RFID技术及其在温度传感器方面的应用

射频技术的基本原理是电磁理论。射频识别技术的基本原理是利用射频信号和空间耦合传输特性来获得对被识别物体的自动识别。射频识别系统一般由电子标签和阅读器两部分组成，基本模型图见图1。阅读器和电子标签之间的射频信号的耦合类型包括电感耦合(变压器模型)和电磁反向散射耦合(雷达原理模型)。电子标签附着在被识别的物体上，当进入可识别范围时，阅读器以非接触的方式将标签中的信息提取出来。射频标签分为有源和无源两种。有源标签识别距离较长体积较大，但寿命有限且价格较高;无源标签则相反。应答器一般由集成电路连接到天线，收发器质询应答器以了解其中的储存信息，包括产品系列号以及其它相关用户写入的信息。RFID系统算是一种传感系统。然而，射频通信和半导体电路的物理性质限制了RFID应答器的大小空间和可以达到的性能。典型的应答器由微芯片和天线组成，用来通过射频电波传播信息。应答器有主动式和被动式两种。主动式应答器在标签上有一个电源供应，比方说电池。而被动式的应答器都是通过收发器的质询信号来获得能量。大多数情况下，无论是主动式还是被动式的发射应答器只有在收发器质询时才发射一个信号。主动式的操作距离可以较远，甚至在恶劣的环境中。远程耦合系统的操作距离一般在1米之内，频率低于135 kHz(该频段特点是具有良好的物体穿透能力)，或者是6.75 MHz、13.56 MHz和27.125 MHz中的一个;长距离系统操作距离一般在1米到10米之间(当然航空应答器操作距离更长，几百米到上千米)，目前使用915 MHz(欧洲禁止)以及2.45 GHz、5.8 GHz和24.125 GHz。应答器的数据数量从几位到几千个字节。数据数量影响到RFID系统的可用频率，故此，高数据量的标签一般用于超高频率以便所有数据可以在若干毫秒内读完。只读的应答器比可读/写的应答器相对价格要低，但使用的场合受限，因为标签上的物品信息无法更新。然而，可读/写的应答器安全性能要低。多页可读/写的应答器解决了这个问题，因为每个用户可以授权一页信息。被动式读/写的应答器常常使用电可擦除式只读存储器(EEPROM)，占用集成电路较大的空间并消耗较大的电流。而被动式应答器需要减小功耗以便保证操作距离。另外，EEPROM的读取次数也有限制，不会超过几十万次，而且读取时间很慢(一百毫秒左右)。典型的低功耗应答器消耗10μW到50μW的能量。被动式应答器一般通过电感耦合(质询信号产生的磁场)、电容耦合(质询信号产生的电场)或者远场能量收集的形式获得能量。随着电池技术的进步，主动式应答器的寿命在乐观且谨慎使用下可以接近十年。当同一通道的多个应答器对同一个收发器产生反应时它们的信号可能互相影响，造成的后果就是传输失败。RFID的防冲突方法受制于低级的运算能力，包括内存有限。另外，费用也是个大问题。尤其是频域防冲突法，虽然通信能力强健但复杂程度和费用都很高。现在的大多数防冲突法是时域防冲突法，也就是传输的位置随着时间变化。在数据安全方面，最好的情况是应答器和收发器相互识别授权。德州仪器和微芯公司已经开发出授权和加密的应答器。

2 RFID温度传感器

随着RFID和传感器技术的成熟，近年来人们关注将它们集成。现在有两种RFID传感器标签体系：一种RFID标签集成传统电池支持的传感器于硅芯片上并带有模/数转换器;这种技术适合多种传感器，但标签尺寸大且成本高，且寿命受限于电池容量。第二种将传感器集成于标签天线上，这样尺寸和成本下降，但如何设计这样的传感器元件成为问题所在。一般而言，射频识别技术识别距离可达几十米以上。带有智能传感器的RFID，是无线传感网络的重要组成部分。另外，温度是很重要的环境参数之一，温度传感器应该能够监视和记录关键的温度变化。在标签芯片中嵌入温度传感电路是一大方向。目前基于CMOS工艺的RFID温度传感方法有两种典型结构。一种是利用模数转换将与温度有关的电压信号转换成包含温度信息的数字信号。另一种是采用时域数字量化的方式将周期随温度变化的信号转化成包含温度信息的数字信号，即利用一个输出周期随温度变化的时钟对一个脉冲宽度与温度无关的脉冲信号进行采样计数，或者利用一个输出周期与温度无关的时钟对一个脉冲宽度随温度变化的脉冲信号进行采样计数;最终通过数字信号处理得到温度信息。采用第一种结构特点是测量范围宽，测量精度高，测试成本低，但功耗较大，在几百微瓦到几毫瓦;第二种结构测量范嗣较小，测量精度不高，但功耗低。下面是关于温度传感器究和应用的一些例子。

在研究方面，瑞典中部大学