CN104718711A - 近场uhf识别系统和使用近场识别来识别作为导电材料或包含导电材料的对象或类似对象的方法 - Google Patents
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Classifications
-
- H04B5/77—
Abstract
一种近场UHF识别系统(100)包括：i)作为导电材料或包含导电材料的对象(110)；和ii)超高射频微带应答器(10,30,50,70)，其中该微带应答器包括微带线(13)和连接于所述微带线(13)的识别微芯片(14)；其中微带应答器(10,30,50,70)在对象(110)上位于该对象(110)具有导电区域的位置处，微带线(13)沿对象(110)的至少一个边缘部(111,114)。当识别系统(100)正被该系统下方的问询器询问时，将该系统配置为：通过由对象(110)边缘部上的电流所感生的磁性近场从微带线(13)向所述对象(110)的下方发送识别信号，使得识别微芯片(14)能被识别。本申请还包括针对使用近场识别来识别作为导电材料或包含导电材料的对象(110)或此类对象(110)的方法的独立权利要求。
Description
技术领域
本发明涉及利用超高射频波的对象识别领域。
背景技术
一些作者写道：基于超高射频对作为导电材料或包含导电材料的对象的识别(UHF RFID)富有挑战性。
Mohammed等人在其由美国劳伦斯的堪萨斯大学的信息与电信技术中心(邮编：KS 66045)发表的文章“An RFID Tag Capable of Free-Space and On-MetalOperation”中提出一种约142mm×30mm大小且3.18mm厚的RFID标签。对意图使用在金属表面上的标签而言，其厚度是至关重要的。具有如Mohammed等人所提出的尺寸的RFID标签倘若更薄、且价格更低廉的话，则可用于笔记本电脑电池。
Eunni等人在其发表于《系统学、控制论及信息学》，第5卷，第1号的文章“A Novel Planar Microstrip Antenna Design for UHF RFID”中提出一种平面微带天线设计，其中天线层设置在放置在金属对象上的基板上。匹配网具有12.4mm的垂直长度和30mm的水平长度。尽管单看匹配电路的尺寸是并不重要的，但是天线的总尺寸为140mm×72mm却至关重要。通常，除了需要宽带响应以外，人们都试图避免将匹配电路与RFID标签相结合。
Koivu先生在其2008年于EVTEK应用科学大学科技学院发表的论文“ThinRFID Solution for Battery Identification”中提出了一种圆形按钮标签配置，其中RFID标签集成在放置于150μm厚的纸片上的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)片材上，该150μm厚的纸片则相应放置在铁氧体片材上。铁氧体使用由TDK所制造的Flexield IRLG4型磁性片材/无线电波吸收器，其厚度为0.25mm或0.50mm。圆形按钮标签设置在移动电话电池的角部中，并且如果该标签靠近电池边缘设置，那么它能够与所有的受试电池模型一起实现超过四厘米的读取范围。就试图用来远程识别移动电话电池而言，认为在此范围内的读取距离就足够了。
发明目的
由Mohammed等人以及Eunni等人提出的实施方案具有显著延长的形状，并因而不适合用于具有小于10cm尺寸的对象上。然而，最当前的电子设备可充电电池却要小得多。例如，广泛用于移动电话的锂离子可充电电池具有约为5×4×0.8cm的尺寸。使用Mohammed等人或Eunni等人提出的配置来识别上述那种所具有的尺寸堪比当前所用电池尺寸的可充电电池是根本不可能的。而且，更为重要的是，他们方案中的至少2mm的厚度及制造成本均使得其所提出的配置在当前不具吸引力。
Koivu所提出的圆形按钮标签的配置具有约1.3cm的直径，该直径针对识别可充电电池的用途而言是合适的尺寸。然而，他的方案从制造角度来看不具有吸引力，因为铁氧体片材使得本该仅约为2-3美分/件的制造成本急剧增加。
本发明的目的在于减少近场识别系统的制造成本。
发明内容
该目的可根据权利要求1所述的近场识别系统以及根据权利要求9所述的方法来实现。
从属权利要求描述了所述系统和方法的优选方面。
技术效果
所述识别系统包括：属于导电材料或包含导电材料的对象，和超高射频微带应答器，其中所述超高射频微带应答器包括微带线及连接到所述微带线的识别微芯片。所述微带线形成电回路并迂回弯折。
所述微带应答器在所述对象上位于所述对象具有导电区域的位置处，并且以使得所述微带线至少沿对象的边缘部的方式来配置。优选地，如果所述微带线沿所述对象的至少两个边缘部布置，那么可得到更大的读取角度和容量，但是具体针对某些可充电电池而言，如果该可充电电池的端部存在问题性形状的话(例如一些用于笔记本电脑的可充电电池的情况)，则可以仅跟随一个边缘部。
当所述识别系统正被该系统下方的问询器询问时，所述系统配置为：通过由对象边缘部上的电流所感生的磁性近场而从微带线向所述对象下方发送识别信号，使得识别微芯片能被识别。通过这种方式，由于识别微芯片可被识别，因此可实现对所述对象和/或此类对象的识别。
对Mohammed等人、Eunni等人以及Koivu所提出的标签的显著改进在于：借助于该新型配置，不必再发送那种穿透所述对象的超高射频信号，却足以具有由所述对象边缘部上的电流所感生的磁性近场。微带线上的电流在所述对象的边缘部上感生出次级电流，从而感生出能实现应答器与问询器之间的电耦合的磁性近场。通过这种方式，相比于Koivu的方案，由于不需要铁氧体而可以降低制造成本；除此之外，相比于Mohammed等人和Eunni等人所提出的方案，还能够使得所述配置变得足够紧凑。
如果所述对象是用于电子设备的可充电电池(具体说是基于锂离子的可充电电池或者是包括用于储存能量的金属基板的可充电电池)，那么本发明能够检测出所述可充电电池的类型，从而选择出适当的回收计划或适当的处置方式。此类可充电电池尤其常用于移动电话中。需要能够识别出某特定可充电电池是锂离子电池、锂离子聚合物电池、镍镉电池，还是镍氢电池。所述对象可以是任何其他金属对象。具体地，在加工工业中使用到几种此类对象。如果所述对象例如是铸模，则可以特别优选地采用本发明。
优选地，所述微带线包含铝、铜或银，或由铝、铜或银构成。如果是铝或铜，则所述微带线可通过蚀刻来制造。如果是银，则所述微带线可通过使用银基油墨来自动打印该微带线的方式来制造。
如果所述微带应答器包括箔片(其中将微带线附接到所述箔片上，并且所述箔片附接于对象或围绕所述对象的箔片、纸、包装物或覆盖物上)，那么不需要再将微带线与所述对象金属部件隔离以防止所述微带线短路。有利的是，由于所述箔片不必一定要高度无损，因此所述箔片可以是或包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS)、聚丙烯(PP)、聚乙炔(PA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚碳酸酯(PC)或纸。可以通过粘合剂来实现上述对对象或者围绕对象的箔片、纸、包装物或覆盖物的附接；粘合层的厚度可以为10至30μm，优选为例如20μm。代替粘合剂的是，可将所述微带应答器焊接在围绕对象的箔片、纸、包装物或覆盖物中。
聚对苯二甲酸乙二醇酯箔片具有40-60μm的厚度，最优选为50μm。所述微带线所具有的厚度为16至20μm，最优选为18μm。
所述微带线可制备得较为紧凑。优选地，它所具有的尺寸约为10-14mm×13-17mm，最优选为12mm×15mm。
优选地，该微带线沿至少两个相邻的边缘部设置在一定距离处。优选地，所述距离是0.8-1.2mm，最优选为1.0mm。这能够实现对象中磁性近场的较好形成，从而提高识别微芯片的可识别性。
所述用于识别作为导电材料或包含导电材料的对象或此类对象的方法包括下列步骤，其中所述对象具体是用于移动电话或任何其他电子设备的可充电电池：
a)将微带应答器附接到所述对象，以创建根据本发明的系统；
b)通过问询器来询问所述系统；
c)当所述对象在其一侧与磁性近场进行耦合时，接收识别微芯片的识别信号，其中所述对象的一侧例如是与所述微带应答器所在位置相对的对象的那一侧；和
d)利用所述识别信号来识别所述对象或此类对象。
所述方法能够从待识别的对象或待识别的此类对象的下方执行。本发明已达到高达10cm的识别距离。这种方法易于降低用于执行识别过程的空间需求，因为现在不再需要所述待识别的系统的上方具有自由空间。这在识别过程即将执行的前提下，更有效地鼓励工厂管理者或回收企业家致力于组织好空间利用。在可充电电池的识别过程中，在传送带上传送待识别的可充电电池。然后，可将问询装置的天线布置在传送带下方。
如果根据技术UHF RFID标准和/或EPC Gen 2标准(ISO 18000-6)来执行询问和识别，那么可将商业上易于获得的询问及识别设备用于所述过程。
附图说明
下面，通过附图1至9所示的实施例对本发明进行更详细描述，其中：
图1表示在询问期间位于近场识别系统下方5mm的磁场分布，其中该系统包括5mm厚的、其顶部上附接有超高射频微带应答器的铝砖；
图2示出了附接于移动电话电池中的制备原型；
图3和4示出了具有集成式共面接地平面的应答器；
图5和6示出了具有带最小化区域的集成式共面接地平面的应答器；
图7和8示出了在第二层具有集成式接地平面的应答器；和
图9示出了具有用于优化应答器的两个边缘部的非对称式接地平面的应答器。
在所有附图中，同一附图标记表示相同元件。
具体实施方式
本发明已经研发出一种利用低成本微型尺寸化UHF RFID应答器10来标记具有至少一个金属表面的小型对象110(例如，移动电话和其他电子设备的可充电电池)的新型系统。作为对象110，可以使用任何的金属和非金属对象。具体地，本发明正在研究使用铸模作为对象的可能性。
关于UHF(超高频)，本发明是指从860MHz至960MHz的频率范围。
移动电话及其他电子设备的可再充电电池的回收需要一种能将一些关键信息与该可再充电电池相关联并能在该可再充电电池的生命周期结束时自动读这些信息的有效方式。
RFID就是这样一种非常有效的技术，但是由于其缺少能使用在金属表面上的、小而极薄的低成本应答器，而未能实际实施。
通过本发明的系统，可以实现一种小而薄且适用于金属表面上的新型近场UHF RFID应答器。
微带应答器10无需任何会增加制备成本或尺寸的特殊层或其他部件。相反，应答器10利用金属对象110自身的属性，并且可通过用于制造当今市场上主要类型的UHF RFID应答器的标签应答器的标准工艺来制备。
在可充电电池的回收中(时下，这是欧盟法律所要求的)，关键是可充电电池在其整个生命周期中要始终携带有关例如可充电电池类型的信息。
为此，已经对光学代码进行测试，以携带有可充电电池的识别信息，但是在实际中，可充电电池表面的污垢、机械磨损和刮痕经常使其无法读取。
由此，通过RFID来制造可充电电池的益处已经得到认可。因此，也存在一些现有的RFID方案。这些方案包括使用具有添加在标签与经标记对象之间的铁氧体层的近场HF(高频)及UHF(超高频)RFID标签。已经证明这是个奏效的设想，但其问题在于由于特定铁氧体层所增加的成本。铁氧体层还增加了标签的厚度。在根据本发明的方案中，不需要标签与经标记对象之间的特定层，因此应答器就如同小型近场UHF RFID嵌体那样造价低廉。
一种简单且低成本的二维标签RFID应答器是现今UHF RFID应答器市场中的主导设计，其天线通过对金属化的塑料箔片进行蚀刻来制备。然而，当把这种天线方案直接应用在金属对象上时却并不奏效。
还可获得经研发待用于金属对象上面的更昂贵且大型的上置金属(on-metal)应答器，但是关于将其使用于诸如移动电话电池这种小型、低成本对象而言，这种上置金属应答器太厚且昂贵以致于不能当做实际备选方案。此类方案的示例可以从NOF公司的TAGATTM产品系列手册中找到。
微带应答器10能够通过占用小体积和区域以及低成本的方式来对小型的金属平面对象110进行标记。除了移动电话的可充电电池和其他电子设备的可充电电池以外，还有许多受益于该新型低成本微带应答器10的其他应用。
图1示出了超高射频式微带应答器10，其包括微带线13和连接到该微带线13的识别微芯片14，其中所述微带线装配在箔片12之上或之中。就箔片而言，本发明使用聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS)、聚丙烯(PP)、聚乙炔(PA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚碳酸酯(PC)、纸或任何其他合适的材料。
图1的对象110是5mm厚的铝砖。然而，如图2所示，移动电话或其他电子设备的可充电电池也能取代铝砖而用作对象110。重要的仅是，对象110是导电材料或包含导电材料，并且它具有至少一个(优选至少两个)边缘部111,112,113,114，其中最为有利的是至少两个边缘部相邻，由此可获得至少一个角部111至114。
微带应答器10处在对象110上的其中该对象110具有导电区域的位置处。微带线13沿至少一个边缘部布置，在本发明的示例情况下沿对象110的两个边缘部111,114布置。
当由问询器从识别系统的下方或任何其他方向来询问该识别系统时，系统100以如下方式来配置：即，经由对象110边缘部上的电流所感生的磁性近场将来自识别微芯片14的识别信号从微带线13传送到对象110下方，使得识别微芯片14能被识别。
超高射频式微带应答器10是基于使用耦合在系统100与问询器之间的磁性近场实现的，其中该问询器也称为读取装置。
属于小型平坦线的传统式近场UHF RFID标签由于它们的磁通不会穿透金属表面，而不作用在金属上。相反，由于产生于金属上的涡流，而损失了磁场的能量。
在微带应答器10中，产生所需的磁通是基于对象110边缘部111,114处的感生电流来实现的，其中微带应答器10设置在该对象110上，所述感生电流产生围绕该对象110延伸的磁通。这通过将微带线13靠近各个边缘部111和114布置来实现。微带应答器10在技术上是迂回式微带线，其接地平面由对象110形成。
当布置在对象110的边缘部111,114或角部(111至114)附近时，平行于各个边缘部111,114的微带线13的一部分在边缘部111,114上感生出电流。
电流作为磁场H的发生源，其中通过磁场H来进行与问询器(即，读取装置)的耦合。磁场H绕对象100延伸，并且可以通过从几个方向使用适当的近场天线来读取微带应答器10。
为了使得射频功率较好地耦合在读取装置与系统100之间，微带线13的馈电阻抗应具有一定值。在实践中，微带线13的电抗应为100至250Ω，这取决于所使用的集成电路IC。实际上，这意味着微带线13应相当长，通常为几厘米。然而，微带线13可迂回成弯曲形状，以便保持微带应答器10的外部尺寸较小。
图1和2所示的微带应答器10为原型。
在图1中，本发明计算出位于对象110下方5mm的磁场分布，所述对象110即是5mm厚的铝砖，其顶部先前附接有微带应答器10。
原型的微带应答器10的尺寸a×b为12mm×15mm。因此，尽管可充电电池的回收是重要的且本系统100及其方法可能首次实际应用，但本技术还能够向小型微带应答器10配备各种金属对象110。
移动电话的可充电电池的年制造量数以亿计。大产量下的微带应答器10的价格大约是3欧分，由此，原则上所有的可充电电池都能配备微带应答器10。
由于价格低、尺寸小和平面标签状结构，使得微带应答器10的使用可扩展到诸如金属食品和饮料罐等消费制品上。还存在许多潜在的工业应用，其中本发明能够在例如工厂环境中对金属部件进行单独跟踪。这包括汽车和航空业。小型且低成本的微带应答器10还能够标记比以往更小且更低廉的部件和模块。
作为超高射频式微带应答器10(其基本上包括位于绝缘基板的箔片12顶部上的微带线13)的代替，还可以使用超高射频式微带应答器30,50和70，其示例于图3至8中示出。
应答器30,50,70可配备有能形成集成式接地平面的若干附加的金属结构。这些结构包括微带线13周围的金属31,51,52(图3+4和图5+6)，以及设置在微带线13下方、位于绝缘基板的箔片12的相对侧的金属71,81(图7+8)。
金属可围绕微带线13进行添加以形成俗称的共面波导，在该共面波导中微带线13的接地平面或其一部分形成于同一金属层上以作为微带线13的主导体，从而在微带线13与接地平面之间留出水平间隙32。接地平面既可以填充围绕微带线13的整个区域(如图3+4中以金属31示出的那样)也可以仅是位于微带线13两侧的相当窄的导体或导体对(如图5+6中以金属51,52示出的那样，任选地在微芯片14的位置处带有凹口53)。如果对象110在某特定区域不具有金属，那么可让应答器30,50的接地平面部分地打开，从而为磁通留出一些空间以穿过待标记的对象110。如果应答器30,50,70是通过印刷来制备的，那么还有利于节省导电油墨。
取代或附加于这种布置的是，附加的金属层71,81可添加在应答器70的绝缘基板的底部上。金属层71可如图7所示地覆盖整个应答器70的区域，或者金属层81可仿照应答器70顶部上的微带线13的形式，其中如图8所示该金属层81具有比微带线13的宽度e更大的宽度E。好处是，这与图5和6所示的应答器50的情况相同。
无论实施哪种方式，围绕微带线13或在微带线13下方所添加的金属都能稳定应答器30,50,70的馈电阻抗，以使之更少地依赖于应答器30,50,70与待标记的对象110之间的距离。当待标记的对象110的导电性受到限制或者该对象的表面不平坦时，这还能增强应答器30,50,70的操作。由此，可使应答器30,50,70在不牺牲读取范围的情况下制造得更坚固耐用并且适用于不同的应用及对象110。尽管应答器30,50,70可理想地用于金属对象，但是通过添加接地金属31,51,70,81，其应用范围还能扩展至非导电对象以及形状特异的金属对象。
应答器的结构也可如图9所示的那样不对称。随着微带线13的一个或两个典型边缘部通过使对象110的边缘产生电流而感生出磁场，有利的是，在这些部件周围的接地平面中留出一些非金属空间91，以使磁场产生在右侧区域中。图9中示出了这种类型的应答器的共面模式的实施例。在两层式实施例的情况下，可以使应答器的耦合区域不具有接地平面。
图3至9所示的尺寸为a×b的应答器30,50,70最为优选地使得a＝20+/-2mm并且b＝22+/-2mm，但也可以使用先前所讨论的尺寸。
本发明不应当理解为仅限于所附的权利要求书，而应当理解为还包括其所有的合法等同物。
Claims (10)
1.一种近场UHF识别系统(100)，包括：
i)作为导电材料的对象(110)或包含导电材料的对象(110)；和
ii)超高射频微带应答器(10,30,50,70)，其包括微带线(13)和连接于所述微带线(13)的识别微芯片(14)；
其中：
所述微带应答器(10,30,50,70)处在所述对象(110)上的其中所述对象(110)具有导电区域的位置处，所述微带线(13)沿所述对象(110)的至少一个边缘部(111,114)布置；和
当识别系统(100)正被所述系统下方的问询器询问时，所述系统配置成通过由所述对象(110)边缘部上的电流所感生的磁性近场而从所述微带线(13)向所述对象(110)的下方发送来自所述识别微芯片(14)的识别信号，使得所述识别微芯片(14)能被识别。
2.根据权利要求1所述的识别系统(100)，其中，所述对象(110)是用于电子设备的可充电电池，具体说是基于锂离子的可充电电池或是包括用于存储能量的金属基板的可充电电池。
3.根据权利要求1或2所述的识别系统(100)，其中，所述微带线(13)包含、铜或银，或者由铝、铜或银构成。
4.根据上述权利要求中任一项所述的识别系统(100)，其中，所述微带应答器(10,30,50,70)包括箔片(12)，其中所述微带线(13)附接于所述箔片，并且所述箔片附接于所述对象(110)或围绕所述对象(110)的箔片、纸、包装物或覆盖物上，所述箔片(12)最优选是或者包括聚对苯二甲酸乙二醇酯PET、聚乙烯PE、聚苯乙烯PS、聚丙烯PP、聚乙炔PA、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯ABS、聚碳酸酯PC或纸。
5.根据权利要求4所述的识别系统(100)，其中，所述箔片(12)具有40-60μm的厚度，最优选为50μm，并且所述微带线(13)所具有的厚度为16至20μm，最优选为18μm。
6.根据上述权利要求中任一项所述的识别系统(100)，其中，所述微带线(13)所具有的尺寸a×b约为10-14mm×13-17mm，最优选为12mm×15mm。
7.根据上述权利要求中任一项所述的识别系统(100)，其中，所述微带线(13)位于沿至少两个相邻的边缘部(111,114)的一定距离(c,d)处，所述距离(c,d)优选为0.8-1.2mm，最优选为1.0mm。
8.根据上述权利要求中任一项所述的识别系统(100)，其中：
-所述微带应答器(30)还包括集成式接地平面(31)，其中所述集成式接地平面与所述微带线(13)共面，并与所述微带线(13)分隔开一定距离(32)；和/或
-所述微带应答器(50)还包括另一集成式接地平面(51,52)，其中所述另一集成式接地平面与所述微带线(13)共面，并具有能随所述微带线(13)的形状的带状形状；和/或
-所述微带应答器(70)还包括第二层中的集成式接地平面(71,81)，其中所述第二层中的集成式接地平面(81)优选具有能随所述微带线(13)的形状的带状形状；和/或
-其中，所述微带应答器(30)还包括相对于所述微带线(13)而非对称地布置的集成式接地平面(31)。
9.一种使用近场识别来识别作为导电材料或包含导电材料的对象(110)或此类对象(110)的方法，其中所述对象(110)具体是用于移动电话或任何其他电子设备的可充电电池或者是铸模，所述方法包括下列步骤：
-将微带应答器(10,30,50,70)附接到所述对象(110)上，以创建根据上述权利要求1至8中任一项所述的系统(100)；
-通过问询器来询问所述系统(100)；
-当所述对象在其一侧与磁性近场进行耦合时，接收识别微芯片(14)的识别信号，其中所述对象一侧例如是与所述微带应答器(10,30,50,70)所在位置相对的对象(110)的那一侧；和
-利用所述识别信号来识别所述对象(110)或此类对象(110)。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，根据技术UHF RFID标准和/或EPCGen 2标准ISO 18000-6来执行询问和识别。
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