CN111272833B - 一种柔性无源氨气传感器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种柔性无源氨气传感器及制备方法，传感器结构包括：柔性基板，所述柔性基板上设置有呈左右对称设置的弯折偶极子天线，所述弯折偶极子天线之间通过小环天线相连接，所述弯折偶极子天线的一端与小环天线相连，所述弯折偶极子天线的另一端设置有氨气敏感材料层，通过在柔性基板上，设置弯折偶极子天线和小环天线，并在氨气敏感材料层作为天线的末端加载电容与弯折偶极子天线单元两端连接为一体，从而能实现氨气的无源检测，且该传感器成本低、具有柔性、尺寸小，适用于食品包装中的氨气检测。
Description
技术领域
本发明涉及检测技术领域，尤其涉及一种柔性无源氨气传感器及制备方法。
背景技术
随着人们生活质量的提高，人们对冰鲜肉的需求越来越大，但因冰鲜肉有很高的水分活性，在运输、贮藏过程中，受氧气、自身组织酶的作用，极易发生腐败变质。腐败变质的过程中，冰鲜肉中的脂质、蛋白质和糖原作为三大营养物质，在不断转化、消耗同时产生了各类挥发性化合物或是形成挥发性化合物的前体物质，例如肉中的含氮物质和其它一些含硫蛋白质，在微生物和自溶酶的作用下分解而直接产生大量的含氮化合物、氨气和含硫化合物，所以这些气体的浓度变化可以反映出冰鲜肉的腐败程度。因此可以通过检测冰鲜肉包装中所释放的氨气作为评估冰鲜肉新鲜度的方法。
当下，大多数企业采用传统的电化学传感器对氨气气体进行检测。虽然传统的电化学传感器检测气体方法的精度高，但其成本较高，且功耗大、体积大，不适合食品包装中使用。
因此需要一种适合食品包装领域应用的、低功耗、低成本的新型传感器。
发明内容
本发明实施例提供一种柔性无源氨气传感器及制备方法，用以解决上述背景技术中提出的技术问题，或至少部分解决上述背景技术中提出的技术问题。
第一方面，本发明实施例提供一种柔性无源氨气传感器，包括：柔性基板，所述柔性基板上设置有呈左右对称设置的弯折偶极子天线，所述弯折偶极子天线之间通过小环天线相连接，所述弯折偶极子天线的一端与小环天线相连，所述弯折偶极子天线的另一端设置有氨气敏感材料层。
更具体的，所述氨气敏感材料层由WO3参杂1％的碳纳米管组成的CNT-WO3敏感材料构成。
更具体的，所述柔性基板由PEN柔性材料或PET柔性材料构成。
更具体的，所述柔性基板的厚度为0.075mm-0.175mm。
更具体的，所述弯折偶极子天线和所述小环天线由导电银材料构成。
第二方面，本发明实施例提供一种柔性无源氨气传感器制备方法，包括：
在柔性基板上按照预设图像信息进行打印，得到打印的弯折偶极子天线和打印的小环天线；
将所述打印的弯折偶极子天线和打印的小环天线进行第一次烧制，得到弯折偶极子天线和烧制后的小环天线；
将氨气敏感材料通过点胶技术打印在弯折偶极子天线上，进行第二次烧制，得到设置有氨气敏感材料层的弯折偶极子天线。
更具体的，所述打印的弯折偶极子天线和打印的小环天线进行第一次烧制的步骤，具体包括：
将所述打印的弯折偶极子天线和打印的小环天线在烧结温度100℃下烧结10分钟后在烧结温度150℃下烧结15分钟，得到弯折偶极子天线和小环天线。
更具体的，所述将氨气敏感材料通过点胶技术打印在弯折偶极子天线两端，进行第二次烧制的步骤，具体包括：
将氨气敏感材料通过点胶技术打印在弯折偶极子天线两端，得到弯折偶极子天线的末端加载电容；
将所述点末端加载电容在烧结温度120℃下烧结18分钟得到设置有氨气敏感材料层的弯折偶极子天线。
第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第二方面所述柔性无源氨气传感器制备方法的步骤。
第四方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如第二方面所述柔性无源氨气传感器制备方法的步骤。
本发明实施例提供的一种柔性无源氨气传感器及制备方法，通过在柔性基板上，设置弯折偶极子天线和小环天线，并在氨气敏感材料层作为天线的末端加载电容与弯折偶极子天线单元两端连接为一体，从而能实现无源检测，且该传感器成本低、具有柔性、尺寸小，适用于食品包装中的氨气检测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例中所描述的柔性无源氨气传感器结构示意图；
图2为本发明一实施例所描述的小环天线单元结构及等效电路示意图；
图3为本发明一实施例所描述的弯折偶极子天线单元结构及等效电路示意图；
图4为本发明一实施例欧描述的感知系统结构及等效电路示意图；
图5为本发明一实施例所描述的柔性无源氨气传感器制备方法流程图；
图6为本发明一实施例所描述的电子设备结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例中针对使用对象及环境为冰鲜肉食品包装中，介于包装环境的限定，传感器的尺寸不宜过大、柔性且以无源的方式；考虑食品的安全性，传感器的材料应该具有无毒特性；当冰鲜肉食品发生腐败初期的氨气浓度低于10ppm，所以要求传感器的精度达到2ppm及以上，量程为0-100ppm；同时，要求传感器成本低、稳定性高。
图1为本发明一实施例中所描述的柔性无源氨气传感器结构示意图，如图1所示，包括：弯折偶极子天线1，小环天线2，氨气敏感层3和柔性基板4；柔性基板4上设置有呈左右对称设置的弯折偶极子天线1，所述弯折偶极子天线1之间通过小环天线2相连接，所述弯折偶极子天线1的一端与小环天线2相连，所述弯折偶极子天线1的另一端设置有氨气敏感材料层3。
具体的，小环天线2及弯折偶极子天线1耦合构成标签天线，该标签天线设置于柔性基板的表面，标签天线的末端设置有氨气敏感材料层。
本发明实施例中所描述的柔性基板可以是指PEN柔性材料或者是指PET柔性材料。
本发明实施例中所描述的弯折偶极子天线和小环天线可以是由导电银材料打印得到。
本发明实施例中所描述的氨气敏感层材料为WO3参杂1％的碳纳米管组成的CNT-WO3敏感材料。
本发明实施例中所描述的柔性基板的厚度为0.075mm-0.175mm，具体的，可以是指0.125mm。
本发明实施例通过在柔性基板上，设置弯折偶极子天线和小环天线，并在氨气敏感材料层作为天线的末端加载电容与弯折偶极子天线单元两端连接为一体。
在本发明另一实施例中，根据本申请的功能需求，初步对传感器标签天线部分进行结构设计。作为传感器的天线标签的带宽需超宽，同时利用小环的电感特性和弯折偶极子天线较高的辐射效率的特点。设计耦合小环天线和弯折偶极子的天线标签。图2为本发明一实施例所描述的小环天线单元结构及等效电路示意图，如图2所示，其等效电路阻抗Zx可以表示为辐射电阻Rr1与天线损耗电阻Rs1和电感Ls1的串联：
Zx＝Rr1+RS1+jωLs1 (1)
对于形状为矩形的小环天线的电感值可以表示Ls1为：
其中，a、b为矩形的边长；d为矩形的对角线长度，μ0为真空中的磁导率。
Rs1表示小环天线本身损耗电阻：
其中，l为小环天线的周长；e为小环天线线宽，μ0为真空中的磁导率，σ是导体的电导率。
Rr1表示小环天线的辐射电阻：
其中，A为小环天线的面积；λ为小环天线工作频率波长。
氨气敏感层作为末端加载电阻与弯折偶极子相连，相当于在天线的等效电路中增加了一个电容Cr。其等效电路可以表示为辐射电阻Rr2、天线损耗电阻Rs2与电容Cr和电感Ls2的串联，图3为本发明一实施例所描述的弯折偶极子天线单元结构及等效电路示意图，如图3所示，其中单圈的弯折偶极子天线的结构及等效电路在不考虑天线损耗电阻的情况下，天线的输入阻抗Zr可以表示为：
Rr2表示弯折偶极子的辐射电阻:
其中，l为弯折偶极子总长度。
Ls2表示弯折偶极子的电感:
式中，l为弯折偶极子总长度；e为导线宽度；h1、h2等表示不同弯折的长度；t表示不同弯折平行线的间隔；μ0为空气中的磁导率。
Cr表示为由氨气敏感层与弯折偶极子末端加载构成的电容:
式中，m为氨气敏感层作为电极的电极活性物质质量；I为电流、；dU/dt为放电曲线斜率。即电极的比电容由敏感层活性电极材料的质量所决定。
所述天线标签为小环天线和弯折偶极子天线的耦合天线，通过耦合模型对应的输入阻抗为：
其中小环天线等效为天线电阻Rr1与电感Ls1的串联组合，弯折偶极子天线等效为天线电阻Rr2与电感Ls2及Cr的串联组合，电感Ls1与Ls2之间存在耦合系数M，从而使得小环与弯折偶极子天线从直接连接变成了耦合关系。M值得大小随着弯折偶极子与小环天线连接处与小环天线馈电口处的距离成正比。从而可以改变连接点的位置改变耦合天线的阻抗。
当天线的形状尺寸结构确定后，小环天线电阻Rr1与电感Ls1和弯折偶极子天线电阻Rr2与电感Ls2以及电感Ls1与Ls2之间的耦合系数M都不会改变；但作为敏感层的电容Cr会随着不同氨气浓度下电极材料的吸附电子特性变化而发生变化。
其中作为敏感层的电容Cr的随着氨气浓度Cq变化而变化，从而引起天线的阻抗Zin会发生变化，使得天线的谐振频率f也会变化，及Cq↑→Cr↑→Zin↓→f↓。当读写器对天线发送电磁波时，电磁波回波会发生相应的变化，进而根据读写器接受到的电磁回波变化表征出氨气浓度的变化。图4为本发明一实施例欧描述的感知系统结构及等效电路示意图。
根据设计的参数，对电子标签天线进行天线谐振频率、方向图的计算和仿真，然后很据计算和仿真的结果与实际的要求经行对比和优化，最终确定总合适的天线形状尺寸。
图5为本发明一实施例所描述的柔性无源氨气传感器制备方法流程图，如图5所示，包括：
S1,在柔性基板上按照预设图像信息进行喷墨打印，得到打印的弯折偶极子天线和打印的小环天线；
S2,将所述打印的弯折偶极子天线和打印的小环天线进行第一次烧制，得到弯折偶极子天线和烧制后的小环天线；
S3，将氨气敏感材料通过点胶技术打印在弯折偶极子天线两端，进行第二次烧制，得到设置有氨气敏感材料层的弯折偶极子天线。
更具体的，本发明实施例中所描述的打印可以是指喷墨打印也可以是指点胶打印。
本发明实施例中所描述的打印可以是借助3D打印机来实现。
本发明实施例中所描述的预设的天线结构是指预设的弯折偶极子天线和小环天线的天线结构图像信息。
将所述打印的弯折偶极子天线和打印的小环天线在烧结温度100℃下烧结10分钟后在烧结温度150℃下烧结15分钟，得到弯折偶极子天线和小环天线。
将氨气敏感材料通过点胶技术打印在弯折偶极子天线两端，得到点胶弯折偶极子天线；
将所述点胶弯折偶极子天线在烧结温度120℃下烧结18分钟得到设置有氨气敏感材料层的弯折偶极子天线。
在本发明另一实施例中，首先准备0.125mm厚度的PEN基底放入Scientific 3微电子打印机中，选用喷墨打印功能，在PEN薄膜基底上进行天线标签的小环线圈和弯折偶极电子的打印，打印材料选用导电银墨水。打印完成后将其放在加热台中烧结，先在烧结温度100℃下烧结10分钟后在烧结温度150℃下烧结15分钟。
然后将烧结完成的天线部分再次放入Scientific 3微电子打印机中，在PEN薄膜基底上及弯折偶极子的末端，运用点胶功能打印敏感层。打印完成后将其放在加热台中烧结，烧结温度120℃下烧结18分钟，最终完成整个传感器的打印和烧结。
本发明实施例通过在柔性基板上，设置弯折偶极子天线和小环天线，并在氨气敏感材料层作为天线的末端加载电容与弯折偶极子天线单元两端连接为一体，最终通过打印和烧结完成传感器的制作。
图6为本发明一实施例所描述的电子设备结构示意图，如图6所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)610、通信接口(CommunicationsInterface)620、存储器(memory)630和通信总线640，其中，处理器610，通信接口620，存储器630通过通信总线640完成相互间的通信。处理器610可以调用存储器630中的逻辑指令，以执行如下方法：在柔性基板上按照预设图像信息进行打印，得到打印的弯折偶极子天线和打印的小环天线；将所述打印的弯折偶极子天线和打印的小环天线进行第一次烧制，得到弯折偶极子天线和烧制后的小环天线；将氨气敏感材料通过点胶技术打印在弯折偶极子天线上，进行第二次烧制，得到设置有氨气敏感材料层的弯折偶极子天线。
此外，上述的存储器630中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本发明实施例公开一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：在柔性基板上按照预设图像信息进行打印，得到打印的弯折偶极子天线和打印的小环天线；将所述打印的弯折偶极子天线和打印的小环天线进行第一次烧制，得到弯折偶极子天线和烧制后的小环天线；将氨气敏感材料通过点胶技术打印在弯折偶极子天线上，进行第二次烧制，得到设置有氨气敏感材料层的弯折偶极子天线。
本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质存储服务器指令，该计算机指令使计算机执行上述各实施例提供的方法，例如包括：在柔性基板上按照预设图像信息进行打印，得到打印的弯折偶极子天线和打印的小环天线；将所述打印的弯折偶极子天线和打印的小环天线进行第一次烧制，得到弯折偶极子天线和烧制后的小环天线；将氨气敏感材料通过点胶技术打印在弯折偶极子天线上，进行第二次烧制，得到设置有氨气敏感材料层的弯折偶极子天线。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种柔性无源氨气传感器，其特征在于，包括：柔性基板，所述柔性基板上设置有呈左右对称设置的弯折偶极子天线，所述弯折偶极子天线之间通过小环天线相连接，所述小环天线具有馈电口处，所述小环天线在所述馈电口处断开，所述弯折偶极子天线的一端与小环天线相连，所述弯折偶极子天线的另一端设置有氨气敏感材料层；所述氨气敏感材料层作为末端加载电容与所述弯折偶极子天线两端连接为一体，等效为电容Cr；
所述小环天线和所述弯折偶极子天线耦合为天线标签，所述天线标签的输入阻抗为：
其中所述小环天线等效为所述小环天线电阻Rr1与电感Ls1的串联组合，所述弯折偶极子天线等效为所述弯折偶极子天线电阻Rr2与电感Ls2及电容Cr的串联组合；所述电感Ls1与所述电感Ls2之间存在耦合系数M，M值的大小随着所述弯折偶极子天线与所述小环天线连接处和所述小环天线馈电口处的距离成正比；改变所述连接处的位置影响所述天线标签的输入阻抗与匹配性能；
所述氨气敏感材料层由WO3参杂1％的碳纳米管组成的CNT-WO3敏感材料构成；
所述柔性无源氨气传感器的精度大于等于2ppm，量程为0-100ppm；
所述柔性基板由PEN柔性材料或PET柔性材料构成；
所述柔性基板的厚度为0.075mm-0.175mm。
2.根据权利要求1所述柔性无源氨气传感器，其特征在于，所述弯折偶极子天线和所述小环天线由导电银材料构成。
3.一种如权利要求1所述柔性无源氨气传感器的制备方法，其特征在于，包括：
在柔性基板上按照预设图像信息进行打印，得到打印的弯折偶极子天线和打印的小环天线；
将所述打印的弯折偶极子天线和打印的小环天线进行第一次烧制，得到弯折偶极子天线和烧制后的小环天线；
将氨气敏感材料通过点胶技术打印在弯折偶极子天线上，进行第二次烧制，得到设置有氨气敏感材料层的弯折偶极子天线。
4.根据权利要求3所述柔性无源氨气传感器制备方法，其特征在于，所述打印的弯折偶极子天线和打印的小环天线进行第一次烧制的步骤，具体包括：
将所述打印的弯折偶极子天线和打印的小环天线在烧结温度100℃下烧结10分钟后在烧结温度150℃下烧结15分钟，得到弯折偶极子天线和小环天线。
5.根据权利要求3所述柔性无源氨气传感器制备方法，其特征在于，所述将氨气敏感材料通过点胶技术打印在弯折偶极子天线两端，进行第二次烧制的步骤，具体包括：
将氨气敏感材料通过点胶技术打印在弯折偶极子天线两端，得到弯折偶极子天线的末端加载电容；
将所述点胶的末端加载电容在烧结温度120℃下烧结18分钟得到设置有氨气敏感材料层的弯折偶极子天线。
6.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求3至5任一项所述柔性无源氨气传感器制备方法的步骤。
7.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求3至5任一项所述柔性无源氨气传感器制备方法的步骤。
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