装备制造行业中多维RFID的研究进展

Research Progress of Multi-Dimensional RFID in Equipment Manufacturing Industry

摘要: 随着全球经济一体化进程和网络信息时代的加速发展，装备制造行业对RFID芯片的需求不断增加，实现装备制造行业的信息化、可视化、多维化是必然趋势。传统的RFID芯片由于存在资源较少、计算能力较低、存储空间较小等问题而制约其在装备制造行业的广泛应用。为解决上述问题，近些年国内外学者提出了一系列高性能多维RFID芯片。文章综述了国内外多维RFID芯片的基本构成和工作原理，并以此为基础分别从无源工作模式、灯光交互模式、芯片抗金属标签以及芯片封装基材和封装工艺等多个方面对多维RFID芯片的研究进展进行了系统的总结，分析了目前国内外多维RFID芯片的关键设计思路、技术难点、优势以及应用场景，展望了未来多维RFID芯片设计的研究方向。

Abstract: With the process of global economic integration and the accelerated development of the network information age, the demand for RFID chips in the equipment manufacturing industry is increasing. It is an inevitable trend to realize the informatization, visualization and multi-dimensional of the equipment manufacturing industry. The traditional RFID chip is restricted in its wide application in the equipment manufacturing industry due to the problems of fewer resources, lower computing power and less storage space. In order to solve the above problems, a series of high-performance multi-dimensional RFID chips have been proposed by domestic and foreign scholars in recent years. This paper summarizes the basic structure and working principle of multi-dimensional RFID chips at home and abroad. Based on this, the research progress of multi-dimensional RFID chips is systematically summarized from the aspects of passive working mode, light interaction mode, chip anti-metal tag, chip packaging substrate and packaging technology. The key design ideas, technical difficulties, advantages and application scenarios of multi-dimensional RFID chips at home and abroad are analyzed. Meanwhile, the research direction of multi-dimensional RFID chip design in the future is prospected.

1. 引言

无线射频识别(RFID)技术，也称为电子标签，是一种低成本的无线技术，且RFID由于其非视距通信、多目标同步识别特性已经被应用到物品定位、供应链管理、商品盘点等领域[1]。随着我国在集成电路及芯片产业方面的发展，特别是在芯片设计和封装技术方面已经接近于国际同类技术的水平[2]，这必将推动我国RFID技术在各行业的应用。但在面对一些行业的复杂环境、特殊业务场景下仍缺少一种多维度、高性能的RFID芯片，来满足特殊环境下的应用需求。

目前国内RFID产品技术水平及产品质量参差不齐，在互动性方面，虽然已经有一些测温[3] [4]、门禁考勤[5]等RFID产品，但这类产品基本都是以有源RFID为主，并且主要应用在商业领域，无法满足装备制造行业等工业级应用。目前装备制造行业主流应用的RFID芯片具有功能单一，缺少人、机、物之间的多维互动反馈功能，难以对资产进行精确管理等缺陷[6]。同时，传统的RFID芯片在工艺和功能扩展上仍存在局限性，尤其是在使用寿命和未来功能延展上很难满足当下的资产管理需求，甚至存在部分RFID芯片因为使用年限较久导致感应距离衰减甚至失效的情况。装备物资的质量管理贯穿整条物资供应链，工作复杂繁琐，各部门之间、管理部门与供应链之间联系密切。装备企业现行信息管理系统中，存在模块设计不合理、调整不灵活、部门信息共享程度低等一系列问题[7]。上述问题导致基于RFID的物联网应用技术工作难度大、效率低、增加重复工作量等现象，究其原因是缺少一种具备超高频RFID射频识别功能、无源供电、长寿命、互动性好、强耐候性等特性的RFID多维资产管理芯片。

多维RFID作为物联网实施的关键技术，具有成本低、易于部署、读取距离远、读取速度快、非接触式通信等特点，使其在目标识别[8]、跟踪[9]、感知[10]等方面得到了广泛的应用，尤其是在物品定位以及身份识别方面具有广阔的应用前景[11]。从国际范围来看，美国政府在20世纪中期积极推动多维RFID芯片应用的发展[12]，在政府的推动下美国在RFID芯片设计领域、关联软件的开发设计与实际应用领域均远超其他国家[13]。尽管我国RFID产业起步较晚，但经过长时间的探索与实验，多维RFID技术在实际应用方面已日渐成熟，在我国互联网+以及物联网战略的时代背景下，多维RFID芯片及技术作为物品定位、信息交换与存储的重要手段在各行业得到了广泛的应用。

多维RFID技术相比传统的RFID技术而言，具有协同能力较强、能够实现同时检测多个模块、安全性较强等优势，目前在医疗[14] [15]、仓储[16] [17]、交通[18] [19]以及食品[20] [21]等行业都有较为广泛的应用。在医疗应用方面：籍晓丽[22]通过对医疗设备固定资产RFID射频标签信息进行识别，经过数据处理从而得到并整合了医疗设备固定资产的资源信息。测试结果表明，设计的医疗设备固定资产多维管理系统具有较高的可靠性且具有较低的调度时间，在医疗资产领域具有广阔的应用前景。在仓储应用方面：孙静等[23]用野火STM32F103主控一体板作为基板，并增加一定的外围电路，以此为基础研发了移动终端手持机原理样机并进行了效能分析，原理样机与原型系统具有较强的协同性，具备仓储运维数据全景感知、多维数据归一化融合与传送。在食品应用方面：商晓东等[24]在成品粮库传统业务流程的基础上，结合射频识别等技术，研究并统一了粮食堆码、仓储、托盘等的信息存储和转换格式。结果表明，成品粮库内各环节物流信息的数据能够进行自动采集和处理，可有效提高工作效率。

多维RFID芯片模型是一种强耐候性、无源、超高频、具有多维互动和可扩展功能的芯片，可以适用于长期潮湿、高温的环境，适用于装备资产巡检运维及精确查找定位，满足人、机、物之间的多维互动。在具备高性能的同时，在芯片封装工艺和质量上也力求长寿命的使用要求，实现装备资产全生命周期管理的需求。本文着重综述了目前多维RFID芯片的工作原理、功能模式、材料性能、封装工艺以及应用现状，并展望了未来多维RFID芯片设计的研究方向。

2. 多维RFID芯片技术要求以及应用环境

目前基于物联网的RFID技术已扩展到多个行业应用领域，但产品质量参差不齐、技术单一，很难满足特殊气候环境、长寿命、可交互、无源传感等多维度使用要求[25]。传统RFID标签由于资源较少、计算能力有限、存储空间不足，使其难以写入成熟的高安全性加密算法和技术，导致RFID标签易被假冒、窜改、泄漏[26]。开发一款多维RFID芯片将为资产管理精确查找、辅助分析和战略决策提供有力支撑，将推动物联网产业及数字化电网的健康发展[27]。

多维RFID芯片模型主要由基带电路、射频前端、传感控制电路、存储器和天线几部分组成(如图1所示)，通过传感模块替换和电路修正，使芯片在传统标识管理功能的基础上，扩展到温度、湿度、压力、声音、光显等其他功能，达到多维互动管理目的。

Figure 1. Theoretical model of multi-dimensional RFID chip

图1. 多维RFID芯片理论模型

在设计多维RFID芯片时，首先要考虑其应用环境，由于装备资产分布广泛且维护条件苛刻，如需要在停电期间进行带电设备的贴标维护，以及恶劣工况可能导致的信号衰减和设备损坏，这些因素均增加了维护成本[28]。因此，设计芯片时应着重于提高芯片的稳定性、可靠性和环境适应性，同时考虑抗金属特性和安装条件，以降低维护成本并满足装备系统的需求[29]。

3. 多维RFID芯片模式功能开发研究

RFID技术起源于20世纪40年代，最初用于飞机识别，后扩展至物品识别。RFID分为无源、有源和半有源三种类型。无源RFID因结构简单、成本低、易维护，在零售和物流等行业得到了广泛应用。

3.1. 多维RFID芯片无源模式功能开发研究

无源谐波RFID主要有两种谐波RFID类型：无源芯片谐波RFID，ID位编码在频域，以及基于芯片的谐波RFID，ID位编码在时域。无源芯片谐波RFID的优点在于电路简单，但当ID位数较多时，需要较大的带宽。而基于芯片的谐波RFID虽然电路复杂，但带宽利用率高。图2展示了无源谐波RFID技术的发展方向[30]。

Figure 2. Latest development trend of passive harmonic RFID system [30]

图2. 无源谐波RFID系统的最新发展趋势[30]

传统RFID芯片需要外部电源来实现可视化等互动功能，这导致它们成本高、寿命短(通常只有2~3年)，并且耐候性不佳[31]。因此，研究者正在开发一种新型RFID芯片，它利用无线射频能量收集技术，实现无源工作模式，以延长使用寿命。这种新型无源RFID芯片需要高效地将接收到的射频信号转换为电能，以供电和操作芯片。设计时还需考虑芯片大小和应用环境的复杂性，确保能量转换效率。此外，为了确保芯片各部件协调工作，需要精密设计电路，并严格控制能量转化过程，以保持电压和电流的稳定[32]。研究还涉及多维RFID芯片的理论模型，通过研究整流电路、能量转换配置和低功耗设计等关键技术，创建一个可扩展的基础芯片模型，实现无源模式下的多维互动功能。无线传感器网络技术在此过程中扮演重要角色，它通过大量传感器收集数据，并在中央服务器处理，提高信息传输效率[33]。无线传感器节点通常由传感器、微控制器、射频收发器和电源组成，每个节点都配备有物理传感器来检测光、温度、声音、压力等物理参数(如图3所示)。选择一个低功耗的射频收发器对于节省能源和提高节点性能至关重要[34]。

近年来，国际上对RFID设备进行了多项改进，如基频、谐波频率和信号接收灵敏度，这些改进带来了显著的经济收益。Mondal等[35]研究者开发了一种超低功率的谐波RFID标签，它在极低的信号强度下工作，并能通过简单的询问器解调身份信息。该标签在18 dBm的发射功率下实现了1.8米的有效读取范围，并在30 dBm的传输功率下，通过路径损耗外推，读取范围可达到7.2米，同时保持了良好的信号质量。此外，新型谐波RFID标签通过调整基频和谐波频率至434 MHz和868 MHz，不仅减小了标签尺寸，还减少了组件数量，提高了在复杂环境中的性能和读取范围。在无源RFID传感器方面，无源标签由于无需内部电源，更小巧、便携。相比之下，有源RFID标签因内置电池而增加了系统复杂性和维护需求，缩短了使用寿命，并限制了其在恶劣环境下的应用能力[36]。

Figure 3. Simplified schematic diagram of classic wireless sensor architecture [34]

图3. 经典无线传感器架构的简化示意图[34]

3.2. 多维RFID芯片交互式功能开发研究

物联网的发展需要将RFID网络与传感网络相结合，实现标签芯片的数据交互功能。可以通过激活设备输出数据，或将传感器数据输入芯片，再通过射频通信与外界交换数据来实现[37]。RFID技术在图书管理[38]、服装管理[39]、土木工程[40]等多个行业已广泛应用。随着RFID技术的发展，出现了许多强大的无线通信技术，其中基于RFID的人机交互成为研究热点。RFID人机交互主要包括轨迹追踪和方向角度计算[41]，轨迹追踪技术用于追踪物体在二维平面上的移动，而角度计算则关注物体的旋转和三维姿态。Yang等[42]提出了一种实时3D姿态估计和跟踪系统，通过新型循环运动网络采集RFID数据来评估人体姿态。Bu等[43]则提出了射频拨号技术，利用商用RFID设备实现无电池的轻量级人机交互解决方案。这些技术将普通物体转变为智能交互设备，展示了基于RFID进行人机交互的新趋势。

在信息时代，人机交互技术迅速发展，尤其是基于多维RFID的灯光交互功能在多个领域得到了广泛应用。这种技术通过优化芯片电路、协议、LED驱动和信号控制设计，并集成低功耗LED元件，实现了可视化交互[44]。LED元件的亮度受到射频增益、阻抗匹配和元件性能的影响。为了提高亮度，研究者采用了短路匹配加载和曲折电流路径来增加芯片的辐射增益，同时选择了超低功耗、小电压驱动的LED元件，以最大化传输到LED的功率。此外，选用了波长较长、穿透力强的红光LED，因为它易于被人眼识别，便于定位[45]。为了最大化交互亮度，需要优化芯片的辐射增益和元件的阻抗匹配，以实现最大的输出功率。

多维RFID芯片广泛应用于人机交互，无需事先训练即可追踪移动轨迹和三维姿态，为设备提供丰富的交互信息。此外，可见光交互技术能够实时监控设备状态，快速响应故障，从而促进装备制造业的资产管理。

4. 多维RFID芯片材料特性以及封装工艺研究

当前芯片材料领域的主要发展趋势是追求更小体积、更轻重量、更高性能，同时注重可靠性、环保性和成本效益。市场上的RFID芯片受到金属材料信号吸收能力的限制，因此需要具备抗金属干扰的能力。此外，芯片的封装技术对其使用寿命至关重要，为了满足高可靠性和强耐候性等需求，对封装材料和工艺都有严格的要求。

4.1. 多维RFID抗金属标签设计研究

无源RFID传感器的读取效果容易受到附近液体和金属材料的强烈反射信号影响，这可能导致信号相位差异，进而干扰正常通信。当金属物体靠近RFID阅读器或标签时，这种影响尤为明显，给数据采集带来挑战[46]。因此，设计RFID芯片时需要考虑其抗金属特性，以确保性能不受金属环境影响。多维RFID抗金属芯片能够在高温等恶劣条件下稳定工作，特别适合于装备制造行业的资产管理。

为了提升无源RFID标签的抗金属性能，研究者们探索了多种方法。首先，在标签中加入电磁带隙(EBG)材料，可以使其在金属表面正常工作，但这可能会增加成本和天线设计的复杂性，不利于大规模生产应用[47]。其次，调整基板厚度以减少金属对信号的干扰，但由于RFID标签体积小，这个方法在实际应用中存在挑战[48]。此外，还有在RFID天线下添加导电接地层，形成类似贴片的结构，帮助减少金属干扰[49]。还有一种使用微带天线的方法，不仅结构简单，而且抗金属性能强[50]，成为抗金属标签天线设计的主流方向[51]。

4.2. 多维RFID芯片封装工艺设计研究

近年来，随着技术行业对芯片性能要求的提升，开发高质量芯片变得非常迫切。电子封装是芯片和集成电路的关键部分，其稳定性对电子设备的可靠性和效率至关重要。为了满足芯片的高可靠性和耐候性需求，研究者正在寻找一种高性能工程材料作为封装基材，并开发一种特殊的封装工艺。这种工艺能够确保封装过程中排除芯片内部空气，实现全密封，同时具备耐高温和良好的机械强度，以保证芯片在户外多种气候条件下能稳定使用10年以上。

目前市场上现有封装基材质量参差不齐，在韧性、强度、密度等各方面差别非常大，而要满足装备系统长寿命、防水、日照辐射等各种苛刻要求，必须进行大量试验和筛选，以保证芯片具有良好的特性，耐候阻燃，可长期户外使用。针对上述要求，张杰等[52]创新地设计了梯度封装模型。梯度封装模型外部为高硅铝材料构成的封装腔体和盖板，内部为导热性能优良的氮化铝(AIN)基板和金锡焊料(80Au20Sn)。该模型在气密封装条件下具有较好的热可靠性和气密性。田青等[53]以环氧树脂为基材，以SiO₂-Cu纳米粒子为填充型高分子复合材料，制备了新型芯片封装材料。此材料具有较低的热碰撞系数、较高的抗拉伸性能、良好的电绝缘性以及优良的抗热冲击力以及热稳定性。张梁娟等[54]采用金刚石/铜复合材料作为封装材料，结果表明，该复合材料具有较好的可镀覆性和可焊性，能够在实际生产中广泛应用。

在封装工艺上，传统方法主要有超声波焊接、灌胶、包胶等方案，但这几种方案都存在明显的缺点，长期在户外环境下使用容易开裂、变形、老化、脱落或进入水汽等现象[55]，导致芯片性能下降甚至失效，因此研究一种特殊的封装工艺也是保证芯片性能及长寿命的必备因素。随着近几十年芯片封装技术的不断发展[56]，目前国内外主流的封装技术有3D封装技术[57]、MCM技术[58]以及倒装技术[59]。倒装封装作为新出现的一次技术更替，与传统的芯片焊接技术不同，其焊接技术采用面阵列排布焊点，焊接密度以及焊接性能都有较大的提升，具有良好的散热能力、更好的热导率以及优良的机械性能，现已被业界广泛应用[60]。

倒装芯片封装技术省去了传统的引线键合和芯片外包塑封料，在一颗芯片上可以大幅度提高芯片接脚的密度，传输中的阻抗与连接处的分布电容比传统封装降低10倍。该技术使得芯片性能得到优化、散热能力进一步提高、生产周期缩短13倍，在国内外芯片封装行业已得到广泛应用。

5. 总结与展望

本文综述了多维RFID的技术要求及应用环境，探究了RFID芯片的无源模式功能以及交互功能、抗金属标签特性以及封装工艺。本文总结如下：

1) 多维RFID芯片模型可以适用于长期潮湿、高温的环境，适用于装备资产巡检运维及精确查找定位，满足人、机、物之间的多维互动；

2) 多维RFID芯片理论模型通过对整流电路、能量转换配置及低功耗设计等关键技术的研究，来打造一个可扩展的基础芯片模型，实现无源模式下多维互动功能；

3) 多维RFID芯片具有灯光交互功能，通过对基础芯片电路及协议进行扩展优化设计、LED电路驱动设计、信号控制设计等的研究，集成一种低功耗LED元件，使芯片具备LED点亮功能；

4) 多维RFID芯片的抗金属标签天线是基于微带天线进行设计的。微带天线制作简单，可屏蔽金属面的干扰，提高标签天线的性能；

5) 多维RFID芯片的封装采用倒装封装技术，倒装散热技术效率高、成本低、性能优良、散热能力好。

多维RFID芯片模型是实现多维管理功能的保证，芯片在收到载波能量后，射频前端单元产生电源端(Vdd)电源信号，供给整个芯片工作，由于供电系统的限制，该芯片无法产生较大的电流驱动，因此整流电路和低功耗设计成为该芯片研发过程中的主要突破点和难点，不管在模型的数字逻辑电路设计过程中，还是控制和转换电路方面，都需要全面考虑和优化，以满足该模型实现多维管理功能。