柔性傳感-水產(chǎn)無(wú)源柔性氨氣傳感

★研究背景

傳統(tǒng)的剛性傳感器和不完善的校準(zhǔn)方法難以滿足水產(chǎn)品供應(yīng)鏈中食品質(zhì)量安全監(jiān)測(cè)的需求，需要重新設(shè)計(jì)和優(yōu)化。本文設(shè)計(jì)并優(yōu)化了一種用于水產(chǎn)監(jiān)測(cè)的基于自適應(yīng)參數(shù)調(diào)整人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（APA-ANN）的無(wú)源柔性氨氣傳感器。設(shè)計(jì)的傳感器可以通過(guò)13.56MHz的射頻識(shí)別（RFID）獲取氨氣信息并傳輸?shù)阶x取器。通過(guò)具有約63.07%收集效率的能量采集模塊，無(wú)源柔性氨氣傳感器在無(wú)電池的情況下收集射頻能量并為傳感器正常工作提供電力。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)張小栓教授團(tuán)隊(duì)將RFID和柔性傳感技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)并制作了一種用于水產(chǎn)品監(jiān)測(cè)的無(wú)源柔性氨氣傳感器。它可以最大限度地減少正常操作的功耗，同時(shí)減少傳感器尺寸和重量，從而在沒有電池的情況下實(shí)現(xiàn)自我能量采集。最終，通過(guò)RFID、柔性傳感和APA-ANN的集成實(shí)現(xiàn)了能量采集、包裝內(nèi)部環(huán)境改善及傳感器輸出校準(zhǔn)優(yōu)化：提出了一種用于水產(chǎn)供應(yīng)鏈監(jiān)測(cè)的無(wú)源柔性氨氣傳感器;柔性傳感器可以避免包裝損壞，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)利用；傳感器通過(guò)RFID實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸和射頻能量采集，無(wú)需電池供電;4. APA-ANN可以提高傳感器輸出精度，實(shí)現(xiàn)減損控制。

★ 文章解析

圖1展示了柔性傳感器的結(jié)構(gòu)，主要包括柔性基板、電極層、傳感層和絕緣層。碳納米管（CNTs）具有高靈敏度、納米級(jí)電子傳輸、熱傳導(dǎo)和表面吸附材料的快速響應(yīng)特性，與不同的導(dǎo)電材料或聚合物相結(jié)合，形成了P-N半導(dǎo)體，有效地提高傳感性能。當(dāng)碳納米管暴露于空氣中時(shí)，NH3分子被覆蓋在SWCNT膜的表面上用于電子轉(zhuǎn)移。此時(shí)，SWCNT顯示出P型半導(dǎo)體特性，而ITO顯示出N型半導(dǎo)體特性并且它們的界面形成P-N結(jié)。另外，傳感器的制備過(guò)程則包括電暈處理、殺菌消毒、均質(zhì)震蕩等預(yù)處理及轉(zhuǎn)換傳輸層打印、傳感層打印、固化燒結(jié)等噴墨打印過(guò)程。

圖1：氨氣傳感器的傳感機(jī)理及制作流程圖

圖2展示了無(wú)源柔性氨氣傳感器的結(jié)構(gòu)和工作流程。它由傳感模塊、控制和處理模塊、射頻通信模塊和能量采集模塊組成。RFID芯片通過(guò)設(shè)計(jì)的天線接收RFID讀取器發(fā)送的信號(hào)和射頻能量，并通過(guò)整流濾波電路將其轉(zhuǎn)換為直流電。然后通過(guò)升壓電路放大微弱的直流電壓，并將收集的能量存儲(chǔ)到超級(jí)電容器中。

圖 2：無(wú)源柔性氨氣傳感器的結(jié)構(gòu)和工作流程

圖3展示了噴墨打印后的柔性氨氣傳感器及其組件。設(shè)計(jì)了三個(gè)不同的電極來(lái)實(shí)現(xiàn)氨信號(hào)到電信號(hào)的傳輸，選擇具有較高敏感性，高穩(wěn)定性，低電阻，導(dǎo)電性更好的電極進(jìn)行刮涂。圖3也展示了天線和多層可拉伸柔性電路的打印、點(diǎn)膠和焊接，最終，將上述組件集成在一起的多層可拉伸柔性氨氣傳感器包括敏感層、轉(zhuǎn)換傳輸層、多層可拉伸電路、絕緣層、電子元件和封裝層。

圖 3：無(wú)源柔性氨氣傳感器及其元件

圖4展示了天線在仿真過(guò)程中的優(yōu)化尺寸、回波損耗S11和阻抗匹配結(jié)果，圖5則展示了其在電磁場(chǎng)中的電磁性能，越靠近天線中心，增益越高，磁場(chǎng)和電場(chǎng)的最大值集中在中心天線附近。實(shí)際的天線性能顯示它在13.733 MHz的工作頻率下具有?25 dB的回波損耗S11和45.2Ω的阻抗匹配，滿足了能量采集和供電的需求。

圖 4：天線仿真和優(yōu)化

圖 5：天線性能仿真與實(shí)際測(cè)試

圖(6-7)分別為傳感器性能測(cè)試及在實(shí)際運(yùn)輸過(guò)程中的校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)。傳感器的靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性及其穩(wěn)定性表明柔性傳感模塊具有響應(yīng)快、靈敏度高的特點(diǎn)，并且更快的傳感響應(yīng)有效地降低了功率損耗并提高了能耗效率。

牡蠣和鮑魚的實(shí)際測(cè)試表明氨氣和硫化氫在首次被檢測(cè)到后都有相似的趨勢(shì)，呈指數(shù)變化，而二氧化碳則呈線性上升趨勢(shì)。所有溫度、濕度和氧氣指標(biāo)在波動(dòng)后逐漸達(dá)到并保持穩(wěn)定。然后，經(jīng)過(guò)相關(guān)性分析，排除了與氨氣相關(guān)性較低的參數(shù)。

圖 6：傳感器輸出校準(zhǔn)

圖7：具有多重干擾的交叉靈敏度效應(yīng)的傳感器驗(yàn)證

圖8展示了通過(guò)APA-ANN獲得的最終傳感器輸出校準(zhǔn)優(yōu)化。在牡蠣和鮑魚的實(shí)際驗(yàn)證過(guò)程中，氨氣傳感器受到多干擾交叉靈敏度影響的訓(xùn)練集、測(cè)試集和驗(yàn)證集的相關(guān)系數(shù)R均高于0.997，這表明APA-ANN可以克服原有氨氣傳感器的低穩(wěn)定性、精度差及其他缺陷。此外， APA-ANN的性能分析顯示其絕對(duì)誤差分別在區(qū)間[-0.4573,0.1779]和[-0.3786,0.4928]內(nèi)變化，指標(biāo)的變化趨勢(shì)表明校準(zhǔn)值估計(jì)具有很強(qiáng)的一致性。

圖8：基于APA-ANN的傳感器輸出校準(zhǔn)優(yōu)化