CN101523423B - 以装有射频装置的安全文件形式嵌入到无触点物体内的周边安全装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无触点便携式物体(10、30、60)，包括由被连接在一起的主芯片(18、38、68)和主天线(16、36、66)构成的主射频装置，使当该便携式物体进入适当读出器的磁场时，主射频装置确保向该芯片供电和芯片与读出器之间的通信。按照本发明的主特征，该便携式物体包括副无触点装置，该副无触点装置包括副天线(12、32、62)和电子电路，该电子电路的特性在于，当该两天线同时进入适当的读出器的磁场时，向该电子电路供电以便使它工作所需要的能量的量，小于向主芯片(18、38、68)供电以便使它工作所需要的能量的量，于是电子电路被供电并使主芯片数据的读出成为不可能。

Description

以装有射频装置的安全文件形式嵌入到无触点物体内的周边安全装置

技术领域

本发明涉及用于无触点便携式物体的周边装置，尤其涉及以装有射频装置的安全文件形式嵌入到无触点物体内的周边安全装置。

背景技术

无触点射频识别装置(RFID)日益被用于在被控制进入的地区周围移动的，或从一个地区转移到另一个地区的人员的识别。因此，诸如护照、身份卡、或其他识别文件类型的安全文件的市场，正在迅速发展。无触点RFID是由天线和与天线终端连接的芯片构成的一种装置。该芯片通常不用电池供电，而通过读出器天线和RFID天线之间的电磁耦合接收它的能量，信息在RFID和读出器之间交换，尤其是储存在芯片中的信息，涉及该RFID被定位于其上的物体持有者的识别，并涉及他/她进入被控制进入的地区的授权。

这样，护照能够引进RFID来识别护照持有者。芯片储存器包含像护照持有者身份、他/她的出生地、他/她的国籍、被访问的不同国家的签证、进入日期、活动限制、生物统计学要素等等这样的信息。为了把RFID包含在护照中，已有几种方案，包括，要么把天线直接印刷在护照的封皮板上并把芯片连接到天线，要么使用承载RFID的被称为“插件”的外部单元。无论什么方案，RFID要么被放进护照的下封皮板中，要么被放进上封皮板中。在身份卡的情形，天线被直接用丝网印刷印在构成该卡的一层上，而芯片被连接到该天线。

对芯片数据的访问，是通过与读出器的远程电磁耦合实现的，该读出器也装有天线。当读出器的天线被供电时，电流流过天线，产生电磁流。为了被读出，身份小本子被放在读出器为此目的而设计的一定位置上。该小本子一旦就位，小本子的天线即被读出器发射的电磁场线扫过，为此而调谐到与读出器相同频带的天线，接收用作它的电源所需要的能量；因此它能与读出器通信并交换数据。为了使通信最佳化，小本子的天线必须平行于读出器天线放置，且离读出器的距离必须小于某一最小距离，以便有足够的能量使芯片运行。

一般说，在无触点文件(contactless document)中，尤其是在包含个人生物学的或婚姻状况类型信息的安全文件(secure document)中，常常出现的主要问题，是包含在射频装置内放进文件芯片中信息的机密性。访问芯片中包含的数据必须是可控制的，特别是当安全文件不被使用时，以便机密的数据没有文件持有者的知悉不能被收取。

一种已有的方案如文件WO 2005/066890中所述。在该文件中描述的安全文件，包括由电子模块构成的应答器，该电子模块与放在该文件第一部分的给定表面上的天线连接，该应答器被设计成借助远程电磁耦合与读出器通信，并另外以受文件第二部分支承的用于遮盖天线的无源单元表征，该第二部分能够相对第一部分移动，该遮盖单元能使应答器和读出器之间的耦合最小，造成该第二部分处于预定姿态时文件的读出困难，该预定姿态对应于文件的合上的姿态。

这种装置的缺点在于如下的事实，对应答器和读出器之间耦合的作用，不起通/断开关的作用，而起为了衰减信号的作用，以便使应答器和读出器之间的耦合最小。还有，因为信号的衰减依赖于信号频率，信号频率越高，衰减越大；安全文件的工作频率，如在ISO 14443和15693标准中定义的是13.56MHz。信号的衰减还依赖于遮盖元件的特征，诸如它的厚度和它的导电率，而且还依赖于无源单元和射频识别装置的天线之间的距离。遮盖单元越靠近天线，效果越好。

因此，信号的衰减电平依赖于安全文件保持合上的方式。所以，放在包中并略微翻开的护照，可以被读出而无需它的持有者的知悉。同样，由于磨损使页变厚或带有签证的护照，将降低无源遮盖单元的有效性。信号的衰减电平还依赖于护照的厚度。

此外，护照和读出器之间的最小读出距离，按照读出器天线发射的电磁场的电平而变化。因而，读出器和护照之间通信的有效性，按照读出器发射的场而变化。这一点表明，即使当护照装有无源遮盖，由于无源遮盖实际上减小读出距离，该护照能够被适当的读出器读出。因此，这一方案不保证护照持有者防止不适宜的读出。

发明内容

这是为什么本发明的目标在于提供一种防止数据被不适宜读出，同时减轻前面所述缺点的装置，该数据包含在装有射频装置的安全文件形式的无触点物体中。

因此，本发明的目的，是一种无触点便携式物体，它以由被连接在一起的主芯片和主天线构成的主射频装置表征，为的是当该便携式物体进入适当读出器的磁场时，该主射频装置向芯片供电并确保芯片和读出器之间的通信。按照本发明的主特征，该便携式物体包括以副天线和电子电路表征的副无触点装置，该电子电路按一定方式建立，使当该两天线同时进入合适的读出器的磁场时，向该电子电路供电并使它工作所需要的能量的量小于为了运行主芯片而向主芯片供电所需要的能量的量，电子电路被供电并使主芯片数据的读出成为不可能。

附图说明

当结合附图研读下面的说明时，本发明的目的、目标、和特征将变得更加清晰，附图中：

图1表示按照本发明第一实施例的护照，

图2表示射频装置，例如护照的第一种读出器，

图3表示在预备读出期间的护照和第一种读出器，

图4表示按照本发明第一实施例的一种变化的身份卡，

图5表示射频装置的，例如身份卡的第二种读出器，

图6表示在预备读出期间的身份卡和第二种读出器，

图7表示在预备读出期间的护照和第二种读出器，

图8表示按照本发明第二实施例的身份卡。

具体实施方式

按照图1，小本子类型的无触点便携式物体10，例如护照，包括前封皮页11、后封皮页13、和夹在该两封皮之间的一沓内页15。射频装置最好放在护照的后封皮上，但也可以放在护照的前封皮上，或放在该沓内页之一上。射频装置以被连接在一起的电子芯片18和天线16表征。在该图上，用虚线表示的射频装置是不可见的，因为它被嵌入护照中的封皮内，通常在护照的封皮页之一的封皮板和相对放置的衬页之间。在下面的说明中，由芯片18和天线16构成的射频装置，将被称为主射频装置。它被设计成借助与合适的读出器的远程电磁耦合接收能量并通信。当天线16进入读出器天线产生的磁场时，天线16被感生的电流流过，由此通过在芯片两个端子施加电压而能给芯片供电。射频装置与读出器之间的通信，允许数据交换，尤其是储存在芯片18中涉及小本子持有者的识别的信息的变换。因此，电子芯片18以若干复杂的被设计用于处理来自读出器信息的功能表征。这样，为了能解释、储存、和比较信息，以及与读出器通信，该芯片包含微控制器、储存器、输入/输出单元等等。天线16的尺寸通常与用于无触点信用卡尺寸的卡相对应，并取决于被使用的芯片类型。

护照10还以第二天线12表征，该第二天线被连接到电子电路，例如包含在第二电子芯片14内的电子电路，该天线被放置在小本子的第二封皮上，该第二封皮不包含主射频装置。在下面的整个说明中，第二天线12和第二芯片14形成副射频装置。在图1中，副射频装置被定位在护照的前封皮上，但也可以被置于一沓内页中的一页上。在主天线16由护照的第一部分支承时，该第二天线必须由能够相对于第一部分移动的护照第二部分支承。与主芯片和天线16、18类似，芯片14和天线12被连接在一起，并允许信号在读出器发送的载波频率上，就是说，在与14443标准对应的13.56MHz频率上被接收和发射。芯片14不包含特定的数据，但它包含能随机地产生无用数据的功能，这样使主装置发射的信息片段被混合而变成不可读。

用于读护照的读出器有用于读出的平坦面，该平坦面被设计成通过远程电磁耦合，接收要读的文件。当身份小本子被置于读出器上，使护照的主天线16被读出器发射的磁场线扫过时，读出器能与无触点装置，因而与身份小本子实现射频信号的接收和发射；然后该主芯片被供电，从而能在主射频装置和读出器之间交换数据。但是，为了不阻止主芯片18的数据读出，副芯片14必须不接收能量，以便就不发送数据。为此，天线12必须不进入读出器发射的磁场，以便没有电流流过；这是通过各种按照读出器模型的手段达到的。

图2和3所示的读出器模型，专门适合读出个人的小本子，诸如护照，因为它的上读出面稍稍大于翻开的护照的尺寸。在这种情形下，读出器的天线必须为合上的护照的尺寸。读出面24可以被认为由有源部分26和无源部分27构成。有源部分26被用于容纳读出器的天线28，而部分27，亦称无源部分，不容纳任何构成天线的单元。当护照被置于读出器上以便读出时，护照中包含主射频装置的部分被压贴着有源部分26，而护照中包含副射频装置的部分被压贴着无源部分27。这样一来，只有主射频装置的天线16接收能量。为了确保没有读出器天线发射的磁场线扫过副射频装置的天线12，最好把一金属屏蔽板放在读出器读出面24的无源部分下面。

参考图1和2，当护照10完全进入读出器25的场时，已调谐到与读出器的载波频率相同频率的两天线16和12，接收为它们供电所需要的能量。提供的能量，必须大于或等于芯片18和14运行应用程序的适当操作所需要的能量。芯片14不是为与读出器通信而设计的；由此，它不包含任何存储和比较信息的智能，诸如微控制器，所以这些功能远不如芯片18的功能那样复杂。因为该芯片的每种功能都需要能量，它要变成有源状态的触发阈值，比芯片18的低得多；换句话说，对芯片14供电并使它工作所需要的能量的量，比对芯片18供电并使它工作所需要的能量的量低得多。这样，由于芯片14消耗的能量比芯片18少，它首先被供电。天线12有最大可能进一步保证各芯片的这一远程供能顺序。因此，一旦天线12进入场中，它首先收取为芯片14供电所需要的能量，芯片14立即进入随机数据发射模式。芯片14在芯片18之前首先被供电。天线16和读出器之间的有用信号交换，与芯片14发射的随机数据冲突，于是它们被重叠和混合在一起。有用的数据因此被随机数据扰乱而不能被读出。

在护照被合上的姿态中，读出器发射的电磁场线同时扫过天线12和天线18。于是，护照持有者能够得到保证，当该护照处于合上的姿态时，没有他/她的知悉，包含在他/她护照中的个人数据，将不被读出。如果持有者不经意，在他/她的皮包或他/她的口袋中让他/她的护照处于翻开甚至略微翻开的姿态，如果该护照被置于靠近读出器或远离读出器，结果将不相同。在远场的情形中，即当护照被置于远离读出器的距离上时，该两天线16和12必然被读出器发射的电磁场线扫过，因而，类似于护照被合上的情形，芯片14以及芯片18发射的数据将重叠，使有用数据的读出成为不可能。另一方面，当护照持有者有意出示他/她的护照时，为了读出，护照必须被置于适当的读出器上，只有当该护照处于翻开的姿态时，护照方能被读。所以，当芯片18被天线16供电而芯片14没有被供电时，有用数据方能被读出。因此，天线12必须不进入读出器发射的场，为此要求护照相对于读出器作一些处理。护照要平坦地放到读出器面上的有源部分，以便只有护照以主天线和芯片表征的那一半对着读出器天线。这样，为了被读出，护照10要翻开地放到读出器上，以便护照背面贴着读出器，如图2所示。为了使有用数据不被读出，包括两个装置的护照的翻开角度，是至关重要的，并在0和90°之间变化。

在安全文件是取如图4所示身份卡30形式的无触点便携式物体的情形，考虑到该文件不以能够彼此相对移动的两部分表征，主与副射频装置必然被支承在文件的同一平坦表面上。于是，副装置天线的平坦绕线与主天线在同一平面。由副天线32和例如包含在副芯片34中的电子电路构成的副装置，被定位在卡的中心，而由主天线36和芯片38构成的主射频装置，则被放置成包围副装置。

图5所示读出器35，以读出面31表征，该读出面31容纳被设计用于与无触点装置，例如身份卡30通信的天线33。如图5所示，当身份卡30进入适当读出器35的场中时，调谐到与读出器相同频带的两天线32和36，接收向它们供电所需要的能量。提供的能量必须大于或等于芯片34和38运行应用程序的适当操作所需要的能量。芯片34的功能远不如芯片38的功能那样复杂，所以它的进入有源状态的触发阈值比芯片38的低得多；换句话说，对芯片34供电并使它工作所需要的能量的量，低于对芯片38供电并使它工作所需要的能量的量。这样，由于芯片34消耗的能量比芯片38少，它首先被供电。要进一步保证各芯片的这一远程供电顺序，天线32的尺寸和设置，要使它首先收取为芯片34供电所需要的能量，使芯片34瞬即进入随机数据发射模式。芯片34在芯片38之前首先被供电。天线36和读出器之间交换的有用信号，与芯片34发射的随机数据冲突，于是它们被重叠和混合在一起。有用的数据因此被随机数据扰乱而不能不适宜地被读出。

读出器35设有这样的部件，当无触点装置被贴着读出器的读出面31放置时，该部件使副射频装置的副天线32不被读出器发射的电磁场线扫过。用于使副射频装置的副天线32不被读出器发射的电磁场线扫过的一种部件，在图5中以置于读出器读出面之下的屏蔽板37表示，于是，当身份卡被放在该读出面上或该读出面上方时，屏蔽板的尺寸使它重叠在副天线上，为的是完全覆盖由该天线定义的表面面积。屏蔽板由金属板，诸如铜、银合金、或铝板构成，以便干扰场线和阻止副天线的供电。这样，读出器35的读出面31以有源部分和无源部分表征，该有源部分容纳读出器35的天线36，该无源部分与容纳屏蔽板的位置对应。

由此可见，当身份卡的主射频装置如图6所示，被贴着读出面31放置时，读出器35确保与无触点装置，从而与身份卡的主射频装置的射频信号的接收和发送，不受身份卡的副射频装置发射的随机数据干扰。当身份卡30贴着读出器35的读出面放置时，由于屏蔽板37，读出器发射的场线不扫过副装置的天线32，结果是，该副装置没有被供电，从而不发送会阻止数据从主芯片读出的随机数据。

在无触点装置例如是图1所示的护照的情形，能够使用图5示意画出的读出器模型类型，该读出器天线的尺寸对应于合上的护照的尺寸。为了被读，护照必须被出示，使护照的天线贴着读出器的读出面。护照最好以承载副装置的封皮一侧放到读出器上。为了以合上的姿态被读出，护照副射频装置的天线12应比主射频装置的天线16更小，以便只有主天线被读出器发射的场线扫过，而副天线12被读出器的屏蔽板37遮盖。

按照本发明第二实施例并参考示意图图8，主副射频装置两者被连接在一起。主射频装置以被连接在一起的芯片68和天线66表征，芯片68与第一实施例类似，是包含该便携式物体持有者的个人识别数据的主芯片。因此，电子芯片68运行若干复杂的功能，这些功能为处理来自读出器的信息而设计。这样一来，为了能解释、储存、和比较信息，以及与读出器通信，该芯片包含微控制器、储存器、输入/输出单元等等。副射频装置由例如包含在芯片64中的电子电路和天线62构成。

芯片64的电子电路是简单的电路，诸如场检测电路，因而既不包含微控制器，也不包含任何储存器；因此，芯片64远不如芯片68那样复杂，所以它的进入有源状态的触发阈值，比芯片68的低得多；换句话说，对芯片64供电并使它工作所需要的能量的量，低于对芯片68供电并使它工作所需要的能量的量。这样，由于芯片64消耗的能量比芯片68少，它首先被供电。

该电子电路，诸如场检测电路，能够被直接集成在主芯片内。在这种情形下，它是有两个输入级的芯片，该两个装置各一个。场检测电路例如能在有读出器的场时，产生参考电压电平Vu(例如5V)，以便提供停用主芯片68的逻辑信号，使芯片68寂静。一旦芯片68被供电，该逻辑停用信号被芯片68处理，于是，如果存在停用信号，那么与读出器的任何通信都被阻止。由电子电路67提供的逻辑停用信号，是在主芯片68能够应答之前发射的，因为向电子电路67供电并使它工作所需要的能量的量，小于向芯片68供电并使它工作所需要的能量的量。这样，由于电子电路67消耗的能量比芯片68少，它首先被供电。某些混合型智能卡，即，能够用或不用触点而起作用的智能卡，在启动时使用等效选择原理，在应用触点功能和无触点功能之间进行选择。按照本发明的装置，包括该原理，用于在启动时，选择是否继续或暂停主芯片中包含的应用程序，或是否要阻止通信。

主芯片68在它的操作系统中，包括由芯片初始化触发的功能，以便测试由副芯片64提供的逻辑的场检测信号。按照测试结果，主芯片68操作系统中包含的应用程序，继续执行或停止。芯片实际上有两个输入系统，其中一个比另一个优先。两个射频装置例如被电接线65连接在一起，该电接线65在芯片64的场检测电路和芯片68之间，或在场检测电路被直接嵌入芯片68内的情形，则在天线62和主芯片68之间。

与本发明第一实施例类似，第二实施例能够被应用于所有类型的无触点便携式物体，诸如装有射频装置的安全文件。按照图8，该安全文件是身份卡，但也可以是如图1所示的护照类型的小本子。在这种情形下，副天线62有两个可能位置：或者它被置于与主射频装置同一页或同一封皮，或者它被置于可相对于包含主装置的部分是可移动的护照页上，或在第二封皮上。该第二种可能性要求电接线65通过护照的装订线。

图9画出与副天线62连接的场检测电路的示例性实施例的电路图。方框67表示场检测电路，它或者在芯片64内，或者直接嵌入主芯片68内。天线62、电容72、和电阻73，形成调谐到读出器频率，即13.56MHz的振荡电路。二极管桥式整流器74和电容75的作用是对振荡电路端子上可用的交变信号整流和平滑化。在点T1，电压是连续的并取决于天线暴露处的电磁场。齐纳二极管77帮助调整参考输出电压Vu且自身受电阻76保护以防过电流。场检测电路输出端的电压，借助电接线65被加到，或不被加到芯片68的输入端，并构成前面所述的逻辑信号。当场检测电路进入载波频率场时，天线62向芯片64，从而向电路67供电，输出电压改变到参考值Vu。由于天线62没有被定位在载波频率场中，所以没有电流流过它，电路64送出零电压。

如果芯片的检测电路直接嵌入主芯片68内，则该两天线被直接连接到主芯片68。当以两个装置表征的无触点便携式物体60，进入如图5所示的读出器35的场时，调谐到与读出器相同频带的两天线66和62，接收为它们供电所需要的能量。该提供的能量，必须大于或等于芯片68和64运行应用程序的适当操作所需要的能量。因为芯片64较低的触发阈值，芯片64消耗的能量少于芯片68，所以它在芯片68被初始化之前提供逻辑信号。要进一步保证各芯片的这一远程供电顺序，天线62的尺寸和设置，要使它首先收取为该芯片供电所需要的能量。因此，一旦天线62进入场中，它首先收取向芯片64供电所需要的能量，由此向场检测电路67供电，场检测电路67向主芯片68提供代表逻辑的场检测信号的电压，之后，主芯片68立即进入没有信号与读出器交换的模式，从而令主芯片68寂静，使数据读出成为不可能。

当需要从无触点便携式物体的主芯片68读出数据时，场检测电路必须不被供电；因此，天线62必须不被读出器天线发射的电磁场线扫过。由此可见，无触点便携式物体必须放在读出器上，使副天线62被遮盖。在诸如护照那样的小本子情形，如果两天线各被置于护照的一部分上，每一部分能够相对于另一部分移动，那么护照必须如同第一实施例相同方式，翻开地放置在如同图2和3描述的那种类型的读出器25上。在如在前面描述的图7例子的相同方式的读出器35上，该护照也能被读出。对身份卡的情形，两天线都被置于同一平坦部分，数据则如前面描述的图4到6的例子中那样被读出。

按照本发明优选实施例的装置的另外实施例，副射频装置可以包括有两组线圈的天线，每一组至少包括一圈。第一组包括如同对图1的副射频装置定义的线圈12一样大的一圈或多圈。该组包括尺寸比第一组的圈的尺寸小的一圈或多圈。该第二组件的线圈的尺寸，最好大于主射频装置天线的尺寸。因此，副射频装置的天线以至少两组具有不同尺寸的线圈表征。

Claims (12)

1.一种无触点便携式物体(10、30、60)，以由被连接在一起的主芯片(18、38、68)和主天线(16、36、66)构成的主射频装置表征，使当该无触点便携式物体进入读出器的磁场时，主射频装置通过该主天线向该主芯片供电并确保该主芯片与读出器之间的通信；

其特征在于，该无触点便携式物体包括副无触点装置，该副无触点装置以副天线(12、32、62)和电子电路表征，该副天线和电子电路按这样的方式设置，以便当该两个天线同时进入该读出器的磁场时，向所述电子电路供电并使它工作所需要的能量的量小于向主芯片(18、38、68)供电并使它工作所需要的能量的量，所述电子电路被供电、发射随机数据并使主芯片的数据读出成为不可能，

其中主天线大于副天线，以便当主天线包围副天线并且副天线被该读出器的屏蔽板遮盖时，只有主天线被读出器发出的场线扫过。

2.按照权利要求1的无触点便携式物体，其中的电子电路被包含在副芯片(14、34、64)中。

3.按照权利要求2的无触点便携式物体，其中所述电子电路(14)一旦接收用于它的工作所需要的能量，就发射随机数据，使随机数据的发射出现在主芯片(18)能够与读出器交换数据之前。

4.按照权利要求1、2、或3的无触点便携式物体，其中的副天线(62)被连接到主射频装置。

5.按照权利要求4的无触点便携式物体，其中所述电子电路是场检测电路。

6.按照权利要求5的无触点便携式物体，其中的场检测电路在存在读出器的场时，允许产生5V的电压，以便提供停用主芯片(68)的主功能的逻辑信号，使它寂静。

7.按照权利要求6的无触点便携式物体，其中的副天线(12)以至少两组不同尺寸的线圈表征。

8.一种小本子，由权利要求1到7中的任一项定义。

9.按照权利要求8的小本子，其中该小本子是护照(10)。

10.一种身份卡(30、60)，由权利要求1到7中的任一项定义。

11.一种射频读出器，以由容纳天线(36)的有源部分和容纳天线遮盖单元的无源部分(37)构成的读出表面(31)表征，当含有主射频装置的无触点便携式物体部分被贴着读出器的有源部分放置，且副无触点装置被贴着无源部分放置时，该读出器适合读出在按照权利要求1到10任一项的无触点便携式物体中包含的数据。

12.按照权利要求11的射频读出器，其中的无源部分(37)容纳金属板，该金属板的尺寸可使它重叠在副天线上，为的是完全覆盖该副天线定义的表面面积。

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