CN103069438B - 用于轮胎的电子装置的天线 - Google Patents

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Abstract

天线（12）包括芯（18），并且旨在被集成在轮胎的大量橡胶之内。天线（12）包括用于传导电磁信号的层（20），所述层（20）由覆盖芯（18）的铜组成，以及覆盖传导层（20）并旨在将橡胶与覆盖绝缘层（22）的层化学地绝缘的化学绝缘层（22）。

Description

用于轮胎的电子装置的天线
技术领域
本发明涉及用于轮胎的电子装置领域。
背景技术
包括连接到电子元件（例如芯片）的两个天线、所述电子元件安装在支撑板上的电子装置在相关技术中是公知的。每个天线具有大致为螺旋状的形状。每个天线包括被直接地涂覆有黄铜镀层的钢芯，黄铜是铜和锌的合金，铜和锌的比例分别约为75%和25%。
众所周知，对于这样的天线，电磁传导主要通过集肤效应发生，也就是说，电磁传导主要是在天线的外层发生。集肤深度尤其取决于辐射的频率和传导层的构成材料。举个例子，对于UHF频率（例如915MHz），对于银的集肤深度为2.1μm，对于铜为2.2μm并且对于黄铜为4.4μm。
为了制造该天线，从存储盘架展开的裸丝状芯通过对其进行可塑性地变形而形成，以便使其呈螺旋状的形状。然后，使裸螺旋状芯被涂覆有黄铜镀层。涂覆步骤在电解液中执行。
如上文所回顾的，对于在UHF频率的涂覆有黄铜的天线的最佳操作，涂覆层的厚度必须不小于4微米。此外，由于芯的螺旋状几何形状，涂覆所述芯的条件是难以控制的，尤其是在圈的内部。而且，由于其由合金制成，难以精确地控制其成分，并且需要对沉积工艺的参数（电流、通过电解液的时间和电解液的成分）进行精确的调节。总之，沉积物的质量以及必要的厚度导致了相对长的沉积时间，所述沉积时间在产品的成本方面具有主要的影响。
发明内容
本发明的目的是提供工业上稳定并成本低的工艺，使得能够获得具有最佳特性的天线。
为了满足该目标，本发明的一个主题是包括芯的天线，所述天线旨在被集成到橡胶化合物内，尤其是轮胎，所述天线包括：
-电磁信号传导层，所述电磁信号传导层由涂覆芯的铜制成；以及
-化学隔离层，所述化学隔离层涂覆传导层，旨在将橡胶与隔离层涂覆的层化学隔离，并由与构成传导层的材料不同的材料制成。
使用具有两个独立的功能的层，即传导功能和化学隔离功能，使得能够在一方面根据它们的特性分别地对每个功能选择合适的材料，并且在另一方面优化层的厚度和针对每个层的沉积的工艺参数（电流、通过电解液的时间或通过速度、电解液的成分），并且也减少与涂覆芯相关的成本。
通过集肤效应，传导层用来在天线和连接至其上的电子元件之间传导电磁信号。传导层由可以与轮胎的橡胶发生反应的铜制成。在两者之间的直接接触将引起传导层恶化和电子功能的最终丢失以及围绕天线的橡胶的老化。化学隔离层相对于橡胶在化学上是惰性的。化学隔离层因而能够阻止在传导层与周围的橡胶之间的化学反应。特别地，传导层由铜制成，化学隔离层作为阻止化学物质从临近的橡胶化合物迁移的屏障，例如它阻止了铜的硫化。
基本纯净的金属为以大于95%的比例包括所述金属的金属，最多5%的剩余物仅仅构成与制造金属或合金的工艺相关联的杂质。
需要引用的是，金属沉积步骤对于例如铜的基本纯净的金属的效率远高于对于例如黄铜的金属合金的效率。
根据天线的某些可选择的特征：
-芯由钢制成；
-传导层直接地涂覆芯。作为变体，裸芯可以被涂覆有置于裸芯和传导层之间的一个或多个中间层。在另一变体中，裸芯可以被涂覆有多个传导层，每个传导层由铜制成。在该另一个变体中，传导层之一可以直接地涂覆芯，或者将中间层置于裸芯和该传导层之间。
-化学隔离层由基本纯净的金属或金属合金制成，例如在锌、镍、锡和黄铜中选择。在使用基本纯净的金属时，涂覆步骤的效率高得多。此外，这些金属或黄铜相对于橡胶在化学上是惰性的，并且提供了化学隔离层到传导层的良好的粘合。此外，在锌或镍的情况下，它们提供了化学隔离层到橡胶的良好的粘合。而且，这些金属或黄铜使得天线能够简单地连接到例如芯片的电子元件，这归功于它们可焊接的属性；通常由至少两种不同的金属制成金属合金的较大一部分，也就是说总共构成超过合金重量的50%的重量，并且附加成分（additifs）根据其用途为合金提供了特殊的属性；
-化学隔离层直接地涂覆传导层。作为变体，传导层可以被涂覆有置于传导层和化学隔离层之间的一个或多个中间层。在另一个变体中，传导层可以被涂覆有多个化学隔离层，每个化学隔离层均由基本纯净的金属或金属合金制成，例如从锌、镍、锡和黄铜中选择。在这个其他变体中，化学隔离层之一可以直接地涂覆传导层，或者将中间层置于传导层和该化学隔离层之间；
-传导层的总厚度大于2微米，优选地在4微米和5微米之间。如果天线包括多个传导层，总厚度为每个传导层的厚度之和；
-化学隔离层的总厚度大于0.2微米，优选地在0.4微米和0.6微米之间。如果天线包括多个化学隔离层，总厚度为每个化学隔离层的厚度之和；
-天线包括用于天线的外部粘合层，以粘合到涂覆化学隔离层的橡胶。顾名思义，该粘合层确保在交联橡胶化合物的步骤后在临近的橡胶化合物与天线之间的持久而紧密的接触；
-外部粘合层直接地涂覆化学隔离层。作为变体，化学隔离层可以涂覆有置于化学隔离层和粘合层之间的一个或多个中间层。在另一个变体中，化学隔离层可以涂覆有多个粘合层，每个粘合层由至少一种基本纯净的金属制成，例如在锌和镍中选择，或者由金属合金制成，例如黄铜，或者包括非金属粘合剂。根据该另一个变体，化学粘合层之一可以直接地涂覆化学隔离层，或者将中间层置于化学隔离层和该粘合层之间；
-在一个实施方案中，外部粘合层包括非金属粘合剂；
-在另一个实施方案中，外部粘合层由基本纯净的金属或金属合金制成，例如在锌、镍和黄铜中选择。这些金属能够使天线粘附在周围的橡胶上；以及
-天线包括至少一个螺旋状的部分。优选地，天线旨在被集成在轮胎内。在轮胎的运行期间，后者要经受被传递至天线的应力和变形。螺旋状的形状使得能够提高天线相对于天线经受的应力的耐久性。这是因为螺旋状的形状赋予天线以柔韧性，柔韧性使其能够变形而没有断裂风险，所述断裂在一方面将使电子功能失效，另一方面将冒着破坏轮胎的风险。优选地，螺旋状的部分的外径为1.2mm，并且螺旋状的部分的间距为每厘米13圈。
本发明的另一个主题是包括电子元件和连接到电子元件的至少一个天线的电子装置，所述天线如上文所定义的那样。
本发明也涉及包括如上文所定义的天线或者如上文所定义的电子装置的轮胎。
最后，本发明涉及用于制造包括芯的天线的工艺，天线旨在被集成在橡胶化合物内，其中：
-芯被涂覆有电磁信号传导层；以及
-传导层被涂覆有化学隔离层，化学隔离层旨在将橡胶与所述化学隔离层涂覆的层化学隔离，并由与构成传导层的材料的不同的材料制成。
根据工艺的某些可选择的特征：
-在实施的一个方法中，具有丝状形状的所述芯涂覆有传导层和所述化学隔离层，并且在涂覆步骤后，被涂覆的芯的至少一部分进行可塑性地变形。通过在其可塑性的变形之前（也就是说在芯仍具有丝状形状时）涂覆所述芯而提高涂覆步骤的效率。这是因为，由于芯具有丝状形状，每个镀层可以一致并均匀地覆盖天线的芯。因此，每个涂覆步骤相对地快速，从而限制每层的厚度并减少每个涂覆步骤的能量消耗，与此同时还提高涂覆的质量。因此，由此获得的天线是功能性的（fonctionnelle）。
-此外，工艺是连续的，也就是说涂覆步骤能够覆盖丝状芯的大部分长度，然后将所述丝状芯定长切割。因此，不同于批量生产，根据本发明的工艺能够确保产品的稳定质量，并且减少人工干预并因此减少成本。
在实施的另一个方法中，将芯的至少一部分进行可塑性地变形，在变形步骤后，芯被涂覆有传导层和化学隔离层。
附图说明
通过阅读仅通过非限制性实例并结合附图给出的如下说明书，可更好地理解本发明，附图中：
-图1为根据本发明的第一实施方案制造的包括天线的电子装置的透视图；
-图2为图1的天线的详细视图；
-图3至图6为在根据实施本发明的第一方法的制造工艺的不同步骤期间，图2的天线的横截面的透视图；
-图7为在图3至图6的工艺步骤之后的工艺步骤期间，类似于图2的视图的视图；
-图8为根据实施本发明的第一方法，显示工艺的不同步骤的示意图；
-图9为类似于图2的视图，示出了根据实施本发明的第二实施方案的天线；
-图10至图13为在根据实施本发明的第二方法的制造工艺的不同步骤期间，图9的天线的横截面的透视图；并且
-图14为显示根据实施本发明的第二方法的工艺的不同步骤的示意图。
具体实施方式
图1显示了由通用附图标记（référence générale）10表示并且旨在被嵌入橡胶内的电子装置。在所示例子中，根据第一实施方案，电子装置10为RFID类型，并包括两个天线12。天线12连接到电子元件14（此处为芯片）的终端，所述电子元件安装在支撑板16上。在下文中，由于两个天线12是相同的，参照图2将仅描述一个天线12。两个天线12一起形成了偶极子天线。
天线12具有大体上螺旋状的形状，并且根据电子装置的使用条件定义长度、外径和螺旋间距。举个例子，螺旋的间距可以为每厘米13圈，外径可以为1.2mm并且长度可以大约为25mm。这种特性的组合在电子装置以UHF频率运行于轮胎内的情况下尤其地有用。
天线12包括具有外径为203微米±5微米的钢芯18。天线12也包括直接地涂覆芯18的第一传导层20。传导层20由基本纯净的金属制成并且与芯18接触，在本例子中基本纯净的金属为金属铜（由于其电气特性和成本而被选择）。层20具有大于2微米的厚度，优选地在4微米和5微米之间。
天线12也包括直接地涂覆第一层20的第二化学隔离层22。层22由基本纯净的金属制成并且与第一层20接触，在本例子中基本纯净的金属为金属锌。层22具有大于0.2微米的厚度，优选地在0.4微米和0.6微米之间。
作为变体，层22由镍或锡制成。
在另一变体中，层22由金属合金制成，例如黄铜。
在其他变体中，天线12包括数个化学隔离层22，每一层由不同的基本纯净的金属或者金属合金制成。
天线12也包括直接地涂覆第二层22的第三粘合层24。层24包括非金属粘合剂并且与第二层22接触，在本例子中非金属粘合剂为LORD公司销售的商标名称为“Chemlok”或者“Chemosil”的粘合剂。
作为变体，第三层由基本纯净的金属或金属合金制成，例如在锌、镍和黄铜中选择。
现在将参照图3至图8描述根据通过实施的第一方法的第一实施方案的用于制造天线12的工艺的不同步骤。
通过将包括芯18的丝状金属线在缠绕到盘架上而开始所述工艺。该裸丝状芯18如图3所示。
在第一清洗步骤100期间，将芯18通过碱性电解液。
在步骤102期间，通过持续地电极沉积使芯18直接地被涂覆有第一传导层20。将线贯穿氰化物电解液，用于铜沉积。如图4所示，其结果是芯18被涂覆有层20。
接着，在步骤104期间，通过再次穿过电解液，第一层20直接地被涂覆有第二化学隔离层22，所述电解液的成分对化学隔离层的材料是适当的。如图5所示，其结果是芯18被涂覆有层20、22。
接着，在步骤106期间，第二层22直接地被涂覆有第三粘合层24。如图6所示，其结果是芯被涂覆有层20、22、24。在第三层由基本纯净的金属或者金属合金制成的变体中，第三层通过“闪”（flash）工艺沉积，所述“闪”工艺对应能够获得厚度小于0.1微米的第三层的相对短的电极沉积工艺。这样的“闪”工艺使用高电流密度和具有低离子浓度的电解液。
接着，在步骤108期间，涂覆有层20、22、24的芯18被清洗（去除来自沉积电解液的残渣，接着冲洗），并且然后通过在其上面通过热清洁空气流而使其变干。
在步骤110中，检查层20、22、24中的每一个的成分，例如通过X射线荧光光谱仪或通过极谱分析法。也检查层20、22、24中的每一个的厚度，例如通过扫描电子显微镜、极谱分析法或ICP-AES（电感耦合等离子体-原子发射光谱仪）。也检查天线12的表面外观，以便验证沉积的均匀性。也可以执行表征芯的机械寿命潜力和涂覆层的粘合的测试。
接着，在步骤112期间，使被涂覆的丝状芯可塑性地变形，以便通过适合于生产这样的弹簧的机器（例如卷簧车床）使其呈螺旋状的形状。在这种情况下，使涂覆有层20、22、24的芯在其全部长度上连续地进行可塑性地变形。然后获得的是如图7所示的涂覆有层20、22、24的芯。
作为变体，涂覆有层20、22、24的芯的仅仅一部分周期性地沿着涂覆有层20、22、24的芯进行可塑性地变形。
接着，在步骤114期间，被涂覆的螺旋状芯18被切割成具有预先确定的长度（此处约为20至30毫米）的部分24。
接着，在步骤116期间，通过在至少200°C的温度下将天线12加热30分钟而对天线12进行热处理，以便释放机械应力。如图2所示，然后获得螺旋状天线12。
最后，在步骤118期间，将天线12连接到电子元件14的终端和支撑板16，以便获得装置10，如图1所示。
图9至图14示出了根据本发明的第二实施方案的天线以及根据实施本发明的第二方法的工艺。天线和先前的方法实施例中的那些类似的元件由相同的附图标记表示。
如前所述并如在图9中所示，天线12包括直接地涂覆芯18的传导层20。传导层20由基本纯净的金属制成，在本例中为金属铜。
天线12也包括直接地涂覆传导层20的化学隔离层22。化学隔离层22由金属合金制成，在本例中为黄铜。
现在将参照图10至图14描述根据天线的第二实施方案的制造工艺的不同步骤。
通过将包括芯18的丝状金属线缠绕在盘架上而开始所述工艺。该裸丝状芯18如图10所示。
在第一步300期间，裸丝状芯18通过卷簧车床可塑性地变形成螺旋状的形状。在这种情况下，裸丝状芯18在其整个长度上持续地进行可塑性地变形。然后获得如图11所示的螺旋状裸芯。
作为变体，仅有裸芯18的一部分周期性地沿着裸芯18进行可塑性地变形。
接着，在步骤302期间（机械应力释放步骤），通过在至少200°C的温度下将裸螺旋状芯18加热30分钟而对裸螺旋状芯18进行热处理。
通过浸在清洗槽中而使裸螺旋状芯18在清洗步骤304中被清洗，然后使其变干。
在步骤306中，裸螺旋状芯18直接地被涂覆有第一传导层20。如图12所示，获得了涂覆有传导层20的螺旋状芯。
接着，在步骤308期间，第一层20直接地被涂覆有第二化学隔离层22。如图13所示，获得了涂覆有传导层20和化学隔离层22的螺旋状芯。
接着，在步骤310期间，对涂覆有层20、22的螺旋状芯在大约200°C的温度下有选择地进行烘烤步骤数个小时。该步骤用于清除在芯18以及层20、22中溶解的氢，所述氢在天线12中容易导致断裂。
接着，在步骤312中，以类似于实施的第一方法的检查步骤的方式检查层20、22中的每一个的成分。
接着，在步骤314中，被涂覆的螺旋状芯18被切割成具有预先确定的长度的部分24。
最后，在步骤316期间，将天线12连接到电子元件14和支撑板16，以便获得装置10，类似于在图1中所示的。
本发明并不限于如上描述的实施方案或实施的方法。
这是因为能够使被涂覆的芯在其整体上或仅其一部分上进行变形。此外，被涂覆的芯的多个部分能够以不同的方式进行可塑性地变形。
使用金属或者合金的涂覆步骤通常在电解槽中执行。作为变体，能够使用其他已知的技术使它们被执行。

Claims (23)

1.一种包括芯(18)的天线(12)，所述天线(12)旨在被集成在橡胶化合物内，其特征在于所述天线(12)包括：
电磁信号传导层(20)，所述电磁信号传导层(20)由涂覆所述芯(18)的铜制成；以及
化学隔离层(22)，所述化学隔离层(22)涂覆传导层(20)，旨在将橡胶与隔离层(22)涂覆的层化学隔离，并由与构成传导层(20)的材料不同的材料制成；
所述的天线(12)进一步包括用于所述天线(12)的外部粘合层(24)，以粘合到涂覆化学隔离层(22)的橡胶。
2.根据权利要求1所述的天线(12)，其中所述天线旨在被集成在用于轮胎的橡胶化合物中。
3.根据权利要求1所述的天线(12)，其中所述芯由钢制成。
4.根据前述权利要求中的任意一项所述的天线(12)，其中传导层(20)直接地涂覆所述芯(18)。
5.根据权利要求1所述的天线(12)，其中化学隔离层(22)直接地涂覆传导层(20)。
6.根据权利要求1所述的天线(12)，其中化学隔离层(22)由基本纯净的金属或者金属合金制成。
7.根据权利要求6所述的天线(12)，其中所述基本纯净的金属或者金属合金从锌、镍、锡和黄铜中选择。
8.根据权利要求1所述的天线(12)，其中传导层(20)的总厚度大于2微米。
9.根据权利要求8所述的天线(12)，其中传导层(20)的总厚度在4微米和5微米之间。
10.根据权利要求1所述的天线(12)，其中化学隔离层(22)的总厚度大于0.2微米。
11.根据权利要求10所述的天线(12)，其中化学隔离层(22)的总厚度在0.4微米和0.6微米之间。
12.根据权利要求1所述的天线(12)，其中所述外部粘合层(24)直接地涂覆化学隔离层(22)。
13.根据权利要求1或12所述的天线(12)，其中所述外部粘合层(24)包括非金属粘合剂。
14.根据权利要求1或12所述的天线(12)，其中所述外部粘合层(24)由基本纯净的金属或者金属合金制成。
15.根据权利要求14所述的天线(12)，其中所述基本纯净的金属或者金属合金从锌、镍和黄铜中选择。
16.根据权利要求1所述的天线(12)，包括至少一个螺旋状的部分。
17.根据权利要求16所述的天线(12)，其中所述螺旋状的部分的外径为1.2mm，并且其中所述螺旋状的部分的间距为每厘米13圈。
18.一种包括电子元件(14)和连接至所述电子元件(14)的至少一个天线(12)的电子装置(10)，其特征在于，所述天线(12)是根据前述权利要求中的任意一项所述的天线(12)。
19.一种轮胎，其特征在于，所述轮胎包括根据权利要求1至17中的任意一项所述的天线或根据权利要求18所述的电子装置(10)。
20.一种用于制造天线(12)的工艺，所述天线(12)包括芯(18)，所述天线(12)旨在被集成在橡胶化合物内，其特征在于：
所述芯(18)被涂覆有由铜制成的电磁信号传导层(20)；以及
传导层(20)被涂覆有化学隔离层(22)，所述化学隔离层(22)旨在将橡胶与所述化学隔离层(22)涂覆的层化学隔离，并由与构成传导层(20)的材料不同的材料制成；
所述的天线(12)进一步包括用于所述天线(12)的外部粘合层(24)，以粘合到涂覆化学隔离层(22)的橡胶。
21.根据权利要求20所述的工艺，其中所述天线(12)旨在被集成在用于轮胎的橡胶化合物中。
22.根据权利要求20所述的工艺，其中具有丝状形状的所述芯(18)被涂覆有传导层(20)和所述化学隔离层(22)，并且在涂覆步骤后，被涂覆的芯(18)的至少一部分进行可塑性地变形。
23.根据权利要求20所述的工艺，其中所述芯(18)的至少一部分进行可塑性地变形，并且在变形步骤后，所述芯(18)被涂覆有传导层(20)和所述化学隔离层(22)。
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