MXPA01006592A - Antena de acoplamiento con alta inductancia. - Google Patents

Abstract

La invencion se refiere a una antena de acoplamiento que consiste de una pluralidad de vueltas en serie localizadas sobre un soporte plano (14) formado por un substrato dielectrico, aislante. La antena comprende uno o varios conjuntos de al menos una vuelta o espira (16) localizada sobre el soporte plano, montada en serie, al menos uno de los conjuntos que consisten de al menos dos o espiras (16,22) en serie superpuestas a lo largo de un eje perpendicular al plano del soporte y separadas por una tira aislante (20) de tinta dielectrica, lo que da por resultado debido a eso un alto valor de inductancia. La invencion tambien se refiere al metodo para hacer tal antena y el uso de la antena en una tarjeta inteligente sin contacto.

Description

Antena de acoplamiento con alta inductancia Campo técnico La presente invención se refiere a sistemas de transceptor sin contacto y se refiere particularmente a una antena de acoplamiento con alta inductancia especialmente utilizada en tarjetas inteligentes sin contacto.

Antecedentes de la técnica Actualmente, los sistemas de transceptor sin contacto son ampliamente utilizados en numerosas aplicaciones. Una de estas aplicaciones es el sistema de tarjeta inteligente sin contacto el cual está siendo utilizado incrementadamente en diversos sectores. En el sector de transporte, tales tarjetas han sido desarrolladas por los operadores de autopistas a fin de proveer a los usuarios con posibilidades de suscripción y de simplificar las operaciones de pago en las cabinas de peaje. Estas también han sido desarrolladas como un medio de pago. Este es el caso de la cartera electrónica, por ejemplo. Muchas compañías también han desarrollado un medio de identificación para su personal utilizando tarjetas inteligentes sin contacto. El cambio de información entre la tarjeta sin contacto y el lector asociado se realiza mediante el REF: 130477 acoplamiento electromagnético, remoto entre una antena alojada en la tarjeta sin contacto y una segunda antena localizada en el lector. Para desarrollar, almacenar y procesar la información, la tarjeta está equipada con un microcircuito o lasca que actúa como una zona de memoria y un microprocesador, el cual se conecta a la antena. Este microcircuito o lasca contiene una capacitancia de entrada proporcionada por los capacitores construidos dentro del microcircuito. La antena y el microcircuito están localizados generalmente en un soporte neutro, plano. La operación óptima del acoplamiento de antena-microcircuito, el cual no debe ser resistivo, se obtiene cuando se observa la siguiente ley de resonancia de circuitos: LC?2 = 1 (1) en la cual L representa la inductancia de la antena, C representa la capacitancia de entrada y ? la pulsación igual a 2pf, en la cual f representa la frecuencia normalizada (por ejemplo, 13.56MHz). Los fabricantes de microcircuitos, también llamados fundadores, están obligados a observar esta ley para integrar los capacitores en los microcircuitos a fin de obtener valores de capacitancia suficientemente altos. De esta manera, el costo de producción de los microcircuitos es necesariamente más alto debido a la presencia de los capacitores. El desarrollo de tarjetas inteligentes sin contacto incluye inevitablemente la reducción del costo de producción de los microcircuitos utilizados en estas tarjetas. A fin de reducir el costo de los microcircuitos, los fundadores han sido conducidos incrementadamente a reducir el número de capacitores construidos dentro de los microcircuitos y a reducir debido a eso la capacitancia del circuito. De esta manera, los fabricantes pueden producir microcircuitos más pequeños. A fin de observar la ley LC?2 = 1 y de obtener el acoplamiento óptimo, la inductancia L de la antena debe ser incrementada a fin de compensar la disminución en el valor de capacitancia de entrada del microcircuito. En el caso de las antenas hechas utilizando las técnicas de ataque químico de cobre y aluminio, en la forma de vueltas o espiras en un soporte dieléctrico de plástico, la inductancia se incrementa generalmente al aumentar el número de vueltas o espiras. Sin embargo, esta solución causa varias desventajas mayores. En realidad, puesto que cualquier circuito eléctrico tiene una cierta resistencia, el incremento en el número de vueltas, que corresponde esencialmente a un incremento en la longitud del circuito, conduce a un incremento significante en el valor de esta resistencia. Esto afecta considerablemente las características de rendimiento de la antena y de esta manera también de la tarjeta. Como resultado, la distancia de lectura de la tarjeta es acortada significantemente. A fin de limitar las dimensiones totales y de mantener el área efectiva para el flujo electromagnético a través de la tarjeta, se debe reducir la anchura de las pistas de cobre. Como resultado, la resistencia de la antena se incrementa y, sobre todo, la confiabilidad de las tarjetas es degradada ya que existe un riesgo mayor de que las vueltas de la antena se rompan cuando los cuerpos de la tarjeta sean sujetados a la operación de laminación en caliente bajo presión. El costo unitario de la antena grabada se incrementa considerablemente. De esta manera, las reducciones de costo obtenidas por los fundadores con los microcircuitos al tener una capacitancia de entrada inferior son canceladas por el costo suplementario de las antenas. De esta manera, la fabricación y el uso de tarjetas no es rentable.

Breve descripción de la invención El objetivo de la invención es compensar estas desventajas al proporcionar una antena con una alta inductancia para una tarjeta de rendimiento, mostrar confiabilidad probada y tener un costo de producción, y de esta manera un costo de venta, el cual sea mucho más bajo que aquel de las tarjetas inteligentes actualmente disponibles en el mercado. La invención se refiere a una antena de acoplamiento que consiste de una pluralidad de vueltas en serie localizadas en un soporte plano hecho de un substrato dieléctrico, aislante. Esta antena incluye uno o más montajes de al menos una vuelta localizados en el soporte plano, montado en serie, al menos uno de los montajes que consiste de al menos dos vueltas en serie, superpuestos con relación a un eje perpendicular al plano del soporte y separados por una tira aislante de tinta dieléctrica que hace posible que se obtenga un valor de inductancia alto. En una modalidad preferida de la invención, la antena de acoplamiento incluye uno o más montajes de al menos una vuelta de tinta impresa con plantilla sobre el soporte plano, montado en serie, al menos uno de los montajes que están hechos de al menos dos vueltas de tinta impresa con plantilla, en serie, superpuestas a lo largo de un eje perpendicular a una tira aislante de tinta dieléctrica también impresa con plantilla sobre el soporte. Otro aspecto de la invención es el proceso de fabricación de la antena de acoplamiento el cual consiste de: realizar la impresión con plantilla de una vuelta de uno o varios montajes al depositar tinta conductora sobre un lado de un soporte plano hecho de un substrato dieléctrico aislante, - realizar la impresión con plantilla de una tira aislante superpuesta sobre la impresión con plantilla de la vuelta de al menos un montaje, por medio de una operación de deposito de la tinta dieléctrica, haciendo posible que la vuelta sea cubierta y dejar visibles las almohadillas de unión de la antena y las zonas de conexión de las vueltas superpuestas, realizar la impresión con plantilla de una vuelta de al menos un montaje, superpuesta sobre la impresión con plantilla de la tira aislante al depositar la tinta conductora, el segundo y tercer paso del proceso son repetidos una o más veces cuando la antena muestra uno o más montajes de más de dos vueltas superpuestas. Esta antena y su proceso de fabricación presentan muchas desventajas: a) A fin de compensar la resistividad eléctrica intrínseca, más alta de las tintas poliméricas, conductoras, que se pueden imprimir con plantilla, la sección transversal de las vueltas de la antena debe ser incrementada. Esto se logra al ensanchar las vueltas y/o hacer un depósito grueso de tinta. En base a estas adaptaciones del diseño, las características de rendimiento instantáneas de la antena impresa con plantilla que tiene menos de tres vueltas son al menos comparables a aquellas de una antena grabada y aun mejores después de varias pruebas mecánicas y de envejecimiento (calor humedad) . Cuando la inductancia de la antena debe ser incrementada a fin de igualar un microcircuito que tiene baja capacitancia interna, el incremento del número de vueltas es perjudicial para la antena impresa con plantilla ya que las propiedades eléctricas son degradadas rápidamente arriba de tres vueltas (pérdida de conductividad eléctrica y nivelación de la inductancia) . El proceso inventivo permite que esta terminación tecnológica sea superada al ofrecer una antena impresa con plantilla la cual es compatible con microcircuitos de baja capacitancia. b) Al modificar los parámetros geométricos de la antena de acoplamiento de acuerdo con la invención (espesor de la capa aislante dieléctrica, anchura y espesor de las vueltas, superponer el área de superficie entre las vueltas superpuestas) , es posible ajustar el valor de inductancia de la antena impresa con plantilla a fin de obtener una igualación perfecta. De esta manera, se puede hacer una configuración de antena la cual permita al fundador reducir significantemente la capacitancia de entrada del microcircuito. Esta w externalización" de la capacitancia ofrece prospectos de reducción de costo muy interesantes para los fundadores. c) El costo de una antena impresa con plantilla es prácticamente diez veces menor que aquel de la antena grabada. La implementación de la impresión con plantilla de una antena toma lugar de acuerdo con un procedimiento normal en relación a una antena impresa con platilla en el plano (tres películas, tres tamices, las mismas tintas) . El costo total de la tarjeta es de esta manera mucho menor cuando la capacitancia interna del microcircuito ha caído significantemente .

Breve descripción de las figuras Los objetivos, características y ventajas de la invención llegarán a ser más aparentes a partir de la siguiente descripción cuando se toman en conjunción con los dibujos que la acompañan, en los cuales: La FIGURA 1 representa el diagrama de circuito de una tarjeta inteligente sin contacto. La FIGURA 2 representa la antena de acoplamiento de acuerdo con una modalidad especial, al final de este primer paso de fabricación.

La FIGURA 3 representa la antena de acoplamiento de acuerdo con la invención, al final de este segundo paso de fabricación. La FIGURA 4 representa la antena de acoplamiento de acuerdo con la invención, al final de este último paso de fabricación.

Descripción detallada de la invención De acuerdo con la figura 1, el circuito dieléctrico de la tarjeta 1 se divide en dos componentes: la antena y el microcircuito o lasca. El microcircuito 2 tiene una capacitancia interna Cs 4 obtenida por medio de los capacitores localizados en el microcircuito. También tiene una parte electrónica 6 correspondiente a la zona de memoria y el procesador. El microcircuito 2 está conectado a la antena 8 por medio del circuito 1. La antena 8 tiene una resistancia Rs 10 la cual causa que el circuito pierda potencia. La antena también tiene una auto-inductancia Ls 12. Las figuras 2, 3 y 4 representan la antena después de los tres pasos de fabricación principales. Esto consiste de una antena con un montaje de dos vueltas superpuestas. El mismo proceso se puede utilizar para hacer una antena con varios montajes de al menos una vuelta y de la cual al menos uno de los montajes consiste de al menos dos vueltas superpuestas. Durante el primer paso del proceso de fabricación, la vuelta 16, hecha de tinta conductora, se imprimió con plantilla sobre el soporte plano 14 que consiste de un substrato dieléctrico aislante, mostrado en la figura 2. Este substrato dieléctrico está hecho de plástico, papel o fibra de vidrio impregnado en la resina del tipo termoendurecible o contraíble con luz UV. El material plástico utilizado es, por ejemplo, cloruro de polivinilo (PVC), poliéster (PET, PETG), policarbonato (PC) o acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS) . La tinta conductora utilizada contiene polímeros y está cargada con elementos conductores los cuales pueden ser metales. Preferiblemente, la tinta utilizada está cargada con plata. Sin embargo, también puede estar cargada con cobre o carbono. La tinta contiene entre 50% y 70% de plata en la forma de cuentas o tiras. Los polímeros utilizados son poliésteres o resinas acrílicas. La tinta también contiene un solvente el cual se utiliza como un vehículo. De acuerdo con una modalidad específica, el solvente es un éter glicólico. La vuelta 16 sigue los contornos del soporte. Una de sus extremidades está en contacto con una de las almohadillas de unión 18 haciendo posible que la antena sea conectada a un componente eléctrico o electrónico tal como un microcircuito. El otro extremo de la vuelta está libre de modo que se puede conectar a la segunda vuelta. La figura 3 muestra la antena después del segundo paso de su proceso de fabricación. Se realiza una segunda operación de impresión con plantilla. Esta segunda operación de impresión con plantilla corresponde al depósito de la menos dos capas de tinta dieléctrica que forma una tira aislante 20 entre las dos vueltas. De acuerdo con una modalidad preferida, cada capa tiene 25 mieras de espesor. Esta tinta contiene polímeros y se retícula cuando se sujeta a la radiación de luz U.V. De acuerdo con la modalidad, los polímeros pueden ser resinas de acrilato o poliésteres insaturados. Contrario a la tinta conductora de las vueltas, esta tinta no contiene solvente. Los polímeros contenidos en la tinta se reticularán cuando la tinta sea sujetada a la radiación de luz U.V. Esta reticulación causa que la tinta se endurezca. De esta manera, la geometría de la antena es muy estable y especialmente el espesor de esta tira aislante y de esta manera la distancia entre las dos vueltas no varía, lo cual permite que la antena retenga sus características de operación óptimas. A fin de ser suficientemente aislante, esta tinta debe tener la permitividad o constante dieléctrica relativa más alta posible. El valor de la permitividad es generalmente mayor que 3. En una modalidad preferida de la antena de acoplamiento de acuerdo con la invención, la permitividad de la tinta utilizada para imprimir con plantilla la tira aislante es 3.9. A fin de proporcionar la tira con buenas características de aislamiento, se requieren al menos dos capas de tinta. De hecho, después de la reticulación, la capa de tinta es altamente porosa lo cual impide que tenga propiedades de aislamiento altas. A fin de resolver este problema, se imprimen con plantilla dos capas sucesivas y superpuestas y se forma una tira que tiene propiedades de aislamiento altas. Esta tira es superpuesta sobre la vuelta 16 y cubre completamente la última y particularmente el extremo el cual está en contacto con una de las almohadillas de unión de la antena 18, con la excepción del segundo extremo 17 el cual se deja libre a fin de que sea capaz de conectar las dos vueltas juntas. La figura 4 muestra la antena completa después del tercero y último paso de su proceso de fabricación. Se condujo una tercera operación de impresión con plantilla que corresponde a la vuelta 22. Esta se superpuso sobre la vuelta 16 del primer montaje y sobre la tira aislante 20 la cual está entre las dos vueltas, a lo largo de un eje el cual es perpendicular al plano del soporte 14. Uno de los extremos de esta vuelta 22 se conecta al extremo libre 17 de la primera vuelta 16. El segundo extremo de la vuelta 22 se conecta a la segunda almohadilla de unión de la antena 24. De esta manera, se puede observar que, en este ejemplo, la antena está hecha de dos vueltas en serie, las cuales están en dos planos diferentes y paralelos, cada uno que es paralelo al soporte 14. De esta manera, una antena de este tipo es llamada una antena del tipo "Z". Se puede considerar que las dos vueltas, las cuales hacen la antena, se conectan conjuntamente por los capacitores distribuidos por toda la antena. Esta estructura es equivalente a dos serpentines (correspondientes a cada una de las vueltas) conectados en serie a través de un capacitor formado por el material dieléctrico, el cual hace la tira aislante, entre las dos vueltas. Si L es la inductancia de cada una de las vueltas y C es el valor de esta capacitancia, la impedancia compleja del montaje es de esta manera: Z = 1.2. L . O) - (2) C . ? La ecuación anterior muestra que mientras más se incrementa el valor de la capacitancia C, más se incrementa la impedancia Z. La capacitancia entre dos vueltas superpuestas varía de acuerdo con el espesor de la tira aislante. De esta manera, es posible variar la inductancia aparente de la antena (la impedancia Z, de hecho) considerando el valor de la capacitancia de entrada del microcircuito, para obtener la condición de resonancia. En realidad, si la capacitancia de entrada del microcircuito es muy baja, la capacitancia entre las dos vueltas se incrementa al disminuir el espesor de la tira aislante. La inductancia aparente de la antena también se incrementa de esta manera. Sin embargo, si la capacitancia de entrada del microcircuito es mayor, se obtiene una antena menos inductiva - de esta manera mejor adaptada al microcircuito -, al incrementar el espesor de la tira aislante. De esta manera, es posible obtener un valor de inductancia aparente el cual es variable dependiendo del espesor de la tira aislante que separa las vueltas superpuestas. Los valores de capacitancia entre las dos vueltas se midieron y el valor máximo registrado es 2,000 picofaradios (pF) . Esta capacitancia permitió que se obtuviera un valor de inductancia de aproximadamente 1,900 nonohenrios (nH) . La antena de acoplamiento descrita anteriormente solo es un ejemplo de una modalidad. De acuerdo con la invención, las antenas pueden tener uno o más montajes de una vuelta individual y uno o más montajes de múltiples vueltas montadas en serie. Cada montaje de varias vueltas que se hace de las vueltas superpuestas en serie, el número y el diámetro de las vueltas que varían de un montaje a otro. La antena de acoplamiento, de acuerdo con la invención, se puede utilizar particularmente en tarjetas inteligentes sin contacto. Estas tarjetas consisten de un soporte plano que muestra al menos una antena de acoplamiento de inductancia alta conectada a al menos un microcircuito, también localizado en el soporte plano, que tiene baja capacitancia interna. De acuerdo con un tipo específico de tarjeta inteligente sin contacto, el soporte plano es insertado entre dos cuerpos de tarjeta, los cuerpos de tarjeta que se fijan a cada lado del soporte plano a fin de reforzarlo. Estos cuerpos de tarjeta se pueden hacer de plástico. En este caso, el plástico utilizado puede ser cloruro de polivinilo (PCV) , poliéster (PER, PETG), policarbonato (PC), o acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS) . Cuando los cuerpos de tarjeta son de plástico, su fijación a cada lado del soporte plano que lleva una o más antenas de acuerdo con la invención, se hace mediante la compresión en caliente o en frío de los tres elementos los cuales hacen la tarjeta, también referida como laminación en caliente o en frío. Una vez que se ha realizado este paso de laminación, el microcircuito se instala y se conecta a la(s) antena (s) de la tarjeta.

Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el convencional para la manufactura de los objetos a que la misma se refiere.

Claims (15)

1. REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones : 1. Una antena de acoplamiento que consiste de una pluralidad de vueltas o espiras en serie localizadas en un soporte plano hecho de un substrato dieléctrico aislante; la antena está caracterizada porque incluye uno o más montajes de al menos una vuelta o espira localizada sobre el soporte plano, montados en serie, al menos uno de los montajes que consiste de al menos dos vueltas o espiras montadas en serie, y superpuestas a lo largo de un eje perpendicular al plano del soporte y separadas por una tira aislante de tinta dieléctrica, la cual permite obtener un valor de inductancia alto.
2. 2. La antena de acoplamiento de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque las vueltas son vueltas de tinta impresas con plantilla sobre el soporte plano y la tira aislante de tinta dieléctrica también es impresa con plantilla sobre el soporte plano.
3. 3. La antena de acoplamiento de conformidad con la reivindicación 2, caracterizada porque tiene un montaje de dos vueltas de tinta impresa con plantilla, en serie, superpuestas a lo largo del eje perpendicular al plano del soporte y separadas por la tira aislante.
4. 4. La antena de acoplamiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el substrato dieléctrico que forma el soporte plano se hace de material plástico, papel o fibra de vidrio impregnado con resina termoendurecible o contraíble con luz U.V.
5. 5. La antena de acoplamiento de conformidad con la reivindicación 4, caracterizada porque el material plástico utilizado como el substrato dieléctrico para hacer el soporte plano es cloruro de polivinilo (PVC), poliéster (PET, PETG) , policarbonato (PC) , o acilonitrilo-butadieno-estireno (ABS) .
6. 6. La antena de acoplamiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, caracterizada porque la tinta de las vueltas o espiras impresas con plantilla es una tinta polimérica, conductora cargada con elementos conductores.
7. 7. La antena de acoplamiento de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque la tinta polimérica, conductora está cargada con plata, cobre o carbono.
8. 8. La antena de acoplamiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la banda aislante se hace de al menos dos capas de tinta dieléctrica.
9. 9. La antena de acoplamiento de conformidad con la reivindicación 8, caracterizada porque la tinta dieléctrica que forma las dos capas de la tira aislante es una tinta polimérica del tipo contraíble con luz U.V.
10. 10. Un proceso de fabricación de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque éste consiste en: - realizar la impresión con plantilla de una vuelta o espira de uno o varios montajes al depositar tinta conductora sobre un lado de un soporté plano hecho de un substrato dieléctrico, aislante, - realizar la impresión con plantilla de una tira aislante superpuesta sobre la impresión con plantilla de la vuelta o espira de al menos un montaje, por una operación de deposición de tinta dieléctrica, haciendo posible que la vuelta o espira sea cubierta y deje visibles las almohadillas de unión de la conexión de la antena y las zonas de conexión de las vueltas o espiras superpuestas, realizar la impresión con plantilla de una vuelta o espira de al menos un montaje, superpuesta sobre la impresión con plantilla de la tira aislante al depositar tinta conductora, el segundo y tercer pasos del proceso que se repiten una o más veces cuando la antena muestra uno o más montajes de más de dos vueltas o espiras superpuestas.
11. 11. Una tarjeta inteligente sin contacto hecha de un soporte plano que muestra al menos una antena de acoplamiento de alta inductancia de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, conectada a al menos un microcircuito.
12. 12. La tarjeta inteligente sin contacto de conformidad con la reivindicación 11, caracterizada porque al menos un microcircuito tiene una capacitancia interna baja.
13. 13. La tarjeta inteligente sin contacto de conformidad con la reivindicación 11 o 12, caracterizada porque el soporte plano se inserta entre dos cuerpos de tarjeta, los cuerpos de tarjeta que se fijan a cada lado del soporte plano, haciendo posible que la tarjeta sea reforzado.
14. 14. La tarjeta inteligente sin contacto de conformidad con la reivindicación 13, caracterizada porque el cuerpo de tarjeta se hace de un material plástico tal como cloruro de polivinilo (PVC), poliéster (PET, PETG), policarbonato (PC), o acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS) .
15. 15. La tarjeta inteligente sin contacto de conformidad con la reivindicación 13 o 14, caracterizada porque el cuerpo de tarjeta se fija al soporte plano de la antena mediante la laminación en caliente o en frío.