CN217818780U - 一种lc型双参数传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种LC型双参数传感器，由第一金属层、第二金属层、柔性薄膜、导电薄膜、封装层、氧化石墨烯薄膜和可拉伸薄膜组成；第一金属层由第一叉指电极、第一电极板和第二电极板串联构成；第二金属层由第二叉指电极、第一平面螺旋电感、第二平面螺旋电感、第三电极板和第四电极板串联构成。基于电路谐振与磁场耦合原理，双参数传感器具有两个相互独立的工作模态，分别对应不同的等效电路，其谐振频率互不干扰，分别只随第一叉指电极和第二叉指电极的电容值变化而变化，从而实现湿度和压力的双参数测量。本实用新型可克服传统传感器应用场景的复杂性与多样性的不足，在无线传感器网络建设中拥有广阔的发展前景。

Description

一种LC型双参数传感器

技术领域：

本实用新型涉及湿度、压力传感技术领域，尤其是一种LC型双参数传感器。

技术背景：

LC型无源无线传感器的基本结构为两个串联在一起的电容和电感，二者共同组成一个谐振电路，其谐振频率随敏感电容的变化而变化，间接受到待测参数的调控。利用一个外界读数线圈，即可通过近场耦合的方式读取出传感器的谐振频率，从而无线测得目标参数。作为一种狭义上的无源无线传感器，LC型传感器中通常不含任何有源元件，具有结构简单、成本低廉、小体积、低功耗等优点，在密闭、旋转、高温高压等各种复杂工况下的应用具有极强的适应性。根据不同敏感单元的设计，LC型传感器能够实现对温度、湿度、压力、应变以及应力等不同参数的无线探测。

随着物联网与传感器网络技术的迅猛发展，越来越多的传统物品被赋能联入网络中，不断新兴的产业需求给LC型传感器带来了新的机遇，也带来了许多亟待解决的挑战，包括探测距离的延长、读数精度的提高和多参数探测的集成。当前的研究中，针对LC型无源无线传感器技术的探索主要集中在不同应用场景下的单参数传感器节点设计上，而对于多参数传感器集成的理论研究相对不足。对于传感器应用场景的复杂性与多样性的要求愈发增大，常常需要同时对多个参数进行无线探测，包括但不限于温度、湿度、压力等，而传统的LC型传感器受限于单谐振特性，通常只能实现一个参数探测，难以满足不同应用下的多样化需求。

实用新型内容：

针对现有传感器应用场景的复杂性与多样性的不足，本实用新型提出的一种LC型双参数传感器由第一金属层、第二金属层、柔性薄膜、导电薄膜、封装层、氧化石墨烯薄膜和可拉伸薄膜组成。所述第一金属层由第一叉指电极、第一电极板和第二电极板串联构成；所述第二金属层由第二叉指电极、第一平面螺旋电感、第二平面螺旋电感、第三电极板和第四电极板串联构成。

所述第一金属层和所述第二金属层分别贴附在所述柔性薄膜的两侧，并通过所述柔性薄膜上设置的通孔串联。

所述第一平面螺旋电感、所述第二平面螺旋电感与所述第一叉指电极通过所述柔性薄膜上设置的通孔相连，组成第一LC谐振回路。所述第一平面螺旋电感、所述第二平面螺旋电感与所述第二叉指电极相连，组成第二LC谐振回路。

为了使所述双参数传感器的等效电路满足对称型双谐振电路的对称条件，优选的，第一叉指电极与第二叉指电极的形状尺寸完全相同，第一电极板、第二电极板、第三电极板和第四电极板的形状尺寸完全相同，第一平面螺旋电感与第二平面螺旋电感的在工作频率范围内保持相等，电感范围均为0.1～180μH。

为缩短所述双参数传感器的两个谐振频率的差值，所述第一平面螺旋电感与所述第二平面螺旋电感嵌套在一起，旋转方向相反，因此，互感耦合因子k<0。

所述氧化石墨烯薄膜覆盖在所述第一叉指电极上，共同组成湿度敏感单元。

采用氧化石墨烯作为湿敏材料，是因为氧化石墨烯是一种极为重要的功能化石墨烯衍生物，其基本结构为单层的氧化石墨，呈现二维平面蜂窝层状结构。在石墨烯表面缺陷处以及边缘处等位置存在多种含氧活性基团，因而氧化石墨烯较易产生各种理化反应，并可进行功能化修饰。与石墨烯及还原氧化石墨烯相比，氧化石墨烯的表面与边缘存在大量含氧基团，能够与水分子中的极性基团相互连接形成氢键，具有极强的亲水性。

相比于聚酰亚胺式的电容型湿度传感器，氧化石墨烯的表比面积更大，因而响应时间更短，从而可以提高所述双参数传感器的灵敏度。

进一步，所述氧化石墨烯薄膜位于所述双参数传感器顶层。

所述柔性薄膜的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯，具有柔性可弯曲的特点，使得所述双参数传感器能够适应各种不同应用场景的需求。

所述可拉伸薄膜的材质为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，贴附于所述第二叉指电极，构成压力敏感单元。

所述导电薄膜为铟锡氧化物(ITO)透明导电薄膜，将所述PDMS薄膜和所述封装层分隔开。所述ITO薄膜的硬度高，在外力作用下，所述PDMS层表面的锥形微结构发生形变更明显，使对压力的测量更加灵敏。

进一步，所述封装层为双向拉伸聚丙烯薄膜(BOPP)，位于底层，作为电路结构的封装保护层。

为了提高所述双参数传感器的精度，优选的，第一金属层和第二金属层的材质为铜。因为铜的电阻率低、阻抗小，使谐振频率变化明显，测量精度更高。

所述双参数传感器的工作机理是，基于电路谐振与磁场耦合原理，具有两个相互独立的工作模态，分别对应不同的LC等效谐振电路，其谐振频率之间互不干扰，分别只随第一叉指电极和第二叉指电极的电容值变化而变化，不受第一平面螺旋电感与第二平面螺旋电感之间互感的影响，即可利用双谐振技术实现多参数测量。

对于一个由N对叉指组成的平面叉指电极，其电容值的理论计算表达式为：

C＝(N-1)εlh/g

ε＝ε₀ε_r

其中，l，h和g分别为叉指的长度、厚度以及间隔，δ_r为相对介电常数，δ₀为真空介电常数8.85×10^-12F/m。

当环境中的相对湿度发生变化时，第一叉指电极表面的氧化石墨烯薄膜的介电常数随之改变，从而改变第一叉指电极的电容值大小，进而引起LC型湿度传感器谐振频率的偏移。该谐振频率可以通过一个外界读数线圈无线读取，从而计算出相对湿度的大小。

在外界压力作用下，PDMS层表面的锥形微结构发生形变，第二叉指电极与ITO导电薄膜之间的距离减小，引起第二叉指电极的电容值变化，进而LC谐振回路的谐振频率随之改变，可以用于表征传感器表面所受压力的变化。

本实用新型基于电路谐振与磁场耦合原理，体积小、寿命长、结构简单、适应性强，在无需任何有源元件的情况下即可实现多目标参数的无线探测。基于上述优点，所述双参数传感器可克服传统传感器应用场景的复杂性与多样性的不足，在无线传感器网络建设中拥有广阔的发展前景。

附图说明：

下面结合附图和实例对本实用新型作进一步说明。

图1是一种LC型双参数传感器的结构示意图。

图2是第一金属层的结构示意图。

图3是第二金属层的结构示意图。

图4是湿度敏感单元的结构示意图。

图5是压力敏感单元的结构示意图。

图6是柔性薄膜通孔的位置示意图。

具体实施方式：

为进一步阐释本实用新型为达成预定实用新型目的所采取的技术手段，以下结合附图以及较佳实施例，详细说明如下：

图1所示为本实用新型提供的双参数传感器的结构示意图。一种LC型双参数传感器由第一金属层1、第二金属层3、柔性薄膜2、导电薄膜4、封装层5、氧化石墨烯薄膜6和可拉伸薄膜7组成。所述第一金属层1由第一叉指电极11、第一电极板12和第二电极板13串联构成；所述第二金属层3由第一平面螺旋电感31、第二平面螺旋电感32、第三电极板33、第四电极板34和第二叉指电极35串联构成。

所述第一金属层1和所述第二金属层3分别贴附在所述柔性薄膜2的两侧，并通过所述柔性薄膜2上设置的第一通孔21和第二通孔22串联。

所述第一平面螺旋电感31、所述第二平面螺旋电感32与所述第一叉指电极11通过所述第一通孔21和第二通孔22串联，组成第一LC谐振回路。所述第一平面螺旋电感31、所述第二平面螺旋电感32与所述第二叉指电极串联，组成第二LC谐振回路。

为了使所述双参数传感器的等效电路满足对称型双谐振电路的对称条件，优选的，第一叉指电极11与第二叉指电极34的形状尺寸完全相同，第一电极板12、第二电极板13、第三电极板33和第四电极板34的形状尺寸完全相同，第一平面螺旋电感31与第二平面螺旋电感32的在工作频率范围内保持相等，电感范围均为0.1～180μH。

为缩短所述双参数传感器的两个谐振频率的差值，所述第一平面螺旋电感31与所述第二平面螺旋电感32嵌套在一起，旋转方向相反，因此，互感耦合因子k小于0。

所述氧化石墨烯薄膜6覆盖在所述第一叉指电极11上，共同组成湿度敏感单元。

采用氧化石墨烯作为湿敏材料，是因为氧化石墨烯是一种极为重要的功能化石墨烯衍生物，其基本结构为单层的氧化石墨，呈现二维平面蜂窝层状结构。在石墨烯表面缺陷处以及边缘处等位置存在多种含氧活性基团，因而氧化石墨烯较易产生各种理化反应，并可进行功能化修饰。与石墨烯及还原氧化石墨烯相比，氧化石墨烯的表面与边缘存在大量含氧基团，能够与水分子中的极性基团相互连接形成氢键，具有极强的亲水性。

相比于聚酰亚胺式的电容型湿度传感器，氧化石墨烯的表比面积更大，因而响应时间更短，从而可以提高所述双参数传感器的灵敏度。

进一步，所述氧化石墨烯薄膜6位于所述双参数传感器顶层。

所述柔性薄膜2的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯，具有柔性可弯曲的特点，使得所述双参数传感器能够适应各种不同应用场景的需求。

所述可拉伸薄膜7贴附于第二叉指电极35，构成压力敏感单元。

为了提高所述双参数的灵敏度，优选的，所述导电薄膜4为ITO薄膜，所述可拉伸薄膜7为带有表面微型金字塔阵列的PDMS薄膜。所述ITO薄膜4的硬度高，在外力作用下，所述PDMS薄膜7表面的锥形微结构发生形变更明显，使对压力的测量更加灵敏。

所述导电薄膜4具有良好的导电性，将所述PDMS薄膜7和所述封装层5分隔开。

所述所述封装层5为双向拉伸聚丙烯薄膜，位于传感器底层，作为电路结构的封装保护层。

为了提高所述双参数传感器的精度，优选的，第一金属层1和第二金属层3的材质为铜。因为铜的电阻率低、阻抗小，使谐振频率变化明显，测量精度更高。

所述双参数传感器的工作机理是，基于电路谐振与磁场耦合原理，具有两个相互独立的工作模态，分别对应不同的LC等效谐振电路，其谐振频率之间互不干扰，分别只随第一叉指电极11和第二叉指电极35的电容值变化而变化，不受第一平面螺旋电感31与第二平面螺旋电感32之间互感的影响，即可利用双谐振技术实现多参数测量。

对于一个由N对叉指组成的平面叉指电极，其电容值的理论计算表达式为：

C＝(N-1)εlh/g

ε＝ε₀ε_r

其中，l，h和g分别为叉指的长度、厚度以及间隔，δ_r为相对介电常数，δ₀为真空介电常数8.85×10^-12F/m。

当环境中的相对湿度发生变化时，第一叉指电极11表面的氧化石墨烯薄膜6的介电常数随之改变，从而改变第一叉指电极11的电容值大小，进而引起LC型湿度传感器谐振频率的偏移。该谐振频率可以通过一个外界读数线圈无线读取，从而计算出相对湿度的大小。

在外界压力作用下，PDMS薄膜7表面的锥形微结构发生形变，第二叉指电极35与ITO导电薄膜4之间的间距减小，从而引起第二叉指电极35的电容值变化，进而LC谐振回路的谐振频率随之改变，该谐振频率可以通过一个外界读数线圈无线读取。由于谐振频率与压力呈线性关系，从而得到外界所施加压力的大小。

本实用新型基于电路谐振与磁场耦合原理，体积小、寿命长、结构简单、适应性强，在无需任何有源元件的情况下即可实现多目标参数的无线探测。基于上述优点，所述双参数传感器可克服传统传感器应用场景的复杂性与多样性的不足，在无线传感器网络建设中拥有广阔的发展前景。

以上是对本实用新型的较佳实施进行了具体说明，但本实用新型并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围。

Claims (10)

1.一种LC型双参数传感器，其特征在于：所述双参数传感器由第一金属层、第二金属层、柔性薄膜、导电薄膜、封装层、氧化石墨烯薄膜和可拉伸薄膜组成；所述第一金属层由第一叉指电极、第一电极板和第二电极板串联构成；所述第二金属层由第二叉指电极、第一平面螺旋电感、第二平面螺旋电感、第三电极板和第四电极板串联构成；所述氧化石墨烯薄膜覆盖在所述第一叉指电极上，构成湿度敏感单元；所述可拉伸薄膜贴附于所述第二叉指电极，构成压力敏感单元。

2.如权利要求1所述一种LC型双参数传感器，其特征在于：所述第一金属层和所述第二金属层分别贴附在所述柔性薄膜的两侧，并通过所述柔性薄膜上设置的通孔串联。

3.如权利要求1所述一种LC型双参数传感器，其特征在于：所述封装层为双向拉伸聚丙烯薄膜，位于所述双参数传感器底层。

4.如权利要求1所述一种LC型双参数传感器，其特征在于：所述氧化石墨烯薄膜位于所述双参数传感器顶层。

5.如权利要求1所述一种LC型双参数传感器，其特征在于：所述导电薄膜为铟锡氧化物透明导电薄膜，将所述可拉伸薄膜和所述封装层分隔开。

6.如权利要求1所述一种LC型双参数传感器，其特征在于：所述第一叉指电极与所述第二叉指电极的形状尺寸完全相同。

7.如权利要求1所述一种LC型双参数传感器，其特征在于：所述第一电极板、所述第二电极板、所述第三电极板和所述第四电极板的形状尺寸完全相同。

8.如权利要求1所述一种LC型双参数传感器，其特征在于：所述第一平面螺旋电感与所述第二平面螺旋电感嵌套在一起，旋转方向相反，电感值的范围为0.1～180μH。

9.如权利要求1所述一种LC型双参数传感器，其特征在于：所述柔性薄膜的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯。

10.如权利要求1所述一种LC型双参数传感器，其特征在于：所述一种可拉伸薄膜为聚二甲基硅氧烷薄膜。

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