微型无源无线压力传感器及其系统设计*

张劲弓，赵 明，孙旭光，李 彤，刘春秀，薛 宁

(1.中国科学技术大学 微电子学院，安徽 合肥 230026; 2.中国科学院空天信息创新研究院 传感器技术国家重点实验室，北京 100190; 3.中国人民解放军总医院第四医疗中心 神经外科，北京 100048)

0 引 言

无线无源传感器在医疗监测和恶劣的环境参数检测等各个领域具有广阔的应用前景[1～3]。无线传感器系统可以基于电感耦合原理为植入的无源设备无线供电并在体外接收端无线获取来自植入端发射器的生理信息相关参数,使植入式设备无需配备电池和复杂的电路。考虑到设备寿命，生物相容性和耐热性问题，数据传输通常需要完全无源的传感器组件。文献[4～7]中提出了一些基于LC的无线传感器，例如压力传感器和湿度传感器。

基于LC谐振电路的原理，环境压力值的变化改变无线发射端压力传感器中电容或电感值的大小，从而改变传感器的谐振频率。谐振频率的变化可以通过远程电感耦合线圈来检测。无线传感器系统的性能不仅取决于传感器组件，而且取决于读出系统的准确性。

本文设计了一种无线压力感测系统，包括两个模块：无线无源压力传感器和传感器外部无线读数系统。

1 总体设计

本文利用了直接数字合成器(direct digital synthesizer，DDS)产生正弦信号以驱动读出线圈。在数字信号处理单元中，微控制器STM32用于改变扫描参数(起始频率、终止频率和频率步长)来控制DDS模块生成频率、相位可变的正弦信号，并通过内部快速12位模/数转换器(analog digi-tal converter,ADC)对信号进行数字化处理，并与便携式PC进行通信。聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)由于其良好的物理和化学特性而被广泛用于柔性传感器的研究[8～10]。因此，在PDMS基板的基础上，本文制造了一种两线圈结构的LC谐振电感耦合压力传感器装置，用于传感器频率压力特性测试。图1为所提出的传感器读出系统架构及传感器模型和测试装置。

图1 传感器读出系统架构、测试装置和PDMS传感器模型

2 系统设计、仿真与实验

电感耦合LC传感器的等效电路如图2(a)所示。读出电路计算读出线圈的复阻抗Z1表示为

(1)

式中R1和R2分别为读出线圈和传感器线圈的串联电阻，M为线圈之间的互感。用式(2)和式(3)进行替代计算

(2)

(3)

式中Q2为传感器的品质因子，f2为传感器的谐振频率，则Z1可以表达为

(4)

采用先进设计系统(advanced design system,ADS)软件使用设计的系统参数对不同耦合系数下的等效电路进行仿真，相关参数为R1=12.9 Ω,L1=194.62 nH,f2=406.9 MHz,Q2=38.6，并提取出相应的阻抗实部参数。从图2(b)可以看出，耦合系数k的变化仅影响阻抗实部的大小，而没有改变其基本形状。因此，测量阻抗实部峰值随频率变化的特征可用于表征传感器谐振频率。

图2 传感器等效电路和频率响应

模拟前端电路通过扫频提取阻抗实部参数，并生成直流输出曲线。从输出结果中可以获取传感器的谐振频率。如图3(a)所示，在模拟前端电路中，使用STM32微控制器控制DDS(AD9851)产生的具有特定频率范围的正弦电压信号通过运算跨导放大器(operational transconductance amplifier,OTA)进行压流转换驱动读取器线圈，此电流信号的峰峰值保持恒定，不随负载阻抗变化而变化。Vmeas和Vref的信号在相干解调原理下混频并通过低通滤波器以获得直流电压。使用仿真软件LTspice对模拟前端电路模型进行仿真。在低通滤波器后，如图3(b)所示，在不同的k值下，在380～430 MHz的频率范围内，获得了输出电压Vout与输入信号频率之间的关系。可以看出，Vout在传感器的谐振频率f2稍大点处达到最大值。不同的压力值将引起Vout峰值点对应频率的漂移。

图3 模拟前端电路模型和LTspice仿真结果

在传感器的设计中，采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为压力敏感材料与双线圈组成电容可变式LC压力传感器。PDMS敏感层中预聚物和固化剂的不同混合比例会改变其弹性，有利于在所需压力范围内获得传感器的高灵敏度。将PDMS预聚物和固化剂的混合物在真空室中抽真空，然后倒入准备好的培养皿中，将其在120 ℃下烘烤30 min左右。分别制备了三种预聚物和固化剂混合比的圆柱形PDMS样品(15:1,20:1,25:1), 通过增加PDMS预聚物的所占比例来增加弹性。所有实验均在25.5 ℃的室温下进行，相邻测试点之间要相隔约10 s，以便PDMS敏感层恢复其原始形状以提高测量准确度。

3 结果与讨论

根据仿真结果和理论分析，在测试中改变读出线圈和传感器线圈之间的测量距离，并获得了输出电压值。可以发现测量距离的变化会引起信号强度的变化。当测量距离减小时，读出线圈和传感器线圈之间的耦合系数k将增加，从而导致输出信号强度增加。图4显示此装置可以在20 mm的距离内获得良好的测量效果。

图4 不同测量距离下的信号强度

使用不同的砝码向传感器线圈施加压力，将砝码的重量从1 N增加到9 N(步长为2 N)。图5显示了基于混合比为25:1的PDMS敏感层的LC型无源无线压力传感器在不同压力水平下测得的输出电压与频率的关系。在不同的压力下，输出电压值将在某些频率点达到峰值，即电路的谐振频率随压力负载而偏移，从而表征施加在传感器线圈表面的压力。实验得出在1～9 N范围内灵敏度约为-37.5 kHz/N。

图5 PDMS混合比为25:1时，电压与频率的关系

以下测试中，使用压力计施加相同的压力来测试在相同环境中三种混合比例的PDMS敏感层组成的传感器的性能。施加在传感器线圈上的力以5 N的步长从0 N增加到40 N。图6示出了测得的基于三种不同混合比PDMS层的传感器的共振频率与施加在传感器线圈上的压力之间的关系。从结果可以明显看出，共振频率随着力的增加而降低。在相同的力作用下，传感器的共振频率随着PDMS层混合比的增加而降低。基于混合比为25:1,20:1,15:1的PDMS层的压力传感器的灵敏度在0～40 N的压力范围内分别约为-14.5，-13,-10.25 kHz/N。在这项工作中，与其他两个混合比率相比，比率为25:1的PDMS敏感层具有更好的灵敏度。

图6 三种PDMS混合比下的谐振频率与压力的关系

4 结 论

所提出的无线压力感测系统包括两个模块：可植入的无线无源压力传感器和传感器外部无线读出系统。选择PDMS材料作为敏感层的材料。将基于PDMS层的LC型无源无线压力传感器的灵敏度与PDMS预聚物和固化剂的三种混合比例(即15:1，20:1和25:1)进行了比较。设计的装置结构简单，成本低廉，便于压力测试。实验结果表明：基于混合比为25:1的PDMS敏感层的无线压力传感器的灵敏度在0～40 N范围内约为-14.5 kHz/N。未来将寻找更合适的PDMS层混合比例，并且将采用将数字增益控制电路添加到DDS输出的幅度调整方法，以进一步完成对DDS输出信号幅度的精确控制，以增加装置的灵敏度。