針對(duì)惡劣環(huán)境下壓力信號(hào)精確測(cè)量和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的迫切需求， 該文基于LC諧振電路設(shè)計(jì)提出了一種高品質(zhì)強(qiáng)耦合的無線無源壓力傳感器的優(yōu)化設(shè)計(jì)， 并針傳感器的性能進(jìn)行仿真優(yōu)化分析&在MtWb仿真分析了獲得了用于設(shè)計(jì)高品質(zhì)因數(shù)傳感器電感線圈的對(duì)比參數(shù)后， 對(duì)擁有不同參數(shù)LC諧振電路的傳感器進(jìn)行耦合仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)。 仿真結(jié)果表明， 為了使傳感器具有較高的品質(zhì)因數(shù)， 傳感器上的電感線圈不能過多， 11圈為最佳， 且電感線圈的線寬和線距加寬到0.5 mm,厚度增加到70 'm時(shí)， 傳感器具有較強(qiáng)的信號(hào)傳輸能力和良好的穩(wěn)定性。 該文所研究的設(shè)計(jì)方法為實(shí)現(xiàn)高精度高穩(wěn)定性的無線無源壓力傳感器的設(shè)計(jì)與研究提供了思路借鑒。

0引言

      高溫等惡劣環(huán)境中的一些關(guān)鍵參數(shù)在汽車、 航空航天和工業(yè)應(yīng)用中變得越來越重要［ 1—2］ ） 盡管一些傳感器性能良好,但大多數(shù)傳感器是帶電的， 這限制了它們?cè)趯?shí)際工作環(huán)境中的使用壽命［ 3_6］ 。 該問題的一種可能解決方案是通過磁場(chǎng)輻射為傳感器供電， 這不需要傳感器使用電池供電;這種方法還可以防止系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的災(zāi)難或故障⑺ 。 高溫傳感器［ 8-9]、 眼壓傳感器〔 10-11]、 濕度傳感器[12]等被動(dòng)壓力傳感器由于性能穩(wěn)定、 體積小， 適用于惡劣環(huán)境下的無線非接觸式測(cè)量， 如高溫環(huán)境和醫(yī)療環(huán)境等。雖然這些傳感器可以在惡劣的環(huán)境中工作， 但在接觸外部天線時(shí)無法達(dá)到可接受的傳輸效率和實(shí)際通信距離。 傳感器的品質(zhì)因數(shù)描述了能量存儲(chǔ)和能量消耗之間的關(guān)系， 并且是給定LC諧振傳感器的能量傳輸效率的量度。 更高的品質(zhì)因數(shù)有利于通過電感耦合獲取功率以及將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵獠拷邮掌鳌?隨著傳感器的品質(zhì)因數(shù)增加， 其在能量傳輸方面的性能也將增加。 此外， 由于電磁振蕩需要較少的能量消耗， 因此傳感器中存儲(chǔ)的能量越多,能量消耗就越低。 因此， 對(duì)于LC諧振電路,具有高品質(zhì)因數(shù)的傳感器可以提高電感傳輸功率、 耦合強(qiáng)度以及傳感器與測(cè)試天線之間的耦合距離。 并且,在諧振(LC)無線無源傳感器的設(shè)計(jì)和制造過程中,需要考慮壓力傳感器的電氣性能， 包括電阻、 電感和電容， 這些對(duì)傳感器的品質(zhì)因數(shù)有顯著影響。

       該文研究的主要目標(biāo)是設(shè)計(jì)高品質(zhì)因數(shù)無線無源壓力傳感器， 其電氣參數(shù)針對(duì)更高的品質(zhì)因數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化， 以提高傳感器與外部天線之間的耦合強(qiáng)度。 我們仿真分析了電感線圈的電感和電阻對(duì)傳感器品質(zhì)因數(shù)的影響,得到了最優(yōu)的電氣性能設(shè)計(jì)參數(shù)的大致范圍。 并通過HFSS仿真軟件對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行具體的仿真分析， 從而得到最優(yōu)的電氣性能設(shè)計(jì)參數(shù),為高可靠性的傳感器設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。

1無線非接觸測(cè)量原理
       無線無源傳感原理和壓力傳感器設(shè)計(jì)及耦合示意圖如圖1所示。 傳感器可以通過無線耦合鏈路完成從外部閱讀器天線獲得的非接觸式壓力測(cè)量。 右邊的LCR回路代表壓敏頭， C2是壓敏可變電容,$2是平面螺旋電感線圈， Q是回路中寄生的串聯(lián)電阻。 左側(cè)部分是測(cè)試天線端， 厶和Q分別為測(cè)試天線和與傳感器線圈耦合的測(cè)試天線電阻,<1為測(cè)試天線端的信號(hào)源。 測(cè)試天線與傳感器線圈之間的互感系數(shù)為Mo其中傳感器由固定電感L和柔性電容C組成， 串聯(lián)形成LC諧振式電路。 當(dāng)外部氣壓施加到傳感器時(shí),傳感器LC諧振電路中電容的電容值會(huì)發(fā)生變化。 這將轉(zhuǎn)化為傳感器LC諧振頻率的變化,從而將壓力大小的變化轉(zhuǎn)化為諧振頻率的變化。繼而通過讀取測(cè)試天線端的輸入阻抗各個(gè)特征參量的變化來反映遠(yuǎn)端傳感器的諧振信息， 最終得出遠(yuǎn)端敏感結(jié)構(gòu)上的壓力大小。

圖1無線無源傳感原理和壓力傳感器設(shè)計(jì)及耦合示意圖

傳感器的諧振頻率可以表示為：

其中:厶和Cs分別為傳感器的電感和電容。

圖中測(cè)試天線端的輸入阻抗： 

       從式!3)中,我們可以看出， 相位下降幅度取決于 >和仁它們決定了傳輸性能和信號(hào)強(qiáng)度。 但是,L主要取決于電感線圈的平面尺寸以及天線與傳感器之間的耦合距離。 因此， 我們可以通過提高傳感器的品質(zhì)因數(shù)Q來增加傳感器與測(cè)試天線之間的耦合強(qiáng)度。

2 Matlab仿真分析
2. 品質(zhì)因數(shù)Q的關(guān)鍵影響參數(shù)分析

       根據(jù)LC串聯(lián)諧振電路的品質(zhì)因數(shù)定義Q =(L/C#1/2/R,我們可以得出結(jié)論， 傳感器的Q可以通過降低LC諧振電路的電阻和電容來提高， 也可通過增加傳感器的電感來提高。 但是， 對(duì)于傳統(tǒng)的無線無源LC陶瓷壓力傳感器， 如果電容設(shè)計(jì)得過大,則電容腔容易塌陷;如果電容設(shè)計(jì)得太小,傳感器的靈敏度就會(huì)變低， 不利于精確的壓力測(cè)量。 根據(jù)品質(zhì)因數(shù)的計(jì)算公式， 用MatWb軟件對(duì)電感線圈的電感值、 電阻值及串聯(lián)電容值與品質(zhì)因數(shù)的關(guān)系進(jìn)行了仿真分析。 圖2顯示了電感線圈的電感值和串聯(lián)電容的電容值對(duì)品質(zhì)因數(shù)的影響。 從圖中可以看出， 當(dāng)電阻值固定為5 %時(shí)， 品質(zhì)因數(shù)Q隨著電容值C的增加而減小， 并逐漸趨于恒定。 隨著電感值L的增加， 品質(zhì)因數(shù)Q會(huì)增加。當(dāng)電容值增加到一定值(圖中為30 pF#時(shí)， 品質(zhì)因數(shù)基本不隨電容值的變化而變化,而隨著電感值的增加變化不明顯， 因此電容值為串聯(lián)電容不能太大， 如圖2所示， 當(dāng)電容值在2 pF到30 pF之間時(shí),有利于品質(zhì)因數(shù)的提高。 因此， 傳感器的電容通常設(shè)計(jì)為5 pF左右。

2.2電感線圈參數(shù)對(duì)電感值、電阻值的影響

       當(dāng)電容大約為5 pF時(shí)， 電感和電阻對(duì)品質(zhì)因數(shù)Q的影響如圖3所示。 從圖3中， 我們觀察到品質(zhì)因數(shù)Q隨著電阻R的減小而增加， 且隨著電阻值變化而引起的變化比較大。 同樣隨著電感L的增加,品質(zhì)因數(shù)Q也會(huì)增大， 但隨著電感L的繼續(xù)增加,品質(zhì)因數(shù)Q的變換趨于平穩(wěn)。 而當(dāng)電阻較小時(shí)， 品質(zhì)因數(shù)很大,且隨著電感值增大,Q值變化很大。 因此， 在設(shè)計(jì)電感線圈時(shí),應(yīng)增大電感值的同時(shí)盡量減小電感線圈的電阻。

       當(dāng)電感線圈的電感值為2000 nH時(shí)， 電感線圈電阻值和串聯(lián)電容的容值對(duì)品質(zhì)因數(shù)的影響如圖4所示， 品質(zhì)因數(shù)隨著電阻值的變化而引起的變化比較大， 當(dāng)電阻值較小時(shí),隨著電容值的減小， Q值變化很大。 因此， 相對(duì)于電感的增大， 我們更應(yīng)針對(duì)更小的電阻值進(jìn)行優(yōu)化。

綜上所述， 電感線圈的電感值、 電阻值及串聯(lián)電容的容值對(duì)電感線圈的品質(zhì)因數(shù)都是有影響的,其中， 電阻值對(duì)品質(zhì)因數(shù)的影響相對(duì)來說比較大。 雖然電感值的增大有利于品質(zhì)因數(shù)的提高， 但電感值的增大會(huì)引起電阻值增大,所以設(shè)計(jì)電感線圈時(shí)， 應(yīng)以電阻值的減小為主， 在增大電感值的同時(shí)盡量減小電感線圈的電阻值。

如圖6所示。 我們觀察到當(dāng)電感線圈的內(nèi)徑固定時(shí)， 電感線圈的電感隨著電感線圈的匝數(shù)增加。 而且， 線寬和線距越大， 電感線圈的匝數(shù)越多,越有利于增加電感。

3傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真

       通過上述MatWb仿真得知， 當(dāng)電感線圈的匝數(shù)增加到11圈左右時(shí)， 電感線圈的線寬和線距增加到0.5 mm左右時(shí)， 電感線圈的厚度增加到50 'm時(shí),有利于提高傳感器的品質(zhì)因數(shù)Q和LC無源傳感器的無線信號(hào)傳輸強(qiáng)度。 但電感線圈的厚度繼續(xù)增大后， 電阻變化很小， 繼續(xù)增大線圈厚度， 品質(zhì)因數(shù)Q也不會(huì)有較為明顯的提高。 針對(duì)上述仿真結(jié)果， 我們?cè)贖FSS仿真軟件中建立如圖9的傳感器和讀取天線模型， 通過改變其中某些參數(shù)對(duì)無線無源傳感器進(jìn)行耦合仿真， 進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 其電參數(shù)用字母表示,sub - =和sub -y分別為基底的長(zhǎng)和寬,sub - h是基底的厚度,a為線圈內(nèi)徑,c為線圈的厚度， w為線圈線寬， s為線圈線距， N為線圈匝數(shù)。

模型平面圖

模型立體面

3.2線圈匝數(shù)的優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)

       首先對(duì)線寬/線距（ 6/sS為0.4 mm,而匝數(shù)分別為7〜 15圈的傳感器進(jìn)行耦合仿真優(yōu)化,其仿真參數(shù)如表1所示， 傳感器與線圈匝數(shù)對(duì)于傳感器的Sh幅值的影響的仿真圖如圖10所示。 電感線圈的線寬及線間距均為0. 4 mm,從圖10可以看出， 線圈匝數(shù)為11圈時(shí),天線與電感線圈的耦合效果最好,結(jié)合之前的分析， 得知這是因?yàn)楫?dāng)電感線圈的匝數(shù)增加至某一臨界點(diǎn)后后,隨著電感線圈匝數(shù)的增多,雖然線圈的電感有所增加， 但是同時(shí)線圈的電阻值也在增大， 從而降低了傳感器LC諧振電路的品質(zhì)因數(shù)， 仿真結(jié)果證明， 匝數(shù)為11圈， Q值最大， 有利于傳感器諧振信息的提取。

表1線圈匝數(shù)不同的傳感器參數(shù)

3.3線圈線寬/線距的優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)

       其次在得知線圈最佳匝數(shù)后， 用線寬/線間距不同的電感線圈進(jìn)行無線耦合仿真優(yōu)化,其改變的仿真參數(shù)如表2所示， 電感線圈的匝數(shù)均為11,而線寬/線距! 6/\）從0.3〜 0.6 mm變化， 其他參數(shù)不變， 其Sn幅值變化的仿真如圖所示,在得到其Sn幅值隨其的變化趨勢(shì)， 由圖可以發(fā)現(xiàn)， 線寬/線距（ 6S從0. 3 mm到0. 5 mm變化趨勢(shì)最大，并在其附近達(dá)到最深， 超過0.5 mm后， 其變化微乎其微， 尤其在超過0.55 mm之后。 這與之前的仿真結(jié)果相符,即較大的線寬及線間距使得電感線圈的電阻變小,諧振電路的品質(zhì)因數(shù)Q得到提高， 從而使得傳感器的諧振點(diǎn)更明顯。 但繼續(xù)增大造成電阻的變化極其微小， 并不能對(duì)品質(zhì)因數(shù)Q的提高具有明顯的效果。 因此結(jié)合圖8和圖II的結(jié)果分析， 同時(shí)為了傳感器的小型化， 線圈線寬/線距可選擇在0.5 22左右。

表2線圈匝數(shù)不同的傳感器參數(shù)

3.4線圈厚度的優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)

       從之前的分析我們可以看到， 當(dāng)電感線圈的線寬和線距增加到0. 5 22時(shí)， 電感線圈的厚度增加到50,電感線圈的電阻值已經(jīng)很小,繼續(xù)增加其厚度,電阻的大小基本沒什么變化， 也不會(huì)對(duì)傳感器的品質(zhì)因數(shù)有明顯的影響。 基于以上分析， 在之前線寬/線距（ 6/s）為0.4 mm,匝數(shù)為I0圈的線圈模型基礎(chǔ)上， 令其線圈厚度從0. 0I -0.08 22變化，進(jìn)行耦合仿真， 其他參數(shù)不變， 其仿真參數(shù)如表3所示。 從圖II可以看出，天線與電感線圈的耦合效果隨著線圈厚度的增大越來越好， 這是因?yàn)楫?dāng)電感線圈的厚度增加后， 線圈的電阻值減小， 從而提高了傳感器LC諧振電路的品質(zhì)因數(shù)， 有利于傳感器諧振信息的提取。 但結(jié)合圖7的分析， 當(dāng)線圈厚度增加到50后， 其引起的電阻變化是微乎其微的， 反應(yīng)在圖I2中當(dāng)線圈厚度在0.07 mm之后， 繼續(xù)增大線圈厚度， 并不能獲得更明顯的耦合效果,意義并不大， 故我們可以把線圈的厚度設(shè)置為70。

4結(jié)論
       該文介紹了一種高品質(zhì)因數(shù)無線無源壓力傳感器優(yōu)化設(shè)計(jì)。 仿真分析了電感和電阻對(duì)傳感器品質(zhì)因數(shù)的影響， 發(fā)現(xiàn)電感線圈的電阻對(duì)品質(zhì)因數(shù)的影響大于電感， 并分析得到了最佳Q值的參數(shù)。 進(jìn)而對(duì)這些關(guān)鍵參數(shù)對(duì)Q值的影響進(jìn)行了進(jìn)一步的耦合仿真， 仿真結(jié)果顯示， 在設(shè)計(jì)無線無源LC傳感器時(shí)， 金屬層的內(nèi)圈大小固定后， 為了提高品質(zhì)因數(shù)，增強(qiáng)耦合效果， 電感線圈匝數(shù)不能太多， 以11圈為最佳， 線寬、 線間距選擇在0.5 mm左右， 線圈厚度選擇在70左右。 我們可以以此實(shí)現(xiàn)無線無源壓力傳感器的優(yōu)化,提高傳感器品質(zhì)因數(shù)， 進(jìn)而提高品質(zhì)因數(shù)可以提高LC無源傳感器的無線信號(hào)傳輸強(qiáng)度。

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