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高品質(zhì)因數(shù)LC無線無源壓力傳感器的優(yōu)化設(shè)計(jì) 針對惡劣環(huán)境下壓力信號精確測量和實(shí)時(shí)監(jiān)測的迫切需求， 該文基于LC諧振電路設(shè)計(jì)提出了一種高品質(zhì)強(qiáng)耦合的無線無源壓力傳感器的優(yōu)化設(shè)計(jì)， 并針傳感器的性能進(jìn)行仿真優(yōu)化分析&在MtWb仿真分析了獲得了用于設(shè)計(jì)高品質(zhì)因數(shù)傳感器電感線圈的對比參數(shù)后， 對擁有不同參數(shù)LC諧振電路的傳感器進(jìn)行耦合仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)。 仿真結(jié)果表明， 為了使傳感器具有較高的品質(zhì)因數(shù)， 傳感器上的電感線圈不能過多， 11圈為最佳， 且電感線圈的線寬和線距加寬到0.5 mm,厚度增加到70 'm時(shí)， 傳感器具有較強(qiáng)的信號傳輸能力和良好的穩(wěn)定性。 該文所研究的設(shè)計(jì)方法為實(shí)現(xiàn)高精度高穩(wěn)定性的無線無源壓力傳感器的設(shè)計(jì)與研究提供了思路借鑒。 0引言 高溫等惡劣環(huán)境中的一些關(guān)鍵參數(shù)在汽車、 航空航天和工業(yè)應(yīng)用中變得越來越重要［ 1—2］ ） 盡管一些傳感器性能良好,但大多數(shù)傳感器是帶電的， 這限制了它們在實(shí)際工作環(huán)境中的使用壽命［ 3_6］ 。 該問題的一種可能解決方案是通過磁場輻射為傳感器供電， 這不需要傳感器使用電池供電;這種方法還可以防止系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的災(zāi)難或故障⑺ 。 高溫傳感器［ 8-9]、 眼壓傳感器〔 10-11]、 濕度傳感器[12]等被動(dòng)壓力傳感器由于性能穩(wěn)定、 體積小， 適用于惡劣環(huán)境下的無線非接觸式測量， 如高溫環(huán)境和醫(yī)療環(huán)境等。雖然這些傳感器可以在惡劣的環(huán)境中工作， 但在接觸外部天線時(shí)無法達(dá)到可接受的傳輸效率和實(shí)際通信距離。 傳感器的品質(zhì)因數(shù)描述了能量存儲和能量消耗之間的關(guān)系， 并且是給定LC諧振傳感器的能量傳輸效率的量度。 更高的品質(zhì)因數(shù)有利于通過電感耦合獲取功率以及將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵獠拷邮掌鳌?隨著傳感器的品質(zhì)因數(shù)增加， 其在能量傳輸方面的性能也將增加。 此外， 由于電磁振蕩需要較少的能量消耗， 因此傳感器中存儲的能量越多,能量消耗就越低。 因此， 對于LC諧振電路,具有高品質(zhì)因數(shù)的傳感器可以提高電感傳輸功率、 耦合強(qiáng)度以及傳感器與測試天線之間的耦合距離。 并且,在諧振(LC)無線無源傳感器的設(shè)計(jì)和制造過程中,需要考慮壓力傳感器的電氣性能， 包括電阻、 電感和電容， 這些對傳感器的品質(zhì)因數(shù)有顯著影響。 該文研究的主要目標(biāo)是設(shè)計(jì)高品質(zhì)因數(shù)無線無源壓力傳感器， 其電氣參數(shù)針對更高的品質(zhì)因數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化， 以提高傳感器與外部天線之間的耦合強(qiáng)度。 我們仿真分析了電感線圈的電感和電阻對傳感器品質(zhì)因數(shù)的影響,得到了最優(yōu)的電氣性能設(shè)計(jì)參數(shù)的大致范圍。 并通過HFSS仿真軟件對這些參數(shù)進(jìn)行具體的仿真分析， 從而得到最優(yōu)的電氣性能設(shè)計(jì)參數(shù),為高可靠性的傳感器設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。 1無線非接觸測量原理
圖1無線無源傳感原理和壓力傳感器設(shè)計(jì)及耦合示意圖 傳感器的諧振頻率可以表示為：
其中:厶和Cs分別為傳感器的電感和電容。 圖中測試天線端的輸入阻抗：
從式!3)中,我們可以看出， 相位下降幅度取決于 >和仁它們決定了傳輸性能和信號強(qiáng)度。 但是,L主要取決于電感線圈的平面尺寸以及天線與傳感器之間的耦合距離。 因此， 我們可以通過提高傳感器的品質(zhì)因數(shù)Q來增加傳感器與測試天線之間的耦合強(qiáng)度。 2 Matlab仿真分析 根據(jù)LC串聯(lián)諧振電路的品質(zhì)因數(shù)定義Q =(L/C#1/2/R,我們可以得出結(jié)論， 傳感器的Q可以通過降低LC諧振電路的電阻和電容來提高， 也可通過增加傳感器的電感來提高。 但是， 對于傳統(tǒng)的無線無源LC陶瓷壓力傳感器， 如果電容設(shè)計(jì)得過大,則電容腔容易塌陷;如果電容設(shè)計(jì)得太小,傳感器的靈敏度就會(huì)變低， 不利于精確的壓力測量。 根據(jù)品質(zhì)因數(shù)的計(jì)算公式， 用MatWb軟件對電感線圈的電感值、 電阻值及串聯(lián)電容值與品質(zhì)因數(shù)的關(guān)系進(jìn)行了仿真分析。 圖2顯示了電感線圈的電感值和串聯(lián)電容的電容值對品質(zhì)因數(shù)的影響。 從圖中可以看出， 當(dāng)電阻值固定為5 %時(shí)， 品質(zhì)因數(shù)Q隨著電容值C的增加而減小， 并逐漸趨于恒定。 隨著電感值L的增加， 品質(zhì)因數(shù)Q會(huì)增加。當(dāng)電容值增加到一定值(圖中為30 pF#時(shí)， 品質(zhì)因數(shù)基本不隨電容值的變化而變化,而隨著電感值的增加變化不明顯， 因此電容值為串聯(lián)電容不能太大， 如圖2所示， 當(dāng)電容值在2 pF到30 pF之間時(shí),有利于品質(zhì)因數(shù)的提高。 因此， 傳感器的電容通常設(shè)計(jì)為5 pF左右。 2.2電感線圈參數(shù)對電感值、電阻值的影響 當(dāng)電容大約為5 pF時(shí)， 電感和電阻對品質(zhì)因數(shù)Q的影響如圖3所示。 從圖3中， 我們觀察到品質(zhì)因數(shù)Q隨著電阻R的減小而增加， 且隨著電阻值變化而引起的變化比較大。 同樣隨著電感L的增加,品質(zhì)因數(shù)Q也會(huì)增大， 但隨著電感L的繼續(xù)增加,品質(zhì)因數(shù)Q的變換趨于平穩(wěn)。 而當(dāng)電阻較小時(shí)， 品質(zhì)因數(shù)很大,且隨著電感值增大,Q值變化很大。 因此， 在設(shè)計(jì)電感線圈時(shí),應(yīng)增大電感值的同時(shí)盡量減小電感線圈的電阻。 當(dāng)電感線圈的電感值為2000 nH時(shí)， 電感線圈電阻值和串聯(lián)電容的容值對品質(zhì)因數(shù)的影響如圖4所示， 品質(zhì)因數(shù)隨著電阻值的變化而引起的變化比較大， 當(dāng)電阻值較小時(shí),隨著電容值的減小， Q值變化很大。 因此， 相對于電感的增大， 我們更應(yīng)針對更小的電阻值進(jìn)行優(yōu)化。 綜上所述， 電感線圈的電感值、 電阻值及串聯(lián)電容的容值對電感線圈的品質(zhì)因數(shù)都是有影響的,其中， 電阻值對品質(zhì)因數(shù)的影響相對來說比較大。 雖然電感值的增大有利于品質(zhì)因數(shù)的提高， 但電感值的增大會(huì)引起電阻值增大,所以設(shè)計(jì)電感線圈時(shí)， 應(yīng)以電阻值的減小為主， 在增大電感值的同時(shí)盡量減小電感線圈的電阻值。 如圖6所示。 我們觀察到當(dāng)電感線圈的內(nèi)徑固定時(shí)， 電感線圈的電感隨著電感線圈的匝數(shù)增加。 而且， 線寬和線距越大， 電感線圈的匝數(shù)越多,越有利于增加電感。 3傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真 通過上述MatWb仿真得知， 當(dāng)電感線圈的匝數(shù)增加到11圈左右時(shí)， 電感線圈的線寬和線距增加到0.5 mm左右時(shí)， 電感線圈的厚度增加到50 'm時(shí),有利于提高傳感器的品質(zhì)因數(shù)Q和LC無源傳感器的無線信號傳輸強(qiáng)度。 但電感線圈的厚度繼續(xù)增大后， 電阻變化很小， 繼續(xù)增大線圈厚度， 品質(zhì)因數(shù)Q也不會(huì)有較為明顯的提高。 針對上述仿真結(jié)果， 我們在HFSS仿真軟件中建立如圖9的傳感器和讀取天線模型， 通過改變其中某些參數(shù)對無線無源傳感器進(jìn)行耦合仿真， 進(jìn)而對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 其電參數(shù)用字母表示,sub - =和sub -y分別為基底的長和寬,sub - h是基底的厚度,a為線圈內(nèi)徑,c為線圈的厚度， w為線圈線寬， s為線圈線距， N為線圈匝數(shù)。
模型平面圖
模型立體面 3.2線圈匝數(shù)的優(yōu)化仿真設(shè)計(jì) 首先對線寬/線距（ 6/sS為0.4 mm,而匝數(shù)分別為7〜 15圈的傳感器進(jìn)行耦合仿真優(yōu)化,其仿真參數(shù)如表1所示， 傳感器與線圈匝數(shù)對于傳感器的Sh幅值的影響的仿真圖如圖10所示。 電感線圈的線寬及線間距均為0. 4 mm,從圖10可以看出， 線圈匝數(shù)為11圈時(shí),天線與電感線圈的耦合效果最好,結(jié)合之前的分析， 得知這是因?yàn)楫?dāng)電感線圈的匝數(shù)增加至某一臨界點(diǎn)后后,隨著電感線圈匝數(shù)的增多,雖然線圈的電感有所增加， 但是同時(shí)線圈的電阻值也在增大， 從而降低了傳感器LC諧振電路的品質(zhì)因數(shù)， 仿真結(jié)果證明， 匝數(shù)為11圈， Q值最大， 有利于傳感器諧振信息的提取。
表1線圈匝數(shù)不同的傳感器參數(shù) 3.3線圈線寬/線距的優(yōu)化仿真設(shè)計(jì) 其次在得知線圈最佳匝數(shù)后， 用線寬/線間距不同的電感線圈進(jìn)行無線耦合仿真優(yōu)化,其改變的仿真參數(shù)如表2所示， 電感線圈的匝數(shù)均為11,而線寬/線距! 6/\）從0.3〜 0.6 mm變化， 其他參數(shù)不變， 其Sn幅值變化的仿真如圖所示,在得到其Sn幅值隨其的變化趨勢， 由圖可以發(fā)現(xiàn)， 線寬/線距（ 6S從0. 3 mm到0. 5 mm變化趨勢最大，并在其附近達(dá)到最深， 超過0.5 mm后， 其變化微乎其微， 尤其在超過0.55 mm之后。 這與之前的仿真結(jié)果相符,即較大的線寬及線間距使得電感線圈的電阻變小,諧振電路的品質(zhì)因數(shù)Q得到提高， 從而使得傳感器的諧振點(diǎn)更明顯。 但繼續(xù)增大造成電阻的變化極其微小， 并不能對品質(zhì)因數(shù)Q的提高具有明顯的效果。 因此結(jié)合圖8和圖II的結(jié)果分析， 同時(shí)為了傳感器的小型化， 線圈線寬/線距可選擇在0.5 22左右。
表2線圈匝數(shù)不同的傳感器參數(shù) 3.4線圈厚度的優(yōu)化仿真設(shè)計(jì) 從之前的分析我們可以看到， 當(dāng)電感線圈的線寬和線距增加到0. 5 22時(shí)， 電感線圈的厚度增加到50,電感線圈的電阻值已經(jīng)很小,繼續(xù)增加其厚度,電阻的大小基本沒什么變化， 也不會(huì)對傳感器的品質(zhì)因數(shù)有明顯的影響。 基于以上分析， 在之前線寬/線距（ 6/s）為0.4 mm,匝數(shù)為I0圈的線圈模型基礎(chǔ)上， 令其線圈厚度從0. 0I -0.08 22變化，進(jìn)行耦合仿真， 其他參數(shù)不變， 其仿真參數(shù)如表3所示。 從圖II可以看出，天線與電感線圈的耦合效果隨著線圈厚度的增大越來越好， 這是因?yàn)楫?dāng)電感線圈的厚度增加后， 線圈的電阻值減小， 從而提高了傳感器LC諧振電路的品質(zhì)因數(shù)， 有利于傳感器諧振信息的提取。 但結(jié)合圖7的分析， 當(dāng)線圈厚度增加到50后， 其引起的電阻變化是微乎其微的， 反應(yīng)在圖I2中當(dāng)線圈厚度在0.07 mm之后， 繼續(xù)增大線圈厚度， 并不能獲得更明顯的耦合效果,意義并不大， 故我們可以把線圈的厚度設(shè)置為70。 4結(jié)論 參考文獻(xiàn)： [1] JOHNSON R W,EVANS J L,JACOBSENP , ct at. changing automotive environment: high — temperature cmctronics [ J -. IEEE Transactions on Electronics Packaging Manufacturing, 2005 , 27(3) &164 - 176. [2] WERNER M R, FAHRNER W R. Review on materials,microsensors, systems and devices for high — temperature and harsh — environment applications [ J -. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2001, 48(2) &249 -257. [3]- XIE F,WANG B, WANG W, ct t. Continuous towing micro — reactor for aqueous reaction at temperature high than 100o C [ J ]. Biomicroeuidics, 2013 , 7 ( 3 ) : 98 —103. [4] 宋子軍， 張聰， 趙涌， 等.一種用于惡劣環(huán)境下的貼片式MEMS壓力傳感器[J].測控技術(shù)， 2019, 38(7):5. [5] 吳凌慧， 徐冬.一種耐高溫、 耐惡劣環(huán)境大壓力傳感器的設(shè)計(jì)[J] •應(yīng)用科技， 2018, 45(4) ： 5. [6] 喬東坡， 王超.基于電池供電的無線壓力傳感器設(shè)計(jì)[J] •電子世界， 2016(17)： 2. [7] ARSHAK K, JAFER E. Modeling of wireless based sensors data acquisitions systems used foc esophaaus monitcOng [ J -. Sensors & Actuators A Physical, 2008 , 142(1) &390 -397. [8] 賈蔓谷， 熊繼軍， 李晨.耐高溫HTCC無源振動(dòng)傳感器設(shè)計(jì)與仿真研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2021,40(9) ： 26 -29. [9]- VYSOTIEAY E, RIEAKHANOV R, SIGALAEV S, ctat. Sensitive elements of high temperature pressure sensors formed from a doped polycwsellinc diamond [ J -.MateeoaesScoenceFoeum, 2021 , 1031 ： 178 -183 . [10] 羅健.LC無線無源眼壓傳感器信號采集電路設(shè)計(jì)[D].武漢:華中科技大學(xué)， 2019. [11] PHAN A, TRUONG P, SCHADE C, ct at. InvestigaWon of long term drift of an intraoculac pressure sensoc[J]. Microsystem Technolooics, 2021,7 : 1 - 7. [12] 王藝蒙， 舒浩文,韓秀友.高精度硅基集成光學(xué)溫度傳感器研究[J].中國光學(xué),2021,14(6) ：7
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