CN114997354A - 使用由纺织线和导电条带组成的天线的射频发送接收装置及相关电子标签 - Google Patents

使用由纺织线和导电条带组成的天线的射频发送接收装置及相关电子标签 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种射频发送接收装置(D)，包括芯片(1)，该芯片包括发送接收电路(4)以及电连接到发送接收电路(4)的两个连接焊盘(4a、4b)；以及偶极天线(7a、7b)，其联接至芯片(1)的发送接收电路(4)。根据本发明，偶极天线(7a、7b)包括纺织纱线和由导电材料形成的至少一个条带，该条带围绕纺织纱线成圈缠绕以至少部分地覆盖纺织纱线。

Description

使用由纺织线和导电条带组成的天线的射频发送接收装置及 相关电子标签
技术领域
本发明涉及一致射频发送接收装置，例如RFID标签。更具体地，本发明涉及一种具有有线形状因子的射频发送接收装置。这种装置在标记对象且尤其是容易变形的对象的领域中得到应用，例如是服装或轮胎领域中的情况。
背景技术
文献US8471773、WO2016038342、WO2011161336、GB2472025、GB2472026、JP2013189718或WO2008080245公开了一种在纺织品性质的纱线中结合集成电路的装置，因此允许在该装置上赋予线材形状因子。在文献US2019391560中，根据“E-ThreadTM”技术的实施，由电导体形成的两条天线线材分别焊接到射频(RF)发送接收芯片的焊盘。
这种焊接可以在设置在芯片的侧向且相反面上的凹槽中进行。传统上，天线线材由导电材料线股(或多个这种线股)组成，并且其具有基本圆形截面，其直径通常介于50和200微米之间，这允许其插入到形成在芯片的一侧上的凹槽中，该芯片的高度通常介于300和500微米之间。
不管发送接收芯片的焊盘与天线线材之间的电连接如何，这种连接仍然相对脆弱。这尤其是当发送接收装置被集成到对象中时或者在其被集成到该对象中期间可以施加到天线线材的拉力、扭转力或剪切力的情况。
为了使射频发送接收设备相对于这些力中的至少一些更鲁棒，并且不失去其灵活特性及其有线形状因子，现有技术的某些文献，例如文献WO2019175509，提供利用纺织纱线背衬该装置。这可以例如涉及将装置围绕纺织芯纱线进行缠绕的操作。
这种覆盖操作实施起来特别棘手，由于其需要处理RF发送接收装置链。在这种操作期间施加到该链上的力，特别是芯片和天线线材之间的电连接处，可能导致其分离，这使得装置在其被发出信号后无法工作。
发明内容
发明主题
本发明旨在至少部分地解决这个问题。更具体地，本发明的目的在于提供一种具有有线形状因子的射频发送接收装置，该装置在拉伸、弯曲或剪切力方面至少与现有技术中的那些装置一样鲁棒，但更易于实现。
发明简述
为了实现该目的，本发明的主题提出一种射频发送接收装置，包括：
-芯片，其包括发送接收电路及电连接至所述发送接收电路的至少二个连接焊盘；
-偶极天线，其联接到芯片的发送接收电路。
根据本发明，偶极天线包括纺织纱线以及由导电材料形成的至少一个条带，所述条带围绕纺织纱线成圈缠绕以至少部分地覆盖纺织纱线。
根据本发明的单独地或以任何技术上可行的组合而采用的其他有利和非限制性特征如下：
-偶极天线由分别电连接到芯片的两个连接焊盘的两根天线线材组成；
-两根天线线材分别容纳在位于芯片的相反面上的两个纵向凹槽中；
-偶极天线包括阻抗匹配回路；
-两根天线线材分别通过接合材料组装到芯片的两个连接焊盘；
-构成纺织纱线的一种或多种材料被选择为使得当纱线放置于处于2N负载下的张力时，纱线在选择于80℃和300℃之间的确定温度下局部加热不会导致其破裂；
-构成纺织纱线的一种或多种材料具有大于150℃的玻璃转变温度；
-纺织纱线的弹性伸长能力大于或等于其静止长度的5％、20％、50％甚至100％；
-纺织纱线由芳纶纤维或芳族聚酯制成；
-纺织纱线的弹性伸长能力小于5％；
-条带由轧制金属线材制成；
-条带的厚度小于或等于纺织纱线直径的30倍，有利地小于或等于该直径的10倍；
-圈是不连续的、间隔开的，或者是连续的或重叠的；
-由导电材料形成的多个条带围绕纺织纱线成圈缠绕。
根据另一方面，本发明涉及一种电子标签，其包括纺织部件以及背衬和/或合并到纺织部件中的根据上述的射频发送接收装置。
附图说明
本发明的其他特征和优点将从以下参照附图提供的本发明的详细描述中变得显而易见，其中：
[图1a]
[图1b]
图1a、1b分别示出了根据一个实施例的射频发送接收装置的整体视图和截面图；
[图1c]
图1c示出了图1a所示装置的变型。
具体实施方式
图1a、1b分别示出了根据一个实施例的射频发送接收装置D的整体视图和截面图。
装置D包括呈半导体芯片1的形式的集成电子电路(在其描述的其余部分中更简单地称为“芯片”)。在所示实施例中且如图1b所见，芯片1由基板3形成，该基板3包括功能性发送接收电路4。芯片还包括覆盖部5，其在此具有T形横截面，T形的脚部与基板3的主面组装在一起。以这种方式，在芯片1的两个相反侧向面上在覆盖部5的T的横条和基板3的主面之间形成两个纵向凹槽21、2b。这些凹槽用于分别容纳两根天线线材7a、7b的纵向部分，两根线材构成发送接收电4的偶极天线。凹槽2a、2b从芯片1的一侧延伸至另一侧并且高度和深度各自通常介于50和200微米之间，使得天线线材7a、7b的部分可以完全容纳在凹槽中，并且有利地，不强制其嵌入。
芯片1还包括至少两个连接焊盘4a、4b，这些连接焊盘4a、4b在图1b所示的示例中设置在基板3的主面上并且分别通向凹槽2a、2b中的一个和另一个。这些焊盘4a、4b使用设置在基板3上和基板3中的导电迹线和/或通孔电连接到芯片1的发送接收电路4。因此可以在天线线材7a、7b容纳在凹槽2a、2b中时将这些线材放置成与连接焊盘4a、4b电接触，并使其与发送接收电路4协作。天线线材7a、7b与连接焊盘4a、4b的电连接有利地由接合材料实现，该接合材料可以是焊接材料17或导电胶。接合材料还提供了天线线材7a、7b至芯片1的机械强度。还可以设想通过线接合将天线线材7a、7b电连接到连接焊盘4a、4b，这种接合实施导电线材(例如由金制成)，该导电线材通常通过应用超声波而固定到两个元件以将其互连。
当通过焊接实现这种连接时，焊接步骤将焊接材料暴露在通常介于80°和300℃之间的温度，这使得在进行这种焊接时可以不将芯片1、电路4和天线线材7a、7b暴露于易于损坏它们的过高温度。焊料材料17可以是任何合适的导电材料，例如金属或金属合金(例如锡、银和铜的合金)。焊接材料可以通过任何方式熔化：应用电磁辐射、通过超声波、通过热空气流等。作为焊料的替代例，可以使用导电粘合剂作为接合材料，导电粘合剂的聚合是通过温度和/或应用紫外线辐射进行的。在又一变型中，天线线材7a、7b嵌入凹槽中以强制这些线材与连接焊盘4a、4b之间的接触。在这种情况下，不需要接合材料17，并且接合在室温下进行而无需热能供给。
在所有情况下，芯片1、电路4和天线线材都不会暴露于过高接合温度(接合材料的焊接或聚合的温度)，例如超过300℃，如前一段所述。该接合温度通常介于80℃和300℃之间。
应当注意，在使用中，装置D可能暴露于相对高的温度(例如在染色步骤期间，当该装置被集成到纺织品部件中时，或在其集成到最终装置中期间(例如通过挤出))，其例如可能达到300℃，使得装置及其构成元件的耐温性必须能够遵守这些限制。
出于机械和化学保护的原因，芯片1优选地被封装并涂覆有保护材料19，例如刚性和防水树脂。
可以对图1a、1b中所示的装置D的示例做出许多变型和添加。因此，发送接收电路4不必须要结合至基板3中；其也可以至少部分地结合到覆盖部5中。如果有必要或有用，则该覆盖部5将被提供有与在图中所示的芯片1的基板3上形成的那些相似的连接焊盘、迹线和通孔。电路4可以具有除发送接收和芯片1(所示示例中的基板3和/或覆盖部5)之外的功能，或者可以包含除发送接收电路4之外的电路。这些电路可以尤其是传感器(温度、压力等)、计算电路、存储器、能量源(电池、太阳能电池等)、或诸如发光二极管的光学有源电路。对于在本申请的介绍中所提出的标记应用，发送接收电路4有利地形成RFID识别电路。
图1a的射频发送接收装置D的总体视图示出了芯片1，其包括电连接到两个焊盘4a、4b的发送接收电路4；两根天线线材7a、7b，其长度的一部分被容纳在芯片1的凹槽中，这两根线材分别电连接至两个焊盘。
两根天线线材构成装置D的偶极天线，芯片1设置在这两根线材之间。“偶极天线”是指能够通过在这两个元件之间传播的电磁场的电分量而不是单独通过感应磁场联接到读取器装置的任何天线。发送电磁辐射的发送和/或接收通过使用发送接收电路4在两根线材7a、7b之间和/或其上施加或收集电信号来执行。
在图1a所示的有利构造中，第一天线线材7a在芯片1的两侧上延伸。换言之，第一天线线材7a的中心部分容纳在芯片1的凹槽2a中。该中心部分使用在所示示例中的接合材料17电连接至电路4的连接焊盘4a。第二天线线材7b进一步地在第一端部处电连接到另一连接焊盘4b。因此，第二线材7b仅在芯片1的一侧上延伸。与容纳在凹槽2b中的相反的第二端部与第一天线线材7a电接触，以形成阻抗匹配回路b。
在图1c所示的另一有利构造(其功能与图1a的构造相同)中，阻抗匹配回路b是通过将从芯片1的两侧延伸的第二天线线材7b的一个端部连接到仅在芯片1的一侧上延伸的第一天线线材7a而实现。
更一般地，两根天线线材7a、7b彼此电接触以构造回路b，从而可以使天线的阻抗适应发送接收电路4的阻抗。回路的长度被选择为使天线的阻抗与芯片1的发送接收电路4的阻抗最佳匹配。
为了防止两根天线线材7a、7b在选择用于形成该回路b的接触点之外彼此电接触，可以设置用电绝缘材料(例如树脂)涂覆这两根线材(或其中至少一根线材)的显露部分。
可以参考文献US2019391560来获得制造这种收发器装置D的可能方法。根据该文献，芯片1与天线线材组装在一起，在该组装期间，两根线材保持在张力下并且基本彼此平行。
根据一个重要的方面并且为了使装置D关于其可能受到的机械应力鲁棒的目的，天线线材7a、7b两者均由纺织纱线制成，导电材料条带成圈缠绕在纺织纱线上。“条带”意指细长、柔性且平坦薄膜。例如，该条带可以由轧制金属线材组成。该条带抵靠纺织纱线缠绕，稍微紧密抵靠该纱线缠绕。无需在纺织纱线和条带之间提供粘合材料。
有利地，纺织纱线被选择为具有可伸长特性，也就是说，在这种情况下，纱线具有可以大于或等于其静止长度的5％、20％、50％或甚至100％的弹性伸长能力。然而，该特征不是必需的，并且本发明与不可伸长纺织纱线(例如具有小于5％的弹性伸长能力)完美兼容。
构成纺织纱线的材料被选择为承受前面提到的用于制造和使用装置D的热处理。更具体地，构成纺织纱线的材料被选择为使得当纱线被放置为在2N的负载下张紧时，纱线在天线线材7a、7b至芯片1的连接温度下的局部加热不会导致其破裂。正如已经所见，这种加热可能达到300℃。这确保了纺织纱线与组装步骤的兼容性。有利地，这种局部加热导致纱线不超过20％的伸长。甚至更具体地，构成纺织纱线的一种或多种材料具有大于150℃的玻璃转变温度。
例如，纺织纱线可以由芳纶纤维制成，并因此形成间位芳纶复丝纱线(例如以商品名NomexTM而周知)、由短或长间位芳纶制成的纱线(例如聚酰胺-酰亚胺(例如以商品名KermelTM而周知)。可替代地，其可以是PBO纱线(聚(对亚苯基-2,6-苯并二恶唑)，以商品名ZylonTM而周知。其也可以由芳族聚酯(例如以商品名VectranTM而周知)形成。其也可以是由聚合物(例如PEAK(聚芳醚酮))、天然纤维、玻璃纤维、碳纤维、PPS纤维(聚苯硫醚)或钢纤维形成的纱线。可以设置，除了这些纤维或作为替代，纺织纱线包括直径小于20微米的导电股线(或多根导电股线)。纺织纱线有利地是电绝缘体或弱导电，但不排除这种纺织纱线是导电的可能性。
线材有利地具有圆形横截面并且其直径介于10微米和500微米之间。
由导电材料制成的条带可以进一步由金属或多种金属制成。正如已经所见，其可以是轧制金属线材。在这种情况下并且有利地，这种轧制是冷进行的。优选地，其后续不进行热退火。这种方法增加了构成带材的材料的硬化并因此增加了其抗疲劳性。
条带可以由铜、黄铜、青铜、铜镍、铜合金制成或包括铜、黄铜、铜镍、铜合金(所述铜合金包括按质量计超过96％的铜)、镍。
可以设置该条带由第一材料的主层组成，该主层在其至少一个面上覆盖有导电涂层。因此，主层可以由涂覆有涂层的钢制成，该涂层选自由以下材料组成的组的材料制成：银、金、铜、锡、镍、黄铜、锌和锡合金。可替代地，主层可由选自由以下材料组成的组的材料制成：不锈钢、镍合金(其中仅镍占合金的质量的至少45％、钛合金(其中钛仅占合金的质量的至少70％)、镍。
有利地，涂层的电阻率低于形成主层的材料的电阻率。其可以选择为其抗腐蚀特性，例如由银制成。如前一段所述，涂层可以在轧制步骤之前或之后通过沉积在主层上形成。该条带可以缠绕在纺织纱线上以形成天线线材7a、7b以暴露涂层。然后利用该涂层的相对低电阻率以通过集肤效应促进由电磁辐射在天线线材中产生的信号的电传导。
无论条带的选择特性如何，其均具有薄厚度，小于50微米且通常介于5微米和20微米之间，且有利地介于5微米和10微米之间，以便足够柔性成圈缠绕在纺织纱线上。其能够弹性或塑性变形。通常，条带的厚度为纺织纱线的直径的10分之一到20分之一，甚至30分之一。天线线材7a、7b的直径因此基本上由纺织纱线的直径确定。该直径与设置在装置D的芯片1中的凹槽2a、2b的高度和深度完美兼容，天线线材意图被容纳在该凹槽2a、2b中。
由导电材料制成的条带可具有介于40微米和200微米之间的宽度，但该特征不以任何方式进行限制。在某些情况下，该宽度可以选择为大于芯片的长度，也就是说，芯片中纵向凹槽2a、2b和/或天线线材设置所沿的尺寸(通常约为500微米)。以这种方式，圈可以完全占据凹槽。然后在线材至连接焊盘4a、4b的电连接期间，有利于将天线线材7a、7b组装到芯片1，尤其是当条带的圈不连续时。
可以以多种方式实现将条带围绕纺织薄膜成圈缠绕。因此且如图1a所示，圈可以是不连续的，也就是说，两个连续圈彼此间隔开并且不接触。可替代地，可以将条带以连续圈或重叠圈进行缠绕。连续圈有助于提高线材的导电性。
还可以提供多个导电条带，其全部成圈缠绕在纺织纱线上以形成天线线材7a、7b。这提高了线材的机械和电鲁棒性。特别地，即使在条带中的一个断裂之后，也确保了天线线材的电连续性。在这种情况下，条带在纺织纱线上的缠绕方向可以全部相同，或者可以不同。条带由导电材料制成，这些导电材料可以全部相同或彼此不同。
无论纺织纱线上一个或多个条带的数量、特性和缠绕方向如何，在该初步准备步骤结束时，都将具有允许形成鲁棒偶极天线的天线线材，也就是说，该天线线材具有高机械抗性且是柔性的，也就是说，其能够吸收拉力、扭转力和/或弯曲力而不会劣化，即使之后这些力在循环中重复多次。
条带的相对小厚度与线材的纺织特性相结合因此允许天线是柔性的，并因此例如可以通过弯曲变形。如前所述，条带的结构造能使其特别耐疲劳。条带在纺织纱线上的螺旋设置尤其可以吸收施加到天线线材的拉力。天线线材的尺寸(其直径)可以与传统导电线材的尺寸相同。
即使使用传统导电线材生产的天线也是成圈进行设置的，这些特性不能通过使用传统导电线材生产的天线相同地获得，传统导电线材具有圆形横截面并且完全由电导体组成。这尤其是其拉伸变形的情况。
还应注意，已经提出的天线线材的构造与如在文献US2019391560中特别描述的制造射频发送接收这种D的方法完全兼容。可以在将芯片1组装到两根天线线材的步骤之前将条带缠绕在纺织纱线上。同样，这种天线线材具有与传统线材非常相似的形状因子，特别是直径，该传统线材具有圆形横截面且完全由导体组成。
包括成圈缠绕导电条带的天线线材具有其他优点，特别是电特性。其具有比简单传统导电线材更大的电感分量的阻抗。因此，可以减小偶极天线的阻抗匹配环路b的尺寸。该装置被制造得更鲁棒并且减少了有时覆盖该环路b或该环路的组成线材的保护树脂量。形成一种发送接收装置，其刚性部分比已知解决方案更小。另外，在不影响偶极天线的发送接收能力的情况下，可以缩短导电线材7a的长度，这允许装置D被制造得更紧凑。这尤其是当装置D形成RFID标签并且发送接收电路4需要在大约900兆赫的标准化频率范围内操作时的情况。
还可以在不切割纺织纱线的情况下切割条带，这允许纱线的电连续性被破坏(以例如缩短天线的有效长度)而不会破坏天线线材的机械连续性。在制造多个装置期间，可以特别利用该特征，该多个装置使用两根非常长的纺织纱线链接在一起，成圈缠绕在这两根非常长的纺织纱线上的条带被有规律地切割以定义分别与每个芯片相关联的天线。这使得可以使装置正常运行，即使其以链式形式呈现。
当然，本发明不限于所描述的实施例，并且可以在不脱离由权利要求限定的本发明范围的情况下添加变型。
因此，装置D决不限于结合设置有凹槽2a、2b的芯片1，如参照附图通过说明的方式呈现的。凹槽有利于天线线材7a、7b在其组装期间相对于芯片1的定位。可以设置，将覆盖部5仅临时组装在基板3上，以有利于该接合步骤，但在该步骤之后将其移除。这种组装方法尤其在文献US2020335475中得以描述。
也可以提供单根天线线材并且其不与芯片1电接触。因此并且如例如在文献US2010321161中所描述的，可以将芯片1的连接焊盘4a、4b连接到感应环形天线。该天线可以由设置在支撑件上的环路中的导电迹线形成。芯片1放置在支撑件上，以使其焊盘直接或间接地与该迹线精确地电接触。该组件可以被封装在例如塑料材料中以形成单片装置。
根据本说明书，单片装置与单根天线线材相关联，也就是说，由纺织纱线以及围绕该纱线成圈缠绕的至少一个条带组成。单根天线线材设置为靠近单片装置，使得感应环形天线可以电联接至该单根天线线材。天线线材可以固定到或集成到单片装置已固定在其上的织物中。
无论射频发送接收装置D的选择构造如何，射频发送接收装置D均由芯片1形成，芯片1包括发送接收电路4和电连接至发送接收电路4的两个连接焊盘4a、4b。至少一个天线线材联接至芯片，并且该天线线材由纺织纱线以及围绕纺织纱线成圈缠绕的至少一个条带组成。
根据本发明的装置可以有利地背衬有或合并(例如刺绣或编织)至纺织部件，例如以形成电子标签(例如RFID标签)。这种标签可以在服装领域(与服饰相关联)或洗涤领域(例如与床单相关联)中找到其应用。为了便于操作，根据本发明的装置可以覆盖有一根或多根放置覆盖纱线。该装置的机械鲁棒性使其能够进行洗涤处理，这对其施加机械和热应力，而不会失去其功能，因此特别适合在服装和洗涤领域使用。

Claims (16)

1.一种射频发送接收装置(D)，包括：
-芯片(1)，其包括发送接收电路(4)以及电连接至所述发送接收电路(4)的至少两个连接焊盘(4a、4b)；
-偶极天线(7a、7b)，其联接至所述芯片(1)的所述发送接收电路(4)；
所述射频发送接收装置(D)的特征在于，所述天线(7a、7b)包括纺织纱线以及由导电材料形成的至少一个条带，所述条带围绕所述纺织纱线成圈缠绕以至少部分地覆盖所述纺织纱线。
2.根据前项权利要求所述的射频发送接收装置(D)，其中，所述偶极天线由分别电连接至所述芯片(1)的所述两个连接焊盘(4a、4b)的两根天线线材(7a、7b)组成。
3.根据前项权利要求所述的射频发送接收装置(D)，其中，所述两根天线线材(7a、7b)分别容纳在设置于所述芯片(1)的相反面上的两个纵向凹槽(2a、2b)中。
4.根据前述两项权利要求中任一项所述的射频收发器装置(D)，其中，所述偶极天线包括阻抗匹配环路(b)。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的射频发送接收装置(D)，其中，所述两根天线线材(7a、7b)分别通过接合材料组装到所述芯片(1)的所述两个连接焊盘(4a、4b)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的射频发送接收装置(D)，其中，构成所述纺织纱线的一种或多种材料被选择为使得当所述纱线被放置处于2N的负载下的张力时，所述纱线在选自介于80℃和300℃之间的确定温度下的局部加热不会导致其断裂。
7.根据前项权利要求所述的射频发送接收装置(D)，其中，构成所述纺织纱线的所述一种或多种材料具有大于150℃的玻璃转变温度。
8.根据前述权利要求中任一项所述的射频发送接收装置(D)，其中，所述纺织纱线具有大于或等于其静止长度的5％、20％、50％或甚至100％的弹性伸长能力。
9.根据前项权利要求所述的射频发送接收装置(D)，其中，所述纺织纱线由芳纶纤维或芳族聚酯制成。
10.根据权利要求1至7中任一项所述的射频发送接收装置(D)，其中，所述纺织纱线具有小于5％的弹性伸长能力。
11.根据前述权利要求中任一项所述的射频发送接收装置(D)，其中，所述条带由轧制金属线材制成。
12.根据前项权利要求所述的射频发送接收装置(D)，其中，所述条带的厚度小于或等于所述纺织纱线的直径的30分之一，有利地小于或等于该直径的10分之一。
13.根据前述权利要求中任一项所述的射频发送接收装置(D)，其中，所述圈是不连续的、间隔开的。
14.根据权利要求1至12中的一项所述的射频发送接收装置(D)，其中，所述圈是连续的或重叠的。
15.根据前述权利要求中任一项所述的射频发送接收装置(D)，包括由导电材料形成的多个条带，所述多个条带围绕所述纺织纱线成圈缠绕。
16.一种电子标签，其包括纺织部件以及背衬和/或合并到所述纺织部件中的根据前述权利要求中任一项所述的射频发送接收装置(D)。
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