本發(fā)明涉及溫度傳感器領(lǐng)域，尤其涉及無芯片rfid溫度閾值傳感器、生產(chǎn)方法及溫度報警裝置。

背景技術(shù)：

物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展需要大量的低成本傳感器。目前溫度檢測應(yīng)用最多的是有線傳感器，具有精度高和靈敏度高的特點，但是制作工藝復(fù)雜，同時由于需要接入外圍電路，使得檢測系統(tǒng)的尺寸相對較大，檢測成本高。另一方面，由于有線傳感器絕大多數(shù)內(nèi)部都有硅芯片，使得傳感器不能工作于很多嚴(yán)苛的環(huán)境條件下，例如超高溫、超低溫、強(qiáng)酸堿性環(huán)境。

為了解決有線傳感器存在的諸多問題，目前，本領(lǐng)域正在研發(fā)無線溫度檢測技術(shù)。

例如，《傳感器技術(shù)》2002年底21卷第4期公開了《無源聲表面波諧振器的無線溫度傳感系統(tǒng)》，其利用表面波傳播速度和諧振器幾何參數(shù)受溫度影響的特性進(jìn)行無線溫度檢測。這種技術(shù)雖然能進(jìn)行無線溫度檢測，但其需要制作在壓電陶瓷基體上，基體不可彎曲且易碎，制作工藝需要用到光刻、真空鍍膜等微電子工藝，工藝復(fù)雜，成本高，且其工作頻段大概在87mhz-108mhz，檢測距離較短，只適合短距離檢測。

再如，中國專利201610436065x公開了一種集成在rfid標(biāo)簽中的溫度傳感器。其將溫度傳感器完整集成到rfid標(biāo)簽的芯片中，并與rfid標(biāo)簽芯片的其它模塊一起共用多個模塊電路(包括計數(shù)器、振蕩器、rfid標(biāo)簽時鐘、數(shù)字控制電路和負(fù)載調(diào)制電路等)。這種溫度傳感器的不足之處在于其應(yīng)用的模塊電路過多，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，成本相對較高，不便于大規(guī)模推廣使用，且不適合在嚴(yán)苛的環(huán)境下使用。

中國專利2016105101949公開了一種多層電感無源無線lc溫度傳感器，其包括溫敏電感和電容構(gòu)成的lc諧振回路，所述溫敏電感包括n層層疊的檢測電感，各檢測電感串聯(lián)連接，相鄰兩層檢測電感之間及最頂層的檢測電感頂部均設(shè)有蓋片，最底層的檢測電感底部設(shè)有襯底；每層檢測電感結(jié)構(gòu)相同，均包括電感模具，電感模具為螺旋形狀的凹槽，凹槽內(nèi)注有液態(tài)金屬合金形成螺旋電感；凹槽內(nèi)、液態(tài)金屬合金上表面形成金屬氧化物保形層，金屬氧化物保形層在凹槽內(nèi)的高度低于凹槽上表面的高度；lc諧振回路中的電容由相鄰的兩層檢測電感質(zhì)之間的寄生電容并聯(lián)構(gòu)成。該傳感器存在的不足在于：其原理較為復(fù)雜，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)仍然較為復(fù)雜，制作工藝要求較高。導(dǎo)致其最終的成本造價依然較高。

上述各種傳感器之所以結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，主要是由于其設(shè)計理念的影響。其考慮的因素包括通過一種傳感器要能檢測不同溫度且該傳感器要能多次循環(huán)使用。這種設(shè)計思路就造成現(xiàn)有的各種溫度傳感器其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。而目前某些特殊使用環(huán)境下，需要的是能夠檢測特定閥值溫度的傳感器就可滿足需求，當(dāng)溫度達(dá)到閥值后，能夠檢測出從而觸發(fā)報警器即可，不需要能夠檢測和顯示各種溫度、多次循環(huán)使用。比如，在運(yùn)輸易爆物品時，只要是溫度控制在閥值以下即可，不需要實時對溫度進(jìn)行檢測和顯示，當(dāng)溫度上升到閥值時能觸發(fā)報警器進(jìn)行報警即可。由此可以看出，在這種應(yīng)用場合下，不需要結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高的溫度傳感器。由于現(xiàn)有的無線溫度傳感器造價仍然較高，所以很難大規(guī)模推廣使用。而物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域?qū)Φ统杀緶囟葌鞲衅鞯男枨笥质制惹?，所以，研發(fā)出滿足上述需求的成本低、生產(chǎn)工藝簡單的溫度傳感器顯得十分必要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是提供一種結(jié)構(gòu)簡單且成本低的無芯片rfid溫度閾值傳感器。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種無芯片rfid溫度閾值傳感器，包括基體，基體表面設(shè)置有elc諧振器，elc諧振器表面覆蓋有可發(fā)生固氣相變的溫度敏感材料層。

進(jìn)一步的是，所述溫度敏感材料層為菲薄膜。

進(jìn)一步的是，所述基體為柔性基體或剛性基體。

本發(fā)明還提供了一種溫度報警裝置，包括上述的無芯片rfid溫度閾值傳感器，還包括rfid讀卡器，所述rfid讀卡器用于向傳感器發(fā)射電磁波以及接收反向電磁波，rfid讀卡器與檢測處理模塊相連，檢測處理模塊與報警模塊相連，檢測處理模塊用于檢測rfid讀卡器接收的電磁波的頻譜中諧振頻率的偏移量，當(dāng)偏移量大于等于預(yù)設(shè)值時，檢測處理模塊啟動報警模塊。

進(jìn)一步的是，所述溫度敏感材料層為菲薄膜。

進(jìn)一步的是，所述基體為柔性基體或剛性基體。

本發(fā)明還提供了上述無芯片rfid溫度閾值傳感器的生產(chǎn)方法，具體為：

a、選擇基體；

b、在基體表面設(shè)置elc諧振器；

c、將溫度敏感材料覆蓋在elc諧振器表面；

d、烘干。

進(jìn)一步的是，所述溫度敏感材料為菲粉，步驟c中，先將菲粉置于四氫呋喃溶液中，60℃下通過磁力攪拌使菲粉完全溶解，步驟d中在40℃下烘干。

進(jìn)一步的是，步驟a中，所述基體為剛性基體或柔性基體。

本發(fā)明傳感器結(jié)構(gòu)采用一種特殊的電耦合lc諧振器(elc諧振器，electric-lcresonator)，具有體積小、諧振品質(zhì)因數(shù)高的優(yōu)點，諧振器諧振于uhf頻段，中心頻率為2.45ghz。在elc諧振器表面涂覆一層對溫度敏感的有機(jī)材料菲(phenanthrene，c14h10)。菲是一種具有多環(huán)烴基團(tuán)的可升華物質(zhì)，可直接從固相轉(zhuǎn)換成氣相,而不經(jīng)歷中間階段液相。升華是一個吸熱的相變，菲的相變焓為90.5kjmol^-1，相變溫度約為72℃。諧振器的諧振特性受菲薄膜的特性影響，兩者構(gòu)成結(jié)構(gòu)的復(fù)合介電常數(shù)是決定諧振頻率的一個主要因素。

當(dāng)rfid讀卡器發(fā)送的寬頻帶電磁波照射到傳感器時，由于傳感器具有優(yōu)良的諧振性能，將吸收特定頻率的電磁波，使得讀卡器接收到的反向散射波頻譜特征發(fā)生變化，主要體現(xiàn)在諧振頻率點的幅值和相位上。當(dāng)被測溫度高于72℃時，敏感材料薄膜菲將升華，傳感器的介電常數(shù)產(chǎn)生急劇增加，進(jìn)而使諧振頻率產(chǎn)生明顯的變化，通過檢測讀卡器接收到反向電磁波的頻譜中諧振頻率是否偏移，可實現(xiàn)對溫度閾值的檢測。

本發(fā)明的有益效果是：結(jié)構(gòu)簡單成本低，檢測距離相對較遠(yuǎn)。實現(xiàn)了溫度報警信息的低成本無線檢測。通過更換傳感器的敏感薄膜材料，可形成系列溫度閾值傳感器。本發(fā)明可用于供應(yīng)鏈管理，在某些化工品、藥品或爆炸物等的存儲和運(yùn)輸過程中，不需要持續(xù)的檢測溫度，而關(guān)注的是一個溫度的閾值點，當(dāng)測試環(huán)境溫度高于閾值溫度時，將發(fā)出報警信息。特別是，隨著印刷技術(shù)和材料技術(shù)的發(fā)展，傳感器可以做成柔性的或者可通過打印設(shè)備打印在包裝紙上，直接貼于運(yùn)輸包裹的表面。由于具有低成本、無源、無芯片、可柔性印刷等優(yōu)點，這種傳感器的前景非常廣闊，尤其適用于目前飛速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)中。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的傳感器結(jié)構(gòu)剖面圖

圖2是本發(fā)明的傳感器中elc諧振器結(jié)構(gòu)圖。

圖3是本發(fā)明的傳感器中elc諧振器的等效電路圖。

圖4是本發(fā)明的傳感器中溫度敏感薄膜的制備流程圖。

圖5是本發(fā)明的傳感器的檢測系統(tǒng)的原理圖。

圖6是本發(fā)明的傳感器的測試結(jié)果圖。

圖7是本發(fā)明的溫度報警裝置的示意圖。

圖中標(biāo)記為：溫度敏感材料層1，elc諧振器2，基體3，電磁波發(fā)射天線4，傳感器5，電磁波接收天線6，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀7。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進(jìn)一步說明。

rfid溫度閾值傳感器結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1所示。圖中基體3可選用fr4覆銅板、taconictlx_8覆銅板等剛性基板或pvc、包裝紙等柔性基板；黑色部分是金屬層，用來形成elc諧振器2，采用覆銅板時該層為濕法刻蝕后剩余的銅導(dǎo)電層，采用柔性基板時，該層可為印刷方式實現(xiàn)的導(dǎo)電銀漿層。陰影部分為涂敷在金屬諧振器結(jié)構(gòu)表面的溫度敏感材料層1，如菲薄膜等，也可以用其它離子塑性晶體。

圖2是rfid傳感器中elc諧振器結(jié)構(gòu)圖。該結(jié)構(gòu)具有以下兩個優(yōu)點：從性質(zhì)上講，因具有超常媒質(zhì)特性，使其更易實現(xiàn)結(jié)構(gòu)小型化和良好的諧振特性，有利于提高傳感器性能；從結(jié)構(gòu)上講，其結(jié)構(gòu)簡單且高度對稱,設(shè)計簡單。其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)可分成電感參數(shù)和電容參數(shù)：電容參數(shù)包括電容上下電極線寬g1、間隙gc和電容長度lc；電感參數(shù)包括電感長度l、寬度w和線寬d1。

諧振器被一垂直于其表面的電磁波激勵后，位于中間用于提供電容的結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈耦合電場，驅(qū)動整個lc諧振電路；位于兩邊的用于提供電感的環(huán)形結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)高度對稱使其磁耦合非常弱。

通過射頻仿真軟件hfss對elc諧振器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，作為一特例，下表給出了基體材料為taconictlx_8覆銅板，諧振頻率為2.45ghz諧振器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表1

圖3是本發(fā)明rfid傳感器中elc諧振器的等效電路圖。其中電容由兩部分組成：cg為elc諧振器中間上下電極所產(chǎn)生的間隙電容，cp為單胞周期排列時相鄰單胞所產(chǎn)生的胞間電容，兩部分總體的等效電容為c。電感l(wèi)則為兩個高度對稱的電感環(huán)所產(chǎn)生的電感，該lc并聯(lián)諧振電路的諧振頻率可用公式(1)計算。

由上等效電路模型可知該諧振器的諧振頻率受其等效電容值影響。電容值的計算公式見式(2)：

式中，和l可通過elc諧振器相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)計算得到，εref為傳感器基體和溫敏薄膜組成結(jié)構(gòu)的復(fù)合介電常數(shù)，可由式(3)計算：

εref＝1+q1(εsub-1)+q2(εr-1)(3)

其中，εsub為基板相對介電常數(shù)，εr為溫敏薄膜相對介電常數(shù)，q1和q2均為與諧振器結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)的常數(shù)。

當(dāng)被測溫度變化時，溫敏薄膜相對介電常數(shù)εr將會改變。敏感材料采取菲時，當(dāng)溫度大于72℃時，由于菲的升華作用，薄膜消失，εr減小為空氣的相對介電常數(shù)，導(dǎo)致εref減小，elc諧振器中電容值c隨之減小，最終使得諧振頻率相應(yīng)改變。通過檢測諧振頻率的變化可實現(xiàn)溫度閾值檢測。

作為一應(yīng)用實例，以下介紹本發(fā)明的傳感器的制備方法，其中菲薄膜的制備可參考圖4，圖4給出了本發(fā)明rfid傳感器中菲溫度敏感薄膜的制備流程。具體包括：

a、選擇基體。

b、在基體表面設(shè)置elc諧振器。

c、先將菲粉置于四氫呋喃溶液中，其中每100ml四氫呋喃溶液溶解1.78g菲粉,然后在60℃下通過磁力攪拌使菲粉完全溶解，一般20分鐘左右就可完全溶解，接著通過滴涂法將溶液覆蓋在elc諧振器表面。除此外，還可以用旋涂法、浸漬提拉法等常規(guī)有機(jī)薄膜的制備方法，對于柔性基體，還可以采用絲網(wǎng)印刷或噴墨印刷方法，最終使上述溶液覆蓋在elc諧振器表面。

d、在40℃下烘干，一般烘干2小時即可。

通過以上方法可在諧振器表面形成一定厚度的菲薄膜，例如200um左右的菲薄膜。

通過以上分析可知，本發(fā)明的傳感器的制作方法所用的工藝都是現(xiàn)有技術(shù)中比較成熟的工藝，且這些工藝十分簡便，從而保證了本發(fā)明的傳感器的生產(chǎn)效率和成品率十分高，進(jìn)而使得生產(chǎn)成本十分低。有利于在現(xiàn)有飛速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)中大范圍推廣應(yīng)用。

如果溫度敏感材料層1應(yīng)用的是其它材料，也可以參考上述制備方法來制備本發(fā)明的傳感器。

圖5是rfid傳感器檢測系統(tǒng)示意圖。兩個喇叭形天線分別作為電磁波發(fā)射天線4和電磁波接收天線6，兩個天線分別連接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀7的兩個端口上，天線距離標(biāo)簽的距離大于5cm以上。傳感器5位于電磁波傳輸路徑上，可吸收諧振頻率點的電磁波，使接收端接收到帶有諧振信息的電磁波。通過檢測電磁波的插入損耗(圖中的s21)，可獲得傳感器諧振特性隨溫度變化的規(guī)律。

圖6是本發(fā)明施例是rfid傳感器測試結(jié)果圖。當(dāng)測試溫度為20℃時，傳感器的諧振頻率為2.384ghz，當(dāng)測試溫度為80℃時，傳感器的諧振頻率為2.449ghz，頻率偏移了65mhz，表明被測溫度已超過閾值溫度。

根據(jù)上述原理介紹可知本發(fā)明的傳感器應(yīng)用范圍十分廣泛，以下介紹一種本發(fā)明的傳感器的用途。

如圖7所示，本發(fā)明可結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)中的相關(guān)設(shè)備組成一種溫度報警裝置。其包括本發(fā)明的無芯片rfid溫度閾值傳感器，還包括rfid讀卡器，所述rfid讀卡器用于向傳感器發(fā)射電磁波以及接收反向電磁波，rfid讀卡器與檢測處理模塊相連，檢測處理模塊與報警模塊相連，檢測處理模塊用于檢測rfid讀卡器接收的電磁波的頻譜中諧振頻率的偏移量，其中，rfid讀卡器可通過無線收發(fā)模塊將讀取的頻率信息送到檢測處理模塊，當(dāng)偏移量大于等于預(yù)設(shè)值時，檢測處理模塊啟動報警模塊，檢測處理模塊可以是pc機(jī)或單片機(jī)系統(tǒng)等。

以本發(fā)明上述菲薄膜制成的傳感器為例，在運(yùn)輸易爆物品時，可將本發(fā)明的傳感器貼附在易爆物品的殼體表面。當(dāng)易爆物品的溫度超過閥值溫度72℃后，菲薄膜升華，elc諧振器中電容值c隨之減小，最終使得諧振頻率相應(yīng)改變，rfid讀卡器可通過無線收發(fā)模塊將讀取的頻率信息送到檢測處理模塊，檢測處理模塊此時檢測到頻率的偏移量大于等于預(yù)設(shè)值，例如圖6中頻率偏移了65mhz，65mhz就可以作為預(yù)設(shè)值。然后啟動報警模塊報警，例如聲光報警。這樣可提示相關(guān)人員該易爆物品處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需要采取應(yīng)急措施。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。