基于RFID技術的無線無源紡織應變傳感器研究進展

鄒艷玲 鄭聰 江心雨 胡吉永

摘要： 隨著物聯網（IoT）時代和老齡化社會的出現，實現無線無源應變測量的超高射頻（UHF RFID）紡織應變傳感器在醫療保健領域變得越來越有吸引力。文章綜述當前UHF RFID紡織應變傳感器的研究現狀，首先介紹該類傳感器測量應變的原理，再概述現階段的制備技術、傳感性能表征和評價指標，最后總結了基于RFID技術的無線無源紡織應變傳感器在商業化發展中存在的問題，為今后研發該類應變傳感器提供方向。

關鍵詞： RFID;無線無源;端口阻抗;介電常數;背散射功率;紡織應變傳感器

中圖分類號： TP212

文獻標志碼： A

文章編號： 10017003（2021）08005307

引用頁碼： 081110

DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2021.08.010（篇序）

The progress of research on RFID-based wireless passive textile strain sensors

ZOU Yanling， ZHENG Cong， JIANG Xinyu， HU Jiyong

（College of Textiles， Donghua University， Shanghai 201620， China）

Abstract： Entering in the era of the Internet of Things（IoT）， in todays aging society， the passive ultra-high radio frequency（UHF RFID） textile strain sensors capable of wireless strain measurement are becoming increasingly appealing in healthcare area. This paper gives an overview of the current research situation of UHF RFID textile strain sensors. Firstly， the sensing principles of UHF RFID textile strain sensors are introduced. Second， this paper summarizes the existing manufacturing technologies， characterization of sensing performance and the evaluation indexes. In the end， this paper concludes the problems in the commercial development of RFID-based wireless passive textile strain sensors. This paper is expected to provide a guideline for the development of such strain sensors.

Key words： RFID; wireless passive; port impedance; dielectric constant; backscattered power; textile strain sensor

收稿日期： 20201227;

修回日期： 20210713

基金項目： 上海市自然科學基金資助項目（20ZR1400500）

作者簡介： 鄒艷玲（1996），女，碩士研究生，研究方向為智能紡織品。通信作者：胡吉永，教授，hujy@dhu.edu.cn。

基于超高頻射頻識別（ultra-high frequency radio frequency identification，UHF RFID）技術的無線無源紡織應變傳感器是將RFID技術與紡織材料結合，形成具有應變傳感功能的設備[1-2]，為軍事、城市安全、農業，尤其是醫療健康領域長時無障礙監測技術提供了新方案。對比傳統應變傳感器，該類傳感器解決了傳統應變傳感監測系統的布線問題，操作安裝簡便，大大降低系統的復雜程度和成本。對比其他無線傳輸方式的應變傳感器，RFID紡織應變傳感器采用當下流行的無源UHF RFID標簽技術的通信及感應方式——電磁反向散射耦合原理（如雷達原理模型）[3]，依靠電磁能工作[4-5]，克服了ZigBee[6-7]、藍牙[8-9]等無線傳感器的有源局限，具備小型化和柔性化潛力，避免了健康檢測中定時定點的限制，成為可穿戴設備的潛在選擇。

本文首先介紹超高頻RFID紡織應變傳感器用于測量應變的原理，在此基礎上概述RFID柔性應變傳感器，特別是RFID織物應變傳感器的研究現狀，并展望其發展前景。

1 RFID應變傳感器傳感原理及結構

從RFID標簽結構及工作原理可知RFID應變傳感器的工作原理，如圖1所示。圖1（a）為RFID標簽的一般結構。在RFID標簽天線和芯片阻抗匹配的范圍內，由于應變對傳感元件的激勵作用，引起RFID標簽天線端口阻抗或者基底材料介電常數變化，進一步引起天線某性能參數的變化，從而在該參數變化與應變之間形成某種傳感響應關系。

根據在應變下RFID標簽主要結構單元發生變化的具體參數，可以作為應變傳感元件的有天線、輸入阻抗型應變傳感元件（引入外接應變傳感元件）和基材[10]。

1.1 天線為應變傳感元件

如圖1（a）所示，選用RFID標簽中的天線作為應變傳感元件時[11]，標簽天線在應力作用下會發生應力方向的尺寸和有效電導率的變化，引起天線增益和反射系數的變化，閱讀器所獲取的背散射功率（Prx）[12]也隨之改變：

Prx=14|Γ1-Γ2|2λ4πd4G2G2readPtx（1）

式中：Prx是閱讀器的連續波輸出功率，G和Gread分別是標簽天線和閱讀器天線的增益，Γ1和Γ2分別表示芯片的能量收集和在調制阻抗狀態下天線芯片的功率反射系數;其中增益G、天線阻抗與天線的幾何形狀和結構有關。

1.2 輸入阻抗型RFID應變傳感器

將具有應變感應功能的傳感組件集成到RFID標簽中，使芯片的端口輸入阻抗隨應變而變化，該類傳感器同時具有識別和感應功能。

根據敏感材料引入位置，天線混合型可以分為兩類。一種是把應變敏感材料作為天線導體的一部分而引入，例如將電阻式或電容式柔性應變傳感元件附加在芯片的電耦合環外側[13-14]，如圖1（b）所示。這類應變傳感元件可以是傳統應變片，也可以是新興電阻/電容式傳感纖維或織物。應力作用會改變傳感元件的電阻或電容，從而改變天線的端口阻抗。根據式（1），端口阻抗的改變最終會影響背散射功率的讀取。同理，該傳感器可以通過測量背散射功率參數的改變量，計算天線的應變。

另一種天線混合型是將柔性應變傳感元件與RFID標簽通過導線相連，應變測量單元通常是電阻式應變元件及惠斯通電橋，如圖1（c）所示。在拉伸過程中，閱讀器首先發射“詢問”信號用于激勵無源電子標簽和與標簽相連的惠斯通電橋，利用惠斯通電橋測量應變電阻的變化量，并將其變化量以電壓信號的形式傳輸到RFID標簽的芯片中儲存，隨后將攜帶芯片信息的“應答”信號經由標簽天線輻射回去，最后由閱讀器通過對標簽信號的接收和解析將電阻變化信息轉換為應變值。

1.3 基材型

基材型則是以標簽天線的柔性基板作為傳感敏感元件[15]，天線基板在拉伸過程中其有效介電常數（εe）也隨之改變。

基板的有效介電常數、天線的有效電氣長度對天線諧振頻率的影響如下式所示：

fr=c2leεe×r（2）

式中：le是天線的有效電氣長度;εe是天線基板的有效介電常數;r是折疊半波偶極天線的校正因子。

由式（2）可知，天線的諧振頻率將在其有效電長度或基板厚度發生變化時發生變化，該傳感器可以通過測量諧振頻率的偏移來反映應變大小。

2 RFID柔性織物應變傳感器

2.1 天線為傳感單元

為了使天線作為傳感元件的RFID傳感器具有較好的彈性和回復性，通常使用織物為基底材料。在織物上制作標簽天線的紡織工藝可分為三類[16]：采用織物成形工藝，以導電紗織造天線，屬于織物的一部分;或采用刺繡工藝，按照天線的結構將導電纖維縫制在織物基體上;或采用絲網印刷工藝，在柔性織物基體上按照天線結構印刷納米導電顆粒或導電聚合物等，制備柔性可穿戴織物天線。

2.1.1 織物成形技術

織物成形技術就是將導電線在織造過程中按照天線幾何形狀無縫地整合到主體材料中，該工藝制作的天線標簽設計堅固、透氣性好、可機洗且重復使用。

Liu[17]設計了一款Bellyband天線應變傳感器，該傳感器天線由導電和非導電紗針織而成，并集成到主體服裝中，通過物理變形引起的背散射功率（RSSI）的變化進行傳感，用于檢測許多生物過程（如呼吸或子宮收縮）中出現的變形[18]。導電紗選擇鍍銀尼龍，非導電紗線包括黏膠纖維和聚酰胺混紡纖維，以提供必要的舒適性和彈性。標簽芯片通過焊接到小而薄的印刷電路板（PCB）或柔性印刷電路板（FPC）（10 mm×10 mm）上，然后將PCB或FPC插入編織天線內的集成袋中進行封裝，如圖2所示。該傳感器應變感應性能經測試最大讀取范圍[19]可達3.96 m，傳感器靈敏度約為0.5 dB/mm。

Osman[20]提出了一種基于射頻識別（RFID）標簽的表皮無源無線應變傳感器，如圖3所示。將RFID紡織應變傳感器附在許多截癱患者具有運動能力的眉毛或脖子周圍的皮膚上，通過面部肌肉的運動調整相關的皮膚拉伸，導致標簽幾何形狀失真。當與安裝在輪椅上的近端閱讀天線結合使用時，就有機會監視肌肉抽搐的程度和方向，從而控制輪椅的轉向與速度，輔助殘疾人和無行為能力人的生活和康復。該標簽設計在負載鈦酸鋇的聚二甲基硅氧烷（PDMS）基材上，經過評估證明了應變儀的靈敏度和重復性與皮膚舒展有關。其中應變高達10%時，讀取發射功率差約為4 dB。

2.1.2 刺繡工藝

可穿戴的刺繡制作天線的RFID標簽具有許多優點，它可以嵌入到任何布料中，而不必附著在布料上。但刺繡天線采用的導電紗線與納米金屬顆粒或金屬薄膜相比，刺繡天線的電阻較大，天線導體的導電性較差[21]。縫制天線的電導率取決于縫紉圖案、線跡密度和電線的電導率[22]。

Hasani[23]設計了一款刺繡基射頻識別（RFID）的傳感器，如圖4所示。天線布局繡在聚酯基可拉伸織物上，該織物在多次使用后具有可重復的特性[24]，縫制天線時使用的導電線是Shieldex 110 f 34 dtex 2層HC。作者提出了一種讀取范圍提取技術（該技術依賴于激活RFID IC所需的閾值功率[25]的檢測）與不需要任何協議的基于雷達橫截面（RCS）的技術之間的比較，并證實使用這兩種技術都可以實現并直接詢問具有與所施加應變相關的電氣長度的刺繡RFID傳感器。頻移-應變的最佳擬合曲線的斜率表明，使用雷達技術的靈敏度為066，若使用讀取范圍-應變之間關系，則靈敏度為0.43。

2.1.3 絲網印刷工藝

絲網印刷工藝是一種低成本生產具有識別和傳感功能的RFID標簽的解決方案。在柔性和紙質基板上使用絲網印刷的RFID電路，以提供RFID感應功能。

Merilampi[26-27]采用絲網印刷方法將導電油墨分別按照兩種幾何形狀天線（折疊偶極子和直線偶極子）印刷在可拉伸的PVC和商業彈性織物基材上，制備了基于可拉伸無源UHF RFID標簽天線的可穿戴應變傳感器，用于監測人體的功能和動作。以標簽接收的背向散射功率信號來檢測機械應變，就幾何形狀而言，折疊偶極子對應變的測量響應比直線偶極子的響應更加模糊，如圖5所示。并且由于折疊偶極子天線的RFID應變傳感器天線跡線狹窄，拉伸過程易出現斷裂，對于測量較大應變而言并不實用，可以用于測量相對較小的應變，而較寬的可拉伸跡線的直線偶極子天線的RFID應變傳感器更適用于大型運動的測量。就標簽天線材料而言，在拉伸應變下，PVC上天線墨膜電導率的下降是由于墨膜微結構變化引起的，而織物上電導率的下降主要是由于織物的結構變化（如寬度、長度、厚度等物理尺寸）而不是墨膜的微結構變化。

He[28]介紹了一種基于被動式UHF RFID的應變傳感器，該傳感器旨在用于基于人體運動的人機交互。研究采用的天線結構包含一個輻射天線和一個帶有芯片的饋電環路，天線的這兩部分通過電感耦合。帶有芯片的饋電環路貼附在不可拉伸的基板Cat.#A1220（熱熔膠屏蔽布）表面，同時輻射天線貼附在完全可拉伸的基板（商業化可拉伸銀紡織材料）表面，如圖6所示。在應變作用下，輻射天線背散射功率信號的改變被儲存到饋電環路的芯片里。該傳感器采用了獨立的天線設計，可以保護天線的小饋電環路部分免受輻射天線伸長期間的機械應力的影響，從而顯著提高該傳感器的可靠性。

以上采用織物成形或織物表面刺繡加工技術制作的RFID基應變傳感器結構更加柔軟，可直接與其他織物結合，不需要黏合劑，具有一定耐洗性。但是在機器的高張力和高速摩擦下可能導致纖維導電層破損，引起復絲導電紗線的擠壓變形，引起傳感性能失穩。另一方面，織物表面絲網印刷涂層工藝與紡織和刺繡方法相比，該方法更加經濟，環境友好，該工藝制作的RFID應變傳感器的天線幾何形狀和基底材料在很大程度決定了傳感器的應用領域。

為了提高天線式RFID傳感器傳感性能，現研究采用很多方式，例如引入參考標簽[12]、改變天線幾何形狀[27]、改變基材[29]等。不同的天線幾何形狀會影響應變和背散射功率之間的線性關系，折疊偶極子應變傳感器相較于直線型傳感器的傳感線性度低，但它產生的信號比直線型要大，僅可測試10%范圍內的應變。針對不同原理的傳感器，標簽天線的基底材料的選擇也不一樣，織物基材更適合于基材型RFID應變傳感器。就織物而言，織物中存在孔隙，在拉伸過程中，這些孔隙的變化會影響所測得的相對介電常數的變化。

2.2 輸入阻抗型RFID應變傳感器

Long等[30]提出了一種RFID應變傳感器標簽，由導電織物制成可拉伸天線。如圖7（a）所示，為了創建用于傳感標簽的高效天線，使用了不可拉伸、高導電的鍍銅涂層織物形成天線主體，并通過導線將可拉伸導電織物與天線主體縫接。如圖7（b）所示，分別測試對比了可拉伸織物寬度為1 cm和3 cm時的傳感響應，觀測到反向散射強度的變化百分比在一定頻率下與天線伸長率都呈近似線性關系。對于標簽A（1 cm），在所有頻率下反向散射強度的變化百分比都是隨應變增加而單調增加的;對于標簽B，它在920 MHz以上的頻率下就不再單調了。并且傳感器標簽A和B在應變下顯示的最高讀取距離分別為10 m和7.5 m。

目前尚未見報道紡織基電耦合環外側接入應變傳感元件的研究，但已有學者在類似于織物的紙基上開發輸入阻抗式的RFID應變傳感器。Kim等[14]提出一種新型噴墨打印雙標簽RFID免校準觸覺傳感器，除RFID芯片外，所有組件都使用納米銀墨水噴墨打印在紙基（纖維素紙和合成紙）上，如圖8所示。在事件檢測之前（在空氣中），傳感組件的自諧振頻率設計與天線的諧振頻率相同（圖8（b））;事件發生時，由于感測部件的負載效應，兩個標簽的響應諧振頻率之間存在差異，傳感器標簽的諧振頻率移至較低頻率。由兩個RFID標簽并置實現差分傳感機制具有許多優勢，包括事件檢測的高靈敏度及幾乎獨立于環境靈敏度的性能。

對于輸入阻抗型RFID應變傳感器，通常將RFID標簽與柔性電阻式應變傳感元件相連，因為電阻式應變測量技術成熟而穩定。該類傳感器在天線部分引入或附加在電耦合環外側的結構有望解決芯片在織物基底上受力易脫落的問題，但是對于應變傳感元件引入的位置和寬度等結構參數與傳感性能關系的討論尚不明確，今后有開展該類研究的必要。第二種附加結構中，增加外圍電路的設計不僅改變了天線阻抗匹配，且給傳感標簽整體尺寸的小型化設計提出挑戰。

2.3 基材型RFID應變傳感器

Teng[15]設計并制造了一款RFID柔性應變傳感器，傳感器由Ecoflex 00-50基底材料和Galinstan組成，如圖9所示。在應力作用下，天線基板的有效介電常數變化，它的諧振頻率也隨之發生變化。該柔性RFID傳感器具有可拉伸性，可輕松應用于可穿戴應變傳感器或作為軟機器人系統的一部分，該傳感器具有較大的測量讀數范圍（>7.5 m），顯示全方向性。

基材型RFID應變傳感器測量應變時，學者們主要采用天線諧振頻率作為應變傳感表征指標，該參數的測試不易受環境影響且穩定。但是有學者指出，應變與介電常數之間的變化不成線性關系[31]。

綜合前述研究，目前基于RFID紡織應變傳感器性能評價如表1所示，所開發的RFID紡織應變傳感器其讀取距離達到10 m左右，靈敏度到達0.5 dBm/mm，應變范圍一般不超過50%。此類RFID紡織應變傳感器更多是在實驗室實現原型制備及功能驗證，針對實際應用環境還有很多關鍵技術要突破。并且其芯片與天線在使用拉伸過程中很容易造成脫落，如何既保證其舒適性又保留芯片天線其良好接觸，是未來天線式應變傳感器工業化發展的一個難題。

3 結 語

UHF RFID紡織應變傳感器在結構原理驗證方面取得了較大進展，有兩種方法將RFID技術引入紡織應變傳感器，要么RFID標簽的天線、基材為應變敏感紡織材料，要么將具有應變感應功能的紡織組件集成到RFID紡織標簽中。無論采用哪種方法，RFID技術可以無源無線的測量應變，改進了現有的有線應變測量系統在經濟性和不可移動性上的缺陷。但是，為了縮小實驗室研究與基于情景的紡織UHF RFID應變傳感器之間的研究差距，還需要從以下幾方面進一步展開研究。

1）在傳感表征方面，綜合考慮傳感性能，優化篩選適合表征應變的射頻參數。

2）在傳感性能評價方面，一般僅討論靈敏度、線性度和讀取距離，初步確定傳感器的可使用性，尚未深入探討此類傳感器在實際應用環境下的應變響應特性，如重復穩定性、滯后現象等。

3）就RFID標簽制備來說，一般在織物表面用絲網印刷制備天線，但未研究天線的幾何形狀和織物基底材料對傳感器的性能及應用限制，也沒有探討在拉伸應變中芯片與天線之間的互聯失效。

4）當RFID柔性應變傳感器應用于人體體征測試時，不論是將傳感器植入人體內部還是將傳感器與服裝集合在一起，傳感器都會受到液體、人體、障礙物等的干擾，目前關于這些因素對RFID柔性應變傳感器影響的研究結論較少。

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