聲表面波射頻識別系統的發展與應用

范 瑋

(重慶電子工程職業學院應用電子學院,重慶 400065)

1 引 言

射頻識別技術(RFID)從20世紀80年代中期開始應用,截至如今,RFID的理論得到不斷的豐富和完善,而且單芯片電子標簽、多芯片電子標簽識別、無源電子標簽的遠距離識別、適應高速移動物體的射頻識別技術與產品已經成為現實并廣泛應用于物流、交通、金融、礦井、軍事等領域。但是,RFID存在很多問題,除了標簽成本偏高、讀取距離短之外,在技術上也存在很多不足,如工作于915 MHz以下的RFID IC在有金屬物體、液體、高溫、強電磁干擾環境中時,其信息讀取存在困難,RFID標簽無法正常工作,導致標簽失效率高。而在這兩個方面,聲表面波(SAW)技術實現的RFID恰恰具有無可比擬的優勢,SAW RFID技術在普通RFID應用的基礎上還可用來測量壓力、應力、扭曲、加速度和溫度等參數變化。可以預計,采用SAW技術實現的RFID將具有巨大的市場前景。

2 SAW RFID技術概述

2.1 SAW RFID概念及結構

聲表面波射頻識別(SAW RFID)[1]終端系統由讀卡器、天線、SAW標簽(也稱SAW聲表面波應答器)三部分組成,SAW標簽包括射頻天線和聲表面波器件。SAW RFID的核心部件是聲表面波器件,其功能如同電子標簽的IC。所以SAW RFID也被稱為無芯片標簽,其結構[1]如圖1所示。SAW RFID是在壓電晶體小基片(材料是鈮酸鋰LN-LiNbO3,這種壓電材料的機電耦合系數較高,相對于石英傳播損耗較少,具有較好的壓電特性)上用半導體工藝制作出專門設計的叉指換能器(IDT)和若干個反射器,換能器的兩條總線和電子標簽的天線連接,反射器數量與配置取決于所要求的應答編碼。

圖1 SAW RFID系統結構圖Fig.1 SAW RFID system structure

2.2 SAW RFID工作原理

SAW是在固體半空間表面存在的一種沿表面傳播、能量集中于表面附近的彈性波。它在傳播過程中,質點位移的振幅隨離開媒質表面的距離的增大呈指數衰減。因此,表面波的能量主要集中在表面下1～2個波長的范圍內,表面波也因此而得名。

在介紹SAW RFID工作原理之前,先簡單說明SAW器件的工作原理[1-2],如圖2所示:在壓電基片上有規律地沉積兩組金屬叉指換能器,通過逆壓電效應將加在輸入換能器上的高頻電信號轉換為SAW信號,SAW信號在壓電基片的聲通道上經過一定的時延,壓電效應在第二組接收換能器上將SAW信號轉換為電信號輸出。

圖2 SAW信號處理器件工作原理Fig.2 Principle of SAW

SAW無源電子標簽采用反射調制方式完成電子標簽信息向閱讀器的傳送。閱讀器[3]的天線周期性發送高頻詢問脈沖,在電子標簽天線的接收范圍內,被接收到的高頻脈沖通過叉指換能器轉變成聲表面波,并在晶體表面傳播。反射器組對入射表面波部分反射,并返回到叉指換能器,叉指換能器又將反射聲脈沖串轉變成高頻電脈沖串。如果將反射器組按某種特定的規律設計,使其反射信號表示規定的編碼信息,那么閱讀器接收到的反射高頻電脈沖串則帶有該物品的特定編碼。通過解調和處理,就可以達到自動識別的目的。

聲表面波傳播速度低,一般為3～4 km/s,其傳播速度比電磁波小10-5倍,所以在SAW延遲線上實現1 μ s的延遲只需1.5～2.0 mm的長度,而應答信號的延遲時間一般大于1 μ s。有效的反射脈沖串經過幾微秒的延遲時間后才返回到閱讀器,在此延遲期間,來自閱讀器周圍的干擾反射已衰減,不會對聲表面波電子標簽的有效信號產生干擾。

2.3 SAW RFID技術的特點

SAW RFID除了具有RFID的可反復使用、數據讀寫方便、安全性能高等優點,還具有如下技術特點[2,4]。

(1)雙重功能

由于SAW RFID采用了SAW器件,SAW信號能量集中在基片的1～2波長范圍內,其對外界量變的響應較其他信號更為敏感,利用SAW信息敏感技術不但可以實現多種物理量(如溫度、壓力、濕度等)的高精度敏感,還為化學、生物等微量物質的敏感奠定了技術基礎。因此,基于SAW的電子標簽同時具有識別和傳感的雙重功能,如溫度傳感器、壓力傳感器、濕度傳感器、扭力鉅傳感器、加速度傳感器等。

(2)可靠性高

SAW電子標簽工作時不需要電源供電,真正具備了無源特性,可靠性很高,可長期在高溫差、高濕度、強電磁干擾等嚴酷環境下工作。

(3)體積小,結構簡單

SAW RFID標簽的工作頻率范圍433.82MHz～5.8 GHz,并且可以用半導體制造技術大量制造,而有價格上的競爭力,成本較IC標簽更低。

(4)識別距離遠,識別速度快

無源識別距離一般10～20 m以上,一次準確識別時間約1 ms。不僅能識別靜止物體,而且能識別速度達300 km/h的高速運動物體。

3 SAW RFID的發展

3.1 SAW技術的發展歷程[5]

1880年,Curie兄弟發現了壓電特性,隨后在1881年Hankel對其命名。

1885年,英國物理學家瑞利發表了名為《沿彈性體平滑表面傳播的波》的論文,指出除了減切波與縱波之外,在彈性晶體的表面上還存在一種形式的波動,在理論上闡述了一種沿半無限厚彈性體表面傳播,且能量集中于表面的波,即聲表面波(Surface Acoustic Wave,SAW),也被稱為瑞利波,但是當時并沒有引起很大的實用上的發展。

1965年,White等人在應用物理雜志上發表了一篇名為《一種新型聲表面波聲-電換能器》的論文,首次在壓電基片上制作金屬叉指換能器,并在叉指換能器上施加交變電場,使基片上激發出聲表面波,聲表面波器件問世。出于軍事上的需要,聲表面波(SAW)技術獲得了迅速發展,20世紀70年代聲表面波技術發展達到高潮,在理論上提出了脈沖響應模型、等效電路模型、各種二次效應分析以及各種器件的結構和設計方法,形成了比較完整的體系。

1975年,D.Culeln等人報道了第一個聲表面波技術傳感器——壓力傳感器。

1980年,HF.Tiersten等人報道了首個加速度聲表面波傳感器。

1982年,AD′Amcio等人試驗了第一個聲表面波氣體傳感器。

1983年,E Gatti等人研制了第一個聲表面波電壓傳感器。

1991年,Joshi S.G.等人研制了聲表面波流量傳感器。

1993年,Nomura T.報道了聲表面波濕度傳感器。

2002年,SHUIY等研究了在低損耗聲表面波濾波器中廣泛使用的電極寬度控制單相單向轉換器(EWC-SPUDT)。

3.2 SAW RFID的發展現狀[5]

SAW RFID已出現了一段時間,應用在移動電話、尋呼機中的數以億計的非SAW RFID方案具有可靠性高、成本低的特點,SAW RFID技術也從這些優點中受益良多。SAW RFID首先出現在美國加利福尼亞和挪威的不中斷式公路收費系統中,但是數量不多。并且在加利福尼亞它們被貼到汽車擋風玻璃上的硅芯片RFID標簽代替了。在挪威,MicroDesign公司供應采用這種技術的只讀被動式標簽有十幾年的時間,后來它就以QFree的名義開始供應針對不中斷式公路收費系統和其他設備的硅芯片RFID可讀寫設備與系統。

美國《軍事與航空航天電子學》網站2006年8月7日報道,美國國防部承包商7月17日采購了AirGATE技術公司基于SAW的射頻識別系統。該系統用于傳統RFID系統無法應用的領域,其作用是識別和跟蹤被標記目標,具體包括測量被標記物體的溫度、讀取目標物體的組成、目標是否與液體和金屬有接觸、遠距離目標、經歷巨大溫差變化的目標、受到壓力作用的目標、受到輻射的目標等。

Siemens公司的SOFIS聲表面波系統已成功用于挪威奧斯陸汽車過橋自動收費系統以及德國慕尼黑火車進站定位系統。在美國,Identronix、RF-SAW等公司也均生產商業化的SAW標簽。由于該類器件的應用已成熟,IEEE超聲鐵電體分會正在組建委員會準備制定這方面的標準。美國的RF-SAW已于2004年初向EPC GLOBAL提出了聲表面波電子標簽標準的草案。

奧利地Villach的Carinthian Tech Research(CTR)已經開發出SAW RFID標簽,使用壓電晶體取代硅制成的芯片。這種標簽在工程和工業應用中能夠承受和監控不同的溫度。三菱汽車澳大利亞分公司投資數百萬澳元用于各種技術改造,其中就選用了OISAW RFID系統,用于跟蹤車輛的生產過程。由于該系統能夠承受涂裝車間的惡劣環境和高溫,準確實時確定生產過程的每一臺車輛,從而順利實現自動糾錯無重復生產。SAW RFID系統的價格相當昂貴。據CTR透露,SAW標簽單價為100歐元,應答器單價為6 000歐元。由一個讀寫器、一個天線、各種標簽以及軟件組成的一個SAW演示工具包,價格為6 690歐元。

SAW RFID可以認作是第二代無芯RFID標簽,該項目的研究對創建自主知識產權的新產業有較深遠的意義。

4 SAW RFID的應用

SAW RFID系統可以廣泛應用于零售業、身份識別、物流等行業,同時可以擴展至無線傳感器領域,本文分別以軍用[6]和民用說明SAW RFID的應用。

4.1 軍用系統應用

SAW RFID標簽具有體積小、無源無線識別的特點。由于機載設備和地面維修設備安裝復雜,在維修與檢查過程中,SAW RFID標簽無線的特點能給設備的識別帶來方便。同時,SAW RFID標簽無源的特點也能支持系統標簽的長期使用,故SAW RFID標簽在軍用系統應用中具有很大潛力。

在軍用測試系統中,利用SAW RFID編碼確定軍用設備的唯一性,且對應計算機中唯一數據。數據包括維修歷史、相關產品的性能特性和設備使用強度等情況,軍隊根據這些數據對設備的狀態趨勢進行分析,實現預防性維修。實現設備維修的自動化、智能化,提高了設備的維修保障水平。此外,采用SAW RFID可以對軍用物流進行管理,記錄軍用倉庫中設備器材的出入庫情況等,提高倉庫器材保障科學化管理水平和信息化程度。

4.2 民用系統應用

4.2.1 SAW RFID在電力系統中應用

在電力系統[7]中,發電廠的轉子定子、變電站的高壓開關柜、母線接頭、室外刀閘開關、電容器、電抗器、高壓電纜、變壓器等重要設備的異常、故障,最初都伴隨著局部或整體的過熱或溫度分布相對異常,一旦出現故障,就會影響整個區域的電力供應,造成巨大的經濟損失,成為重大的安全事故,所以對電力設備溫度的在線監控顯得十分必要。而SAW RFID是近十幾來年發展起來的新型技術,其可以被開發成為測量機械應變、壓力、氣體、微小位移,以及溫度等參數的傳感器,用途廣泛。另一方面,聲表面波電子標簽體積小、重量輕、抗干擾能力強、檢測范圍線性度好,同時具有良好的熱性能和機械性,能適合遠距離傳輸和實現遙測遙控。這些特性使得SAW RFID在復雜的電力系統狀態監控中的應用前景廣闊。

4.2.2 SAW RFID在鋼鐵冶煉中應用

熱軋[8]是在再結晶溫度以上進行的軋制。熱軋機軋制的過程中,可逆軋機和連軋機的帶材溫度的變化直接影響到帶材的質量和板型,不均勻冷卻造成的殘余應力對變形、穩定性、抗疲勞等方面都可能產生不利的作用。因此在軋鋼的過程中,溫度的控制是非常重要的一個環節,設置一套完整的熱軋機溫度控制系統很有必要,并且可以隨時監測控制溫度。

軋鋼溫度控制系統中,在逆軋機的入口和出口以及連軋機的入口安裝高溫測量傳感器,而在帶材傳輸過程中可以運用SAW RFID技術進行測溫,以進一步加強對溫度的監測。聲表面波標簽在高溫環境下依然可以正常工作,且可測量的溫度可達1 000℃以上,誤差小,精度高。在工作過程中,標簽貼于鋼材表面,由安裝在附近(8 m以內)的讀卡器將信息傳給計算機系統。

熱軋溫度控制系統由可逆軋機溫度控制系統和連軋控制系統組成,采用計算機系統控制,并且配合噴射系統,通過現場總線和工業以太網通信模式進行數據傳輸和控制,進一步調節機器運轉,三個系統協調配合,共同完成溫度控制的過程。帶材溫度控制過程中,預先設定冷卻液的流量、溫度和噴射區域,當帶材通過噴射區時,通過SAW FRID測溫裝置的監測,計算機根據所測溫度隨時控制帶材的移動速度、冷卻液的流量和噴射時間。

在入口、出口以及傳輸過程中對鋼材進行全程測溫,有效地控制熱軋的溫度,使產品的質量和生產效率進一步提高。

5 關鍵技術和難點

5.1 關鍵技術

(1)SAW RFID的理論設計

合理設計并且優化電路,包括發送機和接收機的設計調試,使得SAW RFID快速準確地讀取數據。研究多芯片模塊設計及微組裝技術,實現模塊的小型化和低成本。建立幾種不同應用環境以及短距離環境下,用于估算射頻功率傳輸的電磁波傳播模型。從理論上研究環境反射對閱讀器接收機的影響,為閱讀器和電子標簽之間的功率分配和傳輸的優化、功率控制等部分的設計改進提供理論依據。

(2)批量生產工藝技術

完善和掌握具有高成品率、高質量、高效率的批量生產工藝技術。

5.2 技術難點

(1)SAW RFID系統的防碰撞技術

研究密集讀寫器環境下多標簽訪問防沖突技術算法。綜合采用分應用層次編碼,陣列天線控制、空間譜估計和盲信號分離等數字信號處理算法,改進按位檢測碰撞暫停通信的二進制樹形搜索算法,分布式的自適應圖著色算法,研究出具有自主知識產權的防沖突技術算法。

(2)SAW RFID系統的超強抗干擾技術

通過讀寫器射頻參數調整技術的研究,使讀寫器中心工作頻率可調,射頻輸出功率可調,滿足無線電頻率規范,并能夠同時支持多種通信協議和各種應用環境的需要。

(3)SAW信號處理轉換技術

包括敏感參數的選擇、SAW振蕩器類型的選擇以及聲波種類的選擇等。

(4)化學敏感膜技術

主要包括選擇性吸附膜的研制和選擇性吸附膜的制備工藝等。

(5)綜合信號處理技術

聲表面波傳感器是以SAW模擬信號處理器為基礎的傳感器,它對外界量例如壓力、溫度、濕度、電壓、負載等各類物理、化學、生物氣相、液相量均要產生敏感。SAW傳感器的最終目的是要以SAW傳感器中得到的電信號轉化為各種外界量,并且接觸相應外界因素的變化量。

6 結束語

SAW RFID系統可以廣泛地應用于零售業、身份識別、物流等行業,同時可以擴展至無線傳感器領域;SAW標簽屬于半導體工藝制作,便于批量生產,SAW RFID系統的相關產品都屬于電子信息類產品,研發和生產都十分成熟,可見其產業化的基礎條件成熟。在市場方面,經過近10年的技術推廣和相關配套技術的發展,整個RFID市場已經形成,各個配套行業的產業化進程都在飛速的進行中。此外,近幾年新興RFID公司也紛紛成立,行業規模也日趨壯大,因此,SAW RFID系統作為RFID系統的一個重要分支其產業化的可行性是顯而易見的。SAW RFID系統的開發和研制標志著該項技術產品的國際化,同時SAW RFID系統又是對IC技術的重要補充,使RFID技術更加完整。所以說SAW RFID領域的市場潛力巨大,商機無限,誰的技術和研發實力最強,誰先占領市場,誰就會獲得豐厚的利益。

[1] 王玉林,曹金榮,前鋒,等.聲表面波射頻識別無源電子標簽[J].固體電子學研究與進展,2007,27(1):109-114.WANG Yu-lin,CHAO Jing-rong,QIAN Feng,et al.SAW RFID Passive Tags[J].Research&Progress of SSE,2007,27(1),109-114.(in Chinese)

[2] Hartmann C S.A global SAW ID tag with large data capacity[C]//Proceedings of 2002 IEEE Ultrasonics Symposium.Munich,Germany:IEEE,2002:63-67.

[3] 劉慶華,李民權.聲表面波射頻識別閱讀器的設計[J].國外電子元器件,2007(3):68-71.LIU Qing-hua,LI Min-quan.Design of SAW R FID reader[J].International Electronic Elements,2007(3):68-71.(in Chinese)

[4] 楊鶯.新結構聲表面波質量傳感器及聲表面波集成聲路隔離吸聲技術的研究[D].浙江:浙江大學,2005.YANG Ying.Researches OnNovel Structure SAW.Mass Sensor And Isolation Technologies of SAW Integrated Acoustic Path[D].Zhejiang:Zhejiang University,2005.(in Chinese)

[5] 袁小平.國外聲表面波傳感器開發近況[J].壓電與聲光,1995,17(4):6-10.YUAN Xiao-ping.The Developing Situation ofSAW Sensors at Abroael[J].Piezoelectrics&Coustooptics,1995,17(4):6-10.(in Chinese)

[6] 江城,倪世宏,徐明.SAW RFID標簽在軍用測試系統中的應用[J].壓電與聲光,2008,30(3):262-264.JIANG Cheng,NI Shi-hong,XU Ming.Application of SAW RFID to Military Test System[J].Piezoelectectrics&Acoustooptics,2008,30(3):262-264.(in Chinese)

[7] 陳金,覃奇,彭光尼,等.聲表面波溫度傳感器在電力系統狀態監控中的應用[J].電氣技術,2011(12):93-95.CHEN Jin,QIN Qi,PENG Guang-ni,et al.Application of SAW Temperature Sensor in Power System Monitoring[J].Electrical Engineering,2011(12):93-95.(in Chinese)

[8] 戚新軍,徐筱薌,王震,等.熱軋溫度對冷軋帶鋼板形的影響及控制措施[J].冶金叢刊,2012,197(1):34-35.QI Xin-jun,XU Xiao-xian,WANG Zhen,et al.Effect of Hot Rolling Temperature on Shape of Cold-Rolled Sheet and the Control Measures[J].Metallurgical Collections,2012,197(1):34-35.(in Chinese)