摘 要：针对融合 RFID 的无线湿度传感器节点设计的需求，采用中芯国际 0.18 μm CMOS 工艺设计并制造了一种集成湿度传感器节点。 该传感器节点采用湿度传感器与其它标签电路集成设计，制造成本低。 湿度传感器单元采用聚酰亚胺作为感湿材料，利用顶层金属层制作叉指结构电极，无需任何后处理工艺。 整流电路采用自偏置结构降低了 MOS 开关管的有效导通电压，避免了高成本肖特基工艺的使用。 接口电路基于锁相环原理，采用全数字电容 -数字直接转换结构，能够工作在超低电源电压下。 后期测试结果显示，该无源湿度传感器标签在常温下灵敏度为 18.75 fF/%RH，最大回滞偏差7%，整体功耗约为 4 μW， 在阅读器发射功率为 2 W 条件下，最大工作距离达到 14 m。
关键词： RFID;湿度传感器;CMOS;整流器;接口电路
1 引 言
射频识别( radio frequency identification，RFID)技术和无线传感器网络 ( wireless sensor networks，WSN)技术是物联网发展的两大关键技术。 RFID 技术是一种非接触的自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象获取数据。 WSN 是由大量传感器节点通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统，它能够实现数据的采集量化、处理融合和传输。 一方面，RFID 自身的不足之处在于需依赖读写器方能搜集数据、抗干扰性较差、有效距离较短等，而 WSN 刚好可以弥补 RFID 的这些缺点。 另一方面，无线传感器网络一般不关心节点的位置，因此对节点一般都不采用全局标识，而 RFID 技术对节点的标识有着得天独厚的优势。 因此，两者的结合可以将无线传感器网络的主要精力集中到数据上，当需要考虑某个具体节点信息的时候，可以利用 RFID 的标识功能轻松地找到节点位置。 近年来，如何在现有的研究基础上将 RFID 与 WSN 相融合，开发新的业务和应用，成为众多学者关注的焦点[1] 。 RFID 标签和 WSN 节点的融合是指 RFID 标签携带无线传感器节点，可以与阅读器、其他节点或者无线通信设备通信。 这种类型的融合不仅给无线传感器节点添加了 RFID 识别能力，而且使 RFID 标签能够主动获取数据信息。 RFID 标签按照工作方式可以分为有源、半有源和无源三类，其中无源 RFID 标签由于无需内置电池、成本低且使用周期长，更加广泛的被应用于实际生产生活中[2]。 无源 RFID 标签接收 RFID 阅读器发出的无线能量并将其转换为其正常工作所需的稳定电压，所以功耗是无源标签最重要的性能指标，它决定了标签工作的最大距离。
湿度传感器被广泛应用于环境检测、工艺控制、食品生产、生物电子及制药中[3]。 湿度传感器通常检测相对湿度而不是绝对湿度。 相对湿度是指在一定压力和温度下，空气中水汽压与饱和水汽压的百分比。 湿度传感器制造原理可以分为电容式、电阻式、吸湿式、重力式等。 大多数商用湿度传感器采用电容式原理，这是因为电容式湿度传感器具有低功耗(无静态功耗) 、大动态范围、接口电路简单、容易集成等优点。 作为集成电路制造主流工艺的互补金属氧化物(CMOS)工艺可以很容易的将传感器与接口电路及其它信号处理类电路集成在一起，因此采用 CMOS 工艺制造湿度传感器具有很大吸引力。
至今为止，国际上关于 CMOS 湿度传感器的研究主要集中在湿度传感器单元的研究[3-6]，文献[7，8]设计集成接口电路的单片湿度传感器，文献[9]虽然成功设计一种集成了无线收发模块的单片湿度传感器标签，但采用的是 13.56 MHz 的高频 RFID 技术。 本文设计一种融合 RFID 的无线湿度传感器网络节点，它采用标准 CMOS 工艺设计并制造，无需任何后处理工艺，制造成本低，可以满足物联网时代大规模运用的需求。 文章第二部分首先对无源 UHFRFID 湿度传感器标签系统进行了分析，第三部分对传感器标签的各关键模块进行了分析与设计;第四部分对所设计的无源 UHF RFID 湿度传感器标签进行了测试，并在第五部分得出结论。
2 系统设计
工作频率的选择在 RFID 系统中起关键作用。一般来说，工作频率决定了 RFID 阅读器和标签间的数据传输速率，低的工作频率往往意味着低的数据传输速率。 而且，工作频率的大小对标签尺寸的大小也起到决定性作用。 RFID 工作频率主要分为低频(LF-125KHz) 、高频(HF-13.56MHz)和超高频(UHF-900MHz)三类。 由于具有高数据传输速率和长识别距离，超高频( UHF) RFID 系统成为下一代自动识别系统的首选[10]。
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图 1 为本文设计的一种基于无源 UHF RFID的湿度传感器标签结构图。 除标签天线外，其它模块都采用了单片集成设计，有效地降低了制造成本，提高了电路性能的稳定性。 标签天线负责接收RFID 阅读器发出的无线射频信号，并通过匹配网络达到最佳接收状态。 整流电路利用倍压与整流，将接收的射频信号转换为后续电路工作所需的直流电压。 本设计并没有包含无源 RFID 标签内部电路中常见的稳压电路，由第三部分分析可得知，这得益于所采用的传感器接口电路对电源电压变化的不敏感性。 上电复位电路用于完成传感器接口电路的清零功能。 传感器信号经接口电路转换为数字信号，此信号控制调制电路经反向散射信号反射回阅读器。 本文设计的标签内部并没有包含接收模块，这意味着该标签不包含地址功能，一旦从阅读器获得足够的能量就能被激活。
本文设计的无源湿度传感器标签内调制电路采用了反向散射方案，此方案中标签类似于一个反射器将接收的 RFID 阅读器的信号反射回阅读器。由于反向散射电路结构简单，功耗低，特别适合应用于无源 RFID 标签设计。 常用的反向散射调制方案有两种，幅移键控( ASK) 和相移键控( PSK) 。相比 PSK 方式，ASK 反向散射方式结构更简单，调制效率更高，因此被更加广泛的采用[11]。 图 2 为本设计采用的 ASK 反向散射调制原理图，图中 Rant 代表天线阻抗，Rin代表匹配阻抗，Rchip代表芯片输入阻抗，SW 为键控开关。 SW 处于闭合或者断开状态时，电路通过匹配网络达到完全匹配( Rin =Rant)状态或者完全失配(Rin =0)状态。
由以上分析可知，无源标签工作的能量从阅读器发出的无线信号中获取，因此，整流电路的交流直流的转换效率和标签的整体功耗是无源标签设计中最重要的性能指标，它们决定了无源 RFID 系统工作的最大距离。 在本设计中，着重针对整流电路的整流效率和接口电路的功耗进行了优化设计。
3 关键模块设计
3.1 湿度传感器设计
国内外已有一些关于 CMOS 工艺湿度传感器设计的报道[3-6] ，但文献[3-5]的设计采用了 CMOS 后处理工艺步骤，文献[6]采用了标准 CMOS 工艺中不常见的材料和步骤，这些都无疑会增加湿度传感器的制造成本。 在 CMOS 工艺中，电容式湿度传感器可以利用顶层金属层制作叉指结构电极，并填入聚酰亚胺作为感湿材料。 由于这种制作技术具有高度的可复制性，且与标准 CMOS 工序兼容，适合大规模制造[7]。
图 3 为本文设计的电容式传感器的结构图。首先在硅衬底上生长一层薄二氧化硅绝缘层，其次在绝缘层沉积一层金属铝，再经过光刻和湿法刻蚀步骤制成叉指结构电极，最后在表面沉积一层厚聚酰亚胺作为湿度感应层。 我们假设，铝电极的长度为 L，铝电极宽度为 S，相邻铝电极间隔为 W。 一般来说聚酰亚胺层厚度 H 会大于金属层的厚度 h。
聚酰亚胺感湿层厚度的选择对于湿度传感器灵敏度和反应时间有较大影响。 一般来说，湿度传感器的感湿层越厚，灵敏度越高，反应时间也会越长。 基于中芯国际 0.18 μm CMOS 工艺，本设计综合考虑灵敏度、反应时间和芯片面积等性能，各参数选择为 N = 40， L =200 μm，W =2.5 μm，S =2.55 μm，h =1 μm 和 H =2 μm。
3.2 整流电路设计
衡量整流电路性能的主要指标是整流效率，而整流电路整流效率的降低主要由作为开关管的二极管或 MOS 管的正向导通电压来决定[12]。 传统的提 高 整 流 效 率 的 方 法 主 要 采 用 肖 特 基 二 极管[13-14]来降低开关管的正向导通电压，但这些都需要采用先进工艺，从而导致制造成本的增加。 在标准 CMOS 工艺中，常用栅极和漏极相连的 MOS管替代二极管，但由于 MOS 管高的导通电压使得这种栅漏相连 MOS 管作为开关管的整流电路性能大大降低。 因此，如何减小 MOS 开关管的有效导通电压成为低成本整流电路设计的关键。
本文采用一种基于标准 CMOS 工艺设计的差分交叉耦合结构整流器(如图 4a)。 差分输入端 IN +(或 IN -)的输入 MOS 对管 MN1 和 MP1(或 MN2 和MP2)的栅极被 IN -(或 IN +)偏置，降低了二极管连接的 MN1 和 MP1(或 MN2 和 MP2)的有效导通电压Vth，提高了整流器的效率。 尤其值得一提的是，由于有效导通电压随着输入电压IN +(或 IN -)的变化而动态变化，可以使 MN1 和 MP1(或 MN2 和 MP2)同时获得小的导通电阻和小的反向漏电流。 为了获得足够高的工作电压，实际整流电路采用了三级级联结构(如图 4b)。
3.3 传感器接口电路
传感器接口电路完成将电容式湿度传感器的电容值转换为相应的数字信号输出。 在主流的电容式传感器接口电路设计中，电容 -数字转换首先将传感器电容值转换为电压信号，再通过模数转换(ADC)将电压信号转换成相应的数字信号[15-17]。 这种设计方法可以获得高速高分辨率，但由于 ADC 采用了运算放大器，电路结构复杂，功耗甚高，不适合应用于无源标签设计中。 文献[18，19] 针对上述方案，采用反相器代替 ADC 中的运算放大器，极大降低了整体电路功耗，但仍然采用较高的电源电压。 由于电压转换的中间过程需要给电压输出留有一定裕度，所以试图通过降低电源电压达到低功耗的方法变得越来越困难。本文设计了一种全数字电容式传感器接口电路，它基于锁相环原理，直接将传感器电容值变换到频率域进行数字转换，因此能采用接近工艺阈值电压的电源电压，从而获得更低的功耗。
本文设计的电容式传感器接口电路如图 5 所示，它包含传感器控制振荡( SCO) 、数字控制振荡器( DCO) 和鉴相器( PD) 3 个模块。 SCO 和 DCO都采用三级反相器结构的环形振荡器。 传感器电容 Csens作为可变电容负载接入 SCO 的一级中，由此产生一个 传感 器控 制的 振荡 频率 fsens。 PD 鉴 别SCO 和 DCO 的相位差产生一个二进制输出 bout，且 bout控制 DCO 的可变负载产生一个受控的振荡频率 f dig。 DCO 的可变负载由两电容 Co 和 Cm 并联组成。 电容 Co 被设计成与传感器电容 Csens的静态值相等，电容 Cm 被设计成略大于 Csens的最大可变范围，且受 PD 输出 bout控制从而断开或接入 DCO 中。鉴相器 PD 是由简单的 D 触发器构成。 当整个反馈环路锁定时，f dig的平均值与 fsens相等，因此 bout就是传感器电容 Csens相对应的数字信号输出。
4 测试结果
本文设计的无源湿度传感器标签芯片采用中芯国际 0.18 μm CMOS 工艺制(图 7a) 。 为了测量标签的无线性能，标签芯片与一偶极子天线匹配(图 7b) ，其中天线的增益被设计为 0 dB。
标签湿度 传感 器性能 的测 量采 用德 国 富 奇VCL4003 温湿度测试箱。 图 8a 显示了不同温度下传感器接口电路的输出平均占空比与相对湿度的测量结果，每隔相对湿度 5%测试一次。 从图中可以判断，在相对湿度 10% ～90%变化范围内，湿度传感器获得了良好的线性度。 由于感湿材料聚酰亚胺的介电常数对于温度的依赖性，不同温度下的线性度有一定的偏差，但 0 ～60 ℃范围内最大偏差不超过 10%。 在常温 25 ℃时，湿度传感器的灵敏 度为 18.75 fF /%RH。 图 8b 为常温 25 ℃下湿度传感器的回滞特性图，所测回滞特性性能优良，在相对湿度 55%时，湿度传感器的吸湿和除湿特性曲线获得最大误差且不超过 7%。
无源湿度传 感器 标签的 无线 性能 测试 的平台如图 9 所 示， 它 由 一 台 RFID 综 合 测 试 仪 器( 聚星仪器 VISN-R1200 ) 和一台微波暗箱组成 。RFID 综合测试仪工作时可以完成可调 RFID 阅读器功 能，并 将 接 收 结 果 同 步 显 示 。 为 了 消 除环 境 的 干 扰，无 源 湿 度 传 感 器 标 签 被 放 置 在 微波暗箱中完成测试。
图 10 为 900 MHz 的输入信号频率和 50 kΩ负载条件下，本文设计的整流电路在不同输入信号功率下的测试性能图。 在输入信号功率 -30 ～0 dBm范围内，整流电路效率随着输入信号功率增大成抛物线曲线图，当输入信号功率为 -15 dBm 时达到最大整流效率 70%;而输出直流电压随输入信号功率 增 大 几 乎 成 线 性 增 大，当 输 入 信 号 功 率 为-15 dBm时输出 1.0 V 直流电压。
经测试，本文设计的无源湿度传感器标签的最小功耗约为 4 μW，在 RFID 阅读器的发射功率为2 W条件下，标签的最大无线工作距离可以达到14 m。 图 11 为输 入信 号功 率分 别为 -20 dBm、-12 dBm和 -5 dBm 3 种情况下标签的反向散射性能测试图。 从图中可以得到，3 种情况下相对湿度与阅读器接收的反向散射信号平均值都保持了良好的线性。 由于接口电路对于电源电压的不敏感性，3 次测试结果保持良好的一致性，最大偏差不超过 6%。
最后，表 1 将本文设计的接口电路与近年来国际上发表的低功耗电容式传感器接口电路进行了对比，测试时整流器为接口电路提供一个稳定的0.7 V 电源电压。 由于采用了简单的全数字结构，本文设计的接口电路占用了较小的芯片面积，可以工作在 0.7 V 超低电源电压下。 与其它设计相比， 本文设计的电容式传感器接口电路虽然只具有中等的分辨率，但显著降低了功耗，尤其适合应用于无源传感器标签设计中。
5 结 论
采用中芯国际 0.18 μm CMOS 工艺，本文设计并制造了一种无源湿度传感器标签。 标签工作于超高频段，采用了 ASK 反向散射调制方式。 湿度传感器单元设计与标准 CMOS 工序兼容，利用顶层金属层制作叉指电极，并填入聚酰亚胺作为感湿材料，无任何后处理工艺，制造成本低。 整流电路采用差分交叉耦合结构，降低了 MOS 开关管的有效导通电压。 接口电路基于锁相环原理，采用全数字结构，可以工作在超低电源电压下，极大的降低了功耗。 测试结果显示，本文设计的无源湿度传感器标签具有良好的线性度和稳定性，最低功耗仅为4 μW，在 RFID 阅读器的发射功率为 2 W 条件下，标签的最大无线工作距离可以达到 14 m。 下一步的工作将重点研究增加其他标签模块设计，增强湿度传感器标签功能。 由于本文设计的接口电路适合工作在中等分辨率下，因此如何在保持低功耗前提下提高接口电路的分辨率也是下一步研究目标。——论文作者：刘茂旭1 何怡刚1 邓芳明1，2 李 兵1 张利华2 吴 翔2
参考文献
[1] 吴杰，冯锋， 丁志义.基于 RFID 与 WSN 融合技术的井下定位算法研究[ J].计算机工程与设计，2014，35(7)：2278-2282.WU J， FENG F， DING ZH Y.Research on coal mineunderground localization algorithm based on integrationof RFID and WSN [ J].Computer Engineering and Design， 2014，35(7)：2278-2282.
[2] 佐磊， 何怡刚， 李兵， 等.无源超高频射频识别系统路 径 损 耗 研 究 [ J ]. 物 理 学 报， 2013，62(14) ：144101.ZUO L， HE Y G， LI B， et al.Analysis and measurments of path loss effects for ultra high frequency radiofrequency identification in real environments [ J].ActaPhysica Sinica，2013，62(14)：144101.
[3] GU L， HUANG Q A， QIN M.A novel capacitive-type humidity sensor using CMOS fabrication technology[J].Sensors and Actuators B： Chemical， 2004， 99(7)： 491-498.
[4] ZHAO C L， QIN M， HUANG Q A.A fully packagedCMOS interdigital capacitive humidity sensor with polysilicon heaters[J].IEEE Sensors， 2011， 11(3)： 2986-2992.
[5] DAI C L， LU D H.Fabrication of a micro humidity sensor with polypyrrole using the CMOS process [ C].InProceedings of the 5th IEEE International Conference onNano/Micro Engineered and Molecular Systems， Nice，France， 20-23 January 2010： 110-113.
[6] NIZHNIK O， HIGUCHI K， MAENAKA K.Self-calibrated humidity sensor in CMOS without post-processing[J].Sensors， 2012， 12(7) ： 226-232.
[7] 邓芳明， 何怡刚， 佐磊，等.基于无源超高频射频识别标签的湿度传感器设计[ J].物理学报， 2014，63(18) ： 188402.DENG F M， HE Y G， ZUO L， et al.Complementarymetal-oxide-semiconductor humidity sensor design forpassive ultra-high frequency radio-frequency identification application [ J ].Acta Physica Sinica， 2014，63(18) ： 188402.
[8] TAN Z， DAAMEN R， HUMBERT A， et al.A 1.2-V8.3-nJ CMOS humidity sensor for RFID applications[ J ].IEEE Journal of Solid-State Circuits， 2013，48(10) ： 2469-2477.
[9] CIRMIRAKIS D， DEMOSTHENOUS A， SAEIDI N， etal.Humidity-to-frequency sensor in CMOS technologywith wireless readout [ J ].Sensors Journal， IEEE，2013， 13(3) ： 900-908.
[10] SENADEERA P M， DOGAN N S， XIE Z J， et al.Recent trends in RFID transponders[ C].Proceedings of2013 IEEE Southeastcon， 2013：1-5.
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