本發(fā)明涉及氣體傳感器領(lǐng)域,具體涉及一種基于NFC標(biāo)簽的無源無線氣體傳感器及其實現(xiàn)方法。

背景技術(shù)：

氣體傳感器在工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測、安全防護、食物腐敗檢測等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。目前市場上的氣體傳感器大部分采用金屬氧化物半導(dǎo)體材料制作，若要實現(xiàn)無線信號檢測，需增加復(fù)雜的電路部分，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功耗大、成本高等缺點。無源無線的氣體傳感器不需要電池供電和信號線路連接,具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方法靈活、使用壽命長、易維護等優(yōu)點。

在已公開的專利申請201510009558.0中，將傳統(tǒng)氣體敏感技術(shù)和射頻識別技術(shù)相結(jié)合,電子標(biāo)簽式氣體傳感器及其實現(xiàn)方法，所述氣體傳感器包括：用于獲取待測氣體濃度信息的氣敏單元；所述氣敏單元的阻抗隨所述氣體濃度信息變化而變化；饋電端與所述氣敏單元相連接的標(biāo)簽天線；所述標(biāo)簽天線與所述氣敏單元之間的阻抗匹配程度決定所述標(biāo)簽天線對接收到的電磁波的反射系數(shù)；通過閱讀器天線發(fā)射電磁波，以及接收由所述標(biāo)簽天線通過反向散射傳遞過來的電磁波的閱讀器；所述閱讀器獲取標(biāo)簽天線通過反向散射傳遞過來的電磁波的反向散射功率，并根據(jù)所述反向散射功率確定氣體濃度信息。本發(fā)明提供了低成本、無源、無芯片的電子標(biāo)簽式氣體傳感器的實現(xiàn)方案。提供了低成本、無源、無芯片的電子標(biāo)簽式氣體傳感器的實現(xiàn)方案。但其采用了無芯片的射頻天線(饋電端與所述氣敏單元相連接的標(biāo)簽天線)，實際應(yīng)用時需配備專門的讀取設(shè)備測試反射系數(shù)，應(yīng)用范圍受到限制。由聚苯胺及其與金屬氧化物的復(fù)合物構(gòu)成的氣敏材料對氨氣和揮發(fā)性有機胺響應(yīng)快，靈敏度高，易于實現(xiàn)集成?；诰郾桨芳捌渑c金屬氧化物的復(fù)合物的氣體傳感器在室溫下表現(xiàn)出優(yōu)良的選擇性、快速的響應(yīng)、高靈敏度等氣敏特性,這使其特別適合于無源無線氣體傳感器應(yīng)用。將由聚苯胺及其與金屬氧化物的復(fù)合物構(gòu)成的氣敏材料集成于NFC標(biāo)簽中，通過帶有NFC模塊的智能機等設(shè)備就可以實現(xiàn)氨氣和揮發(fā)性有機胺的無線檢測。目前還沒有關(guān)于將聚苯胺及其與金屬氧化物的復(fù)合物與無源無線氣體傳感器相結(jié)合的報道。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于NFC(近場通信)標(biāo)簽的無源無線氣體傳感器的實現(xiàn)方法，該無源無線氣體傳感器尤其是對氨氣和揮發(fā)性有機胺等有毒氣體具有較高的靈敏度和響應(yīng)速度，且檢測方法簡單、成本低，以解決現(xiàn)有無線氣體傳感器測量范圍和靈敏度受限以及檢測復(fù)雜、成本較高等問題，也為氣體傳感器的設(shè)計提供一個新思路。

一種基于NFC標(biāo)簽的無源無線氣體傳感器，其特征在于，包括：NFC芯片、與所述NFC芯片兩端相連的諧振天線、集成于所述NFC諧振天線上的氣敏薄膜、以及用于讀取氣體濃度信息的NFC設(shè)備；所述NFC芯片的工作頻段為HF頻段，聚苯胺及其與金屬氧化物的復(fù)合物構(gòu)成氣敏薄膜。

所述NFC諧振天線的制作材料為鋁、銅、銀、金、碳納米管、碳漿中的至少一種；諧振天線為多圈線圈(如5-50圈)，多圈線圈為印刷電路。

所述氣敏薄膜集成于所述NFC標(biāo)簽的方式為：串聯(lián)方式，所述氣敏薄膜為所述NFC諧振天線的串聯(lián)的一部分；或氣敏薄膜與NFC諧振天線的連接形式為并聯(lián)時，所述氣敏薄膜涂覆于所述NFC諧振天線相鄰線圈之間。

所述氣敏薄膜在接觸氨氣、有機胺氣體時，電阻發(fā)生變化，從而使得NFC天線的諧振頻率發(fā)生變化，使得NFC標(biāo)簽的可讀性發(fā)生變化。

所述氣敏薄膜為摻雜酸的聚苯胺構(gòu)成導(dǎo)電高分子聚苯胺或者導(dǎo)電高分子聚苯胺與金屬氧化物微粉的復(fù)合材料，所述金屬氧化物微粉為SnO₂、CeO₂中的至少一種。

所述聚苯胺的摻雜酸為硫酸、鹽酸、植酸、對甲苯磺酸鐵中的至少一種。

所述NFC設(shè)備為帶有NFC模塊的智能機或其他NFC讀寫器。

較佳地，所述氣敏薄膜集成于所述NFC標(biāo)簽的方式為：所述氣敏薄膜為所述NFC諧振天線的其中一部分或?qū)⑺鰵饷舯∧ね扛灿谒鯪FC諧振天線相鄰線圈之間。

較佳地，所述氣敏薄膜為聚苯胺三維納米材料或其與金屬氧化物的復(fù)合材料，所述金屬氧化物為SnO₂、CeO₂中的至少一種。

較佳地，所述聚苯胺的摻雜酸為硫酸、鹽酸、植酸、對甲苯磺酸鐵中的至少一種。

較佳地，所述NFC設(shè)備為帶有NFC模塊的智能機或其他NFC讀寫器。

本發(fā)明提供一種基于NFC標(biāo)簽的無源無線氣體傳感器的實現(xiàn)方法,包括如下步驟：

(1)采用商用的NFC標(biāo)簽，或采用絲網(wǎng)印刷、光刻、電鍍、蒸鍍中的至少一種工藝制作NFC諧振天線，再制作NFC標(biāo)簽；

(2)將聚苯胺或聚苯胺與金屬氧化物構(gòu)成的復(fù)合物集成于NFC標(biāo)簽，集成方式為：

將NFC諧振天線打斷，將氣敏薄膜填充為NFC諧振天線的其中一部分，并在室溫下干燥，此時NFC標(biāo)簽?zāi)鼙籒FC設(shè)備讀?。?/p>

或?qū)饷舯∧ね扛灿贜FC諧振天線相鄰線圈之間，并在室溫下干燥，此時NFC標(biāo)簽不能被NFC設(shè)備讀取。

(3)改造的NFC標(biāo)簽的氣敏單元獲取待測氣體濃度信息,且氣敏單元的阻抗隨所述氣體濃度信息變化而變化，改造的NFC標(biāo)簽的可讀性隨之發(fā)生變化：

當(dāng)氣敏薄膜為NFC諧振天線的其中一部分時，NFC標(biāo)簽由可讀變?yōu)椴豢勺x；

當(dāng)氣敏薄膜被涂覆于NFC諧振天線相鄰線圈之間時，NFC標(biāo)簽由不可讀變?yōu)榭勺x。

較佳地，步驟(2)中，在所述打斷NFC諧振天線并填充氣敏薄膜的集成方式中，氣敏薄膜與NFC諧振天線的連接形式為串聯(lián)。

較佳地，步驟(2)中，在所述將氣敏薄膜涂覆于NFC諧振天線相鄰線圈之間的集成方式中，氣敏薄膜與NFC諧振天線的連接形式為并聯(lián)。

有益效果：本發(fā)明提供一種基于NFC標(biāo)簽的無源無線氣體傳感器的實現(xiàn)方法,結(jié)構(gòu)設(shè)計和制備工藝簡單,可有效降低生產(chǎn)成本,實現(xiàn)氣體濃度的無線檢測。本發(fā)明集成于所述NFC諧振天線上的由聚苯胺及其與金屬氧化物的復(fù)合物構(gòu)成的氣敏膜、以及用于讀取氣體濃度信息的NFC設(shè)備。本發(fā)明對氨氣和揮發(fā)性有機胺具有較高的靈敏度和響應(yīng)速度，提供了低成本、高靈敏度的無源無線氣體傳感器的實現(xiàn)方案。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述基于NFC標(biāo)簽的無源無線氣體傳感器的示意圖；

圖2是本發(fā)明所述的采用串聯(lián)形式改造的NFC標(biāo)簽示意圖；

圖3是本發(fā)明所述采用串聯(lián)形式的基于NFC標(biāo)簽的無源無線氣體傳感器的工作示意圖；

圖4是本發(fā)明所述采用并聯(lián)形式改造的NFC標(biāo)簽示意圖；

圖5是本發(fā)明所述采用并聯(lián)形式的基于NFC標(biāo)簽的無源無線氣體傳感器的工作示意圖。

圖中：1、NFC標(biāo)簽，2、氣敏單元，3、NFC芯片，4、NFC諧振天線，5、NFC標(biāo)簽諧振電路，6、NFC閱讀器。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和下述實施方式進一步說明本發(fā)明,應(yīng)理解,附圖及下述實施方式僅用于說明本發(fā)明,而非限制本發(fā)明。

本發(fā)明的基于NFC標(biāo)簽的無源無線氣體傳感器包括：NFC芯片3、與所述NFC芯片兩端相連的諧振天線4、集成于所述NFC諧振天線上的由聚苯胺及其與金屬氧化物的復(fù)合物構(gòu)成的氣敏單元2、以及用于讀取氣體濃度信息的NFC閱讀器6。其中NFC芯片3的工作頻段為HF頻段，中心頻率為13.56MHz,氣敏單元2集成于NFC諧振天線上。

其中NFC諧振天線4的制作材料為鋁、銅、銀、金、碳納米管、碳漿印刷電路中的至少一種，NFC諧振天線4的制作工藝為絲網(wǎng)印刷、光刻、掩模蒸鍍中的至少一種。

氣敏單元2為三維納米材料，材料為聚苯胺或聚苯胺與金屬氧化物構(gòu)成的復(fù)合物。聚苯胺的摻雜酸為；硫酸、鹽酸、植酸、對甲苯磺酸鐵中的至少一種。金屬氧化物為SnO₂、CeO₂中的至少一種。氣敏單元2集成于NFC標(biāo)簽1的方式為：氣敏單元2為NFC諧振天線4的其中一部分或?qū)⑺鰵饷魡卧?涂覆于NFC諧振天線4相鄰線圈之間。

圖1示出本發(fā)明的基于NFC標(biāo)簽的無源無線氣體傳感器的總體結(jié)構(gòu)，NFC讀寫器6靠近NFC標(biāo)簽1時，通過電磁耦合給予NFC標(biāo)簽1能量，NFC標(biāo)簽1接收能量之后開始工作，傳遞信息給NFC閱讀器6。圖2和圖3分別示出本發(fā)明的采用串聯(lián)形式改造的基于NFC標(biāo)簽的無源無線氣體傳感器和工作示意圖。如圖2所示，氣敏單元2以串聯(lián)的方式集成于NFC諧振天線4。圖4和圖5分別示出本發(fā)明的采用并聯(lián)形式改造的基于NFC標(biāo)簽的無源無線氣體傳感器和工作示意圖。如圖4所示，氣敏單元2以并聯(lián)的方式集成于NFC諧振天線4。

本發(fā)明的工作原理主要是利用待測氣體與氣敏材料在材料的表面發(fā)生作用,俘獲或釋放出載流子,使氣敏材料的電阻發(fā)生改變,進而使傳感器的阻抗參數(shù)和反射系數(shù)發(fā)生變化。通過智能機等NFC設(shè)備對傳感器進行讀取，若反射系數(shù)偏小或為零，則傳感器不能被讀取,實現(xiàn)對待測氣體的無源無線檢測。本發(fā)明所述傳感器對氨氣和揮發(fā)性有機胺等氣體具有較高的敏感度。

如圖3和圖5所示,一種如上述所述的基于NFC標(biāo)簽的無源無線氣體傳感器的實現(xiàn)方法,包括如下步驟:

(1)采用商用的NFC標(biāo)簽1，或采用絲網(wǎng)印刷、光刻、縫紉機縫制中的至少一種工藝制作NFC諧振天線4，再制作NFC標(biāo)簽1；

(2)將聚苯胺或聚苯胺與金屬氧化物構(gòu)成的復(fù)合物集成于NFC標(biāo)簽，集成方式為：

將NFC諧振天線4打斷，將氣敏單元2填充為NFC諧振天線4的其中一部分，并在室溫下干燥，此時NFC標(biāo)簽1能被NFC設(shè)備6讀?。?/p>

或?qū)饷魡卧?涂覆于NFC諧振天線4相鄰線圈之間，并在室溫下干燥，此時NFC標(biāo)簽1不能被NFC設(shè)備6讀取。

(3)改造的NFC標(biāo)簽1的氣敏單元2獲取待測氣體濃度信息,且氣敏單元2的阻抗隨所述氣體濃度信息變化而變化，改造的NFC標(biāo)簽1的可讀性隨之發(fā)生變化：

當(dāng)氣敏單元2為NFC諧振天線4的其中一部分時，NFC標(biāo)簽1由可讀變?yōu)椴豢勺x；

當(dāng)氣敏單元2被涂覆于NFC諧振天線4相鄰線圈之間時，NFC標(biāo)簽1由不可讀變?yōu)榭勺x。

本發(fā)明將NFC標(biāo)簽與具有氣敏特性的聚苯胺或聚苯胺與金屬氧化物構(gòu)成的復(fù)合物結(jié)合在一起,實現(xiàn)了對NH3和揮發(fā)性有機胺等有毒性氣體的無源無線檢測。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單,成本低,傳感器靈敏度高,穩(wěn)定性好,易于實現(xiàn)集成等優(yōu)點,適合于食品安全檢測、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)生產(chǎn)及環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域的應(yīng)用。

下面進一步例舉實施例以詳細(xì)說明本發(fā)明。同樣應(yīng)理解,以下實施例只用于對本發(fā)明進行進一步說明,不能理解為對本發(fā)明保護范圍的限制,本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的上述內(nèi)容作出的一些非本質(zhì)的改進和調(diào)整均屬于本發(fā)明的保護范圍。

實施例1

(1)采用真空蒸鍍的工藝制作NFC諧振天線，再制作NFC標(biāo)簽，此時NFC標(biāo)簽?zāi)鼙籒FC讀寫器讀??；

(2)用刀片去掉NFC標(biāo)簽中的NFC諧振天線中的一小段，打斷NFC標(biāo)簽，使NFC標(biāo)簽不能被NFC讀寫器讀??；

(3)采用原位聚合的方法合成植酸摻雜(0.5-2wt％)的聚苯胺水凝膠，在凝膠之前用移液器滴取植酸體系的聚苯胺水凝膠于NFC標(biāo)簽上，代替被去掉的一小段NFC諧振天線，在室溫下干燥，此時NFC標(biāo)簽?zāi)鼙籒FC讀寫器讀??；

(4)將傳感器即改造的NFC標(biāo)簽靠近一小塊腐肉，腐肉釋放出的生物胺與氣敏單元反應(yīng)，用NFC讀寫器對傳感器進行檢測，則傳感器的反射系數(shù)逐漸降低，過一段時間后NFC標(biāo)簽不能被NFC讀寫器讀取。實現(xiàn)了對肉類腐敗(有機胺)的無源無線檢測。

實施例2

(1)采用電鍍的工藝制作NFC諧振天線，再制作NFC標(biāo)簽，此時NFC標(biāo)簽?zāi)鼙籒FC讀寫器讀取；

(2)采用原位聚合的方法合成對甲苯磺酸鐵摻雜的聚苯胺水凝膠，在凝膠之前用移液器滴取植酸體系的聚苯胺水凝膠于NFC標(biāo)簽上，將氣敏單元涂覆于NFC諧振天線相鄰線圈之間，并在室溫下干燥，此時NFC標(biāo)簽不能被NFC讀寫器讀取。

(4)將傳感器即改造的NFC標(biāo)簽接觸5PPm腐胺(氨氣)，2分鐘后NFC標(biāo)簽?zāi)苤匦卤籒FC讀寫器讀取。實現(xiàn)了對有機胺的無源無線檢測。

以上實施例詳細(xì)介紹了本發(fā)明的基于NFC標(biāo)簽的無源無線氣體傳感器及其實現(xiàn)方法，其目的在于讓本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠理解本發(fā)明的設(shè)計思路并以此實施,可以根據(jù)說明進行改進或變換,本說明書所述內(nèi)容不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。