超低成本全打印射频识别标签的设计和实现

论文摘要

经过60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OOK（On-Off-Keying）编码方式。我们首先在传统的打印线路板（Printed circuit board, PCB）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。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40%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LC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。

论文目录

• 目录
• 中文摘要
• Abstract
• 大纲
• 第一章 射频识别技术和喷墨打印工艺
• §1.1 射频识别技术
• §1.1.1 发展历程
• §1.1.2 工作频率和典型应用
• §1.1.3 系统结构与分类
• §1.1.4 发展现状和展望
• §1.1.5 面临的挑战
• §1.2 喷墨打印工艺
• §1.2.1 硅平面工艺和打印工艺的比较
• §1.2.2 喷墨打印工艺的优势
• 第二章 打印传输线的表征和建模
• §2.1 前言
• §2.2 打印传输线的设计和制造
• §2.3 打印传输线的表征和建模
• §2.3.1 时域表征和参数提取
• §2.3.2 频域表征和建模
• §2.4 本章小结
• 第三章 基于时域反射可全打印电子标签电路
• §3.1 前言
• §3.1.1 硅芯片电子标签
• §3.1.2 基于有机器件的电子标签
• §3.1.3 全打印电子标签
• §3.2 电子标签的设计
• §3.2.1 传输线的介绍
• §3.2.2 设计工具和参数设置
• §3.2.3 传输线长度和宽度的计算
• §3.2.4 电容的设计
• §3.2.5 电路模拟
• §3.3 制造和测试
• §3.3.1 电子标签的制造
• §3.3.2 电子标签的测试
• §3.4 结果和讨论
• §3.4.1 TDR信号响应
• §3.4.2 UWB信号响应
• §3.5 本章小结
• 第四章 全打印纸基电子标签的实现
• §4.1 前言
• §4.2 电子标签的设计
• §4.2.1 微带线的设计
• §4.2.2 电容的设计
• §4.3 电子标签的制造和测试
• §4.3.1 电子标签的制造
• §4.3.2 电子标签的测试
• §4.4 结果和讨论
• §4.4.1 打印微带线
• §4.4.2 全打印纸基电子标签
• §4.5 本章小结
• 第五章 全打印电子标签的系统集成:超低成本的标签天线设计
• §5.1 前言
• §5.2 天线理论和线性渐变原理
• §5.2.1 天线理论
• §5.2.2 线性渐变理论
• §5.3 结果和讨论
• §5.3.1 偶极子天线
• §5.3.2 喷墨打印弯折线天线
• §5.3.3 天线频带宽度的变化
• §5.4 本章小结
• 第六章 用于含水环境的可全打印无芯电子标签
• §6.1 前言
• §6.2 系统和电路设计
• §6.3 标签的制造和测试
• §6.4 电路和系统的优化
• §6.4.1 电容的位置
• §6.4.2 电感电容的组合
• §6.4.3 线圈天线的设计
• §6.5 结果和讨论
• §6.5.1 普通环境中测试
• §6.5.2 含水环境中测试
• §6.5.3 全打印无芯电子标签
• §6.6 本章小结
• 第七章 总结与未来展望
• §7.1 全文总结
• §7.2 未来展望
• 参考文献
• 发表论文列表
• 致谢