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1、由于万维网使用者的数量飞速增长，对于最终用户来说，随着可供使用的主页和网上信息的数量的爆炸性增长，最终用户间的交互性越来越差，传统意义上的交互已经无法满足用户的需求，举一个简单的例子，即使是在世界杯的决赛期间，一个普通的足球迷也很难立刻从网络上找到聊天的对象。RFID标签天线及读写器设计制造1 芯片设计及制造1.1 芯片设计技术 按照能量供给方式的不同，RFID标签可以分为被动标签，半主动标签和主动标签，其中半主动标签和主动标签中芯片的能量由电子标签所附的电池提供，主动标签可以主动发出射频信号。按照工作频率的不同，RFID标签可以分为低频(LF)、高频(HF)、超高频(UHF)和微波等不同种类
2、。不同频段的RFID工作原理不同，LF和HF频段RFID电子标签一般采用电磁耦合原理，而UHF及微波频段的RFID一般采用电磁发射原理。不同频段标签芯片的基本结构类似，一般都包含射频前端、模拟前端、数字基带和存储器单元等模块。其中，射频前端模块主要用于对射频信号进行整流和反射调制；模拟前端模块主要用于产生芯片内所需的基准电源和系统时钟，进行上电复位等；数字基带模块主要用于对数字信号进行编码解编码以及进行防碰撞协议的处理等；存储器单元模块用于信息存储。 目前，发达国家在多种频段都实现了RFID标签芯片的批量生产，模拟前端多采用了低功耗技术，无源微波RFID标签的工作距离可以超过1米，无源超高频R
3、FID标签的工作距离可以达到5米以上，功耗可以做到几个微瓦，批量成本接近十美分。 射频标签的通信标准是标签芯片设计的依据，目前国际上与RFID相关的通信标准主要有:ISO/IEC 18000标准（包括7个部分，涉及125KHz, 13.56MHz, 433MHz, 860960MHz, 2.45GHz等频段），ISO11785（低频），ISO/IEC 14443标准（13.56MHz），ISO/IEC 15693标准（13.56MHz），EPC标准（包括Class0, Class1和GEN2等三种协议,涉及HF和UHF两种频段）,DSRC标准（欧洲ETC标准，含5.8GHz）。目前电子标签芯片
4、的国际标准出现了融合的趋势，ISO/IEC 15693标准已经成为ISO180003标准的一部分，EPC GEN2标准也已经启动向ISO180006 Part C标准的转化。 中国在LF和HF频段RFID标签芯片设计方面的技术比较成熟，HF频段方面的设计技术接近国际先进水平，已经自主开发出符合ISO14443 Type A、Type B和ISO15693标准的RFID芯片，并成功地应用于交通一卡通和中国二代身份证等项目，与国际主要的差距存在于片上天线与芯片的集成上，目前国内还没有相应的产品应用。国内在UHF和微波频段的标签芯片设计方面起步较晚，目前已经掌握UHF频段RFID标签芯片的设计技术，
5、部分公司和研究机构已经研发出标签芯片的样片，但尚未实现量产。国内在UHF频段读写器RF芯片和系统芯片（SOC）的设计方面也具有一定的基础，但目前产品仍主要依赖于进口。在微波频段（2.45GHz及5.8GHz）,国内有部分应用在公路不停车收费项目中，相对于国外在这两个频段的技术水平，国内的研究还处于起步阶段，尚无相应产品。 与国际先进水平相比，中国在RFID芯片设计方面的主要差距如下： 1）国外在RFID芯片设计方面起步较早，并申请了许多技术专利，而国内起步相对较晚，尤其在UHF及微波频段的RFID芯片设计方面的基础比较薄弱，取得的自主知识产权较少；同时，一些目前广泛采用的RFID标准中包含了国
6、外的技术要求及专利，在实现这些标准过程中有可能触及一些国外已有的技术及专利； 2）在存储器方面，发达国家已经开始采用标准CMOS工艺设计非挥发存储器，使得RFID标签芯片的所有模块有可能在标准CMOS工艺下制作完成，以降低生产成本，而国内目前仍主要采用传统的OTP工艺或EEPROM工艺，关于标准CMOS工艺下的非挥发存储器的研究刚刚开始； 3）在超低功耗模拟电路研究方面，国内研究较少，而这方面的设计将直接影响到芯片的阅读距离和整体性能； 4）RFID标签对成本比较敏感，芯片设计需要在模拟电路和数模混合电路设计方面具有丰富经验的专业人才，而国内目前从事射频识别芯片设计的人才较少，技术力量相对薄弱
7、。1.2 芯片制造技术 半导体芯片制造工艺有多种类型，根据器件类型可分CMOS，Bipolar，BICMOS等，根据材料可分Si，Ge，GaAs工艺等，根据衬底类型可分体硅工艺、SOI工艺等。RFID应用特点是批量大，但成本极其敏感，尽管有厂家利用特殊工艺设计制造出相应产品，但综合多种因素及国内实际情况，基于CMOS制造工艺的工艺技术比较适合目前应用需求的RFID的加工制造。目前国外也主要采用标准CMOS工艺，且普遍采用0.35m以下工艺。2 天线设计与制造技术2.1 天线设计技术 天线是一种以电磁波形式把无线电收发机的射频信号功率接收或辐射出去的装置。天线按工作频段可分为长波、短波、超短波以
8、及微波天线等；按方向性可分为全向天线、定向天线等；按外形可分为线状天线、面状天线等。在RFID系统中，天线分为标签天线和读写器天线两种情况，当前的RFID系统主要集中在LF、HF (13.56MHz)、UHF和微波频段。天线的原理和设计在LF、HF和UHF频段有根本上的不同。实质上，由于在LF和HF频段系统近场区并没有电磁波的传播，因此天线的问题主要集中在UHF和微波频段。 （1） RFID标签天线设计 天线的目标是传输最大的能量进出标签芯片，这需要仔细的设计天线和自由空间以及其相连的标签芯片的匹配，当工作频率增加到微波区域的时候，天线与标签芯片之间的匹配问题变得更加严峻。一直以来，标签天线的
9、开发基于的是50或者75欧姆输入阻抗，而在RFID应用中，芯片的输入阻抗可能是任意值，并且很难在工作状态下准确测试，缺少准确的参数，天线的设计难以达到最佳。相应的小尺寸以及低成本等要求也对天线的设计带来挑战，天线的设计面临许多难题。 标签天线特性受所标识物体的形状及物理特性影响，标签到贴标签物体的距离，贴标签物体的介电常数，金属表面的反射，局部结构对辐射模式的影响等都将影响天线的性能。 在国内，有近百家的天线公司或工厂。这些天线厂家主要的产品是基本上传统的卫星接收天线、电视接收天线、车载天线，蜂窝基站天线等等，相对于从事RFID天线设计的单位很少，基础比较薄弱。国内LF和HF的RFID系统的天
10、线设计比较成熟。对于特定环境应用的UHF频段RFID天线的设计和应用比较成熟，比如应用于铁路运输上的电子车号自动识别系统，该系统中阅读器天线为安装在地面的微带天线，并且带有很坚固的防护外壳。标签体积较大并且封装在塑料壳中，标签天线可靠性高、加工工艺成熟但是成本高。在读写器和标签位置、方向不固定、或者周围电磁影响严重的一些系统中存在识别准确率不高，测试一致性不理想的问题。 国外已经研制出一种在RFID芯片上嵌入天线的方法，常规RFID芯片需要用一个外部天线来实现它们与外部读取器的通信，而微芯片的片载天线使它能够接收来自读写器的无线信号并将ID号回送。因此这种芯片无需任何外部器件即可自行进行工作。
11、目前国内关于片上天线的研究基本处于空白状态。国外致力于覆盖各种频率的复合天线设计，基于研究可以用来纺织复合天线、电源和数据总线的未来服装所需要的新型材料，促进电子标签在服装上的使用。国外厂商都在研制和生产低成本的电子标签天线和标签产品，用以满足产品商品标志等方面的需要。国外注重标签天线知识产权保护，许多标签天线都申请专利保护。在特殊的使用要求下，标签天线仍然需要有很高的可靠性。国内在UHF和微波频段的标签天线的形式、体积、成本方面和国外技术存在一定的差距 （2）RFID读写器天线设计 对于近距离13.56MHzRFID应用( 10cm)，比如门禁系统，天线一般和读写器集成在一起，对于远距离13
12、.56MHz( 10cm1m)或者UHF频段( 3m) 的RFID系统，天线和读写器采取分离式结构，并通过阻抗匹配的同轴电缆连接到一起。读写器由于结构、安装和使用环境等变化多样，并且读写器产品朝着小型化甚至超小型化发展，天线设计面临新的挑战。 读写器天线设计要求低剖面、小型化以及多频段覆盖。对于分离式读写器，还将涉及到天线阵的设计问题。它还涉及到小型化的问题带来的低效率、低增益问题，这同样是国内国外共同关注的研究课题。 国外已经开始研究读写器应用的智能波束扫描天线阵，读写器可以按照一定的处理顺序，“智能”的打开和关闭不同的天线，使系统能够感知不同天线覆盖区域的标签，增大系统覆盖范围。2. 2
13、天线制造技术 目前，有三种天线制造技术：蚀刻/冲压天线（etched/punched antenna）、印刷天线（printed antenna）和绕线式天线。 在国际上，目前一般都采用蚀刻/冲压天线为主，其材料一般为铝或者铜，因为其能提供最大可能的信号给标签上的芯片，并且在标签的方向性和天线的极化等特性上都能与读卡机的询问信号相匹配，同时在天线的阻抗，应用到物品上的RF的性能，以及在有其他的物品围绕贴标签物品时的RF性能等方面都有很好的表现，但是它唯一的缺点就是成本太高。 导电油墨从只用丝网印刷扩展到胶印、柔性版印刷、凹印，其技术的进步，促进了RFID标签的生产和使用。现在随着新型导电油墨的
14、不断开发，印刷天线的优势越来越突出。导电油墨是由细微导电粒子或其他特殊材料(如导电的聚合物等)组成，印刷到承印物上后，起到导线、天线和电阻的作用。这种油墨印刷在柔性或硬质承印物上可制成印刷电路，用导电油墨印制的天线可接收RFID专用的无线电信号。其优势表现在导电效果出色和成本降低。 在频率较低的标签中，通常采用线圈天线形式；频率较高的标签通常为印刷贴片天线形式。其印刷工艺是在纸板、聚脂、聚苯乙烯等材料上用金属、聚合物等导电墨水（主要成分为银和铝等金属）印刷出天线图形，印刷贴片天线技术在国外已经成功应用，但是国内由于设备价格昂贵很少引进。即便在国外，印刷技术的印刷分辨率、套准精度、必要的隔离层和
15、干净的印刷环境上还有待实质性的改善和提高。 我国具备一定的利用导电油墨(如导电银浆)进行天线的加工的能力，但是印刷分辨率、套准精度、必要的隔离层和干净的印刷环境上还有待实质性的改善和提高。2.3 标签封装技术2.3.1 封装方法 印刷天线与芯片的互连上，因RFID标签的工作频率高、芯片微小超薄，最适宜的方法是倒装芯片（Flip Chip）技术，它具有高性能、低成本、微型化、高可靠性的特点，为适应柔性基板材料，倒装的键合材料要以导电胶来实现芯片与天线焊盘的互连。 柔性基板要实现大批量低成本的生产，以及为了更有效地降低生产成本，采用新的方法进行天线与芯片的互连是目前国际国内研究的热点问题。 为了适应更小尺寸的RFID芯片，有效地降低生产成本，采用芯片与天线基板的键合封装分为两个模块分别完成是目前发展的趋势。其中一具体做法（中国专利）是：大尺寸的天线基板和连接芯片的小块基板分别制造，在小块基板上完成芯片贴装和互连后，再与大尺寸天线基板通过大焊盘的粘连完成电路导通。 与上述将封装过程分两个模块类似的方法是将芯片先转移至可等间距承载芯片的载带上，再将载带上的芯片倒装贴在天线基板。该方法中，芯片的倒装是靠载带翻卷的方式来实现的，简化
