CN102460479B - Rfid应答器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种射频标识(RFID)应答器及其制造方法。所述RFID应答器包括:微芯片,其被设置成与读取器进行通信;电池,其被设置成提供用于操作应答器的电力并且借助于导电路径附着到微芯片;天线,其被设置成接收并反向散射射频询问辐射;以及基板,其中所述微芯片、电池和天线被设置在其上。

Description

RFID应答器及其制造方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2009年5月8日提交的PCT申请号PCT/CN2009/071713的优先权,通过参考将该申请全文合并于此。
技术领域
本发明涉及一种RFID应答器,并且更具体来说涉及一种用于车辆标识的RFID(射频标识)应答器及其制造方法。
背景技术
已经知道电子车辆标识是一种监测车辆的自动化方法,这通常是利用车辆与监测设备(即读取器)之间的无线接口而实现的。电子车辆标识***是基于附着到车辆上的RFID应答器(即RFID标签)以及具有用于询问车辆的天线的读取器。
RFID应答器被用于提供车辆的可远程控制的身份信息。利用RFID应答器中的用户可配置的存储器,可以远程地写入及读取所述信息。RFID应答器在其对于内部电源的使用方面通常被分类成:无源RFID应答器,其不具有内部电源并且使用由读取器发射的RF辐射的能量;有源RFID应答器,其包括内部电源,所述内部电源既被用于为应答器供电也被用于生成发射响应辐射所需的RF能量;以及电池辅助RFID应答器(其也被称作半有源或半无源应答器),其包括内部电源,其中响应辐射的能量是从读取器所提供的询问辐射导出的,而应答器电路由内部电源供电。
在无源RFID应答器中,当RFID应答器需要从读取器接收其操作电力时的限制是读取距离。在有源RFID应答器中,所述RFID应答器具有对于其功能需要更加复杂的电子装置的发射器,从而与电池辅助RFID应答器和无源RFID应答器相比导致高成本和电力消耗。电池辅助RFID应答器和无源RFID应答器的运作所需要的能量显著少于有源RFID应答器。
但是在现有的RFID应答器中,天线和电池通常是分开的组件。因此这对于将应答器用于车辆标识来说不尽方便。与此同时,现有的RFID应答器的安全性、读取距离和便利性也需要改进。
发明内容
本发明提供一种用于车辆标识的RFID应答器及其制造方法。
根据本发明的一方面,提供一种RFID应答器,其包括:微芯片,其被设置成与读取器进行通信;电池,其被设置成提供用于操作应答器的电力并且借助于导电路径附着到微芯片;天线,其被设置成接收并反向散射射频询问辐射;以及基板,微芯片、电池和天线被设置在其上,其中电池和天线被集成在基板的相同水平上。
在根据本发明的RFID应答器的一个实施例中,电池可以被集成为天线的一部分。
在根据本发明的RFID应答器的一个实施例中,电池可以充当用于天线的接地平面。
在根据本发明的RFID应答器的一个实施例中,当天线是偶极子天线时,电池可以充当天线的一个极子。
在根据本发明的RFID应答器的一个实施例中,天线可以是倒F天线或偶极子天线。
在根据本发明的RFID应答器的一个实施例中,所述导电路径可以是导电连线、导电粘胶或机械键合。
根据本发明的一个实施例的RFID应答器还可以包括加密组件,其被设置成利用一种加密算法对特定于车辆的数据进行编码,以便防止对于RFID应答器的未经授权的使用、克隆或伪造。
根据本发明的一个实施例的RFID应答器还可以包括穿孔区域,其被设置成弱化基板的张力强度,从而使得当尝试去除粘性签条时,基板将沿着所述穿孔撕裂。
在根据本发明的RFID应答器的一个实施例中,微芯片可以同时包括用以修改天线的阻抗匹配的模拟部件以及保有用以根据所使用的空中接口标准实现RFID功能的逻辑功能和存储器的数字部件。
在根据本发明的RFID应答器的一个实施例中,基板还可以包括IC键合区域和用于电池的接触区域。
在根据本发明的RFID应答器的一个实施例中,去到天线或微芯片的电池连接是通过利用导电糊膏或膜(ACP、ACF)、焊合或者利用超声焊接将各层彼此机械地压接而实现的。
在根据本发明的RFID应答器的一个实施例中,主要通过利用对于所有微芯片而言是唯一的标签标识(TID)编号来检查应答器。
在本发明的另一个实施例中,RFID应答器还包括加密组件,其被适配成利用一种加密算法对特定于车辆的数据进行编码,以便防止对于RFID应答器或其信息的未经授权的使用、克隆或伪造。
在本发明的另一个实施例中,RFID应答器还包括外部电力使用组件,其被适配成在需要识别车辆的各种情况中利用外部电源来改进读取距离。
在本发明的另一个实施例中,RFID应答器使用全球接受的通信空中接口标准。
在根据本发明的RFID应答器的一个实施例中,电池通过焊接工艺被附着到天线和微芯片。
在根据本发明的RFID应答器的一个实施例中,所述焊接工艺是超声焊接工艺。
在根据本发明的RFID应答器的一个实施例中,所述焊接工艺是热焊接工艺。
在根据本发明的RFID应答器的一个实施例中,所述焊接工艺使用不导电粘合剂。
在根据本发明的RFID应答器的一个实施例中,所述焊接工艺使用压敏粘合剂。
在根据本发明的RFID应答器的一个实施例中,所述焊接工艺使用热熔粘合剂。
在根据本发明的RFID应答器的一个实施例中,所述电池通过焊接工艺而被密封。
在根据本发明的RFID应答器的一个实施例中,所述应答器通过焊接工艺而被密封。
在根据本发明的RFID应答器的一个实施例中,RFID带条通过焊接工艺而被附着到所述天线。
在根据本发明的RFID应答器的一个实施例中,在连续的卷到卷工艺中通过将电池与RFID标签电路压在一起并且产生已定义图案而形成电池与RFID标签电路之间的电连接。
在根据本发明的RFID应答器的一个实施例中,在断续的卷到卷工艺中通过将电池与RFID标签电路压在一起并且产生已定义图案而形成电池与RFID标签电路之间的电连接。
在根据本发明的RFID应答器的一个实施例中,电池是薄膜电池。
在根据本发明的RFID应答器的一个实施例中,电池是薄光伏电池单元。
在根据本发明的RFID应答器的一个实施例中,所述应答器包括电力贮存器。
在根据本发明的RFID应答器的一个实施例中,所述电力贮存器通过利用焊接工艺而被附着到天线和微芯片。
在根据本发明的RFID应答器的一个实施例中,所述焊接工艺使用导电粘合剂。
在根据本发明的RFID应答器的一个实施例中,所述焊接工艺使用不导电粘合剂。
在根据本发明的RFID应答器的一个实施例中,所述电力贮存器通过利用导电粘合剂材料而被附着到天线和微芯片。
在根据本发明的RFID应答器的一个实施例中,所述电力贮存器与所述光伏电池单元并联。
在根据本发明的RFID应答器的一个实施例中,所述电力贮存器与所述微芯片直接连接。
在根据本发明的RFID应答器的一个实施例中,所述电力贮存器是电容器。
在根据本发明的RFID应答器的一个实施例中,所述电力贮存器是电池。
在根据本发明的RFID应答器的一个实施例中,电池是β衰变源动力电池单元。
在根据本发明的RFID应答器的一个实施例中,所述β衰变源动力电池单元是氚动力电池单元。
本发明还提供一种用于制造射频标识(RFID)应答器的方法,其包括:制备基板;将微芯片、电池和天线设置在基板上,其中微芯片被设置成与读取器进行通信,电池被设置成提供用于操作应答器的电力并且借助于导电路径附着到微芯片,天线被设置成接收并反向散射射频询问辐射;将电池和所述天线集成在所述基板的相同水平上。
本发明将RFID应答器的电池和天线彼此合并在一起。具体来说,本发明将谐振部件(天线)与电池(供电电压)相组合从而简化了生产,这是因为天线和电池不一定需要是分开的组件。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的RFID应答器的一个实例;
图2示出了根据本发明的一个实施例的RFID应答器的分层结构;
图3是根据本发明的一个实施例的RFID应答器的电路图;
图4是根据本发明的一个实施例的RFID应答器的封装图;
图5是根据本发明的一个实施例的电池辅助RFID应答器;
图6是根据本发明的一个实施例的电池辅助RFID应答器的一种表示;
图7是根据本发明的一个实施例的电池辅助RFID应答器的另一种表示。
图8是根据本发明的一个实施例的用于BAP标签的典型生产线的一个实例。
图9示出了根据本发明的一个实施例的用于焊接工具的一些示例性的不同图案。
图10示出了根据本发明的一个实施例的连续焊接模式的一个实例。
图11示出了根据本发明的一个实施例的断续焊接模式的一个实例。
图12示出了根据本发明的一个实施例的用于焊接的一些示例性对应部件。
图13示出了根据本发明的一个实施例的BAP标签的简化剖面。
图14示出了根据本发明的一个实施例的太阳能电池单元辅助无源标签(SAP)的示意图。
图15示出了对RFID应答器的标识密钥数据进行加密的方法的一个实例。
图16示出了附着在风挡上的偶极子天线的典型辐射图案。
图17示出了定向天线阵列的辐射图案。
图18示出了具有不同元件数目、元件距离和馈送相差的天线阵列的典型阵列因数。
图19示出了在挡风玻璃之外具有附加的定向器元件的天线结构。
图20示出了对应于标签的备选天线结构。
图21是BAP签条制造的方框图。
具体实施方式
下面将给出对于本发明的实施例的详细描述。
根据本发明的一个实施例的RFID应答器可以包括:
a)天线,其被设置成从/向RFID读取器接收/反向散射射频询问辐射;
b)微芯片,其同时具有用于修改天线电路的阻抗匹配的模拟部件和用于保有使得根据用在RFID应答器中的空中接口标准实现RFID功能的逻辑功能和存储器的数字部件;
c)借助于导电路径附着到微芯片上的电池,所述导电路径比如是电池与微芯片之间的导电连线、导电粘胶或者微芯片与电池之间的机械键合,并且所述电池在大多数情况下是厚度小于1毫米的薄膜电池;
d)例如是刚性或柔性的基板,天线、微芯片和电池被构造在其上。所述基板例如可以是可印刷电路板或PET塑料膜,其具有被蚀刻以形成谐振天线的所粘附的导电金属层;
e)可以按照粘附在RFID应答器的全部两侧的塑料膜纸的形式层压的外罩,或者所述外罩可以由产生围绕RFID应答器的封罩的刚性、非柔性部件构造。这种封装通常是由塑料或玻璃纤维材料形成的,但是也可以是适用于在超高频下封装谐振组件的任何材料。
图1是根据本发明的一个实施例的RFID应答器的正面。图1所示的RFID应答器是被设计用于车辆标识的数据签条的大略图。其印刷面材料带有粘合剂,所述粘合剂可以被用来将应答器固定到挡风玻璃的内部。数据签条材料可以是纸张或者诸如塑料之类的合成材料。
图2示出了根据本发明的一个实施例的RFID应答器的分层结构。图2中所示的RFID应答器可以包括数据签条201、正面202、电池203、包括带有天线和连接到天线的微芯片的基板的RFID嵌体204、背面粘合剂层205以及硅酮衬垫206。
数据签条201被用来显示可以被存储在应答器微芯片的存储器中的印刷信息。在图1中示出了数据签条的一个实例。
正面202被用来产生用于保护电池203和RFID嵌体204的一个矫平层。该正面202可以是纸张或者诸如塑料之类的合成材料。
薄膜电池203被用来在RFID应答器与RFID读取器通信时为基板上的微芯片提供电力。
RFID嵌体204包括带有天线和连接到天线的微芯片的基板,并且被用来实现RFID功能。
背面粘合剂层205被用来将RFID应答器附着到车辆挡风玻璃或者其他跟踪对象上。
硅酮衬垫206被用来承载RFID应答器,直到其被粘附到跟踪对象上为止。硅酮层允许去除应答器。
图3是根据本发明的一个实施例的RFID应答器的简化电路图。
图3示出了电池到微芯片的互连以及天线到微芯片的互连。图3只示出了用以解释天线、电池和微芯片的连接的一个实例。在RFID应答器中的天线和电池的尺寸或设计方面没有限制。图3中的元件是象征性的,其不代表组件的实际尺寸或形式。本领域技术人员将认识到,不管RFID应答器中的天线或电池的尺寸或设计如何,该图都将适用。
图3中所示的RFID应答器包括:天线301、RFID微芯片302和电池303。
天线301连接到RFID微芯片302,RFID微芯片302连接到电池303。RFID微芯片302具有用于天线301的输入连接器以用于从进行发射的读取器接收电力和信号,其还具有用于电池303(比如薄膜或纽扣电池)的输入连接器。天线301、RFID微芯片302和电池303之间的连接可以通过焊接、焊合或者利用导电粘胶进行胶合来实现。微芯片302可以在无源、半无源或有源模式下操作。在无源模式下,RFID应答器自身没有电源。所需要的所有能量都是从读取器场采集的。在半无源模式下,RFID应答器具有自身的电压源和逻辑,其可以在没有读取器场的情况下进行操作。其读取范围通常比无源模式下大许多。RFID应答器在无源和半无源模式下都将利用反向散射方法进行通信。有源RFID微芯片将具有自身的发射器和接收器。在有源模式下,读取范围可以显著大于无源模式和半无源模式。多个RFID应答器还可以形成传感器网络并且彼此通信。微芯片还可以具有用于传感器的附加连接器,所述传感器将监测标签的温度或篡改或者某种其他物理现象。
图4是根据本发明的一个实施例的RFID应答器的封装图。
所述封装可以由塑料外罩部件404和405构造,所述部件被胶合、超声焊接或者利用诸如螺钉、空心铆钉或按扣之类的塑料或金属部件机械地固定。
在该实施例中,通过将天线和电池与导电路径相组合来提高RFID应答器的集成水平。这些导电路径可以通过焊合、焊接、机械压接或者利用导电糊膏粘附来形成。通常来说,天线被蚀刻或印刷在由塑料、纸张或玻璃纤维材料制成的基板上。电池将充当用于天线的接地平面,或者其可以是偶极子天线的一个极子。本发明将显著减小在超高频下运作的该类RFID应答器的所需尺寸并降低其成本。
在图4中,微芯片401连接到RFID嵌体403上的天线。粘合剂402被用来将RFID嵌体附着到RFID应答器的封盖上。RFID嵌体403包括带有天线的载体基板和附着到RFID嵌体403上的微芯片401。RFID嵌体403还可以具有附着到微芯片401上的电池(薄膜电池或其他类型的电池),例如附着到微芯片中的电力输入引脚上。
对应于RFID应答器的封装包括两个部件404和405。所述封装可以由诸如塑料之类的合成材料或者诸如硬纸板或胶合板之类的自然材料制成。部件404和405从接缝406连接,这是利用粘胶、焊合、超声焊接或者通过具有诸如螺钉、U形钉或其他类似附着组件之类的机械锁定部件而实现的。接缝406处在两个封装部件404和405之间。
图5是根据本发明的一个实施例的电池辅助RFID应答器。与图3仅仅示出了诸如微芯片、天线和电池之类的组件之间的示意性互连不同,正如在下一段中将要详细描述的那样,图5示出了标签设计的一个实施例。
图5中所示的RFID应答器包括:可以由塑料或纸张制成的基板503,天线501和506,以及对应于薄膜电池504和505的计划的接触焊盘502、508的区域。印刷区域507被保留用于特定于顾客的人类可读信息,并且其必须具有均匀的厚度以便支持各种印刷方法。图5的设计中的天线几何结构被称作倒F天线。全部两种天线几何结构都被设计成在超高频带中运作。
薄膜电池504和505将被放置在接地平面上方。基本上来说,接地平面是一块大的金属区域。大的接地平面将改进天线的性能。电池引线将具有去到天线的电连接。可以利用压接、各向异性导电粘合剂或者焊合来实现连接。
制造RFID应答器的另一种方式是把电池设计成使得天线和IC键合区域(参见图5)处在与电池相同的基板上。由于电池是金属组件,因此其可能像天线那样传导电子。因此电池可以是天线的一部分,并且需要RF阻挡以防止RF信号穿透电池。正(如果微芯片具有正接地的话则其也可以是负的)电池端子中的曲折线或长连线将在UHF频率下引入足够高的阻抗。通常来说,一个微芯片具有三个焊盘:接地、天线、供电电压。供电电压由电池提供,并且供电电压提供“阈值电压”以便在与读取器的通信期间将RFID应答器保持在操作中。在键合区域中存在天线输入连接(“焊盘”)以及来自电池(+)和(-)的分开的焊盘。随后将微芯片放置到所述焊盘上。
对于电池和天线将使用共同接地。天线焊盘将被连接到天线。需要通过使用传统的阻抗匹配方法将天线的阻抗匹配到芯片阻抗。
在该例中,将所述阻抗与将匹配到芯片的电容的电感性回路相匹配。芯片的阻抗通常是电容性的。当IC的电容和天线的电感将形成谐振电路时,将会发生从天线到芯片的优选电力输送。可以通过调节所述回路的大小来调节天线的电感。供电电压焊盘通过RF阻挡连线被连接到电池。
针对天线的备选方案是偶极子天线。在图3/301和图6/604中示出了偶极子天线结构。如果天线是偶极子天线,则可以按照与IFA相同的方式来制造及使用RFID应答器,但是其不具有接地平面。在这种结构中,电池被放置在偶极子天线的另一个极子上方。RF阻挡是利用曲折线实现的。
因此,如果天线是IFA,则电池和天线具有相同的接地平面;而如果天线是偶极子天线,则电池被放置在偶极子天线的一个极子上方并且充当一个极子。
电池可以与天线集成在一起。这项创新将降低成本并且减小RFID应答器的厚度。对应于碱性电池单元的典型电池化学组成如下。其阳极由锌制成。阴极可以是二氧化锰。电解质例如是氢氧化钾。另一种典型的电池被称作干电池单元或碳锌电池单元。其阴极由二氧化锰制成,阳极由锌制成,并且电解质可以是溶解在水中的氯化铵或氯化锌。锌阳极可以被直接层压在天线图案上。阴极也可以被印刷在天线上。电解质可以被溶解到阳极和阴极顶上的织物或纸张中。整个结构将通过层压正面膜而被密封。该膜例如可以是PP或PET。这项创新将使得电池结构被非常好地密封,这是因为没有外部接触件。接触区域可能会漏出水分。如果水分蒸发,则电池不会再给出任何电流。更好的密封将显著延长电池的使用寿命。
本发明还提供一种用于生产RFID应答器的方法,其包括以下步骤:利用诸如导电或不导电粘胶之类的材料将微芯片与天线相组合,从而形成RFID嵌体;在将微芯片与天线组合之后,通过导电粘胶附着电池;在对由纸张、塑料或其他材料制成的正面或背面层进行可能的层压之前,焊接或者机械地紧固RFID嵌体与电池。用于添加所述层的常见方法是层压,其中通过粘胶将各层附着在一起,或者通过模塑,其中在一个塑模中将塑料材料添加到RFID嵌体从而产生特定形式的封装。
本发明还提供用于生产RFID应答器的另一种方法,其包括:制备带有与之合并在一起的适当天线结构的电池,从而只需要RFID微芯片附着以使得RFID嵌体能够运作;随后按照与第一种方法类似的方式构造附加的各层。
图6是根据本发明的一个实施例的RFID应答器的表示。图6中的天线几何结构是偶极子天线,其不同于图5中所示的被称作倒F天线的天线几何结构。全部两种天线几何结构都被设计成在超高频带内运作。
电池辅助RFID应答器包括:正电池端子601,RF阻挡602,基板603,天线图案604,天线极子605、608,电感性回路606,负电池端子607。
需要正电池端子601与负电池端子607一起工作来向微芯片供电。
RF阻挡602可以是高阻抗元件,其防止UHF频率下的RF信号穿透电池。RF阻挡可以利用曲折线或螺旋线圈形成。此外,长连线也可以产生足够的电感。在没有RF阻挡电感器的情况下,电池将是天线电路的一部分,并且可能导致较差的天线效率。
基板603可以是在其上层置其他组件的载体膜。
天线图案604表示RFID应答器中的示例性天线图案。
天线极子605、608是偶极子天线中所需要的根据众所周知的天线理论在RF通信中进行预定操作的天线极子。
需要电感性回路606来为谐振电路产生适当的电感,所述谐振电路即包括电容性元件和电感性元件两者的天线。
图7是根据本发明的一个实施例的电池辅助RFID应答器的另一种表示。
如果所述应答器被用于车辆标识,则不希望将其去除并且放置在另一车辆上,这一点与车辆的车牌相同。因此,当尝试去除粘性签条时,在现有技术中所述应答器易于受到物理损坏。在本发明中,如图7所示解决了这一问题。
需要正电池端子701与负电池端子707一起工作来为微芯片供电。
RF阻挡702可以是高阻抗元件,其防止UHF频率下的RF信号穿透电池。
基板703可以是在其上层置其他组件的载体膜。
天线图案704表示RFID应答器中的示例性天线图案。
天线极子705、708是偶极子天线中所需要的根据众所周知的天线理论在RF通信中进行预定操作的天线极子。
需要电感性回路706来为谐振电路产生适当的电感,所述谐振电路即包括电容性元件和电感性元件两者的天线。
与图6相比,图7中的RFID应答器添加有机械穿孔或冲切的刺孔。图7中所示的黑色点线709代表这些所刺穿的孔洞,在任何应用中将RFID应答器粘附到某一表面之后,这些孔洞会降低去除时的材料强度。这一功能的目的是在标签不应当被去除的情况下提供一项附加的篡改证据,并且如果发生了标签被去除的情况,则RFID应答器将会被撕裂,从而提供检验所尝试的去除的视觉和电子措施。所述穿孔被设计成靠近具有细导线的所述曲折线。当这一部分被撕裂时,电池将会断开,从而大大降低性能。被撕裂的纸张或塑料正面材料也被破坏,从而提供尝试去除RFID应答器的证明。在周期性地换新RFID应答器的情况下,由于穿孔线709的存在可以通过容易地撕裂标签来停用过期的产品。
通过使用突显篡改的标签生产技术可以使得难以将应答器转移到其他车辆上。当使用这样的设计时,拆卸所述应答器将会对其造成物理破坏,从而使得所述拆卸可见。图7中所示的实施例示出了一种用于为RFID应答器产生篡改证据特征的方法。在图7中,RFID应答器的各层已被刺透(即穿孔),以便弱化基板的张力强度。在这种情况下,当尝试去除粘性签条时,基板将沿着穿孔线撕裂。
本发明还解决了车辆标识***中的安全性问题。
在车辆标识***中,识别速度是非常关键的问题。车辆是快速移动中的对象,因此其在可以读取应答器的区域内花费非常短的时间段。此外,快速流动的交通也为车辆管理带来了挑战,这是因为每一秒钟都有数十个应答器出现及消失。
通过所使用的空中接口标准给出利用特定算法分离每一个RFID应答器的能力。在对于多个标签的管理期间只传送应答器标识号。传送任何其他数据需要附加的命令,从而花费更多时间。如果应答器标识号不包含任何有意义的数据,则必须在后端***(即包含附加信息的数据库)中将车牌(和其他数据)与应答器标识号相关联。
这种方法可以很好地工作,但是将需要去到数据库的实时网络连接。
因此,最本质的数据被编码为应答器标识号的一部分。该数据例如可以包括车辆注册牌和所有者信息。所述数据可以作为明文或加密文本被编码到应答器标识号中。如果所述数据被加密,则未经授权的各方无法解密内容,并且所述数据将保持无意义。
对于车辆标识应答器的克隆、伪造和滥用是可以设想到的威胁。
通过锁定应答器存储器可以防止对于应答器的数据内容的篡改。可以通过认证来揭露伪造应答器。可以通过使用真实应答器的TID编号的集中式数据库来检查应答器真实性。TID编号是应答器的不可改变的序列号。
可以通过使用RFID应答器的数字签名、口令或定制的读取器命令来为RFID应答器授权。
(1)应答器可以包含数字签名,其由实际数据和/或TID编号构成并且是利用所期望的密码函数计算的。首先利用哈希函数计算消息摘要。这些函数例如包括MD5和SHA哈希函数。利用诸如AES或DES之类的密码加密函数对所计算的消息摘要进一步加密。数字签名被存储在应答器存储器中。
(2)对标签进行认证的另一种方式是使用口令。可以在标签生产期间设定口令。该口令可以是从应答器标识号以秘密密钥进行加密得到的。如果口令不正确,则标签不会进入安全状态。
(3)还有可能使用定制的读取器命令来对标签进行认证。所有通信都可以利用流加密器(streamcipher)来进行加密。流加密器适用于ISO18000-6C之类的串行化通信。流加密器是对称密钥加密器,其中通常通过异或(xor)运算将明文比特与伪随机密码比特流(密钥流)相组合。在流加密器中,每次对一个明文数位进行编码,并且相继数位的变换在加密期间发生变化。流加密器通常以高于时钟加密器的速度执行,并且其硬件复杂度较低。所述加密器可以被用于所有通信,但是也可以仅被用于所述数据。
(4)例如在一些车辆标识应用中,用以处理标签事务的时间可能非常有限。在那些情况下,无法按照前面所提到的那样对标签进行认证;只能检测标签标识号。这是由于标准化的空中接口协议被设计成非常快速地进行识别。与标签的进一步通信会花费更多时间。为了克服这一问题,标签标识号可以包括最为关键的有意义的数据,因此总是捕获该数据。为了防止伪造标签制造,可以对所述数据进行加密,并且可以把结果用作标识号。只有密码密钥持有者可以创建有效的标识号,从而可以通过解密所述数据以及利用校验和检查数据统一性来认证该标签。这样做还保护了隐私,这是因为除了对于密钥持有者之外,应答器标识号保持无意义。所述概念在图15中示出。
这些特征允许在即使没有去到集中式数据库的连接的情况下也能进行应答器数据有效性检查和应答器认证。
即使在电池(电源)停用的情况下,电池辅助RFID微芯片也能够与读取器进行通信。这是因为微芯片不使用电池进行操作,而是降低操作所需的功率。
因此,如果电池停用的话,则从电池辅助状态降低RFID应答器的性能。
天线在指定频率范围内从读取器设备传播到微芯片的波采集能量。天线还将信号反向散射回到读取器。
在本发明中,微芯片可以操作在A)无源和B)电池辅助模式下。
在无源模式下,当从所连接的天线元件生成足够的感生电压电平时,微芯片可以操作。天线元件从利用读取器设备生成的传播波生成所述电压。因此,读取器设备同时提供操作电压和用于从标签获取信息的命令。
在电池辅助模式下,读取器主要提供用于RFID应答器的命令,并且微芯片连接到为微芯片提供阈值电压的外部电源,以便在接收自读取器设备的较低功率水平下运作。
标签的功能在全部两种模式下是相同的。仅有的差别在于标签的性能。如果电池为空,则电池辅助标签将进入无源模式。
读取器与RFID应答器之间的通信基于(多种)全球接受的空中接口协议。
标签存储器的数据结构至少具有一个一次性可编程ID(“TID”),其在微芯片生产期间被安装并且基于ISO15963标准。微芯片还将必须至少具有96比特的用户可编程存储器,其可以被用来存储最重要的强制性车辆数据,即车牌。
应当提到的是,电池并且特别是薄膜电池(后面被称作“TF”电池以便与本文献中的其他电池类型进行区分)被用于射频标识(RFID)应用、消费化妆品包装等中的纤薄柔性电子装置。TF电池通常具有需要被连接到需要电压源的设备中的电子装置的两个接触件。
TF电池的标称电压取决于电池内部的化学组成,但是其对于锌锰电池通常是大约1.5V,并且对于锂电池通常是大约3V。还可以使用基于氚或锂离子的其他电化学构造,其可以为电池辅助RFID微芯片提供足够的电力贮存器。
TF电池可以通过层压不同材料层或者通过利用丝网印刷或某种其他印刷方法印刷到载体基板材料上来构造。
TF电池可以被用在有源RFID标签和电池辅助无源(BAP)RFID应答器(标签)中,后者也被称作半无源RFID标签。
如前所述,无源RFID标签通常具有连接到RFID微芯片从而产生谐振电路的天线,并且其操作电压是由该谐振电路从电磁波感生的。BAPRFID标签中的概念在于,RFID微芯片将从薄膜电池而不是读取器场获得所需的阈值电压。与无源RFID标签相比,来自电池的该能量将显著增大读取距离,而无源RFID标签仅通过电磁波从读取器设备接收其操作电力。电池还将为应用带来新的可能性,这是因为RFID微芯片可以在读取器场外部操作。因此,BAPRFID标签可以被用于针对安全性应用的传感器功能或警报功能,其中微芯片除了与RFID读取器设备交换数据之外还具有附加功能。
有源RFID标签和电池辅助无源(BAP)RFID标签可以高效地按照卷到卷形式来制造,这是因为标签厚度可能小于1mm,并且卷到卷形式中的灵活生产允许对于每一个BAP标签的独有个性化,比如对于微芯片存储器的可视印刷和编程。
卷到卷制造常用在无源RFID工业中,并且其制造装备可以买到。有源标签和BAP标签制造在电池套件方面与无源RFID制造不同。可以利用自动施加器在柔性天线基板上***电池。
薄膜电池在传统上与导电粘合剂相连。导电粘合剂可以在所有方向上导电或者只在z方向上导电(各向异性)。大多数导电粘合剂包括粘合剂和金属粒子。粘合剂为连接带来机械强度,并且金属粒子形成接触件之间的电连接。导电粘合剂可以具有糊膏或涂膜形式。通常需要某种类型的键合。键合可能需要压力、热量和/或紫外光。固化时间通常会减小制造容量,并且固化工艺的时间与键合工艺中所使用的压力和热量有关。通常利用分注器或漏印板来施加液体或糊膏形式的粘合剂。
本发明提供一种为薄膜电池与RFID标签产生键合的高效方法。取代使用导电粘合剂,可以使用超声或热焊接工艺来形成TF电池与RFID标签电路之间的电连接。焊接是一种快速工艺,并且可以被实施在流线式的连续制造工艺中。与使用导电粘合剂相比,超声或热焊接将大大降低BAP标签的材料和制造成本。
图8是根据本发明的一个实施例的用于BAP标签的典型生产线的一个实例。包括RFID微芯片的天线处于卷81中。天线基板通常是PET之类的塑料。从卷81卷绕打开天线网。TF电池82被***到天线上。可以使用不导电PSA粘合剂或者热熔粘合剂。压力辊87将TF电池牢固地键合在RFID天线上。利用超声或热工具88形成电连接。正面84和背面83材料被层压在标签的全部两侧。再次利用压力辊89。标签被冲切(die-out)810到最终尺寸。RFID读取器811将测试标签的电气性能。不可运作的标签被去除或者被标记为不良。最终产品被重新卷绕到卷85。
在图8中,标号81是带有微芯片的RFID嵌体的卷。标号82是带有PSA粘合剂或热熔粘接剂的TF电池的卷。标号83是背面压层的卷。其可以是纸张或塑料膜。所述膜在全部两侧都具有粘合剂。标号84是正面膜的卷。其可以被预先印刷。所述膜在另一侧具有粘合剂,或者粘合剂可以在生产期间被层压。标号85是成品的卷。还可以使用单体形式。标号86是天线网。标号87是压力辊,其把电池压在天线网顶上。标号88是超声或热焊接工具,其形成天线与电池之间的电气连接。标号89是压力辊,其把正面和背面膜压到天线网上。标号810是冲切工具,其从天线网上切下签条。标号811是RFID读取器,其将执行最终审查并且标记不良签条。
电池键合开始于将TF电池放置在天线基板(即载体膜)上。电池可以具有压敏粘合剂(PSA),或者粘合剂可以处在天线上,以便将电池粘附到正确位置。还可以使用热熔粘合剂。可以用粘合剂覆盖电池接触件。然而这一粘附不提供TF电池与RFID标签之间的电连接。
下一步骤是利用超声或热量进行焊接。焊接工具具有线栅(raster)或者某种其他图案,其将穿透不导电粘合剂和/或由铁、锌、铝、铜、碳、银或者任何其他类型的导电材料制成的金属接触件。焊接将把TF电池和天线基板熔合在一起,并且还形成电池与天线之间的电接触。焊接图案、时间和温度对机械可靠性有影响。各层之间的不导电粘合剂可以提高键合的机械强度。
图9示出了根据本发明的一个实施例的对应于焊接工具的一些示例性的不同图案。必须对图案进行选择以便使得工具穿透金属化和粘合剂层。优选图案取决于焊接方法和材料。在图9中,91是三角形焊接工具。92是正方形焊接工具。93是小三角形焊接工具。可以使用例如金字塔形之类的其他形状。94是水平线图案的焊接工具。图案还可以是垂直的。95是对角线图案的焊接工具。
还应当提到的是,前面提到的卷到卷形式的焊接工艺可以在连续模式或断续模式下进行。下面将给出关于这两种模式的详细描述。
图10示出了根据本发明的一个实施例的连续焊接模式的一个实例。利用PSA或热熔粘接剂将薄膜电池103与天线键合。使标签通过超声焊接工具。超声发生器105生成高频振动(20kHz-70kHz),所述高频振动被引导到超声焊头104。可以利用旋转滚筒106获得连续焊接模式。当所述超声焊接仅被用于例如TF电池的接触件之类的特定区域时,所述旋转可以与天线图案同步。焊接只发生在超声焊头104与滚筒106之间存在压力的区域内。
在图10中,101是天线基板,其通常是PET薄膜。102是天线图案,其通常是经过蚀刻的铜或铝。103是TF电池。104是超声焊头。105是超声发生器。106是带有图9中所示图案的旋转滚筒。焊接图案被铣削在滚筒上。
图11示出了根据本发明的一个实施例的断续焊接模式的一个实例。其原理与图10中相同,不同之处在于天线网11在焊接过程中将停止。超声焊头114上下移动。焊接图案被铣削到对应部件116上。焊接仅在所述图案的高水平处发生,在该处所述图案对两个对应部件的压力高于焊接图案的较低水平处的压力。
在图11中,111是天线基板,其通常是PET薄膜。112是天线图案,其通常是经过蚀刻的铜或铝。113是TF电池。114是超声焊头。115是超声发生器。所述发生器与天线网同步地上下移动。116是如图9中所见的经过铣削的对应部件。
可以利用超声或热焊接来减轻电池的干化问题,这一干化问题会缩短BAP标签的使用寿命。薄膜电池的脱水是具有通常超过+50℃的高周围温度的应用中的其中一个主要问题。基于锌锰的TF电池具有水作为一种化学成分以便实现其功能。可以利用热或超声焊接不透气地密封薄膜电池或整个RFID标签。这一附加的焊接还将保护电池和其他电子装置不受外部水分影响。可以在其中不透气地密封标签的相同工艺步骤中键合TF电池焊接。
图12示出了根据本发明的一个实施例的用于焊接的一些示例性对应部件。在图12中给出了针对焊接图案126的少数几种备选方案。TF电池122被层压在天线121上。此外,在焊接之前可以层压正面和背面层。在图中还示出了TF电池接触件123和124。顶部焊接图案改进了电池的密封,并且还形成天线与TF电池之间的电接触。中部焊接图案只形成电池与天线之间的接触。底部焊接图案密封天线和电池,并且形成天线与TF电池之间的电接触。
超声或热焊接还可以被用来将所谓的RFID带条附着到天线上。RFID带条基本上是组装在小载体膜(即基板)顶上的RFID微条带,所述小载体膜带有连接到RFID微条带的导电条带。RFID带条可以被视为用于微芯片的载体膜,其不具有被设计成用于远场辐射的天线元件。这些带条可以被键合到各种RFID标签天线结构,这与其中微芯片被直接附着到RFID标签天线上的直接微芯片键合不同。
图13示出了根据本发明的一个实施例的BAP标签的简化剖面。TF电池133被层压在RFID天线132上。正面层134被层压在TF电池和天线顶上。背面层131被层压在天线下方。
TF电池通常对于温度和老化非常脆弱。时间和高温将使得电池内部干化,从而将逐渐消除化学反应。此外,严寒也将停止对于来自TF电池的电压供应所需的化学反应。对于其中有发光源可用的应用,太阳能电池单元或光伏电池单元更适用。太阳能电池单元非常适用于其中在日光下发生识别的车辆标识应用和其他应用。
因此,只要其向RFID微芯片提供足够的电压,还可以利用薄膜光伏或者(即)太阳能电池单元来替代薄膜电池。利用太阳能电池单元的优点还有其可用于卷到卷形式,从而与通常键合到刚性印刷电路板的刚性太阳能电池单元相比降低了成本。薄膜太阳能电池单元的键合与薄膜电池类似。也就是说,可以利用导电粘合剂或者利用超声或热焊接来安装薄膜太阳能电池单元。此外,可以在连续模式或断续模式下实施卷到卷形式的焊接工艺,正如前面所描述的那样。
对应于BAPRFID硅的典型电流消耗是5μA,并且最小电压是1.2V。作为一个实例,来自PowerfilmInc.的SP3-37型薄膜太阳能电池单元可以产生22mA和3V。其模块尺寸是50mmx37mmx0.2mm,这小于典型的RFID签条。即使非常小的太阳能电池单元也可以产生5000倍于所需的电流,这意味着即使在没有电池或电容器形式的能量储存装置的情况下,所述标签也将在非常差的照明条件下操作。
可以将电容器或电池与太阳能电池单元并联连接,以便储存用于RFID微芯片的电力。当太阳能电池单元没有接收光以用于其光伏处理时,电容器和电池将作为电力贮存器。
图14示出了根据本发明的一个实施例的太阳能电池单元辅助无源标签(SAP)的示意图。顶部示意图是没有电力贮存器的情况。太阳能电池单元连接到RFID硅的Vcc。天线还连接到IC。中部和底部示意图是具有电力贮存器的情况,其可以是电池或电容器。IC可以具有对应于电力贮存器的单独焊盘(在中部示意图中示出),或者电力贮存器可以与太阳能电池单元并联(在底部示意图中示出)。单独的焊盘将允许从读取器场再充电。可以对IC的电荷泵加以利用。
超级电容器或电池可以连接到RFIDIC或者于光伏电池单元并联。如果太阳能电池单元无法产生足够的能量,则电池或电容器将作为电力贮存器。低型超级电容器(lowprofilesupercapacitor)可以是0.5F,其将具有足够几小时甚至几天所用的能量。还可以从读取器场对电容器充电。当处在强读取器场中时,RFIDIC将对RF信号进行整流。当BAP标签处在低读取器场中时,在所述标签中将使用所存储的能量。对应于电容器和电池的附着方法可以使用导电粘合剂材料或者被焊接,其中所述焊接工艺可以使用导电粘合剂或不导电粘合剂。
针对光伏电池单元的一种备选方案是β衰变源动力电池单元,例如其中光源被β衰变源(即发射电子)所替代的氚动力电池单元。在氚电池的情况下,β源是氚,其是氢的一种半衰期为12.3年的同位素。β源将β粒子(电子)发射到电池单元的表面上,从而产生电流。使用氚作为β源的主要优点在于所述源的极长使用寿命。其可以在被封闭于不需要阳光的自给式单元内时提供超过20年的电力,并且可以在几乎任何温度条件下操作。这与在极端温度变化和条件下性能较差的基于化学的传统电池大不相同。
图15示出了对RFID应答器的标识密钥数据进行加密的方法的一个实例。在生成应答器标识号的处理中(参见图15的左侧),输入有意义的数据+校验和并且也输入密钥,随后获得应答器标识号。在获取应答器数据的处理中(参见图15的右侧),输入应答器标识号并且也输入密钥,随后获得有意义的数据+校验和。
图16示出了附着在挡风玻璃上的水平偶极子天线的典型辐射图案。偶极子天线具有同心圆环形状的辐射图案,这将在车辆顶部和正面给出良好的读取距离。可以对辐射图案进行优化,以便给出从汽车正面开始的更好的读取距离,这是因为可以减小从顶部开始的读取距离。
图17示出了挡风玻璃签条的经过优化的辐射图案。可以利用天线阵列或者通过在挡风玻璃外部添加定向器元件来产生所述图案。经过优化的辐射图案可能减小从顶部开始的读取距离,但是将增大从正面开始的读取距离,这在某些应用中是有益的。可以利用几个天线元件形成天线阵列,其中利用具有不同相位的信号来驱动各个天线元件。可以通过调节所述信号的相位和元件之间的距离来优化主瓣的方向。还可以像Uda-Yagi天线中那样使用寄生元件。两元件天线可以将标签灵敏度提高3dB。附加的元件将进一步增强性能。
图18示出了对应于不同的天线阵列配置的不同阵列因数。将基于应用来选择适当的配置。具体图案将取决于天线元件数目、元件之间的距离以及驱动RF信号的相位。
图19示出了具有寄生定向器元件的挡风玻璃天线。定向器元件将改变辐射图案并且提高所期望的方向上的增益。还可以在风挡制造工艺期间将定向器元件集成到挡风玻璃中。还可以通过与典型的RFID天线相同的工艺来制造寄生元件。
图20示出了备选的半无源或有源标签结构。所述标签结构在利用电池时使得电池本身充当天线。这将大大降低标签制造成本,并且将使得标签尺寸更加紧凑。电池从读取器采集能量,并且将向微芯片传导RF信号。附加的阻抗匹配元件将改进微芯片与电池之间的匹配。电池的尺寸和形状对标签的灵敏度有显著影响。根据电池尺寸和微芯片阻抗,阻抗匹配元件形状和尺寸可以与图20不同。
图21给出了对应于BAP签条制造的方框图。制造工艺开始于将RFID微芯片附着到天线211上。可以利用直接倒装芯片工艺或者某种其他IC附着方法将芯片附着到天线上。按照卷到卷形式处理嵌体。其次,将TF电池层压在RFID嵌体212顶上。可以利用PSA或热熔粘接剂附着电池。利用压力辊生成压力。在第三步骤中,利用超声或热焊接213形成电气连接。同样使用压力。第四步骤是正面和背面膜层压214。所述膜提供针对腐蚀和UV的保护。其还提供针对水分的保护。利用PSA或热熔粘接剂将所述膜附着到RFID嵌体。第五步骤是冲切到签条215的最终尺寸和形状。第六步骤是签条审查216。可以审查电池连接并且测量RF性能。如果超出了预先定义的极限,则将拒绝所述产品并且将其标记为不良标记。最后,将最终产品绕回到卷217。递送形式也可以是单体或扇状褶皱形式。
虽然参照当前被认为是优选实施例的内容描述了本发明,但是应当理解的是,本发明不限于所公开的实施例。相反,本发明意图涵盖包括在所附权利要求书的精神和范围内的所有修改和等效安排。下面的权利要求书的范围应当符合其最广泛的解释,以便包含所有此类修改以及等效结构和功能。

Claims (49)

1.一种射频标识(RFID)应答器,其包括:
具有电容的微芯片,其被耦合到用于形成用于谐振电路的适当电感的电感性回路,其被设置成与读取器进行通信;
电池,其被设置成提供用于操作所述应答器的电力并且借助于导电路径附着到所述微芯片;
天线,其被设置成接收并反向散射射频询问辐射;以及
基板,所述微芯片、所述电池和所述天线被设置在其上;
其中所述电池充当用于所述天线的接地平面并直接电耦合到所述天线。
2.根据权利要求1的应答器,其中,所述电池被集成为所述天线的一部分。
3.根据权利要求2的应答器,其中,当所述天线是偶极子天线时,所述电池充当所述天线的一个极子。
4.根据权利要求1的应答器,其中,所述天线是倒F天线或偶极子天线。
5.根据权利要求1的应答器,其中,所述导电路径是导电连线、导电粘胶或机械键合。
6.根据权利要求1的应答器,其还包括加密组件,所述加密组件被设置成利用一种加密算法对特定于车辆的数据进行编码,以便防止对于所述RFID应答器的未经授权的使用、克隆或伪造。
7.根据权利要求1的应答器,其还包括穿孔区域,所述穿孔区域被设置成弱化所述基板的张力强度,从而使得当尝试去除粘性签条时,所述基板将沿着所述穿孔撕裂。
8.根据权利要求1的应答器,其中,所述微芯片包括:用以修改所述天线的阻抗匹配的模拟部件;以及保有用以根据所使用的空中接口标准实现RFID功能的逻辑功能和存储器的数字部件。
9.根据权利要求1的应答器,其中,所述基板还包括IC键合区域和用于电池的接触区域。
10.根据权利要求1的应答器,其中,去到所述天线或所述微芯片的电池连接是通过利用导电糊膏或膜(ACP、ACF)或者焊合将各层彼此机械地压接而实现的。
11.根据权利要求1的应答器,其中,主要通过利用对于所有微芯片而言是唯一的标签标识(TID)编号来认证所述应答器。
12.根据权利要求1的应答器,其中,所述电池通过焊接工艺被附着到所述天线或所述微芯片。
13.根据权利要求12的应答器,其中,所述焊接工艺是超声焊接工艺。
14.根据权利要求12的应答器,其中,所述焊接工艺是热焊接工艺。
15.根据权利要求12的应答器,其中,所述焊接工艺使用不导电粘合剂。
16.根据权利要求15的应答器,其中,所述焊接工艺使用压敏粘合剂。
17.根据权利要求15的应答器,其中,所述焊接工艺使用热熔粘合剂。
18.根据权利要求12的应答器,其中,所述电池通过焊接工艺而被密封。
19.根据权利要求12的应答器,其中,所述应答器通过焊接工艺而被密封。
20.根据权利要求12的应答器,其中,RFID带条通过焊接工艺而被附着到所述天线。
21.根据权利要求12的应答器,其中,在连续的卷到卷工艺中通过将所述电池与RFID标签电路压在一起并且产生已定义图案而形成所述电池与RFID标签电路之间的电连接。
22.根据权利要求12的应答器,其中,在断续的卷到卷工艺中通过将所述电池与RFID标签电路压在一起并且产生已定义图案而形成所述电池与RFID标签电路之间的电连接。
23.根据权利要求1的应答器,其中,所述电池是薄膜电池。
24.根据权利要求1的应答器,其中,所述电池被薄光伏电池单元所替代。
25.根据权利要求24的应答器,其中,所述应答器包括电力贮存器。
26.根据权利要求25的应答器,其中,所述电力贮存器通过利用焊接工艺而被附着到天线和微芯片。
27.根据权利要求26的应答器,其中,所述焊接工艺使用导电粘合剂。
28.根据权利要求26的应答器,其中,所述焊接工艺使用不导电粘合剂。
29.根据权利要求25的应答器,其中,所述电力贮存器通过利用导电粘合剂材料而被附着到天线和微芯片。
30.根据权利要求25的应答器,其中,所述电力贮存器与所述光伏电池单元并联。
31.根据权利要求25的应答器,其中,所述电力贮存器与所述微芯片直接连接。
32.根据权利要求25的应答器,其中,所述电力贮存器是电容器。
33.根据权利要求25的应答器,其中,所述电力贮存器是电池。
34.根据权利要求1的应答器,其中,所述电池是β衰变源动力电池单元。
35.根据权利要求34的应答器,其中,所述β衰变源动力电池单元是氚动力电池单元。
36.一种用于制造射频标识(RFID)应答器的方法,其包括:
制备基板;
将具有电容的微芯片、电池和天线设置在所述基板上,其中所述微芯片被耦合到用于形成用于谐振电路的适当电感的电感性回路,所述微芯片被设置成与读取器进行通信,所述电池被设置成提供用于操作所述应答器的电力并且借助于导电路径附着到微芯片,并且所述天线被设置成接收并反向散射射频询问辐射;
其中所述电池充当用于所述天线的接地平面并直接电耦合到所述天线。
37.根据权利要求36的方法,其中,去到所述天线或微芯片的电池连接是通过利用导电糊膏或膜(ACP、ACF)或者焊合将各层彼此机械地压接而实现的。
38.根据权利要求1的方法,其中,所述电池通过焊接工艺被附着到所述天线和所述微芯片。
39.根据权利要求38的方法,其中,所述焊接工艺是超声焊接工艺。
40.根据权利要求38的方法,其中,所述焊接工艺是热焊接工艺。
41.根据权利要求38的方法,其中,所述焊接工艺使用不导电粘合剂。
42.根据权利要求41的方法,其中,所述焊接工艺使用压敏粘合剂。
43.根据权利要求41的方法,其中,所述焊接工艺使用热熔粘合剂。
44.根据权利要求38的方法,其中,所述电池通过焊接工艺而被密封。
45.根据权利要求38的方法,其中,所述应答器通过焊接工艺而被密封。
46.根据权利要求38的方法,其中,RFID带条通过焊接工艺而被附着到所述天线。
47.根据权利要求38的方法,其中,在连续的卷到卷工艺中通过将所述电池与至少包括天线和微芯片的RFID标签电路压在一起并且产生已定义图案而形成所述电池与所述RFID标签电路之间的电连接。
48.根据权利要求38的方法,其中,在断续的卷到卷工艺中通过将所述电池与RFID标签电路压在一起并且产生已定义图案而形成所述电池与RFID标签电路之间的电连接。
49.根据权利要求11的应答器,其中,所述标签标识编号包含有意义的数据,并且利用密码措施对数据进行加密以防止伪造。
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