37、RFID应答器：技术、应用与发展

RFID应答器：技术、应用与发展

1. RFID概述

射频识别（RFID）是一种通过空气接口识别实体而无需物理接触的技术。早在二战期间，RFID就被用作飞机上识别敌我身份的有源发射机。如今，它已广泛应用于从宠物登记到制造物流等众多领域。

1.1 RFID系统分类

RFID系统可根据存储身份的位数、系统的工作范围、工作频率或应答器的智能水平等特征进行分类。以下是不同类型的RFID系统：
- 1位应答器系统 ：
- 8MHz系统 ：用于电子物品监控以防止物品被盗。应答器包含一个LC谐振电路，吸收询问器产生的交变磁场，该吸收可被接收器检测到。施加强交变磁场会使应答器产生大电流，导致其损坏。
- 微波频率系统（860 - 960 MHz、2.45或5.6 GHz） ：应答器由偶极天线和小电容二极管组成。当应答器在询问器范围内时，电容二极管中的感应电流会因组件的非线性行为产生基频两倍或三倍的谐波信号，可被询问器检测到。
- 125kHz长波系统 ：典型的1位应答器包含一个带有并联电容的线圈，使LC谐振电路调谐到载波频率，从而使系统中的感应电压尽可能高，为将接收到的载波频率分频为次谐波信号的微芯片供电，该次谐波信号用于控制连接到接收线圈的负载元件，应答器以不同方式吸收接收到的能量，可被询问器检测到。
- 多位应答器系统 ：大多数应用需要识别大量对象，因此需要具有多位识别码的应答器。典型的应答器在只读存储器中存储一个保证唯一的64位代码。数据传输可根据通信协议和工作频率采用不同的配置。例如，表面声波器件在微波频率下工作，作为入射电磁波的反射器，压电基板上的多个反射条会产生一个独特的脉冲序列，可被询问器检测到。
- 带存储功能的应答器系统 ：一些应用不仅需要识别对象，还需要在应答器中存储额外数据。这些数据可存储在可编程非易失性存储器（如EEPROM或FLASH存储器）中，或者如果应答器持续供电，则存储在RAM存储器中。询问器可以访问应答器上的存储器，根据应用需求读取、更改和写入数据。为了控制对这些数据的访问，一些应答器包含加密功能，以防止未经授权的访问和数据篡改。

1.2 无线供电技术

无源应答器仅通过空气接口供电，有两种无线供电技术：
- 电感耦合 ：用于应答器位于询问器近场（载波信号波长除以2π的半径范围内）的RFID系统。接收功率取决于应答器与询问器的距离，松散耦合变压器的耦合系数与该距离的三次方成反比。通常，此类系统的载波频率为13.56 MHz，商用系统的读取距离在1.3 m范围内。
- 反向散射 ：利用询问器远场的电磁场能量，自动允许应答器和询问器之间有更长的距离。可用能量因自由空间路径损耗而与距离成反比。这种RFID系统的读取距离受载波频率和询问器辐射的最大功率限制，根据国际法规，较高频率下的路径损耗会增加。例如，当应答器需要10 mW功率正常工作，询问器辐射功率为1 W时，868 MHz的RFID系统中询问器和应答器之间的最大距离为9 m，而2.45 GHz系统的最大读取距离为3 m。

2. RFID应用

2.1 仓库管理系统中的产品跟踪

RFID系统在仓库管理系统中用于产品跟踪，可实现基于网络的货物监控。制造商和配送中心可以更高效地处理货物运输并降低存储成本。然而，RFID应答器面临的挑战在于附着物品的材料成分。大多数包装材料（如布料、纸张和塑料）对电磁波较为透明，但聚碳酸酯和金属等材料会吸收或反射入射辐射，导致应答器性能不佳。如果运输物品的内容物是水性的，跟踪性能也会降低。不同环境下适用的工作频率不同：在金属环境中，约125 kHz的频率更受青睐；而在“水性”环境中，13.56 MHz和860 - 960 MHz的频率可以使用。为了使应答器成本低廉且体积小，通常使用较高频率（860 - 960 MHz或2.45 GHz）的应答器，它们还能以更高的比特率通信，减少询问器和应答器之间的交互时间。

2.2 传感应答器应用

RFID应答器与传感器的结合开创了全新的应用领域。这种传感应答器可用于在运输或存储过程中监控货物，例如记录易腐食品的温度或湿度等环境参数。为了实现传感器的连续监控，需要在应答器中集成超薄电池。

2.3 防伪和产品认证应用

在制药等应用中，保证产品或物品的真实性至关重要。应答器中需要实现加密算法以确保真实性。其他需要认证的应用包括文件标记或使用电子封条。这类应用需要超薄的RFID应答器，读取距离可以在毫米范围内。

3. 超薄RFID应答器

3.1 德州仪器超薄应答器模块

2008年5月，德州仪器宣布推出超薄应答器模块，包含行业最薄的非接触式支付芯片。该模块的背景是生产符合ISO标准的智能卡，由于智能卡厚度要求在680 - 840 µm之间，卡制造商在组装过程中面临良率问题，特别是生产具有更多彩色图案的卡片时，需要更厚的卡基板。这款包含150 µm厚芯片的超薄应答器模块总厚度为280 µm，使卡制造商能够使用更厚的卡基板，从而提高生产良率。该应答器提供支付交易所需的所有安全功能，并实现询问器和应答器之间的快速交易，这是终端用户接受非接触式支付的关键特征。

3.2 半导体能源实验室与TDK合作的超薄柔性应答器

半导体能源实验室有限公司与TDK公司合作开发了厚度仅为30 µm的超薄柔性RFID应答器。这种柔性基板可制成薄插入物，轻松集成到厚度为100 µm的高品质纸张中。该RFID集成电路由71,000个晶体管组成，工作频率为13.56 MHz，采用高性能薄膜晶体管技术制造，应用于塑料薄膜基板上，晶体管尺寸约为1 µm。该应答器实现了ISO/IEC 15693标准的部分内容，包含一个可以执行基本加密的CPU。

3.3 日立m - Chip

2003年9月，日立公司宣布开发了其RFID应答器芯片的新版本m - Chip。该产品的革命性之处在于嵌入式片上天线与仅400×400 µm的超小芯片尺寸相结合。其前身芯片尺寸为75×75 µm，厚度仅为7.5 µm，采用SOI工艺实现。片上天线和小芯片尺寸允许在需要非常近距离的应用中使用，如集成到钞票中。芯片的128位识别号是只读的，在制造过程中使用电子束技术单独分配。片上集成天线消除了昂贵的组装技术需求，但代价是读取距离缩短且仅提供基本功能。

3.4 Maxell Coil - on - Chip RFID应答器

Maxell Coil - on - Chip RFID应答器也集成了片上天线。芯片尺寸为2.5×2.5 mm，工作频率为13.56 MHz，适用于非常近距离的应用，询问器和应答器之间的距离应小于3 mm。该芯片可存储多达2千字节的用户数据。天线通过Maxell专有的电精密成型技术安装在RFID芯片顶部，该技术使用光刻和电镀技术。Abe等人提出了一种用于片上天线集成的晶圆级封装方法，与Maxell RFID芯片不同，该应答器在2 GHz以上的频率下工作，采用反向散射传输而非电感耦合，将RFID应答器的通信范围提高了100倍。

3.5 有机电子应答器

2009年2月，Holst中心宣布在有机电子领域取得突破，推出了具有高数据速率和基本防碰撞协议的128位RFID应答器。这些功能通过1286个沟道长度为5 µm的有机p型晶体管实现。该设计工作在13.56 MHz的载波频率下，占用面积为10.6×9.5 mm，应答器厚度为25 µm。其2 kbps的高数据速率超过了其他类似有机RFID应答器的传输速度，但仍未达到符合EPC规范所需的超过26 kbps的数据速率。

3.6 不同超薄应答器对比

应答器	厚度	工作频率	特点
德州仪器超薄应答器模块	280 µm	-	适用于智能卡，提高生产良率，提供支付安全功能和快速交易
半导体能源实验室与TDK合作的超薄柔性应答器	30 µm	13.56 MHz	柔性可集成到纸张，实现部分ISO标准，可基本加密
日立m - Chip	超小尺寸（400×400 µm）	-	片上天线，适用于近距离应用，只读128位识别号
Maxell Coil - on - Chip RFID应答器	2.5×2.5 mm	13.56 MHz	片上天线，可存储2千字节数据，近距离应用
有机电子应答器	25 µm	13.56 MHz	高数据速率，实现基本防碰撞协议

4. 带片上天线的RFID应答器

为了克服RFID芯片与外部天线连接时的组装成本，片上天线的实现变得越来越重要。制造外部天线并将其组装到RFID芯片的总成本高于RFID芯片本身的成本，因此实现片上天线可节省约50%的硬件成本。此外，片上天线的集成还将积极影响应答器的鲁棒性，因为超薄应答器弯曲时，天线和芯片之间的连接会承受机械应力，可能最终导致应答器损坏。

4.1 Shamali等人提出的全集成应答器

该应答器采用0.18 µm CMOS工艺设计，片上天线由金属层2 - 6中的5个线圈构成，每个线圈包含两个环形匝数。需要大量匝数以在应答器和询问器之间的紧密耦合系统中感应出尽可能大的电压。感应电压是载波频率、应答器和询问器线圈匝数、两个线圈半径以及线圈之间距离的函数。线圈面积为550×550 µm，载波频率为900 MHz，感应电压约为0.3 V。通过电荷泵作为能量收集技术，可实现1 V的电源和5 mA的负载电流。该应答器不包含识别号，仅生成一个208 kHz的信号，通过负载调制调制载波频率的幅度，实现1位应答器功能，系统的工作范围约为3 mm。

4.2 Chen等人的应答器

该应答器的片上天线尺寸为1×0.5 mm，工作频率为2.45 GHz。采用0.18 µm CMOS技术设计，包含一个可无线读写的128位非易失性存储器。设计挑战在于产生足够的功率并将能量存储在芯片上以写入存储器，这需要具有高品质因数的天线。由于衬底中的涡流损耗以及线圈绕组和衬底之间的寄生电容，片上天线的损耗会很高，因此片上天线在CMOS芯片顶部的后处理中实现。使用15 µm的未掺杂硅玻璃作为芯片顶层金属和铜天线线圈之间的绝缘层，互连采用铜过孔。后处理的生产成本据称比外部天线组装低80%。

4.3 席景田等人的应答器

该应答器工作在900 MHz载波频率下，与EPC Class 1 Generation 2兼容，包含一个640位EEPROM存储器。芯片采用0.18 µm CMOS技术设计，天线在正常CMOS工艺过程中处理，无需后处理。

4.4 带片上天线应答器的发展流程

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    A[提出需求] --> B[选择工艺]
    B --> C[设计天线与电路]
    C --> D[优化性能]
    D --> E[生产制造]
    E --> F[测试应用]

综上所述，RFID应答器技术在不断发展，从不同类型的系统到各种应用，再到超薄应答器和片上天线的研究，都展示了该技术的多样性和潜力。未来，随着技术的进一步发展，RFID应答器有望在更多领域得到应用，并不断提高性能和降低成本。

5. RFID应答器的发展趋势与挑战

5.1 发展趋势

• 小型化与超薄化 ：随着应用场景对空间的要求越来越高，如集成到纸张、塑料薄膜等薄材料中，超薄应答器将成为未来的重要发展方向。例如，目前已经出现了厚度仅为30 µm甚至更薄的应答器，未来有望进一步降低厚度。
• 高性能与多功能 ：为了满足更多复杂应用的需求，应答器需要具备更高的性能和更多的功能。例如，提高数据传输速率、增加存储容量、实现更复杂的加密算法等。像有机电子应答器虽然已经实现了一定的数据速率和防碰撞协议，但仍有提升空间。
• 集成化 ：片上天线的集成将越来越普遍，以降低组装成本和提高应答器的鲁棒性。除了现有的一些研究成果，未来可能会有更多的技术创新来实现更高效的片上天线集成。
• 与其他技术融合 ：RFID应答器与传感器、物联网等技术的融合将创造出更多的应用场景。例如，传感应答器可以实时监测货物的环境参数，为物流和仓储管理提供更精准的数据。

5.2 面临挑战

• 材料兼容性 ：不同的应用场景中，应答器需要附着在各种不同材料的物品上。如金属、聚碳酸酯和水性物品等会影响应答器的性能，需要进一步研究如何提高应答器在不同材料环境下的稳定性。
• 功率与能量管理 ：无源应答器的功率供应是一个关键问题。无线供电技术虽然已经有了电感耦合和反向散射两种方式，但在提高供电效率、延长工作距离等方面仍面临挑战。例如，在反向散射技术中，高频率下的路径损耗会限制读取距离。
• 成本控制 ：尽管片上天线的集成可以降低硬件成本，但整个RFID系统的成本仍然需要进一步降低，以促进更广泛的应用。这包括芯片制造、天线设计、封装等各个环节的成本优化。
• 标准与规范 ：随着RFID技术的广泛应用，需要统一的标准和规范来确保不同系统之间的兼容性和互操作性。目前虽然已经有一些相关标准，但还需要不断完善和更新。

5.3 应对策略

• 材料研究 ：开展对不同材料与RFID应答器相互作用的研究，开发出具有更好兼容性的应答器设计和材料处理方法。例如，针对金属环境，可以设计特殊的天线结构来减少金属对信号的影响。
• 功率优化 ：研究更高效的无线供电技术和能量管理策略。例如，改进电感耦合的线圈设计，提高能量传输效率；或者开发新的能量收集技术，如利用环境中的光能、热能等为应答器供电。
• 成本优化 ：通过技术创新和规模化生产来降低成本。例如，采用更先进的芯片制造工艺、优化天线设计以减少材料使用量等。
• 标准制定 ：积极参与和推动RFID标准的制定和完善，加强行业内的合作与交流，确保不同企业的产品能够相互兼容。

6. 不同类型RFID应答器的应用场景匹配

6.1 不同场景下的应答器选择

应用场景	适用应答器类型	原因
仓库管理（普通货物）	高频（860 - 960 MHz或2.45 GHz）应答器	成本低、体积小，能以高比特率通信，减少交互时间
仓库管理（金属货物）	125 kHz应答器	金属环境下性能较好
仓库管理（水性货物）	13.56 MHz或860 - 960 MHz应答器	在“水性”环境中适用
物流运输（货物监控）	传感应答器	可实时监测货物的环境参数
支付交易	德州仪器超薄应答器模块等具备安全功能的应答器	提供支付所需的安全功能和快速交易
防伪认证（文件、药品）	具有加密功能的超薄应答器	保证产品真实性，可集成到薄材料中
近距离应用（钞票）	日立m - Chip等小尺寸带片上天线应答器	尺寸小，适合近距离识别

6.2 选择流程

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    A[确定应用场景] --> B[考虑环境因素]
    B --> C{是否需要存储功能}
    C -- 是 --> D{是否需要加密功能}
    C -- 否 --> E{对尺寸有何要求}
    D -- 是 --> F[选择带加密功能的应答器]
    D -- 否 --> E
    E -- 小尺寸 --> G[选择小尺寸应答器]
    E -- 普通尺寸 --> H[根据频率选择合适应答器]

7. 总结

RFID应答器技术作为一种重要的自动识别技术，已经在众多领域得到了广泛应用。从其基本的工作原理和系统分类，到不同的应用场景和具体的应答器产品，以及未来的发展趋势和面临的挑战，都展示了该技术的丰富内涵和巨大潜力。

在应用方面，仓库管理、物流运输、支付交易、防伪认证等领域都离不开RFID应答器的支持。不同的应用场景对应答器的性能、功能和尺寸等方面有不同的要求，因此需要根据具体情况选择合适的应答器。

在技术发展方面，小型化、高性能、集成化和与其他技术的融合是未来的主要趋势。同时，也需要解决材料兼容性、功率管理、成本控制和标准规范等方面的挑战。通过不断的研究和创新，相信RFID应答器技术将在未来发挥更大的作用，为各个行业带来更多的便利和价值。无论是企业还是个人，都可以关注RFID应答器技术的发展动态，以便在合适的时机应用该技术来提升效率和竞争力。