TDK研究出可穿透金屬進(jìn)行數(shù)據(jù)及能量傳輸?shù)膲弘姵暡夹g(shù)

2021-11-16 來(lái)源：中電網(wǎng)

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日前，TDK宣布開(kāi)發(fā)了一種可以利用超聲波傳輸數(shù)據(jù)和能量的技術(shù)，甚至支持穿透金屬層屏蔽。在此過(guò)程中，壓電材料組件將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)以產(chǎn)生聲波，反之也可以將聲波轉(zhuǎn)化為振動(dòng)。這種效應(yīng)使設(shè)備能夠被傳感器所識(shí)別并讀出數(shù)據(jù)，此外，還可以在封閉的金屬層或管道中進(jìn)行能量傳輸。

RFID 已成為物流領(lǐng)域的一項(xiàng)成熟技術(shù)。但是，在某些情況下會(huì)受到限制，例如金屬外殼可提供對(duì) RFID 無(wú)線電波的保護(hù)，防止通過(guò)非接觸式通信使用設(shè)備識(shí)別和數(shù)據(jù)傳輸，但這也會(huì)對(duì)無(wú)線電進(jìn)行屏蔽。TDK 開(kāi)發(fā)的壓電技術(shù)，可以使用聲波而不是電磁波，因此即使在具有屏蔽挑戰(zhàn)的環(huán)境中也能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。通過(guò)將特定應(yīng)用的傳感器安裝座和聲學(xué)傳輸通道相結(jié)合，可以在系統(tǒng)集成中開(kāi)發(fā)新的應(yīng)用。

產(chǎn)品由(外)壓電元件、膠層、均質(zhì)金屬板、膠層和(內(nèi))壓電元件組成的結(jié)構(gòu)形成(如圖1)。

圖 1：使用兩個(gè)壓電盤(pán)進(jìn)行基于超聲波的數(shù)據(jù)傳輸原理

在金屬化材料表面上，電壓信號(hào)的刺激，可以改變壓電元件的厚度，范圍為+/- 3 nm。因此，在 10 MHz 范圍內(nèi)，它可以將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)，從而在材料表面激發(fā)聲波。材料會(huì)在某些模式下形成共振。例如，一塊金屬板在材料中的聲波波長(zhǎng)的倍數(shù)處顯示出窄帶共振，中間則呈現(xiàn)凹口，看起來(lái)像一個(gè)共振梳。由于其幾何形狀和材料特性，壓電元件也會(huì)產(chǎn)生共振。由于主要是膠層的彈性材料特性，這些模式的疊加形成了具有相對(duì)平坦通帶的聲學(xué)傳輸通道。在該通道中，諧振梳的深凹口消失（圖 2），允許根據(jù)近場(chǎng)通信 (NFC) 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖 2：在高于 10.5 MHz 的頻率下，這會(huì)導(dǎo)致衰減相對(duì)較低且恒定的區(qū)域，從而完全可以使用聲波進(jìn)行信號(hào)傳輸

極低的溫度變化特性可以滿足更多需求

傳輸通道對(duì)溫度和金屬材料的均勻度或厚度的依賴(lài)性非常低。這種獨(dú)立性是由于通信窗口中共振梳的單個(gè)峰值和凹口相比該區(qū)域外的頻段更不明顯（圖 2）。由于 NFC 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)適用于該聲學(xué)通道，因此工程師可以使用市場(chǎng)上已有的芯片組。還可以在不影響通道的情況下保護(hù)數(shù)據(jù)傳輸免受干擾影響。這種保護(hù)使無(wú)法使用經(jīng)典 NFC 技術(shù)實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用程序成為可能。

NFC 標(biāo)簽 IC 支持各種無(wú)線傳感器接口，這些 IC 具有 I2C、功率收集和更高工作溫度范圍（例如 - 40 °C 至 +105 °C）等特性，也有助于快速介紹這種壓電聲學(xué)接口技術(shù)在廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。這種技術(shù)可以通過(guò)封閉的金屬容器甚至工廠的管道數(shù)據(jù)傳輸。它也適用于電動(dòng)汽車(chē)中的電池檢查等。

TDK做了一個(gè)演示，說(shuō)明了這項(xiàng)新技術(shù)的功能，可以穿透鋼板并執(zhí)行數(shù)據(jù)和能量傳輸（圖 3）。在這里，金屬容器內(nèi)的環(huán)境傳感器負(fù)責(zé)搜集溫度、濕度和氣壓信息。空氣加濕器和風(fēng)扇加熱器為測(cè)量提供數(shù)據(jù)。傳感器的數(shù)據(jù)量大概為64 字節(jié)，每秒 12 次測(cè)量，從而產(chǎn)生 6 kbps 的吞吐量。除此之外，15 mW 的功率傳輸則可用于操作傳感器和額外的微控制器。