LC型無源無線濕度傳感器理論與實驗研究.pdf

1、LC（電感電容）無源無線傳感器將待測參數(shù)轉(zhuǎn)換為諧振頻率，并通過互感耦合的方式非接觸測量這個頻率，從而實現(xiàn)無源無線檢測。LC型傳感器節(jié)點通常由平面電感和敏感電容構(gòu)成，沒有有源器件，不帶電源，理論上具有無限壽命，非常適合于狹小密閉空間、機械旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、惡劣環(huán)境等的無線傳感應用。隨著MEMS技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，LC無源無線傳感器已成為本領(lǐng)域國際上主要研究方向之一，特別是用于醫(yī)療的植入式壓力傳感器取得了明顯進展。一方面，某些場合需要對濕度進行

2、長期的非接觸監(jiān)測，另一方面，現(xiàn)有LC無源無線傳感器研究工作大多側(cè)重于傳感器節(jié)點本身，而信號的無線讀取并沒有引起足夠的重視。本文以濕度檢測為背景，開展了LC無源無線傳感技術(shù)的研究，主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新包括:
　　(1)介紹了LC電諧振、平面螺旋電感基礎理論，分析了諧振頻率的提取方法，對比了讀出線圈的Z參數(shù)與S參數(shù)曲線特性。在此基礎上，提出并實現(xiàn)了一種低成本、手持式LC無源無線傳感器讀出電路系統(tǒng)，可以測量讀出線圈的阻抗，為本文的相關(guān)實驗

3、提供了一種簡便解決方案;建立了一種多諧振耦合模型，為后續(xù)帶中繼線圈的LC無源無線傳感系統(tǒng)研究奠定了基礎。
　　(2)提出并實現(xiàn)了一種封裝集成的LC無源無線濕度傳感器。該傳感器將CMOS MEMS濕度敏感叉指電容芯片直接粘貼在帶有嵌入式平面電感的封裝基板上，避免了CMOS襯底上厚金屬電感難以制造的困難，同時，又可以在給定封裝體積的情況下增加了傳感器電感的尺寸，增大了讀出距離。將氧化石墨烯薄膜作為濕度敏感材料用于LC無源無線濕度傳感器

4、中，提高了器件靈敏度。用自制的手持式讀出電路系統(tǒng)對傳感器進行了測試，實驗結(jié)果表明:利用氧化石墨烯作為濕度敏感材料的傳感器靈敏度達到-18.75kHz/％RH(520ppm/％RH)，而聚酰亞胺器件只有-2.4kHz/RH(67ppm/％RH)。
　　(3)提出并實現(xiàn)了一種基于片上雙層電感的LC無源無線濕度傳感器。該結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)垂直結(jié)構(gòu)的濕度敏感電容具有相同的工藝，聚酰亞胺層不需要光刻，通過上下兩層電感之間的耦合形成了LC諧振回路。建

5、立了這種傳感器的等效電路模型，得到了模型中各項集總元件的解析表達式，電磁場仿真結(jié)果證實了該模型的合理性。在玻璃襯底上加工出了原型器件，測試結(jié)果表明:相比于單層電感自諧振結(jié)構(gòu)，這種雙層電感結(jié)構(gòu)使得在相同芯片面積情況下電感量倍增，有效地改善了讀出性能;這種片上雙層電感LC無源無線濕度傳感器有較高的靈敏度，測得的靈敏度達到-68kHz/％RH(919ppm/％RH)。
　　(4)提出了一種利用中繼線圈增加LC無源無線傳感器讀出距離的方法

6、，建立了等效電路模型，結(jié)合多諧振耦合理論得到了兩個峰值頻率的解析表達式。理論分析表明，中繼線圈在增加距離的同時會引起頻率分裂和靈敏度衰減，本文提出了將兩個峰值頻率之和作為檢測量，避免了靈敏度衰減。通過變?nèi)荻O管的LC無源無線電壓傳感器，對帶有中繼線圈的傳感系統(tǒng)做了測試，實驗結(jié)果和理論分析基本一致，測試結(jié)果表明讀出距離增加了180％，而靈敏度保持不變。
　　本文針對密閉環(huán)境濕度測量為應用背景，以增加讀出距離和提高靈敏度為主要目標，提