基于RFID 的無線無源柔性壓力傳感器研究*

徐明浩，聶寶清，寇文哲

(蘇州大學電子信息學院，江蘇 蘇州 215006)

近年來柔性無線傳感器憑借其出色的機械靈活性、高靈敏度和較短的響應時間在智能設備中被廣泛應用，例如軟機器人[1-2]、電子皮膚[3-5]、人機交互系統[6-8]和醫療健康監測系統[9-10]等。常見的無線傳感器采用LC 耦合、藍牙通信以及RFID 等技術實現。其中LC 無線傳感器是通過外部讀取天線和傳感器之間的耦合實現[11-12]，這種無線傳感器可以實時檢測生理信號且無需外接電源，具有結構簡單、使用壽命長、可穿戴等優勢，極大擴大了整個傳感器系統的應用范圍。最近，Lu 等[13]通過線圈電感器和空氣腔型平行板的LC 諧振制作了一種生物可吸收、無源、無線壓力傳感裝置，用于測量包括顱內、腹腔內和肺動脈高壓的人體內部的壓力。然而，采用LC 天線進行無線傳輸的最大傳輸距離僅有1 cm～2 cm，這限制了柔性傳感器的實際應用。采用藍牙通信技術的無線壓力傳感器具有傳輸距離遠、抗干擾能力強、功耗低等優勢。Qaiser 等[14]報告了一種用Ecoflex 對碳納米管進行封裝制成的壓阻式傳感器，將該裝置連接在人體皮膚表面，用于收集與肌肉活動相關的輸出信號，并通過低功耗藍牙系統實現無線監控。但是采用藍牙傳輸的傳感器往往需要提供電源，這增加了整個傳感器系統尺寸和剛性，降低了設備的機械靈活性。RFID 系統由標簽和閱讀器組成，當標簽進入閱讀器讀寫范圍時會接收閱讀器發出的射頻信號，憑借感應電流所獲得的能量向外發送存儲在芯片中的信息[15-16]。Ma 等[17]將硅膠膜置于一對電感耦合開環諧振器中間，制成一種小型無源RFID 壓力傳感器，利用閱讀器測量傳感器散射信號的中心頻率，判斷壓力的大小。但以測量中心頻率的方式來感知壓力需要對特定頻段進行掃頻，無法實現壓力的實時測量。

本文提出了一種基于RFID 反向散射耦合原理的無線無源柔性壓力傳感器。它由反射層、柔性中間層和數據傳輸層組成。通過受壓時反射層與數據傳輸層間距的變化改變標簽的反射信號，解耦閱讀器的接收信號強度指示(RSSI)值，實現壓力的無線無源實時測量。該傳感器的最大工作距離為10 cm，相較于傳統無線無源壓力傳感器工作距離小于1 cm，拓展了無線無源壓力傳感器的應用范圍。

1 傳感器工作原理

1.1 傳感器結構

本文所設計的傳感器由三層柔性層構成，如圖1所示，分別為頂層的反射層、底層的數據傳輸層，以及夾在二者之間的柔性中間層。其中反射層采用高磁導率的鐵氧體構成，中間層采用柔性海綿，底層采用商用RFID 標簽5030。

圖1 傳感器結構示意圖與實物圖

1.2 RFID 標簽工作原理

整個傳感器系統工作于超高頻(UHF)頻段，傳感器的工作基于RFID 標簽工作原理，如圖2 所示。閱讀器發出用于傳輸能量和查詢信號的電磁波，傳感器中的RFID 標簽通過標簽天線獲取能量并激活與其相連的標簽芯片，芯片通過改變自身阻抗使標簽天線反射給閱讀器不同強度的信號[18]，閱讀器根據反射信號解析出其接收信號強度指示(RSSI)值。

圖2 RFID 標簽工作原理

本文所使用的RFID 標簽可分為對稱偶極子式的標簽天線和RFID 芯片兩部分，其等效電路圖如圖3 所示。

圖3 RFID 標簽等效電路圖

圖3 中，Za為標簽天線的輸入阻抗，Va為標簽天線接收到外界能量后產生的等效電源，Zc為標簽芯片的等效阻抗。在理想情況下，當輸入阻抗Za和芯片阻抗Zc共軛匹配時，標簽天線的增益達到最大。而在實際測量環境中，由于反射層以及周圍環境的影響，傳感器的實際增益Gr可表達為:

式中:Gmax為理想狀態下傳感器的最大增益；τ為功率傳輸系數，代表標簽天線與芯片之間的匹配程度，其表達式為[19-20]:

式中:Rc為芯片的等效電阻；Ra為標簽天線的輸入等效電阻；Zc為芯片的等效阻抗；Za為標簽天線的等效阻抗；

由公式2 可知，當Za＝Z*c時功率傳輸系數τ達到最大值，天線和標簽匹配度最高，此時傳感器的增益Gr達到最大。在考慮到現實空間中存在反射、散射、吸收等一系列導致信號失真的因素，即電磁波傳遞過程中的路徑損耗，其表達式為[21]:

式中:d為閱讀器與標簽天線之間的距離；λ為電磁波波長。

本文使用915 MHz 頻段的電磁波，其波長為0.328 m。閱讀器天線最終接收到的接收信號的強度指示(RSSI)值可以表示為:

式中:Pt為閱讀器的發射功率；Gt為發射天線增益；Gr為標簽天線的增益；PL為路徑損耗。

當傳感器受到壓力后，中間層被壓縮導致反射層與數據傳輸層的間距變小，標簽阻抗出現失配，進而使傳感器的增益變小。而在一般情況下Pt和Gt的發射功率不變，在閱讀器與標簽天線之間的距離d保持不變的情況下，閱讀器接收到的RSSI 值與傳感器當前增益Gr的關系可表示為:

因此通過獲取傳感器反射回閱讀器的RSSI 值，解耦換算為當前傳感器測量所得的壓力，實現壓力的無線測量。

2 仿真與分析

通過有限元仿真(HFSS，Ansoft)的方式對傳感器的增益進行仿真。首先，參照商用RFID 標簽5030 的相關參數，在具有相對介電常數ε為3.8、長為55 mm、寬為33 mm、厚度為0.05 mm 的PET 的基底上進行標簽天線的仿真。為了使反射層對數據傳輸層的增益產生更大的影響，在標簽正上方放置一層厚度為0.05 mm，面積與標簽相同的鐵氧體薄膜[22-23](相對磁導率μr為1 000)，最后在二者間填充一層海綿。傳感器仿真模型如圖4 所示。

圖4 傳感器仿真模型(傳感器增益)

為了研究反射層與數據傳輸層之間的距離變化對傳感器增益的影響，在仿真過程中通過改變中間層的厚度模擬傳感器受壓時中間層發生的形變。傳感器的增益仿真如圖5 所示，其中縱軸代表傳感器正上方的最大增益值。

圖5 傳感器增益仿真結果

根據仿真結果可知:當傳感器中間層厚度變小時，傳感器的增益也隨之變小，反之增益變大。此外，可以發現當中間層厚度超過5 mm 時，傳感器增益的增長速率變緩。因此為了提高傳感器的靈敏度，選取5 mm 作為中間層的厚度。

楊氏模量可以表征物體變形難易程度，表示為E＝σ/ε，即應力σ與應變ε之比。通過楊氏模量的對比，可以直觀地看出物體是否容易被壓縮。本文中傳感器的輸出與其中間層的形變量有關，因而選取了常見的兩種不同密度[24]的海綿(35D、10D)作為傳感器的中間層，通過有限元仿真(COMSOL)的方式，探究不同密度海綿作為中間層對傳感器楊氏模量的影響，傳感器仿真模型如圖6 所示。

圖6 傳感器仿真模型(對楊氏模量影響)

圖6 中，中間層海綿選取密度為35D 設為Ⅰ型傳感器；選取密度為10D 設為Ⅱ型傳感器。圖7 所示為兩種傳感器楊氏模量的仿真結果?？梢园l現當受到相同壓力時，Ⅱ型傳感器中間層的形變量更大，所以Ⅱ型傳感器的楊氏模量比Ⅰ型小。根據圖5 和式(5)得傳感器中間層厚度變小將導致閱讀器接收的RSSI 值變小。當受到相同壓力時，使用密度小的海綿作為中間層的傳感器更容易被壓縮，其輸出值RSSI 的相對變化量更大，因此傳感器的靈敏度更高。

圖7 兩種傳感器楊氏模量仿真結果

3 傳感器性能測試

3.1 傳感器靈敏度

根據上述仿真結果，使用厚度為5 mm、密度分別為35D 和10D 的兩種不同密度海綿作為中間層制成傳感器，進行靈敏度的測量。如圖8 所示，利用亞克力板制作的支架使閱讀器與傳感器的距離保持為10 cm，兩種傳感器的初始RSSI 值均為-27 dBm，為了方便對比將傳感器的輸出轉換為相對接收信號強度指示(ΔRSSI)值表示。用高精度(分辨率為10 mN)測力計和線性移動平臺(分辨率為0.1 μm的步進電機驅動)組成壓力測試系統，通過臺式計算機控制安裝在線性移動平臺上的測力計移動，同時記錄傳感器的壓縮距離和受到的機械負載。其中，壓力用測力計的示數與傳感器面積之比表示，靈敏度用傳感器的輸出ΔRSSI 與壓力之比表示。圖8中的曲線表示施加給傳感器壓力與輸出ΔRSSI 值的關系。隨著施加給傳感器壓力的逐漸增加，兩種傳感器的輸出均逐漸變小。其中，Ⅰ型傳感器在壓力為0～2.09 kPa 時，靈敏度為-0.62 dBm/kPa。當施加壓力超過2.09 kPa 時，靈敏度增加到-4.95 dBm/kPa，其測量范圍為0～4.57 kPa。而Ⅱ型傳感器在壓力在0～1.55 kPa 范圍內時，靈敏度為-1.61 dBm/kPa。當施加壓力超過1.55 kPa 時，靈敏度增加到-6.75 dBm/kPa，其測量范圍為0～3.09 kPa。對比兩種傳感器的靈敏度曲線可以發現，當施加壓力大小相同時，Ⅱ型傳感器輸出的ΔRSSI 比Ⅰ型大，說明使用低密度海綿作為中間層的傳感器靈敏度更高，實驗結果與上述仿真結果相符，證明了傳感器設計的合理性。

圖8 傳感器靈敏度

3.2 傳感器重復性

為了驗證傳感器測量壓力的重復性，對傳感器施加了周期性的負載，測試傳感器多次使用后輸出的穩定性。如圖9 所示，當傳感器空載時其初始輸出為-27 dBm，為了方便對比將輸出轉換為相對接收信號強度指示(ΔRSSI)。以0.05 Hz 的頻率施加2.4 kPa的重復機械負載(上方曲線)。以4 Hz 的采樣頻率記錄傳感器的輸出，并進行平滑濾波(下方曲線)。由于傳感器輸出與負載在同一周期內變化，表明傳感器能夠準確地響應動態負載，并保持穩定的輸出。

圖9 傳感器重復性

3.3 傳感器最大工作距離

在無線傳感器的所有特征參數中，最大工作距離是衡量無線傳感器性能的最重要的參數之一，它表示傳感器工作時與讀取模塊的最大分離距離。如圖10 所示，分別測試了LC 諧振式傳感器和RFID傳感器的最大工作距離。其中，LC 諧振式傳感器的最大工作距離需根據其諧振頻率處的相位差判斷，當最大相位差低于最小可檢測電平對應的相位差時，確認為最大工作距離。圖中三角型代表不同分離距離下傳感器的相位差，下方虛線代表最小可檢測電平對應的相位差，根據虛線得到其最大傳輸距離為1.32 cm。本文所提出RFID 傳感器的輸出值RSSI 代表讀取模塊接收信號的強度，它會隨著傳感器受到負載壓力的增大而變小直到信號丟失。因此，給傳感器施加4.57 kPa 的負載時測量其最大工作距離，經測試當RSSI 低于-41 dBm(圖中上方虛線)時讀取模塊無法正常獲取傳感器的反射信號，從而確定其最大工作距離為10 cm。對比同樣為無線無源的LC 諧振式傳感器，RFID 傳感器的最大工作距離有顯著的提高(7.57 倍)，解決了限制無線無源傳感器無法遠距離測量的問題，進一步拓展了無線無源傳感器的應用范圍。

圖10 不同傳感器傳輸距離對比

3.4 環境對傳感器性能的影響

為了模擬實際應用下不同環境對傳感器性能的影響，測試了不同溫度和濕度下傳感器的輸出響應。如圖11 所示，將傳感器置于加熱板上，用亞克力板制作的支架固定閱讀器，使傳感器與閱讀器的距離保持為10 cm。實驗測試了傳感器在25 ℃～45 ℃的溫度范圍內的RSSI 值變化，在測量過程中對每個溫度值取10 次測量結果并求取均值，經測試傳感器在測量的溫度范圍內輸出誤差為0.91%。如圖12所示，將傳感器放置于亞克力板制作的密閉容器中，用加濕器增加容器內的濕度，并在容器側面制作一個圓形開槽方便濕度計測量容器內的濕度，最后將整個容器置于支架上方，保持閱讀器與傳感器距離為10 cm。實驗測試了傳感器在43%RH～82%RH濕度范圍內的RSSI 值變化，同樣對每個濕度值采集10 次輸出結果并求取均值，經測試傳感器在所測量的濕度范圍內輸出誤差為0.89%。測試的環境參數均模擬正常室內的溫濕度且輸出誤差均小于1%，因此可以說明傳感器在正常室溫環境下具有良好的穩定性。

圖11 溫度對傳感器性能影響

圖12 濕度對傳感器性能影響

4 結論

本文設計了一種基于RFID 反向散射耦合原理的柔性無線無源壓力傳感器，具有無源工作距離遠、柔性可穿戴等優勢。根據理論推導、有限元仿真的方式并結合壓力測試系統對使用35D 和10D 兩種不同密度海綿作為中間層的傳感器進行測試，仿真和實驗結果均表明中間層為低密度海綿的傳感器具有較高的靈敏度，在測試范圍內的最高靈敏度為-6.75 dBm/kPa。通過模擬不同溫濕度條件測量環境對傳感器輸出的影響，其中在25 ℃～45 ℃溫度測量區間內傳感器誤差為0.91%，在43%RH～82%RH 的濕度測量范圍內誤差為0.89%。通過周期性負載循環測試，證實了傳感器具有良好重復性并能準確地響應動態負載。未來將傳感器制成傳感器陣列并應用于醫用繃帶壓力無線測量、足底壓力無線檢測等智能醫療領域，使其具有更高的實用價值。