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RFID专题:18 超高频RFID标签基础

2022-03-01 13:48:29 明申科技 693

4.1超高频RFID标签基础

4.1.1超高频RFID标签的基本构成

虽然因应用环境不同导致标签外观和结构有所不同,但归根结底标签还是由标签芯片和标签天线两部分经过封装连接而形成。所以超高频RFID电子标签最重要的三个要素为:标签芯片、标签天线、标签封装,本节将通过对最简单的标签形式—Inlay进行分析。

如图4-1所示,为2010年前生产的ALN-9640标签(Inlay),其主要由标签芯片(TagIC)、标签天线(Tag Antenna)经过标签封装(TagBonding)工艺连接构成一颗完整的RFID超高频电子标签

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图4-1ALN-9640标签基本构成

图4-1右上部分是标签芯片(TagIC)的放大图,其实际的大小仅为0.5mm2。超高频RFID芯片是硅芯片(SiliconChip)实现的,虽然很小但内部结构和功能很多,包括模拟电路(Analog Circuitry)、电源电路(PowerCircuitry)、振荡器(Oscillator)、调制器(Modulator)、数字逻辑(DigitalLogic)、存储器(Memory)等。可以看到这个芯片虽然很小,但是其内部构造复杂、功能齐全,真所谓麻雀虽小五脏俱全。标签芯片是标签的核心部件,标签的所有功能和绝大部分的性能都是由这颗芝麻大的标签芯片决定的。

图4-1下半部分是标签天线,这款标签天线是由蚀刻铜的工艺制成的,其形状的不同决定了天线的射频特性。早期的标签天线主要采用蚀刻铜工艺,随着超高频RFID标签的应用普遍,对成本的压力越来越大,先进主流的超高频RFID标签天线使用的是铝工艺(蚀刻铝和电镀铝较为常见)。如果说标签芯片是核心,那么标签天线则是协助核心发挥作用的外围器件,同样也起着非常重要的作用。市场上主流的超高频RFID标签芯片一共不过几十种,而标签的天线种类有上万种。这是因为标签的核心功能基本都一致,而标签的应用场景是多种多样的,有的用在纸箱上,有的用在玻璃上,有的需要工作距离近有的需要工作距离远,有了标签天线的多样性才可以满足日益增长的多样应用需求。

封装是一种工艺,使标签芯片和标签天线连接在一起,且为电气连接。芯片那么小,要把芯片上更小的射频管脚和天线连接在一起并保证稳定性和批量的快速生产,对封装技术的要求非常高。图4-1中的封装方法是条带(Strap)封装,是由美国意联(Alien)发明的技术,早期的标签封装经常使用。现在主流的封装技术为倒封装(Flip chip)技术。

而随着海量的超高频RFID应用扩展,整体成本不断降低,芯片、天线和封装这三部分的成本逐渐呈现出4:1:2的比例关系。

4.1.2标签与Inlay(标签中料)

在进入RFID标签领域后,大家会经常听到一个词叫Inlay['ɪnleɪ]。Inlay这个英文的字面意思是镶嵌物,镶补的意思,在RFID领域理解起来相当于是嵌入在标签内的意思,或者翻译为标签中料。关于标签和Inlay的区别就是,能直接用在最终产品上的叫做标签,不能直接用在最终产品上,但是可以与RFID阅读器通信工作的叫做Inlay。

Inlay也有很多分类,大致分为干Inlay(DryInlay);透明湿Inlay,也叫湿Inlay(ClearWet Inlay);白Inlay,也叫白标签( White Wet Inlay)。其中DryInlay还分为普通Dry Inlay和窄幅的DryInlay。本节将通过对ALN-9640 Inlay的说明书进行详解和分析,帮助读者增进对Inlay的认识。

现阶段所有的Inlay产品都是按照卷带方式包装、运输和使用的。图4-2中有三卷Inlay,其中图4-2(a)为普通的干Inlay ;图4-2(b)为窄幅的干Inlay(对比第一卷可以看出基材的宽度比较窄);图4-2(c)为透明湿Inlay或白Inlay。

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(a)普通干Inlay (b)窄幅干Inlay (c)湿/白Inlay

图4-2 ALN-9640 Inlay 卷带方式图

干Inlay与基材(干Inlay一般是PET基材、湿Inlay一般为离型纸基材)在卷带(Roll)上合为一体,而湿Inlay是单个的贴在卷带的基材上的。因此,干Inlay是更加原始的状态,而且干Inlay可以通过加工变成湿Inlay,同样湿Inlay可以加工变成白Inlay。湿Inlay和白Inlay都是贴在卷带基材上的,可以取下来直接贴在物品上使用,而干Inlay无法直接使用,一般需要进入复合机进行下一步加工变成可以使用的标签。另外需要注意一点是干Inlay的标签上有两个白色的纸条卷叫做夹层保护(Interleaf protection),其作用是在生产和运输中起到保护干Inlay中的芯片不受损坏。

如图4-3所示,为ALN-9640Inlay的规格图,图中极其精确地标识了Inlay的每一个尺寸,包括外观尺寸、总体尺寸、定位尺寸等。这些尺寸要求非常精确,因为在生产过程中一点点的误差都会导致生产良率问题。

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(a)普通干Inlay (b)窄幅干Inlay (c)湿/白Inlay

图4-3ALN-9640 Inlay卷带规格图

许多读者经常咨询为什么干Inlay有两种,窄幅的干Inlay是否多余?其实这是因为现阶段的高速复合设备的切刀是与天线方向平行的,无法对Inlay的两边进行切割,采用宽幅Inlay经过复合机模切后留下的干Inlay尺寸会很大,也许比一些标签的最终尺寸还大,导致无法进行复合生产。

如图4-4所示,为ALN-9640Inlay概要尺寸,说明书中对每一种Inlay都有完整的尺寸描述,包括其三维尺寸:芯片厚度、基材厚度等。这些参数在复合生产中很重要,尤其在一些高品质要求的标签产品中,需要标签芯片的黑点不明显,而整体的厚度又有限制,就需要对复合材料及复合的压力等参数等进行合理的设置。

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(a)普通干Inlay (b)窄幅干Inlay (c)湿/白Inlay

图4-4Alien ALN-9640 Inlay 概要尺寸图

图4-5为ALN-9640Inlay叠层图(剖面图)。

图4-5(a)为干Inlay的叠层图,其中小方块代表标签芯片,而长条代表的是天线和基材。其中天线的厚度是0.05mm,包括芯片的整体厚度为0.25mm,误差±10%。

图4-5(b)为湿Inlay的叠层图,此时卷带的基材为离型纸(Release Liner)又称隔离纸、防粘纸、硅油纸,是一种防止预浸料粘连又可以保护预浸料不受污染的防粘纸。离型纸的上一层是胶粘剂(Adhesive),具有粘性,与其他材料可以很好的粘合且很容易从离型纸上分离。湿Inlay是由干Inlay加工而成的,具体方式为将干Inlay从卷带上切下来,在芯片一面涂胶,再翻转180°贴在离型纸的卷带上。其中天线部分厚度0.08mm,因为离型纸和胶粘剂增加了0.03mm的厚度,同样包括芯片的总厚度也增加了0.03mm变为0.28mm,误差±10%。

图4-5(c)为白Inlay的叠层图,白Inlay也是由干Inlay加工而成的。在白Inlay的复合过程中,先将干Inlay切下并两面涂胶,上表面粘贴覆盖一层白纸(Overlay),下面的胶粘在离型纸上(白Inlay的卷带基材也是离型纸)。其中天线部分的厚度为0.16mm,比干Inlay增加了0.11mm,故包括芯片的总厚度增加了0.11mm为0.36mm,误差±10%。

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图4-5ALN-9640 Inlay 叠层图

通过上述内容,相信读者应该对标签的复合工艺有了一定的了解。那么,如果标签已经生产成了湿Inlay,能否继续加工成为白Inlay呢?答案是否定的,图4-5(b)和图4-5(c)中芯片的朝向不同,湿Inlay芯片朝下面对离型纸,而白Inlay芯片朝上背对离型纸。

图4-6为ALN-9640Inlay的标签辐射图,其中图4-6(b)为测试状态描述,表述初始状态和阅读器天线位置。天线在Z轴的中间,0°时标签与阅读器天线正对。4-6(a)为辐射特性图(关于天线辐射内容请参照2.2节),标签在0°和180°辐射特性最优,在90°和270°最差。

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(a)标签辐射图 (b)辐射轴定义

图4-6ALN-9640 Inlay标签辐射图

除上述参数之外,还要考虑一些其它Inlay参数:

  • 一卷inlay标签数量:ALN-9640为一卷2万张,常规的Inlay一卷为1万到2万张。

  • 超高频RFID特性如存储、功能等:主要由芯片决定。

  • 存储环境要求:温度-25°C~ +50°C,湿度20% ~90% 且无冷凝。

  • 存储寿命:主要考虑湿Inlay和白Inlay,因为胶的寿命是有限的,在储存不当时胶的效果就会发生变化,粘性太强或太弱都会对应用带来影响。所以一般情况下不会直接生产生湿Inlay和白Inlay,而是大量的储备干Inlay,等有客户明确需求时再复合成为湿Inlay和白Inlay。

4.1.3超高频RFID标签的应用范围

关于RFID的各项技术对比及应用对比,1.3节中有非常详细的介绍,本节主要针对应用范围进行分析,其目的是针对特定的技术和特定的应用进行对比分析,让大家了解到超高频RFID到底可以做什么,极限在哪里,缺陷又在哪里,在遇到项目的时候可以第一时间分析是否可以通过超高频RFID技术解决问题,而不是盲目地用超高频RFID硬套项目。

首先我们将所有与RFID相关的技术都罗列出来,然后进行对比分析,在遇到特定的项目时可以直接选择合适的技术。这里罗列出来的识别技术有:低频(LF) RFID、高频(HF)RFID、有源433技术、超高频(UHF) RFID、有源2.4G技术、蓝牙技术、Zigbee技术、UWB技术。在如下的对比中,分别从技术特点和常用应用入手进行分析:

低频RFID技术:

技术特点:工作频率低呈现静磁场特性,在近距离具有非常稳定的读取效果,且标签的尺寸可以做到非常小。通信速度很慢,标签只有一个ID号码,没有数据区和加密内容。具有简单的抗冲突机制,只能应对小量低速的应用场景。

常用应用:随着其它技术的发展和进步,现阶段低频RFID技术仅剩的应用为动物管理,将低频电子标签制作成为玻璃管打入动物体内或鸽子的脚环上。阅读器的工作距离一般为10cm左右。

高频RFID技术:

技术特点:工作频率中等,其工作原理基于磁场耦合技术,只可以工作在中近距离。标签的尺寸从10mm直径圆形到ISO卡大小。通信速度较快,且标签有存储空间,可以进行复杂加密和安全认证。在金属材质表面通过铁氧体材料可以正常工作。一般工作距离为10cm,特殊的环境应用可达1m左右。

常用应用:高频RFID技术应用非常广泛,从金融支付类的公交卡到停车卡门禁卡,再到远距离的图书馆应用和门禁管理(最远1m的工作距离),同样具有多标签抗冲突特性。

有源433技术:

技术特点:顾名思义,工作频率在433MHz左右的有源标签。工作频率适合远距离电场通信,一般应用在超过100米的工作距离,且电池的耗电低寿命长,一般工作寿命大于1年,有的可以达到5-10年。通信速率不高,但是同样具有抗冲突算法。对标签的尺寸大小没有要求,且有一些标签可以连接传感器并把传感器信息传送给阅读器。

常用应用:需要超远距离长时间工作的特殊应用,如高速公路广告牌管理,码头船只管理等。

有源2.4G技术:

技术特点:该技术与有源433技术非常类似,只是标签的尺寸会比较小,工作距离也比较近,一般工作距离为10m到100m,工作寿命为1-3年。外形尺寸小到一颗纽扣,大到ISO厚卡尺寸,同时标签可以连接传感器。

常用应用:需要较远距离长时间工作的特殊应用,如医院、养老院、监狱的人员管理与人员定位,以及类似场景连接传感器等。这里的人员定位是区域定位,也就是说一个阅读器获得了某个标签的信息就确定在这个阅读器的辐射范围内有这个标签,类似手机的基站定位,可以锁定一个人或一个物品在某个区域或某个房间。

 蓝牙技术:

技术特点:蓝牙技术是一个通用技术,现在的手机中的标准配置,与RFID相关的主要是与RFID技术相配合,如与HF技术、或与阅读器配合。由于蓝牙技术比有源2.4G技术功耗大,很少直接使用蓝牙芯片作为电子标签

常用应用:与HF技术配合的蓝牙音箱,与超高频RFID阅读器配合的蓝牙阅读器等。

Zigbee技术:

技术特点:Zigbee技术是一种低功耗的自组网技术,可以将每一个标签作为链路进行数据传输,在大量的传感器网络中,不需要对阅读器进行布网,只需要布大量的Zigbee标签即可。

常用应用:常用的传感器网络布网,以及人员定位等。由于Zigbee技术中的网络节点比较多,通过算法可以有效的实施人员较为精确的定位。一般用于井下作业人员定位。

UWB技术

技术特点:UWB在RFID技术中主要用于定位和数据传输。定位采用三点定位,在室内定位时定位精度可以达到0.1米。由于UWB的频率和带宽都很高,可以进行高速数据传输。

常用应用:室内定位,针对贵重物品的室内定位。因为UWB的标签价格实在太高。

超高频RFID技术:

技术特点:工作距离一般为0.5米到8米,特殊情况下可以在近距离或远距离应用,但是一般最远工作距离不超过30米。在不考虑加密的情况下可以替代大部分HF技术的产品(UHF工作距离大于HF)。具有非常好的抗冲突和多标签特性,可以针对海量物品进行多标签识别。

常用应用:仓储物流、服装管理、生产自动化、智能交通电子车牌、物品的防伪等应用最为广泛。

在所有的RFID技术中,超高频RFID技术具有广泛的应用,是物联网的重要组成部分。


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