CN106250967A - Rfid天线系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种RFID天线系统和方法，更具体地，涉及一种具有基片主体以及设置在基片主体上的IC元件和天线的RFID设备。该RFID设备还可包括一个或多个间隔元件，其中，基片主体的至少一部分适合于围绕间隔元件的至少一部分设置，从而减小了基片主体的总尺寸，同时具有恰当的阻抗匹配。RFID设备还可包括连接到基片主体和/或间隔元件的EAS元件，以便创造出具有减小其总轨迹的能力的组合RFID/EAS设备，而不牺牲提供识别功能和商品防盗功能的能力。

Description

RFID天线系统和方法
本申请是中国专利申请号为200880113956.5、申请日为2008年09月30日的PCT申请PCT/US2008/011303的、名称为“RFID天线系统和方法”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及射频识别(“RFID”)通信领域，且具体地是涉及RFID收发器(RFIDtransponder)构造。
背景技术
射频识别(RFID)设备正在各种各样的工业、零售、交通运输以及其他应用中变得越来越流行。RFID技术通过使用无源射频信号提供了对于携带RFID收发器的任何物体、人员或类似物的主动识别。在典型的应用中，RFID收发器包括天线和集成电路。当单独的RFID读取设备广播射频信号时，该信号与RFID收发器天线相互作用。收发器天线将接收到的RF信号能量的一部分转换成电流。该电流为集成电路提供能量。集成电路随后调节其阻抗，以产生返回RF信号。该返回RF信号随后由RFID读取设备中的天线检测到。该调节后的RF返回信号携带着基于先前储存在集成电路中的数据的关于收发器的编码数据。例如，收发器的序列号可经由该调节后的RF信号而被返回到RFID读取设备。最后，RFID读取设备对从收发器返回的信号进行解码，以完成识别。
RFID收发器被集成到越来越多的应用中。雇员身份标记、动物身份设备、零售定价和编制设备(retail pricing and inventory device)、零售安全设备、产品制造和材料跟踪设备、交通工具识别设备以及类似物仅仅是对于RFID技术的应用的扩大领域的几个例子。RFID收发器理想地适于与各种各样的产品集成，并且处于各种各样的环境中。RFID收发器可以为纯粹的无源设备，其中用于操作集成电路的所有能量来自于广播RF信号。可选地，有源RFID系统可包括板上电池(on-board battery)，以对身份片提供能量和/或为收发器的返回RF信号提供能量。在固定的系统，例如用于自动收费系统的机动交通工具收发器中，板上电池的附加成本通过性能改进的设备来容易地证明是合理的。相反，在成本敏感性应用，例如零售定价和安全标签中，RFID收发器设备必须尽可能的便宜，且因此典型的为无源设备。
板上天线(on-board antenna)是实现RFID收发器设备的技术的关键。广播RF能量可以是如典型的无线信号广播中的磁场、电场或混合场的形式。收发器天线的形状和尺寸基于广播RF能量的特性，例如场的类型和信号频率来设计。此外，RFID标签的设计典型地要求通常通过匹配电路使天线阻抗和负载阻抗匹配，以最大化来自读取器的询问的RF能量或标签天线接收到的要被最小损失地传递到RFIC的指令信号，由此实现最佳的标签敏感性。理论上，通过使阻抗匹配共轭来实现最大能量传递，这要求来自天线的阻抗尽可能接近RFID输入阻抗的数学共轭值。这代表理想的阻抗匹配。
在很多应用中，期望减小特定的RFID设备的总尺寸或“轨迹”。包括在具有小尺寸的零售商品上面或里面可能要求减小的尺寸。可选地，可能简单地期望使RFID设备尽可能不起眼。虽然存在极大地减小RFID设备的IC元件的尺寸的技术，但是，RFID设备的天线的类似的小型化可导致性能的显著降低。如上所述，RFID设备的特定的IC和天线理想地具有匹配的阻抗特性。通过减小RFID设备的总尺寸，以及因此减小天线的总尺寸，可能证明，对于设备的有效功能而言难以足够地提供阻抗特性。因此，RFID可遭受：到IC的低效的能量传递、相对于询问器的减小的操作范围，以及作为响应的弱的返回信号。
此外，连接到RFID标签的天线一般地被设计成在基片的具体的或窄的范围上操作，天线可附于该基片。其他基片可引起天线的辐射效率，以从最佳设计的安装基片劣化。因此，天线，以及因此RFID设备，将不再如期望的来工作。天线效率的该损失可能是由于很多可变的包装因素。例如，每个基片具有其自身的介电特性和传导特性，这些特性典型地影响无线通信设备和其天线之间的阻抗匹配。阻抗匹配确保天线和无线通信设备之间的最有效的能量传递，如上面所讨论的，且将RFID设备放置在特定范围以外的具有介电属性和传导属性的表面附近可能会降低RFID设备的性能。这些对RFID设备的性能的不良影响还可作用在包括或集成的电子商品防盗(“EAS”)标签或设备上。这种EAS设备通常包括磁-声机构(magneto-acoustic mechanism)，该磁-声机构具有一个或多个金属元件，该一个或多个金属元件可随后干涉或降低特定的RFID设备的性能特性。
鉴于以上内容，将期望提供一种RFID设备，该RFID设备具有减小的轨迹，同时提供对各种表面和/或结合EAS标签的有效操作。
发明内容
本发明有利地提供了一种用于RFID/EAS设备的方法和系统。根据本发明的第一方面，提供的RFID设备具有介电基片主体(dielectric substrate body)、设置在基片主体上的天线，以及第一间隔元件，其中基片的至少一部分被包裹围绕间隔元件的一部分。
基片可由包括聚酰亚胺、聚酯、玻璃纤维、陶瓷、塑料以及纸张中的至少一种的材料制成，且天线可由包括铜、铝以及导电墨(conductive ink)中的至少一种的材料制成。天线可包括图案化到基片主体的表面上的导电材料。特别地，图案包括多个多边形，例如具有实质上矩形的形状的一个或多个多边形，该实质上矩形的形状具有方形或圆形拐角。图案还可包括曲折线(meanderline)(曲折图案)片段。多个多边形的天线可以是非连续的和/或其中包括非传导性开口或断开，以由此提供单个导电通路。此外，可在基片上设置一个或多个电容器，且该一个或多个电容器与天线电气通信。
在本发明的另一个方面中，提供了一种RFID/EAS设备。该RFID/EAS设备一般可包括介电基片主体、设置在基片主体上的天线、第一间隔元件，以及第二间隔元件。此外，可在第一间隔元件和第二间隔元件之间设置EAS元件，且基片主体的至少一部分可被定为成包围第一间隔元件和第二间隔元件的一部分。EAS元件可包括声光-磁设备(acousto-magentic device)和/或微波设备。
在本发明的另一个方面中，提供了一种装配RFID/EAS设备的方法，其中该方法包括步骤：提供具有介电基片主体和设置在基片主体上的天线的RFID设备。该方法还包括：将EAS元件定位在第一间隔元件和第二间隔元件之间，以及随后使RFID设备的至少一部分包裹围绕第一间隔元件和第二间隔元件的至少一部分。
附图说明
通过参考结合附图考虑的下列详细描述，将更容易地理解对本发明以及其附带的优势和特征的更全面的理解，其中：
图1图解了根据本发明构建的RFID设备的实施方式；
图2图解了用于根据本发明构建的RFID设备的天线图案的可选的实施方式；
图3图解了用于根据本发明构建的RFID设备的天线图案的另一个实施方式；
图4图解了电连接到根据本发明构建的天线的一个或多个电容器的使用；
图5图解了根据本发明的天线将被包裹围绕间隔物元件(spacer element)的能力；以及
图6图解了根据本发明使用的间隔物元件的一种可选的构造。
具体实施方式
现在参照附图，其中，相同的参考标号表示相同的元件，图1中示出了根据本发明的原理构建的示例性设备的示图，且该示例性设备一般标识为“10”。设备10是RFID设备，其一般可包括基片主体12和天线16，其中集成电路(“IC”)元件14连接到基片主体12，天线16设置在基片主体12上，与IC元件14电气通信。天线16一般可包括导电材料的图案。具体地，天线16可包括具有方形或圆形拐角的多个实质上正方形或矩形形状的多边形18，其中多边形18的一部分被挖空，即不包含导电材料。多个多边形18可通过导电材料20的条或部分电连接到彼此，导电材料20的条或部分连接每个多边形18，并且进一步将多个多边形18连接到IC元件14。尽管未示出，但是还考虑了天线16的图案可采取曲折线片段的形式，使得天线16的总长度大于从天线的连接到IC元件14的端点到基片主体12的外边缘的距离。这可以例如，通过当天线16从IC元件14延伸到基片主体12的外边缘时允许天线16沿着基片主体12来回地“曲折”来实现。曲折线片段可独立地使用或与一个或多个多边形结合使用。天线16还可包括位于IC元件14的任一侧上天线16的第一部分和第二部分之间的电导耦合器(conductive coupling)(未示出)。该耦合器可提供电流回路，来增加或以其他方式优化天线16的性能特性。
设备10还可包括间隔元件22，其中基片主体12的至少一部分包围间隔元件22的至少一部分。以下详细描述的，RFID设备10还可包括诸如声光-磁设备(图1中未示出)的EAS元件，该EAS元件连接到基片主体12和/或间隔元件22中的至少一个。
特别地，基片主体12可一般地界定第一表面13a以及与第一表面13a相对的第二表面13b，其中第一表面13a可接收IC元件14以及天线16的至少一部分。第一表面13a可包括介电属性，以便减少或消除与天线16干涉的可能性或以其他方式防止天线16和/或IC元件14短路。第二表面13b可适于固定或另外地连接到特定的物件、包装或类似物。例如，第二表面13b可包括粘合属性或类似属性，以便于放置RFID设备10。此外，第二表面13b可具有与第一表面的介电属性类似的介电属性。基片主体12可包括一层或多层基片，该一层或多层基片由柔性材料，诸如类似例如聚酰亚胺或聚酯的有机材料制成。基片主体12可具有为给定的应用适当设计的尺寸的细长矩形形状，但是对于不同的环境可使用无数的形状和尺寸。
RFID设备10的IC元件14可连接或以其他方式定位在基片主体12的第一表面13a上。IC元件14一般可包括能够储存多位数据的集成电路设备，且可以进一步能够调节RFID设备10的天线中的电流，以由此将数据编码到RF信号上。特别地，IC元件14可包括基于半导体的设备，例如硅片，且还可包括集成在其上的有源元件和/或无源元件，例如晶体管、电阻器、电容器，以及类似物。例如，IC元件14可包括对输入的RF信号表现共振响应的电阻器、电容器和/或电感器的无源网络。此外，IC元件14可包括二极管设备，以简单地整流输入的RF信号。IC元件14还可包括固定的响应频率和/或识别数据图案(identifying datapattern)，并且可选地可包括可编程的和/或可预编程的响应频率和/或识别数据图案。
本发明的RFID设备10还包括设置在基片主体12的第一表面13a上的天线16，其中天线16能够传导RF信号。天线16可包括与IC元件14电气通信的图案化构造(patternedconfiguration)的导电材料，以将信号传递到IC元件14以及从IC元件14传递信号。天线16的图案可被改变和/或选择成提供期望的阻抗特性来符合IC元件14的电特性，以便得到RFID设备10的最佳使用和性能。天线16可包括具有足够高的导电性的材料，例如包含铜(Cu)或铝(Al)的金属材料，或微波导电碳纤维。天线16可利用任何普通的已知的图案化方法(patterning method)，例如但不限于光刻法、离子蚀刻、化学蚀刻或气相沉积方法，来图案化到基片主体12的第一表面13a上。天线16一般可包括带有IC元件14的双极构造，但是本发明可同等地应用单极构造。
此外，天线16可被图案化为提供单个导电通路或，可选地，多个串联的电通路。例如，天线图案可包括提供用于传导期望的信号的通路的多个连接的多边形18。每个多边形18可具有实质上连续的形状，其中多个多边形18被连接到彼此以界定穿过其中的一系列导电通路。特定的天线图案的多边形可被“挖空”或具有不同直径或厚度的导电材料，以便提供用于特定应用的期望阻抗。
可选地，如图2所示，天线16可包括提供单个导电流动通路的“开放的”多边形18的图案。图2中的多边形18的图案是非连续的，即每个多边形18的一侧或一部分是非传导性的，由此提供了通过天线12的长度的单个导电流动通路。在图2中，多边形18被构造为交替图案。类似于图1中描写的上述的天线布置，多个非连续的多边形18可通过将多个多边形18连接到一起以及将天线图案连接到IC元件14的导电材料的连接物或沉积物而彼此电气通信。此外，如果天线16包括在IC元件14的任一侧延伸的双极构造，则可具有将天线的两侧彼此连接以在IC元件14外部或独立于IC元件14形成电流回路或电通路的导电条或部分23，如图2所示。
图3图解了另一种天线构造，其中每个多边形18是非连续的，如图2所示的实施方式中的。然而，在该构造中，每个多边形18的方向是重复的。本发明不限于多边形18的任何特定的方位，且可包括各图案的组合，且不只限于图2和图3中描写的方位。通过改变多边形18的图案(或曲折线)，可获得不同的总阻抗。
注意，尽管图2和图3所示的实施方式示出了在IC片14的每侧的对称的天线片段，但是本发明不限于此。考虑了可例如，通过在IC片14的每侧采取不同数量的多边形18来实施不对称的天线片段。
类似地，如图1-3的示例性的实施方式所示，用于使天线匹配到IC片14的阻抗的电容性部分和电感性部分可源自天线16自身，而不需要外部的分立设备。通过改变天线16的导电通路的长度，可以改变阻抗的电容性部分和电感性部分。通过非限制性例子，延长天线16的长度导致阻抗的电容性部分和电感性部分的增加。在诸如图1所示的情况中，其中天线16的所得到的长度超出间隔物22(或EAS元件)的长度，如下文详细描述的，基片主体12(连同天线16)可被包裹围绕间隔物，以使总包装尺寸最小化。
在图4中，一个或多个分立电容器26可被电连接到天线16的任一端或两端，以提供RFID设备的期望的电电容特性。如这里所使用的，术语“电容器”意图包括呈现出电容属性的任何元件或结构。例如，它可包括天线16的延长的部分或类似物，且不限于由两个充电的传导面(charged conducting surface)构成的分立“电容器”元件的构造，这两个充电的传导面具有由电介质分开的相反的极性。尽管不必要基于天线16自身的导电通路长度的使用来创建匹配阻抗，但是这里所描述的任何一种天线布置中可实施分立电容器26和/或分立电感器(未示出)。
如以上所描述的，本发明的RFID设备10还可包括一个或多个间隔元件22，该一个或多个间隔元件22连接到基片主体12，以便偏置或以其他方式操纵基片主体12的位置，或其相对于彼此的任何部分。每个间隔元件22可界定具有非传导属性和/或介电属性的实质上平面的主体，且可由不导电塑料、聚合物或其他合适的绝缘材料制成。例如，间隔元件22可构成绝缘泡沫的实质上矩形形状的部分，其中该间隔元件的厚度小于大约3mm。
图5示出了本发明的使用任何前述天线构造的RFID设备10的示例性构造。如上面所讨论的，IC元件14被连接到基片主体12的非传导表面。天线16从基片主体12上的IC元件14延伸并与IC元件14电气通信，以提供期望的阻抗特性，如上所述。RFID设备10的基片主体12的至少一部分可随后围绕间隔元件22的外周或外部部分定位。接着，基片主体12可实质上被包裹、折叠或以其他方式围绕间隔元件22设置，使得IC元件14和天线16面向或以其他方式接近间隔元件22。注意，尽管图5示出了与基片主体12分开的间隔元件22，但是考虑了可将盖子原料(cover stock)(未示出)定位在基片主体12上方，使得当基片主体12被围绕自身包裹时，盖子原料起到间隔元件22的作用。盖子原料，例如，纸板、纸张、塑料等的厚度可被改变，以当基片主体12被包裹在自身上方时建立期望的所得到的间隔。
当基片12基本上包裹围绕间隔元件22以及包裹在间隔元件22上方时，所得到的RFID设备10具有与间隔物元件实际上相同的物理尺寸，而没有折衷或减小天线16的实际长度。间隔元件22防止天线16短路，因为它提供了天线16的相对的部分之间的缓冲器。结果是，当天线16被包裹在间隔元件22上方时，天线16的总阻抗与IC元件14的阻抗匹配，而RFID设备10的尺寸由于基片12折叠在间隔元件22上方的能力而显著地减小了。因此，由于基片12“包裹”在间隔元件22上方，RFID设备10达到了在IC元件14和适当的天线图案之间匹配的阻抗，而又极大地减小了其总尺寸，而同时由于间隔元件22的原因从而防止了设备10上的天线或电路中的短路。
本发明的设备还可包括连接到基片主体12的电子商品防盗(“EAS”)元件24。EAS元件24可包括具有非晶铁磁金属条的声光-磁设备，其中这些条自由地机械振荡，且通过它们对感应磁场的共振响应来识别。
可选地，EAS元件可包括微波设备，该微波设备具有连接到微波和静电天线的非线性元件(例如二极管)。一个天线发出低频(大约100kHz)场，而另一个天线发出微波场，其中该设备起到重新发出来自两个场的组合信号的混合器的作用，以触发警报器。本领域已知的附加的合适的EAS设备和/或标签可同等地适于用于本发明。
现在参照图6，EAS元件24可被嵌入或以其他方式设置在一个或多个间隔元件22之间，而基片主体12仍然围绕一个或多个间隔元件22的外周设置。特别地，EAS元件24可被设置在第一间隔元件22a和第二间隔元件22b(这里共同地被称为“间隔元件22”)之间，其中具有IC元件14和天线16的基片主体12围绕第一间隔元件和第二间隔元件22的周边的一部分设置，从而导致图5所示的折叠构造。因为基片主体12和EAS元件24彼此并不电气通信，因此，天线/IC元件配对的期望的阻抗特性保持原样，同时允许RFID设备10提供识别功能和商品防盗功能。
在RFID设备10的示例性使用中，RFID设备10可被连接到或以其他方式定位在商品或物品上。RFID设备10可包括嵌入一个或多个间隔元件内的EAS元件24。此外，由于使设备的至少一部分包裹围绕一个或多个间隔元件，从而大大地减小了RFID设备的总轨迹。
本领域技术人员应理解，本发明不限于以上这里已经特定地示出和描述的内容。此外，应注意，除非以上做出了相反的声明，否则所有附图都不是按比例绘制的。鉴于以上示教，各种修改和变化都是可能的而不背离仅由以下权利要求所限制的本发明的范围和精神。

Claims (17)

1.一种RFID/EAS设备，其包括：
介电基片主体，该介电基片主体是具有预定厚度的矩形形状并具有彼此相对的第一表面和第二表面，并且所述介电基片主体的矩形形状限定了长边方向；
RFID集成电路，其设置在所述介电基片主体的第一表面上；
双极天线，其设置在所述介电基片主体的第一表面上并且电连接到所述RFID集成电路，所述双极天线包括第一天线部分和第二天线部分，所述第一天线部分和所述第二天线部分都连接到所述RFID集成电路并且分别从所述RFID集成电路沿着所述介电基片主体的长边方向朝着彼此相反的第一方向和第二方向延伸；
间隔元件，其与所述介电基片主体分离地形成，所述间隔元件包括具有预定厚度的平面的主体并且具有彼此相对的第一表面和第二表面；以及
EAS元件，其嵌入所述间隔元件内，
其中，所述介电基片主体被以所述长边方向包裹围绕具有嵌入的EAS元件的所述间隔元件，使得所述双极天线接触所述间隔元件的第一表面和第二表面，并且所述RFID集成电路以及所述第一天线部分和所述第二天线部分的靠近所述RFID集成电路的部分接触所述间隔元件的第一表面，而所述第一天线部分和所述第二天线部分的相比于所述部分沿着所述长边方向距所述RFID集成电路更远的部分接触所述间隔元件的第二表面。
2.如权利要求1所述的RFID/EAS设备，其中，所述第一天线部分和所述第二天线部分分别由图案化到所述介电基片主体的表面上的导电材料构成。
3.如权利要求2所述的RFID/EAS设备，其中，所述导电材料的图案包括多个多边形和曲折线中的至少一个。
4.如权利要求3所述的RFID/EAS设备，其中，所述多个多边形中的每个多边形具有实质上矩形的形状。
5.如权利要求4所述的RFID/EAS设备，其中，所述多个多边形中的每个多边形是非连续的，从而提供单个导电通路。
6.如权利要求1所述的RFID/EAS设备，其中，所述间隔元件为实质上不导电的。
7.如权利要求1所述的RFID/EAS设备，其中，所述EAS元件是声光-磁设备。
8.如权利要求1所述的RFID/EAS设备，其中，所述EAS元件是微波设备。
9.如权利要求1所述的RFID/EAS设备，其中，所述介电基片主体由包括聚酰亚胺、聚酯、玻璃纤维、陶瓷、塑料以及纸张中的至少一种的材料制成。
10.如权利要求1所述的RFID/EAS设备，其中，所述双极天线由包括铜、铝以及导电墨中的至少一种的材料制成。
11.一种RFID/EAS设备，其包括：
介电基片主体，该介电基片主体是具有预定厚度的矩形形状并具有彼此相对的第一表面和第二表面，并且所述介电基片主体的矩形形状限定了长边方向；
RFID集成电路，其设置在所述介电基片主体的第一表面上；
双极天线，其设置在所述介电基片主体的第一表面上并且电连接到所述RFID集成电路，所述双极天线包括第一天线部分和第二天线部分，所述第一天线部分和所述第二天线部分都连接到所述RFID集成电路并且分别从所述RFID集成电路沿着所述介电基片主体的长边方向朝着彼此相反的第一方向和第二方向延伸；
包括第一间隔元件部分和第二间隔元件部分的间隔元件，其与所述介电基片主体分离地形成，所述间隔元件包括具有预定厚度的平面的主体并且具有彼此相对的第一表面和第二表面
EAS元件，其设置在所述间隔元件的所述第一间隔元件部分和所述第二间隔元件部分之间，
其中，所述介电基片主体被沿着所述长边方向包裹围绕所述EAS和包括所述第一间隔元件和所述第二间隔元件的间隔元件，使得所述双极天线接触所述间隔元件的第一表面和第二表面，并且所述RFID集成电路以及所述第一天线部分和所述第二天线部分的靠近所述RFID集成电路的部分接触所述间隔元件的第一表面，而所述第一天线部分和所述第二天线部分的相比于所述部分沿着所述长边方向距所述RFID集成电路更远的部分接触所述间隔元件的第二表面。
12.如权利要求11所述的RFID/EAS设备，其中，所述第一天线部分和所述第二天线部分分别由图案化到所述介电基片主体的表面上的导电材料构成。
13.如权利要求12所述的RFID/EAS设备，其中，所述导电材料的图案包括多个多边形和曲折线中的至少一个。
14.如权利要求13所述的RFID/EAS设备，其中，所述多个多边形中的每个多边形具有实质上矩形的形状。
15.如权利要求13所述的RFID/EAS设备，其中，所述多个多边形中的每个多边形是非连续的，从而提供单个导电通路。
16.如权利要求11所述的RFID/EAS设备，其中，所述双极天线还包括第三天线部分，所述第三天线部分形成所述第一天线部分和所述第二天线部分之间的电连接。
17.一种装配RFID/EAS设备的方法，其包括以下步骤：
提供RFID设备，该RFID设备包括具有预定厚度的矩形形状并具有相对的第一表面和第二表面的介电基片主体和设置在所述介电基片主体的第一表面上的双极天线，所述介电基片主体的矩形形状限定了长边方向，所述双极天线包括第一天线部分和第二天线部分；
通过将将EAS元件定位在第一间隔元件部分和第二间隔元件部分之间来提供隔离元件，所述第一间隔元件部分和所述第二间隔元件部分与所述介电基片主体分离地形成，所述隔离元件包括具有预定厚度的平面的主体并且具有彼此相对的第一表面和第二表面的间隔元件；
将RFID集成电路设置在所述介电基片主体的第一表面上，使得所述第一天线部分和所述第二天线部分都连接到所述RFID集成电路并且分别从所述RFID集成电路沿着所述介电基片主体的长边方向朝着彼此相反的第一方向和第二方向延伸；以及
使所述介电基片主体沿着所述长边方向包裹围绕所述间隔元件的至少一部分，使得所述双极天线接触所述间隔元件的第一表面和第二表面，并且所述RFID集成电路以及所述第一天线部分和所述第二天线部分的靠近所述RFID集成电路的部分接触所述间隔元件的第一表面，而所述第一天线部分和所述第二天线部分的相比于所述部分沿着所述长边方向距所述RFID集成电路更远的部分接触所述间隔元件的第二表面。
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