【摘 要】
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近场通信(near field communication,NFC)芯片和多传感的柔性集成是结合了硅基电子和柔性电子各自的优势实现的一种柔性混合电子(flexible hybrid electronics,FHE)集成系统,在物联网背景下“万物互连”的应用需求中迅速发展,具有广泛的应用前景。其中,智能包装是一种能够实现传感检测、信息可视化以及逻辑运算等智能化功能的包装系统,是在传统包装基础上经过了
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近场通信(near field communication,NFC)芯片和多传感的柔性集成是结合了硅基电子和柔性电子各自的优势实现的一种柔性混合电子(flexible hybrid electronics,FHE)集成系统,在物联网背景下“万物互连”的应用需求中迅速发展,具有广泛的应用前景。其中,智能包装是一种能够实现传感检测、信息可视化以及逻辑运算等智能化功能的包装系统,是在传统包装基础上经过了多学科领域交叉融合后的产物,是实现我国“十三五”规划中“智能制造2025”的重要环节,也是实现“工业革命4.0”和“互联网+产业”完美结合的战略规划之一。目前,已有的智能包装系统应用方向和功能较为单一,为满足现实生活的发展需求,对于多传感应用的场景仍然需要一个通用、低成本的解决方案。围绕上述问题,本文设计了一种近场通信芯片和多传感的柔性集成方案,可以实现通用、低成本、可定制化的多传感智能包装。为了实现并检验这一系统,本论文解决了两个主要问题。首先是针对NFC芯片的设计与实现,本论文在原有的NFC芯片基础上对其功能进行适当的扩展,将多传感接口集成到了芯片内部,用于采集外部多传感信号和提供传感器工作的偏置电压,并设计了相应的多传感控制模块和通信接口模块,在芯片原有的Mifare Ultralight卡协议基础上对其读写功能进行了扩展,实现通过NFC控制多传感接口模块的功能,此外针对该芯片的低功耗应用本论文还设计了一种时钟门控模块来降低电路的动态功耗,使芯片的整体功耗降低了约13.46%。最终该芯片通过了前后仿真验证以及流片后的各项基本功能测试,证明该芯片达到了预期的功能设计以及无源工作的要求,为多传感的柔性集成系统提供了一个基于NFC的通用、低成本的多传感控制接口,而系统的传感部分则通过印刷导电聚合物来实现定制化。为了进一步验证将设计的NFC芯片和多传感进行柔性集成对于智能包装系统应用的实用性,本论文以猪肉包装为例,结合包装的实际用途赋予其三项传感功能:温度、猪肉新鲜度和包装完整性的检测。在传感器的定制化实现阶段,本论文使用相同的导电聚合物聚(3,4-乙撑二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸盐)(poly(3,4-ethylene dioxythiophene):poly(styrenesulfonate),PEDOT:PSS)薄膜通过溶液印刷工艺制备了氨气(ammonia,NH3)传感器和防拆传感器分别用于检测猪肉的新鲜度和包装的完整性,而本论文所设计的NFC芯片作为系统的通用接口用于采集和存储NH3传感器和防拆传感器的数据,并利用集成的温度传感器来采集包装内部的温度,接着通过NFC前端模块将传感数据发送给手机端后结合定制的应用程序将包装的检测结果可视化。在表征了包装各组件的性能之后,基于柔性的衬底将传感器同NFC芯片进行柔性集成,实现了一个完整的智能包装系统。最终的实验结果表明该系统在实际可能出现的四种不同情况下均能实现对猪肉新鲜度、包装完整性以及包装内部温度的可靠检测,从而验证了本论文所提出的这种基于NFC芯片和多传感器进行柔性集成的可行性以及将这样一种柔性集成系统应用于智能包装领域来实现一种通用且低成本的多传感检测解决方案的可靠性。
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