CN101281613B - 电子标签 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电子标签，包括芯片、片上天线和片外天线。所述的片上天线采用集成电路的互连线螺旋缠绕而成，该片上天线和所述的片外天线是变压器耦合形式。所述的片上天线采用金属互连线线圈半径逐渐减小的单层多圈螺旋缠绕方式。所述的片上天线采用多层金属互连线上下串联的方式。所述的片上天线采用同层金属互连线线圈半径逐渐减小的多圈螺旋缠绕方式和相邻两层金属互连线线圈上下串联的方式结合而成。本发明采用片上感性天线和片外容性天线变压器耦合的方式，降低了天线和芯片之间连接的时候需要的定位精度，同时也大大降低了标签的封装成本，增强了芯片的性能。

Description

电子标签

技术领域

本发明涉及射频识别技术中的电子标签，该电子标签包括芯片、片上天线和片外天线。

背景技术

近年来，自动识别方法在许多服务领域、在货物销售与后勤分配方面、在商业部门、在生产企业和材料流通领域得到了快速的普及和推广。

条形码又称纸带，几年前，条形码在识别系统领域引起了一场革命并得到了广泛应用。今天，这种条形码在越来越多的情况下已经不能满足人们的需求了。条形码虽然很便宜，但它的不足之处是存储能力小及不能改写。

一种技术上最佳的解决方案是将数据存储在一块硅芯片里。在日常生活中，具有触点排的IC卡，如电话IC卡、银行卡等，是电子数据载体的最普遍的结构。然而，对IC卡来说，在许多情况下，机械触点的接通是不可靠的。数据载体与一个所属的阅读器之间的数据进行非接触传输将灵活得多。根据使用的能量和数据传输方法，我们把非接触的识别系统称作射频识别系统(Radio Frequency Identification，简称RFID)。因此，RFID是一种利用无线电波对纪录媒体进行读写，将射频技术与IC卡技术相结合并可用于远距离、动目标、无线识别的技术。

标签的天线和芯片封装在一起，天线为标签芯片提供能量，同时完成标签和阅读器之间的信息传递。标签芯片与其天线之间需要阻抗匹配，也就是说理想情况下，要求两者的等效串联的阻抗实部相等，虚部复共轭。

芯片和天线的封装，目前分为几种方式：方式一，芯片通过板上芯片封装(Chip On Board，简称COB)、倒扣或者超声波焊接等形式直接将芯片的两个焊盘电气连接到天线的两个馈电点。图1是电子标签COB封装示意图。首先将天线打印或者蚀刻到基材12上，将芯片10的焊盘11的反面放置在天线的基材12上，通过金属丝13连接芯片的焊盘11和基材12上的天线馈电点14。图2是电子标签倒扣封装示意图。芯片20的焊盘所在平面是对着基材24摆放的。各向异性的导电胶22连接芯片的焊盘21和天线的馈电点23。

芯片和天线的封装方式二，先分别连接芯片30的两个焊盘33到一个大的条带上，该条带作为一个大的焊盘再和天线连接；图3是电子标签先封装成条带形式的示意图。芯片30通过上述的方式一被封装在条带31上面，条带31作为一个大的焊盘再次封装在天线辐射体的馈电点32上。

芯片和天线的封装方式三，将天线通过方式一连接到一个电感环，该电感环再和天线通过变压器耦合(即电感耦合)或者电容耦合的形式与天线的辐射体部分连接。如美国专利US7158033提到的方式。图4是电抗耦合封装方式的电子标签。芯片40采用上述的方式一与附着在基材42上的电感环41连接，而后通过变压器耦合或者电容耦合的形式完成天线主辐射体43和电感环41之间的能量和信息传递。

上述的几种封装方式的标签芯片的等效电抗是容性，这就要求天线要提供感性电抗，以实现阻抗匹配。上述的天线和芯片之间是直接的物理连接，这就需要芯片为焊盘设计静电放电(Electro Static Discharge，简称ESD)电路，该电路本身会降低芯片的性能，增大芯片的功耗，同时还降低了封装的成品率。由于芯片的焊盘的面积十分小，天线和芯片之间连接的时候需要很高的定位精度，使得封装的仪器的设计难度加大，成本增加。

发明内容

为克服上述已有技术的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种低成本的电子标签，该电子标签的片上天线耦合片外天线。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种电子标签，包括芯片、片上天线和片外天线。所述的片上天线采用集成电路的互连线螺旋缠绕而成，该片上天线和所述的片外天线是变压器耦合形式。

所述的片上天线采用金属互连线线圈半径逐渐减小的单层多圈螺旋缠绕方式。

所述的片上天线采用多层金属互连线上下串联的方式。

所述的片上天线采用同层金属互连线线圈半径逐渐减小的多圈螺旋缠绕方式和相邻两层金属互连线线圈上下串联的方式结合而成。

所述的片上天线感抗等于所述芯片的容抗的绝对值。

所述的片外天线和所述的片上天线耦合的部分采用带开口的单环形式。

所述的片外天线的单线圈环片的外直径等于所述的片上天线线圈的外直径。

该电子标签的芯片电路和片上天线所在的平面面对着所述的片外天线，两者上下重叠放置，该片外天线和片上天线的中心线重合。

片上天线的金属线圈外表面具有集成电路金属层的绝缘层保护，所述的片上天线和片外天线不直接接触。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用片上感性天线和片外容性天线变压器耦合的方式，降低了天线和芯片之间连接的时候需要的定位精度。电子标签芯片和片外天线的封装不再需要导电胶的粘结形式，从而加快了封装过程，同时也降低了封装的成本。

本发明电子标签的片外天线部分是单圈形式，而片上天线是多圈形式，二者通过变压器耦合的形式传递能量和信息。从变压器的角度讲，片上天线会进一步放大片外天线感生的电压。电子标签芯片的片上天线的两个馈电端口的感生电压增大，可以降低电子标签芯片的倍压整流二极管死区的时间，也可以降低倍压整流的级数，进而增大电子标签的片外天线和片上天线耦合部分的交直流的转换效率。

常规的电子标签天线的电抗是感抗，本发明电子标签的片外天线的电抗是容抗。容抗的片外天线受环境的影响相对低，这样增加了电子标签的鲁棒性。

本发明电子标签的设计可以省略电路的ESD元件，也就没有ESD元件的功耗损耗，节省了ESD原件占据的芯片面积，从而实现了更加低功耗、低成本的电子标签芯片。由于不需要ESD原件，进而也提高了成品率。

附图说明

图1是已有技术电子标签COB封装示意图。

图2是已有技术电子标签倒扣封装示意图。

图3是已有技术电子标签先封装成条带形式的示意图。

图4是已有技术电抗耦合封装方式的电子标签示意图。

图5是本发明电子标签的半径逐渐减小的片上螺旋天线示意图。

图6是本发明电子标签的多层金属互连线组成的片上天线示意图。

图7a是本发明电子标签的片上天线和片外天线的相对位置示意图。

图7b是本发明片外天线和片上天线耦合部分的放大示意图。

图中标号：

10是芯片；11是芯片的焊盘；12是天线的基材；13是金属丝；14是天线的馈电点；

20是芯片；21是芯片的焊盘；22是导电胶；23是天线的馈电点；24是基材；

30是芯片；31是条带；32是天线辐射体的馈电点；

40是芯片；41是电感环；42是基材；43是天线的主辐射体；

51是片上天线；52是金属互连线；53是通孔；54是馈电端口；

60是上层天线线圈；61是下层天线线圈；62是通孔；63是馈电端口；

71是片外天线；73是带有开口的单环片外天线和片上天线耦合的部分；

72是片上天线；74是在片上天线内部的芯片电路；75是芯片的衬底。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做进一步详细的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

本发明通过采用标准的集成电路互连线设计片上天线，片上天线和片外天线通过变压器耦合的形式传递能量和信息。

本发明片上天线耦合片外天线的电子标签，包括芯片、片上天线和片外天线。所述的片上天线采用集成电路的互连线螺旋缠绕而成，该片上天线和所述的片外天线是变压器耦合形式。片上天线的感抗基本等于芯片的容抗的绝对值，意味着两者基本上是共轭形式。而片外天线是辐射体部分，负责接收和发射电磁波。

所述的片上天线可以采用金属互连线线圈半径逐渐减小的单层多圈螺旋缠绕方式。请参阅图5本发明电子标签的半径逐渐减小的片上螺旋天线。集成电路互连线的某一层金属线从外到内半径逐渐减小的构成螺旋状片上天线51。通过片上天线下层的金属互连线52以及互连线之间的通孔53，将该片上天线51与电子标签芯片连接的两个馈电端口54放在该片上天线的内部。

请参阅图6本发明电子标签的多层金属互连线组成的片上天线。片上天线也可以采用多层金属互连线上下串联的方式。每层金属互连线的结构是单圈结构或者类似图5所示的多圈结构。如图6所示，该片上天线包括上、下两层线圈，每层线圈包括两圈集成电路的金属互连线。两圈的上层天线线圈60，通过绝缘层的通孔62与两圈的下层天线线圈61连接，该天线的两个馈电端口63连接芯片的内部倍压整流电路端口两端。

片上天线还可以采用同层金属互连线线圈半径逐渐减小的多圈螺旋缠绕方式和相邻两层金属互连线线圈上下串联的方式结合而成。该片上天线感抗基本等于电子标签芯片的容抗的绝对值，该片上天线需要天线的阻抗的感抗与芯片的容抗复共轭，从而实现了阻抗匹配，天线才能将能量传递给芯片。

所述的片外天线的和所述的片上天线耦合的部分采用带开口的单环片形式。片外天线的单线圈环片的外直径基本与所述的片上天线线圈的外直径相等。

常规的电子标签天线的电抗是感抗，本发明片外天线的电抗是容抗。容抗的片外天线受环境的影响相对低，这样增加了电子标签的鲁棒性。

请参阅图7a本发明电子标签的片上天线和片外天线的相对位置示意图，图7b本发明片外天线和片上天线耦合部分的放大示意图。片外天线71和片上天线72耦合的部分73采用带开口的单环形式。电子标签的芯片是扁平的长方体，在片上天线72内部的芯片电路74和该片上天线71位于所述长方体的一个大平面上，与该芯片电路74和片上天线71所在平面对应的另外一个平面一般称为芯片的衬底75。如果是芯片的衬底75面对着片外天线71，电子标签的整体性能会下降。所以该芯片的衬底75远离该片外天线71，该芯片电路74和片上天线71所在平面面对着所述的片外天线71，两者上下重叠放置。片外天线71和片上天线72的中心线尽量重合，尽量使两者的耦合系数达到最大。这样就实现了片上天线和片外天线的变压器耦合。

片外天线71和片上天线72之间的距离越小、片外天线的单线圈环片的外直径与片上天线线圈的外直径越接近，两者的耦合系数就越大。因此片上天线和片外天线的尺寸相当、两者的中心线尽量的重合且最近距离摆放，可以保持两者耦合系数足够大。

该片上天线的金属线圈外表面具有集成电路金属层的绝缘层保护，所述的片上天线和片外天线不直接接触。

本发明电子标签的片外天线部分是单圈形式，而片上天线是多圈形式，二者通过变压器耦合的形式传递能量和信息。从变压器的角度讲，片上天线会进一步放大片外天线感生的电压。

本发明片上天线耦合片外天线的电子标签通过采用标准的集成电路互连线设计片上天线，片上天线和片外的天线通过变压器耦合的形式传递能量和信息。这样的设计大大降低了标签的封装成本，增强了芯片的性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。

Claims (5)

1.一种电子标签，包括芯片、片上天线和片外天线，该片上天线和所述的片外天线是变压器耦合形式，其特征在于：

所述的片外天线和所述的片上天线耦合的部分采用带开口的单环形式，所述的片外天线是非闭合的开环结构；

所述的片上天线采用集成电路的互连线螺旋缠绕而成，包括金属互连线线圈半径逐渐减小的单层多圈螺旋缠绕方式、多层金属互连线上下串联的方式、以及同层金属互连线线圈半径逐渐减小的多圈螺旋缠绕方式和相邻两层金属互连线线圈上下串联的方式结合而成。

2.根据权利要求1所述的电子标签，其特征在于所述的片上天线感抗等于所述芯片的容抗的绝对值。

3.根据权利要求1所述的电子标签，其特征在于所述的片外天线的单线圈环片的外直径等于所述的片上天线线圈的外直径。

4.根据权利要求1或3所述的电子标签，其特征在于该电子标签的芯片电路和片上天线所在的平面面对着所述的片外天线，两者上下重叠放置，该片外天线和片上天线的中心线重合。

5.根据权利要求4所述的电子标签，其特征在于该片上天线的金属线圈外表面具有集成电路金属层的绝缘层保护，所述的片上天线和片外天线不直接接触。

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