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，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、農業、工業過程等領域加以利用［1］。與其他傳感器相比，RFID傳感器包括許多優點，如它的裝置不突出性質，具有更高的節點密度、安裝成本低、無需擴展布線等優點。無源傳感器的4個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境雜波影響的情況下不受干擾。傳感器選擇性監測具有揮發性的有機化合物（VOCs）是工業、食品安全領域所需要的。許多（VOCs）具有相似的性質，任何傳統的傳感技術對它們的檢測都具有很大的挑戰性。由于傳統的傳感器對蒸汽的選擇性不足，導致數字RFID傳感器的模擬輸入不能達到數字傳感器選擇性的要求，這就限制了傳統蒸氣傳感器的應用。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支撐來實現必要的檢測。因此，現有傳感器要達到VOCs的選擇性檢測還存在巨大的技術差距。還需我們架起一個嶄新的技術橋梁，利用新技術開發新的無源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之間的關系。我們需要PET作為這種新型傳感器的基底，并且采用PEUT作為“經典”的傳感材料，同時把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／數字拾波線圈互感耦合進行阻抗測量的信號系統作為原始信號，然后利用IC存儲器讀取／寫入數字信息到芯片，如圖1（a）所示。RFID傳感器對蒸氣的響應涉及電介質的尺寸特性和RFID薄膜諧振天線上的感測膜傳感器，RFID響應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傳感器得到的數據，諧振阻抗譜線和幾個光譜參數的模型，阻抗的實部共振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。應正確選擇感光膜，因為RFID傳感器鍍膜對于每個測試分析物或干擾物響應特別重要。然后通過全阻抗譜的多變量分析計算信號系統拾取的參數（FP、ZP等）。可識別模擬輸入信號還可適應傳感器讀取器提供的16位測量分辨率的傳感器的IC芯片用于存儲傳感器校準系數。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據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進行傳感膜的制備。在160～190℃溫度下，將所得熔融PEUT擠出成膜，標稱厚度為25 mm，75 mm和125 mm。將傳感膜擠出到釋放襯墊支架上，R2R進一步將它應用到滾轉傳感器嵌體上，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，并快速產生連續滾動的傳感器。與其他類傳感器相比較預期PEUT聚合物傳感器具有多年的長期穩定性。然后是鋁蝕刻和保護涂層去除，采用倒裝芯片連接工具連接IC存儲器芯片到每個天線。IC芯片為NXP SLI芯片，帶有896位用戶存儲器并在ISO15693下運行。RFID標簽型號為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，在滾動的過程中，襯里支架在R2R應用中熱分層，在130～145℃進行層壓。

圖2 聚醚聚氨酯的化學結構

圖3 RFID氣敏傳感器的R2R制作示意圖

3 傳感器的氣敏響應特性

網絡分析儀（E5062A安捷倫科技）內部設置多路復用器，與其對應的多達八個RFID傳感器的阻抗譜拾取線圈和多個蒸汽傳感器用來拾取數據。拾取線圈的尺寸略小于RFID傳感器（45 mm×76 mm）。通過暴露單個傳感器對不同的蒸氣條件進行采樣或通過同時暴露多個傳感器到相同的蒸氣條件進行采樣對比。不同濃度的蒸汽是設備通過利用內置的計算機控制汽化發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）。在兩個氣室中進行氣敏響應試驗，一個是具有100 cm3體積的密閉腔室相對較快地提供蒸汽進行響應測量，另一個氣室利用28 000 cm3體積的密閉腔室來模擬試驗。傳感器敏感膜的厚度適當也是重要的。傳感膜的最佳厚度與包括預期范圍內的幾個因素有關：（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／恢復時間取決于蒸汽流動單元的流速、體積和傳感器的尺寸，一般小于2～5 min。同時使用KaleIDaGrh（協同）分析傳感器響應軟件和PLSH工具箱（特征向量）進行研究分析，用MATLAB（MathWork）進行仿真操作。

4 單個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行比較。單個RFID傳感器對不同蒸汽的響應源于感測材料與設計RFID天線幾何結構的區別。圖4中的分數圖說明了個體傳感器極易區分不同極性［3］和非極性蒸氣。圖中給出了蒸汽測量結果，使用相關的誤差原理，繪制了一個標準偏差圖。

圖4 單一RFID傳感器區分幾種蒸氣平均值的標準偏差

5 結 論

與已知的其他無源傳感器相比，本文開發的無源RFID傳感器結合了多個測量變量，利用諧振傳感器數據參數分析，具備對復雜蒸汽獨特的識別能力同時排斥了環境干擾。R2R制造工藝表明RFID蒸氣傳感器可以用傳統技術制造。如聚合物薄膜擠出和制造RFID天線嵌體，R2R制造保留了傳統結構的RFID設備，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，具有高度獨立性，具備低分辨率的專有RFID存儲芯片模擬輸入能力。最后工作主要集中在：

（1）傳感材料的設計，具有增強的響應能力；（2）附加多變量分析技術。