內(nèi)置巴魯夫位移傳感器識(shí)別標(biāo)簽芯片技術(shù)研究
射頻識(shí)別技術(shù)通過無線通信方式實(shí)現(xiàn)目標(biāo)對(duì)象的非接觸自動(dòng)識(shí)別,是物聯(lián)網(wǎng)四大核心支撐技術(shù)之一。超高頻RFID系統(tǒng)具有識(shí)別距離遠(yuǎn)、速度快、多目標(biāo)移動(dòng)識(shí)別、標(biāo)簽成低等優(yōu)勢(shì),已廣泛應(yīng)用于智能物流、交通、防偽追溯等物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用需求的增長,對(duì)具有信息感知、識(shí)別等功能的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提出了低成、低功耗、高精度、長壽命、遠(yuǎn)距離智能信息采集與處理等要求,促使將高精度巴魯夫位移傳感器集成在超高頻RFID標(biāo)簽芯片之中實(shí)現(xiàn)低功耗無線位移感知-射頻識(shí)別一體化標(biāo)簽芯片的概念誕生。

內(nèi)置巴魯夫位移傳感器識(shí)別標(biāo)簽芯片技術(shù)研究
在標(biāo)簽芯片上集成高精度巴魯夫位移傳感器,額外增加的電路所占芯片面積很小,其附加的成微乎其微,既能保持標(biāo)簽芯片極低功耗、低成、高靈敏度、微型化等優(yōu)點(diǎn),又具有較高精度的位移感知功能,在食藥品倉儲(chǔ)、冷鏈物流、電網(wǎng)位移監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。以此為背景,在對(duì) 標(biāo)準(zhǔn)分析和低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)歸納總結(jié)的基礎(chǔ)上,深入研究了無源標(biāo)簽芯片中的低功耗射頻/模擬/數(shù)字電路設(shè)計(jì)技術(shù)、低功耗巴魯夫位移傳感器設(shè)計(jì)技術(shù)、位移感知-識(shí)別協(xié)調(diào)工作機(jī)理等關(guān)鍵技術(shù),應(yīng)用0.18μm CMOS工藝,設(shè)計(jì)出內(nèi)置巴魯夫位移傳感器的無源標(biāo)簽芯片。的主要研究內(nèi)容和貢獻(xiàn)如下：對(duì)無源標(biāo)簽芯片中的電壓基準(zhǔn)電路、反向散射鏈路頻率(BLF)產(chǎn)生電路和數(shù)字基帶電路等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。提出了一種低功耗CMOS電壓基準(zhǔn)電路,采用工藝補(bǔ)償技術(shù)解決了CMOS電壓基準(zhǔn)電路精度受工藝偏差影響的問題。針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)BLF的精度要求,對(duì)BLF產(chǎn)生技術(shù)進(jìn)行了研究,提出了兩種BLF產(chǎn)生電路：一種是寬時(shí)鐘頻率容限的BLF產(chǎn)生電路,其采用的工藝和位移補(bǔ)償時(shí)鐘電路和BLF分頻系數(shù)修正算法,在產(chǎn)生滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的BLF的同時(shí),提高了時(shí)鐘頻率穩(wěn)定性；一種是動(dòng)態(tài)校正BLF產(chǎn)生電路,采用動(dòng)態(tài)時(shí)鐘校準(zhǔn)技術(shù)和BLF校正技術(shù)分別提高數(shù)字基帶解碼時(shí)的時(shí)鐘精度和返回?cái)?shù)據(jù)時(shí)的BLF精度。并對(duì)低功耗數(shù)字基帶處理器架構(gòu)進(jìn)行了研究,根據(jù)標(biāo)簽芯片的工作時(shí)段對(duì)數(shù)字基帶模塊進(jìn)行合理劃分,并結(jié)合時(shí)鐘管理、門控時(shí)鐘等低功耗設(shè)計(jì)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了數(shù)字基帶在不同工作階段功耗的平衡分布,有效降低芯片的峰值功耗。對(duì)低功耗巴魯夫位移傳感器及傳感器接口關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。提出了一種基于逐次逼近寄存器型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(SAR ADC)的巴魯夫位移傳感器。該巴魯夫位移傳感器采用全CMOS亞閾值模擬前端和SAR ADC實(shí)現(xiàn),并通過位移誤差補(bǔ)償技術(shù)減小巴魯夫位移傳感器的誤差。測(cè)試結(jié)果表明,在-40℃C-100℃C位移范圍內(nèi)位移誤差為+0.85℃C/-0.69℃C,功耗為2.02μW。同時(shí),針對(duì)傳統(tǒng)SAR ADC在轉(zhuǎn)換過程中數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)消耗能量較大的缺陷,提出了兩種低能耗DAC開關(guān)方法：一種是引入第三參考電壓Vcm的Hybrid開關(guān)方法,相比傳統(tǒng)DAC開關(guān)方法,其將DAC在轉(zhuǎn)換過程中的開關(guān)能耗降低了98.83%；一種是開關(guān)方法,與傳統(tǒng)DAC開關(guān)方法相比,其將DAC在轉(zhuǎn)換過程中的開關(guān)能耗降低了96.91%,并且降低了對(duì)第三參考電壓Vcm的精度要求,在功耗和精度間取得了良好的折中?；谝陨蠈?duì)標(biāo)簽芯片和巴魯夫位移傳感器的研究成果,應(yīng)用TSMC 0.18μm CMOS工藝設(shè)計(jì)了基于寬時(shí)鐘頻率容限BLF產(chǎn)生電路和基于動(dòng)態(tài)校正BLF產(chǎn)生電路的兩款內(nèi)置巴魯夫位移傳感器標(biāo)簽芯片。其中,基于寬時(shí)鐘頻率容限BLF產(chǎn)生電路的標(biāo)簽芯片已成功流片,并進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)試。

內(nèi)置巴魯夫位移傳感器識(shí)別標(biāo)簽芯片技術(shù)研究
測(cè)試結(jié)果表明,數(shù)字分頻產(chǎn)生的BLF滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,數(shù)字基帶電路的功耗為5.6μW,標(biāo)簽盤存、讀寫、鎖定、滅活及位移感知功能均正確實(shí)現(xiàn)；室溫下標(biāo)簽識(shí)別工作距離可達(dá)8m,位移感知工作距離可達(dá)6m。文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需求,研究了標(biāo)簽芯片和巴魯夫位移傳感器中關(guān)鍵電路的低功耗設(shè)計(jì)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了無線位移感知-射頻識(shí)別一體化的標(biāo)簽,可完成對(duì)物品識(shí)別、環(huán)境位移的監(jiān)控,進(jìn)一步拓寬了標(biāo)簽的應(yīng)用范圍。