无源无线温湿度传感器研究

发布时间：2017-12-13 09:00

  本文关键词：无源无线温湿度传感器研究

  更多相关文章： 物联网 MEMS 温度传感器 温湿度传感器 LC无源无线传感器 氧化石墨烯

【摘要】：物联网是互联网和信息技术发展到一定阶段的产物,是一种新兴的现代信息产业。它在智能交通、环境监测、智能医疗护理、公共安全以及国防军事等领域都有着广阔的应用前景。传感器是物联网的核心技术之一,基于MEMS技术加工的传感器具有尺寸小,可靠性高以及价格便宜等优点,已经被广泛的研究。其中,无源无线传感器很适用于恶劣环境以及、密闭空间或者旋转结构等无法引线连接的场所。LC无源无线传感器不仅具有非接触式探测,理论上有无限寿命的特点,而且其结构简单,性能可靠以及可以通过各种材料进行加工的特点使得它比其他类型的无源无线传感器更具有优势。无源无线温度、湿度检测在物联网应用以及传感器测量中都占有重要的地位,然而,LC无源无线温度传感器的结构类型稀少,单个传感器同时实现多环境参数检测的研究也比较少。基于上述原因,本文提出了两种LC无源无线传感器,主要研究内容和创新点包括:(1)本文全面介绍了 LC无源无线系统,包括其系统构成、敏感激励、电学频谱图的特点以及读出装置。对LC无源无线传感器组成元件及其用于LC无源无线传感器的理论设计方法也进行了详细的介绍。(2)提出并实现了一种具有线性自补偿的温敏电容。该温敏电容主要包括两种温度敏感结构,可动极板随温度垂直运动引起的变化的电容以及横向运动引起的变化的电容。通过横向运动温敏电容补偿垂直运动温敏电容进而实现高线性度。利用弹性力学理论和材料力学理论对温敏电容物理建模。通过Comsol热应力仿真进行了物理模型验证和结构优化。基于MetalMUMPs加工工艺加工该温敏电容。实验测得的温敏电容的非线性误差小于6%,其灵敏度为19.4fF/℃。(3)提出并实现了一种新型LC无源无线温度传感器。该传感器通过高线性度的电容式温度传感器芯片与PCB平面螺旋电感连接构成。这种设计简化了厚电感的加工工艺。可通过手持式阻抗分析仪对传感器性能进行了测试,实验结果表明相对于其他的LC无源无线温度传感器2kHz/℃～16.97kHz/℃的灵敏度,本文设计的新型LC无源无线温度传感器具有较好的温度敏感特性,其灵敏度达到37.7kHz/℃。(4)提出了氧化石墨烯薄膜阻抗随温度、湿度、频率变化的理论模型。氧化石墨烯通过改进的Hummers法制备。通过TEM,FTIR,XRD以及XPS对氧化石墨烯薄膜特性进行了表征。通过交流复阻抗的测试方法以及曲线拟合,即可以确定氧化石墨烯薄膜的损耗电阻和敏感电容随温度、湿度、以及频率变化的模型。本研究对基于氧化石墨烯薄膜电学特性的传感应用提供了基础理论。(5)提出并实现了一种同时遥测温度、湿度的集成无源无线传感器。传感器由电感线圈和敏感电容形成LC谐振回路。电感是单层的平面螺旋铜电感,电容通过硅玻璃键合工艺实现,并基于氧化石墨烯薄膜作为敏感介质。通过检测阻抗实部最大值和传感器回路的谐振频率,可以得到变化的电容和电阻值,进而可以推导出环境的温度和湿度值。实验结果给出,在测试范围内,谐振频率和实部阻抗最大值随湿度变化的灵敏度分别为-17.80kHz/%RH 和-7.32Ω/%RH,随温度变化的灵敏度分别为-7.69kHz/℃ 和-6.27Ω/℃。本文提出了两种LC无源无线传感器结构。前者结合具有高线性度的电容式温度敏感结构给出一种新型LC无源无线温度传感器,后者给出一种单个LC无源无线传感器实现温度、湿度两种参数同时检测的方法。同时,本文详细给出LC传感器设计的规则,为新型LC传感器设计提供了理论基础。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP212

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