具有整体电容器的nfc供电式led贴纸
阅读说明：本技术 具有整体电容器的nfc供电式led贴纸 (NFC power supply formula LED sticker with whole condenser ) 是由 罗杰·惠特比 伯来迪·S·欧若拉 于 2021-04-08 设计创作，主要内容包括：本申请案涉及一种具有整体电容器的NFC供电式LED贴纸。公开一种LED贴纸,其从附近智能电话接收NFC发射以给所述贴纸中的LED供能。螺旋线(或环形)天线在所述贴纸中用于依据所述NFC发射产生功率。NFC信号处于13.56MHz,13.56MHz是所述智能电话中的NFC天线电路的共振频率。LED部分是通过将预成型微观LED夹置在两个导电层之间以并联连接所述LED而形成的。所述导电层形成用于实现所述13.56MHz共振频率的相对大整体电容器。因此,所述电路中不需要额外电容器来实现13.56MHz的共振。此大大降低所述天线的设计要求。所述LED贴纸还可含有具有其自身的独立环形天线及NFC芯片的NFC标签。公开所述LED贴纸的各种实际应用。(The application relates to an NFC power supply formula LED sticker with whole condenser. An LED sticker is disclosed that receives NFC emissions from a nearby smartphone to power the LEDs in the sticker. A helical (or loop) antenna is used in the sticker to generate power from the NFC transmission. The NFC signal is at 13.56MHz, which is the resonant frequency of the NFC antenna circuit in the smartphone. The LED section is formed by sandwiching a pre-formed micro LED between two conductive layers to connect the LEDs in parallel. The conductive layer forms a relatively large integral capacitor for achieving the 13.56MHz resonant frequency. Thus, no additional capacitor is required in the circuit to achieve a resonance of 13.56 MHz. This greatly reduces the design requirements of the antenna. The LED sticker may also contain an NFC tag with its own independent loop antenna and NFC chip. Various practical applications of the LED sticker are disclosed.)
相关申请案交叉参考
本申请案主张2020年4月8日提出申请的第63/007,112号美国临时申请案的权益。
技术领域
本发明涉及一种可使用来自智能电话或其它近场通信(NFC)读取器的NFC发射来照亮的电感供电式发光二极管(LED)贴纸。
背景技术
智能电话能够以无线方式读取NFC标签或使用NFC信号与其它智能电话交换信息。所述智能电话以其天线的13.56MHz的共振频率发射NFC信号。调制13.56MHz载波以将数字数据传达到NFC芯片。所述NFC芯片含有简单处理器及有限存储器。发射功率通过环形天线以电感方式耦合到所述NFC芯片，且所述功率用于给所述NFC芯片中的组件供电而且用于传达所述数据。所述NFC芯片接着可还以13.56MHz用所存储数字数据进行回复。在一些情形中，所述智能电话可用于以无线方式对所述NFC芯片进行编程。可借助也使用13.56MHz的RFID(射频识别)标签来完成类似过程。用于例如Apple iPhoneTM或AndroidTM电话的智能电话的熟知可下载应用程序可用于对NFC标签、RFID标签进行编程及读取，并使用匹配天线与其它电话交换信息。
市场上或现有技术中存在提供与常规低功率LED串联连接的线环的各种产品。如果电话足够近且存在充足电感耦合，那么智能电话或其它NFC读取器可以无线方式发射的几毫瓦功率能够使LED照亮。仅几毫瓦足以驱动低功率LED。NFC贴纸通常经设计以耗散高达50mW，且NFC芯片通常消耗少于15mW。
图1是简单现有技术LED贴纸10的实例。环形天线12具有电感，且常规低功率LED14具有大约几微微法拉的非常小电容。常规智能电话16使用NFC应用程序，所述NFC应用程序控制智能电话16以使用内部天线以13.56MHz发射并接收调制信号。一般与所发射数据无关的所发射功率足以给LED 14供电。天线12中的功率为AC。电路的并联LC未经设计为以13.56MHz共振，因为电容值太小。因此，智能电话NFC天线与环形天线12之间的耦合就像不良变压器。效率非常低，因为两个天线的共振频率不匹配。因此，LED 14的亮度低。
为了最大化因在13.56MHz下进行NFC发射而产生的功率传输，基于天线12的电感及电路的总体电容，LED贴纸10的共振频率必须还是13.56MHz。由于共振与产品LC有关，因此天线的电感必须非常大，因为总体电容非常小。这对天线12提出显著设计要求以实现13.56MHz的共振频率。将更多绕组添加到天线12以增加其电感，增加其电阻，因此失去更多功率。
如图2中所展示，可将单独共振电容器20添加为与LED 14并联以降低天线12的电感要求以便实现13.56MHz的共振，但此电容器20添加LED贴纸10的成本及大小。
LED 14是微弱点源，因此效应仅具有微不足道的工业用途且主要用于娱乐或美学。使用智能电话的NFC发射来驱动LED的已知用途包含在智能电话上覆于指甲上且NFC功能活跃时照亮的指甲贴纸，及嵌入于信用卡中的在所述卡由NFC读取器读取时亮起的LED。举例来说，参见https://youtu.be/GqXDqqOaQZE(含有LED的信用卡)或https://www.cnet.com/news/led-fingernail-stickers-detect-android-smartphones/(指甲贴纸)。
需要由智能电话发射或其它NFC或RFID发射以无线方式供电的LED贴纸，其中所述LED贴纸通过具有13.56MHz的共振同时不需要添加单独电容器而最大化功率传输。
发明内容
本发明描述一种包含环形天线及任选NFC标签的LED贴纸。所述贴纸的LED部分包括在半透明或透明衬底上的透明第一导电层、已沉积在所述第一导电层上的印刷预成型LED、电介质层及反射第二导电层。所述两个导电层并联连接所有LED，因此跨越所述导电层施加的电压致使所述LED以任一印刷图案来照亮。来自所述LED的光通过所述透明第一导电层且通过所述衬底离开。所述衬底可为薄半透明纸。
与所述印刷LED相比较，所述导电层非常大，因为所述LED具有比人类头发的宽度小的宽度，且所述贴纸的面积可为约6cm2(一平方英寸)。导电层之间的间隙非常小。尽管贴纸中可存在许多微观印刷LED，但与所述导电层的面积相比较，其组合面积是微不足道的。因此，与LED自身的电容相比较，LED贴纸的总体电容非常高。因此，大大减小天线实现13.56MHz的共振频率所需要的电感，简化天线的设计且减小其大小及电阻。电感及电容并联形成共振LC储能电路。因此，最大化智能电话的NFC发射与LED贴纸之间的功率传输。
由于LED贴纸的电容相对大，因此不需要在LED贴纸中提供额外“共振”电容器来实现13.56MHz的共振频率。此外，由于环形天线可为小的，因此天线具有低电阻，以进一步改进效率。
与LED/天线电路无关，单独NFC标签可层压于LED贴纸上方或下方。所述NFC标签包含NFC芯片及共振环形天线。NFC天线可一般上覆于LED天线上，因为与智能电话NFC天线为相同大小且位于智能电话NFC天线正下方对于天线是理想的。NFC标签与LED贴纸无关地操作。LED可定位为远离天线，因此在使用智能电话来给NFC芯片及LED供能时用户可看到LED光。
NFC发射可将50mW或更多耦合到LED及NFC芯片中，此适合于使LED明亮地照亮。智能电话的NFC信号可辐射200mW或更多。读取范围通常高达10cm。可下载到智能电话的应用程序可改变NFC信号的NFC脉冲频率或其它方面。
在粘合LED印记的一个应用中，印记用作防篡改密封件，且不需要任何NFC芯片。所述密封件可沿着预定区弱化，因此沿着那些线容易地撕裂。跨越可被断开的边界粘合所述密封件。如果所述密封件是破坏的，那么LED印记在智能电话将NFC信号施加到其时将不亮起。在另一实施例中，密封件可仅在密封件被破坏的情况下(例如在密封件的破坏将先前使LED短路的导体破坏的情况下)亮起。
所述LED可以传达消息的图案来印刷或所述LED可从背后照亮产品封装中的标志或其它图形。
在另一实施例中，LED印记贴在口袋上，且智能电话放在口袋中非靠近于印记(几乎碰到)，以具有高度磁性耦合。智能电话对LED印记发出脉冲以允许印记在安全背心中使用或用于其它用途。
设想额外用途。
附图说明
图1是从来自智能电话的NFC脉冲接收无线功率的简单LED电路的示意性电路，其中所述电路不具有13.56MHz的共振频率，因此是非常低效的。
图2图解说明图1的电路可经配置以包含“共振”电容器以降低天线的电感要求且最大化功率传输的方式。
图3图解说明具有印刷微型LED阵列的LED贴纸，所述印刷微型LED阵列夹置在两个导电层之间以与微型LED的小电容并联地形成集成大电容器。所述LED贴纸还包含具有其自身的天线及NFC芯片的独立NFC标签。
图4是图3的LED及集成电容器的示意图。电容器值用于确定天线实现13.56MHz的共振频率所需要的电感。
图5是图3的LED结构的一些方面的俯视图。LED的密度可高得多，且LED可以任一图案(例如字母数字图案或标志)来印刷。
图6图解说明可沿着预定线弱化LED贴纸的方式，因此在用作跨越边界的密封件时破坏密封件将形成开路，从而导致LED贴纸在密封件被破坏之后在存在NFC信号的情况下不照亮。
图7图解说明图6的LED贴纸用作包裹的密封件。
图8图解说明破坏密封件可用于通过移除跨越LED的短路来使LED贴纸可操作的方式。
图9图解说明给图8的密封件供能可使用LED图案或图形覆叠来显示“密封件被破坏”的方式。
图10图解说明呈字母“A”的形状的印刷LED图案。
图11图解说明密封件的撕裂可停用LED贴纸的一侧并启用贴纸的另一侧的方式。
图12图解说明给图11的密封件供能可向用户显示密封件是破坏还是未破坏的方式。将显示消息中的仅一者。
图13图解说明LED贴纸可在用于产品封装中时传达消息或标志的方式，其中通过客户的智能电话的NFC发射来给LED贴纸供能。
图14图解说明LED区与天线区相比较可为任何大小的方式。
图15图解说明LED贴纸可用作安全灯的方式，其中用户的智能电话放在口袋中在LED贴纸后面且将NFC信号周期性地传输到LED贴纸。下载到电话的应用程序可选择NFC信号的功率及脉冲频率。
在各图中类似或相同的元件用相同编号来标示。
具体实施方式
图3是根据本发明的一个实施例的LED贴纸32的一个实施例的横截面。图3图解说明相对大电容器可如何与印刷微型LED层形成为整体，从而避免需要单独“共振”电容器来实现13.56MHz共振频率。电容可为大约500pF/mm2，且LED贴纸32的LED部分的大小将通常为约1cm2或更少。LED贴纸32可为大约一平方英寸以适应环形天线。可通过在大气条件中进行印刷而形成LED贴纸32的所有方面。
在图3中，LED贴纸32向上定向，因此从其顶部表面发出光。当制作LED贴纸32的LED部分时，颠倒所述定向。
首先提供薄柔性衬底34，例如PET、PMMA、Mylar、纸等。衬底34是半透明的或透明的。在优选实施例中，衬底34是阿乔·威金斯(Arjo Wiggins)公司的薄白纸。如果衬底34不导电，那么例如通过印刷或层压将透明第一导电层36沉积在衬底34上。第一导电层36可为ITO或烧结银丝网(在固化之后)。制作过程可为卷对卷过程。
在溶液中将预成型微观无机LED 38制备为LED墨水。所述LED墨水可使用丝网印刷、凹版印刷、柔版印刷、喷墨或其它技术以任何图案来印刷。印刷LED 38的定向可通过提供相对高电极40(例如，阳极电极)来控制，使得电极40通过在印刷之后采用穿过溶剂的最少电阻的流体路径来向上定向。注意，在制作期间，使LED 38相对于图3在相反方向上定向。通过提供较重阴极电极42，LED 38还自定向。阴极电极42可为分布式金属电极，且在分布式金属电极之间发出LED光。LED 38称为垂直LED，因为电流垂直行进穿过结构。阳极及阴极表面可与所展示的那些表面相反。LED 38的精确位置是随机的，但每单位面积印刷的LED 38的大约数目可受墨水中的LED 38的密度控制。通过印刷过程来实现LED 38单层。接着使印刷LED墨水固化，从而致使阴极电极42电连接到第一导电层36。
接着在第一导电层36上方且在LED 38之间沉积电介质层44，接着使电介质层44固化。
接着在LED 38及电介质层44上方沉积例如ITO或银纳米线墨水的反射导电层46，以并联连接LED 38。接着使导电层46固化。在银纳米线墨水的情形中，固化将纳米线烧结以形成网。
接着在衬底34的同一侧上或在衬底34的另一侧上沉积环形天线52以形成具有连接到导电层36及46的两个端的平螺旋线。
任选地在LED部分上方沉积磷光体层54(例如YAG磷光体)，以使用发蓝光基于GaN的LED 38形成白光。蓝光可与磷光体发射组合以提供宽频谱发射。任何其它磷光体可用于形成任何颜色。
接着可沉积任何适合材料以使LED贴纸32的表面平坦。
NFC标签56可任选地粘合到LED贴纸32的顶部或底部表面。NFC标签56与LED部分无关地操作且包含其自身的环形天线及NFC芯片。NFC标签56可为常规的且可为圆形的或矩形的。典型NFC标签包含约68pF的共振电容器及具有2μH的电感的环形天线。如果NFC标签56上覆于LED 38上，那么NFC标签56应是半透明的且优选地透明的，除了其天线及NFC芯片。NFC芯片从其环形天线接收功率且经由其环形天线接收并发射数据。NFC芯片可由智能电话以无线方式进行编程且可将任何适合数字数据发射到智能电话。
接着可沉积粘合剂层58及任何保护层以允许LED贴纸32粘合到任一表面。
当智能电话在距LED贴纸32大约10cm内发射NFC信号时，信号以电感方式耦合到环形天线52，以给LED 38供能，且还以电感方式耦合到NFC天线以与NFC芯片通信。光射线60经展示为由LED 38发出。
半透明衬底34及磷光体54使LED光漫反射以达成更均匀光发出。
在一个实施例中，来自LED 38及磷光体的光发出从背后照亮印刷于纸衬底34上的彩色或不透明图形以传达标志或消息。
关于形成LED墨水并印刷墨水以形成夹置在两个导电层之间的LED阵列的更多信息可存在于受让人的标题为“二极管液体或凝胶悬浮液的可印刷组分(PrintableComposition of a Liquid or Gel Suspension of Diodes)”的第9,343,593号美国专利及相关专利中，所述专利以引用方式并入本文中。
由于每一LED 38是微观的，例如具有50微米或更小的宽度，且LED贴纸32可为大约6cm2的正方形，因此与导电层面积相比较，总LED面积极小。导电层36与导电层46之间的间隙是非常小的，例如小于50微米，且表面积是非常大的，从而产生相对大电容。因此，不需要额外“共振”电容器来实现共振。
图4是LED贴纸32的示意图，其将导电层36及46展示为电容器62且将LED 38展示为与电容器62并联。可不考虑LED墨水图案而使导电层36及46的面积更大或更小以便例如在使用具有预定电感的环形天线的情况下实现所要电容值，以便获得13.56MHz的共振频率。
图5是LED贴纸32的LED部分的俯视图。LED 38可以任何图案(例如大体均匀图案、字母数字图案或标志图案)来印刷。
天线52应经设计使得电路的总体电感及电容具有13.56MHz的共振以达成最优功率传输。电感及电容形成并联共振LC储能电路。在以13.56MHz进行发射的智能电话与具有13.56MHz的共振的无源接收电路之间传输最大功率。共振频率的公式是f＝1/(2π√LC)。电容值取决于导电层36/46、电介质层44及导电层36/46之间的间隙的面积。如何使用阻抗分析仪来针对13.56MHz的共振频率对电路进行测试是众所周知的。可根据给定天线设计的需要使电容变化以实现大约13.56MHz的共振以达成最大功率传输。智能电话天线及LED贴纸天线应理想地具有相同形状。
整体电容器的大小应限于相对小面积，例如小于1cm2，因为较小电容器产生跨越LED 38的较高电压。当跨越LED 38的电压达到约2.5V(LED 38的近似正向电压)时，将接通LED 38。
由于所述电容比LED 38自身的电容大得多，因此可使用较小环形天线52，此减小其电阻，从而改进效率。
通常，NFC读取器以脉冲形式进行发射同时轮询NFC芯片发射以节省功率并减少干扰。因此，LED 38将以NFC脉冲速率发出脉冲，所述NFC脉冲速率可为每秒几次。智能电话中的应用程序可用于改变脉冲速率或使发射连续。如果NFC读取器检测NFC芯片，那么NFC发射时间可更长。
尽管13.56MHz的NFC共振频率对于最大功率传输是理想的，但共振频率不必须匹配，虽然会降低效率。举例来说，与图1的LED贴纸相比，在NFC天线的共振的30％内的共振将展现改进性能，其中耦合就像不良变压器。其它系统可使用其它共振频率，且LED贴纸32可经修改以几乎实现任何共振频率。
现在将描述LED贴纸32的各种实际用途，尽管存在将变得明显的许多其它用途。一些用途包含：1)LED贴纸32在NFC场内的视觉反馈；2)密封件已破坏或未破坏的视觉指示；3)由智能电话发出的通过NFC场供电的安全灯；4)在客户用智能电话给LED贴纸32供能时将信息传达给客户的产品封装增大。
图6到12展示用于在已破坏密封件时使用LED贴纸作为指示器的各种技术。
在图6中，展示与图3的LED贴纸32类似的LED贴纸66具有弱化区68及69(虚线)，例如通过将LED贴纸66的外保护层部分地穿孔。容易地沿着那些弱化区68及69撕裂LED贴纸66。
图7展示LED贴纸66用作跨越包裹70(例如信封或其它封装)的边界的密封件。为了确保尚未打开包裹70翻盖，用户借助智能电话72的NFC发射读取LED贴纸66。LED亮起且可读取NFC芯片中的任何数据，或可对NFC芯片进行写入。举例来说，可对NFC芯片进行写入以传达已在特定时间检查密封件且密封件仍完整无缺。以此方式，如果不同实体负责包裹70，那么可追踪密封件的状态。如果撕裂密封件，那么撕裂将打开形成天线或LED部分的精致迹线，从而使LED贴纸66不可操作且不可修复。
在另一实施例中，在酒瓶的密封开口上粘合一个LED贴纸以传达密封件已破坏还是未破坏。另一LED贴纸放置于酒类标签上，且在被供能时传达关于酒的信息。
图8图解说明用于致使LED贴纸74仅在其沿着弱化区76被撕裂的情况下可操作的技术。薄金属迹线78通常使天线环80短路，从而使LED贴纸74不可操作。当通过篡改而破坏78迹线时，LED贴纸74在通过智能电话72的NFC发射供能时变得可操作且照亮。
图9图解说明LED贴纸74可视觉上传达识别密封件的状态的字母数字字符的方式。在一个实例中，LED贴纸74从背后照亮印刷于半透明或透明薄片75上的图形。光导层可用于使LED光侧向扩展，且光导层的表面可经图案化(例如，粗糙化)以仅在图案化区中发出光。在另一实施例中，LED墨水的图案化形成字符，例如图10中的字母“A”。任何大小LED贴纸74可用于展示任何词语或标志。此适用于本文中所描述的所有LED贴纸。
图11图解说明具有弱化区80的LED贴纸78，其中沿着弱化区80撕裂会导致LED贴纸78的左部分因打开短接迹线82而可操作，且导致LED贴纸78的右部分因破坏天线环形迹线84而不可操作。
如图12中所展示，通过来自智能电话的NFC发射供能将通过以字母数字图案印刷的从背后照亮的图形或LED来向用户传达密封件是破坏还是未破坏的。
图13图解说明可在封装中使用LED贴纸90的方式。LED贴纸90放置于产品封装92上或产品封装92中。通过客户的智能电话72供能给LED贴纸90可向客户传达信息，例如词语、标志、“秘密”消息、价格等。LED可从背后照亮图形或直接传达消息。或者，照亮可仅提供读取NFC芯片的反馈。LED贴纸90上的NFC芯片还可向客户传达任何其它消息。
图14图解说明LED贴纸96中的LED区94可与环形天线98的大小无关的方式。NFC芯片100及NFC天线可位于LED贴纸96上任何地方。
图15图解说明LED贴纸102可用作一件衣服上的LED安全灯的方式。LED贴纸102粘合在口袋上，且智能电话72放在口袋中，因此智能电话的NFC天线环路非常靠近于LED贴纸102天线，从而产生非常高磁性耦合。智能电话72中的应用程序可用于控制脉冲频率及功率，因此LED为了安全而明亮地闪烁。设想用于为了安全或其它目的而使LED贴纸照亮的许多其它应用程序。
可组合各种实施例的特征中的任一者。
虽然已展示及描述了本发明的特定实施例，但所属领域的技术人员将明了，可在其较广泛方面中在不背离本发明的情况下做出改变及修改，且因此，随附权利要求书欲将所有此类改变及修改涵盖于其范围内，正如归属于本发明的真正精神及范围内一样。
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