38、RFID 技术：从芯片天线到文档安全的创新之路

RFID 技术：从芯片天线到文档安全的创新之路

1. RFID 芯片天线的关键特性与挑战

在 RFID 系统中，片上天线是至关重要的组成部分。优化后的天线设计会考虑到可建模为 RC 网络的基板损耗，并在谐振状态下工作。片上天线通过匹配网络连接到整流器，整流器采用自偏置和阈值补偿技术，从微弱的输入信号中生成合适的电源。结合数字基带的低功耗设计方法，应答器可在距离询问器 10 毫米的范围内工作。

多数研究小组和现有产品中的片上天线应答器采用电感耦合技术，而 Radiom 等人提出了一种使用反向散射技术的片上天线。他们开发了一种采用 0.13 毫米 CMOS 工艺的片上偶极子天线，带有整流器和电荷泵。该芯片能在距离询问器 60 厘米处将收集的能量存储到电容器中。若电容器两端的电压足够大，连接到电容器的电路就能启动，并将数据发送到询问器。这款片上偶极子天线呈曲折结构，尺寸为 4.4×1.5 毫米，工作频率为 1.45 GHz。

设计片上天线的最大挑战在于克服基板中的显著损耗。如果能降低基板损耗，片上天线的效率将会提高。

2. RFID 系统的广泛应用与需求

射频识别系统涵盖了广泛的应用领域，从电子产品代码到使用安全电子封条的文件认证。后一类应用需要 RFID 应答器中实现的加密算法进行大量计算。应答器的机械尺寸应尽可能小，厚度必须小于纸张厚度的 1/3，因此需要实现厚度仅为 30 毫米的应答器。

将外部天线连接到超薄 RFID 芯片并实现所需的厚度是一项巨大挑战。利用片上天线是创建超薄应答器的另一种方法，它还能提高应答器的机械稳定性，因为天线和芯片之间无需脆弱的互连。

许多在高频下运行的片上天线 RFID 应答器架构具有很大潜力。大多数架构采用电感耦合方法，这需要精心设计线圈并选择合适的工作频率。当工作频率增加时，应答器中的感应电压会升高，但寄生基板损耗会同时降低线圈的品质因数，从而降低感应电压。在使用反向散射技术时，基板损耗同样存在。因此，降低基板损耗可以增加应答器和询问器之间的读取距离，为新应用提供机会。

3. 超薄芯片推动 RFID 应用发展

尽管 2009 年经济形势不佳，但 RFID 市场在 2010 年仍有所扩张。预计未来 5 年，全球 RFID 市场将从 2010 年的 53.5 亿美元增长到 2014 年的 82.5 亿美元，复合年增长率达 14%。新应用领域的增长速度将超过传统应用，如汽车防盗器或门禁控制。

增长的驱动力来自供应链管理、公共管理（通过电子政务文件）和支付交易中的成本改进计划。RFID 技术将手动的物品或个人跟踪流程替换为自动化流程，实现标签物品与数据库应用之间的认证信息交换。小型化的增加和机械鲁棒性的显著改善是开拓新应用领域的前提。机械灵活性是关键因素，而超薄硅芯片正满足了这一需求。

在电子政务领域，电子身份证、公民卡、电子护照、电子车辆登记和电子驾驶证等应用对文档安全有很高要求。随着文档中安全层的增加，电子层的厚度将进一步减小，对于芯片嵌入纸张的应用，电子层厚度将低于 25 毫米。超薄硅组件不仅能满足这些厚度要求，还能带来一些积极影响。由于机械灵活性的提高，可以采用更高效、低成本的组装方法，从而降低 RFID 应答器的总体成本。此外，芯片厚度的减小也为文档兼容的 3D 堆叠创造了条件。

4. RFID 芯片的质量要求

目前，大多数 RFID 应用基于单芯片实现。在电子文档中添加用户界面组件（如按钮、显示器和生物传感器）会使系统变得更加复杂。随着系统功能的增强，所需的硅面积会增加。由于模拟和电源管理模块占用大量面积，切换到新工艺技术难以弥补芯片面积的增加。因此，需要采取特殊措施来提高芯片对弯曲和扭转等机械应力的抵抗力。

影响芯片机械鲁棒性的主要因素包括晶圆厚度、芯片表面均匀性以及芯片侧面和边缘的光滑度。晶圆厚度在 50 毫米及以下，结合芯片侧面处理和化学机械背面抛光（CMP），可使芯片在常见的机械应力（如弯曲、扭转和缠绕）下保持稳定。

ISO/IEC 10373 标准定义了一系列关键测试，用于验证芯片是否符合机械要求。以下是一些典型的智能卡主机应用质量要求：
|编号|缩写|测试描述|方法|条件|要求（R/扩展）|
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
|1|BEND|弯曲测试|ISO/IEC 10373 - 1/5.8|10/20 毫米偏转，1000 次；2000 次；3000 次；4000 次；5000 次；6000 次|测试：冷复位，热 ATR|
|2|TORS|扭转测试|ISO/IEC 10373 - 1/5.9|±15°，1000 次；2000 次；3000 次；4000 次；5000 次；6000 次|测试：冷复位，热复位|
|3|CERE|化学抗性测试|ISO/IEC 10373 - 1/5.4|短期污染：20 - 25°C，1 分钟；长期污染：20 - 25°C，24 小时|测试：冷复位，热复位，ATR|
|4|WRAP|缠绕测试|CQM Rel:1.9E，R = 20 毫米，10 次正面，10 次背面|/|/|

这些测试模拟了 RFID 组件在其生命周期内可能遇到的典型机械应力情况。例如，弯曲测试和扭转测试模拟了组件在日常使用中的受力情况，而缠绕测试则模拟了 RFID 卡个性化和邮寄过程中的应力。

5. 超薄硅芯片降低制造成本

芯片厚度减小的需求不仅源于主机应用的机械稳定性要求，还来自于降低组装成本的需求。目前，RFID 系统的制造仍涉及串行工艺，如天线布线和拾取放置。通过并行实施足够数量的生产线可以实现一定程度的并行化。

以电子护照天线嵌体的制造过程为例，采用热丝技术时，天线基板通过超声波束局部加热，细导线轨道由导线路由器压入软化材料中。这种技术虽然直接，但属于串行工艺。由于印刷工艺已在文档整理和个性化阶段应用，利用现有印刷设备制造天线是一种合理选择。使用导电墨水直接在柔性文档层上印刷天线，可避免购买对利润敏感的天线预产品，这是降低产品成本的第一步。在这种情况下，只需对现有印刷机进行修改，避免了对新加工设备的大量投资，这对小型制造商尤为重要。

假设德国电子身份证的年生产量为 800 万张，一台典型的拾取放置机每小时生产 10000 张，理论上 32 天即可完成生产。一台印刷机就能够完成天线嵌体印刷和其他文档印刷过程。

下一步降低组装成本的逻辑步骤是用基于现有印刷设备的工艺取代传统的互连工艺。基于印刷技术的互连具有高度并行性，只要硅组件能够抵抗预期的机械应力，就可以显著降低制造成本。

6. 超薄硅芯片在安全文档中的应用实例

6.1 多功能电子护照和身份证

电子政务文档对硅组件的质量要求极高。电子护照（ePP）通常采用多层设计，电子嵌体基于热丝天线，安装有安全控制器模块，安全芯片由封装保护以抵抗应力。虽然 ePP 大部分时间存放在安全的地方，但电子身份证（eID）是日常使用的物品，需要承受更多的机械应力。

随着安全要求的不断提高，电子层的可用高度不断减小。标准 ID1 卡的厚度约为 800 毫米，传统电子层厚度约为 400 毫米。由于印刷层中增加了光学防伪功能，电子层的可用高度降至 200 毫米以下。eID 制造商要求的目标厚度接近 100 微米，其中留给硅组件的厚度仅为 40 毫米。

综上所述，RFID 技术在不断发展，片上天线、超薄芯片等技术的进步为其在更多领域的应用提供了可能。通过解决基板损耗、机械应力和制造成本等问题，RFID 系统将在未来发挥更大的作用。

7. 安全封条与银行票据应用

在安全封条和银行票据等应用中，超薄硅组件同样有着不可或缺的地位。这些应用对芯片的厚度和机械稳定性有着极为严苛的要求。通常，文档纸张和银行票据的厚度在 80 - 100 毫米之间，留给芯片层（包括所需的凸块和互连层）的高度仅约 25 毫米。

以安全封条为例，它常常会受到各种外力的拉扯、弯曲和挤压。超薄硅组件凭借其出色的机械柔韧性，能够在这些复杂的力学环境下保持稳定工作。当安全封条被粘贴在物品表面时，可能会随着物品的移动、搬运而发生形变，此时普通芯片可能会因为无法承受这种机械应力而损坏，而超薄硅组件则能够很好地适应这种变化，确保安全封条的功能正常。

对于银行票据，其在流通和处理过程中会经历大量的摩擦、折叠和弯曲。将超薄硅组件集成到银行票据中，可以实现票据的防伪和追踪功能。例如，通过在票据中嵌入超薄 RFID 芯片，银行可以实时监控票据的流向，防止伪造和非法流通。同时，芯片的超薄特性不会影响票据的原有物理性能和外观，保证了票据的正常使用和美观。

8. 芯片在纸张中的应用前景

芯片嵌入纸张的应用是 RFID 技术的一个重要发展方向。这种应用不仅能够实现纸张的智能化，还能为许多行业带来新的变革。

在物流行业，将 RFID 芯片嵌入运单纸张中，可以实现货物的实时跟踪和管理。当货物在运输过程中，通过读取芯片中的信息，物流企业可以准确掌握货物的位置、状态和运输进度，提高物流效率和服务质量。同时，芯片的存在还可以防止运单的伪造和篡改，保障货物的安全。

在出版行业，智能书籍的概念逐渐兴起。通过在书籍纸张中嵌入芯片，可以为读者提供更加丰富的阅读体验。例如，读者可以通过扫描芯片，获取书籍的相关音频、视频资料，或者参与互动游戏和讨论。这种创新的阅读方式将吸引更多的读者，推动出版行业的数字化转型。

然而，芯片在纸张中的应用也面临着一些挑战。首先，纸张的物理特性（如柔韧性、吸水性等）与芯片的工作环境要求存在一定的差异，需要开发特殊的封装技术来保护芯片。其次，芯片的功耗问题也是一个关键因素，为了保证芯片在纸张中的长期稳定工作，需要降低芯片的功耗。

9. 混合系统的发展趋势

随着 RFID 技术的不断发展，混合系统逐渐成为研究和应用的热点。混合系统是指将不同类型的技术和组件集成在一起，以实现更强大的功能。

例如，将 RFID 技术与传感器技术相结合，可以实现对环境参数（如温度、湿度、压力等）的实时监测。在冷链物流中，通过在货物包装中嵌入带有传感器的 RFID 芯片，可以实时监测货物的温度和湿度，确保货物在运输过程中的质量安全。当温度或湿度超出设定范围时，系统会及时发出警报，提醒工作人员采取相应的措施。

另一个例子是将 RFID 技术与显示技术相结合。在电子标签中集成显示屏，可以实时显示物品的相关信息（如价格、生产日期、保质期等）。这种智能标签不仅可以提高信息的可读性和实时性，还可以减少人工更换标签的工作量。

混合系统的发展需要解决不同技术之间的兼容性和集成问题。例如，不同类型的传感器和 RFID 芯片可能采用不同的通信协议和电源管理方式，需要开发相应的接口和算法来实现它们之间的协同工作。

10. 未来展望

RFID 技术在过去几十年中取得了显著的发展，从最初的简单识别功能到如今的多功能集成和智能化应用。未来，RFID 技术有望在更多领域发挥重要作用。

在智能家居领域，RFID 技术可以实现对家居设备的智能管理。例如，通过在家具、电器中嵌入 RFID 芯片，用户可以通过手机或其他智能终端远程控制设备的开关、调节温度和亮度等。同时，芯片还可以记录设备的使用情况和状态信息，为用户提供个性化的服务和建议。

在医疗领域，RFID 技术可以用于病人的身份识别、药品管理和医疗设备追踪。通过在病人手腕带、药品包装和医疗设备上安装 RFID 标签，医院可以提高医疗服务的安全性和效率，减少医疗事故的发生。

然而，要实现这些未来应用，还需要解决一些关键问题。例如，提高 RFID 系统的安全性，防止信息泄露和恶意攻击；降低芯片的成本，提高系统的性价比；加强标准制定和规范管理，促进不同厂商之间的互操作性。

总之，RFID 技术从芯片天线的设计到文档安全应用，再到未来的各种创新应用，展现了巨大的发展潜力。随着技术的不断进步和问题的逐步解决，RFID 技术将为我们的生活和社会带来更多的便利和变革。

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以上流程图展示了 RFID 技术的主要组成部分和应用领域，从芯片天线的设计到文档安全应用，再到未来的创新应用，清晰地呈现了 RFID 技术的发展脉络。通过不断优化各个环节，RFID 技术将在更多领域发挥重要作用，为社会带来更多的价值。