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Die Erfindung betrifft ein blattförmiges Substrat für Transponderkarten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus
DE 10 2008 039 445 A1 ist ein gattungsgemäßes blattförmiges Substrat bekannt. Auf dem Substrat ist eine Antenne als Flachspule angeordnet, deren Enden mit flächigen Auflageanschlusselementen verbunden sind. Zwischen den Auflageanschlusselementen ist ein diese verbindender flächiger Kondensator angeordnet, der elektrisch parallel zu einem einzusetzenden Chip geschaltet ist. Die Antenne und der flächige Kondensator bilden auf diese Weise einen Schwingkreis zur Stromversorgung des Chips. Die Resonanzfrequenz des Schwingkreises ist durch die Induktivität der Antenne und die Kapazität des Kondensators bestimmt und muss auf die festgelegten Frequenzen von Transponderlesegeräten abgestimmt sein. Da die verwendeten flächigen Kondensatoren als elektronische Bauteile mit festen Kapazitäten vorliegen, muss die Feinabstimmung der Resonanzfrequenz durch das Antennendesign, insbesondere durch eine entsprechende Wahl der Antennenfläche und der Windungszahl, erfolgen. Diese Antennenparameter beeinflussen gleichzeitig weitere Eigenschaften des Transponders, wie die Reichweite und den Gütefaktor des Schwingkreises. Für die Einstellbarkeit dieser Eigenschaften ist es somit nachteilig an dem bekannten Transponder, dass das Antennendesign durch die notwendige Abstimmung der Resonanzfrequenz derartigen Einschränkungen unterworfen ist.
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Aus
US 5 541 399 A ist ein RF Transponder bekannt, der einen Schwingkreis mit einer Spule und einer Kapazität aufweist. Die Kapazität ist dabei gebildet durch einen Anschlussstreifen der Spule, der die Windungen der Spule kreuzt. An den Kreuzungspunkten mit den einzelnen Windungen werden so Teilkapazitäten erzeugt, die zusammen die Kapazität des Schwingkreises erzeugen. Die Kapazität des Schwingkreises ist von der Breite des Anschlussstreifens bestimmt. Die Breite des Anschlussstreifens ist dabei wesentlich größer als die Breite der Antennenleitung. Nachteilig ist, dass die Kapazität des Schwingkreises abhängig ist von der Windungszahl und dem Abstand der Windungen der Spule, so dass die Induktivität und die Kapazität des Schwingkreises nicht unabhängig voneinander einstellbar sind.Zum Stand der Technik sind ferner zu nennen
EP 2 044 882 B1 ,
US 2013 / 0 036 802 A1 ,
US 2013 / 0 015 248 A1 ,
US 2008 / 0 164 326 A1 und
JP 2002 - 7 985 A .
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Ausgehend von
DE 10 2008 039 445 A1 ist es daher Aufgabe der Erfindung, ein blattförmiges Substrat für Transponderkarten zu schaffen, auf dem ein Schwingkreis angeordnet ist, bei dem die Einstellbarkeit der Resonanzfrequenz verbessert ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein blattförmiges Substrat mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Hierdurch wird ein blattförmiges Substrat für Transponderkarten mit einem Schwingkreis geschaffen, bei dem die Resonanzfrequenz unabhängig von der Induktivität der Antenne einstellbar ist. Durch die unabhängige Einstellbarkeit der Kapazität des Kondensators im Schwingkreis über die axiale Erstreckung der Antennenendenabschnitte ist die Einstellbarkeit der Resonanzfrequenz zudem genauer und einfacher möglich als bei den bekannten Transpondern.
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Ein weiterer großer Vorteil liegt darin, dass der von den Antennenenden gebildete Kondensator in dem gleichen Prozess gefertigt und auf dem Substrat angeordnet werden kann, wie die Antenne selbst. Der aus dem Stand der Technik von Transpondern bekannte Kondensator ist so vorteilhaft durch einen preiswerten und einfach aufgebauten Kondensator ersetzt, der aus den Antennenenden gebildet ist.
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Weiterhin vorteilhaft an der unabhängigen Einstellbarkeit der Kondensatorkapazität ist, dass die Reichweite des Transponders bei gleichbleibender Resonanzfrequenz einstellbar ist. Die Reichweite des Transponders ist durch die Antennenfläche bestimmt. Dabei wird durch eine Vergrößerung der Antennenfläche die Induktivität der Antenne und damit die Reichweite des Transponders erhöht. Um eine konstante Resonanzfrequenz zu gewährleisten, ist die Kapazität des Kondensators daher erfindungsgemäß entsprechend zu verringern.
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Zudem ist vorteilhaft, dass der Materialaufwand durch die Wahl einer geringeren Anzahl an Spulenwindungen bei gleichbleibender Resonanzfrequenz verringert werden kann, wenn die Kapazität des Kondensators entsprechend erhöht ist. Außerdem ist der Einfluss des Querschnitt des Antennenleiters auf die Resonanzfrequenz durch die Kapazität des Kondensators ausgleichbar, sodass vorteilhaft eine geringere Bauhöhe des Transponders durch die Wahl eines kleineren Querschnitts erreicht werden kann.
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Weiterhin vorteilhaft ist, dass der Gütefaktor des Schwingkreises, der von dem Verhältnis von Induktivität der Antenne und Kapazität des Kondensators abhängt, bei feststehender Resonanzfrequenz einstellbar ist, sodass die Resonanzschärfe des Transponders wählbar ist.
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Vorzugsweise kann der mit Strom versorgbare Chip selbst eine zusätzliche Kapazität aufweisen, die mit der Kapazität des Kondensators eine Gesamtkapazität des Schwingkreises bildet. Vorteilhaft hieran ist, dass die feste Kapazität des Chips mit der einstellbaren Kapazität des Kondensators kombiniert wird, um die Resonanzfrequenz des Schwingkreises anzupassen. Auf diese Weise wird eine Einstellbarkeit der Gesamtkapazität geschaffen, ohne dass die Gesamtkapazität des Schwingkreises allein von dem von den Antennenenden gebildeten Kondensator zur Verfügung gestellt wird.
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Der Chip kann in dem Schwingkreis zu der Antenne und dem Kondensator parallel geschaltet sein. Dies ist vorteilhaft, da es eine einfache Verdrahtung des Chips zwischen den Antennenenden ermöglicht. Vorzugsweise weist der Chip zusätzlich eine Kapazität auf, so dass sich die Gesamtkapazität des Schwingkreises als Summe der Kapazitäten von Chip und Kondensator ergibt. Vorteilhaft ist, dass die Gesamtkapazität auf einen höheren Wert als die einzelnen Kapazitäten einstellbar ist.
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Der Chip kann in dem Schwingkreis zu der Antenne und dem Kondensator in Reihe geschaltet sein. Vorteilhaft hieran ist, dass der im Schwingkreis fließende Strom durch den Chip steuerbar ist. Vorzugsweise weist der Chip zusätzlich eine Kapazität auf, so dass sich der Kehrwert der Gesamtkapazität des Schwingkreises als Summe der Kehrwerte der Kapazitäten von Chip und Kondensator ergibt. Vorteilhaft ist, dass die Gesamtkapazität auf einen niedrigeren Wert als die einzelnen Kapazitäten von Chip und Kondensator einstellbar ist.
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Eine Mehrzahl der erfindungsgemäßen blattförmigen Substrate können zur vereinzelten Anordnung auf einem bogenförmigen Träger verwendet werden. Vorteilhaft ist, dass eine Weiterverarbeitung der Transponderkarten in der Serienproduktion dadurch vereinfacht ist.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
- 1 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht eines blattförmigen Substrats für Transponderkarten.
- 2a zeigt schematisch in Draufsicht ein blattförmiges Substrat gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
- 2b zeigt schematisch einen ersten Schaltplan des blattförmigen Substrats gemäß 2a.
- 2c zeigt schematisch einen zweiten Schaltplan des blattförmigen Substrats gemäß 2a.
- 3a zeigt schematisch in Draufsicht ein blattförmiges Substrat gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
- 3b zeigt schematisch einen dritten Schaltplan des blattförmigen Substrats gemäß 3a.
- 3c zeigt schematisch einen vierten Schaltplan des blattförmigen Substrats gemäß 3a.
- 4 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht eines blattförmigen Substrats gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.
- 5 zeigt schematisch eine vereinzelte Anordnung einer Mehrzahl blattförmiger Substrate auf einem bogenförmigen Träger.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines blattförmigen Substrats für Transponderkarten. Auf dem Substrat 17 ist mindestens eine Antenne 10 als Flachspule angeordnet, an die ein über diese mit Strom versorgbarer Chip 14 angeschlossen ist. Dazu weist die Antenne benachbart zueinander angeordnete Antennenenden 3, 4 auf. Die Antennenenden 3, 4 bilden dabei einen Kondensator 13, dessen Kapazität über eine axiale Erstreckung L von Antennenendenabschnitten 11, 12 der Antennenenden 3, 4 einstellbar ist. Der so gebildete Kondensator 13 bildet mit der Antenne 10 einen Schwingkreis 25 zur Stromversorgung des Chips 14.
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Der Kondensator 13 wird gebildet von den Antennenenden 3, 4, die über eine axiale Erstreckung L von Antennenendenabschnitten 11, 12 benachbart zueinander vorzugsweise parallel oder mindestens abschnittsweise parallel angeordnet sind. Die Antennenendenabschnitte 11, 12 bilden somit die Elektroden des Kondensators 13. Die Antennenenden 3, 4 können biegbar ausgebildet sein und können auch durch eine gekrümmte Anordnung einen Kondensator 13 bilden. Vorzugsweise weist die axiale Erstreckung L der Antennenendenabschnitte 11, 12 eine Länge zwischen 0.5 cm und 20 cm auf. Die Antennenendenabschnitte 11, 12 sind vorzugsweise beabstandet mit einem Abstand im Bereich von 0.01 mm bis 1 mm.
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Die Kapazität des Kondensators 13 ist proportional zu der Länge der axialen Erstreckung L und nimmt mit zunehmendem Abstand Antennenendenabschnitte 11, 12 ab. Die Antennenendenabschnitte 11, 12 können Leiterbahnen aufweisen, deren Querschnitt mit der axialen Erstreckung L und der Beabstandung der Antennenendenabschnitte 11, 12 eine Kapazität bestimmen, die im Bereich von 1 pF bis 25 pF liegt. Die Leiterbahnen können dazu eine Dicke im Bereich von 0.08 mm bis 0.4 mm aufweisen. Die Kapazität des durch die Antennenenden 3, 4 gebildeten Kondensators 13 ist durch eine Änderung der Länge der axialen Erstreckung L auf einfache Weise sehr genau einstellbar. Dadurch kann die Resonanzfrequenz des Schwingkreises 25 mit einer engen Toleranz von vorzugsweise 0.5 Mhz, besonders bevorzugt 0.2 MHz, eingestellt werden.
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Die Antennenendenabschnitte 11, 12 sind als isolierend ummantelte Leiterbahnen ausgebildet Vorzugsweise sind die Leiterbahnen als ein isolierend beschichteter Metalldraht, besonders bevorzugt als ein metallischer Lackdraht, insbesondere Kupferlackdraht, ausgebildet. Die isolierende Ummantelung kann auch durch Aufbringen einer Leiterbahn auf ein isolierendes Substrat gebildet sein.
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Die Isolierung der Leiterbahnen weist zudem eine Dielektrizitätskonstante auf, durch die die Kapazität des Kondensators 13 vergrößerbar ist. Die isolierten Antennenendenabschnitte 11, 12 können über die axiale Erstreckung L aneinander anliegen, so dass das Isolierungsmaterial das Dielektrikum des Kondensators bildet. Durch die Dielektrizitätskonstante des Isolierungsmaterials erhöht sich daher die Kapazität des Kondensators 13. Der Abstand der Antennenendenabschnitte 11, 12 ist dann bestimmt durch die Dicke der Isolierung. Vorzugsweise können die Antennenendenabschnitte 11, 12 durch Anlösen der Isolierung mit einem Lösungsmittel nach Verdunsten des Lösungsmittels stoffschlüssig miteinander verbunden sein, ohne dabei in elektrischen Kontakt zueinander zu treten.
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Die Antenne 10 ist in 1 als Flachspule mit zwei Windungen ausgebildet, die eine Rahmenantenne bildet. Die Windungszahl der Flachspule ist wählbar und liegt vorzugsweise im Bereich von 1 bis 10 Windungen. Vorzugsweise sind die Windungen der Flachspule im Randbereich des Substrats 17 angeordnet, sodass die Fläche der Rahmenantenne maximiert wird. Mit zunehmender Spulenfläche nimmt die Induktivität der Flachspule zu, wodurch eine höhere Empfindlichkeit der Antenne 10 und somit eine größere Reichweite der Transponderkarte erreicht wird.
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In dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 sind die Antennenenden 3, 4 mit der Antenne 10 einstückig ausgebildet. Auf diese Weise können Antenne 10 und der aus den Antennenenden 3, 4 gebildete Kondensator 13 in einem Prozess gefertigt und auf dem Substrat 17 angeordnet werden. Der Kondensator 13 und die Antenne 10 sind im Schwingkreis 25 zum Chip 14 parallel geschaltet.
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2a zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen blattförmigen Substrats. Die Anordnung der Komponenten, Antenne 10, Kondensator 13 und Chip 14 entspricht dem ersten Ausführungsbeispiel. Wie in 1 sind Antenne 10 und Kondensator 13 im Schwingkreis 25 parallel geschaltet zu dem Chip 14 und die den Kondensator 13 bildenden Antennenenden 3, 4 sind einstückig mit der Antenne 10 ausgebildet. Die Antenne 10 ist als Flachspule allerdings mit drei Windungen ausgebildet. Durch die höhere Windungszahl im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel ist die Induktivität der Flachspule erhöht. Um den Schwingkreis 25 auf die gleiche Resonanzfrequenz, von beispielsweise 13.56 MHz, wie im ersten Ausführungsbeispiel abzustimmen, ist daher die Länge der axialen Erstreckung L verkürzt.
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2a zeigt zudem den Anschluss des Chips 14 an die Antennenenden 11, 12. Auf einer flächigen, vorzugsweise folienartigen Unterlage 22 sind Kontaktflächen 15, 16, beispielsweise als Kontaktfahnen ausgebildet. Der Chip 14 ist so auf der Unterlage 22 angeordnet, dass dessen Anschlüsse mit den Kontaktflächen 15, 16 in Kontakt sind, so dass die Anschlüsse des Chips 14 durch die Kontaktflächen 15, 16 effektiv vergrößert sind. Die Kontaktierung mit den Antennenenden 3, 4 erfolgt durch auf Aufliegen der Antennenenden 3, 4 auf den Kontaktflächen 15, 16. Dazu ist eine vorhandene Isolierung der Leiterbahnen, beispielsweise eine Lackierung eines metallischen Lackdrahtes, im Bereich der Kontaktflächen 15, 16 von den Antennenenden 3, 4 zu entfernen. Im übrigen gelten die vorstehenden Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel hier entsprechend.
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2b zeigt schematisch einen zugehörigen, ersten Schaltplan des blattförmigen Substrats gemäß 2a. Anhand des Schaltplans wird deutlich, dass in dem Schwingkreis 25 der Kondensator 13 und die Antenne 10 zu dem Chip 14 parallel geschaltet sind. Dabei kann der Chip 14 mit oder ohne Kapazität ausgebildet sein.
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2c zeigt einen zweiten Schaltplan des blattförmigen Substrats gemäß 2a, der sich für den Fall ergibt, dass der Chip 14 eine Kapazität 26 aufweist. Wenn der Chip 14 eine Kapazität 26 aufweist, bildet diese mit der Kapazität des Kondensators 13 eine Gesamtkapazität des Schwingkreises 25. Dabei sind gemäß 2c die Kapazität 26 des Chips 14 und des Kondensators 13 parallel geschaltet, so dass sich die Gesamtkapazität des Schwingkreises 25 gemäß Cges = CChip + CKondensator als Summe der beiden Kapazitäten von Chip 14 und Kondensator 13 ergibt. Mit Hilfe des von den Antennenenden 3, 4 gebildeten Kondensators 13 ist somit die Gesamtkapazität des Schwingkreises 25 auf höhere Werte als die Kapazität des Chips 14 einstellbar.
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3a zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen blattförmigen Substrats, in dem der Kondensator 13 und die Antenne 10 im Schwingkreis 25 mit dem Chip 14 in Reihe geschaltet sind. Dazu ist ein Antennenende 4, 3 über den Chip 14 mit der Antenne 10 verbunden. Die Kontaktierung des Chips 14 erfolgt wie vorstehend zum zweiten Ausführungsbeispiel dargelegt über Kontaktflächen 14, 15, die auf einer flächigen Unterlage 22 ausgebildet sind.
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Es kann fertigungsbedingt vorteilhaft sein, die Antenne 10 und die Antennenenden 3, 4 einstückig herzustellen und zur Verdrahtung des Chips 14 beide Antennenenden 3, 4 von der Antenne 10 abzutrennen. Alternativ können die Antennenenden 3, 4 separat von der Antenne 10 gefertigt werden. In beiden Fällen kann ein Kontaktplättchen 21 vorgesehen sein, um das andere Antennenende 3, 4 mit der Antenne 10 zu verbinden. Die Kontaktierung der Anschlüsse auf dem Kontaktplättchen 21 kann hierbei ebenfalls durch Aufliegen der Anschlüsse auf einer Kontaktfläche, die vorzugsweise einen elektrisch leitfähigen Film umfasst, erfolgen. Im übrigen gelten die vorstehenden Ausführungen zu den ersten beiden Ausführungsbeispielen hier entsprechend.
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3b zeigt einen zugehörigen, dritten Schaltplan des blattförmigen Substrats gemäß 3a. Anhand des Schaltplans wird deutlich, dass in dem Schwingkreis 25 der Kondensator 13 und die Antenne 10 zu dem Chip 14 in Reihe geschaltet sind. Der Chip 14 kann dabei mit oder ohne Kapazität ausgebildet sein.
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3c zeigt einen vierten Schaltplan des blattförmigen Substrats gemäß 3a, der sich für den Fall ergibt, dass der Chip 14 eine Kapazität 26 aufweist. Die Kapazität 26 des Chips 14 und der Kondensator 13 sind dabei in Reihe geschaltet, so dass sich die Gesamtkapazität des Schwingkreises 25 nach Cges = CChip × CKondensator /(CChip+CKondensator) berechnet. Die sich nach dieser Formel ergebende Gesamtkapazität des Schwingkreises 25 ist kleiner als beide einzelnen Kapazitäten. Daher ist der Wert der Gesamtkapazität in einer Reihenschaltung des Chips 14 und des Kondensators 13 auf kleinere Werte als die Kapazität des Chips 14 einstellbar.
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Anhand der in den 2c und 3c gezeigten Schaltplänen wird zudem deutlich, dass alternativ zu einem Chip 14, der eine eingebaute Kapazität 26 aufweist, auch ein zusätzlicher Kondensator Verwendung finden kann, der an die Kontaktflächen 15, 16 angeschlossen und damit parallel zu dem Chip 14 geschaltet ist.
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4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen blattförmigen Substrats, wobei die räumliche Anordnung von Antenne 10, Kondensator 13 und Chip 14 auf dem Substrat 17 dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht. Im Unterschied dazu findet im vierten Ausführungsbeispiel ein Chip 14 der Chip-on-Board (COB) Technologie Verwendung. Dabei ist der Chip 14 auf einer Leiterplatte 20 montiert, die über Lötstellen 18, 19 mit den Antennenenden 3, 4 elektrisch verbunden ist. Auf diese Weise bringt die Leiterplatine 20 die Antennenenden 3, 4 mit den Anschlüssen des Chips 14 in Kontakt.
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Das Substrat 17 weist vorzugsweise eine Dicke zwischen 0.2 mm und 0.4 mm, besonders bevorzugt 0.3 mm auf. Zudem kann das Substrat 17 aus einem thermoplastischen Material, vorzugsweise aus PET (Polyethylenterephthalat), PI (Polyimid), PV (PVDF, Polyvinylidenfluorid) oder einer Kombination davon, bestehen. In diesem Fall kann der aus Antenne 10, Chip 14 und Kondensator 13 gebildete Transponderschaltkreis unter Wärme- und Druckeinwirkung in das thermoplastische Material des Substrats 17 abgesenkt und zumindest teilweise in dieses eingebettet werden. Aufgrund der größeren Bauhöhe des Chips 14 ist dies insbesondere bei Verwendung von Chips 14 der Chip-on-Board Technologie bevorzugt. Zudem kann eine Ausnehmung für den Chip 14 in dem Substrat 17 vorgesehen sein.
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Außerdem kann auf das Substrat 17 einseitig oder beidseitig eine Decklage 23, 24 aufgebracht sein. Dies kann beispielsweise durch Laminierung erfolgen. Dadurch sind die Bauelemente des Transponderschaltkreises zusätzlich in ihrer Lage fixiert und vor äußeren Einflüssen geschützt. Die resultierende Gesamtdicke liegt vorzugsweise im Bereich von 0.5 mm bis 1.5 mm, insbesondere bei 0.8 mm.
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5 zeigt eine Verwendung einer Mehrzahl blattförmiger Substrate zur vereinzelten Anordnung auf einem bogenförmigen Träger. Die blattförmigen Substrate sind dabei vorzugsweise rasterartig in Zeilen und Spalten auf dem bogenförmigen Träger angeordnet. Die Anordnung einer Mehrzahl blattförmiger Substrate auf einem bogenförmigen Träger erleichtert die Weiterverarbeitung der Substrate in der Serienproduktion von Transponderkarten. Zur Vereinzelung der Transponderkarten sind vorzugsweise Sollbruchstellen 27 in dem bogenförmigen Träger vorgesehen. Weiterhin vorzugsweise können die Transponderkarten durch Ausstanzen aus dem bogenförmigen Träger vereinzelbar sein.
