CN101447603A - 一种rfid芯片上的具有渐进式结构的天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种RFID芯片上的具有渐进式结构的天线，包括氧化层，淀积于RFID芯片上；天线，位于氧化层上，为螺旋状结构，所述天线分成多个组，每个组包括的天线圈数相同，每个组内的天线宽度和天线间间距相同，由外圈至内圈，各个组之间的所述天线宽度和所述天线间间距都呈线性减小，本发明提出的天线的金属导体损耗小，品质因子Q值高，从而使其能量损耗更小，同时具有更大的中空面积，且等效面积更大，将有更大的感应电压。

Description

一种RFID芯片上的具有渐进式结构的天线

技术领域

本发明涉及集成电路制造技术领域，且特别涉及一种RFID芯片上的具有渐进式结构的天线。

背景技术

随着超大规模集成电路技术、计算机技术以及信息安全技术的发展，IC卡技术日趋成熟。现在，非接触式IC卡由于具有使用方便、无机械触点磨损、稳定可靠、维护费用低等诸多优点，已经在多个领域开始取代接触式IC卡。

非接触式IC卡的天线用于获得卡上电路工作所需要的电能并与读卡机天线通过电磁耦合的方式交换数据。目前市场上销售的IC卡，都是片外天线形式的，其优点是天线Q值较高、易于制造、成本适中，但它的体积较大、易折断，不能胜任防伪或以生物标签形式埋入动物内等任务。如果把天线放在芯片中将会使整个IC卡体积更小，使用更加方便，随着产量的增大，有望降低成本，扩大在商品防伪等领域中的应用。由于片上天线的外边长受芯片面积的限制而不能做大，决定了其必须增加环绕圈数来获得足够的磁通量；并且片上天线远大于片外天线的寄生参数使得其Q值极小，感应的能量很低，因此限制了其实际应用。

片上天线的实现仍以硅基集成电感为主，国内外对硅基集成电感的研究已做过不少工作，其重点为如何提高硅基集成电感在谐振状态下的Q值问题，硅基集成电感的本征频率多在几个GHz左右，而电子标签的工作频率只有13.56MHz，故要求片上天线应比硅基集成电感具有更大的寄生电感或电容，为此片上天线会引入更多的连线损耗，从而导致它在谐振条件下的Q值并不理想。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种可以降低集成天线的金属导体损耗、改善集成天线的品质因子并获得较高的感应能量的集成天线。

为了实现上述目的，本发明提供一种RFID芯片上的具有渐进式结构的天线，包括氧化层，淀积于RFID芯片上；天线，位于氧化层上，为螺旋状结构，所述天线分成多个组，每个组包括的天线圈数相同，每个组内的天线宽度和天线间间距相同，由外圈至内圈，各个组之间的所述天线宽度和所述天线间间距都呈线性减小。

可选的，每个组内的所述天线宽度和所述天线间间距的比值范围为1到2.5。

可选的，所述天线为单层结构。

可选的，所述天线的厚度范围为1微米至5微米。

可选的，所述天线的总的圈数介于20圈到100圈之间。

可选的，所述天线的外边长介于1毫米至6毫米之间。

可选的，所述天线的形状为正方形、长方形或圆形。

可选的，所述天线的电感值介于3微亨至6微亨之间。

本发明片上天线的有益效果为：该片上天线在外边长和圈数不变的前提下，通过改变天线宽度及天线间间距的大小，使得天线宽度从外圈到内圈呈线性减小，且天线间间距从外圈到内圈也同样呈线性减小，同时每个组内的所述天线宽度和所述天线间间距的比值范围为1到2.5，这样做的目的是在相同的外边长和圈数情况下，能获得更大的中空面积和更小的金属导体损耗，从而品质因子Q值更高，能量损耗更小；另外，该片上天线的氧化层采用2微米至10微米厚的硅酸氟，金属导体采用1微米至5微米厚的铜导体，外边长介于1毫米至6毫米之间，圈数介于20圈到100圈之间，这样做的目的是在满足大电感值的前提下，能获得最大的等效面积、磁场中感应到的开路电动势和负载引入端电压。

附图说明

图1为本发明实施例具有渐进式结构的13.56MHz片上天线的侧视图；

图2为本发明实施例具有渐进式结构的13.56MHz片上天线的结构示意图；

图3为图2的局部放大图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

请参考图1，图1为本发明实施例具有渐进式结构的13.56MHz片上天线的侧视图，本实施例包括氧化层112，淀积于RFID芯片111上，天线114，位于氧化层上，为螺旋状单层结构，其厚度的范围为1微米至5微米。

本发明的具体的制造方法包括如下步骤：(a)完成RFID芯片111的制造；(b)在RFID芯片111表面淀积一层绝缘材料层112；(c)光刻、刻蚀芯片连接区域113及天线结构114，天线结构为单层螺旋状结构，其厚度的范围为1微米至5微米，并去胶清洗；(d)淀积金属扩散阻挡层、电镀金属层；(e)金属化学机械抛光，清洗；(f)淀积绝缘材料保护层115，完成片上天线的制造，氧化层材料采用硅酸氟，厚于先前技术，氧化层是经过多次工艺成型。

接着，请参考图2和图3，图2为本发明实施例具有渐进式结构的13.56MHz片上天线的结构示意图，图3是图2的局部放大图，即为图2左下角的A区的放大图，天线的输入输出两端是位于对角线的两端，这是由RFID芯片10中所对应的焊盘13位置决定的；而且天线的输入输出两端通过过孔11直接与芯片所对应的焊盘13相连。为了光刻过程的方便，在输入输出两端，沿着金属线有一排过孔11，过孔全部在焊盘13的范围内，天线的外边长是由芯片的尺寸决定的，天线外边长不大于芯片的尺寸，一般为1毫米至6毫米之间。

天线的总圈数介于20圈到200圈之间，具体圈数值跟天线的外边长有关。在其它参数不变的情况下，要获得相同的电感值，螺旋线圈的外边长越大，所需的线圈圈数就越少，反之，圈数将越多。

天线的金属线圈是采用平面螺旋结构的，外形是正方形。这是因为芯片结构一般为正方形、长方形或圆形结构，集成天线的结构也采用正方形、长方形或圆形，这将使天线获得最大的自身等效面积，从而获得尽可能大的磁场中感应到的开路电动势。

图3中可以清楚的看到，本发明的天线被分成多个组，每个组包括的天线圈数相同，每个组内的天线宽度12和天线间间距14相同，由外圈至内圈，各个组之间的所述天线宽度12和所述天线间间距14都呈线性减小，天线为金属导体，每个组内的所述天线宽度12和所述天线间间距14的比值范围为1到2.5。

假设天线宽度w_n12从外圈到内圈每隔N/M圈逐渐减小，且天线间间距s_n14从外圈到内圈每隔N/M圈随着w_n的减小而减小，每个组包括的天线圈数即为N/M圈，这里N为片上天线总圈数，M为天线宽度12和天线间间距14大小变化的种数，且N/M为整数。因此，w_n(n＝1，2，...，N)和s_n(n＝1，2，...，N-1)由下列计算公式：

$w_1=w_2=L=w_{\frac{N}{M}},$

$w_{(\frac{N}{M}+1)}=w_{(\frac{N}{M}+2)}=L=w_{\left(\frac{2N}{M}\right)},$

……

$w_{(\frac{(M-2)N}{M}+1)}=w_{(\frac{(M-2)N}{M}+2)}=L=w_{\left(\frac{(M-1)N}{M}\right)},$

$w_{(\frac{(M-1)N}{M}+1)}=w_{(\frac{(M-1)N}{M}+2)}=L=w_N$

同理： $s_1=s_2=L=s_{\frac{N}{M}},$

$s_{(\frac{N}{M}+1)}=s_{(\frac{N}{M}+2)}=L=s_{\left(\frac{2N}{M}\right)},$

……

$s_{(\frac{(M-2)N}{M}+1)}=s_{(\frac{(M-2)N}{M}+2)}=L=s_{\left(\frac{(M-1)N}{M}\right)},$

$s_{(\frac{(M-1)N}{M}+1)}=s_{(\frac{(M-1)N}{M}+2)}=L=s_{N-1}$

其中，w_N和w₁分别为最外圈和最内圈的天线宽度，s_N-1和s₁分别为最外圈线圈与它相邻线圈之间的间距和最内圈线圈与它相邻线圈之间的间距。当M为奇数时， ${w_1+w}_{(\frac{(M-1)N}{M}+1)}=w_{(\frac{N}{M}+1)}+w_{(\frac{(M-2)N}{M}+1)}=L={2w}_{(\frac{(M-1)N}{2M}+1)},$

且 $w_{(\frac{(M-1)N}{M}+1)}>w_{(\frac{(M-2)N}{M}+1)}>L>w_{(\frac{(M-1)N}{2M}+1)}>{L>w}_{(\frac{N}{M}+1)}>w_1;$

${s_1+s}_{(\frac{(M-1)N}{M}+1)}=s_{(\frac{N}{M}+1)}+s_{(\frac{(M-2)N}{M}+1)}=L={2s}_{(\frac{(M-1)N}{2M}+1)},$

且 $s_{(\frac{(M-1)N}{M}+1)}>s_{(\frac{(M-2)N}{M}+1)}>L>s_{(\frac{(M-1)N}{2M}+1)}>{L>s}_{(\frac{N}{M}+1)}>s_1.$

当M为偶数时， ${w_1+w}_{(\frac{(M-1)N}{M}+1)}=w_{(\frac{N}{M}+1)}+w_{(\frac{(M-2)N}{M}+1)}=L={2w}_{(\frac{(\frac{M}{2}-1)N}{M}+1)}+w_{(\frac{N}{2}+1)},$

且 $w_{(\frac{(M-1)N}{M}+1)}>w_{(\frac{(M-2)N}{M}+1)}>L>w_{(\frac{N}{2}+1)}>w_{(\frac{(\frac{M}{2}-1)N}{M}+1)}>{L>w}_{(\frac{N}{M}+1)}>w_1;$

${s_1+s}_{(\frac{(M-1)N}{M}+1)}=s_{(\frac{N}{M}+1)}+s_{(\frac{(M-2)N}{M}+1)}=L=s_{(\frac{(\frac{M}{2}-1)N}{M}+1)}+s_{(\frac{N}{2}+1)},$

且 $s_{(\frac{(M-1)N}{M}+1)}>s_{(\frac{(M-2)N}{M}+1)}>L>s_{(\frac{N}{2}+1)}>s_{(\frac{(\frac{M}{2}-1)N}{M}+1)}>{L>s}_{(\frac{N}{M}+1)}>s_1.$

在上述的设计方法中，片上天线从外圈到内圈，天线宽度w_n12及天线间间距s_n14的数值每隔N/M圈呈均匀递减，另外天线为单层结构，天线的厚度范围为1微米至5微米，所述天线的电感值介于3微亨至6微亨之间。

下面针对此设计，用具体的数字加以说明，其中涉及的字母含义与上述公式中的含义相同，本发明实施例的第一种情况，片上天线的氧化层材料为硅酸氟(FSG)，厚度为8μm；螺旋线圈的金属导体材料为铜，平面特性为等平面，并采用正方形螺旋线圈结构，厚度为5μm；外边长为1.3mm，螺旋线圈圈数为60圈；为了方便数据设计，本实施例采用了等差分布的线宽w_n，以及大致上呈均匀递减的间距s_n，且天线宽度和天线间间距大小变化的种数M取3，得到一组设计数据如下：从外圈到内圈每隔20圈的天线宽度w_n分别为2.15μm，2μm，1.85μm；而从外圈到内圈每隔20圈的天线间间距s_n分别为1.1μm，1μm，0.9μm。

本发明实施例的另一种情况，为片上天线的氧化层材料为FSG，厚度为8μm；螺旋线圈的金属导体材料为铜，平面特性为等平面，并采用正方形螺旋线圈结构，厚度为5μm；外边长为1.3mm，螺旋线圈圈数为60圈；为了方便数据设计，本实施例采用了等差分布的线宽w_n，以及大致上呈均匀递减的间距s_n，且天线宽度和天线间间距大小变化的种数M取4，得到一组设计数据如下：从外圈到内圈每隔15圈的天线宽度w_n分别为2.15μm，2.05μm，1.95μm，1.85μm；而从外圈到内圈每隔15圈的天线间间距s_n分别为1.1μm，1.03μm，0.97μm，0.9μm。

通过对上述优选实施例进行一系列的性能仿真，从仿真结果可知，采用本发明的具有改进型结构片上天线的设计方法能够有效提高片上天线的性能。天线宽度w_n和天线间间距s_n的设计遵循从外圈到内圈每隔N/M圈均匀递减的原则，能获得较佳的性能值。该片上天线的金属导体损耗小，品质因子Q值高，从而使其能量损耗更小；同时具有更大的中空面积，且等效面积更大，将有更大的感应电压。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (8)

1.一种RFID芯片上的具有渐进式结构的天线，包括氧化层，淀积于RFID芯片上；天线，位于氧化层上，为螺旋状结构，其特征在于：所述天线分成多个组，每个组包括的天线圈数相同，每个组内的天线宽度和天线间间距相同，由外圈至内圈，各个组之间的所述天线宽度和所述天线间间距都呈线性减小。

2.根据权利要求1所述一种RFID芯片上的具有渐进式结构的天线，其特征在于每个组内的所述天线宽度和所述天线间间距的比值范围为1到2.5。

3.根据权利要求1所述一种RFID芯片上的具有渐进式结构的天线，其特征在于所述天线为单层结构。

4.根据权利要求3所述一种RFID芯片上的具有渐进式结构的天线，其特征在于所述天线的厚度范围为1微米至5微米。

5.根据权利要求1所述一种RFID芯片上的具有渐进式结构的天线，其特征在于所述天线的总的圈数介于20圈到100圈之间。

6.根据权利要求1所述一种RFID芯片上的具有渐进式结构的天线，其特征在于所述天线的外边长介于1毫米至6毫米之间。

7.根据权利要求1所述一种RFID芯片上的具有渐进式结构的天线，其特征在于所述天线的形状为正方形、长方形或圆形。

8.根据权利要求1所述一种RFID芯片上的具有渐进式结构的天线，其特征在于所述天线的电感值介于3微亨至6微亨之间。

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