チップレスRFID

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タグです。

RFIDは、人間の操作を必要とするバーコードとは異なり、通信距離が長く、自動化も可能です。導入における最大の課題は、RFIDのコストです。RFIDに必要なASICの設計と製造がコストの大部分を占めるため、ICを完全に排除することでコストを大幅に削減できます。チップレスRFIDの設計における最大の課題は、データのエンコードと伝送です。[1]

チップレスRFIDタグの開発

インクジェット印刷用導電性インクで印刷されたチップレスタグ。

チップレスRFIDタグの開発を理解するには、従来のRFIDやバーコードと比較して見ることが重要です。RFIDは、データ交換に無線周波数（RF）波を使用することで、非常に幅広い機能の恩恵を受けています。識別子（ID）の取得ははるかに容易になり、変更可能な情報を含むタグ上で体積測定による読み取りが可能になります。これらの機能はバーコードでは実現できませんが、実際には世界中で製造される製品の70％にバーコードが搭載されています。この熱狂の理由は単純です。バーコードは機能が非常に優れており、ラベルもリーダーも非常に安価だからです。[2]このコストとシンプルさの比率により、バーコードは世界のサプライチェーンで主流であり続けています。

RFID には他の重要な機能も提供されていることも事実であり、したがって問題は、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 RF 波に基づく技術を想像することです。現実的に言えば、システム コスト、特に大量生産が必要なタグの問題が依然として中心的な論点です。電子回路が存在するため、これらのタグのコストは無視できず、バーコードよりも大幅に高くなります。したがって、シンプルな解決策としてチップレス RF タグを生産するのは理にかなっています。RFID タグの高コストは、実際に、年間販売数が数兆ユニットに達する広く流通している製品用のタグ市場でチップ付き RFID がまれである主な理由の 1 つです。この市場では、光学バーコードが非常に広く使用されています。

しかし、技術的に言えば、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にある対象物も検出できるなど、大きな利点があります。チップレスRFIDラベルのコンセプトは、特定の用途においてバーコードと競合するという考えに基づいて開発されました。RFIDは機能面で多くの利点がありますが、残る唯一の問題は価格です。バーコードはIDの復元以外の機能を提供していませんが、この技術は長年の実績があり、広く普及しており、非常に低コストです。

チップレスRFIDは、特にコスト、耐久性、印刷可能性において、強力な機能的利点も提供します。一部の機能はRFIDの劣化版（読み取り範囲／読み取り柔軟性の低下など）ですが、チップレス化によってより重要になる機能（タグの機密性、製品の完全性）もあります。主な利点はチップレスタグのコストです。バーコードと比較して、チップレス技術は、光学的なアプローチでは実現不可能な他の機能を提供しつつ、非常に低コスト、つまり印刷可能な可能性を維持する必要があります。そのため、書き込み／書き換え機能とセンサー機能は、このような技術の大規模開発において不可欠な機能です。例えば、非常に低コストのセンサータグの開発は、用途上の理由から現在切望されています。[3]

動作原理

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

既存の様々なRFID技術と同様に、チップレスRFIDタグは特定のRFリーダーと連携しており、RFリーダーはタグに問い合わせてタグに含まれる情報を復元します。リーダーの動作原理は、特定の電磁（EM）信号をタグに向けて発信し、タグから反射された信号を捕捉することに基づいています。受信した信号の処理（特にデコード段階を介した処理）により、タグに含まれる情報を復元することが可能になります。[4]

しかし、チップレスRFIDタグはRFIDタグとは根本的に異なります。後者では、特定のフレームがリーダー[5]から古典的なバイナリ変調方式に従ってタグに向けて送信されます。タグはこの信号を復調し、要求を処理し、場合によってはデータをメモリに書き込み、応答を送り返して負荷を変調します。[6]一方、チップレスRFIDタグは通信プロトコルなしで機能します。異なる周波数に調整されたダイポールアンテナのグリッドを使用します。[7]インテロゲータは周波数スイープ信号を生成し、信号ディップをスキャンします。各ダイポールアンテナは1ビットをエンコードできます。スイープされる周波数はアンテナの長さによって決まります。これらは、特定の固定された時間的または周波数的なシグネチャを持つレーダーターゲットと見なすことができます。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分析することで行われます。

現在、チップレス技術における主要な課題の一つは、様々な環境下におけるタグ検出の堅牢性です。[7]実際の環境でタグIDを正しく読み取れず、複雑なキャリブレーション技術も使用しなければ、チップレスタグの情報量を増やしても無駄です。ノイズの多い環境でのチップレスタグの検出は、時間変調がないため、つまり後方散乱信号に2つの異なる状態が存在しないため、UHF RFIDよりもチップレスでははるかに困難です。

AI対応チップレスRFIDリーダー

チップレスRFIDシステムにおける主要な技術的課題の一つは、タグが異なる素材、曲面、または損失のある表面、あるいは様々な方向や距離に配置された場合でも、信頼性の高いタグ検出を維持することです。これらの要因は、後方散乱レーダー断面積（RCS）信号に歪みを引き起こし、従来のデコード手法の有効性が低下します。最近の研究では、このような変化に対するタグの読み取り性と堅牢性を向上させるために、人工知能を活用する方法が検討されています。Ratherらは、1次元畳み込みニューラルネットワーク（1D-CNN）やハイブリッド深層畳み込みニューラルネットワーク（DCNN）アーキテクチャなどの深層学習モデルを用いることで、多様な環境やタグの変形に対してタグ検出精度を大幅に向上できることを実証しました。[8] [9]

化学ベース

自己生成セラミック混合物

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発する物質を発表しました。これは、特定の化学物質の存在下または非存在下でエンコードされた少数のデータビットの保存に利用できる可能性があります。[10]

生体適合性インク

ソマークは、マイクロ波を用いて読み取ることができる誘電体バーコードを採用した。誘電体は入射光を反射、透過、散乱させる。これらのバーの位置と向きによって入射光に異なる影響を与え、反射波の空間配置を符号化する。誘電体は液体中に分散させることで誘電体インクを生成することができる。[11]これらは主に牛のタグとして使用され、特殊な針を用いて「塗布」された。インクは誘電体の性質に応じて可視または不可視となる。タグの動作周波数は、異なる誘電体を使用することで変更できる。[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しています。物質は放射線によって励起されると、異なる周波数で共鳴します。リーダーは反射信号のスペクトルを分析し、物質を識別します。70種類の物質が見つかりました。それぞれの物質の有無に基づいてビットをエンコードすることで、最大270の異なるバイナリ文字列をエンコードできます。3GHzから10GHzの周波数で動作します。[13]

パッシブアンテナ

2004年、テープマーク社は、直径わずか5μmのパッシブアンテナのみを搭載したチップレスRFIDを発表しました 。このアンテナは、ナノ共振構造と呼ばれる微細な繊維で構成されています。この構造の空間的な差異によってデータが符号化されます。インテロゲータ（質問機）はコヒーレントパルスを発信し、干渉パターンを読み取り、それをデコードしてタグを識別します。このRFIDは24GHzから60GHzで動作します。[14]テープマ​​ーク社は後にこの技術の開発を中止しました。

磁気ベース

プログラム可能な磁気共鳴

サジェンティア社のデバイスは音響磁気式です。磁気的に軟らかい磁歪材料の共鳴特性と硬磁性材料のデータ保持能力を活用しています。データは接触方式でカードに書き込まれます。磁歪材料の共鳴は、硬磁性材料に記憶されたデータによって変化します。高調波は硬磁性材料の状態に応じて有効または無効にすることができ、デバイスの状態をスペクトルシグネチャとしてエンコードします。サジェンティア社がアストラゼネカ社向けに製造したタグはこのカテゴリーに該当します。[15] [16] [17]

磁気データタグ付け

フライング・ヌル技術は、従来のバーコードに用いられる線に似た、一連の受動的な磁気構造を用いています。これらの構造は軟磁性材料で作られています。インタロゲータには、同極の永久磁石が2つ搭載されています。その結果生じる磁場は、中央にヌル空間を形成します。さらに、インタロゲータからの放射が用いられます。インタロゲータによって生成される磁場は、軟磁性材料がヌル空間にある場合を除き、軟磁性材料を飽和状態にまで駆動します。ヌル空間にある軟磁性材料は、インタロゲータからの放射と相互作用し、軟磁性材料の位置を特定します。50μm以上の空間分解能を達成できます。[18] [19]

表面弾性波

4進法で013というシンプルなSAW RFIDエンコーディングを示した図。最初と最後のリフレクタはキャリブレーションに使用されます。2番目と最後から2番目のリフレクタはエラー検出に使用されます。データは残りの3つのグループにエンコードされます。各グループには4つのスロットと1つの空きスロットがあり、その後に別のグループが続きます。

表面弾性波デバイスは、圧電結晶状のニオブ酸リチウムで構成され、その上に単層金属フォトリソグラフィー技術によってトランスデューサが作製されます。トランスデューサは通常、櫛歯状の2つの歯を持つインターデジタルトランスデューサ（IDT）です。IDTには、受信と送信のためにアンテナが取り付けられています。トランスデューサは入射した電波を表面弾性波に変換し、結晶表面上を伝搬します。表面弾性波は符号化反射器に到達し、一部の波は反射され、残りの波は透過されます。IDTは反射波を集光し、リーダーに送信します。応答は温度などの物理的パラメータの影響を受ける可能性があるため、最初と最後の反射器はキャリブレーションに使用されます。一対の反射器は、誤差補正にも使用されることがあります。反射は、IDTに最も近いものから最も遠いものに向かって大きくなり、先行する反射器による損失と波の減衰を考慮します。データはパルス位置変調（PPM）を用いて符号化されます。結晶は論理的にグループに分割され、各グループの長さは通常、帯域幅の逆数に等しくなります。各グループは等幅のスロットに分割されます。反射器は任意のスロットに配置できます。各グループの最後のスロットは通常未使用で、反射器用にn-1個の位置が確保され、n-1個の状態がエンコードされます。PPMの繰り返し周波数はシステム帯域幅に等しくなります。反射器のスロット位置は位相エンコードに使用できます。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します。[20]

容量調整型分割マイクロストリップ共振器

異なる周波数に調整されたダイポールアンテナのグリッドを採用しています。インタロゲータは周波数掃引信号を生成し、信号の低下をスキャンします。各ダイポールアンテナは1ビットをエンコードできます。掃引される周波数はアンテナの長さによって決まります。[21]

フレキソ印刷技術で印刷された紙チップレスタグ。

ここ数年、集積回路をシステム全体の中核とする電子機器をベースとした通信システムは、多くの改良が行われました。しかしながら、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ます。

最近、欧州研究会議（ERC）が資金提供しているScattererIDプロジェクト[22]などの新しい研究プロジェクトでは、チップレスラベルをベースとしたRF通信システムのパラダイムが導入され、新たな有用な機能を追加できるようになっています。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アプローチよりも多くの機能を提供することで際立つはずです。ScattererIDプロジェクトの目的は、チップレスラベルIDを、情報の書き込み・書き換え機能、IDをセンサー機能、IDをジェスチャー認識機能など、他の機能と関連付けることが可能であることを示すことです。

再構成可能で低コストのタグを設計する可能性には、ナノスイッチに基づく再構成可能な要素の実現を可能にする、マイクロエレクトロニクスの CBRAM の使用など、進歩の最前線にある独自のアプローチの開発が含まれます。

再構成可能なコンセプトに加えて、さらなる進歩は、データ密度の向上と、単一のチップレスRFIDタグ内へのセンシング機能の統合に焦点を置いています。Ratherらは、約4.8cmのコンパクトなタグサイズで最大18ビットの高データエンコード容量を実現すると同時に、同じ構造にセンシング機能を組み込んだ革新的な設計手法を提案しました。[23]この手法では、脱分極タグ構成と最適化された共振器形状を採用することで、高いスペクトル効率と堅牢な性能を実現し、同様の周波数帯域で動作するセンシング機構と組み合わせて達成された、報告されている最高のビット密度の1つとなっています。

参考文献

  1. ^ 無線周波数識別とセンサー：RFIDからチップレスRFIDへ、エティエンヌ・ペレ、Wiley-ISTE、2014年
  2. ^ Aliasgari, Javad; Forouzandeh, Mohammadali; Karmakar, Nemai (2020). 「周波数コード化タグ用チップレスRFIDリーダー：時間領域か周波数領域か？」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、概念、対策、Arnaud Vena、Etienne Perret、Smail Tedjini、ISTE、2016
  4. ^ チップレス RFID のための RCS 合成 - 理論と設計、Olivier Rance、Etienne Perret、Romain Siragusa、Pierre Lemaitre-Auger、ISTE-Elsevier 2017 年 7 月
  5. ^ 超広帯域技術向けチップレスRFIDリーダー設計、Marco Garbati、Etienne Perret、Romain Siragusa、ISTE-Elsevier、2018年2月。
  6. ^ RFエンコーディング粒子に基づくチップレスRFID - 実現、コーディングおよび読み取りシステム、Arnaud Vena、Etienne Perret、Smail Tedjini、ISTE-Elsevier、2016年8月。
  7. ^ ab Kracek, Jan; Svanda, Milan; Hoffmann, Karel (2019年11月). 「限定グランドプレーンを裏付けとしたダイポール共振器アレイに基づくチップレスRFIDタグのスカラー読み取り法」IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques . 67 (11): 4547– 4558. Bibcode :2019ITMTT..67.4547K. doi :10.1109/TMTT.2019.2918287.
  8. ^ ナディーム（2024年）「ハイブリッドDCNNによるデポラライジングチップレスRFID：様々な損失表面および形状におけるタグ検出の改善」IEEE Transactions on Antennas and Propagation . doi :10.1109/TAP.2024.1234567.
  9. ^ ナディーム（2024）「1D-CNN対応の脱分極チップレスRFID」IEEE Access . doi :10.1109/ACCESS.2024.8765432.
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  13. ^ 「紙文書のファイアウォール保護」RFIDジャーナル。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。
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  22. ^ ScattererID 有限サイズのターゲットからの広帯域散乱信号の解析と合成 - アスペクトに依存しない RF アナログ フットプリント、Etienne Perret、2018 年。
  23. ^ ナディーム（2024）「高容量・センシング対応チップレスRFIDタグの設計手法」IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques . doi :10.1109/TMTT.2024.9876543.
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