DE10109221B4

DE10109221B4 - Verfahren zur Herstellung eines energieautarken, kontaktlosen Datenträgers

Info

Publication number: DE10109221B4
Application number: DE2001109221
Authority: DE
Inventors: Werner Schroeder
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2001-02-26
Filing date: 2001-02-26
Publication date: 2011-04-14
Anticipated expiration: 2021-02-27
Also published as: DE10109221A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines Datenträgers mit den Schritten: Bereitstellen von zumindest einem integrierten Baustein (6; 60), der wenigstens zwei Kontaktpunkte aufweist, Bereitstellen von 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 wird, Bereitstellen von einer Trägerfolie (5), auf der der zumindest eine integrierte Baustein (6; 60) und das zumindest eine elektromagnetische Koppelelement (K) aufgebracht werden, und Bilden von zumindest einer Zelle (Z), die die elektrische Versorgung des zumindest einen integrierten Bausteins (6; 60) zumindest teilweise übernimmt, durch die Verwendung der Leiteranordnung des mindestens einen Koppelelementes als Anode (1) und Kathode (2) der Zelle und durch das Vorsehen von zumindest einem Elektrolyt (3) zwischen den Elektroden (1, 2; 10, 20; 100, 200) eines jeden Elektrodenpaares, wobei die zumindest eine Leiteranordnung und der...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Datenträgers mit den Schritten: Bereitstellen von zumindest einem integrierten Baustein (6; 60), der wenigstens zwei Kontaktpunkte aufweist, Bereitstellen von 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 wird, Bereitstellen von einer Trägerfolie (5), auf der der zumindest eine integrierte Baustein (6; 60) und das zumindest eine elektromagnetische Koppelelement (K) aufgebracht werden, und Bilden von zumindest einer Zelle (Z), die die elektrische Versorgung des zumindest einen integrierten Bausteins (6; 60) zumindest teilweise übernimmt, durch die Verwendung der Leiteranordnung des mindestens einen Koppelelementes als Anode (1) und Kathode (2) der Zelle und durch das Vorsehen von zumindest einem Elektrolyt (3) zwischen den Elektroden (1, 2; 10, 20; 100, 200) eines jeden Elektrodenpaares, wobei die zumindest eine Leiteranordnung und der zumindest eine Elektrolyt separat aufgebracht werden.
Derartig hergestellte Datenträger können über einen kontaktlosen elektro-magnetischen Übertragungsweg von einem Schreib-/Lesegerät angesprochen 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 elektromagnetische 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 Paketdienst n oder in der Gepäckabfertigung finden. Derartige Systeme werden auch als RFID-Radio Frequency Identification-Systeme bezeichnet. Ein anderes Einsatzgebiet derartiger Datenträger sind kontaktlose Chipkarten.
Bei sogenannten passiven Datenträgern übernimmt das Koppelelement sowohl die Aufgabe der kontaktlosen Übertragung der von dem integrierten Baustein zum Betrieb benötigten elektrischen Leistung von dem Schreib-/Lesegerät zu dem integrierten Baustein als auch die kontaktlose Übertragung von Daten zwischen dem integrierten Baustein und dem Schreib-/Lesegerät. Bei aktiven Datenträgern wird die zum Betrieb des integrierten Bausteins benötigte Leistung durch ein galvanisches Primärelement (Batterie) oder ein Sekundärelement (Akkumulator) sichergestellt. Das Primär- oder Sekundärelement, die im folgenden auch als Zelle bezeichnet werden, übernehmen die Versorgung des integrierten Bausteins mit elektrischer Leistung. Es sind auch Varianten bekannt, in denen ein aktiver Datenträger zusätzlich mit einer Zelle versehen ist.
Das Vorsehen derartiger Zellen auf einem Datenträger, der auf kontaktlose Weise Daten mit einem Schreib-/Lesegerät austauscht, ermöglicht eine bessere Versorgungssicherheit des integrierten Bausteins mit elektrischer Leistung, führt andererseits jedoch auch zu Problemen. Die elektrisch leitenden Strukturen der Zelle beziehungsweise Zellen treten in Wechselwirkung mit dem elektromagnetischen Feld zur Datenübertragung. In Abhängigkeit von der Form, der Anordnung und den Abmessungen der Zelle beziehungsweise Zellen kann dabei die Funktion des Koppelelementes beeinträchtigt werden. Ursache hierfür ist die Absorption und Reflexion der elektromagnetischen 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 tolerierbaren Beeinträchtigung der induktiven Kopplung durch Wirbelströme auszugehen. Die Folienbatterie schließt derzeit zirka 30 bis 50% der vom magnetischen Fluß durchsetzten Fläche bei Anordnungen im Stand der Technik elektrisch kurz.
Aus der DE 4319878 A1 ist daher eine Chipkarte bekannt, bei der die äußeren Oberflächen von zwei vorgefertigten, dreieckförmigen Batterien eine „Fliegen”-Antennenstruktur bilden, die zum Speisen des Chips dient.
Weiterhin führen 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 leistungsfähigeren Systemen, die eine erhöhte Reichweite, eine schnellere Transaktionszeit oder verbesserte Sicherheitsmerkmale beinhalten könnten. Bei derartigen passiven Datenträgern bedingt der Verzicht auf eine Batterie seinerseits höhere Kosten in Folge der zur Übertragung der elektrischen Leistung erforderlichen größeren Flache der elektromagnetischen Koppelelemente und damit des Trägers.
In der Praxis wird die Einschränkung der Leistungsfähigkeit bei kostengünstigen Identifikationssystemen durch die Verwendung von rein passiven Datenträgern in Kauf genommen. Bei teureren Datenträgern werden hingegen separat hergestellte und verkapselte, das heißt die Wechselwirkung mit dem elektromagnetischen Feld ausschließenden, Batterien verwendet.
Bei Chipkarten hingegen besteht das Bedürfnis, separat hergestellte 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 elektromagnetischen Kopplung nach sich. In allen Fällen führt somit die Verwendung separat hergestellter Zellen, die nachträglich in den Datenträger integriert und kontaktiert werden müssen, zu erhöhten Kosten.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nunmehr darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Datenträgers und einen Datenträger bereitzustellen, der die Verwendung einer Zelle in einem Datenträger erlaubt, ohne dabei die elektromagnetischen Eigenschaften zu verschlechtern.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche 1 und 2 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beschreiben jeweils vorteilhafte Ausprägungen der vorliegenden Erfindung.
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 elektromagnetischen Koppelelementes gestalteten Leiterzügen zusammenfallen. Die elektrisch leitenden Strukturen der Zelle beziehungsweise Zellen zusammen mit deren Zuleitungen sind somit in einer Weise geformt, dass diese im Hinblick auf deren Wechselwirkung 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. Zellen eine hohe Reichweite, eine schnelle Transaktionszeit und ähnliche Merkmale ermöglicht, ohne dabei die elektromagnetischen Eigenschaften bei der Übertragung von Daten zu verschlechtern.
Abhängig von den 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 Elektrode der einen Polarität – dies kann beispielsweise die Anode sein – und ein Ende einer Elektrode der anderen Polarität – dies ist im genannten Beispiel die Kathode – mit einem Kontaktpunkt des integrierten Bausteins verbunden. Das elektrische Ersatzschaltbild stellt dann die Serienschaltung aus einer 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 besteht.
In einer anderen Variante ist vorgesehen, eine Elektrode der einen Polarität – beispielsweise die Anode – mit ihren beiden Enden mit Kontaktpunkten des integrierten Bausteins zu verbinden, während eine Elektrode der anderen Polarität – die Kathode – nur mit einem Kontaktpunkt des integrierten Bausteins zur Bildung einer Mittelanzapfung verbunden ist. Insgesamt muß der integrierte Baustein bei dieser Variante zumindest drei Kontaktpunkte aufweisen. Das Koppelelement besteht somit aus zwei seriell verschalteten Koppelelementen, die zwischen den zwei Kontaktpunkten des integrierten Bausteins verschalten sind. Zwischen dem Verbindungspunkt der seriell verschalteten Koppelelemente und dem dritten Kontaktpunkt des integrierten Bausteins ist die Zelle gelegen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens 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 – eines weiteren Elektrodenpaares galvanisch, das heißt unmittelbar, oder über eine Gleichstromsperre miteinander in Verbindung steht.
Mit jedem weiteren Elektrodenpaar wird eine weitere Zelle bereitgestellt, 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 vorzugsweise planar auf der Trägerfolie aufzubringen. Dabei ist zumindest zwischen den Elektroden eines jeden Elektrodenpaares ein Elektrolyt vorgesehen. Vorzugsweise befindet sich auch auf den Elektroden ein Elektrolyt, wodurch eine größere Fläche an der chemischen Reaktion zur Bereitstellung von Energie beteiligt werden kann.
Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, daß die Elektroden eines Elektrodenpaares gefingert ausgestaltet und interdigital zueinander gelegen sind. Dies bedeutet, daß die Finger einer jeden Elektrode ineinander greifen und planar auf der Trägerfolie angeordnet sind. Eine derartige gefingerte Anordnung ermöglicht sowohl eine induktive als auch eine kapazitive Ausgestaltung des Koppelelementes. Weiterhin wird dadurch die Effektivität der Zelle erhöht.
In der anderen Variante sind die Elektroden eines Elektrodenpaares geschichtet angeordnet, wobei zwischen den Elektroden eines jeden Paares ein Elektrolyt vorgesehen ist. Es ist dabei natürlich möglich, auch mehrere der geschichteten Elektrodenpaare übereinander anzuordnen. Die geschichteten Elektrodenpaare 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 Elektrodenpaare mit jeweils geschichteten Elektroden benachbart angeordnet, wobei die Elektrodenpaare zum Zwecke einer Serienverschaltung eine galvanische Verbindung aufweisen können. Auch hier ist es denkbar, daß die jeweils geschichteten Elektrodenpaare 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 gewünscht, so werden die Leiterzüge vorzugsweise flächig ausgebildet. Die Leiterzüge können dabei flächig planar oder flächig übereinander angeordnet sein. Bei einer planaren Ausgestaltung 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 vorgesehen.
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 kapazitiv oder induktiv koppelnden Datenträgeranordnung, sondern auch die Ausbildung allgemeiner Antennenstrukturen, die mit einem elektro-magnetischen Wechselfeld arbeiten. Dies könnten beispielsweise Dipole, Falt-Dipole, Patch-Antennen, Ringresonator-Antennen oder Schlitzleitugsantennen sein.
Hierzu ist vorgesehen, auf der der Zelle gegenüberliegenden Hauptseite der Trägerfolie eine vorzugsweise flächig ausgebildete Metallisierung zu vorzusehen, die einen Teil der Antenne bildet. Den anderen Teil der Antenne bildet die erfindungsgemäß ausgestaltete Zelle. Die Erfindung ermöglicht somit auch eine Datenübertragung im hochfrequenten Bereich.
Die Erfindung und deren Vorteile wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1a, 1b ein erstes Ausführungsbeispiel mit einem induktiven Koppelelement in Draufsicht und im Querschnitt,
2 das prinzipielle Ersatzschaltbild der 1,
3 ein zweites Ausführungsbeispiel mit einem induktiven Koppelelement aus zwei Leiterzugpaaren,
4a, 4b ein drittes Ausführungsbeispiel mit induktiven Koppelelement und zwei Windungen in Draufsicht und im Querschnitt,
5a, 5b planar geschichtete Leiterzüge,
6a ein viertes Ausführungsbeispiel mit induktiver Kopplung und Parallelschaltung von Zelle und Koppelelement,
6b das prinzipielle Ersatzschaltbild der Anordnung nach 6a,
7a, b ein fünftes Ausführungsbeispiel mit induktiver Kopplung und Parallel-Integration von Zelle und Koppelelementen, wobei zwei Leiterzugpaare vorgesehen sind,
8a ein erstes Ausführungsbeispiel mit kapazitiver Kopplung und planarer Ausgestaltung der Leiterzüge,
8b ein zweites Ausführungsbeispiel mit kapazitiver Kopplung und geschichteter Anordnung der Leiterzüge,
9 ein drittes Ausführungsbeispiel mit einer Serienschaltung zweier flächig ausgebildeter kapazitiver Koppelflächen,
10a bis c ein Ausführungsbeispiel einer Integration einer Zelle und einer Patch-Antenne in Aufsicht, im Querschnitt und in Untersicht.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Datenträgers mit einem induktiven Koppelelement. In der 1a ist die Draufsicht auf den Datenträger dargestellt. 1b zeigt einen Schnitt entlang der Linie A-A'. Das elektriche Ersatzschaltbild ist in 2 gezeigt.
Auf einer nicht-leitenden Trägerfolie 5 sind ein erster Leiterzug (Leiteranordnung) 1 und ein zweiter Leiterzug (Leiteranordnung) 2 aufgebracht. Der erste und der zweite Leiterzug stellen die Elektroden einer Zelle Z dar. Gleichzeitig bilden die Leiterzüge 1, 2 die Leiteranordnungen 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 planare Elektroden in einer Ebene angeordnet und in Form einer induktiven Koppelschleife ausgebildet. Je ein Ende der Elektroden 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 1b zu erkennen.
Die die Anode und Kathode der Zelle Z darstellenden ersten und zweiten Leiterzüge 1, 2 können beispielsweise durch Bedampfung hergestellte metallische Elektroden sein. Sie können aus Kupfer oder Aluminium bestehen oder durch bekannte Printtechniken aufgebracht werden. Im letztgenannten Fall kommt auch eine nicht-metallische Elektrode, zum Beispiel aus Kohle, 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 wäre.
Das erste Ausführungsbeispiel gemäß der 1 entspricht in elektromagnetischer Hinsicht der Serienschaltung einer Zelle Z und einer induktiven Koppelschleife K. Das prinzipielle Ersatzschaltbild ist in 2b dargestellt. Der Strompfad beginnt an einem der Kontakte zwischen dem integrierten Baustein 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 integrierten Baustein 6 durch diesen geschlossen.
Durch die erfindungsgemäße Ausführung nach 1 wird erreicht, daß mit den die Elektroden darstellenden Leiterzügen 1, 2 der Zelle keine separaten parasitären Leiterzüge eingeführt werden, die infolge von Wirbelstromverlusten die Funktion der Koppelschleife beeinträchtigen würden.
3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Datenträgers mit induktiver Kopplung. In Ergänzung zu dem ersten Ausführungsbeispiel nach 1 ist ein zweites aus Leiterzügen 1a, 2a gebildetes Elektrodenpaar vorgesehen. 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, ohne sich dabei jedoch zu berühren. Die das erste Elektrodenpaar bildenden Leiterzüge 1, 2 sind ebenfalls gefingert ausgestaltet und in interdigitaler Weise angeordnet. Hierbei ist die Anode (Leiterzug 1) mit einem Kontaktpunkt des integrierten 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 Verbindung 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 bevorzugten 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.
4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Datenträgers, der auf induktive Weise arbeitet und ein Koppelelement mit zwei Windungen sowie eine integrierte 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, folgen und dort eine Verbindung miteinander eingehen. Die elektrolytische Schicht würde dann dem spiralförmigen Verlauf der Leiterzüge folgen. Ebenfalls wäre die Verwendung einer Mehrfinger-Elektrodenstruktur denkbar. Aufgrund des im wesentlichen spulenförmigen Verlaufs der Leiterzüge findet eine Datenübertragung zwischen dem Datenträger und dem Schreib-/Lesegerät auf induktive Weise statt.
Die 4b zeigt einen Schnitt entlang der Linie B-B' in der 4a. Aus dieser Darstellung wird besonders gut ersichtlich, daß die Elektrolytschicht in zwei getrennte Bereiche 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 3 und 4 beschriebenen Ausführungsbeispiele können weiterhin so kombiniert werden, daß sich planar integrierte Ausführungen von Koppelelementen mit Zellen ergeben, die zugleich mehrere Windungen und mehrere Zellen enthalten.
Die elektromagnetischen Eigenschaften des Koppelelementes, insbesondere die Werte ihrer Ersatzbildelemente (Induktivität, 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 Innenwiderstand bei einer vorgegebenen Betriebsfrequenz können unter anderem durch die Anzahl der Finger und deren Abstand eingestellt werden. Die in den Figuren dargestellten Anordnungen sollen aus diesem Grund lediglich als Beispiele betrachtet werden.
In Abwandlung der in den 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiele mit nebeneinander auf der Trägerfolie 5 angeordneten Leiterzügen können die Leiterzüge, bei im übrigen unveränderter Topologie auch in geschichteter Anordnung auf der Trägerfolie aufgebracht sein. Die 5a und 5b zeigen zwei mögliche Realisierungsformen.
Das Ausführungsbeispiel nach 5a kann zum Beispiel in Printtechnik durch nacheinander folgendes Aufbringen des Materials für den Leiterzug 1, der Elektrolytschicht 3 und des Materials für den Leiterzug 2 auf eine Trägerfolie 5 hergestellt und danach mit der nicht-leitenden Schutzschicht 4 versiegelt werden.
Das Ausführungsbeispiel nach 5b kann hergestellt werden, indem das Material für den Leiterzug 1 beziehungsweise 2 separat mit spiegelbildlicher lateraler Strukturierung auf jeweils eine Trägerfolie 5a beziehungsweise 5b aufgebracht wird. Diese werden anschließend gemeinsam mit der Elektrolytschicht 3 in Sandwich-Technik zusammengefügt. Das Zusammenfügen kann beispielsweise durch Verschweißen oder Verkleben im Randbereich 18 der Trägerfolien 5a, 5b erfolgen.
Der Elektrolyt ist entweder in einer als porösen Schicht ausgeführten 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 einer Zelle mit einem Koppelelement. In den nachfolgend beschriebenen 6 und 7 sind beispielhafte Anordnungen dargestellt.
6a zeigt als viertes Ausführungsbeispiel mit induktiver Kopplung eine derartige parallele Integration in interdigitaler Ausführung. Auf der nicht-leitenden Trägerfolie 5 sind die als Elektroden ausgebildeten Leiterzüge (Leiteranordnungen) 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 geführten Leiterzüge – in ist dies der erste Leiterzug 10 (Anode) – ist an beiden Enden des Koppelelementes mit je einem Kontaktpunkt des darüber angeordneten integrierten Bausteines 60 kontaktiert. Die andere Elektrode – in diesem Ausführungsbeispiel der zweite Leiterzug 20 (Kathode) – ist an beiden Enden der Koppelschleife unbeschaltet, jedoch mit einer Mittelanzapfung 21 versehen, die mit einem dritten Kontaktpunkt 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 geführt sind, ist mit einer elektrolytischen Schicht 3 bedeckt und durch eine weitere nicht-leitende Schutzschicht 4 versiegelt. Auch die Zwischenräume zwischen den Elektroden sind mit dem Elektrolyten gefüllt. Gegebenenfalls ist es denkbar, die elektrolytische Schicht 3 mit einem Depolarisator zu versehen. Der Strukturquerschnitt entspricht in diesem Bereich dem in der 1b gezeigten Querschnitt.
6b zeigt das elektrische Ersatzschaltbild der 6a. Die Zelle Z ist zwischen einem Kontaktpunkt 61 des integrierten Bausteins 60 und einem Knotenpunkt 64, der der Mittelanzapfung 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 7 ist eine parallele Integration von Koppelelement und einer Serienschaltung von Zellen dargestellt. Beispielhaft zeigt 7 die planare Parallelintegration zweier in Serie geschalteter Zellen.
Die Änderung gegenüber dem Ausführungsbeispiel aus 6 besteht darin, daß ein zweites Elektrodenpaar vorgesehen ist. Das erste Elektrodenpaar besteht aus dem Leiterzug 10 (Anode), 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 Kathode 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 7b gezeigt ist.
Jedes der Elektrodenpaare weist eine separate Elektrolytschicht 3, 3a auf, die jeweils gegebenenfalls mit einem Depolarisator versehen ist. Die elektrolytischen Schichten 3, 3a sind durch die Schutzschicht 4 voneinander getrennt (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 Elektrodenpaares gebildet. Bezugnehmend auf das elektrische Ersatzschaltbild aus 6b bedeutet dies, daß zwischen dem Verbindungspunkt 64 und dem Kontaktpunkt 61 des integrierten Bausteins 60 zwei in Serie verschaltete Zellen gelegen sind.
Eine planare Integration mehrerer in Serie verschalteter Zellen mit einem Koppelelement aus mehreren Windungen kann ausgehend von dem Ausführungsbeispiel nach 7 durch Einbringen einer isolierenden Zwischenschicht erfolgen, wie dies beispielhaft in 4 dargestellt ist.
Es ist ebenso denkbar, daß die in den 6 und 7 gezeigten 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 Gitterstruktur aus dem nicht-leitenden Material eingebracht.
Die 8 und 9 zeigen (schematische) Ausführungsbeispiele einer planaren Integration von Zellen mit kapazitiven Koppelelementen. Die Integration einer Zelle mit einer kapazitiven Koppelfläche kann entweder, wie in 8a gezeigt, in interdigitaler Ausführung erfolgen oder, wie in 8b gezeigt, in einer geschichteten Ausführung erfolgen. Es ist hinzuzufügen, daß für eine bestimmungsgemäße Funktion des Datenträgers die in den 8a und 8b gezeigten Koppelelemente jeweils die gleiche Anordnung, spiegelsymmetrisch angeordnet, nochmals benötigen. Die 8a und 8b zeigen somit nur eine Hälfte des erfindungsgemäßen Datenträgers.
In der Ausführung nach 8a befinden sich die als Elektroden ausgebildeten Leiteranordnungen 100, 200 in interdigitaler, 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 gestrichelte Linie angedeutet, mit einem Elektrolyten 3 gefüllt bzw. bedeckt, der gegebenenfalls um einen Depolarisator ergänzt ist. Der Elektrolyt 3 ist wie in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen auch mit einer Schutzschicht (in der Figur nicht ersichtlich) bedeckt.
Die Anordnung ist im Querschnitt analog, wie in 1b gezeigt, aufgebaut. Jeweils ein Bereich der Leiteranordnungen 100, 200 ist jeweils mit einem Kontaktpunkt eines beispielhaft darüber angeordneten integrierten Bausteines 6 kontaktiert.
Im Unterschied zu den bisher beschriebenen induktiven Koppelelementen mit länglichen Leiterzügen weist das kapazitive Koppelelement flächige Leiteranordnungen auf.
In der Ausführung nach 8b sind die flächig ausgebildeten Leiteranordnungen bzw. Elektroden 100, 200 in geschichteter Anordnung auf der Trägerfolie 5 aufgebracht. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel befindet sich die erste Leiteranordnung 100 (z. B. Anode) unmittelbar auf dem nichtleitenden Trägermaterial 5. Darüber ist der zum Beispiel in einem als „Abstandshalter” dienenden porösen Medium oder in den Zwischenräumen einer nicht-leitenden Gitterstruktur enthaltene Elektrolyt aufgebracht. Auf dem Elektrolyten befindet sich die zweite Leiteranordnung 200 (Kathode).
In beiden Ausführungsformen der 8 ist die Zelle ein integraler Bestandteil der kapazitiven Koppelfläche. Jede der beiden Ausführungsformen kann mit einer herkömmlichen kapazitiven Koppelfläche als kapazitiver Gegenelektrode kombiniert werden. Alternativ kann jede der beiden Ausführungsformen paarweise verwendet werden. Dabei kann durch geeignete Schaltungsmaßnahmen (Gleichstrom- beziehungsweise Wechselstromtrennung) sowohl die Parallel- als auch die Serienschaltung der Zellen realisiert werden. Die Schaltungsmaßnahmen können innerhalb des integrierten Bausteines 6 realisiert werden.
9 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen 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 Elektrodenpaare ist mit einem Kontaktpunkt des integrierten Bausteins verbunden. Zwischen den jeweils anderen Elektroden ist eine Gleichstromsperre 9 bzw. Wechselstrom-Trennung mittels einer Induktivität vorgesehen ist. Die Induktivität 9 kann ebenfalls in planarer Technik im gleichen Herstellungsprozeß realisiert 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 Zellen integriert werden. Dies kann bei der geschichteten Variante beispielsweise dadurch geschehen, daß ein weiteres Leiterzugpaar, welches ebenfalls geschichtet aufgebaut ist, auf den zweiten Leiterzug 200 aufgebracht wird.
In 10 ist ein Ausführungsbeispiel für die Integration von Zellen in Streifenleitungs-, Patch-, Ringresonator-, Schlitzleitungs-Antennen oder andere planare Antennen dargestellt.
In 10a ist der Querschnitt durch eine Patch-Antenne ersichtlich. Der Patch (12), der beispielhaft als Rechteck ausgeführt ist, befindet sich auf einer Hauptseite einer dielektrischen Schicht 9 und ist mit einem Kontaktpunkt des integrierten Bausteins 6 kontaktiert. Die Zelle, bestehend aus als Elektroden ausgebildeten Leiteranordnungen 100, 200 und einem zwischen den Elektroden 100, 200 und auch darauf aufgebrachten Elektrolyt 3 ist in interdigitaler, planarer Ausführung in die (Hochfrequenz-)Massefläche auf der gegenüberliegenden 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 Streifenleitungen 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 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 kapazitiven Koppelflächen-Paaren und Dipol-Antennen die Ausführungsbeispiele der 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 gemäß dem Wirkungsprinzip der Zellen vorgesehenen elektrisch leitenden Strukturen zugleich mit den gemäß dem Wirkungsprinzip des elektromagnetischen Koppelelementes gestalteten elektrisch leitenden Strukturen zusammenfallen. Die Koppelelemente können dabei als induktiv oder kapazitiv arbeitende Koppelelemente vorgesehen sein.
Bezugszeichenliste

1: Leiterzug
2: Leiterzug
3: Elektrolyt
4: Schutzschicht
5: Trägerfolie
6: integrierter Baustein
7: Verbindung
8: Isolator
9: Gleichstromsperre, 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

Verfahren zum Herstellen eines Datenträgers mit den Schritten: Bereitstellen von zumindest einem integrierten Baustein (6; 60), der wenigstens zwei Kontaktpunkte aufweist, Bereitstellen von 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 wird, Bereitstellen von einer Trägerfolie (5), auf der der zumindest eine integrierte Baustein (6; 60) und das zumindest eine elektromagnetische Koppelelement (K) aufgebracht werden, und Bilden von zumindest einer Zelle (Z), die die elektrische Versorgung des zumindest einen integrierten Bausteins (6; 60) zumindest teilweise übernimmt, durch die Verwendung der Leiteranordnung des mindestens einen Koppelelementes als Anode (1) und Kathode (2) der Zelle und durch das Vorsehen von zumindest einem Elektrolyt (3) zwischen den Elektroden (1, 2; 10, 20; 100, 200) eines jeden Elektrodenpaares, wobei die zumindest eine Leiteranordnung und der zumindest eine Elektrolyt separat aufgebracht werden.
Datenträger mit zumindest einem integrierten Baustein (6; 60), der wenigstens 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 zumindest 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 integrierte Baustein (6; 60), das zumindest eine elektromagnetische Koppelelement (K) und die zumindest eine Zelle (Z) aufgebracht sind, das Elektrodenpaar aus Anode und Kathode (1, 2; 10, 20; 100, 200) der Zelle (Z) bzw. die Elektrodenpaare der Zellen (Z) die Leiteranordnung des Koppelelementes bilden, zumindest zwischen den Elektroden (1, 2; 10, 20; 100, 200) eines jeden Elektrodenpaares ein Elektrolyt (3) vorgesehen ist, und – der Elektrolyt (3) und die Leiteranordnung (1, 2; 10, 20; 100, 200) separat aufgebracht werden.
Datenträger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest jeweils ein Ende einer Elektrode der einen Polarität (1, 10, 100) und ein Ende einer Elektrode der anderen Polarität (2, 20, 200) mit einem Kontaktpunkt des integrierten Bausteines (6; 60) verbunden sind.
Datenträger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrode (10; 10) der einen Polarität mit beiden Enden mit Kontaktpunkten des integrierten Bausteins (60) verbunden ist, während eine Elektrode (20; 20a) der anderen Polarität mit einem Kontaktpunkt des integrierten Bausteins (6; 60) zur Bildung einer Mittelanzapfung verbunden ist.
Datenträger nach einem der Ansprüche 2 bis 4, 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 Elektrodenpaares galvanisch oder über eine Gleichstromsperre (9) miteinander in Verbindung steht.
Datenträger nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (1, 2; 10, 20; 100, 200) planar auf der Trägerfolie (5) aufgebracht sind.
Datenträger nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (1, 2; 10, 20; 100, 200) eines Elektrodenpaares gefingert ausgestaltet und interdigital zueinander gelegen sind.
Datenträger nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (1, 2; 10, 20; 100, 200) eines Elektrodenpaares geschichtet auf der Trägerfolie (5) angeordnet sind, wobei zwischen den Leiterzügen eines jeden Paares ein Elektrolyt (3) vorgesehen ist.
Datenträger nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Elektrodenpaare mit jeweils geschichteten Elektroden benachbart angeordnet sind, wobei die Elektrodenpaare zum Zwecke einer Serienverschaltung eine galvanische Verbindung aufweisen können.
Datenträger nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, da die Elektroden (1, 2; 10, 20) in Form zumindest einer Leiterschleife angeordnet sind zur Bildung eines induktiv wirkenden Koppelelementes (K).
Datenträger nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (100, 200) flächig ausgebildet sind zur Bildung eines kapazitiv wirkenden Koppelelementes.
Datenträger nach Anspruch 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gleichstromsperre (9) eine Induktivität ist.
Datenträger nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass einer Gleichstromsperre (9) ein auf die Betriebsfrequenz als Sperrfrequenz abgestimmter Parallelresonanzkreis ist.
Datenträger nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt (3) einen Depolarisator aufweist.
Datenträger nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt (3) in einem Trägermaterial enthalten ist.
Datenträger nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt (3) in den Leerstellen einer Gitterstruktur aus nichtleitendem Material eingebracht ist.
Datenträger nach einem der Ansprüche 2 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass auf der der Zelle (Z) gegenüberliegenden Hauptseite der Trägerfolie (5) eine Metallisierung (12) vorgesehen ist.