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有源和无源电子元件
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有源和无源电子元件/2018年/文章

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体积 2018年 |文章的ID 9343241 | https://doi.org/10.1155/2018/9343241

张国峰，吴德华，贾景敦，高万林，蔡强，肖万昂，余丽娜，陶沙，褚琦， ＂超高频RFID温度传感器芯片的结构特点及技术发展趋势"，有源和无源电子元件， 卷。2018年， 文章的ID9343241， 8 页面， 2018年． https://doi.org/10.1155/2018/9343241

超高频RFID温度传感器芯片的结构特点及技术发展趋势

“张，1，2 竭诚欢迎吴，1，2 Jingdun贾，1，2 Wanlin高，1，2 强曹，3. 肖Wan引入进来，4，5 莉娜余，4，5 沙道，1，2 和 齐楚1，2

1中国农业大学信息与电气工程学院，北京100083

2中国农业大学农业与农村农业部农业信息化标准化重点实验室，北京100083

3.北京技术安全大学大型数据技术重点实验室，北京100048

4中国科学院半导体研究所，北京100083

5中国科学院大学微电子学院，北京100049

学术编辑：张文明
已收到 2018年5月29日
修改 2018年8月21日
接受 2018年9月3日
发表 2018年10月01

摘要

温度传感器（TS）和UHF RFID技术的整合理论上和实验引起了广泛的注意。架构，功耗，温度测量范围，精度和通信距离是UHF RFID温度传感器芯片（RID-TSC）性能的关键指标。这项工作旨在提供更清晰的UHF RFID-TSC集成技术的发展。在对集成TS中使用的ADC，TDC和FDC的特性进行系统分析之后，总结了不同架构下的关键低功率技术。通过观察最新的研究和商业产品，获得了UHF RFID-TSC技术的发展趋势，包括片上和片外协调，多协议和多频性支持，被动无线传感器智能，小型化和隐藏。

1.介绍

近年来，物联网技术的发展，大大扩展了RFID的功能。集成RFID芯片的新型传感器是将RFID技术集成到无线传感器网络的桥梁[1]及物联网应用[2］．在物联网系统中，温度是环境，商品和生命体征的重要指标。1988年，Middelhek首先提出与RFID的温度传感器（TS）相积分[3.］．目前，微电子学和射频/微波电路集成技术的发展，使新的RFID应用成为可能[4]，例如人类健康监测[5食物监测[6- - - - - -8]和环境监测[9］．

有许多不同的方法可以将RFID标签转换为RFID传感器标签。例如，传统的标签天线由敏感材料代替，这对其周围环境的物理特性敏感[10.- - - - - -13.］．另外，传感器单元也可以直接集成到RFID芯片电路中[6- - - - - -8，14.］．已经实现了一些RFID传感标签，例如温度，光线和压力传感器[15.，16.］．本文侧重于RFID温度传感器芯片（RID-TSC），这是温度传感器（TS）和RFID的集成技术。显然，为了实现这两个功能的集成，仍有许多问题需要解决，例如功耗，温度测量范围和准确度和通信距离。

由于缺乏清晰的信息，芯片设计人员很难在不同的架构和关键技术中做出正确的选择。因此，本文对现有的科研成果和商业产品进行了分析。总结了典型的技术体系结构和关键技术。最后对RFID-TSC技术的发展趋势进行了展望。

本文的组织结构如下。节2，系统地分析了RFID-TSC的技术架构和特性。节3.本文综述了RFID-TSC的低功耗技术。节4，讨论了最新科研成果和商业产品的性能指标。节5，给出了RFID-TSC技术的研究结论和前景。

2.建筑和特点

2.1。TS的建筑

基于CMOS工艺的集成TS体系结构可分为三大类[8]:基于双极结晶体管(BJT)和模数转换器(ADC)的TS [17.- - - - - -19.]，基于传播延迟线和时间到数字转换器（TDC）[6，14.]以及基于环形振荡器和频率到数字转换器（FDC）的TS [7，20.- - - - - -22.，如图所示1．CMOS工艺具有集成度高、成本低、功耗低、与标准数字工艺兼容、芯片面积小等优点。集成更多的信号传感已成为智能传感器的主流技术[23.］．

（一种）＂name=
（一种）
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（b）
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（C）
图1
基于cmos的RFID TS典型技术架构。(a) ADC架构。(b) TDC架构。(c) FDC架构。

ADC架构包括sigma-delta ADC、逐次逼近ADC (SAR ADC)以及由SAR ADC和sigma-delta ADC组成的缩放ADC。该体系结构具有测量精度高、测量范围宽的优点，但也存在结构复杂、功耗高的缺点[43.]和低转换率，使ADC模块将成本为80％的总功率[8］．

TDC结构通常产生两种电压信号:比例-绝对温度(PTAT)和互补-绝对温度(CTAT) [6，8，14.，17.- - - - - -19.］．利用pat和cat延迟形成差分结构，通过消除脉冲信号偏移，得到一个良好的脉冲信号，并将其转换为温度数字编码[6］．由于延时单元的非线性、过程变化引起的斜率不等、电源电压波动[22.]，因此基于TDC架构的精度较差。为了达到可接受的温度测量精度，需要数百个逆变器[44.，45.］．为了获得足够的操作延迟范围，采用延迟锁定的环（DLL）[46.]但它占据了一个大芯片区域，消耗大量的功率。

FDC架构通过环形振荡器将温度相关的信号转换为频率，环形振荡器通过FDC将频率转换为温度相关的数字信号[8，22.］．通过调整线性频率差斜率可以提高温度传感信号的线性度[8]并且通过单点或多点校准可以提高精度。

一般来说，虽然ADC架构精度高，但由于其高功耗和大芯片区域，它不适用于RFID应用[14.］．然而，由于低芯片区域和功耗，通常使用基于FDC和TDC的TS [6- - - - - -8，47.]，而TDC的功耗较FDC低，精度较高[8］．

２.２.建筑RFID-TSC

关于RFID和TS的集成技术，许多作品都提出了不同的技术架构[7，9，28.，48.］．通常，RFID-TSC主要由两部分组成：天线和芯片。根据该功能，芯片分为四部分：RF模拟前端，非易失性存储器（NVM），温度传感（TS）单元和数字基带。其中，温度传感（TS）单元可分为片上和片外实现。典型的RFID-TSC技术架构如图所示2．


图2.
RFID-TSC典型架构。

天线对RFID-TSC的性能具有重要影响。根据材料和生产过程，天线包括两种类型：

片上天线（OCA）或片内天线，其在与电路芯片相同的硅衬底上

包装的天线不用作相同硅衬底上的电路芯片，但它封装在同一壳体中

OCA的性能受面积、CMOS工艺和材料、信号干扰、硅互连金属尺寸、高介电常数和低电阻硅衬底等因素的影响。提出了一种多端口微带贴片天线[16.其中一个具有用于能量收集的堆叠薄膜太阳能电池的堆叠，并且另一个端口被分配给贴片天线以补充从读取器传输的RF信号。两个天线[49.- - - - - -51.，其中一个连接射频识别芯片从读取器接收/发送数据，另一个用于射频能量收集，为传感器和微控制器单元(mcu)的数字电路供电。圆极化贴片天线(CPPA) [52.提出了利用新天线形状产生的圆极化（CP），以将两个芯片与不对称的星形槽微带贴片天线匹配;一个是参考节点，另一个可以连接到传感器。

RF模拟前端实现RF载波进入DC电力，并为其他模块产生参考电压和信号。它包括多个整流电路，解调电路，反向散射调制电路，参考电路，稳压电路，时钟电路和复位电路[9，48.］．它还负责通信接口，并通过电磁场与读者进行交互。

数字基带主要实现通信协议，加密和解密，编码，解码，抗癌算法和操作控制[53.］．数字解调器检测和解调来自RF模拟前端的信号[7，9］．可以通过有限状态机（FSM）捕获并处理操作指令和参数，并且根据通信协议控制与读取器的通信流程。与RFID相比，RFID-TSC数字基带需要增加TS的管理，并通过使能信号实现温度的读取。最后，发射机将标签ID和温度值调制到读取器。

通常，UHF RFID的NVM包括E2舞会 [54.，55.]铁电ram（feram）[56.，改进了E面2舞会 [57.]用于存储标签信息和温度数据。Feram具有书写速度和功耗的优势[56.，但它有数据丢失的缺点。更重要的是，它需要特殊的过程，因此比其他方法更昂贵[57.］．改进的平面E2PROM以较低的电压运行，从而降低写入功耗，但该区域是传统e的两倍2舞会。与此同时，由于支持越少，设计风险是不可预测的。因此，E.2PROM是UHF RFID设计中最具主流技术，其成本低，技术成熟，以及许多铸造的支持[58.］．

２.３.传感界面

RFID芯片主要通过传感器接口进行扩展，可以集成温度、湿度、压力、加速度等各种传感器[59.］．因此，RFID可以更容易地集成到传感器网络和其他物联网应用中。如图所示2，串行外围接口(SPI) [33.]总线和整级电路（I2C)总线(28.，51.，60.，61.]是常见的界面。因为SPI总线占据了更多的别针而不是我2C总线，它限制了RFID-TSC功能的扩展。相比之下，I2C总线是多传感器集成的较好选择。

3. RFID-TSC的低功耗技术

对于UHF被动RFID标签，读取器的功率决定了通信距离，但在不同国家和地区严格限制。例如，美国规定UHF RFID读卡器的有效各向同性辐射功率（EIRP）不能超过4W（36dBm），欧洲标准为500兆瓦（27dBm），中国标准为2W（33dBm）。由于集成的TS增加了额外的功耗，这将进一步缩短RFID标签的通信距离，因此低功耗也是RFID-TSC中的关键技术。TS使用的技术架构和低功耗技术在一起决定了RFID-TSC的总功耗。

3.1。基于ADC的RFID-TSC状态

二阶SIGMA-DERTA ADC或ZOOM ADC，动态元素匹配（DEM）和偏置电流通常用于低功耗设计。动态阈值技术和二阶变焦ADC用于实现温度检测[18.]，对应每次转换的最小能耗为2nJ。使用二阶σ - δ ADC，功耗为13.2μw [28.)和26μ(29.]， 分别。具有不同电流密度和超级功率12位SAR ADC的两个寄生基板PNP晶体管用于检测温度;平均电流为17.5μ(31.5μw）[1]在1.8V工作电压下。

3.2。基于TDC的RFID-TSC状态

通常采用MOS元件、MOSFET和衬底寄生NPN双极亚阈值作为温度传感单元。时钟或电路复用、模块分时、PSRR级编码电流源镜像偏置电路和亚阈值技术偏置晶体管可以进一步降低功耗。

采用MOS器件的亚阈值和时钟复用，功耗为119nW [6］．38 nW的功耗是通过使用MOSFET、模块时间分割和亚阈值区域偏置的晶体管实现的。通过时域比较，避免了带隙参考电压偏差，设计的TS功耗达到0.9nW [24.］．基材寄生NPN双极用于产生温度依赖性电流信号以实现温度检测;功耗为0.35μw [25.］．具有PSRR Cascode结构的电流磁镜偏置电路产生两种与温度相反的电流，并且功耗仅为1.39μw [26.］．模拟前端电路反复使用，作为温度转换模块的偏置电流，以降低功耗，仅为100nW [27.］．多路复用的内部电路用作偏置电流，内部振荡器乘以仅具有0.1的功耗的信号乘法μw [62.］．

３．3.基于FDC的RFID-TSC的现状

TS采用环形振荡器设计，功率[30.]为0.125μW以0.5V电压实现。用于将电压控制振荡器用于使MOSFET在亚阈值区域中工作，功耗为0.101μw [63.[通过使用动态阈值技术实现。MOS晶体管的阈值电压和载波迁移率取决于环形振荡器的频率和温度。为了满足不同的温度条件，亚阈值工作电压为0.3V，其他工作电压为0.4V，功耗为95NW [31.，采样频率为10Hz。通过在电路中增加控制晶体管，当不需要稳压电路时，稳压电路可以进一步降低功耗，提高能量利用率[34.］．

3．4．总结

通过低功耗研究和分析三种架构，亚阈值MOS元件，偏置电流，电路复用，时分技术等。常用的低功耗关键技术，可实现仅0.1的超低功耗。μW，可以与UHF RFID技术集成，非常好地满足RFID-TSC应用的需求。

4.RFID-TSC的比较与分析

4．1.TS的比较与分析

功耗、芯片面积、温度范围和精度是影响TS性能的重要指标。表格1比较目前研究结果的性能指标。结果表明，ADC架构需要大芯片面积和大量功耗，并且还具有宽温度范围和高精度的优点。因此，它适用于对功耗不敏感的应用方案。TDC和FDC架构具有相对低的功耗，但温度范围很小，因此它们更适合于对特定温度范围敏感的特定应用，例如动物温度测量和冷链物流。
工作/架构 电力消耗
（μW）		 芯片区域(毫米2） 工作
电压
（v）		 温度
范围/错误
(°C)		 准确性
(°C)
［6] TDC. 0.119 0.0416. 0.50 ~ 1.00 -10 ~ 30/-0.80 ~ 1.00 - -
［8] TDC. 0.112 0.0125 0.50 -10 ~ 20/-0.10 ~ 0.30 0.049
［14.] TDC. 0.68 - - 0.60〜1.00 -20 ~ 30/-0.80 ~ 0.80 - -
［24.] TDC. 0.90 0.20 - - + 27〜47 / -1.00〜1.00 - -
［25.] TDC. 0.35 0.14 1.00 -30 ~ 60/-1.50 ~ 1.50 0.30
［26.] TDC. - - - - 1.80 -10 ~ 100 / - - - - - - - 0.50
［27.] TDC. 0．10 - - 1.50 -20 ~ 80 / - - - - - - - 0.403
［1] ADC 31.5 - - 1.80 -37〜91 / -0.10〜0.43 - -
［17.] ADC ７．４ 0.12 1.60〜2.00 -30〜125 / -0.20〜0.20 - -
［18.] ADC - - 0．08 1.50 ~ 2.00 -55〜125 / -0.15〜0.15 0.25
［28.] ADC 13.20 1.44 1.20 -20 ~ 50/-1.00 ~ 0.80 0.02
［29.] ADC - - - - 1.80 -20〜120 / -0.65〜0.65 - -
［9] FDC. 0.60 0.731 1.00 -40〜85 / -1.50〜1.50 0.50
［20.] FDC. 0.22 0.05 1.00 0 ~ 100/-1.60 ~ 3.00 0.30
［22.] FDC. - - 0.008 1.00 0〜110 / -1.50〜1.50 0.18
［30.] FDC. 0.125 0.062 0.50 -40 ~ 80/-0.70 ~ 1.20 - -
［31.] FDC. 0.095 0.04 - - + 8〜85 / - - 0.40
［32.] FDC. 0.20 0.585 1.50 -75〜125 / - - 0.45
表格1
比较TS。
4.2。UHF RFID-TSC的比较与分析

在商业应用中，RFID-TSC产品不仅追求性能指标，而且兼容主流协议和标准、通信距离、工作模式等，共同决定了其市场份额和潜力。由于不同品牌的UHF RFID-TSC产品采用不同的协议和标准，表2从射频工作频带、工作方式、空中接口协议、温度范围/误差、通信距离等方面对市场上的UHF RFID-TSC产品进行对比分析。
工作 /
产品		 RF频段（MHz） 工作模式
（主动/被动/半被动）		 空中接口协议 温度
范围/错误（°C）		 通信距离（m）
［9]西亚大学 860〜960 被动 - - -40.00 ~ 85.00 /
-1.50 ~ 1.50		 6.00（阅读）/
2.50(写)
［28.] CAS / IOS - - 被动/半被动 EPC C1G2 -20.00〜50.00 /
-1.00〜0.80		 9.50(读)/
6.00(写4 w附近)
［33.] PE3001 860〜960 被动 EPC C1G2 -20.00 ~ 30.00 /
-1.00〜1.00
30.00 ~ 50.00 /
-1.75 ~ 1.75		 - -
［34.]天津大学 915 被动 - - -40.00〜55.00 /
-2.00〜2.00		 7．50
［35.] Ams / SL900A 860〜960 被动/
半被动		 EPC C1 /
C3 G2		 -20.00〜60.00 /
-1.00〜1.00		 5.00〜6.00
［36.] Farsens / Fenix-Vortex-P25H 860〜960 被动 EPC C1G2 /
ISO18000-6C.		 -30.00〜85.00 /
-2.00〜2.00		 2．00
［37.] CAENRFID / A927ZET / A927Z 860 ~ 928 半被动 EPC C1G2 /
ISO18000-6C.		 -40.00 ~ 85.00 /
-0.10 ~ 0.10		 10.00(空气)/ 2.50(金属)
［38.] CAENRFID / RT0005 860 ~ 928 半被动 EPC C1G2 /
ISO18000-6C.		 -20.00 ~ 70.00 /
-0.50 ~ 0.50		 10.00（空中）
［39.] Infratab / Infratab Freshtime™ - - （UHF） 半被动 EPC C1G2 -25.00 ~ -20.00 /
-1.00〜1.00
-20.00〜50.00 / -0.50〜0.50
50.00〜70.00 /
-1.00〜1.00
-25.00 ~ -20.00 /
-1.00〜1.00		 - -
［40.DOGBONE] SMARTRAC /传感器 860〜960 被动/ EPC C1G2 /
ISO 18000-6C.		 -40.00 ~ 85.00 / - - - - - - - - -
［41.] GAORFID / SENSISING RFID标签 860 ~ 928 半被动 EPC C1G2 /
ISO 18000-6C.		 -30.00 ~ 70.00 /
-0.10 ~ 0.10		 10.00
［42.] TELID 412 860〜960 被动 ISO18000-6C. -10.00〜20.00 /
-0.50 ~ 0.50
-40.00〜65.00 /
-1.00〜1.00		 0.50
表2.
超高频RFID-TSC的比较。

如表所示2，空中产品的最大通信距离为10米[37.]，4W（eirp）下的最大写入距离为6m [28.]，温度范围为- 40~85°C [9，37.]，最小误差为0.1°C[37.］．可以看出，现有产品基本能满足不同应用场景的需求，如食品质量控制温度测量范围要求-10~30°C[6，8]，以及在约37°C时的动物或人体体温监测要求[7］．

5.结论

本文对RFID与传感器的集成技术进行了总结和分析。讨论了用于TS的ADC、TDC和FDC的三种典型架构和关键技术。在此基础上，给出了超高频RFID-TSC的总体架构。然后从技术架构、功耗、温度测量范围和精度、通信距离、协议标准等维度对现有研究成果和商用产品进行对比分析。认为扩展的传感器接口可以实现RFID对温度、湿度、压力等环境信息的自动感知，大大扩展了传统RFID的应用场景。基于以上分析，特高频RFID-TSC的发展趋势和前景如下。

5.1。片内和片外协调

SPI和我2C总线随着RFID芯片的传感器接口，可以大大扩展RFID的功能，并取得了成功，并已成功应用了一些产品。例如，AMS / SL900A提供了一种易于使用的接口，可访问外部传感器[35.， faux - vrotex - p25h支持外部接入温度和压力传感器[36.]， A927 ZET同时具有片内和片外温度传感单元，并支持设置阈值以实现精确控制[37.］．

5.2。多协议和多频性支持

目前的主流空气接口协议是EPC全球C1 G2 / ISO 18000-6C，大多数产品完全兼容。此外，HF和UHF工作频率具有不同的优点。为了更好的商业应用，多协议和多重频繁融合创新是一种发展的好方法。例如，传感器芯片[64.]与HF和UHF工作频率兼容，可以以13MHz至2.45GHz的频率运行，充分利用HF低功耗和UHF长距离通信，这显着提高了RFID作为传感器节点的灵活性。

5．3.无源无线传感器智能

在IOT系统中，RFID不再是一个简单的单个识别功能。它已进化到具有丰富的智能无线传感器节点。最重要的是，RF技术解决了传统传感器技术中依赖权力的问题。例如，传感单元和异片感测接口使RFID成为无线传感器节点[16.，64.]， PE3001可与其他mcu集成[33.]， SAR ADC可以很好地集成到无源和半无源RFID标签的传感接口中[65.］．

5.4。小型化和隐藏

虽然UHF RFID-TSC研究取得了一些成果，但由于产品整体尺寸过大，仍主要附着在物体表面，无法实现标签的隐藏。因此,保持距离的基础上,实现温度传感功能,如何实现小型化和微型化的产品,如何植入到对象实现隐形,以及如何感觉物体内的温度和其他信息仍然是一个值得研究的热点和难点。

的利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

致谢

基金资助:国家自然科学基金资助项目(批准号:20171010901);2017PT19)北京工商大学食品安全大数据技术北京市重点实验室开放研究基金。

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