專利名稱：改進(jìn)的rfid標(biāo)簽的制作方法
本申請要求2004年10月4日提交的美國臨時(shí)申請No.60/615,826以及2005年9月2日提交的美國臨時(shí)申請No.60/713,861的優(yōu)先權(quán)，它們的內(nèi)容通過引用結(jié)合在本文中。
背景技術(shù)：
射頻識別符(RFID)標(biāo)簽被使用在各種應(yīng)用中，例如庫存控制和安全。和條碼跟蹤系統(tǒng)不同，這些更智能的RFID系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于，RFID系統(tǒng)可存儲(chǔ)有關(guān)物品的具體信息，并可讀出標(biāo)簽上的該信息而無需瞄準(zhǔn)線或特定定向。這意味著RFID系統(tǒng)可大部分自動(dòng)化，減少了對人工掃描的需要。
這些RFID標(biāo)簽通常放置在物品或容器如紙板箱之內(nèi)或之上。RFID標(biāo)簽與RFID基站協(xié)同工作?；咎峁╇姶挪ㄝ敵?，其起載頻作用。然后使用數(shù)據(jù)來調(diào)制載頻以發(fā)射具體信息。RFID系統(tǒng)通常在低頻范圍(一般低于100MHz)或在較高頻率范圍(大于100MHz)工作。在許多應(yīng)用中，一種這樣較高的頻率范圍在800和1000MHz之間(定義為UHF頻帶)，915MHz是在美國目前利用的最常見的高頻。大多數(shù)RFID系統(tǒng)利用以該頻率為中心的跳頻，所以整個(gè)頻率范圍大致為902到928MHz。在美國RFID標(biāo)簽所用的第二高頻是2450MHz。目前，歐洲標(biāo)準(zhǔn)利用869MHz，而日本標(biāo)準(zhǔn)是953MHz。
許多RFID標(biāo)簽含有集成電路，它們能夠存儲(chǔ)信息。根據(jù)RFID標(biāo)簽的具體實(shí)現(xiàn)方案，集成電路能夠在以后的時(shí)間用新信息來更換所存儲(chǔ)的信息。當(dāng)基站請求數(shù)據(jù)時(shí)，集成電路對該請求作出響應(yīng)而提供它所存儲(chǔ)的信息。在那些允許重新寫入信息的RFID標(biāo)簽中，集成電路在從基站接收到新數(shù)據(jù)時(shí)重寫其現(xiàn)有信息。
除了集成電路，RFID標(biāo)簽含有天線。需要有天線來接收基站所產(chǎn)生的電磁波，并通過同一頻率發(fā)射數(shù)據(jù)。天線的配置可各不相同，包括扁平線圈、接線天線、微帶天線、帶狀天線和偶極天線。
這些RFID標(biāo)簽中有些是自供電的，就是說它們含有內(nèi)部電源如電池。其它RFID標(biāo)簽是場供電的。后一類標(biāo)簽使用基站發(fā)射的入射RF能量來提供它們所需的電壓。RF能量被標(biāo)簽天線作為AC信號接收，然后被整流形成DC電壓，該DC電壓即用來向集成電路供電。
這些集成電路具有一個(gè)最小電壓要求，低于該要求則集成電路不能工作，且標(biāo)簽不能被讀出。整流的DC電壓是所接收電磁波信號強(qiáng)度的函數(shù)。例如，靠近基站的RFID標(biāo)簽會(huì)接收更多的能量，所以能對其集成電路提供足夠的電壓，這就和物理上距基站較遠(yuǎn)的RFID標(biāo)簽形成了對比。RFID標(biāo)簽仍能被讀出的基站和RFID標(biāo)簽之間的最大距離稱為讀出距離。顯然，較大的讀出距離對幾乎所有RFID應(yīng)用都是有益的。
在高頻范圍工作的RFID標(biāo)簽的一個(gè)益處是，具有比在低頻工作的標(biāo)簽大得多的讀出距離的潛力。利用915MHz頻率范圍的RFID標(biāo)簽在自由空氣中通常擁有超過10英尺的讀出距離。相反，較低頻率(例如13.56MHz，這是HF頻帶的一部分)的標(biāo)簽很少能達(dá)到大于2英尺的讀出距離。
這個(gè)差別的一個(gè)原因是由于在HF和UHF頻率時(shí)能量傳遞機(jī)制的不同。如上所述，在UHF頻率，是傳播信號的電場引起天線上的電位差。相反，在13.56MHz的HF頻帶工作的無源RFID標(biāo)簽系統(tǒng)采用磁感應(yīng)來耦接應(yīng)答器標(biāo)簽和閱讀器。激勵(lì)和激活HF標(biāo)簽微片所需的功率是從閱讀器創(chuàng)建的振蕩磁場中提取的。
不幸的是，當(dāng)標(biāo)簽非?？拷饘僖r底或具有高含水量的襯底時(shí)，高頻RFID標(biāo)簽就不能被讀出。因此，附到金屬容器上或容納軟飲料的瓶子上的RFID標(biāo)簽從任何距離都不能被讀出。
業(yè)界的實(shí)驗(yàn)已表明如果有相當(dāng)大的氣隙插入在標(biāo)簽和物品襯底之間，則這種RFID標(biāo)簽又再次可讀。這個(gè)所需要的氣隙通常至少為四分之一英寸或更大。已開發(fā)了各種設(shè)計(jì)，以允許標(biāo)簽“遠(yuǎn)離”物品襯底以便創(chuàng)建該間隙。但有托腳的(standoff)標(biāo)簽在多數(shù)商業(yè)應(yīng)用中是不切實(shí)際的。標(biāo)簽和物品之間的距離增加了在正常使用中標(biāo)簽被移位或被破壞的可能性。
認(rèn)識到氣隙起介電絕緣體的作用，標(biāo)簽制造商就試圖通過在標(biāo)簽和物品襯底之間插入介電常數(shù)為k的一薄層介電絕緣材料來解決有托腳的問題。美國專利6,329,915公開了使用高介電常數(shù)的均質(zhì)材料來解決這個(gè)問題。但是，已試過了具有各種k值的均質(zhì)材料，很少或不成功。
所以，允許在這些襯底上使用RFID標(biāo)簽的系統(tǒng)和方法會(huì)代表高頻RFID標(biāo)簽使用的顯著進(jìn)步。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)。具體地說，本發(fā)明提供了一種系統(tǒng)和方法，供高頻RFID標(biāo)簽和襯底，特別是金屬襯底，以及用來容納液體的襯底一起使用。簡言之，將包括具有復(fù)磁導(dǎo)率的材料的RFID絕緣體，或單獨(dú)使用或與介電絕緣體材料組合使用，插入到RFID標(biāo)簽和襯底之間。備選的是，將擁有至少兩個(gè)截然不同介電常數(shù)的材料插入到RFID標(biāo)簽和襯底之間，以使在與襯底的界面處有高介電常數(shù)，而在與RFID標(biāo)簽的界面處有低介電常數(shù)。這種材料可以是具有介電常數(shù)梯度的單一材料，或備選的是，兩層或更多的分離層夾在一起，每層具有均勻但不同的介電常數(shù)。這種材料克服了用現(xiàn)有技術(shù)介電絕緣體時(shí)許多標(biāo)簽在金屬襯底上不能被讀出的問題。在其它情況下，這種材料改進(jìn)了標(biāo)簽的讀出距離，用現(xiàn)有技術(shù)介電絕緣體時(shí)，這些標(biāo)簽具有有限的讀出距離。


圖1a是與本發(fā)明一起測試的第一天線視圖；
圖1b示出第一天線的讀出范圍特征；圖2a是與本發(fā)明一起測試的第二天線視圖；圖2b示出第二天線的讀出范圍特征；圖3a是與本發(fā)明一起測試的第三天線視圖；圖3b示出第三天線的讀出范圍特征；圖4a是與本發(fā)明一起測試的第四天線視圖；圖4b示出第四天線的讀出范圍特征；圖5a是與本發(fā)明一起測試的第五天線視圖；圖6示出本發(fā)明的第一實(shí)施例；圖7示出本發(fā)明的第二實(shí)施例；以及圖8示出本發(fā)明的第三實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
對無源UHF RFID標(biāo)簽天線進(jìn)行優(yōu)化，供在自由空間或低介電材料如瓦楞紙板、貨架木板等上使用。當(dāng)UHF RFID標(biāo)簽靠近金屬襯底時(shí)，標(biāo)簽天線的阻抗改變。為使RFID閱讀器向標(biāo)簽的IC電路所發(fā)射的波能進(jìn)行有效的功率傳輸，天線必須提供從自由空間到IC電路阻抗的平滑阻抗變換。天線設(shè)計(jì)通常假定天線會(huì)非?？拷囊r底具有等于1的磁導(dǎo)率。在磁導(dǎo)率不等于1的襯底中，絕緣體材料中的寄生電感可用來抵銷金屬襯底的寄生電容，從而利于標(biāo)簽隔離。備選的是，至少兩種截然不同介電常數(shù)的材料可用來更好地將標(biāo)簽與金屬襯底隔離。
圖6示出本發(fā)明的第一實(shí)施例。RFID標(biāo)簽100可專門設(shè)計(jì)或從許多公司中的任一家購買，例如Intermec Technologies Corporation、Symbol Technologies(以前的Matrics Inc.)、Alien Technology、PhilipsSemiconductor以及Texas Instruments。在優(yōu)選實(shí)施例中，RFID標(biāo)簽在800和1000MHz之間的頻率范圍內(nèi)工作，最優(yōu)選的中心頻率為869MHz、915MHz和953MHz。這種RFID標(biāo)簽可以包括有電源如電池而自己供電。備選的是，它可以時(shí)場供電，這樣它通過捕獲由基站發(fā)射的電磁波能量并將該能量轉(zhuǎn)換為DC電壓而產(chǎn)生其內(nèi)部功率。
物品110是要貼標(biāo)簽的對象。如上所述，包含金屬襯底、或配置成容納液體的物品在讀出距離方面是有問題的。在各種測試中，當(dāng)標(biāo)簽被附到金屬襯底上時(shí)就不能被讀出。認(rèn)識到在RFID標(biāo)簽100和金屬襯底之間有交互作用，幾種設(shè)計(jì)已組合有托腳，以便在兩個(gè)組件之間引入空氣層。雖然這改進(jìn)了RFID標(biāo)簽的讀出距離，但由于RFID標(biāo)簽有被移位或被破壞的可能性，因此在商業(yè)上是不切實(shí)際的。為模擬氣隙的效果，幾個(gè)制造商已插入了一薄層具有高介電常數(shù)的材料120。不幸的是，內(nèi)含具有高介電常數(shù)的材料以使標(biāo)簽與金屬絕緣已顯示很少或沒有成功。
不料，當(dāng)本發(fā)明用擁有介電常數(shù)梯度的材料120使物品110和RFID標(biāo)簽100分離，以使材料和物品110之間界面處的介電常數(shù)高于材料和RFID標(biāo)簽100之間界面處的介電常數(shù)時(shí)，獲得有利的結(jié)果。但當(dāng)高介電常數(shù)面對RFID標(biāo)簽100時(shí)，這個(gè)梯度無效。材料120可有一個(gè)或兩個(gè)表面與粘合劑接觸，例如3M公司的硅樹脂/丙烯酸雙涂層膠帶9731，以便于將材料120粘到RFID標(biāo)簽100和物品110。
一般來說，所用的材料120可以是合成橡膠、塑料或陶瓷。材料包括低損耗介電填料，例如二氧化鈦、氮化硼、二氧化硅、硅酸鋁、氧化鎂或氧化鋁，以獲得所需的介電常數(shù)。在優(yōu)選實(shí)施例中，材料120是硅樹脂合成橡膠聚合物。二氧化鈦用來改變聚合物的介電常數(shù)。通過以非均勻方式混入二氧化鈦，就有可能創(chuàng)建出一種材料，其一個(gè)表面上具有高介電常數(shù)而在其相對表面上具有低介電常數(shù)?？捎脕懋a(chǎn)生介電梯度的另一方法是使混合物振動(dòng)。通常，二氧化鈦具有比基料更大的密度。所以，通過振動(dòng)混合物，二氧化鈦趨向于向混合物底部沉淀，從而創(chuàng)建了介電填料的非均勻分布。在該實(shí)例中，接近底部的介電常數(shù)將高于頂部的介電常數(shù)。在單層中產(chǎn)生的梯度不限于該實(shí)施例。梯度可以是線性的、對數(shù)的、指數(shù)的、或其它非線性函數(shù)。
圖7示出本發(fā)明的備選實(shí)施例。通過將兩個(gè)不同厚度的層夾在一起，一層是低介電常數(shù)且一層是高介電常數(shù)，來制造介電梯度材料。上層220和下層230互相接觸放置，并插在RFID標(biāo)簽100和物品110之間，這樣上層220的上表面與RFID標(biāo)簽100接觸，而上層220的相對表面與下層230接觸。類似地，下層230的上表面與層220接觸，而下層230的相對表面與物品110接觸。上層220的介電常數(shù)相對較低，優(yōu)選小于或等于4.0，而下層230的介電常數(shù)相對較高，優(yōu)選在8到35的范圍內(nèi)。在優(yōu)選實(shí)施例中，這兩層材料被壓在一起。在備選實(shí)施例中，可使用粘合劑，如3M公司的硅樹脂/丙烯酸雙涂層膠帶9731，將兩層固定在一起。本發(fā)明不限于僅使用兩層材料?？梢允褂枚嘤趦蓪觼韯?chuàng)建所需的介電常數(shù)梯度，如以下表17中所示。在這種情況下，梯度是分立步進(jìn)式的。
兩種類型的梯度，即連續(xù)式的(如圖6所示)或步進(jìn)式的(如圖7所示)，都在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
在確定上層220和下層230的正確配置中還要關(guān)心的是每層的厚度。下表代表將Matrics，Inc制造的型號X1020標(biāo)簽與金屬襯底結(jié)合使用所獲得的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。標(biāo)簽/金屬襯底有或沒有絕緣體都與MatricsRDR-001閱讀器成一條線懸掛，并移動(dòng)該組合使其遠(yuǎn)離閱讀器，直到不能再讀出標(biāo)簽為止。該距離記錄為讀出距離。列代表下層230的厚度，單位為英寸，而行代表上層220的厚度，單位為英寸。表1中所包括的值是在以下特定配置所記錄的讀出距離(單位為英寸)上層220的介電常數(shù)(k1)為1.7，且下層230的介電常數(shù)(k2)為18。例如，在表1中，0.026英寸的上層220和0.023英寸的下層230得出的讀出距離為30英寸。表2代表類似的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中層220的介電常數(shù)(k1)是2.0，而層230的介電常數(shù)(k2)是31.0。最后，表3代表當(dāng)層220的介電常數(shù)(k1)是1.2而層230的介電常數(shù)(k2)是31.0時(shí)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1.k1＝1.7且k2＝18

表2.k1＝2且k2＝31

表3.k1＝1.2且k2＝31絕緣體的功效至少受兩個(gè)參數(shù)的影響，即絕緣體的總厚度以及每層的厚度。用這些參數(shù)重作表1-3中的數(shù)據(jù)，就可更清楚地看出這一點(diǎn)，分別如表4-6所示。在這些表中，行代表絕緣體的總厚度，單位為英寸，這就是表1-3中上層和下層的和。列代表較低介電常數(shù)(標(biāo)簽側(cè))的絕緣體比例，以百分比表示，這就是標(biāo)簽側(cè)介電體對總絕緣體厚度的比例。
K＝1.7層厚/總絕緣體厚度，％

表4.k1＝1.7且k2＝18K＝2層厚/總絕緣體厚度，％

表5.k1＝2且k2＝31K＝1.2層厚/總絕緣體厚度，％

表6.k1＝1.2且k2＝31如這些表所示，隨著總絕緣體厚度的增加，絕緣體功效一般也增加，但這種益處的大小取決于這兩層的相對比例。例如，在表4中，當(dāng)介電常數(shù)等于1.7，層厚為總厚度的10-20％時(shí)，0.040-0.0599英寸厚的絕緣體得出12英寸的讀出距離。當(dāng)介電常數(shù)等于1.7，層厚為總厚度的50-60％時(shí)，就增加到30英寸的讀出距離。
對于性能測試，標(biāo)簽安裝在金屬襯底上，標(biāo)簽和金屬之間插有或沒有絕緣體材料，當(dāng)標(biāo)簽被懸掛在距閱讀器天線有相當(dāng)大距離時(shí)，標(biāo)簽可能會(huì)經(jīng)受多路徑或來自周圍環(huán)境的其它RF干擾問題。為克服此問題，對于隨后的測試，使用了眾所周知的概念，即在消聲室執(zhí)行測試以消除RF干擾和功率衰減來模擬改變的讀出距離。
構(gòu)建一個(gè)測試室，由3/4″膠合板做成的48″×48″×49 1/2″的盒子組成，其長尺寸作為垂直定向。在盒子的上表面，切割一個(gè)位于中心的24″×24″的窗口。在此窗口中安裝一片1″的RF透明聚苯乙烯泡沫，所有其余內(nèi)表面覆蓋有Emerson & Cuming Microwave Products，Inc.的用于消聲室的錐狀吸收劑ECCOSORBVHP-4。所有測試都用ThingMagic Mercury4TM閱讀器、天線和電纜執(zhí)行。在盒子內(nèi)，與上窗口成一條線，ThingMagic Mercury4天線安裝在距聚苯乙烯泡沫窗口34 1/8″的距離處。要讀出的測試樣品放在聚苯乙烯泡沫的上表面，以使測試樣品與閱讀器垂直對準(zhǔn)，相隔35 1/8″。測試樣品包含三元件“夾層”。這個(gè)夾層包含與聚苯乙烯泡沫上表面接觸的所選RFID標(biāo)簽、放在RFID標(biāo)簽上表面的測試絕緣體、以及放在絕緣體上表面的金屬板。天線配置是具有圓形極化的4個(gè)組合UHF發(fā)射/接收天線。利用給閱讀器指令的Rush Tracking System，Inc.提供的軟件來實(shí)現(xiàn)功率衰減。衰減是相對于32.5dBm發(fā)射功率(天線處為30.0dBm功率)。閱讀器被指示讀出標(biāo)簽20次，并記錄百分比讀出率，即成功讀出次數(shù)除以讀出嘗試次數(shù)。
為測試目的，將最小75％的讀出率設(shè)為判斷在任何給定功率衰減時(shí)標(biāo)簽成功讀出的臨界值。對于給定絕緣體-標(biāo)簽測試，閱讀器確定在32.5dBm發(fā)射功率的讀出率。如果讀出率是0％-74.99％，則測試條件記錄為無讀出(n)。如果讀出率是75％或更大，則發(fā)射功率以0.50dB的增量逐步遞減，直到達(dá)到小于75％閾值的讀出率并記錄相應(yīng)的dB衰減為止。如前述，在測試設(shè)備中天線-標(biāo)簽的分隔大致為35英寸。因此，在32.5dBm發(fā)射功率時(shí)0.0的衰減值，換句話說，即成功讀出，表示大致為3英尺的讀出距離。在增加衰減時(shí)成功讀出標(biāo)簽?zāi)M了增加的讀出距離。但衰減到讀出距離(以英尺為單位)的變換未予確定。衰減值用來比較測試條件之間的絕緣體性能。
重要的是注意值n表示在3英尺距離標(biāo)簽不能以75％的讀出率讀出。這并不意味該組合不可操作；只是它不能滿足特定測試的這些準(zhǔn)則。預(yù)期所有組合的讀出距離應(yīng)優(yōu)于同一厚度氣隙的讀出距離。
為進(jìn)一步證明本發(fā)明的改進(jìn)，隨機(jī)選擇兩個(gè)制造商的標(biāo)簽作測試。一種市售的偶極型標(biāo)簽是Alien Technology Corporation“I2”天線設(shè)計(jì)，型號ALL-9250折疊偶極子。它是1級電子產(chǎn)品代碼RFID標(biāo)簽。為驗(yàn)證本發(fā)明的改進(jìn)，隨機(jī)選擇一個(gè)標(biāo)簽作測試。對于靠近金屬襯底的標(biāo)簽，對于自由空間(沒有靠近的金屬)以及不同的氣隙隔離片，讀出率作為衰減即模擬讀出距離的函數(shù)示于圖1。在自由空間具有最小75％讀出率時(shí)該測試標(biāo)簽的讀出距離大致為10.5dB衰減。靠近金屬襯底時(shí)，需要有0.3-0.4英寸之間的氣隙以達(dá)到最小75％的讀出率。甚至有了這個(gè)氣隙，在大約3dB衰減讀出距離時(shí)也可得到最小75％的讀出率；即從自由空間讀出距離下降了7dB。
一種略為復(fù)雜的天線設(shè)計(jì)是交叉偶極設(shè)計(jì)，Symbol Technologies(以前的Matrics Inc.)標(biāo)簽，型號X1060，這是個(gè)EPC 0級標(biāo)簽。該天線設(shè)計(jì)以及對于自由空間和金屬襯底上不同的氣隙隔離片的讀出率示于圖2a和2b。在自由空間中具有最小75％讀出率時(shí)該標(biāo)簽的讀出距離大致為9.5dB衰減。要在金屬襯底上讀出，所需的氣隙在0.3-0.4英寸之間。甚至在這個(gè)氣隙，在僅大致1dB的讀出距離時(shí)就得到了最小75％的讀出率；與自由空間讀出距離相比下降了8.5dB。
制備了多片各種厚度的低損耗介電絕緣體材料，包含的介電常數(shù)k為2、4、9-10、16、20和30，方法是將二氧化鈦與適合的硅樹脂合成橡膠預(yù)聚合物混合料和固化劑混合、鑄造成片材、并在室溫或高溫下固化鑄造片材，固化溫度根據(jù)配方而定。這種充填的硅樹脂合成橡膠的生產(chǎn)在業(yè)界已眾所周知。由于該配方的介電常數(shù)與比重有關(guān)，因此介電常數(shù)小于大約4的配方可用諸如空氣和氣體、低沸點(diǎn)有機(jī)液體、化學(xué)發(fā)泡劑、或空心微球體等試劑使其起泡沫，以降低比重。表7-16示出本發(fā)明用于代表以下組合的兩層梯度絕緣體

和表4-6中的情況一樣，在表7-16中，行代表絕緣體總厚度，以英寸為單位，列代表較低介電常數(shù)的絕緣體(標(biāo)簽側(cè))的比例，以百分比表示。每個(gè)單元中的值記錄讀出距離，以dB為單位，其中n表示未達(dá)到最小75％的讀出率。單元中列有多于一個(gè)值時(shí)，這些值并不代表同一絕緣體樣品的重復(fù)運(yùn)行。而是每個(gè)值代表稍有不同的各層組合，其總絕緣體厚度和介電常數(shù)組合與該單元一致。絕緣體材料表示為k＝X/k＝Y(jié)，其中k＝X指明面對標(biāo)簽的那一層的介電常數(shù)，k＝Y(jié)指明與金屬襯底對接的那一層的介電常數(shù)。例如，k＝2/k＝30表示兩層絕緣體，其中標(biāo)簽側(cè)為介電常數(shù)k＝2的介電材料，而金屬側(cè)為k＝30的介電材料。
在這些表中示出，對于Alien I2標(biāo)簽，除了表10中k＝4，單一介電常數(shù)絕緣體不允許標(biāo)簽讀出，如0％和100％列所示。但兩層梯度標(biāo)簽提供了標(biāo)簽可讀性。表7-9示出改變絕緣體的高介電常數(shù)金屬側(cè)但維持絕緣體的低介電常數(shù)標(biāo)簽側(cè)為k＝2的效果。假定高介電常數(shù)標(biāo)簽側(cè)大于k＝16，標(biāo)簽即可讀。這些表還進(jìn)一步證明，在選擇最佳絕緣體組成時(shí)，除了絕緣體的介電常數(shù)之外，絕緣體的總厚度以及低和高介電常數(shù)厚度之比例也必須加以考慮。
絕緣體k＝2/k＝30k＝2層厚/總絕緣體厚度，％

表7.Alien I2標(biāo)簽讀出距離，dB衰減絕緣體k＝2/k＝20k＝2層厚/總絕緣體厚度，％

表8.Alien I2標(biāo)簽讀出距離，dB衰減絕緣體k＝2/k＝16k＝2層厚/總絕緣體厚度，％

表9.Alien I2標(biāo)簽讀出距離，dB衰減絕緣體k＝4/k＝30k＝4層厚/總絕緣體厚度，％

表10.Alien I2標(biāo)簽讀出距離，dB衰減絕緣體k＝9-10/k＝30k＝9-10層厚/總絕緣體厚度，％

表11.Alien I2標(biāo)簽讀出距離，dB衰減表7、10和11示出增加絕緣體低介電標(biāo)簽側(cè)的介電常數(shù)但維持絕緣體的高介電常數(shù)金屬側(cè)為k＝30的效果。當(dāng)絕緣體的低介電常數(shù)側(cè)達(dá)到k＝9-10的值時(shí)，標(biāo)簽不再可讀。同樣，考慮總絕緣體厚度以及絕緣體中兩個(gè)介電常數(shù)的比例在確定絕緣體最佳組成時(shí)都是重要因素。重要的是要注意表10的最后兩行示出包含100％k＝4材料的絕緣體，當(dāng)材料的厚度大于0.100英寸時(shí)，可以被讀出。由該均質(zhì)材料獲得的讀出率與同一厚度的梯度層絕緣體獲得的讀出率沒有明顯不同。但是，梯度絕緣體用顯著更薄的絕緣體也提供了標(biāo)簽可讀性，所以提供了對單一介電常數(shù)絕緣體的改進(jìn)。
還發(fā)現(xiàn)，在表7-11中標(biāo)注的定義極限對于給定天線設(shè)計(jì)是特定的。因此，對于不同的天線設(shè)計(jì)，絕緣體材料的最佳組成可不相同，如在表12-16中對Symbol Technologies型號X1060標(biāo)簽所示。
這種標(biāo)簽設(shè)計(jì)對介電梯度絕緣體的響應(yīng)一般來說與Alien I2標(biāo)簽類似，即梯度介電絕緣體比均質(zhì)絕緣體更有效。在所有情況下，總絕緣體厚度、低和高介電常數(shù)部分的厚度比、以及低和高介電部分的實(shí)際介電常數(shù)組合起來確定了絕緣體的有效性。但是，在最佳配置上有所區(qū)別，這表明如下事實(shí)每個(gè)獨(dú)特的天線設(shè)計(jì)可能要求不同的絕緣體材料參數(shù)。
絕緣體k＝2/k＝30k＝2層厚/總絕緣體厚度，％

表12.Symbol X1060標(biāo)簽讀出距離，dB衰減絕緣體k＝2/k＝16k＝2層厚/總絕緣體厚度，％

表13.Symbol X1060標(biāo)簽讀出距離，dB衰減絕緣體k＝2/k＝9-10k＝2層厚/總絕緣體厚度，％

表14.Symbol X1060標(biāo)簽讀出距離，dB衰減絕緣體k＝4/k＝30k＝4層厚/總絕緣體厚度，％

表15.Symbol X1060標(biāo)簽讀出距離，dB衰減絕緣體k＝9-10/k＝30k＝9-10層厚/總絕緣體厚度，％

表16.Symbol X1060標(biāo)簽讀出距離，dB衰減和Alien I2標(biāo)簽不同，所測試的所有低k/高k組合都呈現(xiàn)出在0.040-0.1799英寸之間的某一厚度時(shí)，隔離就足以允許標(biāo)簽被讀出。而且，當(dāng)絕緣體至少為0.140英寸厚時(shí)，當(dāng)介電常數(shù)小于k＝9-10時(shí)，甚至單一介電材料就隔離了標(biāo)簽。但當(dāng)絕緣體的低介電常數(shù)標(biāo)簽側(cè)為k＝2且高介電常數(shù)金屬側(cè)為k＝16或更大時(shí)，梯度介電常數(shù)絕緣體相比單一介電常數(shù)絕緣體的優(yōu)勢就非常顯著，通常為7dB或更大的讀出距離。
如上所述，最大化標(biāo)簽讀出距離的絕緣體總厚度以及低和高介電常數(shù)層的比例的組合在兩種天線設(shè)計(jì)之間是不同的。
在標(biāo)簽側(cè)介電常數(shù)k＝2時(shí)，Alien折疊偶極標(biāo)簽對k＝2材料為總絕緣體的10-30％的絕緣體響應(yīng)最好，而Symbol交叉偶極標(biāo)簽在30-60％的范圍內(nèi)最好。交叉偶極標(biāo)簽還得出顯著較大的讀出距離，在最好的情況下，標(biāo)簽/絕緣體/金屬可等于自由空間的讀出距離。
作為備選的介電梯度實(shí)例，通過夾0.027英寸厚的適合介電常數(shù)的片材，基于介電常數(shù)的大致線性對數(shù)梯度來制備絕緣體。數(shù)據(jù)示于表17中。

表17.總絕緣體厚度＝0.137+/-0.001英寸鏡像兩層介電梯度的結(jié)果，當(dāng)絕緣體的低介電常數(shù)標(biāo)簽側(cè)構(gòu)成總絕緣體厚度的30-60％時(shí)，獲得了最好的讀出距離。
圖8示出本發(fā)明的第三實(shí)施例。雖然以前兩個(gè)實(shí)施例利用現(xiàn)有的RFID標(biāo)簽，但圖8將這些現(xiàn)有RFID標(biāo)簽與本發(fā)明相組合，以創(chuàng)建一個(gè)整體解決方案。
將集成電路300固定到襯底320的上表面，例如通過焊接或膠合。該集成電路優(yōu)選含有關(guān)于物品的識別信息。襯底320通常由印刷電路板組成，雖然也可用其它襯底。在大多數(shù)RFID標(biāo)簽中，天線310直接固定在襯底320上。在許多應(yīng)用中，天線310是通過直接在襯底320上印制特別大小和間隔的導(dǎo)線蝕刻圖形而創(chuàng)建的。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員對于將天線嵌入印刷電路板的各種工藝都已熟悉。
固定到襯底320相對表面的是一層材料330。在一個(gè)實(shí)施例中，將結(jié)合圖6所述的介電梯度材料層直接固定到襯底320的底部。在第二實(shí)施例中，將類似于結(jié)合圖7所述的兩層材料固定到襯底320的底部，以使低介電常數(shù)層在襯底和高介電常數(shù)層之間。如上所述，可以使用多于兩層來創(chuàng)建所需的介電常數(shù)梯度。在另一第三實(shí)施例中，介電常數(shù)梯度是通過直接將材料施加到襯底320的下表面上，例如通過印制來創(chuàng)建的。
不受限于任何特定理論，下面提出解釋該結(jié)果的一種假設(shè)。
如所屬領(lǐng)域技術(shù)人員已知，用于高頻的大多數(shù)RFID標(biāo)簽天線是偶極天線類型或其改型，因?yàn)榕紭O子很容易在襯底上印刷或蝕刻。設(shè)計(jì)良好的RFID標(biāo)簽會(huì)使在端子處的天線阻抗與芯片/整流器阻抗相匹配，以最大化功率傳遞。天線性能取決于襯底材料的特性。在特定介電常數(shù)襯底上的偶極子，若放到具有不同介電常數(shù)的襯底上，其性能就不同。
最簡單的偶極子是導(dǎo)電材料帶，其長度是工作頻率時(shí)的一半波長。如果將這同一天線放在高介電襯底上，則工作頻率會(huì)基于襯底的介電常數(shù)值而改變。而且偶極子的帶寬會(huì)減少，在此帶寬定義為天線具有有用工作參數(shù)的頻率范圍。示出這些現(xiàn)象的方程趨向于由經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)出，因?yàn)閲?yán)格準(zhǔn)確的解在計(jì)算上還有阻礙。
標(biāo)簽天線被優(yōu)化以在自由空間中或在低介電材料，如瓦楞紙板、貨架木板等上使用。當(dāng)RFID標(biāo)簽靠近金屬襯底時(shí)，標(biāo)簽天線的阻抗改變。金屬的作用是改變天線的阻抗。這影響了天線和芯片之間的電磁匹配。天線的最佳頻率會(huì)偏移(到較低頻率)且天線的帶寬會(huì)減少。帶寬很重要，因?yàn)镽FID閱讀器在中心頻率附近的頻率中使用“跳頻”或常數(shù)變化以符合FCC規(guī)則。天線帶寬的減小會(huì)基于當(dāng)時(shí)正使用哪個(gè)頻率而影響讀出范圍。而且，預(yù)期未來的標(biāo)準(zhǔn)會(huì)要求RFID系統(tǒng)不經(jīng)特殊適配就能夠在所有可應(yīng)用頻率下工作，以使需要能在869MHz到953MHz的全部帶寬上工作。標(biāo)簽越靠近金屬，這種失配就越大。在某一距離，達(dá)不到芯片的閾值電壓，標(biāo)簽就不能被讀出。標(biāo)簽停止讀出的距離取決于標(biāo)簽天線、芯片/整流器以及閱讀器。
相信本發(fā)明具有介電梯度的材料執(zhí)行著兩個(gè)重要功能。第一，與標(biāo)簽的界面上的材料具有足夠低的介電常數(shù)，它不會(huì)顯著影響襯底或標(biāo)簽天線的特性。因此，標(biāo)簽天線可維持頻率和帶寬性能。第二，與金屬(或高含水量)襯底的界面具有足夠高的介電常數(shù)，從而使標(biāo)簽與物品襯底隔離，所以減輕了對天線阻抗的改變。
由于不同的RFID標(biāo)簽使用不同的天線設(shè)計(jì)，因此用于使RFID標(biāo)簽與金屬表面絕緣的介電梯度材料將取決于標(biāo)簽天線、芯片以及閱讀器。在天線類型和性能、芯片類型、閱讀器協(xié)議等方面，每個(gè)RFID標(biāo)簽都不相同。
所以預(yù)期需要改變介電常數(shù)梯度的參數(shù)，以優(yōu)化用于每種標(biāo)簽類型的材料。但是，介電梯度絕緣體的原理預(yù)期對于高頻RFID標(biāo)簽來說是通用的。
雖然使用兩種或更多種截然不同介電常數(shù)的材料已顯示出對各種天線設(shè)計(jì)都改進(jìn)了讀出距離，但進(jìn)一步改進(jìn)還有可能。
對具有背襯材料的理想化標(biāo)簽天線執(zhí)行了計(jì)算機(jī)模擬，以透徹了解有關(guān)將復(fù)磁導(dǎo)率引入RFID標(biāo)簽絕緣體的作用。假定有IC電路的標(biāo)簽具有的復(fù)阻抗為10-j60歐姆(其中j是-1的平方根)，天線端子處的最佳阻抗是復(fù)共軛，或10+j60歐姆。使用Sonnet Software，Inc.的電磁分析模型軟件Version 10.51模擬了安裝在金屬襯底上、具有所選電磁參數(shù)和材料厚度的背襯材料的4.4英寸交叉偶極RFID標(biāo)簽天線端子處的阻抗。對于空氣、僅有介電材料以及介電材料加上磁性背襯材料的典型結(jié)果示于表18。
天線端子阻抗

表18模擬證明，將復(fù)磁導(dǎo)率加到絕緣體上顯著增加了實(shí)數(shù)和虛數(shù)端子阻抗，以便接近IC電路阻抗。同樣，這個(gè)作用也在很大程度上取決于絕緣體的厚度。
如圖1a到5a所示，多種多樣的RFID標(biāo)簽，具有各不相同的天線設(shè)計(jì)和IC電路，目前都有市售。為了滿足從閱讀器到標(biāo)簽進(jìn)行有效能量傳遞的阻抗匹配要求，多種多樣的RFID絕緣體特性必須可用。在獲得使RFID標(biāo)簽?zāi)軌蛟诮饘僖r底上最佳讀出所需的絕緣體阻抗特征方面，電磁絕緣體提供了附加的寬容度。以下實(shí)例用來進(jìn)一步證明電磁RFID絕緣體材料的優(yōu)勢。
使用所屬領(lǐng)域技術(shù)人員眾所周知的技術(shù)，通過將鐵磁材料與粘合劑如塑料或合成橡膠混合并形成薄的片材來制備電磁絕緣體材料。適合于此目的的常用鐵磁粉末為鐵、鎳、鈷以及它們的各種合金和鐵氧體。通過將羰基鐵與硅樹脂合成橡膠預(yù)聚合物和固化劑混合、鑄造成片材、并在室溫或高溫下固化該鑄造片材，固化溫度根據(jù)配方而定，制備了不同電磁特性的絕緣體。如前所述，這種“充填”的硅樹脂合成橡膠的生產(chǎn)在業(yè)界已眾所周知。使用這種技術(shù)制備了三種樣品電磁材料。這些樣品絕緣體配方在915MHz時(shí)測量的電磁特性示于表19。
電磁材料特性

表19為了更好的證明本發(fā)明，通過將所選片材分層，制備了不同電磁特性和片材厚度的電磁絕緣體片材。制備了均質(zhì)電磁材料的以及組合介電和電磁材料的絕緣體。絕緣體插在RFID標(biāo)簽和金屬襯底之間，并對標(biāo)簽可讀性和讀出范圍進(jìn)行測量。
對代表一些天線設(shè)計(jì)的市售RFID標(biāo)簽進(jìn)行了評估。選擇每種標(biāo)簽式樣的隨機(jī)樣品進(jìn)行測試。標(biāo)簽以及其賣方名稱和型號列于表20，它們的設(shè)計(jì)和讀出范圍特征示于圖1-5。
示例RFID標(biāo)簽

表20測試是使用同一消聲測試室和上述測試方法執(zhí)行的。和上述情況一樣，將最小75％的讀出率設(shè)定為判斷在任何給定功率衰減時(shí)標(biāo)簽成功讀出的臨界值(除了Symbol Trident標(biāo)簽測試)。
在以下測試中利用了兩層梯度，絕緣體材料將稱為kX/Y，其中kX表示面對標(biāo)簽?zāi)且粚拥慕殡姵?shù)，Y表示來自表19的電磁配方或與金屬襯底對接那一層的介電常數(shù)。例如，k2/A表明是一個(gè)兩層絕緣體，標(biāo)簽側(cè)為介電常數(shù)k＝2的介電材料，并且金屬側(cè)是具有參數(shù)ε＝10-j0.2和μ＝2.7-j0.4的電磁配方A。表示為k2/k16的絕緣體表明是一個(gè)兩層絕緣體，其中標(biāo)簽側(cè)是介電常數(shù)k＝2的介電材料，且金屬側(cè)是介電常數(shù)k＝16的介電材料。
在表18中所示的Sonnet計(jì)算機(jī)模擬暗示在絕緣體中包含相當(dāng)大的磁導(dǎo)率，也就是，用磁導(dǎo)率大于1的電磁材料代替相等電容率但磁導(dǎo)率為1的材料，可提供絕緣體功效。制備了兩個(gè)梯度絕緣體，k2/k16和k2/B，它們具有相同的總絕緣體厚度和層比例。請注意，如表19所示，絕緣體配方B的介電常數(shù)為16，磁導(dǎo)率為5.0-j1.8。表21所示的測試結(jié)果證明了改進(jìn)的絕緣體功效。

表21
進(jìn)一步證明在絕緣體中包含電磁層可得到的改進(jìn)示于表22-25。表22和23又比較了兩層絕緣體，其中金屬側(cè)或是介電常數(shù)為16的介電材料，或是介電常數(shù)為16且磁導(dǎo)率大于1的電磁材料，具體地說即配方B。表22和23證明了對于Alien I2標(biāo)簽，讀出距離是標(biāo)簽側(cè)層的絕緣體厚度與絕緣體總厚度的比例的函數(shù)。表24和25示出對于Symbol X1060標(biāo)簽的數(shù)據(jù)，比較了兩層絕緣體，其金屬側(cè)或是介電常數(shù)為9-10的介電材料，或是介電常數(shù)為10且磁導(dǎo)率大于1的電磁材料，具體地說即配方A。
關(guān)于Alien I2標(biāo)簽，請注意，表22中所示的純介電絕緣體(k2/k16)在所有測試條件下都不能提供標(biāo)簽可讀性。但在某些測試參數(shù)下，具有電磁金屬側(cè)層(k2/B)的絕緣體允許標(biāo)簽被讀出，如表23所示。參閱表23的0％列，請注意，當(dāng)電磁材料至少為0.140-0.1599英寸厚時(shí)，它作為單一均質(zhì)層用來隔離標(biāo)簽。相反，均質(zhì)介電層不提供隔離，如在表22的0％列中所證明的。用介電-電磁組合絕緣體可最大化讀出距離，其中優(yōu)選的是，絕緣體的50％和70％之間是較低介電常數(shù)材料。此實(shí)例證明了電磁絕緣體或是作為單一均質(zhì)材料或是與介電材料相組合比用于該標(biāo)簽設(shè)計(jì)的介電絕緣體的改進(jìn)。而且，絕緣體厚度以及梯度材料的比例在確定絕緣體性能方面的重要性再次顯而易見。
關(guān)于Symbol X1060標(biāo)簽，介電梯度絕緣體和介電-電磁絕緣體二者在厚度為0.1799英寸或更小時(shí)都提供了隔離。但是，k2/A絕緣體在厚度小到0.060-0.0799英寸時(shí)提供了標(biāo)簽隔離，這在一些情況下是很有利的。注意到，對于這種標(biāo)簽，在k2層的比例為總絕緣體厚度的大致30-70％時(shí)k2/k9-10絕緣體最優(yōu)化，且在k2層的比例為總絕緣體厚度的大致50-90％時(shí)k2/A絕緣體最優(yōu)化。
絕緣體k2/k16k＝2層厚/總絕緣體厚度，％

表22.Alien I2標(biāo)簽讀出距離，dB衰減絕緣體k2/Bk＝2層厚/總絕緣體厚度，％

表23.Alien I2標(biāo)簽讀出距離，dB衰減絕緣體k2/k9-10k＝2層厚/總絕緣體厚度，％

表24.Symbol X1060標(biāo)簽讀出距離，dB衰減絕緣體k2/Ak＝2層厚/總絕緣體厚度，％

表25.Symbol X1060標(biāo)簽讀出距離，dB衰減表26、27和28比較了三個(gè)兩層絕緣體，其中金屬側(cè)由電磁材料配方A組成，標(biāo)簽側(cè)是k2(表26)、k4(表27)或k10(表28)介電材料。標(biāo)簽是Alien“M”標(biāo)簽。電磁材料配方A作為單層提供對該標(biāo)簽的隔離，和上述表23中所示配方B的情況一樣。但在此情況下，讀出距離有顯著改進(jìn)。絕緣體在厚度小到0.040-0.0599英寸時(shí)適度有效，并在0.100-0.1199英寸厚時(shí)顯著更為有效。
絕緣體k2/Ak＝2層厚/總絕緣體厚度，％

表26.Alien“M”標(biāo)簽讀出距離，dB衰減絕緣體k4/Ak＝4層厚/總絕緣體厚度，％

表27.Alien“M”標(biāo)簽讀出距離，dB衰減絕緣體k10/Ak＝10層厚/總絕緣體厚度，％

表28.Alien“M”標(biāo)簽讀出距離，dB衰減這些表格進(jìn)一步證明了在匹配標(biāo)簽天線要求中電磁特性、總厚度以及在梯度方面材料比例的依賴關(guān)系。還作了兩個(gè)附加比較，表29和30示出將k＝4介電材料與配方A和B組合的結(jié)果。表30和32示出了將k＝10介電材料與配方A和C組合的結(jié)果。
絕緣體k4/Ak＝4層厚/總絕緣體厚度，％

表29.Alien“M”標(biāo)簽讀出距離，dB衰減絕緣體k4/Bk＝4層厚/總絕緣體厚度，％

表30.Alien“M”標(biāo)簽讀出距離，dB衰減絕緣體k10/Ak＝10層厚/總絕緣體厚度，％

表31.Alien“M”標(biāo)簽讀出距離，dB衰減絕緣體k10/Ck＝10層厚/總絕緣體厚度，％

表32.Alien“M”標(biāo)簽讀出距離，dB衰減表26到32一致證明，當(dāng)選擇不同的絕緣體電磁參數(shù)時(shí)對于標(biāo)簽的有效隔離所需的參數(shù)平衡。當(dāng)標(biāo)簽側(cè)介電常數(shù)非常低，即k＝2-4時(shí)，在低的絕緣體總厚度時(shí)，梯度絕緣體優(yōu)于均質(zhì)電磁絕緣體。有效梯度絕緣體性能的軌跡發(fā)生在標(biāo)簽側(cè)介電層為總絕緣體厚度的1-30％時(shí)。增加標(biāo)簽側(cè)介電常數(shù)到k＝10，再次證明了有效的梯度絕緣體，但有效性的軌跡偏移到總絕緣體厚度的10-50％，為k＝10標(biāo)簽側(cè)層。
重新平衡以匹配天線要求不限于僅在標(biāo)簽側(cè)梯度層上進(jìn)行調(diào)節(jié)。表29代表絕緣體k4/A，而表30代表k4/B絕緣體。當(dāng)金屬側(cè)梯度層從電磁材料A改變?yōu)椴牧螧時(shí)，這導(dǎo)致電容率和磁導(dǎo)率都增加，有效絕緣體性能的軌跡從標(biāo)簽側(cè)介電層比例1-30％偏移到20-50％。
平衡絕緣體參數(shù)的臨界狀態(tài)由表31證明，表31中是絕緣體k10/A，與表32進(jìn)行比較，表32中是k10/C絕緣體。當(dāng)金屬側(cè)梯度層電容率和磁導(dǎo)率都增加到電磁材料C的程度時(shí)，隔離Alien“M”標(biāo)簽的能力已喪失。不仔細(xì)研究大量的電磁材料特性，就可能錯(cuò)誤地得出結(jié)論，認(rèn)為梯度絕緣體不起作用。
已發(fā)現(xiàn)，用提供給閱讀器的目前的ThingMagic4軟件，SymbolTechnologies Trident標(biāo)簽會(huì)以較低的讀出率被讀出。這個(gè)效果可在自由空間和氣隙讀出距離圖即圖4b中觀察到。自由空間中的最大讀出率僅為大約10％。有金屬襯底時(shí)，標(biāo)簽不能被讀出，直到氣隙托腳為0.4-0.5英寸。但是，在0.5英寸的氣隙托腳時(shí)，讀出率為30％，高于在自由空間中所達(dá)到的讀出率?；谶@些發(fā)現(xiàn)，將25％的讀出率建立為判斷這種標(biāo)簽在任何給定功率衰減下成功讀出的臨界值，這和為所有其它標(biāo)簽測試所采用的值75％形成對比。
表33和34示出該標(biāo)簽分別被k2/C和k4/C電磁梯度絕緣體的有效隔離。介電材料或電磁材料的均質(zhì)單層絕緣體都提供適度的隔離。但介電-電磁梯度絕緣體提供了顯著更大的讀出范圍性能。而且，讀出范圍顯著優(yōu)于氣隙托腳性能。
絕緣體k2/Ck＝2層厚/總絕緣體厚度，％

表33.Symbo1 Trident標(biāo)簽讀出距離，dB衰減絕緣體k4/Ck＝4層厚/總絕緣體厚度，％

表34.Symbol Trident標(biāo)簽讀出距離，dB衰減利用讀出范圍性能測試所用的測試室，圖5應(yīng)用無線識別(AppliedWireless Identifications)APL-1216標(biāo)簽不能被讀出?？赡艿脑蚴菧y試室的最小讀出范圍大致為3英尺，而該標(biāo)簽的自由空間讀出范圍小于此距離。忽略此發(fā)現(xiàn)，測試了電磁絕緣體的有效性。令人驚奇的是，發(fā)現(xiàn)了為該標(biāo)簽提供適度讀出距離的絕緣體參數(shù)，如表35所示。在此測試中，選擇適合的絕緣體參數(shù)實(shí)際上增強(qiáng)了標(biāo)簽的讀出范圍性能。
絕緣體k10/Ak＝10層厚/總絕緣體厚度，％

表35.AWID APL-1216標(biāo)簽讀出距離，dB衰減除了由電磁復(fù)合材料組成的改進(jìn)絕緣體外，其中電磁復(fù)合材料作為單層或與介電復(fù)合材料一起在梯度絕緣體中，也可利用梯度電磁絕緣體。而且，電磁絕緣體材料是這樣制備的將鐵磁羰基鐵、鎳鋅鐵氧體或磁鐵礦與硅樹脂合成橡膠預(yù)聚合物和固化劑混合、鑄造成片材、并在室溫或高溫下固化該鑄造片材，固化溫度根據(jù)配方而定。這些絕緣體配方在915MHz時(shí)所測量的電磁特性示于表36。
電磁材料特性

表36利用表36中的每種材料作為標(biāo)簽側(cè)層，并用配方A作為金屬側(cè)層，將這兩層絕緣體插到Alien M標(biāo)簽和金屬襯底之間，并測量讀出距離。結(jié)果示于表37。
絕緣體厚度0.100-0.1199英寸標(biāo)簽側(cè)層厚度/總絕緣體厚度，％

表37.Alien“M”標(biāo)簽讀出距離，dB衰減對于這種標(biāo)簽，當(dāng)標(biāo)簽側(cè)層比例在總絕緣體厚度的1-20％之間時(shí)，標(biāo)簽側(cè)磁導(dǎo)率低于金屬側(cè)磁導(dǎo)率的梯度電磁絕緣體提供了讀出距離的一些改進(jìn)。
目前市場上存在有來自許多制造商的大量RFID標(biāo)簽設(shè)計(jì)，且隨著對RFID關(guān)注的增加，標(biāo)簽列表在不斷擴(kuò)大。從本文的表中清晰可見，每個(gè)標(biāo)簽需要有獨(dú)特配方的絕緣體，以匹配使其與有干擾的襯底相隔離所需的阻抗要求。這不僅適用于不同制造商的標(biāo)簽，也適用于給定制造商的各種標(biāo)簽設(shè)計(jì)。例如，利用k2/A絕緣體，SymbolX1060標(biāo)簽可被讀出，如表25所示，而用這種絕緣體形式，SymbolTrident標(biāo)簽就不能被讀出，但利用k4/C絕緣體就可讀出，如表34所示。由于天線設(shè)計(jì)屬每個(gè)制造商專有，且不存在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，因此靠推理來識別適于給定RFID標(biāo)簽的絕緣體是不可能的。以下實(shí)驗(yàn)策略可提供適合的絕緣體選擇。
在大多數(shù)以上圖表中可以看出，示出最好性能的組合并不是分散的。而是，有最佳工作的“群集”。這些群集通常具有類似的厚度以及低介電材料對高介電材料之比。這個(gè)現(xiàn)象可以用在開發(fā)一個(gè)提供適合絕緣體組合的策略中。
確定所需的絕緣體信息是一個(gè)兩步過程首先確定能用來隔離給定標(biāo)簽設(shè)計(jì)的潛在絕緣體配方的子集，然后選擇最符合標(biāo)簽的指定用途的配方。首先需要做篩選實(shí)驗(yàn)，按本文的讀出距離表的方式，在總絕緣體厚度中各種介電和/或電磁成分相對總絕緣體厚度的相對比例的格子中定位一個(gè)區(qū)域。制備兩層絕緣體系列，其中標(biāo)簽側(cè)層由低損耗、低介電材料組成，其介電常數(shù)為2-4，而物品側(cè)層或由k＝20-30的較高介電常數(shù)材料或由磁導(dǎo)率為5-10的電磁材料組成。最初優(yōu)選電磁物品側(cè)層。制造絕緣體，其總厚度為0.120-0.0-140英寸，總厚度中標(biāo)簽側(cè)的比例以大致10％的增量從0％到100％。用該系列絕緣體進(jìn)行讀出距離測試。如果對選擇可接受的絕緣體有其它限制或規(guī)范，當(dāng)然也可利用其它的最初篩選系列。關(guān)鍵要素在于要有對配方的足夠?qū)挼暮Y選，這樣發(fā)現(xiàn)候選配方就相對更有希望。
如果發(fā)現(xiàn)了至少一個(gè)絕緣體配方能提供標(biāo)簽的足夠隔離以允許其可讀，則實(shí)驗(yàn)任務(wù)就變成要確定滿足市場需求的配方。該市場需求可涉及以下這些考慮，如最小讀出距離、能符合給定讀出距離的最薄絕緣體、最低成本絕緣體、或任何其它市場準(zhǔn)則。因此最終的絕緣體配方涉及通過對于最符合市場需求的適合配方的任何適用搜索過程來詳細(xì)檢查在第一次篩選實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的標(biāo)簽可讀性區(qū)域。
如果沒有發(fā)現(xiàn)允許標(biāo)簽可讀性的絕緣體配方，則下一個(gè)最有成果的篩選是增加絕緣體的總厚度，并進(jìn)行另一系列的實(shí)驗(yàn)，將絕緣體制造成標(biāo)簽側(cè)層還是總絕緣體的0％到100％。雖然可選擇任何絕緣體厚度，但優(yōu)選的是，厚度至少為0.240-0.0260英寸，假定對于RFID標(biāo)簽的氣隙讀出距離大于該厚度。第二篩選厚度必須小于標(biāo)簽的氣隙讀出距離，以避免有關(guān)絕緣體功效的錯(cuò)誤結(jié)論。如果發(fā)現(xiàn)了允許可讀性的配方區(qū)域，接著就要確定符合市場需求的可用的最佳配方，如先前段所述。
如果還是沒有發(fā)現(xiàn)可行的絕緣體配方，下一步就改變絕緣體層的介電和/或電磁特性。一般來說，已發(fā)現(xiàn)首先改變物品側(cè)成分的特性，增加和減少介電/電磁特性，會(huì)更有成果。優(yōu)選的是，用和以前一樣的一系列比例以及和第二篩選一樣的較大厚度來篩選。成功可能受到配方設(shè)計(jì)師可用的原材料所能獲得的介電和/或電磁特性范圍的限制，因?yàn)橐苍S有無限多種的可能天線設(shè)計(jì)，但只有有限范圍的介電和電磁原材料。
以上策略假定預(yù)先存在天線設(shè)計(jì)，且產(chǎn)生的過程是為了確定與該天線一起使用的最佳絕緣體組合。但備選的是，可基于成本、厚度、或其它因素，首先選擇絕緣體組合。在這種情況下，隨后的努力就要針對創(chuàng)建適合的天線設(shè)計(jì)，供與該特定絕緣體一起使用。
權(quán)利要求
1.一種識別系統(tǒng)，適于通過射頻發(fā)射有關(guān)物品的識別信息，包含RFID標(biāo)簽，適于在被激勵(lì)時(shí)通過射頻發(fā)射所述識別信息；第一層，具有第一和第二相對表面以及第一介電常數(shù)，其中所述第一表面適于與所述物品接觸；第二層，具有第一和第二相對表面以及第二介電常數(shù)，其中所述第二層的所述第二表面與所述RFID標(biāo)簽接觸，其中所述第一和所述第二介電常數(shù)不相等。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第一介電常數(shù)大于所述第二介電常數(shù)。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第一層包含二氧化鈦。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第二層包含二氧化鈦。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第二層的所述第一表面與所述第一層的第二表面接觸。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第一層具有大于1的磁導(dǎo)率。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第一介電常數(shù)從大約9到大約30。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第二介電常數(shù)從大約2到大約10。
9.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包含第三層，所述第三層具有第三介電常數(shù)，所述第三介電常數(shù)的值大于所述第二介電常數(shù)且小于所述第一介電常數(shù)，其中所述第三層插在所述第一層的所述第二表面和所述第二層的所述第一表面之間。
10.一種識別系統(tǒng)，適于通過射頻發(fā)射有關(guān)物品的識別信息，包含RFID標(biāo)簽，適于在被激勵(lì)時(shí)通過射頻發(fā)射所述識別信息；以及第一層，具有第一和第二相對表面、介電常數(shù)以及大于1的磁導(dǎo)率，其中所述第一層插在所述物品和所述RFID標(biāo)簽之間。
11.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述第一層由羰基鐵、鎳鋅鐵氧體或磁鐵礦組成。
12.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述磁導(dǎo)率從大約1.5到大約7。
13.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述介電常數(shù)從大約4到大約32。
14.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述第一層的所述第一表面與所述物品接觸，且所述第一層的所述第二表面與所述RFID標(biāo)簽接觸。
15.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，還包含第二層，所述第二層具有第一和第二相對表面，插在所述第一層和所述RFID標(biāo)簽之間。
16.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述第二層具有的介電常數(shù)從大約1.5到大約10。
17.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述第二層具有的磁導(dǎo)率大于1。
18.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述第二層具有的磁導(dǎo)率小于所述第一層的磁導(dǎo)率。
19.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述第一層的所述第一表面與所述物品接觸，所述第一層的所述第二表面與所述第二層的所述第一表面接觸，且所述第二層的所述第二表面與所述RFID標(biāo)簽接觸。
20.一種識別系統(tǒng)，適于通過射頻發(fā)射有關(guān)物品的識別信息，包含RFID標(biāo)簽，適于在被激勵(lì)時(shí)通過射頻發(fā)射所述識別信息；以及一層，具有適于與所述物品接觸的第一表面以及與所述RFID標(biāo)簽接觸的第二相對表面，其中所述層在所述第一表面和所述第二表面之間具有介電常數(shù)梯度。
21.如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中所述第一表面處的所述介電常數(shù)大于所述第二表面處的所述介電常數(shù)。
22.一種射頻識別系統(tǒng)，適于發(fā)射有關(guān)物品的識別信息，包含襯底，包括含有所述識別信息的集成電路以及適于發(fā)射所述識別信息的天線；第一層，具有第一和第二相對表面以及第一介電常數(shù)，其中所述第一表面適于與所述物品接觸；以及第二層，具有第一和第二相對表面以及第二介電常數(shù)，其中所述第二層的所述第二表面與所述襯底接觸，且所述第一和第二介電常數(shù)不相等。
23.如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中所述第一介電常數(shù)大于所述第二介電常數(shù)。
24.如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中所述第一層包含二氧化鈦。
25.如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中所述第二層包含二氧化鈦。
26.如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中所述第二層的所述第一表面與所述第一層的第二表面接觸。
27.如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中所述第一層具有大于1的磁導(dǎo)率。
28.如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中所述第一介電常數(shù)從大約9到大約30。
29.如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中所述第二介電常數(shù)從大約2到大約10。
30.如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，還包含第三層，所述第三層具有第三介電常數(shù)，所述第三介電常數(shù)的值大于所述第二介電常數(shù)且小于所述第一介電常數(shù)，其中所述第三層插在所述第一層的所述第二表面和所述第二層的所述第一表面之間。
31.如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中所述襯底還包含第一表面，所述集成電路和所述天線位于其上；以及第二表面，與所述第二層的所述第二表面接觸。
32.一種射頻識別系統(tǒng)，適于發(fā)射有關(guān)物品的識別信息，包含襯底，包括含有所述識別信息的集成電路以及適于發(fā)射所述識別信息的天線；以及第一層，具有第一和第二相對表面、介電常數(shù)以及大于1的磁導(dǎo)率，其中所述第一層插在所述物品和所述RFID標(biāo)簽之間。
33.如權(quán)利要求32所述的系統(tǒng)，其中所述第一層由羰基鐵、鎳鋅鐵氧體或磁鐵礦組成。
34.如權(quán)利要求32所述的系統(tǒng)，其中所述磁導(dǎo)率從大約1.5到大約7。
35.如權(quán)利要求32所述的系統(tǒng)，其中所述介電常數(shù)從大約4到大約32。
36.如權(quán)利要求32所述的系統(tǒng)，其中所述第一層的所述第一表面與所述物品接觸，且所述第一層的所述第二表面與所述RFID標(biāo)簽接觸。
37.如權(quán)利要求32所述的系統(tǒng)，還包含第二層，所述第二層具有第一和第二相對表面，插在所述第一層和所述襯底之間。
38.如權(quán)利要求37所述的系統(tǒng)，其中所述第二層具有的介電常數(shù)從大約1.5到大約10。
39.如權(quán)利要求37所述的系統(tǒng)，其中所述第二層具有的磁導(dǎo)率大于1。
40.如權(quán)利要求39所述的系統(tǒng)，其中所述第二層具有的磁導(dǎo)率小于所述第一層的磁導(dǎo)率。
41.如權(quán)利要求37所述的系統(tǒng)，其中所述第一層的所述第一表面與所述物品接觸，所述第一層的所述第二表面與所述第二層的所述第一表面接觸，且所述第二層的所述第二表面與所述襯底接觸。
42.一種射頻識別系統(tǒng)，適于發(fā)射有關(guān)物品的識別信息，包含襯底，包括含有所述識別信息的集成電路以及適于發(fā)射所述識別信息的天線；以及一層，具有第一和第二相對表面，插在所述襯底和所述物品之間，適于與所述物品接觸，其中所述層在所述第一表面和所述第二表面之間具有介電常數(shù)梯度。
43.如權(quán)利要求42所述的系統(tǒng)，其中在所述第一表面處的所述介電常數(shù)大于在所述第二表面處的所述介電常數(shù)。
44.如權(quán)利要求42所述的系統(tǒng)，其中所述襯底還包含第一表面，所述集成電路和所述天線位于其上；以及第二表面，與所述層的所述第二表面接觸。
45.一種裝置，包含物品，具有表面；第一層，與所述物品的所述表面接觸，具有第一和第二相對表面，并具有第一介電常數(shù)；第二層，具有第一和第二相對表面，并具有不同于所述第一介電常數(shù)的第二介電常數(shù)；以及RFID標(biāo)簽，與所述第二層接觸，所述RFID標(biāo)簽適于在被激勵(lì)時(shí)通過射頻發(fā)射有關(guān)所述物品的識別信息。
46.如權(quán)利要求45所述的裝置，其中所述第一介電常數(shù)大于所述第二介電常數(shù)。
47.如權(quán)利要求45所述的裝置，其中所述第一層包含二氧化鈦。
48.如權(quán)利要求45所述的裝置，其中所述第二層包含二氧化鈦。
49.如權(quán)利要求45所述的裝置，其中所述第二層的所述第一表面與所述第一層的第二表面接觸。
50.如權(quán)利要求45所述的裝置，其中所述第一層具有大于1的磁導(dǎo)率。
51.如權(quán)利要求45所述的裝置，其中所述第一介電常數(shù)從大約9到大約30。
52.如權(quán)利要求45所述的裝置，其中所述第二介電常數(shù)從大約2到大約10。
53.如權(quán)利要求45所述的裝置，還包含第三層，所述第三層具有第三介電常數(shù)，所述第三介電常數(shù)的值大于所述第二介電常數(shù)且小于所述第一介電常數(shù)，其中所述第三層插在所述第一層的所述第二表面和所述第二層的所述第一表面之間。
54.如權(quán)利要求45所述的裝置，其中所述襯底還包含第一表面，所述集成電路和所述天線位于其上；以及第二表面，與所述第二層的所述第二表面接觸。
55.如權(quán)利要求45所述的裝置，其中所述物品的所述表面包含金屬。
56.如權(quán)利要求45所述的裝置，其中所述物品容納液體。
57.一種裝置，包含物品，具有表面；RFID標(biāo)簽，適于在被激勵(lì)時(shí)通過射頻發(fā)射有關(guān)所述物品的識別信息；以及第一層，具有第一和第二相對表面、介電常數(shù)以及大于1的磁導(dǎo)率，其中所述第一層插在所述物品和所述RFID標(biāo)簽之間。
58.如權(quán)利要求57所述的裝置，其中所述第一層由羰基鐵、鎳鋅鐵氧體或磁鐵礦組成。
59.如權(quán)利要求57所述的裝置，其中所述磁導(dǎo)率從大約1.5到大約7。
60.如權(quán)利要求57所述的裝置，其中所述介電常數(shù)從大約4到大約32。
61.如權(quán)利要求57所述的裝置，其中所述第一層的所述第一表面與所述物品接觸，且所述第一層的所述第二表面與所述RFID標(biāo)簽接觸。
62.如權(quán)利要求57所述的裝置，還包含第二層，所述第二層具有第一和第二相對表面，插在所述第一層和所述RFID標(biāo)簽之間。
63.如權(quán)利要求62所述的裝置，其中所述第二層具有的介電常數(shù)從大約1.5到大約10。
64.如權(quán)利要求62所述的裝置，其中所述第二層具有的磁導(dǎo)率大于1。
65.如權(quán)利要求64所述的裝置，其中所述第二層具有的磁導(dǎo)率小于所述第一層的磁導(dǎo)率。
66.如權(quán)利要求62所述的裝置，其中所述第一層的所述第一表面與所述物品接觸，所述第一層的所述第二表面與所述第二層的所述第一表面接觸，且所述第二層的所述第二表面與所述RFID標(biāo)簽接觸。
67.如權(quán)利要求57所述的裝置，其中所述物品的所述表面包含金屬。
68.如權(quán)利要求57所述的裝置，其中所述物品容納液體。
69.一種裝置，包含物品，具有表面；第一層，與所述物品的所述表面接觸，具有第一和第二相對表面；RFID標(biāo)簽，與所述層接觸，所述RFID標(biāo)簽適于在被激勵(lì)時(shí)通過射頻發(fā)射有關(guān)所述物品的識別信息；其中所述層具有介電梯度，以使在所述層和所述表面的界面處的介電常數(shù)不同于在所述層和所述RFID標(biāo)簽的界面處的介電常數(shù)。
70.如權(quán)利要求69所述的裝置，其中在所述層和所述表面的界面處的所述介電常數(shù)大于在所述層和所述RFID標(biāo)簽的界面處的所述介電常數(shù)。
71.如權(quán)利要求69所述的裝置，其中所述物品的所述表面包含金屬。
72.如權(quán)利要求69所述的裝置，其中所述物品容納液體。
全文摘要
一種系統(tǒng)和方法供超高頻RFID標(biāo)簽與金屬襯底以及用來容納液體的襯底一起使用。簡言之，將包括具有復(fù)磁導(dǎo)率的材料的RFID絕緣體，或單獨(dú)使用或與介電絕緣體材料組合使用，插入到RFID標(biāo)簽和襯底之間。備選的是，將擁有至少兩個(gè)截然不同介電常數(shù)的材料插入到RFID標(biāo)簽和襯底之間，以使在與襯底的界面處有高介電常數(shù)，而在與RFID標(biāo)簽的界面處有低介電常數(shù)。這種材料可以是具有介電常數(shù)梯度的單一材料，或備選的是，兩層或更多的分離層夾在一起，每層具有均勻但不同的介電常數(shù)。
文檔編號G08B13/14GK101036171SQ200580033601
公開日2007年9月12日 申請日期2005年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月4日
發(fā)明者P·F·迪克松, M·P·卡彭特, M·M·奧斯沃德, D·A·吉布斯 申請人:艾默生及卡明微波產(chǎn)品公司