UHF RFID Transponder Antenna Solutions for Enhanced Performance and Producibility

Abstract

As a means of automatic identification, passive UHF RFID technology provides clear benefits over its competitor technologies, such as optical codes or RFID technologies operating at lower frequencies. Perhaps the greatest of these benefits is the long read range that can be achieved with a tag that is relatively simple and small. However, the exploitation of the radiating far field as the coupling method between the reader and the transponder, which enables the long read range, also makes the tags sensitive to their near environment. Consequently, the combination of a metallic use environment, long read range and a small, low-cost tag is difficult to achieve in practice. In this thesis, new concepts of implementing UHF RFID transponders are studied and presented. Additionally to performance and versatility, the production cost is always an important parameter for a means of automatic identification. Therefore, in this thesis, a special emphasis has been put on the producibility of the presented tags. In practice, this means that the tags developed are suitable for mass production and their performance is not too sensitive to the parametric variation that always occurs in the industrial fabrication processes. The tag solutions presented in this thesis are divided into two main categories: small all-platform tags and tags implemented with alternative conductor materials. The small all-platform tags are fabricated with printed circuit board and inlay technologies. The alternative conductor materials studied are graphene and aluminium-doped zinc oxide (AZO). Graphene is an interesting new material that is eco-friendly and printable. Additionally to the raw material itself being non-toxic, fabricating the transponder by printing can replace the currently used etching process that produces toxic waste. Thin-film AZO is a transparent conductor material that enables transparent antennas and thus invisible transponders to be used on e.g. windows or windshields. Even though these new materials provide new features and benefits, they both set special challenges that mainly relate to the conductivity that is remarkably lower than that of bulk metal. The attachment of the microchip is another challenge that, in order to keep the tags commercially viable, should not form a bottleneck in the fabrication process. Even though the radiating far-field is the main coupling method for a UHF RFID system, for some applications that do not require a long read range, inductive near-field coupling is an attractive option. Two near field tag solutions are presented in this thesis; the first one is a solution for tagging metal items that form a challenge to conventional near-field tags. The second one combines graphene as the conductor material and the chip attachment by glue-bonding, providing a small, eco-friendly and mass-producible tag.

Passiivinen UHF-taajuinen RFID-teknologia tarjoaa selviä etuja verrattuna kilpaileviin automaattisen tunnistuksen teknologioihin, kuten optisiin tunnisteisiin sekä matalataajuisempiin RFID-teknologioihin. Kenties selvin etu on pitkä lukuetäisyys, joka voidaan saavuttaa tunnisteella eli tagilla, joka on pieni ja melko yksinkertainen. Kuitenkin säteilevään kaukokenttään perustuva kytkeytyminen, joka mahdollistaa pitkän lukuetäisyyden, tekee tagista myös herkän lähiympäristölleen. Metallinen käyttöympäristö, pitkä lukuetäisyys ja pieni sekä edullinen tagi muodostavat hankalasti toteutettavan yhdistelmän. Väitöskirjatyö käsittelee uusia tapoja toteuttaa UHF-RFID-tageja. Suorituskyvyn ja monikäyttöisyyden ohella tuotantokustannus on tärkeä automaattisen tunnistusmenetelmän ominaisuus. Tämän vuoksi työssä esitetyssä ratkaisuissa on painotettu niiden tuotannollisuutta. Käytännössä tämä tarkoittaa, että tagit ovat massatuotantoon soveltuvia, eikä niiden suorituskyky ole liian riippuvainen teollisissa prosesseissa tyypillisesti esiintyvästä vaihtelusta. Työssä esitetyt tagiratkaisut jakautuvat kahteen pääryhmään: pieniin alustaepäherkkiin tageihin ja vaihtoehtoisilla johdinmateriaaleilla toteutettuihin tageihin. Alustaepäherkät tagit on valmistettu piirilevy- ja inlay-tekniikoin. Tutkitut vaihtoehtoiset johdinmateriaalit ovat grafeeni ja alumiiniseostettu sinkkioksidi (AZO). Grafeeni on ympäristöystävällinen ja tulostettava materiaali. Valmistamalla tagi tulostaen voidaan syrjäyttää ongelmajätettä tuottava etsausprosessi, joka on nykyään vallitseva tagien valmistusteknologia. Ohutkalvona tuotettu AZO on läpinäkyvä johdemateriaali, joka mahdollistaa näkymättömien antennien ja siten myös tagien toteuttamisen esim. ikkunoihin tai tuulilaseihin. Näiden etujen ohella mainittujen materiaalien käyttöön sisältyy haasteita, jotka liittyvät näiden metalleja selvästi huonompaan johtavuuteen. Myös mikropiirin kiinnitys antenniin on näiden yhteydessä tärkeä tekijä, joka tulee huomioida kaupallista tuotantoa ajatellen. Vaikka säteilevää kaukokenttää voidaan pitää UHF-RFID-järjestelmien pääasiallisena kytkentämenetelmänä, joissain sovelluksissa, jotka eivät vaadi pitkää lukuetäisyyttä, on induktiivinen lähikenttäkytkentä houkutteleva vaihtoehto. Lähikenttä-UHF-RFID-tagit ovat erittäin pieniä ja rakenteellisesti äärimmäisen yksinkertaisia. Väitöskirjatyössä esitetään kaksi lähikenttätagiratkaisua, joista ensimmäinen on ratkaisu metallikappaleiden merkitsemiseen, joka on hankalaa käyttäen perinteisiä lähikenttätageja. Toinen ratkaisuista yhdistää grafeenin tagin johdemateriaalina ja piirin kiinnityksen liimaliitosmenetelmällä, jolloin tuloksena on pieni, ympäristöystävällinen ja massavalmistukseen soveltuva tagi.