Desarrollo de capacidades sensoras en tecnología RFID

Resumen

Usualmente las etiquetas RFID son empleadas para identificación básica de objetos, pero en el contexto de Redes de Sensores Inalámbricos (Wireless Sensor Networks, WSNs) o del Internet de las cosas (Internet of Things, IoT) hay una creciente demanda de sistemas capaces no solo de identificar un objeto, sino de monitorizar las condiciones ambientales a las que está expuesto. Esta información es de un gran interés en una amplia variedad de aplicaciones como en las cadenas de producción o distribución de bienes, en la preservación de los alimentos empaquetados, en asistencia sanitaria o con propósitos de garantizar la seguridad de bienes. Para proporcionar esta información en tiempo real de los objetos, una alternativa a considerar sería la integración de sensores en etiquetas RFID, consiguiendo la meta de crear una red inteligente de RFID con capacidades sensoras. El rápido surgimiento en los últimos años de las técnicas de fabricación de electrónica imprimible ha propiciado el desarrollo de una nueva generación de sensores fabricados en substratos plásticos flexibles. Además de un gran potencial para reducir los costes de fabricación, los dispositivos impresos presentan ventajas como reducido preso, facilidad para ser enrollados, doblados o deformados, transparentes, de espesores muy finos, susceptibles de ser producidos a gran escala y capaces de adaptarse a la geometría del objeto en el que sería incluidos. En este trabajo las técnicas de impresión han sido utilizadas por un lado para la fabricación de etiquetas RFID de bajo coste y por otro lado para fabricar sensores impresos directamente en esta etiquetas. De esta forma se demuestra el concepto de etiquetas RFID sensoras en aplicaciones donde la información relativa al estado del objeto monitorizado sea de relevancia, demostrando así el potencial que presentan estos sistemas fabricados completamente mediante electrónica imprimible. Por lo tanto, el objetivo de este trabajo es el diseño, simulación, desarrollo y validación de etiquetas RFID para monitorización ambiental y empaquetado inteligente. Más aún, las etiquetas deben aportar características de valor añadido de forma que provean de información útil al productor, distribuidor, vendedor y/o consumidor final. En un primer capítulo, se han caracterizado dos procesos de fabricación mediante técnicas de electrónica imprimible: inyección por chorro de tinta y serigrafía. Distintas combinaciones de materiales y tintas han sido caracterizadas a través del diseño y fabricación de distintos patrones impresos. La finalidad es obtener por un lado las principales características geométricas y eléctricas para cada caso estudiado y por otro lado, establecer una comparación entre los distintos materiales en términos de rendimiento en radiofrecuencia para la fabricación de etiquetas RFID impresas. En el caso de impresión por chorro de tinta, dos tintas de nano partículas de plata, DGP y Suntronic, se han impreso sobre tres substratos diferentes, PET, PEI y PI. Adicionalmente, se ha mostrado un modelo simple para estimar el espesor en patrones impresos mediante esta técnica. Las medidas experimentales muestran una gran concordancia con los datos predichos por el modelo. El espesor obtenido con la tinta de plata DGP es de 0.105-0.180 µm mientras que con la tinta Suntronic es de 0.355-0.430 µm, si bien existen ligeras diferencias dependiendo del substrato empleado. Los resultados experimentales muestras que varias capas se pueden imprimir consecutivamente sin degradar la reproducción del patrón ni la rugosidad superficial obtenida. La resolución de esta técnica viene determinado por el diámetro de gota, ~50 µm para la tinta Suntronic y ~100 µm para DGP. La combinación de la tinta DGP junto con el substrato PEI presentan la menor resistividad, 8.6±0.8 mOhms·cm, comparado con el resto de casos analizados aunque el mejor resultado en términos de rendimiento, resolución y espesor alcanzado por una única capa impresa corresponde a la combinación de tinta Suntronic en substrato PEI, con una resistividad de 24.4±1.1 mOhms·cm. Más aún, se ha observado un incremento en la resistividad obtenido para patrones impresos con un espesor menor a las 0.3 µm, probablemente debido a un incremento de la contribución de los mecanismos de dispersión, el denominado "grain boundary scattering" que se produce en los fronteras de grano. En el caso de serigrafía, una única tinta ha sido impresa en los tres substratos propuestos: PET, PEI y PI. Para ello se han empleado mallas con distintas densidades, es decir, distinto número de hilos por centímetro. Los espesores obtenidos han sido 9.2 µm para 140 hilos por centímetro (h/cm), 19 µm para 90 h/cm y 30 µm para 43 h/cm. Los límites de impresión para serigrafía obtenidos experimentalmente son 800 µm en el caso de la malla de 90 h/cm y 600 µm para 140 h/cm. La resistividad mínima medida es de 39±4 mOhms·cm obtenida en los substratos PEI y PI. Como se esperaba, estos patrones con un mayor espesor presentan una resistencia laminar menor que la obtenida con inyección de tinta. Las resistencias laminares en el caso de serigrafía son 15.0±0.7 mOhms/cuadrado para 43 h/cm, 21±2 mOhms/cuadrado para 90 h/cm y 41±4 mOhms/cuadrado para 140 h/cm, mientras que en los mejores casos de inyección de tinta la menor resistencia laminar encontrada es de 54±6 mOhms/cuadrado (12 capas impresas con la tinta DGP) y 153±8 mOhms/cuadrado (4 capas impresas con la tinta Suntronic) ambas en el substrato PEI. No obstante, los patrones de serigrafía presentan peor resolución, bordes de los patrones impresos más irregulares y una mayor rugosidad superficial que los patrones fabricados mediante inyección. Para estudiar el rendimiento a las frecuencias de operación de la tecnología RFID, se han diseñado y fabricado líneas de transmisión de tipo coplanar con las distintas combinaciones de materiales y técnicas. Dichas líneas de transmisión se han fabricada en cada caso concreto con dos diferentes longitudes presentando los resultados finales como perdidas por unidad de longitud. Los resultados demuestran que en el caso de inyección, Suntronic presenta menores perdidas que DGP, demostrando que en el caso de patrones impresos solo el estudio de la resistividad no es suficiente para asegurar un buen rendimiento en radiofrecuencia. La printabilidad, es decir, la correcta reproducción de los patrones en términos de resolución y precisión, también juega un papel muy importante. La comparación entre substratos muestra el compartimiento esperado de acuerdo a la información de pérdidas indicada para cada substrato por los fabricantes: PEI presenta las menores pérdidas seguido de PI y PET. En resumen, se ha demostrado que el substrato PEI con la tinta Suntronic es la combinación indicada para la fabricación de antenas RFID mediante técnica de chorro de tinta mientras que en el caso de serigrafía ambos substratos, PEI y PI pueden ser empleados para este fin donde la elección de la densidad de malla determina la resolución y espesor obtenidos. Partiendo de la caracterización previa de ambas técnicas de fabricación, a continuación se han fabricado etiquetas RFID completas. Usando las condiciones óptimas de fabricación, diversas antenas RFID para las bandas HF y UHF han sido diseñadas, simuladas y validadas. En el caso de la simulación numérica, los parámetros introducidos en el simulador numérico son aquellos obtenidos en la caracterización previa de la tecnología de fabricación. Debido a la mejor printabilidad y mejor rendimiento en radiofrecuencia, la combinación de tinta Suntronic impresa en el substrato PEI ha sido usado para la fabricación de antenas por medio de chorro de tinta. Se ha presentado una optimización del proceso de curado, obteniéndose que los mejores resultados se producen cuando la temperatura de curado se eleva gradualmente desde la temperatura ambiente, ~25 ºC, hasta 180 ºC con una rampa de 3ºC/min. Los cambios abruptos de la temperatura de curado conllevan a que el solvente de la tinta no se evapore homogéneamente, acarreando problemas como el "coffee ring" en líneas estrechas o una gran rugosidad superficial. Para las antenas fabricadas mediante serigrafía, se ha usado una malla de 120 h/cm en substrato PI debido a su mejor printabilidad en comparación con otras densidades de malla. En el caso de antenas para la banda HF, el número de capas impresas de las bobinas fabricadas debe ser suficiente para obtener un espesor mínimo. El espesor logrado debe ser suficiente para no degradar el factor de calidad Q de la antena debido al alto valor de la resistencia serie asociada con el inductor. En nuestro caso particular, 4 capas impresas han sido suficientes para conseguir un factor de calidad de 1.68±0.12. Las antenas HF fabricadas mediante serigrafía con mallas de 90 h/cm y 140 h/cm obtienen mejores factores de calidad y, por lo tanto, mejor rendimiento como antenas RFID. En el caso de antenas UHF, se ha presentado una nueva técnica para la medida de la impedancia de entrada diferencial de dichas antenas. Esta medida es crítica en el diseño de las etiquetas UHF para garantizar la condición de máxima transferencia de potencia entre el chip RFID y la antena. Para realizar esta medida se han fabricado de forma personalizada una sonda diferencial con conectores U.FL y un kit de calibración SOLT para dicha sonda que, junto con un analizador de redes de gama media, permite obtener la impedancia de entrada a partir del estudio de los parámetros de dispersión (S-parameters). Para obtener dicha medida no es necesario ningún post-procesado de los datos obtenidos, pudiendo realizarse las medidas directamente. En todos los casos investigados, las medidas experimentales y las simulaciones numéricas muestran una gran concordancia y respuestas en frecuencia muy similares, si bien la parte real de la impedancia presenta mayores diferencias con los valores simulados que la parte imaginaria. Esto sugiere que la parte real de la impedancia es el factor crítico para obtener la condición de adaptación de impedancias y que una correcta caracterización de las resistencia laminar (resistividad y espesor) de las capas metálicas impresas conlleva unas resultados con menores errores. Dos diseños de antenas han sido mostrados, un dipolo tradicional con los brazos doblados para optimizar el área ocupada usando una inductancia SMD como red de adaptación, y un nuevo diseño compuesto por una estructura dipolo modificado en forma de pajarita junto con un inductor "loop" impreso para la adaptación. Ambos diseños de antenas presentan rangos de lectura comparables. En cuanto a comparación de técnicas de fabricación, las antenas serigrafiadas presentan rangos de lectura mayores que las realizadas por medio de técnicas de inyección aunque sufren de un rango ligeramente menor que las realizadas con cobre de 35 µm de espesor. En cualquier caso los rangos obtenidos de las antenas serigrafiadas son comparables a los de cobre. La razón para el menor rendimiento de las antenas inyectadas es su mayor resistencia laminar provocando que las perdidas óhmicas degraden las características de radiación de las antenas. De cualquier forma, las antenas de inyección pueden obtener rangos comparables siempre que se impriman suficientes capas para mejorar su rendimiento. En nuestro caso particular, la impresión de 20 capas conlleva a que el rendimiento entre las antenas de inyección y serigrafía sea equiparable, si bien la fabricación mediante técncias de inyección implica tiempos de impresión muy largos, en torno a varias horas. Una vez diseñadas y validadas las etiquetas RFID, la integración de sensores en dichas etiquetas se ha llevado a cabo mediante el diseño, prototipado y validación de distintas arquitecturas. Se han mostrado arquitecturas pasivas y semi-pasivas de bajo coste que pueden ser utilizadas para la integración de sensores en etiquetas RFID en distintas aplicaciones. La lectura de la información de los sensores se ha realizado mediante lectores RFID comerciales compatibles con los protocolos ISO o EPC, ampliamente usados en RFID. De esta forma no es necesario ningún lector RFID especial para estas aplicaciones. Primero, se ha demostrado como el uso de chips RFID junto con microcontroladores de ultra bajo consumo puede ser explotado para integrar sensores en las etiquetas. En un primer prototipo valores de temperatura y humedad ambiental han sido obtenidos de un sensor comercial STH15 por un microcontrolador, que se encarga también de almacenar esta información en el chip RFID gracias a la interfaz I2C que permite acceder a la memoria EEPROM. Se ha mostrado tanto la realización de la etiqueta en la banda HF en substrato flexible como el desarrollo del software necesario para el lector RFID para la correcta adquisición de los datos mediante el protocolo ISO15693. Ya en la banda de UHF se han presentado dos arquitecturas. Ambas hacen uso del chip RFID SL900A. Las configuración y acceso a las funciones especiales de este chip son controladas mediante comandos del estándar EPC Gen2. De forma similar el primer prototipo, un microcontrolador ha sido integrado junto con un sensor de presión ambiental MEMS. Las mejoras de esta arquitectura semi-pasiva frente al primer prototipo descrito son: menor número de componentes, empaquetados de los chips de menores dimensiones, una arquitectura integrada en una menor área y uso de baterías flexibles. La segunda arquitectura utiliza las ventajosas características del chip RFID SL900A para crear arquitecturas pasivas. Valores de temperatura y luz ambiental han sido obtenidos mediante una etiqueta RFID pasiva, sin necesidad de baterías. La etiqueta integra una antena tipo dipolo junto con un fotodiodo. Los valores de temperatura son obtenidos del sensor integrado en el chip RFID. El convertidor analógico-digital integrado también en el chip RFID es utilizado para medir la fotocorriente generada. Esta etiqueta representa una solución de reducido coste compuesta únicamente por un fotodiodo y un chip RFID como únicos elementos no impresos. Por último, se ha mostrada una aproximación al cosechado de energía o "harvesting". Una placa solar junto con la circuitería necesaria para el acondicionamiento de la señal entregada se ha integrado en un prototipo de etiqueta RFID en la banda UHF. Los beneficios frente a la solución sin "harvesting" han sido un rango de lectura de la etiqueta incrementado, incluyendo la correcta operación de las funciones sensoras. Además dicha fuente de energía puede ser aprovechada para alimentar las arquitecturas sensoras cuando las etiquetas RFID pasivas no están en presencia del campo electromágnetico radiado por el lector RFID y, por lo tanto, no pueden estar operativas. Como parte final de esta tesis, se han utilizado las arquitecturas previamente presentadas para la integración de sensores impresos en etiquetas RFID. Estas etiquetas, por lo tanto, integran sensores impresos y las arquitecturas RFID previamente descritas. Son dispositivos de bajo coste capaces de leer la información de los sensores impresos y transmitir esta información de forma digital usando comandos RFID estandares. De esta forma se demuestran las ventajas de esta aproximación en el campo de investigación de etiquetas RFID con capacidades sensoras. Se ha fabricado y validado una etiqueta RFID semi-pasiva para la determinación de la concentración de oxígeno. Una membrana sensible al oxigeno es excitada ópticamente por un LED mientras que un detector de color analiza la intensidad de la señal generada por luminiscencia en dicha membrana. El sistema es de alta resolución y con un tiempo de vida largo permitiendo al usuario (productor, distribuidor, vendedor o consumidor) monitorizar el contenido de O2 dentro de un contenido empaquetado. La lectura del oxígeno es realizada mientras el paquete permanece completamente cerrado sin necesidad de perforaciones para sondas. Además la alta resolución conseguida permite detectar concentraciones de oxigeno muy bajas, en torno a 40 ppm de O2 con un error del orden de 0.01 ppm de O2. La deriva térmica del sensor ha sido estudiada y corregida gracias al sensor de temperatura integrado en el chip RFID. Por lo tanto este sistema está especialmente indicada para aplicaciones de envasado inteligente donde la atmosfera haya sido modificada para que la concentración de oxigeno presente sea extremadamente baja. Se han fabricado y caracterizado dos etiquetas RFID UHF para la medida de humedad relativa en el ambiente. Las etiquetas han sido completamente impresas sobre una poliamida, Kapton HN, cuya permitividad eléctrica se incrementa con la humedad. Dos tipos diferentes de sensores capacitivos, fabricados por inyección y serigrafía respectivamente, han sido caracterizados completamente en temperatura y humedad. Los valores de capacidad son obtenidos por el chip RFID SL900A. Aparte del chip RFID, la arquitectura está formada por una antena dipolo impresa por serigrafía, una inductancia SMD como red de adaptación y una capacidad SMD de referencia necesaria para la medida de la capacidad. Ambas etiquetas presentan una arquitectura pasiva con un único chip, capaz de devolver a un lector RFID estándar valores de humedad y temperatura ambientales de forma digital (10 bits) usando comandos EPC Gen 2. La etiqueta con los sensores impresos por inyección está formada por 12 estructuras serpentinas en paralelo mientras que la etiqueta fabricada por serigrafía por 6 estructuras interdigitales. El número de elementos que componen estos arrays ha sido elegido parar alcanzar un valor nominal de capacidad en torno a 30 pF. La etiqueta con los sensores fabricados por inyección presenta un mejor rendimiento que la etiqueta fabricada por serigrafía. La primera cubre un rango de 800 cuentas de las 1024 posibles para un cambio de humedad relativa del 37% al 70%. La segunda cubre un rango de 220 cuentas de 1024 posibles para un cambio de humedad relativo del 57% al 86%. Entre estos valores de humedad la resolución y el rendimiento obtenidos son aceptables, fuera de estos límites se ven degradados. La diferencia obtenida entre las etiquetas puede ser explicada por el distinto número de dispositivos, 12 en el caso de inyección y 6 en el caso de serigrafía, que afectan directamente a la sensibilidad de cada arrays de sensores. La diferencia en el rango de humedad obtenido puede explicarse por el distinto valor de la capacidad de referencia usada, 36 pF para los sensores fabricados por inyección y 39 pF por serigrafía, por lo que este valor podría ser escogido para monitorizar un rango de humedad concreto. La falta de rendimiento fuera de estos rangos puede ser explicada porque las interfaces del chip RFID capaces de medir sensores no están diseñadas específicamente para medir capacidad, sino que son de propósito general. La desventaja de la aproximación con sensores impresos por inyección es la necesidad de usar dos técnicas de fabricación distintas elevando la complejidad de la fabricación con más procesos de sinterizado y necesidad de alineamiento. En cambio, la etiqueta por serigrafía se realiza con un solo paso de fabricación aunque el área ocupada por los sensores es mucho mayor. Por lo tanto dependiendo de los requerimientos de sensibilidad y área uno de las dos aproximaciones sería la más adecuada para una aplicación en concreto. Una etiqueta RFID en la banda de HF ha sido estudiada como sensor de humedad umbral. La idea es estudiar el cambio en la frecuencia de resonancia de la etiqueta pasiva (sintonizada en 13.56 MHz) al introducir en el circuito LC resonante los señores de humedad capacitivos. Sintonizando apropiadamente las etiquetas se podría conseguir que estas etiquetas fueran detectadas por un lector RFID solo si la humedad relativa es inferior o superior a un valor umbral. Para ello primero se ha estudiado el comportamiento en frecuencia de las inductancias fabricadas tanto por inyección como por serigrafía para distintos niveles de humedad relativa. El cambio en el valor nominal de las inductancias a distintos niveles de humedad ha sido despreciable pero los factores de calidad de las bobinas se ven seriamente afectados, posiblemente debido a un aumento de la resistividad de la capa de plata impresa con la humedad relativa. Este efecto se aprecia aun de forma más severa en la bobina fabricada por inyección, por lo que se rechazó esta opción para la etiqueta final. A continuación, se llevó a cabo la caracterización de una etiqueta RFID completamente fabricada por serigrafía, incluyendo un sensor interdigital capacitivo como capacidad sensora y el chip RFID ya conectado. Esta etiqueta mostró un cambio de la frecuencia de resonancia de 100 kHz para el rango completo de humedad relativa estudiado. En las mismas condiciones pero con un array de sensores serpentina fabricado por inyección como capacidad sensora en lugar del sensor interdigital serigrafiado, el cambio de resonancia fue de 300 kHz. Se concluye que es necesario un estudio en mayor profundidad para sintonizar las etiquetas en las frecuencias deseadas para valores concretos de humedad, si bien se ha obtenido un significativo cambio en la frecuencia de resonancia fácilmente detectable. De hecho, este último diseño podría ser utilizado como un sensor de humedad de tipo resonante. Se ha diseñado y fabricado una etiqueta UHF RFID pasiva impresa directamente en una caja comercial de mensajería. La etiqueta presenta una arquitectura pasiva con un único chip RFID, SL900A, siendo capaz de adquirir de forma digital los valores de varios sensores. Dos sensores resistivos se han usado en este ejemplo. Uno es un sensor de fuerza directamente integrado en la parte superior del empaquetado y cuya función es detectar el peso depositado encima del paquete. El segundo es una línea de plata impresa atravesando la línea pre-perforada de apertura del paquete y cuya función es detectar si este ha sido abierto. Para conectar ambos sensores al chip RFID, que en principio es hábil para conectar un único sensor, se ha diseñado e integrado un conmutador simple en el diseño. Se ha validado el correcto funcionamiento de la etiqueta, si bien el sensor de peso está más indicado para operar como sensor umbral que para adquirir medidas absolutas. Así pues, el objetivo principal de esta tesis, la creación de etiquetas RFID de bajos costes capaces de proporcionar información de sensores para monitorización ambiental o empaquetado inteligente, ha sido conseguido. Se han mostrado varias etiquetas capaces de medir parámetros ambientales de gran interés en una gran variedad de aplicaciones como temperatura, humedad, luz ambiental o presión atmosférica Además, se ha mostrad el diseño de una etiqueta para la medida de concentración de oxígeno en atmosferas modificadas, con una gran resolución para concentraciones bajas de este gas, por lo que es altamente recomendable en aplicaciones de empaquetado inteligente. En definitiva, estas etiquetas RFID abren nuevas vías para el desarrollo de Redes de Sensores con tecnología RFID.