Pesquisadores desenvolvem o que pode ser o menor chip RFID

O chip UHF, desenvolvido por uma equipe da Universidade Estadual da Carolina do Norte, tem cerca de duas vezes a largura de um cabelo humano

Claire Swedberg

A North Carolina State University (NCSU) por meio de seu Department of Electrical and Computer Engineering relata que encontrou uma maneira de construir um chip RFID que elimina a maioria dos componentes analógicos. O chip, de acordo com a faculdade, depende, portanto, de coleta de energia de RF baseada em digital, em vez de analógica. Como resultado, afirma o NCSU, ele mede menos da metade do tamanho dos menores chips vendidos atualmente.

A universidade diz que o chip compromete alguma sensibilidade e deve ser legível por meio de um leitor RFID padrão a uma distância de apenas cerca de 3 metros (9,8 pés), em oposição a 10 metros (32,8 pés) com uma etiqueta padrão. Mas, por outro lado, relata o NCSU, espera-se que ele exiba um desempenho semelhante ao de outros chips RFID UHF no mercado. A equipe está desenvolvendo pesquisas e prevê que será capaz de fechar essa lacuna de disparidade de sensibilidade.

O chip baseado em pesquisa NCSU tem uma área de 125 mícrons (0,005 pol.) Por 245 mícrons (0,01 pol.). Para fins de contexto, um cabelo humano tem 50 mícrons (0,002 polegadas) de diâmetro, de acordo com Paul Franzon, o pesquisador principal do grupo. Franzon é o autor de um white paper baseado no projeto e é o distinto professor de engenharia elétrica e de computação da Cirrus Logic da NCSU. O chip opera na banda UHF de 860 a 960 MHz, com sensibilidade de -2 dBm.

Após anos de desenvolvimento e testes no laboratório NCSU, o grupo está agora em discussões com potenciais parceiros de tecnologia para comercializar ou licenciar o chip para uso em etiquetas RFID. Os primeiros casos de uso que a equipe tem como alvo, e para os quais eles testarão o chip em seguida, envolvem o rastreamento de produtos de varejo de valor relativamente baixo, como mantimentos, bem como a incorporação de etiquetas RFID em ICs de alto valor usados ​​em eletrônicos, a fim de verificar sua autenticidade. Este método de incorporação é executado durante a fabricação de wafer usando a mesma tecnologia do IC de alto valor, Franzon explica, e assim se torna um bloco funcional nativo que não requer etapas de montagem adicionais.

O tamanho relativamente grande dos chips padrão representa um desafio para aqueles que procuram usar etiquetas RFID, mas que não podem pagar os cerca de 3 a 5 centavos que cada etiqueta pode custar em volume. Quando se trata de implantar esses chips para produtos de valor relativamente baixo, os pesquisadores explicam – como uma caixa de cereal ou uma bebida, por exemplo – as etiquetas padrão são muito caras para justificar esse tipo de uso para a maioria das empresas no setor de varejo. Os chips estão ficando menores, acrescentam, com o CI mais recente da Impinj medindo 396 mícrons por 296 mícrons (0,02 pol por 0,01 pol).

Para desenvolver o chip menor e potencialmente de custo mais baixo, a equipe da universidade eliminou grande parte da área de um chip RFID padrão, mais analógico. Os chips padrão, diz Franzon, são intensivos em design, além de complexos e menos escalonáveis. As etiquetas convencionais primeiro coletam energia de uma interrogação do leitor, elas retificam o sinal RF recebido em uma tensão DC com a ajuda de um retificador de estágios múltiplos. Bombas de carga e outras unidades de gerenciamento de energia são então necessárias para aumentar a energia para a resposta de uma etiqueta a essa interrogação, e esses reforços normalmente consomem 25 por cento ou mais da área de um chip.

Na verdade, diz Franzon, uma grande parte de um chip RFID UHF padrão é projetada para o processo de conversão de energia coletada em CC e, em seguida, aumentar a resposta a uma tensão mais alta por meio de uma bomba de carga. Além disso, os transistores podem apresentar vazamentos, enquanto tecnologias mais antigas, como a fabricação de CMOS de 150 nanômetros (a tecnologia usada para construir circuitos integrados) usada em chips padrão, tendem a perder energia durante o processo de interrogação e resposta.

O chip NCSU é uma solução somente RF que não requer conversão DC. É um produto compacto, em sua maioria digital, que usa blocos IP digitais, explica a equipe, eliminando assim a necessidade de componentes analógicos (retificadores, capacitores de armazenamento e unidades de gerenciamento de energia). Os pesquisadores desenvolveram uma técnica pela qual eles poderiam alimentar diretamente a lógica digital no chip com a lógica digital usando uma fonte CA. “Não há necessidade de converter para DC”, afirma Franzon, “e você não precisa aumentar a potência.” A técnica foi bastante fácil de implementar, ele acrescenta, e funcionou com eficácia no laboratório.

Segundo Franzon, o tamanho pequeno do chip é possível, em parte, porque ele é projetado em um processo CMOS de 55 nanômetros fornecido pela United Semiconductor Japan Co., mas também poderia ser realizado em 22 nanômetros. Isso permitiria que o chip tivesse a metade do tamanho de seu predecessor e continuasse a escalar em nós mais avançados. Na verdade, a maior parte do tamanho do chip é consumida pelo núcleo digital. Depois que a nova técnica de design de chip foi desenvolvida, Franzon considerou os casos de uso aplicáveis. “Eu pensei: ‘Bem, para que podemos usar isso?'”, Lembra ele, “e o RFID veio à mente muito rapidamente.”

De acordo com os pesquisadores, o chip pode ser fabricado em inlays usando os mesmos métodos convencionais já usados ​​para outros chips. A equipe já trabalhou com montadores de tags RFID no passado, diz W. Shepherd Pitts, um professor da NCSU, e com o equipamento certo eles não encontram problemas potenciais para montagem em um embutimento RFID.

Com relação às máquinas de fixação direta de matriz, que podem lidar com chips extremamente pequenos em altas taxas de transferência, os chips são tradicionalmente cortados de um wafer e, em seguida, anexados a um carretel de incrustações de antena. Os chips são fixados diretamente a um inlay usando um epóxi condutor anisotrópico ou são inicialmente preenchidos em uma tira, conhecida como interposer intermediário, que é então fixada aos inlays. Essas tiras podem permitir o manuseio de chips menores, diz Pitts, se houver qualquer restrição para o espaçamento não condutor entre os elementos condutores de uma antena dipolo.

Com relação à operação da etiqueta, a equipe afirma, qualquer etiqueta com o chip ultrapequeno pode ser lida por um leitor RFID padrão. No entanto, o desempenho da transmissão fica comprometido a uma distância de cerca de 10 metros (32,8 pés), o que as etiquetas padrão normalmente realizam, até apenas 3 metros (9,8 pés), devido à ausência de reforços. Assim, os ICs RFID UHF padrão podem oferecer aproximadamente -7,2 dBm, ao contrário do chip NCSU publicado a -2 dBm (e melhorando, dizem os pesquisadores). A presença de outros materiais ou ambientes lotados ainda não foi testada, mas a equipe espera que o desempenho seja semelhante ao de um chip padrão.

O custo mais baixo do chip pode ter o impacto mais significativo no uso da tecnologia RFID, entretanto. O preço do chip seria de apenas 0,05 centavo, resultando em um custo de etiqueta inteira de menos de um centavo. Esse preço relativamente baixo abre caminho para várias novas aplicações, diz Franzon, como etiquetar mantimentos ou outros produtos de baixo valor. “Vários varejistas disseram que o custo das etiquetas é uma barreira para o uso de etiquetas RFID”, explica ele, em ambientes como mercearias e supermercados.

Com as etiquetas custando menos de um centavo cada, as empresas podem estar mais inclinadas a etiquetar cada item e, assim, rastrear seus movimentos ao longo da cadeia de suprimentos, bem como seu armazenamento nos fundos e enquanto ele é exibido na prateleira da loja. Esse rastreamento de produtos em nível de item pode reduzir eventos de falta de estoque, explica Franzon, bem como ajudar as empresas a monitorar as datas de vencimento e reduzir os custos de estoque. O outro mercado que os pesquisadores visam é o de chips de alto valor, como processadores e unidades de processamento gráfico usados ​​em dispositivos eletrônicos, veículos motorizados ou eletrodomésticos. “Temos explorado esse mercado também”, diz ele, a fim de evitar a falsificação e fornecer autenticação.

Bilhões de dólares são perdidos a cada ano em fraudes, especialmente devido à reciclagem ilegal de peças usadas. Essa prática representa um risco de segurança, diz Franzon, e as agências governamentais, bem como os fabricantes de chips e os dispositivos de fabricação que usam esses chips, têm buscado soluções para confirmar a autenticidade do chip. Como o chip NCSU é tão pequeno, ele poderia ser embutido em uma etiqueta que seria embutida em um chip. Os usuários podem interrogar a tag no chip, mesmo depois de instalada em um laptop ou outro dispositivo, para confirmar se o chip é autêntico. Outras aplicações, sugerem os pesquisadores, podem incluir o rastreamento de documentos em papel, notas de cem dólares ou outras notas monetárias de alto valor.

No futuro, a equipe pretende melhorar a sensibilidade do chip e realizar prototipagem adicional, incluindo testes para mantimentos e outros usos de varejo, bem como aplicativos de gerenciamento de chip. Os pesquisadores planejam transformar os chips em tags e interrogá-los usando leitores padrão, e esperam licenciar ou comercializar o produto. Nesse esforço, a equipe tem discutido com vários parceiros potenciais de tecnologia. Enquanto o sistema está empregando o protocolo Gen 2 UHF RFID, a mesma abordagem pode ser estendida a outros chips alimentados por RF, incluindo NFC, relata a equipe.

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