Энергонезависимые миниатюрные радиоэлектронные идентификаторы на поверхностных акустических волнах

УДК 621.396.1

Н. И. Горемыкин, нач. лаборатории, А. С. Койгеров, инженер, И. Н. Смелов, аспирант,

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

Энергонезависимые миниатюрные радиоэлектронные идентификаторы на поверхностных акустических волнах

Ключевые слова: идентификация, поверхностно-акустическая волна, радиомаркер. Key words: Identification, tagging, surface acoustic wave, radio marker, tag.

Рассмотрены радиочастотные идентификаторы на поверхностно-акустических волнах для применения в медицине и биологии. Приведен анализ конструктивно-функциональных особенностей идентификационных радиомаркеров. Представлены результаты исследований разработанных и изготовленных экспериментальных образцов.

Введение

В последние годы одним из перспективных и востребованных направлений радиоэлектроники стала радиочастотная идентификация. Значительный объем информации при экспресс-решении логистических задач обуславливает необходимость поиска эффективных средств маркировки и идентификации стационарных и особенно подвижных объектов, что позволит не только повысить производительность труда, но и обеспечить комфорт в работе. Известная технология штрихового кодирования частично решает задачу идентификации, однако на сегодняшний день эта технология считается устаревшей, в первую очередь, из-за ее низкой надежности. Кроме того, система штрихкодов не решает широкий ряд задач, связанных с дистанционным контролем объектов.

По оценке аналитиков, в 2010 г. емкость рынка систем радиочастотной идентификации (РЧИД) составит 22 млрд евро и ожидается рост применения технологий РЧИД в розничных торговых сетях, социальных службах, сфере здравоохранения и медицины. Приведем примеры использования технологии РЧИД.

РЧИД-браслеты используются для отождествления младенца с матерью, быстрого поиска ушедшего из своей палаты пациента, требующего по состоянию здоровья постоянного контроля, или экспресс-определения местонахождения врача. В базу данных

радиомаркера, ключом к которой является идентификационный номер, заносят необходимую для лечения информацию, включая группу крови, сведения об аллергии, принимаемых лекарственных препаратах. Использование подобной базы данных предотвращает ошибки, связанные с неразборчивым почерком, непрофессиональными действиями пара-медиков, при отсутствии предварительной информации восполняет утерю медицинских документов. Немецкий концерн Siemens AG совместно с компанией Schweizer electronic, разработали радиомаркер со встроенным датчиком температуры, выдерживающий операции стерилизации, а также ускорение до 5000 Гая, развиваемое в центрифуге. Данный маркер применяют, например, в банках крови [1].

Целью данной работы является системное изложение конструктивно-функциональных особенностей миниатюрных автономных радиочастотных идентификаторов на поверхностных акустических волнах, отличающихся повышенной надежностью идентификации и не требующих встроенных источников питания.

Активные и пассивные радиочастотные идентификаторы

Рассматривая системы радиочастотной идентификации, следует отметить, что эти системы обычно делятся на активные и пассивные. Активные системы содержат в своем составе источники питания, тогда как в пассивных РЧИД источники питания отсутствуют. Среди существующих пассивных систем идентификации по радиоканалу особого внимания заслуживают энергонезависимые системы РЧИД на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Идентификационные системы на ПАВ обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с любыми другими аналогичными цифровыми, в том числе однокристальными, системами. К основным преимуществам систем РЧИД на ПАВ можно отнести их

Встречно-штыревой преобразователь

Отражательные структуры

Апертура W

Подложка из пьезоматериала

Рис. ^ ПАВ-структура радиомаркера

высокую надежность, долговечность и приемлемую дальность действия, устойчивость к внешним воздействующим факторам (температура, давление, радиация). Радиомаркеры (радиочастотные идентификаторы) на ПАВ (рис. 1) являются весьма компактными и легкими устройствами, что позволяет размещать их даже на теле человека. Таким образом, системы РЧИД на ПАВ благодаря своим преимуществам перед ближайшими конкурентами (чиповыми метками и смарт-картами) целенаправленно входят в обращение, открывая широкие возможности для повышения эффективности и надежности идентификации.

Конструкция и принцип действия радиомаркера на ПАВ

В основе работы радиомаркера на поверхностных акустических волнах лежит эффект распространения ПАВ в пьезоэлектрическом кристалле.

Для возбуждения и детектирования ПАВ служат встречно-штыревые преобразователи (ВШП). Они представляют собой нанесенные на пьезоэлектрическую подложку двухфазные решетки электродов. Электрический импульс, приложенный к ВШП, благодаря обратному пьезоэлектрическому эффекту преобразуется в механическую деформацию поверхности подложки между электродами разной полярности. Эта деформация пропорциональна электрическому полю и распространяется как поверхностная акустическая волна в обоих направлениях, перпендикулярных к электродам. Возбуждение ПАВ происходит только в области между электродами, подключенными к разным шинам. Длина взаимно перекрывающихся частей электродов Ж (рис. 1) определяет ширину пучка возбуждаемой ПАВ.

Достоинством ВШП является возможность в широких пределах изменять параметры 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, в результате прямого пьезоэффекта генери-

рует на его шинах электрический сигнал. Именно это свойство используется в системах радиочастотной идентификации на поверхностных акустических волнах.

Для создания неоднородностей, отражающих ПАВ на пьезоэлектрической подложке, создаются системы металлизированных полосок или канавок, которые формируют путем травления поверхности звукопровода. Такие искусственно созданные отражающие элементы называются рефлекторами. Рефлекторы располагают на поверхности метки таким образом, чтобы кодировать данные радиомаркера, используя задержку во времени, амплитуду и (или) фазу.

Радиомаркеры на ПАВ относятся к классу «только чтение» и работают только на считывание информации. На опросный импульс приемопередатчика (считывателя) радиомаркер формирует набор ответных импульсов, несущих определенный код, обусловленный топологией ПАВ-устройства (рис. 2). Следует отметить, что дальность считывания системы идентификации на ПАВ зависит от нескольких факторов. Один из них — это потери непосредственно в радиомаркере, достигающие 30-50 дБ. Поскольку радиомаркер на ПАВ — это прототип многоотводной линии задержки, то с увеличением числа этих отводов возрастают потери, связанные с распределением энергии между ними. В свою очередь, число отводов определяет число знаков кода, а значит, число возможных кодовых комбинаций.

Существенное преимущество радиомаркеров на ПАВ заключается в том, что они как пассивные устройства имеют индивидуальный код с возможностью идентификации на расстояниях более 1 м. Одним из ограничений в применении данного класса радиомаркеров является наличие проблемы коллизии, т. е. ситуации, прием сигнала затруднен, если в зоне идентификации одновременно оказывается значительное количество радиомаркеров.

Радиомаркер на ПАВ — это устройство, состоящее либо из двух ВШП, один из которых является кодирующим, либо из одного ВШП и ряда групп отражателей, которые могут быть созданы с помощью плоских электродов или канавок на пьезоэлектрических подложках. Радиомаркер, представ-

Антенна

Л Опросный сигнал

Подложка из пьезоматериала

Ответный сигнал

Встречно-штыревой преобразователь

Отражательные структуры

Рис. 2 | Принцип работы радиомаркера на ПАВ

биотехносфера

| № 1-2(13-14) 20 ]

Рис. 3 Конструкция радиомаркера на ПАВ с кодирующим ВШП и способ подключения его к антенне: а — одна антенна; б — две антенны; 1 — ВШП-1; 2 — ВШП-2; 3 — пъезоподложка; 4 — антенна

ленный на рис. 3, состоит из антенны и устройства на ПАВ, где отражающие структуры представляют собой плоские электроды.

Достоинством конструкции радиомаркера (рис. 3) является ее технологичность при изготовлении.

К недостаткам можно отнести следующее:

• наличие переотражений между преобразователями;

• существенный спад амплитуды кодовых импульсов;

• существенный разброс электрических параметров радиомаркера в зависимости от кода;

• трудность согласования с антенной из-за «из-резанности» амплитудно-частотной характеристики;

• большие габаритные размеры пьезоэлектрической подложки по сравнению с конструкцией радиомаркера с отражательными структурами.

В конструкции радиомаркера, приведенной на рис. 4, ВШП используется для преобразования электрического сигнала, поступающего от антенны в устройство на ПАВ и обратно. Отражательные структуры (ОС) в виде групп канавок располагаются на поверхности пьезоподложки таким образом, чтобы после отражения поверхностной акустической волны от каждой отражательной структуры и ее обратного преобразования на ВШП в антенну радиомаркера поступила кодовая последовательность импульсов.

Достоинствами конструкции радиомаркера с отражательными структурами являются:

• регулируемый коэффициент отражения от каждого отражателя (при помощи изменения глубины канавок) и, как следствие, возможность выбрать его оптимальное значение;

Рис. 4

Конструкция радиомаркера на ПАВ с отражательными структурами и способ подключения его к антенне: а — традиционная схема; б — схема с использованием двунаправленности ВШП;

1 — ВШП; 2 — отражателъные структуры; 3 — пъезоподложка; 4 — антенна

• небольшая «изрезанность» амплитудно-частотной характеристики, не чувствительная к коду, что обеспечивает отсутствие разброса электрических параметров радиомаркера в зависимости от заданного кода.

К недостаткам можно отнести следующее:

• большее число технологических операций при изготовлении по сравнению с радиомаркером на ВШП;

• необходимость хорошей расчетно-теоретиче-ской базы для учета переотражений акустических волн внутри отражательных структур и других вторичных эффектов.

Антенны, применяемые в радиочастотной идентификации

Для передачи и приема сигналов по радиоканалу необходимы антенны. Правильный выбор антенны считывателя и маркера является важным фактором успешной идентификации [3].

Антенны считывателей. Предназначение антенн считывателей состоит в том, чтобы генерировать опросный сигнал и получать ответ от попавших в зону обнаружения радиомаркеров.

В настоящее время на российском и зарубежном рынке представлено большое количество внешних антенн считывателей. В России производством таких антенн занимаются НПП «Анталика», компания «Aero Solutions» и др. Выпускаемые производителями антенны различаются по рабочим характеристикам, условиям эксплуатации, способу установки, сроку службы, надежности, массе, габаритным размерам, цене.

Многообразие антенн считывателей для РЧИД проявляется не только в условиях их эксплуатации и предназначении, но и в конструкции самой антенны. Типичными представителями данного класса антенн являются дипольная антенна (Motorola), антенна «двойной квадрат», «волновой канал» (НПП «Анталика»), Patch-антенны (Aero Solutions), PIFA-антенны (CAEN RFID).

Антенны пассивных радиомаркеров. Энергия, требуемая для работы пассивного радиомаркера, аккумулируется из электромагнитного сигнала, поступающего от считывателя. Таким образом, в состав пассивного радиомаркера непременно входит антенная система, которая принимает сигнал опроса и излучает ответный сигнал, генерируемый радиомаркером на ПАВ.

Внешние антенны считывателей, как правило, соответствуют общим требованиям универсальности. Антенны радиомаркеров являются интегрированными структурами и проектируются под конкретную группу задач. Широкий круг задач, решаемых средствами РЧИД, обуславливает многообразие конструкций антенн для радиомаркеров. Многие из этих конструкций являются уникальными и с трудом поддаются классификации.

а)

Точки подключения

б)

Рис. 5

Некоторые типы антенн радиомаркеров: а — меандр; б — модифицированный диполь; в — щелевая антенна; г — спиральная антенна

Поскольку одним из основных требований, предъявляемых к идентификационному радиомаркеру, является его компактность, то в основе большинства антенн радиомаркеров лежат различные «укороченные» варианты излучателей, такие как «меандр», «укороченный шлейф», спиральная антенна, чиповая антенна, «щель», «петля» и др. (рис. 5).

Уменьшение габаритных размеров антенны, как правило, приводит к ухудшению ее рабочих характеристик и удорожанию радиомаркера, поэтому разработка и согласование антенн радиомаркеров —непростая многопараметрическая задача оптимизации. Для ее решения наиболее подходят программные пакеты HFSS, CST Studio, MMANA.

При помощи указанного программного обеспечения был проведен ряд исследований, посвященных нескольким типам антенн радиомаркеров с рабочей частотой около 0,9 ГГц. Так, антенна первого типа (рис. 6, а) относится к классу планарных антенн и может быть условно названа «меандром». Размеры «меандра» 45 х 60 мм. Толщина подложки не превышает 0,5 мм. Антенна второго типа (рис. 6, б) является пространственной спиральной антенной с поперечным излучением (NMH-антенна). Размеры изготовленных образцов NMH-антенн удалось существенно уменьшить, поместив их в диэлектрическую среду, которая одновременно несет и конструктивную нагрузку. Применение диэлектриков с различ-

ными свойствами позволило уменьшить размеры пространственной антенны до 15 х 20 мм без потерь по коэффициенту усиления и полосе пропускания.

Некоторые характеристики экспериментальных образцов РЧИД-систем на ПАВ

В рамках проведенных работ были созданы РЧИД-системы с рабочей частотой около 0,9 ГГц. Такой радиомаркер представляет собой корпусированный сопряженный с антенной звукопровод из ниобата лития со следующими размерами рабочего поля: ширина 2-4 мм, длина 6-20 мм. Расстояние между алюминиевыми электродами ВШП в созданных ПАВ-структурах не превышает 1,2 мкм. При уровне излучаемой средней мощности считывателя 5-10 мВт радиус действия таких систем составляет 3-15 м в свободном пространстве. При идентификации радиомаркеров за различными преградами дальность их выявления уменьшается в зависимости от толщины преграды и ряда прочих причин. На рис. 7

90 120 R, см

Рис. 7

Зависимость абсолютного уровня сигнала на оконечном каскаде считывателя при средней мощности передатчика 10 мВт от дальности действия системы при уровне потерь в тракте 20 дБ

Рис. 6

Антенны радиомаркеров, разработанные в ЦМИД СПбГЭТУ: а — «меандр»»; б — укороченная винтообразная антенна с поперечным излучением

Рис. 8\ Вид электродной структуры ВШП

биотехносфера

| № 1-2(13-14)/2011

8,0 пт

Рис. 9

SD-изображение морфологии поверхности отражающей структуры

приведены результаты натурных испытании радиомаркера с одним из видов планарных антенн.

Вид электродной структуры ВШП радиомаркера с рабочеИ частотой около 0,9 ГГц представлен на рис. 8. При изготовлении ПАВ-устроИства использовались: пьезоматериал — ниобат лития, материал ВШП — алюминиИ с подслоем титана. Структура формировалась методом взрывноИ фотолитографии. Изображение ВШП получено с помощью микроскопа Hirox КН-7700.

На рис. 9 приведена профилограмма ПАВ-структуры с отражательными элементами. При исследовании профилеИ по поверхности структур с удаленной металлизацией применялся атомно-силовоИ микроскоп Dimension 3100.

Импульсный отклик радиомаркера с идентификационным кодом представлен на рис. 10. Вносимые потери радиомаркера — 40 дБ.

Заключение

Представлены анализ конструктивных особенностей пассивных радиомаркеров на ПАВ и результаты практической реализации миниатюрных идентификаторов, работающих в диапазоне до 1 ГГц. За рамками данной публикации осталось рассмотрение таких составных частей РЧИД-системы, как устройство считывателя и его антенна. Основное направление работ в данной области частотного диапазона связано с цифровой обработкой опросного и ответного сигналов, а при разработке антенн считывателя исследуются новые перспективные материалы, улучшающие массогабаритные и электродинамические характеристики. Определенные перспективы по улучшению характеристик РЧИД-системы в целом намечаются при условии оптимизации технологического процесса изготовления ПАВ-структур в целях достижения линейности АЧХ ответного сигнала, вариативности импедансов.

Достигнутые результаты позволяют рассматривать возможность применения этих систем в значительно более широких областях, чем планировалось изначально. Так, в отличии от цифровых кристальных идентификаторов, весьма неустойчивых к воздействию радиации и мощных электромагнитных импульсов, радиомаркеры на ПАВ выдерживают воздействие радиации более 10 Мрад. Применение антенн с круговой поляризацией совместно с топологическими решениями для конструкций радиомаркеров обеспечивает возможность дистанционного контроля нескольких динамических объектов вне зависимости от их пространственного положения, т.е. при произвольной ориентации радиомаркера. Переход в диапазон 2,45 ГГц делает систему РЧИД еще более привлекательной за счет минимизации размеров радиомаркеров и всего комплекса в целом.

Л и т е р а т у р а

2.

3.

Рис. 10

Осциллограмма импульсного отклика радиомаркера с идентификационным кодом

Process News 2/2007. P. 4. ISSN 1430-2292. Publisher: Siemens AG.

Койгеров А. С., Забузов С. А., Дмитриев В. Ф. Исследование корреляционного метода для решения задачи антиколлизии для систем радиочастотной идентификации на ПАВ // Информационно-управляющие системы. 2009. Вып. 5. С. 48-55.

Койгеров А. С., Смелов И. Н. Вопросы согласования радиомаркера с антенной в системе радиочастотной идентификации на поверхностных акустических волнах // Тр. 65-й науч.-техн. конф. им. А. С. Попова СПбНТОРЭС. СПб. 2010. С. 259-260.