CN104040563A - 由持有者的人为姿势控制运行的射频通信装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非接触式便携装置，由至少以下两层组成：支持层(311)，在其第一面上包括由匝(310)平面缠绕而形成的天线(312)，各匝通过电绝缘桥(309)而彼此交叉；保护层，粘贴在该支持层的第一面上；该天线包括两个切口并包括两段和四个端部(321，322，323和324)，其中两个连接端部(321，322)用来连接芯片(314)。按照主要特征，该天线包括两个端部(323，324)，每一个通过触点(333，334)而延伸，所述端部彼此不接触并被狭窄间隙(525)隔开以使得形成串联在天线和芯片之间的电容器，当用户把手指在触点的位置贴在该保护层上时，所述天线通过电容器的电容充电而闭合，从而允许芯片和与非接触式便携装置相关联的读出器之间的通信。

Description

由持有者的人为姿势控制运行的射频通信装置

技术领域

本发明涉及一种具有中断运行装置的射频识别装置，并尤其涉及由持有者的人为姿势控制运行的射频通信装置。

背景技术

非接触式射频识别装置(RFID)越来越用以识别在访问控制区域中往来或从一个区域进入另一个区域中的人。因此，诸如护照、身份证等识别证件类型的安全证件在飞跃发展。非接触式RFID装置是一种由天线和连接到该天线的端子的芯片构成的装置。该芯片没有供电并通过读出器天线和RFID装置的天线之间的电磁耦合来接收其能量，在RFID装置和读出器之间交换信息，尤其是储存在该芯片中的信息，它例如涉及上面存在RFID装置的物品的所有者的识别，和进入访问控制区域的准许。

这样的非接触式装置带来的重要问题之一是，它可能在该装置持有者不知情的情况下通过远程读出器进行查询。当这涉及敏感的应用，如银行卡、电子钱包、身份和安全证件时，这个问题就更严重了。

克服这个缺陷的方式之一，是给RFID装置配备一个能使该天线回路闭合的机械开关，诸如在文献EP 1 939 792中所描述的。该方式需要射频装置的标准制造过程的强制成本高的改变，这在当前市场上的发展是一个严重的障碍。

另一种方式在文献EP 1 877 964中描述并在图1和2中举例说明。在图1上举例说明的RFID装置111具有控制装置116，控制装置116包括电容面117和118，当电容面117和118被用户的手指覆盖时，控制装置116允许向读出器发送该装置的数据。该装置包括电子模块114，电子模块114通过两个连接触点113连接至天线112。该天线同样连接到两个电容面117和118，每一个都构成在图上未示出的两个电容器的两个极板之一，从而整体构成控制装置116。在缺省情况下，由芯片114、天线112、控制装置116组成的回路在电容面117和118部位是断开的。

图2表示图1所示的现有技术装置的等效电路示意图。天线112等效于电感L、电阻r和匝间电容Cf。匝间电容Cf表示各匝缠绕形成并且各匝110之间的空间中形成的电容。控制装置116等效于可变电容Cg。C代表芯片114的输入电容，而R是芯片114的负载电阻。天线112、芯片114和控制装置116是并联的。

上述装置有若干缺点。已知由一个芯片和一个天线形成的回路是一个振荡回路，其中当遵守以下电路谐振原理时获得最佳运行：

LCω²＝1 (1)

式中L表示天线电感，C表示连接到天线的总电容，而ω表示等于2πf的角频率，其中f表示所追求的谐振频率(例如，13.56MHz)。因此，结果该回路的谐振频率f等于：

$f_0=1/2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}---\left(2\right)$

在缺省情况下，图1的装置不应允许发送其开路谐振频率远离等于13.56MHz的数难发送频率的芯片的数据。为了获得这样的频率，该芯片的输入电容C是固定的情况下，天线电感L应该小以增大f₀的值。因而，该天线应该包括较少的匝数，这导致天线增益小，匝间电容C_f小。乘积L*C被确定为使得该开路谐振频率远远超过允许交换数据的频率阈值。为此，开路频率约为40MHz。当用户抓住该装置111并将手指放置在电容面117和118上时，导致与天线并联的两个电容器串联起来。通过该连接而获得的电容，考虑到由其中之一为电容面117的两个极板形成的第一电容器的电容C1，和由其中之一为电容面118的两个极板形成的第二电容器的电容C2。这样闭合的回路应该具有一个接近于13.56Mhz的允许交换数据的频率f₁。其频率等于fl：

$f_1=1/2\mathrm{\π}\sqrt{L.(C+\mathrm{Cg}+\mathrm{Cf})}.$

L和C是固定的，Cf可以忽略不计，允许频率从40MHz降至13.56MHz的参数是控制装置的应该较大的电容Cg。电容Cg符合方程式：

1/Cg＝1/C1+1/C2

电容Cg增大现有技术装置的回路的总电容，并因而把该回路的谐振频率降低直到允许数据交换所需要的频率。

因而，该数值在现有技术装置的运行中起决定作用。然而，该数值一方面与应该较大的两个电容器的电容C1和C2的值相联系，而另一方面又与手指的定位、施加的力和所获得的耦合相联系。因而，该现有技术装置的运行不一致，这是因为它取决于用户抓握和对控制装置致动的方式。当它在真实的情况下使用时，例如，进行访问控制或身份控制时，这可能减慢和干扰该卡的读出。

另外，正如人们可以在图2的电路图看到的，当手指不贴在该卡上时，在这些电容器的部位上该回路是断开的，但是天线112和芯片114继续形成一个闭合的回路。于是，该RFD装置可能总在从读出器接收能量，这是因为该芯片总是连接至天线。这意味着RFID装置和读出器之间的数据通信仍旧是可能的，并取决于该读出器的发射功率。

该现有技术装置的另一个缺点是在工业上难以实现。事实上，开关的实现或者电子部件在非接触式装置的厚度中的插入增加制造过程的步骤数量，并因此使最终产品的成本增大。

发明内容

这就是为什么本发明的目的是提供一种克服上述缺点的射频装置，其中通过持有者的人为动作一致地启动最佳运行。

因而，本发明的目的是提供一种非接触式便携装置，由至少以下两层组成：

-支持层，在其第一面上包括由匝的平面缠绕而形成的天线，匝通过电绝缘桥而彼此交叉；

-保护层，粘贴在该支持层的第一面上；

该天线包括两个切口，且包括两段和四个端部，其中两个连接端部用来连接芯片。

按照主要特征，该天线包括两个端部，每一个都通过触点延伸，这两个触点彼此不接触，而被一个狭窄间隙隔开以使得天线断开，该两个触点与天线位于同一平面上。

当用户把手指在触点的位置贴在该保护层上时，所述天线通过两个触点之间的透过所述保护层的电流流动而闭合，从而允许所述芯片和与所述非接触式便携装置相关联的读出器之间的通信。

附图说明

阅读以下参照附图进行的描述，本发明的目标、目的和特征将显得更加清楚，在附图中：

图1表示现有技术的装置；

图2表示图1的现有技术的装置的等效电路图；

图3表示按照本发明的射频装置的总体示意图；

图4表示图3的根据本发明的射频装置的等效电路图；以及

图5表示配备根据本发明的装置的敏感区域的详细示意图。

具体实施方式

按照本发明的射频装置是一个非接触式装置，用来与读出器进行远程通信。按照本发明的装置有利地应用于智能卡标准规格的非接触式卡或非接触式票券，或者应用于称为“嵌体”的护照封面。但在不脱离本发明的范围的情况下，这里描述的装置可以是另一种规格。按照本发明的装置包括图3所示的支持层311。支持层311是用纸张、合成纸张(Teslin类型)或者诸如PET、PVC或聚碳酸酯等其他材料制成的。在支持层311的第一面上实现一个回路，包括天线312、芯片314和一个敏感区域316。天线，最好是平面的，使用填充有诸如银或金等导电颗粒的环氧墨类型的导电墨或者使用导电聚合物，通过丝网印刷、苯胺橡皮版印刷、照相凹版术、胶版印刷或喷墨等方法印制而成。天线还可以按照诸如铝蚀刻(“etching(蚀刻)”)等其他技术实现。天线通过各匝310平面缠绕形成，它在电绝缘层或桥309上面和下面穿过，彼此交叉但不短路。天线312包括至少两匝310。但是，该天线可根据芯片进行调整，匝数取决于所使用的芯片类型。按照所用的技术，各匝彼此之间最好具有介于0.1mm和1mm之间的恒定间距。天线在两个部位切断，以致于包括两个切口、两段和四个端部。

天线312包括两个连接端部321和322，在这些端部上连接芯片314。芯片314按照已知的方法，诸如倒装连接或者按照其他方法连接。天线还包括另外两个端部323和324，并且每一个都通过触点333和334延伸。两个触点333和334形成天线的敏感区域316。这两个触点按照天线312的同样印刷或蚀刻方法实现，并位于支持层311上，因而与天线312在同一平面上。这些触点最好与天线同时制造，由与天线相同的材料组成，因而它们是天线整体的一部分。这两个触点位于同一平面上，彼此不接触，而通过介于0.1和1.5mm之间的间隙隔开。触点333使天线端部323延伸，这意味着触点333连接至天线的端部323，类似地，触点334连接至天线的端部324。位于连接端部322和天线的端部323之间的第一段天线的长度是尽可能短的；这个长度不应超过天线的总长度的10％，并且最好小于5％，这允许当该回路断开时，断开芯片的所有电源，并因此阻止该非接触式装置和该读出器之间的所有数据传送。第二段天线位于芯片314的连接端部321和天线的端部324之间。桥309的位置位于第二段中间的天线上，这允许使天线适应芯片，使得当该回路闭合时能量传输最大化，并且因此优化该非接触式装置和该读出器之间的数据传送。

支持层311至少用一个保护层覆盖，以便保护该回路并最后完成该装置。在票券的情况下，该第一层可以用纸张、合成纸张、PVC、PET、PC等等制成。在卡的情况下，天线支持层插在两个塑料(PVC、PET、PC)保护层之间，从而构成上卡体和下卡体并通过加压热层压而被热密封。因此，该敏感区域设置在两层之间，使得在电气上与外部绝缘。在护照用的嵌体的情况下，该第一层用纸张或teslin类型的合成纸张制成。

图4表示图3所示的电子电路的等效电路图。该回路包括天线312、敏感区域316和芯片314。天线312等效于电感L、电阻r和匝间电容Cf。匝间电容Cf在各匝310之间的空间中形成，并代表由于各匝缠绕而产生的电容。敏感区域316等效于一个可变电容Cc。C代表该芯片的输入电容，而R代表该芯片的负载电阻。因而，芯片314与敏感区域316串联。

在缺省情况下，敏感区域316是断开的，这对应于一个几乎为零的电容Cc。正如人们可以在图4的等效电路图看到的，因此包括该芯片的该回路分支在缺省情况下是断开的。因而，当天线断开时，该芯片不接收能量。因此在该卡和相关联的读出器之间不可进行信息交换。与现有技术装置相反，该断开的回路的谐振频率的值对于阻止数据交换不是决定性的。相反，按照本发明的装置的谐振频率的值低于20MHz，同时在不把手指贴在该敏感区域上的情况下阻止该卡的运行。在缺省情况下，按照本发明的装置的谐振频率等于：

$f_0=1/2\mathrm{\π}\sqrt{L.\mathrm{Cf}}---\left(3\right)$

正如人们可以在方程式(3)中看到的，只有匝间电容的值对按照本发明的装置的谐振频率的值起作用。因而，无论该谐振频率的值为何，按照本发明的装置和相关联的读出器之间都没有交换。

按照本发明的敏感区域316的一个实施例如图5所示。该敏感区域的尺寸约为大拇指的尺寸。该敏感区域最好呈椭圆形，但在不脱离本发明的范围的情况下，也可以呈矩形、正方形、平行六边形。该敏感区域由两个不同的触点333和334形成，彼此呈迭瓦状排列，但没有任何接触区域，这是因为被一个狭窄间隙525隔开。间隙525由两个不同的触点333和334的相对的边523和524限定。这些边最好是平行的，以便间隙525有恒定的宽度。该宽度是毫米数量级，而且最好在0.1mm和1.5mm之间。

该卡的持有者把手指贴在该敏感区域316上，使这两个部分521和522之间有电流流通(这是因为该手指具有小的电阻)，并提高敏感区域316的电容Cc。这时敏感区域316处于闭合状态，这时，由芯片314、天线312和该敏感区域组成的回路闭合，于是允许该芯片和与非接触式便携装置相关联的读出器之间进行通信。这时，该谐振频率等于：

$f_0=1/2\mathrm{\π}\sqrt{L.(\mathrm{Cf}+k*C)}---\left(4\right)$

式中k是一个与该敏感区域的形状和敏感区域的电容Cc相联系的系数。

正如人们可以在方程式(4)中看到的，当通过把手指贴上而启动按照本发明的装置时，除匝间电容以外，该芯片的电容也参与该谐振频率的获得。因此，该芯片的电容在该设备的RF功能的启动中起决定性作用。

按照本发明的装置的优点是，既没有机械界面，又没有如在开关中可见的移动机械部件等的装配。该敏感区域不包括诸如传感器或其它的添附零件。按照本发明的装置在其外表面上没有导电面。该敏感区域与天线支持层上的天线同时实现，该敏感区域完全隐藏在该装置中，在该保护层下。

Claims (5)

1.一种非接触式便携装置，由至少以下两层组成：

-支持层(311)，在其第一面上包括天线(312)，天线(312)由匝(310)平面缠绕而形成，匝(310)通过电绝缘桥(309)彼此交叉；

-保护层，粘贴在该支持层的第一面上，

所述天线包括两个切口，并且包括两段和四个端部(321，322，323和324)，其中两个连接端部(321，322)用来连接芯片(314)；

其特征在于，所述天线包括两个端部(323，324)，每一个端部都通过触点(333，334)延伸，这两个触点彼此不接触并且被狭窄间隙(525)隔开以使得所述天线断开，这两个触点与天线位于同一平面上，

当用户把手指在触点的位置贴在该保护层上时，所述天线通过两个触点(333，334)之间的透过所述保护层的电流流动而闭合，从而允许所述芯片和与所述非接触式便携装置相关联的读出器之间的通信。

2.根据权利要求1的装置，其中，所述间隙(525)具有毫米数量级的恒定宽度，并且该宽度最好在0.1mm和1.5mm之间。

3.根据权利要求1或2的装置，其中，天线回路的位于该芯片的连接端部(322)和端部(323)之间的第一段的长度小于天线的总长度的10％，这允许在该回路断开时阻止对该芯片的任何供电并因此阻止非接触式装置和读出器之间的任何数据传送。

4.根据上述权利要求之一的装置，其中，所述绝缘桥(309)的位置位于在芯片的连接端部(321)和天线的端部(324)之间的第二段中间的天线回路上，这允许使天线适应芯片，以使得当回路闭合时能量传输最大化并且因此优化非接触式装置和读出器之间的数据传送。

5.根据上述权利要求之一的装置，其中，所述两个触点(333，334)形成一个呈椭圆形的敏感区域(316)。