基于近场通信的柔性标签设计及性能影响研究

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智能终端的日益普及和近场通信(Near Field Communication,NFC)技术的不断进步,为无线可穿戴式医疗设备的蓬勃发展提供了有力的支持。NFC标签作为NFC系统的重要组成部分,在健康检测领域中对其舒适性和工作性能的要求越来越高。传统NFC标签无法很好贴合人体皮肤,存在变形能力差、工作性能不稳定等问题。本文针对可穿戴健康检测应用中的小型化NFC柔性标签进行设计,着重研究多形变工作状态和近人体工作环境对其工作性能的影响,主要研究内容如下:(1)针对NFC柔性标签变形能力差的问题,利用镓基液态金属流动性和柔性衬底PDMS良好拉伸性的材料优势,设计并制备一款新型NFC柔性标签。构建考虑寄生电容的NFC标签等效模型,分析NFC标签天线形状、面积、匝数、线宽、线间距等结构参数对标签等效电感、损耗电阻、寄生电容和工作性能的影响规律。(2)针对NFC柔性标签多形变工作状态,基于电磁感应耦合理论,研究发现形变易引起谐振频率偏移甚至标签失效,其主要原因是变形前后有效面积的变化。引入有效面积变化率参数,推导不同变形程度的拉伸、弯曲、扭转变形与有效面积变化率之间的数学关系。建立标签变形状态模型,研究不同有效面积变化率对标签电学性能和工作性能影响规律,提出减小标签面积以解决大幅度频率偏移的问题。(3)针对NFC柔性标签近人体的特殊工作环境,基于人体组织本身的电磁特性,建立三层人体组织模型,分析不同工作距离对NFC标签电学性能和工作性能的影响,结果发现人体电磁特性会造成标签谐振频率偏移、工作稳定性变差等问题。(4)针对NFC柔性标签易出现频偏引起工作稳定性差的问题,为提高标签工作带宽,基于小型化设计原则,提出非等间距结构设计,研究非等间距结构中线间距增长率对标签谐振频率和工作带宽的影响规律。通过与具有相同面积的等间距结构标签对比分析,测试结果显示非等间距结构NFC标签工作带宽增长率为52.6%。根据理论分析、仿真研究和实验测试结果表明,本文设计的NFC柔性标签表现出良好的变形能力,实现了在多形变和近人体的实际应用中,保持稳定电学性能和谐振频率的设计目标。在逐渐利用无线通信技术进行健康和运动检测的时代背景下,为未来制备高强度、大形变且性能稳定的NFC柔性标签奠定了基础,对可穿戴式智能医疗、健康数据检测等领域的发展提供一定的支持。
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