一种内嵌芯片式RFID标签及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种RFID标签及其制备方法,具体为一种内嵌芯片式RFID标签及其制备方法。
背景技术
射频识别即RFID(Radio Frequency IDentification)技术,又称电子标签、无线射频识别,是一种通信技术,可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据,而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。
RFID标签的通信距离和范围是性能的主要体现方式,同时由于使用环境所需,标签的耐用性也是非常重要;美国专利US2011253793公开了一种可用于极端环境下的陶瓷标签及组装方式,以金属外壳作为第二天线,与内部陶瓷天线耦合连接,但是其通信范围依然较小。为了提高效率、便于使用,亟需一种通信范围广,耐用性、耐环境性好的RFID标签。
发明内容
为解决上述问题,本发明提供了一种内嵌芯片式RFID标签及其制备方法。
一种内嵌芯片式RFID标签,包括:第一金属外壳;间隔绝缘体,设置在所述第一金属外壳上;第二金属外壳,设置在所述间隔绝缘体上;第一电气连接部件,所述第一金属外壳、第二金属外壳通过第一电气连接部件形成电气连接;第二电气连接部件,所述RFID芯片通过两个所述第二电气连接部件与所述第一金属外壳、第二金属外壳形成电气连接;其中,所述第一金属外壳和所述第二金属外壳通过所述间隔绝缘体间隔开。
所述第一电气连接部件、第二电气连接部件为金属片。
所述第一电气连接部件与所述第一金属外壳或第二金属外壳为一体化结构。
所述第一金属外壳、第二金属外壳为铝合金或不锈钢。
所述第一金属外壳焊接或粘贴在物体上。
在所述第一金属外壳的底部开设有通孔,用于采用钢绳、扎带或螺钉紧固安装在物体上。
所述间隔绝缘体包括绝缘垫片和填充物,所述第一电气连接部件、第二电气连接部件以及RFID芯片夹在所述绝缘垫片和填充物之间。
所述绝缘垫片的材质选自丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料、聚碳酸酯或尼龙。
所述填充物的材质选自陶瓷、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料、聚碳酸酯塑料、聚对苯二甲酸类塑料、聚四氟乙烯、硅胶或空气。
所述第一金属外壳、第二金属外壳均为一端封闭、另一端开口的圆筒,所述绝缘垫片由圆环状的垫片本体和围绕垫片本体的圆周形成的圆环状突起组成,所述圆环状突起夹在两个金属外壳相邻近的端面之间,所述填充物位于绝缘垫片中心的空腔内。
所述第二电气连接部件卡装在所述垫片本体的内壁上,所述第二电气连接部件为金属片冲压形成,具有一竖直部、和竖直部连接的水平部以及与水平部连接的倾斜部,两个第二电气连接部件的竖直部分别和RFID芯片的两个引脚焊接固定。
所述第一金属外壳为一端封闭、另一端开口的圆筒,第二金属外壳呈圆形,所述绝缘垫片为圆环形,绝缘垫片的高度等于第一金属外壳圆筒空腔的深度,所述填充物为圆柱体,位于绝缘垫片中心的空腔内,所述填充物的直径与绝缘垫片的内径相同,所述填充物的高度与第二金属外壳的高度之和与绝缘垫片空腔的深度相同,所述第一金属外壳内圆半径与第二金属外壳半径之差与绝缘垫片侧壁的厚度相同。
所述第一金属外壳为圆形,第二金属外壳为一端封闭、另一端开口的圆筒,第一金属外壳的直径与第二金属外壳的外径相等,所述绝缘垫片为具有凸台的圆环,其下部直径大于上部直径,绝缘垫片上部的外径与第二金属外壳的内径相等,下部外径与第二金属外壳的外径相等。
在所述第一金属外壳、第二金属外壳的内壁上形成有倒刺。
一种内嵌芯片式RFID标签的制备方法,包括如下步骤:
a)将RFID芯片与两个第二电气连接部件相固定;
b)将第一电气连接部件、间隔绝缘体以及经步骤a)装配后的RFID芯片压装于第一金属外壳的表面,并使第一电气连接部件和第二电气连接部件与第一金属外壳相接触;
c)将第二金属外壳与经步骤b)组装完成的第一金属外壳进行压配,并使第一电气连接部件、第二电气连接部件分别与第二金属外壳相接触。
所述的内嵌芯片式RFID标签的制备方法,其中,步骤a)包括:冲压金属片形成两个第二电气连接部件,将RFID芯片的两个引脚与两个第二电气连接部件焊接;冲压金属片形成第一电气连接部件;
步骤b)包括:将所述第一电气连接部件以及装配后的第二电气连接部件、RFID芯片与绝缘垫片、填充物装配,使第一电气连接部件、第二电气连接部件、RFID芯片卡装在绝缘垫片与填充物之间;
步骤c)包括:将经步骤b)装配后的填充物和绝缘垫片压装于第一金属外壳上,并使填充物与绝缘垫片之间的第一电气连接部件和第二电气连接部件分别与第一金属外壳相接触;将第二金属外壳与组装完成的第一金属外壳进行压配,并使第一电气连接部件和第二电气连接部件分别与第二金属外壳相接触。
本发明所提供的内嵌芯片式RFID标签,直接利用金属外壳作为标签的天线,不仅提高了标签的读取性能,还大幅度提高了其耐冲击及耐环境性能;同时,在第一金属外壳和第二金属外壳之间填充间隔绝缘体,使两个作为天线的金属外壳并未直接接触,可以起到接受电磁波能量以及辐射电磁波能量的作用;本发明的天线较现有的天线更有效的利用了内部空间,增强了天线的辐射和接受能力,并大幅度提高了产品频率带宽。
附图说明
图1为本发明实施例1内嵌芯片式RFID标签的剖视图;
图2为本发明实施例1内嵌芯片式RFID标签的俯视图;
图3为本发明实施例1内嵌芯片式RFID标签的侧视图;
图4为本发明实施例1内嵌芯片式RFID标签第一金属外壳的剖视图;
图5为本发明实施例1内嵌芯片式RFID标签绝缘垫片的剖视图;
图6为本发明实施例1内嵌芯片式RFID标签倒刺的放大剖视图;
图7为本发明实施例2内嵌芯片式RFID标签的剖视图;
图8为本发明实施例2内嵌芯片式RFID标签的绝缘垫片与两个金属弹片装配后的剖视图;
图9为本发明实施例3内嵌芯片式RFID标签的剖视图;
图10为本发明实施例1内嵌芯片式RFID标签的制备方法的示意图;
图11为本发明实施例1内嵌芯片式RFID标签和天线的谐振频率特性图;
图12为本发明实施例1内嵌芯片式RFID标签的辐射方向变化图;
图13为本发明实施例2内嵌芯片式RFID标签和天线的谐振频率特性图;
图14为本发明实施例2内嵌芯片式RFID标签的辐射方向变化图;
图15为本发明实施例3内嵌芯片式RFID标签和天线的谐振频率变化图;
图16为本发明实施例3内嵌芯片式RFID标签的辐射方向变化图。
其中,附图标记说明如下:
1、第一金属外壳 2、绝缘垫片
3、第一金属弹片 4、第二金属弹片
5、绝缘陶瓷 6、第二金属外壳
7、倒刺 11、底座
12、本体 13、通孔
14、长方形通孔 21、垫片本体
22、圆环状突起 23、Ⅰ号槽
31、竖直部 32、水平部
33、倾斜部 41、第三金属弹片
42、RFID芯片 51、Ⅱ号槽
52、Ⅲ号槽。
具体实施方式
下面,对本发明内嵌芯片式RFID标签做进一步说明。
本发明一种内嵌芯片式RFID标签,包括:第一金属外壳;间隔绝缘体,设置在所述第一金属外壳上;第二金属外壳,设置在所述间隔绝缘体上;第一电气连接部件,所述第一金属外壳、第二金属外壳通过第一电气连接部件形成电气连接;第二电气连接部件,所述RFID芯片通过两个所述第二电气连接部件与所述第一金属外壳、第二金属外壳形成电气连接;其中,所述第一金属外壳和所述第二金属外壳通过所述间隔绝缘体间隔开。
本发明所提供的内嵌芯片式RFID标签在第一金属外壳和第二金属外壳之间填充间隔绝缘体,使两个作为天线的金属外壳并未直接接触,可以起到接受电磁波能量以及辐射电磁波能量的作用,本发明的天线较现有的天线更有效的利用了内部空间,增强了天线的辐射和接受能力,并大幅度提高了产品频率带宽。
本发明所提供的内嵌芯片式RFID标签,其芯片在金属外壳内部通过金属弹片直接馈电,从天线上获取能量并激活标签芯片开始工作;在RFID芯片的相对位置采用第一电气连接部件短路连接第一金属外壳和第二金属外壳,起到调整标签天线谐振频率以及天线阻抗的作用;在RFID天线设计中,天线的阻抗需要跟芯片的阻抗形成共轭匹配的关系,以此达到能量从天线到芯片的最大传输,本发明中电气连接部件的短路加载起到协调天线阻抗与芯片匹配的作用,并且可形成宽带匹配以此增加产品的带宽范围。
本发明所提供的内嵌芯片式RFID标签,直接利用金属外壳作为标签的天线,不仅提高了标签的读取性能,还大幅度提高了其耐冲击及耐环境性能。
本发明所述的内嵌芯片式RFID标签,可应用工作于各种物质表面,如:金属、塑料、玻璃、液体瓶罐等表面;可工作于极限温度环境,如零下40摄氏度及350摄氏度;可抗高强度冲击和振动;可耐高强度压力及耐腐蚀,比如深海,深水等环境中;并拥有超宽频率带宽,可工作于全球超高频RFID频段。
以下,结合附图及实施例对本发明内嵌芯片式RFID标签的具体结构及制备方法做具体说明:
实施例1
如图1至3所示,本发明内嵌芯片式RFID标签由第一金属外壳1、绝缘垫片2、第一金属弹片3、第二金属弹片4、绝缘陶瓷5和第二金属外壳6组成,其中,绝缘垫片2、第一金属弹片3、第二金属弹片4、绝缘陶瓷5位于第一金属外壳1和第二金属外壳6所形成的空腔内。
如图2至4所示,第一金属外壳1包括底座11和本体12,底座11为不规则的长方体,其两个宽度部分呈圆弧状,本体12呈圆筒状,形成于底座11的中部,其外径与底座11的宽度相同;在底座11上、本体12的两侧还对称的开设有两个通孔13,可用螺钉通过通孔13将第一金属外壳1固定在物体上,其中,底座11和本体12为一体化结构。
如图5所示,绝缘垫片2包括圆环状的垫片本体21和围绕垫片本体21的圆周形成的圆环状突起22,圆环状突起22的高度小于垫片本体21的高度,且位于垫片本体21高度方向的中心部位,垫片本体21和圆环状突起22为一体化结构,材质为耐高温的聚四氟乙烯,在垫片本体21的上、下表面沿直径方向对称的开设有四个Ⅰ号槽23;其中,圆环状突起22底部与垫片本体21底部之间的距离与第一金属外壳本体12的高度或深度相等,垫片本体21的外径与第一金属外壳本体12的内径相等,圆环状突起22的外径与第一金属外壳本体12的外径相等。
如图10所示,第一金属弹片3为条形的金属片冲压形成的框,具有一竖直部31、分别和竖直部31两端连接的两个水平部32以及分别与两水平部32连接的两倾斜部33,两倾斜部33的两个端部相互靠近形成一开口。
第二金属弹片4由两个第三金属弹片41和RFID芯片42组成,第二金属弹片4与第一金属弹片3的形状、尺寸相同,RFID芯片42的两个引脚(RF,GND)分别与两个第三金属弹片41焊接,RFID芯片42位于第二金属弹片4竖直部的中段,两个第三金属弹片41不直接形成电气连接,两个第三金属弹片41还连接在一个塑料卡片(图中未显示)上,使得第二金属弹片4的结构更加牢固,前述尺寸指的是高度、宽度、长度、角度等用以描述框的物理量。
如图1、10所示,绝缘垫片2位于第一金属外壳1本体12的空腔内,第一金属弹片3和第二金属弹片4分别嵌套在绝缘垫片2垫片本体21的侧壁上,四个水平部落于四个Ⅰ号槽23中,使第一金属弹片3和第二金属弹片4与垫片本体21的上、下表面分别保持平齐或低于垫片本体21的上、下表面,两个竖直部紧贴绝缘垫片2的内壁,RFID芯片42位于绝缘垫片2的内侧,圆环状突起22从第一金属弹片3、第二金属弹片4的开口伸出后位于本体12的上部;在绝缘垫片2的中心空腔内填充有圆柱形绝缘陶瓷5,在绝缘陶瓷5的侧壁上分别开设有与第一金属弹片3、第二金属弹片4的竖直部相匹配的Ⅱ号槽51、Ⅲ号槽52。
第二金属外壳6为一端封闭、另一端开口的圆筒,其内、外径与本体12相同,第二金属外壳6开口朝下覆盖于绝缘垫片2的上方,其开口的圆周与圆环状突起22相接触。
如图1、6所示,在第一金属外壳1、第二金属外壳6的内壁上分别设置有倒刺7,倒刺7的竖截面为一倒置的直角三角形,其竖直边与第一金属外壳1、第二金属外壳6的内壁相连续,水平边与第一金属弹片3和第二金属弹片4形成卡扣结构,能有效的防止金属外壳的脱落,同时使得第一金属弹片3、第二金属弹片4分别与第一金属外壳1、第二金属外壳6紧密配合从而形成良好的电气连接通路,倒刺7与金属外壳为一体化结构。
实施例2
如图7所示,一种内嵌芯片式RFID标签,由第一金属外壳1、绝缘垫片2、第一金属弹片3、第二金属弹片4、绝缘陶瓷5和第二金属外壳6组成,其中,绝缘垫片2、第一金属弹片3、第二金属弹片4、绝缘陶瓷5位于第一金属外壳1和第二金属外壳6所形成的空腔内。
第一金属外壳1为一端封闭、另一端开口的圆筒,在第一金属外壳1的底部开设有沿水平方向延伸的长方形通孔14,可采用钢绳或扎带通过长方形通孔14将本发明内嵌芯片式RFID标签固定在物体上;第二金属外壳6为圆形,其直径小于第一金属外壳1的内径。
如图8所示,绝缘垫片2为环形垫片,其高度与第一金属外壳1内部空腔的高度或深度相同,在绝缘垫片2的下表面沿直径方向对称的开设有两个沿水平方向延伸的卡槽(图中未显示),卡槽呈形。
第一金属弹片3呈“L”形,由水平部和竖直部组成,第二金属弹片4与第一金属弹片3的形状及尺寸(长度、宽度、高度)相同,第二金属弹片4由两个金属弹片分别和RFID芯片42的两个引脚焊接形成,所述两个金属弹片的形状分别为直线形和L形。
绝缘陶瓷5的形状与实施例1相同,其高度略小于绝缘垫片2的高度,绝缘陶瓷5的直径与绝缘垫片2的内径以及第二金属外壳6的直径相等,绝缘陶瓷5的高度与第二金属外壳6的高度之和等于绝缘垫片2的高度或深度。
第一金属弹片3、第二金属弹片4的水平部分别穿入绝缘垫片2底部的两个卡槽后与绝缘垫片2固定在一起,第一金属弹片3、第二金属弹片4的竖直部贴在绝缘垫片2的内壁上。
绝缘垫片2位于第一金属外壳1的空腔内,绝缘陶瓷5位于绝缘垫片2中心的空腔内,并分别与第一金属弹片3、第二金属弹片4相贴合,第二金属外壳6位于绝缘陶瓷5的上部,其侧壁与绝缘垫片2的侧壁相贴合,绝缘垫片2高于绝缘陶瓷5的部分夹在两个金属外壳之间,阻止了两个金属外壳的直接接触;第一金属弹片3、第二金属弹片4分别与第一金属外壳1、第二金属外壳6相接触,使得第一金属弹片3、第二金属弹片4与两个金属外壳形成电气连接。
实施例3
如图9所示,一种内嵌芯片式RFID标签,由第一金属外壳1、绝缘垫片2、第一金属弹片3、第二金属弹片4、绝缘陶瓷5和第二金属外壳6组成,其中,绝缘垫片2、第一金属弹片3、第二金属弹片4、绝缘陶瓷5位于第一金属外壳1和第二金属外壳6所形成的空腔内。
第一金属外壳1为圆形,第二金属外壳6为一端封闭、另一端开口的圆筒,第一金属外壳1的直径与第二金属外壳6的外径相等。
绝缘垫片2为具有凸台的圆环,其下部直径大于上部直径,绝缘垫片2上部的外径与第二金属外壳6的内径相等,下部外径与第二金属外壳6的外径相等,在绝缘垫片2的上、下表面沿直径方向对称的开设有四个沿水平方向延伸的卡槽(图中未显示),卡槽呈形。
第一金属弹片3呈“U”形,第二金属弹片4与第一金属弹片3的形状及尺寸(长度、宽度、高度)相同,第二金属弹片4由两个L形的金属弹片分别和RFID芯片42的两个引脚焊接形成。
绝缘垫片2位于第一金属外壳1上,第一金属弹片3、第二金属弹片4分别通过卡槽卡装在绝缘垫片2的内壁上,绝缘陶瓷5位于绝缘垫片2中心的空腔内,并分别与第一金属弹片3、第二金属弹片4相贴合,第二金属外壳6开口朝下覆盖在绝缘垫片2的上方,绝缘垫片2的下部夹在两个金属外壳之间,阻止了两个金属外壳的直接接触;第一金属弹片3、第二金属弹片4与两个金属外壳相接触形成电气连接。
实施例4
如图10所示,本发明实施例1内嵌芯片式RFID标签的制备方法,包括如下步骤:
a)冲压金属片形成第一金属弹片3和两个第三金属弹片41,将两个第三金属弹片41与RFID芯片42焊接,制得第二金属弹片4;
b)将第一金属弹片3、第二金属弹片4与绝缘垫片2进行装配,使得第一金属弹片3和第二金属弹片4分别嵌套在绝缘垫片2垫片本体21的侧壁上,且RFID芯片42位于绝缘垫片2的内侧;
c)将绝缘陶瓷5压入绝缘垫片2的中心孔内;
d)采用冲床将经步骤c)装配后的绝缘垫片2压入第一金属外壳1本体12的空腔内,压配时绝缘垫片2受力挤压变形与第一金属外壳1内壁的倒刺7形成紧密配合,防止了绝缘垫片2在装配完成后与第一金属外壳1的分离,同时,第一金属弹片3、第二金属弹片4因受第一金属外壳1内壁的挤压而变形,使得第一金属外壳1与第一金属弹片3、第二金属弹片4形成良好的电气连接通路;
e)将一端开口的圆筒状第二金属外壳6与经步骤d)压配完成的第一金属外壳1进行压配,在压配时绝缘垫片2的外径受第二金属外壳6内壁倒刺7的挤压变形,与内壁形成紧密配合,防止了装配完成后第二金属外壳6与绝缘垫片5的分离,同时,第一金属弹片3、第二金属弹片4因受第二金属外壳6内壁的挤压而变形,使得第二金属外壳6与第一金属弹片3、第二金属弹片4形成良好的电气连接通路。
另外,为进一步说明本发明的优势,现采用Ansoft HFSS V12作为仿真软件,分别针对实施例1、2、3进行仿真实验,所获取的参数包括标签的谐振频率变化(S11曲线,反映芯片与天线之间的阻抗匹配关系)与辐射方向图变化。
将RFID标签置于一块100mm*100mm*1mm的金属板上以模拟在金属表面时的使用环境。
如图11、12所示,实施例1对应的结构其标签谐振频率为902MHz,S11值为-26;最大增益在Theta为30°方向,最大值为-2.87dB,-90°~90°范围内平均增益大于-5dBi。
如图13、14所示,实施例2对应的结构其标签谐振频率为920MHz,S11值为-25.3;最大增益方向未改变仍在30°方向,但-90°~90°范围内平均增益约-7.5dB。
如图15、16所示,实施例3对应的结构其标签谐振频率为934MHz,S11值为-26.5;最大增益方向图未改变仍在30°方向,最大增益约-2dB,-90°~90°范围内平均增益约-3dB。
三个实施例结构的标签相同之处在于:辐射方向图形状并未有大的改变,最大增益仍然在Theta30°角方向;S11值并未出现大改变,该值反应了天线阻抗与芯片阻抗匹配程度几乎相同,即天线阻抗无明显变化。
不同之处在于:
(1).标签谐振频率改变;因结构改变导致谐振频率升高。根据频率与波长的反比关系,在拥有相同谐振频率的时候,本发明专利可以拥有最小的尺寸,说明本发明专利更利于产品小型化。
(2).天线最大增益改变;因标签天线的增益会直接影响标签的读取距离,增益越高标签的识别距离越远。比较三种仿真可知,当第一金属外壳与第二金属外壳相邻近的两个端面越靠近地面时其增益越大,读取距离也更远。而且无论是方向图的覆盖范围还是固定角度内的平均增益都有大幅提高,因此可提高标签在范围内的可识别性。
(3).结构变化;对比仿真的三种情况,其中本专利发明的实施例1结构设计上最牢固,因为其绝缘垫片夹在两个金属外壳的正中,绝缘垫片与外壳内壁的倒刺结构还可以形成有效的防脱、防滑结构。实施例1的结构在性能以及可靠性方面达到最佳比例。
纵观三个实施例,本发明做到了在电气性能和机械性能的同时兼顾,是最优化的设计。
上述实施例仅出于示例性目的,并非用以限制本发明的保护范围,其中,实施例2、3中,第一金属外壳、第二金属外壳与绝缘垫片或绝缘陶瓷的固定方式为粘贴或其它本领域常用的固定手段。
本发明中,第一金属外壳、第二金属外壳为金属材质,优选为铝合金或不锈钢。由于第一金属外壳、第二金属外壳为金属材质,因此可以提高标签的强度,对标签内部提高保护。
本发明中,第一金属外壳和第二金属外壳所围成的空腔的横截面还可以为长方形,或其他任何可以实现本发明的形状,绝缘垫片、绝缘陶瓷的形状与两个金属外壳的形状相匹配。
本发明中,第一金属外壳与物体的固定方式可以为焊接或粘贴于物体表面,或是在第一金属外壳的底部开设水平方向的孔,采用钢绳或扎带进行紧固安装,所述孔可以为圆孔或矩形孔。
本发明中,绝缘陶瓷还可以被ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料)、PC(聚碳酸酯)、PET(聚对苯二甲酸类塑料)、PTEE(聚四氟乙烯)或硅胶替换,绝缘垫片还可采用其它绝缘材料,如ABS、PC、尼龙或空气。
本发明对金属弹片的形状没有特别限定,所有可以使第一、第二金属弹片与两个金属外壳形成电气连接的形状均可适用于本发明。
根据本发明的部分实施例,由于使用弹性金属片形成电气连接,因此可以保证在外部冲击等情况下仍然保持良好接触,提高产品可靠性。
本发明中,第一金属弹片、第二金属弹片还可以为其它能使第一金属外壳、第二金属外壳形成电气连接的部件。
本发明实施例1中,金属弹片与外壳内壁上的倒刺结构形成卡扣,有效的防止了金属外壳的脱落。
除非特别限定,本发明所用术语均为本领域技术人员通常理解的含义。
本发明所描述的实施方式仅出于示例性目的,并非用以限制本发明的保护范围,本领域技术人员可在本发明的范围内作出各种其他替换、改变和改进,因而,本发明不限于上述实施方式,而仅由权利要求限定。