RFID是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù),它通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無須人工干預(yù)。作為條形碼的無線版本,RFID技術(shù)具有條形碼所不具備的防水、防磁、耐高溫、使用壽命長(zhǎng)、讀取距離遠(yuǎn)、標(biāo)簽上數(shù)據(jù)可以加密、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)容量更大、存儲(chǔ)信息更改自如等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用將給零售、物流等產(chǎn)業(yè)帶來革命性變化。

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

        1、超高頻無源RFID 標(biāo)簽關(guān)鍵技術(shù)之一：標(biāo)簽芯片的設(shè)計(jì)

        標(biāo)簽芯片一般包括以下幾部分電路：
        電源恢復(fù)電路、電源穩(wěn)壓電路、反向散射調(diào)制電路、解調(diào)電路、時(shí)鐘提取/產(chǎn)生電路、啟動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生電路、參考源產(chǎn)生電路、控制單元、存儲(chǔ)器。
如圖1所示, 虛線框內(nèi)為UHF無源RFID標(biāo)簽芯片的結(jié)構(gòu)圖。

        無源 RFID 標(biāo)簽芯片工作時(shí)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(fù)電路需要將標(biāo)簽天線感應(yīng)出的超高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為芯片工作需要的直流電壓，為芯片提供能量。
        由于RFID 標(biāo)簽所處的電磁環(huán)境是十分復(fù)雜的，輸入信號(hào)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(chǎng)強(qiáng)中均可以正常工作，必須設(shè)計(jì)可靠的電源穩(wěn)壓電路。亦稱為功率調(diào)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(shí)起到限幅的保護(hù)作用。  

 
        調(diào)制與解調(diào)電路是標(biāo)簽與讀卡器進(jìn)行通信的關(guān)鍵電路，目前絕大部分的UHF RFID 標(biāo)簽采用的是ASK調(diào)制。
        RFID 標(biāo)簽的控制單元是處理指令的數(shù)字電路。為使標(biāo)簽在進(jìn)入讀卡器場(chǎng)區(qū)后，數(shù)字電路可以正確復(fù)位，以響應(yīng)讀卡器的指令，必須設(shè)計(jì)可靠的啟動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生電路，用來提供數(shù)字單元的復(fù)位信號(hào)。
        反向散射電路是通過改變阻抗來調(diào)制載波,向閱讀器發(fā)送上行信號(hào)。
        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(guān)的基準(zhǔn)電壓,并為其他模塊提供電流偏置。
        超高頻標(biāo)簽主要電路簡(jiǎn)介
        RFID標(biāo)簽通常包括兩個(gè)組成部分：標(biāo)簽天線和標(biāo)簽芯片。

 
        (1）天線匹配網(wǎng)絡(luò)

        天線的作用是感應(yīng)并接收電磁場(chǎng)中的能量和信號(hào)傳送給芯片進(jìn)行信號(hào)處理，因此這其中便存在了一個(gè)能量傳輸?shù)膯栴}，即實(shí)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(chǎng)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(dāng)天線的尺寸受到限制時(shí),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(nèi)部增加了匹配網(wǎng)絡(luò)。匹配網(wǎng)絡(luò)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(fù)雜度，采用最簡(jiǎn)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(diào)制電路通過接收天線接收讀卡器發(fā)射的一個(gè)連續(xù)的高頻電磁波的一部分能量，同時(shí)會(huì)將這個(gè)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(dá)到調(diào)制的目的。通常的調(diào)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(shí)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(duì)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(jié)構(gòu),并聯(lián)穩(wěn)壓電路主要對(duì)芯片電源電壓進(jìn)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(nèi)部如時(shí)鐘電路。對(duì)電源要求較高的電路工作。

        (4）基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路

        基準(zhǔn)電源電路在整個(gè)設(shè)計(jì)中占有舉足輕重的位置,基準(zhǔn)電源的輸出電壓與溫度、電源電壓的關(guān)系是否穩(wěn)定、一致,能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求,是電路設(shè)計(jì)成敗的一個(gè)關(guān)鍵。在CMOS集成電路設(shè)計(jì)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(nèi)(如2.7V至11V)工作溫度范圍(自然通風(fēng))為-10℃至75℃,在這個(gè)范圍中,偏置電路提供的輸出以及基準(zhǔn)的電壓輸出均應(yīng)保持穩(wěn)定。不論是那種結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)電路其基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生的原理是相同的,即通過正負(fù)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(zhǔn)電壓。
        電壓參考源的設(shè)計(jì)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(jiǎn)單,也可以形成一個(gè)很穩(wěn)定的輸出電壓,并且不受負(fù)載電流或是電源電壓波動(dòng)的影響,但缺點(diǎn)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(shí)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(shí)利用場(chǎng)效應(yīng)晶體管中增強(qiáng)型與耗盡中的臨界電壓不同,形成的電路,雖然也可以達(dá)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(bǔ)償由PN結(jié)所產(chǎn)生的負(fù)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(biāo)簽關(guān)鍵技術(shù)之二：標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)

        天線設(shè)計(jì)技術(shù)

         天線是一種以電磁波形式把無線電收發(fā)機(jī)的射頻信號(hào)功率接收或輻射出去的裝置。實(shí)質(zhì)上，由于在LF和HF頻段系統(tǒng)近場(chǎng)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(biāo)簽天線設(shè)計(jì) 
        天線的目標(biāo)是傳輸最大的能量進(jìn)出標(biāo)簽芯片，這需要仔細(xì)的設(shè)計(jì)天線和自由空間以及其相連的標(biāo)簽芯片的匹配，當(dāng)工作頻率增加到微波區(qū)域的時(shí)候，天線與標(biāo)簽芯片之間的匹配問題變得更加嚴(yán)峻。一直以來，標(biāo)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(yīng)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(zhǔn)確測(cè)試，缺少準(zhǔn)確的參數(shù)，天線的設(shè)計(jì)難以達(dá)到最佳。相應(yīng)的小尺寸以及低成本等要求也對(duì)天線的設(shè)計(jì)帶來挑戰(zhàn)，天線的設(shè)計(jì)面臨許多難題。標(biāo)簽天線特性受所標(biāo)識(shí)物體的形狀及物理特性影響，標(biāo)簽到貼標(biāo)簽物體的距離，貼標(biāo)簽物體的介電常數(shù)，金屬表面的反射，局部結(jié)構(gòu)對(duì)輻射模式的影響等都將影響天線的性能。在國(guó)內(nèi)，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(duì)于從事RFID天線設(shè)計(jì)的單位很少，基礎(chǔ)比較薄弱。對(duì)于特定環(huán)境應(yīng)用的UHF頻段RFID天線的設(shè)計(jì)和應(yīng)用比較成熟，比如應(yīng)用于鐵路運(yùn)輸上的電子車號(hào)自動(dòng)識(shí)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?jiān)固的防護(hù)外殼。標(biāo)簽體積較大并且封裝在塑料殼中，標(biāo)簽天線可靠性高、加工工藝成熟但是成本高。在讀寫器和標(biāo)簽位置、方向不固定、或者周圍電磁影響嚴(yán)重的一些系統(tǒng)中存在識(shí)別準(zhǔn)確率不高，測(cè)試一致性不理想的問題。國(guó)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(gè)外部天線來實(shí)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(hào)并將ID號(hào)回送。因此這種芯片無需任何外部器件即可自行進(jìn)行工作。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于片上天線的研究基本處于空白狀態(tài)。國(guó)外致力于覆蓋各種頻率的復(fù)合天線設(shè)計(jì)，國(guó)外廠商在研制和生產(chǎn)低成本的電子標(biāo)簽天線和標(biāo)簽產(chǎn)品，用以滿足產(chǎn)品商品標(biāo)志等方面的需要。國(guó)外注重標(biāo)簽天線知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，許多標(biāo)簽天線都申請(qǐng)專利保護(hù)。在特殊的使用要求下，標(biāo)簽天線仍然需要有很高的可靠性。國(guó)內(nèi)在UHF和微波頻段的標(biāo)簽天線的形式、體積、成本方面和國(guó)外技術(shù)存在一定的差距。
        目前，有三種天線制造技術(shù)：蝕刻/沖壓天線（etched/punched antenna）、印刷天線（printed antenna）和繞線式天線。在國(guó)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?yàn)槠淠芴峁┳畲罂赡艿男盘?hào)給標(biāo)簽上的芯片，并且在標(biāo)簽的方向性和天線的極化等特性上都能與讀卡機(jī)的詢問信號(hào)相匹配，同時(shí)在天線的阻抗，應(yīng)用到物品上的RF的性能，以及在有其他的物品圍繞貼標(biāo)簽物品時(shí)的RF性能等方面都有很好的表現(xiàn)，但是它唯一的缺點(diǎn)就是成本太高。我國(guó)具備一定的利用導(dǎo)電油墨(如導(dǎo)電銀漿)進(jìn)行天線的加工的能力，但是印刷分辨率、套準(zhǔn)精度、必要的隔離層和干凈的印刷環(huán)境上還有待實(shí)質(zhì)性的改善和提高。 

          3、超高頻無源RFID 標(biāo)簽關(guān)鍵技術(shù)之三： 標(biāo)簽封裝技術(shù)

        （1） 封裝方法

        印刷天線與芯片的互連上，因RFID標(biāo)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(shù)，它具有高性能、低成本、微型化、高可靠性的特點(diǎn)，為適應(yīng)柔性基板材料，倒裝的鍵合材料要以導(dǎo)電膠來實(shí)現(xiàn)芯片與天線焊盤的互連。柔性基板要實(shí)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(jìn)行天線與芯片的互連是目前國(guó)際國(guó)內(nèi)研究的熱點(diǎn)問題。 為了適應(yīng)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(gè)模塊分別完成是目前發(fā)展的趨勢(shì)。其中一具體做法（中國(guó)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(dǎo)通。 與上述將封裝過程分兩個(gè)模塊類似的方法是將芯片先轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)的，簡(jiǎn)化了芯片的拾取操作，因而可實(shí)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(dòng)裝配（Vibratory assembly）等技術(shù)，理論上可以實(shí)現(xiàn)微小芯片至載帶的批量轉(zhuǎn)移，極大地提高芯片與天線的封裝效率。 

        （2） 封裝關(guān)鍵工藝

        RFID標(biāo)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(diǎn)形成、芯片鍵合互連等封裝過程工藝也呈多樣性。 
        1）、凸點(diǎn)的形成
        目前RFID標(biāo)簽產(chǎn)品的特點(diǎn)是品種繁多，但并非每個(gè)品種的數(shù)量能形成規(guī)模。因此，采用柔性化制作凸點(diǎn)技術(shù)具有成本低廉，封裝效率高，使用方便，靈活，工藝控制簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。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(biāo)簽的柔性化生產(chǎn)提供條件。
        2）、RFID芯片互連方法 
        RFID標(biāo)簽制造的主要目標(biāo)之一是降低成本。為此，應(yīng)盡可能減少工序，選擇低成本材料，減少工藝時(shí)間。從材料成本角度，應(yīng)優(yōu)先考慮NCA互連，且可以同點(diǎn)膠凸點(diǎn)相配合實(shí)現(xiàn)低成本制造。采取ACA互連在技術(shù)上是成熟的，但其缺點(diǎn)在于目前市場(chǎng)上的ACA材料價(jià)格仍然較為昂貴，而且都是針對(duì)細(xì)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(dǎo)電膠，ACA互連也能夠成為低成本的選擇。ICA互連的缺點(diǎn)在于工藝步驟相對(duì)較多，固化時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。  

 
        （3） RFID標(biāo)簽關(guān)鍵封裝設(shè)備
        RFID封裝設(shè)備由一系列工藝裝備組成的自動(dòng)化生產(chǎn)線，各工藝環(huán)節(jié)相對(duì)獨(dú)立，同時(shí)又相互制約，要實(shí)現(xiàn)高效率的生產(chǎn)，必須綜合考慮各個(gè)工藝環(huán)節(jié)的要求；從技術(shù)的角度，它是集光、機(jī)、電、氣、液于一體的高精技術(shù)裝備，涉及時(shí)間、壓力、溫度等多物理場(chǎng)的各種物理現(xiàn)象，需要解決速度、精度、效率、質(zhì)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(guān)注的焦點(diǎn)問題。
RFID封裝設(shè)備的核心內(nèi)容是如何在多物理因素作用下，使鍵合機(jī)及相關(guān)工藝受控完成高質(zhì)量的接合界面。通常涉及幾方面的關(guān)鍵技術(shù)：多自由度柔性、靈活的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，基于視覺信息引導(dǎo)的識(shí)別與定位，膠固化及滴膠過程的時(shí)間、溫度和壓力控制，不同工藝單元技術(shù)的集成。 國(guó)內(nèi)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的倒裝封裝設(shè)備幾乎是空白，而國(guó)外廠商設(shè)備價(jià)格非常昂貴，一般需要上百萬美元。如果直接購(gòu)買進(jìn)口設(shè)備，勢(shì)必大大增加生產(chǎn)成本。特別需要指出的是目前RFID封裝設(shè)備的技術(shù)工藝還在不斷的發(fā)展中，現(xiàn)有的國(guó)外制造裝備的技術(shù)水平依然無法滿足人們對(duì)RFID產(chǎn)品低成本制造的要求。目前國(guó)內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)正在從事電子制造裝備與技術(shù)的研發(fā)工作，并在RFID制造相關(guān)技術(shù)取得了突破。充分利用國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的基礎(chǔ)以及RFID發(fā)展的契機(jī)，鼓勵(lì)發(fā)展具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的RFID封裝設(shè)備對(duì)實(shí)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(jié)束語(yǔ)

        利用UHF超高頻電磁波進(jìn)行工作的無源射頻識(shí)別(RFID)應(yīng)答器的研究和設(shè)計(jì)工作成為現(xiàn)在國(guó)內(nèi)以及國(guó)際上的研究熱點(diǎn),有著非常關(guān)鍵和重要的意義。在將來的一段時(shí)期內(nèi),UHF射頻識(shí)別系統(tǒng)尤其是應(yīng)答器仍然會(huì)是電路設(shè)計(jì)中的熱點(diǎn),相信隨著技術(shù)的不斷積累,我們的超高頻 RFID的設(shè)計(jì)水平也將逐步提高。

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