基于NFC标签的无源无线气体传感器及其制备方法与流程

本发明涉及气体传感器领域,具体涉及一种基于NFC标签的无源无线气体传感器及其实现方法。

背景技术：

气体传感器在工业生产、环境监测、安全防护、食物腐败检测等领域有广泛应用。目前市场上的气体传感器大部分采用金属氧化物半导体材料制作，若要实现无线信号检测，需增加复杂的电路部分，具有结构复杂、功耗大、成本高等缺点。无源无线的气体传感器不需要电池供电和信号线路连接,具有结构简单、使用方法灵活、使用寿命长、易维护等优点。

在已公开的专利申请201510009558.0中，将传统气体敏感技术和射频识别技术相结合,电子标签式气体传感器及其实现方法，所述气体传感器包括：用于获取待测气体浓度信息的气敏单元；所述气敏单元的阻抗随所述气体浓度信息变化而变化；馈电端与所述气敏单元相连接的标签天线；所述标签天线与所述气敏单元之间的阻抗匹配程度决定所述标签天线对接收到的电磁波的反射系数；通过阅读器天线发射电磁波，以及接收由所述标签天线通过反向散射传递过来的电磁波的阅读器；所述阅读器获取标签天线通过反向散射传递过来的电磁波的反向散射功率，并根据所述反向散射功率确定气体浓度信息。本发明提供了低成本、无源、无芯片的电子标签式气体传感器的实现方案。提供了低成本、无源、无芯片的电子标签式气体传感器的实现方案。但其采用了无芯片的射频天线(馈电端与所述气敏单元相连接的标签天线)，实际应用时需配备专门的读取设备测试反射系数，应用范围受到限制。由聚苯胺及其与金属氧化物的复合物构成的气敏材料对氨气和挥发性有机胺响应快，灵敏度高，易于实现集成。基于聚苯胺及其与金属氧化物的复合物的气体传感器在室温下表现出优良的选择性、快速的响应、高灵敏度等气敏特性,这使其特别适合于无源无线气体传感器应用。将由聚苯胺及其与金属氧化物的复合物构成的气敏材料集成于NFC标签中，通过带有NFC模块的智能机等设备就可以实现氨气和挥发性有机胺的无线检测。目前还没有关于将聚苯胺及其与金属氧化物的复合物与无源无线气体传感器相结合的报道。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于NFC(近场通信)标签的无源无线气体传感器的实现方法，该无源无线气体传感器尤其是对氨气和挥发性有机胺等有毒气体具有较高的灵敏度和响应速度，且检测方法简单、成本低，以解决现有无线气体传感器测量范围和灵敏度受限以及检测复杂、成本较高等问题，也为气体传感器的设计提供一个新思路。

一种基于NFC标签的无源无线气体传感器，其特征在于，包括：NFC芯片、与所述NFC芯片两端相连的谐振天线、集成于所述NFC谐振天线上的气敏薄膜、以及用于读取气体浓度信息的NFC设备；所述NFC芯片的工作频段为HF频段，聚苯胺及其与金属氧化物的复合物构成气敏薄膜。

所述NFC谐振天线的制作材料为铝、铜、银、金、碳纳米管、碳浆中的至少一种；谐振天线为多圈线圈(如5-50圈)，多圈线圈为印刷电路。

所述气敏薄膜集成于所述NFC标签的方式为：串联方式，所述气敏薄膜为所述NFC谐振天线的串联的一部分；或气敏薄膜与NFC谐振天线的连接形式为并联时，所述气敏薄膜涂覆于所述NFC谐振天线相邻线圈之间。

所述气敏薄膜在接触氨气、有机胺气体时，电阻发生变化，从而使得NFC天线的谐振频率发生变化，使得NFC标签的可读性发生变化。

所述气敏薄膜为掺杂酸的聚苯胺构成导电高分子聚苯胺或者导电高分子聚苯胺与金属氧化物微粉的复合材料，所述金属氧化物微粉为SnO₂、CeO₂中的至少一种。

所述聚苯胺的掺杂酸为硫酸、盐酸、植酸、对甲苯磺酸铁中的至少一种。

所述NFC设备为带有NFC模块的智能机或其他NFC读写器。

较佳地，所述气敏薄膜集成于所述NFC标签的方式为：所述气敏薄膜为所述NFC谐振天线的其中一部分或将所述气敏薄膜涂覆于所述NFC谐振天线相邻线圈之间。

较佳地，所述气敏薄膜为聚苯胺三维纳米材料或其与金属氧化物的复合材料，所述金属氧化物为SnO₂、CeO₂中的至少一种。

较佳地，所述聚苯胺的掺杂酸为硫酸、盐酸、植酸、对甲苯磺酸铁中的至少一种。

较佳地，所述NFC设备为带有NFC模块的智能机或其他NFC读写器。

本发明提供一种基于NFC标签的无源无线气体传感器的实现方法,包括如下步骤：

(1)采用商用的NFC标签，或采用丝网印刷、光刻、电镀、蒸镀中的至少一种工艺制作NFC谐振天线，再制作NFC标签；

(2)将聚苯胺或聚苯胺与金属氧化物构成的复合物集成于NFC标签，集成方式为：

将NFC谐振天线打断，将气敏薄膜填充为NFC谐振天线的其中一部分，并在室温下干燥，此时NFC标签能被NFC设备读取；

或将气敏薄膜涂覆于NFC谐振天线相邻线圈之间，并在室温下干燥，此时NFC标签不能被NFC设备读取。

(3)改造的NFC标签的气敏单元获取待测气体浓度信息,且气敏单元的阻抗随所述气体浓度信息变化而变化，改造的NFC标签的可读性随之发生变化：

当气敏薄膜为NFC谐振天线的其中一部分时，NFC标签由可读变为不可读；

当气敏薄膜被涂覆于NFC谐振天线相邻线圈之间时，NFC标签由不可读变为可读。

较佳地，步骤(2)中，在所述打断NFC谐振天线并填充气敏薄膜的集成方式中，气敏薄膜与NFC谐振天线的连接形式为串联。

较佳地，步骤(2)中，在所述将气敏薄膜涂覆于NFC谐振天线相邻线圈之间的集成方式中，气敏薄膜与NFC谐振天线的连接形式为并联。

有益效果：本发明提供一种基于NFC标签的无源无线气体传感器的实现方法,结构设计和制备工艺简单,可有效降低生产成本,实现气体浓度的无线检测。本发明集成于所述NFC谐振天线上的由聚苯胺及其与金属氧化物的复合物构成的气敏膜、以及用于读取气体浓度信息的NFC设备。本发明对氨气和挥发性有机胺具有较高的灵敏度和响应速度，提供了低成本、高灵敏度的无源无线气体传感器的实现方案。

附图说明

图1是本发明所述基于NFC标签的无源无线气体传感器的示意图；

图2是本发明所述的采用串联形式改造的NFC标签示意图；

图3是本发明所述采用串联形式的基于NFC标签的无源无线气体传感器的工作示意图；

图4是本发明所述采用并联形式改造的NFC标签示意图；

图5是本发明所述采用并联形式的基于NFC标签的无源无线气体传感器的工作示意图。

图中：1、NFC标签，2、气敏单元，3、NFC芯片，4、NFC谐振天线，5、NFC标签谐振电路，6、NFC阅读器。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明,应理解,附图及下述实施方式仅用于说明本发明,而非限制本发明。

本发明的基于NFC标签的无源无线气体传感器包括：NFC芯片3、与所述NFC芯片两端相连的谐振天线4、集成于所述NFC谐振天线上的由聚苯胺及其与金属氧化物的复合物构成的气敏单元2、以及用于读取气体浓度信息的NFC阅读器6。其中NFC芯片3的工作频段为HF频段，中心频率为13.56MHz,气敏单元2集成于NFC谐振天线上。

其中NFC谐振天线4的制作材料为铝、铜、银、金、碳纳米管、碳浆印刷电路中的至少一种，NFC谐振天线4的制作工艺为丝网印刷、光刻、掩模蒸镀中的至少一种。

气敏单元2为三维纳米材料，材料为聚苯胺或聚苯胺与金属氧化物构成的复合物。聚苯胺的掺杂酸为；硫酸、盐酸、植酸、对甲苯磺酸铁中的至少一种。金属氧化物为SnO₂、CeO₂中的至少一种。气敏单元2集成于NFC标签1的方式为：气敏单元2为NFC谐振天线4的其中一部分或将所述气敏单元2涂覆于NFC谐振天线4相邻线圈之间。

图1示出本发明的基于NFC标签的无源无线气体传感器的总体结构，NFC读写器6靠近NFC标签1时，通过电磁耦合给予NFC标签1能量，NFC标签1接收能量之后开始工作，传递信息给NFC阅读器6。图2和图3分别示出本发明的采用串联形式改造的基于NFC标签的无源无线气体传感器和工作示意图。如图2所示，气敏单元2以串联的方式集成于NFC谐振天线4。图4和图5分别示出本发明的采用并联形式改造的基于NFC标签的无源无线气体传感器和工作示意图。如图4所示，气敏单元2以并联的方式集成于NFC谐振天线4。

本发明的工作原理主要是利用待测气体与气敏材料在材料的表面发生作用,俘获或释放出载流子,使气敏材料的电阻发生改变,进而使传感器的阻抗参数和反射系数发生变化。通过智能机等NFC设备对传感器进行读取，若反射系数偏小或为零，则传感器不能被读取,实现对待测气体的无源无线检测。本发明所述传感器对氨气和挥发性有机胺等气体具有较高的敏感度。

如图3和图5所示,一种如上述所述的基于NFC标签的无源无线气体传感器的实现方法,包括如下步骤:

(1)采用商用的NFC标签1，或采用丝网印刷、光刻、缝纫机缝制中的至少一种工艺制作NFC谐振天线4，再制作NFC标签1；

(2)将聚苯胺或聚苯胺与金属氧化物构成的复合物集成于NFC标签，集成方式为：

将NFC谐振天线4打断，将气敏单元2填充为NFC谐振天线4的其中一部分，并在室温下干燥，此时NFC标签1能被NFC设备6读取；

或将气敏单元2涂覆于NFC谐振天线4相邻线圈之间，并在室温下干燥，此时NFC标签1不能被NFC设备6读取。

(3)改造的NFC标签1的气敏单元2获取待测气体浓度信息,且气敏单元2的阻抗随所述气体浓度信息变化而变化，改造的NFC标签1的可读性随之发生变化：

当气敏单元2为NFC谐振天线4的其中一部分时，NFC标签1由可读变为不可读；

当气敏单元2被涂覆于NFC谐振天线4相邻线圈之间时，NFC标签1由不可读变为可读。

本发明将NFC标签与具有气敏特性的聚苯胺或聚苯胺与金属氧化物构成的复合物结合在一起,实现了对NH3和挥发性有机胺等有毒性气体的无源无线检测。本发明具有结构设计简单,成本低,传感器灵敏度高,稳定性好,易于实现集成等优点,适合于食品安全检测、物联网、工业生产及环境监测等领域的应用。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解,以下实施例只用于对本发明进行进一步说明,不能理解为对本发明保护范围的限制,本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。

实施例1

(1)采用真空蒸镀的工艺制作NFC谐振天线，再制作NFC标签，此时NFC标签能被NFC读写器读取；

(2)用刀片去掉NFC标签中的NFC谐振天线中的一小段，打断NFC标签，使NFC标签不能被NFC读写器读取；

(3)采用原位聚合的方法合成植酸掺杂(0.5-2wt％)的聚苯胺水凝胶，在凝胶之前用移液器滴取植酸体系的聚苯胺水凝胶于NFC标签上，代替被去掉的一小段NFC谐振天线，在室温下干燥，此时NFC标签能被NFC读写器读取；

(4)将传感器即改造的NFC标签靠近一小块腐肉，腐肉释放出的生物胺与气敏单元反应，用NFC读写器对传感器进行检测，则传感器的反射系数逐渐降低，过一段时间后NFC标签不能被NFC读写器读取。实现了对肉类腐败(有机胺)的无源无线检测。

实施例2

(1)采用电镀的工艺制作NFC谐振天线，再制作NFC标签，此时NFC标签能被NFC读写器读取；

(2)采用原位聚合的方法合成对甲苯磺酸铁掺杂的聚苯胺水凝胶，在凝胶之前用移液器滴取植酸体系的聚苯胺水凝胶于NFC标签上，将气敏单元涂覆于NFC谐振天线相邻线圈之间，并在室温下干燥，此时NFC标签不能被NFC读写器读取。

(4)将传感器即改造的NFC标签接触5PPm腐胺(氨气)，2分钟后NFC标签能重新被NFC读写器读取。实现了对有机胺的无源无线检测。

以上实施例详细介绍了本发明的基于NFC标签的无源无线气体传感器及其实现方法，其目的在于让本领域的技术人员能够理解本发明的设计思路并以此实施,可以根据说明进行改进或变换,本说明书所述内容不应理解为对本发明的限制。