Зміст
Введення
1 Короткий огляд ідентифікаційних міток
1.1 Штрихове кодування
1.2 Радіочастотні ідентифікаційні мітки
1.2.1 Пасивні, напівактивні й активні мітки
1.2.2 Тільки зчитуються і перезаписувані мітки
1.2.3 Чипові і бесчіповие мітки
1.3 Пасивні радіочастотні ідентифікаційні мітки на поверхневих акустичних хвилях
1.3.1 Фізичні принципи роботи міток на поверхневих акустичних хвилях
1.3.2 Можливі принципи побудови і функціонування РЧІД-міток на ПАР
1.3.3 Варіанти кодування даних у мітках на ПАР
1.4 Частотні діапазони РЧІД-систем
1.5 Актуальність ПАР-пристроїв. Висновки
2 Основна частина
2.1 Вибір вихідних матеріалу
2.1.1 Основні вимоги до матеріалів підкладений r пристроїв на ПАХ
2.1.2 Вибір матеріалу підкладки (звукопровода)
2.1.3 Вибір матеріалу для металізації поверхні
2.2 Розрахунок основних елементів мітки
2.2.1 Вибір приймально-передавального ВШП
2.2.2 Розрахунок основних параметрів приймально-передавального ВШП
2.2.3 Вибір і розрахунок відбивачів
2.2.4 Конструкція мітки
2.2.5 Кодування даних
2.2.6 Визначення габаритних розмірів проектованої мітки
2.3 Технологічні етапи виготовлення РЧІД-мітки на ПАР
2.3.1 Стадія попередньої обробки поверхні підкладок
2.3.2 Попереднє очищення підкладок ніобіту літію
2.3.3 Остаточне очищення підкладок від забруднень
2.3.4 Формування електродних структур
2.4 Карта ідентифікації. Перевірка працездатності міток
2.4.1 Антена
2.4.2 Друкована согласующая індуктивність
2.4.3 Оцінка внесених пристроєм втрат у приймається / передається сигнал
2.4.4 Перевірка працездатності міток
3 Організаційно-економічна частина
3.1 Оцінка ефективності інноваційного процесу
3.1.1 Визначення собівартості інноваційного процесу
3.1.2 Визначення ефективності інноваційного процесу
3.2 Організаційно-планові розрахунки
3.2.1 Розрахунок календарно-планових нормативів
3.3 Економічні розрахунки
3.3.1 Визначення вартості основних фондів та їх зносу на повне відновлення
3.3.2 Розрахунок витрат на матеріали
3.3.3 Розрахунок чисельності працюючих за категоріями та фонду заробітної плати
3.3.4 Калькулювання собівартості
3.3.5 Розрахунок техніко-економічних показників
3.4 Розрахунок комерційної ефективності проекту
3.4.1 Розрахунок потоку реальних грошей від операційної (виробничої) діяльності
3.4.2 Розрахунок потоку реальних грошей від інвестиційної діяльності
3.4.3 Розрахунок необхідного приросту оборотного капіталу
3.4.4 Розрахунок потоку реальних грошей від фінансової діяльності
3.4.5 Розрахунок показників комерційної ефективності проекту
4 Безпека життєдіяльності
4.1 Шкідливі та небезпечні фактори в цеху виготовлення
радіочастотних ідентифікаційних міток на ПАР
Охорона праці
4.2 Екологічні аспекти БЖД
5 Забезпечення безпеки об'єкту ТОВ НВЦ «Еліон» у надзвичайних ситуаціях
5.1 Визначення стійкості об'єкта до радіоактивного зараження місцевості
5.2 Розрахунок режимів роботи об'єкта в умовах радіоактивного зараження
5.3 Визначення можливих радіаційних втрат (поразок) у зонах радіоактивного зараження
Висновок
Список літератури
Анотація
У даному дипломному проекті розроблена радіочастотна ідентифікаційна позначка на поверхневих акустичних хвилях. Основними функціональними елементами пристрою є підкладка з нанесеними на неї зустрічно-штирові структурами, прикріплюється до контактних виведення мітки антена, а також погоджує елемент - індуктивність. Розроблено методику розрахунку основних елементів мітки, обрані матеріал підкладки, тип зустрічно-штирьовий перетворювачів і відбивною системи. Також запропоновано технологічний маршрут виготовлення розробляється мітки. Як приклад розглянуто один із способів побудови карти ідентифікації з використанням мітки на ПАР.
Введення
Щорічне зростання світового товарообігу і масштабне збільшення числа вантажоперевезень привело до створення систем реєстрації та ідентифікації рухомих і нерухомих об'єктів. Завданням будь-якої системи ідентифікації є зберігання інформації про об'єкт з можливістю її зручного зчитування. Такі системи як правило містять у своєму складі зчитувачі та мітки. Мітка може містити дані про тип об'єкта, вартості, вазі, температурі, дані логістики, або будь-який інший інформації, яка може зберігатися в цифровій формі. Вони можуть бути виконані у вигляді карт із магнітною смугою, штрих-кодів, електронних ключів, чіпових або бесчіпових карток ідентифікації. Проте надалі нас будуть цікавити системи дистанційного зчитування інформації про об'єкт, тому зупинимося на найбільш поширених системах штрихового кодування і радіочастотної ідентифікації, виявимо достоїнства і недоліки кожної технології. Далі визначимо основні цілі та завдання зі створення пристрою, що дозволяє конкурувати з існуючими аналогами. Основна частина дипломного проекту буде присвячена розробці радіочастотної ідентифікаційної мітки на ПАР згідно з технічним завданням.
1 Короткий огляд ідентифікаційних міток
Штрихове кодування
C допомогою штрихового коду зашифрована інформація про деякі з найбільш істотних параметрів продукції. Найбільш поширена Європейська система кодування EAN [1]. Відповідно до цієї системи, кожному виду виробу привласнюється свій номер, що найчастіше складається з 13 цифр (EAN-13). Типовий штрих-код представлений на малюнку 1.1.
Рис.1. - Типовий штрих-код
Цифрові позначення:
Код країни;
Код виготовлювача;
Код товару;
Контрольна цифра;
Знак товару, виготовленого за ліцензією.
Основними переваги штрихового кодування є простота реалізації і низька вартість. Однак для цілого ряду областей ця технологія виявляється нерезультативною, особливо там, де потрібен контроль переміщення об'єктів у реальному часі, інтелектуальні рішення автоматизації, здатність працювати в жорстких умовах експлуатації. Всі ці проблеми в змозі вирішити радіочастотна ідентифікація, зокрема радіочастотні ідентифікаційні (РЧІД) мітки.
1.2 Радіочастотні ідентифікаційні мітки
Радіочастотна ідентифікація - технологія, що використовує радіочастотне електромагнітне випромінювання для читання / запису інформації на пристрій, який називається міткою [2].
На малюнку 1.2 наведена типова конструкція РЧІД-мітки.
Рисунок 1.2 - Типова конструкція карти для безконтактної радіочастотної ідентифікацією
У таблиці 1.1 наведено порівняльну характеристику радіочастотної ідентифікації та штрихового кодування [3] [4].
Таблиця 1.1 - Порівняльна характеристика радіочастотної ідентифікації та штрихового кодування
Характеристики технології | РЧІД | Штрих-код |
Необхідність в прямій видимості мітки | Можливе читання прихованих міток | Читання неможливе без прямої видимості |
Об'єм пам'яті | Від 10 до 10000 байт | До 100 байт |
Можливість перезапису і багаторазового використання | Є | Ні |
Одночасна ідентифікація декількох міток | До 200 міток | Неможлива |
Характеристики технології | РЧІД | Штрих-код |
Стійкість до дій навколишнього середовища: механічному, температурному хімічним, вологи | Підвищена міцність і опірність | Вкрай легко пошкоджується |
Термін життя мітки | Більше 10 років | короткий |
Безпека та захист від підробки | Підробка практично неможливо | Легко підробити |
Ідентифікація рухомих об'єктів | Можлива | Утруднена |
Ідентифікація металевих об'єктів | Можлива | Можлива |
Схильність перешкод у вигляді електромагнітних полів | Є | Ні |
Дальність реєстрації | До 100 м | До 4 м |
Вартість | Середня | Низька |
При роботі з радіочастотної ідентифікацією необхідно враховувати деякі обмеження. До них відносяться: відносно висока вартість; неможливість розміщення під металевими і екрануючими поверхнями; взаємні колізії; схильність перешкод у вигляді електромагнітних полів. Розберемо кожен з цих недоліків більш докладно.
Вартість пасивних РЧІД-міток перевищує вартість етикеток зі штрих-кодом. Виходячи з цього, використання радіочастотних міток доцільно для захисту дорогих товарів від крадіжок або для забезпечення збереження виробів, переданих на гарантійне обслуговування. У сфері логістики і транспортування вантажів вартість радіочастотної виявляється зовсім незначною у порівнянні з вартістю вмісту контейнера, тому абсолютно виправдане використання радіочастотних міток на пакувальних ящиках, палети та контейнерах.
Радіочастотні мітки схильні до впливу металу (це стосується упаковок певного виду - металевих контейнерів, іноді навіть деяких типів упаковки рідких харчових продуктів, запечатаних фольгою). Це зовсім не виключає застосування РЧІД, але призводить або до необхідності використання більш дорогих міток, розроблених спеціально для установки на металеві поверхні або до нестандартних способів закріплення міток на об'єкті.
Схильність систем радіочастотної ідентифікації перешкод у вигляді електромагнітних полів від включеного устаткування, що випромінює радіоперешкоди в діапазоні частот, що використовується для роботи РЧІД-системою. Необхідно ретельно проаналізувати умови, в яких система РЧІД буде експлуатуватися. Для систем UHF діапазону 868-869 МГц це практично не актуальне (у цьому діапазоні ніякі інші прилади не працюють), але низькочастотні мітки, які працюють на частоті 125 КГц подібного впливу схильні.
Через те, що сфери застосування міток різноманітні, на їх характеристики накладаються істотні обмеження по виконанню, розмірам і вартості. З цими характеристиками пов'язані різні класифікації РЧІД-міток [5].
Радіочастотні ідентифікаційні мітки прийнято розділяти на "чіпові" і "бесчіповие". Чипові містять інтегральну мікросхему - чіп, а бесчіповие її не містять. Чипові, у свою чергу, можуть бути пасивні, напівактивні й активні. Пасивні мітки не містять ні елемента живлення, ні активного передавача; напівактивні мітки містять елемент живлення, але не мають активного передавача; активні мітки містять і те й інше.
Ще одна класифікація поділяє мітки на тільки зчитуються і зчитуються / запису. Тільки зчитувальні мітки мають або тільки зчитується пам'ять, або пам'ять, яка одноразово програмується і багаторазово зчитується. Прочитувані / запису мітки дозволяють одноразово записувати і багаторазово перезаписувати інформацію.
1.2.1 Пасивні, напівактивні й активні мітки
Різниця між пасивними, напівактивними і активними мітками полягає в наявності джерела живлення і передавача. Пасивні мітки не містять ані джерела живлення, ні передавача. Напівактивні мітки містять джерело живлення, але не містять передавача. Активні мітки містять як джерело живлення, так і передавач.
Активні мітки мають найкращі характеристики. Дальність може досягати кілометрів, а зв'язок зі зчитувачем надійна і швидка. Однак наявність джерела живлення і передавача призводить до високої вартості.
Напівактивні мітки в порівнянні з пасивними мають більш високу дальність (до декількох десятків метрів) і через це можуть мати досить високі функціональні можливості. Проте це також призводить до підвищення їх вартості.
Пасивні мітки володіють дальністю дії до 100 метрів і більше залежні від регламентних обмежень та впливу навколишнього середовища. Тим не менш вони отримали широке розповсюдження з-за найменшої вартості. Тому з подальшому при порівнянні різних типів позначок будемо торкатися лише області пасивної ідентифікації.
1.2.2 Тільки зчитуються і перезаписувані мітки
Будь-які чіпові мітки можуть бути тільки зчитувати чи зчитувати / записуючими. Пасивні мітки, як правило, бувають тільки зчитувати. Тільки зчитувальні мітки програмуються ідентифікаційним кодом у процесі виробництва або при установці на певний об'єкт. Пам'ять таких позначок може бути або тільки читається пам'яттю або одноразово програмованою і багаторазово читається.
Прочитувані / запису мітки можуть багаторазово перепрограмувати у процесі їх експлуатації. Зазвичай вони мають ідентифікаційний код або серійний номер, який записується в процесі виробництва. Також у них може записуватися різноманітна додаткова інформація. Такі мітки багатофункціональні, однак це призводить до зростання їх вартості.
З-за низької вартості найбільшим ринковим потенціалом володіють тільки зчитуються мітки в сукупності з практично тими ж функціональні можливості, як і зчитуються / запису мітки.
1.2.3 Чипові і бесчіповие мітки
Щоб ідентифікувати безліч вироблених об'єктів, схема пам'яті повинна мати можливість зберігання достатнього числа унікальних кодів. Оптимальним вважається обсяг пам'яті в 96 біт. Більшість бесчіпових міток в даний час дозволяють зберігати 24 біта або менше, хоча деякі дозволяють зберігати 64 біта. Однак, збільшення розміру пам'яті приводить їх вартості мітки.
Через зростання числа і зниження розміру об'єктів, на які встановлюються мітки, необхідно, щоб зчитувач був здатний одночасно зчитувати безліч міток, що знаходяться в зоні його дії; причому мітки можуть розміщуватися близько один від одного. В даний час найкращим способом вирішення такого завдання - колізії сигналів - є наділення самих міток деяким інтелектом.
Можливо також використання методів просторового виділення однієї мітки серед багатьох інших, що призводить до розв'язання колізії,
На малюнках 1.3 представлена типова чіпова мітка і її конструкціяі. На малюнку зображено чіпова радіочастотна мітка для діапазону частот 850-960 МГц, що випускаються сьогодні компанією Omron [6].
Малюнок 1.4 - Мітка, що працює в діапазоні частот 850 - 900 МГц
Обидва типи міток мають перемичку, яка є гнучкою друковану плату з встановленою мікросхемою, з'єднаної з контуром антени.
Переваги чіпових міток:
Володіють достатньою пам'яттю, щоб зберігати унікальних ідентифікаційний номер великого числа об'єктів;
Простота реалізації зчитування декількох міток одночасно
Бесчіповие мітки не мають у своєму складі модуля пам'яті, і тому можуть зберігати набагато менший обсяг інформації. Однак існує безліч прийомів, спеціальних кодувань сигналу, які дозволяють повною мірою конкурувати з чиповими аналогами. Крім того, також можливо зчитування відразу декількох міток одночасно. Бесчіповие мітки - мітки найнижчою вартістю, які забезпечують оптимальний мінімум функціональних можливостей, прості тільки зчитуються пристрої з постійним унікальним ідентифікаційним кодом. Розглянемо дані вид міток більш докладно.
1.3 Пасивні радіочастотні ідентифікаційні мітки на поверхневих акустичних хвилях
1.3.1 Фізичні принципи роботи міток на поверхневих акустичних хвилях
Робота міток на поверхневих акустичних хвилях заснована на п'єзоефекті і поширення на поверхні п'єзоелектричного кристала поверхневих акустичних хвиль з відносно невеликою швидкістю (від 3000 до 4000 м / с) [7].
П'єзоелектричний ефект (п'єзоефект) спостерігається в анізотропних діелектриках, переважно в монокристалах деяких речовин, які володіють досить низькою симетрією або мають замість центру симетрії так звані полярні напрямки (осі). П'єзоефект можуть мати також деякі полікристалічні діелектрики з упорядкованою текстурою, наприклад керамічні матеріали і полімери. Діелектрики, які мають п'єзоефект, називають п'єзоелектриків. Зовнішні механічні сили, впливаючи у певних напрямках на п'єзоелектричний кристал, викликають в ньому не тільки механічні напруги і деформації (як у будь-якому твердому тілі), а й електричну поляризацію. На поверхнях кристала з'являються пов'язані електричні заряди різних знаків. При зміні напрямку механічних сил на протилежне стають протилежними напрямок поляризації і знаки зарядів. Дане явище називають прямим п'єзоефект. П'єзоефект звернемо. При впливі на анізотропний діелектрик електричного поля відповідного напряму в кристалі виникають механічні напруження і деформації. При зміні напрямку електричного поля на протилежне відповідно змінюються на протилежні напрямки напруг і деформацій. Це явище отримало назву зворотного п'єзоефекту. У п'єзоелектрики внаслідок зворотного п'єзоефекту вихідне змінне електричне поле викликає деформацію підкладки. Деформація підкладки, у свою чергу, через пряме п'єзоелектричного ефекту створює додаткове електричне поле. Додаткове електричне поле запізнюється щодо вихідного поля. У результаті суперпозиції цих двох полів виникає поле з еліптично поляризованої складової, що обумовлює порушення поверхневої акустичної хвилі.
Поверхневі акустичні хвилі (ПАР) - це пружні хвилі, що поширюються вздовж вільної поверхні твердого тіла або уздовж межі твердого тіла з іншими середовищами та затухаючі при видаленні від кордонів. Поверхневі акустичні хвилі займають діапазон довжин хвиль від 10-5 до 10-1 см, а їх частоти відповідають області ультразвуку. Чудовим властивістю поверхневих акустичних хвиль є їх невисока в порівнянні з електромагнітними хвилями швидкість розповсюдження, що дозволяє застосовувати до них математичні способи обробки сигналу. Найбільш просто ПАР порушуються і реєструються в п'єзоелектриків. П'єзоелектрики є такі монокристали, що зустрічаються у вигляді природних мінералів і штучно вирощених, як ніобат літію LiNbO 3 та танталат літію LiTaO 3.
Для збудження і детектування ПАР в різних технічних застосуваннях служать зустрічно-штирові перетворювачі (ВШП). Вони являють собою нанесені на п'єзоелектричних підкладку металеві штирі-електроди, як щітки, вставлені один в одного (малюнок 7). ВШП показаний без урахування пропорцій. Реальна довжина електродів у сто і більше разів перевищує їх ширину.
Принцип роботи зустрічно-штирьового перетворювача полягає в наступному. Електричний Δ-імпульс, що додається до ВШП, перетворюється завдяки зворотного п'єзоелектричного ефекту в механічну деформацію поверхні підкладки між електродами різної полярності. Ця деформація пропорційна електричному полю і поширюється як поверхнева акустична хвиля в обох напрямках, перпендикулярних електродів. Порушення ПАР відбувається тільки в області між електродами, підключеними до різних клем. Довжина взаємно перекриваються частин електродів визначає ширину пучка возбуждаемой ПАР.
Перевагою ВШП є можливість зміни у широких межах параметрів порушуваних ПАР. Це легко досягається зміною геометричних розмірів ВШП і проявляється у вигляді зміни форми імпульсного відгуку і частотної характеристики.
Зустрічаючи механічну або електричну неоднорідність на поверхні, частина ПАР відбивається. Поверхнева хвиля, що входить назад у ВШП, генерує на його шині в результаті прямого п'єзоефекту електричний сигнал. Саме ця властивість використовується в системах радіочастотної ідентифікації на поверхневих акустичних хвилях.
1.3.2 Можливі принципи побудови і функціонування РЧІД-міток на ПАР
До теперішнього моменту найбільш поширеними були мітки з використанням лінії затримки. Лінія затримки, один з приладів на ПАР, включає в себе два ВШП, один з яких призначений для порушення, а другий для прийому возбуждаемой звукової хвилі (малюнок 8). При додатку до вхідного ВШП електричного сигналу, порушується поверхнева акустична хвиля. Вона, у свою чергу, доходить до другого перетворювача з деякою затримкою в часі, яка залежить від відстані між перетворювачами і від швидкості розповсюдження ПАР. Типовий час затримки складає 1 -50 мкс [8].
Пасивна карта ідентифікації представляє собою кілька лінії затримки (ЛЗ) на ПАР ув'язнених в герметичний корпус, з трьома або більше висновками (кнопками для набору ідентифікує коду) і забезпечена невеликою антеною, що дозволяє приймати і випромінювати сигнали в заданій смузі частот з мінімальними втратами. Число ліній затримки залежить від значности ідентифікованого коду і може досягати семи (семизначний код). Кожна ЛЗ налаштована на свою смугу частот і мало сприйнятлива до сигналів, призначених для ЛЗ, налаштованих на інші смуги частот. Також додаткові висновки дозволяють збільшити число ідентифікують комбінацій в 10 3 разів.
Малюнок 1.6 - Лінія затримки
Однак ця позначка володіє істотними недоліків: мала ємність даних і великі габаритні розміри.
Найбільш поширеним в даний час є транспондер на відбивач (рефлекторах). Схематичне зображення і принцип роботи транспондера наведені на рисунку 9.
ВШП розташовується в кінці п'єзоелектричної підкладки. До його шинам підключається дипольна антена транспондера, яка приймає сигнал опитування від рідера (зчитувача) і випромінює відповідний сигнал, генерований транспондером на ПАР.
Малюнок 1.7 - Принцип роботи транспондера на відбивач
По довжині транспондера ПАР розміщуються окремі електроди-рефлектори. Їх розташовують на поверхні таким чином, щоб кодувати дані, використовуючи затримку в часі, амплітуду і фазу.
Коли транспондер потрапляє в зону дії рідера, то частина випромінюваної рідером енергії приймається антеною транспондера і надходить до висновків ВШП у вигляді високочастотного імпульсу напруги.
ВШП перетворює частину цієї прийнятої енергії в поверхневу акустичну хвилю, яка поширюється в кристалі під прямим кутом до електродів ВШП. Для перетворення більшої кількості прийнятої транспондером електромагнітної енергії в акустичну енергію необхідно, щоб частота передачі рідера відповідала частоті коливань поверхневої хвилі, що генерується ВШП.
На подальше поширення ПАР по поверхні п'єзоелектричного кристала впливають рефлектори. Невелика частина поверхневої хвилі відбивається від кожного рефлектора і рухається назад по кристалу в напрямку ВШП. Частина, що залишилася поверхневої хвилі продовжує рухатися до кінця підкладки і там гаситься.
Таким чином, з одного імпульсу опитування генерується кілька відповідних імпульсів, причому кожен рефлектор створює свій імпульс у відповідному сигналі транспондера.
Ця послідовність імпульсів, отримана ВШП і перетворена в високочастотну послідовність електромагнітних імпульсів, випромінюється антеною транспондера і може бути прийнята рідером. Кількість прийнятих імпульсів відповідає числу рефлекторів на підкладці.
Слід особливо відзначити, що час затримки між окремими імпульсами пропорційно просторовому відстані між рефлекторами на підкладці, і тому просторове розташування рефлекторів може представляти двійкову послідовність цифр, яка в найпростішому випадку дорівнює ідентифікаційному коду транспондера (кількість різних кодів дорівнює величині 2n-1, де n - число рефлекторів на підкладці).
Розташування рефлекторів і, тим самим, зчитування код визначаються при виготовленні пристрою. Тому транспондери ПАР належать до категорії транспондерів "тільки читання". Об'єм зберігання даних і швидкість передачі даних транспондера на ПАР залежать від розміру підкладки і мінімального реалізованого відстані між рефлекторами. Звичайний транспондер на ПАР передає близько 16 або 32 біт зі швидкістю передачі 500 кбіт / с.
У зв'язку з невисокою швидкістю поширення поверхневих хвиль по підкладці, перший у відповідь імпульс транспондера приймається зчитувачем із затримкою, що дорівнює приблизно 1,5 мс. Для порівняння: тимчасової затримки в приблизно 0,66 мкс цілком достатньо, щоб сталося загасання перешкод в радіусі 100 м навколо рідера.
Таким чином, відповідний сигнал транспондера приходить, коли всі відображення від оточення рідера давно припинилися, і подібного роду перешкоди не вносять помилки в послідовність відповідних імпульсів від транспондера.
Транспондери на ПАР є повністю лінійними пристроями і відповідають на імпульс опитування з певною фазою. Більш того, фазовий кут і диференціальне час поширення між відбитими індивідуальними сигналами зберігають постійне значення. Це важлива властивість дозволяє збільшити дальність дії транспондера на ПАР методом усереднення слабких відповідних сигналів транспондера на багато імпульси опитування. Операція зчитування займає мікросекунду, тому за секунду може бути виконано декілька сотень тисяч циклів читання.
Рефлектори реалізуються за допомогою системи металізованих смужок на п'єзоелектричної підкладці (рисунок 10а) або системи канавок (малюнок 10б), які формують шляхом травлення.
У деяких випадках елементи рефлектора створюються у вигляді діелектричних шарів з використанням методу іонної імплантації.
Електроди транспондера створюються за допомогою фотолітографії процедури, аналогічної тій, що використовується в мікроелектроніці при виробництві інтегральних схем.
Малюнок 1.8 - Рефлектори: a) у вигляді металізованих смужок на п'єзоелектричної підкладці; б) у вигляді канавок, формованих методом травлення
Наіболлее перспективною є використання виробничих лінійок на базі систем наноімпрінтлітографіі (НДЛ). Вона передбачає покрокову штампування в рідкий мономер з наступним його затвердінням ультрафіолетовим випромінюванням. Такий підхід дозволяє створювати нанорозмірні структури, що здешевлює вартість продукції, тому що на одній пластині стає можливим розмістити більшу кількість міток, а також поліпшує робочі характеристики продукції, що випускається
1.3.3 Варіанти кодування даних у мітках на ПАР
У транспондера на ПАР застосовуються в основному такі методи кодування даних: кодування методом включення-виключення імпульсу (a) і кодування тимчасової позиції імпульсу (б).
a) У найпростіших транспондера на ПАР використовується метод кодування даних включенням-виключенням імпульсу, при якому кожна можлива позиція імпульсу кодує один біт даних. Наявність або відсутність імпульсу у відповідному сигналі ПАР-транспондера визначається топологією розташування рефлекторів на п'єзоелектричної підкладці. Кожен рефлектор створює свій імпульс у відповідному сигналі ПАР-транспондера, при цьому час затримки між окремими імпульсами пропорційно просторовому відстані між рефлекторами на підкладці. Проміжки, вільні від імпульсів, відсутні. Розміщуючи відповідним чином рефлектори на підкладці, можна сформувати потрібний двійковий код, представлений послідовністю імпульсів відповідного сигналу транспондера.
б) У комерційних системах на ПАР використовується метод кодування тимчасової позиції імпульсу.
У цьому випадку необхідний так званий імпульс початку (стартовий імпульс), щоб забезпечити тимчасову синхронізацію для інших імпульсів даних. Кожен імпульс може займати одну з 4 можливих тимчасових позицій (рисунок 1.9). Відповідна група даних з 2 бітів кодується цим імпульсом. Між групами даних існують проміжки, вільні від імпульсів.
При цьому методі кодування ширина імпульсних слотів збільшується приблизно в два рази, щоб забезпечити чітке розділення суміжних позицій, які можуть займати імпульси.
Малюнок 1.9 - Кодування даних тимчасової позиції імпульсів у транспондері на ПАР
У цілому, кодування тимчасової позиції імпульсу та кодування включенням-виключенням імпульсу забезпечують приблизно однакову щільність даних на одиницю часу. Однак перевагою методу кодування тимчасової позиції імпульсу є 50-відсоткове зменшення імпульсів даних, що означає 50-відсоткове зменшення числа рефлекторів на транспондері. Завдяки використанню обмеженого числа рефлекторів поліпшується детектування даних (у кожній групі даних існує тільки один імпульс) і забезпечується сталість амплітуд імпульсів даних. Незважаючи на те, що кожен рефлектор злегка зменшує амплітуду сигналу, постійне число рефлекторів означає, що імпульси сигналу, які породжуються останніми рефлекторами, завжди мають постійну амплітуду.
1.4 Частотні діапазони РЧІД-систем
Існуючі системи радіочастотної ідентифікації працюють у кількох неліцензійованих частотних діапазонах. В даний час для кожного з виділених діапазонів діють свої стандарти [9]. Системи РЧІД відповідно до міжнародних стандартів ISO поділяються на чотири класи:
Низькочастотні, з робочим діапазоном частот 125 - 135 кГц;
Високочастотні системи - 13,56 МГц;
Надвисокочастотні системи - 850 - 950 МГц;
Надвисокочастотні, - 2,4 ГГц.
Системи RFID в кожному частотному діапазоні мають свої переваги і недоліки, тому вибір конкретного діапазону основному залежить від сфери застосування. Низькочастотні системи ідентифікації мають низьку швидкість передачі даних і меншу відстань зчитування в порівнянні з високочастотними системами. Так само з зростанням частоти здатність проникнення електромагнітних хвиль у різні матеріали зменшується. Низькочастотні системи зазвичай взаємодіють на відстані в межах одного метра. У силу фізики розповсюдження хвиль в цьому діапазоні, низькочастотні мітки найбільш підходять для додатків, де потрібна здібність електромагнітних хвиль проникати в різні поверхні. Такі області застосування включають маркування тварин, контроль доступу. Для деяких об'єктів були створені спеціальні стандарти (таблиця 1.2).
Високочастотні системи характеризуються більш високою швидкістю передачі даних (~ 106Кбіт). Також більш висока тактова частота дозволяє постачати мітки додатковими функціональними можливостями, такими як шифрування даних і можливість перезапису даних у мітці. Сфери застосування таких систем: електронні посвідчення особи, маркування виробів, банківські та смарт карти, контроль технічних процесів.
Таблиця 1.2 - Діючі стандарти систем РЧІД
Робоча частота
Стандарт
Сфери застосування
125 кГц
135 кГц
ISO 14223
ISO 11784
ISO 11785
ISO 18000-2
Розроблені для ідентифікації тварин
13.56 МГц
ISO 14443
ISO 15693
ISO 10373
ISO 18000-3
Безконтактні смарт-карти для широкого кола додатків
Безконтактні мітки для логістики, ідентифікації товарів
860-930 МГц
ISO 15961
ISO 15962
ISO 15963
ISO 18000-6
Безконтактні мітки для логістики, ідентифікації товарів з середньою дальністю
2.45 ГГц
ISO 15961
ISO 15962
ISO 15963
ISO 18000-4
Безконтактні мітки для логістики, ідентифікації товарів зі збільшеною дальністю
Для НВЧ систем ідентифікації в Європейських країнах виділено частотний діапазон 866-869 МГц. Радіус взаємодії мітки і зчитувача в межах 2 - 8 метрів. Системи характеризуються високою швидкість передачі даних. Тому НВЧ системи ідентифікації найбільш підходять для транспортної та складської логістики. З іншого боку для роботи мітки потрібна велика потужність приемопередающей базової станції. У випадку ідентифікації об'єктів з непрозорих матеріалів для електромагнітних хвиль застосовують особливі конструкції міток.
Залежно від частотного діапазону, системи радіочастотної ідентифікації використовують різні способи взаємодії мітки і зчитувача, методи модуляції та кодування даних.
Крім відомих стандартів ISO, широке поширення і популярність отримали стандарти EPC Global. У стандартах EPC Global виділені наступні класи.
Клас 0. Група пасивних міток для ідентифікації об'єкта. Ці мітки містять тільки, так званий, «електронний код продукту» (Electronic Product Code, EPC) у неизменяемом вигляді і використовує перевірку CRC для виявлення помилок.
Клас 1. Група пасивних міток з функціональними можливостями. Ця велика група міток містить всі мітки, які мають будь-які додаткові функції, що відрізняють їх від першої групи. Прикладом таких функції можуть бути перезаписуваний EPC, шифрування даних і т.п.
Клас 2. Група «напівпасивно» позначок. До цієї групи були віднесені всі мітки, які використовують додатково джерело живлення. При цьому основним джерелом живлення повинна бути випромінювана зчитувач енергія.
Клас 3. Група активних міток. Ці мітки містять вбудований джерело живлення, що повністю забезпечує мітку необхідною енергією незалежно від зчитувача.
Клас 4. Група активних міток. Ці позначки не тільки містять вбудований джерело живлення, але і набір певної логіки, що дозволяє мітці обмінюватися даними з такою ж міткою або звичайним зчитувачем.
Найбільш перспективними сьогодні є системи, які використовують новітній НВЧ протокол Generation 2, запропонований організацією зі стандартизації EPCglobal. Generation 2 являє собою концепцію з поліпшеними якостями і стандартами роботи, такими як функціонування декількох зчитувачів в безпосередній близькості один від одного, відповідність усім нормам світових регулюючих органів, високий рівень якості счітиваемості міток, висока швидкість зчитування, можливість багаторазового запису інформації на мітки і підвищений рівень безпеки. Даний протокол повністю відповідає існуючим вимогам.
1.5 Актуальність ПАР-пристроїв. Висновки
Таким чином ми з'ясували, що переваги RFID систем роблять можливим застосування її в різних сферах торгівлі, виробництва, логістики та безпеки:
системи контролю та управління доступом;
управління виробництвом і технологічними циклами;
бездротові платіжні системи;
облік та контроль вантажних перевезень;
автоматизація складування;
електронна маркування товарів у торгівлі;
електронна маркування книг у бібліотеках.
Для наочного прикладу того, що РЧІД-мітки на ПАР здатні скласти конкуренцію чипових мітках, зробимо порівняння найбільш яскравих представників кожного класу, представивши їх характеристики у вигляді таблиці 1.3.
Таблиця 1.3 - Порівняльна характеристика пасивних РЧІД-міток, що працюють в діапазоні частот 850 - 960 МГц
Найменування | ESCOR-SAW [1 0] | RI-UHF - 00C02-03G2 [1 1] |
Виробник | ТОВ «ВПФ ПІК» (Росія) | T. Instruments (США) |
Вид | Мітка на ПАР | Мітка на основі чіпа |
Розміри | 200x300 | 95,25 x 38,1 |
Робоча температура | від -100 до 300 0 С |
-40 ... +65 0 С | ||
Дальність зчитування | До 10 м | До 7 м |
Ємність даних | До 96 біт | До 96 біт |
Термін використання | Більше 10 років | До 10 років |
Радіаційна стійкість | До 5 Мрад | Вихід з ладу |
З усього вищевикладеного визначимо можливі сфери застосування міток на ПАР:
1) Системи управління і контролю для транспортних засобів.
2) Облік та реєстрація автомобільних, залізничних і морських контейнерів.
4) Електронний номер (паспорт) транспортного засобу.
8) Безконтактні датчики тиску, температури і т.п
Всі перераховані вище сфери застосування транспондерів на ПАР за своєю суттю є найбільш вимогливими до умов експлуатації систем радіочастотної ідентифікації і, що не менш важливо, до надійності вироби, чого не може забезпечити чіпова мітка.
Таким чином, проектована мітка повинна забезпечити максимально можливу дальність зчитування, оптимальну конструкції, велику ємність даних і, разом з цим, низьку вартість. Крім того, необхідно передбачити таку конструкцію, яка б мала незначні втрати сигналу при зчитуванні, а так само можливість зчитування в поле дії рідера декількох міток подібного типу. Все це буде визначатися технологією виготовлення, точністю розрахунків і правильним підбором матеріалів.
2. Основна частина
Вибір вихідних матеріалів
Основні вимоги до матеріалів підкладок пристроїв на ПАХ
У пристроях на ПАР в якості матеріалу підкладки, як правило, використовуються п'єзоелектрики. Це пов'язано зі способом збудження звукових хвиль за допомогою зустрічно-штирьових перетворювачів [12].
Перерахуємо найбільш важливі характеристики матеріалів для пристроїв на ПАХ:
Квадрат коефіцієнта електромеханічного зв'язку (КЕМС) - дає кількісний опис п'єзоелектричного ефекту. Він визначає співвідношення між електричною і механічної енергіями в п'єзоелектриків.
Даний параметр визначають експериментально шляхом зміни часу поширення ПАР між вхідним і вихідним ВШП до і після нанесення на вільну поверхню між перетворювачами металевої плівки.
Такі найбільш важливі характеристики пристроїв на ПАР, як відносна ширина смуги пропускання і вносяться втрати, можуть бути представлені у вигляді явних функцій КЕМС. При заданому рівні внесених втрат матеріал з великим значенням КЕМС дозволяє реалізувати більш широкосмугове пристрій.
Температурний коефіцієнт затримки (ТКЗ) - відносна зміна часу затримки, відповідне зміни температури на один градус. Значення ТКЗ визначають експериментально шляхом вимірювання температурної залежності частоти автогенератора з лінією затримки на ПАР.
Зазвичай матеріали з великим значенням КЕМС мають гіршу температурну стабільність (тобто більші значення ТКЗ). Велике значення КЕМС показує, що механічні властивості більш чутливі до змін температури.
Очевидно, що при жорстких вимогах до температурної стабільності пристроїв краще використовувати матеріали з малим значенням ТКЗ.
Швидкість ПАР. З цим параметром пов'язані такі технічні характеристики пристроїв, як робочі частоти і габаритні розміри. Швидкість ПАР залежить від щільності матеріалу, його пружних та п'єзоелектричних властивостей і від стану поверхні. Для ефективного збудження акустичної хвилі і її віддзеркалення від відбивних структур просторовий крок топологічних елементів повинен бути дорівнює довжині такої хвилі.
Слід зазначити, що фазові швидкості ПАР на вільній і металізованої поверхні різні. Швидкість на металізованої поверхні менше. Це викликано, перш за все, закорочування електричної складової поля і призводить до зміни характеристик акустичної хвилі.
З точки зору підвищення робочих частот найбільш переважніше матеріали з великим значенням швидкості. Лінійні розміри пристроїв також пов'язані з довжиною хвилі. Вони на практиці становлять величину порядку 100 довжин хвиль. Отже для низькочастотних приладів на ПАР (частоти менше 10-100 МГц) необхідно вибирати матеріали з низькою швидкістю поширення (1000-2000 м / с).
Рівень втрат енергії при поширенні ПАР (коефіцієнт загасання). Його визначають за допомогою залежності:
B M = α M f + β M f 2, (2.1)
де α M і β M - коефіцієнти, що характеризують втрати засчет повітряної навантаження і вязкостних властивостей матеріалу, f - частота, Ггц.
Дана залежність отримана теоретично і підтверджена експериментально для різних матеріалів і з зрізів. Перший доданок вносить свій внесок лише в тому випадку, якщо кристал знаходиться в повітрі або інертному газі і дорівнює нулю в вакуумі. Другий доданок обумовлено взаємодією ПАР з коливаннями кристалічної решітки.
При проектуванні Акустоелектронні пристроїв, що працюють на частотах менше 50 - 100 МГц втратами на поширення хвиль найчастіше нехтують. У той же час, на високих частотах вони вносять вагомий вклад і обов'язково повинні бути враховані при виборі матеріалу для АЕУ.
На малюнку 2.1 зображено залежність величини внесених втрат в залежності від частоти роботи пристрою для деяких матеріалів.
Рисунок 2.1 - Залежності внесених втрат від частоти при поширенні ПАР на поверхні монокристалів ніобіту літію, лангасіта, ортофосфату галію.
Згасання ПАР також істотно залежить від стану поверхні підкладки Отже в процесі виготовлення АЕУ підкладки звукопроводу повинні бути ретельно відшліфовані і очищені. Крім того загасання ПАР зменшується і при охолодженні матеріалу.
Параметри дифракції. Як і в оптичних структурах, в приладах акустоелектроніки спостерігається явище дифракції звукової хвилі (рисунок 2.2). Це призводить до розбіжності пучка ПАР та втрати частини енергії хвилі. Найбільшому впливу дифракції схильні пристрої з аподизованою перетворювачами (перетворювачі зі змінною величиною перекриття електродів).
Рисунок 2.2 - Дифракція пучка ПАР
Так як монокристали анізотропні та їх характеристики акустичних хвиль залежать від обраного напрямку розповсюдження, то картина дифракції в них ускладнюється у порівнянні з ізотропними матеріалами. Швидкість ПАР при різних напрямках різна, що призводить до збільшення або зменшення расходимости пучків. Останній ефект називається автоколлімаціей, Вона призводить до зменшення дифракційних втрат і особливо важлива в лініях затримки з великим часом затримки і в пристроях з протяжними електродними структурами. Ступінь дифракції для кожного конкретного п'єзоелектричного матеріалу фіксована. У монокристалах вона оцінюється параметром анізотропії γ. Величина і знак визначають ступінь дифракції поверхневих хвиль. В ізотропному середовищі γ = 0; при γ> 0 дифракційні втрати більші, ніж в ізотропному середовищі, при γ <0 втрати менше, ніж в ізотропному середовищі. Якщо γ = -1, в анізотропному середовищі спостерігається автоколлімація, при якій розширення акустичного пучка мінімальне або відсутній. Наведемо значення параметрів анізотропії і величини кута відхилення потоку енергії для деяких матеріалів.
Таблиця 2.1 - Значення параметра анізотропії γ та величини кута відхилення потоку енергії для деяких матеріалів акустоелектроніки
Матеріал | Хімічна формула | Орієнтація пластини і напрям поширення ПАР | Параметр анізотропії γ | Кут відхилення потоку енергії φ, 0 |
Кварц | SiO 2 | YXl / 42 0 45 '(0 0; 132 0 45'; 0 0) | 0,378 | 0 |
Ніобат літію | LiNbO 3 | YZ | -1,08 | 0 |
41,5 0 - YX | -0,45 | 0 | ||
Танталат літію | LiTaO 3 | YZ | -0,211 | 0 |
Германат вісмуту | Bi 12 GeO 20 | (001), [100] | -0,304 | 0 |
Берлін | ALPO 4 | (90, 90; 80,4 0) | 0,901 | 0 |
У міру віддалення від випромінювача змінюються і профілі інтенсивності ПАР. Як і в класичній оптиці можна ввести безрозмірний параметр Френеля.
,
де λ - довжина хвилі; D - відстань від перетворювача до точки спостереження; H - апертура перетворювача
Значення F <1 відповідає зоні Френеля (або ближній зоні). У цій зоні спостерігається чітко виражений акустичний промінь і його енергія зосереджена в смузі, «освітлюваної» апертурою перетворювача. Значення F> 1 відповідає зоні Фраунгофера (або дальній зоні), в якій акустичний промінь «розвалюється». Очевидно, що для того щоб вся акустична енергія, випроменена вхідним перетворювачем, була прийнята вихідним, перетворювачі повинні бути розташовані в ближній зоні один щодо одного.
Величина кута відхилення потоку енергії
Якщо напрямок розповсюдження ПАР не співпадає з так званим напрямом чистої моди (її кутове положення задається кутом ψ 0), то спостерігається відхилення потоку енергії від напрямку поширення на кут φ (рисунок 2.3). Кут φ визначається співвідношенням:
φ = γ (ψ - ψ 0)
де γ - Параметр анізотропії; ψ - кут, що визначає напрям розповсюдження хвилі.
Бажано вибирати матеріали з φ = 0, але ця умова не завжди здійснимо. У такому випадку керувати відхиленням потоку енергії можна засчет зміни положення елементів один щодо одного.
Малюнок 2.3 - Схематичне представлення профілів ПАР при їх розповсюдженні по монокристаллической підкладці
Втрати, викликані відхиленням потоку енергії істотні і можуть досягати 2-6 дБ.
У висновку сформулюємо загальні вимоги до ідеального матеріалу:
- Великий КЕМС;
- Низька швидкість ПАР;
- Низький рівень втрат;
- Наявність напрямків з нульовим ТКЗ;
Надалі при виборі матеріалу звукопровода будемо керуватися даними вимогами.
2.1.2 Вибір матеріалу підкладки (звукопровода)
У таблиці 2.2 в якості порівняльної характеристики наведені основні параметри матеріалів акустоелектроніки.
Таблиця 2.2 - Основні параметри матеріалів підкладок
Матеріал | Хімічна формула | Орієнтація пластини і напрям поширення ПАР | Швидкість ПАР, м / с | Квадрат КЕМС, до 2,% | ТКЗ 10 -6 / ○ З |
Кварц | SiO 2 | YXl / 42 ○ 45 '(0 ○; 132 ○ 45', 0 ○) | 3158 | 0.11 | 0 |
37 ○ - Y | 5094 | 0.1 | 0 | ||
YX | 3159 | 0.19 | -24 | ||
Ніобат літію | LiNbO 3 | YZ | 3488 | 4.5 | 94 |