基于双层平面螺旋电感的无线柔性压力传感器结构设计_范庭波.pdf

第 36 卷 第 2 期2023 年 2 月传 感 技 术 学 报CHINESE JOUNAL OF SENSOS AND ACTUATOSVol.36No.2Feb 2023收稿日期:20220615修改日期:20220901Structural Design of Wireless Flexible Pressure SensorBased on Double-Layer Planar Spiral InductorFAN Tingbo*，MIAO Jia(Jiangsu Institute of Medical Device Testing，Nanjing Jiangsu 210037，China)Abstract:State-of-the-art flexible sensors have been widely studied in electronic skin，intelligent textile，flexible robot，etc Most sensorsneed to be connected to rigid acquisition circuits，which limits the flexibility，comfort and lightness of the devices A flexible wirelesspassive pressure sensor based on double-layer planar spiral inductors is reported The sensor composes of three flexible layers，ie，double-layer planar spiral inductor(antenna layer)，ferrite film with high permeability and elastic fabric layer Specially，the double-layer planar spiral inductor layer consists of two planar coils with opposite rotation directions，forming an inductance-capacitance(LC)resonator with large inductance and capacitance The pressure-dependent resonant frequency of the sensor is wirelessly detected throughan electromagnetically coupled charging coil/receiver By investigating the structural design of four kinds of double-layer spiral inductorantennas，the sensor achieves the sensitivity of as high as 011 MHz/kPa and the detection distance up to 18 mm The wireless passivepressure sensor based on double-layer planar spiral inductor architecture breaks the limitation of wired electrical connections，showing agreat application potential in the fields such as the next-generation of healthcare systems and intelligent roboticsKey words:flexible pressure sensor;wireless communication;planar spiral inductor;LC resonatorEEACC:7210;7230;7230Sdoi:103969/jissn10041699202302006基于双层平面螺旋电感的无线柔性压力传感器结构设计范庭波*，缪佳(江苏省医疗器械检验所，江苏 南京 210037)摘要:新型柔性传感器在电子皮肤、智能纺织、柔性机器人等领域得到了广泛的研究。目前多数传感器需要连接刚性的采集电路，这限制了设备柔软性、舒适性和轻盈度的提升。提出了一种基于双层平面螺旋电感的柔性无线无源压力传感器。该传感包含三层柔性层:双层平面螺旋电感(天线层)、高磁导率铁氧体膜和弹性织物层。其中，双层平面螺旋电感层包括两个旋转方向相反的平面线圈，形成具有大电感量、大电容量的 LC 谐振器。外界压力载荷改变传感器的谐振频率，进而被外界接收线圈无线检测。通过研究四种双层螺旋电感天线层的结构设计，传感器的灵敏度最大可达到 011 MHz/kPa，检测距离达到18 mm。这种基于双层平面螺旋电感的柔性无线无源压力传感器打破了有线电气连接的限制，可在下一代医疗系统、智能机器人等领域中发挥巨大的应用潜能。关键词:柔性压力传感;无线通信;平面螺旋电感;LC 谐振中图分类号:TP2121文献标识码:A文章编号:10041699(2023)02020406基于无线通信技术发展的柔性传感技术在医疗健康、智能机器人和生化分析等领域得到广泛研究19。根据不同的供能方式，柔性无线传感器一般分为有源和无源两类器件。其中，电感(L)电容(C)谐振器是柔性无线无源传感器最常采用的无线传输模式之一1012。基于 LC 谐振器的传感器具有不需要物理连接导线和电源、使用寿命长、易于微型化等固有优势。在基于 LC 的柔性压力传感器中，电感和电容都可以作为压敏元件。在最近的一项研究工作中，研究人员提出了一种基于三维多孔金纳米线泡沫弹性体复合材料的无线 LC 压力传感器。外部压力使得电容元件的电容值增加，进而导致器件的谐振频率下降13。然而，这种电容敏感型无线压力传感器的品质因数(Q)通常会随着外界压力升高而降低，这严重影响了测量精度14。为此，压敏电感元件可作为替代元件15。Liu 课题组16 的一项研究报告了一种基于 LC 的压力传感器，该传感器由无源天线层、铁氧体膜层以及中间弹性织物层第 2 期范庭波，缪佳:基于双层平面螺旋电感的无线柔性压力传感器结构设计组成，压力改变了无源天线层和铁氧体膜层的距离，从而谐振频率随两层之间的距离而变化，同时系统的品质因数没有降低。双层平面螺旋电感结构具有高品质因数和大电感量，广泛应用于无线通信、能量传输、以及智能传感等领域17。双层平面螺旋电感通常是由两个单层平面电感和中间分隔层组成。上下层电感可以是串联(通孔)结构，也可以是并联(无通孔)结构。其电路模型可以认为是在单层平面电感模型的基础上，加上两层电感之间的耦合效应。该耦合效应既包含两层电感之间的互感耦合，也包括上下金属导线形成的平行板电容的耦合18。因此双层平面螺旋电感结构自身是一个具有较大的电感量和电容量LC 谐振器。和单层平面电感相比，其谐振频率得到有效降低。这种低谐振频率的双层平面螺旋电感结构，可以降低无线信号检测的技术难度，进而拓展其在无线无源传感技术中的应用。本文提出了一种基于双层平面螺旋电感的柔性压力传感器。本文从理论模型和实验验证的角度分析了四种双层螺旋电感天线层的结构设计，并对其进行了实验测试，结果表明其具有较好的信号重复性，有望在柔性传感领域获得应用。1双层平面螺旋电感柔性压力传感器结构设计及原理分析如图 1 所示，传感器组成为:双层平面螺旋电感，具有高磁导率的铁氧体薄膜层、以及二者之间可压缩的柔性织物层。该双层平面螺旋电感层包括两个旋转方向相反的平面线圈。这种结构形成一个具有大电感量、大电容量的 LC 谐振器。当传感器受到外部载荷时，柔性织物层发生机械形变，双层平面螺旋电感层和铁氧体膜的距离减小，使得 LC 天线的电感值增大，从而谐振频率降低。该谐振频率可以由外界无线接收线圈测出。图 1传感器结构示意图和双层平面螺旋电感层中平行放置的两层线圈示意图图 2 为传感器的工作原理图。传感单元由三层柔性材料组成，包括双层平面螺旋电感、弹性织物层和铁氧体薄膜。底部的双层平面螺旋电感由两个平行放置的旋转方向相反的平面螺旋线圈组成。这两层反旋的平面线圈使传感器具有较大的有效电感值(Ls)，且 Ls 是铁氧体膜与平面螺旋电感层分离距离(d)的函数16。图 2 显示了施加机械负载之前和之后的传感器的状态。机械载荷导致织物层的机械变形，进而导致上下层间的距离 d 减小，有效电感 Ls增大。因此，LC 电路的谐振频率 fr降低。对传感器施加压力后，织物层发生变形。平面螺旋电感层和铁氧体膜层距离减小，传感器谐振频率下降。图 2传感器工作原理示意图图(a)中，w 和 s 代表螺旋线的线宽和线缝，通孔连接用圆圈标出。图 3双层平面螺旋电感层的一个线圈示意图和等效电路模型在无线检测中，为了避免电磁干扰对谐振频率的影响，通常要求相邻传感器单元的自谐振频率具有差异性19。因此，本文设计了四种不同类型的双层平面螺旋电感层(类型 1、类型 2、类型 3 和类型4)，它们具有独特的零压力共振频率。图 3(a)给出了上层线圈的几何参数(下层线圈具有相同的几何尺寸)，其中 w 和 s 分别代表螺旋线的线宽和线缝。中心点上标记的圆圈表示在两个线圈的中间端可能存在通孔连接。4 种天线的 w、s、匝数 N、通孔连接等几何参数如表 1 所示。通过建立等效电路模型(图 3(b)来研究传感器的阻抗 Zs 与频率 f 响应。将两个平面线圈及其二者之间的互感等效成为一个电感元件 L1，聚酰亚胺膜两侧的导电条构成一个平行板电容器 C2。从实际应用的角度出发，需考虑 L1的分布电容 C1和电阻 1，以及电容 C2上存在的寄生电感 L2和电阻 2。502传感技术学报chinatransducersseueducn第 36 卷根据 KVL 可得，该电路的等效阻抗 Zs 可以表示为:Zs=1jL11Q21+1()2111Q1()2+1()212+2+jL212()21=1L1C1，2=1L2C2，Q1=11L1C1式中:=2f;f 为激励频率。2实验及结果分析21无线传感器加工及检测校准本文的柔性无线压力传感器由三层结构组成:铁氧体薄膜、柔性织物层和双层平面螺旋电感。器件加工工艺简单。首先，使用标准的丝网印刷方法和湿法蚀刻工艺在双面覆铜聚酰亚胺薄膜的两面刻蚀出两个平面线圈。然后在电极两侧分别粘压上一层厚度为 25 m 的聚酰亚胺薄膜。对于带通孔结构的双层螺旋平面螺旋电感，采用过孔镀铜方法连接聚酰亚胺薄膜两测的铜层。然后，采用激光直写方法，确定铁氧体薄膜(南京先进磁性材料有限公司)、双层电感层和织物层(苏州浩科纺织有限公司)的外形几何形状。在此步骤中，标定织物层中的对齐标记。最后，在铁氧体薄膜和双层电感层上粘涂一层双面胶带(467MP，3M)，并对齐到织物层的相应位置，实现传感器的组装。传感器校准系统由阻抗分析仪、测力计和计算机控制的线性移动台组成。在灵敏度表征实验中，将检测线圈连接到阻抗分析仪上，在检测线圈正上方 2 mm 处固定传感器。计算机控制线性移动台的运动;记录线性移动台对传感器的压缩距离和施加在传感器上的机械载荷。在此期间，由阻抗分析仪记录耦合线圈阻抗的幅值和相位谱。在传感器动态响应表征中，在传感器上施加周期性机械载荷，以4 Hz 的采样频率记录 257 MHz 激励下传感器随时间变化的幅值和相位。在环境影响的实验中，将传感单元放置在一个加热板上，用红外线温度计(i-Quip)监测其表面温度，同时记录传感器谐振频率的变化。22谐振频点分析四种结构对应的各个元件的取值如表 1 所示。图 4(a)和图 4(b)显示了四种传感器设计对激励频率的幅值响应和相位响应。其中，点代表用阻抗分析仪测量得到的实验结