RFID标签中有机补偿电路的设计

　　0 引 言

　　RFID标签被预测为将取代诸如条形码等现有非接触式识别技术，并且还具备其他的功能，如感知功能。目前来说实现这种技术主要的问题是标签价格较高，业界正在研究采用非传统的硅电子设备，以减少RFID标签的制造成本。主要解决方案之一就是在制造成本较低的塑料薄膜中采用有机电子元器件技术。有机电子器件广泛应用于灵活性较高的太阳能电池板和传感器等领域[1?2]。本文提出了不同的片到片制造电路。这些电路可以在有机自主的射频(RF)标签中使用，其基本原理是基于物理不可克隆函数(PUF)结构输出代码，将惟一的标识号发送到读取器上。

　　这种标签的电原理如图1所示。放置在天线之后的晶体管受PUF的输出控制，并用于改变标签的输入阻抗，从而产生含有该标记标识的背散射信号。并行输入/串行输出(PISO)寄存器可以用来将PUF结构的并行输出转换为串行代码。并行输入/串行输出寄存器，主要有D?锁存器。有机压控振荡器(VCO)已经在一些文献中得以证明[3]。本文的工作将集中在整流器和PUF结构。

　　图1 无源有机标签的框图

　　首先提出的电路是一个有机的、集成了8个阶段的整流器电路，其能够提供一个20 V电源，用于工作频率为14 MHz的有机电路供电。当前的有机整流器只包含一个有机二极管，配合外部的无机电容器一起使用。本文采用了第一级整流，利用有机的层到层处理方式[3]。因此可以在相同的塑料薄膜上建立有机整流器和整流器后级的模拟或数字电路。该电路为PUF结构，其生成基于所述有机过程的散射的随机识别码[4?5]。另外，文中选取应用广泛的静态随机存取存储器(SRAM)的PUF结构，因为其RFID标签相对简单。事实上，只需要6个晶体管来创建一个位的输出代码，生成的代码在相同的塑料薄膜上随着PUF的不同而不同，但标签的寿命仍然是完全相同的。该代码是无法预测的，这意味着即使创建PUF结构的一个克隆，但由于散射过程，其不可能获得相同的生成代码。

　　1 有机晶体管、电容和二极管

　　本文研究的目的是采用相同的层到层的处理方法完成有机电容、二极管和晶体管的处理。事实上，所有提到的有机整流器，都是由一个单一的垂直有机二极管或横向的有机二极管制成，它连接到一个外部分立的无机电容且同时不与其他有机电路相连接。研究中所使用有机的层到层处理用来创建N和P型有机晶体管，其通过工业的方法，并且基于 Cadence公司的VIRTUOSO的版图套件来布局文件。这使得连接晶体管的电极作为二极管或电容器成为可能。为了使有机晶体管作为二极管工作，栅极和源极需要连接在一起。以相同的方式可以制成电容器，通过在顶部(栅极)和底部连接的电极(源极和漏极)实现，他们是由电介质和有机半导体之间隔开。串联连接在二极管和电容器配置的有机N型晶体管的显微图像分别如图2所示。

　　图2 有机晶体管的显微图像

　　利用惠普4156器件分析仪测试该二极管。其直流的特性是通过在阳极上产生从-15 V扫描到+40 V的电压来表征，而在阴极的电压设置为0 V。测量所产生的电流，并由下列等式推导出电流密度：

　　[J=idS]

　　式中：J为电流密度，单位为A/cm2;id为测量得到的电流;S为在两个电极之间电流所跨越的面积，这个面积采用近似的方法得到。考虑到电流从漏极到源极的移动，穿越的面积等于电极的高度(H)乘以总通道宽度(Wtot)。该部分的计算如公式所示：

　　S=H?Wtot=H?4?W

　　由于每个的电容连接的晶体管有4个平行的通道，总管宽度(Wtot)是一个单信道的4倍宽度(W)。所述电极的高度为30 nm，而一个通道有一个450 μm的宽度。

　　2 有机整流器

　　无论是二极管或电容器的配置，使用的有机整流器都采用屏印刷晶体管的电气原理图，如图3所示。

图3 有机8阶段整流器的电路图

　　每个阶段由4个晶体管构成，其中2个用作二极管，另外2个用作电容器。整流器的总尺寸为5 mm×32 mm。该整流器通过电测试，采用1 MΩ电阻用于模拟电流消耗在其输出端的电荷电阻。使用Tektronik AWG2040发电机产生±20 V的正弦电压施加整流器的输入，测定DC在不同输入频率的输出电压。

　　3 PUF架构设计

　　为了保证从标签到读取器的安全传输，标签必须能够发送它的标识号。为此设计和制造了一个PUF结构。该PUF结构的主要目的是生成基于上述散射过程的随机码。每个PUF结构，即使采用相同的工艺制造，也将会有一个独特的不可预测的输出代码。生成的随机码在标签的生命周期内是相同的。所设计的PUF结构中的每一个都有4个平行输出比特位。为了能够产生一个随机码，文中选取基于SRAM PUF的系统。基于SRAM PUF结构的主要优点是只需要6个晶体管来产生输出比特位，这在硬件方面只需要一个非常小的消耗。PUF结构通过并联4个SRAM设备构成，每一个产生一个输出位。在PUF结构中4个SRAM设备的其中1个的电原理图如图4所示。

　　图4 构成PUF结构中的1个SRAM设备的电气原理

　　功能原理如下：当电源电压被接通时，不稳定的电气状态迫使在SRAM存储器内环逆变器输出一个“1”逻辑值。一旦该值被建立时，写线路被置为“1”，并且PUF结构的输出线的随机值被复制。此SRAM设备复制4次，以创建一个4个输出比特位的PUF结构。该PUF结构与有机8个阶段的整流器一样，也是在制造相同的塑料薄膜上。

　　4 结 论

　　本文针对塑料薄片提出了两种集成电路，它可以在一个全有机RFID标签中使用。先介绍了一个有机8阶段的整流器，其能够提供一个20 V直流电压，有1的转换增益。该电路的输入整流正弦电压，振荡的频率最高可达14 MHz。关于一些高性能整流器的总结如表1所示。

　　表1 有机整流器的总结

　　从表1中可以看出，本文所提出的整流器从截止频率方面，以及二极管的电流密度和整改率上看，是处于优势地位的，尽管很多整流器的制造使用了昂贵的真空工艺。此外，该电路可以采用相同的有机处理流程进行设计和制造，这与文献中提出的其他电路类似。

　　由整流产生的20 V电源足以使双方的PUF结构和VCO正常运作。另外在测试中使用了1 MΩ电阻充电，用以模拟并测试20 μA的消耗在20 V电源供电下。在前面介绍的VCO仅消耗1 μA以及PUF结构具有的消耗可以忽略不计，因为它依赖于两个环形逆变器均处于一个稳定的状态。文中第二个提出的电路是一个集成的PUF结构，它产生一个不可克隆的随机码。每一个单一的结构生成自己的代码，准确地从其他电路中识别出来。耦合这两个电路以及天线将可以建立一个RFID无源标签，其中没有任何电池，由于在整流产生DC电压能够提供一个电路，如PUF结构。还证明在以往的有机层到层印刷电路下，可以由该整流器提供一个20 V的电源来工作。可以设计和制造出复杂的全有机电路而无需任何无机外部组件。