专利名称：混合传感器/通信设备和方法
混合传感器/通信设备和方法发明背景 发明领域本发明涉及传感器设备和通信设备领域。相关领域描述射频识别(RFID)标志(tag)和标签(label)(本文统称为“设备”)被广泛用于关 联目标与识别码或其它信息。RFID设备通常结合天线与类似物和/或数字电子学，数字电 子学可以包括例如通信电子学、数据存储和控制逻辑。例如，RFID标志与车内安全锁结合 使用、用于控制进入建筑物和用于追踪存货和包裹。传感器设备已被用于检测很多种物理参数。在传感器设备和通信设备两个领域内 进行改进是可能的。发明概述根据本发明的一个方面，混合传感器/通信设备包括含至少一种有机或非晶半导 体材料的传感器设备和与该传感器设备可操作地连接的射频识别(RFID)设备。根据本发明的另一方面，混合传感器/通信设备包括射频识别(RFID)通信设备， 其中所述RFID设备包括天线；和与天线结合以便于与该混合设备外部的设备通信的晶态 无机半导体集成电路；以及与晶态无机半导体集成电路可操作地连接的传感器设备。所述 传感器设备包括有机半导体材料或非晶无机半导体材料中的至少一种。依据本发明的又一方面，制造混合传感器/通信设备的方法包括以下步骤在金 属层上形成传感器设备，其中所述传感器设备包括有机半导体材料或非晶无机半导体材料 中至少一种；去除部分金属层，以分开所述金属层的天线与传感器设备所处的金属层的一 个或多个金属片；和连接晶态无机半导体集成电路与所述天线，从而生产与所述传感器设 备可操作地连接的射频识别(RFID)通信设备。根据本发明的又一方面，传感和通信的方法包括以下步骤提供混合传感器/通 信设备，其包括具有晶态无机半导体集成电路的射频识别(RFID)通信设备和与所述半导 体集成电路可操作地连接的传感器设备，其中所述传感器设备包括有机半导体材料或非晶 无机半导体材料中的至少一种；使用所述传感器设备传感一种或多种物理参数；并将与所 述一种或多种物理参数相关的信息从所述RFID设备传送到与所述混合设备物理地分开的 外部设备。为了实现前述的和相关的目的，本发明包括在下文充分描述的特征和在权利要求 中特别指出的特征。以下描述和附图详细阐述了本发明的一些说明性的实施方式。但是， 这些实施方式仅表示少数几种可以使用本发明原理的方式。从本发明的下述详述并与附图 结合考虑时，本发明的其它目标、优势和新的特征将变得显而易见。附图简述在附图中，没有必要按照比例
图1是依据本发明实施方式的混合传感器/通信设备的平面图2A是图1的设备的RFID芯片的示意图；图2B是显示依据本发明实施方式的混 合传感器/通信设备的部件的框图，其显示所述设备的电源配置；图2C是显示依据本发明另一实施方式的混合传感器/通信设备的部件的框图，其 显示所述设备的另一种电源配置；图2D是显示依据本发明又一实施方式的混合传感器/通信设备的部件的框图，其 显示所述设备的又一种电源配置；图2E是显示依据本发明仍另一实施方式的混合传感器/通信设备的部件的框 图；图3是图解图1的混合设备与外部设备之间的通信的示意图；图4是图解形成图1的所述混合设备的方法的步骤的高级流程图；图5是图解图4方法的一个步骤的图表；图6是图解图4方法的另一步骤的图表；和图7是图解图4方法的仍另一步骤的图表。发明详述混合传感器/通信设备包括与含有机和/或非晶半导体材料的传感器设备连接的 射频识别(RFID)通信设备。所述有机和/或非晶半导体材料可以被印制在所述设备基底 的顶部上，所述基底与所述RFID设备的天线元件所处的基底是同一基底。所述有机和/或 非晶半导体材料可以形成有机/非晶半导体材料处理器，所述处理器与所述传感器设备的 传感器垫(pad)连接。RFID设备的集成电路与所述有机/非晶半导体材料处理器连接，而 所述集成电路可以是插件或交连带(strap)的一部分，并且其可使用无机晶态半导体材料 如晶体硅。所述RFID设备给所述传感器设备供电，并允放在所述传感器设备和所述混合传 感器/通信设备外的外部设备之间通信。所述RFID设备可以被配置以提供不同电压来运 行所述RFID设备的集成电路和所述传感器的有机/非晶半导体材料处理器。用于运行集 成电路和传感器处理器的电可以通过整流由RFID设备的天线元件接收到的能量提供。图1所示为混合传感器/通信设备10，其包括RFID通信设备12和传感器设备14。 设备12和14结合在一起以供电给传感器设备14，并允许设备12和14间的信息通信。RFID 设备12包括集成电路或芯片20，以及与芯片20电连接的天线22。芯片20可以是插件或 交连带沈的一部分，插件或交连带沈具有与天线22和芯片20电连接的导电引线观。导 电引线观与芯片20的触点电连接，并在芯片20和天线22之间提供电连接。芯片20和天 线12之间的电连接可以是直接的欧姆导电路径或可选地可以包括电容性的或其它间接类 型的电连接。交连带26可以以面向上或面向下的配置被安装在天线22上。可选地，芯片 20可以与天线22电连接，不需要任何导电引线或插件的其它部分。天线22可以具有多种合适的配置中的任一种。在所示的实施方式中，天线22显 示为偶极天线，具有一对天线元件32和34。但是，可以理解的是，天线22可选地可以具有 不同配置，例如缝隙天线、环形天线、切口天线或一些其它合适的类型或天线类型的结合。传感器设备14包括无机和/或非晶半导体处理器40和传感器垫41-46。有机和 /或非晶半导体处理器40可以由印制的有机和/或非晶半导体材料层制成，如以下进一步 所述。有机和/或非晶半导体材料层可选地可以是真空沉积的。本发明中使用的合适的有机半导体体材料包括具有半导体性质的低聚物和聚合物。半导体低聚物的例子是并五苯和蒽(antracene)。半导体聚合物的例子是聚乙 炔。其它可能的有机半导体材料包括聚噻吩、酞菁、聚(3-己基噻吩)、聚(3-烷基噻 吩)、α-ω-六噻盼、α-ω-二-己基-六噻吩、聚噻吩乙炔(polythienylenevinylene), 二( 二噻吩并噻吩(dithienothiophene))、α -ω- 二己基-四噻吩、二己基-双噻吩蒽 (anthradithiophene)、正十五氟庚基-甲基萘_1，4，5，8_四羧基二酰亚胺(n-decapenta fluorohepty 1-methylnaphthalene-l, 4, 5,8-tetracarboxylic diimide)禾口 α_ω—二己 基-五噻吩。合适的非晶半导体材料是非晶硅。有机/非晶半导体处理器40接收并且可能处理来自传感器垫41-46的数据。有 机/非晶半导体处理器40还与芯片20连接。处理器40和芯片20间的连结允许设备12 和14间的通信。例如，由传感器垫41-46检测到的物理性质的信息可以通过处理器40被 发送到芯片20。另外，处理器40和芯片20之间的连结可以被用于给传感器设备14供电。 该电可以由整流通过天线22接收的输入能量的RFID设备12产生。传感器垫41-46可以是用于传感任何多种物理条件和/或事件的传感器。实例 是用于传感生物材料中一种或多种酶、特定蛋白或其它生物材料或基因序列的存在或不 存在的传感器垫；化学传感器，如用于检测化学分解的副产物；磁场传感器；电场传感器； 和集成温度/时间监测器。其它可能的传感器垫41-46包括光学传感器、热传感器、压力 传感器、湿度传感器和声传感器。关于这类传感器进一步的详细说明可在很多出版物中找 到，例如“Choosing a Humidity Sensor :A Review of Three Technologies，“ Denes K. Roveti, 在 http://www. sensorsmag. com/sensors/Technology+Tutorials % 2FSensors% 2FHumidit y % 2FMoisture/Choosing-a-Humidity-Sensor-A-Review-of-Th ree-Techn/ArticleStandard/Article/detail/322590 可得到，禾口〃 Review of Chemical Sensors for In-Situ Modeling of Volatile Contaminants，CliffordK. Ho 等。广泛而 言，传感器设备14能够被描述以检测一种或多种物理参数或性质，如上述所列的那些，或 检测特定材料的存在与否。天线22、有机/非晶半导体处理器40和传感器垫41-46被置于设备10的基底56 上。基底56可以是一片任何多种合适的材料，如合适的聚合物材料和纸。天线22可以是 粘结或者以其它方式固定在基底56上的铝箔。有机/非晶半导体处理器40和传感器垫 41-46可以直接沉积在基底56上，或者可选地可以沉积在合适的中间材料上，如在基底56 上的一个或多个金属片58。金属片58可以是铝箔层——与用于制备天线22的层是同一 层——的一部分，如以下进一步所述。有机/非晶半导体可以以期望的构造被印制或沉积。 可以理解的是，多种合适的印制操作可以被用于沉积处理器40和/或传感器垫41-46。沉 积可以包括真空涂覆、喷涂、旋涂或沉积控制层的其它合适的方法，其可与一些形式的掩模 结合使用。处理器40和传感器垫41-46之间的连接以及传感器处理器40和RFID芯片20之 间的连接可以是多种合适的导电连接中的任一种。合适的导电材料可以被沉积和/或配置 为制备设备10的过程的一部分。另外，参考图2A，芯片20具有电源60，其被配置以整流由天线22接收的能量以供 电给芯片20和有机/非晶半导体处理器40。电源60被配置以产生两种电压电平的电，适 合用于使用不同材料的不同类型的处理器。较高电压的电被用于有机/非晶半导体处理器40的供电。较低电压的电用于晶态无机半导体芯片20的供电。使用不同的电压，原因在于 芯片20和处理器40的不同材料需要不同电压来运行，这是由于它们的材料不同。电源60 包含合适的组件，如整流器和电荷泵，以提供芯片20和处理器40所需要的电压。芯片20还可以具有内部时钟62，其可用于提供从传感器垫41-46接收的以及由有 机半导体处理器40组合或另外处理的数据的精确定时。定时数据可选地可以由与RFID设 备12通信的外部设备提供。芯片20还可以包括温度测量设备64。温度测量设备64可以与芯片20 —体形成、 构建入芯片20的无机半导体材料内。基本的二极管温度测量可由Siockley 二极管方程确 定。二极管正向电压部分地依赖于在限定电流下的绝对温度。这一正向电压构成非常简单 的温度传感器。更加复杂的温度测量也可得，如在〃 Silicon Sensors for Temperature Measurements ‘‘中所述的那些，在 http:// www. nxp. com/acrobat_download/various/ SC17_GENERAL_TEMP_4. pdf可得到。温度测量设备64可用于提供准确的温度测量以补偿传 感器垫41-46的输出中的温度相关的变化。补偿可以在芯片20或有机半导体处理器40中 进行。可以理解的是，温度测量设备64可以可选地与芯片20分开。图2B-2E显示电源60的几种配置。图2B显示具有与天线22结合的整流器70的 电源60。来自整流器70的输出在两个分开的电荷泵71和72之间分开。来自第一电荷泵 71的输出Vl用于驱动晶体硅的RFID设备的逻辑74。逻辑74与存储器76连接。来自第 二电荷泵72的输出V2用于非晶/有机设备，例如包括非晶/有机处理器77和传感器78。 第二电荷泵72由RFID芯片逻辑74控制。RFID逻辑74还与非晶/有机处理器77和传感 器78连接。图2C显示了变型，其中第二电荷泵72用于从第一电荷泵71泵出输出电压VI。来 自第二电荷泵72的输出V2被用于供电给非晶/有机处理器77和传感器78。图2D显示具有与开关82连接的附加电池80的电源。电池80可以是在相同基底 上形成的薄膜设备或是潜在使用天线导体作为其电极之一的薄膜设备。开关82允许从电 池80供电给逻辑74。如果从天线22可得到足够电力，或者如果电池80被放电，则电力来 自整流器70，并且电力可以可控制地供给非晶/有机处理器77和传感器78。RFID芯片20 可以是“关”，或在非常低功率备用状态，而由电池80供电给非晶/有机处理器77和传感器 78。当发生事件时，如其传感器输入上的电压超过阈值，RFID芯片20可以从其备用状态被 启动。通常当定义事件发生，如温度超标时，这将使芯片启动。关于此的事件或信息以及从 低功率时钟中获得的时间信号可以被记录在存储器76中。图2E显示另一种设置，其中传感器/处理器90具有可能是模拟和数字的有机/ 非晶电路92，以及传感器。当定义事件发生时，传感器逻辑92从电池94供电到RFID设备 12。该电力可以通过标准通信端口或者通过仿真在阅读器和芯片20之间的常规通信来提 供。该电力使RFID设备12将数据写入RFID芯片20的存储器中，这些数据可被阅读器远 程读取。其可选形式具有由电池94供电的RFID芯片20以使设备半无源用于扩展的范围。现在参考图3，混合传感器/通信设备10可以与同混合设备10通信的外部设备 100相互作用。外部设备100可以是阅读器、检测器或询问器，其与混合设备物理地分开。 外部设备100可以发送由混合设备10的RFID设备12采集的RF信号102。引入的RF信号 102可以用于向RFID设备12和/或传感器设备14供以动力。另外，引入的RF信号102可以用于与混合设备10通信，例如通过提供信息给混合设备10。RFID设备12可以发回输出 信号104。输出信号104可以传播自RFID设备12，或可选地可以包括由外部设备100发送 的调制信号。这类调制可以被外部设备100检测，使得信息从混合设备10传送。关于传感 器垫41-46已检测到的信息，混合设备10所传送的信息可以包括由传感器垫41-46接收的 信息。可以理解的是，很多种其它信息也可以从混合设备10传送到外部设备100。混合传感器/通信设备10提供许多超过单一功能的RFID设备和传感器设备的优 点。RFID设备12提供给传感器设备14快速和可靠的与外部设备通信的能力。相比与单独 的有机/非晶设备通信的可能情况，在芯片22中使用硅或其它无机晶体半导体允许更高的 数据通信。设备10还有利地允许保持来自传感器设备14的数据精确定时。如上所述，定时 可以从RFID芯片20或者从来自外部设备100的信号来提供。有机/非晶半导体处理器40 提供的内部定时没有由晶态无机半导体芯片20或从外部设备提供的定时精确。基于来自RFID芯片20中(或在RFID设备12中别处)的晶态无机半导体温度测 量设备64的输入，混合设备10可以有利地校正来自一些或全部传感器垫41-46的关于环 境温度的结果。晶态无机半导体设备可以比有机/非晶设备更加准确地测量温度。这使得 混合设备10潜在地比只有有机/非晶半导体的设备更加准确地调节传感器的结果。混合设备10可以使用现成的芯片20或者交连带或插件沈来配置。这可以与传 感器设备14的容易定制的配置相结合。可以理解的是，通过将现成的RFID设备(或组件) 与定制的传感器设备配置相结合，混合设备10可以以低成本具有可定制的配置。传感器设 备14由于包括印制层，因此可以以低成本进行定制配置。另外，非晶/有机半导体材料可 能不适合与芯片结合。有机/非晶半导体材料可能不与直接芯片连接的分辨率和温度要求 相容。使用分离的天线22有利于连接芯片20或交连带或插件26。图4显示了制造混合设备10的方法106中的步骤的高级流程图。在步骤108中， 图5所示，金属层110被布置在基底56上。金属层110可以是铝箔层。金属层110可以被 粘合连接到基底56上。在步骤112中，如图6所示，传感器设备14在金属层110如铝或其它金属箔层上 形成。如上所述，有机/非晶半导体处理器40和传感器垫41-46可以被印制在金属层110 上。在形成后，有机/非晶半导体材料在步骤114进一步处理，如通过干燥或加热。其后在步骤116中，金属层110被模切或以其它方式切割以去除除金属片58和天 线元件32和34以外的材料。得到的结构如图7所示。最后，在步骤118中，交连带或插件 26被连接到天线元件32和34，制成如图1所示的混合设备。尽管已经关于一些优选的实施方式或多个实施方式显示和描述了本发明，但是显 而易见的是，本领域技术人员在阅读和理解本说明书和附图时将想到等价的变更和改进。 特别是关于上述元件(组件、装配、设备、组合物等)执行的各种功能，用于描述这些元件的 术语(包括提及"机构")意欲相当于——除非另外指出——执行所述元件的规定功能的 任何元件(即，功能上等价的)，即使在结构上不等同于在本文图解说明的本发明的示例性 实施方式或多个实施方式中执行所述功能的所公开的结构。此外，尽管本发明的特定特征 可能仅关于几个所阐述的实施方式中的一个或多个在上面进行描述，但是该特征可以与其 它实施方式的一个或多个其它特征相结合，这对于任何给定的或具体的应用可能是期望的页
和有利的。
权利要求
1.混合传感器/通信设备，其包括射频识别(RFID)通信设备，其中所述RFID设备包括天线；和晶态无机半导体集成电路，其与所述天线结合以利于与所述混合设备外部的设备通 信；以及传感器设备，其与所述晶态无机半导体集成电路可操作地连接；其中所述传感器设备包括有机半导体材料或非晶无机半导体材料中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的混合传感器/通信设备，其中所述传感器设备包括所述有机 半导体材料。
3.根据权利要求1所述的混合传感器/通信设备，其中所述传感器设备包括所述非晶 无机半导体材料。
4.根据权利要求1所述的混合传感器/通信设备，其中所述传感器设备包括处理器，所 述处理器包括所述有机半导体材料或所述非晶无机半导体材料中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的混合传感器/通信设备，其中所述传感器设备还包括与所述 处理器可操作地连接的一个或多个传感器垫。
6.根据权利要求5所述的混合传感器/通信设备，其中所述处理器与所述晶态无机半 导体集成电路可操作地连接。
7.根据权利要求5所述的混合传感器/通信设备，其中所述一个或多个传感器垫包括 酶传感器、化学传感器、集成温度/时间监测器、光学传感器、热传感器、压力传感器、湿度 传感器、电磁传感器和声传感器中的一个或多个。
8.根据权利要求1所述的混合传感器/通信设备，其中所述晶态无机半导体集成电路 是插件的一部分，所述插件包括与所述晶态无机半导体集成电路和所述天线都连接的导电 引线。
9.根据权利要求1所述的混合传感器/通信设备，其中所述天线是金属箔天线。
10.根据权利要求9所述的混合传感器/通信设备，其中所述传感器设备在一个或多个 金属片上形成。
11.根据权利要求10所述的混合传感器/通信设备，其中所述一个或多个金属片和所 述金属箔天线从单个金属箔层切割。
12.根据权利要求10所述的混合传感器/通信设备，进一步包括连接至所述金属箔天 线和所述一个或多个金属片的基底。
13.根据权利要求1所述的混合传感器/通信设备，其中所述有机半导体材料或所述非 晶无机半导体材料中的至少一种包括印制的材料。
14.根据权利要求1所述的混合传感器/通信设备，其中所述RFID设备包括提供高电 压和低电压的电源，所述电压中的一个用于所述晶态无机半导体集成电路的内部运行，而 另一个用于所述传感器设备的运行。
15.根据权利要求14所述的混合传感器/通信设备，其中所述电源与所述天线可操作 地连接，以整流由所述天线接收的能量，产生所述高电压和所述低电压。
16.制造混合传感器/通信设备的方法，所述方法包括在金属层上形成传感器设备，其中所述传感器设备包括有机半导体材料或非晶无机半导体材料中的至少一种；去除部分所述金属层，以分开所述金属层的天线与所述传感器设备所处的金属层的一 个或多个金属片；和将晶态无机半导体集成电路与所述天线连接，从而生产与所述传感器设备可操作地连 接的射频识别(RFID)通信设备。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述形成传感器设备包括将所述有机半导体材 料或非晶无机半导体材料中的至少一种印制在所述金属层上。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述去除包括模切所述金属层。
19.传感和通信的方法，所述方法包括提供混合传感器/通信设备，其包括具有晶态无机半导体集成电路的射频识别(RFID) 通信设备和与所述半导体集成电路可操作地连接的传感器设备，其中所述传感器设备包括 有机半导体材料或非晶无机半导体材料中的至少一种；使用所述传感器设备传感一种或多种物理、化学或生物参数；和将与所述一种或多种物理、化学或生物参数相关的信息从所述RFID设备传送到与所 述混合设备物理分开的外部设备。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述传感器设备的处理器包括所述有机半导体 材料或所述非晶无机半导体材料中的至少一种。
全文摘要
混合传感器/通信设备包括与含有机和/或非晶半导体材料的传感器设备结合的射频识别(RFID)通信设备。所述有机和/或非晶半导体材料可以被印制在所述设备的基底顶部上，所述基底与所述RFID设备的天线元件所处的基底是同一基底。所述有机和/或非晶半导体材料可以形成有机/非晶半导体材料处理器，所述处理器与所述传感器设备的传感器垫连接。RFID设备的集成电路与所述有机/非晶半导体材料处理器连接，所述集成电路可以是插件或交连带的一部分，并且其可使用无机晶态半导体材料如晶体硅。所述RFID设备供电给所述传感器设备，并允放在所述混合传感器/通信设备的所述传感器设备和外部设备之间进行通信。
文档编号G06K19/077GK102132293SQ200980107521
公开日2011年7月20日 申请日期2009年1月13日 优先权日2008年1月14日
发明者I·J·福斯特 申请人:艾利丹尼森公司