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RFID芯片结构对标签灵敏度影响分析
1 引言
卷到卷电子标签生产线是满足RFID市场对电子标签海量需求的设备。生产中很多因素会影响电子标签的性能，尤其是会影响电子标签灵敏度一致性。电子标签灵敏度一致性在实际应用中反映了在同一环境下读取不同电子标签的可靠程度，它直接影响或代表着RFID系统运行的可靠性。自从全球零售巨头Walmart在零售行业引入RFID技术后，Walmart对RFID电子标签的需求就受到电子标签供应商们的瞩目。尤其是Walmart对供应商提供的RFID电子标签验收标准（包括对电子标签灵敏度一致性的要求）备受电子标签制造商们关注。因此，电子标签制造商必须重视影响电子标签灵敏度一致性的各种因素，在生产中加以控制，以满足通过Walmart公司对电子标签的验收。可能会影响电子标签灵敏度一致性的因素很多，找出影响电子标签灵敏度一致性的主要因素，对指导电子标签生产具有实际意义。
因为，RFID UHF电子标签灵敏度一致性对系统运行影响较大，所以，本文只研究UHF电子标签灵敏度一致性问题。
2 实验测试
2.1 各种因素分组及测试设备和测试环境
可能影响电子标签灵敏度一致性的因素有：倒封装贴片生产线的温度、压力、时间等参数；表面未敷膜芯片和敷膜芯片；天线表面洁净状态；不同金属天线；天线馈点宽缝隙和窄缝隙等。将不同因素分别组合制作成电子标签，每个组合取30枚电子标签测试其灵敏度，并用Minitab软件做产品制程能力分析。测试设备主要有芬兰Voyantic公司的Tagformance UHF电子标签测试仪、计算机等；测试环境在微波暗室中。
2.2 测试结果
2.2.1电子标签测试仪灵敏度曲线分析
（1）未敷膜芯片的电子标签在900MHz频点上灵敏度增益一般在-18dBm~-12 dBm之间，离散性较大，如图1所示。
（2）敷膜芯片的电子标签在900MHz频点上灵敏度增益一般在-15dBm~-12 dBm之间，一致性较好，如图2所示。
（3）未敷膜芯片与宽缝隙天线组合的电子标签比与窄缝隙天线组合的电子标签灵敏度一致性稍好。
（4）天线表面洁净状态；倒封装贴片时的温度、压力、时间等参数；不同金属天线等因素对电子标签灵敏度一致性影响不明显。
图1未敷膜芯片电子标签灵敏度曲线[2]图2敷膜芯片电子标签灵敏度曲线[2]
2.2.2 产品制程能力分析
将电子标签测试仪在900MHz频点上的灵敏度增益数据用Minitab软件做产品制程能力分析。取规格下限（LSL）为-16dBm，规格上限（USL）为-12 dBm，样本数为30。
参考图表如下：
图3未敷膜芯片某种组合Cpk=0.63 [2]图4未敷膜芯片某种组合Cpk=0.44[2]
图5敷膜芯片某种组合Cpk=1.42 [2] 图6敷膜芯片某种组合Cpk=1.10[2]
制程能力判断标准：
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Cpk值 |
级别 |
判断结论 |
|
Cpk≥1.67 |
特级 |
制程能力过分充裕 |
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1.67>Cpk≥1.33 |
A |
制程能力充分 |
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1.33>Cpk≥1.00 |
B |
制程能力合格，但不太充分 |
|
1.00>Cpk≥0.67 |
C |
制程能力不足，需要提升能力 |
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Cpk<0.67 |
D |
制程能力严重不足，不可接受 |
图3、图4为未敷膜芯片在不同压力、不同洁净度下制作的电子标签的制程能力分析，因Cpk<0.67，为D级，说明制程能力严重不足，不可接受。
图5、图6为敷膜芯片在不同压力、不同洁净度下制作的电子标签的制程能力分析，因Cpk≥1.0，为B级，说明制程能力合格，可以接受。
通过对电子标签上万枚次的测试、对比分析，得到结果：表面未敷膜芯片与窄缝隙天线贴合制作的电子标签灵敏度一致性较差；其他因素对电子标签灵敏度一致性影响不明显。
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3 理论计算
|
IC等效电路 |
图7电子标签等效电路[1]
平板电容计算公式：C=εε0S/d（1）
式中单位：电容C（F）；面积S（m2）；极板间距d（m）
真空介电常数：ε0= 8.85×10-12
空气相对介电常数ε1=1
膜的相对介电常数ε2≈2
由芯片的Datasheet得到某款芯片的尺寸为：0.66×10-3m× 0.66× 10-3m[1]
3.1未敷膜和敷膜芯片与窄缝隙天线之间产生的寄生电容及不可控电容偏差范围：
图8芯片在窄缝隙天线上
假设未敷膜及敷膜芯片与窄缝隙天线正对面积均为芯片面积的60%（见图8）
正对面积 S1=0.66 × 10-3× 0.66× 10-3× 60% ≈ 0. 26× 10-6m2（2）
S2=0.66 × 10-3× 0.66 × 10-3× 60% ≈ 0. 26× 10-6m2（3）
未敷膜芯片与窄缝隙天线正对面积之间的间距为钝化层的厚度（见图9）：
d1=1.2×10-6m
图9未敷膜芯片与天线之间间距
敷膜芯片与窄缝隙天线正对面积之间的间距为钝化层+膜的厚度（见图10）：
d2=8.2× 10-6 m
图10敷膜芯片与天线之间间距
电容计算：
C1=ε1ε0S1/d1=1 ×8.85 × 10-12×0. 26 × 10-6 ÷1.2 × 10-6 ≈ 1.9 pF（4）
C2=ε2ε0S2/d2=2 ×8.85 × 10-12×0.26 ×10-6 ÷8.2 ×10-6 ≈ 0.28 pF（5）
假设倒封装贴片时受到导电胶及压力等因素的影响，使芯片与天线之间的间距有0.2×10-6 m高度不可控，用d1d2表示不可控高度最大间距。
可能达到的最大间距：
d1=1.4 × 10-6m
d2=8.4 × 10-6 m
最大间距时的电容：
C1=ε1ε0S1/d1=1 ×8.85 ×10-12×0. 26 ×10-6 ÷1.4 × 10-6≈ 1.6 pF（6）
C2=ε2ε0S2/d2=2 ×8.85 × 10-12×0.26 × 10-6÷8.4× 10-6≈ 0.27 pF（7）
不可控电容偏差的范围：
ΔC1 =C1-C1= 1.9 -1.6 = 0.3 pF（8）
所以未敷膜芯片与窄缝隙天线间不可控电容偏差范围为：0~0.3 pF
ΔC2 =C2-C2= 0.28 -0.27 = 0.01pF（9）
敷膜芯片与窄缝隙天线间不可控电容偏差范围为：0~0.01pF
从芯片的等效电路（见图7）得知，芯片的等效电容为0.8 pF；未敷膜芯片与窄缝隙天线间的寄生电容1.6 pF及不可控电容偏差范围0~0.3 pF均与芯片的等效电容0.8 pF接近，尤其是不可控电容偏差范围0~0.3 pF较大，所以对电子标签灵敏度一致性影响较大；
敷膜芯片与窄缝隙天线间的寄生电容0.28pF及不可控电容偏差范围0~0.01 pF均比芯片的等效电容0.8 pF小很多，所以对电子标签灵敏度一致性影响较小。
3.2 未敷膜芯片与宽缝隙天线产生的寄生电容及不可控电容偏差范围：
假设未敷膜芯片与宽缝隙天线正对面积为芯片面积的30%（见图11）
图11芯片在宽缝隙天线上
正对面积 S3=0.66× 10-3× 0.66× 10-3× 30% ≈ 0. 13× 10-6m2（10）
未敷膜芯片与宽缝隙天线正对面积之间的间距为钝化层的厚度：
基本间距：d3=1.2× 10-6m
最大间距：d3=1.4× 10-6m
电容计算：
C3=ε1ε0S3/d3=1 ×8.85 × 10-12×0. 13 × 10-6 ÷1.2 × 10-6≈ 0.9 6 pF（11）
C3=ε1ε0S3/d3=1 ×8.85 × 10-12×0. 13 × 10-6 ÷1.4 ×10-6≈ 0.82 pF（12）
ΔC3 =C3–C3= 0.96-0.82 = 0.14 pF（13）
所以未敷膜芯片与宽缝隙天线间不可控电容偏差范围为：0~0.14 pF
未敷膜芯片与宽缝隙天线间的寄生电容0.96pF及不可控电容偏差范围0~0.14 pF均比与窄缝隙天线间的寄生电容1.6 pF及不可控电容偏差范围0~0.3 pF小，所以比窄缝隙天线对电子标签灵敏度一致性的影响要小。
通过电子标签测试仪实验测试和理论计算得出结论：未敷膜芯片与窄缝隙天线间的寄生电容和电容偏差是造成电子标签灵敏度一致性差的主要原因。
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4结语
UHF电子标签灵敏度一致性问题，是芯片及天线设计加工、倒封装生产工艺等因素共同影响的较复杂的问题。本文通过大量实验测试和理论计算，确定了芯片未敷膜结构形式是影响电子标签灵敏度一致性差的一种主要因素。实验测试过程、对比分析工作和得到的结果，均对电子标签芯片及天线设计和电子标签生产制造有指导意义。
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