尹雙瑤 劉基宏 聶凌峰

摘要： 為開(kāi)發(fā)穿戴舒適、形式隱蔽、應(yīng)用便捷的柔性電子標(biāo)簽，文章以70D/24F×3鍍銀導(dǎo)電紗為基材將標(biāo)簽天線繡制在純棉機(jī)織物上，并與標(biāo)簽芯片封裝制得刺繡型織物電子標(biāo)簽，進(jìn)而研究各刺繡工藝參數(shù)對(duì)織物電子標(biāo)簽電阻和讀取性能的影響。結(jié)果表明：針跡類(lèi)型、針跡間距、針跡長(zhǎng)度等刺繡工藝參數(shù)分別通過(guò)改變導(dǎo)電紗與電流傳輸方向夾角、導(dǎo)電紗密度及落針點(diǎn)數(shù)量，影響織物電子標(biāo)簽性能。標(biāo)簽天線的適宜刺繡工藝參數(shù)為針跡間距0.25～0.40mm、針跡長(zhǎng)度2.0～4.0mm的直線針，尤其當(dāng)采用針跡間距0.35mm、針跡長(zhǎng)度2.0mm的直線針時(shí)，織物電子標(biāo)簽讀取距離最遠(yuǎn)可達(dá)7.6m。

關(guān)鍵詞： 射頻識(shí)別;超高頻;電子標(biāo)簽;刺繡工藝;織物天線;可穿戴

Abstract： In order to develop flexible RFID（Radio Frequency Identification） tags that are comfortable to wear，concealed in form and convenient to apply，70D/24F×3 silver-plated conductive yarn was used as the base material to embroider the tag antenna on the pure cotton woven fabric. Subsequently，the tag antenna and the tag chip were packaged to obtain an embroidered fabric RFID tag，and then the effects of embroidery process parameters on the resistance and reading performance of the embroidered fabric RFID tag were studied. The results show that the embroidery process parameters such as stitch type，stitch spacing and stitch length affect the performance of the fabric RFID tag by changing the angle between the conductive yarn and the current transmission direction，the density of the conductive yarn and the number of needle drop points. The suitable embroidery process parameters for the tag antenna are as below： stitch spacing 0.25-0.40mm and stitch length 2.0-4.0mm. Especially when the stitch spacing is 0.35mm and the stitch length is 2.0mm，the reading distance of the fabric electronic tag is as far as 7.6m.

Key words： RFID; UHF; RFID tag; embroidery technology; fabric antennas; wearable

隨著社會(huì)信息化和智能化的快速發(fā)展，作為物聯(lián)網(wǎng)核心支撐的射頻識(shí)別（radio frequency identification，RFID）技術(shù)應(yīng)用日趨廣泛[1-3]，其在各領(lǐng)域中特有的應(yīng)用模式也對(duì)RFID技術(shù)提出了不同的要求。在紡織服裝行業(yè)中，現(xiàn)有的貼標(biāo)、吊牌、水洗嘜、防盜扣等類(lèi)型的電子標(biāo)簽即RFID標(biāo)簽，普遍是硬質(zhì)的，穿戴很不舒適，且通常直接粘貼或懸掛在服裝上，容易造成標(biāo)簽缺失和損壞，導(dǎo)致數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)產(chǎn)生誤差、管控不能準(zhǔn)確到位，無(wú)法滿足現(xiàn)代紡織行業(yè)對(duì)RFID標(biāo)簽穿戴舒適性和精準(zhǔn)管控的要求。

為此，RFID標(biāo)簽的穿戴舒適性、共形性，以及與織物的一體化無(wú)縫結(jié)合等方面的應(yīng)用研究逐漸受到關(guān)注，織物RFID標(biāo)簽由此走進(jìn)人們的視線。目前，織物RFID標(biāo)簽通?？煞譃閮深?lèi)[4]：一類(lèi)是基于機(jī)織、針織、刺繡、膠粘等工藝，將導(dǎo)電紡織材料以標(biāo)簽天線的形式集成到織物基體上;另一類(lèi)是將納米金屬顆粒、導(dǎo)電聚合物等材料印刷或涂覆于織物基體，制得可穿戴織物RFID標(biāo)簽。前者有Sun[5]、D.Patron等[6]采用導(dǎo)電紗分別以機(jī)織和針織的方式制得紡織偶極子天線，但均存在工藝復(fù)雜、制作方式不靈活等問(wèn)題。S.Ma等[7]通過(guò)剪裁導(dǎo)電織物，利用熱熔膠將天線和芯片黏附到非導(dǎo)電織物基材上，其天線未與基材真正融為一體，粘貼牢度受熱熔膠性能影響較大。Chen等[8]利用導(dǎo)電紗為原料將標(biāo)簽天線刺繡到手套上，所得標(biāo)簽讀取距離較近，且有關(guān)刺繡參數(shù)對(duì)標(biāo)簽性能的影響有待探討。后者則有R.Singh等[9]討論了利用基于納米材料的噴墨打印技術(shù)制作RFID器件所面臨的機(jī)遇與困難，但仍存在不耐水洗、涂層影響穿戴舒適性等方面的問(wèn)題。目前刺繡設(shè)備及工藝參數(shù)的研究已經(jīng)相對(duì)成熟[10-11]，本文選用相對(duì)靈活的刺繡工藝制作超高頻織物RFID標(biāo)簽，詳細(xì)討論了刺繡參數(shù)對(duì)織物RFID標(biāo)簽電阻及標(biāo)簽讀寫(xiě)性能的影響，為其實(shí)用化提供工藝參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料及儀器

材料：70D/24F×3錦綸基鍍銀導(dǎo)電紗線（蘇州泰克銀纖維科技有限公司），基布織物密度為280×240（根/10cm）的純棉平紋機(jī)織布（嘉祥縣潤(rùn)和紡織有限公司），Impinj M4QT超高頻芯片（美國(guó)英頻杰股份有限公司），體積電阻為≤120Ω·cm的凱特森CD-03導(dǎo)電銀漿（廣州楷翔電子產(chǎn)品有限公司）。

儀器：MRS300A美爾繡電腦繡花機(jī)（寧波廣維電器科技有限公司），VC9804A萬(wàn)用表（深圳市驛生勝利有限公司），

KML930 RFID讀寫(xiě)模塊（杭州恒竣科技有限公司），力辰101-2BS電熱鼓風(fēng)烘箱（上海力辰邦西儀器科技有限公司）。

1.2 織物RFID標(biāo)簽的制備

1.2.1 標(biāo)簽天線幾何結(jié)構(gòu)的確定

根據(jù)所選的刺繡制作方式，織物RFID標(biāo)簽天線幾何形狀的確定主要考慮以下兩點(diǎn)：1）考慮到繡花機(jī)分辨率和紗線本身性質(zhì)的影響，標(biāo)簽天線幾何形狀不能過(guò)于復(fù)雜精細(xì);2）標(biāo)簽天線形狀受上下機(jī)張力的影響存在一定的幾何變化，需保證其形狀在下機(jī)后能保持相對(duì)穩(wěn)定。為了保障下機(jī)后標(biāo)簽天線表面平整、形狀穩(wěn)定，以及簡(jiǎn)化織物RFID標(biāo)簽尺寸、形狀等參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化過(guò)程中的分析、描述，本文選擇市面上的Laxcen-C90G型鋁刻蝕標(biāo)簽的形狀為織物RFID標(biāo)簽參考尺寸與形狀參數(shù)。圖1為所選標(biāo)簽天線尺寸及實(shí)物圖，該天線幾何形狀相對(duì)簡(jiǎn)單且不過(guò)于精細(xì)，刺繡下機(jī)后織物形變對(duì)天線幾何形狀影響較小。

刺繡型超高頻織物電子標(biāo)簽的開(kāi)發(fā)

1.2.2 標(biāo)簽天線刺繡參數(shù)設(shè)計(jì)及制作

本文采用Wilcom9.0花樣設(shè)計(jì)軟件繪制不同針跡效果的織物RFID標(biāo)簽花樣，并將其傳輸至MRS300A美爾繡電腦繡花機(jī)上進(jìn)行刺繡。同時(shí)采用常見(jiàn)的直線針、周線針、他他米針三種針跡類(lèi)型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖2所示。在針跡類(lèi)型確定中，針跡間距取0.5mm，導(dǎo)電紗疏密程度適中。此外，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)刺繡針跡間距小于0.1mm或針跡長(zhǎng)度小于0.8mm時(shí)，易出現(xiàn)斷線、繡品質(zhì)量不良等問(wèn)題。為保證織物RFID標(biāo)簽表面平整，刺繡張力刻度則始終維持于0～2。

1.2.3 織物RFID標(biāo)簽的封裝

在完成標(biāo)簽天線的制作后，采用導(dǎo)電銀膠將Impinj M4QT芯片粘合到標(biāo)簽天線的兩端口之間，并在80℃、30min的條件下固化。最終實(shí)現(xiàn)超高頻芯片和標(biāo)簽天線互連，獲得完整的織物RFID標(biāo)簽結(jié)構(gòu)。

1.3 性能測(cè)試

1.3.1 導(dǎo)電性能

標(biāo)簽天線的導(dǎo)電性能與輻射效率有關(guān)，由Friis傳輸公式可知，其對(duì)織物RFID標(biāo)簽的讀取范圍也有一定影響[12]。在常溫常濕條件下，采用VC9804A萬(wàn)用表測(cè)量標(biāo)簽天線兩端口間的直流電阻，以表示其導(dǎo)電性能。為提高讀數(shù)準(zhǔn)確性，測(cè)量時(shí)采用平口夾代替萬(wàn)用表筆夾住安裝芯片的兩側(cè)端口處，使標(biāo)簽天線端口與萬(wàn)用表之間保持均勻良好的接觸，結(jié)果取測(cè)量10次的平均值。

1.3.2 讀取性能

采用KML930 RFID讀寫(xiě)模塊及配套的RFID Reader軟件進(jìn)行讀取性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)在較為空曠的環(huán)境中進(jìn)行，讀寫(xiě)器天線增益為5dBi，發(fā)射功率為30dBm，工作頻率為920MHz。測(cè)試場(chǎng)景布置如圖3所示，讀寫(xiě)器天線平面和織物RFID標(biāo)簽平面保持平行，且兩者幾何中心距離地面高度均為0.7m。改變織物RFID標(biāo)簽與讀寫(xiě)器天線之間的垂直距離，記錄可以讀取標(biāo)簽的最大距離，即為織物RFID標(biāo)簽讀取距離。同時(shí)固定織物RFID標(biāo)簽與讀寫(xiě)器天線距離為3.0m，記錄其在30s內(nèi)的接收信號(hào)強(qiáng)度（received signal strength indication，RSSI）和讀取次數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 針跡類(lèi)型對(duì)織物RFID標(biāo)簽的影響

圖4為采用直線針、周線針及他他米針三種針跡類(lèi)型繡制的標(biāo)簽天線。圖4（a）～（f）的針跡長(zhǎng)度均為2mm，其中圖4（a）～（c）的針跡間距為0.5mm，圖4（d）～（f）的針跡間距為0.5mm，各針跡類(lèi)型標(biāo)簽天線中導(dǎo)電紗排列方向明顯不同。根據(jù)表1所示參數(shù)繡制的不同針跡類(lèi)型的織物RFID標(biāo)簽，其電阻值及讀取性能分別如圖5和表2所示。

當(dāng)針跡類(lèi)型為直線針時(shí)，標(biāo)簽天線的電阻值和標(biāo)準(zhǔn)差均為最小，此時(shí)導(dǎo)電紗排列與總體電流方向平行，主電流沿導(dǎo)電紗傳輸，部分電流沿導(dǎo)電紗之間的接觸點(diǎn)傳輸，其傳輸距離相對(duì)較短，傳輸損耗較小，因而標(biāo)簽天線電阻較小且接近市面上鋁刻蝕天線的電阻值。

試樣導(dǎo)電紗排列與電流方向關(guān)系針跡類(lèi)型針跡間距/mm針跡長(zhǎng)度/mm

a平行直線針0.52.0

b垂直周線針0.52.0

c成一定角度他他米針0.52.0

而當(dāng)針跡類(lèi)型為周線針和他他米針時(shí)，標(biāo)簽天線中導(dǎo)電紗排列方向與總體電流方向成一定夾角，電流主要依靠相鄰導(dǎo)電紗的接觸點(diǎn)進(jìn)行傳輸，但導(dǎo)電紗之間存在一定的間隙不利于電流傳輸;其次，部分電流沿導(dǎo)電紗傳輸，傳輸距離相對(duì)較長(zhǎng)，傳輸損耗較大。此外，由于他他米針相鄰兩落針點(diǎn)之間紗線根數(shù)比周線針多，導(dǎo)電紗之間的間隙小，因此采用周線針的標(biāo)簽天線電阻值最大。

如表2所示，RSSI值為以dBm為單位的讀寫(xiě)器接收到的織物RFID標(biāo)簽信號(hào)強(qiáng)度。其結(jié)果一般為負(fù)值，越接近0dBm，RSSI值越大，讀寫(xiě)器與織物RFID標(biāo)簽之間的通信鏈路信號(hào)越強(qiáng)。由此分析可得，在三種針跡類(lèi)型中，采用直線針的織物RFID標(biāo)簽讀取距離最遠(yuǎn)，接收信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)更優(yōu)，讀取速率最大且相對(duì)更接近對(duì)照的刻蝕天線。而他他米針織物RFID標(biāo)簽讀取性能次之，周線針織物RFID標(biāo)簽讀取性能相對(duì)最差。因此，為使織物RFID標(biāo)簽具有更好的射頻傳輸性能及實(shí)用性能，本文選用直線針針跡類(lèi)型進(jìn)行進(jìn)一步討論。

2.2 針跡間距對(duì)織物RFID標(biāo)簽的影響

織物RFID標(biāo)簽性能受導(dǎo)電紗密度變化的影響而改變[12]，本文采用2.0mm的針跡長(zhǎng)度，0.1～1.0mm的針跡間距進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并分析影響導(dǎo)電紗密度的針跡間距對(duì)織物RFID標(biāo)簽性能的影響。

所得不同針跡間距的織物RFID標(biāo)簽電阻值及讀取性能如圖6和表3所示。當(dāng)針跡間距處于0.1～0.5mm時(shí)，標(biāo)簽天線電阻值在5Ω內(nèi)呈平緩上升趨勢(shì)，織物RFID標(biāo)簽讀取距離均為5.0m以上。當(dāng)針跡間距大于0.5mm時(shí)，標(biāo)簽天線電阻值急劇增大至30Ω左右，織物RFID標(biāo)簽讀取性能隨之減弱，至針跡間距大于0.8mm時(shí)，讀取距離小于3.0m。這是因?yàn)闃?biāo)簽天線可看作并聯(lián)導(dǎo)體，針跡間距越小，并聯(lián)導(dǎo)體數(shù)越多，總電阻則越小。當(dāng)針跡間距大于0.5mm時(shí)，標(biāo)簽天線中相鄰導(dǎo)電紗之間出現(xiàn)明顯間隙，接觸點(diǎn)減少，等同于并聯(lián)導(dǎo)體數(shù)減少，且電流只能沿走針線跡傳輸，路徑傳輸損耗增大，導(dǎo)致標(biāo)簽天線電阻急增，織物RFID標(biāo)簽讀取性能變差。

通過(guò)測(cè)長(zhǎng)稱(chēng)重法測(cè)得導(dǎo)電紗線密度為30.67tex。考慮到紗線在織物中被壓扁的實(shí)際情況，引入互為倒數(shù)的壓扁系數(shù)η和延寬系數(shù)δ計(jì)算紗線直徑，一般η取值為0.65～080[13]，本文取η=0.7。

通過(guò)測(cè)量計(jì)算得出，當(dāng)針跡間距處于0.10～0.40mm時(shí)，導(dǎo)電紗覆蓋系數(shù)范圍為92.9%～357.1%，標(biāo)簽天線近似連續(xù)導(dǎo)體，織物RFID標(biāo)簽電阻值較小且讀取性能較為良好。尤其當(dāng)針跡間距取0.35mm時(shí)，導(dǎo)電紗覆蓋系數(shù)為103.6%，剛好大于1，此時(shí)標(biāo)簽天線中導(dǎo)電紗排列最接近理想的伸直平行狀態(tài)，相互接觸但不疊壓，織物RFID標(biāo)簽讀取距離最遠(yuǎn)達(dá)到76m，接收信號(hào)強(qiáng)度、讀取速率均為最優(yōu)。而當(dāng)針跡間距小于0.25mm時(shí)，導(dǎo)電紗覆蓋系數(shù)大于142.9%，雖然織物RFID標(biāo)簽讀取距離較遠(yuǎn)，但其信號(hào)接收強(qiáng)度、讀取速率略低，且存在針跡間距過(guò)密、易斷線、柔軟度差等問(wèn)題，因此確定相對(duì)適宜的刺繡針跡間距范圍為0.25～0.40mm。

2.3 針跡長(zhǎng)度對(duì)織物RFID標(biāo)簽的影響

采用0.35mm為針跡間距，改變刺繡針跡長(zhǎng)度制備織物RFID標(biāo)簽，所得標(biāo)簽天線電阻值及讀取性能如圖7和表4所示。當(dāng)針跡長(zhǎng)度從0.8mm增長(zhǎng)到6.0mm時(shí)，標(biāo)簽天線電阻值減小趨勢(shì)明顯，但標(biāo)準(zhǔn)差值較為穩(wěn)定，離散程度小。當(dāng)針跡長(zhǎng)度大于6.0mm后，標(biāo)簽天線電阻值逐漸趨于穩(wěn)定，基本維持于3Ω上下。然而，從標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)看，針跡長(zhǎng)度大于6.0mm后，標(biāo)簽天線電阻值的離散程度明顯增大。

當(dāng)針跡類(lèi)型、針跡間距相同時(shí)，單針針跡長(zhǎng)度越短，落針點(diǎn)越多，面線與底線的交織節(jié)點(diǎn)越多，這不僅使導(dǎo)電紗穿過(guò)棉織物基材次數(shù)增大，導(dǎo)電紗總消耗長(zhǎng)度變長(zhǎng)，還可能在針跡長(zhǎng)度過(guò)短時(shí)，造成斷線、布面過(guò)硬且不平整等問(wèn)題，從而導(dǎo)致標(biāo)簽天線電阻值偏大。但隨著單針針跡長(zhǎng)度的逐漸增長(zhǎng)，導(dǎo)電紗與棉織物基材之間的連接點(diǎn)即落針點(diǎn)的數(shù)量隨之減少，使得兩落針點(diǎn)之間的導(dǎo)電紗不能緊密地結(jié)合于棉織物基材表面。因此，標(biāo)簽天線相對(duì)疏松的導(dǎo)電紗排列是導(dǎo)致其電阻值波動(dòng)偏大的主要原因。由表4可知，當(dāng)針跡長(zhǎng)度為0.8、1.0mm時(shí)，織物RFID標(biāo)簽讀取性能較差，其主要原因在于實(shí)驗(yàn)用電腦繡花機(jī)在進(jìn)行較短針跡長(zhǎng)度刺繡時(shí)容易產(chǎn)生斷線、布面不平整等問(wèn)題。此外，不同針跡長(zhǎng)度的織物RFID標(biāo)簽讀取性能整體比較穩(wěn)定，讀取距離均為5.0m以上，RSSI值基本處于-40～-50dBm，且其讀取速率變化幅度也較小。為進(jìn)一步縮小適宜的針跡長(zhǎng)度范圍，從表4數(shù)據(jù)中擇優(yōu)選擇，即針跡長(zhǎng)度取2.0～4.0mm時(shí)為更適宜的參數(shù)設(shè)定范圍。

3 結(jié) 論

本文采用刺繡法以鍍銀導(dǎo)電紗和純棉機(jī)織布為主要原材料，經(jīng)標(biāo)簽天線選型、上機(jī)繡樣、芯片封裝等工序制得超高頻織物RFID標(biāo)簽，并分別討論了常見(jiàn)刺繡工藝參數(shù)針跡類(lèi)型、針跡間距、針跡長(zhǎng)度對(duì)超高頻織物RFID標(biāo)簽性能的影響。主要結(jié)論如下：

1）針跡類(lèi)型主要影響標(biāo)簽天線中導(dǎo)電紗排列與整體電流方向形成的夾角。采用兩者呈平行關(guān)系的直線針時(shí)，織物RFID標(biāo)簽的導(dǎo)電性及讀取性能最優(yōu);呈一定角度時(shí)，性能次之;呈垂直關(guān)系時(shí)，性能最差。故在設(shè)計(jì)標(biāo)簽天線形狀時(shí)需考慮天線中整體電流方向，并設(shè)計(jì)主要沿電流方向走針的針跡類(lèi)型。

2）針跡間距增大使得標(biāo)簽天線中導(dǎo)電紗覆蓋系數(shù)減小，導(dǎo)電性能變差。當(dāng)針跡間距大于0.6mm時(shí)，織物RFID標(biāo)簽導(dǎo)電性及讀取性能急劇下降;故在0.6mm內(nèi)擇優(yōu)，當(dāng)針跡間距取0.25～0.40mm，導(dǎo)電紗覆蓋系數(shù)處于90%～150%時(shí)，織物RFID標(biāo)簽導(dǎo)電性及讀取性能更佳。尤其當(dāng)針跡間距取0.35mm時(shí)，織物RFID標(biāo)簽讀取距離最遠(yuǎn)達(dá)到7.6m，讀取性能接近目前工藝成熟的鋁刻蝕天線。

3）針跡長(zhǎng)度則影響落針點(diǎn)數(shù)量，與針跡間距相比，其對(duì)織物RFID標(biāo)簽性能的影響較小。針跡長(zhǎng)度為1.0～10.0mm的RFID標(biāo)簽讀取性能整體較為穩(wěn)定。從中進(jìn)一步擇優(yōu)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)針跡長(zhǎng)度取2.0～4.0mm時(shí)為相對(duì)更優(yōu)的工藝參數(shù)范圍。

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