无源LC传感器研究现状与发展趋势综述*

罗 涛， 谭秋林,,3， 魏坦勇， 熊继军,

(1.电子测试技术重点实验室，山西 太原030051；2.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051；3.重庆大学 新型微纳器件与系统技术国家重点学科实验室，重庆 400044)

0 引 言

无线无源LC传感器由全无源器件构成，其在传感器的信号输出方面不再依赖各种互联线传输信号，这样一来就使其应用范围被扩展到复杂恶劣的环境中，同时，由于工作频率较低，通常为几十兆赫兹，且采用近场耦合技术，可以实现恶劣环境下短距离内的高速数据读取和高效能量传输。目前国内外在无线无源LC传感器上都做了大量的研究工作，其中测量对象涵盖了压力、温度、湿度等参数。无线无源LC传感技术的发展，解决了恶劣环境(高温、高旋、密闭空间以及生物体内)下引线难和欧姆接触不稳定的问题。

本文针对当前无线无源LC传感器的测量对象，从压力、温度、湿度、气体以及生化检测5个方面综述了当前无源LC传感器的最新研究成果，并展望了其发展趋势。

1 压力传感

无源LC压力传感器的研究主要面向恶劣环境应用，其中典型研究为高温压力传感器[1～4]和植入式眼压传感器[5～10]。

图1所示为美国佐治亚理工学院Allen Mark G教授的研究小组于2002年提出的高温压力传感器及其高温环境下的压力测试结果，该传感器采用LTCC(低温共烧陶瓷)材料，结合丝网印刷工艺，通过层压烧结形成由电感线圈和平行板电容组成的无源LC谐振传感器，测试结果表明:该传感器在450 ℃的环境下具有-244.72 kHz/bar的灵敏度和较好的线性度。国内在无源高温压力传感器的研究上起步较晚，中北大学研制了基于LTCC/HTCC(低温共烧陶瓷/高温共烧陶瓷)的高温压力传感器，并取得了与国外同类传感器相比更好的灵敏度，实验测试表明：其LTCC高温压力传感器能工作到600 ℃，而Al2O3高温压力传感器则有望突破800 ℃。

图1 LTCC高温压力传感器的结构图和实物图

利用LC谐振耦合的原理进行眼内压力的监测已经成为了当前的研究热点，加州理工学院Tai Yu-Chong研究小组基于二甲苯塑胶材料制备的眼压传感器，对该传感器在兔子眼内的实际响应测试表明:该传感器具有205 kHz/mmHg的灵敏度和小于1 mmHg的分辨率,目前该传感器系统已初步实现应用，其系统示意图如图2。

图2 无源LC眼压传感监测系统

2 温度传感

精确的温度测量在譬如高温、机械旋转等恶劣环境下仍具有一定的挑战性，因此，无源LC温度传感被越来越多的研究用来进行上述环境下的温度监测[11～13]。图3为Jia Yi研究小组制备的面向滚动轴承关键部位温度监测的无线无源温度传感器及其测试曲线，其利用铁电陶瓷在居里温度点前随温度单调增大的相对介电常数的特性制备出温度敏感电容器，将其与铜丝绕成的线圈串联，组成LC谐振回路，在235 ℃内取得了13 kHz/℃的灵敏度和良好的线性度，其量程和灵敏度满足机械轴承上的温度监测要求。

图3 无源温度传感器及其测试曲线

3 湿度传感

无源LC传感器在诸如食品包装袋内部和混凝土结构等特殊环境下的湿度检测中具有不可比拟的优势[14～26]。其典型结构如图4所示，叉指电容上面覆盖了一层湿度敏感材料，如聚酰亚胺，当其吸收环境中的水分后，相对介电常数发生变化，导致叉指电容值变化，因而可以通过外部读取天线读取传感器谐振特性的改变。

图4 无源LC湿度传感器

Stojanovi G M等人制备了一种用于建筑材料湿度监测的LTCC无源湿度传感器，该传感器利用水的介电常数大于建筑材料介电常数的特性，当水含量增加时，敏感电容增大，导致传感器谐振频率减小，采用耐高温LTCC材料，使该传感器具有较好的温度稳定性。Ee Lim Tan所在团队提出了一种用于检测包装袋内食物品质的传感器，其采用印刷在纸质衬底上的LC谐振回路，将其粘贴在包装袋内壁，食物变质将导致袋内湿度增大，纸质衬底吸收水分后导致其介电常数变化，从而传感器发生谐振频率的漂移。

4 气体传感

宾夕法尼亚大学的Ong K G于2002年首次提出一种基于如图5所示敏感电容结构的无源气体传感器，该传感器采用多壁碳纳米管作为气敏介质材料，可以实现对O2,CO2和NH3的检测[17,18]。当多壁碳纳米管—SiO2层吸收不同气体后，其材料的介电常数和导电性都会发生变化，从而最终引起传感器谐振频率的变化，通过外部天线即可实现传感器信号的非接触读取，这样的特性使其适用于对密闭、不透明容器内气体浓度进行长期监测。在基于碳纳米管的无源气体传感器方面，University of Massachusetts Lowell的Ling Yunfeng等人制备了一种基于单壁碳纳米管材料的无源NH3体积分数检测传感器，取得了0.76 %/10-6的平均灵敏度[19]。

图5 碳纳米管基无源气体传感器敏感电容器结构截面图

5 生化检测

美国Purdue University的Ziaie B小组提出了一种基于永电体材料的无线无源原位放射检测传感器[20]，该传感器截面结构和特性测试曲线如图6所示，它由一个电感线圈与一个微机械电容器组成，其中电容器极板间部分间隙填充永电体材料，其中一电容器极板可动，永电体因为吸收外界γ射线辐射所致空气电离的离子导致表面电荷密度减小，因而减小了作用在可动极板上的吸引力，导致极板发生位移和形变，最终导致电容值的减小，从而引起传感器谐振频率的增大，测试结果表明:该传感器在由Cs137产生60000R的γ射线下的灵敏度为11.45 kHz/kR。

图6 无源LC辐射量检测传感器

图7 无源pH值检测传感器

在生物特性检测领域，Ong K G提出了用无源LC传感器进行细菌浓度的监测[22]，他将LC回路印刷在聚亚安脂薄膜上，将其置于细菌培养液中，细菌浓度的变化会导致溶液复介电常数的变化，从而会引起传感器谐振特性的变化，实验对传感器在枯草杆菌和大肠杆菌的培养液中做了实际的响应测试，结果表明:传感器在细菌培养过程中发生了谐振频率的漂移。

6 发展趋势展望

随着传感器多功能化的趋势，无源LC传感器也正向多功能方向发展。早在2009年，美国University of California at Berkeley 机械工程学院Pisano A P教授所领导的团队就开始研究一种用于监测燃气轮机涡轮叶片上温度、压力、应力和振动的多参数集成传感器，他们拟采用SiC来制备传感器敏感单元，结合线圈天线，实现传感器信号的无源非接触读取[23]。国内在这该领域的研究才刚刚起步，东南大学黄庆安教授的团队已经在开展面向物联网应用的无源集成化传感器方面的研究工作[24]，图8所示为东南大学提出的无源集成传感器模型，该传感器基于硅微工艺，集成多敏感LC回路于单一衬底，能实现如温度、压力等多个参数的同时测量，其使用温度范围为100 ℃以内。

图8 无源LC双参数传感器模型

高温恶劣环境下(发动机内、超高音速飞行器表面等)采用多个单参数传感器来进行复合参数测量会导致安装适应性差、系统复杂、成本高等缺点，同时，过多的测点也会对被测件的结构强度带来不利影响。目前的无源LC传感器都或多或少地存在温漂，因此,集成温度测量功能则可为其他参数的温度补偿提供最直接真实的温度数据。可预见耐高温、抗腐蚀且能实现单片多参数测量的无源LC传感器将成为无源传感器的发展趋势。

7 结束语

无源LC传感器因其不依赖各种互联线传输信号，这样一来就使其应用范围被扩展到复杂恶劣的环境中，同时，由于工作频率较低，通常为几十兆赫兹，且采用近场耦合技术，可以实现恶劣环境下短距离内的高速数据读取和高效能量传输。因此，对无源LC传感器的研究已深入到各种物理、化学和生物参数的检测中。随着传感器多功能化的趋势和微纳加工技术的发展，单片集成多参数测量已成为无源LC传感器未来的发展趋势。

参考文献:

[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.