2014年03月18日08:30
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NE無線技術獎候補技術（6）：利用SAW器件實現傳感器的無供電化和無線化
日本靜岡大學創造科學技術研究生院光納米物質機能專業的近藤淳教授領導的研發小組開發出了以無線方式檢測無供電傳感器電阻變化的技術。由於傳感器節點不需要電源，因此適用於結構物監測及農地的環境監測等用途。
檢測SAW的反射率變化
近藤等人的研究小組開發的技術使用可激勵表面聲波（SAW）的梳狀電極（IDT）和可反射發出的SAW的電極（反射器），在IDT上連接了天線，在反射器上連接了傳感器。
當由IDT結構決定頻率的交流信號從天線輸入時，在IDT的逆壓電效應下，就會激勵產生SAW。SAW到達反射器后發生反射，返回到IDT時的波形由天線輸出。
形成了可激勵、反射SAW的梳狀電極的器件
在反射器上連接傳感器時，當傳感器的電阻隨著測量值的變化而變化時，SAW的反射率也會隨之變化。利用這一特性，就可以根據天線輸出的信號的振幅變化來推斷傳感器的電阻變化。
用時間軸來分離輸入和輸出
近藤說：“特意激勵SAW並使其發生反射也許看起來是多余的。但採用這種結構的最大目的是用時間軸將輸入和輸出分離出來。目的是從輸入信號到輸出信號之間發生時間遲延”。
另外，還可以利用當反射器的結構發生變化時、反射波的波形會隨之發生變化這一特性。因此，如果在一個器件上配置形狀各異的多個反射器，並分別連接不同的傳感器，就可以推斷多個傳感器的電阻變化。
能根據溫度、濕度、亮度及壓力等物理量變化來推斷電阻變化的傳感器有很多。但不加選擇地可使用普通傳感器的方法，似可應用於各種不同領域。
無線環境下的實驗驗証
研究小組實施了以無供電且無線的結構來測量傳感器電阻變化的實驗。實驗使用IDT與反射器的距離為10mm、中心頻率為50MHz的SAW器件。研究小組在反射器上連接濕度傳感器，並在IDT上連接無指向性鞭狀天線來構成傳感器節點，向其發射50MHz波段的電波。
利用SAW器件使傳感器實現無供電化和無線化的結構（圖：靜岡大學）
實驗中，經過SAW的激勵和反射，接收傳感器節點通過天線發射出來的電波，然后分析該信號的強度與實際濕度之間的關系。實驗証實，信號強度與實際濕度之間存在相關系數高達0.998的關聯性，因此能夠實現傳感器的無供電化和無線化。
據近藤介紹，無線化帶來的損失在允許范圍內。從約10m遠處使用50MHz波段的電波進行測量時，“與有線連接相比，產生了20dB左右的損失”。
近藤指出，“現在正在試制能以430MHz的特定小功率無線電波激勵的SAW器件”。已有傳感器廠商對這項研究表現出了濃厚的興趣，這將加快該技術的實用化研發。
在無供電無線環境下測量濕度的實驗結果。當濕度變化時，反射波的強度變化（左），強度與實際濕度之間有很大關系（右）。（圖：靜岡大學）
還建立了動態模型
近藤等人還對連接了可變電阻型傳感器的SAW器件建立了動態模型。利用“耦合模理論”，建立了反射率隨傳感器電阻的變化而變化的模型，並在該模型中輸入根據IDT和反射器的形狀確定的常數實施了模擬。模擬得到的反射波的時間響應和振幅與實驗結果完全一致。該模型還適用於形成了結構各異的多個反射器的器件。
長期使用的傳感器節點可能會老化。近藤介紹說，為防止這種情況，“正在研究將兩個反射器對稱配置，以掌握連接傳感器的反射器發出的反射波與未連接傳感器的反射器發出的反射波的強度之比”。如果採用這種結構，即使SAW器件的特性發生變化，也能夠抵消其影響。（日經技術在線！供稿）
