纳米级热线探针高均匀性亚声速校准器的开发

《IEEE Sensors Journal》：Development of a High-Uniformity Subsonic Calibrator for Nanoscale Hot-Wire Probes

　　

摘要：

柔性无线无源传感器在复杂环境中常因温度漂移和空间波动而产生交叉干扰。虽然传统的 LC 传感器本质上受限于仅依赖谐振频率跟踪的单参数输出框架，但由于对维持高品质因数（Q）的严格要求，探索额外的传感维度仍具有挑战性。为突破这一限制并扩展观察窗口，本文提出了一种基于异质复合电极和主动损耗调制策略的 LCR 传感架构。通过利用高 Q 值螺旋电感来补偿初始耗散，该架构在热塑性聚氨酯（TPU）基底上集成了基于银浆的稳定几何电容和基于液态金属低熔点镓铟合金（EGaIn）的应变敏感电阻。在非接触测量的固有欠耦合模式下运行，该传感器利用应变引起的阻抗失配加剧效应，将机械应变转化为双参数正交响应：谐振频率偏移和回波损耗（ S11 ）衰减。实验结果表明，该系统在 0%–50% 拉伸应变范围内表现出精确的特征隔离。具体而言，在宽温度范围（ 25 ° C– 100 ° C）内， S11 幅度波动被抑制至 1 dB 以下，而当耦合距离从 5 到 15 mm 变化时， f0 的最大漂移仅为 0.5%。得益于这些正交特性，该系统有效地消除了多物理场信号串扰，为复杂环境中的高鲁棒性监测提供了一种可行的器件级策略。

一、引言

在物联网（IoT）和可穿戴电子设备的快速普及驱动下，人体生理信号的结构化实时原位监测已成为学术界和工业界的焦点 [1], [2], [3], [4], [5]。在众多传感技术中，近场无线无源传感器由于其免电池运行、紧凑的架构和卓越的环境适应性而展现出巨大的潜力 [6], [7], [8], [9], [10]。传统无线无源传感器主要依赖于谐振原理，通过监测谐振频率偏移来获取应变信息。这种单参数机制在理想条件下表现出高灵敏度，并受益于成熟的制造工艺，因此被广泛应用于无线监测 [11], [12], [13], [14], [15]。为了在实际无约束场景中扩展动态监测范围，对无线无源传感器架构的全面综述强调了在复杂多物理场干扰下维持结构稳定性的高级拓扑配置的迫切需求 [16]。