應答器的屏蔽裝置、產生屏蔽的方法及帶屏蔽的應答器的制作方法

專利名稱：應答器的屏蔽裝置、產生屏蔽的方法及帶屏蔽的應答器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種應答器的屏蔽，該應答器具有至少一個芯片和一個天線結構。
近年來，在公共生活的許多領域，用于識別特定目標的RFID系統應用越來越多。術語RFID代表射頻識別并通過無線電波指示識別。一個RFID系統通常包括兩個部分可用作讀和/或寫單元的鑒別裝置，以及帶有用于識別的數據的應答器。
現在生產的應答器包括一小面積的芯片和一天線結構。最常用的應答器是非接觸式芯片卡，現在其主要是用作支票卡形式的支付工具，或入場券形式或企業識別卡形式的進入檢查工具，待檢查的識別數據存儲在芯片的存儲工具中。非接觸式芯片卡使得操作簡便，耐用且不易受干擾，并應用廣泛。
硅技術領域的進步提供了非常低能耗的被動應答器。特別地是，能夠實現從高頻場(HF場)吸收能量，通過該能量存儲數據，以及通過阻尼調制(damping modulation)轉發這些數據的應答器。當數據以這樣的方式傳送時，由于基礎電子技術的原因，傳輸帶寬局限于載波的一小部分，目前達到的數據速度約為58kbits。芯片技術領域的進一步發展將使芯片能夠在約1mm2的芯片面積上存儲約1Mbit的數據量。以目前達到的比特率讀取如此大的數據量需要18秒。
為了增加這些數據速度，需要使用更高的載波頻率；由于芯片技術的進一步發展，特別是CMOS技術領域的發展，因為可以實現具有1GHz和更高的時鐘頻率的電路，特別鑒于其結構尺寸的不斷減小，這將成為可能。
通常使用的應答器天線結構是一導線環或一偶極子。使用導線環允許信號的感應耦合并可能出現有利的共振作用。為了實現上述目的，該導線環連接到一電容上以形成振蕩電路，其被調整到非接觸式芯片卡的工作頻率，并與鑒別裝置的一線圈一起限定一松散耦合的變壓器。
這種感應應答器能夠以幾厘米至幾米的距離與該鑒別裝置交換數據。為此目的使用的應答器通常在幾MHz的頻率區域內，一般在13.56MHz的允許頻率下操作。鑒于該芯片工作所需要的能量通過導線環以非接觸的方式從該鑒別裝置(evaluation device)接收，該應答器不需要設置其自己的電壓電源，并且特別是在該鑒別裝置的工作范圍之外，完全被動地工作，為了達到導線環足夠的品質，在較低頻率的情況下，導線環線圈的必要匝數將很高，而在較高頻率的情況下，電感將很低。
如果天線結構是一偶極子，該應答器可以用于所謂的“封閉耦合系統”以及“遠距離系統”。
封閉耦合系統是具有非常近的距離的RFID系統，其中應答器的偶極子允許來自鑒別裝置的信號完全地電容耦合，該鑒別裝置以距該應答器約0.1cm至1cm的短距離設置，并且也設置有適當的電極表面。為了耦合信號，兩個偶極子彼此平行放置，從而限定了傳送數據和/或能量的平行板電容器。
在遠距離系統的情況下，應答器和鑒別裝置的距離可以達到1m至10m。在遠距離系統中，該偶極子為一偶極天線并在很高的頻率下工作，目前在歐洲，所述頻率約為2.45GHz和5.8GHz。鑒別裝置發送能量，該能量作為HF電壓出現在應答器的偶極天線的終端上，并在調整后用于饋給芯片。
極薄的、連接到也是非常薄的導線環或偶極子上的芯片生產允許形成極薄的應答器，即所謂的Smart或RFID標簽。在RFID標簽的多種應用中，可以在金屬表面上有意義地操作這些標簽。典型的應用領域是對超級市場購物籃中的物品的通用識別。盡管其具有邏輯優點(logistic advantages)，但只有在當所有的物品都盡量采用這種方式被標簽時，即例如罐頭和主要包括有鍍金屬箔的包裝的金屬物品也都盡量采用這種方式被標簽時，該通用識別才有意義并被證實。
然而，在金屬表面直接安裝包括例如高頻導線環的應答器并不容易。通過金屬表面的交變磁通量會在導線環中引起渦流，其與由導線環引起的磁場相抵消，并因此將衰減其表面的磁場以至于將不再能給應答器供給能量及從應答器的芯片傳輸數據。
通過在導線環和金屬表面之間插入例如鐵氧體(ferrites)的高滲透性材料(permeable materials)，可以降低并大量避免渦流的形成。根據其導磁性，在導線環和金屬支撐(metal support)之間的高磁滲透性層將傳導更接近于導線環的磁通線；使較少的磁通線穿入下面的金屬，因此，將產生較少的渦流。然而，這將產生的影響是導線環的感應發生變化，并且振蕩電路失調，使得共振頻率變得較低。基本上，自感由鐵磁材料增加并由非鐵磁材料降低。在兩種情況下，共振頻率都會改變。
對高頻磁場的屏蔽是在本技術領域中經常出現的問題；然而，在RFID技術中，該問題具有特殊的方面在RFID系統中，要更為精確地屏蔽或導通的電場或磁場的位置是公知的，因為其是由在金屬支撐的附近設置的天線結構的幾何形狀限定的。
為了產生屏蔽效果，目前通常使用鐵氧體薄膜。這些薄膜包括具有尺寸在μm范圍的鐵氧體顆粒，其被嵌入到聚合物中，并因此彼此電絕緣。盡管單個顆粒具有高滲透性，由于顆粒之間大量的“空氣間隙”，總體上可獲得低的典型約為10的磁導率(permeability)。磁導率為10意味著磁通線的路徑長度將有效地被降低約3倍；在RFID標簽和金屬支撐之間的幾何距離可以以這個倍數減小，而在所有其它方面的作用保持相同。
通過緊密的磁導體例如高導磁金屬(permeable metals)的層或緊密薄膜可以獲得較高的值。為了抑制上述的渦流，這些磁導體必須這樣構造，使得其可抑制在感應的電場方向上的電流。這種渦流會從場中吸取能量，一方面，這會導致能夠被傳送的有用能量的減少，另一方面，會導致在數據傳輸中帶有不利效果的天線電路的衰減。從電機工程領域可以得知相似的現象，例如，在變壓器上設置相互絕緣的薄片(blade fins)。
鑒于公知技術，本發明的目的在于提供一種在金屬環境下盡可能無干擾操作RFID系統的可能性。
此目的是通過權利要求1、15、26和27的主題實現的。其從屬權利要求的主題是本發明的優選實施例。
本發明的目的特別是通過應答器的屏蔽裝置來實現的，該應答器包括至少一個芯片和一個具有特定應用(application-specific)空間尺寸的天線結構，并固定到一導電表面上。
根據本發明的一個方案，該裝置包括一薄膜，該薄膜在其上或其中至少在具有該應答器天線結構的空間尺寸的區域內形成有高滲透性材料。該高滲透性材料被細分為伸長的屏蔽元件并設置在各屏蔽元件之間的自由空間，在這樣的方式下，當該襯底固定到該應答器上后，該屏蔽元件平行于在該應答器天線結構中感應的一磁場而被定向，以便當該應答器被引入到各讀取裝置的磁場中時，抑制在該天線結構中由該導電表面產生的渦流。
根據本發明的另一方案，所述裝置包括一襯底，該襯底上在至少具有該應答器天線結構的空間尺寸的區域內形成有多個固定鐵磁顆粒。各鐵磁顆粒這樣被定向，即，當該襯底固定到該應答器上后，其平行于在該應答器天線結構中感應的一磁場而被定向，以便當該應答器被引入到各讀取裝置的磁場中時，抑制在該天線結構中由該導電表面產生的渦流。
可以看出根據本發明的裝置的一個優點是用作一屏蔽層的該薄膜或襯底可以相當地薄。這樣，該屏蔽層價格適中，并且其可以被安全的處理，即回收和清除。另一個優點是處理簡單薄的、并且例如以薄膜的形式生產的屏蔽層可以通過紙張加工的方式進行處理。因此，很容易加工成Smart標簽。
根據本發明，襯底優選是在正面和背面設置有鐵磁顆粒，并由非導電材料制成，例如有機聚合物。此外，該襯底可以由紙制成。
特別地是，該襯底可以作為一應答器或一應答器的鑲嵌物。
該天線結構優選為一天線線圈，或者一封閉或開放的偶極子，例如一隙縫天線。
該鐵磁顆粒由例如鐵制成，并且優選屬于石榴石的一組物質(釔鋁化合物)。
此外，根據本發明，其目的是通過產生應答器屏蔽的方法來實現的，該應答器包括至少一個芯片和一個具有特定應用空間尺寸的天線結構，該屏蔽形成于一襯底上。所述方法包括下列步驟將鐵磁顆粒設置在具有至少該應答器天線結構的空間尺寸的該襯底的一區域；通過固定磁場對鐵磁顆粒這樣定向，即當該襯底固定到該應答器上后，該顆粒平行于在該應答器天線結構中感應的磁場而被定向；以及固定該被定向的顆粒。
對鐵磁顆粒定向的步驟，例如通過一個或多個永久磁鐵，或通過一個或多個具固定磁場的電激勵磁鐵來實現。
固定被定向的顆粒的步驟，可通過粘合劑實現，鐵磁顆粒優選與粘合劑一起設置，并且在鐵磁顆粒定向過程中或緊隨其后進行固定。
此外，鐵磁顆粒可包含在用于該襯底的一種漆中。這種情況下，被定向的顆粒優選通過漆的熱烘干和硬化來固定。
該鐵磁顆粒由例如軟磁鐵、或者產生相似效果的鐵電材料、或者產生相應效果的合金或混合物制成。
各鐵磁顆粒優選具有與感應磁場的寬度相對應的縱向尺寸，例如該感應磁場寬度的1/20至1/5。
該鐵磁顆粒優選是高滲透性的及伸長形狀的，他們各具有約300μm的長度，約50μm的寬度，約10μm的厚度。
根據本發明，該襯底可以在固定鐵磁顆粒之后應用到該應答器。此外，在該襯底上產生屏蔽之前形成該應答器。
以下，將參考附圖詳細說明本發明的優選實施例，各附圖所示為

圖1是根據本發明第一方案的應答器的屏蔽裝置；圖2是根據本發明第一方案產生的應答器屏蔽的方法的執行步驟示意圖；圖3是根據本發明第二方案的應答器的屏蔽裝置；以及圖4是根據本發明第三方案的應答器的屏蔽裝置。
圖1示出了根據本發明第一方案的應答器的屏蔽裝置1，其包括至少一個芯片和一個具有特定應用空間尺寸的天線結構4，并固定到一導電表面上。圖1中示出的天線結構4分別為一導線環和一天線線圈。
裝置1包括襯底2，其上至少在該應答器天線結構4的空間尺寸的區域內形成有多個固定的鐵磁顆粒3。
圖1中所示的應答器天線結構4只是用于清楚地指示在襯底2上的該區域，然而，在該應答器未在襯底2上形成的情況下產生屏蔽本身時，所述天線結構4是不可見的。
各鐵磁顆粒3這樣被定向，即當襯底2固定到該應答器上后，它們平行于在應答器天線結構4中產生的磁場而被定向，以便當應答器被引入各讀取裝置的磁場時，抑制在天線結構4中由導電表面產生的渦流。
該襯底2優選在正面和背面設置有鐵磁顆粒3，并可由非導電材料制造，例如有機聚合物。特別地是，襯底2可以由紙制成。此外，襯底2可以作為一應答器或一應答器的鑲嵌物。可以看到，在正面和背面設置鐵磁顆粒的優點在于獲得了一封閉表面(垂直總的表面突出)，并且，采用這樣的方式，渦流損耗被完全地抑制。
該鐵磁顆粒3由例如鐵或產生相似效果的合金制造，或者他們優選屬于用于較高頻率的石榴石的一組物質(釔鋁化合物)。
圖2示出了根據本發明第一方案產生的應答器屏蔽的方法的執行步驟的示意圖，該應答器包括至少一個芯片和一個具有特定應用空間尺寸的天線結構，該屏蔽形成于該襯底上。
在第一步驟中，鐵磁顆粒3設置在具有至少該應答器天線結構的空間尺寸的一襯底區域。該顆粒優選通過漆5涂抹，該漆5具有適當的粘性并包含有懸浮的鐵磁顆粒3。
該鐵磁顆粒3由例如軟磁鐵、或者產生相似效果的鐵電材料、或者產生相應效果的合金或混合物制成。各鐵磁顆粒3優選具有與感應磁場的寬度相對應的縱向尺寸，例如該感應磁場寬度的1/20至1/5。該鐵磁顆粒3優選為高滲透性的，并為伸長的顆粒，其各具有約50至500，優選為300μm的長度，10至60μm的寬度，10至60μm的厚度。
在下一步驟中，鐵磁顆粒3通過固定磁場以這種方式定向，即當襯底2被固定到應答器上后，顆粒3平行于在應答器天線結構中感應的磁場而被定向。鐵磁顆粒例如通過一個或多個永久磁鐵6或通過一個或多個具有固定磁場的電激勵磁鐵而被定向。特別地是，顆粒3通過固定磁場根據天線結構的幾何形狀而被定向，以至于顆粒根據在場方向上能量最小化原理而被定向。
還可以在襯底2與應答器固定后完成該定向。此外，用于產生應答器屏蔽的漆5可以直接涂抹于應答器上，使得可以不用形成作為屏蔽支撐的附加襯底2。
在下一步驟中，被定向的顆粒3被固定在襯底2上。被定向的顆粒3的固定可以通過粘合劑實現，鐵磁顆粒3優選與粘合劑一起涂抹，并且在鐵磁顆粒3定向期間或緊隨其后進行固定。
當涂抹于襯底2上的漆5中包含有鐵磁顆粒3時，被定向的顆粒3的固定優選通過漆的熱烘干和硬化來實現。
鐵磁顆粒3還可以在襯底上分散地涂抹，然后被定向并最終被固定。
另一個將涂抹和定向步驟結合起來的可能性在于鐵磁顆粒已經沿正確的方向被壓印好，然后將該壓印的圖形無變化地置于襯底上。
最后，還可以通過蝕刻技術，利用例如照相平版印刷方法產生鐵磁顆粒的定向圖案。
然后，這樣產生的屏蔽層可以與應答器結構結合成一體。當鐵磁導體基本上是電絕緣時，該磁鐵屏蔽層還可以被直接放置在金屬上。否則，需注意的是屏蔽層需設置在電絕緣層上。根據優選實施例，當生產應答器時，層壓該絕緣層。
根據本發明的特別優選的方案，屏蔽或屏蔽層產生在同樣薄的襯底2的正面和背面。然后，按順序進行該鐵磁顆粒3的涂抹，即在第一步驟中在正面進行并且在第二步驟中在背面進行。特別地是，在第二步驟中涂抹的屏蔽層是根據已有的第一定向屏蔽層而被另外定向的，并且，優選將第一層中存在的間隙遮蓋來定向。其可通過例如定向固定磁場的略微傾斜的位置支撐。
圖3所示為根據本發明第二方案的用于屏蔽應答器的裝置7，該應答器包括至少一個芯片和一個具有特定應用空間尺寸的天線結構10，并固定到一導電表面。圖3所示的該天線結構10分別為一導線環和一天線線圈。
該裝置7包括一在具有應答器天線結構10的空間尺寸的區域內，于其上或其中形成有高滲透性材料的薄膜8。
圖3中所示的應答器天線結構10只是用于清楚地表示在薄膜8上的該區域，然而，在該應答器未在薄膜8上形成的情況下產生屏蔽本身時，所述天線結構10是不可見的。
該高滲透性材料被細分為伸長的屏蔽元件9和設置在各屏蔽元件9之間的自由空間，在這樣的方式下，當襯底固定到應答器上后，該屏蔽元件9平行于在應答器天線結構10中感應的磁場而被定向，以便當應答器被引入各讀取裝置的磁場中時，抑制在天線結構10中由導電表面產生的渦流。
圖4顯示了根據本發明第三方案的用于屏蔽應答器的裝置11、12，該應答器包括至少一個芯片和一個具有特定應用空間尺寸的天線結構13、14，并固定到一導電表面。
天線結構13、14為一偶極天線，此處顯示的是一開放的偶極子。然而，由于阻抗和抗干擾性，也可以使用所謂的隙縫天線(slot antenna)。
即一封閉或開放的偶極子可以交替使用，其形成例如所謂的隙縫天線。
因為在這種情況下，要屏蔽的場的方向是已知的，并且由偶極天線13、14預定，在此各鐵磁顆粒或屏蔽元件15、16可再一次以適當的方式被定向，即與偶極子的方向成直角并與到達的方向成直角。
由于特性阻抗匹配和天線增益，隙縫天線14優選用于GHz區域。這些天線也可關于其磁場元件屏蔽。幾何上，此處構成的屏蔽圖案與大面積的、開放的偶極子類似。
在高于MHz和GHz的區域內的屏蔽材料優選在軍事領域公知的基于鋁鐵石榴石和類似合金的“殼層技術(Stealth-Technik)”的物質。
權利要求
1.一種產生應答器屏蔽的方法，該應答器包括至少一個芯片和一個具有特定應用空間尺寸的天線結構，該屏蔽形成于一襯底上，并且所述方法包括將鐵磁顆粒涂抹在具有至少該應答器天線結構的空間尺寸的該襯底的一區域；通過一固定磁場以這樣的方式對該鐵磁顆粒定向，即當該襯底固定到該應答器上后，該顆粒平行于在該應答器天線結構中感應的磁場而被定向；以及固定該被定向的顆粒。
2.如權利要求1所述的方法，其中該鐵磁顆粒由一個或多個永久磁鐵定向。
3.如權利要求1所述的方法，其中該鐵磁顆粒由一個或多個具有固定磁場的電激勵磁鐵定向。
4.如權利要求1至3中任一項所述的方法，其中該被定向的顆粒通過一粘合劑固定。
5.如權利要求4所述的方法，其中該鐵磁顆粒與該粘合劑一起涂抹，并且在該鐵磁顆粒的定向期間或緊隨其后進行固定。
6.如權利要求1至3中任一項所述的方法，其中涂抹于該襯底的一種漆中包含有該鐵磁顆粒。
7.如權利要求6所述的方法，其中該被定向的顆粒通過該漆的熱烘干和硬化來固定。
8.如權利要求1至7中任一項所述的方法，其中該鐵磁顆粒是高滲透性的并為伸長的形狀。
9.如權利要求8所述的方法，其中該鐵磁顆粒各具有約300μm的長度，約50μm的寬度，以及約10μm的厚度。
10.如權利要求1至9中任一項所述的方法，其中該鐵磁顆粒由軟磁鐵、或者產生相似效果的鐵電材料、或者產生相應效果的合金或混合物制成。
11.如權利要求1至8中任一項所述的方法，其中各鐵磁顆粒具有與該感應磁場的寬度相對應的一縱向尺寸。
12.如權利要求11所述的方法，其中所述鐵磁顆粒的縱向尺寸為該感應磁場的寬度的1/20至1/5。
13.如權利要求1至12中任一項所述的方法，其中該襯底在該鐵磁顆粒固定之后設置于該應答器上。
14.如權利要求1至13中任一項所述的方法，其中在該襯底上產生屏蔽之前形成該應答器。
15.如權利要求1至14中任一項所述的方法，其中通過印刷技術涂抹該鐵磁顆粒。
16.如權利要求1至15中任一項所述的方法，其中該屏蔽層和該天線通過折疊或層壓進行結合。
17.一種屏蔽應答器的裝置，該應答器包括至少一個芯片和一個帶有特定應用空間尺寸的天線結構，并固定到一導電表面上，所述裝置包括一襯底，該襯底上在至少具有該應答器天線結構的空間尺寸的區域內形成有多個固定鐵磁顆粒；其中各鐵磁顆粒這樣被定向，即當該襯底固定到該應答器上后，它們平行于在該應答器天線結構中感應的一磁場而被定向，以便當該應答器被引入各讀取裝置的磁場中時，抑制在該天線結構中由該導電表面產生的渦流。
18.如權利要求17所述的裝置，其中該襯底在正面和背面設置有鐵磁顆粒。
19.如權利要求17或18所述的裝置，其中多個鐵磁層上下重疊地設置，但是所述各層由絕緣體分隔。
20.如權利要求17至19中任一項所述的裝置，其中該襯底由非導電材料制成。
21.如權利要求20所述的裝置，其中該襯底由有機聚合物制成。
22.如權利要求15至20中任一項所述的裝置，其中該襯底由紙制成。
23.如權利要求21或22所述的裝置，其中該襯底作為一應答器或一應答器的鑲嵌物。
24.如權利要求17至23中任一項所述的裝置，其中該天線結構為一天線線圈。
25.如權利要求17至23中任一項所述的裝置，其中該天線結構為一封閉或一開放的偶極子。
26.如權利要求25所述的裝置，其中該天線結構為一隙縫天線。
27.如權利要求17至26中任一項所述的裝置，其中該鐵磁顆粒由鐵制成。
28.如權利要求15至26中任一項所述的裝置，其中該鐵磁顆粒屬于石榴石的一組物質(釔鋁化合物)。
29.一種屏蔽應答器的裝置，該應答器包括至少一個芯片和一個帶有特定應用空間尺寸的天線結構，并固定到一導電表面上，所述裝置包括一薄膜，該薄膜在其上或其中至少在具有該應答器天線結構的空間尺寸的一區域內形成有一高滲透性材料；其中該高滲透性的材料被細分為伸長的屏蔽元件和設置在各屏蔽元件之間的自由空間，在這種方式下，當該襯底固定到該應答器上后，該屏蔽元件平行于在該應答器天線結構中感應的一磁場而被定向，以便當該應答器被引入各讀取裝置的磁場中時，抑制在該天線結構中由該導電表面產生的渦流。
30.一種應答器，包括至少一個芯片和一個天線結構，并且固定到一導電表面上，其中至少一個根據權利要求17至28中任一項所述的裝置設于該應答器和該導電表面之間。
全文摘要
本發明涉及一種用于產生應答器屏蔽的方法，該應答器包括至少一個芯片和一個帶有特定應用的空間尺寸的天線結構(4)，該屏蔽形成于襯底(2)上。該方法包括下列步驟將鐵磁顆粒(3)涂抹在具有至少該應答器天線結構的空間尺寸的該襯底的一區域；通過一磁場對該鐵磁顆粒以這樣的方式進行定向，即在該襯底固定到該應答器上后，該顆粒平行于在該應答器天線結構中感應的磁場設置；以及固定該被定向的顆粒。
文檔編號G06K19/077GK1578966SQ02821526
公開日2005年2月9日 申請日期2002年10月7日 優先權日2001年10月5日
發明者安德列亞斯·普勒特納, 阿爾諾·施泰因 申請人:福萊克斯芯片股份有限公司