基于柔性基底的LC无线无源温度传感器的研究*

郝竹雅 张 磊 赵 强 李美朴 谭秋林

（中北大学省部共建动态测试技术国家重点实验室 太原 030051）

1 引言

温度监测对于生产生活如冶金、反应、运输存储、航空航天等领域是很重要的。轴承在生产生活作为一个关键部件，用途广泛但作为易消耗部件其健康监测常常被人们忽视，所以在一些重要设备上对轴承的健康进行监测十分有必要，可以在其发生损伤前期就及时进行修复润滑或更换器件将会避免工业生产等大规模停工停产对经济造成大规模影响。在轴承运行中温度是影响其润滑寿命的一个关键因素，基于70℃对润滑脂的寿命进行估算，当其温度每升高15℃，轴承的寿命减少一半［1］。若在超过125℃的温度轴承长期连转工作会降低其寿命。轴承连续测温对于其正常工作监测必不可少。轴承在参数不变的运转情况下，温度变化可能表示已发生故障［2］。

本文提出了一种叉指温度传感器，其基底选用柔性材料聚酰亚胺（PI），柔性基底的优势体现在对环境适应性更好［3］，可以很好地实现曲面共形，实现参数测量。相较于传统的温度传感器的硬质基底不能很好地依附在一些表面较复杂的被测物体上，柔性传感器克服了传统电子传感器刚性的缺点，由于PI 基材的灵活性，可以附着在被测对象的表面进行温度测试。

2 LC温度传感器原理

作为无限无源传感器，LC 传感器常用于非接触式测量，在工业生产、实际生活中用途很广，可用于pH 监测［4］、温度［5］、湿度［6］、生物电位［7］和应变［8］等参数的检测。典型的无源LC传感器系统由连接到电容式传感器的电感线圈组成。电容电感并联成LC电路，电感作为非敏感单元不发生变化，所以电路的谐振频率（f）仅随传感器电容值的变化而变化。传感器系统在应用中进行测量传感器参数时，需要一个读出电路。一般由读出线圈（电感）组成，它与传感器线圈可以看作两个电感线圈进行电磁耦合，然后读出线圈同时作为天线与网络分析仪相连，此时可对电路的谐振频率进行采集。无线无源传感器也可用于同时测试多个物理量的变化，如温度、湿度、压力三参传感器对三个参数同时测量，实现测量过程对压力和湿度值进行温度补偿，有助于达到更高的准确性测量［9～10］。

图1 LC传感系统原理

常规的温度测试方法有很多，如红外测温［11］、热电偶［12］、声表面波传感器［13］、RFID 传感器［14］。热电偶传感器与被测旋转物体测试中需要滑动装置来保证二者可以同步转动测试，而使用红外测温装置并不能提供保证在旋转结构上连续测试目标位置的温度。RFID 传感器需要外部电源供电限制了使用寿命。由于LC传感器不需要任何外部电源和任何有线连接，在各个领域上积极投入使用，特别是在一些高温、高速的恶劣的环境下。生产生活中，任何测量系统的安装在高温下都不太容易实现，使用LC 传感器可以避免有线传感器在高温环境下的部件损坏。该系统还具有高节能传输和测量数据采集、低功耗、长寿命等优点［15～16］。

2.1 等效电路模型

LC 温度传感系统由电容电感串联回路组成，采用变压器原理，电感线圈和天线电磁耦合进行信号采集，当温度发生变化的时候介质基底的介电常数发生改变，对应的LC回路中电容也发生改变，天线连接网络分析仪通过发射接受电磁波得到S11曲线，其中最小值对应的频率即为谐振频率，由式（1）得：频率的改变与电感电容有关。

式中f 表示谐振频率，L 为传感回路中电感量，C 为回路中的电容量。常见电容有平行板结构，其电容值可根据式（2）计算。

ε0表示真空介电常数，εr为相对介电常数，S为相对面积；当电容量一定时，确定厚度的情况下介电常数越大越有利于电容器的体积小型化。

本文中传感器采用叉指结构，叉指的长宽比越大，叉指的密度越大，叉指电极的电容越大，从而传感器的灵敏度和响应速度就会越高，对于叉指电容的电容值为式（3），lc是叉指长度，n 为叉指对数（n>3），η为叉指几何比，表示叉指电容间距与叉指宽度和间距和之比，文中叉指宽度和间距都是0.08mm，η=0.5，K［］函数是第一类完全椭圆积分：

LC 传感器的电容传感器的电容由两种不同的电容组合而成，一个是电容传感器在相邻叉指上产生的电容C1，另一个是通过其基底材料PI 的电容C2。温度的变化影响了叉指材料铜膨胀、PI的介电常数升高和导体的电阻率。对于叉指传感器而言，叉指铜材料受热膨胀系数为0.189*10-4m/℃，文中采用的叉指长4.5mm，宽0.08mm，金属膨胀对叉指电容的影响远小于PI 介电常数带来的变化，所以温度主要影响介电常数改变了电容C2的电容值［10］。

图2 电容部分等效模型

传感器连接的电感线圈寄生电容CL由电容的边际效应和电介质不同电感线圈间隙引起的空气层电容和PI 衬底材料电容构成，电容电感等效模型如图3所示，其中LL1和RL1分别表示线圈间的电感和电阻，RL2表示基底产生的电阻。

图3 电感部分等效模型

忽略衬底损耗的影响，LC 温度传感器的简单电路如图4所示，温度传感器可以看作是一个LC串联的谐振系统。线圈的电容、电阻、电感分别表示为CT，RT，LT。

图4 简化电路图

采用电容和电感分离式的传感器结构进行温度实验，在实验中将电感器置于低温区域与铜制天线耦合，将电容器放在高温区域随温度变化。分离式设计有助于延长读取器天线的寿命，减缓它的氧化，所以在高温测量中也常用到LC 传感器。分离式的LC 传感器结构有利于对传感器进行信号采集，同时有利于提高信号；互感由天线与温度传感系统电感的电导导数决定，天线与电感之间的互感耦合系数M为

其中k 为常数，互感耦合系数只与电感相关。当相邻线圈通过的电流方向相同时，可有效抑制线圈互感［17］。

2.2 温敏机理

PI 作为一种高分子聚合物，表1 列出了常见聚合物的介电常数和最高耐温。由表可知在众多的聚合物中其耐热温度很高，可在200℃下稳定工作，超过200℃时聚酰亚胺玻璃化，当温度大于500℃时会发生热分解；PI 的介电常数在3.3 左右且介电损耗极小，一般为10-3量级［3］。聚酰亚胺薄膜介电常数随温度变化，常被用作温敏的介电材料，电路谐振频率由式（1）给出；测试中的电感线圈保持不变，和天线的耦合距离也不发生变化，所以电感耦合系数k 为常数。所以在式（1）中除电容和传感器谐振频率外，所有参数都不改变。LC 无线无源温度传感器系统的敏感原理是温度的升降变化影响了PI衬底介电常数，电容随之改变，因此影响整个系统的谐振频率。

表1 聚合物性质

3 器件制备基底应变片的制作

无线非接触式测量方法无线无源加速度计由基于柔性PI 衬底的电容和平面螺旋电感器组成。传感器设计尺寸如下：外部尺寸6mm×8mm，指间电极尺寸5mm×5mm，该电感器的最外层直径为30mm，共计5 圈。通过铜线将电感和电容连接构成温度测试系统，具体参数如表2所示，Din和Dout分别表示电感线圈的内外径，Dw为电感线圈的宽度，Ds为相邻线圈的距离。Cw、Cg表示电容叉指部分的宽度和叉指间距，Cl表示叉指的长度，该结构的优点是加工工艺简单，涉及的铸造率低，效率高。

表2 传感器参数

由于PI 是一种柔性材料，为了避免在制造过程中发生弯曲，使用聚酰亚胺高温胶带将作为柔性基底的PI膜贴到硅片上。通过电镀技术在PI薄膜的表面制备铜材料的叉指电容。传感器的准备过程如图5所示。

图5 传感器制备过程

主要包括乙醇和丙酮清洗、亲水处理、电镀和切割。1）清洗确保基质表面清洁干燥：PI膜在丙酮溶液中浸泡清洗3min 去除杂质，拿出置于乙醇溶液中2min 使残余丙酮溶解，取出后用高纯去离子水将表面清理干净，最后用氮气枪进行干燥处理。2）亲水处理：清洗干净的PI 膜放在真空烤箱中用氧等离子体处理2min。3）电镀：对亲水处理后的PI 膜进行电镀厚度18μm 的铜。4）将制备好的PI膜从硅片上取下，按照器件位置切割，即得到传感器的敏感电容部分。制备电感流程与电容类似。

一般情况下，当测试天线的尺寸与加速度计电感线圈的外径相同时，信号强度最大。因此，测试天线用1mm 铜线制作的直径30mm 的环形天线，引脚的两端焊接到射频SMA 连接器上。该天线的尺寸与电感的外径相同［18］。

4 温度测试

温度传感器的测试系统平台由温度传感器、加热台（精良和科技恒温台P-20 加热台）、无线读取天线（自制）、网络分析仪（安捷伦E-5061B），LCR测试仪（日置IM-3536）和上位机等部分组成。温度传感系统由温度敏感单元电容和收发信号的电感线圈组成，能量和信息在天线和电感线圈之间传输交换，天线与网络分析仪相连，可以对数据进行显示并储存。

测试平台如图6（a）所示。在实验中为了可以准确测试与被测表面温度，柔性传感器克服刚性传感器不能很好的贴附在物体表面的缺点，聚酰亚胺衬底贴在弯曲的被测表面（如图6（b）所示）上很好地实现曲面共形。温度升高电容值增加，实验的温度测试变化通过加热台实现，当加热平台的温度降低到室温时将附着传感器的被测物体放置在加热平台上，电感线圈与之相连放置在常温下，通过自制铜圈天线与其耦合，天线连接到网络分析仪上实现对传感器进行测试。

图6 传感器测温系统及曲面测试示意图

通过调整加热台可以实现温度的控制，读取加热台示数并设置温度，使其从室温逐步加热到120℃，通过网络分析仪无线采集的S11 参数表征谐振频率随温度变化的影响。如图7（a）（b）所示为f-S11 响应曲线，当温度由35℃升高到120℃的时候，S11 对应的频率值由56.8206MHz 减少到56.7069MHz，绘制的所示，灵敏度为-1.34 kHz/℃。

图7 频率-S11关系图

频率-温度关系如图8（a）所示，当温度参数发生变化时，传感器f-S11曲线发生偏移，频率减小向左侧偏移。主要原因是当温度升高时PI 膜的介电常数发生变化；电容随温度的增高而增加，这是因为PI 的介电常数与电容值的变化为正相关，PI 的介电常数也随着其贴附的物体温度的变化发生改变，宏观表现为谐振频率变化［19］。图8（b）为温度-电容变化曲线，通过LCR 连接电容敏感单元，当温度从室温增加到120℃时，电容值从3.81pf 增加到3.91pf。

图8 温度-频率变化和温度-电容变化

实验表明传感器可以在曲面上能进行正常工作，LC 系统无线无源的特性可以避免有源传感器更换电源以及温度较高时电源失效的问题。实际生产活动中，轴承大部分为金属材质，本文在LC传感器的测试时采用的放置在陶瓷材料上，当在金属材质上时由于金属表面的涡流效应，导致网络分析仪很难采集到系统谐振频率，当在电感背面贴上软磁铁氧体时，铁氧体材料发挥电磁屏蔽作用实现金属环境的测试［20］。

5 结语

本研究提出了一种电容电感分离的现无线无源测试的柔性温度传感器，该传感器尺寸小，造价低，结构简单且具有不用布线、安装便捷的优点，实验表明可以检测温度变化引起LC系统谐振频率变化，随着温度的变化，系统谐振频率变化，通过网络分析仪监测S11 值的变化来检测温度的变化。无线传感系统周围采用周期性扫频，当读取信号频率与LC传感系统的谐振频率相匹配时，S11会急剧减小，通过分离式的传感器结构，在聚酰亚胺膜上制备的电容传感器粘贴在加热台表面进行温度测试，柔性基底很好的曲面共形可以模拟实际生产生活中曲面表面物体的情况，在不同的温度下对传感器进行了测试，分析了各个敏感参数对传感器温度的影响，并通过origin 软件对S11 频率值进行线性拟合，得到了传感器关于温度的灵敏度。本文提出的基于柔性材料的无线无源温度传感器在室温到120℃的环境下可以稳定工作，灵敏度可达到-1.34 kHz/℃。该传感器在复杂环境的温度参数的实时无线监测方面具有广阔的应用前景。