Brevet FR2890502A1 — publié le 20070309

Ajustement de fréquence de résonance par réglage de capacité répartie inter-spires L'invention concerne le domaine de l'ajustement de l'accord en fréquence d'un circuit résonant, les structures de circuit résonant et produits comportant de tels circuits. Plus particulièrement, l'invention concerne un procédé de réalisation d'une antenne ajustée pour circuit résonant, ladite antenne générant une capacité parasite répartie inter-spires. L'invention vise une utilisation du procédé ci-dessus à la réalisation de carte à puce sans contact de taille réduite avec un cahier des charges très contraignant. Parmi les procédés d'ajustage de l'accord en fréquence, on connaît des procédés qui consistent soit à faire varier la valeur de l'inductance d'une antenne soit la valeur d'une capacité reliée à l'antenne, soit les deux. On sait notamment effectuer des ajustements à posteriori par ajout ou suppression de matière conductrice au niveau de l'antenne ou des armatures de circuit résonant notamment par usinage par exemple laser ou ajout de matière par exemple par jet d'encre conductrice. Dans le domaine des cartes sans-contact ou étiquettes électroniques, la capacité est généralement obtenue par des armatures d'un condensateur situées de part et d'autre d'un film isolant sur lequel est disposée une antenne plate ayant des spires adjacentes espacées l'une de l'autre. La capacité peut être également disponible sous forme de circuit intégré dans une puce électronique connectée à l'antenne. Pour les cartes à puce de qualité ayant des caractéristiques très reproductibles et très performantes, on connaît l'usage d'antenne filaire disposée dans un corps de carte en matière plastique par une technologie de fil incrusté à l'aide de sondes à ultra sons. De tels fils conducteurs, généralement en cuivre, très fins, de l'ordre de 113 pm, et espacés de l'ordre de 700 pm pour constituer des spires d'antenne, permettent d'obtenir un facteur qualité élevé, par exemple supérieur à 44 contrairement à des antennes obtenues par dépôt de matière conductrice, notamment par sérigraphie d'encre conductrice. Il y a actuellement un besoin de mini-carte à puce sans contact de qualité à coût réduit, notamment mini-carte bancaire d'un format inférieur au format standard ISO des cartes à puce et présentant des caractéristiques électromagnétiques équivalentes à celles d'une carte sans-contact au format ISO. Or de nouveaux formats ou diverses contraintes électriques limitent les possibilités de définition d'une forme d'antenne pour carte sans-contact conforme à la norme ISO/IEC 14443. Ainsi par exemple, de nouveaux formats réduits de cartes à puce notamment 60 X 35 mm au lieu de 54 x 85 mm, limitent les possibilités de parcours du fil d'antenne. D'autre part, il est connu de l'homme de l'art d'adapter une antenne aux caractéristiques d'une puce existante pour des raisons de coût en réutilisant notamment une valeur de capacité intégrée dans la puce qui ne correspond nécessairement à l'accord en fréquence de l'antenne possible. L'invention a notamment pour premier objectif général à travers une nouvelle méthode d'ajustage, d'apporter une autre dimension dans les degrés de liberté existants (ou paramètres) sur lesquels il est possible d'agir pour concevoir une antenne plane pour produit électronique sanscontact tel la carte à puce. L'invention a ensuite pour objectif en application de cette méthode de répondre de manière simple et efficace au besoin d'un nouveau format de carte à puce sans contact énoncé ci-dessus. Pour cela, l'invention vise un procédé permettant de concevoir à faible coût une antenne plane aux caractéristiques très précises et facilement ajustables pour convenir à un composant de circuit intégré existant et à des contraintes géométriques du corps de carte à puce. Le principe général de l'invention utilise le phénomène de capacité parasite répartie inhérente à une bobine d'antenne mais non utilisé à ce jour comme le prévoit l'invention. En effet, bien que le phénomène de capacité parasite répartie soit connu et probablement considéré très approximativement dans les calculs de capacité globale d'un circuit d'antenne du fait de sa valeur relativement faible, ce paramètre n'est pas utilisé, du moins dans le domaine des cartes à puce, comme paramètre essentiel pour effectuer à priori un ajustement fin de l'inductance d'une bobine d'antenne en vue d'obtenir un accord en fréquence nécessaire au fonctionnement d'un produit électronique sans contact. Ainsi, en application de ce principe d'ajustage, il n'existe pas d'antenne ou circuit resonant comportant une zone partielle d'antenne destinée à ou résultant de l'ajustage de la capacité inter-spires. L'invention a donc tout d'abord pour objet un procédé d'ajustage de l'accord en fréquence d'un circuit résonant comportant des spires ayant un espacement régulier (e) générant une capacité parasite inter-spires. Le procédé d'ajustage se distingue en ce qu'il comporte une étape d'ajustage de la capacité parasite inter-spires, en faisant varier l'espacement régulier F, G, H, I de spires adjacentes sur au moins une zone B partielle de l'antenne 1. L'invention a également pour objet un procédé de réalisation d'une antenne ajustée pour circuit résonant, ladite antenne présentant au moins une première zone comprenant des spires ayant un espacement régulier déterminé; Il se distingue en ce que l'on réalise, sur une seconde zone de l'antenne, dite zone d'ajustage, un espacement régulier supérieur à l'espacement régulier déterminé des spires. Selon d'autres modes de mise en oeuvre du procédé de réalisation d'une antenne: - la zone d'ajustage de la capacité parasite s'étend sur une partie minime de son périmètre; - la partie minime est inférieure à environ un quart de son périmètre; - le diamètre des spires est compris de 200 pm à 20 300 pm; - l'espacement des spires dans la zone d'ajustage est supérieur à environ 2 mm, l'espacement régulier des spires dans la première zone étant inférieur à environ 1 mm; - l'espacement inter-spires dans la zone d'ajustage est égal à environ 3,5 mm pour les trois spires externes et égal à environ 2,5 mm pour les 3 spires internes; - la zone d'ajustage est inscrite sensiblement 30 dans un rectangle de l'ordre de 35 X 12 mm l'antenne étant inscrite dans une zone de l'ordre de 60 x 35 mm; L'invention a également pour objet un procédé de réalisation d'un circuit résonant, ledit circuit résonant comprenant une capacité associée à une antenne; Le procédé se distingue en ce que l'on obtient ladite capacité ou un ajustage d'accord en fréquence de la capacité en réalisant ladite antenne selon l'une des caractéristiques ci-dessus. L'invention a également pour objet une antenne ajustée pour circuit résonant, ladite antenne présentant au moins une première zone A comprenant des spires ayant un espacement régulier prédéterminé. L'antenne se distingue en ce que l'antenne comprend, sur au moins une seconde zone partielle dite d'ajustage, des spires présentant un espacement inter-spires distinct de l'espacement régulier prédéterminé. L'invention a également pour objet un circuit résonant comprenant au moins une capacité associée à une antenne. Il se distingue en ce qu'il comporte l'antenne ci-dessus ou l'antenne obtenue par le procédé ci- dessus. L'invention a également pour objet une carte à 25 puce sans-contact comprenant une antenne ou un circuit résonant ayant les caractéristiques ci-dessus. Enfin, l'invention a également pour objet un dispositif programmé pour la réalisation et/ou définition d'antenne, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de traitement et un programme configurés de manière à déterminer des écarts inter-spires dans une zone partielle d'antenne en fonction d'une valeur de capacité inter-spires répartie Un tel dispositif permettrait par exemple de faire varier, dans une limite contrôlée de l'ordre de 3% (du fait de la petite zone de variation possible), la valeur de la capacité répartie de l'antenne pour l'adapter en temps réel, notamment en cours de fabrication d'un produit sans contact aux variations naturelles d'un lot de puces destiné à un lot d'antennes. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description faite à titre d'exemple non limitatif et en regard des dessins annexés sur lesquels: - La figure 1 illustre une antenne réalisée selon un mode de mise en oeuvre du procédé de l'invention; - La figure 2 illustre une coupe partielle de la figure 1 selon E-E; - La figure 3 illustre un produit sans-contact selon un mode de mise en oeuvre du procédé de l'invention. A la figure 1, une antenne ajustée 1 pour mini-circuit résonant 2 a été réalisée sur un support 3 notamment une feuille en matériau polymère. Le produit obtenu support destiné le cas échéant à être assemblé à d'autres feuilles comme insert ou sous-ensemble électronique et est couramment désigné par "inlay" en terminologie anglo-saxonne. L'antenne présente une première zone A comprenant 5 spires Si, S2, S3, S4, S5 ayant un espacement (e) régulier déterminé à 700 m. Par espacement régulier on entend un espacement sensiblement constant entre les' spires. Pour des raisons de calcul et de simplicité de mise en uvre, les spires sont généralement disposées parallèlement et espacées régulièrement les unes par rapport aux autres mais il n'est pas exclu d'avoir des espacements différents. Ainsi, l'invention peut comprendre des variantes dans lesquelles des spires peuvent avoir un espacement non régulier. Selon une variante préférée, une spire interne peut faire au moins un écart par rapport à un parcours normal. Par exemple, une spire interne présente au moins une boucle ou ondulation s'étendant à l'intérieur de la surface de son support en s'écartant de la spire adjacente. La spire adjacente peut suivre cette ondulation selon une amplitude moindre. Pour un programme informatique de commande d'un dispositif quelconque ou de définition d'antenne, il est possible d'intégrer l'effet produit sur la capacité inter-spires pour une ondulation calibrée et de multiplier le nombre d'ondulation sur un parcours de spire jusqu'à atteindre l'effet escompté. Dans l'exemple, le fil conducteur électrique est un fil de cuivre gainé de plastique qui est simplement fixé manuellement par exemple par adhésif sur le support. Selon d'autres techniques le fil pourrait être incrusté dans un support polymère par ultra sons ou déposé sur une feuille; cette feuille peut comprendre des fibres en matière cellulosique. Selon le mode de mise en oeuvre, on a réalisé une zone ou portion d'ajustage dans une seconde zone de l'antenne B. Dans cette zone, l'espacement des spires de l'antenne est différent de l'espacement (e) des spires de la zone A. Il est supérieur en l'occurrence. Du fait de leur diamètre ou surface sensiblement égal à environ deux fois la valeur habituelle, les spires de la zone A génèrent une capacité parasite d'une valeur supérieure à ce qui est généralement constaté pour des diamètres plus faibles. Par contre, les spires de la zone d'ajustage génèrent une capacité parasite d'une valeur contrôlée et ajustable par simple réglage de l'espacement inter-spires F, G, H, I. Selon une caractéristique préférée, la zone d'ajustage B de la capacité parasite s'étend sur une partie partielle de son périmètre. La partie partielle est inférieure à environ un quart du périmètre de l'antenne puisqu'elle s'étend de l'emplacement du module à puce électronique au bord latéral droit du support. L'inventeur a en effet constaté qu'une zone d'ajustage répartie sur tout le périmètre de l'antenne ne permettait pas de faire fonctionner correctement le transpondeur résultant. L'inventeur a également constaté que de meilleurs résultats étaient obtenus en ayant une zone d'ajustage d'une seule longueur continue ou d'un seul tenant plutôt que d'avoir, par exemple, une autre zone d'ajustage distincte sur le bord inférieur du support. En conséquence, la zone d'ajustage concerne de préférence un seul côté seulement de l'antenne et est continue; il est disposé dans l'exemple sur un bord longitudinal de l'antenne. L'invention exploite les propriétés du fil conducteur, en l'occurrence le cuivre, dont le diamètre non négligeable (généralement égal à 113 pm pour ce genre de carte à puce) se comporte entre les spires non jointives comme deux surfaces d'armature de condensateur en regard l'une de l'autre. Le diamètre préféré des spires est compris entre 200 pm et 300 pm de manière notamment à augmenter cette surface en regard et l'effet capacitif résultant. Dans l'exemple, le diamètre est égal à environ 250 pm. Deux surfaces de spires en regard sont assimilables à deux plaques conductrices séparées par un isolant d'épaisseur d. Les spires accumulent des charges électriques comme des plaques de condensateur lorsqu'elles sont soumises à un champ magnétique. La différence de charge entre lesdites plaques séparées d'une distance "d" provoque l'apparition d'une capacité répartie le long du contour formé par les spires de l'antenne. La valeur de la capacité est définie par l'équation suivante: C = U/d, - U correspondant à la différence de potentiel entre les dites plaques ou spires. - d la distance qui les sépare. L'espacement des spires dans la zone d'ajustage est supérieur à environ 2 mm tandis que l'espacement régulier des spires dans la première zone est inférieur à environ 1 mm. Dans un autre exemple de réalisation, l'espacement inter-spires dans la zone d'ajustage est égal à environ 3,5 mm pour les trois spires externes (S3, S4, S5) et égal à environ 2,5 mm pour les 3 spires internes (Si, S2, S3). Selon un autre exemple particulièrement ajusté, on a de gauche à droite sur la figure les valeurs suivantes d'espacement entre spires adjacentes (S1, S2, S3, S4, S5) : 2,58 mm; 3,09 mm; 3,74 mm; 3,28 mm. L'invention utilise la propriété physique énoncée précédemment en définissant une zone particulière de l'antenne située sur un seul des cotés de l'antenne. Dans cette zone l'espacement des spires est accentué pour régler la caractéristique finale de l'antenne. La combinaison du diamètre du fil avec la largeur de la zone particulière qui détermine la différence de potentiel et l'espacement réparti entre les spires permet d'atteindre les caractéristiques objectives de l'antenne. Ces caractéristiques comprennent un facteur de qualité élevé, un nombre de tours entier, et une surface balayée par les spires maximales selon les contraintes de la carte à puce. L'espacement des spires situées vers l'extérieur du support est plus élevé que celui des spires disposées à l'intérieur du support ou de la bobine d'antenne. Il est à noté qu'il existe non seulement une capacité parasite entre deux spires adjacentes mais aussi entre spires non adjacentes; ce qui ajoute de la difficulté au recours et à la maîtrise de ce paramètre. La zone d'ajustage est inscrite sensiblement dans un rectangle de l'ordre de 35 X 12 mm, l'antenne étant inscrite dans une zone C = A+ B de l'ordre de 60 x 35 mm. A la figure 3, le procédé de réalisation d'un circuit résonant 2, pour un produit sans contact, comporte une étape de connexion de l'antenne 1 réalisée comme précédemment à un module électronique 4. La connexion peut être réalisée sur l'insert puis cet insert peut être utilisé ainsi ou peut subir d'autres étapes de finition comme une lamination de feuilles de recouvrement et/ou décoration pour former une carte à puce sans-contact à antenne 5 ou même de type contact et sanscontact avec un module spécifique comportant des plages de contact affleurant la surface du corps de carte en plus des contacts de connexion 9, 10 à l'antenne. La mini-carte 6 a un format inférieur à celui d'une carte 7 ISO d'où elle peut être extraite notamment du fait qu'elle est détachable grâce à une pré-découpe au niveau de son contour. Dans l'exemple, la mini-carte comporte un oeillet 11 pour porte-clés, ce qui ajoute de la complexité dans le parcours d'une antenne pour transpondeur de taille réduite devant être vu par un lecteur comme un transpondeur de grand format ISO. Le module électronique comprend de préférence déjà un condensateur intégré dans une puce électronique 8 et le circuit résonant comprend une capacité associée à une antenne. Pour des raisons de coût excessif des supports de type double face, à armatures métalliques sur chaque face, la capacité du circuit résonant n'est pas réalisée par de telles armatures. L'invention a pour but de minimiser les coûts en utilisant une puce standard comportant déjà une valeur de capacité et en agissant uniquement sur l'antenne via la capacité inhérente de l'antenne pour obtenir l'accord en fréquence souhaité et autres critères techniques. On obtient donc une capacité résultante telle que souhaitée ou un ajustage d'accord en fréquence de la capacité totale en réalisant ladite antenne conformément au mode de réalisation ci-dessus. Le procédé ou méthode d'ajustage de l'accord en fréquence d'un circuit résonant ci-dessus, s'effectue donc essentiellement au niveau de la capacité parasite inter-spires en agissant sur l'espacement des spires, en l'occurrence, par une augmentation ou diminution de l'espace inter- spires normal (e) sur au moins une zone de l'antenne. On remarque que toutes les spires ont un espace inter-spires élargie dans cette zone. Toutefois, il n'est pas exclu d'avoir certaines spires avec un espace non élargi, adjacentes à des spires ayant un espace élargi. Le procédé d'ajustage est d'autant plus sensible que l'espacement inter spires varie par exemple d'un facteur supérieur à au moins 2, voire 5. Dans l'exemple la variation de l'espacement est supérieure d'un facteur 10. Le circuit résonant 2 comprend au moins une capacité associée à une antenne, et comporte l'antenne résultant du procédé ou obtenue en application de la méthode d'ajustage ou procédé de réalisation ci-dessus. Cette méthode appliquée à la réalisation de carte de petite taille de type notamment une mini- carte bancaire 6, donne les résultats suivant l'objectif de fréquence de résonance Fo du produit électronique de 20 Mhz: - surface totale de l'antenne: l'antenne est inscrite dans un rectangle de 60 x 35 mm - 5 spires - puce électronique réalisant des fonctions de communication sans-contact possède une capacité interne d'ajustage de 27 pico farad. - La valeur de l'inductance de l'antenne pour 5 atteindre ce but est de 2. 34 pH Pour faciliter l'utilisation de cette méthode d'ajustage de capacité ou obtenir des résultats optimisés, l'invention peut faire appel à un programme d'ordinateur, relié par exemple à une table de dessin ou système de conception ou création de géométrie d'antenne ou pour commander un dispositif quelconque par exemple d'assistance à la conception ou réalisation d'antenne. Ce programme peut mettre en oeuvre, à l'aide de moyens de traitement, des étapes du procédé de l'invention décrite précédemment. Il peut être conçu à partir de règles de calcul permettant de parvenir au moins à une définition plus précise ou optimale des écarts inter-spires et longueur de la zone d'ajustage. La définition peut d'effectuer notamment en fonction des paramètres géométriques ou contraintes électriques définies précédemment. Le programme permettrait de prendre en compte notamment l'influence des spires non adjacentes en fonction de leur diamètre. Les moyens de traitement et programme peuvent être configurés de manière à déterminer des écarts inter-spires dans une zone partielle d'antenne en fonction d'une capacité inter spires répartie résultante. Par comparaison, pour atteindre cette valeur selon les enseignements de l'art antérieur, l'espacement nécessaire des spires de 115pmaurait dû être de 1,12 mm. Ce qui crée une surface balayée par l'antenne de 8522 mm2 et présente un facteur qualité de 81. Avec l'invention, la surface totale de l'antenne: l'antenne est inscrite dans un rectangle de 60 x 35 mm - Le diamètre du fil est 250pm dont 25pm d'isolant. - l'espacement entre spires hors zone d'ajustage est de 700pm -dimension de la zone d'ajustage: elle est inscrite dans un rectangle de 35 x 12 mm. Ce qui crée une surface balayée par l'antenne de 15 9285 mm2, et un facteur qualité d'antenne à vide de 93. L'écart entre une réalisation de l'art antérieur et une réalisation conforme à l'invention est 8% de surface supplémentaire et surtout un facteur qualité d'antenne 15% supérieur. Dans l'exemple, compte tenu des petites surfaces engagées, le produit sans contact conforme à l'invention fonctionne alors qu'il ne fonctionnerait avec une quelconque géométrie d'antenne composée du même fil et dont les spires seraient espacées régulièrement sur tout son périmètre. REVENDICATIONS 1. Procédé d'ajustage de l'accord en fréquence d'un circuit résonant (1, 2, 4) comportant des spires ayant un espacement régulier (e) générant une capacité parasite inter-spires, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de d'ajustage de la capacité parasite inter-spires, en faisant varier l'espacement régulier F, G, H, I de spires adjacentes sur au moins une zone B partielle de l'antenne 1. 2. Procédé de réalisation d'une antenne ajustée pour circuit résonant, ladite antenne présentant au moins une première zone (A) comprenant des spires adjacentes ayant un espacement régulier prédéterminé (e), caractérisé en ce que l'on réalise, sur une seconde zone de l'antenne, dite zone d'ajustage B, un espacement F, G, H, I de spires adjacentes distinct de l'espacement régulier (e) prédéterminé des spires. 3. Procédé de réalisation d'une antenne selon la revendication 2, caractérisé en ce que la zone d'ajustage B de la capacité parasite s'étend sur une partie minime de son périmètre. 4. Procédé de réalisation d'une antenne selon la revendication 3, caractérisé en ce que la partie minime est inférieure à environ un quart de son périmètre. 5. Procédé de réalisation d'une antenne selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le diamètre des spires est compris de 200 pm à 300 pm. 6. Procédé de réalisation d'une antenne selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que l'espacement des spires dans la zone d'ajustage est supérieur à environ 2 mm, l'espacement régulier des spires dans la première zone étant inférieur à environ 1 mm. 7. Procédé de réalisation d'une antenne selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'espacement inter-spires dans la zone d'ajustage est égal à environ 3,5 mm pour les trois spires externes S3, S4, S5 et égal à environ 2,5 mm pour les 3 spires internes S1, S2, S3. 8. Procédé de réalisation d'une antenne selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que la zone d'ajustage B est inscrite sensiblement dans un rectangle de l'ordre de 35 X 12 mm, l'antenne étant inscrite dans une zone (A + B) de l'ordre de 60 x 35 mm. 9. Procédé de réalisation d'un circuit résonant (1, 2, 4), ledit circuit résonant comprenant une capacité associée à une antenne, caractérisé en ce que l'on obtient ladite capacité ou un ajustage d'accord en fréquence de la capacité en réalisant ladite antenne selon l'une quelconque des revendications 2 à 7. 10. Antenne ajustée 1 pour circuit résonant, ladite antenne présentant au moins une première zone A comprenant des spires ayant un espacement régulier prédéterminé, caractérisé en ce que l'antenne comprend, sur au moins une seconde zone partielle dite d'ajustage B, des spires (Sl- S5) présentant un espacement inter-spires (F-I) distinct de l'espacement régulier prédéterminé (e). 11. Circuit résonant (1, 2, 4) comprenant au moins une capacité associée à une antenne, caractérisé en ce qu'il comporte l'antenne 1 conforme à la revendication 10 ou obtenue par le procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 8. 12. Carte à puce sans-contact (7, 6) comprenant une antenne (1) selon la revendication 10 ou un circuit résonant (1, 2, 4) selon la revendication précédente. 13. Dispositif programmé pour la réalisation et/ou définition d'antenne ajustée pour circuit résonant, ladite antenne présentant au moins une première zone A comprenant des spires ayant un espacement régulier prédéterminé et présentant une capacité parasite inter-spires, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de traitement et un programme configurés de manière à ajuster la capacité parasite inter-spires de l'antenne, en faisant varier l'espacement régulier F, G, H, I de spires adjacentes sur au moins une zone B partielle de l'antenne.