表面等離子共振傳感系統電路設計

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關鍵詞：表面等離子；共振；傳感器系統；電路；設計

引言

自1990年以后，表面等離子共振技術作為一種新技術被應用于傳感器芯片核心設計環節，且以二硫化鎢納米薄膜覆蓋層增強型表面等離子體共振傳感器的電路設計和應用，以其大表面面積、高折射率、獨特光電性能，極大地提升了傳感器的靈敏度和性能。除此之外，以二硫化鎢等離子共振傳感器為代表的，折射率范圍1.333-1.360間的線性相關系數99.76%；加之其保護金屬膜免受氧化、共振波長區域的可調諧性、生物相容性、蒸氣能力和氣敏性等效果，成為應用領域的熱點設計項目之一。故此，現就表面等離子共振傳感器系統電路設計細節分析總結如下。

1表面等離子共振傳感器系統電路設計概述

以表面等離子共振電感傳感器為例，表面等離子共振（SPR）是一種物理現象，（SurfacePlasmonResonance,SPR）當入射光以臨界角入射到兩種不同折射率的介質界面（比如玻璃表面的金或銀鍍層）時，可引起金屬自由電子的共振，由于共振致使電子吸收了光能量，從而使反射光在一定角度內大大減弱。最具代表性的檢測構件LDC1000為例，其工作原理為電磁感應原理。線圈中+交變電流=產生交變磁場，金屬物體入磁場在金屬物體表面產生渦流。渦流電流（感應電磁場）與線圈（電磁場）電流方向相反。渦流與金屬體磁導率、電導率、線圈幾何形狀和尺寸、頭部線圈到金屬導體表面的距離等參數相關。

2電路設計優勢分析

主要設計為等效并聯電阻，且以Ls=初級線圈的電感值，Rs=初級線圈的寄生電阻。L(d)=互感，R(d)=互感寄生電阻，d=距離函數。初級設計中，將交流電+單獨電感(初級線圈)=交變磁場=大量能耗。為達到節點目的，將電容并聯在電感上，降低耗損并限定在Rs和R(d)上，直接計算出d。電路設計在期間充當檢測串聯電阻和并聯電阻的功能。主要應用優勢表現為，16位共振阻抗、24位電感值，亞微米級高分辨率；免受油污塵土等非導電污染物影響，可靠性更高；允許傳感器遠離電子產品安放，靈活性更高；低成本傳感器及傳導目標，無磁體成本消耗；金屬薄片或導電油墨壓縮支持，為系統設計帶來無限可能；系統功耗<8.5mW，待機模式下功耗<1.25mW；以電感數字轉換器，實現了運行位置和動作傳感的全新轉換方式。

3表面等離子共振傳感器系統電路設計細則

3.1驅動電路設計圖

化學傳感器引腳對電極（Cnt）和參比電極（Ref）進行穩定性參考，通過恒定位儀電路確保兩個電極的電勢差恒定，保證傳感器有效工作。傳感器工作電極（Sens）在此背景下，以輸出微弱電流，經電流轉電壓電路轉換成電壓信號后，經濾波器濾除無用交流干擾信號，得到穩定電壓值。調節放大倍數，將電壓變化范圍限定在0到3.3V的范圍內，實現單片機進行AD采集。LD與監測二極管是集成元器件，流入LD的電流經過APC電路的預偏置電流。APC電路通過電流負反饋電路抑制由于溫度變化、器件老化等引起光功率變化。APC電路部分采用背向光反饋自動偏置控制方式，即用半導體激光器組件中的PD光電二極管監測LD背向輸出的光功率。因為背向輸出光功率能跟蹤前向輸出光功率的變化，通過閉環控制系統就可以調節激光器的電流，達到輸出穩定光功率的目的。

3.2恒電位儀電路設計圖

恒電位儀電路設計此前采用>30個分立功率三極管，極容易損壞。故此，在電路設計中，擬采用2個可輸出電流±3.5ATDA2030系列運算放大器做恒電位儀功放級。同時為避免跳線，還設計了加偏離壓和不加偏壓時的電焊線設計。具體如圖1所示。跳線：不加偏壓，開路跳線，焊接J177；加偏壓（+300mV），短路跳線，去掉J177。

3.3電流轉電壓電路設計

電流Ii流過電阻R，電阻R兩端產生電壓U，運放741對U進行差動放大。接-15V可調電阻調零，以消除電路的零點誤差。另一可調電阻調滿度（調放大倍數）用。具體原理為——電流信號轉換成電壓信號，根據歐姆定律，電流流過電阻時會有電勢壓產生，而且有線性關系。具體電路設計圖如圖2所示。

3.4多電平PWM逆變電路諧波分析與輸出濾波器設計

高次諧波問題是PWM（脈沖寬度調制技術）控制所固有的，也是中壓大功率多電平變頻驅動裝置中的主要問題。通過合理設計濾波器，降低電機絕緣要求，提高載波頻率和增加輸出電壓電平數來減少高次諧波，簡單經濟。RLC低通濾波電路元件參數簡化公式，設計出了具有兼顧基波損耗、電流諧波、有功損耗等要求的濾波器，使變頻器輸出電壓的高次諧波抑制較好。

4傳感器電路設計關鍵技術

在設計層面，主要就兩電極和三電極進行設計，內容包括感應電極(S)，參考電極(R)，計數電極(C)。傳感器有氧化反應還原反應下，以CO、H2S、SO2、H2、HCL、HCN、ETO、NH3等為還原性氣體正輸出，NO2、Cl2、O3、HF為，氧化性氣體負輸出。傳感器工作中受溫度，濕度，壓力等影響不等，做好各種補償至關重要。傳感器靈敏度受生產廠家、生產型號、同一氣體靈敏度差別影響，針對信號差別較大時兩種傳感器禁止直接替換的。一旦電路開發用傳感器信號小，大信號傳感器直接需考慮量程問題。量程不變，情況下，大信號傳感器替換小信號傳感器，需改變放大電路。使用中關注糾正靈敏度的漂移和損失問題。基于此，在傳感器的開發中，就需要推薦電路，正反應、負反應、傳感器信號大小、放大程度上進行鑒別。針對電極傳感器儲存過程中感應電極（S）、參考電極(R)穩定零點電流短路問題，需在接入電路前拿掉彈簧。電路設計中，在S、R間加J型場效應管（J177），以便于通電后及時進入檢測狀態。針對傳感器工作偏置電壓中的NO、ETO電路，在S和R之間無需短路。其他研究中證實，改進振動能量收集接口電路，即相位可變開關電感電路.相比于標準能量收集電路、同步開關電感電路，本電路具有更寬的振動頻率響應，使得在環境振動頻率遠離共振頻率時，整體裝置仍保持高能量收集效率。采用永磁鐵提供靜態偏置磁場簡化了硬件電路，以STM32嵌入式處理器為控制核心，結合鋰電池供電，實現了系統硬件的小型化和低功耗;設計采用了SD卡本地存儲和低功耗藍牙無線傳輸的數據處理方式，并結合上位機進行命令的控制和數據傳輸。實驗表明，檢測系統可使磁彈性傳感器在不同環境中完成共振頻率的測量。根據Kretschmann型表面等離子共振傳感系統需要設計，實現基于C51單片機，包括上位機、4×4鍵盤和1602液晶功能等多種用戶交互方式的硬件控制系統。FPGA主控芯片選擇XC6SLX25，ADC選擇AD7960芯片(18bit，5MSPS)。經試驗驗證，制作的樣機可以同時采集三路輸出信號，并實時處理傳給上位機顯示。測得陀螺共振頻率穩定在349.89kHz，上下波動范圍8Hz，參考端輸出電壓峰峰值的均方差為0.004V。

5結束語

通過對以二硫化鎢等離子共振傳感器為代表的，折射率范圍1.333-1.360間的線性相關系數99.76%；加之其保護金屬膜免受氧化、共振波長區域的可調諧性、生物相容性、蒸氣能力和氣敏性等效果的電路設計分析，在提升傳感器性能上，推廣價值明顯。

參考文獻

[1]鐘方亮,陳進軍.主動激勵觸覺傳感器特性分析[J].傳感器與微系統,2019,38(11):19-22.

[2]周陳彬.新型壓電能量收集接口電路設計及其寬頻分析[J].電子設計工程,2018,26(06):165-170+175.

作者：周暉 單位：廣西大學行健文理學院