一种抗杂波无芯片RFID介电常数传感器标签的设计

针对感知自然环境中材料介电常数的应用,本文提出一种具有较好抗环境杂波的无芯片射频识别(RFID)传感器标签的设计.标签谐振器结构具有极化变换特性并含金属接地板,接收机采用正交方式收发信号,可将环境产生的干扰杂波有效滤除.标签编码由4组不对称Z型金属条带谐振器实现,结构紧凑且相互耦合小.传感谐振器的金属贴片具有阶梯型缝隙,缝隙处被测材料的介电常数影响传感谐振器的谐振频率,通过测量谐振频率实现介电常数传感.搭建标签仿真模型对设计进行了分析,从编码和传感两方面结果验证了设计的可行性.     

一种用于复杂环境下的高精度微型谐振式压力传感器北大核心CSCD

微谐振式压力传感器因其体积小、精度高等特点而被广泛研究,本文基于谐振器在不同压力载荷下侧向振动时其等效刚度随轴向应力的改变而变化的原理,设计了一种静电激励/电容检测的谐振式压力传感器。本设计采用的谐振器结构与现有研究不同,通过在谐振梁的两边设计了两根侧梁用于抑制谐振器的Z向位移,提高了传感器的稳定性,并且双面梳齿结构和复合温敏梁可进一步优化传感器检测灵敏度等性能。在ANSYS WORKBENCH仿真平台下对其进行分析与验证,结果表明:侧梁可有效地抑制谐振器的Z向位移,在0~100 MPa范围内谐振器具有良好的正向应力特性;传感器基础谐振频率为29.834 kHz,在0~120 kPa范围内灵敏度可达29.6Hz/kPa,且最大过压1.5×FS时仍具备频率稳定性,这表明该传感器可应用于对灵敏度、抗过压等性能有更高要求的复杂环境中。     

一种用于复杂环境下的高精度微型谐振式压力传感器

微谐振式压力传感器因其体积小、精度高等特点而被广泛研究,本文基于谐振器在不同压力载荷下侧向振动时其等效刚度随轴向应力的改变而变化的原理,设计了一种静电激励/电容检测的谐振式压力传感器。本设计采用的谐振器结构与现有研究不同,通过在谐振梁的两边设计了两根侧梁用于抑制谐振器的Z向位移,提高了传感器的稳定性,并且双面梳齿结构和复合温敏梁可进一步优化传感器检测灵敏度等性能。在ANSYS WORKBENCH仿真平台下对其进行分析与验证,结果表明:侧梁可有效地抑制谐振器的Z向位移,在0～100 MPa范围内谐振器具有良好的正向应力特性;传感器基础谐振频率为29.834 kHz,在0～120 kPa范围内灵敏度可达29.6Hz/kPa,且最大过压1.5×FS时仍具备频率稳定性,这表明该传感器可应用于对灵敏度、抗过压等性能有更高要求的复杂环境中。     

新型便携式薄膜体声波谐振气体传感器的研制与应用

基于MEMS工艺的新型阵列化薄膜体声波谐振器(FBAR),可实现对多种挥发性气体的高通量检测.本文通过对薄膜体声波谐振器表面进行不同的化学官能团修饰,形成了传感器阵列,挥发性气体可以在不同化学官能团修饰的器件界面进行选择性沉积,通过监测传感器的谐振频率变化,形成气体响应的特征条形码,由此实现了对不同挥发性气体更加准确的检测.相对于传统的气体检测手段,由于采用了MEMS工艺,该传感器具备体积小巧、反应快捷、灵敏度高等优势,同时通过多化学官能团修饰的阵列化传感器可以实现一套传感装置对不同气体的检测,大大提高了气体检测的效率、识别能力和准确性.     

基于Pierce振荡器架构的BAW传感器读出电路

薄膜体声波谐振器(FBAR)不仅能作为手机射频前端的滤波器,还具有充当传感器表头的潜力。为实现对体声波(BAW)传感器输出射频信号的检测,设计一种基于Pierce振荡器的BAW传感器读出电路。读出电路采用双路差分方式,将体声波谐振器构成两路振荡器,一路作为参考电路用于检测外界环境等因素的干扰,另一路作为传感电路用于检测待测物理量。两路振荡器信号通过混频滤波得到由待测物理量引起的谐振频率偏移。然后通过放大与整形将模拟信号转换为数字信号,最后送入FPGA进行频率检测。以一个2 GHz的体声波质量传感器为例,给出电路各模块的设计方法,经各模块仿真以及信号转换电路的实验验证,电路可检测的最大谐振频率偏移量为99 MHz。     

基于激光直写的柔性天线传感器研究

激光直写是一种高效、可规模化制备柔性电子器件的技术。本文采用激光直写技术在具有良好介电性能的聚酰亚胺薄膜上制备了一种可用于应变传感和湿度传感的柔性环形天线传感器。利用激光碳化聚酰亚胺获得的材料表面呈现多孔及堆叠片层碳结构,当施加于天线上的应变和环境湿度改变时,天线的谐振频率会发生规律变化,进而实现应变和湿度感知。制备的环形天线传感器的应变响应灵敏度为?8.943 kHz/με,湿度响应灵敏度为?6.45 MHz/RH%。采用激光直写技术制备的天线传感器可以广泛应用于结构健康监测等领域。     

一种基于光纤F-P腔的石墨烯谐振式压力传感器

谐振式传感器具有良好的重复性、分辨率和稳定性,全光纤谐振式微型传感器则集合了微纳结构与光纤传感特性两者的优点。石墨烯作为近年来发现的一种新型材料,具有良好的热学和力学特性,可以作为谐振式传感器中的敏感元件。本文提出了一种基于光纤F-P结构的石墨烯谐振式压力传感器,其兼具微机械传感器和光纤谐振器的优点,具有较高的谐振频率,在测量压力的实验中展现出良好的性能,压力灵敏度最高可达2. 93Hz/Pa,具有重要的应用价值。     

有线无源PDC-SiCN陶瓷基温度传感器的设计与制备

针对航空发动机高温恶劣环境监测对耐高温传感器的需求,提出采用新型耐高温聚合物先驱体陶瓷(PDC-SiCN陶瓷)为温敏介质材料,制备被动式有线无源微波温度传感器,实现温度信息的有线无源传输。以PDC-SiCN陶瓷为填充介质,金属银作为表面层,形成谐振器;以共面波导线和共面天线为传输线,实现微波信号的传输;在谐振器的侧面开槽,实现宽频激励信号和谐振信号在传输线和谐振器之间的传输。采用HFSS软件进行结构尺寸的仿真和优化,设计出了满足最大传输效率的被动式有线无源PDC-SiCN耐高温温度传感器结构。通过以上结构设计,制备出了有线无源温度传感器。结果表明,所设计传感器的工作频率为10.16GHz,依据材料的变化特性该传感器可实现频率在500 MHz变化范围内的测量。     

一种新型的谐振梁频率测量方法研究

谐振梁是一种应用广泛的谐振器。谐振式传感器可以通过测量谐振梁谐振频率的变化,解算谐振梁所受的轴向载荷的大小,从而达到测量目的。目前谐振梁常用的频率测量方法对于动态测量问题的效果并不理想,在很多应用场合都受到限制。本文针对双端固支型谐振梁的频率测量问题,设计了一种基于希尔伯特变换的频率测量方法。使用数值方法对谐振梁振动方程进行求解,获得多种典型的测试信号。仿真实验表明,该方法能很好地获取动态信号频率。     

一种谐振式露点测量方法

针对大气湿度测量问题,提出一种基于谐振式的露点测量方法,并设计了一套独立的露点传感装置.利用QCM原理将石英晶体谐振器作为湿敏元件,用半导体制冷器对其进行制冷,使其表面出现结露现象,导致石英晶体谐振器的谐振频率出现突变,以此达到对露点的识别,同时测取结露时刻石英晶体表面的温度,从而获得当前环境下的露点温度.通过实验验证了此方法的可行性与准确性,并将获取的实验数据与实际提供的环境数据进行对比分析,相对湿度误差达到±1.37%RH,此方法具有精度和灵敏度双高的优点,并且成本低、可操作性强.     

用于挥发性有机化合物探测的微悬臂梁传感器

在研制成功的用于化学气体探测的热驱动微悬臂梁谐振器的基础上,提出了基于这种微悬臂梁谐振器,并以聚合物涂层作为挥发性有机化合物吸附敏感层的谐振式气体传感器.利用3种聚合物材料：聚氧化乙烯（PEO）、聚乙烯醇（PVA）和聚乙二醇乙醚醋酸酯（PEVA）,在微悬臂梁谐振器上制备气体敏感层,探测6种挥发性有机化合物：甲苯、苯、乙醇、丙酮、己烷和辛烷.通过有限元分析估计了聚合物涂层的工作温度.用喷射法制备了PVA和PE-VA涂层,用点滴法制备了PEO涂层.测试了传感器的开环幅频特性,实验检测了气体传感器的谐振频率变化与分析物蒸气浓度的关系以及传感器对相对湿度的响应,分析了传感器的灵敏度和线性度.实验结果表明,这种涂覆聚合物敏感层的热驱动微悬臂梁谐振器为探测挥发性有机化合物提供了良好的平台.根据实验结果,可开发几种基于不同聚合物敏感层的高灵敏度微型气体传感器.     

基于频域相位信息的声表面波谐振器回波频率估计

提出一种基于频域相位信息的频率估计算法,利用正弦信号傅里叶变换相位谱中相位与频率的关系实现对声表面波谐振器回波频率的估计,并采用自相关运算消除回波信号初相位对估计结果的影响。通过无线测试系统和仿真回波信号对该算法进行了验证,表明算法的频率估计精度不受激励信号频率变化的影响,并且在整个声表面波谐振器的谐振频率变化范围内都具有较高的精度和稳定性。     

基于锁相环的谐振筒式液体密度传感器检测系统

为实现液体密度的在线测量,设计了一种基于谐振原理的液体密度传感器检测系统,并进行了检测实验.液体密度传感器由薄壁短管式谐振筒和检测系统构成,所设计的检测系统以锁相环为核心,可实现无相差的频率跟踪,并由单片机对频率进行测量、控制和输出显示.实验测试结果表明:在1~5 k Hz频率范围内,检测系统能够实时跟踪谐振频率的变化,频率跟踪不确定度为0.01 Hz;20℃下的传感器系数K0、K1、K2分别为153.867 0 kg/m3、-3.321 4×106kg/(m3·s)、1.766 7×1010kg/(m3·s2).在密度为700~1 200 kg/m3的测量范围内,传感器综合测量精度为0.076%.     

导电介质交流阻抗测量的自由衰减振荡方法

通过测量导电介质交流阻抗特性参数可实现多种物理或化学量的检测.对一阶传感系统添加电容或电感元件以构成二阶谐振单元,用连续方波脉冲信号激励谐振单元进入自由衰减振荡模式,可同时获取谐振单元的衰减因子和谐振频率.对金属板材的电涡流检测及盐溶液的电导率测量系统分别进行了实验.结果表明,这种方法可有效抑制提离距离或电极引线等非理想因素,在交流阻抗测量技术的传感器化研究方面有很好的应用前景.     

采用双本振源激励的声表面波谐振器无线测量系统

在声表面波无线传感的实际应用中,针对以差动形式同时出现的两个声表面波谐振器设计了一种采用双本振源激励的阅读器,每次产生包括两个载波频率的激励信号,使两个谐振器同时响应。实际搭建了无线测量系统,对阅读器的发射和接收链路进行了测试,并通过上位机实时显示谐振频率,测量结果表明了系统的可靠性。最后,实验分析了系统在不同载波频率激励信号下的差动频率测量结果和最远测量距离。     

硅微谐振式加速度计的温度效应及补偿

零偏和标度因数稳定性是衡量加速度计性能的两个重要参数.为了降低硅微谐振式加速度计的温度敏感性,对其温度影响机理进行了深入研究.通过温度实验发现,硅微谐振式加速度计的零偏和标度因数与设计理论参数有较大区别,且都具有较大的温度灵敏度,分别为0.72 g/℃和1.5℃-1.对弹性模量和谐振器应力与谐振器频率的关系进行了理论计算和FEA仿真验证,其中弹性模量引起的谐振频率-温度灵敏度为-0.7 Hz/℃,谐振器应力引起的谐振频率-温度灵敏度为180 Hz/℃.阐述了加工过程中键合应力产生的原因以及键合应力与谐振器残余应力的关系,发现谐振器应力是造成加速度计输出随温度漂移的主要因素.提出了一种隔离残余应力的隔离梁的设计方案,可使零偏温度灵敏度降至-35 Hz/℃,为温度补偿指明了方向.     

谐振加速度计的非线性分析

描述了谐振加速度计的工作原理，分析表明，谐振加速度计的特征参量FS是设计谐振加速度计的理论基础；频率相对变化量与梁的厚度无关，增加频率的相对变化量也同时增加了输出信号的非线性度．对由激励振幅产生的谐振传感器非线性特性进行了理论分析，指出振幅Am和非线性因子γ-起构成了类谐振子的非线性项，为了避免谐振器的非线性特性，要求谐振传感器激励振动的振幅不宜过大。     

涂敷ZnO纳米线的石英晶体微天平的湿度敏感特性

采用石英晶体微天平传感器电极上旋涂纳米氧化锌薄膜,构造湿度传感敏感元件,实现对湿度检测.介绍了检测系统的组成,纳米氧化锌的制备.通过DAQ数据采集卡和Labview软件实现数据的实时采集.实验结果表明旋涂纳米氧化锌薄膜的传感器频率随测试的相对湿度变化明显,用纳米氧化锌作为敏感元件检测湿度具有很高的灵敏度和重复性.     

温度不敏感的柔性氧化石墨烯湿度传感器研究

本文设计并制作了一种氧化石墨烯(GO)柔性湿度传感器,通过阻抗分析测试法,分别比较了温度对其电阻和电容湿敏特性的影响,并研究了其动态响应特性。结果表明,电阻工作模式的GO柔性湿度传感器湿敏特性受温度影响较大,而电容工作模式则几乎对温度不敏感。当湿度为50%时,传感器的响应时间和恢复时间分别约为1.7s和8.4s。同时,验证了该传感器可实现穿戴式人体呼吸频率的监测。     

轴向拉力对微梁质量传感器精度和热弹性阻尼的影响

针对存在轴向拉力的矩形截面微梁谐振式质量传感器中的质量传感灵敏度、热弹性阻尼以及最小检测质量等问题进行了深入的研究。推导了质量传感器在存在轴向拉力情况下的检测灵敏度、热弹性阻尼以及最小检测质量的表达式。揭示了轴向拉力对质量传感器的工作性能的影响机理。结果表明:轴向拉力会提高质量传感灵敏度;轴向拉力会降低谐振器的热弹性阻尼;轴向拉力可以使得质量传感器捕获更微小的检测质量。