CN101185201B - 智能卡以及智能卡读卡器 - Google Patents

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Abstract

一种智能卡(1)，其具有用来与读取智能卡用的智能卡读卡器的读卡器接触元件建立电接触的卡接触元件(2)，所述卡接触元件(2)具有涂覆接触层的接触表面(3)，所述接触表面(3)设置成与读卡器接触元件接触。接触层包括多元素材料，该材料具有由式MqAyXz描述的至少一种碳化物或氮化物的组合物，其中M是过渡金属或过渡金属的组合，A是A族元素或A族元素的组合，X是碳或氮或者是两者，以及q、y和z是大于0的数字。多元素材料还包括含有基于相应的MqAyXz化合物中的原子元素的单元素、二元相、三元相、四元相或更高阶相的至少一种纳米复合材料。还公开了用于读取智能卡(1)的读卡器。

Description

智能卡以及智能卡读卡器
技术领域
本发明涉及一种智能卡，其具有用来与读取智能卡用的智能卡读卡器的读卡器接触元件建立电接触的卡接触元件，所述卡接触元件具有涂覆接触层的接触表面，所述接触表面设置成与读卡器接触元件接触，其中接触层包括多元素材料。
本发明还涉及用于读取智能卡的读卡器，所述读卡器具有用于与智能卡上的卡接触元件建立电接触的读卡器接触元件，所述读卡器接触元件具有涂覆接触层的接触表面，所述接触表面设置成与卡接触元件接触，其中接触层包括多元素材料。
背景技术
今天，智能卡用在许多应用场合，且它们的用途日益扩增。一个用途是用于手机的用户身份模块或SIM卡。另一个用途是用于银行部门内部，在这里智能卡可以替代具有磁条的信用卡。类似的用途是在交通部分内部，在这里智能卡可以用于支付高速公路费或者在公共交通中作为票据。智能卡还用于付费TV中的数字权利管理。
智能卡通常是信用卡大小的塑料卡，其在一侧具有芯片，但还可以更小，如或多或少减小到实际芯片的尺寸，如在SIM卡中。
这些智能卡中的许多卡可以重复地插入读卡器中用于确认或从与智能卡相匹配的帐户中扣除一定量的钱。因此，智能卡的接触元件需要具有非常耐磨的表面，而同时确保智能卡和读卡器之间良好的电接触。同样的要求适用于读取智能卡的读卡器的接触元件。
为了实现此要求，通常采用含有金的涂层。然而，金的不足之处在于它高昂的价格。因此，仍需要一种用于智能卡和智能卡读卡器的涂层，该涂层确保耐磨性以及良好的电接触，但是更加成本有效。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种具有接触元件的智能卡，该接触元件是耐磨的并保证与读卡器良好的电接触以及其可以成本有效的方式制造。
本发明的另一个目的是提供一种具有接触元件的智能卡读卡器，该接触元件是耐磨的并保证与智能卡良好的电接触以及其可以成本有效的方式制造。
根据本发明，通过本发明技术方案的智能卡的方式可以实现这些目的。其优选的实施方案界定在本发明的说明书和权利要求中。
通过本发明技术方案的读卡器也可以实现上述目的。其优选的实施方案界定在本发明的说明书和权利要求中。
一种智能卡，其可具有用来与读取智能卡的智能卡读卡器的读卡器接触元件建立电接触的卡接触元件，所述卡接触元件可具有涂覆接触层的接触表面，所述接触表面可设置成接触所述读卡器接触元件，其中所述接触层包括多元素材料。在本发明的智能卡中，多元素材料具有由式MqAyXz描述的至少一种碳化物或氮化物的组合物，其中M是过渡金属或过渡金属的组合，A是A族元素或A族元素的组合，X是碳或氮或者是两者，以及q、y和z是大于0的数字，以及所述多元素材料还包括含有基于相应的MqAyXz化合物中的原子元素的单元素、二元相、三元相、四元相或更高阶相的至少一种纳米复合材料。
组合物可以是，如M0.2AX、M0.2AX0.1、M4AX或M2AX2。
“纳米复合材料(nanocomposite)”是包含具有大于0.1nm而小于1000nm的长度数值范围特征的晶体、区域或结构的复合材料。
采有这样的接触层可以获得非常好的耐磨性，同时确保良好的电接触。所用的多元素材料的成本小于金的成本。
在一个实施方案中，多元素材料具有由式Mn+1AXn描述的至少一种碳化物或氮化物的组合物，其中M是过渡金属或过渡金属的组合，A是A族元素或A族元素的组合，X是碳或氮或者是两者，以及n是1、2、3或更大，以及所述多元素材料还包括含有基于相应的Mn+1AXn化合物中的原子元素的单元素、二元相、三元相、四元相或更高阶相的至少一种纳米复合材料(4)。就耐磨性和电接触而言，本发明的这些特定形式的多元素材料已经显示出具有非常好的性能。
纳米复合材料优选包括选自由M-A、A-X、M-A-X、X和M-X组成的组中的至少两相。这样，接触层变得特别耐震并赋予特别低的接触电阻。
在本发明的一个实施方案中，过渡金属是钛，X是碳以及A族元素是硅、锗或锡中的至少一种。采用这样的多元素材料，可以获得低的接触电阻。
根据本发明的优选实施方案，多元素材料是Ti3SiC2以及所述纳米复合材料包括选自由Ti-C、Si-C、Ti-Si-C、Ti-Si和C组成的组中的至少一相。
纳米复合材料可以至少部分是无定形态或纳米晶体态，以及可以具有与纳米晶体区域混合的无定形区域。
接触层还可以包括金属层。
金属层优选是金、银、钯、铂、铑、铱、铼、钼、钨、镍或具有至少一种前述金属的合金中的任何一种。
在一个实施方案中，金属层是任何金属或金属复合材料，其中所述复合材料可以是氧化物、碳化物、氮化物或硼化物。
在一个实施方案中，所述金属层可以是任何金属或金属复合材料，所述复合材料可包括聚合物、有机材料或诸如氧化物、碳化物、氮化物或硼化物等陶瓷材料。
在一个实施方案中，所述多元素材料可在多层结构中用金属层层压。
在一个实施方案中，所述多元素材料可具有金属层的涂层以使所述接触层是金属的。
在一个实施方案中，所述接触层可掺杂一种或多种化合物或元素来改变或改进所述接触层的摩擦性能、机械性能、热性能和电性能。
在一个实施方案中，所述接触层可包括在相应的Mn+1AXn化合物中的以重量计0-50％范围内的至少一种单元素M、A、X。
一种用于读取智能卡的读卡器，所述读卡器可具有用于与所述智能卡上的卡接触元件建立电接触的读卡器接触元件，所述读卡器接触元件可具有涂覆接触层的接触表面，所述接触表面可设置成与所述卡接触元件接触，其中所述接触层包括多元素材料。在本发明的智能卡读卡器中，多元素材料具有由式MqAyXz描述的至少一种碳化物或氮化物的组合物，其中M是过渡金属或过渡金属的组合，A是A族元素或A族元素的组合，X是碳或氮或者是两者，以及q、y和z是大于0的数字，以及所述多元素材料还包括含有基于相应的MqAyXz化合物中的原子元素的单元素、二元相、三元相、四元相或更高阶相的至少一种纳米复合材料。具有这种接触层的读卡器是非常耐磨的且确保了与智能卡良好的电接触，但是该读卡器可以比金用于接触层的情况下更低的成本来制造。
在一个实施方案中，多元素材料具有由式Mn+1AXn描述的至少一种碳化物或氮化物的组合物，其中M是过渡金属或过渡金属的组合，A是A族元素或A族元素的组合，X是碳或氮或者是两者，以及n是1、2、3或更大，以及所述多元素材料还包括含有基于相应的Mn+1AXn化合物中的原子元素的单元素、二元相、三元相、四元相或更高阶相的至少一种纳米复合材料(4)。就耐磨性和电接触而言，本发明的这些特定形式的多元素材料已经显示出具有非常好的性能。
纳米复合材料优选包括选自由M-A、A-X、M-A-X、X和M-X组成的组中的至少两相。这样，接触层变得特别耐震并赋予特别低的接触电阻。
在本发明的一个实施方案中，过渡金属是钛，X是碳以及A族元素是硅、锗或锡中的至少一种。采用这样的多元素材料，可以获得低的接触电阻，同时耐磨性非常高。
根据本发明的优选实施方案，多元素材料是Ti3SiC2以及所述纳米复合材料包括选自由Ti-C、Si-C、Ti-Si-C、Ti-Si和C组成的组中的至少一相。
纳米复合材料可以至少部分是无定形态或纳米晶体态，以及可以具有与纳米晶体区域混合的无定形区域。
附图简述
参考示意性的附图将更详细地描述本发明，附图显示了本发明目前优选的实施方案的实例。
图1是根据本发明的信用卡形式的智能卡的俯视图。
图2a是具有纳米复合材料的多元素材料层的结构的示意图，纳米复合材料具有与无定形区域混合的纳米晶体。
图2b是具有纳米晶体的多元素材料层的另一种结构的示意图，纳米晶体具有与无定形区域混合的纳米晶体层和无定形层。
图2c是具有纳米晶体态的区域的多元素材料层的另一种结构的示意图。
图3是根据本发明的读卡器的示意性透视图。
图4是多元素层和金属层的示意图。
图5是用重复结构中的金属层层压的多元素材料的示意图。
具体实施方式
图1中的智能卡1具有芯片2，该芯片具有被多元素材料接触层涂覆的接触表面3，该多元素材料具有由通式Mn+1AXn给出的组合物以及还包括含有基于相应的Mn+1AXn化合物中的原子元素的单元素、二元相、三元相、四元相或更高阶相的纳米复合材料4(参见图2)。即使多元素基于式Mn+1AXn给出的组合物，不同元素的比例可以变化，以使Mn+1和Xn从1/10直到通式所确定的比例的2倍。作为实施例，组合物可以是M0.2AX、M0.2AX0.1、M4AX或M2AX2，因此，符合于更通常的式子MqAyXz，其中q、y和z是大于0的数。
图3显示了用于读取图1中的智能卡1的读卡器7。读卡器7具有插槽8，智能卡1插入插槽8中用于读取。当智能卡1插入插槽8中时，芯片2接触读卡器的接触元件9。就像智能卡1的芯片2一样，读卡器7的接触元件9具有带多元素材料的接触层的接触表面10，多元素材料描述为Mn+1AXn以及还包括含有基于相应的Mn+1AXn化合物中的原子元素的单元素、二元相、三元相、四元相或更高阶相的纳米复合材料4。就像智能卡的情况一样，多元素组合物可以变化以使其符合于通式MqAyXz，其中q、y和z是大于0的数字。
最近发现具有通式Mn+1AXn的化合物具有良好的机械性能和电性能。在这些化合物中，M是过渡金属或过渡金属的组合，A是A族元素或A族元素的组合，X是碳或氮或者是两者，以及n是1、2、3或更大。A族元素是铝、硅、磷、硫、镓、锗、砷、镉、铟、锡、铊和铅。过渡金属是钪、钛、钒、铬、锆、铌、钼、铪和钽。
Mn+1AXn化合物的特征在于将A族元素层分隔开的过渡金属层的数目。因此，所谓的211化合物具有两个过渡金属层，312化合物具有三个过渡金属层以及413化合物具有四个过渡金属层。211化合物是最常见的 化合物，其例子是Ti2AlC、Ti2AlN、Hf2PbC、Nb2AlC、(NbTi)2AlC、Ti2AlN0.5C0.5、Ti2GeC、Zr2SnC、Ta2GaC、Hf2SnC、Ti2SnC、Nb2SnC、Zr2PbC以及Ti2PbC。只有三个312化合物是已知的，Ti3AlC2、Ti3GeC2和Ti3SiC2。两种413化合物是已知的，即Ti4AlN3和Ti4SiC3。
Mn+1AXn化合物可以是三元相、四元相或更高相。三元相具有三个元素，如Ti3SiC2，四元相具有四个元素，如Ti2AlN0.5C0.5等。从弹性、热、化学、电性能角度来看，更高相具有二元相中许多特征。
Mn+1AXn化合物的研究包括“The Mn+1AXn phase：A new class ofSolids”，Barsoum，Progessive solid state chemistry，Vol.28，pp201-281，2000，“Magnetron sputtered epitaxial single-phase Ti3SiC2 thin films”，Palmquist etal.，Applied Physics Letters，2002.81：p.835”，以及“Structural characterizationof epitaxial Ti3SiC2 film”et al.，Proc.53rd Annual Meeting of theScandinavian Society for Electron Microscopy，Tampere，Finland，12-15 Junem2002 Ed.J.
Figure G2006800136819D00072
and
Figure G2006800136819D00073
University of Tampere，Finland，ISSN1445-4518，2002，pp.142-143。
在智能卡1以及读卡器7的一个实施方案中，接触层的多元素材料是Ti3SiC2以及纳米复合材料4含有纳米晶体5为Ti-C、Si-C、Ti-Si-C、Ti-Si和C。每种相的单独量可以从一种应用场合到另一种应用场合变化，以及这些相中并不是全部的都必须存在于每一种情况中。
接触层的多元素材料还可以具有不同的组合物。例如，可以有多于一种A族元素且在Mn+1AXn化合物中可以有碳和氮两者。另一种优选的多元素材料的一个实施例是Ti3Si0.5Sn0.5C2。锡和硅的结合是有利的，因为单独用锡会使接触层吸湿性太大，而单独用硅会氧化以使孤立的氧化物形成在芯片2上。
在一个实施方案中，多元素材料具有根据图2a的结构，包括由与无定形区域6混合的纳米晶体5构成的纳米复合材料4。纳米晶体5可以全都是相同的相或全都是不同的相。
在可替代的实施方案中，多元素材料具有根据图2b的结构，包括由与纳米晶体5混合的无定形区域6构成的纳米复合材料4，其中一些纳米晶体5被无定形层11或纳米晶体层12包围。
在又一个可替代的实施方案中，多元素材料具有根据图2c的结构，包括由纳米晶体区域5构成的纳米复合材料4。
接触层的厚度优选在0.001μm到1,000μm的范围内以及摩擦力通常是非常低的，通常在0.01到0.1。
在其他实施方案中，纳米晶体可以涂覆由另一相组成的薄膜。
纳米晶体和无定形区域之间的分布可以不同于上面列举的那些分布。纳米复合材料可以差不多完全是晶体的或者差不多完全是无定形的。
接触层优选通过物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)，如采用申请人的WO 04/044263方法来沉积在芯片2上。接触层还可以电化学方式，通过化学镀沉积或通过等离子喷射法沉积。还可以设想形成分开的多元素材料膜和纳米复合材料以及将此膜应用到智能卡1的芯片2上或读卡器7的接触元件9上。
纳米复合材料可以包括至少一种M-X和M-A-X纳米晶体以及在一个或多个相中具有至少一种M，A和X元素，如M-A，A-X，M-A-X或X的无定形区域。
在一个实施方案中，纳米复合材料包括单独区域的单元素、二元相、三元相或更高阶相的碳化物和氮化物。
纳米复合材料还可以是不同的Mn+1AXn相的组合。
接触层优选在整个接触元素2，9上是连续的，但还可以是不连续的。
在一个实施方案中，接触层的多元素材料13可以涂覆薄的金属层14，如图4所示。优选地，设置金属层以使接触层的表面是金属。
在另一个实施方案中，接触层可以是具有交替的金属层14和多元素层13的夹层结构，如图5所示，即在多层结构中，通常在图中所示的重复结构中，多元素层用金属层层压。
在又一个实施方案中，多元素层可以包括纳米晶体态5的区域以及可以涂覆薄的金属层14，如图6所示。
在又一个实施方案中，多元素层可以包括纳米晶体态的区域以及在重复的结构中多元素层可以用金属层层压，如图7所示。
金属优选是金、银、钯、铂、铑、铱、铼、钼、钨、镍或具有这些金属中的至少一种的合金，但也可以使用其他金属。
在其他实施方案中，可以采用金属层，即，该层并不必须是“纯”金属。关注的金属层包括金属复合材料，其中复合材料可以是氧化物、碳化物、氮化物或硼化物。复合材料可以包括聚合物，有机材料或诸如氧化物、碳化物、氮化物或硼化物等陶瓷材料。
还可以采用含有M，A和X元素以及一种或多种金属的多元素材料的合金。合金材料可以完全溶解或以沉淀的形式存在。所采用的金属应该是非碳化物形成(carbideformning)的金属。优选地，添加0-30％的金属。
上述类型的含金属的层，即包括金属层，厚度优选在几分之一原子层到1000um的范围内，优选在几分之一原子层到5um的范围内。例如，此范围可以从1nm到1000um。
上述金属层可以覆盖多元素材料的颗粒或区域。金属层和多元素材料层的总厚度通常在0.0001um到1000um的范围内。
多元素材料可以含有过量的碳，如呈具有通式Tin+1SiCn+Cm的化合物的形式。游离的碳元素输送到接触层的表面并改进电接触，而同时避免表面氧化。
用于改进诸如摩擦力、热性能、机械性能和/或电性能等性能的掺杂类似种类的接触层可以涉及下面的名单中的任何一种或组合的化合物：单独的A族元素，A族元素的组合，X是碳，X是氮，X既是碳又是氮，M-X的纳米复合材料，纳米晶体和/或在一种或几种相中具有M，A和X元素，如M-A，A-X，M-A-X的无定形区域。
在一个实施方案中，接触层包括在相应的Mn+1AXn化合物中的以重量计，0-50％范围内的至少一种单元素M、A、X。
具有纳米复合材料的多元素材料还可以用在其他应用中，如作为簧片开关的涂层。

Claims (25)

1.一种智能卡，其具有用来与读取智能卡(1)的智能卡读卡器(7)的读卡器接触元件(9)建立电接触的卡接触元件(2)，所述卡接触元件(2)具有涂覆接触层的接触表面(3)，所述接触表面(3)设置成接触所述读卡器接触元件(9)，其中所述接触层包括多元素材料，其特征在于所述多元素材料具有由式MqAyXz描述的至少一种碳化物或氮化物的组合物，其中M是过渡金属或过渡金属的组合，A是A族元素或A族元素的组合，X是碳或氮或者是两者，以及q、y和z是大于0的数字，以及所述多元素材料还包括含有基于相应的MqAyXz化合物中的原子元素的单元素、二元相、三元相、四元相或更高阶相的至少一种纳米复合材料(4)。
2.如权利要求1所述的智能卡，其中所述多元素材料具有由式Mn+1AXn描述的至少一种碳化物或氮化物的组合物，其中M是过渡金属或过渡金属的组合，A是A族元素或A族元素的组合，X是碳或氮或者是两者，以及n是1、2、3或更大，以及所述多元素材料还包括含有基于相应的Mn+1AXn化合物中的原子元素的单元素、二元相、三元相、四元相或更高阶相的至少一种纳米复合材料(4)。
3.如权利要求1或2所述的智能卡，其中所述纳米复合材料(4)包括选自由M-A、A-X、M-A-X、X和M-X组成的组中的至少两相。
4.如权利要求1或2所述的智能卡，其中所述过渡金属是钛，X是碳以及A族元素是硅、锗或锡中的至少一种。
5.如权利要求1或2所述的智能卡，其中所述多元素材料是Ti3SiC2以及所述纳米复合材料(4)包括选自由Ti-C、Si-C、Ti-Si-C、Ti-Si和C组成的组中的至少一相。
6.如权利要求1或2所述的智能卡，其中所述纳米复合材料(4)至少部分是无定形态。
7.如权利要求1或2所述的智能卡，其中所述纳米复合材料(4)至少部分是纳米晶体态。
8.如权利要求1或2所述的智能卡，其中所述纳米复合材料(4)具有与纳米晶体区域(5)混合的无定形区域(6)。
9.如权利要求1或2所述的智能卡，其中所述接触层包括金属层。
10.如权利要求9所述的智能卡，其中所述金属层是Au、Ag、Pd、Pt、Rh、Ir、Re、Mo、W、Ni或具有任意前述金属的至少一种的合金中的任何一种。
11.如权利要求9所述的智能卡，其中所述金属层是任何金属或金属复合材料，其中所述复合材料可为氧化物、碳化物、氮化物或硼化物。
12.如权利要求9所述的智能卡，其中所述金属层是任何金属或金属复合材料，所述复合材料包括聚合物、有机材料或陶瓷材料。
13.如权利要求12所述的智能卡，其中所述陶瓷材料是氧化物、碳化物、氮化物或硼化物。
14.如权利要求9所述的智能卡，其中所述多元素材料在多层结构中用金属层层压。
15.如权利要求9所述的智能卡，其中所述多元素材料具有金属层的涂层以使所述接触层是金属的。
16.如权利要求1或2所述的智能卡，其中所述接触层掺杂了一种或多种化合物或元素来改变或改进所述接触层的摩擦性能、机械性能、热性能和电性能。
17.如权利要求1或2所述的智能卡，其中所述接触层包括在相应的Mn+1AXn化合物中的以重量计0-50％范围内的至少一种单元素M、A、X，其中M是过渡金属或过渡金属的组合，A是A族元素或A族元素的组合，X是碳或氮或者是两者，以及n是1、2、3或更大，以及所述多元素材料还包括含有基于相应的Mn+1AXn化合物中的原子元素的单元素、二元相、三元相、四元相或更高阶相的至少一种纳米复合材料(4)。
18.一种用于读取智能卡(1)的读卡器，所述读卡器(7)具有用于与所述智能卡(1)上的卡接触元件(2)建立电接触的读卡器接触元件(9)，所述读卡器接触元件(9)具有涂覆接触层的接触表面(10)，所述接触表面(10)设置成与所述卡接触元件(2)接触，其中所述接触层包括多元素材料，其特征在于所述多元素材料具有由式MqAyXz描述的至少一种碳化物或氮化物的组合物，其中M是过渡金属或过渡金属的组合，A是A族元素或A族元素的组合，X是碳或氮或者是两者，以及q、y和z是大于0的数字，以及所述多元素材料还包括含有基于相应的MqAyXz化合物中的原子元素的单元素、二元相、三元相、四元相或更高阶相的至少一种纳米复合材料(4)。
19.如权利要求18所述的读卡器，其中所述多元素材料具有由式Mn+1AXn描述的至少一种碳化物或氮化物的组合物，其中M是过渡金属或过渡金属的组合，A是A族元素或A族元素的组合，X是碳或氮或者是两者，以及n是1、2、3或更大，以及所述多元素材料还包括含有基于相应的Mn+1AXn化合物中的原子元素的单元素、二元相、三元相、四元相或更高阶相的至少一种纳米复合材料(4)。
20.如权利要求18或19所述的读卡器，其中所述纳米复合材料(4)包括选自由M-A、A-X、M-A-X、X和M-X组成的组中的至少两相。
21.如权利要求18或19所述的读卡器，其中所述过渡金属是钛，X是碳以及A族元素是硅、锗或锡中的至少一种。
22.如权利要求18或19所述的读卡器，其中所述多元素材料是Ti3SiC2和所述纳米复合材料(4)包括选自由Ti-C、Si-C、Ti-Si-C、Ti-Si和C组成的组中的至少一相。
23.如权利要求18或19所述的读卡器，其中所述纳米复合材料(4)至少部分是无定形态。
24.如权利要求18或19所述的读卡器，其中所述纳米复合材料(4)至少部分是纳米晶体态。
25.如权利要求18或19所述的读卡器，其中所述纳米复合材料(4)具有与纳米晶体区域(5)混合的无定形区域(6)。
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