DE102012023064A1

DE102012023064A1 - RFID-Transponder, der passiv betreibbar ist

Info

Publication number: DE102012023064A1
Application number: DE102012023064.8A
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen Holland; Michael Heiss; Wolf-Joachim Fischer
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2012-11-20
Filing date: 2012-11-20
Publication date: 2014-05-22
Also published as: WO2014079777A1; US20160260004A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen RFID-Transponder, der passiv betreibbar ist. Aufgabe der Erfindung ist es, RFID-Transponder zur Verfügung zu stellen, die passiv im Fernfeld, dies bedeutet über Entfernungen von mindestens 15–20 cm betrieben werden können, die mit reduziertem Aufwand und Kosten in miniaturisierter Form herstellbar sind. Bei dem erfindungsgemäßen RFID-Transponder sind auf einem Substrat mindestens eine Antenne und eine integrierte RFID-Schaltung vorhanden. Die mindestens eine Antenne ist dabei in Form einer Dipol- und/oder Patchantenne im gleichen Siliciumblock als Substrat enthalten, wie die integrierte Schaltung. Die mindestens eine Antenne ist dabei in einem Mindestabstand zur integrierten RFID-Schaltung angeordnet, der von der jeweiligen Betriebsfrequenz abhängig ist

Description

Die Erfindung betrifft einen RFID-Transponder, der passiv betreibbar ist.
RFID-Transponder werden in passive sowie aktive und semiaktive Systeme unterschieden. Passive RFID-Transponder enthalten keine eigene Energiequelle oder Elektroenergiespeicher. Die für den Betrieb erforderliche elektrische Energie wird ausschließlich über das von einem Reader ausgebildete magnetische oder elektromagnetische Feld bereitgestellt. Aktive oder semiaktive Transponder weisen im Gegensatz dazu eine eigene Energiequelle zum Beispiel in Form einer Batterie oder Solarzelle auf.
Ein passiver Transponder besteht daher nur aus den beiden Komponenten Antenne und integrierter RFID-Schaltung. Die integrierte RFID-Schaltung wird dabei in der Regel als integrierte Schaltung ausgeführt, die die für die Funktion erforderlichen Teilschaltungen Frontend mit Gleichrichter, Demodulator, Modulator und Spannungsregler und die digitale Protokollmaschine für die Kommunikation mit dem Reader zum Beispiel EPC Gen2, enthält. Die beiden Komponenten eines passiven RFID-Transponder-Chips werden mittels einer geeigneten Aufbau- und Verbindungstechnik zum Beispiel mittels einer Leiterplatte zu einem Gesamtsystem zusammengefügt. Es sind bereits solche Transponder bekannt, bei denen eine RFID-Elektronik und Antenne auf einem Chip gemeinsam integriert worden sind. Allerdings beschränken sich diese Lösungen auf Transpondersysteme, bei denen die Kommunikation zwischen Reader und Transponder im Nahfeld (Entfernung zwischen 10 mm bis zu ca. 7 cm) stattfindet. Für die Energie- und Datenübertragung wird dabei nur die magnetische Komponente des elektromagnetischen Feldes genutzt. Es kommt im Nahfeld zu keiner Ablösung einer elektromagnetischen Welle von der Readerantenne. Für das Senden und Empfangen der magnetischen Welle werden ausschließlich Loop-Antennen oder Spulen eingesetzt. Aufgrund der für den im Nahfeldbereich zur Anwendung kommenden niedrigen Frequenzen, die üblicherweise bei 128 kHz oder bis maximal 13,56 MHz liegen, sind die Antennenabmessungen so klein, dass eine Integration der Antenne auf einem Chip als Substrat möglich ist, und auch praktisch bereits realisiert wurde.
Im Bereich höherer Frequenzen kommt es aber zur Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle, die sich von der Readerantenne ablöst. Die Transponder arbeiten im Fernfeld. Für die Transponder kommt dabei das Backscatter-Prinzip zur Anwendung. Dabei wird die vom Transponder modulierte und rückgestrahlte Welle vom Reader empfangen und bezüglich der enthaltenen Informationen ausgewertet. Üblicherweise kommen dafür Dipolantennen zur Anwendung. Eine Integration von Dipolantennen auf einem Chip ist bisher aber nicht bekannt.
Bei bekannten Transpondern, die im Fernfeld arbeiten (Backscatter-Prinzip), ist die Antenne oft als Dipol ausgelegt. In einem Chip sind die Empfangs- und Sendeschaltungen integriert. Chip und Antenne werden auf einem Träger montiert. Oft wird auch eine Leiterplatte benutzt, in die die Antenne als Leiterzüge integriert wird. Auf dieser Leiterplatte wird dann ein geeigneter Chip mit integrierter Schaltung montiert. Antenne und Chip müssen auf einander abgestimmt werden. Der passive Transponder empfängt seine Energie aus dem elektromagnetischen Feld über die Antenne. Ist die für den Betrieb notwendige Energie aufgenommen, kann die Empfangs- und Sendeelektronik zu arbeiten beginnen. Über das gleiche elektromagnetische Feld, das auch zur Energieübertragung genutzt wird, können dann Nachrichten zwischen Transponder und einem Reader in beide Richtungen ausgetauscht werden. Der Preis eines Transponders wird zunehmend vom Trägermaterial (Substrat) und von der elektrischen Aufbau- und Verbindungstechnik bestimmt. Damit sind die Transponder für viele Anwendungsfelder zu teuer.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, RFID-Transponder zur Verfügung zu stellen, die passiv im Fernfeld, dies bedeutet über Entfernungen von mindestens 15–20 cm betrieben werden können, die mit reduziertem Aufwand und Kosten in miniaturisierter Form herstellbar sind.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit RFID-Transpondern, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweisen, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Bei dem erfindungsgemäßen RFID-Transponder sind auf einem Substrat mindestens eine Antenne und eine integrierte RFID-Schaltung vorhanden. Die mindestens eine Antenne ist dabei in Form einer Dipol- und/oder Patchantenne im gleichen Siliciumblock als Substrat enthalten, wie die integrierte Schaltung. Die mindestens eine Antenne ist dabei in einem Mindestabstand zur integrierten RFID-Schaltung angeordnet, der von der jeweiligen Betriebsfrequenz abhängig ist.
Der frequenzabhängige Mindestabstand sollte die Frequenz des jeweiligen eingesetzten elektromagnetischen Wechselfeldes (Trägerfrequenz) berücksichtigen. Dabei verkleinert sich der Mindestabstand mit steigender Frequenz.
Bei 24 GHz beträgt der Mindestabstand d = 100 μm, bei 40 GHz d = 60 μm und bei 60 GHz d = 30 μm. Je höher die Trägerfrequenz ist, desto kleiner sollte der Abstand zur Antenne sein.
Bei Einhaltung dieser Bedingungen, kann in einer erfindungsgemäßen Alternative eine Antenne oberhalb der integrierten RFID-Schaltung auf dem Substrat angeordnet sein. Dabei sind die Antenne und integrierte RFID-Schaltung durch eine elektrisch isolierende Schicht voneinander getrennt. Diese isolierende Schicht kann beispielsweise aus einem Polyamid, einem anderen Polymer aber auch aus einer Keramik gebildet sein.
Die elektrisch isolierende Schicht sollte eine Schichtdicke aufweisen, die mindestens so groß, wie der Mindestabstand ist.
Zwischen Antenne und integrierter RFID-Schaltung kann eine elektrische Kontaktierung, die durch die elektrisch isolierende Schicht geführt ist, vorhanden sein.
Bei einer zweiten erfindungsgemäßen Alternative ist mindestens eine Antenne auf der Seite des Substrats angeordnet, die der Seite des Substrats gegenüberliegt, auf der die integrierte RFID-Schaltung angeordnet ist. In diesem Fall sollte das Substrat eine Dicke aufweisen, die mindestens dem Mindestabstand entspricht.
Dabei sollte eine elektrische Kontaktierung zwischen Antenne und integrierter RFID-Schaltung als durch das Substrat hindurch geführte Durchkontaktierung (VIA) ausgebildet sein.
In einer dritten erfindungsgemäßen Alternative sind mindestens eine Antenne und eine integrierte RFID-Schaltung auf derselben Oberfläche des Substrats angeordnet. In diesem Fall ist ein Abstand zwischen Antenne und integrierter RFID-Schaltung eingehalten, der mindestens so groß, wie der Mindestabstand ist.
Eine Antenne kann bei der Erfindung, als metallische Beschichtung auf einer Oberfläche des Substrats ausgebildet sein. Dabei können bekannte Beschichtungs- und Strukturierungsverfahren (z. B. mit Einsatz von Masken) für deren Ausbildung eingesetzt werden.
Antennen können dabei aus einem Edelmetall, Aluminium oder Kupfer ausgebildet werden.
Bei der Erfindung sind alle Komponenten, die für einen passiven RFID-Transponder benötigt werden, auf einem Siliciumsubstrat integriert vorhanden. Neben der integrierten RFID-Schaltung ist auch die Antenne oder es sind mehrere Antennen des RFID-Transponders, in Form einer Dipol- und/oder einer Patchantenne für eine Kommunikation im Fernfeld auf einem Siliciumsubstrat in integrierter Form vorhanden bzw. daran ausgebildet. Damit entfällt die Montage von Substrat/Chip und Antenne auf einem separaten Träger. Mit der Chipfertigung entsteht gleich der komplette Transponder. Wird in die Identifikationsnummer der Wafer und die Chipkoordinaten kodiert, kann ein Chiptest so erfolgen, dass ein Reader vor den Wafer gehalten wird. Alle Chips auf dem Wafer, die sich melden und vereinzelt angesprochen werden können, sind gute Systeme und können dann vom Wafer abgelesen und nach einer Vereinzelung als Transponder benutzt werden.
Benutzt man z. B. Trägerfrequenzen von 24 GHz hat die entsprechend geeignete λ/2-Dipolantenne eine Größe von ungefähr 6,25 mm. Bei noch höheren Trägerfrequenzen des eingesetzten elektromagnetischen Wechselfeldes kann ist die entspechende λ/2-Dipolantenne kleiner sein. Dadurch kann eine Antenne unmittelbar im/auf Silicium ausgebildet werden.
Der Mindestabstand bei einer Frequenz von 24 GHz des eingesetzten elektromagnetischen Wechselfeldes sollte mindestens 100 μm betragen. Bei höheren Frequenzen kann der Mindestabstand dementsprechend kleiner sein. Damit kann bei der Waferfertigung der komplette RFID-Transponder mit ansonsten herkömmlicher Herstellungstechnologie gefertigt werden. Bei der Herstellung können Siliciumwafer für die Substrate von RFID-Transpondern eingesetzt werden.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
1 ein Beispiel eines RFID-Transponders nach der ersten erfindungsgemäßen Alternative;
2 ein Beispiel eines RFID-Transponders nach der zweiten erfindungsgemäßen Alternative und
3 ein Beispiel eines RFID-Transponders nach der dritten erfindungsgemäßen Alternative.
Bei der Herstellung eines Beispiels gemäß 1 wird eine Antenne 1 oberhalb der integrierten RFD-Schaltung 3 aufgebracht. Dazu wird über der obersten Schaltungsebene, der integrierten RFID-Schaltung noch eine dicke elektrisch isolierende Schicht 4, zum Beispiel einer Schichtaus Polyamid oder einem ähnlichen Material aufgebracht. Darauf wird dann eine Metallschicht abgeschieden und als Antenne 1 strukturiert. Zum Anschluss an die Schaltung sind durch die elektrisch isolierende Schicht 4 noch elektrische Kontakte 5 auszubilden. Die elektrisch isolierende Schicht 4 hat bei diesem Beispiel ein Dicke von 200 μm.
Die Antenne 1 ist bei diesem Beispiel als Dipol aus Kupfer ausgebildet. Dies trifft auch auf die weiteren Beispiele zu, die nachfolgend noch erläutert werden sollen.
Bei dem in 2 gezeigten Beispiel ist die Antenne 1 auf der Rückseite des Substrats 2 angeordnet. Ein Siliciumwafer, der bei allen Beispielen als Substrat 2 eingesetzt wird, hat eine Dicke von ca. 700 μm. Damit ist er dick genug, um den Mindestabstand zwischen Antenne 1 und integrierter RFID-Schaltung 3 einzuhalten. Durch den Wafer, als Substrat 2, werden Durchkontaktierungen 5 zur Rückseite, beispielsweise durch ein Ätzverfahren mit nachfolgender Befüllung mit einem elektrisch leitendem Werkstoff, hergestellt. Auf der Rückseite wird dann ein Metall aufgetragen und als Antenne 1 strukturiert. Dabei muss die Dimensionierung des als Substrat 2 eingesetzten Siliciumwafers und eines jeweiligen RFID-Transponders für das spätere vereinzeln beachtet werden.
Bei dem in 3 gezeigten Beispiel wird die Antenne 1 neben der integrierten RFID-Schaltung 3 oder um sie herum angeordnet. Dann sind die Antenne 1 und eine Verdrahtungsebene der integrierten RFID-Schaltung 3 in einer Höhe angeordnet. In diesem Fall soll der Mindestabstand von 100 μm lateral eingehalten werden.

Claims

RFID-Transponder, der passiv betreibbar ist, bei dem auf einem Substrat mindestens eine Antenne und eine integrierte RFID-Schaltung vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Antenne (1) in Form einer Dipol- und/oder Patchantenne unmittelbar am Substrat (2), das aus Silicium gebildet ist, in einem Mindestabstand zur integrierten RFID-Schaltung (3) angeordnet ist, wobei der Mindestabstand der von der jeweiligen Betriebsfrequenz abhängig ist.
RFID-Transponder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mindestabstand in Abhängigkeit der Frequenz des jeweiligen eingesetzten elektromagnetischen Wechselfeldes, das für die Übertragung von Daten genutzt wird, eingehalten ist, wobei der Mindestabstand mit steigender Frequenz kleiner ist.
RFID-Transponder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Antenne (1) oberhalb der integrierten RFID-Schaltung (3) auf dem Substrat (2) angeordnet ist und Antenne (1) und integrierte RFID-Schaltung (3) durch eine elektrisch isolierende Schicht (4) voneinander getrennt sind.
RFID-Transponder nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende Schicht (4) eine Schichtdicke aufweist, die mindestens so groß, wie der Mindestabstand ist.
RFID-Transponder nach den beiden vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Antenne (1) und integrierter RFID-Schaltung (3) eine elektrische Kontaktierung (5), die durch die elektrisch isolierende Schicht (4) geführt ist, vorhanden ist.
RFID-Transponder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Antenne (1) auf der Seite des Substrats (2) angeordnet ist, die der Seite des Substrats (2) gegenüberliegt, auf der die integrierte RFID-Schaltung (3) angeordnet ist.
RFID-Transponder nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Kontaktierung (5) zwischen Antenne (1) und integrierter RFID-Schaltung (3) als durch das Substrat (2) hindurch geführte Durchkontaktierung ausgebildet ist.
RFID-Transponder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Antenne (1) und eine integrierte RFID-Schaltung (3) auf derselben Oberfläche des Substrats (2) angeordnet sind, wobei ein Abstand zwischen Antenne (1) und integrierter RFID-Schaltung (3) eingehalten ist, der mindestens so groß, wie der Mindestabstand ist.
RFID-Transponder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Antenne (1) als metallische Beschichtung auf einer Oberfläche des Substrats (2) ausgebildet ist.
RFID-Transponder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Antenne (1) aus einem Edelmetall, Aluminium oder Kupfer gebildet ist.