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Ein
mit akustischen Wellen arbeitendes elektrisches Bauelement mit einem
RFID-Tag ist beispielsweise aus der Druckschrift
US 2005/0056695 A1 bekannt.
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Die
DE 199 11 369 A1 beschreibt
ein drahtlos abfragbares RFID-Tag auf der Basis einer Oberflächenwellenwandlereinrichtung.
Eine Kodierung wird dadurch erreicht, dass selektiv elektrische
Verbindungen zwischen bestimmten Interdigitalwandlern und der Sendeantenne
des RFID-Tags unterbrochen sind.
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Aus
der
DE 43 36 897 C1 ist
ein auf Oberflächenwellen
basierender ID-Tag bekannt. Es weist eine akustische Spur mit einem
Interdigitalwandler sowie mehrere Kodierungsreflektoren und einen
Abschlussreflektor auf.
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Eine
zu lösende
Aufgabe besteht darin, ein mit akustischen Wellen arbeitendes elektrisches Bauelement
mit einem RFID-Tag anzugeben, das sich durch eine hohe Robustheit
und kleine Abmessungen auszeichnet.
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Es
wird ein elektrisches Bauelement mit einem RFID-Tag, das mindestens
einen mit GBAW – d. h.
geführten
akustischen Volumenwellen – arbeitenden
Wandler aufweist, angegeben.
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GBAW
steht für
Guided Bulk Acoustic Wave. GBAW wird auch als „boundary wave” bezeichnet. RFID
steht für
Radio Frequency Identification. Tag bedeutet Etikett oder Marke,
das bzw. die eine mittels Bits kodierte Zahl enthält und zu
Identifikationszwecken bei einer Funkabfrage verwendet wird. Das Bauelement
mit einem RFID-Tag ist also eine zur ID-Etikettierung eines Gegenstands
oder auch zur Verwendung in einem Ausweis oder einer Zugangsberechtigung
vorgesehene Vorrichtung.
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Bei
der Funkabfrage wird durch das zur Abfrage und Auswertung des im
angegebenen Bauelement realisierten ID-Codes geeignete Funkgerät ein Hochfrequenzimpuls
mit einer Frequenz, die mit der Wellenlänge der im Wandler anzuregenden
Welle in Zusammenhang steht, ausgesandt. Das Signal wird durch eine
Antenne, die an den Wandler angeschlossen ist, empfangen. Als Fol ge
wird im Wandler eine akustische Welle angeregt. Die Welle wird an
einem entsprechend dem ID-Code und dem eingesetzten Kodierungsverfahren
ausgebildeten Reflektor-Netzwerk zurückreflektiert. Die reflektierten
Wellenkomponenten erzeugen ein elektrisches Signal an den Elektroden
des Wandlers.
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Das
elektrische Bauelement ist ein passives Funkgerät, das die Energie eines elektrischen
Hochfrequenzsignals in eine akustische Welle umsetzt und durch reflektierte
Wellenkomponenten der akustischen Welle ein Antwortsignal erzeugt,
das die Antenne zum Schwingen bringt. Das durch die Antenne abgestrahlte
Signal kann durch das bei der Funkabfrage verwendete Funkgerät oder einen
separaten Empfänger
ausgelesen und ausgewertet werden.
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Das
angegebene Bauelement ist also ein Sendeempfangsgerät, das zu
einem weiteren Sendeempfangsgerät
komplementär
ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass beide Funkgeräte ein und
dasselbe Kodierungsverfahren zur Implementierung bzw. Entschlüsselung
eines Identifikationscodes benutzen.
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Das
Bauelement ist vorzugsweise in Form einer flexiblen Membran ausgebildet,
die beispielsweise in eine Scheckkarte leicht integriert werden
kann. Die Dicke der Membran beträgt
vorzugsweise maximal 300 μm
Ein gut geeigneter Wert liegt beispielsweise bei ca. 50 μm. Eine dünne Membran
kann auch auf unebenen Oberflächen
problemlos montiert werden.
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Das
Bauelement weist eine Schichtenfolge auf, die bezogen auf die Vertikalrichtung
einen Wellenleiter für
die im Wandler anzuregende akustische Volumenwelle bildet. Die Schichtenfolge
umfasst einen zur Wellenleitung geeigneten Funktions-Schichtverbund, der
eine piezoelektrische Schicht, eine auf der piezoelektrischen Schicht
angeordnete elektrisch leitfähige
Schicht und mindestens eine dielektrische Schicht aufweist.
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Die
Schichtenfolge weist in einer vorteilhaften Variante zwei Verkapselungsschichten
auf, zwischen denen der Funktions-Schichtverbund angeordnet ist. Die Schichtenfolge
umfasst in einer Variante mindestens eine Halbleiterschicht, vorzugsweise
eine Siliziumschicht, die beispielsweise als eine der Verkapselungsschichten
vorgesehen ist.
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Die
angegebene Schichtenfolge bedarf im Prinzip keiner weiteren Häusung, da
der Schutz der akustisch aktiven Bauelementstrukturen wie Wandler und
Reflektoren mittel der Verkapselungsschichten erfolgen kann.
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Die
Schichtenfolge ist vorzugsweise flexibel, d. h. biegsam, ausgebildet.
Sie kann neben den vorstehend genannten Teilschichten auch weitere
Teilschichten aufweisen.
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Mit
der Ausgestaltung des RFID-Tags als GBAW Bauelement gelingt es,
dieses im Vergleich zu bekannten SAW ID-Tags wesentlich dünner und
flexibler herzustellen, da bekannten SAW ID-Tags wegen der erforderlichen
Häusung
eine größere Bauhöhe erfordern.
Zudem wird die aufwendige Herstellung eines Gehäuses vermieden.
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Die
Geschwindigkeit der akustischen Welle ist in der dielektrischen
Schicht vorzugsweise kleiner als in den an sie angrenzenden Schichten,
d. h. kleiner als in der piezoelektrischen Schicht und z. B. der von
der piezoelektrischen Schicht abgewandten Verkapselungsschicht.
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Der
Wandler weist kammartige Elektroden auf, die ineinander greifen.
Jede Elektrode weist Elektrodenfinger auf, die als streifenförmige Strukturen
der elektrisch leitfähigen
Schicht realisiert sind und die sich senkrecht zur Wellenausbreitungsrichtung
erstrecken. In der elektrisch leitfähigen Schicht sind außerdem akustische
Reflektoren ausgebildet. Jeder Reflektor weist mindestens einen
Streifen auf. Die Breite des Streifens beträgt vorzugsweise ca. eine Viertelwellenlänge. Bei
mehreren Streifen kann der Abstand zwischen den Streifen auch als
ca. eine Viertelwellenlänge
gewählt
werden.
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Der
Wandler ist in einer Variante zu einer unidirektionalen Abstrahlung
der akustischen Welle geeignet. Der Wandler kann auch zu einer bidirektionalen
Abstrahlung der akustischen Welle geeignet sein. Im letzteren Fall
ist er vorzugsweise neben einer Chipkante oder zwischen zwei Gruppen
von akustischen Reflektoren angeordnet. Jede Gruppe umfasst mindestens
einen akustischen Reflektor.
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Mindestens
ein zur Kodierung eines Bits vorgesehener Reflektor weist in einer
Variante mindestens zwei leitend miteinander verbundene, parallele Streifen
auf. Die zur Kodierung unterschiedlicher Bits vorgesehenen Reflektoren
sind vorzugsweise galvanisch voneinander getrennt. Eine leitende
Verbindung zwischen den unterschiedlichen Reflektoren, beispielsweise
ihre Anbindung an Masse, ist jedoch je nach Kodierungsart nicht
ausgeschlossen.
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Die
Reflektoren des Bauelements weisen in einer Variante einen Endbit-Reflektor,
d. h. einen Startbit-Reflektor und/oder einen Stoppbit-Reflektor, auf.
Die Reflektoren weisen außerdem
mindestens einen zur Kodierung eines Code-Bits vorgesehenen Reflektor,
der zwischen dem Wandler und einem Stoppbit- Reflektor angeordnet ist, auf. Die Reflektoren
weisen in einer vorteilhaften Variante mindestens einen zur Kodierung
eines Code-Bits vorgesehenen Reflektor, der zwischen dem Startbit-Reflektor
und dem Stoppbit-Reflektor angeordnet ist, auf. Die Endbit-Reflektoren
dienen zur Kennzeichnung des im ID-Tag-Bauelement implizierten Codes.
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Das
Bauelement weist in einer Variante eine Antenne auf, die in der
Schichtenfolge integriert oder fest mit der Schichtenfolge verbunden
sein kann. Die Antenne kann insbesondere in der elektrisch leitfähigen Schicht
oder auf einer Oberfläche
der Schichtenfolge realisiert sein. Die Antenne kann aber auch wesentlich
größer als
das Bauelement sein. Möglich
ist z. B. das ID-Tag in eine Karte von z. B. Scheckkartenformat
zu integrieren. In die Karte kann dass auch die mit dem ID-Tag verbundene
Antenne integriert sein, die die gesamte Fläche der Scheckkarte nutzen kann.
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Mit
dem Scheckkartenformat und der bei GBAW Bauelement erreichbaren
geringen Bauhöhe gelingt
es, neue Funkabfragbare ID-Tags zu schaffen, die insbesondere zur
Personenidentität
für Zugangskontrollen
oder auch zu Abrechnungszwecken eingesetzt werden können. Die
Funkauslesung des Kodes kann aus größerer Distanz erfolgen und
ist damit wesentlich komfortabler als bekannte auf Halbleiterchips
basierende funkauslesbare ID-Tags, die nur auf sehr kurze Entfernung
bis hin zum direkten Kontakt mit der Abfrageeinrichtung befriedigend
funktionieren.
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Neben
den mit kodierenden Reflektoren realisierten RFID-Tag kann mindestens
eine akustische Verzögerungsleitung
verwendet werden, die vorzugsweise in der elektrisch leitfähigen Schicht
realisiert ist. So können
kodierte Verzögerungslei tungen zusammen
mit mehreren Wandlern eingesetzt werden. Weiter ist zur Kodierung
auch ein mehrere Resonatoren umfassendes ID-Tag geeignet. Dabei kann
die Kodierung durch unterschiedliche Resonanzfrequenzen der Resonatoren
realisiert werden.
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Im
Folgenden werden das angegebene Bauelement und seine vorteilhaften
Ausgestaltungen anhand von schematischen und nicht maßstabgetreuen Figuren
erläutert.
Es zeigen:
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1 im
Querschnitt ein mit GBAW arbeitendes Bauelement;
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2 akustisch
aktive Strukturen eines im GBAW-Bauelement realisierten RFID-Tags.
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In
der 1 ist ein mit GBAW arbeitendes Bauelement mit
einer Schichtenfolge 10, 11, 2, 5, 3, 4 gezeigt.
Die Schichtenfolge umfasst einen Funktions-Schichtverbund, der eine
piezoelektrische Schicht 11, eine strukturierte elektrisch
leitfähige Schicht 2,
eine dielektrische Schicht 5 und eine Zwischenschicht 3 aufweist.
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Der
Funktions-Schichtverbund ist hier zwischen zwei Verkapselungsschichten 10 und 4 angeordnet.
Die Verkapselungsschicht 10 kann in anderen Ausführungen
auch entfallen, da das Bauelement durch die piezoelektrische Schicht 11 als
unterste Schicht ausreichend geschützt ist. Ebenso kann in einigen
Ausführungen
sowohl die Zwischenschicht 3 als auch Verkapselungsschicht 4 entfallen.
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Die
piezoelektrische Schicht 11 ist auf der Verkapselungsschicht 10 angeordnet.
Die elektrisch leitfähige
Schicht 2 ist auf der piezoelektrischen Schicht 11 angeordnet.
Die die lektrische Schicht 5 ist zwischen der piezoelektrischen
Schicht 11 und der Zwischenschicht 3 angeordnet.
Die Zwischenschicht 3 ist zwischen den Schichten 4 und 5 angeordnet.
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Für die piezoelektrische
Schicht 11 ist z. B. LiTaO3 oder
LiNbO3 geeignet. Zur Erzeugung der piezoelektrischen
Schicht 11 kann auch ein Si-Substrat, das später durch
Materialabtrag gedünnt
wird und dann die Verkapselungsschicht 10 bildet, mit einem
piezoelektrischen Material beschichtet werden. Die Dicke der piezoelektrischen
Schicht beträgt
vorzugsweise mindestens eine Wellenlänge. Die Dicke der piezoelektrischen
Schicht ist jedoch vorzugsweise möglichst gering, z. B. maximal
fünf Wellenlängen.
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Die
elektrisch leitfähige
Schicht 2 umfasst vorzugsweise mindestens eine Al-Schicht.
Sie kann aber auch mindestens eine weitere Metallschicht, deren
akustische Impedanz z. B. um mindestens Faktor 1,5 größer als
bei Aluminium ist, umfassen.
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Die
dielektrische Schicht 5 kann z. B. SiO2 enthalten.
Die Dicke der dielektrischen Schicht beträgt vorzugsweise mindestens
eine Wellenlänge
bei der Betriebsfrequenz des Bauelements.
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Die
Zwischenschicht 3 hat in einer Variante eine geringere
Steifigkeit als die dielektrische Schicht 5 und ist dabei
als Wellensumpf vorgesehen. Die Zwischenschicht 3 kann
als eine Haftungsvermittlungsschicht zwischen den Schichten 4 und 5 dienen. Die
Dicke der Zwischenschicht 3 beträgt vorzugsweise maximal 20%
der Wellenlänge.
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Als
kostengünstiges
Material für
die Verkapselungsschichten 4 und 10 ist insbesondere
Silizium geeignet. Andere halbleiten de oder dielektrische Materialien
kommen aber auch in Betracht. Die Dicke der Verkapselungsschichten
kann im Prinzip beliebig sein, sofern die Flexibilität des gesamten
Bauelements gewährleistet
ist.
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Die
elektrisch leitfähige
Schicht 2 ist zur Bildung von mindestens einem Wandler 21 und
in der 2 gezeigten Reflektoren 23, 24, 25, 26, 27, 28 strukturiert.
Der Wandler 21 ist an eine Antenne 22 angeschlossen,
die vorzugsweise im Bauelement integriert ist.
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Die
Anordnung von Reflektoren 25, 26, 27, 28 ist
zur Kodierung einer Code-Zahl vorgesehen. Diese Reflektoren sind
jeweils zur Kodierung eines Code-Bits vorgesehen und werden daher
Bit-Reflektoren genannt. Die End-Reflektoren 23 (Startbit-Reflektor)
und 24 (Stoppbit-Reflektor) sind zur Markierung des Anfangs
und des Endes der implementierten Code-Zahl vorgesehen.
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Jeder
der Bit-Reflektoren 25–28 weist
ebenso wie die Start- und
Stopbits mehrere leitend miteinander verbundene Streifen auf. Die
Reflektoren sind voneinander elektrisch isoliert.
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Der
Code ist durch die unterschiedlichen Laufzeiten der an den Codebits
reflektierten Wellen und/oder durch die Stärke des vom jeweiligen Codebit
reflektierten Signals implementiert. Ein aus mehreren Codebits bestehender
Code umfasst daher eine entsprechende Anzahl unterschiedlich breiter Codebits,
die in dem Code oder dem zu realisierenden Bit entsprechender Entfernung
vom Wandler angeordnet sind. Möglich
ist es auch, die Reflexionsstärke über die
Länge der
für die
Codebits verwendeten Reflektorstreifen oder auch deren Metalli sierungshöhe je nach
zu realisierendem Code oder Bit einzustellen.
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Die
End-Reflektoren 23, 24 können wie die Bit-Reflektoren 25–28 ausgebildet
sein. Die Länge und/oder
die Breite dieser Streifen können
größer als bei
den Streifen der Bit-Reflektoren 25–28 gewählt sein.
Sie dienen dazu, Störeffekte
wie z. B. unterschiedliche Temperaturen zu kompensieren, indem der
code mit Start- und Stopbits „normiert” wird.
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- 10
- erste
Verkapselungsschicht
- 11
- piezoelektrische
Schicht
- 2
- elektrisch
leitfähige
Schicht
- 21
- Wandler
- 22
- Antenne
- 23
- Startbit-Reflektor
- 24
- Stoppbit-Reflektor
- 25,
26, 27, 28
- Bit-Reflektoren
- 3
- Zwischenschicht
- 4
- zweite
Verkapselungsschicht
- 5
- dielektrische
Schicht