嵌入温度传感器的无源超高频超低功耗RFID标签芯片

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。

说明书

技术领域

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

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。

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。

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

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。

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。

优选的，带隙基准电路所述自启动电路由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，M₁的栅极连接于M₂和M₃之间；M₁的漏极连 接于供电电压，M₁的源极连接于带隙基准核心电路中的节点2。

优选的，所述带隙基准核心电路由NPN型三极管Q1和Q2，电阻R_PT和R_CT， 及PMOS管M_A1～M_A5及NMOS管M_A6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R_CT产 生负温度系数电流I_CT。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ΔV_BE与绝对温度成正比，电 阻R_PT连接于Q1集电极和地之前，产生正温度系数电流I_PT。M_A1和M_A2，M_A3和 M_A4构成重叠式电流镜，将正温度系数电流I_PT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M_A6的漏极相连，M_A6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。

优选的，带隙基准所述电流输出电路由PMOS管M₇-M₁₆和NMOS管M₁₇-M₁₈构成。M₇与M₈将M_A1与M_A2的I_PT复制导出提供给下一级，M₁₂-M₁₈以电流镜方式 将I_CT从带隙基准核心电路M_A6复制提供给下一级，M₉-M₁₁以电流镜的方式将 I_CT、I_PT复制并加和产生零温度系数电流I_REF提供给下一级。

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。

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。

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。

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。

优选的，所述温度传感器采用的量化时钟频率为12MHz。

与现有技术相比，本发明的优点是：

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。

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℃，误 差低于0.3℃。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。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

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。

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。

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。

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。

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。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

存储器用来保存标记信息，温度和用户信息。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

具体实现方法如下：

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。

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。

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I_PT与负温度系数电流I_CT，同时集成为不随温度变化的零 温度系数电流值I_REF，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。

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。

如图所示M₁～M₆构成自启动电路，其中M₂到M₆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 M₂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 PMOS管，因此M₂导通，M₂漏极电压升高，引起M₁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，M₂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。

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：

$V_{\mathrm{BE}}=\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \frac{\mathrm{Ibias}}{\mathrm{Is}}---\left(1\right)$

其中k为玻尔兹曼常量，q为电子电荷量，Is为三极管饱和电流，该饱和电流 与发射极面积成正比。因为芯片设计时三极管的发射极面积为8:1，两三极管的 V_BE差值为:

$\Delta V_{\mathrm{BE}}=\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln 8---\left(2\right)$

其中V_BE信号的温度系数为负值，即为一个与温度成反比变化的电压值，该 电压随温度的增高而降低。而ΔV_BE的温度系数为正值，即为一个与温度成正比 变化的电压值，该电压值随温度的增高而增高。通过信号叠加，可以产生一个 与温度无关的信号V_REF，如(3)所示，其中a为常数。

Vref＝V_BE+a*ΔV_BE   (3)

$I_{\mathrm{CT}}=\frac{V_{\mathrm{BE}}}{R_{\mathrm{CT}}}---\left(4\right)$

$I_{\mathrm{PT}}=\frac{\Delta V_{\mathrm{BE}}}{R_{\mathrm{PT}}}---\left(5\right)$

$I_{\mathrm{REF}}=\frac{V_{\mathrm{RE}}}{R_{\mathrm{CT}}}+a*\frac{\Delta V_{\mathrm{BE}}}{R_{\mathrm{PT}}}---\left(6\right)$

如上式所示电压通过片上电阻R_PT和R_CT转化为电流信号，即I_PT，I_CT，这两 个电流通过比例系数a叠加成为I_REF。R_PT为400kΩ，R_CT＝4.004R_PT，在设置仿真 温度为20摄氏度时I_REF＝24.7nA，I_PT＝79.91nA，I_CT＝49.64nA。

本带隙基准电路采用重叠电流镜结构的设计方法保证了电流复制的准确 性。该电路中M_A1，M_A2，M_A3，M_A4将V_BE产生的正温度系数电流I_PT通过M₉和M₁₀复制导出到电流输出电路，M_A5和M_A6将V_BE产生的负温度系数电流I_CT通 过M₁₁-M₁₈复制导出到电流输出电路。M₉-M₁₁通过复制I_PT和I_CT并加和产生零温 度系数电流I_REF。I_PT，I_CT和I_REF作为温度感知的电流量提供给时域比较电路进行 比较。

温度传感器受基带电路控制，当基带电路发送温度传感器触发信号后，使 能控制信号sen_cur_EN为高电平控制开关闭合，由PMU输出电压为该带隙基准 电路提供供电电压，此后电路开始工作，为时域比较电路提供随温度变化的电 流I_CT与I_PT，该电流在时域比较电路中转化为电压信号并由模数转换电路转化为 数字信号传送给基带信号。

在温度传感器获得温度感知数据后，基带电路控制sen_cur_EN为低电平， 打开开关S1，该带隙基准电路停止工作，结束温度传感器的工作。因为本发明 专利中将温度传感器嵌入到无源RFID标签中，因此会消耗功耗，这会对整个标 签标签的读写距离造成缩短的影响。

现有技术中的嵌入温度传感器的RFID标签没有添加控制开关，温度传感器 模块一直处于工作状态。然而本发明提出的含嵌入式温度传感器的RFID标签添 加了带隙基准电路，增加了无源RFID标签的功率消耗，为了保证不缩短无源 RFID传感器的阅读距离，给带隙基准电路供电电压添加一个开关，由数字基带 模块提供控制信号控制温度传感电路是否开始工作并在温度传感器模块得到数 字量化的温度值后控制该带隙基准电路开关断开，结束温度传感的工作。

此外，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。具体实现方法如下：

该温度传感器的供电电压VDD_SEN是由电源管理模块中的低压差线性稳 压电路的输出电压提供，电路图如图5所示。在电源管理模块中，PMU带隙基 准电路输出电压作为低压差线性稳压电路的参考电压，整流器输出电压作为供 电电压给低压差线性稳压电路。低压差线性稳压电路的输出电压具有较低的自 身噪声和较高的电源抑制比(PSRR)，这保证了温度传感器模块具有稳定并低 噪声的供电电压，从而确保了温度传感模块的准确性。

VC3产生的LDR输出电压作为温度传感器模块中带隙基准电路的供电电 压，该供电电压本身就具有低噪声的优点，同时又拥有较高的电源抑制比，该 值保证了电源电压发生变化时，对输出电压影响极小。同时带隙基准电路的输 出电压作为低压线性稳压电路的参考电压。

以上方法确保了温度传感器电路的供电电压具有低噪声更稳定的特点。

带隙基准电路将感知得到的由温度得到的电流值导出至时域比较电路进行 比较得到由温度决定的脉冲宽度电压值，并将该电压值通过模数转换电路量化 得到数字值输出到存储器模块，这一转换过程的电路图如图6所示。具体过程 如下。

传感器使能信号sen_EN打开转换器，四个电流信号I_PT，I_CT，I_REF流入时域 比较电路。传感器使能后，通过sen_rst初始化转换器的数字单元，使其工作在特 定的初始值状态。同时sen_rst将图中的三组电容电压初始化至零。

模块初始完成，sen_vst信号打开S2开关并关闭M₁，M₂，I_REF电流开始对C_ref进行电压积分，产生一个与积分时间有关的参考电压。该电压表达式为：

$V_{\mathrm{INTE}}=\frac{N_o{I}_{\mathrm{REF}}}{f_{\mathrm{clk}}{C}_{\mathrm{ref}}}---\left(7\right)$

其中N为计数器预设计数周期，f_clk为温度传感器的时钟频率。

完成参考电压积分后，S2关断，M₁打开，C_ref保持该电压；该电压与比较 器相连，用于稍后的电压比较。

M₃，M₄关断，I_PT(T)和I_CT(T)开始同时给C_PT和C_CT充电。通过实时比较上极 板电压V_cpt和V_cct与V_INTE的大小，因此在比较器输出端获得两个异步触发的上升 沿电压。这两个电压通过异或门电路得到一个温度调制的t_pw(T)。温度与该t_pw(T) 的关系式为，

$t_{\mathrm{pw}}\left(T\right)=t_{\mathrm{ct}}\left(T\right)-t_{\mathrm{pt}}\left(T\right)=\frac{C_{\mathrm{ct}}{V}_{\mathrm{INTE}}}{I_{\mathrm{ct}}\left(T\right)}-\frac{C_{\mathrm{pt}}{V}_{\mathrm{INTE}}}{I_{\mathrm{pt}}\left(T\right)}---\left(8\right)$

将$V_{\mathrm{INTE}}=\frac{N_o{I}_{\mathrm{ref}}}{f_{\mathrm{clk}}{C}_{\mathrm{ref}}}$带入，

$t_{\mathrm{pw}}\left(T\right)=\frac{N_o{I}_{\mathrm{ref}}}{f_{\mathrm{clk}}{C}_{\mathrm{ref}}}\times (\frac{C_{\mathrm{ct}}}{I_{\mathrm{ct}}\left(T\right)}-\frac{C_{\mathrm{pt}}}{I_{\mathrm{pt}}\left(T\right)})---\left(9\right)$

该由温度决定的脉冲宽度值之后通过模数转换电路量化为数字信号。

时钟频率为f_clk，则输出脉冲的个数D_SEN计算为，

D_SEN＝t_pw(T)×f_clk   (10)

现有技术中温度传感器的时钟频率设计在2.3MHz到4.15MHz之间。在这 个频率范围之间温度传感器的数字输出在-30摄氏度时数字量化值约为180，在 60摄氏度的时候数字输出约为500。因此，现有技术中温度传感器的分辨率为 0.28℃/LSB。本发明将温度传感器的时钟频率从2.3MHz提高到12MHz，使得 温度传感器的分辨率提高到至0.016℃/LSB，提高温度传感工作的时钟频率，获 得更高的温度传感器分辨率，则可以获得更高的测试准确度。但是这样的频率 提升是通过本发明在电源模块供电稳定的前提下实现的。

本嵌入温度传感器的无源超高频超低功耗RFID标签芯片的工作灵敏度可 达-8dBm(读)，-2.2dBm(写)。

以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明的结构特征并不局限于此， 任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明 的专利范围之中。