Brevet FR3007214A1 — publié le 20141219

BLINDAGE MAGNETIQUE D'ANTENNE UTILISANT UN COMPOSITE A BASE DE COUCHES MINCES MAGNETIQUES ET ANTENNE COMPRENANT UN TEL BLINDAGE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un blindage magnétique d'antenne utilisant un composite à base de couches minces magnétiques et une antenne comprenant un tel blindage, par exemple dans le domaine des applications RFID (« Radio Frequency Identification » ou « radio-identification »). Dans la suite de la description, on considère le domaine des applications RFID à titre d'exemple. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Le blindage magnétique d'une antenne pose un problème important à résoudre, qui est celui de garantir la performance de l'antenne en émission et en réception lorsque celle-ci est placée près d'un matériau conducteur massif. L'exemple typique d'une antenne nécessitant un blindage magnétique est celui des applications RFID, le système comprenant une étiquette (« tag ») et un lecteur. L'étiquette est composée d'une antenne RFID et d'une puce dans laquelle sont stockées des informations à lire grâce au lecteur qui interroge l'antenne. Lorsque, comme illustré sur la figure 1, cette antenne 10 est placée à proximité d'un matériau conducteur massif tet que le plan métallique 11, par exemple le plan de masse d'une carte électronique, le boitier d'une batterie..., celui-ci, en raison de son caractère conducteur et de son épaisseur, est le siège de courants induits qui perturbe le signal émis ou reçu par l'antenne. Il est nécessaire de réaliser un blindage 12 de l'antenne purement magnétique, qui va guider les lignes de champ de façon à masquer le plan métallique pour que l'antenne conserve un bon rapport signal sur bruit. Le matériau utilisé doit présenter une forte perméabilité réelle et une masse minimale pour ne pas alourdir le dispositif, soit un rapport I.J.'/d maximal, V étant la perméabilité réelle et d la densité du matériau. Les pertes magnétiques qui conduisent à une absorption doivent être limitées et s'expriment au travers de la perméabilité imaginaire u.". Le rapport Q =u71.J." (f), appelé facteur de qualité, doit être maximal à la fréquence de fonctionnement de l'antenne. Les matériaux actuels présentent les performances et inconvénients suivants. Les ferrites frittés sont traditionnellement de bons matériaux pour un blindage magnétique. Ils présentent des niveaux élevés de perméabilité et un bon facteur de qualité. Cependant, ils sont trop rigides pour des applications d'étiquetage souple, par exemple pour une identification de bouteilles de vin,... et trop lourds pour des applications de type téléphonie mobile. Les tôles laminées de type mumétal sont couramment utilisées pour réaliser un blindage magnétique à des fréquences très basses, par exemple de l'ordre de 100 kHz. Aux radiofréquences de l'ordre de 10 MHz, les épaisseurs minimales accessibles par le procédé de production de ces tôles sont trop importantes et leur confèrent un caractère conducteur massif similaire à celui d'un plan de masse. De nouveaux matériaux sont donc nécessaires pour cette application. Les composites magnétiques à base de poudres et charges de formes diverses, par exemple des plaquettes, fibres,... dispersées dans une matrice électriquement isolante réalisée en polymères, élastomères,... ont des niveaux de perméabilité magnétique faibles, typiquement I.J.' compris entre 10 et 20. De meilleures performances magnétiques, jusqu'à 12=50, peuvent être atteintes en augmentant la fraction volumique de poudre, mais cela réduit la flexibilité du matériau et augmente sa réflectivité. L'invention a pour objet de résoudre un tel problème technique. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention concerne un blindage magnétique d'antenne utilisant un composite à base de couches minces magnétiques, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs films composés chacun d'une couche mince magnétique d'épaisseur comprise entre 1 et 10 um déposée sur un substrat isolant électrique souple d'épaisseur comprise entre 1 et 100 um, ces films étant assemblés en un ensemble multicouche pour former un feuillet d'épaisseur comprise entre 10 et 1000 um. Selon la conception de l'antenne, les propriétés magnétiques du feuillet peuvent être rendues avantageusement isotropes en alternant l'orientation de l'aimantation des films magnétiques. La réalisation de la couche magnétique peut se faire en utilisant des technologies variées : « Physical Vapor Deposition » ou « dépôt physique en phase vapeur » (pulvérisation cathodique, évaporation, ablation laser...), « Chemical Vapor Deposition, électrodéposition » ou « dépôt chimique en phase vapeur », dépôt par voie sol-gel, ou tout type de procédé permettant de fabriquer une couche mince magnétique. Le substrat isolant électrique souple peut être un substrat polymère. Les films magnétiques peuvent être séparés par des couches de colle. Le substrat peut être un substrat auto-adhésif. Le substrat peut être un substrat thermoscellable. Dans un exemple de réalisation les couches magnétiques sont des couches ferromagnétiques de CoZrPt déposées sur un substrat souple en poly- téréphtalate d'éthylène. Les films magnétiques sont assemblés avec des couches de colle polyester, ou thermo-scellés par pressage à chaud. L'invention concerne également une antenne comprenant un tel blindage, notamment dans le domaine des applications RFID. Les principaux avantages de l'invention sont les suivants : - Elle permet d'obtenir de bonnes performances de blindage magnétique aux fréquences de fonctionnement des antennes. - Elle permet de conserver une bonne souplesse mécanique, qui est requise notamment pour un étiquetage souple. - Elle est basée sur des techniques de fabrication éprouvées (dépôt de couches minces). - Elle repose sur l'emploi de films polymères souples déjà employés dans la filière étiquetage. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 illustre le principe du blindage magnétique entre une antenne émettrice/réceptrice et un plan de masse. La figure 2 illustre le blindage magnétique de l'invention. Les figures 3A et 3B illustrent le blindage magnétique de l'invention, respectivement avec un feuillet à perméabilité anisotrope et avec un feuillet à perméabilité isotrope. La figure 4 illustre une première variante du blindage magnétique de l'invention. La figure 5 illustre une seconde variante du blindage magnétique de l'invention. La figure 6 illustre la comparaison des performances des feuillets isotropes ou anisotropes par rapport à des matériaux magnétiques commerciaux pour le blindage magnétique selon l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Le blindage magnétique de l'invention comprend des films magnétiques 22 formés chacun d'une couche mince magnétique 20 d'épaisseur t, comprise entre 1 et 10 um déposée sur un substrat isolant électrique souple 21 d'épaisseur tp comprise entre 1 et 100 um. On appelle ainsi « film magnétique » 22 un ensemble substrat + couche magnétique. Un nombre N (N entier supérieur à 1) de films sont ensuite assemblés en multicouche pour former un feuillet 23 d'épaisseur tp comprise entre 10 et 1000 um, illustré sur la figure 2. La couche magnétique possède une perméabilité réelle importante, typiquement supérieure à 500, à la fréquence de fonctionnement, par exemple 13,56 MHz. La perméabilité du feuillet p.F s'exprime en fonction de la perméabilité de la couche magnétique um selon la formule : i1r=1+(iim-1)* N*tc/ tF Le feuillet a un facteur de qualité Q=12F/u."F supérieur à 30. La fraction volumique, qui est le rapport du volume de matière magnétique par rapport au volume du feuillet, est supérieure à 8%. Le niveau de perméabilité du feuillet est ainsi supérieur à 40. L'alternance de matériaux magnétiques et isolants permet de limiter le niveau de réflectivité du composite, qui est le principal inconvénient à l'emploi d'une monocouche épaisse de type u-métal. La perméabilité de couches minces magnétiques est généralement anisotrope: elle est maximale dans une direction du plan de la couche et proche de 1 dans une direction orthogonale à celle-ci. L'orientation 30 de l'aimantation des films magnétique 22 peut être alternée de manière à obtenir un feuillet 23 à perméabilité isotrope, comme illustré sur la figure 3. La réalisation de la couche magnétique peut se faire en utilisant des technologies variées : « Physical Vapor Deposition » (pulvérisation cathodique, évaporation, ablation laser...), « Chemical Vapor Deposition », électrodéposition, dépôt par voie sol-gel, ou tout type de procédé permettant de fabriquer une couche mince magnétique..., sur des substrats polymères : poly-téréphtalate d'éthylène, polyester, polyéthylène, polyimide.... La flexibilité du composite dépend de la fraction volumique en dépôt magnétique, et des propriétés mécaniques intrinsèques (modules d'Young) des constituants. On privilégie les matériaux à faible module d'Young pour abaisser la rigidité de l'ensemble. L'adhésion des films magnétiques constituant l'assemblage peut se faire soit en insérant de la colle entre chaque couche, soit avec un substrat auto-adhésif, soit avec un substrat thermo-scellable. Ce type de composite a déjà été proposé dans des géométries différentes d'arrangement des films magnétiques, avec des fonctionnements différents. Dans la demande de brevet FR 2698479, un composite réalisé à partir de films magnétiques est utilisé pour des applications hyperfréquences (100 MHz-10 GHz). Les propriétés absorbantes revendiquées dans cette demande, liées à une forte perméabilité imaginaire et à une faible perméabilité réelle, ne sont pas adaptées au blindage magnétique de l'invention, pour lequel une perméabilité imaginaire faible et une perméabilité réelle forte sont nécessaires. Dans la demande de brevet WO 01/47064, on propose une antenne fonctionnant avec un composite anisotrope élaboré à partir de films magnétiques. Cette antenne est une antenne de télécommunications, conçue avec un plan de masse et un élément radiatif. Elle fonctionne à des fréquences plus élevées que 100 MHz, supérieures à celles pour lesquelles le blindage magnétique est opérationnel, dans laquelle on exploite la haute impédance du composite comme substrat, placé sur le plan de masse. Les films magnétiques le constituant sont alors perpendiculaires au plan de masse, alors que dans l'invention, les films magnétiques sont à proximité de l'élément radiatif pour guider ces lignes de champ, la présence possible d'un plan de masse à proximité de l'antenne étant un inconvénient auquel l'invention permet de remédier. Dans une première variante du dispositif de l'invention, illustrée sur la figure 4, on utilise une couche mince ferromagnétique de CoZrPt d'épaisseur 1.6 um déposée sur un substrat souple en poly-téréphtalate d'éthylène de 6 um d'épaisseur formant un film magnétique. La perméabilité réelle de la couche ferromagnétique à 10MHz est de 570. La perméabilité imaginaire est de 10. L'assemblage est réalisé avec une couche 31 de colle polyester d'épaisseur 2u.m. Le feuillet est composé de 10 films magnétiques. Il présente un facteur de qualité de 57 associé à une perméabilité réelle de 98 dans sa version anisotrope et un facteur de qualité de 58 associé à une perméabilité réelle de 49 dans sa version isotrope. Dans une seconde variante du dispositif de l'invention, illustrée sur la figure 5, on utilise une couche mince ferromagnétique de CoZrPt d'épaisseur 1.6 um déposée sur un substrat souple polyéthylène de 6 um d'épaisseur formant un film magnétique. La perméabilité réelle de la couche ferromagnétique à 10 MHz est de 570. La perméabilité imaginaire est de 10. L'assemblage est thermo-scellé par pressage à chaud. Le feuillet est composé de 10 films magnétiques. Il présente un facteur de qualité de 57 associé à une perméabilité réelle de 121 dans sa version anisotrope et un facteur de qualité de 58 associé à une perméabilité réelle de 61 dans sa version isotrope. La figure 6 illustre les performances de ces matériaux en tenant compte du facteur de qualité Q et du ratio de la perméabilité du composite par sa densité. Des solutions commerciales actuelles de blindage magnétique pour RFID sont ajoutées à titre de comparaison. Sur cette figure sont ainsi représentés un ferrite commercial 40, un composite magnétique commercial 41, de feuillets anisotropes 42 et des feuillets isotropes 43. Les versions isotropes ou anisotropes des feuillets magnétiques supplantent les solutions commerciales. REVENDICATIONS1. Blindage magnétique d'antenne utilisant un composite à base de couches minces magnétiques, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs films (22) composé chacun d'une couche mince magnétique d'épaisseur comprise entre 1 et 10 um déposée sur un substrat isolant électrique souple d'épaisseur comprise entre 1 et 100 um, ces films étant assemblés en un ensemble multicouche pour former un feuillet d'épaisseur comprise entre 10 et 1000 um. 2. Blindage magnétique selon la revendication 1, dans lequel l'orientation (30) de l'aimantation des films magnétique (22) est alternée. 3. Blindage magnétique selon la revendication 1, dans lequel les dépôts magnétiques sont réalisés en utilisant l'une des technologies suivantes : dépôt physique en phase vapeur (pulvérisation cathodique, évaporation, ablation laser...), dépôt chimique en phase vapeur, électrodéposition, dépôt par voie sol-gel, ou tout type de procédé permettant de fabriquer une couche mince magnétique. 4. Blindage magnétique selon la revendication 1, dans lequel le substrat isolant électrique souple est un substrat polymère. 5. Blindage magnétique selon la revendication 1, dans lequel les films magnétiques sont séparés par des couches de colle (31). 6. Blindage magnétique selon la revendication 1, dans lequel le substrat (21) est un substrat auto-adhésif. 7. Blindage magnétique selon la revendication 1, dans lequel le substrat est un substrat thermoscellable.30 8. Blindage magnétique selon la revendication 1, dans lequel les couches magnétiques (20) sont des couches ferromagnétiques de CoZrPt déposées chacune sur un substrat souple en poly-téréphtalate d'éthylène. 9. Blindage magnétique selon la revendication 8, dans lequel les films magnétiques sont assemblés avec des couches de colle polyester. 10. Blindage magnétique selon la revendication 8, dans lequel les films magnétiques sont thermo-scellés par pressage à chaud. 11. Antenne comprenant un blindage magnétique selon l'une quelconque des revendications précédentes. 12. Antenne selon la revendication 11, qui est utilisée dans le domaine des applications RFID.