摘要
随着互联网和信息技术的迅猛发展，物联网这一新兴的高新信息产业逐渐走进大众的视野与生活。而人工智能和物联网技术的加速普及要求应用更多的传感设备来感知和监测物理世界。然而，随着传感器节点数量的增加和电池更换成本的提升，传感器功耗问题逐渐成为人们关注的焦点。因此，无源传感器成为了当今世界的研究热点。此外，无线传感器在使用过程中可以做到非接触式探测，在许多领域都有着广阔的应用前景。其中LC(电容电感)无源无线传感器更因具备尺寸轻小、功耗低、成本低等优点而得到广泛应用。但现有的LC无源无线传感器普遍存在着读取距离短的问题。针对这个问题，本文提出一种柔性LC无源无线压力传感器，其在保证宽量程与良好灵敏度的同时，具有相对较长的检测距离。以下是本文主要的研究内容： (1)介绍无源无线传感器的基本种类和LC无源无线传感器的发展历程。阐述LC无源无线传感器的工作原理，并设计回路中的电感与压敏电容元件。为了提高电容电介质的介电系数以提高灵敏度，介绍介电应变效应，并提出一种利用磁场来控制掺杂的增敏粒子的分布的方法。 (2)设计制备出一种高灵敏度的柔性压敏电容。介绍了这种压敏电容的结构以及制备流程，利用控制变量法制备出多个压敏电容，并在0kPa-500kPa的压强范围内对其性能进行对比测试，筛选出实验效果最好的制备条件。对压敏电容进行压敏测试、应变测试、介电损耗测试和可重复性测试。验证制备方法的鲁棒性并对压敏电容进行阻抗分析，构建出它的等效电路模型。 (3)基于上述压敏电容设计制备出一种宽量程柔性LC无源无线压力传感器，对这种传感器的内部结构以及制备流程进行介绍。搭建测试系统，并在0kPa-101kPa的压强范围内，对LC无源无线传感器进行可重复性、检测距离以及应用测试实验。验证压敏电容对LC无源无线传感器灵敏度的提升作用。将传感器放置在水中进行实验，以测试其在特殊环境下的传感性能。 本文主要有两个创新点：第一，采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为柔性基底材料，掺杂纳米铁粒子（nmFe）和聚偏二氟乙烯（PVDF）两种增敏粒子，并在外部施加磁场以控制电偶极子分布。通过这种方法制备出一种压敏电容，使得电容变化倍率在0kPa-500kPa的压强范围达到了25倍，极大优化了电容的压敏性能。第二，成功实现一种柔性LC无源无线压力传感器，这种传感器可以在空气和水环境下对0kPa-101kPa范围内的压强进行非接触式检测，且有着较长的检测距离。这种传感器可以很好地在如食品、药品包装内气压检测的应用场景中得到应用。
NETL