多變量無源RFID蒸氣傳感器
——柔性襯底制造

徐桂成，楊小天，遲耀丹，鐘春鈴

（吉林建筑大學(xué)，吉林 長春130018）

0 引 言

射頻識別（RFID）傳感器用途廣泛，如在食品安全、制藥、倉儲(chǔ)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)過程等領(lǐng)域加以利用［1］。與其他傳感器相比，RFID傳感器包括許多優(yōu)點(diǎn)，如它的裝置不突出性質(zhì)，具有更高的節(jié)點(diǎn)密度、安裝成本低、無需擴(kuò)展布線等優(yōu)點(diǎn)。無源傳感器的4個(gè)電源可由電感或電容耦合器提供，RFID的操作頻率取決于傳感器傳遞功率天線的尺寸、拾取線圈尺寸和阻抗匹配條件以及傳感器讀取器的功率。RFID傳感器和低功耗閱讀器的短距離無線通信可以在最小化環(huán)境雜波影響的情況下不受干擾。傳感器選擇性監(jiān)測具有揮發(fā)性的有機(jī)化合物（VOCs）是工業(yè)、食品安全領(lǐng)域所需要的。許多（VOCs）具有相似的性質(zhì)，任何傳統(tǒng)的傳感技術(shù)對它們的檢測都具有很大的挑戰(zhàn)性。由于傳統(tǒng)的傳感器對蒸汽的選擇性不足，導(dǎo)致數(shù)字RFID傳感器的模擬輸入不能達(dá)到數(shù)字傳感器選擇性的要求，這就限制了傳統(tǒng)蒸氣傳感器的應(yīng)用。新型RFID蒸汽傳感器要求具有高度選擇性的傳感材料或傳感器陣列作為技術(shù)支撐來實(shí)現(xiàn)必要的檢測。因此，現(xiàn)有傳感器要達(dá)到VOCs的選擇性檢測還存在巨大的技術(shù)差距。還需我們架起一個(gè)嶄新的技術(shù)橋梁，利用新技術(shù)開發(fā)新的無源RFID傳感器檢測存在空氣中VOCs，探索VOCs濃度與RFID傳感器的多變量響應(yīng)之間的關(guān)系。我們需要PET作為這種新型傳感器的基底，并且采用PEUT作為“經(jīng)典”的傳感材料，同時(shí)把RFID嵌到這種材料中，作為蒸氣傳感器來檢測甲苯、丙酮、乙醇和水汽等模型蒸氣。

1 多變量RFID傳感器的工作原理

通過RFID傳感器［2］天線和模擬／數(shù)字拾波線圈互感耦合進(jìn)行阻抗測量的信號系統(tǒng)作為原始信號，然后利用IC存儲(chǔ)器讀?。瘜懭霐?shù)字信息到芯片，如圖1（a）所示。RFID傳感器對蒸氣的響應(yīng)涉及電介質(zhì)的尺寸特性和RFID薄膜諧振天線上的感測膜傳感器，RFID響應(yīng)起源于通過感測膜沉積到諧振天線上的蒸氣，如圖1（b）所示。用于分析蒸氣的選擇性定量測量的RFID傳感器得到的數(shù)據(jù)，諧振阻抗譜線和幾個(gè)光譜參數(shù)的模型，阻抗的實(shí)部共振F1和反共振F2頻率的最大值的頻率Fp和幅值Zp在諧振和反諧振頻率下的部分阻抗和幅值Z1和Z2，如圖1（c）所示。應(yīng)正確選擇感光膜，因?yàn)镽FID傳感器鍍膜對于每個(gè)測試分析物或干擾物響應(yīng)特別重要。然后通過全阻抗譜的多變量分析計(jì)算信號系統(tǒng)拾取的參數(shù)（FP、ZP等）?？勺R別模擬輸入信號還可適應(yīng)傳感器讀取器提供的16位測量分辨率的傳感器的IC芯片用于存儲(chǔ)傳感器校準(zhǔn)系數(shù)。FP、ZP和其他依賴于傳感器和拾取線圈之間的相對位置來拾取的數(shù)據(jù)受他們的位置影響特別大，消除這種影響的方法包括傳感器和拾取線圈之間的位置控制和傳感器阻抗等多元因素。

圖1 無源RFID傳感器的工作原理

2 RFID氣敏傳感器的制造

聚醚聚氨酯（PEUT）（參見圖2）以粒料形式存在通過熔融球團(tuán)進(jìn)行傳感膜的制備。在160～190℃溫度下，將所得熔融PEUT擠出成膜，標(biāo)稱厚度為25 mm，75 mm和125 mm。將傳感膜擠出到釋放襯墊支架上，R2R進(jìn)一步將它應(yīng)用到滾轉(zhuǎn)傳感器嵌體上，本研究選擇尺寸為45 mm×76 mm的RFID嵌體制造一卷RFID傳感器嵌體，厚度為30 mm的鋁層，寬為22．5 cm同時(shí)采用PET基材。RFID傳感器的R2R制造的示意圖如圖3所示。擠壓PET感測膜熱層疊在RFID嵌體上，并快速產(chǎn)生連續(xù)滾動(dòng)的傳感器。與其他類傳感器相比較預(yù)期PEUT聚合物傳感器具有多年的長期穩(wěn)定性。然后是鋁蝕刻和保護(hù)涂層去除，采用倒裝芯片連接工具連接IC存儲(chǔ)器芯片到每個(gè)天線。IC芯片為NXP SLI芯片，帶有896位用戶存儲(chǔ)器并在ISO15693下運(yùn)行。RFID標(biāo)簽型號為AD－714，工作頻率為1 356 MHz。為了制造蒸汽傳感器，將RFID嵌體在釋放的感光膜上滾動(dòng)，在滾動(dòng)的過程中，襯里支架在R2R應(yīng)用中熱分層，在130～145℃進(jìn)行層壓。

圖2 聚醚聚氨酯的化學(xué)結(jié)構(gòu)

圖3 RFID氣敏傳感器的R2R制作示意圖

3 傳感器的氣敏響應(yīng)特性

網(wǎng)絡(luò)分析儀（E5062A安捷倫科技）內(nèi)部設(shè)置多路復(fù)用器，與其對應(yīng)的多達(dá)八個(gè)RFID傳感器的阻抗譜拾取線圈和多個(gè)蒸汽傳感器用來拾取數(shù)據(jù)。拾取線圈的尺寸略小于RFID傳感器（45 mm×76 mm）。通過暴露單個(gè)傳感器對不同的蒸氣條件進(jìn)行采樣或通過同時(shí)暴露多個(gè)傳感器到相同的蒸氣條件進(jìn)行采樣對比。不同濃度的蒸汽是設(shè)備通過利用內(nèi)置的計(jì)算機(jī)控制汽化發(fā)電恒定總流量來控制的，蒸汽濃度以P／P0表示（其中P為部分蒸氣壓，P0為飽和蒸汽壓力）。在兩個(gè)氣室中進(jìn)行氣敏響應(yīng)試驗(yàn)，一個(gè)是具有100 cm3體積的密閉腔室相對較快地提供蒸汽進(jìn)行響應(yīng)測量，另一個(gè)氣室利用28 000 cm3體積的密閉腔室來模擬試驗(yàn)。傳感器敏感膜的厚度適當(dāng)也是重要的。傳感膜的最佳厚度與包括預(yù)期范圍內(nèi)的幾個(gè)因素有關(guān)：（1）用于檢測的蒸氣濃度；（2）期望的傳感器靈敏度。氣敏傳感器的響應(yīng)／恢復(fù)時(shí)間取決于蒸汽流動(dòng)單元的流速、體積和傳感器的尺寸，一般小于2～5 min。同時(shí)使用KaleIDaGrh（協(xié)同）分析傳感器響應(yīng)軟件和PLSH工具箱（特征向量）進(jìn)行研究分析，用MATLAB（MathWork）進(jìn)行仿真操作。

4 單個(gè)RFID傳感器選擇性測量多種蒸氣

RFID蒸氣傳感器可以選擇性地評估不同蒸氣，如丙酮、乙醇和甲苯等模型蒸氣與水蒸氣干擾物進(jìn)行比較。單個(gè)RFID傳感器對不同蒸汽的響應(yīng)源于感測材料與設(shè)計(jì)RFID天線幾何結(jié)構(gòu)的區(qū)別。圖4中的分?jǐn)?shù)圖說明了個(gè)體傳感器極易區(qū)分不同極性［3］和非極性蒸氣。圖中給出了蒸汽測量結(jié)果，使用相關(guān)的誤差原理，繪制了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差圖。

圖4 單一RFID傳感器區(qū)分幾種蒸氣平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差

5 結(jié) 論

與已知的其他無源傳感器相比，本文開發(fā)的無源RFID傳感器結(jié)合了多個(gè)測量變量，利用諧振傳感器數(shù)據(jù)參數(shù)分析，具備對復(fù)雜蒸汽獨(dú)特的識別能力同時(shí)排斥了環(huán)境干擾。R2R制造工藝表明RFID蒸氣傳感器可以用傳統(tǒng)技術(shù)制造。如聚合物薄膜擠出和制造RFID天線嵌體，R2R制造保留了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的RFID設(shè)備，但增加了寶貴的傳感能力。新型RFID傳感器提供了16位分辨率，具有高度獨(dú)立性，具備低分辨率的專有RFID存儲(chǔ)芯片模擬輸入能力。最后工作主要集中在：

（1）傳感材料的設(shè)計(jì)，具有增強(qiáng)的響應(yīng)能力；（2）附加多變量分析技術(shù)。