被动rfid传感器标签的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及被动无线传感器，具体地，涉及被动射频识别(RFID)传感器、RFID传感器系统以及用于被动RFID传感器标签的RFID读取器。
【背景技术】
[0002]传感器是一种将测量的量转换为可读取的格式的器件，通常转换为电信号。近来，市场上已经可以购买到适用于任何测量目的的传感器。根据连接方式，传感器可被分为无线传感器和有线传感器。有线传感器通过布线线束或电缆组件连接到读取器装置。无线传感器可以在未物理连接到传感器的情况下被读取，通常通过为传感器装备无线电收发器来实现。发送的无线电信号被接收器解释，接收器将无线信号转换为期望的输出。在例如由于苛刻的操作条件(比如温度和压力)、旋转部件或者布线的成本以及复杂性而难以进行有线连接的许多应用中，无线操作可以是有益的。然而，无线传感器也具有一些缺点，例如由电池导致的有限寿命、由衰减和干扰导致的有限读出距离、由于信号的不可控的传播导致的安全问题以及潜在的通信速度低。基于电源以及通信原理，无线传感器可以被分为三类:主动传感器、半被动传感器和被动传感器。
[0003]主动无线传感器通常既具有无线电收发器又具有用于为收发器供电的内置电池。具有自身电源的主动无线传感器能够使用强效的发射器和感测接收器。然而，内置电池限制了寿命时间并且还增加了体积和重量。由于更复杂的电路，主动传感器的价格可能比被动传感器的价格高得多。
[0004]半被动无线传感器不包含无线电收发器，然而其装备有电池。电池被用于为集成电路(1C)供电并且使传感器独立于读取器装置运行或者维持传感器中的存储器。半被动电池辅助传感器应用调制后向散射技术进行通信。这意味着半被动传感器不需要从内置电池获得任何电力来进行发射，而传感器简单地将由读取器装置发射的功率中的一些反射回去。
[0005]与主动传感器和半被动传感器不同，被动传感器不需要内置电池。因此，它们可以更简单、更小、更便宜，并且它们的寿命不受电源的限制。被动无线传感器的典型的读取距离在10cm至3m之间。被动无线传感器可以被分为四个主要类别:射频识别(RFID)标签、电谐振电路传感器、表面声波(SAW)、谐波传感器和互调传感器。
[0006]RFID是使用标签与读取器之间的无线电波来通信的识别技术，并且被用于识别物体。与光学条形码识别技术相比，RFID具有一些优点，例如在读取器装置与标签之间不需要通信视线，并且RFID读取器能够同时读取数百个标签。被动RFID标签使用图1中所示的调制背向散射通信原理。当标签10与RFID读取器11通信时，其调制接收的信号12并将信号12的一部分13反射回读取器。典型的被动标签包括连接到应用专用微芯片的天线。当被RFID收发器或读取器无线询问时，RFID标签天线从RFID读取器接收功率和RF信号并将它们供应至芯片。芯片处理该信号并将请求的数据发送回RFID读取器。根据发射的数据来调制背向散射的信号。RFID的最高操作频率和读取距离受到集成电路(1C)整流功率的限制，并且分别为几GHz以及5-10m。
[0007]RFID主要用于识别。RFID标签配备有可重写的存储器，这赋予了 RFID标签可重复使用的特征，然而他们对于测量外部量是无用的。通过使RFID标签配备外部传感器以及读取外部传感器的数字逻辑器件，RFID也已经表现出可以适用于测量。这种方法的好处在于其可以使用通用的传感器元件并且因此可以很好地适用于非常广泛的应用。然而，在该方法中，需要在标签中包括额外的A/D转换器和数字电路，以使传感器能够被读出。由于额外的电子器件增加的功耗显著减小了读出范围（例如，具有8位A/D转换器的情况下，从5m减至0. 3m)。额外的传感器元件还增加了功耗。在下列文献中讨论了额外的数字电路和A/D转换器的实施注意事项：1、2009年2月出版的名为“Development and Implementation ofRFID Technology (RFID技术的发展和实施）”的图书中的第9章“Smart RFID Tags (智能RFID标签）”，ISBN 978-3-902613-54-7,出版社为奥地利维也纳的I-Tech，详见：http://www. intechopen. com/books/development_and_implementation_of_rfid_technology〇
[0008]US2013/0099897公开了一种RFID读取器、一种RFID芯片和一种电耦合到该RFID芯片并被构造为接收来自RFID读取器的信号并将信号发射至RFID读取器的天线。RFID芯片设置有连接到感测材料的电接口。RFID芯片被构造为调制从读取器接收的信号并利用调制的信号驱动感测材料。感测材料具有可变的电特性，从而背向散射的调制信号将根据感测材料的情况而改变。不管感测材料的本质如何，其与来自RFID芯片的调制信号发生作用并将信号返回至RFID芯片。返回的信号经由背向散射调制器从RFID芯片传递至天线，并随后被发送回RFID读取器。可选择地，由感测材料处理的信号被用于调制RFID芯片的输入阻抗，使得信号从RFID芯片通过天线背向散射至RFID读取器，以确定感测材料的情况。
[0009]US2011/0301903提出了在其使用期间而非在制造商处的额外校准步骤中校准发射应答器（例如，RFID标签中的传感器）的传感器，因此节约了相关成本。将被传感器监测的许多产品的初始条件对于产品的制造商来说是熟知的且被定义好的。这种初始条件的示例包括以下方面：在生产与运输之间储存产品的冷藏库中的温度；诸如牛奶和酒的液体的pH值；在受控的环境条件下包装的容器中的玻璃的组分。这些被定义好的条件可以被用作传感器校准的参照。因此，在该发明中，相对于参照来校准传感器，该参照在传感器的操作使用的每一种环境下是特有的。
[0010]Chen等人发表的论文“Coupling Passive Sensors to UHF RFID Tags (将被动传感器耦合至 UHF RFID 标签）”（Radio and Wireless Symposium(RWS)，2012IEEE，15-18Jan. 2012, Santa Clara, 255 - 258)探讨了将被动传感器数据耦合至已有的UHF RFID标签而不设计新的标签ASIC的可能性。通过在标签天线上叠加耦合回路和调制矢量背向散射器，已有的UHF RFID系统可以被用于传递额外的数据。载有传感器数据的被动传感器的阻抗影响背向散射的相位以及大小的值。为了传输被动传感器数据，被动传感器耦合模块的负载在三种负载之间切换，以提供与两个参照阻抗或被动传感器之间的连接。利用两个参照阻抗，确定了被动传感器的阻抗。
[0011]Guerin等人发表的论文“Atemperature and gas sensor integrated on a915MHzRFID UHF tag (—种集成在915MHz RFID UHF标签上的温度和气体传感器）”（WirelessInformation Technology and Systems(ICWITS), 2010IEEE International Conference, Honolulu, Aug. 282010-Sept. 32010)公开了一种应用调制背向散射原理的被动无线传感器。通过电压控制振荡器来产生调制信号，其控制电压进而输出频率被确定为按照传感器值的函数来改变。
[0012]同时待审的申请PCT/FI2013/051214公开了一种被动无线传感器设计，其使得被动无线传感器的读取距离本质性地增大。调制信号由振荡器产生，该振荡器包括感测元件作为振荡电路的一部分，从而调制频率与感测元件的感测值相关。因此，感测值被编译到调制的模拟信号的频率中，该信号可以在不需要耗能的AD转换器并且需要最少数量的外部组件的情况下产生。结果，读取距离可以被增大至若干米，达到室内级别。
[0013]由于短的读取距离，所以还不需要在读取器的范围内管理多个被动无线传感器标签。当前可用的所有被动无线传感器均为可用于专用读取器的单目的的传感器。
[0014]UHF RFID技术(例如标准的Class-lGen-2防冲突)已经解决了关于读取多个无线标签的大部分问题。然而，由于还不需要考虑远程传感器，所以全部的RFID解决方案已经略过了传感器值的转换的问题，例如，温度补偿或校准。
[0015]因此，需要提供用于管理和读取具有不同的传感器特性的多个被动无线传感器的方法、过程和设置。
【发明内容】
[0016]本发明的一方面在于改进被动RFID传感器标签的精度和读取范围。
[0017]本发明的一方面在于一种根据所附的独立权利要求所述的集成被动射频识别(RFID)发射应答器芯片。在从属权利要求中公开了本发明的优选实施例。
[0018]本发明的一方面在于一种集成被动射频识别(RFID)发射应答器芯片，包括:
[0019]整流器，通过接收到的射频(RF)信号产生用于芯片的电功率；
[0020]背向散射调制器，用于利用背向散射原理进行通信；
[0021]标签振荡器，用于产生背向散射调制频率；
[0022]参照负载，优选地为参照谐振器；
[0023]选择装置，用于选择性地连接参照负载或者至少一对内部或外部谐振器和外部感测元件，以对标签振荡器施加负载(load the tag oscillator)，每个外部感测元件感测预定的变量，其中，
[0024]当参照负载被连接以对标签振荡器施加负载时，标签振荡器能够产生为相应的RFID系统定义的任意一种额定背向散射调制频率，以及
[0025]当所述至少一对内部或外部谐振器和外部传感器元件被连接以对标签振荡器施加负载时，标签振荡器被配置为产生额定背向散射调制频率中预定的一种。
[0026]本发明的另一方面在于一种集成被动射频识别(RFID)发射应答器芯片，包括:
[0027]整流器，通过接收到的射频(RF)信号产生用于芯片的电功率；
[0028]背向散射调制器，用于利用背向散射原理进行通信；
[0029]标签振荡器，被配置为当至少一个外部感测元件或至少一对内部或外部谐振器和外部传感器元件被连接以对标签振荡器施加负载时，所述标签振荡器产生为相应的RFID系统定义的额定背向散射调制频率中预定的一种；
[0030]参照振荡器，能够产生为相应的RFID系统定义的任意一种额定背向散射调制频率；