论文部分内容阅读
随着现代无线通信设备需求数量的增长,与该设备相关的天线技术得到不断发展。印制式天线以其结构轻巧、便于集成、可与设备共形、制备容易等优点,在通信、雷达、导航、生物医学等不同领域中得到广泛应用。此外,印制式天线可以直接集成到电子产品,这种工艺开辟了智能传感系统这一新的应用领域。印制式天线可以被用作无线智能传感器的不同组成部分,如无线电路部件、传感元件、甚至是能量采集器。本文主要研究的是印制式天线及无线NO2气体和应力传感器。一、文章第一部分我们根据印制式天线的基本原理,设计一系列不同谐振频率的印制式天线,频段为0.4~3.9 GHz;并用高频结构仿真器(HFSS)软件对其性能进行仿真。结合凹版印刷技术,用导电纳米银油墨在聚酰亚胺(PI)衬底上制备印制式天线。通过Agilent 5071B矢量网络分析仪测试天线性能,分析和对比印制式天线谐振频率的设计、仿真和测试结果;从总的对比结果来看我们所制备的印制式天线S11参数在其工作带宽内都小于-20 d B,天线增益都大于1.5 d Bi。这说明它们可以被应用到传感器件领域,这为后续的印制式无线智能传感器的研究打下基础。二、文章第二部分结合凹版印刷技术制备印制式无线NO2气体传感器和在印有银叉指电极的称量纸上用铅笔绘制NO2传感元件,并研究了其气敏性能。我们选择中心频率为2.68 GHz的印制式天线作为无线NO2气体传感器无线信号传输天线,用三氧化钨/聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(WO3/PEDOT/PSS)和磺化掺银还原氧化石墨烯/聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(S-Ag-RGO/PEDOT/PSS)这两种复合材料分别作为NO2气敏材料。通过凹版印刷技术制备印制式无线NO2气体传感器。WO3/PEDOT/PSS基印制式无线NO2传感器对1-4 ppm NO2气体具有较高的气敏响应。其谐振频率和回波损耗S11随着NO2气体浓度的增加呈线性增加;在1 ppm NO2气体下,其谐振频率变化了63 MHz,回波损耗改变了3 d B。在4 ppm NO2气体下,该传感器谐振频率偏移量高达355 MHz,回波损耗增加了14 d B。S-Ag-RGO/PEDOT/PSS基印制式无线NO2传感器在1-4ppm NO2气体下,回波损耗随着NO2气体浓度的增加呈线性增加。在1 ppm时,印制式天线的谐振频率减少了103 MHz,回波损耗减少了3 d B。印制式无线NO2气体传感器无线检测的读取距离为0.8 m。由此可见,我们成功制备了对低浓度NO2具有高响应的印制式无线NO2传感器。此外,我们还制备了铅笔绘制式NO2传感元件,它由印刷在称量纸上的银叉指电极和铅笔印迹两部分组成;其结构中的印制式银叉指电极不仅降低了传感元件的电阻,而且银叉指电极中的纳米银颗粒对铅笔印迹中的石墨烯纳米片还产生了修饰作用。这使得绘制在银叉指电极上的NO2传感元件具有更高的气敏响应值S(对5 ppm NO2,S=8.34%),其值是直接绘制在称量纸上传感元件的五倍多。并将制备的铅笔绘制式NO2传感元件与Zig Bee无线通信模块结合,使得它们能够应用于无线环境监测。三、文章第三部分研究了弹性衬底上磺化还原氧化石墨烯(S-RGO)基印制式天线参数及其对应力的响应。我们用S-RGO油墨导电通过凹版印刷技术分别在弹性乳胶(latex)和丁晴橡胶(NBR)衬底上制备了中心频率为2.47 GHz的印制式天线。对比两种衬底上印制式天线图案分辨率,我们选择更适合制备S-RGO基印制式天线的NBR作为衬底。并表征了基于NBR衬底的S-RGO基印制式天线薄膜方块电阻、印刷厚度和微观结构。基于S-RGO的特殊性能,S-RGO基印制式天线作为无线应力传感器的敏感元件;当外力加载到该传感器上,S-RGO能够轻易的发生形变,从而引起传感器电性能变化。我们先后对其做了有线和无线应力传感测试。在有线测试中,对0.2%-2%的不同应变,S-RGO基印制式应力传感器归一化电阻值呈指数增加。在2%应变下,传感器归一化电阻值为50,应变因子高达6200。而且,从该传感器对毛笔划过、健康成年男性正常脉搏跳动和运动后脉搏跳动、人体弯指产生应变的有线测试结果来看,其具有快速检测微应变的性能。这种性能是进行无线测试的前提,表明S-RGO薄膜对应力具有优异的敏感度。无线测试结果表明,S-RGO基印制式应力传感器天线具有较高的信号传输性能,在谐振频率处的回波损耗为-35 d B,天线增益为2.68 d B,电压驻波比VSWR为1.02,天线传输效率为99%。我们用Agilent 5071B矢量网络分析仪通过无线通信方式记录了S-RGO印制式应力传感器对正常男性脉搏、眨眼、呼吸、发声、弯指生理活动应变产生的天线谐振频率和回波损耗变化。由此可见,S-RGO印制式天线作为无线应力传感器件,具有较高的应变灵敏度和快速的应变响应。这对印制式无线应力传感器在智能电子皮肤中的应用具有一定的借鉴作用。本文研究的印制式天线具有良好的性能,制备的印制式无线NO2气体传感器和铅笔绘制式NO2元件可以通过无线方式实时监测低浓度NO2,印制的S-RGO无线应力传感器对微应力的敏感度高,并且能够有效的通过无线方式实行监测,为印制式无线智能传感器的研究及其在智能电子皮肤中应用提供了实验基础。