无线、集成化无源传感器技术基础研究

物联网在智能交通、生态监视、智能医疗、公共安全、国防军事等领域有广阔的应用前景，我国已经把物联网作为战略性新兴产业大力推动。传感器是物联网的核心技术之一，而对于人体内部、密封的药品等密封环境或机械旋转以及恶劣环境中的应用，要求无线读取传感器信号，这类应用需要低功耗、微型化、低成本以及多功能的传感器。本项目创新性地提出一种基于全无源元件的无线、集成化无源传感器结构，能够同时测量多个环境参数。项目将解决这种多参数测量中无源元件设计基础问题；探明不同敏感电容及电感之间的耦合问题；提出传感器子系统的有效遥测方法；提出从系统的输入阻抗提取多个待测参数的方法。在工艺上，解决多层电感制备的兼容工艺问题，实现同时制备多种敏感结构的工艺方法及其传感器的封装方法。通过这些技术基础问题的解决，研制出基于全无源元件的无线、集成化无源传感器系统原型，为本领域的发展提供一种有较高参考价值的方法。

对于人体内部等密封环境或机械旋转等恶劣环境中的应用，要求无线读取传感器信号，这类应用需要低功耗、微型化、低成本以及多功能的传感器。本项目创新性地提出一种基于全无源元件的无线、集成化无源传感器结构，能够同时测量多个环境参数。1.提出了一种缠绕方向特定的叠层电感，能够抑制电感之间互感耦合带来的影响。实现了同时、独立地进行湿度、温度、压力等三个参数的测量；提出了一种将开关集成到LC传感器中的多功能无源无线LC传感器，实现了湿度、压力的独立测量；提出了从LC无源无线传感器谐振频率和实部最大值提取双参数的方法，实现了温度和湿度的同时测量。2. 研制了一款用于测量无线无源LC谐振式传感器的便携式读出电路，测量结果可连接到上位机显示。3. 提出了一种无源无线的自适应中继线圈，读出距离提高了3.2倍；提出了一种工作频率可调的左手材料（LHM），通过这种左手材料增强了LC传感器读出空间的磁场强度，提高了读出距离。4. 研制了高灵敏的无源无线湿度传感器，其敏感电容采用CMOS MEMS工艺，感湿膜采用了氧化石墨烯。测试结果表明，其灵敏度比基于聚酰亚胺的湿度传感器提高23倍；提出利用双层电感之间的交叠电容作为敏感电容，实现了LC 集成湿度传感器，缩小了芯片面积。5. 课题研制的无线、无源、多参数微纳传感器与系统在上海三一重机股份有限公司部件涂装车间两个喷涂房成功进行了应用演示。本项目实施过程中，项目组在本领域重要的国际会议和期刊上发表论文27篇，其中在国际期刊（IEEE JMEMS、IEEE SENSOR J、IEEE TCAS-I等）上发表论文13篇，在国际顶级期刊JMEMS发表LC无源无线传感器综述论文，在国际主流会议 (IEEE MEMS、IEEE Transducers、IEEE Sensors等)上发表论文14篇。培养研究生19名，项目负责人被选为IEEE FELLOW。申请国家发明专利23项，授权专利10项。项目组成功组织并承办了APCOT 2012会议，与国外同行进行了深入的学术交流与合作。