劉 健，毛昕蓉

(西安科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安710054)

0 引 言

瓦斯是一種無色、無味的氣體。當(dāng)空氣中的瓦斯?jié)舛冗_到5.3%～14.3%，會引起燃燒，甚至爆炸。探索在室溫環(huán)境下檢測瓦斯氣體的途徑和方法，始終是以煤礦為代表的技術(shù)領(lǐng)域重要而迫切的課題［1］。

可是，傳統(tǒng)的瓦斯檢測技術(shù)，包括催化燃燒、金屬氧化和紅外火焰電離等，無法實現(xiàn)在室溫環(huán)境下的瓦斯探測［2］。近年來，納米技術(shù)成為這一領(lǐng)域的研究熱點［3］。由于瓦斯氣體分子的弱極性，與納米分子的交互能力低，相較于其它氣體，采用納米材料的瓦斯傳感器并不多見，可循的方案包括:以非電方法將以鈀型納米粒(PdNPs)沉積到1，6—己二胺多壁碳納米管(MWCNTs)所合成的納米材料沉積于氧化銦錫上，構(gòu)成一種簡易的瓦斯傳感器［4］;以10 nm 的金屬鈀噴濺并附著于單壁碳納米管(SWCNTs)粉，經(jīng)混合，形成一種鈀摻雜單壁碳納米管(Pd-doped single walled carbon nanotubes，Pd-SWCNTs)瓦斯傳感器［5］和一種基于孔隙SnO2納米棒的微瓦斯傳感器［6］。

此外，由于瓦斯的易燃性，探測宜采用無接觸方式。不同的無線協(xié)議決定不同的傳感架構(gòu)。基于UHF 頻段的射頻識別(RFID)是較為成熟的無線傳感架構(gòu)［7］，但其固有的窄帶特性限制了應(yīng)用范圍;超寬帶射頻識別(ultra-wideband radio frequencyidentification，UWB-RFID)則以極短脈沖取代窄帶連續(xù)波［8］，具備隱秘性好、安全性高、阻塞概率低等特點，可識別金屬表面的目標，實現(xiàn)精確、高效、無縫隙的識別與探測［9］。

本文將納米技術(shù)與UWB-RFID 相結(jié)合，提出一種瓦斯傳感器，研究其在在室溫環(huán)境下遠程探測瓦斯的可能性。

1 UWB-RFID 探測瓦斯原理

UWB-RFID 傳感系統(tǒng)由閱讀器和傳感標簽組成。閱讀器天線為超寬帶天線。當(dāng)閱讀器發(fā)射的已調(diào)高斯脈沖到達傳感標簽時，被標簽的電磁界面反射，形成背向散射電磁波。若標簽的天線為超寬帶天線，則背向散射電磁波亦具有超寬帶特性。

假定背向散射電磁波中僅有結(jié)構(gòu)模，以Ys(f)表示，閱讀器發(fā)射的信號功率Pt，經(jīng)過UWB-RFID 信道，接收到的信號功率Pr與反射功率之比為

其中，et，er與發(fā)射損耗和接收損耗相關(guān)的參數(shù);R1為閱讀器到傳感標簽之間的距離;R2為傳感標簽到閱讀器之間的距離;λ 為波長;S11(f)，S22(f)為閱讀器、傳感標簽天線的反射系數(shù);Dt(θt，φt)，Dr(θr，φr)為閱讀器、傳感標簽天線的方向系數(shù);σ 為傳感標簽的雷達散射截面(RCS)。

若閱讀器的收發(fā)天線一致，且與傳感標簽天線極化匹配，則R1=R2=R。結(jié)構(gòu)模Ys(f)可近似表示為

其中，X(f)為已調(diào)高斯脈沖的頻譜;c 為自由空間的波速。忽略由S11(f)和S22(f)引入的相位改變，上式可近似表示為

由于傳感標簽的結(jié)構(gòu)模Ys(f)是瓦斯體積分數(shù)d(t)的函數(shù)，標簽的結(jié)構(gòu)模應(yīng)表示為Ys［f，d(t)］，即

其中，S22［f，d(t)］替代S22(f)，表示傳感器標簽天線的反射系數(shù)隨瓦斯體積分數(shù)而變;代替，表示傳感器標簽的雷達散射截面亦隨瓦斯?jié)舛榷?，因?/p>

其中

為與瓦斯?jié)舛葻o關(guān)項;

為與瓦斯?jié)舛认嚓P(guān)項。

設(shè)t0時刻，瓦斯?jié)舛葹閐(t0)，在頻點f 處，無頻帶帶隙;在t 時刻，瓦斯?jié)舛葹閐(t)，在頻點f 處，發(fā)生頻帶帶隙，形成帶隙幅度調(diào)制，其識別靈敏度Samp［d(t)］可表示為

設(shè)t0時刻，瓦斯?jié)舛葹閐(t0)，在頻點f0處，發(fā)生頻帶帶隙;在t 時刻，瓦斯?jié)舛葹閐(t)，帶隙頻點轉(zhuǎn)移到f 處。形成帶隙頻率調(diào)制，其識別靈敏度Sfreq［d(t)］表示為

2 傳感標簽的設(shè)計原則

UWB-RFID 傳感標簽一般由傳感探頭和電磁界面組成。傳感探頭承載傳感機理，將探測目標轉(zhuǎn)換為電信號;電磁界面完成對閱讀信號的反射，在背向散射電磁波中形成可辨識的幅頻特性，當(dāng)傳感探頭嵌入電磁界面，該特性由電信號控制。當(dāng)?{Yd［f，d(t)］}/?［d(t)］越大，幅度調(diào)制的識別度越大;當(dāng)?{f［Yd(d(t))min］}/?［d(t)］越大，則頻率調(diào)制的識別度越大。此外，為與附著體共型，傳感標簽應(yīng)采用平面薄型結(jié)構(gòu)。

2.1 標簽的電磁界面

為使背向散射電磁波中僅有結(jié)構(gòu)模，傳感標簽的電磁界面主要由金屬材質(zhì)構(gòu)成。天線為雙階梯下切角平面貼片超寬帶天線［11］，饋線為微帶傳輸線［12］，終端為匹配負載。

在天線上，刻蝕一個U 型槽。U 型槽在背向散射電磁波的結(jié)構(gòu)模的頻譜中形成帶隙，U 型槽的長度和寬度決定帶隙頻點和帶隙深度［12］。如圖1 所示，給定的結(jié)構(gòu)尺寸(單位:mm)在3.1～10.6 GHz 通頻帶中的5 GHz 頻點形成電磁帶隙。

2.2 傳感探頭

基于孔隙SnO2的MWCNRs 傳感器［6］，極間電流幅度很小，研究表明，這一電流無法對頻帶帶隙進行有效的調(diào)制?；赑d-SWCNTs 的傳感器［5］，如圖2(a)所示，Pd-SWCNTs 為IDE 電極間的負載，其SEM 如圖2(b)所示。當(dāng)瓦斯?jié)舛葟?×10－6增加到100×10－6時，IDE 兩端的電流強度從1.84 mA 增加到1.91 mA，IDE 的等效電阻從543 Ω減小到523 Ω，可有效調(diào)制頻帶帶隙的幅度和頻率。

圖1 傳感器標簽的結(jié)構(gòu)尺寸Fig 1 Dimension of the proposed sensor tag

圖2 基于Pd-SWCNTs 的傳感器及其SEM 圖Fig 2 Pd-SWCNTs-based sensor and its SEM

3 傳感器標簽

將Pd-SWCNTs 傳感探頭嵌入在電磁界面U 型槽的中間，如圖3 所示。IDE 的一極連接槽的上邊沿、另一極連接槽的下邊沿，IDE 電流等效為流過U 型槽的電流，導(dǎo)致帶隙深度隨電流的變化而變化，形成帶隙幅度調(diào)制。

將Pd-SWCNTs 傳感探頭嵌入在電磁界面U 型槽的縱向縫隙處，如圖4 所示。IDE 電流等效流過縱向縫隙的電流，U 型槽的電長度隨電流的變化而變化，導(dǎo)致帶隙頻點的改變，形成帶隙頻率調(diào)制。

圖3 基于帶隙幅度調(diào)制的傳感器標簽的結(jié)構(gòu)Fig 3 Structure of sensor tag based on amplitude modulation of band-gap

4 數(shù)值近似與分析

根據(jù)UWB-RFID 探測瓦斯原理，在分析傳感標簽的性能時，以解析法構(gòu)建傳感過程模式，給出背向散射電磁波結(jié)構(gòu)模的數(shù)學(xué)表達式;以數(shù)值法計算標簽天線的端口反射系數(shù)S22和RCS 值，給出識別靈敏度參數(shù)，分析過程是解析法和數(shù)值法的結(jié)合，其中，已調(diào)高斯脈沖20 dB 頻帶帶寬為3.1～10.6 GHz，數(shù)值過程采用微波工作室CST 的時域求解器。

圖4 基于帶隙頻率調(diào)制的傳感器標簽的結(jié)構(gòu)Fig 4 Structure of sensor tag based on frequency modulation of band-gap

針對圖3 所示的傳感標簽，其端口反射系數(shù)S22如圖5所示，除5 GHz 帶隙頻點，通頻帶具有超寬帶特性(S22＜－10 dB)。當(dāng)瓦斯?jié)舛葟?×10－6經(jīng)過6×10－6增長到100×10－6，帶隙頻點的S22值從－7.73 dB 經(jīng)過－9.87 dB減小到 －9.98 dB; 同 時，RCS 從 －32.59 dBsm 經(jīng) 過－31.71 dBsm增加到－31.61 dBsm，如圖6 所示。圖7 為識別靈敏度曲線，在5 GHz 帶隙頻點，當(dāng)瓦斯?jié)舛葹?×10－6，Samp= －9.13 dB; 當(dāng) 瓦 斯 濃 度 為100 ×10－6，Samp=－9.32 dB。

圖5 基于帶隙幅度調(diào)制的傳感器標簽端口的反射系數(shù)Fig 5 Reflection coefficient of sensor tag terminal based on amplitude modulation of band-gap

圖6 基于帶隙幅度調(diào)制的傳感器標簽的RCS 值Fig 6 RCS of sensor tag based on amplitude modulation of band-gap

圖7 基于帶隙幅度調(diào)制的傳感器標簽識別靈敏度Fig 7 Identifiable sensitivity of sensor tag based on amplitude modulation of band-gap

針對圖4 所示的傳感標簽，其端口的反射系數(shù)S22如圖8所示。當(dāng)瓦斯?jié)舛葹?×10－6，6×10－6，100×10－6時，對應(yīng)的帶隙頻點為5，5.25，5.25 GHz;圖9 為RCS 值。根據(jù)上述數(shù)值結(jié)果，解析分析得Yd［f，d(t)］隨頻率的變化曲線，如圖10 所示。當(dāng)瓦斯?jié)舛葹?×10－6，6×10－6，100×10－6時，對應(yīng)Yd(d(t))min的頻點為6.25，6.75，6.75 GHz?？梢?，對應(yīng)瓦斯?jié)舛葹?00×10－6，Sfreq=－11.3 dB。

圖8 基于帶隙頻率調(diào)制的傳感器標簽端口的反射系數(shù)Fig 8 Reflection coefficient of sensor tag terminal based on frequency modulation of band-gap

圖9 基于帶隙頻率調(diào)制的傳感器標簽的RCS 值Fig 9 RCS value of sensor tag based on frequency modulation of band-gap

圖10 基于帶隙頻率調(diào)制的傳感器標簽的Yd［f，d(t)］參數(shù)Fig 10 Yd［f，d(t)］parameters of sensor tag based on frequency modulation of band-gap

5 結(jié) 論

本文提出的基于UWB-RFID 的瓦斯傳感標簽，將以Pd-SWCNTs 為負載的IDE 傳感探頭，嵌入在電磁界面上，以IDE 電流調(diào)制背向散射電磁波的結(jié)構(gòu)模，形成帶隙幅度調(diào)制和帶隙頻率調(diào)制兩種識別模式。研究表明:在室溫環(huán)境下，對應(yīng)濃度為100×10－6的瓦斯，帶隙幅度調(diào)制的識別靈敏度為－9.32 dB;而帶隙頻率調(diào)制的識別靈敏度為－11.3 dB?？梢姡琔WB-RFID 傳感標簽在背向散射電磁波的結(jié)構(gòu)模中形成可控的幅頻特性;而借助于納米傳感技術(shù)，這些特性可被充分用于傳遞所檢測到的目標信息。

［1］ Kohl D.Function and application of gas sensors［J］.J Phys D:Appl Phys，2001，34:125－149.

［2］ Iijima S.Helical microtubules of graphitic carbon［J］.Nature，1991，354:56－58.

［3］ Robert B.Nanomaterials for gas sensing: A review of recent research［J］.Sensor Review，2014，1/34:1－8.

［4］ Li Zhongping，Li Junfen，Wu Xu，et al.Methane sensor based on nanocomposite of palladium/multi-walled carbon nanotubes grafted with 1，6-hexanediamine［J］.Sensors and Actuators B，2009，139:453－459.

［5］ Lu Y，Li J，Han J，et al.Room temperature methane detection using palladium loaded single-walled carbon nanotube sensors［J］.Chem Phys Lett，2004，391:344－348.

［6］ Biaggi-Labiosa A，Sola F，Lebron-Colon M，et al.A novel methane sensor based on porous SnO2nanorods:Room temperature to high temperature detection［J］.Nanotechnol，2012，23:455－501.

［7］ Liu J，Li Guomin.A remote sensor for detecting methane based on palladium-decorated single walled carbon nanotubes［J］.Sensors，2013，13:8814－8826.

［8］ Faranak Nekoogar，F(xiàn)arid Dowla.Ultra-wideband radio frequency identification systems［M］.［S.l.］:Springer，2011:51－64.

［9］ Chen Z，Wu X，Li H，et al.Considerations for source pulses and antennas in UWB radio systems［J］.IEEE Trans on Antennas Propag，2004，52(7):1739－1748.

［10］Balanis C A.Antenna theory analysis and design［M］.3rd ed.Hoboken，NJ:Wiley，2005.

［11］Grzegorz Adamiuk，Thomas Zwick，Werner Wiesbeck.UWB antennas for communication systems［J］.Proceeding of the IEEE，2012，100(7):2308－2312.

［12］Pozar David M.Microwave engineering［M］.4th ed.Hoboken，NJ:Wiley，2012.