rfid標(biāo)簽芯片的研究與發(fā)展

rfid標(biāo)簽芯片的研究與發(fā)展

1rfid技術(shù)rfid是利用高頻傳感器（id）自動識別目標(biāo)對象并接收相關(guān)信息的技術(shù)。近年來,射頻識別系統(tǒng)作為一種廉價而可靠的自動識別技術(shù),已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于供應(yīng)鏈管理、門禁、公交系統(tǒng)、行李跟蹤等各大行業(yè)。射頻識別系統(tǒng)被認(rèn)為是構(gòu)建未來普適計算的重要部分,基本的射頻識別(RFID)系統(tǒng)由RFID電子標(biāo)簽(Tag或Transponder)和RFID讀寫器(Reader或Interrogator)構(gòu)成,在實際應(yīng)用中,經(jīng)常需要后端數(shù)據(jù)庫(Back-endDB)的支持,如圖1所示。RFID電子標(biāo)簽附著在物體上,以標(biāo)識目標(biāo)對象,由一個微小的標(biāo)簽芯片和天線構(gòu)成。RFID技術(shù)的工作頻段主要分為低頻(LF,典型工作頻率:125kHz/134kHz)、高頻(HF,13.56MHz)、超高頻(UHF,433MHz/860～960MHz)、微波(MW,2.45GHz/5.8GHz)。每一個頻段都有其優(yōu)點和缺點,各個頻段的應(yīng)用領(lǐng)域也不一樣。低高頻RFID讀寫器和標(biāo)簽在天線的近場區(qū)工作,基于電感耦合的工作原理,實現(xiàn)能量、數(shù)據(jù)的傳輸;超高頻和微波RFID系統(tǒng)在天線的遠場區(qū)工作,基于電磁波反向散射(Backscatter)耦合的工作原理,讀寫器發(fā)射的能量和數(shù)據(jù)通過電磁波輻射傳送給標(biāo)簽,用電磁波反射進行標(biāo)簽到讀寫器的數(shù)據(jù)傳輸。RFID標(biāo)簽主要分為無源標(biāo)簽(Passive或batterylesstag)和有源標(biāo)簽(Activetag)兩種類型。無源RFID標(biāo)簽的能量來自讀寫器發(fā)射的射頻能量,無須內(nèi)置電源,具有體積小、重量輕、成本低、幾乎無使用壽命限制等優(yōu)點,但需要較大功率的讀寫器;有源RFID標(biāo)簽的能量來自其內(nèi)置電源,具有長距離識別、對讀寫器的發(fā)射功率依賴小等優(yōu)點,但是成本高、使用壽命有限。RFID系統(tǒng)的成本中占最主要因素的是大量使用的RFID標(biāo)簽,RFID市場大幅成長需要低廉的RFID標(biāo)簽推動。2rfid標(biāo)簽芯片國內(nèi)外關(guān)于無源RFID標(biāo)簽芯片的研究工作有很多。最早出現(xiàn)的是低頻RFID標(biāo)簽芯片。1995年,Sau-MouWU等人提出一種無源RFID標(biāo)簽芯片(BatterylesstransponderIC),對能量獲取電路進行了重點論述,設(shè)計工藝采用0.8μmCMOS工藝,存儲器采用ROM,工作頻率是低頻的134.2kHz,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。隨著無線通信技術(shù)、集成電路工藝及設(shè)計技術(shù)的發(fā)展,無源RFID標(biāo)簽芯片的實現(xiàn)和應(yīng)用逐漸趨于成熟,高頻、超高頻、微波頻段的標(biāo)簽芯片相繼出現(xiàn)。1999年,S.Masui等人提出了內(nèi)嵌CPU、支持讀寫的高頻(13.56MHz)RFID標(biāo)簽芯片,具有防沖突、安全認(rèn)證等復(fù)雜的功能;N.Panitantum等人詳細論述了高頻RFID標(biāo)簽芯片的射頻接口部分的設(shè)計,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。高頻RFID標(biāo)簽芯片已經(jīng)發(fā)展為符合IS0/IEC14443和ISO/IEC15693的兩種標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。超高頻、微波頻段的標(biāo)簽芯片起步較晚,大量研究工作主要集中在2003年至2006年。其中,文獻、發(fā)表的標(biāo)簽芯片最具代表性。KarthausU.和FischerM.提出了一種最小輸入RF(射頻)功率僅為16.7μW的超高頻無源RFID標(biāo)簽芯片,如圖4所示。它采用支持讀寫的EEPROM存儲器,設(shè)計工藝采用支持EEPROM和肖特基二極管(Schottkydiodes)0.5μm2P2MCMOS工藝。文中重點論述了如何在獲取RF能量上提高能量轉(zhuǎn)換效率,但沒有論述具體電路的低功耗實現(xiàn)技術(shù),且其要求的肖特基二極管通常在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中沒有。文獻給出了針對供應(yīng)鏈管理(Supplychainmanagement,SCM)的超低成本超高頻RFID標(biāo)簽芯片的設(shè)計,設(shè)計工藝為0.25μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝,采用自適應(yīng)硅方法(Self-adaptivesiliconapproach),在CMOS工藝上實現(xiàn)非易失性存儲器,大大降低了芯片的制作成本;文中提出,當(dāng)芯片面積低于1mm2時,才能滿足供應(yīng)鏈管理的低成本應(yīng)用需求;此外,對無源RFID標(biāo)簽芯片的電源管理(Powermanagement)、ESD、測試方法、安全與隱私、低成本等技術(shù)挑戰(zhàn)進行了簡單分析。隨著集成電路設(shè)計工藝的發(fā)展,研究人員為實現(xiàn)RFID標(biāo)簽芯片所選擇的工藝尺寸也越來越小,Y.K.Teh等人提出了基于TSMC0.18μm1P6MCMOS工藝的低頻RFID標(biāo)簽芯片,其工作頻率為132kHz,功耗1.8mW。RFID標(biāo)簽芯片是一種數(shù)?；旌闲酒?所以也有研究者將A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)用于RFID標(biāo)簽芯片中。能提供RFID標(biāo)簽芯片產(chǎn)品的公司主要有飛利浦(Philips)、西門子(Siemens)、意法半導(dǎo)體(ST)、德州儀器(TI)、Microchip、ISDLtd、MicronCommn、EM等公司。到目前為止,無論文獻發(fā)表的RFID標(biāo)簽芯片,還是有關(guān)公司的標(biāo)簽芯片產(chǎn)品,其主要區(qū)別在于:采用的設(shè)計工藝不同,選擇的頻段不同,存儲器的類型不同,以及不同的功耗、識別距離、芯片面積等[15,16,17,18,19,20]。作者在從事RFID標(biāo)簽芯片的研究與設(shè)計過程中,曾在文獻和對無源RFID標(biāo)簽芯片系統(tǒng)架構(gòu)進行了詳細的劃分和設(shè)計,如圖5所示。按照功能,標(biāo)簽芯片可以劃分成三個基本模塊:射頻模擬前端(RFAnalogFront-End)、數(shù)字控制器(DigitalController)、存儲器(Memory)。射頻模擬前端主要有五個功能:1)為整個標(biāo)簽芯片提供電源,包括模擬部分的供電電源VCC,數(shù)字部分的供電電源VDD及存儲器EEPROM的供電電源;2)為數(shù)字部分提供時鐘;3)將讀寫器發(fā)送過來的ASK信號進行解調(diào),供數(shù)字電路部分繼續(xù)處理;4)對標(biāo)簽芯片反饋的信號進行調(diào)制后,再通過標(biāo)簽芯片的外部天線發(fā)送出去;5)系統(tǒng)復(fù)位,含上電和掉電復(fù)位。數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計一般遵循相應(yīng)的RFID國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。數(shù)字控制器完成防沖突控制、安全認(rèn)證、CRC校驗和收發(fā)控制,同時,提供與RF模塊的信號接口以及與EEPROM的控制接口。存儲器用于存儲用戶數(shù)據(jù)、廠商信息和UID等信息。3rfid標(biāo)簽芯片的設(shè)計技術(shù)射頻模擬前端負(fù)責(zé)獲取RF能量,為整個標(biāo)簽芯片提供電源、恢復(fù)數(shù)據(jù)和產(chǎn)生時鐘等信號,是芯片能否穩(wěn)定工作的關(guān)鍵。也有一些文獻對射頻模擬前端中的功率匹配和RF能量的獲取電路(整流電路)及能量轉(zhuǎn)換效率等關(guān)鍵技術(shù)進行研究。如圖5所示,整流電路(Rectifier)將標(biāo)簽天線上感應(yīng)的射頻能量轉(zhuǎn)換為直流電壓,供給電源管理電路(Powermanagementcircuits)。電源管理電路為整個標(biāo)簽芯片提供電源。主要性能參數(shù):1)整流電路的能量轉(zhuǎn)換效率(PowerConversionEfficiency,PCE)η。能量轉(zhuǎn)換效率定義為:η=PoutPin=IHDVHDPtag(1?Kloss)(1)η=ΡoutΡin=ΙΗDVΗDΡtag(1-Κloss)(1)式中,Pin是整流電路的輸入功率,Ptag是前章描述的RFID標(biāo)簽的射頻有效輸入功率,或稱天線感應(yīng)功率,Pout是整流電路的輸出功率,Kloss是標(biāo)簽調(diào)制返回信號給讀寫器時的能量損耗系數(shù),IHD和VHD分別是整流電路的電流輸出和電壓輸出。讀寫器發(fā)射的信號強度在實際應(yīng)用中是受到限制的。歐洲一些國家規(guī)定,超高頻RFID讀寫器有效發(fā)射功率(EffectiveRadiatedPower,ERP)不得超過500mW(27dBm);美國定義的ERP最大為4W(36dBm)。例如,500mW的超高頻RFID讀寫器有效發(fā)射功率(EffectiveRadiatedPower)使距離讀寫器2m處的標(biāo)簽的輸入功率僅為約150μW。超高頻RFID讀寫器發(fā)射的射頻能量的理論傳輸距離:r≤λ4πPreaderGreaderGtagPtag???????????√(2)r≤λ4πΡreaderGreaderGtagΡtag(2)從(1)式和(2)式可知,通過提高整流電路的能量轉(zhuǎn)換效率,可增加標(biāo)簽識別距離,而且是個有效的途徑。2)整流電路能夠整流的最小輸入電壓。標(biāo)簽輸入功率Ptag與傳輸距離的平方成反比,當(dāng)超出某個特定距離,整流電路的輸入電壓會小到使整流電路不能正常工作的程度。3)整流紋波系數(shù)S、整流輸出電壓基波峰值與輸出電壓平均值之比。RFID系統(tǒng)中,與標(biāo)簽的識別距離范圍相對應(yīng),標(biāo)簽輸入功率Ptag的變化范圍很大。這樣,使整流電路輸出的電壓波動范圍較大,會影響后續(xù)電源VDD和VCC的穩(wěn)定性。數(shù)字控制邏輯和存儲器是占RFID標(biāo)簽芯片的成本和功耗的主要部分,所以,國際上很多研究人員在研究適合RFID標(biāo)簽芯片的嵌入式存儲器和數(shù)字控制器的實現(xiàn)方法。例如,研究采用異步電路實現(xiàn)RFID標(biāo)簽芯片的數(shù)字核(Core)。由于兼容標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的EEPROM(Single-PolyEEPROM)的成本低,所以將其應(yīng)用于RFID標(biāo)簽芯片是未來的發(fā)展趨勢之一。此外,引入新的非揮發(fā)性存儲器來降低標(biāo)簽芯片的功耗也是未來的發(fā)展趨勢。比如,2005年7月,富士通推出RFID標(biāo)簽芯片MB89R119,其采用的存儲器就是256字節(jié)FRAM(鐵電隨機存取存儲器)。FRAM的功耗比EEPROM低,但是它的制作成本比EEPROM高,這也是FRAM目前不被廣泛應(yīng)用在RFID標(biāo)簽芯片中的主要原因。4發(fā)展方向4.1rfid標(biāo)簽安全技術(shù)研究和完善RFID技術(shù)的使用向合法組織和個人提出了安全和隱私威脅。由于讀寫器與RFID標(biāo)簽之間是無線通信,因此,RFID系統(tǒng)很容易受到攻擊。RFID標(biāo)簽擁有惟一的ID,一旦攻擊者獲得ID,也就獲得了目標(biāo)對象的數(shù)據(jù)信息。未被保護的標(biāo)簽易遭受來自未授權(quán)方的監(jiān)聽、交易分析、業(yè)務(wù)欺騙或業(yè)務(wù)抵賴。即使標(biāo)簽內(nèi)容是保密的,攻擊者仍可根據(jù)標(biāo)簽上特殊信息的可預(yù)測性對個體目標(biāo)進行地點跟蹤,破壞地點隱私。盡管用于認(rèn)證和識別用途的密碼技術(shù)已相對比較成熟。但是,到目前為止,由于RFID標(biāo)簽芯片的特殊性和局限性,設(shè)計安全、高效、低成本的RFID安全機制仍然是一個具有挑戰(zhàn)性的課題。同時,存在安全認(rèn)證機制與已有國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的兼容性問題。4.2傳感rfid標(biāo)簽的成本及能耗問題將傳感器集成到RFID標(biāo)簽中,已成為RFID標(biāo)簽芯片發(fā)展的主要挑戰(zhàn)之一。在許多應(yīng)用領(lǐng)域,需要RFID標(biāo)簽?zāi)軌驒z測震動、溫度、壓力、濕度等環(huán)境參數(shù)。例如,在醫(yī)療領(lǐng)域,使用集成傳感器的RFID標(biāo)簽可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控病人的體溫、心跳、血壓等狀況。這些傳感RFID標(biāo)簽必將面臨成本、功耗的挑戰(zhàn),同樣,在隱私和數(shù)據(jù)安全問題上還存在爭議。RFID標(biāo)簽芯片如何與傳感器技術(shù)結(jié)合是一個亟待解決的問題,主要有兩種趨勢:1)有源傳感RFID標(biāo)簽。將RFID標(biāo)簽芯片和低功耗的傳感器集成,但這無疑會大幅增加整個RFID標(biāo)簽的成本,只能用于高價值領(lǐng)域,很難滿足大規(guī)模應(yīng)用的低成本需求;2)無源傳感RFID標(biāo)簽。相比有源傳感RFID標(biāo)簽,成本較低,但是增加了功耗的問題。利用集成電路工藝器件對環(huán)境的敏感特性來檢測環(huán)境參數(shù)也是將來RFID標(biāo)簽芯片的主要發(fā)展趨勢之一,