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纺织基底无芯片RFID湿度传感器

发布时间:2021-05-11 17:18所属平台:学报论文发表咨询网浏览:

摘要:研制了一种无湿敏材料的纺织基底无芯片RFID湿度传感器用于检测环境湿度。通过射频仿真软件HFSS,获得谐振频率在2.45GHz具有较高品质因数的纺织基底谐振器模型,对以谐振频率偏移量作为灵敏度指标的检测原理进行了仿真。利用丝网印刷工艺和刻绘工艺分别

  摘要:研制了一种无湿敏材料的纺织基底无芯片RFID湿度传感器用于检测环境湿度。通过射频仿真软件HFSS,获得谐振频率在2.45GHz具有较高品质因数的纺织基底谐振器模型,对以谐振频率偏移量作为灵敏度指标的检测原理进行了仿真。利用丝网印刷工艺和刻绘工艺分别在不同类型纺织物上制作了无芯片RFID湿度传感器,系统研究了制作工艺、纺织品类型和厚度对传感器湿敏特性的影响。结果表明,0.5mm厚度下不同基底类型湿度传感器的灵敏度由高至低依次为:棉基底、亚麻基底、聚酯纤维基底,恢复特性呈相反顺序,其中棉基底传感器在高湿范围内平均灵敏度达3.8MHz/%RH,聚酯纤维基底传感器恢复度达86%;相同类型的棉纺织基底下基底厚度越大,平均湿度灵敏度越高,恢复特性越差。传感器稳定性测试表明传感器具有较好的中长期稳定性。对纺织基底湿度传感器的感湿机理进行了分析,纺织纤维中的亲水基团与水分子间形成氢键,改变了基底的介电参数,传感器的湿敏特性与组成纺织品的纤维成分、纤维细度和编织方式有关。

  关键词:无芯片湿度传感器,纺织基底,湿敏特性

纺织导报

  引言柔性基底传感器克服了刚性基底易碎的缺点且具有可弯曲、可拉伸等优势,近年来发展迅速。电子产品与服装整合,目的是使智能服装具有与普通服装相同的舒适性。纺织物作为服装制作材料,有柔性材料的优势,且生物相容性更好[1]。基于纺织基底的湿度传感器分为电阻型[27]和电容型[810]两类。

  纺织论文投稿刊物:《纺织学报》创刊于1979年,系中国纺织工程学会会刊,国际统一刊号:ISSN 0253-9721,国内统一刊号:CN 11-5167/TS。主要报道国内外最新纺织科研成果,学术理论探讨,新技术、新产品、新设备的开发,国内外纺织动向综述或评论等,设纤维材料、纺织工程、染整与化学品、服装工程、纺织机械与器材、管理与信息化、综合述评等栏目。

  通常的结构是在纺织物上制作金属电极,在电极上制备湿敏薄膜,湿敏薄膜吸收水分后改变电导率或介电常数,通过检测电极间的电阻或电容变化实现湿度传感。文献[6]把由金属和棉组成的导电纱线缝制在棉质基底上制成平行电极,甲基丙烯酸甲酯共聚物三甲基氯化铵(MMAMAPTAC)溶液作为感湿材料制备在电极上制作出了纺织基底湿度传感器,感湿范围为20%90%RH。可用于织物湿度传感器的湿敏材料多为聚合物,如:聚乙烯醇(PVA)[4]、全氟磺酸(Nafion)[7]等。

  从制作工艺上来讲,纺织基底传感器可通过缝纫工艺[26]和印刷工艺[7,910]两种方式制作。缝纫工艺是将电极层缝纫在纺织基底上,制作工艺简单但工艺一致性差;印刷工艺是在基底上印刷电极,但由于纺织品表面粗糙且存在较大孔洞,需要在纺织基底上覆盖一层聚氨酯[910]等致密光滑材料,整个传感器为纺织基底、致密层、电极层和湿敏层四层结构。上述电阻电容型湿度传感器需有线接入检测电路,且湿敏材料的性能影响了传感器的长期稳定性。

  构成纺织品的主要成分是纤维素,有较强的吸水性,利用织物的吸水特性设计无芯片RFID湿度传感器,可以降低制作成本、实现无线检测。文献[11]在织物上缝纫传感器图案,通过检测雷达散射截面(RCS)实现了无线湿度传感,但其只能检测湿度大于80%RH和湿度小于80%RH两种状态。目前国内外对于柔性基底自吸湿的湿度传感器多以纸作为基底[1214],针对纺织基底的无芯片RFID湿度传感器研究仍处于起步阶段。本文首次系统地研究了纺织基底无芯片RFID湿度传感器的设计、制备以及纺织基底对传感器性能的影响。

  利用HFSS仿真软件在纺织基底上优化出高品质因数的开口环谐振器,利用刻绘工艺制作了纺织基底湿度传感器,兼顾了工艺的简单性和一致性。设计的传感器在电磁波激励下产生谐振,当环境湿度发生变化,传感器基底吸收水分,谐振频率发生偏移,以谐振频率的偏移量为检测目标,实时检测环境湿度,利用纺织品的吸湿平衡性[15],即高湿吸水,低湿脱水,实现了湿度的连续检测。

  1传感器设计

  纺织纤维中的复介电常数随含水量的增加而增大。因此以纺织纤维作为传感器基底,可利用其自身的吸湿性改变基底介电常数,进而改变谐振器谐振频率,以谐振频率的偏移量为灵敏度指标,可实现湿度的无线检测。对上述传感器检测原理进行仿真。利用HFSS的参数扫描功能,在范围内改变基底相对介电常数以模拟湿度的变化,仿真湿度对谐振频率的影响。

  2实验

  利用丝网印刷工艺和刻绘工艺分别制作传感器。丝网印刷所用油墨为导电银浆(MCNDJ002,上海安泰信),260目丝网板。传感器重复印刷三次,将印制好的传感器放入电热鼓风干箱中100℃高温固化10分钟。刻绘工艺制作传感器,使用由聚酯纤维加金属组成的无纺导电布作为谐振层材料,导电布单面可粘贴。利用刻绘刀在导电布上刻出谐振器图案,将刻好的谐振环粘贴在纺织品上,利用平面按压板按压分钟。用上述工艺分别制作了五种基底的传感器。

  用注射器向密闭测试罐中加热板上注入一定量的水滴,用内置风扇将水蒸汽吹均匀,用温湿度控制模块控制罐内相对湿度。传感器置于一对超宽带天线之间,天线连接矢量网络分析仪(Rohde&SchwarzZNB4),测试插入损耗S21参数。以谐振频率偏移作为灵敏度指标,测试五种基底(0.12mm厚棉、0.3mm厚棉、0.5mm厚棉、0.5mm亚麻、0.5mm聚酯纤维)传感器的湿敏特性。

  3结果与分析

  丝网印刷工艺制作的传感器无法产生谐振。刻绘工艺制作的传感器谐振特性较好,五类传感器的品质因数均在110以上,远高于文献[22]设计的全纺织有线型湿度传感器。纺织品表面有较多孔洞,丝网印刷电极层凹凸不平,且部分印刷银油墨颗粒落入纺织品缝隙中,使导电层导电性能不稳定,无法产生谐振。刻绘工艺导电层表面平整致密,导电性良好。由此可知,丝网印刷工艺不适用于孔径较大的纺织基底传感器的制作。后续测试传感器均采用刻绘工艺制作。

  对传感器结构特性进行分析,参照文献[23]的参数反演法,提取方形开口环的本构参数,在谐振频率2.45GHz附近,磁导率为正,介电常数为负,该结构是一种单负型的超材料,因此具有良好的谐振特性。造成仿真和实测谐振频率出现偏差的原因可能是:手工刻绘工艺误差、仿真介电参数设置误差等。 纤维结晶度是影响纤维吸湿性的另一重要因素,纤维结晶度越低,吸湿性越强。纺织品在制作过程中,受手工工艺、杂质等的影响,各种纤维的比表面积不同,一般来说细纤维的比表面积较大,纤维的比表面积与吸水性成正比。

  4结论

  本文通过HFSS仿真优化,设计出纺织基底开口环谐振结构。采用成本低廉的刻绘工艺,将无妨导电布谐振结构与纺织基底结合,解决了纺织基底无法直接印制导电图案的问题,兼顾了制作工艺的简便性和一致性。利用纺织基底自身的吸湿性检测湿度,以无芯片RFID的方式实现了湿度信号的无线检测。得出如下结论:丝网印刷工艺印刷油墨会落入纺织品缝隙导致无法形成良好的导电体,刻绘工艺制作的传感器具有较好的谐振特性和较好的一致性。纺织基底类型对湿度传感器的性能影响明显。

  灵敏度由高到低依次为:棉纺织基底、亚麻基底、聚酯纤维基底;传感器恢复度呈相反趋势。在检测范围内,棉基底、亚麻基底传感器频偏与相对湿度呈非线性关系,聚酯纤维基底则呈线性关系。棉纺织基底传感器灵敏度高、恢复特性差,适用于对灵敏度要求高、恢复度要求低的检测;亚麻基底传感器,灵敏度和恢复特性均较好,传感器适用范围广。聚酯纤维基底传感器灵敏度较低,灵敏度曲线近似呈线性,恢复特性好,适用于对灵敏度要求低的高湿线性检测。

  不同厚度的棉纺织基底传感器湿度灵敏度曲线类似,厚度的影响体现在灵敏度的大小上。随着棉纺织基底厚度的增加,传感器湿度灵敏度增加,恢复度下降。0.12mm棉纺织基底传感器灵敏度曲线近似呈线性,恢复特性好;0.3mm棉纺织基底传感器灵敏度和恢复特性均较好,适用范围广。纺织基底纤维素含量是影响吸湿性最主要的因素,基底纤维素含量越高,吸湿能力越强,传感器灵敏度越高。

  参考文献

  [1]LinaMCastano,AlisonBFlatau.Smartfabricsensorsandetextiletechnologies:review[J].SmartMaterialsandStructures,2014,23(5):053001

  [2]Zhou,JoonHB,YoungseokO,etal.Highlysensitivewearabletextilebasedhumiditysensormadeofhighstrength,singlewalledcarbonnanotube/poly(vinylalcohol)filaments[J].ACSAppliedMaterials&Interfaces,2017,9(5):47884797

  [3]TiagoP,PedroS,HelderC,etal.Textilemoisturesensormatrixformonitoringofdisabledandbedrestpatients[].2011IEEEEuropconInternationalConferenceonComputerasaTool[C],2011

  作者:路嘉林薛严冰鞠艳杰陈宝君

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《纺织基底无芯片RFID湿度传感器》

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