刺绣型超高频织物电子标签的开发

尹双瑶 刘基宏 聂凌峰

摘要： 为开发穿戴舒适、形式隐蔽、应用便捷的柔性电子标签，文章以70D/24F×3镀银导电纱为基材将标签天线绣制在纯棉机织物上，并与标签芯片封装制得刺绣型织物电子标签，进而研究各刺绣工艺参数对织物电子标签电阻和读取性能的影响。结果表明：针迹类型、针迹间距、针迹长度等刺绣工艺参数分别通过改变导电纱与电流传输方向夹角、导电纱密度及落针点数量，影响织物电子标签性能。标签天线的适宜刺绣工艺参数为针迹间距0.25～0.40mm、针迹长度2.0～4.0mm的直线针，尤其当采用针迹间距0.35mm、针迹长度2.0mm的直线针时，织物电子标签读取距离最远可达7.6m。

关键词： 射频识别;超高频;电子标签;刺绣工艺;织物天线;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

隨着社会信息化和智能化的快速发展，作为物联网核心支撑的射频识别（radio frequency identification，RFID）技术应用日趋广泛[1-3]，其在各领域中特有的应用模式也对RFID技术提出了不同的要求。在纺织服装行业中，现有的贴标、吊牌、水洗唛、防盗扣等类型的电子标签即RFID标签，普遍是硬质的，穿戴很不舒适，且通常直接粘贴或悬挂在服装上，容易造成标签缺失和损坏，导致数据统计产生误差、管控不能准确到位，无法满足现代纺织行业对RFID标签穿戴舒适性和精准管控的要求。

为此，RFID标签的穿戴舒适性、共形性，以及与织物的一体化无缝结合等方面的应用研究逐渐受到关注，织物RFID标签由此走进人们的视线。目前，织物RFID标签通常可分为两类[4]：一类是基于机织、针织、刺绣、胶粘等工艺，将导电纺织材料以标签天线的形式集成到织物基体上;另一类是将纳米金属颗粒、导电聚合物等材料印刷或涂覆于织物基体，制得可穿戴织物RFID标签。前者有Sun[5]、D.Patron等[6]采用导电纱分别以机织和针织的方式制得纺织偶极子天线，但均存在工艺复杂、制作方式不灵活等问题。S.Ma等[7]通过剪裁导电织物，利用热熔胶将天线和芯片黏附到非导电织物基材上，其天线未与基材真正融为一体，粘贴牢度受热熔胶性能影响较大。Chen等[8]利用导电纱为原料将标签天线刺绣到手套上，所得标签读取距离较近，且有关刺绣参数对标签性能的影响有待探讨。后者则有R.Singh等[9]讨论了利用基于纳米材料的喷墨打印技术制作RFID器件所面临的机遇与困难，但仍存在不耐水洗、涂层影响穿戴舒适性等方面的问题。目前刺绣设备及工艺参数的研究已经相对成熟[10-11]，本文选用相对灵活的刺绣工艺制作超高频织物RFID标签，详细讨论了刺绣参数对织物RFID标签电阻及标签读写性能的影响，为其实用化提供工艺参考。

1 实 验

1.1 材料及仪器

材料：70D/24F×3锦纶基镀银导电纱线（苏州泰克银纤维科技有限公司），基布织物密度为280×240（根/10cm）的纯棉平纹机织布（嘉祥县润和纺织有限公司），Impinj M4QT超高频芯片（美国英频杰股份有限公司），体积电阻为≤120Ω·cm的凯特森CD-03导电银浆（广州楷翔电子产品有限公司）。

仪器：MRS300A美尔绣电脑绣花机（宁波广维电器科技有限公司），VC9804A万用表（深圳市驿生胜利有限公司），

KML930 RFID读写模块（杭州恒竣科技有限公司），力辰101-2BS电热鼓风烘箱（上海力辰邦西仪器科技有限公司）。

1.2 织物RFID标签的制备

1.2.1 标签天线几何结构的确定

根据所选的刺绣制作方式，织物RFID标签天线几何形状的确定主要考虑以下两点：1）考虑到绣花机分辨率和纱线本身性质的影响，标签天线几何形状不能过于复杂精细;2）标签天线形状受上下机张力的影响存在一定的几何变化，需保证其形状在下机后能保持相对稳定。为了保障下机后标签天线表面平整、形状稳定，以及简化织物RFID标签尺寸、形状等参数设计与优化过程中的分析、描述，本文选择市面上的Laxcen-C90G型铝刻蚀标签的形状为织物RFID标签参考尺寸与形状参数。图1为所选标签天线尺寸及实物图，该天线几何形状相对简单且不过于精细，刺绣下机后织物形变对天线几何形状影响较小。

刺绣型超高频织物电子标签的开发

1.2.2 标签天线刺绣参数设计及制作

本文采用Wilcom9.0花样设计软件绘制不同针迹效果的织物RFID标签花样，并将其传输至MRS300A美尔绣电脑绣花机上进行刺绣。同时采用常见的直线针、周线针、他他米针三种针迹类型进行实验，如图2所示。在针迹类型确定中，针迹间距取0.5mm，导电纱疏密程度适中。此外，实验发现当刺绣针迹间距小于0.1mm或针迹长度小于0.8mm时，易出现断线、绣品质量不良等问题。为保证织物RFID标签表面平整，刺绣张力刻度则始终维持于0～2。

1.2.3 织物RFID标签的封装

在完成标签天线的制作后，采用导电银胶将Impinj M4QT芯片粘合到标签天线的两端口之间，并在80℃、30min的条件下固化。最终实现超高频芯片和标签天线互连，获得完整的织物RFID标签结构。

1.3 性能测试

1.3.1 导电性能

标签天线的导电性能与辐射效率有关，由Friis传输公式可知，其对织物RFID标签的读取范围也有一定影响[12]。在常温常湿条件下，采用VC9804A万用表测量标签天线两端口间的直流电阻，以表示其导电性能。为提高读数准确性，测量时采用平口夹代替万用表笔夹住安装芯片的两侧端口处，使标签天线端口与万用表之间保持均匀良好的接触，结果取测量10次的平均值。

1.3.2 读取性能

采用KML930 RFID读写模块及配套的RFID Reader软件进行读取性能测试。实验在较为空旷的环境中进行，读写器天线增益为5dBi，发射功率为30dBm，工作频率为920MHz。测试场景布置如图3所示，读写器天线平面和织物RFID标签平面保持平行，且两者几何中心距离地面高度均为0.7m。改变织物RFID标签与读写器天线之间的垂直距离，记录可以读取标签的最大距离，即为织物RFID标签读取距离。同时固定织物RFID标签与读写器天线距离为3.0m，记录其在30s内的接收信号强度（received signal strength indication，RSSI）和读取次数。

2 结果与分析

2.1 针迹类型对织物RFID标签的影响

图4为采用直线针、周线针及他他米针三种针迹类型绣制的标签天线。图4（a）～（f）的针迹长度均为2mm，其中图4（a）～（c）的针迹间距为0.5mm，图4（d）～（f）的针迹间距为0.5mm，各针迹类型标签天线中导电纱排列方向明显不同。根据表1所示参数绣制的不同针迹类型的织物RFID標签，其电阻值及读取性能分别如图5和表2所示。

当针迹类型为直线针时，标签天线的电阻值和标准差均为最小，此时导电纱排列与总体电流方向平行，主电流沿导电纱传输，部分电流沿导电纱之间的接触点传输，其传输距离相对较短，传输损耗较小，因而标签天线电阻较小且接近市面上铝刻蚀天线的电阻值。

试样导电纱排列与电流方向关系针迹类型针迹间距/mm针迹长度/mm

a平行直线针0.52.0

b垂直周线针0.52.0

c成一定角度他他米针0.52.0

而当针迹类型为周线针和他他米针时，标签天线中导电纱排列方向与总体电流方向成一定夹角，电流主要依靠相邻导电纱的接触点进行传输，但导电纱之间存在一定的间隙不利于电流传输;其次，部分电流沿导电纱传输，传输距离相对较长，传输损耗较大。此外，由于他他米针相邻两落针点之间纱线根数比周线针多，导电纱之间的间隙小，因此采用周线针的标签天线电阻值最大。

如表2所示，RSSI值为以dBm为单位的读写器接收到的织物RFID标签信号强度。其结果一般为负值，越接近0dBm，RSSI值越大，读写器与织物RFID标签之间的通信链路信号越强。由此分析可得，在三种针迹类型中，采用直线针的织物RFID标签读取距离最远，接收信号强度相对更优，读取速率最大且相对更接近对照的刻蚀天线。而他他米针织物RFID标签读取性能次之，周线针织物RFID标签读取性能相对最差。因此，为使织物RFID标签具有更好的射频传输性能及实用性能，本文选用直线针针迹类型进行进一步讨论。

2.2 针迹间距对织物RFID标签的影响

织物RFID标签性能受导电纱密度变化的影响而改变[12]，本文采用2.0mm的针迹长度，0.1～1.0mm的针迹间距进行实验，并分析影响导电纱密度的针迹间距对织物RFID标签性能的影响。

所得不同针迹间距的织物RFID标签电阻值及读取性能如图6和表3所示。当针迹间距处于0.1～0.5mm时，标签天线电阻值在5Ω内呈平缓上升趋势，织物RFID标签读取距离均为5.0m以上。当针迹间距大于0.5mm时，标签天线电阻值急剧增大至30Ω左右，织物RFID标签读取性能随之减弱，至针迹间距大于0.8mm时，读取距离小于3.0m。这是因为标签天线可看作并联导体，针迹间距越小，并联导体数越多，总电阻则越小。当针迹间距大于0.5mm时，标签天线中相邻导电纱之间出现明显间隙，接触点减少，等同于并联导体数减少，且电流只能沿走针线迹传输，路径传输损耗增大，导致标签天线电阻急增，织物RFID标签读取性能变差。

通過测长称重法测得导电纱线密度为30.67tex。考虑到纱线在织物中被压扁的实际情况，引入互为倒数的压扁系数η和延宽系数δ计算纱线直径，一般η取值为0.65～080[13]，本文取η=0.7。

通过测量计算得出，当针迹间距处于0.10～0.40mm时，导电纱覆盖系数范围为92.9%～357.1%，标签天线近似连续导体，织物RFID标签电阻值较小且读取性能较为良好。尤其当针迹间距取0.35mm时，导电纱覆盖系数为103.6%，刚好大于1，此时标签天线中导电纱排列最接近理想的伸直平行状态，相互接触但不叠压，织物RFID标签读取距离最远达到76m，接收信号强度、读取速率均为最优。而当针迹间距小于0.25mm时，导电纱覆盖系数大于142.9%，虽然织物RFID标签读取距离较远，但其信号接收强度、读取速率略低，且存在针迹间距过密、易断线、柔软度差等问题，因此确定相对适宜的刺绣针迹间距范围为0.25～0.40mm。

2.3 针迹长度对织物RFID标签的影响

采用0.35mm为针迹间距，改变刺绣针迹长度制备织物RFID标签，所得标签天线电阻值及读取性能如图7和表4所示。当针迹长度从0.8mm增长到6.0mm时，标签天线电阻值减小趋势明显，但标准差值较为稳定，离散程度小。当针迹长度大于6.0mm后，标签天线电阻值逐渐趋于稳定，基本维持于3Ω上下。然而，从标准差来看，针迹长度大于6.0mm后，标签天线电阻值的离散程度明显增大。

当针迹类型、针迹间距相同时，单针针迹长度越短，落针点越多，面线与底线的交织节点越多，这不仅使导电纱穿过棉织物基材次数增大，导电纱总消耗长度变长，还可能在针迹长度过短时，造成断线、布面过硬且不平整等问题，从而导致标签天线电阻值偏大。但随着单针针迹长度的逐渐增长，导电纱与棉织物基材之间的连接点即落针点的数量随之减少，使得两落针点之间的导电纱不能紧密地结合于棉织物基材表面。因此，标签天线相对疏松的导电纱排列是导致其电阻值波动偏大的主要原因。由表4可知，当针迹长度为0.8、1.0mm时，织物RFID标签读取性能较差，其主要原因在于实验用电脑绣花机在进行较短针迹长度刺绣时容易产生断线、布面不平整等问题。此外，不同针迹长度的织物RFID标签读取性能整体比较稳定，读取距离均为5.0m以上，RSSI值基本处于-40～-50dBm，且其读取速率变化幅度也较小。为进一步缩小适宜的针迹长度范围，从表4数据中择优选择，即针迹长度取2.0～4.0mm时为更适宜的参数设定范围。

3 结 论

本文采用刺绣法以镀银导电纱和纯棉机织布为主要原材料，经标签天线选型、上机绣样、芯片封装等工序制得超高频织物RFID标签，并分别讨论了常见刺绣工艺参数针迹类型、针迹间距、针迹长度对超高频织物RFID标签性能的影响。主要结论如下：

1）针迹类型主要影响标签天线中导电纱排列与整体电流方向形成的夹角。采用两者呈平行关系的直线针时，织物RFID标签的导电性及读取性能最优;呈一定角度时，性能次之;呈垂直关系时，性能最差。故在设计标签天线形状时需考虑天线中整体电流方向，并设计主要沿电流方向走针的针迹类型。

2）针迹间距增大使得标签天线中导电纱覆盖系数减小，导电性能变差。当针迹间距大于0.6mm时，织物RFID标签导电性及读取性能急剧下降;故在0.6mm内择优，当针迹间距取0.25～0.40mm，导电纱覆盖系数处于90%～150%时，织物RFID标签导电性及读取性能更佳。尤其当针迹间距取0.35mm时，织物RFID标签读取距离最远达到7.6m，读取性能接近目前工艺成熟的铝刻蚀天线。

3）针迹长度则影响落针点数量，与针迹间距相比，其对织物RFID标签性能的影响较小。针迹长度为1.0～10.0mm的RFID标签读取性能整体较为稳定。从中进一步择优发现，当针迹长度取2.0～4.0mm时为相对更优的工艺参数范围。

参考文献：

[1]何理，刘丹. 专利视角下的全球RFID技术发展趋势[J]. 中国发明与专利，2017（12）： 120-123.

HE Li，LIU Dan. The development trend of global RFID technology based on patent data [J]. China Invention & Patent，2017（12）： 120-123.

[2]LI D X. An internet-of-things initiative for One Belt One Road（OBOR） [J]. Frontiers of Engineering Management，2016，3（3）： 206-223.

[3]SHAKIBA M，ZAVVARI A，ALEEBRAHIM N，et al. Evaluating the academic trend of RFID technology based on SCI and SSCI publications from 2001 to 2014 [J]. Scientometrics，2016，109（1）： 591-614.

[4]WEI Z，LIN S，QIAO L，et al. Fiber-based wearable electronics： a review of materials，fabrication，devices，and applications [J]. Advanced Materials，2014，26（31）： 5310-5336.

[5]SUN Y H，LEI Y，LIU Y，et al. Design of RFID textile dipole antenna [C]//2018 Cross Strait Quad-Regional Radio Science and Wireless Technology Conference. Piscataway： IEEE，2018： 1-2.

[6]PATRON D，MONGAN W，KURZWEG T P，et al. On the use of knitted antennas and inductively coupled RFID tags for wearable applications [J]. IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems，2016，10（6）： 1047-1057.

[7]MA S，UKKONEN L ，SYDANHEIMO L，et al. Wearable e-textile split ring passive UHF RFID tag： body-worn performance evaluation [C]//IEEE Asia Pacific Microwave Conference. Piscataway： IEEE，2018： 166-168.

[8]CHEN X C，HAN H，UKKONEN L，et al. Fabrication and practical evaluation of glove-integrated passive UHF RFID tags [C]//2018 IEEE International Conference on RFID Technology & Application. Piscataway： IEEE，2018： 1-5.

[9]SINGH R，SINGH H，NALWA H S. Inkjet printed nanomaterial based flexible radio frequency identification（RFID） tag sensors for the internet of nano things [J]. RSC Advances. 2017，7（77）： 48597-48630.

[10]徐珊珊. 信號传输线电参数控制的刺绣技术[D]. 上海： 东华大学，2018.

XU Shanshan. Embroidery Technology on Electric Parameters Controlling of Signal Transmission Line [D]. Shanghai： Donghua University，2018.

[11]秦荣. 电脑绣花机断线问题的研究[J]. 纺织机械，2010（2）： 41-44.

QIN Rong. Research on the problem of disconnection on computer embroidery machine [J]. Textile Machinery，2010（2）： 41-44.

[12]MORADI E，BJORNINEN T，UKKONEN L，et al. Effects of sewing pattern on the performance of embroidered dipole-type RFID tag antennas [J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2012，11： 1482-1485.

[13]顾平. 织物组织与结构学[M]. 上海： 东华大学出版社，2010：201-204.

GU Ping. Fabric Weaves and Structures [M]. Shanghai： Donghua University Press，2010： 201-204.