Радиочастотная идентификационная метка на поверхностных акустических волнах

1 Краткий обзор идентификационных меток

1.1 Штриховое кодирование

1.2 Радиочастотные идентификационные метки

1.2.1 Пассивные, полуактивные и активные метки

1.2.2 Только считываемые и перезаписываемые метки

1.2.3 Чиповые и бесчиповые метки

1.3 Пассивные радиочастотные идентификационные метки на поверхностных акустических волнах

1.3.1 Физические принципы работы меток на поверхностных акустических волнах

1.3.2 Возможные принципы построения и функционирования РЧИД-меток на ПАВ

1.3.3 Варианты кодирования данных в метках на ПАВ

1.4 Частотные диапазоны РЧИД-систем

1.5 Актуальность ПАВ-устройств. Выводы

2 Основная часть

2.1 Выбор исходных материала

2.1.1 Основные требования к материалам подложеr устройств на ПАВ

2.1.2 Выбор материала подложки (звукопровода)

2.1.3 Выбор материала для металлизации поверхности

2.2 Расчёт основных элементов метки

2.2.1 Выбор приемо-передающего ВШП

2.2.2 Расчет основных параметров приемо-передающего ВШП

2.2.3 Выбор и расчет отражателей

2.2.4 Конструкция метки

2.2.5 Кодирование данных

2.2.6 Определение габаритных размеров проектируемой метки

2.3 Технологические этапы изготовления РЧИД-метки на ПАВ

2.3.1 Стадия предварительной обработки поверхности подложек

2.3.2 Предварительная очистка подложек ниобата лития

2.3.3 Окончательная очистка подложек от загрязнений

2.3.4 Формирование электродных структур

2.4 Карта идентификации. Проверка работоспособности меток

2.4.1 Антенна

2.4.2 Печатная согласующая индуктивность

2.4.3 Оценка вносимых устройством потерь в принимаемый/передаваемый сигнал

2.4.4 Проверка работоспособности меток

3 Организационно-экономическая часть

3.1 Оценка эффективности инновационного процесса

3.1.1 Определение себестоимости инновационного процесса

3.1.2 Определение эффективности инновационного процесса

3.2 Организационно-плановые расчеты

3.2.1 Расчет календарно-плановых нормативов

3.3 Экономические расчеты

3.3.1 Определение стоимости основных фондов и их износа на полное восстановление

3.3.2 Расчет затрат на материалы

3.3.3 Расчет численности работающих по категориям и фонда заработной платы

3.3.4 Калькулирование себестоимости

3.3.5 Расчет технико-экономических показателей

3.4 Расчет коммерческой эффективности проекта

3.4.1 Расчет потока реальных денег от операционной (производственной) деятельности

3.4.2 Расчет потока реальных денег от инвестиционной деятельности

3.4.3 Расчет необходимого прироста оборотного капитала

3.4.4 Расчет потока реальных денег от финансовой деятельности

3.4.5 Расчет показателей коммерческой эффективности проекта

4 Безопасность жизнедеятельности

4.1 Вредные и опасные факторы в цехе изготовления

радиочастотных идентификационных меток на ПАВ

Охрана труда

4.2 Экологические аспекты БЖД

5 Обеспечение безопасности объекта ООО НПЦ «Элион» в чрезвычайных ситуациях

5.1 Определение устойчивости объекта к радиоактивному заражению местности

5.2 Расчет режимов работы объекта в условиях радиоактивного заражения

5.3 Определение возможных радиационных потерь (поражений) в зонах радиоактивного заражения

Заключение

Аннотация

В данном дипломном проекте разработана радиочастотная идентификационная метка на поверхностных акустических волнах. Основными функциональными элементами устройства являются подложка с нанесенными на нее встречно-штыревыми структурами, прикрепляемая к контактным вывода метки антенна, а также согласующий элемент — индуктивность. Разработана методика расчета основных элементов метки, выбраны материал подложки, тип встречно-штырьевых преобразователей и отражательной системы. Также предложен технологический маршрут изготовления разрабатываемой метки. В качестве примера рассмотрен один из способов построения карты идентификации с использованием метки на ПАВ.

Ежегодный рост мирового товарооборота и масштабное увеличение числа грузоперевозок привело к созданию систем регистрации и идентификации подвижных и неподвижных объектов. Задачей любой системы идентификации является хранение информации об объекте с возможностью ее удобного считывания. Такие системы как правило содержат в своем составе считыватели и метки. Метка может содержать данные о типе объекта, стоимости, весе, температуре, данные логистики, или любой другой информации, которая может храниться в цифровой форме. Они могут быть выполнены в виде карт с магнитной полосой, штрих-кодов, электронных ключей, чиповых или бесчиповых карточек идентификации. Однако в дальнейшем нас будут интересовать системы дистанционного считывания информации об объекте, поэтому остановимся на наиболее распространенных системах штрихового кодирования и радиочастотной идентификации, выявим достоинства и недостатки каждой технологии. Далее определим основные цели и задачи по созданию устройства, позволяющего конкурировать с существующими аналогами. Основная часть дипломного проекта будет посвящена разработке радиочастотной идентификационной метки на ПАВ согласно техническому заданию.

1 Краткий обзор идентификационных меток

1.1 Штриховое кодирование

C помощью штрихового кода зашифрована информация о некоторых наиболее существенных параметрах продукции. Наиболее распространена Европейская система кодирования EAN. Согласно этой системе, каждому виду изделия присваивается свой номер, состоящий чаще всего из 13 цифр (EAN-13). Типовой штрих-код представлен на рисунке 1.1.

Рис. 1. — Типовой штрих-код Цифровые обозначения:

1) Код страны;

2) Код изготовителя;

3) Код товара;

4) Контрольная цифра;

5) Знак товара, изготовленного по лицензии.

Основными преимущества штрихового кодирования являются простота реализации и низкая стоимость. Однако для целого ряда областей эта технология оказывается нерезультативной, особенно там, где требуется контроль перемещения объектов в реальном времени, интеллектуальные решения автоматизации, способность работать в жестких условиях эксплуатации. Все эти проблемы в состоянии решить радиочастотная идентификация, в частности радиочастотные идентификационные (РЧИД) метки.

1.2 Радиочастотные идентификационные метки

Радиочастотная идентификация — технология, использующая радиочастотное электромагнитное излучение для чтения/записи информации на устройство, называемое меткой.

На рисунке 1.2 приведена типовая конструкция РЧИД-метки.

Рисунок 1.2 — Типовая конструкция карты для бесконтактной радиочастотной идентификацией

В таблице 1.1 приведена сравнительная характеристика радиочастотной идентификации и штрихового кодирования [3][4].

Таблица 1.1 — Сравнительная характеристика радиочастотной идентификации и штрихового кодирования

При работе с радиочастотной идентификацией необходимо учитывать некоторые ограничения. К ним относятся: относительно высокая стоимость; невозможность размещения под металлическими и экранирующими поверхностями; взаимные коллизии; подверженность помехам в виде электромагнитных полей. Разберем каждый из этих недостатков более подробно.

Стоимость пассивных РЧИД-меток превышает стоимость этикеток со штриховым кодом. Исходя из этого, использование радиочастотных меток целесообразно для защиты дорогих товаров от краж или для обеспечения сохранности изделий, переданных на гарантийное обслуживание. В сфере логистики и транспортировки грузов стоимость радиочастотной оказывается совершенно незначительной по сравнению со стоимостью содержимого контейнера, поэтому совершенно оправдано использование радиочастотных меток на упаковочных ящиках, паллетах и контейнерах.

Радиочастотные метки подвержены влиянию металла (это касается упаковок определенного вида — металлических контейнеров, иногда даже некоторых типов упаковки жидких пищевых продуктов, запечатанных фольгой). Это вовсе не исключает применение РЧИД, но приводит или к необходимости использования более дорогих меток, разработанных специально для установки на металлические поверхности или к нестандартным способам закрепления меток на объекте.

Подверженность систем радиочастотной идентификации помехам в виде электромагнитных полей от включенного оборудования, излучающего радиопомехи в диапазоне частот, используемом для работы РЧИД-системой. Необходимо тщательно проанализировать условия, в которых система РЧИД будет эксплуатироваться. Для систем UHF диапазона 868−869 МГц это практически не актуально (в этом диапазоне никакие другие приборы не работают), но низкочастотные метки, работающие на частоте 125 КГц подобному влиянию подвержены.

Из-за того, что сферы применения меток разнообразны, на их характеристики налагаются существенные ограничения по исполнению, размерам и стоимости. С этими характеристиками связаны различные классификации РЧИД-меток.

Радиочастотные идентификационные метки принято разделять на «чиповые» и «бесчиповые». Чиповые содержат интегральную микросхему — чип, а бесчиповые ее не содержат. Чиповые, в свою очередь, могут быть пассивные, полуактивные и активные. Пассивные метки не содержат ни элемента питания, ни активного передатчика; полуактивные метки содержат элемент питания, но не имеют активного передатчика; активные метки содержат и то и другое.

Еще одна классификация подразделяет метки на только считываемые и считываемые/записывающие. Только считываемые метки имеют или только считываемую память, или память, которая однократно программируется и многократно считывается. Считываемые/записывающие метки позволяют однократно записывать и многократно перезаписывать информацию.

1.2.1 Пассивные, полуактивные и активные метки

Различие между пассивными, полуактивными и активными метками состоит в наличии источника питания и передатчика. Пассивные метки не содержат ни источника питания, ни передатчика. Полуактивные метки содержат источник питания, но не содержат передатчика. Активные метки содержат как источник питания, так и передатчик.

Активные метки имеют наилучшие характеристики. Дальность может достигать километров, а связь со считывателем надежная и быстрая. Однако наличие источника питания и передатчика приводит к высокой стоимости.

Полуактивные метки по сравнению с пассивными имеют более высокую дальность (до нескольких десятков метров) и из-за этого могут иметь достаточно высокие функциональные возможности. Однако это также приводит к повышению их стоимости.

Пассивные метки обладают дальностью действия до 100 метров и более зависимы от регламентных ограничений и влияния окружающей среды. Тем не менее они получили широкое распостранение из-за наименьшей стоимости. Поэтому с дальнейшем при сравнении различных типов меток будем касаться лишь области пассивной идентификации.

1.2.2 Только считываемые и перезаписываемые метки

Любые чиповые метки могут быть только считываемыми или считываемыми/записывающими. Пассивные метки, как правило, бывают только считываемыми. Только считываемые метки программируются идентификационным кодом в процессе производства или при установке на определенный объект. Память таких меток может быть или только читаемой памятью или однократно программируемой и многократно читаемой.

Считываемые/записывающие метки могут многократно перепрограммироваться в процессе их эксплуатации. Обычно они имеют идентификационный код или серийный номер, который записывается в процессе производства. Также в них может записываться разнообразная дополнительная информация. Такие метки многофункциональны, однако это приводит к возрастанию их стоимости.

Из-за низкой стоимости наибольшим рыночным потенциалом обладают только считываемые метки в совокупности с практически теми же функциональные возможности, как и считываемые/записывающие метки.

1.2.3 Чиповые и бесчиповые метки

Чтобы идентифицировать множество производимых объектов, схема памяти должна иметь возможность хранения достаточного числа уникальных кодов. Оптимальным считается объем памяти в 96 бит. Большинство бесчиповых меток в настоящее время позволяют хранить 24 бита или меньше, хотя некоторые позволяют хранить 64 бита. Однако, увеличение размера памяти приводит их стоимости метки.

Из-за возрастания числа и снижения размера объектов, на которые устанавливаются метки, необходимо, чтобы считыватель был способен одновременно считывать множество меток, находящихся в зоне его действия; причем метки могут размещаться близко друг от друга. В настоящее время наилучшим способом решения такой задачи — коллизии сигналов — является наделение самих меток некоторым интеллектом.

Возможно также использование методов пространственного выделения одной метки среди многих других, что приводит к разрешению коллизии, На рисунках 1.3 представлена типичная чиповая метка и ее конструкцияи. На рисунке изображена чиповая радиочастотная метка для диапазона частот 850−960 МГц, выпускаемые сегодня компанией Omron.

Рисунок 1.4 — Метка, работающая в диапазоне частот 850 — 900 МГц Оба типа меток имеют перемычку, которая представляет собой гибкую печатную плату с установленной микросхемой, соединенной с контуром антенны.

Достоинства чиповых меток:

1) Обладают достаточной памятью, чтобы хранить уникальных идентификационный номер большого числа объектов;

2) Простота реализации считывания нескольких меток одновременно Бесчиповые метки не имеют в своем составе модуля памяти, и поэтому могут хранить гораздо меньший объем информации. Однако существует множество приемов, специальных кодировок сигнала, которые позволяют в полной мере конкурировать с чиповыми аналогами. Кроме того, также возможно считывание сразу нескольких меток одновременно. Бесчиповые метки — метки самой низкой стоимости, которые обеспечивают оптимальный минимум функциональных возможностей, простые только считываемые устройства с постоянным уникальным идентификационным кодом. Рассмотрим даны вид меток более подробно.

1.3 Пассивные радиочастотные идентификационные метки на поверхностных акустических волнах

1.3.1 Физические принципы работы меток на поверхностных акустических волнах

Работа меток на поверхностных акустических волнах основана на пьезоэффекте и распространении на поверхности пьезоэлектрического кристалла поверхностных акустических волн с относительно небольшой скоростью (от 3000 до 4000 м/с).

Пьезоэлектрический эффект (пьезоэффект) наблюдается в анизотропных диэлектриках, преимущественно в монокристаллах некоторых веществ, обладающих достаточно низкой симметрией или имеющих вместо центра симметрии так называемые полярные направления (оси). Пьезоэффектом могут обладать также некоторые поликристаллические диэлектрики с упорядоченной текстурой, например керамические материалы и полимеры. Диэлектрики, обладающие пьезоэффектом, называют пьезоэлектриками. Внешние механические силы, воздействуя в определенных направлениях на пьезоэлектрический кристалл, вызывают в нем не только механические напряжения и деформации (как в любом твердом теле), но и электрическую поляризацию. На поверхностях кристалла появляются связанные электрические заряды разных знаков. При изменении направления механических сил на противоположное становятся противоположными направление поляризации и знаки зарядов. Данное явление называют прямым пьезоэффектом. Пьезоэффект обратим. При воздействии на анизотропный диэлектрик электрического поля соответствующего направления в кристалле возникают механические напряжения и деформации. При изменении направления электрического поля на противоположное соответственно изменяются на противоположные направления напряжений и деформаций. Это явление получило название обратного пьезоэффекта. В пьезоэлектриках вследствие обратного пьезоэффекта исходное переменное электрическое поле вызывает деформацию подложки. Деформация подложки, в свою очередь, из-за прямого пьезоэлектрического эффекта создает дополнительное электрическое поле. Дополнительное электрическое поле запаздывает относительно исходного поля. В результате суперпозиции этих двух полей возникает поле с эллиптически поляризованной составляющей, которое обуславливает возбуждение поверхностной акустической волны.

Поверхностные акустические волны (ПАВ) — это упругие волны, распространяющиеся вдоль свободной поверхности твердого тела или вдоль границы твердого тела с другими средами и затухающие при удалении от границ. Поверхностные акустические волны занимают диапазон длин волн от 10−5 до 10−1 см, а их частоты соответствуют области ультразвука. Замечательным свойством поверхностных акустических волн является их невысокая в сравнении с электромагнитными волнами скорость распространения, что позволяет применять к ним математические способы обработки сигнала. Наиболее просто ПАВ возбуждаются и регистрируются в пьезоэлектриках. Пьезоэлектриками являются такие монокристаллы, встречающиеся в виде природных минералов и искусственно выращиваемые, как ниобат лития LiNbO₃ и танталат лития LiTaO₃.

Для возбуждения и детектирования ПАВ в различных технических приложениях служат встречно-штыревые преобразователи (ВШП). Они представляют собой нанесенные на пьезоэлектрическую подложку металлические штыри-электроды, как щетки, вставленные друг в друга (рисунок 7). ВШП показан без учета пропорций. Реальная длина электродов в сто и более раз превышает их ширину.

Принцип работы встречно-штыревого преобразователя заключается в следующем. Электрический Д-импульс, приложенный к ВШП, преобразуется благодаря обратному пьезоэлектрическому эффекту в механическую деформацию поверхности подложки между электродами разной полярности. Эта деформация пропорциональна электрическому полю и распространяется как поверхностная акустическая волна в обоих направлениях, перпендикулярных электродам. Возбуждение ПАВ происходит только в области между электродами, подключенными к разным клеммам. Длина взаимно перекрывающихся частей электродов определяет ширину пучка возбуждаемой ПАВ.

Достоинством ВШП является возможность изменения в широких пределах параметров возбуждаемых ПАВ. Это легко достигается изменением геометрических размеров ВШП и проявляется в виде изменения формы импульсного отклика и частотной характеристики.

Встречая механическую или электрическую неоднородность на поверхности, часть ПАВ отражается. Поверхностная волна, входящая обратно в ВШП, генерирует на его шине в результате прямого пьезоэффекта электрический сигнал. Именно это свойство используется в системах радиочастотной идентификации на поверхностных акустических волнах.

1.3.2 Возможные принципы построения и функционирования РЧИД-меток на ПАВ

До настоящего момента наиболее распространенными были метки с использованием линии задержки. Линия задержки, один из приборов на ПАВ, включает в себя два ВШП, один из которых предназначен для возбуждения, а второй для приема возбуждаемой звуковой волны (рисунок 8). При приложении ко входному ВШП электрического сигнала, возбуждается поверхностная акустическая волна. Она, в свою очередь, доходит до второго преобразователя с некоторой задержкой во времени, зависящей от расстояния между преобразователями и от скорости распространения ПАВ. Типичное время задержки составляет 1 —50 мкс.

Пассивная карта идентификации представляет собой несколько линии задержки (ЛЗ) на ПАВ заключенных в герметичный корпус, с тремя или более выводами (кнопками для набора идентифицирующего кода) и снабженная небольшой антенной, позволяющей принимать и излучать сигналы в заданной полосе частот с минимальными потерями. Число линий задержки зависит от значности идентифицируемого кода и может достигать семи (семизначный код). Каждая ЛЗ настроена на свою полосу частот и мало восприимчива к сигналов, предназначенных для ЛЗ, настроенных на другие полосы частот. Также дополнительные выводы позволяют увеличить число идентифицирующих комбинаций в 10³раз.

Рисунок 1.6 — Линия задержки Однако такая метка обладает существенными недостаткам: малая емкость данных и большие габаритные размеры.

Наиболее распространенным в настоящее время является транспондер на отражателях (рефлекторах). Схематическое изображение и принцип работы транспондера приведены на рисунке 9.

ВШП располагается в конце пьезоэлектрической подложки. К его шинам подключается дипольная антенна транспондера, которая принимает сигнал опроса от ридера (считывателя) и излучает ответный сигнал, генерируемый транспондером на ПАВ.

Рисунок 1.7 — Принцип работы транспондера на отражателях

По длине транспондера ПАВ размещаются отдельные электроды-рефлекторы. Их располагают на поверхности таким образом, чтобы кодировать данные, используя задержку во времени, амплитуду и фазу.

Когда транспондер попадает в зону действия ридера, то часть излучаемой ридером энергии принимается антенной транспондера и поступает к выводам ВШП в виде высокочастотного импульса напряжения.

ВШП преобразует часть этой принятой энергии в поверхностную акустическую волну, которая распространяется в кристалле под прямым углом к электродам ВШП. Для преобразования большего количества принятой транспондером электромагнитной энергии в акустическую энергию необходимо, чтобы частота передачи ридера соответствовала частоте колебаний поверхностной волны, генерируемой ВШП.

На дальнейшее распространение ПАВ по поверхности пьезоэлектрического кристалла оказывают воздействие рефлекторы. Небольшая часть поверхностной волны отражается от каждого рефлектора и движется обратно по кристаллу в направлении ВШП. Оставшаяся часть поверхностной волны продолжает двигаться к концу подложки и там гасится.

Таким образом, из одного импульса опроса генерируется несколько ответных импульсов, причем каждый рефлектор создает свой импульс в ответном сигнале транспондера.

Эта последовательность импульсов, полученная ВШП и преобразованная в высокочастотную последовательность электромагнитных импульсов, излучается антенной транспондера и может быть принята ридером. Число принимаемых импульсов соответствует числу рефлекторов на подложке.

Следует особо отметить, что время задержки между отдельными импульсами пропорционально пространственному расстоянию между рефлекторами на подложке, и поэтому пространственное расположение рефлекторов может представлять двоичную последовательность цифр, которая в простейшем случае равна идентификационному коду транспондера (количество различных кодов равно величине 2n-1, где n — число рефлекторов на подложке).

Расположение рефлекторов и, тем самым, считываемый код определяются при изготовлении устройства. Поэтому транспондеры ПАВ принадлежат к категории транспондеров «только чтение». Емкость хранения данных и скорость передачи данных транспондера на ПАВ зависят от размера подложки и минимального реализуемого расстояния между рефлекторами. Обычный транспондер на ПАВ передает около 16 или 32 бит со скоростью передачи 500 кбит/с.

В связи с невысокой скоростью распространения поверхностных волн по подложке, первый ответный импульс транспондера принимается считывателем с задержкой, равной примерно 1,5 мс. Для сравнения: временной задержки в примерно 0,66 мкс вполне достаточно, чтобы произошло затухание помех в радиусе 100 м вокруг ридера.

Таким образом, ответный сигнал транспондера приходит, когда все отражения от окружения ридера давно прекратились, и подобного рода помехи не вносят ошибки в последовательность ответных импульсов от транспондера.

Транспондеры на ПАВ являются полностью линейными устройствами и отвечают на импульс опроса с определенной фазой. Более того, фазовый угол и дифференциальное время распространения между отраженными индивидуальными сигналами сохраняют постоянное значение. Это важное свойство позволяет увеличить дальность действия транспондера на ПАВ методом усреднения слабых ответных сигналов транспондера на многие импульсы опроса. Операция считывания занимает микросекунду, поэтому за секунду может быть выполнено несколько сотен тысяч циклов чтения.

Рефлекторы реализуются с помощью системы металлизированных полосок на пьезоэлектрической подложке (рисунок 10а) или системы канавок (рисунок 10б), которые формируют путем травления.

В некоторых случаях элементы рефлектора создаются в виде диэлектрических слоев с использованием метода ионной имплантации.

Электроды транспондера создаются с помощью фотолитографической процедуры, аналогичной той, что используется в микроэлектронике при производстве интегральных схем.

Рисунок 1.8 - Рефлекторы: a) в виде металлизированных полосок на пьезоэлектрической подложке; б) в виде канавок, формируемых методом травления Наиболлее перспективной является использование производственных линеек на базе систем наноимпринтлитографии (НИЛ). Она предполагает пошаговую штамповку в жидкий мономер с последующим его отверждением ультрафиолетовым излучением. Такой подход позволяет создавать наноразмерные структуры, что удешевляет стоимость продукции, так как на одной пластине становится возможным разместить большее количество меток, а также улучшает рабочие характеристики выпускаемой продукции

1.3.3 Варианты кодирования данных в метках на ПАВ

В транспондерах на ПАВ применяются в основном следующие методы кодирования данных: кодирование методом включения-выключения импульса (a) и кодирование временной позиции импульса (б).

a) В простейших транспондерах на ПАВ используется метод кодирования данных включением-выключением импульса, при котором каждая возможная позиция импульса кодирует один бит данных. Наличие или отсутствие импульса в ответном сигнале ПАВ-транспондера определяется топологией расположения рефлекторов на пьезоэлектрической подложке. Каждый рефлектор создает свой импульс в ответном сигнале ПАВ-транспондера, при этом время задержки между отдельными импульсами пропорционально пространственному расстоянию между рефлекторами на подложке. Промежутки, свободные от импульсов, отсутствуют. Размещая соответственным образом рефлекторы на подложке, можно сформировать требуемый двоичный код, представляемый последовательностью импульсов ответного сигнала транспондера.

б) В коммерческих системах на ПАВ используется метод кодирования временной позиции импульса.

В этом случае необходим так называемый импульс начала (стартовый импульс), чтобы обеспечить временную синхронизацию для остальных импульсов данных. Каждый импульс может занимать одну из 4 возможных временных позиций (рисунок 1.9). Соответствующая группа данных из 2 битов кодируется этим импульсом. Между группами данных существуют промежутки, свободные от импульсов.

При данном методе кодирования ширина импульсных слотов увеличивается примерно в два раза, чтобы обеспечить четкое разделение смежных позиций, которые могут занимать импульсы.

Рисунок 1.9 — Кодирование данных временной позиции импульсов в транспондере на ПАВ

В целом, кодирование временной позиции импульса и кодирование включением-выключением импульса обеспечивают примерно одинаковую плотность данных на единицу времени. Однако преимуществом метода кодирования временной позиции импульса является 50-процентное уменьшение импульсов данных, что означает 50-процентное уменьшение числа рефлекторов на транспондере. Благодаря использованию ограниченного числа рефлекторов улучшается детектирование данных (в каждой группе данных существует только один импульс) и обеспечивается постоянство амплитуд импульсов данных. Несмотря на то, что каждый рефлектор слегка уменьшает амплитуду сигнала, постоянное число рефлекторов означает, что импульсы сигнала, которые порождаются последними рефлекторами, всегда имеют постоянную амплитуду.

1.4 Частотные диапазоны РЧИД-систем

Существующие системы радиочастотной идентификации работают в нескольких нелицензируемых частотных диапазонах. В настоящее время для каждого из выделенных диапазонов действуют свои стандарты. Системы РЧИД в соответствии с международными стандартами ISO подразделяются на четыре класса:

1) Низкочастотные, с рабочим диапазоном частот 125 — 135 кГц;

2) Высокочастотные системы? 13,56 МГц;

3) Сверхвысокочастотные системы? 850 — 950 МГц;

4) Сверхвысокочастотные,? 2,4 ГГц.

Системы RFID в каждом частотном диапазоне имеют свои преимущества и недостатки, поэтому выбор конкретного диапазона основном зависит от сферы применения. Низкочастотные системы идентификации имеют низкую скорость передачи данных и меньшее расстояние считывания по сравнению с высокочастотными системами. Так же с ростом частоты способность проникновения электромагнитных волн в различные материалы уменьшается. Низкочастотные системы обычно взаимодействуют на расстоянии в пределах одного метра. В силу физики распространения волн в этом диапазоне, низкочастотные метки наиболее подходят для приложений, где требуется способность электромагнитных волн проникать в различные поверхности. Такие области применения включают маркировку животных, контроль доступа. Для некоторых объектов были созданы специальные стандарты (таблица 1.2).

Высокочастотные системы характеризуются более высокой скоростью передачи данных (~ 106Кбит). Также более высокая тактовая частота позволяет снабжать метки дополнительными функциональными возможностями, такими как шифрование данных и возможность перезаписи данных в метке. Сферы применения таких систем: электронные удостоверения личности, маркировка изделий, банковские и смарт карты, контроль технических процессов.

Таблица 1.2 — Действующие стандарты систем РЧИД

Для СВЧ систем идентификации в Европейских странах выделен частотный диапазон 866−869 МГц. Радиус взаимодействия метки и считывателя в пределах 2? 8 метров. Системы характеризуются высокой скорость передачи данных. Поэтому СВЧ системы идентификации наиболее подходят для транспортной и складской логистики. С другой стороны для работы метки требуется большая мощность приемопередающей базовой станции. В случае идентификации объектов из непрозрачных материалов для электромагнитных волн применяют особые конструкции меток.

В зависимости от частотного диапазона, системы радиочастотной идентификации используют разные способы взаимодействия метки и считывателя, методы модуляции и кодирования данных.

Кроме известных стандартов ISO, широкое распространение и популярность получили стандарты EPC Global. В стандартах EPC Global выделены следующие классы.

Класс 0. Группа пассивных меток для идентификации объекта. Эти метки содержат только, так называемый, «электронный код продукта» (Electronic Product Code, EPC) в неизменяемом виде и использующий проверку CRC для обнаружения ошибок.

Класс 1. Группа пассивных меток с функциональными возможностями. Эта большая группа меток содержит все метки, имеющие какие либо дополнительные функции, отличающие их от первой группы. Примером таких функции могут быть перезаписываемый EPC, шифрование данных и т. п.

Класс 2. Группа «полупассивных» меток. К этой группе были отнесены все метки, использующие дополнительно источник питания. При этом основным источником питания должна являться излучаемая считыватель энергия.

Класс 3. Группа активных меток. Эти метки содержат встроенный источник питания, полностью обеспечивающий метку необходимой энергией вне зависимости от считывателя.

Класс 4. Группа активных меток. Эти метки не только содержат встроенный источник питания, но и набор определенной логики, позволяющей метке обмениваться данными с такой же меткой или обычным считывателем.

Наиболее перспективными сегодня являются системы, использующие новейший СВЧ протокол Generation 2, предложенный организацией по стандартизации EPCglobal. Generation 2 представляет собой концепцию с улучшенными качествами и стандартами работы, такими как функционирование нескольких считывателей в непосредственной близости друг от друга, соответствие всем нормам мировых регулирующих органов, высокий уровень качества считываемости меток, высокая скорость считывания, возможность многоразовой записи информации на метки и повышенный уровень безопасности. Данный протокол полностью соответствует существующим требованиям.

1.5 Актуальность ПАВ-устройств. Выводы

Таким образом мы выяснили, что преимущества RFID систем делают возможным применение её в различных сферах торговли, производства, логистики и безопасности:

1) системы контроля и управления доступом;

2) управление производством и технологическими циклами;

3) беспроводные платежные системы;

4) учет и контроль грузовых перевозок;

5) автоматизация складирования;

6) электронная маркировка товаров в торговле;

7) электронная маркировка книг в библиотеках.

Для наглядного примера того, что РЧИД-метки на ПАВ способны составить конкуренцию чиповым меткам, произведем сравнение наиболее ярких представителей каждого класса, представив их характеристики в виде таблицы 1.3.

Таблица 1.3 — Сравнительная характеристика пассивных РЧИДметок, работающих в диапазоне частот 850 — 960 МГц

Из всего вышеизложенного определим возможные сферы применения меток на ПАВ:

1) Системы управления и контроля для транспортных средств.

2) Учет и регистрация автомобильных, железнодорожных и морских контейнеров.

4) Электронный номер (паспорт) транспортного средства.

8) Бесконтактные датчики давления, температуры и т. п. Все вышеперечисленные сферы применения транспондеров на ПАВ по своей сути являются наиболее требовательными к условиям эксплуатации систем радиочастотной идентификации и, что не менее важно, к надежности изделия, чего не может обеспечить чиповая метка.

Таким образом, проектируемая метка должна обеспечить максимально возможную дальность считывания, оптимальную конструкции, большую емкость данных и, вместе с этим, низкую стоимость. Кроме того, необходимо предусмотреть такую конструкцию, которая бы имела незначительные потери сигнала при считывании, а так же возможность считывания в поле действия ридера нескольких меток подобного типа. Все это будет определяться технологией изготовления, точностью расчетов и правильным подбором материалов.

2. Основная часть

2.1 Выбор исходных материалов

2.1.1 Основные требования к материалам подложек устройств на ПАВ

В устройствах на ПАВ в качестве материала подложки, как правило, используются пьезоэлектрики. Это связано со способом возбуждения звуковых волн с помощью встречно-штыревых преобразователей.

Перечислим наиболее важные характеристики материалов для устройств на ПАВ:

Квадрат коэффициента электромеханической связи (КЭМС) — дает количественное описание пьезоэлектрического эффекта. Он определяет соотношение между электрической и механической энергиями в пьезоэлектрике.

Данный параметр определяют экспериментально путем изменения времени распространения ПАВ между входным и выходным ВШП до и после нанесения на свободную поверхность между преобразователями металлической пленки.

Такие наиболее важные характеристики устройств на ПАВ, как относительная ширина полосы пропускания и вносимые потери, могут быть представлены в виде явных функций КЭМС. При заданном уровне вносимых потерь материал с большим значением КЭМС позволяет реализовать более широкополосное устройство.

Температурный коэффициент задержки (ТКЗ) — относительное изменение времени задержки, соответствующее изменению температуры на один градус. Значение ТКЗ определяют экспериментально путем измерения температурной зависимости частоты автогенератора с линией задержки на ПАВ.

Обычно материалы с большим значением КЭМС имеют худшую температурную стабильность (т.е. большие значения ТКЗ). Большое значение КЭМС показывает, что механические свойства более чувствительны к изменениям температуры.

Очевидно, что при жестких требованиях к температурной стабильности устройств предпочтительнее использовать материалы с малым значением ТКЗ.

Скорость ПАВ. С этим параметром связаны такие технические характеристики устройств, как рабочие частоты и габаритные размеры. Скорость ПАВ зависит от плотности материала, его упругих и пьезоэлектрических свойств и от состояния поверхности. Для эффективного возбуждения акустической волны и ее отражения от отражательных структур пространственный шаг топологических элементов должен быть равен длине такой волны.

Следует отметить, что фазовые скорости ПАВ на свободной и металлизированной поверхности различны. Скорость на металлизированной поверхности меньше. Это вызвано, прежде всего, закорачиванием электрической составляющей поля и приводит к изменению характеристик акустической волны.

С точки зрения повышения рабочих частот наиболее предпочтительнее материалы с большим значением скорости. Линейные размеры устройств также связаны с длиной волны. Они на практике составляют величину порядка 100 длин волн. Следовательно для низкочастотных приборов на ПАВ (частоты менее 10−100 МГц) необходимо выбирать материалы с низкой скоростью распространения (1000−2000 м/с).

Уровень потерь энергии при распространении ПАВ (коэффициент затухания). Его определяют с помощью зависимости:

B_M=б_Mf+в_Mf ²,(2.1)

где б_M и в_M — коэффициенты, характеризующие потери засчет воздушной нагрузки и вязкостных свойств материала, f — частота, ГГц.

Данная зависимость получена теоретически и подтверждена экспериментально для различных материалов и из срезов. Первое слагаемое вносит свой вклад лишь в том случае, если кристалл находится в воздухе или инертном газе и равно нулю в вакууме. Второе слагаемое обусловлено взаимодействием ПАВ с колебаниями кристаллической решетки.

При проектировании акустоэлектронных устройств, работающих на частотах менее 50 — 100 МГц потерями на распространение волн чаще всего пренебрегают. В то же время, на высоких частотах они вносят весомый вклад и обязательно должны быть учтены при выборе материала для АЭУ.

На рисунке 2.1 изображены зависимости величины вносимых потерь в зависимости от частоты работы устройства для некоторых материалов.

Рисунок 2.1 — Зависимости вносимых потерь от частоты при распространении ПАВ на поверхности монокристаллов ниобата лития, лангасита, ортофосфата галлия.

Затухание ПАВ также существенно зависит от состояния поверхности подложки Следовательно в процессе изготовления АЭУ подложки звукопроводов должны быть тщательно отшлифованы и очищены. Кроме того затухание ПАВ уменьшается и при охлаждении материала.

Параметры дифракции. Как и в оптических структурах, в приборах акустоэлектроники наблюдается явление дифракции звуковой волны (рисунок 2.2). Это приводит к расхождению пучка ПАВ и потере части энергии волны. Наибольшему влиянию дифракции подвержены устройства с аподизированными преобразователями (преобразователи с изменяющейся величиной перекрытия электродов).

Рисунок 2.2 — Дифракция пучка ПАВ Так как монокристаллы анизотропны и их характеристики акустических волн зависят от выбранного направления распространения, то картина дифракции в них усложняется в сравнении с изотропными материалами. Скорость ПАВ при разных направлениях различна, что приводит к увеличению или уменьшению расходимости пучков. Последний эффект называется автоколлимацией, Она приводит к уменьшению дифракционных потерь и особо важна в линиях задержки с большим временем задержки и в устройствах с протяженными электродными структурами. Степень дифракции для каждого конкретного пьезоэлектрического материала фиксирована. В монокристаллах она оценивается параметром анизотропии г. Величина и знак определяют степень дифракции поверхностных волн. В изотропной среде г = 0; при г > 0 дифракционные потери больше, чем в изотропной среде, при г < 0 потери меньше, чем в изотропной среде. Если г = -1, в анизотропной среде наблюдается автоколлимация, при которой расширение акустического пучка минимальное или отсутствует. Приведем значения параметров анизотропии и величины угла отклонения потока энергии для некоторых материалов.

Таблица 2.1 — Значения параметра анизотропии г и величины угла отклонения потока энергии для некоторых материалов акустоэлектроники

По мере удаления от излучателя изменяются и профили интенсивности ПАВ. Как и в классической оптике можно ввести безразмерный параметр Френеля.

где л — длина волны; D — расстояние от преобразователя до точки наблюдения; H — апертура преобразователя Значение F < 1 соответствует зоне Френеля (или ближней зоне). В этой зоне наблюдается четко выраженный акустический луч и его энергия сосредоточена в полосе, «освещаемой» апертурой преобразователя. Значение F > 1 соответствует зоне Фраунгофера (или дальней зоне), в которой акустический луч «разваливается». Очевидно, что для того чтобы вся акустическая энергия, излученная входным преобразователем, была принята выходным, преобразователи должны быть расположены в ближней зоне друг относительно друга.

Величина угла отклонения потока энергии

Если направление распространения ПАВ не совпадает с так называемым направлением чистой моды (ее угловое положение задается углом ш₀), то наблюдается отклонение потока энергии от направления распространения на угол ц (рисунок 2.3). Угол ц определяется соотношением:

ц =г(ш - ш₀)

где г — параметр анизотропии; ш — угол, определяющий направление распространение волны.

Желательно выбирать материалы с ц=0, но данное условие не всегда выполнимо. В таком случае управлять отклонением потока энергии можно засчет изменения положения элементов друг относительно друга.

Рисунок 2.3 — Схематическое представление профилей ПАВ при их распространении по монокристаллической подложке Потери, вызванные отклонением потока энергии существенны и могут достигать 2−6 дБ.

В заключении сформулируем общие требования к идеальному материалу:

— Большой КЭМС;

— Низкая скорость ПАВ;

— Низкий уровень потерь;

— Наличие направлений с нулевым ТКЗ;

В дальнейшем при выборе материала звукопровода будем руководствоваться данными требованиями.

2.1.2 Выбор материала подложки (звукопровода)

В таблице 2.2 в качестве сравнительной характеристики приведены основные параметры материалов акустоэлектроники.

Таблица 2.2 — Основные параметры материалов подложек

В качестве материала подложки выберем монокристалл ниобата лития. Как видно из таблицы 2.2 данный материал обладает довольно большим коэффициентом электромеханической связи, что позволит реализовать широкополосное устройство. На рисунке 2.1 наглядно проиллюстрирован тот факт, что величина вносимых потерь на частотах до 1ГГц в данном материале не превышает 0,5 дБ/мкс. Следовательно проектируемое устройство будет работать с минимальными потерями. К тому же, ниобат лития обладает приемлемыми скоростями распространения ПАВ в диапазоне 3000−4000м/с. Значения скорости, необходимые для устройства, работающего по принципу линии задержки на частотах более 100МГц, укладываются в данный интервал. Ввиду того что пьезоэлектрические материалы анизотропны, то важен становится не только сам выбранный материал, но и его срез и направление распространения акустических волн. Наиболее подходящим срезом для выбранного монокристалла ниобата лития является срез YZ, так как он обладает в этом направлении нулевым углом отклонения потока энергии ц и параметр анизотропии г близок к -1 (таблица 2.1). Это означает, что будет обеспечена высокая направленность пучка ПАВ.

2.1.3 Выбор материала для металлизации поверхности

Как и для материалов звукопроводов акустоэлектронных устройств, для проводящего покрытия также существуют определенные требования:

1) Минимальное электрическое сопротивление;

2) Высокая адгезия;

3) Однородность по структуре, составу, толщине;

4) Коррозионная стойкость;

5) Хорошая растворимость в травителе;

6) Технологичность;

7) Стабильность основных физико-химических свойств от партии к партии.

Дополнительными требованиями являются:

1) Малое различие акустических сопротивлений материала металлизации и звукопровода;

2) Низкая удельная плотность во избежание сильных отражений;

3) Слабые дисперсионные свойства.

В таблице 2.3 указаны акустические и дисперсионные свойства выбранного в качестве материала звукопровода ниобата лития Таблица 2.3 — Акустические и дисперсионные свойства ниобата лития среза YZ и материалов металлизации

При изготовления устройств на ПАВ для металлизации широко используются алюминий, серебро, золото, иногда медь с защитой никелем. В таблице 4 приведены акустические и дисперсионные свойства ниобата лития в сочетании с различными типами металлического покрытия.

Для фильтров на ниобате лития отражение за счет несоответствия акустических сопротивлений материалов звукопровода и покрытия минимальны при использовании серебра, но при этом велики дисперсионные искажения и увеличивается составляющая коэффициента отражения от границ электродов из-за роста нагружающей массы. Дешевизна алюминия и возможность получения низкого сопротивления пленочных проводников, делает данный наиболее пригодным для нашего устройства.

2.2 Расчет основных элементов метки

2.2.1 Выбор приемо-передающего ВШП

Основным конструктивным элементом любого акустоэлектронного устройства на ПАВ является преобразователь. Наиболее простым и эффективным способом приема и возбуждения ПАВ является использование ВШП. Существует множество различных конструкций таких преобразователей. Наиболее оптимальным решением является однонаправленный ВШП, так как он обеспечивает распространение пакета ПАВ лишь в одном направлении, и тем самым потери на преобразование электромагнитного сигнала в поверхностные акустические волны минимальны. Рассмотрим типовые конструкции однонаправленных ВШП.

На рисунке 2.4 изображен однонаправленный ВШП, одна из половин которого смещена на половину длины волны и служит отражателями для обратной ПАВ. Основным достоинством данного преобразователя является высокочастотность. Поскольку для повышения эффективности отражения требуется большое количество электродов, этот тип преобразователей является узкополосным с большим уровнем боковых лепестков.