CZ26489U1 - Mikrovlnná anténa s integrovanou funkcí senzoru organických par - Google Patents

Description

Mikrovlnná anténa s integrovanou funkcí senzoru organických par

Oblast techniky

Technické řešení se týká mikrovlnné antény s integrovanou funkcí senzoru organických par, zejména pak antény mikropáskového provedení se zemní rovinou, určenou k přenosu informací v bezdrátových sítích, přičemž druhou funkcí antény je možnost detekce organických par. Dosavadní stav techniky

V současné době se v mikrovlnných pásmech používají antény nej různějších konstrukcí. V oblasti mikropáskových antén se můžeme setkat z hlediska materiálového s anténami tvořenými nej častěji tenkými měděnými, stříbrnými nebo jinými kovovými ploškami nebo jen vrstvami ío těchto kovů nanesenými na elektricky nevodivém substrátu (dielektriku). Tyto plošky jsou v podobě konstrukčně uzpůsobených struktur (mikropásků) pro konkrétní frekvence. Zemní rovina antény bývá nejčastěji umístěna na zadní straně mikropáskové antény. Tyto antény mají povrch tvořen pevnou strukturou, která není schopná reagovat na změny par nacházejících se v provozovaném prostředí a nelze ji proto využít k přenosu signálu a zároveň k detekci organických par.

i? V současné době se stále více v praxi prosazují antény s částmi nebo vrstvami na bázi uhlíkových nanotrubic.

Anténa podle korejské patentové přihlášky KR 20090105991 je vyrobena zpolymemího kompozitu, který obsahuje uhlíkové nanotrubice v polymemí matrici na bázi polyamidu (nylonu).

Vodivým materiálem použitým u antény podle japonské patentové přihlášky JP 2002109489 je kompozit na bázi vodivé pasty obsahující uhlíkové nanotrubice, vodivý kovový prášek a polymemí matrici.

Patentová přihláška USA 2005116861 se týká antény malých rozměrů se zářičem obsahujícím uhlíkové nanotrubice, která má vynikající funkční charakteristiky ve vysokofrekvenčním pásmu.

Předmětem patentové přihlášky USA 2011220722 je anténa RFID tágu obsahující na substrátu vzorovanou vrstvu tvořenou vzájemně propojenými segmenty uhlíkových nanotrubic.

V řešení podle mezinárodní patentové přihlášky PCT WO 2012113322 je vrstva uhlíkových nanotrubic nanesena na povrch solárního panelu, jehož funkce je v tomto případě integrována s funkcí záchytu fotonů. Jedná se zde o náznak kombinace více funkcí výrobku, který vrstvy uhlíkových nanotrubic s ohledem na své technologické a užitné vlastnosti umožňují. Tato kombi3o nace více funkcí ovšem vychází z kombinace samostatných funkcí jeho dvou konstrukčních částí. Doposud ale není věnována dostatečná pozornost více možným funkcím samotné vrstvy uhlíkových nanotrubic.

Podstata technického řešení

K odstranění výše uvedeného nedostatku přispívá mikrovlnná anténa s integrovanou funkcí sen35 zořu organických par podle předloženého technického řešení. Podstata řešení spočívá v tom, že tato anténa je tvořena substrátem z elektricky nevodivého materiálu ve tvaru plošného útvaru, na jehož povrchu je nanesena elektricky vodivá funkční vrstva se schopností příjmu/vysílám signálu a současně vratné adsorpce/desorpce molekul organických par konstituovaná na bázi náhodně zapletených nanotrubic. Tato funkční vrstva je filtračním koláčem na filtrační membráně

4ii z polymemí ch nano vláken (produktem vakuové filtrace disperze uhlíkových nanotrubic přes filtrační membránu zpolymemích nano vláken) a to buď jako samonosná funkční vrstva nebo nebo i s integrovanou filtrační membránou.

Uhlíkové nanotrubice funkční vrstvy mají s výhodou průměr 10 až 30 nm a délku 1 až 10 μιη a funkční vrstva má s výhodou tloušťku 30 pm až 500 pm. Pro zvýšení citlivosti může tvořit po45 vrch funkční vrstvy její oxidační produkt.

- 1 CZ 26489 U1

Mikrovlnná anténa s integrovanou funkcí senzoru organických par podle technického řešení má s výhodou podobu planámího nebo planámího bikonického dipólu. Může být zhotovena také v miniaturizovaném provedení jako je PIFA anténa. Tvar a velikost antény je možno přizpůsobit požadované frekvenci.

Dosud nebyly popsány antény, které by byly schopny pracovat v mikrovlnném pásmu, a zároveň by dokázaly detekovat organické páry na základě změny odporu použité vrstvy nanesené na substrátu používaném ve vysokofrekvenční technice. S pomocí nanotrubic lze konstrukčně navrhnout takovou anténu, která při detekci organických par neovlivní výrazně svoje přizpůsobení. Takové řešení je inovativní z toho důvodu, že lze na malé plošce v podobě antény zakomponoio váné v mobilním zařízení provádět více funkcí, mezi které patří možnost přenosu signálu a možnost detekce organických par. Konstrukčně se jedná o dosud nepoužívanou technologii výroby vrstvy, která je součástí substrátu používaného v anténní technice pro mikropáskové antény. Anténa tedy může zároveň detekovat organické páry v ovzduší a po vyhodnocení upozornit uživatele takového zařízení, že se v ovzduší vyskytuje nějaký typ organické páry, která bývá většině i s případů ve větších i menších koncentracích nebezpečná pro zdraví člověka. Samotné vyhodnocení není prováděno touto anténou, anténa je v tomto případě chápána jako součást řetězce, kde je v řetězci na pozici pasivní antény a zároveň na pozici senzoru (čidla) organických par. Objasnění výkresů

K bližšímu objasnění podstaty technického řešení slouží přiložený výkres, kde znázorňuje:

obr. 1 - ilustrační schéma antény/čidla organických par - pohled;

obr. 2 - ilustrační schéma antény/čidla organických par - příčný řez;

obr. 3 - schéma zapojení antény/čidla organických par ve vyhodnocovacím řetězci.

Příklady uskutečnění technického řešení

Příklad 1

Mikropásková anténa v příkladném provedení (viz obr. 1 a 2) je tvořena funkční vrstvou 2 z náhodně zapletených uhlíkových nanotrubic (MWCNT) o délce 1 až 10 pm a průměru v rozmezí 10 až 30 nm. Tato funkční vrstva 2 je nanesena na elektricky nevodivém substrátu i vyrobeném z PMMA. Substrát i je tvořen páskem o délce 45 mm a šířce 9 mm, zakotveným v zemní rovině 4 tvořené PCB deskou. Tloušťka funkční vrstvy 2 je 200 μπι a navazuje na ni koaxiální vedení 3. Anténu lze zakomponovat do obalu přenosného zařízení využívajícího bezdrátový přenos informací.

Funkční vrstva 2 je filtračním koláčem na filtrační membráně zpolymemích nanovláken - je vyrobena vakuovou filtrací vodné disperze složené z uhlíkových nanotrubic a směsi surfaktantů přes polymemí membránu. Filtrační polymemí membrána z polyuretanových nanovláken je vy35 robena elektrostatickým zvlákňováním z roztoku polyuretanu v dimetylformamidu. Skrze tuto membránu je filtrováno takové množství disperze, které odpovídá tloušťce 200 μην Po dosažení této tloušťky je vzniklá vrstva promyta alkoholem a vodou tak, aby se odstranily zbytky surfaktantů. Filtrační membrána je odstraněna a filtrovaná vrstva je sušena mezi filtračními papíry. Po vysušení jez této vrstvy vytvořen vhodný tvar, který odpovídá požadavkům na frekvenci antény,

4d v konkrétním případě proužek o rozměrech 9x45 mm. Proužek je nanesen na substrátu z PMMA. Takto vzniklý útvar je nejlépe přizpůsoben frekvenci 1,28 GHz.

Vzniklá fůnkční vrstva 2 se používá jako samonosná (filtrační nanovláknitá membrána je separována), je elektricky vodivá, schopná prijímat/vysílat signál. Je také schopná adsorpce molekul organických par při vytavení těmto parám. Tento proces je vratný, tedy při odstranění této vrstvy

4? z par dochází k desorpci molekul organických par. Adsorpci a desorpci par lze jednoduše detekovat měřením změny stejnosměrného odporu. Je ale možné vyhodnocovat ji také skalárním měřením koeficientu odrazu antény tvořené z této odporové vrstvy nebo měřením změny jejího re_ 2 CZ 26489 U1 zonančního kmitočtu, případně detekováním změny resonanční frekvence antény, bez ztráty její funkce.

Výše uvedené funkce se realizují v zapojení antény/čidla organických par ve vyhodnocovacím řetězci (viz schéma na obr. 3), v němž je anténa A propojena přes převodník P a vyhodnocovací člen V s displejem D mobilního zařízení.

Příklad 2

Konstrukční řešení antény je obdobné příkladu 1. Funkční vrstva je i v tomto případě vyrobena vakuovou filtrací vodné disperze složené z uhlíkových nanotrubic a směsi surfaktantů.

Filtrační polymemí membrána z polystyrenu nebo polyamidu 6 je vyrobena elektrostatickým ío zvlákňováním z roztoku. Skrze tyto membránu je disperze filtrována. Je filtrováno takové množství, které odpovídá vytvoření funkční vrstvy 2 o tloušťce 30 pm. Po dosažení této tloušťky je vzniklá vrstva promyta alkoholem a vodou tak aby se odstranily zbytky surfaktantů. Filtrační membrána je součástí vzniklé struktury a je sušena mezi filtračními papíry. Po vysušení je z této vrstvy vytvořen vhodný tvar, který odpovídá požadavkům na frekvenci antény např. trojúhelník, i? čtverec a jiné útvary dle požadavků na frekvenci. Vzniklý útvar je pak spojen s nevodivým substrátem i.

Velikost a tvar je vždy závislý na konkrétní frekvenci, pro kterou má být anténa impedančně přizpůsobena. Anténu lze bez obtíží realizovat v bezlicenčních pásmech ISM, např. 2,45 GHz, 5,8 GHz, rovněž lze vyrobit a provozovat anténu i pro v nižší frekvenční pásma. Anténa může

2o být zhotovena také v miniaturizovaném provedení jako je PIFA anténa.

Příklad 3

Konstrukční provedení antény i její výroba odpovídá příkladu 1 nebo 2. Pro zvýšení citlivosti tvoří ale povrch funkční vrstvy 2 její oxidační produkt. Konkrétně je funkční vrstva 2 uhlíkových nanotrubic v tomto příkladném provedení následně fůnkcionalizována oxidací pro zvýšení citli25 VOStí.

Claims (6)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Mikrovlnná anténa s integrovanou funkcí senzoru organických par, vyznačující se tím, že je tvořena substrátem (1) z elektricky nevodivého materiálu ve tvaru plošného útvaru, jehož povrch je opatřen elektricky vodivou funkční vrstvou (2) pro příjem/vysílání signálu a sou30 časně vratnou adsorpci/desorpci molekul organických par, kde vrstva (2) je konstituována na bázi náhodně zapletených uhlíkových nanotrubic filtračního koláče na filtrační membráně z polymerních nanovláken, a to buď jako samonosná funkční vrstva nebo i s integrovanou filtrační membránou.
2. 2. Mikrovlnná anténa s integrovanou funkcí senzoru organických par podle nároku 1, v y 35 značující se tím, že uhlíkové nanotrubice funkční vrstvy (2) mají průměr 10 až 30 nm a délku 1 až 10 pm.
3. 3. Mikrovlnná anténa s integrovanou funkcí senzoru organických par podle nároku 1, vyznačující se tím, že funkční vrstva (2) má tloušťku 30 pm až 500 pm.
4. 4. Mikrovlnná anténa s integrovanou funkcí senzoru organických par podle nároku 1, v y 4(i značující se tím, že pro zvýšení citlivosti tvoří povrch funkční vrstvy (2) její oxidační produkt.
5. 5. Mikrovlnná anténa s integrovanou funkcí senzoru organických par podle nároku 1, vyznačující se tím, že má podobu planámího nebo planámího bikonického dipólu.
6. 6. Mikrovlnná anténa s integrovanou funkcí senzoru organických par podle nároku 1, v y 45 značující se tím, že je zhotovena v miniaturizovaném provedení jako je PIFA anténa.