多变量无源RFID蒸气传感器——柔性衬底制造

徐桂成，杨小天，迟耀丹，钟春铃

（吉林建筑大学，吉林 长春130018）

0 引 言

射频识别（RFID）传感器用途广泛，如在食品安全、制药、仓储、农业、工业过程等领域加以利用［1］。与其他传感器相比，RFID传感器包括许多优点，如它的装置不突出性质，具有更高的节点密度、安装成本低、无需扩展布线等优点。无源传感器的4个电源可由电感或电容耦合器提供，RFID的操作频率取决于传感器传递功率天线的尺寸、拾取线圈尺寸和阻抗匹配条件以及传感器读取器的功率。RFID传感器和低功耗阅读器的短距离无线通信可以在最小化环境杂波影响的情况下不受干扰。传感器选择性监测具有挥发性的有机化合物（VOCs）是工业、食品安全领域所需要的。许多（VOCs）具有相似的性质，任何传统的传感技术对它们的检测都具有很大的挑战性。由于传统的传感器对蒸汽的选择性不足，导致数字RFID传感器的模拟输入不能达到数字传感器选择性的要求，这就限制了传统蒸气传感器的应用。新型RFID蒸汽传感器要求具有高度选择性的传感材料或传感器阵列作为技术支撑来实现必要的检测。因此，现有传感器要达到VOCs的选择性检测还存在巨大的技术差距。还需我们架起一个崭新的技术桥梁，利用新技术开发新的无源RFID传感器检测存在空气中VOCs，探索VOCs浓度与RFID传感器的多变量响应之间的关系。我们需要PET作为这种新型传感器的基底，并且采用PEUT作为“经典”的传感材料，同时把RFID嵌到这种材料中，作为蒸气传感器来检测甲苯、丙酮、乙醇和水汽等模型蒸气。

1 多变量RFID传感器的工作原理

通过RFID传感器［2］天线和模拟／数字拾波线圈互感耦合进行阻抗测量的信号系统作为原始信号，然后利用IC存储器读取／写入数字信息到芯片，如图1（a）所示。RFID传感器对蒸气的响应涉及电介质的尺寸特性和RFID薄膜谐振天线上的感测膜传感器，RFID响应起源于通过感测膜沉积到谐振天线上的蒸气，如图1（b）所示。用于分析蒸气的选择性定量测量的RFID传感器得到的数据，谐振阻抗谱线和几个光谱参数的模型，阻抗的实部共振F1和反共振F2频率的最大值的频率Fp和幅值Zp在谐振和反谐振频率下的部分阻抗和幅值Z1和Z2，如图1（c）所示。应正确选择感光膜，因为RFID传感器镀膜对于每个测试分析物或干扰物响应特别重要。然后通过全阻抗谱的多变量分析计算信号系统拾取的参数（FP、ZP等）。可识别模拟输入信号还可适应传感器读取器提供的16位测量分辨率的传感器的IC芯片用于存储传感器校准系数。FP、ZP和其他依赖于传感器和拾取线圈之间的相对位置来拾取的数据受他们的位置影响特别大，消除这种影响的方法包括传感器和拾取线圈之间的位置控制和传感器阻抗等多元因素。

图1 无源RFID传感器的工作原理

2 RFID气敏传感器的制造

聚醚聚氨酯（PEUT）（参见图2）以粒料形式存在通过熔融球团进行传感膜的制备。在160～190℃温度下，将所得熔融PEUT挤出成膜，标称厚度为25 mm，75 mm和125 mm。将传感膜挤出到释放衬垫支架上，R2R进一步将它应用到滚转传感器嵌体上，本研究选择尺寸为45 mm×76 mm的RFID嵌体制造一卷RFID传感器嵌体，厚度为30 mm的铝层，宽为22．5 cm同时采用PET基材。RFID传感器的R2R制造的示意图如图3所示。挤压PET感测膜热层叠在RFID嵌体上，并快速产生连续滚动的传感器。与其他类传感器相比较预期PEUT聚合物传感器具有多年的长期稳定性。然后是铝蚀刻和保护涂层去除，采用倒装芯片连接工具连接IC存储器芯片到每个天线。IC芯片为NXP SLI芯片，带有896位用户存储器并在ISO15693下运行。RFID标签型号为AD－714，工作频率为1 356 MHz。为了制造蒸汽传感器，将RFID嵌体在释放的感光膜上滚动，在滚动的过程中，衬里支架在R2R应用中热分层，在130～145℃进行层压。

图2 聚醚聚氨酯的化学结构

图3 RFID气敏传感器的R2R制作示意图

3 传感器的气敏响应特性

网络分析仪（E5062A安捷伦科技）内部设置多路复用器，与其对应的多达八个RFID传感器的阻抗谱拾取线圈和多个蒸汽传感器用来拾取数据。拾取线圈的尺寸略小于RFID传感器（45 mm×76 mm）。通过暴露单个传感器对不同的蒸气条件进行采样或通过同时暴露多个传感器到相同的蒸气条件进行采样对比。不同浓度的蒸汽是设备通过利用内置的计算机控制汽化发电恒定总流量来控制的，蒸汽浓度以P／P0表示（其中P为部分蒸气压，P0为饱和蒸汽压力）。在两个气室中进行气敏响应试验，一个是具有100 cm3体积的密闭腔室相对较快地提供蒸汽进行响应测量，另一个气室利用28 000 cm3体积的密闭腔室来模拟试验。传感器敏感膜的厚度适当也是重要的。传感膜的最佳厚度与包括预期范围内的几个因素有关：（1）用于检测的蒸气浓度；（2）期望的传感器灵敏度。气敏传感器的响应／恢复时间取决于蒸汽流动单元的流速、体积和传感器的尺寸，一般小于2～5 min。同时使用KaleIDaGrh（协同）分析传感器响应软件和PLSH工具箱（特征向量）进行研究分析，用MATLAB（MathWork）进行仿真操作。

4 单个RFID传感器选择性测量多种蒸气

RFID蒸气传感器可以选择性地评估不同蒸气，如丙酮、乙醇和甲苯等模型蒸气与水蒸气干扰物进行比较。单个RFID传感器对不同蒸汽的响应源于感测材料与设计RFID天线几何结构的区别。图4中的分数图说明了个体传感器极易区分不同极性［3］和非极性蒸气。图中给出了蒸汽测量结果，使用相关的误差原理，绘制了一个标准偏差图。

图4 单一RFID传感器区分几种蒸气平均值的标准偏差

5 结 论

与已知的其他无源传感器相比，本文开发的无源RFID传感器结合了多个测量变量，利用谐振传感器数据参数分析，具备对复杂蒸汽独特的识别能力同时排斥了环境干扰。R2R制造工艺表明RFID蒸气传感器可以用传统技术制造。如聚合物薄膜挤出和制造RFID天线嵌体，R2R制造保留了传统结构的RFID设备，但增加了宝贵的传感能力。新型RFID传感器提供了16位分辨率，具有高度独立性，具备低分辨率的专有RFID存储芯片模拟输入能力。最后工作主要集中在：

（1）传感材料的设计，具有增强的响应能力；（2）附加多变量分析技术。