TDK研究出可穿透金屬進行數據及能量傳輸的壓電超聲波技術

2021-11-16 來源：中電網

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日前，TDK宣布開發了一種可以利用超聲波傳輸數據和能量的技術，甚至支持穿透金屬層屏蔽。在此過程中，壓電材料組件將電信號轉換為機械振動以產生聲波，反之也可以將聲波轉化為振動。這種效應使設備能夠被傳感器所識別并讀出數據，此外，還可以在封閉的金屬層或管道中進行能量傳輸。

RFID 已成為物流領域的一項成熟技術。但是，在某些情況下會受到限制，例如金屬外殼可提供對 RFID 無線電波的保護，防止通過非接觸式通信使用設備識別和數據傳輸，但這也會對無線電進行屏蔽。TDK 開發的壓電技術，可以使用聲波而不是電磁波，因此即使在具有屏蔽挑戰的環境中也能實現數據傳輸。通過將特定應用的傳感器安裝座和聲學傳輸通道相結合，可以在系統集成中開發新的應用。

產品由(外)壓電元件、膠層、均質金屬板、膠層和(內)壓電元件組成的結構形成(如圖1)。

圖 1：使用兩個壓電盤進行基于超聲波的數據傳輸原理

在金屬化材料表面上，電壓信號的刺激，可以改變壓電元件的厚度，范圍為+/- 3 nm。因此，在 10 MHz 范圍內，它可以將電信號轉換為機械振動，從而在材料表面激發聲波。材料會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的倍數處顯示出窄帶共振，中間則呈現凹口，看起來像一個共振梳。由于其幾何形狀和材料特性，壓電元件也會產生共振。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平坦通帶的聲學傳輸通道。在該通道中，諧振梳的深凹口消失（圖 2），允許根據近場通信 (NFC) 標準進行數據傳輸。

圖 2：在高于 10.5 MHz 的頻率下，這會導致衰減相對較低且恒定的區域，從而完全可以使用聲波進行信號傳輸

極低的溫度變化特性可以滿足更多需求

傳輸通道對溫度和金屬材料的均勻度或厚度的依賴性非常低。這種獨立性是由于通信窗口中共振梳的單個峰值和凹口相比該區域外的頻段更不明顯（圖 2）。由于 NFC 協議標準適用于該聲學通道，因此工程師可以使用市場上已有的芯片組。還可以在不影響通道的情況下保護數據傳輸免受干擾影響。這種保護使無法使用經典 NFC 技術實現的應用程序成為可能。

NFC 標簽 IC 支持各種無線傳感器接口，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接口技術在廣泛的應用領域。這種技術可以通過封閉的金屬容器甚至工廠的管道數據傳輸。它也適用于電動汽車中的電池檢查等。

TDK做了一個演示，說明了這項新技術的功能，可以穿透鋼板并執行數據和能量傳輸（圖 3）。在這里，金屬容器內的環境傳感器負責搜集溫度、濕度和氣壓信息。空氣加濕器和風扇加熱器為測量提供數據。傳感器的數據量大概為64 字節，每秒 12 次測量，從而產生 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。