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三點測試 (3-Point Test): RAIN RFID標籤品質管理與實際測試案例

RAIN RFID也可以稱為UHF RFID或是EPC RFID,它是一個將數十億日常用品連結到網路的技術。在2020年,RAIN RFID標籤的產量已經超過了210億張,並且在2021年達到280億張。我們看到這股強勁的成長趨勢仍然持續著,所以增加標籤產能是必然的,這也表示RAIN RFID產業:

  • 需要更多的生產機器設備

  • 單道(single-lane)生產標籤機器需轉換成多道(multilane machine)生產

  • 生產機器的產線速度(lane speed)必須提高

與此同時,RAIN RFID的使用者已經開始把更多的心力轉移到標籤的品質,在這一篇文章中,我將分享Voyantic的經驗和對RAIN RFID標籤品質管理與測試的看法:

  • 在RAIN RFID標籤製造中,規劃品質測試的基本要素是什麼呢?

  • 目前RFID標籤品質測試最好的實際案例是什麼呢?


好的製造品質對於RAIN RFID標籤意味著什麼呢?

好的RAIN RFID製造品質或許可以定義成:〝生產的 RAIN RFID 標籤沒有瑕疵〞,這個定義看似容易理解,但它並沒有提供太多實際的訊息與幫助,而且時常造成誤導。有時候〝沒有瑕疵〞可以被解釋成〝標籤可以被讀取到〞,但這會產生問題。譬如,當 RAIN 標籤品質開始產生變化時,它們的讀取範圍會逐漸縮短,到最後標籤才變得完全讀不到。所以比較好的定義應是 "所有生產的RAIN RFID標籤,它的啟動功率(或靈敏度)皆控制在規定的差異內〞,以下讓我來進一步解釋:

  • 標籤靈敏度(Tag sensitivity) 說明啟動一個標籤需要多少能量,它也是用來描述標籤性能的特徵。 例如,如果標籤的讀取距離發生變化,其靈敏度也會隨著改變。 如果標籤在不同方位的場型(不同角度的讀取距離)發生變化,則靈敏度也會發生變化。 此外,如果標籤的反應強度(反向散射)發生變化,則靈敏度也會發生變化。簡而言之,標籤性能的任何變化都可以看作是標籤靈敏度的變化, 或者反過來說,如果有兩個不同的標籤,他們的靈敏度相同,那麼它們在各個方面的表現都會相似。

  • 差異(Variation) 對應到的是標籤性能一致性, 每款標籤依不同應用的需求,其天線設計都不一樣,譬如,有些標籤的靈敏度刻意設計較低(或較短的讀取距離)。 因此,在生產該標籤時,確保每張標籤性能的一致性就變得很重要。

  • 範圍之內(Within set limits) 的設定意味著標籤性能一致性差異的規範或是檢測標準。有一些RAIN RFID應用需要精確的讀取範圍,譬如,在傳送帶上移動的標籤,經過讀取器時,讀取範圍需限制在1公尺內,這樣讀寫器就不會讀到其它標籤的風險(讀到不在該傳送帶上的標籤)。 有一些應用則容許較大性能差異,譬如,裝在汽車上的eTag,1-2公尺的性能差是可以被接受的。

好的RAIN RFID 製造品質應當是 "所有生產的RAIN RFID標籤,它的啟動功率(或靈敏度)皆控制在規定的差異內〞,這樣的定義在標籤生產管理和標籤實際應用時才有意義。


那麼RAIN RFID的射頻性能是什麼意思呢?

從實際應用的觀點來看,RAIN RFID的射頻性能包含:

  • 標籤的讀取距離

  • 在不同的角度下,讀取距離的變化

  • 標籤貼在物品上的性能變化

在一般標籤的規格書裡,描述性能通常會用圖表來呈現:

  • 具有方向性的射頻性能(Orientation Sensitivity),顯示了標籤對於讀寫器在不同角度下讀取性能

  • 臨界值(Threshold)曲線顯示了標籤在不同頻率點上的靈敏度,也就是標籤需要多少能量才可以被激活。當然我們也可以把臨界值(Threshold)曲線用讀取距離(Y軸)來呈現,如下圖。


Picture: Threshold sweep and orientation graphs from Tageos EOS-500 datasheet

優質的製造品質意味著所有生產出的標籤會都具有類似的方向場型圖和臨界值(Threshold)曲線,對於製造廠來說,好消息是不需要在實驗室裡量測每一個標籤其性能是否彼此相似(實驗室儀器量測每個標籤需約10-30秒時間)。其實在生產線上,我們可以用最少的測試程序和時間達到實驗室量測的效果。


如何在生產線上執行RAIN RFID標籤品質測試呢?

首先我們要清楚了解,沒有單一測試方式可以套用到所有標籤品質檢測。但是,RAIN RFID產業似乎正在朝著以下的測試方法演進中:

  1. 近距離標籤遠場性能測試 Far-field performance of the tag is tested in close proximity

  2. 有效區分好標與壞標的測試項目 Test recipe that separates good and bad tags efficiently

  3. 避免誤讀相鄰標籤 Cross reading is reliably prevented

上述測試方法看似簡單,但是有許多細節需要留意,讓我們進一步的探討。

1. 近距離標籤遠場性能測試

在生產線上,標籤與標籤之間的距離是非常靠近的,因此在實際測試時,測試設備需要非常近距離的讀取標籤以防止誤讀到其他相鄰標籤,與此同時,標籤測試的目的是要能夠測試出標籤遠場的性能。一般市場上使用的近場天線(near-field antenna)是沒辦法解決這個問題。Voyantic已在多年前開發出一款專利產品Snoop Pro 耦合元件(Coupling Element),它可以在非常近的距離下測試出標籤遠場的射頻性能。


2. 有效區分好標與壞標的測試項目

在產線上將好標與壞標區隔出來是管理品質的基本的要求,但是,如何有效率的做到呢? 特別是在生產線上,標籤在機器上是以非常快的速度移動。目前最好的方法是建立所謂的 "三點測試","三點測試"項目包含了:

  • 在一定的頻率範圍內,選擇三個不同頻率點各自建立測試項目(這也是三點測試名稱的由來)

  • 檢測每張標籤的靈敏度,差異要控制在3dB以內(+/- 1.5 dB)

  • 收集標籤的EPC (或是TID)碼

以下案例是建立測試項目的方法:

  • 在標籤共振(低/高)頻率點各自設定測試項目,譬如在868MHz和995MHz頻率點處。另一測試點可以設在930MHz,這 "三點測試" 的頻率範圍,建議要大於100MHz,參閱下圖。

  • 選擇其中一頻率點(868MHz_黃色)執行靈敏度測試(sensitivity test),並設定標籤的性能差異(上限與下限)需在3dB以內。靈敏度測試可收集每張標籤的啟動功率數值。

  • 選擇其中一頻率點(930MHz_紫色)執行inventory指令以讀取標籤EPC。

  • 選擇其中一頻率點(995MHz_綠色)執行點測試,將壞標挑出。

  • 以上 "三點測試" 之功率設定,要能確保每張好標(出貨標籤)的靈敏度差異是在3dB(或是+/- 1.5 dB)內。

搭配Voyantic Tagsurance 3系統,上述"三點測試"是目前RAIN RFID行業常用的標籤測試方法。

Picture: recipe as seen in the Tagsurance recipe builder

在上圖中所呈現的曲線為標準標籤的參考曲線或是臨界值曲線(threshold sensitivity curve)。


3. 避免誤讀相鄰標籤

當一個標籤被認為成功讀取時,但實際上卻是讀到相鄰的其它標籤,這就是我們說的誤讀現象。在一般多標籤的RAIN RFID應用中,讀寫器會盤點所有標籤,讀取的速度可以來到一秒鐘100張以上。但在生產線上,要進行標籤品質測試時,一次只能讀取一張標籤,而且還要確保測試結果是來自當下測試的標籤,即使另外一個標籤只距離當下測試標籤幾毫米遠。此外,讓測試變得更複雜的另一原因是標籤是在高速移動下進行測試。


Voyantic的Snoop Pro耦合元件可以完全防止標籤被誤讀,Snoop Pro包含了一個屏蔽鐵蓋,這個屏蔽鐵蓋的開槽大小要根據Inlay的天線尺寸和間距(pitch)來決定,這個解決方案可確保不會有誤讀的情況發生。

從製造的角度來看,還有2個注意事項須補充。


4. 速度

標籤生產必須考量到產線速度(Speed)、產能(Capacity)和品質(Quality)之關聯性,RAIN RFID標籤品質的檢測不應該成為生產的瓶頸,假設機器設備的產能會受到標籤品質檢測的影響,這將增加標籤供應商的品質成本。Voyantic Tagsurance 3 系統就是設計要整合在高速且連續移動的標籤生產機台上,如標籤覆合機(converting)和覆晶(bonding)封裝機,讓標籤品質檢測不會成為產能的瓶頸。


5. 自動化

RAIN RFID標籤會在不同種類的自動化機器上大量生產,但因目前市場上的應用都會要求100%標籤成功讀取率,所以,抽樣檢測標籤性能品質已無法滿足市場需求,現在標籤供應商必須在生產標籤時就進行標籤性能100%檢測,因此,測試系統需能夠輕易地整合到行業內所有生產RAIN RFID標籤的自動化機器上。Voyantic Tagsurance 3 系統的另一項優勢就是整合非常簡易,標籤供應商可自行安裝Tagsurance 3


有哪些品質標準或是規範可以遵循的呢?又或是品質的認證呢?

一般常看到的品質標準與執行的依據,像是ISO9000系列的標準和six sigma都可以被應用在RAIN RFID標籤產業,但是這些標準並沒有針對標籤品質提出任何實質的建議和定義出相關的品質規格。好消息是,RAIN RFID標籤品質測試定義已經在行業中出現了,上述所提到的"三點測試"和標籤的靈敏度控制在3dB以內,都是非常好的例子。


此外,美國ARC RFID實驗室已為全球UHF RFID/RAIN RFID的inlay製造商提供了品質認證服務,在標籤生產線上使用 Voyantic Tagsurace 3系統並和建立"三點測試"規範將可滿足ARC認證的要求。


靈敏度3dB的差異和"三點測試"並不是固定不變的,有些時候要視狀況和需求做調整。如果RFID用戶需要非常小的讀取誤差,那麼就必須把標籤靈敏度的差異調整到可以接受的範圍或變得更嚴謹。但有些應用案例,較大的讀取誤差反而對於客戶來說是比較好的選項。


三點測試影片


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