New Strategies and Applications in Electromagnetic Encoders and Planar Phase-Variation Microwave Sensors

Abstract

La tecnologia de microones ha emergit com una pedra angular en els sistemes de sensors moderns, oferint avantatges únics com ara capacitats de penetració, robustesa operativa en condicions ambientals diverses i rendibilitat. Aquesta tesi investiga enfocaments innovadors per millorar el disseny, la fabricació i la funcionalitat dels sensors basats en microones, centrant-se específicament en codificadors electromagnètics, RFID sense xip, sensors de desplaçament, sensors de proximitat i sensors de pressió. Aquests avenços es classifiquen en dues seccions principals: codificadors electromagnètics i sensors planars de microones basats en la variació de fase. Part I: Codificadors electromagnètics i RFID sense xips La primera part d'aquesta tesi se centra en el desenvolupament de codificadors electromagnètics i la seva potencial aplicació com a sistemes RFID sense xip i sensors de moviment. Aquests sistemes utilitzen tècniques de codificació híbrida que combinen dominis de temps, freqüència i fase per aconseguir una gran densitat i capacitat de dades. Es posa èmfasi en la creació d'alternatives robustes i de baix cost als codificadors òptics, que són sensibles als factors ambientals com la pols i la brutícia. S'introdueixen diverses innovacions, com ara dissenys de ressonadors avançats com els ressonadors d'impedància de pas (SIR), sistemes de lectors complexos i mètodes de fabricació sostenibles amb materials reciclables i biodegradables. Aquests avenços situen els codificadors electromagnètics com a solucions viables per a entorns industrials i aplicacions que requereixen una identificació segura, com ara l'etiquetatge de productes i la prevenció de falsificacions.

Part II: Sensors planars de microones basats en la variació de fase La segona part de la tesi explora sensors de microones planars que utilitzen la variació de fase per mesurar magnituds físiques amb una sensibilitat ultra alta. Aquest treball demostra dissenys nous per a sensors de desplaçament, proximitat i pressió, cadascun optimitzat per a aplicacions específiques. Les innovacions inclouen mètodes per millorar la resolució i el rang dinàmic, dissenys per a la detecció de proximitat ultrasensible a escala de micres i sensors de pressió capacitius capaços de mesurar canvis minúsculs amb alta precisió. També es destaquen les tècniques de fabricació sostenibles i compactes, inclòs l'ús de components impresos en 3D. La versatilitat i robustesa d'aquests sensors els fan adequats per a aplicacions en automatització industrial, monitorització biomèdica i sistemes IoT.

La tecnología de microondas ha surgido como una piedra angular en los sistemas de sensores modernos, ofreciendo ventajas únicas como capacidades de penetración, robustez operativa bajo diversas condiciones ambientales y rentabilidad. Esta disertación investiga enfoques innovadores para mejorar el diseño, la fabricación y la funcionalidad de los sensores basados ​​en microondas, centrándose específicamente en codificadores electromagnéticos, RFID sin chip, sensores de desplazamiento, sensores de proximidad y sensores de presión. Estos avances se clasifican en dos secciones principales: codificadores electromagnéticos y sensores de microondas planares basados ​​en variación de fase. Parte I: Codificadores electromagnéticos y RFID sin chip La primera parte de esta tesis se centra en el desarrollo de codificadores electromagnéticos y su posible aplicación como sistemas RFID sin chip y sensores de movimiento. Estos sistemas aprovechan técnicas de codificación híbridas que combinan dominios de tiempo, frecuencia y fase para lograr una alta densidad y capacidad de datos. Se hace hincapié en la creación de alternativas robustas y de bajo costo a los codificadores ópticos, que son sensibles a factores ambientales como el polvo y la suciedad. Se presentan varias innovaciones, incluidos diseños avanzados de resonadores como resonadores de impedancia escalonada (SIR), sistemas de lectura complejos y métodos de fabricación sostenibles que utilizan materiales reciclables y biodegradables. Estos avances posicionan a los codificadores electromagnéticos como soluciones viables para entornos industriales y aplicaciones que requieren una identificación segura, como el etiquetado de productos y la prevención de falsificaciones.

Parte II: Sensores de microondas planares basados ​​en variación de fase La segunda parte de la tesis explora los sensores de microondas planares que utilizan la variación de fase para medir cantidades físicas con una sensibilidad ultraalta. Este trabajo demuestra diseños novedosos para sensores de desplazamiento, proximidad y presión, cada uno optimizado para aplicaciones específicas. Las innovaciones incluyen métodos para mejorar la resolución y el rango dinámico, diseños para la detección de proximidad ultrasensible a escala micrométrica y sensores de presión capacitivos capaces de medir cambios minúsculos con alta precisión. También se enfatizan las técnicas de fabricación sostenibles y compactas, incluido el uso de componentes impresos en 3D. La versatilidad y robustez de estos sensores los hacen adecuados para aplicaciones en automatización industrial, monitoreo biomédico y sistemas de IoT.

Microwave technology has emerged as a cornerstone in modern sensor systems, offering unique advantages such as penetrative capabilities, operational robustness under diverse environmental conditions, and cost-effectiveness. This dissertation investigates innovative approaches to enhance the design, fabrication, and functionality of microwave-based sensors, specifically focusing on electromagnetic encoders, chipless RFIDs, displacement sensors, proximity sensors, and pressure sensors. These advancements are categorized into two major sections: electromagnetic encoders and planar microwave sensors based on phase variation. Part I: Electromagnetic Encoders and Chipless RFIDs The first part of this thesis focuses on the development of electromagnetic encoders and their potential application as chipless RFID systems and motion sensors. These systems leverage hybrid encoding techniques that combine time, frequency, and phase domains to achieve high data density and capacity. Emphasis is placed on creating robust, low-cost alternatives to optical encoders, which are sensitive to environmental factors such as dust and dirt. Several innovations are introduced, including advanced resonator designs like step-impedance resonators (SIRs), complex reader systems, and sustainable manufacturing methods using recyclable and biodegradable materials. These advancements position electromagnetic encoders as viable solutions for industrial environments and applications requiring secure identification, such as product labeling and counterfeit prevention.

Part II: Planar Microwave Sensors Based on Phase Variation The second part of the thesis explores planar microwave sensors that utilize phase variation to measure physical quantities with ultra-high sensitivity. This work demonstrates novel designs for displacement, proximity, and pressure sensors, each optimized for specific applications. Innovations include methods to enhance resolution and dynamic range, designs for ultra-sensitive proximity detection at the micron scale, and capacitive pressure sensors capable of measuring minute changes with high precision. Sustainable and compact fabrication techniques, including the use of 3D-printed components, are also emphasized. The versatility and robustness of these sensors make them suitable for applications in industrial automation, biomedical monitoring, and IoT systems.