CN115087987A - 耐金属探测器的射频识别标签 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于射频识别(RFID)装置的导电结构(金属质量低于金属探测器的标准探测阈值)及其生产方法。所述导电结构优选包括一对从调谐回路延伸的偶极臂，其中，每个偶极臂在负载端终止。所述导电结构可采用印刷金属油墨制成，或通过切割、激光或蚀刻金属箔制成。对所述导电结构进行改进，尽可能减少装置的整体厚度和金属质量，同时仍保留可接受的性能水平。所述负载端部分也可挖空，以进一步减少导电结构的金属质量。
Description
相关专利申请的交叉引用
本申请要求2019年12月30日提交的第62/954,909号美国临时专利申请的权益，所述第62/954,909号美国临时专利申请通过本发明的整体引用，成为本发明的一部分。
技术领域
本发明通常涉及一种耐金属探测器的标签(例如，在通过金属探测器时避免探测或触发假阳性)及其生产和使用方法。更具体地，所述改进的射频识别(RFID)装置旨在用于使用金属探测器扫描的快消食品和相关包装，以探测其中可能包括的金属异物。本发明所述改进的射频识别标签特别适用于直接和间接的食品接触应用，包括但不限于食品的运输、储存、搬运和移动。因此，本发明说明书对此作出了具体引用。然而，应当理解，本发明的方面也同样适合于其它类似的应用和装置。
背景技术
射频识别系指利用电磁能来模拟响应装置(称为射频识别“标签”或应答器)，以识别其自身，并在某些情况下提供存储在标签中的附加信息和/或数据。射频识别标签通常包含天线以及模拟和/或电子器件，电子器件可包括通常称为“芯片”的半导体器件、通信电子器件、数据存储器和控制逻辑。典型射频识别标签通常具有与天线电连接的微处理器，用作应答器，提供存储在芯片存储器中的信息，以响应从读取器(也称为询问器)处接收到的射频询问信号。对于无源射频识别装置，询问信号的能量也为射频识别标签装置工作提供了必要的能量。
射频识别标签可包含在或固定在用户想稍后识别和/跟踪的商品上，如各种食品。在某些情况下，可使用卡夹、胶粘剂、胶带或其他方式将射频识别标签固定在商品外部，在其他情况下，可将射频识别标签***商品内，如包含在包装内，或位于物品或多个物品的容器内。进一步地，射频识别标签生产时通常使用唯一识别号，此识别号通常是一个由几个字节组成的简单序列号，并附有校验数位。生产时，通常将此识别号纳入射频识别标签中。用户不能更改此序列号/识别号，且制造商保证每个射频识别标签序列号仅使用一次，因此是独一无二的。此类只读射频识别标签通常永久地固定在需识别和/或跟踪的商品上，一旦固定，标签的序列号将与计算机数据库中的主商品相关联。
通常在工厂或商用厨房中生产或制备食品，如即食食品或其他包装食品，这些工厂或商用厨房在生产过程中使用带有金属组件的机械，这可能导致食品被金属颗粒污染。此外，金属有可能被恶意放入食品中。虽然食品生产商通常对其设施和包装过程采用非常严格的环境控制措施，但金属物品可能会断裂并意外进入食品或其包装。探测非预期和/或意外金属的一种常见低成本方法是将包装食品通过金属探测器。如果探测到金属，则可以分离食品将金属污染物从食品中移除，或采用其他方式处理。遗憾的是，正如下面详细解释的那样，在与射频识别装置一起使用时，用于此类目的的金属探测器存在许多限制。
更具体地，为了更好地控制运输、可追溯性、库存和其他供应链的需求，需要在食品方面使用射频识别装置。射频识别装置可使食品生产商连续监测整个供应链中的食品供应情况，从而提高食品生产商的利润率。使用射频识别装置还可以让生产商对低库存作出快速响应，而无需进行库存盘点，以确保食品的充足供应，同时避免特定食品积压的风险。例如，商店可以监测现有食品的供应情况，并轻松预测订购更多食品的时间，以保持适当的供应，并在销售点随时提供食品。因此，在理想情况下，所述射频识别装置应在供应链中尽早与食品连接，以协助可追溯性和生产，或在食品包装前放入食品包装中。
遗憾的是，在射频识别装置中作为天线使用的导电材料的质量通常大于金属探测器中金属异物的探测阈值。这一缺陷要求生产商要么降低金属探测器的探测阈值，从而降低其探测金属异物的能力，要么在使用金属探测器扫描食品后应用射频识别装置，从而失去在整个生产过程中更准确的可追溯性和使用射频识别装置的优势。
因此，在本领域，对可用于食品整个生产过程(包括用金属探测器扫描食品的金属异物之前)的改进射频识别装置存在长期的需求。在本领域，对“耐”金属探测器的改进射频识别装置(其天线或其他金属组件不会触发金属探测器的假阳性)也存在长期的需求。
发明内容
下面给出了简要发明内容，以提供对所公开发明的某些方面的基本理解。本发明内容并非广泛概述，也并不旨在确定本发明的关键/重要要素，或界定其范围。其唯一目的是以简化的形式提出本发明的一些概念，以此作为后文的具体实施方式部分的铺垫。
本发明描述了在食品生产中常用的大多数金属探测器的标准检测阈值以下的射频识别装置/天线，以及使用此装置/天线的方法。更具体地，在由金属探测器扫描之前可将所述射频识别装置放置在食品或其包装上，并且不会根据射频识别装置的金属组件产生假阳性。在一个实施例中，所述射频识别装置包含一个天线结构，其设计的金属质量低于金属探测器的探测阈值，但仍保持足够的性能水平以通过供应链跟踪食品，包括但不限于商店库存。
在某些实施例中，所述射频识别装置进一步包含导电结构。在某些实施例中，所述导电结构包含一对从调谐回路延伸的偶极臂，其中，每个偶极臂在负载端终止。在某些实施例中，所述导电结构的金属质量进一步小于用于扫描食品及其包装的金属探测器的标准探测阈值。
在某些实施例中，所述导电结构如上所述，并具有足以实现要求或所需性能的区域，但仍低于与扫描食品或包装探测直径约1mm金属球的金属异物相关的标准探测阈值。
可采用本领域已知的技术生产所述导电结构，包括但不限于印刷导电油墨或通过切割(例如，激光和/或模切)金属箔。在某些实施例中，整体导电结构的厚度减少到不小于针对各自导电结构材料和频率计算的集肤深度。
在某些实施例中，可挖空每个负载端的部分，以便去除具有低电流的导电结构区域，并尽量降低对射频识别整体性能造成的影响，同时还实现了一种金属质量低于金属探测器探测阈值的导电结构。
在另一实施例中，本发明公开了预期用于食品和食品包装应用的射频识别装置。所述射频识别装置优选包含射频识别芯片和与所述射频识别芯片电耦合的导电结构。在某些实施例中，所述导电结构包括从调谐回路反向延伸的一对偶极臂，其中，每个偶极臂在负载端终止。所述导电结构的金属质量小于用于扫描食品及其包装的金属探测器的标准探测阈值。
本发明所述的改进射频识别装置可以通过消除或移除(如挖空)射频识别装置的金属导电结构部分，来降低或消除在使用微波炉加热具有射频识别装置的食品时而产生火花的风险。减少金属导电结构的厚度也可部分实现类似的结果。本发明所述的改进射频识别装置的另一优势是，这种结构和质量的减少使射频识别装置在射频识别装置接受X射线检查时不会阻止高密度材料的探测。
本发明还描述了减少射频识别装置导电结构的金属质量的方法。在某些实施例中，所述方法包括(1)提供一种导电结构，其初始区域足以充分发挥其预期功能；(2)根据材料和/或频率确定导电结构的集肤深度；以及(3)尽可能减少导电结构的整体厚度，以保持足够的性能水平(优选所计算集肤厚度的深度)。
在某些实施例中，挖空具有相对较低电流的导电结构的特定区域，并移除额外的质量。挖空的特定区域优选位于导电结构整体厚度的一对负载端上。在某些实施例中，优选移除足够的材料，这样在结合减少的整体厚度时，导电结构的质量低于食品加工筛选中使用的金属探测器的标准检测阈值，但质量足以作为射频识别装置有效工作。
为了达到上述目的及相关目的，本发明描述了所公开发明的某些说明性方面，并提供了以下说明和附图。但是，这些方面仅说明了可采用本发明所公开原理的各种方式中的几种，并旨在包括所有这些方面及其等效内容。通过以下具体实施方式，并结合附图，其他优势和新颖特点将显而易见。
附图说明
图1为所公开的架构中使用金属探测器扫描食品中异物的侧视图。
图2为所公开的架构中与食品连接的射频识别装置的侧透视图。
图3A为所公开的架构中射频识别装置在移除射频识别装置导电结构的部分之前的俯视图。
图3B为所公开的架构中图3A的射频识别装置在移除射频识别装置导电结构的部分之后的俯视图。
图4A为所公开的架构中具有起始厚度的导电结构的立面侧视图。
图4B为所公开的架构中具有减少厚度的导电结构的立面侧视图。
图5A为所公开的架构中具有初始导电结构的射频识别装置的俯视图。
图5B为所公开的架构中具有改进导电结构的射频识别装置的俯视图。
图6示出了所公开的架构中减少射频识别装置导电结构的质量的方法。
具体实施方式
参照附图对本发明进行说明，其中，相同附图标记始终表示相同构件。在以下说明中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节，以便提供对本发明的透彻理解。然而，显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。在其他实例中，以框图形式示出了众所周知的结构及装置，以便描述本发明。
如上所述，一种在食品或其相关包装中探测非预期和/或意外金属的常见低成本方法是让食品和/或包装通过金属探测器。如果探测到金属，则可以分离食品将金属污染物从食品中移除，或采用其他方式处理。使用射频识别装置还是在食品供应链中跟踪食品的一种常见方式。遗憾的是，迄今为止，射频识别装置与金属探测器配合不佳，并且常常导致金属探测器对射频识别装置中的金属组件产生假阳性读数。更具体地，射频识别装置通常包含金属天线，其大小足以被金属探测器探测到，从而触发假阳性读数并需要单独检查，这违背了金属探测器的目的。虽然可使用较小的射频识别标签解决这一问题，但使用较小的射频识别标签通常会导致射频识别装置性能水平显著下降，从而使射频识别装置无法发挥作用。其他选择包括降低探测器的灵敏度，这样会降低金属探测器探测较小金属物体的能力并且是不可取的，或者在扫描金属物体后将射频识别装置应用于食品，这样会降低射频识别装置的功能，因为在整个生产过程中射频识别装置并非始终存在。
因此，在本领域，对可用于食品整个生产过程的改进射频识别装置(其天线或其他金属组件不会触发金属探测器的假阳性)也存在长期的需求。
首先参考附图，图1示出了金属探测器30在食品行业中的使用情况。更具体地，食品10(如即食食品、冷冻食品等)在运输之前通过金属探测器30。金属探测器通常采用隧道的形式。用于食品扫描操作的金属探测器30通常配置金属的探测阈值。如果探测到金属40的可探测质量超过了设定的探测阈值，则拒绝、处置食品10或将其转移至单独的生产或检查区域，以进一步调查金属探测的来源。虽然这一结果在食品10含有金属污染的情况下是可取的，但假阳性探测会导致生产延迟，并需要人为干预，而这两种方法都不是有效的，也不可取。
图2为包含射频识别芯片110和导电结构120的射频识别装置100的侧透视图。在所公开的架构中射频识别装置100与食品包装20连接，但也考虑到射频识别装置100可与食品10直接连接。将射频识别装置100与食品10或其相关包装20连接的典型应用包括食品的可追溯性，其中射频识别装置100与数据库一起用于存储信息，例如，从而准确记录食品10生产的地点和时间、食品10来源的标识，以便将食品10与其原材料相关联，并跟踪食品10的保质期或“最佳食用”日期，以及适合用户需求和/或偏好的任何其他可跟踪要素。食品包装20可使用微波炉加热或冷冻，具体取决于包装内的食品10。
图3A为包含射频识别芯片110和导电结构120的射频识别装置100的俯视图。更具体地，射频识别芯片110与导体结构120电耦合。然而，射频识别装置100导电结构120的金属质量很可能触发金属探测器的假阳性，如图1所示的金属探测器30。相比之下，图3B为所公开的架构中图3A的射频识别装置100在移除射频识别装置导电结构120的部分之后的俯视图。更具体地，图3中的射频识别装置100还包含与金属导电结构120电耦合的射频识别芯片110，其中，已经移除了导电结构120的多个部分128来减少射频识别装置100的整体金属质量，而不会影响其整体性能(即，在食品供应链中通过射频识别读取器(未示出)成功询问)。根据电流通过导电结构120相对于导电结构120的其余部分来说相对较低的位置，选择要移除或挖空的导电结构120的部分128，以便移除部分128的结果对射频识别装置100的性能不会产生显著影响。虽然这种材料的减少很有利，但射频识别装置100设计可能需要其他调整或其他方面以提供最佳灵敏度。
在另一实施例中，如图4A和图4B所示，还可以通过减少导电结构120的全部或部分厚度来减少导电结构120的金属质量。更具体地，图4A示出的导电结构120具有初始厚度(a)。本领域的普通技术人员了解，在915MHz区域的超高频(UHF)频率范围内的RF(射频)电流主要在导体或天线的表面流动。此外，所述电流随导体的深度成指数下降。这种电流减少效应的表达称为集肤深度，图4A的导电结构120具有集肤深度130，下文将进行更充分的解释。
如图4A和图4B所示，减少导电结构120的整体金属质量的另一种方法是将初始厚度(a)(如图4A所示)降低至减少厚度(b)(如图4B所示)。在某些实施例中，减少厚度(b)至少是集肤深度130的厚度。更具体地，集肤深度130是电流密度的测量值，并定义为从导体外边缘到电流密度下降至导体表面电流值的1/e处的距离。例如，在距离导体表面集肤深度四倍的层中，大约98％的电流会流过导体。在另一示例中，对于铝制的UHF射频识别天线，基于欧姆表2.65x10-8的电阻率和频率915MHz的集肤深度计算为2.7μm。因此，作为矩形截面导体，一旦厚度下降到5.4μm以下，915MHz处的电阻就会增加，超过直流电阻，带来额外的损耗，降低天线的性能，从而降低射频识别装置的性能。
可以采取多种方法来减少导电结构120的金属质量，以克服现有技术的限制。例如，可以考虑选择具有相对较小天线的射频识别装置，此天线的金属质量低于金属探测器的探测阈值，因此不会触发探测。然而，射频识别天线尺寸减少或相对较小，则射频识别装置的RF性能通常较低并且不可接受。
图5A示出了具有初始导电结构120(a)的射频识别装置100的俯视图，图5B示出了所公开的架构中具有改进导电结构120(b)的射频识别装置100的俯视图。更具体地，如图5A所示，初始未改进配置120(a)中的导电结构可能是偶极天线，如加利福尼亚州格兰岱尔市艾利丹尼森公司生产和销售的AD238射频识别标签。然而，此示例仅用于示例性目的，因为本发明考虑了许多不同的可用于食品生产的初始未改进射频识别标签设计。在某些实施例中，导电结构120(a)包含调谐回路122和一对偶极臂124，每个偶极臂从调谐回路122向大体相反的方向延伸。更具体地，每个偶极臂124可以是曲折线型臂，每个臂在负载端126终止。每个负载端126是可以加强宽带的导电结构120的最大负载区域。
对于食品生产行业中常用的金属探测器30(如图1所示)类型，可探测质量40(如图1所示)的标准探测阈值是直径约为1mm的球体。在使用AD238射频识别标签的本示例中，用于导电结构120的材料为铝，探测阈值的体积约为0.52mm3。因此，此示例中的标准探测阈值的总金属体积为0.52mm3或以上。起始厚度为15μm并由铝制成的未改进导电结构120(a)的体积约为8.6mm3，面积约为573mm2，远远超过探测阈值，并可能导致金属探测器30产生假阳性。然而，将导电结构120的起始厚度减少至1μm的减少厚度会将导电结构120的体积减少至约0.57mm3，这与探测阈值非常接近，且不会改变整体导电结构区域。遗憾的是，1μm的减少厚度小于铝的集肤深度130，因此可以预计会降低RF性能。
相比之下，图5B示出了对天线设计进行改进可以减少整体金属质量的结果，同时仍保持可接受的性能水平。改进的导电结构120(b)的质量低于金属探测器30的标准探测阈值。更具体地，在理想情况下，整体导电结构120(b)的厚度大于导电材料和频率的集肤深度130。在此示例中，在频率915MHz下，铝的集肤深度130约为2.7μm。
为实现射频识别装置100的预期性能水平，可能需要移除或挖空导电结构120中15μm厚的部分，这些部分具有较低或相对较低的电流。更具体地，在此示例中，负载端126是导电结构120的表面电流最低的区域。这些是可加强宽带的最大负载区域。因此，可以移除或挖空负载端126的多个部分128。在本示例中，从负载端126中移除这些最大负载区域可以将导电结构120(b)的体积减少至约5.44mm3，面积约363mm2，通过正确的设计，对射频识别性能的影响相对较小。因此，挖空或移除部分128具有保持或改进宽带宽度的效果，同时降低整体天线尺寸的要求。遗憾的是，此体积仍然高于金属探测器的探测阈值，并可能导致金属探测器30产生假阳性读数。
然而，将导电结构120(b)的厚度减少至厚度约1μm、面积363mm2的铝，负载端126具有多个挖空部分128，可将体积进一步减少至约0.36mm3，此数值低于金属探测器30的探测阈值。厚度500nm的进一步减少可以将体积减少至约0.18mm3。虽然可以通过印刷基于铜、银或石墨烯的导电油墨，通过旋转切割***或激光切割金属箔，或通过蚀刻来生产导电结构120，但也可以通过气相沉积在更小的厚度上实现导电结构120。
在另一考虑的实施例中，用于食品的射频识别装置100包含射频识别芯片110和与射频识别芯片110电耦合的导电结构120。导电结构120包含调谐回路122和一对偶极臂124。每个偶极臂124从调谐回路122向外延伸，方向一般相反，并在负载端126终止。每个负载端126为导电结构120的最大负载区域，此导电结构120的金属质量低于食品生产行业中常用类型的金属探测器30的标准探测阈值。
此外，在理想情况下，导电结构120的整体厚度略大于导电结构材料和频率的集肤深度130。根据常用于扫描食品金属异物的标准探测阈值，在理想情况下，导电结构120的整体金属体积为0.52mm3或以下。为了实现如此小的体积，移除或挖空导电结构120中具有较低或相对较低电流的部分以及对RF性能影响最小的部分，如负载端126的部分。更具体地，挖空每个负载端126以便在负载端126内形成多个开口或部分128。
探测金属异物的替代技术包括X射线分析等。如前所述，在某些实施例中，本发明所述的射频识别装置100的减少质量分散于整个导电结构120中。因此，射频识别装置100不会产生高密度的“肿块”，在X射线检查上会产生相对扩散的图像。更具体地，因为射频识别装置100相对“透明”，所以相对扩散图像不会阻挡或妨碍高密度材料(如金属异物)的探测。X射线应用中导电结构120的理想材料为密度相对较低的材料，包括但不限于石墨烯(2.267g/cm3)、铝(2.7g/cm3)和铜(8.96g/cm3)。因此，利用低密度、高导电性材料(如铝或石墨烯)构造用于X射线应用的导电结构120将很有利。金属探测与电导率相关性更高。虽然铝是一个不错的选择，但石墨烯、铜和银是更好的导体。此外，在理想情况下，较小金属体积的另一个好处是射频识别装置100“可用于微波炉”。更具体地，本发明所述的射频识别装置可以通过消除或移除(如挖空)射频识别装置金属导电结构的部分，来减少或消除在使用微波炉加热具有射频识别装置的食品时而产生的火花风险。
图6示出了减少射频识别装置100的导电结构120的金属质量的方法。更具体地，方法200从步骤202开始，即根据用户要求提供一个初始面积和体积足以充分执行射频识别功能的导电结构120。在步骤204中，可根据上述导电结构的材料和频率计算集肤深度130；在步骤206中，此方法继续进行，采用上述一种方式减少导电结构120的整体初始厚度，实现图4B中描述的轮廓。通常，导电结构120的减少厚度不应小于针对导电结构的特定材料和频率计算的集肤深度130。
在步骤208中，确定导电结构120中电流减少的区域，这些区域对导电结构120和射频识别装置100的性能影响很小或没有影响。在某些实施例中，导电结构120中电流较低的特定区域位于导电结构120的一对负载端126上。因此，在步骤210中，挖空导电结构120中电流较低的部分128，以减少导电结构120和射频识别装置100的整体金属质量。移除此金属质量会尽可能减少导电结构120的整体面积，而不会对射频识别装置100的性能产生显著影响。本发明所述的方法为导电结构120的设计提供了最佳解决方案，此导电结构提供了所需的性能并适用于食品10或其包装20和金属探测器30。
上文还包括所述主题的示例。当然，在描述所述主题时，无法描述每种可能的组件或方法组合，但本领域的普通技术人员可能认识到，对于所述主题，可能存在许多进一步的组合和排列。因此，所述主题旨在覆盖在所附发明要求保护范围的精神和范围之内的所有此类改变、修改和变化。此外，就具体实施方式或发明要求保护范围中所使用的术语“包括(includes)”而言，此术语旨在以类似于术语“包括(comprising)”的方式包含在内，而“包括(comprising)”在发明要求保护范围中作为过渡词使用。
Claims (20)
1.一种耐金属探测器的射频识别装置，包括：
射频识别芯片；以及
与射频识别芯片电耦合的导电结构，其中，所述导电结构的金属质量低于标准探测阈值。
2.根据权利要求2所述的射频识别装置，其中，所述导电结构的厚度大于导电结构的集肤深度。
3.根据权利要求1或2所述的射频识别装置，其中，所述导电结构包括一对从调谐回路反向延伸的偶极臂，其中，每个偶极臂在负载端终止。
4.根据权利要求3所述的射频识别装置，其中，每个负载端均被挖空。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的射频识别装置，其中，所述导电结构一部分的电流低于所述导电结构第二部的电流，并且移除所述第一部。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的射频识别装置，其中，所述射频识别装置在X射线检查时不会阻止高密度材料的探测。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的射频识别装置，其中，所述标准探测阈值的总金属体积为0.52mm3或以上。
8.一种减少射频识别装置金属质量的方法，
包括：
提供导电结构；
减少导电结构的厚度实现厚度减少；以及
挖空所述导电结构的一部分，
其中，所述部分的电流小于所述导电结构第二部的电流。
9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括计算所述导电结构集肤深度的步骤。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，所述减少厚度不小于所述导电结构的集肤深度。
11.根据权利要求8-10中任一项所述的方法，其中，所述导电结构包括一对从调谐回路延伸并在负载端终止的偶极臂。
12.根据权利要求8-11中任一项所述的方法，其中，所述部分位于导电结构一对负载端中的至少一个上。
13.一种可被金属探测器(具有标准探测阈值)探测的用于射频识别装置的导电结构，
其中，所述导电结构的金属质量低于标准探测阈值，并与射频识别装置电耦合。
14.根据权利要求13所述的导电结构，其中，所述标准探测阈值是直径为1mm的金属球。
15.根据权利要求13或14所述的导电结构，其中，所述标准探测阈值的总金属体积为0.52mm3或以上。
16.根据权利要求13-15中任一项所述的导电结构，其中，所述导电结构包括铝。
17.根据权利要求13-16中任一项所述的导电结构，其中，所述导电结构的整体厚度大于导电结构的集肤深度。
18.根据权利要求13-17中任一项所述的导电结构，其中，移除所述导电结构的一部分。
19.根据权利要求13-18中任一项所述的导电结构，其中，通过气相沉积实现导电结构厚度。
20.根据权利要求13-19中任一项所述的导电结构，其中，通过印刷导电油墨或通过切割箔制成所述导电结构。
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