可印刷无芯片RFID湿度传感器研究

作     者：王思睿 

作者单位：大连交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：薛严冰

授予年度：2020年

学科分类：1305[艺术学-设计学（可授艺术学、工学学位）] 13[艺术学] 081104[工学-模式识别与智能系统] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 081101[工学-控制理论与控制工程] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：湿度传感器 无芯片RFID 柔性基底 喷墨印刷 纸基底 

摘      要：射频识别技术是一种新兴的无线技术,用于自动识别、跟踪、监视和物流管理。传统有芯片RFID标签中的集成芯片制作复杂、成本高,难以大规模应用。可印刷无芯片RFID湿度传感器通过喷墨印刷技术将传感器打印在柔性基板上,可以有效地降低传感器成本、促进标签传感器的大范围普及。本文采用遗传算法与HFSS软件联合仿真方法,设计并实现高品质因数的无湿敏材料纸基底湿度传感器、加载湿敏材料PVA的柔性基底湿度传感器。研究内容主要分为以下四个部分:(1)深入研究开口环谐振器原理及开口环分布加载技术。通过遗传算法与HFSS软件联合仿真,对常规开口环结构进行分布加载,同时优化谐振频率及品质因数,设计出谐振特性好,谐振频率为2.45GHz的纸基谐振器,解决了纸基底介电损耗大降低谐振性能的问题,有效改善了传感器结构的谐振特性。(2)采用喷墨印刷技术制作柯达相纸、双面铜版纸两种无湿敏材料纸基湿度传感器。柯达基底传感器灵敏度高,在高湿范围达到8MHz/%RH;双铜基底传感器灵敏度曲线呈近似线性,在2min后可完全恢复,恢复度为100%。两种传感器一致性好、受温度影响小、中长期稳定性好。(3)通过遗传算法与HFSS联合仿真方法,设计加载湿敏材料PVA的柔性湿度传感器。仿真研究工艺参数对传感器特性影响,为传感器印刷制作时工艺参数设置提供理论依据。仿真研究不同结构的纯PVA传感器、PVA聚酰亚胺传感器、PVA纸基传感器湿敏特性,从理论上证明了利用基底与PVA共同作用提升传感器灵敏度的可行性。(4)将不同浓度的PVA加载在柔性基底谐振器表面制备柔性无芯片RFID湿度传感器。测试结果表明:纯PVA敏感传感器灵敏度较高,且高湿灵敏度明显高于低湿,PVA浓度为15%时高湿灵敏度最高,可达到9.44MHz/%RH,然而恢复性较差;PVA聚酰亚胺传感器灵敏度略高于纯PVA传感器,灵敏度最高为10MHz/%RH;双铜PVA传感器高湿灵敏度可达到12.22MHz/%RH,远高于纯纸基与纯PVA敏感传感器,同时恢复特性较纯PVA传感器也有所提升。实验研究结果表明:将PVA的湿敏特性与纸基底自身的湿敏特性相结合设计传感器,可在一定程度上改善传感器性能。本文研究的可印刷无芯片RFID湿度传感器具有成本低廉、结构简单、感湿灵敏度高、恢复速度快、柔软可弯曲、可大量制备等优点。对比其他文献,灵敏度与恢复度性能均有较大提升,有利于在物流运输、智能包装等领域推广使用。