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RFID标签芯片的最新研究进展


第 37 卷第 6 期 2007 年 12 月

微 电 子 学 Microelectronics

Vo l 37, N o. 6 1 Dec 2007 1

RFID 标签芯片的最新研究进展
刘冬生 , 邹雪城 , 刘政林 , 金
( 1. 华中科技大学 电子科学与技术系, 武汉
1 1

1



2

430074; 2. 华中科技大学 计算机科学 与技术学院, 武汉

430074)

摘 要: 射频识别( RF ID) 系统是一种具有广泛应用前景的自动识别系统。近年来, 射频识别技 术以快速增长趋势在供应链、 门禁、 公交系统、 行李跟踪等领域获得了广泛的应用。文章详细论述 了不同频段 RFID 标签芯片的最新研究进展, 对标签芯片的核心模块射频模拟前端、 数字控制器、 存储器的研究及发展趋势进行了分析。最后, 讨论了标签芯片的发展方向。 关键词: 射频识别; 标签芯片; 模拟前端; 数字控制器; 存储器
中图分类号: T N432 文献标识码: A 文章编号 : 1004 3365( 2007) 06 0779 06 -

Recent Advances in Research of RFID Tag IC. s
L IU Dong sheng , ZOU Xue cheng , LIU Zheng lin , JIN H ai 1 1 1 2

( 1. D e pt . of El ect roni c S ci ence & T ech nol og y , H uaz hong Uni v ersi ty of S ci . & T ec hnol . , W uhan , H ube i 430074, P . R. China; 2. Coll eg e of Comp ut er S ci ence & T echnol og y , H uaz hong Uni ve rsi ty of S ci . & T ech . , W uhan , H u bei 430074, P. R . Chi na)

Abstract:

Radio frequency identification ( RFID) systems are auto matic ident ificatio n sy stems which find a w ide range of applicat ions in v ario us fields. In r ecent years, radio fr equency identif ication t echnolo gy has seen rapid gr ow th in a reas of supply chain management, access contr ol, public t ranspo rtation, a irline bagg age tracking , etc. Recent dev elo pment in the research o f R FID tr ansponder I C. s fo r different f requency bands are described. A dv ances in the r esear ch and dev elopment o f key blo cks o f R FID tag IC, such as analo g fro nt end, digit al co nt roller and memo ry , ar e review ed. A nd finally, the development t rend o f the t ransponder IC is also discussed. Key words: Radio f requency identif ication; T ag IC; Analog front end; Dig ital contro ller; M emo ry EEACC: 1265

对象, 由一个微小的标签芯片和天线构成[ 4,

5]



1

引 言
射 频 识 别 ( Radio F requency Ident if ication,

RF ID) 是一种利用射频信号自动识别目标 对象并 获取相关信息的技术。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[ 1- 3] 。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 RF ID 电子标签 ( T ag 或 T ransponder) 和 RFID 读 写器( Reader 或 Int errog at o r) 构成, 在实际应用中, 经常需要后端数据库( Back end DB) 的支持, 如图 1 所示。RF ID 电子标签附着在物体上, 以标识 目标
收稿日期: 2007 07 27; - 定稿日期: 2007 09 20 - 图 1 基 本的 RFI D 系统 F ig. 1 Co mpo nents of an RFID sy stem

RF ID 技术的工作频段主要分为低频 ( L F , 典

基金项目: 国家高技术研究发展计划资助项目( 2006A A01Z226)

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型工作频率: 125 kH z/ 134 kH z) 、 高频( H F, 13. 56 MH z) 、 超高频( UH F , 433 M H z/ 860~ 960 MH z) 、 微波( MW, 2. 45 GH z/ 5. 8 GH z) 。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 RF ID 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 RF ID 系统在天线的远场区工作, 基 于电磁波反向散射( Backscat t er ) 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[ 6] 。 RF ID 标签主要分为无源标签( P assive 或 batt ery less tag ) 和有源标签( Act ive t ag ) 两种类型 [ 7] 。 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 RF ID 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。RF ID 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 RF ID 标签推动
[ 3 5] -

于成熟, 高频、 超高频、 微波频段的标签芯片相继出 现。1999 年, S. M asui 等人提出了内嵌 CP U、 支持 读写的高频( 13. 56 M H z) RF ID 标签芯片, 具有防 冲突、 安全认证等复杂的功能[ 10] ; N. P anit ant um 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/ IEC 14443 和 ISO/ IEC 15693 的两种标准产品
[ 11, 12] [ 15]





图3

N . Panitantum 等人给出的 R FID 标签芯片结构

Fig. 3 Block diag ram of transponder IC by N . Panitantum et al

2

标签芯片的结构
国内外关于无源 RFID 标签芯片的研究工作有
[ 8, 9]

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 [ 2] 、 3] 发 表的 标签 芯片 最 具代 表 性。 Kart haus [ U . 和 Fischer M . 提出了一种最小输入 RF ( 射频) 功 率仅为 16. 7 LW 的超高频无源 RF ID 标签芯片, 如 图 4 所示。它采用支持读写的 EEP ROM 存储器, 设计工 艺 采 用 支 持 EEPROM 和 肖 特 基 二 极 管 ( Scho tt ky diodes) 0. 5 Lm 2P 2M CMOS 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 CM OS 工艺中没 有[ 2 ] 。

很多。最 早 出 现 的 是 低 频 RF ID 标 签 芯 片



1995 年, Sau ou WU 等人提出一种无源 RF ID 标 -M 签芯片( Batt eryless tr ansponder IC) , 对能量获取电 路进行了重点论述, 设计 工艺采用 0. 8 Lm CM OS 工艺, 存储器采用 ROM , 工作频率是低频的 134. 2 kH z, 其结构如图 2 所示
[ 9]



图 2 Sau Mou WU 等人提出的低频无源 RFID 标签芯片结构 Fig. 2 Block diagram of transponder IC by Sau M ou WU, et al 图4 Kar thaus U 等人提出的超高频 无源 RFI D 标签芯片 Fig. 4 Block diagram of transponder IC by Karthaus U, et al

随着无线通信技术、 集成电路工艺及设计技术 的发展, 无源 RF ID 标签芯片的实现和应用逐渐趋

文献[ 3] 给出了针对供应链管理( Supply chain

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manag em ent , SCM ) 的超低成本超高频 RF ID 标签 芯片的设计, 设计工艺为 0. 25 Lm 标准 CM OS 工 艺, 采 用 自 适 应 硅 方 法 ( Self adapt iv e silico n ap proach) , 在 CM OS 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 1 mm 时, 才能满足供应链管理的低成本应用需 求; 此外, 对无源 RF ID 标签芯片的电源管理( Power manag em ent ) 、 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 RF ID 标签芯片所选择的工艺尺寸也越来越小, Y. K. T eh 等人提出了基于 T SM C 0. 18 Lm 1P6M CM OS 工艺的低频 RF ID 标签芯片, 其工作频率为 132 kH z, 功耗 1. 8 mW [ 13] 。RF ID 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 RF ID 标签芯片中
[ 14] 2

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( RF Analog F ront End) 、 数字控制器 ( Digit al Contr oller) 、 存储器( M em ory ) 。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 V CC , 数字部分的供电 电源 V DD 及存储器 EEP ROM 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 RF ID 国际标准协 议。数字控制器 完成防冲突控 制、 全认证、 安 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。



能提供 RFID 标签芯片产品的公司主要有飞利 浦( P hilips) 、 西门子( Siemens) 、 意法半导体( ST ) 、 德州仪器 ( T I) 、 Microchip、 ISD Lt d、 icron Co m M m n、EM 等公 司。 到目 前为 止, 无论 文 献发 表 的 RF ID 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 20] -

3

核心模块的研究

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[ 21- 25] 。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[ 26- 28] 。 如图 5 所示, 整流电 路( Rect ifier) 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( P ow er m anagement circuit s) 。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 ( P ow er Conver sion Ef f iciency , PCE) G。能量转换效率定义为: G= P out I HD V H D = tag in P P ( 1- K los s ) ( 1)



作者在从事 RFID 标签芯片的研究与设计过程 中, 曾在文献[ 12] 和[ 32] 对无源 RF ID 标签芯片系 统架构进行了详细的划分和设计, 如图 5 所示。

式中, P in 是整流电路的输入功率, P tag 是前章描 述的 RF ID 标签的射频有效输入功率, 或称天线感 应功率, P out 是整流电路的输出功率, K loss 是标签调 制返回信号给读写器时的能量损耗系数, I H D 和 V H D 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( Ef f ectiv e Radiat ed P ow er, ERP ) 不得 超过 500 m W ( 27 dBm) ; 美国定义的 ERP 最大为 4 W ( 36 dBm) [ 3] 。例如, 500 mW 的超高频 RFID 读 写器有效发射功率( Ef fect ive Radiat ed Pow er) 使距
图 5 无源 RFID 标签芯片系统架构 Fig . 5 Block diagr am of passive tag IC fo r RF ID

离读写器 2 m 处 的 标签 的 输入 功 率 仅为 约 150 LW [ 2] 。超高频 RFID 读写器发射的射频能量的理

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论传输距离: r[ K P reader G re ad er G tag 4P P tag ( 2)

较成熟。但是, 到目前为止, 由于 RF ID 标签芯片的 特殊性和局限性, 设计安全、 高效、 成本的 RF ID 低 安全机制仍然是一个具有挑战性的课题[ 38] 。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 集成传感器技术 将传感器集成 到 RF ID 标 签中, 已成 为 RF ID 标签芯片发展的主要挑战之一
[ 39, 40, 42]

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 P tag 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。RF ID 系统中, 与标签 的识 别距离范围相对应, 标签输入功率 P tag 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 V DD 和 V CC 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
[ 29 32] -

。在许多应用

领域, 需要 RF ID 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 RF ID 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 RF ID 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[ 40] 。 RF ID 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 RF ID 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 RF ID 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 RF ID 标 签芯片的 主要发展 趋势之 一, 如利用肖特基二极管 和 M OS 管对环境温度的 敏感特性的差异来检测温度 [ 41] 。 4. 3 片上天线 RF ID 技术应用领域的不断扩展, 使 RFID 标签 对小型化、 轻量化、 多功能化、 低功耗化和低成本化 方面的要求也不断提高。然而, 目前的 RF ID 标签 中仍然使用片外的独立天线, 其优点是天线 Q 值较 高、 易于制造、 成本适中。但这种片外天线的缺点是 体积较大、 易折断, 不能胜任钞票防伪或以生物标签 形式植入动物体内等任务 [ 43] 。如果把天线集成在 标签芯片上, 芯片无需任何外 部器件, 即可进行工 作。这 将 会 使 整 个 标 签 体 积 更 小、 用 更 加 方 使 便[ 4 4, 45] 。 参 考 文 献:
[ 1] BA SAT S, T ENT ZERIS M M , L ASK A R J, et al. Design and dev elo pment o f a miniatur ized embedded U HF RFID tag for automo tive tire a pplicat ions [ C] / / In: IEEE Int Wor ksho p A ntenna T echnolog y Small Antennas and N ov el M etamater ials. 2006: 160 163. [ 2] KA RT HA U S U , F ISCHER M . Fully integr ated pas-

。例如, 研究采用异步电路
[ 29]

实现 RFID 标 签芯片的数字 核( Co re) 。由 于兼 容标准 CM OS 工艺的 EEP ROM ( Sing le P oly EEP ROM ) 的成本低, 所以将其应用于 RF ID 标签芯片 是未来的发展趋势之一
[ 33 35] -

。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 RF ID 标签 芯片 MB89R 119, 其采 用的存储 器就 是 256 字 节 FRA M ( 铁电随机存取存储器) 。F RAM 的功耗比 EEP ROM 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 RF ID 标签芯 片中的主要原因 [ 36] 。

4

发展方向

4. 1 安全芯片 RF ID 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 RF ID 标签之间是无 线通 信, 因此, RF ID 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、 易分析、 交 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
[ 37]

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作者简介: 刘冬生( 1978- ) , 男( 汉族) , 安 徽无为人, 博士, 研究方向为超大规模数模 混合集成电路设计, 射频识别( RF ID) 系统 的研究与电子标签芯片的设计。

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参 考 文 献:
[ 1] [ 2] [ 3] [ 4] [ 5] [ 6] [ 7] GJB/ Z299B 1998. 电 子 设 备 可 靠 性 预 计 手 册 [ S ] . 1998. M IL ST D 217F . Reliability Predictio n o f Electr onic Equipment [ S] . 1991. 12. M IL ST D 217F NO T ICE ? . Reliability P redictio n o f Electro nic Equipment N otice ? [ S] . 1991. 12. GJB/ Z108 1998. 电 子设备 非工 作状 态可 靠性 预计 手 册[ S] . 1998. 莫郁薇. 非工作期微电路的可靠性预计模型研究 [ J] . 半导体学 报, 1997, 18( 6) : 461 465. 莫郁薇, 彭 成信. 集成 电路 可靠性 预计 模型及 其参 数 [ J] . 电子产品可靠性与环境试验, 2005, ( S) : 47 50. 张纲, 石亦 欣, 谷波, 等. 一种 超高频 电子 标签 电路 及 应用 [ J] . 电子元器件应用, 2004, 6( 5) : 36 37. -

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结束语
可靠性预计是一项十分重要的可靠性工程。目

前, 国内外已经开发出多种可靠性预计模型。各种 模型都有它的局限性, 但可靠性预计对产品可靠性 工作的指导意义却是不容置疑的。在实际过程中, 必须采用科学的方法进行预计和分配, 使系统获得 的可靠度切合实际, 从而节省制造 的时间及费用。 通过开展 RF ID 智能卡可靠性预计和分配工作, 设 计者能够缩短研制周期, 降低寿命周期费用。通过 研究, RF ID 智能卡研制进程以定量分析结果作为 依据, 按分配和预计结果有条不紊地进行可靠性设 计, 避免了因缺乏实现可靠性、 维修性指标所必须采 取的技术措施, 或因所采取的措施带有很大的盲目 性而造成经济上和时间进度上的重大损失。

作者简介: 张

超( 1982- ) , 男( 汉族) , 湖

北武汉人, 硕士研究生, 研究方向为集成电 路理论与可靠性设计。


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