专利名称：带有改进范围的rfid标签的制作方法
技术领域：
本发明涉及rfid (射频识别)芯片及天线技术领域。本发明尤其涉及使用相关 联的r.f.询问/读取设备而具有改进的通信范围的rfid芯片及天线。
背景技术：
诸如2000年11月28日发布的美国专利第6,154,137号(其公开结合在此作 为参考)中示出并描述的那样，典型的rfid芯片和天线通常被同时结合在ID标签 内。ID标签通常具有安装在薄基片上或密封在薄基片内的天线和rfid芯片，上述 薄基片诸如2002年4月16日发布的美国专利第6,373,708 Bl号(其公开结合在此 作为参考)中公开的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基片25。天线通常是小型环形 天线或偶极天线，并且必须与rfid芯片欧姆连接。通常的环形天线是使用若干已知 方法中的任一种形成的多匝平面欧姆导体。 一种这样的技术是在合适的基片(诸如 上述PET基片)上的银浆印刷。用于形成环形天线的另一种已知方法是由宾夕法 尼亚州伯利恒市的RCD Technology Corporation实践的基片上铜沉积法。线圈的尺 寸(线圈直径和厚度)和匝数由包括对ID标签物理尺寸约束在内的特定应用要求 确定。天线的功能是提供rfid芯片与外部询问/读取设备(诸如，主机CPU、用户 读取站等)之间的信息的电磁传递；以及允许将电功率从外部设备感生传递至rfid 芯片以便为rfid芯片内的有源电路元件提供电功率。现已知多种商用rfid芯片，它们各自具有通常能在rfld集成电路中找到的标 准内部功能部件。这些标准部件包括RF和模拟部分、CPU、 ROM和EEPROM (参 见 1999 IEEE International Solid-State Circuits Conference publicaton 0-7803-5129-0/99，图9.1.1: RFID transponder IC block diagram) 。 Rfid芯片在被 外部设备询问时经由天线接收电功率，并使用标准协议(诸如，ISO 14443协议或 ISO 15693协议)与该外部设备通信。在对一目标安装ID标签之前，识别待附连 目标的信息被写入结合在rfid芯片内的ROM (只读存储器)中。 一旦该信息被一 次写入ROM,它就无法被任何询问设备盖写和更改。该rfid芯片可由外部询问/读取设备询问并且只是向外部设备提供该信息，即它无法更改存储在ROM内的信息。上述具有rfld芯片和天线的类型的ID标签对于目标跟踪十分有用，并且目前 已在各种各样这类应用中使用。这一技术的更多应用在理论上是可行的，但是其实 际实现在过去因为尺寸和成本的约束而受到了限制。这些约束在最近已由改进的半 导体批量处理技术所解决，其中使用该技术能够以比期望将rfid芯片和天线附连到 其上的独立目标的成本低得多的成本来生成极小的rfid芯片和天线。例如，日本东 京的日立公司在2004年引入了芯片尺寸为0.4mmX0.4mm并且成本比市场上现有 的rfid芯片低至少三分之一的mu系列rfid芯片和天线。其他的半导体制造商继续 研发它们自己的具有竞争性的产品。图1是具有都被安装在基片15上的rfid芯片12和单独的分立天线14的现有 技术的ID标签10的俯视图。rfid芯片12是含有功能性rfid器件所需的常用电路 的集成电路，并且是被独立制造的器件。这些集成电路器件通常使用本领域普通技 术人员公知的批量处理技术来制造。通常，在大型半导体晶片上构建基本器件设计 的多个复制品，其后将独立的芯片彼此分开并与其他分立部件相结合。对于图1的ID标签10而言，其他分立部件是天线14，该天线14允许rfid 芯片12电路与外部询问设备通信并且还允许将能量电磁传送到rfid芯片12以便为 其中包含的电子电路供电。因为rf天线的有用工作范围是线圈面积的直接函数， 所以天线14理想地是面积比rfld芯片12大得多的多匝线圈，从而能够提供尽可能 大的有效工作范围。天线14通常是随后将粘至基片15的独立形成的分立线圈，或 者是在线圈形成期间直接沉积在基片15上的金属层。图1的ID标签10通常如下构造首先制造rfid芯片12和天线14作为独立 部件，将部件12和14安装至基片15并将天线14与rfid芯片12电连接。为此目 的，制造带有两个欧姆连接焊盘16和17的rfid芯片12，天线14的自由端18和 19能接合到这两个焊盘上。虽然ID标签10的构造过程看上去简单直接，但是在实践过程中以高度的可 重复准确度来执行实际上是相当困难的。这一困难主要是由于rfid芯片上连接焊盘 小尺寸；就在该过程的接合步骤之前将天线14的自由端18和19精确定位在焊盘 16和17上的要求；以及必须在天线端和连接焊盘之间形成精确机械和欧姆接合的 额外要求。估计生产图1中所示的类型的ID标签的成本为rfid芯片12占1/3; 天线14占1/3;组装占1/3。随着rfid芯片物理尺寸的縮减，组装正确工作的ID标签的这些困难以及组装成本也相应地增加。图2示出了本领域中作出的一种用于排除组装具有独立rfid芯片和天线部件 的ID标签的困难的新方法。如该图所示，制造带有在基片25上形成的rfid芯片 22和天线24的ID标签20。因为天线24是在芯片制造过程期间与rfid芯片22 — 并形成的，所以在rfid芯片22和天线24自由端之间自动形成欧姆连接。这种"芯 片上线圈"方法消除了耗费成本的接合步骤以及与之相关的困难。虽然该"芯片上线圈"解决方案的确消除了与在ID标签组装过程中分立部件 的接合相关联的问题，但是它却引入了对根据该技术制造的ID标签的有效工作范 围的若干限制。因为"芯片上线圈"ID标签是使用集成电路批量处理技术制造的， 所以天线尺寸受到了生产的管芯的尺寸的极大限制。例、如， 一种商用"芯片上线圈" ID标签的公布的工作范围被限制在最大距离3.0mm。虽然这对某些专门应用来说 是足够了，但是如此小的工作范围对ID标签当前所展望的大多数应用而言是不合 适的。扩展"芯片上线圈"ID标签的工作范围的一种尝试在2001年7月3日公布的 题为"Radio Frequency Identification Transponder Having Integrated Antenna"的美国 专利第6，288，796号中有所公开，该专利的公开结合在此作为参考。根据该参考文 献中的教导，天线可以在被安装在rfid芯片之上或之下的芯片上形成。天线具有共 同构成其轴与rfid芯片的主体平面平行的螺线线圈的多匝线圈。为了增加天线线圈 的电感，并由此增加ID标签的工作范围，可以在天线芯片上形成高磁导率层。虽 然这一偏置的确增加了 "芯片上线圈"ID标签的工作范围，但是它要求会增加制 造成本并对产出率有潜在影响的若干额外处理步骤，并且仅能提供带有相对较小面 积的天线。于是，包括具有分立的集成电路芯片和天线的RFID标签及其"芯片上线圈" 变体在内的现有RFID标签仍然遭受着与相关联的询问/读取设备的有限的有效工 作范围的严重缺陷。发明内容本发明包括一种用于提供带有比已知的尺寸相当的ID标签增加的工作范围的 RFID标签的方法和系统。从装置方面来看，本发明包括RFID标签的组合，包括具有工作频率的rfid集 成电路和天线，并带有包括第一多匝线圈以及连接至该第一线圈的第一电容器的第一无源天线电路。该无源天线电路具有与RFID标签的工作频率基本相同的共振频率。第一线圈具有其中央开口大于天线尺寸的基本为螺旋形的构造，以使得无源 天线电路和RFID标签能够与位于该中央开口内的天线组装在一起并且能够被排列 成与第一线圈感应交互。当被组装时，该第一线圈基本上与天线共面。在一可选实施例中，本发明还包括含有第二多匝线圈和第二电容器的第二无 源天线电路，该第二无源天线电路具有与第一无源天线电路的共振频率基本相同的 共振频率。该第二多匝线圈具有中央开口大于第一线圈的外经的基本为螺旋形的构造，以使得第一和第二无源天线电路能够与位于第二线圈的中央开口内的第一线圈 组装用以彼此的感应交互。当被组装时，第一和第二线圈基本上共面。从过程方面来看，本发明包括一种扩展具有rfid集成电路和天线的RFID标签 的工作范围的方法，该方法含有如下步骤(a) 提供具有工作频率的rfid集成电路和天线的RFID标签；(b) 提供具有第一多匝线圈以及连接至该第一线圈的第一电容器的无源天线 电路，该无源天线电路具有与上述工作频率基本相同的共振频率；以及(c) 组合该RFID标签和无源天线电路用于第一线圈和天线之间彼此的感应交互。第一线圈具有大于天线尺寸的中央开口；并且组合步骤(C)优选地包括将第 一线圈定位成使其中央开口围绕天线的步骤。组合步骤(c)还优选地包括排列天线和第一线圈以使得它们基本上共面的步骤。本方法还包括如下步骤(d) 提供具有第二多匝线圈以及连接至该第二线圈的第二电容器的第二无源 天线电路，该第二无源天线电路具有与第一无源电路的共振频率基本相同的共振频率；以及(e) 组合该第一无源天线电路和第二无源天线电路用于第一线圈和第二线圈 之间彼此的感应交互。第二线圈具有大于第一线圈的尺寸的中央开口；并且组合步骤(e)优选地包 括将第二线圈防止成使其中央开口围绕第一线圈的步骤。组合步骤(e)还优选地 包括排列第一线圈和第二线圈以使得它们基本上共面的步骤。本发明提供"芯片上线圈"ID标签以及分立部件RFID标签的全部优点，但 是还提供远大于已知设备的工作范围。增加的工作范围据估计要大于已知RFID标签五倍以上。为了更全面地理解本发明的特性和优点，应对随后结合附图的详细描述做出 参考。
图l是具有rfid芯片和独立天线的现有技术的ID标签的俯视图。图2是具有rfid芯片和整体形成的天线的现有技术的ID标签的俯视图。图3是根据本发明的具有rfld芯片和无源天线的ID标签的示意图。图4是示出了具有单个无源天线的本发明第一实施例的俯视图。图5是示出了具有附加无源天线的本发明可选实施例的俯视图。
具体实施方式
现转向附图，图3是示出了本发明原理的示意图。如可从此图中所见的，"芯 片上线圈"RFID标签30具有在集成电路基片35上制造的rfid集成电路芯片32 以及整体形成的天线34。与天线34相邻放置的是具有线圈37和调谐电容器38的 无源天线电路36。线圈37具有远大于芯片天线34的面积，并且两个元件被排列 成彼此感应交互。调谐电容器38允许选择无源天线电路36的共振频率以便与包括rfid集成电 路32和芯片天线34的电路的共振频率相匹配，从而使得它们的电感耦合最大。当在无源天线电路36的范围内广播带有为RFID标签30选出的工作频率的询 问信号时，该询问信号由无源天线电路36感测，被传送至芯片天线34，然后进入 rfid集成电路32。当集成电路32发送对该询问信号的响应时，该响应首先由芯片 天线34广播，由无源天线电路36感测，并被传送至远程询问系统。因为无源天线 电路36的范围比RFID标签30的范围要大得多，所以增加无源天线电路36极大 地扩展了 RFID标签30的工作范围，即相当于其正常工作范围的五倍左右。图4示出了具有单个无源天线电路40的本发明的第一实施例。如可从此图中 所见的，无源天线电路40包括每一端都耦合至调谐电容器44的不同极板的多匝线 圈42。线圈42具有大到足以容纳RFID标签(诸如标签30)的中央开口部分。线 圈42可由任何期望的方式形成，诸如上述的银浆印刷或铜沉积技术。电容器44 可以是分立部件元件或者是使用半导体制造技术(沉积、掩模、蚀刻等)形成的元 件。必须仔细选择电容器44的值，使得无源天线电路40的共振频率与RFID标签30的工作频率相匹配。优选地将RFID标签30、天线42和电容器44安装在某种 共用安装表面(未示出)上，该共用安装表面通常是由任意适合材料制成的安装基 片。例如，如果图4的实施例被设计成用于服装，则安装表面通常是服装纸标签。 类似地，如果图4的实施例被设计成用于小型封装产品，则安装表面通常是该产品 封装本身的表面。在工作中，当在无源天线电路40的范围内广播带有为RFID标签30选出的工 作频率的询问信号时，该询问信号由无源天线电路40感测，被传送至芯片天线34， 然后进入rfid集成电路32。当集成电路32发送对该询问信号的响应时，该响应首 先由芯片天线34广播，由无源天线电路36感测，并被传送至远程询问系统。因为 无源天线电路40的范围远大于RFID标签30的范围，所以增加无源天线电路40 极大地扩展了 RFID标签30的工作范围，即相当于其正常工作范围的五倍左右。图5示出了具有两个无源天线电路的本发明的第二实施例。如可从此图中所 见的，按照与图4所示的相同的方式排列第一无源天线电路40以使其围绕RFID 标签30。更大的第二无源天线电路50具有每一端都欧姆连接至第二电容器54的 各极板的相对较大的电感线圈52。线圈52内的中央开口大到足以容纳第一无源天 线电路40的线圈42。通过选择具有合适值的电容器54，就可以将无源天线电路 50调谐至与第一无源天线电路40相同的频率。除了线圈52的尺寸要明显大于线 圈42的尺寸之外，天线52和电容器54的结构与线圈42和电容器44的结构基本 上是相同的。图5实施例的工作与已在图4的实施例中描述的相类似。当在第二无源天线 电路50的范围内广播带有为RFID标签30选出的工作频率的询问信号时，该询问 信号由第二无源天线电路50感测，被传送至第一无源天线电路40,然后被传送至 芯片天线34，再进入rfid集成电路32。当集成电路32发送对该询问信号的响应时， 该响应首先由芯片天线34广播，由无源天线电路40感测，并被传送至第二无源天 线电路50，再被传送至远程询问系统。因为第二无源天线电路50的范围远大于第 一无源天线电路40和RFID标签30的范围，所以增加第二无源天线电路50就进 一步扩展了图4的实施例的工作范围。匝数、独立线圈线段的宽度以及无源线圈42和52各线圈匝之间的间隔都可 按设计进行选择。通常，应该选择线圈42和52的尺寸以使线圈面积远大于该线圈 所包围的元件，以便为被包围的元件提供充足的物理空间并提供远大于芯片线圈 34的电感的电感。然而，应该相对于其上安装该标签的目标的尺寸来恰当地设定无源线圈的外径。由此，例如，如果标签要用来跟踪一件小型珠宝，则该无源线圈 的外径应该小于这件珠宝的尺寸。应该注意到，不是必须要将无源天线电路40和50相对于RFID标签30精确 地同心放置。只要无源天线线圈42和52大体以芯片线圈34为中心并能彼此促进 电感线圈之间的充分电磁交互就已足够。因此，RFID标签与一个或两个无源天线 电路的组装不需要精确的对齐过程，由此降低了组装成本。此外，因为能够以极低 的成本制造无源天线电路，所以为RFID标签添加一个或两个无源天线电路基本上 不会增加产品成本，但却能大幅扩展RFID标签的工作范围。根据本发明的教示制造的ID标签在具备由"芯片上线圈"ID标签提供的各种 优点(主要是消除了涉及天线线圈和rfid芯片的接合步骤，以及大批量处理的成本 优势)的同时，还提供据估计在仅使用单个无源天线电路的情况下就比已知的"芯 片上线圈"ID标签的工作范围大五倍以上的增加的工作范围。虽然已参考具体的较佳实现描述了本发明，但是可以利用各种修改、可选构 造以及等效技术方案而不背离本发明的精神。例如，虽然已参考"芯片上线圈" RFID标签描述了本发明，但是也可以完全考虑使用具有分立rfid集成电路和天线 的RFID标签。同样地，虽然无源线圈44、 54被示出并描述为单层线圈，但是也 可以按照需要利用具有两层或更多层的多匝线圈。此外，虽然已参考闭环线圈描述 并示出了本发明，但是也可以考虑偶极天线。因此，以上所述不应被解释为对本发 明的限制，因为本发明仅由所附权利要求定义。
权利要求
1. 与含有具有一工作频率的rfid集成电路和天线的一种RFID标签相结合，第一无源天线电路包含第一多匝线圈以及连接至所述第一线圈的第一电容器，所述无源天线电路具有与所述工作频率基本相同的共振频率，所述第一线圈具有基本围绕所述RFID标签的中央开口并且被排列成用于与所述天线感应交互。
2. 如权利要求l所述的发明，其特征在于，所述第一线圈基本上与所述天线 共面。
3. 如权利要求l所述的发明，其特征在于，所述第一线圈具有基本为螺旋形 的构造。
4. 如权利要求l所述的发明，其特征在于，还包括含有第二多匝线圈和第二电容器的第二无源天线电路，所述第二无源天线电路具有与所述第一无源天线电路 的共振频率基本相同的共振频率，所述第二多匝线圈具有基本围绕所述第一线圈的中央开口并且被排列成用于与所述第一线圈感应交互。
5. 如权利要求4所述的发明，其特征在于，所述第二线圈基本上与所述第一 线圈共面。
6. 如权利要求4所述的发明，其特征在于，所述第二线圈具有基本为螺旋形 的构造。
7. —种扩展具有rfid集成电路和天线的RFID标签的工作范围的方法，所述 方法包括如下步骤(f) 提供含有具有一工作频率的rfid集成电路和天线的RFID标签；(g) 提供具有第一多匝线圈以及连接至所述第一线圈的第一电容器的无源天 线电路，所述无源天线电路具有与所述工作频率基本相同的共振频率；以及(h) 组合所述RFID标签和所述无源天线电路用于所述第一线圈和所述天线 之间彼此的感应交互。
8. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一线圈具有大于所述天线 的尺寸的中央开口；并且其中所述组合步骤(c)包括将所述第一线圈定位成使其 中央开口围绕所述天线的步骤。
9. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述组合步骤(c)包括将所述 天线和所述第一线圈排列成使得它们基本上共面的步骤。
10. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤(d) 提供具有第二多匝线圈以及连接至所述第二线圈的第二电容器的第二无 源天线电路，所述第二无源天线电路具有与所述第一无源电路的共振频率基本相同的共振频率；以及(e) 组合所述第一无源天线电路和所述第二无源天线电路用于所述第一线圈 和所述第二线圈之间彼此的感应交互。
11. 如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第二线圈具有大于所述第 一线圈的尺寸的中央开口；并且其中所述组合步骤(e)包括将所述第二线圈定位 成使其中央开口围绕所述第一线圈的步骤。
12. 如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述组合步骤(e)包括将所 述第一线圈和所述第二线圈排列成使得它们基本上共面的步骤。
全文摘要
一种具有rfid集成电路和天线的RFID标签与第一无源天线电路相结合以提供扩展的工作范围。该第一无源天线电路具有第一多匝线圈和第一电容器，用以将该无源天线电路调谐至与RFID标签的工作频率基本相同的共振频率。第一线圈具有大于天线的尺寸的中央开口。该无源天线电路被排列成使天线优选地以共面的形式位于线圈的中央开口内，由此促进其间的感应交互。将与第一无源天线电路基本上相同但具有更大尺寸的第二无源天线电路定位成使该第二无源天线电路的线圈围绕第一线圈，由此进一步扩展工作范围。
文档编号H01Q7/00GK101276427SQ20071009365
公开日2008年10月1日 申请日期2007年3月30日 优先权日2007年3月30日
发明者朱生勃, 黄世雄 申请人:麦格耐克斯有限公司