JP2008244739A - 範囲が改良されたｒｆｉｄチップとアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】ＲＦＩＤタグの動作範囲を拡大させる。
【解決手段】基板上にｒｆｉｄ集積回路とアンテナとを同時に形成した「コイルオンチップ」ＲＦＩＤタグ。アンテナは、ｒｆｉｄ集積回路の本体面に対して鋭角、好ましくは９０度の向きを持つ回転軸を有する螺旋状の多層に形成したマルチターンコイルである。コイルは、透磁材料の環状コアを備える中央開口部を有する。ＲＦＩＤタグは、周知のＩＤタグよりも拡大された動作範囲を持つ。
【選択図】図３

Description

本発明は、ｒｆｉｄ（無線周波数識別）チップとアンテナ技術の分野に関連する。より詳しく述べると、本発明は、関連のｒｆ問合せ・読取りデバイスと通信の範囲が改良されたｒｆｉｄチップとアンテナに関連する。

一般的なｒｆｉｄチップとアンテナはともに、開示内容が参考として取り入れられている、２０００年１１月２８日発行の特許文献１に図示され、記載されているもののようなＩＤタグに組み込まれているのが普通である。概してＩＤタグは、開示内容が参考として取り入れられている２００２年４月１６日発行の特許文献２に開示されているようなポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）基板などの肉薄基板に取り付けられるか封入されたアンテナとｒｆｉｄチップとを有する。アンテナは通常、小型ループアンテナまたはダイポールアンテナであり、ｒｆｉｄチップにオーム接続されなければならない。通常のループアンテナは、いくつかの周知の方法のいずれか一つで形成されるマルチターンの平面オーム導体である。このような技術の一つは、上記のＰＥＴ基板などの適切な基板への銀ペースト印刷である。ループアンテナを形成する別の周知の技術は、ペンシルヴェニア州のＲＣＤ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｂｅｔｈｌｅｈｅｍで実施されている基板への銅堆積である。コイルのサイズ（コイル直径と厚さ）とターン数は、ＩＤタグの物理的サイズへの制約を含む特定用途の要件により決定される。アンテナの機能は、ＲＦＩＤチップと、ホストＣＰＵ、ユーザ読取ステーションなどの外部問合せ・読取りデバイスとの間の電磁伝達を提供することと、さらに外部デバイスからＲＦＩＤチップへの電力の誘導伝達を可能にしてｒｆｉｄチップ内の能動回路素子に電力を供給することである。

現在、多種類の市販ｒｆｉｄチップが知られており、各々がｒｆｉｄ集積回路に共通して見られる標準的な内部機能部品を有する。このような標準的部品は、ＲＦアナログセクションと、ＣＰＵと、ＲＯＭと、ＥＥＰＲＯＭ（非特許文献１の図９．１．１：ＲＦＩＤ応答器ＩＣブロック線図を参照）とを含む。ｒｆｉｄチップは、外部デバイスによって問い合わされるとアンテナを介して電力を受け取り、ＩＳＯ １４４４３プロトコルまたはＩＳＯ １５６９３プロトコルなどの標準的プロトコルを用いて外部デバイスと通信する。ＩＤタグを物体に設置する前に、装着される物体を特定する情報が、ｒｆｉｄチップに組み込まれたＲＯＭ（リードオンリメモリ）に書き込まれる。いったんこの情報がＲＯＭに書き込まれると、問合せデバイスによる上書きまたは書き換えは不可能である。ｒｆｉｄチップは、外部問合せ・読取りデバイスによって問い合わされ、外部デバイスに情報を供給するだけである、つまりＲＯＭに記憶された情報を変更できない。

ｒｆｉｄチップとアンテナとを有する上述のタイプのＩＤタグは、物体追跡に非常に有益で、この種の多様な用途に現在使用されている。この技術の用途は理論上ではさらに多くが可能であるが、サイズとコストの制約によりこれまで実用化は制限されていた。現在、装着予定の個々の物体のコストよりもかなり低いコストで超小型ｒｆｉｄチップとアンテナが生産されるため、改良された半導体バッチ処理技術によってこのような制約が最近解消されている。例えば、日本国東京のＨｉｔａｃｈｉ，ＬＴＤ．は、チップサイズが０．４ｍｍ×０．４ｍｍで、当時販売されていたｒｆｉｄチップの価格の少なくとも３分の１以下の価格であるｍｕシリーズｒｆｉｄチップとアンテナを２００４年に発売した。他の半導体メーカーは、その先例となる競合製品に追従している。

図１は、ともに基板１５に取り付けられる要素であるｒｆｉｄチップ１２と単独の個別アンテナ１４とを有する先行技術ＩＤタグ１０の平面図である。ｒｆｉｄチップ１２は機能的ｒｆｉｄデバイスに必要とされる通常の回路構成を含む集積回路であり、単独で製作されるデバイスである。これらの集積回路デバイスは一般的に、当該技術の熟練者にはよく周知のバッチ処理技術を用いて製造される。概して、基本デバイス設計の多数のコピーが大型半導体ウェハ上で作成され、その後、個々のチップが相互に分離されて他の個別部品と組み合わされる。

図１のＩＤタグ１０では、他の個別部品はアンテナ１４であり、これにより、ｒｆｉｄチップ１２の回路構成は外部問合せデバイスと通信できるとともに、ｒｆｉｄチップ１２へエネルギーを電磁伝達して、ここに含まれる電子回路構成に電力を供給することができる。ｒｆアンテナの有効動作範囲はコイルエリアに直接関係し、できる限り広い有効動作範囲を設けるため、アンテナ１４はｒｆｉｄチップ１２よりもはるかに広いエリアを占めるマルチターンコイルであると理想的である。アンテナ１４は一般的に、後で基板１５に接着される単独で形成された個別コイルと、コイル形成中に基板１５に直接堆積される金属層のいずれかである。

図１のＩＤタグ１０は一般的に、最初にｒｆｉｄチップ１２とアンテナ１４とを個別部品として製作し、部品１２，１４を基板１５に取り付け、アンテナ１４をｒｆｉｄチップ１２に電気接続することによって構成される。このためｒｆｉｄチップ１２には、アンテナ１４の自由端部１８，１９が接合される二つのオーム接続パッド１６，１７が製作される。

ＩＤタグ１０の製作プロセスは単純で簡単に見えるが、実際にはこのプロセスを高い反復精度で実施するのは困難である。この困難さは主として、ｒｆｉｄチップ上の接続パッドの寸法が小さいことと、プロセスの接合ステップに先立って、アンテナ１４の自由端部１８，１９がパッド１６，１７に正確に位置決めされる必要があることと、アンテナ端部と接続パッドとの間に正確な機械的オーム接合が行われる必要があることによる。図１に見られるタイプのＩＤタグの生産コストは、ｒｆｉｄチップ１２が３分の１、アンテナ１４が３分の１、組立が３分の１であると概算される。ｒｆｉｄチップの物理的サイズが縮小すると、正しく機能するＩＤタグの組立の困難さと組立コストがこれに応じて高くなる。

図２は、単独ｒｆｉｄチップとアンテナ部品とを有するＩＤタグを組み立てる際の困難さを緩和するため当該技術で行われている最新方法の一つを示す。同図に見られるように、基板２５上に一体的に形成されたｒｆｉｄチップ２２とアンテナ２４とがＩＤタグ２０に製作される。チップ製作プロセス中にはアンテナ２４はｒｆｉｄチップ２２とともに形成されるため、ｒｆｉｄチップ２２とアンテナ２４の自由端部との間にはオーム接続が自動的に形成される。この「コイルオンチップ」方法は、コストの高い接合ステップとこれに関連する困難さを解消する。

「コイルオンチップ」解決法は、確かにＩＤタグ組立プロセスにおける個別部品の接合に関連する問題を緩和するが、この技術にしたがって製作されるＩＤタグの有効動作範囲に厳しい制限を加える。「コイルオンチップ」ＩＤタグは、集積回路バッチ処理技術を用いて製作されるが、アンテナのサイズは生産されるダイのサイズに著しく制限される。例えば、市販の「コイルオンチップ」ＩＤタグの公表動作範囲は３．０ｍｍの最大距離に制限される。これはある特殊な用途には適しているが、ＩＤタグについて現在想定される用途の大部分についてはこのような狭い動作範囲は不適切である。

「コイルオンチップ」ＩＤタグの動作範囲を拡大しようとする試みの一つは、開示内容が参考として取り入れられている「一体型アンテナを有する無線周波数識別応答器」という２００１年７月３１日発行の特許文献３に開示されている。この引例の教示によれば、ｒｆｉｄチップの上または下に取り付けられたチップにアンテナが形成される。アンテナは、ｒｆｉｄチップの本体面と平行な軸を持つ螺旋コイルをともに構成するいくつかのコイルターンを有する。アンテナコイルのインダクタンスとＩＤタグの動作範囲とを増大させるため、アンテナチップには高透磁率層が形成される。この構造は確かに「コイルオンチップ」ＩＤタグの動作範囲を広げるが、いくつかの追加処理ステップを必要とし、製作コストが上昇し、収率に影響する可能性があり、範囲の比較的狭いアンテナしか得られない。

ゆえに、現在の「コイルオンチップ」ＲＦＩＤタグは、関連する問合せ・読取デバイスとの有効動作範囲が制限されるという深刻な短所を依然として備えているのである。

米国特許第６，１５４，１３７号 米国特許第６，３７３，７０８ Ｂ１号 米国特許第６，２６８，７９６号 １９９９年ＩＥＥＥ国際固体素子回路会議 広報０−７８０３−５１２９−０／９９

本発明は、同等の寸法を持つ周知のＩＤタグよりも動作範囲が拡大された「コイルオンチップ」ＲＦＩＤタグを提供するための方法とシステムを含む。

装置面における本発明は、基板と、基板上に一体的に形成されるｒｆｉｄチップとアンテナの組合せとを含むＲＦＩＤタグとを備えている。ｒｆｉｄチップは、基板の面と基本的に平行な本体面を有する。

アンテナは、ｒｆｉｄチップの本体面に対して鋭角に配置された回転軸を包囲する中央開口部を有する複数層の導電性ターンを有するコイルと、コイルの中央開口部に位置決めされる透磁材料のコアとを含む。好適な実施態様では、コイルは少なくとも二層を備える基本的に螺旋状の構造を持ち、鋭角はほぼ９０度であり、コアは環状である。

プロセス面における本発明は、
（ａ）基板を用意するステップと、
（ｂ）前記基板にｒｆｉｄ集積回路とアンテナコイルとを同時に形成するステップであって、該コイルが、該ｒｆｉｄ集積回路の前記本体面に対して鋭角を成す回転軸を備える中央開口部を有するマルチターン多層コイルとして形成される、ステップと、
（ｃ）前記コイルの前記中央開口部に位置決めされるように透磁性材料のコアを設けるステップと、
を含む、ＲＦＩＤタグを作成する方法を含む。

形成するステップ（ｂ）と設けるステップ（ｃ）とは同時に実施される。形成するステップ（ｂ）は、ｒｆｉｄ集積回路の本体面に対してほぼ９０度の角度を成す回転軸を備えるコイルを形成するステップを含むことが好ましい。コアは環状体として形成される。

本発明は、「コイルオンチップ」ＩＤタグの長所をすべて実現しながら、周知のデバイスよりもはるかに広い動作範囲を提供する。この動作範囲の拡大は、周知の「コイルオンチップ」ＩＤタグの１０倍の大きさであると概算される。

さて図面を参照すると、図３は、本発明の好適な実施形態の上面図であり、図４は、好適な実施形態の多数のコイルターンと多数コイル層とを示し、かつアンテナの透磁性層とを示す図３の４−４線における断面図である。これらの図に見られるように、ＲＦＩＤタグ３０は、ｒｆｉｄチップ３２と多層に配置されたマルチターンアンテナコイル３４とを含む。そのコイルは、比較的高い透磁率を持つ材料で製作されて中央に配置された薄膜コア３６を備えている。ｒｆｉｄチップ３２とコイル３４とコア３６とは、すべて基板３７に支承されている。ｒｆｉｄチップ３２は、基板３７の主要支持面と平行な面とされた本体面を有する。多層マルチターンアンテナコイル３４は、ｒｆｉｄチップ３２の本体面に対して鋭角、好ましくは約９０度の向きを持つ中央回転軸３８を有する。

図４において最もよく分かるように、薄膜コア３６は、コイル３４の層とターンの内部の範囲において基板３７の上面からコイル３４の上面まで上向きに延びる環状体として形成されている。薄膜コア３６は、比較的高い透磁率という性質を持つ多くの周知の材料のいずれか一つから形成されればよい。このような材料の一つは、ニッケル８１％と鉄１９％で構成されるニッケル鉄合金である。当該技術の熟練者には他の適切な材料が思い浮かぶだろう。コア３６の目的は、コイル３４の品質係数、ゆえにＩＤタグ３０の動作範囲を向上させることである。

コイル３４を多層にし、かつそれぞれをマルチターンとするとともに、コイル３４の回転軸が配置される方向におけるコイル３４の空間的向きをｒｆｉｄチップ３２の本体面に対して鋭角、図では基本的に９０度とすることによっても、ＩＤタグ３０の動作範囲は改善される。

ＩＤタグ３０は、「コイルオンチップ」ＩＤタグを製造するための周知の技術を用いて製作される。ゆえに、周知の堆積、マスキング、ドーピング、エッチング技術を用いて、数層のｒｆｉｄチップ３２と多層マルチターンコイル３４とコア３６とを同時に作ることができる。

特定の好適な実施形態に関して本発明を説明したが、発明の趣旨を逸脱せずに、多様な変形、代替構造、同等物を採用してもよい。例えば、コイル３４を二層のマルチターンを持つコイルとして図示し説明したが、所望であれば、三層以上を持つマルチターンコイルも容易に実現できる。さらに上記のように、説明した特定材料以外の材料でコア３６を製作してもよい。そのため、上記は本発明を限定するものと解釈されるべきでなく、本発明は添付クレームにより規定される。

ｒｆｉｄチップとセパレートアンテナとを有する先行技術ＩＤタグの平面図である。 ｒｆｉｄチップと一体形成アンテナとを有する先行技術ＩＤタグの平面図である。 本発明によるｒｆｉｄチップと一体形成アンテナとを有するＩＤタグの平面図である。 多層マルチターンアンテナコイルを示す図３の４−４線における断面図である。

符号の説明

３０ タグ、３２ ＲＦＩＤチップコア、３４ コイル、３６ コア、３７ 基板、３８ 回転軸

Claims (8)

1. 基板と、
   前記基板に一体的に形成されたｒｆｉｄチップとアンテナとの組合せと、
   を含み、
   前記ｒｆｉｄチップが本体面を有し、
   前記アンテナが、前記ｒｆｉｄチップの前記本体面に対して鋭角で配置された回転軸を包囲する中央開口部を有する複数層の導電ターンを有するコイルを含み、
   前記コイルの前記中央開口部に位置決めされた透磁材料のコア、
   を含む、ＲＦＩＤタグ。
2. 前記鋭角がほぼ９０度である請求項１の発明。
3. 前記コイルが、少なくとも２層を備える基本的に螺旋状の構造を持つ請求項１の発明。
4. 前記コアが環状である請求項１の発明。
5. （ａ）基板を用意するステップと、
   （ｂ）前記基板にｒｆｉｄ集積回路とアンテナコイルとを同時に形成するステップであって、前記コイルが、前記ｒｆｉｄ集積回路の前記本体面に対して鋭角を成す回転軸を持つ中央開口部を有する多層のマルチターンコイルとして形成される、ステップと、
   （ｃ）前記コイルの前記中央開口部に位置決めされるように透磁性材料のコアを設けるステップと、
   を含む、ＲＦＩＤタグの作成方法。
6. 前記形成するステップ（ｂ）と前記設けるステップ（ｃ）とが同時に実施される請求項５の方法。
7. 前記形成するステップ（ｂ）が、前記ｒｆｉｄ集積回路の前記本体面に対してほぼ９０度の角度を成す回転軸を持つ前記コイルを形成するステップを含む請求項５の方法。
8. 前記コアが環状体として形成される請求項５の方法。

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