CZ2013863A3

CZ2013863A3 - Mikrovlnná anténa s integrovanou funkcí senzoru organických par

Info

Publication number: CZ2013863A3
Application number: CZ2013-863A
Authority: CZ
Inventors: Robert OlejnĂk; Jiří Matyáš; Petr Slobodian; Karel VlÄŤek
Original assignee: Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně
Priority date: 2013-11-08
Filing date: 2013-11-08
Publication date: 2014-12-03
Also published as: CZ304850B6; WO2015067229A1; EP3069410A1; EP3069410B1

Abstract

Vynález se týká mikrovlnné antény s integrovanou funkcí senzoru organických par, zejména pak antény mikropáskového provedení se zemní rovinou, určenou k přenosu informací v bezdrátových sítích. Druhou funkcí antény je možnost detekce organických par. Anténa je tvořena substrátem (1) z elektricky nevodivého materiálu ve tvaru plošného útvaru, na jehož povrchu je nanesena elektricky vodivá funkční vrstva (2) se schopností příjmu/vysílání signálu a současně vratné adsorpce/desorpce molekul organických par. Funkční vrstva (2), konstituovaná na bázi náhodně zapletených nanotrubic, je produktem vakuové filtrace disperze uhlíkových nanotrubic přes filtrační membránu z polymerních nanovláken a to buď jako samonosná funkční vrstva nebo s integrovanou filtrační membránou, která zůstává součástí vzniklé funkční vrstvy.

Description

Mikrovlnná anténa s integrovanou funkcí senzoru organických par

Oblast techniky

Vynález se týká mikrovlnné antény s integrovanou funkcí senzoru organických par, zejména pak antény mikropáskového provedení se zemní rovinou, určenou k přenosu informací v bezdrátových sítích, při čemž druhou funkcí antény je možnost detekce organických par.

Dosavadní stav techniky

V současné době se v mikrovlnných pásmech používají antény nej různějších konstrukcí. V oblasti mikropáskových antén se můžeme setkat z hlediska materiálového s anténami tvořenými nej častěji tenkými měděnými, stříbrnými nebo jinými kovovými ploškami nebo jen vrstvami těchto kovů nanesenými na elektricky nevodivém substrátu (dielektriku). Tyto plošky jsou v podobě konstrukčně uzpůsobených struktur (mikropásků) pro konkrétní frekvence. Zemní rovina antény bývá nejčastěji umístěna na zadní straně mikropáskové antény. Tyto antény mají povrch tvořen pevnou strukturou, která není schopná reagovat na změny par nacházejících se v provozovaném prostředí a nelze ji proto využít k přenosu signálu a zároveň k detekci organických par.

V současné době se stále více v praxi prosazují antény s částmi nebo vrstvami na bázi uhlíkových nanotrubic.

Anténa podle korejské patentové přihlášky KR20090105991 je vyrobena z polymemího kompozitu, který obsahuje uhlíkové nanotrubice v polymerní matrici na bázi polyamidu (nylonu).

Vodivým materiálem použitým u antény podle japonské patentové přihlášky JP2002109489 je kompozit na bázi vodivé pasty obsahující uhlíkové nanotrubice, vodivý kovový prášek a polymerní matrici.

Patentová přihláška USA 2005116861 se týká antény malých rozměrů se zářičem obsahujícím uhlíkové nanotrubice, která má vynikající funkční charakteristiky ve vysokofrekvenčním pásmu.

Předmětem patentové přihlášky USA 2011220722 je anténa RFID tágu obsahující na substrátu vzorovanou vrstvu tvořenou vzájemně propojenými segmenty uhlíkových nanotrubic.

Známé senzory (detektory) plynů jsou založeny především na principu změny rezonance v důsledku působení plynu.

Senzory plynů citlivě reagující na jejich koncentrací posunem resonanění frekvence jsou popsány např. v článku Steven D. Keller, Amir I. Zaghloul: Lightweight, Durable Army Antennas Using Carbon Nanotube Technology (Final Report), Army Research, Laboratory, January 2013. Aktivní vrstva je tvořena pravoúhlým křížením trubic. Jsou použity dva druhy trubic. Měření je na bází změny rezonance v důsledku adsorpce plynů. Jeden z používaných plynů je amoniak.

Předmětem zveřejněné patentové přihlášky USA 2005183492 jsou senzory plynů na rezonanční bázi s tím, že každý rezonátor obsahuje adsorpční nanostrukturu na bázi uhlíkových nanotrubic, aktivovaných uhlíkových vláken, resp. nanodrátů.

Jiná zveřejněná patentová přihláška USA 2012006096 řeší detektor koncentrace alespoň dvou plynů, který je tvořen dvojicí vodivých vrstev a vrstev nanotrubic na dielektrickém substrátu. Každá z vodivých vrstev vytváří s příslušnou vrstvou nanotrubic rezonátor sloužící k detekci koncentrace plynu.

V článku Hoseon Lee, George Shaker, Member, IEEE, Krishna Naishadham, Senior Member, IEEE, Xiaojuan Song,Michael McKinley, Member, IEEE, Brent Wagner, Senior Member, IEEE, and Manos Tentzeris, Fellow, IEEE, Carbon-Nanotube Loaded Antenna Based Ammonia Gas Sensor, IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 59, NO. 10, OCTOBER 2011 jsou popsány senzory plynů citlivě reagující na jejich koncentraci, připravené pomocí tisku na principu inkoustové tiskárny. Měření je na bází změny rezonance v důsledku adsorpce plynů. Jeden z používaných plynů je amoniak.

V řešení podle mezinárodní patentové přihlášky PCT WO2012113322 je vrstva uhlíkových nanotrubic nanesena na povrch solárního panelu, jehož funkce jev tomto případě integrována s funkcí záchytu fotonů. Jedná se zde o jeden z náznaků kombinace více funkcí výrobku, který vrstvy uhlíkových nanotrubic s ohledem na své technologické a užitné vlastnosti umožňují. Tato kombinace více funkcí ovšem vychází z kombinace samostatných funkcí jeho dvou konstrukčních částí. Doposud ale není věnována dostatečná pozornost více možným funkcím samotné vrstvy uhlíkových nanotrubic.

Tento problém nijak výrazněji neřeší ani multifunkční zařízení - např. ve funkci přijímače bezdrátového signálu + detektoru alespoň jednoho plynu v okolní atmosféře podle patentové přihlášky USA & 2013293429. Je tvořeno dvěma smyčkami uhlíkových nanotrubic uspořádanými do podoby sítě (s výhodou v pravoúhlém uspořádání) s tím, že první z nich (přijímač signálu) má charakter vodiče a druhá (detektor plynu) polovodiče s vlastnostmi, které se mění, když je polovodivý materiál vystaven působení konkrétního plynu. Jedná se o poměrně komplikovaný koncept zařízení s ještě komplikovanějším způsobem výroby, u jejichž fungování v praxi vzniká celá řada pochybností. Navíc zde nelze vyloučit k nežádoucí vzájemné ovlivňování fungování přijímače (antény) a senzoru plynů.

Podstata vynálezu

K odstranění výše uvedených nedostatků přispívá mikrovlnná anténa s integrovanou funkcí senzoru organických par podle vynálezu. Podstata vynálezu spočívá v tom, že tato anténa je tvořena substrátem z elektricky nevodivého materiálu ve tvaru plošného útvaru, na jehož povrchu je nanesena elektricky vodivá funkční vrstva se schopností příjmu/vysílání signálu a současně vratné adsorpce/desorpce molekul organických par konstituovaná na bázi náhodně zapletených nanotrubic. Tato funkční vrstva je produktem vakuové filtrace disperze uhlíkových nanotrubic přes filtrační membránu z polymemích nanovláken a to buď jako samonosná funkční vrstva nebo s integrovanou filtrační membránou, která zůstává součástí vzniklé funkční vrstvy.

Uhlíkové nanotrubice funkční vrstvy mají s výhodou průměr 10 až 30 nm a délku 1 až 10 pm a funkční vrstva má s výhodou tloušťku 30 pm až 500 pm. Může mít citlivost zvýšenu oxidační úpravou.

Mikrovlnná anténa s integrovanou funkcí senzoru organických par podle vynálezu má s výhodou podobu planámího nebo planámího bikonického dipólu. Může být zhotovena také v miniaturizovaném provedení jako je PIFA anténa. Tvar a velikost antény je možno přizpůsobit požadované frekvenci.

Dosud nebyly popsány antény, které by byly schopny pracovat v mikrovlnném pásmu, a zároveň by dokázaly detekovat organické páry na základě změny odporu použité vrstvy nanesené na substrátu používaném ve vysokofrekvenční technice. S pomocí nanotrubic lze konstrukčně navrhnout takovou anténu, která při detekci organických par neovlivní výrazně svoje přizpůsobení. Takové řešení je inovativní z toho důvodu, že lze na malé plošce v podobě antény zakomponované v mobilním zařízení provádět více funkcí, mezi které patří možnost přenosu signálu a možnost detekce organických par. Konstrukčně se jedná o dosud nepoužívanou technologii výroby vrstvy, která je součástí substrátu používaného v anténní technice pro mikropáskové antény. Anténa tedy může zároveň detekovat organické páry v ovzduší a po vyhodnocení upozornit uživatele takového zařízení, že se v ovzduší vyskytuje nějaký typ organické páry, která bývá většině případů ve větších i menších koncentracích i » t w * · < ♦» λ . » 4 , f ;

. -í » » » » » .» - i 4 * í nebezpečná pro zdraví člověka. Samotné vyhodnocení není prováděno touto anténou, anténa je v tomto případě chápána jako součást řetězce, kde jev řetězci na pozici pasivní antény a zároveň na pozici senzoru (čidla) organických par.

Objasnění výkresů

K bližšímu objasnění podstaty vynálezu slouží přiložený výkres, kde znázorňuje: obr. 1 - ilustrační schéma antény/čidla organických par - pohled; obr. 2 - ilustrační schéma antény/čidla organických par - příčný řez;

obr. 3 - schéma zapojení antény/čidla organických par ve vyhodnocovacím řetězci.

Příklady uskutečnění vynálezu

Příklad 1

Mikropásková anténa v příkladném provedení (viz obr. 1 a 2) je tvořena funkční vrstvou 2 z náhodně zapletených uhlíkových nanotrubic (MWCNT) o délce 1-10 pm a průměru v rozmezí 10-30 nm. Tato funkční vrstva 2 je nanesena na elektricky nevodivém substrátu 1 vyrobeném z PMMA. Substrát 1 je tvořen páskem o délce 45 mm a šířce 9 mm, zakotveným v zemní rovině 4 tvořené PCB deskou. Tloušťka funkční vrstvy 2 je 200 pm a navazuje na ni koaxiální vedení 3. Anténu lze zakomponovat do obalu přenosného zařízení využívajícího bezdrátový přenos informací.

Funkční vrstva je vyrobena vakuovou filtrací vodné disperze složené z uhlíkových nanotrubic a směsi surfaktantů přes polymemí membránu. Filtrační polymemí membrána z polyuretanových nanovláken je vyrobena elektrostatickým zvlákňováním z roztoku polyuretanu v dimetylformamidu. Skrze tuto membránu je filtrováno takové množství disperze, které odpovídá tloušťce 200 pm. Po dosažení této tloušťky je vzniklá vrstva promyta alkoholem a vodou tak, aby se odstranily zbytky surfaktantů. Filtrační membrána je odstraněna a filtrovaná vrstva je sušena mezi filtračními papíry. Po vysušení je z této vrstvy vytvořen vhodný tvar, který odpovídá požadavkům na frekvenci antény, v konkrétním případě proužek o rozměrech 9x45 mm. Proužek je nanesen na substrátu z PMMA. Takto vzniklý útvar je nejlépe přizpůsoben frekvenci 1,28 GHz.

Vzniklá funkční vrstva 2 se používá jako samonosná (filtrační nanovláknitá membrána je separována), je elektricky vodivá, schopná přijímat/vysílat signál. Je také schopná adsorpce molekul organických par při vytavení těmto parám. Tento proces je vratný, tedy při odstranění této vrstvy z par dochází k desorpci molekul organických par. Adsorpci a desorpci par lze jednoduše detekovat měřením změny stejnosměrného odporu. Je ale možné vyhodnocovat ji také skalárním měřením koeficientu odrazu antény tvořené z této odporové vrstvy nebo měřením změny jejího rezonančního kmitočtu, případně detekováním změny resonanční frekvence antény, bez ztráty její funkce.

Výše uvedené funkce se realizují v zapojení antény/čidla organických par ve vyhodnocovacím řetězci (viz schéma na obr. 3), v němž je anténa A propojena přes převodník P a vyhodnocovací člen V s displejem D mobilního zařízení.

Příklad 2

Konstrukční řešení antény je obdobné příkladu 1. Funkční vrstva je i v tomto případě vyrobena vakuovou filtrací vodné disperze složené z uhlíkových nanotrubic a směsi surfaktantů.

Filtrační polymemí membrána z polystyrenu nebo polyamidu 6 je vyrobena elektrostatickým zvlákňováním z roztoku. Skrze tyto membránu je disperze filtrována. Je filtrováno takové množství, které odpovídá vytvoření funkční vrstvy 2 o tloušťce 30 pm. Po dosažení této tloušťky je vzniklá vrstva promyta alkoholem a vodou tak aby se odstranily zbytky surfaktantů. Filtrační membrána je součástí vzniklé struktury a je sušena mezi filtračními papíry. Po vysušení je z této vrstvy vytvořen vhodný tvar, který odpovídá požadavkům na frekvenci antény např. trojúhelník, čtverec a jiné útvary dle požadavků na frekvenci. Vzniklý útvar je pak spojen s nevodivým substrátem

Velikost a tvar je vždy závislý na konkrétní frekvenci, pro kterou má být anténa impedančně přizpůsobena. Anténu lze bez obtíží realizovat v bezlicenčních pásmech ISM, např. 2,45 GHz, 5,8 GHz, rovněž lze vyrobit a provozovat anténu i pro v nižší frekvenční pásma. Anténa může být zhotovena také v miniaturizovaném provedení jako je PIFA anténa.

Příklad 3

Konstrukční provedení antény i její výroba odpovídá příkladu 1 nebo 2. Funkční vrstva 2 uhlíkových nanotrubic je ale v tomto příkladném provedení následně funkcionalizována oxidací pro zvýšení citlivosti.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Mikrovlnná anténa s integrovanou funkcí senzoru organických par, tvořená substrátem (1) z elektricky nevodivého materiálu ve tvaru plošného útvaru, na jehož povrchu je nanesena elektricky vodivá funkční vrstva (2) se schopností příjmu/vysílání signálu a současně vratné adsorpce/desorpce molekul organických par, vyznačující se tím, že funkční vrstva (2) je konstituována na bázi náhodně zapletených nanotrubic filtračního koláče, který je produktem vakuové filtrace disperze uhlíkových nanotrubic přes filtrační membránu z polymerních nanovláken a to buď jako samonosná funkční vrstva nebo s integrovanou filtrační membránou.
2. Mikrovlnná anténa s integrovanou funkcí senzoru organických par podle nároku 1, vyznačující se tím, že uhlíkové nanotrubice funkční vrstvy (2) mají průměr 10 až 30 nm a délku 1 až 10 pm.
3. Mikrovlnná anténa s integrovanou funkcí senzoru organických par podle nároku 1, vyznačující se tím, že funkční vrstva (2) má tloušťku 30 pm až 500 pm.
4. Mikrovlnná anténa s integrovanou funkcí senzoru organických par podle nároku 1, vyznačující se tím, že funkční vrstva (2) má citlivost zvýšenu oxidační úpravou.
5. Mikrovlnná anténa s integrovanou funkcí senzoru organických par podle nároku 1, vyznačující se tím, že má podobu planámího nebo planámího bikonického dipólu.
6. Mikrovlnná anténa s integrovanou funkcí senzoru organických par podle nároku 1, vyznačující se tím, že je zhotovena v miniaturizovaném provedení jako je PIFA anténa.