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RFID技术应用于集装箱领域的解决方案分析
作者：华南理工大学电信学院广东广州 杜 平
来源：RFID世界网
日期：2007-11-26 14:45:38
摘要：RFID技术在对托盘、集装箱、运输车辆等方面的管理，对商品的标识以及供应链整体的管理的应用都促进了物流业的发展。电子标签具有读取距离远(一般在20 m以内)、适于恶劣环境、穿透性强、可识别运动目标等特点。
1 引 言
射频识别技术(RFID)以识别速度快、精度高、无需接触、环境适应性强等特点而受到集装箱运输业的青睐，得到了快速发展。他逐渐被运用到了交通运输，航空包裹的管理，后勤管理，生产线自动控制，门禁管理，物料处理，医疗等领域。RFID技术在对托盘、集装箱、运输车辆等方面的管理，对商品的标识以及供应链整体的管理的应用都促进了物流业的发展。电子标签具有读取距离远(一般在20 m以内)、适于恶劣环境、穿透性强、可识别运动目标等特点。
RFID技术在集装箱领域的应用使准确控制、追踪集装箱的who，where，when信息成为了可能。集装箱用电子标签多用超高频(UHF)段。这个频段的穿透能力强，并且在动态读取时显示出了优越性[1]。相对于工业自动化等领域的应用，电子标签在集装箱物流运输中的应用具有很强的特殊性。RFID标签随集装箱在海上、码头、堆场等场所流动，其工作环境具有温差大，紫外线照射强度大，海水对标签有腐蚀性等特点，集装箱用RFID标签的封装必须考虑这些因素。同时集装箱金属表面对电磁波的反射作用，对数据传输的影响极大。在金属面的影响下，原来匹配的天线变得不匹配了，需要重新设计天线，重新进行阻抗匹配。
2 RFID工作原理介绍
RFID是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。他的核心部件是一个电子标签，通过相距几厘米到几米甚至十几米的距离内读写器发射的无线电波，读取电子标签内的储存信息。无源RFID标签是将读写器发送的射频能量转化为直流电源为芯片电路供电的。图1为标签与读写器通信的工作原理示意图。
3．1 集装箱运输环境对电子标签应用性能指标的影响
相对于工业自动化等领域的应用，电子标签在集装箱物流运输中的应用具有很强的特殊性。
(1)工作环境比较恶劣
电子标签随集装箱在海上、码头、堆场等场所流动，与普通的电子标签工作环境不同。标签在设计和封装时必须考虑以下几个因素：
温度的特殊性 集装箱工作环境温度高、温差大，而且作业是全天候的。
高湿度的工作环境 集装箱运输过程中的大部分时间在海上(或者内河中)完成，因此电子标签必须要能够在湿度为35％～80％的环境下工作。
强烈的紫外线照射 长时间、高强度的紫外线照射加速了标签外壳塑料的老化。
酸碱腐蚀及振动冲击 集装箱大部分时间都工作在码头、海上，这种环境要求标签抗酸碱腐蚀，同时封装结构和材料要抗振动撞击。
(2)标签动态读取
由于集装箱流通速度较快，集装箱信息必须能够远距离访问，因此，要求电子标签识别速度高(移动速度>100 km/h)，距离远(>6 m)，准确率高(>99％)等。
3．2 集装箱用电子标签受金属面的影响分析
普通RFID标签直接贴附于金属表面上，由于金属表面对入射电磁波的反射作用，将会有较强的反方向电磁波也穿过电子标签。入射波与反射波相位叠加后将会抵消一部分，强度也会大大削弱，严重影响读写器对RFID标签的读取距离，甚至无法读取和RFID标签上的数据，如图2所示。同时，读写器与RFID标签间产生的磁通量会在金属表面感应涡流，根据楞次定律，涡流对读写器的磁场起反作用，致使金属表面上的磁场被强烈地衰减了。
通常的做法是把隔离介质与电子标签封装成一体，从而形成防金属电子标签。需要做的研究包括介质的研究(介质的选择、试验与工艺过程确定等)，特定介质参数的数据分析(μ，ε等)，以及封装形式的选择。
4 考虑金属面影响的情况下对电子标签天线进行设计
标签天线特性受所标识物体的形状及物理特性、标签到贴标签物体的距离、贴标签物体的介电常数、金属表面的反射及隔离介质参数等的影响。因此将普通的标签贴附于集装箱金属面时，原来匹配的天线变得不再匹配了，需要对天线重新进行设计，确定天线几何形状与尺寸。超高频RFID标签的天线一般是长条和标签状，而天线有线性和圆极化两种设计[2]，满足不同应用的需求。
普通的电子标签天线尺寸极小，但是集装箱体的大面积空间放宽了电子标签天线尺寸的要求。同时天线的设计必须考虑前面提到的隔离介质的影响。天线设计的目标是传输最大的能量进出电路，天线匹配程度越高，天线的辐射性能越好。这需要仔细地设计天线和自由空间以及芯片电路的匹配。UHF波频段的电子标签天线一般采用微带天线形式。在传统的微带天线设计中，我们可以通过控制天线尺寸和结构，或者使用阻抗匹配转换器使其输入阻抗与馈线相匹配。而电子标签芯片阻抗一般呈现强感弱阻的特性，而且很难测量芯片工作状态下的准确阻抗特性数据。其输入阻抗、方向图等特性容易受到加工精度、介质板纯度的影响。在保持天线性能的同时使天线与芯片相匹配，兼顾集装箱金属面的影响，这是集装箱用电子标签天线设计的一个主要难点。在以前的研究中，一般认为可以通过使用宽频带天线实现天线与芯片间的匹配[3]。
5 适用于集装箱的RFID标签的封装形式研究
5．1 电子标签封装工艺介绍
(1)因RFID标签芯片微小超薄，采用的方法是倒装芯片(Flip Chip)技术，自动化的流水线均选用从卷到卷的生产方式，工艺过程包括基板进料、上胶、芯片翻转贴装、热压固化、测试、基板收料等流程。他具有高性能、低成本、微型化、高可靠性的特点。但是工艺设备昂贵，一般需要借助国外厂商的设备才能进行。
(2)另一种封装方式是先将芯片与天线基板的键合封装分为两个模块完成。其中一具体做法(中国专利)是：大尺寸的天线基板和连接芯片的小块基板分别制造，在小块基板上完成芯片贴装和互连后，再与大尺寸天线基板通过大焊盘的粘连完成电路导通。该方法由独立的可精密定位的芯片转移设备将芯片置于载带构成芯片模块，再将芯片模块转移至天线基板上，其优点是两次转移可独立并行执行。
目前，倒装技术是比较成熟标签封装的技术。这种封装技术具有封装程序简单、工艺成熟、造价低廉，封装出的标签体积小、超薄、易于粘贴的优点。市面上常见的标签也多足采用这种工艺。但是这种设备昂贵，目前在国内能进行倒装的厂家微乎其微。多是采用第二种，将芯片与天线进行精密焊接已到达连接的目的。相对于第一种，这种技术对设备的要求底了很多，但是封装过程耗时长。
5．2 适用于集装箱用电子标签的封装工艺探讨
实际应用中多数标签的封装尺寸和形式受所贴标签物体的限制，一般情况下标签要做的小而薄，可以二次封装成卡片。而集装箱的箱体表面积非常大，放宽了对标签表面积和体积的要求。这对标签天线的设计是非常有利的。因为很多情况下受被标识物体体积的限制，要求标签的体积要很小，其感应天线必然也较小，在相同的场强中，小天线感应到的电能比大天线要弱的多。集装箱用电子标签动态读取要求的读取距离比较远(大约10 m)，因此对天线尺寸的要求更高，因为尺寸较小的天线在距离读写器很近时呈现出较高的场强，而较大的天线在较远的距离处的场强还比较高[4]。因此集装箱用电子标签可做得大一些，最后封装成盒状，固定在集装箱表面。无需制成柔性、纸制、可黏贴性的。
根据电子标签标识集装箱的实际需要，倒装工艺制成的纸制标签不能满足集装箱工作环境的抗振动、抗腐蚀等方面的要求，而且也无需将标签封装的体积很薄，鉴于国内的封装技术水平，可在芯片与天线焊接之前先对芯片进行TSSOP封装，并引出所需引脚。以此为基础，运用中国专利技术实现芯片和天线的互连，这个过程中芯片封装和天线基板的键合封装分为两个模块完成。再进行介质填充、外壳密封，最终做成集装箱电子标签成品，并进行高温老化、测试、包装。在这个过程中，考虑了使用环境对金属面反射、防水、防潮、防雾、防雷击等指标要求。
对芯片进行TSSOP封装后，将其引脚与天线键合，解决了倒封装设备价格昂贵，依赖于国外技术的问题。并且与前面两种封装形式的标签相比，TSSOP封装材料具有抗压、抗高温等特点，能满足集装箱工作环境的较高要求，提高了标签的可靠性和稳定性。整个标签的封装与柔性封装相比，因其有了介质填充，解决了集装箱金属面对标签影响的问题。而密封的外壳可以满足温差大、湿度大、酸碱和盐雾腐蚀性强、振动冲击大等各方面的要求。
6 结 语
目前我国的射频识别技术还处于一个起步阶段，将RFID技术运用到集装箱行业具有非常乐观的前景，然而电子标签在集装箱行业上的应用具有很大的特殊性。本文通过研究，阐述了在金属表面干扰情况下，天线设计和阻抗匹配应该考虑的诸多问题，指出了他的设计方向，说明了电子标签的封装可以突破传统电子标签的封装形式，选择一种适合集装箱应用环境的封装，通过填充介质材料来解决金属面干扰的问题。随着电子标签技术的成熟，他的应用领域将会不断扩大，不久以后行驶着的集装箱车辆可以告诉交通管理系统自己的具体位置，一列满载的货物列车通过时，路旁的感应器会显示出车内装载货物的种类、数量等等[5]。
射频识别技术(RFID)以识别速度快、精度高、无需接触、环境适应性强等特点而受到集装箱运输业的青睐，得到了快速发展。他逐渐被运用到了交通运输，航空包裹的管理，后勤管理，生产线自动控制，门禁管理，物料处理，医疗等领域。RFID技术在对托盘、集装箱、运输车辆等方面的管理，对商品的标识以及供应链整体的管理的应用都促进了物流业的发展。电子标签具有读取距离远(一般在20 m以内)、适于恶劣环境、穿透性强、可识别运动目标等特点。
RFID技术在集装箱领域的应用使准确控制、追踪集装箱的who，where，when信息成为了可能。集装箱用电子标签多用超高频(UHF)段。这个频段的穿透能力强，并且在动态读取时显示出了优越性[1]。相对于工业自动化等领域的应用，电子标签在集装箱物流运输中的应用具有很强的特殊性。RFID标签随集装箱在海上、码头、堆场等场所流动，其工作环境具有温差大，紫外线照射强度大，海水对标签有腐蚀性等特点，集装箱用RFID标签的封装必须考虑这些因素。同时集装箱金属表面对电磁波的反射作用，对数据传输的影响极大。在金属面的影响下，原来匹配的天线变得不匹配了，需要重新设计天线，重新进行阻抗匹配。
2 RFID工作原理介绍
RFID是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。他的核心部件是一个电子标签，通过相距几厘米到几米甚至十几米的距离内读写器发射的无线电波，读取电子标签内的储存信息。无源RFID标签是将读写器发送的射频能量转化为直流电源为芯片电路供电的。图1为标签与读写器通信的工作原理示意图。
3．1 集装箱运输环境对电子标签应用性能指标的影响
相对于工业自动化等领域的应用，电子标签在集装箱物流运输中的应用具有很强的特殊性。
(1)工作环境比较恶劣
电子标签随集装箱在海上、码头、堆场等场所流动，与普通的电子标签工作环境不同。标签在设计和封装时必须考虑以下几个因素：
温度的特殊性 集装箱工作环境温度高、温差大，而且作业是全天候的。
高湿度的工作环境 集装箱运输过程中的大部分时间在海上(或者内河中)完成，因此电子标签必须要能够在湿度为35％～80％的环境下工作。
强烈的紫外线照射 长时间、高强度的紫外线照射加速了标签外壳塑料的老化。
酸碱腐蚀及振动冲击 集装箱大部分时间都工作在码头、海上，这种环境要求标签抗酸碱腐蚀，同时封装结构和材料要抗振动撞击。
(2)标签动态读取
由于集装箱流通速度较快，集装箱信息必须能够远距离访问，因此，要求电子标签识别速度高(移动速度>100 km/h)，距离远(>6 m)，准确率高(>99％)等。
3．2 集装箱用电子标签受金属面的影响分析
普通RFID标签直接贴附于金属表面上，由于金属表面对入射电磁波的反射作用，将会有较强的反方向电磁波也穿过电子标签。入射波与反射波相位叠加后将会抵消一部分，强度也会大大削弱，严重影响读写器对RFID标签的读取距离，甚至无法读取和RFID标签上的数据，如图2所示。同时，读写器与RFID标签间产生的磁通量会在金属表面感应涡流，根据楞次定律，涡流对读写器的磁场起反作用，致使金属表面上的磁场被强烈地衰减了。
通常的做法是把隔离介质与电子标签封装成一体，从而形成防金属电子标签。需要做的研究包括介质的研究(介质的选择、试验与工艺过程确定等)，特定介质参数的数据分析(μ，ε等)，以及封装形式的选择。
4 考虑金属面影响的情况下对电子标签天线进行设计
标签天线特性受所标识物体的形状及物理特性、标签到贴标签物体的距离、贴标签物体的介电常数、金属表面的反射及隔离介质参数等的影响。因此将普通的标签贴附于集装箱金属面时，原来匹配的天线变得不再匹配了，需要对天线重新进行设计，确定天线几何形状与尺寸。超高频RFID标签的天线一般是长条和标签状，而天线有线性和圆极化两种设计[2]，满足不同应用的需求。
普通的电子标签天线尺寸极小，但是集装箱体的大面积空间放宽了电子标签天线尺寸的要求。同时天线的设计必须考虑前面提到的隔离介质的影响。天线设计的目标是传输最大的能量进出电路，天线匹配程度越高，天线的辐射性能越好。这需要仔细地设计天线和自由空间以及芯片电路的匹配。UHF波频段的电子标签天线一般采用微带天线形式。在传统的微带天线设计中，我们可以通过控制天线尺寸和结构，或者使用阻抗匹配转换器使其输入阻抗与馈线相匹配。而电子标签芯片阻抗一般呈现强感弱阻的特性，而且很难测量芯片工作状态下的准确阻抗特性数据。其输入阻抗、方向图等特性容易受到加工精度、介质板纯度的影响。在保持天线性能的同时使天线与芯片相匹配，兼顾集装箱金属面的影响，这是集装箱用电子标签天线设计的一个主要难点。在以前的研究中，一般认为可以通过使用宽频带天线实现天线与芯片间的匹配[3]。
5 适用于集装箱的RFID标签的封装形式研究
5．1 电子标签封装工艺介绍
(1)因RFID标签芯片微小超薄，采用的方法是倒装芯片(Flip Chip)技术，自动化的流水线均选用从卷到卷的生产方式，工艺过程包括基板进料、上胶、芯片翻转贴装、热压固化、测试、基板收料等流程。他具有高性能、低成本、微型化、高可靠性的特点。但是工艺设备昂贵，一般需要借助国外厂商的设备才能进行。
(2)另一种封装方式是先将芯片与天线基板的键合封装分为两个模块完成。其中一具体做法(中国专利)是：大尺寸的天线基板和连接芯片的小块基板分别制造，在小块基板上完成芯片贴装和互连后，再与大尺寸天线基板通过大焊盘的粘连完成电路导通。该方法由独立的可精密定位的芯片转移设备将芯片置于载带构成芯片模块，再将芯片模块转移至天线基板上，其优点是两次转移可独立并行执行。
目前，倒装技术是比较成熟标签封装的技术。这种封装技术具有封装程序简单、工艺成熟、造价低廉，封装出的标签体积小、超薄、易于粘贴的优点。市面上常见的标签也多足采用这种工艺。但是这种设备昂贵，目前在国内能进行倒装的厂家微乎其微。多是采用第二种，将芯片与天线进行精密焊接已到达连接的目的。相对于第一种，这种技术对设备的要求底了很多，但是封装过程耗时长。
5．2 适用于集装箱用电子标签的封装工艺探讨
实际应用中多数标签的封装尺寸和形式受所贴标签物体的限制，一般情况下标签要做的小而薄，可以二次封装成卡片。而集装箱的箱体表面积非常大，放宽了对标签表面积和体积的要求。这对标签天线的设计是非常有利的。因为很多情况下受被标识物体体积的限制，要求标签的体积要很小，其感应天线必然也较小，在相同的场强中，小天线感应到的电能比大天线要弱的多。集装箱用电子标签动态读取要求的读取距离比较远(大约10 m)，因此对天线尺寸的要求更高，因为尺寸较小的天线在距离读写器很近时呈现出较高的场强，而较大的天线在较远的距离处的场强还比较高[4]。因此集装箱用电子标签可做得大一些，最后封装成盒状，固定在集装箱表面。无需制成柔性、纸制、可黏贴性的。
根据电子标签标识集装箱的实际需要，倒装工艺制成的纸制标签不能满足集装箱工作环境的抗振动、抗腐蚀等方面的要求，而且也无需将标签封装的体积很薄，鉴于国内的封装技术水平，可在芯片与天线焊接之前先对芯片进行TSSOP封装，并引出所需引脚。以此为基础，运用中国专利技术实现芯片和天线的互连，这个过程中芯片封装和天线基板的键合封装分为两个模块完成。再进行介质填充、外壳密封，最终做成集装箱电子标签成品，并进行高温老化、测试、包装。在这个过程中，考虑了使用环境对金属面反射、防水、防潮、防雾、防雷击等指标要求。
对芯片进行TSSOP封装后，将其引脚与天线键合，解决了倒封装设备价格昂贵，依赖于国外技术的问题。并且与前面两种封装形式的标签相比，TSSOP封装材料具有抗压、抗高温等特点，能满足集装箱工作环境的较高要求，提高了标签的可靠性和稳定性。整个标签的封装与柔性封装相比，因其有了介质填充，解决了集装箱金属面对标签影响的问题。而密封的外壳可以满足温差大、湿度大、酸碱和盐雾腐蚀性强、振动冲击大等各方面的要求。
6 结 语
目前我国的射频识别技术还处于一个起步阶段，将RFID技术运用到集装箱行业具有非常乐观的前景，然而电子标签在集装箱行业上的应用具有很大的特殊性。本文通过研究，阐述了在金属表面干扰情况下，天线设计和阻抗匹配应该考虑的诸多问题，指出了他的设计方向，说明了电子标签的封装可以突破传统电子标签的封装形式，选择一种适合集装箱应用环境的封装，通过填充介质材料来解决金属面干扰的问题。随着电子标签技术的成熟，他的应用领域将会不断扩大，不久以后行驶着的集装箱车辆可以告诉交通管理系统自己的具体位置，一列满载的货物列车通过时，路旁的感应器会显示出车内装载货物的种类、数量等等[5]。
