复合生物膜气敏传感器及其测试系统研究

为了降低气体传感器功耗、获得高的灵敏度和选择性，利用生物提取液的气敏特性，制作了石英晶体复合生物膜气体传感器。对石英晶体表面进行三种不同的预处理后，表面涂覆数种生物提取液膜，研究了基片预处理方法对传感器敏感度的影响和传感器响应信号的长期稳定性。采用紧凑高效的振荡电路，充分利用数据采集卡资源，构成了灵敏的气体检测系统。新型传感器不需要加热、灵敏度高，响应特性在30天内保持稳定。对8MHz左右的石苎晶体气体传感器所采用的频率测量方法准确度为±5Hz。     

氧化锌复合硫化钼基氢气气体传感器的检测特性研究

通过实验制备不同复合比例的ZnO MoS2材料并检测其对H2气体的各项气敏性能,首先利用分步水热法从微观形貌上优化纯MoS2基体材料,再将ZnO纳米颗粒均匀的沉积在基体材料上,将气敏材料装配为旁热式传感器后,检测材料在目标气体下的温度特性、浓度特性和动态响应 恢复特性。实验结果表明复合比Zn∶Mo=1∶2的复合材料对H2的气敏特性最好。研究成果对高效的氢气气体传感器研究具有重要意义。     

碳纳米管传感器吸附机理及对SF_6分解组分检测应用综述

碳纳米管(carbon nanotubes,CNTs)作为一种新型的气敏材料,具有孔隙率高、比表面积大和结构中空的特性,在气敏传感器领域备受青睐。其气敏特性不仅体现在对于特定气体的优良响应特性,更在于对不同气体种类和浓度的识别能力。该文综述了碳纳米管传感器的气体吸附机理,及其在检测电力系统气体绝缘开关设备中六氟化硫(sulfur hexafluoride,SF_6)分解组分领域中的应用。总结了其作为气体传感器对各种分解组分的实验检测和理论计算结论,分析对比了不同类型传感器在检测过程中所具有的优势和不足,提出了碳纳米管传感器在检测SF_6分解组分方面的研究趋势。     

基于MSP430的气体传感器批量测试系统

设计了一种基于MSP430单片机的气体传感器批量测试系统,该系统以MSP430F149单片机作为控制和处理核心,阐述了用VB6.0实现数据采集和处理的软件设计。该系统一次能测试8个通道的气体传感器,能实时绘制传感器的响应特性曲线,实现了对气敏元件性能参数的高效测试。     

盐酸–磺基水杨酸复合沉积的聚苯胺传感器吸附H_2S和SO_2的气敏性能

H_2S和SO_2是气体绝缘开关设备(gas insulated switchgear,GIS)内部的绝缘缺陷引起局部放电时,绝缘气体SF_6分解生成的典型特征气体。通过监测这些放电分解产物,能为监测GIS设备的运行状态提供关键信息。该文基于质子酸沉积的聚苯胺基气敏材料的优越性能及其在气敏传感器领域的广阔应用前景,利用化学氧化聚合法合成了盐酸和磺基水杨酸复合沉积的聚苯胺气敏传感器,并通过傅里叶红外光谱仪、X射线衍射仪、扫描电子显微镜等表面表征方式评估了制备的气敏基底,继而测试了此传感器对10~100μL/L浓度范围的H_2S和SO_2的气敏响应程度、响应时间、重复性和稳定性等关键参数。结果表明,复合沉积的气敏传感器对10~100μL/L浓度范围的H_2S和SO_2具有良好的敏感度,且敏感度与气体浓度呈现较为理想的线性关系;此外,该传感器还具有优良的长期稳定和热稳定性能。因此,所制备的复合沉积聚苯胺材料为研制室温下监测GIS设备内H_2S和SO_2的实用型敏感器件奠定基础。     

纳米氧化锌气敏传感器应用于变压器油中溶解微量氢气检测*

通过水热法合成的方式制备氧化锌气敏材料,采用柠檬酸三钠作为反应添加剂进行材料微观形貌上的调控,基于实验室微量气体平台检测和分析不同形态氧化锌气敏材料对氢气的检测特性和气敏机理。结果表明多孔隙氧化锌气敏材料对氢气的最佳工作温度出现在350 ℃,同时对低浓度氢气有良好的响应值和较快的响应恢复时间。研究成果对制备高精确度氢气气体传感器,进而实现变压器状态的准确评估研究具有重要意义。     

开槽无芯片RFID湿度传感器设计研究

提出了一种基于RFID技术的无芯片湿度传感器标签。通过开槽蚀刻技术在覆铜FR4材料上制作缝隙散射体结构。标签结构分为两个单元:编码单元借助不同长度的缝隙组合存储ID信息;通过在缝隙表面覆盖硅纳米线沉淀层构成传感单元,用来感知湿度的变化。该方案结构简单、成本低,无任何后处理工艺。测试系统利用交叉极化的两台喇叭天线作为发射和接收天线,依据雷达电磁反向散射原理测量传输系数曲线进而获取标签的ID信息和外界湿度信息。实验测试表明在25℃温度及30%~90%的相对湿度范围内,该无芯片湿度传感器标签在215 MHz的频带范围内中心谐振频率与相对湿度呈现稳定的近似线性关系,其灵敏度超过2.9 MHz/%RH。     

检测变压器油中溶解气体的碳nm管传感器研制

对变压器油中溶解气体进行检测分析是判断油浸式电力变压器早期潜伏性故障的重要手段。为克服常用油气分析方法的缺点,提出了一种基于碳nm管传感器检测油中气体的方法,并研制了一种用混酸修饰,以印刷电路板为基底,用于检测油中气体的多壁碳nm管传感器。分析了碳nm管膜的电学特性以及气敏响应机理,在实验室采用甲烷等标气对修饰前后的传感器的气敏性进行了测试,试验结果表明,用经混酸修饰后的样品缺陷多,并含有活性官能团,对油中气体表现出较强的吸附性,具有良好的灵敏度和快速响应特性。     

小型蓝牙标签天线的仿真设计

小型标签 RFID芯片的工作频率为13.56 MHz,本文主要设计了小型蓝牙标签的天线,该天线采用电感耦合的形式。用 ANSYS公司的电磁仿真软件 HFSS对小型标签天线的各种形状,厚度,层数,圈数的场强进行仿真分析和比较,做好线圈的电感匹配,并查看天线的 S参数使其频率在13.56 MHz时有较好的谐振,设计出了满足在小型标签中尺寸小,抗干扰性能强的天线,使其在13.56 MHz 时具有最好的传输性能。最后将天线安装在 RFID 芯片上后进行封装,得到成本低,实用性强,应用广泛的小型标签。结果测得标签的最远读取距离为35 cm。     

柔性Co2Z铁氧体基板对UHF-RFID标签天线抗金属特性的影响

针对UHF-RFID标签天线在金属环境下镜像电流产生的电磁场与入射波相消，导致天线谐振频点偏移而无法正常读取的问题，利用Co₂Z铁氧体在UHF频段高磁导率、低介电/磁损耗的特性，采用在柔性天线基板中填充Co₂Z铁氧体的方法设计抗金属天线。通过改变电磁场传播方向的方式以削减金属表面反射波与入射波的相消作用，进而减小天线回波S11参数吸收峰频率偏移。仿真结果表明：采用Co₂Z铁氧体作为天线柔性基板的填充材料，天线谐振频点移至904 MHz，并提升工作带宽至350 MHz，有效消除金属环境对天线的不利影响。     

高功率瞬态电场传感器的设计与分析

高功率瞬态电场的测试是电磁环境效应评估与防护研究领域的难点。笔者基于有源电光调制法,设计了一种高功率瞬态电场传感器。通过建立简化的等效电路模型,并借助CST微波工作室对该传感器的结构建模仿真,分别从频域和时域分析了接收天线负载对传感器接收特性的影响,并得到了一致的结果。结果表明:接收天线采用单极子天线,负载采用低阻时响应信号为被测电场的微分信号,采用高阻时响应电压与被测电场场强成正比,通过改变负载电容取值可以控制传感器量程。     

超高频法提取方波脉冲下的局部放电信号

设计了一种用于检测局部放电信号的套筒单极子天线传感器,并对其结构和性能进行了分析。通过天线参数的优化设计,改变输入阻抗,得到满足检测要求的驻波比(VSWA<2)和带宽特性(400~1 100 MHz)。同时研制了一套方波陡脉冲电压下的局部放电测试系统,并用该系统对纳米耐电晕聚酰亚胺薄膜进行局部放电测试。结果表明:该套筒单极子天线传感器适用于局部放电信号的提取,该方波陡脉冲电压下的局部放电测试系统具有较好的信噪比和灵敏性,能够达到检测绝缘状况的要求。     

UHF RFID密集标签互耦效应的频移特性研究

针对U H F RFID密集环境下标签性能受互耦效应影响的问题,从天线阻抗频移特性的角度对标签间互耦效应进行研究。首先基于电感耦合型标签天线的结构和电路模型,分析带有弯折辐射体结构的标签天线互相耦合时阻抗的频率特性,并通过仿真计算验证了天线阻抗向低频偏移的结论。进一步结合理论和仿真数据分析互耦效应的频率特性,得出天线阻抗的频率偏移导致目标标签的功率传输系数也相应地向低频偏移的结论,从而导致标签的读取性能不稳定。结论对密集标签的性能研究具有指导意义。     

Surface acoustic wave sensors to detect volatile gases by measuring output phase shift

This paper presents properties of saw acoustic wave (SAW) gas sensors to detect volatile gases such as acetone, methanol, and ethanol by measuring phase shift. A dual-delay-line saw sensors with a center frequency of 100 MHz were fabricated on 128^∘ Y-Z LiNbO₃ piezoelectric substrate. In order to improve sensitivity of SAW sensors, a thin titanium (Ti) film as mass sensitive layer was deposited using e-beam evaporation on the surface of the SAW sensors. In our investigation the response time and sensitivity of SAW sensors were measured. The response time and sensitivity of SAW sensor with thin Ti film were strongly improved because of changing electrical and mechanical properties in the mass sensitive layer. As a result, high sensitivity and fast response time could be achieved by deposition of thin Ti film as mass sensitive layer on the surface of SAW sensor. It can be applied for high performance electronic nose system by assembling an array of different sensors.     

检测气体绝缘组合电器局部放电的四频段微带单极子特高频天线设计

针对用于气体绝缘组合电器(GIS)局部放电特高频(UHF)在线监测的天线传感器应具有宽频带、高增益和小尺寸等性能要求,设计了一种外置小型四频段微带单极子特高频天线传感器。采用多个辐射单元技术,展宽了特高频天线的检测频段,实现了传感器的多频信号传感特性,运用HFSS仿真软件对天线结构尺寸进行优化设计,选取一组最优参数进行特高频天线实物制作。理论计算和实验室天线特性实测表明,研制的外置四频段微带单极子特高频天线性能优异,在实验室GIS装置上,用已有的微带贴片特高频天线与所设计的特高频天线传感器对模拟缺陷产生的局放信号进行了对比检测,进一步证明了微带单极子特高频天线具有良好的检测灵敏度。     

变形工作状态下非等间距柔性 NFC 标签天线设计

柔性NFC标签天线常处于变形工作状态,为解决该工作状态下易出现的频率偏移及偏移引起的工作性能下降问题,提高其在人体无线健康监测应用领域的适用性,本文设计了一款可贴合人体皮肤且性能优良的柔性NFC标签天线。该天线采用镓铟液态金属作为柔性导电材料,与PDMS柔性衬底材料相结合,使其具有良好的可拉伸性和可弯曲性;基于小型化NFC天线设计的原则,提出非等间距结构设计方案,提高其工作带宽,实现NFC标签天线在变形工作状态下依然保持相对稳定的电学参数、谐振频率及通信距离,增强其工作稳定性。通过仿真和实验测试结果表明,外形尺寸为25 mm×25 mm且线间距增长率为200%的非等间距NFC标签天线,在-10 dB以下工作带宽高达0.87 MHz,相较于具有相同面积的等间距天线,工作带宽最大增幅高达52.6%;针对此柔性NFC标签天线应用环境的特殊性,通过不同变形状态下的工作性能稳定性测试显示,30%拉伸工作状态时,天线的中心频率偏移率仅为3.2%;曲率半径为5 mm的弯曲工作状态时,天线的中心频率偏移率仅为2.4%,天线通信距离始终不低于30 mm,在变形工作状态下总体表现出良好的工作稳定性。     

用于检测电气设备电晕的盘锥天线的研制

为实现对变电站内电气设备电晕放电的检测,研究并设计了宽频带、高增益和水平面(H面)全向性的天线作为电晕检测的传感器。通过分析盘锥天线的辐射特性和特性阻抗,确定其设计为电晕检测天线具有优势,用离散化方法加工出的盘锥天线,在10MHz～1GHz以上具有良好的频率响应特性,平均增益4dB以上,在变电站检测试验中表现出良好的电晕放电信号接收能力。基于该天线可以开发出固定式或车载式电晕监测和定位系统,该系统可以监测整个变电站设备的电晕情况并且其工作不与设备发生接触。     

一种宽频带RFID阅读器天线的设计

UHF RFID标签在密集布放环境下,会由于标签天线间的互相影响,使工作频率发生偏移,造成系统漏读.因而本文设计了一款新型的圆极化阅读器天线,该天线工作在UHF频段,具有小型化、高增益、宽频带的特点.其中主辐射圆形贴片通过4个探针与微带匹配网络上下相连,匹配网络的引入提高了天线的圆极化轴比和工作带宽.仿真结果表明,该天线在UHF频段的阻抗带宽和3 dB轴比带宽分别为13％和5％,增益高达9.4 dBi.在空旷的环境下,对密集布放的多个RFID标签进行读取测试.实验表明,运用宽频带的RFID阅读器天线可以有效地提高标签的读取率.     

Development of radio frequency transmitters including on‐chip antenna for intelligent human sensing systems

This paper presents the essentials of the development of an integrated smart microsensor system that has been developed to monitor the motion and vital signs of humans in various environments. Integration of RF transmitter technology with complementary metal‐oxide‐semiconductor/micro electro mechanical systems (CMOS/MEMS) microsensors is required to realize wireless smart microsensors for the monitoring system. Sensors for the measurement of body temperature, perspiration, heart rate (pressure sensor), and motion (accelerometers) are candidates for integration on the wireless smart microsensor system. In this paper, the development of radio frequency transmitter (RF) that will be integrated on wireless smart microsensors is presented. A voltage controlled RF‐CMOS oscillator (VCO) has been fabricated for the 300‐MHz frequency band applications. Also, spiral inductors for an LC resonator and an integrated antenna have been realized with a CMOS‐compatible metallization process. The essential RF components have been fabricated and evaluated experimentally. The fabricated CMOS VCO showed a conversion factor from voltage to frequency of about 81 MHz/V. After matching the characteristic impedance (50 Ω) of the on‐chip integrated antenna and the VCO output, more than 5 m signal transmission from the microchip antenna has been observed. The transmitter showed remarkable improvement in transmission power efficiency by correct matching with the microchip antenna. Essential technologies of the RF transmitter for the wireless smart microsensors have been successfully developed. Also, for the 300‐MHz band application, the integrated RF transmitter, with the CMOS oscillator and the on‐chip antenna, has been successfully demonstrated for the first time. Copyright © 2007 Institute of Electrical Engineers of Japan© 2007 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.