CN102328791A - 具有集成rfid标签和传感器的食品包装 - Google Patents

具有集成rfid标签和传感器的食品包装 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于容纳易腐物品的容器，该容器具有容器壁，容器壁具有内侧和外侧。容器壁具有在内侧与外侧之间延伸的导电层。内侧面对着容纳物品的空间。容器包括电子电路，电子电路具有用于感测物品的物理特性或物理状况的传感器，以及用于向容器外部的接收机传送RF信号的天线。RF信号指示所感测到的物理特性或物理状况。传感器被放置为在容器的操作使用中暴露于容纳物品的空间。天线被放置在外侧，或者被放置在外侧与导电层之间，天线与导电层电绝缘。

Description

具有集成RFID标签和传感器的食品包装
技术领域
本发明涉及一种被配置用于容纳物品(substance)并且包括电子电路的容器，电子电路用于感测物品的物理特性以及提供对感测到的物理特性加以指示的无线信号。
背景技术
射频识别(RFID)标签广泛用于标识和跟踪对象。RFID标签附着至或合并在物理对象中，并且具有天线，天线通过RF(射频电磁波)与远程接收机进行通信。RFID标签可以对独有标识符进行通信，独有标识符代表RFID标签，因此代表单独物理对象。RFID标签可以是无源FRID标签，在接收到由外部源产生的、具有与天线的灵敏度相对应的适合频率的入射电磁波时，产生针对其自身操作的电力。备选地，RFID标签可以是有源RFID标签，容纳了其自己的用于自主操作的电源，例如，电池或能量清除器(energy scavenger)。
RFID标签可以与传感器组合，以实现低成本的远程传感器以用在供遥测应用中。例如，无线识别和感测平台(WISP，Wireless Identificationand Sensing Platform)是一种类型的无源RFID标签，无源RFID标签被配置用于支持例如对温度或加速度的感测，以对传感器信号进行本地处理，以及用于经由RF将处理后的信号传送至外部接收机。
通过在整个供应链中提供跟踪和追踪各个单独产品的手段，RFID技术有助于物流(transform logistics)。当今，对于将有源RFID标签与监控产品质量的传感器相集成，进行了越来越多的研究和开发。近年来，在食品加工方面已经采用了无线传感器，以监控和控制食品产品的质量特性。例如，可以将温度传感器插入到食品中，以随时间记录温度，以及将温度数据无线地发送至中央控制器。
RFID加标签(tagging)已经被接受为一种新的技术，在数据收集、以及人、动物和产品跟踪方面，用于良好结构化的可追踪性系统(traceability system)。已经设想到，在未来10年内，RFID应用将以32.3％的综合年收入增长率(compound annual revenue growth rate)(2003-2010)快速增长，参见例如N.Wang等人的Computers and Electronics inAgriculture 50(2006)，pp.1-14。
发明内容
对于RFID标签与传感器的组合的操作，需要将RFID标签的天线放置为：使得天线能够将RF信号发送至外部接收机，并且在无源RFID标签的情况下，还能够从外部发射机接收RF信号。即，在导电对象附近使用RFID标签可能会妨碍RFID标签的操作，因为RF信号会被导电对象屏蔽，这取决于RF信号的频率和导电对象的特性。
考虑用于容纳易腐物品的容器或食品包装，易腐物品例如是诸如牛奶产品、果汁之类的食品，或诸如药品之类的其他易腐物品等。Tetra Pak制造了这种容器的公知示例。典型地，这样的容器被设计用于物品的防腐包装并且具有层压容器壁，层压容器壁包括导电层，例如铝。铝层用于防止物品暴露于光和氧气下。
因此，容器壁中导电层的存在提出了使用RFID标签与传感器集成的传统组合的问题。还注意到，传统上，将RFID芯片直接接合在承载(平面)天线的基板上。即，RFID芯片和天线是共面的，因为在相同基板上提供(accommodate)RFID芯片和天线，从而形成单个单元。
因此本发明提出了一种容器，具有用于容纳物品的空间以及确定该空间的容器壁。容器壁具有内侧和外侧。容器壁具有在内侧与外侧之间延伸的导电层。即，导电层被布置为实质上与内侧和外侧平行。在容器的操作使用中，内侧面对容纳物品的空间。容器包括具有传感器的电子电路，传感器用于在容器的操作使用中感测物品的物理特性或物理状况(physical condition)。电子电路还具有天线，所述天线用于将射频信号传送至容器外部的接收机。射频信号指示在容器的操作使用中感测到的物理特性或物理状况。传感器被放置为在容器的操作使用中暴露于容纳物品的空间。天线与导电层电隔离。天线被放置在外侧，或者放置在外侧与导电层之间。
在本发明中，在与容器壁平行的不同平面中提供传感器和天线。因此，传感器被放置为暴露于物品或者在物品老化时由物品释放的一种或多种化学产物，或者暴露于容器内物品所受到的温度和压力。另一方面，将天线放置在容器的外部或外部附近，远离导电层并且与导电层电隔离，以能够将RF信号发送至容器远程处的外部接收机。
电子电路可以包括信号处理电路，以对从传感器接收到的传感器信号进行处理。例如，周期性地或者在任何期望时刻激活传感器，并将传感器信号记录(log)在板上固态存储器(onboard solid-state memory)中，以编译对例如物品的老化加以表示的历史文件。备选地，周期性或在任何期望时刻激活传感器，并且将传感器信号与预定阈值相比较，以便确定物品的保存期限的结束。例如，电子电路由板上电源(例如，电池)来供电。电子电路可以具有对激活传感器和登记(register)传感器信号的时刻加以控制的定时器。备选地，电子电路从容器外部的源经由天线接收第一控制信号，以便激活传感器。电子电路可以经由天线接收第二控制信号，第二控制信号使电子电路开始经由天线发送携带了与所记录的历史有关的信息的RF信号。备选地，当信号处理电路已经确定达到了阈值时，电子电路周期性地经由天线向外部接收机发送指示达到了阈值的RF信号。
上述发明涉及在容器的实施例中对发明进行商业开发。本发明也可以被商业开发为适合于生产容器的层压制品(laminate)。例如，本发明还涉及一种在容器的容器壁中使用的层压制品，其中所述容器被设计用于容纳易腐物品。层压制品具有第一侧和第二侧。层压制品具有在第一侧与第二侧之间延伸的导电层。第一侧被配置为在容器的操作使用中面对容纳物品的空间。层压制品包括电子电路，电子电路具有用于在容器的使用中感测物品的物理特性或物理状况的传感器，并且还具有用于向容器外部的接收机传送射频信号的天线。射频信号指示在容器的操作使用中所感测到的物理特性或物理状况。传感器被放置在第一侧或第一侧附近，以在容器的操作使用中暴露于容纳物品的空间。天线被放置在第二侧，或者被放置在第二侧与导电层之间。天线与导电层电隔离。
即，这种层压制品的片可以由第一方来制造并提供给第二方，在第二方处对层压制品进行切割和折叠，以生产根据本发明的容器，并且装入物品。可以由第一方使用印刷电子技术来制造电子电路。对于印刷电子装置，例如参见“The truly integrated circuit is printed and flexible”，Dr.Peter Harrop，Printed Electronics WORLD，20103月24日，或Wikipedia中的相关著录。
在实施例中，层压制品包括用于对电子电路供电的电池。电池被设置为与包括物品的空间物理隔离，以便防止在容器的操作使用中物品被电池污染。
为了完备起见，参照美国专利申请公开2007/0176773，通过引用合并于此。美国专利申请公开2007/0176773公开了一种远程可读传感器，用于指示诸如粮食和医疗药品之类的易腐产品的可用性状况(usabilitycondition)。该传感器合并了电阻元件，该电阻元件的电阻响应于易腐产品的状况。根据本发明，将传感器放置在粮食包装的内部。传感器的元件与第一线圈形成电流回路，第一线圈以电感方式耦合至远程读取器设备的第二线圈。元件的电阻确定了由元件和线圈形成的谐振电路的品质因子。因此，通过测量品质因子能够确定元件的电阻，从而确定易腐产品的状况。美国专利申请公开2007/0176773没有公开和暗示在粮食的包装内存在导电层。给出粮食包装的唯一示例是HDPE(高密度聚乙烯)层，HDPE(高密度聚乙烯)层是绝缘体。
附图说明
通过示例并参照附图更详细说明本发明，在附图中：
图1是本发明中容器的框图；
图2和3是示出了本发明中容器的备选配置的一些细节的图；
贯穿附图，类似或相应的特征由相同的附图标记指示。
具体实施方式
图1是本发明中容器100的框图。容器100具有：用于容纳易腐物品(未示出)(例如，果汁)的空间102；以及确定空间102的分层容器壁104。容器壁104具有内侧106和外侧108。容器壁104具有在内侧106与外侧108之间延伸的导电层110。在容器100的操作使用中，内侧106面对容纳物品的空间102。容器100还包括用盖114封闭的管口(spout)112。从管口112移除盖114使得用户能够将果汁从容器100倒入例如平底玻璃杯(未示出)或杯子(未示出)中。可以移除的盖114封闭了管口112，以用于例如运送容器，以及阻止更多氧气进入容器100。容器100包括电子电路116，电子电路116具有：传感器118，用于在容器100的操作使用中感测物品的物理特性；以及天线120，用于将射频信号通信至容器100外部的接收机122。射频信号指示感测到的物理特性。该物理特性包括例如物品的温度或者物品的温度变化、空间102中的压力或者空间102中的压力变化、物品的酸度、物品的碱度、物品所释放的特定化合物的浓度等等。传感器118位于容器壁104的内侧106，以在容器100的操作使用中暴露于容纳物品的空间102。例如，将传感器118安装在容器壁104的内侧106上。备选地，将传感器118放入容器壁104的凹处，并且通过容器壁104的内侧106中的开口(未示出)暴露于空间102，或者进一步放入容器壁104的凹处，并且通过容器壁104的内侧106中以及导电层110中的开口(未示出)暴露于空间102，等等。天线120位于容器壁104的外侧108或外侧108附近。即，天线120位于外侧108上，或者位于外侧108与导电层110之间的容器壁104内。天线120与导电层110电隔离(electrically isolate)。
天线120与传感器118功能耦合。例如，如果电互连的天线和传感器位于导电层110的不同侧，并且与导电层110电隔离，则原则上可以使用美国专利申请公开2007/0176773中所公开的RFID传感器的配置。在另一实施例中，传感器118经由信号处理电路(未示出)功能耦合至天线120。信号处理电路接收来自传感器118的传感器信号。信号处理电路然后将代表接收到的传感器信号的数据存储在板上存储器(未示出)中，以供后续由接收机112经由天线120来获取。例如，板上存储器存储一组数据，其中每一个单独的数据代表在单独时刻捕获的单独传感器信号。备选地，信号处理电路接收来自传感器118的传感器信号，并且将该传感器信号转换成驱动信号，以驱动天线120，从而将RF信号发送至接收机122。
传感器118和/或信号处理电路可以具有板上电源，例如用于为传感器118和/或信号处理电路供电的电池。传感器118和/或信号处理电路还可以具有板上定时器，板上定时器用于确定何时激活传感器118以提供传感器信号，和/或用于确定何时向接收机112发送RF信号。在后一种情况下，传感器118与天线120的组合被配置为并且用作有源RFID标签。备选地，经由外部源(未示出)所发送的RF信号对传感器118和/或信号处理电路进行供电，其中该RF信号具有适当的频率并且入射在天线120上。在这种情况下，传感器118和天线120的组合被配置为并且用作无源RFID标签。
暴露于空间102下的传感器118或者传感器118的至少一部分被实现为，防止传感器118的暴露部分对空间102中物品造成化学或物理污染。根据所感测的物理质量，以及可能地根据物品的化学和/或物理特性，来选择传感器118的材料和传感器118的配置。例如，如果传感器118包括温度感测器件，则传感器118或传感器的暴露部分可以被适合材料的保护膜覆盖，适合材料相对于物品在化学上呈现惰性，并且具有适合的热传导性。类似地，如果传感器118被配置用于感测压力，则传感器118的暴露部分可以被适合材料的保护膜覆盖，所述适合材料相对于物品在化学上呈现惰性，并且实质上并不妨碍对空间102中的压力的感测。相应地，温度感测器件或压力感测器件与物品之间仅经由保护膜相互作用。作为另一示例，考虑包括了另一器件的传感器118，所述另一器件用于：通过空间102中的化合物与所述另一器件的材料之间的化学反应，来所述化合物的存在或浓度。那么，该另一器件的材料和化学反应的产物都不应显著污染物品。
如果将传感器118安装在物品(未示出)上，则关于因物品的一部分暴露于空间102下而引起的物品污染有着类似的考虑。如果传感器118和/或信号处理电路具有它们自己的电源，例如电池，则关于因电池的一部暴露于空间102下而引起的物品污染有着类似考虑。
图1中容器的图示出了用于将传感器118和天线120放置在容器100处的多个选项中的第一选项。在第一选项中，将传感器118或提供传感器118以及可选地提供信号处理电路的基板安装在容器壁114的内侧上。传感器118和/或信号处理电路经由导电连接124连接至天线120。导电连接124经由通道126穿过导电层110。导电连接124与导电层110电隔离。例如，在导电连接124的周围提供电绝缘外层。备选地，容器壁104包括层压的电绝缘材料以及导电层110。那么，对围绕导电连接124的通道126中的空间填充电绝缘材料，以防止导电连接124与导电层110之间电流接触(galvanic contact)。
图2和3是分别用于放置传感器118和天线120的第二选项200和第三选项300的图。
在第二选项200和第三选项300中，如上所述，容器壁104均表示为层压制品。典型地，容器壁104的内侧106包括茂聚乙烯(mPE)的第一层202，用于将果汁密封在空间102中。修改的(modified)低密度聚乙烯(LDPE)的第二层204位于第一层202与导电层110之间。第二层204用作粘附层。外侧108包括LDPE的第三层206，作为防止来自容器100外部的湿气的保护。挨着第三层206的是纸材料的第四层208，用于提供机械稳定性和强度。LDPE的第五层210位于第四层208与导电层110之间。
在第五层210中或第五层210上提供(accommodate)传感器118以及可选地信号处理电路，例如，使用印刷电子技术将传感器118以及可选地信号处理电路印刷在第五层210(LDPE)上。可选地，例如使用印刷电子技术以类似方式在第五层210中/上提供信号处理电路和/或电池。传感器118经由导电层210、第二层204和第一层202中的相应孔暴露于空间102。优选地，这些孔是对准的。
在第二部分200中，天线120具有平面配置并且在外侧108上设置在第三层206中。可以使用印刷电子技术来实现天线120。天线120通过导电连接124连接至传感器118，或者连接至信号处理电路，导电连接124贯穿第四层208和第三层206。例如，在第四层208和第三层206中制作对应的孔，并且在孔中填充导电膏(electrically conductive paste)。
备选地，在第四层208中或在第四层208上提供传感器118以及可选地信号处理电路和/或电池，例如，使用印刷电子技术将传感器118以及可选地信号处理电路和/或电池印刷在第四层208(纸)上。那么，第五层210也具备孔，以使传感器118暴露于空间102。
在第三选项300中，天线120具有平面配置，并且在设有传感器118的基板上提供天线120。可以使用印刷电子技术来实现天线120。可选地，可以使用印刷电子技术在相同基板上提供信号处理电路和/或电池。在图3所示的示例中，在第五层210中或者在第五层210上提供传感器118以及可选地信号处理电路和电池。
备选地，在第四层208中或在第四层208上提供传感器118以及可选地信号处理电路和/或电池，例如，使用印刷电子技术将传感器118以及可选地信号处理电路和/或电池印刷在第四层208(纸)上。那么，第五层210也可以具备孔，以使传感器118暴露于空间102。
图1、2和3的图示出了本发明，本发明可以应用于例如牛奶纸盒或用于盛装果汁的纸盒。简单地，本发明可以应用于全部由导电材料制成的其他类型容器，例如，不锈钢啤酒桶(也被称作桶(cask)或小桶(keg))或者用于容纳易腐物品(例如，粮食或饮料)的铝罐。即，本发明也可以应用于与传感器相结合的RFID标签，其中传感器用于对容纳在导电材料的容器中的物品进行状况监控。本发明也可以应用于金属食品容器，例如，铝箔的盘子或碟。RFID标签的电路(例如，传感器118和/或信号处理电路和/或电池)在空间上与天线120分离。那么在容器的外部提供天线，并且天线与容器之间电绝缘，在容器的内部提供RFID标签的电路。RFID标签的天线和电路经由容器壁中的孔电连接。

Claims (4)

1.一种容器，具有用于容纳易腐物品的空间以及确定所述空间的容器壁，其中：
容器壁具有内侧和外侧；
容器壁具有在内侧与外侧之间延伸的导电层；
在容器的操作使用中，所述内侧面对容纳物品的空间；
容器包括电子电路，所述电子电路具有：
传感器，用于在容器的操作使用中感测物品的物理特性或物理状况；以及
天线，用于在容器的操作使用中将射频信号传送至容器外部的接收机；
所述射频信号指示感测到的物理特性或物理状况；
传感器被放置为在容器的操作使用中暴露于容纳物品的空间；
天线被放置在外侧，或者被放置在外侧与导电层之间；
天线与导电层电隔离。
2.根据权利要求1所述的容器，其中：
容器包括用于为电子电路供电的电池；
所述电池与用于容纳物品的空间物理隔离，以防止在容器的操作使用中物品受到电池的污染。
3.一种用在容器的容器壁中的层压制品，所述容器被设计用于容纳易腐物品，其中，
层压制品具有第一侧和第二侧；
层压制品具有在第一侧与第二侧之间延伸的导电层；
第一侧被配置为在容器的操作使用中面对容纳物品的空间；
层压制品包括电子电路，所述电子电路具有：
传感器，用于在容器的使用中感测物品的物理特性或物理状况；
天线，用于将射频信号传送至容器外部的接收机；
射频信号指示感测到的物理特性或物理状况；
传感器被放置在第一侧或第一侧附近，以在容器的操作使用中暴露于容纳物品的空间；
天线被放置在第二侧，或者被放置在第二侧与导电层之间；
天线与导电层电隔离。
4.根据权利要求3所述的层压制品，其中：
层压制品包括用于为电子电路供电的电池；
所述电池被设置为与用于容纳物品的空间物理隔离，以防止在容器的操作使用中物品受到电池的污染。
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