Transpondeur miniature et système d/ identification comportant un tel transpondeur et un lecteur adapté.

La présente invention concerne un transpondeur miniature et un système d' identification comportant un tel transpondeur et un lecteur adapté, fonctionnant selon la technologie d'identification par radio fréquence, appelée technologie RFID (de l'anglais : Radio Frequency Identification) . Un système d' identification RFID est composé du transpondeur et d'un ensemble de lecture/écriture nommé « lecteur » permettant d'assurer des échanges de données avec le transpondeur par ondes radio. De manière générale, un transpondeur comporte un circuit électronique, ou « puce », apte à recevoir, stocker et/ou transmettre des données, dont la communication avec le lecteur est assurée via une antenne connectée à la dite puce. L'énergie nécessaire au fonctionnement de la puce est fournie au transpondeur par le lecteur, qui comporte à cet effet une antenne d'émission apte à fournir cette énergie et à transmettre des données au transpondeur, et une antenne de réception apte à recevoir les données fournies par le transpondeur. Les transpondeurs visés par l'invention sont plus particulièrement, mais non limitativement, destinés à des applications telles que l'identification d'animaux et, à cette fin, destinés à être implanté dans le corps d'un animal, généralement à proximité directe sous sa peau. Le système selon l'invention est ainsi notamment destiné à assurer l'identification des très petits animaux tels que souris, xénopes, poissons de petite dimension, etc. Le transpondeur doit alors être de très faibles dimensions et intégré dans une capsule en verre hermétique ou autre matériau bio compatible permettant ainsi son implantation in vivo.

Le système peut toutefois être aussi utilisé en vue de l'identification à distance de tout autre objet ou élément ne pouvant intégrer des transpondeurs existants

de plus fort encombrement, pour des raisons d'encombrement disponible, de discrétion, de compatibilité dimensionnelle, etc.

On connaît déjà de tels systèmes dont la réalisation est basée sur la technologie RFID fonctionnant à des fréquences inférieures à 1 MHz, généralement au voisinage de 125 KHz, ou de quelques centaines de KHz tout au plus, comme indiqué dans FR- 2726926 ou EP-258415. Le transpondeur est constitué d'un bobinage de plusieurs centaines de spires d'un fil isolé bobiné sur un barreau de ferrite et relié à une puce RFID. De tels transpondeurs sont notamment décrits dans US-5025550, FR2736240, WO-92/22827, US-5963132, WO- 8704900, CA-2478975, US-5281855. Du fait notamment du grand nombre requis de spires du bobinage, le transpondeur une fois encapsulé dans une capsule en verre de forme cylindrique a un encombrement extérieur minimum de l'ordre de 2 mm de diamètre et 8 mm de longueur. De plus, dans les deux derniers documents cités ci-dessus, les connexions entre l'antenne et la puce utilisent des moyens de câblage intermédiaires, tels que circuit imprimé ou plages de connexion, dont l'encombrement minimal inévitable ne permet pas de réduire suffisamment l'encombrement général du transpondeur .

Dans le cadre des applications particulièrement visées par la présente invention, ces dimensions restent trop importantes et il est souhaitable de pouvoir les réduire le plus possible. Par ailleurs, cette miniaturisation du transpondeur pose des problèmes pour assurer une bonne communication entre le lecteur et le transpondeur, et requiert notamment une puissance d'émission, et donc une intensité du champ magnétique émis par le lecteur, relativement forte pour assurer le fonctionnement du transpondeur. Par contre, les signaux

émis en retour par le transpondeur sont de faible puissance et en conséquence le lecteur doit être très sensible en réception, ce qui pose des problèmes de sélectivité du fait de sa forte puissance en émission. Les technologies connues ne permettent pas d' obtenir des transpondeurs compatibles avec les applications visées ci-dessus, tenant compte notamment des très petites dimensions recherchées pour le transpondeur et de la distance de lecture minimale imposée par la non accessibilité directe de celui-ci.

La présente invention a pour but de résoudre ces problèmes, et vise en particulier à fournir un transpondeur de très petites dimensions apte notamment à être facilement intégré en sous-cutané dans un animal ou adapté aisément et discrètement à divers objets. L' invention vise aussi à fournir un système adapté pour travailler avec de tels transpondeurs et notamment elle vise à fournir un lecteur particulièrement adapté à communiquer avec ces transpondeurs miniaturisés.

Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un transpondeur comportant un bobinage de fil conducteur bobiné sur un barreau de forme générale cylindrique en ferrite et connecté à un circuit intégré d' identification par ondes radiofréquences, caractérisé en ce que le bobinage est réalisé en une seule couche de spires non jointives, formées avec un fil non isolé, et le circuit intégré est agencé pour fonctionner à une fréquence supérieure à 10 MHz et il est fixé directement sur le barreau en ferrite de manière à ne pas dépasser du volume cylindrique déterminé par le barreau et le bobinage.

Préférentiellement, la fréquence de fonctionnement du circuit intégré est de 13,56 MHz, cette fréquence étant particulièrement adaptée du fait qu'elle est

disponible dans le spectre des fréquences radio pour une utilisation générale, et déjà couramment utilisée en technologie RFID pour du contrôle d'accès ou des titres de transport par exemple. Le fait de travailler à haute fréquence pour la transmission entre transpondeur et lecteur permet d'utiliser un bobinage n'ayant qu'un nombre de spires très réduit, de quelques dizaines au plus, par exemple une trentaine de spires. Le bobinage peut ainsi être réalisé à spires non jointives, et en conséquence avec un fil fin non isolé, ce qui est impossible dans la technique antérieure qui nécessite un grand nombre de spires obligatoirement en contact les unes avec les autres et en couches superposées. On pourra par exemple utiliser un fil non isolé de diamètre inférieur à 30 μm, en aluminium ou en or, ces métaux présentant de plus l'avantage de faciliter leur soudage sur le circuit intégré. La réalisation du bobinage en une seule couche de spires et l'utilisation d'un tel fil non isolé permet, par l'absence de tout revêtement isolant, de réduire l'encombrement diamétral du bobinage, et donc de l'ensemble du transpondeur, dont le diamètre peut être de moins de 0,7 mm, pour une longueur maximale de 4,5 mm par exemple . Ainsi, lorsque le transpondeur est encapsulé, les dimensions hors tout de la capsule peuvent être inférieures à lmm en diamètre et 6 mm de long.

Selon une disposition préférentielle, le circuit intégré est fixé, par collage ou brasage, sur une surface plane réalisée sur le barreau de ferrite, vers l'une de ses extrémités. Préférentiellement encore, cette surface plane est un méplat formé dans le barreau cylindrique, sensiblement au niveau de son axe et parallèlement à celui-ci. On pourrait aussi réaliser cette surface plane obliquement à l'extrémité du barreau. La fixation du circuit directement sur le barreau permet de supprimer

tout autre support et donc éviter l'encombrement généré par celui-ci. On notera en effet que, pour des raisons de transmission avec le lecteur, le volume et donc la longueur du barreau doit rester suffisante, ce qui autorise l'utilisation d'une extrémité du barreau, dépassant axialement du bobinage, comme support du circuit intégré sans accroître l'encombrement minimal dudit barreau. De plus, il est aussi nécessaire qu'au moins une extrémité du barreau dépasse du bobinage pour pouvoir maintenir le barreau lors de l'opération d'enroulement du fil. Ainsi, il est possible de laisser les deux extrémités du barreau dépasser axialement du bobinage, une extrémité servant de support au circuit intégré et l'autre extrémité servant à la préhension du barreau lors du bobinage. Il est également possible de réaliser le bobinage à proximité directe d'une extrémité du barreau et d'utiliser l'extrémité opposée pour le support du circuit et pour la préhension du barreau, en conservant au besoin une certaine surlongueur du barreau, au-delà de sa surface plane de support du circuit, pour la préhension ou les besoins magnétiques.

De manière avantageuse, le circuit intégré utilisé est fixé sur le barreau à l'envers, c'est à dire avec ses bornes de connexion situées du coté opposé à la surface du barreau sur laquelle le circuit est fixé. Cette disposition permet de s'affranchir de tout intermédiaire de connexion des fils de l'antenne, et ceux ci peuvent ainsi être soudés ou collés directement sur les bornes du circuit. De plus, comme le fil est fin et ne comporte pas d'isolant, il peut être ainsi positionné de manière précise sur les bornes du circuit, et ne nécessite pas de plaques de connexion telles qu'elles seraient nécessaires si le fil de l'antenne était de plus gros diamètre et/ou isolé . On notera encore que pour obtenir ce positionnement précis des fils par rapport aux bornes de connexion du

circuit, le positionnement précis du circuit peut être assuré lors de l'opération de soudage ou collage grâce au fait qu' il est avantageusement prévu que le circuit est fixé sur le barreau de ferrite en débordant au moins légèrement de l'extrémité axiale du dit barreau. De la sorte, lors de l'opération de soudage ou collage, le positionnement précis du circuit peut être assuré en mettant le circuit lui même en butée mécanique contre un repère fixe de la machine de fabrication, et on s'affranchit ainsi des inévitables petits défauts dimensionnels du barreau. Compte tenu des très faibles dimensions des éléments concernés, ceci est un avantage important pour assurer une connexion fiable entre antenne et circuit, en évitant des décalages entre la position des extrémités des conducteurs et celle des bornes du circuit .

Par ailleurs, pour relier au circuit intégré l'extrémité du bobinage qui est situé vers l'extrémité du barreau opposée à celle portant le dit circuit, il est nécessaire de faire passer une portion de retour du fil conducteur selon la direction axiale le long du barreau.

On peut réaliser pour cela un petit méplat s' étendant sur la longueur du barreau, de dimension suffisante pour y placer le fil de retour, passant ainsi à l'intérieur des spires du bobinage, sans que cela ne crée une augmentation de la dimension radiale du bobinage. De plus, pour isoler cette portion de fil conducteur de retour par rapport aux spires, il est prévu de recouvrir la dite portion de fil d'un isolant électrique en couche mince, par exemple colle isolante ou film mince. On peut aussi remplacer le méplat par une rainure ou saignée longitudinale, par exemple de section en V, au fond de laquelle le fil de retour est logé. On peut encore réaliser une rainure étroite, de largeur juste suffisante pour y passer le fil de retour, mais plus profonde, de sorte que fil de retour soit assuré de

ne pas entrer en contact avec les spires, et ainsi qu'il ne soit plus nécessaire de prévoir une couche d' isolation électrique .

On peut aussi faire passer le conducteur de retour au dessus des spires, c'est à dire à l'extérieur des spires. Dans ce cas, les spires sont bobinées de manière à épouser la forme d'un méplat réalisé sur le barreau à cet effet, et un vernis ou résine isolante assure l'isolation électrique entre les spires et le conducteur de retour qui passe au-dessus de celles-ci, au niveau du dit méplat pour ne pas provoquer un encombrement supplémentaire sensible.

Le bobinage à spires non jointives peut être réalisé par des moyens de bobinage utilisés en microélectronique permettant d'assurer l'espacement requis des spires, un vernis pouvant être utilisé pour garantir le positionnement espacé des spires par la suite. On peut aussi réaliser sur le barreau de ferrite une gorge ou un filet de pas et profondeur adaptés pour recevoir les spires du bobinage et assurer leur positionnement et leur isolement relatifs.

De manière classique, le transpondeur est utilisé placé dans une capsule, scellée hermétiquement ou non. Cette capsule peut être en verre ou matière plastique. On peut aussi assurer la protection du transpondeur par un surmoulage en matière plastique, résine, silicone, PVC, etc. réalisé directement autour du transpondeur, ou par une couche extérieure de vernis.

L'invention a aussi pour objet un système d' identification comportant un tel transpondeur et un lecteur adapté, caractérisé en ce que le lecteur comporte une antenne d'émission formée d'un enroulement plan de diamètre prédéterminé et une antenne de réception comportant au moins deux ensembles de fil disposés en spirales planes, chaque ensemble comportant, sensiblement

dans un même plan et adjacentes, deux spirales planes enroulées en sens opposés.

Préférentiellement, l'antenne émission et l'antenne de réception constituant l'élément rayonnant du lecteur sont réalisées par gravage sur le même substrat.

Ces dispositions permettent d'assurer un fonctionnement optimal du lecteur, en permettant d'adapter le niveau d'émission au transpondeur miniature précédemment défini, c'est-à-dire de fournir un niveau d'émission relativement élevé, et les antennes de réception et d'émission étant disposées de manière que l'antenne de réception ne soit pas éblouie par la partie émission, afin de pouvoir discriminer au mieux le signal de réception.

En effet, du fait des petites dimensions du transpondeur, l'intensité du rayonnement émis par le lecteur doit être relativement forte, le champ magnétique ayant typiquement une valeur comprise entre 20 et 30 Ampères/mètre, soit entre 3 et 6 fois supérieur aux lecteurs précédemment connus, permettant de téléalimenter le transpondeur de manière fiable. Mais d'autre part du fait des petites dimensions du transpondeur, les signaux renvoyés par celui-ci sont relativement faibles. La forme géométrique donnée à la gravure des antennes permet de minimiser au niveau de l'antenne de réception les champs électromagnétiques engendrés directement par l'antenne émission, et en conséquence permet de mieux discriminer les signaux provenant du transpondeur.

Le signal émission est généré filtré, adapté et amplifié par l'intermédiaire d'un amplificateur d'une classe au moins C.

Un filtrage passe bande permet filtrer le signal reçu en retour du transpondeur, ce filtrage étant réalisé de manière notamment à ne conserver qu'une bande latérale

du signal reçu, ce qui est suffisant pour obtenir les informations requises en provenance du transpondeur, mais à conserver toute l'énergie contenue dans ladite bande latérale, afin que les informations soient bien lisibles ensuite par le circuit de démodulation.

Au niveau des circuits de réception, les tensions en jeu sont très faibles, et une pré-amplification est donc réalisée avant la démodulation du signal reçu, le circuit amplificateur du lecteur permettant d'amplifier suffisamment le signal émis par le transpondeur pour obtenir une lecture sans erreur des informations dudit transpondeur .

D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va être faite d'un transpondeur conforme à l'invention et de différentes variantes de réalisation .

On se reportera aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective du transpondeur selon l'invention,

- la figure 2 est une vue d'extrémité frontale du transpondeur, avec une vue de détail à échelle agrandie montrant la disposition et l'isolation du fil de retour, - la figure 3 illustre l'intégration du transpondeur dans une capsule en verre hermétiquement fermée,

- la figure 4 est une vue partielle en perspective d'une première variante de réalisation du transpondeur, - la figure 5 est une vue en perspective d'une deuxième variante de réalisation du transpondeur,

- la figure 6 est une vue en perspective du barreau de ferrite seul pour une troisième variante de réalisation du transpondeur,

- les figures 7 à 9 sont des vues correspondant aux figures 1 à 3 selon une quatrième variante de réalisation,

- la figure 10 est une représentation simplifiée de l'élément rayonnant du lecteur.

Le transpondeur représenté figures 1 et 2 comporte un barreau de ferrite 1 de forme générale cylindrique axialement allongé, un bobinage 2 formé autour du barreau, et un circuit intégré 3 de type connu en soi pour des applications RFID.

Le barreau de ferrite 1 comporte à une extrémité un méplat 11, dont la surface plane est située sensiblement au niveau de l'axe du barreau, et sur lequel le circuit 3 est fixé par collage ou brasage tendre, les bornes 35 de raccordement électriques du circuit étant situées vers le haut, lorsque le barreau est positionné comme sur les figures, et permettant une soudure directe des extrémités des fils du bobinage. Le barreau 1 comporte aussi un autre méplat 12 qui s'étend sur la longueur du barreau, mais de plus petite dimension en section, comme cela sera expliqué par la suite.

Le bobinage 2 est formé par enroulement sur le barreau 1 de quelques dizaines de spires non jointives, d'un fil conducteur fin 21 sans revêtement isolant, par exemple en or. Le bobinage 2 peut par exemple comporter une trentaine de spires de fil de 25μm de diamètre, bobinées avec un pas adapté, par exemple d'environ 0.07 mm. Ce bobinage 2 s'étend à partir du méplat 11 et vers son autre extrémité laisse subsister une partie d'extrémité débordante 13 du barreau, permettant notamment de tenir le barreau lors de la réalisation du bobinage. L'extrémité 21b du fil conducteur 21 située du côté du méplat est raccordée directement par soudure sur une des bornes 35 du circuit intégré 3. A l'autre

extrémité du bobinage, le fil conducteur de retour 21a est replié, passe sous les spires bobinées, le long du méplat 12, et est aussi raccordé sur le circuit 3. Une bande de film mince isolant 4 est disposé entre le fil de retour 21a et les spires bobinées pour assurer l'isolation électrique. La dimension en section du méplat 12 est déterminée de manière à correspondre à l'encombrement en section du fil de retour et du film isolant 4, de sorte que les spires bobinées restent sur un rayon de bobinage constant, sans surépaisseur au niveau de leur passage au-dessus du fil de retour. On notera également, comme on le voit bien figure 2, que le circuit intégré ne déborde pas, vu en section, au-delà de la périphérie du bobinage 2. Dans l'application particulière de transpondeur implantable, le transpondeur tel que défini ci-dessus est intégré, comme illustré figure 3, et de manière déjà connue en soi, dans une capsule 9 en verre de forme cylindrique hermétiquement fermée à ses deux extrémités. Dans la variante représentée figure 4, le méplat 12 est remplacé par une rainure 14 de section en V ou U s' étendant selon une génératrice du barreau cylindrique 1, et dans laquelle le fil de retour 21a est logé. Si la profondeur de cette rainure est suffisante, et moyennant éventuellement un maintien ponctuel du fil de retour au fond de la rainure par quelques points de colle ou vernis, on peut ainsi éviter l'utilisation du film isolant .

Dans la variante de la figure 5, le bobinage est formé à partir de la face frontale du barreau 1 opposée à l'extrémité portant le circuit. Le méplat 11 sur lequel le circuit 3 est collé peut alors être prolongé par une partie d'extrémité 15 libre et servant notamment au maintien du barreau lors de la fabrication du transpondeur. On notera aussi sur cette figure, à titre de variante complémentaire, que le méplat de passage du

fil de retour 21a n'est plus situé, comme dans la figure 1, parallèlement au méplat 11 de support du circuit 3, mais décalé angulairement .

La figure 6, qui ne montre que le barreau de ferrite 1 sans le bobinage 2 et le circuit intégré 3, illustre encore une autre variante dans laquelle un filet 16, par exemple de 0,05 m de profondeur et de pas adapté, est creusé dans la portion de barreau portant le bobinage pour y loger le fil constituant les spires du bobinage. Au besoin, ce filet peut d'ailleurs aussi s'étendre sur toute la longueur du barreau y compris sur sa portion d'extrémité comportant le méplat. De plus, on a représenté sur cette figure encore une autre variante de réalisation pour le passage du fil de retour 21a, ce passage étant réalisé au moyen d'une gorge 17 relativement profonde, par exemple jusqu'au niveau de l'axe du barreau, cette profondeur évitant ainsi tout besoin de moyens de maintien ou d' isolation du fil de retour .

Dans la variante de réalisation des figures 7 à 9, le barreau de ferrite 1 comporte aussi un méplat 12, les spires de fil fin 21 sont bobinées sur le barreau en étant appliquées contre le dit méplat, et un vernis, colle ou résine isolant 41 est déposé sur la partie des spires située au niveau du dit méplat 12 de manière à enrober cette partie des spires et en assurer l'isolation électrique. Le fil de retour 21a passe alors au dessus de cet enrobage isolant 41 qui, grâce au fait qu'il est formé sur le méplat 12, ne crée pas d'encombrement diamétral plus important que celui du barreau de ferrite seul, et de ce fait le fil de retour lui même ne crée pas non plus d'encombrement sensiblement supérieur à celui du bobinage dans son ensemble. Par ailleurs, on notera que le circuit 3 est fixé sur le méplat 11 du barreau de manière à déborder un peu

au delà de l'extrémité du barreau. Ainsi, comme cela a déjà été expliqué, la face 31 du circuit située vers l'extrémité axiale du barreau, ainsi que le bord de la face latérale 32 du circuit peuvent être utilisées comme surfaces de butée pour une indexation précise en position du circuit sur la machine de fabrication lors de la soudure des fils 21a et 21b sur les bornes de raccordement 35, de sorte que, malgré la très grande finesse des fils et la petite dimension des bornes ou plages de connexion, la jonction électrique puisse être réalisée automatiquement de manière très fiable.

Le lecteur adapté pour communiquer avec un transpondeur selon l'invention comporte des éléments classiques d'électronique pour, en émission, générer un courant permettant de transmettre par onde radio au transpondeur l'énergie nécessaire au fonctionnement de son circuit intégré, et pour y combiner les signaux envoyés du lecteur au transpondeur, et pour, en réception, détecter les signaux en retour et en extraire les informations fournies par le transpondeur. Toutefois, ainsi que cela a déjà été indiqué, du fait de la forte miniaturisation du transpondeur selon l'invention, le lecteur a dû être amélioré de manière à pouvoir transmettre suffisamment d'énergie au transpondeur, et à pouvoir lire fiablement le transpondeur. A ces fins, l'élément rayonnant d'un lecteur selon l'invention, et tel que représenté figure 7, est essentiellement constitué d'une antenne d'émission 5 et d'une antenne de réception 6 réalisées sur le même substrat, par exemple par une technique classique de réalisation de circuits imprimés. L'antenne d'émission 5 est constituée de quelques spires de grand diamètre. L'antenne de réception comporte deux ensembles 61, 62 de pistes conductrices disposés en spirales planes à l'intérieur des spires de l'antenne d'émission, chaque ensemble comportant,

sensiblement dans un même plan et adjacentes, deux spirales planes 61a, 61b en continuité l'une avec l'autre mais enroulées en sens opposés, les extrémités centrales de ces spirales étant raccordées par ailleurs au circuit électronique de réception, non représenté sur le dessin. Ceci permet une réduction de plusieurs dB dans la transmission directe du champ magnétique d'émission vers le circuit de réception.

L'invention n'est pas limité aux modes de réalisations décrits précédemment uniquement à titre d'exemples, ni notamment à l'application particulière d'un transpondeur implantable, en particulier pour des petits animaux. L'invention peut ainsi s'appliquer notamment à l'identification d'objets d'art ou de valeur (tableaux, bijoux, produits de luxe...), à l'identification d'armes, de matériel à usage unique (Endoscope, etc ...) , et à la traçabilité en milieu industriel de produits sérialisés (cartes électroniques, pipettes électroniques, etc.). Dans de telles applications, le module transpondeur pourra notamment, au lieu d'être placé dans une enveloppe de verre, être enrobé d'un matériau de protection mécanique, non métallique de type résine époxy, silicone, PVC ou vernis, fibre de carbone, kevlar® ou inséré dans une capsule non métallique hermétique ou non selon les applications.

De manière avantageuse, l'invention s'appliquera en particulier à l'identification et au traçage d'animaux de laboratoires de très petite taille, tels que de bébés souris de laboratoire âgés de 5 jours ou moins, ou des rats âgés de 1 jour par exemple. Les très faibles dimensions que l'invention permet d'atteindre permettent de telles utilisations, sans besoin de suture après injection ni d' anesthésie . La fiabilité de la traçabilité qui en résulte peut par exemple permettre de supprimer des opérations de vérification ADN de certains animaux.