基于柔性基底的LC無線無源溫度傳感器的研究*

郝竹雅 張 磊 趙 強 李美樸 譚秋林

（中北大學省部共建動態測試技術國家重點實驗室 太原 030051）

1 引言

溫度監測對于生產生活如冶金、反應、運輸存儲、航空航天等領域是很重要的。軸承在生產生活作為一個關鍵部件，用途廣泛但作為易消耗部件其健康監測常常被人們忽視，所以在一些重要設備上對軸承的健康進行監測十分有必要，可以在其發生損傷前期就及時進行修復潤滑或更換器件將會避免工業生產等大規模停工停產對經濟造成大規模影響。在軸承運行中溫度是影響其潤滑壽命的一個關鍵因素，基于70℃對潤滑脂的壽命進行估算，當其溫度每升高15℃，軸承的壽命減少一半［1］。若在超過125℃的溫度軸承長期連轉工作會降低其壽命。軸承連續測溫對于其正常工作監測必不可少。軸承在參數不變的運轉情況下，溫度變化可能表示已發生故障［2］。

本文提出了一種叉指溫度傳感器，其基底選用柔性材料聚酰亞胺（PI），柔性基底的優勢體現在對環境適應性更好［3］，可以很好地實現曲面共形，實現參數測量。相較于傳統的溫度傳感器的硬質基底不能很好地依附在一些表面較復雜的被測物體上，柔性傳感器克服了傳統電子傳感器剛性的缺點，由于PI 基材的靈活性，可以附著在被測對象的表面進行溫度測試。

2 LC溫度傳感器原理

作為無限無源傳感器，LC 傳感器常用于非接觸式測量，在工業生產、實際生活中用途很廣，可用于pH 監測［4］、溫度［5］、濕度［6］、生物電位［7］和應變［8］等參數的檢測。典型的無源LC傳感器系統由連接到電容式傳感器的電感線圈組成。電容電感并聯成LC電路，電感作為非敏感單元不發生變化，所以電路的諧振頻率（f）僅隨傳感器電容值的變化而變化。傳感器系統在應用中進行測量傳感器參數時，需要一個讀出電路。一般由讀出線圈（電感）組成，它與傳感器線圈可以看作兩個電感線圈進行電磁耦合，然后讀出線圈同時作為天線與網絡分析儀相連，此時可對電路的諧振頻率進行采集。無線無源傳感器也可用于同時測試多個物理量的變化，如溫度、濕度、壓力三參傳感器對三個參數同時測量，實現測量過程對壓力和濕度值進行溫度補償，有助于達到更高的準確性測量［9～10］。

圖1 LC傳感系統原理

常規的溫度測試方法有很多，如紅外測溫［11］、熱電偶［12］、聲表面波傳感器［13］、RFID 傳感器［14］。熱電偶傳感器與被測旋轉物體測試中需要滑動裝置來保證二者可以同步轉動測試，而使用紅外測溫裝置并不能提供保證在旋轉結構上連續測試目標位置的溫度。RFID 傳感器需要外部電源供電限制了使用壽命。由于LC傳感器不需要任何外部電源和任何有線連接，在各個領域上積極投入使用，特別是在一些高溫、高速的惡劣的環境下。生產生活中，任何測量系統的安裝在高溫下都不太容易實現，使用LC 傳感器可以避免有線傳感器在高溫環境下的部件損壞。該系統還具有高節能傳輸和測量數據采集、低功耗、長壽命等優點［15～16］。

2.1 等效電路模型

LC 溫度傳感系統由電容電感串聯回路組成，采用變壓器原理，電感線圈和天線電磁耦合進行信號采集，當溫度發生變化的時候介質基底的介電常數發生改變，對應的LC回路中電容也發生改變，天線連接網絡分析儀通過發射接受電磁波得到S11曲線，其中最小值對應的頻率即為諧振頻率，由式（1）得：頻率的改變與電感電容有關。

式中f 表示諧振頻率，L 為傳感回路中電感量，C 為回路中的電容量。常見電容有平行板結構，其電容值可根據式（2）計算。

ε0表示真空介電常數，εr為相對介電常數，S為相對面積；當電容量一定時，確定厚度的情況下介電常數越大越有利于電容器的體積小型化。

本文中傳感器采用叉指結構，叉指的長寬比越大，叉指的密度越大，叉指電極的電容越大，從而傳感器的靈敏度和響應速度就會越高，對于叉指電容的電容值為式（3），lc是叉指長度，n 為叉指對數（n>3），η為叉指幾何比，表示叉指電容間距與叉指寬度和間距和之比，文中叉指寬度和間距都是0.08mm，η=0.5，K［］函數是第一類完全橢圓積分：

LC 傳感器的電容傳感器的電容由兩種不同的電容組合而成，一個是電容傳感器在相鄰叉指上產生的電容C1，另一個是通過其基底材料PI 的電容C2。溫度的變化影響了叉指材料銅膨脹、PI的介電常數升高和導體的電阻率。對于叉指傳感器而言，叉指銅材料受熱膨脹系數為0.189*10-4m/℃，文中采用的叉指長4.5mm，寬0.08mm，金屬膨脹對叉指電容的影響遠小于PI 介電常數帶來的變化，所以溫度主要影響介電常數改變了電容C2的電容值［10］。

圖2 電容部分等效模型

傳感器連接的電感線圈寄生電容CL由電容的邊際效應和電介質不同電感線圈間隙引起的空氣層電容和PI 襯底材料電容構成，電容電感等效模型如圖3所示，其中LL1和RL1分別表示線圈間的電感和電阻，RL2表示基底產生的電阻。

圖3 電感部分等效模型

忽略襯底損耗的影響，LC 溫度傳感器的簡單電路如圖4所示，溫度傳感器可以看作是一個LC串聯的諧振系統。線圈的電容、電阻、電感分別表示為CT，RT，LT。

圖4 簡化電路圖

采用電容和電感分離式的傳感器結構進行溫度實驗，在實驗中將電感器置于低溫區域與銅制天線耦合，將電容器放在高溫區域隨溫度變化。分離式設計有助于延長讀取器天線的壽命，減緩它的氧化，所以在高溫測量中也常用到LC 傳感器。分離式的LC 傳感器結構有利于對傳感器進行信號采集，同時有利于提高信號；互感由天線與溫度傳感系統電感的電導導數決定，天線與電感之間的互感耦合系數M為

其中k 為常數，互感耦合系數只與電感相關。當相鄰線圈通過的電流方向相同時，可有效抑制線圈互感［17］。

2.2 溫敏機理

PI 作為一種高分子聚合物，表1 列出了常見聚合物的介電常數和最高耐溫。由表可知在眾多的聚合物中其耐熱溫度很高，可在200℃下穩定工作，超過200℃時聚酰亞胺玻璃化，當溫度大于500℃時會發生熱分解；PI 的介電常數在3.3 左右且介電損耗極小，一般為10-3量級［3］。聚酰亞胺薄膜介電常數隨溫度變化，常被用作溫敏的介電材料，電路諧振頻率由式（1）給出；測試中的電感線圈保持不變，和天線的耦合距離也不發生變化，所以電感耦合系數k 為常數。所以在式（1）中除電容和傳感器諧振頻率外，所有參數都不改變。LC 無線無源溫度傳感器系統的敏感原理是溫度的升降變化影響了PI襯底介電常數，電容隨之改變，因此影響整個系統的諧振頻率。

表1 聚合物性質

3 器件制備基底應變片的制作

無線非接觸式測量方法無線無源加速度計由基于柔性PI 襯底的電容和平面螺旋電感器組成。傳感器設計尺寸如下：外部尺寸6mm×8mm，指間電極尺寸5mm×5mm，該電感器的最外層直徑為30mm，共計5 圈。通過銅線將電感和電容連接構成溫度測試系統，具體參數如表2所示，Din和Dout分別表示電感線圈的內外徑，Dw為電感線圈的寬度，Ds為相鄰線圈的距離。Cw、Cg表示電容叉指部分的寬度和叉指間距，Cl表示叉指的長度，該結構的優點是加工工藝簡單，涉及的鑄造率低，效率高。

表2 傳感器參數

由于PI 是一種柔性材料，為了避免在制造過程中發生彎曲，使用聚酰亞胺高溫膠帶將作為柔性基底的PI膜貼到硅片上。通過電鍍技術在PI薄膜的表面制備銅材料的叉指電容。傳感器的準備過程如圖5所示。

圖5 傳感器制備過程

主要包括乙醇和丙酮清洗、親水處理、電鍍和切割。1）清洗確保基質表面清潔干燥：PI膜在丙酮溶液中浸泡清洗3min 去除雜質，拿出置于乙醇溶液中2min 使殘余丙酮溶解，取出后用高純去離子水將表面清理干凈，最后用氮氣槍進行干燥處理。2）親水處理：清洗干凈的PI 膜放在真空烤箱中用氧等離子體處理2min。3）電鍍：對親水處理后的PI 膜進行電鍍厚度18μm 的銅。4）將制備好的PI膜從硅片上取下，按照器件位置切割，即得到傳感器的敏感電容部分。制備電感流程與電容類似。

一般情況下，當測試天線的尺寸與加速度計電感線圈的外徑相同時，信號強度最大。因此，測試天線用1mm 銅線制作的直徑30mm 的環形天線，引腳的兩端焊接到射頻SMA 連接器上。該天線的尺寸與電感的外徑相同［18］。

4 溫度測試

溫度傳感器的測試系統平臺由溫度傳感器、加熱臺（精良和科技恒溫臺P-20 加熱臺）、無線讀取天線（自制）、網絡分析儀（安捷倫E-5061B），LCR測試儀（日置IM-3536）和上位機等部分組成。溫度傳感系統由溫度敏感單元電容和收發信號的電感線圈組成，能量和信息在天線和電感線圈之間傳輸交換，天線與網絡分析儀相連，可以對數據進行顯示并儲存。

測試平臺如圖6（a）所示。在實驗中為了可以準確測試與被測表面溫度，柔性傳感器克服剛性傳感器不能很好的貼附在物體表面的缺點，聚酰亞胺襯底貼在彎曲的被測表面（如圖6（b）所示）上很好地實現曲面共形。溫度升高電容值增加，實驗的溫度測試變化通過加熱臺實現，當加熱平臺的溫度降低到室溫時將附著傳感器的被測物體放置在加熱平臺上，電感線圈與之相連放置在常溫下，通過自制銅圈天線與其耦合，天線連接到網絡分析儀上實現對傳感器進行測試。

圖6 傳感器測溫系統及曲面測試示意圖

通過調整加熱臺可以實現溫度的控制，讀取加熱臺示數并設置溫度，使其從室溫逐步加熱到120℃，通過網絡分析儀無線采集的S11 參數表征諧振頻率隨溫度變化的影響。如圖7（a）（b）所示為f-S11 響應曲線，當溫度由35℃升高到120℃的時候，S11 對應的頻率值由56.8206MHz 減少到56.7069MHz，繪制的所示，靈敏度為-1.34 kHz/℃。

圖7 頻率-S11關系圖

頻率-溫度關系如圖8（a）所示，當溫度參數發生變化時，傳感器f-S11曲線發生偏移，頻率減小向左側偏移。主要原因是當溫度升高時PI 膜的介電常數發生變化；電容隨溫度的增高而增加，這是因為PI 的介電常數與電容值的變化為正相關，PI 的介電常數也隨著其貼附的物體溫度的變化發生改變，宏觀表現為諧振頻率變化［19］。圖8（b）為溫度-電容變化曲線，通過LCR 連接電容敏感單元，當溫度從室溫增加到120℃時，電容值從3.81pf 增加到3.91pf。

圖8 溫度-頻率變化和溫度-電容變化

實驗表明傳感器可以在曲面上能進行正常工作，LC 系統無線無源的特性可以避免有源傳感器更換電源以及溫度較高時電源失效的問題。實際生產活動中，軸承大部分為金屬材質，本文在LC傳感器的測試時采用的放置在陶瓷材料上，當在金屬材質上時由于金屬表面的渦流效應，導致網絡分析儀很難采集到系統諧振頻率，當在電感背面貼上軟磁鐵氧體時，鐵氧體材料發揮電磁屏蔽作用實現金屬環境的測試［20］。

5 結語

本研究提出了一種電容電感分離的現無線無源測試的柔性溫度傳感器，該傳感器尺寸小，造價低，結構簡單且具有不用布線、安裝便捷的優點，實驗表明可以檢測溫度變化引起LC系統諧振頻率變化，隨著溫度的變化，系統諧振頻率變化，通過網絡分析儀監測S11 值的變化來檢測溫度的變化。無線傳感系統周圍采用周期性掃頻，當讀取信號頻率與LC傳感系統的諧振頻率相匹配時，S11會急劇減小，通過分離式的傳感器結構，在聚酰亞胺膜上制備的電容傳感器粘貼在加熱臺表面進行溫度測試，柔性基底很好的曲面共形可以模擬實際生產生活中曲面表面物體的情況，在不同的溫度下對傳感器進行了測試，分析了各個敏感參數對傳感器溫度的影響，并通過origin 軟件對S11 頻率值進行線性擬合，得到了傳感器關于溫度的靈敏度。本文提出的基于柔性材料的無線無源溫度傳感器在室溫到120℃的環境下可以穩定工作，靈敏度可達到-1.34 kHz/℃。該傳感器在復雜環境的溫度參數的實時無線監測方面具有廣闊的應用前景。