TDK研究出可穿透金属进行数据及能量传输的压电超声波技术

2021-11-16 来源：中电网

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日前，TDK宣布开发了一种可以利用超声波传输数据和能量的技术，甚至支持穿透金属层屏蔽。在此过程中，压电材料组件将电信号转换为机械振动以产生声波，反之也可以将声波转化为振动。这种效应使设备能够被传感器所识别并读出数据，此外，还可以在封闭的金属层或管道中进行能量传输。

RFID 已成为物流领域的一项成熟技术。但是，在某些情况下会受到限制，例如金属外壳可提供对 RFID 无线电波的保护，防止通过非接触式通信使用设备识别和数据传输，但这也会对无线电进行屏蔽。TDK 开发的压电技术，可以使用声波而不是电磁波，因此即使在具有屏蔽挑战的环境中也能实现数据传输。通过将特定应用的传感器安装座和声学传输通道相结合，可以在系统集成中开发新的应用。

产品由(外)压电元件、胶层、均质金属板、胶层和(内)压电元件组成的结构形成(如图1)。

图 1：使用两个压电盘进行基于超声波的数据传输原理

在金属化材料表面上，电压信号的刺激，可以改变压电元件的厚度，范围为+/- 3 nm。因此，在 10 MHz 范围内，它可以将电信号转换为机械振动，从而在材料表面激发声波。材料会在某些模式下形成共振。例如，一块金属板在材料中的声波波长的倍数处显示出窄带共振，中间则呈现凹口，看起来像一个共振梳。由于其几何形状和材料特性，压电元件也会产生共振。由于主要是胶层的弹性材料特性，这些模式的叠加形成了具有相对平坦通带的声学传输通道。在该通道中，谐振梳的深凹口消失（图 2），允许根据近场通信 (NFC) 标准进行数据传输。

图 2：在高于 10.5 MHz 的频率下，这会导致衰减相对较低且恒定的区域，从而完全可以使用声波进行信号传输

极低的温度变化特性可以满足更多需求

传输通道对温度和金属材料的均匀度或厚度的依赖性非常低。这种独立性是由于通信窗口中共振梳的单个峰值和凹口相比该区域外的频段更不明显（图 2）。由于 NFC 协议标准适用于该声学通道，因此工程师可以使用市场上已有的芯片组。还可以在不影响通道的情况下保护数据传输免受干扰影响。这种保护使无法使用经典 NFC 技术实现的应用程序成为可能。

NFC 标签 IC 支持各种无线传感器接口，这些 IC 具有 I²C、功率收集和更高工作温度范围（例如 - 40 °C 至 +105 °C）等特性，也有助于快速介绍这种压电声学接口技术在广泛的应用领域。这种技术可以通过封闭的金属容器甚至工厂的管道数据传输。它也适用于电动汽车中的电池检查等。

TDK做了一个演示，说明了这项新技术的功能，可以穿透钢板并执行数据和能量传输（图 3）。在这里，金属容器内的环境传感器负责搜集温度、湿度和气压信息。空气加湿器和风扇加热器为测量提供数据。传感器的数据量大概为64 字节，每秒 12 次测量，从而产生 6 kbps 的吞吐量。除此之外，15 mW 的功率传输则可用于操作传感器和额外的微控制器。