专利名称：可编程的印刷电子编码及其制造方法和编程装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及根据权利要求I的前序部分所述的可编程的印刷电子编码。本发明还涉及用于该印刷编码的制造方法，以及及编程装置。
背景技术：
根据现有技术，在货物运输中使用了光学可读的条形码以及远程可读的RFID标识符。条形码具有标准化技术的优点，但是此技术要求有可见的标记以及至少在可视距、离处进行的读取技木，因此限制了应用的场合。可见标记使得该技术容易被滥用。RFID技术具有许多优于上述条形码技术的优点，包括具有远程可读能力以及将条形码完全隐藏于产品中的能力，这可用来防止伪造编码。然而，该技术中使用的标识符明显比条形码技术昂贵。美国专利5818019公开了ー种解决方案，其中读取装置用来測量分配有货币值的电容式验证电阻标记。该机器允许进行近距离的非接触式測量。在此测量过程中，几个(例如8个)电阻器的阻值的顺序通过同时測量来确定，使得各电阻器的阻值应处于具体的限定范围之内。因此，关键是采用“数字技木”来估计抽奖券的电子正确性。如果所有电阻器均在预定限值内，则该券被接受，而只要有一个偏离该范围则会导致拒绝接收。还存在有电子可读的编码，其通过用读取装置扫过该编码而从近距离读取。此类编码已印刷成具有最終的唯一值。该技术不具有灵活性，并且非常耗时，因为每个编码必须単独地制造以便获得唯一的编码值。
发明内容
本发明意欲消除上述现有技术中存在的缺陷，为此创造了全新的电子编码、其制造方法，以及针对电子编码的编程装置。本发明基于从几条传导线中形成编码，传导线包括至少ー个可在印刷后更改的区域。根据本发明的ー个优选实施例，可更改区域是可通过电子烧结而更改的区域。更具体地说，根据本发明的编码的特征如权利要求I的特征部分所述。针对该部分，根据本发明的方法的特征如权利要求10的特征部分所述。此外，根据本发明的编码装置的特征如权利要求16的特征部分所述。利用本发明可以得到相当大的优点。本发明提供了一种电子印刷编码，其内容可在编码结构制造之后以电子方式写入或可编程。制造可产生相同的编码结构，这是大規模生产所希望的。编码的唯一性内容稍后由可能不是制造该编码的供应链的那一方通过专有装置来写入。因此，本发明实现了制造过程和产品价值链二者的优化。一个优选的产品示例是安全编码。本发明的ー个优选应用区域是用于消费品(药品包装、贵重品)以及诸如票据等文件的产品源产地、真实性或者文件安全编码或标记。如果编码不同，那么唯一电子产品或安全编码的大規模印刷就有问题。这是因为快速的大規模印刷方法如凹版印刷仅适用于生产大量相同的结构。喷墨印刷可以做到逐项的定制，但是喷墨印刷在大規模生产中通常太慢。本发明通过采用电子烧结技术进行编码定制而解决了该问题。本发明提供了相对于条形码的明显的优点，这要归功于使它不可见的可能性。不可见编码可用来辨别伪造品，此外，它也比较容易实现且具有成本效益。实际上，本发明的应用类似于RFID技术和条形码技术的应用。根据本发明的编码可以是可见的，也可以是隐藏在不透明的保护膜下。根据本发明的编码例如可用于权限控制应用、产品-数据编码、鉴伪、产品来源的验证等。相对于电子可读的RFID标签，本发明具有相当大的成本优点，这是因为编码可采 用印刷技术来制造。借助于标记的电子属性的优化，测量电子器件可采用更便宜的元件来制造。
以下结合示例并參照附图来说明本发明。图I显示了根据本发明的ー个可编程编码的顶视图。图2显示了根据本发明的另ー个可编程编码的顶视图。图3显示了本发明ー个实施例的示意性透视图，其中編码的编程可通过扫描AC烧结来实现。图4显示了本发明ー个实施例的示意性透视图，其中印刷墨水层是连续的区域，其局部表面阻抗采用根据本发明的AC烧结装置来改变。图5显示了本发明ー个实施例的示意性顶视图，其中编码线由不受电子烧结影响的具有固定电阻系数的良好导电部分和在烧结过程中会改变其电阻的部分构成。图6显示了本发明ー个实施例的示意性顶视图，其中图19中的概念以所示方式延伸到这里，以便优化未写入和写入的阻抗水平。图7a显示了本发明ー个实施例的示意性顶视图，其中編码线仅采用电子烧结墨水而被部分地印刷。图7b显示了图7a所示配置的实际实现。图8显示了本发明ー个实施例的示意性顶视图，其中到编码线的触点是比编码线尺寸更大的贯穿式触盘。图9显示了本发明ー个实施例的示意性顶视图，其中电子烧结编码位的表面积是变化的。图10显示了用于DC编程器电路的本发明ー个实施例的示意图。图11显示了本发明ー个实施例的示意性顶视图，其中对编码线进行调制以促进共振读取。图12显示了本发明ー个实施例的示意性顶视图，其中，位部分具有不同电阻系数，并且宽度是变化的以使位部分的电阻基本相同。图13显示了本发明ー个实施例的示意性透视图，其中编码线的部分在垂直方向上偏移。
图14显示了本发明ー个实施例的示意性顶视图，其中存储器位部分将两个相邻的编码线连接起来。图15显示了根据本发明的一个测量装置。图16显示了根据本发明的ー个测量对象。图17a显示了根据本发明的在电极之间没有要读取的编码时的測量装置电极之间的等效电路。图17b显示了根据本发明的在电极之间存在要读取的编码时的測量装置电极之间的等效电路。图18以示意性显示了针对根据本发明的測量装置而言的要读取标记的实分量和虚分量随编码电阻增加时的特性。
具体实施例方式采用电子烧结来修改沉积(印刷、分配、旋转涂覆等)的材料层、例如基于纳米粒子印刷墨水的干燥层的阻抗或表面阻杭。阻抗通常是既有实部又有虚部的复变量。阻抗部分(实部或虚部)中的任一个或两者可用于读取。然而，如果读出器表面的触点是电容性的，那么用阻抗的实部可获取更可靠的读取結果。在下文中，电子编码表示这种受控的阻抗结构。电子编码可以是条形码的形式，该条形码由变化的电阻系数的线构成。条形码整个地或部分地用墨水来制造，其电阻系数可在之后通过电子烧结技术来调节。这种墨水的一个例子是Advanced Nano Products公司的银纳米粒子墨水。编码的可调电阻系数的线可整体地或部分地用这种墨水来制造。编程装置与编码结构形成电直流或交流的接触，对所有或部分的编码线施加电子烧结。或者，印刷结构可以是涂覆了纳米粒子墨水的区域，通过烧结该表面区域的部分来将编码写到该区域上。以下的图示例性地显示了本发明的特定方面。编码例如可采用本文稍后介绍的读出器来读取。在下面的图中提供了用于编码的预制件(perform) 200，其可通过电方式更改为唯一性编码。在图中提供了编码，其中墨水的未烧结状态和烧结状态用作编码线的两个导电状态。在电子烧结情况下，电导率也可在两个极态之间以有限的步骤变化，从而实现多电平的电子编码。此外，通过用比烧结电压(电流、功率)足够高的电压(电流、功率)，导体可被熔断(熔丝模式操作)，从而实现编码线的除未烧结(低传导率)状态和烧结(高传导率)状态之外的第三状态。在图15中显示了可编程的条形码101，它实际上是在编程阶段之前的用于编码的预制件200。该图还显示了编程装置103和电流式编码装置触点102。在编程中，编程装置103将DC或AC电压施加到所有或部分编码线上，以将那些编码线烧结到导电状态。换句话说，编程装置103可选择元件101中的任何ー个，以改变相应元件101的电导值。触点102例如可以是处于可具有足够大小的触盘的编码线101的端部上的直接式电触点。如图22所示，触盘也可与电接触编码线的编码分开。这些线全部或部分地采用电子烧结墨水如银纳米粒子墨水进行印刷(參见图19、图20、图21、图23、图25以及图26，编码线仅部分采用烧结墨水印刷)。 图16提供了一种解决方案，其中编码线的另一端可以是电子触点104，以限制到编程装置的电触点的数量。图17提供了一种解决方案，其中編码的编程可通过在接触或靠近衬底105顶部上所印刷的编码线的位置处用AC烧结装置106扫过编码线101来进行。图18提供了一种解决方案，其中印刷墨水层可以是连续的区域107，该区域的局部表面阻抗采用AC烧结装置106来修改。图19提供了一种解决方案，其中编码线101由不受电子烧结影响的固定电阻率的良好导电部分108和在烧结时会改变其电阻的部分109构成。此解决方案利用了编码的良好导电部分和读出器之间的电容耦合；通过将导电部分108连结到一起，烧结互连部分109増加了导电结构的物理表面区域。所述配置的关键优点包括(i)部分108可用低成本的导电墨水，而部分109可用银纳米粒子墨水，(ii)小尺寸(长度)的位部分109允许在与烧结整条编码线相比的更低功率或理低的电压水平下进行编程。根据图20，图19的概念可如这里所示地延伸，从而优化未写入和写入的阻抗水平。图21a提供了另ー种方案，其利用了仅用电子烧结墨水109来进行部分印刷的编码线。这里使用了共用电极104，并且在共用电极104和各编码线101之间设置了可烧结部分109。可烧结部分109増加了导电结构的物理尺寸，这影响了电容式读出器、例如结合图15所述读出器的读取。图7b提供了图7a所示配置的实际实现。编码信息采用图15所示读出器通过扫描编码来进行读取。编码线101已被指定为字母A-F。扫描I对应于初始状态，其中编码线A、C、E和F通过未烧结位109而与共用电极104分开。这些具有未烧结位的编码线(状态I)提供了高的读出器输出幅度。在扫描2中，编码线A、E和F已被烧结(状态2)。此转变作为读出器输出幅度从高到低的变化而被检测到。第三转变状态(状态3)对应于熔烧位109。这用扫描3中的编码线E来表示。因此，针对编码线E的读出器输出被切换回从低到高的幅度。可烧结部分109可从状态I (未烧结)直接编程为状态3 (熔断)，如编码线C所示。參考编码线B和D在所有扫描期间通过闭合位130而保持连接到共用电极104上。根据图22，编码线101的触点可以是尺寸比编码线101更大的贯穿式触盘102。根据图23，电子烧结编码位115-117的表面积是变化的。在此特定设置中，各个位的电阻等于材料层的方块电阻R □。因此，施加电压U平均地分到位上，而对于具有最小表面积115的位来说，电流密度较大。因此，编码可通过改变烧结电压(或烧结时间)来进行编程，使得只有最小位115采用低电压烧结，而施加更高的电压(或更长的烧结时间)来烧结例如位115和116。编程的位可在编程过程中随总电阻从3R □ — 2R □ — R □—短路的变化来验证。图24显示了 DC编程器电路的ー种可能实现的示意性图示。控制逻辑114控制电压源110、限流电阻器111，以及寻址在部分113中所包含的条形码的不同线的开关112。
图25提供了类似于图5的解决方案，但是对编码线长度101进行调制，以促进基于在与线长有关的频率下发生的共振的读取。图26提供了根据图23所示的解决方案，但是位部分119、120和121具有不同的电阻系数，并且宽度是变化的以使位部分119、120和121的电阻基本相同。图27提供了根据图22所示的解决方案，但是编码线108的部分在横向上偏移。
图28提供了解决方案，其中存储位部分109将两个相邻的编码线108连接起来。以下是用于本发明的编码元件的典型尺寸典型范围典型值编码元件101的宽度20 μ m-lmm
编码元件101的长度500 μ m-10mm可编辑部分109 的面积50 μ mx50 μ m-200 μ mxl500 μ m可编辑部分109的方块电导未烧结IkQ-IOOkQ烧结的传导部分 50ι Ω-1Ω可编辑区域109的厚度 I μ m可编辑区域的典型材料是银纳米粒子墨水，如ANP DGH-55HTG。也可采用其他的电子可编程材料。图15显示了可用于读取如图1-14所示的上述编码的测量装置I。在此装置中，由振荡器2馈电的两个活电极4激发电流，该电流流过被测量的表面，还可能流过其中的导电结构。在根据该图的设置中，中间电极5用于测量信号。布线和放大器6的电容(CMOS或者JFET)通常很大，使得读取电极5的阻抗表示电容短路。如果不是这种情况的话，可在放大器6中设置电流反馈，以使放大器的输入具有极低的阻杭。通过采用相敏检测器7来检测信号，该检测器基于将信号向下与和对象同相位相连的交流电进行混合，并且信号相移90度。如果测量不是差分的，那么可采用反相位信号来取消导体之间的电容连接，以便使桥路平衡。根据该图配置的电路测量表面的导纳的虚分量9和实分量8。图16显示了ー种情形，其中导电的(不透明)编码11形成在衬底10上。衬底10可以是纸、板、塑料或其他类似物，通常是不导电的表面。在该图中，编码进行成使得编码11的宽度恒定，而编码之间的距离可调。因此，在该编码中，在导电结构11之间有短间隙12和长间隙13。在一些情形下，编码11上设有薄塑料膜，这可减少到对象的电容连接。根据图16，如果采用根据图I所示的设置来扫描编码，那么导纳将会基本上在两个值之间变化。图17a的电路显示了ー种情形，其中被测对象仅仅是纸，并且在图17b中相应地显示了ー种情形，其中在衬底10上设有导电层。因为该区域被划分，精确的模型需要用几个电容器和电阻器来描述此情形。如果在进行扫描的表面上有几个导电结构，则进行导纳调节。在这种情况下，当在单个频率下进行测量吋，阻抗测量产生了对象的导纳的虚分量和实分量。对于测量来说关键的问题是，与其中编码更改了实分量和虚分量这二者的情形相比，导纳的虚分量和实分量的波动如何。本发明的中心思想是如何进行此測量，从而使得能使测量的信噪比最大化。如果假设对象的电阻噪声不是实质性的，那么就电子器件而言，尝试将实分量或虚分量的电流最大化。这是通过将到对象的电容连接最大化、通过产生宽的电极和宽的编码、以及通过最小化编码与测量电极之间的距离来实现的。然而，在高频率下，对象的噪声往往确定了信噪比，而不是电子器件的噪声。噪声通常因读出器的“搜寻”和倾斜以及纸张(即对象)的粗糙度而产生。因为大多数基底是不导电的，造成噪声的问题主要仅在于导纳的虚分量。虽然表面具有一定程度的损耗，但是实分量的噪声总是保持为小于虚分量的噪声。噪声也可以在编码上方产生。如果编码是高度导电的，但墨水例如因纸张的粗糙而“有污点”，问题就会是，在编码的上方，虚分量和实分量均带有噪声。实分量也可以保持很小，因为电流仅通过良好导电的桥路从输入电极流到測量电极。如果假定对象为简单的等效电路，其中电容器和电阻器的串联连接描述了在当读取头处于编码上方时的情形中的阻杭。在编码之外，对象几乎完全没有损失，使得它仅可描述为电容器。该电子器件所接收的电流可由下式获得I = UmC^.....^ ,其中 r = ω CR (I)
r' +1首先可注意到，可通过采用最高可能的频率以及通过尝试尽可能近地測量导电编码一通过产生较大的电容，而使电流最大化。图18借助曲线40图示地显示了测量导纳的实分量和虚分量在电阻增加时的特 性。该图是标准化的图示，其中測量距离是恒定的，因此电容具有恒定的幅度。此外，在该图中绘制了椭圆43，其描述了无编码的导纳。可注意到，实分量的调节在点44处r=l时最大，在此处测量导纳的虚分量和实分量是等幅度的，在此情况下，測量阻抗的实分量和虚分量自然也是等幅度的。在该图中还绘制了一种假想的情形(黒色椭圆42)，其中測量了高质量的导电表面。圆41显示了ー种测量“孔状”编码的情形，在这种情况下，实分量和虚分量的变化都非常大。当采用绝缘基底材料吋，实分量的值及其波动很小，因此最好将该距离和墨水的传导率选择成使得r=l，从而最大化导纳的实分量的信噪比。当电阻增加到无穷大时，曲线接近椭圆43。该方法基本上基于将对象的导纳的实分量和虚分量彼此分开。在高频率下，且尤其在采用方波时，关于所谓的角度误差并无准确的信息。采用其中含有高谐波的方波，实分量和虚分量的整个概念在某种意义上是错误的。根据本发明的一个实施例，重要的因素是以下角度校正等式针对于所测量的实分量和虚分量Re {YJ = Re {Y} cos a+Im {Y} sin α 和⑵Im {Yu} =-Re {Y} sin a+Im {Y} cos α下标u指角度校正的导纳。校正角度标记为α。该方法的基本概念是，校正角度选择成使得当測量装置在纸张(塑料)的表面上的无编码的点处扫过吋，实分量的变化最小。通过在纸张表面上有意地按压，或者通过摆动測量点(笔)以改变到纸张表面的距离，可以改进调校。优选地在本实施例中所用的表面上进行调校。另ー种备选方式是在扫描无编码区域中的编码时进行针对角度的调校。当測量点扫过这种无编码、无损耗的表面时，基本上只有无损耗的測量分量发生变化。这意味着能够以使得导纳的实分量中的变化最小的方式来得到该角度。如果该角度选择成使得在纸张上放置该点不会影响角度的实分量，那么实分量的噪声也被最小化。实际上，如果读取频率不改变的话，角度的调校必须只进行一次。针对各个测量点是否必须进行単独的调校取决于电子器件制造时的偏差。因此，角度校正的意图是为了消除由于纸张属性以及测量点的位置的变化而带来的測量信号的变化，并使测量信号仅取决于编码的属性。背景噪声被消除。在角度校正时，坐标系的旋转角度选择成使得对象中的无损耗介电材料的变化不会出现在经角度校正的Re信号中。这ー目的可以通过针对测量点来产生仅仅是无损耗介电常数的变化(例如通过降低纸张上的点)而达到。此后，检测该角度校正的信号Re和Im。调节角度α，直到调节所导致的变化仅出现在Im信号中，或者达到Re信号的最小值为止。在校正之后測量Re信号，其中变化将仅出现在编码处。该方法的中心思想是调校作为测量头的笔，以使得能将实分量和虚分量区分开。这可通过调节校正角度，以使得当将笔放到无损耗介电表面上时它不会产生实分量中的变化来实现。另ー种方式是刮擦介电表面，并保证当扫描表面时波动不会在实分量中发生。在实际的測量情形中，实分量在纸张表面上重设，并且预先设定触发电平，或者该算法基于信号強度来寻求合适的触发电平。因为实分量中的噪声比较小，触发电平可设置成非常接近于零。仅在其中编码的电导率被错误地測量或编码带有“污点”的情形下，值得采用向量的纵向调节来代替实分量的调节。原则上，通常编码可通过权重实分量和虚分量的长度至彼此间具有合适比率以优化信噪比而检测到。原则上，从导纳的实分量和虚分量中測量编码的正确电导率。从数学上进行该描 述非常困难，这是因为各个域被划分。这种描述依赖于笔的平均距离、与电极宽度相比的编码宽度，等等。然而，如果针对特定的应用来调校笔，就可以通过实验(或在数学上采用FEM计算)来寻■求如下的表达式r = f {Re {Y}，Im {Y}} (3)使得编码上方和外部的变量!·的变化与距离的微小变化无关。这仅是因为如下事实，即这两项均与距离成比例，使得通过采用这两个变量可以消除距离中的变化。应当注意，本方法并不测量编码的绝对电阻系数，而是与编码和纸张的电阻系数中的差异成比例。如果测量传感器信息，这种更精确的传导率的测量是重要的。然而，如果除测量线之外在编码中还放置了传导率已知的參考线，或者如果其值是结合编码信息而赋予的，那么可将传感器信息的測量返回到到实分量的測量。在此情况下，可从导纳Y的实分量和虚分量的等式中计算出传感器电阻系数的电阻值r
权利要求
1.ー种电子编码，包括 由基本上不导电材料形成的衬底(105，10)， 若干形成于衬底上的导电的编码元件(108)， 其特征在于，至少ー个编码元件(101，108)包括可编辑区域(109)，所述可编辑区域的电导率能以电的方式改变。
2.根据权利要求I所述的编码，其特征在于，整个编码元件(101)是可编辑的。
3.根据权利要求I所述的编码，其特征在于，所述编码元件(101)包括至少ー个可编辑区域(109)。
4.根据权利要求I所述的编码，其特征在于，所述可编辑区域(109)处于编码线(101)之间。
5.根据上述权利要求中任一项所述的编码，其特征在于，所述编码元件(101)是传导线。
6.根据上述权利要求中任一项所述的编码，其特征在于，所述可编辑区域(109)由能从低导电状态编辑到高导电状态的材料制成。
7.根据上述权利要求中任一项所述的编码，其特征在于，所述可编辑区域(109)是银纳米粒子星水。
8.根据上述权利要求中任一项所述的编码，其特征在于，在测量的情形下，測量结果的实分量(8)在无编码材料(8)的表面上重设，并且基于重设的实分量(8)来预先设置能启动所述测量的电子器件(I)的触发电平。
9.根据上述权利要求中任一项所述的编码，其特征在于，在测量的情形下，算法基于信号的強度来捜索能启动所述测量的合适触发电平。
10.一种用于形成电子可读编码的方法，其特征在干， 由第一方制造相同的编码预制件(200)，和 所述预制件(200)由第二方以电的方式编辑成唯一性编码(108)。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述预制件(200)通过烧结来编辑。
12.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述预制件(200)仅从选定部分(109)中局部地编辑。
13.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述预制件(200)通过电流接触而被编辑。
14.根据权利要求10-12中任一项所述的方法，其特征在于，所述预制件(200)通过电容接触而被编辑。
15.根据权利要求10-12中任一项所述的方法，其特征在于，所述预制件(200)通过RF场而被编辑。
16.一种用于编辑电子编码(200)的装置，其特征在于，包括用于将电信号施加到被编辑的编码(200，11)上的装置。
17.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，包括用于将电信号以直流电方式施加到被编辑的编码(200，11)上的装置。
18.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，包括用于将电信号以电容方式施加到被编辑的编码(200，11)上的装置。
19.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，包括用于将电的RF信号施加到被编辑的编码(200，11)上的装置。
全文摘要
本发明公开了一种电子编码，包括由基本上不导电材料形成的衬底(105,10)，以及若干形成于衬底上的导电的编码元件(108)。根据本发明，至少一个编码元件(101,108)包括电导率能以电的方式改变的可编辑区域(109)。
文档编号G06K1/12GK102667805SQ201080057417
公开日2012年9月12日 申请日期2010年12月13日 优先权日2009年12月16日
发明者亚克·莱佩涅米, 汤米·马蒂拉, 艾瑞·阿拉斯塔洛, 艾瑞·阿龙涅米, 马克·艾伦, 黑齐·塞帕 申请人:芬兰国家技术研究中心