（测试计量技术及仪器专业论文）低成本柔性电子标签的设计与制备研究.pdf

大连理= = 大学壤婿究生学位轮文 摘要 宪整豹射频舔涮系统奇淡写器、应答器懿接受，发射天线擒藏，毫子檬签是一耪特臻 构造形式的成答器，它由两郝分缀成。第一部分蹩一个射频通信i c ，尺寸为几个m m 2 。 第= 部分蹩一个徽篓粒天线。虽然亳子耘签熬应粥磁溪了诲多熬遴步，纛经在缀多簇域 褥封了应糟，值蘩让电子标签送入更加广泛静应沼还需簧实现更多翡逶疹。第一，标签 豹成本必须繇低；第二，饺标签买窍“柔性”，搜耀起来爨方便以适合更多豹应照场合。 这些避步w 戳透避耩作低成本的鬃後电簿并将它瘫弼在龟子标签豹窀路中实臻。电感 刽终豹低戏本可以逶过选择低或零黝材料、莱思较越单工艺实现。电感要具骞柔性不仅 蘩求镶馋灌黪黪毒季料县鸯紫性，媳要求毫感瓣设计熊班鬃惶豹缝鞠实现。本文营建对导 彀碳浆、母惑银浆以及铝复合膜三葶申适用予丝网印刷工艺的导电材料进行了性能测试及 毙铰以选择逡含利 乍电感线圈教材料。褒此涟础上，设计并涎用趣鄹印剥工艺嚣8 传了大 量绕线形式不同、几何参数不同的膜结构电感。在低频段的固定频攀点对电感量、晶质 因数进季亍测爨，分橱实验数攒总缝了匝数、线宽、线闽蹬、几何彤状对电感性能的影响。 用从实测中总结出的规律对设计猩电子标签中使用的电感进行指导。为了验证设计制作 的电感是镬簿合在电子标签中应用的要求，在较商的频率段对电感进行了随频率变仡的 性能测试并进行绐果分析。 另步 ，本文程系统学习了射频识剐技术的知识盾，结合对国侮r p i d 产晶的帘弱调 蠢，选择了含适的r f i d 器件 乍为硬件模块，配合软件模块及接口模块组建了完整的 r f d 应用系统。这个系统与现裔库存警理系统兼容，实臻了射频谈弱技零在耨鍪物资 管理系统中的应用。 关穗词：射籁误剐技术；耄子标签；丝弼鄂掰；簿膜毫髅；物瓷餐毽 赵庚串：低成本萘睦电子标签的设计与囊备研究 s t u d yo nd e s i g n i n ga n dp r e p a r a t i o no fl o w - c o s tf l e x i b l es 礅旌趱l a b e l a b s t r a c t at y p i c a lr f m s y s t e mc o n s i s t so f r a d i of r e q u e n c yt r a n s p o n d e r s ，r a d i of r e q u e n c yr e a d e r u n i ta n dr e c e i v i n ga n dt r a n s m i t t i n ga n t e n n a s m a r tl a b e li so n ek i n do f s p e c i a lt y p e t r a n s p o n d e r ，w h oc o n s i s t so fam i c r o c h i pa n das u b m i n i a t u r ea n t e n n a ，t h o u g hs m a r tl a b e l s h a v eb e e nu s e di ns e v e r a lf i e l d ss u c c e s s f u l l y , m o r ei m p r o v e m e n t ss h o u l db ea c h i e v e df o ri t s f u r t h e ru s i n g f i r s t ，l a b e l sc o s tm u s tb e e nr e d u c e d ，o nt h eo t h e rh a n d ，i ts h o u l do w nf l e x i b l e c o n f i g u r a t i o n b e c a u s et h em i c r o c h i p ss i z ei sv e r ys m a l l ，w h i c hi sa b o u tt o r2 溉。a n dt h e a n t e n n aa l m o s tc o v e r sa l lo f t h e1 a b e l sa r e a s ot h e s ei m p r o v e m e n t sc a l lb er e a l i z e db yd e s i g n af l e x i b l ei n d u c t o ra n dm a n u f a c t u r ei tb yl o w c o s tt e c h n i c s 强ei n d u c t o rs h o u l db e u s e da sa n e n e r g y - c o u p l i n gi n s t r u m e n t i t sf l e x i l i t yc a nb ea c h i e v e db yu s i n gf l e x i b l em a t e r i a l a n dt h e d e s i g no fi n d u c t o rs h o u l db er e a l i z e di nf l e x i b l ec o n f i g u r a t i o n b ye x p e r i m e n t a u ys t u d yw e a n n i et h ec h a r a c t e r i s t i co fe l e c t r i ci n ka n da l - p e t - m u l t i p l ef i l m 。c h o o s ea 0 p e t - m u l f i p l e f i l ma st h em a t e r i a l ，a n da d o p t s c r e e n - p r i n t e dt e c h n o l o g y 协f a b r i c a t ei n d u c t o r s l a r g e n u m b e r so f 搬i c k - f i l mi n d u c t o rh a v eb e e nf a b r i c a t e d 。墨h e yo w nd i f f e r e n tp a r a m e t e r ss u c ha s s h a p e ，t u r n ，a n ds p a c eb e t w e e nt h el i n e s ，w i d eo ft h el i n e al a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t s h a v eb e e nd o n et om e a s u r et h ei n d u c t o r s b ya n a l y z i n gt h ed a t ag a i n e di ne x p e r i m e n t ，t h e r u l e so f h o wt h ep a r a m e t e r si n f l u e n c et h ei n d u c t o r sc h a r a c t e rc a l lb es u m m e d u p i na d d i t i o n ar f a p p l i c a t i o ns y s t e mh a sb e e ne s t a b l i s h e d i tw o r k sa st h eh a r d w a r e m o d u l ei nn e w - s t y l em a t e r i a lm a n a g e m e n ts y s t e m 。t 璇ss y s t e mi sc o m p a f i b l e dw i t he x i s t i n g m a t e r i a lm a n a g e m e n ts y s t e m k e yw o r d s ：r f i dt e c h n o l o g y ；s m a r tl a b e l ；s c r e e n p r i n t ；t h i e k - f f f l mi n d u c t o r ； m a t e r i a lm a n a g e m e n t 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取缮研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注期致谢髓地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰髯的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一周工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中辙了嚼确的说嘴并表示了谢意。 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理量丈学学位论文版权使用授权书 零学位论文 乍者及指导教簿完垒了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向闺家有关部门或机构送嶷学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阕。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全都或部分内 容编入有关数据库送行检索，也可采用影印、缩印或挡描等爱制手段傈存和汇编学位论 文。 作者签名： 导f 零签名： 主! 壑年三月二一毽 大连理王大学硕士研究生学位论文 绪论 塞上世纪丸十警代戳寒，射频识副( 骶国) 技术强无嚣光学可魏、无鬟人工接艇即 可究成信息输入和处理、操作快捷方便、迅速发展簿优点，广泛应与于生产、物流、交 通、医疗、食品、黪钨等领域。射频识别系统透常内应答嚣、阅读器组成。电子橡签是 应臀器诸多形式中的一种，可以理解为一种薄膜型构造的成答器h 】，具有使用方便、体 积小、轻霭薄、可以嵌入产品内等特点 2 1 。来来的射频识别系统中将越来越多的使用电 子标签。电子标签的构造形式符合电子器件朝着轻、薄、小、软的方向发震的趋势。 。 射频识嚣l 技术殛电子标签概述 射频识别( r f i d - - r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 技术是一种非接触的自动识 鬟技术，箕基本覆骥是稳翳麓叛售弩嚣空瓣藕合( 惫惑或奄磁藕会 传输褥淫，实现蔻 被识别物体的自动识别。自动识别的任务和目的是提供关于个人、渤物、货物和商品的 售惑，竞藏囊蘑识别霹戳采媚多释接零，铡皴：条鹦皴寒、巍学字麓谖鬟技术、磁条( 专) 技术、i c 卡识别技术、声音识别技术、视觉识别技术以及射频识别技术。常用的自动识 别技术敦属淫晓较翔表l 。l 驿】。 射频识别技术的主要优点是不局限于视线，识别距离比光学系统远；射频识别卡具 有读写能力；可携紫大量数摄；弼辩具有鼹以魏造粒智能瞧铰衰等特点。射频识别鞍条 码一样，是非接触式识别技术。由于无线嘏波能“扫描”数据，所以r f i d 挂牌可以做 成隐形豹，簿些r f i d 识别产是的识别距离可以达到几百米，r f i d 标签可做戏可读霹的。 r f i d 最大的优点在于非接触性，因此完成识剐工作时无需人工干预，能够实现自动化且 不易损坏，可识别离速运动物体并可同时识别多个射频标熬，操作怏捷方便。r f i d 标签 不怕油渍，荻尘污染等恶劣的环境，短距离的射频标签可以在这样的环境中代替条码， 例如用在工厂的流水线上跟踪物体。长距离的产品多用在交通上，可达几十米，如自动 收费或识剐率辆身份等。 射频识别技术的缺点悬标签成本相对较高，而鼠一般不能随意扔掉，而多数条码扫 摇帮命结束时可掭撩。 射频识别技术邋用的领域：物料跟踪、运载工具和货架识别等要求非接触数据采集 移交换静场合。赉予r f i d 标签其窝可读写能力，对于蠢鼙频繁改变数撂内容兹琢舍戈 为邋用。 瓣频识掰系统觳圭醛下嚣令部分稳成： 应答器：应答器应放鬣在要识别的物体上； 赵庚审：低或举柔性电予标签的设计与制铸研究 读写器：读写嚣哥鞋是读或写读装曼，取凌予掰使趸熬结构鞍技术。 袭l ，l 常用的童动识别技术的属性比较 t a b 1 1c o m p a r eo f c o m m o nr f i dt e c h n i q u e sc h a r a c t e r i s t i c 绩患载体 信息量 读骂性能 读敬方式 人工识读 性 餐密性 甥能化 环境适应 性 党遮羞 方向位置 影响 识别速度 通信速度 读墩速度 使用寿命 薄冁稼凄 成本 多檬签圈 时识别 纸、塑料薄膜、磁性物质( 磁 金属表嚣秘鹱表嚣 一一 条)e e p r o m e e p r o m 小小大大较小大大 rr廷rr wk z wr a v c c d 竺篓光束光电转换机器识读机器识读 电磁转换电擦写无线通信 受约柬简单不可不可 无羌葑、好 无无 一一 不好不好一一 全部必效全辩失效 一 可能 很，j 、根小一一 低低报低很低 低低 低 较低 近 缀近穰近壹接赣融 一次性较短 一一 毫无秃无 最低 一般 较高较高 不麓不能不能不能不能 不可不可 荮好 有有 一般 很好 一 没有影璇 单向没有影响 低很快 快很快 接魅遥 长很长 有寿 较高较高 不齄戆 一台冀翟的读鬻器包含宥高频模块( 发送器和接收嚣) 、控制荦元戳歉与应答器连 接的耦合元件。此外，许多读写器还都有附加的接口( r s2 3 2 ，r s4 8 5 等) ，以便将所 获褥斡数掭逑一步佟输给勇多 懿系统( 个人计算瓿、租器入控铺装爱等) 。 一2 一 柯 哺觅 唯 一 鞠 低快魏缴纛僻 大连理工大学硕士研究生学位论文 应答器是射频识别系统真正的数据载体。通常，应答器由耦合元件以及微电子芯片 组成。在读写器的响应范围之外，应答器处于无源状态。通常，应答器没有自己的供电 电源( 电池) 。只是在读写器的响应范围之内，应答器才是有源的。应答器工作所需要 的能量，和时钟脉冲及数据一样，是通过耦合单元( 非接触的) 传输给应答器的。 应答器有多种构造形式：盘形、玻璃外壳、塑料外壳、工具和气体瓶子的识别、钥 匙和钥匙扣、手表、i d 一1 型非接触i c 卡、电子标签、片上线圈。 其中电子标签具有区别于其他构造形式的很独特的优点：小、薄、柔韧性、可植入 多种材料内部【4 1 。我们可以把电子标签理解为一种薄膜型构造的应答器。电子标签本身 的结构简单，主要由一个可编程的超薄超微型半导体芯片i c 和一个天线线圈嵌压在塑 料片、丝绸、纤维纸等材料中组成。集成芯片不用电池供电，它是在专用阅读器特殊天 线产生的电磁场作用下将电能送给电子标签内的天线，再由该天线产生出感生电流，并 及时向连接的芯片提供电源。因此，电子标签是一枚全封闭的独立体，不需要任何外露 接口，是柔性电子器件的一种。电子标签的结构以及使用电子标签的射频识别系统的工 作原理、工作过程将在本文第二章中详细讲述。 1 2 国内外研究现状 1 柔性器件的研究 1 9 9 6 年，沈阳工业大学孙承松等人在p e t 软膜上制作出了软基底薄膜热敏电阻。 采用非贵金属材料，并将它制作在软基底上，因而具有价格低廉、薄而软的特点，易粘 贴到各种形状被测物上形成面接触而使测温精确，能满足狭缝、小空间以及不规则外 形场所测温的需要。工艺实验及测试结果表明该元件的电阻温度系数 4 5 x1 0 3 ， 长期工作温度为一5 0 2 0 0 。 1 9 9 8 年，哈尔滨工业大学李德胜等人制作了一种材质识别多功能触觉传感器，它呈 平面单一构造，具有三种传感器功能。该传感器由制作在柔性绝缘薄板上的两只金属线 圈构成，有4 个输入输出端子。当它作电感线圈使用时，呈感性功能，可以识别金属和 半导体材料：当它作为一个平面状电容时，呈容性功能，可以识别绝缘材料；而当它用 于控温电路时，该传感器呈温觉功能。试做的传感器能识别一些典型的材料如铁、铝、 铜、黄铜、橡胶、木材、有机玻璃和发泡塑料等。实验结果表明该传感器具有较好的识 别能力。 2 射频识别技术的研究概况 这里必须提到的是一个基本的r f i d 系统至少由两部分组成：读写器和应答器，而 一个完整的r f i d 应用系统包括r f d 识别系统、计算机处理系统以及辅助的机械与电 赵庚审：低成本柔性电予标签的设计与制备研究 子系统，及穰关豹疲翅与软传系统【3 j 。袈菝浚翅( r f i d ) 接零是多仑学科戆综会，嚣蠹 外的研究是从不同的角度展开的，多集中在以下三个方面： ( 1 ) 瘦瘸子不嚣生产生淫环境躲藏实现不同功黢戆r f i d 系统款实理方法。 ( 2 ) 工作在不同频段的r f i d 读写器的设计制作及提高读写器性能的方法。 ( 3 ) 工作在不网频段鹃p , y i d 盛答暴熬设计剑作及提裹应答器蠛能，酶低成本熬方 法。 熙翦，翻辨豹研究工作开展的比较全面，这三个方面均有文献可 ；土查阅。国内的研 究工作几乎都是针对r f i d 系统如何在生产袋活中成用，啦及开发制作阅读器这两个方 面。由于射频识别技术是近几年才发展起来的较新的技术，总体上潮内外的研究工作开 展的都不多。 结合本课题的具体实现目标，略过关于系统应用和阅读器的送两个方面的研究情 况，这里重点介绍瀚夕 在关于应答器的研究情况。鬃体可分如下三个方嚣； ( 1 ) 应铃器芯片的设计。 ( 2 ) 应餐器内藕合器俘豹设诗截幸筝及篷麓提高方法。 ( 3 ) 低成本应答器的设计制作。 应警器豹芯片未要壶蚕终豹知名厂寇蟊美国懿彳l 公司，麓兰躬p h i t i p s 公司等象产， 国内上海贝岭也于2 0 0 3 年自行开发出电子标签芯片b l 7 5 r 0 2 。第2 个和第3 个方面的 臻究往往结合在一藤进行，毽是针对瓣工穆频段多煞孛在离蔟频段秘畿波频段( 低频频 段，1 0 0 5 0 0 k i - i z ；中频频段1 m i - i z 1 5 m i - i z ；高频频段8 5 0 m i - i z 9 5 0 m h z ；微波频段， 2 ，4 g h z 5 g 薹薹z ) 。零课题瓣嚣标频段为孛额频段。 在中频频段上，德国的s c i c h o s 等人采用导电聚合物印刷出了应答器上的天线线 霭，希望笺实现拣答剑终豹低成本倪，毽热能与襄髑豹应签器线婴窍 曩大麓距。 2 0 0 2 年加利福聪亚大学的d a v i dr e g i n d e r 等人采用全印刷的方式制作出微结构的 被动戴塑料枣尊底应签器。尺寸很小，直径约l 厘米。这静王麓使应签器的低成本化向前 迈遴了一步。 另一个降低标熬成本的方法是使用新的频带，即2 4 5 g h z 的波段。这一波段因为与 1 3 5 6 嗣z 相比具有道短的波长，园诧标签所需的天线更小、更便宜，成本也能相应降低。 迄今为止，只有少数的日本厂镯制旋出使用2 4 5 g h z 波段的标签，因为2 4 5 0 h z 波段的 标签可能干貔使用丽频段的无线髑域丽装置的工作( i e e e 8 0 2l i b ) 珏。 总结国内外的研究情况，可以发现r f i d 应答器的成本要进一步降低，性能需要继 续爨嵩，而麓要其肖柔往煎结梅形式。即制作成电子标签黻适合委鸯莳广泛静应用。 大连理工大学硕士研究生学位论文 。3 割 车憾戏本粱性电子标签黪现实意义及应用裁景 制作低成本柔性电子标然具有两方面的意义。方面，是制作鬃性电子器件的有益 尝试。毫子魄路与电子器俘赣若“轻，薄，短，l 、”静方鹬发震， | 霉柔往旗子毫臻每电 子器件的开发研制则更加引人注目。例如现在已经自够生产的柔性电路板，是一种含有 精致警线、袋惩薄藩戆、柔矮兹聚会物薅蕊裁造熬魄夔，它缝够逶耀表嚣安装技拳弊裁 够被弯曲成光数种所需的形状。采用s m t 技术的泶性电路很薄、很精巧，绝缘厚度小 于2 s # m ，遨穆黍瞧邀路能够被强意弯鎏劳基爵驭卷邈惹敖入疆技髂孛，豁充分剥题三 维体积。它打破了传统固有使用面积的思缎定势，从而形成充分利用体积形状的能力， 这能够在星兹掌觏采遐鲍每单位嚣积翡搜用戆导体长度上，显著地蠼强有效使用密度， 形成高密度的组装形式。本文制作的低成本电子标籀顺应了电子器件“柔俄化”的发展 趋势，同时设计、嚣8 母# 厚膜电感也怒一项鸯意义的耢究。 笳一方面，能够加速射频识别投术在我国被认识和发展的过程。射频识别系统通常 有应答器、读写器组成，应镣器是这项技术的核心部分，也是这项技术成功应用的关键。 电予标签是r f i d 禽答器诸多构造形式中的种，凝有薄、轻、灵活的优点，适于用更 多的使用场念，电予标签成本的降低将推动射频识别技术真正的广泛应用。 有资料认为，翔采说条玛识剐怒自动谈剐技术的始祖，r f i d 蒯是自动謦 射技术的 终极。作为一项先进的自动识别技术，r f i d 具有参储量大、可读霹、穿邋力强、识别 距离遴、瓷潮速度绦、使露寿命长、环境适应性好簿特点。诧舞，r f i d 逐是唯一敬 实现多标签同时识别的自动识别技术。r f d 广泛威用于供应链管理、门禁安防系统、 矿由黻踪系统、管麓家电、逡动诗辩、毫予支付、娥产线蠡动纯、耪鑫夔鬣、汽车簸控 等。可以这样说，r f i d 将成为用途最广泛的自动识别技术。 r f d ，豫蔻一袋年轻懿援拳，瓣嚣l 进入审国枣绥，隧着戏本蕊下降彝标准纯豹安速， r f i d 技术的全面推广和普遍应用将是不可逆转的趋势。 1 4 本文的工作 首先，仝面了解射频识别技术，选择合适的r f i d 器件作为薪溅物资篱理系统的硬 件禳块实现了射频识别技术在物资管理中的应用。程应用过程中发现标签的成本偏离以 及封装形式不灵活是5 艮制其广泛使用的主要原因，因此将避步的工作目标确定为制作 低成本的柔性电子标签。裰撵电子标签的工作原理阻及物璎基础确定了电感作为耦舍元 件在电子标镶中使用并起到天线的作用，并且设计制作了柔性厚膜电感，以实现电子标 签静柔性纯戳及低成本箭 乍。厚膜电感器的往能主要决定予电感繇选用静幸才辩及英绕线 形状，本文的重点是从设计上优化电感的性能使其符合在电子标签中使用的要求。文中 赵庚审：低成本棠性电予标签的设计与制备研究 对采爝丝网王艺专l 佟豹遣感邀行了大量熬测涟强验疆电感的性能指掇，通过对测试继果 的分析总结了绕线形状等参数对电感性能的影响。 本文第二章分绥了射频识别系绞的构成、王终原理、物理基础以及翅傍雀电子标签 中使用电感；第三章介绍了如何选择合适的r f d 系统并将其应用于物资管理系统；第 四牵分绍了黪貘电感戆设计方法及工艺选择；第五章对割住| l 句电感进行了性能测试及结 果分析。 大连理工大学硕士研究生学位论文 2 射频识别系统及电子标签原理 2 1 射频识别系统的分类 1 根据应答器的供电形式分为有源系统和无源系统 应答器可分为有源和无源两种。有源的应答器使用应答器内电池的能量，识别距离 较长，可达几十米甚至上百米，但是它的寿命有限并且价格较高；应答器由于带有电池， 因此有源应答器的体积比较大，无法制作成薄卡( 比如信用卡标签) 。无源射频应答器 不含电池，利用耦合的读写器发射的电磁场能量作为自己的能量，它的重量轻、体积小， 寿命可以非常长，很便宜，可以制作成各种各样的薄卡或挂扣卡；但它的发射距离受限 制，一般是几厘米到几十米，且需要有较大的读写器发射功率。 2 根据应答器的数据调制方式分为主动式、被动式和半主动式 根据调制方式的不同可以分为主动式、被动式和半主动式射频识别系统。一般来讲， 无源系统为被动式，有源系统为主动式。主动式的射频系统用自身的射频能量主动地发 送数据给读写器( 读头) ，调制方式可为调幅、调频或调相。被动式的射频系统使用调 制散射方式发射数据，它必须利用读写器的载波来调制自己的信号，适用于在门禁或交 通的应用，因为读写器可以确保只激活一定范围内的射频系统。在有障碍物的情况下， 采用调制散射方式，读写器的能量必须来去穿过障碍物两次。而主动式的射频应答器发 射的信号仅穿过障碍物一次，因此主动式工作的射频应答器主要用于有障碍物的应用 中，距离更远。 此外，还有半主动的r f i d 系统。所谓半主动系统也称为电池支援式反向散射系统。 半主动应答器本身也带有电池，只起到对应答器内部数字电路供电的作用，但是应答器 并不通过自身能量主动发送数据，只有被读写器的能量场“激活”时，才通过反向散射 调制方式传送自身的数据。半主动射频应答器的电池相当于汽车发动机的马达，汽车利 用马达来启动发动机，发动机一旦启动，就不再需要马达提供的动力。 3 根据应答器的工作频率可以分为低频、高频及超高频和微波系统 读写器读头发送无线信号所使用的频率称为r f i d 系统的工作频率，基本上划分为 四个主要范围：低频( 3 0 3 0 0 k h z ) 、高频或射频( 3 3 0 m h z ) 和超高频( 3 0 0 m h z 3 g h z ) 以及微波( 2 4 5 g h z 以上) 。低频系统一般工作在1 0 0 5 0 0 k h z ，常见的工作频率有 1 2 5 k h z 、1 3 4 2 k h z ；高频系统工作在l o 1 5 m h z 左右，常见的高频工作频率为1 3 5 6 m h z ； 超高频工作频率为8 5 0 9 6 0 m h z ，常见的工作频率为9 1 5 m h z ；微波工作在2 4 s g h z 的 微波频段。低频系统用于短距离、低成本的应用中，如多数的门禁控制、动物监管、货 赵庚审：低成本柔性电子标签的设计与制锫研究 魏跟踪；高频系统瘸子门禁控制敷爨建送大鳖数据豹应用；超毫频系统应慰予需要较长 的读写距离和较高的读写逋度的场合，如火车控制、高速公路收费等系统。 4 根据应镣器豹可读写性分为只读、读写和一次麓入多次读出应答器。 5 根据射频应答器内部使用存储器类型的不同可分成三种：可读写应答瓣( r w ) 、 次写入多次读出应答器( w o r m ) 和只读应答器( r 0 ) 。 6 根据标镶中存储器数据存储方法分为利用物理效用存储数据的成答器及微芯片应答 器。 利用各芹孛物理效应存储数据盼旋答器，其中包括只读懿表面波应答器和通常畿去活 化( 写入“0 ”) 以及极少的可以萤新活化( 写入“1 ”) 的1 比特应答器。1 比特应答 器大多通遂麓荤兹秘理效应( 振荡避程、鸯二裰警激发谐液或者在众属的菲线形磁滞霞 线上激发谐波) 来实现其功能。它只有l 比特的数据量就足够了，使读写器能发出的两 释状态信号：“在奄磁场牵有应警器”或“在毫磁场孛燹应答器”。这对手实王嚣篱革 的跋控或信母发送功能是究金足够的。因为生产l 比特应答器不需要电子芯片，所以成 本缀低。交予这个淼蠢，大譬熬l 眈穆应答器在蠢货囊场翟囊唐巾爱予窝鑫茨瓷系统 ( e a s ) 。表面波元件( s a w ) 是以聪电效应和与表狮弹性相关的低速传播的声波为依据 懿。表覆声波装置王作在徽波频率，逶豢袭2 。4 5 6 h z 戆工救莲学科学蔻罄内透幸亍王终。 本文所研究的电子标签是一种光源的威簪器，使用微芯片作为数据载体，工作频率 为1 3 + 5 疰娃z 。关予它的详缨稼选，原理以及性毙特点壤在居嚣熬露节中谬缓讲述。 前文介绍的射频识别系统的分擞方法大多是依据系统内使用的应答器的特憔采划 分的，虫予每秘应签器都舂不冠的性能特煮及构造结构，使用不民类型的威答器盼系统 也将采用不同的原璁使系统完成自渤识别的功能。我们首兔从整体上了解射频识别系统 的工 乍原理，然后蘧点研究的是馒用电子标签的射频识别系统的工作原理及其物理基 础。 2 。2 射频议羽系统的基本工 乍魇理 射频识别系统的基本模型如图2 1 所示。其中，应答器又称为射频标煞、数据裁体； 读写器又称必读赉装萋、箨箱l 器、读头、逶俊器。疲答器与读写嚣之阕透过耩合露俘实 现射频信号的空间( 无接触) 耦合；在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递和 数撵豹交换。 上一节提到射频识别系统的分类是根据使用的成答器的类型不问、工作频段的不同 数及王终方式鲍不溺进行约分类，主要都楚扶功能隽瘦进行粒戋1 分。蠢我4 f i 谤究射频识 别系统的工作原理则需按图2 2 的分类方法对射频识别系统进行另种划分。 大连理工大学硕士研究生学位论文 图2 1r f i d 的基本模型图 f i g 2 1e l e m e n t a r y m o d e lo f r f i d 序 第一类：1 比特应答器 1 比特应答器大多数通过简单的物理效应( 振荡、由二极管激发谐波或者在金属的 非线形磁滞回线上激发谐波) 来实现其功能。具体实现有四种方法： 1 射频法 射频法是用l c 振荡回路工作的。振荡回路( 应答器内) 调谐到一个规定的谐振 频率糸。由振荡发生器产生“扫频”的磁场，一般使用8 2 m h z + _ 1 0 的频率范围供“扫 频”系统使用。如果扫频的振荡频率正好命中了( 在应答器里的振荡电路) 谐振频率， 则振荡电路就开始起振，并由此在振荡器线圈的电源电流中产生一个明显的d i p ( 线圈 电流的短时上升或者线圈电压的下降) ，这样便完成了对振荡器的磁场内是否有应答器 的识别。这种d i p 的相对强度取决于两个线圈的距离，以及受激的振荡回路( 应答器内) 的品质因数。 这种应答器可以用去活化器在付款处去活化。去活化器产生一个足够强的磁场，其 感生电压能破坏应答器的薄膜电容。电容器设有固定的短路点，因为电容器的击穿是不 可逆转的，并严重地破坏了振荡回路，以致于回路不再能被扫频信号激活。 2 微波法 微波范围内的电子防盗系统利用非线形元件( 例如二极管) 上产生的谐波。产生谐 波的1 比特应答器的构造极其简单：在调整到载波频率的耦极子的底部连一个电容二极 管。在载波频率为2 4 5 g h z 的情况下，耦极子的总长为6 c m 。一般使用的载波频率为 9 1 5 m h z ( 欧洲以外地区) 、24 5 g h z 或5 6 g h z 。如果应答器处在发射器的发射范围内， 赵庚申：低成本柔性电子标签的设计与制备研究 二极管内的电流产生并回射载波的谐波。按所用二极管的类型，可获得非常明显的二倍 或三倍载波频率的信号，这个信号由一个正好调整到这个频率的接收器检测到，起动一 个报警器。 图2 2r f i d 系统分类 f i g 2 2c l a s s i f i c a t i o no f r f i ds y s t e m 3 分频器 这种方法在1 0 0 1 3 55 k h z 的长波范围内进行工作，是唯一一种使用了微芯片的1 比特应答器。安全标签内包含有半导体电路( 微型芯片) 以及漆包线的振荡回路线圈。 用外接的电容，使电子防盗系统的振荡电路在工作频率处产生振荡，应答器以硬标签( 塑 料) 形式使用并且在买到东西的时候去掉。 应答器中微芯片的能量供应来自安全装置的磁场。振荡回路线圈上的频率被微芯片 一分为二后送回安全装置。只有原频率一半的信号经一抽头送回谐振线圈。以此完成应 答器的识别。 4 电磁法 大连理工大学硕士研究生学位论文 电磁法用1 0 h z 至大约2 0 k h z 的低频范围内的强磁场工作。安全标签为一条具有陡 峭的磁滞迪线的坡莫合金软磁条。磁条位于强交变磁场中时，其极性被周期地反向磁化。 磁条中的磁通密度b 在所加磁场强度h 跨越零的附近的跳越变化产生频率为安全装置 基频的谐波，这些谐波可以由安全装置接受和处理。 第二类：电子数据载体 与1 比特应答器相反，另一部分系统所使用的应答器是用一个微型芯片来做数据载 体的。在这个数据载体上，存储的数据量可达数千字节。为了读出或写入数据，必须在 应答器和读写器之间能够传输数据。数据传输方法可分为两大类，第一类使用了两种基 本不同的方法：全双工和半双工。这两种方式的共同点是：从读写器到应答器的能量传 输是连续的，与数据传输的方向无关。第二类时序法则与此相反，在使用时序系统( s e q ) 的情况下，从读写器到应答器的能量传输总是在限定的时间间隔内进行的。从应答器到 读写器的数据传输是在应答器的能量供应间歇时进行的。 ( 1 ) 全双工半双工法 在半双工法中( h d x ) ，从应答器到读写器的数据传输与读写器到应答器的数据传 输是交替进行的。当频率在3 0 m m z 以下时常常使用负载调制的半双工法，有没有副载 波都无所谓，电路也很简单。与此很相近的方式是来源于雷达技术的调制反射截面的方 法，工作频率在1 0 0 m h z 以上。负载调制和调制反射截面直接影响由读写器产生的磁场 或电磁场，因此被称作“谐波”处理法。 在全双工法( f d x ) 中，数据在应答器和读写器之间的双向传输是同时进行的。其 中包括应答器发送数据，所以频率为读写器的几分之一，即采用“分谐波”，或是用一 种完全独立的“非谐波”频率。 全双工和半双工系统可以采用电感耦合、电磁反相散射耦台以及密耦合的方式在不 同的频段工作。一、采用电感耦合的工作方式时，应答器是无源的，应答器上微芯片工 作所需的全部能量通过读写器提供。读写器产生的高频强交变磁场通过感应在应答器的 线圈上产生一个电压u ，将其整流后作为数据载体( 微芯片) 的电源。应答器至读写器 的数据传输可以采用负载调制和分谐波法。二、采用电磁反向散射耦合的工作方式时， 微波系统中集成了一个对数据载体供应能量的附加电池。为了防止电池消耗在不必要的 负载上，通常微芯片有一个省电的“低功耗”或“备用”工作模式。如果应答器离开读 写器的场区，芯片自动进入省电的“低功耗”模式。直到从读写器接收到一个足够强的 信号，使芯片重新被激活，并开始征常工作。用电磁反向散射的方法实现应答器至读写 器的数据传输。三、采用密耦合的工作方式时，需要将应答器插入读写器之中或放到使 应答器线圈能在环形铁芯或u 形铁芯的能准确定位的缝隙中。应答器线圈和读写器线圈 赵庚申：低成本柔性电子标签的设计与制各研究 的功能结构相当于变压器。读写器线圈相当于变压器的初级线圈，应答器线圈相当于变 压器的次级线圈。通过初级线圈的高频交流电，在这样安排的铁芯和缝隙中产生高频磁 场。这种高频磁场也穿过应答器线圈，并在应答器线圈中感应出频率相同的交流电压。 对此电压整流，可获得供芯片使用的电源电压。应答器至读写器的数据传输采用磁耦合 和电容耦合的方法。四、在全双工和半双工系统中，所有己知的数字调制方法都可用于 从读写器到应答器的数据传输，而与工作频率和耦合方式无关。大致可分为以下三种基 本方法： a s k ：振幅键控 f s k ：频移键控 p s k ：相移键控 为了便于解调，多数系统使用振幅键控调制。 ( 2 ) 时序法 与全双工系统和半双工系统相反，在时序系统中，读写器的发送器不是连续工作的。 用电感耦合的时序系统只适合在1 3 5 k h z 以下的频率范围内工作。在读写器线圈和应答 器线圈间存在着变压器耦合作用。通过读写器交变场的作用在应答器线圈中感应的电压 被整流，可做供应电压使用。为了达到高传输能量，必须使应答器的谐振频率与读写器 的频率一致，而且还必须实现应答器线圈的高品质因数。所以应答器含有一个“片上微 调电容器”。该电容器用于补偿谐振频率的容差。用表面波应答器的时序系统是以压电 效应和与表面弹性相关的低速传播的声波为依据的。表面声波装置工作在微波频率，通 常在2 4 5 g h z 的工业医学科学范围内进行工作。 2 3 使用电子标签的射频识别系统的工作原理 2 3 1 天线线圈的磁场强度 基于电感耦合的射频识别系统通信和能量传输由读写器和标签中的两个谐振电路 间的电磁耦合实现，读写器在它周围产生一个磁场，当标签通过时，标签线圈上会产生 感应电压，整流后可为标签上的微型芯片供电，使标签开始工作：一方面接收读写器传 来的信息；另一方面把自己芯片上存储的数据传回读写器【”。 为了将能量通过磁场传给标签，读写器的天线一般是环形天线，一种常见的形式是 边长为a 的方形导体回路。这种形式的天线( 空心) 在离其中心垂直距离为x 处的磁通 量密度可以用公式2 1 计算【l l ： 大连理工大学硕士研究生学位论文 当工2 a2 时 b = t o n l a 2 。牙嗣 ( 2 1 ) b ：_ _ t - t o n i a =( 2 2 ) 2 a x 。 其中，u 。为磁场常数( = 4 a - l o r h m ) ，即真空中的导磁率；n 为天线线圈 匝数；，为线圈中的电流强度。由公式2 2 可以看出，磁通量密度约与1 x 3 成正比，当x 增加时占迅速减小，这是射频识别系统读写距离的主要限制因素。 2 3 2 标签线圈上的感应电压 读写器的磁场在标签线圈上产生的感应电压矿可由2 3 式给出 1 0 1 v = 2 u f n s q 曰s i n 口 ( 2 3 ) 其中f 为信号频率；为标签天线线圈匝数；s 为标签线圈面积( m 2 ) ：q 为标签 天线的品质因数；b 为到达标签的磁通量密度；4 为磁场和标签的夹角( 当磁力线垂直 穿过标签时为9 0 0 ) 。 如果标签已经确定，那么标签的芯片运行需要的直流电压v d c 、标签线圈匝数、面 积s 、品质因数q 等参数都已确定，那么由2 3 式可得到使标签正常工作所需的磁通量 密度b o ： 耻蒜 ( 2 4 ) 2 3 3 谐振原理 将一个电容器c 与读写器的天线线圈并联或者串联，它就与天线线圈的电感一起构 成谐振频率和读写器发射频率相符的谐振带电路。其发生谐振的条件使电路中感抗( 凰) 和容抗( 噩) 相等，谐振频率可简单的由汤姆逊公式给出 r = ：一 ( 2 5 ) 。 2 1 c l l c 对于一个特定的射频识别系统，频率厂是系统设计时给定的。由2 5 式可知，要是 天线线圈产生既定的频率fl 和c 之间的选择相互互联。如果天线尺寸过大，其电感三 赵庚申：低成本柔性电子标签的设计与制各研究 随之变大，那么就需要很小的c 。对于频率为1 3 5 6 m h z 的射频识别系统，一旦天线线 圈电感超过了5 m ，将给天线的匹配适当大小的c 带来困难。为了制作出的天线线圈的 电感不太高，可以用低阻铜管代替线缆制作天线，或将两个天线并联使天线电感值上减 半。 读写器线圈天线电感l 可以由经验公式计算。一般而言，圆形线圈的计算值和实际 值已非常接近，以矩形线圈的经验公式估算也已足够。方向线圈的电感值l ( 旧) 可由 2 6 式计算【1 0 】 o o s 2 3 0 3 l g 恚 + 0 2 2 3 5 半一s ) 眨e ， 其中：为线圈匝数；a 为线圈中心至线圈边的垂直距离( e r a ) ；b 为线圈绕制长 度( c m ) ；c 为线圈厚度( c m ) 。 如果确定了线圈电感l 的大小，那么要产生要求的谐振频率厂，变换2 5 式，可得 需要匹配的电容c 为 强高矗 q 7 ( 2 矿) 三 2 4 使用电子标签的射频识别系统的物理基础 本文研究的电子标签是使用微芯片作为数据载体、无源。使用电子标签的射频识别 系统工作频率为1 3 5 6 m h z ，是按电感耦合的原理工作的。因此理解读写器与应答器之 间的能量和数据传输过程，深入探讨磁现象的本质是非常必要的。 2 4 1 互感系数朋 如果在电流通过的导体回路1 ( 面积4 ，电流厶) 的邻近还有另外的有电流通过的 导体回路2 ( 面积a 2 ) ，那么穿过a l 部分磁通量。也穿过4 2 。两个电路将通过这部分 磁通量即耦合磁通量连结在一起。耦合磁通量吼。取决于两个导体回路在布局中的几何 尺寸、导体回路彼此的位置以及介质的磁属性( 即磁导率) 。 与单个导体回路的( 自) 电感系数的定义相似，导体回路2 与导体回路1 的互感 系数腿。是被回路2 包围的部分磁通量与回路l 中的电流 之比： 蚝= 掣= 掣d a ： ( 28 ) 大连理工大学硕士研究生学位论文 类似地，这里还有一个互感系数膨：。电流i 。流经导体回路2 ，因而决定了在回路1 中的耦合通量。下面的互逆关系成立： m = m i 2 = m 2 l ( 2 9 ) 互感系数描述两个电路通过磁场介质产生的耦合。在两个电路之间总是存在这个互 感系数。其量纲和单位与感应系数是一致的。 两个电路经过磁场产生的耦合是电感耦合射频识别系统的物理基础。 2 4 2 耦合系数 互感系数是两个导体回路的磁通量耦合的定量说明。引入耦合系数来对导体回路作 定性说明，使其与导体回路的尺寸无关，关系式如下： k ：坠( 2 1 0 ) 三1 工2 耦合系数总是在两个极限情况0 k 1 之间变化。 k = o ；由于距离太远或磁屏蔽导致完全去耦。 七= 1 ：全耦合。两个线圈处于相同的磁通量中。全耦合变压器技术应用之一是将 两个或多个线圈绕制在高磁导率的铁芯上。 只有很简单的天线配置才能分析计算。两个平行的、在z 轴上同芯的导体回路的耦 合系数，可以按照以下公式近似估算。然而，这个公式只有在导体回路半径任答器飞写器 的条件下才适应。在x 轴上的两个导体回路之间的距离以工来表示： 七( x ) ：- = ：查望兰j 塑一 ( 2 1 1 ) “砷。忑轰荸赫 q 、氇答器+ 龟写器l 、x + + 壤写器j 。 由于耦合系数与互感系数m 的固定联系及m = m 。：= m ：。的有效性，尽管发送天线 小于应答器天线，仍可使用这一公式。对，应答器飞写嚣的情况来说，使用下面的公式： 尼( 工1 ；篁堡型二二i 兰望：一 ( 2 1 2 ) “曲4 瓦轰蠹赢 坦 、替器k 写器l 、x + 嚆答器j 。 当导体回路之间的距离为零( 萨0 ) 而天线半径r 相等( 飞菩辩= 龟写器) 时，祸合系 数( x ) 为1 ( = 1 0 0 ) 。因为此时的导体回路互相重叠，并且有相同的磁通量坛臣 过。 赵庚申：低成本柔性电子标签的设计与制错研究 实际上，电感联合的应餐器系统工作时驰耦合系数可低至o 0 1 ( 0 ( 与应答器芯片缓小斡囊耗 相应) 时，可达到很高的品质因数q 。电压“2 与振荡网路的质量成比例，从而清楚地波 瞬了惫疆“2 与式2 稻鼠静关系。 对于r ：- - + 。而矗，_ 0 来说，使电压u 2 趋于零。在应替器线圈的线圈电阻很小 蟊呻0 葱有着缀离麴受载宅隧r l 0