一种基于无源RFID标签天线的柔性压力传感器及检测方法

一种基于无源rfid标签天线的柔性压力传感器及检测方法
技术领域
1.本技术涉及传感器技术领域，具体地涉及一种基于无源rfid标签天线的柔性压力传感器及检测方法。


背景技术：

2.近年来柔性无线传感器由于其出色的机械灵活性和便携性使它在智能设备中被广泛应用。例如智能鞋垫、电子皮肤、智能机器人等。这些先进的智能设备，要求柔性传感器不仅具有柔软舒适特性，还需要实现长距离的无线传输，和轻量化的传感器系统。
3.目前，常见的无线传感器采用lc耦合、蓝牙通信以及rfid等技术实现。其中，lc无线传感器是通过外部读取天线和传感器之间的耦合实现，这种无线传感器可以实时检测生理信号且无需外接电源。然而，采用lc天线进行无线传输的最大传输距离仅有1～2厘米，这限制了柔性传感器的实际应用。采用蓝牙通信技术的无线压力传感器具有传输距离远、抗干扰能力强、功耗低，但此类传感器往往需要提供电源供能，这增加了整个传感器系统尺寸和刚性，降低了设备的机械灵活性。一般来说，有源rfid标签支持较远的读取范围，但成本较高。相比之下，无源rfid传感器标签从阅读器接收能量再辐射，成本更低，但是传输的距离较近。
4.因此，需要改进现有的传感器以兼顾成本及传输距离。


技术实现要素：

5.为克服上述存在的缺陷，本技术的目的在于：本技术提出一种基于无源rfid标签天线的柔性压力传感器，实现较远距离的无线压力检测。
6.为实现上述目的，本技术采用如下的技术方案：
7.一种基于无源rfid标签天线的柔性压力传感器，其特征在于，包括：
8.rfid电子标签层、柔性中间层及包含铁氧体的薄膜层，
9.所述rfid电子标签层及包含铁氧体的薄膜层分别配置于柔性中间层的两侧，所述薄膜层用以与所述rfid电子标签层耦合，
10.其中，所述薄膜层位于上侧，rfid电子标签层位于柔性压力传感器的下方侧。该rfid电子标签层用于贴附在被测物体上。该柔性压力传感器利用无源rfid标签天线与具有高磁导率的铁氧体之间的互相耦合，并且在一定压力范围内具有高灵敏度和良好的稳定性。该方式下可很好的兼顾成本及传输距离。
11.优选的，该rfid电子标签层为偶极子含芯片的超高频无源标签。
12.优选的，该rfid电子标签层包括:对称的偶极子天线和rfid芯片，且rfid芯片位于偶极子天线的中间。
13.优选的，该柔性中间层选自弹性织物、海绵或硅胶中的至少一种。
14.优选的，该基于无源rfid标签天线的柔性压力传感器，其特征在于，
15.还包括粘接剂，其用于连接rfid电子标签层与柔性中间层以及柔性中间层与包含
铁氧体的薄膜层。
16.优选的，该粘接剂为双面胶或超薄双面胶。
17.优选的，该无源rfid电子标签层的远离薄膜层侧还配置有粘接层，通过该粘接层贴附于被测物体。
18.本技术实施例提供一种柔性压力传感器的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
19.基于切割装置将粘接剂、铁氧体薄膜层、柔性中间层切割成预设形状的矩形，在rfid电子标签上依次层叠粘接剂、柔性中间层、双面胶带粘接剂及铁氧体薄膜层，以得到柔性压力传感器。
20.本技术实施例提供一种基于无源rfid标签天线的柔性压力传感器的检测方法，其特征在于，
21.包括上述柔性压力传感器，所述检测方法包括：
22.所述柔性压力传感器接收并响应阅读器发出的电磁波，在rfid电子标签层及薄膜层上分别产生射频电流，标签上感应到的射频电流与薄膜层互耦，
23.所述柔性压力传感器发生形变时，感应电流被扰动，进而后向散射信号强度发生变化。检测时，rfid电子标签层侧贴附在被测物体上，这样阅读器读取后向散射信号强度来检测压力。采用偶极子含芯片的超高频(uhf)无源标签，实现在5-7米距离上也能读取。
24.有益效果
25.与现有技术相比，本技术实施方式的基于无源rfid标签天线的柔性压力传感器，利用具有高磁导率和吸波特性的铁氧体使得整个传感器制作成本低、结构简单，该传感器能实现远距离的读取，并可以通过调整中间柔性层的来适应不同的应用场景，具有良好的可替换性。该传感器在法向线方向上的最小可测分辨率为0.12kpa，最大测量压力为10kpa。
附图说明
26.图1a为本技术实施例的rfid标签天线等效电路图，
27.图1b为本技术实施例的传感器的结构示意图，
28.图2a为本技术实施例的传感器在垂直负载作用下rssi值的变化与力的关系，
29.图2b为本技术实施例的传感器rssi值的变化与中间层形变的关系，
30.图2c为本技术实施例的传感器的应力与应变的关系，
31.图3a为本技术实施例的不同传感器在垂直负载作用下rssi值的变化与力的关系的示意，
32.图3b为本技术实施例的不同传感器rssi值的变化与中间层形变的关系的示意，
33.图3c为本技术实施例的不同传感器的应力与应变的关系的示意，
34.图4a为本技术实施例的传感器在法向方向上最小可检测的力的示意，
35.图4b为本技术实施例的传感器在0.033hz的重复机械负载下的传感器响应示意。
具体实施方式
36.以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本技术而不限于限制本技术的范围。实施例中采用的实施条件可以如具体厂家的条件做进
一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
37.本技术提出一种基于无源rfid标签天线的柔性压力传感器(下称传感器)，
38.该柔性压力传感器包括：无源rfid电子标签层、柔性中间层及包含铁氧体的薄膜层,其依次层叠配置。该柔性压力传感器的薄膜层(也称铁氧体薄膜)位于上侧(顶层)。无源rfid电子标签层位于传感器的下方侧(底层)。该rfid电子标签层侧用于贴附在待测物体上，较佳的，rfid电子标签层为偶极子含芯片的超高频(uhf)无源标签。该rfid电子标签属于远距离的电子标签，读取距离在5-7米，具有较远的检测距离。柔性中间层选自弹性织物、海绵、硅胶等。该方式下，利用具有高磁导率和吸波特性的铁氧体薄膜层使得整个传感器制作成本低、结构简单。
39.接下结合附图来描述本技术提出的传感器。
40.如图1b所示为本技术实施例的rfid标签的结构示意图，
41.该标签包括：无源rfid电子标签层30、柔性中间层20及包含铁氧体的薄膜层10。薄膜层10为顶层，使用时无源rfid电子标签层30侧贴附于被测物体上。
42.下面结合图1a来描述本技术实施例的rfid标签，等效电路如图1a所示，
43.标签具有偶极子天线32和内部的rfid芯片31，rfid芯片31位于两偶极子天线32之间。较佳的，两偶极子天线32沿rfid芯片31对称。
44.其中，voc(ω)是在偶极子天线上由入射的角频率射频波所产生的开路电压，vin(ω)为在芯片端上感应到的电压。
45.从等效电路出发，ic的阻抗zc遵循以下表达式：
[0046][0047]
式中，rc(ω)为ic的电阻，cc(ω)为ic的电抗。阅读器发出的电磁波在标签天线及其针对的铁氧体薄膜层上产生射频电流。由于标签天线与铁氧体薄膜层距离较近，在标签上感应到的射频电流与铁氧体薄膜层之间存在很强的互耦。当传感器受压发生形变时，感应电流被扰动，标签天线的阻抗变化，而ic阻抗保持不变。由于阻抗失配，与集成电路耦合的功率和阅读器测量的rssi(received signal strength indication)给出的后向散射信号强度在传感器受压时也会发生变化，我们通过检测阅读器的rssi值来读取传感器所受到的压力。
[0048]
在一实施方式中，还包括保护膜，该保护膜贴附在无源rfid电子标签层及包含铁氧体的薄膜层上。
[0049]
在一实施方式中，无源rfid电子标签层的远离薄膜层侧还配置有粘接层，通过该粘接层柔性压力传感器贴附于被测物体。
[0050]
本技术实施提供一种该柔性压力传感器的制作方法，制作时包括：
[0051]
基于切割装置(如掩模对准曝光机(versalaser，30w，universal laser))将双面胶、铁氧体薄膜、柔性中间层(如柔性海绵)切割成大小形状相同的矩形，
[0052]
然后在rfid电子标签上依次层叠粘接剂(如双面胶带)、柔性中间层、双面胶带粘接剂(如双面胶带)及铁氧体薄膜，以得到柔性压力传感器的成品。
[0053]
在其他的实施方式中，可在一场所预先切割好，然后至另一场所贴装。
[0054]
上述的基于无源rfid标签天线的柔性压力传感器在检测时，rfid电子标签层侧贴
附在被测物体上，
[0055]
检测方法包括：
[0056]
柔性压力传感器接收并响应阅读器发出的电磁波，在rfid电子标签层及薄膜层上分别产生射频电流，标签上感应到的射频电流与薄膜层互耦，
[0057]
柔性压力传感器收到压力后形体发生形变时，标签上感应到的射频电流(有些也称感应电流)被扰动，进而后向散射信号强度发生变化。通过检测阅读器的rssi值来读取传感器所受到的压力。该柔性压力传感器采用偶极子含芯片的超高频(uhf)无源标签，实现在5-7米距离上也能读取，且实现的成本低。
[0058]
接下来结合具体实施方式来验证本技术提出的柔性压力传感器的性能指标。
[0059]
(1)对垂直压力的rssi(received signal strength indication)响应
[0060]
当传感器受到垂直向下的压力时，中间的柔性层会发生形变，缩短了顶层铁氧体薄膜层与底层的rfid标签之间的距离。当阅读器以恒定的频率(915mhz)向标签天线发射电磁波，由于铁氧体薄膜层和rfid标签间的距离变小，使得铁氧体薄膜层吸收了更多电磁波的能量从而降低了标签的读取率，提高了rssi的值。通过监测阅读器的rssi值来读取传感器的所受到的压力。
[0061]
如图2a所示，在外力负载的作用下传感器的相对rssi变化。从图中可看出：当负载从0-4.5kpa逐渐增加，传感器的响应(rssi)值逐渐变小，
[0062]
且在0-2.1kpa时的灵敏度为-1.305dbm kpa-1，
[0063]
在2.1kpa至4.5kpa时的灵敏度为-4.470dbm kpa-1，可以发现在低压状态和高压状态下传感器具有不同的灵敏度。
[0064]
从图2b所示，当铁氧体以恒定的位移下降靠近rfid标签时，其相对rssi变化值与下降位移几乎呈线性关系，而图2c所示，则体现了传感器柔性中间层的应力与应变的关系，可以发现在外加负载从0增加到2.1kpa时，铁氧体下降了1.2mm，而当负载从2.1kpa继续增加达到4.5kpa时，铁氧体下降了3.3mm。根据以上现象可以说明传感器灵敏度曲线分段是因为柔性中间层的应力与应变不线性关系导致。
[0065]
在一实施方式中，采用不同密度的柔性中间层的传感器比较，分别选择了厚度为0.5cm的高密度和低密度的柔性海绵来制作传感器。
[0066]
如图3a-图3c图所示，由于中间层的柔性海绵密度不同导致传感器的测量范围不同。高密度中间层的传感器最大承受负载为4.5kpa(如图3a),而低密度海绵的最大承受负载为2.91kpa(如图3a图)。此外，我们发现在大于1.3kpa的负载时，低密度海绵构成的传感器的灵敏度具有7.08dbmkpa-1(如图3a图)。
[0067]
(3)检测极限、重复性和环境适应性
[0068]
我们通过时间分辨实验确定了法向方向上的最小可检测力(如图4a所示)。测得在低压下，法向力为1.81kpa,相对rssi值变化为1.6dbm。在高压下，法向力从1.97kpa变为2.09kpa时，相对rssi值变化为1.4dbm。此外，我们还研究了通过在法向方向上施加不同的机械载荷(从0到2.2kpa)来研究机械重复性。对于该范围内所有机械载荷，传感器能够灵敏地响应动态载荷并返回其原始值(如图4b所示)。结果表明，我们的传感器在所施加的力范围内具有出色的可重复性。
[0069]
上述实施例只为说明本技术的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人
是能够了解本技术的内容并据以实施，并不能以此限制本技术的保护范围。凡如本技术精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本技术的保护范围之内。