RFID標簽天線(xiàn)及讀寫(xiě)器設計制造
文章出處：http://psychicreadingswithdeb.com 作者：中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所RFID研究中心 人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月27日
1 芯片設計及制造
1.1 芯片設計技術(shù)
按照能量供給方式的不同，RFID標簽可以分為被動(dòng)標簽，半主動(dòng)標簽和主動(dòng)標簽，其中半主動(dòng)標簽和主動(dòng)標簽中芯片的能量由電子標簽所附的電池提供，主動(dòng)標簽可以主動(dòng)發(fā)出射頻信號。按照工作頻率的不同，RFID標簽可以分為低頻(LF)、高頻(HF)、超高頻(UHF)和微波等不同種類(lèi)。不同頻段的RFID工作原理不同，LF和HF頻段RFID電子標簽一般采用電磁耦合原理，而UHF及微波頻段的RFID一般采用電磁發(fā)射原理。不同頻段標簽芯片的基本結構類(lèi)似，一般都包含射頻前端、模擬前端、數字基帶和存儲器單元等模塊。其中，射頻前端模塊主要用于對射頻信號進(jìn)行整流和反射調制；模擬前端模塊主要用于產(chǎn)生芯片內所需的基準電源和系統時(shí)鐘，進(jìn)行上電復位等；數字基帶模塊主要用于對數字信號進(jìn)行編碼解編碼以及進(jìn)行防碰撞協(xié)議的處理等；存儲器單元模塊用于信息存儲。
目前，發(fā)達國家在多種頻段都實(shí)現了RFID標簽芯片的批量生產(chǎn)，模擬前端多采用了低功耗技術(shù)，無(wú)源微波RFID標簽的工作距離可以超過(guò)
射頻標簽的通信標準是標簽芯片設計的依據，目前國際上與RFID相關(guān)的通信標準主要有:ISO/IEC 18000標準（包括7個(gè)部分，涉及125KHz, 13.56MHz, 433MHz, 860－960MHz, 2.45GHz等頻段），ISO11785（低頻），ISO/IEC 14443標準（13.56MHz），ISO/IEC 15693標準（13.56MHz），EPC標準（包括Class0, Class1和GEN2等三種協(xié)議,涉及HF和UHF兩種頻段）,DSRC標準（歐洲ETC標準，含5.8GHz）。目前電子標簽芯片的國際標準出現了融合的趨勢，ISO/IEC 15693標準已經(jīng)成為ISO18000－3標準的一部分，EPC GEN2標準也已經(jīng)啟動(dòng)向ISO18000－6 Part C標準的轉化。
中國在LF和HF頻段RFID標簽芯片設計方面的技術(shù)比較成熟，HF頻段方面的設計技術(shù)接近國際先進(jìn)水平，已經(jīng)自主開(kāi)發(fā)出符合ISO14443 Type A、Type B和ISO15693標準的RFID芯片，并成功地應用于交通一卡通和中國二代身份證等項目，與國際主要的差距存在于片上天線(xiàn)與芯片的集成上，目前國內還沒(méi)有相應的產(chǎn)品應用。國內在UHF和微波頻段的標簽芯片設計方面起步較晚，目前已經(jīng)掌握UHF頻段RFID標簽芯片的設計技術(shù)，部分公司和研究機構已經(jīng)研發(fā)出標簽芯片的樣片，但尚未實(shí)現量產(chǎn)。國內在UHF頻段讀寫(xiě)器RF芯片和系統芯片（SOC）的設計方面也具有一定的基礎，但目前產(chǎn)品仍主要依賴(lài)于進(jìn)口。在微波頻段（2.45GHz及5.8GHz）,國內有部分應用在公路不停車(chē)收費項目中，相對于國外在這兩個(gè)頻段的技術(shù)水平，國內的研究還處于起步階段，尚無(wú)相應產(chǎn)品。
與國際先進(jìn)水平相比，中國在RFID芯片設計方面的主要差距如下：
1） 國外在RFID芯片設計方面起步較早，并申請了許多技術(shù)專(zhuān)利，而國內起步相對較晚，尤其在UHF及微波頻段的RFID芯片設計方面的基礎比較薄弱，取得的自主知識產(chǎn)權較少；同時(shí)，一些目前廣泛采用的RFID標準中包含了國外的技術(shù)要求及專(zhuān)利，在實(shí)現這些標準過(guò)程中有可能觸及一些國外已有的技術(shù)及專(zhuān)利；
2） 在存儲器方面，發(fā)達國家已經(jīng)開(kāi)始采用標準CMOS工藝設計非揮發(fā)存儲器，使得RFID標簽芯片的所有模塊有可能在標準CMOS工藝下制作完成，以降低生產(chǎn)成本，而國內目前仍主要采用傳統的OTP工藝或EEPROM工藝，關(guān)于標準CMOS工藝下的非揮發(fā)存儲器的研究剛剛開(kāi)始；
3） 在超低功耗模擬電路研究方面，國內研究較少，而這方面的設計將直接影響到芯片的閱讀距離和整體性能；
4） RFID標簽對成本比較敏感，芯片設計需要在模擬電路和數?；旌想娐吩O計方面具有豐富經(jīng)驗的專(zhuān)業(yè)人才，而國內目前從事射頻識別芯片設計的人才較少，技術(shù)力量相對薄弱。
1.2 芯片制造技術(shù)
半導體芯片制造工藝有多種類(lèi)型，根據器件類(lèi)型可分CMOS，Bipolar，BICMOS等，根據材料可分Si，Ge，GaAs工藝等，根據襯底類(lèi)型可分體硅工藝、SOI工藝等。RFID應用特點(diǎn)是批量大，但成本極其敏感，盡管有廠(chǎng)家利用特殊工藝設計制造出相應產(chǎn)品，但綜合多種因素及國內實(shí)際情況，基于CMOS制造工藝的工藝技術(shù)比較適合目前應用需求的RFID的加工制造。目前國外也主要采用標準CMOS工藝，且普遍采用0.35μm以下工藝。
2 天線(xiàn)設計與制造技術(shù)
2.1 天線(xiàn)設計技術(shù)
天線(xiàn)是一種以電磁波形式把無(wú)線(xiàn)電收發(fā)機的射頻信號功率接收或輻射出去的裝置。天線(xiàn)按工作頻段可分為長(cháng)波、短波、超短波以及微波天線(xiàn)等；按方向性可分為全向天線(xiàn)、定向天線(xiàn)等；按外形可分為線(xiàn)狀天線(xiàn)、面狀天線(xiàn)等。在RFID系統中，天線(xiàn)分為標簽天線(xiàn)和讀寫(xiě)器天線(xiàn)兩種情況，當前的RFID系統主要集中在LF、HF (13.56MHz)、UHF和微波頻段。天線(xiàn)的原理和設計在LF、HF和UHF頻段有根本上的不同。實(shí)質(zhì)上，由于在LF和HF頻段系統近場(chǎng)區并沒(méi)有電磁波的傳播，因此天線(xiàn)的問(wèn)題主要集中在UHF和微波頻段。
（1） RFID標簽天線(xiàn)設計
天線(xiàn)的目標是傳輸最大的能量進(jìn)出標簽芯片，這需要仔細的設計天線(xiàn)和自由空間以及其相連的標簽芯片的匹配，當工作頻率增加到微波區域的時(shí)候，天線(xiàn)與標簽芯片之間的匹配問(wèn)題變得更加嚴峻。一直以來(lái)，標簽天線(xiàn)的開(kāi)發(fā)基于的是50或者75歐姆輸入阻抗，而在RFID應用中，芯片的輸入阻抗可能是任意值，并且很難在工作狀態(tài)下準確測試，缺少準確的參數，天線(xiàn)的設計難以達到最佳。相應的小尺寸以及低成本等要求也對天線(xiàn)的設計帶來(lái)挑戰，天線(xiàn)的設計面臨許多難題。
標簽天線(xiàn)特性受所標識物體的形狀及物理特性影響，標簽到貼標簽物體的距離，貼標簽物體的介電常數，金屬表面的反射，局部結構對輻射模式的影響等都將影響天線(xiàn)的性能。
在國內，有近百家的天線(xiàn)公司或工廠(chǎng)。這些天線(xiàn)廠(chǎng)家主要的產(chǎn)品是基本上傳統的衛星接收天線(xiàn)、電視接收天線(xiàn)、車(chē)載天線(xiàn)，蜂窩基站天線(xiàn)等等，相對于從事RFID天線(xiàn)設計的單位很少，基礎比較薄弱。國內LF和HF的RFID系統的天線(xiàn)設計比較成熟。對于特定環(huán)境應用的UHF頻段RFID天線(xiàn)的設計和應用比較成熟，比如應用于鐵路運輸上的電子車(chē)號自動(dòng)識別系統，該系統中閱讀器天線(xiàn)為安裝在地面的微帶天線(xiàn)，并且帶有很堅固的防護外殼。標簽體積較大并且封裝在塑料殼中，標簽天線(xiàn)可靠性高、加工工藝成熟但是成本高。在讀寫(xiě)器和標簽位置、方向不固定、或者周?chē)姶庞绊憞乐氐囊恍┫到y中存在識別準確率不高，測試一致性不理想的問(wèn)題。
國外已經(jīng)研制出一種在RFID芯片上嵌入天線(xiàn)的方法，常規RFID芯片需要用一個(gè)外部天線(xiàn)來(lái)實(shí)現它們與外部讀取器的通信，而微芯片的片載天線(xiàn)使它能夠接收來(lái)自讀寫(xiě)器的無(wú)線(xiàn)信號并將ID號回送。因此這種芯片無(wú)需任何外部器件即可自行進(jìn)行工作。目前國內關(guān)于片上天線(xiàn)的研究基本處于空白狀態(tài)。國外致力于覆蓋各種頻率的復合天線(xiàn)設計，基于研究可以用來(lái)紡織復合天線(xiàn)、電源和數據總線(xiàn)的未來(lái)服裝所需要的新型材料，促進(jìn)電子標簽在服裝上的使用。國外廠(chǎng)商都在研制和生產(chǎn)低成本的電子標簽天線(xiàn)和標簽產(chǎn)品，用以滿(mǎn)足產(chǎn)品商品標志等方面的需要。國外注重標簽天線(xiàn)知識產(chǎn)權保護，許多標簽天線(xiàn)都申請專(zhuān)利保護。在特殊的使用要求下，標簽天線(xiàn)仍然需要有很高的可靠性。國內在UHF和微波頻段的標簽天線(xiàn)的形式、體積、成本方面和國外技術(shù)存在一定的差距
（2）RFID讀寫(xiě)器天線(xiàn)設計
對于近距離13.56MHzRFID應用(<
讀寫(xiě)器天線(xiàn)設計要求低剖面、小型化以及多頻段覆蓋。對于分離式讀寫(xiě)器，還將涉及到天線(xiàn)陣的設計問(wèn)題。它還涉及到小型化的問(wèn)題帶來(lái)的低效率、低增益問(wèn)題，這同樣是國內國外共同關(guān)注的研究課題。
國外已經(jīng)開(kāi)始研究讀寫(xiě)器應用的智能波束掃描天線(xiàn)陣，讀寫(xiě)器可以按照一定的處理順序，“智能”的打開(kāi)和關(guān)閉不同的天線(xiàn)，使系統能夠感知不同天線(xiàn)覆蓋區域的標簽，增大系統覆蓋范圍。
2. 2 天線(xiàn)制造技術(shù)
目前，有三種天線(xiàn)制造技術(shù)：蝕刻/沖壓天線(xiàn)（etched/punched antenna）、印刷天線(xiàn)（printed antenna）和繞線(xiàn)式天線(xiàn)。
在國際上，目前一般都采用蝕刻/沖壓天線(xiàn)為主，其材料一般為鋁或者銅，因為其能提供最大可能的信號給標簽上的芯片，并且在標簽的方向性和天線(xiàn)的極化等特性上都能與讀卡機的詢(xún)問(wèn)信號相匹配，同時(shí)在天線(xiàn)的阻抗，應用到物品上的RF的性能，以及在有其他的物品圍繞貼標簽物品時(shí)的RF性能等方面都有很好的表現，但是它唯一的缺點(diǎn)就是成本太高。
導電油墨從只用絲網(wǎng)印刷擴展到膠印、柔性版印刷、凹印，其技術(shù)的進(jìn)步，促進(jìn)了RFID標簽的生產(chǎn)和使用?，F在隨著(zhù)新型導電油墨的不斷開(kāi)發(fā)，印刷天線(xiàn)的優(yōu)勢越來(lái)越突出。導電油墨是由細微導電粒子或其他特殊材料(如導電的聚合物等)組成，印刷到承印物上后，起到導線(xiàn)、天線(xiàn)和電阻的作用。這種油墨印刷在柔性或硬質(zhì)承印物上可制成印刷電路，用導電油墨印制的天線(xiàn)可接收RFID專(zhuān)用的無(wú)線(xiàn)電信號。其優(yōu)勢表現在導電效果出色和成本降低。
在頻率較低的標簽中，通常采用線(xiàn)圈天線(xiàn)形式；頻率較高的標簽通常為印刷貼片天線(xiàn)形式。其印刷工藝是在紙板、聚脂、聚苯乙烯等材料上用金屬、聚合物等導電墨水（主要成分為銀和鋁等金屬）印刷出天線(xiàn)圖形，印刷貼片天線(xiàn)技術(shù)在國外已經(jīng)成功應用，但是國內由于設備價(jià)格昂貴很少引進(jìn)。即便在國外，印刷技術(shù)的印刷分辨率、套準精度、必要的隔離層和干凈的印刷環(huán)境上還有待實(shí)質(zhì)性的改善和提高。
我國具備一定的利用導電油墨(如導電銀漿)進(jìn)行天線(xiàn)的加工的能力，但是印刷分辨率、套準精度、必要的隔離層和干凈的印刷環(huán)境上還有待實(shí)質(zhì)性的改善和提高。
2.3 標簽封裝技術(shù)
2.3.1 封裝方法
印刷天線(xiàn)與芯片的互連上，因RFID標簽的工作頻率高、芯片微小超薄，最適宜的方法是倒裝芯片（Flip Chip）技術(shù)，它具有高性能、低成本、微型化、高可靠性的特點(diǎn)，為適應柔性基板材料，倒裝的鍵合材料要以導電膠來(lái)實(shí)現芯片與天線(xiàn)焊盤(pán)的互連。
柔性基板要實(shí)現大批量低成本的生產(chǎn)，以及為了更有效地降低生產(chǎn)成本，采用新的方法進(jìn)行天線(xiàn)與芯片的互連是目前國際國內研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。
為了適應更小尺寸的RFID芯片，有效地降低生產(chǎn)成本，采用芯片與天線(xiàn)基板的鍵合封裝分為兩個(gè)模塊分別完成是目前發(fā)展的趨勢。其中一具體做法（中國專(zhuān)利）是：大尺寸的天線(xiàn)基板和連接芯片的小塊基板分別制造，在小塊基板上完成芯片貼裝和互連后，再與大尺寸天線(xiàn)基板通過(guò)大焊盤(pán)的粘連完成電路導通。
與上述將封裝過(guò)程分兩個(gè)模塊類(lèi)似的方法是將芯片先轉移至可等間距承載芯片的載帶上，再將載帶上的芯片倒裝貼在天線(xiàn)基板。該方法中，芯片的倒裝是靠載帶翻卷的方式來(lái)實(shí)現的，簡(jiǎn)化了芯片的拾取操作，因而可實(shí)現更高的生產(chǎn)效率。特別是目前正在研究發(fā)展中的流體自裝配（FSA）、振動(dòng)裝配（Vibratory assembly）等技術(shù)，理論上可以實(shí)現微小芯片至載帶的批量轉移，極大地提高芯片與天線(xiàn)的封裝效率。
2.3.2 封裝關(guān)鍵工藝
RFID標簽因不同的用途呈現多種封裝形式，因而在天線(xiàn)制造、凸點(diǎn)形成、芯片鍵合互連等封裝過(guò)程工藝也呈多樣性。
（1）凸點(diǎn)的形成
目前RFID標簽產(chǎn)品的特點(diǎn)是品種繁多，但并非每個(gè)品種的數量能形成規模。因此，采用柔性化制作凸點(diǎn)技術(shù)具有成本低廉，封裝效率高，使用方便，靈活，工藝控制簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。不僅可解決微電子工業(yè)中可變加工批量、高密度、低成本封裝急需的難題，還為目前正蓬勃興起的RFID標簽的柔性化生產(chǎn)提供條件。
（2）RFID芯片互連方法
RFID標簽制造的主要目標之一是降低成本。為此，應盡可能減少工序，選擇低成本材料，減少工藝時(shí)間。從材料成本角度，應優(yōu)先考慮NCA互連，且可以同點(diǎn)膠凸點(diǎn)相配合實(shí)現低成本制造。采取ACA互連在技術(shù)上是成熟的，但其缺點(diǎn)在于目前市場(chǎng)上的ACA材料價(jià)格仍然較為昂貴，而且都是針對細間距、高密度、高I/O數互連而研制的。如果能夠自制出成本低廉的滿(mǎn)足RFID互連的導電膠，ACA互連也能夠成為低成本的選擇。ICA互連的缺點(diǎn)在于工藝步驟相對較多，固化時(shí)間相對較長(cháng)。
2.3.3 RFID標簽關(guān)鍵封裝設備
RFID封裝設備由一系列工藝裝備組成的自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)，各工藝環(huán)節相對獨立，同時(shí)又相互制約，要實(shí)現高效率的生產(chǎn)，必須綜合考慮各個(gè)工藝環(huán)節的要求；從技術(shù)的角度，它是集光、機、電、氣、液于一體的高精技術(shù)裝備，涉及時(shí)間、壓力、溫度等多物理場(chǎng)的各種物理現象，需要解決速度、精度、效率、質(zhì)量、可靠性、成本等多方面的因素的影響。開(kāi)發(fā)高性能低成本的RFID制造裝備一直是業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。
目前RFID產(chǎn)品的封裝設備只有國外一些廠(chǎng)商提供，柔性基板的標簽均選用從卷到卷的生產(chǎn)方式，該生產(chǎn)線(xiàn)包括基板進(jìn)料、上膠、芯片翻轉貼裝（倒裝）、熱壓固化、測試、基板收料等工藝流程。另一種生產(chǎn)方式為先制造RFID模塊，然后將其與天線(xiàn)基板進(jìn)行鍵合組裝。該方法由獨立的可精密定位的芯片轉移設備將芯片置于載帶構成芯片模塊，再由芯片模塊將芯片轉移至天線(xiàn)基板，其優(yōu)點(diǎn)是兩次轉移可獨立并行執行，芯片翻轉通過(guò)載帶的盤(pán)卷方式實(shí)現，因而生產(chǎn)效率得以提高。
RFID封裝設備的核心內容是如何在多物理因素作用下，使鍵合機及相關(guān)工藝受控完成高質(zhì)量的接合界面。通常涉及幾方面的關(guān)鍵技術(shù)：多自由度柔性、靈活的執行機構，基于視覺(jué)信息引導的識別與定位，膠固化及滴膠過(guò)程的時(shí)間、溫度和壓力控制，不同工藝單元技術(shù)的集成。
國內擁有自主知識產(chǎn)權的倒裝封裝設備幾乎是空白，而國外廠(chǎng)商設備價(jià)格非常昂貴，一般需要上百萬(wàn)美元。如果直接購買(mǎi)進(jìn)口設備，勢必大大增加生產(chǎn)成本。特別需要指出的是目前RFID封裝設備的技術(shù)工藝還在不斷的發(fā)展中，現有的國外制造裝備的技術(shù)水平依然無(wú)法滿(mǎn)足人們對RFID產(chǎn)品低成本制造的要求。目前國內一些研究機構正在從事電子制造裝備與技術(shù)的研發(fā)工作，并在RFID制造相關(guān)技術(shù)取得了突破。充分利用國內現有的基礎以及RFID發(fā)展的契機，鼓勵發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權的RFID封裝設備對實(shí)現RFID的低成本和電子制造裝備產(chǎn)業(yè)都是非常有意義的。
3 RFID讀寫(xiě)器設計與制造
RFID讀寫(xiě)器的任務(wù)是控制射頻模塊向標簽發(fā)射讀取信號，并接收標簽的應答，對標簽的對象標識信息進(jìn)行解碼，將對象標識信息連帶標簽上其它相關(guān)信息傳輸到主機以供處理。根據應用不同，閱讀器可以是手持式或固定式。讀寫(xiě)器在RFID系統中起到舉足輕重的作用，首先讀寫(xiě)器的頻率決定了RFID系統的工作頻段；其次，讀寫(xiě)器的功率直接影響射頻識別的距離。
讀寫(xiě)器可以簡(jiǎn)化為控制系統和由接收器和發(fā)送器組成的射頻模塊兩個(gè)基本的功能塊，控制系統通常采用ASIC組件和微處理器來(lái)實(shí)現其功能，主要功能為：與應用系統軟件進(jìn)行通信，并執行從應用系統軟件發(fā)來(lái)的動(dòng)作指令；控制與標簽的通信過(guò)程；信號的編碼與解碼；執行防碰撞算法；對讀寫(xiě)器和標簽之間傳送的數據進(jìn)行加密和解密；進(jìn)行讀寫(xiě)器和標簽之間的身份驗證。
射頻模塊的主要功能為：產(chǎn)生高頻發(fā)射能量，激活標簽并為其提供能量；對發(fā)射信號進(jìn)行調制，用于將數據傳輸給標簽；接收并解調來(lái)自標簽的射頻信號。
在極低能量供給的工作條件下，協(xié)議級和電路級的優(yōu)化都已幾近極限，所以進(jìn)一步的優(yōu)化應該把這兩者聯(lián)系起來(lái)，結合電路實(shí)現來(lái)考查協(xié)議的功耗。RFID系統中電子標簽所獲能量微弱，無(wú)力再向周?chē)l(fā)射無(wú)線(xiàn)電波，只能反射來(lái)自讀寫(xiě)器的電磁波；不同電子標簽對來(lái)自讀寫(xiě)器的輻射波的反射具有相同的頻譜特征，讀寫(xiě)器不能區分； 電子標簽的電路設計不能太復雜，電子標簽和電子標簽之間無(wú)法互相聯(lián)絡(luò )來(lái)協(xié)調數據回送（反射）的過(guò)程。這樣碰撞問(wèn)題的解決只能依靠讀寫(xiě)器利用發(fā)射出去的數據來(lái)控制電子標簽的響應并分析來(lái)自電子標簽的響應，通過(guò)反復詢(xún)問(wèn)，調整控制，最終使某一時(shí)刻只有一個(gè)電子標簽響應讀寫(xiě)器，并且每一個(gè)電子標簽都有響應機會(huì )。解決防碰撞問(wèn)題有以下幾種方法：空分多路法使不同的電子標簽分別進(jìn)入讀寫(xiě)器的有效工作空間；頻分多路法使不同的電子標簽分別使用不同的工作頻率；時(shí)分多路法使不同的電子標簽分別占有不同的通訊時(shí)間。
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