CN105793872B - 具有金属层和天线的卡 - Google Patents
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Abstract
在具有天线结构和金属层的智能卡中，在天线结构与金属层之间形成有绝缘体层以补偿由于金属层所导致的衰减。绝缘体层的厚度影响天线结构与金属层之间的电容性耦合并且对绝缘体层的厚度进行选择，以具有使在卡与读卡器之间的信号发送/接收最优化的值。
Description
背景技术
本申请要求基于在2013年11月18日提交的标题为“COMPOSITE CARD WITHHOLOGRAPHIC METAL FOIL AND AN INDUCTIVE COUPLING ANTENNA”(具有全息金属片和感应耦合天线的复合卡)序号为61/962873的临时申请的优先权，该临时申请的教导通过引用合并至本文中。
本发明涉及智能卡，并且特别地，涉及具有金属片/膜/层以及用于在智能卡与读卡器之间接收或发送信号的天线结构的多层智能卡。
如在图1、图2A、图2B以及图2C中所示，典型的智能卡包括(直接地或电磁地)耦接至也位于卡上或卡内的微处理器或微型计算机(也被称为“芯片”)的天线结构。天线结构实现在读卡器(也被称为“收发器”或“收发机”)与微处理器之间的非接触式通信。即：(a)由读卡器发射的信号经由天线被电磁耦合至接收并处理该信号的芯片；以及(b)由芯片处理并发射的信号经由天线被电磁地发送至读卡器。在某些智能卡的制造中，高度期望在卡层之间包括金属片/膜/层。然而，金属片/膜/层带来问题，这是由于金属片/膜/层起作用而使读卡器与芯片之间所发送的信号衰减(吸收)，其限制了通信或者甚至使得通信变得不可能。作为示例，要求读卡器应当能够读取位于距读卡器给定距离处的智能卡。具有金属片/膜/层的已知卡在这些安排好的所需最小距离处不能被可靠地读取。
为了克服金属片/膜/层的衰减效应，可以在金属片/膜/层与天线结构之间形成绝缘体层。常规方法是使绝缘体层非常厚以减小金属片/层的衰减效应。然而，这在绝缘体层的可允许厚度被限制的情况下是不可接受的。如在本领域中已知的，在卡的制造中存在必须满足的多个要求。一些要求归之于卡的结构完整性(例如，这些卡不应当卷曲、弯曲、分层)并且能够使用若干年以及大量的用户循环次数。所以，需要使用满足对层的厚度和构成的各种要求的多个层来形成卡。因此，仅使绝缘体层任意厚是不令人满意的，因为如此厚的层与智能卡的制造中的其他要求相抵触。
特别是当卡包括干扰在智能卡与读卡器之间对信号的发送/接收的金属层时，制造可靠的智能卡的问题甚至更大。
因此，申请人所面临的重要问题涉及选择绝缘体层的在规定范围内的厚度，其可以提供由位于规定距离处并且处于规定工作频率的读卡器对卡数据的可靠读取。相关的问题是找到提供改进的发送/接收的绝缘体层厚度。
发明内容
申请人的发明部分地归于下述认识：天线结构以及与其相关联的成在卡上或卡内形的包括RFID芯片的电子器件的组合可以通过改变形成天线结构的导线与金属膜/片/层之间的距离(“d”)来调谐。本文所使用的“调谐”包括增强在卡的天线结构与读卡器(或类似装置)之间的信号的发送/接收，使得在卡与预定距离处并且处于预定频率的读卡器之间具有可靠通信。根据本发明，“调谐”可以通过控制在天线结构与金属膜/片/层之间所形成的一个或更多个绝缘(非导电性)层的厚度来实现。
实际上，申请人发现，响应于所发送的某些读卡器信号，对于可以被称为优选厚度(“Tp”)的某个绝缘体厚度，相比于对于更厚的绝缘体层，在卡的天线处所接收的信号的幅度更大。改变绝缘体层的厚度会改变天线结构与金属层之间的距离“d”，并且控制天线结构层(23)与金属层(24)之间的电容。改变该电容可以用于对结构进行“调谐”以改善读卡器与卡之间的读/写距离以及感应耦合系统的性能(接收/发送)。
可以在全息金属片/膜/层的任一侧上形成一个或更多个天线并且对于薄的金属膜/片层来说，所产生的最终卡体可以由读卡器从卡体的任一侧来查询。
附图说明
在未按比例进行绘制的附图中，相同的附图标记表示相同的部件；并且
图1是图示将天线结构极为贴近几乎位于卡中心的金属膜放置的截面图；
图2A是根据本发明的一个实施例的包括天线结构和芯片的卡层的俯视图；
图2B是根据本发明的一个实施例的包括金属层或全息膜结构的层的俯视图；
图2C是在天线与芯片承载层(上面)和金属层(下面)之间所形成的绝缘体层的分解图；
图2D是图示了金属片对在收发器(RF发送器/接收器)与RFID芯片之间的信号的发送/接收的作用和影响的高度简化的等效电路；
图3示出了形成智能卡的层中的一些层的堆叠；
图4图示了根据本发明的使用RF发送器将RF信号发送至卡结构；以及
图5是示出了在图1和图4中所示的结构的天线处所感测的信号幅度的测量结果的条形图。
具体实施方式
参照图1至图4，示出了一般的对称类型的卡结构，该卡结构图示了在卡构造中使用缓冲层来吸收特性大不相同的层之间的差异，该缓冲层的使用使得能够制造很多不同类型的坚固且安全的卡。卡5包括(在图中)顶部101a，相应地对称成形的底部101b以及中心部103。
顶部101a包括设置在核心PVC层10a之上的PVC覆叠物14a，核心PVC层10a覆叠缓冲层22a，缓冲层22a又覆叠PET层12a，PET层12a又覆叠缓冲层25a。
底部101b包括在核心PVC层10b的下面形成的PVC覆叠物14b，核心PVC层10b在缓冲层22b的下面，缓冲层22b在PET层12b的下面，PET层12b在缓冲层25b的下面。缓冲层减小了非常不相似的材料之间的应力，非常不相似的材料能够形成寿命长得多和坚固性强得多的更稳定的结构。
在部分101a与101b之间所形成的卡5的中心部103包括通过绝缘体层21与天线结构23隔开的金属层24。
金属层24可以是全息膜或金属片。可以出于装饰目的在卡中使用金属层，以便向卡提供以期望方式对光进行反射的金属色或彩虹色。或者，用于任何其他功能性目的或装饰目的。金属膜/片层24可以是含金属的材料或透明材料，全息材料或纯金属的非全息材料。金属层的厚度的范围可以从约1微米至200微米。
天线结构层23可以包括直接耦接至RFID芯片的天线。可替选地，天线结构层23可以包括感应地耦合至芯片天线的增益天线，所述芯片天线又直接耦接至RFID芯片206。天线结构23可以是“RFID嵌体”的一部分，“RFID嵌体”包括RFID芯片和用于与读卡器或类似装置进行通信的(多个)相关联天线。天线结构可以在适当的塑性层上或在该适当的塑性层内形成。天线结构23及其相关联的RFID芯片206(其可以在同一层上或在不同的层上)意在与读卡器100进行无线通信。金属层24干扰了无线通信，这是因为金属层24衰减(吸收)了在读卡器与卡之间发送的RF能量。
在体现了本发明的卡中，在天线结构与金属层之间插入绝缘体层21以抵消由金属层所导致的衰减。绝缘体层可以由能够隔绝近场高频(HF，high frequency)信号的任何材料来形成，而典型地是PVC、PET、PETG、PC、乳胶、纤维素、玻璃纤维(特斯林)、粘合剂和/或这些材料的复合物、或在卡构造中所使用的其他聚合物。绝缘体层21的厚度的范围通常在从约10微米至350微米。绝缘体层的最大厚度通常由与形成卡的各种层有关的约束条件来设定。在允许或容许的厚度范围内，可以存在提供最佳结果的最优厚度值，如下所述，根据本发明，该厚度值可以是所选择的绝缘体厚度的值。如下所述，可以将绝缘体的厚度选择成具有使在读卡器100与天线结构或芯片206之间的信号发送和接收最优化(调谐)的值。
在一个实施例中，图4的卡的各种层近似如下：
(i)PVC层压层14a、14b每个为2密耳，
(ii)核心PVC层10a和10b每个为6密耳，
(iii)PET层12a和12b每个为1密耳，以及
(iv)缓冲层22a、22b、25a和25b每个为1密耳，
(v)天线结构23和RFID芯片层为2密耳，
(vi)金属层24为2密耳；以及
(vii)绝缘体层为3密耳。
要注意的是，根据期望属性和成本约束，聚酯层(较昂贵的材料)可以被放置成靠近两个外表面或者被放置在中心或核心中的不平衡处，使得“弯曲的”卡可以在利用明显层压进行个性化后变直。通常，使用PVC来形成卡的外层，因为其使得对卡的个性化能够更容易。通常还使用PVC，因为其能够进行感热式打印或热压印。基于PVC的材料通常比PET便宜的多，据此出于经济原因而更大量地使用PVC是理想的。因此，通常PVC材料的层比PET的层和缓冲材料的层更厚(单独地和总体地)。
参照图1至图4，要注意的是，可以使用如下所述的用于各种目的多个不同材料的层来形成复合卡5。与本发明有关的是形成紧密靠近全息金属膜/片层24的感应耦合的天线结构23。在图1和图4中，金属膜24被示出为位于卡体中心或靠近卡体中心。然而，这仅作为例示，并且天线结构和金属膜可以位于卡的顶部或底部附近。天线结构23可以在塑性层以上或塑性层以内形成。如图2A和图2C中所示，RFID芯片206可以直接连接至天线。可替选地，如图4中所示，RFID芯片206可以位于与天线结构不同的水平(层)处并且可以感应地(或直接地)耦合至天线结构。因此，体现本发明的智能卡包括直接地连接或感应地连接至RFID芯片以提供与读卡器100的非接触式通信的天线。本文所使用的术语天线结构23可以指代天线和/或指代天线及其相关联的包括芯片的电路。
如图4中所示，读卡器或RF发送器100可以向智能卡发送信号，该智能卡具有通过绝缘体层21与金属层24隔开的天线结构23。天线结构23感应地耦合至RFID芯片206。如已知的，使用读卡器(或收发器)100通过向卡传送(发送)RF信号来对卡进行查询，该卡经由天线结构电磁地耦合至RFID芯片206。响应于所接收的查询信号，卡产生RF信号，所述RF信号又被发送至读卡器，读卡器接收RF信号以用于处理。如上所述，具有金属层24的问题在于金属层使电磁能量衰减(吸收)，其妨碍了信号在卡与读卡器之间的发送/接收。
在天线结构23与金属层24之间插入绝缘体层21(其可以是粘合层或如上所述的任何适当的绝缘层)。本发明的重要方面是对层21的厚度“d”的选择。
申请人认识到：可以通过改变形成天线结构的导线与全息金属膜之间的距离(“d”)来对天线结构23及其相关联的电子设备(例如RFID芯片206)进行调谐，对距离(“d”)的改变是通过对层21的厚度进行控制来完成的。改变距离“d”控制在层23和层24中的导电元件之间的电容。可以使用该调谐来改善读/写距离以及感应耦合系统的性能。从而可以将改变距离“d”描述为寻找并且找到谐振频率或准谐振频率范围。
通过参照图2D可以获得对在金属层与绝缘体层之间的相互作用及它们对信号的发送/接收的影响的认识。
图2D描绘了对片和绝缘体层的作用的建模并且体现了试图图示并且解释在卡上形成的金属片与绝缘体层的作用对在卡204(等同于图4中的卡5)与读卡器202(等同于图4中的读卡器100)之间的信号发送的相互影响。金属片和绝缘体层可以由包括电容器C4和C5以及电阻器R4和R5的网络200来表示。读卡器可以通过包括在网络202中的收发器212和相关联的部件R1、C1和R2以及天线线圈L1来表示。卡的天线结构和相关联的电子部件可以由全部包括在网络204中的天线线圈L2、电阻器R3、电容器C2和C3以及RFID芯片206来表示。
电阻器R4和R5随着片(金属层)的厚度而改变。金属层越厚，则电阻值越低。C4和C5的值根据金属层与天线导线之间的绝缘体层的厚度“d”而改变。绝缘体厚度越小(越薄)，则C4和C5的电容越高。要注意的是，电阻器R4和R5共同连接的一端被示出为返回至地(GND)。该地(GND)是“虚拟”地，其代表金属片的接地效果的范畴。即金属片吸收了电磁能量但是其不具有返回至芯片或收发器的电气路径。
尽管图2D提供了对金属片和绝缘体层的相互作用的认识，但是其不能使用户确定能够使在给定金属厚度的情况下以指定频率的发送/接收最优化的C4和C5的值的范围。其也不能使用户推导出产生谐振频率的某种形式的近似方程。
根据本发明的一个方面，如下所示的，针对图中所示类型的所选结构来确定绝缘体层厚度的优选值集合。制造了4个卡集合，所述4个卡集合区别之处仅在于绝缘体层21的厚度(T)逐步改变。4个卡集合的天线层23是相同的并且50微米的金属层对于4个集合是相同的。4个集合的绝缘体层厚度分别被变成50微米、100微米、150微米和200微米。从收发器如RF发送器100发送信号，并且然后针对每个卡来测量在天线结构处所接收的信号的幅度。如图5中所示，对于由收发器100所发射的13.56MHz的额定载波频率的信号，在天线结构处所接收的信号的所测量的幅度具有：(a)对于50微米的绝缘体厚度，近似为11的相对值；(b)对于100微米的厚度，近似为38的相对值；(c)对于150微米的绝缘体厚度，近似为80的相对值；以及(d)对于200微米的厚度，近似为62的相对值。这表明：对于图中所示的特定结构，与更厚(即200微米)的绝缘体层相比，在150微米范围内的绝缘体厚度提供了更佳的接收。这是一个重要结果，其表明测试可以揭示绝缘体层厚度的值范围，与基于假设——最厚的绝缘体提供最佳的信号发送/接收结果——来预期的结果相比，该结果提供了的更佳的结果。从而，如上所述，准谐振频率范围被定位在实现了改进的发送/接收的位置处。
对于其他的卡结构，发现厚度“d”等于50微米是可以接受的。
根据本发明，可以对包括一组天线结构和一组(预定厚度的)金属层的卡结构进行测试以确定将在读卡器与天线结构之间提供更佳或最佳接收的分隔绝缘体的厚度。
(a)这可以基于单独的卡来进行。
(b)这种方法能够制造少许卡以确定最佳工作范围并且然后进行卡的批量制造。
(c)该方法还使用户能够针对给定绝缘体厚度来改变卡的各种参数(例如，片的厚度和天线结构)并且确定可靠的工作范围。
(d)所以，如在本文中所使用的，“选择的”或“优选的”绝缘体厚度(Tp)被定义为对来自读卡器的所发送信号(在天线处)给出最佳(或至少为可接受的)接收的绝缘体厚度Tp。该Tp值还将适用于由卡芯片经由天线向读卡器发射的信号。
(e)可以针对读卡器(或查询装置)正在工作的用于确保最佳的响应的频率(例如，13.56MHz)来确定(得到)Tp。
(f)可以针对给定的金属配置及其厚度和给定的天线结构配置来经验性地确定Tp。此时未生成可以用来针对不同配置准确地预测Tp的令人满意的方程。
(g)如果天线结构改变，则Tp的值可能是不同的，这是因为天线的频率响应曲线也会改变。天线的设计可能会由于压印要求或卡的其他物理属性而必须改变。
(h)本发明可以适用于所有类型的金属卡。当金属卡包括铁素体层时，本发明对“批量”金属卡也是有用的。因此，本发明涉及所有的卡构造。
(i)本发明在制造产品中有用之处在于：针对给定的卡产品存在规定了天线形状因子及其包围层中的一些包围层的物理约束条件。基于那些约束条件，可以按照本文所指导的来“调谐”绝缘层以使卡与读卡器之间的信号响应最大化。
(j)本发明是特别有用的，这是因为其教导了：给出适用于卡产品的约束条件，可以绝缘层进行改变以使发送/接收的结果最优化。这超出了现有技术的仅对天线进行调谐的建议。
Claims (13)
1.一种用于确定在天线结构与金属层之间形成的绝缘体层的厚度的优选范围的方法，所述方法包括以下步骤：
在所述天线结构与所述金属层之间形成的所述绝缘体层，所述绝缘体层直接接触所述天线结构和所述金属层，其中所述绝缘体层表现出将所述天线结构和所述金属层相耦合的电容，并且其中所述绝缘体层的厚度影响所述天线结构和所述金属层之间的所述电容的值；
在第一最小值与第二更高值之间延伸的范围内改变所述绝缘体层的厚度，以改变在所述天线结构和所述金属层之间表现出的所述电容；
针对所述绝缘体层的厚度的在所述范围内的所选择的值，将射频RF信号发送至所述天线结构、所述绝缘体层以及所述金属层的组合；
针对所述绝缘体层的厚度的所述所选择的值，感测在所述天线结构处接收到的信号的幅度；以及
识别导致在所述天线结构处接收到最高幅度的信号的所述绝缘体层的厚度。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：形成包括在所述天线结构和所述金属层之间形成的所述绝缘体层的智能金属卡，其中，所述绝缘体层具有与导致在所述天线结构处接收到最高幅度的信号的厚度相对应的厚度。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述发送RF信号的步骤包括使收发器位于距所述智能金属卡规定距离处的步骤，并且还包括以规定工作频率来应用所述RF信号的步骤。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述金属层是全息膜，并且其中，所述天线结构耦接至射频标识RFID芯片，并且
所述方法还包括以下步骤：在所述天线结构以上形成多个塑性层并在所述金属层以下形成同样数目的塑性层。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二更高值是绝缘体层的厚度的最大值，并且其中，提供最高幅度的所接收信号的绝缘体层的厚度的值是比所述绝缘体层的厚度的最大值小的厚度。
6.根据权利要求2所述的方法，其中，所述智能金属卡包括芯片和用于形成坚固且可靠的卡的多个其他层。
7.一种智能金属卡，包括：
在金属层与天线结构之间形成的绝缘体层，所述绝缘体层具有第一表面和第二表面，所述第一表面直接接触所述天线结构并且所述第二表面直接接触所述金属层，并且所述绝缘体层表现出所述天线结构和所述金属层之间的耦合电容，其中所述耦合电容的值是所述绝缘体层的厚度的函数，所述金属层趋于使在所述天线结构处接收到的射频信号的幅度衰减；
其中对所述绝缘体层的厚度进行选择以具有通过分析下述结果而确定的值，其中通过改变使得所述耦合电容的值改变的绝缘体层的厚度以测试对应的结构并识别导致在所述天线结构处获得最佳接收的绝缘体层的厚度的值来获得所述结果；并且
所选择的所述绝缘体层的厚度使得所述天线结构处的接收信号的幅度最大化。
8.根据权利要求7所述的智能金属卡，其中，所述天线结构被耦接至射频标识RFID芯片；并且其中，所述智能金属卡能够将信号发送至位于距所述智能金属卡预定距离处的读卡器并且能够从所述读卡器接收信号。
9.根据权利要求8所述的智能金属卡，其中，所述金属层还趋于使经由所述天线结构所发射的信号衰减，并且其中，对所述绝缘体层的厚度进行选择使得从所述天线结构发送的信号的幅度最大化。
10.根据权利要求8所述的智能金属卡，其中，所述智能金属卡包括耦接至所述天线结构的所述RFID芯片，并且其中，所述智能金属卡还包括另外的塑性层和缓冲层。
11.根据权利要求7所述的智能金属卡，其中，所述绝缘体层的厚度的所选择的值比所述绝缘体层的可能更厚的厚度值小。
12.一种用于形成智能金属卡的方法，所述方法包括以下步骤：
形成包括天线结构和金属层的组合，其中在所述天线结构与所述金属层之间形成有直接接触所述天线结构与所述金属层的绝缘体层；其中，所述金属层趋于使在所述天线结构处接收的射频信号的幅度衰减；其中所述绝缘体层表现出将所述天线结构和所述金属层相耦合的电容，并且其中所述绝缘体层的厚度影响所述天线结构和所述金属层之间的所述电容的值；以及
形成具有厚度的绝缘体层，对所述厚度进行选择以提供使得在所述天线结构处接收到的信号的幅度被最大化的准谐振频率响应；并且
其中所述绝缘体层的厚度的值是通过测试与绝缘体层的厚度被改变的组合相似的多个不同组合并识别提供对射频RF信号的最佳接收的厚度而获得的。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述智能金属卡能够被形成为具有较厚的绝缘体层，但是所选择的厚度的值提供对RF信号的更佳接收。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |