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CA 02362415 2001-08-10
WO 01/50547 PCT/FR01/00010
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Antenne de couplage à capacité variable
Domaine technique
La présente invention concerne les systèmes d'émission
et de réception eans contact, et plus particûlièrement une
antenne de couplage, avec un condensateur sérigraphié,
utilisée notamment dans les cartes à puce sans contact ou
hybride contact - sans contact.
Etat de la technique
La carte à puce sans contact est un système de plus en
plus utilisé dans différents secteurs. Ainsi, dans le secteur
des transports, elle a été développée comme moyen de paiement.
C'est le cas également du porte-monnaie électronique. De
nombreuses sociétés ont également développé des moyens
d'identification de leur personnel par cartes à 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 ou d'un module électronique qui
eat relié(e) à l'antenne. L'antenne et la puce se trouvent
généralement sur un support diélectrique en matière plastique
(polychlorure de vinyle (PVC), polyester (PET), polycarbonate
(PC)...). L'antenne est obtenue par gravure chimique du cuivre
ou de l'aluminium sur le support ou bobinage d'un fil de métal
conducteur. La puce, comportant une zone mémoire et un
microprocesseur, contient des condensateurs qui définissent
une capacité d'entrée associée à la puce. Le fonctionnement
optimal du couplage antenne - puce qui doit être non résistif
est obtenu lorsque la loi de résonance du circuit suivante est
respectée :
LCm2 = 1 (1)
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dans laquelle L représente l'inductance de l'antenne, C
représente la capacité d'entrée et ù) la pulsation égale à
27cf, dans laquelle f représente la fréquence normalisée (par
exemple à 13.56 MHz).
L'observation de cette loi impose aux fabricants de
puce, appelés aussi fondeurs, d'insérer dans les puces des
condensateurs adéquats 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 la dimension du condensateur intégré dans celles-ci
et ainsi à réduire la capacité d'entrée du circuit. Ils
peuvent ainsi produire des puces de plus petites dimensions.
Afin de respecter la loi LCO)z = 1 et d'obtenir un
couplage optimal, on a cherché à 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 diélectrique plastique, on a augmenté
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 sp.ires, 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.
Pour 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.
Déplacer la capacité de la puce vers l'antenne, en
connectant directement un ou plusieurs condensateurs à
l'antenne n'est pas non plus une solution acceptable. En
effet, les condensateurs classiques ont un prix de revient
élevé, ce qui ne résout pas le problème du coût des cartes. De
plus, la mise en place des condensateurs sur le support et
leur connexion à l'antenne n'est pas facile.
Exposé de l'invention
Le but de l'invention est de pallier ces inconvénients
en fournissant une antenne avec une capacité parallèle obtenue
à moindre coût, permettant d'obtenir une carte à puce dont le
prix de revient est fortement diminué par rapport à celui des
cartes à puce actuellement sur le marché, grâce à la
diminution du nombre de condensateurs contenus dans la puce.
L'invention concerne donc une antenne de couplage
connectée à un dispositif d'émission / réception d'ondes
électromagnétiques contenant un ou plusieurs condensateurs
intégrés. Cette antenne de couplage comprend au moins une
spire sérigraphiée sur un support constitué par un substrat
diélectrique isolant et comprend également un condensateur
sérigraphié sur le support, connecté en parallèle, permettant
ainsi de réduire la capacité fournie par le(s) condensateur(s)
intégré(s) dans le dispositif, pour que la capacité résultante
forme un circuit résonant avec la spire.
L'invention concerne également un procédé de fabrication
de cette antenne qui consiste à:
- réaliser un première sérigraphie d'au moins une
spire de l'antenne, de la plaque inférieure du condensateur,
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des plots de connexion de l'antenne à une puce ou à un module,
et de la connexion de l'antenne à la plaque inférieure du
condensateur, par dépôt d'encre conductrice sur le support,
- réaliser une deuxième sérigraphie de la bande
isolante du condensateur, par dépôt d'encre diélectrique
permettant de recouvrir la plaque inférieure du condensateur,
- réaliser la troisième sérigraphie de la plaque
supérieure du condensateur et de la connexion de l'antenne à
la plaque supérieure du condensateur.
Description brève des figures
Les buts, objets et caractéristiques 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 classique.
La figure 2 représente l'antenne de couplage selon un
mode de réalisation particulier, après la première étape de
cette réali.sation.
La figure 3 représente l'antenne de couplage selon
l'invention, après la deuxième étape de réalisation.
La figure 4 représente l'antenne de couplage selon
l'invention, après la dernière étape de réalisation.
La figure 5 représente le schéma électrique d'une carte
à puce comprenant l'antenne de couplage selon l'invention.
Description détaillée de l'invention
Selon la figure 1, le circuit électrique d'une carte à
puce 10 se subdivise en deux composants : l'antenne et la
puce. La puce 12 possède une capacité interne Cs 14 obtenue
par l'intermédiaire des condensateurs contenus dans la puce.
Celle-ci comporte également une partie électronique 16
correspondant à la zone mémoire et au processeur. La puce 12
est reliée à l'antenne 18 par l'intermédiaire du circuit 10.
L'antenne 18 possède une inductance Ls 22 qui présente une
résistance Rs 20.
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Les figures 2, 3 et 4 représentent l'antenne après les
trois étapea principales du procédé de fabrication. Selon un
mode particulier, l'antenne est constituée de deux spires en
série et d'un condensateur sérigraphié. Lors de la première
5 étape du procédé de fabrication, représentée à la figure 2,
les deux spires 24 et 26 sont sérigraphiées sur le support 28
constitué par un substrat diélectrique isolant. Sont
sérigraphiés en même temps, les deux plots 30 et 32 permettant
la connexion de l'antenne à la puce, et la plaque inférieure
34 du condensateur. Une extrémité de la spire 26 est connectée
à la plaque 34 et au plot de connexion 30 par un pont
électrique 36. L'autre extrémité de la spire 26 est laissée
libre. Une extrémité de la spire 24 est connecté au plot de
connexion 32 et l'autre est laissée l.ibre. Le substrat
diélectrique constituant le support 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-butadiène-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 peut ainsi contenir 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 utilisé est un éther de
glycol.
La figure 3 représente l'antenne à la fin de la deuxième
étape du procédé de fabrication. Une deuxième sérigraphie est
réalisée. Cette deuxième sérigraphie correspond au dépôt
d'encre diélectrique constituant la bande isolante 38 qui
sépare les deux plaques du condensateur. Une bande isolante 40
est également sérigraphiée sur le pont électrique 36. Selon un
mode de réalisation préféré, chaque couche a une épaisseur de
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25 microns. Cette encre contient des polymères et réticule
lorsqu'elle est soumise à un rayonnement U.V. Les polymères
peuvent être des résines acrylates ou des polyesters
insaturés. Contrairement à l'encre conductrice, cette encre ne
contient pas de solvant. Les polymères contenus dans l'encre
vont réticuler lorsqu'on soumet l'encre à un rayonnement U.V.
Cette réticulation provoque un durcissement de l'encre. Ainsi
la géométrie du condensateur est très stable et surtout
l'épaisseur de cette bande isolante ne varie pas. Par
conséquent, la distance entre les deux plaques ne varie pas
non plus, ce qui permet au condensateur et donc à l'antenne de
conaerver une qualité 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 à la bande, au moins deux couches d'encre
sont nécessaires. En effet, après 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. La bande
isolante 38 est superposée à la plaque 34 et recouvre
entièrement cette dernière. La bande isolante 40 recouvre
également le pont électrique 36. Cette bande permet d'isoler
le pont électrique du raccordement réalisé entre les
extrémités libres des spires 24 et 26 lors de la dernière
étape du procédé de fabrication.
La figure 4 montre l'antenne après la troisième et
dernière étape de son procédé de fabrication. Lors de cette
étape, une troisième sérigraphie est réalisée, il s'agit de la
plaque supérieure 42 du condensateur qui est superposée à la
bande isolante 38. Une connexion 44 est sérigraphiée afin de
relier la plaque 42 au plot de connexion 32 et permet de
connecter le condensateur à l'antenne, en parallèle. Enfin, le
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raccordement 46 des extrémi.tés libres des spires 24 et 26 est
également réalisé par sérigraphie.
L'antenne ainsi obtenue est constituée par deux spires
reliées en série et par un condensateur. Le schéma électrique
d'une carte à puce intégrant cette antenne est représentée à
la figure 5.
Le circuit électrique 48 se subdivise également en deux
parties qui sont la puce 50 et l'antenne 52. La puce 50
possède une partie électronique 54 correspondant à la zone
mémoire et au processeur, et une capacité interne Csl 56.
Cette capacité est beaucoup plus faible que la capacité
interne d'une puce classique. Cette valeur de capacité plus
faible est compensée par la valeur de la capacité Cs2 obtenue
avec le condensateur sérigraphié de l'antenne 52. Cette
antenne possède également une résistance Rs 60 et une
inductance Ls 62 propre. La capacité Cs2 a une valeur variable
qui dépend de la taille du condensateur. Selon un mode
préférentiel de réalisation, la capacité Cs2 de l'antenne est
plus importante que la capacité Csl de la puce.
Une carte à puce de ce type est constituée d'un support
plan portant au moins une antenne de couplage avec au moins un
condensateur en parallèle, reliée à une puce ou un module dont
la capacité interne est faible, voire nulle selon un mode de
réalisation particulier. Selon un type particulier de cartes à
puce sans contact, le support est inséré entre deux corps de
carte, ces corps de carte étant fixés de chaque côté du
support afin de rigidifier ces cartes. 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 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.
Ainsi, l'antenne de couplage obtenue présente plusieurs
avantages importants. En effet, le fait de réaliser un
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condensateur externe à la puce améliore les performances de la
carte, notamment lorsqu'on la compare à une carte
traditionnelle dont la puce possède la même valeur de capacité
interne.
L'utilisation de la sérigraphie permet d'obtenir un
condensateur qui possède une certaine élasticité, ce qui le
rend plus résiatant aux contraintes mécaniques que peut subir
la carte lors de sont utilisation. Ainsi, la valeur de la
capacité n'évolue pas du fait de la détérioration du
condensateur.
De plus, en jouant sur les paramètres du condensateur
tels que la surface des plaques ou l'épaisseur de la bande
isolante, il est possible d'ajuster la valeur de la capacité
pour obtenir une résonance parfaite. Il est également possible
de faire varier fortement la valeur de la capacité sans avoir
à modifier le procédé de fabrication. On obtient donc un
procédé de fabrication d'antenne et de carte qui peut être
adapté facilement et rapidement aux contraintes apportées par
la puce qui a une capacité interne définie et fixe.
Enf in, le prix de revient d' une carte à puce comprenant
une antenne de couplage avec un condensateur sérigraphié est
sans commune mesure avec le prix de revient d'une carte à puce
avec une antenne plus classique telle qu'une antenne gravée au
cuivre, et une puce possédant une forte capacité interne.
Cette réduction de coût est d'autant plus importante que le
procédé de fabrication d'une telle carte n'est pas plus
difficile à mettre en ceuvre , puisque les spires de l'antenne
et le ou les condensateurs sont sérigraphiés simultanément.
