RO132616B1 - Transponder de identificare prin radiofrecvenţă pentru medii agresive - Google Patents

Description

Prezenta invenție se încadrează în domeniul sistemelor de Identificare prin Radio Frecvență (în limba engleză RFID, adică Radio Frequency Identification), în care, obiectelor li se atribuie o identitate unică prin atașarea unor dispozitive electronice, pe care o comunică prin intermediul undelor electromagnetice din domeniul de radio frecvență, unui Cititor-Interogator, atunci când se află în raza acestuia de acțiune. Este astfel posibil să fie dezvoltate aplicații de identificare, urmărire, inventariere, criptare, securitate.

Orice sistem de identificare prin Radio Frecvență (fig. 1 - stadiul tehnicii) trebuie să includă cel puțin un cititor-interogator prevăzut cu o antenă internă sau externă, conectat la un calculator gazdă și etichete RFID, (denumirea uzuală în limba engleză fiind RFID Tag), atașate obiectelor monitorizate. Eticheta RFID, la modul general, este compusă dintr-un circuit integrat 3, conectat electric la o antenă, și poate fi activ atunci când are o sursă proprie de alimentare cu energie electrică, sau pasiv atunci când este energizat de către cititorinterogatorul 11.

Orice etichetă RFID, trebuie să conțină un circuit integrat și o antenă. Funcție de domeniul de frecvență, eticheta RFID și implicit antena pe care o conține, au diferite performanțe, forme și dimensiuni. în domeniul de înaltă frecvență, IF, (HF-High Frequency, în limba engleză), sistemele RFID au o rază de acțiune mai mică de un metru, iar antena etichetei RFID are forma unei spirale plane, în domeniul frecvențelor ultra-super înalte (Ultra High FrequencySuper High Frequency, (UHF-SHF în limba engleză), sistemele RFID au o rază de acțiune de 3-7 metri, sau chiar sute de metri în cazul etichetelor RFID active, iar antena etichetelor RFID are formă de dipol. Informația este transmisă, în domeniul IF, prin modularea sarcinii, iarîn UIFSl F, prin reflexia undelor electromagnetice de pe eticheta RFID, înapoi către cititor-interogatorul care le-a generat.

Fig. 2a prezintă o etichetă RFID destinată funcționării în domeniul UIF. Pentru a realiza un transfer maxim de putere între antena UIF 6 și circuitul integrat 3, este necesară introducerea, între ele, a unei structuri de adaptare de impedanță 8. Antena UIF 6 și structura de adaptare de impedanță 8, sunt realizate dintr-un material conductor electric, sub formă de fir metalic, fir textil electroconductor, trasă de circuit imprimat, sau structuri electroconductive tipărite. Circuitul integrat 3 este conectat electric la structura de adaptare de impedanță 8. Toate aceste componente sunt atașate unui substrat electroizolant 7. Circuitul integrat 3, de dimensiuni extrem de reduse (de până la 50x50pm), trebuie conectat electric la ansamblul masiv format din antena UIF 6 și structura de adaptare de impedanță 8 (70mm lungime, 15mm lățime, 0.5-1 mm lățime a trăsei conductoare). Există o discrepanță evidentă între dimensiunile celor două componente.

Punctele de conexiune electrică dintre circuitul integrat 3 și ansamblul masiv format din antena UIF 6 și structura de adaptare de impedanță 8, sunt punctele critice (punctele slabe) ale etichetei RFID, în special atunci când sunt supuse unui stres chimic, mecanic, de presiune și termic, așa cum se întâmplă în spălătoriile industriale sau în alte medii agresive. Aceste puncte de conexiune electrică trebuie protejate, și eticheta RFID este cu atât mai robustă cu cât numărul acestor puncte este mai mic.

Structura descrisă mai sus a fost utilizată în cazul transponderului capsulat propus de brevetul EP2405054A1. Transponderul capsulat este compus dintr-un circuit integrat conectat electric la o antenă de câmp apropiat. El are o formă circulară, și prin antena de câmp apropiat proprie, este cuplat inductiv la o antenă UHF de câmp îndepărtat, care îi înconjoară cel puțin jumătate de circumferință, în mod particular două treimi sau întreaga circumferință.

în brevetul DE102007026720A, transponderul capsulat, denumit “modul cip“ (“chip module”) are forma unui plasture, este construit pe un substrat flexibil din plastic, iar circuitul integrat și antena de câmp apropiat sunt acoperite cu folii protectoare. “Modulul cip“ este plasat peste o antenă dipol UIF în meandre cu care cuplează inductiv.

RO 132616 Β1

Utilizate în medii agresive chiar și transponderele capsulate sunt distruse prin întrerupe- 1 rea contactului electric dintre circuitul integrat și antena de câmp apropiat.

Brevetele US20070095926A1 și EP20405054A1 au descris un transponder independent 3 cu o antenă de câmp apropiat de formă spirală plană, dar ambele realizează contactul electric între cele două pad-uri ale circuitului integrat și capetele spiralei antenei prin strap-uri con- 5 ductoare. Procedând astfel, vor fi patru puncte de contact electric, două între un pad al circuitului integrat și un capăt al antenei spirale și două pentru celalalt pad al circuitului integrat. Struc- 7 tura va avea patru puncte critice/slabe (punctele A, B, C, D din fig. 4a). De asemenea, la variații repetitive de temperatură, strap-ul se poate comporta ca un bimetal, întrerupând contactul 9 electric dintre circuitul integrat și antena de câmp apropiat și obiectul etichetat îsi va pierde identitatea. 11

Pentru a atinge importantul obiectiv de a avea un număr minim de puncte de contact electric și de a elimina din construcția transponderului strap-urile care se comportă ca un 13 bimetal la variații repetate de temperatură, prezenta invenție, prin alegerea unui circuit integrat cu o carcasă de dimensiuni mai mari, carcasa SOT 323, a permis realizarea unei geometrii 15 particulare a antenei de câmp apropiat (fig. 4b), care elimina strap-ul, și reduce la două, minimum posibil, numărul punctelor de contact electric. 17 într-un prim aspect, prezenta invenție asigură un transponder RFID destinat funcționării în domeniul de frecvență UIF sau SIF cuprinzând un circuit integrat montat într-o carcasă SOT 19 323, o antena de câmp apropiat conectată electric prin utilizarea tehnologiei de montare pe suprafață, în două puncte la circuitul integrat, ansamblul format din circuitul integrat și antena 21 de câmp apropiat fiind încapsulat într-un material izolant din punct de vedere electric, caracterizat prin aceea că la antena de câmp apropiat, în formă de spirală plană compusă din două 23 cercuri concentrice, trecerea de pe cercul interior pe cel exterior se face adecvat, prin ocolirea pinului de fixare (fără rol electric) al circuitului integrat și trecerea apoi printre ceilalți doi pini, cu 25 păstrarea formei circulare a celor două bucle, fără abateri de la acesta.

Alte caracteristici preferate ale transponderului RFID, conform prezentei invenții, fac 27 obiectul revendicărilor dependente 2-4. Antena de câmp apropiat este realizată prin tehnologia circuitelor imprimate pe o placă subțire de circuit imprimat și are un diametru de circa 5 mm. 29 Transponder RFID are o formă plată rotunjită cu un diametru mai mic de 10 mm și o grosime mai mică de 1 mm și este rezistent la stres chimic, mecanic, de presiune și termic. 31 într-un alt aspect, prezenta invenție asigură o etichetă RFID cuprinzând un transponder RFID, conform invenției, cuplat inductiv la o antenă UHF realizată din fir conductor sau structuri 33 electroconductive tipărite.

Pentru o înțelegere mai completă a prezentei invenții și a avantajelor acesteia, este 35 făcută referire acum, cu titlu de exemplu, la următoarea descriere pe scurt a desenelor însoțitoare și la descrierea detaliată: 37

- fig. 1, sistem RFID;

- fig. 2a, etichetă RFID UIF, având circuitul integrat 3 conectat galvanic la antena UIF 6 39 printr-o structură de adaptare de impedanță 8;

- fig. 2b, etichetă RFID UIF, cu transponderul RFID 1, cuplat inductv la antena UIF 6; 41

- fig. 3.Transponderul RFID 1;

- fig. 4a, conectarea circuitului integrat 3 la antena de câmp apropiat 2, prin două 43 strapuri.în patru puncte;

- fig. 4b, detaliu al fig. 3 Conectarea circuitului integrat 3 la antena de câmp apropiat 2, 45 în două puncte.

RO 132616 Β1 în contextul prezentei invenții, și așa cum este bine cunoscut din stadiul tehnicii, o carcasa SOT (Small Outline Transistor) 323 reprezintă o carcasă pentru componente electronice, având 3 pini dispuși într-o configurație doi (cu rol funcțional) pe o latură și unul (doar cu rol de fixare) pe latura opusă, asa cum bine se poate vedea și din fig. 4a.

Conexiunile electrice dintre circuitul integrat 3 și antena de câmp apropiat 2, sunt realizate prin tehnologia de montare pe suprafață. Prin utilizarea carcasei SOT 323, pinii circuitului integrat 3 sunt semnificativ mai mari față de cei ai versiunii circuitului integrat cu contactul electric realizat prin atingere mecanică de tip “flip chip” și permit realizarea unor contacte electrice prin sudură. Contactele electrice sudate sunt mult mai rezistente la solicitări mecanice, sunt stabile chimic și au anduranță ridicată la procese cu variații de temperatură repetate caracteristice mediilor industriale agresive.

Transponderul RFID destinat funcționării în domeniul de frecvență UIF sau SIF cuprinzând un circuit integrat montat într-o carcasă SOT 323, o antenă de câmp apropiat conectată electric prin utilizarea tehnologiei de montare pe suprafață, în două puncte la circuitul integrat, ansamblul format din circuitul integrat și antena de câmp apropiat fiind încapsulatîntr-un material izolant din punct de vedere electric, caracterizat prin aceea că la antena de câmp apropiat, în formă de spirală plană compusă din două cercuri concentrice, trecerea de pe cercul interior pe cel exterior se face adecvat, prin ocolirea pinului de fixare (fără rol electric) al circuitului integrat și trecerea apoi printre ceilalți doi pini, cu păstrarea formei circulare a celor două bucle, fără abateri de la acesta.

Antena de câmp apropiat 2 (fig. 4b) este o spirală plană circulară, cu un factor de formă redus, care trece printre picioarele circuitului integrat 3. Este realizată în tehnologia circuitelor imprimate pe o placă subțire de circuit imprimat și are un diametru de circa 5mm.

Ansamblul circuit integrat 3 - antenă de câmp apropiat 2, va fi capsulat într- un material 4 dielectric, stabil chimic și rezistent din punct de vedere mecanic, izolant termic și apoi decupat în piese de forma unor pilule rotunjite rezultând transponderul RFID 1.

Transponderul RFID 1 poate fi atașat și fixat de obiectele pe care le identifică, în cavități, lipit sau laminat pe suprafațe, sau cusut în buzunare, tivuri sau căptușeli în cazul articolelor de îmbrăcăminte și poate funcționa ca un dispozitiv de sine stătător în aplicațiile în care obiectele sunt citite în imediata proximitate a cititorului - interogatorului. El poate fi plasat prin aceleași metode lângă o antenă UIF realizată anterior pe obiectul pe care-l identifică, putând funcționa și în aplicații care necesită o zonă de citire de ordinul metrilor (3-5m).

Prin aceste geometrii particulare a antenei de câmp apropiat 2, reușește conectarea acesteia la circuitului integrat 3 în două puncte de conexiune electrică, minimum posibil. Conexiunile electrice sunt realizate prin sudură rezultând astfel un dispozitiv electronic robust și de încredere.

în conformitate cu prezenta invenție, pentru medii agresive a fost adoptat o structură nouă (fig. 2b) eticheta RFID 5, a fost divizată în două părți, o antena UIF 6, ușor de realizat din fir conductoar metalic, fir textil electroconductorsau din structuri electroconductive tipărite, care necesită doar o protejare ușoară, și un transponder RFID independent capsulat (protejat la medii agresive) Aceste două părți, cuplate inductiv, creează o etichetă RFID 5 cu o rază de acțiune de 3-5 metri.

Așa cum este prezentat în fig. 3, transponderul RFID 1 conține circuitul integrat 3, conectat la o mică antenă de câmp apropiat 2, de forma unei bucle sau a unei spirale circulare plane, cu două spire formând două cercuri concentrice, în care extremitatea liberă a spirei interioare este conectată la un prim pin electric funcțional al carcasei SOT323, iar extremitatea

RO 132616 Β1 liberă a spirei exterioare este conectată la un al doilea pin electric funcțional al carcasei SOT323, 1 situat pe aceeași latură a carcasei SOT323 ca și primul pin electric funcțional. Ea poate lucra în mod independent în cazul aplicațiilor în care citirea se face de la mică distanță, sau cuplată 3 inductiv la o antenă UHF 6, în cazul aplicațiilor în care citirea se face de la distanțe de ordinul metrilor (3-5m). Transponderul RFID 1 are, într-o variantă de realizare preferată, o formă plată 5 rotunjită, cu un diametru de sub 10 mm si o grosime de 1 mm.

Claims (6)

1. Transponder RFID (1) destinat funcționării în domeniul de frecvență UIF sau SIF cuprinzând un circuit integrat (3) montat într-o carcasă SOT 323, o antenă de câmp apropiat (2) conectată electric prin utilizarea tehnologiei de montare pe suprafață, în două puncte la circuitul integrat (3), ansamblul format din circuitul integrat (3) și antena de câmp apropiat (2) fiind încapsulat într-un material (4) izolant din punct de vedere electric, caracterizat prin aceea că, la antena de câmp apropiat (2), în formă de spirală plană compusă din două cercuri concentrice, trecerea de pe cercul interior pe cel exterior se face prin ocolirea pinului de fixare, fără rol electric, al circuitului integrat și trecerea apoi printre ceilalți doi pini, cu păstrarea formei circulare a celor două bucle, fără abateri de la acesta.

2. Transponder RFID (1) conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că, antena de câmp apropiat (2) este realizată prin tehnologia circuitelor imprimate pe o placă subțire de circuit imprimat și are un diametru de circa 5 mm.

3. Transponder RFID (1) conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că, are o formă plată rotunjită cu un diametru mai mic de 10 mm și o grosime mai mică de 1 mm.

4. Transponder RFID (1) conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că, materialul (4) menționat este rezistent la stres chimic, mecanic, de presiune și termic.

5. Eticheta RFID (5) caracterizată prin aceea că, cuprinde un transponder RFID (1), conform oricăreia dintre revendicările 1 la 4, cuplat inductiv la o antenă UHF (6) realizată din fir conductor sau structuri electroconductive tipărite.

6. Eticheta RFID (5) conform revendicării 5, caracterizată prin aceea că, citirea se face de la o distanță de aproximativ 3-5m.