rfid标签芯片的研究与发展

rfid标签芯片的研究与发展

1rfid技术rfid是利用高频传感器（id）自动识别目标对象并接收相关信息的技术。近年来,射频识别系统作为一种廉价而可靠的自动识别技术,已经被广泛地应用于供应链管理、门禁、公交系统、行李跟踪等各大行业。射频识别系统被认为是构建未来普适计算的重要部分,基本的射频识别(RFID)系统由RFID电子标签(Tag或Transponder)和RFID读写器(Reader或Interrogator)构成,在实际应用中,经常需要后端数据库(Back-endDB)的支持,如图1所示。RFID电子标签附着在物体上,以标识目标对象,由一个微小的标签芯片和天线构成。RFID技术的工作频段主要分为低频(LF,典型工作频率:125kHz/134kHz)、高频(HF,13.56MHz)、超高频(UHF,433MHz/860～960MHz)、微波(MW,2.45GHz/5.8GHz)。每一个频段都有其优点和缺点,各个频段的应用领域也不一样。低高频RFID读写器和标签在天线的近场区工作,基于电感耦合的工作原理,实现能量、数据的传输;超高频和微波RFID系统在天线的远场区工作,基于电磁波反向散射(Backscatter)耦合的工作原理,读写器发射的能量和数据通过电磁波辐射传送给标签,用电磁波反射进行标签到读写器的数据传输。RFID标签主要分为无源标签(Passive或batterylesstag)和有源标签(Activetag)两种类型。无源RFID标签的能量来自读写器发射的射频能量,无须内置电源,具有体积小、重量轻、成本低、几乎无使用寿命限制等优点,但需要较大功率的读写器;有源RFID标签的能量来自其内置电源,具有长距离识别、对读写器的发射功率依赖小等优点,但是成本高、使用寿命有限。RFID系统的成本中占最主要因素的是大量使用的RFID标签,RFID市场大幅成长需要低廉的RFID标签推动。2rfid标签芯片国内外关于无源RFID标签芯片的研究工作有很多。最早出现的是低频RFID标签芯片。1995年,Sau-MouWU等人提出一种无源RFID标签芯片(BatterylesstransponderIC),对能量获取电路进行了重点论述,设计工艺采用0.8μmCMOS工艺,存储器采用ROM,工作频率是低频的134.2kHz,其结构如图2所示。随着无线通信技术、集成电路工艺及设计技术的发展,无源RFID标签芯片的实现和应用逐渐趋于成熟,高频、超高频、微波频段的标签芯片相继出现。1999年,S.Masui等人提出了内嵌CPU、支持读写的高频(13.56MHz)RFID标签芯片,具有防冲突、安全认证等复杂的功能;N.Panitantum等人详细论述了高频RFID标签芯片的射频接口部分的设计,其结构如图3所示。高频RFID标签芯片已经发展为符合IS0/IEC14443和ISO/IEC15693的两种标准产品。超高频、微波频段的标签芯片起步较晚,大量研究工作主要集中在2003年至2006年。其中,文献、发表的标签芯片最具代表性。KarthausU.和FischerM.提出了一种最小输入RF(射频)功率仅为16.7μW的超高频无源RFID标签芯片,如图4所示。它采用支持读写的EEPROM存储器,设计工艺采用支持EEPROM和肖特基二极管(Schottkydiodes)0.5μm2P2MCMOS工艺。文中重点论述了如何在获取RF能量上提高能量转换效率,但没有论述具体电路的低功耗实现技术,且其要求的肖特基二极管通常在标准CMOS工艺中没有。文献给出了针对供应链管理(Supplychainmanagement,SCM)的超低成本超高频RFID标签芯片的设计,设计工艺为0.25μm标准CMOS工艺,采用自适应硅方法(Self-adaptivesiliconapproach),在CMOS工艺上实现非易失性存储器,大大降低了芯片的制作成本;文中提出,当芯片面积低于1mm2时,才能满足供应链管理的低成本应用需求;此外,对无源RFID标签芯片的电源管理(Powermanagement)、ESD、测试方法、安全与隐私、低成本等技术挑战进行了简单分析。随着集成电路设计工艺的发展,研究人员为实现RFID标签芯片所选择的工艺尺寸也越来越小,Y.K.Teh等人提出了基于TSMC0.18μm1P6MCMOS工艺的低频RFID标签芯片,其工作频率为132kHz,功耗1.8mW。RFID标签芯片是一种数模混合芯片,所以也有研究者将A/D转换器应用于RFID标签芯片中。能提供RFID标签芯片产品的公司主要有飞利浦(Philips)、西门子(Siemens)、意法半导体(ST)、德州仪器(TI)、Microchip、ISDLtd、MicronCommn、EM等公司。到目前为止,无论文献发表的RFID标签芯片,还是有关公司的标签芯片产品,其主要区别在于:采用的设计工艺不同,选择的频段不同,存储器的类型不同,以及不同的功耗、识别距离、芯片面积等[15,16,17,18,19,20]。作者在从事RFID标签芯片的研究与设计过程中,曾在文献和对无源RFID标签芯片系统架构进行了详细的划分和设计,如图5所示。按照功能,标签芯片可以划分成三个基本模块:射频模拟前端(RFAnalogFront-End)、数字控制器(DigitalController)、存储器(Memory)。射频模拟前端主要有五个功能:1)为整个标签芯片提供电源,包括模拟部分的供电电源VCC,数字部分的供电电源VDD及存储器EEPROM的供电电源;2)为数字部分提供时钟;3)将读写器发送过来的ASK信号进行解调,供数字电路部分继续处理;4)对标签芯片反馈的信号进行调制后,再通过标签芯片的外部天线发送出去;5)系统复位,含上电和掉电复位。数字系统的设计一般遵循相应的RFID国际标准协议。数字控制器完成防冲突控制、安全认证、CRC校验和收发控制,同时,提供与RF模块的信号接口以及与EEPROM的控制接口。存储器用于存储用户数据、厂商信息和UID等信息。3rfid标签芯片的设计技术射频模拟前端负责获取RF能量,为整个标签芯片提供电源、恢复数据和产生时钟等信号,是芯片能否稳定工作的关键。也有一些文献对射频模拟前端中的功率匹配和RF能量的获取电路(整流电路)及能量转换效率等关键技术进行研究。如图5所示,整流电路(Rectifier)将标签天线上感应的射频能量转换为直流电压,供给电源管理电路(Powermanagementcircuits)。电源管理电路为整个标签芯片提供电源。主要性能参数:1)整流电路的能量转换效率(PowerConversionEfficiency,PCE)η。能量转换效率定义为:η=PoutPin=IHDVHDPtag(1−Kloss)(1)η=ΡoutΡin=ΙΗDVΗDΡtag(1-Κloss)(1)式中,Pin是整流电路的输入功率,Ptag是前章描述的RFID标签的射频有效输入功率,或称天线感应功率,Pout是整流电路的输出功率,Kloss是标签调制返回信号给读写器时的能量损耗系数,IHD和VHD分别是整流电路的电流输出和电压输出。读写器发射的信号强度在实际应用中是受到限制的。欧洲一些国家规定,超高频RFID读写器有效发射功率(EffectiveRadiatedPower,ERP)不得超过500mW(27dBm);美国定义的ERP最大为4W(36dBm)。例如,500mW的超高频RFID读写器有效发射功率(EffectiveRadiatedPower)使距离读写器2m处的标签的输入功率仅为约150μW。超高频RFID读写器发射的射频能量的理论传输距离:r≤λ4πPreaderGreaderGtagPtag−−−−−−−−−−−√(2)r≤λ4πΡreaderGreaderGtagΡtag(2)从(1)式和(2)式可知,通过提高整流电路的能量转换效率,可增加标签识别距离,而且是个有效的途径。2)整流电路能够整流的最小输入电压。标签输入功率Ptag与传输距离的平方成反比,当超出某个特定距离,整流电路的输入电压会小到使整流电路不能正常工作的程度。3)整流纹波系数S、整流输出电压基波峰值与输出电压平均值之比。RFID系统中,与标签的识别距离范围相对应,标签输入功率Ptag的变化范围很大。这样,使整流电路输出的电压波动范围较大,会影响后续电源VDD和VCC的稳定性。数字控制逻辑和存储器是占RFID标签芯片的成本和功耗的主要部分,所以,国际上很多研究人员在研究适合RFID标签芯片的嵌入式存储器和数字控制器的实现方法。例如,研究采用异步电路实现RFID标签芯片的数字核(Core)。由于兼容标准CMOS工艺的EEPROM(Single-PolyEEPROM)的成本低,所以将其应用于RFID标签芯片是未来的发展趋势之一。此外,引入新的非挥发性存储器来降低标签芯片的功耗也是未来的发展趋势。比如,2005年7月,富士通推出RFID标签芯片MB89R119,其采用的存储器就是256字节FRAM(铁电随机存取存储器)。FRAM的功耗比EEPROM低,但是它的制作成本比EEPROM高,这也是FRAM目前不被广泛应用在RFID标签芯片中的主要原因。4发展方向4.1rfid标签安全技术研究和完善RFID技术的使用向合法组织和个人提出了安全和隐私威胁。由于读写器与RFID标签之间是无线通信,因此,RFID系统很容易受到攻击。RFID标签拥有惟一的ID,一旦攻击者获得ID,也就获得了目标对象的数据信息。未被保护的标签易遭受来自未授权方的监听、交易分析、业务欺骗或业务抵赖。即使标签内容是保密的,攻击者仍可根据标签上特殊信息的可预测性对个体目标进行地点跟踪,破坏地点隐私。尽管用于认证和识别用途的密码技术已相对比较成熟。但是,到目前为止,由于RFID标签芯片的特殊性和局限性,设计安全、高效、低成本的RFID安全机制仍然是一个具有挑战性的课题。同时,存在安全认证机制与已有国际相关标准的兼容性问题。4.2传感rfid标签的成本及能耗问题将传感器集成到RFID标签中,已成为RFID标签芯片发展的主要挑战之一。在许多应用领域,需要RFID标签能够检测震动、温度、压力、湿度等环境参数。例如,在医疗领域,使用集成传感器的RFID标签可以实现远程监控病人的体温、心跳、血压等状况。这些传感RFID标签必将面临成本、功耗的挑战,同样,在隐私和数据安全问题上还存在争议。RFID标签芯片如何与传感器技术结合是一个亟待解决的问题,主要有两种趋势:1)有源传感RFID标签。将RFID标签芯片和低功耗的传感器集成,但这无疑会大幅增加整个RFID标签的成本,只能用于高价值领域,很难满足大规模应用的低成本需求;2)无源传感RFID标签。相比有源传感RFID标签,成本较低,但是增加了功耗的问题。利用集成电路工艺器件对环境的敏感特性来检测环境参数也是将来RFID标签芯片的主要发展趋势之一,