Carte de visite PCB avec NFC : 18 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:08

Arrivé à la fin de mes études, j'ai récemment dû chercher un stage de six mois dans le domaine de l'ingénierie électronique. Pour marquer les esprits et maximiser mes chances d'être recruté dans l'entreprise de mes rêves, j'ai eu l'idée de réaliser ma propre carte de visite. Je voulais faire quelque chose d'unique, d'utile et capable de démontrer mes compétences en conception de circuits électroniques à qui je le remettrai.

Il y a trois ans, en parcourant Instructables, j'ai trouvé un projet très intéressant réalisé par Joep1986, intitulé "Digital Business Card With NFC". Ce projet consistait à intégrer une étiquette NFC dans une carte de visite papier pour partager des informations de contact avec un téléphone équipé de la technologie NFC. J'ai trouvé ce projet très inspirant et j'ai pensé remplacer le tag NFC générique par un circuit personnalisé de mon invention.

C'est ainsi que m'est venue l'idée de créer ma propre carte de visite sur un circuit imprimé, capable d'envoyer en un instant mon profil LinkedIn sur le smartphone d'un recruteur grâce à la technologie NFC.

Ce Instructable couvre chaque étape que j'ai suivie pour imaginer, concevoir et créer ma carte de visite PCB avec NFC, des calculs des paramètres d'antenne à la programmation de la puce NFC en passant par la conception de PCB texturé.

Étape 1: nomenclature, outils et compétences nécessaires

Tu auras besoin de:

Outils nécessaires:

• fer à souder
• outil de reprise à air chaud
• pâte à braser
• flux de soudure
• fil de soudure
• pince à épiler à long nez
• pince à épiler
• alcool isopropylique
• un coton-tige
• un cure-dent
• un téléphone avec NFC

Outils facultatifs (mais pratiques):

• Extracteur de fumée
• Verre magnifique

Compétences:

Compétences en soudure CMS

Nomenclature:

Composant	Emballer	Référence	Quantité	Le fournisseur
Puce NFC 1kb	XQFN-8	NT3H1101W0FHKH	1	Mouser
LED jaune	0805	APT2012SYCK/J3-PRV	1	Mouser
47 Ω résistance	0603	CRCW060347R0FKEAC	1	Mouser
Condensateur 220 nF	0603	GRM188R70J224KA88D	1	Mouser
PCB	-	-	1	Elecrow

Étape 2: La technologie NFC

Qu'est-ce que le NFC ?

NFC est un acronyme pour Near Field Communication. Il s'agit d'une technologie radio à courte portée qui permet la communication entre des appareils maintenus à proximité (< 10 cm). Les systèmes NFC sont basés sur la RFID haute fréquence (HF) traditionnelle, fonctionnant à 13, 56 MHz.

Actuellement, la norme NFC prend en charge différents débits de transmission de données jusqu'à 424 kbit/s. Le mécanisme de principe de la communication NFC entre deux appareils est le même que le RFID traditionnel 13, 56 MHz, où il y a à la fois un maître et un esclave. Le maître est appelé émetteur, ou lecteur/enregistreur et l'esclave est une étiquette ou une carte.

Comment ça marche ?

La NFC implique toujours un initiateur et une cible: l'initiateur (Emetteur) génère activement un champ RF qui peut alimenter une cible passive (Tag) en utilisant l'induction électromagnétique entre deux antennes cadre:

Les antennes de l'émetteur et de l'étiquette sont couplées via un champ électromagnétique et ce système peut être mieux considéré comme un transformateur à noyau d'air où le lecteur agit comme l'enroulement primaire et l'étiquette comme l'enroulement secondaire: le courant alternatif passant par le primaire bobine (émetteur) induit un champ dans l'air, induisant un courant dans la bobine secondaire (Tag). Le tag peut utiliser le courant du terrain pour s'alimenter: dans ce cas, aucune pile n'est nécessaire pour y accéder, ni en lecture ni en écriture. La puce d'étiquette NFC tire toute l'énergie nécessaire pour fonctionner à partir du champ magnétique généré par le lecteur via son antenne cadre.

Où le NFC est-il utilisé ?

NFC est une technologie en pleine croissance avec la nécessité de connecter sans fil des appareils électroniques. Le NFC a été largement intégré dans les smartphones afin d'interagir avec les appareils physiques compatibles NFC et de fournir de nouveaux services comme le paiement sans contact.

Les tags NFC n'ayant pas besoin d'intégrer une source d'alimentation car ils peuvent être alimentés par l'énergie émise par le lecteur, ils peuvent prendre des formats très simples tels que des tags non alimentés, des autocollants, des cartes ou encore des bagues.

J'ai beaucoup aimé le fait que les tags NFC n'intègrent pas de piles boutons polluantes pour fonctionner mais utilisent uniquement l'énergie de l'émetteur à la place.

Étape 3: La puce NFC

CI NFC

La puce NFC est le cœur de la carte de visite.

Mon exigence était:

• un petit paquet SMD
• suffisamment de mémoire pour un lien vers mon profil LinkedIn
• module de récupération d'énergie intégré

Après avoir comparé plusieurs modules NFC, j'ai opté pour le circuit intégré NTAG NT3H1101 de NXP. D'après sa fiche technique:

"Le NTAG I2C est le premier produit de la famille NTAG de NXP offrant à la fois des interfaces sans contact et avec contact (voir Figure 1). En plus de l'interface sans contact passive conforme au NFC Forum, le circuit intégré dispose d'une interface de contact I2C, qui peut communiquer avec un microcontrôleur si le NTAG I2C est alimenté par une alimentation externe. Une SRAM supplémentaire alimentée en externe mappée dans la mémoire permet un transfert de données rapide entre les interfaces RF et I2C et vice versa, sans les limitations de cycle d'écriture de la mémoire EEPROM. Caractéristiques du produit NTAG I2C une broche de détection de champ configurable, qui fournit un déclencheur à un périphérique externe en fonction des activités de l'interface RF. Le produit NTAG I2C peut également alimenter des périphériques externes (faible consommation) (par exemple un microcontrôleur) via le circuit de récupération d'énergie intégré."

Étape 4: Calcul de l'inductance de l'antenne

Pour communiquer et être alimenté, un tag NFC doit disposer d'une antenne. La procédure de conception de l'antenne commence par le modèle équivalent de la puce NFC et de son antenne cadre:

où:

• Voc est la tension en circuit ouvert induite par le champ magnétique dans l'antenne cadre
• Ra est la résistance équivalente de l'antenne cadre
• La est l'inductance équivalente de l'antenne cadre
• Rs est la résistance équivalente en série de la puce NFC
• Cs est la capacité de réglage équivalente en série de la puce NFC

L'antenne peut être décrite par une inductance La avec une résistance de perte très faible Ra. Lorsqu'un champ magnétique est induit par l'émetteur dans l'antenne cadre, un courant y est induit et une tension en circuit ouvert Voc apparaît à ses bornes. La puce NFC peut être décrite par une résistance d'entrée Rs et un condensateur d'accord intégré Cs.

Les résistances série Ra et Rs sont sommées pour le dernier modèle équivalent du circuit constitué du circuit intégré NFC et de son antenne cadre:

La résistance NFC IC Rs avec la résistance d'antenne Ra et le condensateur intégré Cs forment un circuit résonant RLC avec l'inducteur La de l'antenne. Plus d'informations sur les circuits de résonance RLC sont expliquées dans les didacticiels électroniques en ligne.

La fréquence de résonance d'un circuit RLC série est donnée par la formule:

où:

• f est la fréquence de résonance (Hz)
• L est l'inductance équivalente du circuit (H)
• C est la capacité équivalente du circuit (F)

Le seul paramètre inconnu de l'équation est la valeur de l'inductance L. Celle-ci est ainsi isolée afin d'être calculée:

Sachant que la fréquence de fonctionnement NFC est de 13, 56 MHz et que le condensateur d'accord NT3H1101 est de 50 pF, l'inductance L est calculée:

Afin de résonner à la fréquence NFC, l'antenne de carte de visite PCB doit avoir une inductance totale de 2, 75 μH.

Étape 5: Définir la forme de l'antenne: Calculs géométriques (1ère méthode)

Concevoir une antenne cadre sur un PCB avec une inductance spécifique est possible, et doit respecter des contraintes géométriques. Une antenne peut prendre différentes formes: rectangulaire, carrée, ronde, hexagonale ou encore octogonale. A chaque forme correspond une formule spécifique qui donne l'inductance équivalente en fonction de la taille, du nombre de spires, de la largeur des pistes, de l'épaisseur du cuivre, et bien d'autres paramètres…

Pour la conception de ma carte de visite, j'ai choisi d'utiliser une antenne rectangulaire dont la géométrie est la suivante:

où:

• a0 & b0 sont les dimensions hors tout de l'antenne (m)
• aavg & bavg sont les dimensions moyennes de l'antenne (m)
• t est l'épaisseur de la piste (m)
• w est la largeur de voie (m)
• g est l'écart entre les pistes (m)
• Nant est le nombre de tours
• d est le diamètre équivalent de la piste (m)

Pour cette géométrie particulière, l'inductance équivalente de Lant est donnée par la formule:

où:

Pour faciliter les calculs, j'ai créé un outil de calcul basé sur Excel qui calcule automatiquement l'inductance équivalente de l'antenne en fonction des différents paramètres géométriques. Ce fichier m'a fait gagner beaucoup de temps et d'efforts pour trouver la bonne géométrie d'antenne.

J'avais une inductance équivalente Lant = 2, 76 μH (assez proche) avec les paramètres suivants:

• a0 = 50 mm
• b0 = 37 mm
• t = 34, 79 µm (1 oz)
• l = 0, 3 mm
• g = 0, 3 mm
• Nant = 5

Si vous êtes allergique aux mathématiques et aux calculs, d'autres méthodes existent et sont détaillées dans les étapes suivantes. Il est tout de même important de passer par les calculs pour en savoir plus sur les bases de la conception d'antenne;)

Étape 6: Définir la forme de l'antenne: Calculatrices en ligne (2e méthode)

Une alternative aux longs calculs subis à l'étape précédente est l'existence de calculateurs de géométrie d'antenne en ligne. Ces calculateurs sont fabriqués par des particuliers ou des professionnels, et sont destinés à simplifier la conception des antennes. Comme il est difficile de vérifier quels calculs sont effectués par ces calculatrices en ligne, il est fortement recommandé d'utiliser des calculatrices qui affichent les références et les formules utilisées, ou celles développées par des sociétés spécialisées.

STMicroelectronics propose un tel calculateur dans son application en ligne eDesignSuite pour aider les clients à intégrer les produits ST dans leur circuit. Le calculateur est valable pour toute application avec technologie NFC, et peut donc être utilisé pour la puce NFC de NXP.

Avec les valeurs géométriques précédemment calculées, l'inductance résultante calculée par l'application eDesignSuite est de 2, 88 H au lieu de la valeur attendue de 2, 76 H. Cette différence est surprenante et remet en cause le résultat obtenu précédemment. La formule utilisée par l'application est inconnue et il est impossible de faire la comparaison avec les calculs effectués précédemment.

Alors, laquelle des deux méthodes donne un résultat correct ?

Rien ! Les calculatrices et formules en ligne sont des outils théoriques d'approximation d'un résultat, mais doivent être complétées par des simulations avec des logiciels spécialisés et des tests réels afin d'obtenir le résultat attendu.

Heureusement, des solutions NFC déjà simulées et testées ont été mises à disposition des concepteurs électroniques, et font l'objet de la prochaine étape…

Étape 7: Définir la forme de l'antenne: Antennes Open Source (3e méthode)

Pour faciliter la mise en œuvre de leurs circuits intégrés NFC, certains fabricants proposent des solutions complètes pour les concepteurs électroniques, telles que des guides de conception, des notes d'application ou encore des fichiers EDA.

C'est le cas de NXP, qui propose pour sa gamme de circuits intégrés NFC NTAG un guide complet comprenant des références pour la conception d'antennes NFC, un outil de calcul basé sur Excel pour les antennes rectangulaires et rondes, des fichiers gerber et Eagle pour différentes classes d'antennes.

Une classe définit les facteurs de forme et de taille d'une antenne. Plus la classe est grande, plus l'antenne est petite. Pour le NFC, NXP recommande d'utiliser des antennes « Classe 3 », « Classe 4 », « Classe 5 » ou « Classe 6 ».

J'ai décidé de me concentrer sur des antennes rectangulaires de classe 4, dont la taille m'a semblé adaptée à ma carte de visite, qui seront situées dans une zone définie soit:

• Rectangle extérieur: 50 x 27 mm
• Rectangle interne: 35 x 13 mm, centré dans le rectangle externe, avec un rayon d'angle de 3 mm

Pour cette classe, NXP fournit les fichiers Eagle d'une antenne réalisée par leurs ingénieurs et déjà intégrée dans certains de leurs produits. Le principal avantage de cette conception est qu'elle a déjà été simulée, corrigée et entièrement optimisée. Les méthodes d'essais, les corrections et les optimisations sont présentées dans un document également disponible.

J'ai décidé d'utiliser cette conception open source comme modèle, et de créer ma propre version pour l'implémenter dans une bibliothèque dédiée au projet.

Étape 8: Création de la bibliothèque Eagle

Afin de dessiner le circuit électronique de la carte de visite sur Eagle, il est nécessaire de disposer des symboles et empreintes des composants utilisés. Il ne manquait que l'antenne et le tag NFC, j'ai donc dû les créer et les inclure dans une bibliothèque pour le projet.

J'ai commencé par concevoir l'antenne en copiant l'antenne rectangulaire open source de classe 4 fournie par NXP. J'ai seulement changé la position des connecteurs et les ai placés sur la longueur de l'antenne. Ensuite, j'ai associé le package au symbole d'une bobine et ajouté les étiquettes de nom et de valeur:

Ensuite, j'ai conçu la puce NFC en utilisant les données fournies dans sa fiche technique. J'ai nommé, dimensionné et assemblé les 8 broches des composants pour former l'empreinte de 1, 6 * 1, 6 mm du boîtier XQFN8. Enfin, j'ai associé le package au symbole du NTAG et ajouté les étiquettes de nom et de valeur:

Pour plus d'informations sur les bibliothèques Eagle et la création de composants, Autodesk propose des didacticiels sur son site Web.

Étape 9: Schéma

La création du schéma électronique se fait sur EAGLE PCB.

Après avoir importé la bibliothèque "PCB_BusinessCard.lbr" créée précédemment, les différents composants électroniques sont ajoutés au schéma.

Le circuit intégré NFC NT3H1101, seul composant actif du circuit, est connecté aux composants passifs à l'aide des descriptions de ses broches données dans sa fiche technique:

• L'antenne cadre de 2, 75 μH est connectée aux broches LA et LB.
• La sortie de récupération d'énergie VOUT sert à alimenter la puce NFC et est donc connectée à sa broche VCC.
• Un condensateur de 220 nF est connecté entre VOUT et VSS pour garantir le fonctionnement pendant la communication RF.
• Enfin, la LED et sa résistance série sont alimentées par VOUT.

La valeur de la résistance de la LED est calculée avec la loi d'ohm en fonction des paramètres de la LED et de la tension d'alimentation:

où:

• R est la résistance (Ω)
• Vcc est la tension d'alimentation (V)
• Vled est la tension directe de la LED (V)
• Iled est le courant direct de la LED (A)

Étape 10: Conception de PCB: Face inférieure

Pour le design de ma carte de visite, j'ai voulu réaliser quelque chose de sobre mais qui peut montrer à quel point je suis inventif dans la vie et toujours avec une nouvelle idée en tête. J'ai choisi le design de l'ampoule à incandescence, symbole d'une nouvelle idée dont la lumière peut éclairer les zones grises d'un problème. J'ai aussi aimé le fait qu'un recruteur puisse facilement associer mon profil LinkedIn apparaissant sur son téléphone avec une nouvelle bonne idée pour son entreprise.

J'ai commencé par concevoir une ampoule rayonnante sur le logiciel de dessin vectoriel Inkscape. Le dessin est exporté dans deux fichiers BitMap, le premier contenant uniquement l'ampoule et le second uniquement les rayons lumineux.

De retour à Eagle, j'ai utilisé import-bmp ULP afin d'importer les images BitMap générées par Inkscape dans un dessin Eagle. Cet ULP génère un fichier SCRIPT qui dessine de petits rectangles de pixels successifs de couleur identique qui, combinés, recréent l'image.

• Le design de l'ampoule est importé sur la 22ème couche "bPlace" et apparaîtra sur la sérigraphie du PCB en blanc, au dessus du masque de soudure noir.
• Le dessin des rayons lumineux est importé sur la 16ème couche "Bas" et sera considéré comme une piste de cuivre recouverte par le masque de soudure noir.

Utiliser la couche de cuivre pour une image permet de jouer avec l'épaisseur du PCB et ainsi de créer des effets de texture et de couleur qui sont normalement impossibles sur un PCB. Les planches artistiques peuvent être faites avec de telles astuces et j'ai été très inspiré par certains projets de pcb-art.

Enfin, j'ai dessiné les contours du circuit et ajouté ma devise "Toujours une nouvelle idée". sur la 22ème couche "bPlace".

Étape 11: Conception de circuits imprimés: face supérieure

Comme la face supérieure du tableau est dépourvue de composants, j'étais libre de trouver une manière élégante de marquer mes informations de contact classiques: nom, prénom, titre, e-mail et numéro de téléphone.

Encore une fois, j'ai joué avec les différentes couches du PCB: j'ai commencé par définir un plan de masse partiel. Ensuite, j'ai importé un texte contenant mes coordonnées sur le 29ème calque "tStop", qui contrôle le masque de soudure pour la face supérieure. La superposition du plan de masse et du texte sur le calque "tStop" fait apparaître les lettres sur le plan de masse sans le masque de soudure, donnant au texte un bel aspect métallique brillant.

Mais pourquoi ne pas mettre le plan de masse sur toute la carte de visite ?

La disposition d'une antenne inductive sur un PCB nécessite une attention particulière car les ondes radio ne peuvent pas traverser les métaux, et il ne doit pas y avoir de plans de cuivre au-dessus ou en dessous de l'antenne.

L'exemple suivant montre une bonne implémentation, où le transfert d'énergie et la communication entre le lecteur et le tag NFC sont adaptés car aucun plan de cuivre ne chevauche l'antenne.

L'exemple suivant montre une mauvaise implémentation, où le flux électromagnétique ne peut pas traverser l'antenne. Le plan de masse d'un côté du PCB bloque le transfert d'énergie entre le lecteur et l'antenne du tag NFC:

Étape 12: Routage PCB

J'ai commencé par placer tous les différents composants sur la face inférieure du PCB.

La LED est placée sur le filament de l'ampoule, et les autres composants sont disposés de la manière la plus discrète possible à la base de l'ampoule.

Les fils reliant les différents composants passifs entre eux ou au tag NFC sont de préférence placés sous les traits dessinant l'ampoule pour des raisons esthétiques.

Enfin, l'antenne est placée en bas du circuit, autour de la devise, et reliée au circuit intégré NFC par deux fils fins.

La conception du PCB est maintenant terminée !

Étape 13: Génération des fichiers Gerber

Les fichiers Gerber sont le fichier standard utilisé par les logiciels de l'industrie des circuits imprimés pour décrire les images PCB: couches de cuivre, masque de soudure, légende, etc…

Que vous choisissiez de fabriquer votre PCB chez vous ou que vous confiiez le processus de fabrication à un professionnel, il est indispensable de générer les fichiers Gerber à partir du PCB préalablement réalisé sur Eagle.

L'exportation de fichiers Gerber depuis Eagle est très simple à l'aide du processeur CAM intégré: j'ai utilisé le fichier CAM pour Seeed Fusion 2-layers PCB qui contient tous les paramètres utilisés par ce fabricant et bien d'autres. Plus d'informations sur la génération Gerber avec ce fichier peuvent être trouvées sur le site Web de Seeed.

Le processeur CAM génère un fichier.zip "NFC_BusinessCard.zip" contenant 10 fichiers correspondant aux couches suivantes du PCB NFC Business Card:

Extension	Couche
NFC_BusinessCard. GBL	Cuivre inférieur
NFC_BusinessCard. GBO	Sérigraphie inférieure
NFC_BusinessCard. GBP	Pâte à souder inférieure
NFC_BusinessCard. GBS	Masque de soudure inférieur
NFC_BusinessCard. GML	Couche de broyage
NFC_BusinessCard. GTL	Haut Cuivre
NFC_BusinessCard. GTO	Top Sérigraphie
NFC_BusinessCard. GTP	Pâte à souder supérieure
NFC_BusinessCard. GTS	Top Soldermask
NFC_BusinessCard. TXT	Fichier d'exploration

Pour être sûr que le PCB ressemblera exactement à ce que je voulais, j'ai téléchargé les fichiers Gerber dans la visionneuse Gerber en ligne d'EasyEDA. J'ai changé le thème en noir et la finition de surface en argent pour visualiser le design final après la fabrication.

J'étais vraiment content du résultat et j'ai décidé de passer à l'étape de fabrication…

Étape 14: Commande des PCB

Comme je voulais une finition de qualité pour mes cartes de visite, j'ai confié le processus de fabrication à un professionnel.

De nombreux fabricants de PCB proposent désormais des prix très compétitifs: SeeedStudio, Elecrow, PCBWay, et bien d'autres… Astuce: Pour comparer les prix et les services proposés par différents fabricants de PCB, je conseille d'utiliser le site PCB Shopper que je trouve très pratique.

Pour la fabrication de mes cartes de visite, j'ai pris en compte un détail important: de nombreux fabricants de PCB se permettent de marquer le numéro de commande sur la sérigraphie du PCB. Ce nombre, bien que petit, est gênant surtout lorsque le PCB doit être esthétique. Par exemple, j'ai eu cette mauvaise surprise pour mes sapins de Noël PCB à 1 $, commandés sur SeeedStudio.

Par expérience, je savais qu'Elecrow n'avait pas cette mauvaise habitude et j'ai donc décidé de confier la fabrication de mes cartes à ce fabricant et j'ai commandé 10 cartes de visite pour 4,9$ avec les réglages suivants:

• Couches: 2 couches
• Dimensions: 54*86 mm
• Conception de PCB différente: 1
• Épaisseur du PCB: 0,6 mm (le plus fin disponible)
• Couleur PCB: Noir
• Finition de surface: HASL
• Trou crénelé: Non
• Poids du cuivre: 1 oz (tel que choisi dans la formule d'inductance de l'antenne)

Deux semaines plus tard, j'ai reçu mes PCB parfaitement réalisés et sans aucun numéro de commande gênant marqué sur la sérigraphie. Jusqu'ici tout va bien, il est temps de souder ces planches !

Étape 15: Souder la puce NFC

Prix des juges du concours PCB