專利名稱：內(nèi)置天線的超高頻智能標(biāo)簽芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超高頻射頻通信領(lǐng)域和超高頻智能標(biāo)簽芯片領(lǐng)域，尤其涉及一種內(nèi)置天線的超聞?lì)l智能標(biāo)簽芯片。
背景技術(shù)：
近年來，由于射頻電子技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是射頻智能標(biāo)簽的廣泛應(yīng)用，正逐漸改變著人們的生活方式。常見的射頻電子標(biāo)簽分為從電源供應(yīng)方面區(qū)分有源和無源兩大類；從載波頻率方面區(qū)分有125KHz (130KHz)的低頻頻段、13. 56MHz的高頻頻段、433MHz，86(Γ960ΜΗζ的超高頻頻段、2. 4GHz，5. 8GHz的微波頻段；電子標(biāo)簽的應(yīng)用無處不在，因此產(chǎn)生了各種形狀，適合不同應(yīng)用要求的產(chǎn)品，使人們的生活更便利更高效。常規(guī)的智能生產(chǎn)工藝是將智能標(biāo)簽芯片上的天線焊盤和外部天線的輸入端連接起來，形成完整的射頻諧振電路，實(shí)現(xiàn)無線射頻通信的功能。但是，由于需要實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)的通信距離，超高頻智能標(biāo)簽在實(shí)際應(yīng)用中一般是在I-IOm的讀寫距離，因此外部天線的尺寸要求比較大，通常是做成長條形偶極子天線，如超高頻物流標(biāo)簽。在某些特殊的場合，可以降低了通信距離的要求，做成異形的智能標(biāo)簽，方便使用。但即使是異形標(biāo)簽，天線也是必須的部件，其尺寸也還是相對比較大的，無法避開芯片和天線的物理連接。為了讓超高頻射頻智能標(biāo)簽?zāi)軌蚋鼜V泛地應(yīng)用到日常生活中，一方面從成本上要降低到符合實(shí)際應(yīng)用的需求，在某些場合，使體積縮小到某些特殊應(yīng)用的場合，便于安裝和使用，這就要求產(chǎn)品越做越小，越做越薄。超高頻頻段，特別是大量應(yīng)用的860-960MHZ頻段的智能標(biāo)簽，電路的天線末端諧振電路大都為偶極子雙工收發(fā)天線，其天線的長度為工作點(diǎn)頻率的波長的一半，如果要減小產(chǎn)品尺寸，勢必要從縮小射頻天線的尺寸或采用不同的極化方式兩方面想辦法。從縮小射頻天線角度考慮，減小射頻天線的尺寸后，天線的電感量將減小，天線的長度無法匹配到諧振頻率的需求，在相同芯片輸入電容匹配的情況下，需要加入外部匹配電容器，才能達(dá)到860-960MHz的諧振頻率。從另一個(gè)方面分析，最主要的是天線和芯片存在著物理連接，因此整體的尺寸商不能實(shí)現(xiàn)真正的微型化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是完善超高頻智能標(biāo)簽芯片的功能，降低超高頻智能標(biāo)簽產(chǎn)品的總體成本，實(shí)現(xiàn)具有市場競爭力和優(yōu)勢性價(jià)比的極微小型的具有完整的超高頻智能標(biāo)簽功能的芯片。本發(fā)明的技術(shù)適合在800MHz-10GHz的超高頻智能標(biāo)簽芯片產(chǎn)品中。內(nèi)置天線的超高頻智能標(biāo)簽芯片，由超高頻天線、電源管理電路、調(diào)制解調(diào)電路、控制電路和存儲器電路構(gòu)成
所述的超高頻天線為通過光刻工藝設(shè)置在半導(dǎo)體基材上的單極子超高頻天線，包含了螺旋形輻射單元、阻抗平衡單元、饋線、信號端口和接地金屬面。進(jìn)一步的，所述的超高頻天線，設(shè)置在芯片的最表面的2個(gè)電路層上，其中內(nèi)部的I個(gè)電路層設(shè)置為接地面金屬層，另I個(gè)表面的電路層設(shè)置為天線層；
所述的信號端口為一個(gè)信號輸入輸出端和一個(gè)信號地端的組合，信號輸入輸出端將饋線和調(diào)制解調(diào)電路的一個(gè)端口連接起來，信號地端連接接地面金屬層；
所述的饋線為信號輸入輸出端到輻射單元的信號傳輸線路；
所述的阻抗平衡單元為饋線和輻射單元連接點(diǎn)到接地面間的連接線，調(diào)整天線的阻抗匹配；
所述的螺旋形輻射單元一端連接到饋線和阻抗平衡單元的連接點(diǎn)，另一端經(jīng)螺旋天線環(huán)繞后在中心開放設(shè)置；
所述的接地金屬面為設(shè)置在天線層背面的大片金屬層，以電介質(zhì)絕緣層相隔，和信號地端連接。再進(jìn)一步，所述超高頻天線從信號端口處具有輸入阻抗和電感；
所述的超高頻天線的輸入阻抗和芯片的輸入阻抗共扼匹配；
所述的超高頻天線的電感和芯片的內(nèi)部容性部件滿足所述工作頻率處的諧振條件。再進(jìn)一步，所述螺旋形天線輻射單元具有螺旋型微帶結(jié)構(gòu)，螺旋型微帶輻射單元加強(qiáng)了所述電感的量，使輻射單元的長度和阻抗平衡單元的長度總和遠(yuǎn)小于超高頻天線工作頻率處的波長的四分之一。再進(jìn)一步，所述超高頻天線的一個(gè)信號輸入輸出端和一個(gè)信號地端之間設(shè)置了一個(gè)電容器，進(jìn)一步縮小輻射單元的長度和阻抗平衡單元的長度總和。再進(jìn)一步，所述超高頻天線和芯片輸入電路組成的射頻電路，其諧振頻率為800MHz IOGHz。。本發(fā)明的內(nèi)置天線的超高頻智能標(biāo)簽芯片，經(jīng)過測試、減薄、切割、包裝后就可以應(yīng)用到實(shí)際項(xiàng)目中。根據(jù)上述方案形成的本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)通過該技術(shù)實(shí)現(xiàn)的芯片具有獨(dú)立的非接觸式功能，同時(shí)該芯片具有極微小的體積，適合在小型物體和狹窄空間內(nèi)使用。通過該技術(shù)實(shí)現(xiàn)的芯片，由于沒有外部連接，產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)能力完全取決于芯片本身，適合在溫度變化大、高濕度環(huán)境以及具有化學(xué)品腐蝕的環(huán)境中使用。 通過該技術(shù)實(shí)現(xiàn)的芯片取消了外接天線，也取消了天線的焊接過程，避免了芯片因受熱引起的品質(zhì)下降，有效地節(jié)約生產(chǎn)材料和降低生產(chǎn)成本，同時(shí)提高了產(chǎn)品的品質(zhì)。通過該技術(shù)實(shí)現(xiàn)的芯片，有效滿足本領(lǐng)域的需求，具有極好的實(shí)用性、創(chuàng)造性和新穎性。


圖I為本發(fā)明的內(nèi)置天線的超高頻智能標(biāo)簽芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理框圖。圖2為傳統(tǒng)的超高頻智能標(biāo)簽芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理框圖和應(yīng)用示意圖。圖3為本發(fā)明的內(nèi)置天線的超高頻智能標(biāo)簽芯片的內(nèi)部天線連接示意圖。圖4為傳統(tǒng)的超聞?lì)l智能標(biāo)簽芯片的天線焊盤和內(nèi)部電路的連接不意圖。圖5為本發(fā)明的內(nèi)置天線的超高頻智能標(biāo)簽芯片的超高頻天線模型示意圖。
圖6為本發(fā)明的內(nèi)置天線的超聞?lì)l智能標(biāo)簽芯片的超聞?lì)l天線尺寸與各相關(guān)參數(shù)的關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體圖示，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。本發(fā)明針對現(xiàn)有超高 頻微型智能標(biāo)簽常用的生產(chǎn)工藝，所存在的不僅生產(chǎn)成本高，而且制造工藝繁瑣，使用中可靠性相對較差，產(chǎn)品體積偏大等問題，而提供的技術(shù)解決方案，實(shí)施具體如下
參見圖2傳統(tǒng)的超高頻智能標(biāo)簽芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理框圖和應(yīng)用示意圖，虛線框I以內(nèi)的部分為芯片本體，由天線輸入端口(Antl和Ant2)、電源管理電路(PowerManagement)、調(diào)制解調(diào)電路(Modulator/Demodulator)、控制電路(Controller)和數(shù)據(jù)存儲器電路(Data Memory)構(gòu)成。電源管理電路(Power Management)從天線端獲取射頻信號的載波能量，并通過整流濾波電路將載波信號轉(zhuǎn)換成直流電源，供芯片的內(nèi)部電路提供電源。同時(shí)，調(diào)制解調(diào)電路(Modulator/Demodulator)也從天線端獲取數(shù)據(jù)信號，經(jīng)過解調(diào)器解調(diào)后將有用的數(shù)據(jù)信號傳送到控制電路(Controller)進(jìn)行處理。天線輸入端口 Antl和外部偶極子天線的一個(gè)電極2連接,天線輸入端口 Ant2和外部偶極子天線的另一個(gè)電極3連接。上述方案是目前大量應(yīng)用的超高頻智能標(biāo)簽方案，但是偶極子天線和芯片的天線焊盤之間必須有物理的電性連接，才能正常工作。大尺寸的偶極子天線可以獲得較大的射頻能量，通信距離較遠(yuǎn)。為了解決微型化及天線和芯片的一體化實(shí)現(xiàn)方案，參見圖1，本發(fā)明提供的內(nèi)置天線的超高頻智能標(biāo)簽芯片，虛線框I以內(nèi)的部分為芯片本體，包含了超高頻單極子天線和芯片輸入電路4。超高頻單極子天線包含了天線2和接地面3，分別通過天線輸入端口 Antl和Ant2連接到芯片輸入電路。芯片輸入電路的入口處并聯(lián)了補(bǔ)償電容器(Cl),和電源管理電路(Power Management)、調(diào)制解調(diào)電路(Modulator/Demodulator)、控制電路(Controller)和數(shù)據(jù)存儲器電路(Data Memory)相連接。電源管理電路(PowerManagement)從天線端獲取射頻信號的載波能量，并通過整流濾波電路將載波信號轉(zhuǎn)換成直流電源，供芯片的內(nèi)部電路提供電源。同時(shí)，調(diào)制解調(diào)電路(Modulator/Demodulator)也從天線端獲取數(shù)據(jù)信號，經(jīng)過解調(diào)器解調(diào)后將有用的數(shù)據(jù)信號傳送到控制電路(Controller)進(jìn)行處理。天線輸入端口 Antl和芯片內(nèi)部單極子天線的天線2連接,天線輸入端口 Ant2和芯片內(nèi)部單極子天線的接地面3連接。增加的補(bǔ)償電容器(Cl)，可以減小單極子天線的尺寸，達(dá)到頻率諧振和阻抗匹配。這樣，內(nèi)置天線的超高頻智能標(biāo)簽芯片實(shí)際上就是一款完整的智能標(biāo)簽，可以獨(dú)立完成超高頻智能標(biāo)簽的所有功能。在有些近距離應(yīng)用場合，可以直接使用，或者采用提高讀寫器功率的方法，實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的通信。在要求遠(yuǎn)距離應(yīng)用的場合，還可以配合輔助天線進(jìn)行信號接續(xù)，提高芯片的通信能力。參見圖4,為傳統(tǒng)的超聞?lì)l智能標(biāo)簽芯片的天線焊盤和內(nèi)部電路的連接不意圖，在芯片本體I的區(qū)域內(nèi)，設(shè)置了天線外接焊盤11和12，天線外接焊盤11通過內(nèi)部連接線4和芯片輸入電路2的一個(gè)電極進(jìn)行連接；天線外接焊盤12通過內(nèi)部連接線5和芯片芯片輸入電路2的另一個(gè)電極進(jìn)行連接。在制作成智能標(biāo)簽時(shí)，天線外接焊盤11和12通過引線焊接或者倒扣封裝工藝外部射頻天線進(jìn)行物理電性連接，實(shí)現(xiàn)智能標(biāo)簽的生產(chǎn)過程。參見圖3，為本發(fā)明的內(nèi)置天線的超高頻智能標(biāo)簽芯片的內(nèi)部天線連接示意圖，在芯片本體I的區(qū)域內(nèi)，和傳統(tǒng)的智能標(biāo)簽芯片相比，取消了天線外接焊盤，節(jié)省了大片的焊盤空間。同時(shí)，增加了一組超高頻單極子天線，天線為通過光刻工藝設(shè)置在半導(dǎo)體基材上。芯片輸入電路2的一個(gè)電極通過接地端口 6和下層的接地面相連接，芯片輸入電路2的另一個(gè)電極和單極子天線的饋線連接，饋線的另一端連接螺旋型輻射單元3的一端以及阻抗平衡單元4的一端。螺旋型輻射單元3的另一端經(jīng)過螺旋型環(huán)繞后在中心形成開放端。阻抗平衡單元4的另一端通過連接點(diǎn)7和內(nèi)層的接地面相連通。具有內(nèi)置天線的超高頻智能標(biāo)簽芯片，即為一款完整的極微小智能標(biāo)簽。參見圖5的內(nèi)置天線的超高頻智能標(biāo)簽芯片的超高頻天線模型示意圖，信號輸入端口 10和信號地11之間連接了補(bǔ)償電容器6，信號地11和接地面12相連接，信號輸入端口 10通過饋線5和螺旋型輻射單元3以及阻抗平衡單元4的公共端連接。螺旋型輻射單元3的另一端經(jīng)過螺旋型環(huán)繞后在中心形成開放端。阻抗平衡單元4的另一端通過連接點(diǎn)和內(nèi)層的接地面相連通，阻抗平衡單元的圖形設(shè)置為多段曲折線結(jié)構(gòu)，以在有限的空間內(nèi)獲得較大范圍的阻抗匹配能力。智能標(biāo)簽芯片的輸入阻抗實(shí)部一般在5 35歐姆之間，虛部在10(Γ300歐姆之間，要使天線和芯片的輸入阻抗獲得匹配，則天線的輸入阻抗實(shí)部對應(yīng)為5 35歐姆之間，虛部為-10(Γ-300歐姆之間，且實(shí)部阻抗的值越大，則阻抗平衡單元的阻抗值也要求越大，即在相等的情況下，線長越長。為了減小空間的占用，利用多折彎阻抗平衡單元結(jié)構(gòu)，在較小的空間內(nèi)獲得較大的阻抗匹配范圍。電介質(zhì)基材I為硅片基材。參見圖6，O-Li坐標(biāo)表示阻抗平衡單元的長度和輻射單元長度的總和，O-Xi坐標(biāo)表示阻抗的相對值，Xi=O時(shí)，獲得阻抗匹配。R6為一個(gè)波長的長度，R5為3/4波長，R4為1/2波長，經(jīng)過R4點(diǎn)的天線長度為波長的一半，是偶極子天線的阻抗匹配曲線。從圖中獲得，阻抗匹配線I為標(biāo)準(zhǔn)的單極子天線的阻抗匹配圖，對應(yīng)天線長度等于四分之一波長Rl的分布線，是對應(yīng)偶極子天線長度的一半；當(dāng)輻射單元演變成螺旋狀結(jié)構(gòu)，引入了分布電感，阻抗匹配線I將偏移到2的位置，天線的長度由Rl縮短為R2 ;當(dāng)增加了補(bǔ)償電容器以后，阻抗匹配線從2的位置移動(dòng)到3的位置，天線長度從R2縮短為R3。以此實(shí)現(xiàn)了在芯片上設(shè)置一體化的超高頻天線。以上描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)，本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述說明書的限制，上述說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.內(nèi)置天線的超高頻智能標(biāo)簽芯片，其特征在于，所述的芯片由超高頻天線、電源管理電路、調(diào)制解調(diào)電路、控制電路和存儲器電路構(gòu)成 所述的超高頻天線為通過光刻工藝設(shè)置在半導(dǎo)體基材上的單極子超高頻天線，包含了螺旋形輻射單元、阻抗平衡單元、饋線、信號端口和接地金屬面。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的內(nèi)置天線的超高頻智能標(biāo)簽芯片，其特征在于，所述的超高頻天線，設(shè)置在芯片的最表面的2個(gè)電路層上，其中內(nèi)部的I個(gè)電路層設(shè)置為接地面金屬層，另I個(gè)表面的電路層設(shè)置為天線層； 所述的信號端口為一個(gè)信號輸入輸出端和一個(gè)信號地端的組合，信號輸入輸出端將饋線和調(diào)制解調(diào)電路的一個(gè)端口連接起來，信號地端連接接地面金屬層； 所述的饋線為信號輸入輸出端到輻射單元的信號傳輸線路； 所述的阻抗平衡單元為饋線和輻射單元連接點(diǎn)到接地面間的連接線，調(diào)整天線的阻抗匹配； 所述的螺旋形輻射單元一端連接到饋線和阻抗平衡單元的連接點(diǎn)，另一端經(jīng)螺旋天線環(huán)繞后在中心開放設(shè)置； 所述的接地金屬面為設(shè)置在天線層背面的大片金屬層，以電介質(zhì)絕緣層相隔，和信號地端連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的內(nèi)置天線的超高頻智能標(biāo)簽芯片，其特征在于，所述超高頻天線從信號端口處具有輸入阻抗和電感； 所述的超高頻天線的輸入阻抗和芯片的輸入阻抗共扼匹配； 所述的超高頻天線的電感和芯片的內(nèi)部容性部件滿足所述工作頻率處的諧振條件。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的內(nèi)置天線的超高頻智能標(biāo)簽芯片，其特征在于，所述螺旋形天線輻射單元具有螺旋型微帶結(jié)構(gòu)，螺旋型微帶輻射單元加強(qiáng)了所述電感的量，使輻射單元的長度和阻抗平衡單元的長度總和遠(yuǎn)小于超高頻天線工作頻率處的波長的四分之一。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的內(nèi)置天線的超高頻智能標(biāo)簽芯片，其特征在于，所述超高頻天線的一個(gè)信號輸入輸出端和一個(gè)信號地端之間設(shè)置了一個(gè)電容器，進(jìn)一步縮小輻射單元的長度和阻抗平衡單元的長度總和。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的內(nèi)置天線的超高頻智能標(biāo)簽芯片，其特征在于，所述超高頻天線和芯片輸入電路組成的射頻電路，其諧振頻率為800MHfl0GHZ。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種內(nèi)置天線的超高頻智能標(biāo)簽芯片，由超高頻天線、電源管理電路、調(diào)制解調(diào)電路、控制電路和存儲器電路構(gòu)成，超高頻天線為通過光刻工藝設(shè)置在半導(dǎo)體基材上的單極子超高頻天線，包含了螺旋形輻射單元、阻抗平衡單元、饋線、信號端口和接地金屬面。本發(fā)明的內(nèi)置天線的超高頻智能標(biāo)簽芯片是一種超微型化的超高頻芯片級智能標(biāo)簽。
文檔編號H01Q1/22GK102622646SQ20121010847
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月14日
發(fā)明者陸紅梅 申請人:上海禎顯電子科技有限公司