基于无芯片射频识别（RFID）架构的化学传感器的制作方法

本教导一般涉及无芯片射频识别(rfid)标签，并且更具体地涉及基于无芯片rfid架构的化学传感器。

背景技术：

射频识别(rfid)技术已经越来越普遍用于库存跟踪、损失预防和其它用处。rfid系统可以包括设置在物体上的应答器或标签以及无线地接收由标签发射的信息的询问器或读取器。rfid标签可以被大致分为有源标签或无源标签，有源标签包括本地电源，诸如电池，无源标签由读取器生成的电磁波激励，电磁波在标签内的天线中感应出电流。

rfid标签可以包括电子电路，电子电路可以为芯片或集成电路(ic)的形式。芯片可以存储向读取器传送的数据。相反，无芯片rfid标签既没有集成电路也没有离散的有源电子部件，可以直接印刷到衬底上，带来比有芯片rfid标签更低的成本。

无芯片rfid标签可以包括截获询问器输出的接收天线、广播数据以由询问器接收的发射天线和电耦连在接收天线和发射天线之间的多个谐振器阵列(即多谐振器)。使用中，读取器可以输出宽波段或光谱的射频。取决于多谐振器的配置，一个或多个射频可以包括取决于频率的天线负载，其由接收天线截获并使多谐振器谐振。谐振改变了由发射天线发射并且可以由询问器接收的信号。可以通过蚀刻导电膜以产生形成多谐振器的图案化谐振结构的特定组，对每个rfid标签编码。要从一组标签中唯一地识别特定的标签，每个应答器必须被制成包括唯一的多谐振器设计，这是个费用高的过程。

接收天线、发射天线和谐振器可以使用图案化导电层(例如金属层)的一种或多种图案化技术制备。可以使用各种图案化技术，例如冲压、化学蚀刻、机械蚀刻、激光蚀刻、直接写金属层、气相沉积等。

作为一个实际问题，rfid技术使用射频，与光信号相比，射频对于材料具有好得多的穿透特性，并且会在比条形码签条更不利的环境条件下工作。因此，rfid标签可以透过油漆、水、污垢、灰尘、纸、人体、凝结物或通过带标签的物品本身被阅读。rfid标签可以用在管理库存、收费公路上的汽车的自动识别、安全系统、电子访问卡、无钥匙进入等等中。

用于检测各种环境条件(诸如温度、相对湿度、氢离子的浓度(ph)、各种化学品的存在以及其它条件)的传感器是众所周知的，并且基于各种不同的技术。这些传感器可以包括可能要求人工组装的大量的电子部件，因此费用高。在许多情况下，期望被告知远程环境或不容易被检查的环境(例如封装内部)的状态。

不象传统的传感器那么贵的用于检测各种环境条件的传感器将是本领域受欢迎的另外一点。

技术实现要素：

下面呈现简化的发明内容以便提供对本教导的一个或多个实施例的一些方面的基本理解。此发明内容不是详尽的概述，也不旨在标识本教导的关键或重要元件，也不是界定本公开的范围。而是，其主要目的只是以简化形式呈现一个或多个构思，作为后面呈现的详细描述的前奏。

在一个实施例中，根据本教导的实施例的射频识别(rfid)装置可以包括：接收天线；发射天线；多谐振器，所述多谐振器包括多个谐振器，其中，所述多谐振器电耦连在所述接收天线和所述发射天线之间；以及桥接所述rfid装置的两个或更多个导电结构的传感器材料，其中，所述传感器材料具有被配置成根据所述传感器材料暴露到的环境条件变化的可变电导率。

在另一实施例中，根据本教导的实施例的rfid系统可以包括rfid读取器以及rfid传感器装置，所述rfid传感器装置被配置成接收来自所述rfid读取器的询问，并且一旦接收所述询问，向所述rfid读取器输出响应。所述rfid传感器装置可以包括：接收天线；发射天线；多谐振器，所述多谐振器包括多个谐振器，其中，所述多谐振器电耦连在所述接收天线和所述发射天线之间；以及桥接所述rfid装置的两个或更多个导电结构的传感器材料。所述传感器材料可以包括被配置成根据所述传感器材料暴露到的环境条件变化的可变电导率。

在另一实施例中，用于感测环境条件的方法可以包括：使用rfid传感器从射频识别(rfid)读取器接收第一询问，其中，所述rfid传感器包括：接收天线；发射天线；多谐振器，所述多谐振器包括多个谐振器，其中，所述多谐振器电耦连在所述接收天线和所述发射天线之间；以及桥接所述rfid传感器的两个或更多个导电结构的传感器材料，其中，所述传感器材料具有被配置成根据所述传感器材料暴露到的环境条件变化的可变电导率。所述方法还可以包括从所述rfid传感器输出具有第一幅度的第一响应，其中，所述第一幅度取决于所述环境条件的第一状态；使用所述rfid传感器从所述rfid读取器接收第二询问；以及从所述rfid传感器输出具有第二幅度的第二响应，其中，所述第二幅度与第一幅度不同，并取决于所述环境条件的第二状态。

附图说明

被并入并构成本说明书的一部分的附图图解说明本教导的实施例，并连同描述一起用来解释本公开的原理。在图中：

图1是根据本教导的实施例过程中(in-process)射频识别(rfid)装置的平面图。

图2是沿图1结构的2-2的横截面。

图3是根据本教导的实施例过程中的多谐振器的横截面。

图4是根据本教导的实施例的过程中多谐振器的横截面。

图5是根据本教导的实施例的过程中多谐振器的横截面。

图6是根据本教导的实施例的过程中多谐振器的横截面。

图7是在一个示例性用法中附连到物品的rfid传感器系统的示意描绘。

图8是根据本教导的实施例使用rfid装置感测环境条件的方法的流程图。

应当注意，附图中的一些细节已经被简化，附图被绘制以促进对本教导的理解而不是保持严格的结构准确性、细节和比例。

具体实施方式

现在将详细地描述本教导的示例性实施例，这些实施例的示例在附图中被图示。在任何可能的情况下，在全部图中将使用相同的附图标记以指示相同或相似的零件。

除非另外指出，否则如本文中使用的术语“无芯片”描述一种射频识别(rfid)应答器，其既没有集成电路也没有离散的电子部件，诸如晶体管或线圈；术语“谐振器”或“谐振结构”指具有与特征频率对应的关联谐振的结构；术语“光谱特征”指与施加的激励频率关联的至少一个识别谐振；术语“标签”指应答器或应答器和其它结构的组合，其它结构可以包括在其上设置应答器的载体或在其中设置应答器的装置封装。标签可以附连到物品；术语“应答器”指一种装置，诸如接收诸如由询问器发射的信号并响应于接收的信号发送一个或多个响应信号的标签；术语“蚀刻”指一种过程，通过此过程，材料的部分被去掉，诸如化学蚀刻、机械蚀刻、激光蚀刻或烧蚀等；术语“安全覆盖层”指这样一层，其被损害时，会损坏、破坏或另外改变其上设置安全覆盖层的结构；术语“通用rfid应答器”表示rfid应答器，其具有针对由发射器施加的每个频率域的关联谐振结构，诸如询问器。

图1是顶视图，图2是沿图1的2-2的放大横截面，描绘了作为rfid标签的一个零件-应答器100的一部分。应答器100可以包括接收天线102、包括多个谐振器104a-104d的多谐振器104和发射天线106。如图1中描绘的，每个谐振器104a-104d具有唯一的螺旋图案，使得每个谐振器在不同的频率下谐振。在一个实施例中，在谐振器内的螺旋的相邻臂之间的间隙空间、面积或区域110可以具有如图2中描绘的宽度“w”，其大约是形成或提供多谐振器螺旋的臂的导电线的线宽的0.5倍。多谐振器以及更具体的每个谐振器螺旋和间隙空间被设计成使得间隙空间110不造成不想要的谐振。要认识到，rfid标签可以包括出于简洁没有描绘的其它结构，而各种描绘出的结构可以被去掉或修改。

使用中，询问器输出宽的频谱，其可以由接收天线102接收并可以使一个或多个谐振器104a-104d谐振。发生谐振的谐振器104a-104d的数目和谐振器谐振的幅度(例如幅值和/或相位)产生输出频率，输出频率被转换成模拟信号，该信号作为响应信号由发射天线106向询问器发射。例如，并不限于指定的频率，谐振器104a可以在2.97千兆赫(ghz)谐振，谐振器104b可以在2.66ghz谐振，谐振器104c可以在24ghz谐振，谐振器104d可以在24.3ghz谐振。因为作为谐振器104a-104d的唯一图案的结果，在询问期间生成的并由发射天线106发射的模拟信号对多个标签中的特定标签是唯一的，询问器能够从多个标签中识别特定标签。应答器100可以设置在载体108上，诸如直接地在物品上或者在用于附连到物品上的中间粘合衬里上。载体108可以是一开始在其上制造rfid应答器的衬底，或者可以是在制造完之后rfid应答器被转移到的载体。具有粘合衬里的载体108可以使rfid应答器被容易地附连(即加标签)到物品上。

本教导的实施例可以包括可以用作传感器以检测一个或多个环境条件的rfid装置以及用于形成rfid装置的方法。

如图3中描绘的，在形成图2的多谐振器104之后，传感或传感器材料300被设置成至少在每个谐振器104a-104d的相邻臂之间的间隙空间110内。传感器材料300是随着被测量的环境条件的变化改变电导率的材料。各种充足的材料和形成方法在下文讨论。

在一个实施例中，传感器材料300可以被设置或另外分配在多谐振器104上，如图3中描绘的。图3还描绘图案化掩膜302，其可以在载体108上形成，以暴露第一区域，在此要形成传感器材料300并要覆盖第二区域，在第二区域不包括传感器材料300。在一个实施例中，传感器材料300可以是被分配在掩膜302上和多谐振器104上然后从掩膜区域去掉的固体，诸如粉末或凝胶。从掩膜区域去掉传感器材料300例如可以使用刀片完成，刀片例如是由聚合物诸如硅或其它适当材料制成的刀片。

在另一实施例中，传感器材料300可以作为液体溶液分配，溶液包括悬浮在溶剂内的溶质。在此实施例中，溶液可以使用掩膜302分配在谐振器104a-104d上以对于多谐振器104的区域包含溶液。然后可以使用适当的固化过程去掉溶剂，使溶质成为固体。

在这两个过程的任一个中，在分配传感器材料300和对其执行任何必需的固化之后，掩膜302可以被去掉，以产生类似于图4中描绘的结构。

要认识到，对于图4的结构，谐振器104a-104d具有从接触载体108的下表面延伸到基本上与载体108平行的上表面的第一厚度。而且，传感器材料300具有从在间隙空间110接触载体108的下表面延伸的第二厚度，其中，第二厚度大于第一厚度。这导致传感器材料300形成于多谐振器104的顶上，使得传感器材料300不只局限于间隙空间110。取决于多谐振器104的各种设计特性和传感器材料300的化学成分、密度和挠性或刚度，形成于谐振器104a-104d的顶表面上的传感器材料300可以对多谐振器104响应于询问(即询问信号或“唧唧声(chirp)”)的谐振具有相对大的阻尼效应。在一些用法和/或rfid设计中，此阻尼可能是期望的或者可接受的。在其它用法和/或rfid设计中，此阻尼可能是过量的或者不期望的。因此，在一些用法中，传感器材料300的厚度可以被降低。厚度的降低可以在形成图4的结构之后执行，例如通过执行垂直平面化或者抛光过程以产生图5的结构。在另一实施例中，在图3可以分配较少量的传感器材料300，使得传感器材料不分配在谐振器104a-104d的顶表面上。不过，分配传感器材料300的量应当足够大以在任何固化过程之后桥接间隙空间110并在间隙空间110的任一侧上物理地接触谐振器104a-104d的臂，如图5中描绘的。

在另一实施例中，传感器材料300可以只是直接地分配到间隙空间110中，使得不需要掩膜。例如，传感器材料300可以使用与传感器材料源602流体连通的分配尖部600分配，如图6中描绘的。如描绘的，来自传感器材料源602的一定量的传感器材料604可以从分配尖部600中的开口606分配。传感器材料604可以作为固体(例如粉末)、作为液体或作为凝胶分配。载体气体可以用来改进传感器材料604的分配，特别是当传感器材料604作为粉末分配时。传感器材料604可以在足够排出传感器材料604的压力下、以针对分配尖部600的给定速度的期望流速从开口分配到整个多谐振器104。

在分配传感器材料之后，使用适当的固化过程，固化在间隙空间110内的传感器材料300。例如，传感器材料300可以被加热以去除溶剂或流动并固化粉末，使得传感器材料300在间隙空间内变成物理稳定的，以防止在后续的处理或使用中材料移位。

在形成传感器材料300之后，rfid装置的任何附加处理可以完成以形成适合使用的最终的rfid装置。

如上文讨论的，传感器材料300是具有可变电导率的材料。传感器材料300的电导率是被测量的环境条件(例如相对湿度(rh)、ph、温度、某些气体成分的存在等)的函数。当这些膜的电导率增大时，在谐振结构的频率区域中由天线接收的宽波段询问信号的衰减增大。换言之，响应于询问谐振器的谐振幅度与传感器材料300的电导率成反比。相应地，衰减的强度可以与标签所位于的环境条件(rh、ph等)相互关联。

用于检测rh的传感器可以通过用传感器材料300填充间隙空间110形成，传感器材料300随着相对湿度的变化改变电导率。例如，聚乙烯醇(pva)的电导率与相对湿度成正比，当pva通过吸收来自周围空气的湿气变潮湿时电导率增大，当pva由于湿度降低变干燥或脱水时电导率降低。在这种情况下，响应于询问，多谐振器104的谐振随湿度的增加而降低。

使用pva把rfid装置设计制造为rh传感器可以在测试期间相关联。例如，与响应于询问rh百分比和谐振幅度(响应幅度)相关联有关的数据可以在测试期间确定，其中，在使用中在传感器可能遇到的已知的rh百分比的范围上测量响应幅度。

可以使用其它膜，包括对ph、其它化学品的存在、温度、光暴露、辐射暴露或另一环境条件敏感的膜构造类似的装置。适合用作环境传感器的各种材料在下文讨论。

例如，已知聚丙烯酸会基于ph而改变电导率的通量。当介质的ph变得更为酸性时，膜的电导率会增大减小。类似地，诸如聚乙烯醇及其填充化合物的材料可用于测量rh、应变、温度和有害材料的存在。传感器材料可包括聚吡咯来监测或测量温度。传感器材料可包括如下的至少一种：聚亚芳基、填充的聚亚芳基复合材料、聚乙烯醇、填充的聚乙烯醇复合材料、聚丙烯酸、填充的聚丙烯酸复合材料、半导体膜、溅镀半导体膜、气相沉积半导体膜、聚吡咯、聚苯胺、聚乙烯胺、聚(乙烯-共-丙烯酸)、聚(乙烯醇)聚吡咯三氯化铁(pvappyfecl3)复合材料膜、多壁碳纳米管(mwcnt)/聚(偏氟乙烯)(pvdf)、聚己内酰胺、尼龙-6，6、聚甲醛、高密度聚乙烯，和这些中的两种或更多种的组合。传感器可测量或监测产生1至12的ph的氢浓度。

rfid传感器装置对询问的响应幅度会根据传感器材料对被测量的条件的饱和度的量而变化(或者增大或者减小)。在一些情况下，电导率可以与饱和度成正比，而在其它情况下，电导率可以与饱和度成反比。

图7是附连到物品702的rfid传感器系统700的示意图示。rfid传感器系统700包括rfid传感器704诸如如上文描述的rfid传感器的使用。rfid传感器系统700可以包括衬底706，其为rfid传感器系统700提供基部。rfid传感器704和rfid控制器708可以形成于衬底706上或者另外附加到衬底706。rfid控制器708可以包括rfid读取器710，其与存储器712通过数据总线714电通信。

要认识到，在物品702的运输、储存或使用中，被rfid传感器704监测的环境条件可能变化，因此可能需要持续监测条件。rfid控制器708可以被编程以或者连续地或者以预编程的间隔通过唧唧声716询问rfid传感器704。rfid传感器704对rfid控制器708的响应718的幅度会取决于rfid传感器704的饱和度并且更具体地取决于rfid传感器704的传感器材料300(图3)的饱和度。

使用中，rfid控制器708经由唧唧声716向rfid传感器704发出询问。rfid传感器704发出响应718，响应718由rfid控制器708接收。与由rfid控制器708接收的响应718的幅度对应的数据例如由rfid读取器710通过数据总线714写入存储器712。随后，监测数据可以从存储器或者无线地或者通过rfid传感器系统700的有线连接器720下载，以用于分析。

图8是用于感测可以采用如上文描述的rfid装置的用法的环境条件的方法的流程图。在一个实施例中，rfid读取器向包括传感器材料的rfid装置输出第一询问信号，如在802示出的。如上文描述的，rfid传感器可以包括接收天线、发射天线和包括多个谐振器的多谐振器，其中，多谐振器电耦连在接收天线和发射天线之间。rfid传感器还可以包括桥接rfid装置的两个或更多个导电结构的传感器材料，其中，传感器材料具有被配置成根据传感器材料暴露到的环境条件变化的可变电导率。

在804，rfid传感器从rfid读取器接收第一询问。在806，从rfid传感器向rfid读取器输出第一响应，在808，该第一响应由rfid读取器接收。第一响应具有取决于环境条件的第一状态的第一幅度。例如多谐振器、发射天线、接收天线或另一rfid传感器结构的谐振幅度可以在第一响应中衰减取决于传感器材料的第一电导率的第一量，以提供第一响应。

在810，与第一响应的第一幅度对应的数据可以存储在存储器中。随后，在812，rfid读取器可以输出第二询问，在814，该第二询问由rfid传感器接收，在816，可以从rfid装置输出第二响应，在818，该第二响应由rfid读取器接收。例如多谐振器、发射天线、接收天线或另一rfid传感器结构的谐振幅度可以在第二响应中衰减取决于传感器材料的第二电导率的第二量，以提供第二响应。

在820，与第二响应的第二幅度对应的数据可以存储在存储器中。要认识到，如果rfid传感器周围的环境条件已经改变，则第二幅度可以与第一幅度不同。

响应的幅度因此是可变的，取决于rfid传感器周围的环境条件的状态，在第二响应中的第二量取决于传感器材料的第二电导率，以提供第二响应。

本教导因此允许使用rfid装置技术设计环境传感器。允许监测环境条件的rfid标签可以使用自动制造技术加工，并且可以以低的成本制造。这些远程环境传感器可以用在封装中，例如以监测环境条件，诸如rh、温度等。在一种技术中，响应于环境条件改变电导率的材料层可以设置在在微波天线、谐振器、接收天线、发射天线等中蚀刻的谐振结构的间隙区域中。在一个实施例中，在蜿蜒的天线中的间隙区域可以用聚乙烯醇(pva)填充，已知聚乙烯醇的电导率随rh变化。

要认识到，传感器材料300可以位于构成rfid多谐振器的多个谐振器中的单个谐振器、或者两个或更多个谐振器但少于所有的谐振器、或所有谐振器。另外，传感器材料可以位于不同于或除了多谐振器的rfid位置，例如发射天线、接收天线或响应于询问提供通量的另一位置，在此，响应与被测量的环境变化相关联。

尽管陈述本教导的宽范围的数字范围和参数是近似值，但在特定的示例中陈述的数字值被尽可能准确地报告。不过，任何数字值内在地包含必然由其相应的测试测量值中发现的标准偏差产生的某些误差。而且，本文中公开的所有范围要理解为包括本文中归类的任何和所有子范围。例如，“小于10”的范围可以包括在(并包括)最小值0和最大值10之间的任何和所有子范围，即，具有等于或大于零的最小值和等于或小于10的最大值的任何和所有子范围，例如1到5。在某些情况下，如所述的参数的数字值可以呈现负值。在这种情况下，所述的“小于10”的范围的示例值可以采用负值，例如-1，-2，-3，-10，-20，-30等。

如本申请中使用的相对位置的术语是基于平行于传统平面或工件的工作表面的平面定义的，而不管工件的方位如何。如本申请中使用的术语“水平的”或“横向的”被定义为与传统平面或工件的工作表面平行的平面，而不管工件的方位如何。术语“垂直的”指垂直于水平的方向。诸如“在...上”、“侧”(如“侧壁”中的)、“较高”、“较低”、“在...之上”、“顶”和“底”的术语是关于传统平面或工作表面在工件的顶表面上定义的，而不管工件的方位如何。