CN102651084A

CN102651084A - 内置天线的高频智能标签芯片

Info

Publication number: CN102651084A
Application number: CN201210108472XA
Authority: CN
Inventors: 陆红梅
Original assignee: SHANGHAI ZHENXIAN ELECTRONIC TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: SHANGHAI ZHENXIAN ELECTRONIC TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2012-04-14
Filing date: 2012-04-14
Publication date: 2012-08-29

Abstract

本发明公开了一种内置天线的高频智能标签芯片，由高频天线、输入电容器、整流电路和信号处理电路构成。高频天线为通过光刻工艺设置在半导体基材上的多圈环绕的方形空心导电电感线圈，所述的线圈沿芯片的边缘向中心环绕设置；输入电容器为设置在半导体基材上和所述高频天线并联的等效电容器；整流电路为4端口输入输出电路，其中2个输入端口连接所述的高频天线端口，另2个输出端口为芯片内部电源供应端口，其中一个是VDD，另一个是GND；信号处理电路包含了中央控制电路、数据存储电路、时钟电路、调制解调电路、分频电路、电源管理电路和复位电路，使智能标签芯片具有独立的高频无线射频通信功能。

Description

内置天线的高频智能标签芯片

技术领域

本发明涉及高频射频通信领域和高频智能标签芯片领域，尤其涉及一种内置天线的高频智能标签芯片。

背景技术

近年来，由于射频电子技术的不断发展，特别是射频智能标签的广泛应用，正逐渐改变着人们的生活方式。常见的射频电子标签分为从电源供应方面区分有源和无源两大类；从载波频率方面区分有125KHz（130KHz）的低频频段、13.56MHz的高频频段、433MHz，915MHz的超高频频段、2.4GHz,5.8GHz的微波频段；电子标签的应用无处不在，因此产生了各种形状，适合不同应用要求的产品，使人们的生活更便利更高效。

常规的智能生产工艺是将智能标签芯片上的天线焊盘和外部天线的输入端连接起来，形成完整的射频谐振电路，实现无线射频通信的功能。但是，由于需要实现较远的通信距离，高频智能标签在小功率通信应用中一般是在5-10cm的读写距离，因此外部天线的尺寸要求比较大，通常是做成卡片形式，如公共交通卡、中国的二代身份证等形式。在某些特殊的场合，虽然降低了一些通信距离的要求，如小区公共防盗门的电子锁钥匙，可以做成异形的智能标签，挂在钥匙扣上，方便使用。但即使是异形标签，天线也是必须的部件，其尺寸也还是比较大的，无法避开芯片和天线的物理连接。

为了让射频电子标签能够更广泛地应用到日常生活中，一方面从成本上要降低到符合实际应用的需求，在某些场合，使体积缩小到某些特殊应用的场合，便于安装和使用，这就要求产品越做越小，越做越薄。

高频频段，特别是大量应用的13.56MHz频段的智能标签，电路的天线末端谐振电路大都为LC谐振双工收发天线，如果要减小产品尺寸，势必要从缩小射频天线（L）的尺寸或取消外部匹配电容器（C）两方面想办法。从缩小射频天线角度考虑，减小射频天线的尺寸后，天线的电感量将减小，在相同芯片输入电容匹配的情况下，需要加入外部匹配电容器，才能达到13.56MHz的谐振频率。

如ZL201020588840.1公开的一种天线内置式微型射频电子标签模块，就是采用上述方案实现的小型化智能标签。但是采用这种方案实现的智能标签，存在工艺复杂，产品生产成本高，产品一致性差等缺点。因为外加匹配电容器一方面占用基板空间，另一方面需要采用表面贴装工艺先将微型电容器焊接到基板上。进行表面贴装工艺时，容易将焊接剂污染到芯片焊盘，而且回流焊的高温烘烤工艺，会引起基板表面镀层的氧化变性及基板的物理尺寸变化，特别是基板变形，容易影响后续生产工艺，造成产品品质下降。增加的电容器和表面贴装工艺，都会造成成本的上升，使产品的性价比下降，影响产品综合竞争力。最主要的是，天线和芯片存在着物理连接，因此整体的尺寸商不能实现真正的微型化。

发明内容

本发明的目的是完善智能标签芯片的功能，降低智能标签产品的总体成本，实现具有市场竞争力和优势性价比的具有完整的高频智能标签功能的芯片。

本发明的技术适合在7.78 MHz、13.56MHz和27.12MHz的射频智能标签芯片产品中。

内置天线的高频智能标签芯片由高频天线、输入电容器、整流电路和信号处理电路构成：

所述的高频天线为通过光刻工艺设置在半导体基材上的多圈环绕的方形空心导电电感线圈，所述的线圈沿芯片的边缘向中心环绕设置；

所述的输入电容器为设置在半导体基材上和所述高频天线并联的等效电容器；

所述的整流电路为4端口输入输出电路，其中2个输入端口连接所述的高频天线端口，另2个输出端口为芯片内部电源供应端口，其中一个是VDD，另一个是GND；

所述的信号处理电路包含了中央控制电路、数据存储电路、时钟电路、调制解调电路、分频电路、时序电路、电源管理电路和复位电路。

进一步的，所述高频天线，设置在单层线路层的外延。

再进一步，所述高频天线设置在多层线路层的外延，天线层的数量不超过芯片电路层的总和，所有层间的天线均同相连接。

再进一步，所述高频天线和芯片等效输入电容器并联连接。

再进一步，所述高频天线和芯片等效输入电容器组成的射频电路，其谐振频率为13.56MHz。

再进一步，所述高频天线和芯片等效输入电容器组成的射频电路，其谐振频率为6.78MHz或27.12MHz。

本发明的内置天线的高频智能标签芯片，经过测试、减薄、切割、包装后就可以应用到实际项目中。

根据上述方案形成的本发明具有以下优点：通过该技术实现的芯片具有独立的非接触式功能，同时该芯片具有极微小的体积，适合在小型物体和狭窄空间内使用。

通过该技术实现的芯片，由于没有外部连接，产品的环境适应能力完全取决于芯片本身，适合在温度变化大、高湿度环境以及具有化学品腐蚀的环境中使用。

通过该技术实现的芯片取消了外接天线，也取消了天线的焊接过程，避免了芯片因受热引起的品质下降，有效地节约生产材料和降低生产成本，同时提高了产品的品质。

通过该技术实现的芯片，有效满足本领域的需求，具有极好的实用性、创造性和新颖性。

附图说明

图1 为本发明的内置天线的高频智能标签芯片的内部结构及工作原理框图。

图2 为传统的高频智能标签芯片的内部结构及工作原理框图和应用示意图。

图3为本发明的内置天线的高频智能标签芯片的内部天线连接示意图。

图4为传统的高频智能标签芯片的天线焊盘和内部电路的连接示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

本发明针对现有微型智能标签常用的生产工艺，所存在的不仅生产成本高，而且制造工艺繁琐，使用中可靠性相对较差，产品体积偏大等问题，而提供的技术解决方案，实施具体如下：

参见图2传统的高频智能标签芯片的内部结构及工作原理框图和应用示意图，虚线框1以内的部分为芯片本体，由输入电容器C1、整流电路Rectifier和信号处理电路构成。输入电容器C1为设置在半导体基材上的等效电容器，容量在10~30pF之间，偶尔也有达到100pF左右的，目的是为了和外接射频天线获得良好的匹配。整流电路Rectifier为4端口输入输出电路，其中2个输入端口In1和In2分别连接芯片外部的高频天线L1的2个端口Ant1和Ant2，和输入电容器C1并联连接。整流电路的另2个输出端口Out1和Out2为直流电源输出端，其中Out2定义为系统的电源接地（GND），Out1定义为系统的电源VDD。在Out1和Out2之间连接一个电容器C2进行滤波，以获得性能良好的直流电源供芯片内部的其他电路工作。信号处理电路包含了中央控制电路Controller、数据存储电路Data Memory、时钟电路Clock Extractor、调制解调电路Modulator、分频电路Divider、时序电路Sequencer、电源管理电路Power Management和复位电路Reset。电源管理电路Power Management将整流滤波出的支流电源进行稳压并进行负载分配，供应给其他电路，每一路的电源供给采用电子开关侍服供应，以最省电的方式进行管理，以降低电路的功耗，使芯片获得最佳的通信灵敏度。中央控制电路Controller管理着每一部分电路的工作状态和工作程序，使电路按要求的指令执行。

上述方案是目前大量应用的智能标签方案，但是射频天线和芯片的天线焊盘之间必须有物理的电性连接，才能正常工作。大尺寸的射频天线可以获得较大的电感量，一般在4~6 uH之间，通信距离较远。

为了解决微型化及天线和芯片的一体化实现方案，参见图1，本发明提供的内置天线的高频智能标签芯片，由高频天线、输入电容器、整流电路和信号处理电路构成。虚线框1以内的部分，包含了输入电容器C1、整流电路Rectifier和信号处理电路构成，和常规的智能标签芯片并无两样，惟独将射频天线L1直接设置在芯片内部。输入电容器C1为设置在半导体基材上的等效电容器，容量调整到50-300pF之间，目的是为了和内部射频天线获得良好的匹配。在较小的芯片尺寸内，射频天线的电感量无法达到常规的4~6 uH，通常只能达到0.46~2.76uH之间，因此需要增大输入电容器C1的容量来获得匹配。整流电路Rectifier为4端口输入输出电路，其中2个输入端口In1和In2分别连接芯片外部的高频天线L1的2个端口Ant1和Ant2，和输入电容器C1并联连接。整流电路的另2个输出端口Out1和Out2为直流电源输出端，其中Out2定义为系统的电源接地（GND），Out1定义为系统的电源VDD。在Out1和Out2之间连接一个电容器C2进行滤波，以获得性能良好的直流电源供芯片内部的其他电路工作。信号处理电路包含了中央控制电路Controller、数据存储电路Data Memory、时钟电路Clock Extractor、调制解调电路Modulator、分频电路Divider、时序电路Sequencer、电源管理电路Power Management和复位电路Reset。电源管理电路Power Management将整流滤波出的支流电源进行稳压并进行负载分配，供应给其他电路，每一路的电源供给采用电子开关侍服供应，以最省电的方式进行管理，以降低电路的功耗，使芯片获得最佳的通信灵敏度。中央控制电路Controller管理着每一部分电路的工作状态和工作程序，使电路按要求的指令执行。

这样，内置天线的高频智能标签芯片实际上就是一款完整的智能标签，可以独立完成智能标签的所有功能。在有些近距离应用场合，可以直接使用，或者采用提高读写器功率的方法，实现较远距离的通信。

在要求远距离应用的场合，还可以配合辅助天线进行信号接续，提高芯片的通信能力。

参见图4，为传统的高频智能标签芯片的天线焊盘和内部电路的连接示意图，在芯片本体1的区域内，设置了天线外接焊盘11和12，天线外接焊盘11通过内部连接线4和芯片输入电容器2的一个电极以及整流电路3的一个输入端进行连接；天线外接焊盘12通过内部连接线5和芯片输入电容器2的另一个电极以及整流电路3的另一个输入端进行连接。在制作成智能标签时，天线外接焊盘11和12通过引线焊接或者倒扣封装工艺外部射频天线进行物理电性连接，实现智能标签的生产过程。

参见图3，为本发明的内置天线的高频智能标签芯片的内部天线连接示意图，在芯片本体1的区域内，和传统的智能标签芯片相比，取消了天线外接焊盘，节省了大片的焊盘空间。同时，增加了一组高频天线6，天线为通过光刻工艺设置在半导体基材上的多圈环绕的方形空心导电电感线圈，所述的线圈沿芯片的边缘向中心环绕设置。天线的一个末端61通过内部连接线4和芯片输入电容器2的一个电极以及整流电路3的一个输入端进行连接；天线另一个末端62通过内部连接线5在不同的线路层跨过线圈和芯片输入电容器2的另一个电极以及整流电路3的另一个输入端进行连接。具有内置天线的高频智能标签芯片，即为一款完整的极微小智能标签。

以上描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述说明书的限制，上述说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims

1.内置天线的高频智能标签芯片，其特征在于，所述的芯片由高频天线、输入电容器、整流电路和信号处理电路构成：

2.根据权利要求1所述的内置天线的高频智能标签芯片，其特征在于，所述高频天线，设置在单层线路层的外延。

3.根据权利要求1所述的内置天线的高频智能标签芯片，其特征在于，所述高频天线设置在多层线路层的外延，天线层的数量不超过芯片电路层的总和，所有层间的天线均同相连接。

4.根据权利要求1所述的内置天线的高频智能标签芯片，其特征在于，所述高频天线和芯片等效输入电容器并联连接。

5. 根据权利要求1所述的内置天线的高频智能标签芯片，其特征在于，所述高频天线和芯片等效输入电容器组成的射频电路，其谐振频率为13.56MHz。

6. 根据权利要求1所述的内置天线的高频智能标签芯片，其特征在于，所述高频天线和芯片等效输入电容器组成的射频电路，其谐振频率为6.78MHz或27.12MHz。