RFID是一種非接觸式的自動識別技術,它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預。作為條形碼的無線版本,RFID技術具有條形碼所不具備的防水、防磁、耐高溫、使用壽命長、讀取距離遠、標簽上數(shù)據(jù)可以加密、存儲數(shù)據(jù)容量更大、存儲信息更改自如等優(yōu)點，其應用將給零售、物流等產(chǎn)業(yè)帶來革命性變化。

        無源標簽即標簽本身沒有電池供電，在閱讀器的閱讀范圍之外時,標簽處于無源狀態(tài)，在閱讀器的閱讀范圍之內時標簽從閱讀器發(fā)出的射頻能量中提取其工作所需的電能?，F(xiàn)在就超高頻無源電子標簽(Passivetag)來講述它的關鍵技術。

        1、超高頻無源RFID 標簽關鍵技術之一：標簽芯片的設計

        標簽芯片一般包括以下幾部分電路：
        電源恢復電路、電源穩(wěn)壓電路、反向散射調制電路、解調電路、時鐘提取/產(chǎn)生電路、啟動信號產(chǎn)生電路、參考源產(chǎn)生電路、控制單元、存儲器。
如圖1所示, 虛線框內為UHF無源RFID標簽芯片的結構圖。

        無源 RFID 標簽芯片工作時所需要的能量完全來源于讀卡器產(chǎn)生的電磁波的能量，因此，電源恢復電路需要將標簽天線感應出的超高頻信號轉換為芯片工作需要的直流電壓，為芯片提供能量。
        由于RFID 標簽所處的電磁環(huán)境是十分復雜的，輸入信號的功率可以變化幾百甚至幾千倍，因此，為了芯片在大小不同的場強中均可以正常工作，必須設計可靠的電源穩(wěn)壓電路。亦稱為功率調節(jié)器,產(chǎn)生穩(wěn)定的電源電壓,為芯片提供全局電源,同時起到限幅的保護作用。  

 
        調制與解調電路是標簽與讀卡器進行通信的關鍵電路，目前絕大部分的UHF RFID 標簽采用的是ASK調制。
        RFID 標簽的控制單元是處理指令的數(shù)字電路。為使標簽在進入讀卡器場區(qū)后，數(shù)字電路可以正確復位，以響應讀卡器的指令，必須設計可靠的啟動信號產(chǎn)生電路，用來提供數(shù)字單元的復位信號。
        反向散射電路是通過改變阻抗來調制載波,向閱讀器發(fā)送上行信號。
        參考源產(chǎn)生電路是產(chǎn)生穩(wěn)定的與溫度和電源電壓無關的基準電壓,并為其他模塊提供電流偏置。
        超高頻標簽主要電路簡介
        RFID標簽通常包括兩個組成部分：標簽天線和標簽芯片。

 
        (1）天線匹配網(wǎng)絡

        天線的作用是感應并接收電磁場中的能量和信號傳送給芯片進行信號處理，因此這其中便存在了一個能量傳輸?shù)膯栴}，即實際情況下天線阻抗和芯片阻抗不滿足最大功率傳輸理論，限制了RFID的工作距離，因此為了改善RFID的工作距離，必須最大限度的利用天線從電磁場中所接受到的能量，這也就是為什么需要做匹配的工作，尤其是當天線的尺寸受到限制時,天線所表現(xiàn)出來的電抗為阻抗匹配帶來更大的困難。因此在芯片內部增加了匹配網(wǎng)絡。匹配網(wǎng)絡有多種形式，為了減少元件的使用,也即減少芯片面積、降低復雜度，采用最簡單的方式是L型匹配。

 
        (2）反向發(fā)射電路

        在與讀卡器建立連接以后，調制電路通過接收天線接收讀卡器發(fā)射的一個連續(xù)的高頻電磁波的一部分能量，同時會將這個電磁波的一部分能量反射回去。通過改變與天線相連接的電路的阻抗，使得反射回去的電磁波的參數(shù)發(fā)生變化，從而達到調制的目的。通常的調制方式有兩種：
        PSK：改變電容值也就是阻抗的虛部；
        ASK：改變電阻值也就是阻抗的實部。 

 
        (3）電源穩(wěn)壓電路

        電源穩(wěn)壓電路主要是用來穩(wěn)定電荷泵輸出的電壓,為電路的其他模塊以及數(shù)字電路提供穩(wěn)定的電源電壓。這部分電路對于芯片正常工作具有重要的作用。常用的穩(wěn)壓電路有并聯(lián)穩(wěn)壓和串連穩(wěn)壓結構,并聯(lián)穩(wěn)壓電路主要對芯片電源電壓進行穩(wěn)定，串連穩(wěn)壓電路提供一小于電源電壓的電壓源，供芯片內部如時鐘電路。對電源要求較高的電路工作。

        (4）基準電壓產(chǎn)生電路

        基準電源電路在整個設計中占有舉足輕重的位置,基準電源的輸出電壓與溫度、電源電壓的關系是否穩(wěn)定、一致,能否達到設計要求,是電路設計成敗的一個關鍵。在CMOS集成電路設計中,除了電源電壓外,還必須有其它提供電位的偏置電路。在集成電路的輸入電壓范圍內(如2.7V至11V)工作溫度范圍(自然通風)為-10℃至75℃,在這個范圍中,偏置電路提供的輸出以及基準的電壓輸出均應保持穩(wěn)定。不論是那種結構的基準電路其基準電壓產(chǎn)生的原理是相同的,即通過正負溫度特性的電路參數(shù)疊加,從而產(chǎn)生零溫度系數(shù)的基準電壓。
        電壓參考源的設計大致分為三種：第一種以齊納二極管為主,它的電路組成形式極其簡單,也可以形成一個很穩(wěn)定的輸出電壓,并且不受負載電流或是電源電壓波動的影響,但缺點是齊納二極管一定要工作在崩潰區(qū),所以它的工作電壓至少在8V以上,芯片系統(tǒng)工作電壓較低時不能正常工作,即使能正常工作,功耗也很大。第二種電壓源電路時利用場效應晶體管中增強型與耗盡中的臨界電壓不同,形成的電路,雖然也可以達到很穩(wěn)定的電壓,但是由于限制在兩種臨界電壓,所以制作很敏感,經(jīng)常輸出電壓產(chǎn)生誤差。第三種就是由正溫度系數(shù)的電路來補償由PN結所產(chǎn)生的負溫度系數(shù),我們也稱為就是能隙參考電壓源。

         2、超高頻無源RFID 標簽關鍵技術之二：標簽天線的設計

        天線設計技術

         天線是一種以電磁波形式把無線電收發(fā)機的射頻信號功率接收或輻射出去的裝置。實質上，由于在LF和HF頻段系統(tǒng)近場區(qū)并沒有電磁波的傳播，因此天線的問題主要集中在UHF和微波頻段。  

        （1） RFID標簽天線設計 
        天線的目標是傳輸最大的能量進出標簽芯片，這需要仔細的設計天線和自由空間以及其相連的標簽芯片的匹配，當工作頻率增加到微波區(qū)域的時候，天線與標簽芯片之間的匹配問題變得更加嚴峻。一直以來，標簽天線的開發(fā)基于的是50或者75歐姆輸入阻抗，而在RFID應用中，芯片的輸入阻抗可能是任意值，并且很難在工作狀態(tài)下準確測試，缺少準確的參數(shù)，天線的設計難以達到最佳。相應的小尺寸以及低成本等要求也對天線的設計帶來挑戰(zhàn)，天線的設計面臨許多難題。標簽天線特性受所標識物體的形狀及物理特性影響，標簽到貼標簽物體的距離，貼標簽物體的介電常數(shù)，金屬表面的反射，局部結構對輻射模式的影響等都將影響天線的性能。在國內，有近百家的天線公司或工廠。這些天線廠家主要的產(chǎn)品是基本上傳統(tǒng)的衛(wèi)星接收天線、電視接收天線、車載天線，蜂窩基站天線等等，相對于從事RFID天線設計的單位很少，基礎比較薄弱。對于特定環(huán)境應用的UHF頻段RFID天線的設計和應用比較成熟，比如應用于鐵路運輸上的電子車號自動識別系統(tǒng)，該系統(tǒng)中閱讀器天線為安裝在地面的微帶天線，并且?guī)в泻軋怨痰姆雷o外殼。標簽體積較大并且封裝在塑料殼中，標簽天線可靠性高、加工工藝成熟但是成本高。在讀寫器和標簽位置、方向不固定、或者周圍電磁影響嚴重的一些系統(tǒng)中存在識別準確率不高，測試一致性不理想的問題。國外已經(jīng)研制出一種在RFID芯片上嵌入天線的方法，常規(guī)RFID芯片需要用一個外部天線來實現(xiàn)它們與外部讀取器的通信，而微芯片的片載天線使它能夠接收來自讀寫器的無線信號并將ID號回送。因此這種芯片無需任何外部器件即可自行進行工作。目前國內關于片上天線的研究基本處于空白狀態(tài)。國外致力于覆蓋各種頻率的復合天線設計，國外廠商在研制和生產(chǎn)低成本的電子標簽天線和標簽產(chǎn)品，用以滿足產(chǎn)品商品標志等方面的需要。國外注重標簽天線知識產(chǎn)權保護，許多標簽天線都申請專利保護。在特殊的使用要求下，標簽天線仍然需要有很高的可靠性。國內在UHF和微波頻段的標簽天線的形式、體積、成本方面和國外技術存在一定的差距。
        目前，有三種天線制造技術：蝕刻/沖壓天線（etched/punched antenna）、印刷天線（printed antenna）和繞線式天線。在國際上，目前一般都采用蝕刻/沖壓天線為主，其材料一般為鋁或者銅，因為其能提供最大可能的信號給標簽上的芯片，并且在標簽的方向性和天線的極化等特性上都能與讀卡機的詢問信號相匹配，同時在天線的阻抗，應用到物品上的RF的性能，以及在有其他的物品圍繞貼標簽物品時的RF性能等方面都有很好的表現(xiàn)，但是它唯一的缺點就是成本太高。我國具備一定的利用導電油墨(如導電銀漿)進行天線的加工的能力，但是印刷分辨率、套準精度、必要的隔離層和干凈的印刷環(huán)境上還有待實質性的改善和提高。 

          3、超高頻無源RFID 標簽關鍵技術之三： 標簽封裝技術

        （1） 封裝方法

        印刷天線與芯片的互連上，因RFID標簽的工作頻率高、芯片微小超薄，最適宜的方法是倒裝芯片（Flip Chip）技術，它具有高性能、低成本、微型化、高可靠性的特點，為適應柔性基板材料，倒裝的鍵合材料要以導電膠來實現(xiàn)芯片與天線焊盤的互連。柔性基板要實現(xiàn)大批量低成本的生產(chǎn)，以及為了更有效地降低生產(chǎn)成本，采用新的方法進行天線與芯片的互連是目前國際國內研究的熱點問題。 為了適應更小尺寸的RFID芯片，有效地降低生產(chǎn)成本，采用芯片與天線基板的鍵合封裝分為兩個模塊分別完成是目前發(fā)展的趨勢。其中一具體做法（中國專利）是：大尺寸的天線基板和連接芯片的小塊基板分別制造，在小塊基板上完成芯片貼裝和互連后，再與大尺寸天線基板通過大焊盤的粘連完成電路導通。 與上述將封裝過程分兩個模塊類似的方法是將芯片先轉移至可等間距承載芯片的載帶上，再將載帶上的芯片倒裝貼在天線基板。該方法中，芯片的倒裝是靠載帶翻卷的方式來實現(xiàn)的，簡化了芯片的拾取操作，因而可實現(xiàn)更高的生產(chǎn)效率。特別是目前正在研究發(fā)展中的流體自裝配（FSA）、振動裝配（Vibratory assembly）等技術，理論上可以實現(xiàn)微小芯片至載帶的批量轉移，極大地提高芯片與天線的封裝效率。 

        （2） 封裝關鍵工藝

        RFID標簽因不同的用途呈現(xiàn)多種封裝形式，因而在天線制造、凸點形成、芯片鍵合互連等封裝過程工藝也呈多樣性。 
        1）、凸點的形成
        目前RFID標簽產(chǎn)品的特點是品種繁多，但并非每個品種的數(shù)量能形成規(guī)模。因此，采用柔性化制作凸點技術具有成本低廉，封裝效率高，使用方便，靈活，工藝控制簡單，自動化程度高等特點。不僅可解決微電子工業(yè)中可變加工批量、高密度、低成本封裝急需的難題，還為目前正蓬勃興起的RFID標簽的柔性化生產(chǎn)提供條件。
        2）、RFID芯片互連方法 
        RFID標簽制造的主要目標之一是降低成本。為此，應盡可能減少工序，選擇低成本材料，減少工藝時間。從材料成本角度，應優(yōu)先考慮NCA互連，且可以同點膠凸點相配合實現(xiàn)低成本制造。采取ACA互連在技術上是成熟的，但其缺點在于目前市場上的ACA材料價格仍然較為昂貴，而且都是針對細間距、高密度、高I/O數(shù)互連而研制的。如果能夠自制出成本低廉的滿足RFID互連的導電膠，ACA互連也能夠成為低成本的選擇。ICA互連的缺點在于工藝步驟相對較多，固化時間相對較長。  

 
        （3） RFID標簽關鍵封裝設備
        RFID封裝設備由一系列工藝裝備組成的自動化生產(chǎn)線，各工藝環(huán)節(jié)相對獨立，同時又相互制約，要實現(xiàn)高效率的生產(chǎn)，必須綜合考慮各個工藝環(huán)節(jié)的要求；從技術的角度，它是集光、機、電、氣、液于一體的高精技術裝備，涉及時間、壓力、溫度等多物理場的各種物理現(xiàn)象，需要解決速度、精度、效率、質量、可靠性、成本等多方面的因素的影響。開發(fā)高性能低成本的RFID制造裝備一直是業(yè)界關注的焦點問題。
RFID封裝設備的核心內容是如何在多物理因素作用下，使鍵合機及相關工藝受控完成高質量的接合界面。通常涉及幾方面的關鍵技術：多自由度柔性、靈活的執(zhí)行機構，基于視覺信息引導的識別與定位，膠固化及滴膠過程的時間、溫度和壓力控制，不同工藝單元技術的集成。 國內擁有自主知識產(chǎn)權的倒裝封裝設備幾乎是空白，而國外廠商設備價格非常昂貴，一般需要上百萬美元。如果直接購買進口設備，勢必大大增加生產(chǎn)成本。特別需要指出的是目前RFID封裝設備的技術工藝還在不斷的發(fā)展中，現(xiàn)有的國外制造裝備的技術水平依然無法滿足人們對RFID產(chǎn)品低成本制造的要求。目前國內一些研究機構正在從事電子制造裝備與技術的研發(fā)工作，并在RFID制造相關技術取得了突破。充分利用國內現(xiàn)有的基礎以及RFID發(fā)展的契機，鼓勵發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權的RFID封裝設備對實現(xiàn)RFID的低成本和電子制造裝備產(chǎn)業(yè)都是非常有意義的。

        結束語

        利用UHF超高頻電磁波進行工作的無源射頻識別(RFID)應答器的研究和設計工作成為現(xiàn)在國內以及國際上的研究熱點,有著非常關鍵和重要的意義。在將來的一段時期內,UHF射頻識別系統(tǒng)尤其是應答器仍然會是電路設計中的熱點,相信隨著技術的不斷積累,我們的超高頻 RFID的設計水平也將逐步提高。

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