可穿戴NFC織物天線及能量傳輸的研究進展

鄭 聰，鄒艷玲，胡吉永，蔣金華

(東華大學 a. 紡織學院；b. 紡織面料技術教育部重點實驗室，上海 201620)

近場通信 (near field communication, NFC)技術結合非接觸式射頻識別(radio frequency identification, RFID)技術以及無線互連技術，其既能夠實現標簽感應，也能夠實現數據和能量傳輸。NFC技術雖然是由RFID技術發展而來，但與RFID以及其他幾種近距離無線通信技術相比，其具有較大的優勢。基于NFC技術的能量傳輸設備已被廣泛應用于可穿戴領域，滿足監測人體體溫、汗液、運動姿勢等需求。為了推進NFC技術應用于人體健康狀態的實時監測，研究可穿戴NFC織物天線是十分迫切的。

NFC天線是以NFC技術為核心，基于共耦匹配完成數據、能量傳輸，實現數據的非接觸式共享。NFC天線的通信距離一般在10 cm以內，工作頻率為13. 56 MHz，采用線圈結構[1]。傳統的NFC天線結構較為簡單，外形通常為矩形或圓形，采用一定線寬、線距的薄銅導線，以一定的匝數繞在磁性基板上，工作時在起始端和結束端加上電源激勵[2]。當NFC天線應用于可穿戴產品時，要求其結構簡單、質量小、體積小，并且在穿戴時既不影響人體的活動又具有性能穩定性，而傳統的NFC天線不滿足這些可穿戴應用要求。

為滿足可穿戴要求，NFC天線與紡織品的深度結合引起了人們的廣泛關注。采用纖維和織物制作天線，不僅能夠最大限度地利用織物的柔韌性和孔隙率，而且對皮膚有保護作用。此外，隨著技術的進步，可以使普通紗線和織物具有天線導體所需的電學性能，同時不顯著改變它們的力學性能，這使線圈天線直接嵌入織物成為可能。從NFC通信原理及天線結構開始，由此逐步深入總結可穿戴NFC織物天線及能量傳輸的重要設計參數、制備技術現狀和面臨的機遇及挑戰。

1 NFC通信原理及天線結構

1.1 NFC通信原理

NFC線圈天線及能量傳輸的工作原理是基于電磁場耦合(見圖1)，當讀取器的線圈天線靠近被動式NFC天線時，產生耦合時變磁場，NFC天線收集讀取器線圈產生的部分磁場能量，并以模擬電壓輸出，從而將磁場耦合成電信號，用于為外部電子設備供電或數據和能量的傳輸[3]。線圈天線作為NFC系統的核心部分，決定了該系統的傳輸效率、品質因數、識別距離等特性。

圖1 NFC天線原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of NFC antenna

1.2 NFC天線結構

線圈天線按幾何形狀一般分為兩類：矩形和圓形[4]，如圖2所示。線圈天線的結構參數主要包括線圈面積、繞線寬度、繞線間距、基板邊距等。已有研究探索了線圈天線的結構參數與性能之間的關系，如表1所示。

(a) 矩形線圈天線 (b) 圓形線圈天線

表1 線圈天線的結構與性能關系

對于天線的結構性能，主要從天線的電感、電容以及電阻3個方面進行評價。在一定的工作頻率下，為保證天線性能較好，應使天線電感較大、分布電容較小、電阻較小。NFC天線可用于能量傳輸，其評價指標主要為能量傳輸效率。NFC系統中的讀取器線圈以及被動式NFC天線可看作是一個二端口網絡，其能量傳輸效率可借助于散射參數(S21)來表示[10]。在輸入與輸出端阻抗匹配的情況下，η=|S21|2，S21可以直觀地反應NFC系統能量傳輸效率[11]。

雖然已有研究從理論上揭示了天線的結構及尺寸與天線性能之間的關系，但天線的構成材料，特別是對于可穿戴織物天線而言，天線導體和基底織物的選擇及制備工藝也影響天線傳輸性能。

2 NFC織物天線制備工藝及性能

隨著紡織材料和生產工藝的進步，生產可穿戴NFC天線的方式有很多種，如刺繡、縫制、光刻、印刷等[12]。縫制是手工制備NFC天線[13]，光刻工藝具有較高的可控性和精確性，但生產成本較高[14]。本文主要介紹采用印刷和刺繡工藝制作NFC織物天線的方法。

2.1 印刷

印刷天線是指直接在織物基板上印刷導電油墨后固化而成。印刷技術具有工藝簡單、成本低的優點，并且可以靈活改變線圈的形狀，可選擇多種織物基底。常用印刷工藝原理及印刷天線如圖3所示。印刷天線質量取決于印刷工藝、導電油墨和織物基底材料。

2.1.1 絲網印刷

絲網印刷是在絲網版的一側倒入油墨，然后用刮板對油墨施加一定的壓力刮向另一側，從而在織物表面印有圖案[17]。在采用絲網印刷制作天線時，印刷工藝、固化條件等都會對天線性能產生影響，印刷天線的電感主要取決于天線的結構，電阻則受印刷工藝、固化條件和油墨性能影響較大。

(a) 絲網印刷原理圖

(c) 印刷織物天線[15-16]

2.1.1.1 印刷工藝

對于天線印刷工藝的研究已較為成熟，雖然大多數的印刷工藝用于制作RFID天線，但是如今越來越多的學者對NFC印刷天線進行了研究。Li等[18]采用印刷技術在65/35滌棉織物上制備圓形線圈天線，試驗結果表明，該線圈天線具有良好的柔韌性，同時其可以實現1. 51 W的直流輸出。但是與繞制的線圈天線相比，印刷線圈天線的損耗較大，從而導致傳輸效率較低，最高只有37%。因此，需要合適地選取制作工藝以及材料從而降低印刷線圈天線的電阻以及電容。徐磊等[19]分析印刷壓力、印刷速度、固化溫度與固化時間對矩形線圈天線電阻的影響，研究表明，當印刷速度與印刷壓力較高時，會使銀漿向基底材料的轉移不充分，導致天線電阻增加，而較低的固化溫度、較短的固化時間使銀漿中的有機載體未能得到充分的燃燒，也會導致天線電阻增加。劉薇等[20]研究刮印角度和固化條件等參數變化對矩形線圈天線性能的影響，結果表明：隨著刮印角度的增大，絲網垂直方向的分力增大，則油墨的轉移量增加；但當刮印角度增大到一定值時，角度對垂直方向的分力減小，天線阻抗值變化較小。Salmerón等[21]探究絲網印刷網版密度對NFC線圈天線直流電阻率的影響，試驗表明，隨著網版密度的增加，導電銀漿易擴散，線圈的電阻率呈下降趨勢。

2.1.1.2 印刷材料

采用絲網印刷技術制作織物天線時，除了印刷工藝會對天線的性能產生影響，不同的織物基底以及油墨也會對天線的性能產生影響。Suh等[15]探究不同的織物基底材料以及涂層材料對矩形線圈天線性能的影響，經試驗證明：天線的電阻受涂層材料的影響較大，這是因為部分涂層滲入導電印刷層，從而對天線的電阻產生影響；而天線的電感因織物基底材料的不同而具有較大差異，這是由織物表面的粗糙度所造成的。使用硅酮涂層所制得的不同織物基底的天線性能如表2所示。

表2 織物天線性能

印制天線的導電油墨大部分是導電銀漿、導電銀碳混合漿料或導電銅漿。Choi等[22]分別采用銀、銅作為導電材料制作NFC矩形線圈天線，探究不同的印刷材料以及印刷層厚度對天線電阻的影響。當印刷層厚度為3 μm時，用銀、銅印刷的天線電阻分別為1. 1 kΩ和118 Ω，用銀制作的線圈天線電阻顯著高于銅天線，這是由印刷層的粗糙度以及燒結問題造成的；對于不同厚度的印刷層，雖然天線電阻隨著印刷層厚度的增加而呈現下降的趨勢，但是下降的幅度較小，因此印刷層的厚度對于天線電阻的影響較小。白歡等[23]討論油墨種類與天線印刷層電阻的關系，結果表明，油墨固含量越高則天線導電層線電阻越小，但成本增加，在綜合考慮天線性能與成本的情況下，選用銀漿含固量為50%時的8000A型導電銀漿更適合印刷。王森等[24]從導電油墨黏度的角度討論不同的導電油墨對天線電阻的影響，結果表明，油墨黏度過大或過小時都會使天線電阻增加，在印刷時應選用合適的油墨黏度，這對保證天線的性能以及降低成本是十分重要的。

2.1.2 噴墨印刷

噴墨印刷是一種采用噴墨打印機的印刷技術，通過計算機控制系統將導電油墨選擇性地噴在織物基底表面，從而形成所需的圖案。目前通常選用壓電式噴墨印刷制作天線。由于織物的表面是粗糙、不均勻的，在織物上進行噴墨打印，墨滴極易發生滲透，從而影響墨層厚度。墨層厚度不僅決定了天線的柔性，而且對天線的電學性能有較大影響。因此，需要采用適當的噴墨工藝控制墨滴在織物表面的沉積過程，以達到天線的設計要求。

2.1.2.1 印刷工藝

Mujal等[25]采用噴墨印刷技術設計、制作圓形線圈天線，此天線的品質因數最高可達5，并且兩天線間的傳輸距離可達3. 5 cm。為了進一步提高天線的品質因數，應選擇適當的噴墨印刷工藝以控制墨滴的沉積能力，同時導電墨水的導電性應有所提高。楊修宇[26]探究噴印墨量、噴印距離等對線圈圖形精度的影響，進而總結出對天線性能的影響：天線電阻與噴印墨量呈U形變化，當噴印墨量過少時，線圈圖形未完全覆蓋，導致漏鍍現象，而噴印墨量過多時，墨水易向四周擴散，導致線圈相連，使天線線圈短路；隨著噴印距離的增加，墨滴在空中的時間增加，飛行軌跡受空氣的影響增大，從而使得墨滴不能落到規定的線圈軌跡上，飛花增加，線圈精度下降。Sternkiker等[27]探究墨滴間距等對線圈印刷層電學特性的影響，研究表明，隨著墨滴間距的增大，單位面積上的墨滴減少，相應的天線電阻增大。因此，在實際制作過程中，應選擇合適的墨滴間距從而減小天線電阻。由于織物表面是粗糙的，可在織物表面黏合一層涂料，使織物表面光滑，再使用噴墨印刷的方法制作天線，從而提高天線效率。Ortego等[28]利用噴墨技術制作NFC天線，并且制作不同印刷層數的天線，研究發現，不同的印刷層數會使天線電阻發生變化，印刷層數越多，天線電阻較小，并且天線品質因數較高，這是因為防止額外的阻尼電阻的出現。但在實際情況中，也要考慮印制層數增加而使天線厚度增加的問題，從而選擇合適的噴墨層數得到較優的天線品質因數。

2.1.2.2 印刷材料

噴墨打印的材料主要為噴墨墨水，根據所使用的材料，可分為金屬噴墨墨水和石墨噴墨墨水，其中金屬噴墨墨水有銅制、銀制、鎳制、錫制等。墨水的種類與特點[29-30]如表3所示，電阻率[29]如表4所示。

表3 噴墨墨水種類與特點[29-30]

表4 噴墨墨水種類與電阻率[29]

噴墨墨水作為天線的導電部分，直接影響著天線的性能與質量。Salmerón等[31]探究不同噴墨墨水對天線性能的影響，試驗表明：對于印刷后形成的墨層越薄，印刷的適應性越強，天線電阻率較高，天線的射頻性能較好；墨水中溶質顆粒的含量越高，膜層厚度越厚；但當墨水中溶質顆粒含量過高時，墨水的黏度也高，墨水的流動性也就越差，從而導致膜層的均勻性差，粗糙度增加，使制備的天線電阻增大。噴墨打印中使用的基底材料通常為紙、磁性基板或高聚物薄膜等，使用織物作為噴墨打印基底材料的研究較少，這是因為織物表面的多孔特性導致墨滴在織物表面的沉積過程不易控制。因此，對于噴墨印刷NFC織物天線，在織物方面仍然需要進一步的研究。

噴墨打印與絲網印刷相比而言，絲網印刷技術已被廣泛使用，技術較成熟[32]，但是絲網印刷的網板對于不同的設計不能重復使用，因此成本高；而噴墨打印不需要網板，數字化圖案設計靈活多樣，但由于織物表面粗糙且多孔，在織物上噴墨印刷是十分具有挑戰性的。

2.1.3 其他印刷技術

除了絲網印刷與噴墨印刷外，3D打印技術的應用也十分廣泛。3D打印技術類似于噴墨打印技術，結合傳統的二維噴墨打印與分層快速制造[33]。Ota等[34]利用3D打印技術，將各種導電器件配置在手套內部，實現完全嵌入式電子傳感系統，這種結構可進行光檢測以及熱傳遞。使用3D打印機制作天線具有較高的效率以及低成本，并且能夠制作復雜的三維結構。要提高墨滴在織物基底上的成型精度，就必須使墨滴在織物基底上的鋪展是可控的。此外，Li等[35]使用高速輥壓法將事先按照一定的線圈結構蝕刻成的鋁箔壓到非織造布上，再連接相關電子元件，從而制作了一個濕度NFC傳感器，采用這種方法制得的天線同樣具有成本低、性能好的特點。

2.2 刺繡

使用刺繡工藝制作天線，導電紗可以直接通過刺繡的方式縫制在織物上，通過計算機輔助技術或者手動縫制來制作天線不需要膠水或其他的黏合材料，使天線的性能更加穩定[36]。典型的刺繡天線如圖4所示。采用刺繡制作天線時，導電紗作為天線的導電部分，了解導電紗的特性是十分有必要的。導電紗縫制在織物上時，針跡長度、針跡間距、針跡類型等會對導電紗線的密度產生影響，進而對導電紗的電阻產生影響，從而影響天線傳輸性能。

圖4 刺繡織物天線[16, 37]Fig.4 Embroidery fabric antenna[16, 37]

2.2.1 刺繡工藝

使用刺繡工藝制作線圈天線是一種較為理想的制作方式，但是與傳統金屬線圈天線相比，刺繡天線仍然存在一些局限性，如導電紗線的電阻率比金屬材料高、天線的線圈結構會因刺繡工藝而產生變形等[38]。因此，需要探討刺繡工藝對天線性能的影響，從而選擇適當的工藝參數以提高線圈天線的結構穩定性。王蕊等[39]探究刺繡工藝對傳輸線直流電阻的影響，主要從針跡類型、針跡長度、針跡間距、刺繡張力方面展開，研究表明，針跡類型與電流流向密切相關，針跡間距、針跡長度分別影響導電紗密度與落針數，刺繡張力則對導電紗線本身影響較大。如果按照天線電流的分布進行刺繡，此時制得的刺繡天線性能最佳。但是在復雜電流的天線中，這樣的操作不僅困難，也會增加成本。因此，在考慮天線性能的基礎上，也要考慮天線的制作成本。盡管已有不少研究者對可穿戴織物天線的制作工藝進行探究，但是對于天線制作工藝中的刺繡技術的研究仍然不足，因此，在今后的研究中，關于刺繡工藝與天線性能的關系應進一步探索。

從前述研究，對比以上兩種制作天線的常用工藝方法(見表5)，與印刷相比，刺繡天線中的電流沿著紗線流動，更適合在現成織物表面制作線性天線，并且刺繡工藝成熟，為大規模生產提供了潛力。

表5 制作NFC織物天線的工藝比較

2.2.2 刺繡材料

2.2.2.1 導電紗線

刺繡中使用的導電紗是由一定比例的不銹鋼纖維或其他導電纖維與普通纖維混紡制成，較常用的導電紗是鍍銀導電紗。常用導電紗線及其結構如圖5所示。使用導電紗可以在織物上形成各種圖案，對于天線的設計是有益的，同時，導電紗必須具備一定的強力和柔韌性，減少紗線的斷裂和損失，也要避免應強力過大而不易繡在織物上。導電紗不僅要滿足刺繡工藝要求，而且在織物天線制備完成后，紗線的電學性能保持良好。常用導電紗線的電阻率比較如表6所示，不同導電紗線的電阻率是有差異的。Jiang等[37]采用刺繡技術制作矩形線圈天線，并且探究鍍銀尼龍紗、不銹鋼涂層導電紗線對天線性能的影響，研究表明，由于鍍銀尼龍紗的電阻較小，因此制備的天線品質因數較高。在天線的制備中，導電紗線的性能與天線的性能密切相關，導電紗線的電阻越大則天線的電阻越大，導致天線的品質因數下降，因此天線傳輸性能降低。

(a) 銅聚酯合股紗[40]

表6 常用刺繡導電紗及其電阻率

2.2.2.2 基底材料

采用柔性織物做基底，可提高天線的柔軟性和可穿戴性。基底織物的選擇在天線制作中同樣起著至關重要的作用，了解織物的電學性能是制作天線的基礎。常用的基底織物有棉、毛氈、羊毛布、絲織物、牛仔布等，這些常用的基底織物特性如表7所示。織物性能不僅與纖維的種類有關，也與織物組織結構具有較大聯系。織物的介電常數表示織物保持電荷的能力。損耗角正切又稱損耗因子，是指能量損失的大小。為了減少介質損耗，應保證介電常數和損耗角正切較小。織物的損耗因子與介電常數的比值表示織物與微波的耦合能力，比值越大則耦合能力越強。對于具有能量傳輸功能的NFC織物天線而言，為使天線的耦合能力較強，織物的損耗因子與介電常數的比值應較大。

表7 幾種常用的基底織物及其特性

3 應用環境及影響因素

3.1 應用

NFC是一種短程無線通信技術，由于NFC天線可無接觸共享信息，具有易于使用、低成本和高安全性的特點，其已被應用于越來越多的領域，特別是在醫療保健和健康監測領域，常用于檢測人體體溫、汗液、血壓、血糖、心率等，如圖6所示。將NFC設備嵌入服裝中或黏附在皮膚上，當施加有交變電流的讀取器線圈靠近NFC設備上方時，被動式NFC設備便可通過電磁場耦合感應電流，收集能量，從而持續工作，再將感測到的信息無線傳輸到讀取設備中，實現對人體健康的無線檢測。Jiang等[46]開發一種無電池可穿戴傳感系統，該系統將溫度和汗液傳感器與NFC織物天線相結合，由NFC織物天線作為供電設備，實現了同時對人體體溫、汗液的檢測，并且數據的讀取可由智能手機獲取，實現了便捷的無線健康檢測。

(a) 監測人體體溫[41]

(b) 監測人體汗液[46]

3.2 影響因素

可穿戴天線集成于服裝中，容易受到穿著環境的影響，因此，研究織物天線的穿戴性能是必不可少的。天線在嵌入織物內后，既要保證其具備優良的電學性能和力學性能，也要避免因為人體的活動而使其性能受較大的影響。

3.2.1 人體活動

在織物天線應用于可穿戴領域時，因人體的活動而產生的線圈拉伸、彎曲、偏移等都會對其性能產生影響。Jiang等[37]利用刺繡技術制備NFC織物天線，并研究天線在彎曲作用下的性能，結果表明，所設計的天線可在顯著的彎曲角度下仍正常工作，并且可以放置在衣服上的任何地方，仍然能夠以13. 56 MHz的工作頻率進行通信，最大讀取距離約為5. 6 cm。

Xu等[41]采用鋸齒形固定縫線和正弦波調制的方法，使紗線和織物在拉伸后天線仍具有穩定的性能，試驗表明，采用這種改進的刺繡工藝方法制得的NFC織物天線，在拉伸率達到50%的情況下，天線電感、品質因數、能量傳輸效率等參數仍能保持穩定。

Suh等[47]利用印刷技術將線圈印刷在牛仔布織物上，探究兩線圈間的距離、位移等對天線傳輸性能的影響，試驗表明，當兩天線間的距離以及位移大于2 cm時，天線的傳輸效率小于5%，從而使天線不能工作。

為保證天線的性能穩定，應避免因制作過程以及人體正常活動造成的天線結構過度變形。同時，讀取人體健康數據時，讀取器線圈與被動式NFC天線的位置也應加以考慮，使天線傳輸的能量達到所需要求。許多研究表明，雖然人體的活動會對天線性能產生一定的影響，但是采取適當的方法，如選取合適的材料以及制作工藝，可以減少或者避免天線性能的損失。

3.2.2 外部環境

在天線正常工作時，天線性能不僅受人體的日常活動影響，外界條件對其性能的影響更加劇烈，特別是溫、濕度及金屬的影響。為延長織物天線的使用壽命，避免因水洗降低天線性能，Scarpello等[48]提出了可清洗天線，即在織物天線上涂覆熱塑性聚氨酯，防止天線吸水和腐蝕，試驗表明，隨著清洗周期的增加，制成的天線仍具有穩定的諧振頻率以及輻射效率。

NFC天線集成到服裝上時，可能會因為服裝或人體所佩戴的裝飾品而遇到金屬環境，金屬環境對磁場有抵消作用，從而減弱天線磁場強度，使接收能量的天線無法耦合到足夠能量。李維佳等[49]提出使用吸波材料以增強線圈天線的磁場強度，使磁場的磁力線更加規律。梁軒瑜[50]提出將兩個NFC天線串聯，串聯后天線的公共邊電流方向相同，而非公共邊電流方向相反，此種方法制得的NFC天線空間磁場較強，沒有受到金屬環境的影響，并且可以保證足夠的通信距離。

NFC設備作為溫度傳感器時，需對溫度進行監測，在設計中必須確保天線自身性能不受溫度的影響，能夠在不同的溫度環境下穩定工作。Fadamiro等[51]研究溫度變化對天線的影響，結果表明：溫度越高，天線的諧振頻率越低；當基底材料的介電常數較低時，溫度變化對天線性能的影響較小；在較高溫度時，可在天線外包覆一層防護材料，使天線免受高溫的影響。

NFC設備作為濕度傳感器時，對濕度的變化較為敏感，天線容易受到濕度的影響，而濕度會改變天線材料的電磁性能，因此需避免濕度的變化對天線本身電學性能的影響。Hertleer等[52]通過研究多種天線基底織物探究相對濕度對天線性能的影響，研究表明，隨著相對濕度的增大，天線的諧振頻率減小、損耗增多、介電常數增大，當天線基底材料的回潮率小于3%時天線的性能更穩定。

4 結 語

可穿戴NFC織物天線具有較大發展前景，隨著技術的進步，越來越多的NFC天線應用于健康監測領域，使用NFC織物天線制成可穿戴電子設備是可行的。并且，與傳統的可穿戴電子設備相比，可穿戴NFC設備具有無電池、生產成本低、體積小的優點。同時，可穿戴NFC織物天線采用織物作為天線的基底材料，直接與服裝相結合制成可穿戴設備，可同時具備NFC技術的優點以及織物柔軟、透氣、舒適的特點。因此，可穿戴NFC織物天線具有無限應用潛力，然而也面臨著一些挑戰。

在結構方面，NFC天線主要為矩形或圓形，通過改變天線的設計尺寸，可使天線具備所要求的電學性能。與傳統的NFC天線相比，NFC織物天線采用織物作為基底材料，可以無縫嵌入服裝中，不影響人體的行動。然而，現有的研究大多關注于NFC天線本身的結構大小及其性能，對織物的探究較少，如何在使用織物的同時使天線具有良好的電學性能以及性能穩定性是需要進一步探究的。

在天線制備工藝方面，現有的制備工藝可成功使用織物制備出NFC天線，但制備的天線性能不穩定，容易出現導電部分脫落、變形等問題。并且，對于天線能量傳輸的研究還不夠全面，仍需要深入探索。因此，如何選擇適當的制備工藝及工藝的相關設計參數使天線傳輸性能穩定仍然需要研究。

在應用環境影響方面，可穿戴NFC織物天線大多黏附在人體皮膚表面或嵌入服裝面料，在使用過程中會發生一定程度的磨損，如人體活動而造成的變形、彎曲和摩擦等，從而使天線的性能降低。因此，在設計可穿戴NFC織物天線時，也要考慮應用環境對NFC天線的性能影響，保證天線在穿戴過程中的性能穩定性。