CN105809232B - 半有源rfid标签 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半有源RFID标签，可附着于车辆挡风玻璃，包括：基材；电池，设置于所述基材表面上；导电性天线，设置于所述基材表面边缘位置处；集成电路芯片，邦定于所述导电性天线上；供电回路，设置于所述基材表面上，与所述导电性天线和所述电池分别相连，且在靠近所述导电性天线一侧设置有弯折线形状。本发明的半有源RFID标签加大识读距离，能够适应作业于高温工作环境，提高了标签工作温度的安全性，并延长了标签使用寿命。

Description

半有源RFID标签

技术领域

本发明是涉及射频识别术领域，特别是关于一种半有源RFID标签。

背景技术

射频识别(Radio Frequency Identification，简称RFID)是一种非接触的自动识别技术，它利用射频信号(Radio frequency，简称RF)及其空间耦合和传输特性，实现对静止或者移动物品的自动识别(Automatic Identification Data Capture，简称AIDC)。RFID技术克服了现有条形码识读距离较短，单一产品识读，内存空间不足的缺点。RFID标签贴在或安装在物品上，由安装在不同地理位置的读写器读取存储于标签中的数据，实现对物品的自动识别。

纵观RFID技术发展，RFID技术从单一的读取识别固有物品ID，到将物品的履历写到并且读取RFID电子标签里，还可以感知温度，湿度，压力等信息，形成无所不在的网络，即智能型传感器网络(Ubiquitous Sensor Network，简称USN)。

RFID应用领域非常广泛，可以用于库存管理，物流供应链管理，工厂自动化，国防，医疗，建设，交通等各种领域，并且可将不同领域融合发展，向多领域扩大应用。特别是将RFID技术用于智能交通领域，并且应用事例在不断增加。可利用RFID远距离识别的特点，灵活应用无源，半有源RFID对移动车辆进行违章行为管理，交通量统计，对市中心公共交通及停车管理，限行车辆管理，对指定期限内违法车辆的检查确认等。

最常见的RFID标签有无源电子标签、有源电子标签、半有源RFID标签和传感器标签等。其中，无源电子标签，内部不带电池，需靠外界提供能量才能正常工作。无源式标签典型的产生电能的装置是天线与线圈，当标签进入系统的工作区域，天线接收到特定的电磁波，线圈就会产生感应电流，在经过整流并给电容充电。电容电压经过稳压后作为工作电压。有源电子标签，通过标签自带的内部电池使芯片工作进行供电，它的电能充足，工作可靠性高，信号传送的距离远。半有源RFID标签，标签内部的电池只对芯片提供工作供电，标签与读写器的首发信号功能是由天线产生的能量进行驱动。

特别是传感器标签，是在原有标签可以获取ID的功能外加上传感器和超薄电池的标签。根据不同的通信方式可分为半有源RFID标签和有源标签。半有源RFID标签可通过在无源RFID标签上增加电池供电提高读取距离性能，有源方式的RFID系统是通过标签内部无线传送器向读写器发射信号并且读取距离可达到100米以上。有源标签可从电池中获得能量激活标签中的芯片，并且电路控制器，ID存储器的芯片所需要的能量都由内部的电池所提供。有源标签可通过电池供电增加读取距离，通过标签内部无线传送器向读写器发射信号，发收信号的灵敏度比无源标签要高。

相比之下，半有源RFID标签通过使芯片内的电源管理模块优化天线与读写器的发收信号处理，可以充分利用电池寿命。同时，半有源传感器标签为了增加读取距离需要提高标签的灵敏度，在一般情况其处于休眠状态不工作，不向外界发出信号，只有在其收到读写器的激活命令时，标签被激活后，才开始工作，且从传感器收集数据后实时传送到存储器上。在电池电量耗尽时，为了将存储器中的数据传送到读写器中，半有源传感器标签工作模式转变为无源标签工作。上述半有源RFID标签增加传感器功能，可作为有源标签使用，芯片内部功能需要支持处理激活/停用等各种数据传输命令的功能，并需要支持采集到传感数据之后处理数据的功能。

根据不同的应用环境，半有源RFID标签一般使用具有一定薄度的电绝缘性材质聚对苯二甲酸乙二醇脂(Polyethylene Terephthalate，简称PET)，聚氯乙烯(Polyvinylchloride，简称PVC)，聚乙烯(Polyethylene，简称PE)等聚合物柔性材料构成的绝缘聚合物薄膜电池。在涂polyester型PET高分子薄膜上涂导电性碳层形成集电层，然后在其上面涂上二氧化锰正极和锌负极形成电极，并在两个电极之间的使用胶粘剂水电解液分离开。但是，应用环境的温度高或低的情况，如果工作温度环境突然发生变化，通风良好，干燥，等条件会直接影响电解质的性能。兼用集电极和包装的PET聚合物对于水分和单元内生成的气体不具有选择性渗透性，因单元不是完全密闭结构，无法防止电解液蒸发和单元内生成气体。此外，PET膜对强酸或强碱的耐腐蚀性较差，电解液直接接触PET膜时，会腐蚀PET膜，会直接影响薄型电池的耐久性，长期保存特性，以及会降低对半有源RFID标签的性能和寿命。

特别是半有源RFID标签附着在车辆挡风玻璃，不同介质物体间的电磁波反射，拥有高介电常数的车辆挡风玻璃会吸收电磁波能，车辆车体外观周围的特殊材料对电磁波的干扰，衍射，会影响RFID标签的信号强度，从而导致降低RFID电子标签性能和识别率。因此，研发附着在车辆挡风玻璃的半有源RFID标签，需要充分考虑粘贴玻璃材质对标签的阻抗影响，高温环境下使用一段时间薄型电池无物理变化，可以稳定的供给电源，需要解决高分子电解质泄露，强化包装材质和薄膜的耐久性，并还需考虑消耗电量和工作电量，保持电池寿命。

UHF频段的无源及半有源型RFID系统不仅在RFID读写器天线向标签发出电磁波的过程中会衰减部分电磁波强度，也会根据标签附着的材质影响电磁波强度，特别是在在标签附着的物体为高介电体或液体的情况，RFID标签天线通过与高介电体及液体连接和吸收，会发生近距离电磁场的歪曲现象，因此标签天线接受到的电磁波信号强度会减弱，从而导致降低RFID标签识读距离及识读率的问题。

并且，考虑到标签不能挡住司机的视线，RFID标签的附着位置需附着在挡风玻璃的左/右上角，但由于标签附着位置与金属材质的车辆框架较近，因此受到电磁波边界条件和散射的影响，RFID标签的可识读距离也会受到影响。目前使用的超薄电池，最普遍使用的是锰一次性电池或堿一次性电池，应用在电子标签的技术为单纯slurry工艺，因此，在材料的构成和在后处理过程的异质性方面，无法确保电源供给的稳定性和电池耐久性。这种超薄碱锰电池一般特性为额定电压为1.5V，超小电池厚度为0.7mm以下，工作温度范围在-20～60度，没单位面积的能量为2.0mAh/cm2。原有的这种超薄电池存在着在poly包装材质上丝网印刷活性材料的浆料，和在使用粘接膜进行密封的过程中容易渗漏液体，因此发生短路引起破裂的致命缺点。一般在polyester系列的PET高分子膜上涂导电性碳层，形成集电极层后，在这上面涂上二氧化锰正极和锌负极，分别做出电极后，在两极间一并使用粘接水基电解质和分离膜。但存在应用环境的温度很高或很低时，干燥或通风较好的条件时，会给电解液的性能带来直接影响的局限性。这是因为作为集电体和包装体的PET高分子膜对水分和单元内产生的气体无法进行选择透过性，并且由于不是完全密封结构的单元，很难解决电解液的蒸发及单元内产生气体的问题。且由于PET膜的耐强酸耐强碱性较弱，与电解液直接接触时膜会被腐蚀，因此会对超薄电池耐久性，长期保存，寿命等产生影响，也是对半有源RFID标签性能产生影响的原因。

发明内容

为克服现有技术存在的缺陷和不足，本发明实施例提供一种半有源RFID标签。

具体地，本发明实施例提供的一种半有源RFID标签，可附着于车辆挡风玻璃，包括：基材；电池，设置于所述基材表面上；导电性天线，设置于所述基材表面的边缘位置处；集成电路芯片，邦定于所述导电性天线上；供电回路，设置于所述基材表面上，与所述导电性天线和所述电池分别相连，且在靠近所述导电性天线一侧设置成弯折线形状。

在本发明的一个实施例中，所述基材为聚对苯二甲酸乙二醇脂(PET)基材。

在本发明的一个实施例中，所述导电性天线包括：主体；两个侧翼，与所述主体两端分别相连，形成U型结构。

在本发明的一个实施例中，所述主体内开设有凹槽，且在靠近所述供电回路一侧开设有槽口，所述槽口与所述凹槽形成“凸”型结构。

在本发明的一个实施例中，所述集成电路芯片邦定于所述槽口处。

在本发明的一个实施例中，所述凹槽为矩形，其沿所述基材平面的长轴位于范围16mm～23mm内。

在本发明的一个实施例中，所述电池为采用超薄金属铝袋状膜的超薄电池。

在本发明的一个实施例中，所述供电回路包括两根导线，所述两根导线在靠近所述电池一侧平行排布，且在靠近所述导电性天线处形成呈现对称凸起的折弯线形状。

在本发明的一个实施例中，还包括：第一复合纸和第二复合纸，所述第一复合纸和所述第二复合纸通过复合贴合剂将所述基材及设置于所述基材表面的所述电池、所述导电性天线、所述集成电路芯片和所述供电回路封装成一体。

在本发明的一个实施例中，所述基材表面设置有印刷的标记图案，用于准确附着所述电池。

由此可见，本发明实施例通过在PET基材平面上对电池的放置位置最大限度利用标签天线的可用面积，并且为了减少连接电池电源与标签天线的供电回路对标签天线产生的干扰，供电回路以弯折线(meander line)形式构成，且能够加大识读距离，使用了超薄金属铝(Al)pouch膜，维持了柔软性，并且能防止在高温工作环境和高温加工焊接时发生的电池内电解液及电极物质的热化现象，因此提高了了标签工作温度的安全性，长期保存及减少了长期使用时的自放电率，从而可延长标签使用寿命。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1所示为本发明实施例的一种半有源RFID标签的三维结构示意图。

图2所示为本发明实施例的一种半有源RFID标签沿PET基材平面的截面示意图。

图3所示为本发明实施例的一种半有源RFID标签的凹槽长度与天线阻抗的关系变化示意图。

图4所示为本发明实施例的一种半有源RFID标签随不同附着材质与天线阻抗的关系变化示意图。

图5a所示为本发明实施例的一种半有源RFID标签对应于方位角(X-Y平面)的半有源RFID标签辐射示意图。

图5b所示为本发明实施例的一种半有源RFID标签对应于仰角(X-Z，Y-Z平面)的半有源RFID标签辐射示意图。

图6所示为本发明实施例的一种半有源RFID标签天线的远距离识读测试结果示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

请参阅图1，其为本发明实施例的一种半有源RFID标签的三维结构示意图，本发明的半有源RFID标签包括：基材；电池，设置于所述基材表面上；导电性天线，设置于所述基材表面的边缘位置处；集成电路芯片，邦定于所述导电性天线上；供电回路，设置于所述基材表面上，与所述导电性天线和所述电池分别相连，且在靠近所述导电性天线一侧设置有弯折线形状(meander line)。

具体地，附着于车辆挡风玻璃100的半有源RFID标签具体可以包括：第一复合纸200(a)、第二复合纸200(b)、半有源RFID标签的复合粘合剂201、基材300、天线301、供电回路302、凹槽304、集成电路芯片400、电池500，以及电池500的正极/负极极耳粘贴部分501。其中，第一复合纸200(a)和第二复合纸200(b)通过复合贴合剂201将基材300及设置于基材300表面的电池500、天线301、集成电路芯片400和供电回路302封装成一体。电池500优选为采用超薄金属铝袋状膜的超薄电池。

请参阅图2，图2为本发明实施例的一种半有源RFID标签沿PET基材平面的截面示意图。其中，天线301包括：主体3011；两个侧翼2013，与主体3011两端分别相连，形成U型结构。主体3011内开设有凹槽304，且在靠近供电回路302一侧开设有槽口(槽口位置即集成电路芯片400所在位置)，槽口与凹槽304形成“凸”型结构。且，集成电路芯片400邦定(bonding)于槽口处。另外，从图中可以看到，供电回路302包括两根导线，两根导线在靠近电池500一侧平行排布，且在靠近天线301处形成呈现出对称凸起的折弯线形状(meanderline)。

请一并参见图1和图2，详细阐述本发明的半有源RFID标签。具体地，超薄电池一体型半有源RFID标签由PET做为基材；在上述PET上的导电性材质的标签天线；上述PET上为超薄电池提供电源的导电性供电回路；易于薄膜电池集层膜附着的而印刷的标记部分；将包含超薄电池的一体型结构的上下层使用有粘合力的铜版纸材质进行复合；与上述超薄电池和导电性天线连接的RFID集成电路芯片构成。并且，图1中，构成标签天线的导电性标签图案和为供给电源的供电回路，标记超薄电池位置的记号线都是在同一PET平面上的。另外，半有源RFID标签由在有限的面积上可以发送一定频率的导电性天线，直接在电波发收信号天线上邦定的IC和为超薄电池供给电源的供电回路，以及通过天线辐射产生的电力做为电源的专用IC芯片构成。

优选地，本发明的超薄电池具有使用超薄金属铝(Al)袋状材质，维持了柔软性，并且能防止在高温热焊接时有可能发生的电池内部电解液及电极物质的热化现象的特点。

进一步，附图标记303为电池500附着位置标记线。该一体化结构图中，半有源RFID标签附着结构图中邦定有RFID集成电路芯片的供电环不是在PET基材上独立占据一个空间，而是插入在标签天线结构内部，并且可作为根据凹槽长度(长轴)变化而使用的电源支持型集成电路芯片的阻抗匹配的设计参数。

插入在标签天线结构内部的阻抗匹配用凹槽的位置与为半有源RFID标签支持电池的供电回路是电磁耦合，并且可根据导电性封装材质超薄电池的排列位置设计在适当的位置而并非中心位置。

使用的集成电路芯片的Flip-chip特定邦定晶点和超薄电池的正极和负极通过电气性连接的供电回路根据电磁的干扰和耦合对根据标签天线形成的增益和谐振频率产生决定性影响，因此在设计阶段一定要充分考虑的问题。

本发明中连接电池电源的供电回路为弯折线形式(meander line)，并且考虑到标签天线谐振频率，长度为谐振长度以上且与标签图案靠近布置，减少了干扰和耦合的影响。

供给电源的超薄电池的正极(+)和负极(-)要与印刷在PET上电池电极用连接点在不短路的前提下以垂直方向连接。这种超薄电池的电气性连接要根据超薄电池极耳材质和PET上电池连接点的材质选择焊接，激光焊接(Laser Welding，简称LW)，超声波焊接(Ultrasonic Welding，简称UW)，异向导电胶膜(Anisotropic Conductive Film，简称ACF)，导电胶带(Electrically Conductive Tape，简称ECT)等连接方式。

特别是，考虑到半有源RFID标签的高温使用环境和需要长期使用的特点，超薄电池极耳的焊接要非常稳定，这种电气性粘接需通过两个极耳(+/-)间的水平面内需要防止短路，极耳间位置，相隔距离，粘接材料，工艺条件的最佳化来实现。

本发明的半有源RFID标签的PET材质在最初粘贴在车辆挡风玻璃后，人为拆毁时为易于撕毁标签，除了放置超薄电池的部分以外其他周边可添加打孔的防拆线。这种防拆线可考虑对半有源RFID标签人为撕毁的方向决定斜线方向或几何形状。

以下结合实验结果分别对本发明的半有源RFID标签的结构设计进行详细描述。

请参阅图3，其为本发明实施例的一种半有源RFID标签的凹槽长度与天线阻抗的关系变化示意图，即示意图为随着半有源RFID标签凹槽长度(pl)而变化的阻抗的电抗(reactance)成分。通常，因为结构的制造特性，UHF频段RFID集成电路芯片的阻抗是具有较大虚数值和较少实数值的复阻抗形态。这种标签芯片的复阻抗结构是提高Q(Qualityfactor)值，从而难以进行与天线之间的匹配，并且降低标签天线阻抗带宽主要因素。

一般无源RFID电子标签为对集成电路芯片的较小电阻成分和较大容量性电抗成分进行共辄匹配(conjugate matching)，一般使用对标签天线形成将辐射回路保持一定间距的环形态的供电和形成T-匹配的电感耦合方式。

输入阻抗的电抗成分主要由供电回路的电感决定。因此，通过变更长方形凹槽长轴大小(pl)，设计出与各种IC芯片和根据附着材质变化的各种阻抗共轭匹配的天线结构。另外，一般的电感耦合RFID电子标签的辐射电阻，主要是通过供电回路和辐射回路之间的间距和供电凹槽短轴宽度进行调节。因此，通过调节供电回路和辐射回路之间的间距，适当匹配标签天线输入端阻抗的电阻成分。

如上所述的电感耦合T-匹配方式中，标签天线输入阻抗的实数成分和虚数成分的变化，可通过独立的设计变量进行控制。

图3为半有源RFID标签天线内部的随着供电凹槽长方形长度(pl)而变化的标签天线的阻抗的电抗成分，详细地说，标签天线内部插入的供电凹槽的短轴宽度例如为2mm，供电回路的长轴长度(pl)从16mm变化到23mm时输入阻抗的虚数成分发生了变化。

在中心频率0.92GHz处，供电凹槽的长边长度从16mm变化到23mm时，输入阻抗的电抗成分从–j60到–j100变化幅度相对较大。以上的阻抗的电抗成分在实际Flip-chip邦定时将会反映发生的寄生成分调试到最佳化

因此，可以说，本发明的半有源RFID标签的共辄匹配的核心是供电回路的电感耦合供电方式中，决定输入阻抗电抗成分的主要的设计参数是供电凹槽的长轴方向的长度(pl)成分。

请参阅图4，其为本发明实施例的一种半有源RFID标签随不同附着材质与天线阻抗的关系变化示意图，即示意图为随着不同附着材质而变化的半有源RFID标签天线输入阻抗电抗成分。在空气中和附着车辆挡风玻璃时随着不同附着材质而变化的半有源RFID标签天线输入阻抗电抗成分。实际应用环境中根据附着材质的厚度，半有源RFID标签的附着位置偏差，附着位置周边环境差异等因素可能会对RFID标签天线性能产生决定性影响。因此，考虑以上实际应用环境，对周边环境的变化有着迟钝特性的RFID标签产品是提高标签广泛使用性，降低制作成本以及减少制作误差的重要因素。

在中心频率0.92GHz处，空气中的输入阻抗存在从低频率向高频率增加的倾向，附着在车辆挡风玻璃时村子0.90GHz频率从中心处标签的输入阻抗变动的特点。模拟实验中车辆挡风玻璃的厚度假设为5mm时，以0.89GH为中心，在低频段中附着在车辆挡风玻璃时呈现出更高的电抗值，在高于0.89GHz的频段中放置在空气中的半有源RFID标签呈现更高的电抗值。因此，在一定范围内的车辆挡风玻璃的厚度不会给半有源RFID标签的输入电抗的变化特性带来很大影响。

请一并参阅图5a和图5b，其中，图5a为本发明实施例的一种半有源RFID标签对应于方位角(X-Y平面)的半有源RFID标签辐射示意图；图5b为本发明实施例的一种半有源RFID标签对应于仰角(X-Z，Y-Z平面)的半有源RFID标签辐射示意图。即，图5a中是以UHF频段为基准，在不同频率时电子标签在X-Y平面上的辐射图；图5b为phi＝0°和phi＝90°时的电子标签辐射图。

图5a中，在X-Y平面中出现最大辐射的领域为phi＝60°和phi＝150°之间的位置，出现最小辐射的领域为方位角phi＝210°的位置。标签天线增益值在中心频率0.92GHz下最大辐射方位角(azimuth angle:phi方向)为3.5dBi。

图5b为phi＝0°的X-Z平面和phi＝90°的Y-Z平面上的标签天线增益辐射图。图中可知，phi＝0°时仰角theta＝90°处呈现最大指向性的特性。即，仰角方向的最大增益具有以半有源RFID标签天线平面为基准时，中心轴具有偏歪的特性，并且将半有源RFID标签天线附着在车辆挡风玻璃时要考虑RFID读写器天线与极化方向后粘贴。

最后，请参与图6，图6为本发明实施例的一种半有源RFID标签天线的远距离识读测试结果示意图。在测试中使用的系统为，在实际厚度为5mm的车辆挡风玻璃上附着半有源RFID标签后通过使用Voyantic公司的Tagformance系统进行的测试。

分析测试数据结果，在中心频率0.92GHz中最大读取距离为34m。在实际应用环境中根据固定式读写器固定高度的不同，方位角会发生变化，并且要充分考虑到车辆行驶时的识读率的变化。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种半有源RFID标签，可附着于车辆挡风玻璃，其特征在于，包括：

基材；

电池，设置于所述基材表面上；

导电性天线，设置于所述基材表面的边缘位置处；

集成电路芯片，邦定于所述导电性天线上；

供电回路，设置于所述基材表面上，与所述导电性天线和所述电池分别相连，且在靠近所述导电性天线一侧设置成弯折线形状，且所述供电回路包括两根导线，所述两根导线在靠近所述电池一侧平行排布，在靠近所述导电性天线处形成呈现对称凸起的折弯线形状。

2.如权利要求1所述的半有源RFID标签，其特征在于，所述基材为PET。

3.如权利要求1所述的半有源RFID标签，其特征在于，所述导电性天线包括：

主体；

两个侧翼，与所述主体两端分别相连，形成U型结构。

4.如权利要求3所述的半有源RFID标签，其特征在于，所述主体内开设有凹槽，且在靠近所述供电回路一侧开设有槽口，所述槽口与所述凹槽形成“凸”型结构。

5.如权利要求4所述的半有源RFID标签，其特征在于，所述集成电路芯片邦定于所述槽口处。

6.如权利要求4所述的半有源RFID标签，其特征在于，所述凹槽为矩形，其沿所述基材平面的长轴位于范围16mm~23mm内。

7.如权利要求1所述的半有源RFID标签，其特征在于，所述电池为采用超薄金属铝袋状膜的超薄电池。

8.如权利要求1所述的半有源RFID标签，其特征在于，还包括第一复合纸和第二复合纸，所述第一复合纸和所述第二复合纸通过复合贴合剂将所述基材及设置于所述基材表面的所述电池、所述导电性天线、所述集成电路芯片和所述供电回路封装成一体。

9.如权利要求1所述的半有源RFID标签，其特征在于，所述基材表面设置有印刷的标记图案，用于准确附着所述电池。

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