一种三层结构柔性RFID标签天线、制备方法及其应用

本发明属于眼压监测设备，涉及眼压监测rfid标签天线，具体涉及一种三层结构柔性rfid标签天线、制备方法及其应用。

背景技术：

1、眼压作为人类健康的重要生命体征，监测眼压对于评估和管理各种疾病至关重要，眼压的精确测量引起了人们的广泛关注，基于隐形眼镜的可穿戴技术具有轻巧的特性、移动性的潜力以及与眼球直接接触产生的高精度，可持续准确监控用户的眼压情况。现有的大多数隐形眼镜主要采用压力传感器，为了从嵌入隐形眼镜内的压力传感器读取传感数据，需要将笨重的阅读器靠近眼球，且只支持几厘米内的数据读取范围，这样会严重阻碍实用性，并成为实际部署的主要障碍。

2、射频识别(rfid)是一种非接触式识别技术，其采用电磁波方法在读取器和标签之间交换信息。rfid标签最大的特点有支持较远距离采集信息，信息采集的速度很快，不需要连接电源为标签提供能量。眼压监测标签天线采用射频识别技术，利于眼压信息的快速精确传递，支持长距离采集眼压信息，不需要单独电源提供能量，大大降低了使用的复杂度。

3、在利用射频识别天线采集眼压信息时，需要将天线的阻抗和反向散射芯片的阻抗进行匹配，才能够正常工作。现有技术中的大部分射频识别天线为单谐振点天线，单谐振点天线受到压力产生形变后，其原本的谐振点会偏移，但在谐振点两侧天线阻抗变化过快，甚至发生跳变，导致天线的阻抗和芯片的阻抗失配，进而导致天线对眼压的感知能力降低，难以稳定地实现远距离信息采集和传输。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于，提供一种三层结构柔性rfid标签天线、制备方法及其应用，解决现有技术在利用射频识别标签天线采集眼压信息时，天线的感知灵敏度和稳定性均容易降低的技术问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

3、一种三层结构柔性rfid标签天线，包括依次紧密相贴合的上封装层、天线上环、中层基质薄膜、天线下环和下封装层；所述的天线上环包括上圆环，上圆环上沿着径向方向开设有上馈电口，上馈电口处设置有射频识别芯片；所述的天线下环包括下外圆环，下外圆环的底端开设有下环开口，上馈电口与下环开口上下相对设置；所述的中层基质薄膜采用聚二甲基硅氧烷和海胆状中空碳球制得；所述的中层基质薄膜上设置有多个微锥，微锥的顶端与天线上环紧密接触，微锥的底端与中层基质薄膜的表面一体化相连接。

4、本发明还具有如下技术特征：

5、具体的，所述的上封装层和下封装层均采用聚二甲基硅氧烷制得。

6、具体的，所述的上封装层、天线上环、中层基质薄膜、天线下环和下封装层的厚度比值为(5～7)：1：6：1：(5～7)。

7、具体的，所述的下外圆环内从外到内依次同轴设置有一对第一半圆环、一对第二半圆环和一对第三半圆环；所述的第一半圆环的下端和第二半圆环的下端之间一体化连接有第一枝节，第一枝节的上端与第一半圆环相连接，第一枝节的下端与第二半圆环相连接；所述的第二半圆环的上端和第三半圆环的上端之间一体化连接有第二枝节，第二枝节的上端与第二半圆环相连接，第二枝节的下端与第三半圆环相连接；所述的第三半圆环的下端和下外圆环的下端之间一体化连接有第三枝节，第三枝节的上端与下外圆环相连接，第三枝节的下端与第三半圆环相连接；一对第一半圆环上端的间隙、一对第二半圆环上端的间隙、一对第二枝节的间隙以及一对第三半圆环上端的间隙相连通；一对第三半圆环下端的间隙、一对第三枝节的间隙与下环开口相连通。

8、具体的，上圆环的最大半径ru、上圆环的环宽wu、上馈电口的宽度wf的比值为7：3.4：1。

9、具体的，下外圆环的环宽wb、第一半圆环的环宽、第二半圆环的环宽、第三半圆环的环宽均相等；下外圆环与第一半圆环的间隙宽度gb、第一半圆环与第二半圆环的间隙宽度、第二半圆环与第三半圆环的间隙宽度均相等；下环开口的宽度wo、一对第一半圆环上端的间隙宽度、一对第二半圆环上端的间隙宽度、一对第二枝节的间隙宽度、一对第三半圆环上端的间隙宽度、一对第三半圆环下端的间隙宽度、一对第三枝节的间隙宽度均相等；下外圆环的环宽wb、下外圆环与第一半圆环的间隙宽度gb、下环开口的宽度wo、第三半圆环到下外圆环圆心的最小距离ri、下外圆环的最大半径rb的比值为0.65：0.65：1：2.45：7。

10、本发明还保护一种如上所述的三层结构柔性rfid标签天线的制备方法，该方法具体包括如下步骤：

11、步骤一，制作绒叶肖竹芋叶模版：

12、取新鲜绒叶肖竹芋叶，从叶子中心出发将其切为矩形，用水清洗叶片后将叶子烘干；将聚二甲基硅氧烷和固化剂混合后倒在烘干的叶片上，然后进行热固化；最后将热固化后的聚二甲基硅氧烷从叶片上剥离，制得绒叶肖竹芋叶模版。

13、步骤二，合成海胆状中空碳球：

14、步骤2.1，制备聚苯乙烯聚苯胺壳核球体：

15、将乙醇和水混合后，再加入苯乙烯、2,2-偶氮二异丁腈和聚乙烯吡咯烷酮，制得混合物；将混合物加热搅拌后，再经真空过滤干燥后得到聚苯乙烯纳米球。

16、步骤2.2，制备聚苯乙烯聚苯胺壳核球体：

17、在水中分散聚苯乙烯纳米球，并加入苯胺进行搅拌，再加入硝酸铁水溶液进行搅拌后，制得聚苯乙烯聚苯胺壳核球体。

18、步骤2.3，制备海胆状中空碳球：

19、将步骤2.2制得的聚苯乙烯聚苯胺壳核球体置于保护氛围中，以1℃/min的速率升温至350℃，在350℃的温度下加热1小时；然后于保护氛围中以2℃/min的速率升温至900℃，在900℃的温度下加热20分钟。

20、步骤三，制备中央传感层：

21、取聚二甲基硅氧烷和步骤二制得的海胆状中空碳球，充分混合后倒于步骤一制得的绒叶肖竹芋叶模版上，将其旋涂在模版上后进行热固化，制得表面有大量的微锥的中央传感层。

22、步骤四，制备带有下封装层的基底：

23、将聚二甲基硅氧烷涂覆于一块玻璃基板上，形成下封装层；再将一片面积与下封装层涂覆面积相当的铜箔粘贴于下封装层上，然后进行热固化，制得带有下封装层的基底。

24、步骤五，制作天线下环。

25、步骤六，制作天线上环。

26、步骤七，制作眼压监测标签天线：

27、将步骤三制得的中央传感层覆盖在步骤四制得的天线下环上后，在半凝固状态下，将步骤六制得的天线上环对正贴于中央传感层上，用导电胶将射频识别芯片粘接于天线上环的上馈电口上，并对导电胶进行固化；然后在天线上环上涂覆一层液态聚二甲基硅氧烷，形成上封装层，进行热固化后，完成眼压监测标签天线制作。

28、具体的，步骤一中，所述的聚二甲基硅氧烷和固化剂的质量比为5:1。

29、具体的，步骤2.1中，所述的乙醇、水、苯乙烯、2,2-偶氮二异丁腈和聚乙烯吡咯烷酮的质量比为60.4：7.6：20：0.2：1.8。

30、具体的，步骤2.1中，将混合物在氮气环境中于70℃的温度下，以900rpm的转速加热搅拌1小时。

31、具体的，步骤2.2中，所述的水、聚苯乙烯纳米球和苯胺的质量比为20：0.3：0.6519，所述的苯胺和硝酸铁的摩尔比为7：0.042。

32、具体的，步骤2.2中，加入苯胺后，以100rpm的转速搅拌5小时；加入硝酸铁水溶液后，以300rpm搅拌24小时。

33、具体的，步骤2.3中，所述的保护氛围为氩气氛围。

34、具体的，步骤三中，所述的聚二甲基硅氧烷和海胆状中空碳球的质量比为3:53.5。

35、具体的，步骤七中，对导电胶进行固化时的温度为160℃，时间为20分钟。

36、具体的，步骤一、步骤三、步骤四和步骤七中，所述的热固化的温度为80℃，时间为0.5h～2h。

37、本发明还保护如上所述的三层结构柔性rfid标签天线用于眼压监测中的应用。

38、本发明与现有技术相比的有益技术效果：

39、(ⅰ)本发明的三层结构柔性rfid标签天线，包括金属材质的天线上环和天线下环，以及柔性材质的中央传感层；传感能力来自中央传感层的纳米材料，其内在特性(如电导率和介电常数)响应眼压变化而发生显著变化，集成在眼压监测标签天线中间的中央传感层能够影响整个三层结构的整体阻抗，使整个系统对施加的眼压敏感，将原本微小的眼压变化放大，保证了天线感知眼压的灵敏度；此外，通过对两个金属层天线结构的调整，能够使得两个谐振点分布在天线工作频率点两侧，从而在天线工作频率位置处形成一个缓坡，使眼压发生变化时天线阻抗变化被控制在一个很小的范围内，同时配合magnus s3射频识别芯片，能够有效避免阻抗失配的情况发生，保证了远距离(最远距离能够达到1m)信息采集和传输的稳定性。

40、(ⅱ)本发明通过三项优化进一步提高了uhcs-pdms传感膜对眼压的灵敏度：第一，用海胆类uhcs取代普通uhcs，以增强隧穿电流；第二，控制uhc s密度以在灵敏度和透明度之间取得平衡；第三，利用倒模复制了绒叶肖竹芋叶表面的微型突起，在中央传感层表面引入仿生微锥结构，中央传感层在受到眼压后，大量的微锥能够产生形变，进一步放大了微小的眼压变化，进一步提高了对眼压感知的灵敏度。

41、(ⅲ)本发明的三层结构柔性rfid标签天线采用了柔性基底，能够防止该眼压监测标签天线内部的金属天线与眼球产生直接接触减小摩擦，提升了佩戴的舒适性。

42、(ⅳ)本发明的三层结构柔性rfid标签天线经过压曲塑性，具有适合眼角膜的曲度，可以实现与眼球的紧密贴合，佩戴方便，也利于精确采集眼压信息。