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(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并接收相關(guān)信息的技術(shù)。近年來(lái),射頻識(shí)別系統(tǒng)作為一種廉價(jià)而可靠的自動(dòng)識(shí)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(shí)別系統(tǒng)被認(rèn)為是構(gòu)建未來(lái)普適計(jì)算的重要部分,基本的射頻識(shí)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(shí)際應(yīng)用中,經(jīng)常需要后端數(shù)據(jù)庫(kù)(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(shí)目標(biāo)對(duì)象,由一個(gè)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(gè)頻段都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),各個(gè)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(chǎng)區(qū)工作,基于電感耦合的工作原理,實(shí)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(yuǎn)場(chǎng)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(guò)電磁波輻射傳送給標(biāo)簽,用電磁波反射進(jìn)行標(biāo)簽到讀寫器的數(shù)據(jù)傳輸。RFID標(biāo)簽主要分為無(wú)源標(biāo)簽(Passive或batterylesstag)和有源標(biāo)簽(Activetag)兩種類型。無(wú)源RFID標(biāo)簽的能量來(lái)自讀寫器發(fā)射的射頻能量,無(wú)須內(nèi)置電源,具有體積小、重量輕、成本低、幾乎無(wú)使用壽命限制等優(yōu)點(diǎn),但需要較大功率的讀寫器;有源RFID標(biāo)簽的能量來(lái)自其內(nèi)置電源,具有長(zhǎng)距離識(shí)別、對(duì)讀寫器的發(fā)射功率依賴小等優(yōu)點(diǎn),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(chǎng)大幅成長(zhǎng)需要低廉的RFID標(biāo)簽推動(dòng)。2rfid標(biāo)簽芯片國(guó)內(nèi)外關(guān)于無(wú)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(wú)源RFID標(biāo)簽芯片(BatterylesstransponderIC),對(duì)能量獲取電路進(jìn)行了重點(diǎn)論述,設(shè)計(jì)工藝采用0.8μmCMOS工藝,存儲(chǔ)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(wú)線通信技術(shù)、集成電路工藝及設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展,無(wú)源RFID標(biāo)簽芯片的實(shí)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(xì)論述了高頻RFID標(biāo)簽芯片的射頻接口部分的設(shè)計(jì),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(xiàn)、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(wú)源RFID標(biāo)簽芯片,如圖4所示。它采用支持讀寫的EEPROM存儲(chǔ)器,設(shè)計(jì)工藝采用支持EEPROM和肖特基二極管(Schottkydiodes)0.5μm2P2MCMOS工藝。文中重點(diǎn)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(shí)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(xiàn)給出了針對(duì)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(jì),設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)非易失性存儲(chǔ)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(shí),才能滿足供應(yīng)鏈管理的低成本應(yīng)用需求;此外,對(duì)無(wú)源RFID標(biāo)簽芯片的電源管理(Powermanagement)、ESD、測(cè)試方法、安全與隱私、低成本等技術(shù)挑戰(zhàn)進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析。隨著集成電路設(shè)計(jì)工藝的發(fā)展,研究人員為實(shí)現(xiàn)RFID標(biāo)簽芯片所選擇的工藝尺寸也越來(lái)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(wú)論文獻(xiàn)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(jì)工藝不同,選擇的頻段不同,存儲(chǔ)器的類型不同,以及不同的功耗、識(shí)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(jì)過(guò)程中,曾在文獻(xiàn)和對(duì)無(wú)源RFID標(biāo)簽芯片系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的劃分和設(shè)計(jì),如圖5所示。按照功能,標(biāo)簽芯片可以劃分成三個(gè)基本模塊:射頻模擬前端(RFAnalogFront-End)、數(shù)字控制器(DigitalController)、存儲(chǔ)器(Memory)。射頻模擬前端主要有五個(gè)功能:1)為整個(gè)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(chǔ)器EEPROM的供電電源;2)為數(shù)字部分提供時(shí)鐘;3)將讀寫器發(fā)送過(guò)來(lái)的ASK信號(hào)進(jìn)行解調(diào),供數(shù)字電路部分繼續(xù)處理;4)對(duì)標(biāo)簽芯片反饋的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制后,再通過(guò)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(jì)一般遵循相應(yīng)的RFID國(guó)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(yàn)和收發(fā)控制,同時(shí),提供與RF模塊的信號(hào)接口以及與EEPROM的控制接口。存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)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(jì)技術(shù)射頻模擬前端負(fù)責(zé)獲取RF能量,為整個(gè)標(biāo)簽芯片提供電源、恢復(fù)數(shù)據(jù)和產(chǎn)生時(shí)鐘等信號(hào),是芯片能否穩(wěn)定工作的關(guān)鍵。也有一些文獻(xiàn)對(duì)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(jìn)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(gè)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(hào)給讀寫器時(shí)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(hào)強(qiáng)度在實(shí)際應(yīng)用中是受到限制的。歐洲一些國(guó)家規(guī)定,超高頻RFID讀寫器有效發(fā)射功率(EffectiveRadiatedPower,ERP)不得超過(guò)500mW(27dBm);美國(guó)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(guò)提高整流電路的能量轉(zhuǎn)換效率,可增加標(biāo)簽識(shí)別距離,而且是個(gè)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(gè)特定距離,整流電路的輸入電壓會(huì)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(shí)別距離范圍相對(duì)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(dòng)范圍較大,會(huì)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(chǔ)器是占RFID標(biāo)簽芯片的成本和功耗的主要部分,所以,國(guó)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(chǔ)器和數(shù)字控制器的實(shí)現(xiàn)方法。例如,研究采用異步電路實(shí)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(lái)的發(fā)展趨勢(shì)之一。此外,引入新的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器來(lái)降低標(biāo)簽芯片的功耗也是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。比如,2005年7月,富士通推出RFID標(biāo)簽芯片MB89R119,其采用的存儲(chǔ)器就是256字節(jié)FRAM(鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)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(gè)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(wú)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(duì)象的數(shù)據(jù)信息。未被保護(hù)的標(biāo)簽易遭受來(lái)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(cè)性對(duì)個(gè)體目標(biāo)進(jìn)行地點(diǎn)跟蹤,破壞地點(diǎn)隱私。盡管用于認(rèn)證和識(shí)別用途的密碼技術(shù)已相對(duì)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(jì)安全、高效、低成本的RFID安全機(jī)制仍然是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題。同時(shí),存在安全認(rèn)證機(jī)制與已有國(guó)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(cè)震動(dòng)、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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(zhēng)議。RFID標(biāo)簽芯片如何與傳感器技術(shù)結(jié)合是一個(gè)亟待解決的問題,主要有兩種趨勢(shì):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(wú)疑會(huì)大幅增加整個(gè)RFID標(biāo)簽的成本,只能用于高價(jià)值領(lǐng)域,很難滿足大規(guī)模應(yīng)用的低成本需求;2)無(wú)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(duì)環(huán)境的敏感特性來(lái)檢測(cè)環(huán)境參數(shù)也是將來(lái)RFID標(biāo)簽芯片的主要發(fā)展趨勢(shì)之一,