4.2超高頻RFID標簽的分類

超高頻RFID的應用是非常多的，按照應用或外觀分類都十分困難。為了方便講解，姑且分為普通材質標簽和特種材質標簽兩大類，每個大類中又有不同的應用標簽。

4.2.1普通材質標簽

普通材質標簽的定義：凡是通過Inlay直接復合生產而成的標簽叫做普通材質標簽；特種材質標簽的定義：通過其它生產工藝（非復合）實現的標簽。

普通材質標簽的特點是價格便宜、生產簡單，適用于海量應用。最常見的服裝吊牌、物流標簽等都是普通材質標簽。普通材質標簽占電子標簽總量的95%。

01、服裝吊牌標簽

服裝吊牌標簽是超高頻RFID全球應用最廣泛的領域，標簽的形式比較簡單，與傳統的服裝吊牌標簽是一樣的，只是在吊牌內復合了超高頻RFID Inlay。

如圖4-7所示為服裝吊牌標簽，其中圖4-7（a）為標簽的整體外觀，看起來與傳統服裝標簽沒有任何區(qū)別。這個服裝吊牌標簽內部為圖4-7（b）所示的Inlay。

圖4-7服裝吊牌標簽

服裝吊牌標簽有軟標簽和硬標簽兩種，如果是軟標簽可以直接使用白Inlay；如果是硬標簽就一定需要復合的工序，再經過模切成獨立的硬標簽。

02、行李標簽

由于機場對行李分揀的要求越來越高，就提出了機場行李次標簽的概念，并且已經在全球范圍內廣泛應用。如圖4-8為最出現的行李標簽，2008年香港機場行李標簽。

圖4-8香港機場行李標簽

圖4-8中的標簽是成卷的軟標簽，使用時需要把標簽Inlay部分露在行李外部（貼在行李上的部分不包含標簽Inlay部分），這樣閱讀器對標簽進行讀取時不會受到行李內部物品影響。隨著技術的進步，現在主流的行李標簽已經升級為3D標簽或圓極化標簽，是因為行李在傳送帶上搬運時，方向很難確定，偶極子標簽存在一定的盲點。

03、易碎紙標簽

易碎紙標簽是中國地區(qū)應用于防偽和溯源的一類標簽，其特點是一旦標簽被轉移或商品開封，標簽的天線就會損壞，而無法工作。隨著中國的防偽和自主知識產權的不斷升級，已經有大量的品牌使用易碎紙RFID標簽做防偽使用，如：茅臺、五糧液等。如圖4-9所示為五糧液的易碎紙標簽：

圖4-9五糧液RFID易碎紙標簽

易碎紙標簽常見兩種工藝，一種是鋁天線轉移工藝，一種是銀漿工藝。鋁天線轉移工藝就是將Inlay的天線層和芯片與PET基材剝離轉貼在易碎紙上，此工藝的缺點是轉移的時候良率很低，對成本影響很大。銀漿工藝是在易碎紙上用銀漿作為天線，再倒封裝芯片，這個工藝最大的缺點是，由于基材是易碎紙，在倒封裝芯片時良率很低?？偟膩碚f，這兩種工藝都有自身的缺陷，導致成本較高，同時運輸和保存的過程中也容易損壞，導致整個項目識別存在一定的問題。除了這兩種工藝，還有一些新的創(chuàng)新工藝，但是至今還沒有一種特別合適的工藝能解決上述問題。但是市場的需求是無法阻擋的，大量的商品都在使用易碎紙標簽，相信在市場的推動下技術也會不斷進步，最終能以高性能、低價格的方式推動易碎紙電子標簽的發(fā)展。

04、圖書檔案標簽

圖書及檔案管理RFID標簽的應用非常廣，國內的高校圖書館已經基本統一使用超高頻RFID電子標簽作為圖書管理的工具。圖書和檔案標簽有兩個特點：第一點是不需要在標簽上打印信息，只需要將信息寫入標簽芯片即可；另一點是需要多個標簽接近時性能不受影響。既然不需要打印信息，可直接使用濕Inlay。多個標簽靠近互相影響的問題可以通過合理的天線設計來改善。

如圖4-10所示為圖書標簽，其尺寸為94mm×5.8mm，這么細的原因有兩點：一是標簽很細的時候標簽之間的天線影響會很小，對多本書籍或檔案堆疊時的影響較??；二是圖書標簽是裝訂在書脊上的，只有很細的標簽才能裝訂進去。

圖4-10圖書標簽

HF標簽也在圖書館有不少應用，兩者差別在于：

HF圖書標簽一般是正方形或者圓形，其面積一般大于20mm×20mm，在日常使用中很容易被讀者發(fā)現并撕毀。

HF圖書標簽由于HF是近場通信，工作距離不超過1米，無法大批量快速的盤點。

UHF標簽只是一個濕Inlay，其成本也低于HF標簽。

基于上述的三個原因，新的圖書RFID管理應用多選擇超高頻RFID技術。

普通材質的RFID標簽應用種類還有許多種，如新零售應用的折疊抗金屬標簽，可以利易拉罐等金屬物體作為天線的一部分，從而實現抗金屬的特性。隨著應用的擴展及超高頻RFID技術的創(chuàng)新，普通材質的標簽經過少許變形會出現更多原來無法實現的應用中。

4.2.2  特種材質標簽

隨著超高頻RFID的應用越來越多，電子標簽被使用在各種復雜的環(huán)境中，有的需要貼在金屬物品的表面，有的則要經受環(huán)境的壓力和碰撞，基于這些市場的要求，各種新型材料和創(chuàng)新設計的超高頻RFID特種標簽應運而生。

1. 抗金屬標簽

在特種標簽家族中最常見的是抗金屬標簽?？菇饘贅撕灢捎锰厥獾奶炀€設計，從技術上解決了電子標簽不能附著于金屬表面使用的難題。產品可防水、防酸、防堿、防碰撞，可在戶外使用。將抗金屬電子標簽貼在金屬上能獲得良好的讀取性能，甚至比在空氣中讀的距離更遠?？菇饘贅撕灧譃?大類：PCB抗金屬標簽、陶瓷抗金屬標簽、塑料抗金屬標簽、超薄抗金屬標簽。

1. PCB抗金屬標簽

如圖4-11所示為最常見的PCB抗金屬標簽9525，意思就是長度為95mm，寬度為25mm，其厚度一般為3mm到4mm之間，表面的覆蓋層可以絲印或打碼，背面有背膠，可以貼在金屬上。主要應用于貨架識別管理、倉儲資產管理、倉儲地標管理、IT資產管理、室內設備管理、智能電網識別、銀行資產管理、電信資產管理。其工作距離大于6米（ERP=2W環(huán)境測試）。PCB抗金屬標簽具有較強的抗碰撞和抗腐蝕特性，一般的標簽的長度要大于20mm，厚度大于3mm。其固定方式多樣，可以螺絲、鉚釘、強力膠、扎帶、雙面膠安裝。PCB抗金屬標簽由于結構簡單、價格便宜，現在已經成為國內主流的抗金屬標簽。

圖4-11 PCB抗金屬標簽9525

1. 陶瓷抗金屬標簽：

如圖4-12所示為幾種陶瓷抗金屬標簽，陶瓷抗金屬標簽與PCB抗金屬標簽原理相同，其不同點在于陶瓷的介電常數比較大，可以在更小的尺寸達到天線的電長度要求。一般情況下尺寸越小的陶瓷標簽其介電常數越大，對于10mm大小的陶瓷標簽，陶瓷基板的介電常數為100左右。陶瓷抗金屬標簽小尺寸的特點是PCB抗金屬標簽無法實現的，所以長度小于20mm的抗金屬標簽市場幾乎被陶瓷標簽占據。陶瓷基板的另外一個優(yōu)點在于耐高溫，尤其是在超過125℃或更高溫的環(huán)境中PCB的基板會由于高溫發(fā)生材料特性變化從而引起標簽的性能或穩(wěn)定性受到影響。而陶瓷標簽由上千度的高溫燒制而成，化學特性穩(wěn)定，不會因為幾百度的高溫而發(fā)生變化。所以在許多具有高溫的應用中，都選擇陶瓷標簽，如醫(yī)療器械，汽車電子，電力監(jiān)測等。

同樣陶瓷標簽也有它的一些問題，首先陶瓷基材的成本比PCB貴很多，其次陶瓷基板在燒制的過程中由于摻雜和溫度很難保證一致性，陶瓷標簽的一致性較差，一般需要人工調整工作頻率。由于陶瓷標簽尺寸較小，其帶寬很窄，使用環(huán)境若發(fā)生變化，其工作性能很可能會有較大變化。上述問題是限制陶瓷標簽快速發(fā)展的主要因素。

1. 塑料抗金屬標簽

塑料抗金屬標簽常見形式為一個結實的塑料外殼包裹內部天線和芯片，如圖4-13所示，其內部為一個塑料材質的抗金屬標簽（內部的抗金屬標簽也可以單獨使用，只是穩(wěn)定性和防污染等特性都不具備）。這些抗金屬標簽一般厚度大于5mm，有的厚度達到10mm，尺寸各異，但是長度一般大于30mm。這些具有結實塑料外殼的抗金屬標簽，可以承受上噸的壓力和特殊化學物品的污染。塑料抗金屬標簽憑借其卓越的性能和防護特性，成為海外應用最為廣泛的抗金屬標簽。如圖4-13的標簽為Omni-ID的Dura系列，主要應用在回收型物流運輸、工廠設備以及集裝箱的追蹤, 也可用于金屬、非金屬材質和液體附近, 適用于石油、天然氣、軍事、建筑和汽車等行業(yè)。

塑料抗金屬標簽的結構決定了它具有更好的量產能力以及批量的一致性。其外殼內部的抗金屬標簽是通過一個濕Inlay卷在一個塑料塊上實現的。如圖4-14（a）所示，為塑料抗金屬標簽內部結構圖，包括塑料基板和一個Inlay，Inlay的設計圖如4-14（b）所示。而塑料外殼是注塑而成，整個產品可以實現高精度的工業(yè)化控制和全產線的自動化生產。

（a）結構示意圖

（b）Inlay結構示意圖

圖4-14塑料抗金屬標簽內部結構圖

1、超薄抗金屬標簽，

如圖4-15所示為超薄抗金屬標簽，其厚度一般為0.8mm的卷料形式封裝，且可以通過RFID打印機進行寫碼。其最大特點就是超薄、柔性、可打印，是用于資產管理和IT管理的最佳選擇。

圖4-15 超薄抗金屬標簽

超薄抗金屬標簽的設計和生產都有一定的難度，其設計方法如圖4-16所示，頂部是一個白標簽，中間是一層高介電常數材料，底部是粘合膠與離型紙（或PET）。從天線設計的角度分析，由于該標簽非常薄，天線距離金屬襯底的距離太近，標簽的性能受限，對于天線設計的要求非常高。從生產工藝的角度考慮，中間層的高介電常數材料需要一致性好且厚度均勻，生產中引起的一點點厚度不均勻都會對天線的性能有非常大的影響。

圖4-16

2、洗滌標簽

目前，酒店、醫(yī)院、浴場及專業(yè)的洗滌公司正面臨每天都要處理成千上萬件的工作服、布草的交接、洗滌、熨燙、整理、儲藏等工序，如何有效地跟蹤管理每一件布草的洗滌過程、洗滌次數、庫存狀態(tài)和布草有效歸類等是一個極大的挑戰(zhàn)。超高頻RFID洗滌標簽配合射頻識別系統的引入，將使得用戶的洗衣管理變得更為透明，且提高了工作效率，解決了以往無法通過其他技術實現的管理頑癥，如：大批量的待洗布草統計、交接。

常見的洗滌標簽有硅膠洗滌標簽、織嘜洗滌標簽、以及一些創(chuàng)新型的標簽。

1.硅膠洗滌標簽

硅膠洗滌標簽是最早出現的洗滌標簽，如圖4-17（a）所示，其設計思路非常簡單，通過硅膠保護Inlay不受高溫和化學腐蝕，通過硅膠具有彈性的特點保障洗滌時不會損壞衣物及標簽，且具有一定的承壓能力，可以減小內部inlay的壓力。

如圖4-17（b）所示的為這個硅膠標簽的設計圖，上下兩片硅膠都通過超聲波焊接在一起。為了保證芯片與天線的連接強度，一般采用FPC作為基材，而且會在芯片與天線連接處添加環(huán)氧樹脂或其他保護材料。如果在芯片與天線連接處沒有增加保護，該標簽的平均使用壽命一般不超過5次，增加了連接保護的硅膠標簽一般可以保證50次的使用壽命。雖然只有50次，不過在早期的洗滌領域帶動了行業(yè)的變革，做出了重要的貢獻。

（a）硅膠洗滌標簽照片       （b）硅膠洗滌標簽內部結構

圖4-17硅膠洗滌標簽

2.織嘜洗滌標簽

如圖4-18所示，織嘜洗滌標簽是一種耦合式天線設計的標簽。其中心為一個獨立的小模塊，小模塊內部為一個圓形（或方形）近場天線和標簽芯片封裝在一起，如圖4-18（a）所示，一般采用PCB的COB技術；如圖4-18（b）所示，也可以直接封裝成一個正方形的塑料外殼模塊，這個小模塊的尺寸一般在5mm到10mm之間。

織嘜洗滌標簽的輻射天線通過縫紉的方式固定在織嘜上，通過耦合的方式與芯片電磁連接，輻射天線的材質是不銹鋼和一些韌性材料的合金具有抗腐蝕和柔韌性強的特點。

（a）圓形模塊織嘜洗滌標簽  （b）正方形塑料模塊織嘜洗滌標簽

圖4-18織嘜洗滌標簽

如圖4-19（a）所示，為圖4-18（b）中的正方形塑料模塊X光透視圖。如圖4-19（b）所示，可以理解為2匝的電感線圈與標簽芯片封裝在一起。

（a）X光透視圖         （b）結構分析

圖4-19織嘜洗滌標簽正方形塑料模塊X光透視圖

織嘜洗滌標簽在自動化洗滌使用過程中會遇到超高壓和化學洗衣液的侵蝕，并會在高溫高壓的環(huán)境中反復使用，一般要求其壽命超過200次。這就要求這個織嘜標簽具有非常強的抗壓抗褶皺的能力。RFID標簽最脆弱的地方是天線與芯片的連接部分，為了解決這個問題，織嘜洗滌標簽采用耦合天線技術，中間的小模塊尺寸小，受力影響小。而輻射天線具有較強的柔韌性，不容易折斷從而增強了系統的穩(wěn)定性。

對比硅膠標簽，織嘜洗滌標簽具有柔韌性好，使用壽命長等優(yōu)點，成為現在的主流技術。

3.扣子洗滌標簽

近些年來洗滌標簽有許多新穎的方案，如圖4-20所示的扣子洗滌標簽既可以作為衣服的備用扣子又可以反復多次洗滌而不損壞，并且一般不會發(fā)現里面有電子標簽，這種標簽就是扣子洗滌標簽。

圖4-20扣子洗滌標簽

這款標簽是由兩部分組成的，一部分是扣子，扣子里面有一個小圓環(huán)Inlay，第二部分是織嘜，織嘜上有金屬線縫紉的天線。扣子里面的小圓環(huán)Inlay與織嘜的天線進行電感耦合，最終達到遠距離工作的效果。

      在圖4-21中可以看到這個洗滌標簽的扣子與傳統扣子基本一樣，只是內部嵌入了一個圓環(huán)Inlay。從外觀上沒有人能分辨出是普通的扣子還帶有Inlay的扣子，其堅硬程度等其它特性也都一致。

圖4-21洗滌標簽扣子結構圖

這個扣子洗滌標簽不僅僅是一個洗滌標簽，它就是這個衣服的身份證，從衣服生產到運輸銷售的整個過程中都有超高頻RFID技術的輔助，已經完全替代了吊牌標簽，并且無法被替換（許多商家會更換吊牌）。對整個服裝品牌的渠道管理和品牌建設有非常大的幫助。再加上衣服在多次洗滌后依然能夠對其電子標簽進行追溯，帶來的便利也是不言而喻的。

03、超小型封裝標簽

超小型封裝標簽是由村田、日立等半導體封裝企業(yè)發(fā)起的一種將超高頻RFID標簽芯片和小型化的天線封裝為一顆芯片的創(chuàng)新技術。超小型封裝標簽具有尺寸小、結構簡單、穩(wěn)定性高等特點，既可以單獨近距離工作，也可以配合多種場景實現遠距離工作。從結構上看，這類標簽只是在封裝上進行了創(chuàng)新，但從應用場景分析，是將耦合天線的應用場景放大了，將許多之前無法低成本實現的超高頻RFID金屬環(huán)境變?yōu)楝F實。

1. 日立IM5-PK2525 超小型超高頻RFID封裝標簽

為了應對金屬表面和一些特殊環(huán)境的超高頻RFID應用，日立公司開發(fā)了一款超小型的超高頻RFID封裝標簽，如圖4-22所示，為IM5-PK2525 超小型超高頻RFID封裝標簽，其尺寸為2.5mm×2.5mm×0.3mm，是能夠獨立工作的最小型的超高頻RFID標簽之一。

圖4-22 IM5-PK2525結構封裝圖

該標簽是由芯片、天線和塑料殼（包括基板和注塑）組成。其中芯片為傳統的超高頻RFID標簽芯片，通過SIP封裝的方式（4.5.2節(jié)詳細介紹SIP技術）與天線連接，該天線具有電感特性，相當于天線設計中的電感線圈（見4.4.1節(jié)的偶極子標簽構成），只是通過多匝螺旋結構實現足夠大的電感值。

該標簽的生產工藝為半導體傳統工藝，具有量產能力強、穩(wěn)定性高、成本低的優(yōu)勢，該工藝的生產過程為：

• 生產帶有天線的芯片基板；

• 將標簽芯片粘貼在基板中心；

• 使用Bonding機器，將芯片的射頻管腳與天線的兩端連接；

• 注塑填充，并冷卻打磨，成為最終的超小型標簽。

該標簽可以獨立使用或配合外部天線工作。當標簽獨立工作時，由于尺寸很小，不具有偶極子天線獲取遠場電磁波的能力，只能通過近場耦合的方式獲得足夠能量。因此最好配合近場天線使用，工作距離一般為5-10mm。當該標簽配合遠場天線工作時，通過電感耦合或電容耦合的方式與外部天線傳輸能量，可以實現幾米的工作距離。如本節(jié)介紹的織嘜洗滌標簽，就可以采用該芯片作為中間的小模塊。只要合理利用外接金屬物品都可以實現遠距離的工作，如PCB表面、藥品包裝、金屬機械結構內、帶有金屬絲的衣服等，也可以使用這種小型標簽開發(fā)遠距離的抗金屬標簽，具有更好的穩(wěn)定性。

2.村田Magicstrap標簽

Magicstrap（神奇條帶）是由村田公司發(fā)明一種超小型陶瓷工藝封裝的超高頻RFID標簽， 其尺寸為3.2mm×1.6mm×0.7mm，如圖4-23所示為該標簽的結構示意圖。其結構與日立IM5-PK2525非常相似，不同點在于天線部分，Magicstrap的天線部分基材采用了低溫共燒陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC）技術，可以在較小的尺寸實現較大的電長度，從而實現芯片的阻抗匹配。采用LTCC的另外一點好處是具有更好的ESD保護。

圖4-23 Magicstrap結構示意圖

該標簽共有兩種材料，分別是上半部分的樹脂材料和下半部分的LTCC材料，樹脂材料可以固定和保護芯片，并連接下半部分的陶瓷材料。由于尺寸和工藝限制，該芯片與天線的連接沒有使用wire bonding工藝，采用具有小尺寸封裝優(yōu)勢的CSP封裝。CSP（Chip Scale Package）封裝，是芯片級封裝的意思，在各種封裝中，CSP是面積最小，厚度最小，因而是體積最小的封裝。

如圖4-24所示為芯片的尺寸圖，Magicstrap的底部有兩個焊盤，可以直接焊接在PCB上，對于電路板的應用非常切合。如果可以在PCB上做簡單的天線設計，可以實現很好的遠場特性。

圖4-24 Magicstrap尺寸圖

一般電子產品的PCB都會鋪地，因此普通超高頻RFID的偶極子天線無法工作，且偶極子天線還需要占用較大的面積，當使用Magicstrap后，可以通過縫隙天線的方式實現較好的射頻性能，如圖4-25所示為4種PCB的天線設計方案。

圖4-25 Magicstrap在PCB上的天線設計方案

這種PCB板上標簽的工作距離與該板子的長度、標簽芯片焊接的位置以及開槽大小相關。在PCB板長度為10~20cm時，Type 1可以實現1米的工作距離；Type 2可以實現2.5米的工作距離；Type 3和Type4可以實現5米的工作距離。這種PCB的解決方案可以替代原有的PCB上的條碼標簽，實現遠距離、批量、自動化識別，從而對生產自動化管理、供應鏈管理和產品生命周期管理等起到關鍵作用。

當Magicstrap標簽單獨工作時，其近場通信的工作距離為5mm到10mm，對比IM5-PK2525的優(yōu)勢為有較好的抗金屬特性。雖然工作距離較近，但對于許多應用場景仍有不錯的效果，如眼鏡管理、手術刀管理、金屬模具管理、電子產品管理等。

當Magicstrap利用金屬表面作為輻射天線時，具有1m到5m的工作距離，具體方案為在金屬表面開槽，與PCB板上標簽方案相同?？梢詰玫膱鼍坝袖摪骞芾?、金屬筒管理、金屬盒管理等。

3.集成天線的芯片技術

片上天線技術（On-Chip Antenna，OCA）是一種將天線設計在集成電路（IC）上的技術。在超高頻RFID標簽芯片中使用片上天線技術，可以實現標簽的最小化，同時也可以降低標簽的封裝成本。如圖4-26所示，為一個尺寸為1mm×1mm的超高頻RFID OCA標簽芯片，芯片的內部為傳統芯片的構造（見4.3.1節(jié)），標簽外部是4匝線圈作為電感天線。

圖4-26 片上天線超高頻RFID標簽芯片

這個電感天線是通過芯片的頂層金屬（top metal）環(huán)繞而成，其線寬為11μm，線距為2μm。該線圈的電感值約為64nH，高頻電阻（900MHz附近）約為300Ω。OCA芯片方案與日立的IM5-PK2525標簽非常相似，只是天線的位置和性能不同，整個標簽的尺寸不同。

該OCA標簽可以單獨使用，其工作距離略小于日立和村田的封裝標簽。該OCA標簽還可以做成Inlay。當Inlay中使用OCA標簽芯片后，其封裝工藝也更加簡單，不需要使用高精度的封裝設備，只需要粘貼在一個天線內即可，其封裝成本可以大幅下降，由于天線和芯片之間沒有電器連接，其穩(wěn)定性也大幅提升。如圖4-27所示，標簽天線只需要做一個大于芯片尺寸的電感線圈，將OCA芯片粘貼在中間即可。

圖4-27 OCA芯片的標簽結構

OCA 超高頻RFID標簽曾經在2010年左右在市場上出現，但由于成本和性能等問題一直沒有得到市場的認可，至今已經罕有聽聞了。其最主要的問題是芯片尺寸的增加，導致成本也增加了，由于芯片上的天線性能較差，Q值很低只有1.2左右，在信號傳輸過程中損耗太大。所以標簽的工作距離很有限，只能用于票據等近距離的應用中。

筆者曾經在2010年認識了該專利的發(fā)明人復旦大學的奚經天博士以及他的導師閔昊教授，也曾經幫助他一起推廣過該方案，但由于多種原因最終沒有成功，最主要原因是芯片的尺寸不斷減小，天線所占的面積對成本的影響大于封裝成本。不過我們要鼓勵創(chuàng)新，雖然OCA的超高頻RFID技術沒有成功，但這個思路的超小型封裝標簽在日立和村田的推動下得到了發(fā)展和市場的認可。

特種材質標簽還有許多種，如用于電力的堵頭標簽，用于汽車輪胎的彈簧標簽，用于防偽的種子標簽等，幾乎每個新的領域都需要標簽的定制和開發(fā)。

由于超高頻RFID標簽的種類非常多，這里只是列舉一些常見的方便讀者入門，在第8章的案例中會針對幾個不同類型的項目進行詳細講解。做物聯網技術最重要的是根據需求進行創(chuàng)新，無論是產品創(chuàng)新還是方法創(chuàng)新，尤其是特種材質標簽，需求的多樣性催生的特種材質標簽廣泛應用，帶來的物聯網的高速發(fā)展是不可估量的。