柔性微型超级电容器(MSC)与无芯片射频身份识别(RFID)集成系统的研究

Power supply unit is one of the core problems of flexible intelligent wearable electronics. Flexible micro-supercapacitor is one of the ideal power supply units. There are many problems in practical use, such as device failure and performance degradation caused by frequent bending. This project intends to integrate the flexible micro-supercapacitor with the chipless radio frequency identification system, and use the supercapacitor as the resonator of the RFID to realize the modulation of the RFID signal, and finally realize the purpose of wireless detection of the performance and working status of the flexible micro-supercapacitor. The technical scheme is: on the biocompatible, highly flexible and environmentally friendly silk fibroin film substrate, the composite device is constructed by inkjet printing and electrochemical deposition technology. Two researches will be focused: (1) spectrum changes caused by common device failures and performance degradation of flexible micro-supercapacitors, such as electrode damage, volatilization and composition changes of electrolyte, etc. (2) spectrum characteristics caused in normal operation corresponding to charging and discharging state of flexible micro-supercapacitors. Finally, by analyzing the equivalent circuit of the system, the spectrum changes caused by the state and performance changes of the micro-supercapacitor will be qualitatively explained, and the universal laws will be summarized to establish a theoretical basis for similar wireless device performance detection system.

供电单元是柔性智能可穿戴电子的核心问题之一。柔性微型超级电容器是理想供电单元之一，在实际使用中存在因频繁弯曲而导致的器件失效、性能衰退等问题。本项目拟将柔性微型超级电容器（MSC）与无芯片射频身份识别（RFID）系统进行集成，将MSC作为RFID标签的谐振体，实现MSC对RFID反射信号的调制作用，最终实现无线检测MSC的性能与工作状态的目的。技术方案为：在生物相容、高柔韧性、绿色环保的蚕丝蛋白薄膜基底上，通过喷墨打印与电化学沉积快速构筑复合器件，重点研究（1）柔性微型超级电容器常见的器件失效和性能衰退所引起的频谱变化，如弯折引起的电极损伤或溶胶电解质的挥发、成分改变等；（2）柔性微型超级电容器在正常工作下充放电与带电状态所对应的频谱特征。最后通过分析体系的等效电路，从机理上定性解释微型超级电容状态、性能改变引起的体系的频谱变化，归纳总结普适规律，为类似的无线器件性能检测体系建立理论基础。

供电单元是柔性智能可穿戴电子的核心问题之一。本项目将超级电容、生物相容高分子材料、电磁波信号及能量传输三个方面进行交叉研究，在生物相容可植入能源器件、生物体体征信号无线传感以及能量的无线传输及存储上取得了重要成果。1. 实现了微型超级电容器的无线充电及无源无线电压实时监测体系。电压监测采用LC谐振电路，当电压改变时，体系的电容发生相应变化，通过无线监测谐振频率实现对超级电容器的电压的监测。即使体系完全亏电，也可以从无线信号中得到其电压状态。本体系不需要复杂电路及芯片，因而具有系统小型化的潜力。2.利用无芯片RFID的概念实现传感信号的远场传输。将每一个LC传感器改造为RFID的滤波器，并利用微带电路+天线的架构，使电磁波在微带线中传播时实时被每一个LC传感器调制，最后通过天线发射实现对阵列式LC传感器的无线远场监控，在人体体征的多点信号探测方面具有应用潜力。3. 将超级电容与LC电路深度结合，制作了线圈式的超级电容，该体系将超级电容、充电线圈、电压传感三个部件合三为一，实现了对超级电容的交流充电模式。不同于直流充电，该体系利用磁通量的变化来充电，不再受限于电流，在快充体系具有应用潜力。在项目执行期间，发表了高水平论文6篇，其中通讯作者论文4篇，中国发明专利授权1项，获批一项福建省面上基金。