（微电子学与固体电子学专业论文）超低成本全打印射频识别标签的设计和实现.pdf

中文摘要 经过6 0 多年的发展，射频识别技术已经极大地改变了人们的生活和生产方 式。在其发展的历程中，电子标签生产成本的降低是它得到广泛应用的重要因素 之一。现在社会的发展需要成本更加低廉的电子标签，以满足拥有巨大市场潜力 的低端商品自动识别需求。然而，以前所广泛使用的硅平面集成电路工艺面临着 难以进一步降低成本的局限性，这就要求具有低成本制造优势的新生产技术出现。 为了满足这种需求，科研工作者引入了喷墨打印技术来生产超低成本的射频 识别标签。与普通硅工艺相比，喷墨打印工艺不需要掩模板，也不使用接触式制 造，而是使用全加法制造工艺，因此可以提供更有成本效益的生产方法。现在， 喷墨打印技术在标签生产中的应用还处于研究与探索阶段，有许多关键问题亟需 解决，例如打印传输线表征和建模的研究，适合全打印电子标签电路的提出，克 服打印金属线厚度和电导率的缺点，以及设计和生产低成本标签天线的研究，设 计和实现在含水环境中可以正常工作全打印电子标签等等。 本文从射频识别技术的概念出发，介绍了电子标签技术发展的历史进程和应 用，并对比和分析了不同电子标签的分类，同时比较了喷墨打印工艺和硅集成电 路生产工艺的特点，并进一步地阐明了打印技术对低成本电子标签生产的重要意 义。 对于打印电子标签的设计而言，重要的任务就是确立基本器件表征和建模的 方法，例如传输线表征和建模。本文设计了不同类型的常见传输线结构，并通过 喷墨打印技术实现了这些传输线的全打印制造，随后对这些打印传输线进行了时 域和频域表征，提取出了传输线的各种特征参数，并建立了打印传输线的集总参 数模型和分布参数模型。模拟结果和实验结果的相互吻合证明了表征方法的正确 性和模型的精确度。这些多方面表征的方法和精确模型的建立对于打印电子标签 的设计具有重要的意义。 本文提出了一种全新的基于传输线时域反射原理的无芯电子标签电路。这个 电路主要包括一个传输射频信号的微带线和一组编制二进制识别码的电容。电子 标签采用o o k ( o n - o 仟- k e y i n g ) 编码方式。我们首先在传统的打印线路板( p r n t e d c i r c u i tb o a r d ，p c b ) 上制作了这种电路，并分别测试了时域反射信号响应和超宽 带信号响应，从而证明了这种电子标签电路的可行性。 l 实现电子标签全打印的过程中，我们需要克服由于打印工艺而造成的局限性 问题，例如打印金属线极薄的厚度，较差的电导性等。这时传统的均匀线宽传输 线分析方法已经不再适用。针对这种情况，我们提出了线性渐变微带线的结构， 并应用到前述的无芯电子标签电路中，从而首次成功地实现了纸上全打印电子标 签。这种标签具有低成本，可重复编码的功能，因此在低端商品识别领域有着广 阔的应用前景。 标签天线的高成本也是导致电子标签总成本难以降低的原因之一。我们将线 性渐变原理进一步推广到天线设计中。结果发现，使用了线性渐变原理的偶极子 天线和弯折线天线可以在保持性能基本不变的情况下，节省4 0 以上的金属体积， 从而为实现低成本的标签天线制造提供了一个简单有效的方法。 由于上述的纸基喷墨打印电子标签工作在超高频和微波频段，因此当在含水 的环境中使用时，它的性能会受到很大的影响。因此，我们提出了另外一种新型 的无芯电子标签，它可以工作在含水的环境中，并且性能不会有很大的变化。这 种电子标签电路是通过不同l c 电路共振振荡实现了在频域的多位编码。我们在 柔性衬底上通过简单的墨粉转移工艺实现了这种标签电路。测试的结果表明这种 标签在含水的环境中可以基本不受影响的工作。这个电路同样是可以通过全打印 的方法来实现，并且可以重新编码。 为了实现超低成本电子标签，本文系统性地研究了电子标签中的器件表征和 建模，标签电路的提出，标签电路的验证和实践，以及标签天线的设计改进等一 系列工作。本文中的研究成果对于实现超低成本的电子标签制造具有重要的意义。 关键词：射频识别，电子标签，时域反射编码，频域振荡编码，喷墨打印，纸衬 底，标签天线 图书分类号：t n 4 1 2 e n g l i s ha b s t r a c t a f t e rm o r et h a n6 0y e a r s d e v e l o p m e n t ，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 l o n ) t e c h n o l o g yh a sg r e a t i yc h a n g e dt h ew a yp e o p i el i v ea n dw o r k d ur n gt h e d e v e i o p m e n t ，t h ei o wc o s tp r o d u c t i o nw a so n eo fm o s ti m p o r t a n tf a c t o r st od r i v e t h ew i d ea p p i i c a t i o n s0 ft h er f i dt a g s n o w a d a y s ，m a r k e tr e q u i r e sn l u c hc h e a p e r r f l dt a g st h a ne v e rb e f o r et ot r a c ki o w - e n di t e m st h a th a sg r e a tc o m m e r c i a i o p p o t u n i t i e s h o w e v e r ，t h es i i i c o ni n t e g r a t e dc i r c u i tt e c h n o l o g yh a se n c o u n t e r e d c o u n t i e s sd j 仟i c u i t i e si nf u r t h e rr e d u c i n gt h ef a b r i c a t i o nc o s t t h e r e f o r e ，an e w f a br c a t i o n p r o c e s st h a tc a np n 3 v i d ei n e x p e n s i v em a n u f a c t u r i n gm e t h o di s d e m a n d e d t om e e tt h i s d e m a n d ，i n k j e tp r i n t i n gt e c h n o i o g yi se m p i o y e di nt h e m a n u f a c t u r i n go ft h eu i t 阳一l o 、- c o s tr f i dt a g s c o m p a r e dw i t hs i i i c o np r o c e s s ，i n k j e t p r i n t i n gp r o c e s so 仟e r sam o 陀c o s t - e 仟e c t i v ew a yt o 亿b r i c a t ee i e c t r o n i c sd u et 0i t s a d d i t i v e ，m a s k i e s s ，a n dc o n t a c t i e s sa t t r i b u t e s h o w e v e i n k j e tp r i n t i n gt e c h n o i o g yi s a nu n m a t u r ea p p r o a c hi nt h ef a b r i c a t i o n0 f r f i dt a g s ，t h u st h e r ea r em a n y i i m i t a t i o n st ob es 0 i v e d ，s u c ha sd e f i c i e n c yi nt h ei n v e s t i g a t i o n0 nt 阳n s m i s s i o ni i n e c h a r a c t er z a t i o na n dm o d e i i n g ，i a c k n e s so ff u yp r n t a b i eu n e x p e n s i v er f i dt a g c j r c u i t s ，p o o rr e s i s t a n c eo fi n i j e tp r i n t e dm e t a i ct r a c k s ，u n e 仟i c i e n tu t i z a t i o no f v a l u a b i em e t a i cj n k s ，a n ds h o r t n e s so fi o wc o s tm u i t i p l e b i tr f i dt a g st h a tc a nw o r k i nw a t e r - b e a r i n ge n v j r o n m e n t s i nt h i s p a p e t h e c o n c e p to f r f i di s d e s c r i b e d ， f o o w e d b yi n d e p t h i n t r o d u c t i o nt ot h er f i dt a gs y s t e m t h eh i s t o r i c a id e v e i o p m e n t sa n da p p c a t i o n s a 陀a i s 0 陀f e r r e da n dt h ec i a s s i f i c a t i o n so fr f i ds y s t e m sa 陀p r e s e n t e d ，a n a i y z e da n d c o m p a r e d t h ec o m p a r i s o no fi n k j e tp r i n t i n gt e c h n o i o g yw i t hs i i i c o ni n t e g r a t e d c i r c u i tt e c h n o i o g yi sc o n d u c t e d t h ei m p o r t a n c eo fi n k j e tp r i n t i n gp r o c e s sj ni o w c o s t t a gf a b r i c a t i o n si sf u r t h e re x p i a i n e d f o rt h ed e s i g no fp r i n t e dr f i dt a g s ，o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt a s k si st o e s t a b l s ht h em e t h o df o rc h a r a c t e r i z a t i o n sa n dm o d e i n g so fb a s i cd e v i c e ss u c ha s t r a n s m i s s i o nl i n e s t h ee 仟e c t i v ec h a r a c t e r i z a t i o n sa n da c c u r a t ep h y s i c a im o d e i sa 陀 t h ec r i t i c a ib a s i sf o rf u t u r ee i e c t r o n i cd e s i g n s w ep r o p o s e dt h ed e s i g n s0 fd f f e r e n t 3 t y p e so ft r a n s m i s s i o nl i n es t r u c t u 陀s ，a n dm a n u f a c t u r e dt h e s ed e v i c e sw i t hi n k j e t p r i n t i n gp r o c e s s s u b s e q u e n t i y ，w ec h a r a c t e r i z e dt h et r a n s m i s s i o nl i n e si n t i m e d o m a i na n di nf 陀q u e n c yd o m a i n ，a n de ) ( t 阳c t e dt h et 旧n s m l s s i o nl i n ep a 阳m e t e r s b a s e do nt h e s ep a 陀m e t e r s ，w ee s t a b i i s h e dt h ei u m p e de q u i v a i e n tc i r c u i ta n dt h e d i s t r b u t e do n e s i m u i a t i o nr e s u i t sa n de p er m e n t a lr e s u i t sa g r e ew i t he a c ho t h e w h i c hp r o v e dt h ec o r r e c t n e s sa n da c c u 阳c yo ft h em o d e i s t h e s ec h a 阳c t er z a t i o n m e t h o d sa n dm o d e i sh a v es i g n i f i c a n tm e a n i n g sf b rt h ed e s i g no fl n l j e tpr n t e dr f l d t a g s t h i sp a p e ra l s op r e s e n t e dan e w c h i p i e s sr f i dt a gc i r c u i t ，b a s e do nt i m ed o m a i n r e f l e c t i o n so nat 旧n s m i s s i o ni i n e t h er f i dt a gm a i n i yc o n s i s t e d0 fam i c r o s t r i pi i n e f o rpr i d p a g a t i n gr fs i g n a l s ，a n dag r o u po fc a p a c i t o r sf b re n c o d i n gb i n a r yc o d e s t h e o o k ( o n - o 仟一k e y ) c o d i n gm e t h o dw a se m p i o y e di n t h i st a g ，w h i c hm e a n st h e p r e s e n c eo f r e f l e c t i o n啪v er e p r e s e n t s“1 a n da b s e n c er e p r e s e n t s，0 ，w e i m p l e m e n t e dt h i sc i r c u i to nac o n v e n t i o n a lp r n t e dc i r c u i tb o a r d ( p c b ) a n dm e a s u r e d i tw i t hu i t 阳w i d e b a n d ( u w b ) s i g n a l nt i m ed o m a i n t h em e a s u r e m e n t r e s u i t sp r 0 v e t h ef e a s i b i t yo ft h ep r o p o s e dt a gc i r c u i t 1 0i m p i e m e n tt h ep r o p o s e dt a gb yi n l ( j e tp r i n t i n gp r o c e s s ，w en e e d e dt o o v e r c o m et h ei i m i t a t i o n sc a u s e db yp r i n t i n gp r o c e s s ，s u c ha st h et h i nt h i c k n e s sa n d t h ep o o rc o n d u c t i v i t yo fi n k j e tp r i n t e dm e t a l i ct r a c i ( s t h eu n i f o r mm i c r o s t r i pi i n e w h i c hw a ss u c c e s s f u yu s e di np c bt a gc i r c u i t sh a r d i yo p e r a t e di nt h ei n k j e tp r i n t e d c o u n t e r p a r td u et 0t h ea b o v em e n t i o n e dt w ol i m i t a t i o n s al i n e a r i yt a p e r e d m i c r 0 s t r i pi i n ew a su t i i i z e di n s t e a do ft h eu n i f o r mo n et os o i v et h ep r o b i e m b yt h i s t a p e r n gm e t h o d ，af u ym e t a i ci n i j e tpr n t e dr f l dt a go np a p e rs u b s t r a t ew a sa t t h ef i r s tt i m ea c h i e v e d t h i st a gi sc o n f i g u r a b i ei ni dg e n e r a t i o nc i r c u i t sa n d1 0 wc o s t i nf a b r i c a t i o np r o c e s s ，t h u si th a sg 陀a tm a r k e tp o t e n t i a if o rl o w - e n dr f i d a p p i i c a t i o n s a p a r tf r o mr f l dc i l i c u i t s ，t h ec o s t0 ft a ga n t e n n a sa i s oc 0 n t r j b u t e sa1 0 tt 0t h e t o t a ic o s to fat a g t h e r e f o r e ，t h ei o v v - c o s tm a n u f a c t u r i n go fat a ga n t e n n ai sa i s o r e q u i n 詈d w ea p p i i e dt h ei i n e a rt a p er n gm e t h o do nt a ga n t e n n a ss u c ha sd i p o i e a n t e n n a sa n dm e a n d e ri i n ea n t e n n a s 1 tw a sf o u n dt h a tt h eb o t ht y p e so fa n t e n n a s a d o p t i n gi i n e i yt a p e r i n gm e t h o dc o u i d 翰v eo v e r4 0 o ft h ec o n s u m e dm e t a iv o i u m e ， w h i i em a i n t a i n i n gc o m p a 阳b i ea n t e n n ap e r f b r m a n c ec o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a i 4 t a ga n t e n n a s t h e r e f o r e ，t h ei i n e a rt a p e r i n gm e t h o dp r o v i d e daf 色a s i b i ea n de a s y a p p r o a c ht om a n u f a c t u r el o w - c o s tr f l dt a ga n t e n n a s t h ep a p e r b a s e di n i j e t p r i n t e dt a g i s e p e c t e dt oo p e r a t e i nu h fa n d m i c r o w a v eb a n d ，s oj tm i g h te n c o u n t e rs e v e r ed e g r a d a t i o ni np e b r m a n c ew h e n u s e di nw a t e r - c o n t a m i n a e de n v i r o n m e n t t h e r e f 0 陀，w ep r o p o s e dan e wt y p eo f c h i p l e s sr f i dt a gt h a tc a nw o r ki na q u e o u se n v i r o n m e n tw i t h o u tp e r f o r m a n c e d e g r a d a t i o n t h i st a gw a sc o n s t r u c t e db a s e do nf r e q u e n c ys i g n a t u r e se n a b i e db y s y m p a t h e t i co s c 川a t i o n s0 fv a r i o u sl cc i r c u i t s w ei m p i e m e n t e dt h et a go nf l e x b i e s u b s t r a t e st h r o u g ht o n e rt 阳n s f e rp r o c e s s t e s t 陀s u i t ss h o w e dt h a tt h et a gc a n p r o p e r i yw o r ke v e ni na na q u e o u se n v i r o n m e n t t h ec o n f i g u r a b l et a gc i r u i tc a na i s o b ep r o d u c e dt h r o u g hf u i n k j e tp r n t i n gp r o c e s s t h ep a p e rp r e s e n tas y s t e m a t i cw o r kt o w a r d st h er e a i i z a t i o n0 fu i t 阳1 0 w c o s t r f i dt a g s ， w h i c hi n i u d e st h ec h a r a c t e r i z a t i o na n dm o d e i n go fp r m a r yd e v i c e s ，t h e p r o p o s a io fr f l dt a gc i r c u i t s ，a n dt h ed e s i g no ft a ga n t e n n a se t c t h ec o n c i u s i o n s d r a w nf r o mt h e s ew o r kh a v eg r e a tp o t e n t i a ii ni n d u s t r a im a s sp r o d u c t i o n sf b r i o w - e n dr f id a p p c a t i o n s k e y w o r d s ：r f id ，t a & t i m ed o m a i nr e f l e c t o m e t r yc o d i n g ，f r e q u e n c yo s c i l a t i o n s c o d i n g ，i n k j e tp r i n t i n g ，p a p e rs ub s t r a t e ，t h et a ga n t e n n a c h i n e s el b 阳r yc i a s s l f l c a t i o nn o ：t n 4 1 s 超低成本全打印射频识别标签的设计和实现 大纲 本文主要论述了使用新兴喷墨打印技术实现低成本电子标签的研究，全文共 分为七章。 第一章主要介绍了电子标签技术和喷墨打印工艺。首先，我们由射频识别技 术的发明与发展开始，介绍了电子标签常用的工作频带和典型的应用，以及电子 标签的分类。随后总结了电子标签技术在世晃上和中国的当前发展状况以及未来 发展趋势和面临挑战。针对电子标签成本过高的问题，我们介绍了标签生产的喷 墨打印工艺，并且比较了喷墨打印工艺和普通的硅平面集成电路工艺的差别，阐 明了喷墨打印工艺生产电子标签的优越性和必要性。 第二章主要介绍了喷墨打印传输线表征和建模的研究。我们设计并且通过全 喷墨打印工艺制造了共面波导和共面带线两种常见的平面传输线结构，阐述了使 用时域反射计和矢量网络分析仪进行传输线表征和参数提取的方法，同时通过时 域测量提取出了传输线的特征阻抗和衬底材料的介电常数，并结合频域测量得到 的集总参数模型和分布参数模型，完成了传输线的完整表征，通过测试数据和模 拟数据的拟合比较，证明了上述打印传输线时域和频域表征方法的可行性和可靠 性。这些高精度的参数提取和模型的建立为电子标签打印以及其他电子器件的设 计和使用奠定了坚实的基础。 第三章主要介绍了基于传输线时域反射原理而提出的无芯电子标签电路。我 们介绍了三种以低成本为目标的电子标签制造方法，并比较了三种方法的各自特 点，阐明了使用全打印工艺制作电子标签的可行性，提出了新型可全打印无芯电 子标签电路。通过a d s ( a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m ) 电路仿真，我们模拟了电子标 签电路的时域响应，随后实现了标签电路的样品制造，测试了电路的时域反射信 号和u w b 反射信号，并根据这些实验结果，证明了基于时域反射原理实现多位 编码的电子标签电路可行性。 第四章主要介绍了纸上全打印电子标签的实现。我们首先介绍了喷墨打印工 艺和低成本纸衬底相结合的技术，阐明了全打印纸基电子标签在降低电子标签生 产成本方面可行性和重大意义，同时阐述了使用喷墨打印工艺在纸上实现电子标 签制造所面临的挑战，例如打印金属线厚度较薄和导电率较差的现象，通过研究 由此带来的打印传输线寄生效应对电子标签电路工作的影响，发现了使用传统微 带线导致电子标签失效的机理。为了制造出正常工作的标签电路，我们提出了线 7 超低成本全打印射频识别标签的设计和实现 性渐变微带线结构，通过全打印线性渐变传输线的测试结果，验证了此种结构通 过不断增大线宽消除寄生阻抗影响的原理，从而第一次实现了全打印纸基电子标 签电路。实验结果和模拟结果良好的特性吻合也证明了全打印纸基电子标签的可 行性。 第五章主要介绍了超低成本标签天线设计的研究。我们首先分析了传统标签 天线设计中可能存在的材料浪费问题，基于对半波偶极子天线电流分布情况的研 究，提出了线性渐变天线原理，通过a n s o f td e s i g n e r 电磁场模拟软件的仿真将线 性渐变原理运用到印刷电路板上的偶极子天线和全打印柔性衬底上的偶极子和 弯折线天线上，从而验证了线性渐变天线在保持相同天线性能的条件下可以大幅 度消减成本的优点，同时证明了在给定相同的金属材料体积时，线性渐变天线可 以改善天线性能的特性。结果表明相比较于普通等线宽天线设计而言，线性渐变 偶极子天线和弯折线天线可以节省4 0 以上的成本。 第六章主要介绍了可以在含水环境下正常工作的一种新型无芯可全打印电 子标签。针对在含水环境下低成本多位编码电子标签的市场需求，我们提出了基 于l c ( 电感电容) 共振振荡原理的可全打印无芯电子标签，并阐述了电子标签 的电路编码原理，即设计1 0 个振荡频率各不相同的l c 电路在1 0 m h z 到1 0 0 m h z 之间进行二进制的频域编码，通过a d s 软件中的电路仿真和矩量法仿真以及样 品的测试数据研究了l c 电路中电容位置，电容电感组合，和阅读器天线对于电 子标签信号以及尺寸大小的影响，并根据仿真和实验结果优化了标签电路的设计， 随后通过墨粉转移工艺在柔性衬底上实现了电子标签的制造，根据在普通环境和 含水环境中测试数据的比较，验证了在含水工作环境中这种无芯电子标签可以正 常工作的特性。此外，这种无源无芯电子标签和全打印工艺相兼容，可以实现低 成本的制造，以便更广泛地应用到生活和生产的各个方面。 8 第七章为全文总结和未来展望。 超低成本全打印射频识别标签的设计和实现 第一章射频识别技术和喷墨打印工艺 基于硅集成电路芯片( i cc h i p ) 的电子标签可以实现多种高级功能和算法， 例如可重复读写的能力，防标签碰撞的算法，加密算法等等。但是，这些芯片生 产成本难以继续降低的现状阻碍了电子标签技术进一步的发展和更广泛的应用， 而使用全加法工艺( f u ya d d j t j v ep r o c e s s ) 的喷墨打印技术有望在很大程度上实 现电子标签的低成本生产，并应用于有巨大市场潜力的中低端商品自动识别领域。 1 1 射频识别技术 射频识别技术( 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 ，r f i d ) 是通过无线电讯号识别 目标并读取相关信息的技术。这样的识别技术是通过非机械或者非光学手段完成 的，准确的说，是通过空间耦合( 交变磁场或者电磁场) 实现信息无接触传递， 并通过传递的信息来识别特定目标的技术。 1 1 1 发展历程 射频识别的概念第一次出现在1 9 4 8 年h a r r ys t o c k m a n 发表的文章中。d b h a r r i s 稍后提出了“使用可调制无源应答器的无线通讯”概念2 1 。这些研究成果 的阐述为随后的射频识别技术发展奠定了理论基础。 2 0 世纪6 0 年代，r f h a r r i n 豇o n 研究了与射频识别相关的电磁场理论，并 发表了“负载散射理论”的文章【3 l 。除了理论的研究，一些早期的射频识别商业 化活动开始出现，从事相关业务的公司也相应建立，比如在6 0 年代末出现的 s e n s o r m a t i c 和c h e c k p o i n t 公司。这些公司的主要业务集中在开发电子防盗系统 上，即e a s ( e i e c t r o n i ca r t i c i es u r v e 川a n c e ) 。这种防盗系统使用编码简单的1 位电 子标签，即识别系统只能判断电子标签在或不在探测区域内，因此标签功能比较 单一。但是这种标签的显著优势是生产成本低，并且有很好的防盗效果，因此在 各个商店中得到了广泛的应用。这种标签一般利用微波产生的次谐波或者振荡电 路的感应原理进行工作【4 】。 到了7 0 年代，实验室和科研院所等研究机构成为射频技术发展的驱动力量。 美国的l o sa l a m o s 科学实验室在1 9 7 5 年发表了题为“在短距离无线遥测技术中 使用调制散射方法实现电子识别功能 f 5 1 的文章。这篇文章的发表代表远距离通 9 超低成本全打印射频识别标签的设计和实现 第一章射频识别技术和喷墨打印工艺 基于硅集成电路芯片( i cc h i p ) 的电子标签可以实现多种高级功能和算法， 例如可重复读写的能力，防标签碰撞的算法，加密算法等等。但是，这些芯片生 产成本难以继续降低的现状阻碍了电子标签技术进一步的发展和更广泛的应用， 而使用全加法工艺( f u ya d d j t j v ep r o c e s s ) 的喷墨打印技术有望在很大程度上实 现电子标签的低成本生产，并应用于有巨大市场潜力的中低端商品自动识别领域。 1 1 射频识别技术 射频识别技术( 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 ，r f i d ) 是通过无线电讯号识别 目标并读取相关信息的技术。这样的识别技术是通过非机械或者非光学手段完成 的，准确的说，是通过空间耦合( 交变磁场或者电磁场) 实现信息无接触传递， 并通过传递的信息来识别特定目标的技术。 1 1 1 发展历程 射频识别的概念第一次出现在1 9 4 8 年h a r r ys t o c k m a n 发表的文章中。d b h a r r i s 稍后提出了“使用可调制无源应答器的无线通讯”概念2 1 。这些研究成果 的阐述为随后的射频识别技术发展奠定了理论基础。 2 0 世纪6 0 年代，r f h a r r i n 豇o n 研究了与射频识别相关的电磁场理论，并 发表了“负载散射理论”的文章【3 l 。除了理论的研究，一些早期的射频识别商业 化活动开始出现，从事相关业务的公司也相应建立，比如在6 0 年代末出现的 s e n s o r m a t i c 和c h e c k p o i n t 公司。这些公司的主要业务集中在开发电子防盗系统 上，即e a s ( e i e c t r o n i ca r t i c i es u r v e 川a n c e ) 。这种防盗系统使用编码简单的1 位电 子标签，即识别系统只能判断电子标签在或不在探测区域内，因此标签功能比较 单一。但是这种标签的显著优势是生产成本低，并且有很好的防盗效果，因此在 各个商店中得到了广泛的应用。这种标签一般利用微波产生的次谐波或者振荡电 路的感应原理进行工作【4 】。 到了7 0 年代，实验室和科研院所等研究机构成为射频技术发展的驱动力量。 美国的l o sa l a m o s 科学实验室在1 9 7 5 年发表了题为“在短距离无线遥测技术中 使用调制散射方法实现电子识别功能 f 5 1 的文章。这篇文章的发表代表远距离通 9 超低成本全打印射频识别标签的设计和实现 讯的无源电子标签进入了实用化阶段。其他的科研单位如美国的西北大学以及瑞 典的微波研究所也做出了相应的贡献。与此同时，一些商业公司也建立并发展了 射频识别系统，比如r a ”h e o n sr a y t a g 和r i c h a r dk i e n s c ho fr c a 公司等。在欧洲， 许多公司尝试使用这种新兴射频技术进行动物的识别工作，而美国的科研和政府 机构比如l o sa i a m o s 实验室以及美国联邦高速公路管理局等开始关注射频识别 技术在交通方面的应用，例如建立高速公路自动收费系统。 到了8 0 年代，射频识别技术已经开始了小规模的应用尝试，但是各个国家 和地区有着不同的应用兴趣。美国比较感兴趣的是射频识别技术在交通和门禁系 统的应用，而欧洲则更多的研究如何实现动物的自动识别技术，以及工业自动化 和其他一些商业活动上的应用。个人电脑的出现和使用大大促进了识别技术的发 展，因为电脑使得射频识别的信息收集和管理变得更加方便。此时，挪威第一次 使用了商业化的射频识别电子收费系统1 6 l ，随之而来的是相似技术在美国的广泛 运用。8 0 年代末，电子标签的制造得益于c m o s 集成电路的引入和分立器件的 使用从而尺寸变得越来越小，功能却越来越强大，这为以后电子标签的大发展奠 定了基础1 6 j 。 进入9 0 年代，电子标签技术得到了极大的发展和应用。在北美，射频识别 技术已经广泛地应用到交通收费系统和铁路运输上。在欧洲人们对射频识别技术 的应用也扩展到了很多方面，比如公路收费系统，公司门禁系统，加油站，滑雪 场，车辆管理场所等等。亚洲众多国家也在快速地普及电子标签在公路收费，铁 路运输等方面的使用。在技术研发方面，微波肖特基二极管已经集成到c m o s 集成电路中，使得电子标签具有更小的尺寸，更低的成本，更强大的功能和更高 的可靠性。此时各种介绍射频识别技术的书籍也应运而生，比如k i a u sf i n k e n z e i l e r 所著的“射频识别手册”就是其中一本经典著作1 4 j 。 到了2 1 世纪，电子标签的主体结构变得非常简单，一般只包括一个集成电 路芯片和天线。电子标签的小尺寸特点使它可以轻易的附在各种需要识别或管理 的物品上。各种标准化协议和标准化组织为电子标签的发展铺平了道路，使得各 种电子标签系统有可能在全世界的范围内使用。射频识别的各种新功能层出不穷， 也不断刺激和催化了更多产业的出现和发展。射频识别技术的新兴应用领域包括 供应链管理系统，货仓进出货物库存纪录系统，物品实时跟踪系统等。射频识别 技术还可以和传感器技术相结合，产生全新的和更广泛的应用，比如实现智能化 监测系统，食品的智能包装技术等。这些技术与现有的互联网技术相融合能够产 生一个比现在的互联网大几个数量级的物联网( t h ei n t e m e t0 f 1 1 1 i n g ，l o t ) 技术， 超低成本全打印射频识别标签的设计和实现 进而成为推动国民经济发展的重要技术力量。射频识别的发展简史如表1 1 所示。 表1 1 射频识别技术的发展年代表 年代发展进程 1 9 4 0 一1 9 5 0 年1 9 4 8 年奠定了射频识别技术的理论基础。雷达技术得到 了改善和使用。 1 9 5 0 一1 9 6 0 年早期的射频识别技术探索阶段，主要进行了一些实验研 究项目。 1 9 6 0 一1 9 7 0 年射频识别的理论得到进一步的发展，一些早期的应用尝 试开始出现。 1 9 7 0 1 9 8 0 年射频的测试技术得到了大发展。一些射频识别的应用开 始出现和发展。 1 9 8 0 一1 9 9 0 年射频识别技术已经从研发阶段进入商用阶段。小规模的 技术应用出现。 1 9 9 0 一2 0 0 0 年射频识别技术得到了大规模的关注和应用。各种标准化 组织和协议出现。 2 0 0 0 年至今标准化问题的部分解决促进了射频识别技术的广泛应 用。大规模的电子标签应用已经成为现实，并催化了各 种技术的融合，产生了新兴应用领域和产业。 1 1 2 工作频率和典型应用 电子标签的工作频段大致分为低频，高频，超高频和微波波段( 如图1 1 1 7 l 所示) 。不同的波段有不同的特性，因而有不同的应用领域。 低频段( 典型频率1 2 5 k h z 和1 3 5 k h z ) 超低成本全打印射频识另u 标签的设计和实现 图1 1 电子标签按照工作频率进行分类 在这个频段的电子标签主要是通过交变磁场来进行信息的通讯。阅读器和电 子标签都配有电感线圈，能够产生交变磁场，通过交变磁场的相互感应来刺激感 应电压的变化，进行信息传递。因为交变磁场的场强下降非常快，所以在这个波 段的应用主要是短距离通讯为主。工作在这个波段的电子标签特点主要包括： 读写距离小于1 米。 可穿透绝大多的物体而不降低读写距离( 但受金属的影响) 。 数据传输速率较慢。 阅读器较贵。 自动停车场的收费和管理系统； 常见的门禁和安全系统( 如图1 2 ( a ) 所示) 畜牧业管理系统( 如图1 2 ( b ) 所示) ； 超低成本全打印射频谚 别标签的设计和实现 图1 2 ( a ) 射频技术在门禁系统中的应用，( b ) 电子标签在动物识别中的应用 其他频段较敏感的环境，比如含水的环境下使用。 高频段( 典型频率1 3 5 6m h z ) 在这个波段电子标签的工作原理与低频波段的标签工作原理相同。电子标签 通过负载调制的方式进行工作。通过标签上的负载电阻接通和断开，可以控制在 阅读器天线上电压的变化，从而实现远距离的通讯。工作在高频段的电子标签具 有以下特点： 读写距离小于1 5 米。 可穿透大多数的物体，但读写距离会降低。 数据读写速度比低频电子标签快。 价格较便宜。 图书管理系统： 电子纸币( 如图1 3 ( a ) 1 8 1 所示) ； 电子车票； 电子身份证： 超低成本全打印射频识别标签的设汁和实现 j 0 0i 一- 。：” 澎+ ! i 羔 图1 3 ( a ) 使用射频识别技术的电子护照，( b ) 附有射频识别标签的纸币 电子护照( 如图1 3 ( b ) 所示) ； 固定资产管理系统。 超高频波段( 典型频率8 6 8 m h z 和9 1 5 m h z ) 超高频识别系统通过电场耦合来传输能量。因为电场的场强下降不是很快， 所以一般工作在这个波段的电子标签具有较大的读写距离。目前在这个波段，欧 洲和美洲大陆有着不同的管制条例。欧洲使用以8 6 8 m h z 为中心频率的一个窄波 段( 8 6 7 5 8 6 8 5 m h z ) ，而美洲大陆使用的是以9 1 5 m h z 为中心频率的一个较宽 波段( 9 0 2 9 2 8 m h z ) 。超高频段的电子标签有下列特点： 具有较大的读写距离( 典型距离