基于RFID的电子标签式气体传感器研究

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射频识别传感器网络是将射频识别(RFID)技术与无线传感器网络(WSN)技术结合,使RFID系统获得的数据中携带有传感器所采集的信息。新兴无线传感器网络技术的蓬勃发展对气体传感器提出了更严格的要求。因此,开发以无线方式检测气体信息的低成本、高灵敏度的电子标签式气体传感器已成为一个新的研究方向。本文研究的RFID电子标签式气体传感器由标签天线和气敏单元两部分组成,气敏单元作为标签天线的负载。以导电聚合物材料作为敏感材料,以氨气和果蔬(香蕉、桔子和西红柿)释放的气体作为系统检测目标气体,围绕标签传感器的设计、制作和测试分别展开研究。提出了分别以功率反射系数变化量和回波损耗变化量为检测目标的两种电子标签传感器实现方案。通过电磁仿真软件HFSS设计了一款工作于915 MHz的领结型天线,测试结果表明该天线具有小型化、宽带、高增益等特性,可适用于标签传感器。保证天线和传感器阻抗匹配的前提下,针对两种实现方案,分别对天线的负载阻抗值进行仿真与测试,从而确定传感器大致的阻抗值范围,为传感器阻抗调节的实验研究提供理论依据。在基于功率反射系数的方案中,利用原位聚合法制作对甲苯磺酸(TSA)掺杂聚苯胺(RANI)气敏材料,通过在叉指电极上制备不同TSA掺杂浓度的PANI薄膜,使材料在915 MHz处实现与标签天线的阻抗匹配;在基于回波损耗的方案中,对多种配比的高分子复合材料进行筛选,在平行电极上制备CNT和导电油墨混合材料的敏感薄膜,使其阻抗在整个测试频率段内保持稳定并且同标签天线匹配。最终,制作出具有阻抗匹配特性的若干气体传感器。搭建了以阻抗分析仪(安捷伦E4991A)为核心的气敏特性测试系统,对制作的传感器进行目标气体敏感性测试。基于功率反射系数的测试结果表明:反射系数变化量随氨气浓度的增加而非线性地增大。可以对浓度在6500 ppm-9000 ppm之间的氨气进行检测,灵敏度为3.22 dBm/500ppm;对香蕉释放气的响应很好,可以区分三种成熟度;对于西红柿而言,可以识别其是否腐烂;对于桔子而言,不易区分三种成熟度。基于回波损耗的测试结果表明:以标签传感器谐振频率的变化为检测量时,能够对1000 ppm~3000 ppm的氨气实现浓度检测,灵敏度为3.75 MHz/500ppm;对香蕉和西红柿而言,可识别其是否成熟;对桔子而言,可识别其是否新鲜。以标签传感器915 MHz处回波损耗的变化为检测量时,对500 ppm~1000 ppm的氨气响应具有较好的线性度和较高的灵敏度,灵敏度约为2 dB/500ppm;对香蕉而言,不能区分其新鲜期和腐烂期;对桔子而言,不能区分三种成熟度;对西红柿释放气的响应很好,并且呈线性,能够判断其三种成熟度。研究成果有望以射频识别方式实现对果蔬新鲜程度的区分。
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