日本开发出带水分传感器功能的柔软RFID标签

日本东京大学的研究人员开发出了带水分传感器功能的柔软RFID标签系统。标签配备了近30个有机晶体管及有机二极管等，利用电磁共振式无线供电技术、通过读取装置供电，因此标签可以离开读取装置几厘米远。东京大学已在美国旧金山市举行的半导体国际学会“International Solid-State Circuits Conference（ISSCC）2014”上发表了关于该技术详情的论文。

开发该系统的是东京大学生产技术研究所的樱井贵康与该大学研究生院工学系研究科教授染谷隆夫等人组成的研发小组。该系统由无线标签和读取器构成。读取装置在向无线标签无线供电的同时，还会接收无线标签的响应信号、读取数据。无线频率采用13.56MHz。

樱井介绍说，“以前的无线标签和传感器都是配备在物体上使用，而今后佩戴在人体上的用途将增加。因此，标签必须要具备柔性”，此次的无线标签系统就是处于这样的想法开发的。

此次开发的柔软无线标签。左下方的电路为整流电路和静电保护电路。右下方的电路是用作水分传感器的环形振荡器。

整流电路、环形振荡电路和静电保护电路的详情

上述电路首先在其他薄膜上制作，然后再贴到无线标签上。

安装在纸尿裤上的示例

无线标签的尺寸为78mm×53mm，在12.5μm厚的聚酰亚胺薄膜上用真空蒸镀法形成了受电线圈和各种电路。电路共有三种，分别是（1）受电用整流电路、（2）最大2kV的静电保护电路、（3）用作水分传感器的环形振荡电路。线圈和长布线使用铜，电极等使用金。薄膜上的布线和电路大约由3层构成，各层经由金通孔连接。

整流电路和静电保护电路由肖特基有机二极管构成。有机二极管的半导体采用酞菁类p型有机半导体材料。静电保护电路是人体佩戴型标签不可或缺的。樱井表示，“身体周围的静电一般为1kV至1.5kV。最大支持2kV基本没什么问题”。

环形振荡电路使用的有机晶体管采用噻吩类p型有机半导体材料。载流子迁移率比较高，约为1cm2/Vs，环形振荡器的振荡频率为3Hz～10Hz。部分电路被薄膜状暴露的电极中断，如果有水分的话，电极间的电阻就会降低，会开始振荡。不振荡表示没有水分，振荡则表示有水分。

振荡时，在读取装置发送来的13.56MHz电磁场上重叠振荡频率后再返回读取装置。无线标签内不会生成13.56MHz的信号。“像是反射来自读取装置的电磁场一样”（东京大学生产技术研究所助教更田裕司）。

无线供电采用电磁共振方式，把原来采用电磁感应方式时最大为5～10mm的无线传输距离延长到了4cm以上。经确认，无线标签在弯曲到曲率半径约2mm时仍能正常工作。另外，在读取装置上配备了当标签弯曲、受电线圈的电感发生变化时，检测该变化并调整发送电压的功能。染谷介绍说，“利用该功能把耗电量最大降低了92%”。

顺便一提，目前已被实际用于物流现场等的无线标签有距离读写装置长达1m～几m的产品。更田介绍说，“这种情况下的电波频率非常高，需要大幅提高有机晶体管的性能，此次很难实现”。

此次这款传输距离为几cm的无线标签设想的用途包括纸尿裤和创可贴等。用于纸尿裤时，读取装置安装在纸尿裤外侧，通过蓝牙和无线LAN等向便携终端发送状态信息，这样，不在婴儿旁边的人也能及时掌握纸尿裤的状况。