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電感電容迴路式無線被動感測器

摘要"

電感電容迴路式傳感器具有兩大特點,無線傳輸與被動式運作。無線傳輸使此類傳感器可運用於不宜配置線材的場合,例如人體內部、密閉腔體、旋轉機構等;被動式運作使其無需裝設/更換電池,使無線傳感的應用更為靈活與方便。本文將介紹近年本團隊致力研發之多種電感電容迴路式無線被動感測器,著重於其原理、設計概念簡介與實際的應用情境,包含可回復之無線被動式多段微卡榫碰撞開關、可回復之無線被動式傾倒開關與無線被動式智慧瓶蓋,分別應用於長期建築安全性監測、貨物運輸監測與食品安全監測。期望本文的實例介紹能達到拋磚引玉的作用,拓展無線被動式感測器的應用範疇,使學術界之技術走向實際應用,解決現有實際的問題,朝更安全與更便利的世界邁進。

關鍵詞:無線感測器、被動式、電感電容迴路、建築安全性監測、傾倒監測、食品安全監測。

電感電容迴路式傳感器(Inductor-capacitor transducers, LC transducers)具有兩大特點:無線(wireless)和被動式(passive)運作。無線傳輸使此類傳感器可運用於不宜配置線材的場合,例如人體內部、密閉腔體、旋轉機構等;被動式運作使其無需裝設/更換電池,使無線傳感的應用更為靈活與方便,因此近年來吸引了許多研究人員投注心力。由於不需電池或其他電源,電感電容迴路式感測器十分適用於惡劣環境(harsh environment,如高溫、強酸、強鹼)、狹小或密閉空間(如建築結構內部)、人體內部(in vivo application)等場合,不同於一般需要裝設電力來源的無線傳感器[1, 2]。電感電容迴路式感測器已被成功開發來監測多種物理或化學條件,例如氣壓[3, 4]、應變[5, 6]、濕度[3, 7]、溫度[3, 7, 8]、酸鹼度[9]、細菌[10]、特定氣體[11]等,本研究團隊近五年在此領域已發表多篇期刊論文及獲得多項發明專利,包含與加州柏克萊大學機械系林立偉教授之合作成果在Nature旗下頂尖期刊Microsystems and Nanoengineering發表,並獲得多個國內外媒體的採訪報導。本文將介紹本團隊近年研發之3種無線被動式感測器,著重於其電感電容迴路式傳感器原理、感測器設計概念與實際的應用情境,包含可回復之無線被動式多段微卡榫碰撞開關、可回復之無線被動式傾倒開關與無線被動式智慧瓶蓋,可分別應用於建築安全性監測、貨物運輸監測與食品安全監測。

電感電容迴路式傳感器原理簡介

電感電容迴路式傳感器其運作方式是以近場耦合(near-field coupling)的方式進行,如圖1(a)所示。施加震盪電壓於傳輸端之天線時,會在其周圍產生磁通量。而根據法拉第定律(Faraday's law of induction),感測端的電感會因此磁通量而在感測端產生一個正向電動勢(frontward electromotive forces),並將能量儲存於感測端之電容中。而此能量同樣也會透過感測端的電感產生一個磁通量,並在傳輸端產生一逆向電動勢(backward electromotive forces),進而影響傳輸端的阻抗。故藉由觀察此阻抗的頻率響應(frequency response)可無線量測到感測端電路的共振頻率。其感測器的能量完全來自讀取端的無線傳輸,感測器端不必裝設電池。若電感電容式迴路的共振頻率因環境變化而改變,便可從讀取端的頻率響應判讀之,間接獲得環境資訊,因此可做為無線感測器使用;傳送給電感電容式迴路的能量在其迴路中產生電能,電感電容式迴路銜接適當的電致動器便可將此電能轉換為其他能量運用之,亦即是被動式無線致動器,如圖1(b)所示。……(更多內容,請見機新刊雜誌)

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