• No results found

Printed electronics: Implementation of WORM memory in a RF-antitheft system

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "Printed electronics: Implementation of WORM memory in a RF-antitheft system"

Copied!
85
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

Tutors: Dr. Johan Sidén, MIUN, johan.siden@miun.se MD Mikael Gulliksson, Sensible Solutions, mikael.gulliksson@sensiblesolutions.se

Study programme: Civilingenjör IT inriktning elektronik, 270 p Scope: 12307 word inclusive of appendices

Date: 2009-02-19  

 

M.Sc. Theses within Electrical Engineering D, 30 points

Printed electronics

Implementation of WORM memory in a RF-antitheft system

Krister Hammarling

(2)
(3)

 

Abstract

Current  printable  memory  technology  are  not  suited  for  mass  produc‐

tion.  With  new  inexpensive  printed  memory,  it  will  be  possible  to  manufacture  cheap  surveillance  tags  that  are  capable  to  tell  the  user  if  something  has  happened  within  a  timeline.  This  project  is  within  the  ITC  FrameProgram  7  founded  project  PriMeBits.  The  goal  is  to  imple‐

ment a write once read many memory (WORM) onto an RF‐tag together  with  a  sensor  that  can  sense  wetness,  which  can  be  detected  by  EAS  antitheft  systems.  Pre  researches  have  been  done  in  the  fields  printed  capacitance,  coils  and  WORMs,  all  printed  with  silver  ink.  Before  implementation of a WORM onto a tag simulations and laboratory tests  with adjustable resistances were made. Two different circuit models are  simulated  and  tested.  When  connected  to  a  tag  and  the  WORM  is  un‐

programmed,  the  EAS  system  should  not  trigger  an  alarm.  But  if  the  WORM is programmed by the sensor, the alarm should trigger. Results  show  that  capacitances  and  WORMs  are  printable  with  this  technique  but coils are not due to high inner resistance. The simulations show that  a tag built as an LCCR‐circuit is the best choice. This is also confirmed  with tests done with real resistors. With WORMs connected to a tag the  results show that approximately 70% of them work as intended, this is  because  the  WORMs  as  of  now  are  not  completely  developed.  The  conclusion  of  this  project  is  that  it  is  possible  to  implement  a  WORM  onto  a  tag  with  further  research,  to  make  an  inexpensive  surveillance  tag. 

Keywords: WORM, Resonance circuit, RF‐tag, EAS, Surveillance   

(4)

     

(5)

 

Acknowledgements

I would like to thank all the people that have helped me in this project. 

Especially Johan Sidén and Jinlan Gao who had to put up with all the  alarms that went of during my tests. 

Thank you all 

(6)

 

(7)

 

Table of Contents

Abstract ... i

Acknowledgements ...iii

Terminology... vii

1 Introduction ...1

1.1 Background and problem motivation...1

1.2 Overall aim...2

1.3 Scope ...3

1.4 Concrete and verifiable goals ...3

1.5 Outline ...4

1.6 PriMeBits project details ...5

2 Theory ...7

2.1 LC‐circuit...7

2.2 RF‐tag...8

2.3 EAS Radio frequency system ...10

2.3.1 General operating principle of an EAS system  11 2.3.2 Dual antenna systems  14 2.4 Sintering process ...17

2.5 Kapton® ...17

2.6 Silver ink...18

2.7 Material printer ...18

2.8 Antitheft system ...18

3 Pre research ...19

3.1 Printed capacitor ...19

3.1.1 Printed capacitor on photo paper  19 3.1.2 Printed capacitor on Kapton  20 3.2 Printed flat spiral inductor ...20

3.2.1 Coil on photo paper  21 3.2.2 Coil on Kapton  22 3.2.3 Coil calculated from ink specification  22 3.3 Printed WORM(s) ...23

3.3.1 WORM programmed with current  24

3.3.2 WORM programmed with water  26

(8)

 

4 Implementation ...29

4.1 Simulations...30

4.1.1 Simulation of WORM in series of the tag (LCR)  30 4.1.2 Simulation of WORM in series with 2 capacitances of the tag  (LCCR)  32 4.1.3 Comparison of LCR‐circuit with WORM in series with the tag  and LCCR‐circuit with WORM in series with 2 capacitances of  the tag  36 4.2 Laboratory tests with adjustable resistances...37

4.2.1 Test of LCCR‐circuit with adjustable resistor  38 4.2.2 Test of LCR‐circuit with adjustable resistor  42 4.3 Connecting WORM and tag ...43

4.3.1 WORM connected in series on a tag  43 4.3.2 WORM on a double capacitance tag  44 5 Results ...47

5.1 Printed capacitors and coils...47

5.1.1 Printed capacitance  47 5.1.2 Printed coil  47 5.2 Simulation results ...48

5.3 Results with adjustable resistor on the tag...49

5.4 Results from tag with WORM connected...49

6 Conclusions...53

References...57

Appendix A: Test results from manufacturing and programming  WORMs for current programming ...59

Appendix B: Test results from manufacturing and programming  WORMs for water programming...69

Register ...74

(9)

 

Terminology

Acronyms / Abbreviations

2D  Two dimensional  

EAS  Electronic Article Surveillance  EMF  ElectroMotiv Force 

ID  Identification 

IEEE  Institute of Electrical and Electronics Engineers  ITC  Information and Communication Technologies  LC‐tag  Inductor‐capacitor resonant circuit 

LCR  Inductor‐capacitor‐resistance resonant system 

LCCR  Inductor‐capacitor‐capacitor‐resistance resonant system  Q‐factor  The quality factor 

Q‐value  The quality value 

RF  Radio Frequency 

WORM  Wright Once Read Many 

(10)

         

(11)

 

1 Introduction

This project is about implementing state of the art printable low voltage  non‐volatile memories in RF‐tags. These memories so called Write Once  Read  Many  (WORM)  memories  is  now  under  development  under  the  ITC FrameProgram 7 founded project PriMeBits. Quote from the PriMe‐

Bit project description: 

In the PriMeBits project, a printable electric low voltage nonvolatile  memory  is  developed  for  printed  sensor,  media  and  wireless  ID  applications.  The  main  strategy  is  to  utilize  printed  technology  where  it  has  a  competitive  advantage  compared  to  silicon  technology.  The  project  builds  on  basic  research  of  new  materials  and  components  and  takes  the  results  into  prototyping  of  new  applications [1] 

 

Therefore in this project I will use this WORM technology that are under  development and combine it with standard technology found in today’s  market,  to  prove  that  it  is  possible  to  implement  the  new  technology  with a low cost, and that it may have a purpose in the modern society.  

To achieve this I will first study the WORMs and the theory behind an  antitheft system. Then simulate different approaches to the problem and  last build a real tag with a WORM connected to it, based on the results  from pre‐studies, simulations and laboratory tests. 

1.1 Background and problem motivation

Current printable memory technologies are not suited for mass produc‐

tion. They have several properties and other areas where improvements  can be achieved. Properties like i) need for high voltage and current for  programming ii) short lifetime iii) poor temperature stability iv) chemi‐

cally reactive materials needing encapsulation and/or v) time consuming  temperature  annealing  steps in fabrication. Therefore the need for new  better  printed  memories  is  mandatory,  if  they  are  to  compete  with  silicon technology. [1] 

In comparison to silicon technology a cheap and durable printed mem‐

ory  has  the  advantage  in  several  areas.  Such  areas  include  disposable 

(12)

 

sensor  probes,  large  area  sensor  functions  and  combined  printed  read  only and read‐and‐write memory structures. [1] 

With new inexpensive, stable and durable printed memory, it is possible  to for example manufacture surveillance tags that are capable to tell the  user if a “one time trigger event” has happened, since the last reading of  the  tag.  It  can  be  used  in  for  example  shipping  in  combination  with  different  sensors.  Where  each  container/box  may  have  its  own  sen‐

sor/sensors.  Then  it  will  be  possible  to  pick  out  one  specific  con‐

tainer/box, for which a “trigger event” has happened. 

This  technology  can  then  be  used  as  a  complement  to  today’s  normal  quality checks in several areas. These areas can be but not exclusive to: 

transport,  food,  packaging  and  built  in  sensors  (for  ex.  houses,  boats,  cars etc.). As better and more accurate quality check may be done, it can  save resources, time and money in many areas. If these printed memo‐

ries  are  implemented  and  used  in  the  right  way,  then  these  printed  memories can help us save global resources, help industries to become  more  effective  and  the  consumer  will  know  that  the  product  bought  holds a certain standard. 

As  a  step  to  achieve  this  I  will  in  this  project  combine a standard anti‐

theft system tag normally used in supermarkets, with a printed WORM. 

This will in it self prove that there are potential markets for these types  of  sensors,  especially  if  this  technique  can  be  used  with  already  devel‐

oped  techniques.  Which  will  greatly  reduce  developing  costs  and  time  to market. 

1.2 Overall aim

The goal for this project is to build small scale prototype packaging tag. 

With  the  use  of  radiofrequency‐tags  (RF‐tags)  with  printed  WORM‐

memory and a sensor. This new tag should then be able to detect if some  packages  have  been  “submitted”  to  something  that  it  should  not  have,  for  example  water.  It  can  then  be  seen  as  an  automatic  detector,  for  example  for  frozen  food  boxes,  where  the  food  has  un‐freezed,  even  if  during the freight time it has been refrozen. 

In  the  future  the  tag  is  not  limited  to  sensing  wetness,  this  was  an  example of one among several sensors that could be attached to the tag. 

(13)

 

It is up to the market and engineers to come up with different uses for a  system that uses this “tag with WORM” technique. 

How  the  tag  is  programmed  whether  it  is  electrically,  chemically  or  heat/cold  etc,  is  depending  on  which  area(s)  it  is  going  to  work  and  what type of sensor that is connected. Here I will study if it is possible to  build such a tag that can have a WORM memory connected to it and a  sensor that can sense wetness. And thus be able to tell the user if some‐

thing has happened.   

1.3 Scope

This study has a focus on if it is possible to print a complete electronic  circuit  with  WORM,  capacitor  and  inductor,  so  that  the  circuit  works  like  an  antitheft  system  tag  (commonly  used  in  superstores),  but  is  programmable with the WORM. Else if not possible, print and combine  a  WORM  with  a  standard  antitheft  tag.  The  study  will  not  result  in  a  commercial  device,  rather  it  will  state  if  it’s  possible  with  further  re‐

search to make a commercial product. This will be achieved by making a  prototype  with  a  WORM,  sensor  and  tag  combined  that  can  sense  if  it  has been wet. And if it is wet or has been wet and dried, it will trigger  an alarm when read by an antitheft system normally used in supermar‐

kets.  

Long term effects on the WORM are not studied in this project. Neither  is the WORM characterized.  

1.4 Concrete and verifiable goals

The  surveyʹs  objective  is  to  connect  a  commercial  antitheft  tag  with  a  WORM. This WORM should be able to be programmed in such a way  that before programming the antitheft system will not trigger the alarm  when reading the tag, but after programming has been done the alarm  system will trigger.  

Two  different  circuit  models  are  to  be  examined.  First  LCR‐circuit  model (Figure 1a), where the WORM (R) will be the resistance in series  with the coil and capacitor. Second an LCCR‐circuit model (Figure 1b),  where  there  are  two  capacitances  parallel  connected  to  each  other  via  the  WORM  (R).  Both  these  systems  are  to  be  resonant  circuits  with  a 

(14)

 

resonant  frequency  at  8.2  MHz,  to  match  the  antitheft  system  used  in  this project. 

Figure 1. Fig 1.a shows an LCR circuit model, fig 1.b shows an LCCR‐circuit model,  

where the WORM is denoted as R 

Problem 1. Is it possible to connect a WORM to a tag and get it to work,  using the two circuit models s stated above in Figure 1. 

Problem  2.  Is  it  possible  to  print  the  entire  tag  with  silver  ink,  coil  capacitor and WORM. 

1.5 Outline

In chapter two one can read about the theory behind the different parts  of  the  tag  with  WORM  that  I  will  build,  and  how  an  antitheft  system  works. Material used for printing is described here. 

Chapter  three  includes  pre  research  that  had  to  be  done  prior  to  the  development of the tag. 

In chapter four you can find simulations over two different approaches,  LCR‐  and  LCCR‐circuit  system.  After  simulations,  tests  with  real  resistors that will work as a “WORM”, are tested towards the antitheft  system.  Last  in  chapter  three  one  can  find  tests  done  with  WORMs  connected to tags. 

Chapter five is the result chapter where chapter four is compiled. 

Chapter six is the conclusions of this project. 

(15)

 

1.6 PriMeBits project details

A short resume over the ITC FrameProgram 7 founded project PriMe‐

Bits is stated below. [1] 

Project Acronym: PRIMEBITS  Project Reference: 215132  Start Date: 2008‐01‐01  Duration: 36 months 

Project Cost: 4.1 million euro 

Contract Type: Collaborative project (generic)  End Date: 2010‐12‐31 

Project Status: Execution 

Project Funding: 2.9 million euro  Participants: 

MOTOROLA GMBH   GERMANY 

ECOLE POLYTECHNIQUE FEDERALE DE 

LAUSANNE.   SWITZERLAND 

MITTUNIVERSITETET   SWEDEN 

LEIBNIZ‐INSTITUT FUER NEUE MATERIALIEN 

GEMEINNUETZIGE GMBH   GERMANY 

UPC KONSULTOINTI OY   FINLAND 

STORA ENSO OYJ   FINLAND 

SENSIBLE SOLUTIONS SWEDEN AB   SWEDEN 

ARDACO A.S.   SLOVAKIA 

EVONIK DEGUSSA GMBH   GERMANY 

Table 1. Participants in the ITC FrameProgram 7 PriMeBit project 

(16)
(17)

 

2 Theory

In  this  theory  chapter  I  will  present  the  different  parts  that  is  later  included for my system. The theory behind reading/detecting a tag in an  antitheft system, commonly used in superstores is also explained. 

2.1 LC-circuit

A  typical  LC‐circuit  is  made  of  one  inductor  and  one  capacitance.  An  LC‐circuit  can  be  built  in  several  ways  but  in  this  report  I  will  use  variations of a normal LC‐tank circuit shown in Figure 2 and Figure 3. A  normal  antitheft  tag  commonly  used  in  superstores  is  an  ordinary  LC‐

tank, which has a specific resonance frequency. [2] 

          

Figure 2. LC‐tank circuit      Figure 3. LC‐tank with R as capacitor loss 

Resonant frequency of an LC‐tank is [3] 

f LC π 2

1

0 =   (1) 

And zero‐reactance frequency is [4]. Where capacitor loss is denoted as  R (Figure 2. LC‐tank circuit      Figure 3) 

2 2

1 1

2 1

C LC R

fz = −

π   (2) 

Reactance is the imaginary part of the electrical impedance.  

(18)

 

2.2 RF-tag

 

Photo 1. Antitheft tag  

In this project I will use antitheft tags bought from Gunnebo Nordic AB  This  antitheft  tag  uses  the  resonant  technique  LC‐tank,  which  is  de‐

scribed in 2.1 LC‐circuit. The resonant frequency of the tag is 8.2 MHz. 

[5]. 

Specifications  of  Gunnebo  Nordic  AB  sticker  tag  (measured  and  calcu‐

lated): Table 2 

Capacitance  105  pF  measured  with  34405A  from  Agilent  technologies  (capacitance including also parasitic capacitances from the coil)   Inductance  3.59 μH calculated below, Eq 4 

Resistance over C   infinite  measured  with  34405A  from  Agilent  technologies  Resistance  through  coil  =  1  ohm  measured  with  34405A  from  Agilent technologies  

Thickness  dielectric  

≈ 36 μm measured with Millitast 1083 from Mahr 

Thickness  coil  +  dielectric  

≈ 95 μm measured with Millitast 1083 from Mahr 

Thickness coil   ≈ 59 μm ((thickness coil + dielectric) – dielectric, 95 μm – 36μm =  59 μm from above) 

Dielectric  constant  

5.3 calculated below, Eq 6 

Area  of  capaci‐

tance  

≈ 6*10+3*3/2+1*2*8 = 80.5 mm2 measured with ruler 

Table 2. Specifications on Gunnebo Nordic AB, 40 mm, 8.2 MHz sticker tag 

(19)

   

Inductance calculation [3] 

f LC π π ω

2 1 2 =

=   (3) 

Gives with above numbers that 

H 3.59 10

* 3.58776 970

2787255.23 1 4

2 1 1

6 - 2

2 2

π µ

π ⎟⎟⎠ = = = ≈

⎜⎜ ⎞

= C f C

L f   (4) 

 

Capacitance [3] 

a

Cr 0ε A  (5) 

Gives with above numbers the dielectric constant of the plastic in the tag  as: 

  5.3

10

* 7.12747

10

* 3.78 10

* 854 . 8

* 10

* 5 . 80

10

* 36

* 10

* 105

16 - -15 12

6

6 12

0

=

=

=

ε ε Α

Ca

r   (6) 

It is possible to deactivate the antitheft tag, without removing it from the  product bought. This is done by applying a strong magnetic field at the  same  frequency  as  the  tag  has.  The  strong  magnetic  field  induces  a  current  so  strong  that  literally  the  capacitor  in  the  tag  is  burnt,  i.e.  the  capacitor  is  destroyed.  The  capacitors  are  intentionally  manufactured  with  short  circuit  points,  so  called  dimples,  which  makes  it  easier  to  destroy them. [2]  

(20)

 

2.3 EAS Radio frequency system

 

Figure 4. General EAS RF‐system [6] 

An Electronic Article System (EAS) that operates with radio frequencies  is based upon a transmitter, receiver and an LC‐circuit (tag), se Figure 4. 

Sometimes  the  transmitter  also  doubles  as  receiver.  It  works  as  a  1‐bit  transponder,  when  read  and  the  tag  returns  a  signal  the  “bit”  is  1  else  the “bit” is 0. That means that the system can only have two states, “tag  in interrogation zone” or “tag not in interrogation zone”. These types of  system are common in warehouses as antitheft system.  [2, 7] 

The  tags  used  are  essentially  an  LC‐tank  that  has  a  resonance  peak  anywhere  from  1.75 MHz  to  9.5 MHz.  The  most  popular  frequency  is  8.2 MHz.  Sensing  is  achieved  by  sweeping  around  the  resonant  fre‐

quency and detecting the dip. By using frequency sweeps for detection  of  the  tag,  two  things  are  achieved  i))  The  tag  can  have  a  larger  error  where the resonant frequency lies, making them cheaper to build ii)) It is  easier to detect the tag if the frequency is swept. [2, 7] 

Deactivation  for  8.2 MHz  label  tags  is  achieved  by  detuning  the  circuit  by  partially  destroying  the  capacitor.  This  is  done  by  “submitting”  the  tag  to  a  strong  electromagnetic  field  at  the  resonant  frequency  which 

(21)

 

will  induce  voltages  exceeding  the  capacitorʹs  breakdown  voltage,  which is artificially reduced by puncturing the tags. [8] 

It is possible to make an EAS system so strong that a tag could be read at  a  further  distance  then  used  today  (up  to  two  meter).  But  to  protect  against established adverse effect to human health, from exposure by RF  electric,  magnetic  and  electromagnetic  fields,  IEEE  has  worked  out  the  standard IEEE Std C95.1‐2005, to limit these effects in the range of 3 kHz  to  300  GHz.  The  IEEE  Std  C95.1‐2005  is  a  revision  of  IEEE  Std  C95.1,  1999 edition [B70] and IEEE Std C95.1b‐2004 edition [B71]. [9, 2] 

2.3.1 General operating principle of an EAS system

 

Figure 5. Operating principle of the EAS radio frequency procedure [2] 

In a general EAS system (Figure 5), the transmitter generates an alternat‐

ing magnetic field. And if a resonant circuit is moved into the vicinity of  this  field,  then  energy  from  the  alternating  magnetic  field  can  be  in‐

duced into the LC‐circuit via the coil in the LC‐circuit (Faraday’s Law). 

If the frequency fg of the alternating field corresponds with the resonant  frequency fr of the resonant circuit, then the resonant circuit produces a  sympathetic oscillation. If then the frequency is swept from frequency A to  C  where  resonant  frequency  B  are  between  frequency  A  and  C.  The  energy  that  is  provided  to  the  resonant  circuit  can  be  detected  as  brief  changes  in  current  or  voltage.  This  brief  increase  in  coil  current  (or  voltage drop) in the generator, is known as a dip (Figure 6). The relative  magnitude of this dip is dependent of the distance in between the coils  and the quality factor (Q‐factor) of the induced resonant circuit. [2] 

(22)

 

 

Figure  6.  Graph  over  a  typical  impedance  dip  at  the  generator  coil  generated  by  a  RF‐tag  in  the  field,  when  the  generator  frequency  is  swept  between  two  cut‐off  frequencies [2] 

Whenever  the  swept  generator  frequency  exactly  corresponds  with  the  resonant frequency of the resonant circuit (the tag), it starts to oscillate. 

This oscillation generates a dip, which is detectable by the receiver (or in  the  sender).  In  swept  system  the  dip  is  dependent  of  the  rate  of  fre‐

quency change, faster frequency change rate generates a clearer dip. The  sweep frequency rate can be adjusted to optimize the system, to get an  optimal recognition rate. [2] 

 

(23)

 

 

Figure 7. The real and imaginary portions of the impedance spectrum of the sensor  after  the  background  subtraction.  The  resonant  frequency  f0  is  defined  as  the  maximum of the real impedance, while the zero‐reactance frequency fz is when the  imaginary impedance is zero [10] 

If  the  oscillating  circuit  is  measured  during  a  frequency  sweep,  and  a  background subtraction is made. It is then clearly seen what happens in  the  resonant  circuit  with  regards  to  the  impedance.  At  resonant  fre‐

quency  the  real  part  of  the  impedance  is  at  its  highest  point  and  the  imaginary part is 0 (Figure 7). [10] 

In alternating current system the overall impedance, phase and effective  power is denoted as [3]: 

jX R

Z = +   (7)

⎟⎠

⎜ ⎞

= ⎛

R arctan X

ϕ   (8)

( )

ϕ cos VI*

P=   (9) 

Due  to  the  fact  that  in  an  alternating  current  system  the  power  is  de‐

pendent on the phase ϕ Eq 9, and if the imaginary part is zero, then ϕ is  zero Æ cos(0) = 1, which will give the highest power in the system. This  means  that  the  oscillating  system  will  radiate  with  the  highest  power 

(24)

 

when f= 0 (gives resonant frequency f0). In the receiver the largest dip  will be detected. 

2.3.2 Dual antenna systems

If  only  one  antenna  is  used  for  reading  the  resonant  circuit,  then  the  reading  antenna  itself  will  have  background  noises.  These  noises  can  bee so high that it is hard to read out the small signals that an LC‐circuit  produces.  By  using  a  two  antenna  approach  for  monitoring  the  LC‐

circuit,  and  the  receiving  antennas  has  two  loops  that  is  winded  in  opposite directions, these noises will be cancelled out. Instead of meas‐

uring  the  impedance  directly,  the  two  antenna  approach  measures  the  induced voltage over the receiving antennas terminals. The transmitting  antenna should be winded as two parallel connected loops (Figure 8). [4] 

 

Figure  8.  Set‐up  for  two‐antenna  monitoring  approach.  Where  receiving  antenna  loops are twisted and sending antenna loops parallel. [4] 

Wireless  monitoring  of  an  LC‐circuit  is  achieved  through  the  mutual  inductance  coupling  between  the  inductor  on  the  LC‐circuit  and  the  loop  antenna(s).  An  electromotiv  force  (EMF)  is  induced  in  the  LC‐

circuit,  which  in  return  generates  a  back‐EMF  that  can  be  read  by  the  same  antenna  that  sent  the  EMF  or  by  another  antenna.  Interactions  between  the  antennas  can  be  described  using  circuit  models.  A  circuit  model  of  one  antenna  approach  is  shown  in  Figure  9,  and  a  model  of  two antenna circuit in Figure 10. [4]

(25)

 

 

Figure 9. Circuit model of one antenna approach [4] 

 

Figure 10. Circuit model of two antenna approach [4] 

In Figure 9 Z1 is the intrinsic impedance of the sending antenna and Z2 is  the  intrinsic  impedance  of  the  LC‐circuit,  and  the  driving  voltage  is  denoted as V1. The mutual inductance coupling M between sender and  LC‐circuit  is  represented  by  two  voltage  sources  V12  and  V21.  The  total  impedance across the terminal of the sending antenna, ZT is given by [4] 

2 2 2

1 Z

Z M ZT = +ω

  (10) 

Where  ω  is  the  angular  frequency  in  rad/s  (radian  per  second)  and  M  the mutual inductance. If a back‐ground reduction is used to eliminate  the  intrinsic  impedance  of  Z1,  then  all  that  is  left  is  the  net  LC‐circuit  response. With background reduction, ZT becomes [4] 

2 2 2

Z ZT =ω M

  (11) 

(26)

 

In the circuit model used for two antenna monitoring approach (Figure  10)  with  two  loops  on  sending  and  receiving  antennas.  The  loops  in  transmitting  antenna  are  denoted  as  1A  and  1B,  and  for  the  receiving  antenna the loops are denoted 3A and 3B. To simplify the equations the  two  antennas  are  identical  when  it  comes  to  size  and  intrinsic  imped‐

ance,  thus  called  Z1.  The  intrinsic  impedance  for  the  LC‐circuit  is  de‐

noted  Z2.  The  transmitting  antenna  is  driven  by  a  voltage  V1.  Between  the antennas and the sensor, the inductive coupling will be represented  as  a  voltage  source  VXY.  Where  ‘x’  represents  the  element  that  receives  the  inductive  coupling  and  ‘y’  the  element  that  causes  the  inductive  coupling.  The  mutual  coupling  is  denoted  in  the  same  way,  MXY.  By  superposition  the  total  voltage  over  the  receiving  antenna  VTV,  can  be  expressed as [11] 

1

3 3 2 3 1 3 1 3 1 1

3 3 2 3 1 3 1 3 1

2

) (

2

) (

Z

V V V

V Z Z

V V V

V

VTV Z AA AB A A B B A + B B + B + B A + −

+

= +   (12) 

The  transmitting  and  receiving  antennas  are  as  stated  above  identical,  thus it is possible to apply symmetry on some of VXY, V3A1A = V3B1B, V3A1B 

= V3B1A and V3A3B = V3B3A, simplifying Eq. 12 to 

2 V3A2 3B2

TV

VV

=   (13) 

Where V3A2 and V3B2 are determinated as [11] 

( )

2 1

1 2 3 21 21

2 2

3 2Z Z

M V M M

V A =−ω A + B A   (14) 

( )

2 1

1 2 3 21 21

2 2

3 2Z Z

M V M M

V B =−ω A + B B   (15) 

Substituting  Eq. 14  and 15  into  Eq. 13,  yield  the  total  voltage  across  the  receiving antenna as 

( )( )

2 1

2 3 2 3 21 21

1 2

4Z Z

M M

M M

VTV V A + B AB

   (16) 

And  when  the  LC‐circuit  is  absent,  the  voltage  across  the  receiving  antenna is 

(27)

 

1 1 2

4Z VTV ω V

=   (17) 

When  designing  the  loop  antennas  care  must  be  taken  so  that  the  antennas self‐resonant frequency is higher then f0

2.4 Sintering process

Sintering is a method for making object from a powder. By heating the  powder  (below  its  melting  point  –  solid  state  sintering)  the  particles  adhere to each other, making a solid object. Sintering is sometimes also  called ‘baking’. [12]  

In Figure 11 one can see how powdered copper goes from state powder  to  a  more  solid  state.  And  that  the  heat  has  an  effect  on  how  solid  the  object becomes.  

 

Figure  11.  2D  reconstructions  (virtual  slices)  perpendicular  to  the  cylindrical  axis  showing  Cu  particles  at  different  stages  of  the  sintering  process:  (a)  before  sintering,  (b)  after  sintering  at  1000°C,  and  (c)  after  sintering  at  1050°C.  Identical  regions (inside the rectangle of (a)) are shown at a higher magnification below [13] 

2.5 Kapton®

In some parts of this project Kapton HN is used. Kapton HN is a poly‐

imide  film  with  a  wide  temperature  range.  Kapton  HN  is  a  general  purpose  polyimide  film  that  can  be  used  for  ex.  Printed  electronics,  electrical insulation, etching and several other areas. [14] 

(28)

 

The Kapton HN used has a thickness of 75 μm, a dielectric constant of  3.5, and has a temperature range from ‐2690 to 4000 C. [14] 

A  complete  datasheet  of  Kapton  HN  can  be  downloaded  at: 

http://www2.dupont.com/Kapton/en_US/assets/downloads/pdf/HN_dat asheet.pdf [14] 

When printing on Kapton HN it is very important to clean the surface  before printing. In this project the surface of the Kapton HN is cleaned  with Isopropanol (C3H8O) before printing. See Photo 2 where silver ink  is printed on Kapton HN that has not been thoroughly cleaned. 

 

Photo 2. Silver ink on Kapton HN when the surface is not correctly cleaned 

2.6 Silver ink

In  this  project  I  will  use  silver  ink  from  Advanced  Nano  Products  co  LTD (ANP). The silver ink used is: Silverjet DGP‐40LT‐15C, with a solid  content of 40%. [15] 

2.7 Material printer

For printing the various parts I used a material printer from FUJIFILM  Dimatix  inc,  and  the  printer  name  is  Dimatix  Material  Printer  DMP‐

2800. In the printer it is possible to install printer cartridges with either  10  pl  or  1  pl  nozzles.  It  also has a built in camera, with which one can  look at the printed results and save pictures (see Photo 2 for ex.). [16] 

2.8 Antitheft system

An 8.2 MHz RF antitheft system “202 Crome” from Gunnebo Nordic AB  is  used  for  testing  if  manufactured  tags  works  as  supposed.  Also  8.2 

(29)

 

3 Pre research

This  chapter  describe  the  different  parts  in  the  tag,  coil,  capacitor  and  WORM. The parts have been printed with silver ink on photo paper and  Kapton HN. The results from this chapter are the base from which I later  will build my tag with WORM system. 

The  photo  paper  “HP  Advanced  Photo  Paper”  have  been  tested  in  an  oven. This to see how high temperature one can have, before the paper  is destroyed, in such a way that the printed structures can be damaged. 

The temperature found that for certain is not destroying the structures,  was 800 C. 

3.1 Printed capacitor

Laboratory  tests  of  two  different  printed  parallel‐plate  capacitors.  One  capacitor  on  “HP  Advanced  Photo  Paper”  with  tape  as  dielectric  and  one on Kapton HN. 

3.1.1 Printed capacitor on photo paper

 

Figure 12. Capacitance schematic model 

The  capacitor  is  printed  on  photo  paper  “HP  Advanced  Photo  Paper” 

with  tape  as  dielectric.  The  tape  used  as  dielectric  is  a  writeable  tape  from scotch, with a thickness of 54 μm. 

Printed capacitor with the sides 15x15 mm gives the capacitance: 

C = 169 pF (measured with 34405A from Agilent technologies)     

 

(30)

 

Capacitance: [3] 

)

0 (in SI units d

Crε A   (18) 

Gives with above numbers the dielectric constant of the tape to   58

. 4 10

* 854 . 8

* ) 10

* 15 (

10

* 54

* 10

* 169

12 2

3

6 12

0

=

=

=

ε ε A

Cd

r   (19) 

If C is divided with the area we get the C/mm2 (capacitance per square  millimetre) 

2 2

2 0.751 /

225

/ 169 pF mm

mm mm pF

C = =   (20) 

3.1.2 Printed capacitor on Kapton

A capacitor on Kapton HN (75 μm thick), was built by printing 2 layers  of ink directly on one side of the Kapton HN. Thereafter it was dried 20  min  in  800  C,  before  the  other  side  of  the  capacitor  was  printed.  The  whole capacitor was then sintered 20 min at 2500 C.  

A capacitor of size 25*18 mm ended up with a capacitance of 170 pF. If  calculated  (Eq. 21)  for  C/mm2,  calculations  give  a  capacitance  of  0.38  pF/mm2

2

2 0.38 /

18

* 25

/mm 170 pF mm

C = =   (21) 

Gives with above numbers the dielectric constant for Kapton HN to    2

. 10 3

* 854 . 8

* ) 10

* 18

* 10

* 25 (

10

* 75

* 10

* 170

12 3

3

6 12

0

=

=

=

ε ε A

Cd

r   (22) 

Compared to the datasheet of Kapton HN 75 μm which state a dielectric  constant of 3.5 (tested at 1 kHz). 

3.2 Printed flat spiral inductor

Laboratory tests have been done to print coils on “HP Advanced Photo  Paper” and Kapton HN. 

   

(31)

 

3.2.1 Coil on photo paper

The coil is printed on photo paper “HP Advanced Photo Paper”. 

 

Figure 13. Flat spiral inductor 

The pattern (Figure 13) is a copy of a real tag bought from “Gunnebo  Nordic AB”. But it’s scaled up from 40x40 mm to 42x42 mm, this due to  the bad surface tension between the ink and the Kapton HN film. This  up‐scaling lessen the possibility that the space between tracks are filled  with ink. The coil have 10 turns for a total length of 119 cm wire. The  printed pattern has the outermost turn 1 mm wide and the rest is 0.75  mm wide. And the distance in‐between each turn is 0.5 mm. When  printed one get approximately 0.85 mm wide tracks and 0.4 mm in‐

between. A coil printed with 3 layers of ink, ends up with 

approximately 130 ohm resistance, when sintered 20 min at 800 C. That  gives a surface resistance (SR) (measured in ohm/square) value of (Eq. 

23)   

SR = R*w/l = 130*0.085/119 ≈ 0.09 Ω/sq  (23) 

 

Where R = resistance, w = width and l = length of electrical track. 

 

That is to be compared with the bought coil from Gunnebo Nordic AB  that has an inner resistance of 1 ohm and surface resistance = 1*0.06/100 

= 0.0006 Ω/sq. 

 

The coil is not measurable with an RLC‐meter due to high resistance, it  will only be seen as a resistor, therefore have I measured the coil with a  network analyzer.  

The  coil  value  is  measured  to:  153+j213  ohm,  4.1  μF  at  8.2  MHz  (the  network analyzer sees the coil as a “capacitor” therefore it has the value 

(32)

 

4.1 μF). To be compared with the coil from Gunnebo Nordic AB which  values are: 19.5+j263.5 ohm, 5.1 μH. 

3.2.2 Coil on Kapton

For  the  coil  on  Kapton  HN  the  same  pattern  is  used  as  in  4.2.1.  and  printed with 3 layers of ink. 

As Kapton HN can withstand higher temperature then photo paper, the  coil is sintered for 20 min at 2500 C, and the resistance of the coil will be  reduced compared to a coil on photo paper, due to better sintering. The  resistance  for  a  coil  on  Kapton  HN  is  around  80  ohm.  Which  gives  a  surface resistance SR ≈ 0.04 Ω/sq. 

This  coil  is  not  measurable  with  an  RLC‐meter  due  to  high  resistance,  therefore have I measured the coil with a network analyzer.  

The  coil  value  is  measured  to:  69+j164.3  3.2  μH  at  8.2  MHz.  To  be  compared  with  the  coil  from  Gunnebo  Nordic  AB  which  values  are: 

19.5+j263.5 ohm, 5.1 μH. 

3.2.3 Coil calculated from ink specification

If perfect sintering was made and calculated for inner resistance and  Ω/sq, calculations gives (Eq. 24 to Eq. 27): 

 

Calculated resistance for 1 cm length (l), track width (w) 1 mm and  thickness (h) 0.0001 (according to specifications of the ink) 

ρ(rho) = 3 μohm*cm, l(length) = 1 cm, A(area w*h) = 0.1*0.0001 cm =  0.00001 cm2

=

=

= 0.3

00001 . 0

1

* 10

*

3 6

A R ρl

  (24) 

0.3 Ω and 119 cm length would give 35.7 ohm.  

The surface resistance (SR) becomes  l sq

w

SR = R = 0.03 Ω 119

1 . 0

* 7 . 35

*   (25) 

     

(33)

 

Calculated resistance for 1 cm length (l), track width (w) 1 mm and  thickness (h) 0.0003 (according to specifications of the ink) 

ρ(rho) = 3 μohm*cm, l(length) = 1 cm, A(area) = 0.1*0.0003 cm = 0.00003  cm2

=

=

= 0.1

00003 , 0

1

* 10

*

3 6

A R ρl

  (26) 

0,1 Ω and 119 cm length would give 11.9 ohm. 

The surface resistance (SR) becomes  l sq

w

SR R 0.01 /

119 1 . 0

* 9 . 11

* = = Ω

=   (27) 

3.3 Printed WORM(s)

WORMs is a 1 bit memory. It can have two stages on and off (WORM‐

bit = 1 and 0). WORMs are not like normal bits that have a distinctive on  and  off.  A  WORM  has  two  stages,  high  resistance  (bit  =  0)  and  lower  resistance  (bit  =  1).  And  depending  on  application  these  can  be  in  different  ranges.  There  are  two  types  of  printed  WORMs  that  I  have  worked  with.  One  that  is  printed  to  be  programmed  with  an  electrical  current and another which is programmed with water. I have tested to  print  WORMs  on  photo  paper,  Kapton  film  and  directly  on  a  tag.  On  photo paper it is relatively easy to print a WORM. But on Kapton film  and  directly  on  a  tag,  there  is  a  problem  with  that  the  ink  floats  out  (Photo 3), due to bad surface tension and low viscosity. Consequently it  is  difficult  to  print  these small structures that a WORM is built of (μm  range),  therefore  in  this  project  only  WORMs  on  photo  paper  is  used  (Photo 4). 

According to Advanced Nano Products co LTD (ANP) product specifi‐

cation over there silver ink “Silverjet DGP‐40LT‐15C”, the viscosity and  surface tension can be modified upon customerʹs request. [15] 

(34)

 

 

Photo 3. WORM printed on tag 

 

Photo 4. WORM printed on photo paper 

A  WORM  has  two  stages,  before  and  after  sintering.  Henceforward  a  not  programmed  WORM  (high  resistance)  will  be  denoted  un‐

programmed  or  not  programmed,  and  a  sintered  WORM  (low  resis‐

tance)  programmed.  A  not  programmed  WORM  will  have  a  higher  resistance  then  after  programmed  WORM.  High  resistance  is  the  same  as that the WORM‐bit = 0 (un‐programmed), and low resistance is then  WORM‐bit = 1 (programmed). 

3.3.1 WORM programmed with current

WORMs that are to be programmed with current have a basic structure  as seen in Figure 14. 

 

Figure 14. Basic structure of a WORM for current programming 

(35)

 

The  thin  line  in  the  centre  of  Figure  14  is  the  WORMs  most  important  structure. It is this thin line that will give the WORM its characteristics. 

A thin long line will give a high starting resistance (un‐programmed bit 

= 0). But will also have a higher end resistance when programmed (bit =  1),  then  a  shorter  and  wider  centre  line.  Therefore  by  changing  the  length  and  width  of  the  centreline,  it  is  possible  to  build  WORMs  for  different applications (resistant ranges). 

As  for  this  project  there  is  a  need  for  a  WORM  with  very  low  end  resistance, in the order < 5 ohm or  < 100 ohm, depending where in the  tag structure the WORM is connected, serial (<5 ohm) or parallel (<100  ohm).  Laboratory  tests  have  then  been  done  to  find  the  best  WORM  structure for my application. A complete list of test results can be found  in Appendix A. Long term effects have not been studied on this type of  worms. 

For a WORM that has to be below 5 ohm when programmed, a structure  where the centre line is ≈ 110 μm long and ≈ 45 μm wide was found to  be good (Photo 5). 

 

 

Photo 5. WORM for current programming. Ca 110 * 45 μm centreline 

This  WORM  have  an  un‐programmed  value  between  50  and  14k  ohm,  WORM  is  then  first  pre  sintered  (dried)  1  min  in  800  C.  And  then  pro‐

grammed with 1.6V, 44 mA for one minute. The WORM(s) programmed  values  are  between  3.2  to  3.6  ohm  (Table  3).  The  print  layout  of  the 

(36)

 

WORMs is as in Figure 15. The test results come from test 9 in Appendix  A. 

WORM 

Pre sintered  (ohm) 

14105  175 550 75  285 50  108 52  Programmed 

(ohm)  1.6V, 44 mA  1 min 

3.3  3.6  3.4  3.4 3.3  3.3 3.2  3.2 

Table 3. Table over 110*45 μm WORM before and after programming 

 

 

Figure 15. WORM layout for WORM nr 1‐4 and 5‐8 for current programming 

For WORMs that are to be in a “parallel” circuit, and that should have  an end value of less then 100 ohm, no special research has been done for  current programming WORM type (Figure 14). 

3.3.2 WORM programmed with water

To be able to program a WORM with water a different type of structure  is  needed.  Below  in  Figure  16  there  are  samples  of  different  structures  that can be used as water programmable WORMs. 

(37)

 

 

Figure 16. 3 different structures of WORMs for water programming 

The  multi  line  pattern  in  these  WORMs  works  as  a  collector  for  the  water.  When  water  comes  on  the  lines,  a  reaction  starts  that  dissolves  the  material  between  the  nano  particles,  making  them  come  closer  to  each  other  and  thus  lowering  the  resistance  —  programming  the  WORM.  The  pattern  will  make  the  characteristics  of  the  WORM,  the  more lines that the WORM is built of the lower starting resistance it will  have.  The  perpendicular  lines  have  the  same  effect  and  also  an  effect  that  will  lower  the  end  result  further  than  without.  Long  term  effects  have  not  been  studied  on  this  type  of  worms.  The  chemistry  reaction  behind  the  fact  that  WORM  becomes  programmed  when  subjected  to  water, have not been studied. 

For this project I have found that a multiline WORM with 5 lines suited  best  (Figure  17,  Photo  6).  This  WORM  self  dried  for  24  hours  in  room  temperature,  then  measured  for  start  resistance.  After  that  steam  was  blown  over  the  worms  and  then  measured  directly  (within  1  min)  and  measured again after 24 hours has passed, see Table 4. Table 4 is taken  from test 11 column 4 in Appendix B. 

     

(38)

 

 

Figure 17. 5 line WORM for water programming 

 

Photo 6. Photo of a 5 line WORM 

WORM 

Self dried  24 h 

1000  2000  2200  1500 

Steam  73  94  91  75 

24 h after  steam 

65  81  82  75 

Table 4. Multiline WORM, self dried and then steamed ‐> dried 

 A  complete  list  of  test  results  for  water  programmed  WORMs,  can  be  found in Appendix B. 

(39)

 

4 Implementation

Implementation  of  a  WORM  on  a  normal  antitheft  tag,  can  be  done  in  several ways. First idea was to print the WORM directly on the tag but  as stated in chapter “3.3 Printed WORM(s)”, it is very difficult to print  directly on surfaces that have a bad surface tension. Instead a WORM is  printed on photo paper and then glued with silver paste onto the tag.  

This chapter is divided into three parts. First simulations that have been  done  with  the  simulation  program  Mindy.  Second  part  is  laboratory  tests  with  adjustable  resistors  that  act  as  the  WORM.  And  in  the  last  part, WORMs has been connected to the tags and tested. From the two  first  parts  simulations  and  laboratory  results,  data  for  in  which  ohm  range the WORM(s) needs to be in was extracted and used in part three. 

Two different approaches have been studied:  

i)) Using serial coupling of the WORM between capacitor and inductor,  Figure 18.  

ii)) The capacitor in the LC‐circuit is divided into two capacitors with  the WORM as a coupling between them, Figure 19. 

 

 

Figure 18. LCR‐circuit were the WORM is denoted as R 

 

(40)

 

 

Figure 19. LCCR‐circuit were the WORM is denoted as R 

4.1 Simulations

Simulations  are  made  with the simulation program Mindi from Micro‐

chip. [17] 

In  simulations  and  constructions  one  has  to  consider  if  there  are  high  speed  electro‐magnetism  involved.  In  most  cases  one  do  not  need  to  calculate the circuits as high frequency circuits if the Electrical Length is  shorter  then  1/20.  Electrical  length  is  calculated  with  formula  in  Eq. 28.  [18] 

λ Length L

Electrical =   (28) 

Were L is the length of the wire (antenna) and λ is the wavelength of the  signal. Electrical length is unit less. 

As  the  longest  part  in  the  circuit  is  the  coil  and  from  “3.2  Printed  flat  spiral inductor “the length of the inductor is 119 cm and the frequency is  8.2 MHz. The electrical length can be calculated to (Eq. 29) 0.032 which is  less  then  1/20  =  0.05,  and  therefore  it  is  not  necessary  to  calculate  with  high frequencies in the simulations. [18] 

05 , 20 0 032 1 , 59 0 , 36

19 ,

1 = < =

=

= λ Lenght L

Electrical   (29) 

4.1.1 Simulation of WORM in series of the tag (LCR)

The  LCR‐circuit  as  in  Figure  18  can  be  simulated  with  two  inductive  couplings. One that simulates sender to tag, and one tag to receiver. In  the  schematic  the  coupling  between  sender‐tag  is  TX3  and  coupling 

(41)

 

between tag‐receiver is TX1. The WORM is denoted as R and the capaci‐

tance  as  C2.  The  amplitude  of  the  received  signal  is  measured  on  TX1  secondary side. A 1k ohm resistance (R2) is placed between measuring  point and ground as decoupling. Figure 20. 

 

Figure  20.  Simulation  setup  for  WORM  in  series  with  an  LC‐circuit,  were  the  WORM is denoted as R1 

As  seen  in  Graph  1  the  WORM  resistance  have  a  large  effect  on  the  resonant  peak.  The  WORMs  dampening  effect  is  very  high  even  with  low resistances. If one look at the circuits quality value (Q‐value) Eq. 30,  one  can  see  that  the  quality  factor  Q  is  directly  proportional  to  the  resistance R. This can directly be seen in the Graph 1 as the peak value  at 1 ohm is about 3 mV and at 10 ohms ca 300 μV, a dampening factor of  10, just as the Q‐value formula shows. [19] 

C L R CR R

Q L

tot

1

1 =

=

= ω

ω   (30) 

(42)

 

 

Graph 1. Amplitude/frequency graph from LC circuit (Figure 20) resonant frequency  with WORM as resistance in series 

4.1.2 Simulation of WORM in series with 2 capacitances of the tag (LCCR)

The  LCCR‐circuit  as  in  Figure  19  can  be  simulated  with  two  inductive  couplings.  One  that  simulates  sender  to  tag  and  one  tag  to  receiver.  In  the  schematic  the  coupling  between  sender‐tag  is  TX3  and  coupling  between  tag‐receiver  is  TX1.  The  WORM  is  denoted  as  R1  and  the  capacitances  as  C1  and  C2.  The  amplitude  of  the  received  signal  is  measured  on  TX1  secondary  side.  A  1k  ohm  resistance  (R2)  is  placed  between measuring point and ground as decoupling. Figure 21.  

(43)

 

 

Figure  21.  Simulation  setup  for  an  LCCR‐circuit  where  Ctot  is  divided  into  2  capacitances (C1 & C2) and a resistor (R1) in between 

In this circuit the values of C1 and C2 can be changed so that the ratio  between  the  main  capacitor  C1  and  the  secondary  capacitor  C2  is  different.  Three  different  simulation  ratios  for  values  of  Ctot  (main  +  secondary  capacitance)  have  been  simulated,  60‐40%,  70‐30%  and  90‐

10%. See Graph 2, Graph 3 and Graph 4. 

(44)

 

 

Graph  2.  Amplitude/frequency  graph  from  LCCR  circuit  (Figure  21)  resonant  frequency with WORM in series with 2 capacitances, ratio C1 = 60% and C2 = 40% of  total C 

 

Graph  3.  Amplitude/frequency  graph  from  LCCR  circuit  (Figure  21)  resonant  frequency with WORM in series with 2 capacitances, ratio C1 = 70% and C2 = 30% of  total C 

 

(45)

 

 

Graph  4.  Amplitude/frequency  graph  from  LCCR  circuit  (Figure  21)  resonant  frequency with WORM in series with 2 capacitances, ratio C1 = 90% and C2 = 10% of  total C 

A comparison is made in Graph 5 over the three different ratios, 60‐40%,  70‐30% and 90‐10%. For 10 ohm resistance the resonant frequency is the  same for all three ratios and difference is within 2 mV, with 70‐30% as  highest value almost 4 mV, and 60‐40% with the lowest value of 2 mV. 

At 5k ohms resistance the amplitude is the same for all three ratios ≈ 450  mV.  Instead  it  is  the  resonant  frequency  that  is  shifted. For 60‐40% the  resonant frequency becomes 10,5 MHz, 70‐30% has a resonant frequency  of 9,75 MHz and for 90‐10% the resonant frequency is 8,5 MHz. 

(46)

 

 

Graph  5.  Comparison  of  different  capacitance  ratio  in  an  LCCR‐circuit,  comparing  extreme values 10 and 5000 ohms 

By  comparing  the  results  in  Graph  5,  I  have  found  that  the  best  ratio  between  C1  and  C2  is  70‐30%.  Ratio  70‐30%  has  the  highest  resonant  peak and fairly good frequency offset. Which should give a better ohm  range  (preferably  <  100  ohm)  for  the  WORM  compared  to  simulations  done in 4.1.1 “Simulation of WORM in series of the tag”.  

4.1.3 Comparison of LCR-circuit with WORM in series with the tag and LCCR-circuit with WORM in series with 2 capacitances of the tag In  Graph  6  which  is  a  comparison  between  the  LCR‐circuit  and  the  LCCR‐circuit 70‐30%, were WORMs simulated as 1, 10 and 100 ohm has  been  compared.  It  is  seen  that  the  LCCR‐  circuit  70‐30%  has  a  higher  resonant peak at all resistances compared to the LCR‐circuit at the same  resistance. The “LCCR 10 ohm” is just a little higher then “LCR 1 ohm” 

and “LCCR 100 ohm” is a little higher then “LCR 10 ohm”, from that a  conclusion can be made that the LCCR‐circuit has a factor 10 better Q‐

value, except in the lowest range ≈ 1 ohm. 

(47)

 

 

Graph  6.  Comparison  between  LC‐circuit  with  series  resistance  (LCR)  and  LC‐

circuit built with 2 capacitances and a resistance in between (LCCR) 

4.2 Laboratory tests with adjustable resistances

For this laboratory test the coil from a real tag is used, together with a  printed  capacitance  and  an  adjustable  resistance.  A  schematic  over  the  test LCCR‐circuit and LCR‐circuit can be seen in Figure 22. and Figure  23.  The  adjustable  resistor  simulates  the  WORM  in  both  figures.  In  Figure 22 the circuit is divided into two circuits. One LC‐circuit that will  always have a god Q‐value (no resistance), and one parallel circuit with  the WORM that has a bad Q‐value (WORM and extra capacitor). 

 

(48)

 

 

Figure 22. Test setup of LCCR equivalent circuit 

 

Figure 23. Test setup of LCR equivalent circuit 

4.2.1 Test of LCCR-circuit with adjustable resistor

First step was to find the best total capacitance Ctot = C1 + C2, for which  when the system is built together has a resonant frequency of 8.2 MHz. 

From “2.2 RF‐tag” we get that a capacitance of ≈ 105 pF is needed to get  the  correct  resonant  frequency.  A  large  capacitance  25*18  mm  was  printed on Kapton HN (170 pF), the capacitance was then connected to  the  coil  (no  resistor).  The  LC‐circuit  was  then  centred  in  between  the  antitheft  systems  transmitter  and  receiver,  43.5  cm  from  both.  The  capacitance  was  then  cut  smaller  and  smaller  until  the  alarm  went  off. 

The LC‐circuit was measured with a network analyser, and fine tuned to  8.2 MHz. Final size of capacitance is 12*18 mm. 

From  the  result  in  3.1.2  “Printed  capacitor  on  Kapton”  one  can  calculate  the  capacitance  (area*(pF/mm2))  to  12*18*0.38  ≈  82  pF.  The  rest  of  the  capacitance up to 105 pF, comes from capacitances that are contributions  from the coil. 

(49)

 

A  new  double  capacitance  was  printed.  The  capacitance  will  share  the  same  bottom  layer,  but  the  top  of  the  capacitance  is  divided  into  two  areas. The two areas are 18*9 mm and 18*3 mm and are separated 1 mm,  Figure 24. 

 

Figure 24. Layout of double capacitance, 18*9 mm + 18*3 mm 

This  new  double  capacitance  together  with  the  coil  from  a  tag  and  an  adjustable  resistor,  was  built  together  as  in  Figure  22.  The  adjustable  resistor is a multiturn resistor 0‐200 ohm. 

Test  1  start  with  high  resistance  (200  ohm)  and  go  down  until  the  antitheft  system  triggers.  Tag  is  in  the  centre  between  sender  and  receiver  (43.5  cm  from  both),  90  cm  up  from  floor.  When  the  alarm  started to sound, I stopped turning the resistor and measured the value  of the resistor. See Table 5 and Figure 25. 

             

18 mm 

3 mm  1 mm    9 mm  Bottom layer 

Top layer  Capacitance  Layout 

C2

   C1 

References

Related documents

As it turns out, the problem for all these decision methods is that the weight they give to each life, in terms of survival chances, is contingent on three distinct

In this chapter the stability of the joint with respect to sliding will be analyzed using both the values of acceptable safety factors in the Swedish guidelines and the real

The increasing availability of data and attention to services has increased the understanding of the contribution of services to innovation and productivity in

Generella styrmedel kan ha varit mindre verksamma än man har trott De generella styrmedlen, till skillnad från de specifika styrmedlen, har kommit att användas i större

På många små orter i gles- och landsbygder, där varken några nya apotek eller försälj- ningsställen för receptfria läkemedel har tillkommit, är nätet av

Det har inte varit möjligt att skapa en tydlig överblick över hur FoI-verksamheten på Energimyndigheten bidrar till målet, det vill säga hur målen påverkar resursprioriteringar

Study 2 (Paper 2): The teacher perspective, where Swedish upper secondary teachers’ beliefs about programming and educational constraints are focused on with the question: What

The set of all real-valued polynomials with real coefficients and degree less or equal to n is denoted by