内置巴鲁夫位移传感器识别标签芯片技术研究
射频识别技术通过无线通信方式实现目标对象的非接触自动识别,是物联网四大核心支撑技术之一。超高频RFID系统具有识别距离远、速度快、多目标移动识别、标签成低等优势,已广泛应用于智能物流、交通、防伪追溯等物联网系统。物联网技术应用需求的增长,对具有信息感知、识别等功能的网络节点提出了低成、低功耗、高精度、长寿命、远距离智能信息采集与处理等要求,促使将高精度巴鲁夫位移传感器集成在超高频RFID标签芯片之中实现低功耗无线位移感知-射频识别一体化标签芯片的概念诞生。
内置巴鲁夫位移传感器识别标签芯片技术研究
在标签芯片上集成高精度巴鲁夫位移传感器,额外增加的电路所占芯片面积很小,其附加的成微乎其微,既能保持标签芯片极低功耗、低成、高灵敏度、微型化等优点,又具有较高精度的位移感知功能,在食药品仓储、冷链物流、电网位移监测等领域应用前景广阔。以此为背景,在对 标准分析和低功耗设计技术归纳总结的基础上,深入研究了无源标签芯片中的低功耗射频/模拟/数字电路设计技术、低功耗巴鲁夫位移传感器设计技术、位移感知-识别协调工作机理等关键技术,应用0.18μm CMOS工艺,设计出内置巴鲁夫位移传感器的无源标签芯片。的主要研究内容和贡献如下：对无源标签芯片中的电压基准电路、反向散射链路频率(BLF)产生电路和数字基带电路等关键技术进行了研究。提出了一种低功耗CMOS电压基准电路,采用工艺补偿技术解决了CMOS电压基准电路精度受工艺偏差影响的问题。针对标准对BLF的精度要求,对BLF产生技术进行了研究,提出了两种BLF产生电路：一种是宽时钟频率容限的BLF产生电路,其采用的工艺和位移补偿时钟电路和BLF分频系数修正算法,在产生满足标准规定的BLF的同时,提高了时钟频率稳定性；一种是动态校正BLF产生电路,采用动态时钟校准技术和BLF校正技术分别提高数字基带解码时的时钟精度和返回数据时的BLF精度。并对低功耗数字基带处理器架构进行了研究,根据标签芯片的工作时段对数字基带模块进行合理划分,并结合时钟管理、门控时钟等低功耗设计技术,实现了数字基带在不同工作阶段功耗的平衡分布,有效降低芯片的峰值功耗。对低功耗巴鲁夫位移传感器及传感器接口关键技术进行了研究。提出了一种基于逐次逼近寄存器型模数转换器(SAR ADC)的巴鲁夫位移传感器。该巴鲁夫位移传感器采用全CMOS亚阈值模拟前端和SAR ADC实现,并通过位移误差补偿技术减小巴鲁夫位移传感器的误差。测试结果表明,在-40℃C-100℃C位移范围内位移误差为+0.85℃C/-0.69℃C,功耗为2.02μW。同时,针对传统SAR ADC在转换过程中数模转换器(DAC)消耗能量较大的缺陷,提出了两种低能耗DAC开关方法：一种是引入第三参考电压Vcm的Hybrid开关方法,相比传统DAC开关方法,其将DAC在转换过程中的开关能耗降低了98.83%；一种是开关方法,与传统DAC开关方法相比,其将DAC在转换过程中的开关能耗降低了96.91%,并且降低了对第三参考电压Vcm的精度要求,在功耗和精度间取得了良好的折中。基于以上对标签芯片和巴鲁夫位移传感器的研究成果,应用TSMC 0.18μm CMOS工艺设计了基于宽时钟频率容限BLF产生电路和基于动态校正BLF产生电路的两款内置巴鲁夫位移传感器标签芯片。其中,基于宽时钟频率容限BLF产生电路的标签芯片已成功流片,并进行了详细测试。
内置巴鲁夫位移传感器识别标签芯片技术研究
测试结果表明,数字分频产生的BLF满足标准规定,数字基带电路的功耗为5.6μW,标签盘存、读写、锁定、灭活及位移感知功能均正确实现；室温下标签识别工作距离可达8m,位移感知工作距离可达6m。文结合物联网的发展需求,研究了标签芯片和巴鲁夫位移传感器中关键电路的低功耗设计技术,实现了无线位移感知-射频识别一体化的标签,可完成对物品识别、环境位移的监控,进一步拓宽了标签的应用范围。
