基于Pd-SWCNTs 的UWB-RFID 无线瓦斯传感器研究

刘 健，毛昕蓉

(西安科技大学 通信与信息工程学院，陕西 西安710054)

0 引 言

瓦斯是一种无色、无味的气体。当空气中的瓦斯浓度达到5.3%～14.3%，会引起燃烧，甚至爆炸。探索在室温环境下检测瓦斯气体的途径和方法，始终是以煤矿为代表的技术领域重要而迫切的课题［1］。

可是，传统的瓦斯检测技术，包括催化燃烧、金属氧化和红外火焰电离等，无法实现在室温环境下的瓦斯探测［2］。近年来，纳米技术成为这一领域的研究热点［3］。由于瓦斯气体分子的弱极性，与纳米分子的交互能力低，相较于其它气体，采用纳米材料的瓦斯传感器并不多见，可循的方案包括:以非电方法将以钯型纳米粒(PdNPs)沉积到1，6—己二胺多壁碳纳米管(MWCNTs)所合成的纳米材料沉积于氧化铟锡上，构成一种简易的瓦斯传感器［4］;以10 nm 的金属钯喷溅并附着于单壁碳纳米管(SWCNTs)粉，经混合，形成一种钯掺杂单壁碳纳米管(Pd-doped single walled carbon nanotubes，Pd-SWCNTs)瓦斯传感器［5］和一种基于孔隙SnO2纳米棒的微瓦斯传感器［6］。

此外，由于瓦斯的易燃性，探测宜采用无接触方式。不同的无线协议决定不同的传感架构。基于UHF 频段的射频识别(RFID)是较为成熟的无线传感架构［7］，但其固有的窄带特性限制了应用范围;超宽带射频识别(ultra-wideband radio frequencyidentification，UWB-RFID)则以极短脉冲取代窄带连续波［8］，具备隐秘性好、安全性高、阻塞概率低等特点，可识别金属表面的目标，实现精确、高效、无缝隙的识别与探测［9］。

本文将纳米技术与UWB-RFID 相结合，提出一种瓦斯传感器，研究其在在室温环境下远程探测瓦斯的可能性。

1 UWB-RFID 探测瓦斯原理

UWB-RFID 传感系统由阅读器和传感标签组成。阅读器天线为超宽带天线。当阅读器发射的已调高斯脉冲到达传感标签时，被标签的电磁界面反射，形成背向散射电磁波。若标签的天线为超宽带天线，则背向散射电磁波亦具有超宽带特性。

假定背向散射电磁波中仅有结构模，以Ys(f)表示，阅读器发射的信号功率Pt，经过UWB-RFID 信道，接收到的信号功率Pr与反射功率之比为

其中，et，er与发射损耗和接收损耗相关的参数;R1为阅读器到传感标签之间的距离;R2为传感标签到阅读器之间的距离;λ 为波长;S11(f)，S22(f)为阅读器、传感标签天线的反射系数;Dt(θt，φt)，Dr(θr，φr)为阅读器、传感标签天线的方向系数;σ 为传感标签的雷达散射截面(RCS)。

若阅读器的收发天线一致，且与传感标签天线极化匹配，则R1=R2=R。结构模Ys(f)可近似表示为

其中，X(f)为已调高斯脉冲的频谱;c 为自由空间的波速。忽略由S11(f)和S22(f)引入的相位改变，上式可近似表示为

由于传感标签的结构模Ys(f)是瓦斯体积分数d(t)的函数，标签的结构模应表示为Ys［f，d(t)］，即

其中，S22［f，d(t)］替代S22(f)，表示传感器标签天线的反射系数随瓦斯体积分数而变;代替，表示传感器标签的雷达散射截面亦随瓦斯浓度而变，因此

其中

为与瓦斯浓度无关项;

为与瓦斯浓度相关项。

设t0时刻，瓦斯浓度为d(t0)，在频点f 处，无频带带隙;在t 时刻，瓦斯浓度为d(t)，在频点f 处，发生频带带隙，形成带隙幅度调制，其识别灵敏度Samp［d(t)］可表示为

设t0时刻，瓦斯浓度为d(t0)，在频点f0处，发生频带带隙;在t 时刻，瓦斯浓度为d(t)，带隙频点转移到f 处。形成带隙频率调制，其识别灵敏度Sfreq［d(t)］表示为

2 传感标签的设计原则

UWB-RFID 传感标签一般由传感探头和电磁界面组成。传感探头承载传感机理，将探测目标转换为电信号;电磁界面完成对阅读信号的反射，在背向散射电磁波中形成可辨识的幅频特性，当传感探头嵌入电磁界面，该特性由电信号控制。当∂{Yd［f，d(t)］}/∂［d(t)］越大，幅度调制的识别度越大;当∂{f［Yd(d(t))min］}/∂［d(t)］越大，则频率调制的识别度越大。此外，为与附着体共型，传感标签应采用平面薄型结构。

2.1 标签的电磁界面

为使背向散射电磁波中仅有结构模，传感标签的电磁界面主要由金属材质构成。天线为双阶梯下切角平面贴片超宽带天线［11］，馈线为微带传输线［12］，终端为匹配负载。

在天线上，刻蚀一个U 型槽。U 型槽在背向散射电磁波的结构模的频谱中形成带隙，U 型槽的长度和宽度决定带隙频点和带隙深度［12］。如图1 所示，给定的结构尺寸(单位:mm)在3.1～10.6 GHz 通频带中的5 GHz 频点形成电磁带隙。

2.2 传感探头

基于孔隙SnO2的MWCNRs 传感器［6］，极间电流幅度很小，研究表明，这一电流无法对频带带隙进行有效的调制。基于Pd-SWCNTs 的传感器［5］，如图2(a)所示，Pd-SWCNTs 为IDE 电极间的负载，其SEM 如图2(b)所示。当瓦斯浓度从6×10－6增加到100×10－6时，IDE 两端的电流强度从1.84 mA 增加到1.91 mA，IDE 的等效电阻从543 Ω减小到523 Ω，可有效调制频带带隙的幅度和频率。

图1 传感器标签的结构尺寸Fig 1 Dimension of the proposed sensor tag

图2 基于Pd-SWCNTs 的传感器及其SEM 图Fig 2 Pd-SWCNTs-based sensor and its SEM

3 传感器标签

将Pd-SWCNTs 传感探头嵌入在电磁界面U 型槽的中间，如图3 所示。IDE 的一极连接槽的上边沿、另一极连接槽的下边沿，IDE 电流等效为流过U 型槽的电流，导致带隙深度随电流的变化而变化，形成带隙幅度调制。

将Pd-SWCNTs 传感探头嵌入在电磁界面U 型槽的纵向缝隙处，如图4 所示。IDE 电流等效流过纵向缝隙的电流，U 型槽的电长度随电流的变化而变化，导致带隙频点的改变，形成带隙频率调制。

图3 基于带隙幅度调制的传感器标签的结构Fig 3 Structure of sensor tag based on amplitude modulation of band-gap

4 数值近似与分析

根据UWB-RFID 探测瓦斯原理，在分析传感标签的性能时，以解析法构建传感过程模式，给出背向散射电磁波结构模的数学表达式;以数值法计算标签天线的端口反射系数S22和RCS 值，给出识别灵敏度参数，分析过程是解析法和数值法的结合，其中，已调高斯脉冲20 dB 频带带宽为3.1～10.6 GHz，数值过程采用微波工作室CST 的时域求解器。

图4 基于带隙频率调制的传感器标签的结构Fig 4 Structure of sensor tag based on frequency modulation of band-gap

针对图3 所示的传感标签，其端口反射系数S22如图5所示，除5 GHz 带隙频点，通频带具有超宽带特性(S22＜－10 dB)。当瓦斯浓度从0×10－6经过6×10－6增长到100×10－6，带隙频点的S22值从－7.73 dB 经过－9.87 dB减小到 －9.98 dB; 同 时，RCS 从 －32.59 dBsm 经 过－31.71 dBsm增加到－31.61 dBsm，如图6 所示。图7 为识别灵敏度曲线，在5 GHz 带隙频点，当瓦斯浓度为6×10－6，Samp= －9.13 dB; 当 瓦 斯 浓 度 为100 ×10－6，Samp=－9.32 dB。

图5 基于带隙幅度调制的传感器标签端口的反射系数Fig 5 Reflection coefficient of sensor tag terminal based on amplitude modulation of band-gap

图6 基于带隙幅度调制的传感器标签的RCS 值Fig 6 RCS of sensor tag based on amplitude modulation of band-gap

图7 基于带隙幅度调制的传感器标签识别灵敏度Fig 7 Identifiable sensitivity of sensor tag based on amplitude modulation of band-gap

针对图4 所示的传感标签，其端口的反射系数S22如图8所示。当瓦斯浓度为0×10－6，6×10－6，100×10－6时，对应的带隙频点为5，5.25，5.25 GHz;图9 为RCS 值。根据上述数值结果，解析分析得Yd［f，d(t)］随频率的变化曲线，如图10 所示。当瓦斯浓度为0×10－6，6×10－6，100×10－6时，对应Yd(d(t))min的频点为6.25，6.75，6.75 GHz。可见，对应瓦斯浓度为100×10－6，Sfreq=－11.3 dB。

图8 基于带隙频率调制的传感器标签端口的反射系数Fig 8 Reflection coefficient of sensor tag terminal based on frequency modulation of band-gap

图9 基于带隙频率调制的传感器标签的RCS 值Fig 9 RCS value of sensor tag based on frequency modulation of band-gap

图10 基于带隙频率调制的传感器标签的Yd［f，d(t)］参数Fig 10 Yd［f，d(t)］parameters of sensor tag based on frequency modulation of band-gap

5 结 论

本文提出的基于UWB-RFID 的瓦斯传感标签，将以Pd-SWCNTs 为负载的IDE 传感探头，嵌入在电磁界面上，以IDE 电流调制背向散射电磁波的结构模，形成带隙幅度调制和带隙频率调制两种识别模式。研究表明:在室温环境下，对应浓度为100×10－6的瓦斯，带隙幅度调制的识别灵敏度为－9.32 dB;而带隙频率调制的识别灵敏度为－11.3 dB。可见，UWB-RFID 传感标签在背向散射电磁波的结构模中形成可控的幅频特性;而借助于纳米传感技术，这些特性可被充分用于传递所检测到的目标信息。

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