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

Contribution au développement de Tags RFID, en UHF et Microondes, sur matériaux plastiques. Delphine BECHEVET Directeur de thèse : Smaïl TEDJINI Co-directeur de thèse : Tan-Phu VUONG. Laboratoire de Conception et d’Intégration des Systèmes (LCIS) Valence. Partenaires et financement.

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

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Presentation Transcript

  1. Contribution au développement de Tags RFID, en UHF et Microondes, sur matériaux plastiques Delphine BECHEVET Directeur de thèse : Smaïl TEDJINI Co-directeur de thèse : Tan-Phu VUONG Laboratoire de Conception et d’Intégration des Systèmes (LCIS) Valence

  2. Partenaires et financement

  3. 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

  4. SOMMAIRE (1/2) • Constitution d’un tag RFID • Contexte • Principe de fonctionnement général • Objectifs • Méthodologie mise en place • Caractérisation des matériaux pour antennes • Propriétés magnétiques • Propriétés diélectriques • Propriétés conductrices

  5. SOMMAIRE (2/2) • Antennes à bas-coût • Conception • Réalisation • Comparaison mesures – simulation • Démonstrateur de tag RFID à bas-coût • Miniaturisation • Intégration • Résultats

  6. Transports Suivi de marchandises Alimentaire / Santé Validation de la chaîne du froid Services vétérinaires Suivi des données des animaux domestiques Transports (humains) En commun Autoroutiers Justice / Sécurité Pers.liberté conditionnelle Vol, contrefaçon Papiers ID, billets banque Industrie Gestion de stocks Contexte : RFID Quelques domaines d'applications RFID Constitution d'un tag RFID (1/6)

  7. 14983750 Principe de fonctionnement général(1/2) • Communication Couverture de lecture et d'écriture Antenne pour la lecture et l'écriture Energie et commande Actif Tag Passif Données Constitution d'un tag RFID (2/6) Appareil de lecture et d'écriture Application

  8. Champ proche Champ lointain Principe de fonctionnement général(2/2) • Les fréquences • Valeurs maximales du champ Distance de lecture Constitution d'un tag RFID (3/6) ERP = Equivalent Radiated Power EIRP = Effective Isotropic Radiative Power

  9. Objectif 1 : tag à bas-coût Substrat Puce électronique Connexion Antenne : conducteur sur substrat Constitution d'un tag RFID (4/6) f ~900 MHz f = 13.56 MHz à bas-coût

  10. Fonctionnement de l'antenne! Propriétés matériaux Objectif 1bis : antenne à bas-coût Plastiques Substrat Matières "non nobles" Conducteur Industrielle Méthode de réalisation À 900 MHz 2.45 GHz (5.8 GHz) Constitution d'un tag RFID (5/6) Peu ou pas connues

  11. Méthodologie mise en place • Caractérisation desparamètres du: • substrat • conducteur Conception d’antenne simple Réalisation d’antennes Mesure de la géométrie des antennes Mesure des paramètres d’antennes Modélisation Comparaison Constitution d'un tag RFID (6/6) NON OUI Miniaturisation d'antennes Intégration d’antennes à bas-coût dans un système RFID

  12. Paramètres du substrat • Permittivité diélectrique complexe • Perméabilité magnétique • Permittivité diélectrique • Facteur de pertes diélectriques Motif d'antenne Caractérisation des matériaux (1/12) Efficacité de rayonnement de l'antenne

  13. Base de données Partenaires Choix des matériaux pour le substrat • Facteur de pertes diélectriques le plus petit possible (ref. matériaux RF) : tanδ ~10-3 • 9 matériaux disponibles • ABS (Acrylonitrile Butadiène Styrène) • PA6 et 12 (PolyAmide) • PBT (PolyButhylène Téréphtalate) • PC (PolyCarbonate) • PE,LD et HD (PolyEthylène) • PMMA (PolyMéthyle Méthacrylate) • PS (PolyStyrène) Caractérisation des matériaux (2/12)

  14. Propriétés magnétiques • Mesure de la perméabilité Caractérisation des matériaux (3/12)

  15. Échantillon Propriétés diélectriques (1/5) • Mesure de la permittivité • Cavité électromagnétique (EM) Caractérisation des matériaux (4/12) Cavité fermée, vue de côté Cavité ouverte, vue de dessus

  16. Propriétés diélectriques (2/5) • Mesure de la permittivité : • Cavité EM: simulation entre 2 et 3 GHz Caractérisation des matériaux (5/12)

  17. Propriétés diélectriques (3/5) • Mesure de la permittivité : méthode des petites perturbations • Cavité EM : simulation entre 2 et 3 GHz Nécessité de calibrer : matériau de référence Caractérisation des matériaux (6/12)

  18. Propriétés diélectriques (4/5) • Mesure de la permittivité : méthode des petites perturbations • Cavité EM : mesures entre 2 et 3 GHz Δf TE102 ΔS21 TE101 Caractérisation des matériaux (7/12)

  19. Propriétés diélectriques (5/5) • Mesure de la permittivité: méthode des petites perturbations • Cavité EM : exploitation à 2.45 GHz Matériau de référence: duroïd ε'=3.5 , tanδ = 1.8x10-3 Caractérisation des matériaux (8/12)

  20. Suivi de la méthodologie • Caractérisation des matériaux: • substrat • conducteur Conception d’antenne simple Réalisation d’antennes Mesure de la géométrie des antennes Mesure des paramètres d’antennes Modélisation Comparaison Caractérisation des matériaux (9/12) Miniaturisation d'antennes Intégration d’antennes à bas-coût dans un système RFID

  21. Propriétés conductrices (1/3) • Mesure de l'épaisseur et de la conductivité • Épaisseur h max h moyenne h min Caractérisation des matériaux (10/12)

  22. = R x h (Ω.m) (S.m-1) (m) Propriétés conductrices (2/3) • Mesure de l'épaisseur et de la conductivité • Conductivité = R (Ω) Caractérisation des matériaux (11/12)

  23. Propriétés conductrices (3/3) • Mesure de la conductivité d'encre déposée • 1er groupe d'encre conductrice sur plastiques • 2nd groupe d'encre conductrice sur plastiques Caractérisation des matériaux (12/12) Référence: σCu = 5.88x105 S.cm-1

  24. Suivi de la méthodologie • Caractérisation des matériaux: • substrat • conducteur Conception d’antenne simple Réalisation d’antennes Mesure de la géométrie des antennes Mesure des paramètres d’antennes Modélisation Comparaison Miniaturisation d'antennes Intégration d’antennes à bas-coût dans un système RFID

  25. Conception d'antennes patch rectangulaires(1/3) • Pré-calculs : utilisation de formules analytiques Adaptation à 50Ω Antennes à bas-coût (1/12)

  26. Conception d'antennes patch rectangulaires(2/3) • Optimisation de la géométrie, adaptation : CST Microwave Studio • Intégration des paramètres mesurés : ε’, tanδ, σ • Plastique PC (PolyCarbonate) Antennes à bas-coût (2/12)

  27. ~4dB Conception d'antennes patch rectangulaires(3/3) • Résultats: S11, BP, G, D, efficacité • Plastique PC (PolyCarbonate) • Plastique PBT (PolyButylène Téréphtalate) Seuil (normalisé) Antennes à bas-coût (3/12) BP

  28. Suivi de la méthodologie • Caractérisation des matériaux: • substrat • conducteur Conception d’antenne simple Réalisation d’antennes Mesure de la géométrie des antennes Mesure des paramètres d’antennes Modélisation Comparaison Antennes à bas-coût (4/12) Miniaturisation d'antennes Intégration d’antennes à bas-coût dans un système RFID

  29. 46 mm 38.22 mm Réalisation d'antennes • Dépôt d'encre conductrice sur plastique : sérigraphie Antennes à bas-coût (5/12)

  30. Suivi de la méthodologie • Caractérisation des matériaux: • substrat • conducteur Conception d’antenne simple Réalisation d’antennes Mesure de la géométrie des antennes Mesure des paramètres d’antennes Modélisation Comparaison Antennes à bas-coût (6/12) Miniaturisation d'antennes Intégration d’antennes à bas-coût dans un système RFID

  31. Mesures d'antennes (1/5) 11.25° 22.5° 0° 22.5° • Plastique PC – EC-Ag, 1er groupe Seuil Antennes à bas-coût (7/12)

  32. Mesures d'antennes (2/5) • Décalage fréquentiel: prise en compte des incertitudes Antennes à bas-coût (8/12)

  33. Mesures d'antennes (3/5) GAIN d'antenne sur PC : Simulation : 6.47 dB Mesure environnement bruité : 2.29 dB Mesure chambre anéchoïde : 5.75 dB Antennes à bas-coût (9/12)

  34. Mesures d'antennes (4/5) • Plastique PC-EC-Ag • 1er groupe • 2nd groupe Seuil Seuil Antennes à bas-coût (10/12)

  35. Mesures d'antennes (5/5) • Autres matières conductrices • Encre Carbone (σ~1 S.cm-1) • Ruban adhésif en aluminium, colle non-conductrice (RA-Al) • Ruban adhésif en cuivre, colle conductrice (RA-Cu) Seuil Seuil Antennes à bas-coût (11/12)

  36. Bilan des antennes étudiées Antennes à bas-coût (12/12) Ra-Al = Ruban adhésif Aluminium Ra-Cu = Ruban adhésif Cuivre Ec-Ag = Encre conductrice Argent Ec-C = Encre conductrice Carbone

  37. Suivi de la méthodologie • Caractérisation des matériaux: • substrat • conducteur Conception d’antenne simple Réalisation d’antennes Mesure de la géométrie des antennes Mesure des paramètres d’antennes Modélisation Comparaison Miniaturisation d'antennes Intégration d’antennes à bas-coût dans un système RFID

  38. Miniaturisation d'antennes (1/6) • Pourquoi miniaturiser? • Taille élevée: f ~900 MHz => λ/2 ~15 cm (!!!) • Antenne = motif conducteur sur substrat • Miniaturisation • Motif • 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. Miniaturisation d'antennes (2/6) • Matériaux CRLH • RH : ε > 0, μ > 0 • LH : ε < 0, μ < 0 RH RH RH LH Démonstrateur de tag RFID à bas-coût (2/11) RH RH LH RH

  40. CL LR CR LL CL LR CR LL Miniaturisation d'antennes (3/6) • Matériaux CRLH Patch Démonstrateur de tag RFID à bas-coût (3/11) Substrat Via LL CR Plan de masse

  41. Miniaturisation d'antennes (4/6) • Matériaux CRLH Démonstrateur de tag RFID à bas coût (4/11)

  42. Miniaturisation d'antennes (5/6) • Matériaux CRLH Démonstrateur de tag RFID à bas-coût (5/11)

  43. Miniaturisation d'antennes (6/6) Démonstrateur de tag RFID à bas-coût (6/11)

  44. Suivi de la méthodologie • Caractérisation des matériaux: • substrat • conducteur Conception d’antenne simple Réalisation d’antennes Mesure de la géométrie des antennes Mesure des paramètres d’antennes Démonstrateur de tag RFID à bas-coût (7/11) Modélisation Comparaison Miniaturisation d'antennes Intégration d’antennes à bas-coût dans un système RFID

  45. Intégration antenne – puce (1/2) Pinc Pref • Principe: rétromodulation ("backscattering") • Modulation de charge I Démonstrateur de tag RFID à bas-coût (8/11) => Pref = Pabs ZL varie => I varie => Pref varie

  46. Intégration antenne – puce (2/2) • Puce RFID utilisée • Lecture / Ecriture • Mémoire de 1 kbits • Application • Gestion de stocks • … Démonstrateur de tag RFID à bas-coût (9/11)

  47. Modélisation de tags (1/2) • Résultats à 868 MHz 106.2 mm 20 mm S1,1: -48.24 Démonstrateur de tag RFID à bas-coût (10/11)

  48. Modélisation de tags (2/2) • Résultats à 2.45 GHz 63.6 mm 14 mm Démonstrateur de tag RFID à bas-coût (11/11)

  49. Conclusion PBT PC Caractérisation des substrats : ε'(ω), tanδ(ω) Impédance Caractérisation des conducteurs : h, σ Antennes à bas-coût ? Adaptation Intégration antenne – puce Tag RFID UHF, µonde à bas coût Dipôle replié EC-Ag Miniaturisation Méthode de réalisation Sérigraphie

  50. Pour l'avenir… • Des substrats peu coûteux : • Plastiques (perméables, souples) • Papiers • Textiles • Matériaux recyclés • … • Des matières conductrices • peu coûteuses : • Encres conductrices • Polymères conducteurs • … Méthodologie : Vision globale d'un système QUID des TAGS RFID et de l'ÉTHIQUE ? • Conception d'antennes : • Miniaturisation • Multifréquences • Conformance • … • D'autres méthodes de dépôt : • Tampographie • Impression numérique • … • Autres application à communication sans fil • Bluetooth • Wifi

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