CN103180865B - 包括环境敏感材料的rfid标签 - Google Patents

Abstract

公开了RFID设备。RFID设备包括基底(102)、具有包括两部分(116‑118)和在其间延伸的长槽(114)的第一导电材料片的天线结构(104)、与基底相连接的无线通信设备(108)、和置于长槽的一部分内的环境响应性材料(120)。

Description

包括环境敏感材料的RFID标签

相关申请的交叉引用

本申请要求来自2010年8月25日提交的美国申请12/862,847的优先权，其在此通过引用全文并入。

技术领域

本发明的领域涉及基于感测应用的射频识别的环境敏感材料和导电天线的使用以及与其相关的构造。

背景技术

使用射频识别(RFID)识别多个物品之一是广泛已知的。典型的RFID标签或集成电路包括与天线电连接的微处理器，也已知为微芯片。可选地，微芯片首先附接至提供更大附着的“着陆”区域的具有电线的垫(pad)。这通常被称为“垫带(strap)”或“插入器(interposer)”。该垫带随后附接至天线。

微处理器储存数据，其可包括具体物品所特有的识别数据，所述数据被传送至外部接收器，以便由操作者读取和处理物品。RFID标签可附接至物品，用于存货控制、装运控制等。RFID标签特别有用于识别、跟踪和控制物品诸如包裹、货盘和其他产品容器。每个物品的位置可被跟踪，并且识别物品的主人或具体处理要求的信息可被编码入RFID并随后由能够解码和显示该信息的扫描设备读取。

因此，RFID标签可附接至进入或处于供应链内的物品，并且接收的识别信息可由于不同的原因、以多种方式进行处理。RFID标签特别有用于识别、跟踪和控制物品诸如货盘、包裹和个体产品容器。在很多情况中，期望监控和获得关于物品被暴露的环境条件的信息。例如，某些物品可能对温度、湿度、压力或其他物理参数的波动敏感，并且某些物品可能对化学或生物材料的存在或不存在敏感。就供应链内的个体容器中包含的很多产品而言，在物品水平上获得环境条件信息在供应链内是有益的，在供应链中物品的质量、安全性、使用期限或其他特性可能受环境条件影响。

发明内容

以下描述的本发明的实施方式不意欲为穷尽的或将本发明限于以下详细描述中公开的精确形式。而是，选择和描述实施方式，以便本领域其他技术人员可领会和理解本发明的原理和实践。

根据一个示例性实施方式，公开了RFID设备。该RFID设备可包括基底，具有包括两部分和在其间延伸的长槽的第一导电材料片的天线结构，与基底相连接的无线通信设备，和位于长槽的一部分内的环境响应性材料。

根据另一个示例性实施方式，公开了天线结构。该天线结构可包括具有第一部分和第二部分的导电材料片，并且第一和第二部分可电抗地、导电地或通过电抗和导电连接两者的结合连接在一起，以便天线结构的操作参数相对于环境条件而变化。

在另一个示例性实施方式中，描述了RFID设备。RFID设备可包括基底，具有导电材料片的天线结构，该导电材料片具有第一部分和第二部分，这两部分被电容性地连接在一起，以便天线结构的操作参数相对于环境条件而变化，和与天线结构相连接的无线通信设备。

仍另一个示例性实施方式可描述形成RFID设备的方法。形成RFID设备的方法可包括以下步骤：在基底上沉积第一导电材料；在第一导电材料中限定长槽；在沿长槽的位置沉积环境响应性材料；和连接无线通信设备至天线结构。

另一个示例性实施方式描述了探测环境条件的方法，其可包括与具有天线结构的RFID设备无线通信和相对于环境条件改变天线结构的操作参数。

根据以下详细描述，本发明的其他特征和优势将对本领域技术人员变得显而易见。然而，应当理解，当指示本发明的优选的和其他实施方式时，以说明而不是限制的方式给出不同实施方式和具体实施例的详细描述。可进行本发明范围内的很多变化和更改，而不背离其精神，并且本发明包括所有这样的更改。

附图说明

本发明的这些以及其他目标和优势将通过参考结合附图的本发明目前优选的示例性实施方式的以下更详细的描述更全面地理解和领会，其中：

图1a为RFID设备的示例性实施方式的斜视图；

图1b为RFID设备的示例性实施方式的平面图；

图1c为RFID设备的示例性实施方式的剖视图；

图2为RFID设备的另一个示例性实施方式的平面图；

图3a为RFID设备的另一个示例性实施方式的平面图；和

图3b为RFID设备的另一个示例性实施方式的剖视图。

发明详述

本文件中公开的装置和方法以实施例的方式并参考附图进行详细地描述。除非另有规定，附图中相同的数字指示参考所有附图中相同、相似或相应元件。将意识到可进行对公开和描述的实施例、布置、配置、部件、元件、装置、方法、材料等的更改并且该更改对于具体应用是期望的。在该公开内容中，具体形状、材料、技术、布置等的任何识别涉及呈现的具体实施例或仅为这种形状、材料、技术、布置等的一般性描述。具体细节或实施例的识别不意欲并且不应被解释为强制或限制性的，除非具体指明为这样。选择的装置和方法的实施例在下文中公开并且参考附图更详细地描述。

如本文所用，词语“示例性”表示“用作实例、例子或例证”。本文描述的实施方式不是限制性的，而仅是示例性的。应当理解描述的实施方式不必被解释为比其他实施方式优选或有优势。此外，术语“本发明的实施方式”、“实施方式”或“发明”不要求本发明的所有实施方式都包括讨论的特征、优势或操作模式。

一般地参考图1a至3b，公开了包括天线结构和至少一种环境敏感或响应性材料的RFID设备。至少一种环境-敏感材料可被设置为对周围环境条件诸如物理参数或对化学或生物材料的存在或不存在具有响应性。该天线结构可被局部更改或以其他方式增强，以实现环境敏感材料和天线结构之间的优化的相互作用。为了该目的，RFID设备也可包括次级导电元件。

转向图1a至1c，显示了RFID设备100的示例性实施方式。RFID设备100可具有多种部件。RFID设备100可包括基底102，和位于其上的天线结构104。基底102可为任何材料，例如纸、涂布纸、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、膜和纸的层压材料或可期望的任何其他合适的基底。天线结构104可为多种材料中的任一种，例如铝、铜、银或其他薄导电材料，例如蚀刻或热冲压的金属箔。先前的RFID设备1000可提供为预成型的RFID内嵌(inlay)的一部分。根据本发明使用的示例性RFID内嵌从南卡罗来纳州克林顿的Avery Dennison RFID公司可得。

天线结构104可以可选地为导电油墨，其由下列组成：悬浮在合适基质中的一种或多种类型的导电颗粒、无机半导体材料诸如掺杂的无定形硅、有机导体诸如聚苯胺、或以上导体中的任一种的多个层的组合，以提供期望的电学和机械特性。

天线结构104可连接至无线通信设备，诸如可为RFID垫带或插入器106的一部分的RFID芯片108。垫带或插入器106可进一步包括导线110,112，以促进天线结构104和RFID芯片108之间的连接。在一些实施方式中，垫带或插入器106也可包括基底，以便于支持RFID芯片108和导线110。

天线结构104可为连续、单一的导电材料层，并且可具有在其中限定的长槽114。长槽114可分开天线结构104，以便在长槽114的任一侧上可为部分116,118。部分116,118中的每一个都可分别与导线110,112中的每一个相连接。导线110,112可依次与位于RFID芯片108上的接触点或区域相连接。垫带或插入器106可进一步接近天线结构的长槽114的开口端放置，以便它桥接长槽114并促进经垫带或插入器106的部分116,118之间的连接。通过天线结构104的电流可从RFID芯片108上的一个接触点，通过导线110、部分116、部分118、导线112到达RFID芯片108上的另一个接触点。此外，部分116和118可电容性或电感地经长槽114连接。天线结构114和垫带或插入器106之间的连接可为直接的导电连接或可为间接的电抗连接，诸如例如电容性或电感连接。天线结构104可因此起到混合槽-环天线的作用，诸如在美国专利7,298,343中描述的，其内容在此通过引用全文并入。

可由混合槽-环天线显示的特性包括但不限于在位于作为整体的天线结构104或RFID设备100的平面内或平行于该平面的基本上任一方向上的增加的可读性特性，以及在任一方向上诸如在作为整体的天线结构104或RFID设备100的平面上方或下方的短程的改善的可读性性能。此外，天线结构104可经长槽114的长度、宽度、布置和形状的任何变化或结合如期望地进行调整。混合槽-环天线的其他特性为天线结构104对介电材料存在的敏感度沿长槽106的长度变化。因此，通过将介电材料横跨长槽106的期望的部分放置，可优化天线结构104的增益、近场性能和远场性能，并且这种优化效应可相对于介电材料沿长槽106的长度的布置而变化。

仍然参考图1a至1c，RFID设备100可进一步包括环境响应性或敏感材料120。在一些实施方式中，环境响应性材料可为涂层。环境响应性材料120可具有响应环境参数或响应化学或生物材料的存在或不存在而变化的介电、磁性或导电性质。例如，环境响应性材料120可为具有极性或偶极特性的基于聚合物的材料。作为示例性和非限制性列举，环境响应性材料120可具有响应温度、湿度、压力或其他环境因素而变化的介电、磁性或导电性质；环境响应性材料120也可具有响应周围环境中的特定化合物的浓度而变化的介电性质。

以下描述一些环境敏感材料的实例。可选择感测材料以探测特定的环境条件。例如，为了探测化学或生物实体，可选择复介电常数和电导率或其他电学参数响应化学或生物实体的暴露(例如，吸收)而变化的材料。类似地，为了探测对辐射的暴露，可使用电性能响应α、β、γ、X射线或紫外辐射而降低的材料。如讨论的，感测材料可包括一个或多个层，并且其中仅一层、层的任何结合或所有层具有响应相同或不同环境条件而改变的电学参数。另外，感测材料的图案可具有任何合适的图案以提供期望连接。

在一个实施方式中，材料120为具有嵌入它的结构中的导电颗粒诸如碳的泡沫或弹性材料。已知这种材料的物理变形，通过改变间隔并且因此改变邻近颗粒之间接触的可能性，改变材料的电导率。例如，厚度4mm的材料可具有1000欧姆每平方的电阻率，但当压缩至2mm厚度时，其可降至200欧姆每平方。

改变泡沫的物理尺寸，并且因此改变电阻率，可以很多方式实现，并且以下呈现实施例的非穷尽列举；

–物理压缩，例如响应放置在元件120顶部上的物体或迫使元件120至该物体本身上；

–弯曲，例如响应被打开的容器盖，或当连接至随温度具有限定的变形的材料时；

–拉伸，由于部分由材料形成的悬挂在系绳或紧固件上的物体，或对物体施加反向力，以引起物体伸长并且在内部组件上施加应力；

–由外部环境参数诸如空气压力引起的压缩或拉伸(对于用气体填充的泡沫而言，当压力超过泡沫微孔(cell)的内部压力时，它们将压缩，当压力低于内部压力时，它们将膨胀)。

化学响应性材料的另一个实施例为有机聚合物，聚苯胺。该材料电导率与它的氧化态密切相关，该氧化态可又经合适的化学环境形成，以响应因素诸如气体、液体的存在和参数诸如pH。一系列可选有机导体，诸如聚噻吩、聚乙炔、聚吡咯和PEDOT:PSS(聚(3,4-乙烯二氧噻吩)：聚(苯乙烯磺酸盐))存在并且已知响应一系列物理、化学和生物状态改变电学和介电性质。

这些材料的环境响应可包括在可逆参数中，其中，例如，在被施加压力的导电泡沫的情况下，当压力去除或为不可逆响应时，电阻率返回接近它的原始值，诸如，在导电泡沫的情况下，当压力去除时压力已经到达泡沫的微孔破裂并且电阻率将不返回至它的原始状态的点。对感测参数诸如暴露于化学试剂的温度重要的另外形式的响应为其中感测材料在限定的时间内累计(integrates)暴露。例如，在温度的情况下，材料参数可为在几天的期间内的材料响应的积分，并可模拟例如产品中的细菌生长的响应。环境响应性材料120可横跨长槽114放置和/或放置在长槽114内，如图1a和1c所示。施加响应性材料120的合适方法将包括印刷、层压膜、气相沉积、涂布、散布(spread)、喷射、溅射，或在离散物理元件的情况下，通过这样的方法如具有合适粘合剂的选择和位置或图案施加或通过使用垫带附接技术。长槽114内环境响应性或敏感材料120的存在可改变横跨长槽114的部分116,118之间的相互作用的水平，并且因此可改变RFID标签100的增益、远场性能和近场性能。此外，应当意识到部分116,118之间的相互作用可沿槽114的长度改变。因此，如例证性实施例和如图1b所示，沿槽114放置在点A的环境响应性或敏感材料120的作用可能不等同于沿槽114放置在点B的材料120的作用。因此，天线结构104和环境响应性或敏感材料120之间的相互作用，并且因此，RFID设备100的操作特性可通过沿槽114选择性挑选材料120的位置进行优化或可选地进行更改，以便取决于材料120的位置以特定方式起作用。

在操作中，环境响应性或敏感材料120的介电、磁性或导电性质可响应特定的周围环境因素变化，如上所述。这样的变化可又诱导材料120位置处的部分116,118之间的相互作用的变化，并可类似地诱导环境响应性或敏感材料120和天线结构104之间的相互作用的变化。因此，天线结构104的操作性质诸如增益、近场性能和远场性能可响应特定的环境或感测因素实时变化。另外，天线复数阻抗的变化将与RFID设备110的复数阻抗至后面的近场和远场性能和特性相互影响。

转向图2，RFID设备100的另一个示例性实施方式可包括交叉区202。交叉区202可包括分别从部分116,118伸出、进入长槽114的多个指形件204,206。部分116的指形件204可与部分118的相应指形件206交叉，由此在其间限定基本上蛇形的间隙208。电容性或电感连接可横跨间隙208发生，由此间接连接部分116,118。环境响应性或敏感材料120可横跨交叉区202、在间隙208内和在接近交叉区202的长槽114内放置。

转向图3a至3b，在另一个示例性实施方式中，RFID设备100可包括另外的导电层302。导电层302可为多种材料中的任一种，例如铝、铜、银或另一薄导电材料，例如蚀刻或热冲压的金属箔。导电层302可放置在环境响应性材料120的顶部，其可又被放置在横跨长槽114和长槽114内的期望位置上。导电层302可因此与天线结构104的部分116,118电容性连接。因此，在有效的系列布置中，两个电容性连接可在横跨环境响应性材料120的期望位置上有效地产生。

在制造RFID标签100期间，在一些实施方式中，环境响应性层120可经方法诸如印刷、真空沉积或本领域已知的其他方法施加至天线结构。在这样的实施方式中，环境响应性层120可施加在横跨长槽114和长槽114内的期望的位置或方位上。具有与环境响应性层120相似或基本上相似尺寸的导电层302可随后施加至层120的暴露表面上，它的位置或方位与层120对齐。在其他实施方式中，环境响应性或敏感层120可施加为基本上以其整体覆盖天线结构104的涂层。在这样的实施方式中，另外的导电层302(或多个层)可施加至仅在横跨长槽114的期望位置或方位处的环境响应性或敏感层120(或当提供时多个层)的暴露表面。天线部分104的操作特性的期望变化可因此通过将另外的导电层302或多个层放置在相应的期望方位或位置处实现。

前述描述和附图说明了本发明的原理、优选实施方式和操作模式。然而，本发明不应被解释为限于以上讨论的具体实施方式。以上讨论的实施方式的另外的变化将被本领域技术人员所领会。

因此，上述实施方式应当被视为说明性的而不是限制性的。因此，应当意识到那些实施方式的变化可由本领域技术人员实施，而不背离本发明的范围，如权利要求限定的。

Claims (19)

1.RFID设备，包括：

基底；

天线结构，其具有包括两个部分和在其间延伸的长槽的第一导电材料片，所述长槽具有长度和一个开口端；

无线通信设备，其与所述基底相连接；和

环境响应性材料，其置于所述长槽的一部分内，其中所述环境响应性材料响应环境因素的变化改变所述天线结构的两个部分之间相互作用的水平，并且其中所述天线结构的两个部分之间的相互作用沿着所述长槽的长度改变。

2.权利要求1所述的RFID设备，其中所述天线结构为槽-环天线。

3.权利要求1所述的RFID设备，其中所述两个部分包括沿所述长槽的一部分的多个交叉指形件。

4.权利要求3所述的RFID设备，其中所述环境响应性材料邻近所述交叉指形件放置。

5.权利要求1所述的RFID设备，进一步包括置于所述环境响应性材料的暴露侧上的第二导电材料片。

6.权利要求1所述的RFID设备，其中所述环境响应性材料作为涂层置于所述天线结构上。

7.权利要求1所述的RFID设备，其中：

所述第一导电材料片具有第一部分和第二部分，所述第一部分和第二部分被电抗、导电地或电抗和导电连接两者的结合电容性连接在一起，以便所述天线结构的操作参数相对于环境条件而变化。

8.权利要求7所述的RFID设备，其中所述电容性连接受介电材料促进。

9.权利要求8所述的RFID设备，其中所述介电材料对所述环境条件具有响应性。

10.权利要求8所述的RFID设备，其中所述介电材料置于所述第一部分和所述第二部分之间。

11.RFID设备，包括：

基底；

天线结构，所述天线结构具有导电材料片，所述导电材料片具有第一部分和第二部分，所述两个部分被电容性地连接在一起，以便所述天线结构的操作参数相对于环境条件而变化，其中所述导电材料片具有在所述两个部分之间延伸的长槽，所述长槽具有长度和一个开口端，并且环境响应性材料置于所述长槽的一部分内，其中所述环境响应性材料响应环境因素的变化改变所述两个部分之间相互作用的水平，并且其中所述天线结构的两个部分之间的相互作用沿着所述长槽的长度改变；和

无线通信设备，其与所述天线结构相连接。

12.形成RFID设备的方法，包括：

在基底上沉积第一导电材料；

在所述第一导电材料中限定长槽，使得所述导电材料包括两个部分，所述长槽具有长度和一个开口端；

在沿所述长槽的位置处沉积环境响应性材料，其中所述环境响应性材料响应环境因素的变化改变所述两个部分之间相互作用的水平，并且其中所述导电材料的两个部分之间的相互作用沿着所述长槽的长度改变；和

连接无线通信设备至所述导电材料。

13.权利要求12所述的方法，进一步包括：

在沿所述长槽的位置处限定交叉区；和

在所述交叉区处沉积环境响应性材料。

14.权利要求12所述的方法，进一步包括在所述环境响应性材料的暴露侧上沉积第二导电材料。

15.权利要求12所述的方法，进一步包括用环境响应性材料涂覆所述第一导电材料。

16.探测环境条件的方法，包括：

由具有第一部分和第二部分的导电材料片形成天线结构，并且所述导电材料片包括在两个部分之间延伸的长槽，所述长槽具有长度和一个开口端；

利用环境响应性材料将所述两个部分电容性地连接在一起，其中所述环境响应性材料响应环境因素的变化改变所述天线结构的两个部分之间相互作用的水平，并且其中所述天线结构的两个部分之间的相互作用沿着所述长槽的长度改变；

用具有所述天线结构的RFID设备无线通信；和

相对于所述环境条件改变所述天线结构的操作参数。

17.权利要求16所述的方法，其中所述环境响应性材料是介电的。

18.权利要求16所述的方法，其中所述天线结构为槽-环天线。

19.权利要求18所述的方法，其中所述环境响应性材料置于所述长槽内。