论文部分内容阅读
为有效避免包装受潮造成的损失,本文以低成本检测包装身份和受潮程度为应用背景,对湿度传感和无芯片编码技术进行深入研究。基于超常媒质设计高性能、小型化的无芯片RFID湿度传感器,在识别出目标身份的基础上,对其环境湿度进行智能传感。通过射频仿真软件HFSS设计了2.45GHz的ELC谐振器,并由参数反演法提取本构参数,表明其具有可实现小型化和高品质因数的超常媒质属性。制备了质量分数分别为5%、10%和15%的聚乙烯醇(PVA)溶液,通过定量滴涂法在ELC谐振器上表面形成不同厚度的感湿薄膜,制备湿度传感器。搭建湿敏测试系统,在35%RH~88%RH范围内对传感器进行湿敏测试。结果显示:三种湿度传感器均表现出良好的湿敏特性,随相对湿度升高,谐振频率向低频偏移,且高湿范围感湿灵敏度明显高于低湿;此外三种薄膜厚度传感器频偏总量分别为70MHz,95MHz和101MHz,且低质量分数的PVA适用大量程湿度测试,而高质量分数的PVA在高湿测试时灵敏度更高。对基于频谱特征的无芯片编码技术进行了系统研究,通过四种谐振器性能对比,选用高品质因数的超常媒质U-ring谐振器作为无芯片编码的基本结构。仿真研究其主要结构参数对谐振和相位特性的影响,拟合出编码结构设计的理论公式。通过公式法和参数优化仿真法设计了由4个嵌套U-ring谐振器组成的基于频移技术的编码结构。对设计制作具有不同编码的标签进行编码测试,结果表明:解码结果与仿真结果完全相同,在2.4GHz~5.9GHz的频带上可实现256个编码状态。为了进一步提高编码容量,基于频移和相移两维尺度的混合编码技术,设计了由3个并置的U-ring谐振器组成的编码结构。仿真及测试结果表明,在2.45GHz~5.45GHz的频带上实现了9261个编码状态,极大的提高了编码容量,但对应解码难度较大,且容易出现个别位数的解码错误。通过湿度传感器和编码单元联合仿真分析,选取频移编码标签和5%PVA的湿度传感器进行集成,并在50%RH~80%RH范围内进行湿敏和编码联合测试。结果显示:随湿度增加,传感器的谐振频率降低,在测试湿度范围内共偏移50MHz,而编码部分对应的谐振频率均未发生偏移。虽受传感器谐振结构电磁耦合效应的影响,编码谐振频率同单独编码测试时略有偏差,但仍能实现正确的解码。研究结果表明,本文研制的基于超常媒质的无芯片RFID湿度传感器具有结构简单、尺寸小,灵敏度高等优点,既实现了目标身份的识别,又实现了目标周围环境相对湿度的实时检测,有望在智能包装领域得到应用。