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1、 1 / 9眼压传感器的检测电路眼压传感器的检测电路摘要摘要正在开发一种被动遥测眼内压 (IOP) 传感器检测电路，一个眼内压力传感器包括一个电容式压力传感器和一个平行的平面螺旋电感。这个 LC 振荡电路把压力转换成谐振频率，压控振荡器（VOC）使传感器在一个频率范围内工作（2040 MHz） ，以此种方式来测量内部传感器的谐振频率，来达到传感器的测量任务。这种低功率电路非常简洁，很适合病人的生命监测仪的使用。电路可以在最小的压力传感器的无线读出中使用，实验结果显示电感耦合距离可以达到 7.5mm。1.1.引言引言青光眼是指由于眼内压的升高使得视神经破坏的疾病，对眼内压的长期测量队青光眼的诊断
2、和治疗至关重要。尽管如此，传统的测量方法只是由一个精细的空气流或压平眼压计提供单发的测量。一种长期的，实时的，可完全植入的眼内压力传感器正在研究开发中，还有一种微型控制器和射频转换器集成于一个电路板上的压力传感器与此电路类似，还有另一种相似的传感器是可以尽可能小的并且可微创植入的。这些结构装置都是基于有电容式压力传感器和平面螺旋电感组成的 LC 谐振电路，作用在眼内电容上的压力影响 LC 振荡电路的谐振频率，有谐振频率的变化就可以测量出压力的变化值，尽管在开发合适的传感器上已经做出了很大的努力，但是主要的问题任然是无线读取电路。可植入传感器必须尽可能的小，读出电路的线圈安置在眼镜框架之上。这些
3、结合约束导致磁耦合传感器和读数线圈之间的弱耦合需要一个高度灵敏的外部读出电路，例如阻抗分析仪。本文提出了一种新无源无线压力传感器读出电路。这种低功耗电路非常紧凑，使其适合长期行走的病人监测。即使本文侧重于测量眼内压，电容输出时，可以使用类似的装置是用尽可能小的遥测监控大小。2.2.检测原理检测原理图1是眼内压力传感器测试系统的概述。传感器的谐振频率的远程检测是基于检测由于电容C的变化引起的阻抗Zeq的变化。Zeq是初级线圈对次级线圈的反射阻抗。图1（b）显示线圈可以取代图1（a)中的线圈。共振传感器的Zeq对应2 / 9一个峰。这个峰值可以通过观察一个扫频信号下的Zeq。压控振荡器是用来完成扫
4、频的。该方法成功地实现了，论文详细地介绍了这种设计。图1 （a）眼压传感器的测量系统 （b）等效电路3.3. 内部电路内部电路该传感器被视为一个电感L2,用一系列的电阻R2、并联电容器与一个变量C、谐振频率f0,给出了传感器的：阻抗Zeq可以表示为：初级线圈和次级线圈的角频率和互感系数M集成了传感器。然而,对于检测Zeq变化不能直接监测。为了获得足够高的信号,Zeq的比例的初级线圈阻抗是能理解的。这比是:3 / 9R1和L1分别是最主要的线圈的串联电阻和电感。功能频率的绝对值r在谐振频率时达到最大。这最大等于其中Qres是LC谐振电路的品质因数，k是线圈的耦合系数。为了正确检测发生共振,这个值
5、应该最大化。由于压力变化引起的C值的灵敏度最大化将进一步产量足够了多普勒频移。在这部作品中,我们使用一个将铜电镀到硅上的电感(质量的因素15在30兆赫),并联可变电容,为模型的传感器。表1给出了传感器的性能的概括性的参数。这些测量值的结果是从使用HP8753网络分析仪测得的S11参数中得到的。4.4. 感应连接感应连接设计后的传感器线圈L2,外部的线圈L1可以被设计为优化感应链接。为了减少外部尺寸,我们选择了一个螺旋状外部的线圈。(从11日、12日),我们可以计算出自我线圈之间的互感。一个单回路的自身电感可以按下表达式计算:4 / 9图2 硅基片上铜电感线圈的显微图两个独立线圈之间的互感系数：
6、a是第一个线圈的半径，b是第二个线圈的半径，d是两个线圈之间的距离，R是金属丝半径。自身电感和互感就变成：i,j = 1，i = j，i,j = 1。Na是第一个线圈的圈数，Nb是第二个线圈的圈数。考虑到螺旋电感线圈的半径与圈数N1的关系,然后我们可以计算电感N1的品质因数,Zeq和r。图3显示了耦合距离为0.75mm，频率为30MHz下的线圈的函数的5 / 9仿真。结果显示最佳值为11圈。外部线圈有175股的励磁线制成(直径0.08毫米)。它的直径为3cm，电感为1.57H，电阻为0.2，自谐振频率为43MHz。图3 线圈参数k, Zeq, r随参数变化曲线耦合是通过公式（5）和（8）运用F
7、ASTHENRY软件仿真得到的，为了检查低电导率的硅衬底，耦合仿真是基于无衬底作业的。测试，仿真，计算结果如表2所示。它可以被看成是矽基板上的影响,对于涡流可以忽略不计,因为他们都包括在内的FASTHENRY仿真中。表2 30MHz下的耦合特性6 / 95.5. VCOVCO设计设计最大化系统的敏感度,压力传感器的电容的变化应该最大化。电容的变化的灵敏度达到250%，谐振频率从36到26兆赫。VOC的设计是为了频率的扫描的。图4 (a )VCO拓扑结构 (b）交叉耦合负电导-gm/2图4a显示的是一个基本的VCO交叉耦合的拓扑结构，可以通过调节以电容器为基础的变容二极管来调整频率。L1与变容二
8、极管组成了谐振LC电路。谐振电路中的负电导补偿了谐振振荡器中的损失。图4a中的电路，一对交叉耦合提供了值为-gm/2的负电导，如图4b所示。电路中的所有损失可以等效为电阻Rp。Rp主要来源于线圈和变容二极管中的串联电阻，在我们的例子中Rp=17k。为了保证，在所有的条件下运行时，参数=2，.，5，我们的负电导表示为：p1 RNgm为了验证和测试上述调查结果，振荡器开始的制作使用分立元件，图4a中的拓扑结构被运用到如图5所示的电路中。使用双极晶体管是因为电路中固有一个小基础集电极电容，允许更高的频率和较宽的调谐范围。对于双击晶体管：当=5时，偏置电流Ic等于0.05mA，双极晶体管的使用也规定了
9、偏置网络。这可以矿大振荡的幅值，因为我们现在又一个振荡电压分工晶体管的基础。电流源被电阻所取代。这虽然会导致更高的相位噪声和偏置电流的增加，但是消除了直流反馈。7 / 9图5 一个仪表放大器中的VCO该VCO测量的调谐范围是22-41MHz（如图6） 。VCO的最大频率熟外部线圈的寄生电容的限制。图7所示VOC的工作频率在30兆赫的频谱，测量分辨率带宽为1KHz。相位噪声测量在30兆赫/2千赫时是-78dBc/Hz，30兆赫/10千赫时是-104dBc/Hz。图6 加扫描电压时VCO的频率8 / 9图7 30MHz是VCO的输出频谱6.6. 共振峰的检测共振峰的检测图8 VCO电压扫描仿真结果
10、当与外部线圈L1共振时，可以检测到阻抗Zeq两端的电压会下降，这个幅度变化的感知，首先由差分信号和测量放大器的扩大得到，以减少电阻振捣器和容性负载。上述要求无论在摆率和增益带宽放大器中都是高的，因为高的振荡频率，这么笑的环路增益仍然抑制失真。当收集器的电压降到地压时，放大器的输入电压发生交叉耦合。放大器的输出电压用包罗检波器AM解调。图8显示的是线圈L1两端电压在图6中的扫频信号下两种情况的SPICE仿真。32兆赫时一种是有内部传感器，一种是没有传感器。Spice仿真系统,进行了建模，使用一个宏观模型,利用LM6171测量价值观的性质的母语和外语和线圈感应链接。7.7.测试结果测试结果图5中的
11、读出电路使用分立元件建立，使用高Q的铜电镀的并联电容和电感9 / 9测量。图9a显示的是无内部传感器和有内部传感器是测量结果的不同，与仿真结果相比，灵敏度被削减，最大差值是在29MHz。仿真结果和实际测量值的不同是因为有限的模拟精度在高频率和分立元件的模型关于电容的硅衬底的影响。图9 VCO电压扫描测量的输出电压（a）单独测量 （b）差分测量8.8.结论结论实验结果证明通过测量植入的带有可变电容的无源LC传感器的谐振频率，就可以得到压力的值，提出了一个简单的，低成本的检测电路并且允许远程压力监测。未来的工作重点将放在实现完整的传感器结构，提高耦合传感器和检测电路的耦合距离。这包括改善电感（高电感量，低寄生电容和电阻） ，更高的操作频率和集成电路，因为会改善在高频率时的操作。
