度測(cè)量振蕩器上表面涂層(膜)隨外環(huán)境蒸汽分壓Cv按以下規(guī)律變化改變密度P = Pz- +(3)其中k為膜厚度決定的常量，Pv為蒸汽密度。而且，膜厚度也隨吸附蒸汽而變厚。圖5顯示了這兩個(gè)變化使得涂覆有該膜的濕度測(cè)量振蕩器內(nèi)高頻聲波速率變化從而引起頻變。當(dāng)相對(duì)濕度在0%到100%范圍內(nèi)變化時(shí)，該頻變可達(dá)150ppm。應(yīng)注意，此時(shí)用于編碼濕度的頻差A(yù) &是包含可能的相對(duì)于室溫的溫度變化AT = T-Ttl和相對(duì)于參考環(huán)境濕度的濕度變化AH = H-H0引起的頻率變化的總頻差(其中Ttl為室溫,Htl為參考環(huán)境濕度)，因此相對(duì)濕度需按以下方式提取
權(quán)利要求
1.一種無線溫度濕度傳感器，包括基底、饋電網(wǎng)絡(luò)、天線、以及聲表面波振蕩器，其特征在于 所述聲表面波振蕩器通過所述天線經(jīng)由所述饋電網(wǎng)絡(luò)饋電； 所述聲表面波振蕩器包括基準(zhǔn)振蕩器和測(cè)量振蕩器；且 所述基準(zhǔn)振蕩器和測(cè)量振蕩器之間的諧振頻率差值被用以編碼待測(cè)溫度和/或濕度。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無線溫度濕度傳感器，其特征在于 所述測(cè)量振蕩器包括濕度測(cè)量振蕩器和溫度測(cè)量振蕩器，所述基準(zhǔn)振蕩器、所述濕度測(cè)量振蕩器和溫度測(cè)量振蕩器并聯(lián)連接； 所述溫度測(cè)量振蕩器具有與所述基準(zhǔn)振蕩器不同的頻率溫度系數(shù)；以及 所述濕度測(cè)量振蕩器表面附著親水性涂層，使所述濕度測(cè)量振蕩器具有與所述基準(zhǔn)振蕩器不同的頻率濕度系數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無線溫度濕度傳感器，其特征在于所述傳感器能夠同時(shí)監(jiān)測(cè)溫度與濕度，或選擇性地監(jiān)測(cè)溫度或濕度。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無線溫度濕度傳感器，其特征在于所述基準(zhǔn)振蕩器和所述測(cè)量振蕩器在同一片或多片的單層或多層壓電材料膜基底上制作。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無線溫度濕度傳感器，其特征在于所述基準(zhǔn)振蕩器與所述測(cè)量振蕩器具有不同的相對(duì)基底晶體相角的朝向。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無線溫度濕度傳感器，其特征在于所述溫度測(cè)量振蕩器置于封閉的封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)，以便選擇性地監(jiān)測(cè)溫度。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無線溫度濕度傳感器，其特征在于所述濕度測(cè)量振蕩器通過親水性薄膜鍍層來封裝，以便選擇性地監(jiān)測(cè)濕度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的無線溫度濕度傳感器，其特征在于所述薄膜鍍層通過氣相或液相鍍膜附著在基底和濕度測(cè)量振蕩器的表面。
9.一種無線溫度濕度傳感器系統(tǒng)，包括基底、饋電網(wǎng)絡(luò)、天線、聲表面波振蕩器、以及遙測(cè)裝置，其特征在于 所述聲表面波振蕩器通過所述天線經(jīng)由所述饋電網(wǎng)絡(luò)饋電； 所述聲表面波振蕩器包括基準(zhǔn)振蕩器和測(cè)量振蕩器，所述基準(zhǔn)振蕩器與測(cè)量振蕩器具有不同的相對(duì)基底晶體相角的朝向； 所述基準(zhǔn)振蕩器和測(cè)量振蕩器之間的諧振頻率差值被用以編碼待測(cè)溫度和/或濕度；且 所述遙測(cè)裝置掃描所述聲表面波振蕩器反射信號(hào)的諧振頻率或電平相位并計(jì)算其差值，以便提取待測(cè)溫度或濕度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的無線溫度濕度傳感器系統(tǒng)，其特征在于所述無線溫度濕度傳感器工作頻率范圍與臨近的同型傳感器工作頻率范圍互不重疊，以方便所述遙測(cè)裝置同時(shí)查詢。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的無線溫度濕度傳感器系統(tǒng)，其特征在于所述遙測(cè)裝置具備人機(jī)界面以提供溫度和/或濕度讀數(shù)，以及處理裝置以提供預(yù)設(shè)門限的報(bào)警信號(hào)。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的無線溫度濕度傳感器系統(tǒng)，其特征在于所述遙測(cè)裝置包括有線或無線中繼器或集線器，以便實(shí)現(xiàn)集群并與遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置保持單向或雙向通信。
13.—種測(cè)量溫度和/或濕度的方法，其特征在于采用權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的無線溫度濕度傳感器，并利用所述基準(zhǔn)振蕩器與所述測(cè)量振蕩器的頻率差來編碼溫度和/或濕度。
全文摘要
本發(fā)明提供一種無線溫度濕度傳感器及系統(tǒng)和測(cè)量方法，該無線溫度濕度傳感器包括基底、饋電網(wǎng)絡(luò)、天線、以及聲表面波振蕩器。其中聲表面波振蕩器通過天線經(jīng)由饋電網(wǎng)絡(luò)饋電；聲表面波振蕩器包括基準(zhǔn)振蕩器和測(cè)量振蕩器；且基準(zhǔn)振蕩器和測(cè)量振蕩器之間的諧振頻率差值被用以編碼待測(cè)溫度和/或濕度。該系統(tǒng)可同時(shí)監(jiān)測(cè)溫度與濕度，或選擇性地監(jiān)測(cè)濕度或溫度。此外，傳感器隨材料及連接件老化發(fā)生的諧振頻率漂移在差分編碼中被有效抑制，從而提高測(cè)量的長期穩(wěn)定性并避免在使用過程中校準(zhǔn)。
文檔編號(hào)G01K11/22GK102853934SQ201210264920
公開日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2012年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月27日
發(fā)明者鄭啟洪, 李澤晨 申請(qǐng)人:上海賽赫信息科技有限公司, 安徽意通電力設(shè)備有限公司