RFID干貨專欄概述

經(jīng)過20多年的努力發(fā)展，超高頻RFID技術(shù)已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一，每年的出貨量達到了200億的級別。在這個過程中，中國逐步成為超高頻RFID標簽產(chǎn)品的主要生產(chǎn)國，在國家對物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的大力支持下，行業(yè)應(yīng)用和整個生態(tài)的發(fā)展十分迅猛。然而，至今國內(nèi)還沒有一本全面介紹超高頻RFID技術(shù)的書籍。

為了填補這方面的空缺，甘泉老師花費數(shù)年之功，撰寫的新書《物聯(lián)網(wǎng)UHF RFID技術(shù)、產(chǎn)品及應(yīng)用》正式出版發(fā)布，本書對UHF RFID最新的技術(shù)、產(chǎn)品與市場應(yīng)用進行了系統(tǒng)性的闡述，干貨滿滿！RFID世界網(wǎng)得到了甘泉老師獨家授權(quán)，在RFID世界網(wǎng)公眾號特設(shè)專欄，陸續(xù)發(fā)布本書內(nèi)容。

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4.1超高頻RFID標簽基礎(chǔ)

4.1.1超高頻RFID標簽的基本構(gòu)成

雖然因應(yīng)用環(huán)境不同導(dǎo)致標簽外觀和結(jié)構(gòu)有所不同，但歸根結(jié)底標簽還是由標簽芯片和標簽天線兩部分經(jīng)過封裝連接而形成。所以超高頻RFID電子標簽最重要的三個要素為：標簽芯片、標簽天線、標簽封裝，本節(jié)將通過對最簡單的標簽形式—Inlay進行分析。

如圖4-1所示，為2010年前生產(chǎn)的ALN-9640標簽（Inlay），其主要由標簽芯片（TagIC）、標簽天線（Tag Antenna）經(jīng)過標簽封裝（TagBonding）工藝連接構(gòu)成一顆完整的RFID超高頻電子標簽。

圖4-1ALN-9640標簽基本構(gòu)成

圖4-1右上部分是標簽芯片（TagIC）的放大圖，其實際的大小僅為0.5mm2。超高頻RFID芯片是硅芯片（SiliconChip）實現(xiàn)的，雖然很小但內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能很多，包括模擬電路（Analog Circuitry）、電源電路（PowerCircuitry）、振蕩器（Oscillator）、調(diào)制器（Modulator）、數(shù)字邏輯（DigitalLogic）、存儲器（Memory）等?？梢钥吹竭@個芯片雖然很小，但是其內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜、功能齊全，真所謂麻雀雖小五臟俱全。標簽芯片是標簽的核心部件，標簽的所有功能和絕大部分的性能都是由這顆芝麻大的標簽芯片決定的。

圖4-1下半部分是標簽天線，這款標簽天線是由蝕刻銅的工藝制成的，其形狀的不同決定了天線的射頻特性。早期的標簽天線主要采用蝕刻銅工藝，隨著超高頻RFID標簽的應(yīng)用普遍，對成本的壓力越來越大，先進主流的超高頻RFID標簽天線使用的是鋁工藝（蝕刻鋁和電鍍鋁較為常見）。如果說標簽芯片是核心，那么標簽天線則是協(xié)助核心發(fā)揮作用的外圍器件，同樣也起著非常重要的作用。市場上主流的超高頻RFID標簽芯片一共不過幾十種，而標簽的天線種類有上萬種。這是因為標簽的核心功能基本都一致，而標簽的應(yīng)用場景是多種多樣的，有的用在紙箱上，有的用在玻璃上，有的需要工作距離近有的需要工作距離遠，有了標簽天線的多樣性才可以滿足日益增長的多樣應(yīng)用需求。

封裝是一種工藝，使標簽芯片和標簽天線連接在一起，且為電氣連接。芯片那么小，要把芯片上更小的射頻管腳和天線連接在一起并保證穩(wěn)定性和批量的快速生產(chǎn)，對封裝技術(shù)的要求非常高。圖4-1中的封裝方法是條帶（Strap）封裝，是由美國意聯(lián)（Alien）發(fā)明的技術(shù)，早期的標簽封裝經(jīng)常使用?，F(xiàn)在主流的封裝技術(shù)為倒封裝（Flip chip）技術(shù)。

而隨著海量的超高頻RFID應(yīng)用擴展，整體成本不斷降低，芯片、天線和封裝這三部分的成本逐漸呈現(xiàn)出4:1:2的比例關(guān)系。

4.1.2標簽與Inlay（標簽中料）

在進入RFID標簽領(lǐng)域后，大家會經(jīng)常聽到一個詞叫Inlay['?nle?]。Inlay這個英文的字面意思是鑲嵌物，鑲補的意思，在RFID領(lǐng)域理解起來相當于是嵌入在標簽內(nèi)的意思，或者翻譯為標簽中料。關(guān)于標簽和Inlay的區(qū)別就是，能直接用在最終產(chǎn)品上的叫做標簽，不能直接用在最終產(chǎn)品上，但是可以與RFID閱讀器通信工作的叫做Inlay。

Inlay也有很多分類，大致分為干Inlay（DryInlay）；透明濕Inlay，也叫濕Inlay（ClearWet Inlay）；白Inlay，也叫白標簽（ White Wet Inlay）。其中DryInlay還分為普通Dry Inlay和窄幅的DryInlay。本節(jié)將通過對ALN-9640 Inlay的說明書進行詳解和分析，幫助讀者增進對Inlay的認識。

現(xiàn)階段所有的Inlay產(chǎn)品都是按照卷帶方式包裝、運輸和使用的。圖4-2中有三卷Inlay，其中圖4-2（a）為普通的干Inlay ；圖4-2（b）為窄幅的干Inlay（對比第一卷可以看出基材的寬度比較窄）；圖4-2（c）為透明濕Inlay或白Inlay。

（a）普通干Inlay （b）窄幅干Inlay （c）濕/白Inlay

圖4-2 ALN-9640 Inlay 卷帶方式圖

干Inlay與基材（干Inlay一般是PET基材、濕Inlay一般為離型紙基材）在卷帶（Roll）上合為一體，而濕Inlay是單個的貼在卷帶的基材上的。因此，干Inlay是更加原始的狀態(tài)，而且干Inlay可以通過加工變成濕Inlay，同樣濕Inlay可以加工變成白Inlay。濕Inlay和白Inlay都是貼在卷帶基材上的，可以取下來直接貼在物品上使用，而干Inlay無法直接使用，一般需要進入復(fù)合機進行下一步加工變成可以使用的標簽。另外需要注意一點是干Inlay的標簽上有兩個白色的紙條卷叫做夾層保護（Interleaf protection），其作用是在生產(chǎn)和運輸中起到保護干Inlay中的芯片不受損壞。

如圖4-3所示，為ALN-9640Inlay的規(guī)格圖，圖中極其精確地標識了Inlay的每一個尺寸，包括外觀尺寸、總體尺寸、定位尺寸等。這些尺寸要求非常精確，因為在生產(chǎn)過程中一點點的誤差都會導(dǎo)致生產(chǎn)良率問題。

（a）普通干Inlay （b）窄幅干Inlay （c）濕/白Inlay

圖4-3ALN-9640 Inlay卷帶規(guī)格圖

許多讀者經(jīng)常咨詢?yōu)槭裁锤蒊nlay有兩種，窄幅的干Inlay是否多余？其實這是因為現(xiàn)階段的高速復(fù)合設(shè)備的切刀是與天線方向平行的，無法對Inlay的兩邊進行切割，采用寬幅Inlay經(jīng)過復(fù)合機模切后留下的干Inlay尺寸會很大，也許比一些標簽的最終尺寸還大，導(dǎo)致無法進行復(fù)合生產(chǎn)。

如圖4-4所示，為ALN-9640Inlay概要尺寸，說明書中對每一種Inlay都有完整的尺寸描述，包括其三維尺寸：芯片厚度、基材厚度等。這些參數(shù)在復(fù)合生產(chǎn)中很重要，尤其在一些高品質(zhì)要求的標簽產(chǎn)品中，需要標簽芯片的黑點不明顯，而整體的厚度又有限制，就需要對復(fù)合材料及復(fù)合的壓力等參數(shù)等進行合理的設(shè)置。

（a）普通干Inlay （b）窄幅干Inlay （c）濕/白Inlay

圖4-4Alien ALN-9640 Inlay 概要尺寸圖

圖4-5為ALN-9640Inlay疊層圖（剖面圖）。

圖4-5（a）為干Inlay的疊層圖，其中小方塊代表標簽芯片，而長條代表的是天線和基材。其中天線的厚度是0.05mm，包括芯片的整體厚度為0.25mm，誤差±10%。

圖4-5（b）為濕Inlay的疊層圖，此時卷帶的基材為離型紙（Release Liner）又稱隔離紙、防粘紙、硅油紙，是一種防止預(yù)浸料粘連又可以保護預(yù)浸料不受污染的防粘紙。離型紙的上一層是膠粘劑（Adhesive），具有粘性，與其他材料可以很好的粘合且很容易從離型紙上分離。濕Inlay是由干Inlay加工而成的，具體方式為將干Inlay從卷帶上切下來，在芯片一面涂膠，再翻轉(zhuǎn)180°貼在離型紙的卷帶上。其中天線部分厚度0.08mm，因為離型紙和膠粘劑增加了0.03mm的厚度，同樣包括芯片的總厚度也增加了0.03mm變?yōu)?.28mm，誤差±10%。

圖4-5（c）為白Inlay的疊層圖，白Inlay也是由干Inlay加工而成的。在白Inlay的復(fù)合過程中，先將干Inlay切下并兩面涂膠，上表面粘貼覆蓋一層白紙（Overlay），下面的膠粘在離型紙上（白Inlay的卷帶基材也是離型紙）。其中天線部分的厚度為0.16mm，比干Inlay增加了0.11mm，故包括芯片的總厚度增加了0.11mm為0.36mm，誤差±10%。

圖4-5ALN-9640 Inlay 疊層圖

通過上述內(nèi)容，相信讀者應(yīng)該對標簽的復(fù)合工藝有了一定的了解。那么，如果標簽已經(jīng)生產(chǎn)成了濕Inlay，能否繼續(xù)加工成為白Inlay呢？答案是否定的，圖4-5（b）和圖4-5（c）中芯片的朝向不同，濕Inlay芯片朝下面對離型紙，而白Inlay芯片朝上背對離型紙。

圖4-6為ALN-9640Inlay的標簽輻射圖，其中圖4-6（b）為測試狀態(tài)描述，表述初始狀態(tài)和閱讀器天線位置。天線在Z軸的中間，0°時標簽與閱讀器天線正對。4-6（a）為輻射特性圖（關(guān)于天線輻射內(nèi)容請參照2.2節(jié)），標簽在0°和180°輻射特性最優(yōu)，在90°和270°最差。

（a）標簽輻射圖 （b）輻射軸定義

圖4-6ALN-9640 Inlay標簽輻射圖

除上述參數(shù)之外，還要考慮一些其它Inlay參數(shù)：

• 一卷inlay標簽數(shù)量：ALN-9640為一卷2萬張，常規(guī)的Inlay一卷為1萬到2萬張。

• 超高頻RFID特性如存儲、功能等：主要由芯片決定。

• 存儲環(huán)境要求：溫度-25°C~ +50°C，濕度20% ~90% 且無冷凝。

• 存儲壽命：主要考慮濕Inlay和白Inlay，因為膠的壽命是有限的，在儲存不當時膠的效果就會發(fā)生變化，粘性太強或太弱都會對應(yīng)用帶來影響。所以一般情況下不會直接生產(chǎn)生濕Inlay和白Inlay，而是大量的儲備干Inlay，等有客戶明確需求時再復(fù)合成為濕Inlay和白Inlay。

4.1.3超高頻RFID標簽的應(yīng)用范圍

關(guān)于RFID的各項技術(shù)對比及應(yīng)用對比，1.3節(jié)中有非常詳細的介紹，本節(jié)主要針對應(yīng)用范圍進行分析，其目的是針對特定的技術(shù)和特定的應(yīng)用進行對比分析，讓大家了解到超高頻RFID到底可以做什么，極限在哪里，缺陷又在哪里，在遇到項目的時候可以第一時間分析是否可以通過超高頻RFID技術(shù)解決問題，而不是盲目地用超高頻RFID硬套項目。

首先我們將所有與RFID相關(guān)的技術(shù)都羅列出來，然后進行對比分析，在遇到特定的項目時可以直接選擇合適的技術(shù)。這里羅列出來的識別技術(shù)有：低頻(LF) RFID、高頻(HF)RFID、有源433技術(shù)、超高頻(UHF) RFID、有源2.4G技術(shù)、藍牙技術(shù)、Zigbee技術(shù)、UWB技術(shù)。在如下的對比中，分別從技術(shù)特點和常用應(yīng)用入手進行分析：

低頻RFID技術(shù)：

技術(shù)特點：工作頻率低呈現(xiàn)靜磁場特性，在近距離具有非常穩(wěn)定的讀取效果，且標簽的尺寸可以做到非常小。通信速度很慢，標簽只有一個ID號碼，沒有數(shù)據(jù)區(qū)和加密內(nèi)容。具有簡單的抗沖突機制，只能應(yīng)對小量低速的應(yīng)用場景。

常用應(yīng)用：隨著其它技術(shù)的發(fā)展和進步，現(xiàn)階段低頻RFID技術(shù)僅剩的應(yīng)用為動物管理，將低頻電子標簽制作成為玻璃管打入動物體內(nèi)或鴿子的腳環(huán)上。閱讀器的工作距離一般為10cm左右。

高頻RFID技術(shù)：

技術(shù)特點：工作頻率中等，其工作原理基于磁場耦合技術(shù)，只可以工作在中近距離。標簽的尺寸從10mm直徑圓形到ISO卡大小。通信速度較快，且標簽有存儲空間，可以進行復(fù)雜加密和安全認證。在金屬材質(zhì)表面通過鐵氧體材料可以正常工作。一般工作距離為10cm，特殊的環(huán)境應(yīng)用可達1m左右。

常用應(yīng)用：高頻RFID技術(shù)應(yīng)用非常廣泛，從金融支付類的公交卡到停車卡門禁卡，再到遠距離的圖書館應(yīng)用和門禁管理（最遠1m的工作距離），同樣具有多標簽抗沖突特性。

有源433技術(shù)：

技術(shù)特點：顧名思義，工作頻率在433MHz左右的有源標簽。工作頻率適合遠距離電場通信，一般應(yīng)用在超過100米的工作距離，且電池的耗電低壽命長，一般工作壽命大于1年，有的可以達到5-10年。通信速率不高，但是同樣具有抗沖突算法。對標簽的尺寸大小沒有要求，且有一些標簽可以連接傳感器并把傳感器信息傳送給閱讀器。

常用應(yīng)用：需要超遠距離長時間工作的特殊應(yīng)用，如高速公路廣告牌管理，碼頭船只管理等。

有源2.4G技術(shù)：

技術(shù)特點：該技術(shù)與有源433技術(shù)非常類似，只是標簽的尺寸會比較小，工作距離也比較近，一般工作距離為10m到100m，工作壽命為1-3年。外形尺寸小到一顆紐扣，大到ISO厚卡尺寸，同時標簽可以連接傳感器。

常用應(yīng)用：需要較遠距離長時間工作的特殊應(yīng)用，如醫(yī)院、養(yǎng)老院、監(jiān)獄的人員管理與人員定位，以及類似場景連接傳感器等。這里的人員定位是區(qū)域定位，也就是說一個閱讀器獲得了某個標簽的信息就確定在這個閱讀器的輻射范圍內(nèi)有這個標簽，類似手機的基站定位，可以鎖定一個人或一個物品在某個區(qū)域或某個房間。

 藍牙技術(shù)：

技術(shù)特點：藍牙技術(shù)是一個通用技術(shù)，現(xiàn)在的手機中的標準配置，與RFID相關(guān)的主要是與RFID技術(shù)相配合，如與HF技術(shù)、或與閱讀器配合。由于藍牙技術(shù)比有源2.4G技術(shù)功耗大，很少直接使用藍牙芯片作為電子標簽。

常用應(yīng)用：與HF技術(shù)配合的藍牙音箱，與超高頻RFID閱讀器配合的藍牙閱讀器等。

Zigbee技術(shù)：

技術(shù)特點：Zigbee技術(shù)是一種低功耗的自組網(wǎng)技術(shù)，可以將每一個標簽作為鏈路進行數(shù)據(jù)傳輸，在大量的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，不需要對閱讀器進行布網(wǎng)，只需要布大量的Zigbee標簽即可。

常用應(yīng)用：常用的傳感器網(wǎng)絡(luò)布網(wǎng)，以及人員定位等。由于Zigbee技術(shù)中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點比較多，通過算法可以有效的實施人員較為精確的定位。一般用于井下作業(yè)人員定位。

UWB技術(shù)

技術(shù)特點：UWB在RFID技術(shù)中主要用于定位和數(shù)據(jù)傳輸。定位采用三點定位，在室內(nèi)定位時定位精度可以達到0.1米。由于UWB的頻率和帶寬都很高，可以進行高速數(shù)據(jù)傳輸。

常用應(yīng)用：室內(nèi)定位，針對貴重物品的室內(nèi)定位。因為UWB的標簽價格實在太高。

超高頻RFID技術(shù)：

技術(shù)特點：工作距離一般為0.5米到8米，特殊情況下可以在近距離或遠距離應(yīng)用，但是一般最遠工作距離不超過30米。在不考慮加密的情況下可以替代大部分HF技術(shù)的產(chǎn)品（UHF工作距離大于HF）。具有非常好的抗沖突和多標簽特性，可以針對海量物品進行多標簽識別。

常用應(yīng)用：倉儲物流、服裝管理、生產(chǎn)自動化、智能交通電子車牌、物品的防偽等應(yīng)用最為廣泛。

在所有的RFID技術(shù)中，超高頻RFID技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用，是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。