Rfid标签及其制造方法

专利名称：Rfid标签及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种RFID标签及其制造方法，更具体地涉及一种包括 贴片天线(patch antenna)(平面天线)作为标签天线的RFID标签及其制 造方法，该RFID标签即使在应用于诸如导电体、不导电体或包括液体的 物体的对象时也能够展示所需的特性。
背景技术：
传统上，在配送业、运输业等中，在产品本身或产品包装上印刷或 粘贴条形码，然后用条形码读取器读取该条形码的方法已经广泛用作管 理个体产品信息的方法。然而，在该条形码处理方法中，在读取条形码 时，条形码读取器必须与条形码接触，这使得读取工作比较麻烦。而且， 在传统的条形码处理方法中， 一个问题是，不可能添加新信息或更新条 形码本身的信息。
因此，近来，需要一种用RFID (射频识别)标签代替条形码附着于 产品上并利用无线电波(电磁耦合)读取该产品信息而不用接触的方法， 并且该方法正在进行实践应用。RFID标签是具有已经添加了无线电信息 通信功能的IC卡功能的标签，并具有能够存储信息的非易失性存储器， 但是没有电池(电源)。因此，在不接触的情况下从RFID标签存储器读 取信息时，标签读取器被构造成利用电磁波向RFID标签供电，并从标签 存储器读取信息。对于这种类型的RJFID标签，可以大大改进可使用性， 并且通过使用诸如验证功能或在读取器与RFID标签之间编码的技术，可 以确保良好的安全性。
图38是说明RFID标签的图，其中读取器1从天线2向RFID标签 3发射经调制数据的无线电信号(电磁波)。RFID标签3的天线3a将接 收到的信号输入至整流电路3b和调制解调电路3c。整流电路3b将无线
电信号变换为DC电压，并将该DC电压供应至调制解调电路3c和逻辑 电路3d，该电压用作电源。调制解调电路3c对从读取器l发送来的控制 数据进行解调，并将结果输入至逻辑电路3d。逻辑电路3d根据控制数据 (命令)进行逻辑处理，例如读取存储在内部存储器中的信息并将该信 息输入至调制解调电路3c。调制解调电路3c使用从逻辑电路3d输入的 信息来调制载波信号，并将该信号作为无线电信号从天线3a发射至读取 器l。已经提出了多种类型的RFID标签。其中一种是通过在由塑料、纸 等制成的介电基片上安装IC芯片(LSI)和用于无线电通信的天线图案 而构成的RFID标签。当这种类型的RFID标签附着于不导电对象时，获 得了期望的性能，例如通信距离等。然而，当这种类型的RFID标签附着 于诸如钢的金属时，金属阻碍了用于与RFID标签通信的无线电波，从而 会出现问题，例如通信距离减小。图39是说明出现这种问题的图，其中图39的(A)表示其中具有半 波长偶极天线图案的RFID标签附着于不导电对象(图中未示出)，并且 通过从读取器/写入器天线发出的无线电波在偶极天线DP中产生IC芯片 所需电力(开路V)的情况。而且，电流I在偶极天线中流动使得可以向 读取器/写入器天线发射电磁信号。然而，当具有偶极天线图案的RFID标签附着于金属对象时，金属 表面上的电场的切向分量从边界条件变为"0"，并且周围电场变为"0"。 因此，不能向RFID标签的IC芯片供应所需电力。而且，不能从标签天 线向读取器/写入器天线发射(散射)电磁波。换言之，如图39的(B) 所示，在具有偶极天线图案DP的RFID标签附着于金属对象MTL的情 况下，当电流I在偶极天线DP中流动时，根据映射原理在金属对象MTL 中产生了图像IMG，在图像IMG中电流沿相反方向流动。该图像抵消了 由偶极天线电流I产生的电场，从而不能向RFID标签的IC芯片供应所 需电力，并且不能从标签天线向读取器/写入器天线发射电磁波。由于上 述问题，期望一种具有标签天线的RFID标签，该RFID标签能够发射和 接收电磁波而且即使在附着于金属表面时也不会降低天线增益。 如图39的(C)所示，通过增加从金属对象MTL的表面到偶极图 案DP的距离D来降低镜像效应是可行的，然而，问题在于RFID标签的 厚度增加了。而且，UHF带中的RFID系统与其它频带相比具有通信距 离长的优点，然而，用于UHF带的偶极型标签天线的长度通常必须是半 波长(大约16cm)。通过将标签天线围绕介电体附着并弯曲可确保该长 度并使其更紧凑，然而带宽变窄了。考虑上述问题，期望一种小型紧凑 的RFID标签，该RFID标签具有带宽较大的天线，而且即使在该RFID 标签制成为小型紧凑时也不会降低天线增益。而且，为了有效地向LSI芯片供应标签天线的接收电力，标签天线 和LSI芯片的阻抗必须匹配(阻抗匹配)。为了实现这一点，阻抗变换电 路是必需的，然而这会增加RFID标签的制造成本。因此，必须进行标签 LSI和标签天线的阻抗匹配而不使用阻抗变换电路。换言之，期望一种 RFID标签，该RFID标签具有可以与LSI芯片进行阻抗匹配而不必使用 阻抗变换电路的天线。传统的具有偶极天线的RFID标签存在一个问题，即，如上所述当 RFID标签附着于金属时通信距离变差。因此，已经研发了一些即使在 UHF带中也与金属相容的标签天线(参照JP 2002-298106A)，然而这些 标签天线都较大，具有4mm以上的厚度和10cm以上的长度。因此，本发明的发明人提出了一种RFID标签，该RFID标签具有即使在附着于金属表面时也能够发射和接收电磁波的小型天线(参照JP 2006-53833A)。如图40所示，该提出的RFID标签10包括矩形的介电 构件11;发射/接收天线图案12，其形成围绕介电构件11的表面的环形 天线；以及IC芯片15，其经由芯片安装焊盘13电连接到天线图案12。 对于具有这种环形天线结构的RFID标签，可以发射和接收电磁波，即使 RFID标签较薄并且附着于金属也可以加长通信长度，增益在宽带上近似 不变，另外，即使没有阻抗变换电路也可以进行阻抗匹配。然而，制造 具有环形天线结构的RFID标签需要复杂的处理，例如侧表面电镀或者用 于围绕介电构件包装绝缘膜的处理，因此存在制造成本增加或者需要高 精度来定位包装的问题。
因此，近来已经提出使用贴片天线作为RFID天线。对于具有该贴 片天线结构的RFED标签，不需要如同在具有环形天线结构的RFID标签 的情况中那样的诸如侧表面电镀或包装的特殊工作。然而，为了使用贴片天线作为RFID标签天线，必须进行与RFID标 签的LSI芯片的阻抗匹配。通常，可以向贴片天线供电使得从匹配至50Q 辨电线的位置向贴片天线供电，然而LSI芯片的阻抗变为大于50Q的不 同值，因此阻抗变换电路是必需的。而且，对于传统的贴片天线，必须 在贴片天线中钻孔以供电，因此存在处理成本增加的问题。已经提出了一种RFID标签贴片天线，其不需要阻抗变换电路，并 且不要求在天线中钻孔以供电(参照美国专利No.6215401)。该提出的方 法是在标签LSI被DC连接至该贴片天线的状态下向贴片天线供电，并 且通过调整用于连接的线的宽度和长度来进行阻抗匹配的方法，然而， 它的问题在于供电单元的结构容易变得复杂。而且，在使用具有低频率 和低介电常数的板的情况下，阻抗匹配电路图案和四分之一波长变换器 占据的空间相对于整个天线的百分比变大。发明内容考虑到上述情况，本发明的目的在于提供一种RFID标签及其制造 方法，对于该RFID标签，即使在附着于金属和包括液体的对象时通信距 离也不会变差。本发明的另一目的在于提供一种RFID标签及其制造方法，对于该 RFID标签，不必在贴片天线中DC钻孔以供电，并且不需要到贴片天线 的连接。而且，本发明的另一目的在于提供一种RFID标签及其制造方法， 对于该RFID标签，不需要阻抗变换电路。另外，本发明的另一目的在于提供一种RFID标签及其制造方法， 该RFID标签小且薄并具有高增益。RFID标签本发明包括一种具有标签天线和LSI芯片的RFID标签，该RFID标
签包括其上安装有LSI芯片的供电图案；用作所述标签天线的贴片天 线；以及将所述供电图案与所述贴片天线高频连接的高频连接部分。本发明的RFID标签还包括介电构件，该介电构件在一侧上形成 有所述供电图案、贴片天线和高频连接部分，在另一侧上形成有用作接 地的导电图案；以及短路单元，该短路单元沿着所述介电构件的侧表面 在接地与所述贴片天线的一个边缘之间形成短路。在本发明的RFID标签中，典型的供电图案是偶极天线、单极天线 或环形天线。在上述本发明的RFID标签中，所述贴片天线(第一贴片天线)中 形成有缝，将用作供电图案的小偶极天线的一端层叠在该缝上方使其横 跨该缝，并从所述小偶极天线向所述贴片天线供电。在上述本发明的RFID标签中，所述贴片天线中形成有切口部分， 将用作线性天线的小偶极天线的一端与该切口部分高频连接，并从所述 小偶极天线向所述贴片天线供电。在上述本发明的RFID标签中，所述LSI芯片安装在所述小偶极天 线的中央，并将另一贴片天线(第二贴片天线)放置成使其与所述第一 贴片天线关于中央的所述LSI芯片左右对称；所述小偶极天线的一端与 所述第一贴片天线之间的位置关系和所述小偶极天线的另一端与所述第 二贴片天线之间的位置关系相同。RFID标签的制造方法本发明包括一种具有标签天线和LSI芯片的RFID标签的制造方法， 该制造方法包括以下步骤通过蚀刻在双面印刷电路板的表面上形成在 其上安装LSI芯片的供电图案和用作标签天线的贴片天线，从而将所述 供电图案与标签天线高频连接；将所述印刷电路板的后表面上的导电图 案作为接地；以及将所述LSI芯片安装在所述供电图案上以生成所述 RFID标签。本发明包括其上安装有所述LSI芯片的供电图案；用作所述标签 天线的贴片天线；以及将所述供电图案与所述贴片天线高频连接的高频 连接部分，因为从所述供电图案向所述贴片天线高频供电，所以不需要
在所述贴片天线中钻孔，从而可以简化所述RFID标签的处理并降低处理 成本。
而且，本发明使用贴片天线作为标签天线，从而其不受接地侧的材 料性质影响，因此即使在所述天线附着于金属或包括液体的对象时通信 距离也不会变差。
而且，对于本发明，所述贴片天线的增益高于环形天线等的增益， 并且通过调节厚度、金属的导电率、介电损耗等，可以使所述贴片天线 的增益甚至更大，并且使尺寸较小。
另外，对于本发明，通过将用作并联电感器的环形图案连接到用作 供电图案的所述偶极天线或单极天线，并调节该图案的尺寸或调节所述 供电图案的长度、缝长度、切口长度等，可以与所述LSI芯片匹配阻抗， 从而不需要阻抗变换电路。
从以下结合附图的描述将清楚本发明的其它特征和优点。


图1是说明本发明第一实施方式的RFID标签的图。 图2是说明从贴片天线发出的无线电波的图。 图3是本发明第二实施方式的RFID标签的顶视图。 图4是表示第二实施方式的RFID的实际尺寸和板特性的图。 图5表示在频率从850MHz变为980MHz时的各种模拟结果。 图6是表示标签天线的阻抗的史密斯圆图。 图7是包括LSI芯片和标签天线的RFID标签的等效电路的图。 图8是表示在频率从850MHz变为980MHz时的标签天线的增益特 性的图。图9是表示在频率从850MHz变为980MHz时的S参数(Sll)特性的图。图10是表示在频率从850MHz变为980MHz时的通信距离特性的图。图11是说明在调节并联电感器尺寸s2并且史密斯圆图上的频率改
变时的阻抗曲线的图。图12是本发明第三实施方式的RFID标签的顶视图。 图13是其中第一实施方式的标签天线并行连接的情况的顶视图。 图14是本发明第四实施方式的RFID标签的顶视图。 图15是表示第四实施方式的RFID标签的实际尺寸和板特性的图。 图16表示在频率从850MHz变为980MHz时第四实施方式的各种模 拟结果。图17是表示标签天线的阻抗的史密斯圆图。图18是表示在频率从850MHz变为980MHz时的标签天线的增益特 性的图。图19是表示在频率从850MHz变为980MHz时的S参数(S11)特性的图。图20是表示在频率从850MHz变为980MHz时的通信距离特性的图。图21是说明在调节并联电感器尺寸s2并且史密斯圆图上的频率改 变时的阻抗曲线的图。图22是第五实施方式的RFID标签的顶视图。图23是表示第五实施方式的RFID标签的实际尺寸和板特性的图。图24是表示标签天线的阻抗的史密斯圆图。图25是表示在频率从840MHz变为980MHz时的标签天线的增益特 性的图。图26是表示在频率从840MHz变为980MHz时的S参数(S11)特性的图。图27是表示在频率从840MHz变为980MHz时的通信距离特性的图。图28是说明本发明第六实施方式的图。 图29是说明沿贴片天线的Y轴方向的电场的图。 图30是表示对于第六实施方式的阻抗在史密斯圆图上绘制的阻抗/ 频率特性的图。
图31是表示通信距离的频率特性的图。图32是表示能够发射和接收圆形极化电波的贴片天线的结构的实 施例的图。图33是说明RFID标签的第一制造方法的图。 图34是说明RFID标签的第二制造方法的图。 图35是说明RFID标签的第三制造方法的图。 图36是说明RFID标签的第四制造方法的图。 图37是说明RFID标签的第五制造方法的图。 图38是说明RFID标签的图。 图39是说明在现有RFID标签中出现的问题的图。 图40是现有RFID标签的立体图。
具体实施方式
(A)实施方式1图1是说明本发明第一实施方式的RFID标签的图，其中图1的(A) 是移除介电层的情况的示图，图l的(B)是其中介电层透明的侧视图， 图1的(C)是表示贴片天线和小偶极天线之间的位置关系的顶视图。在 侧视图中，为了容易理解结构，示出的各个部件的厚度都比实际尺寸大。该第一实施方式的RFID标签是通过将在绝缘膜31上通过印刷或蚀 刻形成的贴片天线32 (见图l的(B))、通过蚀刻双面印刷电路板33的 表面形成的小偶极天线34，以及通过在印刷电路板33的背侧上的导电图 案形成的接地(GND) 35进行层叠而构造出的。可使用诸如聚对苯二甲 酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺(PI)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)或聚 氯乙烯(PVC)的柔性热塑性塑料作为绝缘膜31。长度与波长X相比非 常短的偶极天线称为小偶极天线。偶极天线是一种线性天线。为了在贴片天线32与小偶极天线34之间形成高频连接，在贴片天 线32中形成具有预定尺寸的长窄缝36。小偶极天线34笔直并且具有预 定的线宽，并且利用芯片结合技术在小偶极天线34的中心部分中安装 RFID标签的LSI芯片37,用于调节阻抗的导电图案(并联电感器)38a、38b连接到小偶极天线34的左右侧。小偶极天线34的一端上的笔直部分 层叠在形成于贴片天线32中的缝36上，使其横跨该缝，并且小偶极天 线34向贴片天线32高频供电。并联电感器38a、 38b与小偶极天线34 —体地生成，并具有预定的 线宽，长度被调节成使得标签天线的阻抗与LSI芯片37的阻抗匹配。图 1表示连接两个并联电感器38a、 38b的实施例，然而，也可以仅使用一 个。而且，可以将笔直部分折叠在偶极天线34的底侧上以减小整体尺寸。如图2的(A)所示，通过使贴片天线的一侧的尺寸d为A/2，并使 贴片天线在预定频率处谐振，或者换言之，当电流J在贴片天线的表面 上来回流动时，那么如图2的(B)所示，从贴片天线沿垂直方向(Z轴 方向)发出在Y轴(水平)方向偏振的电波。该电波不受贴片天线的接 地侧的材料特性影响。因此，在该第一实施方式的RFID标签的情况下， 即使在标签附着于金属或包括液体的材料时通信距离也不会变差。而且，贴片天线的增益高于环形天线的增益，并且通过调节厚度、 金属的导电率、介电损耗等，可以增大增益，从而可以使该第一实施方 式的RFID标签的尺寸较小。而且，对于该第一实施方式的RFID标签，可以将在其上安装有LSI 芯片的小偶极天线高频连接到贴片天线而不用DC连接，从而不需要在 贴片天线中形成孔或者形成DC连接，因而可以简化制造RFID标签的处 理并降低制造成本。另外，通过将用作并联电感器的环形图案连接到小偶极天线，并且 通过调节该图案的尺寸，或者通过调节小偶极天线的长度或缝的长度， 可以在标签天线与LSI芯片之间进行阻抗匹配而不必使用阻抗变换电路。 (B)实施方式2 (a)结构图3的(A)示出了第二实施方式的RFID标签的顶视图。在该第二 实施方式的RFID标签中，通过蚀刻双面印刷电路板41的表面形成用作 标签天线的贴片天线42和小偶极天线43，并将印刷电路板的后表面上的 导电图案(图中未示出)用作接地。贴片天线42的下部的中心形成有长
薄切口部分44。换言之，将切口部分44形成为使其笔直并且沿朝向贴片 天线42的内侧的方向延伸，小偶极天线43的一端上的笔直部分43a位 于切口部分44内。具有预定的线宽的小偶极天线43包括弯曲成倒L形的笔直部分43a、 43b，并且利用芯片结合技术将RFID标签的LSI芯片45安装在该弯曲部 分附近。而且，用于调节阻抗的导电图案(并联电感器)46连接到小偶 极天线43的右侧。并联电感器46与小偶极天线一体地生成并具有预定 的线宽，长度s2可以调节从而使标签天线的阻抗与LSI芯片37匹配。小偶极天线的一端上的笔直部分43a插入形成在贴片天线42中的长 薄切口部分44中，并且通过该切口部分实现小偶极天线43与贴片天线 42之间的高频连接。换言之，从小偶极天线43向贴片天线42高频电磁 供电。使贴片天线的一侧的尺寸d为V2，并且当使贴片天线在预定频率处 谐振，或者换言之，当电流J在贴片天线的表面上来回流动时，那么类 似于第一实施方式的情况，从贴片天线沿垂直方向发出电波。该电波不 受贴片天线的接地侧的材料特性影响。因此，在该第二实施方式的RFID 标签的情况下，即使在标签附着于金属或包括液体的材料时通信距离也 不会变差。图3的(B)示出了形成在贴片天线的端部上用于减小板的尺寸的矩 形切口部分47a、 47b的实施例，其中切口形成为使电长度(al+a2+a3+2 Xa4)变为波长的大约一半。借此可以使垂直尺寸的大小縮小2Xa4。然 而，当a4太大时，天线增益降低，因此必须使用适当值。在图3的(A)和(B)中所示的该第二实施方式中，贴片天线42 和小偶极天线43都形成在相同介电体的表面上，然而，它们也可以层叠， 下面将描述两者的制造方法。而且，小偶极天线43弯曲成倒L形以减小 板的尺寸，然而，如果尺寸不重要，小偶极天线43就不必弯曲。图4的(A)和(B)示出了图3所示的RFID标签的实际尺寸和板 特性，其中板的尺寸为78mmX44mmX1.2mm。而且，小偶极天线的一 端43a的线宽为2.0mm，另一端43b的线宽为l.Omm，切口44与小偶极 天线43之间的间隔为0.5mm，并联电感器46与贴片天线的末端之间的 间隔为0.5mm。对于具有图4所示的尺寸和板特性的该第二实施方式的RFID标签， 模拟了在施加到贴片天线的频率从850MHz变为980MHz时的各种特性。 LSI芯片工作所需的最小功率为-10.00dBm，供应到读取器/写入器天线的 功率为27.00dBm，其增益为9.00dBi。 (b)特性图5表示在频率从850MHz变为980MHz时的不同模拟结果，其中 示出了 (1) LSI芯片的电纳Bcp、电阻Rc、电抗Xc; (2)标签天线的 电阻Ra、电抗Xa、匹配系数q、 S参数S11和增益；以及(3)在使用线 偏振波天线和圆偏振波天线作为读取器/写入器的天线时的通信距离。标 签天线是贴片天线和小偶极天线的组合。匹配特性图6是表示标签天线的阻抗的史密斯圆图，在频率从850MHz变为 980MHz时，该标签天线的阻抗以画圆的方式变化，如阻抗轨迹IPT所示。 而且，根据图5所示的特性结果，标签天线在950到953MHz的频率附 近的阻抗变为与LSI芯片45的输入阻抗近似匹配的值。图7示出了包括LSI芯片和标签天线的RFID标签的等效电路。换 言之，等效电路表达为LSI芯片和标签天线的并联电路，其中LSI芯片 表述成电阻Rc和电容Cc的并联电路(电抗为Xc)，标签天线表述为电 阻Ra和电感La的并联电路(电抗为Xa)。该RFID标签中的匹配条件为 Rc=Ra，并且IXc—Xa，并且从图5中可以看出，在950到953MHz附近 的频率处，该第二实施方式的RFID标签满足匹配条件。增益特性和Sll特性图8示出了在频率从850MHz变为980MHz时的标签天线的增益， 当标签天线在953MHz附近的频率处谐振时，获得高增益。图9示出了在频率从850MHz变为980MHz时的S图案Sll特性。 S图案Sll指示与LSI芯片阻抗匹配的程度，并且在950到953MHz附近的频率处具有最小值。
通信距离图10示出了在频率从850MHz变为980MHz时的通信距离，当使用线偏振波天线作为读取器/写入器的天线时，通信距离在953MHz附近的频率处变为最大。以下方程给出了 RFID标签的通信距离r: <formula>formula see original document page 16</formula>这里，人是波长，Pt是供应到读取器/写入器天线电力，Gt和Gr是 标签天线和读取器/写入器天线的相应的天线增益，Pth是LSI芯片工作所 需电力的最小值。而且，Zc和Za分别是LSI芯片和标签天线的复阻抗。匹配调整根据并联电感器46的尺寸，存在标签天线与LSI芯片之间不可能进 行阻抗匹配的情况。在该情况下，调节小偶极天线的长度sl或并联电感 器46的尺寸s2或者sl和s2。当尺寸s2增加时，通过在图11的(A) 所示的史密斯圆图上改变频率而绘制的阻抗轨迹IPT的圆沿着箭头方向 有略微较大的运动。这与图7所示的等效电路中的标签天线的并联电感 器的电感La变大的事实相对应，并且表示可以抵消标签LSI的甚至更大 的并联电容Cc。另一方面，当尺寸sl变大时，如图11的(B)所示，阻 抗轨迹沿着圆尺寸变大的方向运动而没有太多的顺时针或逆时针旋转。 这与图7所示的等效电路中的标签天线的并联电阻Ra变小的情况相对 应，并且表示可以抵消标签LSI的甚至更小的并联电阻。因此，通过调 节尺寸s2或尺寸sl或尺寸sl和s2，阻抗轨迹IPT运动，并且可在期望 频率处获得阻抗匹配。 (c)效果对于该第二实施方式，发出的电波不受贴片天线的接地侧上的材料 影响。因此，即使在该第二实施方式的RFID标签附着于金属或包括液体 的对象时通信距离也不会变差。而且，贴片天线的增益高于环形天线的增益，并且通过调节厚度、 金属的导电率、介电损耗等，可以使增益更大，从而可以使该第二实施 方式的RFID标签的尺寸较小。而且，对于该第二实施方式的RFID标签，将贴片天线和在其上安 装有LSI芯片的小偶极天线仅高频连接而不通过DC连接来连接，从而 不需要在贴片天线中形成孔而且不需要DC连接，因而可以简化制造 RFID标签的处理并降低制造成本。而且，通过将用作并联电感器的环形图案连接到小偶极天线，并且 通过调节该图案的尺寸，或者通过调节偶极天线的笔直部分43b的长度 sO或切口部分的长度sl，可以进行与LSI芯片的阻抗匹配而不必使用阻 抗变换电路。(C) 实施方式3图12是本发明第三实施方式的RFID标签的顶视图，其中在图3的 (A)中示出的第二实施方式的两个标签天线并联连接。在双面印刷电路板41的顶面上形成用作标签天线的两个贴片天线 42、 42'以及小偶极天线43，并且在板的后表面(图中未示出)上形成导 电图案作为接地。在笔直的小偶极天线43的中心安装LSI芯片45，并且 贴片天线42和贴片天线42'形成为使它们以LSI芯片为中心左右对称。 而且，贴片天线42与小偶极天线的一端43a之间的位置关系和贴片天线 42'与小偶极天线的另一端43b之间的位置关系完全相同。另外，并联电 感器46a、 46b对称连接到小偶极天线43的上下侧。对于该第三实施方式的RFID天线，可以增加标签天线的增益，并 且远距离发送电波，然而，尺寸加倍了。图13是两个并联连接的第一实施方式的标签天线的顶视图，它们具 有与该第三实施方式的RFID标签相同的效果。(D) 实施方式4 (a)结构在图14的(A)和(B)中示出了本发明的第四实施方式的RFID标 签的顶视图，其中图14的(A)表示整个RHD标签，图14的(B)是 虚线内的部分的放大图。在该第四实施方式的RFID标签中，在双面印刷 电路板的表面上蚀刻出用作标签天线的贴片天线52和小单级天线53，并
且在板的后表面上形成的导电图案(图中未示出)用作接地。这里长度 大大短于波长X的单级天线称为小单级天线。单级天线是一种线性天线。在贴片天线52的左侧端上形成浅切口部分52a，并且将小单级天线 53的具有预定线宽的天线部分53a放置在切口部分52a内。通过该切口 部分52a实现小单极天线53与贴片天线52之间的高频连接。换言之， 从小单极天线53向贴片天线52高频供电。为了使在贴片天线52的右端 部分上的板的尺寸较小，形成切口部分52b,以使得电长度(al+a2+a3+2 Xa4)大致等于X/2。用于调节阻抗的环形的导电图案(并联电感器)53b连接到小单级 天线53的倒L形天线部分53a的末端，并且利用芯片结合技术在环形中 间部分中安装RFID标签的LSI芯片54。并联电感器53b具有预定的线 宽并且与小单级天线一体地生成，调节长度s2使得标签天线的阻抗与LSI 芯片54的阻抗匹配。通过使贴片天线52的一侧的长度为V2，并使贴片天线在预定频率 处谐振，或者换言之，通过使电流J在贴片天线的表面上来回流动，使 得从贴片天线沿垂直方向发出电波，如同上述第一和第二实施方式的情 况那样。因此，即使该第四实施方式的RFID标签附着于金属或包括液体 的对象时通信距离也不会变差。在图14所示的该第四实施方式中，贴片天线52和小单极天线53形 成在相同的介电体上，然而，它们也可以层叠，下面将描述两者的制造 方法。图15的(A)和(B)示出了图14所示的RFID标签的实际尺寸和 板特性，其中板的尺寸为78mmX40mmX1.2mm。而且，小单极天线的 线宽为l.Omm，切口部分52a与小单极天线53之间的间隔为0.5mm。 (b)特性对于具有图15所示的尺寸和板特性的该第四实施方式的RFID标 签，模拟了在施加到贴片天线的频率从850MHz变为980MHz时的各种 特性。LSI芯片工作所需的最小功率为-10.00dBm，供应到读取器/写入器 天线的功率为27.00犯m，其增益为9.00dBi。 图16表示在频率从850MHz变为980MHz时的不同模拟结果，其中 示出了 (1) LSI芯片的电纳Bcp、电阻Rc、电抗Xc; (2)标签天线的 电阻Ra、电抗Xa、匹配系数q、 S参数S11和增益；以及(3)在使用线 偏振波天线和圆偏振波天线作为读取器/写入器的天线时的通信距离。匹配特性图17是表示标签天线的阻抗的史密斯圆图，在频率从850MHz变为 980MHz时，标签天线的阻抗以画小圆的方式变化，如阻抗轨迹IPT所示。 而且，从图16所示的特性结果，标签天线在953MHz的频率附近的阻抗 变为与LSI芯片54的输入阻抗近似匹配的值。增益特性和S11特性图18示出了在频率从850MHz变为980MHz时的标签天线的增益， 当标签天线在953MHz附近的频率处谐振时，获得高增益。图19示出了在频率从850MHz变为980MHz时的S图案Sll特性。 S图案Sll指示与LSI芯片阻抗匹配的程度，并且在953MHz附近的频率 处具有-20dB或更小的最小值。通信距离图20示出了在频率从850MHz变为980MHz时的通信距离，当使用 线偏振波天线作为读取器/写入器的天线时，通信距离在953MHz附近的 频率处变为最大。匹配调节根据并联电感器53b的尺寸，存在不可能进行阻抗匹配的情况。在 该情况下，调节并联电感器53b的尺寸s2。当尺寸s2减小时，通过在图 21所示的史密斯圆图上改变频率而绘制的阻抗轨迹IPT的圆逆时针转动。 因此，通过调节尺寸s2并使阻抗轨迹IPT的圆旋转，可在期望频率处获 得阻抗匹配。 (c)效果对于该第四实施方式，发射的电波不受贴片天线的接地侧上的材料 影响。因此，即使在该第四实施方式的RFID标签附着于金属或包括液体 的对象时通信距离也不会变差。
而且，贴片天线的增益高于环形天线的增益，并且通过调节厚度、 金属的导龟率、介电损失等，可以使增益甚至更大，从而可以使该第四实施方式的RFID标签的尺寸较小。而且，对于该第四实施方式的RFID标签，将贴片天线和在其上安 装有LSI芯片的小单极天线仅高频连接而不通过DC连接来连接，从而 不需要在贴片天线中形成孔而且不需要DC连接，因而可以简化制造 RFID标签的处理并降低制造成本。而且，通过将用作并联电感器的环形图案连接到小单极天线，并且 通过调节该图案的尺寸s2，或者通过调节单极天线的笔直部分的长度sl 或s3，可以进行与LSI芯片的阻抗匹配而不必使用阻抗变换电路。 (E)实施方式5在第四实施方式中，小单极天线53放置在贴片天线52的浅切口部 分中作为供电图案，通过将小单极天线53与贴片天线52高频连接，从 小单极天线53向贴片天线52供电。然而，使用具有预定线宽的环形图 案代替小单极天线53并从该环形图案向贴片天线供电的结构也是可行 的。(a)结构图22是本发明的第五实施方式的RFID标签的顶视图。在该第五实 施方式的RFID标签中，通过在双面印刷电路板61的表面上蚀刻来形成 用作标签天线的贴片天线62以及用作供电图案的环形图案63，并将板的 后表面上的导电图案(图中未示出)用作接地。在贴片天线62的左侧的端部上形成浅切口部分62a，并且将具有预 定线宽的环形图案63放置在该切口部分内。通过该切口部分实现环形图 案63与贴片天线62之间的高频连接，并从环形图案63向贴片天线62 高频供电。利用芯片结合技术在环形图案的下端部上安装RFID标签的 LSI芯片64。为了使标签天线与LSI芯片64之间的阻抗匹配，可以调节 环形图案63的长度s2 (见图23)。通过使贴片天线62的一侧的长度为X72，并使贴片天线62在预定频 率处谐振，或者换言之，通过使电流J在贴片天线的表面上来回流动，
从贴片天线沿垂直方向发出电波，与上述第一和第二实施方式的情况相 同。该电磁波不受贴片天线的接地侧的材料特性影响。因此，即使该第五实施方式的RFID标签附着于金属或包括液体的对象时通信距离也不 会变差。在图22所示的该第五实施方式中，贴片天线62和环形图案63形成 在相同介电体的表面上，然而，它们也可以层叠，下面将描述两者的制 造方法。图23的(A)和(B)示出了图22所示的RFID标签的实际尺寸和 板特性。而且，环形图案63的线宽为l.Omm，切口部分62a与环形图案 63之间的间隔为0.5mm。 (b)特性对于具有图23所示的尺寸和板特性的该第五实施方式的RFID标 签，模拟了在施加到贴片天线的频率从840MHz变为980MHz时的各种 特性。匹配特性图24是表示标签天线的阻抗的史密斯圆图，在频率从840MHz变为 980MHz时，标签天线的阻抗以画小圆的方式变化，如阻抗轨迹IPT所示。 而且，标签天线在953MHz的频率附近的阻抗变为与LSI芯片64的输入 阻抗近似匹配的值。增益特性和S11特性图25示出了在频率从840MHz变为980MHz时的标签天线的增益， 当贴片天线在953MHz附近的频率处谐振时，获得高增益。图26示出了在频率从840MHz变为980MHz时的S图案Sll特性。 S图案Sll指示与LSI芯片阻抗匹配的程度，并且在953MHz附近的频率 处具有-20dB或更小的最小值。通信距离图27示出了在频率从840MHz变为980MHz时的通信距离，当使用 线偏振波天线作为读取器/写入器的天线时，通信距离在953MHz附近的 频率处变为最大。假定LSI芯片工作所需的最小功率为-lO.OOdBm， LSI
芯片的并联电阻Rc为800Q， LSI芯片的并联电容Cc为1.2pF，读取器/ 写入器的功率为27.00dBm，增益为9.00dBi，计算通信距离。 匹配调节根据环形图案63的尺寸，存在不可能进行阻抗匹配的情况。在该情 况下，调节环形图案63的尺寸s2。当尺寸s2减小时，通过在史密斯圆 图上改变频率而绘制的阻抗轨迹IPT的圆逆时针(参见图24的箭头)旋 转。因此，通过调节尺寸s2并使阻抗轨迹IPT的圆旋转，可在期望频率 处获得阻抗匹配。 (c)效果对于该第五实施方式，发出的电波不受贴片天线的接地侧上的材料 影响。因此，即使在该第五实施方式的RFID标签附着于金属或包括液体 的对象时通信距离也不会变差。而且，贴片天线的增益高于环形天线的增益，并且通过调节厚度、 金属的导电率、介电损耗等，可以使增益甚至更大，从而可以使该第五 实施方式的RFID标签的尺寸较小。而且，对于该第五实施方式的RFID标签，将贴片天线和在其上安 装有LSI芯片的环形图案仅高频连接而不通过DC连接来连接，从而不 需要在贴片天线中形成孔而且不需要DC连接，因而可以简化制造RFID 标签的处理并降低制造成本。而且，通过调节环形图案的尺寸s2，或者通过调节长度s3，可以进 行与LSI芯片的阻抗匹配而不必使用阻抗变换电路。 (F)第六实施方式本发明的该第六实施方式是其中通过在接地与贴片天线的一个边缘 之间形成短路而使RPID标签的尺寸更加紧凑的实施方式。 (a)结构图28是说明本发明的RFID标签的第六实施方式的图，其中(A) 是示图，(B)是(A)中的剖面AA的剖视图，(C)是从(A)中的箭头 B的方向看去时的示图。在第五实施方式中，当使RFID标签的贴片天线62 (图22)的一个
边缘的长度为V2，并使该天线在预定频率处谐振时，Y轴方向上的电场 E如图29所示变化，并且该电场在中央部分变为零。这意味着如果贴片 天线和接地在中央短路，那么在电场分布没有变化的情况下，可以像第 五实施方式的情况那样沿垂直于贴片天线的方向发出无线电波。
图28所示的第六实施方式的RFID标签通过短路单元66基于相关 原理而在基板61的侧表面上在接地65与贴片天线62的一个边缘之间短 路，借此使贴片天线62的尺寸大约为第五实施方式的RFID标签的贴片 天线62的尺寸的1/2。换言之，使Y轴方向上的长度为X/4。
除了在接地与贴片天线的一侧之间形成短路之外，RFID标签的尺寸 也不同，该第六实施方式的RFID标签与第五实施方式的RFID标签的结 构近似相同。通过在双面印刷电路板61的顶面上蚀刻来形成用作标签天 线的贴片天线62以及用作供电图案的环形图案63，将印刷电路板61的 底面上的导电图案65 (图28的(B))用作接地，并通过短路单元66在 接地与贴片天线的一个边缘之间在板的侧表面上形成短路。该短路单元 66可通过电镀处理形成。在贴片天线62的端部上形成切口部分62a，并且将具有预定线宽的 环形图案63放置在该切口部分内。通过该切口部分将环形图案63与贴 片天线62高频连接，并从环形图案63向贴片天线62高频供电。利用芯 片结合技术在环形图案63的端部上安装RFID标签的LSI芯片64。调节 环形图案63的长度s2，从而使标签天线的阻抗与LSI芯片64匹配。而 且，可通过调节切口部分67的深度s5来调节谐振频率。
可以利用与第一至第五实施方式相同的方法来进行各种调节。例如， 通过改变在贴片天线62的顶面中形成的切口部分67的深度s5，可以调 节贴片的谐振频率。而且，通过改变供电图案63的长度s2，可以调节标 签天线的输入阻抗。图30和图31中分别示出了模拟阻抗的频率特性和 通信距离的频率特性的结果的具体示例。图30示出了当在无限大的导电板上放置具有30mmX30mmX 2.5mm的介电构件的RFID标签时，史密斯圆图上的阻抗轨迹，其中该介 电构件的特定介电常数为8.0，介电损耗为0.002。根据环形图案63的尺
寸s2，也许不能进行阻抗匹配，然而在该情况下，调节尺寸s2。当尺寸 s2变小时，通过改变频率在史密斯圆图上获得的阻抗轨迹IPT沿箭头方 向逆时针转动，从而在期望频率处调节尺寸s2以匹配阻抗。图31示出了在频率从900MHz变为980MHz时的通信距离。在计算 通信距离时，如下所述选取读取器/写入器(RW)天线和标签LSI的特性。 换言之，标签LSI在953MHz处的阻抗取为32-j 109[Q]，供应到RW天 线的功率取为0.5[W]， RW天线的增益取为9[dBi]。从该通信距离的模拟 结果可清楚地看出，在频带(952-954MHz)中可获得对UHF带RFID标 签实用并足够的距离(大约2.6m)。除了第一至第五实施方式的优点之外，该第六实施方式还具有能够 使RFID标签的尺寸减半的优点。该第六实施方式是其中将通过在接地与标签天线之间形成短路而使 标签尺寸减半的原理应用于第五实施方式的RFID标签的实施方式，然 而，通过将该原理应用于第一至第四实施方式的RFID标签，也可以使标 签的尺寸减半。(G) 变型上述实施方式1至6的标签天线是从水平面(标签天线表面)沿垂 直方向发出在图2所示的Y轴方向线偏振的电波的标签天线，当然能够 接收在Y轴方向线偏振并从垂直方向到达贴片天线表面上的入射电波。 然而，这些标签天线不能接收在X轴方向线偏振的电波。因此，使标签 天线能够发射圆偏振电磁波并接收在任何方向线偏振的入射电波。图32示出了能够发射和接收圆偏振电磁波的贴片天线的结构的实 施例。在图32的(A)中示出了贴片天线PATT的沿着与电流J来回流 动的方向斜交的方向的切割部71、 72的实施例，并且在图32的(B)中 示出了在贴片天线PATT中沿着与电流J来回流动的方向斜交的方向形成 缝73的实施例。(H) RFID标签的制造方法 (a)第一制造方法图33是说明制造RFID标签的第一方法的图，示出了将该方法应用
于制造第二实施方式的RFID标签的实施例；然而，该方法也可以应用于制造第三至第五实施方式的RFID标签。制备在两侧上涂覆有导电图案的双面印刷电路板41，并通过蚀刻该 双面印刷电路板41的表面而形成用作标签天线的贴片天线42、待在其上 安装LSI芯片的小偶极天线43和并联电感器46。接着，通过芯片结合在 小偶极天线43上安装LSI芯片45，以生成RPID标签。将双面印刷电路 板41的后表面上的导电图案用作标签天线的接地GND。 (B)第二制造方法图34是说明制造RFID标签的第二方法的图，示出了将该方法应用 于制造第二实施方式的RFID标签的实施例；然而，该方法也可以应用于 制造第三至第五实施方式的RFID标签。通过印刷或蚀刻诸如PET的绝缘膜41a，形成用作标签天线的贴片 天线42、待在其上安装LSI芯片的小偶极天线43和并联电感器46，并 通过芯片结合在小偶极天线43上安装LSI芯片45。接着，制备在一侧上涂覆导电图案的单面印刷电路板41b，并使用 粘合剂、双面带等将绝缘膜41a附着于单面印刷电路板41b的其上未形 成导电图案的表面，以生成RFID标签。将单面印刷电路板41b的后表面上的导电图案用作标签天线的接地 GND。而且，通过在单面印刷电路板41b上形成凹陷48，并将LSI芯片 放置在该凹陷48中，使绝缘膜41a不会不平坦。 (c)第三制造方法图35是说明制造RFID标签的第三方法的图，示出了将该方法应用 于制造第二实施方式的RFID标签的实施例；然而，该方法也可以应用于 制造第三至第五实施方式的RFID标签。通过印刷或蚀刻诸如PET的绝缘膜41a，形成用作标签天线的贴片 天线42、待在其上安装LSI芯片的小偶极天线43和并联电感器46，并 通过芯片结合在小偶极天线43上安装LSI芯片45。接着，制备诸如PET的介电体41c、诸如铜或铝的导电片41d，并使 用粘合剂、双面带等将绝缘膜41a附着于介电体41c的一个表面，将导 电片41d附着于介电体41c的另一侧，以生成RFID标签。通过在介电体41c上形成凹陷48，并将LSI芯片放置在该凹陷48 中，使绝缘膜41a不会不平坦。(d) 第四制造方法图36是说明制造RFID标签的第四方法的图，示出了将该方法应用 于制造第二实施方式的RFID标签的实施例；然而，该方法也可以应用于 制造第一和第三至第五实施方式的RFID标签。通过印刷或蚀刻诸如PET的绝缘膜41a，形成待在其上安装LSI芯 片的小偶极天线43和并联电感器46，并通过芯片结合在小偶极天线43 上安装LSI芯片45。另外，制备在两侧上涂覆导电图案的双面印刷电路板41e，并通过蚀 刻在该双面印刷电路板41e的表面上形成用作标签天线的贴片天线42， 将双面印刷电路板41e的后侧上的导电图案用作标签天线的接地GND。接着，使用粘合剂、双面带等将绝缘膜41a附着于双面印刷电路板 41e的形成有贴片天线42的表面，以生成RFID标签。通过在双面印刷电路板41e上形成凹陷48，并将LSI芯片放置在该 凹陷48中，使绝缘膜41a不会不平坦。对于该第四制造方法，可以使用在所有国家通用的绝缘膜41a，即使 使用的频带根据国家而有所不同。即，对于每个国家，制备以在该国家 中使用的频率谐振的贴片天线就足够了 。(e) 第五制造方法图37是说明制造RFID标签的第五方法的图，示出了将该方法应用 于制造第二实施方式的RFID标签的实施例；然而，该方法也可以应用于 制造第一和第三至第五实施方式的RFID标签。通过印刷或蚀刻在诸如PET的绝缘膜41a上形成用作标签天线的贴 片天线42。另外，制备在两侧上涂覆有导电图案的双面印刷电路板，并通过蚀 刻在该双面印刷电路板41e的表面上形成待在其上安装LSI芯片的小偶 极天线43和并联电感器46，而后并通过芯片结合在小偶极天线43上安
装LSI芯片45。将双面印刷电路板41e的后侧上的导电图案用作标签天线的接地 GND。接着，使用粘合剂、双面带等将绝缘膜41a附着于双面印刷电路板 41e的形成有小偶极天线43的表面，以生成RFID标签。通过该第五制造方法，可以使用在所有国家通用的双面印刷电路板 41e，即使使用的频带根据国家而有所不同。即，对于每个国家，制备在 其上形成贴片天线的绝缘膜41e就足够了 。由于在不脱离本发明的精神和范围的情况下可形成本发明的许多明 显相差较大的实施方式，所以应理解本发明不限于其具体实施方式
，除 了在所附权利要求中有所限定之外。
权利要求
1.一种具有标签天线和LSI芯片的RFID标签，该RFID标签包括供电图案，在该供电图案上安装所述LSI芯片；用作所述标签天线的贴片天线；以及将所述供电图案与所述贴片天线高频连接的高频连接部分。
2. 如权利要求1所述的RFID标签，该RFID标签还包括 介电构件，该介电构件在一侧上形成有所述供电图案、贴片天线和高频连接部分，在另一侧上形成有用作接地的导电图案；以及短路单元，该短路单元在所述介电构件的侧表面上在接地与所述贴 片天线的一个边缘之间形成短路。
3. 如权利要求1或2所述的RFID标签，该RFID标签包括用作所 述供电图案的线性天线图案。
4. 如权利要求1或2所述的RFID标签，该RFID标签包括用作所述供电图案的环形图案。
5. 如权利要求3所述的RFID标签，其中，所述贴片天线中形成有缝，将作为所述线性天线的小偶极天线的一 端层叠在该缝上方使其横跨该缝，并从所述小偶极天线向所述贴片天线 供电。
6. 如权利要求3所述的RFID标签，其中，所述贴片天线中形成有切口部分，将作为所述线性天线的小偶极天 线的一端与该切口部分高频连接，并从所述小偶极天线向所述贴片天线 供电。
7. 如权利要求5或6所述的RFID标签，其中，所述LSI芯片安装在所述小偶极天线的中央，并将另一贴片天线(第 二贴片天线)放置成使其与所述贴片天线(第一贴片天线)关于位于中 央的所述LSI芯片左右对称；并且所述小偶极天线的一端与所述第一贴片天线之间的位置关系和所述 偶极天线的另一端与所述第二贴片天线之间的位置关系相同。
8. 如权利要求5至7中任一项所述的RFID标签，其中， 用作并联电感器的环形图案连接到所述小偶极天线。
9. 如权利要求3所述的RFID标签，该RFID标签还包括 用作并联电感器的环形图案；其中所述LSI芯片安装在所述环形图案的中间，形成有将所述环形图案的端部与所述线性天线部分的端部连接的单 极天线，并且从所述单极天线向所述贴片天线供电。
10. —种具有标签天线和LSI芯片的RFID标签的制造方法，该制 造方法包括以下步骤通过蚀刻在双面印刷电路板的表面上形成在其上安装LSI芯片的供 电图案和用作标签天线的贴片天线，从而将所述供电图案与标签天线高 频连接；将所述印刷电路板的后表面上的导电图案作为接地；以及 将所述LSI芯片安装在所述供电图案上以生成所述RFID标签。
11. 一种具有标签天线和LSI芯片的RFID标签的制造方法，该制 造方法包括以下步骤通过印刷或蚀刻在绝缘膜上形成在其上安装LSI芯片的供电图案和 用作标签天线的贴片天线，从而将所述供电图案与标签天线高频连接； 将所述LSI芯片安装在所述供电图案上； 将所述绝缘膜附在单面印刷电路板的顶部上；并且 将所述印刷电路板的后表面上的导电图案作为接地。
12. —种具有标签天线和LSI芯片的RFID标签的制造方法，该制 造方法包括以下步骤通过印刷或蚀刻在绝缘膜上形成在其上安装LSI芯片的供电图案； 将所述LSI芯片安装在所述供电图案上；通过蚀刻在双面印刷电路板的表面上形成用作标签天线的贴片天线；将所述印刷电路板的后表面上的导电图案作为接地；并且将所述绝缘膜附在所述印刷电路板的表面上以生成所述RFID标签。 13. —种具有标签天线和LSI芯片的RFID标签的制造方法，该制造方法包括以下步骤通过印刷或蚀刻在绝缘膜上形成用作标签天线的贴片天线； 通过蚀刻在双面印刷电路板的表面上形成在其上安装LSI芯片的供电图案；将所述印刷电路板的后表面上的导电图案作为接地； 将所述LSI芯片安装在所述供电图案上；以及 将所述绝缘膜附在所述印刷电路板的表面上以生成所述RFID标签。
全文摘要
本发明涉及一种RFID标签及其制造方法。该RFID标签具有标签天线和LSI芯片，该RFID标签包括在其上安装所述LSI芯片的供电图案；用作所述标签天线的贴片天线；以及将所述供电图案与所述贴片天线高频连接的高频连接部分。例如通过在所述贴片天线中形成缝，将用作所述供电图案的小偶极天线的一端层叠在该缝上方使其横跨该缝，并从所述小偶极天线向所述贴片天线供电来形成所述高频连接部分。
文档编号G06K19/077GK101159035SQ200710140258
公开日2008年4月9日 申请日期2007年8月7日 优先权日2006年8月9日
发明者大石泰之, 山雅城尚志, 杉村吉康, 甲斐学, 马场俊二, 马庭透 申请人:富士通株式会社;富士通先端科技株式会社