CN205028325U - 射频识别标签的一种封装装置 - Google Patents

Abstract

射频识别标签的一种封装装置设计了一种装置来封装射频识别标签，属于射频识别技术领域，又是一项物流技术。该装置解决含水材质物体上安放射频标签时遇到的电磁波被水分吸收的问题，以及射频标签安放在物流托盘上容易被挤撞刮擦而损坏的问题。该装置主体是罩形柱壳体，内部有隔断层，和底面形成容纳腔放置射频标签；容纳腔到柱体敞口端的距离小于0.62·(φ³/λ)^0.5米，但不小于5毫米；围绕柱体外侧面生长有2到4个锚定结构，用于本装置的安装和固定；该装置采用电磁波通透材料制作。该装置可嵌入安装在木制物流托盘上，用以解决上述电磁波吸收和挤撞损坏的问题。也可以应用在面临这类问题的其他场合，比如地面埋设射频标签。

Description

射频识别标签的一种封装装置

技术领域

射频识别技术、物流技术

背景技术

射频识别(RFID)技术在实践中的一个巨大挑战是当无源射频识别标签粘贴在物品上，物品材质中的水分会给射频标签的耦合和反馈能力予以抑制。物流行业的木制托盘是应用最广泛的一类托盘，木材本身含水分，使用中又会遭受雨淋和潮侵，所以木托盘的含水率比一般木材更高，对UHF电磁波的吸收很大。当无源超高频标签粘附在木托盘的外表面某个位置，我们的实验数据揭示其读取距离只有空中读取的1/3甚至1/6。竹、秸秆等生物材质托盘有同样的问题。本文将此问题简称为“潮湿衰减问题”。

托盘在流转使用的过程中，时刻可能遭受叉车、其他托盘或重物等的碰撞、挤压和刮擦。雨淋也会直接损坏射频标签。因而安放在托盘上的射频标签必须能够规避和抵抗这些侵害。条形码在托盘应用上的高损坏率是一个佐证。本文将此问题简称为“外致损坏问题”。

美国专利US7619531B2(2009，Carrender等)公开了一种外置槽口天线(slotantenna)来扩展射频标签天线的方法，针对某些射频识别标签可以比较好地解决上述两个问题。厚实的金属槽口天线可以抵抗外部撞击和增加电场耦合及反馈能力，再配合腔体就可以解决“潮湿衰减问题”。但是该专利也有几个缺点：1、制作复杂：该槽口天线的金属材料厚度要求超过6.35毫米，标签天线和槽口天线之间需要通过锡焊或导电胶连接；2、槽口透水：具体应用在托盘上的话要另行增加防水设置；3、会改变射频标签天线的属性，现有市场供应的大部分标签版式(inlay)无法适用；4、未考虑在安装的问题，需要附加设备来固定。

美国专利US9064163B2(2015，Phaneuf等)公开了一种方法，耦合或连接外部金属线来扩展无源射频标签的版式天线，这在一定程度上增强了标签天线的电能耦合和发射强度，从而抵消托盘木材吸收电磁波的一部分损失。该方法也会改变射频标签天线的属性，而且不针对“外致损坏问题”。中国专利CN202472719U(2012，王淑军)期望通过金属垫层反射或谐振来增强无源射频标签版式天线的接收和发射，但是没有公开绝缘底板的厚度数据或公式，难以复制。如其所述，该专利应该可以解决“潮湿衰减问题”，但有可能带来另一个比较大的麻烦就是金属反射抑制的问题。该专利不针对“外致损坏问题”。

但是射频识别标签技术的最新发展，使得对射频标签天线的任何外置扩展都不一定有效。世界各主要厂家出品的最新一代的超高频无源标签针对865M～928MHz频段在开启门槛电压和回放电压上都做了最大优化，任何外置扩展都将改变标签天线的固有特性，破坏标签芯片和标签天线的最优化配合设计。

中国专利CN201387689Y(2010，王开疆等)公开了一种用高分子材料盖板遮住贴在托盘上的标签的方法，可以一定程度上使标签免受外部挤撞。不过该盖板会在托盘上形成凸起，反而会增加标签部位被挤撞的概率。其次，该专利不针对“潮湿衰减问题”。

中国专利CN203601705U(2014，龚卫等)公开了在托盘上钻细长的洞、将无源射频标签绕卷后植入的方法，针对解决的是“外致损坏问题”，不针对“潮湿衰减问题”。必须提出的是，我们对该方法的可行性表示怀疑：其一、它与RFID电磁学理论反向而行，缩小了能量耦合面积并造成电磁波被标签自我遮蔽；其次、虽然业内有电磁近场的应用研究，但目前超高频识别(UHFID)技术采用的完全是远电场的耦合(capacitive)，而非磁场的耦合(inductive)，该专利对此有错误表述。所以，该方法不适用于木制托盘，即使在塑料托盘上可用，也会牺牲读取距离。中国专利CN201231887Y(2009，王金)公开了一种相似的方法，不适用木托盘，并且其中要求无源射频标签卷绕更多匝数，可行性更值得怀疑。

还有不少专利公开了托盘上射频标签的安放方法，例如中国专利CN203667109U(2014，张纪明)，因为不针对“潮湿衰减问题”，所以仅适用塑料托盘。本文就不罗列这些专利了。

发明内容

射频识别标签的一种封装装置(下称“本发明”或“本装置”)设计了一种装置来封装射频识别标签，该装置可嵌入安装在木制物流托盘上，用以解决上述“潮湿衰减问题”和“外致损坏问题”。本装置也可以应用在面临这类问题的其他场合，比如用于地面埋设射频识别标签。

本装置主体的形状是一端敞开的空心柱体，即罩子形状的圆柱形或棱柱形壳体，包含一个底面壳和一个侧面壳，它可以是圆柱壳体(100)，也可以是底面非圆的棱柱壳体(200)。底面的尺寸取决于被封装的射频识别标签的天线大小，以整个标签天线可以平展于柱壳体的内底面为宜。

柱壳体内部的空心腔体被一个平行于底面的隔断层分割成两部分。隔断层可以是不可拆卸的、和柱壳体粘连一体的连体隔断层(520)，也可以是可拆卸的、和柱壳体分体的分体隔断层(540)。不论是连体还是分体的形式，隔断层和柱壳体的底面之间形成容纳腔体(560)，用于放置射频识别标签。连体隔断层(520)上有一个槽形开口(522)，用于往容纳腔体置入和取出射频标签。分体隔断层(540)呈现和柱壳体内底面内接的多边形或曲边多边形，通过壳体内侧面上的一圈连续的或非连续的凸出纹(542)卡在柱壳体底面和凸出纹之间，把射频标签夹在隔断层(540)和柱壳体底面之间。凸出纹(542)的位置受下述封装有效高度控制。

容纳腔体(560)到敞口虚底面的平均距离h我们定义为封装有效高度(580)，应当符合公式：

0.005≤h＜0.63·(φ³/λ)^0.5

其中φ是被封装的射频识别标签天线的外接圆直径，λ是读写射频识别标签的电磁波波长，单位为米。在这个公式范围内，当h值越大，对封装的射频识别标签的读写效果就越好。当h≈0.62·(φ³/λ)^0.5米，射频标签天线的电磁场将从交互近场转入辐射近场，射频标签的读写效果开始不再有明显增加。本装置的侧高等于封装有效高度(580)、容纳腔体(560)的高度、底面壳厚度之和。

在柱壳体的外侧面生长有2到4个突出的片状锚定结构(611)或结节状锚定结构(631)，分布在外侧面四周，形成着力点，用于将本装置安装和固定在其他物体上。片状锚定结构(611)用于被螺丝或钉子紧固在其它物体上，其上有孔(613)用于螺丝或钉子的通过。结节状锚定结构(631)用于卡在外部物体的孔洞中以固定本装置。靠近每个结节(631)的两边，柱壳体侧面被分别切出豁口(633)，以在锚定的方向上增加本装置整体的挠度，使材料可以具有充分的刚度又可以有足够的形变，这样本装置可以被顺利压入外物的同型坑槽而又不致损坏。豁口(633)的形状可以是但不限于三角形、长方形、半椭圆形、顶端半圆的条形。豁口(633)的深度以不损伤连体隔断层(520)或者凸出纹(542)为宜，否则会降低本装置容纳腔体(560)的防水防潮性能。

柱壳体，包括隔断层，均采用电磁波通透(RF-lucent)而且防水的材料制作，可选用但不限于：尼龙、乙烯酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯、聚乙烯、聚氨酯、聚酯、聚烯烃、聚酰胺、乙烯、硅酮、聚对苯二甲酸乙酯(PET)、聚萘二甲酸(PEN)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚醚酮(PEEK)、聚砜(PS)、聚亚苯基砜(PPS)、聚醚砜(PES)、聚氯乙烯(PVC)、聚酯、聚酰亚胺、或者其中两种以上物质混合得到的材料。分体隔断(540)还可以采用硬纸片或者泡沫材料制作。

本发明的有益效果是：

(一)、射频识别标签经本发明封装后，再安装于竹木制物流托盘上，射频标签的读取距离相较直接粘贴可提高2倍以上，材料中水分对电磁波的吸收作用不再严重影响射频标签的读取；

(二)、本发明设计了嵌入式安装方法，无突出部的包裹能有效降低射频标签被碰撞、挤压、或刮擦而损坏的概率；

(三)、本装置的容纳腔体保护射频标签，具有防水防潮的功能；

(四)、本装置不改变射频标签的固有天线属性，不限定标签的干版(dryinlay)或湿版(wetinlay)，适用市场供应的绝大多数射频标签；

(五)、制作简单：选用本发明选定的电磁通透高分子材料，本装置可以通过注塑或吹塑一次成型。

附图说明

图1和图2的图组表现的是本发明“射频识别标签的一种封装装置”采用底面为一种曲边多边形的罩形柱壳体、配置连体隔断层和片状锚定结构的实施例。图1是从敞口一端斜向柱壳体内部观察的内观图。图2是从实底一端斜向观察本装置外部的外观图暨其四分之一剖视图，在剖截面上可见连体隔断层、容纳腔体、以及封装有效高度之间的几何关系，以及连体隔断层和射频标签投放口之间的几何关系。A剖面(901)和B剖面(902)在图中以虚线框标出。

图3、图4和图5的图组表现的是本发明采用罩形圆柱壳体、配置分体隔断层和结节状锚定结构的实施例。图3是从敞口一端斜向柱壳体内部观察的内观图。图4是从实底一端斜向观察本装置外部的外观图暨其四分之一剖视图，在剖截面上可见分体隔断层、凸出纹、容纳腔体、以及封装有效高度之间的几何关系，可见结节体的截面几何形状。C剖面(903)在图中以虚线框标出，另一剖面垂直于C剖面成一线。图5是相应的分体隔断层的一种卡片样式。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

本装置实施例的各部分均采用电磁波通透(RF-lucent)而且防水的材料制作，可选用但不限于：乙烯酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯、聚乙烯、聚氨酯、聚酯、聚烯烃、聚酰胺/尼龙(PA)、乙烯、硅酮、聚对苯二甲酸乙酯(PET)、聚萘二甲酸(PEN)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚醚酮(PEEK)、聚砜(PS)、聚亚苯基砜(PPS)、聚醚砜(PES)、聚氯乙烯(PVC)、聚酯、聚酰亚胺、或者其中两种以上物质混合得到的材料。

以下是两个实施例。

(一)、采用底面为一种曲面多边形的罩形柱壳体(200)、配置连体隔断层(520)和两片片状锚定结构(611)的本发明实施例如图1和图2表达的形式和构造。

本实施例封装的射频识别标签型号是Alien公司的ALN-9662，其版式/天线的尺寸为70×17毫米，读写频段840MHz到928MHz。

本实施例采用电磁波通透而且防水的材料制作，从上文所述电磁通透高分子材料中选定半硬质PVC。根据PVC材质，壳体厚度确定为2毫米±20％，隔断层厚度为1毫米。

射频标签的天线尺寸加上壳体厚度、射频标签基材的3毫米边距、以及一些冗余，本实施例中的棱柱壳体(200)的外底面确定为74×31毫米的长方形加上两头分别一个直径31毫米的半圆。半圆部分的作用是填补旋转刀片(rotarybit)开槽后在槽两头留下的多余部分。

柱壳体内部的空心腔体被平行于底面的连体隔断层(520)分割成两部分。隔断层和柱壳体的底面之间形成容纳腔体(560)，用于放置射频识别标签。射频标签的置入和取出需要一定的空间周转，所以确定容纳腔体(560)的高度为4毫米。射频标签通过投放口(522)置入或取出，它是连体隔断层(520)长度方向上6.5：3.5位置上的一个槽形开口，宽度确定为6毫米，长度25毫米，方便射频标签的出入。

由于射频标签天线的外接圆直径φ≈0.072米，射频标签的读写电磁波波长0.323米＜λ＜0.357米，按照实际应用的需求，确定封装有效高度h(580)为6毫米，可以满足公式0.005米≤h＜0.63·(φ³/λ)^0.5米。

本实施例的装置外侧面高度为封装有效高度(580)、容纳腔体(560)、底壳厚度之和，等于12毫米。

片状锚定结构(611)生长于柱壳体的两边侧面上，用于被螺丝或钉子紧固在其它物体上。锚定片(611)的尺寸按图1和图2、相较柱壳体的尺寸同比例缩放。安装本装置到目标物体上的时候，在目标物体上开凿和柱壳体形状相同的坑槽，将本装置放入，然后将锚定片(611)钉上即可。锚定片上的孔(613)用于螺丝或钉子的通过。

(二)、选用罩型圆柱壳体(100)、配置分体隔断层(540)和两个结节状锚定结构(631)的本发明实施例如图3、图4和图5表达的形式和构造。

本实施例封装的射频识别标签型号是Impinj公司的H47，其版式/天线的尺寸为44×44毫米，读写频段840MHz到928MHz。

本实施例采用电磁波通透而且防水的材料制作。从上文所述电磁通透高分子材料中，壳体选定的是铸型尼龙。铸型尼龙比较坚硬耐磨，所以确定壳体厚度为0.7毫米±20％，凸出纹(542)的厚度为0.5毫米。分体隔断层(540)的材料可以从上文所述电磁通透高分子材料中选取，也可以采用硬纸片或泡沫材料。从成本角度考虑，分体隔断层(540)最终选定0.5毫米厚的硬纸片制作。

射频标签的天线尺寸加上壳体厚度、射频标签基材剪角后的的3毫米边距、以及一些冗余，本实施例中的圆柱壳体(100)外底面确定为直径65毫米的圆。

分体隔断层(540)通过壳体内侧面上的一圈连续的凸出纹(542)卡在柱壳体底面和凸出纹之间，平行于底面，从而把射频标签夹在分体隔断层(540)和柱壳体底面之间形成的容纳腔体(560)内。这个容纳腔体(560)的高度只需要1毫米。分体隔断层(540)是在柱壳体底面内接的圆形材料的基础上、在圆心的两边分别剪切出25％初亏，这样比较容易卡进凸出纹(542)和底面之间。

由于射频标签天线的外接圆直径φ≈0.062米，射频标签的读写电磁波波长0.323米＜λ＜0.357米，按照实际应用的需求，确定封装有效高度h(580)为7毫米，可以满足公式0.005米≤h＜0.63·(φ³/λ)^0.5米。

本实施例的装置外侧面高度为封装有效高度(580)、容纳腔体(560)、底壳厚度之和，等于9毫米。

在敝口一端，结节状锚定结构(631)生长于圆柱壳体(100)的两边外侧面上，用于卡在外部物体的孔洞中以固定本装置。结节状锚(631)的截面呈直角三角形，设定突出距离3毫米，使其方便压入，防止脱出。但其它实施例结节状锚的形状并不限于三角形，突出尺寸也不限于3毫米。

靠近每个结节状锚(631)的两边，柱壳体的侧面壳被分别切出豁口(633)，以在结节状锚(631)的方向上增加本装置整体的挠度，使材料在保持充分刚度的情况下又可以有足够的形变，以使结节状锚(631)被顺利压入外部圆形坑槽中而又不致损坏本装置。豁口(633)的形状采用三角形，缺口边4毫米宽。豁口(633)的深度刚好触及凸出纹(542)，保证容纳腔体(560)的防水防潮性能。安装本装置到目标物体上的时候，在目标物体上钻开和柱壳体大小相同的圆形坑槽，在圆槽底边继续为结节锚钻两个小孔，将本装置压入到卡住的位置。

本实施例材料满足下述刚度和挠度要求：允许本装置发生一定的非破坏性形变，以便结节状锚(631)顺利压入与本装置同尺寸的圆形坑槽中；当结节状锚嵌入对应孔洞后，本装置立即回复并保持原型。

Claims (9)

1.射频识别标签的一种封装装置，其特征在于：

C01：其主体的形状是一端敞开的空心柱体，即罩子形状的柱壳体，其中的空心腔体被一个平行于底面的隔断层分割成两部分，隔断层和柱壳体实底面之间形成容纳腔体，用于放置射频识别标签；

C02：容纳腔体和柱壳体敞口端虚底面之间的平均距离称为封装有效高度，不小于5毫米；

C03：围绕柱体的外侧面生长有2到4个向外突出的锚定结构，形成着力点，用于将本装置安装和固定在其他物体上；

C04：柱壳体，包括隔断层，对电磁波通透(RF-lucent)。

2.根据权利要求1所述的射频识别标签的一种封装装置，其特征在于，在特征C02中，所述封装有效高度小于0.63·(φ³/λ)^0.5米，其中φ是被封装的射频识别标签天线的外接圆直径，λ是读写射频识别标签的电磁波波长，单位为米。

3.根据权利要求1所述的射频识别标签的一种封装装置，其特征在于，在特征C04中，柱壳体，包括隔断层，采用下列材料中的一种或者若干种的混合物制作：尼龙、乙烯酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯、聚乙烯、聚氨酯、聚酯、聚烯烃、聚酰胺、乙烯、硅酮、聚对苯二甲酸乙酯(PET)、聚萘二甲酸(PEN)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚醚酮(PEEK)、聚砜(PS)、聚亚苯基砜(PPS)、聚醚砜(PES)、聚氯乙烯(PVC)、聚酯、聚酰亚胺；这些材料对超高频电磁波通透，而且防水。

4.根据权利要求1所述的射频识别标签的一种封装装置，其特征在于，在特征C01中，隔断层可以是和柱壳体粘连一体的不可拆卸的连体隔断层。

5.根据权利要求1所述的射频识别标签的一种封装装置，其特征在于，在特征C01中，隔断层可以是和柱壳体可分离、可拆卸的分体隔断层，通过柱壳体内侧面上的一圈连续的或非连续的凸出纹卡在柱壳体底面和凸出纹之间。

6.根据权利要求1所述的射频识别标签的一种封装装置，其特征在于，在特征C03中，锚定结构可以是片状，用于被螺丝或钉子紧固在其他物体上。

7.根据权利要求1所述的射频识别标签的一种封装装置，其特征在于，在特征C03中，锚定结构可以是结节状，用于卡入外部物体的孔洞以固定本装置。

8.根据权利要求7所述的射频识别标签的一种封装装置，其特征在于，靠近每个结节状突起的两边，柱壳体侧面被切出豁口，用于增加本装置嵌入外物的同型坑槽时壳体形变所需要的挠度。

9.根据权利要求1到8任意一项所述的射频识别标签的一种封装装置，其特征在于，根据制作材料的不同，柱壳体的壳厚在0.5毫米至2.5毫米之间。