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CA 02356378 2001-06-19
WO 01131731 PCT/FR00/02983
Antenne de couplage à inductance ëlevëe
Domaine technique
La présente invention concerne les systèmes d'émission
et de réception sans contact, et plus particulièrement une
antenne de couplage à inductance élevée utilisée notamment
dans les cartes à puce sans contact.
lo
Etat de la technigue
Les systèmes d'émission et de réception sans contact
sont largement utilisés de nos jours dans de nombreuses
applications. Une de ces applications est la carte à puce sans
contact qui est un système de plus en plus utilisé dans
différents secteurs. Ainsi, dans le secteur des transports, de
telles cartes ont été développées par toutes les sociétés
autoroutières afin de proposer des abonnements à leurs usagers
et de faciliter le paiement aux gares de péage. Elles ont
aussi été développées comme moyen de paiement. C'est la cas
par exemple du porte-monnaie électronique. De nombreuses
sociétés ont également développé des moyens d'identification
de leur personnel par cartes â puce sans contact.
L'échange d'informations entre une carte sans contact et
le dispositif de lecture associé s'effectue par couplage
électromagnétique à distance entre une antenne logée dans la
carte sans contact et une deuxième antenne située dans le
lecteur. Pour élaborer, stocker et traiter les informations,
la carte est munie d'une puce comportant une zone mémoire et
un microprocesseur, qui est reliée â l'antenne. Cette puce
contient une capacité d'entrée obtenue grâce à des
condensateurs insérës dans la puce. L'antenne et la puce se
trouvent généralement sur un support plan neutre. Le
fonctionnement optimal du couplage antenne-puce qui doit être
non résistif est obtenu lorsque la loi de résonance du circuit
suivante est respectée .
LCto2 - 1 (1)
h
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dans laquelle L représente L'inductance de l'antenne, C
représente la capacité d'entrée et (~u la pulsation égale à
2~f, dans laquelle f représente la fréquence normalisêe (par
exemple à 13.56 MHz).
L'obligation de respecter cette loi impose aux fabricants
de puce, appelés aussi fondeurs, de mettre dans les puces des
condensateurs pour obtenir des valeurs de capacité
suffisamment importantes. Ainsi, le coût de fabrication des
puces se trouve fortement augmenté par la présence des
condensateurs.
Le développement des cartes électroniques sans contact
passe nécessairement par une réduction des coûts de production
des puces utilisées dans ces cartes. Afin de réduire le prix
de revient des puces, les fondeurs sont amenés de plus en plus
à diminuer le nombre de condensateurs intêgrés dans celles-ci
et ainsi â réduire la capacité du circuit. Ils peuvent ainsi
produire des puces de plus petites dimensions.
Afin de respecter la loi LCc~s - 1 et d'obtenir un
couplage optimal, il faut augmenter l'inductance L de
l'antenne pour compenser la baisse de la valeur de la capacité
d'entrée de la puce. Dans le cas des antennes réalisées par
gravure chimique du cuivre ou de l'aluminium, sous forme de
spires sur un support diêlectrique plastique, on augmente
généralement l'inductance en augmentant le nombre de spires.
Cette solution engendre toutefois plusieurs inconvénients
importants. En effet, tout circuit électrique ayant une
résistance, l'augmentation du nombre de spires, qui correspond
en fait à un allongement du circuit, entraîne une forte
augmentation de la valeur de cette résistance. Ceci affecte
considérablement les performances de l'antenne et donc de la
carte. En effet, la distance de lecture de la carte est
fortement diminuée.
Poux limiter l'encombrement et conserver la section
utile pour le flux électromagnétique à travers la carte, la
largeur des pistes de cuivre doit être réduite. Cela a pour
effet d'augmenter la résistance de l'antenne, et surtout la
fiabilité des cartes est détériorée car le risque de coupures
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des spires de l'antenne lors de la lamination sous pression à
chaud des corps de carte est plus important.
Le prix de revient unitaire de l'antenne gravée augmente
de façon significative. Ainsi, la réduction de coût obtenue
par les fondeurs avec des puces ayant une capacité d'entrée
plus faible se trouve annulée par ce surcoût des antennes. La
fabrication et l'utilisation des cartes ne se trouvent donc
pas plus rentables.
l0 Exposé de l'iaventioa
Le but de l'invention est de pallier ces inconvénients en
fournissant une antenne avec une inductance êlevée permettant
d'obtenir une carte performante, dont la fiabilité est
éprouvée et dont le coût de production et donc le prix de
revient sont nettement plus faibles que les cartes à puce
actuellement sur le marché.
L'invention concerne une antenne de couplage constituée
par une pluralité de spires en série situées sur un support
plan constitué par un substrat diélectrique isolant. Cette
antenne comprend un ou plusieurs ensembles d'au moins une
spire située sur ledit support plan, montés en série, au moins
un des ensembles étant constitué par au moins deux spires en
série superposées selon un axe perpendiculaire au plan du
support et séparées par une bande isolante d'encre
diélectrique, ce qui permet d'obtenir une valeur d'inductance
importante.
Dans un mode de réalisation préférë, l'antenne de
couplage comprend un ou plusieurs ensembles, montés en série,
d'au moins une spire d'encre sérigraphiée sur le support plan,
au moins un des ensembles étant constitué par au moins deux
spires en série d'encre sérigraphiée superposées selon un axe
perpendiculaire au plan dusupport et séparées par une bande
isolante d'encre diélectrique également sérigraphiée sur le
support.
Un autre aspect de l'invention est le procédé de
fabrication de l'antenne de couplage consistant â .
- réaliser la sérigraphie d'une spire d'un ou
plusieurs ensembles, par dép8t d'encre conductrice sur une
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face d'un support plan constitué d'un substrat diélectrique
isolant,
- réaliser la sérigraphie d'une bande isolante
superposée â la sérigraphie de la spire d'au moins un
ensemble, par dépôt d'encre diêlectrique, permettant de
recouvrir la spire et laissant apparents les plots de
connexion de l'antenne et les zones de raccordement des spires
superposées,
réaliser la sérigraphie d'une spire d'au moins un
ensemble, superposée à la sérigraphie de la bande isolante,
par dépôt d'encre conductrice,
la deuxième et la troisième étapes du procédé étant
répétées une ou plusieurs fois lorsque l'antenne comprend un
ou plusieurs ensembles de plus de deux spires superposées.
Les avantages liés à cette antenne et à son procédé de
fabrication sont multiples:
a) Pour compenser la résistivité électrique intrinsëque
plus élevée des encres polymères conductrices sérigraphiables,
il faut augmenter la section des spires de l'antenne. Cela se
traduit par un élargissement des spires et/ou un dêpôt épais
d'encre. Sur la base de ces adaptations de design, les
performances instantanées d'une antenne sérigraphiée
comportant moins de trois tours sont au moins comparables à
celles d'une antenne gravées et même supérieures après les
différents tests mécaniques et de vieillissement (chaleur
humide). Lorsqu'il faut augmenter l'inductance de l'antenne
pour s'accorder avec une puce à faible capacité interne,
l'augmentation du nombre de tours est préjudiciable â
l'antenne sérigraphiée car les propriétés électriques se
dégradent très vite au delà de trois tours (perte de
conductivité électrique et plafonnement de l'inductance). Le
procédé inventif permet de s'affranchir de cette impasse
technologique en proposant une antenne sêrigraphiée compatible
avec des puces à faible capacité.
b) En jouant sur les paramêtres géométriques de l'antenne
de couplage selon l'invention (épaisseur de la couche isolante
diélectrique, largeur et épaisseur des spires, surface de
recouvrement entre les spires superposées), il est possible
h
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d'ajuster la valeur de l'inductance de l'antenne sérigraphiée
pour obtenir un accord parfait. On peut donc réaliser une
configuration d'antenne qui permet au fondeur de réduire très
fortement la capacité d'entrée de la puce. Cette «
5 externalisation » de la capacité offre des perspectives très
intéressantes de réduction des coûts pour les fondeurs.
c) Le coût d'une antenne sérigraphiée est pratiquement
dix fois plus faible que celui d'une antenne gravée. La mise
en ouvre de la sérigraphie d'une antenne s'effectue selon un
procédé standard par rapport à une antenne sérigraphiée dans
le plan (trois films, trois écrans, mêmes encres?. Le coût
global de la carte est donc nettement plus faible puisque la
capacité interne de la puce a fortement diminué.
Description brève des figures
Les buts, objets et caractéristiques de l'invention
ressortiront mieux à la lecture de la description qui suit
faite en référence aux dessins joints dans lesquels .
La figure 1 représente le schéma électrique d'une carte à
mémoire sans contact.
La figure 2 reprêsente l'antenne de couplage selon un
mode de réalisation particulier, à la fin de la premiëre étape
de cette réalisation.
La figure 3 reprêsente l'antenne de couplage selon
l'invention, à la fin de la deuxième étape de cette
réalisation.
La figure 4 représente l'antenne de couplage selon
l'invention, à la fin de la dernière étape de cette
réalisation.
Description dêtaillêe de l'invention
Selon la figure 1, le circuit électrique de la carte 1 se
subdivise en deux composants . l'antenne et la puce. La puce 2
possède une capacité interne Cs 4 obtenue par l'intermédiaire
de condensateurs placés dans la puce. Celle-ci comporte
également une partie électronique 6 correspondant à la zone
mémoire et au processeur. La puce 2 est reliée à l'antenne 8
par l'intermédiaire du circuit 1. L'antenne 8 possède une
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résistance Rs 10 qui est la cause d'une puissance perdue dans
le circuit. L'antenne possède ëgalement une inductance Ls 12
propre.
Les figures 2, 3 et 4 représentent l'antenne aprës les
trois étapes principales du procédé de fabrication. I1 s'agit
d'une antenne avec un ensemble de deux spires superposées. Le
même procédé peut être utilisé pour réaliser une antenne avec
plusieurs ensembles d'au moins une spire et dont au moins un
des ensembles est constitués d'au moins deux spires
superposées.
Lors de la première étape du procédé de fabrication, la
spire 16 d'encre conductrice a été sérigraphiée sur le support
plan 14 constitué par un substrat diélectrique isolant, comme
illustré à la figure 2. Ce substrat diélectrique est en
matière plastique, en papier ou en tissu de verre imprégné de
résine thermodurcissable ou réticulable par rayonnement U.v.
La matière plastique utilisée est par exemple du polychlorure
de vinyle (PVC), du polyester (PET, PETG), du polycarbonate
(PC), de l'acrylonitrile-butadiêne-styrène (ABS). L'encre
conductrice utilisée contient des polymères et est chargée en
éléments conducteurs qui peuvent être des métaux.
Préférentiellement, l'encre utilisée est chargée en argent.
Toutefois, elle peut être également chargée en cuivre ou en
carbone. L'encre contient entre 50 et 70 ~ d'argent sous forme
de billes ou de lamelles. Les polymères utilisés sont des
polyesters ou des résines acryliques. L'encre contient aussi
un solvant qui sert de véhicule. Selon un mode de réalisation
particulier, le solvant utilisê est un éther de glycol. La
spire 16 suit les contours du support. Une de ses extrémités
est en contact avec un des plots de connexion 18 permettant de
raccorder l'antenne a une composante ëlectrique ou
électronique telle qu'une puce. L'autre extrémité de la spire
est libre afin de pouvoir être reliée à la seconde spire.
La figure 3 montre l'antenne aprës la deuxiême étape de
son procédé de fabrication. Une deuxième sérigraphie est
réalisée. Cette deuxième sérigraphie correspond au dépôt d'au
moins deux couches d'encre diélectrique constituant la bande
isolante 20 entre les deux spires. Selon un mode de
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réalisation préféré, chaque couche a une épaisseur de 25
microns. Cette encre contient des polymères et réticule
lorsqu'elle est soumise à un rayonnement U.V. Selon le mode de
réalisation, les polymères peuvent être des résines acrylates
ou des polyesters insaturés. Contrairement à l'encre
conductrice des spires, cette encre ne contient pas de
solvant. Les polymères contenus dans l'encre vont réticuler
lorsqu'on va soumettre l'encre à un rayonnement U.V. Cette
réticulation provoque un durcissement de l'encre. Ainsi la
géométrie de l'antenne est três stable et surtout l'épaisseur
de cette bande isolante et donc la distance entre les deux
spires ne varie pas, ce qui permet â l'antenne de conserver sa
qualitê de fonctionnement optimale. Cette encre, afin d'être
suffisamment isolante, doit posséder une permittivité relative
la plus élevée possible. La valeur de la permittivité est en
générale supérieure à 3. Dans un mode de réalisation préféré
de l'antenne de couplage selon l'invention, la permittivité de
l'encre utilisée pour sérigraphier la bande isolante est de
3,9. Afin d'assurer un bon pouvoir isolant â la bande , au
moins deux couches d'encre sont nécessaires. En effet, aprës
réticulation, la couche d'encre possède une porosité
importante qui l'empêche d'avoir un pouvoir isolant élevé.
Afin de résoudre ce problème, deux couches successives et
superposées sont sérigraphiées et constituent une bande avec
un fort pouvoir isolant. Cette bande est superposée à la spire
16 et recouvre entièrement cette derniêre et notamment
l'extrémité qui est en contact avec un des plots de connexion
18 de l'antenne, à l'exception de la seconde extrémité 17 qui
est laissée libre afin de pouvoir raccorder les deux spires
entre elles.
La figure 4 montre l'antenne terminée après la troisième
et derniëre étape de son procédé de fabrication. Une troisième
sérigraphie correspondant â la spire 22 a été réalisée. Elle
est superposée à la spire 16 du premier ensemble et à la bande
isolante 20 qui est entre les deux spires, selon un axe qui
est perpendiculaire au plan du support 14. Une des extrémités
de cette spire 22 est raccordée à l' extrémité libre 17 de la
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première spire 16. La seconde extrémité de la spire 22 est
reliée au second plot 24 de connexion de l'antenne.
On constate donc que, selon cet exemple, l'antenne est
constituée de deux spires en série, qui sont dans deux plans
différents et parallèles entre eux, chacun étant parallèle au
support 14. Ainsi, une antenne de ce type est appelée antenne
en « Z ».
On peut considérer que les deux spires constituant
l'antenne sont connectées entre elles par des capacités
réparties tout le long de l'antenne. Cette structure est
équivalente à deux bobines (correspondant à chacune des
spires> connectées en série par l'intermédiaire d'une capacité
due au diélectrique constituant la bande isolante se trouvant
entre les deux spires. Si L est l'inductance de chacune des
spires et C la valeur de cette capacitê, l'impédance complexe
de l'ensemble est alors .
l
Z= i.2.L.~-
C. ~
Il ressort de l'équation ci-dessus que, plus on augmente
la valeur de la capacitê C, plus l'impédance Z augmente. Or,
cette capacitê entre les deux spires superposées varie en
fonction de l'épaisseur de la bande isolante. I1 est donc
possible de faire varier l'inductance apparente (en fait
l'impédance Z) de l'antenne compte tenu de la valeur de la
capacité d'entrée de la puce, pour obtenir la condition de
résonance. En effet, si la puce a une très faible capacité
d'entrée, on augmente la capacité entre les deux spires, en
diminuant l'épaisseur de la bande isolante. L'inductance
3o apparente de l'antenne augmente donc également. Si, par
contre, la capacité d'entrée de la puce est plus élevêe, on
obtient une antenne moins inductive et donc mieux adaptée â la
puce, en augmentant l'êpaisseur de la bande isolante. Ainsi,
il est possible d'obtenir une valeur de l'inductance apparente
réglable selon l'épaisseur de la bande isolante séparant les
spires superposées.
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Des valeurs de la capacité entre les deux spires ont été
mesurées et la valeur maximale enregistrée est de 2000
picofahrads (pF). Cette capacité a permis d'obtenir une valeur
d'inductance d'environ 1900 nanohenrys (nH).
L'antenne de couplage décrite ci-dessus n'est qu'un
exemple de réalisation. En effet, selon l'invention, les
antennes peuvent comporter un ou plusieurs ensembles d'une
seule spire et un ou plusieurs ensembles de plusieurs spires
montés en série. Chaque ensemble de plusieurs spires êtant
l0 constitué de spires en séries superposêes, le nombre et le
diamètre de spires superposées variant d'un ensemble à
l'autre.
L'antenne de couplage selon l'invention peut être
utilisée notamment dans les cartes à puce sans contact. Ces
cartes sont constituées d'un support plan portant au moins une
antenne de couplage à inductance élevée reliée à au moins une
puce, également sur le support plan, prêsentant une faible
capacité interne. Selon un type particulier de cartes à puce
sans contact, le support plan est inséré entre deux corps de
carte, lesdits corps de carte étant fixés de chaque côté dudit
support plan afin de la rigidifier. Ces corps de carte peuvent
être en plastique. Dans ce cas, le plastique utilisé peut être
le polychlorure de vinyle (PVC), le polyester (PET, PETG), le
polycarbonate (PC), ou l'acrylonitrile-butadiène-styrène
(ABS). Lorsque les corps de carte sont en plastique, leur
fixation de chaque côté du support plan portant une ou
plusieurs antennes selon l'invention, est réalisée par
pressage à chaud ou à froid des trois élément constituant la
carte, appelé encore lamination à chaud ou à froid. Une fois
cette étape de lamination réalisée, la puce est installée et
connectée à la ou les antennes de la carte.
