CN102246214B - 用在电子商品防盗系统中的金属氧化物半导体器件 - Google Patents

用在电子商品防盗系统中的金属氧化物半导体器件 Download PDF

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Abstract

本发明提供了用于在无需将电子商品防盗(“EAS”)标签与去激活装置物理接触的情况下使标签去激活的电子商品防盗(“EAS”)标签、方法和系统。EAS标签用具有给定击穿电压阈值的诸如金属氧化物半导体(“MOS”)电容器的非线性器件替代传统二极管。感应MOS电容器上的预定电压导致MOS电容器被毁坏，从而使得在EAS询问系统中不能检测EAS标签。

Description

用在电子商品防盗系统中的金属氧化物半导体器件
技术领域
本发明总体上涉及商品询问系统，更具体地说，涉及用于在无需将标签与去激活装置物理接触的情况下在超高频(“UHF”)询问系统中使标签去激活的方法和系统。
背景技术
在超高频(“UHF”)电子商品防盗(“EAS”)询问系统中使用混合标志或混合标签，并且混合标志或混合标签基于混频原理。通常，混合标签包括附着于偶极天线的二极管。在例如915MHz这样的特定微波频率(fuhf)下调谐标签。可以通过调节天线的偶极长度和二极管的结电容来从几百兆赫到几千兆赫选择频率范围。工作微波频率越低，需要的偶极长度越长，并且电容越大。
然而，当必须使具有二极管的标签去激活时对去激活装置存在固有限制。例如，美国专利第4,318,090号和第4,574,274号提供了UHF混合标签，其使用二极管非线性元件和用于仅与有限范围直接接触或非直接接触的装置。二极管的击穿特性要求通过二极管驱动大量电流，以便实现去激活，从而导致与标签的直接接触以将足够的电能供给二极管而使其毁坏，从而使标签去激活。由于限制为“接触”去激活的这种类型不总是可能的或者在经济上不总是可行的，因此，这导致去激活系统不实用。因此，这种类型的标签设计在标签的去激活相隔一定距离发生的情况下(即，在去激活装置没有与标签接触的情况下)是无效的。现有技术的其他去激活系统(诸如，美国专利第5,608,379号中所公开的系统)已尝试通过将开关和其他硬件器件添加到去激活系统中来避免这种问题。这经证明是昂贵且麻烦的，并且导致对于相当大的磁场源而言去激活距离较小。
所尝试的上述解决方案均不能解决如何在无需去激活装置与EAS标签直接接触并且无需向EAS标签提供额外的去激活元件情况下在相当大的距离处有效地去激活EAS标签的问题。具有可预测的非线性性能的二极管的固有特性使利用这些类型的EAS标签的EAS去激活系统在其相隔一定距离使标签去激活时变得无效。
因此，需要一种新的EAS标签，其使用展现非常低电平击穿特性的非线性元件，使得在相当大的距离处实现可信赖的去激活。
发明内容
本发明有利地提供了一种用于通过将非线性MOS器件(诸如，MOS电容器)结合在标签中来利于在UHF询问系统中使标签去激活的系统、方法和设备。在本发明的一方面，提供了一种电子商品防盗(“EAS”)标签，其中，该标签包括天线电路以及电耦接至天线电路的非线性部件。非线性部件对于小于击穿电压阈值的电压表现出非线性电容，并且对于大于击穿电压阈值的电压表现出线性电容。
在另一方面，提供了一种电子商品防盗(“EAS”)标签去激活系统，并且该电子商品防盗(“EAS”)标签去激活系统包括EAS标签，其中，该标签包括天线电路以及电耦接至天线电路的非线性部件。非线性部件对于小于击穿电压阈值的电压表现出非线性电容，并且对于大于击穿电压阈值的电压表现出线性电容。该系统还包括适于使EAS标签去激活而不与该EAS标签接触的去激活装置。
在本发明的又一方面，提供了一种用于使电子商品防盗(“EAS”)标签去激活的方法。该方法包括提供具有天线电路和电耦接至天线电路的非线性部件的EAS标签，其中，非线性部件对于小于击穿电压阈值的电压表现出非线性电容，并且对于大于击穿电压阈值的电源表现出线性电容。该方法还包括感应非线性部件上的电压以击穿非线性部件，其中，所感应的电压大于击穿阈值。
将在以下描述中部分地阐述本发明的其他方面，并且本发明的其他方向将部分地从描述中显而易见，或者可以通过实践本发明来了解。将通过在所附权利要求书中具体指出的元件和组合实现并获得本发明的各方面。应该理解，上述概括描述和以下详细描述都只是示例性和说明性的，并且不限制如权利要求书所要求的本发明。
附图简述
当结合考虑附图时，通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：
图1是示出利用二极管和偶极天线的现有技术的标签设计的UHF混合标签的布局；
图2是结合本发明的原理的UHF混合EAS系统的示意图；
图3是根据本发明的原理所构造的利用非线性MOS元件和偶极天线的EAS标签设计的示意图；
图4是根据本发明的原理所构造并与EAS标签一起使用的非线性MOS电容器的侧视图；
图5是示出根据本发明的原理所构造的p型MOS电容器的非线性电容特性的曲线图；和
图6是用于提高根据本发明的原理构造的EAS标签的去激活特性的电路图。
发明详述
在详细描述根据本发明的示例性实施例之前，应当注意，实施例主要属于涉及实现如下系统、装置和方法的设备部件和处理步骤，所述系统、装置和方法用于通过将适合于利用低电压击穿的非线性MOS器件包括在EAS标签内来利于在毗邻的去激活环境下使EAS标签去激活。相应地，在附图中已经通过常规符号恰当表示了系统和方法的要件，仅示出对理解本发明实施例有关的那些具体细节，以便不会以对于阅读本文说明书的本领域的普通技术人员来说将容易明了的细节来模糊本发明。
本文使用的相关术语，比如“第一”和“第二”、“顶部”和“底部”等，可以仅用于将一个实体或元件与另一实体或元件区分开，而不是必定要求或暗示这些实体或元件之间的任何物理或逻辑关系或者次序。
图1示出通常在电子商品防盗(“EAS”)系统中所使用的现有技术的混合标记2或混合标签的设计。由于毁坏通常被设计成坚固的并且调整并控制电压的二极管所需的能量，这种类型的混合标记在标签去激活系统中存在固有缺陷。在这方面，与二极管相比，MOS电容器的本征电容的非线性和相对低的电压击穿特性更加理想。在图1中，二极管4在天线6的两个部分之间。在标签的去激活相隔一定距离发生的情况下，即，在去激活装置没有与标签接触的情况下，这种类型的标签设计是无效的。
现在参考附图(其中相似参考标号指代相似元件)，在图2中示出了根据本发明的原理所构造的并且一体表示为“10”的EAS询问系统。图2示出了与本发明结合使用的超高频(“UHF”)EAS系统。在该系统中，除了UHF载波电磁场外，还需要低频(flf)场(诸如，电场或磁场)。低频(“LF”)E场发生器12将低频能量提供给混合标签14。使用UHF电磁信号以及LF调制信号来为混合标签14提供场源12。标签14包括非线性元件(在下文中将更详细讨论)和偶极天线。由于标签的二极管结电容随着电压而变化，因此，标签14一旦在UHF和低LF能量这两者的照射下将产生互调成分(fuhf±flf)。接收并处理这样的互调成分，以确定是否存在EAS器件。
图3示出本发明的混合标签14的布局设计。本发明提供了在无需EAS标签去激活器与标签14接触的情况下使EAS标签14去激活的能力。如在图3中可以看出，标签14包括具有固有的低击穿电压的非线性元件(诸如，金属氧化物半导体(“MOS”)器件16)以及偶极天线18。在一个实施例中，MOS器件16位于偶极天线18的各侧之间，并且与该偶极天线电接触。MOS器件16的低阈值击穿电压允许更容易地进行包括远程去激活的去激活并且没有将额外的去激活元件添加到EAS标签14。另外，与传统的二极管相比，这种MOS器件16的固有非线性可以更高，从而提供改善的检测性能。
将天线18近似地调谐至UHF电磁信号(例如，915MHz)。例如，LF调制频率可以是111KHz。LF电场对MOS器件16的非线性电容进行调制，并且以f1±N×f2为频率周期的UHF信号为中心产生一系列混合信号，其中，f1是UHF信号频率，f2是LF调制信号频率，以及N是边带数。混合信号电平是UHF共振场、LF调制场、混合标签天线18和MOS器件16的非线性特性的函数。影响该混合信号的MOS器件16特征如下所述。检测系统包括UHF和调制天线以及提供场源的电子器件与检测电路。
因此，用使用MOS器件16的本发明的EAS标签替代诸如在现有技术中的具有非线性二极管元件的EAS标签。图4示出了混合EAS标签14的部件。图4中所示的设计是一个实施例，并且改进该设计在本发明的范围内，该改进的步骤使其适合现有制造技术并与现有制造技术兼容。标签14包括顶部电极层20、底部电极层22、半导体区域24和绝缘层26。由于该结构内存在绝缘层26，导致该器件的作用就像电容器一样。
图5示出根据本发明的原理构造的器件14的C-V(电容与电压)特性。随着端电压(在这种情况下，还称为栅极电压VG)增大，产生了另外的空间电荷区域。这相当于与基本本征电容(Ci)串联连接的第二电容。该器件的最大结电容是Ci，其呈现出电极之间具有薄绝缘体26的电容器的值，并且可以表示如下，其中，ε、A、d表示绝缘体的介电常数、电容器的面积和厚度，其中，
Figure BDA0000067308890000051
利用p型半导体，随着栅极电极从负电压增大至正电压，从绝缘器/半导体界面推开空穴，从而留下大量不能移动的负离子。这有效地增大了间隙，并因此减小了总的净电容。电容最终达到最小值。另外，增大电压不会增大耗尽区的尺寸。栅极电压的进一步增大会产生反转，其中，大量电子会被吸引至界面，结果，有效电容将回复至Ci值。然而，这仅在低频(＜100Hz)区发生。在常规的高频条件下，将测量出净电容为Cmin，如图5所示，这是因为电荷不能快速地对AC场(其与反转层中的少数载流子的发生-复合比率有关)作出响应。
MOS器件16的CV特性取决于半导体的掺杂浓度、绝缘体26的厚度、以及用于电极20和22的材料的类型。可以改变本发明的设计，以使非线性程度可以超过二极管(如在现有技术中所使用的)的非线性程度，从而进一步增强UHF EAS系统特性。另外，可以以超过使用二极管的那些EAS器件的距去激活器的一定距离处使MOS器件16去激活。当使用一次性EAS标签14时，该布置是有利的。与二极管相反，可能通过在电极上施加足够高的电压(VG)来毁坏MOS器件16。结果，可以有效地消除和/或改变EAS功能，从而导致停止产生混合信号，即，去激活发生。利用MOS器件16的较低击穿电压，可以在不用将其他特征添加到EAS混合标签14的非线性元件(即，MOS器件16)中的情况下产生去激活距离。
为了利于便利地去激活，可以进一步使EAS标签14的MOS器件16的击穿电压最小。这可以通过例如减小绝缘/介电层26的厚度来实现。利用更薄的层，可以产生高E场，以引起击穿。可选地，可以选择具有较低击穿电压的不同种类的绝缘体。在又一个实施例中，可以在沉积介电层期间包括杂质或缺陷中心，以激励击穿。
因此，MOS器件16具有确定混合标签14的去激活特性的内置击穿电压特性。去激活器装置在所确定的工作频率下提供了在规定限制内的E场源。E场耦合至混合标签14，以提供MOS器件16的薄氧化物层必需的击穿。在该击穿阈值以下，MOS器件16作为非线性电容器工作。然而，在实现击穿后，MOS器件16作为具有稍微低的电容值的线性电容器工作。不存在非线性特性使得在EAS混合系统中不能检测混合标签14。
图6示出本发明的可供选择的实施例。在该实施例中，添加升压电路，以放大MOS器件16上的去激活场感应的电压，以便增强去激活性能。在这种情况下，可以连同MOS器件16一起增加某些电子部件。如前所述，将诸如偶极天线或环形天线的天线附着于点A和点B，以与非线性MOS电容器器件16连接。在图6的示例性实施例中，CockroftWalton倍压器用于将DC电压升到Vin峰值电压的几倍。应该注意，还可以使用用于增大MOS装置16上的电压的其他类型的升压电路。在该实例中，电容器28(C1-C6)和二极管30(D1-D6)的梯形网络用于放大MOS器件16上的电压。然后，通过MOSFET开关32将最后一级的电压输出反馈至MOS器件16。随着电压增大至预定量，接通MOSFET开关32，并且可利用高电压来毁坏MOS器件16。可以包括其他电路，以通过升高MOS器件16上的电压来改进去激活性能。
因此，天线18电连接至点A和点B，并且MOS器件16可以包括图6中所描绘的电路，其通过在将足够的去激活E场施加至天线18时升高所施加的电压来增强去激活性能。在正常检测模式下，由于无源二极管和晶体管器件处于激活升压电路所需的接通的要求范围下，因此升压电路作为开路出现。
本发明有利地提供并限定了一种装置、系统和方法，其用于通过将适合于利用低电压击穿的非线性MOS器件包括在EAS标签内来利于在毗邻去激活环境下使EAS标签去激活。
另外，除非以上做了相反陈述，应当注意所有附图没有按照比例绘制。明显地，在不脱离本发明精神或本质属性的情况下可以以其它特定形式来实现本发明，并且相应地，必须参照所附权利要求而非前述说明书来指示本发明的范围。

Claims (13)

1.一种电子商品防盗EAS标签，包括：
天线电路；以及
非线性部件，其电耦接至所述天线电路，所述非线性部件对于小于击穿电压阈值的电压表现出非线性电容，并且对于大于所述击穿电压阈值的电压表现出线性电容，其中所述非线性部件是金属氧化物半导体MOS器件，所述MOS器件包括绝缘层，其中，向所述MOS器件施加预定电压导致所述绝缘层被电击穿。
2.如权利要求1所述的电子商品防盗EAS标签，还包括电耦接至所述MOS器件的升压电路，所述升压电路增大了对所述MOS器件施加的电压。
3.如权利要求2所述的电子商品防盗EAS标签，其中，所述升压电路包括以预定电压激活的开关，从而使得所述MOS器件能够利用增大后的电压。
4.如权利要求1所述的电子商品防盗EAS标签，其中，所述天线电路包括偶极天线。
5.如权利要求1所述的电子商品防盗EAS标签，其中，所述天线电路包括第一部分和第二部分，并且所述非线性部件位于所述天线电路的所述第一部分与所述天线电路的所述第二部分之间。
6.如权利要求1所述的电子商品防盗EAS标签，其中，所述EAS标签是通过结合高频信号与低频信号来调制的混合标签。
7.一种电子商品防盗EAS标签去激活系统，包括：
EAS标签，所述EAS标签包括：
天线电路；以及
非线性部件，其电耦接至所述天线电路，所述非线性部件对于小于击穿电压阈值的电压表现出非线性电容，并且对于大于所述击穿电压阈值的电压表现出线性电容；以及
去激活器件，其适于使所述EAS标签去激活而不与所述EAS标签接触，
其中所述非线性部件是金属氧化物半导体MOS器件，所述MOS器件包括绝缘层，其中，所述去激活器件向所述MOS器件施加预定电压导致所述绝缘层被击穿。
8.如权利要求7所述的系统，还包括电耦接至所述MOS器件的升压电路，所述升压电路增大了对所述MOS器件施加的电压。
9.如权利要求8所述的系统，其中，所述升压电路包括以预定电压激活的开关，从而使得所述MOS器件能够利用增大后的电压。
10.如权利要求7所述的系统，其中，所述天线电路包括偶极天线。
11.如权利要求7所述的系统，其中，所述天线电路包括第一部分和第二部分，并且所述非线性部件位于所述天线电路的所述第一部分与所述天线电路的所述第二部分之间。
12.如权利要求7所述的系统，其中，所述EAS标签是通过结合高频信号与低频信号来调制的混合标签。
13.一种用于使电子商品防盗EAS标签去激活的方法，所述方法包括：
提供具有天线电路和电耦接至所述天线电路的非线性部件的EAS标签，所述非线性部件对于小于击穿电压阈值的电压表现出非线性电容，并且对于大于所述击穿电压阈值的电压表现出线性电容；以及
在所述非线性部件上感应电压，其中，所感应的电压大于所述击穿电压阈值以击穿所述非线性部件，
其中所述非线性部件是金属氧化物半导体MOS器件，所述MOS器件包括绝缘层，其中在所述非线性部件上感应电压导致所述绝缘层被击穿。
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