0 引 言

　　RFID標(biāo)簽被預(yù)測(cè)為將取代諸如條形碼等現(xiàn)有非接觸式識(shí)別技術(shù)，并且還具備其他的功能，如感知功能。目前來說實(shí)現(xiàn)這種技術(shù)主要的問題是標(biāo)簽價(jià)格較高，業(yè)界正在研究采用非傳統(tǒng)的硅電子設(shè)備，以減少RFID標(biāo)簽的制造成本。主要解決方案之一就是在制造成本較低的塑料薄膜中采用有機(jī)電子元器件技術(shù)。有機(jī)電子器件廣泛應(yīng)用于靈活性較高的太陽能電池板和傳感器等領(lǐng)域[1?2]。本文提出了不同的片到片制造電路。這些電路可以在有機(jī)自主的射頻(RF)標(biāo)簽中使用，其基本原理是基于物理不可克隆函數(shù)(PUF)結(jié)構(gòu)輸出代碼，將惟一的標(biāo)識(shí)號(hào)發(fā)送到讀取器上。

　　這種標(biāo)簽的電原理如圖1所示。放置在天線之后的晶體管受PUF的輸出控制，并用于改變標(biāo)簽的輸入阻抗，從而產(chǎn)生含有該標(biāo)記標(biāo)識(shí)的背散射信號(hào)。并行輸入/串行輸出(PISO)寄存器可以用來將PUF結(jié)構(gòu)的并行輸出轉(zhuǎn)換為串行代碼。并行輸入/串行輸出寄存器，主要有D?鎖存器。有機(jī)壓控振蕩器(VCO)已經(jīng)在一些文獻(xiàn)中得以證明[3]。本文的工作將集中在整流器和PUF結(jié)構(gòu)。

　　圖1 無源有機(jī)標(biāo)簽的框圖

　　首先提出的電路是一個(gè)有機(jī)的、集成了8個(gè)階段的整流器電路，其能夠提供一個(gè)20 V電源，用于工作頻率為14 MHz的有機(jī)電路供電。當(dāng)前的有機(jī)整流器只包含一個(gè)有機(jī)二極管，配合外部的無機(jī)電容器一起使用。本文采用了第一級(jí)整流，利用有機(jī)的層到層處理方式[3]。因此可以在相同的塑料薄膜上建立有機(jī)整流器和整流器后級(jí)的模擬或數(shù)字電路。該電路為PUF結(jié)構(gòu)，其生成基于所述有機(jī)過程的散射的隨機(jī)識(shí)別碼[4?5]。另外，文中選取應(yīng)用廣泛的靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)的PUF結(jié)構(gòu)，因?yàn)槠銻FID標(biāo)簽相對(duì)簡(jiǎn)單。事實(shí)上，只需要6個(gè)晶體管來創(chuàng)建一個(gè)位的輸出代碼，生成的代碼在相同的塑料薄膜上隨著PUF的不同而不同，但標(biāo)簽的壽命仍然是完全相同的。該代碼是無法預(yù)測(cè)的，這意味著即使創(chuàng)建PUF結(jié)構(gòu)的一個(gè)克隆，但由于散射過程，其不可能獲得相同的生成代碼。

　　1 有機(jī)晶體管、電容和二極管

　　本文研究的目的是采用相同的層到層的處理方法完成有機(jī)電容、二極管和晶體管的處理。事實(shí)上，所有提到的有機(jī)整流器，都是由一個(gè)單一的垂直有機(jī)二極管或橫向的有機(jī)二極管制成，它連接到一個(gè)外部分立的無機(jī)電容且同時(shí)不與其他有機(jī)電路相連接。研究中所使用有機(jī)的層到層處理用來創(chuàng)建N和P型有機(jī)晶體管，其通過工業(yè)的方法，并且基于 Cadence公司的VIRTUOSO的版圖套件來布局文件。這使得連接晶體管的電極作為二極管或電容器成為可能。為了使有機(jī)晶體管作為二極管工作，柵極和源極需要連接在一起。以相同的方式可以制成電容器，通過在頂部(柵極)和底部連接的電極(源極和漏極)實(shí)現(xiàn)，他們是由電介質(zhì)和有機(jī)半導(dǎo)體之間隔開。串聯(lián)連接在二極管和電容器配置的有機(jī)N型晶體管的顯微圖像分別如圖2所示。

　　圖2 有機(jī)晶體管的顯微圖像

　　利用惠普4156器件分析儀測(cè)試該二極管。其直流的特性是通過在陽極上產(chǎn)生從-15 V掃描到+40 V的電壓來表征，而在陰極的電壓設(shè)置為0 V。測(cè)量所產(chǎn)生的電流，并由下列等式推導(dǎo)出電流密度：

　　[J=idS]

　　式中：J為電流密度，單位為A/cm2;id為測(cè)量得到的電流;S為在兩個(gè)電極之間電流所跨越的面積，這個(gè)面積采用近似的方法得到?？紤]到電流從漏極到源極的移動(dòng)，穿越的面積等于電極的高度(H)乘以總通道寬度(Wtot)。該部分的計(jì)算如公式所示：

　　S=H?Wtot=H?4?W

　　由于每個(gè)的電容連接的晶體管有4個(gè)平行的通道，總管寬度(Wtot)是一個(gè)單信道的4倍寬度(W)。所述電極的高度為30 nm，而一個(gè)通道有一個(gè)450 μm的寬度。

　　2 有機(jī)整流器

　　無論是二極管或電容器的配置，使用的有機(jī)整流器都采用屏印刷晶體管的電氣原理圖，如圖3所示。

圖3 有機(jī)8階段整流器的電路圖

　　每個(gè)階段由4個(gè)晶體管構(gòu)成，其中2個(gè)用作二極管，另外2個(gè)用作電容器。整流器的總尺寸為5 mm×32 mm。該整流器通過電測(cè)試，采用1 MΩ電阻用于模擬電流消耗在其輸出端的電荷電阻。使用Tektronik AWG2040發(fā)電機(jī)產(chǎn)生±20 V的正弦電壓施加整流器的輸入，測(cè)定DC在不同輸入頻率的輸出電壓。

　　3 PUF架構(gòu)設(shè)計(jì)

　　為了保證從標(biāo)簽到讀取器的安全傳輸，標(biāo)簽必須能夠發(fā)送它的標(biāo)識(shí)號(hào)。為此設(shè)計(jì)和制造了一個(gè)PUF結(jié)構(gòu)。該P(yáng)UF結(jié)構(gòu)的主要目的是生成基于上述散射過程的隨機(jī)碼。每個(gè)PUF結(jié)構(gòu)，即使采用相同的工藝制造，也將會(huì)有一個(gè)獨(dú)特的不可預(yù)測(cè)的輸出代碼。生成的隨機(jī)碼在標(biāo)簽的生命周期內(nèi)是相同的。所設(shè)計(jì)的PUF結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)都有4個(gè)平行輸出比特位。為了能夠產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)碼，文中選取基于SRAM PUF的系統(tǒng)?；赟RAM PUF結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是只需要6個(gè)晶體管來產(chǎn)生輸出比特位，這在硬件方面只需要一個(gè)非常小的消耗。PUF結(jié)構(gòu)通過并聯(lián)4個(gè)SRAM設(shè)備構(gòu)成，每一個(gè)產(chǎn)生一個(gè)輸出位。在PUF結(jié)構(gòu)中4個(gè)SRAM設(shè)備的其中1個(gè)的電原理圖如圖4所示。

　　圖4 構(gòu)成PUF結(jié)構(gòu)中的1個(gè)SRAM設(shè)備的電氣原理

　　功能原理如下：當(dāng)電源電壓被接通時(shí)，不穩(wěn)定的電氣狀態(tài)迫使在SRAM存儲(chǔ)器內(nèi)環(huán)逆變器輸出一個(gè)“1”邏輯值。一旦該值被建立時(shí)，寫線路被置為“1”，并且PUF結(jié)構(gòu)的輸出線的隨機(jī)值被復(fù)制。此SRAM設(shè)備復(fù)制4次，以創(chuàng)建一個(gè)4個(gè)輸出比特位的PUF結(jié)構(gòu)。該P(yáng)UF結(jié)構(gòu)與有機(jī)8個(gè)階段的整流器一樣，也是在制造相同的塑料薄膜上。

　　4 結(jié) 論

　　本文針對(duì)塑料薄片提出了兩種集成電路，它可以在一個(gè)全有機(jī)RFID標(biāo)簽中使用。先介紹了一個(gè)有機(jī)8階段的整流器，其能夠提供一個(gè)20 V直流電壓，有1的轉(zhuǎn)換增益。該電路的輸入整流正弦電壓，振蕩的頻率最高可達(dá)14 MHz。關(guān)于一些高性能整流器的總結(jié)如表1所示。

　　表1 有機(jī)整流器的總結(jié)

　　從表1中可以看出，本文所提出的整流器從截止頻率方面，以及二極管的電流密度和整改率上看，是處于優(yōu)勢(shì)地位的，盡管很多整流器的制造使用了昂貴的真空工藝。此外，該電路可以采用相同的有機(jī)處理流程進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，這與文獻(xiàn)中提出的其他電路類似。

　　由整流產(chǎn)生的20 V電源足以使雙方的PUF結(jié)構(gòu)和VCO正常運(yùn)作。另外在測(cè)試中使用了1 MΩ電阻充電，用以模擬并測(cè)試20 μA的消耗在20 V電源供電下。在前面介紹的VCO僅消耗1 μA以及PUF結(jié)構(gòu)具有的消耗可以忽略不計(jì)，因?yàn)樗蕾囉趦蓚€(gè)環(huán)形逆變器均處于一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。文中第二個(gè)提出的電路是一個(gè)集成的PUF結(jié)構(gòu)，它產(chǎn)生一個(gè)不可克隆的隨機(jī)碼。每一個(gè)單一的結(jié)構(gòu)生成自己的代碼，準(zhǔn)確地從其他電路中識(shí)別出來。耦合這兩個(gè)電路以及天線將可以建立一個(gè)RFID無源標(biāo)簽，其中沒有任何電池，由于在整流產(chǎn)生DC電壓能夠提供一個(gè)電路，如PUF結(jié)構(gòu)。還證明在以往的有機(jī)層到層印刷電路下，可以由該整流器提供一個(gè)20 V的電源來工作?？梢栽O(shè)計(jì)和制造出復(fù)雜的全有機(jī)電路而無需任何無機(jī)外部組件。