范 瑋

(重慶電子工程職業(yè)學(xué)院應(yīng)用電子學(xué)院,重慶 400065)

1 引 言

射頻識別技術(shù)(RFID)從20世紀(jì)80年代中期開始應(yīng)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(biāo)簽、多芯片電子標(biāo)簽識別、無源電子標(biāo)簽的遠(yuǎn)距離識別、適應(yīng)高速移動(dòng)物體的射頻識別技術(shù)與產(chǎn)品已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)并廣泛應(yīng)用于物流、交通、金融、礦井、軍事等領(lǐng)域。但是,RFID存在很多問題,除了標(biāo)簽成本偏高、讀取距離短之外,在技術(shù)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(qiáng)電磁干擾環(huán)境中時(shí),其信息讀取存在困難,RFID標(biāo)簽無法正常工作,導(dǎo)致標(biāo)簽失效率高。而在這兩個(gè)方面,聲表面波(SAW)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的RFID恰恰具有無可比擬的優(yōu)勢,SAW RFID技術(shù)在普通RFID應(yīng)用的基礎(chǔ)上還可用來測量壓力、應(yīng)力、扭曲、加速度和溫度等參數(shù)變化?？梢灶A(yù)計(jì),采用SAW技術(shù)實(shí)現(xiàn)的RFID將具有巨大的市場前景。

2 SAW RFID技術(shù)概述

2.1 SAW RFID概念及結(jié)構(gòu)

聲表面波射頻識別(SAW RFID)[1]終端系統(tǒng)由讀卡器、天線、SAW標(biāo)簽(也稱SAW聲表面波應(yīng)答器)三部分組成,SAW標(biāo)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(biāo)簽的IC。所以SAW RFID也被稱為無芯片標(biāo)簽,其結(jié)構(gòu)[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(jī)電耦合系數(shù)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(dǎo)體工藝制作出專門設(shè)計(jì)的叉指換能器(IDT)和若干個(gè)反射器,換能器的兩條總線和電子標(biāo)簽的天線連接,反射器數(shù)量與配置取決于所要求的應(yīng)答編碼。

圖1 SAW RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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?zhèn)鞑ァ⒛芰考杏诒砻娓浇膹椥圆?。它在傳播過程中,質(zhì)點(diǎn)位移的振幅隨離開媒質(zhì)表面的距離的增大呈指數(shù)衰減。因此,表面波的能量主要集中在表面下1～2個(gè)波長的范圍內(nèi),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(guī)律地沉積兩組金屬叉指換能器,通過逆壓電效應(yīng)將加在輸入換能器上的高頻電信號轉(zhuǎn)換為SAW信號,SAW信號在壓電基片的聲通道上經(jīng)過一定的時(shí)延,壓電效應(yīng)在第二組接收換能器上將SAW信號轉(zhuǎn)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(biāo)簽采用反射調(diào)制方式完成電子標(biāo)簽信息向閱讀器的傳送。閱讀器[3]的天線周期性發(fā)送高頻詢問脈沖,在電子標(biāo)簽天線的接收范圍內(nèi),被接收到的高頻脈沖通過叉指換能器轉(zhuǎn)變成聲表面波,并在晶體表面?zhèn)鞑?。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(zhuǎn)變成高頻電脈沖串。如果將反射器組按某種特定的規(guī)律設(shè)計(jì),使其反射信號表示規(guī)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(diào)和處理,就可以達(dá)到自動(dòng)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(shí)現(xiàn)1 μ s的延遲只需1.5～2.0 mm的長度,而應(yīng)答信號的延遲時(shí)間一般大于1 μ s。有效的反射脈沖串經(jīng)過幾微秒的延遲時(shí)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(biāo)簽的有效信號產(chǎn)生干擾。

2.3 SAW RFID技術(shù)的特點(diǎn)

SAW RFID除了具有RFID的可反復(fù)使用、數(shù)據(jù)讀寫方便、安全性能高等優(yōu)點(diǎn),還具有如下技術(shù)特點(diǎn)[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(nèi),其對外界量變的響應(yīng)較其他信號更為敏感,利用SAW信息敏感技術(shù)不但可以實(shí)現(xiàn)多種物理量(如溫度、壓力、濕度等)的高精度敏感,還為化學(xué)、生物等微量物質(zhì)的敏感奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。因此,基于SAW的電子標(biāo)簽同時(shí)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(biāo)簽工作時(shí)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(qiáng)電磁干擾等嚴(yán)酷環(huán)境下工作。

(3)體積小,結(jié)構(gòu)簡單

SAW RFID標(biāo)簽的工作頻率范圍433.82MHz～5.8 GHz,并且可以用半導(dǎo)體制造技術(shù)大量制造,而有價(jià)格上的競爭力,成本較IC標(biāo)簽更低。

(4)識別距離遠(yuǎn),識別速度快

無源識別距離一般10～20 m以上,一次準(zhǔn)確識別時(shí)間約1 ms。不僅能識別靜止物體,而且能識別速度達(dá)300 km/h的高速運(yùn)動(dòng)物體。

3 SAW RFID的發(fā)展

3.1 SAW技術(shù)的發(fā)展歷程[5]

1880年,Curie兄弟發(fā)現(xiàn)了壓電特性,隨后在1881年Hankel對其命名。

1885年,英國物理學(xué)家瑞利發(fā)表了名為《沿彈性體平滑表面?zhèn)鞑サ牟ā返恼撐?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(dòng),在理論上闡述了一種沿半無限厚彈性體表面?zhèn)鞑?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(dāng)時(shí)并沒有引起很大的實(shí)用上的發(fā)展。

1965年,White等人在應(yīng)用物理雜志上發(fā)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(fā)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(shù)獲得了迅速發(fā)展,20世紀(jì)70年代聲表面波技術(shù)發(fā)展達(dá)到高潮,在理論上提出了脈沖響應(yīng)模型、等效電路模型、各種二次效應(yīng)分析以及各種器件的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法,形成了比較完整的體系。

1975年,D.Culeln等人報(bào)道了第一個(gè)聲表面波技術(shù)傳感器——壓力傳感器。

1980年,HF.Tiersten等人報(bào)道了首個(gè)加速度聲表面波傳感器。

1982年,AD′Amcio等人試驗(yàn)了第一個(gè)聲表面波氣體傳感器。

1983年,E Gatti等人研制了第一個(gè)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(bào)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(zhuǎn)換器(EWC-SPUDT)。

3.2 SAW RFID的發(fā)展現(xiàn)狀[5]

SAW RFID已出現(xiàn)了一段時(shí)間,應(yīng)用在移動(dòng)電話、尋呼機(jī)中的數(shù)以億計(jì)的非SAW RFID方案具有可靠性高、成本低的特點(diǎn),SAW RFID技術(shù)也從這些優(yōu)點(diǎn)中受益良多。SAW RFID首先出現(xiàn)在美國加利福尼亞和挪威的不中斷式公路收費(fèi)系統(tǒng)中,但是數(shù)量不多。并且在加利福尼亞它們被貼到汽車擋風(fēng)玻璃上的硅芯片RFID標(biāo)簽代替了。在挪威,MicroDesign公司供應(yīng)采用這種技術(shù)的只讀被動(dòng)式標(biāo)簽有十幾年的時(shí)間,后來它就以QFree的名義開始供應(yīng)針對不中斷式公路收費(fèi)系統(tǒng)和其他設(shè)備的硅芯片RFID可讀寫設(shè)備與系統(tǒng)。

美國《軍事與航空航天電子學(xué)》網(wǎng)站2006年8月7日報(bào)道,美國國防部承包商7月17日采購了AirGATE技術(shù)公司基于SAW的射頻識別系統(tǒng)。該系統(tǒng)用于傳統(tǒng)RFID系統(tǒng)無法應(yīng)用的領(lǐng)域,其作用是識別和跟蹤被標(biāo)記目標(biāo),具體包括測量被標(biāo)記物體的溫度、讀取目標(biāo)物體的組成、目標(biāo)是否與液體和金屬有接觸、遠(yuǎn)距離目標(biāo)、經(jīng)歷巨大溫差變化的目標(biāo)、受到壓力作用的目標(biāo)、受到輻射的目標(biāo)等。

Siemens公司的SOFIS聲表面波系統(tǒng)已成功用于挪威奧斯陸汽車過橋自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)以及德國慕尼黑火車進(jìn)站定位系統(tǒng)。在美國,Identronix、RF-SAW等公司也均生產(chǎn)商業(yè)化的SAW標(biāo)簽。由于該類器件的應(yīng)用已成熟,IEEE超聲鐵電體分會正在組建委員會準(zhǔn)備制定這方面的標(biāo)準(zhǔn)。美國的RF-SAW已于2004年初向EPC GLOBAL提出了聲表面波電子標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)的草案。

奧利地Villach的Carinthian Tech Research(CTR)已經(jīng)開發(fā)出SAW RFID標(biāo)簽,使用壓電晶體取代硅制成的芯片。這種標(biāo)簽在工程和工業(yè)應(yīng)用中能夠承受和監(jiān)控不同的溫度。三菱汽車澳大利亞分公司投資數(shù)百萬澳元用于各種技術(shù)改造,其中就選用了OISAW RFID系統(tǒng),用于跟蹤車輛的生產(chǎn)過程。由于該系統(tǒng)能夠承受涂裝車間的惡劣環(huán)境和高溫,準(zhǔn)確實(shí)時(shí)確定生產(chǎn)過程的每一臺車輛,從而順利實(shí)現(xiàn)自動(dòng)糾錯(cuò)無重復(fù)生產(chǎn)。SAW RFID系統(tǒng)的價(jià)格相當(dāng)昂貴。據(jù)CTR透露,SAW標(biāo)簽單價(jià)為100歐元,應(yīng)答器單價(jià)為6 000歐元。由一個(gè)讀寫器、一個(gè)天線、各種標(biāo)簽以及軟件組成的一個(gè)SAW演示工具包,價(jià)格為6 690歐元。

SAW RFID可以認(rèn)作是第二代無芯RFID標(biāo)簽,該項(xiàng)目的研究對創(chuàng)建自主知識產(chǎn)權(quán)的新產(chǎn)業(yè)有較深遠(yuǎn)的意義。

4 SAW RFID的應(yīng)用

SAW RFID系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于零售業(yè)、身份識別、物流等行業(yè),同時(shí)可以擴(kuò)展至無線傳感器領(lǐng)域,本文分別以軍用[6]和民用說明SAW RFID的應(yīng)用。

4.1 軍用系統(tǒng)應(yīng)用

SAW RFID標(biāo)簽具有體積小、無源無線識別的特點(diǎn)。由于機(jī)載設(shè)備和地面維修設(shè)備安裝復(fù)雜,在維修與檢查過程中,SAW RFID標(biāo)簽無線的特點(diǎn)能給設(shè)備的識別帶來方便。同時(shí),SAW RFID標(biāo)簽無源的特點(diǎn)也能支持系統(tǒng)標(biāo)簽的長期使用,故SAW RFID標(biāo)簽在軍用系統(tǒng)應(yīng)用中具有很大潛力。

在軍用測試系統(tǒng)中,利用SAW RFID編碼確定軍用設(shè)備的唯一性,且對應(yīng)計(jì)算機(jī)中唯一數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包括維修歷史、相關(guān)產(chǎn)品的性能特性和設(shè)備使用強(qiáng)度等情況,軍隊(duì)根據(jù)這些數(shù)據(jù)對設(shè)備的狀態(tài)趨勢進(jìn)行分析,實(shí)現(xiàn)預(yù)防性維修。實(shí)現(xiàn)設(shè)備維修的自動(dòng)化、智能化,提高了設(shè)備的維修保障水平。此外,采用SAW RFID可以對軍用物流進(jìn)行管理,記錄軍用倉庫中設(shè)備器材的出入庫情況等,提高倉庫器材保障科學(xué)化管理水平和信息化程度。

4.2 民用系統(tǒng)應(yīng)用

4.2.1 SAW RFID在電力系統(tǒng)中應(yīng)用

在電力系統(tǒng)[7]中,發(fā)電廠的轉(zhuǎn)子定子、變電站的高壓開關(guān)柜、母線接頭、室外刀閘開關(guān)、電容器、電抗器、高壓電纜、變壓器等重要設(shè)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(xiàn)故障,就會影響整個(gè)區(qū)域的電力供應(yīng),造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失,成為重大的安全事故,所以對電力設(shè)備溫度的在線監(jiān)控顯得十分必要。而SAW RFID是近十幾來年發(fā)展起來的新型技術(shù),其可以被開發(fā)成為測量機(jī)械應(yīng)變、壓力、氣體、微小位移,以及溫度等參數(shù)的傳感器,用途廣泛。另一方面,聲表面波電子標(biāo)簽體積小、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)、檢測范圍線性度好,同時(shí)具有良好的熱性能和機(jī)械性,能適合遠(yuǎn)距離傳輸和實(shí)現(xiàn)遙測遙控。這些特性使得SAW RFID在復(fù)雜的電力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控中的應(yīng)用前景廣闊。

4.2.2 SAW RFID在鋼鐵冶煉中應(yīng)用

熱軋[8]是在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的軋制。熱軋機(jī)軋制的過程中,可逆軋機(jī)和連軋機(jī)的帶材溫度的變化直接影響到帶材的質(zhì)量和板型,不均勻冷卻造成的殘余應(yīng)力對變形、穩(wěn)定性、抗疲勞等方面都可能產(chǎn)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(gè)環(huán)節(jié),設(shè)置一套完整的熱軋機(jī)溫度控制系統(tǒng)很有必要,并且可以隨時(shí)監(jiān)測控制溫度。

軋鋼溫度控制系統(tǒng)中,在逆軋機(jī)的入口和出口以及連軋機(jī)的入口安裝高溫測量傳感器,而在帶材傳輸過程中可以運(yùn)用SAW RFID技術(shù)進(jìn)行測溫,以進(jìn)一步加強(qiáng)對溫度的監(jiān)測。聲表面波標(biāo)簽在高溫環(huán)境下依然可以正常工作,且可測量的溫度可達(dá)1 000℃以上,誤差小,精度高。在工作過程中,標(biāo)簽貼于鋼材表面,由安裝在附近(8 m以內(nèi))的讀卡器將信息傳給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

熱軋溫度控制系統(tǒng)由可逆軋機(jī)溫度控制系統(tǒng)和連軋控制系統(tǒng)組成,采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制,并且配合噴射系統(tǒng),通過現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)通信模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和控制,進(jìn)一步調(diào)節(jié)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn),三個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合,共同完成溫度控制的過程。帶材溫度控制過程中,預(yù)先設(shè)定冷卻液的流量、溫度和噴射區(qū)域,當(dāng)帶材通過噴射區(qū)時(shí),通過SAW FRID測溫裝置的監(jiān)測,計(jì)算機(jī)根據(jù)所測溫度隨時(shí)控制帶材的移動(dòng)速度、冷卻液的流量和噴射時(shí)間。

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

5 關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)

5.1 關(guān)鍵技術(shù)

(1)SAW RFID的理論設(shè)計(jì)

合理設(shè)計(jì)并且優(yōu)化電路,包括發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的設(shè)計(jì)調(diào)試,使得SAW RFID快速準(zhǔn)確地讀取數(shù)據(jù)。研究多芯片模塊設(shè)計(jì)及微組裝技術(shù),實(shí)現(xiàn)模塊的小型化和低成本。建立幾種不同應(yīng)用環(huán)境以及短距離環(huán)境下,用于估算射頻功率傳輸?shù)碾姶挪▊鞑ツＰ?。從理論上研究環(huán)境反射對閱讀器接收機(jī)的影響,為閱讀器和電子標(biāo)簽之間的功率分配和傳輸?shù)膬?yōu)化、功率控制等部分的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供理論依據(jù)。

(2)批量生產(chǎn)工藝技術(shù)

完善和掌握具有高成品率、高質(zhì)量、高效率的批量生產(chǎn)工藝技術(shù)。

5.2 技術(shù)難點(diǎn)

(1)SAW RFID系統(tǒng)的防碰撞技術(shù)

研究密集讀寫器環(huán)境下多標(biāo)簽訪問防沖突技術(shù)算法。綜合采用分應(yīng)用層次編碼,陣列天線控制、空間譜估計(jì)和盲信號分離等數(shù)字信號處理算法,改進(jìn)按位檢測碰撞暫停通信的二進(jìn)制樹形搜索算法,分布式的自適應(yīng)圖著色算法,研究出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的防沖突技術(shù)算法。

(2)SAW RFID系統(tǒng)的超強(qiáng)抗干擾技術(shù)

通過讀寫器射頻參數(shù)調(diào)整技術(shù)的研究,使讀寫器中心工作頻率可調(diào),射頻輸出功率可調(diào),滿足無線電頻率規(guī)范,并能夠同時(shí)支持多種通信協(xié)議和各種應(yīng)用環(huán)境的需要。

(3)SAW信號處理轉(zhuǎn)換技術(shù)

包括敏感參數(shù)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(xué)敏感膜技術(shù)

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(shù)

聲表面波傳感器是以SAW模擬信號處理器為基礎(chǔ)的傳感器,它對外界量例如壓力、溫度、濕度、電壓、負(fù)載等各類物理、化學(xué)、生物氣相、液相量均要產(chǎn)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(zhuǎn)化為各種外界量,并且接觸相應(yīng)外界因素的變化量。

6 結(jié)束語

SAW RFID系統(tǒng)可以廣泛地應(yīng)用于零售業(yè)、身份識別、物流等行業(yè),同時(shí)可以擴(kuò)展至無線傳感器領(lǐng)域;SAW標(biāo)簽屬于半導(dǎo)體工藝制作,便于批量生產(chǎn),SAW RFID系統(tǒng)的相關(guān)產(chǎn)品都屬于電子信息類產(chǎn)品,研發(fā)和生產(chǎn)都十分成熟,可見其產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)條件成熟。在市場方面,經(jīng)過近10年的技術(shù)推廣和相關(guān)配套技術(shù)的發(fā)展,整個(gè)RFID市場已經(jīng)形成,各個(gè)配套行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程都在飛速的進(jìn)行中。此外,近幾年新興RFID公司也紛紛成立,行業(yè)規(guī)模也日趨壯大,因此,SAW RFID系統(tǒng)作為RFID系統(tǒng)的一個(gè)重要分支其產(chǎn)業(yè)化的可行性是顯而易見的。SAW RFID系統(tǒng)的開發(fā)和研制標(biāo)志著該項(xiàng)技術(shù)產(chǎn)品的國際化,同時(shí)SAW RFID系統(tǒng)又是對IC技術(shù)的重要補(bǔ)充,使RFID技術(shù)更加完整。所以說SAW RFID領(lǐng)域的市場潛力巨大,商機(jī)無限,誰的技術(shù)和研發(fā)實(shí)力最強(qiáng),誰先占領(lǐng)市場,誰就會獲得豐厚的利益。

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