一文读懂NFC传感器系统架构和应用

无线技术上的进步为柔性电子学开辟了新的机会。近距离无线通讯（NFC）可以实现双向的短程无线通讯，属于一类新兴的技术，其市场定位是形成柔性印刷型传感器系统的架构。印刷型NFC传感器设备，例如佩戴式的温度监测器或篡改检测设备等，并不需要在电路板上提供电源、插头或有线的连接方式，跳线上的集成芯片在靠近具有NFC功能的读取器或蜂巢设备时才会启动。生产NFC传感器系统需要NFC功能元件及传感器功能元件。

现在，透过采用印刷型银柔性制造和装配工艺，可以提高这两类主要功能元件的制造效率。最近在银墨和印刷技术上的发展，可以将每个NFC标签镶嵌层或设备所需的导电天线线圈走线印刷到高度耐久、高度灵活的聚合物基板上。与同等的铜电路相比，聚酯上的导电墨水可以显着降低基板的成本。在相同的基板上可以形成传感器，或者将传感器连接到其上，而且这一工艺支持添加微控制器（MCU）单元及其他电子元件，实现全整合的解决方案。从货运和物流业直到药物与医疗设施中的病人监护，NPC印刷型传感器系统现在正在转移到要求一次性使用的众多产业。

为成功转换到银柔性技术而指定在为给定的应用指定导电墨水和基板材料时，必须认真的考虑多个因素。当从传统的刚性电路或柔性铜电路过渡到具有NFC功能的印刷型银柔性传感器系统时，这种做法尤其正确。NFC需要依赖于天线线圈走线的导电性，蚀刻的铜走线是一种高导电性的基体材料，宽度可能小至0.003英寸。然而，印刷型银电路的导电性要低于作为基体材料的铜，所以印刷的走线需要更宽一些，由于聚合物基板在元件的正常使用过程中会屈曲，较宽的走线特别可以保持印刷走线的完整性。

成功的转换到银柔性元件，需要具备相关的知识来进行必要的调整，从而正确的形成更宽的走线，并且设计出功能与基于铜的元件相同的天线。应当部署富有经验的设计开发团队简化这一流程，采用先进、专有的钣金制造与滚动式制造工艺可以简化智慧标签、传感器跳线，以及其他大批量产品上银走线的印刷工艺。与FR-4或铜柔性电路板不同的是，印刷型银柔性技术增加了进行进一步转换的选项和能力，例如可以形成一卷具有NFC功能的传感器标签，或者采用图形贴纸来进行美化。

根据印刷型传感器设计的复杂性及其预期的功能，从FR-4电路板过渡到成本更低的聚合物基板上的印刷型银电路，可能就是最佳的方案。对于复杂的应用来说，例如，如果印刷电路板上超微型化的元件间距过于稠密，那么传统上使用铜的FR-4电路板非常有可能作为首选的技术。

对于元件数量较少（约为20件或更少一些）的应用，银柔性技术的优势则会更加明显，原因在于可以降低银走线覆盖住的基板区域的占比。比如说，佩戴式的健身或医疗传感器上的跳线可以提供充裕的空间，支持更宽的银走线，并且需要更加柔软易弯的基板材料，例如聚酯等。聚合物上的印刷型银柔性技术重量更轻、在三维（3D）上具有极高的灵活性，因此以上任一种应用都还可从该技术中获益。另一项优势则在于与铜相比，银更加环保，其制造过程也更加清洁，这是因为增材型的银印刷工艺不会产生有害的化学蚀刻废料。

图1 在聚酯基板上展示了具有代表性的Molex SilverFlex电路，显示了电路的小尺寸与柔性

一般来说，在电池供电的设备中，任何无线资料通讯协定消耗的功率在所需的总功率中都会占很大的比重。使用NFC则可以降低设备的总功率要求，因为无线资料通讯的全部功率都是从NFC读取器中输送过来。提供无线读出功能、启用了NFC的传感器系统并不需要消耗功率，读取器可以将供电和资料指令发送到具有NFC功能的传感器系统，然后系统会将资料发送回读取器，作出回应。为基于印刷的制造工艺设计无线NFC传感器系统，可以采用多种方案。在设计阶段，则应尽早辨别出最佳的方法。

图2 Molex NFC温度即时读出标签

应用驱动的NFC传感器系统架构

一体化的NFC和MCU芯片的系统架构相对简单一些。单芯片可提供定义明确的功能，成本效益极高。然而，成品的功能将受到硬件的局限，因此一体化的设计最适合用来满足高度专一的应用的要求，相互独立的NFC和MCU芯片则通常可以更好的为复杂性较高的设备提供支持。双芯片的封装会提高工程上的要求、增加工程成本，但是又允许更高程度的定制，例如，可以支持多种应用或多条产品线，并且对仍在发展中的需求进行监控。在设计和开发的周期中，双芯片的解决方案可以提高多功能性，使资料记录功能独立于资料通讯部分而单独存在，提供更加复杂而又稳健的功能。MCU可以随着时间而逐渐的执行资料记录功能，而且无需为NFC加电，进而延长设备的电池寿命。

NFC传感器系统可以整合到智慧标签和其他设备中，适合需要资料记录功能的应用，并且有益于产品保质期方面的时间记录和温度记录，或者对热敏或环境敏感型产品的监测。条码或RFID读取器只是以单向的方式将资料从标签传递到读取器，与此不同的是，移动电话中嵌入的NFC芯片可以在读取器-写入器的模式下部署，供资料获取应用使用。然后，移动电话可透过蜂巢资料连接或Wi-Fi连接来促进已采集资料向服务器及云端的远距离传输。

根据芯片和天线的不同，启动NFC传感器设备的典型距离有所不同，但是一般在4公分（cm）的范围以内。非辐射的NFC讯号的近场范围可使电磁干扰降至最低，在降低了资料外泄或资料入侵风险的同时，可以提供一个更为安全的通讯平台。从功率的观点来说，与蓝牙无线技术相比，NFC设备消耗的总功率要低一些，这就意味着可以为传感器系统延长电池寿命。

图3 Molex NFC温度测井智慧标签，显示了柔性和透明度

推动数字时代的创新对于安全访问、电子支付系统和其它短距无线应用来说，NFC都是一种久经考验的技术，但是直到最近才被现代的手机和家庭及办公场所中的许多种平板电脑所完全采用。这一发展趋势代表了向前迈进的一大步，可以建立起所需的基础设施，将NFC的部署提升一个层次。印刷制造技术中发展潜力最大的一个方面就是存在着潜力来推动数字时代的创新。

结合NFC和蜂巢通讯来充分利用银印刷型传感器系统的应用，可以在前所未有的程度上提供一种可资利用而又受资料驱动的深入洞察力。移动设备与移动应用可以提供基于时间的灵敏度、位置服务，以及远端电力通讯之类的固有功能，为NFC传感器系统使用的新应用的开发工作提供支持。

NFC可经定制来满足一系列众多应用的要求，透过减少资料读出所需的能量，正在重新塑造传感器系统的架构。这一技术还可在无需电池的情况下实现持续的自动化监控，这样就可以显着的延长设备的寿命，或者降低传感器系统的物料清单成本。NFC功能可以与银柔性印刷工艺与制造工艺良好的结合。