CN109075187A - 用于无线通信设备的基于moscap的电路及其制造和使用方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种无线（例如近场或射频）通信设备，及其制造和使用的方法。所述无线通信设备包括接收器和/或发射器、在其上具有天线的基板、集成电路、以及一个或多个连续性传感器。所述天线接收和/或反向散射无线信号。所述集成电路处理所述无线信号和/或由该处理而得的信息，和/或生成所述无线信号和/或用于该生成的信息。所述连续性传感器配置用于感测或确定所述包装或容器中存在化学品或物质，以及因此的所述包装或容器的连续性状态，所述通信设备放置在或者固定或粘附在所述包装或者容器上。所述连续性传感器电连接到所述集成电路的一组端子，该组端子不同于所述天线所电连接的那组端子。

Description

用于无线通信设备的基于MOSCAP的电路及其制造和使用方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年5月4日提交的美国临时专利申请62/156,687号的权益，其通过引用并入本文，如同在本文中完全阐述一样。
技术领域
本发明大体上涉及无线(例如近场和射频)通信领域。更具体地，本发明的实施例涉及无线标签和设备及其制造和使用的方法，该无线标签和设备具有以金属氧化物半导体电容器(MOSCAP)为基础的前端。
背景技术
印刷的掺杂多晶硅(PDPS)晶体管和其他类型或种类的晶体管的有限截止频率可能无法使其应用于工作在更高射频(例如，超高频)的RFID标签。然而，PDPS和其他晶体管的实现和使用是众所周知的，包括用于MOSCAP设备。这样的晶体管和MOSCAP设备在许多应用中非常有用。然而，需要一种低成本、可靠的解决方案来调制(例如，编码)信息并探测RFID或其他无线标签(例如，工作在一个或多个UHF和/或RF频率)中的高频无线信号。
本“背景技术”部分仅用于提供背景信息。本“背景技术”部分中的陈述不是对本“背景技术”部分中公开的主题构成本公开的现有技术的承认，且本“背景技术”部分中的任何部分都不应视为承认本申请的任何部分(包括本“背景技术”部分)构成本公开的现有技术。
发明内容
本发明涉及非线性电容器，包括非线性电容器的无线(例如，近场通信[NFC],射频[RF和/或RFID]，高频[HF]和超高频[UHF])设备，以及制造和使用此种非线性电容器和无线通信设备的方法。例如，非线性MOSCAP设备(例如，配置或接线为电容器的MOS晶体管)可以被用来制作RFID或者其他无线标签中的调制器和/或检测器，该标签能够运行在相应晶体管的截止频率范围之外。所述调制器和/或检测器可以被替换或加入到RFID或其他无线标签(其工作在一个或多个UHF频率)的前端。因此，一方面，本发明涉及非线性电容器，其包括第一电极、与所述第一电极接触的介电层和第二电极，该第二电极通过所述介电层和第一半导体(例如印刷掺杂多晶硅)与所述第一电极隔开的。
在各种实施例中，所述第二电极可以包括第二半导体(例如印刷掺杂多晶硅)，且所述介电层可以包括氧化硅。例如，所述介电层可以包括二氧化硅。在进一步的实施例中，所述第二电极与所述介电层接触，且所述介电层可以具有实质上恒定的厚度。在一个实例中，所述非线性电容器包括金属氧化物半导体(MOS)晶体管，所述第一半导体包括所述MOS晶体管的源极和漏极区域，其中二者相互电气连接，所述第二电极包括所述MOS晶体管的栅极，并且所述介电层包括所述MOS晶体管的栅极介电层。所述MOS晶体管的源极和漏极区域可以包括在第一印刷掺杂多晶硅体中的第一和第二重掺杂区域，并且所述MOS晶体管可以进一步包括分别连接至所述第一和第二重掺杂区域且相互电气连接的第一和第二金属电极。此种MOS晶体管表现为电压依赖型非线性电容器。
在一些额外或替代性的实施例中，所述第二电极与第一电极重叠，所述第一电极至少在一个维度上的值大于第二电极在该维度的值，这样使得所述第一电极的至少一个区域没有被第二电极覆盖，和/或所述介电层在第一电极的所述至少一个区域中具有至少一个开口没有被第二电极覆盖。此外，所述第一电极(例如源极和漏极区域)的至少第一和第二区域可以不被第二电极覆盖，所述介电层可以在第一电极的所述第一和第二区域的每个中具有开口，且其没有被第二电极覆盖(例如，用于与所述源极和漏极区域接触)，并且非线性电容器进一步包括位于介电层中的每个开口中的触点。所述非线性电容器可以进一步包括一条或多条金属线，所述金属线电气连接所述介电层中的开口里的触点，连接至相互之间和/或连接到其他电气结构。
在进一步的实施例中，所述非线性电容器进一步包括基板。所述第一电极可以位于所述基板上，所述介电层可以位于所述第一电极上，且所述第二电极可以位于所述介电层上。
另一方面，本发明涉及一种无线设备，包括所述非线性电容器和天线。所述天线的第一端或极电气连接至所述非线性电容器的第一电极，且所述天线的第二端或极可以电气连接至所述非线性电容器的第二电极。在一些实施例中，所述无线通信设备包括近场和/或射频通信设备。因此，所述无线设备可以进一步包括接收器(例如整流器和/或解调器)和/或发射器(例如调制器)，在其上具有所述非线性电容器和/或天线的基板，和/或集成电路(其可以位于与所述天线和/或非线性电容器相同或不同的基板上)。所述天线配置用于接收(或从其吸收能量)来自于外部设备(例如读取器)的第一无线信号，并反向散射在其上编码或与其结合了第二信号的所述第一信号。在一些实施例中(例如，具有能够工作在主载波频率下的振荡器)，所述天线可以发射或广播无线信号(例如，到外部设备)。所述集成电路可以处理(i)所述第一无线信号和/或由该处理而得的信息，和/或(ii)生成所述第二无线信号和/或用于该生成的信息。
在各种实施例中，所述无线设备可以进一步包括电气连接至所述非线性电容器的第一和第二电极中的一者的电源或地电位，和/或电气连接至所述非线性电容器的第一和第二电极中的一者的开关。在一个实施例中，所述开关可以电气连接所述非线性电容器的第一电极，且所述地电位可以电气连接到所述非线性电容器的第二电极。此外或者可替换地，当所述开关在所述无线设备接收无线信号时可以具有第一状态，和在所述无线设备反向散射无线信号时具有第二状态。
在一些实施例中，所述无线设备(例如所述集成电路)进一步包括电气复用到所述非线性电容器的第一电极解码器和/或解调器(例如，当所述无线设备接收无线信号时)，电气复用到所述非线性电容器的编码器或信号发生器(例如，当所述无线设备反向散射无线信号时)，电池，其为解码器、所述解调器和/或编码器/信号发生器供电，耦合到所述无线设备中的电气功能电路的振荡器，比如(i)所述解码器和/或解调器和/或(ii)所述编码器/信号发生器，配置用于至少存储识别数据或码的存储器，和/或(iii)配置用于检测所述无线设备的状态或环境参数的传感器。所述振荡器可以包括或是一自激振荡器，RC电路或环形振荡器。
又一方面，本发明涉及一种处理无线信号的方法，包括在所述无线设备处接收无线信号，并使用所述无线设备处理所述无线信号。在一个实例中，所述方法包括从所述无线信号提取或产生能量。此外或可替换的，所述处理无线信号的方法可以进一步包括当所述无线设备接收所述无线信号时将解码器和/或解调器电气连接到所述非线性电容器的第一电极。
在又进一步的方面，本发明涉及在无线信号上发送信息的方法，包括使用本无线设备产生低频信号，使用所述非线性电容器将所述低频信号与另一频率高于所述低频信号的信号混合，并使用所述天线反向散射(或者，发射或广播)所述混合的信号。在至少一个实施例中，所述非线性电容器包括MOS晶体管，并且所述更高频率的信号的频率大于所述MOS晶体管的截止频率。例如，所述MOS晶体管可以具有栅极，栅极介电层，以及包括源极/漏极和通道的PDPS体。所述低频信号的频率为y HZ，且所述混合的信号的频率为x±n*y Hz，其中x为所述较高的频率，n为1至4的整数(例如1)，且x>>n*y。可替换的或者此外的，所述产生无线信号的方法可以进一步包括当所述无线设备反向散射(或者，发射或广播)无线信号时将信号发生器(例如编码器)电气连接到所述非线性电容器。
因此，本发明可以可以扩展诸如近场通信和RF标签的无线设备的应用和功能。所述新型标签和设备使得能够在子载波(例如，编码在主载波信号中、调制到主载波上、或与主载波混合的第二信号)上进行识别信息和/或关于所述容器或包装中产品和/或其运送和存储的其他信息的通信。本发明的这些以及其他优势将通过下文对各种实施例的详细描述而变得显而易见。
附图说明
图1示出根据本发明的一个或多个实施例的示例性MOSCAP设备和等效电路。
图2示出了一种示例性MOSCAP的非线性电容-电压(C-V)曲线。
图3示出了根据本发明的一个或多个实施例的示例性MOSCAP所输出的DC电压和接收(输入)的RF功率之间的关系。
图4示出了频谱分析仪的显示屏显示着使用根据本发明的一个或多个实施例的在其上具有示例性MOSCAP的示例性RF标签生成的示例性混合载波信号。
图5示出了示例性无线系统的原理图，该无线系统具有读取器和根据本发明的一个或多个实施例的在其上具有示例性MOSCAP的示例性RF标签。
图6示出了根据已知编码和/或调制标准的示例性波形。
图7A-B示出了图5的示例性RF标签分别在接收和发送模式下的等效电路的原理图。
图8示出了另一种示例性无线系统的原理图，该无线系统具有读取器和在其上具有MOSCAP装置的示例性RF标签，以展示本发明的可行性。
图9示出了频谱分析仪的显示器显示着在图8的读取器处接收到的来自图8的示例性标签的组合(混合载波)信号。
图10示出了用于本无线设备中的示例性集成电路的框图。
具体实施方式
下文将对本发明的各个实施例进行详细介绍，其示例将通过附图举例阐明。虽然本发明将结合下文的实施例进行描述，应当理解的是，这些说明并不是为了将本发明限制在这些实施例中。相反，本发明旨在涵盖那些可能包括在本发明的主旨和范围内的替换、修改和等同物。而且，在下文的详细说明中，对许多具体细节进行了阐明以便于对本发明的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不采用这些具体细节来实施。在其他实例中，没有详细描述众所周知的方法、程序、部件、和材料以免本发明的相关方面被不必要地掩盖。
本发明的实施例的技术方案将结合下文的实施例的附图进行全面和清楚地描述。应当理解的是，这些描述并不是为了将本发明限制在这些实施例中。基于本发明已描述的实施例，本领域的技术人员能够在不做出创造性贡献的情况下获得其他实施例，而这些都在本发明所获取的法律保护范围之内。
而且，本文公开的所有的特征、措施或处理(除非特征和/或处理相互排斥)能够以任意方式结合并结合成任何可能的组合。除非另有说明，本说明书、权利要求书、摘要、和附图中公开的特征能够被其他等效特征或具有相似目标、目的和/或功能的特征替代。
本发明的优点将通过下文对各种实施例的详细描述而变得显而易见。
示例性的MOSCAP设备
图1示出了MOSCAP 10及其等效电路20。MOSCAP 10是一种MOS晶体管，其中源极和漏极端子12a-b电连接至共同节点14，并且栅极16连接至不同的节点18，从而使得栅极16和在其中形成源极和漏极的(掺杂的)硅体起非线性电容器的作用。因此，MOSCAP 10可以被认为等效于包括串联的非线性电容器22和电阻器24的RC电路20。在一些的应用中，串联电阻24是可以忽略的。
由印刷掺杂硅体和印刷掺杂多晶硅栅极所形成的MOSCAP 10显示的典型C_V特征相似于图2，其由实验确定典型的、有代表性的MOSCAP设备。C_V曲线30测定于900MHz。图1的MOSCAP 10携带有位移电流，但不使用电荷载体(电子和空穴)携带传导电流，因此其能够工作在比的相应晶体管的截止频率更高的频率下，该晶体管用于构造所述MOSCAP 10(例如，图1中晶体管的源极和漏极12a-b电连接至不同的节点)。在至少部分情况下，所述MOSCAP10的C-V特性几乎比相应晶体管的截止频率高一个数量级。
而且，MOSCAP是固有的宽带设备。因此，MOSCAP 10能够与通常用于无线标签和系统(比如，UHF标签及读取器，NFC标签/标贴及读取器，以及RFID标签及读取器)的跳频技术相配合。
用作探测器的MOSCAP
MOSCAP 10的非线性电容是施加的功率或电压的函数，这使得能够将MOSCAP 10作为探测器以从接收的RF或其他高频信号生成DC信号。此函数和/或性质对下行(例如，读取器到标签)通信很有用。
例如，图3的曲线40示出了在900MHz下试验确定的MOSCAP 10的DC电压输出作为RF功率的函数。DC电压(单位mV)作为RF功率(单位dBm)的函数的对数坐标图或线是线性的或者大体上是线性的。这意味着MOSCAP 10能够被用于从读取器接收命令和信息，该读取器将这样的命令和信息编码或者调制到高频载波信号上。
用作混频器的MOSCAP
MOSCAP 10的非线性电容也使得能够将MOSCAP 10用作或用在混频器中来生成互调分量，其来自相同集成电路中的或者与MOSCAP 10相同的标签上的两个频率源(例如，一个RF频率源和另一个较低频率的频率源)。此种混频性质能够被用于上行通信(例如，标签至读取器)以在RF信号之外生成子载波(例如，在不同频率的第二信号)。这样的子载波能够包含适当编码形式的标签数据，比如识别码/信息、产品制造和/或运送信息、传感器数据等。
图4示出了经由100KHz正弦波调制的900MHz载波信号的频谱图50。波峰52所表示900MHz载波信号由RF信号发生器输入到MOSCAP 10的端子或电极产生，并且将100KHz正弦波输入到MOSCAP 10的与900MHz载波信号相同的端子或电极，从而生成二阶分量54a-b，三阶分量56a-b和四阶分量58a-b。通过对MOSCAP 10和/或标签上其他电路参数的进一步改造和/或优化，三阶分量56a-b和四阶分量58a-b能够根据要求增强或抑制。
示例性无线系统和设备
图5示出了包括读取器110和无线标签120的无线系统100。读取器110包括发射和接收天线112a-b，分别用于发射第一无线信号114和接收反向散射信号116，这些信号被编码在其上的数据流修改或者被标签120中的发射器134和MOSCAP140融合。标签120包括天线122，集成电路130，以及连接在集成电路130和地电位126之间的电池124。天线122，集成电路130，电池124和地电位126(例如，接地层)通常形成在一个或多个基板(未示出)上，基板通常相同或不同。例如，集成电路130和电池124可以形成在不同的基板上，然后再放置在第三基板上，而第三基板上已使用传统的或者改造过的的表面贴装技术(SMT；拾取-贴装)设备形成了天线122和接地层126。
在一个实施例中，标签120可以是RF设备(例如，RFID标签)。然而，标签120并不限于RF设备或RFID标签，并且可以或者包括近场通信(NFC)设备(例如标签或签条)，诸如收费标签的高频(HF)设备，诸如智能卡(例如，安全卡)的甚高频(VHF)或超高频(UHF)设备等。在各种实施例中，标签120可以形成在包括玻璃、陶瓷、绝缘体和/或塑料的板、盘和/或片的基板上。或者，所述基板可以包括其上具有扩散阻挡层的柔性金属箔并且所述扩散阻挡层上具有氧化层或其他电绝缘体。标签120也可以与一个或多个传感器(未示出)集成或相连接。
图5示出了一种典型的使用了MOSCAP 140的电池辅助RFID标签120的前端。MOSCAP140示意性地显示为非线性电容器。其跨接在偶极天线122的端子之间，然而也可以使用其他类型的天线(比如线圈，螺旋或蛇形天线)。在一个实施例中，所述天线的一个极(或者，可替代地，一端)电气连接至MOSCAP 140的栅极，并且所述天线的其他极(或者，可替代地，其他端)电气连接至MOSCAP 140的源极和漏极端子。MOSCAP 140之后的是T-R开关150，其工作在较低的频率。可以使用其他类型的开关来代替T-R开关150。串联电阻136a位于MOSCAP140的一个端子和T-R开关150之间，且另一个串联电阻136b(其可以与串联电阻136a相同或不同)位于MOSCAP140的另一个端子和地之间。MOSCAP 140可以通过能够形成印刷掺杂多晶硅结构(例如，硅岛、多晶硅栅等)的方法来实施。标签120被来自读取器110的信号114辐射(例如，激活，或者在不具有电池的实施例中被供电)。在一个实施例中，信号114是RF信号。
T-R开关150在接收器模块132和发射器模块134之间进行选择。接收器模块132配置用于接收并处理来自无线信号114的信息。在一个实例中，接收器132解码所检测和/或恢复的电压(例如，来自MOSCAP 140)。发射器模块134配置用于准备，打包，生成和/或编码数据和/或其他信息，以便经由反向散射信号116传输至读取器110。在一个实例中，发射器134生成和/或编码数据到子载波信号上(例如，用于通过MOSCAP 140混频和从天线122反向散射/传输)。
读取器110通常将命令编码为标准格式(例如，双边带[DSB]，单边带[SSB]或相位反转[PR]，带或不带幅移键控[ASK])并将所述命令经由无线信号114传输至标签120。在一个实例中，所述命令是根据全球电子产品代码EPC第1类第2代标准编码的。当标签120经由无线信号114接收所述命令时，其进入或处于接收模式。
图6示出了读取器110生成的典型ASK波形。例如，波形210表示值为“010”的DSB-或SSB-ASK基带数据信号，波形220表示具有相同值的DSB-或SSB-ASK调制信号，并且波形230表示具有与波形220相同值的DSB-或SSB-ASK已调制RF信号。在调制RF信号230中，虚线表示RF包络，信号的大幅度部分表示未调制的字段，且信号的小幅度部分表示已调制的字段。波形210-230的调制深度在80和100％之间。由于MOSCAP 140的检测性质，ASK波形的包络能够被恢复并且所述命令随后被接收器132解码。
当标签120转变为反向散射模式时，T-R开关150移动至另一位置，将发射器134与MOSCAP 140和天线122连接。来自发射器134的子载波(例如，反向散射链路频率，或BLF)信号被MOSCAP 140调制(或者与所接收的主载波信号混合)。所述子载波信号可以包括，例如标准格式(例如，FM0或MMS格式)的符号。相比于晶体，所述BLF信号不要求频率稳定性，因此，可以使用诸如PDPS MOSCAP140的自激振荡器来调制所述BLF信号。
来自读取器110的所述RF信号114从标签天线122进入且子载波在MOSCAP 140经历混频并产生和/差频(例如，一阶谐波，二阶谐波等)。这些互相调制信号被标签天线122再次辐射为信号116并最终被读取器110中的天线112b接收。读取器110也可以采用一根天线而不是图5中的两根天线来工作(例如，在读取器110中可以使用相同的天线来发射和接收)。
分别参考附图7A和7B中的等效电路302和304能够更好地理解所述混频/调制机制。图7A示出了所述标签(例如，图5中的标签120)在接收模式下的等效电路302(同样适用于下行信号的检测和在混频/反向散射模式下的接收)。参考图7A，第一电阻Ra表示标签天线122(图5)的辐射电阻与标签天线122的损耗之和。电路元件322可以包括串联的电容326和电感324，其表示天线122(图5)的电抗。当天线122可能失谐时，电路元件322提供电抗X(f)以使其与MOSCAP 140的标称电容谐振。电压Vlf是MOSCAP 140两端的电压。
图7B示出了所述标签在反向散射/发射模式下的等效电路304(了如，图5的标签120中的开关150将MOSCAP 140连接至发射器134)。参见图7B，所述第一电阻Ra和电路元件322与图7A中的相同。然而，MOSCAP 140被建模为串联的线性电容器142和电阻144，且电流源330连接在所述线性电容器142的两端。
在反向散射/发射模式下(图7B)，非线性电流源330替代了MOSCAP140的非线性部分，并且能够通过线性技术来分析等效电路304。测定消耗在Rr(图5中标签天线的辐射电阻)上的功率可得所述和/差信号辐射的功率。
为了检测标签(例如，图5中的标签120)，将高频(例如，RF或UHF)信号(ω1＝2πf1)和低频(LF)信号(ω2＝2πf2)耦合到标签上，且能够观测到和/差频(ω1±ω2)。所述LF信号为电耦合(主要通过一条或多条从发射器134到MOSCAP 140的引线，例如位于图7A中的A和/或A')，而所述高频信号通过天线122(图5，以及图7A中的等效电路元件322)电磁耦合。
读取器/去激活器110(图5)中的发射器传送功率P1到增益为G1的天线112a并在离读取器110距离r处产生功率密度S(单位W/m2)。此功率密度阐释了标签120(图5)/等效电路302(图7)。
所述检测操作能够近似为远场条件。对于远场操作，S＝P1·G1/4πr2。这可以简化为表达式：
S＝P1·Θ [1]
其中Θ为常数(单位m-2)。也可以假设或近似认为S在所述标签的范围或区域内是不变的。所述标签天线122(图5)处的可得功率P2为：
P2＝S·λ2Gtag/4π [2]
其中λ是RF信号的波长，且Gtag是标签天线122在高频(ω1)的增益。因此，可以为接收模式下的标签天线(例如，用于RF标签)创造如图7A中所示的集总等效电路302。所述等效电路302不适用于具有所有类型天线的标签，但是对于具有偶极天线而不包括寄生元件的标签是有效的。
在标签天线处生成的RMS开路电压由下式给出
其中Rr为所述标签天线122的辐射电阻。从等式[1]，[2]和[3]可得下式[4]：
在图7A的等效电路模型302中,欧姆损耗(例如,趋肤效应)和电介质损耗可能出现在标签天线122(图5)中,其可以被包括在等效电路302中以创造复合电阻Ra＝Rr+R1。标签天线122具有表现为串联共振的固有谐振频率。因此，电路元件因此,所述电路元件322的电抗可以定义如下:
对于等效电路302,天线122(图5)运行在电路元件322(图7A)所确定的固有谐振频率上,使得电抗X(f)为正。此感应电抗与MOSCAP 140中的电容谐振。所述标签(例如，图5的标签120)的谐振频率因此总是高于标签天线122单独的谐振频率。
如果工作带宽不是太大，可以定有效电感La′，其是一近似值，但有益于理解等效电路302的运行：
La′＝X(f)/ω [5b]
MOSCAP 140被建模为串联的R-C电路，其中有效串联电阻(R)假设是线性的(在此情况下也是近似值)。MOSCAP 140的电容C当然是非线性的，以便生成所述混合信号。用于MOSCAP 140的类似R-C模型也可以是对MOSCAP 140的合适说明和/或模型。
在接收模式下(例如，在从读取器110到标签120的下行通信期间)，所述等效电路302中的电压Vlf为根据特定调制格式调制的直流电压(其实例在图6中示出)。此信号可以被图5中的接收器132解码。
在混合模式下，所述MOSCAP(140，140’)由低频(LF)信号Vlf馈送，该低频信号通过电耦合横跨MOSCAP(例如，横跨图7A-B中的A-A′)而产生。所述LF信号(ω2＝2πf2)通过开关150从发射器134(图5)电耦合到MOSCAP 140，而高频(例如，RF或UHF)信号(ω1＝2πf1)通过天线122电磁耦合。
在混合模式下，电压Vlf能够呈现为MOSCAP 140的偏置上的调制。MOSCAP 140中非线性混频的结果是，产生和/差电流。为了简化训练，可以将非线性的阶限制在二(例如，不包括三阶或更高阶项)。此混合电流能够通过图7B中的电流源330来表示。
在发送模式(例如330)下的混合电流使得能够测定横跨辐射电阻Rr的功率损耗，并因此测定混合信号ω1+ω2.的辐射功率Pmix。根据此测定,可以看出混合信号随着零偏置电容的减少而大幅增大(四次方),增大为标准电容斜率(C1/C0)的平方,并且随着MOSCAP设备140中的损耗增大而大幅减小(四次方)。
实验验证
图8示出了代表本发明的实验系统400。系统400包括读取器410和无线标签420。读取器410包括接收器天线(单极)412a和发射器天线(单极)412b。发射器天线412a连接至RF源414，其输出的信号功率范围为-10至30dBm(例如，0-20dBm，且在一个实例中大约为10dBm)，频率为从1MHz至10GHz(例如，从10MHz至1GHz，且在一个实例中大约为900MHz)。接收器天线412b连接至频谱分析仪(SA)416以监控天线412a处的反向散射RF信号。
所述标签420包括天线(单极)422，耦合器424，隔直流电容器426，频谱分析仪(SA)430，MOSCAP 440，以及信号发生器450。对于此实验，信号发生器450生成的周期信号频率为250KHz，峰值电压为500mV且偏移为-250mV。然而在实践中，可以生成任何频率其他信号(例如，数据，标识，确认等)，只要该频率小于从读取器发射器天线412b发射RF载波的频率。例如，信号发生器450可以包括能生成频率为主载波(例如，1-10,000KHz)频率的0.1-10％且表示数据和/或识别码的波形的信号发生器或调制器。
读取器发射器天线412b辐射的RF信号穿过耦合器424和隔直流电容器426并在达到MOSCAP 440之前被所述标签天线422接收。MOSCAP 440用来自信号发生器450的信号调制RF信号。在此实验中，来自耦合器424的组合信号通过缆线(未示出)输出到天线422上，但在实践中，没有所述缆线。
图9是频谱分析仪的显示器500，示出了所述读取器410中的接收器天线412a处接收的来自标签420的组合信号。主载波显示为905MHz的中心峰值502。来自标签420的子载波信号分别显示为904.75MHz和905.25MHz的一阶峰值504a-b。因此，包括MOSCAP 440的标签420有效地反向散射或发射混合(或频率转换)信号(例如，该信号包括具有第一频率和第一功率的主载波，以及具有分别不同于所述第一频率和第一功率的第二频率和第二功率的子载波)，使得将第二信号编码并传输到来自无线标签的主信号上为可行的。
为了仿真下行操作(例如，信号从读取器410到标签420的传输)，信号发生器450可以替换为电压表。在检测到的信号中可以观察到大约2至3mV的检测电压。
示例性集成电路
在各种实施例中，本无线设备包括集成电路。在一些实施例中，所述集成电路包括接收器，发射器，以及存储器。所述无线设备可以是或者包括近场和/或射频通信设备，并且可以包括所述发射器，接收器，存储器，以及可选功率提取电路(例如整流器)，其耦合至所述天线并配置用于从所接收的无线信号提取直流电压。所述发射器可以包括信号发生器(例如，编码器)或调制器，并且所述接收器可以包括解调器或解码器。
图10示出了适合用在本无线设备中的示例性IC 600，其可以包括一个或多个传感器610、从所述传感器610接收信息(例如，信号)的阈值比较器620、接收所述阈值比较器620的输出的脉冲驱动器640、存储来自所述脉冲驱动器640的传感器数据的存储器660、用于从所述存储器660读取数据的一条或多条位线(BL)672、用于将所述位线上的信号转换为数字信号的一个或多个检测放大器(SA)674、用于临时存储来自所述检测放大器674的数据的一个或多个锁存器676、以及配置用于经由天线从所述无线设备输出数据(包括识别码)的MOSCAP 680。图10中的示例性IC600还包括配置用于提供控制所述IC 600中的特定操作的计时的计时信号(例如，CLK)的时钟电路650，以及控制存储器读取操作的计时的存储器时序控制模块或电路670。所述MOSCAP 680可以是或者包括图5中的MOSCAP 140，例如，并可以起到发射器(例如，调制器)和接收器/检测器(例如，解调器)的作用。示例性IC 600也可以包括整流器，其在标签中没有电池或其他电源模块或电路时提供直流信号(例如，VCC)至IC600中的各个电路和/或电路模块。所述存储器660还可以包含识别码。所述存储器660包含识别码的部分可以被印刷。
所述IC 600可以进一步包含一个或多个调谐或储能电容器等。MOSCAP680中的一个或多个端子连接至天线(例如，图5中的天线122)在一个实例中，MOSCAP 680的栅极可以耦合到所述天线的一端或极，且MOSCAP 680的源极和漏极端子可以耦合到所述天线的另一端或极。
在各种实施例中，所述电池(图10中未示出)可以包括传统的薄膜或印刷电池，其包括第一集流体层，阴极，电解质层，阳极，以及第二集流体层。通常，所述阴极与所述第一和第二集流体层中的一者电气接触(并通常物理接触)，并且所述阳极所述第一和第二集流体层中的另一者电气接触(并通常物理接触)。所述电解质层位于所述阴极和阳极之间，并且通常与所述阴极和阳极中的每个电气和物理接触。所述电池(例如，图5中的电池)可以放置或形成在所述标签基板上或者单独的基板上并电气连接至集成电路600(图10)。
所述NFC和/或RFID标签600中的存储器660可以包含固定的位数。在各种实施例中，存储器660包括多个位，其配置用于为所述无线设备(或者为所述无线设备所放置或粘附的容器或包装)存储唯一识别码。在一些实例中，所述存储器660进一步包括配置用于存储与所述传感器610的输出相应的值的一个或多个位。所述存储器660的一个或多个层可以通过印刷来形成。包括多个配置用于存储唯一识别码的位的存储器660的至少一部分可以通过印刷来形成。
在一些实施中，所述集成电路(IC)600中的存储器660可以包含m*2n位，其中m是正整数，n是至少为3的整数(例如，24，32，48，64，128，256或更多位)。一些位被分配给开销(非有效载荷)数据，用于格式识别和数据完整性(CRC)校验。设备600的有效载荷消耗其余的位。例如，所述有效载荷能够高达(m-p)*2n位，其中p为小于m的正整数(例如，在m*2n＝128位的情况下为96位，并且在m*2n＝256位的情况下高达224位)。
所述IC 600的有效载荷能够被分配到可变数量的固定ROM位(其通常但并不总是用作唯一识别号)。当在所述集成电路600的制造中使用印刷方法时，所述ROM位是永久性编码的，并且不能被电修改。任何没有分配为固定ROM位的有效载荷位能够被分配为动态传感器位。基于检测输入，这些传感器位的值能够改变。ROM和传感器位之间的不同分段或分配是通过数据格式位指示的，该数据格式位是所述非有效载荷或者“开销”位的一部分，通常在所述存储器660的前2n位(或者2n-q位，其中q是小于n的正整数，例如在m*2n＝128或256的情况下为16位)。
所述IC 600可以包括一个或多个传感器610。例如，IC 600可以包括一个或多个温度传感器、湿度传感器(例如，以便测试包装环境的湿度水平)、连续性传感器、电磁场传感器、电流/电压/功率传感器、光传感器、或化学传感器(例如，用于氧气、一氧化碳、二氧化碳、氮氧化合物、二氧化硫和/或三氧化硫、臭氧、一种或多种毒素等)。本IC 600还可以包括一个或多个时间传感器(例如，配置用于计算或确定经过的时间)，包括时钟电路650(其可以作为实时时钟的基础)和/或一个或多个计数器、除法器等，从所述时钟电路650接收时钟信号，如本领域已知的。
在一些实施例中，所述IC 600可以具有不止一个存储器660，其中一个存储有识别号码和/或其他有效载荷位，而另一个存储来自一个或多个传感器的数据、关于所述无线设备被放置或粘附的产品的信息等。第二位线、检测放大器和锁存器可以处理来自第二存储器的信息，并且第二存储器时序控制电路(或来自存储器时序控制电路670的输出)可以以特定的频率/速率和功率从所述第二锁存器输出所述信息，该频率/速率和功率允许或使得所述MOSCAP 680此信息输出到子载波上。在这样的实例中，识别号和/或有效载荷信息被输出到主载波上。
所述集成电路600除了存储器660的部分也可以是打印的。因此，集成电路600可以包括一个或多个印刷层(例如，多个印刷层)和/或一个或多个薄膜(例如，多个薄膜)。例如，所述集成电路600可以包括一个或多个薄膜和一个或多个印刷层。或者，所述集成电路600可以是或者包括全部为印刷的集成电路。
所述天线也可以是应刷的(例如，使用印刷的导体，比如但不限于来自银浆或墨的银)或者使用如蚀刻铝的传统方法制造的(例如，通过溅镀或蒸发位于诸如塑料膜或片的基板上的铝，通过低分辨率[例如，谱线宽度为10-1,000μm]的光刻法、以及湿法或干法蚀刻形成图案)。在一个实例中，为了保持与NFC读取器硬件的13.56MHz目标频率相兼容，可以改变天线的尺寸和形状以便匹配多个形状因子中的任一个。
所述集成电路600可以用于所有RFID标签(不只是HF、NFC和/或13.56MHz标签)，包括工作频率高于或低于13.56MHz的RFID标签(例如，在高频[HF]范围[3-30kHz]，甚高频[VHF]范围[30-300kHz]，以及超高频[UHF]范围[300-3000kHz])，尤其是在RFID标签具有接受来自内部传感器610或外部传感器的输入，并传达来自所述传感器的数据的能力或功能的情况下，当通过RFID读取器读取时，适用于读取这样的标签。
制造无线通信设备和非线性电容器的示例性方法
本发明还涉及一种制造无线通信设备的方法，包括在基板上形成天线，形成与所述天线电气通信的非线性电容器(例如，MOSCAP)，在相同或不同的基板上形成集成电路(IC)，以及将所述天线和所示非线性电容器电气连接至所述IC。所述非线性电容器可以是所述IC的一部分或者独立于所述IC。在实例中，所述非线性电容器是或者包括MOSCAP，所述MOSCAP的栅电极电气连接至所述天线的第一端或极，并且所述MOSCAP的源或漏电极电气连接至所述天线的第二端或极。在一些实施例中，所述IC，天线和非线性电容器形成在共同的基板上(例如，相同的基板)。或者，所述IC可以形成在与所述天线和所示非线性电容器所形成的基板不同的基板上(例如第二基板，当所述天线和非线性电容器形成在相同[例如第一]基板上时)。所述天线配置用于接收和/或反向散射无线信号。
形成所述非线性电容器可以包括在一基板上形成所述非线性电容器的第一电极，形成与所述第一电极接触的介电层，并通过所述介电层将所述第一电极隔开来形成所述非线性电容器的第二电极。所述第一电极包括半导体，而所述第二电极包括导体或半导体。所述非线性电容器可以携带位移电流，但不携带传导电流。所述非线性电容器的第一和第二电极中的至少一者可以包括印刷的掺杂多晶硅体。例如，每个所述第一和第二电极可以包括印刷的掺杂多晶硅体(例如，所述第一电极包括第一印刷的掺杂多晶硅体，且第二电极包括第二印刷的掺杂多晶硅体)。在实例中，所述非线性电容器是或者包括MOSCAP，所述MOSCAP可以包括单个MOSCAP或者多个或并联和/或串联的MOSCAP阵列。
此外，所述第一和第二MOSCAP电极中的一个或全部可以是印刷的。例如，所述MOSCAP的一个或多个层可以使用掺杂或未掺杂的硅墨水印刷成与所述MOSCAP中的结构相对应的图形(例如，栅极、形成源极和漏极的岛或体等)。所述墨水可以包括硅源或前体(例如，环硅烷和/或聚硅烷)、掺杂剂源或前体、以及所述硅和掺杂剂源或前体在其中可溶的溶剂。或者，所述方法可以进一步包括植入或扩散第一掺杂物进入所述第一硅体，并当有第二硅体时，将第二掺杂物植入或扩散进入所述第二硅体。在进一步的替代方案中，所述方法可以进一步包括印刷掺杂的电介质到所述第一和第二硅体中的至少一者上，并将掺杂体从所述掺杂的电介质扩散进入下面的硅体。
所述方法可以进一步包括在形成所述MOSCAP的第二电极之前在所述MOSCAP的第一电极上形成介电层。所述电介质层可以通过第一电极下面的覆盖沉积(例如，化学气相沉积)，选择性沉积(例如，印刷或挤出涂覆)，或者热生长/氧化来形成。例如，所述介电层可以包括氧化硅，比如二氧化硅，并可以具有大体上不变的厚度。在一些实施例中，所述MOSCAP的第二电极与所述介电层接触。
在一些实施例中，所述第二电极与第一电极重叠，所述第一电极至少在一个维度上的值大于第二电极在该维度的值，这样使得所述第一电极的至少一个区域没有被第二电极覆盖，并且所述介电层在第一电极的所述至少一个区域中具有至少一个开口没有被第二电极覆盖。在实例中，所述非线性电容器是或者包括MOSCAP，所述第一电极的至少第一和第二区域没有被第二电极覆盖，所述介电层在第一电极的所述第一和第二区域中具有的开口没有被第二电极覆盖，并且非线性电容器进一步包括位于介电层中的每个开口中的触点。当形成介电层包括在第一电极上覆盖沉积、印刷或生长所述介电层时，所述方法可以进一步包括在介电层中形成所述开口。
在进一步的实施例中，所述方法进一步包括形成一个或多个(例如多个)与所述介电层中的开口中的触点电气连接的金属线。形成所述金属线包括，例如，将含有金属的墨印刷成与所述线相对应的形式。
同样地，形成所述集成电路可以包括印刷所述集成电路的一层或多层。例如，所述方法可以包括印刷所述集成电路的多层。替代性地或额外地，形成所述集成电路可以包括通过一种或多种薄膜处理技术形成所述集成电路的多层。在一些实施例中，形成所述集成电路可以包括通过一种或多种薄膜处理技术来形成所述集成电路的多个层，并且印刷所述集成电路的一个或多个附加层。在其他实例中，所述集成电路的一个或多个层可以采用与MOSCAP的层相同的材料制成并可以与MOSCAP的该层同时形成。例如，所述IC的晶体管的岛或体能够与MOSCAP的岛或体同时形成，且IC中的栅极可以与MOSCAP的栅极同时形成。
在一些实施例中，形成所述天线包括在所述基板上形成单一的金属层，并蚀刻所述单一的金属层以形成所述天线。或者，形成所述天线可以包括在所述基板上将金属墨印刷成与所述天线的形状相应的图案。在此实施例中，所述IC(如果形成在单独的、电气绝缘或隔离的基板上)能够被形成或制造于是使得IC能够起到线圈或环路上桥或带的作用从而将所述天线的端子电气连接到所述IC。从而允许使用由单一模式金属层组成的天线。
印刷提供了胜过光刻法形成图案工艺的优势，例如低设备成本、更高产量、减少浪费(并因此的更“绿色”的制造过程)等，这非常适合晶体管数量相对较少的近场、RF和HF标签。因此，在一些情况下，所述方法可以包括印刷所述MOSCAP和集成电路的多层。印刷无线设备的各层(并且在一个实例中，全部层)有助于将所述方法综合到现有的高速、高产量的制造工艺中，比如卷对卷工艺。或者，薄膜处理也可以具有相对较低的购置成本，并且是一种相对成熟的技术，其能够在多种多样的可能基板上产生相当可靠的设备。因此，在一些实施例中，最好两种方法都使用，并且所述方法可以通过一种或多种薄膜处理技术形成所述集成电路的一层或多层，而印刷所述集成电路的一或多个附加层。
在一些实施例中，所述方法可以进一步包括电气连接所述非线性电容器的第一和第二电极中的一者到电源或地电位(或者连接到电源或地电位引脚)，和/或形成电气连接到所述非线性电容器的第一和第二电极中的一者的开关。因此，在一个实施例中，所述开关电气连接所述非线性电容器的第一电极，且所述地电位电气连接到所述非线性电容器的第二电极。或者，当所述无线设备接收无线信号时所述开关可以具有第一状态，且当所述无线设备反向散射无线信号时所述开关可以具有第二状态。
使用无线设备识别包装或容器并获取信息的示例性方法
本发明进一步涉及一种使用无线设备的方法，该无线设备能够反向散射具有关于子载波信号的信息(例如,识别和/或产品信息或传感器数据)的主载波信号。因此,所述方法的使用可以包括使用子载波信号来识别包装或容器和/或获取产品信息和/或传感器数据。所述方法可以包括将所述无线设备放置在包装或容器上，并读取来自所述无线设备的主载波和主载波信号。在各种实施例中，所述无线设备包括天线、电气连接到所述天线的MOSCAP、以及电气连接到所述天线和MOSCAP中每一个的集成电路。在一些实施例中，所述无线设备包括近场和/或射频通信设备，例如NFC标签。
本发明还涉及一种具有本无线设备在其上的包装或容器。所述包装或容器可以包括盒子，托盘，瓶子，罐子，信封等，并且可以具有粘附到和/或与盒子，托盘，瓶子，瓶子或信封配合的盖子，密封件，盖子，折板或其他关闭机构。所述无线设备可以按照传统方式粘附到或者集成到所述包装或容器上或中，或者，放置在所述包装或容器中。所述无线设备可以通过放置足够临近所示无线设备的读取器来被读取以使得(i)所述读取器发射或广播无线信号到所述无线设备，(ii)所述无线设备接收所述无线信号并反向散射在其上调制或编码了子载波信号的所述无线信号(例如，所述主载波)，以及(iii)所述读取器从所述无线设备接收所述在其上调制或编码了子载波信号的主载波信号。
基于图示和说明的目的提供了前述的本发明具体实施方式的描述。其不是穷尽性的或意图将本发明限制在这些已公开的确切形式。所选择和描述的实施例是为了最好地解释本发明的原则及其实际应用。其应理解为本发明的范围由附于本文的权利要求及其等同物界定。

Claims (20)

1.一种非线性电容器，包括：
第一电极，其包括第一印刷掺杂多晶硅体；
与所述第一电极接触的介电层，以及
通过所述介电层与所述第一电极隔开的第二电极，其包括导体。
2.如权利要求1所述的非线性电容器，其中所述第二电极包括第二印刷掺杂多晶硅体。
3.如权利要求1所述的非线性电容器，其中所述介电层包括氧化硅。
4.如权利要求1所述的非线性电容器，其中所述介电层包括实质上恒定的厚度。
5.如权利要求1所述的非线性电容器，进一步包括基板，其中所述第一电极位于所述基板上，所述介电层位于所述第一电极上，并且所述第二电极位于所述介电层上。
6.一种无线设备，包括：
如权利要求1所述的非线性电容器；以及
天线，其中所述天线的第一端、极或端子电气连接至所述非线性电容器的第一电极，且所述天线的第二端、极或端子电气连接至所述非线性电容器的第二电极。
7.如权利要求6所述的无线设备，进一步包括当所述无线设备接收无线信号时电气连接至所述非线性电容器的接收器，以及当所述无线设备反向散射无线信号时电气连接至所述非线性电容器的发射器或信号发生器。
8.如权利要求7所述的无线设备，进一步包括向所述接收器和所述发射器或信号发生器供电的电池。
9.如权利要求6所述的无线设备，进一步包括电气连接至所述非线性电容器的第一和第二电极中的一者的开关。
10.如权利要求9所述的无线设备，进一步包括电气连接至所述非线性电容器的第一和第二电极中的另一者的电源或地电位。
11.如权利要求9所述的无线设备，其中当所述无线设备接收无线信号时所述开关具有第一状态，且当所述无线设备反向散射无线信号时所述开关具有第二状态。
12.如权利要求11所述的无线设备，进一步包括当所述无线设备接收无线信号时电气连接至所述非线性电容器的解码器和/或解调器，以及当所述无线设备反向散射无线信号时电气连接至所述非线性电容器的编码器或信号发生器。
13.如权利要求6所述的无线设备，进一步包括耦合到所述无线设备中的电气功能电路的振荡器。
14.如权利要求6所述的无线设备，进一步包括配置用于至少存储识别数据或码的存储器。
15.如权利要求6所述的无线设备，进一步包括配置用于检测所述无线设备的状态或环境参数的传感器。
16.一种处理无线信号的方法，包括：
在如权利要求6所述的无线设备处接收无线信号；以及
使用所述无线设备处理所述无线信号。
17.一种产生无线信号的方法，包括：
在如权利要求6所述的无线设备中产生调制信号；以及
使用所述非线性电容器将所述调制信号与具有比所述调制信号更高频率的另一信号混合；以及
使用所述天线反向散射、发射或广播所述混合的调制信号。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述非线性电容器包括MOSCAP设备，并且所述调制信号的频率大于与所述MOSCAP设备相对应的晶体管的截止频率。
19.如权利要求17所述的方法，其中所述调制信号的频率为y Hz，且所述混合的调制信号的频率为x ± n*y Hz，其中x为所述另一具有更高频率的信号的频率，n为1至4的整数，且x >> n*y。
20.如权利要求17所述的方法，进一步包括当所述无线设备反向散射所述混合的调制信号时将配置用于产生所述调制信号的调制器电气连接至所述非线性电容器。
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