一種RFID晶片及RFID標籤的製作方法
2023-06-19 13:22:07 1
本發明涉及物聯網技術領域，尤其涉及一種RFID晶片及RFID標籤。
背景技術：
目前，採集物質濃度的設備一般包括傳感器、數據收發器和數據處理器，數據收發器一般基於無線數據傳輸技術而分開設置為位於傳感器端的數據發送器和位於數據處理器端的數據接收層，數據發送器一般固定在需要採集物質濃度的位置，數據接收層則一般移動設置從而可在不同位置採集數據。在實際操作中，數據發送器從傳感器中從傳感器中獲取採集到的物質濃度數據，無線發送到數據接收層，數據接收層接收到數據後發送給數據處理器處理。
申請號為200720139520.6的實用新型專利公開了一種體內植入式生化參數自動檢測系統裝置，該裝置的傳感器帶有RFID模塊，植入人體後可檢測血糖等物質的濃度，並通過RFID無線射頻技術在體外用電子標籤讀寫器讀取濃度數據。從該專利公開的方案可知，其傳感器內部的電路較為複雜，成本較高。同樣的問題也存在於申請號為201310523567.2的基於RFID技術的農產品品質風險預警系統、申請號為201420058121.7的食用油中重金屬檢測器和申請號為201420530263.9的氣體傳感檢測RFID智能感知終端等方案中。
申請人構思了一種通過電子化學檢測器來檢測物質濃度的電子標籤，該電子標籤應當具有結構簡單、體積小、成本低廉等優勢，但是需要設計一種可與該電子標籤進行匹配的RFID晶片，本案由此產生。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是：提供一種可用於採集物質濃度的電子標籤中的RFID晶片，進一步地提供一種可採集物質濃度的RFID標籤。
為了解決上述技術問題，本發明採用的技術方案為：
一種RFID晶片，包括處理器、數據採集模塊和射頻模塊，所述數據採集模塊和射頻模塊分別與所述處理器電連接。
本發明採用的另一技術方案為：
一種RFID標籤，包括RFID天線、檢測器和上述的RFID晶片，所述RFID天線與所述檢測器分別與所述RFID晶片電連接。
本發明的有益效果在於：數據採集模塊和射頻模塊分別與處理器電連接，射頻模塊用於接收讀取終端發射的信號，數據採集模塊用於採集檢測器的電學參數，例如電壓值、電流值、電阻值和/或電容值，並將檢測到的結果輸出給處理器，處理器根據檢測結果計算出目標物質的濃度；本發明的RFID晶片與RFID天線和檢測器連接後組成一枚完整的RFID標籤，即可測出目標物質的濃度，並通過無線射頻的方式向讀取終端發送該濃度數據。
附圖說明
圖1為本發明實施例的RFID晶片的模塊連接圖；
圖2為本發明實施例的RFID標籤的結構示意圖；
圖3為本發明實施例的RFID標籤的剖面圖；
圖4為本發明實施例的RFID標籤的側視圖。
標號說明：
1、RFID晶片；11、處理器；12、數據採集模塊；
121、R/C前端模擬量採集單元；122、線性放大器單元；
123、A/D編碼單元；13、射頻模塊；131、RF/DC轉換單元；
132、射頻調製解調電路；14、存儲單元；15、輸出單元；2、RFID天線；
21、第一天線層；22、絕緣層；23、第二天線層；3、檢測器；
31、半導體層；32、接收層；33、電極；34、基板。
具體實施方式
為詳細說明本發明的技術內容、構造特徵、所實現目的及效果，以下結合實施方式並配合附圖詳予說明。
本發明最關鍵的構思在於：增加數據採集模塊，可用於採集檢測器或傳感器檢測到的數據，以便推算出目標物質的濃度。
請參閱圖1，一種RFID晶片，包括處理器11、數據採集模塊12和射頻模塊13，所述數據採集模塊12和射頻模塊13分別與所述處理器11電連接。
從上述描述可知，本發明的有益效果在於：數據採集模塊和射頻模塊分別與處理器電連接，射頻模塊用於接收讀取終端發射的信號，數據採集模塊用於採集檢測器的電學參數，例如電壓值、電流值、電阻值和/或電容值，並將檢測到的結果輸出給處理器，處理器根據檢測結果計算出目標物質的濃度。
進一步地，所述數據採集模塊12包括R/C前端模擬量採集單元121、線性放大器單元122和A/D編碼單元123，所述R/C前端模擬量採集單元121、線性放大器單元122和A/D編碼單元123依次電連接，所述A/D編碼單元123與所述處理器11電連接。
由上述描述可知，R/C前端模擬量採集單元用於採集檢測器在不同環境下產生的相應電阻值和電容值，經線性放大器單元進行線性放大，然後經A/D編碼單元進行A/D轉換後與基準參數進行比較，最後輸出結果給處理器。
進一步地，所述射頻模塊13包括RF/DC轉換單元131和射頻調製解調電路132，所述RF/DC轉換單元131和射頻調製解調電路132電連接，所述射頻調製解調電路132與所述處理器11電連接。
由上述描述可知，射頻模塊用於接收讀取終端發射的信號，一方面RF/DC轉換單元將射頻能量轉換為電能並給處理器和數據採集模塊供電，另一方面射頻調製解調電路應處理器的指令完成電子標籤與讀取終端的應答工作。
進一步地，還包括存儲單元14，所述存儲單元14與所述處理器11電連接。
由上述描述可知，數據採集模塊採集到檢測器的電阻值和電容值後輸出給處理器，並存儲在存儲單元中，存儲單元中還存儲有基準參數。
進一步地，還包括輸出單元15，所述輸出單元15與所述處理器11電連接。
由上述描述可知，輸出單元可通過處理器發出外部控制信號，用於顯示檢測器採集到的實時相關信息，如LED顯示器、聲光報警燈，同時可用於驅動其他外部電路模塊等達到類似功能。
一種RFID標籤，包括RFID天線2、檢測器3和上述的RFID晶片1，所述RFID天線2與所述檢測器11分別與所述RFID晶片1電連接。
從上述描述可知，RFID晶片與RFID天線和檢測器連接後組成一枚完整的RFID標籤，可以將檢測到的目標物質的濃度參數通過無線射頻的方式向讀取終端發送。
進一步地，所述檢測器3包括半導體層31和接收層32，所述接收層32設置在所述半導體層31上，半導體層31與所述RFID晶片1電連接。
由上述描述可知，檢測器通過接收層與目標物質相互作用而改變半導體層的電學性能，半導體層的電學性能的改變可被RFID晶片識別出，RFID晶片可依據預設的電學性能參數與濃度的對應關係得到目標物質的濃度數據並進行存儲，從而實現對目標物質濃度的檢測，通過測量半導體層的電學性能的改變來獲得目標物質的濃度，不僅結構簡單，而且在半導體層上通過薄膜技術設置接收層，製造工序簡單、成本較低。
請參照圖1至圖4，本發明的實施例一為：
一種RFID標籤，包括RFID晶片1、RFID天線2和檢測器3，RFID天線2和檢測器3分別與RFID晶片1電連接。
RFID晶片1包括處理器11、數據採集模塊12、射頻模塊13、存儲單元14和輸出單元15。數據採集模塊12包括依次電連接的R/C前端模擬量採集單元121、線性放大器單元122和A/D編碼單元123。射頻模塊13包括RF/DC轉換單元131和射頻調製解調電路132，RF/DC轉換單元131和射頻調製解調電路132電連接。A/D編碼單元123、射頻調製解調電路132、存儲單元14和輸出單元15分別與處理器11電連接。輸出單元15為GPO輸出單元。
R/C前端模擬量採集單元121中的R代表的是電阻值，C代表的是電容值，本發明環境採集的方法採用的是電阻、電容或組合電阻電容的方式來實現，有利於採集精度的控制。
射頻模塊13用於接收讀取終端發射的信號，一方面RF/DC轉換單元131將射頻能量轉換為電能並給處理器11和數據採集模塊12進行供電，另一方面射頻調製解調電路132應處理器11的指令完成RFID標籤與讀取終端的應答工作。
在調試過程中，R/C前端模擬量採集單元121用於採集檢測器3在不同環境下產生的相應電阻和電容，經過線性放大器單元122進行線性放大，然後經A/D編碼單元123進行A/D轉換後與存儲在存儲單元14中的基準參數做比較，最後輸出結果給處理器11並存儲在存儲單元14中；使用時，根據檢測到的檢測器3的電阻和/或電容值反推出目標物質的濃度，這些數據都將保存在存儲單元14中待用，或以讀取終端所發出的請求為準回傳給讀取終端實現數據上傳至伺服器。
正常情況下，RFID晶片1處於休眠待機模式，在接收讀取終端發出的無線電信號後，獲取必要的能量後給處理器11和數據採集模塊12供電。RFID晶片1接收到讀取終端的指令後激活處理器11，並通過數據採集模塊12對存儲單元14的數據進行更新或寫入，同時根據接收到的讀取終端的指令要求執行輸出單元15，或者將存儲單元14的實時數據反饋回傳給讀取終端，完成環境參數採集、保存和數據傳輸等過程。輸出單元15可通過處理器11發出外部控制信號，用於顯示檢測器3採集到的實時相關信息，如LED顯示器、聲光報警燈，同時可用於驅動其他外部電路模塊等達到類似功能。
如圖2和圖3所示，RFID天線2為高頻天線，RFID天線2包括第一天線層21、絕緣層22和第二天線層23，第一天線層21和第二天線層23分別設置於絕緣層22的兩側面，第一天線層21和第二天線層23分別包括首端和尾端，第一天線層21的尾端和第二天線層23的首端電連接，第一天線層21的首端和第二天線層23的尾端分別與RFID晶片1電連接。
如圖4所示，檢測器3包括半導體層31和接收層32，接收層32設置在半導體層31上，接收層32具有和目標物質相互作用以改變半導體層31的電學性能的特性，RFID晶片1和半導體層31分別與RFID天線2電連接。
目標物質為氣體目標物質或液體目標物質。氣體目標物質可能存在於空氣中，將檢測器3置於空氣中時，接收層32可在空氣中與氣體目標物質相互作用。液體目標物質可被施加到檢測器3上，接收層32可與液體目標物質接觸並且隨後與液體目標物質相互作用。
接收層32可包括至少一個功能化的接收層32或功能組，接收層32可通過與目標物質發生化學反應而與目標物質相互作用，例如與目標物質形成化學鍵。這種相互作用也可包括接收層32與目標物質形成氫鍵相互作用。另外，接收層32還可以其他反應和/或相互作用的形式與目標物質進行相互作用。
半導體層31具有在不同條件下允許或阻止電流或電子穿過的獨特電學特性。例如，半導體層31可設置為當檢測到目標物質時允許電流穿過和/或當目標物質的濃度低於預先設定值時阻止電流穿過。
半導體層31包括不同的半導體材料，例如有機半導體、高分子半導體、小分子半導體、氧化物基半導體和/或矽基半導體。不同的製造工序可選擇不同的半導體材料，半導體材料與基板34和/或接收層32或其他諸如敏感性、響應時間、檢測範圍等的所需性能的其他因素相匹配。
為了測量穿過半導體層31的電流，半導體層31上或上方設有兩個電極33，電極33可直接沉積於半導體層31上，且可增強電極33-半導體界面接觸處的導電性。另外，電極33可沉積於包括接收層32的材料上。這些不同的結構可導致不同的電極33與半導體層31的接觸電阻，因為在電極33-半導體之間的接收層32層可有效地增強或降低不同層之間的界面處的導電性。兩個電極33分別與RFID天線2電連接。
電極33可包括一個或多個金屬接點於半導體層31上或上方。另外，電極33可包括但不限於金屬、摻雜半導體或導電氧化物等的任何導電材料。
檢測器3可在基板34上製造，接收層32、半導體層31和基板34依次層疊設置。基板34可為向檢測器3的整體結構提供額外機械強度的材料組成。例如，這種材料可包括諸如聚合物、玻璃或陶瓷的材料。基板34可為聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)柔性基板或在一些其他結構中的非柔性基板。另外，基板34還可為上述的半導體層31，例如矽基基板，其包括支撐檢測器3的整體結構所必須的剛度以及具有所需要的電學特性的半導體材料。
檢測器3的材料沉積層，如接收層32、半導體層31和電極33均基於有機材料，這對僅可低溫和/或溶液製程的一些優選的製造工序有利，這樣可保持製程有較低的複雜度和成本。
檢測器3的製造可包括四個主要的步驟或工序。第一步，對柔性PET材料的基板34根據標準清洗步驟進行清洗；第二步，將半導體層31沉積於基板34上。例如有機半導體材料可在PET基板上進行旋塗或印刷，然後乾燥所沉積的溶液以形成半導體的薄膜。第三步，將功能化接收層32溶解於溶劑中，例如但不限定於水、丙酮、乙腈、甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、乙酸乙酯、乙二醇、苯、氯仿、四氫呋喃、叔丁基醇、環己烷、氯乙烷、乙醚、乙二醇二乙酯、二甲亞碸或任何其他適合溶解上述功能化接收層32的溶劑，將溶解有接收層32的溶劑在沉積的半導體層31的表面上進行旋塗或印刷。溶劑可在隨後接下來的乾燥步驟中去除，這樣形成包括接收層32的材料層。另外，接收層32還可使用物理氣相沉積或化學氣相沉積而沉積於半導體層31上。
半導體層31的厚度大約為50nm並且接收層32的層大約為30nm。這些厚度值在不同設計中有所變化以優化多個參數，如任何製程偏移，半導體層31和/或接收層32層的電阻值，電極33和半導體之間的接觸電阻和當接收層32和目標物質相互作用時對半導體層31產生的場效應等。
最後，在第四步中，將例如金屬薄膜或其他導電材料的兩個電極33沉積於接收層32的表面上。接收層32可做成預設圖形，這樣電極33可和半導體層31直接接觸。電極33可通過利用旋塗和/或印刷來沉積於半導體層31上，做成預設圖形的導電材料層。電極33沉積於半導體層31上或其上方時，利用印刷可將電極33做成預設圖形。
兩個電極33以大約50um到100um的距離而間隔開。這可有效地調整暴露於並且相互作用於目標物質的接收層32的區域以及半導體和/或位於兩個電極33之間的接收層32材料的電阻。這些參數反過來影響檢測器3的靈敏性和性能。
整個製造工序基於溶液製程，並且每個沉積層基於有機材料。這就使得檢測器3的製造規模可輕易地擴大，例如在不同印刷技術中利用卷對卷製造工序。這些溶液製程可僅需低溫設備並且不涉及任何真空工序，因此可進一步降低檢測器3的製造成本。
如圖4所示，檢測器3暴露於目標物質中，通過在兩個電極33之間應用電壓或電流偏置，可獲得檢測器3在目標物質的影響下的電流-電壓特性。不同數量或濃度的目標物質可基於得到不同的電流-電壓特性而被確定。在一些實施例中，電流-電壓特性可由兩個電極33之間的電阻值而檢測，這就意味著檢測獲得的目標物質的數量由檢測器3的電阻變化而變化。
目標物質可為流體目標物，如氣體目標物或液體目標物。目標物質可被施加在具有暴露的接收層32的區域上，例如包含氣體的目標物質可被帶到接收層32，包含溶液的目標物質可被施加到和接收層32直接接觸，或者檢測器3可置於氣體或液體等包含目標物質的環境中。
接收層32僅選擇性地和目標物質發生相互作用，例如在和目標物質作用時不會與任何其他物質形成化學鍵。因此當接收層32和目標物質發生相互作用，接收層32將暫時或永久地與目標物質形成化學鍵。而目標物質將改變接收層32的電荷狀態。結果，位於下層的半導體層31的電流-電壓特性得以改變，這可能包括半導體層31的導電性變化。這變化歸因於接收層32的相鄰層電場和/或接收層32的導電性的改變，因此兩個電極33之間的半導體層31和/或接收層32的電阻得以改變。通過使用合適的測量儀器，諸如萬用表或半導體參數分析儀，檢測器3的電學特性應可被檢測到並確定。
檢測器3的活性層僅包括兩層材料可使檢測器3的製造更簡單，這提高了檢測器3的良品率和性能的穩定性。薄膜結構也降低了製造檢測器3所需的材料數量。
本領域技術人員可根據需要檢測的物質而選擇相應的接收層32以檢測目標化學物的濃度。
如：2-氨基砒啶N-氧化物(2-AMINOPYRIDINE N-OXIDE)可被選為製作接收層32的材料，這樣檢測器3可用作檢測克他命(2-(2-氯苯基)-2-(甲氨基)環乙醇-1-酮(2-(2-CHLOROPHENYL)-2-(METHYLAMINO)CYCLOHEXAN-1-ONE)的藥物檢測器，因為克他命可通過氫鍵吸附於2-氨基砒啶N-氧化物。
又如：檢測器3還可用於檢測生物胺的濃度，以便大眾能夠輕易知曉魚類的新鮮程度。檢測生物胺濃度的檢測器3以電化學薄膜為基層，分子印跡聚合物為接收層32，並具有以下特點：(1)以兩種不同的功能單體製備而成的分子印跡聚合物用以檢測生物胺；(2)透過薄膜技術及電技術，將分子印跡聚合物的靈敏度大大提升；(3)能夠低成本而大量生產；(4)能夠檢測在氣相中低至十億分率的生物胺濃度；(5)具有較高的重複性和選擇性。
分子印跡聚合物中的識別位點是由兩種不同的功能單體組成，這兩種功能單體都是以二氧雜硼烷18-冠-6為核心，而這兩種功能單體能連接在不同的骨幹上，使其生產的聚合物具有導電或不導電的能力。
在製備帶導電性的分子印跡聚合物時，在10ml的乙腈中加入1mmol的功能單體2-(4-(di([2,2'-bithiophen]-5-yl)methyl)phenyl)-5,5-dimethyl-1,3,2-dioxaborinane，3和18-(di(2,2'-bithiophen]-5-yl)methyl)-2,3,5,6,8,9,11,12,14,15-decahydrobenzo[b][1,4,7,10,13,16]hexaoxacyclooctadecine,4，0.5mmol的模板(腐胺，putrescine)，1mmol的四正丁基高氯酸胺和1mmol的三氟乙酸，並置于振蕩器中振蕩半小時，讓單體和模板能夠充分作用。當振蕩完成後，溶液會被通氮去氧。此分子印跡聚合物以電聚合(循環伏安法，Cyclic Voltammetry)的方式在電膜玻璃基板製作。此過程會以50mV/s的掃描速率重複掃描0.5-1.5V三百次。在上述過程的聚合物薄膜會先以乙腈衝洗，以除去表面未有反應的混合物，並以0.01M的氫氧化鈉溶液將模板分子從聚合物中提取，直至在可見紫外光分光光譜儀上檢測不到氫氧化鈉溶液中含有模板，再放在氮氣環境下乾燥。然後，聚合物薄膜會在500ml的乙腈中以超聲波振蕩兩小時，乙腈中的懸浮物會被濾去；乙腈則會在減壓旋轉濃縮機內除去，淨餘的固體會放在氮氣環境下乾燥並稱重備用。在製備過程中，適當容量的乙腈會加進淨餘的固體中(1mg MIP/1mL CAN)。
在製備非導電的分子印跡聚合物時，在5ml的乙腈中加入1mmol的功能單體5,5-dimethyl-2-(4-vinylphenyl)-1,3,2-dioxaborinane，3'和N-(2,3,5,6,8,9,11,12,14,15-decahydrobenzo[b][1,4,7,10,13,16]hexaoxacy clooctadecin-18-yl)methacrylamide，4'，5mmol的交聯劑(三羥甲基丙烷三甲基丙烯酸酯，TRIM)，0.1mmol的光引發劑(2-羥基-4-(2-羥乙氧基)-2-甲基苯丙酮)和0.1mmol的模板(腐胺，putrescine)，並置于振蕩器中振蕩半小時，讓單體和模板能夠充分作用。當振蕩完成後，溶液會被通氮去氧。此分子印跡聚合物以紫外光(365nm)誘發聚合反應。去氧後的混合物會放置在365nm的紫外光下一小時，誘發聚合反應，並接著放置24小時讓聚合反應完成。在上述過程中得到的白色聚合物會先以乙腈衝洗，以除去表面未有反應的混合物，並磨過300目篩，用10％氫氧化銨甲醇溶液將模板分子從聚合物中提取24小時，再以甲醇洗聚合物，直至在可見紫外光分光光譜儀上檢測不到甲醇中含有模板，才放在氮氣環境下乾燥、備用。在製備過程中，適當容量的乙腈會加進淨餘的固體中(1mg MIP/1mL CAN)。
用以檢測生物胺的檢測器3的製備過程為：1、將玻璃基地物(玻璃片)根據標準程序清洗其表面；2、半導體薄膜會以旋轉塗布的方式在玻璃基底物的表面形成半導體層31；3、分子印跡聚合物薄膜層同樣以旋轉塗布的方式在半導體層31的表面形成接收層32；4、金屬電極33以蒸鍍的方式在分子印跡聚合物薄膜層上形成。由於此分子印跡聚合物具有獨特的識別位點，能夠把腐胺固定。當分子印跡聚合物的識別位點被填充後，其電阻值便會改變(增加或減少)。將檢測器3接上指定的電壓或電流，其特性的轉變便可以被詳細測量。
在上述實施例中，RFID晶片1採用的是被動型的無源晶片，其適應性更強，在能量失效後可以立刻進入休眠狀態，產生的無線電反射能量相對較低，對無線電輻射及汙染的控制更有保證。相對的，有源晶片的無線電是持續發射的，消耗的功率和電輻射汙染都比較大，對人體健康有一定影響；且有源晶片由於存在供電的必要性，在某些領域特別是供電不足的情況下很難實現其應用的功能。因此，在供電充足且不考慮環保問題的場景下，也可以對上述實施例進行改進，增加一電源模塊，同時去除射頻模塊中的RF/DC轉換單元131，將RFID晶片1製作成有源晶片。
綜上所述，本發明提供的RFID晶片及RFID標籤，可用於檢測物質的濃度，通過測量半導體層的電學性能的改變來獲得目標物質的濃度，不僅結構簡單，而且在半導體層上通過薄膜技術設置接收層，製造工序簡單、成本較低。
以上所述僅為本發明的實施例，並非因此限制本發明的專利範圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等同變換，或直接或間接運用在相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護範圍內。