基于RFID技术的无线无源纺织应变传感器研究进展

邹艳玲 郑聪 江心雨 胡吉永

摘要： 随着物联网（IoT）时代和老龄化社会的出现，实现无线无源应变测量的超高射頻（UHF RFID）纺织应变传感器在医疗保健领域变得越来越有吸引力。文章综述当前UHF RFID纺织应变传感器的研究现状，首先介绍该类传感器测量应变的原理，再概述现阶段的制备技术、传感性能表征和评价指标，最后总结了基于RFID技术的无线无源纺织应变传感器在商业化发展中存在的问题，为今后研发该类应变传感器提供方向。

关键词： RFID;无线无源;端口阻抗;介电常数;背散射功率;纺织应变传感器

中图分类号： TP212

文献标志码： A

文章编号： 10017003（2021）08005307

引用页码： 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

基金项目： 上海市自然科学基金资助项目（20ZR1400500）

作者简介： 邹艳玲（1996），女，硕士研究生，研究方向为智能纺织品。通信作者：胡吉永，教授，hujy@dhu.edu.cn。

基于超高频射频识别（ultra-high frequency radio frequency identification，UHF RFID）技术的无线无源纺织应变传感器是将RFID技术与纺织材料结合，形成具有应变传感功能的设备[1-2]，为军事、城市安全、农业，尤其是医疗健康领域长时无障碍监测技术提供了新方案。对比传统应变传感器，该类传感器解决了传统应变传感监测系统的布线问题，操作安装简便，大大降低系统的复杂程度和成本。对比其他无线传输方式的应变传感器，RFID纺织应变传感器采用当下流行的无源UHF RFID标签技术的通信及感应方式——电磁反向散射耦合原理（如雷达原理模型）[3]，依靠电磁能工作[4-5]，克服了ZigBee[6-7]、蓝牙[8-9]等无线传感器的有源局限，具备小型化和柔性化潜力，避免了健康检测中定时定点的限制，成为可穿戴设备的潜在选择。

本文首先介绍超高频RFID纺织应变传感器用于测量应变的原理，在此基础上概述RFID柔性应变传感器，特别是RFID织物应变传感器的研究现状，并展望其发展前景。

1 RFID应变传感器传感原理及结构

从RFID标签结构及工作原理可知RFID应变传感器的工作原理，如图1所示。图1（a）为RFID标签的一般结构。在RFID标签天线和芯片阻抗匹配的范围内，由于应变对传感元件的激励作用，引起RFID标签天线端口阻抗或者基底材料介电常数变化，进一步引起天线某性能参数的变化，从而在该参数变化与应变之间形成某种传感响应关系。

根据在应变下RFID标签主要结构单元发生变化的具体参数，可以作为应变传感元件的有天线、输入阻抗型应变传感元件（引入外接应变传感元件）和基材[10]。

1.1 天线为应变传感元件

如图1（a）所示，选用RFID标签中的天线作为应变传感元件时[11]，标签天线在应力作用下会发生应力方向的尺寸和有效电导率的变化，引起天线增益和反射系数的变化，阅读器所获取的背散射功率（Prx）[12]也随之改变：

Prx=14|Γ1-Γ2|2λ4πd4G2G2readPtx（1）

式中：Prx是閱读器的连续波输出功率，G和Gread分别是标签天线和阅读器天线的增益，Γ1和Γ2分别表示芯片的能量收集和在调制阻抗状态下天线芯片的功率反射系数;其中增益G、天线阻抗与天线的几何形状和结构有关。

1.2 输入阻抗型RFID应变传感器

将具有应变感应功能的传感组件集成到RFID标签中，使芯片的端口输入阻抗随应变而变化，该类传感器同时具有识别和感应功能。

根据敏感材料引入位置，天线混合型可以分为两类。一种是把应变敏感材料作为天线导体的一部分而引入，例如将电阻式或电容式柔性应变传感元件附加在芯片的电耦合环外侧[13-14]，如图1（b）所示。这类应变传感元件可以是传统应变片，也可以是新兴电阻/电容式传感纤维或织物。应力作用会改变传感元件的电阻或电容，从而改变天线的端口阻抗。根据式（1），端口阻抗的改变最终会影响背散射功率的读取。同理，该传感器可以通过测量背散射功率参数的改变量，计算天线的应变。

另一种天线混合型是将柔性应变传感元件与RFID标签通过导线相连，应变测量单元通常是电阻式应变元件及惠斯通电桥，如图1（c）所示。在拉伸过程中，阅读器首先发射“询问”信号用于激励无源电子标签和与标签相连的惠斯通电桥，利用惠斯通电桥测量应变电阻的变化量，并将其变化量以电压信号的形式传输到RFID标签的芯片中储存，随后将携带芯片信息的“应答”信号经由标签天线辐射回去，最后由阅读器通过对标签信号的接收和解析将电阻变化信息转换为应变值。

1.3 基材型

基材型则是以标签天线的柔性基板作为传感敏感元件[15]，天线基板在拉伸过程中其有效介电常数（εe）也随之改变。

基板的有效介电常数、天线的有效电气长度对天线谐振频率的影响如下式所示：

fr=c2leεe×r（2）

式中：le是天线的有效电气长度;εe是天线基板的有效介电常数;r是折叠半波偶极天线的校正因子。

由式（2）可知，天线的谐振频率将在其有效电长度或基板厚度发生变化时发生变化，该传感器可以通过测量谐振频率的偏移来反映应变大小。

2 RFID柔性织物应变传感器

2.1 天线为传感单元

为了使天线作为传感元件的RFID传感器具有较好的弹性和回复性，通常使用织物为基底材料。在织物上制作标签天线的纺织工艺可分为三类[16]：采用织物成形工艺，以导电纱织造天线，属于织物的一部分;或采用刺绣工艺，按照天线的结构将导电纤维缝制在织物基体上;或采用丝网印刷工艺，在柔性织物基体上按照天线结构印刷纳米导电颗粒或导电聚合物等，制备柔性可穿戴织物天线。

2.1.1 织物成形技术

织物成形技术就是将导电线在织造过程中按照天线几何形状无缝地整合到主体材料中，该工艺制作的天线标签设计坚固、透气性好、可机洗且重复使用。

Liu[17]设计了一款Bellyband天线应变传感器，该传感器天线由导电和非导电纱针织而成，并集成到主体服装中，通过物理变形引起的背散射功率（RSSI）的变化进行传感，用于检测许多生物过程（如呼吸或子宫收缩）中出现的变形[18]。导电纱选择镀银尼龙，非导电纱线包括黏胶纤维和聚酰胺混纺纤维，以提供必要的舒适性和弹性。标签芯片通过焊接到小而薄的印刷电路板（PCB）或柔性印刷电路板（FPC）（10 mm×10 mm）上，然后将PCB或FPC插入编织天线内的集成袋中进行封装，如图2所示。该传感器应变感应性能经测试最大读取范围[19]可达3.96 m，传感器灵敏度约为0.5 dB/mm。

Osman[20]提出了一种基于射频识别（RFID）标签的表皮无源无线应变传感器，如图3所示。将RFID纺织应变传感器附在许多截瘫患者具有运动能力的眉毛或脖子周围的皮肤上，通过面部肌肉的运动调整相关的皮肤拉伸，导致标签几何形状失真。当与安装在轮椅上的近端阅读天线结合使用时，就有机会监视肌肉抽搐的程度和方向，从而控制轮椅的转向与速度，辅助残疾人和无行为能力人的生活和康复。该标签设计在负载钛酸钡的聚二甲基硅氧烷（PDMS）基材上，经过评估证明了应变仪的灵敏度和重复性与皮肤舒展有关。其中应变高达10%时，读取发射功率差约为4 dB。

2.1.2 刺绣工艺

可穿戴的刺绣制作天线的RFID标签具有许多优点，它可以嵌入到任何布料中，而不必附着在布料上。但刺绣天线采用的导电纱线与纳米金属颗粒或金属薄膜相比，刺绣天线的电阻较大，天线导体的导电性较差[21]。缝制天线的电导率取决于缝纫图案、线迹密度和电线的电导率[22]。

Hasani[23]设计了一款刺绣基射频识别（RFID）的传感器，如图4所示。天线布局绣在聚酯基可拉伸织物上，该织物在多次使用后具有可重复的特性[24]，缝制天线时使用的导电线是Shieldex 110 f 34 dtex 2层HC。作者提出了一种读取范围提取技术（该技术依赖于激活RFID IC所需的阈值功率[25]的检测）与不需要任何协议的基于雷达横截面（RCS）的技术之间的比较，并证实使用这两种技术都可以实现并直接询问具有与所施加应变相关的电气长度的刺绣RFID传感器。频移-应变的最佳拟合曲线的斜率表明，使用雷达技术的灵敏度为066，若使用读取范围-应变之间关系，则灵敏度为0.43。

2.1.3 丝网印刷工艺

丝网印刷工艺是一种低成本生产具有识别和传感功能的RFID标签的解决方案。在柔性和纸质基板上使用丝网印刷的RFID电路，以提供RFID感应功能。

Merilampi[26-27]采用丝网印刷方法将导电油墨分别按照两种几何形状天线（折叠偶极子和直线偶极子）印刷在可拉伸的PVC和商业弹性织物基材上，制备了基于可拉伸无源UHF RFID标签天线的可穿戴应变传感器，用于监测人体的功能和动作。以标签接收的背向散射功率信号来检测机械应变，就几何形状而言，折叠偶极子对应变的测量响应比直线偶极子的响应更加模糊，如图5所示。并且由于折叠偶极子天线的RFID应变传感器天线迹线狭窄，拉伸过程易出现断裂，对于测量较大应变而言并不实用，可以用于测量相对较小的应变，而较宽的可拉伸迹线的直线偶极子天线的RFID应变传感器更适用于大型运动的测量。就标签天线材料而言，在拉伸应变下，PVC上天线墨膜电导率的下降是由于墨膜微结构变化引起的，而织物上电导率的下降主要是由于织物的结构变化（如宽度、长度、厚度等物理尺寸）而不是墨膜的微结构变化。

He[28]介绍了一种基于被动式UHF RFID的应变传感器，该传感器旨在用于基于人体运动的人机交互。研究采用的天线结构包含一个辐射天线和一个带有芯片的馈电环路，天线的这两部分通过电感耦合。带有芯片的馈电环路贴附在不可拉伸的基板Cat.#A1220（热熔胶屏蔽布）表面，同时辐射天线贴附在完全可拉伸的基板（商业化可拉伸银纺织材料）表面，如图6所示。在应变作用下，辐射天线背散射功率信号的改变被储存到馈电环路的芯片里。该传感器采用了独立的天线设计，可以保护天线的小馈电环路部分免受辐射天线伸长期间的机械应力的影响，从而显著提高该传感器的可靠性。

以上采用织物成形或织物表面刺绣加工技术制作的RFID基应变传感器结构更加柔软，可直接与其他织物结合，不需要黏合剂，具有一定耐洗性。但是在机器的高张力和高速摩擦下可能导致纤维导电层破损，引起复丝导电纱线的挤压变形，引起传感性能失稳。另一方面，织物表面丝网印刷涂层工艺与纺织和刺绣方法相比，该方法更加经济，环境友好，该工艺制作的RFID应变传感器的天线几何形状和基底材料在很大程度决定了传感器的应用领域。

为了提高天线式RFID传感器传感性能，现研究采用很多方式，例如引入参考标签[12]、改变天线几何形状[27]、改变基材[29]等。不同的天线几何形状会影响应变和背散射功率之间的线性关系，折叠偶极子应变传感器相较于直线型传感器的传感线性度低，但它产生的信号比直线型要大，仅可测试10%范围内的应变。针对不同原理的传感器，标签天线的基底材料的选择也不一样，织物基材更适合于基材型RFID应变传感器。就织物而言，织物中存在孔隙，在拉伸过程中，这些孔隙的变化会影响所测得的相对介电常数的变化。

2.2 输入阻抗型RFID应变传感器

Long等[30]提出了一种RFID应变传感器标签，由导电织物制成可拉伸天线。如图7（a）所示，为了创建用于传感标签的高效天线，使用了不可拉伸、高导电的镀铜涂层织物形成天线主体，并通过导线将可拉伸导电织物与天线主体缝接。如图7（b）所示，分别测试对比了可拉伸织物宽度为1 cm和3 cm时的传感响应，观测到反向散射强度的变化百分比在一定频率下与天线伸长率都呈近似线性关系。对于标签A（1 cm），在所有频率下反向散射強度的变化百分比都是随应变增加而单调增加的;对于标签B，它在920 MHz以上的频率下就不再单调了。并且传感器标签A和B在应变下显示的最高读取距离分别为10 m和7.5 m。

目前尚未见报道纺织基电耦合环外侧接入应变传感元件的研究，但已有学者在类似于织物的纸基上开发输入阻抗式的RFID应变传感器。Kim等[14]提出一种新型喷墨打印双标签RFID免校准触觉传感器，除RFID芯片外，所有组件都使用纳米银墨水喷墨打印在纸基（纤维素纸和合成纸）上，如图8所示。在事件检测之前（在空气中），传感组件的自谐振频率设计与天线的谐振频率相同（图8（b））;事件发生时，由于感测部件的负载效应，两个标签的响应谐振频率之间存在差异，传感器标签的谐振频率移至较低频率。由两个RFID标签并置实现差分传感机制具有许多优势，包括事件检测的高灵敏度及几乎独立于环境灵敏度的性能。

对于输入阻抗型RFID应变传感器，通常将RFID标签与柔性电阻式应变传感元件相连，因为电阻式应变测量技术成熟而稳定。该类传感器在天线部分引入或附加在电耦合环外侧的结构有望解决芯片在织物基底上受力易脱落的问题，但是对于应变传感元件引入的位置和宽度等结构参数与传感性能关系的讨论尚不明确，今后有开展该类研究的必要。第二种附加结构中，增加外围电路的设计不仅改变了天线阻抗匹配，且给传感标签整体尺寸的小型化设计提出挑战。

2.3 基材型RFID应变传感器

Teng[15]设计并制造了一款RFID柔性应变传感器，传感器由Ecoflex 00-50基底材料和Galinstan组成，如图9所示。在应力作用下，天线基板的有效介电常数变化，它的谐振频率也随之发生变化。该柔性RFID传感器具有可拉伸性，可轻松应用于可穿戴应变传感器或作为软机器人系统的一部分，该传感器具有较大的测量读数范围（>7.5 m），显示全方向性。

基材型RFID应变传感器测量应变时，学者们主要采用天线谐振频率作为应变传感表征指标，该参数的测试不易受环境影响且稳定。但是有学者指出，应变与介电常数之间的变化不成线性关系[31]。

综合前述研究，目前基于RFID纺织应变传感器性能评价如表1所示，所开发的RFID纺织应变传感器其读取距离达到10 m左右，灵敏度到达0.5 dBm/mm，应变范围一般不超过50%。此类RFID纺织应变传感器更多是在实验室实现原型制备及功能验证，针对实际应用环境还有很多关键技术要突破。并且其芯片与天线在使用拉伸过程中很容易造成脱落，如何既保证其舒适性又保留芯片天线其良好接触，是未来天线式应变传感器工业化发展的一个难题。

3 结 语

UHF RFID纺织应变传感器在结构原理验证方面取得了较大进展，有两种方法将RFID技术引入纺织应变传感器，要么RFID标签的天线、基材为应变敏感纺织材料，要么将具有应变感应功能的纺织组件集成到RFID纺织标签中。无论采用哪种方法，RFID技术可以无源无线的测量应变，改进了现有的有线应变测量系统在经济性和不可移动性上的缺陷。但是，为了缩小实验室研究与基于情景的纺织UHF RFID应变传感器之间的研究差距，还需要从以下几方面进一步展开研究。

1）在传感表征方面，综合考虑传感性能，优化筛选适合表征应变的射频参数。

2）在传感性能评价方面，一般仅讨论灵敏度、线性度和读取距离，初步确定传感器的可使用性，尚未深入探讨此类传感器在实际应用环境下的应变响应特性，如重复稳定性、滞后现象等。

3）就RFID标签制备来说，一般在织物表面用丝网印刷制备天线，但未研究天线的几何形状和织物基底材料对传感器的性能及应用限制，也没有探讨在拉伸应变中芯片与天线之间的互联失效。

4）当RFID柔性应变传感器应用于人体体征测试时，不论是将传感器植入人体内部还是将传感器与服装集合在一起，传感器都会受到液体、人体、障碍物等的干扰，目前关于这些因素对RFID柔性应变传感器影响的研究结论较少。

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