被動rfid傳感器標(biāo)簽的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及被動無線傳感器，具體地，涉及被動射頻識別(RFID)傳感器、RFID傳感器系統(tǒng)以及用于被動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。近來，市場上已經(jīng)可以購買到適用于任何測量目的的傳感器。根據(jù)連接方式，傳感器可被分為無線傳感器和有線傳感器。有線傳感器通過布線線束或電纜組件連接到讀取器裝置。無線傳感器可以在未物理連接到傳感器的情況下被讀取，通常通過為傳感器裝備無線電收發(fā)器來實現(xiàn)。發(fā)送的無線電信號被接收器解釋，接收器將無線信號轉(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)部件或者布線的成本以及復(fù)雜性而難以進(jìn)行有線連接的許多應(yīng)用中，無線操作可以是有益的。然而，無線傳感器也具有一些缺點，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、由于信號的不可控的傳播導(dǎo)致的安全問題以及潛在的通信速度低?；陔娫匆约巴ㄐ旁恚瑹o線傳感器可以被分為三類:主動傳感器、半被動傳感器和被動傳感器。
[0003]主動無線傳感器通常既具有無線電收發(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無線傳感器能夠使用強效的發(fā)射器和感測接收器。然而，內(nèi)置電池限制了壽命時間并且還增加了體積和重量。由于更復(fù)雜的電路，主動傳感器的價格可能比被動傳感器的價格高得多。
[0004]半被動無線傳感器不包含無線電收發(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立于讀取器裝置運行或者維持傳感器中的存儲器。半被動電池輔助傳感器應(yīng)用調(diào)制后向散射技術(shù)進(jìn)行通信。這意味著半被動傳感器不需要從內(nèi)置電池獲得任何電力來進(jìn)行發(fā)射，而傳感器簡單地將由讀取器裝置發(fā)射的功率中的一些反射回去。
[0005]與主動傳感器和半被動傳感器不同，被動傳感器不需要內(nèi)置電池。因此，它們可以更簡單、更小、更便宜，并且它們的壽命不受電源的限制。被動無線傳感器的典型的讀取距離在10cm至3m之間。被動無線傳感器可以被分為四個主要類別:射頻識別(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線電波來通信的識別技術(shù)，并且被用于識別物體。與光學(xué)條形碼識別技術(shù)相比，RFID具有一些優(yōu)點，例如在讀取器裝置與標(biāo)簽之間不需要通信視線，并且RFID讀取器能夠同時讀取數(shù)百個標(biāo)簽。被動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，其調(diào)制接收的信號12并將信號12的一部分13反射回讀取器。典型的被動標(biāo)簽包括連接到應(yīng)用專用微芯片的天線。當(dāng)被RFID收發(fā)器或讀取器無線詢問時，RFID標(biāo)簽天線從RFID讀取器接收功率和RF信號并將它們供應(yīng)至芯片。芯片處理該信號并將請求的數(shù)據(jù)發(fā)送回RFID讀取器。根據(jù)發(fā)射的數(shù)據(jù)來調(diào)制背向散射的信號。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主要用于識別。RFID標(biāo)簽配備有可重寫的存儲器，這賦予了 RFID標(biāo)簽可重復(fù)使用的特征，然而他們對于測量外部量是無用的。通過使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)換器的實施注意事項：1、2009年2月出版的名為“Development and Implementation ofRFID Technology (RFID技術(shù)的發(fā)展和實施）”的圖書中的第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：http://www. intechopen. com/books/development_and_implementation_of_rfid_technology〇
[0008]US2013/0099897公開了一種RFID讀取器、一種RFID芯片和一種電耦合到該RFID芯片并被構(gòu)造為接收來自RFID讀取器的信號并將信號發(fā)射至RFID讀取器的天線。RFID芯片設(shè)置有連接到感測材料的電接口。RFID芯片被構(gòu)造為調(diào)制從讀取器接收的信號并利用調(diào)制的信號驅(qū)動感測材料。感測材料具有可變的電特性，從而背向散射的調(diào)制信號將根據(jù)感測材料的情況而改變。不管感測材料的本質(zhì)如何，其與來自RFID芯片的調(diào)制信號發(fā)生作用并將信號返回至RFID芯片。返回的信號經(jīng)由背向散射調(diào)制器從RFID芯片傳遞至天線，并隨后被發(fā)送回RFID讀取器?？蛇x擇地，由感測材料處理的信號被用于調(diào)制RFID芯片的輸入阻抗，使得信號從RFID芯片通過天線背向散射至RFID讀取器，以確定感測材料的情況。
[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)測的許多產(chǎn)品的初始條件對于產(chǎn)品的制造商來說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)與運輸之間儲存產(chǎn)品的冷藏庫中的溫度；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，相對于參照來校準(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)探討了將被動傳感器數(shù)據(jù)耦合至已有的UHF RFID標(biāo)簽而不設(shè)計新的標(biāo)簽ASIC的可能性。通過在標(biāo)簽天線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。為了傳輸被動傳感器數(shù)據(jù)，被動傳感器耦合模塊的負(fù)載在三種負(fù)載之間切換，以提供與兩個參照阻抗或被動傳感器之間的連接。利用兩個參照阻抗，確定了被動傳感器的阻抗。
[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)公開了一種應(yīng)用調(diào)制背向散射原理的被動無線傳感器。通過電壓控制振蕩器來產(chǎn)生調(diào)制信號，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)來改變。
[0012]同時待審的申請PCT/FI2013/051214公開了一種被動無線傳感器設(shè)計，其使得被動無線傳感器的讀取距離本質(zhì)性地增大。調(diào)制信號由振蕩器產(chǎn)生，該振蕩器包括感測元件作為振蕩電路的一部分，從而調(diào)制頻率與感測元件的感測值相關(guān)。因此，感測值被編譯到調(diào)制的模擬信號的頻率中，該信號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)管理多個被動無線傳感器標(biāo)簽。當(dāng)前可用的所有被動無線傳感器均為可用于專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)于讀取多個無線標(biāo)簽的大部分問題。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)略過了傳感器值的轉(zhuǎn)換的問題，例如，溫度補償或校準(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被動無線傳感器的方法、過程和設(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)所附的獨立權(quán)利要求所述的集成被動射頻識別(RFID)發(fā)射應(yīng)答器芯片。在從屬權(quán)利要求中公開了本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
[0018]本發(fā)明的一方面在于一種集成被動射頻識別(RFID)發(fā)射應(yīng)答器芯片，包括:
[0019]整流器，通過接收到的射頻(RF)信號產(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)載或者至少一對內(nèi)部或外部諧振器和外部感測元件，以對標(biāo)簽振蕩器施加負(fù)載(load the tag oscillator)，每個外部感測元件感測預(yù)定的變量，其中，
[0024]當(dāng)參照負(fù)載被連接以對標(biāo)簽振蕩器施加負(fù)載時，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)所述至少一對內(nèi)部或外部諧振器和外部傳感器元件被連接以對標(biāo)簽振蕩器施加負(fù)載時，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射頻識別(RFID)發(fā)射應(yīng)答器芯片，包括:
[0027]整流器，通過接收到的射頻(RF)信號產(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)至少一個外部感測元件或至少一對內(nèi)部或外部諧振器和外部傳感器元件被連接以對標(biāo)簽振蕩器施加負(fù)載時，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；