基于Pd-SWCNTs的UWB-RFID无线瓦斯传感器研究

３６　传感器与微系统（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ　ａｎｄ　Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）　２０１５年第３４卷第７期　ＤＯＩ：１０．１３８７３／Ｊ．１０００－９７８７（２０１５）０７－－００３６－０４　

基于Ｐｄ—ＳＷＣＮＴｓ的ＵＷＢ－ＲＦＩＤ无线瓦斯传感器研究　刘健，毛昕蓉　（西安科技大学通信与信息工程学院，陕西西安７１００５４）　

摘要：针对在室温环境下探测瓦斯浓度，提出一种基于钯掺杂单壁碳纳米管（Ｐｄ—ＳＷＣＮＴｓ）的超宽带射　频识别（ＵＷＢ－ＲＦＩＤ）传感器。传感器为薄型标签，由传感探头和电磁界面组成，其中传感探头为一Ｐｄ—　ＳＷＣＮＴｓ加载的交叉指型电极（ＩＤＥ）；电磁界面由天线、微带线和终端负载组成。Ｐｄ．ＳＷＣＮＴｓ感知瓦斯浓　度，引起ＩＤＥ电流的变化，形成带隙幅度调制和带隙频率调制两种识别模式。当瓦斯浓度从０×１０　增加　到１００×１０～，基于带隙调幅调制的识别灵敏度为一９．３２　ｄＢ；而基于带隙调频调制的识别灵敏度为　

－１１．３０ｄＢ。　关键词：钯掺杂单壁碳纳米管；瓦斯传感器；超宽带射频识别；室温　中图分类号：ＴＮ９９　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００－９７８７（２０１５）０７－９０３６－９４　

Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ＵＷＢ—ＲＦＩＤ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｍｅｔｈａｎｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｐｄ－ＳＷＣＮＴｓ　ＬＩＵ　Ｊｉａｎ，ＭＡＯ　Ｘｉｎ—ｒｏｎｇ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　０ｆ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｘｉ’ａｌｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ　７１００５４，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ　ａｔ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｅｔｈａｎｅ　ａｔ　ｒｏｏｍ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ａ　ｓｅｎｓｏｒ　ｉｎ　ｕｈｒａ。ｗｉｄｅｂａｎｄ　ｒａｄｉｏ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ（ＵＷＢ—ＲＦＩＤ）ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｐｄ—ｄｏｐｅｄ　ｓｉｎｇｌｅ　ｗａｌｌｅｄ　ｃａｒｂｏｎ　ｎａｎｏｔｕｂｅｓ（Ｐｄ—　ＳＷＣＮＴｓ）．Ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｓｅｎｓｏｒ　ｉｓ　ａ　ｔｈｉｎｌｙ　ｆｉｌｍｅｄ　ｔａｇ　ｃｏｍｐｏｓｅｄ　ｏｆ　ａ　ｓｅｎｓｏｒ　ｐｒｏｂｅ　ａｎｄ　ａｎ　ＥＭ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ｓｅｎｓｏｒ　ｐｒｏｂｅ　ｉｓ　ａｎ　ｉｎｔｅｒ—ｄｉｇｉｔａｌ　ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ（ＩＤＥ）ｔｈａｔ　ｔａｋｅｓ　ｔｈｅ　Ｐｄ—ＳＷＣＮＴｓ　ａｓ　ｌｏａｄ；Ｔｈｅ　ＥＭ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｉｓ　ｃｏｍｐｏｓｅｄ　ｏｆ　ａｎ　ａｎｔｅｎｎａ，ａ　ｍｉｅｒｏｓｔｒｉｐ　ｌｉｎｅ　ａｎｄ　ａ　ｔｅｒｍｉｎａｌ　ｌｏａｄ．Ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　Ｐｄ—ＳＷＣＮＴｓ　ｓｅｎｓｅｓ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｅｔｈａｎｅ，ｔｈｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｏｆ　ＩＤＥ　ｗｉｌｌ　ｂｅ　ｃｈａｎｇｅｄ，ｆｏｒｍ　ｔｗｏ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｓ　ｗｈｉｃｈ　ａｒｅ　ｂａｎｄ・ｇａｐ　ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｂａｎｄ—ｇａｐ　￣ｅｑｕｅｎｃｙ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ．Ｗｈｅｎ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｅｔｈａｎｅ　ｆｒｏｍ　０×１０一。ｔｏ　１００×１０～．ｔｈｅ　ｉｄｅｎｔｉｆｉａｂｌｅ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ｉｎ　

ｔｅｒｍｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂａｎｄ—ｇａｐ　ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ｉｓ一９．３２　ｄＢ：ｗｈｉｌｅ　ｔｈｅ　ｉｄｅｎｔｉｆｉａｂｌｅ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ｉｎ　ｔｅｒｍｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂａｎｄ—　ｇａｐ￣ｅｑｕｅｎｃｙ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ｉｓ－１１．３０　ｄＢ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｐｄ－ｄｏｐｅｄ　ｓｉｎｇｌｅ　ｗａｌｌｅｄ　ｃａｒｂｏｎ　ｎａｎｏｔｕｂｅｓ（Ｐｄ・ＳＷＣＮＴｓ）；ｍｅｔｈａｎｅ　ｓｅｎｓｏｒ；ｕｌｔｒａ—ｗｉｄｅｂａｎｄ　ｒａｄｉｏ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ（ＵＷＢ－ＲＦＩＤ）；ｒｏｏｍ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　

０引　言　瓦斯是一种无色、无味的气体。当空气中的瓦斯浓度　达到５．３％一１４．３％，会引起燃烧，甚至爆炸。探索在室温　环境下检测瓦斯气体的途径和方法，始终是以煤矿为代表　的技术领域重要而迫切的课题　。　可是，传统的瓦斯检测技术，包括催化燃烧、金属氧化　和红外火焰电离等，无法实现在室温环境下的瓦斯探　测　］。近年来，纳米技术成为这一领域的研究热点　。由　于瓦斯气体分子的弱极性，与纳米分子的交互能力低，相较　于其它气体，采用纳米材料的瓦斯传感器并不多见，可循的　方案包括：以非电方法将以钯型纳米粒（ＰｄＮＰｓ）沉积到１，　收稿日期：２０１４—１０－０９　６一己二胺多壁碳纳米管（ＭＷＣＮＴｓ）所合成的纳米材料沉积　于氧化铟锡上，构成一种简易的瓦斯传感器　；以１０　ｎｍ的　金属钯喷溅并附着于单壁碳纳米管（ＳＷＣＮＴｓ）粉，经混合，　形成一种钯掺杂单壁碳纳米管（Ｐｄ—ｄｏｐｅｄ　ｓｉｎｇｌｅ　ｗａｌｌｅｄ　ｃａｒ—　ｂｏｎ　ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，Ｐｄ—ＳＷＣＮＴｓ）瓦斯传感器　和一种基于孔隙　ＳｎＯ　纳米棒的微瓦斯传感器　。　此外，由于瓦斯的易燃性，探测宜采用无接触方式。不　同的无线协议决定不同的传感架构。基于ＵＨＦ频段的射　频识别（ＲＦＩＤ）是较为成熟的无线传感架构　，但其固有的　窄带特性限制了应用范围；超宽带射频识别（ｕｌｔｒａ．ｗｉｄｅｂａｎｄ　ｒａｄｉｏｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ＵＷＢ—ＲＦＩＤ）则以极短脉冲取　第７期　刘健，等：基于Ｐｄ．ＳＷＣＮＴｓ的ＵＷＢ—ＲＦＩＤ无线瓦斯传感器研究　３７　代窄带连续波　Ｊ，具备隐秘性好、安全性高、阻塞概率低等　特点，可识别金属表面的目标，实现精确、高效、无缝隙的识　别与探测　Ｊ。　本文将纳米技术与ＵＷＢ・ＲＦＩＤ相结合，提出一种瓦斯　传感器，研究其在在室温环境下远程探测瓦斯的可能性。　１　ＵＷＢ－ＲＦＩＤ探测瓦斯原理　ＵＷＢ－ＲＦＩＤ传感系统由阅读器和传感标签组成。阅读　器天线为超宽带天线。当阅读器发射的已调高斯脉冲到达　传感标签时，被标签的电磁界面反射，形成背向散射电磁　波。若标签的天线为超宽带天线，则背向散射电磁波亦具　有超宽带特性。　假定背向散射电磁波中仅有结构模，以　（，）表示，阅　读器发射的信号功率Ｐ　，经过ＵＷＢ—ＲＦＩＤ信道，接收到的　信号功率Ｐ，与反射功率之比为　Ｐｒ　～Ｉ　Ｓｌｌ（　）　ＸＯ＂　×　

ｅ　（１一ｌＳ。。（　Ｉ　）．　（１）　其中，ｅ　，ｅ　与发射损耗和接收损耗相关的参数；Ｒ　为　阅读器到传感标签之间的距离；Ｒ　为传感标签到阅读器之　间的距离；Ａ为波长；Ｓ　。（，），Ｓ　（ｆ）为阅读器、传感标签天　线的反射系数；Ｄ　（０　，　），Ｄ，（０　，　）为阅读器、传感标签　天线的方向系数；　为传感标签的雷达散射截面（ＲＣＳ）。　若阅读器的收发天线一致，且与传感标签天线极化匹　配，则Ｒ　＝　＝Ｒ。结构模　（　可近似表示为　（ｆ）　Ｘ（厂）￣／（１一ＩＳ　。（　Ｉ。）×Ｊｅ，Ｏ，（０　，　）Ｘ　１　ｅ＿『２Ｊ　×　ｅ＿２ｊ　×　

￣／（１一ｌＳ。　（　ｆ　）．　（２）　其中，　（　为已调高斯脉冲的频谱；ｃ为自由空间的波　速。忽略由Ｓ。　（　和Ｓ　（，）引入的相位改变，上式可近似　表示为　

（　—　（　叼　￣／１一Ｉ．ｓ　（　Ｉ。Ｈ，（　×　（　Ａ（　叼　＾／／ｌ—ＩＳｚ。（　ｌ　．　（３）　其中，叩ｒ＝　ｅ　Ｄ　（０　，　），ｒｌＲ＝　ｅ　Ｄ，（０，，　，），　ＨＦ（／）＝日　（，）＝１／（４，／￣Ｒ）ｅ一　，叩￡＝　；而ｃ／　百ｌｆＩ）是接收天线的有效接收面积，由　（　表示。　由于传感标签的结构模　（　是瓦斯体积分数ｄ（ｔ）的　函数，标签的结构模应表示为　ｆ，ｄ（ｔ）］，即　［，，ｄ（ｔ）］￣－ｘ（ｊｏｒｌｒ￣／ｌ—ｌＳｌ１（　ｌ　ｘＨＦ（，，ｄ（ｔ））×　叼　［ｄ（￡）］　（　Ａ（　ｘｒＩ　￣／１一Ｉ　５２。［ｆ，ｃｚ（　）］Ｉ。．（４）　其中，ＪＳ。　［ｆ，ｄ（ｔ）］替代ＪＳ　。（　，表示传感器标签天线的　反射系数随瓦斯体积分数而变；卵，［ｄ（ｔ）｝＝￣／　［ｄ（ｔ）］代　

替ｒｌ，＝￣／　，表示传感器标签的雷达散射截面亦随瓦斯浓　度而变，因此　Ｉｆ，ｄ（ｔ）］＝　（　［ｆ，ｄ（ｔ）］．　（５）　其中　（　＝　∽　￣／１一Ｉ　Ｊｓ。　（　１　２　（　Ａ（　（　，（６）　为与瓦斯浓度无关项；　［ｆ，ｄ（ｔ）］＝叩　［ｄ（ｔ）］￣／１一ｌＳ　ｆ，ｄ（ｔ）］ｌ　，　（７）　为与瓦斯浓度相关项。　设ｔ。时刻，瓦斯浓度为ｄ（ｔ。），在频点，处，无频带带　隙；在ｔ时刻，瓦斯浓度为ｄ（ｔ），在频点，处，发生频带带　隙，形成带隙幅度调制，其识别灵敏度Ｓ　。［ｄ（ｔ）］可表示为　ｓ…［ｄ（ｔ）］＝　

２ｏｌｇ　）．　（８）　设￡。时刻，瓦斯浓度为ｄ（ｔ。），在频点　处，发生频带　带隙；在ｔ时刻，瓦斯浓度为ｄ（ｔ），带隙频点转移到／处。　形成带隙频率调制，其识别灵敏度Ｓ　［ｄ（ｔ）］表示为　ｓ　［ｄ（ｔ）］＝　

２。　ｄＢ　㈩　２传感标签的设计原则　ＵＷＢ—ＲＦＩＤ传感标签一般由传感探头和电磁界面组　成。传感探头承载传感机理，将探测目标转换为电信号；电　磁界面完成对阅读信号的反射，在背向散射电磁波中形成　可辨识的幅频特性，当传感探头嵌入电磁界面，该特性由电　信号控制。当０｛　［ｆ，ｄ（ｔ）］｝／０［ｄ（ｔ）］越大，幅度调制的　识别度越大；当０｛　（ｄ（ｔ））…］｝／ｏ［ｄ（ｔ）］越大，则频率　调制的识别度越大。此外，为与附着体共型，传感标签应采　用平面薄型结构。　２．１标签的电磁界面　为使背向散射电磁波中仅有结构模，传感标签的电磁　界面主要由金属材质构成。天线为双阶梯下切角平面贴片　超宽带天线Ⅲ　，馈线为微带传输线　，终端为匹配负载。　在天线上，刻蚀一个ｕ型槽。Ｕ型槽在背向散射电磁　波的结构模的频谱中形成带隙，Ｕ型槽的长度和宽度决定　带隙频点和带隙深度　。如图１所示，给定的结构尺寸　（单位：ｍｍ）在３．１—１０．６　ＧＨｚ通频带中的５　ＧＨｚ频点形成　电磁带隙。　２．２传感探头　基于孔隙ＳｎＯ　的ＭＷＣＮＲｓ传感器　，极间电流幅度　很小，研究表明，这一电流无法对频带带隙进行有效的调　制。基于Ｐｄ—ＳＷＣＮＴｓ的传感器　］，如图２（ａ）所示，Ｐｄ．　ＳＷＣＮＴｓ为ＩＤＥ电极间的负载，其ＳＥＭ如图２（ｂ）所示。当