FR3076375A1 - Antenne booster pour carte a puce sans contact - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une antenne booster (10) pour dispositif à couplage inductif comportant un module microélectronique (M) pourvu d'une antenne (L3) de module, ladite antenne booster (10) comportant un substrat (S) pourvu d'un système (L1,L2) d'antennes constitué par une antenne principale (L1) connectée avec une antenne concentrateur (L2), le système d'antennes (L1, L2) étant destiné à être couplé avec l'antenne (L3) dudit module microélectronique (M), caractérisé en ce que l'antenne booster (10) comporte une capacité de liaison (C2) connectée en série avec l'antenne concentrateur (L2) et dont les armatures sont formées par des placards métalliques en regard situés à l'intérieur d'une zone (11, 12) délimitée par les spires (15) de l'antenne concentrateur (L2).
Description
L'invention concerne les antennes du type de celles utilisées pour les cartes à puce à fonctionnement sans contact et les passeports électroniques, et plus spécifiquement les antennes d'amplification dites « booster » en terminologie anglo-saxonne et qui font l'interface d'un point de vue électromagnétique entre l'antenne du module électronique de la carte à puce ou du passeport, et l'antenne du lecteur de carte à puce.
Etat de la technique
Il existe déjà dans l'état de la technique un concentrateur standard, réalisé par une inductance disposée dans le corps de la carte à puce en regard de l'antenne du module de la carte à puce.
On a alors un système de deux antennes dans le corps de la carte à puce, à savoir une antenne dite antenne ID1 conforme au format normalisé selon la norme ISO 7816, destinée à être couplée électro magnétiquement avec un lecteur externe, et une antenne concentrateur (encore désignée plus simplement comme le concentrateur) proche du format d'un module électronique pour carte à puce, disposée dans le corps de carte ou sur une page de couverture d'un livret de passeport électronique. Cette antenne concentrateur est destinée à être couplée électro magnétiquement avec l'antenne du module, et elle est connectée électriquement en série ou en parallèle avec l'antenne ID1.
Un réseau de capacités ajustables intégrées aux deux antennes ID1 et concentrateur permet de faire résonner l'ensemble du système d'antennes à une fréquence de fonctionnement déterminée. On entend donc par système d'antennes, l'antenne ID1, l'antenne concentrateur, et les capacités ajustables permettant d'ajuster la fréquence de résonnance de l'ensemble.
Le système d'antennes précité est couplé électro magnétiquement à un module électronique disposant lui aussi d'une antenne, disposée à la périphérie du module électronique et appelée antenne du module, qu'il s'agisse par exemple du module électronique d'une carte à puce sans contact, ou de celui d'un passeport électronique. L'antenne du module est limitée en terme de nombre de tours par la taille réduite du module, celui-ci devant en outre recevoir une puce électronique et éventuellement des contacts galvaniques de type ISO 7816-2, par exemple pour les cartes dites duales, à fonctionnement à contact et sans contact.
Dans les réalisations connues de telles antennes booster, les antennes sont réalisées notamment par des pistes gravées en aluminium de très faible largeur disposées sur un substrat en PET (polytéréphtalate d'éthylène), et les capacités d'ajustement sont réalisées par des placards métalliques situés de part et d'autre du substrat de l'antenne booster. Pour fermer le circuit électrique, on a l'habitude d'utiliser un crimp en terminologie anglo-saxonne, à savoir une connexion électrique réalisée par sertissage ou estampage pour relier des plages métalliques situées de part et d'autre du substrat de l'antenne. Dans ce mode de réalisation connu, les pistes métalliques des antennes ont typiquement une épaisseur de l'ordre de 30 micromètres, et l'épaisseur du substrat diélectrique est de l'ordre de 38 micromètres, ce qui permet d'obtenir des performances de fonctionnement radiofréquence conformes aux normes en vigueur (ISO 14443 et 10373-6).
Or certains matériaux et certaines dimensions de pistes ne permettent pas la réalisation de crimps fiables. En outre, il serait intéressant de pouvoir supprimer complètement l'étape de réalisation de crimps, ce qui permettrait de supprimer une étape de fabrication et de diminuer le coût des antennes booster. Ceci est encore plus vrai si l'on cherche à utiliser des antennes avec des spires réalisées en encre conductrice.
On décrira l'invention en référence à la terminologie habituelle des composants d'une carte à puce sans contact ou d'une carte à puce duale, étant entendu qu'elle est transposable sans limitation à d'autres produits de format différent, comme les passeports électroniques.
Buts de l'invention
Un but général de l'invention est par conséquent de proposer une structure améliorée de système d'antennes, notamment pour le corps d'une carte à puce sans contact ou pour un passeport électronique, et qui soit dépourvue des inconvénients précités.
Un autre but plus spécifique de l'invention est de proposer une structure d'antenne booster pour carte à puce sans contact ou équivalent, qui soit dépourvue de liaisons de type crimp entre les faces du substrat de l'antenne.
Un autre but spécifique de l'invention est de proposer une structure d'antenne booster utilisant une capacité à la place des crimps connus, sans affecter négativement la performance radiofréquence de l'antenne booster.
Résumé de l'invention
Selon le principe de l'invention, on supprime la liaison de type crimp et on connecte certaines parties métalliques des deux faces du substrat de l'antenne booster par une liaison capacitive, obtenue par une capacité en série avec l'antenne concentrateur, et dont les armatures sont situées de part et d'autre du substrat, dans une zone située pour l'essentiel à l'intérieur des spires du concentrateur. Cette disposition permet de connecter les spires du concentrateur à l'antenne ID1 sans croisements de pistes et sans utiliser de crimp pour passer d'une face à l'autre du substrat.
L'invention a donc pour objet une antenne booster pour dispositif à couplage inductif pourvu d'un module microélectronique connecté à une antenne de module, ladite antenne booster comportant un substrat pourvu d'un système d'antennes constitué par une antenne principale connectée avec une antenne concentrateur, ladite antenne concentrateur étant destinée à être couplée avec ladite antenne de module, l'antenne booster étant caractérisée en ce qu'elle comporte une capacité de liaison connectée en série avec l'antenne concentrateur et en ce que les armatures de ladite capacité de liaison sont formées par des placards métalliques en regard situés à l'intérieur d'une zone délimitée par les spires de l'antenne concentrateur.
La valeur de la capacité de liaison remplaçant le crimp doit être suffisante pour réaliser une connexion effective entre les deux faces, mais pas trop grande pour ne pas perturber le fonctionnement électromagnétique de l'antenne booster, en particulier le couplage entre l'antenne concentrateur et l'antenne du module de la carte à puce sans contact utilisant l'antenne booster.
On en déduit un ensemble de variantes de réalisation qui restent compatibles avec les buts recherchés.
Selon un mode de réalisation, le dispositif à couplage inductif est une carte à puce et en ce que les spires de l'antenne principale (Ll) sont sensiblement au format dit ID1.
Selon un mode de réalisation de l'antenne booster selon l'invention, les spires du concentrateur s'étendent dans une zone annulaire destinée à être disposée de façon concentrique aux spires de l'antenne du module, et dans une zone en forme de boucle longitudinale destinée à se prolonger au-delà de la zone des spires de l'antenne du module, et les armatures de la capacité de liaison sont situées dans la zone en forme de boucle longitudinale. Ce mode de réalisation permet d'obtenir des capacités de liaison de valeur maximale, au détriment de la qualité du couplage entre l'antenne booster et l'antenne module.
Selon un autre mode de réalisation, les spires du concentrateur forment simplement une boucle annulaire, et les armatures de la capacité de liaison sont situées à l'intérieur de ladite bouche annulaire.
Selon un mode de réalisation, les armatures de la capacité de liaison ont une forme d'anneau ouvert par une fente. Lorsque la fente a une dimension plus élevée, les armatures de la capacité de liaison adoptent la forme d'un U ou en forme de fer à cheval.
Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux du point de vue de la qualité de couplage entre le booster et l'antenne de module, il peut être prévu qu'au moins l'une des armatures de la capacité de liaison est prolongée par une spire interne de concentrateur. Cette spire est alors aussi longue que possible, mais non refermée sur elle-même.
Certains produits susceptibles d'utiliser l'antenne booster selon l'invention comportent une zone pour l'embossage de caractères. Dans ce cas il est utile que les spires du concentrateur soient situées à l'extérieur de la zone d'embossage et longent la zone d'embossage, et que l'ouverture des armatures en U ou en fer à cheval situées à l'intérieur des spires du concentrateur soit orientée en direction de ladite zone d'embossage.
Selon un mode de réalisation, les spires des antennes du booster sont des pistes en aluminium d'une épaisseur d'environ 10 micromètres. Ces spires des sont réalisées en pistes d'aluminium, ou en encre conductrice.
L'invention a également pour objet un dispositif à couplage inductif, notamment carte à puce à fonctionnement sans contact ou passeport électronique, comportant un module microélectronique pourvu d'une antenne de module (L3), et une antenne booster telle que décrite.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée et des dessins annexés dans lesquels :
la figure 1 illustre une vue en plan d'une antenne booster de type connu;
la figure 2 représente le schéma électrique équivalent de l'antenne booster de la figure 1 ;
la figure 3 illustre le schéma équivalent de l'antenne booster selon l'invention ;
la figure 4A représente une vue en plan d'un premier mode de réalisation d'une antenne booster selon l'invention;
la figure 4B représente une vue en coupe éclatée longitudinale d'un dispositif de type carte à puce ou équivalent utilisant l'antenne de la figure 4A;
la figure 5A représente une vue en plan d'un second mode de réalisation d'une antenne booster selon l'invention;
la figure 5B représente une vue en coupe éclatée longitudinale d'un dispositif de type carte à puce ou équivalent incorporant l'antenne de la figure 5A;
la figure 5C représente une vue en perspective éclatée de la zone de concentrateur de l'antenne de la figure 5A;
la figure 6A représente une vue en plan d'un troisième mode de réalisation d'une antenne booster selon l'invention, correspondant au schéma électrique de la figure 6C;
la figure 6B représente une vue en coupe éclatée longitudinale d'un dispositif de type carte à puce ou équivalent incorporant l'antenne de la figure 6A;
la figure 6C représente le schéma électrique équivalent correspondant à la variante de réalisation de l'antenne booster correspondant aux figures 5A, 6A, 6B;
la figure 7A représente une vue en plan d'un quatrième mode de réalisation d'une antenne booster selon l'invention, correspondant au schéma électrique équivalent de la figure 5D;
la figure 7B représente une vue en coupe éclatée longitudinale d'un dispositif de type carte à puce ou équivalent incorporant l'antenne de la figure 7A;
la figure 8A représente une vue en plan d'un cinquième mode de réalisation d'une antenne booster selon l'invention;
la figure 8B représente une vue en coupe éclatée longitudinale d'un dispositif de type carte à puce ou équivalent incorporant l'antenne de la figure 8A;
la figure 8C représente une variante de l'antenne booster de la figure 8A.
Description détaillée
On se réfère à la figure 1. On a représenté dans cette figure une antenne booster 1 connue pour un support portable de type carte à puce sans contact. L'antenne booster 1 comporte une self inductance de valeur L1 de relativement grande taille, notée Ll, dont les spires sont sensiblement au format dit ID1, une self inductance L2, notée L2, dont les spires sont situées dans la zone qui sera en regard de l'antenne L3 du module de la carte à puce destinée à utiliser l'antenne booster 1, et un réseau Cl de capacités ajustables permettant l'ajustement de la fréquence de résonnance de l'antenne booster 1. Les spires des self inductances Ll, L2 sont situées sur une première face du support de l'antenne booster, et une partie des armatures des capacités Cl sont situées sur l'autre face du support. Aussi, afin de fermer le circuit électrique de l'antenne booster, celle-ci comporte en outre une connexion 2 de type crimp, comme connu en soi.
L'ajustement de la valeur de la capacité Cl se fait notamment par une méthode connue d'enlèvement de matière, dite « trimming » en terminologie anglo-saxonne, qui permet d'ajuster précisément la capacité Cl et par conséquent la fréquence de résonnance Fo de l'antenne booster, sachant que Fo = 1/2IIVLC1, où L vaut Ll + L2.
En figure 2 on a représenté le schéma électrique équivalent de l'antenne booster 1 de la figure 1.
Selon l'invention, on a cherché à supprimer la connexion 2 de type crimp, en la remplaçant par une connexion capacitive, pour obtenir le schéma électrique équivalent représenté en figure 3, faisant apparaître une capacité C2 connectée en série avec les autres composants.
Il est donc nécessaire de réaliser en pratique la capacité C2, sans utiliser de vias ou de croisements des fils ou des pistes d'antenne.
On se réfère aux figures 4 à 8 pour expliquer différents modes de réalisation de la capacité C2.
En figures 4A, 4B, la capacité C2 est réalisée sous la forme de deux placards métalliques P2 de grande taille, réalisés de part et d'autre du support S de l'antenne booster 10, à l'intérieur des spires du concentrateur L2.
La figure 4B correspond à une vue en coupe longitudinale selon un trait de coupe identique à celui représenté en pointillé sur la figure 5A. Les vues en coupe des figures 4B, 5B, 6B, 7B, 8B sont réalisées selon le même trait de coupe.
Dans le mode de réalisation de la figure 4A, la valeur de la capacité C2 peut être relativement élevée, allant par exemple jusqu'à 200 pF. La taille des placards P2 pour obtenir une valeur de capacité C2 aussi élevée impose que le concentrateur L2 ait une forme particulière. Cette forme comporte une zone 12 sensiblement annulaire destinée à s'étendre de façon concentrique aux spires de l'antenne L3 du module (représentée en figure 4B), et une zone 11 en forme de boucle longitudinale destinée à se prolonger au-delà de la zone des spires de l'antenne L3 du module. Les armatures P2 de la capacité de liaison C2 sont alors situées dans la partie 11 en forme de boucle longitudinale.
La structure de booster 10 représentée en figure 4A permet effectivement de se passer d'une connexion de type crimp et de la remplacer par une liaison capacitive. Mais il est à noter que du fait de l'extension longitudinale du concentrateur L2 dans la zone 11, le centre de gravité du concentrateur ne coïncide plus avec le centre de gravité de l'antenne L3 du module M, ce qui a tendance à diminuer la qualité du couplage entre le module M et le concentrateur L2.
Afin de remédier à cela, l'invention prévoit un mode de réalisation plus avantageux, représenté en figure 5, qui convient mieux lorsque la capacité C2 peut être de valeur plus faible (environ 60 pF ). Dans ce mode de réalisation, le concentrateur L2 à une forme d'anneau circulaire et les armatures P2 de la capacité de liaison C2 sont situées intégralement dans la zone annulaire, à l'intérieur des spires du concentrateur L2. La capacité C2 est si besoin découpée en son centre pour recevoir la goutte d'enrobage G de la puce P du module lors de l'assemblage module avec l'antenne booster pour former un produit fini, par exemple de type carte à puce sans contact. Les armatures P2 de la capacité d'ajustement C2 sont alors en forme d'anneau ouvert.
Lorsque l'antenne booster 10 est prévue pour une carte à puce présentant une zone 13 réservée à l'embossage de caractères alphanumériques, comme cela est souvent le cas dans les applications bancaires, l'antenne L1 peut comporter une pluralité de pistes 14 entourant les zones à embosser, et l'anneau formé par le concentrateur L2 peut être tronqué en partie inférieure, comme représenté en figure 5A, de sorte que les spires du concentrateur longent la zone d'embossage 13. Dans ce cas, les armatures P2 de la capacité de liaison C2 sont par exemple en forme de U ou de fer à cheval, l'ouverture du U ou du fer à cheval étant orientée en direction de la zone d'embossage 13 du produit carte à puce destiné à utiliser l'antenne booster 10.
Les spires 15 du concentrateur L2 peuvent être toutes situées sur l'une des faces du substrat S du booster 10 (option non représentée), ou réparties entre ses deux faces, comme représenté en figure 5C. Cette dernière disposition a l'avantage de présenter davantage de spires d'antenne L2 à proximité des spires de l'antenne L3 du module M, ce qui améliore le couplage électromagnétique entre le concentrateur L2 et le module M.
Afin d'aller plus loin dans ce sens et accroître encore la qualité du couplage entre le module M et le concentrateur L2, il est possible d'adopter la solution représentée en figures 6A, 6B, 7A, 7B, correspondant au schéma électrique équivalent de la figure 6C. Dans ces cas, l'une ou l'autre des armatures P2 du condensateur C2, ou les deux armatures P2 du condensateur C2, sont prolongées par une spire interne 16 non fermée, ce qui a pour effet de rapprocher encore davantage la géométrie du concentrateur L2, de celle de l'antenne L3 du module M, entraînant un meilleur couplage entre le concentrateur L2 et l'antenne
L3 du module.
Ainsi, en figure 6 est représenté le mode de réalisation avec une seule spire interne 16 disposée en prolongement de l'armature P2 inférieure du condensateur C2. En figure 7 est représenté le mode de réalisation avec une spire interne 16 disposée en prolongement des armatures P2 inférieure et supérieure du condensateur C2.
En figure 8A est représenté un mode de réalisation dans lequel la surface des armatures P2 du condensateur, et donc la valeur de la capacité C2, est maximisée. Dans ce cas, les armatures P2 occupent sensiblement tout l'espace à l'intérieur de la zone annulaire 12 des spires du concentrateur, à l'exception d'une ouverture en forme de fente 17.
En figure 8C est représenté un mode de réalisation dans lequel la surface des armatures P2 est réduite au moyen d'une découpe centrale 18, réalisée par exemple par usinage après l'assemblage de l'antenne booster 10 dans une corps de corps à puce.
Avantages de l'invention
En définitive, l'invention permet d'atteindre les buts fixés. En particulier, elle permet simultanément la suppression de la connexion par crimp et la simplification du procédé de fabrication de l'antenne booster, et l'optimisation du couplage électromagnétique entre le concentrateur C2 et l'antenne L3 du module M d'une carte à puce sans contact, ou d'un autre dispositif similaire.
Claims (10)
1 - Antenne booster (10) pour dispositif à couplage inductif comportant un module microélectronique (M) connecté à une antenne (L3) de module, ladite antenne booster (10) comportant un substrat (S) pourvu d'un système (L1,L2) d'antennes constitué par une antenne principale (Ll) connectée avec une antenne concentrateur (L2), ladite antenne concentrateur (L2) étant destinée à être couplée avec ladite antenne (L3) de module, caractérisée en ce qu'elle comporte une capacité de liaison (C2) connectée en série avec l'antenne concentrateur (L2) et dont les armatures sont formées par des placards métalliques en regard situés à l'intérieur d'une zone (11, 12) délimitée par les spires (15) de l'antenne concentrateur (L2).
2 - Antenne booster (10) selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif à couplage inductif est une carte à puce et en ce que les spires de l'antenne principale (Ll) sont sensiblement au format dit ID1.
3 - Antenne booster (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les spires (15) du concentrateur (L2) s'étendent dans une zone annulaire (12) destinée à être disposée de façon concentrique aux spires de l'antenne (L3) du module (M), et dans une zone (11) en forme de boucle longitudinale destinée à se prolonger au-delà de la zone des spires de l'antenne (L3) du module (M), et en ce que les armatures (P2) de la capacité de liaison (C2) sont situées dans la zone (11) en forme de boucle longitudinale.
4 - Antenne booster (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisée en ce que les spires (15) du concentrateur (L2) forment une boucle annulaire, et en ce que les armatures (P2) de la capacité de liaison (C2) sont situées à l'intérieur de ladite bouche annulaire.
5 - Antenne booster (10) selon la revendication 4, caractérisé en ce que les armatures (P2) de la capacité de liaison (C2) ont une forme d'anneau ouvert par une fente (17).
6 - Antenne booster (10) selon la revendication 4, caractérisé en ce que les armatures (P2) de la capacité de liaison (C2) ont une forme de U ou de fer à cheval.
7 - Antenne booster (10) selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisée en ce qu'au moins l'une des armatures (P2) de la capacité de liaison (C2) est prolongée par une spire interne (16) de concentrateur.
8 - Antenne booster (10) selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, l'antenne principale (Ll) comportant des spires destinées à être situées à l'extérieur d'une zone d'embossage du dispositif, caractérisée en ce que le spires (15) du concentrateur (L2) longent ladite zone d'embossage et en ce que l'ouverture des armatures en U ou en fer à cheval est orientée en direction de ladite zone d'embossage.
9 - Antenne booster (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les spires des antennes (L1,L2) sont des pistes en aluminium d'une épaisseur d'environ 10 micromètres, ou des pistes réalisées en encre conductrice.
10 - Dispositif à couplage inductif, notamment carte à puce à fonctionnement sans contact ou passeport électronique, comportant un module microélectronique pourvu d'une antenne de module (L3), caractérisé en ce qu'il comporte une antenne booster (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes.
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| EP2525304A1 (fr) * | 2011-05-17 | 2012-11-21 | Gemalto SA | Dispositif transpondeur radiofréquence à circuit résonant passif optimisé |
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| US20160104065A1 (en) * | 2013-06-25 | 2016-04-14 | Toppan Printing Co., Ltd. | Dual ic card |
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-
2017
- 2017-12-29 FR FR1701405A patent/FR3076375B1/fr active Active
Patent Citations (5)
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