一种基于导电水环的无线无源温压传感器及其制备方法

本发明属于传感器制造，具体涉及一种基于导电水环的无线无源温压传感器及其制备方法。

背景技术：

1、开口谐振环(split ring resonator,srr)是一种用于微波频率的人工电磁材料单元结构。与组成材料无关，具备srr结构的导电体就能拥有一类天然材料所不具备的特殊电磁性质，如负折射率、完美透镜效果等。srr通常由一个或多个金属环组成，每个环内部有一小开口。这种结构可以看作是一个具有高度局域电感和电容的微型谐振器。电感主要由环的金属部分提供，而电容则由环的开口部分产生。当电磁波与srr结构相互作用时，srr可以在其共振频率附近产生强烈的电磁响应。这种响应可以通过改变srr的尺寸、形状、介质层的材料或开口大小来调整。利用这种特性，通过监测srr谐振频率的偏移可以反推环境参数的变化，实现传感的作用。由于这一类传感器不需要附加电源或外接测量电路，可以独立于测量系统之外单独安装在待测目标内部，因此在封闭、恶劣等环境下具有不可替代的作用。

2、目前srr传感器的研究以金属环配合绝缘介质基底为主。尤其采用陶瓷等基底材料可以实现在高温高压等恶劣环境的传感需求。但也因为陶瓷基底具备很高的强度，因此该类传感器很难对微小的压力产生相应。同时现有srr传感器均是采用谐振频率来预测环境参数，在多参数测量时因多参数相互干扰难以获取精确的数据。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种使用导电溶液替代金属作为电导体的传感器件，配合绝缘的柔性基底制备得到的温压耦合传感器，对比现有的srr传感器具备较高的压力灵敏度，对温度与压力的响应彼此独立不干扰，且制备工艺简单、生产成本低，制备工艺同样适配其他复杂结构的无线无源传感器件。

2、为达到上述目的，本发明创新性地使用导电溶液替代金属材料作为传感器的导电体，该技术具有以下优点：首先导电溶液与金属相比降低了成本；其次由于液体的流动性，其表现形状完全由承载水环的基底的形状决定，这使得水环相比固态的金属材料对微小的压力更加敏感。最后导电溶液的介电性能会随着温度的变化发生变化，因此传感器也能对温度产生响应，且温度响应机理与压力响应彼此独立，传感器能准确地对温度与压力进行同步测量。

3、本发明的目的是这样实现的：

4、一种基于导电水环的无线无源温压传感器，包括柔性衬底、导电水环，所述导电水环由外开口环和内开口环组成；所述外开口环和内开口环对称中心重合且位于柔性衬底中的同一高度，外开口环的直径大于内开口环，外开口环和内开口环的环部分开启缺口。

5、所述柔性衬底为绝缘的可塑形树脂材料，如聚二甲基硅氧烷(pdms)、共聚酯(ecoflex)等。

6、所述外开口环的材料为具备导电性的高浓度电解质溶液，如氯化钠溶液、硝酸铝溶液、氯化铁溶液等。

7、本发明所述外开口环和内开口环的直径、宽度和高度均可根据需求修改，从而改变吸收峰或反射峰至所需波段；外开口环和内开口环之间的距离变化、缺口的相对位置，均可协助实现灵敏度、工作波段的改变。

8、所述的基于导电水环的无线无源温压传感器的制备方法，包括以下步骤：

9、步骤一，制备和清洁具备外开口环、内开口环结构的原型母模；利用3d打印技术制备原型第一模具与第二模具，并确保表面光滑干净；其中：第一模具具备外开口环、内开口环结构的倒模结构，内部高度为整个传感器底部到导电水环顶部；第二模具内部高度为传感器整体高度；

10、步骤二，制备带有外开口环、内开口环结构的柔性衬底的下半部分；将柔性衬底的原料注满原型第一模具，刮平表面多余部分并保持水平放置；在真空中除去气泡后，在60℃环境固化2小时；

11、步骤三，整理并清洁柔性衬底的下半部分；将衬底脱模，使用紫外清洗设备，照射柔性衬底；紫外清洗设备提供的紫外光源的波长为185和254纳米；柔性衬底离开灯源的距离为2厘米；

12、步骤四，制备导电水环；将部分导电水环的原料注射入脱模的衬底内开口谐振环结构的凹槽中并向预留凹槽中额外添加导电水环的原料；

13、步骤五，封闭柔性衬底，完成制备；将处理完的柔性衬底放入第二模具，缓慢注满聚二甲基硅氧烷的前驱体和固化剂混合液，刮平表面多余部分并保持水平放置；常温下静置4小时等待气泡逸散并初步固化后，在40℃环境固化2小时，完成传感器的制备。

14、本发明提供的传感器为谐振式无线无源压力传感器，是一种基于srr的电磁谐振传感器，作为一种电子标签被安装在待测位置，使用询问天线可以远距离读取信号并传输出去。由于传感器与读取装置可以进行无线通讯，传感器自身无需电源与外接附加电路，因此可以工作在封闭或是其他复杂环境之中。

15、本发明的传感器的工作原理：询问天线向传感器发射一组扫频信号，srr在接收到自身谐振频率的电磁波信号时，会发生谐振把这一部分的能量耦合进传感器内部消化掉，其他频率的信号会反射回到询问天线。通过分析询问天线接收的回波信号，其中被损耗部分的频率就是传感器的谐振频率。

16、对于压力测量，传感器的柔性衬底可以感受微小的压力信号并反映在开口环的形变上，这会导致传感器的谐振频率f发生偏移。通过检测谐振频率的偏移可以实现对压力的测量。对于温度测量，温度变化会使得导电水环溶解度提高，水环中能溶解更多离子导致电导率提高。电导体的电导率提高不会改变传感器的谐振频率(不会影响压力的测量)，同时会导致询问天线与传感器之间匹配关系的变化，表现为输出回波损耗曲线中输入匹配s11减小。因为温度变化不会影响压力的输出，因此可以先得到准确的压力信号，反过来修正温度即可获得准确的压力与温度信息。

17、本发明所得的压力传感器制备简单，对微小压力灵敏度高，可实现对温度与压力无线无源的同步测量，制造成本低廉，材料无毒无污染等优点。

技术特征：

1.一种基于导电水环的无线无源温压传感器，其特征在于，包括柔性衬底(1)、导电水环(2)，所述导电水环(2)由外开口环(3)和内开口环(4)组成；所述外开口环(3)和内开口环(4)对称中心重合且位于柔性衬底(1)中的同一高度，外开口环(3)的直径大于内开口环(4)，外开口环(3)和内开口环(4)的环部分开启缺口。

2.根据权利要求1所述的一种基于导电水环的无线无源温压传感器，其特征在于，所述柔性衬底(1)为绝缘的可塑形树脂材料。

3.根据权利要求1所述的一种基于导电水环的无线无源温压传感器，其特征在于，所述导电水环(2)的材料为具备导电性的高浓度电解质溶液。

4.权利要求1到3任一项所述的基于导电水环的无线无源温压传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明涉及一种基于导电水环的无线无源温压传感器及其制备方法，包括柔性衬底、导电水环，导电水环由外开口环和内开口环组成；外开口环和内开口环对称中心重合且位于柔性衬底中的同一高度，外开口环的直径大于内开口环，外开口环和内开口环的环部分开启缺口。首先建模并3D打印出具备谐振环结构的下半衬底，配置饱和的电解质溶液填充入脱模的下半衬底中，将整体放入更大的模具中。在水环表面继续添加液态的树脂材料，固化后得到传感器。水环的表面张力可以保证树脂不会漏到水环下面去。本发明所得的温压耦合传感器制备简单，对微小压力灵敏度高，可实现对温度与压力的无线无源的同步测量，制造成本低廉，材料无毒无污染等优点。

技术研发人员：高阳,轩福贞,陶顺臻,张译月,陈洋,胡越,钱敏,闫亚宾,宫建国
受保护的技术使用者：华东理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/11/14