CN101019142A - 收发器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种收发器装置，该收发器装置包括：衬底，该衬底具有电介质材料和/或磁材料层，所述电介质材料具有高于1的相对渗透率，所述磁材料具有高于1的相对磁导率；单片集成在该衬底中和/或该层中的天线，该天线被设置成发送和接收信号；以及单片集成在该衬底中的电路，其耦合到该单片集成天线。

Description

收发器

本发明涉及一种收发器装置。

在无线通信中，现有技术天线被实现为独立的无源组件，也就是说被实现为与芯片分开提供的组件，其没有被集成到这种电子芯片中。

天线在无线通信中的一种应用是所谓的射频标识标签(RFID标签)。射频标识(RFID)是通过无线电传输进行的标识，其是一种能够无接触地读取和存储数据的方法。这种数据被存储在RFID标签(电子标签)上，并且常常也被存储在转发器上。通过电磁波来读取所存储的数据，所述电磁波可以通过所述RFID标签内的天线而耦合进入，并且可以由所述天线辐射。RFID标签的构造尺寸主要取决于包含在其中的天线，因此这在RFID标签的小型化方面成为一个限制因素。从现有技术中获知的RFID标签的尺寸通常是几毫米到几厘米。

RFID标签被使用在电子证券保护系统中以用于防盗，其还被用于自动化技术中的应用(例如作为通行费系统的一部分自动识别通行车辆)、访问控制系统、无现金支付、滑雪票、加油卡、动物识别以及外借图书馆中的应用。

RFID标签通常包含天线、用于接收和发送电磁波的电路(转发器)以及信号处理电路。有源的RFID标签是电池操作的，无源的RFID标签从所接收的无线电波中获得其用于发送信息的能量。

实际上，RFID标签上的天线通常被实施为无源组件，也就是说被实施为非集成电路组件，这主要是基于以下事实：通信所需的能量传输对于天线长度有(最小)要求。因此，举例来说，当偶极天线变得短于λ/4时，所述偶极天线的辐射功率显著降低，其中λ是所述电磁辐射的波长。同样地，天线的尺寸越小，由RFID应用中的偶极子/偶极子耦合在近场中传输的功率就越低。

单独生产非集成天线是非常昂贵的，此外在封装工艺中还存在用于把天线连接到芯片的其他成本。在RFID应用中，用于芯片生产、天线生产和封装的成本是近似均匀分配的部分。因此，集成所述天线可以降低至少一半的成本。

根据参考文献[1]，具有集成天线的RFID芯片是已知的，其具有0.4mm×0.4mm的尺寸。然而，具有集成的、因而是小型化的天线的该RFID芯片的缺点在于，其中所述天线与读取器的电场之间的耦合非常得差。这就导致从[1]获知的具有集成天线的RFID芯片的范围极短。尽管从[1]或者的μ芯片具有内置天线，并且该内置天线在原理上允许无接触通信，但是该天线所能达到的与读取器的通信距离大大受限，这是由于该天线被提供为集成组件，因此其尺寸非常小。为此，由于所传输的波的低功率，从[1]获知的RFID标签无法被用于很多RFID应用，或者在使用时达不到足够好的质量。

参考文献[2]公开了一种有限元分析以作为宏观微带天线的模型，该天线的尺寸在几厘米的范围内。对于根据[2]的理论分析，假定一个基平面，其上设置有铁电体层，在该铁电体层上设置有亚铁磁体层，在该亚铁磁体层上设置有微带天线。根据[2]，所述铁电材料和亚铁磁材料被用于降低所述天线的谐振频率，从而提供一种用于低频应用的天线。

参考文献[3]描述了一种半导体衬底，该半导体衬底具有单片集成的电路并且具有耦合到该单片集成电路的天线结构。

此外，在参考文献[4]中描述了一种在砷化镓衬底上的微波电路。该微波电路具有相位匹配网络、射频馈电网络以及多个电路结构以用于控制射频路径上的电相移，其中所述多个电路结构通过该电路相连。

参考文献[5]公开了一种具有振荡器的微波发送器和微波接收器，所述微波发送器和微波接收器分别具有多个IMPATT二极管以作为有源装置。此外，提供了一个微带表面区域，其在操作中充当谐振器，并且同时充当天线。所述IMPATT二极管和所述微带表面区域是由相同的半导体衬底形成的。

此外，从参考文献[6]获知一种具有集成天线的微波毫米波模块。形成一个多层衬底，该多层衬底包括第一电介质层、第二电介质层和第三电介质层。在第三电介质层上产生射频电路线，并且在其上产生一个半导体芯片。在第二电介质层的一侧上形成开槽的孔，并且在另一侧上形成天线馈线。在第一电介质层中，形成辐射电磁波的多个开槽孔。通过一个黏附层把一个有机层叠置在该多层衬底上。

参考文献[7]描述了一种具有嵌入的天线线圈的射频标识标签电路。所述天线线圈具有印制在一个衬底的相对两侧上的两个绕组。第一绕组的线和第二绕组的线彼此偏移，以便减小所述绕组之间的寄生电容。

本发明特别是基于提供一种收发器装置的目的，借助于该收发器装置可以传输足够大的电磁功率，其中该收发器装置可以被小型化并且能够以可承受的成本来生产该收发器装置。

所述目的是通过一种收发器装置而实现的，该收发器装置具有如在独立权利要求中所述的特征。

根据本发明的收发器装置包含衬底以及天线，其中该衬底具有电介质材料和/或磁材料层，所述电介质材料的相对渗透率高于1，所述磁材料的相对磁导率高于1，并且其中该天线在该层上和/或在该层中被单片集成在该衬底中，该天线用于发送和接收信号。此外，所述收发器装置具有单片集成在该衬底中的电路，其耦合到所述单片集成天线。

在提供具有单片集成在衬底中的天线的收发器装置的过程中可以看出本发明的基本思想，在该天线中可以实现对该天线的有效(即电磁有效)延长，而无需增大几何尺寸，其中，在所述天线的内部(即在其紧接的环境区域中)形成具有足够高的相对渗透率或者足够高的磁导率的材料。通过在该单片集成的天线的环境区域内形成电介质材料或者磁材料，可以有效地增大所述有效天线长度并且同时可以实现收发器装置的较小的结构尺寸。换句话说，使用小型化的单片集成天线来产生在其电磁属性方面与没有电介质/磁材料的较大天线具有类似功能的结构。这样确保了良好的效率(特别是在所述收发器装置与相应的收发器装置的通信过程中具有足够大的电磁功率传输，例如与对应于被安排成RFID标签的收发器装置的读取器进行通行)，并且所述单片集成天线的几何尺寸较小。由于这些特性，根据本发明的收发器装置特别适合于产生小型化的RFID标签。

当几何长度保持不变时，本发明因此通过提供具有足够高的相对渗透率e_r或者足够高的相对磁导率μ_r的材料(例如各支持层)来实现对所述天线的有效电磁延长。这样大大改进并提高了天线的电磁效果，而不会几何地延长由芯片尺寸预先确定的天线长度。

对于所述制造工艺，实现根据本发明的收发器装置仅仅意味着在并行芯片制造中引入附加的一级(以用于形成所述电介质/磁材料)，另一方面，外部天线的昂贵的制造工艺以及在串行制造工艺中费力地组装天线和芯片就变得多余了。这样大大降低了所述收发器装置的总的制造成本，成本节约在50％或者更多。

对于并行安排在衬底上的天线，所述电磁有效天线长度L_eff由等式(1)给出：

$L_{\mathrm{eff}}=L\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r{\mathrm{\μ}}_r}---\left(1\right)$

在等式(1)中，L是几何天线长度，e_r是电介质(例如铁电)层的相对渗透率，并且μ_r是磁层(例如铁氧层)的相对磁导率。

利用足够大的相对渗透率E_r或者利用足够大的相对磁导率μ_r，因此所述有效天线长度L_eff可以比所述几何尺寸L大很多。所述相对渗透率和相对磁导率分别可以取决于电磁辐射的频率。这对于这两个数字的绝对值以及它们的虚部同样适用，因此适用于在操作中出现的损耗。

例如，对于足够低的频率(例如125kHz)，在1000的范围之内的相对渗透率可以利用钛酸锶钡(BST)的铁电薄膜获得，几百的相对磁导率可以利用铁氧体层获得。对于电有效天线，这样例如导致与实际天线尺寸相比有效延长了500倍。

根据从属权利要求获得本发明的优选实施例。

所述衬底可以是电子芯片。该衬底可以是硅衬底，特别是硅芯片。处理耦合到所述天线中的信号或者向该天线提供信号以用于辐射的电路分别可以被单片集成在该电子芯片中。

所述天线可以被实现为微带天线。例如在参考文献[2]中描述了微带天线的形成。

所述天线可以在所述电介质材料和/或磁材料层之上具有导电层。

此外，所述天线可以在所述衬底之上以及在所述电介质材料和/或磁材料层下方具有附加的导电层。

根据具有导电层和附加导电层的所述天线的一个实施例，所述电介质材料和/或所述磁材料可以在类似三明治的结构中提供，以作为所述导电层和所述附加导电层之间的层或结构。

所述附加导电层可以被形成为所述衬底的最顶部的金属化平面，其中该衬底被实现为电子芯片。

根据该有利实施例，所述天线的下方金属层被实现在该芯片的最顶部的金属化平面中或者被形成为该金属化平面的一部分。作为替换方案，该下方金属层也可以被单独地施加在经过预处理的芯片上。

所述电介质材料层可以被形成为在所述附加导电层上方并且在所述导电层下方的一层。

所述磁材料层可以被形成为在所述附加导电层上方并且在所述导电层下方的一层。

所述电介质材料可以具有永久的电极化，即便在没有外部电场的情况下也是如此。换句话说，根据该实施例，所述电介质材料被设置成使得即便在没有外部电场的情况下该材料的永久极化仍然存在。

特别地，所述电介质材料可以具有铁电材料或者亚铁电材料。铁电材料应当被理解成其中原子偶极距基本上全部具有公共的定向分量。亚铁电材料包含具有第一指向的永久电偶极子以及具有与第一指向相反的第二指向的电偶极子，所述电偶极子的数量仅仅部分地彼此补偿，从而其结果是即便在没有电场的情况下也获得永久的电极化。

所述电介质材料例如可以具有钛酸锶钡(BST)。

所述磁材料可以具有永久磁材料。永久磁材料特别应当被理解成即便在没有外部磁场的情况下也具有磁偶极距(即最终磁化)的材料。

特别地，所述磁材料可以具有铁磁材料或者亚铁磁材料。在铁磁材料中，原子磁偶极距都具有公共的定向分量。亚铁磁材料包含具有第一指向的永久磁偶极子以及具有与第一指向相反的第二指向的磁偶极子，所述磁偶极子的数量仅仅部分地彼此补偿，从而其结果是即便在没有(外部)磁场的情况下也获得永久磁化。

所述磁材料可以特别具有铁氧体。铁氧体是铁磁材料，特别是具有较差导电性的金属氧化物。

所述天线以及所述电介质材料和/或磁材料层可以被形成在所述芯片的正面或后面。当这些组件被形成在该芯片的正面时(即处于形成在该芯片的表面区域中的集成电路附近)，在天线和各电路组件之间实现了较短的信号路径。另一方面，在所述芯片的后面形成天线、电介质材料和/或磁材料在接触该芯片的正面这一方面提供了更高的灵活性。在选择把所述组件设置在芯片的正面还是后面时，必须考虑到接触所述天线的可行性。

此外，可以在所述收发器装置中提供一个支撑元件，所述衬底可以被设置在该支撑元件的上方和/或下方。该支撑元件例如可以是塑料支架。

特别地，所述收发器装置可以被设置成无接触芯片卡或者标识介质(ID标签，特别被设置成RFID标签，例如转发器)。在这些应用领域中，本发明的收发器装置的优点是特别重要的，即简单的配置、偏移的可制造性以及在接收和发送电磁波方面的足够好的低损耗功能。

为了说明起见，可以特别把天线考虑成电磁LC安排，也就是说把天线考虑成一种谐振电磁电路。所述天线可以是电感主导的或者电容主导的，这取决于在该LC元件中具有主导影响的变量是电容C还是电感L。

在附图中示出了本发明的一个示例性实施例，下面将更详细地解释本发明的该实施例。

图1示出了根据本发明的一个优选示例性实施例的收发器装置。

附图中的图示是示意性的，而非按比例绘制。

在下文中将参照图1描述根据本发明的一个优选示例性实施例的收发器装置100。

收发器装置100包含硅芯片101，在其上形成了下方金属天线层102。在该下方金属天线层102之上，形成了具有高相对磁导率值的铁氧体层103。在该铁氧体层103之上，形成了具有高相对渗透率的铁电体层104。在该铁电体层104之上，形成了上方金属天线层105。所述天线102、105被设置成微带天线。

在硅芯片101中以及在硅芯片101之上分别提供有单片集成的天线102、105，其被设置成发送和接收电磁波形式的信号。此外，在收发器装置100中，在硅芯片101中提供一个单片集成电路(图1中未示出)，该单片集成电路耦合到所述单片集成天线102、105。在所述单片集成电路和天线102、105之间可以交换电信号。特别地，所述天线适于接收电磁信号，并且把其提供给所述单片集成电路以用于处理。此外，所述天线的所述单片集成电路可以提供由该天线辐射的信号，其中所辐射的该信号可以由读取器(图中未示出)接收。因此，在所述读取器和被设置成RFID标签的收发器装置100之间可以通过电磁波进行通信。

由于提供了铁氧体层103和铁电体层104，根据等式(1)，天线102、105的有效长度L_eff与所述几何天线长度L相比被显著增大。E_r是铁电体层104的电介质常数。μ_r是铁氧体层103的相对磁导率。

作为图1中的安排的一个替换方案，铁氧体层102也可以被提供在铁电体层104的上方。如图1所示，天线102、105、铁电体层104和铁氧体层102被形成在芯片101的正面(顶部)。换句话说，根据图1，所述集成电路被集成在硅芯片101的顶部表面区域中，因此被提供在天线102、105的附近。这样把信号路径保持得较短，从而在信号传输期间只有很低的能量耗散。当所述收发器装置被用作RFID标签时，能够在低能量下操作是特别有利的。

图1示出了这样一种安排，其中可以通过使用具有高相对渗透率(例如铁电体)或者高渗透率(例如铁氧体)的衬底来提供集成的天线102、105，同时仍然能够传输足够大的电磁功率。

在根据本发明的具有天线102、105的收发器装置100的结构中，如图1所示，所述天线被设置成微带天线。铁电体层104和铁氧体层103位于上方金属天线层105及其下方的相对电极102(也是金属材料)之间。铁电体层104的层厚度h_e和铁氧体层103的层厚度h_m优选地远远小于天线宽度L。

在图1中示出的各层102到105可以被施加到经过预处理的硅芯片101。然而，所述天线的下方金属层102也可以被适当地实现在芯片101的最顶部的金属化平面中。层103、104的相反的顺序以及把所述各层施加到该芯片的后面也是可能的。在每种情况下，必须考虑到接触所述天线的可能性。

参考文献列表

在本文献中引用了下面的公开：

[1]http://www.hitachi.com/New/cnews/030902.html；

[2]Araneo，R，Celozzi，S(2002)″FE Analysis of aLow-Frequency Microstrip Antenna″，IEEETransactions on Magnetics，vol.38，No.2，pages729-732；

[3]DE3613258A1；

[4]EP0055324B1；

[5]EP0296838B1；

[6]DE10118742A1；

[7]EP0743615B1.

附图标记列表

100 收发器装置

101 硅芯片

102 下方金属天线层

103 铁氧体层

104 铁电体层

105 上方金属天线层

Claims (17)

1、一种收发器装置，包括：

衬底，该衬底具有电介质材料和/或磁材料层，所述电介质材料具有高于1的相对渗透率，所述磁材料具有高于1的相对磁导率；

单片集成在该衬底中和/或该层中的天线，该天线被设置成发送和接收信号；

单片集成在该衬底中的电路，其耦合到该单片集成天线。

2、如权利要求1所述的收发器装置，其中，所述衬底是电子芯片

3、如权利要求1或2所述的收发器装置，其中，所述天线是微带天线。

4、如权利要求1到3中的任一项所述的收发器装置，其中，所述天线在所述电介质材料和/或磁材料层至少具有导电层。

5、如权利要求4所述的收发器装置，其中，所述天线在所述衬底之上并且在所述电介质材料和/或磁材料层下方具有附加导电层。

6、如权利要求5所述的收发器装置，其中，所述附加导电层被形成为所述衬底的最顶部的金属化平面，所述衬底被实现为电芯片。

7、如权利要求5或6所述的收发器装置，其中，所述电介质材料层被形成为在所述附加导电层上方并且在所述导电层下方的一层。

8、如权利要求5到7中的任一项所述的收发器装置，其中，所述磁材料层被形成为在所述附加导电层的上方并且在所述导电层的下方的一层。

9、如权利要求1到8中的任一项所述的收发器装置，其中，所述电介质材料即便在没有外部电场的情况下也具有永久的电极化。

10、如权利要求1到9中的任一项所述的收发器装置，其中，所述电介质材料包括：

铁电材料；或者

亚铁电材料。

11、如权利要求1到10中的任一项所述的收发器装置，其中，所述电介质材料包括钛酸锶钡。

12、如权利要求1到11中的任一项所述的收发器装置，其中，所述磁材料包括永久磁材料。

13、如权利要求1到12中的任一项所述的收发器装置，其中，所述磁材料包括：

铁磁材料；或者

亚铁磁材料。

14、如权利要求1到13中的任一项所述的收发器装置，其中，所述磁材料包括铁氧体。

15、如权利要求2到14中的任一项所述的收发器装置，其中，所述天线以及所述电介质材料和/或磁材料层被形成在所述电子芯片的正面或后面。

16、如权利要求1到15中的任一项所述的收发器装置，其具有支撑元件，所述衬底被设置在该支撑元件之上或者被设置在该支撑元件之内。

17、如权利要求1到16中的任一项所述的收发器装置，其被设置成：

无接触芯片卡；或者

标识标签。

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