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高品质因数LC无线无源压力传感器的优化设计 针对恶劣环境下压力信号精确测量和实时监测的迫切需求， 该文基于LC谐振电路设计提出了一种高品质强耦合的无线无源压力传感器的优化设计， 并针传感器的性能进行仿真优化分析&在MtWb仿真分析了获得了用于设计高品质因数传感器电感线圈的对比参数后， 对拥有不同参数LC谐振电路的传感器进行耦合仿真优化设计。 仿真结果表明， 为了使传感器具有较高的品质因数， 传感器上的电感线圈不能过多， 11圈为最佳， 且电感线圈的线宽和线距加宽到0.5 mm,厚度增加到70 'm时， 传感器具有较强的信号传输能力和良好的稳定性。 该文所研究的设计方法为实现高精度高稳定性的无线无源压力传感器的设计与研究提供了思路借鉴。 0引言 高温等恶劣环境中的一些关键参数在汽车、 航空航天和工业应用中变得越来越重要［ 1—2］ ） 尽管一些传感器性能良好,但大多数传感器是带电的， 这限制了它们在实际工作环境中的使用寿命［ 3_6］ 。 该问题的一种可能解决方案是通过磁场辐射为传感器供电， 这不需要传感器使用电池供电;这种方法还可以防止系统结构中的灾难或故障⑺ 。 高温传感器［ 8-9]、 眼压传感器〔 10-11]、 湿度传感器[12]等被动压力传感器由于性能稳定、 体积小， 适用于恶劣环境下的无线非接触式测量， 如高温环境和医疗环境等。虽然这些传感器可以在恶劣的环境中工作， 但在接触外部天线时无法达到可接受的传输效率和实际通信距离。 传感器的品质因数描述了能量存储和能量消耗之间的关系， 并且是给定LC谐振传感器的能量传输效率的量度。 更高的品质因数有利于通过电感耦合获取功率以及将数据传输到外部接收器。 随着传感器的品质因数增加， 其在能量传输方面的性能也将增加。 此外， 由于电磁振荡需要较少的能量消耗， 因此传感器中存储的能量越多,能量消耗就越低。 因此， 对于LC谐振电路,具有高品质因数的传感器可以提高电感传输功率、 耦合强度以及传感器与测试天线之间的耦合距离。 并且,在谐振(LC)无线无源传感器的设计和制造过程中,需要考虑压力传感器的电气性能， 包括电阻、 电感和电容， 这些对传感器的品质因数有显著影响。 该文研究的主要目标是设计高品质因数无线无源压力传感器， 其电气参数针对更高的品质因数进行了优化， 以提高传感器与外部天线之间的耦合强度。 我们仿真分析了电感线圈的电感和电阻对传感器品质因数的影响,得到了最优的电气性能设计参数的大致范围。 并通过HFSS仿真软件对这些参数进行具体的仿真分析， 从而得到最优的电气性能设计参数,为高可靠性的传感器设计提供了基础。 1无线非接触测量原理
图1无线无源传感原理和压力传感器设计及耦合示意图 传感器的谐振频率可以表示为：
其中:厶和Cs分别为传感器的电感和电容。 图中测试天线端的输入阻抗：
从式!3)中,我们可以看出， 相位下降幅度取决于 >和仁它们决定了传输性能和信号强度。 但是,L主要取决于电感线圈的平面尺寸以及天线与传感器之间的耦合距离。 因此， 我们可以通过提高传感器的品质因数Q来增加传感器与测试天线之间的耦合强度。 2 Matlab仿真分析 根据LC串联谐振电路的品质因数定义Q =(L/C#1/2/R,我们可以得出结论， 传感器的Q可以通过降低LC谐振电路的电阻和电容来提高， 也可通过增加传感器的电感来提高。 但是， 对于传统的无线无源LC陶瓷压力传感器， 如果电容设计得过大,则电容腔容易塌陷;如果电容设计得太小,传感器的灵敏度就会变低， 不利于精确的压力测量。 根据品质因数的计算公式， 用MatWb软件对电感线圈的电感值、 电阻值及串联电容值与品质因数的关系进行了仿真分析。 图2显示了电感线圈的电感值和串联电容的电容值对品质因数的影响。 从图中可以看出， 当电阻值固定为5 %时， 品质因数Q随着电容值C的增加而减小， 并逐渐趋于恒定。 随着电感值L的增加， 品质因数Q会增加。当电容值增加到一定值(图中为30 pF#时， 品质因数基本不随电容值的变化而变化,而随着电感值的增加变化不明显， 因此电容值为串联电容不能太大， 如图2所示， 当电容值在2 pF到30 pF之间时,有利于品质因数的提高。 因此， 传感器的电容通常设计为5 pF左右。 2.2电感线圈参数对电感值、电阻值的影响 当电容大约为5 pF时， 电感和电阻对品质因数Q的影响如图3所示。 从图3中， 我们观察到品质因数Q随着电阻R的减小而增加， 且随着电阻值变化而引起的变化比较大。 同样随着电感L的增加,品质因数Q也会增大， 但随着电感L的继续增加,品质因数Q的变换趋于平稳。 而当电阻较小时， 品质因数很大,且随着电感值增大,Q值变化很大。 因此， 在设计电感线圈时,应增大电感值的同时尽量减小电感线圈的电阻。 当电感线圈的电感值为2000 nH时， 电感线圈电阻值和串联电容的容值对品质因数的影响如图4所示， 品质因数随着电阻值的变化而引起的变化比较大， 当电阻值较小时,随着电容值的减小， Q值变化很大。 因此， 相对于电感的增大， 我们更应针对更小的电阻值进行优化。 综上所述， 电感线圈的电感值、 电阻值及串联电容的容值对电感线圈的品质因数都是有影响的,其中， 电阻值对品质因数的影响相对来说比较大。 虽然电感值的增大有利于品质因数的提高， 但电感值的增大会引起电阻值增大,所以设计电感线圈时， 应以电阻值的减小为主， 在增大电感值的同时尽量减小电感线圈的电阻值。 如图6所示。 我们观察到当电感线圈的内径固定时， 电感线圈的电感随着电感线圈的匝数增加。 而且， 线宽和线距越大， 电感线圈的匝数越多,越有利于增加电感。 3传感器结构设计及仿真 通过上述MatWb仿真得知， 当电感线圈的匝数增加到11圈左右时， 电感线圈的线宽和线距增加到0.5 mm左右时， 电感线圈的厚度增加到50 'm时,有利于提高传感器的品质因数Q和LC无源传感器的无线信号传输强度。 但电感线圈的厚度继续增大后， 电阻变化很小， 继续增大线圈厚度， 品质因数Q也不会有较为明显的提高。 针对上述仿真结果， 我们在HFSS仿真软件中建立如图9的传感器和读取天线模型， 通过改变其中某些参数对无线无源传感器进行耦合仿真， 进而对其进行优化设计。 其电参数用字母表示,sub - =和sub -y分别为基底的长和宽,sub - h是基底的厚度,a为线圈内径,c为线圈的厚度， w为线圈线宽， s为线圈线距， N为线圈匝数。
模型平面图
模型立体面 3.2线圈匝数的优化仿真设计 首先对线宽/线距（ 6/sS为0.4 mm,而匝数分别为7〜 15圈的传感器进行耦合仿真优化,其仿真参数如表1所示， 传感器与线圈匝数对于传感器的Sh幅值的影响的仿真图如图10所示。 电感线圈的线宽及线间距均为0. 4 mm,从图10可以看出， 线圈匝数为11圈时,天线与电感线圈的耦合效果最好,结合之前的分析， 得知这是因为当电感线圈的匝数增加至某一临界点后后,随着电感线圈匝数的增多,虽然线圈的电感有所增加， 但是同时线圈的电阻值也在增大， 从而降低了传感器LC谐振电路的品质因数， 仿真结果证明， 匝数为11圈， Q值最大， 有利于传感器谐振信息的提取。
表1线圈匝数不同的传感器参数 3.3线圈线宽/线距的优化仿真设计 其次在得知线圈最佳匝数后， 用线宽/线间距不同的电感线圈进行无线耦合仿真优化,其改变的仿真参数如表2所示， 电感线圈的匝数均为11,而线宽/线距! 6/\）从0.3〜 0.6 mm变化， 其他参数不变， 其Sn幅值变化的仿真如图所示,在得到其Sn幅值随其的变化趋势， 由图可以发现， 线宽/线距（ 6S从0. 3 mm到0. 5 mm变化趋势最大，并在其附近达到最深， 超过0.5 mm后， 其变化微乎其微， 尤其在超过0.55 mm之后。 这与之前的仿真结果相符,即较大的线宽及线间距使得电感线圈的电阻变小,谐振电路的品质因数Q得到提高， 从而使得传感器的谐振点更明显。 但继续增大造成电阻的变化极其微小， 并不能对品质因数Q的提高具有明显的效果。 因此结合图8和图II的结果分析， 同时为了传感器的小型化， 线圈线宽/线距可选择在0.5 22左右。
表2线圈匝数不同的传感器参数 3.4线圈厚度的优化仿真设计 从之前的分析我们可以看到， 当电感线圈的线宽和线距增加到0. 5 22时， 电感线圈的厚度增加到50,电感线圈的电阻值已经很小,继续增加其厚度,电阻的大小基本没什么变化， 也不会对传感器的品质因数有明显的影响。 基于以上分析， 在之前线宽/线距（ 6/s）为0.4 mm,匝数为I0圈的线圈模型基础上， 令其线圈厚度从0. 0I -0.08 22变化，进行耦合仿真， 其他参数不变， 其仿真参数如表3所示。 从图II可以看出，天线与电感线圈的耦合效果随着线圈厚度的增大越来越好， 这是因为当电感线圈的厚度增加后， 线圈的电阻值减小， 从而提高了传感器LC谐振电路的品质因数， 有利于传感器谐振信息的提取。 但结合图7的分析， 当线圈厚度增加到50后， 其引起的电阻变化是微乎其微的， 反应在图I2中当线圈厚度在0.07 mm之后， 继续增大线圈厚度， 并不能获得更明显的耦合效果,意义并不大， 故我们可以把线圈的厚度设置为70。 4结论 参考文献： [1] JOHNSON R W,EVANS J L,JACOBSENP , ct at. changing automotive environment: high — temperature cmctronics [ J -. IEEE Transactions on Electronics Packaging Manufacturing, 2005 , 27(3) &164 - 176. [2] WERNER M R, FAHRNER W R. Review on materials,microsensors, systems and devices for high — temperature and harsh — environment applications [ J -. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2001, 48(2) &249 -257. [3]- XIE F,WANG B, WANG W, ct t. Continuous towing micro — reactor for aqueous reaction at temperature high than 100o C [ J ]. Biomicroeuidics, 2013 , 7 ( 3 ) : 98 —103. [4] 宋子军， 张聪， 赵涌， 等.一种用于恶劣环境下的贴片式MEMS压力传感器[J].测控技术， 2019, 38(7):5. [5] 吴凌慧， 徐冬.一种耐高温、 耐恶劣环境大压力传感器的设计[J] •应用科技， 2018, 45(4) ： 5. [6] 乔东坡， 王超.基于电池供电的无线压力传感器设计[J] •电子世界， 2016(17)： 2. [7] ARSHAK K, JAFER E. Modeling of wireless based sensors data acquisitions systems used foc esophaaus monitcOng [ J -. Sensors & Actuators A Physical, 2008 , 142(1) &390 -397. [8] 贾蔓谷， 熊继军， 李晨.耐高温HTCC无源振动传感器设计与仿真研究[J].传感器与微系统,2021,40(9) ： 26 -29. [9]- VYSOTIEAY E, RIEAKHANOV R, SIGALAEV S, ctat. Sensitive elements of high temperature pressure sensors formed from a doped polycwsellinc diamond [ J -.MateeoaesScoenceFoeum, 2021 , 1031 ： 178 -183 . [10] 罗健.LC无线无源眼压传感器信号采集电路设计[D].武汉:华中科技大学， 2019. [11] PHAN A, TRUONG P, SCHADE C, ct at. InvestigaWon of long term drift of an intraoculac pressure sensoc[J]. Microsystem Technolooics, 2021,7 : 1 - 7. [12] 王艺蒙， 舒浩文,韩秀友.高精度硅基集成光学温度传感器研究[J].中国光学,2021,14(6) ：7
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