CN107408218A - Rfid天线结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种被设计为靠近金属表面操作的RFID天线结构。RFID天线结构以与金属物体的表面成90度放置，允许其以RFID天线结构的边缘至金属物体的最小间隔进行操作。在另一个实施方式中，RFID天线结构包括防篡改实施方式，其中RFID标签装置应用至拧盖和翻盖容器，使得沿着盖上的穿孔撕裂而使RFID标签装置失效。

Description

RFID天线结构
相关申请的交叉引用
本申请要求2014年12月10日提交的美国非临时申请号14/565726的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
发明背景
本发明总体上涉及被设计为靠近金属表面操作的射频识别(RFID)天线。具体地，天线以与表面成90度放置，允许天线以RFID天线的边缘至金属物体的最小间隔进行操作。本主题特别适用于食品和药物容器。根据本主题的实施方式，提供RFID天线，其被设计成靠近导电表面操作，其中表面包括高介电常数和高介电损耗，如一些液体、凝胶、溶液，以及这些表面和材料的组合。发现与密封的食品和药物容器相关的特定的关联。因此，本说明书对其进行具体参考。然而，应当理解，本发明主题的方面也同样适用于其它类似的应用。
射频识别(“RFID”)是使用电磁能(“EM能量”)来刺激响应装置(称为RFID“标签”或应答器)来识别自身，并且在一些情况下提供另外存储的数据。RFID标签通常包括在其上形成与天线连接的存储器和操作电路的通常称为“芯片”的半导体装置。通常，RFID标签用作应答器，响应于从读取器(也称为询问器(interrogator))接收的射频(“RF”)询问信号而提供存储在芯片存储器中的信息。在无源RFID装置的情况中，询问信号的能量也提供必需的能量以操作RFID装置。
RFID标签可以并入或附接到待追踪的物品。在一些情况下，标签可以用粘合剂、胶带或其它手段附接到物品的外部，并且在其它情况下，标签可以插入到物品内，如被包括在包装中，位于物品的容器内，或缝制到衣服中。RFID标签制造有独特的识别号，其通常是附有校验数位(check digit)的几个字节的简单序列号。该识别号在制造期间被并入标签中。用户通常不能更改此序列/识别号，并且制造商保证每个序列号仅使用一次。该配置代表了技术的低成本目标，因为RFID标签是只读的，并且其仅用其识别号响应询问信号。通常，标签用其识别号进行连续响应。数据传输到标签是不可能的。这些标签是非常低成本的，并且被大量生产。
这样的只读RFID标签通常永久地附接到待追踪的物品，并且一旦附接，标签的序列号与其主物品(host article)在计算机数据库中相关联。RFID标签数据(存储在读/写存储器中的独特ID和数据)也可以与主物品在数据库中相关联，但不总是这样。标签可以存储从条形码或项目识别、其制造日期等读取的数据，没有与数据库或访问数据库的要求相关联。
只读标签，那些在常规或伪随机(pseudo random)间隔加电时以预编程代码来响应的标签不再常用。大多数标签现在包含了包括只读存储器和读写存储器两者的芯片，只读存储器通常含有配置位、制造商ID、芯片型号和长度在2到9个字节之间的独特ID，读写存储器通常在12到16个字节之间，尽管可以使用更大的存储器。独特的ID与制造商ID和芯片型号(两个不同的芯片制造商可以使用相同的独特ID)结合使用。
具体地，标签的目的是在整个物品的寿命中将其与物品在特定设施，如制造设施、运输车辆、保健设施、药品存储区域或其它环境中相关联(该标签可以在供应链中的任何一点应用，而不一定用于物品的寿命)，使得物品可以在被移动时被定位、识别和追踪。通过设施追踪物品可有助于生成更有效的分配和库存控制系统，以及改进设施中的工作流程。这导致更好的库存控制和降低的成本。在医疗用品和装置的情况中，期望开发精确的追踪、库存控制系统和分配系统，使得贴有RFID标签的装置和物品可以在需要时被快速定位，并且可以被识别用于其它目的，如到期日或召回。
目前使用的许多RFID标签是无源的，因为它们不具有电池或其它自主电源，而是必须依赖于由RFID读取器提供的询问能量以提供电力来激活标签。无源RFID标签需要具有一定的频率范围和一定的最小强度的能量的电磁场，以实现标签的激活和其存储数据的传输。另一个选择是有源RFID标签；然而，这样的标签需要随附的电池来提供电力以激活标签，因此增加标签的费用和尺寸，并使其不适合用于大量的应用。
根据RFID标签应用的要求，如待识别的物品的物理尺寸、其位置和容易够到它们的能力，可能需要通过RFID阅读器从短距离或长距离读取标签。此外，RFID标签的读取范围(即询问和/或响应信号的范围)也受到限制。
此外，当RFID标签连接到导电表面时，RFID标签可能难以被读取。在读取标签成为问题的那些情况下，如当偶极子和其图像之间的间距小时，减少间距在读取标签时产生困难，如在间距非常小(小于一个波长)时，则偶极子与其图像之间的总有效电流等于零或接近零。由于天线和金属平面之间的间距降低，所以天线的效率降低，并且难以在有用带宽上实现与诸如RFID芯片的装置的阻抗匹配。当间距为约＜1％的一个波长时，问题变得更加明显；通过在天线和平面之间使用隔板(separator)可以将这些问题减轻至一定程度。例如，可以使用高介电常数材料，或者具有高介电常数和高的相对磁导率两者的材料来增加有效分离。然而，这种材料是昂贵的，并且不适用于RFID标签，其中较低成本的材料，如纸/卡片，简单的塑料，如PET和聚丙烯泡沫是更理想的；所有这些都具有相对低的介电常数。
因此，总辐射场是可忽略的，因此RFID标签不能从读取器捕获数据和电力。这是一个重要的问题，因为在许多商业应用中，期望将RFID标签应用于金属或其它类型的导电表面。因此需要这样的RFID标签装置和/或系统，其允许RFID标签靠近金属表面或其它类型的导电表面操作。
本发明公开了一种被设计为靠近金属表面操作的RFID天线结构。RFID天线结构以与金属物体表面成90度放置，允许其以RFID天线结构的边缘至金属物体的最小间隔进行操作。
概述
以下呈现简化的概述以提供对所公开的创新的一些方面的基本理解。这个概述不是一个广泛的概述，它并不是为了识别重要/关键要素或描述其范围。其唯一目的是以简化的形式呈现一些概念，作为稍后呈现的更详细描述的序言。
本文公开和要求保护的主题在其一个方面包括被设计为靠近金属表面操作的RFID天线结构。RFID天线结构以与金属物体表面成90度放置，允许其以RFID天线结构的边缘至金属物体的最小间隔进行操作。
在优选的实施方式中，RFID天线结构可以是薄的并且根据所使用的形状因数(form factor)形成多个形状。具体地，RFID天线结构可以是直线的，并且通过挤压而被并入到保护性塑料层中、以许多种形状缠绕，在形状周围缠绕并放置在腔中，或者通过注射成型并入到结构中。在另一个实施方式中，容器包括防篡改(anti-tamper)(或防揭换(tamperevident))实施方式，其中将RFID标签装置应用于拧盖和翻盖(flip-top)容器，其中沿着盖上的穿孔撕裂使RFID标签装置失效。
为了实现前述和相关目的，本文结合以下描述和附图描述了所公开的创新的某些说明性方面。然而，这些方面仅是可以使用本文公开的原理的各种方式中的一些，并且旨在包括所有这样的方面及其等同物。当结合附图考虑时，从以下详细描述中，其他优点和新颖特征将变得明显。
附图简述
结合附图参考下面对目前本发明的优选示例性实施方式的更详细描述，将更全面地明白和理解本发明的这些以及其它目的和优点，其中：
图1示出了根据所公开的结构的RFID天线结构的顶部透视图；
图2示出了根据所公开的结构的金属物体上的RFID天线结构的顶部透视图；
图3示出了根据所公开的结构的金属表面和非金属表面上的RFID天线性能的图；
图4示出了根据所公开的结构的容器盖内的RFID天线结构的顶部透视图；
图5示出了根据所公开的结构的容器的较大盖内的RFID天线结构的顶部透视图；
图6示出了根据所公开的结构的箔密封盘边缘上的RFID天线性能的图；
图7A示出了根据所公开的结构通过平面辊对辊(flat roll to roll)层压制成的RFID天线结构的顶部透视图；
图7B示出了根据所公开的结构的RFID天线结构的侧面透视图；
图8示出了根据所公开的结构的缠绕在形状周围的RFID天线结构的顶部透视图；
图9示出了根据所公开的结构的挤压在塑料条内的RFID天线结构的顶部透视图；
图10示出了根据所公开的结构的螺旋缠绕在较窄的成型器(former)周围的RFID天线结构前透视图；
图11示出了根据所公开的结构的形成扁平螺旋的RFID天线结构的前透视图；
图12A示出了根据所公开的结构的附接到金属表面的RFID天线结构的前透视图；
图12B示出了根据所公开的结构的附接到金属表面的RFID天线结构的另一实施方式的前透视图；
图13A示出了根据所公开的结构的位于在容器上带有RFID镶嵌物(inlay)的拧盖容器上的标签的前视图；
图13B示出了根据所公开的结构的沿着穿孔被撕开的标签和镶嵌物的前视图；
图13C示出了根据所公开的结构的具有降低的粘着力的标签的前视图；
图14A示出了根据所公开的结构的位于在盖和容器上均带有的RFID镶嵌物的翻盖容器上的标签的前视图；
图14B示出了根据所公开的结构的沿着穿孔被撕开的标签和镶嵌物的前视图；
图15A示出了根据所公开的结构的位于在容器上带有的RFID镶嵌物的翻盖容器上的标签的前视图；
图15B示出了根据所公开的结构的沿着穿孔被撕开的标签和镶嵌物的前视图；和
图15C示出了根据所公开的结构的具有降低的粘着力的标签的前视图。
发明详述
现在参考附图描述本创新，其中相同的附图标记始终用于指代相同的元件。在下面的描述中，为了解释的目的，提出了许多具体细节以便提供其透彻的理解。然而，可以明显的是，创新可以在没有这些具体细节的情况下进行实践。在其它情况下，以框图形式示出了众所周知的结构和装置，以便于其描述。
本发明公开了一种被设计为靠近金属表面操作的RFID天线结构。RFID天线结构以与金属物体表面成90度放置，允许其以RFID天线结构的边缘至金属物体的最小间隔进行操作。此外，根据所使用的形状因数，RFID天线结构可以是薄的并且形成多种形状。具体地，RFID天线结构可以是直线的，并且通过挤压而被并入到保护性塑料层中、以许多种形状缠绕，在形状周围缠绕并放置在腔中、或者通过注射成型并入到结构中。
首先参考附图，图1示出了被设计为靠近金属表面操作的RFID天线结构100。RFID天线结构100以与金属物体的表面成90度(或任何其它合适的距离)放置，允许其以RFID天线结构100的边缘102至金属物体的最小间隔进行操作。RFID天线结构100可以包括本领域已知的任何合适的天线，诸如但不限于偶极子天线。具体地，RFID天线结构100由RFID镶嵌物，诸如但不限于Avery Dennison(艾利丹尼森)160u7镶嵌物形成，所述RFID镶嵌物可粘附至诸如纸、塑料或泡沫的材料。RFID镶嵌物包括RFID芯片和铝、铜或银天线，其结合到聚对苯二甲酸乙二酯(PET)层或本领域已知的其它合适的层。然后可以将RFID镶嵌物粘附到标签或其它合适材料的背面，并在RFID打印机中印刷并编码。
RFID天线结构100可以是本领域已知的任何合适的尺寸、形状和配置，而不影响本发明的整体概念。本领域普通技术人员将理解，如图1所示的天线结构100的形状和尺寸仅用于说明的目的，并且天线结构100的许多其它形状和尺寸完全在本公开的范围内。虽然天线结构100的尺寸(即，长度、宽度和高度)是用于良好性能的重要设计参数，但是天线结构100可以是在使用期间确保最佳性能和灵敏度的任何形状或尺寸。
如图2所示，RFID天线结构100显示在金属物体200上。RFID天线结构100以与金属物体200的表面成90度放置，允许其以RFID天线结构100的边缘202至金属物体200的最小间隔的方式进行操作。现在参考图3，其示出了RFID天线结构在金属表面和非金属表面上的性能的图。
现在参考图4，其示出了与药物容器一起使用的RFID天线结构100。RFID天线结构100形成为圆形并且位于药物容器的盖400的内部。具体地，RFID天线结构100靠着盖400的螺纹402放置。因此，一旦盖400在容器上拧紧，边缘202将接触容器的金属箔密封盘，从而在金属表面上形成边缘。通常，RFID天线结构100包括双向拉伸聚丙烯(BOPP)面和永久性粘合剂，以将RFID天线结构100固定在盖400中，然而如本领域已知的，可以使用任何其它合适的材料。
图5示出了位于相同方向但在药物容器的较大的盖500内的RFID天线结构100。此外，当盖500拧紧时，接合的盖螺纹402的作用不会破坏RFID天线结构100，并且即使在多次尝试，以及过度拧紧盖400和500之后，RFID天线结构100仍然起作用。现在参考图6，其示出了箔密封盘边缘上的RFID天线结构的性能的图。
现在参考图7A-7B，其示出了RFID天线结构700。具体地，图7A公开了被配置为夹在两片材料704(如纸、塑料或泡沫)之间的RFID镶嵌物702的RFID天线结构700。具体地，材料通常层压在材料704周围，然后切割成诸如圆形、矩形、六边形、三角形等的形状，或本领域已知的任何其它合适的形状。当安装在金属表面上使得RFID镶嵌物702的边缘706接近金属表面时，实现了良好的性能。
图7B公开了RFID天线结构700的侧视图。RFID镶嵌物702被显示夹在两层材料704(即，纸、塑料或泡沫)之间。因此，当通过平面辊对辊层压和切割或模切或者本领域已知的任何其它合适的方法制造时，RFID镶嵌物702能够在金属表面上操作。
现在参考图8，RFID天线结构800被显示为缠绕在形状周围。具体地，图8公开了被配置为RFID镶嵌物802的RFID天线结构800，所述RFID镶嵌物802被缠绕在诸如塑料盘或本领域已知的任何其它合适的形状的圆形物体804周围。如果盘具有孔，则RFID镶嵌物802可以缠绕在盘(诸如螺纹或其它区域)的内表面周围。然后将处于任意配置的RFID镶嵌物802以边缘靠近金属表面806(诸如用于密封药物容器的箔盘或本领域已知的任何其它合适的金属表面)放置。
现在参考图9，RFID天线结构900被显示为挤压在塑料条904内。具体地，图9公开了挤压在塑料条904内的RFID镶嵌物902，其中RFID镶嵌物902位于挤压的中心的下方。图9示出了三角形横截面，但是也可以使用可选的多边形状，这是本领域已知的。然后如本领域已知的，将RFID镶嵌物902以其边缘906接近任何合适的金属表面放置。
现在参考图10，RFID天线结构1000被公开为在较窄的成型器周围螺旋地缠绕。具体地，为了在不使RFID镶嵌物1002的末端重叠的情况下减小结构的直径，RFID镶嵌物1002在较窄的塑料成型器1004周围螺旋地缠绕。该塑料成型器1004可以包括孔1006以允许结构1000通过螺栓或螺钉固定到表面或本领域已知的任何其它连接装置。然后RFID镶嵌物1002能够被安装以使RFID镶嵌物1002的边缘接近金属表面。
现在参考图11，RFID天线结构1100被公开为形成扁平螺旋形。具体地，RFID镶嵌物1102被缠绕成可附接至金属表面1106的平坦边缘螺旋形。因此，螺旋形状的RFID镶嵌物1102可以边缘放置在金属表面1106上，以实现天线结构1100的良好性能。
现在参考图12A-12B，RFID天线结构1200被显示为以不同的安装方向附接到金属表面。具体地，所述图显示嵌入在塑料材料1204或任何其它合适的材料内的RFID镶嵌物1202。嵌入的RFID镶嵌物1202具有可以连接到金属表面1206的两个安装表面。根据连接的表面，可以改变RFID天线结构1200的调谐和其它特性。此外，诸如六边形横截面结构的其它结构允许可以产生不同调谐状态的多个安装方向。
现在参考图13A-13C，将RFID天线结构1300作为防揭换装置应用于拧盖容器1302。具体地，如图13A所示，标签1304位于拧盖1306之上并且位于容器(或瓶)1302颈部之上，其中RFID镶嵌物1308仅位于容器(或瓶)1302之上。穿孔条1310被设计在标签1304和RFID镶嵌物1308之上。扭转盖1306以暴露容器1302开口，传播横向和纵向(across and down)通过容器1302上的标签1304和镶嵌物1308的弱化路径(weakened path)(即，穿孔条1310)中的和沿着该弱化路径的撕裂，使得镶嵌物1308失效(如图13B所示)。因此，当盖1306被拧开(即，瓶被打开)时，RFID镶嵌物1308失效。
此外，穿孔条1310可以是沿着预定路径传播撕裂的任何经过设计的路径，使得预定路径可以被定义为标签/镶嵌物结构中任何设计(designed)/设计(engineered)的弱化。在优选实施方式中，弱化是对标签/镶嵌物结构中的某些层穿孔或刻痕。在图13C所示的另一实施方式中，标签1304在某些区域1312中不包含或含有减少的粘着力。这些少量或不粘合的区域1312便于通过标签1304和镶嵌物1308的穿孔路径的分离。
现在参考图14A-14B，将RFID天线结构1400作为防揭换装置应用于翻盖容器1402。具体地，如图14A所示，标签1404位于翻盖1406之上和容器(或瓶)1402颈部之上，RFID镶嵌物1408也位于翻盖1406之上和容器(或瓶)1402之上。穿孔条1410被设计在标签1404和RFID镶嵌物1408之上。翻开盖1406以暴露容器1402开口，传播横向和纵向通过容器1402上的标签1404和镶嵌物1408的弱化路径(即，穿孔条1410)中的和沿着该弱化路径的撕裂，从而使得镶嵌物1408失效(如图14B所示)。因此，当盖1406翻开(即，打开瓶子)时，RFID镶嵌物1408失效。此外，穿孔条1410可以是沿着预定路径传播撕裂的任何经过设计的路径，使得预定路径可以被定义为标签/镶嵌物结构中任何设计/设计的弱化。在优选实施方式中，弱化是对标签/镶嵌物结构中的某些层穿孔或刻痕。
现在参考图15A-15C，将RFID天线结构1500作为防揭换装置应用于翻盖容器1502。具体地，如图15A所示，标签1504位于翻盖1506之上和容器(或瓶)1502颈部之上，其中RFID镶嵌物1508仅位于容器(或瓶)1502之上。穿孔条1510被设计在标签1504和RFID镶嵌物1508之上。翻开盖1506以暴露容器1502开口，传播横向和纵向通过容器1502上的标签1504和镶嵌物1508的弱化路径(即，穿孔条1510)中的和沿着该弱化路径的撕裂，从而使得镶嵌物1508失效(如图15B所示)。因此，当盖1506翻开(即，打开瓶子)时，RFID镶嵌物1508失效。
此外，穿孔条1510可以是沿着预定路径传播撕裂的任何经过设计的路径，使得预定路径可以被定义为标签/镶嵌物结构中任何设计/设计的弱化。在优选实施方式中，弱化是对标签/镶嵌物结构中的某些层穿孔或刻痕。在图15C所示的另一实施方式中，标签1504在某些区域1512中不包含或含有减少的粘着力。这些少量或不粘合的区域1512便于通过标签1504和镶嵌物1508的穿孔路径的分离。
以上描述的内容包括要求保护的主题的实施例。为了描述要求保护的主题的目的，当然不可能描述组件或方法的每个可想到的组合，但是本领域普通技术人员可以认识到要求保护的主题的许多进一步的组合和排列是可能的。因此，要求保护的主题旨在包含落在所附权利要求的精神和范围内的所有这样的改变、修改和变化。此外，在这个程度上讲，在详细描述或权利要求中使用术语“包括”，该术语旨在以类似于术语“包含”的方式表示包含在内的，正如当“包含”被用作权利要求中的过渡词语时被解释的那样。

Claims (5)

1.被设计为靠近导电表面操作的RFID天线结构，包括：
RFID镶嵌物；
一对塑料层；和
金属层；和
其中所述RFID镶嵌物夹在所述一对塑料层之间；并且其中所述RFID镶嵌物以与所述金属层成90度放置，允许所述RFID天线结构以所述RFID镶嵌物的边缘至所述金属层的最小间隔进行操作。
2.权利要求1所述的RFID天线结构，其中所述RFID镶嵌物是直线的并且通过挤压而被并入到保护性塑料层中，以许多种形状缠绕，在形状周围缠绕并放置在腔中，或者通过注射成型并入到结构中。
3.被设计为靠近导电表面操作的RFID天线结构，包括：
RFID镶嵌物；
塑料层；和
金属层；和
其中所述RFID镶嵌物被挤压进所述塑料层中；并且其中所述RFID镶嵌物以与所述金属层成90度放置，允许所述RFID天线结构以所述RFID镶嵌物的边缘至所述金属层的最小间隔进行操作。
4.被设计为靠近导电表面操作的RFID天线结构，包括：
RFID镶嵌物；
塑料组件；和
金属层；和
其中所述RFID镶嵌物以螺旋形式缠绕在所述塑料组件周围；并且其中所述RFID镶嵌物以与所述金属层成90度放置，允许所述RFID天线结构以所述RFID镶嵌物的边缘至所述金属层的最小间隔进行操作。
5.用于拧盖和翻盖容器的防揭换RFID天线结构，包括：
位于所述拧盖上和所述容器上的标签；
位于所述容器上的RFID镶嵌物；和
在所述标签和所述RFID镶嵌物上设计的穿孔条；
其中扭转所述盖以暴露容器开口，传播在所述穿孔条中的和沿着所述穿孔条并且横向和纵向通过所述容器上的所述标签和所述RFID镶嵌物的撕裂，使得所述RFID镶嵌物失效。
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