徐明浩，聶寶清，寇文哲

(蘇州大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇 蘇州 215006)

近年來柔性無線傳感器憑借其出色的機(jī)械靈活性、高靈敏度和較短的響應(yīng)時(shí)間在智能設(shè)備中被廣泛應(yīng)用，例如軟機(jī)器人[1-2]、電子皮膚[3-5]、人機(jī)交互系統(tǒng)[6-8]和醫(yī)療健康監(jiān)測系統(tǒng)[9-10]等。常見的無線傳感器采用LC 耦合、藍(lán)牙通信以及RFID 等技術(shù)實(shí)現(xiàn)。其中LC 無線傳感器是通過外部讀取天線和傳感器之間的耦合實(shí)現(xiàn)[11-12]，這種無線傳感器可以實(shí)時(shí)檢測生理信號且無需外接電源，具有結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長、可穿戴等優(yōu)勢，極大擴(kuò)大了整個(gè)傳感器系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。最近，Lu 等[13]通過線圈電感器和空氣腔型平行板的LC 諧振制作了一種生物可吸收、無源、無線壓力傳感裝置，用于測量包括顱內(nèi)、腹腔內(nèi)和肺動脈高壓的人體內(nèi)部的壓力。然而，采用LC 天線進(jìn)行無線傳輸?shù)淖畲髠鬏斁嚯x僅有1 cm～2 cm，這限制了柔性傳感器的實(shí)際應(yīng)用。采用藍(lán)牙通信技術(shù)的無線壓力傳感器具有傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低等優(yōu)勢。Qaiser 等[14]報(bào)告了一種用Ecoflex 對碳納米管進(jìn)行封裝制成的壓阻式傳感器，將該裝置連接在人體皮膚表面，用于收集與肌肉活動相關(guān)的輸出信號，并通過低功耗藍(lán)牙系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無線監(jiān)控。但是采用藍(lán)牙傳輸?shù)膫鞲衅魍枰峁╇娫?，這增加了整個(gè)傳感器系統(tǒng)尺寸和剛性，降低了設(shè)備的機(jī)械靈活性。RFID 系統(tǒng)由標(biāo)簽和閱讀器組成，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器讀寫范圍時(shí)會接收閱讀器發(fā)出的射頻信號，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量向外發(fā)送存儲在芯片中的信息[15-16]。Ma 等[17]將硅膠膜置于一對電感耦合開環(huán)諧振器中間，制成一種小型無源RFID 壓力傳感器，利用閱讀器測量傳感器散射信號的中心頻率，判斷壓力的大小。但以測量中心頻率的方式來感知壓力需要對特定頻段進(jìn)行掃頻，無法實(shí)現(xiàn)壓力的實(shí)時(shí)測量。

本文提出了一種基于RFID 反向散射耦合原理的無線無源柔性壓力傳感器。它由反射層、柔性中間層和數(shù)據(jù)傳輸層組成。通過受壓時(shí)反射層與數(shù)據(jù)傳輸層間距的變化改變標(biāo)簽的反射信號，解耦閱讀器的接收信號強(qiáng)度指示(RSSI)值，實(shí)現(xiàn)壓力的無線無源實(shí)時(shí)測量。該傳感器的最大工作距離為10 cm，相較于傳統(tǒng)無線無源壓力傳感器工作距離小于1 cm，拓展了無線無源壓力傳感器的應(yīng)用范圍。

1 傳感器工作原理

1.1 傳感器結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的傳感器由三層柔性層構(gòu)成，如圖1所示，分別為頂層的反射層、底層的數(shù)據(jù)傳輸層，以及夾在二者之間的柔性中間層。其中反射層采用高磁導(dǎo)率的鐵氧體構(gòu)成，中間層采用柔性海綿，底層采用商用RFID 標(biāo)簽5030。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖與實(shí)物圖

1.2 RFID 標(biāo)簽工作原理

整個(gè)傳感器系統(tǒng)工作于超高頻(UHF)頻段，傳感器的工作基于RFID 標(biāo)簽工作原理，如圖2 所示。閱讀器發(fā)出用于傳輸能量和查詢信號的電磁波，傳感器中的RFID 標(biāo)簽通過標(biāo)簽天線獲取能量并激活與其相連的標(biāo)簽芯片，芯片通過改變自身阻抗使標(biāo)簽天線反射給閱讀器不同強(qiáng)度的信號[18]，閱讀器根據(jù)反射信號解析出其接收信號強(qiáng)度指示(RSSI)值。

圖2 RFID 標(biāo)簽工作原理

本文所使用的RFID 標(biāo)簽可分為對稱偶極子式的標(biāo)簽天線和RFID 芯片兩部分，其等效電路圖如圖3 所示。

圖3 RFID 標(biāo)簽等效電路圖

圖3 中，Za為標(biāo)簽天線的輸入阻抗，Va為標(biāo)簽天線接收到外界能量后產(chǎn)生的等效電源，Zc為標(biāo)簽芯片的等效阻抗。在理想情況下，當(dāng)輸入阻抗Za和芯片阻抗Zc共軛匹配時(shí)，標(biāo)簽天線的增益達(dá)到最大。而在實(shí)際測量環(huán)境中，由于反射層以及周圍環(huán)境的影響，傳感器的實(shí)際增益Gr可表達(dá)為:

式中:Gmax為理想狀態(tài)下傳感器的最大增益；τ為功率傳輸系數(shù)，代表標(biāo)簽天線與芯片之間的匹配程度，其表達(dá)式為[19-20]:

式中:Rc為芯片的等效電阻；Ra為標(biāo)簽天線的輸入等效電阻；Zc為芯片的等效阻抗；Za為標(biāo)簽天線的等效阻抗；

由公式2 可知，當(dāng)Za＝Z*c時(shí)功率傳輸系數(shù)τ達(dá)到最大值，天線和標(biāo)簽匹配度最高，此時(shí)傳感器的增益Gr達(dá)到最大。在考慮到現(xiàn)實(shí)空間中存在反射、散射、吸收等一系列導(dǎo)致信號失真的因素，即電磁波傳遞過程中的路徑損耗，其表達(dá)式為[21]:

式中:d為閱讀器與標(biāo)簽天線之間的距離；λ為電磁波波長。

本文使用915 MHz 頻段的電磁波，其波長為0.328 m。閱讀器天線最終接收到的接收信號的強(qiáng)度指示(RSSI)值可以表示為:

式中:Pt為閱讀器的發(fā)射功率；Gt為發(fā)射天線增益；Gr為標(biāo)簽天線的增益；PL為路徑損耗。

當(dāng)傳感器受到壓力后，中間層被壓縮導(dǎo)致反射層與數(shù)據(jù)傳輸層的間距變小，標(biāo)簽阻抗出現(xiàn)失配，進(jìn)而使傳感器的增益變小。而在一般情況下Pt和Gt的發(fā)射功率不變，在閱讀器與標(biāo)簽天線之間的距離d保持不變的情況下，閱讀器接收到的RSSI 值與傳感器當(dāng)前增益Gr的關(guān)系可表示為:

因此通過獲取傳感器反射回閱讀器的RSSI 值，解耦換算為當(dāng)前傳感器測量所得的壓力，實(shí)現(xiàn)壓力的無線測量。

2 仿真與分析

通過有限元仿真(HFSS，Ansoft)的方式對傳感器的增益進(jìn)行仿真。首先，參照商用RFID 標(biāo)簽5030 的相關(guān)參數(shù)，在具有相對介電常數(shù)ε為3.8、長為55 mm、寬為33 mm、厚度為0.05 mm 的PET 的基底上進(jìn)行標(biāo)簽天線的仿真。為了使反射層對數(shù)據(jù)傳輸層的增益產(chǎn)生更大的影響，在標(biāo)簽正上方放置一層厚度為0.05 mm，面積與標(biāo)簽相同的鐵氧體薄膜[22-23](相對磁導(dǎo)率μr為1 000)，最后在二者間填充一層海綿。傳感器仿真模型如圖4 所示。

圖4 傳感器仿真模型(傳感器增益)

為了研究反射層與數(shù)據(jù)傳輸層之間的距離變化對傳感器增益的影響，在仿真過程中通過改變中間層的厚度模擬傳感器受壓時(shí)中間層發(fā)生的形變。傳感器的增益仿真如圖5 所示，其中縱軸代表傳感器正上方的最大增益值。

圖5 傳感器增益仿真結(jié)果

根據(jù)仿真結(jié)果可知:當(dāng)傳感器中間層厚度變小時(shí)，傳感器的增益也隨之變小，反之增益變大。此外，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)中間層厚度超過5 mm 時(shí)，傳感器增益的增長速率變緩。因此為了提高傳感器的靈敏度，選取5 mm 作為中間層的厚度。

楊氏模量可以表征物體變形難易程度，表示為E＝σ/ε，即應(yīng)力σ與應(yīng)變ε之比。通過楊氏模量的對比，可以直觀地看出物體是否容易被壓縮。本文中傳感器的輸出與其中間層的形變量有關(guān)，因而選取了常見的兩種不同密度[24]的海綿(35D、10D)作為傳感器的中間層，通過有限元仿真(COMSOL)的方式，探究不同密度海綿作為中間層對傳感器楊氏模量的影響，傳感器仿真模型如圖6 所示。

圖6 傳感器仿真模型(對楊氏模量影響)

圖6 中，中間層海綿選取密度為35D 設(shè)為Ⅰ型傳感器；選取密度為10D 設(shè)為Ⅱ型傳感器。圖7 所示為兩種傳感器楊氏模量的仿真結(jié)果。可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)受到相同壓力時(shí)，Ⅱ型傳感器中間層的形變量更大，所以Ⅱ型傳感器的楊氏模量比Ⅰ型小。根據(jù)圖5 和式(5)得傳感器中間層厚度變小將導(dǎo)致閱讀器接收的RSSI 值變小。當(dāng)受到相同壓力時(shí)，使用密度小的海綿作為中間層的傳感器更容易被壓縮，其輸出值RSSI 的相對變化量更大，因此傳感器的靈敏度更高。

圖7 兩種傳感器楊氏模量仿真結(jié)果

3 傳感器性能測試

3.1 傳感器靈敏度

根據(jù)上述仿真結(jié)果，使用厚度為5 mm、密度分別為35D 和10D 的兩種不同密度海綿作為中間層制成傳感器，進(jìn)行靈敏度的測量。如圖8 所示，利用亞克力板制作的支架使閱讀器與傳感器的距離保持為10 cm，兩種傳感器的初始RSSI 值均為-27 dBm，為了方便對比將傳感器的輸出轉(zhuǎn)換為相對接收信號強(qiáng)度指示(ΔRSSI)值表示。用高精度(分辨率為10 mN)測力計(jì)和線性移動平臺(分辨率為0.1 μm的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動)組成壓力測試系統(tǒng)，通過臺式計(jì)算機(jī)控制安裝在線性移動平臺上的測力計(jì)移動，同時(shí)記錄傳感器的壓縮距離和受到的機(jī)械負(fù)載。其中，壓力用測力計(jì)的示數(shù)與傳感器面積之比表示，靈敏度用傳感器的輸出ΔRSSI 與壓力之比表示。圖8中的曲線表示施加給傳感器壓力與輸出ΔRSSI 值的關(guān)系。隨著施加給傳感器壓力的逐漸增加，兩種傳感器的輸出均逐漸變小。其中，Ⅰ型傳感器在壓力為0～2.09 kPa 時(shí)，靈敏度為-0.62 dBm/kPa。當(dāng)施加壓力超過2.09 kPa 時(shí)，靈敏度增加到-4.95 dBm/kPa，其測量范圍為0～4.57 kPa。而Ⅱ型傳感器在壓力在0～1.55 kPa 范圍內(nèi)時(shí)，靈敏度為-1.61 dBm/kPa。當(dāng)施加壓力超過1.55 kPa 時(shí)，靈敏度增加到-6.75 dBm/kPa，其測量范圍為0～3.09 kPa。對比兩種傳感器的靈敏度曲線可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施加壓力大小相同時(shí)，Ⅱ型傳感器輸出的ΔRSSI 比Ⅰ型大，說明使用低密度海綿作為中間層的傳感器靈敏度更高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與上述仿真結(jié)果相符，證明了傳感器設(shè)計(jì)的合理性。

圖8 傳感器靈敏度

3.2 傳感器重復(fù)性

為了驗(yàn)證傳感器測量壓力的重復(fù)性，對傳感器施加了周期性的負(fù)載，測試傳感器多次使用后輸出的穩(wěn)定性。如圖9 所示，當(dāng)傳感器空載時(shí)其初始輸出為-27 dBm，為了方便對比將輸出轉(zhuǎn)換為相對接收信號強(qiáng)度指示(ΔRSSI)。以0.05 Hz 的頻率施加2.4 kPa的重復(fù)機(jī)械負(fù)載(上方曲線)。以4 Hz 的采樣頻率記錄傳感器的輸出，并進(jìn)行平滑濾波(下方曲線)。由于傳感器輸出與負(fù)載在同一周期內(nèi)變化，表明傳感器能夠準(zhǔn)確地響應(yīng)動態(tài)負(fù)載，并保持穩(wěn)定的輸出。

圖9 傳感器重復(fù)性

3.3 傳感器最大工作距離

在無線傳感器的所有特征參數(shù)中，最大工作距離是衡量無線傳感器性能的最重要的參數(shù)之一，它表示傳感器工作時(shí)與讀取模塊的最大分離距離。如圖10 所示，分別測試了LC 諧振式傳感器和RFID傳感器的最大工作距離。其中，LC 諧振式傳感器的最大工作距離需根據(jù)其諧振頻率處的相位差判斷，當(dāng)最大相位差低于最小可檢測電平對應(yīng)的相位差時(shí)，確認(rèn)為最大工作距離。圖中三角型代表不同分離距離下傳感器的相位差，下方虛線代表最小可檢測電平對應(yīng)的相位差，根據(jù)虛線得到其最大傳輸距離為1.32 cm。本文所提出RFID 傳感器的輸出值RSSI 代表讀取模塊接收信號的強(qiáng)度，它會隨著傳感器受到負(fù)載壓力的增大而變小直到信號丟失。因此，給傳感器施加4.57 kPa 的負(fù)載時(shí)測量其最大工作距離，經(jīng)測試當(dāng)RSSI 低于-41 dBm(圖中上方虛線)時(shí)讀取模塊無法正常獲取傳感器的反射信號，從而確定其最大工作距離為10 cm。對比同樣為無線無源的LC 諧振式傳感器，RFID 傳感器的最大工作距離有顯著的提高(7.57 倍)，解決了限制無線無源傳感器無法遠(yuǎn)距離測量的問題，進(jìn)一步拓展了無線無源傳感器的應(yīng)用范圍。

圖10 不同傳感器傳輸距離對比

3.4 環(huán)境對傳感器性能的影響

為了模擬實(shí)際應(yīng)用下不同環(huán)境對傳感器性能的影響，測試了不同溫度和濕度下傳感器的輸出響應(yīng)。如圖11 所示，將傳感器置于加熱板上，用亞克力板制作的支架固定閱讀器，使傳感器與閱讀器的距離保持為10 cm。實(shí)驗(yàn)測試了傳感器在25 ℃～45 ℃的溫度范圍內(nèi)的RSSI 值變化，在測量過程中對每個(gè)溫度值取10 次測量結(jié)果并求取均值，經(jīng)測試傳感器在測量的溫度范圍內(nèi)輸出誤差為0.91%。如圖12所示，將傳感器放置于亞克力板制作的密閉容器中，用加濕器增加容器內(nèi)的濕度，并在容器側(cè)面制作一個(gè)圓形開槽方便濕度計(jì)測量容器內(nèi)的濕度，最后將整個(gè)容器置于支架上方，保持閱讀器與傳感器距離為10 cm。實(shí)驗(yàn)測試了傳感器在43%RH～82%RH濕度范圍內(nèi)的RSSI 值變化，同樣對每個(gè)濕度值采集10 次輸出結(jié)果并求取均值，經(jīng)測試傳感器在所測量的濕度范圍內(nèi)輸出誤差為0.89%。測試的環(huán)境參數(shù)均模擬正常室內(nèi)的溫濕度且輸出誤差均小于1%，因此可以說明傳感器在正常室溫環(huán)境下具有良好的穩(wěn)定性。

圖11 溫度對傳感器性能影響

圖12 濕度對傳感器性能影響

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于RFID 反向散射耦合原理的柔性無線無源壓力傳感器，具有無源工作距離遠(yuǎn)、柔性可穿戴等優(yōu)勢。根據(jù)理論推導(dǎo)、有限元仿真的方式并結(jié)合壓力測試系統(tǒng)對使用35D 和10D 兩種不同密度海綿作為中間層的傳感器進(jìn)行測試，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明中間層為低密度海綿的傳感器具有較高的靈敏度，在測試范圍內(nèi)的最高靈敏度為-6.75 dBm/kPa。通過模擬不同溫濕度條件測量環(huán)境對傳感器輸出的影響，其中在25 ℃～45 ℃溫度測量區(qū)間內(nèi)傳感器誤差為0.91%，在43%RH～82%RH 的濕度測量范圍內(nèi)誤差為0.89%。通過周期性負(fù)載循環(huán)測試，證實(shí)了傳感器具有良好重復(fù)性并能準(zhǔn)確地響應(yīng)動態(tài)負(fù)載。未來將傳感器制成傳感器陣列并應(yīng)用于醫(yī)用繃帶壓力無線測量、足底壓力無線檢測等智能醫(yī)療領(lǐng)域，使其具有更高的實(shí)用價(jià)值。