CN111868748A - 带有嵌入式rfid标签的金属紧固件及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明通常涉及与金属紧固件一起使用的RFID标签，其中该紧固件用作RFID标签的天线。RFID标签包括用于存储数据的微芯片。芯片电耦合到金属紧固件以便接收和发射RF信号，从而金属紧固件用作RFID标签的天线。

Description

带有嵌入式RFID标签的金属紧固件及其生产方法
技术领域
本发明通常涉及金属紧固件，更具体地涉及具有嵌入到紧固件的头部或主体中的射频识别(RFID)标签的金属紧固件，其中金属紧固件用作RFID标签的天线。
背景技术
射频识别***(RFID)是一种利用无线电波识别和跟踪物体的无线通信形式。每个标签带有唯一的标识号；在制造时对其进行编程，以确保物体具有独特的身份和描述。传统的RFID***，例如图1中所示的***，通常包括读取器(或询问器)和标签(或应答器)。标签包括存储数据的微芯片和附接的天线。图2示出了具有简单偶极天线结构3的现有技术RFID标签。标签1包括耦合至偶极天线结构3的芯片2，其包括支撑在基底6上的一对天线元件4和5。
RFID标签可以附接到物体(即基底)，并且可以存储或传输关于物体的信息，例如唯一的识别号、诸如打开或未打开的物体状态和位置等。与RFID标签通信的方法有两种——近场和远场，两种方法之间的主要区别是读取距离。通常将近场通信定义为具有小于1.5m的距离，而远场通信则大于1.5m。此外，RFID标签可以是无源的、有源的或半有源的。
近场通信(NFC)通过读取器和标签之间的电感耦合或电容耦合来传输数据，在使用中电感耦合更为流行。电感耦合涉及使用磁场以激励RFID标签。在允许RFID读取器的天线激励RFID标签的近场区域创造磁场，然后通过在读取器将检测到的磁场中创造干扰来做出响应。在NFC中，电容耦合不如电感耦合常见，并且电容耦合利用读取器天线和标签天线之间的准静态电场。
远场通信(FFC)通常通过使用电容耦合(或传播耦合)来发送和接收电磁(EM)波。读取器传输信号，然后该信号从标签反射出来并返回到读取器。通过调制标签上的负载，可以将数据编码在调制反射信号中。与NFC相比，FFC的读取距离通常大于1.5m。
无源的标签没有电源，而是从读取器创造的场中汲取能量，并利用场中的能量为微芯片的电路供电。对于无源RFID，RFID标签会受到来自RFID读取器的射频波的辐射。RFID标签使用来自射频波的能量以发射RFID信号(包含RFID标签标识位置或其他数据)返回到RFID读取器。然后，RFID读取器接收RFID标签信息，并且可以使用软件来解释标签上的信息，例如计算标签的位置。
有源的标签具有电源，并每隔一段时间地传播它们的信号，而不是依靠来自读取器的信号。有源的RFID标签具有独立的机载电源(例如电池)，或可连接到一个电源。有源RFID标签可以在选定的时间或在已编程的触发条件下(例如，从温度传感器)自主地发射射频信号。有源RFID标签上的电源也给有源RFID标签相较于无源RFID标签更长的范围。
半有源的标签，类似于有源的标签，也具有电源，但是区别在于它们等待读取器与其通信，这与无源的标签类似。同样类似于无源标签，这些标签利用读取器传输的功率与读取器进行通信。与无源标签相比，半有源标签包含更复杂的电子设备，因此价格更高，但可以从更远的距离、更快地和不透明的材料中读取。
尽管存在不同类型的RFID***，但在大多数***中读取器都会发出电磁波，而标签设计为接收电磁波。根据结构，RFID读取器可以识别几厘米到几米远的物品。RFID标签的内部天线的尺寸是标签范围的一项指标。通常，小型RFID标签包含小的天线和较短的读取范围，而大型RFID标签包含较大的天线并具有较长的读取范围。此外，RFID天线可能会受到其周围环境的强烈影响。水会吸收并反射RF能量，因此可能会降低RFID***的性能，包括读取范围和读取速率。
已经在各种产业上使用RFID技术。例如，RFID技术可用于产品识别。RFID标签中的微芯片可以包含有助于识别RFID标签所附着的物品的信息。与需要直接视距进行访问的条形码(即条形码需要可见才能被扫描)不同，RFID标签可以由RFID读取器读取，而无需直接视距。RFID标签还具有比条形码更大的容量，因为RFID标签上存储的信息要比条形码上打印的信息多得多。
发明内容
在诸如航空航天业之类的行业中，零件跟踪作为质量控制记录的一部分以及用于召回和更换老化零件的目的尤其有用。然而，当前常常由打印在零件上的零件号跟踪零件，并且零件号容易磨损，可能特别小，所有这些都可能对准确且可靠地跟踪零件提出挑战。
尽管RFID标签发现在各种产品和行业中的用途，但标签天线通常必须放置在距金属基底超过0.05个波长的位置。在将RFID标签附接到金属基底的应用中，偶极天线阻抗通常变得太小且匹配变得成问题。因此，将RFID标签与具有金属基底的物品一起使用相对于其他物品提出了独特的挑战，特别是当由基底制成的部件的尺寸较小时，如金属紧固件具有在约3/16”至l/2”的范围中的头部直径或具有在约1/8”至l/4”(轴部直径)的范围中的轴部直径的情况下。
本文公开了与金属紧固件一起使用的RFID标签，其中该紧固件用作RFID标签的天线。RFID标签包括用于存储数据的微芯片，该芯片被嵌入或以其他方式固定到金属紧固件中。芯片电耦合到金属紧固件以便接收和发送RF信号，金属紧固件由此用作RFID标签的天线。
附图说明
参考附图，下面讨论至少一个实施例的各个方面，这些附图不一定按比例绘制，而是着重于阐述本文公开的原理。将附图包括在内以提供对各个方面和实施例的说明和进一步的理解，并且将附图并入并构成本说明书的一部分，但并不旨在作为对任何特定实施例的限制的定义。附图与说明书的其余部分一起仅用于解释所描述的和要求保护的方面和实施例的原理和操作，而不能解释为限制性的实施例。在附图中，在各个附图中示出的每个相同或几乎相同的组件由相似的数字表示。为了清楚起见，可能未在每一个图中标记出每一个组件。
图1是现有技术的RFID***的示意图；
图2是现有技术的RFID***的透视图；和
图3A是根据第一实施例，在头部(RFID紧固件)中包括RFID标签的紧固件的顶视图；
图3B是图3A的RFID紧固件的侧、透视图，示出了在紧固件的头部和轴部中的RFID标签；
图3C是包括轴部中的RFID标签的图3A的RFID紧固件的底视图；
图4是根据本发明的与RFID标签通信连接的紧固件的第二实施例的侧透视图；
图5是根据与本发明的紧固件一起使用的示例性实施例的RFID标签的电路的示意图，示出了天线、网络和RFID芯片；
图6示出了为与RFID紧固件进行比较，根据本发明使用MATLAB天线工具箱计算出的理论反射系数数据的示例性代码；
图7是根据示例性实施例的RFID紧固件的反射系数数据的图形表示；
图8是与T型匹配网络一起使用的根据本发明的RFID紧固件的示例性电路的示意图；
图9是与T型匹配网络一起使用的根据本发明的RFID紧固件的示例性印刷电路板占用面积(footprint)的示意图；
图10是根据本发明和图12中提供的规格的，在环直径与最小读取通信的最大距离之间的关系的图形表示；和
图11示出了Alien的ALR-H450 RFID读取器的规格；
图12示出了Alien的Higgs 4芯片的规格；
图13A和图13B是根据本发明分别使用VNA和理论模型获得的反射系数数据的图形表示；和
图14是根据本发明的工作原型的一个示例的形象表示。
具体实施方式
本文讨论的装置的示例在应用中不限于在以下说明书中阐述的或附图中示出的构造的细节和组件的布置。本领域技术人员将理解，该装置能够在其他实施例中实施并且能够以各种方式实践或执行。本文提供特定实施例的示例仅出于说明的目的，而非旨在进行限制。同样，本文使用的措辞和术语是出于描述的目的，而不应视为限制。对本文中以单数形式提及的装置的示例、实施例、组件、元件或动作的任何引用也可以包含包括复数的实施例，并且本文以复数形式对任何实施例、组件、元件或动作的任何引用也可以包含仅包括单数(或单一结构)的实施例。单数或复数形式的引用并非旨在限制当前公开的装置、其部件、动作或元件。本文使用的“包括”、“包含”、“具有”、“包含”、“涉及”及其变化意味着涵盖其后列出的项目及其等同物以及其他项目。对“或”的引用可以解释为包括性的，使得使用“或”描述的任何项目可以指示单个、一个以上以及所有描述的项目中的任何一个。如本文所用，术语“紧固件”是指将两个或更多个物体结合或固定在一起的任何机械装置，并且不限于本文公开或示出的紧固件的特定样式。
本发明涉及与包括半导体芯片的RFID标签相关联的紧固件。半导体芯片与紧固件通信连接，并且RFID标签的至少一部分可以嵌入紧固件内或以其他方式附接到紧固件，包括在其表面上。在一些实施例中，去除了作为RFID标签的传统部分的天线，而紧固件本身充当天线。如本领域技术人员已知的，当用作天线时，紧固件将调制的RF信号从RFID半导体芯片传输到外部接收器。
根据本发明的一个实施例，具有半导体芯片形式的集成电路的单独的RFID标签附接(即固定)到紧固件。RFID标签可以在任何位置附接到紧固件，诸如在紧固件的头部或轴部上，如图3A-3C的一个示例性实施例中所示。例如，如图3A所示，RFID标签12具有嵌入紧固件10的头部18中的电路/芯片26，使得标签12通常与头部18的表面齐平。在该实施例中，如图3B和3C所示，芯片26也朝着轴部的远端22嵌入轴部14中，使得标签与远端22的表面24大致齐平且延伸不超过螺纹28的最远端。在图4的原理图中进一步示出了芯片的示例性实施例，其中芯片26与紧固件10分开，但通过一根或多根导线30或连接引脚(未示出)与用作天线的紧固件通信地连接。
紧固件10可以是多种不同类型的紧固件中的任何一种。在本示例性的实施例中，紧固件10是螺钉，该螺钉的形状和尺寸根据其预期用途而定。其他类型的紧固件及其组件的示例包括但不限于钉子、螺栓、铆钉、螺钉、螺柱、螺母和垫圈。如图3B所示，紧固件10具有细长主体或轴部14，其包括近端16和与近端16相对的远端22，以及支撑在轴部14的近端16处的头部18。如本领域技术人员所知，细长主体14在其外表面上可以是带螺纹的(像螺钉一样)，或者可以是光滑的(像钉子一样)，并且可以与其他紧固件组件(例如垫圈、螺母、套筒或其他组件)接合。在该实施例中，从图3A-3C可见，头部18的直径大于轴部14的直径。
半导体芯片26可以是常规结构，并且可以从各个制造商中的任何一个获得，包括http://www.rfidtags.com/manufacturer-directory中列出的制造商。如本领域技术人员所知，可以基于特定应用来选择芯片的特定规格。合适的市售芯片的一个例子是从Alien获得的Higgs 4芯片，如图12所示，提供了其规格或具有更新的规格的当前芯片版本。取决于应用，芯片10可以是无源的、有源的或半有源的。同样地，取决于应用，芯片10可以在RFID***通常运行的三个频率范围中的任何一个范围内运行，即：30-400kHz(低频)、3-30MHz(高频)和300MHz-1 GHz(超高频)。在一个示例性实施例中，芯片是在超高频下运行的无源的芯片。例如但不限于，芯片可以是在约860-960MHz范围内运行的无源的芯片。
芯片26的尺寸同样可以根据应用而变化。例如但不限于，芯片可具有小于约1.5cm的宽度，包括0.0cm。芯片还可以具有小于约1.5cm的长度，或在0.0cm与1.5cm之间的任何其他长度。在某些实施例中，确定芯片的宽度和长度使得整个芯片安装在紧固件的期望安装位置上或其内，而不会延伸超过紧固件的表面。
如常规的那样，装载芯片26以包含关于紧固件10的信息，电子设备可以容易地读取并显示该信息。芯片26可以包括与紧固件10有关的信息，例如制造信息(例如零件制造商、序列号、产品零件号、批次历史、召回或其他历史信息、使用说明、或其他可以显示给操作者的信息)。如果需要，芯片26还可以包括关于紧固件10的状态或性能的信息，例如紧固件是否变得松动或不再在正确的位置。如所期望的，芯片26还可以与一个或多个传感器通信连接，比如(例如但不限于)声学、声音、振动、气流、温度、辐射、蒸汽、应力、压力、扭矩、位移、化学、pH、电磁和/或超声波、电流传感器和/或任何其他类型的传感器。也可以将来自RFID标签的芯片26的信息容易地添加到电子记录中。因此，RFID芯片26可以在制造期间和安装紧固件之后有助于跟踪、提高紧固件的可追溯性、提供关于紧固件的信息、有助于确定紧固件的维护、调整或更换的需求，并以方便可靠的方式帮助监测紧固件所处的环境。
使用当前的制造技术，例如通过在紧固件10的头部18和/或轴部14内的扩孔出孔20，或通过将微芯片固定到紧固件10的头部18和/或轴部14的表面上，将微芯片26集成到任何常规紧固件设计中。嵌入的RFID芯片不会干扰紧固件10的运行，因为不论有或者没有嵌入的微芯片26，紧固件仍会以相同的方式运行并起作用。
可以使用本领域中已知的任何方法将微芯片26附接到金属紧固件。例如，在示例实施例中，RFID芯片26可以焊接/锡焊到螺母、螺栓和/或紧固件。在另一个示例实施例中，可以使用例如工业粘合剂来附接RFID芯片26。
利用RFID芯片26和作为天线的紧固件10来产生RFID标签，为可追溯性、防伪、分类、灾后识别目的、库存控制、维护或防盗提供了可靠的解决方案，特别是在用常规方法进行召回和灾后识别目的可能会非常耗时的行业中，例如航空航天和汽车行业。用作天线的紧固件10还解决了现有技术中关于紧固件的金属导致的干扰的问题，并且为可追溯性、分类、库存控制和之前所枚举出的，提供新的可靠的解决方案。
紧固件10起天线的作用的能力可能取决于许多因素。其中一些因素包括但不限于材料的导电性、与紧固件的电连接以及所谓的“集肤效应”—来自产生的RF的电流在导电材料的外层上传播的趋势。
紧固件10可以全部或部分地由导电金属材料制成，以便当电流流向芯片26时减少RF能量的损失。在某些实施例中，整个紧固件10由导电金属材料制成。在其它实施例中，仅有紧固件10的一部分由导电金属材料制成。例如但不限于，在一个实施例中，仅有紧固件10的外层由导电材料制成。
在一个实施例中，导电材料可具有小于约5欧姆的电阻。在一个实施例中，导电材料的具有小于约1欧姆的电阻。导电材料的示例包括但不限于钛、A-286、镍铬合金(例如InconelTM)、其他超合金、不锈钢、合金钢、铝、镀锌钢、涂覆氮化钛的钛和铜锌合金(navalbrass)，仅列举数例，并且可在经质量标准AS9100和ISO9001或这些标准的当前版本认证的设施中制造。例如但不限于，在一个实施例中，紧固件材料是镀锌钢。
除上述之外，紧固件10的宽度(例如直径)和长度也影响紧固件起天线的作用的能力。在一个实施例中，例如但不限于，当将以下三个等式应用于圆柱单极天线模型时，本领域的普通技术人员可以基于紧固件的期望频率范围和期望半径，使用以下三个等式来确定紧固件的近似长度：
Figure BDA0002678228880000071
l＝λ/4＝c/fc 等式(2)
Figure BDA0002678228880000072
等式1给出了已知的期望中心频率的理想长度，其中l是由等式2确定的理论半径为零的单极天线的长度，且a是单极天线圆柱体的半径。结合等式1和2得出等式3，等式3可在给出期望中心频率fc和期望半径的情况下帮助预测紧固件的长度。常数c是光速，为300,000,000m/s。
例如，使用等式1-3，如果将期望频率范围确定为902-928MHz，并且螺钉的期望半径为5mm，则最佳长度的范围将为7.31-7.52cm。
紧固件10可以适合于包括最终用户、商业客户和政府客户的任何类型的客户使用。客户可以跨越多个行业/领域，例如但不限于军事(例如，军用机身制造)航空航天(例如，商用机身制造和航空航天推进制造)、汽车、铁路、海事、医疗、体育、纳米技术、计算机和建筑业/领域。在一个实施例中，紧固件用于航空航天工业，例如用于包括固定翼或旋转翼的机身，或包括运输结构、卫星和离地栖息地的航天器。
在某些实施例中，可以使用阻抗匹配装置或匹配网络来优化芯片26和天线之间的功率传输。可以使用变压器、电阻器、感应器、电容器和传输线中的任何一种或组合。在一个实施例中，匹配网络是感应器，其可以但不限于使用在任一端连接到芯片26和紧固件10的导线，使得它形成环。在图5中可以看到三个组件的示例性电路图500—芯片510、天线/紧固件520和匹配网络530。
外部读取器配置为读取和检索由半导体芯片26存储的电子信息。可对半导体芯片26进行无源地供电，使得充当天线的金属紧固件10从外部读取器接收RF能量，以允许对RFID集成电路26供电而无需物理连接到电源。因此，RFID标签高度集成且足够紧凑而能够在紧固件的尺寸范围内起作用。这为传统的RFID标签和天线提供了一种经济高效的替代方案。例如，可在螺母、螺栓和/或紧固件的制造期间将RFID标签集成，并且也可以用保护性物质将其密封以进一步保护RFID标签。在该实施例中，为RFID标签的更长的读取范围而使用紧固件的金属干扰和信号反射。
对于RFID读取器，能够使用来自RFID标签的无线电波获得信息的任何读取器都是合适的，并且可选地将包含在标签中的信息传送给软件。RFID读取器通常与可以读取标签的范围相关联。大多数读取器的范围通常在约一米到一百米之间。类似于RFID标签，读取器具有天线。两种最常见的天线类型是线极化或圆极化。在读取器中使用的天线取决于标签(例如NFC或FFC)的读取范围。RFID读取器可以是但不限于无线式、固定式、手持式和/或USB式供电。商业RFID读取器制造商的示例包括但不限于Alien、Avery Dennison、Confidex、Fujitsu、Geoforce、Harting、HID Global、Indentix、Impinj、Invengo、Kathrein、Keonn、Laird Technologies、MTI Wireless Edge、Omni-ID、RFMAX、SATO、Seeonic、SLS、SMARTTRAC、Tageos、ThingMagic、Times-7、TransCore、TSL、Turck、Vulcan、7Xerafy、Zebra。能够读取9m至15m之间的距离(取决于标签)的读取器的一个示例是Alien ALR-H450手持式RFID读取器，在图11中提供了其规格或具有更新的规格的RFID读取器版本。
在另一个实施例中，由于紧固件的金属特性，可以包括天线28作为RFID标签的一部分。例如，天线28可以是贴片天线或倒F天线。可将倒F天线设计成多种形状和设计。在该实施例中，与RFID标签相关联的贴片天线的尺寸减小，以便修改螺母、螺栓和/或紧固件的尺寸而不超出公差水平。
在另一个示例实施例中，可以通过在普通的偶极天线上增加弯曲部分来减小天线的物理尺寸。以商标名称和/或徽标形式的文本也可以用作弯曲线天线。天线和/或RFID标签的尺寸减小也可以减少RFID标签的制造成本。在另一个示例实施例中，可以修改紧固件的某些尺寸以适应RFID标签的尺寸，然而紧固件的最终尺寸应该保持不变。
在示例实施例中，机械地测试紧固件的耐用性、可重复性和/或鲁棒性(例如，数据的可访问性、数据存储量等)。
以下是原型试验的示例，且不应解释为限制性的。
示例
示例1-表征紧固件的天线行为
在该示例中，将直径为0.9cm、长度为8.0cm的镀锌钢螺钉用作RFID天线。为了表征螺钉在860-960MHz的期望UHF范围内的天线行为，确定了螺钉的反射系数。反射系数是电磁波由于阻抗不匹配而偏转的度量。沿天线的反射系数达到最小值的频谱的点表示天线的复数阻抗为零或谐振的点。在此频率下，传输到天线的功率是最大的，且信号被最大程度地拦截。本质上，天线用作窄带通滤波器，其中中心频率由反射系数最小值的位置确定。
为了确定螺钉的频率相关反射系数，使用了矢量网络分析仪(VNA)。VNA是一种能够沿频谱高精度地确定反射系数的两端口分析工具。在运行中，它通过端口发送测试信号，然后分析通过不同的端口返回的信号，以确定受测设备(DUT)的反射系数，以S11表示，信号通过受测设备进行传播。
通常，使用超小型版本A(SMA)连接器将天线附接到VNA进行测试。为了表征螺钉天线，设计了一种连接器以将其连接到公SMA连接器。这种连接器由一侧的母SMA和端部上的公香蕉插头组成。为了测试每个螺钉，在其中钻了一个香蕉插头大小的孔。然后使用SMA香蕉变压器将螺钉连接到VNA。
为了从VNA中获得最佳结果，对于每轮测试，都要使用自动电子校准器(eCal)对VNA进行校准，使用半刚性SMA电缆将电子校准器附接到VNA。当测试螺钉天线时，半刚性SMA电缆应保持在校准期间它们所在的确切位置处。此外，在每一轮测试中都保存了SMA香蕉连接器的S11数据，并随后从天线S11数据中减去该S11数据，以便从数据消除它的影响。
从VNA中保存了各种螺钉天线的S11数据，并从S11数据中分离了频率数据。接下来，将相同的系列步骤应用于来自SMA香蕉连接器的数据，仅保留S11数据，而不保留不必要的频率数据。最后，为了获得天线的最准确的S11数据，从沿频谱的每个数据点中减去SMA香蕉连接器的S11。
简而言之，上述测试过程在以下步骤中列出：
1.在1cm深的螺钉中钻1/8英寸直径的孔
2.使用半刚性SMA电缆和eCal来校准VNA
3.在使用SMA香蕉连接器将螺钉附接到VNA的端口1之前，用砂纸磨光孔的内部
4.获取860-960MHz频谱内的S11数据，并将信息保存在.prn文件中
5.将S11数据用作等式4中的最小值以求出实际阻抗，即电阻
Figure BDA0002678228880000101
6.使用沿着S11图的两个点和等式6来确定感应器和电容器的值
7.构造如图3所示的电路
然后将收集到的每个天线的S11数据与使用马萨诸塞州Natick的MathWorks开发的MATLAB天线工具箱计算的理论S11数据进行比较。图6示出了为了与RFID紧固件进行比较，使用MATLAB天线工具箱计算出的理论反射系数数据的示例性代码。对于此过程，首先在MATLAB中构建螺钉的圆柱单极天线模型。接下来分析模型天线的阻抗。无论沿频谱的复数阻抗在哪个位置为零，该频率下的实际阻抗都记录为天线的理论“负载”阻抗。接下来当分析模型天线的S11时，先前记录的负载阻抗的值就包括在内了。使用这一系列步骤，可以找到天线的理论圆柱单极模型的S11的最佳近似值。
为了获得螺钉的电路图，将反射系数数据(S11数据)转换为沿频谱的阻抗数据。
此过程的第一步是确定螺钉的实际阻抗，因此其理论上应与MATLAB确定的“负载”阻抗匹配。天线在S11是绝对最小值的频率上具有完全地实际阻抗；该点可以在图7中840MHz附近看到。
使用等式5(通过使用反射系数等式)和等式6，和从分贝转换反射系数之后，VNA具有50欧姆(Zo)的阻抗、负载阻抗(ZL)的知识，来计算螺钉的负载阻抗ZL。
Γ＝〖10〗^(Γ_dB20)＝〖10〗^(S_11/20) (5)
Γ＝(Z_L-Z_o)/(Z_L+Z_o) (6)
接下来，如图7所示，在谐振频率(约为840MHz)的任一侧附近沿着S11曲线选择两个点。重新排列反射系数等式以及全阻抗等式7，得出等式8。
Z_L＝R_L+〖jX〗_L (7)
Abs〖(R〗_L+〖jX〗_L)＝Z_o(1+Γ)/(1-Γ) (8)
取等式8，并在等式9中用电容器、感应器和先前计算的串联的实际天线电阻代替阻抗，最终得到等式10。
R_L+jX_L＝R_a+jωL_a+1/jωC (9)
ωL-1/ωC＝√(〖Z_o〗^2((1+Γ)/(1-Γ))^2-〖R_a〗^2) (10)
通过使用天线负载阻抗，VNA的阻抗以及两个频率下的S11值，感应器值和电容器值的近似值出现。因为等式10包括两个变量：L和C，所以沿着S11曲线的两个点是必需的，以便构造方程组来解出两者。当分析谐振频率左侧的点时，平方根的乘积(等式10的左侧)将为负，而分析谐振频率右侧的点时，平方根的乘积将为正-这是由于谐振频率周围的电容和电感效应的性质。
简而言之，将螺钉作为圆柱单极天线的模型的过程如以下步骤所述：
1.使用MATLAB代码，用螺钉的适当值替换长度和宽度。
2.抑制S11部分并找到阻抗，并记录电抗为零的频率下的实际阻抗的值。
3.使用作为负载阻抗(代码中的“负载”)的该记录值，并计算S11数据。
4.从最后一部分重复步骤5-7，以将S11数据转换为电路模型。
如图13A和B中分别示出的，使用VNA获得的反射系数数据和理论模型几乎完全匹配，证明了螺钉作为圆柱单极天线的模型可能是螺钉的电磁行为的精确模型。
示例2-构建匹配网络
为了优化RFID芯片和标签天线(即螺钉)之间的功率传输，构建了匹配网络。为了确定用于匹配网络的最佳感应器值，在电路中放置了可调谐的感应器，并调整了感应器的值以使操作的最佳距离最大化。
最初，通过设计图9中示出的印刷电路板(PCB)并附上必要的组件，来构造具有如图8中示出的T型匹配网络的电路。尽管该PCB最初是为T型匹配网络设计的，但已确定单个感应器有可能是更划算的选择。因此，反而以这种方式构造测试PCB以符合图5中的电路设计。将RFID芯片锡接到PCB上，将引脚锡接到通路孔中，然后再锡接到螺钉中，最后将导线锡接到RFID芯片的RF信号连接器的任一端，并将通路孔附接在螺钉上，从而创造出图5所述的电路。然后轻柔地扭曲导线以在中心形成圆形环，用作环感应器，以构建应答器。
接下来，将RFID读取器，Alien的ALR-H450与应答器垂直放置。在同时使用读取器的盖革(Geiger)功能时，更紧或更松地扭曲导线以调制电感，以寻出与收到一致甚至模糊的信号的螺钉的最大距离。对于各种电感，记录环的直径以及最小通信的最大距离。然后，使用等式11将环的直径转换为电感，其中D是环的直径，d是导线的直径，μ_r是导线的磁导率。
L_loop＝μ_oμ_r(D/2)(ln(8D/d)-2) (11)
图10中示出了对于直径为0.9cm，长度为7.6cm的螺钉的环直径对最小通信数据的最大距离的散点图。从图10可以看出，在其最佳性能下，该螺钉在0.5m以上处可以用作RFID天线。
总而言之，以下步骤列出了寻找匹配网络的最佳电感的过程：
1.开发与图9中示出的PCB类似的PCB，除了只有右下角组件的空间，即没有任何东西连接到RFID芯片的顶部端口
2.为引脚在螺钉中钻足够大的孔
3.将Alien RFID芯片锡接到PCB，通过通路孔将引脚锡接到螺钉中
4.在RFID芯片和通路孔之间附接导线，扭曲该导线以形成环
5.将ALR-H450读取器设置为盖革(Geiger)模式
6.记录导线环的直径
7.将螺钉垂直放置，并使读取器垂直对准它，如图9所示。
8.按住触发按钮，朝螺钉移动读取器，直到盖革计数器蜂鸣
9.记录读取器最初读取RFID芯片的螺钉的距离
10.将环状线扭曲成新直径
11.重复步骤6-10，直到发现使RFID芯片可被读取的距离最大化的环直径
12.使用等式11将此直径转换为电感
示例3-工作原型
使用0.9cm镀锌的钢螺钉构造如图14所示的第一工作原型。将PCB锡接到螺钉，并使用T型匹配网络。然而，已确定了如上所述的直径是0.7cm的镀锌螺钉和可调谐的感应器匹配网络的使用提供了最佳的工作原型。工作原型能够在约0.5m处与ALR-H450读取器保持一致的通信。
虽然已经具体示出和描述了本发明的各种实施例，但是本领域技术人员将理解，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下在形式和细节上进行各种改变。例如，本文公开的材料以及尺寸和几何构造可以容易地改变。紧固件本身可以具有与示出的紧固件不同的构造，并且微芯片可以固定到紧固件的头部(或轴部、或头部和轴部两者)的表面上或嵌入其中。同样，以组合形式示出的元件可以以不同的组合示出或可以被去除。显示为单一(或单数)的元件也可以由一个以上的元件组成，而由多个以上的元件组成的元件也可以制成单一。因此，在上述示例中阐述的这些组件的细节不应限制权利要求的范围。
本领域技术人员将理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以容易地将本发明所基于的概念用作设计其他产品的基础。因此，权利要求不限于在此描述的具体示例。例如，以上公开的一个示例的特征可以与另一示例的特征一起使用。此外，在不脱离基本发明构思的精神和范围的情况下，可以对部件进行各种修改和重新布置。例如，本文公开的几何构造可以根据应用而改变，部件的材料选择也可以改变。因此，在上述示例中阐述的这些组件的细节不应限制权利要求的范围。
此外，摘要的目的是使美国专利商标局和广大公众，尤其是对本领域不熟悉专利或法律术语或措辞的科学家、工程师和从业人员，从粗略的检查中快速确定本申请技术公开的性质和实质。摘要既非旨在限定本申请的权利要求，也不旨在以任何方式被权利要求限制。

Claims (21)

1.一种RFID标签，包括半导体芯片和天线，其中所述天线包括金属紧固件，所述金属紧固件包括近端和远端，近端和远端构造和布置为将两个或更多个物体固定在一起。
2.根据权利要求1所述的RFID标签，其中半导体芯片与金属紧固件通信地连接。
3.根据权利要求2所述的RFID标签，其中金属紧固件包括：
头部，其包括第一直径和顶部表面；和
轴部，其从头部延伸并包括第二较小直径和底部表面。
4.根据权利要求3所述的RFID标签，其中半导体芯片安装到金属紧固件的头部。
5.根据权利要求3所述的RFID标签，其中半导体芯片安装到金属紧固件的轴部。
6.根据权利要求5所述的RFID标签，其中半导体芯片安装在远离头部的轴部上。
7.根据权利要求2所述的RFID标签，其中使用一个或多个连接器将半导体芯片连接到金属紧固件。
8.根据权利要求7所述的RFID标签，其中一个或多个连接器是导线。
9.根据权利要求4所述的RFID标签，其中半导体芯片安装在头部内的凹部中，使得集成电路延伸不超过顶部表面。
10.根据权利要求6所述的RFID标签，其中半导体芯片安装在轴部的远端内的凹部中，使得集成电路延伸不超过底部表面。
11.根据权利要求2所述的RFID标签，进一步包括匹配网络。
12.根据权利要求11所述的RFID标签，其中匹配网络形成与半导体芯片和天线连接的电路。
13.根据权利要求1所述的RFID标签，其中金属紧固件包括导电材料。
14.根据权利要求13所述的RFID标签，其中导电材料具有小于约1.0欧姆的电阻。
15.根据权利要求14所述的RFID标签，其中导电材料包括镀锌。
16.根据权利要求1所述的RFID标签，其中半导体芯片是无源装置。
17.根据权利要求1所述的RFID标签，其中半导体芯片在860和960MHz之间的频率运行。
18.根据权利要求11所述的RFID标签，其中匹配网络包括单个感应器。
19.根据权利要求1所述的RFID标签，其中半导体芯片具有小于1.0cm的宽度和小于1.0cm的长度。
20.一种确定金属紧固件的天线行为的方法，该方法包括步骤：
将金属紧固件连接到矢量网络分析仪；
使用矢量网络分析仪确定通过频谱的金属紧固件的反射系数；
根据反射系数确定阻抗；
使用阻抗来确定感应器和导体的值，以及
使用确定的值构建电路。
21.一种确定匹配网络的电感的方法，该方法包括步骤：
a)提供金属紧固件和半导体芯片；
b)构造印刷电路板；
c)将印刷电路板连接到半导体芯片；
d)使用导线将半导体芯片连接到金属紧固件；
e)将导线扭曲成具有直径的环状构造；
f)在距半导体芯片不同距离处使用RFID读取器读取半导体芯片；
g)使用不同的直径重复步骤e和f，以找到能够从最远距离读取半导体芯片的直径；以及
h)将能够从最远距离读取半导体芯片的直径转换到电路模型中。
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