无源心动传感标签的关键技术研究

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长期以来,心脏病是威胁人类生命的主要疾病之一。传统的心电图监测方法需要在患者身上粘贴多个具有腐蚀性的电极,造成诸多不便。本文提出了一种结合传感技术和RFID技术的无源心动传感标签,可实现便携的、连续的、对人体无损伤的心脏功能监测。该传感标签包括心动传感器、天线和传感标签芯片,其中传感标签芯片由传感接口电路和无源超高频RFID标签组成。心动传感器捕捉人体的心动信号,由传感接口电路进行处理,再由无源超高频RFID标签发送给读写器进行进一步的处理和分析。本文对该传感标签的相关关键技术进行了研究,论文的主要工作和创新点如下:  (1)采用聚合物压电材料定制了薄膜状的心动传感器,并提出了一种心动传感标签的集成化封装结构:以心动传感器作为基材,将标签天线直接印刷在传感器上,传感标签芯片通过固定胶层固定在传感器上。采用这种集成化封装结构的心动传感标签,制作简单,使用起来非常舒适,将心动传感标签放置在胸前,即可实现心脏功能监测。  (2)研究了传感接口电路中电荷放大器的增益特性、频率响应特性和噪声特性,并设计实现了传感接口电路的PCB板,将测试的波形与多参数监护仪的波形进行比较,有较好的一致性。  (3)研究了弯折偶极子天线和折叠偶极子天线的特性:弯折偶极子天线具有小的尺寸,但是是以辐射电阻的降低为代价的;折叠偶极子天线具有较高的辐射电阻,但是尺寸较大。本文将这两种类型的偶极子结构结合起来,使两者的优缺点互相弥补,设计实现了一种适合于心动传感标签的折叠式的弯折偶极子天线,天线尺寸为4.9cm×4.3cm,测试结果显示:天线的S11的最小值为-49.4dB@916MHz,在900MHz~940MHz带宽内的S11<-10dB。  (4)整流器是无源超高频RFID标签中最关键的电路之一,它将天线接收到的射频信号转变为直流电压来给整个传感标签供电。本文提出了一种动态阂值消除整流器,通过在MOS管的栅极上施加一个随MOS管状态变化的偏置电压,动态地对MOS管的阈值进行补偿,使得MOS管同时具有低的导通电阻和小的反向泄漏,从而获得了高的功率转换效率。  (5)为了产生稳定的电源电压,对无源超高频RFID标签的稳压系统所包含的限压电路、稳压电路和参考电压源进行了研究:①提出了一种新型的限压电路,利用参考电压源,产生一个与参考电压成比例的限制电压,使得限制电压对温度和工艺的变化不敏感;②提出了一种采用动态带宽提高技术的稳压电路,通过感测在高输入能量时限压电路中的泄放电流,增大稳压电路的偏置电流,从而提高了带宽,使得稳压电路的输出电压可以迅速地从输入能量变化引起的电压波动中恢复;③提出了一种基于峰值电流源的参考电压源,用很简单的电路结构达到了低电压低功耗的设计要求。基于以上关键电路的研究,在0.18μmCMOS工艺下设计实现了一种具有加密功能的无源超高频RFID标签芯片,芯片面积为880μm×950μm,测试结果表明整个芯片的设计达到了预期指标。  (6)提出了一种基于EMD的心动信号提取方法,可以根据呼吸和心动混合信号的特点,动态地确定呼吸和心动的频带范围,对混合信号进行自适应的分解和重构,有效地提取出心动信号。
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