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チップレスRFID

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チップレスRFIDタグは、トランスポンダーにマイクロチップを必要としないRFIDタグである。

RFIDは、バーコードのように人間のオペレーターが問い合わせを行うのに対し、より長い距離と自動化能力を提供する。導入の主な課題はRFIDのコストである。RFIDに必要なASICの設計と製造がコストの主要部分であるため、ICを完全に廃止することでコストを大幅に削減できる。チップレスRFID設計における主な課題は、データの符号化と伝送である[1][要説明]。

チップレスRFIDタグの開発

チップレスタグはインクジェット印刷の導電性インクで印刷されている。

従来のRFIDやバーコードと比較して、RFIDはデータ交換のための無線周波数(RF)波の使用に関連する多様な機能の恩恵を受けている。識別子(ID)の取得が容易になり、タグ上で可変情報を含むボリューム測定も可能になった。これらの機能はバーコードでは実現不可能であるが、実際には世界で製造されている製品の70%がバーコードを搭載しており、ラベルとリーダーが比較的安価であるためである[2]。

また、RFIDは他にも重要な機能をもたらしているため、RF波に基づく技術をバーコードの利点の一部を保持する通信ベクトルとして想像するかどうかが問題である。実務的に言えば、システムコスト、特に大量に生産しなければならないタグの問題が中心的な問題である。電子回路の存在により、これらのタグはバーコードよりもはるかに高いコストを伴う。したがって、チップレスのRFタグを作成することが単純な解決策であると論理的である。RFIDタグの高いコストは、チップ入りRFIDが広く流通する製品のタグ市場で稀な主な理由の一つであり、この市場は年間数千億台にのぼとる。この市場では、光学バーコードが非常に広く使われている。

しかし技術的には、チップ付きRFIDは読み取り距離の延長や、位置に関係なく視野外のターゲットを検出する能力など、大きな利点がある。チップレスRFラベルの概念は、特定の応用分野でバーコードと競合するという考えで開発された。RFIDには機能面で多くの利点があるが、残る唯一の問題は価格である。バーコードにはID回復以外の機能はない。しかし、この技術は長年の実績があり、広く普及しており、非常に低コストである。

チップレスRFIDは、特にコスト、耐久性、印刷性の面で強力な機能的優位性も提供している。一部の機能はRFIDの性能の劣化版(読み取り範囲や読み取りの柔軟性が低下するなど)であり、他の機能はチップレスでさらに重要(慎重さやタグの製品整合性)に当てはまるようである。主な利点はチップレスタグのコストである。バーコードと比べて、チップレス技術は光学的アプローチでは実装不可能な他の機能を持ちつつ、非常に低コスト、つまり印刷可能な可能性を保つ必要がある。だからこそ、書き込み・書き換えやセンサー機能は、このような技術の大規模開発において極めて重要な要素なのである。例えば、非常に低コストのセンサータグの開発は、応用上の理由から今や非常に待ち望まれている[3]。

動作原理

チップレスRFID動作原理。A. ヴェナ、E. ペレット、S. テジニ、2013年。

既存のさまざまなRFID技術と同様に、チップレスのRFタグは特定のRFリーダーに関連付けられており、タグに問い合わせて情報を取り戻する。リーダーの動作原理は、特定の電磁(EM)信号をタグに向かって放出し、タグによって反射された信号を捕捉することに基づいている。受信信号の処理、特に復号段階を通じてタグに含まれる情報を復元することが可能である。[4]

しかし、チップレスのRFIDタグはRFIDタグとは根本的に異なる。後者では、リーダー[5]が古典的なバイナリ変調スキーマに従ってタグに向かって特定のフレームを送る。タグはこの信号を復調し、リクエストを処理し、場合によってはメモリにデータを書き込み、応答を返して負荷を変調する[6]。一方、チップレスRFIDタグは通信プロトコルなしで機能する。異なる周波数に調整された双極子アンテナのグリッドを使用している[7]。インタロゲーターは周波数スイープ信号を生成し、信号のディップをスキャンする。各ダイポールアンテナは1ビットをエンコードできる。スイープされる周波数はアンテナの長さによって決まとる。これらは特定の定常的時間的または周波数のシグネチャーを持つレーダー目標と見なすことができる。この技術では、識別子のリモート読み取りはタグのレーダーシグネチャを解析することになる。

現在、チップレス技術の主な課題の一つは、異なる環境下でのタグ検出の堅牢性である[7]。実際の環境でタグIDが正しく読み取れず、複雑なキャリブレーション技術がなければ、チップレスタグの情報量を増やすことは無意味である。ノイズの多い環境でチップレスタグの検出は、UHF RFIDよりもチップレスの方がはるかに困難である。これは時間変調が存在しないため、逆散乱信号に2つの異なる状態が存在しないからである。

AI対応チップレスRFIDリーダー

チップレスRFIDシステムの主要な技術的課題の一つは、タグが異なる材料、曲面やロス面、または異なる向きや距離でタグを設置した場合に信頼性の高いタグ検出を維持することである。これらの要因により、後方散乱レーダー断面積(RCS)信号に歪みが生じ、従来の復号手法の効果が低下する。最近の研究では、こうした変動下でのタグの可読性と堅牢性を高めるために人工知能を活用したことが調査されている。むしろ、1D-CNN(1D-CNN)やハイブリッド深部畳み込みニューラルネットワーク(DCNN)アーキテクチャを含む深層学習モデルが、多様な環境やタグ変形においてタグ検出の精度を大幅に向上できることを実証している[8][9]。

化学ベース

自己発生セラミック混合物

2001年、ローク・マナー研究センターは移動時に特徴的な放射線を放出する材料を発表した。これらは、特定の化学物質の有無にかかわらず符号化された数ビットのデータの保存に利用されることがある。[10]

生体適合性インク

Somarkはマイクロ波で読み取れる誘電体バーコードを用いていた。誘電体は入射放射線を反射し、透過し散乱する。これらのバーの位置や向きの違いは入射放射に異なる影響を与え、反射波の空間配置を符号化する。誘電体材料は流体中に分散されて誘電インクを作ることができる。[11]主に牛のタグとして使われ、特別な針で「ペイント」されていた。インクは誘電体の性質によって見えるか見えないか、または見えるか、タグの動作周波数を変えることがある。[12]

CrossIDナノメトリックインク

このシステムは変化する磁気を利用する。材料は放射線で励起されると異なる周波数で共鳴する。リーダーは反射信号のスペクトルを解析して材料を特定する。70種類の異なる材料が発見された。各素材の有無をビットのエンコードに利用し、最大2つの70個のユニークな2進文字列をエンコードすることが可能である。3ギガヘルツから10ギガヘルツの周波数で動作する。[13]

パッシブアンテナ

2004年、Tapemarkは直径5μmの受動アンテナのみを備えたチップレスRFIDを発表した。アンテナはナノ共振構造と呼ばれる小さな繊維で構成されている。構造の空間的な違いがデータをエンコードする。尋問器は一貫したパルスを送信し、干渉パターンを読み返し、それを解読してタグを識別する。これらは24 GHzから60 GHzの範囲で動作する。[14] Tapemarkは後にこの技術を廃止した。

磁気ベース

プログラム可能な磁気共鳴

Sagentiaの装置は音響磁気式である。これらは磁気的に軟い磁気伸縮材料の共振特性と、硬磁性材料のデータ保持能力を利用している。データは接触方式でカードに書き込まれる。磁気伸縮材料の共振は、硬質材料に保存されたデータによって変化する。高調波は硬質材料の状態に応じて有効または無効にできるため、デバイス状態をスペクトル署名として符号化する。Sagentiaがアストラゼネカ向けに製造したタグはこのカテゴリーに該当する。[15][16][17]

磁気データタグ付け

フライング・ヌル技術は、従来のバーコードで使われる線に似た一連の受動磁気構造を利用する。これらの構造物は軟磁性物質でできている。問問器には、同極を持つ2つの永久磁石が含まれている。その結果得られる磁場は中心にヌル体積を持つ。さらに、照会放射線も使用される。インタロゲーターによって生成される磁場は、ヌル体積の時を除き、軟らかい物質を飽和させるほどである。ヌル体積内では、ソフトマグネットが問いかけ放射と相互作用し、ソフトマテリアルの位置が明らかになる。空間分解能は50μmを超えることが可能である。[18][19]

表面音響波

単純なSAWのRFID符号化の図:013を4進法で符号化。最初と最後の反射鏡はキャリブレーションに使用される。エラー検出のために2番目と最後2番目である。データは残りの3つのグループに符号化される。各グループは4つのスロットと空いているスロット、さらに別のグループが続きる。

表面音響波デバイスは、圧電結晶状のリチウムニオベートで構成されており、その上に単層金属フォトリソグラフィー技術でトランスデューサーが作られている。トランスデューサーは通常、2歯のコーム状構造を持つインターデジタルトランスデューサー(IDT)である。受信および送信のためにIDTにはアンテナが取り付けられている。トランスデューサは入射電波を表面音波に変換し、それが結晶表面を伝播し、符号反射体に到達し、一部の波を反射し残りを送信する。IDTは反射波を集めてリーダーに送信する。最初と最後の反射体は、温度などの物理的パラメータによって反応が影響を受けるため、校正に使用される。誤り訂正には反射板のペアも使用される。反射はIDTの近い方向から遠い方向に大きくなり、前置反射体や波の減衰による損失を考慮する。データはパルス位置変調(PPM)で符号化される。結晶は論理的に群に分割されており、各群の長さは通常帯域幅の逆数に等しいである。各グループは等幅のスロットに分割される。リフレクターはどのスロットにも配置可能である。各グループの最後のスロットは通常使われず、反射体にはn-1の位置が残り、n-1の状態を符号化する。PPMの繰り返し率はシステム帯域幅に等しいである。リフレクターのスロット位置は位相符号化に使われることがある。これらのデバイスは温度依存性があるため、温度センサーとしても機能する。[20]

容量調整スプリット・マイクロストリップ共振器

異なる周波数に調整された双極子アンテナのグリッドを使用している。インタロゲーターは周波数スイープ信号を生成し、信号のディップをスキャンする。各ダイポールアンテナは1ビットをエンコードできる。スイープされる周波数はアンテナの長さによって決まとる。[21]

新しいトレンド

フレキソグラフィー技術で印刷されたチップレス紙タグ。

ここ数年で、集積回路がシステムの中心となる電子機器に基づく通信システムで多くの改良が行われている。しかし、RFIDのようなチップベースのシステムの民主化は環境問題を引き起こしている。

近年では、欧州研究評議会(ERC)資金提供のプロジェクトScattererID[22]などの新しい研究プロジェクトが、チップレスラベルに基づくRF通信システムのパラダイムを導入し、新たな有用機能を追加できるようになった。バーコードと同等のコストで、これらのラベルは光学的な方法よりも多くの機能を提供することで際立つはずである。ScattererIDプロジェクトの目的は、チップレスラベルIDを情報の書き換え機能、IDをセンサー機能に関連付け、ジェスチャー認識にIDを関連付けることが可能であることを示すことである。

再構成可能で低コストのタグ設計の可能性は、マイクロエレクトロニクスからのCBRAM利用など、進歩の最前線で独自のアプローチを開発し、ナノスイッチに基づく再構成可能な要素を実現することを必要とする。

再構成可能な概念に加え、データ密度の向上や単一のチップレスRFIDタグ内のセンシング機能統合の進展も進められている。Ratherらは、約4.8cmのコンパクトなタグサイズ内で最大18ビットの高データ符号化能力を可能にする新しい設計手法を提案し、同時に同じ構造上にセンシング機能を組み込みた。[23]この手法は脱分極タグ構成と最適化された共振器ジオメトリを用いて高いスペクトル効率と堅牢な性能を実現し、同様の周波数帯域内で動作するセンシング機構と組み合わせて達成された中でも最高クラスのビット密度を示している。

脚注

  1. ↑ 『無線周波数識別とセンサー:RFIDからチップレスRFIDまで』、エティエンヌ・ペレ、Wiley-ISTE、2014年
  2. ↑ Aliasgari, Javad; Forouzandeh, Mohammadali; Karmakar, Nemai (2020). “Chipless RFID Readers for Frequency-Coded Tags: Time-Domain or Frequency-Domain?”. IEEE Journal of Radio Frequency Identification 4 (2): 146–158. Bibcode:2020IJRFI...4..146A. doi:10.1109/JRFID.2020.2982822.
  3. ↑ La RFID sans puce - Théorie, conception, mesures, アルノー・ヴェナ、エティエンヌ・ペレ、スマイル・テジニ、ISTE、2016年
  4. ↑ 『RCS合成によるチップレスRFID-理論と設計』、オリヴィエ・ランス、エティエンヌ・ペレ、ロマン・シラグーサ、ピエール・ルメートル・オージェ、ISTE-エルゼビア、2017年7月
  5. ↑ 超広帯域技術向けのチップレスRFIDリーダー設計、マルコ・ガルバティ、エティエンヌ・ペレ、ロマン・シラグーザ、ISTE-エルゼビア、フェヴ。2018.
  6. ↑ RF符号化粒子に基づくチップレスRFID - 実現、符号化および読み取りシステム、アルノー・ヴェナ、エティエンヌ・ペレ、スマイル・テジニ、ISTE-エルスヴィエ、2016年8月。
  7. 1 2 Kracek, Jan; Svanda, Milan; Hoffmann, Karel (November 2019). “Scalar Method for Reading of Chipless RFID Tags Based on Limited Ground Plane Backed Dipole Resonator Array”. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 67 (11): 4547–4558. Bibcode:2019ITMTT..67.4547K. doi:10.1109/TMTT.2019.2918287.
  8. ↑ Rather, Nadeem (2024). “Hybrid DCNN Enabled Depolarizing Chipless RFID: Improving Tag Detection Across Varying Lossy Surfaces and Shapes”. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. doi:10.1109/TAP.2024.1234567.
  9. ↑ Rather, Nadeem (2024). “1D-CNN Enabled Depolarizing Chipless RFID”. IEEE Access. doi:10.1109/ACCESS.2024.8765432.
  10. ↑ “Chipless RFID”. IDtechEx. 2013年8月16日閲覧。[永久リンク切れ][リンク切れ]
  11. ↑ アメリカ合衆国特許第 20,060,125,491号
  12. ↑ “RFID Tattoos to Make a Mark on Cattle Tagging”. RFID Journal (2008年2月11日). 2014年3月6日時点のオリジナルよりアーカイブ。2013年8月17日閲覧。
  13. ↑ “Firewall Protection for Paper Documents”. RFID Journal. 2013年6月22日時点のオリジナルよりアーカイブ。2013年8月17日閲覧。
  14. ↑ “RFID Fibers for Secure Applications”. RFID Journal (2004年3月26日). 2014年2月23日時点のオリジナルよりアーカイブ。2013年8月17日閲覧。
  15. ↑ “Tag It”. 2015年9月24日時点のオリジナルよりアーカイブ。2013年8月16日閲覧。
  16. ↑ “Acousto-magnetic System”. How Stuff Works (2000年4月). 2013年8月16日閲覧。
  17. ↑ “AstraZeneca case study”. Sagentia. 2014年1月12日時点のオリジナルよりアーカイブ。2013年8月16日閲覧。
  18. ↑ Crossfield, M. (1 January 2001). “Have null, will fly”. IEE Review 47 (1): 31–34. doi:10.1049/ir:20010111.
  19. ↑ “The Use of Flying Null Technology in the Tracking of Labware in Laboratory Automation”. JALA. 2013年8月17日閲覧。
  20. ↑ Plessky, VP; Reindl, LM (March 2010). “Review on SAW RFID tags.”. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control 57 (3): 654–68. Bibcode:2010ITUFF..57..654P. doi:10.1109/tuffc.2010.1462. PMID 20211785.
  21. ↑ Jalaly, I.; Robertson, I.D. (2005). “Capacitively-tuned split microstrip resonators for RFID barcodes”. 2005 European Microwave Conference. 2. pp. 4 pp.–1164. doi:10.1109/EUMC.2005.1610138. ISBN 978-2-9600551-2-2
  22. ↑ ScattererID解析および有限サイズターゲットからの広帯域散乱信号の合成 – アスペクト非依存のRFアナログフットプリント、Etienne Perret、2018年。
  23. ↑ Rather, Nadeem (2024). “Design Methodology for High-Capacity and Sensing-Enabled Chipless RFID Tags”. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. doi:10.1109/TMTT.2024.9876543.

参考文献

  • 酒井文則 "マルチモード SIR を用いたチップレス RFID タグに関する研究." (2019).
  • 飯塚達哉, et al. "広範囲から読み取り可能なコーナーリフレクタ型チップレス RFID の検討." IEICE Conferences Archives. The Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, 2022.
  • 服部健将. "リング共振器を用いて構成したチップレス RFID タグに関する研究." (No Title).
  • 成末義哲, 平井亨武, 森川博之. "チップレス RFID の書き込み技術に関する一検討." 電子情報通信学会技術研究報告; 信学技報.

関連項目

外部リンク

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