CN103262342A - 透明性微图案化rfid天线以及装配透明性微图案化rfid天线的制品 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及适用于RFID装置中的天线，所述天线包括绝缘基底和设置在所述基底上或所述基底中的第一导电性微图案，所述第一导电性微图案限定邻接的网格导体。所述第一导电性微图案形成至少响应915MHz的频率的天线，并且包括具有位于0.5微米至20微米范围内的迹线宽度的互连迹线。此外，所述第一导电性微图案的特征在于至少80％或90％的开口面积比率。RFID装置包括此类天线和被构造为利用所述天线发射和接收信号的集成电路。诸如金融交易卡或标识卡之类的卡包括由卡层承载的此类天线。

Description

透明性微图案化RFID天线以及装配透明性微图案化RFID天线的制品
技术领域
本发明整体涉及射频识别(RFID)装置，对于特定应用而言，涉及用于此类装置中的天线。本发明还涉及相关的制品、系统和方法。
背景技术
射频识别(RFID)技术已广泛地应用于多个行业，包括交通、装运、制造、废物管理、邮政跟踪、航空行李辨认、和公路收费管理。RFID标签和签条可用于跟踪从供应商到顾客并且甚至通过顾客供应链的装运。
典型的RFID系统包括多个RFID标签或签条、至少一个具有用于与RFID标签或签条通信的天线的RFID读出器或检测系统、以及控制RFID读出器的计算装置。RFID标签可包括或可不包括粘合剂层。RFID签条通常为具有用于将RFID标签附接到物品的粘合剂层的RFID标签。RFID读出器包括可向标签或签条提供能量或信息的发射器、以及从标签或签条接收识别信息和其它信息的接收器。计算装置可读出和/或写入、并且处理通过RFID读出器获得的信息。
一般来讲，从RFID标签接收的信息对于具体应用而言为特定的，但往往提供了对贴有标签的物品的识别。示例性制品包括制造品、装运容器、书籍、文件、动物、或几乎任何其它有形制品。也可以提供制品的额外的信息。标签或签条可在制备处理期间用于例如指示制造过程中的汽车底盘的油漆颜色或其它有用的信息。
RFID读出器的发射器通过其天线输出RF信号以产生电磁场，所述电磁场能够使标签或签条返回携带信息的RF信号。发射器采用放大器以通过调制的输出信号来驱动其天线。
常规RFID标签或签条可为包括内部电源的“有源”标签或签条，或者为由RFID读出器天线所产生的场激励的“无源”标签或签条。一旦激励后，标签和签条就采用预定方案进行通讯，由此允许RFID读出器接收来自一个或多个标签或签条的信息。计算装置通过接收来自RFID读出器的信息并且执行某个行动例如更新数据库而用作信息管理系统。此外，计算装置可用作通过发射器将数据编程进标签或签条中的机构。
已知存在多种制备RFID标签和电路的方法，包括下列这些：美国专利6,805,940(Koskenmaki等人)；美国专利6,816,125(Kuhns等人)；美国专利6,399,258(O’Brien等人)；美国专利申请公开US 2003/0151028(Lawrence等人)；美国专利申请公开US2004/0175515(Lawrence等人)；美国专利申请公开US 2002/0018880(Young)；PCT公开WO 03/038748(Leerkamp等人)；和PCT公开WO 00/42678(Vega等人)。
发明内容
呈微图案化导电材料形式的电导体是已知的。在这些构造中，可将金属层或其它合适的导电材料层设置在电绝缘基底上。金属层被微图案化以形成导电性线性特征的二维网格。示例性的微图案化导体在下述专利文献中的一者或多者内有所描述：PCT公开WO2009/108765(Frey等人)、WO 2009/108771(Zu等人)、WO2009/154812(Frey等人)、和WO 2010/099132(Moran等人)。
尽管可通过利用具有较大“开口面积比率”的图案将此类图案化导体制成具有低可见度或高透明性，但此类导体对于某些特定应用的适合性为未知的。具体地讲，此类导体对于用作RFID应用中的天线的适合性为未知的和不确定的。我们已经研究了若干高透明性微图案化导体，尤其关注的是具有例如至少90％、或至少95％、或位于95-98％的范围内的开口面积比率的微图案化导体，并对其用作某些RFID应用中的天线的适合性进行了评估。这是通过下述方式完成的：制备出采用多种高透明性微图案化导体作为天线的多种RFID装置，并且利用RFID读出器测试所得装置。
这些研究的结果表明，此类高透明性微图案化导体(有时也称为导电性微图案)可被制备成可用于某些RFID装置中，但不可用于其它RFID装置中。RFID装置可具有不同尺寸、形状、和设计，这取决于(除了别的以外)它们被设计为进行工作的电磁频率。一些RFID装置被设计为在位于电磁波谱的低频(LF)部分(即，30KHz至300KHz的范围内的电磁波谱部分)中的频率下工作。其它RFID装置被设计为在位于电磁波谱的高频(HF)部分(即，3MHz至30MHz的范围内的电磁波谱部分)中的频率下工作。其它RFID装置被设计为在位于电磁波谱的超高频率(UHF)部分(即，300MHz至3GHz的范围内的电磁波谱部分)中的频率下工作。在美国，保留用于RFID装置的特定频率包括HF区域中的13.56MHz和UHF区域中的902-928MHz。世界上的其它国家和地区保留其它特定频率以用于RFID应用。用于美国的902-928MHz频率位于用于RFID应用的范围为868MHz至956MHz的较宽UHF频带内。其它国家采用用于RFID的此较宽UHF频带内的不同频率。例如，若干欧洲国家保留868MHz以用于RFID应用。在日本，保留956MHz以用于RFID应用。
已经发现，显示具有至少90％或至少95％的开口面积比率的高透明性微图案化金属导体可被制备成适用于在电磁波谱的UHF部分中工作的RFID天线，如，适用于在915MHz下或在860MHz至960MHz的范围内工作的RFID天线。
本专利申请因此尤其公开了适用于RFID装置的天线。所述天线可包括绝缘基底以及设置在基底上或基底内的第一导电性微图案，所述第一导电性微图案限定邻接网格导体。第一导电性微图案可形成至少响应915MHz频率的天线，并且可包括具有0.5微米至20微米范围内的迹线宽度的互连迹线。此外，第一导电性微图案的特征可在于具有至少80％或至少90％开口面积比率。
在一些情况下，开口面积比率可为至少95％、或位于95至98％的范围内。在一些情况下，第一导电性微图案可由包含金属的不透明材料构成。在一些情况下，金属选自银、金、钯、铂、铝、铜、镍、锡、合金、以及它们的组合。在一些情况下，第一导电性微图案可具有小于2微米、或小于1微米、或在30纳米至1微米范围内的厚度。在一些情况下，迹线宽度可位于1至10微米、或1至5微米、或1.5至4微米的范围内。在一些情况下，迹线宽度可小于5微米、小于2微米、或小于1微米。在一些情况下，第一导电性微图案的特征可在于具有0.1至200欧姆/平方范围内、或1至50欧姆/平方范围内的有效薄层电阻。在一些情况下，绝缘基底可为透明的。在一些情况下，天线可具有大于50％、大于70％、或大于90％的可见光透射值。
我们还公开了如下RFID装置，所述RFID装置包括与集成电路结合的任何上述天线，所述集成电路被构造为使用天线来发射和接收信号。在一些情况下，天线可被定制为提供RFID读出器(以902-928MHz跳频模式工作在1瓦特辐射功率下)能够与该装置进行通讯的最大距离。最大距离可例如位于1厘米至2米、或1.5厘米至1米、或2至50厘米、或2.5至30厘米的范围内。
我们还公开了如下RFID系统，所述RFID系统包括具有与集成电路相结合的上述天线的装置、以及以860MHz和960MHz之间的频率工作在0.2瓦特至5瓦特辐射功率下的RFID读出器，其中天线被定制为使得RFID读出器能够与所述装置通讯的最大距离位于1厘米至2米、或1.5厘米至1米、或2厘米至50厘米、或2.5厘米至30厘米的范围内。在一些情况下，最大距离小于30厘米、小于10厘米、或小于5厘米。
本发明还公开了如下卡，所述卡包括卡层、由卡层承载的天线、以及被构造为使用天线来发射和接收信号的集成电路。天线可包括限定邻接网格导体的导电性微图案，所述导电性微图案形成至少响应915MHz频率的天线。导电性微图案还可包括具有位于0.5至20微米范围内的迹线宽度的互连迹线，并且导电性微图案的特征可在于具有至少80％或至少90％的开口面积比率。在一些情况下，卡层对于可见光波长而言可为透光的。在一些情况下，开口面积比率可位于95％至98％的范围内。在一些情况下，第一导电性微图案可由包括如下金属的不透明材料构成，所述金属选自银、金、钯、铂、铝、铜、镍、锡、合金、以及它们的组合。在一些情况下，第一导电性微图案可具有小于2微米、或小于1微米、或位于30纳米至1微米范围内的厚度。在一些情况下，迹线宽度可位于0.5至20微米、或1至10微米、或1至5微米、或1.5至4微米的范围内。在一些情况下，迹线宽度可小于5微米、小于2微米、或小于1微米。
本发明还讨论了相关方法、系统和制品。
本专利申请的这些和其他方面从以下具体实施方式中将显而易见。然而，在任何情况下都不应将上述发明内容理解为是对要求保护的主题的限制，该主题仅由所附权利要求书限定，并且在审查期间可以进行修改。
附图说明
图1为包括RFID装置和RFID读出器的RFID系统的示意性等轴视图；
图2为示出电磁波谱的部分的示意图，所述部分包括波谱的高频(HF)、甚高频(VHF)、和超高频(UHF)部分。
图3为在UHF频率下进行测试的缝隙天线的示意性前视图或顶视图；
图4a、4b、和4c为被设计成在HF频率下使用的不同RFID天线的示意性前视图、顶视图、或平面图；
图4d和4e为被设计成在UHF频率下使用的不同RFID天线的示意性前视图、顶视图、或平面图；
图5为诸如天线之类的制品的高透明性导电区域的示意性等轴视图；
图6a为具有方形或矩形微图案的高透明性导电区域的示意性前视图或顶视图；
图6b为与图6a具有相同的标称微图案的，但采用“间断网格”的高透明性非导电区域的示意性前视图或顶视图；
图7a为具有六边形微图案的高透明性导电区域的示意性前视图或顶视图；
图7b为与图7a具有相同的标称微图案的，但采用“间断网格”的高透明性非导电区域的示意性前视图或顶视图；
图7c为具有高透明性导电区域和高透明性非导电区域的制品的示意性前视图或顶视图，这些区域均具有相同的标称微图案；
图8为具有伪随机网格微图案的高透明性导电区域的显微照片；
图9为结合可检测图像的导电区域的示意性前视图或顶视图；
图9a、9b、和9c为图9中的区域914的示意性放大前视图或顶视图，这些不同的附图示出了一些用于形成可检测图像的不同技术；和
图10为装配具有UHF天线的RFID装置的卡或类似制品的示意性等轴分解视图。
在这些附图中，类似参考标号指代类似元件。
具体实施方式
本文描述了(除了别的以外)已发现可用作某些RFID装置的天线的高透明性导电结构、以及装配此类天线的制品，例如标识卡和交易卡。因此，卡或其它制品可装配呈RFID天线形式的高透明性微图案化导体，所述RFID天线具有降低的可见度和足够的电磁特性的组合以接收或发射射频信号形式的信息。合适的导体包括金属、聚合物、金属氧化物、和复合物，如下文进一步所述。尤其优选的导体为金属。示例性的微图案化导体的特征在于某些性质或特性，例如微图案的开口面积比率、导电迹线的厚度、和导电迹线的横向宽度。微图案的开口面积比率优选地大于80、90、或95％、或位于95至98％的范围内。导电迹线的厚度优选地位于20纳米至10微米的范围内、或小于2微米、或小于1微米、或位于30纳米至1微米的范围内。导电迹线的横向宽度优选地位于0.1至20微米、或0.5至20微米、或0.5至10微米、或1至5微米、或1.5至4微米的范围内、或小于20、10、6、5、4、3、2、或1微米。
在图1中，示例性的RFID系统110包括RFID读出器112和RFID装置114，所述RFID装置114可为或可包括有源或无源RFID标签或签条。读出器112发射特定频率的电磁信号122b，所述特定频率被定制为可被RFID装置114接收。读出器112还接收和检测由装置114发射的电磁信号122a，其中信号122a通常与信号122b具有相同或类似的频率。信号122a可进行调制以包括有关装置114或如下制品的信息，所述制品其上附接装置114或其内嵌入该装置。
RFID装置114包括电绝缘基底116和形成于基底上或基底中的天线118。天线118的特征在于高透明性导电区域，所述高透明性导电区域被适当地成形用于接收和发射恰当频率的电磁辐射。导电区域不同于基底116的非导电区域116a、116b。高透明性导电区域的微图案化本性在下文中进一步论述。
基底116可包括任何合适的电介质或其它非导电材料。基底116可基本上由单层材料组成，或者其可包括附加层并且具有较复杂的构造。基底116可根据需要为刚性的或柔性的。另外，尽管在示例性实施例中基底116为基本透光的，如透明的或半透明的，但在其它情况下基底可仅具有低透光水平，或者其可甚至为不透明的。合适基底的实例包括包括聚合物膜，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)。其它合适的基底包括多层光学膜以及相关膜、反射器、偏振器、滤光器、和制品，例如公开于美国专利5,882,774(Jonza等人)或7,271,951(Weber等人)中的那些基底中的任何一个，上述两个专利均以引用方式并入本文。在其中RFID装置114为透明或透光交易卡或标识卡(其中在卡构造中还包括红外阻隔膜或滤光器)的部分的情况下，可将天线直接设置在红外阻隔膜上。在一个实施例中，红外阻隔膜可为或可包括由交替聚合物层构成的多层光学膜，所述交替聚合物层的折射率和厚度被定制为对于垂直入射的可见光提供高透射率(如对于400纳米至700纳米的光具有至少70％的平均透射率)，但基本上阻隔近红外光(如其对于800纳米至1000纳米的垂直入射光具有不大于8％、或不大于5％的平均透射率)。可通过本领域中已知的方法来将具有适用天线118的基底116与其它材料层合在一起以形成卡或形成其它所需制品。
天线118的几何形状和特性取决于RFID装置114的所需工作频率。例如，在902-928MHz或2.45GHz下工作的RFID装置将通常包括偶极子天线(例如线性偶极子天线或折叠偶极子天线或单匝环形天线)。相比之下，在13.56MHz(或类似频率)下工作的RFID装置将通常采用螺旋形或多匝线圈天线。然而，这些概述不应理解为限制性的，并且其他天线设计对于本领域的技术人员而言是已知的。在任何情况下，天线118拦截由查询源或读出器112辐射的射频能量122b。此信号能量可将功率和命令(或其它信息)传送到装置114。天线118可允许RFID装置吸收足够的能量以对集成电路120供能，并由此提供检测到的响应。因此，天线的特性应与其置入其中的系统相匹配。对于在高MHz至GHz赫范围内工作的RFID装置而言，重要的特性为天线长度。通常，偶极子天线的有效长度被选择为使其接近查询信号的半波长或多倍半波长。对于在低到中MHz区域(例如，13.56MHz)工作的RFID装置而言，由于半波长天线因尺寸限制而为不切实际的，则一些重要的特性为天线感应系数和天线的线圈匝数。对于这两种天线类型而言，均需要良好的电导率。此外，为了在天线和集成电路之间获得最大能量传递，集成电路的输入阻抗应匹配天线的阻抗。关于天线的附加信息是本领域的普通技术人员已知的，例如，从参考文献例如K.Finkenzeller，“RFIDHandbook.Radio-Frequency Identification Fundamentals andApplications，”(1999 John Wiley & Sons Ltd，Chichester，West Sussex，England)获知。
已经发现，可设计天线的导体微图案以实现如下效率，所述效率可被有意地定制为小于类似的不透明、厚金属(如，18微米厚的铜)天线的效率。特定、较低水平的天线效率可用于例如定制天线将提供用于使RFID装置与以给定设置参数工作的查询源或读出器之间进行通讯的距离。例如，根据我们的发现，包括呈网格形式的导体微图案的透明或隐蔽天线设计可被定制为产生最大距离以使得读出器仍能够与RFID装置成功地通讯。例如，此最大距离可位于1厘米和2米之间、或1.5厘米和1米之间、或2和50厘米之间、或2.5和30厘米之间。作为另外一种选择，此最大距离可小于30厘米、小于10厘米、或小于5厘米。可针对在UHF区域中工作的RFID装置来实现这些最大通讯距离范围。保持具有限定范围的最大距离可有利地降低小偷或黑客读出或查询包含敏感信息的RFID装置(如，RFID装置为金融交易卡或标识卡的一部分)的机率。从读出器发射的能量与通过RFID装置接收的能量之间的关系由Friis公式给定，这在下文中进一步论述。可针对特定所需的RFID工作范围来实现最大通讯距离范围，例如，针对用于美国操作的RFID查询源或读出器：902-928MHz、跳频模式、和1瓦特等效辐射功率。
集成电路(IC)120连接到天线118，使得IC可与RFID读出器112通讯。IC120可提供RFID装置114的主要识别功能。因此，IC可包括软件和电路，以永久性地储存标签识别信息和其它所需信息、解释和处理从查询硬件接收的命令、响应查询器对信息的请求、以及协助硬件解决由于多个标签同时响应查询而造成的冲突。IC可任选地能够更新储存在其存储器内的信息(读出/写入)，而非仅读出信息(只读)。适用于RFID装置114的集成电路120包括得自德克萨斯州达拉斯(Dallas，Texas)的Texas Instruments(如，它们的TAG-IT产品系列)、荷兰艾恩德霍芬(Eindhoven，Netherlands)的NXPSemiconductors(如，它们的I-CODE、MIFARE、或HITAG产品系列)、和瑞士日内瓦(Geneva，Switzerland)的ST Microelectronics的那些等等。
图1示出了以与RFID读出器112呈对准形式取向的RFID装置114。即，垂直于基底116并且穿过天线118的中心点的轴线也与RFID读出器112相交。图1还示出了间隔开距离D的装置114和读出器112。评估或评价给定RFID装置的性能的一个品质因数为读出器112仍能够与RFID装置114成功且可靠地通讯的最大距离D。此最大距离在本文中称为Dmax。在大于Dmax的距离D处，读出器112不能与RFID装置114成功地通讯。根据Friis公式，Dmax可理解为如下距离，在所述距离之外所接收功率Pr不足以接通RFID装置中的硅晶片。
图2描述了由电磁辐射的频率f表示的电磁波谱的相关部分。上线性标度示出了0至超过3GHz范围内的频率；下线性标度在放大标度上示出了0至超过300MHz的频率。标度总共示出了高频(HF)范围(其从3MHz延伸至30MHz)、甚高频(VHF)范围(其从30MHz延伸至300MHz)、和超高频(UHF)范围(其从300MHz延伸至3GHz)。还示出了与美国的RFID系统有关的13.56MHz、915MHz、和2.45GHz的特定频率。915MHz频率位于用于美国的902-928MHz频带的中心处并且位于上文所述的范围为868MHz至956MHz的较宽UHF频带内。
在更详细地描述高透明性微图案化导体之前，转到被加工和测试的一些天线设计。
在图3中，示出了缝隙天线装置310。装置310包括标称方形的绝缘基底312。将导电层设置在基底312上或基底中，以便覆盖除非导电缝隙区域312a之外的所有区域，所述导电层由此形成缝隙天线314。在示例性实施例中，导电层包括高透明性微图案化导体，其设计在下文中进一步论述。可适当地选择装置310的尺寸以在给定的所关注频率范围内工作。在一个实例中，基底312或天线314的外边界形成约15cm×15cm的正方形，并且缝隙区域312a具有5cm×0.5cm的尺寸。这些尺寸不应理解为限制性的。
同轴电缆316或其它合适的电缆可在缝隙区域312a的中心处或中心附近通过接触垫318a、318b连接到天线314的合适部分。接触垫可例如为或包括经由导电粘合剂等粘附到导电层的铜带接片。电缆316包括连接器320以有利于将天线314连接到测试设备，所述测试设备可检测或测量由天线314接收的信号并且可将驱动信号发送到天线314以使其发射电磁辐射。在可供选择的实施例中，可省去电缆316，并且可将IC或其它合适的RFID电路安装在位于天线314的中心处或中心附近的缝隙区域312a上。
制备和测试图3所示的天线设计。天线的设计细节和测试结果提供于下文的实例部分中。
图4a-e示出了另外的天线设计。图4a-c的天线具有适于在HF频率(例如13.65MHz)下使用的盘绕形或螺旋形设计；图4d和4e的天线具有适于在UHF频率(例如915MHz)下使用的偶极子或折叠偶极子设计。
在图4a中，天线装置410包括具有非导电区域412a、412b的基底412、以及成型为螺旋形以提供天线414的导电区域。非导电区域412a、412b在外形上彼此通过螺旋形非导电区域(未标记)连接到一起。在天线414相对末端处，形成可任选为实体(即，未以网格形式进行微图案化)的接触垫414a、414b。如果需要，可将合适的IC安装到装置410，以便通过接触垫414a、414b连接到天线414。
在图4b中，天线装置420包括具有非导电区域422a、422b的基底422、以及成型为螺旋形以提供天线424的导电区域。非导电区域422a、422b在外形上彼此通过螺旋形非导电区域(未标记)连接到一起。在天线424相对两端处，形成可任选为实体(即，未以网格形式进行微图案化)的接触垫424a、424b。将额外的接触垫设置在基底上或基底中，以提供可任选为实体(即，未以网格形式进行微图案化)的辅助性接触垫425a、425b。如果需要，可利用跳线等将接触垫424b连接到接触垫425a，并且可将合适的IC安装到装置420以便通过接触垫424a、425b连接到天线424。
在图4c中，天线装置430包括具有非导电区域432a、432b的基底432、以及成型为螺旋形以提供天线434的导电区域。非导电区域432a、432b在外形上彼此通过螺旋形非导电区域(未标记)连接到一起。在天线434相对两端处，形成可任选为实体(即，未以网格形式进行微图案化)的接触垫434a、434b。将另一个导电性网格区域435设置在基底上或基底中，以提供辅助性接触垫435a、435b。如果需要，可利用跳线等将接触垫434a连接到接触垫435a，并且可将合适的IC安装到装置430以便通过接触垫434b、435b连接到天线434。
在图4d中，天线装置440包括具有非导电区域442a的基底442、以及成型为折叠偶极子形状以提供天线444的导电区域。可将可任选为实体(即，未以网格形式进行微图案化)的天线部分444a、444b用作接触垫。如果需要，可将合适的IC安装到装置440以便通过接触垫444a、444b连接到天线444。
在图4e中，天线装置450包括具有非导电区域452a的基底452、以及成型为折叠偶极子形状以提供天线454的导电区域。可将可任选为实体(即，未以网格形式进行微图案化)的天线部分454a、454b用作接触垫。如果需要，可将合适的IC安装到装置450以便通过接触垫454a、454b连接到天线454。
在示例性实施例中，本发明所公开的导电区域是通过网格形式的低可见度或高透明性微图案化导电材料来提供的。在这些构造中，将金属层或其它合适的导电材料层设置在电绝缘基底上或电绝缘基底中。将金属层进行微图案化以形成包括互连迹线的二维邻接网格。就这一点而言，“包括互连迹线的邻接网格”是指形成限定开口单元的网络或网格的导电迹线图案，其中网络或网格电连接在单元之间电连接在一起(不存在间断)。示例性的网格或微图案几何形状在本文的别处有所描述。在一些情况下，为了保持装置的光学均匀度和/或使天线较难以检测，网格或微图案可均一地延伸在导电区域(其中网格为邻接的)和非导电区域上，但在非导电区域中提供网格图案的选择性间断(产生“间断网格”)以使得这些区域为不导电的，如在下文中进一步论述。选择性间断产生并未电连接到彼此，而是充当“虚”元件或电浮元件(其主要目的是保持光学均匀度)的一组金属区段。在一些情况下，可从一个、一些、或所有非导电区域中完全省去“虚”元件。
图5示意性地示出了代表性的微图案化导电材料。此处，制品501或制品的部分(例如天线装置的部分)具有由设置在基底530上的微图案化导体540提供的高透明性导电区域。导体540通常为已进行图案化、设计、或者说是成型以限定细小网格图案的导电薄膜(如薄金属膜)。可根据构成网格图案的导电迹线的(1)宽度、(2)密度、和(3)密度的均匀度来限定网格图案。可定义取代密度的称为开口面积比率的相反或互补参数。所关注导电区域上的开口面积比率仅为1减去导电迹线所占据的面积比率(以百分比表示)。(导电迹线所占据的面积比率也可称为遮蔽面积比率)。就计算这种开口面积比率的目的而言，除非另外指明，所关注区域应对应于制品的导电部分而非包括仅“虚”元件的部分。此外，本领域的技术人员将会知道，必须相对于微图案的比例来适当地选择所关注区域，以便获得开口面积比率或其它特性的适当测量结果或计算结果。理想的是，此计算结果或测量结果应与将针对无限域的区域计算的结果相同，所述无限域的区域具有与所关注区域相同的微图案，但其中微图案在整个无限区域上重复或者说是延伸。
网格图案可为任何所需形状，如，规则和重复的、或不规则和不重复的。就规则重复图案而言，网格可具有呈下述几何图形形式的基本单元(最小重复图案)，例如三角形、方形、矩形、菱形、梯形、六边形、七边形等等。在其它情况下，网格可由具有不同形状(包括随机或伪随机形状)的单元组成，如例如下文的图8中所示。随机导体图案可得自通过相分离生成随机单元结构的方法。
图5的制品501显示为具有规则的重复性方形或菱形微图案。基底530上不存在导体540的空间构成开口面积532。导体540具有厚度570，并且进行图案化以具有沿x方向的迹线宽度552和沿y方向的迹线宽度562。迹线具有沿x方向的间距550和沿y方向的间距560。在简单的各向同性的或对称的实施例中，宽度552、562可为基本上相同的，并且间距550、560也可为基本上相同的。在可并非为各向同性的或对称的其他实施例中，沿不同面内方向的迹线宽度可为不同的，并且沿不同面内方向的迹线间距也可为不同的。
可通过能够产生所需几何形状的任何合适方法来形成微图案化导体。这些方法包括光图案化方法(如光刻法)、激光图案化方法(如，激光固化、激光烧蚀、和激光照射加显影)、和印刷方法(如凹版印刷、柔性版印刷、和微接触印刷)。微图案化导体的形成方法可包括任选与上述任何图案化步骤相结合的蚀刻或电镀步骤，例如化学镀步骤。用于形成本发明所公开的RFID天线的微图案化导体的尤其可用的方法涉及微接触印刷与蚀刻的组合，如美国专利5,512,131(Kumar等人)和PCT公开WO 2009/154812(Frey等人)中所述。微接触印刷和蚀刻的组合可用于形成满足本文示出的条件的天线图案，然后将合适的电子器件(例如，一个或多个集成电路)附接到高透明性天线。
合适的导电材料包括：金属，例如银、金、钯、铂、铝、铜、镍、锡、它们的合金、以及它们的组合；以及复合物，例如含金属粒子填充的聚合物油墨。尤其优选的导体为金属。
如已在上文所述，示例性的微图案化导体显示具有大于80、90、或95％、或位于95至98％范围内的开口面积比率。示例性的微图案化导体还显示具有位于20纳米至10微米的范围内、或小于2微米、或小于1微米、或位于30纳米至1微米的范围内的导电迹线厚度。优选地，导电迹线的横向宽度位于0.1至20微米、或0.5至20微米、或0.5至10微米、或1至5微米、或1.5至4微米的范围内、或者小于20、10、6、5、4、3、2、或1微米。优选地，微图案的迹线与迹线间距小于300微米。
微图案化导体的主要光学特性为上文已论述的微图案的开口面积比率。其它显著的光学特性包括微图案化制品的导电部分的可见光透射比和雾度、以及导电性迹线可见度。在示例性实施例中，本发明所公开的制品的导电区域的雾度值小于10％、5％、或2％。可例如使用得自马里兰州哥伦比亚(Columbia，Maryland)的BYK-Gardner的Haze-Gard Plus器械来测量给定制品或其导电部分的雾度。另外在示例性实施例中，包括绝缘基底和导电性微图案的本发明所公开的制品的导电区域(例如天线)在微图案的导电区域中具有大于50％、60％、70％、80％、或90％、或位于80％至90％范围内的可见光透射值。
微图案化导体的主要电性能为制品的导电部分的薄层电阻。在示例性实施例中，沿任何指定面内方向的薄层电阻位于0.1至200欧姆/平方的范围内、位于1至100欧姆/平方的范围内、或者不超过50、20、10、5、1、或甚至0.1欧姆/平方。
现在转到图6a，可观察到具有由迹线612形成的方形或矩形微图案的高透明性导电区域610a的示意性前视图或顶视图。图6a的图案类似于图5的图案，但迹线612的横向宽度(以相对迹线间距的比率计)小于图5中所示的横向宽度。图6a的迹线的间距标记为沿一个面内轴线的620a、和沿正交面内轴线的630a。这些间距可为相同的或不同的，这取决于导电区域610a的所需特性。同样，迹线沿正交面内轴线的横向宽度可为相同的或不同的(对于形成图案的不同迹线而言)，这取决于导电区域610a的所需性质。
图6b为高透明性非导电区域610b的示意性前视图或顶视图。区域610b具有与图6a相同的标称微图案，不同的是包括选择性间断611以使得区域610b为不导电的。形成图6b的图案的迹线可与形成图6a的图案的迹线相同或类似，例如，它们可由与图6a的实施例中相同的或类似的金属或其它导电材料薄层构成，不同的是选择性间断611阻止电流沿图6b的间断网格微图案的流动。间断优选地为相对短的，例如小于30、20、10、或甚至2微米。
通过将间断制备成短于图案间距并且通过在图案的每个基本单元内具有少量的间断(如小于10个)，可将包括间断微图案的非导电区域610b制备成对于制品的普通观察者和用户而言具有与导电区域610a相同或几乎相同的外观。这种外观相似性可有利地用于隐蔽RFID天线，所述RFID天线是利用导电区域(例如导电区域610a)和非导电区域(例如非导电区域610b)形成的。因此，在制品的非导电部分不具有任何导电材料的迹线的情况下，即使导电区域610a具有90％或95％的开口面积比率，使得迹线612的存在将这些位置中的制品的可见光透射率降低例如仅5％或10％，观察者可仍能够根据天线的几何布局以及这种布局相对于制品的相邻部分的5或10％的可见光透射率差值而注意到天线。另一方面，通过在邻近构成天线的导电部分的制品的非导电部分中提供间断迹线图案(例如图6b的图案)，可使得相邻部分的可见光透射率接近匹配，并且可使得相邻部分之间的可见光透射率差值(反差)显著降低，这样天线对于用户或普通观察者而言为极不显著和极不明显的。
图7a为另一个高透明性导电区域710a的示意性前视图或顶视图。区域710a采用导电材料的迹线712，所述导电材料的迹线被布置用于形成六边形微图案，而非正方形微图案。六边形基本单元的成对相对边(迹线)限定三条面内轴线，同时可限定迹线间距，其中在图7a中一个迹线间距被标记为720a。对于规则的等边六边形而言，沿三条轴线的间距全部可为相同的，但如果使用细长或扭曲的六边形，则沿不同面内轴线的间距可为不同的。
在本文别处论述的开口面积比率、导体迹线厚度、导体迹线横向宽度、导体迹线间距、可见光透射率、雾度、和薄层电阻的示例性数值和范围同样适用于图7a的导电区域710a。
图7b为高透明性非导电区域710b的示意性前视图或顶视图。区域710b具有与图7a相同的标称微图案，不同的是包括选择性间断711以使得区域710b为不导电的。形成图7b的图案的迹线可与形成图7a的图案的迹线相同或类似，例如，它们可由与图7a的实施例中相同或类似的金属或其它导电材料薄层构成，不同的是选择性间断711阻止电流沿图7b的间断微图案的流动。间断优选为相对较短的，例如小于30、20、10、或甚至2微米，并且在每个六边形基本单元内包括足够少量的间断(如小于10个)，以使得可将区域710b的视觉外观制成与导电区域710a的视觉外观相同或几乎相同。当区域710a、710b占用RF装置上的相邻(如，互补)区域时，这种视觉外观类似性可有利地用于隐蔽RF天线。
图7c为包括高透明性导电区域710a(如，作为偶极子天线或其它天线的一部分)和相邻的高透明性非导电区域710b的制品710c(例如，RFID天线装置)的示意性前视图或顶视图。区域710a、710b具有由导电材料的迹线712形成的相同的标称六边形微图案，但在区域710b中提供间断711以使得该区域成为非导电的。区域710a和710b之间的边界可表示本文所述的天线装置中的任何一个(如结合图3或4a-e所述的天线装置中的任何一个)的导电性部分和非导电部分之间的边界。
图8具有伪随机网格微图案的高透明性导电区域810的显微照片。随机、伪随机、和不规则图案(而非规则的重复的图案)可用于本发明所公开的RFID天线装置中的微图案化导体。在RFID天线粘附到或者说是与包括可见线条、单元、或其它特征的另一个部件相结合的情况下，可使用不规则图案等等以减轻不需要的波纹图案。
在一些情况下，可能有利的是将一个或多个标记或其它图像结合到高透明性导电区域中，其中所述标记对于用户可为高度可见或明显的，或者作为另外一种选择所述标记可为仅最低程度地可见的。在一些情况下，标记可为隐蔽的，即，不易被人的肉眼看见或观察到，但在下述特殊条件下可检测到，例如在放大条件下、在特定照射波长下、和/或在特定照射角和/或视角下。在一些情况下，标记在利用主要穿过天线的照明(例如相对于观察者而言从背面入射到天线上)进行观察时可为不易看见或甚至不可见的，并且在利用主要从与观察者基本相同的天线侧入射到天线上的照明(例如，以相对观察者的观察方向成小于90度的角度入射到天线上)进行观察时可为可见或显著更易看见的；在此类实施例中，包括导体图案的材料优选为反射性的。在图9中，在导电区域910的背景下，示意性地示出了可为隐蔽或高度可见的示例性标记912。标记可根据需要呈现品牌标志或安全标志、或者其它形状的形式。可将标记结合到网格设计自身中，并且/或者可将额外的微图案特征添加到导电迹线(微图案化导体)的原始图案中从而为天线层或导电区域提供独特的视觉特征。额外的微图案特征的形状或图案可对于天线图案的功能方面具有极小或不具有影响，例如，对于导电区域的薄层电阻具有极小或不具有影响。
额外的微图案特征的实例包括反射或衍射光的点阵列和线阵列，其中所述阵列限定标记的形状。额外的微图案特征的其它实例包括具有下述取向的线元件，所述取向不同于构成导体图案的功能性天线部分的线元件的取向。在涉及额外的微图案特征的一些情况下，导电性元件可理想地为反射性的。图9a至9c提供了可用于提供标记(例如图9的标记)的额外的微图案特征的一些实例。为了进行比较和便于论述，图9a至9c中的每一个均示为表示图9中的区域914，所述区域914包括标记912的一部分并且还包括表示原始的或未改变的微图案化导电区域的背景部分。
在图9a中，布置成六边形图案的导电材料的迹线920提供了高透明性导电区域。另外将额外的微图案特征926(在此情况下，为孤立点的图案)设置在基底上或基底中，以区分标记部分924与导电区域的背景部分922。虚线指示线912a、912b被绘制为示出标记部分和背景部分之间的边界，所述指示线形成图9所示的标记中的“M”的一部分。微图案特征926可由形成微图案化导体的迹线920的相同导电膜或材料制成，或者它们可由不同材料制成，如，任何其它合适的导体或其它合适的材料(包括非导电或绝缘材料)。微图案特征926可为足够小的，以在标记部分中衍射光。在示例性实施例中，特征926可为3×3微米尺寸的正方形，所述正方形设置成六边形阵列，其中在相邻正方形之间具有10.2微米的中心至中心间距。
在图9b中，布置成六边形图案的导电材料的迹线940提供高透明性导电区域。另外将额外的微图案化特征946(在此情况下，为靠近迹线940布置的线段图案)设置在基底上或基底中，以区分标记部分944与导电区域的背景部分942。虚线指示线912a、912b被绘制为示出标记部分和背景部分之间的边界，所述指示线形成图9所示的标记中的“M”的一部分。微图案特征946可由形成微图案化导体的迹线940的相同导电膜或材料制成，或者它们可由不同材料制成，如，任何其它合适的导体或其它合适的材料(包括非导电或绝缘材料)。
在图9c中，布置成六边形图案的导电材料的迹线960提供高透明性导电区域。另外将额外的微图案化特征966a、966b(在此情况下，为不同取向的独立线段组)设置在基底上或基底中，以区分标记部分962与导电区域的背景部分964。虚线指示线912a、912b被绘制为示出标记部分和背景部分之间的边界，所述指示线形成图9所示的标记中的“M”的一部分。微图案特征966a、966b中的一组或两组可由形成微图案化导体的迹线960的相同导电膜或材料制成，或者一组或两组可由不同材料制成，如，任何其它合适的导体或其它合适的材料(包括非导电或绝缘材料)。
图10为装配具有UHF天线1020的RFID装置的卡或类似制品1010的示意性等轴分解视图。该制品包括层合到或者说是粘附到第二层或部分1014的第一层或部分1012。第一层可包括适用于制品的预期用途的元件或特征，如，照相信息、包括文字与数字的信息、压印特征、和安全性特征。在图示实施例中，制品1010表示人的驾驶证，但在其它情况下，其可为或可包括另一种制品，例如金融交易卡(包括信用卡和借记卡)、标识卡、支付卡等等。第二层1014包括绝缘基底或膜，其中在绝缘基底或膜其上或其内，高透明性导电区域1016形成于非导电区域1018中，所述导电区域成形为形成天线1020。导电区域1016设有在本文别处所述的高透明性微图案化导体中的任何一者。为了提供卡制备过程中和使用过程中的增强的可靠性和耐久性，微图案化导体优选地使用金属导电材料，而非金属氧化物导电材料(例如铟锡氧化物(ITO))。制品1010还适于包括小型RFID集成电路(未示出)，所述RFID集成电路连接到天线1020以与RFID读出器进行通讯。
卡可包括标识和交易卡领域已知的并且可赋予安全性、通讯性、或图形特征或功能的其它结构、部件、或材料。在示例性实施例中，非导电区域1018包括间断微图案(参见如图6b、7b、7c)以降低区域1016、1018之间的对比度，并由此降低天线1020的可见度(尤其是在整个卡被设计为透光的情况下)。已知一些透光卡包括近红外滤光器，所述近红外滤光器高度透射可见光，但吸收、反射、或者说是阻隔近红外波长频带上的光，以使得卡能够阻隔来自用于自动取款机(ATM)中的红外LED或类似光源的光以检测卡的存在。在这种情况下，如此前上文提及的，可将天线直接设置在红外阻隔膜上。红外阻隔膜可为或可包括由交替聚合物层构成的多层光学膜，所述交替聚合物层的折射率和厚度被定制为对于垂直入射的可见光提供高透射率，但基本上阻隔近红外光。可通过本领域已知的方法将具有适用天线1020的层1014与其它材料进行层合以形成卡、或形成其它所需制品。
在一些情况下，呈RFID标签形式的装置包括集成电路和天线，其中天线包括金属导电性网格微图案，所述金属导电性网格微图案具有位于约30纳米至约1微米范围内的金属厚度、位于0.5微米至10微米范围内的迹线宽度、至少90％的开口面积比率、和位于1欧姆/平方至200欧姆/平方范围内的有效薄层电阻。此外，如在本文别处所述的卡可包括上述标签，所述卡任选为透明的。另外，RFID系统可包括上述标签、以及以860MHz和960MHz之间的一个或多个频率工作在0.2瓦特至5瓦特辐射功率下的读出器，其中所述天线被定制为使得RFID读出器能够与装置通讯的最大距离位于1厘米至2米的范围内。
在一些情况下，呈RFID标签形式的装置包括集成电路和天线，其中天线包括金属导电性网格微图案，所述金属导电性网格微图案具有位于约30纳米至约1微米范围内的金属厚度、位于1至5微米范围内的迹线宽度、至少95％的开口面积比率、和位于1至100欧姆/平方范围内的有效薄层电阻。此外，如在本文别处所述的卡可包括上述标签，所述卡任选为透明的。另外，RFID系统可包括上述标签、以及以860MHz和960MHz之间的一个或多个频率工作在0.2瓦特至5瓦特辐射功率下的读出器，其中所述天线被定制为使得RFID读出器能够与装置通讯的最大距离位于1厘米至2米的范围内。
在一些情况下，呈RFID标签形式的装置包括集成电路和天线，其中天线包括金属导电性网格微图案，所述金属导电性网格微图案具有位于约30纳米至约1微米范围内的金属厚度、位于1至5微米范围内的迹线宽度、位于95％至98％范围内的开口面积比率、和位于1至100欧姆/平方范围内的有效薄层电阻。此外，如在本文别处所述的卡可包括上述标签，所述卡任选为透明的。另外，RFID系统可包括上述标签、以及以860MHz和960MHz之间的一个或多个频率工作在0.2瓦特至5瓦特辐射功率下的读出器，其中所述天线被定制为使得RFID读出器能够与装置通讯的最大距离位于1厘米至2米的范围内。
实例
利用本文论述的高透明性微图案化导体来制备若干RFID天线装置，并进行测试。
实例1和比较例1
对于实例1而言，利用高透明性微图案化导体来制备图3中所示类型的透明缝隙天线。导电区域的外边界为15cm×15cm。导电区域(即处于天线的中心的非导电缝隙区域312a)的内边界为5cm×0.5cm。图案化导体由沉积在透明的聚(对苯二甲酸乙二醇酯)(PET，产品代码ST504，125微米厚，可得自特拉华州威尔明顿(Wilmington，Delaware)的E.I.DuPont de Nemours and Company)上的银金属薄膜制成，并且根据PCT公开WO 2009/154812(Frey等人)中所述的微接触印刷方法进行图案化。微图案的设计(即，网格几何形状)采用随机成形的单元，所述微图案的设计的显微照片(在透射中拍摄)示于图8中。平均单元尺寸(横向尺寸或间距)为约200微米。所有迹线的迹线宽度为约1.5微米。银金属的厚度为约100纳米。导电区域的开口面积比率为约98.5％。导电区域的薄层电阻经测量为约30欧姆/平方至40欧姆/平方。利用导电性粘合剂将两个铜带接片粘附到中心缝隙每一侧的导电区域，如图3所示。获得同轴电缆并且在一端进行切割以暴露信号和接地导体，并且使用焊料将这些导体附接到铜接片。
作为基准(比较例1)，使用背胶连续(未进行微图案化)的铜片来制备类似尺寸的不透明天线结构。切割铜片以形成15cm×15cm尺寸的正方形。从正方形的中心切割出5cm×0.5cm尺寸的缝隙以产生图3所示的天线形状。将此背胶铜片安装到15cm×15cm的发泡芯板上。发泡芯为铜片提供刚性背衬，但不妨碍其电磁特性。获得同轴电缆并且将其按照与实例1的天线相同的方式并且通过其信号和接地导体附接到缝隙相对侧的铜导体上。
通过分析电传输特性来评价实例1和比较例1的天线。通过参考Friis公式来最佳地阐释测量技术原理：
P r = ( | F | 2 4 π r 2 ) e t D t P t [ 1 - | Γ t | 2 ] [ 1 - | Γ r | 2 ] p [ λ 2 4 π e r D r ]
其中：
Dt，Dr＝天线方向
er，et＝天线效率(取决于材料)
F＝E实际/E自由空间
Γt，Γr＝天线反射系数
p＝偏振失配损耗
Pt＝发送功率
Pr＝接收功率
r＝天线之间的距离
存在多个决定接收功率的因素。然而，在此测量过程中，由于实例1和比较例1的天线被设计为具有相同的整体几何形状，因此假定除取决于材料参数的效率之外的所有变量均可保持恒定。
将测试中的天线(实例1或比较例1)连接到网络分析器的端口1，并且将标准的2.45GHz贴片天线连接到分析器的端口2。测试中的天线和贴片天线之间的距离保持为恒定的32cm。所得的测量天线的传输值如下：实例1的天线，-31.5dB；比较例1的天线，-28.8dB；仅电缆(从实例1的天线断开)，-50dB。较大的正值(较小的负值)表明较高的传输性。我们并未优化天线阻抗，因此，绝对数不如实例1和比较例1的天线之间的测量值的差重要。性能下降约3dB表明在2.45GHz下，实例1的透明微图案化导体的效率为比较例1的不透明铜片的效率的约一半。执行仅电缆的测量以确认铜接片和电缆充当不良天线，从而证明实例1的天线的测得传输性归因于微图案化导体而非电缆/铜接片。
实例2-45
利用高透明性微图案化导体来制备RFID天线。使用多种天线设计，包括适于在13.56MHz下使用的天线和适于在915MHz下使用的天线。另外使用不同的微图案化导体，所述差异包括迹线宽度、迹线间距、迹线厚度、和开口面积比率的差异。对于每个RFID天线而言，利用数字万用表(Fluke 73III Multimeter，得自美国的FlukeCorporation)来测量天线的DC电阻，并且随后将RFID集成电路连接到天线。然后利用常规的RFID读出器来评价如此制备的RFID装置，以确定在将RFID装置直接紧靠RFID读出器设置时是否可观察到信号。如果观察到信号，则随后逐渐地增加RFID读出器和RFID装置之间的距离直至不再观察到信号，记录该距离以作为上文结合图1论述的值Dmax。
天线制备方法
通过图案化聚合物膜基底上的银薄膜沉积物来制备各个天线，此过程基于2009年6月25日提交的名称为“Methods of Wet Etchinga Self-assembled Monolayer Patterned Substrate and Metal PatternedArticles”(湿法蚀刻自组装单层图案化基底和金属图案化制品的方法)的美国专利申请序列No.61/220407(代理人案卷号65462US002)中所述的方法。所述方法包括将银的薄层沉积到125微米厚的聚(对苯二甲酸乙二醇酯)(PET)聚合物膜基底(ST504，可得自特拉华州威尔明顿(Wilmington，Delaware)的E.I.DuPont de Nemours andCompany)上。使用不同的方法来沉积不同厚度的银层。对于源于30、300、500、700、或1000纳米厚度的银层的天线而言，首先蒸镀具有0.5纳米的平均厚度的钛的粘附促进层，随后通过电子束蒸镀将银沉积到PET基底上。对于源于60或100纳米厚度的银层的天线而言，通过溅射将银沉积到PET基底上。通过微接触印刷来将十八烷基硫醇自组装单层的图案沉积到银表面上，并且随后从未印刷区域选择性地蚀刻银层，这两个过程均基于2009年6月25日提交的名称为“Methods of Wet Etching a Self-assembled Monolayer PatternedSubstrate and Metal Patterned Articles”(湿法蚀刻自组装单层图案化基底和金属图案化制品的方法)的美国专利申请序列No.61/220407(代理人案卷号65462US002)中所述的方法。
RFID标签组装方法
对于每个RFID标签，将集成电路晶片粘合到按照上文所述制备的天线。对于下文列出的各个UHF标签(即，实例6至45)而言，晶片为得自加利福尼亚州圣荷西(San Jose，CA)的NXPSemiconductors的NXP G2XM UHF RFID晶片。将此G2XM晶片安装到聚合物基底上的金属引线框架，所述聚合物基底符合用于RFID载体带的JEDEC MO-283-B标准轮廓(参考网址http://www.jedec.org/committees/jc-65)。MO-283-B载体带的大末端垫被设计用于连接到天线上的对应垫。在自动化电路组装操作中，MO-283-B载体带被设计为以连续卷形式进行使用。对于针对此研究制备的样品而言，从较大的供应卷中切割出各个载体，其中每个载体均包括附接到聚合物载体上的金属引线框架的单个G2XM晶片。
对于这些样品而言，MO-283-B载体的金属垫利用各向异性导电胶(ACP)粘合剂电连接到和物理连接到天线结构上的对应附接垫。ACP为Loctite
Figure BPA00001735172100251
3447 Snap Cure各向异性导电粘合剂胶，其得自爱尔兰都柏林(Dublin，Ireland)的Henkel Loctite，Research Development，&Engineering，Tallaght Business Park.ACP粘合剂包括热固化性单组分环氧树脂载体，所述热固化性单组分环氧树脂载体具有分布在整个环氧树脂体积中的0.005mm直径的镍球体。镍球体的密度为足够低的，以使得在环氧树脂固化时，可通过压缩膜的竖直维度(“Z轴”)来实现连接。粒子的面密度为足够低的，以使得在压缩的ACP粘合剂层中不存在显著的侧向(x-y)导电性。
为了将MO-283-B载体粘结到UHF天线，使用下述方法。
(粘结步骤1)将ACP粘合剂涂覆到天线上的附接垫。此过程所需的胶的总量为附接垫的大约面尺寸(3mm×3mm)×大约0.025mm的层厚或0.225mm3(0.225×10-3毫升)。在实施过程中，难以手工地分配较小体积；过量的ACP粘合剂往往会在粘结过程中挤压到垫边缘的周围。
(粘结步骤2)将MO-283-B载体设置在未固化粘合剂上，其中大金属附接垫对准天线附接垫。未固化粘合剂的表面张力将MO-283-B载体临时性地保持为对准的。
(粘结步骤3)在MO-283-B载体对准天线附接垫并且通过未固化环氧树脂进行粘着的情况下，将处理中的标签移动到MühlbauerTTS300人工粘结机(得自德国罗丁(Roding，Germany)的MühlbauerAG High Tech International)的粘结台。
(粘结步骤4)TTS300被设计用于倒装芯片晶片附接方法，其中将小(*(＜2平方毫米)硅晶片粘结到电路。由于MO-283-B载体带和天线上的附接垫较大(大约3平方毫米)并且间隔较宽，因此每次将载体的一端粘结到其对应的天线附接垫。这需要对每个载体重复两次此粘结过程，每次用于一个末端。在两次操作中将载体粘结到天线的另一个原因是为了避免将任何压力和热施加到载体中央的硅晶片上。硅晶片易受物理损坏的影响，并且由热电极强加的应力可使其断裂或失效。另外，硅晶片将往往会保持热电极为分开的，由此防止它们将压力施加到载体带末端处的附接垫。
(粘结步骤5)TTS300人工粘结机被设计用于施加压力和热的程控值以电连接和固化ACP粘合剂。两个热电极(一个在上面，一个在下面)抓紧连接垫和ACP粘合剂。热电极施加压力以接合镍粒子，由此在两个金属表面之间形成电连接。从热电极流入粘结区域的热量固化环氧树脂基质并且在适当位置密封该连接。
(粘结步骤6)释放热电极并且从人工粘结机中移出成品样品。
由粘合剂制造商(Henkel Loctite)指定用于将凸块硅晶片粘结到RFID天线的粘结条件为100克(0.98牛顿)力/凸块(凸块尺寸通常为0.080mm的正方形或圆形)、在粘结线位置处于170℃至190℃的温度下、在3至5秒内首次施加压力和热。根据金属连接垫和基底中的热耗散，热电极将通常需要提供190℃至210℃以在指定的时限内达到指定的粘结线温度。
用于MO-283-B组件的附接垫为大约3mm的正方形，因此热电极在接近8牛顿力的上限状态下进行工作。在这些条件下，每单位面积的力足以通过ACP粘合剂的导电性粒子将载体带的附接垫电连接到天线的附接垫。
对于下文列出的每个HF标签(即，实例2至5)，RFID集成电路晶片为聚合物引线框架的金属上的NXP I-Code SLI。引线框架类似于JEDEC MO-283-B中的材料和构造。HF晶粒引线框架在形状因子方面有所不同。在这种情况下，金属形状为大约15mm长。晶片在中心处连接到大约1mm宽的迹线。迹线在其末端端接在3mm的正方形垫中，其中实际效果看上去类似于狗骨。
除了聚合物载体上的金属具有不同的形状因子之外，用于引线框架上的HF晶片的粘结方法类似于用于MO-283-B载体上的G2XMUHF晶片的粘结方法。
RFID标签评价方法
根据可读出RFID标签的距离并利用指定条件来评价RFID标签。
对于HF标签(实例2至5)，利用Texas InstrumentsTRF7960EVM读出器(德克萨斯州达拉斯(Dallas，TX)的TexasInstruments；得自明尼苏达州锡夫里弗福尔斯(Thief River Falls，MN)的TRF7960EVM)来检查RFID功能，所述Texas InstrumentsTRF7960EVM读出器采用以模块提供的嵌入式读出器天线。
将TRF7960EVM连接到实验室计算机的USB端子。USB端子将电能提供给模块，并且利用TRF7960EVM提供的程序与其进行通讯。TRF7960EVM具有在读出器检测RFID标签响应时照亮的板载LED显示器。在此标称工作模式下，TRF7960EVM在13.56MHz下以200毫瓦的所发射RF功率工作在RFIDISM带中。
为了测试根据本说明书制备的标签，将TRF7960EVM插入实验室计算机的USB端口内。利用已知良好的RFID标签来测试读出器操作，以验证“标签响应”LED指示器正在工作，并且验证用于50mm正方形HF天线设计的近似读出范围。测试中的标签的读出范围为能够被读出器检测到来自标签的RFID响应的最大距离，即，上文论述的参数Dmax。此距离是从标签的中心到读出器天线的中心测得的，其中读出器天线的面向量(垂直于天线平面的向量)平行于标签天线的面向量并且与标签天线的面向量同轴。全部HF标签读出范围的测量是利用位于自由空间中的TRF7960EVM天线上方的标签来进行的。将TRF7960EVM布置在非导电矿物复合材料实验室工作台上。
在TRF7960EVM经确认正在发挥功能之后，测试根据本说明书制备的样品(实例2至5)。如下表1的结果的所示，其中Dmax列中的条目“NR”是指甚至在RFID装置直接紧靠读出器布置时RFID读出器仍“无响应”，HF网格天线设计未显示出对TRF7960EVMRFID读出器的任何响应。
为了测试UHF标签(实例6至45)，使用SAMSys MP93202.8“EPC”读出器和Cushcraft 9028PC天线(安大略省多伦多(Toronto，Ontario)的SAMSys Techologies(现为Sirit的部分)；新罕布什尔州曼彻斯特(Manchester，NH)的Cushcraft Corporation)。MP 9320读出器设为1瓦特的标称输出RF功率。MP 9320在检测到位于其天线范围内并且响应其RFID信号的RFID标签时产生可听声。MP 9320读出器在由美国FCC指定用于UHF RFID系统的902-928MHz UHF频带中以跳频模式进行工作。
存在指定用于RFID系统操作的若干UHF频带，值得注意的是在欧盟国家为868MHz并且在日本为956MHz。世界上的多个国家使用若干其它UHF频带。如同频率一样，各个辖区所允许的工作功率极限具有很大的差别。就这些实例而言，使用工作频带和最大功率的美国规范来测量标签响应。
按照类似于HF标签的方式来测试UHF标签(实例6至45)。标签为对准的，以使得标签天线和读出器天线的面向量为平行和同轴的。如果当标签直接紧靠RFID读出器布置时观察到信号，则随后将标签沿着读出器天线的中心线向远离读出器天线的方向进行移动。读出范围(即，Dmax)被确定为读出器仍能检测到RFID标签的位于读出器天线和标签天线的中心之间的最大距离。Dmax的测量过程是在吸波室(即，专门被设计用于在低RF噪音和低RF反射的条件下来进行敏感RF测量的室)中执行的。
HF天线设计
测试工作在HF范围内的三个不同天线设计。这三个设计的相关几何形状示于图4a、4b、和4c中。图4a的设计(实例2)的尺寸被设计为具有约51.3mm的整体水平和竖直尺寸。图4b的设计(实例3)的尺寸被设计为分别具有约76.27mm和22.65mm的整体水平(长轴)和竖直(短轴)尺寸。图4c的设计(实例4和5)的尺寸被设计为分别具有约25.57mm和6.73mm的整体水平(长轴，仅环几何形状；即，不包括垫434a)和竖直(短轴)尺寸。在每种情况下，相应的微图案化导体(在下文中进一步论述)在设计的导电区域(如，图4a的区域414、414a、和414b)中为不间断的，但在设计的非导电区域(如，图4a的区域412a、412b、和螺旋形非导电区域)中为间断的。
UHF天线设计
测试工作在UHF范围内的两个不同天线设计。这两个设计的相关几何形状示于图4d和4e中。图4d的设计(实例6至25)的尺寸被设计为分别具有约8.02mm和94.66mm的整体水平(短轴)和竖直(长轴)尺寸。图4e的尺寸(实例26至45)被设计为分别具有约4.02mm和128.88mm的整体水平(短轴，仅导电性网格区域；即，不包括垫454a和454b)和竖直(短轴)尺寸。在每种情况下，相应的微图案化导体(在下文进一步论述)在设计的导电区域(如，图4d的区域444、444a、444b)中为不间断的，但在设计的非导电区域(如，图4d的区域442a)中为间断的。
微图案化导体
处理上述银金属层以形成设置成规则的正方形重复图案的迹线。对于实例2、3、和6至45的天线而言，迹线沿竖直面内轴线的间距(即，正方形基本单元的侧边长度的标称尺寸)为200微米。对于实例4的天线(图4c)而言，迹线沿两个正交面内轴线的间距为50微米。对于实例5的天线(也如图4c所示)而言，迹线沿两个正交面内轴线的间距为50微米。如下表1所示，对于一些实施例使用2微米的迹线宽度，并且对于其他实施例使用5微米的迹线宽度，由此产生列于表中的开口面积比率。在每个天线中旨在导电的区域内，即，在形成相应天线的部分内，正方形重复图案为不间断的(参见例如图6a)。对于其中将2微米的迹线设置成具有200微米间距的正方形网格(98％的开口面积比率)的上述银网格导体图案而言，30nm、60nm、l00nm、300nm、500nm、和700nm的靶金属厚度的有效薄层电阻经测量分别位于80至150、10至13、10至13、5至6、3至6、和3至5欧姆/平方的范围内。对于其中将5微米的迹线设置成具有200微米间距的正方形网格(95％的开口面积比率)的上述银网格导体图案而言，30nm、60nm、100nm、300nm、500nm、和700nm的靶金属厚度的有效薄层电阻经测量分别位于40至60、5至7、5至7、2.5至5、1.5至2.5、和1至2欧姆/平方的范围内。在旨在不导电的部分中，使用规则的间断以使得迹线为完全不导电的(参加例如图6b)。例如，对于实例2、3、和6-45的天线而言，每个单元正方形设置八个间断，如图6b所示，每个间断的长度为6微米。使用各种银金属厚度，所述厚度也列于表1中。
表1
Figure BPA00001735172100301
实例 天线设计 迹线宽度(微米) 开口面积(％) 金属厚度(nm) Dmax(cm) 电阻(Ω)
21 图4d 5 95 100 34 96
22 图4d 5 95 100 43 89
23 图4d 5 95 300 70 49
24 图4d 5 95 500 91 35
25 图4d 5 95 1000 190 38
26 图4e 2 98 30 NR 3.58k、4.87k
27 图4e 2 98 60 22 339
28 图4e 2 98 60 17 402
29 图4e 2 98 60 27 419
30 图4e 2 98 100 14 431
31 图4e 2 98 100 8 435
32 图4e 2 98 100 19 396
33 图4e 2 98 300 27 229
34 图4e 2 98 500 41 166
35 图4e 2 98 500 37 205
36 图4e 5 95 30 NR 2k、1.5k
37 图4e 5 95 60 29 197
38 图4e 5 95 60 38 250
39 图4e 5 95 60 25 205
40 图4e 5 95 100 38 191
41 图4e 5 95 100 42 192
42 图4e 5 95 100 27 175
43 图4e 5 95 300 74 90
44 图4e 5 95 500 107 63
45 图4e 5 95 700 190 42
通过细看表可显而易见的是，在13.56MHz的HF频率下工作的任何RFID装置均未观察到响应。另一方面，发现被设计为在915MHz的UHF频率下工作的多个RFID装置能够成功地工作。这些后面的装置的功能指示出相关材料和设计在UHF频带中的其它频率(从860MHz延伸至960MHz)下工作的适合性。
除非另外指明，否则本说明书和权利要求书中用来表示数量、特性量度等的所有数值都应当理解为由术语“约”修饰。因此，除非有相反的指示，否则本说明书和权利要求书中列出的数值参数均为近似值，这些近似值可根据本领域内的技术人员利用本专利申请的教导内容想要获得的所需特性而改变。每个数值参数并不旨在将等同原则的应用限制在权利要求书范围内，至少应该根据所记录的有效数位的数目和通过应用惯常的四舍五入法来解释每个数值参数。虽然本发明的大致范围中列出的数值范围和参数是近似值，但就任何数值均在本文所述具体实例中列出来说，其记录尽可能地精确并合理。然而，任何数值可以包含与测试或测量限制相关的误差。
在不脱离本发明的精神和范围的前提下，对本发明的各种修改和更改对于本领域内的技术人员将显而易见，而且应当理解，本发明不限于本文所列出的示例性实施例。例如，除非另外指明，否则读者应当假设，所公开的一项实施例的特征也可应用于所公开的所有其他实施例。还应当理解，本文引用的所有美国专利、专利申请公开案和其他专利和非专利文档均在不与上述公开内容相抵触的情况下以引用方式并入。

Claims (24)

1.一种适用于RFID装置中的天线，包括：
绝缘基底；和
设置在所述基底上或所述基底中的第一导电性微图案，所述第一导电性微图案限定邻接的网格导体；
其中所述第一导电性微图案形成至少响应915MHz的频率的天线；
其中所述第一导电性微图案包括互连迹线，所述互连迹线具有位于0.5微米至20微米范围内的迹线宽度；并且
其中所述第一导电性微图案的特征在于具有至少80％的开口面积比率。
2.根据权利要求1所述的天线，其中所述开口面积比率为至少90％。
3.根据前述权利要求中任一项所述的天线，其中所述开口面积比率位于95％至98％的范围内。
4.根据前述权利要求中任一项所述的天线，其中所述第一导电性微图案由包括金属的不透明材料构成。
5.根据权利要求4所述的天线，其中所述金属选自银、金、钯、铂、铝、铜、镍、锡、合金、以及它们的组合。
6.根据前述权利要求中任一项所述的天线，其中所述第一导电性微图案具有小于2微米的厚度。
7.根据前述权利要求中任一项所述的天线，其中所述第一导电性微图案具有小于1微米的厚度。
8.根据前述权利要求中任一项所述的天线，其中所述第一导电性微图案具有位于30纳米至1微米范围内的厚度。
9.根据前述权利要求中任一项所述的天线，其中所述迹线宽度位于1至10微米的范围内。
10.根据前述权利要求中任一项所述的天线，其中所述迹线宽度位于1至5微米的范围内。
11.根据前述权利要求中任一项所述的天线，其中所述迹线宽度位于1.5至4微米的范围内。
12.根据前述权利要求中任一项所述的天线，其中所述第一导电性微图案的特征在于0.1至200欧姆/平方范围内的有效薄层电阻。
13.根据前述权利要求中任一项所述的天线，其中所述第一导电性微图案的特征在于1至100欧姆/平方范围内的有效薄层电阻。
14.根据前述权利要求中任一项所述的天线，其中所述绝缘基底为透明的。
15.根据前述权利要求中任一项所述的天线，其中所述天线具有大于50％、70％、或90％的可见光透射值。
16.一种RFID装置，包括：
根据前述权利要求中任一项所述的天线；以及
被构造为利用所述天线发射和接收信号的集成电路。
17.根据权利要求16所述的装置，其中所述天线被定制为产生以902-928MHz跳频模式工作在1瓦特辐射功率下的RFID读出器能够与所述装置通讯的最大距离，所述最大距离位于1厘米至2米、或1.5厘米至1米、或2至50厘米、或2.5至30厘米的范围内。
18.一种系统，包括与第一RFID读出器相结合的根据权利要求17所述的装置，所述第一RFID读出器以860MHz和960MHz之间的一个或多个频率在0.2瓦特至5瓦特的辐射功率下工作，其中所述第一RFID读出器能够与所述装置通讯的最大距离位于1厘米至2米、或1.5厘米至1米、或2至50厘米、或2.5至30厘米的范围内。
19.一种卡，包括：
卡层；
由所述卡层承载的天线；以及
被构造为利用所述天线发射和接收信号的集成电路；
其中所述天线包括限定邻接的网格导体的导电性微图案，所述导电性微图案形成至少响应915MHz的频率的天线，所述导电性微图案包括具有位于0.5微米至20微米范围内的迹线宽度的互连迹线，并且所述导电性微图案的特征在于至少80％的开口面积比率。
20.根据权利要求19所述的卡，其中所述卡层对于可见光波长而言为透光的。
21.根据权利要求19或20中任一项所述的卡，其中所述开口面积比率处于95％至98％的范围内。
22.根据权利要求19-21中任一项所述的卡，其中所述第一导电性微图案由包括下述金属的不透明材料构成，所述金属选自银、金、钯、铂、铝、铜、镍、锡、合金、以及它们的组合。
23.根据权利要求19-22中任一项所述的卡，其中所述第一导电性微图案具有位于30纳米至1微米范围内的厚度。
24.根据权利要求19-23中任一项所述的卡，其中所述迹线宽度位于2微米至5微米的范围内。
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