硕士学位论文全印制无芯片rfid标签的研究与实现

1、硕士学位论文-全印制无芯片RFID标签的研究与实现 分类号 密级 公开 UDC 编号 中国科学院研究生院 硕士学位论文 全印制无芯片RFID 标签的研究与实现 张科强 指导教师 南 琳 研究员 中国科学院沈阳自动化研究所 申请学位级别 工学硕士 学科专业名称 模式识别与智能系统 论文提交日期 2012 年4 月 论文答辩日期 2012 年5 月 培养单位 中国科学院沈阳自动化研究所 学位授予单位 中国科学院研究生院 答辩委员会主席 Dissertation for the Masters Degree in Engineering Study and Implementation of All

2、 Printed Chipless RFID Tags Keqiang Zhang Advisor ：Professor Lin Nan Graduate School of Chinese Academy of Sciences April 20 12 声 明 本人声明所呈交的学位论文是在导师指导下进行研究工 作所取得的成果，相关知识产权属中国科学院沈阳自动化研究 所所有，本人保证将不以其它单位的名义发表或使用本论文的 研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过 的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。 对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文 中明确

3、说明并致谢。 作者签名： 日期： 年 月 日 摘 要 摘 要 射频识别 Radio Frequency Identification, RFID 技术具有高速移动物体识 别、多目标识别和非接触识别等特点，得到了全世界众多领域的广泛关注和青 睐。普通的 RFID 标签主要由硅集成芯片、天线和封装等几部分构成，在传统 的电子标签中，成本最高的部件是硅集成电路芯片。由于硅芯片的存在，导致 它的成本还是无法跟条形码相竞争。无芯片 RFID 标签的出现，使标签的批量 生产和进一步降低价格成为可能。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

4、 本效益的生产方法。 本文的设计和研究就是基于这一背景，首先介绍了喷墨打印技术及其在电 子元器件制造中的应用，分析了 RFID 技术发展现状及所面临的问题，阐述了 课题研究内容的必要性。对当前的 RFID 技术在中低端商品流通领域应用中的 瓶颈问题进行了分析，指出其不足并提出一种用印刷技术实现的低成本标签的 方案。 针对圆盘单极子天线的不足，提出了一种改进圆盘单极子天线性能的方法， 通过对天线接地板进行改造从而改善了天线的阻抗特性，扩展了天线的工作带 宽。 本文设计了一种基于多阻带螺旋形谐振器的无芯片标签。它包括一个接收 天线，一个多谐振电路和一个发送天线。无芯片标签中的多阻带滤波器把特定 频

5、率的信号变弱，从而创建了特定的频谱，每一个标签拥有唯一的频谱特性也 就意味着有唯一的ID 。 开发了喷印系统的SOPC 控制系统，把整个喷印控制系统分主控模块，USB 模块，存储器模块，运动控制模块，光栅处理模块、喷印时序模块以及执行状 态检测模块，分析了每个模块的设计原理，并对各个模块分别进行详细设计。 整机调试后，通过喷墨打印实验实现上述设计的无芯标签。选取PET 材料作为 基材，使用导电纳米银浆墨水进行喷印实验，喷印完成后使用干燥箱把标签烘 干定型形成导电线路实现无芯片RFID 标签。 全印制无芯片 RFID 标签不仅可以极大降低 RFID 标签自身成本而且具有 制造工艺简单，对环境无污

6、染等优势，具有很大的市场潜力。 关键词 无芯片RFID 标签；全印制电子；喷墨打印；射频标签 I Abstract Study and Implementation of All Printed Chipless RFID Tags Keqiang Zhang Pattern recognition and intelligent systems Directed by Prof. Lin Nan Abstract RFID （Radio Frequency Identification ）has the ability of identification to items moving at

7、 high speed without touch, and several items at a time. It promises a good application in many fields. Ordinary RFID tag consists of silicon integrated chip, antenna and encapsulation, and the chip is the most expensive component of the tag, the expensive chips cause it cannot compete with bar code

8、. The emergence of chipless RFID tags makes it possible to reduce the price of the tags. The research and design in this thesis is based on this background . Firstly, the ink-jet printing technology and it s application in the manufacture of electronic components are introduced briefly, Then RFID te

9、chnology development status and the problems it faced and the necessity of the research is analyzed. Bottlenecks of the current RFID technology in the field of th e low-end commodity circulation is pointed out, using printing technology to achieve low-cost tag is proposed . Regarding the shortcoming

10、s of current circular disc monopole antenna, a method to modify the antenna is proposed. By modifying the ground plane, the impedance characteristic is improved and the bandwidth is broadened. A novel chipless RFID system based on planar mu lti-resonators is proposed. It consists of a receiving tag

11、antenna, multi -resonating circuit and a transmitting tag antenna. The RFID reader sends out a multi-frequency interrogation signal and the chipless transponder attenuates particular frequencies which creates a unique spectral signature. It uses spectral signatures to encoded data and provides a uni

12、que ID for every tagged object. The SOPC control system of inkjet printing system is designed and developed. The printing control system is divided into the main control module, USB module, memory modules, motion control module, grating processing module, print timing module and the state detection

13、module. Each module design II Abstract principles is analyzed, and each module is designed in detail. After the machine debugging success fully, the chipless tags proposed in the chapter 4 is achieved through the ink-jet printing experiment. PET material is selected as the substrate, nano-silver ink

14、 is selected as conductive material for the printing experiments, after printing ,the tag is anneal through the oven to form conductive line of the chipless tag. Printed chipless RFID tag has great market potential , because it can greatly reduce the cost of the RFID tag and has the advantages such

15、as a simple manufacturing process and less environmental pollution. Keywords chipless RFID tags ; all printed electronics; inkjet ; RFID tag III 目录 目 录 摘 要. I Abstract .II 目 录. IV 第1 章 引 言. 1 1.1 课题的提出. 1 1.2 全印制电子概述. 2 喷墨打印技术. 2 喷墨印刷工作过程. 3 喷墨打印技术的优点. 5 1.3 射频识别技术及其发展现状. 5 RFID 的概念. 5 RFID 技术主要特点.

16、6 RFID 技术应用现状及前景. 7 RFID 面临的挑战. 7 1.4 无芯片标签概述. 8 无芯片RFID 标签的现状. 8 无芯片标签的发展前景. 9 1.5 本文的主要研究内容. 10 第2 章 标签天线的设计. 12 2.1 天线的理论. 12 天线的主要性能技术. 12 天线的场区. 13 2.2 仿真软件简介. 14 2.3 圆盘单极子标签天线的设计. 15 圆盘半径对天线端口的影响. 16 地板宽度对天线端口的影响. 17 2.4 对圆盘单极子天线的改进. 18 改进方法. 18 改进后天线的性能分析. 19 2.5 本章小结. 22 第3 章 无芯片RFID 标签的设计仿真

17、. 23 3.1 无芯片RFID 标签工作原理. 23 3.2 编码功能电路的设计. 24 IV 目录 螺旋形谐振器原理. 24 多阻带螺旋谐振器的设计. 27 3.3 无芯片RFID 标签的建模与仿真. 29 3.4 本章小结. 32 第4 章 喷印系统SOPC 控制系统的设计. 33 4.1 喷印系统的总体架构. 33 4.2 SOPC 控制系统的设计. 33 系统的模块划分. 34 系统模块的设计. 35 4.3 本章小结. 43 第5 章 无芯片RFID 标签的实现. 44 5.1 墨水的选取. 44 5.2 喷墨打印实现无芯片标签. 45 喷墨打印系统的测试. 45 无芯片标签的实现

18、. 46 5.3 本章小结. 47 结 论. 48 参考文献. 49 攻读硕士学位期间所发表的学术论文. 52 致 谢. 53 作者简介. 54 V 第1 章 引 言 第1章 引 言 1.1 课题的提出 射频识别 Radio Frequency Identification, RFID 技术是一种非接触式的自 1 动识别技术，具有高速移动物体识别、多目标识别和非接触识别等特点 。尽 管当前的RFID 技术存在诸如标准不统一，成本过高及安全隐私等方面的问题， 但仍然得到了全世界众多领域的广泛关注。射频识别技术在公共交通，动物识 别，工业自动化和智能封装等领域有着广泛的应用。RFID 标签 电子标

19、签 可以 实现长距离，高速度和无线非接触的通讯方式，进行实时的物品跟踪和监控。 RFID 电子标签的生产成本主要由标签芯片的生产成本、天线的制造成本 和 RFID 的封装成本三部分构成。由于各生产、应用企业之间没能建立起完整 的、具有国际竞争力的产业链，最终产品的成本价格被提升。电子标签的生产 成本已经成为阻碍其发展的瓶颈之一。普通的射频标签都含有射频标签天线以 及标签电路。由于标签中的芯片、天线及其装配封装等因素的严格要求，使得 射频标签的成本居高不下。现在普通被动标签的价格一般在30 美分到60 美分 之间，最低的也在20 到25 美分之间，而主动标签的价格会更加昂贵。对于比 较贵重的物件

20、而言，这样的价格是无足轻重的。但是对于广大的中低端商品来 说，电子标签的价格仍然过高，限制了RFID 技术商业应用。普通的 RFID 标 签主要由硅集成芯片、天线和封装等几部分构成，在传统的电子标签中，成本 2 最高的部件是硅集成电路芯片 。虽然通过不断的缩小尺寸和工艺创新，在未 来几年硅集成电路工艺还可以在一定程度上降低芯片的价格，但是这距离目标 成本还是相去甚远。 另外一个事实是芯片的价格虽然可以随尺寸的变小而降低，但是将芯片和 天线进行封装的成本反而有增加的趋势。继续依靠硅集成电路芯片技术大幅度 3 的降低电子标签的成本很难实现 。 无芯片RFID 标签的出现456 ，使标签的批量生产和

21、进一步降低价格成为 可能。无芯片RFID 标签由于标签中没有IC 芯片，成本通常大大低于普通的芯 片 RFID 。无芯电子标签的结构一般比较简单，因此很难实现比较复杂的算法 和功能，比如先进的防碰撞算法，加密功能等等。但是，这种电子标签在中低 端商品流通领域中有着很大的市场需求。在这些应用中，商品对各种高级功能 7 并没有太多的要求，反而对电子标签的价格会更加敏感 。一种有潜力的实现 技术是由喷墨打印工艺实现的电子标签。这种工艺要求电子标签的电路是可打 印的，利用印刷技术，无芯片 RFID 可以批量生产，更加降低了成本，大规模 应用于射频识别市场己经指日可待。 - 1 - 全印制无芯片RFID

22、 标签的设计与实现 印刷无芯片RFID 标签具有很大的市场潜力，可以极大降低 RFID 标签自 身成本，部分或是完全取代 RFID 控制芯片，可以广泛应用于远洋航运，交通 运输，邮政快递，物流配送，超市货物分拣，管理和防盗以及智能卡系统，仓 库管理和商品管理等物流体系中，可以有效的平衡系统性能与成本之间的矛盾， 有利于提高系统的性能和运作效率，从而促进RFID 产业的跨越式发展。 据 IDTechEx 2010 年统计数据显示，中国所持有和正在新增的 RFID 项目 总量已经逐步取代英国，位列第二仅次于美国。大力研究具有自主知识产权的 RFID 产业化关键技术，特别是侧重发展具有革新意义的RF

23、ID 电子标签打印制 造工艺对中国 RFID 的技术发展意义尤其重大。高技术含量的打印手段不仅实 现对原材料的节省，工艺上的优化，生产成本的降低，而且它的零排放也符合 环保节能的可持续发展长远方略。 本课题的来源是研究所自选课题项目 “基于数字喷墨打印的RIFD 标签关 键技术研究（ Y1F32103 01 ）”，旨在研究新型的RFID 标签，实现RFID 标签的 无芯片化和低成本化。 1.2 全印制电子概述 全印制电子（Printed Electronics ）是近年来在微电子领域出现的一种革命 性的先进制造技术，以其跨尺度、低成本和批量化的加工特点得到了国内外广 泛的关注，其涉及物联网、微

24、电子制造、材料、化学、纳米技术等多个科研领 域，正在成为一种有别于硅基集成电路制造技术的新型电子制造技术，是实现 8 低成本、柔性化、绿色化电子产品制造的唯一可行技术 。 如今日常生活中的各类电子产品（如：电子标签、平面显示、发光器件、 光伏电池、广告标牌、智能包装、医疗检测和一次性用途的电子产品等）到处 可见，用量巨大，无时无刻不在影响着我们的生活质量和水平，人们自然要求 它们价廉物美，价格进一步下降，这也是电子产品普及化的必要前提。然而， 现在的电子产品绝大多数中含有IC 芯片，是采用硅工艺制造的，其蚀刻减成法 工艺导致工艺流程复杂、生产周期长和材料浪费大，从而生产成本高，一块集 成度低的

25、芯片价格的下降空间基本上达到了极限。此外，硅工艺的制造技术也 难以实现电子产品的多功能化及低成本的制造，尤其是柔性电子和大面积电子 更是如此。这促使人们去探寻一种更有效、更经济的制造技术，以解决电子产 9 品普及推广时遇到的这些瓶颈问题 。 喷墨打印技术 喷墨印刷技术是印刷电子技术中一种，本质上是通过计算机辅助来控制印 刷技术的一种产物，是一种无接触、无压力、无印版的印刷技术。其工作过程 2 第1 章 引 言 是先将计算机存储的图文信息输入喷墨印刷机，再通过特殊的装置，在计算机 的控制下，由喷嘴向承印物表面喷射专用墨滴，最后在承印物表面直接成像， 10 得到最终的印刷产品 。数字喷墨打印技术已

26、经不再是一个梦想而是一个事 实，该技术应用的领域非常的广泛，如已经应用于电子标签（RFID ）、PCB 、 挠性显示器、太阳能电池、智能卡片等各类印制电子产品中。 喷墨印制有许多优点，例如，分辨率相当高，具有灵活性，成本较低，并 与几乎所有类型的基板兼容等。以喷墨打印技术为代表的一系列印刷工艺被视 为最有希望提供超低成本电子标签制造的技术之一11 12 13 。 喷墨印刷工作过程 利用喷墨打印技术生产电子元器件过程简单。器件的生产过程主要包括两 14 个部分 ： 1）打印工艺部分。图1- 1 描述的是使用喷墨打印工艺生产电子器件的简单 流程图。在A 处的打印喷头打印一种功能材料，比如金属材料，

27、然后转盘将在 柔性衬底上的打印图形传送到B 处打印喷头下接受另一种材料的淀积，例如半 导体材料薄膜等，那么经过B 后得到的就是具有金半接触的二极管器件。工艺 中，打印图案直接来自于计算机中的图形控制软件，并不需要制作昂贵的掩模 板来实现图形，因此易于随时无成本地修改打印图案，为电子器件的设计和工 艺实现带来了方便。 - 3 - 全印制无芯片RFID 标签的设计与实现 a b c 图1- 1 喷墨打印流程图 Figure 1- 1 The diagram of inject-printing 2 ）打印后的退火工艺部分。衬底上实现图形后，一般需要热处理工艺或者 激光退火工艺“固化图形”，以实现具

28、有稳定电学性能的器件。比如，使用纳米 银墨水生产金属导线时，热退火工艺起着重要的作用，如图 1-2 所示。如图中 （a ）所示，打印到衬底上的金属墨水仍然和打印前具有同样的形态，中间的球 体是直径在 10 纳米到20 纳米之间的纳米银颗粒，周围布满了须状或者线条状 的有机分散剂，可以防止银颗粒之间相互靠的太近而形成絮状沉淀导致无法打 印。一般这些分散剂的沸点都比较低，所以将打印后的样品稍微加热时，墨水 中的分散剂便挥发了，只留下如图中（b ）部分所示的纳米银颗粒。这些纳米银 颗粒都有很大的面积体积比，因而熔点较低 一般 200 摄氏度 。一旦衬底所受 温度超过熔点，这些纳米银颗粒就开始熔化并形成连续的导电膜，如图中（c ） 所示。经过以上退火工艺后，电子器件的制作也就完成了。 4 第1 章 引 言 图1-2 纳米银墨水退火过程 Figure 1-2 Nano-silver ink annealing process 喷墨打印技术的优点 喷墨打印技术剔除了现有芯片生产中必须使用的光刻工艺，真空环境和导 15 致大量材料浪费的减法工艺等不利因素，实现了全加法的生产过程 。此外， 相比于包含众多工艺步骤的硅集成电路技术，喷墨打印工艺可以大大地简化生 产过程。这些因素都使得人们对打印电