BR112015005691B1

BR112015005691B1 - Transponders de alta temperatura

Info

Publication number: BR112015005691B1
Application number: BR112015005691-1A
Authority: BR
Inventors: Ezequiel Mejia
Original assignee: Veriteq Acquisition Corporation
Priority date: 2012-09-14
Filing date: 2013-09-16
Publication date: 2022-04-05
Also published as: US20170256850A1; US20140078013A1; WO2014043631A1; US10424837B2; US9673516B2; ES2928672T3; BR112015005691A2; EP2895994A1; EP4075323A1; EP2895994A4; EP2895994B1; PT2895994T

Abstract

TRANSPONDERS DE ALTA TEMPERATURA. A presente invenção provê, em formas de realização alternativas, transponders de alta temperatura, que podem suportar choques de elevada temperatura e podem manter suas características físicas e elétricas após exposição à alta temperatura, e métodos de produzir ditos transponders.

Description

[0001] Este pedido reivindica o benefício de, e prioridade para, o Pedido Provisório U.S. No. 61/701.260, depositado em 14 de em Setembro de 2012, intitulado “High TemperatureTransponders”, que é incorporado aqui por referência em sua totalidade.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[0002] Existem transponders no mercado que podem ser usados para várias aplicações em animais (p. ex., rastreamento/identificação individual de animais de companhia, peixe, animais de abate, etc.) Estes transponders incluem transponders RFID (Identificação de Radiofrequência) passivos, que podem ser encapsulados em vidro ou outro material similarmente durável, e podem ser implantados diretamente no animal (p. ex., usando-se uma seringa). Tais transponders são descritos, por exemplo, na Patente U.S. No. 5.211.129, que é incorporada aqui por referência em sua totalidade.

[0003] O requerente determinou que esses transponders podem também ser usados vantajosamente em dispositivos implantáveis. Preferivelmente, o transponder é incorporado dentro do dispositivo durante sua manufatura, e o dispositivo com transponder integrado é, subsequentemente, implantado em um animal ou humano.

[0004] Entretanto, a manufatura dos dispositivos implantáveis tipicamente envolve altas temperaturas, por exemplo, cerca de 150 a 210 °C (± 20 °C). Os transponders existentes não são configurados para suportar tais condições.

[0005] Até agora, os transponders implantáveis têm precisado somente operar na temperatura corporal do animal em que são implantados, e suportar condições de transporte/armazenagem típicas. Por exemplo, os transponders existentes tipicamente usam microchips que são ajustados somente a 80 °C para operação e a 125 °C para armazenagem. Além disso, os transponders existentes com frequência usam uma conexão anisotrópica para conectar os terminais da antena ao microchip. Esta conexão é feita com colas que podem falhar em altas temperaturas. Testagem tem mostrado que os transponders existentes mostram uma taxa inaceitável de falhas após a exposição em alta temperatura.

[0006] Assim, há uma necessidade na arte por transponders que possam suportar ambientes de alta temperatura, tais como aqueles usados em manufatura, sem compreender a capacidade de armazenar e recuperar dados dali, quando usados posteriormente sob condições operacionais normais.

RESUMO DA INVENÇÃO

[0007] A presente invenção provê, em várias formas de realização, transponders que podem manter suas características físicas e elétricas após exposição em alta temperatura, e métodos de produção de ditos transponders.

[0008] Em algumas formas de realização, a invenção provê um transponder de alta temperatura compreendendo uma unidade de antena, compreendendo um núcleo de ferrita, um fio de antena enrolado em torno do núcleo de ferrita em uma bobina, e um chip de circuito integrado com duas partes de incrustação metálica, em que cada extremidade do fio de antena é conectada por uma compressão térmica, soldadura a laser, solda, ou conexão pregueada; uma cápsula de vidro incluindo a unidade de antena; e uma cola, para posicionar e fixar a unidade de antena dentro da cápsula de vidro.

[0009] Em algumas formas de realização, o transponder de alta temperatura é configurado para suportar ciclos de 4 a 8 horas de temperaturas de 165 a 195 °C. Em algumas formas de realização, o núcleo de ferrita compreende uma ferrita de Ni- Zn. Em algumas formas de realização, o fio de antena compreende um fio de cobre isolado.

[0010] Em algumas formas de realização, o chip do circuito integrado compreende um circuito integrado de semicondutor metal-óxido complementar (CMOS) armazenando um código de identificação. Em algumas formas de realização, a incrustação metálica compreende ouro. Em algumas formas de realização, o fio de antena é conectado ao chip de circuito integrado por compressão térmica.

[0011] Em algumas formas de realização, a cola é um adesivo de acrilato de cura-por-luz. Em algumas formas de realização, a cola cobre pelo menos 50 a 75 % da unidade de antena.

[0012] Aspectos e vantagens adicionais da presente invenção ainda são descritos abaixo. Esta seção de resumo destina-se apenas a ilustrar certos aspectos da invenção e não se destina a limitar o escopo da invenção de forma alguma. A incapacidade de discutir um aspecto específico ou forma de realização da invenção, ou a inclusão de um ou mais aspectos nesta seção de resumo, não deve ser interpretada como limitando a invenção como reivindicada.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0013] O resumo precedente, bem como a seguinte descrição detalhada das formas de realização preferidas do pedido, serão mais bem compreendidos quando lidos em combinação com os desenhos anexos. Para fins de ilustração do dispositivo do presente pedido, as formas de realização preferidas são mostradas nos desenhos. Deve-se compreender, entretanto, que o pedido não é limitado aos precisos arranjos e instrumentalidades mostradas. Nos desenhos:

[0014] A Figura 1A mostra uma vista isométrica exemplar de uma unidade de antena para um transponder de alta temperatura da presente invenção, de acordo com algumas formas de realização.

[0015] A Figura 1B mostra vistas laterais e extremas da unidade de antena da Fig. 1A, com dimensões exemplares fornecidas em mm.

[0016] A Fig. 2 mostra várias vistas de um núcleo de ferrita de acordo com algumas formas de realização da invenção, com dimensões exemplares fornecidas em mm.

[0017] A Fig. 3 mostra uma vista de topo expandida da unidade de antena da Fig. 1A, de acordo com algumas formas de realização da invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0018] A presente invenção provê, em várias formas de realização, transponders de alta temperatura que podem suportar choques de alta temperatura e podem manter suas características físicas e elétricas após exposição à alta temperatura, e métodos de produção de ditos transponders.

[0019] Em formas de realização preferidas, a invenção provê transponders de alta temperatura que podem suportar temperaturas de cerca de 150 a 210 °C (± 20 °C), preferivelmente, cerca de 165 a 195 °C (± 15 °C), por um predeterminado período de tempo (por exemplo, cerca de 4 a 48 horas). Por exemplo, um transponder de alta temperatura, de acordo com a presente invenção, pode suportar ciclos de 4 a 8 horas de temperaturas entre 165 e 195 °C (± 15 °C).

[0020] Preferivelmente, todos os componentes do transponder de alta temperatura (p. ex., os fios de antena, as ferritas, a cola de envasamento, e o microchip) são estáveis durante e após exposição a ditas temperaturas.

[0021] A Fig. 1A mostra uma vista isométrica exemplar de uma unidade de antena para um transponder de alta temperatura da presente invenção, de acordo com algumas formas de realização. A Fig. 1B mostra vistas laterais e extremas da unidade de antena da Fig. 1A, com dimensões exemplares fornecidas em mm.

[0022] Em uma forma de realização exemplar, a unidade de antena mostrada nas Figs. 1A e 1B pode compreender, por exemplo, um núcleo de ferrita de Ni-Zn (NZ511A,Kyocera), fio de cobre com poliuretano modificado Polysol 180 (P180, 0,030 mm, Elektrisola Inc.) enrolado em torno do núcleo de ferrita em uma bobina, e um chip EM4305 RFID (EM Microeletronic) fixado ao núcleo de ferrita com um adesivo (DELOMONOPOX® AD066), o microchip incluindo almofadas de ouro em cada extremidade do fio sendo conectadas diretamente pela compressão térmica. Em formas de realização alternativas, um transponder de alta temperatura da presente invenção pode ser formado com diferentes formatos, dimensões, materiais, e/ou conexões, como descrito abaixo, contanto que possa suportar altas temperaturas sem perder suas características físicas e elétricas em temperaturas operacionais normais.

[0023] Em algumas formas de realização, os transponders de alta temperatura da presente invenção incluem antenas contendo ferritas, que podem suportar temperaturas de até cerca de 250 °C sem perder suas características magnéticas quando subsequentemente utilizadas em temperaturas inferiores (p. ex., menos do que 100 °C). Em alguns casos, o material de ferritas pode suportar altas temperaturas com alguma alteração, porém suas características magnéticas podem recuperar-se em temperaturas mais baixas em operação normal. Em algumas formas de realização, as ferritas compreendem níquel e zinco (Ni-Zn). Um exemplo de um material de núcleo de ferrita adequado é NZ511A (Kyocera), que é uma ferrita de Ni-Zn com uma permeabilidade inicial μi de 2000 a 100 kHz, uma temperatura Curie TC de 80 °C, e resistividade elétrica de 100M Qcm. Outros materiais de ferrita de Ni-Zn podem ser usados em formas de realização alternativas.

[0024] A Fig. 2 mostra várias vistas de um núcleo de ferrita, de acordo com algumas formas de realização da invenção, com dimensões exemplares fornecidas em mm. O núcleo de ferrita da Fig. 2 tem um formato de osso, cerca de 7,0 mm de comprimento total, com uma parte central estreita de cerca de 5,0 mm de comprimento e cerca de 0,80 mm de largura, e duas partes extremas mais largas, cada uma de cerca de 1,0 mm de comprimento e cerca de 1,25 mm de largura. As ferritas podem ter diferentes formatos e/ou dimensões (p. ex., para diferentes aplicações). Em uma ou mais formas de realização alternativas, as ferritas podem ter, por exemplo, um formato tubular, cerca de 1,0 mm de diâmetro e cerca de 15 mm de comprimento. Em algumas formas de realização, a largura/diâmetro do núcleo de ferrita pode variar, por exemplo, de cerca de 0,5 mm a cerca de 5 mm. Em algumas formas de realização, a largura/diâmetro é de cerca de 0,5 a 1,2 mm. Em outras formas de realização, a largura/diâmetro é de cerca de 1,0 a 4,0 mm. Em algumas formas de realização, o comprimento do núcleo de ferrita pode variar, por exemplo, de cerca de 5,0 mm a cerca de 20 mm. Em formas de realização preferidas, o comprimento é de cerca de 6 a 15 mm.

[0025] Em algumas formas de realização da invenção, os transponders de alta temperatura incluem um microchip ou DIE (circuito integrado) de alta temperatura, o ASIC eletrônico (circuito integrado de aplicação específica). Em certas formas de realização preferidas, os transponders de alta temperatura incluem microchips de alta temperatura que podem suportar temperaturas de cerca de 250 °C. Em algumas formas de realização, os transponders de alta temperatura incluem microchips de alta temperatura que podem suportar predeterminados testes de tensão (p. ex., operação segura após 1000 horas a 150 °C e/ou 12 horas a 250 °C). O módulo de chip pode empregar, por exemplo, um dispositivo de identificação EM4305 (EM Microeletronic, Suíça), que é um circuito integrado CMOS (semicondutor metal-óxido complementar). Outros tipos de microchips que satisfazem os critérios de temperatura descritos acima podem ser empregados em formas de realização alternativas.

[0026] Em algumas formas de realização, o microchip inclui uma parte condutora (p. ex., almofadas metálicas incrustadas no topo do chip) para conectar a matriz aos fios de antena. Em algumas formas de realização, o chip é, por exemplo, quimicamente cauterizado e uma almofada metálica é embutida (micromoldada) na parte cauterizada do chip. As almofadas incrustadas podem compreender ouro, prata, ou outro metal, ou uma liga (mistura de dois ou mais diferentes metais) ou outro material condutor. Em algumas formas de realização, as almofadas são de cerca de 200x400 μm. Em outras formas de realização, almofadas condutoras de diferentes tamanhos podem ser usadas; as dimensões das almofadas são, preferivelmente, selecionadas com base no diâmetro do fio de antena. Em formas de realização preferidas, há duas almofadas, conectando-se a cada duas extremidades do fio de antena. Em outras formas de realização, pode haver diferentes números de almofadas/conexões.

[0027] Em algumas formas de realização, o microchip pode ser fixado à antena de ferrita, por exemplo, com um adesivo (p. ex., DELOMONOPOX® AD066, que é um adesivo de epóxi de cura térmica). Em outras formas de realização, o microchip não é diretamente fixado à antena de ferrita, porém é ligado via o fio de antena enrolado em torno da antena de ferrita, que é conectado ao microchip, como descrito abaixo.

[0028] Em algumas formas de realização da invenção, os transponders de alta temperatura incluem fios de antena que podem suportar temperaturas de cerca de 190 a 250 °C (± 20 °C). Em certas formas de realização preferidas, os transponders de alta temperatura incluem fios de antena que podem suportar temperaturas de cerca de 212 °C por até 10.000 horas. Preferivelmente, os fios de antena podem suportar temperaturas de pelo menos 20°C acima da temperatura que o transponder é submetido a. Exemplos de fios de antena adequados incluem, mas não são limitados a fios de cobre isolados, tais como Elektrisola Enameled Copper Wires (p. ex., fio P180 com Polysol 180, fio A200 com Amidester 200, etc.) com diâmetros de 0,010 a 0,50 mm, preferivelmente, de cerca de 0,030 mm. Em algumas formas de realização, o fio de antena é enrolado uniformemente em torno da parte estreita do núcleo de ferrita (p. ex., 800-1000 voltas) em uma bobina, e a cada extremidade é fixada ao chip RFID, como mostrado na Fig. 3.

[0029] Em certas formas de realização preferidas da invenção, os transponders de alta temperatura são manufaturados de modo que as extremidades do fio de antena sejam conectadas diretamente ao microchip/die/módulo (sem uso de uma placa de circuito impresso, que poderia deformar/fundir/contrair em altas temperaturas e perder a conexão com o die), que provê confiabilidade de longo termo, bem como resistência às mudanças térmicas. Por exemplo, em algumas formas de realização, a compressão térmica pode ser usada para pressionar as extremidades do fio de antena dentro das almofadas de ouro (p. ex., 12 a 15 μm de espessura) no microchip usando pontos de diamante, controlando-se cuidadosamente a pressão, tempo, e temperatura (que pode ser > 300 °C), de modo que a cobertura de fio/isolamento queime e o fio funda-se no ouro para criar um contato livre de adesivo. Em formas de realização alternativas, outros métodos de conexão (p. ex., soldadura a laser, conexões pregueadas, solda, ou adesivo em alta temperatura) podem ser usados, contanto que satisfaçam as exigências de alta temperatura. As conexões de antena estáveis em alta temperatura proveem maior confiabilidade no transponder resultante.

[0030] Em algumas formas de realização da invenção, os transponders de alta temperatura são vidro encapsulado. Pequenos frascos de vidro adequados podem ser formados, por exemplo, de 8350 AR-Glas® (Schott AG, Alemanha), que é um vidro de silicato de cal de soda. Em algumas formas de realização, os frascos são cilíndricos, tendo um comprimento e diâmetro selecionados para acomodar as dimensões da antena de ferrita (p. ex., cerca de 9,5 mm de comprimento e 2,0 mm de diâmetro, para acomodar uma antena, tal como aquela mostrada nas Figs. 1A e 1B). Vários formatos e dimensões de frasco podem ser usados dependendo da aplicação.

[0031] Em algumas formas de realização da invenção, os transponders de alta temperatura incluem uma cola em alta temperatura para conter a unidade de antena firmemente dentro do vidro (p. ex., para evitar avaria de choque). Por exemplo, em algumas formas de realização, o frasco de vidro é carregado (parcial ou totalmente) com cola, a unidade de antena é colocada dentro do frasco de vidro, e a cola é curada. A cola em alta temperatura ou material de envasamento de epóxi, preferivelmente, não somente suporta altas temperaturas (p. ex., não evapora ou expande), mas também não se torna quebradiço/endurecido após aquecer e esfriar (o que poderia afetar a resistência ao choque dos transponders e/ou quebrar os eletrônicos). Em certas formas de realização preferidas, a cola em alta temperatura pode suportar temperaturas de cerca de 200 a 250 °C (± 20°C) sem significante mudança na viscosidade, e pode manter sua característica/estado normal no retorno para temperaturas inferiores (p. ex., de cerca de 24 °C). Preferivelmente, a cola em alta temperatura pode suportar temperaturas de pelo menos 20 °C acima da temperatura mais elevada que o transponder é submetido a. Um exemplo de uma cola em temperatura alta adequada é DELO-PHOTOBOND® 4442 (DELO Industrial Adhesives, Alemanha), que é um adesivo de acrilato de cura-fotoiniciada. Outros tipos de colas que satisfazem os critérios descritos acima podem ser usados em formas de realização alternativas.

[0032] Em algumas formas de realização, antes da colocação no frasco, um teste de frequência pode ser realizado para verificar se a frequência dos lotes de ferrita está dentro de limites mínimos e máximos. O tamanho da amostra pode variar (por exemplo, 32 partes por lote). Uma frequência de trabalho exemplar é 134 kHz. Outras frequências podem ser empregadas em formas de realização alternativas.

[0033] Em certas formas de realização preferidas, os transponders de alta temperatura podem suportar choque, por exemplo, um choque equivalente a uma queda de um metro sobre uma superfície rígida, tal como concreto. Em algumas formas de realização, para elevada resistência ao choque, os transponders de alta temperatura são manufaturados com uma elevada porcentagem de cola carregando os frascos de vidro. A cola deve cobrir acima de 50 % da bobina do fio de antena e, preferivelmente, revestir pelo menos cerca de 50 a 75 % da bobina. Em algumas formas de realização, o frasco pode ser carregado até o topo com cola.

[0034] Em algumas formas de realização, o frasco de vidro é carregado com uma predeterminada quantidade de cola em alta temperatura e, em seguida, a unidade de antena é adicionada (preferivelmente com a primeira extremidade do chip). Cola adicional pode ser adicionada, se necessária, para cobrir a parte desejada da unidade de antena, e a cola é curada. Os frascos de vidro podem, em seguida, ser selados, por exemplo, por um laser ou uma microchama de hidrogênio. Em algumas formas de realização, uma selagem é formada girando-se o vidro em uma chama por cerca de 800 ms, de modo que cerca de 0,5 mm da extremidade do frasco forme uma bolha/domo. Outros métodos de selagem (tampas, etc.) são considerados e podem ser usados contanto que os materiais satisfaçam os critérios de temperatura descritos acima.

[0035] Preferivelmente, os transponders de alta temperatura são configurados (materiais, formato, característica de enrolamento, etc.) para prover alta sensibilidade em campos magnéticos inferiores. Uma faixa de leitura exemplar é de cerca de 25 cm, usando-se uma leitora Destron Fearing™ FS2001F. Em certas formas de realização preferidas, um transponder tendo um comprimento de cerca de 9 mm tem uma faixa de leitura de cerca de 15 cm na pior orientação.

[0036] Em algumas formas de realização, qualquer maquinaria especializada pode ser usada para manufaturar os transponders de alta temperatura, desde que use materiais tendo as características especificadas e inclua uma conexão estável em alta temperatura entre a antena e o microcrip.

[0037] Nas formas de realização preferidas, métodos de manufaturar os transponders de alta temperatura incluem teste de confiabilidade (operação do transponder após exposição à alta temperatura por um tempo especificado, por exemplo, 12 horas a 180 °C e, em seguida, esfriamento à temperatura ambiente). Seguinte ao teste de confiabilidade, os transponders de alta temperatura também preferivelmente sofrem teste de pressão quanto a vazamento (p. ex., em vácuo, em uma pressão especificada por um dado período de tempo), inspeção visual quanto à avaria física (p. ex., para visualmente verificar a integridade do vidro e/ou integridade da selagem, e remover quaisquer transponders mostrando avaria de vidro ou líquido dentro do frasco), e/ou teste de faixa total, para satisfazer predeterminadas especificações (p. ex., registrar ID para cada etiqueta eletronicamente, verificar distância de leitura, verificar IDs únicas, etc.).

[0038] Em algumas formas de realização, o desempenho funcional é avaliado após 24 horas de ciclagem de temperatura como a seguir: manter constante a + 70 °C por 30 minutos; diminuir a temperatura de +70 °C para - 15 °C em uma hora; manter constante a -15 °C por 30 minutos; aumentar a temperatura de -15 °C para +70 °C; fim do ciclo, continuar processo por 24 horas.

[0039] Os transponders de alta temperatura da presente invenção podem ser de qualquer tamanho e formato apropriados para a aplicação desejada.

[0040] Em algumas formas de realização da invenção, os transponders de alta temperatura podem ser supridos como parte de um kit, incluindo mas não limitados a um ou mais dispositivos de interrogação ou leitoras, que podem energizar o transponder por acoplamento indutivo, e podem receber o sinal de identificação transmitido pela antena do transponder.

[0041] Embora tenham sido mostrados e descritos novos aspectos fundamentais da invenção como aplicados a suas formas de realização preferidas e exemplares, será compreendido que omissões e substituições e mudanças na forma e detalhes da descrita invenção podem ser feitos por aqueles hábeis na arte sem afastar-se do espírito da invenção. Além disso, como é facilmente perceptível, numerosas modificações e alterações podem prontamente ocorrer àqueles hábeis na arte. Portanto, não é desejado limitar a invenção à exata construção e operação mostradas e descritas e, por conseguinte, todos equivalentes de modificação adequados podem ser considerados situar-se dentro do escopo da invenção como reivindicada. É a intenção, portanto, ser limitada somente quando indicado pelo escopo das reivindicações anexadas aqui.

Claims

1. Transponder caracterizado pelo fato de que compreende: uma unidade incluindo: um núcleo compreendendo um material ferromagnético; um fio enrolado em torno do núcleo, o fio tendo uma primeira extremidade e uma segunda extremidade; E um chip de circuito integrado acoplado às primeira e segunda extremidades do fio, em que uma superfície do chip de circuito integrado inclui pelo menos duas partes de um material condutivo embutido na superfície; uma cápsula de vidro encerrando A UNIDADE; E uma cola em alta temperatura entre a unidade e a cápsula de vidro, a cola em alta temperatura cobrindo pelo menos 50% a 70% da unidade e mantendo uma posição da unidade em relação à cápsula de vidro.

2. Transponder de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que dito transponder é configurado para suportar ciclos de 4 horas a 8 horas de temperaturas variando de 165 °C a 195 °C.

3. Transponder de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o chip de circuito integrado compreende um circuito integrado de semicondutor de metal-óxido complementar (CMOS) armazenando um código de identificação.

4. Transponder de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material condutivo compreende ouro.

5. Transponder de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o chip de circuito integrado é acoplado às primeira e segunda extremidades do fio por compressão térmica.

6. Transponder de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a cola em alta temperatura é um adesivo de acrilato de cura por luz.

7. Transponder de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as pelo menos duas partes de um material condutivo são embutidas em uma região gravada da superfície, cada uma das primeira e segunda extremidades do fio sendo conectada a uma das partes.

8. Transponder de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a superfície do chip de circuito integrado inclui duas regiões gravadas e as pelo menos duas partes do material condutivo são moldadas dentro das duas regiões gravadas, cada uma das primeira e segunda extremidades do fio estando em contato com o material condutivo dentro de uma das regiões gravadas.

9. Transponder de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o núcleo compreende um material de ferrita de Ni-Zn.

10. Transponder de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a cola em alta temperatura é configurada para suportar temperaturas variando de 180 °C a 270 °C sem evaporar ou expandir.

11. Transponder de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a cola em alta temperatura cobre completamente a unidade.

12. Transponder de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a cola em alta temperatura preenche um espaço inteiro entre a cápsula de vidro e a unidade.

13. Transponder de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material condutivo é um metal ou liga metálica.

14. Transponder de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o fio compreende um fio de cobre isolado.