适用于智能食品包装应用的柔性应变和温度感应NFC标签

本发明涉及智能标签，具体为适用于智能食品包装应用的柔性应变和温度感应nfc标签。

背景技术：

1、依靠智能传感器和无线接口的技术进步，通过远程监控各种参数，数字化技术和物质世界更紧密地联系在一起，在农业、医疗保健等领域找到应用，这些进步也使机器人能够在农业或农产品的各个阶段使用。例如水果采摘和包装，为此，已经开发了几种物理和化学传感器来收集有关温度、压力、应变、湿度、ph、挥发性有机化合物(vocs)的信息等。此外，纳米技术和印刷电子(pe)的进步为在食品、制药和可穿戴设备的智能标签等应用中使用各种功能性和可降解材料开辟了新的应用领域。

2、从大多数智能标签中的传感器无线采集数据是通过射频识别(rfid)，近场通信(nfc)或蓝牙等技术实现的。轻巧、灵活、安全和低功耗是这些无线传感器系统的特性。特别是rfid技术的使用使得开发无电池传感器系统成为了可能，并且它们在智能食品包装的传感标签中的使用特别有用武之处。此类标签或智能标签可以通过提醒消费者或食品供应商，该食品是否受到了损害，从而可以减少食品变质损失。这些浪费的食物中的大部分仍然可以安全食用，但消费者会扔掉它，因为它接近或超过其印刷的有效期。在某些情况下，智能标签可能有助于更好地估计包装食品的质量。

3、为了满足这一需求，我们在此提出了一种适用于智能食品包装应用的柔性应变和温度感应nfc标签，其潜在应用在智能食品包装中，从而实现更好的估计包装食品的质量。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供适用于智能食品包装应用的柔性应变和温度感应nfc标签，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：本发明提供适用于智能食品包装应用的柔性应变和温度感应nfc标签，包含以下模块：

3、柔性nfc标签模块，利用方形平面电感器与外部读卡器的电感耦合以产生感应电流并允许非接触式能量传输来实现芯片中的nfc天线，利用其他无源元件和填充模具实现柔性无源nfc标签；

4、应变传感器模块，使用聚二甲基硅氧烷聚苯乙烯磺酸盐材料制备应变传感器，该传感器连接到nfc天线和led；

5、温度传感器模块，温度传感器包括基材板、导电电极和温度传感材料。

6、该nfc标签的制作方法如下：

7、1)芯片型号选取：选择型号为rf430frl154h的rfid芯片，具有13.56mhz应答器集成电路；

8、2)nfc天线设计：nfc天线具有方形平面电感器(la)，该电感器与读卡器的电感耦合以感应电流并允许非接触式能量转移；

9、天线的电感是由rf430frl154h芯片的内部电容器(ci)和外部电容器(ce)平行放置并与方形平面电感器(la)并联放置形成谐振lc电路而设计的，其中并行lc电路中的谐振频率方程为：

10、

11、设计方形平面螺旋线圈电感器，使用改进的惠勒公式：

12、

13、μ是真空渗透率(4π×10-7h/m)；n是匝数；d是平均线圈直径，计算公式为d＝(d1+d2)/2，d1为外部线圈直径，d2为内部线圈直径；ρ线圈的填充率定义为ρ＝(d1-d2)/(d1+d2)；参数k1和k2是取决于天线布局的非维度系数，对于方形天线，k1＝2.34和k2＝2.75；

14、3)led指示灯工作：使用具有足够电磁场的rfid阅读器，标签可以产生2v的调节电压，为led指示灯供电，应变或温度传感器与led指示灯串联连接，从而根据应变或温度引起的传感器电阻变化来调制led光强度；

15、4)无源元件选取：柔性印刷电路板pcb是使用含铜的柔性聚酰亚胺pi基板，并与c级改性丙烯酸粘合剂粘合在一起；pi薄膜的厚度50μm，相对介电常数εr＝4.7，损耗正切tanδ＝0.02；

16、5)封装标签材料选取：标签最终嵌入pdms中。

17、应变传感器的制作方法如下：

18、1)应变传感器材料选取：选择pdms和pedot:pss材料；

19、2)应变传感器制作：先在在室温下制备了pdms和交联剂的10：1混合物，将混合物倒入具有铜线的圆形模具中，并使用真空干燥器脱气1小时，然后将模具在60℃下固化2小时，然后去除铜线以制造微通道，将导电聚合物pedot：pss注入微通道，并在60℃对流烘箱中干燥1h；

20、3)将制造的传感器连接到nfc天线和led。

21、温度传感器的制作方法如下：

22、1)导电聚合物pedot：pss也用作温度传感材料；

23、2)pvc基板上的传感器制造：取下2cm×2cm的pvc基板，两个银电极印在有2mm间隙的pvc基材上，然后将样品在50℃的热风炉中干燥30分钟，干燥过程结束后，用2mm差距的微量移液器分配10ulpedot:pss。此后，将样品在空气烘箱中在50℃下保持1小时进行干燥，然后对样品进行电表征以评估其响应；

24、3)将制造的传感器连接到nfc天线和led，nfc链路充当能量收集器，即天线用于在阅读器接近时为标签供电。

25、与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明制得的nfc标签使得体积较小，可以附着在任何大小的食品包装袋上，在大多数条件下，nfc标签不会受到外界的影响而损坏，同时不会对包装内食品造成影响。同时可以检测到食品包装内部微小的压力和温度变化，以便达到检测的目的。

26、本发明可解决在邻近或超过其印刷的有效期或无有效期的情况下，通过利用任何支持nfc的智能手机来感应柔性nfc标签，如果食品适合食用，led灯将亮起，如果食物因吹包装变质而不适合食用，则led灯将熄灭，以此在一定程度上来解决食物浪费问题。

27、本发明nfc芯片能够从外部nfc读卡器引起的电磁(em)场中收集能量，从而允许为便携式和无线传感应用开发完全无源设计。通过nfc芯片上的led灯来判断食品是否变质而不是只取决于保质期，从而在一定程度上解决食物浪费问题。通过柔性印刷电路板来设计柔性应变传感器来实现可检测食品包装中的微小形变。

技术特征：

1.适用于智能食品包装应用的柔性应变和温度感应nfc标签，其特征在于，包含以下模块：

2.根据权利要求1所述的nfc标签，其特征在于，所述方形平面电感器设计为方形平面螺旋线圈电感器，并使用改进的惠勒公式：

3.根据权利要求1所述的nfc标签，其特征在于，所述封装标签的材料为pdms，将标签嵌入pdms中。

4.根据权利要求2所述的nfc标签，其特征在于，所述方形平面螺旋线圈电感器，天线有n＝7圈，尺寸为29mm×29mm，且导体宽度和轨道之间的间距为500um。

5.根据权利要求1所述的nfc标签，其特征在于，其中应变传感器的制作方法如下：

6.根据权利要求5所述的nfc标签，其特征在于，所述应变传感器与led串联。

7.根据权利要求1所述nfc标签，其特征在于，其中温度传感器的制作方法如下：

8.根据权利要求7所述的nfc标签，其特征在于所述nfc天线在阅读器接近时为nfc标签供电，nfc链路充当能量收集器。

9.根据权利要求7所述nfc标签，其特征在于，所述6个温度传感器串联连接，组成温度传感器列阵。

10.根据权利要求7所述nfc标签，其特征在于，所述温度传感器与led串联。

技术总结
本发明公开了智能标签技术领域的适用于智能食品包装应用的柔性应变和温度感应NFC标签，包含以下模块：柔性NFC标签模块，利用方形平面电感器与外部读卡器的电感耦合以产生感应电流并允许非接触式能量传输来实现芯片中的NFC天线，利用其他无源元件和填充模具实现柔性无源NFC标签；应变传感器模块，使用聚二甲基硅氧烷聚苯乙烯磺酸盐材料制备应变传感器，该传感器连接到NFC天线和LED；温度传感器模块，温度传感器包括基材板、导电电极和温度传感材料。本发明体积小，可以检测微小压力和温度变化。通过NFC芯片上的LED灯来判断食品是否变质，而不是只取决于保质期，从而在一定程度上解决食物浪费问题。

技术研发人员：梁伟,宋雅茜,王诺,章志勇,程宏斌,孙嘉利
受保护的技术使用者：常熟理工学院
技术研发日：
技术公布日：2024/4/22