WO2010018036A1 - Reichweiten- und material- optimiertes antennendesign für eine uhf-rfid-antenne mit an den chip angepasster impedanz - Google Patents

Reichweiten- und material- optimiertes antennendesign für eine uhf-rfid-antenne mit an den chip angepasster impedanz Download PDF

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WO2010018036A1
WO2010018036A1 PCT/EP2009/058735 EP2009058735W WO2010018036A1 WO 2010018036 A1 WO2010018036 A1 WO 2010018036A1 EP 2009058735 W EP2009058735 W EP 2009058735W WO 2010018036 A1 WO2010018036 A1 WO 2010018036A1
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WO
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rfid antenna
uhf rfid
range
uhf
equal
Prior art date
Application number
PCT/EP2009/058735
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Inventor
Jürgen STEIGER
Volker Arning
Roberto Becker
Christian Herkt-Bruns
Original Assignee
Evonik Degussa Gmbh
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Publication date
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    • H01Q9/16—Resonant antennas with feed intermediate between the extremities of the antenna, e.g. centre-fed dipole
    • H01Q9/28—Conical, cylindrical, cage, strip, gauze, or like elements having an extended radiating surface; Elements comprising two conical surfaces having collinear axes and adjacent apices and fed by two-conductor transmission lines
    • H01Q9/285—Planar dipole

Definitions

  • the present invention is UHF RFID Lable (Radio Frequency Identification Ultra High Frequency Lable) antennas, which is optimized in terms of the maximum possible range, but minimizes the amount of use of electrically conductive material and with respect to the input impedance to the chip impedance optimally adapted.
  • UHF-RFID Lable antenna with UHF RFID antenna is abbreviated.
  • RFID technology Due to the high adaptability, in particular the property of being able to transmit information wirelessly without any visual contact, RFID technology has in recent times made numerous possible applications. A distinction must be made between the HF (High Frequency) technology, which uses the 13.56 MHz frequency, and the UHF (Ultra High Frequency) technology in the frequency range from 900 MHz to 2.5 GHz. While the RFID systems in the HF range i. A. allow only a small range of a few centimeters, RFID systems in the UHF range can ensure an exchange of information over distances of a few meters.
  • HF High Frequency
  • UHF Ultra High Frequency
  • HF RFID technology finds application in, for example, payment, ID card and ticket systems.
  • the UHF RFID technology enables considerably longer ranges. This strength is used in a variety of applications whose variety and quantity has increased dramatically in recent years. To be mentioned are identifications of pallets in the field of goods logistics, where in the passage of a truck through an entrance lock the entire inventory of cargo can be detected simultaneously. Next is a large range for non-contact and visual contact independent luggage logistics in the Airport operation required. Some airports, such as Hong Kong Airport International, have already successfully installed RFID-based baggage logistics. Important applications arise z. Currently in the field of transmission of data from sensor systems. Here the variety of applications is manifold. Examples include temperature monitoring systems in the food and medical and pharmaceutical industries. In particular, in the pharmaceutical field solutions exist monitoring of a regular and according to the doctor's order appropriate medication intake z. B. in the latch.
  • an RFID lead consists of an antenna applied to a substrate and a receiving, transmitting and memory chip based on the silicon semiconductor technology. Both components of a UHF-RFID-Lables must therefore be optimized in terms of manufacturing costs, if as described above mass markets are to be developed.
  • the semiconductor industry achieves this goal by miniaturizing the structures while increasing electronic functionality.
  • miniaturizing the electronics it is possible to simultaneously reduce the required silicon area for the chip. Cost-intensive silicon is thereby saved. That's the way it is succeeded in reducing the chip size to currently 800 ⁇ m * 800 ⁇ m. Further miniaturization steps appear possible.
  • a particularly suitable material with a sufficiently high DC conductivity is e.g. Copper.
  • a particularly suitable material with a sufficiently high DC conductivity is e.g. Copper.
  • a very thin, yet conductive layer - a so-called seed layer - is applied by the printing of a silver-containing paste.
  • This thin conductive structure serves as the basis for a second process step, wherein, in a plating process, copper is electrochemically deposited following the structure of the antenna design.
  • An antenna with high DC conductivity is obtained.
  • the galvanization takes considerable time and the method is therefore not suitable for mass production.
  • UHF-compatible antenna structures can be produced by etching processes of plastic substrates initially coated over the entire surface with aluminum.
  • etching processes also do not meet the criteria of mass production.
  • a disadvantage of the entry into mass markets is the necessarily high silver content in the printing pastes, so that in the dry applied layer sufficiently many contact points between the metal particles are present and thus can form enough Leitpfade.
  • the high price of precious metals also massively hinders the development of mass applications.
  • UHF RFID antennas having a maximized range with a minimum amount of material, and a method for producing such antennas.
  • This object is achieved by a UHF RFID antenna on a substrate, with matched impedance and straight or meandering side arms, sections I and II, and straight or meandering leads, having the features of the characterizing part of claim 1.
  • the ratio of the product of maximum length and maximum transverse extent of the UHF RFID antenna according to the invention and the product of maximum length and maximum transverse extent of the UHF RFID antenna according to the state of the art is defined by the area ratio understood the art, the ranges are compared at the same frequencies.
  • the UHF RFID antenna according to the invention is axially symmetrical in each case with respect to the side arms and the sections I and IL.
  • the sections I and II are of the same geometric shape. If the sections are areas, the edges of these areas are always closed, and the degree of coverage is on the sum based on their surface area and defined as the ratio between printed area and the sum of printed and unprinted area. If the cuts are lines, the coverage is defined as 100%.
  • the UHF RFID antenna according to the invention has the advantage that it is suitable as a layout for common mass printing methods.
  • this antenna has at least the same size, preferably greater range than UHF RFID antennas of the prior art.
  • the adaptation of the impedance of the antenna to the impedance of the read-write unit, for example to the RFID chip, is carried out by methods known to those skilled in the art.
  • UHF RFID antenna according to the invention is that even with the same range of this antenna, the degree of coverage of the same compared to the UHF RFID antenna of the prior art is lower, or the area ratio of this compared to UHF RFID antennas from the prior Technique is less than 100%. This results in the further advantage of a reduced, preferably minimal amount of material.
  • the subject matter of the present invention is likewise a method for producing a UHF RFID antenna on a substrate, with matched impedance and straight or meandering side arms, sections I and II, and straight or meandering leads comprising the steps
  • Area ratio of the UHF RFID antenna is varied, with the maximum range and sizes (al), (a2), (bl),
  • inventive UHF RFID antenna in payment, ID, ticket systems, warehousing, warning, security, production systems, logistics, and use on or in packaging, labels, license plates and components of transport, signaling equipment and path limitations of traffic management systems, in the labeling of luggage and / or freight at airports and railway stations, items for interior decoration, for example, furniture, household and electrical appliances, building heating and / or cooling systems.
  • the use according to the invention has the advantage that the costs for the corresponding equipment of the various items or systems with this antenna costs for the items or systems only insignificantly or not at all increase. If the antenna according to the invention has a lower degree of coverage and / or a smaller area ratio than an antenna according to the prior art, the use has the further advantage that the antenna according to the invention is also connected to or in Can be used objects that offer no place for antennas according to the prior art because of their small size.
  • the inventive UHF RFID antenna preferably has the same line widths of the side arms (al) of 100 .mu.m to 700 .mu.m, equal lengths of the meanders of the side arms (a2) from 0 to 48/4, equal line widths of the leads (bl) of 0.10 mm to 1.00 mm, equal lengths of the meander of the leads (b2) from 0 to 96/4, each same degree of coverage (c) from 0% to 100% of the sections I and II, an area ratio (d) of 10% 200% at a range of 1 m to 10 m and a frequency of 860 MHz to 960 MHz.
  • the UHF RFID antenna according to the invention can have an area ratio of 30% to 70%, very particularly preferably 45 to 55%.
  • the range of the UHF RFID antenna according to the invention is greater than the range of a UHF RFID antenna, which is in at least two, preferably three, more preferably four, more preferably five dimensions selected from (al ), (a2), (bl), (b2), (c), and / or (d). Most preferably, the UHF RFID antenna according to the invention differs in all six of these dimensions. In this case, the antenna according to the invention has the advantage that the range is maximum, thus a particularly effective antenna is provided.
  • the UHF RFID antenna according to the invention may preferably have a range which is greater than the range of a UHF RFID antenna, which in all dimensions (al), (a2), (bl), (b2), (c ), and (d) differs, and under the additional constraint that (c) is minimal.
  • a UHF RFID antenna has the advantage that the ratio of range and amount of electrically conductive material is maximized and thus a particularly cost-efficient antenna is provided.
  • the advantageous difference in all dimensions (a1), (a2), (bl), (b2), (c), and (d) is equivalent to having no UHF RFID antenna in any combination
  • the dimensions differ and at the same time has a greater range than the erf ⁇ ndungswashe.
  • the additional constraint that (c) is minimal is equivalent to having no UHF RFID antenna that differs in any combination of dimensions and yet a smaller one (c) and has a longer range.
  • the sections I and II of the UHF RFID antenna according to the invention are the same and composed of geometric shapes selected from line, triangle, trapezoid, rectangle, or a combination of these forms. Further preferably, several lines of different lengths, triangles, trapezoids, rectangles of different shapes can be selected, depending on the frequency and with which radiation characteristic the inventive UHF RFID antenna should work.
  • the sections I and II may be particularly preferably surfaces.
  • these surfaces can either be at least partially filled with printing substance, or only the edges of these surfaces have printing substance. If only the edges of these surfaces have printing substance, the coverage is 0%, but if the sum of the areas is printed, the coverage is 100%. If the surfaces are partially filled with printing substance, the printing substance sectionfiambaen are electrically conductive interconnected.
  • the surfaces can each be composed of the same geometric shapes. Each of these shapes may be bounded by edges.
  • the subject matter of the present invention is also a method for producing a UHF RFID antenna on a substrate, with matched impedance and straight or meandering side arms, sections I and II, and straight or meandering leads comprising the steps
  • Degree of coverage of the sections I and II, equal or different, and / or area ratio of the UHF RFID antenna is varied, the maximum range and sizes (al), (a2), (bl), (b2), (c ), and (d) at the maximum range, and then
  • the geometric structure can be applied to different flat substrates, preferably PET film, paper, PVC, glass, any non-conductive packaging material.
  • the method according to the invention can therefore be used in almost any purpose, object or system which is to be equipped with the UHF RFID antenna according to the invention.
  • step (B) of the method according to the invention can be started by a so-called "start design.”
  • the electromagnetic behavior of the UHF RFID antenna is then calculated by means of a simulation calculation known to the person skilled in the art, for example a FEM calculation. Subsequently, at least one of the above-mentioned quantities is increased or decreased, in the context of the present invention abbreviated by the term "varied”, and the simulation calculation is then repeated Method, a FEM calculation is a preferred method because it is numerically stable and has a low or vanishing tendency to artifacts.
  • step (B) the start-up design is chosen such that the simulation calculation provides the electromagnetic behavior of a prior art UHF RFID antenna.
  • the inventive method has the advantage that the geometric shape of the UHF RFID antenna according to the invention is varied in an efficient manner in a simulation calculation to achieve the maximum range, and thus can be dispensed with costly and time-consuming field trials with experimentally manufactured antennas.
  • the behavior of the antenna according to the invention on different substrates and / or on different RFID UHF chips can just as easily be simulated with the method according to the invention.
  • the erf ⁇ ndungswashe method also has the advantage that electrically highly conductive printing pastes can be used, which are suitable for conventional in the art printing methods.
  • the range can preferably be maximized under the boundary condition that the size (c) is minimal. This speeds up the implementation of the process.
  • step (C) of the method according to the invention the geometric structure by means of a conductive printing substance selected from silver conductive paste, silver-coated copper particles, silver nanoparticles, silver precursor formulation, carbon conductive paste, Leitruß, carbon nanotubes, transparent conductive metal oxide particles , and by a printing process selected from gravure, gravure, screen printing, rotary screen printing, flatbed screen printing, gravure printing, offset printing, inkjet printing, are applied.
  • a conductive printing substance selected from silver conductive paste, silver-coated copper particles, silver nanoparticles, silver precursor formulation, carbon conductive paste, Leitruß, carbon nanotubes, transparent conductive metal oxide particles
  • a printing process selected from gravure, gravure, screen printing, rotary screen printing, flatbed screen printing, gravure printing, offset printing, inkjet printing
  • the use of the silver precursor formulation in the process according to the invention has the advantage that the printed material can be converted to a conductive structure in a particularly simple controlled manner after printing and heating. It has proved to be particularly advantageous to use the printing substance Evonik Silver 30 N available from Evonik GmbH, Paul-Baumann-Strassel, 45772 Mari.
  • the transparent conductive metal oxide particles of indium tin oxide particles (ITO) or alumina-tin oxide particles (ATO) can be selected.
  • step (C) of the method according to the invention screen printing, particularly preferably rotary screen printing, can be used.
  • High, low and rotary screen printing are printing technologies that have the potential for mass production.
  • the inventive method is therefore advantageously very well suited for the production of UHF RFID antennas in the piece number range up to the billions.
  • step (D) of the inventive method a UV, IR radiator, microwave, convection oven, or a drying oven with a temperature of 20 0 C to 200 0 C for a period of 1 s to 600 s can be used.
  • a drying oven can be used. This is cost-effective with high longevity in continuous operation and available in almost any size.
  • a drying oven also offers the advantage of making inert gas, for example nitrogen, easily usable in step (D).
  • the preferred drying time is from 10 to 500 seconds, more preferably from 50 to 400 seconds, most preferably at 5 minutes.
  • the temperature in step (D) is more preferably 150 ° C.
  • Figure 1 shows a prior art UHF RFID antenna with four side arms: 1 the length of the meander n ls 2 the length of the meander n 2 , 3 the length of the meander n ⁇ , and 4 the Length of the meander 1I 4 .
  • a meander of length one as a section of a side arm shows 5.
  • Meanders or lengths of the meander are always considered in the context of the present invention without the connecting pieces (10), by means of which they are electrically connected to the respective sections I, II.
  • the printed sections I and II are each composed of a rectangle, a trapezoid and a triangle.
  • the line widths of the supply lines are each 0.25 mm.
  • the line widths of the side arms are each 200 ⁇ m.
  • Figure 1, part (b), shows a meander of length 4/4.
  • Figure 2 shows a prior art UHF RFID antenna with four side arms: 1 the length of the meander n ls 2 the length of the meander n 2 , 3 the length of the meander n ⁇ , and 4 the Length of the meander 1I 4 .
  • the sections I and II are each pronounced as a line.
  • Figure 2 shows the same UHF RFID antenna as Figure 2, part (a), but with dimensions in mm.
  • Figure 3 shows a UHF RFID antenna according to the invention with the first difference from the antenna shown in Fig. 1 that the sections I and II are not printed, synonymous with the fact that the degree of coverage of the cuts is 0% and only the respective edges of geometric shapes from which the sections I and II are composed, printed.
  • the second difference compared to the antenna shown in Fig. 1 is that the line widths of the side arms are each 400 microns.
  • the second difference with respect to the antenna shown in Fig. 3 is that the line widths of the side arms are each 600 microns.
  • the geometric lengths of the side arms are compared to the lengths of the side arms in Fig.2, part (a), extended. Such a difference in the lengths of the side arms at the same time vanishing length of the meander and its effect are known in the art and serves to influence the transmission frequency of the UHF RFID antenna.
  • Figure 6, part (b) shows the same UHF RFID antenna as Figure 6, part (a), but with dimensions in mm.
  • Comparative Example 1 On a PET film, a UHF RFID antenna according to FIG. 1 was obtained by applying silver-containing printing paste, Evonik Silver 30 SN type, available from Evonik GmbH, Paul-Baumann-Strasse 1, 45764 Mari, by means of flatbed screen printing and dried in a drying oven at 150 ° C for 5 minutes.
  • silver-containing printing paste Evonik Silver 30 SN type, available from Evonik GmbH, Paul-Baumann-Strasse 1, 45764 Mari
  • the line width of the side arms was 200 ⁇ m.
  • the antenna was completed by equipping an RFID chip, type Impinj Monza 2.0 Gen 2, to a functional UHF RFID transponder. With a transmission power of 2 W, a range of 3.50 m was measured by means of an RFID reader.
  • EXAMPLE 1 As in Comparative Example 1, a UHF-RFID antenna according to FIG. 1 was obtained by applying silver-containing printing paste, type Evonik Silver 30 SN, to PET film by means of flatbed screen printing and drying in a drying oven at 150 ° C. for 5 minutes , In contrast to Comparative Example 1, however, the line width of the side arms (1, 2, 3, 4) was varied in step (B) of the method according to the invention. The line width of the side arms of the inventive UHF RFID antenna was 400 ⁇ m in each case. After completion to a UHF RFID transponder using an RFID chip, type Impinj Monza 2.0 Gen 2, a range of 4.90 m was measured with an RFID reader at a transmission power of 2 W.
  • Example 2 As in Comparative Example 1, a UHF RFID antenna according to FIG. 1 was applied to PET film by means of flat bed screen printing with silver-containing printing paste, type Evonik Silver 30 SN, and then tempered in a drying oven at 150 ° C. for 5 minutes.
  • the line width of the side arms (1, 2, 3, 4) was 600 microns.
  • type Impinj Monza 2.0 Gen 2 a range of 5.20 m was measured with an RFID reader at a transmission power of 2 W.
  • Example 3 As in Comparative Example 1, a UHF RFID antenna was produced by means of flat bed screen printing with silver-containing printing paste, type Evonik Silver 30 SN on PET Fo, in contrast to this comparative example, however, the sections I and II were no longer with the silver-containing Printing paste printed, synonymous with a degree of coverage 0%, and the UHF RFID antenna according to the invention after 5 min tempering in a drying oven at 150 0 C.
  • the line width of the side arms (1, 2, 3, 4) was 400 ⁇ m.
  • the UHF RFID antenna according to the invention is shown in FIG. 3. After completion to form a UHF RFID transponder by means of an RFID chip, type Impinj Monza 2.0 Gen 2, an RFID reader with a transmission power of 2 W has a range of 3, Measured 75 m.
  • Example 4 As in Example 3, a UHF RFID antenna was produced according to the method of the invention. In contrast to Example 3, however, the line width of the side arms (1, 2, 3, 4) was 600 microns. After completion of a UHF RFID transponder by means of an RFID chip, type Impinj Monza 2.0 Gen 2, a range of 5.20 m was measured with an RFID reader at a transmission power of 2 W.
  • the UHF RFID antenna according to the invention is shown in FIG. 4.
  • Example 6 As in Example 5, a UHF RFID antenna was produced by the method according to the invention.
  • the line width of the side arms (1, 2, 3, 4) was 600 microns.
  • a UHF RFID antenna according to Fig. 2, part (a) was obtained by silver-containing printing paste, type Evonik Silver 30 SN, available from Evonik GmbH, Paul-Baumann-Strasse using rotary screen printing 1, 45764 Mari, and dried in a drying oven at 150 ° C for 5 minutes.
  • the line width of the side arms was 600 microns, and the line width of the leads 250 mm.
  • the antenna was completed by equipping an RFID chip, type Impinj Monza 2.0 Gen 2, to a functional UHF RFID transponder. At a transmission power of 2 W, a range of 2.50 m was measured by means of an RFID reader.
  • the UHF RFID antenna according to the invention is shown in FIG. 6, parts (a) and (b). After completion of a UHF RFID transponder using an RFID chip, type Impinj Monza 2.0 Gen 2, an RFID reader with a transmission power of 2 W was used to measure a range of 2.50 m.

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Abstract

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine UHF-RFID-Antenne auf einem Substrat, mit angepasster Impedanz und geraden oder mäanderförmigen Seitenarmen, Teilstücke I und II, und geraden oder mäanderförmigen Zuleitungen, dadurch gekennzeichnet, dass die Reichweite der UHF-RFID-Antenne bei zumindest einer Frequenz und zumindest einer Kombination der Masse Linienbreite der Seitenarme, Länge der Mäander jedes Seitenarmes, Linienbreite der Zuleitungen, Länge der Mäander jeder Zuleitung, Bedeckungsgrad der bedruckten Teilstücke I und II, und/oder Flächenverhältnis grösser ist, als die Reichweite einer UHF-RFID-Antenne, die sich in zumindest einem von diesen Massen unterscheidet, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen UHF-RFID-Antenne, sowie die Verwendung dieser UHF-RFID-Antenne.

Description

Reichweiten- und Material-optimiertes Antennendesign für eine UHF-RFID- Antenne mit an den Chip angepasster Impedanz
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind UHF-RFID Lable (Radio frequency identification- ultra high frequency-Lable) Antennen, die hinsichtlich der maximal möglichen Reichweite optimiert, jedoch der Menge des Einsatzes von elektrisch leitfähigen Materials minimiert und hinsichtlich der Eingangsimpedanz an die Chip-Impedanz hin optimal angepasst wurden. Im Folgenden wird der Begriff UHF-RFID Lable Antenne mit UHF-RFID-Antenne abgekürzt.
Die RFID-Technologie hat sich aufgrund der hohen Anpassungsfähigkeit insbesondere der Eigenschaft, Informationen drahtlos ohne jeglichen Sichtkontakt übermitteln zu können, in der letzten Zeit mannigfaltige Einsatzmöglichkeiten erschlossen. Zu unterscheiden ist die HF (High Frequency)-Technik, die die Frequenz 13,56 MHz nutzt und die UHF (Ultra High Frequency)- Technologie im Frequenzbereich von 900 MHz bis 2,5 GHz. Während die RFID-Systeme im HF-Bereich i. A. lediglich eine geringe Reichweite von einigen Zentimetern ermöglichen, vermögen RFID-Systeme im UHF-Bereich einen Informationsaustausch über Entfernungen von einigen Metern sicher zu stellen.
Wichtige Anwendungen der HF-RFID-Technik sind Anwendungen, wobei hier die geringe Reichweite besondere Vorteile ermöglicht. Zu nennen ist zum Beispiel die Übermittelung von vertraulichen personenbezogenen Daten, wobei es zu vermeiden ist, dass Daten von in der Nähe sich befindlichen RFID-Tags fälschlicherweise zur Auslesung kommen. Insbesondere findet die HF-RFID-Technik Einsatz in beispielsweise Zahlungs-, Ausweis-, und Ticket- Systemen.
Im Gegensatz zur HF-RFID-Technik ermöglicht die UHF-RFID-Technik erheblich höhere Reichweiten. Diese Stärke wird in diversen Anwendungen genutzt, deren Vielfalt und Quantität in den letzten Jahren stark zugenommen hat. Zu nennen sind Identifizierungen von Paletten im Bereich der Warenlogistik, wo bei der Durchfahrt eines LKW durch eine Eingangsschleuse der gesamte Warenbestand der Ladung simultan erfasst werden kann. Weiter ist eine große Reichweite für eine berührungslose und sichtkontaktunabhängige Gepäcklogistik im Flughafenbetrieb erforderlich. Einige Flughäfen wie z.B. in Hong Kong Airport International haben die RFID-gestützte Gepäcklogistik bereits erfolgreich installiert. Wichtige Anwendungen entstehen z. Zt. auf dem Gebiet der Übertragung von Daten aus Sensorsystemen. Hier ist die Anwendungsvielfalt mannigfaltig. Zu nennen sind beispielsweise Temperaturüberwachungssysteme im Lebensmittel- und Medizinbereich sowie im Pharmabereich. Insbesondere im Pharmabereich existieren Lösungen einer Überwachung einer regelmäßigen und gemäß der ärztlichen Anordnung gemäßen Medikamenteneinnahme z. B. im Klinken.
Ganz besonders hohes Wachstumspotential wird der Kennzeichnung von Waren im Regal des Einzelhandels in der Zukunft zugeschrieben. In diesem Anwendungsfeld besteht seit den 70-er Jahren die Kennzeichnung mittels eines aufgedruckten Bar-Codes. Dieser Bar-Code jedoch erfordert unbedingten Sichtkontakt und für den zuverlässigen Einlesevorgang eine einzelne, serielle Zuführung der Ware durch Personal. Durch die neue Technologie UHF-RFID ist ein sowohl personalunabhängiges, also auch automatisches und gleichzeitiges paralleles Erfassen sämtlicher Waren, die ein Kunde käuflich erwirbt, möglich.
Das hohe prognostizierte Wachstum für insbesondere UHF-RFID-Systeme kann nur dann erreicht werden, wenn es gelingt, gegenüber dem heutigen Stand kostengünstigere Fertigungstechnologien für RFID-Systeme zu identifizieren und umzusetzen. Wie bereits weiter oben beschrieben besteht ein RFID-Lable aus einer auf einem Substrat aufgebrachten Antenne und einem auf der Siliziumhalbleitertechnologie-basierten Empfangs-Sende- und Speicher- Chip. Beide Komponenten eines UHF-RFID-Lables müssen daher hinsichtlich der Herstellkosten optimiert werden, wenn wie weiter oben beschrieben Massenmärkte erschlossen werden sollen.
Die Halbleiterindustrie erreicht dieses Ziel durch eine Miniaturisierung der Strukturen bei einer gleichzeitigen Steigerung der elektronischen Funktionalität. Insbesondere durch die Miniaturisierung der Elektronik gelingt es dabei, gleichzeitig die erforderliche Silizium-Fläche für den Chip zu reduzieren. Kostenintensives Silizium wird dadurch eingespart. So ist es gelungen, die Chip-Größe auf derzeitig 800 μm * 800 μm zu reduzieren. Weitere Miniaturisierungsschritte erscheinen möglich.
Um UHF- Antennen mit möglichst hoher Reichweite zu erhalten, müssen für die Erfüllung der Hochfrequenzeigenschaften eine Reihe von Materialanforderungen sowohl an das Antennenmaterial als auch an das Antennen-Design gestellt werden. Eine der wichtigsten Eigenschaften ist die Erreichung einer möglichst hohen Gleichstromleitfähigkeit, um die notwendige Anpassung der Eingangs-Impedanz der Antenne an den Chip sicher zu stellen. Für die Fertigung von Antennen sind daher Materialien mit einerseits hoher Gleichstromleitfähigkeit und andererseits müssen die Materialien auch in einem Massefertigungsverfahren applizierbar sein.
Ein besonders geeignetes Material mit einer ausreichend hohen Gleichstromleitfähigkeit ist z.B. Kupfer. Es existieren Verfahren zur Herstellung von Antennen, wobei zunächst eine sehr dünne und dennoch leitfähige Schicht - einem sogenannten Seed-Layer - durch die Verdruckung einer silberhaltigen Paste appliziert wird. Diese dünne leitfähige Struktur dient als Basis für einen zweiten Prozessschritt, wobei in einem Galvanisierungsvorgang Kupfer elektrochemisch der Struktur des Antennendesigns folgend abgeschieden wird. Eine Antenne mit hoher Gleichstromleitfähigkeit wird erhalten. Jedoch benötigt die Galvanisierung erhebliche Zeit und das Verfahren ist daher nicht tauglich für eine Massenfertigung.
Ferner existieren Verfahren, wobei durch Ätzprozesse aus zunächst vollflächig mit Aluminium beschichteten Kunststoffsubstraten geeignete UHF-taugliche Antennenstrukturen fertigbar sind. Doch erfüllen Ätzprozesse ebenfalls nicht die Kriterien einer Massenfertigung.
Eine Kupferpartikel haltige Paste direkt per Druck zu applizieren, führt zu Strukturen mit nicht genügender Gleichstromleitfähigkeit. Verantwortlich für die zu geringe Leitfähigkeit ist eine die Kupferpartikel umgebene elektrisch isolierende Oxidschicht. Um dennoch mittels für eine Massenfertigung tauglichen Druckverfahren den wachsenden Bedarf an Antennen für UHF-RFID-Labels decken zu können, werden nach dem Stand der Technik Silberleitpasten i. A. mittels Rotationssiebdruck appliziert. Die eingesetzten Leitpasten enthalten Silberpartikel, die entweder mit keiner und nur eine sehr dünne Silberoxidschicht beaufschlagt sind und daher zu einer für die Hochfrequenzanwendung ausreichend hoher Gleichstromleitfähigkeit beitragen.
Nachteilig für den Eintritt in Massenmärkte ist der notwendig hohe Silbergehalt in den Druckpasten, damit in der trockenen applizierten Schicht ausreichend viele Kontaktstellen zwischen den Metallpartikeln vorhanden sind und sich somit genügend Leitpfade bilden können. Der hohe Edelmetallpreis steht einer Erschließung von Massenanwendungen außerdem massiv im Weg.
Im Stand der Technik existieren Verfahren, mit denen man die Hochfrequenzeigenschaften eines gegebenen Antennendesigns quantitativ zu berechnen in der Lage ist. Derartige Simulationsrechnungen auf der Basis von Finite Element Methoden, im Folgenden mit FEM Berechnung abgekürzt, gestatten bei minimalem Aufwand von praktischen Versuchen die Gestaltung optimaler Antennendesigns. Eine Beschreibung dieser Verfahren findet sich zum Beispiel bei R. Herschmann, M. Camp, H. EuI in ,fixtended post processing for Simulation results of FEM synthesized UHF-RFID tranponder antennas ", Adv. Radio Sei. 5, 127-133, 2007.
Um über eine möglichst hohe Leistungsfähigkeit des UHF-RFID-Lables zu verfügen, werden Verfahren angewendet, die das Antennendesign derart beeinflussen, dass die nach dem optimierten Design hin gefertigte Antenne einen möglichst hohen Anteil der empfangenen Hochfrequenzenergie auch in den Empfangsteil des Chips einzukoppeln vermag. Weil i. A. nicht nur auf einer einzigen Frequenz seitens des Lesegerätes gesendet wird, sondern eine beliebige Frequenz innerhalb des UHF-Bereich 860 MHz und 960 GHz angeboten wird, muss die Antenne für diese Anforderung in der Lage sein. In der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2006 003 717 Al wird ein Verfahren beschrieben, dass die Anpassung von RFID- Transpondern und eine derart hergestellte Antenne zum Ziel hat. Insbesondere werden bei Antennen nach dem Stand der Technik kapazitive Störeinflüsse infolge des elektrischen Kontakts zwischen RFID-Chip und Antenne durch die Wahl unterschiedlicher Chip-Positionen an vorgesehenen Kontaktstellen kompensiert.
DE 10 2006 003 717 Al offenbart desweiteren eine Antenne für einen rückstreubasierten RFID- Transponder mit einer eine kapazitive Eingangsimpedanz aufweisenden integrierten Empfangsschaltung zum Empfangen eines spektral in einem Betriebsfrequenzbereich liegenden Funksignals, wobei die Antenne zwei Antennenzweige aufweist, die sich spiralförmig von einem zentralen Bereich, in dem die Antennenzweige mit der integrierten Empfangsschaltung verbindbar sind, nach außen strecken. Jeder Antennenzweig weist eine Zweiglänge entlang des Zweiges auf, die so gewählt ist, dass eine der Serienresonanzfrequenzen der Antenne unterhalb des Betriebsfrequenzbereichs und die nächst höhere Parallelresonanzfrequenz der Antenne oberhalb des Betriebsfrequenzbereichs liegt.
Im Stand der Technik existieren demnach geeignete Verfahren, die eine Anpassung der Antennenresonanz an die bereit gestellten Frequenzen der sendenden Schreib-/Leseeinheit, gleichbedeutend mit dem RFID-Chip, bewerkstelligen. Weiter wird durch die bekannten Verfahren ein Antennendesign erhalten, die optimal an die Eingangsimpedanz des Chips angepasst sind.
Doch existieren im Stand der Technik keine UHF-RFID-Antennen, die sowohl hinsichtlich der Reichweite bei einem möglichst breiten Frequenzband, als auch hinsichtlich einer möglichst geringen Materialmenge optimiert sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es also, UHF-RFID-Antennen bereit zu stellen, die eine maximierte Reichweite bei minimaler Materialmenge aufweisen, sowie ein Verfahren zur Herstellung solcher Antennen. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine UHF-RFID-Antenne auf einem Substrat, mit angepasster Impedanz und geraden oder mäanderförmigen Seitenarmen, Teilstücken I und II, und geraden oder mäanderförmigen Zuleitungen, die die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruches 1 aufweist.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine UHF-RFID-Antenne auf einem Substrat, mit angepasster Impedanz und geraden oder mäanderförmigen Seitenarmen, Teilstücken I und II, und geraden oder mäanderförmigen Zuleitungen, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass die Reichweite der UHF-RFID-Antenne bei zumindest einer Frequenz und zumindest einer Kombination der Maße (al) Linienbreiten der Seitenarme, gleich oder ungleich, (a2) Längen nl s n2, n3, 1I4 der Mäander der Seitenarme, nl s n2, n3, 1I4 gleich oder ungleich, und nl s n2, n3, 1I4 = 0 oder natürliche Zahl * 1A, (bl) Linienbreiten der Zuleitungen, gleich oder ungleich, (b2) Längen In6 und m7 der Mäander der Zuleitungen, Hi6 und m7 gleich oder ungleich, Hi6, m7 = 0 oder natürliche Zahl * 1A, (c) Bedeckungsgrad der Teilstücke I und II, gleich oder ungleich, und (d) Flächenverhältnis der UHF-RFID-Antenne größer ist, als die Reichweite einer UHF-RFID- Antenne, die sich in zumindest einem von diesen Maßen unterscheidet, oder der Reichweite einer UHF-RFID-Antenne gleicht, die sich zumindest in dem Maß (d) unterscheidet.
Unter dem Flächenverhältnis wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung das Verhältnis aus dem Produkt aus maximaler Längen- und maximaler Quer- Ausdehnung der erfindungsgemäßen UHF-RFID-Antenne und dem Produkt aus maximaler Längen- und maximaler Quer- Ausdehnung der UHF-RFID-Antenne gemäß Stand der Technik verstanden, wobei die Reichweiten bei gleichen Frequenzen verglichen werden.
Die erfindungsgemäße UHF-RFID-Antenne ist achsensymmetrisch jeweils bezogen auf die Seitenarme und die Teilstücke I und IL Unter me = m7 = 0 werden geradlinige Zuleitungen verstanden, unter ni = n2 = n3 = U4 = 0 geradlinige Seitenarme.
Die Teilstücke I und II sind von gleicher geometrischer Form. Falls die Teilstücke Flächen sind, sind die Ränder dieser Flächen stets geschlossen, und der Bedeckungsgrad wird auf die Summe ihrer Flächeninhalte bezogen und als das Verhältnis zwischen bedrucktem Flächeninhalt und der Summe aus bedrucktem und nicht bedrucktem Flächeninhalt definiert. Falls die Teilstücke Linien sind, wird der Bedeckungsgrad gleich 100 % definiert.
Die erfindungsgemäße UHF-RFID-Antenne hat den Vorteil, dass sie als Layout für gängige Massendruckverfahren geeignet ist. In der Anordnung aus der erfindungsgemäßen UHF-RFID- Antenne und einem Impedanz angepassten RFID-UHF-Chip weist diese Antenne eine zumindest gleich große, vorzugsweise größere Reichweite gegenüber UHF-RFID-Antennen des Standes der Technik auf. Die Anpassung der Impedanz der Antenne an die Impedanz der Schreib- Leseeinheit, zum Beispiel an den RFID-Chip, wird mittels dem Fachmann bekannter Methoden durchgeführt.
Weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen UHF-RFID-Antenne ist, dass selbst bei gleich großer Reichweite dieser Antenne der Bedeckungsgrad derselben gegenüber der UHF-RFID-Antenne des Standes der Technik geringer ist, oder das Flächenverhältnis dieser gegenüber UHF-RFID- Antennen aus dem Stand der Technik kleiner ist als 100 %. Somit ergibt sich der weitere Vorteil einer verringerten, bevorzugt minimalen Materialmenge.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung einer UHF- RFID-Antenne auf einem Substrat, mit angepasster Impedanz und geraden oder mäanderförmigen Seitenarmen, Teilstücke I und II, und geraden oder mäanderförmigen Zuleitungen, welches die Schritte umfasst
(A) Bereitstellung eines Substrates,
(B) Maximierung der Lesereichweite in einer Simulationsrechnung, wobei das Substrat, die geometrische Anordnung der geraden oder mäanderförmigen Seitenarme, die Teilstücke I und II, die geraden oder mäanderförmigen Zuleitungen, die Bereiche der Parallel- und Serienresonanzfrequenz, gegeben sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Größen, ausgewählt aus Linienbreiten der Seitenarme, gleich oder ungleich, Längen nl s n2, n^, n4 der Mäander der Seitenarme, nl s n2, n^, n4 gleich oder ungleich, und nl s n2, n^, n4 = 0 oder natürliche Zahl * 1A,
Linienbreiten der Zuleitungen, gleich oder ungleich,
Längen Hi6 und m7 der Mäander der Zuleitungen, In6 und m7 gleich oder ungleich, Hi6, m7 = 0 oder natürliche Zahl * 1A,
Bedeckungsgrad der Teilstücke I und II, gleich oder ungleich, und/oder
Flächenverhältnis der UHF-RFID-Antenne, variiert wird, wobei die maximale Reichweite und die Größen (al), (a2), (bl),
(b2), (c), und (d) bei der maximalen Reichweite erhalten werden, und anschließend
(C) Aufbringen der geometrischen Struktur der UHF-RFID-Antenne mit den nach Schritt (B) erhaltenen Größen auf das Substrat, und anschließend
(D) Trocknen.
Ebenfalls Gegenstand ist die Verwendung der erfmdungsgemäßen UHF-RFID-Antenne in Zahlungs-, Ausweis-, Ticketsystemen, Lagertechnik, Warn-, Sicherheits-, Produktionssystemen, Logistik, und die Verwendung auf oder in Verpackungen, Etiketten, Nummernschildern und Bauteilen von Verkehrsmitteln, Signalanlagen und Wegbegrenzungen von Verkehrsleitsystemen, beim Labelling von Gepäckstücken und/oder Frachtgut an Flughäfen und Bahnhöfen, Gegenständen für die Innenausstattung, zum Beispiel Mobiliar, Haushalt- und Elektrogeräten, Gebäudeheiz- und/oder -kühlanlagen.
Aufgrunddessen, dass die erfindungsgemäße UHF-RFID-Antenne für gängige Massendruckverfahren geeignet ist, hat die erfindungsgemäße Verwendung den Vorteil, dass sich die für die entsprechende Ausstattung der verschiedenen Gegenstände oder Systeme mit dieser Antenne anfallenden Kosten für die Gegenstände oder Systeme nur unwesentlich oder gar nicht erhöhen. Weist die erfindungsgemäße Antenne einen geringeren Bedeckungsgrad und/oder geringeres Flächenverhältnis als eine dem Stand der Technik gemäße Antenne auf, hat die Verwendung den weiteren Vorteil, dass die erfindungsgemäße Antenne auch an oder in Gegenständen verwendet werden kann, die wegen ihrer geringen Ausdehnung Antennen gemäß Stand der Technik keinen Platz bieten.
Die Erfindung wird im Folgenden näher erläutert.
Die erfindungsgemäße UHF-RFID-Antenne weist vorzugsweise gleiche Linienbreiten der Seitenarme (al) von 100 μm bis 700 μm, gleiche Längen der Mäander der Seitenarme (a2) von 0 bis 48/4, gleiche Linienbreiten der Zuleitungen (bl) von 0,10 mm bis 1,00 mm, gleiche Längen der Mäander der Zuleitungen(b2) von 0 bis 96/4, jeweils gleichen Bedeckungsgrad (c) von 0 % bis 100 % der Teilstücke I und II, ein Flächenverhältnis (d) von 10 % bis 200 % bei einer Reichweite von 1 m bis 10 m und einer Frequenz von 860 MHz bis 960 MHz auf. Besonders bevorzugt kann die erfindungsgemäße UHF-RFID-Antenne ein Flächenverhältnis von 30 % bis 70 %, ganz besonders bevorzugt von 45 bis 55 % aufweisen.
Die Frequenzen sind dem Fachmann durch die Norm ISO IEC 18000 gegeben.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die Reichweite der erfindungsgemäßen UHF-RFID-Antenne größer ist, als die Reichweite einer UHF-RFID-Antenne, die sich in zumindest zwei, bevorzugt drei, weiterhin bevorzugt vier, besonders bevorzugt fünf Maßen, ausgewählt aus (al), (a2), (bl), (b2), (c), und/oder (d) unterscheidet. Ganz besonders bevorzugt unterscheidet sich die erfindungsgemäße UHF-RFID-Antenne in allen sechs dieser Maße. In diesem Fall weist die erfindungsgemäße Antenne den Vorteil auf, dass die Reichweite maximal ist, somit eine besonders effektive Antenne bereit gestellt ist.
Die erfindungsgemäße UHF-RFID-Antenne kann vorzugsweise eine Reichweite aufweisen, die größer ist, als die Reichweite einer UHF-RFID-Antenne, die sich in allen Maßen (al), (a2), (bl), (b2), (c), und (d) unterscheidet, und unter der zusätzlichen Randbedingung, dass (c) minimal ist. Eine solche UHF-RFID-Antenne hat den Vorteil, dass das Verhältnis aus Reichweite und Menge elektrisch leitfähigen Materials maximal und somit eine besonders kosteneffiziente Antenne bereit gestellt ist. Der vorteilhafte Unterschied in allen Maßen (al), (a2), (bl), (b2), (c), und (d) ist gleichbedeutend damit, dass es dann keine UHF-RFID-Antenne gibt, die sich in irgendeiner Kombination der Maße unterscheidet und zugleich eine größere Reichweite aufweist, als die erfϊndungsgemäße. Die zusätzliche Randbedingung, dass (c) minimal ist, ist gleichbedeutend damit, dass es keine UHF-RFID-Antenne gibt, die sich in irgendeiner Kombination der Maße und einem weiterhin kleineren (c) unterscheidet und eine größere Reichweite aufweist.
Ganz besonders bevorzugt ist (c) minimal, so dass Materialeinsparung vorliegt, gleichbedeutend damit, dass die gedruckte UHF-RFID-Antenne einen minimalen Materialgehalt aufweist.
Es kann weiterhin vorteilhaft sein, wenn die Teilstücke I und II der erfindungsgemäßen UHF- RFID-Antenne gleich sind und aus geometrischen Formen, ausgewählt aus Linie, Dreieck, Trapez, Rechteck, oder einer Kombination dieser Formen zusammengesetzt sind. Weiterhin bevorzugt können auch mehrere Linien verschiedener Länge, Dreiecke, Trapeze, Rechtecke verschiedener Formen gewählt sein, je nach dem, bei welcher Frequenz und mit welcher Abstrahlcharakteristik die erfϊndungsgemäße UHF-RFID-Antenne arbeiten soll. Die Teilstücke I und II können besonders bevorzugt Flächen sein.
Bevorzugt können diese Flächen entweder zumindest teilweise mit Drucksubstanz ausgefüllt sind, oder nur die Ränder dieser Flächen Drucksubstanz aufweisen. Falls nur die Ränder dieser Flächen Drucksubstanz aufweisen, beträgt der Bedeckungsgrad 0 %, ist dagegen die Summe der Flächeninhalte bedruckt, beträgt der Bedeckungsgrad 100 %. Falls die Flächen teilweise mit Drucksubstanz ausgefüllt sind, sind die Drucksubstanz aufweisenden Teilfiächen elektrisch leitfähig untereinander verbunden. Die Flächen können aus jeweils den gleichen geometrischen Formen zusammengesetzt sein. Jede dieser Formen kann durch Ränder begrenzt sein.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung einer UHF- RFID-Antenne auf einem Substrat, mit angepasster Impedanz und geraden oder mäanderförmigen Seitenarmen, Teilstücke I und II, und geraden oder mäanderförmigen Zuleitungen, welches die Schritte umfasst
(A) Bereitstellung eines Substrates,
(B) Maximierung der Lesereichweite in einer Simulationsrechnung, wobei das Substrat, die geometrische Anordnung der geraden oder mäanderförmigen Seitenarme, die Teilstücke I und II, die geraden oder mäanderförmigen Zuleitungen, die Bereiche der Parallel- und Serienresonanzfrequenz, gegeben sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Größen, ausgewählt aus
Linienbreiten der Seitenarme, gleich oder ungleich, Längen nl s n2, n3, 1I4 der Mäander der Seitenarme, nl s n2, n3, 1I4 gleich oder ungleich, und nl s n2, n3, U4 = 0 oder natürliche Zahl * 1A, Linienbreiten der Zuleitungen, gleich oder ungleich, Längen me und m7 der Mäander der Zuleitungen, m^ und m7 gleich oder ungleich, Hi6, m7 = 0 oder natürliche Zahl * 1A,
Bedeckungsgrad der Teilstücke I und II, gleich oder ungleich, und/oder Flächenverhältnis der UHF-RFID-Antenne, variiert wird, wobei die maximale Reichweite und die Größen (al), (a2), (bl), (b2), (c), und (d) bei der maximalen Reichweite erhalten werden, und anschließend
(C) Aufbringen der geometrischen Struktur der UHF-RFID-Antenne mit den nach Schritt (B) erhaltenen Größen auf das Substrat, und anschließend
(D) Trocknen.
Vorzugsweise kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren die geometrische Struktur auf unterschiedlichen flächigen Substraten, vorzugsweise PET-Folie, Papier, PVC, Glas, jegliches nichtleitende Verpackungsmaterial aufgebracht werden. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich deshalb bei nahezu jedem Einsatzziel, Gegenstand oder System, der oder das mit der erfindungsgemäßen UHF-RFID-Antenne ausgestattet werden soll, einsetzen. Vorzugsweise kann der Schritt (B) des erfϊndungsgemäßen Verfahrens durch ein sogenanntes „ Start-Design " begonnen werden. Unter dem Start-Design wird eine UHF-RFID- Antenne verstanden, deren Größen, ausgewählt aus gleichen oder ungleichen Linienbreiten der Seitenarme, Längen nl s n2, n3, U4 der Mäander der Seitenarme, nl s n2, n3, n4 gleich oder ungleich, und ni, n2, n3, n4 = 0 oder natürliche Zahl * 1A, gleichen oder ungleichen Linienbreiten der Zuleitungen, Längen In6 und m7 der Mäander der Zuleitungen, Hi6 und m7 gleich oder ungleich, In6, m7 = 0 oder natürliche Zahl * 1A, gleichem oder ungleichem Bedeckungsgrad der Teilstücke I und II, und/oder Flächenverhältnis, beliebig gewählt sind.
Das elektromagnetische Verhalten der UHF-RFID-Antenne, insbesondere die Reichweite, wird dann mittels einer dem Fachmann bekannten Simulationsrechnung, zum Beispiel einer FEM Berechnung, errechnet. Anschließend wird zumindest eine der eben genannten Größen erhöht oder verringert, im Rahmen der vorliegenden Erfindung abgekürzt durch den Begriff „variiert", und anschließend die Simulationsrechnung wiederholt. Die dann errechnete Reichweite wird mit der zuvor erhaltenen Reichweite verglichen. In Schritt (B) des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine FEM Berechnung eine bevorzugte Methode, da diese numerisch stabil ist und eine geringe oder verschwindende Neigung zu Artefakten aufweist.
Vorzugsweise wird im Schritt (B) das Start-Design so gewählt, dass die Simulationsrechnung das elektromagnetische Verhalten einer UHF-RFID-Antenne des Standes der Technik liefert.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass die geometrische Form der erfindungsgemäßen UHF-RFID-Antenne auf effiziente Weise in einer Simulationsrechnung variiert wird, um die maximale Reichweite zu erzielen, und somit auf kosten- und zeitintensive Feldversuche mit versuchsweise hergestellten Antennen verzichtet werden kann. Ebenso einfach lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren das Verhalten der erfϊndungsgemäßen Antenne auf verschiedenen Substraten und/oder an verschiedenen RFID-UHF-Chips simulieren. Das erfϊndungsgemäße Verfahren hat außerdem den Vorteil, dass elektrisch hochleitfähige Druckpasten eingesetzt werden können, die für im Stand der Technik übliche Druckverfahren geeignet sind.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Reichweite bevorzugt unter der Randbedingung maximiert werden, dass die Größe (c) minimal ist. Dieses beschleunigt die Durchführung des Verfahrens.
Im Schritt (C) des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die geometrische Struktur mittels einer leitfähigen Drucksubstanz, ausgewählt aus Silberleitpaste, Silber gecoatete Kupferpartikel, Silber-Nanopartikel, Silber-Precursor-Formulierung, Carbon-Leitpaste, Leitruß, Carbon- Nanotubes, transparente leitfähige Metalloxid-Partikel, und durch ein Druckverfahren, ausgewählt aus Hoch-, Tief-, Siebdruck, Rotationssiebdruck, Flachbettsiebdruck, Gravurdruck, Offsetdruck, inkjet Druck, aufgebracht werden.
Die Silber-Precursor-Formulierung einzusetzen, hat in dem erfindungsgemäßen Verfahren den Vorteil, dass das aufgedruckte Material besonders einfach kontrolliert nach Drucken und Erwärmen zu einer leitfähigen Struktur konvertiert werden kann. Als ganz besonders vorteilhaft erweist es sich, die Drucksubstanz Evonik Silver 30 N, erhältlich bei Evonik GmbH, Paul- Baumann-Strassel, 45772 Mari, einzusetzen.
Vorzugsweise können auch die transparenten leitfähigen Metalloxid-Partikel aus Indium- Zinnoxid-Partikeln (ITO) oder Aluminiumoxid-Zinnoxid-Partikeln (ATO) ausgewählt werden.
Bevorzugt können in Schritt (C) des erfindungsgemäßen Verfahrens Siebdruck, besonders bevorzugt Rotationssiebdruck, eingesetzt werden. Hoch-, Tief- und Rotationssiebdruck sind Drucktechnologien, die das Potential für eine Massenfertigung besitzen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist daher vorteilhafterweise für die Herstellung von UHF-RFID-Antennen im Stückzahlbereich bis in die Milliarden sehr gut geeignet. In Schritt (D) des erfϊndungsgemäßen Verfahrens kann ein UV-, IR-Strahler, Mikrowellen-, Umluftofen, oder ein Trockenofen mit einer Temperatur von 20 0C bis 200 0C während einer Zeitdauer von 1 s bis 600 s eingesetzt werden. Besonders bevorzugt kann ein Trockenofen eingesetzt werden. Dieser ist bei hoher Langlebigkeit im Dauerbetrieb kostengünstig und in beinahe beliebigen Größen erhältlich. Je nach Wahl des Substrates und/oder der Drucksubstanz bietet ein Trockenofen auch den Vorteil, in Schritt (D) Inertgas, zum Beispiel Stickstoff, leicht einsetzbar zu machen.
Die bevorzugte Trocknungszeit beträgt von 10 bis 500 s, besonders bevorzugt von 50 bis 400 s, ganz besonders bevorzugt bei 5 min. Die Temperatur im Schritt (D) liegt besonders bevorzugt bei 150 0C.
Die erfindungsgemäße UHF-RFID-Antenne und das erfindungsgemäße Verfahren werden im Folgenden durch die Abbildungen und Beispiele näher erläutert.
Abbildung 1, Teil (a), zeigt eine UHF-RFID-Antenne gemäß Stand der Technik, mit vier Seitenarmen: 1 der Länge der Mäander nl s 2 der Länge der Mäander n2, 3 der Länge der Mäander n^, und 4 der Länge der Mäander 1I4. Ein Mäander mit der Länge Eins als Ausschnitt eines Seitenarmes zeigt 5. Mäander bzw. Längen der Mäander werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung stets ohne die Verbindungsstücke (10) betrachtet, mittels derer sie mit den jeweiligen Teilstücken I, II, elektrisch leitend verbunden sind. Die Längen der Mäander der Seitenarme sind gleich, ni = n2 = n3 = U4 = 9/4. Die bedruckten Teilstücke I und II sind jeweils aus einem Rechteck, einem Trapez und einem Dreieck zusammengesetzt. Die Zuleitungen 6 mit der Länge der Mäander me und 7 mit der Länge der Mäander m7 weisen Werte me = m7 = 27/4 auf. Die Linienbreiten der Zuleitungen betragen jeweils 0,25 mm. Die Linienbreiten der Seitenarme betragen jeweils 200 μm. Abbildung 1, Teil (b), zeigt einen Mäander der Länge 4/4.
Abbildung 2, Teil (a), zeigt eine UHF-RFID-Antenne gemäß Stand der Technik, mit vier Seitenarmen: 1 der Länge der Mäander nl s 2 der Länge der Mäander n2, 3 der Länge der Mäander n^, und 4 der Länge der Mäander 1I4. Die Längen der Mäander der Seitenarme sind gleich, ni = n2 = n3 = n4 = O. Die Teilstücke I und II sind jeweils als Linie ausgeprägt. Die Zuleitungen 6 mit der Länge der Mäander me und 7 mit der Länge der Mäander m7 weisen jeweils Werte me = m7 = 22/4 auf.
Abbildung 2, Teil (b), zeigt dieselbe UHF-RFID-Antenne wie Abb. 2, Teil (a), jedoch mit Bemaßung in mm.
Abbildung 3 zeigt eine erfindungsgemäße UHF-RFID-Antenne mit dem ersten Unterschied gegenüber der in Abb. 1 gezeigten Antenne, dass die Teilstücke I und II nicht bedruckt sind, gleichbedeutend damit, dass der Bedeckungsgrad der Teilstücke 0 % ist und nur die jeweiligen Ränder der geometrischen Formen, aus denen die Teilstücke I bzw. II zusammengesetzt sind, bedruckt sind. Der zweite Unterschied gegenüber der in Abb. 1 gezeigten Antenne besteht darin, dass die Linienbreiten der Seitenarme jeweils 400 μm betragen.
Abbildung 4 zeigt eine erfindungsgemäße UHF-RFID-Antenne mit dem ersten Unterschied gegenüber der in Abb. 3 gezeigten Antenne, dass die Seitenarme Längen der Mäander ni = n2 = n3 = U4 = 24/4 aufweisen. Der zweite Unterschied gegenüber der in Abb. 3 gezeigten Antenne besteht darin, dass die Linienbreiten der Seitenarme jeweils 600 μm betragen.
Abbildung 5 zeigt einen Ausschnitt aus der erfindungsgemäßen UHF-RFID-Antenne mit den Zuleitungen: 6 mit der Länge der Mäander me, und 7 mit der Länge der Mäander m7, mit den Unterschieden gegenüber der in Abb. 4 gezeigten Aufnahme, dass die Längen der Mäander der Zuleitungen me = m7 = 0 betragen, und die Linienbreiten der Zuleitungen 0,75 mm betragen. Abbildung 6, Teil (a), zeigt eine erfϊndungsgemäße UHF-RFID-Antenne mit dem ersten Unterschied gegenüber der in Abbildung 2, Teil (a), gezeigten Antenne, dass die Längen der Mäander der Zuleitungen me = m7 = 10/4 betragen, und dem zweiten Unterschied, dass das Flächenverhältnis zu der in Abb. 2, Teil (a), gezeigten Antenne etwa 49 % beträgt. Die geometrischen Längen der Seitenarme sind gegenüber den Längen der Seitenarme in Abb.2, Teil (a), verlängert. Ein solcher Unterschied bei den Längen der Seitenarme bei zugleich verschwindender Länge der Mäander und dessen Wirkung sind dem Fachmann bekannt und dient der Beeinflussung der Sendefrequenz der UHF-RFID-Antenne.
Abbildung 6, Teil (b), zeigt dieselbe UHF-RFID-Antenne wie Abb. 6, Teil (a), jedoch mit Bemaßung in mm.
Vergleichsbeispiel 1. Auf einer PET-Fo lie wurde eine UHF-RFID-Antenne entsprechend Abb. 1 erhalten, indem mittels Flachbettsiebdruck silberhaltige Druckpaste, Typ Evonik Silver 30 SN, erhältlich bei Evonik GmbH, Paul-Baumann-Strasse 1, 45764 Mari, aufgebracht und in einem Trockenofen bei 150 ° C 5 min lang getrocknet wurde.
Die Linienbreite der Seitenarme betrug 200 μm. Die Antenne wurde durch Bestückung eines RFID-Chips, Typ Impinj Monza 2.0 Gen 2, zu einem funktionsfähigen UHF-RFID-Transponder komplettiert. Bei einer Sendeleistung von 2 W wurde mittels eines RFID-Lesegerätes eine Reichweite von 3,50 m gemessen.
Beispiel 1. Wie im Vergleichsbeispiel 1 wurde eine UHF-RFID-Antenne entsprechend Abb. 1 erhalten, indem mittels Flachbettsiebdruck silberhaltige Druckpaste, Typ Evonik Silver 30 SN, auf PET-Folie aufgebracht und in einem Trockenofen bei 150 ° C 5 min lang getrocknet wurde. Im Unterschied zum Vergleichsbeispiel 1 wurde jedoch im Schritt (B) des erfindungsgemäßen Verfahrens die Linienbreite der Seitenarme (1, 2, 3, 4) variiert. Die Linienbreite der Seitenarme der erfmdungsgemäßen UHF-RFID-Antenne betrug jeweils 400 μm. Nach Komplettierung zu einem UHF-RFID-Transponder mittels eines RFID-Chips, Typ Impinj Monza 2.0 Gen 2, wurde mit einem RFID-Lesegerät bei einer Sendeleistung von 2 W eine Reichweite von 4,90 m gemessen.
Beispiel 2. Wie im Vergleichsbeispiel 1 wurde eine UHF-RFID-Antenne entsprechend Abb. 1 mittels Flachbettsiebdruck mit silberhaltiger Druckpaste, Typ Evonik Silver 30 SN, auf PET- Folie aufgebracht und anschließender Temperung in einem Trockenofen bei 150 ° C 5 min lang hergestellt.
Im Unterschied zum Vergleichsbeispiel 1 betrug jedoch die Linienbreite der Seitenarme (1, 2, 3, 4) 600 μm. Nach Komplettierung zu einem UHF-RFID-Transponder mittels eines RFID-Chips, Typ Impinj Monza 2.0 Gen 2, wurde mit einem RFID-Lesegerät bei einer Sendeleistung von 2 W eine Reichweite von 5,20 m gemessen.
Beispiel 3. Wie im Vergleichsbeispiel 1 wurde eine UHF-RFID-Antenne mittels Flachbettsiebdruck mit silberhaltiger Druckpaste, Typ Evonik Silver 30 SN, auf PET-Fo lie hergestellt, im Unterschied zu diesem Vergleichsbeispiel jedoch wurden die Teilstücke I und II nicht mehr mit der silberhaltigen Druckpaste bedruckt, gleichbedeutend mit einem Bedeckungsgrad 0 %, und die erfindungsgemäße UHF-RFID-Antenne nach 5 min Temperung in einem Trockenofen bei 150 0 C erhalten.
Im weiteren Unterschied zum Vergleichsbeispiel 1 betrug die Linienbreite der Seitenarme (1, 2, 3 , 4) 400 μm. Die erfindungsgemäße UHF-RFID-Antenne zeigt Abbildung 3. Nach Komplettierung zu einem UHF-RFID-Transponder mittels eines RFID-Chips, Typ Impinj Monza 2.0 Gen 2, wurde mit einem RFID-Lesegerät bei einer Sendeleistung von 2 W eine Reichweite von 3,75 m gemessen.
Beispiel 4. Wie im Beispiel 3 wurde eine UHF-RFID-Antenne gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt. Im Unterschied zum Beispiel 3 betrug jedoch die Linienbreite der Seitenarme (1, 2, 3, 4) 600 μm. Nach Komplettierung zu einem UHF-RFID-Transponder mittels eines RFID-Chips, Typ Impinj Monza 2.0 Gen 2, wurde mit einem RFID-Lesegerät bei einer Sendeleistung von 2 W eine Reichweite von 5,20 m gemessen.
Beispiel 5. Wie im Beispiel 4 wurde eine UHF-RFID-Antenne mit dem erfϊndungsgemäßen Verfahren hergestellt. Die Linienbreite der Seitenarme (1, 2, 3, 4) betrug 600 μm. Im Unterschied zum Beispiel 4 wurde die Druckpaste mittels Rotationssiebdruck aufgebracht, und die Länge der Mäander der Seitenarme (1, 2, 3, 4) betrug ni = n2 = n3 = 1I4 = 24/4. Die erfindungsgemäße UHF-RFID-Antenne zeigt Abbildung 4.
Nach Komplettierung zu einem UHF-RFID-Transponder mittels eines RFID-Chips, Typ Impinj Monza 2.0 Gen 2, wurde mit einem RFID-Lesegerät bei einer Sendeleistung von 2 W eine Reichweite von 5,80 m gemessen.
Beispiel 6. Wie im Beispiel 5 wurde eine UHF-RFID-Antenne mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt. Die Linienbreite der Seitenarme (1, 2, 3, 4) betrug 600 μm. Die Länge der Mäander der Seitenarme (1, 2, 3, 4) betrug ni = n2 = n3 = U4 = 24/4. Im Unterschied zum Beispiel 5 wiesen jedoch die Zuleitungen (6, 7) eine Länge der Mäander me = m7 = 0, und eine Linienbreite von jeweils 0,75 mm auf (Abb. 5).
Nach Komplettierung zu einem UHF-RFID-Transponder mittels eines RFID-Chips, Typ Impinj Monza 2.0 Gen 2, wurde mit einem RFID-Lesegerät bei einer Sendeleistung von 2 W eine Reichweite von 6,10 m gemessen.
Vergleichsbeispiel 2. Auf einer PET-Fo lie wurde eine UHF-RFID-Antenne entsprechend Abb. 2, Teil (a), erhalten, indem mittels Rotationssiebdruck silberhaltige Druckpaste, Typ Evonik Silver 30 SN, erhältlich bei Evonik GmbH, Paul-Baumann-Strasse 1, 45764 Mari, aufgebracht und in einem Trockenofen bei 150 ° C 5 min lang getrocknet wurde. Die Linienbreite der Seitenarme betrug 600 μm, und die Linienbreite der Zuleitungen 250 mm. Die Antenne wurde durch Bestückung eines RFID-Chips, Typ Impinj Monza 2.0 Gen 2, zu einem funktionsfähigen UHF-RFID-Transponder komplettiert. Bei einer Sendeleistung von 2 W wurde mittels eines RFID-Lesegeräts eine Reichweite von 2,50 m gemessen.
Beispiel 7. Wie im Vergleichsbeispiel 2 wurde eine UHF-RFID-Antenne mittels Rotationssiebdruck mit silberhaltiger Druckpaste, Typ Evonik Silver 30 SN, auf PET-Fo lie hergestellt, im ersten Unterschied zu diesem Vergleichsbeispiel jedoch wurde im Schritt (B) des erfindungsgemäßen Verfahrens die Länge der Mäander der Zuleitungen (6, 7) auf rri6 = m7 = 10/4 variiert, und im zweiten Unterschied das Flächenverhältnis auf etwa 49 % gegenüber der in Abb. 2, Teile (a) und (b), gezeigten UHF-RFID-Antenne variiert.
Die erfindungsgemäße UHF-RFID-Antenne zeigt Abbildung 6, Teile (a) und (b). Nach Komplettierung zu einem UHF-RFID-Transponder mittels eines RFID-Chips, Typ Impinj Monza 2.0 Gen 2, wurde mit einem RFID-Lesegerät bei einer Sendeleistung von 2 W eine Reichweite von 2,50 m gemessen.

Claims

Patentansprüche:
1. UHF-RFID-Antenne auf einem Substrat, mit angepasster Impedanz und geraden oder mäanderförmigen Seitenarmen, Teilstücken I und II, und geraden oder mäanderförmigen Zuleitungen, dadurch gekennzeichnet, dass die Reichweite der UHF-RFID-Antenne bei zumindest einer Frequenz und zumindest einer Kombination der Maße
(al) Linienbreiten der Seitenarme, gleich oder ungleich,
(a2) Längen nl s n2, n3, 1I4 der Mäander der Seitenarme, nl s n2, n3, 1I4 gleich oder ungleich, und nl s n2, n3, n4 = 0 oder natürliche Zahl * 1A, (bl) Linienbreiten der Zuleitungen, gleich oder ungleich,
(b2) Längen Hi6 und m7 der Mäander der Zuleitungen, In6 und m7 gleich oder ungleich, rri6, m7 = 0 oder natürliche Zahl * 1A,
(c) Bedeckungsgrad der Teilstücke I und II, gleich oder ungleich, und
(d) Flächenverhältnis der UHF-RFID-Antenne größer ist, als die Reichweite einer UHF-RFID-Antenne, die sich in zumindest einem von diesen Maßen unterscheidet, oder der Reichweite einer UHF-RFID-Antenne gleicht, die sich zumindest in dem Maß (d) unterscheidet.
2. UHF-RFID-Antenne nach Anspruch 1 mit
(al) von 100 μm bis 700 μm, (a2) von 0 bis 48/4, (bl) von 0,10 mm bis 1,00 mm, (b2) von 0 bis 96/4,
(c) von 0 % bis 100 %,
(d) von 10 % bis 200 %, bei einer Reichweite von 1 m bis 10 m und einer Frequenz von 860 MHz bis 960 MHz.
3. UHF-RFID-Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reichweite der UHF-RFID-Antenne größer ist, als die Reichweite einer UHF- RFID-Antenne, die sich in zumindest zwei Maßen, ausgewählt aus (al), (a2), (bl), (b2), (c), und/oder (d) unterscheidet.
4. UHF-RFID-Antenne nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reichweite der UHF-RFID-Antenne größer ist, als die Reichweite einer UHF- RFID-Antenne, die sich in allen Maßen (al), (a2), (bl), (b2), (c), und (d) unterscheidet, und unter der zusätzlichen Randbedingung, dass (c) minimal ist.
5. UHF-RFID-Antenne nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilstücke I und II gleich sind und aus geometrischen Formen, ausgewählt aus Linie, Dreieck, Trapez, Rechteck, oder einer Kombination dieser Formen zusammengesetzt sind.
6. Verfahren zur Herstellung einer UHF-RFID-Antenne auf einem Substrat, mit angepasster Impedanz und geraden oder mäanderförmigen Seitenarmen, Teilstücke I und II, und geraden oder mäanderförmigen Zuleitungen, umfassend die Schritte
(A) Bereitstellung eines Substrates,
(B) Maximierung der Lesereichweite in einer Simulationsrechnung, wobei das Substrat, die geometrische Anordnung der geraden oder mäanderförmigen Seitenarme, die Teilstücke I und II, die geraden oder mäanderförmigen Zuleitungen, die Bereiche der Parallel- und Serienresonanzfrequenz, gegeben sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Größen, ausgewählt aus
Linienbreiten der Seitenarme, gleich oder ungleich,
Längen nl s n2, n3, U4 der Mäander der Seitenarme, nl s n2, n3, U4 gleich oder ungleich, und nl s n2, n^, n4 = 0 oder natürliche Zahl * 1A, Linienbreiten der Zuleitungen, gleich oder ungleich, Längen Hi6 und Hi7 der Mäander der Zuleitungen, rn^ und Hi7 gleich oder ungleich, Hi6, m7 = 0 oder natürliche Zahl * 1A,
Bedeckungsgrad der Teilstücke I und II, gleich oder ungleich, und/oder Flächenverhältnis der UHF-RFID-Antenne, variiert wird, wobei die maximale Reichweite und die Größen (al), (a2), (bl), (b2), (c), und (d) bei der maximalen Reichweite erhalten werden, und anschließend
(C) Aufbringen der geometrischen Struktur der UHF-RFID-Antenne mit den nach Schritt (B) erhaltenen Größen auf das Substrat, und anschließend
(D) Trocknen.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (B) eine FEM Berechnung eingesetzt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Reichweite maximiert wird unter der Randbedingung, dass (c) minimal ist.
9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (C) die geometrische Struktur mittels einer leitfähigen Drucksubstanz, ausgewählt aus Silberleitpaste, Silber gecoatete Kupferpartikel, Silber-Nanopartikel, Silber- Precursor-Formulierung, Carbon-Leitpaste, Leitruß, Carbon-Nanotubes, transparente leitfähige Metalloxid-PartikeL und durch ein Druckverfahren, ausgewählt aus Hoch-, Tief-, Siebdruck, Rotationssiebdruck, Flachbettsiebdruck, Gravurdruck, Offsetdruck, InkJet Druck, aufgebracht wird.
10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (D) ein Trockenofen mit einer Temperatur von 20 0C bis 200 0C während einer Zeitdauer von 1 s bis 600 s eingesetzt wird.
11. Verwendung der UHF-RFID-Antenne gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5 in
Zahlungs-, Au s w e i s-, Ticketsystemen, Lagertechnik, Warn-, Sicherheits-, Produktionssystemen, Logistik.
12. Verwendung der UHF-RFID-Antenne gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5 auf oder in Verpackungen, Etiketten, Nummernschildern und Bauteilen von Verkehrsmitteln, Signalanlagen und Wegbegrenzungen von Verkehrsleitsystemen, beim Labelling von Gepäckstücken und/oder Frachtgut an Flughäfen und Bahnhöfen, Gegenständen für die Innenausstattung, zum Beispiel Mobiliar, Haushalt- und Elektrogeräten, Gebäudeheiz- und/oder -kühlanlagen.
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