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RFID干货专栏|19 超高频RFID标签的分类

来源: 发布时间:2022-02-16 5359 次浏览

经过20多年的努力发展,超高频RFID技术已经成为物联网的核心技术之一,每年的出货量达到了200亿的级别。在这个过程中,中国逐步成为超高频RFID标签产品的主要生产国,在对物联网发展的大力支持下,行业应用和整个生态的发展十分迅猛。然而,至今国内还没有一本全面介绍超高频RFID技术的书籍。
为了填补这方面的空缺,甘泉老师花费数年之功,撰写的新书《物联网UHF RFID技术、产品及应用》正式出版发布,本书对UHF RFID最新的技术、产品与市场应用进行了系统性的阐述,干货满满!RFID世界网得到了甘泉老师授权,在RFID世界网公众号特设专栏,陆续发布本书内容。



4.2超高频RFID标签的分类

超高频RFID的应用是非常多的,按照应用或外观分类都十分困难。为了方便讲解,姑且分为普通材质标签和特种材质标签两大类,每个大类中又有不同的应用标签。

4.2.1普通材质标签

普通材质标签的定义:凡是通过Inlay直接复合生产而成的标签叫做普通材质标签;特种材质标签的定义:通过其它生产工艺(非复合)实现的标签。

普通材质标签的特点是价格便宜、生产简单,适用于海量应用。最常见的服装吊牌、物流标签等都是普通材质标签。普通材质标签占电子标签总量的95%。

01、服装吊牌标签

服装吊牌标签是超高频RFID全球应用最广泛的领域,标签的形式比较简单,与传统的服装吊牌标签是一样的,只是在吊牌内复合了超高频RFID Inlay。

如图4-7所示为服装吊牌标签,其中图4-7(a)为标签的整体外观,看起来与传统服装标签没有任何区别。这个服装吊牌标签内部为图4-7(b)所示的Inlay。

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图4-7服装吊牌标签

服装吊牌标签有软标签和硬标签两种,如果是软标签可以直接使用白Inlay;如果是硬标签就一定需要复合的工序,再经过模切成独立的硬标签。

02、行李标签

由于机场对行李分拣的要求越来越高,就提出了机场行李次标签的概念,并且已经在全球范围内广泛应用。如图4-8为最出现的行李标签,2008年香港机场行李标签。


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图4-8香港机场行李标签

图4-8中的标签是成卷的软标签,使用时需要把标签Inlay部分露在行李外部(贴在行李上的部分不包含标签Inlay部分),这样阅读器对标签进行读取时不会受到行李内部物品影响。随着技术的进步,现在主流的行李标签已经升级为3D标签或圆极化标签,是因为行李在传送带上搬运时,方向很难确定,偶极子标签存在一定的盲点。

03、易碎纸标签

易碎纸标签是中国地区应用于防伪和溯源的一类标签,其特点是一旦标签被转移或商品开封,标签的天线就会损坏,而无法工作。随着中国的防伪和自主知识产权的不断升级,已经有大量的品牌使用易碎纸RFID标签做防伪使用,如:茅台、五粮液等。如图4-9所示为五粮液的易碎纸标签:


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图4-9五粮液RFID易碎纸标签

易碎纸标签常见两种工艺,一种是铝天线转移工艺,一种是银浆工艺。铝天线转移工艺就是将Inlay的天线层和芯片与PET基材剥离转贴在易碎纸上,此工艺的缺点是转移的时候良率很低,对成本影响很大。银浆工艺是在易碎纸上用银浆作为天线,再倒封装芯片,这个工艺更大的缺点是,由于基材是易碎纸,在倒封装芯片时良率很低。总的来说,这两种工艺都有自身的缺陷,导致成本较高,同时运输和保存的过程中也容易损坏,导致整个项目识别存在一定的问题。除了这两种工艺,还有一些新的创新工艺,但是至今还没有一种特别合适的工艺能解决上述问题。但是市场的需求是无法阻挡的,大量的商品都在使用易碎纸标签,相信在市场的推动下技术也会不断进步,最终能以高性能、低价格的方式推动易碎纸电子标签的发展。

04、图书档案标签

图书及档案管理RFID标签的应用非常广,国内的高校图书馆已经基本统一使用超高频RFID电子标签作为图书管理的工具。图书和档案标签有两个特点:点是不需要在标签上打印信息,只需要将信息写入标签芯片即可;另一点是需要多个标签接近时性能不受影响。既然不需要打印信息,可直接使用湿Inlay。多个标签靠近互相影响的问题可以通过合理的天线设计来改善。

如图4-10所示为图书标签,其尺寸为94mm×5.8mm,这么细的原因有两点:一是标签很细的时候标签之间的天线影响会很小,对多本书籍或档案堆叠时的影响较小;二是图书标签是装订在书脊上的,只有很细的标签才能装订进去。


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图4-10图书标签

HF标签也在图书馆有不少应用,两者差别在于:

HF图书标签一般是正方形或者圆形,其面积一般大于20mm×20mm,在日常使用中很容易被读者发现并撕毁。

HF图书标签由于HF是近场通信,工作距离不超过1米,无法大批量快速的盘点。

UHF标签只是一个湿Inlay,其成本也低于HF标签。

基于上述的三个原因,新的图书RFID管理应用多选择超高频RFID技术。

普通材质的RFID标签应用种类还有许多种,如新零售应用的折叠抗金属标签,可以利易拉罐等金属物体作为天线的一部分,从而实现抗金属的特性。随着应用的扩展及超高频RFID技术的创新,普通材质的标签经过少许变形会出现更多原来无法实现的应用中。

4.2.2  特种材质标签

随着超高频RFID的应用越来越多,电子标签被使用在各种复杂的环境中,有的需要贴在金属物品的表面,有的则要经受环境的压力和碰撞,基于这些市场的要求,各种新型材料和创新设计的超高频RFID特种标签应运而生。

  1. 抗金属标签

在特种标签家族中最常见的是抗金属标签。抗金属标签采用特殊的天线设计,从技术上解决了电子标签不能附着于金属表面使用的难题。产品可防水、防酸、防碱、防碰撞,可在户外使用。将抗金属电子标签贴在金属上能获得良好的读取性能,甚至比在空气中读的距离更远。抗金属标签分为4大类:PCB抗金属标签、陶瓷抗金属标签、塑料抗金属标签、超薄抗金属标签。

  1. PCB抗金属标签

如图4-11所示为最常见的PCB抗金属标签9525,意思就是长度为95mm,宽度为25mm,其厚度一般为3mm到4mm之间,表面的覆盖层可以丝印或打码,背面有背胶,可以贴在金属上。主要应用于货架识别管理、仓储资产管理、仓储地标管理、IT资产管理、室内设备管理、智能电网识别、银行资产管理、电信资产管理。其工作距离大于6米(ERP=2W环境测试)。PCB抗金属标签具有较强的抗碰撞和抗腐蚀特性,一般的标签的长度要大于20mm,厚度大于3mm。其固定方式多样,可以螺丝、铆钉、强力胶、扎带、双面胶安装。PCB抗金属标签由于结构简单、价格便宜,现在已经成为国内主流的抗金属标签。

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图4-11 PCB抗金属标签9525

  1. 陶瓷抗金属标签:

如图4-12所示为几种陶瓷抗金属标签,陶瓷抗金属标签与PCB抗金属标签原理相同,其不同点在于陶瓷的介电常数比较大,可以在更小的尺寸达到天线的电长度要求。一般情况下尺寸越小的陶瓷标签其介电常数越大,对于10mm大小的陶瓷标签,陶瓷基板的介电常数为100左右。陶瓷抗金属标签小尺寸的特点是PCB抗金属标签无法实现的,所以长度小于20mm的抗金属标签市场几乎被陶瓷标签占据。陶瓷基板的另外一个优点在于耐高温,尤其是在超过125℃或更高温的环境中PCB的基板会由于高温发生材料特性变化从而引起标签的性能或稳定性受到影响。而陶瓷标签由上千度的高温烧制而成,化学特性稳定,不会因为几百度的高温而发生变化。所以在许多具有高温的应用中,都选择陶瓷标签,如医疗器械,汽车电子,电力监测等。


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同样陶瓷标签也有它的一些问题,首先陶瓷基材的成本比PCB贵很多,其次陶瓷基板在烧制的过程中由于掺杂和温度很难保证一致性,陶瓷标签的一致性较差,一般需要人工调整工作频率。由于陶瓷标签尺寸较小,其带宽很窄,使用环境若发生变化,其工作性能很可能会有较大变化。上述问题是限制陶瓷标签快速发展的主要因素。

  1. 塑料抗金属标签

塑料抗金属标签常见形式为一个结实的塑料外壳包裹内部天线和芯片,如图4-13所示,其内部为一个塑料材质的抗金属标签(内部的抗金属标签也可以单独使用,只是稳定性和防污染等特性都不具备)。这些抗金属标签一般厚度大于5mm,有的厚度达到10mm,尺寸各异,但是长度一般大于30mm。这些具有结实塑料外壳的抗金属标签,可以承受上吨的压力和特殊化学物品的污染。塑料抗金属标签凭借其卓越的性能和防护特性,成为海外应用最为广泛的抗金属标签。如图4-13的标签为Omni-ID的Dura系列,主要应用在回收型物流运输、工厂设备以及集装箱的追踪, 也可用于金属、非金属材质和液体附近, 适用于石油、天然气、军事、建筑和汽车等行业。


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塑料抗金属标签的结构决定了它具有更好的量产能力以及批量的一致性。其外壳内部的抗金属标签是通过一个湿Inlay卷在一个塑料块上实现的。如图4-14(a)所示,为塑料抗金属标签内部结构图,包括塑料基板和一个Inlay,Inlay的设计图如4-14(b)所示。而塑料外壳是注塑而成,整个产品可以实现高精度的工业化控制和全产线的自动化生产。

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(a)结构示意图


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(b)Inlay结构示意图

图4-14塑料抗金属标签内部结构图

1、超薄抗金属标签,

如图4-15所示为超薄抗金属标签,其厚度一般为0.8mm的卷料形式封装,且可以通过RFID打印机进行写码。其更大特点就是超薄、柔性、可打印,是用于资产管理和IT管理的更佳选择。

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图4-15 超薄抗金属标签

超薄抗金属标签的设计和生产都有一定的难度,其设计方法如图4-16所示,顶部是一个白标签,中间是一层高介电常数材料,底部是粘合胶与离型纸(或PET)。从天线设计的角度分析,由于该标签非常薄,天线距离金属衬底的距离太近,标签的性能受限,对于天线设计的要求非常高。从生产工艺的角度考虑,中间层的高介电常数材料需要一致性好且厚度均匀,生产中引起的一点点厚度不均匀都会对天线的性能有非常大的影响。

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图4-16

2、洗涤标签

目前,酒店、医院、浴场及专业的洗涤公司正面临每天都要处理成千上万件的工作服、布草的交接、洗涤、熨烫、整理、储藏等工序,如何有效地跟踪管理每一件布草的洗涤过程、洗涤次数、库存状态和布草有效归类等是一个极大的挑战。超高频RFID洗涤标签配合射频识别系统的引入,将使得用户的洗衣管理变得更为透明,且提高了工作效率,解决了以往无法通过其他技术实现的管理顽症,如:大批量的待洗布草统计、交接。

常见的洗涤标签有硅胶洗涤标签、织唛洗涤标签、以及一些创新型的标签。

1.硅胶洗涤标签

硅胶洗涤标签是最早出现的洗涤标签,如图4-17(a)所示,其设计思路非常简单,通过硅胶保护Inlay不受高温和化学腐蚀,通过硅胶具有弹性的特点保障洗涤时不会损坏衣物及标签,且具有一定的承压能力,可以减小内部inlay的压力。

如图4-17(b)所示的为这个硅胶标签的设计图,上下两片硅胶都通过超声波焊接在一起。为了保证芯片与天线的连接强度,一般采用FPC作为基材,而且会在芯片与天线连接处添加环氧树脂或其他保护材料。如果在芯片与天线连接处没有增加保护,该标签的平均使用寿命一般不超过5次,增加了连接保护的硅胶标签一般可以保证50次的使用寿命。虽然只有50次,不过在早期的洗涤领域带动了行业的变革,做出了重要的贡献。

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(a)硅胶洗涤标签照片       (b)硅胶洗涤标签内部结构

图4-17硅胶洗涤标签

2.织唛洗涤标签

如图4-18所示,织唛洗涤标签是一种耦合式天线设计的标签。其中心为一个独立的小模块,小模块内部为一个圆形(或方形)近场天线和标签芯片封装在一起,如图4-18(a)所示,一般采用PCB的COB技术;如图4-18(b)所示,也可以直接封装成一个正方形的塑料外壳模块,这个小模块的尺寸一般在5mm到10mm之间。

织唛洗涤标签的辐射天线通过缝纫的方式固定在织唛上,通过耦合的方式与芯片电磁连接,辐射天线的材质是不锈钢和一些韧性材料的合金具有抗腐蚀和柔韧性强的特点。

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(a)圆形模块织唛洗涤标签  (b)正方形塑料模块织唛洗涤标签

图4-18织唛洗涤标签

如图4-19(a)所示,为图4-18(b)中的正方形塑料模块X光透视图。如图4-19(b)所示,可以理解为2匝的电感线圈与标签芯片封装在一起。

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(a)X光透视图         (b)结构分析

图4-19织唛洗涤标签正方形塑料模块X光透视图

织唛洗涤标签在自动化洗涤使用过程中会遇到超高压和化学洗衣液的侵蚀,并会在高温高压的环境中反复使用,一般要求其寿命超过200次。这就要求这个织唛标签具有非常强的抗压抗褶皱的能力。RFID标签最脆弱的地方是天线与芯片的连接部分,为了解决这个问题,织唛洗涤标签采用耦合天线技术,中间的小模块尺寸小,受力影响小。而辐射天线具有较强的柔韧性,不容易折断从而增强了系统的稳定性。

对比硅胶标签,织唛洗涤标签具有柔韧性好,使用寿命长等优点,成为现在的主流技术。

3.扣子洗涤标签

近些年来洗涤标签有许多新颖的方案,如图4-20所示的扣子洗涤标签既可以作为衣服的备用扣子又可以反复多次洗涤而不损坏,并且一般不会发现里面有电子标签,这种标签就是扣子洗涤标签。

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图4-20扣子洗涤标签

这款标签是由两部分组成的,一部分是扣子,扣子里面有一个小圆环Inlay,第二部分是织唛,织唛上有金属线缝纫的天线。扣子里面的小圆环Inlay与织唛的天线进行电感耦合,最终达到远距离工作的效果。

      在图4-21中可以看到这个洗涤标签的扣子与传统扣子基本一样,只是内部嵌入了一个圆环Inlay。从外观上没有人能分辨出是普通的扣子还带有Inlay的扣子,其坚硬程度等其它特性也都一致。

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图4-21洗涤标签扣子结构图

这个扣子洗涤标签不仅仅是一个洗涤标签,它就是这个衣服的身份证,从衣服生产到运输销售的整个过程中都有超高频RFID技术的辅助,已经完全替代了吊牌标签,并且无法被替换(许多商家会更换吊牌)。对整个服装品牌的渠道管理和品牌建设有非常大的帮助。再加上衣服在多次洗涤后依然能够对其电子标签进行追溯,带来的便利也是不言而喻的。

03、超小型封装标签

超小型封装标签是由村田、日立等半导体封装企业发起的一种将超高频RFID标签芯片和小型化的天线封装为一颗芯片的创新技术。超小型封装标签具有尺寸小、结构简单、稳定性高等特点,既可以单独近距离工作,也可以配合多种场景实现远距离工作。从结构上看,这类标签只是在封装上进行了创新,但从应用场景分析,是将耦合天线的应用场景放大了,将许多之前无法低成本实现的超高频RFID金属环境变为现实。

  1. 日立IM5-PK2525 超小型超高频RFID封装标签

为了应对金属表面和一些特殊环境的超高频RFID应用,日立公司开发了一款超小型的超高频RFID封装标签,如图4-22所示,为IM5-PK2525 超小型超高频RFID封装标签,其尺寸为2.5mm×2.5mm×0.3mm,是能够独立工作的最小型的超高频RFID标签之一。


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图4-22 IM5-PK2525结构封装图

该标签是由芯片、天线和塑料壳(包括基板和注塑)组成。其中芯片为传统的超高频RFID标签芯片,通过SIP封装的方式(4.5.2节详细介绍SIP技术)与天线连接,该天线具有电感特性,相当于天线设计中的电感线圈(见4.4.1节的偶极子标签构成),只是通过多匝螺旋结构实现足够大的电感值。

该标签的生产工艺为半导体传统工艺,具有量产能力强、稳定性高、成本低的优势,该工艺的生产过程为:

  • 生产带有天线的芯片基板;

  • 将标签芯片粘贴在基板中心;

  • 使用Bonding机器,将芯片的射频管脚与天线的两端连接;

  • 注塑填充,并冷却打磨,成为最终的超小型标签。

该标签可以独立使用或配合外部天线工作。当标签独立工作时,由于尺寸很小,不具有偶极子天线获取远场电磁波的能力,只能通过近场耦合的方式获得足够能量。因此更好配合近场天线使用,工作距离一般为5-10mm。当该标签配合远场天线工作时,通过电感耦合或电容耦合的方式与外部天线传输能量,可以实现几米的工作距离。如本节介绍的织唛洗涤标签,就可以采用该芯片作为中间的小模块。只要合理利用外接金属物品都可以实现远距离的工作,如PCB表面、药品包装、金属机械结构内、带有金属丝的衣服等,也可以使用这种小型标签开发远距离的抗金属标签,具有更好的稳定性。

2.村田Magicstrap标签

Magicstrap(神奇条带)是由村田公司发明一种超小型陶瓷工艺封装的超高频RFID标签, 其尺寸为3.2mm×1.6mm×0.7mm,如图4-23所示为该标签的结构示意图。其结构与日立IM5-PK2525非常相似,不同点在于天线部分,Magicstrap的天线部分基材采用了低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic,LTCC)技术,可以在较小的尺寸实现较大的电长度,从而实现芯片的阻抗匹配。采用LTCC的另外一点好处是具有更好的ESD保护。

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图4-23 Magicstrap结构示意图

该标签共有两种材料,分别是上半部分的树脂材料和下半部分的LTCC材料,树脂材料可以固定和保护芯片,并连接下半部分的陶瓷材料。由于尺寸和工艺限制,该芯片与天线的连接没有使用wire bonding工艺,采用具有小尺寸封装优势的CSP封装。CSP(Chip Scale Package)封装,是芯片级封装的意思,在各种封装中,CSP是面积最小,厚度最小,因而是体积最小的封装。

如图4-24所示为芯片的尺寸图,Magicstrap的底部有两个焊盘,可以直接焊接在PCB上,对于电路板的应用非常切合。如果可以在PCB上做简单的天线设计,可以实现很好的远场特性。

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图4-24 Magicstrap尺寸图

一般电子产品的PCB都会铺地,因此普通超高频RFID的偶极子天线无法工作,且偶极子天线还需要占用较大的面积,当使用Magicstrap后,可以通过缝隙天线的方式实现较好的射频性能,如图4-25所示为4种PCB的天线设计方案。


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图4-25 Magicstrap在PCB上的天线设计方案

这种PCB板上标签的工作距离与该板子的长度、标签芯片焊接的位置以及开槽大小相关。在PCB板长度为10~20cm时,Type 1可以实现1米的工作距离;Type 2可以实现2.5米的工作距离;Type 3和Type4可以实现5米的工作距离。这种PCB的解决方案可以替代原有的PCB上的条码标签,实现远距离、批量、自动化识别,从而对生产自动化管理、供应链管理和产品生命周期管理等起到关键作用。

当Magicstrap标签单独工作时,其近场通信的工作距离为5mm到10mm,对比IM5-PK2525的优势为有较好的抗金属特性。虽然工作距离较近,但对于许多应用场景仍有不错的效果,如眼镜管理、手术刀管理、金属模具管理、电子产品管理等。

当Magicstrap利用金属表面作为辐射天线时,具有1m到5m的工作距离,具体方案为在金属表面开槽,与PCB板上标签方案相同。可以应用的场景有钢板管理、金属筒管理、金属盒管理等。

3.集成天线的芯片技术

片上天线技术(On-Chip Antenna,OCA)是一种将天线设计在集成电路(IC)上的技术。在超高频RFID标签芯片中使用片上天线技术,可以实现标签的最小化,同时也可以降低标签的封装成本。如图4-26所示,为一个尺寸为1mm×1mm的超高频RFID OCA标签芯片,芯片的内部为传统芯片的构造(见4.3.1节),标签外部是4匝线圈作为电感天线。


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图4-26 片上天线超高频RFID标签芯片

这个电感天线是通过芯片的顶层金属(top metal)环绕而成,其线宽为11μm,线距为2μm。该线圈的电感值约为64nH,高频电阻(900MHz附近)约为300Ω。OCA芯片方案与日立的IM5-PK2525标签非常相似,只是天线的位置和性能不同,整个标签的尺寸不同。

该OCA标签可以单独使用,其工作距离略小于日立和村田的封装标签。该OCA标签还可以做成Inlay。当Inlay中使用OCA标签芯片后,其封装工艺也更加简单,不需要使用高精度的封装设备,只需要粘贴在一个天线内即可,其封装成本可以大幅下降,由于天线和芯片之间没有电器连接,其稳定性也大幅提升。如图4-27所示,标签天线只需要做一个大于芯片尺寸的电感线圈,将OCA芯片粘贴在中间即可。


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图4-27 OCA芯片的标签结构

OCA 超高频RFID标签曾经在2010年左右在市场上出现,但由于成本和性能等问题一直没有得到市场的认可,至今已经罕有听闻了。其最主要的问题是芯片尺寸的增加,导致成本也增加了,由于芯片上的天线性能较差,Q值很低只有1.2左右,在信号传输过程中损耗太大。所以标签的工作距离很有限,只能用于票据等近距离的应用中。

笔者曾经在2010年认识了该专利的发明人复旦大学的奚经天博士以及他的导师闵昊教授,也曾经帮助他一起推广过该方案,但由于多种原因最终没有成功,最主要原因是芯片的尺寸不断减小,天线所占的面积对成本的影响大于封装成本。不过我们要鼓励创新,虽然OCA的超高频RFID技术没有成功,但这个思路的超小型封装标签在日立和村田的推动下得到了发展和市场