表面等离子共振传感系统电路设计

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关键词：表面等离子；共振；传感器系统；电路；设计

引言

自1990年以后，表面等离子共振技术作为一种新技术被应用于传感器芯片核心设计环节，且以二硫化钨纳米薄膜覆盖层增强型表面等离子体共振传感器的电路设计和应用，以其大表面面积、高折射率、独特光电性能，极大地提升了传感器的灵敏度和性能。除此之外，以二硫化钨等离子共振传感器为代表的，折射率范围1.333-1.360间的线性相关系数99.76%；加之其保护金属膜免受氧化、共振波长区域的可调谐性、生物相容性、蒸气能力和气敏性等效果，成为应用领域的热点设计项目之一。故此，现就表面等离子共振传感器系统电路设计细节分析总结如下。

1表面等离子共振传感器系统电路设计概述

以表面等离子共振电感传感器为例，表面等离子共振（SPR）是一种物理现象，（SurfacePlasmonResonance,SPR）当入射光以临界角入射到两种不同折射率的介质界面（比如玻璃表面的金或银镀层）时，可引起金属自由电子的共振，由于共振致使电子吸收了光能量，从而使反射光在一定角度内大大减弱。最具代表性的检测构件LDC1000为例，其工作原理为电磁感应原理。线圈中+交变电流=产生交变磁场，金属物体入磁场在金属物体表面产生涡流。涡流电流（感应电磁场）与线圈（电磁场）电流方向相反。涡流与金属体磁导率、电导率、线圈几何形状和尺寸、头部线圈到金属导体表面的距离等参数相关。

2电路设计优势分析

主要设计为等效并联电阻，且以Ls=初级线圈的电感值，Rs=初级线圈的寄生电阻。L(d)=互感，R(d)=互感寄生电阻，d=距离函数。初级设计中，将交流电+单独电感(初级线圈)=交变磁场=大量能耗。为达到节点目的，将电容并联在电感上，降低耗损并限定在Rs和R(d)上，直接计算出d。电路设计在期间充当检测串联电阻和并联电阻的功能。主要应用优势表现为，16位共振阻抗、24位电感值，亚微米级高分辨率；免受油污尘土等非导电污染物影响，可靠性更高；允许传感器远离电子产品安放，灵活性更高；低成本传感器及传导目标，无磁体成本消耗；金属薄片或导电油墨压缩支持，为系统设计带来无限可能；系统功耗<8.5mW，待机模式下功耗<1.25mW；以电感数字转换器，实现了运行位置和动作传感的全新转换方式。

3表面等离子共振传感器系统电路设计细则

3.1驱动电路设计图

化学传感器引脚对电极（Cnt）和参比电极（Ref）进行稳定性参考，通过恒定位仪电路确保两个电极的电势差恒定，保证传感器有效工作。传感器工作电极（Sens）在此背景下，以输出微弱电流，经电流转电压电路转换成电压信号后，经滤波器滤除无用交流干扰信号，得到稳定电压值。调节放大倍数，将电压变化范围限定在0到3.3V的范围内，实现单片机进行AD采集。LD与监测二极管是集成元器件，流入LD的电流经过APC电路的预偏置电流。APC电路通过电流负反馈电路抑制由于温度变化、器件老化等引起光功率变化。APC电路部分采用背向光反馈自动偏置控制方式，即用半导体激光器组件中的PD光电二极管监测LD背向输出的光功率。因为背向输出光功率能跟踪前向输出光功率的变化，通过闭环控制系统就可以调节激光器的电流，达到输出稳定光功率的目的。

3.2恒电位仪电路设计图

恒电位仪电路设计此前采用>30个分立功率三极管，极容易损坏。故此，在电路设计中，拟采用2个可输出电流±3.5ATDA2030系列运算放大器做恒电位仪功放级。同时为避免跳线，还设计了加偏离压和不加偏压时的电焊线设计。具体如图1所示。跳线：不加偏压，开路跳线，焊接J177；加偏压（+300mV），短路跳线，去掉J177。

3.3电流转电压电路设计

电流Ii流过电阻R，电阻R两端产生电压U，运放741对U进行差动放大。接-15V可调电阻调零，以消除电路的零点误差。另一可调电阻调满度（调放大倍数）用。具体原理为——电流信号转换成电压信号，根据欧姆定律，电流流过电阻时会有电势压产生，而且有线性关系。具体电路设计图如图2所示。

3.4多电平PWM逆变电路谐波分析与输出滤波器设计

高次谐波问题是PWM（脉冲宽度调制技术）控制所固有的，也是中压大功率多电平变频驱动装置中的主要问题。通过合理设计滤波器，降低电机绝缘要求，提高载波频率和增加输出电压电平数来减少高次谐波，简单经济。RLC低通滤波电路元件参数简化公式，设计出了具有兼顾基波损耗、电流谐波、有功损耗等要求的滤波器，使变频器输出电压的高次谐波抑制较好。

4传感器电路设计关键技术

在设计层面，主要就两电极和三电极进行设计，内容包括感应电极(S)，参考电极(R)，计数电极(C)。传感器有氧化反应还原反应下，以CO、H2S、SO2、H2、HCL、HCN、ETO、NH3等为还原性气体正输出，NO2、Cl2、O3、HF为，氧化性气体负输出。传感器工作中受温度，湿度，压力等影响不等，做好各种补偿至关重要。传感器灵敏度受生产厂家、生产型号、同一气体灵敏度差别影响，针对信号差别较大时两种传感器禁止直接替换的。一旦电路开发用传感器信号小，大信号传感器直接需考虑量程问题。量程不变，情况下，大信号传感器替换小信号传感器，需改变放大电路。使用中关注纠正灵敏度的漂移和损失问题。基于此，在传感器的开发中，就需要推荐电路，正反应、负反应、传感器信号大小、放大程度上进行鉴别。针对电极传感器储存过程中感应电极（S）、参考电极(R)稳定零点电流短路问题，需在接入电路前拿掉弹簧。电路设计中，在S、R间加J型场效应管（J177），以便于通电后及时进入检测状态。针对传感器工作偏置电压中的NO、ETO电路，在S和R之间无需短路。其他研究中证实，改进振动能量收集接口电路，即相位可变开关电感电路.相比于标准能量收集电路、同步开关电感电路，本电路具有更宽的振动频率响应，使得在环境振动频率远离共振频率时，整体装置仍保持高能量收集效率。采用永磁铁提供静态偏置磁场简化了硬件电路，以STM32嵌入式处理器为控制核心，结合锂电池供电，实现了系统硬件的小型化和低功耗;设计采用了SD卡本地存储和低功耗蓝牙无线传输的数据处理方式，并结合上位机进行命令的控制和数据传输。实验表明，检测系统可使磁弹性传感器在不同环境中完成共振频率的测量。根据Kretschmann型表面等离子共振传感系统需要设计，实现基于C51单片机，包括上位机、4×4键盘和1602液晶功能等多种用户交互方式的硬件控制系统。FPGA主控芯片选择XC6SLX25，ADC选择AD7960芯片(18bit，5MSPS)。经试验验证，制作的样机可以同时采集三路输出信号，并实时处理传给上位机显示。测得陀螺共振频率稳定在349.89kHz，上下波动范围8Hz，参考端输出电压峰峰值的均方差为0.004V。

5结束语

通过对以二硫化钨等离子共振传感器为代表的，折射率范围1.333-1.360间的线性相关系数99.76%；加之其保护金属膜免受氧化、共振波长区域的可调谐性、生物相容性、蒸气能力和气敏性等效果的电路设计分析，在提升传感器性能上，推广价值明显。

参考文献

[1]钟方亮,陈进军.主动激励触觉传感器特性分析[J].传感器与微系统,2019,38(11):19-22.

[2]周陈彬.新型压电能量收集接口电路设计及其宽频分析[J].电子设计工程,2018,26(06):165-170+175.

作者：周晖 单位：广西大学行健文理学院