嵌入温度传感器的无源超高频超低功耗rfid标签芯片的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种嵌入温度传感器的无源超高频超低功耗RFID标签芯片。其包括电源管理模块，调制解调模块，时钟产生模块，数字基带模块，温度传感器模块及存储器。通过对嵌入温度传感器的无源超高频RFID标签芯片的低功耗处理可以提高嵌入温度传感器的RFID标签芯片的灵敏度及读写距离，同时将所嵌入的温度传感器进行高精准度和低误差的处理可以得到更稳定和准确的温度测量值，提供更可靠的温度数据。
【专利说明】嵌入温度传感器的无源超高频超低功耗RFID标签芯片
【技术领域】
[0001] 本发明涉及RFID技术，具体的说，是涉及一种嵌入温度传感器的无源超高频超低 功耗RFID标签芯片。
【背景技术】
[0002] 射频识别技术（RFID)是利用射频信号实现的一种非接触式自动识别技术，它利 用射频方式进行非接触式双向通信，从而达到对目标对象的自动识别和相关数据采集。EPC C1G2协议采用的超高频（UHF)标签是指工作频率在860MHz到960MHz的RFID标签，具有可 读写距离长、阅读速度快、作用范围广等优点。
[0003] 随着物联网技术的迅速发展，将物品标识技术和传感技术相集成的应用正变得越 来越重要。因此，具有环境感知功能的RFID标签代表了物联网技术发展的趋势。在未来物 联网技术的应用环境下，大多数系统动辄需要以百万计的感知识别节点，感知识别节点的 高成本、高能耗和大体积成为物联网快速发展的瓶颈。因此，对智能标签低成本、低能耗，小 体积的需求呼之欲出。
[0004] 同时含有温度传感器的RFID标签拥有巨大的潜在市场，尤其是监视易腐烂实物， 医疗保健产品后勤及供应链管理。然而，现有的嵌入温度传感器的RFID标签温度感知的分 辨率和误差值不符合人体测试及其他对温度测试精准度较高领域的标准及需求。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于在实现无源超高频RFID标签功能的基础上，将温度传感器嵌 入式的集成到RFID标签上，通过对嵌入温度传感器的无源超高频RFID标签芯片的低功耗 处理以提高温度RFID标签芯片的读写距离，同时将所嵌入的温度传感器进行高精准度和 低误差的处理以得到更稳定和准确的温度测量值，提供更可靠的温度数据。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：嵌入温度传感器的 无源超高频超低功耗RFID标签芯片，包括电源管理模块，调制解调模块，时钟产生模块，数 字基带模块，温度传感器模块及存储器，其特征在于：所述温度传感器模块包括带隙基准电 路，时域比较电路和数模转换电路；带隙基准电路连接于时域比较电路，时域比较电路连接 于数模转换电路，带隙基准电路用于感知温度，所述带隙基准电路包括自启动电路，带隙基 准核心电路及电流输出电路，所述温度传感器模块供电电压由电源管理模块提供，带隙基 准电路供电电压的上电和断开由数字基带模块通过开关S1进行控制。
[0007] 优选的，带隙基准电路所述自启动电路由2个PM0S管％、M2及4个NM0S管M 3-M6 组成，其中m2的漏端与m3的漏端相连，m2的栅极连接到节点1，m 3?m6依次以二极管接法 作为电阻串联，Mi的栅极连接于M2和M 3之间戽的漏极连接于供电电压，Mi的源极连接于 带隙基准核心电路中的节点2。
[0008] 优选的，所述带隙基准核心电路由NPN型三极管Q1和Q2,电阻RPT和R CT，及PM0S 管MA1?MA5及NM0S管MA6组成。Q1与Q2的基极相连，Q2的集电极连接到地，BJT三极管基 极-集电极电压VBE具有负温度系数，因此通过电阻RCT产生负温度系数电流ICT。Q1与Q2 的NPN个数比例为8 :1，因为Q1与Q2工作在不等的电流密度下，因此二者的基极-发射极 电压差Λ VBE与绝对温度成正比，电阻RPT连接于Q1集电极和地之前，产生正温度系数电流 IPT。MA1和MA2, MA3和MA4构成重叠式电流镜，将正温度系数电流IPT以电流镜的方式提供给 电流输出电路，Μ Α5的源极连与Q1与Q2基极相连，栅极连于Q2的集电极，漏极与ΜΑ6的漏极 相连，Μ Α6以电流镜的方式将负温度系数电流ICT复制导出给电流输出电路。
[0009] 优选的，带隙基准所述电流输出电路由PM0S管M7-M16和NM0S管M 17-M18构成。M7 与m8将ma1与mA2的ipt复制导出提供给下一级，m 12-m18以电流镜方式将ICT从带隙基准核心 电路MA6复制提供给下一级，M 9-Mn以电流镜的方式将1^1"复制并加和产生零温度系数电 流IKEF提供给下一级。
[0010] 优选的，电源管理模块包括整流器，以及连接整流器的低压差线性稳压器组和上 电复位模块。所述的电源管理模块内还设有PMU带隙基准电路，电源管理模块的整流器与 低压差线性稳压电路连接在PMU带隙基准电路上。
[0011] 优选的，电源管理模块中所用整流器为一个十二级整流器。和现有技术中采用成 对的整流器不同，本发明仅仅通过一个整流器就达到了相应的效果。
[0012] 优选的，温度传感器模块的供电电压由电源管理模块的低压差线性稳压电路提 供。电源管理器模块中的整流器输出作为低压差线性稳压器组的供电电压，电源管理模块 中的PMU带隙基准电路的输出电压作为低压差线性稳压器组的参考电压，低压差线性稳压 器组的输出电压作为温度传感器模块的供电电压。
[0013] 优选的，其温度传感器模块利用NPN型三极管的温度特性进行温度感知，将电流 转换通过时域比较电路和电容转换为电压，并通过计数器电路将电压量化为数字信号输 出，所述温度传感器采用的量化时钟频率为9M?15MHz。增加温度传感器的时钟频率，以获 得更高的分辨率，提高温度感知准确度。
[0014] 优选的，所述温度传感器采用的量化时钟频率为12MHz。
[0015] 与现有技术相比，本发明的优点是：
[0016] 本嵌入温度传感器的RFID标签芯片不仅实现了 RFID的非接触自动识别的基本功 能，还嵌入集成了传感器模块到RFID标签上实现RFID智能读取温度的功能。传统的标签 芯片设计流程将天线与整流器作为两个互相独立的模块分别优化。然而在我们的研究过程 中却发现只有将天线阻抗和整流器的电路参数（如整流器级数，晶体管尺寸和电容值等） 做整体优化，才能得到最优的射频能量转化效率。据此，通过对整流器和天线接口的整体优 化设计，提高射频能量的转换效率。同时对整个标签芯片各个模块进行低功耗设计，并优化 工作方式控制温度传感器模块与数字基带模块的交替性工作来降低功耗，即温度传感器工 作时，数字基带模块不工作，其余时间温度传感器不工作。这样保证了标签芯片不会因为嵌 入温度传感器模块需要消耗一部分的功耗而降低灵敏度及读写距离。
[0017] 所采用的温度传感器具有高分辨率和低误差的特性。分辨率为0. 016°c，误差低于 0. 3°C。具体实现方式为在温度传感器模块中添加一个单独为温度传感工作的带隙基准电 路作为温度感知的前端电路，避免了与其他的电路模块对电源管理模块中带隙基准电路输 出电压电流值的复用，造成数据感知的不准确。同时为了进一步确保温度感知的准确性，对 温度传感器模块的供电电压进行了降低噪声提高电源抑制比的设计。增加温度传感器的时 钟频率，以获得更高的分辨率，提高温度感知的准确性。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 下面结合附图对本发明作进一步说明：
[0019] 图1为本发明嵌入温度传感器的无源超高频超低功耗RFID标签芯片的内部结构 图。
[0020] 图2为本发明嵌入温度传感器的无源超高频超低功耗RFID标签芯片中整流器连 接图。
[0021] 图3为发明嵌入温度传感器的无源超高频超低功耗RFID标签芯片中温度传感器 模块中添加的带隙基准电路示意图。
[0022] 图4为本发明嵌入温度传感器的无源超高频超低功耗RFID标签芯片温度传感器 模块外部接口电路图。
[0023] 图5为本发明嵌入温度传感器的无源超高频超低功耗RFID标签芯片温度传感器 模块供电电压VDD_SEN产生电路。
[0024] 图6为发明嵌入温度传感器的无源超高频超低功耗RFID标签芯片温度传感器时 域比较电路及模数转化量化电路。
【具体实施方式】
[0025] 如图1-图6所示，为本发明嵌入温度传感器的无源超高频超低功耗RFID标签芯 片的相关示意图，该标签芯片基于EPC C1G2协议。如图1所示，该标签芯片包括以下组成 部分：调制解调模块，电源管理模块，时钟产生模块，数字基带模块，温度传感器模块及存储 器。
[0026] 其中调制解调模块用以调制解调射频信号，并利用反向散射将数据上传到读写 器。
[0027] 电源管理模块整流输入的射频（RF)信号，以产生多个直流电源电压供给其他模 块。此外，电源管理模块还为模拟模块提供基准电流，并且为数字电路提供上电复位信号。
[0028] 时钟产生模块为传感器和数字模块提供基准时钟信号，该时钟信号被用来对环境 温度测量得到的时域脉冲进行采样数字。
[0029] 温度传感器模块利用NPN双极型晶体管的温度特性完成温度感知，利用带隙基准 电路获得与温度相关的电流，并采用基于时域转换器和模数转换电路将电流转换为数字 量。
[0030] 数字基带模块作为一个中央控制器来处理与其他模块的各种接口，实现EPC C1G2 里的所有协议。
[0031] 存储器用来保存标记信息，温度和用户信息。
[0032] 所述的电源管理模块包括整流器电路，低压差线性稳压器组，PMU带隙基准电路及 上电复位电路。整流器将天线接收到的射频信号整流成为直流电压信号提供给带隙基准电 路，低压差稳压器组及上电复位电路。同时电源管理模块中的带隙基准电路的输出电压作 为低压差线性稳压电路的参考电压，同时该带隙基准电路的输出电流作为时钟产生模块的 参考电流。电源管理模块中的低压差线性稳压电路的输出电压作为其他模块的供电电压。
[0033] 电源管理模块的作用是为其它的子模块提供最优的电源电压，以优化它们的性能 和功耗。EPC C1G2协议采用幅度调制的方式传送信号，整流器在PW( = Tari/2)整个时间 段保持闲置状态，因为数据调制造成RF输入信号很大的衰减，整流器的输入端获得的能量 无法维持整流器的正常工作。因此在整流器的输出端需要使用储能电容C s来储存能量，以 保证芯片在幅度衰减状态下仍能正常工作。
[0034] 一个存储电容Cs通常用来为负载电流IL和倒流回天线的反向逆电流Ileak。纹 波电压由Vrc= (IL+Ileak)*PW/Cs产生。由于不同的负载模块通常有不同的电压纹波要 求，因此与按照最严格的纹波电压要求来确定所有模块的储能电容大小的方案相比，分割 储能电容技术（split-storage-capacitor technique)能够将电容进行分割，按照不同模 块的要求分别确定存储电容大小，从而减小了芯片的面积。
[0035] 对于整流器的选择要传统的标签芯片设计流程将天线与整流器作为两个互相独 立的模块分别优化。然而在我们的研究过程中却发现只有将天线阻抗和整流器的电路参 数（如整流器级数，晶体管尺寸和电容值等）做整体优化，才能得到最优的射频能量转化效 率。据此，通过对整流器和天线接口的整体优化设计，提高射频能量的转换效率。
[0036] 通过设计实验显示，采用一个整流器电路并设计为十二级，共选用三个储能电容 存储能量，是最优的设计方案。如图2所示。
[0037] 其中带隙基准电路的无放大器设计和控制本专利芯片中温度传感器与数字基带 电路的交替工作也实现了降低功耗的作用。降低本发明无源RFID标签芯片的功耗使得标 签获得更高的读写灵敏度和较远的读写距离。
[0038] 为了降低本嵌入温度传感器的无源超高频超低功耗的RFID标签芯片的感知温度 数据的误差值并提高温度感知的灵敏度，本专利对温度传感器标签模块做了以下发明。 [0039] 所述温度传感器模块包括连接在模数转换电路上的时域比较电路，所述时域比较 电路上连接有带隙基准电路，所述带隙基准电路包括自启动电路，带隙基准核心电路及电 流输出电路，所述温度传感器模块供电电压由电源管理模块提供，带隙基准电路供电电压 的上电和断开由数字基带模块通过开关S1进行控制。温度传感器模块的带隙基准电路及 外部接口电路图如图3和4所示。
[0040] 具体实现方法如下：
[0041] 在温度传感器模块中添加一个单独为温度传感工作的带隙基准电路，同时对温度 传感器的供电电压VDD_SEN进行低噪声和提高抗干扰的设计，以获得更稳定的供电电压。
[0042] 温度传感器模块中的带隙基准电路图如附图3所示。带隙基准电路的主要功能 是利用双极性二极管的温度特性为电路提供一个随温度正比变化的电流（正温度系数电 流），一个随温度反比变化的电流（负温度系数电流）及集成一个与温度无关零温度系数电 流。这就是本专利中嵌入温度传感器感知温度的原理。
[0043] 在电源管理模块中有一个带隙基准电路，该带隙基基准电路也产生与温度变化的 电流值，主要为时钟产生电路产生参考电流及电压值。该随温度变化的电流值也可以作为 温度传感器模块感知温度变化的前端电路，但是温度传感器模块要求一个更稳定和精确的 电流值，因此在温度传感器模块加入一个专门产生温度变化的电流，该电流值只为温度传 感器模块工作，不仅提供温度感知的电流值正温度系数电流Ι ρτ与负温度系数电流ICT，同时 集成为不随温度变化的零温度系数电流值IKEF，通过电阻转换为电压值作为温度传感器中 其他电路的参考电压或偏置电流。添加这个带隙基准电路避免了与其他电路的干扰，提高 感知电流的电源抑制比PSRR(Power-Supply-Rejection-Ratio)，可以提高感知电流的准确 性。
[0044] 如图3所示的温度传感器模块中的带隙基准电路。该电路包括自启动电路，带隙 基准核心电路及电流输出电路。该电路不包含运算放大电路，因此具有消耗功耗小的特点。
[0045] 如图所示札?凡构成自启动电路，其中M2到凡为二极管接法作为电阻在电路中 使用，在由控制信号控制的供电电压开关闭合后以自启动的方式控制带隙基准核心电路正 常工作。如图3所示，初始状态电路不工作，1点电压为0,即M 2的栅电压为0,出现简并，在 没有外界刺激的情况下将永远不工作。M2为PM0S管，因此M 2导通，M2漏极电压升高，引起 Mi栅电压升高导通，从而控制节点2达到工作正常工作状态。随着带隙基准电路进入正常 工作状态，节点1电压的升高，即M2栅电压的升高，M 2关断，此时自启动电路停止工作，带隙 基准电路脱离启动部分。自启动电路在带隙基准电路正常工作后关断停止工作也是该带隙 基准电路功率消耗小的优点。
[0046] 带隙基准核心电路用以产生随温度变化的电流，这也是该电流作为该温度传感器 前端部分。温度传感器采用NPN双极型晶体管的温度特性完成温度测量。如上图所示Q1， Q2为NPN三极管，Q1与Q2的NPN个数比例为8:1。NPN三极管在一定的集电极偏置电流 Ibias下，基极与发射极的内建电压与温度关系为：
[0047]
【权利要求】
1. 嵌入温度传感器的无源超高频超低功耗RFID标签芯片，包括电源管理模块，调制解 调模块，时钟产生模块，数字基带模块，温度传感器模块及存储器，其特征在于：所述温度传 感器模块包括带隙基准电路，时域比较电路和数模转换电路；带隙基准电路连接于时域比 较电路，时域比较电路连接于数模转换电路，带隙基准电路用于感知温度，所述带隙基准电 路包括自启动电路，带隙基准核心电路及电流输出电路，所述温度传感器模块供电电压由 电源管理模块提供，带隙基准电路供电电压的上电和断开由数字基带模块通过开关S1进 行控制。
2. 如权利要求1所述的嵌入温度传感器的无源超高频超低功耗RFID标签芯片，其特征 在于：所述自启动电路由2个PMOS管M1、M2及4个NMOS管M3-M6组成，其中M2的漏端与 M3的漏端相连，M2的栅极连接到节点1，M3?M6依次以二极管接法作为电阻串联，Ml的栅 极连接于M2和M3之间；Ml的漏极连接于供电电压，Ml的源极连接于带隙基准核心电路中 的节点2。
3. 如权利要求1所述的嵌入温度传感器的无源超高频超低功耗RFID标签芯片，其特征 在于：所述带隙基准核心电路由NPN型三极管Q1和Q2,电阻R PT和RCT，PMOS管MA1?MA5及 NMOS管MA6组成；Q1与Q2的基极相连，Q2的集电极连接到地，BJT三极管基极-集电极电 压V BE具有负温度系数，因此通过电阻RCT产生负温度系数电流Ict ;以与Q2的NPN个数比例 为8 :1，因为Q1与Q2工作在不等的电流密度下，因此二者的基极-发射极电压差Λ VBE与 绝对温度成正比，电阻RPT连接于Q1集电极和地之前，产生正温度系数电流I PT。MA1和MA2， MA3和mA4构成叠层电流镜，将正温度系数电流Ipt以电流镜的方式提供给电流输出电路，m A5 的源极连与Q1与Q2基极相连，栅极连于Q2的集电极，漏极与MA6的漏极相连，MA6以电流镜 的方式将负温度系数电流I CT复制导出给电流输出电路。
4. 如权利要求1所述的嵌入温度传感器的无源超高频超低功耗RFID标签芯片，其特征 在于：所述电流输出电路由PMOS管馬， 18以电流镜的方式将1^1"复制并加和产生零温度 系数电流IREF提供给下一级，M7与M8将MA1与M A2的IPT复制导出提供给下一级，M9, M1Q与 Mn将ICT于IPT以电流镜的方式复制并加和产生IKEF提供给下一级；M 12-M18以电流镜方式将 ICT从带隙基准核心电路MA6复制导出。
5. 如权利要求1所述的嵌入温度传感器的无源超高频超低功耗RFID标签芯片，所述电 源管理模块包括整流器，以及连接整流器的低压差线性稳压器组和上电复位模块，其特征 在于：所述电源管理模块内还设有PMU带隙基准电路，电源管理模块的整流器与低压差线 性稳压电路连接在PMU带隙基准电路上。
6. 如权利要求5所述的嵌入温度传感器的无源超高频超低功耗RFID标签芯片，其特征 在于：所述电源管理模块中所用整流器为一个十二级整流器。
7. 如权利要求1所述的嵌入温度传感器的无源超高频超低功耗RFID标签芯片，其特征 在于：所述温度传感器模块的供电电压由电源管理模块的低压差线性稳压电路提供。电源 管理器模块中的整流器输出作为低压差线性稳压器组的供电电压，电源管理模块中的PMU 带隙基准电路的输出电压作为低压差线性稳压器组的参考电压，低压差线性稳压器组的输 出电压作为温度传感器模块的供电电压。
8. 如权利要求1-4其中任一所述的嵌入温度传感器的无源超高频超低功耗RFID标签 芯片，其温度传感器模块利用NPN型三极管的温度特性进行温度感知，将电流转换通过时 域比较电路和电容转换为电压，并通过计数器电路将电压量化为数字信号输出，其特征在 于：所述温度传感器采用的量化时钟频率为9M?15MHz。
9.如权利要求8所述的嵌入温度传感器的无源超高频超低功耗RFID标签芯片，其特征 在于：所述温度传感器采用的量化时钟频率为12MHz。
【文档编号】G01K7/00GK104156757SQ201410289331
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年6月25日 优先权日:2014年6月25日
【发明者】赵犁, 粱锦和, 崔志英, 阿明·贝尔马克, 王波, 徐旻, 刘健 申请人:浙江港科大先进制造研究所有限公司