被動(dòng)rfid傳感器標(biāo)簽的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及被動(dòng)無(wú)線(xiàn)傳感器，具體地，涉及被動(dòng)射頻識(shí)別(RFID)傳感器、RFID傳感器系統(tǒng)以及用于被動(dòng)RFID傳感器標(biāo)簽的RFID讀取器。
【背景技術(shù)】
[0002]傳感器是一種將測(cè)量的量轉(zhuǎn)換為可讀取的格式的器件，通常轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。近來(lái)，市場(chǎng)上已經(jīng)可以購(gòu)買(mǎi)到適用于任何測(cè)量目的的傳感器。根據(jù)連接方式，傳感器可被分為無(wú)線(xiàn)傳感器和有線(xiàn)傳感器。有線(xiàn)傳感器通過(guò)布線(xiàn)線(xiàn)束或電纜組件連接到讀取器裝置。無(wú)線(xiàn)傳感器可以在未物理連接到傳感器的情況下被讀取，通常通過(guò)為傳感器裝備無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。發(fā)送的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)被接收器解釋?zhuān)邮掌鲗o(wú)線(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換為期望的輸出。在例如由于苛刻的操作條件(比如溫度和壓力)、旋轉(zhuǎn)部件或者布線(xiàn)的成本以及復(fù)雜性而難以進(jìn)行有線(xiàn)連接的許多應(yīng)用中，無(wú)線(xiàn)操作可以是有益的。然而，無(wú)線(xiàn)傳感器也具有一些缺點(diǎn)，例如由電池導(dǎo)致的有限壽命、由衰減和干擾導(dǎo)致的有限讀出距離、由于信號(hào)的不可控的傳播導(dǎo)致的安全問(wèn)題以及潛在的通信速度低?；陔娫匆约巴ㄐ旁?，無(wú)線(xiàn)傳感器可以被分為三類(lèi):主動(dòng)傳感器、半被動(dòng)傳感器和被動(dòng)傳感器。
[0003]主動(dòng)無(wú)線(xiàn)傳感器通常既具有無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器又具有用于為收發(fā)器供電的內(nèi)置電池。具有自身電源的主動(dòng)無(wú)線(xiàn)傳感器能夠使用強(qiáng)效的發(fā)射器和感測(cè)接收器。然而，內(nèi)置電池限制了壽命時(shí)間并且還增加了體積和重量。由于更復(fù)雜的電路，主動(dòng)傳感器的價(jià)格可能比被動(dòng)傳感器的價(jià)格高得多。
[0004]半被動(dòng)無(wú)線(xiàn)傳感器不包含無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器，然而其裝備有電池。電池被用于為集成電路(1C)供電并且使傳感器獨(dú)立于讀取器裝置運(yùn)行或者維持傳感器中的存儲(chǔ)器。半被動(dòng)電池輔助傳感器應(yīng)用調(diào)制后向散射技術(shù)進(jìn)行通信。這意味著半被動(dòng)傳感器不需要從內(nèi)置電池獲得任何電力來(lái)進(jìn)行發(fā)射，而傳感器簡(jiǎn)單地將由讀取器裝置發(fā)射的功率中的一些反射回去。
[0005]與主動(dòng)傳感器和半被動(dòng)傳感器不同，被動(dòng)傳感器不需要內(nèi)置電池。因此，它們可以更簡(jiǎn)單、更小、更便宜，并且它們的壽命不受電源的限制。被動(dòng)無(wú)線(xiàn)傳感器的典型的讀取距離在10cm至3m之間。被動(dòng)無(wú)線(xiàn)傳感器可以被分為四個(gè)主要類(lèi)別:射頻識(shí)別(RFID)標(biāo)簽、電諧振電路傳感器、表面聲波(SAW)、諧波傳感器和互調(diào)傳感器。
[0006]RFID是使用標(biāo)簽與讀取器之間的無(wú)線(xiàn)電波來(lái)通信的識(shí)別技術(shù)，并且被用于識(shí)別物體。與光學(xué)條形碼識(shí)別技術(shù)相比，RFID具有一些優(yōu)點(diǎn)，例如在讀取器裝置與標(biāo)簽之間不需要通信視線(xiàn)，并且RFID讀取器能夠同時(shí)讀取數(shù)百個(gè)標(biāo)簽。被動(dòng)RFID標(biāo)簽使用圖1中所示的調(diào)制背向散射通信原理。當(dāng)標(biāo)簽10與RFID讀取器11通信時(shí)，其調(diào)制接收的信號(hào)12并將信號(hào)12的一部分13反射回讀取器。典型的被動(dòng)標(biāo)簽包括連接到應(yīng)用專(zhuān)用微芯片的天線(xiàn)。當(dāng)被RFID收發(fā)器或讀取器無(wú)線(xiàn)詢(xún)問(wèn)時(shí)，RFID標(biāo)簽天線(xiàn)從RFID讀取器接收功率和RF信號(hào)并將它們供應(yīng)至芯片。芯片處理該信號(hào)并將請(qǐng)求的數(shù)據(jù)發(fā)送回RFID讀取器。根據(jù)發(fā)射的數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)制背向散射的信號(hào)。RFID的最高操作頻率和讀取距離受到集成電路(1C)整流功率的限制，并且分別為幾GHz以及5-10m。
[0007]RFID主要用于識(shí)別。RFID標(biāo)簽配備有可重寫(xiě)的存儲(chǔ)器，這賦予了 RFID標(biāo)簽可重復(fù)使用的特征，然而他們對(duì)于測(cè)量外部量是無(wú)用的。通過(guò)使RFID標(biāo)簽配備外部傳感器以及讀取外部傳感器的數(shù)字邏輯器件，RFID也已經(jīng)表現(xiàn)出可以適用于測(cè)量。這種方法的好處在于其可以使用通用的傳感器元件并且因此可以很好地適用于非常廣泛的應(yīng)用。然而，在該方法中，需要在標(biāo)簽中包括額外的A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)字電路，以使傳感器能夠被讀出。由于額外的電子器件增加的功耗顯著減小了讀出范圍（例如，具有8位A/D轉(zhuǎn)換器的情況下，從5m減至0. 3m)。額外的傳感器元件還增加了功耗。在下列文獻(xiàn)中討論了額外的數(shù)字電路和A/D轉(zhuǎn)換器的實(shí)施注意事項(xiàng)：1、2009年2月出版的名為“Development and Implementation ofRFID Technology (RFID技術(shù)的發(fā)展和實(shí)施）”的圖書(shū)中的第9章“Smart RFID Tags (智能RFID標(biāo)簽）”，ISBN 978-3-902613-54-7,出版社為奧地利維也納的I-Tech，詳見(jiàn)：http://www. intechopen. com/books/development_and_implementation_of_rfid_technology〇
[0008]US2013/0099897公開(kāi)了一種RFID讀取器、一種RFID芯片和一種電耦合到該RFID芯片并被構(gòu)造為接收來(lái)自RFID讀取器的信號(hào)并將信號(hào)發(fā)射至RFID讀取器的天線(xiàn)。RFID芯片設(shè)置有連接到感測(cè)材料的電接口。RFID芯片被構(gòu)造為調(diào)制從讀取器接收的信號(hào)并利用調(diào)制的信號(hào)驅(qū)動(dòng)感測(cè)材料。感測(cè)材料具有可變的電特性，從而背向散射的調(diào)制信號(hào)將根據(jù)感測(cè)材料的情況而改變。不管感測(cè)材料的本質(zhì)如何，其與來(lái)自RFID芯片的調(diào)制信號(hào)發(fā)生作用并將信號(hào)返回至RFID芯片。返回的信號(hào)經(jīng)由背向散射調(diào)制器從RFID芯片傳遞至天線(xiàn)，并隨后被發(fā)送回RFID讀取器。可選擇地，由感測(cè)材料處理的信號(hào)被用于調(diào)制RFID芯片的輸入阻抗，使得信號(hào)從RFID芯片通過(guò)天線(xiàn)背向散射至RFID讀取器，以確定感測(cè)材料的情況。
[0009]US2011/0301903提出了在其使用期間而非在制造商處的額外校準(zhǔn)步驟中校準(zhǔn)發(fā)射應(yīng)答器（例如，RFID標(biāo)簽中的傳感器）的傳感器，因此節(jié)約了相關(guān)成本。將被傳感器監(jiān)測(cè)的許多產(chǎn)品的初始條件對(duì)于產(chǎn)品的制造商來(lái)說(shuō)是熟知的且被定義好的。這種初始條件的示例包括以下方面：在生產(chǎn)與運(yùn)輸之間儲(chǔ)存產(chǎn)品的冷藏庫(kù)中的溫度；諸如牛奶和酒的液體的pH值；在受控的環(huán)境條件下包裝的容器中的玻璃的組分。這些被定義好的條件可以被用作傳感器校準(zhǔn)的參照。因此，在該發(fā)明中，相對(duì)于參照來(lái)校準(zhǔn)傳感器，該參照在傳感器的操作使用的每一種環(huán)境下是特有的。
[0010]Chen等人發(fā)表的論文“Coupling Passive Sensors to UHF RFID Tags (將被動(dòng)傳感器耦合至 UHF RFID 標(biāo)簽）”（Radio and Wireless Symposium(RWS)，2012IEEE，15-18Jan. 2012, Santa Clara, 255 - 258)探討了將被動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)耦合至已有的UHF RFID標(biāo)簽而不設(shè)計(jì)新的標(biāo)簽ASIC的可能性。通過(guò)在標(biāo)簽天線(xiàn)上疊加耦合回路和調(diào)制矢量背向散射器，已有的UHF RFID系統(tǒng)可以被用于傳遞額外的數(shù)據(jù)。載有傳感器數(shù)據(jù)的被動(dòng)傳感器的阻抗影響背向散射的相位以及大小的值。為了傳輸被動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)，被動(dòng)傳感器耦合模塊的負(fù)載在三種負(fù)載之間切換，以提供與兩個(gè)參照阻抗或被動(dòng)傳感器之間的連接。利用兩個(gè)參照阻抗，確定了被動(dòng)傳感器的阻抗。
[0011]Guerin等人發(fā)表的論文“Atemperature and gas sensor integrated on a915MHzRFID UHF tag (—種集成在915MHz RFID UHF標(biāo)簽上的溫度和氣體傳感器）”（WirelessInformation Technology and Systems(ICWITS), 2010IEEE International Conference, Honolulu, Aug. 282010-Sept. 32010)公開(kāi)了一種應(yīng)用調(diào)制背向散射原理的被動(dòng)無(wú)線(xiàn)傳感器。通過(guò)電壓控制振蕩器來(lái)產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)，其控制電壓進(jìn)而輸出頻率被確定為按照傳感器值的函數(shù)來(lái)改變。
[0012]同時(shí)待審的申請(qǐng)PCT/FI2013/051214公開(kāi)了一種被動(dòng)無(wú)線(xiàn)傳感器設(shè)計(jì)，其使得被動(dòng)無(wú)線(xiàn)傳感器的讀取距離本質(zhì)性地增大。調(diào)制信號(hào)由振蕩器產(chǎn)生，該振蕩器包括感測(cè)元件作為振蕩電路的一部分，從而調(diào)制頻率與感測(cè)元件的感測(cè)值相關(guān)。因此，感測(cè)值被編譯到調(diào)制的模擬信號(hào)的頻率中，該信號(hào)可以在不需要耗能的AD轉(zhuǎn)換器并且需要最少數(shù)量的外部組件的情況下產(chǎn)生。結(jié)果，讀取距離可以被增大至若干米，達(dá)到室內(nèi)級(jí)別。
[0013]由于短的讀取距離，所以還不需要在讀取器的范圍內(nèi)管理多個(gè)被動(dòng)無(wú)線(xiàn)傳感器標(biāo)簽。當(dāng)前可用的所有被動(dòng)無(wú)線(xiàn)傳感器均為可用于專(zhuān)用讀取器的單目的的傳感器。
[0014]UHF RFID技術(shù)(例如標(biāo)準(zhǔn)的Class-lGen-2防沖突)已經(jīng)解決了關(guān)于讀取多個(gè)無(wú)線(xiàn)標(biāo)簽的大部分問(wèn)題。然而，由于還不需要考慮遠(yuǎn)程傳感器，所以全部的RFID解決方案已經(jīng)略過(guò)了傳感器值的轉(zhuǎn)換的問(wèn)題，例如，溫度補(bǔ)償或校準(zhǔn)。
[0015]因此，需要提供用于管理和讀取具有不同的傳感器特性的多個(gè)被動(dòng)無(wú)線(xiàn)傳感器的方法、過(guò)程和設(shè)置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]本發(fā)明的一方面在于改進(jìn)被動(dòng)RFID傳感器標(biāo)簽的精度和讀取范圍。
[0017]本發(fā)明的一方面在于一種根據(jù)所附的獨(dú)立權(quán)利要求所述的集成被動(dòng)射頻識(shí)別(RFID)發(fā)射應(yīng)答器芯片。在從屬權(quán)利要求中公開(kāi)了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
[0018]本發(fā)明的一方面在于一種集成被動(dòng)射頻識(shí)別(RFID)發(fā)射應(yīng)答器芯片，包括:
[0019]整流器，通過(guò)接收到的射頻(RF)信號(hào)產(chǎn)生用于芯片的電功率；
[0020]背向散射調(diào)制器，用于利用背向散射原理進(jìn)行通信；
[0021]標(biāo)簽振蕩器，用于產(chǎn)生背向散射調(diào)制頻率；
[0022]參照負(fù)載，優(yōu)選地為參照諧振器；
[0023]選擇裝置，用于選擇性地連接參照負(fù)載或者至少一對(duì)內(nèi)部或外部諧振器和外部感測(cè)元件，以對(duì)標(biāo)簽振蕩器施加負(fù)載(load the tag oscillator)，每個(gè)外部感測(cè)元件感測(cè)預(yù)定的變量，其中，
[0024]當(dāng)參照負(fù)載被連接以對(duì)標(biāo)簽振蕩器施加負(fù)載時(shí)，標(biāo)簽振蕩器能夠產(chǎn)生為相應(yīng)的RFID系統(tǒng)定義的任意一種額定背向散射調(diào)制頻率，以及
[0025]當(dāng)所述至少一對(duì)內(nèi)部或外部諧振器和外部傳感器元件被連接以對(duì)標(biāo)簽振蕩器施加負(fù)載時(shí)，標(biāo)簽振蕩器被配置為產(chǎn)生額定背向散射調(diào)制頻率中預(yù)定的一種。
[0026]本發(fā)明的另一方面在于一種集成被動(dòng)射頻識(shí)別(RFID)發(fā)射應(yīng)答器芯片，包括:
[0027]整流器，通過(guò)接收到的射頻(RF)信號(hào)產(chǎn)生用于芯片的電功率；
[0028]背向散射調(diào)制器，用于利用背向散射原理進(jìn)行通信；
[0029]標(biāo)簽振蕩器，被配置為當(dāng)至少一個(gè)外部感測(cè)元件或至少一對(duì)內(nèi)部或外部諧振器和外部傳感器元件被連接以對(duì)標(biāo)簽振蕩器施加負(fù)載時(shí)，所述標(biāo)簽振蕩器產(chǎn)生為相應(yīng)的RFID系統(tǒng)定義的額定背向散射調(diào)制頻率中預(yù)定的一種；
[0030]參照振蕩器，能夠產(chǎn)生為相應(yīng)的RFID系統(tǒng)定義的任意一種額定背向散射調(diào)制頻率；