可穿戴NFC织物天线及能量传输的研究进展

郑 聪，邹艳玲，胡吉永，蒋金华

(东华大学 a. 纺织学院；b. 纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620)

近场通信 (near field communication, NFC)技术结合非接触式射频识别(radio frequency identification, RFID)技术以及无线互连技术，其既能够实现标签感应，也能够实现数据和能量传输。NFC技术虽然是由RFID技术发展而来，但与RFID以及其他几种近距离无线通信技术相比，其具有较大的优势。基于NFC技术的能量传输设备已被广泛应用于可穿戴领域，满足监测人体体温、汗液、运动姿势等需求。为了推进NFC技术应用于人体健康状态的实时监测，研究可穿戴NFC织物天线是十分迫切的。

NFC天线是以NFC技术为核心，基于共耦匹配完成数据、能量传输，实现数据的非接触式共享。NFC天线的通信距离一般在10 cm以内，工作频率为13. 56 MHz，采用线圈结构[1]。传统的NFC天线结构较为简单，外形通常为矩形或圆形，采用一定线宽、线距的薄铜导线，以一定的匝数绕在磁性基板上，工作时在起始端和结束端加上电源激励[2]。当NFC天线应用于可穿戴产品时，要求其结构简单、质量小、体积小，并且在穿戴时既不影响人体的活动又具有性能稳定性，而传统的NFC天线不满足这些可穿戴应用要求。

为满足可穿戴要求，NFC天线与纺织品的深度结合引起了人们的广泛关注。采用纤维和织物制作天线，不仅能够最大限度地利用织物的柔韧性和孔隙率，而且对皮肤有保护作用。此外，随着技术的进步，可以使普通纱线和织物具有天线导体所需的电学性能，同时不显著改变它们的力学性能，这使线圈天线直接嵌入织物成为可能。从NFC通信原理及天线结构开始，由此逐步深入总结可穿戴NFC织物天线及能量传输的重要设计参数、制备技术现状和面临的机遇及挑战。

1 NFC通信原理及天线结构

1.1 NFC通信原理

NFC线圈天线及能量传输的工作原理是基于电磁场耦合(见图1)，当读取器的线圈天线靠近被动式NFC天线时，产生耦合时变磁场，NFC天线收集读取器线圈产生的部分磁场能量，并以模拟电压输出，从而将磁场耦合成电信号，用于为外部电子设备供电或数据和能量的传输[3]。线圈天线作为NFC系统的核心部分，决定了该系统的传输效率、品质因数、识别距离等特性。

图1 NFC天线原理示意图Fig.1 Schematic diagram of NFC antenna

1.2 NFC天线结构

线圈天线按几何形状一般分为两类：矩形和圆形[4]，如图2所示。线圈天线的结构参数主要包括线圈面积、绕线宽度、绕线间距、基板边距等。已有研究探索了线圈天线的结构参数与性能之间的关系，如表1所示。

(a) 矩形线圈天线 (b) 圆形线圈天线

表1 线圈天线的结构与性能关系

对于天线的结构性能，主要从天线的电感、电容以及电阻3个方面进行评价。在一定的工作频率下，为保证天线性能较好，应使天线电感较大、分布电容较小、电阻较小。NFC天线可用于能量传输，其评价指标主要为能量传输效率。NFC系统中的读取器线圈以及被动式NFC天线可看作是一个二端口网络，其能量传输效率可借助于散射参数(S21)来表示[10]。在输入与输出端阻抗匹配的情况下，η=|S21|2，S21可以直观地反应NFC系统能量传输效率[11]。

虽然已有研究从理论上揭示了天线的结构及尺寸与天线性能之间的关系，但天线的构成材料，特别是对于可穿戴织物天线而言，天线导体和基底织物的选择及制备工艺也影响天线传输性能。

2 NFC织物天线制备工艺及性能

随着纺织材料和生产工艺的进步，生产可穿戴NFC天线的方式有很多种，如刺绣、缝制、光刻、印刷等[12]。缝制是手工制备NFC天线[13]，光刻工艺具有较高的可控性和精确性，但生产成本较高[14]。本文主要介绍采用印刷和刺绣工艺制作NFC织物天线的方法。

2.1 印刷

印刷天线是指直接在织物基板上印刷导电油墨后固化而成。印刷技术具有工艺简单、成本低的优点，并且可以灵活改变线圈的形状，可选择多种织物基底。常用印刷工艺原理及印刷天线如图3所示。印刷天线质量取决于印刷工艺、导电油墨和织物基底材料。

2.1.1 丝网印刷

丝网印刷是在丝网版的一侧倒入油墨，然后用刮板对油墨施加一定的压力刮向另一侧，从而在织物表面印有图案[17]。在采用丝网印刷制作天线时，印刷工艺、固化条件等都会对天线性能产生影响，印刷天线的电感主要取决于天线的结构，电阻则受印刷工艺、固化条件和油墨性能影响较大。

(a) 丝网印刷原理图

(c) 印刷织物天线[15-16]

2.1.1.1 印刷工艺

对于天线印刷工艺的研究已较为成熟，虽然大多数的印刷工艺用于制作RFID天线，但是如今越来越多的学者对NFC印刷天线进行了研究。Li等[18]采用印刷技术在65/35涤棉织物上制备圆形线圈天线，试验结果表明，该线圈天线具有良好的柔韧性，同时其可以实现1. 51 W的直流输出。但是与绕制的线圈天线相比，印刷线圈天线的损耗较大，从而导致传输效率较低，最高只有37%。因此，需要合适地选取制作工艺以及材料从而降低印刷线圈天线的电阻以及电容。徐磊等[19]分析印刷压力、印刷速度、固化温度与固化时间对矩形线圈天线电阻的影响，研究表明，当印刷速度与印刷压力较高时，会使银浆向基底材料的转移不充分，导致天线电阻增加，而较低的固化温度、较短的固化时间使银浆中的有机载体未能得到充分的燃烧，也会导致天线电阻增加。刘薇等[20]研究刮印角度和固化条件等参数变化对矩形线圈天线性能的影响，结果表明：随着刮印角度的增大，丝网垂直方向的分力增大，则油墨的转移量增加；但当刮印角度增大到一定值时，角度对垂直方向的分力减小，天线阻抗值变化较小。Salmerón等[21]探究丝网印刷网版密度对NFC线圈天线直流电阻率的影响，试验表明，随着网版密度的增加，导电银浆易扩散，线圈的电阻率呈下降趋势。

2.1.1.2 印刷材料

采用丝网印刷技术制作织物天线时，除了印刷工艺会对天线的性能产生影响，不同的织物基底以及油墨也会对天线的性能产生影响。Suh等[15]探究不同的织物基底材料以及涂层材料对矩形线圈天线性能的影响，经试验证明：天线的电阻受涂层材料的影响较大，这是因为部分涂层渗入导电印刷层，从而对天线的电阻产生影响；而天线的电感因织物基底材料的不同而具有较大差异，这是由织物表面的粗糙度所造成的。使用硅酮涂层所制得的不同织物基底的天线性能如表2所示。

表2 织物天线性能

印制天线的导电油墨大部分是导电银浆、导电银碳混合浆料或导电铜浆。Choi等[22]分别采用银、铜作为导电材料制作NFC矩形线圈天线，探究不同的印刷材料以及印刷层厚度对天线电阻的影响。当印刷层厚度为3 μm时，用银、铜印刷的天线电阻分别为1. 1 kΩ和118 Ω，用银制作的线圈天线电阻显著高于铜天线，这是由印刷层的粗糙度以及烧结问题造成的；对于不同厚度的印刷层，虽然天线电阻随着印刷层厚度的增加而呈现下降的趋势，但是下降的幅度较小，因此印刷层的厚度对于天线电阻的影响较小。白欢等[23]讨论油墨种类与天线印刷层电阻的关系，结果表明，油墨固含量越高则天线导电层线电阻越小，但成本增加，在综合考虑天线性能与成本的情况下，选用银浆含固量为50%时的8000A型导电银浆更适合印刷。王森等[24]从导电油墨黏度的角度讨论不同的导电油墨对天线电阻的影响，结果表明，油墨黏度过大或过小时都会使天线电阻增加，在印刷时应选用合适的油墨黏度，这对保证天线的性能以及降低成本是十分重要的。

2.1.2 喷墨印刷

喷墨印刷是一种采用喷墨打印机的印刷技术，通过计算机控制系统将导电油墨选择性地喷在织物基底表面，从而形成所需的图案。目前通常选用压电式喷墨印刷制作天线。由于织物的表面是粗糙、不均匀的，在织物上进行喷墨打印，墨滴极易发生渗透，从而影响墨层厚度。墨层厚度不仅决定了天线的柔性，而且对天线的电学性能有较大影响。因此，需要采用适当的喷墨工艺控制墨滴在织物表面的沉积过程，以达到天线的设计要求。

2.1.2.1 印刷工艺

Mujal等[25]采用喷墨印刷技术设计、制作圆形线圈天线，此天线的品质因数最高可达5，并且两天线间的传输距离可达3. 5 cm。为了进一步提高天线的品质因数，应选择适当的喷墨印刷工艺以控制墨滴的沉积能力，同时导电墨水的导电性应有所提高。杨修宇[26]探究喷印墨量、喷印距离等对线圈图形精度的影响，进而总结出对天线性能的影响：天线电阻与喷印墨量呈U形变化，当喷印墨量过少时，线圈图形未完全覆盖，导致漏镀现象，而喷印墨量过多时，墨水易向四周扩散，导致线圈相连，使天线线圈短路；随着喷印距离的增加，墨滴在空中的时间增加，飞行轨迹受空气的影响增大，从而使得墨滴不能落到规定的线圈轨迹上，飞花增加，线圈精度下降。Sternkiker等[27]探究墨滴间距等对线圈印刷层电学特性的影响，研究表明，随着墨滴间距的增大，单位面积上的墨滴减少，相应的天线电阻增大。因此，在实际制作过程中，应选择合适的墨滴间距从而减小天线电阻。由于织物表面是粗糙的，可在织物表面黏合一层涂料，使织物表面光滑，再使用喷墨印刷的方法制作天线，从而提高天线效率。Ortego等[28]利用喷墨技术制作NFC天线，并且制作不同印刷层数的天线，研究发现，不同的印刷层数会使天线电阻发生变化，印刷层数越多，天线电阻较小，并且天线品质因数较高，这是因为防止额外的阻尼电阻的出现。但在实际情况中，也要考虑印制层数增加而使天线厚度增加的问题，从而选择合适的喷墨层数得到较优的天线品质因数。

2.1.2.2 印刷材料

喷墨打印的材料主要为喷墨墨水，根据所使用的材料，可分为金属喷墨墨水和石墨喷墨墨水，其中金属喷墨墨水有铜制、银制、镍制、锡制等。墨水的种类与特点[29-30]如表3所示，电阻率[29]如表4所示。

表3 喷墨墨水种类与特点[29-30]

表4 喷墨墨水种类与电阻率[29]

喷墨墨水作为天线的导电部分，直接影响着天线的性能与质量。Salmerón等[31]探究不同喷墨墨水对天线性能的影响，试验表明：对于印刷后形成的墨层越薄，印刷的适应性越强，天线电阻率较高，天线的射频性能较好；墨水中溶质颗粒的含量越高，膜层厚度越厚；但当墨水中溶质颗粒含量过高时，墨水的黏度也高，墨水的流动性也就越差，从而导致膜层的均匀性差，粗糙度增加，使制备的天线电阻增大。喷墨打印中使用的基底材料通常为纸、磁性基板或高聚物薄膜等，使用织物作为喷墨打印基底材料的研究较少，这是因为织物表面的多孔特性导致墨滴在织物表面的沉积过程不易控制。因此，对于喷墨印刷NFC织物天线，在织物方面仍然需要进一步的研究。

喷墨打印与丝网印刷相比而言，丝网印刷技术已被广泛使用，技术较成熟[32]，但是丝网印刷的网板对于不同的设计不能重复使用，因此成本高；而喷墨打印不需要网板，数字化图案设计灵活多样，但由于织物表面粗糙且多孔，在织物上喷墨印刷是十分具有挑战性的。

2.1.3 其他印刷技术

除了丝网印刷与喷墨印刷外，3D打印技术的应用也十分广泛。3D打印技术类似于喷墨打印技术，结合传统的二维喷墨打印与分层快速制造[33]。Ota等[34]利用3D打印技术，将各种导电器件配置在手套内部，实现完全嵌入式电子传感系统，这种结构可进行光检测以及热传递。使用3D打印机制作天线具有较高的效率以及低成本，并且能够制作复杂的三维结构。要提高墨滴在织物基底上的成型精度，就必须使墨滴在织物基底上的铺展是可控的。此外，Li等[35]使用高速辊压法将事先按照一定的线圈结构蚀刻成的铝箔压到非织造布上，再连接相关电子元件，从而制作了一个湿度NFC传感器，采用这种方法制得的天线同样具有成本低、性能好的特点。

2.2 刺绣

使用刺绣工艺制作天线，导电纱可以直接通过刺绣的方式缝制在织物上，通过计算机辅助技术或者手动缝制来制作天线不需要胶水或其他的黏合材料，使天线的性能更加稳定[36]。典型的刺绣天线如图4所示。采用刺绣制作天线时，导电纱作为天线的导电部分，了解导电纱的特性是十分有必要的。导电纱缝制在织物上时，针迹长度、针迹间距、针迹类型等会对导电纱线的密度产生影响，进而对导电纱的电阻产生影响，从而影响天线传输性能。

图4 刺绣织物天线[16, 37]Fig.4 Embroidery fabric antenna[16, 37]

2.2.1 刺绣工艺

使用刺绣工艺制作线圈天线是一种较为理想的制作方式，但是与传统金属线圈天线相比，刺绣天线仍然存在一些局限性，如导电纱线的电阻率比金属材料高、天线的线圈结构会因刺绣工艺而产生变形等[38]。因此，需要探讨刺绣工艺对天线性能的影响，从而选择适当的工艺参数以提高线圈天线的结构稳定性。王蕊等[39]探究刺绣工艺对传输线直流电阻的影响，主要从针迹类型、针迹长度、针迹间距、刺绣张力方面展开，研究表明，针迹类型与电流流向密切相关，针迹间距、针迹长度分别影响导电纱密度与落针数，刺绣张力则对导电纱线本身影响较大。如果按照天线电流的分布进行刺绣，此时制得的刺绣天线性能最佳。但是在复杂电流的天线中，这样的操作不仅困难，也会增加成本。因此，在考虑天线性能的基础上，也要考虑天线的制作成本。尽管已有不少研究者对可穿戴织物天线的制作工艺进行探究，但是对于天线制作工艺中的刺绣技术的研究仍然不足，因此，在今后的研究中，关于刺绣工艺与天线性能的关系应进一步探索。

从前述研究，对比以上两种制作天线的常用工艺方法(见表5)，与印刷相比，刺绣天线中的电流沿着纱线流动，更适合在现成织物表面制作线性天线，并且刺绣工艺成熟，为大规模生产提供了潜力。

表5 制作NFC织物天线的工艺比较

2.2.2 刺绣材料

2.2.2.1 导电纱线

刺绣中使用的导电纱是由一定比例的不锈钢纤维或其他导电纤维与普通纤维混纺制成，较常用的导电纱是镀银导电纱。常用导电纱线及其结构如图5所示。使用导电纱可以在织物上形成各种图案，对于天线的设计是有益的，同时，导电纱必须具备一定的强力和柔韧性，减少纱线的断裂和损失，也要避免应强力过大而不易绣在织物上。导电纱不仅要满足刺绣工艺要求，而且在织物天线制备完成后，纱线的电学性能保持良好。常用导电纱线的电阻率比较如表6所示，不同导电纱线的电阻率是有差异的。Jiang等[37]采用刺绣技术制作矩形线圈天线，并且探究镀银尼龙纱、不锈钢涂层导电纱线对天线性能的影响，研究表明，由于镀银尼龙纱的电阻较小，因此制备的天线品质因数较高。在天线的制备中，导电纱线的性能与天线的性能密切相关，导电纱线的电阻越大则天线的电阻越大，导致天线的品质因数下降，因此天线传输性能降低。

(a) 铜聚酯合股纱[40]

表6 常用刺绣导电纱及其电阻率

2.2.2.2 基底材料

采用柔性织物做基底，可提高天线的柔软性和可穿戴性。基底织物的选择在天线制作中同样起着至关重要的作用，了解织物的电学性能是制作天线的基础。常用的基底织物有棉、毛毡、羊毛布、丝织物、牛仔布等，这些常用的基底织物特性如表7所示。织物性能不仅与纤维的种类有关，也与织物组织结构具有较大联系。织物的介电常数表示织物保持电荷的能力。损耗角正切又称损耗因子，是指能量损失的大小。为了减少介质损耗，应保证介电常数和损耗角正切较小。织物的损耗因子与介电常数的比值表示织物与微波的耦合能力，比值越大则耦合能力越强。对于具有能量传输功能的NFC织物天线而言，为使天线的耦合能力较强，织物的损耗因子与介电常数的比值应较大。

表7 几种常用的基底织物及其特性

3 应用环境及影响因素

3.1 应用

NFC是一种短程无线通信技术，由于NFC天线可无接触共享信息，具有易于使用、低成本和高安全性的特点，其已被应用于越来越多的领域，特别是在医疗保健和健康监测领域，常用于检测人体体温、汗液、血压、血糖、心率等，如图6所示。将NFC设备嵌入服装中或黏附在皮肤上，当施加有交变电流的读取器线圈靠近NFC设备上方时，被动式NFC设备便可通过电磁场耦合感应电流，收集能量，从而持续工作，再将感测到的信息无线传输到读取设备中，实现对人体健康的无线检测。Jiang等[46]开发一种无电池可穿戴传感系统，该系统将温度和汗液传感器与NFC织物天线相结合，由NFC织物天线作为供电设备，实现了同时对人体体温、汗液的检测，并且数据的读取可由智能手机获取，实现了便捷的无线健康检测。

(a) 监测人体体温[41]

(b) 监测人体汗液[46]

3.2 影响因素

可穿戴天线集成于服装中，容易受到穿着环境的影响，因此，研究织物天线的穿戴性能是必不可少的。天线在嵌入织物内后，既要保证其具备优良的电学性能和力学性能，也要避免因为人体的活动而使其性能受较大的影响。

3.2.1 人体活动

在织物天线应用于可穿戴领域时，因人体的活动而产生的线圈拉伸、弯曲、偏移等都会对其性能产生影响。Jiang等[37]利用刺绣技术制备NFC织物天线，并研究天线在弯曲作用下的性能，结果表明，所设计的天线可在显著的弯曲角度下仍正常工作，并且可以放置在衣服上的任何地方，仍然能够以13. 56 MHz的工作频率进行通信，最大读取距离约为5. 6 cm。

Xu等[41]采用锯齿形固定缝线和正弦波调制的方法，使纱线和织物在拉伸后天线仍具有稳定的性能，试验表明，采用这种改进的刺绣工艺方法制得的NFC织物天线，在拉伸率达到50%的情况下，天线电感、品质因数、能量传输效率等参数仍能保持稳定。

Suh等[47]利用印刷技术将线圈印刷在牛仔布织物上，探究两线圈间的距离、位移等对天线传输性能的影响，试验表明，当两天线间的距离以及位移大于2 cm时，天线的传输效率小于5%，从而使天线不能工作。

为保证天线的性能稳定，应避免因制作过程以及人体正常活动造成的天线结构过度变形。同时，读取人体健康数据时，读取器线圈与被动式NFC天线的位置也应加以考虑，使天线传输的能量达到所需要求。许多研究表明，虽然人体的活动会对天线性能产生一定的影响，但是采取适当的方法，如选取合适的材料以及制作工艺，可以减少或者避免天线性能的损失。

3.2.2 外部环境

在天线正常工作时，天线性能不仅受人体的日常活动影响，外界条件对其性能的影响更加剧烈，特别是温、湿度及金属的影响。为延长织物天线的使用寿命，避免因水洗降低天线性能，Scarpello等[48]提出了可清洗天线，即在织物天线上涂覆热塑性聚氨酯，防止天线吸水和腐蚀，试验表明，随着清洗周期的增加，制成的天线仍具有稳定的谐振频率以及辐射效率。

NFC天线集成到服装上时，可能会因为服装或人体所佩戴的装饰品而遇到金属环境，金属环境对磁场有抵消作用，从而减弱天线磁场强度，使接收能量的天线无法耦合到足够能量。李维佳等[49]提出使用吸波材料以增强线圈天线的磁场强度，使磁场的磁力线更加规律。梁轩瑜[50]提出将两个NFC天线串联，串联后天线的公共边电流方向相同，而非公共边电流方向相反，此种方法制得的NFC天线空间磁场较强，没有受到金属环境的影响，并且可以保证足够的通信距离。

NFC设备作为温度传感器时，需对温度进行监测，在设计中必须确保天线自身性能不受温度的影响，能够在不同的温度环境下稳定工作。Fadamiro等[51]研究温度变化对天线的影响，结果表明：温度越高，天线的谐振频率越低；当基底材料的介电常数较低时，温度变化对天线性能的影响较小；在较高温度时，可在天线外包覆一层防护材料，使天线免受高温的影响。

NFC设备作为湿度传感器时，对湿度的变化较为敏感，天线容易受到湿度的影响，而湿度会改变天线材料的电磁性能，因此需避免湿度的变化对天线本身电学性能的影响。Hertleer等[52]通过研究多种天线基底织物探究相对湿度对天线性能的影响，研究表明，随着相对湿度的增大，天线的谐振频率减小、损耗增多、介电常数增大，当天线基底材料的回潮率小于3%时天线的性能更稳定。

4 结 语

可穿戴NFC织物天线具有较大发展前景，随着技术的进步，越来越多的NFC天线应用于健康监测领域，使用NFC织物天线制成可穿戴电子设备是可行的。并且，与传统的可穿戴电子设备相比，可穿戴NFC设备具有无电池、生产成本低、体积小的优点。同时，可穿戴NFC织物天线采用织物作为天线的基底材料，直接与服装相结合制成可穿戴设备，可同时具备NFC技术的优点以及织物柔软、透气、舒适的特点。因此，可穿戴NFC织物天线具有无限应用潜力，然而也面临着一些挑战。

在结构方面，NFC天线主要为矩形或圆形，通过改变天线的设计尺寸，可使天线具备所要求的电学性能。与传统的NFC天线相比，NFC织物天线采用织物作为基底材料，可以无缝嵌入服装中，不影响人体的行动。然而，现有的研究大多关注于NFC天线本身的结构大小及其性能，对织物的探究较少，如何在使用织物的同时使天线具有良好的电学性能以及性能稳定性是需要进一步探究的。

在天线制备工艺方面，现有的制备工艺可成功使用织物制备出NFC天线，但制备的天线性能不稳定，容易出现导电部分脱落、变形等问题。并且，对于天线能量传输的研究还不够全面，仍需要深入探索。因此，如何选择适当的制备工艺及工艺的相关设计参数使天线传输性能稳定仍然需要研究。

在应用环境影响方面，可穿戴NFC织物天线大多黏附在人体皮肤表面或嵌入服装面料，在使用过程中会发生一定程度的磨损，如人体活动而造成的变形、弯曲和摩擦等，从而使天线的性能降低。因此，在设计可穿戴NFC织物天线时，也要考虑应用环境对NFC天线的性能影响，保证天线在穿戴过程中的性能稳定性。