UHF-Technologie (2) Vorlesung RFID Systems Benno Flecker, Michael Gebhart TU Graz, Sommersemester 2009

Transkript

1 UHF-Technologie (2) Vorlesung RFID Systems Benno Flecker, Michael Gebhart TU Graz, Sommersemester 2009

2 Inhalt Gründe für RFID Umgebungseinflüsse RFID Wertschöpfungskette IC Assembly Tag Label Beispiele Antennendesign RFID Systems VL Seite 2

3 Gründe für RFID Einsatz RFID Systems LV Seite 3

4 Warum RFID verwenden? Vorteile des RFID - Einsatzes: RFID kann Daten zu jedem einzelnen Artikel liefern Informationen für die Bestandsplanung Nachbestellung Vorratsoptimierung Logistik Produktivität Auslageoptimierung Verluste durch Unterschlagung, Diebstahl intelligente Kundenkarten RFID Systems Seite 4

5 RFID für Einzelhandel Portale über dem Förderband lesen den Verpackungslabel und die Labels der in der Schachtel verpackten Artikel. Damit wird sicher gestellt, das nur vollständige Lieferungen das Auslieferungslager verlassen. RFID Systems Seite 5

6 RFID für Einzelhandel Fix installierte Readerportale in 2 bis 3 Meter Breite Lesen den Inhalt der von einem LKW oder vom Lager kommenden Paletten. RFID Systems Seite 6

7 Umgebungseinflüsse RFID Systems LV Seite 7

8 Umgebungseinflüsse - Übersicht UHF- Charakteristik Absorption / Dämpfung Reflexion Brechung Beugung Flüssigkeiten Polarisation RFID Systems Seite 8

9 Umgebungseinflüsse (1) Absorption / Dämpfung Nur Vakuum wird von der EM Welle ohne Einfluss passiert Absorbierendes Material zwischen Readerantenne und Label beeinflusst die Lesereichweite Absorbierende Materialien Wasser, Wasser absorbierende Materialien RFID Systems Seite 9

10 Umgebungseinflüsse (2) Reflexionen Eine reine Reflexion erhält die Energie des Feldes Führt zu Interferenzen Konstruktive Interferenz führt zu Überreichweiten Destruktive Interferenz führt zu Löchern im Arbeitsbereich Reduziert die Gebiete in denen kein Lesen bei mehreren Antennen möglich ist Reflektierende Materialien Metall, Wasser, Beton Metallische Anstriche und Folien RFID Systems Seite 10

11 Umgebungseinflüsse (3) Brechung Zwischen zwei Medien mit unterschiedlicher relativer Permittivität Führt zur Änderung der Wellenrichtung Mediengrenze ε r ε r1 RFID Systems Seite 11

12 Umgebungseinflüsse (4) Beugung RFID Systems Seite 12

13 Umgebungseinflüsse (5) Flüssigkeiten Einfluss hängt von der elektrischen Leitfähigkeit der Flüssigkeit ab Wasser hat eine hohe elektrische Leitfähigkeit und absorbiert und reflektiert der EM RFID Systems Seite 13

14 Umgebungseinflüsse (6) Abschirmung gewollt Abgenzung von Bereichen für die Identifizierung ungewollt zb Metalldosen auf Palette, Kaffeeverpackungen RFID Systems Seite 14

15 RFID Wertschöpfungskette RFID Systems LV Seite 15

16 Die RFID Wertschöpfungskette Technology focus Application & Business Process focus IC Provider Tag / Inlet Label RF Protocol & Reader IC Reader module Reader / Terminal / Printer HW SW Integration End Customer Application RFID Systems Seite 16

17 IC RFID Systems LV Seite 17

18 Blockdiagramm RFID Systems Seite 18

19 Wichtige IC Eigenschaften Kompatibel mit welchem EPC Standard? Speicheraufbau Zusätzliche Kommandos (Custom Commands) Temperaturbereich Chipeingangs Kapazität Qualitätsfaktor Minimal benötigte Leistung (Lesen / Schreiben) Datenbeibehaltung (Data Retention) Schreibzyklen Welche Lieferformen? RFID Systems Seite 19

20 Assembly RFID Systems LV Seite 20

21 Assemblierungsprozess zusätzliche parasitäre Kapazität C parasit C chip R C = C + tot parasit C chip Assemblierungsvariationen führen zu Performanceunterschieden bei gleichen Inlays. RFID Systems Seite 21

22 IC direkt assemblieren (Direct chip attach DCA) Druck Temperatur Druck Temperatur IC, 150 µm incl. inkl. gold gold bumps, bumps 18 µm ACP/ACF Anisotropic Conductive Paste/Foil (Adhesive with conducting particles 10k - 40k particles per mm 2 ) Pad / Antennen Struktur (Al, Cu, Ink) Substrat (Paper, PET, PC) RFID Systems Seite 22

23 Assembliervorgang (1) RFID Systems Seite 23

24 Assembliervorgang (2) RFID Systems Seite 24

25 Assemblierter IC (Unterseite) RFID Systems Seite 25

26 Lieferformen Wafer -> Direct Chip attach Package für PCB boards (SMD) Straps RFID Systems Seite 26

27 Assemblymaschinen Hersteller Datacon Mühlbauer RFID Systems Seite 27

28 RFID Systems Seite 28

29 Antennen Marktübersicht RFID Systems LV Seite 29

30 Avery Dennison RFID Systems Seite 30

31 Avery Dennison RFID Systems Seite 31

32 UPM Raflatac Belt RFID Systems Seite 32

33 UPM Raflatac Web RFID Systems Seite 33

35 Confidex Corona RFID Systems Seite 35

36 Confidex Corona RFID Systems Seite 36

37 Confidex Pino RFID Systems Seite 37

38 Confidex Ironside RFID Systems Seite 38

39 Antennendesign RFID Systems LV Seite 39

40 Einführung Vorgaben: Breitbandperformance Form factor IC package Unterschiedliches Antennenmaterial RFID Systems Seite 40

41 Design of the Tag Antenna Loop (1/3) Loop (to match to the impedance of the IC) broadband b a θ θ = 60 R 4 2, 20π C radiation 4 λ loop = β 8a LA = μ0a ln 2 b l ωμ0 Li = ωp 2σ W H W / H = 0,5 Beta = 120 RFID Systems Seite 41

42 Design of the Tag Antenna for (2/3) Dipole ω res = 1 LC Q L C BW 1 Q RFID Systems Seite 42

43 Design of the Tag Antenna for (3/3) Loop-Dipole Coupling Magnetic coupling (Achtung Patente!) Loop Conducted Coupling RFID Systems Seite 43

44 Freespace Transmission PR: Transmitted Power PT: Received Power R: Distance between transmitting and receiving antenna λ: Wavelength GT: Gain of the transmitting antenna [dbi] GR: Gain of the receiving antenna [dbi] G is measured relative to an isotropic antenna, that is in dbi. P R = P T λ 4πR 2 G T G R RFID Systems Seite 44

45 Absorption (free space path loss ) a [ db] 0 = 20 lg 4πd λ RFID Systems Seite 45

46 Electrical flux density D D = ε E = ε ε 0 R E E.. electric field E ε 0.. vacuum permittivity ε R.. dielectric constant of the transmission media RFID Systems Seite 46

47 Fundamental Antenna Parameters 1. Radiation Pattern 2. Field Regions Reactive Near Field Region R Radiating Near Field (Fresnel-) Region 3 D λ Radiating Near-Field (Fresnel) region Reactive Near-Field region D R D λ R 2 2D λ 2 Far Field (Fraunhofer-) Region R2 Far-Field (Fraunhofer) region 2 2D R λ Antenna RFID Systems Seite 47

48 Matching I Chip I Loss I Antenna R_Antenna R_Chip R_Loss M II M I L_Antenna C_Chip C_Loss V_Antenna RFID Systems Seite 48

49 Labelcharakterisation RFID Systems VL Seite 49

50 Ergebnisse Pmin Label Sensitivität Label Resonanzfrequenz Label Bandbreite Produktionsstabilität Materialeinfluss: - Verstimmung (ε r ) - Verluste (tan δ) RFID Systems Seite 50

51 Lesereichweiten Messung RFID Systems Seite 51

52 Referenzen [1] Maschinenhersteller: [2] Maschinenhersteller: [3] Labelhersteller: [4] Labelhersteller: [5] Taghersteller: [6] Reader: [7] Reader: [8] Reader: [9] Reader: RFID Systems VL Seite 52

53 Trainingsfragen zur Verständniskontrolle Welche Umgebungseinflüsse kennen sie? Geben sie die verschiedene Assemblyparameter an. RFID Systems VL Seite 53