CN105098365B - 近场通信模块 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种近场通信模块，其包括：磁性衬底，所述磁性衬底具有相反的第一和第二表面以及从第一表面延伸至第二表面的第一和第二通孔；和天线，所述天线包括：具有第一和第二端部的环状线圈，第一和第二馈点，以及用于将所述环状线圈的第一和第二端部分别连接至第一和第二馈点的第一和第二接线，其中所述天线被构造为使得所述环状线圈设置在所述磁性衬底的第一表面上，第一和第二馈点设置在所述磁性衬底的第二表面上，并且第一和第二接线分别穿过第一和第二通孔。所述近场通信模块具有大大简化的结构和显著降低的总厚度，以及显著提高的机械性能如刚性。

Description

近场通信模块
技术领域
本发明涉及一种近场通信模块。
背景技术
近场通信系统是基于13.56MHz频率的近距离(通常为20～30厘米范围)通信系统。在多种应用中，尤其是在手机支付的应用中，其展示出这种独特的优势。近场通信系统的标签、读/写器中设置有天线，该天线利用发射端天线和接收端天线在13.56MHz的频率下的磁场耦合效应进行信号传输。天线在近场通信技术中起着很重要的角色，流经天线的磁通量的强度是直接影响信号传输的质量的一个重要因素。然而，当天线接近金属表面，如手机电池表面的时候，天线发射出的磁场会在金属表面产生涡流损耗，从而减小磁通量，导致天线的品质因子的相应下降。
在常规的近场通信模块中，通常将近场通信的天线蚀刻或电镀在聚酰亚胺衬底上，然后将带有蚀刻或电镀的天线的聚酰亚胺衬底粘贴在铁氧体衬底上。因此，常规的近场通信模块通常按以下顺序设置有保护膜、天线、聚酰亚胺层、粘合剂层、铁氧体层和PET/粘合剂层，其中天线的环状线圈和馈点分别设置在聚酰亚胺层的两个表面上。但这样的模块结构不利于减小整个模块的厚度并且通常聚酰亚胺衬底不具有足以支撑天线馈点的强度。而且，随着手持设备的小型化和超薄化，需要进一步降低近场通信模块的厚度。
因此，需要开发一种具有适宜的结构以满足降低的厚度和提高的机械性能的要求的近场通信模块。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明的目的是提供一种近场通信模块，所述近场通信模块具有大大简化的结构和显著降低的总厚度，以及显著提高的机械性能，包括刚性。
为此，本发明提供以下技术方案：
在第一实施方案中，近场通信模块包括：
磁性衬底，所述磁性衬底具有相反的第一和第二表面以及从第一表面延伸至第二表面的第一和第二通孔；和
天线，所述天线包括：
具有第一和第二端部的环状线圈，
第一和第二馈点，以及
用于将所述环状线圈的第一和第二端部分别连接至第一和第二馈点的第一和第二接线，
其中所述天线被构造为使得所述环状线圈设置在所述磁性衬底的第一表面上，第一和第二馈点设置在所述磁性衬底的第二表面上，并且第一和第二接线分别穿过第一和第二通孔。
在第二实施方案中，所述近场通信模块包括第一实施方案，其中所述磁性衬底包括铁氧体衬底和磁性复合材料薄膜衬底的至少一种。
在第三实施方案中，所述近场通信模块包括第一和第二实施方案中的任何一个，所述近场通信模块还包括第一和第二粘合剂层，其中第一粘合剂层设置在所述磁性衬底的第一表面与所述环状线圈之间，并且第二粘合剂层设置在所述磁性衬底的第二表面与第一和第二馈点之间。
在第四实施方案中，所述近场通信模块包括第一至第三实施方案中的任何一个，其中所述环状线圈以及第一和第二馈点分别具有在2-60微米的范围内的厚度。
在第五实施方案中，所述近场通信模块包括前述实施方案中的任何一个，其中所述磁性衬底具有在10-500微米的范围内的厚度。
在第六实施方案中，所述近场通信模块包括第三实施方案，其中第一粘合剂层和第二粘合剂层中的至少一个具有在1-30微米的范围内的厚度。
在第七实施方案中，所述近场通信模块包括第三和第六实施方案中的任何一个，其中所述近场通信模块还包括带粘合剂层的保护膜，其中所述保护膜位于所述磁性衬底与第一粘合剂层之间或者位于所述磁性衬底与第二粘合剂层之间，并且所述保护膜的粘合剂层邻接所述磁性衬底。
在第八实施方案中，所述近场通信模块包括第七实施方案，其中所述带粘合剂层的保护膜具有在1-30微米的范围内的厚度。
在第九实施方案中，所述近场通信模块包括第七和第八实施方案中的任何一个，其中所述保护膜包括聚合物膜。
在第十实施方案中，所述近场通信模块包括第九实施方案，其中所述聚合物膜包括聚对苯二甲酸乙二醇酯膜、聚氨酯膜、聚氯乙烯膜和聚丙烯膜中的至少一种。
根据本发明的近场通信模块同时具有大大简化的结构和显著降低的总厚度，以及显著提高的机械性能，例如刚性。
附图说明
图1显示了根据本发明的近场通信模块的第一实施方案的环状线圈侧的示意性俯视图。
图2显示了根据本发明的图1中所示的近场通信模块的馈点侧的示意性俯视图。
图3是根据本发明的图1中所示的近场通信模块的示意性局部剖面放大图。
图4显示了根据本发明的近场通信模块的第二实施方案的环形线圈侧的示意性俯视图。
图5显示了根据本发明的一些实施方案的图4中所示的近场通信模块的馈点侧的示意性俯视图。
图6是根据本发明的一些实施方案的近场通信模块的示意性局部剖面放大图。
图7是根据本发明的一些实施方案的近场通信模块的示意性局部剖面放大图。
具体实施方式
本发明的近场通信模块包括：磁性衬底，所述磁性衬底具有相反的第一和第二表面以及从第一表面延伸至第二表面的第一和第二通孔；和天线，所述天线包括：具有第一和第二端部的环状线圈，第一和第二馈点，以及用于将所述环状线圈的第一和第二端部分别连接至第一和第二馈点的第一和第二接线，其中所述天线被构造为使得所述环状线圈设置在所述磁性衬底的第一表面上，第一和第二馈点设置在所述磁性衬底的第二表面上，并且第一和第二接线分别穿过第一和第二通孔。
图1显示了根据本发明的近场通信模块的第一实施方案的第一表面，并且图2显示了图1中所示的近场通信模块的第二表面。如图1和2所示，近场通信模块100包括：磁性衬底101，所述磁性衬底101具有相反的第一和第二表面1011和1012以及从第一表面1011延伸至第二表面1012的第一和第二通孔1013和1014；和天线102，所述天线102包括：具有第一和第二端部10211和10212的环状线圈1021，第一和第二馈点1022和1023，以及用于将所述环状线圈1021的第一和第二端部10211和10212分别连接至第一和第二馈点1022和1023的第一和第二接线1024和1025(未显示在图1和2中)，其中所述天线102被构造为使得所述环状线圈1021设置在所述磁性衬底101的第一表面1011上，第一和第二馈点1022和1023设置在所述磁性衬底101的第二表面1012上，并且第一和第二接线1024和1025(未显示在图1和2中，请参见图3)分别穿过第一和第二通孔1013和1014。
为了更清楚起见，图3显示了图1中所示的近场通信模块在第二通孔1014的区域的局部剖面放大图。如图3所示，第二接线1025穿过第二通孔1014，将环状线圈1021的第二端部10212连接至第二馈点1023。尽管未在图3中显示，但是以类似的构造，第一接线1024穿过第一通孔1013，将环状线圈1021的第一端部10211连接至第一馈点1022。
在根据本发明的近场通信模块中，对于环状线圈的形状没有限制，只要它是环状的即可。图4显示了根据本发明的近场通信模块的第二实施方案的第一表面，并且图5显示了图4所示的近场通信模块的第二表面。图4和5中的部件的描述与图1和图2中的部件的描述是相同的，以下相同的元件符号用于相同的部件。
可以在本发明中使用的磁性衬底包括铁氧体衬底或磁性复合材料薄膜衬底。铁氧体衬底可以是镍-铜-锌(Ni-Cu-Zn)烧结的铁氧体，其含有作为主要组分的氧化铁(Fe3O4)以及作为添加剂元素的镍、铜和锌。铁氧体衬底是可商购的，例如可得自St.Paul，Minnesota的3M公司的商品牌号″AB5007RF″，可得自日本Aichi的Owariasahi市的Maruwa公司的″FSF系列″烧结铁氧体片，包括FSF131，FSF151，FSF201和FSF501，以及日本Hiroshima的Toda公司的″FLX-950-X060″。
磁性复合材料薄膜衬底可以是由磁性粒子例如铁-硅-铝(Fe-Si-Al)、铁-硅-铬(Fe-Si-Cr)、铁-钴(Fe-Co)或铁-镍(Fe-Ni)合金粒子与高分子材料的复合材料制成的膜。在一些实施方案中，聚合物材料是柔性热塑性塑料、热塑性弹性体、或弹性体，即橡胶，如丁二烯-丙烯腈橡胶。磁性复合材料薄膜衬底是可商购的，例如可得自3M公司的″RFIC″复合吸波材料，包括RFIC15。所述磁性衬底可以具有在10-500微米的范围内并且优选在10-200微米的范围内的厚度。当使用磁性复合材料薄膜衬底时，磁性复合材料薄膜衬底可以具有在100-500微米的范围内的厚度。
天线可以由导电材料如铜，银，金，铝或其他材料制成，所述其他材料为例如覆金的铜、覆银的铜、覆镍的铜或覆镍-金的铜、或镍-银合金。天线的各个部件可以具有相同的厚度。例如，环状线圈以及第一和第二馈点分别可以具有在2-60微米的范围内的厚度。
根据本发明的一个优选实施方案，近场通信模块还可以包括第一和第二粘合剂层。图6是根据本发明的一些实施方案的近场通信模块的局部剖面放大图。如图6中所示，近场通信模块100还包括第一和第二粘合剂层103和104，并且第一粘合剂层103设置在所述磁性衬底101的第一表面1011与所述环状线圈1021之间，并且第二粘合剂层104设置在所述磁性衬底101的第二表面1012与第一馈点1022之间。图6也显示了第一接线1024和第一通孔1013。注意，图6中所示的构造对于第二馈点1023，第二通孔1014和第二接线1025几乎是相同的。因此，这些元件显示在图6中的括号内。
第一粘合剂层和第二粘合剂层中的至少一个可以具有在1-30微米的范围内的厚度。第一和第二粘合剂层的材料是常规的，如丙烯酸类粘合剂。可以使用压敏粘合剂或现场固化粘合剂。
根据本发明的另一个实施方案，近场通信模块还可以包括带粘合剂层的保护膜，并且所述保护膜可以位于所述磁性衬底与第一粘合剂层之间或者可以位于所述磁性衬底与第二粘合剂层之间，并且所述保护膜的粘合剂层邻接所述磁性衬底。图7是根据本发明的该实施方案的近场通信模块的局部剖面放大图。如图7中所示，近场通信模块100还包括带粘合剂层106的保护膜105，并且所述保护膜105位于所述磁性衬底101与第一粘合剂层103之间。所述保护膜105的粘合剂层106邻接所述磁性衬底101。图7还显示了环状线圈1021和第二粘合剂层104。因为图7中所示的一般构造对于第一和第二通孔附近的区域是相同的，因此图7还显示了第一或第二通孔1013(1014)；第一或第二接线1024(1025)；和第一或第二馈点1022(1023)。
所述保护膜可以包括聚合物膜。所述聚合物膜可以包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜、聚氨酯(PU)膜、聚氯乙烯(PVC)膜和聚丙烯(PP)膜中的至少一种。所述保护膜的粘合剂层的材料是常规的，如丙烯酸类粘合剂。所述带粘合剂层的保护膜可以具有在1-30微米的范围内的厚度。
将在下列实施例中更具体地描述本发明，但是所述实施例意在是示例性的，因为在本发明的范围内的多种修改和变化对于本领域技术人员是明显的。
实施例
材料
测试方法
电阻测试方法
通过使用可得自俄亥俄州克利夫兰市的Keithley Instruments Inc.的Keithley580微欧姆计测量近场通信(NFC)天线的电阻。
刚性测试方法
通过可得自美国费城的THWING-ALBERT Instrument Co.的Elmendorf撕裂测定仪测量NFC模块的刚性。首先，将样品切割为63mm×80mm片并且放置在撕裂测定仪的测试夹具中。使用小刀在样品的中部切割出一个20mm宽的狭缝。将测定仪的摆锤置于狭缝上。对摆锤施加负荷。然后读取撕裂狭缝所需的摆锤的负荷并且将其记录为刚性，单位为g，参见表2。
近场通信性能测试方法
通过使用可得自法国里尔的Micropross Inc.的Micropross非接触测试站并且使用NXP PN544作为芯片测量NFC模块的读出性能。该测试站基于EMV近场通信标准。
实施例1
如下制备近场通信(NFC)模块。使用AB5007RF铁氧体片作为磁性材料。该磁性材料在13.56MHz的近场通信工作频率的相对磁导率为约150。用小刀在AB5007RF铁氧体片中切割出2个通孔。通孔具有1.5mm长和0.5mm宽的矩形形状。
使用12μm厚的铜箔制造NFC天线。将铜箔的底侧层压至87622BP胶带(保护膜)的粘合剂层上并且然后将铜箔的上侧与82600的粘合剂表面层压，从而形成铜箔层压结构。
将铜箔层压结构进行半切工序以形成NFC天线。在半切工序中使用深度为25μm的刀片。在半切工序中，首先切割82600PSA胶带，然后切割铜箔，而不切穿87622BP(保护膜)。在半切工序之后，将87622BP PSA胶带和附着的铜箔从切割后的层压体剥离掉。在层压体中，所形成的NFC天线具有带两端部的环状线圈，两个馈点以及分别用于将环状线圈的两端连接至两个馈点的两个接线。环状线圈具有4圈矩形线，线宽为1mm，并且线间距为0.5mm。环状线圈的尺寸或面积为35mm×55mm。馈点和接线具有1mm的相同线宽。注意，天线的环状线圈设计与在半切工序中使用的模具设计一致。
将剥离衬垫从NFC天线的82600PSA胶带移除并且将NFC天线粘附在模切的B5007RF铁氧体的PET膜侧。使NFC天线的馈点通过模切的B5007RF铁氧体片的两个通孔，并且翻转并附着在铁氧体片的另一侧。馈点具有约5mm的长度。获得了NFC模块作为实施例1。将一片82601胶带层压在NFC模块的馈点侧以将该模块粘附至电子器件上。
实施例2
如下制备近场通信(NFC)模块。使用RFIC复合吸波材料片作为磁性材料。该磁性材料在13.56MHz的近场通信工作频率的相对磁导率为约45。用小刀在RFIC复合吸波材料片中切割出2个通孔。通孔具有1.5mm长和0.5mm宽的矩形形状。
如实施例1中所述那样制备铜箔层压结构和NFC天线。
将剥离衬垫从层压体中的82600PSA胶带移除并且将NFC天线的环状线圈粘附在模切的RFIC复合吸波材料片的一侧。使NFC天线的馈点通过模切的RFIC复合吸波材料片的两个通孔，并且翻转并附着在RFIC复合吸波材料片的另一侧。馈点具有约5mm的长度。获得了NFC模块作为实施例2。将一片82601胶带层压在NFC模块的馈点侧以将该模块附着至电子器件上。
比较例A
如下制备比较近场通信(NFC)模块。首先，制备NFC天线。通过5μm的环氧树脂粘合剂膜将6052XL聚酰亚胺膜层压至一片铜箔。通过5μm的环氧树脂粘合剂膜将第二片铜箔层压在6052XL聚酰亚胺膜的另一侧以形成层压结构。通过用220g/l的过二硫酸铵(NH4)2S2O8的溶液蚀刻层压体而制备NFC天线。在蚀刻之前，用一片7412B单面涂布的胶带保护用于形成NFC天线的环状线圈图案的铜箔区域和用于形成NFC天线的馈点的铜箔区域。在蚀刻后，移除7412B胶带并且通过用去离子水洗涤来清洗分别形成在聚酰亚胺膜的两侧上的环状线圈图案和馈点。所形成的环状线圈具有4圈矩形线，线宽为1mm，并且线间距为0.5mm。环状线圈的尺寸或面积为35mm×55mm。馈点具有约1mm的线宽和约5mm的长度。
在聚酰亚胺膜的对应环状线圈两端和馈点的位置钻出2个通孔。然后通过电镀经由在聚酰业胺膜中的2个通孔电连接馈点和环状铜线圈。使用硫酸铜(CuSO4·5H2O)和硫酸作为电镀溶液。用于电镀铜的阴极电压低至0.2V并且阳极电流密度为1.6至2.2Adm-1。在电镀之后，获得了NFC天线，其包括环状线圈，两个馈点以及用于将环状线圈的两端连接至两个馈点的两个接线。
随后，使用AB5007RF铁氧体片作为用于NFC模块的磁性材料。将配置有聚酰亚胺膜的NFC天线的环状线圈层压至AB5007RF铁氧体片的粘合剂侧。获得了NFC模块作为比较例A。将一片82601胶带层压至NFC模块的馈点侧以将该模块粘附至电子器件上。
比较例B
如比较例A中所述制备NFC天线。
随后，使用RFIC复合吸波材料片作为磁性材料。将配置有聚酰亚胺膜的NFC天线的环状线圈经由一片82601胶带层压至RFIC复合吸波材料片的一侧。获得了NFC模块作为比较例B。将一片82601胶带层压至NFC模块的馈点侧以将该模块粘附至电子器件上。
根据上述测试方法测量在实施例1和2以及比较例A和B中制备的近场通信(NFC)模块的电阻，刚性和近场通信性能。
表1概括了实施例1和2以及比较例A和B的近场通信(NFC)模块的结构和总厚度。
如表1中所示，与比较例A的近场通信模块相比，实施例1的近场通信模块具有大大简化的结构和显著降低的总厚度，并且与比较例B的近场通信模块相比，实施例2的近场通信模块具有大大简化的结构和显著降低的总厚度。这种结构的简化和总厚度的显著降低对于电子器件的微型化和厚度降低是特别重要的。
表2概括了实施例1和2以及比较例A和B中制备的近场通信(NFC)模块的用于支撑馈点的层的厚度和刚性。
表2
如表2中所示，与比较例A的近场通信模块相比，实施例1的近场通信模块具有用于支撑馈点的层的更大的厚度和刚性。类似地，与比较例B的近场通信模块相比，实施例2的近场通信模块具有用于支撑馈点的层的更大的厚度和刚性。这表明，与比较例A和B相比，实施例1和2的近场通信模块具有显著提高的机械性能。
表3概括了实施例1和2以及比较例A和B中制备的近场通信(NFC)模块的电阻和在13.56MHz的Q因子。
表3
如表3中所示，实施例1和2中制备的近场通信(NFC)模块的电阻和在13.56MHz的Q因子类似于比较例A和B的那些。
表4显示了实施例1的近场通信模块的读出性能，其中“PICC的位置”表示近场通信模块相对于接收端天线的位置的坐标，“所需最小值(mV)”表示近场通信模块在该PICC的位置所需要的电压最小值，并且“Vpp，A(mV)”表示近场通信模块在该PICC的位置的电压的波峰值与波谷值之差。
表4
如表4所示，在(0，0，0)的PICC的位置处，实施例1的近场通信模块的电压值达到或超过了在该位置所需的8.8mV，由此给出实施例1的近场通信模块“通过”的结论，并且在其他的PICC的位置处，同样给出实施例1的近场通信模块“通过”的结论。因此，基于表4的结果，可以得出以下结论：根据本发明的实施例1的近场通信模块满足EMV标准。
类似地，实施例2以及比较例A和B的NFC模块的读出性能也被测量并且确定为在所有PICC位置“通过”EMV标准。
应当理解，本文所述的示例性实施方案应当被认为是仅仅是说明性的而非限制性的。在各实施方案中的特征或方面的描述应当典型地被认为可用于在其他实施方案中的其他类似特征和或方面。
尽管参照附图描述了本发明的一个或多个实施方案，本领域普通技术人员应当理解，在本文中可以在不脱离通过以下权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下做出各种形式和细节的改变。

Claims (8)

1.一种近场通信模块，其包括:
磁性衬底，所述磁性衬底具有相反的第一和第二表面以及从第一表面延伸至第二表面的第一和第二通孔；和
天线，所述天线包括：
具有第一和第二端部的环状线圈，
第一和第二馈点，以及
用于将所述环状线圈的第一和第二端部分别连接至第一和第二馈点的第一和第二接线，
其中所述天线被构造为使得所述环状线圈设置在所述磁性衬底的第一表面上，第一和第二馈点设置在所述磁性衬底的第二表面上，并且第一和第二接线分别穿过第一和第二通孔，
所述近场通信模块还包括第一和第二粘合剂层，其中第一粘合剂层设置在所述磁性衬底的第一表面与所述环状线圈之间，并且第二粘合剂层设置在所述磁性衬底的第二表面与第一和第二馈点之间，并且
所述近场通信模块还包括带粘合剂层的保护膜，其中所述保护膜位于所述磁性衬底与第一粘合剂层之间或者位于所述磁性衬底与第二粘合剂层之间，并且所述保护膜的粘合剂层邻接所述磁性衬底。
2.根据权利要求1所述的近场通信模块，其中所述磁性衬底包括铁氧体衬底和磁性复合材料薄膜衬底的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的近场通信模块，其中所述环状线圈以及第一和第二馈点分别具有在2-60微米的范围内的厚度。
4.根据权利要求1或2所述的近场通信模块，其中所述磁性衬底具有在10-500微米的范围内的厚度。
5.根据权利要求1所述的近场通信模块，其中第一粘合剂层和第二粘合剂层中的至少一个具有在1-30微米的范围内的厚度。
6.根据权利要求1所述的近场通信模块，其中所述带粘合剂层的保护膜具有在1-30微米的范围内的厚度。
7.根据权利要求1所述的近场通信模块，其中所述保护膜包括聚合物膜。
8.根据权利要求7所述的近场通信模块，其中所述聚合物膜包括聚对苯二甲酸乙二醇酯膜、聚氨酯膜、聚氯乙烯膜和聚丙烯膜中的至少一种。
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