RFID標簽中有機補償電路的設計

　　0 引 言

　　RFID標簽被預測為將取代諸如條形碼等現有非接觸式識別技術，并且還具備其他的功能，如感知功能。目前來說實現這種技術主要的問題是標簽價格較高，業界正在研究采用非傳統的硅電子設備，以減少RFID標簽的制造成本。主要解決方案之一就是在制造成本較低的塑料薄膜中采用有機電子元器件技術。有機電子器件廣泛應用于靈活性較高的太陽能電池板和傳感器等領域[1?2]。本文提出了不同的片到片制造電路。這些電路可以在有機自主的射頻(RF)標簽中使用，其基本原理是基于物理不可克隆函數(PUF)結構輸出代碼，將惟一的標識號發送到讀取器上。

　　這種標簽的電原理如圖1所示。放置在天線之后的晶體管受PUF的輸出控制，并用于改變標簽的輸入阻抗，從而產生含有該標記標識的背散射信號。并行輸入/串行輸出(PISO)寄存器可以用來將PUF結構的并行輸出轉換為串行代碼。并行輸入/串行輸出寄存器，主要有D?鎖存器。有機壓控振蕩器(VCO)已經在一些文獻中得以證明[3]。本文的工作將集中在整流器和PUF結構。

　　圖1 無源有機標簽的框圖

　　首先提出的電路是一個有機的、集成了8個階段的整流器電路，其能夠提供一個20 V電源，用于工作頻率為14 MHz的有機電路供電。當前的有機整流器只包含一個有機二極管，配合外部的無機電容器一起使用。本文采用了第一級整流，利用有機的層到層處理方式[3]。因此可以在相同的塑料薄膜上建立有機整流器和整流器后級的模擬或數字電路。該電路為PUF結構，其生成基于所述有機過程的散射的隨機識別碼[4?5]。另外，文中選取應用廣泛的靜態隨機存取存儲器(SRAM)的PUF結構，因為其RFID標簽相對簡單。事實上，只需要6個晶體管來創建一個位的輸出代碼，生成的代碼在相同的塑料薄膜上隨著PUF的不同而不同，但標簽的壽命仍然是完全相同的。該代碼是無法預測的，這意味著即使創建PUF結構的一個克隆，但由于散射過程，其不可能獲得相同的生成代碼。

　　1 有機晶體管、電容和二極管

　　本文研究的目的是采用相同的層到層的處理方法完成有機電容、二極管和晶體管的處理。事實上，所有提到的有機整流器，都是由一個單一的垂直有機二極管或橫向的有機二極管制成，它連接到一個外部分立的無機電容且同時不與其他有機電路相連接。研究中所使用有機的層到層處理用來創建N和P型有機晶體管，其通過工業的方法，并且基于 Cadence公司的VIRTUOSO的版圖套件來布局文件。這使得連接晶體管的電極作為二極管或電容器成為可能。為了使有機晶體管作為二極管工作，柵極和源極需要連接在一起。以相同的方式可以制成電容器，通過在頂部(柵極)和底部連接的電極(源極和漏極)實現，他們是由電介質和有機半導體之間隔開。串聯連接在二極管和電容器配置的有機N型晶體管的顯微圖像分別如圖2所示。

　　圖2 有機晶體管的顯微圖像

　　利用惠普4156器件分析儀測試該二極管。其直流的特性是通過在陽極上產生從-15 V掃描到+40 V的電壓來表征，而在陰極的電壓設置為0 V。測量所產生的電流，并由下列等式推導出電流密度：

　　[J=idS]

　　式中：J為電流密度，單位為A/cm2;id為測量得到的電流;S為在兩個電極之間電流所跨越的面積，這個面積采用近似的方法得到。考慮到電流從漏極到源極的移動，穿越的面積等于電極的高度(H)乘以總通道寬度(Wtot)。該部分的計算如公式所示：

　　S=H?Wtot=H?4?W

　　由于每個的電容連接的晶體管有4個平行的通道，總管寬度(Wtot)是一個單信道的4倍寬度(W)。所述電極的高度為30 nm，而一個通道有一個450 μm的寬度。

　　2 有機整流器

　　無論是二極管或電容器的配置，使用的有機整流器都采用屏印刷晶體管的電氣原理圖，如圖3所示。

圖3 有機8階段整流器的電路圖

　　每個階段由4個晶體管構成，其中2個用作二極管，另外2個用作電容器。整流器的總尺寸為5 mm×32 mm。該整流器通過電測試，采用1 MΩ電阻用于模擬電流消耗在其輸出端的電荷電阻。使用Tektronik AWG2040發電機產生±20 V的正弦電壓施加整流器的輸入，測定DC在不同輸入頻率的輸出電壓。

　　3 PUF架構設計

　　為了保證從標簽到讀取器的安全傳輸，標簽必須能夠發送它的標識號。為此設計和制造了一個PUF結構。該PUF結構的主要目的是生成基于上述散射過程的隨機碼。每個PUF結構，即使采用相同的工藝制造，也將會有一個獨特的不可預測的輸出代碼。生成的隨機碼在標簽的生命周期內是相同的。所設計的PUF結構中的每一個都有4個平行輸出比特位。為了能夠產生一個隨機碼，文中選取基于SRAM PUF的系統。基于SRAM PUF結構的主要優點是只需要6個晶體管來產生輸出比特位，這在硬件方面只需要一個非常小的消耗。PUF結構通過并聯4個SRAM設備構成，每一個產生一個輸出位。在PUF結構中4個SRAM設備的其中1個的電原理圖如圖4所示。

　　圖4 構成PUF結構中的1個SRAM設備的電氣原理

　　功能原理如下：當電源電壓被接通時，不穩定的電氣狀態迫使在SRAM存儲器內環逆變器輸出一個“1”邏輯值。一旦該值被建立時，寫線路被置為“1”，并且PUF結構的輸出線的隨機值被復制。此SRAM設備復制4次，以創建一個4個輸出比特位的PUF結構。該PUF結構與有機8個階段的整流器一樣，也是在制造相同的塑料薄膜上。

　　4 結 論

　　本文針對塑料薄片提出了兩種集成電路，它可以在一個全有機RFID標簽中使用。先介紹了一個有機8階段的整流器，其能夠提供一個20 V直流電壓，有1的轉換增益。該電路的輸入整流正弦電壓，振蕩的頻率最高可達14 MHz。關于一些高性能整流器的總結如表1所示。

　　表1 有機整流器的總結

　　從表1中可以看出，本文所提出的整流器從截止頻率方面，以及二極管的電流密度和整改率上看，是處于優勢地位的，盡管很多整流器的制造使用了昂貴的真空工藝。此外，該電路可以采用相同的有機處理流程進行設計和制造，這與文獻中提出的其他電路類似。

　　由整流產生的20 V電源足以使雙方的PUF結構和VCO正常運作。另外在測試中使用了1 MΩ電阻充電，用以模擬并測試20 μA的消耗在20 V電源供電下。在前面介紹的VCO僅消耗1 μA以及PUF結構具有的消耗可以忽略不計，因為它依賴于兩個環形逆變器均處于一個穩定的狀態。文中第二個提出的電路是一個集成的PUF結構，它產生一個不可克隆的隨機碼。每一個單一的結構生成自己的代碼，準確地從其他電路中識別出來。耦合這兩個電路以及天線將可以建立一個RFID無源標簽，其中沒有任何電池，由于在整流產生DC電壓能夠提供一個電路，如PUF結構。還證明在以往的有機層到層印刷電路下，可以由該整流器提供一個20 V的電源來工作。可以設計和制造出復雜的全有機電路而無需任何無機外部組件。