用于包括应变传感器的无源射频识别标签的电路和用于制造电路的方法与流程

1.本发明涉及非接触式设备，例如rfid类型的非接触式设备，该非接触式设备包括用于长时间记录事件而无需外部电源的传感器。本发明具体涉及用于在uhf频段内操作的无源无线电识别标签的电路，该电路被配置为与发射周期性读取信号的读取器进行无线电通信，其中，读取信号的周期包括电力回收阶段和通信阶段。


背景技术：

2.现有技术
3.以现有技术已知的方式，rfid(射频识别)类型的电路可以用作rfid标签(也被称为标记)并且与要监测的对象相关联。该电路包括或可选地通过与传感器的接口连接以测量与该对象相关的至少某些物理参数，例如环境温度、湿度或加速度。
4.该电路通常采用粘在待监测对象上的粘性标贴或被集成到待监测对象中的设备的形式。待监测对象例如是需要通过至少一个被测量的物理参数来监测的工业设备、货物、产品或生物体。
5.通常，这种非接触式设备包括能够存储由测量模块采集的测量值的存储器存储模块、能够经由电磁信号将这些测量值发送到询问器的天线、以及用于具体向测量模块供电的电源。
6.这种系统通常包括rfid读取器或询问器、和非接触式设备，该非接触式设备包括附接或固定到待跟踪对象的rfid电路(或标签)(或多个电路)。rfid读取器通常向rfid电路发射uhf信号，uhf信号也被称为询问信号。使用uhf信号具有以下优点：高通信速度以及可以同时与大量标签进行通信。
7.为此目的，非接触式设备包括用于测量至少一个物理参数的一个或多个传感器。传感器可以被配置为换能器，该换能器将一种物理信号转换为另一种物理信号，例如将机械应变转换为电能。
8.许多类型的传感器是已知的，例如由b.rue、b.olbrechts、j.-.raskin和d.flandre描述的应变传感器“a soi cmos smart strain sensor(soi cmos智能应变传感器)”，ieee 2011国际soi会议，tempe，az，2011，第1-2页。这种应变传感器可以用于测量待监测对象的变形或应变。
9.这些系统中所使用的rfid标签通常是无源标签，即它们不包括任何电池或电力存储装置。这些标签使用读取器信号的载波中包含的电力将读取器信号的调制版本发送回rfid读取器。询问信号的电力的至少一部分由电力收集设备回收，以供应标签的组件。无源标签具有重量轻且不繁琐且使用寿命长的优点。
10.例如在文档fr3015729(a1)或c.felini等人的“fully rf powered uhf-rfid sensors platform(完全rf供电的uhf-rfid传感器平台)”，procedia engineering87(2014)1346-1349中描述了无源rfid标签。rfid标签也从us20080136619a1、
us20130099897a1、us6720866b1、cn104361388a、us9789738b2或us20100231407a1已知。
11.然而，uhf询问信号和无源标签的组合使用确实具有短读取距离例如小于20厘米的缺点(特别是在电路连接到传感器的情况下)，因为由无源标签回收的电力是有限的。在这种情况下，使用通过接口与电路连接的外部传感器可能会消耗大部分电力，特别是如果该传感器包括分立式电子设备(或数字组件)，该接口是数字接口(例如，spi或i2c)，和/或用于采集外部传感器的信号的信道消耗太多电力。此外，读取时间可能很长，例如持续超过500ms。此外，如果使用数字接口，则包括电路和通过接口连接的外部传感器在内的系统可具有较大的质量和尺寸。


技术实现要素：

12.本发明的目的是减轻所有或部分上述缺点，具体地，允许具有降低功耗的快速应变测量。本发明还具有实现长读取距离例如达5米的目的，以及包括通过减小尺寸的接口连接的外部传感器和电路在内的非接触式设备。此外，本发明的目的是与epc uhf gen2空中接口协议兼容。
13.为此目的，本发明提供了一种用于在uhf频段内操作的无源无线电识别标签的电路，该电路被配置为与发射读取信号的读取器进行无线电通信。该电路被生产为单个芯片，该单个芯片包括用于测量应变的一个或多个换能器、被配置用于采集换能器测量值的第一子电路、以及被配置用于将所采集的测量值无线电发送到读取器的第二子电路。
14.芯片(或管芯)可以被视为单个集成电路和/或单个芯片，
15.和/或换能器、第一子电路和第二子电路集成在芯片中(在同一集成电路中)。
16.因此，由于换能器与芯片中的第一子电路和第二子电路集成在一起，因此可以更快地(例如，在1500μs或更短的期间)采集测量值并将其发送到读取器，同时降低功耗(例如，1μa或更小)。因此可以延长读取距离(具体是由于降低的功耗)，例如达5米，并减小了非接触式设备的尺寸(大小)。
17.换能器可以被视为应变传感器，例如压阻类型的传感器，和/或换能器可以被配置为测量施加到电路的机械应变，和/或换能器可以包括由对正交应变灵敏的两个晶体管提供的至少一个应变传感器，和/或换能器可以包括至少一个正电流变化应变传感器和至少一个负电流变化应变传感器，和/或换能器可以包括串联的两个或更多个应变传感器。
18.使用正交晶体管可以测量组件在平面x和y中沿着两个方向所承受的应变。
19.具体地，换能器可以包括至少一个(这种)正电流变化应变传感器和至少一个(这种)负电流变化应变传感器。
20.例如，换能器可以包括串联的两个或更多个正电流变化应变传感器以及串联的两个或更多个负电流变化应变传感器。
21.使用串联的应变传感器可以提高(倍增)测量应变的换能器的灵敏度。
22.第一子电路可以包括被配置为向换能器提供供电电流的(第一)元件。该元件可以设置偏置电流，可选地具有预定的电流增益。
23.第一子电路还可以包括：(第二)元件，其被配置为对换能器或每个正/负电流变化应变传感器的输出信号执行共模电流消除。这使得可以仅考虑由换能器信号的变化引起的电流，共模电流除外。因此可以增加测量信号的范围。
24.如果换能器包括正电流变化应变传感器和负电流变化应变传感器，则第一子电路可以包括(第三)元件，该元件被配置为在这两个应变传感器的输出信号之间产生差分信号的元件，具体地，在共模电流的相应消除之后。这还可以增加测量信号的范围。
25.第一子电路可以包括i/v转换器，该i/v转换器被配置为转换换能器的输出信号或转换差分信号。
26.i/v转换器可以被配置为将电流信号转换为电压信号。
27.i/v转换器可以是无源转换器并且被配置为产生差分电压信号。
28.因此，转换器允许作用于电压信号而不是原始电流信号。
29.第一子电路可以包括模数转换器(adc)，其被配置为数字化换能器测量值，具体地，i/v转换器的输出信号。该数字化信号可以由电路(和/或第二子电路)的指挥设备接收，该指挥设备可以(例如，通过天线)将该数字化信号发送到读取器。
30.读取器可以发射包括电力回收阶段和通信阶段在内的周期性读取信号。该电路，具体地，第二子电路，可以包括：指挥设备，被配置为：在电力回收阶段期间从无线电波累积电力储备并在通信阶段期间与读取器进行通信，其中，电力回收阶段包括采集阶段，在采集阶段期间，电路向换能器供电，并采集、i/v转换和数字化换能器测量值。
31.指挥设备还可以被配置为在同一周期的通信阶段期间将数字化的换能器测量值发送到读取器。
32.由于可以在采集阶段——该采集阶段在电力回收阶段期间并因此在通信阶段之前以及因此在周期性读取信号的单个周期内——采集、转换和数字化测量值，因此可以在该通信阶段即在同一周期直接将该测量值发送到读取器。因此可以减少电路的响应时间。因此可以非常快速地读取(询问)若干个外部电路。例如，包括根据本发明的电路的对象可以一起被放置在板条箱中并且每个被非常快速地读取。
33.该电路还可以包括用于连接(至少)一个外部模拟传感器的接口。该接口可以包括：电连接部，被配置为将电力连接并供应到外部模拟传感器并采集模拟传感器的模拟测量值；以及放大器，被配置为放大传感器的模拟测量值的信号。模数转换器(adc)可以被配置为对传感器的被放大的模拟测量值进行数字化。电力回收阶段可以包括采集阶段，在该采集阶段期间，接口向外部模拟传感器供电并且采集、放大和数字化传感器的测量值。
34.指挥设备还可以被配置为：在采集阶段期间，向接口供电，以采集被放大且被数字化的测量值，并且在同一周期的通信阶段期间将被放大且被数字化的测量值发送到读取器。
35.因此，由于这种接口，因此模拟传感器可以直接连接到电路，其消耗比包括附加电子组件/电路的数字传感器少的电力。此外，由于可以在采集阶段——该采集阶段在电力回收阶段期间并因此在通信阶段之前以及因此在周期性读取信号的单个周期内——采集、放大和数字化传感器的测量值，因此可以在该通信阶段(即，在同一周期)直接将该测量值发送到读取器。因此可以减少电路的响应时间。因此可以非常快速地读取(询问)若干个外部电路。例如，包括根据本发明的电路的对象可以一起被放置在板条箱中并且每个被非常快速地读取。根据另一示例，可以在车辆经过大门前时测量轮胎的压力。
36.指挥设备可被配置为：在启动阶段期间启动，所述启动阶段在所述采集阶段之前并且在相同的电力回收阶段期间。
37.电力回收阶段还可以包括位于启动阶段之前的初始电力的回收阶段，在初始电力回收阶段期间，电路被关断并且专门从无线电波累积电力储备。
38.因此，可以确保可靠的启动，因为所累积的电力水平足够高。
39.电力回收阶段还可以包括位于启动阶段与采集阶段之间的第一中间电力回收阶段，在第一中间电力回收阶段期间，电路被关断并且专门从无线电波累积电力储备。
40.因此，可以确保可靠地采集测量值，因为所累积的电力水平足够高。
41.电力回收阶段还可以包括位于采集阶段之后且位于通信阶段之前的第二中间电力回收阶段，在第二中间电力回收阶段期间，电路被关断并且专门从无线电波累积电力储备。
42.因此，可以确保将测量值可靠地发送到读取器，因为所累积的电力水平足够高。
43.指挥设备可选地被配置为专门在采集阶段期间为接口供电。
44.因此，模拟传感器可以由接口供电。此外，如果专门在采集阶段期间激活接口，则可以降低功耗。
45.指挥设备可选地被配置为顺序地向接口的元件供电，例如，顺序地向模拟传感器、放大器和模数转换器(adc)供电。
46.因此，由于每个元件在需要专门执行测量的时刻供电，因此可以降低瞬时功耗。
47.因此，指挥设备可以被配置为提供：首先专门的电气连接，用于向外部模拟传感器供电并采集传感器的模拟测量值；然后专门的模数转换器(adc)，用于对传感器的被放大的模拟测量值进行数字化。
48.在模数转换器(adc)对测量值进行数字化之后并且在采集阶段期间，指挥设备读取被数字化的测量值并将其存储在存储器中。
49.因此，测量值在通信阶段开始时已准备好被发送到读取器。
50.该电路例如与epc uhf gen2空中接口协议兼容(或根据epc uhf gen2空中接口协议进行通信)。
51.此外，本发明提供了一种在uhf频段内操作的无源无线电识别系统，包括：读取器，被配置为发射周期性读取信号，读取信号的周期包括电力回收阶段和通信阶段；以及如上所述的电路。
52.此外，本发明提供了一种制造用于在uhf频段内操作的无源无线电频率识别标签的电路的方法，该电路被配置用于与发射读取信号的读取器进行无线电通信，其中
53.电路被制造为单个芯片，该单个芯片包括用于测量应变的至少一个换能器、用于采集换能器测量值的第一子电路、以及用于将所采集的测量值无线电发送到读取器的第二子电路。
54.所制造的电路还可以具有非接触式设备的范围内的上述特征。
55.通过阅读仅以非限制性示例的方式并参考附图给出的以下描述，本发明的特征和优点将变得显而易见。
附图说明
56.图1是根据本发明的电路的架构的示意图，
57.图2是根据本发明的换能器电路的示意图，
58.图3是根据本发明的电力回收阶段的示意图，以及
59.图4是根据本发明的电力采集阶段acq的示意图。
具体实施例
60.图1是根据本发明的电路1的架构的示意图。电路1是在uhf频段内操作的rfid类型电路，并且可以用作rfid标签。该电路例如与epc uhf gen2空中接口协议兼容(或根据epc uhf gen2空中接口协议进行通信)。
61.该电路例如采用粘在待监测对象上的粘性标签的形式，或者采用集成到待监测对象中的芯片的形式。待监测的对象例如是需要通过至少一个被测量的物理参数——具体地，施加到对象并因此施加到电路的机械应变(电压、变形或应力)——来监测的货物、产品或生物体。
62.该电路被制成单个芯片，即集成电路或“管芯”。
63.电路1无源地进行操作，即它不包括任何电池或电力存储装置。然而，它使用读取器信号的载波中包含的电力将读取器信号的调制版本发送回rfid读取器。询问信号的电力的至少一部分由电力收集设备回收，以供应电路的组件。详细地：
64.电路1包括模拟模块2，该模拟模块2连接到天线21以通过由外部读取器发射的无线电波来回收用天线接收到的电力，并接收和发送通信信号。
65.为此目的，模拟模块2包括调制单元22(例如，用于发送通信信号)。模拟模块2还包括解调单元25(例如，用于接收通信信号)。此外，模拟模块2还包括整流单元23和供电控制单元24，用于在电力回收阶段期间继续和/或从无线电波累积电力储备。整流单元23可以将无线电电力转换为dc电力以向电路供电。此外，供电控制单元24可以产生dc电流以向换能器供应偏置电流(可选地，具有给定电流增益)并且可选地还产生“干净的”dc电压来向接口4供电。例如，所累积的电力可以存储在电容(例如，电容器)中。
66.模拟模块2与数字模块3(或指挥设备3)连接。该数字模块3包括能够处理数据和/或外部模拟传感器的处理器和/或存储器存储单元31。此外，数字模块可选地包括数字接口32、34例如spi或i2c、和/或中断接口33。数字模块3控制模拟模块2，例如被提供有所累积的电力并经由天线21与读取器进行通信。因此，电力的累积、消耗和存储由数字模块3控制(参见下面对图2的说明)。
67.模拟模块2和数字模块3可以一起形成根据本发明的第二子电路，用于将换能器测量值无线电发送到读取器。
68.电路1，例如模拟模块2，还包括用于测量应变的电路(或换能器电路)5。因此，换能器被集成到电路的芯片中。换能器可以是由对正交应变灵敏的两个晶体管实现的应变传感器，例如压阻类型的应变传感器。换能器和用于采集换能器测量值的(第一)子电路将结合图2进行详细描述。
69.该电路，或者具体是(第一)子电路，还包括：模数转换器(adc)43，其被配置为对被放大的模拟换能器测量值进行数字化。离开转换器43的信号被发送到数字模块3以被存储并发送到读取器。转换器可以连接到振荡器28以接收时钟信号“clk”。
70.该电路还可以包括例如与转换器43连接的其他内部模拟传感器(例如，用于测量温度)。
71.数字模块3还可选地连接到接口(或接口模块)4。接口4包括电连接部41，该电连接部41被配置为将电力连接并供应到外部模拟传感器并采集传感器的模拟测量值。它还包括：放大器42，被配置为对传感器的模拟测量值的信号进行放大。模数转换器(adc)43被配置为还对传感器的被放大的模拟测量值进行数字化。
72.图2是根据本发明的换能器电路的示意图。
73.如图2所示，换能器51可以包括由对正交应变灵敏的两个晶体管实现的至少一个应变传感器。具体地，在图2的示例中，换能器包括串联的两个(或更多个)正电流变化应变传感器51c、51d以及串联的两个(或更多个)负电流变化应变传感器51a、51b。
74.电路1，例如模拟模块2，包括用于设置偏置电流的元件55和用于对偏置电流施加增益的元件56。这些元件55、56向换能器提供该供电电流。这些元件55、56可以一起形成本发明的第一元件。
75.电路1，例如模拟模块2，还包括第二元件52，该第二元件52被配置为对换能器51的输出信号执行共模电流消除(共模电流消除)。为此目的，该元件包括两个子元件52a、52b。这使得可以仅作用于由换能器的信号的变化引起的电流，共模电流除外。因此，可以增加测量信号的范围。
76.电路1，例如模拟模块2，还包括第三元件53，该第三元件53被配置为在两个正交应变传感器的输出信号之间产生差分信号，具体地，在元件52相应消除共模电流之后。这还可以增加测量信号的范围。
77.电路1，例如模拟模块2，还包括：电流/电压i/v转换器54，其被配置为对元件53的差分输出信号进行转换以将电流信号转换为电压信号。i/v转换器54可以是无源转换器并且被配置为产生差分电压信号。因此，转换器可以作用于电压信号而不是原始电流信号。i/v转换器54的输出信号被发送到模数转换器(adc)43。
78.元件55、56、52、53、i/v转换器54和模数转换器(adc)43可以一起形成根据本发明的被配置用于采集换能器测量值的第一子电路。
79.图3是根据本发明的电力回收阶段的示意图。该图指示四个活动(或4个子图)，其x轴指示时间。
80.外部读取器发射周期性的读取信号。读取信号的一个周期p包括电力回收阶段rec和通信阶段com。在电力回收阶段rec中，从外部读取器的无线电波中累积电力储备。电力回收阶段rec包括以下描述的阶段。
81.如“rf_harvesting”子图中所指示的，所存储的电力在初始电力的回收阶段(例如，以500微秒内5微瓦)增加，因为电路中没有元件或单元处于活动状态，因此所有电力被储存。
82.之后，即当存储了足够的电力以允许可靠操作时，在启动阶段期间启动数字模块3(例如，在250微秒内6微瓦的消耗)。同时，由于数字模块3的这种操作，所存储的电力减少。
83.为此，在启动阶段之后，电力回收阶段包括回收中间电力的第一阶段，在该第一阶段中，所存储的电力再次增加(例如，在100微秒内增加到5微瓦)，因为电路中没有元件或单元处于活动状态，因此所有电力被存储。
84.之后，即当存储了足够的电力以允许可靠操作时，在采集阶段(“采集”)期间采集并数字化换能器测量值51(并且可选地，接口4对外部模拟传感器供电，采集、放大和数字化
传感器的测量值)(例如，250微秒内6微瓦的消耗)。同时，由于数字模块3的这种操作，所存储的电力减少。
85.为此，在采集阶段之后，电力回收阶段包括回收中间电力的第二阶段，在该第二阶段中，所存储的电力再次增加(例如，在100微秒内增加到5微瓦)，因为电路中没有元件或单元处于活动状态，因此所有电力被存储。
86.之后，(或在另一预定义的时间段之后)可以完成电力回收阶段，并且可以开始通信阶段com。在通信阶段期间，即在同一周期期间，测量值被传输到外部读取器。
87.图4是根据本发明的电力采集阶段acq的示意图。该图指示八个活动(或8个子图)，其x轴指示时间。在电力采集阶段acq期间，接口4的元件被顺序地供电。如“sensor_en”子图中所指示的，首先，仅换能器51(以及可选地，电连接部，并因此外部模拟传感器)被供电(例如，1微秒)，并且读取并采样由换能器产生的信号(以及可选地，传感器的信号)。之后，作为可选阶段，单独地提供放大器42以对传感器的模拟测量值的信号进行放大(参见“amp_en”子图)。接下来，仅对模数转换器(adc)43供电以对模拟测量值进行数字化(参见“adc_en”子图)。在模数转换器(adc)对测量值进行数字化之后，并且仍然优选地在采集阶段期间，处理器31读取并存储被数字化的测量值，因此由数字模块3提供(参见“data_rdy”子图)。
88.由于这种顺序操作，采集被放大且被数字化的测量值的总消耗可以被减少，例如减少至1微瓦。因此，可以在读取器的信号的单个周期期间完成测量值的获取和发送。