学位论文简介

随着物联网技术的快速发展，超高频无源RFID标签凭借无源、低成本、非接触式识别等优势，在物资管理、冷链监控等领域得到广泛应用。然而，现有标签芯片在能量收集效率、温度传感精度、存储可靠性及系统鲁棒性等方面仍面临诸多挑战，难以满足物联网场景对高精度环境感知与稳定数据传输的需求。传统标签芯片存在能量约束与通信性能的核心矛盾，温度传感模块要么功耗过高影响标签灵敏度，要么精度不足无法适配严苛场景，存储模块则面临工艺复杂、成本高或可靠性差的问题，同时“幽灵标签”等行业难题也制约了其大规模应用，因此亟需研发一款在灵敏度、功耗、成本及可靠性方面表现均衡的集成化解决方案。具体开展的工作如下：

（1）针对无源标签能量约束与通信性能的核心矛盾，提出并实现了一套低功耗、高效率的能量收集型射频模拟前端系统。通过建立精确的链路模型，以提升标签芯片灵敏度为核心设计导向，开发了衬底偏置扩展阈值补偿整流器，实现65%的峰值转换效率与21.5 dB的宽功率动态范围；创新分布式多域电源管理结构，在满足各模块差异化供电需求的同时，将片上储能电容总面积减少41%，降低了制造成本。此外，设计了频率自校准算法以对抗工艺偏差，提出读写电压阈值保护机制，彻底解决“幽灵标签”行业难题，最终标签激活灵敏度达- 22 dBm，满足10米通信需求。

（2）围绕无源RFID标签的温度感知需求，探索并对比了两种CMOS温度传感器设计方案。其一为高精度宽范围型，基于一阶ΣΔ调制器与斩波稳定技术，在-40 °C至125 °C范围内实现±0.87 °C精度与14 mK分辨率，适用于高精度场景；其二为超低功耗窄范围型，通过架构优化与功耗精度折中，在-20 °C至30 °C范围内达到约0.16 °C分辨率，功耗仅为0.13 μW，单次转换能耗0.234 nJ，专为能量受限的无源标签设计。基于系统整体功耗与灵敏度的权衡，最终将超低功耗型传感器集成于标签芯片中，在仅占用0.0518 mm²面积的条件下，实现了无源RFID标签高精度温度感知与无线通信性能的有效兼顾。

（3）设计了一种基于标准CMOS工艺、无需额外制造步骤的差分结构多次可编程（MTP）存储器。通过集成验证状态机机制，在10 V操作电压下获得了2.66 V的宽阈值电压窗口，显著提升数据存储的可靠性与耐久性，经31万次擦写验证仍保持稳定；实现2 Kbits存储容量，兼顾低功耗特性，读功耗为800 nA，写功耗为3 μA；内部集成四相位电荷泵、容性分压及电压驱动等外围关键电路，通过动态电压管理机制降低擦写与编程过程中的功耗，同时借助写入优化电路提升耐久性能。该MTP存储器完全兼容标准CMOS工艺，有效控制制造成本，可存储温度校准参数、工艺校准数据及用户自定义信息等关键内容，适配无源标签的存储需求。

（4）完成了集成MTP的无源温传标签芯片的封装与测试验证工作。设计偶极子天线并进行仿真优化，其在919 MHz处达到最佳匹配，S11值为-25 dB，工作带宽33 MHz，最大增益1.41 dBi，保障射频信号的高效收发；搭建基于GJB7377.1标准的RFID空口测试平台，在微波暗室环境中开展功能与性能测试。测试结果表明，芯片在10米通信距离内可稳定实现身份识别与温度数据采集，集成的温度传感器满足设计精度要求，MTP存储器读写可靠，频率自校准与读写保护机制有效提升了系统鲁棒性，所有芯片在898 MHz至940 MHz频段内激活灵敏度均优于-18 dBm，最佳读灵敏度达-20 dBm，最佳写灵敏度为-19 dBm，整体性能均衡，为物联网无源传感应用提供了完整解决方案。

主要学术成果

[1] Y. Xiao, S. Li, D. Yan and F. Wang, "A Passive RFID Temperature Sensor With 0.16 °C Resolution, +0.42 °C/ -0.83 °C Inaccuracy and 0.234 nJ/Conversion," in IEEE Sensors Journal, vol. 25, no. 10, pp. 18136-18144, 15 May, 2025. (中科院三区，本人一作)

[2] Y. Xiao, Feng Wang, Dun Yan, Songting Li, Xin Zhang, Hongbo Gu. "A 14 mK-resolution current-mode ΣΔ temperature sensor with a 0.215 nJ×K2 FoM from −40 °C to 125 °C", Microelectronics Journal, Volume 167, 2026, 106939, ISSN 1879-2391. (中科院三区，本人一作)

[3] 肖裕,颜盾,王锋,张鑫. 一款低抖动的快速锁定锁相环设计[J].计算机工程与科学.（CCF T2，本人一作）

[4] Dun Yan, Xin ZhangCA, Yu Xiao, Xiaoyou Yu, Shaoliang Peng, Songting Li, Kai Tang, Jie Liu. A 4.5-MS/s 12-bit Vcm self-generated SAR ADC in 130-nm CMOS[J]. Microelectronics Journal,2025,Vol.156: 106548.（中科院三区，本人三作）

[5] 颜盾，肖裕，余小游，张鑫；ADS-B接收芯片中自动带宽修调中频滤波器设计[J]，计算机工程与科学.（CCF T2，本人二作）

[6] 肖裕，王锋，颜盾，余小游. 基于共模电压的逐次逼近ADC、芯片及模数转换方法: ZL202411584941.4[P]. 2025.03.11.（已授权）

[7] 肖裕，颜盾，王锋，余小游，张昭翰.低功耗高精度温度传感器电路：ZL202510489253.8[P]. 2025.07.18. （已授权）

[8] 颜盾，肖裕，彭绍亮，余小游. ADS-B收发一体芯片及ADS-B收发机: ZL202411601655.4[P]. 2025.1.21.（已授权）