一種無線射頻標籤的製作方法

2023-06-03 02:07:31

專利名稱：一種無線射頻標籤的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於無線射頻識別技術領域，具體地說，本實用新型涉及一種 無線射頻標籤及其閱讀系統。
背景技術：
無線射頻識別技術(RFID, Radio Frequency Identification)是一種非接觸的 自動識別技術，其基本原理是利用射頻信號和空間耦合(電磁耦合或電磁傳播) 傳輸特性，實現對被識別物體的自動識別。
電磁傳播或者電磁反向散射耦合，即所謂的雷達原理模型，發射出去的電 磁波碰到目標後反射，同時攜帶回目標信息，依據的是電磁波的空間傳播規律。 電磁反向散射耦合方式一般適合於高頻、微波工作的遠距離射頻識別系統。典型 的工作頻段包括430 460MHz， 865~ 928MHz， 2.35~ 2.45GHz， 5.4~ 6.8GHz 。 識別的作用距離為0.1~1米，典型作用距離為3 10米。
射頻標籤系統一般由兩部分組成，即電子標籤(應答器，Tag)和閱讀器(也 叫讀頭，即Reader)。在RFID的實際應用中，電子標籤附著在被識別的物體上 (表面或內部)，當帶有電子標籤的被識別物品通過閱讀器的可識別區域時，閱 讀器自動以無接觸的方式將電子標籤中的約定識別信息取出，從而實現自動識別 物品或自動收集物品識別信息的功能。
目前已有的射頻標籤(RFID) —般由集成電路IC晶片和相關的天線組成。 讀出器天線發射無線電信號給標籤，射頻標籤(RFID)通過自己的專用天線接 收此信號，利用他從信號得到的能量(有的RFID標籤上裝有電源)啟動標籤上 的集成電路晶片工作。讀出器也是由天線、信號收發接收器和解碼器組成。 一旦 RFID標籤上的晶片被激活啟動後，就進行需要的讀出、寫入操作，讀出器可把 通過天線得到的標籤晶片中的數據，經過解碼送往主計算機處理。
這種採用由集成電路IC晶片構成的無源射頻標籤，在工作時，首先要從閱 讀器獲得足夠的能量，當收到的能量達到一定的域值時，標籤中的IC才開始工
作。因此，識別時間長，在應用範圍上受到一定的限制。工作在較高頻率段時(如 工作在430 460MHz， 865 928MHz， 2.35~ 2.45GHz， 5.4 6.8GHz頻段)，由 於內部沒有射頻振蕩器，這樣，反射回閱讀器的射頻信號載波的頻率穩定度比較 差，給閱讀器快速準確識別帶來一定的困難。
發明內容
本實用新型的目的是克服現有技術的不足，採用體聲波多模諧振器本身作 為射頻或微波信號源，從而提供一種能夠直接對閱讀器的查詢信號進行應答，可 以工作在300MHz lOGHz的工作範圍，並且易於一體化集成的無線射頻標籤及 其閱讀系統。
為實現上述實用新型目的，本實用新型提供的無線射頻標籤，包括射頻波 信號源和射頻天線301，其特徵在於，所述射頻信號源採用體聲波多模諧振結構， 包括由下至上依次分布的體聲波諧振腔體310、底電極330、壓電薄膜340和頂 電極360;所述體聲波諧振腔體310是一種體聲波傳播固體介質，其固體介質材 料採用藍寶石單晶、釔鋁石榴石或熔融石英；所述底電極330和頂電極360均為 金屬電極，所述的底電極330和頂電極360與所述的射頻天線301連接。
上述技術方案中，所述射頻信號源還包括位於體聲波諧振腔體310和底電 極330之間的聲學耦合層320;所述聲學耦合層320是用於聲學阻抗匹配的一層 或多層聲傳播介質；所述聲學耦合層320的聲阻抗接近所述壓電薄膜340聲阻抗 與所述體聲波諧振腔體310聲阻抗乘積的平方根。
上述技術方案中，所述射頻信號源還包括位於壓電薄膜340和頂電極360 之間的絕緣層350。
上述技術方案中，所述壓電薄膜340是磁控濺射方法生成的壓電薄膜，或者 是化學微加工方法製作的壓電單晶薄膜，或者是用溶膠法製作的壓電薄膜。
上述技術方案中，還包括一在射頻天線301和射頻信號源之間實現阻抗匹 配的天線匹配電路302;所述天線匹配電路302 —埠與所述的底電極330和頂 電極360連接，另一埠與所述的射頻天線301相連接。
上述技術方案中，所述的射頻天線301採用鞭狀天線或複合介質天線，或者
採用與所述射頻信號源集成在一起的微帶天線，或者採用導電油墨製作的線狀天 線。
為實現上述發明目的，本實用新型提供的無線射頻標籤閱讀系統，包括閱 讀器400和閱讀器天線401 ，所述閱讀器400是一種負責射頻標籤查詢信號的發 射和接收的雷達收發設備，其特徵在於，所述的閱讀器400包括語音提示單元、 査詢信號發生器、外部接口控制單元、射頻收發開關、顯示單元、信號檢測解碼 電路以及控制上述各單元的嵌入式計算機單元；還包括連接在查詢信號發生器與 射頻收發開關之間的功率放大器，以及連接在射頻收發開關與信號檢測解碼電路 之間的低噪聲放大器；所述射頻收發開關與閱讀器天線401連接。
本實用新型的優點是，由於體聲波多模諧振器本身就是射頻(或微波)諧振 器，它可以作為射頻或微波信號源，它可以直接將標籤天線接收到的射頻信號轉 換成體聲波，從而可以直接對閱讀器的査詢信號進行應答。這種射頻標籤可以工 作在300MHz 10GHz的工作範圍，因此，標籤和天線都可以製作得非常小，而 且易於一體化集成。在應用上，它可以作為獨立的射頻標籤，廣泛應用於物品識 別或安全人員識別。也可以和現有的帶集成電路IC晶片的射頻標籤系統一起工 作，組成一個雙頻工作的射頻標籤，功能互相補充。本實用新型尤其適合於工作 在超高頻及以上的頻段(如430 ~ 460MHz， 865~ 928MHz， 2.35~ 2.45GHz, 5.4~ 6.8GHz頻段)。


圖1由體聲波多模諧振器構成的射頻標籤(RFID)及系統的原理性框圖 圖2由體聲波多模諧振器、天線匹配電路和天線構成的射頻標籤(RFID) 圖3射頻標籤(RFID)閱讀器系統的原理性框圖
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施例對本實用新型作進一步詳細描述。
實施例
圖1示出了本實用新型的兩個部分，即射頻標籤(RFID)和相應的射頻標 籤(RFID)閱讀器系統的原理性框圖。
所述的射頻標籤(RFID)由體聲波多模諧振器300、天線匹配電路302和 射頻天線301組成。所述的體聲波多模諧振器103主要包括體聲波諧振腔和壓電 薄膜換能器。所述的體聲波諧振腔的厚度決定所述的體聲波多模諧振器103兩個 相鄰諧振頻率的間隔或在時間域裡，兩相鄰反射脈衝的時間間隔；所述的壓電薄 膜換能器中壓電薄膜的厚度決定所述的體聲波多模諧振器103工作的中心頻率。 本實用新型中，所述的體聲波多模諧振器103工作的中心頻率可以在 300MHz 10GHz，所述的體聲波諧振腔的厚度可以在20微米 20毫米的範圍。 通過調節所述的體聲波多模諧振器103的中心頻率以及其諧振腔的厚度來產生 不同的射頻標籤。
進一步地，如圖2所示，本實施例中所述的體聲波多模諧振器300包括體 聲波諧振腔體310、聲學耦合層320、底電極330、壓電薄膜340、絕緣層350 和頂電極360組成。所述的天線匹配電路302 —埠與所述的底電極330和頂電 極360連接，另一埠與所述的射頻天線301相連接。
所述的體聲波多模諧振器300中的體聲波諧振腔體310位於最下層，它一 般作為基片，在它上依次生長或澱積聲學耦合層320、真空蒸發或濺射和光刻出 底電極330、直流或射頻磁控濺射壓電薄膜340、射頻濺射或澱積絕緣層350、 以及真空蒸發或濺射和光刻出頂電極360。 一般來講，所述的體聲波多模諧振器 300可以切割成任意形狀，只要切割不要影響到器件的性能。優選切割為長方體 或正方體。只有所述的底電極330和頂電極360進行刻蝕，其它層一般不進行刻 蝕。所述的底電極330和頂電極360的形狀一般為圓形，也可以是正方形或多邊 形。 一般情況下，所述的頂電極360比所述的底電極330小一些。
所述的射頻標籤(RFID)閱讀器系統由閱讀器400和閱讀器天線401組成。 如圖3所示，所述的閱讀器400包括語音提示單元410、查詢信號發生器420、 功率放大器430、外部接口控制單元440、嵌入式計算機單元450、射頻收發開 關460、顯示單元470、信號檢測和解碼電路480和低噪聲放大器490組成。所 述的射頻收發開關460與所述的閱讀器天線401連接。
所述的嵌入式計算機單元450是所述的閱讀器400的心臟部分，它與所述的
閱讀器400的各重要部分相連接，以實現是對整個系統進行控制。所述的嵌入式 計算機單元450與所述的査詢信號發生器420相連接，使其產生所需要的査詢脈 衝信號，此査詢信號發生器420的輸出連接所述的功率放大器430的輸入，-而此 功率放大器430的輸出與所述的射頻收發開關460的發射端連接。所述的嵌入式 計算機單元450與所述的射頻收發開關460相連接，以控制所述的閱讀器天線 401是用於發射或是用於接收，此射頻收發開關460的公共端與所述的閱讀器天 線401連接。所述的嵌入式計算機單元450與所述的信號檢測和解碼電路480 相連接，通過它們之間的通訊，得到射頻標籤的識別信息，此信號檢測和解碼電 路480與所述的低噪聲放大器490的輸出連接，而此低噪聲放大器490的輸入端 與所述的射頻收發開關460的接收端連接。所述的嵌入式計算機單元450與所述 的顯示單元470和語音提示單元410相連接，將射頻識別的結果通過顯示單元 410和語音提示單元410輸出，提供視覺和聽覺的信息。所述的嵌入式計算機單 元450通過所述的外部接口控制單元440建立與遠方設備的聯繫，也可以將射頻 識別的結果同時輸出給遠方的設備。
射頻標籤(RFID)及其閱讀系統的工作過程是這樣的閱讀器系統加電後， 閱讀器系統400的嵌入式計算機單元450運行自己的固件監控程序以進行系統初 始化，然後向查詢信號發生器420發出指令，使其發出査詢脈衝信號，此脈衝信 號經過功率放大器430放大後，再通過處於發射態的射頻收發開關460和閱讀器 天線401以電磁波的形式輻射出去。當射頻標籤在所述的閱讀器系統400的査詢 範圍內時，它就將射頻天線301接收到脈衝信號作為激勵信號，此激勵信號通過 天線匹配電路302在所述的體聲波多模諧振器300的頂電極360和金屬底電極 330之間產生電壓，這樣，通過壓電薄膜340在所述的諧振腔310內激勵出體聲 波，此體聲波在諧振腔310內傳播，並在諧振腔的兩端來回反射，但體聲波每次 經過所述的壓電薄膜340時，通過壓電效應，在壓電薄膜340的頂電極360和底 電極330上產生一個電信號，此電信號再經過所述的天線匹配電路302和所述的 射頻天線301發射出去。而所述的閱讀器400在發射查詢脈衝後，射頻收發開關 460就進入接收狀態，開始接收來自射頻標籤的應答信號。射頻標籤的應答信號 經過閱讀器天線401 、低噪聲放大器490及信號檢測和解碼電路480傳遞給所述 的嵌入式計算機單元450。如果在給定的時間內，嵌入式計算機單元450能夠收 到預想到的應答信號，則確認射頻標籤的存在，並通過顯示單元470顯示識別結 果，同時通過語音提示單元410產生相應的語音提示，也可以通過外部接口控制 單元將識別的結果傳遞給遠方的設備，如通過公共電話網或網際網路等將識別的結 果傳遞給遠方的監測設備。如果在給定的時間內，嵌入式計算機單元450能夠收
到預想到的應答信號，則表明沒有發現所述的射頻標籤的存在，嵌入式計算機單
元450將做出相應的處理。
進一步地，本實施例中，所述的射頻天線301是一種廣義的天線或多個天線 單元組成的天線系統，它的功能是有效地接收和輻射一定頻率範圍的電磁波。也 可以是通常的鞭狀天線、複合介質天線；也可以是和所述的體聲波多模諧振器 300在一起集成的微帶天線；也可以是由導電油墨製作的線狀天線。
所述的天線匹配電路302是一種廣義的阻抗變換電路，它的功能是將所述的 體聲波多模諧振器300和所述的射頻天線301實現阻抗匹配，以便更有效地接收 和輻射電磁波。通常情況下，用若干電感和電容即可完成，也可以和所述的體聲 波多模諧振器300、所述的射頻天線301集成同一片基片上或集成在所述的體聲 波諧振腔體310上。當壓電換能器在工作頻段內的阻抗與天線阻抗比較接近時， 或者是所述的天線匹配電路302對提高標籤的性能作用較小時，所述的天線匹配 電路302可以省略。
所述的體聲波諧振腔體310是一種廣義的體聲波傳播固體介質。它的作用是 讓體聲波在其中傳播聲波而衰減儘量小。由於聲波在其中的來回反射，因此，要 求用於聲波反射的兩個面的平行度儘量好。所述的體聲波諧振腔體310常用的材 料有藍寶石單晶(A1203)、釔鋁石榴石(YAG)、熔融石英等。所述的體聲波諧 振腔體310的厚度決定體聲波多模諧振器300相鄰兩個頻率點的頻率間隔。對於 短脈衝信號，所述的體聲波諧振腔體310的厚度決定反射脈衝的間隔。舉例來講， 對於熔融石英(縱波聲速為6000米/秒)為材料的諧振腔，若厚度為0.3毫米， 則相鄰兩個反射脈衝的時間間隔為100納秒(計算方式，時間間隔 =2*0.3*10e-3/6000=100納秒)，而相臨兩個的諧振頻率間隔為10MHz。(注:中 心頻率和相臨兩個諧振頻率間隔這兩參數是本實用新型所指標籤的唯一性的兩
個指標。也就是說，不同的標籤，只是變換這兩個參數。)
所述的聲耦合層320是一層或多層聲傳播介質。它的作用是將所述的壓電薄 膜340產生的聲波儘量多地耦合到所述的諧振腔310內，起到聲學阻抗匹配的作 用。 一般情況下，所述的聲耦合層320的材料和厚度由所述的壓電薄膜340和體 聲波諧振腔體310的材料決定的。所述的聲耦合層320的厚度一般為四分之一中 心頻率時體聲波的波長，其聲阻抗一般接近所述壓電薄膜340聲阻抗與所述諧振 腔310聲阻抗乘積的平方根。正如微波通訊中通常用的四分之一阻抗匹配器。在 所述壓電薄膜340聲阻抗與所述諧振腔310聲阻抗比較接近的情況下，所述的聲 耦合層320也可以省略。
所述的底電極330可以是一種金屬電極(如鋁，金等)，可以是鋁/鈦(Al/Ti) 複合層金屬電極，也可以是金鉻複合層(Au/Cr)電極。所述的底電極330引出 導線與所述的天線匹配電路302相連接。
所述的壓電薄膜340可以是磁控濺射方法生成的壓電薄膜(如ZnO、 A1N)， 也可以是化學微加工方法(CMP)製作的壓電單晶薄膜(如LiNbCb、 LiTa03)， 也可以是用溶膠法(Sol-gel)製作的壓電薄膜(如Sol-gei方法製作的PZT壓電 薄膜)。所述的壓電薄膜340的厚度決定體聲波多模諧振器300的工作頻率。就 目前的工藝條件，製作的壓電薄膜可以工作在300MHz 10GHz的工作範圍。目 前的工藝條件下，可製作的壓電薄膜的厚度一般在0.5微米 10微米量級。
所述的絕緣層350可以是用磁控濺射方法生成的二氧化矽(Si02)，也可以 是別的方法製作的絕緣層(如LTO)等，所述的絕緣層350的作用是避免所述的 壓電薄膜340上的小的缺陷或針孔引起的直流短路或擊穿。當所述的壓電薄膜 340的厚度比較厚的情況下，例如厚度大於2微米以上時，所述的絕緣層350也 可以省略。
所述的頂電極360可以是一種金屬電極(如鋁，金等)，可以是鋁/鈦(Al/Ti) 複合層金屬電極，也可以是金鉻複合層(Au/Cr)電極，也可以是由導電油墨制 作的電極。所述的頂電極360引出導線與所述的天線匹配電路302相連接。
進一步地，本實施例中，所述的閱讀器天線401是一種廣義的天線或多個天 線單元組成的天線系統，它的功能是有效地接收和輻射一定頻率範圍的電磁波。
也可以是通常的鞭狀天線、複合介質天線；也可以是由多個天線組成的高增益的 強指向性天線陣。所述的閱讀器天線401和所述的射頻收發開關460輸出端相連 接。 .
所述的語音提示單元410是一種廣義的語音發生裝置，它的功能是對所述的
閱讀器400的識別結果給出語音提示。它可以是一個簡單的蜂鳴器；也可以是楊 聲器(或喇叭)；也可以是複雜的語音合成設備等。所述的語音提示單元410和
所述的嵌入式計算機單元450相連接，相當於它的一個外部設備單元。
所述的査詢信號發生器420是一種廣義的雷達信號產生單元。它的功能是 產生所述閱讀器400所需要的查詢信號。所述的查詢信號發生器420受控於所述 的嵌入式計算機單元450，其輸出和所述的功率放大器430的輸入端相連接。根 據體聲波多模諧振器的特點，如下四種信號的一種或組合作為查詢信號效果較 好
a) 包含所述體聲波多模諧振器300工作帶寬高頻信號頻譜分量的短脈衝 信號(如S脈衝信號)；
b) 包含所述體聲波多模諧振器300諧振頻率點(或非諧振點)的單一高頻 信號調製的有一定寬度的脈衝信號；
c) 包含所述體聲波多模諧振器300工作帶寬的掃頻信號調製的有一定寬 度的脈衝信號；
d) 包含所述體聲波多模諧振器300諧振頻率點(或非諧振點)的高頻編碼 調製的信號-,
所述的功率放大器430是一種廣義的寬帶功率放大單元，它的功能是對所述 的査詢信號發生器420產生的信號進行功率放大，並將放大後的信號經過所述的 射頻收發開關460，通過所述的閱讀器天線401以電磁波的形式輻射出去。所述 的功率放大器430的輸出與所述的射頻收發開關460的發射輸入端相連接。
所述的外部接口控制單元440是一種廣義的外圍通訊接口控制器，它的功能 是作為橋梁建立與所述的嵌入式計算機單元450與外部的通訊，主要是將識別的 結果傳送給遠方的設備或監視系統，遠方設備的接口可以是網際網路、公共電話網 或Wi-Fi、 WiMax、 GPRS無線網絡的適配器。所述的嵌入式計算機單元450通 過多線與所述的外部接口控制單元440建立雙向連接，並實現控制、編程和數據
傳輸等。
所述的嵌入式計算機單元450是一種完整的計算機系統，包括相應的硬體和 系統監控軟體。它是所述的閱讀器400的心臟部分，它與所述的閱讀器的每個相 連接，其功能是對整個系統進行控制。它通過控制所述的查詢信號發生器420 產生所需要的査詢脈衝信號，通過控制所述的射頻收發開關460控制所述的閱讀 器天線401的發射或接收狀態;它通過與所述的信號檢測和解碼電路480的通訊， 得到射頻標籤的識別信息；它分別通過所述的顯示單元470和語音提示單元410 將射頻識別的結果通過顯示裝置和語音裝置輸出；它通過所述的外部接口控制單 元440建立與遠方設備的聯繫，也可以將射頻識別的結果同時輸出給遠方的設 備。
所述的射頻收發開關460是一種廣義的單刀雙擲(SPDT)寬帶射頻幵關。 它的功能是在發射和接收狀態時，切換天線的位置。在發射時，所述的射頻收發 開關460接通閱讀器天線401和所述的功率放大其430;在接收時，所述的射頻 收發開關460接通閱讀器天線401和所述的低噪聲放大器490。所述的射頻收發 開關460的開關切換受控制於所述的嵌入式計算機單元450。所述的射頻收發開 關460的發射輸入端與所述的功率放大器430的輸出端相連接，其接收輸出端與 所述的低噪聲放大器的輸入端相連接，其射頻開關的公共端與所述的閱讀器天線 401相連接，其控制端與所述的嵌入式計算機單元相連接。
所述的顯示單元470是一種廣義的顯示裝置或設備。它的功能就是通過視覺 的方式給出射頻識別系統的結果。通常的顯示單元是CRT顯示器、顯示屏幕、 液晶顯示屏幕等。
所述的信號檢測和解碼電路480是一種廣義的信號檢測和處理電路。它的功 能是將所述的低噪聲放大器490輸出的信號進行進一歩的放大、整形、解調、峰 值檢波等處理，以得到所期望的識別信號。所述的信號檢測和解碼電路480受控 制於所述的嵌入式計算機單元450，但其輸入與所述的低噪聲放大器490的輸出 相連接。
所述的低噪聲放大器490是一種廣義的寬帶射頻低噪聲放大電路，可以包括 一級或多級射頻放大器，也可以包括帶通濾波器。它的功能是通過所述的閱讀器 天線401接收到的所述射頻標籤300的微弱應答信號進行低噪聲放大。所述的低
噪聲放大器490的輸入端與所述的射頻收發開關460的射頻接收端相連接，而其 輸出端連接所述的信號檢測和解碼電路480。
權利要求1、一種無線射頻標籤，包括射頻波信號源和射頻天線(301)，其特徵在於，所述射頻信號源採用體聲波多模諧振結構，包括由下至上依次分布的體聲波諧振腔體(310)、底電極(330)、壓電薄膜(340)和頂電極(360)；所述底電極(330)和頂電極(360)均為金屬電極，所述的底電極(330)和頂電極(360)與所述的射頻天線(301)連接。
2、 按權利要求1所述的無線射頻標籤，其特徵在於，所述射頻信號源還包 括位於體聲波諧振腔體(310)和底電極(330)之間的聲學耦合層(320)。
3、 按權利要求1所述的無線射頻標籤，其特徵在於，所述射頻信號源還包 括位於壓電薄膜(340)和頂電極(360)之間的絕緣層(350)。
4、 按權利要求1所述的無線射頻標籤，其特徵在於，還包括一在射頻天線 (301)和射頻信號源之間實現阻抗匹配的天線匹配電路(302);所述天線匹配電路(302) —埠與所述的底電極(330)和頂電極(360)連接，另一埠與 所述的射頻天線(301)相連接。
5、 按權利要求1所述的無線射頻標籤，其特徵在於，所述的射頻天線(301) 採用鞭狀天線或複合介質天線，或者釆用與所述射頻信號源集成在一起的微帶天 線，或者採用導電油墨製作的線狀天線。
專利摘要本實用新型涉及一種無線射頻標籤及其閱讀系統，射頻標籤包括射頻波信號源、天線匹配電路和射頻天線，其特徵在於，所述射頻信號源採用體聲波多模諧振結構，包括由下至上依次分布的體聲波諧振腔體、聲學耦合層、底電極、壓電薄膜、絕緣層和頂電極；所述閱讀系統包括閱讀器和閱讀器天線，所述閱讀器是一種負責射頻標籤查詢信號的發射和接收的雷達收發設備。本實用新型的優點是，能夠直接對閱讀器的查詢信號進行應答，可以工作在300MHz～10GHz的工作範圍，並且易於一體化集成。
文檔編號G06K7/00GK201007826SQ200620023180
公開日2008年1月16日 申請日期2006年6月30日 優先權日2006年6月30日
發明者喬東海, 宮銘舉, 亮 湯, 靜 田 申請人:中國科學院聲學研究所