Chương 2 THẺ NHẬN DẠNG TÍCH HỢP CHỨC NĂNG CẢM BIẾN
2.3. Cảm biến theo dõi chất lượng sản phẩm thịt
Trong phần này, chúng tôi chỉ mô tả một cách tổng quan về thẻ nhận dạng RFID được sử dụng như một cảm biến theo dõi chất lượng thực phẩm (thịt bò) chứ không đi sâu phân tích quy trình thiết kế, mô phỏng và chế tạoăng-ten sóng radio trên thẻ này.
Tại Phòng Thí nghiệm Công nghệ Nano – Đại học Quốc gia TP. HCM, quy trình thiết kế và chế tạo ăng-ten sóng radio cho các cảm biến RFID có thể được tóm tắt qua các công đoạn sau:
Trước tiên là công đoạn thiết kế ăng-ten và mô phỏng một số đặc tính của nó. Mỗi ăng-ten thường được thiết kế với dạng các hình học đặc biệt. Nó có kích thước nhỏ và là một khối thống nhất được tạo thành từ sự kết hợp giữa các thành phần đơn giản như chữ nhật, trụ, tròn v.v… (xem Hình 2.5). Sau khi thiết kế hình dạng, một mô hình ăng-ten hoàn chỉnh được đưa vào phần mềm CST Microware Studio để tiến hành mô phỏng. Nhờ đó, ta có thể biết được một số đặc tính quan trọng và đặc trưng cho mỗi ăng-ten như hệ số phản xạ S11 (Return Loss) và độ lợi (Gain). Kết quả của mô phỏng là đồ thị hệ số phản xạ theo các tần số khác khác nhau và đồ thị bức xạ năng lượng điện trường trong không gian 3D nhằm xác định tần số cộng hưởng trong dãy tần UHF, tầm đọc tương ứng ở tần số cộng hưởng và đánh giá chất lượng của ăng-ten [20].
(a) (b) (c)
Hình 2.5. Mô hình ăng-ten trên cảm biến RFID có mã số SO-01 (a), TO-01 (b) và TO-02 (c) được đưa vào mô phỏng trên phần mềm CST Microware Studio.
Kế tiếp là công đoạn chế tạo ăng-ten trong phòng sạch. Ăng-ten được chế tạo trên đế PET (Poly Ethylene Terephthalate - PET) có bề dày 80μm. Ưu điểm chính của vật liệu này là chi phí thấp trong khi vẫn giữ được tính chất cơ và nhiệt tốt. Đế PET không bị phân hủy khi nhiệt độ thậm chí lên đến 200 oC. Trong khi đó, dãy nhiệt độ trong khoảng từ 80 - 100 oC là đủ cao để thực hiện quy trình chế tạo các vi linh kiện. Nhiệt độ cao hơn một chút (khoảng 150 oC) có thể được áp dụng trong một thời gian ngắn (gần 5 phút) mà không gây ra ảnh hưởng nhiều đến tính chất cơ học của đế.
Ăng-ten được chế tạo trong phòng sạch (clean room) theo đúng quy trình chuẩn của Phòng Thí nghiệm (xem Hình 2.6). Để tạo ra sản phẩm hoàn chỉnh, nhiều kỹ thuật khác nhau đã được sử dụng như phún xạ lớp đồng trên đế PET bằng thiết bị Leybold Univex 350, quang khắc để tạo hình dạng ăng-ten bằng thiết bị Mask Aligner MJB-4/Suss Microtec, ăn mòn hóa học và mạ điện có điện cực sử dụng bể mạ Technic [9].
Hình 2.6. Quy trình chế tạo ăng-ten sóng radio trên cảm biến RFID tại Phòng Thí nghiệm Công nghệ Nano – Đại học Quốc gia TP.HCM.
Trong quá trình chế tạo, các ăng-ten được đánh giá chất lượng ban đầu thông qua các thông số vật lý như bề dày của ăng-ten đồng (được đo bằng thiết bị Dektak 6M của hãng Veeco, Hoa Kỳ) và điện trở suất bề mặt (được đo bằng hệ thống đầu dò 4 điểm QuadPro S302-8 của hãng Lucas Labs Division, Hoa Kỳ). Bề dày lớp đồng phải lớn hơn 6 μm (thông thường là trong khoảng từ 8 - 12 μm) để đảm bảo rằng ăng-ten có khả năng hoạt động tốt [9 – Chương 4]. Trong khi đó, điện trở suất khối của ăng-ten sẽ có giá trị dao động trong khoảng từ 2,1 – 3,5 μῼ.cm tùy thuộc vào chất lượng của lớp đồng ở các công đoạn trong quá trình chế tạo [9 – Chương 4].
Sau khi hoàn tất công đoạn chế tạo, mỗi ăng-ten được gắn thêm một nhãn AK Tagsys để tạo thành thẻ nhận dạng thụ động RFID UHF hoàn chỉnh (xem Hình 2.7). Thẻ này thường có kích thước khoảng vài chục cm2. Các thẻ nhận dạng thụ động này hoạt động ở dãy tần số UHF và phù hợp với các tiêu chuẩn quốc tế EPCglobal Class 1 Gen 2, ISO 18000-6C. Điều này cho phép người dùng có thể dễ dàng sử dụng các đầu đọc UHF trên thị trường để đọc, ghi hay thực hiện các thao tác khác trên thẻ.
(a) (b)
Hình 2.7. AK tagsys (a) được dán trên ăng-ten có mã TO-01 (b) để tạo thành thẻ nhận dạng.
TAGSYS bao gồm một ăng-ten cơ bản, bộ phận xử lý và bộ nhớ, được thiết kế và chế tạo nhằm dành riêng cho các ứng dụng RFID. Nhãn này phù hợp với tiêu chuẩn EPCglobal Gen 2, đồng thời là một sản phẩm kết hợp giữa hai yếu tố giá thành thấp và hoạt động hiệu quả với vai trò là một ăng-ten thứ hai khi được dán trên thẻ nhận dạng. Do có hiệu suất hoạt động thấp nên các nhãn này cần phải được kết hợp với một ăng-ten bổ sung nhằm làm tăng tầm đọc cho phù hợp với các ứng dụng trong thực tiễn. Tại LNT, có nhiều mẫu thiết kế ăng-ten khác nhau như SO-01, TO-01 v.v… đều có thể hoạt động tốt khi kết hợp với nhãn AK tagsys. Giải pháp này làm tăng tính khả thi của các ứng dụng RFID trong việc theo dõi và xác thực hàng hóa, đóng gói sản phẩm hay trong công nghiệp tự động hóa v.v…
Bảng 2.4. Các thông sốcơ bản của nhãn AK tagsys [21]:
Thông số Miêu tả
Tần số 860 – 960 MHz
Chế độ hoạt động Thụ động
Giao thức EPCglobal Clas s 1 Gen 2, ISO 18000-6C
Thông tin chip RFID UHF Gen 2, Monza 5 Bộ nhớ ePC: 128 bít Serialized TID: 96 bít
Loại đọc / ghi
EPCglobal and IS O 18000-6C Mã truy cập / khóa thẻ: 64 bít
Kích thước Nhãn: 20 mm x 20 mm (0.787 inch x 0.787 inch)
Chất liệu PETfilm, ăng-ten nhôm
Nhiệt độ hoạt động 0 - 40°C (32 to 104° F)
Trong ứng dụng trên thực phẩm, các thẻ nhận dạng sẽ được sử dụng như những cảm biến giúp theo dõi chất lượng của thịt theo thời gian bảo quản, đặc biệt là phát hiện được trạng thái hỏng của nó. Để tiến hành khảo sát, chúng tôi lựa chọn họ TO-01 trong số 3 họ thiết kế khả thi được sử dụng tại Phòng Thí nghiệm Công nghệ Nano là SO-01, TO-01 và TO-02 (xem Hình 2.8). Mỗi cảm biến sẽ bao gồm 2 cặp chip – ăng-ten (2 thẻ nhận dạng) được đánh mã là 55 và 61 để dễ dàng phân biệt. Như vậy, khi chúng được dán lên bề mặt của mẫu thịt bò (xem Hình 2.9), mỗi mẫu thịt sẽ được đặc trưng bởi hai mã số (ID) cụ thể lưu bên trong bộ nhớ của các con chíp RFID. Một điều đáng lưu ý là kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ cho thấy cặp 55 có cực đại theo phương thẳng đứng (Thêta = 0o) trong khi cặp 61 lại có cực đại theo phương ngang (Thêta = 90o) [12]. Như vậy, với việc sử dụng hai cặp cảm biến trên một mẫu thịt sẽ giúp tăng tính khả thi và độ tin cậy của ứng dụng.
(a) (b) (c)
Hình 2.8. Các cặp cảm biến RFID được đánh mã SO-01 (a), TO-01 (b) và TO-02 (c) dùng cho ứng dụng theo dõi chất lượng thịt trong quá trình bảo quản.
Hình 2.9. Cảm biến RFID được dán trên bề mặt của các mẫu thị bò trong quá trình bảo quản.