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博客

RFID温度传感器标签研究情况

已有 295 次阅读2014-5-20 14:22

随着RFID和传感器技术的成熟,近年来人们关注将它们集成。现在有两种RFID传感器标签体系:一种RFID标签集成传统电池支持的传感器于硅芯片上并带有模/数转换器;这种技术适合多种传感器,但标签尺寸大且成本高,且寿命受限于电池容量。第二种将传感器集成于标签天线上,这样尺寸和成本下降,但如何设计这样的传感器元件成为问题所在。一般而言,射频识别技术识别距离可达几十米以上。带有智能传感器的RFID,是无线传感网络的重要组成部分。另外,温度是很重要的环境参数之一,温度传感器应该能够监视和记录关键的温度变化。在标签芯片中嵌入温度传感电路是一大方向。目前基于CMOS工艺的RFID温度传感方法有两种典型结构。一种是利用模数转换将与温度有关的电压信号转换成包含温度信息的数字信号。另一种是采用时域数字量化的方式将周期随温度变化的信号转化成包含温度信息的数字信号,即利用一个输出周期随温度变化的时钟对一个脉冲宽度与温度无关的脉冲信号进行采样计数,或者利用一个输出周期与温度无关的时钟对一个脉冲宽度随温度变化的脉冲信号进行采样计数;最终通过数字信号处理得到温度信息。采用第一种结构特点是测量范围宽,测量精度高,测试成本低,但功耗较大,在几百微瓦到几毫瓦;第二种结构测量范嗣较小,测量精度不高,但功耗低。下面是关于温度传感器究和应用的一些例子。

在研究方面,瑞典中部大学的Jinlan Gao等人将印刷的纳米传感器结构集成于UHF RFID标签天线上,印刷的结构可以说明自上次读数之后是否标签暴露于过分的温度环境之中,并可用于温度传感器寿命太短或太贵的场合;上述实验在几米范围实施。中国科学院Shenghua Zhou和NanjianWu论述“一种新型的低功耗温度传感器适于UHF RFID标签芯片”,指出被动式RFID标签芯片对功耗太敏感,很难在不缩短标签操作距离的前提下将传感器与模数转换器常规方式嵌入,即使驱动模数转换的功耗为几个μW也会大大缩短操作距离。他们的方法使功耗降到0.9μW,校正后的精确度为±1℃。复旦大学Conghui Xu等人研究的低功耗CMOS型RFID温度传感器,功耗26μA~1.8 V,测量范围-20℃到120℃,校正后精度为±0.65℃。另外,天津大学的王倩等人提出的无源CMOS温度传感器,适用温度范围-50℃到50℃,功耗789 nW,分辨率较高。在商业应用方面,加拿大的GAO RFID Inc制造的有源温度传感器标签(型号:127003L)以2.45GHz频率操作,提供物品温度的实时收集监控;并且,这些标签允许设置边界温度以便温度被超过时发出警报。该标签可以设置成每隔一定时间间隔发送或者进入休眠状态。测量距离最远可达50米,每秒可读100个标签,功耗为<7μA,3 V,电池寿命两年,测量温度可以从-80℃到120℃,唯一不足的是精度为±2℃。位于土耳其的Alvin Systems有限公司制造灵巧的RFID传感器标签,可以贴在物品盒子或袋子上定期记录监视环境温度。记录下的数据存于标签的内存,可以通过专门的阅读器实时阅读和分析,从而获知运输或储藏的温度是否合适。另外,加拿大的Proxima RFTechnologyCorp工作人员认为,现在RFID标签的增长大都集中于被动式超高频(UHF)标签,同时被动式高频(HF,13.56 MHz)市场也在扩大,因为HF型RFID标签的耐潮湿特性使其成为高水分物品应用的良好选择,包括冰、水、肉类和饮料。

从以上可以看出,将温度传感器集成到RFID标签遇到几个挑战:

1)温度传感器应该ON—CHIP并且易校正以便降低费用;

2)功耗要严格限制;

3)在测量范围内精度要高;

4)应答器和收发器的标准化要形成。新颖灵巧的RFID标签温度传感器应具有以下特性:①尺寸紧凑;②大数据量存储;③价格便宜;④功耗低;⑤测量范围较宽;⑥机械/热/化学强度和耐用性好;⑦温度传感器的灵敏度可达0.2℃;⑧电源寿命能达到二到三年。

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