DE10109221A1 - Energieautarker, kontaktloser Datenträger - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Datenträger mit DOLLAR A - zumindest einem integrierten Baustein (6; 60), der wenigstens zwei Kontaktpunkte aufweist, DOLLAR A - zumindest einem eine Leiteranordnung (1, 2; 10, 20; 100, 200) aufweisenden elektromagnetischen Koppelelement (K) zur Übertragung von Daten und/oder Energie, wobei das zumindest eine elektromagnetische Koppelelement (K) mit dem zumindest einen integrierten Baustein (6; 60) elektrisch verbunden ist, DOLLAR A - zumindest einer Zelle (Z) mit einer Anode (1) und einer Kathode (2), die die elektrische Versorgung des zumindest einen integrierten Bausteins (6; 60) zumindest teilweise übernimmt, DOLLAR A - einer Trägerfolie (5), auf der der zumindest eine integrierte Baustein (6; 60), das zumindest eine elektromagnetische Koppelelement (K) und die zumindest eine Zelle (Z) aufgebracht sind. DOLLAR A Erfindungsgemäß bilden das Elektrodenpaar der Zelle (Z) bzw. die Elektrodenpaare der Zellen (Z) die Leiteranordnung des Koppelelementes.

Description

Die Erfindung betrifft einen Datenträger mit

• - zumindest einem integrierten Baustein (6; 60), der wenig­ stens zwei Kontaktpunkte aufweist,
• - zumindest einem eine Leiteranordnung (1, 2; 10, 20; 100, 200) aufweisenden elektromagnetischen Koppelelement (K) zur Übertragung von Daten und/oder Energie, wobei das zu­ mindest eine elektromagnetische Koppelelement (K) mit dem zumindest einen integrierten Baustein (6; 60) elektrisch verbunden ist,
• - zumindest einer Zelle (Z) mit einer Anode (1) und einer Kathode (2), die die elektrische Versorgung des zumindest einen integrierten Bausteins (6; 60) zumindest teilweise übernimmt,
• - einer Trägerfolie (5), auf der der zumindest eine inte­ grierte Baustein (6; 60), das zumindest eine elektromagne­ tische Koppelelement (K) und die zumindest eine Zelle (Z) aufgebracht sind.

Derartige Datenträger können über einen kontaktlosen elektro­ magnetischen Übertragungsweg von einem Schreib-/Lesegerät an­ gesprochen werden. Das Koppelelement kann beispielsweise eine Induktionsschleife oder eine Spule, eine kapazitive Koppel­ fläche oder eine Antenne sein. Die Antenne kann zum Beispiel als Dipol oder Faltdipol ausgeführt sein. Hierdurch wird durch eine induktive, kapazitive oder allgemeiner elektroma­ gnetische Kopplung ein Datenaustausch mit dem Schreib- /Lesegerät ermöglicht. Die Datenträger dienen zur Produkt- und Transport-Kennzeichnung (sogenannte "Tags"), die ihren Einsatz zum Beispiel in der Warenlogistik, bei Brief- und Pa­ ketdiensten oder in der Gepäckabfertigung finden. Derartige Systeme werden auch als RFID - Radio Frequency Identificati­ on-Systeme bezeichnet. Ein anderes Einsatzgebiet derartiger Datenträger sind kontaktlose Chipkarten.

Bei sogenannten passiven Datenträgern übernimmt das Koppele­ lement sowohl die Aufgabe der kontaktlosen Übertragung der von dem integrierten Baustein zum Betrieb benötigten elektri­ schen Leistung von dem Schreib-/Lesegerät zu dem integrierten Baustein als auch die kontaktlose Übertragung von Daten zwi­ schen dem integrierten Baustein und dem Schreib-/Lesegerät. Bei aktiven Datenträgern wird die zum Betrieb des integrier­ ten Bausteins benötigte Leistung durch ein galvanisches Pri­ märelement (Batterie) oder ein Sekundärelement (Akkumulator) sichergestellt. Das Primär- oder Sekundärelement, die im fol­ genden auch als Zelle bezeichnet werden, übernehmen die Ver­ sorgung des integrierten Bausteins mit elektrischer Leistung. Es sind auch Varianten bekannt, in denen ein aktiver Daten­ träger zusätzlich mit einer Zelle versehen ist.

Das Vorsehen derartiger Zellen auf einem Datenträger, der auf kontaktlose Weise Daten mit einem Schreib-/Lesegerät aus­ tauscht, ermöglicht eine bessere Versorgungssicherheit des integrierten Bausteins mit elektrischer Leistung, führt ande­ rerseits jedoch auch zu Problemen. Die elektrisch leitenden Strukturen der Zelle beziehungsweise Zellen treten in Wech­ selwirkung mit dem elektromagnetischen Feld zur Datenübertra­ gung. In Abhängigkeit von der Form, der Anordnung und den Ab­ messungen der Zelle beziehungsweise Zellen kann dabei die Funktion des Koppelelementes beeinträchtigt werden. Ursache hierfür ist die Absorption und Reflexion der elektromagneti­ schen Energie. Eine derartige Absorption kann beispielsweise durch Wirbelströme hervorgerufen werden.

Bei einer induktiv gekoppelten, kontaktlosen Chipkarte, die im Standardformat nach ISO/IEC 7816 vorliegt, ist nach dem Einbringen einer Folienbatterie von einer nicht mehr tole­ rierbaren Beeinträchtigung der induktiven Kopplung durch Wir­ belströme auszugehen. Die Folienbatterie schließt derzeit zirka 30 bis 50% der vom magnetischen Fluß durchsetzten Flä­ che bei Anordnungen im Stand der Technik elektrisch kurz.

Weiterhin führt eine separate Herstellung der Zellen sowie deren nachträgliche Integration in den Datenträger zu hohen Herstellungskosten. Andererseits versperrt in einem Niedrig- Preis-Segment der Verzicht auf eine Zelle den Weg zu lei­ stungsfähigeren Systemen, die eine erhöhte Reichweite, eine schnellere Transaktionszeit oder verbesserte Sicherheitsmerk­ male beinhalten könnten. Bei derartigen passiven Datenträgern bedingt der Verzicht auf eine Batterie seinerseits höhere Ko­ sten in Folge der zur Übertragung der elektrischen Leistung erforderlichen größeren Fläche der elektromagnetischen Kop­ pelelemente und damit des Trägers.

In der Praxis wird die Einschränkung der Leistungsfähigkeit bei kostengünstigen Identifikationssystemen durch die Verwen­ dung von rein passiven Datenträgern in Kauf genommen. Bei teureren Datenträgern werden hingegen separat hergestellte und verkapselte, das heißt die Wechselwirkung mit dem elek­ tromagnetischen Feld ausschließenden, Batterien verwendet.

Bei Chipkarten hingegen besteht das Bedürfnis, separat herge­ stellte Zellen, zum Beispiel Folienbatterien, zu verwenden. Diese ziehen jedoch bei der kontaktlosen elektromagnetischen Kopplung zwischen dem Datenträger und dem Schreib-/Lesegerät die oben erläuterte prinzipielle Beeinträchtigung der elek­ tromagnetischen Kopplung nach sich. In allen Fällen führt so­ mit die Verwendung separat hergestellter Zellen, die nach­ träglich in den Datenträger integriert und kontaktiert werden müssen, zu erhöhten Kosten.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, einen Datenträger bereitzustellen, der die Verwendung einer Zelle in einem Datenträger erlaubt, ohne dabei die elektroma­ gnetischen Eigenschaften zu verschlechtern.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den untergeordne­ ten Patentansprüchen.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß das Elektrodenpaar der Zelle bzw. die Elektrodenpaare der Zellen die Leiteranordnung des Koppelelementes bilden. Mit anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, daß die gemäß dem Wirkungsprinzip der Zelle beziehungsweise Zellen vorgesehenen elektrisch leitenden Strukturen mit den gemäß dem Wirkungsprinzip des elektroma­ gnetischen Koppelelementes gestalteten Leiterzügen zusammen­ fallen. Die elektrisch leitenden Strukturen der Zelle bezie­ hungsweise Zellen zusammen mit deren Zuleitungen sind somit in einer Weise geformt, daß diese im Hinblick auf deren Wech­ selwirkung mit dem elektromagnetischen Feld die Funktion des Koppelelementes unterstützen.

Die Erfindung schlägt somit einen aktiven Datenträger vor, der aufgrund der besonderen Ausgestaltung der Zelle bzw. Zel­ len eine hohe Reichweite, eine schnelle Transaktionszeit und ähnliche Merkmale ermöglicht, ohne dabei die elektromagneti­ schen Eigenschaften bei der Übertragung von Daten zu ver­ schlechtern.

Abhängig von dem gewünschten elektrischen Eigenschaften bzw. dem Ersatzschaltbild, das insbesondere die Verschaltung der Zelle und des Koppelelementes beinhaltet, bestimmt sich, mit wie vielen Kontaktpunkten des integrierten Bausteines die Elektroden verbunden sind.

In einer Variante sind zumindest jeweils ein Ende einer Elek­ trode der einen Polarität - dies kann beispielsweise die An­ ode sein - und ein Ende einer Elektrode der anderen Polarität - dies ist im genannten Beispiel die Kathode - mit einem Kon­ taktpunkt des integrierten Bausteins verbunden. Das elektri­ sche Ersatzschaltbild stellt dann die Serienschaltung aus ei­ ner Zelle und einem Koppelelement dar. Es versteht sich dabei von selbst, daß zwischen den Elektroden der Zelle, die gleichzeitig die Leiteranordnung des Koppelelementes bilden, keine galvanische, das heißt unmittelbare, Verbindung be­ steht.

In einer anderen Variante ist vorgesehen, eine Elektrode der einen Polarität - beispielsweise die Anode - mit ihren beiden Enden mit Kontaktpunkten des integrierten Bausteins zu ver­ binden, während eine Elektrode der anderen Polarität - die Kathode - nur mit einem Kontaktpunkt des integrierten Bau­ steins zur Bildung einer Mittelanzapfung verbunden ist. Ins­ gesamt muß der integrierte Baustein bei dieser Variante zu­ mindest drei Kontaktpunkte aufweisen. Das Koppelelement be­ steht somit aus zwei seriell verschalteten Koppelelementen, die zwischen den zwei Kontaktpunkten des integrierten Bau­ steins verschalten sind. Zwischen dem Verbindungspunkt der seriell verschalteten Koppelelemente und dem dritten Kontakt­ punkt des integrierten Bausteins ist die Zelle gelegen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist wenig­ stens ein weiteres Elektrodenpaar mit einer Anode und einer Kathode vorgesehen, wobei eine Elektrode der einen Polarität - zum Beispiel die Anode - eines Elektrodenpaares mit einer Elektrode der anderen Polarität - folglich die Kathode - ei­ nes weiteren Elektrodenpaares galvanisch, das heißt unmittel­ bar, oder über eine Gleichstromsperre miteinander in Verbin­ dung steht.

Mit jedem weiteren Elektrodenpaar wird eine weitere Zelle be­ reitgestellt, so daß eine Serienschaltung aus mehreren Zellen realisierbar ist. Der dann entstehende Zellenverbund stellt eine gegenüber einer einzelnen Zelle größere Spannung zur Verfügung.

Es ist vorgesehen, die Leiterzüge in einer Variante vorzugs­ weise planar auf der Trägerfolie aufzubringen. Dabei ist zu­ mindest zwischen den Elektroden eines jeden Elektrodenpaares ein Elektrolyt vorgesehen. Vorzugsweise befindet sich auch auf den Elektroden ein Elektrolyt, wodurch eine größere Flä­ che an der chemischen Reaktion zur Bereitstellung von Energie beteiligt werden kann.

Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, daß die Elektroden eines Elektrodenpaares gefingert ausgestaltet und interdigi­ tal zueinander gelegen sind. Dies bedeutet, daß die Finger einer jeden Elektrode ineinander greifen und planar auf der Trägerfolie angeordnet sind. Eine derartige gefingerte Anord­ nung ermöglicht sowohl eine induktive als auch eine kapaziti­ ve Ausgestaltung des Koppelelementes. Weiterhin wird dadurch die Effektivität der Zelle erhöht.

In der anderen Variante sind die Elektroden eines Elektroden­ paares geschichtet angeordnet, wobei zwischen den Elektroden eines jeden Paares ein Elektrolyt vorgesehen ist. Es ist da­ bei natürlich möglich, auch mehrere der geschichteten Elek­ trodenpaare übereinander anzuordnen. Die geschichteten Elek­ trodenpaare können dabei seriell miteinander verschalten sein, um die zur Verfügung stehende Spannung zu erhöhen. Sie können aber auch durch ein Dielektrikum voneinander getrennt sein, wodurch zwei voneinander unabhängige Zellen gebildet werden.

In einer dritten Ausgestaltung sind zumindest zwei Elektro­ denpaare mit jeweils geschichteten Elektroden benachbart an­ geordnet, wobei die Elektrodenpaare zum Zwecke einer Serien­ verschaltung eine galvanische Verbindung aufweisen können. Auch hier ist es denkbar, daß die jeweils geschichteten Elek­ trodenpaare elektrisch von einander getrennt sind.

Die Leiterzüge des Koppelelementes bilden vorzugsweise die Form zumindest einer Leiterschleife nach. Hierdurch arbeitet das Koppelelement mit einem induktiven Feld. Besonders gut ist es, wenn die Leiterschleife die Abmaße der Trägerfolie ausnutzt, da die Fläche, die von der Leiterschleife eingenommen wird, die induktive Kopplung zu einem Schreib-/Lesegerät bestimmt. Durch eine Überkreuzung der Leiterzüge ist es sogar möglich, Leiterschleifen mit mehreren Windungen nachzubilden.

Ist eine kapazitive Kopplung zu dem Schreib-/Lesegerät ge­ wünscht, so werden die Leiterzüge vorzugsweise flächig ausge­ bildet. Die Leiterzüge können dabei flächig planar oder flä­ chig übereinander angeordnet sein. Bei einer planaren Ausge­ staltung bietet sich eine interdigitale Anordnung an.

Als Gleichstromsperre zwischen zwei Elektrodenpaaren wird vorteilhafterweise eine Induktivität verwendet. Alternativ ist als Gleichstromsperre ein auf die Betriebsfrequenz als Sperrfrequenz abgestimmter paralleler Resonanzkreis vorgese­ hen.

Der Elektrolyt kann weiterhin einen Depolarisator aufweisen. Der Elektrolyt kann in einem Trägermaterial enthalten sein oder in den Leerstellen einer Gitterstruktur aus nicht- leitendem Material eingebracht sein, die als "Abstandshalter" dient. Das Trägermaterial kann beispielsweise ein poröse Schicht sein.

Die Erfindung ermöglicht nicht nur die Ausbildung einer kapa­ zitiv oder induktiv koppelnden Datenträgeranordnung, sondern auch die Ausbildung allgemeiner Antennenstrukturen, die mit einem elektromagnetischen Wechselfeld arbeiten. Dies könnten beispielsweise Dipole, Falt-Dipole, Patch-Antennen, Ringreso­ nator-Antennen oder Schlitzleitugsantennen sein.

Hierzu ist vorgesehen, auf der der Zelle gegenüberliegenden Hauptseite der Trägerfolie eine vorzugsweise flächig ausge­ bildete Metallisierung zu vorzusehen, die einen Teil der An­ tenne bildet. Den anderen Teil der Antenne bildet die erfin­ dungsgemäß ausgestaltete Zelle. Die Erfindung ermöglicht so­ mit auch eine Datenübertragung im hochfrequenten Bereich.

Die Erfindung und deren Vorteile wird anhand der nachfolgen­ den Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a, 1b ein erstes Ausführungsbeispiel mit einem induktiven Koppelelement in Draufsicht und im Querschnitt,

Fig. 2 das prinzipielle Ersatzschaltbild der Fig. 1,

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel mit einem induktiven Koppelelement aus zwei Leiter­ zugpaaren,

Fig. 4a, 4b ein drittes Ausführungsbeispiel mit induk­ tiven Koppelelement und zwei Windungen in Draufsicht und im Querschnitt,

Fig. 5a, 5b planar geschichtete Leiterzüge,

Fig. 6a ein viertes Ausführungsbeispiel mit induk­ tiver Kopplung und Parallelschaltung von Zelle und Koppelelement,

Fig. 6b das prinzipielle Ersatzschaltbild der An­ ordnung nach Fig. 6a,

Fig. 7a, b ein fünftes Ausführungsbeispiel mit induk­ tiver Kopplung und Parallel-Integration von Zelle und Koppelelementen, wobei zwei Leiterzugpaare vorgesehen sind,

Fig. 8a ein erstes Ausführungsbeispiel mit kapazi­ tiver Kopplung und planarer Ausgestaltung der Leiterzüge,

Fig. 8b ein zweites Ausführungsbeispiel mit kapa­ zitiver Kopplung und geschichteter Anord­ nung der Leiterzüge,

Fig. 9 ein drittes Ausführungsbeispiel mit einer Serienschaltung zweier flächig ausgebilde­ ter kapazitiver Koppelflächen,

Fig. 10a bis c ein Ausführungsbeispiel einer Integration einer Zelle und einer Patch-Antenne in Aufsicht, im Querschnitt und in Unter­ sicht.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfin­ dungsgemäßen Datenträgers mit einem induktiven Koppelelement. In der Fig. 1a ist die Draufsicht auf den Datenträger darge­ stellt. Fig. 1b zeigt einen Schnitt entlang der Linie A-A'. Das elektriche Ersatzschaltbild ist in Fig. 2 gezeigt.

Auf einer nicht-leitenden Trägerfolie 5 sind ein erster Lei­ terzug 1 und ein zweiter Leiterzug 2 aufgebracht. Der erstee und der zweite Leiterzug stellen die Elektroden einer Zelle Z dar. Gleichzeitig bilden die Leiterzüge 1, 2 die Leiteranord­ nungen des hier induktiv koppelnden Koppelelementes K.

Der erste Leiterzug 1 stellt die Anode, der zweite Leiterzug 2 die Kathode der Zelle Z dar. Die Leiterzüge sind als plana­ re Elektroden in einer Ebene angeordnet und in Form einer in­ duktiven Koppelschleife ausgebildet. Je ein Ende der Elektro­ den ist mit je einer Kontaktfläche (nicht dargestellt) eines beispielhaft darüber angeordneten integrierten Bausteines 6 kontaktiert. Der Bereich zwischen und oberhalb des ersten Leiterzuges 1 und des zweiten Leiterzuges 2 ist mit einem Elektrolyten 3 bedeckt und durch eine weitere nicht-leitende Schicht 4 versiegelt. Dies ist besonders gut im Querschnitt der Fig. 1b zu erkennen.

Die die Anode und Kathode der Zelle Z darstellenden ersten und zweiten Leiterzüge 1, 2 können beispielsweise durch Be­ dampfung hergestellte metallische Elektroden sein. Sie können aus Kupfer oder Aluminium bestehen oder durch bekannte Print­ techniken aufgebracht werden. Im letztgenannten Fall kommt auch eine nicht-metallische Elektrode, zum Beispiel aus Koh­ le, in Frage. Der Elektrolyt 3 kann als Gel aufgebracht oder in einer als Trägerschicht dienenden porösen Schicht gehalten sein. Der Elektrolyt kann gegebenenfalls einen Depolarisator enthalten, wobei dieser in die poröse Schicht eingebracht wä­ re.

Das erste Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 1 entspricht in elektromagnetischer Hinsicht der Serienschaltung einer Zelle Z und einer induktiven Koppelschleife K. Das prinzipielle Er­ satzschaltbild ist in Fig. 2b dargestellt. Der Strompfad be­ ginnt an einem der Kontakte zwischen dem integrierten Bau­ stein 6 und der Kathode (zweiter Leiterzug 2), setzt sich entlang der Kathode fort, wobei über das galvanische Element beziehungsweise über den Akkumulator (Zelle Z) durch ionische Leitung im Elektrolyten 3 sowie durch kapazitive Kopplung zwischen Kathode und Anode der allmähliche Stromübertritt zur Anode (erster Leiterzug 1) erfolgt. Der Strompfad wird über den Kontakt zwischen dem ersten Leiterzug 1 und dem inte­ grierten Baustein 6 durch diesen geschlossen.

Durch die erfindungsgemäße Ausführung nach Fig. 1 wird er­ reicht, daß mit den die Elektroden darstellenden Leiterzügen 1, 2 der Zelle keine separaten parasitären Leiterzüge einge­ führt werden, die infolge von Wirbelstromverlusten die Funk­ tion der Koppelschleife beeinträchtigen würden.

Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfin­ dungsgemäßen Datenträgers mit induktiver Kopplung. In Ergän­ zung zu dem ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist ein zweites aus Leiterzügen 1a, 2a gebildetes Elektrodenpaar vor­ gesehen. Hierbei stellt der Leiterzug 1a die Anode und der Leiterzug 2a die Kathode dar, die mit einem Kontaktpunkt des integrierten Bausteins 6 verbunden ist. Die Leiterzüge 1a, 2a weisen eine gefingerte Ausgestaltung aus. Das bedeutet, die jeweiligen Finger der Elektrodenpaare greifen ineinander, oh­ ne sich dabei jedoch zu berühren. Die das erste Elektroden­ paar bildenden Leiterzüge 1, 2 sind ebenfalls gefingert aus­ gestaltet und in interdigitaler Weise angeordnet. Hierbei ist die Anode (Leiterzug 1) mit einem Kontaktpunkt des integrier­ ten Bausteins 6 verbunden.

An einem Verbindungspunkt 7 sind die Leiterzüge 2, 1a, d. h. die Kathode des ersten Elektrodenpaares 1, 2 und die Anode des zweiten Elektrodenpaares 1a, 2a, galvanisch miteinander verbunden. Das zweite Ausführungsbeispiel ermöglicht somit eine Anordnung mit beispielhaft zwei in Serie geschalteten Zellen. Die galvanische, das heißt die unmittelbare Verbin­ dung zwischen der Kathode des ersten Elektrodenpaares und der Anode des zweiten Elektrodenpaares kann zum Beispiel durch eine Überlappung der Leiterzüge realisiert werden.

Die Zwischenräume jedes der Elektrodenpaare 1, 2; 1a, 2a sind separat mit einem Elektrolyten 3, 3a ausgefüllt. In der be­ vorzugten Realisierung sind auch die jeweiligen Elektroden mit dem Elektrolyten bedeckt. Die beiden Elektrolytschichten 3, 3a weisen dabei keinerlei Berührungspunkte auf. An der Stelle der galvanischen Verbindung 7 ist kein Dielektrikum vorgesehen.

Fig. 4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfin­ dungsgemäßen Datenträgers, der auf induktive Weise arbeitet und ein Koppelelement mit zwei Windungen sowie eine inte­ grierte Zelle aufweist. Das Ausführungsbeispiel weist zwei als Leiterzüge 1, 2 ausgebildete Elektroden auf. Jeweils ein Ende der Leiterzüge 1, 2 ist mit dem integrierten Baustein 6 elektrisch verbunden. Auch in diesem Ausführungsbeispiel sei angenommen, daß der Leiterzug 1 die Anode und der Leiterzug 2 die Kathode darstellt.

Die Leiterzüge 1, 2 verlaufen spiralförmig und bilden dabei zwei Windungen. Im Kreuzungsbereich der Leiterzüge ist ein Isolator 8 zwischen den Windungen vorgesehen.

Die elektrolytische Schicht ist in zwei getrennte Bereiche 3a, 3b aufgeteilt, zwischen denen keine Verbindung besteht. Denkbar wäre auch, daß die Bereiche 3a, 3b dem Verlauf der Leiterzüge, die unterhalb des Isolators 8 gelegen sind, fol­ gen und dort eine Verbindung miteinander eingehen. Die elek­ trolytische Schicht würde dann dem spiralförmigen Verlauf der Leiterzüge folgen. Ebenfalls wäre die Verwendung einer Mehr­ finger-Elektrodenstruktur denkbar. Aufgrund des im wesentli­ chen spulenförmigen Verlaufs der Leiterzüge findet eine Da­ tenübertragung zwischen dem Datenträger und dem Schreib- /Lesegerät auf induktive Weise statt.

Die Fig. 4b zeigt einen Schnitt entlang der Linie B-B' in der Fig. 4a. Aus dieser Darstellung wird besonders gut er­ sichtlich, daß die Elektrolytschicht in zwei getrennte Berei­ che 3a, 3b aufgeteilt ist, die jeweils zwischen und über den benachbart liegenden Leiterzügen 1, 2 gelegen sind. Über den elektrolytischen Schichten 3a, 3b ist die weitere nicht- leitende Schutzschicht 4 vorgesehen.

Die in den Fig. 3 und 4 beschriebenen Ausführungsbeispiele können weiterhin so kombiniert werden, daß sich planar inte­ grierte Ausführungen von Koppelelementen mit Zellen ergeben, die zugleich mehrere Windungen und mehrere Zellen enthalten.

Die elektromagnetischen Eigenschaften des Koppelelementes, insbesondere die Werte ihrer Ersatzbildelemente (Induktivi­ tät, Serienwiderstand und Kapazität) sind durch die Wahl der Abmessungen, die in den Figuren zur Darstellung der Topologie beliebig gewählt wurden, in weiten Grenzen einstellbar. Der Innenwiderstand der Zelle sowie ihr kapazitiver Innenwider­ stand bei einer vorgegebenen Betriebsfrequenz können unter anderem durch die Anzahl der Finger und deren Abstand einge­ stellt werden. Die in den Figuren dargestellten Anordnungen sollen aus diesem Grund lediglich als Beispiele betrachtet werden.

In Abwandlung der in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Aus­ führungsbeispiele mit nebeneinander auf der Trägerfolie 5 an­ geordneten Leiterzügen können die Leiterzüge, bei im übrigen unveränderter Topologie auch in geschichteter Anordnung auf der Trägerfolie aufgebracht sein. Die Fig. 5a und 5b zei­ gen zwei mögliche Realisierungsformen.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5a kann zum Beispiel in Printtechnik durch nacheinander folgendes Aufbringen des Lei­ terzugmaterials 1, der Elektrolytschicht 3 und des Leiterzug­ materials 2 auf eine Trägerfolie 5 hergestellt und danach mit der nicht-leitenden Schutzschicht 4 versiegelt werden.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5b kann hergestellt wer­ den, indem das Leiterzugmaterial 1 beziehungsweise 2 separat mit spiegelbildlicher lateraler Strukturierung auf jeweils eine Trägerfolie 5a beziehungsweise 5b aufgebracht wird. Die­ se werden anschließend gemeinsam mit der Elektrolytschicht 3 in Sandwich-Technik zusammengefügt. Das Zusammenfügen kann beispielsweise durch Verschweißen oder Verkleben im Randbe­ reich 18 der Trägerfolien 5a, 5b erfolgen.

Der Elektrolyt ist entweder in einer als porösen Schicht aus­ geführten elektrolytischen Schicht 3 enthalten oder in den Leerstellen einer Gitterstruktur aus nicht-leitendem Material eingebracht, die sich zwischen dem ersten Leiterzug 1 und dem zweiten Leiterzug 2 befindet. Diese Gitterstruktur aus nicht- leitendem Material dient somit als "Abstandshalter".

Die Erfindung ermöglicht auch eine parallele Integration ei­ ner Zelle mit einem Koppelelement. In den nachfolgend beschriebenen Fig. 6 und 7 sind beispielhafte Anordnungen dargestellt.

Fig. 6a zeigt als viertes Ausführungsbeispiel mit induktiver Kopplung eine derartige parallele Integration in interdigita­ ler Ausführung. Auf der nicht-leitenden Trägerfolie 5 sind die als Elektroden ausgebildeten Leiterzüge 10 (z. B. Anode) und 20 (Katode) der Zelle als planare Elektroden in einer Ebene angeordnet und in Form einer induktiven Koppelschleife ausgebildet. Eine der beiden im wesentlichen parallel geführ­ ten Leiterzüge - in Abb. 6a ist dies der erste Leiterzug 10 (Anode) - ist an beiden Enden des Koppelelementes mit je einem Kontaktpunkt des darüber angeordneten integrierten Bau­ steines 60 kontaktiert. Die andere Elektrode - in diesem Aus­ führungsbeispiel der zweite Leiterzug 20 (Kathode) - ist an beiden Enden der Koppelschleife unbeschaltet, jedoch mit ei­ ner Mittelanzapfung 21 versehen, die mit einem dritten Kon­ taktpunkt des integrierten Bausteins 60 kontaktiert ist.

Im Unterschied zu den vorherigen Ausführungsbeispielen weist der integrierte Baustein hier zumindest drei Kontaktpunkte auf.

Der Bereich, in dem die beiden Leiterzüge 10, 20 parallel ge­ führt sind, ist mit einer elektrolytischen Schicht 3 bedeckt und durch eine weitere nicht-leitende Schutzschicht 4 versie­ gelt. Auch die Zwischenräume zwischen den Elektroden sind mit dem Elektrolyten gefüllt. Gegebenenfalls ist es denkbar, die elektrolytische Schicht 3 mit einem Depolarisator zu verse­ hen. Der Strukturquerschnitt entspricht in diesem Bereich dem in der Fig. 1b gezeigten Querschnitt.

Fig. 6b zeigt das elektrische Ersatzschaltbild der Fig. 6a. Die Zelle Z ist zwischen einem Kontaktpunkt 61 des integrier­ ten Bausteins 60 und einem Knotenpunkt 64, der der Mittelan­ zapfung entspricht, gebildet. Zwischen dem Knotenpunkt 64 und jeweiligen Kontaktpunkten 62, 63 des integrierten Bausteins 60 ist jeweils ein Koppelelement K ausgebildet.

In dem fünften Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 ist eine pa­ rallele Integration von Koppelelement und einer Serienschal­ tung von Zellen dargestellt. Beispielhaft zeigt Fig. 7 die planare Parallelintegration zweier in Serie geschalteter Zel­ len.

Die Änderung gegenüber dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 6 besteht darin, daß ein zweites Elektrodenpaar vorgesehen ist. Das erste Elektrodenpaar besteht aus dem Leiterzug 10 (An­ ode), dem Leiterzug 20 (Kathode) und dem Elektrolyten 3. Das zweite Elektrodenpaar besteht aus dem Leiterzug 10a (Anode) dem Leiterzug 20a (Kathode) und dem Elektrolyten 3a. Die Ka­ thode 20 des ersten Elektrodenpaares ist mit der Anode 10a des zweiten Elektrodenpaares galvanisch, d. h. unmittelbar, verbunden (Verbindung 7), wodurch eine serielle Verschaltung der beiden Zellen ermöglicht wird. Die galvanische Verbindung zwischen den Leiterzügen 20, 10a kann durch eine Überlappung realisiert werden, wie dies beispielsweise in Fig. 7b ge­ zeigt ist.

Jedes der Elektrodenpaare weist eine separate Elektrolyt­ schicht 3, 3a auf, die jeweils gegebenenfalls mit einem Depo­ larisator versehen ist. Die elektrolytischen Schichten 3, 3a sind durch die Schutzschicht 4 voneinander getrennt (Fig. 7b).

Der Verbindungspunkt 64, das heißt die Mittelanzapfung der Koppelschleife, ist in diesem Ausführungsbeispiel an dem zweiten Leiterzug 20a, d. h. der Kathode des zweiten Elektro­ denpaares gebildet. Bezugnehmend auf das elektrische Ersatz­ schaltbild aus Fig. 6b bedeutet dies, daß zwischen dem Ver­ bindungspunkt 64 und dem Kontaktpunkt 61 des integrierten Bausteins 60 zwei in Serie verschaltete Zellen gelegen sind.

Eine planare Integration mehrerer in Serie verschalteter Zel­ len mit einem Koppelelement aus mehreren Windungen kann aus­ gehend von dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 durch Ein­ bringen einer isolierenden Zwischenschicht erfolgen, wie dies beispielhaft in Fig. 4 dargestellt ist.

Es ist ebenso denkbar, daß die in den Fig. 6 und 7 gezeig­ ten Ausführungsbeispiele anstatt einer planaren Ausführung eine geschichtete Anordnung der Leiterzüge aufweisen. Der Elektrolyt ist dann entsprechend entweder in einer porösen Schicht enthalten oder in den Leerstellen einer Gitterstruk­ tur aus dem nicht-leitenden Material eingebracht.

Die Fig. 8 und 9 zeigen (schematische) Ausführungsbeispie­ le einer planaren Integration von Zellen mit kapazitiven Kop­ pelelementen. Die Integration einer Zelle mit einer kapaziti­ ven Koppelfläche kann entweder, wie in Fig. 8a gezeigt, in interdigitaler Ausführung erfolgen oder, wie in Fig. 8b ge­ zeigt, in einer geschichteten Ausführung erfolgen. Es ist hinzuzufügen, daß für eine bestimmungsgemäße Funktion des Da­ tenträgers die in den Fig. 8a und 8b gezeigten Koppelele­ mente jeweils die gleiche Anordnung, spiegelsymmetrisch ange­ ordnet, nochmals benötigen. Die Fig. 8a und 8b zeigen so­ mit nur eine Hälfte des erfindungsgemäßen Datenträgers.

In der Ausführung nach Fig. 8a befinden sich die als Elek­ troden ausgebildeten Leiteranordnungen 100, 200 in interdigi­ taler, d. h. gefingerter, Anordnung auf einer nicht-leitenden Trägerfolie 5. Die Zwischenräume zwischen den Elektroden 100, 200 und die Elektroden selbst sind, wie durch die gestrichel­ te Linie angedeutet, mit einem Elektrolyten 3 gefüllt bzw. bedeckt, der gegebenenfalls um einen Depolarisator ergänzt ist. Der Elektrolyt 3 ist wie in den vorangegangenen Ausfüh­ rungsbeispielen auch mit einer Schutzschicht (in der Figur nicht ersichtlich) bedeckt.

Die Anordnung ist im Querschnitt analog, wie in Fig. 1b ge­ zeigt, aufgebaut. Jeweils ein Bereich der Leiteranordnungen 100, 200 ist jeweils mit einem Kontaktpunkt eines beispiel­ haft darüber angeordneten integrierten Bausteines 6 kontak­ tiert.

Im Unterschied zu den bisher beschriebenen induktiven Koppe­ lelementen mit länglichen Leiterzügen weist das kapazitive Koppelelement flächige Leiteranordnungen auf.

In der Ausführung nach Fig. 8b sind die flächig ausgebilde­ ten Leiteranordnungen bzw. Elektroden 100, 200 in geschichte­ ter Anordnung auf der Trägerfolie 5 aufgebracht. In dem ge­ zeigten Ausführungsbeispiel befindet sich die erste Lei­ teranordnung 100 (z. B. Anode) unmittelbar auf dem nicht- leitenden Trägermaterial 5. Darüber ist der zum Beispiel in einem als "Abstandshalter" dienenden porösen Medium oder in den Zwischenräumen einer nicht-leitenden Gitterstruktur ent­ haltene Elektrolyt aufgebracht. Auf dem Elektrolyten befindet sich die zweite Leiteranordnung 200 (Kathode).

In beiden Ausführungsformen der Fig. 8 ist die Zelle ein in­ tegraler Bestandteil der kapazitiven Koppelfläche. Jede der beiden Ausführungsformen kann mit einer herkömmlichen kapazi­ tiven Koppelfläche als kapazitiver Gegenelektrode kombiniert werden. Alternativ kann jede der beiden Ausführungsformen paarweise verwendet werden. Dabei kann durch geeignete Schal­ tungsmaßnahmen (Gleichstrom- beziehungsweise Wechselstrom­ trennung) sowohl die Parallel- als auch die Serienschaltung der Zellen realisiert werden. Die Schaltungsmaßnahmen können innerhalb des integrierten Bausteines 6 realisiert werden.

Fig. 9 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungs­ gemäßen Datenträgers mit kapazitivem Koppelelement. Dieses weist eine Serienschaltung zweier interdigital realisierter in die Koppelfläche integrierte Zellen, d. h. Elektrodenpaare mit Leiteranordnungen 100a, 200a und Leiteranordnungen 100b, 200b, auf. Jeweils eine der Elektroden der zwei Elektroden­ paare ist mit einem Kontaktpunkt des integrierten Bausteins verbunden. Zwischen den jeweils anderen Elektroden ist eine Gleichstromsperre bzw. Wechselstrom-Trennung mittels einer Induktivität 9 vorgesehen ist. Die Induktivität 9 kann eben­ falls in planarer Technik im gleichen Herstellungsprozeß rea­ lisiert werden. Alternativ kann anstelle der Induktivität 9 ein auf die Betriebsfrequenz als Sperrfrequenz abgestimmter Parallelresonanzkreis verwendet werden.

In einer Abwandlung dieser beiden Ausführungsbeispiele können in einer Koppelfläche auch mehrere in Serie geschaltete Zel­ len integriert werden. Dies kann bei der geschichteten Vari­ ante beispielsweise dadurch geschehen, daß ein weiteres Lei­ terzugpaar, welches ebenfalls geschichtet aufgebaut ist, auf den zweiten Leiterzug 200 aufgebracht wird.

In Fig. 10 ist ein Ausführungsbeispiel für die Integration von Zellen in Streifenleitungs-, Patch-, Ringresonator-, Schlitzleitungs-Antennen oder andere planare Antennen darge­ stellt.

In Fig. 10a ist der Querschnitt durch eine Patch-Antenne er­ sichtlich. Der Patch (12), der beispielhaft als Rechteck aus­ geführt ist, befindet sich auf einer Hauptseite einer dielek­ trischen Schicht 9 und ist mit einem Kontaktpunkt des inte­ grierten Bausteins 6 kontaktiert. Die Zelle, bestehend aus als Elektroden ausgebildeten Leiteranordnungen 100, 200 und einem zwischen den Elektroden 100, 200 und auch darauf aufge­ brachten Elektrolyt 3 ist in interdigitaler, planarer Ausfüh­ rung in die (Hochfrequenz- Massefläche auf der gegenüberlie­ genden Hauptseite des Dielektrikums 9 aufgebracht, wobei sich die Metallisierung des Patchs und die Leiteranordnungen der Zelle (im Querschnitt) überdecken. Beide Elektroden 100, 200 der Zelle sind jeweils über ein Kontaktloch 11 und Streifen­ leitungen mit Kontaktpunkten des integrierten Bausteins 6 kontaktiert. Die Elektroden der Zelle sind in Übereinstimmung mit den vorhergehenden Ausführungsbeispielen durch eine Schutzschicht 4 abgedeckt.

In Ergänzung zu den beschriebenen Ausführungsbeispielen für Antennen sei noch angemerkt, daß aufgrund der topologischen Äquivalenz von induktiven Koppelschleifen und Faltdipol- Antennen die Ausführungsbeispiele der Fig. 1 bis 5 in äquivalenter Weise als Ausführungsbeispiele für die planare Integration von Zellen mit Faltdipol-Antennen herangezogen werden können.

Ebenso können aufgrund der topologischen Äquivalenz von kapa­ zitiven Koppelflächen-Paaren und Dipol-Antennen die Ausfüh­ rungsbeispiele der Fig. 6 und 7 als Ausführungsbeispiele für die planare Integration von Zellen mit Dipol-Antennen herangezogen werden.

Die Erfindung ermöglicht auf einfache Weise die Integration einer Zelle in einem kontaktlos arbeitenden Datenträger, ohne dabei dessen elektromagnetische Eigenschaften in negativer Weise zu beeinflussen. Das Prinzip beruht darauf, daß die ge­ mäß dem Wirkungsprinzip der Zellen vorgesehenen elektrisch leitenden Strukturen zugleich mit den gemäß dem Wirkungsprin­ zip des elektromagnetischen Koppelelementes gestalteten elek­ trisch leitenden Strukturen zusammenfallen. Die Koppelelemen­ te können dabei als induktiv oder kapazitiv arbeitende Koppe­ lelemente vorgesehen sein.

Bezugszeichenliste

1

Leiterzug

2

Leiterzug

3

Elektrolyt

4

Schutzschicht

5

Trägerfolie

6

integrierter Baustein

7

Verbindung

8

Isolator

9

dielektrische Schicht

10

Leiterzug

11

Durchkontaktierung

12

Patch

18

Randbereich

20

Leiterzug

60

Integrierter Baustein

61

Kontaktpunkt

62

Kontaktpunkt

63

Kontaktpunkt

64

Knotenpunkt

100

Leiteranordnung

200

Leiteranordnung
K Koppelelement
Z Zelle

Claims (17)

1. Datenträger mit
zumindest einem integrierten Baustein (6; 60), der wenig­ stens zwei Kontaktpunkte aufweist,
zumindest einem eine Leiteranordnung (1, 2; 10, 20; 100, 200) aufweisenden elektromagnetischen Koppelelement (K) zur Übertragung von Daten und/oder Energie, wobei das zu­ mindest eine elektromagnetische Koppelelement (K) mit dem zumindest einen integrierten Baustein (6; 60) elektrisch verbunden ist,
zumindest einer Zelle (Z) mit einer Anode (1) und einer Kathode (2), die die elektrische Versorgung des zumindest einen integrierten Bausteins (6; 60) zumindest teilweise übernimmt,
einer Trägerfolie (5), auf der der zumindest eine inte­ grierte Baustein (6; 60), das zumindest eine elektromagne­ tische Koppelelement (K) und die zumindest eine Zelle (Z) aufgebracht sind,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Elektrodenpaar (1, 2; 10, 20; 100, 200) der Zelle (Z) bzw. die Elektrodenpaare der Zellen (Z) die Leiteranordnung des Koppelelementes bilden.

2. Datenträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest jeweils ein Ende einer Elektrode der einen Polari­ tät (1, 10, 100) und ein Ende einer Elektrode der anderen Po­ larität (2, 20, 200) mit einem Kontaktpunkt des integrierten Bausteines (6; 60) verbunden sind.

3. Datenträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrode (10; 10) der einen Polarität mit beiden Enden mit Kontaktpunkten des integrierten Bausteins (6; 60) verbun­ den ist, während eine Elektrode (20; 20a) der anderen Polarität mit einem Kontaktpunkt des integrierten Bausteins (6; 60) zur Bildung einer Mittelanzapfung verbunden ist.

4. Datenträger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein weiteres Elektrodenpaar mit einer Anode (1a) und einer Kathode (2a) vorgesehen ist, wobei eine Elektrode (1a) der einen Polarität eines Elektrodenpaares mit einer Elektrode (2a) der anderen Polarität eines weiteren Elektro­ denpaares galvanisch oder über eine Gleichstromsperre (9) miteinander in Verbindung steht.

5. Datenträger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (1, 2; 10, 20; 100, 200) planar auf der Trä­ gerfolie (5) aufgebracht sind.

6. Datenträger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwischen den Elektroden (1, 2; 10, 20; 100, 200) eines jeden Elektrodenpaares ein Elektrolyt (3) vorgesehen ist.

7. Datenträger nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (1, 2; 10, 20; 100, 200) eines Elektrodenpaa­ res gefingert ausgestaltet und interdigital zueinander gele­ gen sind.

8. Datenträger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (1, 2; 10, 20; 100, 200) eines Elektrodenpaa­ res geschichtet auf der Trägerfolie (5) angeordnet sind, wo­ bei zwischen den Leiterzügen eines jeden Paares ein Elektro­ lyt(3) vorgesehen ist.

9. Datenträger nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei Elektrodenpaare mit jeweils geschichteten Elektroden benachbart angeordnet sind, wobei die Elektroden­ paare zum Zwecke einer Serienverschaltung eine galvanische Verbindung aufweisen können.

10. Datenträger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (1, 2; 10, 20) in Form zumindest einer Leiter­ schleife angeordnet sind zur Bildung eines induktiv wirkenden Koppelelementes (K).

11. Datenträger nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (100, 200) flächig ausgebildet sind zur Bil­ dung eines kapazitiv wirkenden Koppelelementes.

12. Datenträger nach Anspruch 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstromsperre (9) eine Induktivität ist.

13. Datenträger nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstromsperre (9) ein auf die Betriebsfrequenz als Sperrfrequenz abgestimmter Parallelresonanzkreis ist.

14. Datenträger nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt (3) einen Depolarisator aufweist.

15. Datenträger nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt (3) in einem Trägermaterial enthalten ist.

16. Datenträger nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt (3) in den Leerstellen einer Gitterstruktur aus nicht-leitendem Material eingebracht ist.

17. Datenträger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der der Zelle (Z) gegenüberliegenden Hauptseite der Trä­ gerfolie (5) eine Metallisierung (12) vorgesehen ist.