CN116097269A - 电子标签的电极布置 - Google Patents

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Abstract

一种电容式耦合射频识别RFID标签和读取该标签的方法，该标签包括半导体衬底，该半导体衬底具有第一平坦表面和远离该第一平坦表面的第二平坦表面。形成在该半导体衬底的该第一平坦表面上的金属垫。形成在该半导体衬底上并与该金属垫和该半导体衬底的该第二平坦表面电性连接的电路，该电路被配置为提供通过改变该金属垫和该半导体衬底的该第二平坦表面之间的阻抗而编码的数据信号来响应RF输入信号，其中，形成在该第一平坦表面上的该金属垫延伸超出该半导体衬底。其中，该金属垫是矩形、细长形或T形的，和/或该电容式耦合RFID标签进一步包括与该第二平坦表面电接触的金属电极。

Description

电子标签的电极布置
技术领域
本发明涉及一种电容式耦合RFID(射频识别)标签及其操作方法。
背景技术
电容式耦合标签(CC-标签或CCT)在提供真实性和追踪功能的同时，也提高了安全性。在安全性和真实性至关重要的情况下，这项技术被广泛用于追踪工艺品。然而，当CC-标签的尺寸可以缩小且其效率可以提高时，潜在的应用数量就会增加。
存在其他类型的RFID标签，这些标签可以包括用于接收来自读取器的RF(射频)信号的天线，以便为器件供电，并使用同一天线以信号做出响应。然而，使用这种天线会增大器件尺寸，提高制造复杂度，并因此限制了它们的应用。此外，这种天线可能会引入导致器件不那么稳固的故障点。CC-标签不使用天线，而是通过改变其阻抗与读取器提供的RF信号相互作用，这影响到读取器产生的电场，读取器反过来又会检测到阻抗变化。当这种阻抗变化被调制时，这种调制可以被解码以提供数据(例如CC-标签的标识符)。
“0.075x 0.075mm2 Ultra-Small 7.5μm Ultra-Thin RFID-Chip MountingTechnology”,Hideyuki Noda and Mitsuo Usami,978-14244-2231-9/08,2008IEEE,2008Electronic Components and Technology Conference，第366至370页描述了制造包括天线的小型RFID芯片。然而，制造这种RFID芯片，特别大批量制造，提供了技术上的困难，在制造过程中会降低产量并且增大故障率。
“Powder RFID Chip Technology”,Mitsuo Usami,Hitachi,Ltd.,978-1-4244-2342-2/08,2008IEEE，第1220至1223页描述了另一种小型RFID标签及其制造方法，这同样需要在RFID芯片上放置天线结构。这将标签的尺寸限制在较低的限度内。
“26.6–A0.05x0.05mm2 RFID Chip with Easily Scaled-Down ID-Memory”,Mitsuo Usami,Hisao Tanabe,Akira Sato,Isao Sakama,Yukio Maki,ToshiakiIwamatsu,Takashi Ipposhi,Yasuo Inoue,Hitachi,ISSCC 2007/SESSION26/NON-VOLATILE MEMORIES/26.6,1-4244-0852-0/07,2007IEEE,第482至483页描述了一种RFID芯片，该RFID芯片具有唯一IP地址并使用双表面电极。
另一个需求是，RFID标签在有其他RFID标签的情况下可以被读取。这对于非常小的RFID标签来说可能特别困难，因为这些标签可能被嵌入在许多以堆叠或紧挨方式放置的独立物品中。
因此，需要一种电容式耦合标签和操作方法，以克服这些问题。
发明内容
本发明提供了一种电容式耦合RFID标签(CC-标签或RFID标签)，它很薄(例如厚度为100μm、50μm或更小)，形成在诸如硅之类的半导体衬底上，半导体衬底例如为硅，其一个表面覆盖着金属层(例如镀金铝层)，另一相对表面是裸露的半导体表面，这些表面共同作为可调谐阻抗。该半导体衬底上或内部的电路或芯片(如集成电路IC)控制着器件，并利用电极改变从通过CC-标签施加电场的外部读取器(以电学方式)所看到的器件电学性能。该CC-标签由外部施加的RF电场供电，并通过改变其电学性能(特别是其阻抗)对电场的存在做出回应。该CC-标签电容性地耦合到该读取器，并且该集成电路调制其电学性能以编码数据信号，该数据信号由该读取器解码。通过改变该金属层和相对的半导体层之间的阻抗来改变电学性能。
当一个以上或一摞这样的CC-标签被放置在由该读取器生成的电场内时，那么只有其中一个CC-标签被配置为响应。在一示例性实施方案中，其余的CC-标签可以(例如静态地)降低它们的阻抗，例如通过在金属表面和相对的半导体表面之间施加短路来降低它们的阻抗，这样每个CC-标签可以依次和孤立地响应并通过调制RF输入信号来提供其输出信号。
本发明还提供了一种制造电容式耦合RFID标签的方法，即，提供具有相对的平坦表面的半导体衬底(例如硅)，在其中一个平坦表面上设置金属层，并(例如使用光刻技术)在另一个平坦表面上或内部形成本说明中所述的电路(例如CMOS电路)。优选地，厚度(即相对的平坦表面之间的距离)等于或小于50μm(或25μm、100μm或150μm)。衬底可以是方形、矩形或其他形状。优选地，衬底和最终的器件的宽度和/或长度在50至700μm之间。
这些概念的应用包括但不限于钞票、签证、邮票、官方文件、全息图、铝箔、任何种类的香烟和烟草制品(如标准香烟和电子烟)、瓶子、签条、食品、食品包装、片剂和其他医药产品(包括其涂层和包装)以及其他需要这种小型和微米级厚度解决方案的包装类型。CC-标签可以被嵌入或结合到这类物品上。
在前文描述的背景下，根据第一方面，提供了一种电容式耦合射频识别(radiofrequency identification，RFID)标签(例如CC-标签)，包括：
半导体衬底，具有第一平坦表面和远离第一平坦表面的第二平坦表面；
形成在该半导体衬底的该第一平坦表面上的金属垫；
形成在该半导体衬底上并与该金属垫和该半导体衬底的该第二平坦表面电性连接的电路，该电路被配置为通过提供通过改变金属垫和半导体衬底的第二平坦表面之间的阻抗而编码的数据信号来响应RF输入信号。在一侧提供金属垫并且在另一侧具有半导体表面，由于半导体表面是由衬底提供的，减少了制造的复杂度(例如，相对于可能在每一侧都有金属垫的CC-标签)，同时允许相对的表面提供通过改变表面之间的器件阻抗可以改变的电容。平面例如可以是平坦的或弯曲的(例如，为了适应标签所附着的物体的形状)，同时不影响标签的功能。
优选地，通过改变该金属垫和该半导体衬底的该第二平坦表面之间的阻抗调制该RF输入信号而对该数据信号进行编码。这使得RF输入信号既可用于给该装置供电，又可被读取器解码。
优选地，该RF输入信号可由外部读取器提供。
有利地，该电路进一步被配置为由该RF输入信号供电。
有利地，该电路进一步被配置为可对在该RF输入信号内编码的信号进行解码，并且进一步地，其中，该数据信号被提供以响应该解码信号。该电路可以选择性地包括少量能量储存(例如电容器)，以短时间存储由该RF输入信号生成的能量。
可选地，该电路通过改变该RF输入信号的频率、振幅和/或相位或任何其他电气特性来调制该RF输入信号。
可选地，该电路可以形成在该半导体衬底的该第二平坦表面上或嵌入其中。
可选地，该电路可以被配置为通过在该金属垫和该半导体衬底的该第二平坦表面之间施加短路来改变该金属垫和该半导体衬底的该第二平坦表面之间的该阻抗。
可选地，该金属垫的外表面与该半导体衬底的该第二平坦表面之间的距离等于或小于50μm。这可以被描述为该CC-标签的厚度。例如，该厚度也可以替代地小于或等于10μm、25μm、100μm或150μm。例如，该CC-标签可具有基本上正方形或矩形的横截面。
可选地，该电路可进一步被配置为检测一个或多个另外的(例如同一类型的)电容式耦合RFID标签的存在，并且做出响应，停止提供该数据信号。这防止了信号的冲突，并允许依次读取多个CC-标签，而不需要在读取器的范围内每次只有一个CC-标签。
可选地，该电路被配置为通过在该金属垫和该半导体衬底的该第二平坦表面之间施加短路来停止提供该数据信号。这有效地使“关闭”的(多个)CC-标签(在电气方面)对该读取器不可见。
可选地，该电路被配置为停止提供该数据信号，直到该一个或多个另外的电容式耦合RFID标签提供其数据信号。
可选地，该电路被进一步配置为根据防冲突(即其数据信号的冲突)协议停止提供该数据信号。
可选地，该防冲突协议是基于该一个或多个电容式耦合RFID标签之间的通信：
根据预先确定的响应顺序、根据该一个或多个电容式耦合RFID标签之间的协商响应、或随机数字发生器。这种防冲突协议可不依赖于CC-标签之间的直接通信，而是通过读取器通信，或者根本不依赖于通信。
可选地，该第一平坦表面可与该第二平坦表面平行。只要这些表面能产生电容，也可以使用其他构造。
可选地，该电容式耦合RFID标签是柔性的。这可能包括与该CC-标签的宽度或长度相当的弯曲半径。因此，该CC-标签可以被嵌入或附接到柔性物品上，且损坏的风险较小。
可选地，该电容式耦合RFID标签可进一步包括金属板。这可以将读取器的电极耦合到该标签不朝向该读取器的一侧。因此，这就避免了在该标签的对置侧设置读取器电极的需要。
可选地，该电容式耦合RFID标签可进一步包括结合在该标签和该金属板之间的绝缘体。
可选地，该绝缘体被结合到该标签的该金属垫。可以通过粘合剂或其他合适的方法进行结合。
可选地，该绝缘体被结合到该半导体衬底的该第二平坦表面。
可选地，该金属板是可被弯曲的。因此，该金属板可以顺应物品，例如圆柱形或球形的物品。
可选地，该金属板延伸超出该金属垫和/或该半导体衬底的至少一个边缘。
根据第二方面，提供了一种物品，其中嵌入有根据前述权利要求中任一项所述的电容式耦合RFID标签。
可选地，该物品的表面与该电容式耦合RFID标签的该第一平坦表面平行。这对平坦的和/或柔性的物体很有用。
可选地，该物品可以由纸制成、由塑料材料制成，是钞票、护照、身份证、纳税印花、香烟、电子烟、签条、片剂(例如医药产品)、饮料胶囊、咖啡胶囊、茶胶囊和/或法律文件。
根据第三方面，提供了一种与多个电容式耦合RFID标签进行通信的方法，该方法包括以下步骤：
将RF输入信号施加到该多个电容式耦合RFID标签；
通过改变该多个电容式耦合RFID标签中的一个电容式耦合RFID标签的阻抗，来响应施加的RF输入，所改变的阻抗对数据信号进行编码；
检测由改变该多个电容式耦合RFID标签中的一个电容式耦合RFID标签的阻抗引起的该RF输入信号的变化，该变化对该数据信号进行编码；
根据该RF输入信号的该变化对该数据信号进行解码；
在所述一个电容式耦合RFID标签改变其阻抗时，降低所述多个电容式耦合RFID标签中未做出响应的电容式耦合RFID标签的阻抗。也可以使用读取上述CC-标签的其他方法。
可选地，该RF输入信号的该变化可以是频率、振幅和/或相位的变化。
优选地，该方法进一步包括使用防冲突协议的步骤，以确定该多个电容式耦合RFID标签中的哪一个电容式耦合RFID标签通过改变其阻抗对该射频做出响应。
可选地，该多个电容式耦合RFID标签可以是彼此堆叠的，或者以其他方式相互邻近地定位。
根据第四方面，提供了一种计算机程序，包括程序指令，该程序指令在计算机上执行时导致该计算机执行如上所述的方法。
根据第五方面，提供了一种计算机可读介质，载有如上所述的计算机程序。
根据第六方面，提供了一种系统，包括：
任何如上所述的一个或多个电容式耦合RFID标签；和
读取器，包括RF信号发生器和被配置为解码该数据信号的解码器。
可选地，该读取器进一步包括：
第一电极，被配置为与该标签的该金属垫和/或该半导体衬底对齐；和
第二电极，被配置为与该金属板延伸超出该金属垫和/或该半导体衬底的至少一个边缘的部分对齐。例如，该系统可包括具有金属板的标签，该金属板以二者择一的方式延伸超出该衬底或该金属垫。
可选地，该金属板由罐装物、听装物、咖啡胶囊、茶胶囊或饮料胶囊的金属包装形成。因此，该装置的制造可以简化，并且该标签可以更有效地使用并且应用于金属物品。
可选地，该第一电极和/或该第二电极可以是弯曲的。因此该电极可以顺应，例如，圆柱形或球形物体(例如香烟或电子烟)。
上述方法可以实施为包括操作计算机的程序指令的计算机程序来实施。该计算机程序可以存储在计算机可读介质上。
该计算机系统(例如在集成电路内实施)可以包括一个或多个(例如本地、虚拟或基于云的)处理器，如中央处理单元(CPU)，和/或单个或一些图形处理单元(GPU)。该处理器可以执行呈软件程序形式的逻辑。该计算机系统可以包括存储器，该存储器包括易失性和非易失性存储介质。计算机可读介质可被包括以存储该逻辑或程序指令。该系统的不同部分可以使用网络(如无线网络和有线网络)连接。该计算机系统可包括一个或多个接口。该计算机系统可以包含合适的操作系统，例如UNIX、Windows(RTM)或Linux。
应该指出的是，上述任何特征都可以和本发明的任何特定方面或实施例一起使用。
附图说明
本发明可以以多种方式付诸实施，现在将仅以举例的方式并参照附图来描述实施例，其中：
图1示出了读取器读取电容式耦合RFID标签的示意图；
图2示出了读取器读取图1中多个电容式耦合RFID标签的示意图；
图3示出了读取器读取另一电容式耦合RFID标签的示意图；
图4示出了读取器读取另一电容式耦合RFID标签的示意图；
图5示出了系统的示意图，该系统包括应用于香烟或电子烟(或其他物体)的图1至图4中的电容式耦合RFID标签和读取器中的任何一个；
图6a示出了图5的电容式耦合RFID标签应用于香烟或电子烟时的横截面视图；
图6b示出了图6a的香烟或电子烟连同读取器电极的示意图；
图7示出了读取器读取另外多个电容式耦合RFID标签(每个标签都附接至物品上)的示意图；和
图8示出了与电子烟一起使用的电容式耦合RFID标签的进一步示例实施方式的示意图。
应该注意的是，为了简单起见，附图不一定是按比例绘制的。相同或相近的特征用同一附图标记表示。
具体实施方式
根据示例实施方式，电容式耦合标签(CC-标签)是一个基于单一集成电路(IC)的射频识别系统(RFID)。在普通的应用中，集成电路是一块单侧通过不同的步骤进行功能化以整合电子部件的单晶硅，例如但不限于通过金属层连接的电阻、电容、二极管、晶体管等。
由于这些元件的尺寸较小，利用若干大到足以与较小的电线或探针连接的“垫”或金属层来提供与集成电路的电气连接。这些“垫”通常被放置在集成电路的功能化一侧。
集成IC的背侧通常与接地基准相连，在电子层面上没有特别的兴趣。在本发明的CC-标签中，一个大的金属垫被放置在集成电路的功能化一侧，器件的背侧设有第二垫。这种结构使器件可以在表面上自由定位，而不需要任何精确的定位或角度取向，而且无论哪侧是CC-标签被放置的表面，该器件都可以工作。这个重要特征简化了放置过程并降低了相关成本。
IC可以使用互补金属氧化物半导体(CMOS)技术(即硅基技术)形成。由于在同一硅基上同时存在n型和p型MOS(金属氧化物半导体)，可能会出现众所周知的效应，即“闩锁”效应。这可能是由CMOS结构中固有的寄生晶闸管引起的，寄生晶闸管可以被意外的电压尖峰触发，并在器件的电源的正负触点之间产生短路导通。通常可以在衬底上放置额外的接地触点来减少这种效应。由于存在来自背侧垫(即半导体)的射频(RF)信号，RF信号可能被连接到IC的虚拟地，这种效应对CC-标签来说甚至更强。为了避免这种效应，可以在MOS晶体管的附近放置额外的接地触点。作为备选方案，也可以使用其他半导体，例如砷化镓、石墨烯、锗和碳化硅。
在这个CC-标签的示例中，集成电路的背侧(即普通的半导体衬底)被用作可能的电垫，并被放置得邻近功能化表面的顶部(相对侧)的第二大垫。在这个示例中，结构采取的是薄板的形式(具有第一表面和相对表面)。该系统包括集成电路，顶部具有一个垫并且底部具有一个垫(或根据任何特定取向反过来)，可以用作专门开发的读取器中的电容板。
读取器可以通过调制的电场(电容式耦合)与CC-标签进行通信，而不需要在读取器和标签之间的电气连续性。
标准的RFID标签有其输入级，由作为天线的电感和调谐电容组成，在传输频率上进行调谐，以优化信号传输。相反，CC-标签在输入级只有一个电容器。电容器在高频率下呈现出短路性能；这种性能可见的截止频率取决于电容器本身的值和电路的寄生电阻的值。这种方案有重要的优势，因为耦合电容器被要求“足够高”以呈现短路行为，而不需要对电容器本身进行精确调谐。这导致在沉积步骤中对工艺参数波动的依赖性大大降低。
出于同样的原因，CC-标签甚至可以在不同的频率下同时工作，一般来说，频率越高越好。附图中所示的解决方案(下文有更详细的描述)具有以下优点：
标签制造极为简单、价格便宜并且非常可靠。它可以很容易地用标准集成电路技术制造。
它不需要在要被标记的物品上进行特殊的对齐，这反过来又降低了制造的复杂度和成本。
当CC-标签实施了用于标签和读取器的防冲突协议时，CC-标签在标签堆中时也可对其进行读取。
CC-标签可以减薄到50μm以下，形成超薄和柔性的标签，可以封装在各种应用中，例如但不限于钞票、官方和政府文件、纳税印花、签证、全息图以及任何商品的包装、纸张等。
图1示出了标签读取器20供能和读取电容式耦合标签10(CC-标签)的示意图。标签读取器20包括通过产生射频(RF)信号提供电场70的电极30。这个RF信号可以被电容式耦合标签10调制和检测。如本图所示，电容式耦合标签10的上表面或顶表面10具有电极40，电极是金属的。电容式耦合标签10的相对表面或底表面是裸露的，形成了半导体电极表面50。电路(即集成电路)60(本图中未详细显示)位于电容式耦合标签10的半导体衬底内或半导体衬底的表面上。在读取器20的电极30之间用箭头示出了电场70。金属可以是铝、铜、金、银或独立金属层的组合(如镀金铝层)。可以在CC-标签10的不具有金属垫的表面(即半导体垫表面)内部或者表面上制作IC。优选地，这些表面是平行和平坦的。
图2示出了多个电容式耦合标签10的另一示意图，这些标签的形式与图1所示相同。同样，读取器20在其电极30之间施加电场以读取每个电容式耦合标签10。该图没有显示任何附接在每个CC-标签10上的物品或衬底，以简化该图，但这将是存在的。图7示出了等同的布置，包括附接至CC-标签堆中的每个CC-标签10上的要标记的物品。需要注意的是，CC-标签10不一定要完全对齐才能被读取器读取。
当读取器30的电极之间有一个以上的CC-标签10时，只有一个CC-标记10通过对入射的RF输入信号进行调制(即通过改变其自身的阻抗来提供数据信号)而对入射的RF输入信号做出响应。可选地，其余的CC-标签降低其阻抗，例如通过短接其垫(金属表面和半导体表面)。这使得它们对读取器来说在电学上不可见。当第一个CC-标签提供了其数据信号后，它就停止对输入RF信号进行调制，并短接它自己的垫。然后另一个CC-标签按照上述方式通过对输入RF信号进行调制而对输入RF信号做出响应。所述过程一直持续到所有的CC-标签都提供了它们的数据。因此，CC-标签可以一个堆叠在另一个上面而不降低信号强度。
独立的CC-标签可以相互通信，以决定哪个将对信号做出响应。这可以通过防冲突算法实现，该算法可以产生随机延迟，导致每个标签的传输时间不同。作为备选方案，不需要通信，并且每个CC-标签可以在不同的(例如随机的)延迟后对输入RF信号做出响应，这大大降低了任何两个CC-标签在同一时间作出响应的风险(实际传输时间与延迟时间相比可能很短)。
例如，通过一个或多个晶体管将其状态从“阻断”变为“饱和”来充当通/断开关，可以实现使垫短路。
可以使用进一步的备选实施方案。这些备选实施方案可以包括以下备选方案或优点中的任何一个或多个。
·CC-标签10可以嵌入超薄结构或其表面(如纸张、钞票、全息图、邮票等)，不需要任何天线、对准或特殊定位。
·CC-标签10不需要与读取器有金属接触。射频(RF)信号可以从读取器传到CC-标签10，甚至可以穿过绝缘层，只要这些绝缘层很薄(小于1毫米)。
·当读取器处于读取距离内时，CC-标签10可以从读取器获取电能。CC-标签10可以通过调节顶部电极和底部电极之间的阻抗(通/断开关)做出响应。
·CC-标签10不在电路谐振上工作，不存在频率失调问题，因此它对生产参数的波动来说更可靠。
·只要CC-标签在堆中对齐，CC-标签10就可以在堆中被读取，或者可以使用放置在薄结构上的额外金属层进行电容式耦合。
·CC-标签10可具有防冲突解决方案，以避免两个或更多的标签同时与读取器通信。
·当CC-标签10在堆中被读取时，那么它们可以遵循以下程序：
在一定时间内(充电时间)接收来自读取器的电能和数据。
如果标签应该应答，它可能会调制其阻抗以与读取器通信。
如果标签不应该应答，它可能会将其输出阻抗降低到低水平(开启)，以允许读取器信号传递给目标应答的标签。
当CC-标签10在堆中被读取时，它们在电气上是相互“串联”的。这意味着施加在堆上的电压按堆中的元件数量被分担。读取器可以提供自适应电压，以便为每个CC-标签10提供足够的电压或功率以进行工作。例如，这可能涉及将所施加的电场(如电压和/或能量)增加到所有CC-标签都能被激活的水平。应该注意的是，CC-标签10可以以任何取向放置在读取器电极之间。例如，第一电极可以朝上或朝下，第二电极可以朝下或朝上。放在堆中的不同CC-标签10可以放置在任何取向上，对于同一堆中的CC-标签10来说取向可能是不同的。
前面的示例描述了一种CC-标签读取技术，其中标签或一系列标签被“夹住”，或优选地被紧密地置于两个读取器电极(例如读取器的一部分)之间。这种方案特别适用于需要标记的物品，如薄的结构，比如纸、钞票等(如图3所示)，CC-标签10位于其上或其中。
在另一示例实施方案中，可以使用“单侧”读出。这个示例实施方案避免了在物品两侧放置读取电极的需要，因此可以用于较大或较厚的物体。这可以通过在物品上的CC-标签10后方增加额外的金属层(例如铝、铜、银或金等合适的导体)来实现，如图4所示。图4示出了定位在物品顶部的CC-标签，但CC-标签也可以定位在物品的侧面或下面。本示例实施方案中使用的CC-标签可以与之前描述的相同或基本相似。
金属层至少在一个方向上延伸或重叠超出CC-标签10。读取器又使用了两个电极。电极#1被定位在物体上的CC-标签10(和金属层的一部分)上。电极#2的定位基本上避开CC-标签10，但在金属层的另一部分之上或与金属层的另一部分对齐，所述金属层的另一部分不在CC-标签10的下方或与CC-标签10对齐。因此，电极可以放置在物品的同一侧，但能够与CC-标签10进行电容性耦合。换句话说，读取器、CC-标签10和物品的布置方式是先有读取器第一电极，然后是CC-标签10(例如直接在第一电极下面)，然后是连续金属层，然后是要标记的物品。读取器第二电极与第一电极相邻，第二电极和物品之间有同一金属层。在示例实施方案中，CC-标签10可以嵌入或部分嵌入绝缘层(例如聚合物或其他电介质)中，所述绝缘层放置在金属层上并基本覆盖金属层，如图4所示。绝缘层(或其部分)可直接位于CC-标签10和金属层之间。
上文描述了CC-标签10的几个使用示例。另一示例是将CC-标签10(上述任何类型)用于消耗品，如电子烟、饮料胶囊等。图5示出了这方面的示例实施方案，CC-标签10被并入电子烟的一部分(例如可替换的部分，如烟弹(tobacco plug)或烟杆(tobacco stick)510)，而读取器(或在本示例中，读取器电极550)置于电子烟的另一部分540中。因此，读取器可以验证它是否有正确或授权的替换部件存在。
在这个示例中，导电电极可能印在或集成在纸上，例如电子烟的外层纸，CC-标签10集成在空心醋酸盐管或聚合物薄膜过滤器中。读取器的一个电极或两个电极550可以集成在电子烟壳体端部(退弹器一侧)。例如，读取器电子部件可以与电子烟的现有电子控制部件集成在同一体积内。
在图5的示例系统中，电极520也可以放在烟弹510上。然而，CC-标签10也可以在没有这种外部电极的情况下工作。印刷电路板505可用于安装系统的各种部件，以便读取器电极550和相关触点530可以与读取器耦合(例如使用RF通信)。系统的这些部分可以装在壳体580中，并进行电气耦合(例如使用USB连接器570)，以提供与计算机或微处理器560的数据和电源连通性。
图6a更详细地示出了这种CC-标签10如何与香烟或电子烟(或其他圆柱形物体)605一起形成。该图示意性地说明了金属背板或金属板620如何顺应电子烟605(例如圆柱体)的弯曲表面以及将这个金属板620与CC-标签10分开的绝缘层610。该图还示出了读取器的电极630围绕电子烟605和CC-标签10。
图6b示意性地说明了如何在环绕香烟或电子烟605的环形金属读取器电极(550，550')内读取这种CC-标签10(具有类似于图4所示的金属背电极或背板金属层)。这种电极以与上述那些电极类似的方式工作。
这样的CC-标签10(即可由具有单侧电极或相邻电极的读取器读取的那些CC-标签)在应用于诸如标签、包装、全息图、涂层(如药片涂层)、其他医药产品和不规则或非平坦表面物品时可能更容易读取。图6b示出了金属板620如何延伸超出CC-标签10的衬底和/或金属垫，以便一个读取器电极550'覆盖金属板620，但不覆盖CC-标签10的其余部分，而另一个读取器电极550覆盖CC-10的其余部分。因此，金属板将信号电容性地耦合到CC-标签10的远处或相对的电极上(即在其另一侧或与读取器电极所在一侧的相对侧)。
虽然图5、图6a和图6b示出的是本说明中描述的特定CC-标签10，但类似的构造(即电极构造)可用于不同的电容式耦合标签。
在一示例实施方案中，金属板可以替代地由标签所适用的物品或物体的部分或全部形成。例如，物品可以是金属或箔胶囊、盒、罐或容器，里面装有产品。例如，物品可以是一次性的或可重复使用的。这可能是饮料、咖啡或茶的胶囊，具有铝制主体。在这些示例中，物品本身(或至少是金属容器)可以具有与金属板相同的功能，并电容性地耦合到读取器的其中一个电极上，从而避免了在CC-标签10的两侧设置电极的需要，并且在应用于导电物品时也改善了CC-标签10的使用。
所解决的问题例如是将由电容芯片和电极组成的电容式标签集成到烟杆中，用于大批量制造。
电容式标签的背电极可以结合在纸内，将纸卷在烟杆周围(例如，通过金属导体的印刷或交错)，将电容式芯片冲压在电极顶部(也可以用添加胶粘剂的方式来提高固定强度)，然后用烟嘴用纸卷在组件上，用于使电容式芯片(CC-标签)保持就位。
这样的组件具有下述优点，即，可以整合到目前的香烟或电子烟烟杆的制造工艺中。
作为备选方案，背电极也可以集成在空心醋酸盐管、醋酸纤维烟嘴中或集成为聚合物薄膜过滤器冷却器周围(见下文)。然后，电容式芯片(即整个说明书中描述的任何CC-标签)可以被冲压到所列的三个部件之一。然后，芯片的位置将由卷绕烟杆的纸来保持。
作为备选方案，并且除了将电极集成在空心醋酸盐管、醋酸纤维烟嘴中的一个、或集成为绕聚合物薄膜过滤冷却器周围和纸，还可以将第二电极集成在卷绕烟杆的纸中，即烟嘴用的纸，而第二电极优选地仅部分覆盖第一电极。在这样的构造中，第一电极与电容式芯片(CC-标签)的背电极接触或接近，第二电极与电容式芯片的顶部电极接触或接近，导致电容式标签(CC-标签)的读取灵敏度提高。
虽然图6a和图6b示出了CC-标签10布置在电子烟605内，但图8示出了这种布置的几种替代实施方式。图8示出了用于电子烟605或其他圆柱形或弯曲物体的CC-标签10的四种电极特定配置(V01、V07、V01b和V08)。读取器电极550、551'具有环形形状并且适合于围绕(或至少部分地围绕)电子烟605或电子烟烟弹(如烟草制品)。CC-标签10与CC-标签10的衬底的顶部和底部表面耦合，其中上述电极550、551'能够以单侧方式(即从CC-标签10的衬底的一侧)读取CC-标签10。
在图8所示的示例V01和V07中，两个金属电极(例如垫)840、840'与CC-标签10的集成电路810的衬底表面电连接，并与读取器电极550、551'进行电容式耦合。
在图8的版本V01b和V08中，只有一个金属电极(例如金属部或金属垫)850存在。这与参照图1描述的金属电极40相对应。这个单一的电极850将衬底的底部与读取器电极中的一个读取器电极550进行电容式耦合。标签10的衬底的顶部表面直接与另一个读取器电极550'电容式耦合。
CC-标签10和电极550、550'之间的连接性可以通过直接接触(即电接触)或通过近距离接触(即通过电容式耦合)实现。标签电极810、840、840'可以形成为T形(见V01b)或H形(见V01)，以加强与读取器电极550、550'的电容式耦合(即通过增加对齐的表面积)。配置V01和V01b的金属电极840'、850与圆柱形电子烟的轴线垂直的部分是弯曲的，以符合电子烟的圆柱体(或电子烟填充物或烟盒)的表面，并部分地围绕电子烟的圆周延伸(例如T形电极中的“T”的顶部和H形电极中的“H”的两侧)。
正如技术人员所理解的那样，上述实施例的细节可以在不偏离本发明范围的情况下发生改变，正如所附权利要求书所限定的那样。
例如，CC-标签和读取器可以使用标准的工业、科学和医学(ISM)无线电波段频率(即输入RF信号的频率)工作。例如，工作频率可以是13.56MHz(或10MHz和15MHz之间)。多个CC-标签可以在不同的频率下工作(即避免数据信号的冲突)。例如，读取器可以扫描不同的频率。
对上述实施例的特征的许多组合、修改或改变对技术人员来说是显而易见的，并旨在构成本发明的一部分。所描述的与一个实施例或示例具体相关的任何特征都可以通过适当的改变用于任何其他实施例。

Claims (39)

1.一种电容式耦合RFID标签，包括：
半导体衬底，具有第一平坦表面和远离第一平坦表面的第二平坦表面；
形成在所述半导体衬底的所述第一平坦表面上的金属垫；
形成在所述半导体衬底上并与所述金属垫和所述半导体衬底的所述第二平坦表面电性连接的电路，所述电路被配置为通过提供改变所述金属垫和所述半导体衬底的所述第二平坦表面之间的阻抗而编码的数据信号来响应RF输入信号，其中，形成在所述第一平坦表面上的所述金属垫延伸超出所述半导体衬底；
其中，所述金属垫是矩形、细长形或T形的，和/或所述电容式耦合RFID标签进一步包括与所述第二平坦表面电接触的金属电极。
2.根据权利要求1所述的电容式耦合RFID标签，其中，与所述第二平坦表面电接触的所述金属电极被配置为与读取器的电极对齐，所述读取器包括RF信号发生器和解码器，所述解码器被配置为解码所述数据信号。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的电容式耦合RFID标签，其中所述金属垫和与所述第二平坦表面电接触的所述金属电极被配置为形成H形。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电容式耦合RFID标签，其中，通过改变所述金属垫和所述半导体衬底的所述第二平坦表面之间的阻抗调制所述RF输入信号而对所述数据信号进行编码。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电容式耦合RFID标签，其中，RF输入信号由外部读取器提供。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电容式耦合RFID标签，其中，所述电路进一步被配置为由所述RF输入信号供电。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电容式耦合RFID标签，其中，所述电路进一步被配置为对在所述RF输入信号内编码的信号进行解码，并且进一步地，其中，所述数据信号被提供以响应所述解码信号。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电容式耦合RFID标签，其中，所述电路通过改变所述RF输入信号的频率、振幅和/或相位对其进行调制。
9.根据前述权利要求中任一项所述的电容式耦合RFID标签，其中，所述电路形成在所述半导体衬底的所述第二平坦表面上。
10.根据前述权利要求中任一项所述的电容式耦合RFID标签，其中，所述电路被配置为通过在所述金属垫和所述半导体衬底的所述第二平坦表面之间施加短路来改变所述金属垫和所述半导体衬底的所述第二平坦表面之间的所述阻抗。
11.根据前述权利要求中任一项所述的电容式耦合RFID标签，其中，所述金属垫的外表面与所述半导体衬底的所述第二平坦表面之间的距离等于或小于100μm。
12.根据前述权利要求中任一项所述的电容式耦合RFID标签，其中，所述电路进一步被配置为检测一个或多个另外的电容式耦合RFID标签的存在，并且作为响应，停止提供所述数据信号。
13.根据权利要求12所述的电容式耦合RFID标签，其中，所述电路被配置为通过在所述金属垫和所述半导体衬底的所述第二平坦表面之间施加短路来停止提供所述数据信号。
14.根据权利要求12或权利要求13所述的电容式耦合RFID标签，其中，所述电路被配置为停止提供所述数据信号，直到所述一个或多个另外的电容式耦合RFID标签提供其数据信号。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的电容式耦合RFID标签，其中，所述电路进一步被配置为根据防冲突协议停止提供所述数据信号。
16.根据权利要求15所述的电容式耦合RFID标签，其中，所述防冲突协议是基于所述一个或多个电容式耦合RFID标签之间的通信：
根据预先确定的响应顺序、根据所述一个或多个电容式耦合RFID标签之间的协商响应、或随机数字发生器。
17.根据前述权利要求中任一项所述的电容式耦合RFID标签，其中，所述第一平坦表面与所述第二平坦表面平行。
18.根据前述权利要求中任一项所述的电容式耦合RFID标签，其中，所述电容式耦合RFID标签是柔性的。
19.根据前述权利要求中任一项所述的电容式耦合RFID标签，进一步包括金属板。
20.根据权利要求19所述的电容式耦合RFID标签，进一步包括结合在所述标签和所述金属板之间的绝缘体。
21.根据权利要求20所述的电容式耦合RFID标签，其中，所述绝缘体被结合到所述标签的所述金属垫。
22.根据权利要求20所述的电容式耦合RFID标签，其中，所述绝缘体被结合到所述半导体衬底的所述第二平坦表面。
23.根据权利要求19至22中任一项所述的电容式耦合RFID标签，其中，所述金属板是弯曲的。
24.根据权利要求19至23中任一项所述的电容式耦合RFID标签，其中，所述金属板延伸超出所述金属垫和/或所述半导体衬底的至少一个边缘。
25.一种物品，其中嵌入有根据前述权利要求中任一项所述的电容式耦合RFID标签。
26.根据权利要求25所述的物品，其中，所述物品的表面与所述电容式耦合RFID标签的所述第一平坦表面平行。
27.根据权利要求25或权利要求26所述的物品，由纸制成、由塑料材料制成，是钞票、香烟、电子烟、签条、片剂、医药产品、饮料胶囊、咖啡胶囊、茶胶囊、金属容器、全息图、护照、身份证件、纳税印花和/或法律文件。
28.一种与多个根据权利要求1至24中任一项所述的电容式耦合RFID标签进行通信的方法，所述方法包括以下步骤：
将RF输入信号施加到所述多个电容式耦合RFID标签；
通过改变所述多个电容式耦合RFID标签中的一个电容式耦合RFID标签的阻抗，来响应所述施加的RF输入，所述改变的阻抗对数据信号进行编码；
检测由改变所述多个电容式耦合RFID标签中的一个电容式耦合RFID标签的阻抗引起的所述RF输入信号的变化，所述变化对所述数据信号进行编码；
根据所述RF输入信号的所述变化对所述数据信号进行解码；
在所述一个电容式耦合RFID标签改变其阻抗时，降低所述多个电容式耦合RFID标签中未做出响应的电容式耦合RFID标签的阻抗。
29.根据权利要求28所述的方法，其中，所述RF输入信号的所述变化是频率、振幅和/或相位的变化。
30.根据权利要求28或权利要求29所述的方法进一步包括使用防冲突协议的步骤，以确定所述多个电容式耦合RFID标签中的哪一个电容式耦合RFID标签通过改变其阻抗对所述射频做出响应。
31.根据权利要求28至30中任一项所述的方法，其中，所述多个电容式耦合RFID标签是彼此堆叠的。
32.一种计算机程序，包括程序指令，所述程序指令在计算机上执行时导致所述计算机执行根据权利要求28至31中任一项所述的方法。
33.一种计算机可读介质，载有根据权利要求32所述的计算机程序。
34.一种系统，包括：
一个或多个根据权利要求1至25中任一项所述的电容式耦合RFID标签；和
读取器，其包括RF信号发生器和被配置为解码所述数据信号的解码器。
35.根据权利要求34所述的系统，其中，所述电容式耦合RFID标签是根据权利要求1至25所述的电容式耦合RFID标签，并且其中，所述读取器进一步包括：
第一电极，被配置为与所述标签的所述金属垫和/或所述半导体衬底对齐；和/或
第二电极，被配置为与所述金属电极与所述第二平坦表面电接触的至少一部分对齐。
36.根据权利要求35所述的系统，其中，所述第一电极和所述第二电极是弯曲的或环形的和/或相互平行地布置。
37.根据权利要求35或权利要求36所述的系统，其中，所述第一电极和/或所述第二电极是环形的。
38.根据权利要求34至37中任一项所述的系统进一步包括附接到所述一个或多个电容式耦合RFID标签的电子烟。
39.根据权利要求34至38中任一项所述的系统，其中，所述金属板由罐装物、听装物、咖啡胶囊、茶胶囊或饮料胶囊的金属包装形成。
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