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基于纳米印制工艺的超高频RFID标签及其在智慧图书馆中的应用

范文

王黎

摘要针对目前RFID标签成本居高不下而无法被大范围应用的状况，论文对利用新兴的纳米印制工艺进行超高频RFID标签的研究与设计，总结了其与传统超高频RFID标签相比所具有的优势，最后就超高频RFID标签能够为读者提供智慧化、个性化的图书管理与借阅服务，描述了其在智慧图书馆中的应用前景。

关键词纳米印制工艺超高频RFID标签智慧图书馆

分类号 G250.78

0 引言

无线射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）是一种非接触式的自动识别技术。它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境[1-2]。RFID系统主要由三部分组成：具有唯一电子编码的标签、能读取和写入标签信息的阅读器、在标签和读取器间传递信号的天线。阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当标签进入发射天线工作区域时产生感应电流，标签获得能量并被激活。标签将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去，系统通过天线接收到从标签发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收的信号进行解调和解码后送到后台主系统进行相关处理[3-5]。

目前市场上出现的几种常用RFID标签为：低频段（LF），应用于门禁、考勤、货物跟踪等领域；高频段（HF），应用于公交、社保、校园一卡通、门禁门票、范围仓库管理等领域；超高频段（UHF），应用于检测物品、物流管理等；微波频段（MW），应用于火车监控、高速公路收费等[6]。超高频段的无源RFID标签虽在物流、图书馆等领域得到了一定的应用，但是由于其成本过高等原因而没能得到广泛的推广应用。本文针对降低超高频RFID标签成本的方法作了相应研究，发现目前已有的方法主要有三种：（1）利用直接印刷法制作标签天线；（2）通过采用有机材料或普通纸张为基底材料，降低标签价格；（3）通过印制编码技术代替RFID芯片。从上述三种降低成本的方法中可归纳为，将RFID标签采用纳米印制工艺进行加工生产，一方面可以大幅度降低产品成本，另一方面由于这种“加成法”的工艺原理，大大降低了生产过程对环境造成的压力，从而真正意义上实现了电子产品加工制造过程的绿色环保。因此本文提出采用纳米印制工艺制作低成本的超高频RFID标签方法，并将其应用于图书馆管理系统中。

1 基于纳米印制工艺的超高频RFID标签研究

1.1 纳米印制工艺

纳米印制电子是一种纳米材料与印刷技术相结合的新兴技术，主要通过丝网印刷、喷墨打印等方式，在陶瓷、塑料及纸张等基底上印刷电子线路及器件。通过印刷与各种导电聚合物及纳米金属墨水的结合，产生全新的电子器件的产业链。

因此，纳米印制电子与印制电路板和CMOS芯片技术一样，已成为电子信息的产业基础，可广泛应用在计算机、通信和消费电子和物联网领域。我国于2010年将印刷电子的研发提高到战略意义的高度，并在北京印刷学院成立了印刷电子研究中心；在苏州纳米所成立了印刷电子技术研究中心。纳米印制工艺技术方兴未艾，必将在以后的电子产业内发挥非常重要的作用。

1.2 超高频RFID标签的研究

采用纳米印制技术设计超高频RFID标签主要包括三个技术领域：纳米印制材料、纳米印制材料的印制工艺以及印制器件的集成封装技术。

为了克服RFID标签制造技术中成本高、制造精度低、标签尺寸大、标签底材单一、制造效率低、对环境污染大等缺点，目前主要采用的是导电油墨的印制制造技术。采用印制工艺后，可以使单个RFID标签的成本降低十倍以上，并易于实现快速印刷，从而应用于流水线大批量生产。

1.2.1 纳米印制材料技术

纳米印制材料包括基底和油墨。由于纳米印制材料表现出的不同特性，在进行纳米印制RFID标签设计时，就需要根据不同的应用环境选择合适的有机材料作为基底。酚醛树脂浸渍纸，无纺布或无纺布玻璃纤维布，聚酰亚胺薄膜或聚酯纤维都可以作为基底材料。

纳米印制油墨是一种形态特殊、性能优异的功能性材料，为了取得相关的标签阻抗性能，需要采用纳米材料的最新制作方法和配方。这些油墨根据采用的不同工艺，如印刷、喷墨打印及蒸发旋涂等，又可以分成很多种不同的种类。因此项目实施过程中，将对各种油墨进行评估，并尽可能研发自有的标签油墨产品。

制作RFID标签主要采用柔性电路技术中的厚膜电路工艺。具体采用丝网印刷的成膜技术，将具有不同性能并适用于丝网印刷的油墨通过网版漏印在柔性基底上形成具有特定物理、电学性能的图形，用于完成电连接、电隔离等功能。生产流程中采用多层套印的方式，通常包括导线层、绝缘层等，工艺流程中主要包括各种油墨的选取或配置、丝网印刷、套印对准、网版的清洗、印刷后干燥等问题，会涉及多种有机溶剂，加之不同油墨粘度、流变性能、干燥方式的不同，不同层的印刷厚度等要求不同，都会增加印制标签过程的复杂性。改变导电油墨中颗粒形态结构，增加导电油墨中导电组分的含量，在导电油墨中加入触变剂、流平剂、消泡剂等，这些方法都会因此相关油墨的配方研究将是未来项目中研发的重点及核心。

1.2.2 印制工艺技术

油墨材料需要通过精密的印制技术印制在基底上，主要通过丝网和喷墨两种技术。在采用丝网印刷进行功能层涂覆时，由于器件对材料结构特征等的不同要求，例如层厚度、黏度、材料颗粒尺寸、均匀性等，这时就需要通过对丝网印刷机以及浆料进行设置。参数设置的过程需要进行大量的测量实验，并需要注重相关经验的积累。

1.2.3 RFID标签的封装技术

RFID标签印制好后，需要进行封装，并可以同IC芯片以及MEMS类传感器芯片进行集成封装，从而作为物联网传输的一体化智能终端。这些封装后的智能终端就像标准元件一样，可以直接被应用在电子系统中。对于一些复杂的印制封装器件，由于其对可靠性、环境抵抗性等要求较高，通常需要采用特殊工艺。纳米RFID标签将主要采用上面提到的技术要点，制作在柔性薄膜基底上，从而达到成本低、灵活工艺、超薄器件等方面的优点。

1.2.4 低成本、超高频印制标签的设计

目前出现的低成本、超高频RFID标签大致是基于两种设计方法。（1）标签由微带天线构成，设置每个天线端口的特性不同，或者在端口加载微带结构的负载，使得天线发现散射信号的幅值或相位根据端口特性的不同而改变。（2）标签设计成一个简化的射频收发电路，有一个接收天线，谐振电路和一个发射天线组成。标签的接收天线接收阅读器发射的访问信号，经谐振电路后创建了频谱，再经发射天线将频谱信号反射回阅读器，不同的谐振电路创建不同的频谱，并作为该标签的唯一ID标识。

在无芯片RFID标签设计方面，通常采用的是多个微带天线的方法：标签由微带天线构成，每个天线端口具有不同的特性，从而使得天线反向散射信号的幅值或相位根据端口特性的不同而改变。微带天线工作原理如图1所示。

图1 超高频RFID标签微带天线工作原理

图1中三个微带天线单元的谐振频率分别为f1、f2、f3。当系统工作时，阅读器发射频率为f1、f2、f3的多频访问信号，低成本、超高频RFID标签中的三个微带天线单元受各自谐振频率波激励，反射回带有不同相位特性的反向散射信号。阅读器接收天线接收到该回波信号后，对三个频率的波分别进行处理，这样每一个标签就被设计成了一个唯一不可变的ID标签。

在实际设计实施中，往往采用相位编码、多阻带螺旋滤波器以及多谐振偶极子天线等低成本、超高频标签设计原理。这些原理都是通过标签内部设计的特殊导电体结构，对接收到的来自阅读器的多频信号进行过滤编码，从而达到唯一特性ID标识的目的。

采用相位编码方法的标签主要包含接收天线以及一个微带天线阵列。标签工作频率主要由这些天线的谐振频率决定，可以工作在2.1GHz～2.5GHz范围之间。

采用多阻带螺旋滤波器方法的标签包括一个接收天线，一个多谐振电路和一个发送天线。其中谐振电路主要是由螺旋谐振器构成。这一天线的工作频率在2.0～2.6GHz，带宽为500MHz。

采用多谐振偶极子天线的标签可以实现较小的体积，并且标签简化到只有两个天线的结构。采用双面印制的多谐振偶极子天线标签，可以容易地构建6bit以上的标签，且标签尺寸被大幅压缩。

1.3 优点

与传统的超高频RFID标签相比，印制射频标签及印制编码（低成本、超高频RFID标签）具有成本上无可比拟的优点。这主要体现在：

（1）印制射频标签采用“加成法”进行标签生产，这样就避免了以“减成法”为工艺基础的传统标签生产过程中的材料浪费；从数据上讲，可以减少成本20%以上。

（2）印制编码技术采用印制工艺直接将编码信息以特种结构的形式印刷在标签基底上，从而产生激励信号的特种型信号反馈。从而标定了标签的差异性ID标识。由于避免了硅基芯片的应用，从而使得射频标签减少50%以上的生产成本。

2 超高频RFID标签在智慧图书馆中的应用

随着信息技术的发展，图书馆作为重要的基础文化设施，面临信息量大、管理难度大、人工操作状态下难以及时到位的压力，图书馆的工作越来越繁重。智慧图书馆通过物联网和RFID技术的应用，不仅对其自动化管理模式有所创新，而且更好地实现了图书馆与读者互动的人性化、个性化服务，提高馆员的工作效率[7-8]，加强图书藏、借、阅一体化的功能，增强图书馆的安全性、准确性、可靠性和扩展性，这也是图书馆未来智慧化发展的大势所趋。

智慧图书馆建立在物联网基础上，以无线射频识别技术为关键核心技术。智慧图书馆的出现改变了现代图书馆信息资源的交互方式。以提高信息交互的明确性、灵活性和响应速度为目的，旨在为读者提供高附加值的个性化、智慧化文献信息服务。

在核心技术中，频率是决定RFID技术性能及其应用范围的关键因素。目前使用较多的两种频率为高频（High Frequency，HF）与超高频（Ultra High Frequency，UHF）RFID系统。高频RFID的典型频率为13.56MHZ，标签读取距离较短，约为lm。超高频 RFID频率为860～960MHZ，其在物流领域应用较为广泛，因其标签读取距离最远可达10m。目前在图书馆领域广泛应用的是高频产品，但其高昂的费用将一些经费较为有限的高校图书馆拒之门外。正因为如此，有些高校图书馆已经开始尝试使用超高频RFID标签。

2.1 基于超高频RFID的图书管理系统

基于超高频RFID的图书管理系统结构拓扑图如图2所示，其主要包括：自助借书系统、自助还书系统、智能查找系统、自动分拣系统、手持式盘点系统、安全门检测系统和管理员工作站等，各个子系统相互独立却又紧密相连。

图2 系统结构拓扑图

系统中的RFID标签，有图书RFID标签、光盘RFID标签、架标、层标、RFID读者卡等多种类型。图书、光盘RFID标签存储一本图书、一张光盘的基本流通信息，如条码号、流通类型等；架标用于存储一个书架的单面单联信息；层标用于存储一个书架的单面单联的一层信息；RFID读者卡存储一位读者的基本信息，如读者证号、读者卡的类型等[9-10]。

管理员工作站主要负责图书馆借书卡的账户管理、图书馆监控设备管理、日常设备维护和保养、设定节假日与特殊节日、编辑工作站广播信息等需要人工干预的行为操作。其中还包括对日常报告的提供、整理和分析，更好地为客户服务。

手持式盘点系统通过通道读写器和手持机读写器进行图书的盘点审核。分拣机分拣出来的书由工作人员推车进入借阅室，在经过装有通道式读写器道门时，车里面的标签信息被读取到，并上传至数据库服务中心。通过后期工作管理员用手持式读写器的盘点核查，为图书馆盘点管理带来了极大的方便，使得图书馆管理工作人员能更为高效、频繁地进行图书盘点工作。

安全门检测系统主要用于检测任何非法离开图书馆的书籍、光盘等。它能够检测安全位（EAS）激活的标签，并发出警报声，闪动警报灯，并记录读者数量与警报数量，还能可读取显示触发警报的书籍序号并更新至管理工作站。

2.2 系统优点

2.2.1 流程简化，提高了效率

目前的借还书流程普遍采用条码扫描系统，条码数据的采集是通过固定的或手持的条形码扫描器完成的，扫描操作需要人工翻开图书并找到条码位置才能扫描，操作流程较为繁琐，借还书效率低。引入RFID技术可以实现动态、快速、大数据量、智能化的图书借还流程，提高信息存储的安全性、信息读写的可靠性、借还书的高效快捷。

2.2.2 系统改进，提高了安全性

通过RFID智慧化图书管理系统优化现有的图书管理系统，将防盗系统与图书流通管理系统联系起来，记录每本图书的进出库历史记录，从而可以与借还书的历史记录进行匹配。可以有效提高防盗系统的准确性，确保图书安全。

2.2.3 标签成本低，数据保持力强，寿命长

条码存储数据有限，且易受潮、污染等局限因素，导致在很大程度上制约了图书馆的管理工作。而本文设计的基于纳米印制工艺的超高频RFID标签存储区间大，数据保持力可达100年以上，加上具有防水、防磁、耐高温的特性，RFID电子标签的寿命比条形码长得多。由于采用了非接触式的读取方式，每个电子标签最少能被读取十万次以上，可以长期使用。

3 结语

本文针对目前RFID标签由于成本居高不下而没有得到广泛应用的现象，提出了采用纳米印制工艺设计超高频RFID标签的方法，该方法能够大大降低标签的成本，可以进一步推进RFID技术在智慧图书馆中的应用。基于RFID技术的智慧图书管理系统不仅可以简化图书管理流程，提高工作效率，还可以为读者提供更智能化的图书借阅服务，具有很广阔的应用前景。

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