4、Somark微波可读电介质条形码——时域无芯片RFID标签典型实例

本文主要是介绍4、Somark微波可读电介质条形码——时域无芯片RFID标签典型实例，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

$\qquad$ 本文介绍一种时域无芯片RFID标签，Somark微波可读电介质条形码。这是一项耕耘、发展了近二十年，应用、推广了十余年，集若干高新科技和多门学科于一身的成功技术。对于Somark技术，本人知晓不久，钻研不深，只是心有所惑、左右求证，才对其核心技术和系统原理有所了解，现将它们条理化为三节内容供大家参考，包括：

Somark技术概述
微波可读条形码
胶状悬浮剂及其施用

文中内容尽量给出了出处。

Somark技术概述

$\qquad$ Somark是一家致力生物技术创新的美国公司，建立于2005 年，全称Somark Innovations。该公司在2005 年到2011 年间开发了一种基于生物相容墨水纹身的ID识别系统，最初应用于牲畜识别和跟踪行业，后来应用于实验动物研究领域。⁽⁶⁾

$\qquad$ 关于这个ID识别系统，Somark的发明专利(US20090039158)对其核心技术“可用微波信号读取的电介质条形码”的描述是：“它提供了一个系统和方法，可读取一个由电介质材料的图案形成的微波可读条形码。这种电介质图案，选择性地与一个询问微波信号产生共振或散射，与周围的介质形成强烈的微波对比。电介质条可以通过喷墨打印、注射、喷涂、描绘、或任何其他工艺制作。条形码信息使用不同长度、角度、或位置的电介质条进行编码。” ⁽¹⁾

$\qquad$ 由此，这项核心技术，如Somark公司的联合创始人Mark Pydynowski在2007年的一次采访中介绍的，“从概念上讲，你可以用镜子反射可见光的方式来考虑它。” ⁽²⁾实际过程略有不同，它依靠的是专门的电介质材料与周围介质对于微波信号强烈的共振或散射对比。它可以归属为一种时域无芯片RFID标签，在了解了这种条形码系统的工作原理后，这一点会更清楚。

$\qquad$ 发明专利US20090039158除声明了权利要求外，还具体描述了这项核心技术的四个方面：

这项发明所拟提供的系统和方法依赖的物理基础是什么？
如何应用新型电介质材料和周围介质，以类似于光学条形码的工作方式，形成可用微波信号读取的电介质图案；
制作电介质条的工艺原则；
编码电介质条信息的原则。

随后的“微波可读条形码”一节将比较详细地介绍它们。

图1. Somark的发明专利US20090039158

图1. Somark的发明专利US20090039158 ⁽¹⁾

$\qquad$ 应该清楚，上述第二个方面才是这项核心技术的关键，即用已经发现或发明的新型电介质材料和周围介质，合成出具有期望特性和满足特定应用要求的复合物。此类复合物，“当它们以一种空间方式加以施用时，能够编码成可远程检测的信息。它们具有适合用一个喷头或针式注射器等方式传输的液体特性。” ⁽⁴⁾ Somark的标题为“胶状悬浮剂”的发明专利(US20100163623)描述了如何“用一种颗粒材料、一种悬浮剂、以及一种稀释剂合成这样一种复合物”。还教授了“用此类复合物制成可读编码和应用此类复合物的方法，以及此类复合物的其他用法。”⁽⁴⁾

$\qquad$ 对我而言，这项发明专利涉及太多材料和化学方面的知识，无能深入分析和全面描述，只能在后面的“胶状悬浮剂及其施用”一节中，就此类复合物达成某些期望特性和满足某些特定应用的情况予以摘要，目的是满足自己的好奇心。

图2. Somark的发明专利US20100163623

图2. Somark的发明专利US20100163623 ⁽⁴⁾

$\qquad$ 2013 年，Somark公司申请了发明专利“动物标记装置、传输组件和有用的约束装置”(US20140128880)，声明了它的权利要求和描述了它的动物标记系统。基本上，动物标记系统由一个约束装置、一个控制装置、以及一个标记装置组成。标记装置包括固定长度的、由一个或多个针头组成的标记针；约束装置用于将一个动物或其身体部位约束起来，使得标记装置能够在它的一个基层部分上做出标记；控制装置被配置为将标记装置控制在指定位置。这份专利文档还描述了在公开的标记系统中所使用的介质传输组件。⁽⁵⁾

图3. Somark的发明专利US20140128880

图3. Somark的发明专利US20140128880 ⁽⁵⁾

$\qquad$ 2020 年，Somark公司申请了发明专利“微电子动物识别”(US20200404882)，这是系列相同标题发明专利中的最新一项。它“公开了用于微电子动物识别的装置、系统、以及方法。微电子动物识别装置包括：一个插入器，它被配置为将微电子芯片释放出去以及保持在插入器远端；一个致动器，它被配置为当插入器的远端插入一个动物身体部分的基层时，从插入器中释放出微电子芯片。微电子动物识别系统包括一个微电子芯片和传输系统、一个颜料标记装置、一个用于产生颜料标记的介质传输组件、一个组织样本装置、以及一个提供动物和所用材料可追溯性的数据管理系统。”⁽³⁾

图4. Somark的发明专利US20200404882

图4. Somark的发明专利US20200404882 ⁽³⁾

$\qquad$ 看来，Somark公司自2012 年开始致力的目标，成为实验室动物识别领域的领导者，提供动物保护/监管链完整性的解决方案⁽⁶⁾，在2020年基本达成了。当然，这个所谓的完整解决方案及其应用效果、规模、效益等等并不在本文讨论之列。本文今后如果对相关文档有所参考，主要是为了评论Somark微波可读条形码技术的应用特征、限制、或指标。

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微波可读条形码

$\qquad$ 本节介绍Somark的微波可读条形码系统和方法。如无特别说明，内容均参考自Somark专利文档US20090039158。⁽¹⁾

典型实现

$\qquad$ (1) 首先，提出和描述电介质条形码的一种典型实现。它是一个由一种电介质材料加工而成的图案，可以被一台微波装置读取。由任何电介质材料以任何形式形成的电介质条形码都在所设想范围内。例如，电介质条形码材料可以是墨水、粉末、或固体材料的形式。一个微波询问信号在周围介质中传播，并被其中的电介质条形码有效反射和/或吸收。与x-射线“阴影图像”类似，由电介质材料条形码组成的图案可以通过发射或反射微波辐射达到可视化。

$\qquad$ (2) 例如，在一个典型实现中，条形码由一种电介质材料形成。这种材料之中悬浮着一种高介电性的铁电材料。这种铁电材料的高介电性使得它在特定工作频率下，与铁电条形码周围的介质形成一种强烈的微波对比。

$\qquad$ (3) 再如，在另一个典型实现中，形成条形码的电介质材料是一种用化学方法合成的悬浮的细粉末。它们分散在适当的流体中以获得电介质墨水。一个图案由这样的墨水通过喷墨打印、注射、喷涂、描绘、或任何其他工艺制成。注射可用一个动力注射机构来完成，其中悬浮着细粉末的电介质材料将沉降在一个装置的塑料表面下方或动物皮肤层下方，以形成一个电介质条形码。适合用于悬浮在介电材料内以形成电介质墨水的列表包括但不限于：重金属、重金属盐、压电陶瓷、钛酸钡、铌酸钾钠、以及钛酸锆铅。金属纳米颗粒（例如，钛纳米颗粒）也适合用于悬浮在电介质材料内以形成条形码。

系统示意

$\qquad$ 图5示意了电介质条形码系统10的一个典型实例。系统10包括一个微波发射器11，它发射一个信号12，该信号12向外和朝向一个具有可读电介质元件16的物质15发出辐射。微波信号12具有波长13并被偏振为使E-场沿着垂直方向14。然而，波长和场偏振并不限于任何一个值或一个方向。有意义的频率为从约100 kHz到超过100 GHz的范围，并进一步可高达和包括太赫兹(10¹² Hz)频带。一个刚好高过卫星天线和移动电话工作频率（约90-100 GHz）到接近遥控器中使用的红外频率（约30 THz）的频率范围，更具体地说，约几太赫兹的工作频率，被认为是有益的。

图5. 电介质条形码系统示意图

物理基础

$\qquad$ 正如此领域技术人员容易理解的，在跨越频谱的不同工作频带上，一种特定电介质材料对于一个电场的扰动是变化的。例如，一种电介质材料，在一个工作频带上透明，在另一个工作频带上可能变得损耗很大。因此，在形成电介质条形码的电介质材料之内掺杂悬浮粒子可以优化感兴趣的特定工作频带的性能。这些悬浮粒子的密度应足以改变条形码材料的折射和反射特性，而又不致使条形码材料在工作频带内导电。

$\qquad$ 由于介电系数ε的影响，电介质材料中的电磁长度比真空中的短√ε。这种现象使电介质条形码大大小型化。例如，一个由介电系数ε约为1000的条形码材料构成的共振条形码，如果工作在10 GHz（3cm波长）下，尺寸仅为1毫米。电介质条形码在可见光谱中可以是透明或半透明的，但在微波中对比度很高。在一个用于标记动物的典型实例中，可将一种生物相容陶瓷作为制作电介质条形码的候选材料。生物相容铁电陶瓷可以作为在动物整个生命周期内不可降解的纹身注入动物皮肤下。

$\qquad$ 假设，在图5所示的典型实现中，可读元件16是一个由生物相容陶瓷形成的铁电条。为了使条形码共振和偏振对信号12的询问电磁波敏感，可读元件16的长度应为波长13的一半并且具有平行于方向14的轴。使用波长等于光速除以频率的公式，可以计算出读取各种尺寸电介质条形码元件所需的波长。于是
$λ=\frac{c}{ν}\qquad(1)$ 其中：λ = 波长（微米）；ν = 频率（赫兹）；c = 3×10¹⁴光速（微米/秒）。

$\qquad$ 进一步，可以计算出读取一个特定尺寸的电介质条形码元件所需的波长。对于一个在太赫兹工作频带中工作的典型实例，1.0 THz频率对应的波长为300 μm，它要求一个可读元件16具有150 μm的长度。对于在单个条形码中的多个可读元件，可读元件的间距为波长的一半。依据该信息，可以按以下公式计算一个微波可读条形码在本典型实例中的总宽度：
$W=N(\frac{λ}{2})+(N-1)(\frac{λ}{2})\qquad(2)$ 其中：W是以微米为单位的条形码宽度；N是形成这一条形码的可读元件的数目；λ是以微米为单位的波长。

$\qquad$ 于是，应用方程(2)，一个96-位的条形码标签的宽度为96×150 + 95×150 = 14400 + 14250 = 28650 μm =28.65 mm长。

$\qquad$ 有关物理和材料基础的进一步讨论参见随后一节。

时域扫描

$\qquad$ 图6示意了对微波可读条形码的一次时变读取。要解析一个维度大于1的标签（即应用2-维编码方案的标签），必须在可读元件之间建立起空间关系（例如：间隙）。为此，单个微波源可参考这个时间常数对标签区域进行扫描，来获得这个标签的一个2-维“图像”，然后对它进行处理以提取其中的信息。由此，通过采集与时间和位置相关的读数，可以重建这个条形码的一幅图像和提取它的信息。

$\qquad$ 对标签区域进行扫描有许多已知方案。例如，沿一个自由度方向（例如，方位角、垂直、滚动、俯仰、偏航）物理地转动连接到微波发射器11上的一根天线（未示出），可以移动发射信号12辐射在电介质元件组16上的信号峰值位置。或者，移动可以通过改变发射信号12的相位或频率，使得波束以空间关系对准电介质元件的位置来进行。这样的天线可以由一个单元阵列组成，控制各单元间的相位可以调整波束的空间位置。空间扫描一个发射信号的此类或其他实现及方法都在本发明的设想范围之内。

$\qquad$ 参考图5，当发射信号12撞击电介质元件16时，信号部分被散射、部分被衰减。信号12的散射部分18可由一个传感器20感测。传感器20本身可以是连接到发射器11的同一根天线，或者用与天线相同或不同的技术独立地实现。传感器20还包括一个能够对出现在电介质条形码中的编码信息进行解码的处理器。简单地说，传感器20可以用一根天线、一个处理器、以及一个输出接口等单独组件来实现。

$\qquad$ 如果传感器20接收到了一个散射信号，则它判定：存在一个可读的电介质元件。在这种情况下，传感器20产生一个预定的输出信号。在一个2-进制信息系统中，这个预定的输出信号指示存在一个可读元件，可以代表1或0。图5中还显示了一根比可读元件16薄很多的电介质条17。电介质条17将仅轻微地散射信号12。传感器20随后将舍弃该散射信号，从而产生另一个输出信号，例如0。当然，可能完全没有电介质条17。

图6. 电介质元件的时变读取

编码方案

$\qquad$ 尽管前面的讨论使用了2-进制信息（0和1），但这一技术并不限于某种编码方案。在另一个典型实现中，首先使用一根铁电条，它具有一定长度和/或方向，可以代表一个集合中的任一成员（例如一个字母或一个数字）。再使用一根电介质条，它具有另一长度和/或方向，可以代表该集合中的另一成员。而具有其他长度和/或方向的第三根及更多根电介质条可以代表其他成员，依此类推。通过改变发射信号12的波长和/或偏振，可以感测这些不同条形介质的长度和方向，从而识别出相应的集合成员。

$\qquad$ 图7示意了几类可读电介质元件的长度、宽度、方向、以及空间分布。它们都是这项技术能通过扫描来辨识的。

图7. 几类微波可读电介质元件

图案印制

$\qquad$ 可以应用喷墨打印技术来沉降由纳米电介质颗粒组成的电介质层和结构。这些电介质颗粒可以用化学方法合成和悬浮在合适的流体中。流体的流变参数可以针对喷墨打印进行调整。由此产生的微米级图案可以通过高可再现性和结构控制来获得。利用局部介质探针技术可以研究图案的电介质局部结构，等等。沉降的结构将具有一种链状自对准的电介质颗粒排列。这种快速通用工艺的潜在应用是，将中低密度的电介质颗粒存储图案产生在几乎任何类型的基材上，以及用于电介质字符识别目的。很容易实现以50-100 μm范围作为最小结构尺寸的印制图案。

附加说明

$\qquad$ 上述典型实例试图克服与常规识别方法相关联的问题。电介质条形码通过利用微波作为从标签中提取信息的方法来解决可读性问题。电介质条形码还解决了与结合RFID技术使用光学条形码相关的数据冗余问题。电介质条形码不仅可以被构造成利用光学读取系统，还可以构造成利用类似于要被远程识别的RFID技术的准光学系统，即在毫米波段工作的系统。电介质条形码还克服了数据分离问题。由于电介质条形码可以以与光学条码类似的方式直接嵌入或印制在对象上，而不是包含在附着在对象上的标签中，因此识别信息直接来自对象本身，而非来自放置在对象上的标签。

胶状悬浮剂及其施用

$\qquad$ 在“Somark技术概述”一节中已经提及，具有期望特性并满足特定应用要求的胶状悬浮剂是Somark ID识别系统的技术关键。本节将对Somark发明的胶状悬浮剂及其施用方法予以简介，重点放在颗粒材料的物理特性要求上。如无特别说明，本节内容均参考自Somark专利文档US20100163623。⁽⁴⁾

胶状悬浮剂

$\qquad$ Somark发明的胶状悬浮剂是一种复合物，由一种颗粒材料、一种悬浮剂、以及一种稀释剂合成。此类复合物具有适合用一个喷头或针式注射器等方式输送的液体特性。当将此类复合物以一种空间方式加以施用时，能够编码成可远程检测的信息。

$\qquad$ 此类复合物包含一种颗粒材料，它悬浮在一种由以下介质配方合成的载体中：
$\qquad$ ( a ) 一种具有一定悬浮浓度的悬浮剂;
$\qquad$ ( b ) 一种具有一定稀释浓度的稀释剂；
$\qquad$ ( c ) 一种液体；以及任选地
$\qquad$ ( d ) 一种或多种辅料；
其中所述的生物相容微波可读颗粒材料：
$\qquad$ ( e ) 在37° C的10 GHz到1000 GHz之间的一种或多种频率下，具有大于35的相对介电常数；
$\qquad$ ( f ) 具有约200 nm至约50 μm的质量平均直径；以及
$\qquad$ ( g ) 处于约1%至约50%的浓度下。

颗粒材料

$\qquad$ 于是，关键是发现或发明出一些材料，它们具有提升超级远程检测能力的特征。例如，已经发现一些颗粒材料具有高于35的介电系数，并能从介电、磁性、压电、金属和金属氧化物颗粒材料中挑选出来，用于合成此类复合物。此类材料的示例有石英、铁电、或钙钛矿、等等。

$\qquad$ 此类颗粒材料可以是一种高度抗电流的电介质材料，它们倾向于在其内部将施加的电场聚集起来。它们可以是固体、液体、或气体，但固体最常用。此类颗粒材料的一些示例包括陶瓷、瓷器、玻璃、矿物油、以及大多数塑料，其用途包括工业涂料、变压器、以及高压电容器。

$\qquad$ 用此类颗粒材料合成复合物对于形成一个“可读的”编码是有用的。例如：通过考虑条形码的介电系数可以估计出对于这个条形码的检测能力。然而，介电系数随着频率增加而减小。由于这一众所周知的电介质定律，人们最初预计，以足够高频率对一个图案进行解码的电磁辐射，将使得这些材料的相对介电系数降得非常低，导致它们不反射，因此无法使用。然而，人们后来发现一些材料具有很高的介电系数，并且即使在非常小的波长下，它们也能保持足够高的折射率来反射电磁辐射。这一发现使得电介质可读条形码成为可能。

$\qquad$ 需要克服的另一个问题是发现一系列有用的颗粒尺寸，它们同时满足若干技术特征的要求。例如，如果尺寸太小，则材料将具有流体迁移的不利特性，即沉降在基材之中或之上，之后又迁移的趋势。另一方面，随着颗粒变得非常大（例如，直径大于10 μm），颗粒物质更容易出现输送问题；例如，造成针头/或孔口堵塞。甚至，较小的颗粒需要较高的屈服应力来防止此类材料沉降。但现在令人惊讶的是，提供的颗粒材料的粒度范围允许配制成超过有用产品要求的成分。颗粒材料粒径的典型质量平均范围在约0.1 μm至约50 μm之间。

$\qquad$ 对于某些应用，为了提供足够大的穿透力，要求询问波长较低。另一方面，由于可读编码元件的直径要求约等于读取编码的辐射波长的一半，因此频率太低会导致编码元件太大。例如，300 MHz微波辐射（波长约1米）很容易穿透动物皮肤和所有覆盖物，但要求的可读编码太大而无法使用（直径为米级）。令人惊讶的是，已经发现，经过配方的颗粒材料验证了所需的介电性能，它们不仅能够响应足以提供所需穿透力的波长，而且依然有助于形成适当大小的可读编码。

$\qquad$ 还有，我们知道，在不同询问波长下，一个特定电介质材料对一个电场的扰动会发生变化。例如，在一个询问波长处透明的电介质材料，在另一个工作频带处可能损耗非常大。因此，对形成电介质编码元件的电介质材料内的粒子悬浮进行优化，能够改善特定工作频带的性能。这些悬浮剂的密度足以改变电介质材料的折射和反射特性，但不足以使它们在工作频带内导电。

施用实例

$\qquad$ 先贴出一款Somarkd最新产品的图片，作为了解随后施用实例的对照参考。

图8. Somarkd最新的施用于啮齿动物的RFID标签和注射器

图8. Somarkd最新的施用于啮齿动物的RFID标签和注射器（图片来源：mysensalab.com）

应用实例

$\qquad$ (1) 在一个实例中，通过喷射或注射复合物来形成一个条形码。喷射的一个例子是使用一台喷墨打印机。注射的一个合适示例是使用一台微针阵列注射器。

$\qquad$ (2) 在一个实例中，采用喷墨、注射、喷涂、描绘、胶印、以及蚀刻和回填等工艺，将复合物制成为一个可读编码，然后将它打印到一个基材上（例如：“标签”或“贴纸”），再放置一个对象上。实际的喷墨方法通过几道工艺来完成，包括：加压喷嘴、静电场、墨水喷嘴内的压电元件、以及用于气相气泡形成的加热器。

$\qquad$ (3) 在一个实例中，将复合物注射到一个动物皮肤之中或之下，以形成可读编码，例如：“纹身”。在一个实例中，纹身用手或借助专门装置来完成。复合物可以通过针头注射来施用。或者，注射用一台电动仪器来进行，该仪器具有多达14根针头，以每分钟15到30,000次的速度进行注射。该仪器以每分钟50至30,000次的速度将色素注入皮肤，深度约为0.2 mm至2 mm。永久性纹身将会更深地注入皮肤，例如：注入真皮或肌肉之中。为实现永久编码而应用的深度将根据应用纹身的动物而有所不同。

$\qquad$ (4) 在一个实例中，复合物被用于形成电路板组件和电子组件，包括：半导体、PN-结、MOSFET器件、存储器器件、电容组件、绝缘组件、微波屏蔽组件、电屏蔽组件、以及利用电介质、铁电压电、金属或热电材料的各种其他电子元件结构。

$\qquad$ (5) 复合物的其他用途包括微波屏蔽和印刷电路。用复合物进行微波屏蔽的示例包括：在一个放置有一台微波发射器的盒子内部涂抹上涂层，以防止微波逃逸出盒子。另一个示例是：用复合物覆盖一个芯片，以防止该芯片对周围电子设备产生辐射干扰。