电感耦合驱动的无源无线MEMS开关控制方法研究

Passive wireless sensors and actuators are the frontier research fields of the Internet of things. Their application fields include the internal of the human bodies, sealed container of foods and medicines, moving or rotating objects and harsh environments. It is necessary to add switch units to control these passive wireless sensors and actuators systems. The transmission and control of the passive wireless sensors and actuators systems are wireless, and no power and no battery are contained, so the added switch control units have to be wireless, powerless and having no battery. This project is the first to propose an inductive driven passive wireless MEMS switch control approach. The core research content of this project is to establish the design and implementation methods of the inductive driven passive wireless MEMS switch control unit, which includes: (1) design of the transmitting and the receiving inductor/inductor array; (2) design and fabrication of the MEMS switch used for passive wireless system; (3) design of the passive wireless MEMS switch array system and the selecting problem of the switch array. Achievements of this project can provide a good reference for the Internet of things.

无源无线传感器和执行器是面向物联网应用的前沿研究领域，适合于人体内部、食品/药品容器等密封环境或机械旋转等恶劣环境中应用。在无源无线微型传感器和执行器系统中加入开关控制单元十分必要。由于无源无线微型传感器和执行器系统通过无线方式进行传输和控制，且本身没有电源或电池，因此加入的开关控制单元也必须是无线的、没有电源或电池的。本项目首次提出了一种以电感耦合驱动的无源无线MEMS开关控制方案。本项目的核心研究内容是建立一套完整的电感耦合驱动的无源无线MEMS开关控制单元的设计理论和实现方法，包括（1）发射、接收电感线圈/线圈阵列的设计问题；（2）适用于无源无线系统的MEMS开关结构的设计和制备问题；（3）无源无线MEMS开关阵列控制系统设计和阵列选择性控制问题。本项目的研究成果可为物联网领域提供一种有较高参考价值的方法。

物联网技术是世界信息产业的又一次革命，微型传感器和执行器是物联网的核心技术之一。随着物联网技术的不断发展，对微型传感器和执行器的要求也越来越高。在密闭环境或恶劣环境中，无源无线的微型传感器和执行器因为其无线控制、体积小、且不需要更换电池的优点，显示出了巨大的优势。但是，无源无线的微型传感器和执行器系统并不是每时每刻都需要采集数据，因此在无源无线微型传感器和执行器系统中加入开关控制单元十分必要。从国内外目前的研究来看，研究者正试图通过多种途径来对无源无线的传感器和执行器进行通断或机械动作的控制。而无源无线的MEMS开关控制方法还未见报道。.本项目设计了一种以电感耦合驱动的无源无线MEMS开关控制方案，在无源无线微型传感器和执行器系统中加入MEMS开关作为控制单元。分别对电感耦合驱动的无源无线控制单元和MEMS开关进行了电路设计，建立一套完整的电感耦合驱动的无源无线MEMS开关控制单元的设计理论和实现方法，主要研究内容和创新点包括：.首先介绍了电感耦合系统的理论基础，对影响能量传输效率的因素作了分析，为后续的电路设计打下了理论基础。接着提出了电感耦合驱动的无源无线开关控制系统，系统包括两部分：初级系统和次级系统，主次系统间通过电感耦合进行能量传输，次级系统与MEMS开关相连，通过初级系统发射不同频率的信号，控制不同的MEMS开关的通断。然后，设计并制备了适用于无源无线系统的MEMS开关，设计了三种横向静电叉指驱动MEMS开关，采用SOIMUMPs工艺进行制造。最后通过实验实现了无源无线MEMS开关阵列控制系统设计和阵列选择性控制。