用于埋入深处的物品的识别传感器的制作方法

本发明涉及专用于埋入式结构的rfid识别传感器领域，具体地涉及适用于深处的rfid识别传感器。

背景技术：

现如今，允许水、气、电力和通讯分布的基础设施和网络已经明显增多。安全、规章和立法约束使得能够精确定位这些埋入式结构变得有必要。继续检测和/或识别这些元件的兴趣变得明显，并且已经开发了第一技术，以允许对埋入式结构进行检测或rfid类型识别(射频识别)。

由commissariatal'energieatomatiqueetauxenergiesalternatives于2011年6月14日提交的国际专利申请wo2011157941提出了一种湿式天线，所述湿式天线可以用于实现用于埋入物品的检测器/rfid应答器rfid。本申请的教导是针对关于外部环境的容差问题的第一重要步骤。

图9中示出了对此已知天线的操作：一组环(300t、300d)印刷在薄基板上。顶部环(300t)面向底部环(300d)。由于面对面的环之间的短距离，所实现的布置引起示出非常重要的分布式电容(380)。当天线区段(300t、300d)构成电感器时，充当天线的调谐能力的是此电容。moebius环和分布式电容(380)的实施方式允许对由于外部环境而产生的变化的相对免疫性。

然而，所述过程对制造过程仍然非常敏感。实际上，分布式电容是三个直接参数的函数：每个区段(300t)和(300d)的宽度、每个区段(300t)和(300d)之间的基板的厚度以及其间的这些区段的对齐。最后，第四间接参数是所述基板的介电常数值，所述值可以根据含水量和温度变化。

然后，关于制造成本，所实施的过程需要基板的强制性存在，所述基板必须采用金属履带双面印刷。

就其本身而言，本专利申请的申请人提交了专利申请wo2012/062471，其目的是涉及一种装配有识别传感器或rfid标签的聚合物管。

一般来说，应该想到无线通信和非接触式识别技术，也被称作rfid，更具体地涉及

hf场技术(本实例中13.56mhz)，对于这种技术，通信基本上是基于磁场的。在此频率范围内，读取距离一般小于1米。然后，系统由发射器(主动部分，是电力发电机)和应答器(被动部分，无线地接收电力)组成。

如图1和图2中分别所示，rfid应答器通常包括串联连接(图1)或并联连接(图2)的至少三个元件构成，即天线(100)、rfid芯片(101)和电容器(102)。

天线(100)由一个或多个环组成，所述环用于收集由位于地面上的rfid发射器产生的电磁发射功率的一部分。在这一点上，天线具有允许激活rfid芯片的最小区域。实际上，此表面与由接收器对最小电磁功率的感测相对应，所述最小电磁功率与被发射的最大电力、检测距离和rfid芯片的功率需求有关。环的数量将关于rfid芯片的最小激活电压确定。

天线具有指定的电感器lant。此电感值是天线的几何函数。举例来说，由n个连续的或重叠的环构成的圆形天线的近似值如下，所述环的半径为r且线径为a：

并且μ0＝4π*10^-7

其中in是纳氏对数。

rfid芯片可以被比作标记为ctag的电容器。说明性值为大约20pf(20*10^-12f)。

所述布置必须在与信号频率接近的频率处共振，并且如技术人员已知的，确定共振频率的方程是：

其中cacc＝c102+ctag针对图1(并联耦合)或针对图2(串联耦合)。cacc与共振系统的调谐能力相对应。

如果lant由天线的几何结构设置，则f0由系统设置，并且仍旧只使用cacc作为调节参数。此值由已知公式给出：

可以使用其它技术，如图3和图4所示，其中可以看到rfid芯片101通过耦合器103与共振电路隔离开。

此外，应注意的是，为了减小频率偏移(由于温度变化、容差分散或布置了应答器的环境而引起的分量值的偏移)的影响，传统设计需要使用相对低的品质因数(一般大约30到40)。然而，天线表面区域和/或环数增加越多，lant就增大越多，品质因数与lant成比例，后者也会增大，直至出现问题。

对遇到的与rfid标签大规模工业化相关的新问题的陈述

如上所述，用于埋入式结构的rfid标签的实施方式需要使rfid标签对潮湿环境不敏感，而上述专利申请wo2011157941已经大大解决了这一问题。

然而，考虑大规模生产用于埋入物品的rfid标签的新问题对于制造商似乎至关重要。实际上，当lant增大时(即表面增大或环数增加)，会观察到cacc必须减小，以维持频率f0处的电路共振。对于一个给定实施方式，如果lant＝11μh(11*10^-6h)，其中例如，f0＝13.56mhz(13.56*10⁶hz)，则cacc＝12.52pf。

然后，可以看到实际上不可能使电路的部件并联，如图1所示。只可能继续保持如图2所示的串联，根据技术人员所熟知的公式，需要c102＝33.5pf，但是这样做时，且仍然根据所熟知的公式，我们加入了由ctag，c102形成的分压器桥。在实例中，这引入了端101处的大约三分之一的电压降，然后降低应答器的检测能力。

当考虑所需部件(即，所需的额外耦合器)时或从制造角度考虑，为了定位装配有耦合元件的预置芯片，使用图3和图4中所示的耦合方法，例如，如在tagsys于2006年7月5日提交的美国专利2009/0027208中所描述的，可以改善所述情形，但是对于大规模工业化，代价相对较高。另外，应答器的总效率会由于耦合器的存在而降低，由于后者的固有效率。

此外，已经发现没有一个所述已知解决方案，尤其是上述专利申请wo2011157941中所描述的前述解决方案，使得能够保证调谐频率的良好的容差。

可见，此频率f0将取决于三个不同的直接参数：环(100、200x)的制造过程(影响电感值)、调谐电容器(102、202x)的容差以及最后寄生电容(280x、201的能力)的容差。第四参数间接地是操作温度，与标称温度(通常25℃)相比，所述温度将围绕不同的值-特别是能力漂移。

对由于温度引起的变化已经进行了测量，并且如图8b所示，并且可以观察到在0℃到40℃范围内频率偏移为大约140khz。如果考虑部件值的容差，则例如调谐电容的标称值的2％的变化就会引起共振频率上130khz的变化。

总之，在不考虑其它影响(尤其是环境产生的影响)的情况下，共振频率的最小可能变化为270khz。

技术实现要素：

本发明的第一目的是提供用于埋入深处——多达至少三米——的rfid芯片的检测装置以检测和识别埋入式结构。

本发明的另一目的是提供用于检测rfid芯片的检测装置或应答器，其具有高品质因数(大约100)，同时允许谐振频率的大容差，例如，允许约400khz的漂移。

本发明的第三目的是提供制造成本低的应答器，其与其它已知的解决方案相比具有更好的能效。

本发明的第四目的是提供适用于旨在被埋入的结构的rfid标签的应答器，所述应答器包括确保信号的接收、响应信号的重传、频率调谐以及由rfid芯片执行的信号处理的所有组件，同时允许谐振频率的最小为270khz的可能变化。

本发明的第五目的是在以下意义上并且在允许的气候条件的范围内改进制造rfid标签的工艺：通过允许调谐频率的更大容差，达到允许分量(分量的标称值……)和导体实施方式(布局、绝缘体的性质……)两者具有更大灵活性的实现方式，因为rfid标签在0℃到40℃的温度范围内必须保持起作用。

本发明实现了所有那些目的，本发明提供了一种用于rfid型无线通信和非接触式识别系统的应答器，所述应答器被配置成附连到埋入式聚合物导管，所述应答器包括：

一组天线区段，其由构成至少第一天线元件(203-1)和至少第二天线元件(203-2)的导电体组成，

印刷电路，其包括rfid芯片，所述rfid芯片具有至少一个调谐电容202x；以及连接器281，其允许所述天线区段的电连接；

其特征在于，所述天线区段以小于3mm，并且优选地小于1mm的距离被布置成彼此靠近，以允许出现能够扩宽rfid谐振频率的容差带的耦合电容器。

在具体实施例中，所述天线区段被同心地布置在同一平面中并且电连接到所述连接器，其中两个紧邻的天线区段以小于3mm的距离布置，并且优选地1mm的距离，以允许出现能够扩宽rfid谐振频率的容差带的耦合电容器。

在另一个具体实施例中，所述天线区段具有彼此重叠的平面，其中两个紧邻的天线区段以小于3mm的距离定位，并且优选地小于1mm的距离，以允许出现能够扩宽rfid谐振频率的容差带的耦合电容器。

优选地，所述天线区段被布置在一起以形成扭曲物，从而允许出现允许扩宽rfid谐振频率的容差带的耦合能力。

优选地，所述天线区段在具有两个或三个导体的同一导电线中以两个或三个进行分组，以便在所述天线区段中的每一个之间显示出值介于50pf/m与75pf/m之间的线性电容。

因此，如前述专利申请wo2011157941中推荐的解决方案的情况一样，似乎不再需要使用明确的基板来生产天线元件，天线区段之间出现的分布式电容仅在天线的最终调谐方面起到相对作用，这由串联能力决定。此外，不再需要提供对称性，并且标签的制造过程被简化为更简单且更有优势，制造成本也最低。

附图说明

本发明的其它特征、目标和优势将在阅读以下说明书和附图时变得明显，仅列举一些非限制性实例。在附图中：

图1示出了基于并联连接的天线、rfid芯片和电容器的rfid应答器的传统结构。

图2示出了基于串联连接的天线、rfid芯片和电容器的rfid应答器的传统结构。

图3和图4示出了rfid应答器的已知架构的两个变体，所述rfid应答器包括用于将rfid芯片连接到共振元件的耦合器103。

图5示出了rfid应答器的实施例的电气图，所述rfid应答器包括一个rfid芯片和多个天线元件。

图6a示出了被同心地布置的天线区段的第一拓扑结构的实施例。

图6b示出了第二拓扑结构的实施例，其由沿垂直于不同天线区段的表面的轴线的不同天线区段的叠加组成。

图6c示出了第三拓扑结构的实施例，其由扭曲在一起的不同天线区段组成，以形成扭曲物。

图7a示出了印刷电路的第一实施例，所述印刷电路包括由三个天线区段组成的两个天线元件。

图7b示出了印刷电路的第二实施例，所述印刷电路还具有由六个天线区段组成的两个天线元件。

图7c示出了图7a的连接器的第一实施例的连接，其中所述三个天线区段通过单个三导体电缆连接。

图7d示出了图7b的连接器的第二实施例的连接，其中所述六个天线区段通过三导体电缆连接。

图8a、图8c和图8d示出了调谐频率的容差，引起了最大检测距离上小于10cm的差。

图8a示出了实施例m1和m2的最大读取距离与频率曲线。

图8c示出了实施例m4的最大读取距离与频率曲线。

图8d示出了实施例m3的最大读取距离与频率曲线。

图8b示出了作为温度变化的函数的频率偏移的测量结果。

图9示出了上述专利申请wo2011157941中建议的解决方案的框图。

具体实施方式

现在我们将考虑用于执行旨在被埋入地下的管道的rfid标签的rfid应答器的特定实施例。例如，可以考虑高密度聚乙烯管道，所述管道特别设计用于构造用于饮用水供应、燃气分布、净化、电力电缆和光纤保护的管道。

具体地，例如，可以考虑聚乙烯多层管道，其被设计用于实现一定压力下且埋入地下的管道网络，根据en1555标准，所述管道由pe80或pe100高密度聚乙烯管组成。更具体地说，rfid标签将用于提供表示管识别、管制造过程和管位置的信息。

如图5所示，示出了依据本发明的一个实施例的电气图，rfid应答器由共振系统组成，所述共振系统包括天线291，其由串联连接的天线区段203-1、203-2、...203-x，电容器202-1、202-2...202-x，与传统的rfid芯片201串联的电线组成。rfid芯片是集成电路，其适用于实施无线通信和被称为射频识别检测(rfid)的非接触式识别技术所述技术是本领域技术人员众所周知的，并且为了简洁，将不再进一步描述。

在图5所示的实施例中，天线元件的每个端都连接到任一电容器202-1、202-2、...202-x，或连接到rfid芯片201的电极。

一般来说，每个天线元件都由一个或多个单独的导电线或天线区段构成，其由通用参考200x(未在图5中示出)指定，所述天线区段中的每一个都由环的构成感测元件的至少一个重要部分组成。第一天线区段可以例如由半环组成。第二天线区段可以由整环组成。第三天线区段可以由一个环和半个环组成。第四天线区段具有两个环等等。

因此，天线元件203-1、...203-x可以基于天线区段200x的多种组合实现各种配置。

一般来说，每个天线区段200x由绝缘或非绝缘电线组成，其被布置在多股或单股电缆中。电线截面可以不同。同一实施例中每个天线区段200x可以在几何结构和环数方面各不相同，从而允许rfid标签在更大概率上具有不同配置。

对于图5所示的电容器202-1、202-2、...202-x，应注意的是这些可以采用非常不同的形式。具体地，能力202-x无需被限制为单个元件，但是可以被设想为若干单独能力的串联和/或并联，从而根据技术规则形成相当于独有能力。同样地，应注意的是，能力202-1、202-2、202-x可以具有不同值。

构成天线元件203-1、203-x的天线区段200x可以根据不同实施例被布置在支撑件上，如图6a、图6b和图6c中所示。

更具体地说，图6a示出了天线区段200x的第一布局拓扑结构，其基于电连接到印刷电路板281的三个天线区段200x的同心布置。在此配置中，所述三个天线区段具有圆形形状，被布置在同一平面中，并且非常紧密地布置。两个紧邻的天线区段以小于3mm，并且优选地小于1mm的距离定位，以允许出现图6a中所示的耦合电容280。

图6b中示出了第二拓扑结构，其中可沿着垂直于那些天线区段表面的轴线看到不同天线区段-例如，三个天线区段-的叠加。如前所述，所述三个天线区段电耦合到印刷电路或连接器281，并且优选地以小于1mm的距离非常紧密地布置，以示出还图6b中由参考280表示的耦合电容器的出现。

最后，图6c示出了第三拓扑结构，其中构成天线元件203-1...203-x的不同天线区段200x被扭曲在一起以形成可以被包膜的扭曲物282，从而形成耦合到印刷电路或连接器281的单个护套283。在此配置中，将构成天线元件的不同天线区段扭曲在一起的事实使得能够示出如下描述的其兴趣将被迫出现的耦合电容器的出现。

图6a、图6b和图6c中示出的拓扑结构仅为多个可能布置的说明性实例，这些拓扑结构可以被考虑用于根据本发明执行rfid标签。一般来说，本领域的技术人员将能够设计如上所示的不同拓扑结构的组合，例如，两个不同的3环天线区段组，其中每个组都根据图6c的拓扑结构形成，并且这两个组由图6b的拓扑结构之后的组装序列形成。

清楚的是，不限于结合所示出的不同拓扑结构的可能性。

现在参照图7a、图7b、图7c和图7d，现在将更特别地描述连接器281，所述连接器允许将天线区段电耦合到rfid应答器的振荡元件。

一般来说，连接器281被配置成允许将不同天线区段彼此电耦合，但是还耦合到电容器202-1、202-2、...202x，以及rfid芯片201，以便实施共振元件，其电气图如图5所示。

以其最简单的形式，连接器可以采用集成电路的形式，在所述集成电路上，定位有rfid芯片201以及不同的电容器202-1、202-2、...202x。

为了简单起见，在图7a到图7d所示的实施例中，提供了与rfid芯片相关联的一个单一电容器202x，使得根据图5中所展示的图，图7a到图7d表示两个天线元件的布置(串联连接中有两处断开，第一处在rfid芯片处，第二处在电容器202x处)。

不同的天线区段通过电极284和285电耦合，所述电极可以是任何编号。

例如，图7a的连接器281采用印刷电路的形式，所述印刷电路包括一组三个输入电极，分别是284-1、284-2、284-3，以及三个输出电极，分别是285-1、285-2和285-3，用于分别与构成天线291的三个天线区段701、702、703耦合。

所述电路板/连接器包括：

-第一输入电极284-1、第二输入电极284-2和第三输入电极284-3，其允许分别耦合第一区段701的第一端、第二区段702的第一端和第三天线区段703的第一端；

-第四输出电极285-1、第五输出电极285-2和第六输入电极285-3，其允许分别耦合第一天线区段701的第二端、第二天线区段702的第二端和第三天线区段703的第二端。

所述印刷电路进一步包括：

-第一电路286-3，其用于经由rfid芯片将第一输入电极284-1连接到第六输出电极285-3；

-第二电路286-1，其用于将第二输入电极284-2连接到第四输出电极285-1；

-第三电路286-2，其用于经由电容器202x将第三输入电极284-3连接到第五输出电极285-2。

在图7c的图中所示出的优选实施例中，第一、第二和第三天线区段701、702和703都集成在相同的三导体电缆中，使得能够产生在所述天线区段之间分布的电容。

参照图7b，现在将描述印刷电路的第二实施例，所述印刷电路具有被配置成耦合六个天线区段801、802、803、804、805和806的连接器281。

更具体地说，印刷电路包括第一输入电极284-1、第二输入电极284-2、第三输入电极284-3、第四输入电极284-4、第五输入电极284-5和第六输入电极284-6，其用于分别连接第一天线区段801的第一端、第二天线区段802的第一端、第三天线区段803的第一端、第四天线区段804的第一端、第五天线区段805的第一端和第六天线区段806的第一端。

印刷电路进一步包括第七输出电极285-1、第八输出电极285-2、第九输出电极285-3、第十输出电极285-4、第十一输出电极285-5和第十二输出电极285-6，其用于分别连接第一天线区段801的第二端、第二天线区段802的第二端、第三天线区段803的第二端、第四天线区段804的第二端、第五天线区段805的第二端和第六天线区段806的第二端。

图7b所述的印刷电路包括：

-第一电路286-7，其用于经由rfid芯片将第一输入电极284-1连接到第十二输出电极285-6；

-第二电路286-1，其用于将第二输入电极284-2连接到第七输出电极285-1；

-第三电路286-2，其用于经由电容器202x将第三输入电极284-3连接到第八输出电极285-2；

-第四电路286-3，其用于将第四输入电极284-4连接到第九输出电极285-3；

-第五电路286-4，其用于将第五输入电极284-5连接到第十输出电极285-4；

-第六电路286-5，其允许将第六输入电极284-6连接到第十一输出电极285-5。

优选地，第一、第二和第三天线区段801、802和803集成在第一三导体电缆中，并且第四、第五和第六天线区段804、805和806集成在第二三导体电缆中，如图7d的实施例中所示。

在所述实施例(图6a、图6b和图6c)之一或其任何组合中实施的天线区段(200x)布置使电容耦合(280)发生在每个导体(天线区段)(200x)之间，这根据实施例或多或少是重要的。分布式电容器(280)是自然地通过对电线的近似或通过电容器的有效实施方式产生的。此外，外部包封(包膜)(283)的存在可以进一步增加分布式电容的值。此电容耦合确保对分散式压力和外部环境的分散式影响的相当强的免疫性。

天线的结构被确定，使得这些电线以1mm到3mm间隔开。在一个实施例中，电线由3乘3股包膜，其中组件具有在考虑二乘二时，这给出三条电线之间的具有50pf/m与75pf/m之间的线性电容(280)。

操作和调整共振频率，抵抗容差和变化

所述多个天线区段200x形成感测表面。此感测表面必须足以满足rfid芯片201的供电需求。由所述多个天线区段产生的环的总数是使得rfid芯片201两端的电压足以激活所述环的数量。

频率调谐首先是由全部天线(多个200x)的电感串联引起，并且还由所述多个电容器202x在串联耦合时引起。

然而，分布式电容器280尽管对共振频率产生很小的影响，但是仍在计算调谐能力中发挥重要作用。

但是这些分布式电容器280的真正作用是，一方面，减弱由外部环境带来的寄生电容的影响，并且另一方面，允许扩展调谐频率的容差，其在已执行的测试中被证明。

在一些实践实例中，我们将查看，在哪个调谐频率范围中，可以获取最大检测距离相对于所期望的最大距离减少小于10cm。一个试验涉及根据上述专利申请wo2011157941和us2009/0027208的教导而描述的实施例；另一个测试涉及与本发明相近的实施例(m1)，但是其环之间的间隙被自动设置成比所建议的(10mm)更大的值，而另外两个实施例(m2和m3)涉及本发明。

测试成果描述

标签m1：实施例与图7c的原理图相近，但是内环为10mm(因此，具有非常低的分布式能力)，表面为702cm²。

在实施m1时：

fm1，min＝13.530mhz并且fm1，max＝13.740mhz，因此δm1＝210khz

标签m2：本实施例是根据图7c基于三线电缆进行的，其表面为702cm²，可以获得：

fm2，min＝13.495mhz并且fm2，max＝13.825mhz，因此δm2＝330khz

这表示m1和m2之间的容差带增加了50％。

标签m4：根据上述专利申请wo2011157941和us2009/0027208的教导的实施例，其表面积为132cm²。

(图8c)估计了容差带的宽度，并且所述估计通过以下获得：

fm4，min＝13.535mhz并且fm4，max＝13.810mhz，因此δm4＝275khz

标签m3：此实施例遵从图7d，由各自包括三股电线的两条电缆构成，因此形成总共两个三环组，其表面为63cm²。

所述容差范围可以被确定，如图8d所示：

fm3，min＝13.550mhz并且fm3，max＝13.940mhz，因此δm3＝390khz

这表示容差带增加了40％以上。

此另外在此实施例(m3)中，天线面积为63cm²，与上述专利申请wo2011157941和us2009/0027208中描述的解决方案的132cm²相比，产生增加20cm的检测距离(180cm，而非160cm)。在如上描述的一个实施例中，获得了144cm的读取距离，其中表面面积为19.6cm²。根据插值曲线(根据多个实施例计算得出)，可以估计用23.25cm²的面积是达到150cm的距离所必需的，即比上述专利申请wo2011157941和us2009/0027208中建议的解决方案中的面积少了6倍。

如可以看到的，本发明因此使得能够明显增加调谐频率的容差范围，以获得最大读取距离中的相同的差。另外，由于与用于同一最大检测距离的传统标签相比，本发明需要更少的感测面积，所以可以获得增加的能效。天线区段也可以在具有两股或更多股电线的同一导电电缆内以两个或更多个进行分组，以便示出天线区段中的每一个之间具有50pf/m与75pf/m之间的值的的线性电容。

还能够提供一种包括印刷电路的应答器，所述印刷电路包括允许连接三个天线区段701、702、703的连接器(281)。

所述应答器可以包含被埋入物品的身份以及特征(埋入日期、物品的性质和材料特性等)的传送装置。其可以被配置成允许识别流体分布线(例如，饮用水)或燃气、电缆保护或光纤电缆。

其可以适用于被布置在通过剪裁、焊接或夹紧固定到管上的自动外壳中。