平面內rfid天線的製作方法

2023-12-08 18:58:06

專利名稱：平面內rfid天線的製作方法
技術領域：
本主題涉及用於集成在輪胎中的RFID (射頻標籤)裝置。更具體地，本主題涉 及用於為這種裝置提供改進的天線連接結構的RFID裝置和方法。
背景技術：
電路被用於呈現特定的物理、化學和電因素的各種環境中，必須對電路進行保 護或設計以承受這些因素。本發明主要關注物理因素，例如導致老化的機械應力，反過 來會因電路特定部分的物理性損壞或弱化而導致電路故障。這種故障的典型的位置是連 到電路的電線、導線或其他導體的連接點處或其附近。在電線和連接到電路的導線可能 相對彼此移動或轉動的情況下，在與電路的連接點處或其附近，電線可能受到集中的機 械應力和/或老化。機械應力，例如反覆的彎曲或扭曲，可導致電線弱化直至發生損 壞。集成在輪胎或其他裝置中的電子裝置產生了潛在的優點，例如跟蹤資產和測量 例如溫度和壓力等物理參數。為了本公開描述的目的，短語「集成在輪胎中」表示輪胎 和電子裝置的任意組合，包括但不限於全部或部分地包入或粘附在輪胎中或輪胎的任何 部分中，或連接到輪胎的內表面或外表面。通常這些系統中很多依賴於無線數據連結與車輛外部的信息系統進行通信。這 種信息系統可包括，作為非限制示例的車載計算機系統、駕駛詢問器、或手動詢問器。 此外，通過這種無線數據連結進行通信的數據類型寬泛且各異，例如不僅包括上文提到 的溫度和壓力，還包括其他物理參數，例如輪胎轉速以及對應於製造數據和許多其他信 息的數據。無論傳輸何種類型的數據，無線數據連結需要天線以連接到輪胎中的電子裝 置。如果電子裝置和/或天線粘附在輪胎的橡膠上，則由輪胎的製造過程或常規使用造 成的輪胎的撓曲可能導致天線與電子裝置因破裂、損壞或老化而分離。美國專利No.7.196.616 (Sinnett等)公開了用於提供漸變剛度的、抗應力的 電連接的裝置禾口方法(apparatus and methodology for providing a graduated stiffness, strain-resistant electrical connection)。 其中在導線周圍和到電路的連接點附近配置 了一種材料，從而在連接點附近產生彈性遞減或剛度漸變的區域。可在美國專利 No.7,102,499(Myatt)中獲得輪胎電子系統的另一示例，其涉及用於輪胎的電子通信裝 置，該裝置包括連接到輪胎或嵌入到輪胎中的無線電裝置和天線。美國專利申請公開US 2007/0274030A1 (Robert)也渉及一種輪胎電子裝置,更具 體地公開了一種電子模塊，其設計為與輪胎結合合為一體，包括功能裝置、支撐件和至 少一個用於電連接到電線和用於機械地固定電線的裝置的裝置，該裝置與電連接裝置分 開，用於機械地將電線固定到支撐件。國際公開號為WO 2006/098710A1 (Sinnett等)的PCT申請涉及用於將天線或其
他導電引線連接到電路的抗應力電連接。該公開的申請描述了與本文圖2A和2B所述的 已知裝置相似的技術，在下文中將與本主題進行對比描述。
在JP2007049351A中描述了其他相似的主題，題目為「用於輪胎和充氣輪胎的 電子標籤」(Electronic Tag For Tire And Pneumatic Tire)，作為具有連接到集成電路晶片的
盤繞形天線的電子標籤。該盤繞形天線包括雙螺距纏繞部分，其中更高的螺距纏繞耦接 到集成電路晶片。美國專利No.6.836.253B2 (Strache等)描述了用於嵌入到包括輪胎的彈 性結構中的發射器或接收器單元。該單元可包括幾種形式的天線，包括盤繞線結構。儘管研究了諸如輪胎電子系統中的RFID裝置等各種輪胎電子裝置的實現，且盡 管研究了各種方法來減輕電耦合點的應力，但沒有出現過一種設計能如下文根據本技術 所呈現的那樣總體涵蓋所有需要的特性。

發明內容
考慮到現有技術中遇到的和本主體解決的已知特徵，提出了一種改進的裝置和 方法，以提供用於RFID裝置的改進的天線結構及其電連接。在示例性配置中，提供了一種用於集成在輪胎中的RFID裝置，其包括具有由相 對的端部和相對的側部限定的上表面和下表面的印刷電路板(PCB)、所述PCB的上表面 上的多個導電跡線、在PCB的一端形成的凹槽、從上表面到下表面穿過PCB的鍍金通 孔、在所述PCB的上表面環繞所述通孔的導電跡線元件、電耦合到多個導電跡線的跡線 元件、圍繞位於所述PCB下表面的所述通孔並在PCB的側部方向延伸預定距離的導電焊 墊，以及具有位於凹槽中並位於PCB的上表面限定的平面內的端部的天線元件，其中端 部的一部分穿過從上表面穿到下表面的通孔，並電連接到圍繞PCB下表面的通孔的導電 跡線元件。根據本主題的某些實施例的方面，提供了用於組裝RFID裝置的方法，包括提供 具有上表面和下表面、相對的端部、和相對的側部的印刷電路板(PCB)；提供單螺距螺 旋天線元件；在相對的端部中形成凹槽，以使凹槽部分配置為具有與螺旋天線元件的單 螺距相對應的螺距的引導部分；提供在PCB中定位為與單螺距螺旋天線元件的螺距相對 應的鍍金通孔；提供包括用於PCB的支撐件和保持結構的組裝夾具；在組裝夾具的表面 提供天線支撐通道；將PCB保持在組裝夾具上並暴露下表面；將天線元件放置在支撐通 道中；通過在支撐通道中旋轉並推進天線元件，將天線元件的端部穿過通孔進入PCB; 以及將天線的端部焊接在位於PCB下表面的鍍金通孔的部分以形成組裝的裝置。本主題的其他目的和優點將通過本文的詳細描述來闡述或呈現給本領域技術人 員。同時，應進一步認識到特別描述、提及的和討論的特徵及其元件的修改和變化可在 本發明的不同實施例和應用中實踐，而不超出本主題的實質和範圍。變化可包括，但不 限於那些描述的、參考的、或討論的手段、特徵或步驟的等價替換，以及各個部分、特 徵、步驟等的功能的、操作的、或位置的反轉等。進一步地，應理解本主題的不同的實施例，以及不同的目前優選的實施例可包 括目前公開的特徵、步驟、或元件的各種組合或配置，或其等價物(包括沒有明確地在 附圖中顯示或在該附圖的詳細描述中陳述的特徵、部件或步驟或配置的組合)。本主題的 沒必要在發明內容部分描述的其他實施例可包括並組合上述概括的對象中提到的特徵、 部件、或步驟的方面，和/或在本身申請中另外討論的其他特徵、部件或步驟的各種組 合。本領域技術人員可通過閱讀下文更好地理解這些及其他實施例的方面的特徵。


本說明書針對本領域技術人員對本發明進行了全面充分的描述，包括最優模 式，參考附圖如下圖1A圖示了根據本技術的結合在輪胎中的示例性RFID裝置的俯視圖；圖1B圖示了從圖1A的箭頭1B-1B的角度看到的RFID裝置的放大的側視圖；圖1C圖示了圖1A的裝置的仰視圖；圖1D圖示了根據本技術的印刷電路板(PCB)的放大圖，以描述PCB的獨特方 面；圖2A圖示了用於與本技術作對比的已知的RFID裝置；圖2B圖示了從圖2A的2B-2B箭頭角度看到的圖2A的RFID裝置的放大的側視 圖；以及圖3圖示了用於本主題的裝置的示例性組裝方法，其描述了使用排列的夾具組 件。本說明書和附圖中重複使用的附圖標記指代本發明相同或近似的特徵或元件。
具體實施例方式如發明內容部分所述，本主題具體涉及一種裝置和方法，用於提供用於RFID裝 置的改進的天線結構及其電連接。所選擇的公開技術的方面的組合對應於本發明的多個不同的實施例。應該注意 本文所呈現和討論的每個示例性實施例不應暗示為對本主題的限制。作為一個實施例的 一部分來圖示或描述的特徵或步驟可用於與另一實施例的方面相組合，從而產生又一實 施例。此外，某些特徵可與實現相同或相似功能的沒有明確提到的相似裝置或特徵互換。下面詳細地參考本主題的RFID裝置的目前優選的實施例。現參見附圖，圖1圖 示了根據本技術構造的用於結合在輪胎中的示例性RFID裝置100的俯視圖。本領域技術 人員能夠理解儘管本文描述的裝置特別用於輪胎技術，這並非該裝置本身的限制，因為 這種裝置可用於其他技術，只要裝置或電連接會因誘導的應力而受到損壞。航運工具或 用於移動貨物的貨櫃可通過RFID裝置100來識別就是這種例子之一。如圖1A所示，RFID裝置100包括印刷電路板(PCB) 102，其上設置有多個導電 跡線104。集成電路(IC)裝置120以慣用方式安裝在PCB 102上，並電連接到跡線104， 並通過跡線104的部分130A、130B電連接到天線元件110、112。應理解所圖示的天線 元件110、112並非按比例所畫，而是隨著圖示的螺旋形延伸以形成至少大概與RFID系 統的諧振頻率相對應的長度。跡線104的部分130A、130B圍繞穿過PCB 102的鍍金通孔134A、134B (圖1C 和圖1D)並連接到位於PCB 102的下表面上的焊墊130C、130D(圖1C)。如圖1C的最 佳圖示，螺旋天線元件112的端部114以完整的圖形延續通過通孔134A、134B並圍繞該 通孔直到接觸到(在焊墊130C上的116)焊墊130C、130D,焊墊130C、130D在PCB 102 的底部的PCB 102的側部之間充分地延伸。當螺旋天線元件112的端部114接觸到焊墊130C時，可通過焊接將其結合到焊墊，典型地如118處所示。當然，在最終的組件中， 天線均通過例如焊接而結合到全部焊墊。到焊墊130C的連接顯示於焊接之前以更好地圖 示天線的端部在焊接之前接觸焊墊。以這種方式將天線部分110、112結合到PCB 102在相似的裝置上獲得巨大進 步，因為天線盤繞線的結合有助於避免PCB 102的表面上的跡線導體分層。此外，在 PCB 102的與IC晶片120相對的側面上焊接天線元件110、112大大降低了過度焊接的機 會，以及焊接從相似的已知的天線螺旋210、214、212、216芯吸(wicking down)下來的 機會，如圖2A所示。以此方式連接天線元件還帶來其他好處。例如，相對於圖2A所示的現有的連接 技術大大節省成本且便利。如圖2A所示的在210圖示的雙螺距、個別纏繞的天線元件， 現在可由可在組裝時切割到一定長度的更長的單螺距盤繞代替。圖2A和2B圖示的已知設計採用了雙螺距天線螺旋結構，其設置了更高的螺距 部分214、216以幫助將天線元件焊接到導電跡線204。已知天線元件的這種布置，其中 天線螺旋的外表面與PCB 202的上表面接觸並焊接到該上表面，產生的裝置的厚度為用 作天線的彈簧的外徑(OD)加上PCB 202的厚度T』。在示例性的已知結構中，該厚度在天線連接點之間產生7mm的剛性區域。在輪 胎環境中，這導致了沿著該剛性區域的長度的過度應力的形成，該應力必須承受於PCB 的端部。承受該過度應力被認為是天線的老化損壞的一個原因。與之對比，根據本發明 的技術，通過將天線連接點重新布置在PCB 102的相對側面，天線連接點之間的剛性距 離減小到只有大約3mm，產生57%的改善。此外，先前使用的雙螺距螺旋天線元件的連接點的這種布置而產生的裝置使得 旋轉中的螺旋元件的自由端具有不確定的位置。該布置可能使得該端遠離PCB並產生有 害的鋒利點。根據本技術，螺旋天線元件的端部位於鍍金通孔內，從而天線的端部位於 充分受控、鄰近PCB的、且不會產生鋒利點的位置。進一步地，通過設計PCB 102使得天線元件110、112可放置於PCB 102的平面 內，可實現很多優點。第一，可提供具有總厚度等於或僅略大於天線盤繞的OD的裝置。 第二，通過重新設計具有限定了螺旋彈簧天線電線的位置的形狀特徵的PCB 102，可實 現與通孔134A、134B的排列，以實現簡單組裝。第三，通過將天線元件放置在PCB 102 的平面內，特別是臂部分108A-108D之間，通過臂、天線元件、臂之間的包圍天線元件 並嵌入組裝的裝置的所有部分的非導電彈性材料150(圖1A)的互結合作獲得了電連接的 漸變應力。在示例性實施例中，在將組裝的裝置嵌入非導電彈性材料之前，組裝的裝置 的所有部分可覆蓋粘結劑，例如LORD公司提供的Chemlok 。第四，將天線放入PCB 102的平面內導致了增加PCB 102的厚度T(圖1B)的可能性，從而提供了比如圖2B所 示的具有更小厚度T』的PCB 202的已知裝置更強固的組裝裝置。進一步參見圖1D，可見根據本技術，PCB 102具有分別位於臂108A、108B和 108C、108D之間的凹槽部分120A、120B,其與圖2A所示的臂部分有些相似。然而根據 本技術的凹槽部分120A、120B配置為提供位於PCB 102的一端的直線區域122A、122B 之間的曲線形部分124A、124B，以及位於PCB 102的另一端的直線區域126A、126B之 間的相似曲線形部分128A、128B，這限定了螺旋彈簧線天線元件110、112的位置。特
7別地，成型凹槽部分120A、120B設計為對應於螺旋天線元件110、112的螺距，從而天 線螺旋可容易地穿入配合孔，即PCB102中的鍍金通孔134A、134B。通過採用特殊涉及 的組裝夾具300 (圖3)更進一步簡化了組裝時的這種穿入。現在參見圖3，其圖示了示例性組裝夾具300，並圖示了組裝本主題的RFID裝 置的方法。如圖3所示，組裝夾具300對應於支撐塊302。支撐塊302可對應於任何能 夠被機械加工並經受焊接操作而不會發生物理損壞的合適的材料。在示例性裝置中，支 撐塊302可由鋁製成。支撐塊302包括上表面，其上機械加工有沿支撐塊302的中心線 延伸的排列的通道304、306。通道304、306可具有不同橫截面，但是優選的橫截面是半 圓橫截面，其直徑大約是天線元件110、112的OD。支撐塊302之上還具有可調整的定位裝置320、322，用於將PCB 102固定在支 撐塊302上。定位裝置320、322可由任何合適的材料製成。如圖3的示例所示，定位 裝置320、322之中具有例如伸長的狹縫，且可調整地相對於通道304、306定位，並通過 螺釘330、332、334、336或任何其他合適的固定裝置固定在適當位置。在通道304和306之間，以及在定位裝置320、322之間，設置可容納IC器件 120的大小的凹進或井308，如果安裝，則安裝在PCB 102上。為了組裝，將PCB102完 全顛倒，從而使IC 120在安裝時可以定位從而可進入凹進308，並且調整定位裝置320、 322以將PCB 102固定在適當位置。在將PCB 102固定在支撐塊302之後，將天線元件 310、312放置在通道304、306中。注意，為了描述清楚，在圖3中用虛線圖示天線元件 310、312 和 PCB 102。將天線元件310布置在通道304中之後，在沿箭頭C方向推進天線元件310時， 天線元件310可能如箭頭A、B所示向後或向前搖動，直到天線元件310的端部首先進入 臨近PCB 102的定形部分124A、124B的凹槽120A(最好見圖1D所示的PCB 102部分)。 然後定形部分124A、124B將依靠定形部分124A、124B、天線元件310和鍍金通孔134A 的位置的匹配螺距，來引導天線螺旋的端部進入鍍金通孔134A。在天線元件310的端部 進入顛倒放置的PCB 102的通孔134A之後，天線以完整圖形繼續通過通孔並環繞通孔直 到其接觸到焊墊130C，在此處天線將被焊接到適當位置，如上文參考圖1C所述。對天 線元件312重複該過程直到其在適當位置焊接到焊墊130D。將所有天線元件焊接到適當位置之後，可用粘結劑包覆組裝的裝置，並將裝置 密封在非導電彈性材料覆層150中，如圖1A所示。應理解，以這種方式組裝RFID裝置 產生協同效應，使得PCB板和天線到彈性材料的結合產生的裝置比各部件的總和更強。儘管針對具體的實施例詳細描述了本主題，本領域技術人員在閱讀和理解上文 的基礎上，應能夠容易地製造這些實施例的改造，變體和等價物。因此，本公開的範圍 只是示例性的而非限制性的，公開的主題不排除包含那些對於本領域技術人員顯而易見 的對本主題的修改，變化和/或增加。
權利要求
1.一種用於集成在輪胎中的RFID裝置，包括印刷電路板(PCB)，具有由相對的端部和相對的側部限定的上表面和下表面；多個導電跡線，位於所述PCB的上表面；凹槽，形成於所述PCB的一端；鍍金通孔，從所述PCB的上表面穿透到下表面；導電跡線元件，在所述PCB的上表面環繞所述通孔，該導電跡線元件電耦合到所述 多個導電跡線；導電焊墊，在所述PCB的下表面環繞所述通孔，並在所述PCB的側部的方向上延伸預定距離；以及天線元件，具有位於所述凹槽中且位於由所述PCB的上表面限定的平面內的端部， 其中該端部的一部分穿過從所述上表面到所述下表面的所述通孔，並電連接到在所述 PCB的下表面上圍繞所述通孔的導電跡線元件。
2.根據權利要求1所述的裝置，進一步包括集成電路器件，該集成電路器件安裝到所 述PCB的上表面並電耦合到所述多個導電跡線中所選擇的一個。
3.根據權利要求1所述的裝置，其中所述天線元件包括螺旋形纏繞導體。
4.根據權利要求3所述的裝置，其中所述螺旋形纏繞導體以匝之間的單螺距進行纏繞。
5.根據權利要求4所述的裝置，其中所述凹槽具有與螺旋形纏繞導體的螺距相匹配的 部分。
6.根據權利要求5所述的裝置，其中所述通孔在PCB內被定位於與所述螺旋形纏繞 導體的螺距從匹配的凹槽部分延伸相對應的位置。
7.根據權利要求1所述的裝置，進一步包括非導電彈性材料，其環繞所述PCB以及 所述天線元件的至少一部分，並填充所述凹槽，從而所述彈性材料和所述天線在所述凹槽和所述PCB的平面中的定位之間的協作為 到所述PCB的天線連接提供了受控的應力梯度。
8.根據權利要求7所述的裝置，進一步包括粘結劑，其用於將所述非導電彈性材料固 定到所述天線元件及PCB。
9.根據權利要求1所述的裝置，進一步包括位於所述PCB的相對端的第二凹槽、穿 過所述PCB的第二鍍金通孔、以及位於所述第二凹槽中且位於由所述PCB的上表面限定 的平面中的第二天線。
10.一種用於組裝RFID裝置的方法，該方法包括提供印刷電路板(PCB)，該印刷電路板具有上表面和下表面，由相對的端部和相對 的側部；提供單螺距螺旋天線元件；在所述相對的端部中形成凹槽，使得凹槽部分配置為引導部分，該引導部分具有的 螺距對應於所述螺旋天線元件的單螺距；在所述PCB中提供鍍金通孔，該鍍金通孔的位置對應於所述單螺距螺旋天線元件的 螺距；提供組裝夾具，該組裝夾具包括用於PCB的支撐件和保持結構；在所述組裝夾具的表面中提供天線支撐通道； 將所述PCB保持在所述組裝夾具上，並暴露下表面； 將天線元件放置在支撐通道中；通過在所述支撐通道中旋轉和推進所述天線元件以將所述天線元件的端部穿過所述 PCB的通孔；將所述天線的端部焊接到PCB下表面上的所述鍍金通孔的一部分，以產生組裝的裝置。
11.根據權利要求10所述的方法，進一步包括 將集成電路安裝到所述PCB的上側；以及在所述組裝夾具的表面中提供凹進以容納所述集成電路。
12.根據權利要求10所述的方法，進一步包括 用粘結劑包覆所述組裝的裝置；以及在所述PCB以及所述天線元件的至少一部分上覆加非導電彈性材料。
全文摘要
公開了一種裝置和方法，提供用於集成到輪胎中的RFID裝置。提供一種印刷電路板(PCB)，在該PCB的相對端設置有凹槽，所述凹槽設置有引導部作為凹槽的一部分以用作引線，來將匹配的單螺距螺旋天線的端部引導到PCB上適當放置的通孔。通過使用具有天線引導通道和PCB保持定位元件的組裝夾具來協助螺旋天線的穿入。
文檔編號H02B1/00GK102017343SQ200880128900
公開日2011年4月13日 申請日期2008年4月29日 優先權日2008年4月29日
發明者H·詹姆斯, J·C·辛尼特 申請人:米其林技術公司, 米其林研究和技術股份有限公司