CN103336988A - 一种油田专用耐高温高压rfid标签 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种油田专用耐高温高压RFID标签，包括基材、芯片、馈线、天线接收/发射面，基材面为电子标签的正面，另一个面为天线接地面，正面上的天线接收/发射面通过一短路槽与背面上的天线接地面相连接构成一微带天线；芯片正极通过馈线与天线接收/发射面相连接，芯片的接地端通过一通孔与背面上的天线接地面相连接；外壳二次封装材料将标签进行封装；优点是标签尺寸小，读取距离远；环境适应能力增强。

Description

一种油田专用耐高温高压RFID标签

技术领域

本发明涉及一种电子装置，尤其是一种用于无线射频识别技术的标签。

背景技术

射频识别即RFID（Radio Frequency IDentification）技术，又称电子标签、无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。射频识别系统最重要的优点是非接触识别，它能穿透雪、雾、冰、涂料、尘垢和条形码无法使用的恶劣环境阅读标签，并且阅读速度极快，大多数情况下不到100毫秒。有源式射频识别系统的速写能力也是重要的优点。可用于流程跟踪和维修跟踪等交互式业务。

目前RFID的缺点：目前的RFID标签虽然能够在满足一般恶劣环境下的识别，但是无法满足油田行业的高温、高压、震动、化学腐蚀、金属、油污等及其恶劣的识别，为满足石油行业的特殊需求，需要开发研制一种新型的耐高温高压、抗腐蚀抗金属的特种标签。

发明内容

本发明的目的在于提供一种油田专用耐高温高压RFID标签。

本发明的技术方案有：一种油田专用耐高温高压RFID标签，用于金属材料表面或嵌入金属应用，包括基材、芯片、馈线、天线接收/发射面,基材面为电子标签的正面，另一个面为天线接地面，正面上的天线接收/发射面通过一短路槽与背面上的天线接地面相连接构成一微带天线；芯片正极通过馈线与天线接收/发射面相连接，芯片的接地端通过一通孔与背面上的天线接地面相连接；外壳二次封装材料将标签进行封装。

所述的基材采用稀土，氧化铝，氧化锆等按照配比制成，根据不同的使用环境要求，介电常数可调整。

所述的芯片包括射频前端、模拟前端、数字基带和存储器单元，射频前端模块用于对射频信号进行整流和反射调制，模拟前端模块用于产生芯片内所需的基准电源和系统时钟进行上电复位，数字基带模块用于对数字信号进行编码解编码以及进行防碰撞协议的处理，存储器单元模块用于信息存储；芯片的流片生产基于0.18μm RF CMOS工艺，EPC内存为96bit-492bit，User Memory容量为512-2kbit。

所述的天线采用多层立体天线结构，将标识物的金属表面作为天线的一部分，背面上的天线接地面可以直接接触钻具的金属材料表面，设置了短路槽，使微带天线的面积缩小一倍。

所述的外壳二次封装材料为聚醚醚酮（PEEK）材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果有：标签尺寸小，读取距离远；环境适应能力增强。标签天线的形状和大小影响标签的读写距离，一般尺寸越小距离越短，采用多层次天线设计技术，大大缩小了标签的体积，耐高温高压特殊RFID芯片积为直径22mm，厚度3mm，读取距离可以达到5米以上（8dB），其体积仅为其他相同性能产品的30%左右。嵌入金属内部读取稳定、可靠；附着液体，浸入油、水中读取稳定、可靠；耐高温、耐低寒，工作温度范围从-50℃到320℃；在各种电磁环境下，频率波动小、稳定。

具体实施方式

耐高温高压RFID特种标签用于金属材料表面或嵌入金属应用，其结构主要包括基材、芯片、馈线、天线接收/发射面等四部分组成。此基材面为电子标签的正面，另一个面为天线接地面，正面上的天线接收/发射面通过一短路槽与背面上的天线接地面相连接构成一微带天线；芯片正极通过馈线与天线接收/发射面相连接，芯片的接地端通过一通孔与背面上的天线接地面相连接。

不同频段的RFID工作原理不同，读取距离也有很大差别，LF和HF的RFID由于采用电磁耦合原理，读取距离较近，一般不超过20cm，而UHF及微波频段的RFID一般采用电磁发射原理，读取距离较远。为了满足钻具RFID特种标签直径不超过30mm，厚度不超过15mm，读取距离不少于80cm的设计要求，该特种标签采用UHF的908—928MHz频段。

该芯片的基本结构包含射频前端、模拟前端、数字基带和存储器单元等模块。其中，射频前端模块主要用于对射频信号进行整流和反射调制；模拟前端模块主要用于产生芯片内所需的基准电源和系统时钟，进行上电复位等；数字基带模块主要用于对数字信号进行编码解编码以及进行防碰撞协议的处理等；存储器单元模块用于信息存储。

为满足耐高温300℃，耐振动，抗电磁辐射等特殊要求，该MT5028超高频芯片的流片生产基于0.18μm RF CMOS工艺，EPC内存为96bit-492bit，User Memory容量为512-2kbit。

标签基板材料的介电常数，是影响标签读写距离、抗金属能力等性能的主要因素，将稀土，氧化铝，氧化锆等物质按照一定的配比，根据不同的使用环境要求，组成介电常数可调整的天线基材，从而是标签的性能达到最佳状态。

该标签的天线基材采用混合材料基板，使其具有较高的介电常数，以达到最佳性能。在基材正反面进行导电油墨印刷后烧结在一起，形成一个完整天线，该天线通过侧面的凹槽进行上下相连，当邦定芯片之后，形成完整回路，当标签天线接收到读写器的信号能量后，激发自身电路回路，达到通信目的。

天线是UHF电子标签最重要的组成部分之一，其目的是传输最大的能量进出标签芯片。天线设计的优劣，以及所标识物体的形状、物理特性，标识物介电常数，表面反射率等因素都会影响天线的性能。因此天线的研发必须要考虑设计天线、自由空间以及标签芯片三者之间的匹配问题，当工作频率增加到微波区域的时候，天线与标签芯片之间的匹配问题变得更加严峻。

一直以来，UHF电子标签天线的开发都是基于50欧姆或者75欧姆输入阻抗，而在RFID实际应用中，芯片的输入阻抗往往是任意值，并且很难在工作状态下准确测量，因此缺少准确的阻抗参数，使得天线的设计效果难以达到最佳状态。另外，来自UHF标签微型化、低成本等的实际需求，也为天线的设计带来巨大挑战，天线的设计面临许多技术难题。

普通的UHF电子标签，在金属表面上应用，要想得到最佳的效果，必须要在标签之下放置比较厚的绝缘层，以达到抗金属的目的。

耐高温高压RFID特种标签芯片的天线设计采用多层立体天线结构，该结构将标识物的金属表面作为天线的一部分，并利用折合振子和高介电常数介质达到抗金属的目的。

该设计考虑到标签嵌入金属内部应用，因此背面上的天线接地面可以直接接触钻具的金属材料表面，背面天线本身又是接地面，则不需要再考虑金属材料表面的屏蔽作用。再者由于设置了短路槽，能够使微带天线的面积缩小一倍，因此使电子标签的尺寸大大缩小。

标签在实际使用和物流过程中，存在条件苛刻的井下作业环境和复杂工况，如电磁辐射、高温300℃以上、高压105 MPa、震动、表面污物以及酸、丙酮、碱液等化学腐蚀等，可能会造成芯片的损坏和信息丢失。为满足特殊应用环境的要求，选用耐高温、机械性能优异、自润滑性好、耐化学品腐蚀、阻燃等特点的聚醚醚酮（PEEK）材料，作为RFID标签的外壳二次封装材料。

Claims (5)

1.一种油田专用耐高温高压RFID标签，用于金属材料表面或嵌入金属应用，其特征在于:包括基材、芯片、馈线、天线接收/发射面,基材面为电子标签的正面，另一个面为天线接地面，正面上的天线接收/发射面通过一短路槽与背面上的天线接地面相连接构成一微带天线；芯片正极通过馈线与天线接收/发射面相连接，芯片的接地端通过一通孔与背面上的天线接地面相连接；外壳二次封装材料将标签进行封装。

2.根据权利要求1所述的一种油田专用耐高温高压RFID标签，其特征在于：基材采用稀土，氧化铝，氧化锆等按照配比制成，根据不同的使用环境要求，介电常数可调整。

3.根据权利要求1所述的一种油田专用耐高温高压RFID标签，其特征在于：芯片包括射频前端、模拟前端、数字基带和存储器单元，射频前端模块用于对射频信号进行整流和反射调制，模拟前端模块用于产生芯片内所需的基准电源和系统时钟进行上电复位，数字基带模块用于对数字信号进行编码解编码以及进行防碰撞协议的处理，存储器单元模块用于信息存储；芯片的流片生产基于0.18μm RF CMOS工艺，EPC内存为96bit-492bit，User Memory容量为512-2kbit。

4.根据权利要求1所述的一种油田专用耐高温高压RFID标签，其特征在于：天线采用多层立体天线结构，将标识物的金属表面作为天线的一部分，背面上的天线接地面可以直接接触钻具的金属材料表面，设置了短路槽，使微带天线的面积缩小一倍。

5.根据权利要求1所述的一种油田专用耐高温高压RFID标签，其特征在于：外壳二次封装材料为聚醚醚酮（PEEK）材料。