CN112465080B - 无线能量收集传感器探针 - Google Patents
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Abstract
一种用于测量食物温度的无电池传感器探针(10)和***。传感器探针(10)包括探针部分(12)和手柄(14)。探针部分(12)具有温度传感器(18)、电路板(16)和射频识别设备(20)。手柄(14)具有连接至所述射频识别设备(20)和所述电路板(16)的天线(26)。所述传感器探针(10)从位于所述传感器探针(10)附近的射频发射器(34)收集能量。
Description
技术领域
本发明涉及用于监测温度的无线传感器探针。特别地，本发明涉及用于监测食物中的温度的无线能量收集传感器探针。
背景技术
正确处理和烹饪食物，尤其是肉类，对于避免引起疾病的细菌或病原体的污染至关重要。美国疾病控制与预防中心(CDC)估计，每年有4800万人因食源性疾病而生病，有128,000例住院，并且3,000例死亡。美国食品药品监督管理局(USFDA)建议使用温度计，以确保在烹饪过程中肉内部的最低温度达到140°F至165°F。智能烤箱与温度探针通信，以实现节能的温度调节，并防止由于无人看管的食物过热而引起火灾的风险。
无线、无电池的肉类探针消除了处理长电线和给电池充电的麻烦，从而提高了产品的可用性和寿命。然而，市场上很少有肉类探针能够满足所有标准：无线，无电池且能够与烤箱通信。无线解决方案的主要挑战是蓝牙的芯片尺寸大，导致口径(针)直径大，并且需要电池。基于表面声波(SAW)设备的模拟探针要么依赖于取向，要么对于单个精确的温度监测位置来说都是昂贵的。客户更喜欢以下能力：监测正在烹制的一块肉内部不同深度的温度，或者在内部具有多个探针。
因此，有利的是提供一种无线且不需要电池的传感器探针，从而允许传感器探针的针具有较小的直径。提供一种可以监测不同深度的食物温度的传感器探针也将是有益的。
发明内容
根据本发明，提供了一种用于测量食物温度的无电池传感器探针。传感器探针包括探针部分和手柄。探针部分具有温度传感器，电路板和射频识别设备。手柄具有连接至射频识别设备和电路板的天线。传感器探针从位于传感器探针附近的射频发射器收集能量。
另外，根据本发明，提供了一种用于测量烤箱中食物温度的***。该***包括配置为***食物中的无电池传感器探针，以及位于烤箱中的射频发射器。射频发射器向无电池传感器探针发送信号，以与无电池传感器探针通信并为其供电。
通过以下结合附图对优选实施例的更详细描述，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，附图以示例的方式示出了本发明的原理。
附图说明
图1是本发明的示例性传感器探针的透视图。
图2是图1的传感器探针沿线2-2截取的剖视图。
图3是图1的传感器探针的示意图。
图4是位于食品中的传感器探针的示意图，该食品位于烤箱中。
图5是位于食品中的传感器探针的示意图，该食品位于替代烤箱中。
图6是可与本发明的传感器探针一起使用的第一替代天线的透视图。
图7是可以与本发明的传感器探针一起使用的第二替代天线的透视图。
具体实施方式
旨在结合附图阅读根据本发明原理的说明性实施例的描述，这些附图应被认为是整个书面描述的一部分。在本文公开的本发明的实施例的描述中，对方向或取向的任何引用仅旨在描述的方便，而不意图以任何方式限制本发明的范围。相对术语，例如“下部”，“上部”，“水平”，“竖直”，“上方”，“下方”，“向上”，“向下”，“顶部”和“底部”及其派生词(例如，“水平地”，“向下地”，“向上地”等)应解释为是指如当时所描述的取向或在所讨论的附图中所示的取向。这些相对术语仅是为了描述的方便，并且不需要以特定的取向构造或操作该设备，除非明确地指出。诸如“附接”，“固定”，“连接”，“联接”，“互连”等类似的术语是指这样的关系，其中结构直接地或通过中间结构间接地彼此固定或附接，以及可移动或刚性的附接或关系，除非另有明确说明。
一个目的是提供一种无线能量收集传感器探针或肉类探针，其可以在烤箱内的高温操作下工作。
如图1和2所示，传感器探针10具有针或探针部分12和手柄14。针或探针部分12被配置为***或部分***诸如但不限于肉的物质或材料中。手柄14被配置为位于物质或材料的外部或部分地位于物质或材料的外部。
探针部分12容纳具有处理器或微控制器的电路板16。在所示的说明性实施例中，电路板16包括温度传感器18和近场通信(NFC)/射频识别(RFID)设备20。但是，在其他说明性实施例中：温度传感器18和NFC/RFID标签或设备20可以是电连接至电路板16的单独部件；电路板16不具有微控制器；电路板16、温度传感器20、NFC设备20或其他传感器的任何组合可以容纳在一个部件中；和/或可以提供并非温度传感器的传感器和/或除温度传感器之外的传感器，例如但不限于湿度传感器。在替代实施例中，可以在沿着探针部分12的长度的不同位置处提供一个以上的温度探针18，以允许在不同位置处测量食物的温度。
在所示的说明性实施例中，端子隔离设备22设置在探针部分12中。端子隔离设备22可以是但不限于电容器或其他类型的热绝缘体。
手柄14包括壳体24和传感器探针天线26。传感器探针天线26可以具有如图1和图2所示的平面配置。可替代地，天线可以具有其他非平面的配置，例如但不限于：弯曲的天线；具有三个平面构件50的天线26a，这三个平面构件50相交形成如图6所示的三角形截面；或者具有四个平面构件52的天线26b，这四个平面构件52相交以形成如图7所示的正方形横截面。也可以使用具有其他数量的平面构件和其他配置的天线。
如图4所示，在操作中，传感器或肉类探针10位于烤箱32中的食物或肉类30中。烤箱具有位于烤箱腔室或隔室36附近的射频(RF)功率发射器34。
传感器或肉类探针10的主要挑战之一是烤箱32内部的高温操作等。除了使用耐高温材料之外，还需要保护电路板16和其他电子设备免受高温的影响。大多数半导体芯片的额定操作温度仅为85℃或125℃。由于烤箱隔室36中的温度通常超过125℃，因此位于合理尺寸的手柄14中的任何电子设备实际上都不能在125℃下保持3小时。由于烤箱32内部最好的绝缘体是食物30本身，因此在使用时电路板16和其他电子设备位于针或探针部分12中，从而通过食物30保护或绝缘针或探针部分12。
为了使用探针10，探针10需要能量来进行操作。由于探针10不包含电池，因此探针10必须使用能量收集进行操作。无电池的肉类探针10需要一种机制来收集足够的能量，以为电路板16、温度传感器18和NFC/RFID设备20供电。NFC/RFID设备20具有可与其他类似设备区分开的唯一的电子标识。
尽管烤箱隔室36内部的明显能量来源是热量，但是即使烤箱刚刚开始预热，探针10也必须工作。在此阶段，没有足够的温度梯度来收集电子设备所需的所需功率。因此，如图4和5所示，使用烤箱32中的专用RF功率发射器34来进行射频(RF)能量收集。由于探针10与功率发射器34之间的通信是无线的，因此从功率发射器34发送到探针10的无线信号中的能量被重新利用，以允许探针10进行操作和响应。RF功率发射器34的说明性实施例是RFID设备，其利用来自读取设备(在这种情况下是烤箱32)的能量来操作并通信回探针10(如箭头38所示)。图3中示意性示出的NFC芯片或设备20是RFID设备的一个示例。
NFC***由读取器组成，在说明性实施例中，读取器是烤箱32。读取器或烤箱32是固定***，没有大小限制，并由AC电流或一个或多个大电池供电。读取器32由(电子和机械连接)到一个或多个读取器天线35的一个或多个读取器电子板33组成。标签或设备20是较小的、便携式的、无电池的***，其包括附接到天线26的半导体NFC芯片。NFC***使用大功率读取器来支持高达约为1米的通讯范围。NFC读取器或烤箱32可以检测附近的多个标签或设备20，这对于同时烹饪许多食物的大型烤箱是有利的。可替代地，如图5所示，烤箱架40可以用作读取器天线，从而允许传感器探针10与读取器天线或架40紧密接近，而不管肉类30在烤箱腔室或隔室36中的位置如何。烤箱架40可以在电隔离或不电隔离的情况下定位在烤箱32中。在另一个替代实施例中，架40可以充当信号增强器，以促进与位于另一位置的辐射器或读取器天线的通信。在其他替代实施例中，读取器电子设备33和/或天线35可以定位在烤箱腔室或隔室36的一个、两个、三个、四个或五个壁中和/或在烤箱的门上和/或腔室或隔室36内的任意位置。读取器电子设备33和读取器天线35可以被配置为以各种图案辐射。
肉类探针***示意图如图2和图3所示。肉类探针10的手柄14包含天线26，该天线连接到NFC设备20。在说明性实施例中，NFC设备20是动态NFC标签芯片，其除了解码的NFC数据之外还提供能量收集的输出。这种NFC设备20的一个示例包含ST25DV的晶圆级芯片规模封装(WLCSP)版本。该NFC芯片为电路板16供电并与其通信，电路板16包括例如来自STMicroelectronics的STM32微控制器，该STM32微控制器使用集成电路间(I2C)数字协议，但是也可以使用其他协议。STM32是采用WLCSP形状因数的超低功耗32位微控制器。在为微控制器供电时，微控制器使用串行***接口(SPI)协议与数字温度传感器14进行通信，并将信息更新到NFC设备20，后者再将数据中继回到烤箱32。在不脱离本发明范围的情况下，可以使用其他NFC设备20。
由于期望使探针部分12的直径等于或小于4mm，电路板16的配置和部件限制了电路板16的小型化水平。尽管本发明不受此限制，但在一个说明性示例中，NFC设备20和电路板16上的所有有源芯片(例如微控制器和稳压器)均被选择呈最小的可用形状因数-WLCSP封装类型。WLCSP缺少常用于其他封装类型的低温有机材料。但是，可以使用其他类型、尺寸和配置的芯片。
在所示的说明性实施例中，电路板16具有大约2.6mm的宽度和大约20mm的长度。用于布线的最小迹线宽度和空间为100μm，仅使用两个金属层对电路板16上的所有部件进行布线。迹线宽度和层数的选择受两个因素支配：确保所有部件的可布线性以及最小化电路板16的制造成本。然而，可以使用具有其他尺寸和其他配置的其他电路板16。
在所示的说明性实施例中，电路板由玻璃化转变温度大于280℃，热降解温度为390℃的高温电路板材料制成，例如Rogers 4350。探针部分12的外壳由不锈钢或其他导热材料制成。手柄材料是聚四氟乙烯(PTFE)。天线是缠绕在PTFE手柄上的普通漆包铜线，可在13.56MHz时达到4.8μH的目标电感。然而，在不脱离本发明的范围的情况下，可以使用其他电感，其他频率和其他材料。
在操作过程中，食物外部的所有材料都应选择为承受300℃的温度。相反，电路板16和其他电子设备具有的最大建议操作温度为85℃，因为在正常操作期间电子设备的承受温度不会超过74℃(165°F)。然而，对于电路板16使用高温材料使得电路板16能够经受住意外暴露于300℃。
上述的NFC通信采用近场磁耦合。因此，天线26实质上是被调谐为以13.56MHz操作的电感器。由于不锈钢探针部分12很小并且阻挡RF信号，因此天线26必须容纳在手柄14中，并且能够承受300℃的温度。在一说明性实施例中，天线26具有大约60mm×16mm的尺寸。然而，可以使用其他尺寸和配置的天线。天线26的尺寸和配置被优化以允许探针10以任何取向被放置在烤箱隔室36中，从而允许与烤箱32或架40适当地通信，无论哪个用作读取器天线。
天线26由金属或其他导电材料制成，并在烤箱隔室36中暴露于高温。相反，电路板16不被额定为长期在高温下操作。因此，为了防止热量通过天线26传导到电路板16，在电路板16附近与天线26成一直线地设置隔热设备22。提供隔热设备22以消散由天线26收集和传输的热量，从而防止有害热量到达电路板16。隔热设备22不会不利地影响天线26与电路板16之间的电通信。
本文示出和描述的实施例针对一种无线的并且不需要电池的传感器探针，从而允许传感器探针的针具有较小的直径。另外，由于不需要电池，因此探针的寿命不受电池寿命的限制，并且消除了将电池放置在靠近食物的烤箱中的安全隐患。该探针是一种用于智能烤箱的低成本、基于NFC的无线无电池解决方案。
探针与烤箱的无线通信允许基于来自探针的实际内部食物温度读数、而不是烤箱环境温度来调节烤箱温度。
Claims (13)
1.一种用于测量食物(30)温度的无电池传感器探针(10)，所述传感器探针(10)包括：
探针部分(12)，具有温度传感器(18)、电路板(16)和射频识别设备(20)，所述射频识别设备(20)是近场通信设备；
手柄(14)，具有连接至所述射频识别设备(20)和所述电路板(16)的天线(26)，所述天线(26)具有非平面配置；
其中，所述传感器探针(10)从位于所述传感器探针(10)附近的射频发射器(34)收集能量。
2.根据权利要求1所述的传感器探针(10)，其中，所述天线(26)具有三个平面构件(50)，所述三个平面构件相交以形成三角形横截面。
3.根据权利要求1所述的传感器探针(10)，其中，所述天线(26)具有四个平面构件(52)，所述四个平面构件相交以形成正方形横截面。
4.根据权利要求1所述的传感器探针(10)，其中，所述温度传感器(18)和所述射频识别设备(20)位于印刷电路板(16)上。
5.根据权利要求1所述的传感器探针(10)，其中，提供隔热设备(22)以使所述电路板(16)与所述天线(26)热绝缘。
6.根据权利要求5所述的传感器探针(10)，其中，所述隔热设备(22)是电容器。
7.根据权利要求1所述的传感器探针(10)，其中，所述探针部分(12)的直径等于或小于4mm。
8.一种用于测量烤箱(32)中食物(30)的温度的***，所述***包括：
如权利要求1-7中任一项所述的无电池传感器探针(10)，被配置为***食物(30)中；
放置在所述烤箱中的射频发射器(34)；
其中，所述射频发射器(34)向无电池传感器探针(10)发送信号，以与无电池传感器探针(10)通信并为无电池传感器探针(10)供电。
9.根据权利要求8所述的***，其中，所述射频发射器(34)具有读取器，所述读取器位于所述烤箱(32)的壁中。
10.根据权利要求8所述的***，其中，所述射频发射器(34)具有读取器，所述读取器位于所述烤箱(32)中的烤箱架(40)中。
11.根据权利要求8所述的***，其中，传感器探针(10)具有手柄(14)，所述手柄(14)具有与所述射频发射器(34)通信的天线(26)。
12.根据权利要求11所述的***，其中，传感器探针(10)具有探针部分(12)，所述探针部分具有温度传感器(18)、电路板(16)和射频识别设备(20)，所述天线(26)连接到所述射频识别设备(20)和所述电路板(16)。
13.根据权利要求11所述的传感器探针(10)，其中，所述射频发射器(34)和所述射频识别设备(20)是近场通信设备。
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