2014年02月13日08:44
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東京大學(xué)的研究人員開發(fā)出了帶水分傳感器功能的柔軟RFID標(biāo)簽（無線標(biāo)簽）系統(tǒng)。標(biāo)簽配備了近30個(gè)有機(jī)晶體管及有機(jī)二極管等，利用電磁共振式無線供電技術(shù)、通過讀取裝置供電，因此標(biāo)簽可以離開讀取裝置幾厘米遠(yuǎn)。東京大學(xué)已在美國舊金山市舉行的半導(dǎo)體國際學(xué)會(huì)“International Solid-State Circuits Conference（ISSCC）2014”上發(fā)表了關(guān)于該技術(shù)詳情的論文。
開發(fā)該系統(tǒng)的是東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所的櫻井貴康與該大學(xué)研究生院工學(xué)系研究科教授染谷隆夫等人組成的研發(fā)小組。該系統(tǒng)由無線標(biāo)簽和讀取器構(gòu)成。讀取裝置在向無線標(biāo)簽無線供電的同時(shí)，還會(huì)接收無線標(biāo)簽的響應(yīng)信號、讀取數(shù)據(jù)。無線頻率采用13.56MHz。
櫻井介紹說，“以前的無線標(biāo)簽和傳感器都是配備在物體上使用，而今后佩戴在人體上的用途將增加。因此，標(biāo)簽必須要具備柔性”，此次的無線標(biāo)簽系統(tǒng)就是處于這樣的想法開發(fā)的。
此次開發(fā)的柔軟無線標(biāo)簽。左下方的電路為整流電路和靜電保護(hù)電路。右下方的電路是用作水分傳感器的環(huán)形振蕩器。
整流電路、環(huán)形振蕩電路和靜電保護(hù)電路的詳情（攝影：東京大學(xué)）
上述電路首先在其他薄膜上制作，然后再貼到無線標(biāo)簽上。
安裝在紙尿褲上的示例
無線標(biāo)簽的尺寸為78mm×53mm，在12.5μm厚的聚酰亞胺薄膜上用真空蒸鍍法形成了受電線圈和各種電路。電路共有三種，分別是（1）受電用整流電路、（2）最大2kV的靜電保護(hù)電路、（3）用作水分傳感器的環(huán)形振蕩電路。線圈和長布線使用銅，電極等使用金。薄膜上的布線和電路大約由3層構(gòu)成，各層經(jīng)由金通孔連接。
整流電路和靜電保護(hù)電路由肖特基有機(jī)二極管構(gòu)成。有機(jī)二極管的半導(dǎo)體采用酞菁類p型有機(jī)半導(dǎo)體材料。靜電保護(hù)電路是人體佩戴型標(biāo)簽不可或缺的。櫻井表示，“身體周圍的靜電一般為1kV至1.5kV。最大支持2kV基本沒什么問題”。
環(huán)形振蕩電路使用的有機(jī)晶體管采用噻吩類p型有機(jī)半導(dǎo)體材料。載流子遷移率比較高，約為1cm2/Vs，環(huán)形振蕩器的振蕩頻率為3Hz～10Hz。部分電路被薄膜狀暴露的電極中斷，如果有水分的話，電極間的電阻就會(huì)降低，會(huì)開始振蕩。不振蕩表示沒有水分，振蕩則表示有水分。
振蕩時(shí)，在讀取裝置發(fā)送來的13.56MHz電磁場上重疊振蕩頻率后再返回讀取裝置。無線標(biāo)簽內(nèi)不會(huì)生成13.56MHz的信號�！跋袷欠瓷鋪碜宰x取裝置的電磁場一樣”（東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所助教更田裕司）。
無線供電采用電磁共振方式，把原來采用電磁感應(yīng)方式時(shí)最大為5～10mm的無線傳輸距離延長到了4cm以上。經(jīng)確認(rèn)，無線標(biāo)簽在彎曲到曲率半徑約2mm時(shí)仍能正常工作。另外，在讀取裝置上配備了當(dāng)標(biāo)簽彎曲、受電線圈的電感發(fā)生變化時(shí)，檢測該變化并調(diào)整發(fā)送電壓的功能。染谷介紹說，“利用該功能把耗電量最大降低了92％”。
順便一提，目前已被實(shí)際用于物流現(xiàn)場等的無線標(biāo)簽有距離讀寫裝置長達(dá)1m～幾m的產(chǎn)品。更田介紹說，“這種情況下的電波頻率非常高，需要大幅提高有機(jī)晶體管的性能，此次很難實(shí)現(xiàn)”。
此次這款傳輸距離為幾cm的無線標(biāo)簽設(shè)想的用途包括紙尿褲和創(chuàng)可貼等。用于紙尿褲時(shí)，讀取裝置安裝在紙尿褲外側(cè)，通過藍(lán)牙和無線LAN等向便攜終端發(fā)送狀態(tài)信息，這樣，不在嬰兒旁邊的人也能及時(shí)掌握紙尿褲的狀況。（作者：野澤 哲生，日經(jīng)技術(shù)在線！供稿）
