A Self-Sufficient RFID Sensor Tag based on Optically Transparent Antenna and Analog Front-End for the Integration in Metal Components

Abstract

Intelligent and networked production, also known as "Industry 4.0", always requires an exchange of data or sensor data. With the aid of integrated wireless communication modules, it is possible to identify the components and to exchange and provide all component-relevant information during the production and application phase. In order to realize this vision, a miniaturized self-sufficient Radio Frequency Identification (RFID) tag with integrated sensor systems will be implemented for use within metallic objects. An introduction to the functional principle of an RFID system is followed by a description of the stacked design concept for the 24 GHz RFID sensor tag to be developed. Here, an optically transparent antenna and RF circuit is placed directly on a solar cell. Optically transparent materials as well as thin metal grid lines are investigated regarding their optical and electrical properties. The decision is clearly in favor of grid structures. Investigations of meshed microstrip lines regarding the correlation between optical transparency and characteristic properties such as insertion loss and impedance value are the basis for a quick design step from a conventional to an optically transparent analog unit. In the main part of this work patch antennas and modulator and demodulator circuits are discussed in detail. First, the influences of the grid lines and the solar cell on the antenna properties are investigated. The knowledge gained from simulations and measurements is used to develop an optimized, optically transparent antenna. In analogy to the described procedure, the discrete RF circuits are designed taking into account the installation conditions and verified by measurements. An innovative design concept based on a molded interconnect device is used to integrate the high frequency, low frequency and power supply unit in a compact manner. For the purpose of the overall evaluation, a reading unit is developed. The components are presented and discussed individually. A measurement-based evaluation of the entire RFID system with regard to the expected maximum communication range, receiver sensitivity and operating time in low ambient light is carried out under laboratory conditions.

Die intelligente und vernetzte Produktion, auch bekannt unter dem Begriff „Industrie 4.0“, erfordert stets einen Austausch von Daten bzw. Sensordaten. Mit Unterstützung von integrierten, drahtlosen Kommunikationsmodulen soll eine Möglichkeit geschaffen werden, alle bauteilrelevanten Informationen während der Produktions- und Nutzungsphase auszutauschen und bereitzustellen. Für die Umsetzung dieser Vision wird ein miniaturisierter, energieautarkter Radio Frequency Identification (RFID) Transponder mit integrierter Sensorik für den Einsatz innerhalb metallischer Objekte implementiert. Nach einer Einführung in das Funktionsprinzip eines RFID Systems folgt eine Beschreibung des gestapelten Aufbaukonzepts zu den zu entwickelten 24 GHz RFID Sensor Transponder. Hierbei ist eine optisch transparente Antenne und HF-Schaltung direkt auf eine Solarzelle platziert. Für diese Umsetzung werden sowohl optisch transparente Materialien als auch dünne Gitterleitungen aus Metall auf ihre optischen und elektrischen Eigenschaften untersucht. Die Entscheidung fällt eindeutig zugunsten von Gitterstrukturen aus. Untersuchungen von perforierten Mikrostreifenleitungen hinsichtlich des Zusammenhangs zwischen optischer Transparenz und charakteristischen Eigenschaften wie Einfügedämpfungen und Impedanzverhalten bilden die Grundlage für einen schnellen Designschritt von einer konventionellen zu einer optisch transparenten Analogeinheit. Darauffolgend wird im Hauptteil dieser Arbeit Patchantennen sowie Modulator- und Demodulatorschaltungen im Detail diskutiert. Zunächst werden die Einflüsse der Gitterlinien und der Solarzelle auf die charakteristischen Antenneneigenschaften analysiert. Die aus Simulationen und Messungen gewonnenen Erkenntnisse werden genutzt, um eine optimierte, optisch transparente Antenne zu entwickeln. Analog zu der beschriebenen Vorgehensweise werden die diskreten HF-Schaltungen unter Berücksichtigung der Einbauumgebung entworfen und messtechnisch verifiziert. Ein innovatives Aufbaukonzept basierend auf ein spritzgegossener Schaltungsträger finden Anwendung, um die hochfrequente, niederfrequente und die energieversorgende Einheit auf kompakte Weise zu integrieren. Für die Systemevaluierung ist eine Leseeinheit entwickelt. Die Komponenten werden einzeln vorgestellt und diskutiert. Eine messtechnische Bewertung des aufgebauten RFID-Systems bezüglich der zu erwartenden maximalen Kommunikationsreichweite, der Empfängerempfindlichkeit und der Betriebsdauer bei schwachem Umgebungslicht wird in einer Laborumgebung durchgeführt.