一种用于采集物质浓度的电子标签及系统的制作方法

本发明涉及电子标签技术领域，尤其涉及一种用于采集物质浓度的电子标签及系统。

背景技术：

目前，采集物质浓度的设备一般包括传感器、数据收发器和数据处理器，数据收发器一般基于无线数据传输技术而分开设置为位于传感器端的数据发送器和位于数据处理器端的数据接收层，数据发送器一般固定在需要采集物质浓度的位置，数据接收层则一般移动设置从而可在不同位置采集数据。在实际操作中，数据发送器从传感器中从传感器中获取采集到的物质浓度数据，无线发送到数据接收层，数据接收层接收到数据后发送给数据处理器处理。

申请号为200720139520.6的实用新型专利公开了一种体内植入式生化参数自动检测系统装置，该装置的传感器带有RFID模块，植入人体后可检测血糖等物质的浓度，并通过RFID无线射频技术在体外用电子标签读写器读取浓度数据。从该专利公开的方案可知，其传感器内部的电路较为复杂，成本较高。同样的问题也存在于申请号为201310523567.2的基于RFID技术的农产品品质风险预警系统、申请号为201420058121.7的食用油中重金属检测器和申请号为201420530263.9的气体传感检测RFID智能感知终端等方案中。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于采集物质浓度的电子标签，不仅结构简单、体积小、成本低廉，而且可广泛应用于各种需要对液态物质和气态物质进行浓度监控的系统中。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种用于采集物质浓度的电子标签，包括RFID芯片、RFID天线和检测器，所述检测器包括半导体层和接收层，所述接收层设置在所述半导体层上，所述RFID天线和半导体层分别与所述RFID芯片电连接。

本发明采用的另一个技术方案为：

一种采集物质浓度的系统，包括电子标签和读取终端，所述电子标签为上述的用于采集物质浓度的电子标签，所述读取终端与所述电子标签通讯连接。

本发明的有益效果在于：

(1)检测器通过接收层与目标物质相互作用而改变半导体层的电学性能，半导体层的电学性能的改变可被RFID芯片识别出，RFID芯片可依据预设的电学性能参数与浓度的对应关系得到目标物质的浓度数据并进行存储，从而实现对目标物质浓度的检测，本发明的电子标签通过测量半导体层的电学性能的改变来获得目标物质的浓度，不仅结构简单，而且在半导体层上通过薄膜技术设置接收层，制造工序简单、成本较低。

(2)读取终端与电子标签通讯连接，读取终端可读取到目标物质的浓度数据并进行显示或进行其他后续处理。

附图说明

图1为本发明实施例的用于采集物质浓度的电子标签的结构示意图；

图2为本发明实施例的用于采集物质浓度的电子标签的剖面图；

图3为本发明实施例的用于采集物质浓度的电子标签的检测器的侧视图；

图4为本发明实施例的用于采集物质浓度的电子标签的RFID芯片的模块连接图。

标号说明：

1、RFID芯片；11、射频模块；111、RF/DC转换单元；112、射频调制解调电路；12、存储单元；13、处理器；14、数据采集模块；141、R/C前端模拟量采集单元；142、线性放大器单元；143、A/D编码单元；15、输出单元；2、RFID天线；21、第一天线层；22、绝缘层；23、第二天线层；3、检测器；31、半导体层；32、接收层；33、电极；34、基板。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

本发明最关键的构思在于：半导体层上设置有可与目标物质相互作用以改变半导体层的电学性能的接收层，通过测量半导体层的电学性能的改变来获得目标物质的浓度，不仅结构简单，而且制造工序简单、成本较低。

请参阅图1至图3，一种用于采集物质浓度的电子标签，包括RFID芯片1、RFID天线2和检测器3，所述检测器3包括半导体层31和接收层32，所述接收层32设置在所述半导体层31上，所述RFID天线2和半导体层31分别与所述RFID芯片1电连接。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：检测器通过接收层与目标物质相互作用而改变半导体层的电学性能，半导体层的电学性能的改变可被RFID芯片识别出，RFID芯片可依据预设的电学性能参数与浓度的对应关系得到目标物质的浓度数据并进行存储，从而实现对目标物质浓度的检测，本发明的电子标签通过测量半导体层的电学性能的改变来获得目标物质的浓度，不仅结构简单，而且在半导体层上通过薄膜技术设置接收层，制造工序简单、成本较低。

进一步地，所述RFID天线2为高频天线，RFID天线2包括第一天线层21、绝缘层22和第二天线层23，所述第一天线层21和第二天线层23分别设置于所述绝缘层22的两侧面并电连接。

进一步地，所述半导体层31上设有两个电极33，两个所述电极33分别与所述RFID天线2电连接。

进一步地，所述RFID芯片1包括数据采集模块14，所述数据采集模块14用于检测半导体层31的电学参数。

由上述描述可知，在调试过程中，数据采集模块检测半导体层在不同环境下产生的相应电阻和电容，在使用时，根据半导体层不同的电阻和电容反推出目标物质的浓度。

进一步地，所述RFID芯片1还包括存储单元12，所述存储单元12用于存储信息。

由上述描述可知，存储单元用于存储在调试过程中，数据采集模块检测到的半导体层在不同环境下产生的相应电阻和电容，并形成半导体电学性能参数与浓度的对应关系。

一种采集物质浓度的系统，包括读取终端和上述的用于采集物质浓度的电子标签，所述读取终端与所述电子标签通讯连接。

由上述描述可知，读取终端与电子标签通讯连接，读取终端可读取到目标物质的浓度数据并进行显示或进行其他后续处理。

进一步地，所述读取终端为手机、IPAD或信号接收器。

请参照图，本发明的实施例一为：

一种采集物质浓度的系统，包括用于采集物质浓度的电子标签和读取终端，读取终端与用于采集物质浓度的电子标签通讯连接。读取终端为手机、IPAD或信号接收器。

用于采集物质浓度的电子标签包括RFID芯片1、RFID天线2和检测器3，RFID天线2为高频天线，RFID天线2包括第一天线层21、绝缘层22和第二天线层23，第一天线层21和第二天线层23分别设置于绝缘层22的两侧面，第一天线层21和第二天线层23分别包括首端和尾端，第一天线层21的尾端和第二天线层23的首端电连接，第一天线层21的首端和第二天线层23的尾端分别与RFID芯片1电连接。

RFID芯片1包括射频模块11、存储单元12、处理器13、数据采集模块14和输出单元15，射频模块11包括RF/DC转换单元111和射频调制解调电路112，RF/DC转换单元111通过射频调制解调电路112与处理器13电连接，数据采集模块14包括依次电连接的R/C前端模拟量采集单元141、线性放大器单元142和A/D编码单元143，A/D编码单元143、存储单元12和输出单元15分别与处理器13电连接。R/C前端模拟量采集单元141中的R代表的是电阻值，C代表的是电容值，本发明环境采集的方法采用的是电阻、电容或组合电阻电容的方式来实现，有利于采集精度的控制。

射频模块11用于接收读取终端发射的信号，一方面RF/DC转换单元111将射频能量转换为电能并给处理器13和数据采集模块14进行供电，另一方面射频调制解调电路112应处理器13的指令完成电子标签与读取终端的应答工作。

在调试过程中，R/C前端模拟量采集单元141用于采集检测器3在不同环境下产生的相应电阻和电容，经过线性放大器单元142进行线性放大，然后经A/D编码单元143进行A/D转换后与存储在存储单元12中的基准参数做比较，最后输出结果给处理器13并存储在存储单元12中；在使用中，根据检测到的检测器3的电阻和/或电容值反推出目标物质的浓度，这些数据都将保存在存储单元12中待用，或以读取终端所发出的请求为准回传给读取终端实现数据上传至服务器。

正常情况下，RFID芯片1处于休眠待机模式，在接收读取终端发出的无线电信号后，获取必要的能量后给其他各个部件进行供电。RFID芯片1接收到读取终端的指令后激活处理器，并通过数据采集模块14对存储单元12的数据进行更新或写入，同时根据接收到的读取终端的指令要求执行输出单元15，或者将存储单元12的实时数据反馈回传给读取终端，完成环境参数采集、保存和数据传输等过程。输出单元15为GPO输出单元，可通过处理器13发出外部控制信号，用于显示检测器3采集到的实时相关信息，如LED显示器、声光报警灯，同时可用于驱动其他外部电路模块等达到类似功能。

检测器3包括半导体层31和接收层32，接收层32设置在半导体层31上，接收层32具有和目标物质相互作用以改变半导体层31的电学性能的特性，RFID芯片1和半导体层31分别与RFID天线2电连接。

目标物质为气体目标物质或液体目标物质。气体目标物质可能存在于空气中，将检测器3置于空气中时，接收层32可在空气中与气体目标物质相互作用。液体目标物质可被施加到检测器3上，接收层32可与液体目标物质接触并且随后与液体目标物质相互作用。

接收层32可包括至少一个功能化的接收层32或功能组，接收层32可通过与目标物质发生化学反应而与目标物质相互作用，例如与目标物质形成化学键。这种相互作用也可包括接收层32与目标物质形成氢键相互作用。另外，接收层32还可以其他反应和/或相互作用的形式与目标物质进行相互作用。

半导体层31具有在不同条件下允许或阻止电流或电子穿过的独特电学特性。例如，半导体层31可设置为当检测到目标物质时允许电流穿过和/或当目标物质的浓度低于预先设定值时阻止电流穿过。

半导体层31包括不同的半导体材料，例如有机半导体、高分子半导体、小分子半导体、氧化物基半导体和/或硅基半导体。不同的制造工序可选择不同的半导体材料，半导体材料与基板34和/或接收层32或其他诸如敏感性、响应时间、检测范围等的所需性能的其他因素相匹配。

为了测量穿过半导体层31的电流，半导体层31上或上方设有两个电极33，电极33可直接沉积于半导体层31上，且可增强电极33-半导体界面接触处的导电性。另外，电极33可沉积于包括接收层32的材料上。这些不同的结构可导致不同的电极33与半导体层31的接触电阻，因为在电极33-半导体之间的接收层32层可有效地增强或降低不同层之间的界面处的导电性。两个电极33分别与RFID天线2电连接。

电极33可包括一个或多个金属接点于半导体层31上或上方。另外，电极33可包括但不限于金属、掺杂半导体或导电氧化物等的任何导电材料。

检测器3可在基板34上制造，接收层32、半导体层31和基板34依次层叠设置。基板34可为向检测器3的整体结构提供额外机械强度的材料组成。例如，这种材料可包括诸如聚合物、玻璃或陶瓷的材料。基板34可为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)柔性基板或在一些其他结构中的非柔性基板。另外，基板34还可为上述的半导体层31，例如硅基基板，其包括支撑检测器3的整体结构所必须的刚度以及具有所需要的电学特性的半导体材料。

检测器3的材料沉积层，如接收层32、半导体层31和电极33均基于有机材料，这对仅可低温和/或溶液制程的一些优选的制造工序有利，这样可保持制程有较低的复杂度和成本。

检测器3的制造可包括四个主要的步骤或工序。第一步，对柔性PET材料的基板34根据标准清洗步骤进行清洗；第二步，将半导体层31沉积于基板34上。例如有机半导体材料可在PET基板上进行旋涂或印刷，然后干燥所沉积的溶液以形成半导体的薄膜。第三步，将功能化接收层32溶解于溶剂中，例如但不限定于水、丙酮、乙腈、甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、乙酸乙酯、乙二醇、苯、氯仿、四氢呋喃、叔丁基醇、环己烷、氯乙烷、乙醚、乙二醇二乙酯、二甲亚砜或任何其他适合溶解上述功能化接收层32的溶剂，将溶解有接收层32的溶剂在沉积的半导体层31的表面上进行旋涂或印刷。溶剂可在随后接下来的干燥步骤中去除，这样形成包括接收层32的材料层。另外，接收层32还可使用物理气相沉积或化学气相沉积而沉积于半导体层31上。

半导体层31的厚度大约为50nm并且接收层32的层大约为30nm。这些厚度值在不同设计中有所变化以优化多个参数，如任何制程偏移，半导体层31和/或接收层32层的电阻值，电极33和半导体之间的接触电阻和当接收层32和目标物质相互作用时对半导体层31产生的场效应等。

最后，在第四步中，将例如金属薄膜或其他导电材料的两个电极33沉积于接收层32的表面上。接收层32可做成预设图形，这样电极33可和半导体层31直接接触。电极33可通过利用旋涂和/或印刷来沉积于半导体层31上，做成预设图形的导电材料层。电极33沉积于半导体层31上或其上方时，利用印刷可将电极做成预设图形。

两个电极33以大约50um到100um的距离而间隔开。这可有效地调整暴露于并且相互作用于目标物质的接收层32的区域以及半导体和/或位于两个电极33之间的接收层32材料的电阻。这些参数反过来影响检测器3的灵敏性和性能。

整个制造工序基于溶液制程，并且每个沉积层基于有机材料。这就使得检测器3的制造规模可轻易地扩大，例如在不同印刷技术中利用卷对卷制造工序。这些溶液制程可仅需低温设备并且不涉及任何真空工序，因此可进一步降低检测器3的制造成本。

如图4所示，检测器3暴露于目标物质中，通过在两个电极33之间应用电压或电流偏置，可获得检测器3在目标物质的影响下的电流-电压特性。不同数量或浓度的目标物质可基于得到不同的电流-电压特性而被确定。在一些示例中，电流-电压特性可由两个电极33之间的电阻值而检测，这就意味着检测获得的目标物质的数量由检测器3的电阻变化而变化。

目标物质可为流体目标物，如气体目标物或液体目标物。目标物质可被施加在具有暴露的接收层32的区域上，例如包含气体的目标物质可被带到接收层32，包含溶液的目标物质可被施加到和接收层32直接接触，或者检测器3可置于气体或液体等，包含目标物质的环境中。

接收层32仅选择性地和目标物质发生相互作用，例如在和目标物质作用时不会与任何其他物质形成化学键。因此当接收层32和目标物质发生相互作用，接收层32将暂时或永久地与目标物质形成化学键。而目标物质将改变接收层32的电荷状态。结果，于下层的半导体层31的电流-电压特性得以改变，这可能包括半导体层31的导电性变化。这变化归因于接收层32的相邻层电场和/或接收层32的导电性的改变，因此两个电极33之间的半导体层31和/或接收层32的电阻得以改变。通过使用合适的测量仪器，诸如万用表或半导体参数分析仪，检测器3的电学特性应可被检测到并确定。

检测器3的活性层仅包括两层材料，可使检测器3的制造更简单，这提高了检测器3的良品率和性能的稳定性。薄膜结构也降低了制造检测器3所需的材料数量。

本领域技术人员可根据需要检测的物质而选择相应的接收层32以检测目标化学物的浓度。

如2-氨基砒啶N-氧化物(2-AMINOPYRIDINE N-OXIDE)可被选为制作接收层32的材料，这样检测器3可用作检测克他命(2-(2-氯苯基)-2-(甲氨基)环乙醇-1-酮(2-(2-CHLOROPHENYL)-2-(METHYLAMINO)CYCLOHEXAN-1-ONE)的药物检测器，因为克他命可通过氢键吸附于2-氨基砒啶N-氧化物。

又如：检测器3还可用于检测生物胺的浓度，以便大众能够轻易知晓鱼类的新鲜程度。检测生物胺浓度的检测器3以电化学薄膜为基层，分子印迹聚合物为接收层32，并具有以下特点：(1)以两种不同的功能单体制备而成的分子印迹聚合物用以检测生物胺；(2)透过薄膜技术及电技术，将分子印迹聚合物的灵敏度大大提升；(3)能够低成本而大量生产；(4)能够检测在气相中低至十亿分率的生物胺浓度；(5)具有较高的重复性和选择性。

分子印迹聚合物中的识别位点是由两种不同的功能单体组成，这两种功能单体都是以二氧杂硼烷18-冠-6为核心，而这两种功能单体能连接在不同的骨干上，使其生产的聚合物具有导电或不导电的能力。

在制备带导电性的分子印迹聚合物时，在10ml的乙腈中加入1mmol的功能单体2-(4-(di([2,2'-bithiophen]-5-yl)methyl)phenyl)-5,5-dimethyl-1,3,2-dioxaborinane，3和18-(di(2,2'-bithiophen]-5-yl)methyl)-2,3,5,6,8,9,11,12,14,15-decahydrobenzo[b][1,4,7,10,13,16]hexaoxacyclooctadecine,4，0.5mmol的模板(腐胺，putrescine)，1mmol的四正丁基高氯酸胺和1mmol的三氟乙酸，并置于振荡器中振荡半小时，让单体和模板能够充分作用。当振荡完成后，溶液会被通氮去氧。此分子印迹聚合物以电聚合(循环伏安法，Cyclic Voltammetry)的方式在电膜玻璃基板制作。此过程会以50mV/s的扫描速率重复扫描0.5-1.5V三百次。在上述过程的聚合物薄膜会先以乙腈冲洗，以除去表面未有反应的混合物，并以0.01M的氢氧化钠溶液将模板分子从聚合物中提取，直至在可见紫外光分光光谱仪上检测不到氢氧化钠溶液中含有模板，再放在氮气环境下干燥。然后，聚合物薄膜会在500ml的乙腈中以超声波振荡两小时，乙腈中的悬浮物会被滤去；乙腈则会在减压旋转浓缩机内除去，净余的固体会放在氮气环境下干燥并称重备用。在制备过程中，适当容量的乙腈会加进净余的固体中(1mg MIP/1mL CAN)。

在制备非导电的分子印迹聚合物时，在5ml的乙腈中加入1mmol的功能单体5,5-dimethyl-2-(4-vinylphenyl)-1,3,2-dioxaborinane，3'和N-(2,3,5,6,8,9,11,12,14,15-decahydrobenzo[b][1,4,7,10,13,16]hexaoxacyclooctadecin-18-yl)methacrylamide，4'，5mmol的交联剂(三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯，TRIM)，0.1mmol的光引发剂(2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮)和0.1mmol的模板(腐胺，putrescine)，并置于振荡器中振荡半小时，让单体和模板能够充分作用。当振荡完成后，溶液会被通氮去氧。此分子印迹聚合物以紫外光(365nm)诱发聚合反应。去氧后的混合物会放置在365nm的紫外光下一小时，诱发聚合反应，并接着放置24小时让聚合反应完成。在上述过程中得到的白色聚合物会先以乙腈冲洗，以除去表面未有反应的混合物，并磨过300目筛，用10％氢氧化铵甲醇溶液将模板分子从聚合物中提取24小时，再以甲醇洗聚合物，直至在可见紫外光分光光谱仪上检测不到甲醇中含有模板，才放在氮气环境下干燥、备用。在制备过程中，适当容量的乙腈会加进净余的固体中(1mg MIP/1mL CAN)。

用以检测生物胺的检测器3的制备过程为：1、将玻璃基地物(玻璃片)根据标准程序清洗其表面；2、半导体薄膜会以旋转涂布的方式在玻璃基底物的表面形成半导体层31；3、分子印迹聚合物薄膜层同样以旋转涂布的方式在半导体层31的表面形成接收层32；4、金属电极33以蒸镀的方式在分子印迹聚合物薄膜层形成。由于此分子印迹聚合物具有独特的识别位点，能够把腐胺固定。当分子印迹聚合物的识别位点被填充后，其电阻值便会改变(增加或减少)。将检测器3接上指定的电压或电流，其特性的转变便可以被详细测量。

综上所述，本发明提供的用于采集物质浓度的电子标签，通过测量半导体层的电学性能的改变来获得目标物质的浓度，不仅结构简单，而且在半导体层上通过薄膜技术设置接收层，制造工序简单、成本较低。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。