基于納米印制工藝的超高頻RFID標簽及其在智慧圖書館中的應用

王黎

摘 要 針對目前RFID標簽成本居高不下而無法被大范圍應用的狀況，論文對利用新興的納米印制工藝進行超高頻RFID標簽的研究與設計，總結了其與傳統超高頻RFID標簽相比所具有的優勢，最后就超高頻RFID標簽能夠為讀者提供智慧化、個性化的圖書管理與借閱服務，描述了其在智慧圖書館中的應用前景。

關鍵詞 納米印制工藝 超高頻RFID標簽 智慧圖書館

分類號 G250.78

0 引言

無線射頻識別技術（Radio Frequency Identification，RFID）是一種非接觸式的自動識別技術。它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣環境[1-2]。RFID系統主要由三部分組成：具有唯一電子編碼的標簽、能讀取和寫入標簽信息的閱讀器、在標簽和讀取器間傳遞信號的天線。閱讀器通過發射天線發送一定頻率的射頻信號，當標簽進入發射天線工作區域時產生感應電流，標簽獲得能量并被激活。標簽將自身編碼等信息通過卡內置發送天線發送出去，系統通過天線接收到從標簽發送來的載波信號，經天線調節器傳送到閱讀器，閱讀器對接收的信號進行解調和解碼后送到后臺主系統進行相關處理[3-5]。

目前市場上出現的幾種常用RFID標簽為：低頻段（LF），應用于門禁、考勤、貨物跟蹤等領域；高頻段（HF），應用于公交、社保、校園一卡通、門禁門票、范圍倉庫管理等領域；超高頻段（UHF），應用于檢測物品、物流管理等；微波頻段（MW），應用于火車監控、高速公路收費等[6]。超高頻段的無源RFID標簽雖在物流、圖書館等領域得到了一定的應用，但是由于其成本過高等原因而沒能得到廣泛的推廣應用。本文針對降低超高頻RFID標簽成本的方法作了相應研究，發現目前已有的方法主要有三種：（1）利用直接印刷法制作標簽天線；（2）通過采用有機材料或普通紙張為基底材料，降低標簽價格；（3）通過印制編碼技術代替RFID芯片。從上述三種降低成本的方法中可歸納為，將RFID標簽采用納米印制工藝進行加工生產，一方面可以大幅度降低產品成本，另一方面由于這種“加成法”的工藝原理，大大降低了生產過程對環境造成的壓力，從而真正意義上實現了電子產品加工制造過程的綠色環保。因此本文提出采用納米印制工藝制作低成本的超高頻RFID標簽方法，并將其應用于圖書館管理系統中。

1 基于納米印制工藝的超高頻RFID標簽研究

1.1 納米印制工藝

納米印制電子是一種納米材料與印刷技術相結合的新興技術，主要通過絲網印刷、噴墨打印等方式，在陶瓷、塑料及紙張等基底上印刷電子線路及器件。通過印刷與各種導電聚合物及納米金屬墨水的結合，產生全新的電子器件的產業鏈。

因此，納米印制電子與印制電路板和CMOS芯片技術一樣，已成為電子信息的產業基礎，可廣泛應用在計算機、通信和消費電子和物聯網領域。我國于2010年將印刷電子的研發提高到戰略意義的高度，并在北京印刷學院成立了印刷電子研究中心；在蘇州納米所成立了印刷電子技術研究中心。納米印制工藝技術方興未艾，必將在以后的電子產業內發揮非常重要的作用。

1.2 超高頻RFID標簽的研究

采用納米印制技術設計超高頻RFID標簽主要包括三個技術領域：納米印制材料、納米印制材料的印制工藝以及印制器件的集成封裝技術。

為了克服RFID標簽制造技術中成本高、制造精度低、標簽尺寸大、標簽底材單一、制造效率低、對環境污染大等缺點，目前主要采用的是導電油墨的印制制造技術。采用印制工藝后，可以使單個RFID標簽的成本降低十倍以上，并易于實現快速印刷，從而應用于流水線大批量生產。

1.2.1 納米印制材料技術

納米印制材料包括基底和油墨。由于納米印制材料表現出的不同特性，在進行納米印制RFID標簽設計時，就需要根據不同的應用環境選擇合適的有機材料作為基底。酚醛樹脂浸漬紙，無紡布或無紡布玻璃纖維布，聚酰亞胺薄膜或聚酯纖維都可以作為基底材料。

納米印制油墨是一種形態特殊、性能優異的功能性材料，為了取得相關的標簽阻抗性能，需要采用納米材料的最新制作方法和配方。這些油墨根據采用的不同工藝，如印刷、噴墨打印及蒸發旋涂等，又可以分成很多種不同的種類。因此項目實施過程中，將對各種油墨進行評估，并盡可能研發自有的標簽油墨產品。

制作RFID標簽主要采用柔性電路技術中的厚膜電路工藝。具體采用絲網印刷的成膜技術，將具有不同性能并適用于絲網印刷的油墨通過網版漏印在柔性基底上形成具有特定物理、電學性能的圖形，用于完成電連接、電隔離等功能。生產流程中采用多層套印的方式，通常包括導線層、絕緣層等，工藝流程中主要包括各種油墨的選取或配置、絲網印刷、套印對準、網版的清洗、印刷后干燥等問題，會涉及多種有機溶劑，加之不同油墨粘度、流變性能、干燥方式的不同，不同層的印刷厚度等要求不同，都會增加印制標簽過程的復雜性。改變導電油墨中顆粒形態結構，增加導電油墨中導電組分的含量，在導電油墨中加入觸變劑、流平劑、消泡劑等，這些方法都會因此相關油墨的配方研究將是未來項目中研發的重點及核心。

1.2.2 印制工藝技術

油墨材料需要通過精密的印制技術印制在基底上，主要通過絲網和噴墨兩種技術。在采用絲網印刷進行功能層涂覆時，由于器件對材料結構特征等的不同要求，例如層厚度、黏度、材料顆粒尺寸、均勻性等，這時就需要通過對絲網印刷機以及漿料進行設置。參數設置的過程需要進行大量的測量實驗，并需要注重相關經驗的積累。

1.2.3 RFID標簽的封裝技術

RFID標簽印制好后，需要進行封裝，并可以同IC芯片以及MEMS類傳感器芯片進行集成封裝，從而作為物聯網傳輸的一體化智能終端。這些封裝后的智能終端就像標準元件一樣，可以直接被應用在電子系統中。對于一些復雜的印制封裝器件，由于其對可靠性、環境抵抗性等要求較高，通常需要采用特殊工藝。納米RFID標簽將主要采用上面提到的技術要點，制作在柔性薄膜基底上，從而達到成本低、靈活工藝、超薄器件等方面的優點。endprint

1.2.4 低成本、超高頻印制標簽的設計

目前出現的低成本、超高頻RFID標簽大致是基于兩種設計方法。（1）標簽由微帶天線構成，設置每個天線端口的特性不同，或者在端口加載微帶結構的負載，使得天線發現散射信號的幅值或相位根據端口特性的不同而改變。（2）標簽設計成一個簡化的射頻收發電路，有一個接收天線，諧振電路和一個發射天線組成。標簽的接收天線接收閱讀器發射的訪問信號，經諧振電路后創建了頻譜，再經發射天線將頻譜信號反射回閱讀器，不同的諧振電路創建不同的頻譜，并作為該標簽的唯一ID標識。

在無芯片RFID標簽設計方面，通常采用的是多個微帶天線的方法：標簽由微帶天線構成，每個天線端口具有不同的特性，從而使得天線反向散射信號的幅值或相位根據端口特性的不同而改變。微帶天線工作原理如圖1所示。

圖1 超高頻RFID標簽微帶天線工作原理

圖1中三個微帶天線單元的諧振頻率分別為f1、f2、f3。當系統工作時，閱讀器發射頻率為f1、f2、f3的多頻訪問信號，低成本、超高頻RFID標簽中的三個微帶天線單元受各自諧振頻率波激勵，反射回帶有不同相位特性的反向散射信號。閱讀器接收天線接收到該回波信號后，對三個頻率的波分別進行處理，這樣每一個標簽就被設計成了一個唯一不可變的ID標簽。

在實際設計實施中，往往采用相位編碼、多阻帶螺旋濾波器以及多諧振偶極子天線等低成本、超高頻標簽設計原理。這些原理都是通過標簽內部設計的特殊導電體結構，對接收到的來自閱讀器的多頻信號進行過濾編碼，從而達到唯一特性ID標識的目的。

采用相位編碼方法的標簽主要包含接收天線以及一個微帶天線陣列。標簽工作頻率主要由這些天線的諧振頻率決定，可以工作在2.1GHz～2.5GHz范圍之間。

采用多阻帶螺旋濾波器方法的標簽包括一個接收天線，一個多諧振電路和一個發送天線。其中諧振電路主要是由螺旋諧振器構成。這一天線的工作頻率在2.0～2.6GHz，帶寬為500MHz。

采用多諧振偶極子天線的標簽可以實現較小的體積，并且標簽簡化到只有兩個天線的結構。采用雙面印制的多諧振偶極子天線標簽，可以容易地構建6bit以上的標簽，且標簽尺寸被大幅壓縮。

1.3 優點

與傳統的超高頻RFID標簽相比，印制射頻標簽及印制編碼（低成本、超高頻RFID標簽）具有成本上無可比擬的優點。這主要體現在：

（1）印制射頻標簽采用“加成法”進行標簽生產，這樣就避免了以“減成法”為工藝基礎的傳統標簽生產過程中的材料浪費；從數據上講，可以減少成本20%以上。

（2）印制編碼技術采用印制工藝直接將編碼信息以特種結構的形式印刷在標簽基底上，從而產生激勵信號的特種型信號反饋。從而標定了標簽的差異性ID標識。由于避免了硅基芯片的應用，從而使得射頻標簽減少50%以上的生產成本。

2 超高頻RFID標簽在智慧圖書館中的應用

隨著信息技術的發展，圖書館作為重要的基礎文化設施，面臨信息量大、管理難度大、人工操作狀態下難以及時到位的壓力，圖書館的工作越來越繁重。智慧圖書館通過物聯網和RFID技術的應用，不僅對其自動化管理模式有所創新，而且更好地實現了圖書館與讀者互動的人性化、個性化服務，提高館員的工作效率[7-8]，加強圖書藏、借、閱一體化的功能，增強圖書館的安全性、準確性、可靠性和擴展性，這也是圖書館未來智慧化發展的大勢所趨。

智慧圖書館建立在物聯網基礎上，以無線射頻識別技術為關鍵核心技術。智慧圖書館的出現改變了現代圖書館信息資源的交互方式。以提高信息交互的明確性、靈活性和響應速度為目的，旨在為讀者提供高附加值的個性化、智慧化文獻信息服務。

在核心技術中，頻率是決定RFID技術性能及其應用范圍的關鍵因素。目前使用較多的兩種頻率為高頻（High Frequency，HF）與超高頻（Ultra High Frequency，UHF）RFID系統。高頻RFID的典型頻率為13.56MHZ，標簽讀取距離較短，約為lm。超高頻 RFID頻率為860～960MHZ，其在物流領域應用較為廣泛，因其標簽讀取距離最遠可達10m。目前在圖書館領域廣泛應用的是高頻產品，但其高昂的費用將一些經費較為有限的高校圖書館拒之門外。正因為如此，有些高校圖書館已經開始嘗試使用超高頻RFID標簽。

2.1 基于超高頻RFID的圖書管理系統

基于超高頻RFID的圖書管理系統結構拓撲圖如圖2所示，其主要包括：自助借書系統、自助還書系統、智能查找系統、自動分揀系統、手持式盤點系統、安全門檢測系統和管理員工作站等，各個子系統相互獨立卻又緊密相連。

圖2 系統結構拓撲圖

系統中的RFID標簽，有圖書RFID標簽、光盤RFID標簽、架標、層標、RFID讀者卡等多種類型。圖書、光盤RFID標簽存儲一本圖書、一張光盤的基本流通信息，如條碼號、流通類型等；架標用于存儲一個書架的單面單聯信息；層標用于存儲一個書架的單面單聯的一層信息；RFID讀者卡存儲一位讀者的基本信息，如讀者證號、讀者卡的類型等[9-10]。

管理員工作站主要負責圖書館借書卡的賬戶管理、圖書館監控設備管理、日常設備維護和保養、設定節假日與特殊節日、編輯工作站廣播信息等需要人工干預的行為操作。其中還包括對日常報告的提供、整理和分析，更好地為客戶服務。

手持式盤點系統通過通道讀寫器和手持機讀寫器進行圖書的盤點審核。分揀機分揀出來的書由工作人員推車進入借閱室，在經過裝有通道式讀寫器道門時，車里面的標簽信息被讀取到，并上傳至數據庫服務中心。通過后期工作管理員用手持式讀寫器的盤點核查，為圖書館盤點管理帶來了極大的方便，使得圖書館管理工作人員能更為高效、頻繁地進行圖書盤點工作。

安全門檢測系統主要用于檢測任何非法離開圖書館的書籍、光盤等。它能夠檢測安全位（EAS）激活的標簽，并發出警報聲，閃動警報燈，并記錄讀者數量與警報數量，還能可讀取顯示觸發警報的書籍序號并更新至管理工作站。

2.2 系統優點

2.2.1 流程簡化，提高了效率

目前的借還書流程普遍采用條碼掃描系統，條碼數據的采集是通過固定的或手持的條形碼掃描器完成的，掃描操作需要人工翻開圖書并找到條碼位置才能掃描，操作流程較為繁瑣，借還書效率低。引入RFID技術可以實現動態、快速、大數據量、智能化的圖書借還流程，提高信息存儲的安全性、信息讀寫的可靠性、借還書的高效快捷。

2.2.2 系統改進，提高了安全性

通過RFID智慧化圖書管理系統優化現有的圖書管理系統，將防盜系統與圖書流通管理系統聯系起來，記錄每本圖書的進出庫歷史記錄，從而可以與借還書的歷史記錄進行匹配。可以有效提高防盜系統的準確性，確保圖書安全。

2.2.3 標簽成本低，數據保持力強，壽命長

條碼存儲數據有限，且易受潮、污染等局限因素，導致在很大程度上制約了圖書館的管理工作。而本文設計的基于納米印制工藝的超高頻RFID標簽存儲區間大，數據保持力可達100年以上，加上具有防水、防磁、耐高溫的特性，RFID電子標簽的壽命比條形碼長得多。由于采用了非接觸式的讀取方式，每個電子標簽最少能被讀取十萬次以上，可以長期使用。

3 結語

本文針對目前RFID標簽由于成本居高不下而沒有得到廣泛應用的現象，提出了采用納米印制工藝設計超高頻RFID標簽的方法，該方法能夠大大降低標簽的成本，可以進一步推進RFID技術在智慧圖書館中的應用。基于RFID技術的智慧圖書管理系統不僅可以簡化圖書管理流程，提高工作效率，還可以為讀者提供更智能化的圖書借閱服務，具有很廣闊的應用前景。endprint