CN103154976A - 附接有电抗性带的传感式射频识别装置 - Google Patents

Abstract

提供了具有带的传感式射频识别装置，所述带通过传感材料电抗地附接到天线上。在一个实施方式中，RFID装置包括天线、插入件(或带)、与插入件连接的集成电路、以及布置在插入件和天线之间的传感材料。随着传感材料的相对电容率响应于其对于环境条件的暴露而改变，插入件和天线之间的电抗性耦合同样改变，从而造成一种或多种通信参数比如频率改变。传感材料70可以是介电材料，其被选择以具有基于对于一种或多种环境条件的暴露而变化的相对电容率(即，介电常数)，该环境条件如，例如温度(即，热或冷)、湿度、化学品、生物实体、核、物理、压力、光、液体、核能和/或其它条件。

Description

附接有电抗性带的传感式射频识别装置

发明领域

本发明涉及射频识别(RFID)装置，并且更具体地涉及具有带(strap)的传感式射频识别装置，所述带通过传感材料电抗性地附接到天线。

发明背景

射频识别(RFID)装置，有时也被称为内嵌(inlay)，包括集成电路和天线。RFID内嵌可直接用于一些应用以及经受一个或多个制造操作的其它应用中，以便完成RFID签条、标签或其它包封RFID装置的外壳。

RFID签条和标签被广泛用于将物体和识别码关联起来。RFID签条和标签一般具有天线与模拟和/或数字电子设备的组合，所述数字电子器件可包括，例如，通信电子设备、数据存储器、输入、输出和控制逻辑。

在许多应用中，期望将电子设备的尺寸降低到尽可能小。为了使RFID装置的小芯片(集成电路)与天线互相连接，插入件(有时被称作“带”)可用于促进制造。插入件可以包括导电引线或衬垫，其与用于连接到天线的芯片的接触衬垫电耦合。插入件衬垫提供比集成电路更大的有效电接触面积，其在没有插入件的情况下必须精确对齐用于直接放置。由插入件提供的更大面积使在制造期间放置芯片所需的精度降低，同时仍提供有效的电连接。

RFID装置可以是有源的，其包含电源(比如电池)；或者是无源的，其不包含电源。在无源RFID装置的情况中，为了从芯片检索(retrieve)信息，RFID阅读器将激发信号发送至RFID装置。激发信号激发RFID装置，其将存储的信息传输回到阅读器。RFID阅读器接收和解码来自RFID装置的信息。一般而言，RFID可以保留和传输足够的信息，以便唯一地识别个体、包装、库存等等。

市场中的许多物品被单个地或成批地包装在容器中用于运输和/或存储。制造商、经销商、零售商和/或消费者通常使用RFID装置识别遍布在物品分配链的各点处的容器。一些这样的物品可能对于一种或多种环境条件是敏感的，比如温度(即，热或冷)、湿度、化学品、生物因素、辐射、光、液体、物理条件(例如，压力)或其它条件。因此，对于这些物品的制造商、经销商、零售商和/或消费者而言，测定所述物品是否已经暴露于任何可能影响物品的使用或满意度的不期望的环境条件是重要的。此外，将期望使用已经用于追踪这些物品位置的RFID装置和RFID阅读器以成本有效并且高效的方式进行这些测定。通过本发明的一个或多个实施方式可以提供这些以及其它优势。

发明内容

本发明提供了具有带的传感式射频识别装置(RFID)，所述带通过传感材料电抗性地附接到天线上。在一个实施方式中，RFID装置包括天线、插入件(或带)、与插入件连接的集成电路、以及布置在插入件和天线之间的传感材料。随着传感材料的相对电容率响应于其对于环境条件的暴露而改变，插入件和天线之间的电抗性连接同样改变，从而造成一个或多个通信参数比如频率改变。传感材料70可以是介电材料，其被选择以具有基于对一种或多种环境条件的暴露而变化的相对电容率(即，介电常数)，该环境条件如，例如温度(即，热或冷)、湿度、化学品、生物实体、核(nuclear)、物理、压力、光、液体、核能和/或其它条件。

附图简述

通过参考本发明非限制性的示例性实施方式标注的附图，在之后的详述中进一步描述本发明，附图中同样的参考编号在全部附图中代表相似的部件。然而，应当理解本发明并非限于所示的明确的布置和手段。附图不需要按比例绘制。

图1是根据本发明实例实施方式的RFID内嵌的平面图；

图2是图1的RFID内嵌的部分截面图；

图3是根据本发明的另一个实例实施方式的RFID内嵌的平面图；

图4是根据本发明的又另一个实例实施方式的RFID内嵌的平面图；

图5是根据本发明的实例实施方式的并入孔的RFID内嵌的部分截面图；

图5A是布置在粘合层中的传感材料的图案的平面图；和

图6是根据本发明另一个实例实施方式的未组装的RFID内嵌的部分截面图。

具体实施方式

现通过下面的详述更详细地阐明本发明，下面的详述包含目前已知的执行本发明最好的模式。然而，应当理解这种描述并非用于限制本发明，而是出于阐明本发明一般性特征的目的来提供。

在下面的描述中，出于解释而非限制的目的，阐述特定的细节，比如具体的材料、天线、天线形状、插入件形状、集成电路、组件构造和位置等，以便提供本发明全面的理解。

然而，对于本领域技术人员而言，可以在偏离这些特定细节的其它实施方式中实践本发明是显而易见的。具体的材料、天线、天线形状、插入件形状、集成电路、组件构造和位置等的详述被省略，以便不使描述模糊。

有源RFID系统使用“机载(on-board)”动力(比如来自于电池)以便从RFID装置发射信息。在通常被描述为调制背向散射或调制反射的过程中，无源RFID装置将来自询问光束(interrogating beam)的能量再辐射以便传输来自于RFID装置的信息。本发明可以通过，例如，改变振幅和/或与频率的相位响应来改变这种背向散射的性质，以及改变基于一种或多种环境条件的其它通信特点。背向散射信号的改变也将与使装置按频率运行所需的射频场强度的变化相关联，其当与复杂的背向散射的测量结合时，可以协助在噪音中定位小传感器响应。

图1和2根据本发明的实例实施方式描述RFID装置10。具体而言，RFID装置10包括附接到导电插入件40的插入件衬底50。虽然其它实施方式可以包括三个或更多IC衬垫和插入件部分，但在该实施方式中，插入件包括连接到集成电路60(或IC60)的两个衬垫的两个部分41a和41b。传感材料70附接到插入件40。天线80在第一侧上附接至天线衬底30，其第二侧上附接至传感材料70。

传感材料70具有可响应于对一种或多种环境条件的暴露而改变的电特性。这些特性包括复介电常数和电导率。传感材料70可以由一个或多个层组成，其中总层数中的仅一个子集具有可响应于对一种或多种环境条件的暴露而改变的电特性。可选地，传感材料可以分布在由第二功能材料比如粘合剂包围的区域中，比如点。例如，第一层可以包括电介质，其不具有可响应于对一种或多种环境条件的暴露而改变的电特性。第二层可以包括压敏粘合剂，其介电和/或导电特性响应于压力的改变而变化。

在该实施方式中，插入件40主要(大多)经由电容性耦合通过传感材料70与天线80连接。传感材料70可以是介电材料，其被选择为具有基于对一种或多种环境条件的暴露而变化的复介电常数和电导率，该环境条件如——仅出于实例的目的——温度(即，热或冷)、湿度、化学品、生物实体、核、物理、压力、光、液体、核能和/或其它条件(一种或多种)。另外，材料的物理大小和形状可以改变，其将改变插入件与天线之间的连接。因此，随着传感材料70的复介电常数和电导率变化，使插入件40和天线80的电容耦合同样变化。将注意到，材料70可以仅放置在插入件的衬垫41a和41b以下，或者可以如图2所示放置在层中。在此情况中，直接通过天线的路径——可被认为是具有一定损耗电阻的电容器——与插入件及其接线平行出现，并且将有助于总的传感器响应。

更具体而言，随着传感材料70的复介电常数——其意味着涉及相位和振幅——和电导率变化(基于其对于一种或多种环境条件的暴露)，插入件40和天线80之间的耦合同样变化(插入件和天线电抗性或导电性耦合)，从而造成因素比如签条对于频率的敏感性(其是发生在签条处使其运行的最小功率)以及签条10复杂的背向散射改变。根据实施方式，RFID装置10受到影响的参数可以包括传输频率和/或功率(对于有源RFID装置)、背向散射信号强度(对于无源RFID装置)、背向散射信号的频率响应(对于无源RFID装置)、上面带(sideband)与下面带的相对水平、和/或其它参数。近场测量装置的能量吸收特点作为简单谐振器，不使用RFID通信的特点。概括地说，RFID装置的远场和近场响应受到传感材料70感测的环境条件的影响。

适用于接收期望频带的RFID阅读器可以测定从RFID装置10接收的频率响应(或其它参数)，其可被处理(例如，与存储器中存储的数据进行比较)以便测定RFID装置10目前(或先前)暴露的一种或多种环境条件。例如，可以提供无源RFID装置，其中电特性(例如，由辐射元件(例如，天线和传感材料)输出的频率)基于RFID装置目前或先前暴露的环境条件比如温度而变化。基于RFID装置10使用的与阅读器通信的频率，RFID装置10可因此提供关于RFID装置10的温度连同序号的信息(或其它来自RFID装置10的信息)。

在一些情况中，可以选择传感材料70使得当暴露于选择的环境条件时，可改变的电参数(例如，相对电容率)被永久修改。因此，即使附接有RFID装置10的物品可能不暴露于当RFID装置10与RFID阅读器通信时的环境条件，传感式RFID装置10可以指示对于选择的环境条件的先前暴露。在其它情况中，可以选择传感材料70使得当暴露于选择的环境条件时其电参数不被永久修改，而是仅当正在暴露于环境条件(例如，温度)时被修改。在这些实施方式中，本发明测定物品(以及RFID装置10)是否暴露于处在与RFID阅读器通信的时间和位置的环境条件。

图3描述本发明的另一个实施方式，其中插入件40在天线80上的不同位置处(通过传感材料70)与天线80耦合。该实施方式的导电插入件40是在集成电路60处具有单个开口(未显示)的圆形。插入件40的开口的每侧均与集成电路60的衬垫电连接。传感材料70被布置在区域71上，使得传感材料70处于天线80与插入件40的所有部分之间，但不与天线80同延(coextensive)(尽管其可以)。在该实施方式中，虽然总体辐射响应受介电材料70的影响，但插入件40与天线80之间的耦合可以主要(多半)是磁性的。换言之，即使耦合主要是磁性的，传感材料70的变化(由对于环境条件的暴露造成的)将导致较少的电容性耦合变化，其将影响辐射元件的一个或多个通信参数(例如，频率)。

图4描述本发明的又另一个实施方式，其中导电插入件40在与图3的实施方式相同的天线80上位置处(通过传感材料70)与天线80耦合。再次，该实施方式的导电插入件40是在集成电路60处具有单个开口(未显示)的圆形。插入件40的开口的每侧均与集成电路60的衬垫电连接。插入件40包括两个矩形部分42a和42b，其增加插入件70的表面积，从而增加插入件70和天线80之间的电容(电容性耦合)。由于添加的矩形部分而增加的电容性耦合(相对于图3的实施方式)增加了对于由对环境条件的暴露而造成的传感材料70的相对电容率变化的影响。在该实施方式中，插入件40和天线80之间的耦合即是磁性的也是电容性的。值得注意的是当图3和4的插入件是圆形时，其它实施方式的插入件70可具有任何合适的形状(例如，正方形、矩形、椭圆形等)以便提供期望的与天线80的磁性和/或电容性耦合。同样地，天线80可具有任何尺寸、形状和/或构造以便提供期望的辐射参数以及与插入件40的磁性和/或电容性耦合。

图5描述了本发明的实施方式的备选构造。该构造与图1的构造类似，除了提供孔55，其延伸通过插入件衬底50并且通过插入件40至传感材料70以便将介电材料70暴露于环境条件。虽然一些环境条件可能不需要这种通路(access)(例如，核辐射、温度)，但其它条件比如化学品和湿度可能需要或受益于这种由孔55提供的通路。虽然图中描述的只有两个孔55，但任何数量的孔都可以用于提供期望的传感材料70至环境条件的通路。例如，可以在图3和4的实施方式的整个圆形插入件40周围提供孔55和/或经过图4的实施方式的矩形部分42a和42b提供多个孔55。因此，孔55是可以合并到本文所述的任何实施方式中的任选特征。最后，标签、签条或其它包封RFID装置的外壳也可能需要孔，以便提供环境条件至RFID装置的孔55的通路。图5显示传感材料不是直接布置在芯片下面(如其在图1中)。而是，传感材料桥接(bridge)天线。桥接可对于较早描述的天线具有直接作用。例如，虽然在其它情况中所述材料有助于增加传感器响应，但如果材料70是特别导电的，并且延伸通过天线，则该材料可能以不可接受的方式降低性能。

图6描述另一个构造，其中插入件40用活化剂化学品涂布，当其与天线上的无源涂料接触时激活传感电容。活化剂化学品110通常不与无源涂料120接触，直至RFID装置被包装、部署或以其它方式投入使用。这种任选的组装方法可用于构建本文所述的任何实施方式。无源涂料120可以涂布天线80的所有或部分，或者仅涂布传感材料70预先沉积的层，如图6所示。在其它实施方式中，活化剂化学品可以涂布天线80的所有或部分，或者仅涂布传感材料70预先沉积的层，并且无源涂料可以涂布插入件70。无论哪种情况，RFID装置是没有激活的，直至附接RFID装置10的两个部分，从而激活传感材料并且将天线80与插入件40和集成电路60连接。在这个概念可选的版本中，活性剂或传感材料可以被微囊化。这种胶囊(capsule)被设计为足够坚固，以便在与插入件对于天线的组装相关的作用力下保持完整，但可能在更高的压力下爆裂，允许在之后激活传感电容。可选地，活化剂可以保持在具有限定的熔点的球体比如蜡中，或者可以在暴露于限定形式的辐射比如UV或温度下具有化学活性。

可以选择传感材料70以便检测具体的环境条件。例如，为了检测化学品或生物实体，可以选择其复介电常数和电导率或其它电参数响应于对化学品或生物实体的暴露(例如，吸收)而改变的材料。类似地，为了检测对于辐射的暴露，可以使用其电性能响应于α、β、γ、X射线或紫外辐射而劣化的材料。如所述的，传感材料70可以包括一个或多个层，其中仅一层、任意层的组合、或者所有层都具有响应于相同或不同环境条件变化的电参数。另外，传感材料的图案可以具有任何适合于提供期望的耦合的图案。

一般而言，需要用某些形式的粘合剂将插入件固定到天线上。在一些情况中，粘合剂也可以是传感器材料。如果对于粘合和传感的需要不是兼容的，则可以通过在粘合剂72内提供分散的传感材料70的图案将这两个功能组合。传感材料70可布置在插入件衬垫和天线下面，并且一般在插入件和天线附近提供。图案可以通过各种印刷方法形成，比如柔性印刷、凹版印刷、轮转印刷或喷墨印刷。反面的(inverse)图案也将通过传感材料区域中粘合剂的点起作用，并且将取决于分析的材料需要如何达到传感器材料。虽然图5A显示传感材料70的随机图案，但该图案可以包含任何形状或构造，其排列成行和列或者集中在特定的区域中以便增加插入件和天线之间的耦合。

传感材料能够使插入件和天线之间由于传感材料的变化或传感材料的活化而耦合(电抗性或导电性)。

本发明可用于感测一种或多种环境条件。例如，两个、三个或更多传感式RFID装置10可以附接到一个物体上，其中每个传感式RFID装置10配置用于感测不同的环境条件。例如，第一传感式RFID装置可配置用于感测预定阈值以上的温度，第二传感式RFID装置可配置用于感测预定阈值以上的湿度，并且第三传感式RFID装置可配置用于感测对于一种或多种化学品的暴露。

虽然本文所述的实施方式通过改变电容性耦合而改变插入件40和天线80之间的电抗性耦合，但其它实施方式可以可选地或额外地改变磁性耦合(由于传感材料暴露于一种或多种环境条件)。另外，耦合可以是导电性的，即在插入件和天线之间的材料的电阻可以响应于感测的材料变化，或者耦合可以是导电性和电抗性的结合。类似地，虽然本文中上面的实施方式改变插入件40和天线80之间的电抗性耦合，但其它实施方式可能不使用插入件并且改变集成电路60的衬垫和天线之间的电抗(例如，电容)(由于传感材料被暴露于一种或多种环境条件)。

术语集成电路意欲涵盖宽范围的装置，其复杂性和功能可以变化。天线可以是任何适合于提供期望的耦合、信号的接收和传输的几何形状和构造的各种天线中任意一种。

相对于通过导电材料的直接电耦合，磁性耦合和/或电容性耦合在本文中共同称为“电抗性耦合”。本文提到主要磁性或主要电容性电抗性耦合分别指的是主要为磁性或电容性的耦合。将理解主要为磁性的耦合还可以包括一些电容性耦合。反之，主要为电容性的耦合也可以包括一些作为次级耦合机制的感应性(磁性)耦合。使用主要电容性或磁性耦合的系统在本文中被共同称为利用电抗性耦合。尽管不作为电耦合的主要类型，但作为本文中所用的术语，电容性、磁性、或电抗性耦合还可以包括一些直接导电性耦合。

可以用任何合适的方法制造本发明的实施方式。例如，插入件40可以由印制或以其它方式沉积在插入件衬底50上的导电性油墨形成。集成电路可以通过粘合剂或其它合适的方法附接到插入件40上。类似地，传感材料可以通过粘合剂附接到天线和/或插入件上。

应当理解，前述的说明性实施方式仅出于解释的目的而提供，并且决不意味着限制本发明。本文所用的词语是描述和例证的词语，而不是限制的词语。另外，不是每个实践本发明的实施方式都能实现本文所述的优点和目的。而且，虽然本文中已经参考具体的结构、材料和/或实施方式描述了本发明，但并非意欲将本发明限制于本文公开的细节。而是，本发明扩及至所有功能上等价的结构、方法和用途，比如在所附权利要求的范围内。在不偏离本发明范围和精神的情况下，掌握本说明书教义的益处的本领域技术人员可影响对其的许多修改和改变。

Claims (20)

1.RFID装置，其包括：

天线；

插入件；

集成电路，其与所述插入件连接；

传感材料，其布置在所述插入件和所述天线之间；并且

其中所述传感材料的电特性响应于对环境条件的暴露而改变。

2.根据权利要求1所述的RFID装置，进一步包括：

插入件衬底，其附接到所述插入件；以及

至少一个孔，其布置通过所述插入件衬底和所述插入件至所述传感材料。

3.根据权利要求1所述的RFID装置，其中所述插入件主要经由磁性耦合通过所述传感材料与所述天线连接。

4.根据权利要求1所述的RFID装置，其中所述插入件主要经由电容性耦合通过所述介电传感材料与所述天线连接。

5.根据权利要求1所述的RFID装置，其中所述传感材料通过以下形成：

用活化剂化学品涂布所述插入件和所述天线中的一个的一部分；

用无源材料涂布所述插入件和所述天线中的另一个的一部分；并且

使所述活化剂化学品与所述无源材料接触。

6.根据权利要求1所述的RFID装置，其中所述传感材料由多个层形成，并且其中所述多个层中的仅一个子集具有响应于对所述环境条件的暴露而变化的复介电常数和/或电导率。

7.根据权利要求1所述的RFID装置，其中从所述天线输出的通信参数由于所述传感材料的电特性的变化而改变。

8.感测和传输信息的方法，包括：

提供射频识别(RFID)装置，其包括与集成电路连接的插入件，以及天线；

在所述插入件和所述天线附近提供传感材料；

响应于所述传感材料感测环境条件，改变所述传感材料的电参数；并且

由于改变所述传感材料的电参数而将所述插入件与所述天线连接。

9.根据权利要求8所述的方法，包括进一步的步骤：由于所述传感材料的电参数的变化而改变所述RFID装置的通信参数；

远程地测量所述变化的通信参数；并且其中

所述改变包括由于所述电参数的变化而改变用于所述通信的频率。

10.根据权利要求8所述的方法，其中所述提供所述RFID装置包括：

用活化剂化学品涂布所述插入件和所述天线中的一个的一部分；

用无源材料涂布所述插入件和所述天线中的另一个的一部分；并且

其中，响应于所述活化剂化学品接触所述无源材料，激活所述传感材料。

11.根据权利要求8所述的方法，进一步包括将插入件衬底附接到所述插入件；并且提供通过所述插入件衬底并且通过所述插入件至所述传感材料的孔。

12.根据权利要求8所述的RFID装置，其中所述环境条件包括来自以下的条件：温度、辐射、生物实体和化学品。

13.根据权利要求8所述的RFID装置，其中所述材料由多个层形成，并且其中所述多个层中的仅一个子集具有响应于对所述环境条件的暴露而变化的电特性。

14.RFID装置，其包括：

天线；

插入件；

与所述插入件电抗性耦合的集成电路；

桥接所述天线与所述插入件之间的空间的传感材料；并且

其中所述传感材料具有可响应于对环境条件的暴露而改变的电特性，以便将所述插入件与所述天线电抗性地耦合或导电性地耦合。

15.根据权利要求14所述的RFID装置，其中所述环境条件包括来自以下的条件：温度、辐射、生物实体和化学品。

16.根据权利要求14所述的RFID装置，其中所述可响应于对环境条件的暴露而改变的电特性包括相对电容率。

17.根据权利要求14所述的RFID装置，进一步包括：

附接到所述插入件的插入件衬底；以及

布置通过所述插入件衬底和所述插入件至所述材料的至少一个孔。

18.根据权利要求14所述的RFID装置，其中所述传感材料通过以下形成：

用活化剂化学品涂布所述插入件和所述天线中的一个的一部分；

用第二材料涂布所述插入件和所述天线中的另一个的一部分；并且

使所述活化剂化学品与所述第二材料接触。

19.根据权利要求14所述的RFID装置，其中所述传感材料由多个层形成，并且其中所述多个层中的仅一个子集具有响应于对所述环境条件的暴露而变化的电特性。

20.根据权利要求14所述的RFID装置，其中从所述天线输出的通信参数由于所述介电传感材料的电特性的变化而改变。

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