刺繡型超高頻織物電子標簽的開發(fā)

尹雙瑤 劉基宏 聶凌峰

摘要： 為開發(fā)穿戴舒適、形式隱蔽、應用便捷的柔性電子標簽，文章以70D/24F×3鍍銀導電紗為基材將標簽天線繡制在純棉機織物上，并與標簽芯片封裝制得刺繡型織物電子標簽，進而研究各刺繡工藝參數(shù)對織物電子標簽電阻和讀取性能的影響。結(jié)果表明：針跡類型、針跡間距、針跡長度等刺繡工藝參數(shù)分別通過改變導電紗與電流傳輸方向夾角、導電紗密度及落針點數(shù)量，影響織物電子標簽性能。標簽天線的適宜刺繡工藝參數(shù)為針跡間距0.25～0.40mm、針跡長度2.0～4.0mm的直線針，尤其當采用針跡間距0.35mm、針跡長度2.0mm的直線針時，織物電子標簽讀取距離最遠可達7.6m。

關(guān)鍵詞： 射頻識別;超高頻;電子標簽;刺繡工藝;織物天線;可穿戴

Abstract： In order to develop flexible RFID（Radio Frequency Identification） tags that are comfortable to wear，concealed in form and convenient to apply，70D/24F×3 silver-plated conductive yarn was used as the base material to embroider the tag antenna on the pure cotton woven fabric. Subsequently，the tag antenna and the tag chip were packaged to obtain an embroidered fabric RFID tag，and then the effects of embroidery process parameters on the resistance and reading performance of the embroidered fabric RFID tag were studied. The results show that the embroidery process parameters such as stitch type，stitch spacing and stitch length affect the performance of the fabric RFID tag by changing the angle between the conductive yarn and the current transmission direction，the density of the conductive yarn and the number of needle drop points. The suitable embroidery process parameters for the tag antenna are as below： stitch spacing 0.25-0.40mm and stitch length 2.0-4.0mm. Especially when the stitch spacing is 0.35mm and the stitch length is 2.0mm，the reading distance of the fabric electronic tag is as far as 7.6m.

Key words： RFID; UHF; RFID tag; embroidery technology; fabric antennas; wearable

隨著社會信息化和智能化的快速發(fā)展，作為物聯(lián)網(wǎng)核心支撐的射頻識別（radio frequency identification，RFID）技術(shù)應用日趨廣泛[1-3]，其在各領(lǐng)域中特有的應用模式也對RFID技術(shù)提出了不同的要求。在紡織服裝行業(yè)中，現(xiàn)有的貼標、吊牌、水洗嘜、防盜扣等類型的電子標簽即RFID標簽，普遍是硬質(zhì)的，穿戴很不舒適，且通常直接粘貼或懸掛在服裝上，容易造成標簽缺失和損壞，導致數(shù)據(jù)統(tǒng)計產(chǎn)生誤差、管控不能準確到位，無法滿足現(xiàn)代紡織行業(yè)對RFID標簽穿戴舒適性和精準管控的要求。

為此，RFID標簽的穿戴舒適性、共形性，以及與織物的一體化無縫結(jié)合等方面的應用研究逐漸受到關(guān)注，織物RFID標簽由此走進人們的視線。目前，織物RFID標簽通?？煞譃閮深怺4]：一類是基于機織、針織、刺繡、膠粘等工藝，將導電紡織材料以標簽天線的形式集成到織物基體上;另一類是將納米金屬顆粒、導電聚合物等材料印刷或涂覆于織物基體，制得可穿戴織物RFID標簽。前者有Sun[5]、D.Patron等[6]采用導電紗分別以機織和針織的方式制得紡織偶極子天線，但均存在工藝復雜、制作方式不靈活等問題。S.Ma等[7]通過剪裁導電織物，利用熱熔膠將天線和芯片黏附到非導電織物基材上，其天線未與基材真正融為一體，粘貼牢度受熱熔膠性能影響較大。Chen等[8]利用導電紗為原料將標簽天線刺繡到手套上，所得標簽讀取距離較近，且有關(guān)刺繡參數(shù)對標簽性能的影響有待探討。后者則有R.Singh等[9]討論了利用基于納米材料的噴墨打印技術(shù)制作RFID器件所面臨的機遇與困難，但仍存在不耐水洗、涂層影響穿戴舒適性等方面的問題。目前刺繡設(shè)備及工藝參數(shù)的研究已經(jīng)相對成熟[10-11]，本文選用相對靈活的刺繡工藝制作超高頻織物RFID標簽，詳細討論了刺繡參數(shù)對織物RFID標簽電阻及標簽讀寫性能的影響，為其實用化提供工藝參考。

1 實 驗

1.1 材料及儀器

材料：70D/24F×3錦綸基鍍銀導電紗線（蘇州泰克銀纖維科技有限公司），基布織物密度為280×240（根/10cm）的純棉平紋機織布（嘉祥縣潤和紡織有限公司），Impinj M4QT超高頻芯片（美國英頻杰股份有限公司），體積電阻為≤120Ω·cm的凱特森CD-03導電銀漿（廣州楷翔電子產(chǎn)品有限公司）。

儀器：MRS300A美爾繡電腦繡花機（寧波廣維電器科技有限公司），VC9804A萬用表（深圳市驛生勝利有限公司），

KML930 RFID讀寫模塊（杭州恒竣科技有限公司），力辰101-2BS電熱鼓風烘箱（上海力辰邦西儀器科技有限公司）。

1.2 織物RFID標簽的制備

1.2.1 標簽天線幾何結(jié)構(gòu)的確定

根據(jù)所選的刺繡制作方式，織物RFID標簽天線幾何形狀的確定主要考慮以下兩點：1）考慮到繡花機分辨率和紗線本身性質(zhì)的影響，標簽天線幾何形狀不能過于復雜精細;2）標簽天線形狀受上下機張力的影響存在一定的幾何變化，需保證其形狀在下機后能保持相對穩(wěn)定。為了保障下機后標簽天線表面平整、形狀穩(wěn)定，以及簡化織物RFID標簽尺寸、形狀等參數(shù)設(shè)計與優(yōu)化過程中的分析、描述，本文選擇市面上的Laxcen-C90G型鋁刻蝕標簽的形狀為織物RFID標簽參考尺寸與形狀參數(shù)。圖1為所選標簽天線尺寸及實物圖，該天線幾何形狀相對簡單且不過于精細，刺繡下機后織物形變對天線幾何形狀影響較小。

刺繡型超高頻織物電子標簽的開發(fā)

1.2.2 標簽天線刺繡參數(shù)設(shè)計及制作

本文采用Wilcom9.0花樣設(shè)計軟件繪制不同針跡效果的織物RFID標簽花樣，并將其傳輸至MRS300A美爾繡電腦繡花機上進行刺繡。同時采用常見的直線針、周線針、他他米針三種針跡類型進行實驗，如圖2所示。在針跡類型確定中，針跡間距取0.5mm，導電紗疏密程度適中。此外，實驗發(fā)現(xiàn)當刺繡針跡間距小于0.1mm或針跡長度小于0.8mm時，易出現(xiàn)斷線、繡品質(zhì)量不良等問題。為保證織物RFID標簽表面平整，刺繡張力刻度則始終維持于0～2。

1.2.3 織物RFID標簽的封裝

在完成標簽天線的制作后，采用導電銀膠將Impinj M4QT芯片粘合到標簽天線的兩端口之間，并在80℃、30min的條件下固化。最終實現(xiàn)超高頻芯片和標簽天線互連，獲得完整的織物RFID標簽結(jié)構(gòu)。

1.3 性能測試

1.3.1 導電性能

標簽天線的導電性能與輻射效率有關(guān)，由Friis傳輸公式可知，其對織物RFID標簽的讀取范圍也有一定影響[12]。在常溫常濕條件下，采用VC9804A萬用表測量標簽天線兩端口間的直流電阻，以表示其導電性能。為提高讀數(shù)準確性，測量時采用平口夾代替萬用表筆夾住安裝芯片的兩側(cè)端口處，使標簽天線端口與萬用表之間保持均勻良好的接觸，結(jié)果取測量10次的平均值。

1.3.2 讀取性能

采用KML930 RFID讀寫模塊及配套的RFID Reader軟件進行讀取性能測試。實驗在較為空曠的環(huán)境中進行，讀寫器天線增益為5dBi，發(fā)射功率為30dBm，工作頻率為920MHz。測試場景布置如圖3所示，讀寫器天線平面和織物RFID標簽平面保持平行，且兩者幾何中心距離地面高度均為0.7m。改變織物RFID標簽與讀寫器天線之間的垂直距離，記錄可以讀取標簽的最大距離，即為織物RFID標簽讀取距離。同時固定織物RFID標簽與讀寫器天線距離為3.0m，記錄其在30s內(nèi)的接收信號強度（received signal strength indication，RSSI）和讀取次數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 針跡類型對織物RFID標簽的影響

圖4為采用直線針、周線針及他他米針三種針跡類型繡制的標簽天線。圖4（a）～（f）的針跡長度均為2mm，其中圖4（a）～（c）的針跡間距為0.5mm，圖4（d）～（f）的針跡間距為0.5mm，各針跡類型標簽天線中導電紗排列方向明顯不同。根據(jù)表1所示參數(shù)繡制的不同針跡類型的織物RFID標簽，其電阻值及讀取性能分別如圖5和表2所示。

當針跡類型為直線針時，標簽天線的電阻值和標準差均為最小，此時導電紗排列與總體電流方向平行，主電流沿導電紗傳輸，部分電流沿導電紗之間的接觸點傳輸，其傳輸距離相對較短，傳輸損耗較小，因而標簽天線電阻較小且接近市面上鋁刻蝕天線的電阻值。

試樣導電紗排列與電流方向關(guān)系針跡類型針跡間距/mm針跡長度/mm

a平行直線針0.52.0

b垂直周線針0.52.0

c成一定角度他他米針0.52.0

而當針跡類型為周線針和他他米針時，標簽天線中導電紗排列方向與總體電流方向成一定夾角，電流主要依靠相鄰導電紗的接觸點進行傳輸，但導電紗之間存在一定的間隙不利于電流傳輸;其次，部分電流沿導電紗傳輸，傳輸距離相對較長，傳輸損耗較大。此外，由于他他米針相鄰兩落針點之間紗線根數(shù)比周線針多，導電紗之間的間隙小，因此采用周線針的標簽天線電阻值最大。

如表2所示，RSSI值為以dBm為單位的讀寫器接收到的織物RFID標簽信號強度。其結(jié)果一般為負值，越接近0dBm，RSSI值越大，讀寫器與織物RFID標簽之間的通信鏈路信號越強。由此分析可得，在三種針跡類型中，采用直線針的織物RFID標簽讀取距離最遠，接收信號強度相對更優(yōu)，讀取速率最大且相對更接近對照的刻蝕天線。而他他米針織物RFID標簽讀取性能次之，周線針織物RFID標簽讀取性能相對最差。因此，為使織物RFID標簽具有更好的射頻傳輸性能及實用性能，本文選用直線針針跡類型進行進一步討論。

2.2 針跡間距對織物RFID標簽的影響

織物RFID標簽性能受導電紗密度變化的影響而改變[12]，本文采用2.0mm的針跡長度，0.1～1.0mm的針跡間距進行實驗，并分析影響導電紗密度的針跡間距對織物RFID標簽性能的影響。

所得不同針跡間距的織物RFID標簽電阻值及讀取性能如圖6和表3所示。當針跡間距處于0.1～0.5mm時，標簽天線電阻值在5Ω內(nèi)呈平緩上升趨勢，織物RFID標簽讀取距離均為5.0m以上。當針跡間距大于0.5mm時，標簽天線電阻值急劇增大至30Ω左右，織物RFID標簽讀取性能隨之減弱，至針跡間距大于0.8mm時，讀取距離小于3.0m。這是因為標簽天線可看作并聯(lián)導體，針跡間距越小，并聯(lián)導體數(shù)越多，總電阻則越小。當針跡間距大于0.5mm時，標簽天線中相鄰導電紗之間出現(xiàn)明顯間隙，接觸點減少，等同于并聯(lián)導體數(shù)減少，且電流只能沿走針線跡傳輸，路徑傳輸損耗增大，導致標簽天線電阻急增，織物RFID標簽讀取性能變差。

通過測長稱重法測得導電紗線密度為30.67tex?？紤]到紗線在織物中被壓扁的實際情況，引入互為倒數(shù)的壓扁系數(shù)η和延寬系數(shù)δ計算紗線直徑，一般η取值為0.65～080[13]，本文取η=0.7。

通過測量計算得出，當針跡間距處于0.10～0.40mm時，導電紗覆蓋系數(shù)范圍為92.9%～357.1%，標簽天線近似連續(xù)導體，織物RFID標簽電阻值較小且讀取性能較為良好。尤其當針跡間距取0.35mm時，導電紗覆蓋系數(shù)為103.6%，剛好大于1，此時標簽天線中導電紗排列最接近理想的伸直平行狀態(tài)，相互接觸但不疊壓，織物RFID標簽讀取距離最遠達到76m，接收信號強度、讀取速率均為最優(yōu)。而當針跡間距小于0.25mm時，導電紗覆蓋系數(shù)大于142.9%，雖然織物RFID標簽讀取距離較遠，但其信號接收強度、讀取速率略低，且存在針跡間距過密、易斷線、柔軟度差等問題，因此確定相對適宜的刺繡針跡間距范圍為0.25～0.40mm。

2.3 針跡長度對織物RFID標簽的影響

采用0.35mm為針跡間距，改變刺繡針跡長度制備織物RFID標簽，所得標簽天線電阻值及讀取性能如圖7和表4所示。當針跡長度從0.8mm增長到6.0mm時，標簽天線電阻值減小趨勢明顯，但標準差值較為穩(wěn)定，離散程度小。當針跡長度大于6.0mm后，標簽天線電阻值逐漸趨于穩(wěn)定，基本維持于3Ω上下。然而，從標準差來看，針跡長度大于6.0mm后，標簽天線電阻值的離散程度明顯增大。

當針跡類型、針跡間距相同時，單針針跡長度越短，落針點越多，面線與底線的交織節(jié)點越多，這不僅使導電紗穿過棉織物基材次數(shù)增大，導電紗總消耗長度變長，還可能在針跡長度過短時，造成斷線、布面過硬且不平整等問題，從而導致標簽天線電阻值偏大。但隨著單針針跡長度的逐漸增長，導電紗與棉織物基材之間的連接點即落針點的數(shù)量隨之減少，使得兩落針點之間的導電紗不能緊密地結(jié)合于棉織物基材表面。因此，標簽天線相對疏松的導電紗排列是導致其電阻值波動偏大的主要原因。由表4可知，當針跡長度為0.8、1.0mm時，織物RFID標簽讀取性能較差，其主要原因在于實驗用電腦繡花機在進行較短針跡長度刺繡時容易產(chǎn)生斷線、布面不平整等問題。此外，不同針跡長度的織物RFID標簽讀取性能整體比較穩(wěn)定，讀取距離均為5.0m以上，RSSI值基本處于-40～-50dBm，且其讀取速率變化幅度也較小。為進一步縮小適宜的針跡長度范圍，從表4數(shù)據(jù)中擇優(yōu)選擇，即針跡長度取2.0～4.0mm時為更適宜的參數(shù)設(shè)定范圍。

3 結(jié) 論

本文采用刺繡法以鍍銀導電紗和純棉機織布為主要原材料，經(jīng)標簽天線選型、上機繡樣、芯片封裝等工序制得超高頻織物RFID標簽，并分別討論了常見刺繡工藝參數(shù)針跡類型、針跡間距、針跡長度對超高頻織物RFID標簽性能的影響。主要結(jié)論如下：

1）針跡類型主要影響標簽天線中導電紗排列與整體電流方向形成的夾角。采用兩者呈平行關(guān)系的直線針時，織物RFID標簽的導電性及讀取性能最優(yōu);呈一定角度時，性能次之;呈垂直關(guān)系時，性能最差。故在設(shè)計標簽天線形狀時需考慮天線中整體電流方向，并設(shè)計主要沿電流方向走針的針跡類型。

2）針跡間距增大使得標簽天線中導電紗覆蓋系數(shù)減小，導電性能變差。當針跡間距大于0.6mm時，織物RFID標簽導電性及讀取性能急劇下降;故在0.6mm內(nèi)擇優(yōu)，當針跡間距取0.25～0.40mm，導電紗覆蓋系數(shù)處于90%～150%時，織物RFID標簽導電性及讀取性能更佳。尤其當針跡間距取0.35mm時，織物RFID標簽讀取距離最遠達到7.6m，讀取性能接近目前工藝成熟的鋁刻蝕天線。

3）針跡長度則影響落針點數(shù)量，與針跡間距相比，其對織物RFID標簽性能的影響較小。針跡長度為1.0～10.0mm的RFID標簽讀取性能整體較為穩(wěn)定。從中進一步擇優(yōu)發(fā)現(xiàn)，當針跡長度取2.0～4.0mm時為相對更優(yōu)的工藝參數(shù)范圍。

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