Contribution au développement de Tags RFID, en UHF et Microondes, sur matériaux plastiques

1Le 09/12/2005LCIS-INPG-ESISAR-

VALENCE

Contribution au développement de Tags RFID, en UHF et Microondes, sur

matériaux plastiques Delphine BECHEVET

Directeur de thèse : Smaïl TEDJINICo-directeur de thèse : Tan-Phu

VUONG

Laboratoire de Conception et d’Intégration des Systèmes (LCIS) Valence


VALENCE

Partenaires et Partenaires et financementfinancement


VALENCE

Vous avez dit "TAG"?Vous avez dit "TAG"?

Les codes à barres: étiquettes passives

Tags RFID : étiquettes intelligentes Sans contact Communication à distance sans besoin de

visibilité Identification de plusieurs objets et en volume Possibilité d'écrire des données


VALENCE

SOMMAIRE (1/2)SOMMAIRE (1/2) Constitution d’un tag RFID

ContextePrincipe de fonctionnement généralObjectifsMéthodologie mise en place

Caractérisation des matériaux pour antennesPropriétés magnétiquesPropriétés diélectriquesPropriétés conductrices


VALENCE

SOMMAIRE (2/2)SOMMAIRE (2/2) Antennes à bas-coût

ConceptionRéalisationComparaison mesures – simulation

Démonstrateur de tag RFID à bas-coûtMiniaturisationIntégrationRésultats


VALENCE

Contexte : RFIDContexte : RFID

Quelques domainesd'applications RFID

Alimentaire / SantéValidation de

la chaîne du froid

Justice / SécuritéPers.liberté conditionnelle

Vol, contrefaçonPapiers ID, billets banque

TransportsSuivi de marchandises

IndustrieGestion de stocks

Services vétérinairesSuivi des données

des animaux domestiques

Transports (humains)En communAutoroutiers

Constitution d'un tag RFID (1/6)


VALENCE

Principe de fonctionnement Principe de fonctionnement général(1/2)général(1/2)

Communication


Données

Energie et commande

14983750

Couverture de lecture et d'écriture

Appareil de lecture et d'écriture

Antenne pour la lecture et l'écriture

Application

Tag

Actif

Passif


VALENCE

Principe de fonctionnement Principe de fonctionnement général(2/2)général(2/2)

Les fréquences

Valeurs maximales du champ

f125 kHz

13.56

MHz

433.92

MHz

~900

MHz

2.45 GHz

5.8 GHz

λ/21.2 km

11 m

35 cm

16 cm

6 cm2.5

cmBande de fréquences

(MHz)Valeur imposée par la

norme

13.560 42 dB.µA / m @ 10 m

433.92 1-10 mW ERP

869.000 100 – 2 000 mW EIRP

2450.000 500 – 4 000 mW EIRP

5800.000 25 mW EIRP


ERP = Equivalent Radiated PowerEIRP = Effective Isotropic Radiative Power

Champ proche

Champ lointain

Distance de lecture


VALENCE

Objectif 1 : tag à bas-coûtObjectif 1 : tag à bas-coût


Substrat

Puce électronique

Connexion

Antenne :conducteur

sursubstrat

f = 13.56 MHz f ~900 MHzà bas-coût

10

Le 09/12/2005LCIS-INPG-ESISAR-

VALENCE

Objectif 1bis : antenne à bas-Objectif 1bis : antenne à bas-coûtcoût


Substrat PlastiquesConducteur Matières "non nobles"

Propriétés matériaux

Fonctionnement de l'antenne!

À900 MHz2.45 GHz(5.8 GHz)

Peu ou pas connues

Méthode de réalisation Industrielle

11


VALENCE

Miniaturisation d'antennes

Caractérisation des paramètres du:substratconducteur

Conception d’antenne simple

Réalisation d’antennes

Comparaison

NON

Modélisation

Méthodologie mise en Méthodologie mise en placeplace

OUI

Intégration d’antennes à bas-coût dans un système RFID

Mesure de la géométrie des

antennes

Mesure des paramètres d’antennes


12


VALENCE

Permittivité diélectrique complexe

Paramètres du substratParamètres du substrat

)()()( ''' j

)()()( "' j

)()()( "' j

)(

)()(tan '

"

Caractérisation des matériaux (1/12)

Motif d'antenne

Efficacité derayonnement del'antenne

Perméabilité magnétique

Permittivité diélectrique

Facteur de pertes diélectriques

13


VALENCE

Facteur de pertes diélectriques le plus petit possible (ref. matériaux RF) : tanδ ~10-3

Choix des matériaux pour le Choix des matériaux pour le substratsubstrat


Base de données

Partenaires

9 matériaux disponiblesABS (Acrylonitrile Butadiène Styrène)PA6 et 12 (PolyAmide)PBT (PolyButhylène Téréphtalate)PC (PolyCarbonate)PE, LD et HD (PolyEthylène)PMMA (PolyMéthyle Méthacrylate)PS (PolyStyrène)

14


VALENCE

Propriétés magnétiquesPropriétés magnétiques

Mesure de la perméabilité


15


VALENCE

Cavité fermée, vue de côté Cavité ouverte, vue de dessus

Échantillon Mesure de la permittivité

Cavité électromagnétique (EM)

Propriétés diélectriques (1/5)Propriétés diélectriques (1/5)


16


VALENCE

0

...3,2,1

...2,1,0

...2,1,0

,2

1222

nm

p

n

m

avecc

p

bn

am

f TEmnpr

m n pfr théorique

(GHz)

Mode 101 1 0 1 2.26025

Mode 102 1 0 2 2.8476



Mesure de la permittivité :Cavité EM: simulation entre 2 et 3 GHz

17


VALENCE



Mesure de la permittivité : méthode des petites perturbationsCavité EM : simulation entre 2 et 3 GHz

Nécessité de calibrer :

matériau de référence

18


VALENCE

TE101

TE102

Δf

ΔS21



Mesure de la permittivité : méthode des petites perturbationsCavité EM : mesures entre 2 et 3 GHz

19


VALENCE

Plastique

HDPE

LDPE

PC ABS

PMMA

PA12

PA6

PBT

PS

ε’@2.45G

Hz

2.16 2.1 2.64

2.53

2.47 2.88 2.81

2.82

2.38

tanδx10-3

@2.45GHz

1 1.7 1.8 2.1 2.4 2.5 2.9 3.5 6

0

00'' 1)(

néchantillo

néchantilloVV

k

02121

0"''

)(1

)(1

2)(

SSVV

knéchantillonéchantillo



Mesure de la permittivité : méthode des petites perturbationsCavité EM : exploitation à 2.45 GHz

Matériau de référence: duroïd

ε'=3.5 , tanδ = 1.8x10-3

20


VALENCE


Caractérisation des matériaux:substratconducteur



Comparaison

Modélisation

Suivi de la Suivi de la méthodologieméthodologie



antennes



21


VALENCE

Mesure de l'épaisseur et de la conductivitéÉpaisseur h

max

h min

h moyenne


Propriétés conductrices (1/3)Propriétés conductrices (1/3)

22


VALENCE

hIV

K

= R (Ω)

1 (S.m-1)

fo .. (m)

= R x h (Ω.m)


Propriétés conductrices (2/3)Propriétés conductrices (2/3) Mesure de l'épaisseur et de la

conductivitéConductivité

23


VALENCE

Mesure de la conductivité d'encre déposée1er groupe d'encre conductrice sur

plastiques

2nd groupe d'encre conductrice sur plastiques

Échantillon PBT1

PBT2

PC5

PC6

h (µm) 15 14 16 16

σ x104 (S.cm-1)

2.17 5.42 2.81

3.19

δ (µm) 7.04 4.46 6.19

5.94

Échantillon PC5 PC6 PC7 PC8

hmin (µm) 4.73 5.25 5.96 3.79

hmax (µm) 20 20 18 17

σ x104 (S.cm-1)

2.04 1.67 1.49 1.52

δ (µm) 7.11 7.88 8.33 8.24

Référence:

σCu = 5.88x105

S.cm-1

Propriétés conductrices (3/3)Propriétés conductrices (3/3)


24


VALENCE





Comparaison

Modélisation




antennes


25


VALENCE

Pré-calculs : utilisation de formules analytiques

12

21

00

rrfW

Lf

Lreffr

21

2

1

00

Conception d'antennes patch Conception d'antennes patch rectangulaires(1/3)rectangulaires(1/3)

Antennes à bas-coût (1/12)

Adaptation à 50Ω

26


VALENCE



Optimisation de la géométrie, adaptation :

CST Microwave Studio

Intégration des paramètres mesurés : ε’, tanδ, σPlastique PC (PolyCarbonate)

27


VALENCE

~4dB

Résultats: S11, BP, G, D, efficacité



Plastique PBT (PolyButylène Téréphtalate)

Seuil (normalisé)

BP

Plastique PC (PolyCarbonate)

28


VALENCE





Comparaison

Modélisation




antennes



29


VALENCE

46 mm

38.22 mm

Réalisation d'antennesRéalisation d'antennes


Dépôt d'encre conductrice sur plastique : sérigraphie

30


VALENCE





Comparaison

Modélisation




antennes



31


VALENCE

22.5°

22.5°

11.25°

0°

Plastique PC – EC-Ag, 1er groupe

Paramètres

Simulation

Mesure

Δ |simulation – mesure|

S11 (dB) -22.83 -22.62 0.21

BP (%) 1.23 1.53 0.3

ROS 1.155 1.160 0.005

f (GHz) 2.366 2.295 71 MHz

G (dB) 6.466 2.291 4.175

Mesures d'antennes (1/5)Mesures d'antennes (1/5)


Seuil

32


VALENCE


Mesures d'antennes (2/5)Mesures d'antennes (2/5) Décalage fréquentiel: prise en

compte des incertitudes

33


VALENCE

GAIN d'antenne sur PC :Simulation : 6.47

dBMesure environnement bruité

: 2.29 dBMesure chambre anéchoïde :

5.75 dB



34


VALENCE

Plastique PC

1er groupe 2nd groupe

S11(dB) -22.62 -13.19

S21 (dB) -34.39 -34.71

ROS 1.16 1.56

G (dB) 2.48 2.29

BP(%) 1.53 0.96

Plastique PC-EC-Ag1er groupe 2nd groupe



SeuilSeuil

35


VALENCE



SeuilSeuil

Autres matières conductricesEncre Carbone (σ~1 S.cm-1)

Ruban adhésif en aluminium, colle non-conductrice (RA-Al)

Ruban adhésif en cuivre, colle conductrice (RA-Cu)

36


VALENCE

EC-Ag1

EC-Ag2

EC-C RA-Al RA-Cu

Facilité de réalisation / Coût

h > δ (µm)

Bonne conductivité(σ > 104 S.cm-1)

Paramètres de réflexion(ROS < 2)

Gain > 2 dB

Bilan des antennes étudiéesBilan des antennes étudiées

Ec-Ag = Encre conductrice ArgentEc-C = Encre conductrice Carbone

Ra-Al = Ruban adhésif AluminiumRa-Cu = Ruban adhésif Cuivre


37


VALENCE





Comparaison

Modélisation




antennes


38


VALENCE

Miniaturisation d'antennes Miniaturisation d'antennes (1/6)(1/6)

Pourquoi miniaturiser?Taille élevée: f ~900 MHz => λ/2 ~15 cm (!!!)

Antenne = motif conducteur sur substrat

MiniaturisationMotif

• Fractales• Repliement de dipôles

Substrat• Matériau à forte permittivité• Utilisation de matériaux composites main droite (RH)-main gauche (LH): CRLH-M

Démonstrateur de tag RFID à bas-coût (1/11)

39


VALENCE



RH

RH

RH

RH

RH

LH

RH

LH

Matériaux CRLH RH : ε > 0, μ >

0

LH : ε < 0, μ < 0

40


VALENCE

Matériaux CRLH

RL

ZORCL ''

1



LR

CR

CL

LL

LRCL

CR LL

Patch

Plan de masse

SubstratViaCR LL

41


VALENCE

Matériaux CRLH

Rayon du via de RPA (mm)

f (GHz)

S11 (dB)

D (dBi)

G (dB)

er (%)

et (%)

Sans via 2.4159 -26.18 7.702 7.381 92.88

92.65

1.5 1.1466 -2.37 3.822 1.854 63.55

26.79

1.0 1.0566 -2 2.874 0.5261

58.24

21.49


Démonstrateur de tag RFID à bas coût (4/11)

42


VALENCE

Matériaux CRLH

f (GHz)

S11 (dB) G (dB)

Non replié r = 0.2 mm

1.298 -13.03 3.143

Replié r = 0.20 mm

0.983 -13.24 2.462

Replié r = 0.12 mm

0.954 -17.98 2.376

Replié r = 0.10 mm

0.942 -16.92 2.297



43


VALENCE

Méthode de miniaturisation

Forme Rétrécissement (%)

Géométrie fractale

25

Fente à ruban conducteur 41

CRLH-M44

Dipôle replié61



44


VALENCE





Comparaison

Modélisation




antennes



45


VALENCE

Principe: rétromodulation ("backscattering")Modulation de charge

Intégration antenne – puce Intégration antenne – puce (1/2)(1/2)

Pinc

Pref

ZL varie => I varie => Pref varie

I


*LA ZZ => Pref = Pabs

46


VALENCE

Puce RFID utiliséeLecture / EcritureMémoire de 1 kbitsApplication

• Gestion de stocks• …

f(MHz)

P ERPmax (W)

Continent D lecture

max (m)

D écriture max (m)

869.40 – 869.65

0.5 européen 4 3.2

865.00 – 868.00

2 européen 7 5.6

902.00 – 928.00

1 nord - américain

8 6.4

950.00 – 956.00

1 asiatique 6 4.8

f (GHz) 0.868 0.915 0.960 2.45

Z (état 1) (Ω)

11 - j.145

10 – j.136

10 – j.128

10 - j.28

Z (état 2)(Ω)

12 – j.159

11 – j.150

11 – j.142

10 – j.34Démonstrateur de tag RFID à bas-coût

(9/11)


47


VALENCE

Résultats à 868 MHz

f (MHz)

868

S11 (dB)

-48.2

4

ROS 1.008

BP (%)

13.1

G (dB)

0.877

D (dBi)

1.987

er (%) 79.1

et (%) 79.1

20 mm

106.2 mm

Modélisation de tags (1/2)Modélisation de tags (1/2)


S1,1: -48.24

15211*12 jZ

48


VALENCE

Résultats à 2.45 GHz

f (GHz)

2.45

S11 (dB)

-18.9

4

ROS 1.255

BP (%)

1.35

G (dB)

3.113

D (dBi)

4.228

er (%) 76.4

et (%) 72.6

14 mm

63.6 mm


Modélisation de tags (2/2)Modélisation de tags (2/2)

3110*12 jZ

49


VALENCE

ConclusionConclusion

Intégration antenne – puce

Antennes à bas-coût ?

Caractérisation des substrats :ε'(ω), tanδ(ω)

Caractérisation desconducteurs : h, σ

Méthode deréalisation

Miniaturisation

Tag RFID UHF, µondeà bas coût

PC PBT

EC-Ag

Sérigraphie

Dipôle replié

Impédance

Adaptation

50


VALENCE

Pour l'avenir…Pour l'avenir…Des substrats peu coûteux : Plastiques (perméables, souples) Papiers Textiles Matériaux recyclés …

Des matières conductrices peu coûteuses :Encres conductricesPolymères conducteurs…

Conception d'antennes :MiniaturisationMultifréquencesConformance…

D'autres méthodes de dépôt :TampographieImpression numérique…

Méthodologie : Méthodologie : Vision globale d'un systèmeVision globale d'un systèmeQUID des TAGS RFID et de QUID des TAGS RFID et de

l'ÉTHIQUE ?l'ÉTHIQUE ?

Autres application à communication sans fil

BluetoothWifi

51


VALENCE

REMERCIEMENTSREMERCIEMENTS

52


VALENCE

Contexte: Contexte: traçabilité et traçabilité et identificationidentification

TraçabilitéNorme ISO« Aptitude à retrouver l’historique,

l’utilisation ou la localisation d’un article ou d’une activité [..] au moyen d’une identification enregistrée »

Suivi de la création à la destruction d’un produit

IdentificationInscriptions dans la pierreÉcritures sur papyrus, peaux, papiersCodes à barresRFID

Constitution d'un tag RFID à bas-coût (1/)

53


VALENCE

Plastique PBT- EC-Ag, 1er groupe

Paramètres

Simulation

Mesure

Δ |simulation – mesure|

S11 (dB) -20.9423 -14.562

0

6.3803

BP (%) 1.33 1.64 0.31

ROS 1.1971 1.4601 0.2630

f (GHz) 2.2943 2.2238 70.5 MHz

G (dB) 5.55 1.065 4.48

Antennes bas-coût (6/11) MESURESMESURES

54


VALENCE

Principe: rétrodiffusion ("backscattering")

RCS et modulation de charge


Pinc

Pray

ZL varie => I varie => Sray varie = σ varie

I

inc

ray

S

SrRCS 24

Démonstrateur de tag à bas-coût (8/12)

55


VALENCE

Principe: adaptation d'impédance

Différentes méthodes d'adaptationExemple: modulation BPSK

Impédance de la puce :

•Etat 1 : Z1 = Re1 – j.Im1

•Etat 2 : Z2 = Re2 – j.Im2

Re.2totalZ

ant

ant

ReReImIm

tan1

111

ant

ant

ReReImIm

tan2

212

Impédance de l’antenne :

•Zant = Reant + j.ImantUn seul état Le milieu des deux états

Démonstrateur de tag à bas-coût (10/12)


Documents

Contribution au développement de Tags RFID, en UHF et Microondes, sur matériaux plastiques