一种基于氧化锌薄膜晶体管的防冲突低功耗RFID标签的制作方法

本发明涉及微电子科学在物联网（iots）领域的应用，射频识别标签作为物联网的重要节点之一，对物联网的发展有着至关重要的意义。

背景技术：

目前，物联网飞速发展，其节点数目正以一个惊人的数目剧增。据文献综述估计，到2020年物联网的节点数目将达到一万亿之多，射频识别标签作为物联网节点之一，其发展成了现今研究的一个重中之重。

射频识别标签目前一般采用传统硅基cmos工艺，经过数十年发展，其优良的表现已得到业界普遍认可，但其仍然存在如下弊端：

（1）cmos晶体管采用大量硅材料作为衬底，且掩膜版层数较多，制造成本较高，市面上可查的造价最为低廉的rfid标签芯片也需要2毛钱左右，若应用于一次性使用的场景，或大范围的新旧更替，将造成巨额的成本开销；若使用后回收，则又会增加回收成本，可能得不偿失。

（2）cmos晶体管电路是非透明的，其应用场景会受到相应限制，若应用于一些对透明度有要求的领域（如显示屏、指纹识别等）并不合适。

（3）现如今一个热门思想是用rfid标签芯片来代替传统二维码，应用于快递物流，无人超市等领域，这样就不需要安排专门的工作人员找到物品上粘贴的二维码位置进行扫描，直接让带有标签的物品经过阅读器即可识别物品信息，可以节省人力成本，提高工作效率。然而现有cmos电路无论工艺制造还是封装，都不具备良好的延展性，芯片一般都是平面结构，无法良好地附着在物体崎岖不平的表面上。

针对这一系列问题，修改电路能达到的效果已经微乎其微，需要研究一种新型的rfid标签芯片加以解决。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于氧化锌薄膜晶体管的防冲突低功耗rfid标签。

一种基于氧化锌薄膜晶体管的防冲突低功耗rfid标签，

采用氧化锌薄膜晶体管替代传统硅基cmos晶体管作为设计主体；

采用复用计数器方案，减少硬件资源消耗并同时减少交互数据位宽，缩短交互时间；

采用休眠调控，降低非工作状态下的芯片功耗；

采用硬件实现防冲突算法。

所述的氧化锌薄膜晶体管共五层结构，第一层氧化铟锡（ito）作为源漏极材料，第二层氧化锌（zno）材料作为沟道，第三、四层氧化铝（al2o3）作为绝缘层，第五层氧化铟锡（ito）作为栅极材料；衬底根据需要选择。

所述的复用计数器方案为：uid读取、串行比较、曼彻斯特编码&解码和终止位产生过程共用同一计数器模块；且在已知有效数据长度一定的情况下，采用起始位与计数器配合定位有效数据位置。

所述的休眠调控为：增加设计使能控制模块，根据有效数据是否出现调控计数器模块状态，若未检测到有效数据则产生控制信号压制计数器模块电平翻转使其处于休眠状态，降低芯片功耗。

所述的rfid标签，包括：

1）天线线圈：与模拟前端直接相连；

2）模拟前端：连接天线线圈和数字后端；

3）数字后端：连接模拟前端与uid存储阵列；

4）uid存储阵列：与数字后端直接相连并提供标签uid。

所述的模拟前端包括：

1）解调模块：连接天线线圈和数字后端，解调有效数据信号；

2）整流模块：与天线线圈相连，从调制波处获得工作电压；

3）滤波电容：接在整流模块后，滤除杂波；

4）过压保护模块：位于整流滤波后，当产生的工作电压过大时执行保护操作，泄放掉多余电流防止电路烧毁；

5）载波放大处理：与天线线圈直接相连，放大载波为满幅。

所述的数字后端包括：

1）分频模块：与模拟前端相连，产生数字电路全局工作时钟；

2）串并转换模块：与模拟前端相连，初步处理数据；

3）起始位检测模块：与串并转换模块相连，定位有效数据的开头；

4）计数器模块：与使能控制模块、曼彻斯特编码&解码模块、串行比较模块相连，是复用的；

5）使能控制模块：与起始位检测模块和计数器模块相连，调控系统工作；

6）曼彻斯特解码&编码模块：与计数器模块和串行比较模块相连，负责数据的编解码；

7）串行比较模块：与计数器模块、曼彻斯特编码&解码模块、串并转换模块、uid存储阵列相连，是防冲突逻辑的主体。

所述的衬底采用透明或者柔性材料。

本发明的有益效果如下：

1）采用全新的薄膜晶体管结构。与传统cmos电路完全不同，本发明中使用的晶体管为薄膜晶体管，以氧化锌（zno）材料作为沟道，氧化铟锡（ito）作为栅极材料和电信号传输介质，氧化铝（al2o3）作为绝缘层，衬底不再仅限使用大面积的硅，而是可以自由选择，如廉价材料（可大幅度降低造价），透明材料（可继承衬底透明特性），柔性材料（可继承衬底优秀的延展性）等，标签芯片成本可以降低50%以上；

2）完整的rfid标签芯片。用zno薄膜晶体管完成了整个系统的搭建，电路的设计以及版图的绘制，包含整流模块、滤波整形模块、解调模块、分频模块、标签id阵列模块、曼彻斯特编码模块、调制模块、发射模块、过压保护模块，并测试成功；

3）兼容的防冲突功能。与传统数字电路方法不同，用自主研发的zno薄膜晶体管实现了防冲突逻辑的硬件电路，并与rfid标签芯片系统兼容，实现具备防冲突的rfid标签功能，包括串并转换模块、起始位检测模块、命令位识别模块、计数模块、终止位产生模块、曼彻斯特解码模块、串行比较模块，并测试成功；

4）采用串行比较和复用计数器的设计思想。减小80%芯片面积的同时缩短6.4%芯片与阅读器的交互时间。

5）采用休眠调控降低功耗思想。在未检测到有效数据信号时降低芯片9.1%的闲时功耗。

附图说明

图1是znotft的一种结构示意图；

图2是znotft单管特性测试曲线；

图3是本发明的一种整体框图；

图4是模拟前端的一种电路框图；

图5是数字后端的一部分框图；

图6是防冲突算法的逻辑流程图；

图7是本发明的交互时间优化曲线图；

图8是本发明的功耗测试曲线图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明整个电路芯片均采用氧化锌薄膜晶体管代替传统cmos晶体管，其晶体管结构如图1所示，由于znotft对可见光不敏感，但其导电能力对空气和水非常敏感，于是采用将有源层覆盖在内部的顶栅结构，在任意衬底1（如玻璃）上沉积ito2作为源漏极，之间以zno3作为沟道，接着是对zno沟道与起保护作用的al2o34，再上层是作为栅氧层的al2o35，最上面的ito6作为栅极。由于衬底不再需要使用大量的硅，且工艺层数相比于cmos明显减少，芯片的制造成本可以得到大幅降低，一个完整rfid标签的制造成本完全可以控制在1毛钱以下，直降百分之五十以上。同时标签可以应用于一次性消耗场合而不用担心用后回收问题，节约了回收成本，一举多得。

本发明通过大量实验并对工艺参数进行调整，最终得到了优良的znotft特性，测试结果如图2，曲线a为id-vg特性，显示晶体管在栅电压为0时导通；曲线b为ig-vg曲线，用来表示栅极漏电流（al2o3绝缘性优劣）随栅电压变化关系，显示晶体管正常工作状态下栅极漏电流仅300fa左右，器件绝缘性非常好；器件耐压可以达到10v栅氧化层才被击穿，性能优秀，足以应对日常应用需求。

本发明以氧化锌薄膜晶体管为设计主体，设计实现了一款全新的，具备防冲突功能的射频识别标签芯片系统，其整体结构框图如图3所示，包含：

1）天线线圈：从阅读器获取调制信号或发送调制信号给阅读器；

2）模拟前端：对天线接收到的调制信号进行处理，产生供整个芯片工作的电压，解调出数据信号供数字电路进行处理，产生高频载波供数字电路产生工作时钟；

3）数字后端：对模拟前端解调出来的数字信号进行逻辑处理，防冲突算法判断，并产生相应的动作结果返回给模拟前端进行调制处理；

4）uid存储阵列：存储标签的uid信息，供数字电路防冲突判断使用。

本发明的模拟前端部分主要负责对天线接收到的数据和数字电路传来的的数据进行处理，其电路框图如图4所示，包括：

1）解调模块：将数据信息从调制信号的高频载波中分离出来；

2）整流模块：产生供整个芯片工作的工作电压；

3）滤波电容：滤除信号杂波；

4）过压保护模块：当产生的工作电压过大时进行保护操作，泄放掉多余电流防止电路烧毁；

5）载波放大处理：产生满幅载波，输送给数字电路产生工作时钟。

本发明数字后端部分主要负责对数字信号的逻辑判断与处理，实现防冲突标签的完整逻辑功能，其电路框图如图5所示，包括：

1）分频模块：产生供整个数字电路使用的工作时钟；

2）串并转换模块：对解调后的信号进行串-并转换，便于后续处理；

3）起始位检测模块：检测阅读器发来的起始位（如定为1110），定位数据的有效开头；

4）计数器模块：判断数据读取是否结束以及数据比较过程是否结束，是复用的；

5）使能控制模块：仅在检测到有效数据时调控所有模块开始工作，无有效数据则各模块不进行动作，降低整个系统功耗；

6）曼彻斯特解码&编码模块：对曼彻斯特编码数据解码后与uid进行比较，将比较结果进行曼彻斯特编码后送给模拟前端进行调制处理；

7）串行比较模块：对阅读器传来的id比较阈值和标签uid进行防冲突逻辑比较，采用串行比较方式大幅度节约芯片面积，同时保存比较结果，与阅读器发来的命令位一同产生相应输出信号。

本发明设计了一种独特的串行比较数字逻辑电路实现基于返回式二进制搜索算法逻辑功能。阅读器发来数据包含三部分内容：命令位+起始位+有效数据（cmd），从接收到第一位有效数据时便开始与uid进行比较，比较过程逐位进行，并同步记录更新比较结果，能够在数据比较完的瞬间产生比较结果。标签芯片防冲突逻辑工作流程详述如下：

1）接收来自阅读器的信息；

2）检测起始位作为有效数据起点，解析命令位并保存，计数器开始工作；

3）若命令位为0，则比较uid与cmd大小，若uid大于cmd，则无动作，继续等待阅读器下一条信息，否则将uid进行曼彻斯特编码后传输给模拟前端进行调制发送；

4）若命令位为1，则比较uid与cmd是否相等，若相等则说明该标签被成功识别，此时标签退出竞争序列，下次上电复位之前不再对阅读器任何信号产生反应；若不相等，则标签无动作，继续等待阅读器下一条信息。

该防冲突算法逻辑流程图如图6，在完成相同比较逻辑的情况下，比并行逻辑电路节省80%以上芯片面积，大幅度降低芯片成本。

本发明实现了一种复用计数器的思想。由于计数器模块对芯片面积影响较大，而计数器模块同时被使能控制模块、曼彻斯特编码&解码模块、串行比较模块需要，复用计数器带来的成本降低优势十分明显。本发明采用的思想是让使能控制模块、曼彻斯特编码模块、曼彻斯特解码模块、串行比较模块都在同一时刻工作，并在同一时刻完成，计数器同时控制四个模块进行工作，一遍做完，之后再结合保存下来的命令位对结果是否需要调制发送进行判断，既达到了复用效果，也无需多余的控制逻辑造成硬件消耗。

在复用计数器的方案上，本发明进而实现了一种减少交互时间的思想。为了在一串数据信息中判断有效数据的位置，传统方法一般采用起始位与截止位配合的方法，检测出起始位和截止位的位置，则两者之间就是有效数据。本发明中由于有效数据为定长，则仅需起始位和计数器配合即可确定有效数据的开头和长度，即确定了其具体位置，这样一来标签与阅读器交互过程中不再需要传输截止位字段，传输信号的码元数减少，在同样数据传输速率的情况下，交互时间即可减少，而由于计数器是复用的，仅需增加少量控制逻辑即可实现。对于本发明而言，交互时间优化情况如图7所示，在同样数据传输速率情况下，虚线a为常规方案识别标签总耗时与标签个数的关系，实线b为本发明识别标签总耗时与标签个数的关系，曲线c为本方案总耗时优化百分比，由图可见识别多个标签总耗时可以降低6.4%，该思想可以应用于所有有效数据为定长的数据定位场合。

本发明实现了一种休眠调控降低功耗思想。在芯片的各个模块中，计数器模块一直产生大量电平翻转，是整个标签芯片功耗的重要贡献者，为了优化这一问题，本发明在数字电路中设计了一个控制模块，计数器模块在该模块的调控下，若未检测到有用信号则所有输入和输出都被压制在低电平，仅在检测到有效信号时才进行相应动作，曼彻斯特编码、解码和串行比较同时进行，其余时间不产生电平翻转。整体芯片测试功耗曲线如图8所示，可见芯片检测到有效数据信号并工作时功耗在13.5uw-19.5uw间变动，无有效信号时功耗在12uw-18uw间变动，平均功耗降低9.1%，说明该方案能够有效的降低整个芯片系统的功耗。