Brevet FR3058272A1 — publié le 20180504

Antenne à fréquence de résonance ajustable, et son procédé de fabrication L'invention concerne l'ajustement de la fréquence de résonance des 5 antennes qui sont utilisées pour des objets portables communicants tels que les cartes à puce à fonctionnement sans contact et les passeports électroniques, et plus spécifiquement les antennes d'amplification dites « booster » en terminologie anglo-saxonne et qui font l'interface d'un point de vue électromagnétique entre l'antenne du module électronique de la carte à puce ou du passeport électronique, et l'antenne 10 d'un lecteur permettant de communiquer avec l'objet portable communiquant. Etat de la technique Il existe déjà dans l'état de la technique, une antenne « booster » constituée 15 de deux antennes situées dans le corps d'une carte à puce, à savoir une antenne au format normalisé, dite antenne ID1, destinée à être couplée électro magnétiquement avec un lecteur externe, et une antenne de concentrateur (encore désignée plus simplement comme le concentrateur) proche du format d'un module électronique pour carte à puce, disposée dans le corps de carte ou sur une page de couverture 20 d'un livret de passeport électronique. Cette antenne de concentrateur est destinée à être couplée électro magnétiquement avec l'antenne du module microélectronique, et elle est connectée directement avec l'antenne ID1. Un réseau de capacités en parallèle ajustables et connectées en série ou en parallèle avec les deux antennes précitées permet de faire résonner l'ensemble du 25 système d'antennes à une fréquence de fonctionnement déterminée. Le système d'antennes précité est couplé électro magnétiquement à un module électronique, comportant lui aussi une antenne, qui est disposée à la périphérie du module électronique et appelée antenne du module, qu'il s'agisse par exemple du module électronique d'une carte à puce sans contact, ou de celui d'un 30 passeport électronique. La performance du système d'antennes est sensible à sa fréquence de résonance qui dépend de son inductance et du réseau de capacités ajustables utilisé. 3058272 On peut donc être amené à ajuster la fréquence de résonance du système d'antennes en fonction de l'application visée, de la puce utilisée sur le module électronique, ou encore pour résoudre des problématiques d'industrialisation. Il y a donc un intérêt fort, dans le cas des antennes pour cartes à puce à 5 fonctionnement sans contact ou à fonctionnement mixte par contact et sans contact, de trouver des moyens d'ajuster finement la fréquence de résonance du système d'antennes du corps de carte. Or la fréquence de résonance d'une antenne est du type fo = 2iryLe où L représente l'inductance de l'antenne, et C sa capacité. 10 La fréquence de résonance des antennes utilisées pour une gamme de cartes à puce sans contact est en principe fixe, pour une valeur d'inductance et de capacité donnée. Mais en pratique, les composants de l'antenne, en particulier la valeur de la capacité équivalente C, sont amenées à dériver quelque peu lors du processus de 15 fabrication des antennes. Ainsi, les antennes sont en général fabriquées à partir de rouleaux de feuilles métalliques séparées par un diélectrique, et les spires des antennes sont gravées lors du processus de fabrication. Puis les antennes sont individualisées par découpe à partir d'un rouleau. Un tel rouleau comporte fréquemment des milliers d'antennes. Or, du fait du 20 processus de fabrication, l'épaisseur du diélectrique peut varier lentement et dans de très faibles proportions, mais suffisamment pour faire varier la capacité équivalente des antennes, qui peut dériver à mesure qu'on déroule le rouleau d'antennes. Or une infime variation de la capacité entraine une dérive progressive de la fréquence de résonance des antennes, ce qui peut amener la fréquence de 25 résonance en-dehors de la fourchette admise par le client. Cela peut nécessiter des étapes supplémentaires de fabrication pour ramener la fréquence de résonance dans la plage acceptable, et donc des coûts supplémentaires, soit chez le fournisseur d'antenne, soit chez son client. En pratique, il est connu de procéder à des ajustements de la capacité par 30 découpe laser de portions métalliques, mais cela ne peut que réduire la capacité, et donc ne permet que de corriger la fréquence de résonance dans le sens de la hausse. 3058272 Buts de l'invention Un but général de l'invention est par conséquent de proposer une structure 5 d'antenne, notamment pour le corps d'une carte à puce sans contact ou pour un passeport électronique, qui soit dépourvue des inconvénients précités. Un autre but de l'invention est de proposer un procédé de fabrication d'antennes permettant un ajustement aisé de la fréquence de résonance pour atteindre de façon très précise une fréquence de résonance cible, pour un grand 10 nombre d'antennes fabriquées en série, et ce avec un minimum d'opérations d'ajustement. Résumé de l'invention 15 Selon le principe de l'invention, l'antenne étant constituée d'un circuit RLC série ou parallèle dont la fréquence de résonance est donnée par la formule fo = 2ityLC- 1,_ , on prévoit plusieurs capacités sur le circuit, connectées en série ou en parallèle pour constituer une capacité équivalente C, puis on met certaines de ces capacités en court-circuit de façon sélective directement sur la chaine de fabrication 20 des antennes, en fonction de l'évolution de la fréquence de résonance fo mesurée sur cette chaine de fabrication. Là où l'état de la technique prévoit de supprimer des capacités par découpe laser, ce qui revient à les remplacer par un circuit ouvert, l'invention prévoit au contraire de court-circuiter telle ou telle capacité unitaire dans le circuit. La mise en 25 court-circuit est réalisée par une méthode dite de "crimping" en terminologie anglo-saxonne. Il est connu d'utiliser cette méthode de « crimping » pour réaliser un pont permettant de ramener physiquement l'extrémité d'une inductance formée de spires au voisinage de son début, le pont permettant de passer au-dessus des spires sans les croiser. 30 D'un point de vue physique, un "crimp" consiste à connecter électriquement deux couches métalliques séparées par un diélectrique. La connexion est obtenue par déformation des couches à l'aide d'un outil approprié. Cette opération entraine 3058272 un court-circuit définitif et non démontable des deux faces de métal en regard séparées par le diélectrique. L'invention utilise de façon innovante cette opération de crimping, pour court-circuiter certaines capacités d'une antenne, afin d'ajuster sa fréquence de résonance. Selon un mode de réalisation, la capacité globale C de l'antenne est configurée sous la forme d'une capacité principale connectée en parallèle de capacités secondaires elles-mêmes connectées en série, et le crimping court-circuite une ou plusieurs mais pas toutes les capacités séries et a pour effet d'augmenter la capacité globale C et ainsi faire baisser la fréquence de résonance. Selon un autre mode de réalisation, la capacité C est constituée seulement de capacités en série et le crimping court-circuite une ou plusieurs mais pas toutes les capacités en série et a pour effet d'augmenter la capacité globale C. Selon un autre mode de réalisation, la capacité C est constituée de capacités en série, elles même connectées en parallèle d'autres capacités en série, et le 15 crimping court-circuite une ou plusieurs mais pas toutes les capacités, et il a encore pour effet d'augmenter la capacité globale C. L'invention permet d'ajuster finement la capacité de l'antenne en partant d'une valeur de capacité faible pour arriver à une valeur de capacité plus élevée, ce qui correspond à une diminution de la fréquence de résonance. 20 Ainsi, l'invention a pour objet une antenne pour carte à puce à fonctionnement sans contact, composée d'un circuit résonant de type RLC série ou parallèle comportant une capacité totale C, une inductance totale L, une résistance série R, et une fréquence de résonance fo donnée par la formule f = 27-WW1 ' la capacité C étant constituée par plusieurs capacités unitaires formées par des 25 placards métalliques disposés de part et d'autre d'une couche de matériau diélectrique, et les capacités unitaires étant connectées entre elles en série ou en parallèle, caractérisé en ce qu'au moins certaines des capacités unitaires mais pas toutes comportent un "crimp" mettant de façon sélective lesdites capacités unitaires en court-circuit pour obtenir un ajustement de la capacité totale C d'une valeur 30 prédéterminée, de façon à rapprocher la fréquence de résonance de l'antenne d'une fréquence de résonance fo cible. 3058272 Selon un mode de réalisation avantageux, la capacité totale C comporte une capacité principale (Cp) connectée en parallèle avec au moins deux capacités secondaire (C51) connectées en série, et au moins l'une desdites capacités secondaires (C51) comporte un crimp, de sorte que la valeur de la capacité totale C 5 soit supérieure à celle d'origine. De préférence, les valeurs desdites capacités secondaires (Cs1) sont choisies pour que chaque capacité secondaire mise en court-circuit corresponde à la réduction de la fréquence de résonance fo d'une valeur prédéterminée. De cette manière, un choix judicieux des valeurs de capacités permet de 10 court-circuiter simplement telle ou telle capacité unitaire pendant le processus de fabrication en série des antennes, et permet par conséquent d'ajuster la fréquence de résonance par paliers de valeurs prédéterminés. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une antenne pour carte à puce comprenant des étapes consistant à: - approvisionner une feuille de matériau diélectrique revêtue de part et d'autre d'une couche métallique; - réaliser par gravure chimique ou laser des spires métalliques et des placards métalliques situés en regard de part et d'autre de ladite couche de matériau diélectrique de manière à former un ensemble de capacités unitaires (Cp, C51) connectées entre elles en série ou en parallèle et présentant une capacité équivalente C correspondant à la fréquence de résonance fo de ladite antenne; - le procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape consistant à aménager sur au moins certaines des capacités unitaires mais pas toutes, des "crimps" permettant de court-circuiter une ou plusieurs capacités unitaires de manière à ajuster la fréquence de résonance vers une fréquence de résonance cible. De préférence, ladite feuille de matériau diélectrique est un rouleau permettant de réaliser des antennes en continu, et le procédé comporte des étapes consistant à: - mesurer la fréquence de résonance des antennes en continu ou par périodes au cours de leur fabrication, et 3058272 - en fonction du résultat de la mesure, mettre certaines des capacités unitaires en court-circuit, en fonction de la correction nécessaire de la valeur courante de la fréquence de résonance, pour obtenir une fréquence de résonance plus proche de la fréquence de résonance cible. 5 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée et des dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 rappelle le schéma équivalent d'une antenne classique sans moyen d'ajustement de la fréquence de résonance ; 10 - la figure 2 illustre le schéma équivalent d'un réseau de capacités d'une antenne connue, ledit réseau étant pourvu de capacités d'ajustement connectées en parallèle pour permettre un ajustement de la fréquence de résonance de l'antenne; - la figure 3 illustre un mode de réalisation connu du réseau de capacités de la figure 2; 15 - les figures 4A et 4B illustrent en vue en coupe une capacité, respectivement avant et après une opération de "crimping"; - la figure 5 représente une vue en plan d'une antenne pour carte à puce sans contact, pourvue de plusieurs capacités et de plusieurs zones de crimp prédéterminées, conformément à l'invention; 20 - la figure 6 représente le schéma électrique équivalent de l'antenne de la figure 5. - La figure 7 représente une vue en plan d'une antenne pour carte à puce sans contact, pourvue d'un autre réseau de capacités et de plusieurs zones de crimp prédéterminées, conformément à l'invention; 25 - la figure 8 représente le schéma électrique équivalent de l'antenne de la figure 7. Description détaillée On se réfère à la figure 1. On a représenté dans cette figure le schéma 30 électrique typique d'une antenne 1 constituée par un circuit RLC composé d'une résistance 2 de valeur R, d'une capacité 4 de valeur C et d'une ou plusieurs 3058272 inductances 3 de valeur équivalente L, connectées en série. De façon bien connue, cette antenne possède une fréquence de résonance fixe fo = 2rriT,C. Pour les raisons évoquées plus haut tenant à la nécessité dans certains cas de pouvoir ajuster la fréquence de résonance, on connaît des antennes dont la capacité 5 C est conçue pour être variable par paliers, comme celle représentée en figure 2. Pour cela, la capacité 4 de valeur C est constituée d'une capacité principale Cp et d'un ensemble de capacités secondaires C51, Cs, toutes connectées en parallèle. La capacité totale initiale avant ajustement vaut alors C = Cp + C51 + + Cs,. La déconnexion d'une ou de plusieurs des capacités secondaires permet alors d'ajuster 10 la capacité totale en fonction des besoins pour rapprocher la fréquence de résonance fo d'une valeur cible. Cette déconnexion peut se faire de plusieurs manières en pratique. La figure 3 représente un mode de réalisation typique d'une capacité 4 telle que celle schématisée en figure 2. Elle est constituée de deux armatures 6, 8 placées 15 en regard l'une de l'autre et séparées par un diélectrique (non représenté) de façon à former une capacité. L'armature supérieure 6 comporte un placard métallique principal ap et une pluralité de placards métalliques secondaires a1, a2, etc... connectés les uns aux autres par une ligne conductrice 7. Le placard principal ap forme avec l'armature inférieure 8 une capacité principale Cp. Les placards 20 secondaires a1, a2 etc. forment avec l'armature 8 des capacités secondaires Csi, C52 etc, qui sont toutes connectées en parallèle aux bornes A,B de la capacité principale Cp. Comme on le voit, la coupure Os réalisée par laser dans la ligne conductrice 7 de connexion des placards métalliques, permet de déconnecter toutes les capacités élémentaires situées derrière elle (c'est à dire celles à droite de Os dans la figure), et 25 le choix de la localisation de la coupure Os permet donc de choisir le nombre de capacités secondaires qui restent connectées et par conséquent d'ajuster la capacité résiduelle. L'ajustement de fréquence décrit plus haut se fait donc par coupure laser de connexions, cette coupure n'étant pas réalisée par le fabricant de l'antenne mais par 30 un tiers avant la réalisation du produit final tel qu'une carte à puce sans contact. Il serait plus efficace d'effectuer l'ajustement de fréquence des antennes directement sur la chaine de fabrication des antennes. 3058272 Ainsi, pour pallier aux inconvénients précités et éviter d'avoir à faire des ajustements de capacité par laser, l'invention propose une antenne avec plusieurs capacités qui peuvent être mises en court-circuit de façon sélective en fonction de l'évolution de la mesure de capacité globale sur la chaine de fabrication des 5 antennes. Selon l'invention, on utilise des crimes pour court-circuiter telle ou telle capacité, comme schématisé en figure 4. La figure 4A représente en coupe les armatures ap, bp, de part et d'autre d'un diélectrique d, d'une capacité principale Cp connectée en parallèle avec trois capacités secondaires Q1, Qz, Cs3 connectées en 10 série. Les armatures des capacités secondaires Cs; sont notées as, i étant compris entre 1 et 3. La figure 4B représente les mêmes capacités, mais après que les armatures des capacités Cs1 et Cs2 aient été mises en court-circuit par des crimps Cri et Cr2. En figure 5 on a représenté un exemple d'antenne 10 en vue de dessus 15 comprenant le réseau de capacités de la figure 4B. Elle comporte une antenne principale de grande taille dont les spires 10a ont une dimension proche de la taille de la carte sans contact, typiquement au format dit ID1. Cette antenne principale 10a est en série avec une antenne concentrateur 10b qui est destinée à être placée en face de l'antenne du module microélectronique (non représenté) de la carte à 20 puce. L'antenne concentrateur 10b comporte une première zone de crimp notée crimp 0 (Cro) servant de pont entre l'antenne principale 10a et l'antenne concentrateur 10b. L'antenne principale 10a comporte en série avec ses spires, une capacité C formée par une capacité principale Cp en parallèle de plusieurs, en l'occurrence 3 capacités secondaires Q1, Qz, Cs3 en série. Chacune de ces capacités 25 secondaires peut comporter un crimp, noté Cri, Cr2, Cri. En l'occurrence, comme représenté, les capacités Q1 et Cs2 ont été mises en court-circuit par des crimps Cri et Cr2. Comme on le voit sur la figure 6 qui correspond au schéma électrique équivalent de l'antenne de la figure 5, l'utilisation d'un crimp donné permet de court- 30 circuiter la capacité qui le porte, ce qui permet d'ajuster à la volée la capacité équivalente de l'antenne et donc sa fréquence de résonance. En l'occurrence les crimps Cri, Cr2 sont représentés sous la forme d'interrupteurs fermés, court-circuitant 3058272 respectivement les capacités Cs1 et Cs2. La capacité restante C est donc constituée par les capacités Cp et Cs3 en parallèle, de valeur Cp + Cs3. Il résulte de cette disposition des placards de capacités Cp, Cs1, Cs,, un ensemble de possibilités de mise en court-circuit des capacités secondaires par la 5 technique du crimp, ce qui permet d'ajuster à la hausse la capacité globale C à une valeur correspondant à la fréquence de résonance fo cible. La valeur de la capacité globale C dans l'exemple représenté où i = 3, peut s'exprimer à l'aide de la formule suivante : C = cp +1 crin avec Cm prenant la valeur 0 si le crimp est présent et en la valeur 1 si le crimp est absent et Cn la valeur de la capacité exprimée en Farad. 10 Les figures 7 et 8 correspondent à une variante de réalisation dans laquelle la capacité globale C est organisée selon deux groupes, connectés en parallèle, de capacités élémentaires Ce, (i allant de 1 à 6) en série. Les capacités Ce, sont représentées avant toute opération de mise en court-circuit par crimp. Le principe de mise en court-circuit de certaines capacités élémentaires pour ajuster la fréquence 15 de résonance de l'antenne, est le même que précédemment. Avantages de l'invention En définitive, l'invention permet d'atteindre les buts fixés. L'ajustement de capacité par "crimp" directement sur la chaine de fabrication 20 des antennes et en fonction de l'évolution de la fréquence de résonance des antennes successives, permet de supprimer les étapes ultérieures d'ajustement de capacité par découpe laser chez le client intégrateur de l'antenne. Il en résulte une meilleure efficacité du procédé de fabrication des antennes, une meilleure conformité avec la fréquence de résonance cible, et des coûts de 25 fabrication plus faibles que ceux de l'état de la technique. REVENDICATIONS1. Antenne (10) pour carte à puce à fonctionnement sans contact, composée d'un circuit résonant de type RLC série ou parallèle comportant une capacité totale C, une inductance totale L, une résistance série R, et une fréquence de résonance fo donnée par la formule fo= 21cvLC- la capacité C étant constituée par plusieurs capacités unitaires (Cg, Cs; ; Ce') formées par des placards métalliques disposés de part et d'autre d'une couche de matériau diélectrique (d), et les capacités unitaires étant connectées entre elles en série ou en parallèle, caractérisée en ce qu'au moins certaines des capacités unitaires mais pas toutes comportent un "crimp" (Cr;) mettant de façon sélective lesdites capacités unitaires en court-circuit pour obtenir un ajustement de la capacité totale C d'une valeur prédéterminée, de façon à rapprocher la fréquence de résonance de l'antenne (10) d'une fréquence de résonance fo cible. 2 - Antenne (10) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la capacité globale C comporte une capacité principale (Ce) connectée en parallèle avec une ou plusieurs capacités secondaires (Cs;) connectées en série, et en ce qu'au moins l'une desdites capacités secondaires (QI mais pas toutes, est court-circuitée par un crimp (Cr;), de façon à augmenter la capacité globale C et ainsi faire baisser la fréquence de résonance fo. 3 - Antenne (10) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la capacité globale C est constituée de capacités élémentaires (Ce;) en série, et en ce qu'au moins l'une desdites capacités en série (Ce;), mais pas toutes, est court-circuitée par un crimp, de façon à augmenter la capacité globale C et ainsi faire baisser la fréquence de résonance fo. 4 - Antenne (10) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la capacité globale C est constituée de capacités élémentaires en série, elles même connectées 30 en parallèle avec d'autres capacités élémentaires en série, et en ce qu'au moins l'une desdites capacités élémentaires en série ou en parallèle, mais pas toutes, est court- 11 3058272 circuitée par un crimp, de façon à augmenter la capacité globale C et ainsi faire baisser la fréquence de résonance fo. 5 - Antenne (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en 5 ce que les valeurs desdites capacités (Ce; ; Cs;) sont choisies pour que leur mise en court-circuit corresponde à la réduction de la fréquence de résonance fo d'une valeur prédéterminée. 6 - Procédé de fabrication d'une antenne (10) pour carte à puce comprenant 10 des étapes consistant à: - approvisionner une feuille de matériau diélectrique revêtue de part et d'autre d'une couche métallique; - réaliser par gravure chimique ou laser des spires métalliques et des placards métalliques situés en regard de part et d'autre de ladite couche de matériau 15 diélectrique de manière à former un ensemble de capacités unitaires (Cg, Csi ; Ce;) connectées entre elles en série ou en parallèle et présentant une capacité équivalente C correspondant à la fréquence de résonance fo de ladite antenne, - caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape consistant à aménager sur certaines des capacités unitaires un court-circuit sous la forme d'un crimp, de 20 manière à ajuster la fréquence de résonance de l'antenne vers une fréquence de résonance cible. 7 - Procédé de fabrication selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite feuille de matériau diélectrique est un rouleau permettant de réaliser des 25 antennes en continu, et en ce qu'il comporte des étapes consistant à: - mesurer la fréquence de résonance des antennes en continu ou par périodes au cours de leur fabrication, et - en fonction du résultat de la mesure, mettre certaines des capacités unitaires en court-circuit, en fonction de la correction nécessaire de la valeur 30 courante de la fréquence de résonance, pour obtenir une fréquence de résonance plus proche de la fréquence de résonance cible.