印制式天線及無線氣體和應(yīng)力傳感器的研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代無線通信設(shè)備需求數(shù)量的增長，與該設(shè)備相關(guān)的天線技術(shù)得到不斷發(fā)展。印制式天線以其結(jié)構(gòu)輕巧、便于集成、可與設(shè)備共形、制備容易等優(yōu)點，在通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、生物醫(yī)學(xué)等不同領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。此外，印制式天線可以直接集成到電子產(chǎn)品，這種工藝開辟了智能傳感系統(tǒng)這一新的應(yīng)用領(lǐng)域。印制式天線可以被用作無線智能傳感器的不同組成部分，如無線電路部件、傳感元件、甚至是能量采集器。本研究分為三個部分：
　　第一部分我們根據(jù)印制式天線的基本原理，設(shè)

2、計一系列不同諧振頻率的印制式天線，頻段為0.4～3.9 GHz；并用高頻結(jié)構(gòu)仿真器(HFSS)軟件對其性能進(jìn)行仿真。結(jié)合凹版印刷技術(shù)，用導(dǎo)電納米銀油墨在聚酰亞胺(PI)襯底上制備印制式天線。通過Agilent5071B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試天線性能，分析和對比印制式天線諧振頻率的設(shè)計、仿真和測試結(jié)果；從總的對比結(jié)果來看我們所制備的印制式天線S11參數(shù)在其工作帶寬內(nèi)都小于-20 dB，天線增益都大于1.5 dBi。這說明它們可以被應(yīng)用到傳感器

3、件領(lǐng)域，這為后續(xù)的印制式無線智能傳感器的研究打下基礎(chǔ)。
　　第二部分結(jié)合凹版印刷技術(shù)制備印制式無線NO2氣體傳感器和在印有銀叉指電極的稱量紙上用鉛筆繪制 NO2傳感元件，并研究了其氣敏性能。我們選擇中心頻率為2.68 GHz的印制式天線作為無線NO2氣體傳感器無線信號傳輸天線，用三氧化鎢/聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(WO3/PEDOT/PSS)和磺化摻銀還原氧化石墨烯/聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(S-A

4、g-RGO/PEDOT/PSS)這兩種復(fù)合材料分別作為NO2氣敏材料。通過凹版印刷技術(shù)制備印制式無線NO2氣體傳感器。WO3/PEDOT/PSS基印制式無線NO2傳感器對1-4 ppm NO2氣體具有較高的氣敏響應(yīng)。其諧振頻率和回波損耗S11隨著NO2氣體濃度的增加呈線性增加；在1 ppm NO2氣體下，其諧振頻率變化了63 MHz，回波損耗改變了3 dB。在4 ppm NO2氣體下，該傳感器諧振頻率偏移量高達(dá)355 MHz，回波損耗增

5、加了14 dB。S-Ag-RGO/PEDOT/PSS基印制式無線NO2傳感器在1-4 ppm NO2氣體下，回波損耗隨著NO2氣體濃度的增加呈線性增加。在1 ppm時，印制式天線的諧振頻率減少了103 MHz，回波損耗減少了3 dB。印制式無線NO2氣體傳感器無線檢測的讀取距離為0.8 m。由此可見，我們成功制備了對低濃度NO2具有高響應(yīng)的印制式無線NO2傳感器。此外，我們還制備了鉛筆繪制式NO2傳感元件，它由印刷在稱量紙上的銀叉指電極

6、和鉛筆印跡兩部分組成；其結(jié)構(gòu)中的印制式銀叉指電極不僅降低了傳感元件的電阻，而且銀叉指電極中的納米銀顆粒對鉛筆印跡中的石墨烯納米片還產(chǎn)生了修飾作用。這使得繪制在銀叉指電極上的NO2傳感元件具有更高的氣敏響應(yīng)值S（對5 ppm NO2，S=8.34％），其值是直接繪制在稱量紙上傳感元件的五倍多。并將制備的鉛筆繪制式 NO2傳感元件與ZigBee無線通信模塊結(jié)合，使得它們能夠應(yīng)用于無線環(huán)境監(jiān)測。
　　第三部分研究了彈性襯底上磺化還原氧化

7、石墨烯(S-RGO)基印制式天線參數(shù)及其對應(yīng)力的響應(yīng)。我們用S-RGO油墨導(dǎo)電通過凹版印刷技術(shù)分別在彈性乳膠(latex)和丁晴橡膠(NBR)襯底上制備了中心頻率為2.47 GHz的印制式天線。對比兩種襯底上印制式天線圖案分辨率，我們選擇更適合制備S-RGO基印制式天線的NBR作為襯底。并表征了基于NBR襯底的S-RGO基印制式天線薄膜方塊電阻、印刷厚度和微觀結(jié)構(gòu)。基于S-RGO的特殊性能，S-RGO基印制式天線作為無線應(yīng)力傳感器的敏感

8、元件；當(dāng)外力加載到該傳感器上，S-RGO能夠輕易的發(fā)生形變，從而引起傳感器電性能變化。我們先后對其做了有線和無線應(yīng)力傳感測試。在有線測試中，對0.2%-2%的不同應(yīng)變，S-RGO基印制式應(yīng)力傳感器歸一化電阻值呈指數(shù)增加。在2%應(yīng)變下，傳感器歸一化電阻值為50，應(yīng)變因子高達(dá)6200。而且，從該傳感器對毛筆劃過、健康成年男性正常脈搏跳動和運動后脈搏跳動、人體彎指產(chǎn)生應(yīng)變的有線測試結(jié)果來看，其具有快速檢測微應(yīng)變的性能。這種性能是進(jìn)行無線測試的

9、前提，表明S-RGO薄膜對應(yīng)力具有優(yōu)異的敏感度。無線測試結(jié)果表明，S-RGO基印制式應(yīng)力傳感器天線具有較高的信號傳輸性能，在諧振頻率處的回波損耗為-35 dB，天線增益為2.68 dB，電壓駐波比VSWR為1.02，天線傳輸效率為99%。我們用Agilent5071B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀通過無線通信方式記錄了S-RGO印制式應(yīng)力傳感器對正常男性脈搏、眨眼、呼吸、發(fā)聲、彎指生理活動應(yīng)變產(chǎn)生的天線諧振頻率和回波損耗變化。由此可見, S-RGO印制