專利名稱：高電感耦合天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是無(wú)接觸收發(fā)系統(tǒng)，而特別涉及的是一種高電感耦合天線，這在無(wú)接觸智能卡中特別有用。
當(dāng)今，無(wú)接觸收發(fā)系統(tǒng)在許多方面都有廣泛的使用。其應(yīng)用之一便是無(wú)接觸智能卡，這是一種在各個(gè)方面使用越來(lái)越廣泛的系統(tǒng)，例如在運(yùn)輸方面，這樣的卡為所有的高速公路運(yùn)輸公司所發(fā)展，以建議它們的用戶使用這種卡并使路站的收費(fèi)變得方便。這種卡還發(fā)展成付款方式，例如電子錢包的情況。多個(gè)公司還用無(wú)接觸智能卡發(fā)展成對(duì)其員工的識(shí)別方法。
無(wú)接觸智能卡與相應(yīng)的閱讀裝置之間的信息交換是通過(guò)一個(gè)藏在無(wú)接觸智能卡內(nèi)的天線與第二個(gè)處于閱讀器內(nèi)的天線之間的有距離電磁耦合進(jìn)行的。為了制造、存儲(chǔ)和處理各種信息，這種卡上具有芯片，芯片中有一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)和一個(gè)微處理器，并與一個(gè)天線相連。這種芯片借助于插入芯片中的電容器而得到輸入電容。芯片和天線一般都在一個(gè)中性的平面基板上。天線一芯片耦合的最佳運(yùn)行應(yīng)是非阻性的，是在當(dāng)電路共振時(shí)而得到的，要遵守下式LCω2＝1 (1)此中，L表示天線的電感，C是輸入電容，ω是角頻率，等于2πf。f是歸一化頻率(例如為13.56MHz)。
必須遵守這條定律就要求芯片制造商，亦稱鑄造商在芯片中裝入電容器，以便得到足夠大的電容值，這樣由于使用電容而使芯片的造價(jià)大升。
無(wú)接觸電子卡的發(fā)展必須包括卡中所用芯片造價(jià)的下降。為了降低芯片的成本，導(dǎo)致鑄造商越來(lái)越減少在芯片中集成的電容數(shù)，因而使電路的電容減小，這亦可造成更小個(gè)的智能卡。
為了滿足定律LCω2＝1及得到最佳的耦合，必須增加天線的電感來(lái)補(bǔ)償智能的輸入電容的降低，在用對(duì)銅或鋁進(jìn)行化學(xué)刻蝕而制成天線的情況下，天線是在塑料介質(zhì)的基板上的圈的形式，通常是用增加圈數(shù)來(lái)增加電感。這種辦法往往會(huì)產(chǎn)生多種缺陷。事實(shí)上所有的電路都有電阻，增加圈數(shù)就在實(shí)際上增加了電路的長(zhǎng)度，這便導(dǎo)致電阻值的激增，這對(duì)天線的性能，因而對(duì)卡的性能大有影響。實(shí)際上卡的讀取距離則大為減少。
為了減小尺寸并保持電磁通量穿過(guò)卡的有效截面，要縮小銅軌道的寬度，這產(chǎn)生了增加天線電阻的作用，特別是使卡的可靠性受到損害， 因?yàn)榭w在熱壓軋制時(shí)天線圈斷裂的危險(xiǎn)就增大了。
每個(gè)刻蝕天線的成本顯著增加，這樣鑄造商用小輸入電容得到的低價(jià)就被天線的高價(jià)所抵消。這些卡的制造和使用就不再有利可圖。
本發(fā)明的目的是除去上述這些弊端，制造一種高電感天線，可以得到性能好的卡，其可靠性好，制造成本低，因而成本明顯低于現(xiàn)在市場(chǎng)上的智能卡。
本發(fā)明涉及的一種耦合天線，這種天線是處在絕緣介電質(zhì)所構(gòu)成的平面基底中的多個(gè)圈串聯(lián)而成。這種天線是由一組或多組串聯(lián)安裝，每組至少有一圈是處在平面基底上，這些組中至少有一組是由在垂直于基底平面方向上相疊的至少兩圈串聯(lián)而成，這至少兩圈是用電介質(zhì)墨的絕緣帶隔開，這便能夠得到大的電感值。
在一種理想的實(shí)施方式中，述及的耦合天線中有一個(gè)或多個(gè)串接的組，每組至少有一圈是在平面基底上的印刷墨圈，在這些組中至少有一組是由在垂直于基座平面上重疊的至少兩圈印刷墨圈構(gòu)成，而這至少兩圈是由在基底上的印刷的電介質(zhì)墨的絕緣帶隔開。
本發(fā)明的另一方面便是耦合天線的制造方法，其構(gòu)成是——在由絕緣的介電質(zhì)構(gòu)成的平面基底上沉積導(dǎo)電墨，實(shí)現(xiàn)一組或多組中的一圈的印刷，——通過(guò)沉積電介質(zhì)墨來(lái)在印刷了的至少一組的圈上疊印一層絕緣帶，絕緣帶可以覆蓋述及的圈而露出天線的接頭和與被相疊圈的連接區(qū)。
——通過(guò)沉積導(dǎo)電墨，在前述的印刷的絕緣帶上重疊印上至少一組的一個(gè)圈。
當(dāng)天線中有一個(gè)或多個(gè)超過(guò)兩圈相疊的組時(shí)，可將本方法的第二步和第三步重復(fù)一次或多次。
這種天線及這種制造方法的好處是多方面的a)為了補(bǔ)償可印刷的導(dǎo)電聚合物墨的大的本征電阻率，必須增加天線圈的橫截面，這可以通過(guò)加寬圈和/或加大墨的沉積厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)。在和要求相適上的基礎(chǔ)上，在各種機(jī)械和老化(熱、濕)檢驗(yàn)后含有至少三圈的一個(gè)印刷天線的各種瞬態(tài)性能至少可以和一個(gè)蝕刻天線的性能相比較。在必須加大天線的電感以和小的內(nèi)電容的芯片相適應(yīng)時(shí)，增加圈數(shù)對(duì)印刷天線是有害的，因?yàn)樵谶@三層中的電學(xué)性質(zhì)退變很快。(電導(dǎo)率和電感減小)。本發(fā)明的方法可以克服這個(gè)技術(shù)死路，同時(shí)推薦一種可以與小電容智能相兼容的印刷天線。
b)通過(guò)修改根據(jù)本發(fā)明的耦合天線的幾何參數(shù)(電介質(zhì)絕緣層的厚度、圈的寬度和厚度、相疊的各圈間的覆蓋面)，可以調(diào)節(jié)印刷天線的電感值以得到完美的匹配，因此可以實(shí)現(xiàn)一種天線結(jié)構(gòu)，使鑄造商極大地縮小芯片的輸入電容。電容的這種“客觀化”為鑄造商提供了非常有興趣的廉價(jià)前景。
c)一個(gè)印刷天線的造價(jià)在實(shí)際上比一個(gè)蝕刻天線的造價(jià)低十倍還多。印刷天線的實(shí)施是按照對(duì)于在平板上印刷天線的標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行的(三個(gè)涂膜、三個(gè)絲網(wǎng)(screen)，相同的墨)?？ǖ目們r(jià)錢因而明顯的很低，因?yàn)樾酒膬?nèi)電容極大地減小。
閱讀后面的描述將更好地弄清本發(fā)明的目的、目標(biāo)和優(yōu)越性。后面的描述將參照下列附圖。


圖1示出一個(gè)帶有存儲(chǔ)器的無(wú)接觸卡的電路示意圖，圖2示出的是根據(jù)一個(gè)特殊的實(shí)施方式在這種實(shí)施的第一步結(jié)束時(shí)的耦合天線。
圖3示出在上述實(shí)施的第二步結(jié)束時(shí)的根據(jù)本發(fā)明的耦合天線，圖4示出在上述實(shí)施的最后一步結(jié)束時(shí)的根據(jù)本發(fā)明的耦合天線。
根據(jù)圖1，卡1的電路分成兩部分天線和芯片。芯片2有一內(nèi)部電容Cs4，由置于芯片的電容器來(lái)得到。芯片中還有一個(gè)電子部分6，對(duì)應(yīng)于存儲(chǔ)區(qū)和處理器。這個(gè)芯片2通過(guò)電路1和天線8連接。天線8中有一電阻Rs10，電路中功率損耗是由它造成的。天線中還有它本身的電感Ls12。
圖2、3、4示出在制造方法的三個(gè)主要步驟之后的天線。這所涉及的是由相疊的兩個(gè)圈構(gòu)成一組的天線。同樣的方法可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)的天線中有至少一圈的多個(gè)組，且這多組中至少有一組是由至少相疊的兩圈構(gòu)成的。
在制造方法的第一步中，將導(dǎo)電墨構(gòu)成圈16印在平板基底14上，基底14是由絕緣的電介質(zhì)構(gòu)成的，見圖2所示。此述的電介質(zhì)可以是塑料、紙，或是用熱固性樹脂浸漬或紫外線網(wǎng)化的玻璃布。使用的塑料例如是聚氯乙烯(PVC)、聚酯(PET、PETG)、聚碳酸酯(PC)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)。所用的導(dǎo)電墨中有聚合物并加有導(dǎo)電成分，導(dǎo)電成分可以是金屬，最好所用的墨中摻的是銀，有時(shí)是加銅或碳。墨中含有50％到70％的粒狀或片狀的銀。使用的聚合物是聚酯或是丙烯樹脂，墨中還有溶劑，起到媒介物的作用。根據(jù)一種特殊的實(shí)施方式，溶劑為乙二醇醚。圈16沿著基底的外沿，圈的一個(gè)端頭接觸某一個(gè)連接頭18，以將天線和某一個(gè)電學(xué)部分或電子部分相連接，例如芯片。這圈的另一端是空的，以能和第二圈相連。
圖3示出在本方法的第二步之后的天線。實(shí)施第二步印刷。這第二步印刷對(duì)應(yīng)于至少二層介電墨的沉積，以在兩圈之間構(gòu)成絕緣帶20。根據(jù)一種理想的實(shí)施方式，每層有25微米厚。這種墨中有聚合物和紫外線照射時(shí)會(huì)網(wǎng)化(Reticule)。根據(jù)一種實(shí)施方式，所說(shuō)的聚合物可以是丙烯樹脂和未飽和聚酯纖維。和導(dǎo)電墨不同，這種墨中沒(méi)有溶劑。在將墨放在紫外線下作用時(shí)，含在墨中的聚合物就網(wǎng)化，網(wǎng)化使墨變硬。這樣天線的幾何形狀就非常穩(wěn)定，特別是絕緣帶的厚度就非常穩(wěn)定，于是兩圈之間的距離就不變，這就使得天線保持其最佳的運(yùn)行質(zhì)量。為使這種墨的絕緣性能足夠好，也要具有相對(duì)高的介電常數(shù)，一般其介電常數(shù)值要大于3。在一種好的實(shí)施方式中，用來(lái)印刷絕緣帶的墨的介電常數(shù)為3.9。為保證絕緣帶有好的絕緣性能，至少需要兩層墨。事實(shí)上，在網(wǎng)化以后，墨層有相當(dāng)大的多孔性，防礙墨具有良好的絕緣能力。為解決這個(gè)問(wèn)題，連續(xù)且重疊印刷二層，構(gòu)成的一條帶具有很強(qiáng)的絕緣能力。這條帶是疊在圈16上，且將這個(gè)圈全部覆蓋，特別是和連接端頭相接觸的那個(gè)端頭18，但留著空頭的第二個(gè)端頭17除外，以能和第二圈相連接。
圖4示出在天線制造方法的第三步后的天線，亦即最后一步后的天線。第三步印刷對(duì)應(yīng)于制成的圈22，這一圈是重疊在第一組的圈16之上，和兩圈之間的絕緣帶20之上。所說(shuō)重疊是沿重直于基底平面的垂線軸的方向上的重疊。圈22的端頭之一和第一圈16的一個(gè)空端17相連，而其第二個(gè)端頭則和天線的第二個(gè)連接端24相連。
因此，從這個(gè)例子可以看出，所述的天線是由相串的二個(gè)圈構(gòu)成的，這兩個(gè)圈處在不同的兩個(gè)平面內(nèi)，相互平行，每圈都和基底14平行。于是這種天線稱為“Z”形天線。
可以將構(gòu)成天線的兩圈之間的連接看成是通過(guò)沿著整個(gè)天線的分布電容來(lái)連接的。這種結(jié)構(gòu)等效成兩個(gè)線圈(對(duì)應(yīng)于每一個(gè)圈)通過(guò)一個(gè)電容串接，所述的電容是由處在兩圈之間的構(gòu)成絕緣帶的電介質(zhì)形成的。如果每圈的電感是L，而這個(gè)電容的值為C，則其整體的復(fù)阻抗為Z=i·2·L·ω-iC·ω---(2)]]>從上面的方程看出，電容C的值越大，則電感Z也越大，或者相疊兩圈之間的電容隨絕緣帶的厚度而變化，于是可以計(jì)及芯片的輸入電容，改變天線的表現(xiàn)電感(實(shí)際上是阻抗Z)，以得到共振條件。事實(shí)上如果智能卡的輸入電容太小，則可用減小兩圈間絕緣層的厚度來(lái)增加兩圈之間的電容。天線的表現(xiàn)電感也同樣增加了；如果相反，芯片的輸入電容大，則可通過(guò)增大絕緣帶的厚度來(lái)得到小電感天線，并由此和芯片更好地適應(yīng)。這樣可以根據(jù)分開相疊兩圈的絕緣帶的厚度來(lái)使表觀電感的值可調(diào)節(jié)。
已測(cè)出兩圈之間的電容的值，記錄到的最大值為2000皮法拉(pF)這個(gè)電容值允許獲得的電感值約為1900納亨(nH)。
上面描述的耦合天線僅僅是一個(gè)實(shí)施例。事實(shí)上，根據(jù)本發(fā)明，天線中可以有一個(gè)或多個(gè)僅有一圈的組，以及一個(gè)或多個(gè)由串接的多圈所構(gòu)成的組。每一個(gè)多圈組是由相疊的圈串聯(lián)組成的，這組和那組的相疊圈數(shù)和直徑可不同。
根據(jù)本發(fā)明的耦合天線特別可以用于無(wú)接觸的智能卡。這些智能卡是一個(gè)平面基底上帶有與至少一個(gè)芯片相連的至少一個(gè)高電感耦合天線構(gòu)成的。在這個(gè)平面基底上還有一個(gè)小的內(nèi)部電容。根據(jù)一種特殊的無(wú)接觸智能卡，平面基底是夾在兩個(gè)卡體之間，在基底的每個(gè)邊沿將這兩個(gè)卡體固結(jié)起來(lái)以增加硬度。這些卡體可以是塑料的。在這種情況下，所用的塑料可以是聚氯乙烯(PVC)、聚酯(PET PETG)、聚合碳酸酯(PC)，或者為丙烯腈-丁乙烯-苯乙烯(ABS)。當(dāng)這些卡體是塑料的，則帶有一個(gè)或多個(gè)根據(jù)本發(fā)明的天線的基底的邊緣的固結(jié)是用構(gòu)成卡的三個(gè)部件的熱壓或冷壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這亦稱為熱軋或冷軋，一且實(shí)現(xiàn)壓軋，則芯片就安裝進(jìn)去并和一個(gè)或多個(gè)卡的天線連接起來(lái)。
權(quán)利要求
1.在一個(gè)由絕緣的介電材料構(gòu)成的平面基底(14)上串聯(lián)的多個(gè)圈構(gòu)成的耦合天線；述及的天線的特征在于這種天線在述及的平面基底上有其中含有至少一圈的一組或串接的多組，這些組中至少有一組是由沿垂直于平面基底的軸線方向相疊并串接的兩圈(16、22)構(gòu)成的，且這兩圈間是用電介質(zhì)墨的絕緣帶(20)隔開，這樣能得到一個(gè)大的電感值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的天線，其中述及的圈都是印在平面基底上的墨圈，其中的電介質(zhì)墨絕緣帶也是印在平面基底上的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的耦合天線，其中有一組是在垂直于基底平面的軸體方面上重疊印制的兩個(gè)墨圈，這兩個(gè)墨圈串聯(lián)，由述及的絕緣帶隔開。
4.根據(jù)前述的權(quán)利要求之一的耦合天線，其中構(gòu)成平面基底的介電材料是塑料、紙、或熱固性樹脂浸漬或可被紫外線網(wǎng)化的玻璃布。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的耦合天線，其中所用的制作平面基底的塑料為介電材料，為聚氯乙烯(PVC)、聚酯(PET、PETG)、聚合碳酸酯(PC)丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2至5中之一的耦合天線，其中述及的印刷圈的墨是摻加有導(dǎo)電成分的導(dǎo)電聚合物墨。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的耦合天線，其中導(dǎo)電聚合物墨中所摻的為銀、銅或碳。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的耦合天線，其中述及的絕緣帶是由至少兩層電介質(zhì)墨構(gòu)成的。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的耦合天線，其中構(gòu)成兩層絕緣帶的電介質(zhì)墨是一種經(jīng)紫外線可網(wǎng)狀化的聚合物墨。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的天線的制造方法，其特征在于它涉及到——在絕緣的介電材料構(gòu)成的平面基底的一個(gè)面上沉積導(dǎo)電墨，以實(shí)現(xiàn)印刷一組或多組的一圈，——沉積電介質(zhì)墨，在前述至少一組的前面印刷的圈上印刷一條絕緣帶， 以將前述的圈覆蓋而留下天線的連接端和與相疊圈的連接區(qū)顯露出來(lái)，——沉積導(dǎo)電墨，在前述印刷的絕緣帶的上面實(shí)現(xiàn)至少一組的一圈的印刷，當(dāng)天線具有一組或多組的相疊的圈數(shù)多于2時(shí)，將這方法的第二步和第三步重復(fù)一次或多次。
11.由帶有和至少一個(gè)芯片連接的、根據(jù)權(quán)利要求1至9的高電感耦合天線的平面基底所構(gòu)成的無(wú)接觸智能卡。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的無(wú)接觸智能卡，其中至少有一個(gè)芯片具有小的內(nèi)部電容。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12的無(wú)接觸智能卡，其中的平面基底是夾在兩個(gè)卡體的中間，述及的兩層卡體在平面基底的每個(gè)邊緣都固結(jié)，由此而使卡變硬。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的智能卡，其中的卡體都是塑料的，如聚氯乙烯(PVC)、聚酯(PET、PETG)、聚合碳酸酯(PC)或丙烯腈-丁乙烯-苯乙烯(ABS)。
15.根據(jù)權(quán)利要求13的或14的智能卡，其中的卡體與天線的平面基底的固結(jié)是用熱軋或冷軋。
全文摘要
本發(fā)明涉有的是一種耦合天線,是由在絕緣的介電材料的基底(14)上串接的多圈構(gòu)成的。這種天線是由在平面基底上的一組或多組至少一圈(16)串接而成,其中至少有一組是由在垂直于基底平面方向上相疊的至少兩圈(16、22)串聯(lián)而成,且這至少兩圈為電介質(zhì)墨的絕緣帶(20)所隔開,這便能得到一個(gè)大的電感值。本發(fā)明還涉及到這樣一種天線的制造方法以及將這種天線應(yīng)用于無(wú)接觸智能卡。
文檔編號(hào)H01Q1/22GK1336019SQ00802448
公開日2002年2月13日 申請(qǐng)日期2000年10月26日 優(yōu)先權(quán)日1999年10月28日
發(fā)明者特里·伯亞德簡(jiǎn), 克里斯托弗·馬修 申請(qǐng)人:Ask股份有限公司