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RFID标签天线及读写器设计制造

作者:RFID中国论坛 来源:RFID世界网 2005-12-28 10:18:28

摘要:本文详细介绍了RFID芯片设计及制造技术;与国际先进水平相比,中国在RFID芯片设计方面的主要差距;天线设计与制造技术;标签封装技术;RFID读写器设计与制造等。

关键词:RFID标签[4篇]  RFID标签天线[1篇]  RFID读写器[3篇]  RFID芯片[2篇]  RFID设计[0篇]  

1 芯片设计及制造
1.1 芯片设计技术
按照能量供给方式的不同,RFID标签可以分为被动标签,半主动标签和主动标签,其中半主动标签和主动标签中芯片的能量由电子标签所附的电池提供,主动标签可以主动发出射频信号。按照工作频率的不同,RFID标签可以分为低频(LF)、高频(HF)、超高频(UHF)和微波等不同种类。不同频段的RFID工作原理不同,LF和HF频段RFID电子标签一般采用电磁耦合原理,而UHF及微波频段的RFID一般采用电磁发射原理。不同频段标签芯片的基本结构类似,一般都包含射频前端、模拟前端、数字基带和存储器单元等模块。其中,射频前端模块主要用于对射频信号进行整流和反射调制;模拟前端模块主要用于产生芯片内所需的基准电源和系统时钟,进行上电复位等;数字基带模块主要用于对数字信号进行编码解编码以及进行防碰撞协议的处理等;存储器单元模块用于信息存储。

目前,发达国家在多种频段都实现了RFID标签芯片的批量生产,模拟前端多采用了低功耗技术,无源微波RFID标签的工作距离可以超过1米,无源超高频RFID标签的工作距离可以达到5米以上,功耗可以做到几个微瓦,批量成本接近十美分。

射频标签的通信标准是标签芯片设计的依据,目前国际上与RFID相关的通信标准主要有:ISO/IEC 18000标准(包括7个部分,涉及125KHz, 13.56MHz, 433MHz, 860-960MHz, 2.45GHz等频段),ISO11785(低频),ISO/IEC 14443标准(13.56MHz),ISO/IEC 15693标准(13.56MHz),EPC标准(包括Class0, Class1和GEN2等三种协议,涉及HF和UHF两种频段),DSRC标准(欧洲ETC标准,含5.8GHz)。目前电子标签芯片的国际标准出现了融合的趋势,ISO/IEC 15693标准已经成为ISO18000-3标准的一部分,EPC GEN2标准也已经启动向ISO18000-6 Part C标准的转化。

中国在LF和HF频段RFID标签芯片设计方面的技术比较成熟,HF频段方面的设计技术接近国际先进水平,已经自主开发出符合ISO14443 Type A、Type B和ISO15693标准的RFID芯片,并成功地应用于交通一卡通和中国二代身份证等项目,与国际主要的差距存在于片上天线与芯片的集成上,目前国内还没有相应的产品应用。国内在UHF和微波频段的标签芯片设计方面起步较晚,目前已经掌握UHF频段RFID标签芯片的设计技术,部分公司和研究机构已经研发出标签芯片的样片,但尚未实现量产。国内在UHF频段读写器RF芯片和系统芯片(SOC)的设计方面也具有一定的基础,但目前产品仍主要依赖于进口。在微波频段(2.45GHz及5.8GHz),国内有部分应用在公路不停车收费项目中,相对于国外在这两个频段的技术水平,国内的研究还处于起步阶段,尚无相应产品。

与国际先进水平相比,中国在RFID芯片设计方面的主要差距如下:

1) 国外在RFID芯片设计方面起步较早,并申请了许多技术专利,而国内起步相对较晚,尤其在UHF及微波频段的RFID芯片设计方面的基础比较薄弱,取得的自主知识产权较少;同时,一些目前广泛采用的RFID标准中包含了国外的技术要求及专利,在实现这些标准过程中有可能触及一些国外已有的技术及专利;

2) 在存储器方面,发达国家已经开始采用标准CMOS工艺设计非挥发存储器,使得RFID标签芯片的所有模块有可能在标准CMOS工艺下制作完成,以降低生产成本,而国内目前仍主要采用传统的OTP工艺或EEPROM工艺,关于标准CMOS工艺下的非挥发存储器的研究刚刚开始;

3) 在超低功耗模拟电路研究方面,国内研究较少,而这方面的设计将直接影响到芯片的阅读距离和整体性能;

4) RFID标签对成本比较敏感,芯片设计需要在模拟电路和数模混合电路设计方面具有丰富经验的专业人才,而国内目前从事射频识别芯片设计的人才较少,技术力量相对薄弱。

1.2 芯片制造技术
半导体芯片制造工艺有多种类型,根据器件类型可分CMOS,Bipolar,BICMOS等,根据材料可分Si,Ge,GaAs工艺等,根据衬底类型可分体硅工艺、SOI工艺等。RFID应用特点是批量大,但成本极其敏感,尽管有厂家利用特殊工艺设计制造出相应产品,但综合多种因素及国内实际情况,基于CMOS制造工艺的工艺技术比较适合目前应用需求的RFID的加工制造。目前国外也主要采用标准CMOS工艺,且普遍采用0.35μm以下工艺。 
 
2 天线设计与制造技术
2.1 天线设计技术

天线是一种以电磁波形式把无线电收发机的射频信号功率接收或辐射出去的装置。天线按工作频段可分为长波、短波、超短波以及微波天线等;按方向性可分为全向天线、定向天线等;按外形可分为线状天线、面状天线等。在RFID系统中,天线分为标签天线和读写器天线两种情况,当前的RFID系统主要集中在LF、HF (13.56MHz)、UHF和微波频段。天线的原理和设计在LF、HF和UHF频段有根本上的不同。实质上,由于在LF和HF频段系统近场区并没有电磁波的传播,因此天线的问题主要集中在UHF和微波频段。

(1) RFID标签天线设计

天线的目标是传输最大的能量进出标签芯片,这需要仔细的设计天线和自由空间以及其相连的标签芯片的匹配,当工作频率增加到微波区域的时候,天线与标签芯片之间的匹配问题变得更加严峻。一直以来,标签天线的开发基于的是50或者75欧姆输入阻抗,而在RFID应用中,芯片的输入阻抗可能是任意值,并且很难在工作状态下准确测试,缺少准确的参数,天线的设计难以达到最佳。相应的小尺寸以及低成本等要求也对天线的设计带来挑战,天线的设计面临许多难题。

标签天线特性受所标识物体的形状及物理特性影响,标签到贴标签物体的距离,贴标签物体的介电常数,金属表面的反射,局部结构对辐射模式的影响等都将影响天线的性能。

在国内,有近百家的天线公司或工厂。这些天线厂家主要的产品是基本上传统的卫星接收天线、电视接收天线、车载天线,蜂窝基站天线等等,相对于从事RFID天线设计的单位很少,基础比较薄弱。国内LF和HF的RFID系统的天线设计比较成熟。对于特定环境应用的UHF频段RFID天线的设计和应用比较成熟,比如应用于铁路运输上的电子车号自动识别系统,该系统中阅读器天线为安装在地面的微带天线,并且带有很坚固的防护外壳。标签体积较大并且封装在塑料壳中,标签天线可靠性高、加工工艺成熟但是成本高。在读写器和标签位置、方向不固定、或者周围电磁影响严重的一些系统中存在识别准确率不高,测试一致性不理想的问题。

国外已经研制出一种在RFID芯片上嵌入天线的方法,常规RFID芯片需要用一个外部天线来实现它们与外部读取器的通信,而微芯片的片载天线使它能够接收来自读写器的无线信号并将ID号回送。因此这种芯片无需任何外部器件即可自行进行工作。目前国内关于片上天线的研究基本处于空白状态。国外致力于覆盖各种频率的复合天线设计,基于研究可以用来纺织复合天线、电源和数据总线的未来服装所需要的新型材料,促进电子标签在服装上的使用。国外厂商都在研制和生产低成本的电子标签天线和标签产品,用以满足产品商品标志等方面的需要。国外注重标签天线知识产权保护,许多标签天线都申请专利保护。在特殊的使用要求下,标签天线仍然需要有很高的可靠性。国内在UHF和微波频段的标签天线的形式、体积、成本方面和国外技术存在一定的差距

(2)RFID读写器天线设计

对于近距离13.56MHzRFID应用(< 10cm),比如门禁系统,天线一般和读写器集成在一起,对于远距离13.56MHz( 10cm~1m)或者UHF频段(< 3m) 的RFID系统,天线和读写器采取分离式结构,并通过阻抗匹配的同轴电缆连接到一起。读写器由于结构、安装和使用环境等变化多样,并且读写器产品朝着小型化甚至超小型化发展,天线设计面临新的挑战。

读写器天线设计要求低剖面、小型化以及多频段覆盖。对于分离式读写器,还将涉及到天线阵的设计问题。它还涉及到小型化的问题带来的低效率、低增益问题,这同样是国内国外共同关注的研究课题。

国外已经开始研究读写器应用的智能波束扫描天线阵,读写器可以按照一定的处理顺序,"智能"的打开和关闭不同的天线,使系统能够感知不同天线覆盖区域的标签,增大系统覆盖范围。

2. 2 天线制造技术
目前,有三种天线制造技术:蚀刻/冲压天线(etched/punched antenna)、印刷天线(printed antenna)和绕线式天线。

在国际上,目前一般都采用蚀刻/冲压天线为主,其材料一般为铝或者铜,因为其能提供最大可能的信号给标签上的芯片,并且在标签的方向性和天线的极化等特性上都能与读卡机的询问信号相匹配,同时在天线的阻抗,应用到物品上的RF的性能,以及在有其他的物品围绕贴标签物品时的RF性能等方面都有很好的表现,但是它唯一的缺点就是成本太高。

导电油墨从只用丝网印刷扩展到胶印、柔性版印刷、凹印,其技术的进步,促进了RFID标签的生产和使用。现在随着新型导电油墨的不断开发,印刷天线的优势越来越突出。导电油墨是由细微导电粒子或其他特殊材料(如导电的聚合物等)组成,印刷到承印物上后,起到导线、天线和电阻的作用。这种油墨印刷在柔性或硬质承印物上可制成印刷电路,用导电油墨印制的天线可接收RFID专用的无线电信号。其优势表现在导电效果出色和成本降低。

在频率较低的标签中,通常采用线圈天线形式;频率较高的标签通常为印刷贴片天线形式。其印刷工艺是在纸板、聚脂、聚苯乙烯等材料上用金属、聚合物等导电墨水(主要成分为银和铝等金属)印刷出天线图形,印刷贴片天线技术在国外已经成功应用,但是国内由于设备价格昂贵很少引进。即便在国外,印刷技术的印刷分辨率、套准精度、必要的隔离层和干净的印刷环境上还有待实质性的改善和提高。

我国具备一定的利用导电油墨(如导电银浆)进行天线的加工的能力,但是印刷分辨率、套准精度、必要的隔离层和干净的印刷环境上还有待实质性的改善和提高。

2.3 标签封装技术
2.3.1 封装方法

印刷天线与芯片的互连上,因RFID标签的工作频率高、芯片微小超薄,最适宜的方法是倒装芯片(Flip Chip)技术,它具有高性能、低成本、微型化、高可靠性的特点,为适应柔性基板材料,倒装的键合材料要以导电胶来实现芯片与天线焊盘的互连。

柔性基板要实现大批量低成本的生产,以及为了更有效地降低生产成本,采用新的方法进行天线与芯片的互连是目前国际国内研究的热点问题。

为了适应更小尺寸的RFID芯片,有效地降低生产成本,采用芯片与天线基板的键合封装分为两个模块分别完成是目前发展的趋势。其中一具体做法(中国专利)是:大尺寸的天线基板和连接芯片的小块基板分别制造,在小块基板上完成芯片贴装和互连后,再与大尺寸天线基板通过大焊盘的粘连完成电路导通。

与上述将封装过程分两个模块类似的方法是将芯片先转移至可等间距承载芯片的载带上,再将载带上的芯片倒装贴在天线基板。该方法中,芯片的倒装是靠载带翻卷的方式来实现的,简化了芯片的拾取操作,因而可实现更高的生产效率。特别是目前正在研究发展中的流体自装配(FSA)、振动装配(Vibratory assembly)等技术,理论上可以实现微小芯片至载带的批量转移,极大地提高芯片与天线的封装效率。

2.3.2 封装关键工艺
RFID标签因不同的用途呈现多种封装形式,因而在天线制造、凸点形成、芯片键合互连等封装过程工艺也呈多样性。

(1)凸点的形成

目前RFID标签产品的特点是品种繁多,但并非每个品种的数量能形成规模。因此,采用柔性化制作凸点技术具有成本低廉,封装效率高,使用方便,灵活,工艺控制简单,自动化程度高等特点。不仅可解决微电子工业中可变加工批量、高密度、低成本封装急需的难题,还为目前正蓬勃兴起的RFID标签的柔性化生产提供条件。

(2)RFID芯片互连方法

RFID标签制造的主要目标之一是降低成本。为此,应尽可能减少工序,选择低成本材料,减少工艺时间。从材料成本角度,应优先考虑NCA互连,且可以同点胶凸点相配合实现低成本制造。采取ACA互连在技术上是成熟的,但其缺点在于目前市场上的ACA材料价格仍然较为昂贵,而且都是针对细间距、高密度、高I/O数互连而研制的。如果能够自制出成本低廉的满足RFID互连的导电胶,ACA互连也能够成为低成本的选择。ICA互连的缺点在于工艺步骤相对较多,固化时间相对较长。

2.3.3 RFID标签关键封装设备
RFID封装设备由一系列工艺装备组成的自动化生产线,各工艺环节相对独立,同时又相互制约,要实现高效率的生产,必须综合考虑各个工艺环节的要求;从技术的角度,它是集光、机、电、气、液于一体的高精技术装备,涉及时间、压力、温度等多物理场的各种物理现象,需要解决速度、精度、效率、质量、可靠性、成本等多方面的因素的影响。开发高性能低成本的RFID制造装备一直是业界关注的焦点问题。

目前RFID产品的封装设备只有国外一些厂商提供,柔性基板的标签均选用从卷到卷的生产方式,该生产线包括基板进料、上胶、芯片翻转贴装(倒装)、热压固化、测试、基板收料等工艺流程。另一种生产方式为先制造RFID模块,然后将其与天线基板进行键合组装。该方法由独立的可精密定位的芯片转移设备将芯片置于载带构成芯片模块,再由芯片模块将芯片转移至天线基板,其优点是两次转移可独立并行执行,芯片翻转通过载带的盘卷方式实现,因而生产效率得以提高。

RFID封装设备的核心内容是如何在多物理因素作用下,使键合机及相关工艺受控完成高质量的接合界面。通常涉及几方面的关键技术:多自由度柔性、灵活的执行机构,基于视觉信息引导的识别与定位,胶固化及滴胶过程的时间、温度和压力控制,不同工艺单元技术的集成。

国内拥有自主知识产权的倒装封装设备几乎是空白,而国外厂商设备价格非常昂贵,一般需要上百万美元。如果直接购买进口设备,势必大大增加生产成本。特别需要指出的是目前RFID封装设备的技术工艺还在不断的发展中,现有的国外制造装备的技术水平依然无法满足人们对RFID产品低成本制造的要求。目前国内一些研究机构正在从事电子制造装备与技术的研发工作,并在RFID制造相关技术取得了突破。充分利用国内现有的基础以及RFID发展的契机,鼓励发展具有自主知识产权的RFID封装设备对实现RFID的低成本和电子制造装备产业都是非常有意义的。

3 RFID读写器设计与制造
RFID读写器的任务是控制射频模块向标签发射读取信号,并接收标签的应答,对标签的对象标识信息进行解码,将对象标识信息连带标签上其它相关信息传输到主机以供处理。根据应用不同,阅读器可以是手持式或固定式。读写器在RFID系统中起到举足轻重的作用,首先读写器的频率决定了RFID系统的工作频段;其次,读写器的功率直接影响射频识别的距离。

读写器可以简化为控制系统和由接收器和发送器组成的射频模块两个基本的功能块,控制系统通常采用ASIC组件和微处理器来实现其功能,主要功能为:与应用系统软件进行通信,并执行从应用系统软件发来的动作指令;控制与标签的通信过程;信号的编码与解码;执行防碰撞算法;对读写器和标签之间传送的数据进行加密和解密;进行读写器和标签之间的身份验证。

射频模块的主要功能为:产生高频发射能量,激活标签并为其提供能量;对发射信号进行调制,用于将数据传输给标签;接收并解调来自标签的射频信号。

在极低能量供给的工作条件下,协议级和电路级的优化都已几近极限,所以进一步的优化应该把这两者联系起来,结合电路实现来考查协议的功耗。RFID系统中电子标签所获能量微弱,无力再向周围发射无线电波,只能反射来自读写器的电磁波;不同电子标签对来自读写器的辐射波的反射具有相同的频谱特征,读写器不能区分; 电子标签的电路设计不能太复杂,电子标签和电子标签之间无法互相联络来协调数据回送(反射)的过程。这样碰撞问题的解决只能依靠读写器利用发射出去的数据来控制电子标签的响应并分析来自电子标签的响应,通过反复询问,调整控制,最终使某一时刻只有一个电子标签响应读写器,并且每一个电子标签都有响应机会。解决防碰撞问题有以下几种方法:空分多路法使不同的电子标签分别进入读写器的有效工作空间;频分多路法使不同的电子标签分别使用不同的工作频率;时分多路法使不同的电子标签分别占有不同的通讯时间。

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