無(wú)源LC傳感器研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)綜述*

羅 濤， 譚秋林,,3， 魏坦勇， 熊繼軍,

(1.電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051；2.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；3.重慶大學(xué) 新型微納器件與系統(tǒng)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044)

0 引 言

無(wú)線(xiàn)無(wú)源LC傳感器由全無(wú)源器件構(gòu)成，其在傳感器的信號(hào)輸出方面不再依賴(lài)各種互聯(lián)線(xiàn)傳輸信號(hào)，這樣一來(lái)就使其應(yīng)用范圍被擴(kuò)展到復(fù)雜惡劣的環(huán)境中，同時(shí)，由于工作頻率較低，通常為幾十兆赫茲，且采用近場(chǎng)耦合技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)惡劣環(huán)境下短距離內(nèi)的高速數(shù)據(jù)讀取和高效能量傳輸。目前國(guó)內(nèi)外在無(wú)線(xiàn)無(wú)源LC傳感器上都做了大量的研究工作，其中測(cè)量對(duì)象涵蓋了壓力、溫度、濕度等參數(shù)。無(wú)線(xiàn)無(wú)源LC傳感技術(shù)的發(fā)展，解決了惡劣環(huán)境(高溫、高旋、密閉空間以及生物體內(nèi))下引線(xiàn)難和歐姆接觸不穩(wěn)定的問(wèn)題。

本文針對(duì)當(dāng)前無(wú)線(xiàn)無(wú)源LC傳感器的測(cè)量對(duì)象，從壓力、溫度、濕度、氣體以及生化檢測(cè)5個(gè)方面綜述了當(dāng)前無(wú)源LC傳感器的最新研究成果，并展望了其發(fā)展趨勢(shì)。

1 壓力傳感

無(wú)源LC壓力傳感器的研究主要面向惡劣環(huán)境應(yīng)用，其中典型研究為高溫壓力傳感器[1～4]和植入式眼壓傳感器[5～10]。

圖1所示為美國(guó)佐治亞理工學(xué)院Allen Mark G教授的研究小組于2002年提出的高溫壓力傳感器及其高溫環(huán)境下的壓力測(cè)試結(jié)果，該傳感器采用LTCC(低溫共燒陶瓷)材料，結(jié)合絲網(wǎng)印刷工藝，通過(guò)層壓燒結(jié)形成由電感線(xiàn)圈和平行板電容組成的無(wú)源LC諧振傳感器，測(cè)試結(jié)果表明:該傳感器在450 ℃的環(huán)境下具有-244.72 kHz/bar的靈敏度和較好的線(xiàn)性度。國(guó)內(nèi)在無(wú)源高溫壓力傳感器的研究上起步較晚，中北大學(xué)研制了基于LTCC/HTCC(低溫共燒陶瓷/高溫共燒陶瓷)的高溫壓力傳感器，并取得了與國(guó)外同類(lèi)傳感器相比更好的靈敏度，實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明：其LTCC高溫壓力傳感器能工作到600 ℃，而Al2O3高溫壓力傳感器則有望突破800 ℃。

圖1 LTCC高溫壓力傳感器的結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物圖

利用LC諧振耦合的原理進(jìn)行眼內(nèi)壓力的監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，加州理工學(xué)院Tai Yu-Chong研究小組基于二甲苯塑膠材料制備的眼壓傳感器，對(duì)該傳感器在兔子眼內(nèi)的實(shí)際響應(yīng)測(cè)試表明:該傳感器具有205 kHz/mmHg的靈敏度和小于1 mmHg的分辨率,目前該傳感器系統(tǒng)已初步實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，其系統(tǒng)示意圖如圖2。

圖2 無(wú)源LC眼壓傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2 溫度傳感

精確的溫度測(cè)量在譬如高溫、機(jī)械旋轉(zhuǎn)等惡劣環(huán)境下仍具有一定的挑戰(zhàn)性，因此，無(wú)源LC溫度傳感被越來(lái)越多的研究用來(lái)進(jìn)行上述環(huán)境下的溫度監(jiān)測(cè)[11～13]。圖3為Jia Yi研究小組制備的面向滾動(dòng)軸承關(guān)鍵部位溫度監(jiān)測(cè)的無(wú)線(xiàn)無(wú)源溫度傳感器及其測(cè)試曲線(xiàn)，其利用鐵電陶瓷在居里溫度點(diǎn)前隨溫度單調(diào)增大的相對(duì)介電常數(shù)的特性制備出溫度敏感電容器，將其與銅絲繞成的線(xiàn)圈串聯(lián)，組成LC諧振回路，在235 ℃內(nèi)取得了13 kHz/℃的靈敏度和良好的線(xiàn)性度，其量程和靈敏度滿(mǎn)足機(jī)械軸承上的溫度監(jiān)測(cè)要求。

圖3 無(wú)源溫度傳感器及其測(cè)試曲線(xiàn)

3 濕度傳感

無(wú)源LC傳感器在諸如食品包裝袋內(nèi)部和混凝土結(jié)構(gòu)等特殊環(huán)境下的濕度檢測(cè)中具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)[14～26]。其典型結(jié)構(gòu)如圖4所示，叉指電容上面覆蓋了一層濕度敏感材料，如聚酰亞胺，當(dāng)其吸收環(huán)境中的水分后，相對(duì)介電常數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致叉指電容值變化，因而可以通過(guò)外部讀取天線(xiàn)讀取傳感器諧振特性的改變。

圖4 無(wú)源LC濕度傳感器

Stojanovi G M等人制備了一種用于建筑材料濕度監(jiān)測(cè)的LTCC無(wú)源濕度傳感器，該傳感器利用水的介電常數(shù)大于建筑材料介電常數(shù)的特性，當(dāng)水含量增加時(shí)，敏感電容增大，導(dǎo)致傳感器諧振頻率減小，采用耐高溫LTCC材料，使該傳感器具有較好的溫度穩(wěn)定性。Ee Lim Tan所在團(tuán)隊(duì)提出了一種用于檢測(cè)包裝袋內(nèi)食物品質(zhì)的傳感器，其采用印刷在紙質(zhì)襯底上的LC諧振回路，將其粘貼在包裝袋內(nèi)壁，食物變質(zhì)將導(dǎo)致袋內(nèi)濕度增大，紙質(zhì)襯底吸收水分后導(dǎo)致其介電常數(shù)變化，從而傳感器發(fā)生諧振頻率的漂移。

4 氣體傳感

賓夕法尼亞大學(xué)的Ong K G于2002年首次提出一種基于如圖5所示敏感電容結(jié)構(gòu)的無(wú)源氣體傳感器，該傳感器采用多壁碳納米管作為氣敏介質(zhì)材料，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)O2,CO2和NH3的檢測(cè)[17,18]。當(dāng)多壁碳納米管—SiO2層吸收不同氣體后，其材料的介電常數(shù)和導(dǎo)電性都會(huì)發(fā)生變化，從而最終引起傳感器諧振頻率的變化，通過(guò)外部天線(xiàn)即可實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)的非接觸讀取，這樣的特性使其適用于對(duì)密閉、不透明容器內(nèi)氣體濃度進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。在基于碳納米管的無(wú)源氣體傳感器方面，University of Massachusetts Lowell的Ling Yunfeng等人制備了一種基于單壁碳納米管材料的無(wú)源NH3體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)傳感器，取得了0.76 %/10-6的平均靈敏度[19]。

圖5 碳納米管基無(wú)源氣體傳感器敏感電容器結(jié)構(gòu)截面圖

5 生化檢測(cè)

美國(guó)Purdue University的Ziaie B小組提出了一種基于永電體材料的無(wú)線(xiàn)無(wú)源原位放射檢測(cè)傳感器[20]，該傳感器截面結(jié)構(gòu)和特性測(cè)試曲線(xiàn)如圖6所示，它由一個(gè)電感線(xiàn)圈與一個(gè)微機(jī)械電容器組成，其中電容器極板間部分間隙填充永電體材料，其中一電容器極板可動(dòng)，永電體因?yàn)槲胀饨绂蒙渚€(xiàn)輻射所致空氣電離的離子導(dǎo)致表面電荷密度減小，因而減小了作用在可動(dòng)極板上的吸引力，導(dǎo)致極板發(fā)生位移和形變，最終導(dǎo)致電容值的減小，從而引起傳感器諧振頻率的增大，測(cè)試結(jié)果表明:該傳感器在由Cs137產(chǎn)生60000R的γ射線(xiàn)下的靈敏度為11.45 kHz/kR。

圖6 無(wú)源LC輻射量檢測(cè)傳感器

圖7 無(wú)源pH值檢測(cè)傳感器

在生物特性檢測(cè)領(lǐng)域，Ong K G提出了用無(wú)源LC傳感器進(jìn)行細(xì)菌濃度的監(jiān)測(cè)[22]，他將LC回路印刷在聚亞安脂薄膜上，將其置于細(xì)菌培養(yǎng)液中，細(xì)菌濃度的變化會(huì)導(dǎo)致溶液復(fù)介電常數(shù)的變化，從而會(huì)引起傳感器諧振特性的變化，實(shí)驗(yàn)對(duì)傳感器在枯草桿菌和大腸桿菌的培養(yǎng)液中做了實(shí)際的響應(yīng)測(cè)試，結(jié)果表明:傳感器在細(xì)菌培養(yǎng)過(guò)程中發(fā)生了諧振頻率的漂移。

6 發(fā)展趨勢(shì)展望

隨著傳感器多功能化的趨勢(shì)，無(wú)源LC傳感器也正向多功能方向發(fā)展。早在2009年，美國(guó)University of California at Berkeley 機(jī)械工程學(xué)院Pisano A P教授所領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)就開(kāi)始研究一種用于監(jiān)測(cè)燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片上溫度、壓力、應(yīng)力和振動(dòng)的多參數(shù)集成傳感器，他們擬采用SiC來(lái)制備傳感器敏感單元，結(jié)合線(xiàn)圈天線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)的無(wú)源非接觸讀取[23]。國(guó)內(nèi)在這該領(lǐng)域的研究才剛剛起步，東南大學(xué)黃慶安教授的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在開(kāi)展面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的無(wú)源集成化傳感器方面的研究工作[24]，圖8所示為東南大學(xué)提出的無(wú)源集成傳感器模型，該傳感器基于硅微工藝，集成多敏感LC回路于單一襯底，能實(shí)現(xiàn)如溫度、壓力等多個(gè)參數(shù)的同時(shí)測(cè)量，其使用溫度范圍為100 ℃以?xún)?nèi)。

圖8 無(wú)源LC雙參數(shù)傳感器模型

高溫惡劣環(huán)境下(發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)、超高音速飛行器表面等)采用多個(gè)單參數(shù)傳感器來(lái)進(jìn)行復(fù)合參數(shù)測(cè)量會(huì)導(dǎo)致安裝適應(yīng)性差、系統(tǒng)復(fù)雜、成本高等缺點(diǎn)，同時(shí)，過(guò)多的測(cè)點(diǎn)也會(huì)對(duì)被測(cè)件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度帶來(lái)不利影響。目前的無(wú)源LC傳感器都或多或少地存在溫漂，因此,集成溫度測(cè)量功能則可為其他參數(shù)的溫度補(bǔ)償提供最直接真實(shí)的溫度數(shù)據(jù)。可預(yù)見(jiàn)耐高溫、抗腐蝕且能實(shí)現(xiàn)單片多參數(shù)測(cè)量的無(wú)源LC傳感器將成為無(wú)源傳感器的發(fā)展趨勢(shì)。

7 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)源LC傳感器因其不依賴(lài)各種互聯(lián)線(xiàn)傳輸信號(hào)，這樣一來(lái)就使其應(yīng)用范圍被擴(kuò)展到復(fù)雜惡劣的環(huán)境中，同時(shí)，由于工作頻率較低，通常為幾十兆赫茲，且采用近場(chǎng)耦合技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)惡劣環(huán)境下短距離內(nèi)的高速數(shù)據(jù)讀取和高效能量傳輸。因此，對(duì)無(wú)源LC傳感器的研究已深入到各種物理、化學(xué)和生物參數(shù)的檢測(cè)中。隨著傳感器多功能化的趨勢(shì)和微納加工技術(shù)的發(fā)展，單片集成多參數(shù)測(cè)量已成為無(wú)源LC傳感器未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn):

[1] Tan Q,Kang H,Xiong J,et al.A wireless passive pressure microsensor fabricated in HTCC MEMS technology for harsh environments[J].Sensors,2013,13(8):9896-9908.

[2] Xiong J,Zheng S,Hong Y,et al.Measurement of wireless pressure sensors fabricated in high temperature co-fired ceramic MEMS technology[J].Journal of Zhejiang University Science C,2013,14(4):258-263.

[3] Fonseca M A,English J M,Von Arx M,et al.Wireless micromachined ceramic pressure sensor for high-temperature application-s[J].Journal of Micro-electro-mechanical Systems,2002,11(4):337-343.

[4] Radosavljevic G J,Zivanov L D,Smetana W,et al.A wireless embedded resonant pressure sensor fabricated in the standard LTCC technology[J].IEEE Sensors Journal,2009,9(12):1956-1962.

[5] Rosengren L,Backlund Y,Sjostrom T,et al.A system for wireless intra-ocular pressure measurements using a silicon micromachined sensor[J].Journal of Micromechanics and Microengineering,1992,2(3):202.

[6] Chen P J,Rodger D C,Saati S,et al.Microfabricated implantable parylene-based wireless passive intraocular pressure sensors[J].Journal of Micro-electro-mechanical Systems,2008,17(6):1342-1351.

[7] Chen P J,Saati S,Varma R,et al.Wireless intraocular pressure sensing using microfabricated minimally invasive flexible-coiled LC sensor implant[J].Journal of Micro-electro-mechanical Systems,2010,19(4):721-734.

[8] Chitnis G,Maleki T,Samuels B,et al.A minimally invasive implantable wireless pressure sensor for continuous IOP monito-ring[J].IEEE Transactions on Biomedical Engineering,2013,60(1):250-256.

[9] Xue N,Chang S P,Lee J B.A SU-8-based microfabricated implantable inductively coupled passive RF wireless intraocular pressure sensor[J].Journal of Micro-electro-mechanical Systems,2012,21(6):1338-1346.

[10] Lin J C H,Zhao Y,Chen P J,et al.Feeling the pressure:A parylene-based intraocular pressure sensor[J].IEEE Nanotech-nology Magazine,2012,6(3):8-16.

[11] Marioli D,Sardini E,Serpelloni M.Passive hybrid MEMS for high-temperature telemetric measurements[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,2010,59(5):1353-1361.

[12] Wang Y,Jia Y,Chen Q,et al.A passive wireless temperature sensor for harsh environment applications[J].Sensors,2008,8(12):7982-7995.

[13] Tan Q,Luo T,Xiong J,et al.A harsh environment-oriented wireless passive temperature sensor realized by LTCC technology[J].Sensors,2014,14(3):4154-4166.

[14] Stojanovi G M,Radovanovi M,Maleev M,et al.Monitoring of water content in building materials using a wireless passive sensor[J].Sensors,2010,10(5):4270-4280.

[15] Tan E L,Ng W N,Shao R,et al.A wireless,passive sensor for quantifying packaged food quality[J].Sensors,2007,7(9):1747-1756.

[16] Ong J B,You Z,Mills-Beale J,et al.A wireless,passive embedded sensor for real-time monitoring of water content in civil enginee-ring materials[J].IEEE Sensors Journal,2008,8(12):2053-2058.

[17] Ong K G,Zeng K,Grimes C A.A wireless,passive carbon nanotube-based gas sensor[J].IEEE Sensors Journal,2002,2(2):82-88.

[18] Ong K G,Grimes C A.A carbon nanotube-based sensor for CO2monitoring[J].Sensors,2001,1(6):193-205.

[19] Ling Y F,Zhang H,Gu G,et al.A printable CNT-based FM passive wireless sensor tag on a flexible substrate with enhanced sensitivity[J].IEEE Sensors Journal,2013,2(8):2546-2550.

[20] Son C,Ziaie B.A micromachined electret-based transponder for in-situ radiation measurement[J].IEEE Electron Device Letters,2006,27(11):884-886.

[21] García-Cantón J,Merlos A,Baldi A.A wireless LC chemical sensor based on a high quality factor EIS capacitor[J].Sensors and Actuators B:Chemical,2007,126(2):648-654.

[22] Ong K G,Bitler J S,Grimes C A,et al.Remote query resonant-circuit sensors for monitoring of bacteria growth:Application to food quality control[J].Sensors,2002,2(6):219-232.

[23] Pisano A P.Harsh environment wireless MEMS sensors for energy & power[R].Berkeley:Univ of California at Berkeley 2009.

[24] Zhang C,Huang J Q,Huang Q A.Design of LC-type passive wireless multi-parameter sensor[C]∥The 8th IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems(NEMS),2013:256-259.