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(dá)到了200億的級(jí)別。在這個(gè)過程中，中國(guó)逐步成為超高頻RFID標(biāo)簽產(chǎn)品的主要生產(chǎn)國(guó)，在國(guó)家對(duì)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的大力支持下，行業(yè)應(yīng)用和整個(gè)生態(tài)的發(fā)展十分迅猛。然而，至今國(guó)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(bǔ)這方面的空缺，甘泉老師花費(fèi)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(duì)UHF RFID最新的技術(shù)、產(chǎn)品與市場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)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(dú)家授權(quán)，在RFID世界網(wǎng)公眾號(hào)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(biāo)簽基礎(chǔ)

4.1.1超高頻RFID標(biāo)簽的基本構(gòu)成

雖然因應(yīng)用環(huán)境不同導(dǎo)致標(biāo)簽外觀和結(jié)構(gòu)有所不同，但歸根結(jié)底標(biāo)簽還是由標(biāo)簽芯片和標(biāo)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(biāo)簽最重要的三個(gè)要素為：標(biāo)簽芯片、標(biāo)簽天線、標(biāo)簽封裝，本節(jié)將通過對(duì)最簡(jiǎn)單的標(biāo)簽形式—Inlay進(jìn)行分析。

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

圖4-1ALN-9640標(biāo)簽基本構(gòu)成

圖4-1右上部分是標(biāo)簽芯片（TagIC）的放大圖，其實(shí)際的大小僅為0.5mm2。超高頻RFID芯片是硅芯片（SiliconChip）實(shí)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(chǔ)器（Memory）等?？梢钥吹竭@個(gè)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(biāo)簽芯片是標(biāo)簽的核心部件，標(biāo)簽的所有功能和絕大部分的性能都是由這顆芝麻大的標(biāo)簽芯片決定的。

圖4-1下半部分是標(biāo)簽天線，這款標(biāo)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(biāo)簽天線主要采用蝕刻銅工藝，隨著超高頻RFID標(biāo)簽的應(yīng)用普遍，對(duì)成本的壓力越來(lái)越大，先進(jìn)主流的超高頻RFID標(biāo)簽天線使用的是鋁工藝（蝕刻鋁和電鍍鋁較為常見）。如果說(shuō)標(biāo)簽芯片是核心，那么標(biāo)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(chǎng)上主流的超高頻RFID標(biāo)簽芯片一共不過幾十種，而標(biāo)簽的天線種類有上萬(wàn)種。這是因?yàn)闃?biāo)簽的核心功能基本都一致，而標(biāo)簽的應(yīng)用場(chǎng)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(yuǎn)，有了標(biāo)簽天線的多樣性才可以滿足日益增長(zhǎng)的多樣應(yīng)用需求。

封裝是一種工藝，使標(biāo)簽芯片和標(biāo)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(duì)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(guó)意聯(lián)（Alien）發(fā)明的技術(shù)，早期的標(biāo)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(kuò)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(biāo)簽與Inlay（標(biāo)簽中料）

在進(jìn)入RFID標(biāo)簽領(lǐng)域后，大家會(huì)經(jīng)常聽到一個(gè)詞叫Inlay['?nle?]。Inlay這個(gè)英文的字面意思是鑲嵌物，鑲補(bǔ)的意思，在RFID領(lǐng)域理解起來(lái)相當(dāng)于是嵌入在標(biāo)簽內(nèi)的意思，或者翻譯為標(biāo)簽中料。關(guān)于標(biāo)簽和Inlay的區(qū)別就是，能直接用在最終產(chǎn)品上的叫做標(biāo)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(biāo)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(duì)ALN-9640 Inlay的說(shuō)明書進(jìn)行詳解和分析，幫助讀者增進(jìn)對(duì)Inlay的認(rèn)識(shí)。

現(xiàn)階段所有的Inlay產(chǎn)品都是按照卷帶方式包裝、運(yùn)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(duì)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(gè)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(lái)直接貼在物品上使用，而干Inlay無(wú)法直接使用，一般需要進(jìn)入復(fù)合機(jī)進(jìn)行下一步加工變成可以使用的標(biāo)簽。另外需要注意一點(diǎn)是干Inlay的標(biāo)簽上有兩個(gè)白色的紙條卷叫做夾層保護(hù)（Interleaf protection），其作用是在生產(chǎn)和運(yùn)輸中起到保護(hù)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(biāo)識(shí)了Inlay的每一個(gè)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?yàn)樵谏a(chǎn)過程中一點(diǎn)點(diǎn)的誤差都會(huì)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(shí)這是因?yàn)楝F(xiàn)階段的高速?gòu)?fù)合設(shè)備的切刀是與天線方向平行的，無(wú)法對(duì)Inlay的兩邊進(jìn)行切割，采用寬幅Inlay經(jīng)過復(fù)合機(jī)模切后留下的干Inlay尺寸會(huì)很大，也許比一些標(biāo)簽的最終尺寸還大，導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行復(fù)合生產(chǎn)。

如圖4-4所示，為ALN-9640Inlay概要尺寸，說(shuō)明書中對(duì)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(biāo)簽產(chǎn)品中，需要標(biāo)簽芯片的黑點(diǎn)不明顯，而整體的厚度又有限制，就需要對(duì)復(fù)合材料及復(fù)合的壓力等參數(shù)等進(jìn)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(biāo)簽芯片，而長(zhǎng)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(shí)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(hù)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(lái)，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?yàn)殡x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(duì)標(biāo)簽的復(fù)合工藝有了一定的了解。那么，如果標(biāo)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(duì)離型紙，而白Inlay芯片朝上背對(duì)離型紙。

圖4-6為ALN-9640Inlay的標(biāo)簽輻射圖，其中圖4-6（b）為測(cè)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(shí)標(biāo)簽與閱讀器天線正對(duì)。4-6（a）為輻射特性圖（關(guān)于天線輻射內(nèi)容請(qǐng)參照2.2節(jié)），標(biāo)簽在0°和180°輻射特性最優(yōu)，在90°和270°最差。

（a）標(biāo)簽輻射圖 （b）輻射軸定義

圖4-6ALN-9640 Inlay標(biāo)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(biāo)簽數(shù)量：ALN-9640為一卷2萬(wàn)張，常規(guī)的Inlay一卷為1萬(wàn)到2萬(wàn)張。

• 超高頻RFID特性如存儲(chǔ)、功能等：主要由芯片決定。

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

• 存儲(chǔ)壽命：主要考慮濕Inlay和白Inlay，因?yàn)槟z的壽命是有限的，在儲(chǔ)存不當(dāng)時(shí)膠的效果就會(huì)發(fā)生變化，粘性太強(qiáng)或太弱都會(huì)對(duì)應(yīng)用帶來(lái)影響。所以一般情況下不會(huì)直接生產(chǎn)生濕Inlay和白Inlay，而是大量的儲(chǔ)備干Inlay，等有客戶明確需求時(shí)再?gòu)?fù)合成為濕Inlay和白Inlay。

4.1.3超高頻RFID標(biāo)簽的應(yīng)用范圍

關(guān)于RFID的各項(xiàng)技術(shù)對(duì)比及應(yīng)用對(duì)比，1.3節(jié)中有非常詳細(xì)的介紹，本節(jié)主要針對(duì)應(yīng)用范圍進(jìn)行分析，其目的是針對(duì)特定的技術(shù)和特定的應(yīng)用進(jìn)行對(duì)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(xiàng)目的時(shí)候可以第一時(shí)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(xiàng)目。

首先我們將所有與RFID相關(guān)的技術(shù)都羅列出來(lái)，然后進(jìn)行對(duì)比分析，在遇到特定的項(xiàng)目時(shí)可以直接選擇合適的技術(shù)。這里羅列出來(lái)的識(shí)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(lán)牙技術(shù)、Zigbee技術(shù)、UWB技術(shù)。在如下的對(duì)比中，分別從技術(shù)特點(diǎn)和常用應(yīng)用入手進(jìn)行分析：

低頻RFID技術(shù)：

技術(shù)特點(diǎn)：工作頻率低呈現(xiàn)靜磁場(chǎng)特性，在近距離具有非常穩(wěn)定的讀取效果，且標(biāo)簽的尺寸可以做到非常小。通信速度很慢，標(biāo)簽只有一個(gè)ID號(hào)碼，沒有數(shù)據(jù)區(qū)和加密內(nèi)容。具有簡(jiǎn)單的抗沖突機(jī)制，只能應(yīng)對(duì)小量低速的應(yīng)用場(chǎng)景。

常用應(yīng)用：隨著其它技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，現(xiàn)階段低頻RFID技術(shù)僅剩的應(yīng)用為動(dòng)物管理，將低頻電子標(biāo)簽制作成為玻璃管打入動(dòng)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(diǎn)：工作頻率中等，其工作原理基于磁場(chǎng)耦合技術(shù)，只可以工作在中近距離。標(biāo)簽的尺寸從10mm直徑圓形到ISO卡大小。通信速度較快，且標(biāo)簽有存儲(chǔ)空間，可以進(jìn)行復(fù)雜加密和安全認(rèn)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(dá)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(yuǎn)距離的圖書館應(yīng)用和門禁管理（最遠(yuǎn)1m的工作距離），同樣具有多標(biāo)簽抗沖突特性。

有源433技術(shù)：

技術(shù)特點(diǎn)：顧名思義，工作頻率在433MHz左右的有源標(biāo)簽。工作頻率適合遠(yuǎn)距離電場(chǎng)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(zhǎng)，一般工作壽命大于1年，有的可以達(dá)到5-10年。通信速率不高，但是同樣具有抗沖突算法。對(duì)標(biāo)簽的尺寸大小沒有要求，且有一些標(biāo)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(yuǎn)距離長(zhǎng)時(shí)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(diǎn)：該技術(shù)與有源433技術(shù)非常類似，只是標(biāo)簽的尺寸會(huì)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(shí)標(biāo)簽可以連接傳感器。

常用應(yīng)用：需要較遠(yuǎn)距離長(zhǎng)時(shí)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(chǎng)景連接傳感器等。這里的人員定位是區(qū)域定位，也就是說(shuō)一個(gè)閱讀器獲得了某個(gè)標(biāo)簽的信息就確定在這個(gè)閱讀器的輻射范圍內(nèi)有這個(gè)標(biāo)簽，類似手機(jī)的基站定位，可以鎖定一個(gè)人或一個(gè)物品在某個(gè)區(qū)域或某個(gè)房間。

 藍(lán)牙技術(shù)：

技術(shù)特點(diǎn)：藍(lán)牙技術(shù)是一個(gè)通用技術(shù)，現(xiàn)在的手機(jī)中的標(biāo)準(zhǔn)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(lán)牙技術(shù)比有源2.4G技術(shù)功耗大，很少直接使用藍(lán)牙芯片作為電子標(biāo)簽。

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

Zigbee技術(shù)：

技術(shù)特點(diǎn)：Zigbee技術(shù)是一種低功耗的自組網(wǎng)技術(shù)，可以將每一個(gè)標(biāo)簽作為鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在大量的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，不需要對(duì)閱讀器進(jìn)行布網(wǎng)，只需要布大量的Zigbee標(biāo)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(diǎn)比較多，通過算法可以有效的實(shí)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(diǎn)：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(diǎn)定位，在室內(nèi)定位時(shí)定位精度可以達(dá)到0.1米。由于UWB的頻率和帶寬都很高，可以進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸。

常用應(yīng)用：室內(nèi)定位，針對(duì)貴重物品的室內(nèi)定位。因?yàn)閁WB的標(biāo)簽價(jià)格實(shí)在太高。

超高頻RFID技術(shù)：

技術(shù)特點(diǎn)：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(yuǎn)距離應(yīng)用，但是一般最遠(yuǎn)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(biāo)簽特性，可以針對(duì)海量物品進(jìn)行多標(biāo)簽識(shí)別。

常用應(yīng)用：倉(cāng)儲(chǔ)物流、服裝管理、生產(chǎn)自動(dòng)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。