CN111060230A - 一种基于lc谐振的无线无源柔性压力传感器的制作方法 - Google Patents

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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/14—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators
    • G01L1/142—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators using capacitors

Abstract

本发明属于柔性压力传感器技术领域，具体涉及一种基于LC谐振的无线无源柔性压力传感器的制作方法，包括如下步骤：S1、将平面螺旋电感与平面叉指电容组成的LC谐振回路，印刷于柔性基底上；S2、与检测线圈耦合产生谐振频率；S3、施加于柔性基底上的压力变化时，引起柔性基底电容变化；S4、LC谐振回路的谐振频率变化，从而实现无线无源压力检测。本发明采用LC耦合的方式，传感器可实现无线无源检测，且功耗低、使用寿命长；同时采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)柔性衬底，可以满足可穿戴器件、电子皮肤、医疗检测等方面的应用；且本发明结构简单，易于加工。

Description

一种基于LC谐振的无线无源柔性压力传感器的制作方法
技术领域
本发明属于柔性压力传感器技术领域，具体涉及一种基于LC谐振的无线无源柔性压力传感器的制作方法。
背景技术
柔性压力传感器具有体积小，灵敏度高，可承受形变大等特点，在电子皮肤，医疗检测以及可穿戴设备等重要领域得到很好地应用。现有的电容式柔性压力传感器具有高灵敏度、快速的动态响应等优点，但都是采用有源结构，需在柔性基底上溅射金属电极，在实际应用中存在工作效率低、维护成本高以及能耗高等问题。所以要求无线无源的设计以避免当前有线结构传感器的应用缺点，扩大传感器的应用范围。
目前，实现传感器无线无源的方式有：1)LC无线无源技术，通过检测天线与平面螺旋电感通过无线耦合建立联系，产生谐振频率；2)声表面波(SAW)技术，当传感器受到压力时，其压电基片会产生SAW，根据前后波的不同特性可以分析出传感器所受到的应变大小；3)射频识别技术(RFID)，在传感器上连接一种射频电路。工作时，阅读器上的高频模块中的发射器发射射频信号，应答器上的耦合元件接受到能量，激活应答器上的数据载体模块，然后把数据通过天线发送出去，被接收器接收到，以实现无线检测。后两种方法都需要复杂且昂贵的信号处理电路，相比之下LC谐振式器件具有制造工序少、线性度好、灵敏度高、信号处理电路简单、功耗低等优点，所以将LC谐振的方式应用于柔性压力传感器中。
发明内容
本发明的目的在于：针对有源柔性压力传感器在实际应用时，工作效率低、维护成本高以及能耗高等问题，提出的一种制作简单，使用寿命长，可广泛应用于电子皮肤、可穿戴设备、医疗检测的无线无源柔性压力传感器的设计方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于LC谐振的无线无源柔性压力传感器的制作方法，包括如下步骤：
S1、将平面螺旋电感与平面叉指电容组成的LC谐振回路，印刷于柔性基底上；
S2、与检测线圈耦合产生谐振频率；
S3、施加于柔性基底上的压力变化时，引起柔性基底电容变化；
S4、LC谐振回路的谐振频率变化，从而实现无线无源压力检测。
作为本发明所述的基于LC谐振的无线无源柔性压力传感器的制作方法的一种改进，在步骤S1中，所述柔性基底为聚二甲基硅氧烷。
作为本发明所述的基于LC谐振的无线无源柔性压力传感器的制作方法的一种改进，所述柔性基底的介电常数为2.7。
作为本发明所述的基于LC谐振的无线无源柔性压力传感器的制作方法的一种改进，在步骤S1中，所述柔性基底的长为45～55mm。在实际应用中，柔性基底的长优选为50mm。
作为本发明所述的基于LC谐振的无线无源柔性压力传感器的制作方法的一种改进，在步骤S1中，所述柔性基底的宽为45～55mm。在实际应用中，柔性基底的宽优选为50mm。
作为本发明所述的基于LC谐振的无线无源柔性压力传感器的制作方法的一种改进，在步骤S1中，所述柔性基底的高为0.2～0.4mm。在实际应用中，柔性基底的高优选为0.3mm。
作为本发明所述的基于LC谐振的无线无源柔性压力传感器的制作方法的一种改进，在步骤S1中，所述平面螺旋电感共有7匝线圈。
作为本发明所述的基于LC谐振的无线无源柔性压力传感器的制作方法的一种改进，在步骤S1中，所述平面螺旋电感的面积为900mm2。在实际应用中，线圈的长宽优选分别为30mm、30mm。
作为本发明所述的基于LC谐振的无线无源柔性压力传感器的制作方法的一种改进，在步骤S1中，所述平面叉指电容共有16对叉指。
作为本发明所述的基于LC谐振的无线无源柔性压力传感器的制作方法的一种改进，单个所述叉指结构的长宽分别为9.5mm、0.3mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
一、本发明采用LC耦合的方式，传感器可实现无线无源检测，且功耗低、使用寿命长；
二、本发明采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)柔性衬底，可以满足可穿戴器件、电子皮肤、医疗检测等方面的应用；
三、本发明结构简单，易于加工。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例中平面螺旋电感与平面叉指电容结构示意图；
图2为本发明实施例中谐振频率随叉指电容长度变化曲线；
其中：1-柔性基底；2-平面螺旋电感；3-平面叉指电容。
具体实施方式
如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。
实施例
一种基于LC谐振的无线无源柔性压力传感器的制作方法，包括如下步骤：
S1、将平面螺旋电感2与平面叉指电容3组成的LC谐振回路，印刷于柔性基底1上；本发明的平面螺旋电感与平面叉指电容结构如图1所示，采用丝网印刷的方法用银浆进行制备；
S2、与检测线圈耦合产生谐振频率；
S3、施加于柔性基底1上的压力变化时，引起柔性基底1电容变化；
S4、LC谐振回路的谐振频率变化，从而实现无线无源压力检测。
优选的，在步骤S1中，柔性基底1为聚二甲基硅氧烷。
优选的，柔性基底1的介电常数为2.7。
优选的，在步骤S1中，柔性基底1的长为45～55mm。在实际应用中，柔性基底1的长优选为50mm。
优选的，在步骤S1中，柔性基底1的宽为45～55mm。在实际应用中，柔性基底1的宽优选为50mm。
优选的，在步骤S1中，柔性基底1的高为0.2～0.4mm。在实际应用中，柔性基底1的高优选为0.3mm。
优选的，在步骤S1中，平面螺旋电感2共有7匝线圈。
优选的，在步骤S1中，平面螺旋电感2的面积为900mm2。在实际应用中，线圈的长宽优选分别为30mm、30mm。
优选的，在步骤S1中，平面叉指电容3共有16对叉指。
优选的，单个叉指结构的长宽分别为9.5mm、0.3mm。
如图2所示是本发明实施例中LC谐振回路随叉指电容长度变化仿真的频率响应曲线。当对柔性基底1施加压力时，叉指电容长度也会随着压力大小而伸缩变化。图中包含当叉指电容长度(lc)分别为10mm、14mm以及18mm时，LC谐振频率对应为92.4MHz、90.7MHz以及89.4MHz，谐振频率不断的减小。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于LC谐振的无线无源柔性压力传感器的制作方法，包括如下步骤：
S1、将平面螺旋电感(2)与平面叉指电容(3)组成的LC谐振回路，印刷于柔性基底(1)上；
S2、与检测线圈耦合产生谐振频率；
S3、施加于柔性基底(1)上的压力变化时，引起柔性基底(1)电容变化；
S4、LC谐振回路的谐振频率变化，从而实现无线无源压力检测。
2.如权利要求1所述的基于LC谐振的无线无源柔性压力传感器的制作方法，其特征在于：在步骤S1中，所述柔性基底(1)为聚二甲基硅氧烷。
3.如权利要求2所述的基于LC谐振的无线无源柔性压力传感器的制作方法，其特征在于：所述柔性基底(1)的介电常数为2.7。
4.如权利要求1所述的基于LC谐振的无线无源柔性压力传感器的制作方法，其特征在于：在步骤S1中，所述柔性基底(1)的长为45～55mm。
5.如权利要求1所述的基于LC谐振的无线无源柔性压力传感器的制作方法，其特征在于：在步骤S1中，所述柔性基底(1)的宽为45～55mm。
6.如权利要求1所述的基于LC谐振的无线无源柔性压力传感器的制作方法，其特征在于：在步骤S1中，所述柔性基底(1)的高为0.2～0.4mm。
7.如权利要求1所述的基于LC谐振的无线无源柔性压力传感器的制作方法，其特征在于：在步骤S1中，所述平面螺旋电感(2)共有7匝线圈。
8.如权利要求7所述的基于LC谐振的无线无源柔性压力传感器的制作方法，其特征在于：在步骤S1中，所述平面螺旋电感(2)的面积为900mm2。
9.如权利要求1所述的基于LC谐振的无线无源柔性压力传感器的制作方法，其特征在于：在步骤S1中，所述平面叉指电容(3)共有16对叉指。
10.如权利要求9所述的基于LC谐振的无线无源柔性压力传感器的制作方法，其特征在于：单个所述叉指结构的长宽分别为9.5mm、0.3mm。
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