Wireless passive RFID relative humidity sensor based on U-shaped resonant unit
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摘要:
研究设计并实现了一种基于U型谐振单元的无芯片射频识别(radio frequency identification，RFID)技术湿度传感器，该传感器结合Vivaldi宽频段天线，构建了一套无线无源的湿度传感系统，可实现对环境湿度的实时监测。无芯片RFID湿度传感器由8个U型谐振单元和1条与之耦合的微带线构成。在该设计中，两侧对称的谐振单元用于校准环境温度对湿度传感器的影响，其中1个单元由聚乙烯醇(polyvinyl alcohol, PVA)湿敏材料覆盖；中间6个U型单元用于RFID湿度传感器的ID信息编码。此外，本工作采用矩形环开槽技术优化了宽频带Vivaldi天线，并结合传感器实现了无线无源湿度传感。有线实验数据显示，在57%RH~71%RH的相对湿度范围内，产生了118 MHz的频率偏移，平均灵敏度为8.4 MHz/%RH。无线实验结果显示，在49%RH~70%RH的相对湿度范围内，产生了103 MHz的频率偏移，平均灵敏度为4.9 MHz/%RH。实验结果表明该无线无源湿度传感装置具有较高的检测灵敏度，可为无线无源湿度检测提供重要的解决方案。
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关键词:
- 射频识别 (RFID) /
- 湿度传感器 /
- 聚乙烯醇(PVA) /
- 天线 /
- 无线无源
Abstract:In this paper, a chipless radio frequency identification (RFID) humidity sensor based on U-shaped resonant units is researched, designed and implemented, which is combined with a Vivaldi wide-band antenna to construct a passive and wireless humidity sensing system, which can realize the real-time monitoring of environmental humidity. The chipless RFID humidity sensor design scheme consists of eight U-shaped resonant units and a coupled microstrip line. In this design, the symmetrical resonant units on both sides are used to calibrate the effect of ambient temperature on the sensor, and one of the units is covered by a polyvinyl alcohol (PVA) moisture-sensitive material. The six U-shaped units in the center are used to encode the ID information of the RFID humidity sensor. In addition, this work optimizes a wide-band Vivaldi antenna using a rectangular ring slotting technique and combines it with the sensor to achieve wireless passive humidity sensing. Through wired and wireless experiments, the sensor demonstrates high humidity detection sensitivity. The wired experimental data show that a frequency offset of 118 MHz is generated over a relative humidity (RH) range of 57%RH to 71%RH, with an average sensitivity of 8.4 MHz/%RH. The wireless experimental results show that a frequency offset of 103 MHz is generated over a relative humidity range of 49%RH to 70%RH, with an average sensitivity of 4.9 MHz/%RH. The experimental results show that the passive wireless humidity sensing device has high sensitivity and can provide an important solution for wireless passive humidity detection.
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0 引 言
射频识别(radio frequency identification，RFID)技术，是一种基于射频信号对标签进行识别的技术，相较于光学识别，其具有穿透性强、阅读距离大、数据存储量大等优势。当前，物联网的发展进一步促进了RFID标签技术的发展[1]。RFID标签分为有源和无源两种类型，无源标签由RFID芯片及标签天线组成，其成本低，但阅读距离有限；有源标签内置电池，能够主动发送信号，通信范围大、读取速度较快。目前RFID技术已广泛应用于多个领域，如包装安全[2]、倾斜检测[3]、pH值检测[4]以及安全监控[5]等。相比于有芯片RFID标签，无芯片RFID标签则能够进一步降低成本，为RFID在各行各业中的大规模应用提供了可能[6-7]。国内外的研究者已开发了多种传感类型的RFID标签[8]，包括温度传感器[9]、湿度传感器和位移传感器[10]等。
湿度传感器在医疗、环境和制造等领域得到了广泛应用，受到了国内外的重视[11-21]。相较于传统的电容式湿度传感器，无芯片RFID湿度传感器采用了微波信号，能够较好地实现无接触式检测，其测量方法简单、成本较低，因此备受青睐。针对无芯片RFID湿度传感器，采用高灵敏湿敏材料是提高传感灵敏度的有效方法。目前，已经出现多种湿度敏感材料的应用，文献[11]采用Kapton 500HN介质基板并喷墨打印银纳米颗粒设计了湿度传感器，在UHF频段下表现出了高达198.8±14 kHz/%RH的灵敏度。文献[12]使用聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate, PET)基材和高导电纳米油墨制造了无芯片湿度传感单元，并添加Nafion 117材料进行湿度传感，在10%RH～20%RH湿度范围内其S21幅度变化为1.02 dB。文献[13]提出了一种全印刷无芯片RFID湿度传感器标签，该标签由两个平面LC谐振器组成，并使用纸张基底作为湿度传感材料，其纸张在吸收许多水蒸气时，对应的谐振频率会相应降低。文献[14]基于ZnO/MoS的LC无线湿度传感器，在15%RH～95%RH范围内频率变化为178.54 MHz，在55%RH～95%RH高湿度范围内的灵敏度为4.034 kHz/%RH。
本文采用微带线耦合U型谐振器，并结合聚乙烯醇(polyvinyl alcohol, PVA)湿敏材料作为湿度传感器，同时添加多个U型谐振器构造ID编码信息，相比于其他无芯片RFID湿度传感器，本文采用的U型环具有更高的Q值及更简单的结构。同时，本文构造了两个相同的湿度传感U型结构以有效消除温度变化对传感器的影响。本文设计出了改进型宽频段Vivaldi天线，构建了一套无线无源的湿度传感系统。最后，通过有线和无线实验，证实了其在湿度检测领域的可行性和有效性。
1 标签设计和感应机制
本文设计的无芯片RFID标签如图1所示，其结构由8个U型谐振单元和1条与之耦合的微带线构成，U型谐振单元和微带线刻蚀在Rogers 5880介质基板上。其中，内侧的6个U型谐振单元用于提供信息编码功能，总长度逐渐减短，其相应的谐振频率逐渐增大。U型谐振单元与微带线之间的间隙p为0.3 mm；湿度检测所用的谐振单元的间隙n为1 mm；编码所用的谐振单元间隙m为1 mm，并且其有效长度L以0.5 mm的间隔递减。
为实现湿度检测，标签的最左侧U型谐振单元覆盖了一层PVA薄膜(图1中的淡蓝色区域)。当环境湿度发生变化时，谐振器的等效电容及电导发生变化，进而导致谐振频率和谐振幅值发生相应变化。通过建立环境相对湿度与传感器谐振频率及幅值之间的对应关系，实现对湿度的检测。
本文使用HFSS对传感器性能进行仿真研究，仿真结果如图2所示。PVA薄膜的介电常数随着湿度的增加而增大，为了模拟湿度的变化，其介电常数变化范围设置为2.5～4，损耗角正切变化范围设置为0.01～0.03。图2(a)结果初步表明谐振器的谐振频率会随介电常数增加而降低，而从图2(b)可以看出，湿度的变化导致介电常数及损耗角变化，从而导致谐振器的谐振频率及谐振幅值发生相应变化。此外，由于编码单元不被湿敏材料覆盖，因此频率及幅值不随湿度而变化。
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图 2 湿敏材料的介电常数及损耗角对传感器传输系数S21的影响Fig. 2 Effects of humidity sensitive polymer dielectric constant and loss tangent on S21 of the sensor2 天线设计与仿真
Vivaldi天线通常具有较好的宽带特性，其端口通过微带线耦合到槽线，形成端射行波天线。图3所示为本文所设计的Vivaldi天线结构，采用Rogers 5880为介质基板，介电常数为2.2，厚度为0.5 mm，天线的总尺寸为65 mm×40 mm×0.5 mm。本天线设计的目标是确保频带范围能够完全覆盖RFID标签的工作频段(3.5～5 GHz)，Vivaldi天线用作RFID湿度传感标签的阅读天线，提供本RFID湿度传感器的无线通信功能。
相较于传统的天线结构，本天线采用了对称的矩形环开槽结构。从图4可以看出：在天线曲率R=0.16时，未开槽的天线在2.8～6.6 GHz频段存在一段反射系数未达到天线性能要求(S11大于−10 dB)；经过对称矩形开槽后，天线性能明显改善，其S11小于−10 dB的通频段范围得到显著提升。可见，对传统的Vivaldi天线进行开槽能够有效改善其性能，拓展其可使用的频段范围。
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图 4 天线上下臂开对称槽与不开槽的反射系数S11对比Fig. 4 Comparison of reflection coefficients S11 of the designed antenna with and without symmetric slots on its arms影响天线通频带范围的主要参数是曲率参数R，图5(a)为不同曲率参数下的Vivaldi天线S11仿真结果，在曲率为0.15 mm附近进行了调节优化，分别仿真了曲率参数为0.12 mm、0.15 mm和0.18 mm时天线的反射系数S11。当曲率为0.12 mm时，天线的工作频带范围较宽，为2.72～6.65 GHz，约4 GHz的通频带范围。图5(b)展示了天线增益随频率的变化。在4～5 GHz频段内，增益从2.06 dBi增加到3.06 dBi。图5(c)展示了Vivaldi天线纵向宽度d对其通频带的影响。在曲率参数R不变的情况下，不同的纵向宽度会导致末端开口宽度和电磁能量辐射距离的变化，进而影响S11通频带宽。当纵向宽度在45～50 mm时，通频带较窄(约3.2 GHz)；而当纵向宽度在60～65 mm时，通频带较宽(约4 GHz)。图5(d)展示了Vivaldi天线横向宽度b对其通频带的影响。当横向宽度在30～35 mm时，通频带宽较差，不适用于RFID湿度传感器的无线通信；而当横向宽度在40～45 mm时，通频带宽较宽，满足RFID无线通信的性能要求。综上所述，Vivaldi天线的尺寸可设为65 mm×40 mm。
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图 5 Vivaldi天线性能与结构参数影响分析Fig. 5 Effects of the Vivaldi antenna parameters on its performance图6展示了Vivaldi天线的S11仿真数据与实测数据的对比。实测数据显示，Vivaldi天线实物在4.61～5.11 GHz内的反射系数S11不满足小于−10 dB的标准，但在该频段内的反射系数S11小于−9 dB。可认为该Vivaldi天线在2.2～7.2 GHz范围内具有可接受的通频带范围。尽管实测数据与仿真数据存在一些差异，但Vivaldi天线的反射系数S11整体趋势大致一致。这种差异可能是由于天线制造过程中的工艺误差或是罗杰斯介质板材料的柔性材质所致。
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图 6 天线仿真与实际测量的反射系数Fig. 6 Simulated and measured reflection coefficient of the antenna3 有线实验测量
为验证表面覆盖PVA薄膜的U型谐振单元的湿度传感特性，搭建了湿度测试系统，如图7所示。图7(a)展示了用于表征RFID湿度传感器的实验装置，该装置采用了塑料腔体以隔离传感器的工作环境。内置加湿器，以达到控制环境湿度的效果。同时，为了降低湿度，箱体接有干燥空气。此外，内置高精度湿度传感器能够实时监测腔体的环境湿度。
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图 7 RFID标签湿度传感器实验装置与实物图Fig. 7 Experiment setup of the RFID tag humidity sensor and its fabricated picture在对实验腔体进行密封后，通过加湿器对密闭空气进行加湿，调节腔体内的相对湿度从31%RH逐渐提高到71%RH。每次增加腔体湿度时，待腔体内湿度均匀稳定后，测量并记录此时RFID标签湿度传感器的S21参数，结果如图8所示。
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图 8 不同湿度条件下标签传感器的S21特性Fig. 8 S21 characteristics of the tag sensor under different humidity conditions实验中，所使用PVA薄膜厚度为57 μm，右侧5个编码谐振峰谷，分别位于4.949 GHz、
4.7649 GHz、4.569 GHz、4.399 GHz、4.2319 GHz，其ID信息编码表示为“011111”，正如实物图7(b)所示，其中1个编码U型谐振单元被截断，所以其表示编码信息为‘0’，被截断的编码单元导致图8(a)实验测试的编码谐振点只有5个，而非如图2(a)中的6个编码谐振点。感湿谐振单元(表面涂覆PVA薄膜的U型谐振单元)的谐振频率从3.996 GHz偏移到3.868 GHz，同时S21谐振点幅度从−2.197 dB上升到−0.885 dB。图8(b)为感湿谐振单元的S21谐振频率随湿度变化的具体数值。该RFID标签湿度传感器在31%RH～57%RH的低相对湿度范围内，呈现出约0.385 MHz/%RH的谐振频率偏移灵敏度；而在57%RH～71%RH的高相对湿度范围内，展现出约8.439 MHz/%RH的较高灵敏度湿度检测能力。图8(b)同时记录了感湿单元谐振点S21幅度的变化，实验测量结果表明，在所测的湿度范围内，该传感器表现出−
0.0328 dB/%RH的湿度敏感性。表1为本文所提出的湿度传感器与其他无芯片RFID湿度传感器的性能比较。可以看出，本文提出的传感器在较高的相对湿度范围下表现出最佳性能。尽管标签尺寸较大，但其高灵敏度和稳定性弥补了尺寸上的劣势。如果需要更小的尺寸，可以通过优化设计来实现。本文所提出的湿度传感器在较高的湿度范围内的灵敏度表现较好，能够达到8.4 MHz/%RH，在65%RH～71%RH 范围内可达12.34 MHz/%RH，具有较好的湿度检测能力。
表 1 本文相对湿度传感器与文献中无芯片RFID传感器的性能比较Tab. 1 Comparison among the proposed relative humidity sensor and other chipless RFID based sensors in literatures文献 智能材料 频偏量/MHz 灵敏度/(MHz/%RH) 工作频段/GHz 标签尺寸 [14] 氧化锌/二硫化钼 162(55%RH～95%RH) 4.1 5.0～5.5 40 mm×25 mm [15] PVA 60(33%RH～85%RH) 1.2 2.2～2.5 31 mm×31 mm [18] 三菱纸 68(60%RH～70%RH) 6.8 6.8～7.5 45 mm×45 mm [19] 硅纳米线 215(30%RH～90%RH) 3.6 3.0～4.0 40 mm×40 mm [17] Kerate聚合物 148(54%RH～74%RH) 7.4 5.1～5.7 10 mm×10 mm 本文 PVA 118(57%RH～71%RH) 8.4 3.5～4.0 40 mm×25 mm 4 无线实验测量
在恶劣环境下，无线测量会面临诸多问题。因此，本章将基于前文所设计的传感器实现无线无源湿度测量。同样使用矢量网络分析仪进行无线测量实验，RFID湿度传感标签与两个Vivaldi天线连接，如图9(a)所示，两个Vivaldi天线分别用作RFID湿度传感装置的发射天线和接收天线。图9(b)为无线实验的测量装置布置。网络分析仪外接一对喇叭天线，该天线对准RFID标签上的Vivaldi天线，并相距合适的通信距离(本实验测量大约相距10 cm)。
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图 9 无线无源RFID湿度传感系统与测试场景Fig. 9 Wireless passive RFID humidity sensing system and test scenario本无线无源RFID湿度传感装置中，网络分析仪通过发射天线向RFID湿度传感标签发送宽频带射频信号，覆盖其工作频段。RFID湿度传感器中的U型谐振单元在其谐振频率处产生强烈反射信号，其他频率的信号则被部分吸收或传输，因此反射信号在谐振频率处最强。RFID湿度传感标签将反射信号通过Vivaldi发射天线返回给网络分析仪的接收天线。网络分析仪的接收电路对信号进行分析，通过检测反射信号的谐振频率位置，确定湿度传感器的当前谐振频率。
图10展示了该无线无源RFID湿度传感装置的实际S21测量结果。与图8(a)的有线测量结果相似，在所测频段内都有7个较为明显的谐振点，其中右侧5个谐振点用于该传感装置的信息编码功能。左侧谐振频率随着环境湿度的增加而逐渐降低。由于Vivaldi天线的反射系数S11随频率的增加并不呈线性关系，所以无线实验测量结果中的各谐振点的S21陷波幅度并不如图8(a)中一样整齐均匀地分布。图10(a)显示，当环境相对湿度从49%RH增加至70%RH时，湿感谐振单元的谐振频率从大约4 GHz降低到3.897 GHz，环境湿度越大，其谐振偏移量也越大，与预期结果一致。这些实验结果验证了该湿度传感装置的可靠性和实用性。
5 结 论
相较于许多RFID湿度传感器研究，本文提出了一种基于U型谐振单元的RFID湿度传感器，在高湿度范围内展现出了8.4 MHz/%RH的湿度检测灵敏度，其检测灵敏度更高。RFID湿度传感器作为物联网技术的重要组成部分，融合了RFID技术、传感器技术以及湿度测量理论等多个学科领域，利用湿度对湿敏材料的影响，使RFID标签的电磁性能发生变化，实现对环境湿度的检测。RFID湿度传感器的高灵敏湿度检测性能，对于提高智能农业和智能仓储等行业的生产质量和效率具有重要意义。本文还设计了一款宽频段的Vivaldi天线，将其与RFID标签结合，构建了一种无线无源湿度传感装置，实现了4.9 MHz/%RH的较高湿度检测灵敏度。该无线无源湿度传感装置的检测距离在25 cm之内，当距离超过这个范围时，其对湿度的无线检测信号质量会显著下降，因此，未来的研究将继续致力于解决无线检测距离较短的问题。例如，深入研究设计更高增益的天线，以实现更远的无线检测距离。
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图 2 湿敏材料的介电常数及损耗角对传感器传输系数S21的影响
Fig. 2 Effects of humidity sensitive polymer dielectric constant and loss tangent on S21 of the sensor
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图 4 天线上下臂开对称槽与不开槽的反射系数S11对比
Fig. 4 Comparison of reflection coefficients S11 of the designed antenna with and without symmetric slots on its arms
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图 5 Vivaldi天线性能与结构参数影响分析
Fig. 5 Effects of the Vivaldi antenna parameters on its performance
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图 6 天线仿真与实际测量的反射系数
Fig. 6 Simulated and measured reflection coefficient of the antenna
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图 7 RFID标签湿度传感器实验装置与实物图
Fig. 7 Experiment setup of the RFID tag humidity sensor and its fabricated picture
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图 8 不同湿度条件下标签传感器的S21特性
Fig. 8 S21 characteristics of the tag sensor under different humidity conditions
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图 9 无线无源RFID湿度传感系统与测试场景
Fig. 9 Wireless passive RFID humidity sensing system and test scenario
表 1 本文相对湿度传感器与文献中无芯片RFID传感器的性能比较
Tab. 1 Comparison among the proposed relative humidity sensor and other chipless RFID based sensors in literatures
文献 智能材料 频偏量/MHz 灵敏度/(MHz/%RH) 工作频段/GHz 标签尺寸 [14] 氧化锌/二硫化钼 162(55%RH～95%RH) 4.1 5.0～5.5 40 mm×25 mm [15] PVA 60(33%RH～85%RH) 1.2 2.2～2.5 31 mm×31 mm [18] 三菱纸 68(60%RH～70%RH) 6.8 6.8～7.5 45 mm×45 mm [19] 硅纳米线 215(30%RH～90%RH) 3.6 3.0～4.0 40 mm×40 mm [17] Kerate聚合物 148(54%RH～74%RH) 7.4 5.1～5.7 10 mm×10 mm 本文 PVA 118(57%RH～71%RH) 8.4 3.5～4.0 40 mm×25 mm 
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