無(wú)源無(wú)線溫濕度傳感器研究.pdf

1、物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物，是一種新興的現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)。它在智能交通、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能醫(yī)療護(hù)理、公共安全以及國(guó)防軍事等領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。傳感器是物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一，基于MEMS技術(shù)加工的傳感器具有尺寸小，可靠性高以及價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛的研究。其中，無(wú)源無(wú)線傳感器很適用于惡劣環(huán)境以及、密閉空間或者旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)等無(wú)法引線連接的場(chǎng)所。LC無(wú)源無(wú)線傳感器不僅具有非接觸式探測(cè)，理論上有無(wú)限壽命的特點(diǎn)，而且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性

2、能可靠以及可以通過(guò)各種材料進(jìn)行加工的特點(diǎn)使得它比其他類型的無(wú)源無(wú)線傳感器更具有優(yōu)勢(shì)。無(wú)源無(wú)線溫度、濕度檢測(cè)在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用以及傳感器測(cè)量中都占有重要的地位，然而，LC無(wú)源無(wú)線溫度傳感器的結(jié)構(gòu)類型稀少，單個(gè)傳感器同時(shí)實(shí)現(xiàn)多環(huán)境參數(shù)檢測(cè)的研究也比較少?；谏鲜鲈?，本文提出了兩種LC無(wú)源無(wú)線傳感器，主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)包括:
　　(1)本文全面介紹了LC無(wú)源無(wú)線系統(tǒng)，包括其系統(tǒng)構(gòu)成、敏感激勵(lì)、電學(xué)頻譜圖的特點(diǎn)以及讀出裝置。對(duì)LC無(wú)源無(wú)線傳

3、感器組成元件及其用于LC無(wú)源無(wú)線傳感器的理論設(shè)計(jì)方法也進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。
　　(2)提出并實(shí)現(xiàn)了一種具有線性自補(bǔ)償?shù)臏孛綦娙?。該溫敏電容主要包括兩種溫度敏感結(jié)構(gòu)，可動(dòng)極板隨溫度垂直運(yùn)動(dòng)引起的變化的電容以及橫向運(yùn)動(dòng)引起的變化的電容。通過(guò)橫向運(yùn)動(dòng)溫敏電容補(bǔ)償垂直運(yùn)動(dòng)溫敏電容進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高線性度。利用彈性力學(xué)理論和材料力學(xué)理論對(duì)溫敏電容物理建模。通過(guò)Comsol熱應(yīng)力仿真進(jìn)行了物理模型驗(yàn)證和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。基于MetalMUMPs加工工藝加工該溫

4、敏電容。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的溫敏電容的非線性誤差小于6％，其靈敏度為19.4fF/℃。
　　(3)提出并實(shí)現(xiàn)了一種新型LC無(wú)源無(wú)線溫度傳感器。該傳感器通過(guò)高線性度的電容式溫度傳感器芯片與PCB平面螺旋電感連接構(gòu)成。這種設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了厚電感的加工工藝?？赏ㄟ^(guò)手持式阻抗分析儀對(duì)傳感器性能進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明相對(duì)于其他的LC無(wú)源無(wú)線溫度傳感器2kHz/℃～16.97kHz/℃的靈敏度，本文設(shè)計(jì)的新型LC無(wú)源無(wú)線溫度傳感器具有較好的溫度敏感特性，其

5、靈敏度達(dá)到37.7kHz/℃。
　　(4)提出了氧化石墨烯薄膜阻抗隨溫度、濕度、頻率變化的理論模型。氧化石墨烯通過(guò)改進(jìn)的Hummers法制備。通過(guò)TEM，F(xiàn)TIR，XRD以及XPS對(duì)氧化石墨烯薄膜特性進(jìn)行了表征。通過(guò)交流復(fù)阻抗的測(cè)試方法以及曲線擬合，即可以確定氧化石墨烯薄膜的損耗電阻和敏感電容隨溫度、濕度、以及頻率變化的模型。本研究對(duì)基于氧化石墨烯薄膜電學(xué)特性的傳感應(yīng)用提供了基礎(chǔ)理論。
　　(5)提出并實(shí)現(xiàn)了一種同時(shí)遙測(cè)溫度

6、、濕度的集成無(wú)源無(wú)線傳感器。傳感器由電感線圈和敏感電容形成LC諧振回路。電感是單層的平面螺旋銅電感，電容通過(guò)硅玻璃鍵合工藝實(shí)現(xiàn)，并基于氧化石墨烯薄膜作為敏感介質(zhì)。通過(guò)檢測(cè)阻抗實(shí)部最大值和傳感器回路的諧振頻率，可以得到變化的電容和電阻值，進(jìn)而可以推導(dǎo)出環(huán)境的溫度和濕度值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出，在測(cè)試范圍內(nèi)，諧振頻率和實(shí)部阻抗最大值隨濕度變化的靈敏度分別為-17.80kHz/％RH和-7.32ΩMRH，隨溫度變化的靈敏度分別為-7.69kHz/℃和