英语原文共 13 页
一种用于芯片信息识别的全集成芯片ID标签
清华大学微电子研究所
中国北京
摘要
本文提出了一种新颖的无源超高频RFID标签，即“芯片身份证明标签”。在所识别片上芯片的同一衬底上制作的完整集成ID芯片标签，可用于片上系统芯片的信息识别，如芯片制造商、功能和序列号识别等。没有OCA（Optical Clear Adhesive）光学胶的ID芯片标签可以像片板一样小。光学胶可嵌入所识别的片上系统芯片外围或焊盘环外。为了保证读写器天线与OCA标签之间的最大功率传输，本文对读写器天线与ID芯片标签之间的功率传输进行了理论分析和实验分析，验证了本文提出的ID芯片标签的可行性。最后，利用0.18 um 的CMOS技术成功地设计了一种4mmtimes;4mm单匝方环OCA芯片，包括所识别的片上芯片。测量结果表明,ID芯片标签可以启动，然后发送一个独特的ID芯片数据单匝线圈阅读器天线的直径1厘米的110 KHz的ASK时钟信号调制在完全接触的情况下，当读者传播9 dbm，射频输入功率在915 MHz频带。读取器产生20dBm射频输入功率，最大读取范围1.3 厘米。值得强调的是，在所有已发表的论文中，本文首次提出了一种自包含的、仅限CMOS芯片的片上芯片信息标识标签。
关键字：ID芯片标签，ID芯片数据，片上天线，读卡器天线，可识别片上芯片
绪论
近年来，随着电子市场的迅猛发展，电子产品已成为世界上最具潜力和吸引力的市场之一。然而，电子产品的安全问题也引起了越来越多的人的关注。与传统防伪技术相比，射频识别技术将是解决这一严峻挑战的最佳选择。虽然在货币防伪、药品标签、精细供应链管理、文档标签、军事情报等严谨的研究中，也有很多防伪应用都采用了射频识别技术，但它们并没有将RFID标签与被识别对象集成在同一基体中，往往需要额外的后处理步骤。因此，就低成本和复杂性、高可靠性和小面积而言，片上芯片是不被期望的。基于以上思路，迫切需要集成RFID标签与所识别的片上芯片在同一衬底上，以保证片上芯片的安全性。此外，值得强调的是，半导体技术的快速发展使得RFID标签电路的军事化成为可能。一个0.3 mm x 0.3 mm的芯片已经在2003年现有的0.18m 的CMOS精细标准工艺中实现，然后在2007年报道的另一个超小型RFID芯片只有0.05 mm x 0.05 mm，但这两个芯片中都没有OCA。所以，RFID标签很有可能被做成一个平板那么小。为了降低芯片外天线的封装和制造成本，缩小RFID标签的整体尺寸，RFID标签的集成光学胶芯片被提上日程并实现。因此，基于上述因素，设计一种带有OCA的超小型无源RFID标签，将已识别的片上芯片集成在一起，进行片上芯片信息识别势在必行。
本文首次提出了一种集成了OCA芯片的ID芯片标签，用于芯片制造商、功能、序列号等片上芯片信息的识别。ID芯片标签，小如平板，可与所识别的片上芯片在同一衬底上制作。这意味着所提议的ID芯片标签(也是一个独立的、只包含CMOS管的系统，没有任何外部组件)不能被损坏和删除，除非同时销毁所标识的片上芯片。
此外，本文还对ID芯片标签从总体工作原理、系统设计到最终验证等方面进行了较为全面的阐述。第二部分展示了ID芯片标签的整个系统和芯片架构。在第三章的基础上，设计并验证了该ID芯片标签的读写器天线和OCA。然后，从读卡器天线与ID芯片标签之间的电感耦合系统中提取变压器等效电路，讨论最大功率传输问题。第四部分给出了一个成功的实验，用一个4毫米x4毫米单圈方形环OCA的超小型ID芯片标签来验证ID芯片标签的可行性。
系统和芯片结构
图1包括(a)和(b)展示了所提出的完全集成ID芯片标签，该标签与所识别的片上芯片在同一衬底上制作，用于片上芯片的信息识别，如芯片制造商、功能和序列号识别等。针对不同的应用要求，可以将OCA嵌入到所识别的片上芯片外围或键合板环外。更重要的是形状、转弯和大小可以不同的OCA。例如单匝OCA、多匝OCA、环路OCA、偶极天线等。没有OCA的芯片ID标签可以做成一个片板那么小.。
所提出的不同OCA芯片标签的整个系统架构如图1所示。图1 (a)为单匝方环OCA芯片ID标签，OCA沉积在键合板环外侧，图1 (b)为偶极OCA芯片ID标签，OCA嵌入所识别的片上芯片外围。
图1.ID芯片系统结构
如前所述，为了克服成本和面积的限制，扩大应用范围，这种ID芯片标签的核心电路通常只由低功耗的模拟前端、数字基带处理器和OCA组成。内存可以选择使用，也可以不使用。这意味着当芯片ID标签中需要内存时，芯片ID标签可以与所标识的片上芯片共享内存。
详细的芯片架构提出的ID标签显示在图2，ID芯片标记组成一个高效射频定向耦合器整流器为整个系统提供动力,限制可用的限幅器从整流电压，电流控制环振荡器产生时钟数据通信,重置块提供复位脉冲为0.8 V电源电压，以及一个信号调制器和逻辑与记忆。
此外，没有OCA的芯片ID标签系统的整个区域和片板一样小。因此，可以将芯片标签放置在衬垫的位置上，或者放置在衬底中尺寸大于衬垫面积的任何地方。当读取器传输足够的射频输入功率时，芯片ID标签可以通电，然后通过捕获负载调制将存储在内存中的ID芯片数据传输给读取器。
图2. RFID系统调制框图
读卡器天线OCA标签
本节共分为三个部分，主要研究在特定频段下阅读器天线与OCA标签之间的最大功率传输问题。第二部分以单匝方环OCA为例，B部分对OCA进行了相关的理论分析和仿真结果，验证了该芯片ID标签的可行性。最后，建立了电感耦合模型，分析了C部分中读写器天线与OCA标签之间的最大功率传输。
- 读卡器天线
读卡器天线如图3所示，采用绝缘铜线制作的直径为1厘米的单匝环形天线，通过电感耦合将能量和数据无线传输到芯片ID标签的OCA。因此，对单匝环形读出天线进行电磁场分析是非常重要的。
图3. 读卡器天线和芯片ID标签之间的感应耦合
当垂直距离（z轴代表图4 (a)中的垂直方向）从0到1厘米变化时，1A电流流过读写器天线线圈时，读写器天线的磁场强度可以通过两种方法得到。一方面，该近场电小天线的垂直磁场强度可由公式计算得到：
(1)
其中R和Z分别为线圈半径和垂直距离(Z轴代表图4 (a)中的垂直方向)。N为轨道匝数，I为线圈中流过的电流量。
另一方面，利用电磁仿真软件也可以得到该近场小电流单回路读取器天线垂直磁场强度的仿真结果。
将计算结果与磁场强度的仿真结果进行比较，不仅得到了如图4 (b)所示的很好的一致性，而且进一步证明了该设计方法的可行性和有效性。
图4. 单匝环形读出天线的电磁仿真结果
此外，我们知道磁场密度定义为：
(2)
因此，我们可以选择Hz = 1A/m，那么磁化强度B可以得出将用于下面的分析。
B．基于OCA的ID芯片标签
为了分析OCA的设计过程，开发了一个集总参数模型，该模型是单匝方环OCA的经典单模型，如图5所示，该模型由电磁仿真软件在915mhz频段导出。
图5.一种单匝方环OCA的集总参数模型
图5中，Lant和Rant分别为串联电感和导体损耗；Cox表示氧化物电容，Rsi和Csi分别表示硅衬底寄生电阻和电容。当OCA的内径Din由2mm变化到8mm时，随着OCA的其他工艺参数不变，我们可以方便地绘制变化图(图6)分别为915mhz时的电阻和电感。由此可见，随着OCA内径从1mm增加到8mm，其电阻和电感均有所增加。
图6. 单匝方环OCA的电阻和电感值受其内径的影响。
C.阅读器之间的最大功率转移分析天线和OCA标签
必须是与RFID标签阻抗的复共轭，同时阅读器天线必须发展到50欧姆输入阻抗在特定频率。不幸的是，在没有额外匹配网络的情况下，随着OCA内径的变化，OCA阻抗几乎不可能总是与这个ID标签的固定阻抗参数匹配。面对这种挑战在于，我们给出了集成在ID芯片标签中的主线圈和次级线圈之间的变压器式耦合，以解释中读写器天线和ID 芯片标签之间的无线传输能量。根据方案，阅读器天线OCA的感应电压可以表示为:
(3)
由式(3)可知，图7为阅读器天线感应电压174 OCA与OCA内径在915mhz频段与固定磁化强度之间的平方关系变化曲线。
图7.阅读器传感天线感应电压
ID芯片标签阻抗参数固定在915mhz，传输函数为由OCA的电阻和电感控制。同时，根据已发表的文献可知，电阻和OCA的电感主要由内径决定对单圈方环下的OCA进行处理参数不变。的函数之间的显式函数关系芯片的有效电压标签从OCA和内部由:
此外，我们假设a的阻抗是20 - j120欧姆在915mhz和强度磁化B是固定的。如图8所示即可获得的电压芯片的id标签从单匝方环OCA也随着的增大而增大OCA的内径。
同时，从图8可以看出，存在一个临界芯片ID标签最大可用电压的限制由OCA透射(0.8V为本工作的临界极限)。除非有可用电压，否则该系统不能工作来自OCA的芯片ID标签超过了临界限制。综上所述，对电磁仿真结果进行了分析单匝方环OCA呈逐渐增大趋势芯片ID标签的可达电压与OCA的内径Din。值得注意的是芯片ID标签甚至可以正常工作，以识别的CPU最大，只要芯片电压可达到要求，由集成的单匝方环OCA即可超过临界电压。
图8.OCA传输的RFID标签的可获得电压受以下因素的影响
距离测试
射频识别标签的定位原理是基于调制反射的调频连续波雷达系统。调频连续波读卡器通过线性调频传输连续波信号。信号以较低的频率开始并且在调制区间内，频率线性增加到的上频率来自调频连续波读卡器的信号反射到距离d的RFID感应器的天线上，也反射到离读卡器较近的任何其他目标上。因此，应答器天线的反射系数具有特征性使用相关自定义命令激活距离测量后进行调制。从而在阅读器的操作范围内与虚假目标区分开来。约300kHz的调制频率是由射频识别标签的内部时钟发生器通过一个8times;8的分频器推导出来的。这种调制应该在调频连续波阅读器的调制间隔T的持续时间内执行，以使用其整个带宽b。这对于良好的距离测量分辨率非常重要。应答器的背散射信号到达天线的读者推迟了运行时间tau;。然后这个信号就混合在一起了发射信号。然后将混频器输出的信号在一个斜坡间隔T内进行数字化，并在数字域中进行进一步的数据处理。相关基带频谱与时间无关。它由围绕中心频率fmod的两个主瓣组成其值由应答器的调制频率fmod给出。距离两瓣电平Delta;f取决于阅读器和应答器的距离d已知的斜坡的频率。
通讯协议
使用RFID协议标准EPC 超高频中声明的自定义命令触发数据转换和定位。从0xE000到0xE0FF的范围保留给这些命令，从而导致256种可能触发标准中没有描述的自己的操作。选项卡。我展示了用于UHF RFID测试系统中传感器数据采集的自定义命令。这些自定义命令被添加到已经包含所有强制EPC命令的应答器的有限状态机中。如果从source3中读取单个传感器读数，则发送到RFID应答器的相应自定义命令是0xE0E8。在已建立的EPC会话中发送命令代码后，ADC启动在指定的输入源和所获取的传感器数据上进行转换，并将其传输回超高频 RFID阅读器。实际的传感器应答由四个字节组成:ADC数据、ADC校准数据、传感器源信息和计数器。ADC校准数据字节保留给将来使用，并在当前状态下设置为常量(0x55)。传感器信息将阅读器接收到的ADC数据链接到特定的传感器源。根据命令模式(单次或连续)的不同，采集和数据传输只进行一次或无限次，直到供应字段被关闭。使用后一种模式不需要从阅读器进一步的交互。在这种模式下，计数器随着每次转换而增加，从而提供ADC数据的类似时间戳的标识。计数器获得的所有256次收购都出现溢出，并再次从0x00开始。
实验结果
一个完全集成的无源UHF芯片ID标签与单旋转方形环OCA，沉积在相同的衬底上所确定的片上芯片，已进行了设计和制造CMOS技术。OCA是用顶部制造的层金属实现高品质因素因子电感。为了将芯片面积和制造成本降到最低片上系统芯片被OCA包围，如图9所示。整个大小OCA的尺寸为4毫米x4毫米，线宽为15毫米。
图9. 采用0.18 um CMOS工艺制造的全集成ID芯片
具体测试方案如图10所示。如所示一个自动阻抗调谐器，而不是匹配网络实际测量，是精密控制开发的单机将环读卡器天线调到50欧姆输入阻抗到保证最大限度的能量传输之间的阅读器和建议的芯片ID标签。
图10.测试方案
测量结果表明，该读卡器天线性能良好通
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