RFID无源超高频电子标签关键技术简述

       RFID是一种非接触式的自动识别技术,它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预。作为条形码的无线版本,RFID技术具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离远、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息更改自如等优点，其应用将给零售、物流等产业带来革命性变化。

       无源标签即标签本身没有电池供电，在阅读器的阅读范围之外时,标签处于无源状态，在阅读器的阅读范围之内时标签从阅读器发出的射频能量中提取其工作所需的电能。现在就超高频无源电子标签(Passivetag)来讲述它的关键技术。

1、超高频无源RFID 标签关键技术之一：标签芯片的设计

        标签芯片一般包括以下几部分电路：
        电源恢复电路、电源稳压电路、反向散射调制电路、解调电路、时钟提取/产生电路、启动信号产生电路、参考源产生电路、控制单元、存储器。
如图1所示, 虚线框内为UHF无源RFID标签芯片的结构图。

图 1  UHF 无源RFID 标签芯片的结构图

       无源 RFID 标签芯片工作时所需要的能量完全来源于读卡器产生的电磁波的能量，因此，电源恢复电路需要将标签天线感应出的超高频信号转换为芯片工作需要的直流电压，为芯片提供能量。
       由于RFID 标签所处的电磁环境是十分复杂的，输入信号的功率可以变化几百甚至几千倍，因此，为了芯片在大小不同的场强中均可以正常工作，必须设计可靠的电源稳压电路。亦称为功率调节器,产生稳定的电源电压,为芯片提供全局电源,同时起到限幅的保护作用。  

  调制与解调电路是标签与读卡器进行通信的关键电路，目前绝大部分的UHF RFID 标签采用的是ASK调制。
        RFID 标签的控制单元是处理指令的数字电路。为使标签在进入读卡器场区后，数字电路可以正确复位，以响应读卡器的指令，必须设计可靠的启动信号产生电路，用来提供数字单元的复位信号。
        反向散射电路是通过改变阻抗来调制载波,向阅读器发送上行信号。
        参考源产生电路是产生稳定的与温度和电源电压无关的基准电压,并为其他模块提供电流偏置。
        超高频标签主要电路简介
        RFID标签通常包括两个组成部分：标签天线和标签芯片。

   (1）天线匹配网络

      天线的作用是感应并接收电磁场中的能量和信号传送给芯片进行信号处理，因此这其中便存在了一个能量传输的问题，即实际情况下天线阻抗和芯片阻抗不满足最大功率传输理论，限制了RFID的工作距离，因此为了改善RFID的工作距离，必须最大限度的利用天线从电磁场中所接受到的能量，这也就是为什么需要做匹配的工作，尤其是当天线的尺寸受到限制时,天线所表现出来的电抗为阻抗匹配带来更大的困难。因此在芯片内部增加了匹配网络。匹配网络有多种形式，为了减少元件的使用,也即减少芯片面积、降低复杂度，采用最简单的方式是L型匹配。

        (2）反向发射电路

   在与读卡器建立连接以后，调制电路通过接收天线接收读卡器发射的一个连续的高频电磁波的一部分能量，同时会将这个电磁波的一部分能量反射回去。通过改变与天线相连接的电路的阻抗，使得反射回去的电磁波的参数发生变化，从而达到调制的目的。通常的调制方式有两种：

  PSK：改变电容值也就是阻抗的虚部；
  ASK：改变电阻值也就是阻抗的实部。

        (3）电源稳压电路

      电源稳压电路主要是用来稳定电荷泵输出的电压,为电路的其他模块以及数字电路提供稳定的电源电压。这部分电路对于芯片正常工作具有重要的作用。常用的稳压电路有并联稳压和串连稳压结构,并联稳压电路主要对芯片电源电压进行稳定，串连稳压电路提供一小于电源电压的电压源，供芯片内部如时钟电路。对电源要求较高的电路工作。

        (4）基准电压产生电路

       基准电源电路在整个设计中占有举足轻重的位置,基准电源的输出电压与温度、电源电压的关系是否稳定、一致,能否达到设计要求,是电路设计成败的一个关键。在CMOS集成电路设计中,除了电源电压外,还必须有其它提供电位的偏置电路。在集成电路的输入电压范围内(如2.7V至11V)工作温度范围(自然通风)为-10℃至75℃,在这个范围中,偏置电路提供的输出以及基准的电压输出均应保持稳定。不论是那种结构的基准电路其基准电压产生的原理是相同的,即通过正负温度特性的电路参数叠加,从而产生零温度系数的基准电压。
        电压参考源的设计大致分为三种：第一种以齐纳二极管为主,它的电路组成形式极其简单,也可以形成一个很稳定的输出电压,并且不受负载电流或是电源电压波动的影响,但缺点是齐纳二极管一定要工作在崩溃区,所以它的工作电压至少在8V以上,芯片系统工作电压较低时不能正常工作,即使能正常工作,功耗也很大。第二种电压源电路时利用场效应晶体管中增强型与耗尽中的临界电压不同,形成的电路,虽然也可以达到很稳定的电压,但是由于限制在两种临界电压,所以制作很敏感,经常输出电压产生误差。第三种就是由正温度系数的电路来补偿由PN结所产生的负温度系数,我们也称为就是能隙参考电压源。

   2、超高频无源RFID 标签关键技术之二：标签天线的设计

       天线设计技术

      天线是一种以电磁波形式把无线电收发机的射频信号功率接收或辐射出去的装置。实质上，由于在LF和HF频段系统近场区并没有电磁波的传播，因此天线的问题主要集中在UHF和微波频段。  

   （1） RFID标签天线设计
         天线的目标是传输最大的能量进出标签芯片，这需要仔细的设计天线和自由空间以及其相连的标签芯片的匹配，当工作频率增加到微波区域的时候，天线与标签芯片之间的匹配问题变得更加严峻。一直以来，标签天线的开发基于的是50或者75欧姆输入阻抗，而在RFID应用中，芯片的输入阻抗可能是任意值，并且很难在工作状态下准确测试，缺少准确的参数，天线的设计难以达到最佳。相应的小尺寸以及低成本等要求也对天线的设计带来挑战，天线的设计面临许多难题。标签天线特性受所标识物体的形状及物理特性影响，标签到贴标签物体的距离，贴标签物体的介电常数，金属表面的反射，局部结构对辐射模式的影响等都将影响天线的性能。在国内，有近百家的天线公司或工厂。这些天线厂家主要的产品是基本上传统的卫星接收天线、电视接收天线、车载天线，蜂窝基站天线等等，相对于从事RFID天线设计的单位很少，基础比较薄弱。对于特定环境应用的UHF频段RFID天线的设计和应用比较成熟，比如应用于铁路运输上的电子车号自动识别系统，该系统中阅读器天线为安装在地面的微带天线，并且带有很坚固的防护外壳。标签体积较大并且封装在塑料壳中，标签天线可靠性高、加工工艺成熟但是成本高。在读写器和标签位置、方向不固定、或者周围电磁影响严重的一些系统中存在识别准确率不高，测试一致性不理想的问题。国外已经研制出一种在RFID芯片上嵌入天线的方法，常规RFID芯片需要用一个外部天线来实现它们与外部读取器的通信，而微芯片的片载天线使它能够接收来自读写器的无线信号并将ID号回送。因此这种芯片无需任何外部器件即可自行进行工作。目前国内关于片上天线的研究基本处于空白状态。国外致力于覆盖各种频率的复合天线设计，国外厂商在研制和生产低成本的电子标签天线和标签产品，用以满足产品商品标志等方面的需要。国外注重标签天线知识产权保护，许多标签天线都申请专利保护。在特殊的使用要求下，标签天线仍然需要有很高的可靠性。国内在UHF和微波频段的标签天线的形式、体积、成本方面和国外技术存在一定的差距。
        目前，有三种天线制造技术：蚀刻/冲压天线（etched/punched antenna）、印刷天线（printed antenna）和绕线式天线。在国际上，目前一般都采用蚀刻/冲压天线为主，其材料一般为铝或者铜，因为其能提供最大可能的信号给标签上的芯片，并且在标签的方向性和天线的极化等特性上都能与读卡机的询问信号相匹配，同时在天线的阻抗，应用到物品上的RF的性能，以及在有其他的物品围绕贴标签物品时的RF性能等方面都有很好的表现，但是它唯一的缺点就是成本太高。我国具备一定的利用导电油墨(如导电银浆)进行天线的加工的能力，但是印刷分辨率、套准精度、必要的隔离层和干净的印刷环境上还有待实质性的改善和提高。

3、超高频无源RFID 标签关键技术之三： 标签封装技术

       （1） 封装方法

         印刷天线与芯片的互连上，因RFID标签的工作频率高、芯片微小超薄，最适宜的方法是倒装芯片（Flip Chip）技术，它具有高性能、低成本、微型化、高可靠性的特点，为适应柔性基板材料，倒装的键合材料要以导电胶来实现芯片与天线焊盘的互连。柔性基板要实现大批量低成本的生产，以及为了更有效地降低生产成本，采用新的方法进行天线与芯片的互连是目前国际国内研究的热点问题。 为了适应更小尺寸的RFID芯片，有效地降低生产成本，采用芯片与天线基板的键合封装分为两个模块分别完成是目前发展的趋势。其中一具体做法（中国专利）是：大尺寸的天线基板和连接芯片的小块基板分别制造，在小块基板上完成芯片贴装和互连后，再与大尺寸天线基板通过大焊盘的粘连完成电路导通。 与上述将封装过程分两个模块类似的方法是将芯片先转移至可等间距承载芯片的载带上，再将载带上的芯片倒装贴在天线基板。该方法中，芯片的倒装是靠载带翻卷的方式来实现的，简化了芯片的拾取操作，因而可实现更高的生产效率。特别是目前正在研究发展中的流体自装配（FSA）、振动装配（Vibratory assembly）等技术，理论上可以实现微小芯片至载带的批量转移，极大地提高芯片与天线的封装效率。

        （2） 封装关键工艺

RFID标签因不同的用途呈现多种封装形式，因而在天线制造、凸点形成、芯片键合互连等封装过程工艺也呈多样性。
        1）、凸点的形成
        目前RFID标签产品的特点是品种繁多，但并非每个品种的数量能形成规模。因此，采用柔性化制作凸点技术具有成本低廉，封装效率高，使用方便，灵活，工艺控制简单，自动化程度高等特点。不仅可解决微电子工业中可变加工批量、高密度、低成本封装急需的难题，还为目前正蓬勃兴起的RFID标签的柔性化生产提供条件。
        2）、RFID芯片互连方法
        RFID标签制造的主要目标之一是降低成本。为此，应尽可能减少工序，选择低成本材料，减少工艺时间。从材料成本角度，应优先考虑NCA互连，且可以同点胶凸点相配合实现低成本制造。采取ACA互连在技术上是成熟的，但其缺点在于目前市场上的ACA材料价格仍然较为昂贵，而且都是针对细间距、高密度、高I/O数互连而研制的。如果能够自制出成本低廉的满足RFID互连的导电胶，ACA互连也能够成为低成本的选择。ICA互连的缺点在于工艺步骤相对较多，固化时间相对较长。

       （3） RFID标签关键封装设备
        RFID封装设备由一系列工艺装备组成的自动化生产线，各工艺环节相对独立，同时又相互制约，要实现高效率的生产，必须综合考虑各个工艺环节的要求；从技术的角度，它是集光、机、电、气、液于一体的高精技术装备，涉及时间、压力、温度等多物理场的各种物理现象，需要解决速度、精度、效率、质量、可靠性、成本等多方面的因素的影响。开发高性能低成本的RFID制造装备一直是业界关注的焦点问题。
RFID封装设备的核心内容是如何在多物理因素作用下，使键合机及相关工艺受控完成高质量的接合界面。通常涉及几方面的关键技术：多自由度柔性、灵活的执行机构，基于视觉信息引导的识别与定位，胶固化及滴胶过程的时间、温度和压力控制，不同工艺单元技术的集成。 国内拥有自主知识产权的倒装封装设备几乎是空白，而国外厂商设备价格非常昂贵，一般需要上百万美元。如果直接购买进口设备，势必大大增加生产成本。特别需要指出的是目前RFID封装设备的技术工艺还在不断的发展中，现有的国外制造装备的技术水平依然无法满足人们对RFID产品低成本制造的要求。目前国内一些研究机构正在从事电子制造装备与技术的研发工作，并在RFID制造相关技术取得了突破。充分利用国内现有的基础以及RFID发展的契机，鼓励发展具有自主知识产权的RFID封装设备对实现RFID的低成本和电子制造装备产业都是非常有意义的。

结束语

    利用UHF超高频电磁波进行工作的无源射频识别(RFID)应答器的研究和设计工作成为现在国内以及国际上的研究热点,有着非常关键和重要的意义。在将来的一段时期内,UHF射频识别系统尤其是应答器仍然会是电路设计中的热点,相信随着技术的不断积累,我们的超高频 RFID的设计水平也将逐步提高。