CN101802845B - 无线标签以及无线标签的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线标签以及无线标签的制造方法，其一个目的在于实现一种抑制增益降低且易于调节与安装的芯片间的匹配的无线标签。为此，本发明的无线标签具有环状的天线图案(2)，其与芯片连接部(3)电连接；以及导通部件(4)，其导通该天线图案(2)的一部分。

Description

无线标签以及无线标签的制造方法

技术领域

本发明涉及无线标签以及无线标签的制造方法。本发明例如可以是能粘贴在金属上的适用于金属的无线标签。

背景技术

作为无线通信系统之一，公知有RFID（Radio FrequencyIdentification：射频识别）系统。该RFID系统通常具有无线标签（也称作RFID标签）、和读写器（RW）装置，通过无线通信的方式从RW装置对无线标签进行信息的读写。

众所周知，在无线标签中有无线标签自身通过内置的电源进行工作的类型（称作有源标签）、以及将来自RW装置的接收电波作为驱动电力来进行工作的类型（称作无源标签）。

在使用了无源标签的RFID系统中，无线标签将来自RW装置的无线信号作为驱动电力，使内置的IC或LSI等集成电路工作，进行与接收无线信号（控制信号）对应的各种处理。利用所述接收无线信号的反射波进行从无线标签向RW装置的发送。即，在该反射波上承载标签ID或所述各种处理的结果等信息，发送到RW装置。

此外，在RFID系统中利用了各种频带，但是，最近，UHF频带（860MHz～960MHz）备受关注。与现有的13.56MHz频带和2.45GHz频带相比，UHF频带能够进行远距离通信。在欧洲使用868MHz附近的频率，在美国使用915MHz附近的频率，在日本使用953MHz附近的频率。UHF频带的无线标签（以下，也简称作“标签”）的通信距离虽然依据标签内使用的IC芯片或LSI等集成电路的性能而不同，但大致为3～5m。此外，RW装置的输出为1瓦特（W）左右。

作为现有的无线标签，例如有后述专利文献1～3所记载的无线标签。

专利文献1所记载的技术的目的在于，即使在靠近电波吸收体使用RFID标签的情况下也能抑制通信距离的缩短，从而确保通信的可靠性。因此，在专利文献1中，记载了具有电介质部件、收发用的天线图案（antenna pattern）和IC芯片的RFID标签，所述电介质部件为具有预定的介电系数的长方体形状；所述收发用的天线图案在该电介质部件的表面上通过蚀刻等形成为环状；所述IC芯片经由芯片安装衬垫而与该天线图案电连接。

根据该RFID标签，在针对装有液体的瓶子或人体等具有一定的导电率的物体进行使用时，在电介质部件的周围，通过天线图案形成有微小的环形天线，在粘贴对象内也形成有电流环，因此形成了更大的电流环，从而能够提高环形天线的增益并延长通信距离。

专利文献2所记载的技术的目的在于制作一种通信距离较长且容易打印的RFID标签。为此，专利文献2所记载的RFID标签通过粘合第1部件和第2部件而构成，第1部件具有由电介质构成的板状的第1基体、和覆盖该第1基体的正反面中的第1面的金属层，第2部件具有片状的第2基体；设置在该第2基体上的、与上述第1部件的金属层电连接而构成通信天线的金属图案（metal pattern）；与该金属图案连接的、经由该通信天线进行无线通信的电路芯片；以及用于使该第2基体与上述第1基体的正反面中的与上述第1面相对的第2面粘接的粘接材料层，上述第1部件的金属层与上述第2部件的金属图案通过导通部件电连接。

专利文献3所记载的技术的目的在于，提供一种即使在配设于包含金属材料的设备内部的情况下，也能够抑制谐振频率或Q值的变化而确保良好的通信状态的RFID标签。为此，专利文献3中，记载了如下技术：利用至少具有IC和环状天线图案的大致圆板状的基板、以及直径与该基板大致相等的圆板状的磁性片来构成标签，并且可以通过利用1条直线切去该磁性片周围的一部分来简单地调节阻抗。

由此，即使在设备内部配置了金属部件等的情况下，也能够通过磁性片来抑制其影响，此外，以使由金属材料导致的天线阻抗的减小与由磁性片导致的阻抗的增加抵消的方式来设定缺口部的宽度，由此可以补偿谐振频率或Q值的变化，确保良好的通信状态。

专利文献1：日本特开2006-53833号公报

专利文献2：日本特开2006-301690号公报

专利文献3：日本特开2006-331101号公报

在将UHF频带用的无线标签粘贴到金属上时，存在与IC芯片或LSI等集成电路（以下简称作芯片）间的阻抗匹配和增益恶化，从而通信困难的情况。因此，如所述专利文献1～3中记载的技术那样，尝试了多种将无线标签的天线图案设为环状的技术，但是在具有环状的天线图案的无线标签中，在芯片的电纳成分（阻抗的倒数即导纳的虚部（通常用B表示））较大的情况下，难以进行阻抗匹配的调节（以下，也简称作“匹配调节”）。

即，安装在无线标签上的芯片的等效电路可以用并联的电容成分Ccp、和并联的电阻成分Rcp来表示，因此电纳成分B主要取决于电容成分Ccp而变化，但是当该电容成分Ccp变得过大时，难以进行与其匹配的天线阻抗的设计和调节。

例如，作为天线阻抗的调节方法之一，如图13（相对介电系数-Ccp特性）所示，通过改变（减小）形成天线图案的电介质（基板）的相对介电系数，可以增大天线图案的对应电容成分Ccp，但是降低电介质的相对介电系数也有极限（最小值为空气的相对介电系数=1），因此难以应对需要超过该极限的对应电容成分Ccp的芯片（图13中的ES2）的情况。

此外，还可以通过改变环状天线图案的总环长来进行匹配调节，但是缩短总环长时，增益会降低。

发明内容

本发明是鉴于上述问题而提出的，其一个目的在于提供一种抑制增益降低且易于调节与芯片间的匹配的无线标签。

此外，不限于上述目的，能够发挥通过后述的用于实施发明的最佳方式中示出的各结构而导出的作用和效果，即现有技术所无法得到的作用和效果也可以作为本发明的其它目的之一。

为了达到所述目的，在本发明中，使用了如下所示的无线标签和无线标签的制造方法。

（1）即，本发明的无线标签具有：芯片连接部，其连接芯片；环状的天线图案，其与所述芯片连接部电连接，设置在电介质部件的表层面；以及通孔，其通过所述电介质部件的内部而导通所述电介质部件的相对的各面上的所述天线图案，第1环形图案由上述天线图案形成，且第2环形图案由所述天线图案的一部分和所述通孔形成，所述天线图案具有：分别配置于所述表层面的两端部，且具有与该表层面相同的宽度的第1部分；配置于该第1部分的内侧，且宽度比该第1部分窄的第2部分，所述通孔配置于所述第2部分。

（2）此处，也可以是所述通孔分别设置在以所述芯片连接部为中心的对称位置处。

（3）此处，也可以对所述通孔的内壁的一部分施加了导体镀层，所述导体镀层的面积被设定为所述通孔的直径越大则其越小。

（4）此外，本发明的无线标签的制造方法包括以下步骤：在电介质部件的表层面形成与连接芯片的芯片连接部电连接的环状的天线图案；形成通过所述电介质部件的内部而导通所述电介质部件的相对的各面上的所述天线图案的通孔，将所述天线图案和所述通孔形成为，由上述天线图案形成第1环形图案，且由所述天线图案的一部分和所述通孔形成第2环形图案，将所述天线图案形成为具有：分别配置于所述表层面的两端部，且具有与该表层面相同的宽度的第1部分；配置于该第1部分的内侧，且宽度比该第1部分窄的第2部分，将所述通孔配置于所述第2部分。

（5）此处，也可以对所述通孔的内壁的一部分施加导体镀层；将所述导体镀层的面积设定为所述通孔的直径越大则其越小。

（6）此处，也可以通过改变所述多个通孔之间的间隔来调节与所述芯片的阻抗匹配。

根据所述本发明，通过设置所述导通部件，可以不改变所述环状的天线图案的物理全长而改变天线图案的阻抗，因此，可以实现抑制增益降低且易于调节与安装芯片间的匹配的无线标签。

附图说明

图1是示出本发明的第1实施方式的无线标签的结构的示意性立体图。

图2是沿图1所示的无线标签的A-A线的剖视图。

图3是示出图1和图2所示的无线标签的仿真模型的示意性立体图。

图4是示出图3所示的仿真模型的天线阻抗的史密斯圆图。

图5是示出图3所示的仿真模型的天线阻抗的史密斯圆图。

图6是示出缩短了环形天线的环长的无线标签的仿真模型的示意性立体图。

图7是示出图6所示的仿真模型的天线阻抗的史密斯圆图。

图8是示出图3所示的无线标签的通路（via）为1个时的仿真模型的示意性立体图。

图9是示出图8所示的仿真模型的天线阻抗的史密斯圆图。

图10是示出本发明的第2实施方式的无线标签的结构的示意性立体图。

图11是示出改变了图10所示的无线标签的侧面导体的位置时的对应电容成分（Ccp）的变化的曲线图。

图12是示出本发明的第3实施方式的无线标签的结构的示意性立体图。

图13是改变了无线标签的基板（电介质）的相对介电系数时的对应电容成分（Ccp）的变化的曲线图。

标号说明

1：基板（电介质）；2：导体图案（天线图案）；2a：第1环形图案；2b：第2环形图案；3：芯片连接部（馈电点）；4：通路（通孔）；5：集成电路（芯片封装）；6：外装树脂；7：粘接层；8：导体图案（侧面导体）；9：贯通孔（通孔）；91：金属镀层（导体镀层）。

具体实施方式

以下将参照附图说明本发明的实施方式。但是，本发明不限于以下所示的实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内当然可以进行各种变形。

[1]第1实施方式

图1是示出本发明的第1实施方式的无线标签的结构的示意性立体图，图2是该图1所示的无线标签的A-A剖视图。

如这些图1和图2所示，本实施方式的无线标签具有：基板（电介质部件）1；在该基板1的除了长边侧的侧面（一对相对的侧面）以外的各面的表层面上连通形成的导体图案2、即在图2的剖视图中为环形（方形）形状的天线图案（以下，也称作环形天线）2；在基板1的形成环形天线2的长边的表面中心附近与环形天线2电连接的芯片连接部（馈电点）3；作为在多个部位（在图1和图2中为两个部位）处导通基板1的正反面上形成的环形天线2的导通部件的通路（也称作通孔）4；与所述芯片连接部3电连接的IC芯片或LSI等集成电路（芯片封装）5；覆盖基板1整体的外装树脂6；以及设置在外装树脂6的针对金属等的安装（粘贴）面上的粘接层7。此外，在图1中，省略了芯片封装5的图示，部分省略了外装树脂6的图示。

基板1由具有预定介电系数的电介质构成，可以由例如聚四氟乙烯（PTFE）、聚苯醚（PPE）等期望的树脂构成。

可以通过对铜或银等金属导体进行蚀刻或抗蚀剂处理等来形成天线图案2。此外，例如图1所示，天线图案2可以在基板1的表面上具有从馈电点3开始越朝向长度方向则宽度越宽的对称图案，以能确保期望的增益。

可以通过在贯通基板1的孔的内壁上利用导体镀层等形成导电层来构成通路4，在图1和图2所示的例子中，通路4设置在以馈电点3为中心的对称位置上。由此，如图2的剖视图所示，导体图案2的一部分、即形成在基板1的相对的各面（正面和背面）上的导体图案2彼此通过通路4电连接（导通），构成第1环形图案2a和第2环形图案2b，所述第1环形图案2a以形成在基板1的表层面（正反面和侧面）上的导体图案2为外周（长边和短边），第2环形图案2b以形成在基板1的表层面（正反面）上的导体图案2的一部分以及通路4为内周。即，通过各环形图案2a、2b，主要生成两个电流环。

此外，通路4不一定需要设置在对称的位置上，但是设置在对称的位置上容易确保所需的增益。此外，如后所述，设置的通路数量也可以是1个（一个部位）。即，只要构成共享环形图案2（2a）的一部分的第2环形图案2b即可。

在上述那样构成的本例的无线标签中，通过构成第2环形图案2b，可以在不改变第1环形图案2a的环长的情况下，在防止增益下降的同时，在史密斯圆图上逆时针旋转（改变）天线阻抗。即，可以增大天线图案2的对应电容成分Ccp。此外，通过改变（减小）通路4之间的距离，可以调节（增大）对应电容成分Ccp。因此，对于具有较大的电纳成分的集成电路5（以下也记为芯片5或标签LSI5）也能容易地取得阻抗匹配。

如图3所示，作为一例，将无线标签的外形尺寸设为长度69mm×宽度35mm×厚度5mm，将天线图案2的厚度（导体厚度）设为11μm，将其导电率设为5×10⁶S/m而将天线图案2模型化，图4的史密斯圆图示出了针对该天线图案2设置了通路4时的天线阻抗的变化。

在该图4所示的史密斯圆图中，用0示出的位置表示没有设置通路4时在950MHz处的天线阻抗，用1示出的位置表示设置了通路4时的天线阻抗，由此可知，可以逆时针旋转（改变）天线阻抗来增大天线图案2的对应电容成分Ccp。因此，如图5所示，能取得与如下阻抗的匹配，即，与史密斯圆图上的用1示出的位置为复共轭关系的、电容成分较大的芯片5的阻抗。

此外，如下述的表1和表2所示，可知对于将无线标签粘贴到金属上的情况、以及在自由空间上存在无线标签的情况中的任意一种情况，设置通路4造成的增益和通信距离的降低都比较少。

[表1]

增益比较

增益[dBi]

利用通路进行匹配

缩短了环长的情况

没有通路、环长不变

粘贴到金属时	1.93	1.11	3.38
				自由空间	0.89	－2.95	1.91

[表2]

通信距离比较

通信距离[m]	利用通路进行匹配	缩短了环长的情况	没有通路、环长不变
				粘贴到金属时	1.873	1.695	0.179
自由空间	1.276	0.755	0.198

此外，可以通过以下的（1）式和2（式）来计算表2所示的通信距离（r）。

$r=\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{\mathrm{Pt}\·\mathrm{Gt}\·\mathrm{Gr}\·q}{\mathrm{Pth}}}...\left(1\right)$

$q=\frac{4\mathrm{RcRa}}{{|\mathrm{Zc}+\mathrm{Za}|}^2}...\left(2\right)$

λ：波长

Pt：读写器（RW）装置的功率

Gt：天线增益

q：匹配系数

Pth：芯片5的最小工作功率

Gr：标签天线增益

Rc、Xc：芯片5的电阻、电抗（Zc＝Rc＋jXc）

Ra、Xa：天线图案的电阻、电抗（Za＝Ra＋jXa）

仿真的计算条件如下表3所示。

[表3]

仿真计算条件

此外，在所述表3中，分别表示Rcp与芯片5的阻抗Zc的倒数即导纳（Yc＝1/Zc＝G＋jB＝（1/Rcp）＋jωCcp）的电导（G）成分相当，Ccp与集成电路5的导纳（Yc）的电纳（B）成分相当。

此外，如图6所示，即使将无线标签的长度从例如69mm缩短到42mm来缩短天线图案2的环长，如图7所示，也有可能在史密斯圆图上使天线阻抗逆时针变化，但是，在这种情况下，如上述表1和表2所示，由于天线图案2的环长变短，因此增益降低且通信距离变短。

此外，如表1和表2所示，在不设置通路4也不调节环长的情况下增益变得最高，但是在芯片5的电容成分Ccp较大的情况下不能取得匹配，因此通信距离变短。

由此，可以说如本例那样设置了通路4的综合性能较高。

（通路4为1个的情况）

例如如图8所示，所述通路4的数量也可以是1个。此外，图8所示的模型除了通路数以外其它与图3所示的模型相同。由此，即使在将通路数设为1个的情况下，如图9所示，本申请的发明人也通过仿真确认了可以在史密斯圆图上逆时针旋转天线阻抗，此外，关于增益，也不比前述的设置了2个通路4的情况逊色。

尤其是，关于上述旋转量（角度），在设置了2个通路4的情况下比较大。即，通过改变通路数，可以调节天线阻抗的电容成分Ccp的可变量。因此，可以说对于更大的对应电容成分Ccp，能通过增加通路数来进行应对。

[2]第2实施方式

图10是示出本发明的第2实施方式的无线标签的结构的示意性立体图，该图10所示的无线标签，取代设置所述通路4，设置了导体图案（侧面导体）8，该侧面导体8从基板1的存在馈电点3的面（正面）上的天线图案2的一部分（以馈电点3为中心的对称位置上的两个部位）开始，在基板1的宽度方向上延伸并通过基板1的长边侧的侧面而与和所述正面相对的面（背面）上的天线图案2连通。

即，在本例中，利用侧面导体8，通过基板1的侧面而导通设置在基板1的正反面上的天线图案2，该侧面导体8发挥与作为所述导通部件的通路4相同的效果。在基板1中设置通路4较困难的情况下，这种结构比较有效。此外，在图10中，S2表示侧面导体8之间的间隔。但是，在本例中，侧面导体8并非一定要位于以馈电点3为中心的对称位置上，还可以仅设置在基板1的相同侧面的1个部位。

由此，在该无线标签中，构成了第1环形图案和第2环形图案，第1环形图案以形成在基板1的正反面上的导体图案2为外周（长边和短边），第2环形图案以形成在基板1的正反面上的导体图案2的一部分及侧面导体8为内周。

由此，可以抑制增益降低，并且可以在史密斯圆图上逆时针旋转（改变）天线阻抗来增大天线图案2的对应电容成分Ccp。

此外，可以通过改变（减小）侧面导体8之间的距离S2，调节（增大）对应电容成分Ccp。因此，对于具有较大的电纳成分的芯片5也能容易地获得阻抗匹配。

作为一例，图11示出了在将基板1的尺寸设为长度70mm×宽度44mm×厚度3.14mm，将基板1的相对介电系数ε_r设为6.05，将介电损耗角tanδ设为0.003，将天线图案2的宽度W设为25mm，将从该天线图案2延伸到侧面导体8的导体部分的宽度设为5mm，改变侧面导体8的间隔S2时的对应电容成分Ccp的变化。

如该图11所示，对于使用频率为915MHz、953MHz中的任何一种情况，都可以通过减小侧面导体8的间隔S2来增大对应电容成分Ccp。

[3]第3实施方式

图12是示出本发明的第3实施方式的无线标签的结构的示意性立体图，该图12所示的无线标签取代所述通路4，而设置了孔的面积比所述通路4大的四角柱状的贯通孔（通孔）9，并且在该贯通孔9的侧壁（内壁）的至少任意一处，施加与形成在基板1的正反面上的天线图案2导通的金属镀层（导体镀层）91。

即，在本例中，通过对贯通孔9的侧壁施加的金属镀层91，形成在基板1的正反面上的天线图案2彼此导通，该金属镀层91发挥与上述的作为导通部件的通路4相同的效果。此外，在本例中，贯通孔9（金属镀层91）也并非一定要位于以馈电点3为中心的对称位置上，还可以仅设置在1个部位。此外，贯通孔9的形状不限于四角柱状，还可以是三角柱或圆柱状。

此外，在图12中，对贯通孔9的四个侧壁中的、离馈电点3最远的位置的侧壁的整个面施加了金属镀层91，但是也可以对其它侧壁施加金属镀层91。此外，还可以仅对侧壁的一部分施加金属镀层91。

例如，在贯通孔9的面积（直径）较大且侧壁（内壁）的面积较大的情况下，对其整个面施加金属镀层91时，存在天线图案2中的电流分布容易产生紊乱从而增益降低的倾向，因此有时期望仅对侧壁面的一部分施加金属镀层91。例如，可以对侧壁面施加线状的金属镀层91。即，可以说贯通孔9优选设定成其直径越大则越使导体部分的面积越小。

由此，在该无线标签中，构成了第1环形图案和第2环形图案，第1环形图案以形成在基板1的表面的导体图案2分别为长边（相对的两边）和短边（其余的相对两边），第2环形图案以形成在基板1的表面的导体图案2的一部分为长边，以贯通孔9侧壁上施加的金属镀层91为短边。

在上述那样构成的本例的无线标签中，通过构成第2环形图案，可以在不改变第1环形图案的环长的情况下，在防止增益降低的同时，在史密斯圆图上逆时针旋转（改变）天线阻抗。即，可以增大天线图案2的对应电容成分Ccp。

此外，通过改变（减小）贯通孔9之间（金属镀层91之间）的距离，可以调节（增大）对应电容成分Ccp。因此，对于具有较大的电纳成分的芯片5也能容易地取得阻抗匹配。此外，不仅可以通过改变设置贯通孔9的位置来改变金属镀层91之间的距离，还可以不改变设置贯通孔9的位置，而通过改变施加金属镀层91的位置来改变金属镀层91之间的距离。

[4]其它

在前述的实施方式中，以通过改变设置在基板1的通路4、或与天线图案2连通的侧面导体8、贯通孔9等的导通部件的数量或间隔来调节天线阻抗（主要为对应电容成分Ccp）为基本，但是也可以结合使用其它的调节方法。例如，还可以附加地改变天线图案2的宽度、改变芯片5在基板1上的安装位置、或改变基板1的介电系数。

产业上的可利用性

如以上详细叙述的那样，根据本发明，可以实现抑制增益降低且易于调节与安装芯片间的匹配的无线标签，因此认为在无线通信技术领域、或物品的生产、库存、流通管理、POS系统或安全系统等技术领域中极其有用。

Claims (6)

1.一种无线标签，其特征在于，该无线标签具有：

芯片连接部，其连接芯片；

环状的天线图案，其与所述芯片连接部电连接，设置在电介质部件的表层面；以及

通孔，其通过所述电介质部件的内部而导通所述电介质部件的相对的各面上的所述天线图案，

第1环形图案由上述天线图案形成，且第2环形图案由所述天线图案的一部分和所述通孔形成，

所述天线图案具有：分别配置于所述表层面的两端部，且具有与该表层面相同的宽度的第1部分；配置于该第1部分的内侧，且宽度比该第1部分窄的第2部分，

所述通孔配置于所述第2部分。

2.根据权利要求1所述的无线标签，其特征在于，所述通孔分别设置在以所述芯片连接部为中心的对称位置处。

3.根据权利要求1或2所述的无线标签，其特征在于，

对所述通孔的内壁的一部分施加了导体镀层，

所述导体镀层的面积被设定为所述通孔的直径越大则其越小。

4.一种无线标签的制造方法，其特征在于，所述无线标签的制造方法包括以下步骤：

在电介质部件的表层面形成与连接芯片的芯片连接部电连接的环状的天线图案；

形成通过所述电介质部件的内部而导通所述电介质部件的相对的各面上的所述天线图案的通孔，

将所述天线图案和所述通孔形成为，由上述天线图案形成第1环形图案，由所述天线图案的一部分和所述通孔形成第2环形图案，

将所述天线图案形成为具有：分别配置于所述表层面的两端部，且具有与该表层面相同的宽度的第1部分；配置于该第1部分的内侧，且宽度比该第1部分窄的第2部分，

将所述通孔配置于所述第2部分。

5.根据权利要求4所述的无线标签的制造方法，其特征在于，

对所述通孔的内壁的一部分施加导体镀层；

将所述导体镀层的面积设定为所述通孔的直径越大则其越小。

6.根据权利要求4或5所述的无线标签的制造方法，其特征在于，

通过改变多个所述通孔之间的间隔来调节与所述芯片的阻抗匹配。

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