基于RFID技術(shù)的無線無源紡織應(yīng)變傳感器研究進(jìn)展

鄒艷玲 鄭聰 江心雨 胡吉永

摘要： 隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）時代和老齡化社會的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)無線無源應(yīng)變測量的超高射頻（UHF RFID）紡織應(yīng)變傳感器在醫(yī)療保健領(lǐng)域變得越來越有吸引力。文章綜述當(dāng)前UHF RFID紡織應(yīng)變傳感器的研究現(xiàn)狀，首先介紹該類傳感器測量應(yīng)變的原理，再概述現(xiàn)階段的制備技術(shù)、傳感性能表征和評價指標(biāo)，最后總結(jié)了基于RFID技術(shù)的無線無源紡織應(yīng)變傳感器在商業(yè)化發(fā)展中存在的問題，為今后研發(fā)該類應(yīng)變傳感器提供方向。

關(guān)鍵詞： RFID;無線無源;端口阻抗;介電常數(shù);背散射功率;紡織應(yīng)變傳感器

中圖分類號： TP212

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 10017003（2021）08005307

引用頁碼： 081110

DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2021.08.010（篇序）

The progress of research on RFID-based wireless passive textile strain sensors

ZOU Yanling， ZHENG Cong， JIANG Xinyu， HU Jiyong

（College of Textiles， Donghua University， Shanghai 201620， China）

Abstract： Entering in the era of the Internet of Things（IoT）， in todays aging society， the passive ultra-high radio frequency（UHF RFID） textile strain sensors capable of wireless strain measurement are becoming increasingly appealing in healthcare area. This paper gives an overview of the current research situation of UHF RFID textile strain sensors. Firstly， the sensing principles of UHF RFID textile strain sensors are introduced. Second， this paper summarizes the existing manufacturing technologies， characterization of sensing performance and the evaluation indexes. In the end， this paper concludes the problems in the commercial development of RFID-based wireless passive textile strain sensors. This paper is expected to provide a guideline for the development of such strain sensors.

Key words： RFID; wireless passive; port impedance; dielectric constant; backscattered power; textile strain sensor

收稿日期： 20201227;

修回日期： 20210713

基金項目： 上海市自然科學(xué)基金資助項目（20ZR1400500）

作者簡介： 鄒艷玲（1996），女，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄芗徔椘?。通信作者：胡吉永，教授，hujy@dhu.edu.cn。

基于超高頻射頻識別（ultra-high frequency radio frequency identification，UHF RFID）技術(shù)的無線無源紡織應(yīng)變傳感器是將RFID技術(shù)與紡織材料結(jié)合，形成具有應(yīng)變傳感功能的設(shè)備[1-2]，為軍事、城市安全、農(nóng)業(yè)，尤其是醫(yī)療健康領(lǐng)域長時無障礙監(jiān)測技術(shù)提供了新方案。對比傳統(tǒng)應(yīng)變傳感器，該類傳感器解決了傳統(tǒng)應(yīng)變傳感監(jiān)測系統(tǒng)的布線問題，操作安裝簡便，大大降低系統(tǒng)的復(fù)雜程度和成本。對比其他無線傳輸方式的應(yīng)變傳感器，RFID紡織應(yīng)變傳感器采用當(dāng)下流行的無源UHF RFID標(biāo)簽技術(shù)的通信及感應(yīng)方式——電磁反向散射耦合原理（如雷達(dá)原理模型）[3]，依靠電磁能工作[4-5]，克服了ZigBee[6-7]、藍(lán)牙[8-9]等無線傳感器的有源局限，具備小型化和柔性化潛力，避免了健康檢測中定時定點(diǎn)的限制，成為可穿戴設(shè)備的潛在選擇。

本文首先介紹超高頻RFID紡織應(yīng)變傳感器用于測量應(yīng)變的原理，在此基礎(chǔ)上概述RFID柔性應(yīng)變傳感器，特別是RFID織物應(yīng)變傳感器的研究現(xiàn)狀，并展望其發(fā)展前景。

1 RFID應(yīng)變傳感器傳感原理及結(jié)構(gòu)

從RFID標(biāo)簽結(jié)構(gòu)及工作原理可知RFID應(yīng)變傳感器的工作原理，如圖1所示。圖1（a）為RFID標(biāo)簽的一般結(jié)構(gòu)。在RFID標(biāo)簽天線和芯片阻抗匹配的范圍內(nèi)，由于應(yīng)變對傳感元件的激勵作用，引起RFID標(biāo)簽天線端口阻抗或者基底材料介電常數(shù)變化，進(jìn)一步引起天線某性能參數(shù)的變化，從而在該參數(shù)變化與應(yīng)變之間形成某種傳感響應(yīng)關(guān)系。

根據(jù)在應(yīng)變下RFID標(biāo)簽主要結(jié)構(gòu)單元發(fā)生變化的具體參數(shù)，可以作為應(yīng)變傳感元件的有天線、輸入阻抗型應(yīng)變傳感元件（引入外接應(yīng)變傳感元件）和基材[10]。

1.1 天線為應(yīng)變傳感元件

如圖1（a）所示，選用RFID標(biāo)簽中的天線作為應(yīng)變傳感元件時[11]，標(biāo)簽天線在應(yīng)力作用下會發(fā)生應(yīng)力方向的尺寸和有效電導(dǎo)率的變化，引起天線增益和反射系數(shù)的變化，閱讀器所獲取的背散射功率（Prx）[12]也隨之改變：

Prx=14|Γ1-Γ2|2λ4πd4G2G2readPtx（1）

式中：Prx是閱讀器的連續(xù)波輸出功率，G和Gread分別是標(biāo)簽天線和閱讀器天線的增益，Γ1和Γ2分別表示芯片的能量收集和在調(diào)制阻抗?fàn)顟B(tài)下天線芯片的功率反射系數(shù);其中增益G、天線阻抗與天線的幾何形狀和結(jié)構(gòu)有關(guān)。

1.2 輸入阻抗型RFID應(yīng)變傳感器

將具有應(yīng)變感應(yīng)功能的傳感組件集成到RFID標(biāo)簽中，使芯片的端口輸入阻抗隨應(yīng)變而變化，該類傳感器同時具有識別和感應(yīng)功能。

根據(jù)敏感材料引入位置，天線混合型可以分為兩類。一種是把應(yīng)變敏感材料作為天線導(dǎo)體的一部分而引入，例如將電阻式或電容式柔性應(yīng)變傳感元件附加在芯片的電耦合環(huán)外側(cè)[13-14]，如圖1（b）所示。這類應(yīng)變傳感元件可以是傳統(tǒng)應(yīng)變片，也可以是新興電阻/電容式傳感纖維或織物。應(yīng)力作用會改變傳感元件的電阻或電容，從而改變天線的端口阻抗。根據(jù)式（1），端口阻抗的改變最終會影響背散射功率的讀取。同理，該傳感器可以通過測量背散射功率參數(shù)的改變量，計算天線的應(yīng)變。

另一種天線混合型是將柔性應(yīng)變傳感元件與RFID標(biāo)簽通過導(dǎo)線相連，應(yīng)變測量單元通常是電阻式應(yīng)變元件及惠斯通電橋，如圖1（c）所示。在拉伸過程中，閱讀器首先發(fā)射“詢問”信號用于激勵無源電子標(biāo)簽和與標(biāo)簽相連的惠斯通電橋，利用惠斯通電橋測量應(yīng)變電阻的變化量，并將其變化量以電壓信號的形式傳輸?shù)絉FID標(biāo)簽的芯片中儲存，隨后將攜帶芯片信息的“應(yīng)答”信號經(jīng)由標(biāo)簽天線輻射回去，最后由閱讀器通過對標(biāo)簽信號的接收和解析將電阻變化信息轉(zhuǎn)換為應(yīng)變值。

1.3 基材型

基材型則是以標(biāo)簽天線的柔性基板作為傳感敏感元件[15]，天線基板在拉伸過程中其有效介電常數(shù)（εe）也隨之改變。

基板的有效介電常數(shù)、天線的有效電氣長度對天線諧振頻率的影響如下式所示：

fr=c2leεe×r（2）

式中：le是天線的有效電氣長度;εe是天線基板的有效介電常數(shù);r是折疊半波偶極天線的校正因子。

由式（2）可知，天線的諧振頻率將在其有效電長度或基板厚度發(fā)生變化時發(fā)生變化，該傳感器可以通過測量諧振頻率的偏移來反映應(yīng)變大小。

2 RFID柔性織物應(yīng)變傳感器

2.1 天線為傳感單元

為了使天線作為傳感元件的RFID傳感器具有較好的彈性和回復(fù)性，通常使用織物為基底材料。在織物上制作標(biāo)簽天線的紡織工藝可分為三類[16]：采用織物成形工藝，以導(dǎo)電紗織造天線，屬于織物的一部分;或采用刺繡工藝，按照天線的結(jié)構(gòu)將導(dǎo)電纖維縫制在織物基體上;或采用絲網(wǎng)印刷工藝，在柔性織物基體上按照天線結(jié)構(gòu)印刷納米導(dǎo)電顆?；?qū)щ娋酆衔锏?，制備柔性可穿戴織物天線。

2.1.1 織物成形技術(shù)

織物成形技術(shù)就是將導(dǎo)電線在織造過程中按照天線幾何形狀無縫地整合到主體材料中，該工藝制作的天線標(biāo)簽設(shè)計堅固、透氣性好、可機(jī)洗且重復(fù)使用。

Liu[17]設(shè)計了一款Bellyband天線應(yīng)變傳感器，該傳感器天線由導(dǎo)電和非導(dǎo)電紗針織而成，并集成到主體服裝中，通過物理變形引起的背散射功率（RSSI）的變化進(jìn)行傳感，用于檢測許多生物過程（如呼吸或子宮收縮）中出現(xiàn)的變形[18]。導(dǎo)電紗選擇鍍銀尼龍，非導(dǎo)電紗線包括黏膠纖維和聚酰胺混紡纖維，以提供必要的舒適性和彈性。標(biāo)簽芯片通過焊接到小而薄的印刷電路板（PCB）或柔性印刷電路板（FPC）（10 mm×10 mm）上，然后將PCB或FPC插入編織天線內(nèi)的集成袋中進(jìn)行封裝，如圖2所示。該傳感器應(yīng)變感應(yīng)性能經(jīng)測試最大讀取范圍[19]可達(dá)3.96 m，傳感器靈敏度約為0.5 dB/mm。

Osman[20]提出了一種基于射頻識別（RFID）標(biāo)簽的表皮無源無線應(yīng)變傳感器，如圖3所示。將RFID紡織應(yīng)變傳感器附在許多截癱患者具有運(yùn)動能力的眉毛或脖子周圍的皮膚上，通過面部肌肉的運(yùn)動調(diào)整相關(guān)的皮膚拉伸，導(dǎo)致標(biāo)簽幾何形狀失真。當(dāng)與安裝在輪椅上的近端閱讀天線結(jié)合使用時，就有機(jī)會監(jiān)視肌肉抽搐的程度和方向，從而控制輪椅的轉(zhuǎn)向與速度，輔助殘疾人和無行為能力人的生活和康復(fù)。該標(biāo)簽設(shè)計在負(fù)載鈦酸鋇的聚二甲基硅氧烷（PDMS）基材上，經(jīng)過評估證明了應(yīng)變儀的靈敏度和重復(fù)性與皮膚舒展有關(guān)。其中應(yīng)變高達(dá)10%時，讀取發(fā)射功率差約為4 dB。

2.1.2 刺繡工藝

可穿戴的刺繡制作天線的RFID標(biāo)簽具有許多優(yōu)點(diǎn)，它可以嵌入到任何布料中，而不必附著在布料上。但刺繡天線采用的導(dǎo)電紗線與納米金屬顆粒或金屬薄膜相比，刺繡天線的電阻較大，天線導(dǎo)體的導(dǎo)電性較差[21]?？p制天線的電導(dǎo)率取決于縫紉圖案、線跡密度和電線的電導(dǎo)率[22]。

Hasani[23]設(shè)計了一款刺繡基射頻識別（RFID）的傳感器，如圖4所示。天線布局繡在聚酯基可拉伸織物上，該織物在多次使用后具有可重復(fù)的特性[24]，縫制天線時使用的導(dǎo)電線是Shieldex 110 f 34 dtex 2層HC。作者提出了一種讀取范圍提取技術(shù)（該技術(shù)依賴于激活RFID IC所需的閾值功率[25]的檢測）與不需要任何協(xié)議的基于雷達(dá)橫截面（RCS）的技術(shù)之間的比較，并證實(shí)使用這兩種技術(shù)都可以實(shí)現(xiàn)并直接詢問具有與所施加應(yīng)變相關(guān)的電氣長度的刺繡RFID傳感器。頻移-應(yīng)變的最佳擬合曲線的斜率表明，使用雷達(dá)技術(shù)的靈敏度為066，若使用讀取范圍-應(yīng)變之間關(guān)系，則靈敏度為0.43。

2.1.3 絲網(wǎng)印刷工藝

絲網(wǎng)印刷工藝是一種低成本生產(chǎn)具有識別和傳感功能的RFID標(biāo)簽的解決方案。在柔性和紙質(zhì)基板上使用絲網(wǎng)印刷的RFID電路，以提供RFID感應(yīng)功能。

Merilampi[26-27]采用絲網(wǎng)印刷方法將導(dǎo)電油墨分別按照兩種幾何形狀天線（折疊偶極子和直線偶極子）印刷在可拉伸的PVC和商業(yè)彈性織物基材上，制備了基于可拉伸無源UHF RFID標(biāo)簽天線的可穿戴應(yīng)變傳感器，用于監(jiān)測人體的功能和動作。以標(biāo)簽接收的背向散射功率信號來檢測機(jī)械應(yīng)變，就幾何形狀而言，折疊偶極子對應(yīng)變的測量響應(yīng)比直線偶極子的響應(yīng)更加模糊，如圖5所示。并且由于折疊偶極子天線的RFID應(yīng)變傳感器天線跡線狹窄，拉伸過程易出現(xiàn)斷裂，對于測量較大應(yīng)變而言并不實(shí)用，可以用于測量相對較小的應(yīng)變，而較寬的可拉伸跡線的直線偶極子天線的RFID應(yīng)變傳感器更適用于大型運(yùn)動的測量。就標(biāo)簽天線材料而言，在拉伸應(yīng)變下，PVC上天線墨膜電導(dǎo)率的下降是由于墨膜微結(jié)構(gòu)變化引起的，而織物上電導(dǎo)率的下降主要是由于織物的結(jié)構(gòu)變化（如寬度、長度、厚度等物理尺寸）而不是墨膜的微結(jié)構(gòu)變化。

He[28]介紹了一種基于被動式UHF RFID的應(yīng)變傳感器，該傳感器旨在用于基于人體運(yùn)動的人機(jī)交互。研究采用的天線結(jié)構(gòu)包含一個輻射天線和一個帶有芯片的饋電環(huán)路，天線的這兩部分通過電感耦合。帶有芯片的饋電環(huán)路貼附在不可拉伸的基板Cat.#A1220（熱熔膠屏蔽布）表面，同時輻射天線貼附在完全可拉伸的基板（商業(yè)化可拉伸銀紡織材料）表面，如圖6所示。在應(yīng)變作用下，輻射天線背散射功率信號的改變被儲存到饋電環(huán)路的芯片里。該傳感器采用了獨(dú)立的天線設(shè)計，可以保護(hù)天線的小饋電環(huán)路部分免受輻射天線伸長期間的機(jī)械應(yīng)力的影響，從而顯著提高該傳感器的可靠性。

以上采用織物成形或織物表面刺繡加工技術(shù)制作的RFID基應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)更加柔軟，可直接與其他織物結(jié)合，不需要黏合劑，具有一定耐洗性。但是在機(jī)器的高張力和高速摩擦下可能導(dǎo)致纖維導(dǎo)電層破損，引起復(fù)絲導(dǎo)電紗線的擠壓變形，引起傳感性能失穩(wěn)。另一方面，織物表面絲網(wǎng)印刷涂層工藝與紡織和刺繡方法相比，該方法更加經(jīng)濟(jì)，環(huán)境友好，該工藝制作的RFID應(yīng)變傳感器的天線幾何形狀和基底材料在很大程度決定了傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域。

為了提高天線式RFID傳感器傳感性能，現(xiàn)研究采用很多方式，例如引入?yún)⒖紭?biāo)簽[12]、改變天線幾何形狀[27]、改變基材[29]等。不同的天線幾何形狀會影響應(yīng)變和背散射功率之間的線性關(guān)系，折疊偶極子應(yīng)變傳感器相較于直線型傳感器的傳感線性度低，但它產(chǎn)生的信號比直線型要大，僅可測試10%范圍內(nèi)的應(yīng)變。針對不同原理的傳感器，標(biāo)簽天線的基底材料的選擇也不一樣，織物基材更適合于基材型RFID應(yīng)變傳感器。就織物而言，織物中存在孔隙，在拉伸過程中，這些孔隙的變化會影響所測得的相對介電常數(shù)的變化。

2.2 輸入阻抗型RFID應(yīng)變傳感器

Long等[30]提出了一種RFID應(yīng)變傳感器標(biāo)簽，由導(dǎo)電織物制成可拉伸天線。如圖7（a）所示，為了創(chuàng)建用于傳感標(biāo)簽的高效天線，使用了不可拉伸、高導(dǎo)電的鍍銅涂層織物形成天線主體，并通過導(dǎo)線將可拉伸導(dǎo)電織物與天線主體縫接。如圖7（b）所示，分別測試對比了可拉伸織物寬度為1 cm和3 cm時的傳感響應(yīng)，觀測到反向散射強(qiáng)度的變化百分比在一定頻率下與天線伸長率都呈近似線性關(guān)系。對于標(biāo)簽A（1 cm），在所有頻率下反向散射強(qiáng)度的變化百分比都是隨應(yīng)變增加而單調(diào)增加的;對于標(biāo)簽B，它在920 MHz以上的頻率下就不再單調(diào)了。并且傳感器標(biāo)簽A和B在應(yīng)變下顯示的最高讀取距離分別為10 m和7.5 m。

目前尚未見報道紡織基電耦合環(huán)外側(cè)接入應(yīng)變傳感元件的研究，但已有學(xué)者在類似于織物的紙基上開發(fā)輸入阻抗式的RFID應(yīng)變傳感器。Kim等[14]提出一種新型噴墨打印雙標(biāo)簽RFID免校準(zhǔn)觸覺傳感器，除RFID芯片外，所有組件都使用納米銀墨水噴墨打印在紙基（纖維素紙和合成紙）上，如圖8所示。在事件檢測之前（在空氣中），傳感組件的自諧振頻率設(shè)計與天線的諧振頻率相同（圖8（b））;事件發(fā)生時，由于感測部件的負(fù)載效應(yīng)，兩個標(biāo)簽的響應(yīng)諧振頻率之間存在差異，傳感器標(biāo)簽的諧振頻率移至較低頻率。由兩個RFID標(biāo)簽并置實(shí)現(xiàn)差分傳感機(jī)制具有許多優(yōu)勢，包括事件檢測的高靈敏度及幾乎獨(dú)立于環(huán)境靈敏度的性能。

對于輸入阻抗型RFID應(yīng)變傳感器，通常將RFID標(biāo)簽與柔性電阻式應(yīng)變傳感元件相連，因?yàn)殡娮枋綉?yīng)變測量技術(shù)成熟而穩(wěn)定。該類傳感器在天線部分引入或附加在電耦合環(huán)外側(cè)的結(jié)構(gòu)有望解決芯片在織物基底上受力易脫落的問題，但是對于應(yīng)變傳感元件引入的位置和寬度等結(jié)構(gòu)參數(shù)與傳感性能關(guān)系的討論尚不明確，今后有開展該類研究的必要。第二種附加結(jié)構(gòu)中，增加外圍電路的設(shè)計不僅改變了天線阻抗匹配，且給傳感標(biāo)簽整體尺寸的小型化設(shè)計提出挑戰(zhàn)。

2.3 基材型RFID應(yīng)變傳感器

Teng[15]設(shè)計并制造了一款RFID柔性應(yīng)變傳感器，傳感器由Ecoflex 00-50基底材料和Galinstan組成，如圖9所示。在應(yīng)力作用下，天線基板的有效介電常數(shù)變化，它的諧振頻率也隨之發(fā)生變化。該柔性RFID傳感器具有可拉伸性，可輕松應(yīng)用于可穿戴應(yīng)變傳感器或作為軟機(jī)器人系統(tǒng)的一部分，該傳感器具有較大的測量讀數(shù)范圍（>7.5 m），顯示全方向性。

基材型RFID應(yīng)變傳感器測量應(yīng)變時，學(xué)者們主要采用天線諧振頻率作為應(yīng)變傳感表征指標(biāo)，該參數(shù)的測試不易受環(huán)境影響且穩(wěn)定。但是有學(xué)者指出，應(yīng)變與介電常數(shù)之間的變化不成線性關(guān)系[31]。

綜合前述研究，目前基于RFID紡織應(yīng)變傳感器性能評價如表1所示，所開發(fā)的RFID紡織應(yīng)變傳感器其讀取距離達(dá)到10 m左右，靈敏度到達(dá)0.5 dBm/mm，應(yīng)變范圍一般不超過50%。此類RFID紡織應(yīng)變傳感器更多是在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)原型制備及功能驗(yàn)證，針對實(shí)際應(yīng)用環(huán)境還有很多關(guān)鍵技術(shù)要突破。并且其芯片與天線在使用拉伸過程中很容易造成脫落，如何既保證其舒適性又保留芯片天線其良好接觸，是未來天線式應(yīng)變傳感器工業(yè)化發(fā)展的一個難題。

3 結(jié) 語

UHF RFID紡織應(yīng)變傳感器在結(jié)構(gòu)原理驗(yàn)證方面取得了較大進(jìn)展，有兩種方法將RFID技術(shù)引入紡織應(yīng)變傳感器，要么RFID標(biāo)簽的天線、基材為應(yīng)變敏感紡織材料，要么將具有應(yīng)變感應(yīng)功能的紡織組件集成到RFID紡織標(biāo)簽中。無論采用哪種方法，RFID技術(shù)可以無源無線的測量應(yīng)變，改進(jìn)了現(xiàn)有的有線應(yīng)變測量系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)性和不可移動性上的缺陷。但是，為了縮小實(shí)驗(yàn)室研究與基于情景的紡織UHF RFID應(yīng)變傳感器之間的研究差距，還需要從以下幾方面進(jìn)一步展開研究。

1）在傳感表征方面，綜合考慮傳感性能，優(yōu)化篩選適合表征應(yīng)變的射頻參數(shù)。

2）在傳感性能評價方面，一般僅討論靈敏度、線性度和讀取距離，初步確定傳感器的可使用性，尚未深入探討此類傳感器在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下的應(yīng)變響應(yīng)特性，如重復(fù)穩(wěn)定性、滯后現(xiàn)象等。

3）就RFID標(biāo)簽制備來說，一般在織物表面用絲網(wǎng)印刷制備天線，但未研究天線的幾何形狀和織物基底材料對傳感器的性能及應(yīng)用限制，也沒有探討在拉伸應(yīng)變中芯片與天線之間的互聯(lián)失效。

4）當(dāng)RFID柔性應(yīng)變傳感器應(yīng)用于人體體征測試時，不論是將傳感器植入人體內(nèi)部還是將傳感器與服裝集合在一起，傳感器都會受到液體、人體、障礙物等的干擾，目前關(guān)于這些因素對RFID柔性應(yīng)變傳感器影響的研究結(jié)論較少。

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