武汉理工大学《ACS AMI》:基于石墨烯组装薄膜的抗腐蚀、长通信距离RFID标签,用于地下无线温度传感

研究提出了一种基于无源射频识别(RFID)的石墨烯组装膜(GAF)温度传感系统。该工作以 GAF 制备天线与人工磁导体(AMC)结构,并集成商用 RFID 芯片实现温度检测,构建出兼具耐腐蚀与远距离通信能力的柔性传感标签。

成果简介

武汉理工大学《ACS AMI》:基于石墨烯组装薄膜的抗腐蚀、长通信距离RFID标签,用于地下无线温度传感

土壤温度监测是现代农业生产体系的关键环节。然而,传统检测方式往往劳动密集、效率低,且对土壤埋设环境的适应性差。因此,开发可埋地、耐腐蚀且具备远距离无线传输能力的温度传感技术,对智慧农业与物联网感知具有重要意义。基于此,本文,武汉理工大学宋荣国 特设教授、祖浩然 特任教授等在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊发表名为”Anti-Corrosion and Long Communication Range RFID Tags Based on Graphene-Assembled Films for Underground Wireless Temperature Sensing”的论文,研究提出了一种基于无源射频识别(RFID)的石墨烯组装膜(GAF)温度传感系统。该工作以 GAF 制备天线与人工磁导体(AMC)结构,并集成商用 RFID 芯片实现温度检测,构建出兼具耐腐蚀与远距离通信能力的柔性传感标签。

此外,为进一步提升无线通信距离,研究专门设计并与传感器集成了一层 GAF 人工磁导体(AMC)。其低剖面高阻抗表面特性改善了标签的辐射方向图与读取效率,使系统的自由空间最大通信距离得到显著延伸。经测试,引入 GAF AMC 后,该 RFID 传感系统的最大自由空间通信距离由 10.1 m 提升至 16.8 m;在土壤环境中与标定水银温度计对比,GAF 温度传感器最大温度偏差为 1.2 °C、平均绝对误差为 0.366 °C。同时,该系统成功演示了实时无线数据采集与显示,使其适用于地下/土壤埋设温度监测场景。本研究提出了一种以石墨烯组装膜构建耐腐蚀、远距离 RFID 温度标签的设计策略,该策略有效克服了传统传感技术在埋地环境中的关键局限,为土壤温度无线监测提供了初步可行方案。

图文导读

武汉理工大学《ACS AMI》:基于石墨烯组装薄膜的抗腐蚀、长通信距离RFID标签,用于地下无线温度传感

Figure 1.Characterization of the graphene-assembled films. (a) Digital photo of large-scale GAF; (b) X-ray diffraction (XRD) pattern; (c) Raman spectrum of GAF; (d) Flexible display of GAF; and (e) surface and (f) cross-sectional SEM images of GAF.

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Figure 2.Design and characterization of the proposed GAF RFID sensor: (a) GAF antenna layout; (b) digital photo of the fabricated GAF RFID sensor. Parametric variation of the antenna impedance with (c) length l3; (d) width w3 and (e) gap s. (f) Simulated and measured communication range performance of GAF RFID sensor: dashed line: simulated, solid line: measured (The illustration shows the testing equipment, the double-dotted dashed line marks the minimum read range across the entire UHF band (above 9.2 m)).

武汉理工大学《ACS AMI》:基于石墨烯组装薄膜的抗腐蚀、长通信距离RFID标签,用于地下无线温度传感

Figure 3.Corrosion resistance and temperature-sensing performance of the GAF RFID sensor. (a, b) Comparison of surface morphologies before and after 72 h of salt spray exposure for the (a) GAF and (b) copper foil. (c–e) Experimental setups for temperature measurement: (c) buried in soil, (d) placed in a flowerpot, and (e) on heating stage. (f–h) Corresponding temperature data comparisons between the proposed GAF RFID sensor and a reference mercury thermometer under the conditions in (c–e), respectively. Light pink shading indicates the range of deviation from the reference standard.

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Figure 4.Performance enhancement of GAF RFID sensor through AMC integration. (a) Unit cell geometry of the proposed GAF AMC. (b) Digital photo of the fabricated 3 × 1 AMC array. (c) Schematic cross-section illustrating the integrated GAF sensor-AMC structure with a 20-mm-thick foam spacer. (d) Simulated gain comparison of the sensor with and without the AMC. (e) Measured communication range comparison of the sensor with and without the AMC.

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Figure 5.Environmental robustness evaluation of the AMC-integrated sensor in soil. (a) Schematic illustration of the AMC-enhanced signal penetration mechanism. (b, c) Experimental photograph of a standalone sensor buried in shallow soil. (d, e) Experimental photographs of the standalone sensor buried at a depth of 20 cm, showing that the sensor becomes unreadable. (f, g) Experimental photographs of the integrated sensor-AMC system buried at the same depth of 20 cm, showing that reliable readout is maintained.

小结

综上所述,本文演示了一种耐腐蚀的UHF RFID温度传感系统,其中天线和AMC结构由石墨烯组装薄膜(GAF)制成,而温度传感功能则由市售的RFID芯片提供。该独立式GAF传感器在UHF频段下的最大通信距离为10.1米,集成AMC后进一步延长至16.8米,增幅达66%。在土壤埋设测试中,这种提升使得可靠读取的有效埋设深度从10厘米延长至20厘米。通过72小时盐雾测试验证了其优异的耐腐蚀性:在测试中,GAF样品保持完好,而铜箔对照样品则发生了严重腐蚀。高温传感精度已通过土壤埋设测试得到验证,与经校准的水银温度计相比,最大偏差为1.2 °C,平均绝对误差为0.366 °C。AMC结构显著增强了在土壤埋设环境(深度达20厘米)中的信号穿透能力,确保了在实际农业条件下可靠的无线通信,并成功演示了实时无线数据采集与显示功能。所提出的基于GAF的RFID传感系统为埋地温度监测提供了替代金属传感器的潜在可持续方案,并在精准农业和物联网相关领域展现出应用潜力。我们承认,加速腐蚀试验虽然有助于初步验证,但未能完全再现实际地下农业环境的复杂性,这些环境可能包括可变的pH值、肥料盐分、微生物活动、湿度波动以及机械应力。未来将系统地开展基于真实田间条件的长期埋土降解研究,以进一步验证所提议传感器的耐久性和可靠性。

文献:https://doi.org/10.1021/acsami.6c14140

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