CN113647017B

CN113647017B - 声波传感器及对其的询问

Info

Publication number: CN113647017B
Application number: CN202080025765.4A
Authority: CN
Inventors: S·巴朗德拉斯; T·拉罗什; J·加西亚
Original assignee: Soitec SA
Current assignee: Soitec SA
Priority date: 2019-03-29
Filing date: 2020-03-19
Publication date: 2024-05-14
Anticipated expiration: 2040-03-19
Also published as: US20220173721A1; JP7610520B2; JP2023171888A; JP2022526950A; WO2020200822A1; KR102803866B1; KR20210141733A; CN113647017A; FR3094480B1; US12113515B2; FR3094480A1; EP3949121A1

Abstract

本发明涉及一种询问声波传感器的方法，所述方法包括以下步骤：由询问器借助于发送天线向声波传感器发送询问射频信号；由询问器借助于接收天线接收来自声波传感器的响应射频信号；以及由询问器的处理装置对所接收的响应射频信号进行处理，以获得在时域和频域两者中的同相分量和正交分量；由处理装置确定所获得的时域和频域两者中的同相分量和正交分量的扰动；以及由处理装置基于所检测到的扰动来确定被测变量的值。

Description

声波传感器及对其的询问

技术领域

本发明涉及声波型无源传感器，并且特别地，涉及无源表面声波或体声波传感器及对其的询问。

背景技术

传感器越来越重要，并且在日常生活中变得越来越普遍。微机电系统(MEMS)是一种有吸引力的选择，以满足传感器性能提高以及尺寸和成本降低的需求。表面声波(surface acoustic wave，SAW)传感器以及低幅度体声波(low extent bulk acousticwave，BAW)传感器或Lamb波或Love波声传感器由于包括例如温度、压力、应变以及转矩的广泛多种可测量环境参数而提供了特别有利的选择。

声波传感器利用压电效应来将电信号转换成机械/声波。基于SAW的传感器被构建于单晶压电材料(比如石英(SiO2)、铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)、硅酸镓镧(LGS))或多晶压电材料(比如氮化铝(AlN)或氧化锌(ZnO))上(特别是淀积在硅上)，甚或构建于绝缘体上压电(POI)复合材料(包括压电材料层、特别是单晶材料、举例来说，如锂，钽酸锂或铌酸锂)上，粘合至支承基板(举例来说，如硅)(若需要的话，借助于结合层(举例来说，如氧化硅层))(通常，单晶压电材料与非压电基板的任何组合被用于它们的特定特性，比如热稳定性或声学质量)。换能器(在声表面波的情况下，叉指式换能器(IDT))将电信号的电能转换成声波能。声波经由所谓的延迟线横跨装置基板的表面(或体)行进至另一换能器(特别是IDT)，该IDT将声波转换回可以被检测的电信号。在一些装置中，提供机械吸收器和/或反射器以便防止干涉模式并减少插入损耗。在一些装置中，将另一(输出)IDT替换成反射器，该反射器将所生成的声波反射回(输入)IDT，该(输入)IDT可以联接至用于传感器装置的远程询问的天线。有利地，可以完全无源地执行测量，即，传感器不必由电源供电。

特定的一类声传感器包括表现出根据变化的环境条件而改变的谐振频率的谐振器。例如，常规的表面波谐振器包括具有被设置在布拉格(Bragg)反射镜之间的叉指式梳的电声换能器。在谐振频率下，满足反射器之间的同步条件，使得可以获得在反射器下发生的不同反射的相干叠加。然后，在谐振腔内观察到声能的最大值，并且从电学观点来看，观察到由换能器接纳的电流的振幅的最大值。差分声波传感器可以包括表现出不同谐振频率的两个或更多个谐振器，或者以多模工作的谐振器(多个谐振频率)，其中，所测得的频率的差异反映了环境参数(举例来说，如温度或应变)的变化。

然而，尽管有新近的工程处理，但是其中询问器发送适当射频信号的整个询问处理仍造成了要求很高的技术问题，其中，该射频信号由声波传感器经由接收天线接收并由换能器转换成表面声波(或体波，在体声波传感器类型的装置的情况下)，该表面声波被转换成射频信号，该射频信号经由发送天线重新发送并由询问器接收和分析。特别地，在通常使用的ISM(工业、科学、医学)频带中(例如，在具有434MHz或2.45GHz的中心频率的频带中)存在的射频噪声导致对由传感器装置提供的响应频谱的生成和分析的质量产生影响的读取/解释误差。特别地，诸如WiFi或蓝牙或GSM发射的间歇寄生/杂散回波可能负面地影响频谱响应的质量，从而导致所需信号的读取误差和阻塞。永久背景白噪声可能负面影响时域测量。另一问题涉及传感器装置与询问器之间的相对运动，该相对运动引起寄生，从而影响谐振器型声波传感器的谐振频率。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种具有增加的信号质量的用于询问声波传感器的装置，例如，与现有技术相比具有增加的信噪比。

本发明通过提供一种询问声波传感器(并借助于该声波传感器感测被测变量(measurand))的方法来实现上面提及的目的，所述方法包括以下步骤：由询问器借助于发送天线向待询问的声波传感器发送询问射频信号(该声波传感器通过其自身的天线接收该询问射频信号)；由询问器借助于接收天线(该接收天线与发送天线可以相同也可以不同)接收来自声波传感器的响应射频信号(该响应射频信号由被包括在声传感器装置中的天线发送，并且该天线与被用于接收询问射频信号的天线可以相同也可以不同)；以及由询问器的处理装置(例如，作为或者包括CPU或微控制器)对所接收的响应射频信号进行处理，以获得在时域和频域两者中的同相分量和正交分量；由处理装置检测所获得的时域和频域两者中的同相分量和正交分量的扰动；以及由处理装置基于所检测到的扰动来确定被测变量的值，该被测变量是环境参数，例如，旋转轴的温度、应变、压力或转矩。

声波传感器可以是表面声波传感器或体声波传感器，并且可以包括延迟线结构以及单个或多个谐振器结构。

因此，通过确定在时域和频域两者中的同相分量和正交分量来执行对所接收的响应射频信号的处理/分析，并且根据可能存在于时域和频域中的至少一个域中的噪声/扰动，在时域或频域中或在所提及的两个域中执行进一步处理。

根据实施方式，如果在频域中的扰动超过第一预定阈值，则在时域中确定被测变量的值，反过来，如果在时域中的扰动超过第二预定阈值(例如，第二阈值和第一阈值相同)，则在频域中确定被测变量的值。

通常可以按帧对所接收的响应射频信号进行处理，并且可以在确定被测变量的值时，删除包括超过预定阈值的扰动的帧。通过删除有缺陷的帧，总体处理更鲁棒，并且对于所测得的被测变量的值产生更可靠的结果。

特别地，可以至少部分地基于所接收的响应射频信号的相位，在时域和/或频域中确定被测变量的值。相位对被测变量的变化是非常敏感的，因此可以被有利地用于在时域和频域中测量被测变量。然而，当将谐振频率检测为频谱模量的局部最大值时，根据谐振的定义(将谐振器中的所有贡献按谐振频率进行同相求和)，可以证明与谐振频率相对应的相位必然为零。在时域中，如果传感器例如在延迟线中或在空腔谐振器中表现出任何自由空间行进，则与最大振幅相对应的时域信号的相位因环境参数变化或传感器位置而发生改变。

如果a)在时域中的扰动未超过第二预定阈值并且b)在频域中的扰动也未超过第一预定阈值，则可以基于所获得的在时域和频域两者中的同相分量和正交分量，来确定声波传感器相对于询问器的平移运动和/或旋转运动。由此，可以考虑因声波传感器相对于询问器的运动而造成的影响和/或可以可靠地确定声波传感器的初始位置。

上述实施方式中的所有实施方式中的确定扰动的步骤可以包括：确定在相应的整个帧上所获得的同相分量和正交分量的方差或标准偏差。计算N个连续采样帧的特定整个帧(例如，第1帧)上的同相分量I和正交分量Q的方差或标准偏差，并表示初始阈值。对于后续帧(N+1、N+2等)，再次计算(在时域和频域两者中)相应的整个帧上的同相分量和正交分量的方差或标准偏差。如果后续帧的方差或标准偏差正在减小，则通过后续帧的方差或标准偏差来更新阈值。当下一帧的方差或标准偏差大于前一帧的方差或标准偏差时，将前一帧的方差或标准偏差用作阈值。在随后执行的分析中，超过由此获得的阈值的帧被拒绝，并且在询问声波传感器的本发明方法的基于所确定的扰动来确定被测变量的值的处理步骤中不予考虑。

还通过提供一种感测被测变量的系统来实现上面提及的目的，该系统包括：声波传感器(例如，具有一个或更多个天线的表面声波或体声波传感器)；以及询问器，该询问器包括处理装置、发送天线以及接收天线(该发送天线和接收天线可以由同一个天线实现也可以不由同一个天线实现)，并且该询问器被配置为，借助于发送天线向声波传感器发送询问射频信号，以及借助于接收天线接收来自声波传感器的响应射频信号；其中，询问器的处理装置被配置为，对所接收的响应射频信号进行处理，以获得在时域和频域两者中的同相分量和正交分量；检测所获得的在时域和频域两者中的同相分量和正交分量的扰动；以及基于所检测到的扰动来确定被测变量(环境参数)的值。

根据实施方式，将处理装置配置为，如果在频域中的扰动超过第一预定阈值，则在时域中确定被测变量的值，以及如果在时域中的扰动超过第二预定阈值(例如，该第二预定阈值和第一预定阈值相同)，则在频域中确定被测变量的值。此外，可以将处理装置配置为，按帧对所接收的响应射频信号进行处理，并且其中，在确定被测变量的值时，删除包括超过预定阈值的扰动的帧。而且，可以将处理装置配置为，至少部分地基于所接收的响应射频信号的相位(以及在监测处理期间该相位的时间变化)，在时域和/或频域中确定被测变量的值。当将谐振频率检测为频谱模量的局部最大值时，根据谐振的定义(将谐振器中的所有贡献以谐振频率进行同相求和)，可以证明与谐振频率相对应的相位必然为零。在时域中，如果传感器例如在延迟线中或在空腔谐振器中表现出任何自由空间行进，则与最大振幅相对应的时域信号的相位因环境参数变化或传感器位置而发生改变。

根据另一实施方式，将询问器的处理装置配置为，如果a)在时域中的扰动未超过第二预定阈值并且b)在频域中的扰动也未超过第一预定阈值，则基于所获得的在时域和频域两者中的同相分量和正交分量，来确定声波传感器相对于询问器的平移运动和/或旋转运动。而且，可以将处理装置配置为，通过确定在相应的整个帧上所获得的同相分量和正交分量的方差或标准偏差，来(动态地)确定扰动。

在上述实施方式中的所有实施方式中，声波传感器可以包括一个换能器、两个谐振腔以及布拉格反射镜结构，该换能器被配置为将询问射频信号转换成声波，特别是表面声波。由此，可以提供一种混合声波传感器，该混合声波传感器允许将延迟线架构与谐振架构相组合，并且容易地提供可以在时域和频域两者中进行处理的检测数据。在上述实施方式中的所有实施方式中，可以将该系统配置成执行上述询问声波传感器的本发明方法的实施方式的步骤。

附图说明

参照附图，对本发明的附加特征和优点进行描述。在本描述中，对意在例示本发明的优选实施方式的附图进行说明。应理解，这样的实施方式不表示本发明的全部范围。

[图1]例示了根据实施方式的可以实现本发明的声波传感器装置。

[图2]例示了根据示例的由声波传感器提供的响应射频信号对时域和频域中的噪声的不同敏感度。

[图3]例示了传感器运动对谐振器声波传感器装置的所确定的谐振频率的影响。

具体实施方式

本发明提供了用于无源声波传感器(特别是表面声波传感器装置)的远程询问的技术，其中该技术的特征在于高信噪比。可以将该技术应用于被配置成确定来自被询问的声波传感器的频谱和脉冲响应的任何询问器。虽然在本领域中由询问器接收的响应射频信号是在时域或频域(频谱)中进行处理的，但是本文提供了这样一种技术，即，该技术原则上根据实际询问条件(例如，噪声扰动)在两个域中提供处理。特别地，如果确定在频域和时域中的一个中存在重寄生，则可以将频域和时域中的另一个用于处理/分析所需的信号。

图1例示了示例性混合声波传感器装置，其中，彼此组合地实现了a)被测变量影响传播声波的速度和/或传播路径的几何长度的延迟线结构、以及b)谐振频率受被测变量影响的谐振方法，a)和b)中的每个对于本领域技术人员都是已知的。混合声波传感器装置包括一个换能器，该换能器用于将所接收的射频信号转换成声波(在目前情况下，为表面声波(SAW))。然而，本发明不限于SAW传感器，并且还可以应用于例如体声波传感器。此外，混合声波传感器装置包括两个腔和反射镜。传感器装置提供高品质因数Qf，该高品质因数对应于在询问处理中使用的中心频率与带通的最多一半宽度之间的比率。高品质因数Qf确保所检测到的数据采样的足够高分辨率。在时域和频域两者中，可以在响应射频信号中获得梳状响应。在差分操作模式中，可以将从延迟线结构获得的信号与从谐振器结构获得的信号进行比较。

由询问器发送的询问信号例如可以表示频率步进连续波信号或线性调频连续波信号。由传感器装置发送的响应射频信号由询问器接收，并且可以由询问器在时域或频域中进行处理，其中，该处理包括确定响应射频信号的同相分量和正交分量(实部和虚部)。可以由处理装置将所接收的响应射频信号与根据本领域已知的所谓I-Q协议的询问射频信号进行混合，以提取同相I和正交Q，然后可以据此导出模量和相位。

因此，所检测到的环境参数(被测变量)的变化(例如，旋转轴的温度、应变、压力或转矩)可以根据频移进行检测(可能从一个峰值到另一峰值不同，如此可以针对绝对或相对频率值进行检测)，或者在时域中根据飞行时间的变化或根据从一个回波到另一回波的差分相位变化或根据这两者进行检测。

当在频域中进行处理时，在几个连续执行的步骤中对传感器的频带进行采样，并且根据所发送的询问射频信号与响应射频信号之间的幅度差和相位差/频率差来确定传感器值。当在时域中进行处理时，以一次一个单一步骤对传感器的频带进行采样。因此，在询问器中必须执行更快的采样，但好的一面是，可以获得更高的测量更新速率。而且，由于所发送的询问射频信号与响应射频信号之间的时间复用，因此可以实现高动态范围。

尽管时域和频域是借助于(逆)傅立叶变换在数学上彼此连接的，但是扰动(寄生和杂散噪声突发)可能仅在所述域中的一个域中显著存在，而在另一域不受严重影响。一旦已经获取了所有的频谱数据(询问器/读取器可以像检测S11响应的矢量网络分析器一样进行操作)，间歇性寄生(举例来说，如WiFi、蓝牙或GSM发射)就可以存在于频域中，但在时域中仅产生一些突发，这些突发不会显著地影响通过逆傅立叶变换重建的时域信息。在其它情形下，永久白背景噪声可能影响没有明显隐藏频谱信息的时域测量。依照本发明，根据实际的询问条件，可以获取时域中的信息或频域中的信息或者这两个域中的信息，并将该信息用于监测被测变量。

测量结果的质量可以通过基于在相应的采样帧上的同相值和正交值的方差或标准偏差的计算以及适当阈值化的统计处理来加以确定。如果所计算的方差或标准偏差超过某一预定阈值，则拒绝将该测量结果用于进一步处理，即，关于环境参数的确定的分析。图2例示了谐振器信号在频域和时域中的不同特征图(signature)的出现。上面一行示出了所接收的响应射频信号的正交分量和同相分量中的频谱响应、这些分量的模量以及通过某一后处理获得的增强的模量。同相分量由给出，正交分量由/>给出，其中，Y表示振幅，/>表示相位，并且模量由下式计算：

[数学公式1]

可以清楚地识别谐振峰值。如可以在图2的上面一行看到的，对于最后两个谐振，存在扰动突发。在阈值化之后，可以删除对应的帧。中间一行示出了时域中的正交分量和同相分量。这些数据不受频域中存在的扰动影响，并且可以被直接用于确定环境参数(在这种情况下为温度)，如图2中的下面一行所示。

为了删除有缺陷的(扰动的)帧，可以如下执行阈值化。计算N个采样帧的特定整个帧(例如，第1帧)上的同相分量I和正交分量Q的方差或标准偏差，并表示初始阈值。对于后续帧，再次计算相应的整个帧上的同相分量I和正交分量Q的方差或标准偏差。如果后续帧的方差或标准偏差正在减小，则通过后续帧的方差或标准偏差来更新阈值。当下一帧的方差或标准偏差大于前一帧的方差或标准偏差时，将前一帧的方差或标准偏差用作阈值。在随后执行的分析中，超过由此获得的阈值的帧被拒绝(有缺陷的帧)。

必须注意的是，在频域和时域两者中的以及在延迟线方法和谐振器方法两者中的检测灵敏度对于几MHz的带宽通常被限制为几kHz，并且对于几μs的计时图(chronogram)被限制为约30ns或50ns。在这种背景下，通过使用所接收的响应射频信号的相位可以实现更好的灵敏度。在相干系统中，相位可以通过获得。例如，在2.45GHz，0.1ns的时域变化转换成π/2弧度。这种放大效应存在于时域和频域两者中，并且可以被用在延迟线方法和谐振器方法两者中，并且在后一种情况下，类似地被用于在可允许布拉格频带之内或之外工作的单谐振或多谐振架构。例如，可以基于针对频谱范围中的分离峰值直接地或差分地测量的相位变化来测量被测变量，并且之后在多个传感器的询问的背景下，监测按时间分离的峰值之间的相位差的相位时间演变。应注意，当相移超过360°时出现模糊。例如，可以通过在已知位置提供多个反射器并评估它们的相位差以便解决任何模糊性来解决该模糊性问题。

声波传感器装置的检测的准确度限制的另一个原因在于传感器相对于询问器的运动。图3例示了谐振传感器的平移运动和旋转运动对谐振频率的影响。实际上，已经观察到，传感器线性位移±x导致谐振频率f0的偏移，使得通过测量结果获得的所确定的谐振频率由f＝f0(1+a cos(2πx/λ))给出，其中λ是波长。参数α可以通过实验从测量结果中找到，并且取决于天线在询问器侧和传感器侧联接的方式。例如，对于以f0＝2.45GHz为中心的最大频率变化，α约为18kHz。类似地，声波传感器旋转θ导致谐振频率f0的偏移，使得通过测量结果获得的所确定的谐振频率由f＝f0(1+a cos(θ))给出。原则上，该准确度问题可以通过传感器装置的天线的相移控制来解决，即，对于该传感器装置使用按180°解谐的两个天线和/或通过在初始化步骤中将声波传感器移动λ/2并将谐振频率校准到f0＝(f0(x)+f0(x+λ/2))/2来补偿线性移动。

实际上，由于变化是周期性的，因此，当考虑两个频率指向相反相位时，这两个对应频率的均值自动等于f0：f(x)+f(x+λ/2)＝f0(1+a cos(2πx/λ))+f0(1+a cos(2πx/λ+π))＝2f0。

另一方面，如果在时域中以及在频域中获得有效的(足够无扰动)信号，则可以将这两个域中的结果相互比较并检查所获得的信息的相干性。例如，如果从时域中的测量数据确定某一相位旋转，并且从频域中的测量数据确定谐振频率没有显著偏差，则可以推断出，传感器装置相对于询问器发生了某一相对移动。通过展开(unwrapping)相位信息，可以确定传感器以平移和/或旋转方式移动的距离，其中平移运动产生展开相位的变化，而即使将相位展开，旋转也产生旋转相位行为。

实际上，当谐振器传感器装置经受要检测的环境参数的变化(例如，热变化)时，对于线性表现的传感器装置，时域回波的相位线性改变，即，谐振频率随时间线性降低，因此相位向下移位。真实相位(没有周期性的-π/+π卷绕)可以通过展开相位而获得，从而得到线性相位变化。当朝着或远离询问器移动传感器时，观察到类似的效果，这是因为RF链路中的相位旋转累积，这类似地影响传感器。实验测量结果表明，当传感器发生旋转时，相位继续保持在范围-π/+π内，使得在展开之后，相位仍保持在范围-π/+π内。这是由于如果传感器装置的位置继续保持几乎相同(没有显著的平移运动)，则总平均相位实际上不发生改变。

所有先前讨论的实施方式均不旨在作为限制，而是用作例示本发明的特征和优点的示例。要理解，上述特征中的一些或所有特征也可以以不同的方式加以组合。

Claims

1.一种询问声波传感器的方法，所述方法包括以下步骤：

由询问器借助于发送天线向所述声波传感器发送询问射频信号；

由所述询问器借助于接收天线接收来自所述声波传感器的响应射频信号；以及

由所述询问器的处理装置对所接收的响应射频信号进行处理，以获得在时域和频域两者中的同相分量和正交分量；

由所述处理装置检测所获得的在时域和频域两者中的同相分量和正交分量的扰动；以及

由所述处理装置基于所检测的扰动来确定被测变量的值，

其中，所接收的响应射频信号是按帧处理的，并且其中，在确定所述被测变量的值时，删除包括超过预定阈值的扰动的帧。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，如果在频域中的扰动超过第一预定阈值，则在时域中确定所述被测变量的值，以及如果在时域中的扰动超过第二预定阈值，则在频域中确定所述被测变量的值。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，至少部分地基于所接收的响应射频信号的相位，在时域和/或频域中确定所述被测变量的值。

4.根据权利要求2所述的方法，其中，如果在时域中的扰动未超过所述第二预定阈值并且在频域中的扰动也未超过所述第一预定阈值，则基于所获得的在时域和频域两者中的同相分量和正交分量，来确定所述声波传感器相对于所述询问器的平移运动和/或旋转运动。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，其中，确定所述扰动的步骤包括：确定在相应的整个帧上获得的同相分量和正交分量的方差或标准偏差。

6.一种用于感测被测变量的系统，所述系统包括：

声波传感器；以及

询问器，所述询问器包括处理装置、发送天线以及接收天线，并且所述询问器被配置为借助于所述发送天线向所述声波传感器发送询问射频信号，以及

借助于所述接收天线接收来自所述声波传感器的响应射频信号；

其中，所述询问器的处理装置被配置为对所接收的响应射频信号进行处理，以获得在时域和频域两者中的同相分量和正交分量；

检测所获得的在时域和频域两者中的同相分量和正交分量的扰动；以及

基于所检测的扰动来确定被测变量的值，

其中，所述处理装置被配置为按帧对所接收的响应射频信号进行处理，并且其中，在确定所述被测变量的值时，删除包括超过预定阈值的扰动的帧。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述处理装置被配置为如果在频域中的扰动超过第一预定阈值，则在时域中确定所述被测变量的值，以及如果所检测的在时域中的扰动超过第二预定阈值，则在频域中确定所述被测变量的值。

8.根据权利要求6或7所述的系统，其中，所述处理装置被配置为至少部分地基于所接收的响应射频信号的相位，在时域和/或频域中确定所述被测变量的值。

9.根据权利要求7所述的系统，其中，所述处理装置被配置为如果在时域中的扰动未超过所述第二预定阈值并且在频域中的扰动也未超过所述第一预定阈值，则基于所获得的在时域和频域两者中的同相分量和正交分量来确定所述声波传感器相对于所述询问器的平移运动和/或旋转运动。

10.根据权利要求7所述的系统，其中，所述处理装置被配置为通过确定在相应的整个帧上获得的同相分量和正交分量的方差或标准偏差，来确定所述扰动。

11.根据权利要求7所述的系统，其中，所述声波传感器包括一个换能器、两个谐振腔以及布拉格反射镜结构，所述换能器被配置为将所述询问射频信号转换成声波。

12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述声波是表面声波。