CN102265294A - 用于标记木制品的射频应答器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于标记木材材料的应答器及其制造方法。该方法包含将RFID微芯片和天线嵌入基本上由一种或者多种可生物降解材料构成的外壳中。根据本发明，嵌入步骤包含通过在可生物降解材料上直接层叠导电材料来形成天线，以及通过可生物降解材料覆盖天线。采用本发明，例如，可以制造环境友好并且适于制浆的应答器以例如辅助林业行业的物流。

Description

用于标记木制品的射频应答器及其制造方法

技术领域

本发明涉及特殊设计的射频应答器(transponder)以及制造该应答器的方法。这种种类的应答器包含由可生物降解材料制造的外壳和由该外壳覆盖的射频应答器装置。

背景技术

基于射频识别(RFID)的追踪在很多贸易和工业领域中正变得越来越常见。尽管很多工业部门具有覆盖从原材料供应到市场中的最终产品的产品链的被利用追踪系统，但部分地由于复杂的供应链结构，林业和木材部门仍然处于这种进程的开始阶段。伐木操作自身的性质、林业行业的物流、环境因素、木料用户的需求和所需的木材的电磁属性设定了应答器应用处理和应答器自身(仅仅提及某些方面)的特殊需求。该部门中的总体目标是开发能够在整个转换链中提高木材的使用并且优化林业产品的方法和先进技术，最小化环境影响(www.indisputablekey.com)。

已知的能够用来标记木料的两种主要类型的RFID应答器(标签)(http://www.indisputablekey.com/transponder_application.php)：插入在木料中加工形成的缝或者槽中的贴片式应答器，和插入在木材中所钻的孔中或者直接被敲入木材中的钉式应答器。贴片应答器通常具有长方形板的形式。已知的标记装置的进一步示例可以从FR 2673026、FR 2885723、FR 2913134和FR 2810436中获知，其公开了能够插入木材的装置和能够插入出于该目的而保留的装置的独立空间中并且从该独立空间中移除的独立应答器。因而，应答器不是该装置不可分割的一部分，这使得它们的使用不必要的复杂。

在很多应用中可能有利的是，在木材的诸如制浆、造纸、燃烧或者堆制肥料的进一步处理之前可以不需要从木制品中移除应答器。因而，应答器可以尽可能少的包含不可生物降解的材料。

发明内容

本发明的目的是实现制造环境友好的RFID应答器的方法和使用该方法所获得的新颖RFID应答器。特别是，其目的是制造能够轻松地用于标记木料并且在木料的处理之前不需要从木料中移除的应答器。

本发明基于在构成应答器外壳的一部分的可生物降解材料上直接应用应答器的天线的思想。通过将更多的可生物降解材料带入包含天线的部分外壳来完成外壳，天线被嵌入在外壳中。模塑可以用于制造部分外壳和完成外壳。其结果，应答器的天线和电连接至天线的RFID微芯片一同变成夹在(sandwiched)可生物降解外壳材料之间。假如将模塑、热压或者某些其它方法用于完成外壳，则产生一次成型的并且环境友好的应答器。

更具体地，根据本发明的方法和应答器的特征如独立权利要求所述。

根据优选实施例，该方法包含通过将RFID微芯片和天线嵌入基本上由一种或多种可生物降解材料构成的外壳中来制造适于标记木材材料的射频识别(RFID)应答器。所述嵌入包含

—通过直接在可生物降解材料上层叠(layering)导电材料来形成天线，以及

—通过可生物降解材料覆盖天线。

根据一个实施例，嵌入步骤包含

—提供由可生物降解基质材料构成的并且包含内表面的第一外壳部分，

—通过在内表面上层叠导电材料而将天线直接应用在所述内表面上，以及

—通过接合第二外壳部分和第一外壳部分的内表面而完成外壳，从而RFID微芯片和天线被嵌入在外壳中。

相应地，根据本发明的应答器包含由可生物降解材料(优选地可模塑材料)构成的主体、嵌入在主体中的RFID微芯片和电连接至RFID微芯片的层状天线。根据优选实施例，天线始于其与可生物降解材料直接接触的两侧。层通常是平面的，但如果需要，其也可以具有三维形状。

因为不可生物降解材料的数量可以非常低，所以通过本发明获得了大量的优点。这类材料通常仅仅被包含在实际的应答装置(即，天线和微芯片，以及可选地天线应用其上的薄基底)中。即使使用不可生物降解的基底，其也可以非常薄，从而涉及像例如制浆处理中那样处理已标记木材材料的可能性时，不可生物降解材料的数量仍然是可以忽略的。优选地，天线基底的重量低于应答器总重量的5％，通常低于1％。

在其优选形式中，完全消除了针对天线和/或RFID微芯片使用独立基底或者至少不可生物降解基底的需求。包含天线图案的常规嵌件通常由PP、PET或聚酰亚胺制成。这些材料并不是完全可生物降解的并且它们在林业行业中的使用是非常有限的。另一方面，已知的可生物降解的材料不适于制造能够在模塑或者热压处理中使用的薄、有弹性和耐热的膜。通过提议天线图案的直接应用方法，本发明解决了这些问题。已经在实验中观察到，包含天然聚合物和天然纤维(诸如Tecnaro GmbH的Arboform

)的应答器外壳的当前可生物降解基质材料是此前针对塑料基板所使用的膜转移技术和此前针对塑料和纸制基板所使用的印刷技术二者的合适基板。

根据本发明的优选实施例，应答器和/或天线应用其上的基板的可生物降解基质材料适于制浆，即，适于少量地与其它原材料被添加至机械、化学机械或者化学制浆处理中。在制浆处理期间粉碎或者溶解适于制浆的材料，不留下对处理不利的成分。特别是，对于由这类材料所构成的应答器来标记的木料所制造的纸的质量，这类材料不具有负面影响。这类材料通常基本上由天然成分并且可选地在制浆中固有出现和/或在标准制浆处理中取得的其它添加物构成。

根据一个实施例，应答器至少部分是楔形的，即，成形的，从而在无需例如钻孔或者雕刻的木材预处理的情况下刺入木材。应答器可以是钉形的(在细长主体的一端切成楔形)或者“水平”可应用的(在应答器的细长边缘切成楔形)。根据另一个实施例，应答器不是楔形的，其中针对应答器需要对木材制造空洞。例如，这类应答器可以用于在例如家具行业中作为榫钉将木制部分固定在一块。

本发明的进一步实施例和优点通过参考附图来描述。

附图说明

图1以透视图的形式例示了根据本发明一个实施例的应答器，

图2示出了图1所示的应答器的截面图，

图3以透视图的形式例示了图1的应答器和埋入其中的RFID天线和芯片，

图4A和4B以截面图的形式示出了根据本发明一个实施例的应答器的应用过程中的两个主要阶段。

具体实施方式

图1示出了根据本发明一个实施例的楔形应答器10。应答器10在一个方向上是细长的并且包含位于其纵向侧面上的第一边缘12，第一边缘12适于首先刺入木材。应答器10进一步包含延伸自第一边缘12的细长的第一楔形部分14以取代木材而同时第一边缘12刺入木材。应答器进一步包含第二部分15，其延伸自第一楔形部分14而远离第一边缘12并且形成应答器的第二边缘16。

根据一个实施例，外壳包含一个或多个与应答器的插入方向垂直的肩状突出部或者凹座以有效地防止应答器在插入之后与木材材料脱离。这是因为在应答器楔形部分的刺入期间取代木材材料之后，有弹性的木材材料因为其试图返回其原始形状而膨胀，从而将应答器紧紧地卡在木材中。

根据图1所示的实施例，第一楔形部分14具有横向的最大宽度，其大于第二部分15的最大宽度。换言之，在第一楔形部分14和第二部分15之间的区域形成有在应答器的横向上延伸的两个肩状突出部18A、18B。肩状突出部的目的是在应用了应答器之后在木材中紧紧地固定应答器。肩状突出部18A、18B优选地也是楔形的，以提供轻松的插入和增加的反向机械阻力。如图2所示，图1应答器的截面图是箭形的，第一部分14基本上是三角形而第二部分15基本上是矩形。这产生了应答器外壳的木材刺入而又保持该应答器外壳良好的几何形状。根据优选实施例，楔形部分14的张角为40-75度，特别是50-65度。已经发现，至少对于特定种类的木材，大约58度的张角是非常适合的。

“水平”式应答器在纵向上的尺寸通常至少是应答器在插入方向上的尺寸的2倍，优选地至少是4倍，从而使应答器具有细长的形状。标签的纵向尺寸可以是例如30-150mm，特别是50-100mm。应答器的横向宽度(从肩状突出部18A到肩状突出部18B)通常是3-10mm，特别是4-6mm，并且应答器的高度是4-20，特别是6-12mm。肩状突出部的宽度优选地至少为0.5mm，以提供将应答器牢固地固定至木材。上述的外壳几何形状具有多种变形。特别是，可以由与木材相互作用的其他形式的局部固定装置来补充或者替换肩状突出部。例如，可以在外壳的横向侧面和/或纵向末端上提供更多的肩状突出部。此外或者替代地，可以在外壳的侧面或者末端上提供有弹性的木材能够进入其中并且因而在木材中固定应答器的一个或多个诸如槽的凹座。此外或者替代地，外壳可以由摩擦力高的材料来制造和/或具有局部地增加木材和应答器之间的摩擦力的粗糙区域。

一般地说，“水平”应答器包含适于以撞击的方式按照插入方向插入木材材料的坚硬外壳，外壳包含由于所述撞击适于刺入木材材料的第一楔形边缘，以及与第一边缘相对的第二边缘，第一和第二边缘限定了所述插入方向，并且通过外壳来覆盖射频应答装置，外壳在与插入方向垂直的方向上是细长的。

如图2和图3所示，射频电路20(即，RFID微芯片24和天线26)被包含在应答器10的外壳中，从而得到很好的保护。根据优选实施例，天线26主要沿着应答器的纵向延伸(应答器的纵向尺寸限定了天线26的最大长度)。如图3所示，天线还可以具有应答器插入方向上的相当尺寸。根据所示的实施例，天线26是包含从微芯片24以相反方向延伸的两个三角形分支的偶极天线。然而，至少预期矩形偶极天线也能表现地一样良好。如本领域技术人员所认识到的一样，应答器中天线26的形状和天线26的位置以及微芯片24可以发生很多变化。

微芯片24和天线26可以一体成形并且完全被包含在应答器外壳中。这意味着不可能在不需要破坏应答器的情况下移除微芯片24和天线26。优选地，通过例如注模或者压模或者对外壳的挤压的模塑将微芯片24和天线26埋入外壳材料中，但是也可以通过例如热压或者使用可生物降解粘合剂将分开模塑的两半外壳粘合在一块来实现埋入。

根据一个实施例，微芯片24和天线26可以被包含在单独的优选地可生物降解的基板上，从而形成在外壳的制造期间插入外壳的嵌件。根据一个实施例，嵌件位于第一半外壳上，该第一半外壳通过或者不通过粘合剂与第二半外壳粘合以制成完整外壳。根据替代实施例，在外壳的模塑期间将嵌件埋入外壳材料中。粘合剂可以用来粘合嵌件，但这不是必要的。

根据一个实施例，嵌件的基板是纸制基板。根据另一个实施例，基板由人造木材制成。根据又一实施例，基板由诸如聚交酯(PLA)或者聚羟基烷酸酯(PHA)的可生物降解聚合物制成。

根据替代实施例，基板由诸如PP、PET或者聚酰亚胺的不可生物降解聚合物制成。基板优选地较薄，通常具有小于0.1mm的厚度，以使总质量保持很低。

参考图2，将外壳制造成两个或者更多部分，其在最后产品中被相互不可分离地接合。第一外壳部分由附图标记17表示。第二外壳部分由附图标记19表示并且部分17、19之间的边界由虚线表示。因而，虚线表示在外壳完成之前第一外壳部分17的内表面的位置。RFID天线层20位于内表面上。

根据优选实施例，应答器是细长的并且天线位于纵向交叉部分，通常位于外壳的对称轴上。

天线26通常由金属或者包含金属的材料构成。根据一个实施例，通过诸如芬兰Aspact Oy的Aspact

技术的膜转移技术将金属的预先形成图案的膜转移到外壳的基质材料或者分离基板来应用天线。膜转移处理通常包含

—提供包含要被转移的载体箔和图案的转移箔，

—将转移箔放置在接收图案的外壳部分上，

—在升高的温度下与外壳部分相对地按压箔以转移图案至外壳部分，以及

—移除载体箔。

根据替代实施例，通过将包含金属的墨印刷到外壳而在外壳或者分离基板上应用天线图案。很多合适类型的导电墨在本领域是公知的。其后，金属微粒通常被烧结，从而增加印刷层的导电率。可以通过例如同一申请人的EP 2001272中所述的通过电气相互作用在热和可选地压力下进行烧结。

根据又一实施例，通过在没有液体形式溶剂的处理中将金属微粒沉积在外壳的期望内表面或者分离基板上来应用天线图案，从而它们在表面上形成粘合剂并且形成一次成型的导电层。例如，这可以通过原子层沉积(ALD)方法、化学气相沉积(CVD)方法或者例如根据MesoScribe Technologies公司的直接写技术的热喷涂来实现。如果需要，可以移除所沉积的层的多余区域以形成最后的天线图案。

RFID微芯片可以在天线的沉积之前被嵌入在第一外壳部分，由此在沉积之后的期间电气连接天线和微芯片。这可以通过转移天线膜或者对印刷墨进行印刷来实现，从而即使在没有单独的连接步骤的情况下，其与微芯片的接触端子重叠。然而，也可以使用焊接或者其它粘合处理。替代地，RFID微芯片可以被提供给第一外壳部分并且仅仅在天线的沉积之后与天线电气连接。可以使用已知的粘合处理。

构成外壳的基质材料优选地是适于制浆的材料并且可以包含或者基本上由诸如木质素和特别是木纤维的天然纤维的天然聚合物构成。这类材料常常被称为人造木材材料。它们通常具有可模塑、坚硬、耐用和耐湿的特性，这使得它们非常适合于标记木材。基质材料优选地是不吸水的。也就是说，在存储和运输期间，应答器在木料所经受的正常湿度和温度范围内仍然是不含水的。

根据一个实施例，基质材料额外地包含诸如PLA(可选地由天然纤维来加强)的其它可生物降解聚合物或者用所述其它可生物降解聚合物来替代木质素。

图4A和4B示出了图1-3所示的应答器的应用原理。在第一阶段中，用应用工具30击打应答器10以进入木材40，并且在第二阶段中移除应用工具30以便通过木材40的弹性将应答器10卡在木材40中。如图所示，应用工具30包含由凹座四周的材料的狭窄区域32所限定的凹座。这些区域的厚度优选地小于或者等于应答器的肩状突出部(如果存在的话)的宽度。将凹座成形为使得应答器的非楔形的第二部分与应用工具30密切配对。凹座还可以被设计成具有紧密配合，以使得应答器10在被应用之前良好地保持在应用工具30中。

Claims (23)

1.一种制造适于标记木材材料的射频识别(RFID)应答器的方法，包含将RFID微芯片和天线嵌入外壳中，其特征在于，所述嵌入包含：

—提供由可生物降解材料构成并且包含内表面的第一外壳部分，

—将所述天线提供给所述第一外壳部分的所述内表面，以及

—通过接合由可生物降解材料构成的第二外壳部分和所述第一外壳部分的所述内表面来完成所述外壳，从而所述天线被夹在所述外壳部分之间。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过在所述第一外壳部分的所述内表面上直接层叠导电材料来形成所述天线，以形成基本上由一种或者多种可生物降解材料构成的外壳。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述嵌入包含

—在分离基板上应用所述天线，以及

—将具有所述天线的分离基板放置于所述内表面上。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述分离基板是可生物降解的。

5.如在前权利要求中的任一项所述的方法，其中所述第一和第二外壳部分的(一种或多种)所述可生物降解材料是可模塑的。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，通过模塑来接合所述第二外壳部分和所述第一外壳部分。

7.如在前权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，使用粘合剂优选地可生物降解粘合剂或者热压来接合所述第一和第二外壳部分。

8.如在前权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，在提供所述天线之前将所述RFID微芯片嵌入在所述第一外壳部分中，并且在应用期间或者应用之后电气连接所述天线和微芯片。

9.如在前权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，在已经将所述天线提供在所述第一外壳部分上之后提供所述RFID微芯片并且将所述RFID微芯片与所述天线电气连接。

10.如在前权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，通过由膜转移技术将金属的预先形成图案的膜转移到所述可生物降解材料上来将所述天线提供在所述第一外壳部分上。

11.如权利要求1-9中的任一项所述的方法，其特征在于，通过将包含金属的墨或者类似物印刷至所述可生物降解材料、使所述墨或者类似物变干并且可选地烧结金属微粒来将所述天线提供在所述第一外壳部分上。

12.如在前权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述第一和第二外壳部分以及可选地所述分离基板基本上由适于制浆的材料构成，所述适于制浆的材料优选地包含诸如木质素和天然纤维的天然聚合物或者基本上由诸如木质素和天然纤维的天然聚合物构成。

13.如在前权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述外壳包含诸如PLA的可生物降解聚合物，其可选地由天然纤维来加强。

14.如在前权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，将所述天线应用在位于外壳的纵向横截面上的内表面上来制造细长的外壳。

15.一种用于标记木材材料的射频应答器，包含

—由一种或者多种可生物降解材料构成的主体，

—嵌入在所述主体中的RFID微芯片，以及

—电气连接至所述RFID微芯片的层状天线，

其特征在于，所述天线被夹在一种或者多种可生物降解材料之间。

16.如权利要求15所述的射频应答器，其特征在于，所述天线的两侧均直接接触所述一种或者多种可生物降解材料。

17.如权利要求14或者15所述的射频应答器，其特征在于，所述主体由适于制浆的材料构成，所述适于制浆的材料优选地包含诸如木质素和天然纤维的天然聚合物或者基本上由诸如木质素和天然纤维的天然聚合物构成。

18.如权利要求15-17中的任一项所述的应答器，其特征在于，所述可生物降解材料基本上是不吸水的。

19.如权利要求15-18中的任一项所述的应答器，其特征在于，所述主体基本上不含不可生物降解材料。

20.如权利要求15-19中的任一项所述的应答器，其特征在于，所述天线是包含金属的并且通过膜转移技术、通过印刷或者通过微粒沉积而被直接应用在所述可生物降解材料的内表面上。

21.如权利要求15-19中的任一项所述的应答器，其特征在于，所述天线被应用在分离平面基板上，其被夹在所述一种或者多种可生物降解材料之间。

22.如权利要求15-21中的任一项所述的应答器，其特征在于，所述主体是圆柱形或者楔形的。

23.如权利要求15-22中的任一项所述的应答器，其特征在于，所述主体由可模塑材料构成。

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