一种具有蜿蜒结构的微型无线无源天线传感器用于集成多方向应变与温度测量

在无缆情况下监测设备

从风力涡轮机和工业机器人到电动汽车电池，许多关键机器在高温和机械应力环境下工作。准确知道它们弯曲程度和温度对于预防故障和火灾至关重要——但将笨重、有线的传感器安装到狭小、高温或旋转部件中一向困难。本文介绍了一种微型无线传感器，能够在极端高温环境中同时、静默地“感知”多方向的应变和温度，为维护现代基础设施的安全性和寿命提供了新途径。

能感知应力的小型无线电器件

这项工作的核心是一种称为微带贴片的平面天线。该传感器为无源结构：外部天线发射微波信号，传感器在特定频率处发生谐振并反射回信号，外部天线接收这些回波。当传感器被拉伸、压缩或加热时，其谐振频率会以可预测的方式发生偏移。通过测量这些偏移，工程师可以在无需布线接触的情况下推断结构所承受的应变和温度。

在不牺牲性能的情况下缩小传感器体积

传统基于天线的传感器往往尺寸过大，难以用于狭小空间，并且通常只能感知单一方向或在中等温度下工作。作者通过精心重设计天线几何结构应对了这些问题。他们采用高介电常数的氧化铝陶瓷基板，使得在相同工作频率下天线体积天然缩小。其上金属贴片上开刻了T形蜿蜒缝槽，这些缝槽迫使电流沿更长、更曲折的路径流动，从而降低谐振频率并允许物理贴片缩小。与传统同频设计相比，新传感器的三个贴片分别将辐射面积缩小约三分之一到二分之一，总体尺寸削减近60%。

同时测量多方向应变与温度

该传感器在单个陶瓷芯片上以分层三维布局集成了三个微型贴片。一个贴片调整用于感测主方向（0度）的应变，第二个贴片用于感测两个对角方向（45度和135度）的应变，第三个贴片专用于温度测量。每个贴片的谐振频率位于约2至3.5吉赫之间，相互至少间隔0.3吉赫，以便能独立读取。当结构沿某一方向弯曲时，只有对应的谐振峰发生位移，而其他谐振峰主要在强度上变化但位置基本不变。温度升高时，陶瓷的介电常数上升，温度贴片的谐振频率稳步降低。由此，该芯片能够同时报告多方向的机械应力分布并跟踪环境温度。

为高温、距离和实际噪声而设计

为了使系统能在传统金属喇叭天线可能失效的恶劣高温环境中工作，团队还设计了一种基于共面波导的独立询问天线。该伴随天线同样使用氧化铝和铂材料制成，能承受高达800 °C的温度，并提供宽带特性，覆盖所有传感器的谐振峰。测试表明，无线链路在传感器与天线间距4–5厘米时效果最佳，此时可见四个清晰的谐振峰且具较高品质因数。研究者搭建了三种实验装置：室温应变装置、高温炉用于纯温度测量，以及可在15至800 °C温度范围内施加最高500微应变的可变温度应变系统。

将频率漂移转换为可靠的数值

细致的实验验证了谐振频率对应变和温度的可重复响应。在室温下，每个应变方向随应变增加均表现出明显的向下频移，灵敏度量级达每微应变数十千赫兹，拟合误差低于0.1%。温度贴片在加热过程中频率明显下降，最大灵敏度超过每摄氏度300千赫兹，并在三次加热–冷却循环中表现出稳定性。由于温度也会影响对应变敏感的贴片，作者提出了数学校正方法：基于测得温度和观测到的谐振频率的二维多项式模型，用以求解“真实”应变。在所有方向、应变和温度条件下，最终应变误差保持在约5%以内，频率的重复性误差远低于1兆赫兹。

这对提高技术安全性的意义

简而言之，这项工作表明，一枚邮票大小的工程陶瓷与金属片可以作为大型设备的无电池“神经末梢”，通过短距离无线链路感知多方向的拉伸与温度。通过结合微型化技巧、耐高温材料和智能数据处理，该器件克服了长期存在的尺寸、布线和温度限制。若将此类传感器部署在涡轮叶片、机器人臂或电动汽车电池上，便可在疲劳和过热导致故障前发出预警，从而提升工业系统的可靠性、效率与安全性。

引用: Guo, L., Dong, H., Liang, S. et al. A miniaturized wireless and passive antenna sensor with meandering structure for integrated multi-directional strain and temperature sensing. Microsyst Nanoeng 12, 165 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01271-8

关键词: 无线应变传感, 高温传感器, 微带贴片天线, 结构健康监测, 多方向应力