CN102024173A

CN102024173A - 表面耐受rfid收发机设备

Info

Publication number: CN102024173A
Application number: CN2010102836931A
Authority: CN
Inventors: 迈克尔·哥布哈特
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2009-09-17
Filing date: 2010-09-15
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2030-09-15
Also published as: EP2302567B1; US8261997B2; CN102024173B; US20110068178A1; EP2302567A1

Abstract

一种用于容纳RFID收发机芯片(2)的承载组件(99)，所述承载组件(99)具有用于附加到消费设备上的附加侧(S2)，并且具有在RFID收发机芯片的工作使用时用于接收RF信号的工作侧(S1)。所述承载组件包括叠层，所述叠层包括天线层(50)、磁层(70)和导电屏蔽层(90)。所述天线层(50)设置在工作侧(S1)和磁层(70)之间。所述导电屏蔽层(90)设置在磁层(70)和附加侧(S2)之间。所述天线层(50)包括天线，所述天线具有用于耦合至RFID收发机芯片(2)的触点(T1、T2)。垂直于天线层(50)方向的第一突出部的外边界(51)完全围住了垂直于天线层(50)方向的导电屏蔽层(90)的第二突出部的外边界。垂直于天线层方向的磁层(70)的第三突出部的外边界(71)完全地围住了垂直于天线层(50)方向的天线的第一突出部的外边界(51)。

Description

表面耐受RFID收发机设备

技术领域

本发明涉及一种用于容纳RFID收发机芯片的承载组件，所述承载组件具有用于附加到消费设备上的附加侧。本发明也涉及一种包括这种承载组件的RFID收发机设备，并且涉及包括这种RFID收发机设备的消费设备。

背景技术

如今实际上使用大量的个人卡，持续关注要求较高安全性的应用。将RFID技术实现为用户和在ISO/IEC4443近发标准中约10年前世界范围内标准化的舒适接口。认为该标准以及RFID领域中的所有其他标准对于本领域普通技术人员而言是公知的。作为我们日常生活的一部分的成功解决方案，RFID技术使得能够实现电子护照、非接触式信用卡(电子银行)、存取控制或公共交通售票。这种卡的典型格式是在ISO/IEC7810标准中规定的ID-1。

新的趋势是可视的，其中将RFID技术用于付款应用。在这种应用中，例如将利用了ISO/IEC14443智能卡收发机芯片的非接触式粘贴物粘贴到移动电话。移动电话具有由金属构成的情况，包含金属部分或者由金属构成，并且可以具有不同的大小。由于通过天线线圈的磁通量将在金属中产生涡流，并且这些涡流将产生相反的H场，实际上将完全抵消读取器场，所以附加到金属片上的典型收发机卡将不会正确工作。因此，非接触式收发机得不到能量工作。收发机回路天线和金属情况中间的铁氧体箔将允许一部分磁通量穿过所述铁氧体箔，并且对于涡流没有贡献。结果是一些H场仍然向收发机供电，并且允许(有限的)工作。这种非接触式系统共振工作以增加感应电压。天线设计必须满足共振频率接近工作载波频率的规范，以拥有最多能量。由于金属或塑料的存在，具有铁氧体的回路天线将按照不同方式失谐(对于实际情况下～3MHz)。

已知RFID收发机的问题是一旦已经针对一种表面材料(例如金属)进行了优化，就不可再应用于任意表面材料。在RFID收发机的制造阶段进行这种优化。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种用于RFID收发机芯片的RFID承载组件，所述RFID收发机芯片可应用于任何表面。本发明的第二目的是提供一种可应用于任何表面的RFID收发机设备。

本发明由独立权利要求所限定。从属权利要求限定了有利的实施例。

本发明的第一方面涉及用于容纳RFID收发机芯片的承载组件，所述承载组件具有用于附加到消费设备上的附加侧，并且具有在RFID收发机芯片的工作使用时用于接收RF信号的工作侧。所述承载组件包括叠层，所述叠层包括天线层、磁层和导电屏蔽层。所述天线层设置在工作侧和磁层之间。所述导电屏蔽层设置在磁层和附加侧之间。所述天线层包括天线，所述天线具有用于耦合至RFID收发机芯片的触点。

所述承载组件配置用于容纳RFID收发机芯片。在工作使用时，将RFID收发机芯片安装到承载组件，使得承载组件的触点与完成各个RF电路的天线触点相连。要求所述天线用于从RFID读取器接收RF信号。除了在信号中包含的信息之外，该信号中所包含的能量用于向收发机芯片供电，使得收发机芯片可以经由相同的天线将信息发送回RFID读取器。所述承载组件可以具有粘贴物(基于纸或塑料衬底)或者柔性卡的形式。在工作使用时，将所述承载组件典型地设置在产品的表面上或者设置在封装上或封装中。磁层确保了即使将RFID收发机直接设置在金属表面上，天线层也可以收集能量。允许一部分磁通量穿过磁层并且对于涡流没有贡献。结果，一些磁场仍然向收发机供电并且允许工作。尽管磁层的存在，发生天线谐振频率的失谐，即天线的总电感(自感加上互感)受到其上设置收发机的材料(具有磁特性)存在的影响。明确不同的是，不同的材料将导致不同的总电感，并且因此导致谐振频率的不同失谐。必须注意的是通常对工作载波频率进行标准化，例如在ISO/IEC14443标准中是13.56MHz。对于最好的能量转移，谐振频率应该等于或非常接近工作载波频率。因此，必须防止谐振频率的偏离。在现有技术中，通过在设计天线的同时考虑目标处理的磁特性来考虑谐振频率的失谐。因此，对于不同的目标材料(金属、塑料等等)，必须制造不同的天线设计。在本发明中提出了一种在附加侧的导电屏蔽层。该层的效果是有效地将收发机与其上设置收发机的表面材料屏蔽。所述屏蔽层对于谐振频率具有一些失谐效应，但是一旦在天线设计时已经考虑了这种失谐效应，几乎不会存在由于其上设置RFID收发机的表面导致的任意另外失谐效应，即包括本发明的承载组件的RFID收发机实际上适用于任何表面。

在本发明中，在垂直于天线层方向的天线的第一突出部的外边界完全围住了垂直于天线层方向的导电屏蔽层的第二突出部的外边界。可选地，在垂直于天线层的磁层的第三突出部的外边界完全围住了垂直于天线层的天线的第一突出部的外边界。优点是将通过天线行进的磁通量更好地导引至收发机外部的空间，结果是减小了由屏蔽层中的磁通量产生的涡流。

在根据本发明的承载组件的实施例中，磁层具有大于或等于30的相对磁导率，优选地大于50，并且更优选地大于100。

在根据本发明的承载组件的实施例中，磁层包括铁氧体箔或铁氧体片。铁氧体是非常有利于用作磁层的材料。铁氧体片或铁氧体箔特别有利于13.56MHz RFID收发机。商用铁氧体箔的一个示例是来自TDK的Flexield^TM箔片。关于该箔片的更多信息可以在以下网址上可用的数据库中找到：http://www.tdk.co.jp/。因此将这些数据表全部结合在此作为参考。

在根据本发明的承载组件的实施例中，磁层具有大于50μm的厚度，优选地大于100μm。更厚的磁层导致更大的通量导引能力。可选地，更厚的磁层允许使用具有较小相对磁导率的材料。

在根据本发明的承载组件的实施例中，导电屏蔽层包括从下述材料之一进行选择：铜、铝、银、金、铂、导电浆和银墨。这些材料全部适合用作导电屏蔽，此外都相对易于设置在承载组件的背面。尽管如此，铜和铝具有额外的优点：它们非常便宜。

在根据本发明的承载组件的实施例中，导电屏蔽层具有大于2μm的厚度。针对刻蚀天线导体的典型厚度是18μm或35μm。在流电天线(galvano-antenna)的情况下，最小厚度是约2μm。

在第二方面，本发明涉及包括根据本发明的承载组件的RFID收发机设备，以及安装到所述承载组件的RFID芯片。承载组件和RFID芯片的组合也称作RFID收发机(设备)。这种RFID收发机可以设置为不同的格式，例如非接触式收发机卡或者非接触式智能卡或者近发卡(proximity card)或者粘贴物(有时也称作RFID标签)。这些RFID收发机设备可以应用于随后讨论所述实施例中提到的多个不同应用中。

在根据本发明的RFID收发机设备的实施例中，RFID收发机设备包括用于设置在消费设备上的RFID标签。这种RFID标签可以有利地代替例如公知的条形码。另外，它们可以用于非接触式付款应用。

在根据本发明的RFID收发机设备的实施例中，所述RFID收发机设备包括用于设置在消费设备中的RFID卡。

在第三方面，本发明涉及包括根据本发明的RFID收发机设备的消费设备。

在根据本发明的消费设备的实施例中，RFID收发机设备配置用于非接触式付款应用。该实施例的应用区域也称作非接触式粘贴物。利用非接触式付款应用这里意味着消费设备配备有信用卡功能，例如移动电话(由于大多数人都拥有移动电话，这是非常合适的选择)，即(非接触式)信用卡已经设置在移动电话上或者设置在移动电话中，使得用户总是随身携带信用卡来在提供非接触式读取器接口的终端上付款。

参考下文所述实施例，本发明的这些和其他方面将是清楚的并且参考其进行解释。

附图说明

在附图中：

图1示出了根据现有技术已知的可能RFID系统；

图2a示出了针对根据现有技术已知的RFID芯片的RFID承载组件的一部分的示意性截面图；

图2b示出了针对根据本发明第一实施例的RFID芯片的RFID承载组件的一部分的示意性截面图；

图3示出了包括RFID承载组件和RFID芯片的RFID收发机设备的分解图；以及

图4a至4c示出了根据本发明第二实施例的RFID收发机设备的示意性透视布局图；

参考数字列表：

RW RFID读取器

1RFID标签

2RFID收发机芯片

5标签天线

10模拟前端

15匹配电路

20整流电路

30(RFID标签的)电子电路

100(RFID读取器的)电子电路

105(RFID读取器的)另外天线

Vdd电源电压

FL1天线箔

FL2铁氧体箔

50天线层/天线

51外部边界天线

60第一衬底层

70铁氧体层(磁层)

71外部边界铁氧体层

80/PP第二衬底层(万能钥匙(passpartout))

90屏蔽层

91外部边界屏蔽层

99RFID承载组件

T1第一天线端子

T2第二天线端子

S1工作侧

S2附加侧

FCS前覆盖片

BCS后覆盖片

具体实施方式

具有粘贴到移动电话的ISO/IEC14443智能卡收发机芯片的非接触式粘贴物正在成为一种新的趋势，例如用于付款应用。移动电话情况可以由塑料或金属组成，在一些情况下这将防止非接触式收发机的功能。在该发明中的思想是产生由回路天线(用于容纳RFID芯片)、铁氧体箔(或铁氧体片)和导电底板(屏蔽层)组成的材料结构。对于具有金属情况的移动电话上的粘贴物的情况，将一部分磁通量导引通过铁氧体箔(并且因此，这部分通量将不会在金属中产生涡流，导致相反的H场)。这部分通量允许在收发机回路天线中感应一些电压，使得收发机可以工作。导电底板允许将天线谐振频率设计为对于所有工作情况的工作载波频率接近13.56MHz的最优值，或者是金属情况或者是塑料情况。这意味着近似与目标材料性质无关的良好设备工作。另外，金属底板将作为电学屏蔽，并且减小了在中频(IF)或其他频率处由移动电话的不必要发射引起的RFID收发机的干扰。传统的RFID收发机结构受到更多的失谐，并且只允许针对一种表面材料(例如对于自由空气工作或者对于金属上的工作)来优化性能。这将限制这种收发机的使用。本发明的收发机设计允许针对近似所有材料进行优化，因为所述收发机性能近似与目标无关(与现有技术的收发机相比几乎不会出现谐振失谐)。

为了进一步讨论详细实施例，下文中将定义几种表达。

贯穿这种描述，术语“承载组件”指的是其中或其中提供了RFID收发机设备的承载设备。这种承载组件例如可以采取粘贴物或柔性卡的形式。

贯穿这种描述，术语“承载组件”指的是其上或者其中设置了RFID收发机设备的承载设备。例如，这种承载组件可以采取粘贴物或柔性卡的形式。

贯穿这种描述，术语“消费设备”指的是电子消费产品以及非电子消费产品。具体地，在条形码领域，所述设备本质上不必是电子的。通常将RFID收发机卡集成或者粘贴到电子消费设备上，例如移动电话。

图1示出了根据现有技术已知的可能RFID系统。所述RFID系统包括RFID标签(收发机)1和用于读取RFID标签和/或写入RFID标签的RFID读取器RW。所述RFID标签1包括用于从RFID读取器RW接收RF信号的标签天线5、前端电路10和电子电路30。标签天线5与前端电路10电连接，并且前端电路10与电子电路30电连接。电子电路30包括不同的部件，例如编码和解码电路(未示出)、数字电路或处理单元(未示出)以及用于存储特定数据即识别数据的存储块(未示出)。前端电路10和电子电路典型地包括在RFID收发机芯片2中，而标签天线5典型地设置在其上安装了RFID收发机芯片2的承载组件上。前端电路10包括电连接在标签天线5和整流电路20之间的匹配电路15。匹配电路15配置用于标签天线5的阻抗匹配。匹配电路15的输出信号(仍然是RF信号)提供给整流电路20。整流电路20的主要任务是将匹配电路15的RF输出信号转换为电子电路30的电源电压Vdd(DC-电压)。为此目的，整流电路15包括矫正级(未示出)。在一些RFID标签中，该矫正级与电荷泵级(未示出)合并以便对输出上的电源电压Vdd进行升压(输入功率可以非常低)。这也依赖于工作频率。对于UHF-RFID(880-950MHz)，这种电荷泵是重要元件。对于13MHz RFID，不使用电荷泵，因为在典型的条件下来自天线的电压足够高。同样，整流电路15可以包括稳定级(未示出)，用于稳定输出上的电源电压(输入功率可以强烈地波动)。该块有时在现有技术中也称作电压限制器。在13MHzRFID中，电压限制器是重要元件。当设计RFID标签1的模拟前端10时遇到的最常见问题中的一些如下：i)匹配电路15与标签天线5的匹配性质；ii)整流电路20中的功耗；以及iii)整流电路20的低转换效率。RFID标签1的部件和工作对于本领域普通技术人员是公知的，并且在该描述中不会详细地讨论。同样，在现有技术中已经讨论了RFID标签1的各种变体。

RFID读取器RW包括另外的天线105和电子电路100。RFID读取器RW的部件和工作对于本领域普通技术人员是公知的并且在该描述中不回详细地讨论。

图2a示出了针对根据现有技术已知的RFID芯片的RFID承载组件的一部分的示意性截面图。所述承载组件99包括天线箔FL1和铁氧体箔FL2。天线箔FL1包括其上已经设置了天线层50的第一衬底层60。天线层50典型地是结构化的/构图的(未示出)，并且包括天线。在该示例实施例中，铁氧体箔FL2包括磁层(铁氧体层)70和第二衬底层80。铁氧体箔FL2设置在第一衬底层60的背部上。例如，铁氧体箔FL2可以是先前提到的来自TDK的Flexield^TM箔。如已经提到的，该磁层70的目的是为了使得能够使用在金属(导电)表面上包括这种承载组件99的RFID收发机。天线层50位于承载组件99的工作侧，即配置用于从RFID读取器RW接收RF信号的一侧。RFID收发机芯片2典型地设置在工作侧S1上(在描述中随后给出关于这方面的更多细节)，并且在与工作侧S1相反的一侧是RFID承载组件99的附加侧S2。典型地将该侧例如通过粘附层附加到消费设备(未示出)。图2a的叠层也可以嵌入在另外的覆盖片(未示出)中。第二衬底层80对于本发明不是必要的，在该实施例中只是作为磁层70的承载。在其他实施例中，可以完全省略第二衬底层，但是也存在其他选项，例如使用磁层70周围的万能钥匙(passepartout)。

为了制造天线箔FL1，可以使用至少四种不同的技术，即：嵌入式引线技术、刻蚀天线技术、流电天线技术和印刷天线技术。同样，本领域普通技术人员也认为这些技术是公知的。在Wiley，ISBN0470011955的Dominique Paret 的书“RFID and Contactless Smartcard applications”中以及Klaus Finkenzeller，Carl Hanser Verlag München Wien，ISBN 3-446-22071-2的“RFID Handbook”中可以找到有关这些技术的更多信息。

图2b示出了根据本发明第一实施例的用于RFID芯片的RFID承载组件的一部分的示意性截面图。将与图2a不同地讨论该图。在RFID承载组件99的附加侧S2提供导电屏蔽层90。在该示例中，所述屏蔽层包括铜(可以称作铜底板)。在铜的情况下，典型厚度是18μm或35μm。最小厚度在2μm的量级，这是利用流电天线技术可生产的量级。如已经提到的，屏蔽层90的目的是使得RFID收发机的失谐效果与环境无关，即使得RFID收发机适用于具有不同材料的不同表面，即使已经针对特定情况优化了RFID收发机。第一衬底层60和第二衬底层70例如可以包括聚氯乙烯(PVC)。

可以使用滚筒-滚筒层压工艺执行图2a和2b中的层的堆叠。在这种工艺中，典型地使用热压法(例如通过在压力下将所述层在190℃下保持5分钟的持续时间)将单独的层彼此附加。

图3示出了包括RFID承载组件和RFID芯片的RFID收发机设备的分解图。在工作侧S1处另外提供了覆盖RFID芯片2的前覆盖片FCS、天线50和第一衬底层60。在附加侧S2处另外提供了覆盖万能钥匙PP的背覆盖片BCS(这里是铜层)，代替第二衬底层80使用背覆盖片。在万能钥匙PP内，存在用于容纳铁氧体片70的凹口，例如铁氧体TDKIBF-10-0.1。优选地，铁氧体片厚于100μm。优选地，相对磁导率大于30，甚至更加优选地大于50，以及最优选地大于100。磁场导引效应与磁层厚度与其相对磁导率的乘积近似成比例。

图4a至4c示出了根据本发明第二实施例的RFID收发机设备的示意性透视布局图。图4a示出了RFID收发机设备的透射布局图，其示出了包括多个回路、并且以第一天线端子T1和第二天线端子T2终止的天线50。天线端子T1、T2配置用于与RFID收发机芯片2的管脚相连。图4a也示出了天线50的外部边界51。图4b示出了包括磁层70的RFID收发机设备的透视布局图。磁层70具有完全围住了天线的外部边界51的外边界71。该实施例的优点是将磁通量更好地限制在磁层70内，并且在天线层和其上设置了收发机的目标之间导引。磁层70的外边界71延伸超过天线50的边界51越多，该效果越强。该特征的正面效果是几乎不会有磁通量进入目标，导致几乎不会有涡流(并且因此具有更好的性能)。图4c示出了还包括屏蔽层90的RFID收发机设备的透视布局图。磁层90具有完全落在天线50的外边界以内的外边界91。该实施例进一步增强了参考图4b所述的效果。

在实施例中，RFID非接触式智能卡粘贴物的尺度是：长度48.0mm、宽度28.0mm。另外，天线50的外边界的尺度是：长度44.0mm，宽度24.0mm。此外，图4b中的磁层70的尺度是：长度48.0mm，宽度28.0mm(与卡尺度相同)。在相同的实施例中，图4c的屏蔽层(金属底板)的尺度是：长度42.0mm，宽度22.0mm。

这里必须注意的是如果铁氧体可以与完整的粘贴物一样大，其也依赖于生产工艺。对于层压，通常在每一个边界保留2mm，这意味着铁氧体必须更小，例如44mm×24mm。为了在部件之间保持相同的关系，在这种情况下天线必须更小，例如40mm×20mm。在写下这种描述时，还没有对于粘贴物尺寸的标准和规范。实际上，该尺寸是由成本(越小越便宜)和应用标识决定的，也必须在粘贴物上找到地方。因此，也不能太小(同样要求确定的最小尺寸以便具有足够的工作距离)。同样，生产机器要求特定的最小尺寸以便能够处理器件。当作为卡的一部分生产时，RFID标签可以在生产卡的现有机器上个人化，并且随后可以将塑料部分切割为更小的尺寸，因为铁氧体层非常昂贵，而塑料非常便宜。

因此，本发明提供了一种用于容纳RFID收发机芯片2的承载组件99，所述承载组件99具有用于附加到消费设备上的附加侧S2。承载组件99包括：i)天线层50，包括天线，所述天线具有用于耦合至RFID收发机芯片2的触点T1、T2；ii)磁层70，覆盖天线层50内侧的至少一部分，其中所述内侧面对附加侧S2；以及iii)导电屏蔽层90，覆盖承载组件99的附加侧S2处的磁层70的至少一部分。本发明也提供一种包括这种承载组件的RFID收发机设备，以及包括这种RFID收发机设备的消费设备。使得由于环境导致的失谐效应与环境无关，即由于导电屏蔽层90导致的失谐是支配性的。本发明提供了RFID收发机设备，可以应用于任何表面，即使已经针对一种情况优化了所述表面。

本发明可以应用于各种应用区域。例如，本发明可以应用于RFID收发机。必须注意的是本发明可应用于有源收发机和无源收发机两者。在无源收发机中，本发明中的磁层确保由磁场在天线中产生足够的能量。在有源收发机中(例如电池供电)，磁层也确保了可以由天线发射足够的能量。在这两种收发机类型中，导电屏蔽层确保了更好地限定了天线的阻抗，即几乎不依赖于环境性质。

根据本发明的承载组件、RFID收发机和消费设备的各种变体是可能的，并且不会背离所要求权利的本发明的范围。

应该注意的是上述实施例示出而不是限制本发明，并且本领域普通技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下将能够设计许多替代实施例。在权利要求中，括号里的任意参考符号不应该解释为限制权利要求。动词“包括”的使用及其变形不排除存在除了权利要求中所声明的意外的元件和步骤。元件前的冠词“a”或“an”不排除存在多个这种元件。本发明可以通过包括几个不同元件的硬件或者通过适当编程计算机来实现。在枚举了几种装置的设备权利要求中，可以通过一个相同项目的硬件实现这些装置的几个。起码的事实在于在相互不同的从属权利要求中引用的特定措施不表示不能有利地使用这些措施的组合。贯穿附图，相同的参考数字或标号表示类似或相应的图。

Claims

1.一种用于容纳RFID收发机芯片(2)的承载组件(99)，所述承载组件(99)具有用于附加到消费设备上的附加侧(S2)，并且具有在RFID收发机芯片工作时接收RF信号的工作侧(S1)，其中：

所述承载组件(99)包括叠层，所述叠层包括天线层(50)、磁层(70)和导电屏蔽层(90)；

所述天线层(50)设置在工作侧(S1)和磁层(70)之间；

所述导电屏蔽层(90)设置在磁层(70)和附加侧(S2)之间；

所述天线层(50)包括天线，所述天线具有用于耦合至RFID收发机芯片(2)的触点(T1、T2)；以及

在垂直于天线层(50)方向的天线的第一突出部的外边界(51)完全围住了屏蔽在垂直于天线层(50)方向的导电屏蔽层(90)的第二突出部的外边界(91)。

2.根据权利要求1所述的承载组件(99)，其中，在垂直于天线层方向的磁层(70)的第三突出部的外边界(71)完全围住了在垂直于天线层(50)方向的天线的第一突出部外边界(51)。

3.根据权利要求1或2所述的承载组件(99)，其中所述磁层(70)具有大于或等于30的相对磁导率，并且优选地大于50，并且甚至更优选地大于100。

4.根据权利要求1、2或3所述的承载组件(99)，其中所述磁层(70)包括铁氧体箔或铁氧体片。

5.根据权利要求4所述的承载组件(99)，其中所述磁层(70)具有大于50μm的厚度，并且优选地大于100μm。

6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的承载组件(99)，其中所述导电屏蔽层(90)包括从下述材料之一进行选择：铜、铝、银、金、铂、导电浆和银墨。

7.根据权利要求6所述的承载组件(99)，其中所述导电屏蔽层(90)具有大于2μm的厚度。

8.一种RFID收发机设备，包括根据权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的承载组件(99)和安装到所述承载组件(99)的RFID芯片(2)。

9.根据权利要求8所述的RFID收发机设备，其中所述RFID收发机设备包括用于设置在消费设备上的RFID标签。

10.一种消费设备，包括根据权利要求8或9所述的RFID收发机设备。

11.根据权利要求10所述的消费设备，其中所述RFID收发机设备配置用于非接触式付款应用。