嵌入溫度傳感器的無源超高頻超低功耗rfid標籤晶片的製作方法

2023-06-04 12:39:46 2

嵌入溫度傳感器的無源超高頻超低功耗rfid標籤晶片的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種嵌入溫度傳感器的無源超高頻超低功耗RFID標籤晶片。其包括電源管理模塊，調製解調模塊，時鐘產生模塊，數字基帶模塊，溫度傳感器模塊及存儲器。通過對嵌入溫度傳感器的無源超高頻RFID標籤晶片的低功耗處理可以提高嵌入溫度傳感器的RFID標籤晶片的靈敏度及讀寫距離，同時將所嵌入的溫度傳感器進行高精準度和低誤差的處理可以得到更穩定和準確的溫度測量值，提供更可靠的溫度數據。
【專利說明】嵌入溫度傳感器的無源超高頻超低功耗RFID標籤晶片

【技術領域】
[0001] 本發明涉及RFID技術，具體的說，是涉及一種嵌入溫度傳感器的無源超高頻超低 功耗RFID標籤晶片。

【背景技術】
[0002] 射頻識別技術（RFID)是利用射頻信號實現的一種非接觸式自動識別技術，它利 用射頻方式進行非接觸式雙向通信，從而達到對目標對象的自動識別和相關數據採集。EPC C1G2協議採用的超高頻（UHF)標籤是指工作頻率在860MHz到960MHz的RFID標籤，具有可 讀寫距離長、閱讀速度快、作用範圍廣等優點。
[0003] 隨著物聯網技術的迅速發展，將物品標識技術和傳感技術相集成的應用正變得越 來越重要。因此，具有環境感知功能的RFID標籤代表了物聯網技術發展的趨勢。在未來物 聯網技術的應用環境下，大多數系統動輒需要以百萬計的感知識別節點，感知識別節點的 高成本、高能耗和大體積成為物聯網快速發展的瓶頸。因此，對智能標籤低成本、低能耗，小 體積的需求呼之欲出。
[0004] 同時含有溫度傳感器的RFID標籤擁有巨大的潛在市場，尤其是監視易腐爛實物， 醫療保健產品後勤及供應鏈管理。然而，現有的嵌入溫度傳感器的RFID標籤溫度感知的分 辨率和誤差值不符合人體測試及其他對溫度測試精準度較高領域的標準及需求。


【發明內容】

[0005] 本發明的目的在於在實現無源超高頻RFID標籤功能的基礎上，將溫度傳感器嵌 入式的集成到RFID標籤上，通過對嵌入溫度傳感器的無源超高頻RFID標籤晶片的低功耗 處理以提高溫度RFID標籤晶片的讀寫距離，同時將所嵌入的溫度傳感器進行高精準度和 低誤差的處理以得到更穩定和準確的溫度測量值，提供更可靠的溫度數據。
[0006] 為了解決上述技術問題，本發明是通過以下技術方案實現的：嵌入溫度傳感器的 無源超高頻超低功耗RFID標籤晶片，包括電源管理模塊，調製解調模塊，時鐘產生模塊，數 字基帶模塊，溫度傳感器模塊及存儲器，其特徵在於：所述溫度傳感器模塊包括帶隙基準電 路，時域比較電路和數模轉換電路；帶隙基準電路連接於時域比較電路，時域比較電路連接 於數模轉換電路，帶隙基準電路用於感知溫度，所述帶隙基準電路包括自啟動電路，帶隙基 準核心電路及電流輸出電路，所述溫度傳感器模塊供電電壓由電源管理模塊提供，帶隙基 準電路供電電壓的上電和斷開由數字基帶模塊通過開關S1進行控制。
[0007] 優選的，帶隙基準電路所述自啟動電路由2個PM0S管％、M2及4個NM0S管M 3-M6 組成，其中m2的漏端與m3的漏端相連，m2的柵極連接到節點1，m 3?m6依次以二極體接法 作為電阻串聯，Mi的柵極連接於M2和M 3之間戽的漏極連接於供電電壓，Mi的源極連接於 帶隙基準核心電路中的節點2。
[0008] 優選的，所述帶隙基準核心電路由NPN型三極體Q1和Q2,電阻RPT和R CT，及PM0S 管MA1?MA5及NM0S管MA6組成。Q1與Q2的基極相連，Q2的集電極連接到地，BJT三極體基 極-集電極電壓VBE具有負溫度係數，因此通過電阻RCT產生負溫度係數電流ICT。Q1與Q2 的NPN個數比例為8 :1，因為Q1與Q2工作在不等的電流密度下，因此二者的基極-發射極 電壓差Λ VBE與絕對溫度成正比，電阻RPT連接於Q1集電極和地之前，產生正溫度係數電流 IPT。MA1和MA2, MA3和MA4構成重疊式電流鏡，將正溫度係數電流IPT以電流鏡的方式提供給 電流輸出電路，Μ Α5的源極連與Q1與Q2基極相連，柵極連於Q2的集電極，漏極與ΜΑ6的漏極 相連，Μ Α6以電流鏡的方式將負溫度係數電流ICT複製導出給電流輸出電路。
[0009] 優選的，帶隙基準所述電流輸出電路由PM0S管M7-M16和NM0S管M 17-M18構成。M7 與m8將ma1與mA2的ipt複製導出提供給下一級，m 12-m18以電流鏡方式將ICT從帶隙基準核心 電路MA6複製提供給下一級，M 9-Mn以電流鏡的方式將1^1"複製並加和產生零溫度係數電 流IKEF提供給下一級。
[0010] 優選的，電源管理模塊包括整流器，以及連接整流器的低壓差線性穩壓器組和上 電復位模塊。所述的電源管理模塊內還設有PMU帶隙基準電路，電源管理模塊的整流器與 低壓差線性穩壓電路連接在PMU帶隙基準電路上。
[0011] 優選的，電源管理模塊中所用整流器為一個十二級整流器。和現有技術中採用成 對的整流器不同，本發明僅僅通過一個整流器就達到了相應的效果。
[0012] 優選的，溫度傳感器模塊的供電電壓由電源管理模塊的低壓差線性穩壓電路提 供。電源管理器模塊中的整流器輸出作為低壓差線性穩壓器組的供電電壓，電源管理模塊 中的PMU帶隙基準電路的輸出電壓作為低壓差線性穩壓器組的參考電壓，低壓差線性穩壓 器組的輸出電壓作為溫度傳感器模塊的供電電壓。
[0013] 優選的，其溫度傳感器模塊利用NPN型三極體的溫度特性進行溫度感知，將電流 轉換通過時域比較電路和電容轉換為電壓，並通過計數器電路將電壓量化為數位訊號輸 出，所述溫度傳感器採用的量化時鐘頻率為9M?15MHz。增加溫度傳感器的時鐘頻率，以獲 得更高的解析度，提高溫度感知準確度。
[0014] 優選的，所述溫度傳感器採用的量化時鐘頻率為12MHz。
[0015] 與現有技術相比，本發明的優點是：
[0016] 本嵌入溫度傳感器的RFID標籤晶片不僅實現了 RFID的非接觸自動識別的基本功 能，還嵌入集成了傳感器模塊到RFID標籤上實現RFID智能讀取溫度的功能。傳統的標籤 晶片設計流程將天線與整流器作為兩個互相獨立的模塊分別優化。然而在我們的研究過程 中卻發現只有將天線阻抗和整流器的電路參數（如整流器級數，電晶體尺寸和電容值等） 做整體優化，才能得到最優的射頻能量轉化效率。據此，通過對整流器和天線接口的整體優 化設計，提高射頻能量的轉換效率。同時對整個標籤晶片各個模塊進行低功耗設計，並優化 工作方式控制溫度傳感器模塊與數字基帶模塊的交替性工作來降低功耗，即溫度傳感器工 作時，數字基帶模塊不工作，其餘時間溫度傳感器不工作。這樣保證了標籤晶片不會因為嵌 入溫度傳感器模塊需要消耗一部分的功耗而降低靈敏度及讀寫距離。
[0017] 所採用的溫度傳感器具有高解析度和低誤差的特性。解析度為0. 016°c，誤差低於 0. 3°C。具體實現方式為在溫度傳感器模塊中添加一個單獨為溫度傳感工作的帶隙基準電 路作為溫度感知的前端電路，避免了與其他的電路模塊對電源管理模塊中帶隙基準電路輸 出電壓電流值的復用，造成數據感知的不準確。同時為了進一步確保溫度感知的準確性，對 溫度傳感器模塊的供電電壓進行了降低噪聲提高電源抑制比的設計。增加溫度傳感器的時 鍾頻率，以獲得更高的解析度，提高溫度感知的準確性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 下面結合附圖對本發明作進一步說明：
[0019] 圖1為本發明嵌入溫度傳感器的無源超高頻超低功耗RFID標籤晶片的內部結構 圖。
[0020] 圖2為本發明嵌入溫度傳感器的無源超高頻超低功耗RFID標籤晶片中整流器連 接圖。
[0021] 圖3為發明嵌入溫度傳感器的無源超高頻超低功耗RFID標籤晶片中溫度傳感器 模塊中添加的帶隙基準電路示意圖。
[0022] 圖4為本發明嵌入溫度傳感器的無源超高頻超低功耗RFID標籤晶片溫度傳感器 模塊外部接口電路圖。
[0023] 圖5為本發明嵌入溫度傳感器的無源超高頻超低功耗RFID標籤晶片溫度傳感器 模塊供電電壓VDD_SEN產生電路。
[0024] 圖6為發明嵌入溫度傳感器的無源超高頻超低功耗RFID標籤晶片溫度傳感器時 域比較電路及模數轉化量化電路。

【具體實施方式】
[0025] 如圖1-圖6所示，為本發明嵌入溫度傳感器的無源超高頻超低功耗RFID標籤芯 片的相關示意圖，該標籤晶片基於EPC C1G2協議。如圖1所示，該標籤晶片包括以下組成 部分：調製解調模塊，電源管理模塊，時鐘產生模塊，數字基帶模塊，溫度傳感器模塊及存儲 器。
[0026] 其中調製解調模塊用以調製解調射頻信號，並利用反向散射將數據上傳到讀寫 器。
[0027] 電源管理模塊整流輸入的射頻（RF)信號，以產生多個直流電源電壓供給其他模 塊。此外，電源管理模塊還為模擬模塊提供基準電流，並且為數字電路提供上電復位信號。
[0028] 時鐘產生模塊為傳感器和數字模塊提供基準時鐘信號，該時鐘信號被用來對環境 溫度測量得到的時域脈衝進行採樣數字。
[0029] 溫度傳感器模塊利用NPN雙極型電晶體的溫度特性完成溫度感知，利用帶隙基準 電路獲得與溫度相關的電流，並採用基於時域轉換器和模數轉換電路將電流轉換為數字 量。
[0030] 數字基帶模塊作為一個中央控制器來處理與其他模塊的各種接口，實現EPC C1G2 裡的所有協議。
[0031] 存儲器用來保存標記信息，溫度和用戶信息。
[0032] 所述的電源管理模塊包括整流器電路，低壓差線性穩壓器組，PMU帶隙基準電路及 上電復位電路。整流器將天線接收到的射頻信號整流成為直流電壓信號提供給帶隙基準電 路，低壓差穩壓器組及上電復位電路。同時電源管理模塊中的帶隙基準電路的輸出電壓作 為低壓差線性穩壓電路的參考電壓，同時該帶隙基準電路的輸出電流作為時鐘產生模塊的 參考電流。電源管理模塊中的低壓差線性穩壓電路的輸出電壓作為其他模塊的供電電壓。
[0033] 電源管理模塊的作用是為其它的子模塊提供最優的電源電壓，以優化它們的性能 和功耗。EPC C1G2協議採用幅度調製的方式傳送信號，整流器在PW( = Tari/2)整個時間 段保持閒置狀態，因為數據調製造成RF輸入信號很大的衰減，整流器的輸入端獲得的能量 無法維持整流器的正常工作。因此在整流器的輸出端需要使用儲能電容C s來儲存能量，以 保證晶片在幅度衰減狀態下仍能正常工作。
[0034] 一個存儲電容Cs通常用來為負載電流IL和倒流回天線的反向逆電流Ileak。紋 波電壓由Vrc= (IL+Ileak)*PW/Cs產生。由於不同的負載模塊通常有不同的電壓紋波要 求，因此與按照最嚴格的紋波電壓要求來確定所有模塊的儲能電容大小的方案相比，分割 儲能電容技術（split-storage-capacitor technique)能夠將電容進行分割，按照不同模 塊的要求分別確定存儲電容大小，從而減小了晶片的面積。
[0035] 對於整流器的選擇要傳統的標籤晶片設計流程將天線與整流器作為兩個互相獨 立的模塊分別優化。然而在我們的研究過程中卻發現只有將天線阻抗和整流器的電路參 數（如整流器級數，電晶體尺寸和電容值等）做整體優化，才能得到最優的射頻能量轉化效 率。據此，通過對整流器和天線接口的整體優化設計，提高射頻能量的轉換效率。
[0036] 通過設計實驗顯示，採用一個整流器電路並設計為十二級，共選用三個儲能電容 存儲能量，是最優的設計方案。如圖2所示。
[0037] 其中帶隙基準電路的無放大器設計和控制本專利晶片中溫度傳感器與數字基帶 電路的交替工作也實現了降低功耗的作用。降低本發明無源RFID標籤晶片的功耗使得標 籤獲得更高的讀寫靈敏度和較遠的讀寫距離。
[0038] 為了降低本嵌入溫度傳感器的無源超高頻超低功耗的RFID標籤晶片的感知溫度 數據的誤差值並提高溫度感知的靈敏度，本專利對溫度傳感器標籤模塊做了以下發明。 [0039] 所述溫度傳感器模塊包括連接在模數轉換電路上的時域比較電路，所述時域比較 電路上連接有帶隙基準電路，所述帶隙基準電路包括自啟動電路，帶隙基準核心電路及電 流輸出電路，所述溫度傳感器模塊供電電壓由電源管理模塊提供，帶隙基準電路供電電壓 的上電和斷開由數字基帶模塊通過開關S1進行控制。溫度傳感器模塊的帶隙基準電路及 外部接口電路圖如圖3和4所示。
[0040] 具體實現方法如下：
[0041] 在溫度傳感器模塊中添加一個單獨為溫度傳感工作的帶隙基準電路，同時對溫度 傳感器的供電電壓VDD_SEN進行低噪聲和提高抗幹擾的設計，以獲得更穩定的供電電壓。
[0042] 溫度傳感器模塊中的帶隙基準電路圖如附圖3所示。帶隙基準電路的主要功能 是利用雙極性二極體的溫度特性為電路提供一個隨溫度正比變化的電流（正溫度係數電 流），一個隨溫度反比變化的電流（負溫度係數電流）及集成一個與溫度無關零溫度係數電 流。這就是本專利中嵌入溫度傳感器感知溫度的原理。
[0043] 在電源管理模塊中有一個帶隙基準電路，該帶隙基基準電路也產生與溫度變化的 電流值，主要為時鐘產生電路產生參考電流及電壓值。該隨溫度變化的電流值也可以作為 溫度傳感器模塊感知溫度變化的前端電路，但是溫度傳感器模塊要求一個更穩定和精確的 電流值，因此在溫度傳感器模塊加入一個專門產生溫度變化的電流，該電流值只為溫度傳 感器模塊工作，不僅提供溫度感知的電流值正溫度係數電流Ι ρτ與負溫度係數電流ICT，同時 集成為不隨溫度變化的零溫度係數電流值IKEF，通過電阻轉換為電壓值作為溫度傳感器中 其他電路的參考電壓或偏置電流。添加這個帶隙基準電路避免了與其他電路的幹擾，提高 感知電流的電源抑制比PSRR(Power-Supply-Rejection-Ratio)，可以提高感知電流的準確 性。
[0044] 如圖3所示的溫度傳感器模塊中的帶隙基準電路。該電路包括自啟動電路，帶隙 基準核心電路及電流輸出電路。該電路不包含運算放大電路，因此具有消耗功耗小的特點。
[0045] 如圖所示札?凡構成自啟動電路，其中M2到凡為二極體接法作為電阻在電路中 使用，在由控制信號控制的供電電壓開關閉合後以自啟動的方式控制帶隙基準核心電路正 常工作。如圖3所示，初始狀態電路不工作，1點電壓為0,即M 2的柵電壓為0,出現簡併，在 沒有外界刺激的情況下將永遠不工作。M2為PM0S管，因此M 2導通，M2漏極電壓升高，引起 Mi柵電壓升高導通，從而控制節點2達到工作正常工作狀態。隨著帶隙基準電路進入正常 工作狀態，節點1電壓的升高，即M2柵電壓的升高，M 2關斷，此時自啟動電路停止工作，帶隙 基準電路脫離啟動部分。自啟動電路在帶隙基準電路正常工作後關斷停止工作也是該帶隙 基準電路功率消耗小的優點。
[0046] 帶隙基準核心電路用以產生隨溫度變化的電流，這也是該電流作為該溫度傳感器 前端部分。溫度傳感器採用NPN雙極型電晶體的溫度特性完成溫度測量。如上圖所示Q1， Q2為NPN三極體，Q1與Q2的NPN個數比例為8:1。NPN三極體在一定的集電極偏置電流 Ibias下，基極與發射極的內建電壓與溫度關係為：
[0047]

【權利要求】
1. 嵌入溫度傳感器的無源超高頻超低功耗RFID標籤晶片，包括電源管理模塊，調製解 調模塊，時鐘產生模塊，數字基帶模塊，溫度傳感器模塊及存儲器，其特徵在於：所述溫度傳 感器模塊包括帶隙基準電路，時域比較電路和數模轉換電路；帶隙基準電路連接於時域比 較電路，時域比較電路連接於數模轉換電路，帶隙基準電路用於感知溫度，所述帶隙基準電 路包括自啟動電路，帶隙基準核心電路及電流輸出電路，所述溫度傳感器模塊供電電壓由 電源管理模塊提供，帶隙基準電路供電電壓的上電和斷開由數字基帶模塊通過開關S1進 行控制。
2. 如權利要求1所述的嵌入溫度傳感器的無源超高頻超低功耗RFID標籤晶片，其特徵 在於：所述自啟動電路由2個PMOS管M1、M2及4個NMOS管M3-M6組成，其中M2的漏端與 M3的漏端相連，M2的柵極連接到節點1，M3?M6依次以二極體接法作為電阻串聯，Ml的柵 極連接於M2和M3之間；Ml的漏極連接於供電電壓，Ml的源極連接於帶隙基準核心電路中 的節點2。
3. 如權利要求1所述的嵌入溫度傳感器的無源超高頻超低功耗RFID標籤晶片，其特徵 在於：所述帶隙基準核心電路由NPN型三極體Q1和Q2,電阻R PT和RCT，PMOS管MA1?MA5及 NMOS管MA6組成；Q1與Q2的基極相連，Q2的集電極連接到地，BJT三極體基極-集電極電 壓V BE具有負溫度係數，因此通過電阻RCT產生負溫度係數電流Ict ;以與Q2的NPN個數比例 為8 :1，因為Q1與Q2工作在不等的電流密度下，因此二者的基極-發射極電壓差Λ VBE與 絕對溫度成正比，電阻RPT連接於Q1集電極和地之前，產生正溫度係數電流I PT。MA1和MA2， MA3和mA4構成疊層電流鏡，將正溫度係數電流Ipt以電流鏡的方式提供給電流輸出電路，m A5 的源極連與Q1與Q2基極相連，柵極連於Q2的集電極，漏極與MA6的漏極相連，MA6以電流鏡 的方式將負溫度係數電流I CT複製導出給電流輸出電路。
4. 如權利要求1所述的嵌入溫度傳感器的無源超高頻超低功耗RFID標籤晶片，其特徵 在於：所述電流輸出電路由PMOS管馬， 18以電流鏡的方式將1^1"複製並加和產生零溫度 係數電流IREF提供給下一級，M7與M8將MA1與M A2的IPT複製導出提供給下一級，M9, M1Q與 Mn將ICT於IPT以電流鏡的方式複製並加和產生IKEF提供給下一級；M 12-M18以電流鏡方式將 ICT從帶隙基準核心電路MA6複製導出。
5. 如權利要求1所述的嵌入溫度傳感器的無源超高頻超低功耗RFID標籤晶片，所述電 源管理模塊包括整流器，以及連接整流器的低壓差線性穩壓器組和上電復位模塊，其特徵 在於：所述電源管理模塊內還設有PMU帶隙基準電路，電源管理模塊的整流器與低壓差線 性穩壓電路連接在PMU帶隙基準電路上。
6. 如權利要求5所述的嵌入溫度傳感器的無源超高頻超低功耗RFID標籤晶片，其特徵 在於：所述電源管理模塊中所用整流器為一個十二級整流器。
7. 如權利要求1所述的嵌入溫度傳感器的無源超高頻超低功耗RFID標籤晶片，其特徵 在於：所述溫度傳感器模塊的供電電壓由電源管理模塊的低壓差線性穩壓電路提供。電源 管理器模塊中的整流器輸出作為低壓差線性穩壓器組的供電電壓，電源管理模塊中的PMU 帶隙基準電路的輸出電壓作為低壓差線性穩壓器組的參考電壓，低壓差線性穩壓器組的輸 出電壓作為溫度傳感器模塊的供電電壓。
8. 如權利要求1-4其中任一所述的嵌入溫度傳感器的無源超高頻超低功耗RFID標籤 晶片，其溫度傳感器模塊利用NPN型三極體的溫度特性進行溫度感知，將電流轉換通過時 域比較電路和電容轉換為電壓，並通過計數器電路將電壓量化為數位訊號輸出，其特徵在 於：所述溫度傳感器採用的量化時鐘頻率為9M?15MHz。
9.如權利要求8所述的嵌入溫度傳感器的無源超高頻超低功耗RFID標籤晶片，其特徵 在於：所述溫度傳感器採用的量化時鐘頻率為12MHz。
【文檔編號】G01K7/00GK104156757SQ201410289331
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年6月25日 優先權日:2014年6月25日
【發明者】趙犁, 粱錦和, 崔志英, 阿明·貝爾馬克, 王波, 徐旻, 劉健 申請人:浙江港科大先進位造研究所有限公司