FR2800518A1 - Antenne de couplage a inductance elevee - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne une antenne de couplage constituée par une pluralité de spires en série situées sur un support plan (14) constitué par un substrat diélectrique isolant. Cette antenne comprend un ou plusieurs ensembles d'au moins une spire (16) située sur ledit support plan, montés en série, au moins un des ensembles étant constitué par au moins deux spires (16, 22) en série superposées selon un axe perpendiculaire au plan dudit support et séparées par une bande isolante (20) d'encre diélectrique, ce qui permet d'obtenir une valeur d'inductance importante.L'invention concerne également le procédé de fabrication d'une telle antenne et l'utilisation de cette antenne dans une carte à puce sans contact.

Description

I La présente invention concerne les systèmes d'émission et de réception
sans contact, et plus particulièrement une antenne de couplage à inductance élevée utilisée notamment
dans les cartes à puce sans contact.
Les systèmes d'émission et de réception sans contact sont largement utilisés de nos jours dans de nombreuses applications. Une de ces applications est la carte à puce sans contact qui est un système de plus en plus utilisé dans différents secteurs. Ainsi, dans le secteur des transports, de telles cartes ont été développées par toutes les sociétés autoroutières afin de proposer des abonnements à leurs usagers et de faciliter le paiement aux gares de péage. Elles ont aussi été développées comme moyen de paiement. C'est la cas par exemple du porte-monnaie électronique. De nombreuses sociétés ont également développé des moyens d'identification
de leur personnel par cartes à puce sans contact.
L'échange d'informations entre une carte sans contact et le dispositif de lecture associé s'effectue par couplage électromagnétique à distance entre une antenne logée dans la carte sans contact et une deuxième antenne située dans le lecteur. Pour élaborer, stocker et traiter les informations, la carte est munie d'une puce comportant une zone mémoire et un microprocesseur, qui est reliée à l'antenne. Cette puce contient une capacité d'entrée obtenue grâce à des condensateurs insérés dans la puce. L'antenne et la puce se trouvent généralement sur un support plan neutre. Le fonctionnement optimal du couplage antenne-puce qui doit être non résistif est obtenu lorsque la loi de résonance du circuit suivante est respectée:
LCO2 = 1 (1)
dans laquelle L représente l'inductance de l'antenne, C représente la capacité d'entrée et ( la pulsation égale à 2nf, dans laquelle f représente la fréquence normalisée (par
exemple à 13.56 MHz).
L'obligation de respecter cette loi impose aux fabricants de puce, appelés aussi fondeurs, de mettre dans les puces des condensateurs pour obtenir des valeurs de capacité suffisamment importantes. Ainsi, le coût de fabrication des puces se trouve fortement augmenté par la présence des condensateurs. Le développement des cartes électroniques sans contact passe nécessairement par une réduction des coûts de production des puces utilisées dans ces cartes. Afin de réduire le prix de revient des puces, les fondeurs sont amenés de plus en plus à diminuer le nombre de condensateurs intégrés dans celles-ci et ainsi à réduire la capacité du circuit. Ils peuvent ainsi
produire des puces de plus petites dimensions.
Afin de respecter la loi LCo2 = 1 et d'obtenir un couplage optimal, il faut augmenter l'inductance L de l'antenne pour compenser la baisse de la valeur de la capacité d'entrée de la puce. Dans le cas des antennes réalisées par gravure chimique du cuivre ou de l'aluminium, sous forme de spires sur un support diélectrique plastique, on augmente
généralement l'inductance en augmentant le nombre de spires.
Cette solution engendre toutefois plusieurs inconvénients importants. En effet, tout circuit électrique ayant une résistance, l'augmentation du nombre de spires, qui correspond en fait à un allongement du circuit, entraîne une forte augmentation de la valeur de cette résistance. Ceci affecte considérablement les performances de l'antenne et donc de la carte. En effet, la distance de lecture de la carte est
fortement diminuée.
Pour limiter l'encombrement et conserver la section utile pour le flux électromagnétique à travers la carte, la largeur des pistes de cuivre doit être réduite. Cela a pour effet d'augmenter la résistance de l'antenne, et surtout la fiabilité des cartes est détériorée car le risque de coupures des spires de l'antenne lors de la lamination sous pression à
chaud des corps de carte est plus important.
Le prix de revient unitaire de l'antenne gravée augmente de façon significative. Ainsi, la réduction de coût obtenue par les fondeurs avec des puces ayant une capacité d'entrée plus faible se trouve annulée par ce surcoût des antennes. La fabrication et l'utilisation des cartes ne se trouvent donc
pas plus rentables.
Le but de l'invention est de pallier ces inconvénients en fournissant une antenne avec une inductance élevée permettant d'obtenir une carte performante, dont la fiabilité est éprouvée et dont le coût de production et donc le prix de revient sont nettement plus faibles que les cartes à puce
actuellement sur le marché.
L'invention concerne une antenne de couplage constituée par une pluralité de spires en série situées sur un support plan constitué par un substrat diélectrique isolant. Cette antenne comprend un ou plusieurs ensembles d'au moins une spire située sur ledit support plan, montés en série, au moins un des ensembles étant constitué par au moins deux spires en série superposées selon un axe perpendiculaire au plan du support et séparées par une bande isolante d'encre diélectrique, ce qui permet d'obtenir une valeur d'inductance importante. Dans un mode de réalisation préféré, l'antenne de couplage comprend un ou plusieurs ensembles, montés en série, d'au moins une spire d'encre sérigraphiée sur le support plan, au moins un des ensembles étant constitué par au moins deux spires en série d'encre sérigraphiée superposées selon un axe perpendiculaire au plan dusupport et séparées par une bande isolante d'encre diélectrique également sérigraphiée sur le support. Un autre aspect de l'invention est le procédé de fabrication de l'antenne de couplage consistant à: - réaliser la sérigraphie d'une spire d'un ou plusieurs ensembles, par dépôt d'encre conductrice sur une face d'un support plan constitué d'un substrat diélectrique isolant, - réaliser la sérigraphie d'une bande isolante superposée à la sérigraphie de la spire d'au moins un ensemble, par dépôt d'encre diélectrique, permettant de recouvrir la spire et laissant apparents les plots de connexion de l'antenne et les zones de raccordement des spires superposées, - réaliser la sérigraphie d'une spire d'au moins un ensemble, superposée à la sérigraphie de la bande isolante, par dépôt d'encre conductrice, la deuxième et la troisième étapes du procédé étant répétées une ou plusieurs fois lorsque l'antenne comprend un
ou plusieurs ensembles de plus de deux spires superposées.
Les avantages liés à cette antenne et à son procédé de fabrication sont multiples: a) Pour compenser la résistivité électrique intrinsèque plus élevée des encres polymères conductrices sérigraphiables, il faut augmenter la section des spires de l'antenne. Cela se traduit par un élargissement des spires et/ou un dépôt épais d'encre. Sur la base de ces adaptations de design, les performances instantanées d'une antenne sérigraphiée comportant moins de trois tours sont au moins comparables à celles d'une antenne gravées et même supérieures après les différents tests mécaniques et de vieillissement (chaleur humide). Lorsqu'il faut augmenter l'inductance de l'antenne pour s'accorder avec une puce à faible capacité interne, l'augmentation du nombre de tours est préjudiciable à l'antenne sérigraphiée car les propriétés électriques se dégradent très vite au delà de trois tours (perte de conductivité électrique et plafonnement de l'inductance). Le procédé inventif permet de s'affranchir de cette impasse technologique en proposant une antenne sérigraphiée compatible
avec des puces à faible capacité.
b) En jouant sur les paramètres géométriques de l'antenne de couplage selon l'invention (épaisseur de la couche isolante diélectrique, largeur et épaisseur des spires, surface de recouvrement entre les spires superposées), il est possible d'ajuster la valeur de l'inductance de l'antenne sérigraphiée pour obtenir un accord parfait. On peut donc réaliser une configuration d'antenne qui permet au fondeur de réduire très fortement la capacité d'entrée de la puce. Cette " externalisation " de la capacité offre des perspectives très
intéressantes de réduction des coûts pour les fondeurs.
c) Le coût d'une antenne sérigraphiée est pratiquement dix fois plus faible que celui d'une antenne gravée. La mise en oeuvre de la sérigraphie d'une antenne s'effectue selon un procédé standard par rapport à une antenne sérigraphiée dans le plan (trois films, trois écrans, mêmes encres). Le coût global de la carte est donc nettement plus faible puisque la
capacité interne de la puce a fortement diminué.
Les buts, objets et caractéristiques de l'invention
ressortiront mieux à la lecture de la description qui suit
faite en référence aux dessins joints dans lesquels: La figure 1 représente le schéma électrique d'une carte à
mémoire sans contact.
La figure 2 représente l'antenne de couplage selon un mode de réalisation particulier, à la fin de la première étape
de cette réalisation.
La figure 3 représente l'antenne de couplage selon l'invention, à la fin de la deuxième étape de cette réalisation. La figure 4 représente l'antenne de couplage selon l'invention, à la fin de la dernière étape de cette réalisation. Selon la figure 1, le circuit électrique de la carte 1 se subdivise en deux composants: l'antenne et la puce. La puce 2 possède une capacité interne Cs 4 obtenue par l'intermédiaire de condensateurs placés dans la puce. Celle-ci comporte également une partie électronique 6 correspondant à la zone mémoire et au processeur. La puce 2 est reliée à l'antenne 8 par l'intermédiaire du circuit 1. L'antenne 8 possède une résistance Rs 10 qui est la cause d'une puissance perdue dans le circuit. L'antenne possède également une inductance Ls 12 propre. Les figures 2, 3 et 4 représentent l'antenne après les trois étapes principales du procédé de fabrication. Il s'agit d'une antenne avec un ensemble de deux spires superposées. Le même procédé peut être utilisé pour réaliser une antenne avec plusieurs ensembles d'au moins une spire et dont au moins un des ensembles est constitués d'au moins deux spires superposées. Lors de la première étape du procédé de fabrication, la spire 16 d'encre conductrice a été sérigraphiée sur le support plan 14 constitué par un substrat diélectrique isolant, comme illustré à la figure 2. Ce substrat diélectrique est en matière plastique, en papier ou en tissu de verre imprégné de
résine thermodurcissable ou réticulable par rayonnement U.V.
La matière plastique utilisée est par exemple du polychlorure de vinyle (PVC), du polyester (PET, PETG), du polycarbonate (PC), de l'acrylonitrile-butadiène-styrène (ABS). L'encre conductrice utilisée contient des polymères et est chargée en
éléments conducteurs qui peuvent être des métaux.
Préférentiellement, l'encre utilisée est chargée en argent.
Toutefois, elle peut être également chargée en cuivre ou en carbone. L'encre contient entre 50 et 70 % d'argent sous forme de billes ou de lamelles. Les polymères utilisés sont des polyesters ou des résines acryliques. L'encre contient aussi un solvant qui sert de véhicule. Selon un mode de réalisation particulier, le solvant utilisé est un éther de glycol. La spire 16 suit les contours du support. Une de ses extrémités est en contact avec un des plots de connexion 18 permettant de raccorder l'antenne a une composante électrique ou électronique telle qu'une puce. L'autre extrémité de la spire
est libre afin de pouvoir être reliée à la seconde spire.
La figure 3 montre l'antenne après la deuxième étape de son procédé de fabrication. Une deuxième sérigraphie est réalisée. Cette deuxième sérigraphie correspond au dépôt d'au moins deux couches d'encre diélectrique constituant la bande isolante 20 entre les deux spires. Selon un mode de réalisation préféré, chaque couche a une épaisseur de 25 microns. Cette encre contient des polymères et réticule lorsqu'elle est soumise à un rayonnement U.V. Selon le mode de réalisation, les polymères peuvent être des résines acrylates ou des polyesters insaturés. Contrairement à l'encre conductrice des spires, cette encre ne contient pas de solvant. Les polymères contenus dans l'encre vont réticuler lorsqu'on va soumettre l'encre à un rayonnement U.V. Cette réticulation provoque un durcissement de l'encre. Ainsi la géométrie de l'antenne est très stable et surtout l'épaisseur de cette bande isolante et donc la distance entre les deux spires ne varie pas, ce qui permet à l'antenne de conserver sa qualité de fonctionnement optimale. Cette encre, afin d'être suffisamment isolante, doit posséder une permittivité relative la plus élevée possible. La valeur de la permittivité est en générale supérieure à 3. Dans un mode de réalisation préféré de l'antenne de couplage selon l'invention, la permittivité de l'encre utilisée pour sérigraphier la bande isolante est de 3,9. Afin d'assurer un bon pouvoir isolant à la bande, au moins deux couches d'encre sont nécessaires. En effet, après réticulation, la couche d'encre possède une porosité
importante qui l'empêche d'avoir un pouvoir isolant élevé.
Afin de résoudre ce problème, deux couches successives et superposées sont sérigraphiées et constituent une bande avec un fort pouvoir isolant. Cette bande est superposée à la spire 16 et recouvre entièrement cette dernière et notamment l'extrémité qui est en contact avec un des plots de connexion 18 de l'antenne, à l'exception de la seconde extrémité 17 qui est laissée libre afin de pouvoir raccorder les deux spires
entre elles.
La figure 4 montre l'antenne terminée après la troisième et dernière étape de son procédé de fabrication. Une troisième sérigraphie correspondant à la spire 22 a été réalisée. Elle est superposée à la spire 16 du premier ensemble et à la bande isolante 20 qui est entre les deux spires, selon un axe qui est perpendiculaire au plan du support 14. Une des extrémités de cette spire 22 est raccordée à l'extrémité libre 17 de la première spire 16. La seconde extrémité de la spire 22 est
reliée au second plot 24 de connexion de l'antenne.
On constate donc que, selon cet exemple, l'antenne est constituée de deux spires en série, qui sont dans deux plans différents et parallèles entre eux, chacun étant parallèle au support 14. Ainsi, une antenne de ce type est appelée antenne
en " Z ".
On peut considérer que les deux spires constituant l'antenne sont connectées entre elles par des capacités réparties tout le long de l'antenne. Cette structure est équivalente à deux bobines (correspondant à chacune des spires) connectées en série par l'intermédiaire d'une capacité due au diélectrique constituant la bande isolante se trouvant entre les deux spires. Si L est l'inductance de chacune des spires et C la valeur de cette capacité, l'impédance complexe de l'ensemble est alors:
Z=i.2.L.w - -
c.w Co (2) Il ressort de l'équation ci-dessus que, plus on augmente la valeur de la capacité C, plus l'impédance Z augmente. Or, cette capacité entre les deux spires superposées varie en fonction de l'épaisseur de la bande isolante. Il est donc possible de faire varier l'inductance apparente (en fait l'impédance Z) de l'antenne compte tenu de la valeur de la capacité d'entrée de la puce, pour obtenir la condition de résonance. En effet, si la puce a une très faible capacité d'entrée, on augmente la capacité entre les deux spires, en diminuant l'épaisseur de la bande isolante. L'inductance apparente de l'antenne augmente donc également. Si, par contre, la capacité d'entrée de la puce est plus élevée, on obtient une antenne moins inductive et donc mieux adaptée à la puce, en augmentant l'épaisseur de la bande isolante. Ainsi, il est possible d'obtenir une valeur de l'inductance apparente réglable selon l'épaisseur de la bande isolante séparant les
spires superposées.
Des valeurs de la capacité entre les deux spires ont été mesurées et la valeur maximale enregistrée est de 2000 picofahrads (pF). Cette capacité a permis d'obtenir une valeur
d'inductance d'environ 1900 nanohenrys (nH).
L'antenne de couplage décrite ci-dessus n'est qu'un exemple de réalisation. En effet, selon l'invention, les antennes peuvent comporter un ou plusieurs ensembles d'une seule spire et un ou plusieurs ensembles de plusieurs spires montés en série. Chaque ensemble de plusieurs spires étant constitué de spires en séries superposées, le nombre et le diamètre de spires superposées variant d'un ensemble à l'autre. L'antenne de couplage selon l'invention peut être utilisée notamment dans les cartes à puce sans contact. Ces cartes sont constituées d'un support plan portant au moins une antenne de couplage à inductance élevée reliée à au moins une puce, également sur le support plan, présentant une faible capacité interne. Selon un type particulier de cartes à puce sans contact, le support plan est inséré entre deux corps de carte, lesdits corps de carte étant fixés de chaque côté dudit support plan afin de la rigidifier. Ces corps de carte peuvent être en plastique. Dans ce cas, le plastique utilisé peut être le polychlorure de vinyle (PVC), le polyester (PET, PETG), le polycarbonate (PC), ou l'acrylonitrile-butadiène-styrène (ABS). Lorsque les corps de carte sont en plastique, leur fixation de chaque côté du support plan portant une ou plusieurs antennes selon l'invention, est réalisée par pressage à chaud ou à froid des trois élément constituant la carte, appelé encore lamination à chaud ou à froid. Une fois cette étape de lamination réalisée, la puce est installée et
connectée à la ou les antennes de la carte.

Claims (15)

REVENDICATIONS
1. Antenne de couplage constituée par une pluralité de spires en série situées sur un support plan (14) constitué par un substrat diélectrique isolant; ladite antenne étant caractérisée en ce qu'elle comprend un ou plusieurs ensembles d'au moins une spire (16) située sur ledit support plan, montés en série, au moins un des ensembles étant constitué par au moins deux spires (16, 22) en série superposées selon un axe perpendiculaire au plan dudit support et séparées par une bande isolante (20) d'encre diélectrique,
ce qui permet d'obtenir une valeur d'inductance importante.
2. Antenne de couplage selon la revendication 1, dans laquelle lesdites spires sont des spires d'encre sérigraphiée sur ledit support plan et ladite bande isolante d'encre diélectrique est également sérigraphiée sur ledit support plan.
3. Antenne de couplage selon la revendication 2, comprenant un ensemble de deux spires d'encre sérigraphiée, en série, superposées selon un axe perpendiculaire au plan dudit
support et séparées par ladite bande isolante.
4. Antenne de couplage selon l'une des revendications
précédentes, dans laquelle le substrat diélectrique constituant le support plan est en matière plastique, en papier ou en tissu de verre imprégné de résine
thermodurcissable ou réticulable par rayonnement U.V.
5. Antenne de couplage selon la revendication 4, dans laquelle la matière plastique utilisée comme substrat diélectrique pour constituer le support plan est du polychlorure de vinyle (PVC), du polyester (PET, PETG), du polycarbonate (PC), de l'acrylonitrile-butadiène-styrène
(ABS).
6. Antenne de couplage selon l'une des revendications 2
à 5, dans laquelle l'encre desdites spires sérigraphiées est une encre conductrice polymère chargée en éléments conducteurs.
7. Antenne de couplage selon la revendication 6, dans laquelle ladite encre conductrice polymère est chargée en
argent, cuivre ou carbone.
8. Antenne de couplage selon l'une des revendications
précédentes, dans laquelle ladite bande isolante est
constituée d'au moins deux couches d'encre diélectrique.
9. Antenne de couplage selon la revendication 8 dans laquelle l'encre diélectrique formant les deux couches de la bande isolante est une encre polymère réticulable par
rayonnement U.V.
10. Procédé de fabrication d'une antenne de couplage
selon l'une des revendications précédentes caractérisé par le
fait qu'il consiste à: - réaliser la sérigraphie d'une spire d'un ou plusieurs ensembles, par dépôt d'encre conductrice sur une face d'un support plan constitué d'un substrat diélectrique isolant, - réaliser la sérigraphie d'une bande isolante superposée à la sérigraphie de la spire d'au moins un ensemble, par dépôt d'encre diélectrique, permettant de recouvrir ladite spire et laissant apparents les plots de connexion de l'antenne et les zones de raccordement des spires superposées, - réaliser la sérigraphie d'une spire d'au moins un ensemble, superposée à la sérigraphie de ladite bande isolante, par dépôt d'encre conductrice, la deuxième et la troisième étapes dudit procédé étant répétées une ou plusieurs fois lorsque l'antenne comprend un
ou plusieurs ensembles de plus de deux spires superposées.
11. Carte à puce sans contact constituée d'un support plan portant au moins une antenne de couplage à inductance élevée selon l'une des revendication 1 à 9 reliée à au moins une puce.
12. Carte à puce sans contact selon la revendication 11, dans laquelle au moins une puce présente une faible capacité interne.
13. Carte à puce sans contact selon la revendication 11 ou 12, dans laquelle le support plan est inséré entre deux corps de carte, lesdits corps de carte étant fixés de chaque côté dudit support plan, permettant ainsi de rigidifier la
carte.
14. Carte à puce sans contact selon la revendication 13, dans laquelle les corps de carte sont en plastique tel que le polychlorure de vinyle (PVC), le polyester (PET, PETG), le polycarbonate (PC), ou l'acrylonitrile-butadiène-styrène
(ABS).
15. Carte à puce sans contact selon la revendication 13 ou 14, dans laquelle les corps de carte sont fixés au support
plan de l'antenne par lamination à chaud ou à froid.
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