CN101276959B - 带有改进范围的rfid芯片及天线 - Google Patents

Abstract

描述了一种具有同时在基片上形成的rfid集成电路和天线的“芯片上线圈”RFID标签。天线是具有相对于rfid集成电路的主体平面成锐角，优选地呈90度定向的旋转轴的螺旋形多层多匝线圈。该线圈具有带由磁导率材料构成的环状磁心的中央开口。该RFID标签具有比已知的ID标签增加的工作范围。

Description

带有改进范围的RFID芯片及天线

技术领域

本发明涉及rfid(射频识别)芯片及天线技术领域。本发明尤其涉及使用相关联的r.f.询问/读取设备而具有改进的通信范围的rfid芯片及天线。

背景技术

诸如2000年11月28日发布的美国专利第6,154,137号(其公开结合在此作为参考)中示出并描述的那样，典型的rfid芯片和天线通常被同时结合在ID标签内。ID标签通常具有安装在薄基片上或密封在薄基片内的天线和rfid芯片，上述薄基片诸如2002年4月16日发布的美国专利第6,373,708B1号(其公开结合在此作为参考)中公开的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基片25。天线通常是小型环形天线或偶极天线，并且必须与rfid芯片欧姆连接。通常的环形天线是使用若干已知方法中的任一种形成的多匝平面欧姆导体。一种这样的技术是在合适的基片(诸如上述PET基片)上的银浆印刷。用于形成环形天线的另一种已知方法是由宾夕法尼亚州伯利恒市的RCD Technology Corporation实践的基片上铜沉积法。线圈的尺寸(线圈直径和厚度)和匝数由包括对ID标签物理尺寸约束在内的特定应用要求确定。天线的功能是提供rfid芯片与外部询问/读取设备(诸如，主机CPU、用户读取站等)之间的信息的电磁传递；以及允许将电功率从外部设备感生传递至rfid芯片以便为rfid芯片内的有源电路元件提供电功率。

现已知多种商用rfid芯片，它们各自具有通常能在rfid集成电路中找到的标准内部功能部件。这些标准部件包括RF和模拟部分、CPU、ROM和EEPROM(参见1999  IEEE  International  Solid-State  Circuits  Conference publicaton0-7803-5129-0/99，图9.1.1：RFID transponder IC block diagram)。Rfid芯片在被外部设备询问时经由天线接收电功率，并使用标准协议(诸如，ISO14443协议或ISO15693协议)与该外部设备通信。在对一目标安装ID标签之前，识别待附连目标的信息被写入结合在rfid芯片内的ROM(只读存储器)中。一旦该信息被一次写入ROM，它就无法被任何询问设备盖写和更改。该rfid芯片可由外部询问/读取设备询问并且只是向外部设备提供该信息，即它无法更改存储在ROM内的信息。

上述具有rfid芯片和天线的类型的ID标签对于目标跟踪十分有用，并且目前已在各种各样这类应用中使用。这一技术的更多应用在理论上是可行的，但是其实际实现在过去因为尺寸和成本的约束而受到了限制。这些约束在最近已由改进的半导体批量处理技术所解决，其中使用该技术能够以比期望将rfid芯片和天线附连到其上的独立目标的成本低得多的成本来生成极小的rfid芯片和天线。例如，日本东京的日立公司在2004年引入了芯片尺寸为0.4mm×0.4mm并且成本比市场上现有的rfid芯片低至少三分之一的mu系列rfid芯片和天线。其他的半导体制造商继续研发它们自己的具有竞争性的产品。

图1是具有都被安装在基片15上的rfid芯片12和单独的分立天线14的现有技术的ID标签10的俯视图。rfid芯片12是含有功能性rfid器件所需的常用电路的集成电路，并且是被独立制造的器件。这些集成电路器件通常使用本领域普通技术人员公知的批量处理技术来制造。通常，在大型半导体晶片上构建基本器件设计的多个复制品，其后将独立的芯片彼此分开并与其他分立部件相结合。

对于图1的ID标签10而言，其他分立部件是天线14，该天线14允许rfid芯片12电路与外部询问设备通信并且还允许将能量电磁传送到rfid芯片12以便为其中包含的电子电路供电。因为rf天线的有用工作范围是线圈面积的直接函数，所以天线14理想地是面积比rfid芯片12大得多的多匝线圈，从而能够提供尽可能大的有效工作范围。天线14通常是随后将粘至基片15的独立形成的分立线圈，或者是在线圈形成期间直接沉积在基片15上的金属层。

图1的ID标签10通常如下构造：首先制造rfid芯片12和天线14作为独立部件，将部件12和14安装至基片15并将天线14与rfid芯片12电连接。为此目的，制造带有两个欧姆连接焊盘16和17的rfid芯片12，天线14的自由端18和19能接合到这两个焊盘上。

虽然ID标签10的构造过程看上去简单直接，但是在实践过程中以高度的可重复准确度来执行实际上是相当困难的。这一困难主要是由于rfid芯片上连接焊盘小尺寸；就在该过程的接合步骤之前将天线14的自由端18和19精确定位在焊盘16和17上的要求；以及必须在天线端和连接焊盘之间形成精确机械和欧姆接合的额外要求。估计生产图1中所示的类型的ID标签的成本为：rfid芯片12占1/3；天线14占1/3；组装占1/3。随着rfid芯片物理尺寸的缩减，组装正确工作的ID标签的这些困难以及组装成本也相应地增加。

图2示出了本领域中作出的一种用于排除组装具有独立rfid芯片和天线部件的ID标签的困难的新方法。如该图所示，制造带有在基片25上形成的rfid芯片22和天线24的ID标签20。因为天线24是在芯片制造过程期间与rfid芯片22一并形成的，所以在rfid芯片22和天线24自由端之间自动形成欧姆连接。这种“芯片上线圈”方法消除了耗费成本的接合步骤以及与之相关的困难。

虽然该“芯片上线圈”解决方案的确消除了与在ID标签组装过程中分立部件的接合相关联的问题，但是它却引入了对根据该技术制造的ID标签的有效工作范围的若干限制。因为“芯片上线圈”ID标签是使用集成电路批量处理技术制造的，所以天线尺寸受到了生产的管芯的尺寸的极大限制。例如，一种商用“芯片上线圈”ID标签的公布的工作范围被限制在最大距离3.0mm。虽然这对某些专门应用来说是足够了，但是如此小的工作范围对ID标签当前所展望的大多数应用而言是不合适的。

扩展“芯片上线圈”ID标签的工作范围的一种尝试在2001年7月3日公布的题为“Radio Frequency Identification Transponder Having Integrated Antenna”的美国专利第6,288,796号中有所公开，该专利的公开结合在此作为参考。根据该参考文献中的教导，天线可以在被安装在rfid芯片之上或之下的芯片上形成。天线具有共同构成其轴与rfid芯片的主体平面平行的螺线线圈的多匝线圈。为了增加天线线圈的电感，并由此增加ID标签的工作范围，可以在天线芯片上形成高磁导率层。虽然这一偏置的确增加了“芯片上线圈”ID标签的工作范围，但是它要求会增加制造成本并对产出率有潜在影响的若干额外处理步骤，并且仅能提供带有相对较小面积的天线。

于是，当前的“芯片上线圈”RFID标签仍然遭受着与相关联的询问/读取设备的有限的有效工作范围的严重缺陷。

发明内容

本发明包括一种用于提供带有比尺寸相当的已知ID标签增加的工作范围的“芯片上线圈”RFID标签的方法和系统。

从装置方面来看，本发明包括RFID标签，其中包括基片；以及在该基片上整体形成的rfid芯片/天线组合。该rfid芯片具有与基片平面基本上平行的主体平面。

天线包括：具有定义了包围旋转轴的中央开口的多层导电匝的线圈，其中该旋转轴相对于rfid芯片的主体平面呈锐角；以及位于该线圈的中央开口内由磁导率材料构成的磁心。在较佳实施例中，该线圈具有带至少两层的基本为螺旋形的构造，锐角大致为90度，并且磁心呈环状。

从过程方面来看，本发明包括一种准备RFID标签的方法，该方法包括如下步骤：

(a)提供一基片；

(b)同时在该基片上形成rfid集成电路和天线线圈，该线圈被形成为具有中央开口并带有相对于rfid集成电路的主体平面呈锐角的旋转轴的多匝多层线圈；以及

(c)提供位于该线圈的中央开口内由磁导率材料构成的磁心。

形成步骤(b)和提供步骤(c)被同时执行。形成步骤(b)优选地包括形成带有相对于rfid集成电路的主体平面大致呈90度的角的旋转轴的线圈的步骤。该磁心被形成为环状。

本发明提供“芯片上线圈”ID标签的全部优点，还提供远大于已知设备的工作范围。增加的工作范围据估计要大于已知“芯片上线圈”ID标签十倍以上。

为了更全面地理解本发明的特性和优点，应对随后结合附图的描述做出参考。

附图说明

图1是具有rfid芯片和独立天线的现有技术的ID标签的俯视图。

图2是具有rfid芯片和整体形成的天线的现有技术的ID标签的俯视图。

图3是根据本发明的具有rfid芯片和整体形成的天线的ID标签的俯视图。

图4是示出了多层、多匝天线线圈的沿着图3中的线段4-4所取的横截面图。

具体实施方式

现转向附图，图3是本发明较佳实施例的俯视平面图，而图4是沿着图3中的线段4-4所取的横截面图，它示出了该较佳实施例的天线的多个线圈匝和多个线圈层以及磁导层。如可从这些图中所见的，RFID标签30包括rfid芯片32和多层、多匝天线线圈34，其中线圈34具有位于其中心并由具有相对较高的磁导率的材料制成的薄膜磁心36。rfid芯片、线圈34和磁心36都由基片37支承。rfid芯片32具有被定义为平行于基片37主支承平面的平面的主体平面。多层、多匝天线线圈34具有相对于rfid芯片32的主体平面以锐角，优选地以约90度定向的中心旋转轴38。

如可从图4中最佳地所见的，薄膜磁心36被形成为在线圈34的各层和各匝内部的区域中从基片37的顶面向上延伸至线圈34的上表面的环。薄膜磁心36可由具有相对较高磁导率特性的多种已知材料中的任一种形成。一种这样的材料是由81％的镍和19％的铁组成的镍铁合金。本领域普通技术人员可以想到其他合适的材料。磁心36的目的是增加线圈34的Q因数，由此增加ID标签30的工作范围。

ID标签30的工作范围还可以通过为线圈34提供多层和多匝，以及将线圈34在线圈34的旋转轴38相对于rfid芯片32的主体平面呈锐角(示出基本上为90度)排列的方向上空间定向来改善。

使用制造“芯片上线圈”ID标签的已知方法来制造ID标签30。于是可以使用已知的沉积、掩模、掺杂及蚀刻技术来同时形成rfid芯片32、多层、多匝线圈34和磁心36的各层。

根据本发明的教示制造的ID标签在具备由“芯片上线圈”ID标签提供的各种优点(主要是消除了涉及天线线圈和rfid芯片的接合步骤，以及大批量处理的成本优势)的同时，还提供据估计要大于已知“芯片上线圈”ID标签十倍以上的增加的工作范围。

虽然已参考具体的较佳实施例描述了本发明，但是可以利用各种修改、可选构造以及等效技术方案而不背离本发明的精神。例如，虽然线圈34被示出并描述为带有两层多匝线圈的线圈34，但是可以设想能按需容易地实现具有三层或更多层的多匝线圈。此外，如上所述，磁心36可由除上述特定材料之外的其他材料制成。因此，以上内容不应被解释为对本发明的限制，因为本发明仅由所附权利要求定义。

Claims (8)

1.一种RFID标签，包括：

具有上表面的基片；

在所述基片上整体形成的rfid芯片/天线组合，

所述rfid芯片具有主体平面；

所述天线包括具有定义了包围旋转轴的中央开口的多层导电匝的线圈，所述旋转轴相对于所述rfid芯片的所述主体平面呈锐角地排列，以及

位于所述线圈的所述中央开口内的由磁导率材料构成的磁心，所述磁心从所述基片的所述上表面延伸至所述多层线圈中最上面的一个。

2.如权利要求1所述的RFID标签，其特征在于，所述锐角大致为90度。

3.如权利要求1所述的RFID标签，其特征在于，所述线圈具有带至少两层的基本为螺旋形的构造。

4.如权利要求1所述的RFID标签，其特征在于，所述磁心具有环形。

5.一种准备RFID标签的方法，包含如下步骤：

（a）提供一具有上表面的基片；

（b）同时在所述基片上形成rfid集成电路和天线线圈，所述线圈被形成为具有中央开口并带有相对于所述rfid集成电路的主体平面呈锐角的旋转轴的多匝多层线圈；以及

（c）提供位于所述线圈的所述中央开口内的由磁导率材料构成的磁心，所述磁心从所述基片的所述上表面延伸至所述多层线圈中最上面的一个。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述形成步骤（b）和所述提供步骤（c）被同时执行。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述形成步骤（b）包括形成带有相对于所述rfid集成电路的主体平面大致呈90度角的旋转轴的线圈的步骤。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述磁心被形成为环。

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