張羽天+溫金芳+伍繼雄

摘 要： 當(dāng)前RFID標(biāo)簽技術(shù)有著極為廣泛的應(yīng)用，為了減少RFID標(biāo)簽的制造成本和提高工作的可靠性，提出了一種有機(jī)補(bǔ)償電路。該電路集成了8個(gè)階段的有機(jī)整流器，其最高工作頻率可以達(dá)到14 MHz，以及一個(gè)集成的PUF結(jié)構(gòu)，它產(chǎn)生一個(gè)不可克隆的隨機(jī)碼，每一個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)生成自己的代碼，并可以準(zhǔn)確地從其他電路中識(shí)別出來(lái)，耦合這兩個(gè)電路以及天線(xiàn)將可以建立一個(gè)RFID無(wú)源標(biāo)簽。該方案可以應(yīng)用于塑料薄膜中逐片有機(jī)處理的RFID標(biāo)簽中，方便設(shè)計(jì)和制造出復(fù)雜的全有機(jī)電路。

關(guān)鍵詞： RFID； 整流器； PUF結(jié)構(gòu)； 薄膜

中圖分類(lèi)號(hào)： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）18?0121?03

Design of organic compensation circuit in RFID tag

ZHANG Yu?tian， WEN Jin?fang， WU Ji?xiong

（National Engineering Research Center of Mobile Communication， Guangzhou 510310， China）

Abstract： RFID tag technology has been widely used nowadays. In order to reduce the cost of RFID tag and improve its working stability， a kind of organic compensation circuit is proposed in this paper. This circuit， whose maximum working frequency can reach 14 MHz， integrates organic rectifiers in eight stages and an integrated PUF structure， which can generate a random code that can not be cloned. Each structure has its own code which can be detected from other circuits. A RFID passive tag can be built by coupling these two circuits and antennas. The scheme can be used in sheet?by?sheet organically?processed RFID tags which are integrated on one plastic thin?film and can facilitate the design and production of complex full?organic circuits.

Keywords： RFID； Rectifiers； PUF structure； thin film

0 引 言

RFID標(biāo)簽被預(yù)測(cè)為將取代諸如條形碼等現(xiàn)有非接觸式識(shí)別技術(shù)，并且還具備其他的功能，如感知功能。目前來(lái)說(shuō)實(shí)現(xiàn)這種技術(shù)主要的問(wèn)題是標(biāo)簽價(jià)格較高，業(yè)界正在研究采用非傳統(tǒng)的硅電子設(shè)備，以減少RFID標(biāo)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(jī)電子元器件技術(shù)。有機(jī)電子器件廣泛應(yīng)用于靈活性較高的太陽(yáng)能電池板和傳感器等領(lǐng)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(jī)自主的射頻（RF）標(biāo)簽中使用，其基本原理是基于物理不可克隆函數(shù)（PUF）結(jié)構(gòu)輸出代碼，將惟一的標(biāo)識(shí)號(hào)發(fā)送到讀取器上。

這種標(biāo)簽的電原理如圖1所示。放置在天線(xiàn)之后的晶體管受PUF的輸出控制，并用于改變標(biāo)簽的輸入阻抗，從而產(chǎn)生含有該標(biāo)記標(biāo)識(shí)的背散射信號(hào)。并行輸入/串行輸出（PISO）寄存器可以用來(lái)將PUF結(jié)構(gòu)的并行輸出轉(zhuǎn)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(jī)壓控振蕩器（VCO）已經(jīng)在一些文獻(xiàn)中得以證明[3]。本文的工作將集中在整流器和PUF結(jié)構(gòu)。

圖1 無(wú)源有機(jī)標(biāo)簽的框圖

首先提出的電路是一個(gè)有機(jī)的、集成了8個(gè)階段的整流器電路，其能夠提供一個(gè)20 V電源，用于工作頻率為14 MHz的有機(jī)電路供電。當(dāng)前的有機(jī)整流器只包含一個(gè)有機(jī)二極管，配合外部的無(wú)機(jī)電容器一起使用。本文采用了第一級(jí)整流，利用有機(jī)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(jī)整流器和整流器后級(jí)的模擬或數(shù)字電路。該電路為PUF結(jié)構(gòu)，其生成基于所述有機(jī)過(guò)程的散射的隨機(jī)識(shí)別碼[4?5]。另外，文中選取應(yīng)用廣泛的靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SRAM）的PUF結(jié)構(gòu)，因?yàn)槠銻FID標(biāo)簽相對(duì)簡(jiǎn)單。事實(shí)上，只需要6個(gè)晶體管來(lái)創(chuàng)建一個(gè)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(biāo)簽的壽命仍然是完全相同的。該代碼是無(wú)法預(yù)測(cè)的，這意味著即使創(chuàng)建PUF結(jié)構(gòu)的一個(gè)克隆，但由于散射過(guò)程，其不可能獲得相同的生成代碼。

1 有機(jī)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(jī)電容、二極管和晶體管的處理。事實(shí)上，所有提到的有機(jī)整流器，都是由一個(gè)單一的垂直有機(jī)二極管或橫向的有機(jī)二極管制成，它連接到一個(gè)外部分立的無(wú)機(jī)電容且同時(shí)不與其他有機(jī)電路相連接。研究中所使用有機(jī)的層到層處理用來(lái)創(chuàng)建N和P型有機(jī)晶體管，其通過(guò)工業(yè)的方法，并且基于 Cadence公司的VIRTUOSO的版圖套件來(lái)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(jī)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(guò)在頂部（柵極）和底部連接的電極（源極和漏極）實(shí)現(xiàn)，他們是由電介質(zhì)和有機(jī)半導(dǎo)體之間隔開(kāi)。串聯(lián)連接在二極管和電容器配置的有機(jī)N型晶體管的顯微圖像分別如圖2所示。

圖2 有機(jī)晶體管的顯微圖像

利用惠普4156器件分析儀測(cè)試該二極管。其直流的特性是通過(guò)在陽(yáng)極上產(chǎn)生從-15 V掃描到+40 V的電壓來(lái)表征，而在陰極的電壓設(shè)置為0 V。測(cè)量所產(chǎn)生的電流，并由下列等式推導(dǎo)出電流密度：

[J=idS]

式中：J為電流密度，單位為A/cm2；id為測(cè)量得到的電流；S為在兩個(gè)電極之間電流所跨越的面積，這個(gè)面積采用近似的方法得到?？紤]到電流從漏極到源極的移動(dòng)，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(jì)算如公式所示：

S=H·Wtot=H·4·W

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

2 有機(jī)整流器

無(wú)論是二極管或電容器的配置，使用的有機(jī)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(jī)8階段整流器的電路圖

每個(gè)階段由4個(gè)晶體管構(gòu)成，其中2個(gè)用作二極管，另外2個(gè)用作電容器。整流器的總尺寸為5 mm×32 mm。該整流器通過(guò)電測(cè)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(fā)電機(jī)產(chǎn)生±20 V的正弦電壓施加整流器的輸入，測(cè)定DC在不同輸入頻率的輸出電壓。

3 PUF架構(gòu)設(shè)計(jì)

為了保證從標(biāo)簽到讀取器的安全傳輸，標(biāo)簽必須能夠發(fā)送它的標(biāo)識(shí)號(hào)。為此設(shè)計(jì)和制造了一個(gè)PUF結(jié)構(gòu)。該P(yáng)UF結(jié)構(gòu)的主要目的是生成基于上述散射過(guò)程的隨機(jī)碼。每個(gè)PUF結(jié)構(gòu)，即使采用相同的工藝制造，也將會(huì)有一個(gè)獨(dú)特的不可預(yù)測(cè)的輸出代碼。生成的隨機(jī)碼在標(biāo)簽的生命周期內(nèi)是相同的。所設(shè)計(jì)的PUF結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)都有4個(gè)平行輸出比特位。為了能夠產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)碼，文中選取基于SRAM PUF的系統(tǒng)?；赟RAM PUF結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是只需要6個(gè)晶體管來(lái)產(chǎn)生輸出比特位，這在硬件方面只需要一個(gè)非常小的消耗。PUF結(jié)構(gòu)通過(guò)并聯(lián)4個(gè)SRAM設(shè)備構(gòu)成，每一個(gè)產(chǎn)生一個(gè)輸出位。在PUF結(jié)構(gòu)中4個(gè)SRAM設(shè)備的其中1個(gè)的電原理圖如圖4所示。

圖4 構(gòu)成PUF結(jié)構(gòu)中的1個(gè)SRAM設(shè)備的電氣原理

功能原理如下：當(dāng)電源電壓被接通時(shí)，不穩(wěn)定的電氣狀態(tài)迫使在SRAM存儲(chǔ)器內(nèi)環(huán)逆變器輸出一個(gè)“1”邏輯值。一旦該值被建立時(shí)，寫(xiě)線(xiàn)路被置為“1”，并且PUF結(jié)構(gòu)的輸出線(xiàn)的隨機(jī)值被復(fù)制。此SRAM設(shè)備復(fù)制4次，以創(chuàng)建一個(gè)4個(gè)輸出比特位的PUF結(jié)構(gòu)。該P(yáng)UF結(jié)構(gòu)與有機(jī)8個(gè)階段的整流器一樣，也是在制造相同的塑料薄膜上。

4 結(jié) 論

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

表1 有機(jī)整流器的總結(jié)

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(yōu)勢(shì)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(jī)處理流程進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，這與文獻(xiàn)中提出的其他電路類(lèi)似。

由整流產(chǎn)生的20 V電源足以使雙方的PUF結(jié)構(gòu)和VCO正常運(yùn)作。另外在測(cè)試中使用了1 MΩ電阻充電，用以模擬并測(cè)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(jié)構(gòu)具有的消耗可以忽略不計(jì)，因?yàn)樗蕾?lài)于兩個(gè)環(huán)形逆變器均處于一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。文中第二個(gè)提出的電路是一個(gè)集成的PUF結(jié)構(gòu)，它產(chǎn)生一個(gè)不可克隆的隨機(jī)碼。每一個(gè)單一的結(jié)構(gòu)生成自己的代碼，準(zhǔn)確地從其他電路中識(shí)別出來(lái)。耦合這兩個(gè)電路以及天線(xiàn)將可以建立一個(gè)RFID無(wú)源標(biāo)簽，其中沒(méi)有任何電池，由于在整流產(chǎn)生DC電壓能夠提供一個(gè)電路，如PUF結(jié)構(gòu)。還證明在以往的有機(jī)層到層印刷電路下，可以由該整流器提供一個(gè)20 V的電源來(lái)工作。可以設(shè)計(jì)和制造出復(fù)雜的全有機(jī)電路而無(wú)需任何無(wú)機(jī)外部組件。

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