CN1444754A - 包含多个无触点集成电路的便携电子装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种便携电子装置(40)，它包括一个至少含两个无触点集成电路(45)的组合，每个集成电路都与一个单个天线线圈(46)连接以便利用电感耦合发射和/或接收数据。本发明装置包括一个尺寸比集成电路单个天线线圈大的集合天线线圈(42)，以及一种器具(41)用于把集成电路的单个天线线圈安置在集合天线线圈附近，至少当数据应该在集成电路中读出和/或写入时，使得集成电路的单个天线线圈感应耦合到集合天线线圈。在智能卡、电子徽章或电子标记方面的应用。

Description

包含多个无触点集成电路的便携电子装置
本发明涉及无触点集成电路以及利用此类集成电路制成的便携电子装置。
近些年来，已发展和研制了一些所说的“无触点”集成电路，它们能够借助于天线线圈，利用电感耦合接收和传输数据。在以申请人的名义申请的专利WO 98/02840，WO 98/02980，WO 98/05123，WO98/06057以及WO 98/06056中描述了这类集成电路的一些实施例。此外，这类集成电路正处在制定标准化的过程中，尤其是它们成了暂行标准ISO 14443的涉及对象，在此这是作为非限定性实例而提出的。
图1很概括地表示出一个无触点集成电路1它与天线线圈2相连。当线圈2处于数据发射/接收站5所发射的磁场FLD的作用范围之内时，集成电路1是有效的，为此数据发射/接收站本身也包含一个天线线圈6。由站5发射形成的电磁场FLD是按照一个指定的频率振荡变化的，例如根据标准ISO 14443为13.56MHz。非常普遍的是，按照从站5向集成电路1方向的数据传输DTr是由天线信号的振幅调制保证的，例如采用100％的调制深度(ISO 14443/A)或10％的调制深度(ISO14443/B)。沿着从集成电路1向站5方向的数据传输DTx是由线圈2的载荷调制保证的。载荷调制信号利用电感耦合反应到站5的线圈6中，在那儿调制信号被滤波并解码以便提取其所含数据DTx。
这类集成电路可找到很多的应用之处，尤其是可以制成无触点智能卡、无触点电子徽章、无触点电子标记，等等···
根据本身可以体现出本发明观点的一种想法，人们希望制备一种含有无触点集成电路组合的便携电子装置。
本发明实际上是基于这样一种考虑，多个无触点集成电路的组合，依据这种设想就能够具有几种不同的优点，并可找到几种不同的应用，这在后面将加以论述。
不过，为了具备优点，含有多个无触点集成电路的装置应该具有小体积并且可利用任何一个不是很小的集成电路，就可以提供一种最大的数据传递距离。关于“最大的传递距离”一词意味着，按照很弱的电感耦合，没有任何此类数据传输能够超过的传递距离。
然而，把各个都配备了天线线圈的多个无触点集成电路简单的并置起来并不能在最小的装置体积和足够的最大传递距离之间找到令人满意的折衷效果，依据的原理是，最大的传递距离随着天线线圈的尺寸成正比例增加。因此，并置多个小尺寸的插入了无触点集成电路及小体积天线的微型模块可实现制成尺寸令人满意的装置，但是其中每个微型模块提供的最大传递距离较近。相反的，把多个都插入了无触点集成电路及大直径天线的模块并置起来可导致制成一种装置能提供令人满意的最大传递距离，但是外形体积较大而且由于每个天线的制造费用及所消耗的原材料其成本价格就不可忽略了。
因此，本发明的目的是一种这样的装置，它包括一个无触点集成电路组合，其体积减小了，同时还提供了令人满意的最大传递距离。
达到该发明目的是通过设计出一种装置而实现的，此装置包括至少有两个无触点集成电路的组合，每个集成电路都连接到一个单个天线线圈以便利用电感耦合发射和/或接收数据，该装置还包括一个集合天线线圈，其尺寸要比集成电路的单个天线线圈大，还有一种器具用于把集成电路的单个线圈安置在集合线圈附近，至少当数据应该在集成电路中读出和/或写入时，使得集成电路的单个线圈感应耦合到集合线圈，集成电路的配置或编程是为了采用防止相互冲突的协议，这就使数据发射和/或接收站可以选择一个集成电路而且在与装置进行数据传递的过程中只选择单独一个集成电路。
根据一种实施方式，每个集成电路的单个线圈都经常性的与集合线圈耦合。
根据一种实施方式，集合线圈、集成电路以及单个的天线线圈都布置在一个共同的支承件上，集成电路和单个的天线线圈都安置在集合线圈的中间。
根据一种实施方式，集合线圈布置在第一个支承件上，集成电路都布置在一个或多个与第一个支承件不同的支承件上，装置还包括一种器件用于至少当数据应该在集成电路中读出和/或写入时使集成电路的支承件与集合线圈的支承件更靠近。
根据一种实施方式，集合线圈及集成电路都布置在围绕一个轴铰接的基本上是平的多个支承件上使得形成了一种手折小册子。
根据一种实施方式，平的支承件是些小槽坑。
根据一种实施方式，每个集成电路及其单个天线线圈都制成小体积的微型模块形状。
根据一种实施方式，集成电路的配置或编程是为了整体形成一种等效集成电路，其数据存储总容量大于每个集成电路的单个存储容量。
根据一种实施方式，每个集成电路都在其存储器中包含一种可表示一个集成电路相对装置中其它一些集成电路位置序列的数据，以便利用增加存储区而增加数据的存储容量。
本发明的这些目的、特征、优点以及其它一些情况将在后面对本发明的两个实施例所作的说明中更加详细地显示出来，此说明是联系到几幅附图作为非限定性实例而进行的，附图中有：
·图1在前面已描述过了，它概括地表示出一个无触点集成电路以及一个数据发射/接收站，
·图2概括地表示出第一个普通型的无触点智能卡，
·图3概括地表示出第二种类型的普通无触点智能卡，
·图4表示的是第一种类型的普通无触点电子微型模块，
·图5表示的是第二种类型的普通无触点电子微型模块，
·图6表示的是第三种类型的普通无触点电子微型模块，
·图7表示无触点集成电路的通常配置，其中必需采用一种防止相互冲突的办法，
·图8表示本发明装置的第一个实施例，
·图9以侧视图的形式表示本发明装置的第二个实施例，
·图10是图9装置的正视图，
·图11是表示普通无触点集成电路结构的示意图。
正如在本说明书开始部分所指出的那样，把各个都带有天线线圈的多个无触点集成电路简单的并置在一起也不能在最小体积及令人满意的与每个集成电路的传递距离之间得到满意的折衷效果。
图2至图6表示无触点电子模块几种不同的传统实施方式，也描绘出了本发明力求解决的技术问题。图2和图3表示智能卡型的无触点电子模块它们具有最大的延伸传递距离，可达到几十厘米，但是其体积是不可忽视的。图4至图6表示小体积的无触点微型模块，但是提供的最大传递距离减小了，按照所考虑的微型模块约为毫米至几厘米。
在本专利申请中，所提到的最大传递距离值只有一个相关值并且最大传递距离值都是根据在电感耦合的标准条件下所进行的实验证明而确定的，尤其是数据发射/接收站天线所消耗的功率约为几瓦(watt)的情况。
图2所示的模块10是一个无触点智能卡或者是一个由塑料制成的矩形支承件11所构成的电子徽章，在该支承件上(或在该支承件中)配置了一个无触点集成电路1及其天线线圈12。线圈12绕过支承件11周边一圈或几圈并且提供的最大传递距离较大，约为十几厘米至几十厘米，甚至在采用大功率读出器时为1至2米。
图3表示的是图2无触点智能卡的一种变型例15，它与图2智能卡的不同之处在于：支承件11包括一个大尺寸的天线线圈16，它与图2的线圈12是等效的，并且还有一个小尺寸天线线圈17。集成电路1和小线圈17都配置在线圈16的中间，线圈17连接集成电路1，而大线圈16呈闭合环的形式，其两端连接在一起。大线圈16与小线圈17是感应耦合的并且大线圈16形成了一种小线圈17的被动放大继电器。两个线圈间的电感耦合可在设计了大线圈16的一个圈16-1的情况下而得到增强，此圈16-1围绕在小线圈17的周围且与该小线圈的距离较近。
按照图3所制成的无触点智能卡被认为比图2所示无触点智能卡制作费用更低，因为在制备卡时，大线圈16与集成电路1之间没有要制备的电触点。集成电路1及小线圈17都可以按照要采用的低费用集合制备技术制成集成微型模块的形式。
图4的微型模块20包括一个支承片21，它是由环氧树脂或由陶瓷制成的，其尺寸小于上述塑料支承件的尺寸，它带有一个无触点集成电路1以及一个天线线圈22。线圈22紧密地围绕在集成电路1的硅晶片周围并且整体系统的表面可集中到几平方厘米上。微型模块20的体积明显小于智能卡的体积，但是所提供的最大数据传递距离更小，约为一厘米至几厘米。
图5的微型模块25是按照所说的“coil on chip”(“芯片线圈”)技术制成的并且专门利用集成电路1的硅晶片构成，线圈26是直接在硅晶片上利用金属沉积法形成的。含有集成电路电子元件的硅晶片有效区由画有剖面线的部位表示出来了。该有效区可配置在线圈26的中间，如图所示，或者完全由线圈26所覆盖。这类微型模块目前代表了无触点集成电路及其相结合线圈的最高集成度，但是提供的最大传递距离很小，约为一毫米到几毫米。
图6所示微型模块30，是在以申请人的名义所进行的国际专利申请WO 00/01013中描述过的，它达到了上述两种微型模块之间的折衷效果。微型模块30包括一个例如是硅材料的支承片，无触点集成电路1就配置在该支承片上。集成电路1埋置在比如是聚酰亚胺的绝缘膜层(图上未示出)中，线圈32配置在该膜层上，绝缘膜层中有多个开口用以保证集成电路与线圈之间的电接触。这种微型模块30的体积比图5的微型模块要大些，但是明显地小于图4的微型模块。因为支承件31提供了线圈的安置表面，它大于集成电路1的板片表面，线圈32的尺寸可以选择更大些并且所得到的最大传递距离对于更小的体积来说大约可以为图4微型模块的最大传递距离。
最终可归结为，图2及3所示类型的模块并置可导致制成一种装置，它提供的最大传递距离较大但是体积较大而且成本也高。相反地图4至6所示类型微型模块的并置可导致制成一种小体积装置，但是所提供的最大传递距离也小。
本发明是基于一种简单而又不失创造性的想法，根据该想法，可借助如图3所示的已布置了闭合环状天线线圈的电感耦合放大技术用来制备一种装置，它包括多个集成电路及其单个的天线线圈，被动放大作用的线圈在此情况下，用作集合天线。如果大家查看图3，实际上就可看到：在线圈中间存在一个较大的位置可用于容纳其它一些集成电路及其单个的天线线圈。
本发明的另一种想法，可与上面第一个想法相提并论，是在每个集成电路中设计一种信息之间相互冲突的管理器。这类有关信息之间相互冲突的发生将是不可避免的，因为无触点集成电路都分享利用同一个集合天线线圈，这就会同时被数据发射/接收站所发射的磁场激励。
然而，在无触点电子标记领域中有关信息冲突的管理方法本身都是通常的方法并且都可以应用到本发明中。为了陈述起见，图7描绘了一种通常的在三个无触点集成电路1、1′、1″间的冲突情况，每个集成电路都设计了一个天线线圈2、2′、2″并且它们都同时处于数据发射和/或接收站5所发射的询问信号磁场FLD中。一个集成电路而且仅仅是一个集成电路应该由站5选择而其它的集成电路都应该在传递数据的时间内处于睡眠状态。为此，各种所说的“防止冲突”的方法都可以使用，尤其是标准ISO 14443所规划的或在以申请人的名义所申请的国际申请说明书WO 97/42578中所描述的那种方法。这种防止冲突的方法主要就在于例如向集成电路发送一个普通的询问信息并且选择第一个应答集成电路。集成电路的配置都要用于按照接收询问信息来确定在响应时间段上的随机响应位置，以便当达到响应位置时就发送响应信息或者当在未达到响应位置之前收到了响应信息时就处于探测搜索状态。
图8表示本发明的一个装置40，它包括一个支承件41，布置成闭合环状的集合线圈42就配置在该支承件41上(或插入在其中)。支承件41例如是用塑料、环氧树脂或陶瓷材料作成的，并且集合线圈42是用铜、铝或利用导电油墨制成的。
各个无触点微型模块，这里是四个微型模块45、45′、45″、45都配置在集合线圈42的中间。“集合线圈的中间”就是由集合线圈直径最小的线圈所限定的面积。图中概括地示意出的微型模块45各个都带有一个无触点集成电路以及一个尺寸较小的单个天线线圈46、46′、46″、46。微型模块可按照各种公知的制备技术制成，尤其是可按照上面联系附图4、5及6所描述的一种技术制成。因此，例如按照图5的微型模块25制成的微型模块45是单一的硅芯片，它上面已预先形成了一个线圈。每个微型模块45都采用一种包含上述类型防冲突方法的数据传输协议。
每个微型模块45的天线线圈46都由于微型模块配置在集合线圈42的中间而与集合线圈42感应耦合。与每个微型模块45的最大传递距离是令人满意的，约为10倍于没有集合线圈42情况下每个微型模块所具有的最大传递距离。
当然装置40能够有各种不同的变型，尤其是关于支承件的形状及集合天线的形状以及其组成材料。特别是集合线圈42在其中间部位可有各种不同的小直径绕组用来按图3所示绕组16-1的图形围绕微型模块45。
装置40也可以有各种不同的应用。在一种应用中，装置40是作为电子标记而使用的用来识别商品，每个集成电路规定用于指定类型的信息存储。假定该装置配置在货物的集装箱上，第一个微型模块46例如用于存储有关集装箱本身的信息，如其使用日期、物主身份、集装箱的使用期限(其应该循环利用的日期)，其空箱重量，其最大载货重量，等等。第二个微型模块46′例如可用于存储有关集装箱的运输信息，尤其是集装箱的原产地、其最后的目的地、转口过境国家等等。第三个微型模块46″例如可用来存储有关集装箱所装货物的信息，尤其是其货物性质、数量、有关集装箱到达的信息，尤其是其货物性质、数量、有关集装箱到达地点的货物收件人身份、如有必要还有货物保存的特定条件(温度、湿度)。最后，第四个微型模块46例如用于存储有关海关关税的信息，尤其是贮存在集装箱中的货物价值、每种货物的单位成本，等等。
在另一种应用中，无触点集成电路的组合用于累加由于每个集成电路所提供的数据储存容量，通常生产的一个无触点集成电路的储存容量一般都是相当小的。例如，每个集成电路在其一个存储区中包含一个值可表示一个集成电路相对另一些组合的集成电路的序列“i”。每个集成电路提供一个用于存储数据的存储区MEMi，其中“i”是赋予集成电路的序位。多个集成电路的整体系统因此构成了一个总存储器MEM它包含序位号随每个集成电路递增的存储区MEM1、MEM2、MEM3、MEM4的总和。总存储器可以被数据发射/接收站所利用以便读出或录入较长长度的数据字。这种实施方式涉及了智能卡领域同样也涉及电子徽章领域或电子标记领域。
在另外又一个应用中，人们希望在同一个装置中储存医学数据(电子健康手册)、有关个人身份的数据(电子身份卡)、有关个人家庭状况的数据(电子家庭手册)、有关汽车驾驶许可的数据(电子驾驶执照)，等等。
本发明的装置50是为这样一种应用而设计的，它描述在图9和图10上了。装置50的外形是一个手册，它包括一个封面51和一个背面52是由纸板或塑料做成的，还有一些“页数”53。封面51(或背面52)插入一个集合天线60并且每一页容纳或可以容纳一个或多个上述类型的无触点电子微型模块61。在一种实施方式中，每一页都是一个由两个塑料薄片形成的小薄袋，它设置了一个或多个可插入一个或多个微型模块61的缝隙。每个微型模块61的形状都是小尺寸的塑料卡，它可加入一个无触点集成电路和一个单个天线线圈。在另一种实施方式中，每个微型模块61的形状都是带有集成线圈(“coil on chip”)的硅芯片，该微型模块又固定在塑料片上，此塑料片又安置在带环圈、螺旋状弹簧或带精装壳的小手册中。
当小手册50闭合时，如图10所示，每个微型模块61都沿着一个轴布置，此轴通过集合线圈51的中间部分，也就是说通过由集合线圈最小直径的那一圈从外边所划定的部分。每个微型模块61因此可以利用通常的电子标记读出器认读和/或写入，它能与微型模块使用的防冲突协议兼容，与此同时，要经过可成为封面51的读出器。
当然，本领域技术人员可设计出本发明装置的其它各种实施及应用变型。
为了更加完善上面所作的说明，下面将描述可用于实施本发明的一个集成电路的普通结构实施例。
图11表示集成果路1的一个普通实施例，它是无触点工作的，与一个单个天线线圈Ls连接，此天线线圈与本发明集合天线线圈Lc相耦合。集成电路1包括一个内部电容Cs与单个天线线圈Ls形成一个LC型谐振天线电路，还有一个二极管整流电桥Pd、一个解调电路DCT连接到天线电路LsCs的端点、一个载荷调制电路MCT、一个与微处理机缆接或连接的逻辑中央处理器UC，以及一个存储板MEM。存储板MEM包括一个只读存储器(RCM)、一个可编程的电擦除存储器(EEPROM)以及一个中间结果(活)存储器(RAM)。载荷调制电路MCT控制载荷调制晶体管T1，此晶体管通过负载电阻R1连接到线圈Ls的端点。
当线圈Ls处在电子标记读出器RDT(或数据发射/接收站)线圈Lp所发射的磁场FLD中时，例如13。56MHz振荡磁场，在线圈Ls的端点间出现的交流感应电压Va由于存在集合天线线圈Lc而得到增强。电压Va利用二极管电桥Pd整流，其输出端输出集成电路的电源电压Vcc。数据按照从读出器RDT向集成电路1方向的传输是由读出器发射的磁场FLD的振幅调制来保证的。感应电压Va由电路DCT解调，此电路向中央处理器UC输出接收数据DTr。数据按照从集成电路1向读出器RDT的方向传输是由天线线圈Ls的载荷调制保证的，它被反应到读出器RDT的天线线圈Lp上。这种载荷调制由调制电路MCT保证，它向晶体管T1输入一个载荷调制信号，它随着由中央处理器UC所输出的待传输数据DTx而变化。
当集成电路在睡眠状态以后被磁场FLD激发时，中央处理器UC开始执行所选择的防冲突方法的步骤。例如，中央处理器UC等待接收通常的激发信息并且按照该信息的接收确定发送响应的随机时间。如果在随机时间来到之前收到了信息，则中央处理器以预警方式处于等待另一个通常的激发信息。

Claims (9)

1.一种装置(40、50)它包括一个至少有两个无触点集成电路(1、45、61)的组合，每个集成电路都连接到一个单个天线线圈(46、Ls)以便利用电感耦合发射和/或接收数据，其特征在于，它包括一个集合天线线圈(42、60、Lc)其尺寸比集成电路的单个天线线圈大，还包括器件(41、51、53)用于把集成电路的单个线圈安置在集合线圈附近，至少当数据应该在集成电路中读出和/或写入时，使得集成电路的单个线圈与集合线圈感应耦合，集成电路(1、45、61)的配置或编程是为了采用防冲突协议，这可以使数据发射和/或接收站在与装置传递数据的过程中选择一个也是唯一的一个集成电路。
2.根据权利要求1所述的装置(40)，其特征在于，每个集成电路(45)的单个线圈(46)要经常性地与集合线圈(42)耦合。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，集合线圈(42)、集成电路(45)以及单个天线线圈(46)都安排在一个共用支承件(41)上，集成电路及单个天线线圈都安置在集合线圈(42)的中心。
4.根据权利要求1所述的装置(50)，其特征在于：集合线圈(60)被安置在第一个支承件(51)上，集成电路(61)安置在与第一个支承件不同的一个或多个支承件(53)上，装置还包括一些器件用于至少当数据应该在集成电路中读出和/或写入时，使集成电路支承件(53)靠近集合线圈(60)的支承件(51)。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：集合线圈(60)及集成电路(61)都安置在一些围绕一个轴铰接的基本上是平面的支承件(51、53)上，以便形成一种小手册(50)。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述平面的支承件是一些小型袋状物(53)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其特征在于：每个集成电路及其单个天线线圈都制成小尺寸的微型模块形状(20、25、30、45)。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其特征在于：集成电路(45)的配置或编程是为了使整体系统形成一个等效集成电路，其总的数据储存容量大于每个集成电路的单个储存容量。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：每个集成电路(45)在其存储器(MEM)中都包括一个数据代表了一个集成电路相对于该装置的其它一些集成电路的序位(“i”)，以便通过增加存储区(MEMi)而提高集成电路的数据储存容量。
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