Desenvolvimento e caracterização de etiquetas de identificação por radiofrequência utilizadas como sensores físico-químicos

Abstract

Neste trabalho, desenvolvemos e caracterizamos etiquetas (“tags”) de identificação por radiofrequência (RFID) para a utilização como sensores físico- químicos. Em uma primeira etapa, trabalhamos com tags passivas de alta frequência (HF) comerciais (Texas CI) acopladas a sensores de filme fino de diferentes materiais manipulados e depositados em nosso laboratório. Foram utilizados filmes de óxidos metálicos (ZnO, IZO, AZO e ITO) depositados por pulverização catódica (RF sputtering) sobre eletrodos interdigitados com o intuito de demonstrar uma resposta diferenciada para cada material quando expostos à radiação ultravioleta (UVA). Filmes de polianilina (Pani), depositados por drop casting, foram utilizados acoplados às tags RFID para demonstrar a viabilidade de utilização como sensor químico (HCl) em ambiente aquoso. Foi desenvolvido todo um sistema de detecção sem-fio por radiofrequência na faixa de operação das tags (em torno de 13,56 MHz), assim como foi realizada uma comparação com a detecção por conexão de campo próximo (near field connection – NFC) utilizando um smartphone. Foram também desenvolvidas tags tanto sobre placas de circuito impresso (PCBs) quanto sobre substratos flexíveis, para a manufatura de conjuntos (“arrays”) de quatro antenas operando a frequencias ligeiramente diferentes (no intervalo de 10 MHz a 18 MHz), acoplados a diferentes filmes orgânicos/híbridos (Pani:pTSA, PEDOT:PSS, MWCNT:P4VP e MoS2:P4VP:PSS), com o intuito de realizar uma detecção multivariada de diferentes compostos orgânicos voláteis (VOCs). O resultado é um espectro em frequência que permite determinar o tipo de composto volátil e sua concentração sem a necessidade de conexão por fios. A tecnologia nesse trabalho fornece um método barato e simples para a detecção tanto de substâncias químicas quanto a de medida de grandezas físicas sem a necessidade de sistemas complexos de medida, podendo utilizar protocolos disponíveis em dispositivos como tablets e smartphones.

In this work, we developed and characterized radio-frequency identification (RFID) tags for use as physical-chemical sensors. In a first part of the work, we used passive high-frequency (HF) commercial tags (Texas CI) coupled to thin film sensors of different materials manipulated and deposited in our laboratory. Metal oxide films (ZnO, IZO, AZO and ITO) deposited by RF sputtering onto interdigitated electrodes were used in order to demonstrate a different response for each material when exposed to ultraviolet radiation (UVA). Polyaniline films (Pani), deposited by drop casting, were used coupled to RFID tags to demonstrate the feasibility of using them as a chemical sensor (HCl) in an aqueous environment. A complete radiofrequency wireless detection system was developed in the operating range of the tags (around 13.56 MHz), as well as a comparison with near field connection (NFC) detection using a smartphone. Tags were also developed both on printed circuit boards (PCBs) and on flexible substrates, for the manufacture of arrays of four antennas operating at slightly different frequencies (in the range of 10 MHz to 18 MHz), coupled to different organic/hybrid films (Pani:pTSA, PEDOT:PSS, MWCNT:P4VP and MoS2:P4VP:PSS), in order to perform a multivariate detection of different volatile organic compounds (VOCs). The result is a frequency spectrum that allows the determination of the type of volatile compound and its concentration without the need for a wired connection. This technology provides a cheap and simple method for the detection of both chemical substances and the measurement of physical quantities without the need for complex measurement systems, being able to use protocols available on devices such as tablets and smartphones.