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文 | 寰宇史书

编辑 | 寰宇史书

(相关资料图)

审查现有和提议的传感器设计

开发的应变传感器基于各种超材料相关出版物中使用的电LC（ELC）谐振器，该谐振器被认为是一种基座谐振器，通过它可以实现应变传感。

因为它具有小尺寸，并且具有较大的中心电容，其他工作已在成功的传感器设计中使用了该电容。

从现有的无芯片RFID应变传感器设计文献可以看出，所开发的谐振器利用各种不同的变形机制来改变其谐振响应。

这些包括弹性变形，弯曲以及某种程度上的刚体运动，当基板在导电区域之间膨胀以导致电容变化或电容/电感耦合变化时，就会发生后者。

对该领域当前文献的另一个观察是，使用弹性变形或弯曲作为主要传感方法，极大地强调了沉积导体的机械性能。

Min等人在中创建了一个成功的设计，其中利用了基于AgNP/MWCNT的沉积，支持超过20%的应变水平。

其他工作如Teng等人中的工作，在很大程度上依赖于MLA天线的弯曲，并支持高达50%的应变水平。

后一项工作利用液态金属加林斯坦来支持这些应变水平，其他设计侧重于检测低于10000με（1%）的应变水平，例如引用的应变水平。

值得注意的作品包括Thai等人在中利用悬臂机构开发高灵敏度应变传感器设计的作品。

尽管这些工程实现了非常令人印象深刻的应变灵敏度，但它们需要制造悬挂式悬臂，这给使用直接写入技术实现这些设计带来了极大的制造复杂性。

Chuang·Thomson和Bridges在和其他作品中的工作已经开发出可以用RF频率询问的应变敏感谐振腔设计。

然而这项工作中提出的设计和分析侧重于平面设计，以便可以使用喷墨或气溶胶沉积等技术轻松原位沉积。

对于本次讨论来说，重要的是，上述许多传感器设计使用不同的谐振器类型和不同的基板材料，并在不同的频率下工作。

一些工作试图使用诸如应变系数、最大范围和许多其他指标等指标来比较这些不同的应变片设计，以比较各种无芯片RFID应变片设计。

然而，这样的比较似乎并不能揭示最佳的无芯片RFID应变传感器设计。

本文之所以提出这一观点，是因为似乎无法比较在各种不同应变范围内工作的应变传感器，因为不一定每个谐振器设计（SRR、ELC、MLA）都能够实现任意的应变灵敏度和范围。

一般来说，基板材料的选择及其高度似乎将决定应变传感器的总体性能，而导体和基板的相对机械性能将决定谐振器内的主要变形机制，对现有RFID传感器文献的一个观察结果是。

与其他传感器相比，表现出多种变形机制的传感器似乎表现出更令人印象深刻的性能，并且可能更容易支持刺激范围的巨大变化，这些变化可以通过改变基板材料来定制。

这一观察是基于这样一个事实，即大应变水平（>20%）需要高度定制的基板才能将该应变转换为适合纯粹通过弹性变形运行的应变谐振器的水平（<0，5%）。

专用基板材料的使用

本节的下一点是强调使用位于MUT和谐振器之间的专用基板材料的优势。

在很大程度上，许多介电应变传感应用可以避免这种添加的需要，但包括施加谐振器的已知介电材料具有优势，检测金属或一般导电材料的应变将需要在MUT和谐振器之间使用中间材料。

在RCS响应中具有一致的谐振响应位置将是有利的，使用专用基板将有助于实现，因为介电MUT可能具有显著不同的介电常数。

某些介电材料具有显著的损耗角正切，使用中间电介质有助于减轻其对传感器谐振响应的不利影响。

传感器的应变性能（灵敏度和范围）可以通过使用特定的基板材料和高度来调整。

MUT的表面粗糙度和曲率水平很高，可能会导致难以成功/准确地将谐振器沉积到位，基板材料可以帮助为导体沉积提供光滑、平坦的表面。

这种材料可能会对应变传感器的功能产生负面影响，这种情况如何发生的例子包括底物膨胀的影响，如果这种材料的膨胀系数与MUT的膨胀系数不同。

这将成为一个特别感兴趣的问题，这种情况很可能会发生，某些材料可能很容易吸收MUT在其底面内引起的应变。

并且不能成功地将这种变形传递给其顶表面上的谐振器，当MUT处于低应变水平时，这很可能只是柔性基材（如软橡胶）的问题。

虽然基板高度可以改变，但容易沉积的薄膜的厚度分辨率会受到限制。

基板材料的选择可能不在传感器设计人员的自由选择范围内，因为传感器的使用环境可能决定使用不利的材料。

总体而言，需要专用基板来检测金属，并且由于金属的证明应变约为0.2%，因此该基板很可能需要足够刚度才能将这些应变传递到谐振器上。

同样，其他应用将需要更大的应变范围，并且需要更灵活的基板。

因此，支持所有这些可能情况的最佳方法是开发可在所有这些条件下运行的传感器设计。

传感器建模

基于Ansys园区的FEM软件用于执行这项工作中的相关传感器仿真，AnsysHFSS用于模拟该器件的电磁行为。

AnsysMechanical用于执行相关的稳态结构和热/湿度分析，以前的仿真环境包括电磁仿真的所有相关材料属性，机械建模所需的其他参数取自相关已发表的文献。

HFSS环境利用内置的网格划分系统，该系统以迭代方式提高网格分辨率，使特定（网格划分）频率下的结果在连续网格迭代之间的一定偏差内收敛。

在距离传感器10cm处使用平面波激励，并使用双基地RCS结果来探索零位置的方向依赖性，为了模拟金属上层的影响，使用了完美电导体（PEC）边界条件。

这种传感器设计旨在支持不同的基板类型，以便可以定制传感器的灵敏度和范围。

为此，AnsysMechanicalFEA建模用于评估不同类型的加载过程中不同变形机制（膨胀、弯曲、刚体运动）发生的程度。

物理测试结果清楚地证明了该谐振器在与软基板材料一起使用时的应变传感能力。

由于聚酰亚胺比橡胶硬得多，因此传感器运行中刚体运动的程度无疑会降低，因此，评估每种变形机制对传感器运行的贡献非常重要。

较硬的基材可能会受益于额外的新型基板修改，例如槽等，以便可以更具体地定制设备灵敏度。

聚酰亚胺在航空航天环境中的性能已经得到了很好的表征，它们的交叉敏感性已经在文献中得到了广泛的探讨。

电磁仿真结果

概述的传感器设计用聚酰亚胺基材可以看到，该响应包括该设计在有和没有金属上层的情况下的响应。

这些模拟和物理测试表明，该谐振器似乎在金属超上表现出单独的共振模式，这种模式被认为是由谐振器侧面之间发生的基于单极子的耦合谐振引起的。

这里提到的结果显示了两个共振位置，一个来自有限尺寸的金属超层，另一个是由于传感器的存在而发生的。

尽管在仿真和测试中都收集到了有希望的应变敏感结果，但“金属上”共振响应似乎表现出一些与基底损耗正切相关的强依赖性，以及与上层尺寸相关的其他依赖性。

需要进一步研究该设备的“金属”性能，类似于中发现的性能，但初步结果表明它可以作为这些材料的可行传感器运行。

总体结论

这项工作着手开发一种新型无芯片RFID应变传感器，并已成功实现，在这项工作中开发的应变传感器表现出令人印象深刻的应变系数，超过了单位，并且有足够的证据表明它应该在各种不同的导体-基板材料组合下成功运行。

更一般地说，本文试图拆除目前用于开发无芯片RFID应变传感器的策略，该策略在很大程度上导致了基板材料的比较。

对湿度和热诱导膨胀的探索表明，这些影响足以阻碍分辨率为10με的应变传感，此外，鉴于肿胀是本分析中唯一考虑的影响。

交叉敏感性的一般问题似乎不可避免地是一个比这个小工作机构中描述的更大的问题。

未来工作

这项工作提出了一种改进的ELC谐振器，主要是因为它适用于支持大变形和高灵敏度，存在其他具有其他优点的设计，例如极化不敏感和/或对传导超值的强操作。

推进单一设计的主要原因是，它将允许随后集中探索围绕应变传感的其他挑战，例如各种交叉灵敏度、方向限制和完整的原位制造，这项整体工作的未来目标如下：

（1）概念验证应变感应低于 0.2%，在刚性基板上采用增强型谐振器设计，该传感器应利用这项工作在很大程度上避免的其他变形机制。

（2）传感器制造使用成熟的原位制造方法，该方法将支持一致的电气、热和机械传感器特性，然后，应在湿度和温度等不同环境条件下进行可靠的物理测试，

（3）全面表征该传感器在低于0.2%应变的介电和导电超速下的性能。

（4）探索设计方法，以减轻/补偿该电流传感器设计可能的横向应变灵敏度。

关键词：