DE102014010464A1

DE102014010464A1 - Messverfahren und Messvorrichtung

Info

Publication number: DE102014010464A1
Application number: DE201410010464
Authority: DE
Inventors: Michael Baldischweiler; Ulrich Auracher; Klaus Finkenzeller
Original assignee: Giesecke and Devrient GmbH
Current assignee: Giesecke and Devrient ePayments GmbH
Priority date: 2013-08-06
Filing date: 2014-07-15
Publication date: 2015-02-12

Abstract

Verfahren zum Messen einer Eigenschaft eines zur kontaktlosen Datenkommunikation vorgesehenen Schwingkreises mit einer Messvorrichtung. Das Verfahren umfasst die Schritte des Anordnen (S1) des Schwingkreises in der Messvorrichtung, des Anregen (S4) des Schwingkreises durch die Messvorrichtung mittels eines Energiepulses, des Erfassen (S5) einer abklingenden Schwingung des Schwingkreises in Antwort auf die Anregung durch den Energiepuls mit der Messvorrichtung, und des Auswerten (S6) der erfassten Schwingung hinsichtlich der Eigenschaft des Schwingkreises. Vorliegend wird in dem Schritt des Anordnen (S1) der Schwingkreis auf einer Auflagefläche der Messvorrichtung planar angeordnet und ein luftgefüllter Raum mit einem vorbestimmten Minimalvolumen auf einer von einem Antennenträger der Messvorrichtung abgewandten Seite des Schwingkreises bereitgestellt (S2).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Messvorrichtung zum Messen einer Eigenschaft eines zur kontaktlosen Datenkommunikation eingerichteten Schwingkreises. Der Schwingkreis umfasst vorzugsweise eine Antenne, insbesondere eine induktiv koppelnde Antennenspule mit mindestens einer Windung, und ein mit der Antenne gekoppeltes elektronisches Bauteil, also insbesondere einen RFID- oder NFC-Chip.
Um die Funktionsfähigkeit einer kontaktlosen Chipkarte während oder nach der Herstellung des Schaltkreises aus Antenne und Chip zu prüfen, sind verschiedene Verfahren bekannt. Bei einer solchen Prüfung wird im Wesentlichen geprüft, ob die Antennenspule einen Bruch aufweist und/oder ob zwei oder mehr Spulenwindungen der Antenne versehentlich kurzgeschlossen sind. Mängel dieser Art beeinträchtigen die Funktionsfähigkeit der Antennenspule erheblich bzw. zerstören diese vollständig. Eine Prüfung des Schaltkreises, bestehend aus der Antenne und dem mit der Antenne verbundenen elektronischen Bauteil, kann auch die Funktionsfähigkeit des Bauteils oder einzelner Komponenten des Bauteils betreffen.
Eine Prüfung der Antennenspule kann in Form einer Gleichstrom-Widerstandsmessung erfolgen. Ein solches Prüfverfahren ist aufwendig, da eine Kontaktierung der Antennenspule erforderlich ist. Weiterhin können nur bestimmte Fehler des geprüften Schaltkreises erkannt werden. Eine Fehlfunktion eines oder mehrerer Komponenten des elektronischen Bauteils oder ein Leiterbannbruch in bestimmten Bereichen der Antenne sind auf diese Weise nicht oder kaum erkennbar.
Alternativ können die Resonanzfrequenz der Antennenspule und deren Güte kontaktlos bestimmt werden. Dazu wird in der Regel ein Phasen- und Impedanz-Analysator verwendet. Ein solches, sehr aufwendiges Verfahren ist detailliert beispielsweise im „RFID-Handbuch" von Klaus Finkenzeller, 6. Auflage, Carl Hanser Verlag, München, 2012, in Kapitel 4.1.11.2, beschrieben. Liegt die gemessene Resonanzfrequenz in einem vorgegebenen Bereich, so ist die Antennenspule funktionsfähig. Diese Art der Prüfung ist aussagekräftiger als eine rein ohmsche Messung, allerdings ungleich aufwendiger. Die Zeitdauer einer solchen Prüfung liegt im Bereich von mehreren Sekunden und erfordert eine komplexe Messvorrichtung.
WO 2013/034293 A1 beschreibt ein Testverfahren, in welchem eine freie Schwingung der Antennenspule eines Datenträgers in Antwort auf eine Anregung durch einen Einzel-Puls ausgewertet wird. Das Testverfahren ermöglicht auch die Bestimmung der Resonanzfrequenz der Antennenspule.
Wie in der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung DE 102013002139 vorgeschlagen, kann ein Schwingkreis – zusätzlich zu einer pulsförmigen Anregung – gleichzeitig mit einem Wechselfeld angeregt werden. Eine Messvorrichtung erfasst dann zunächst eine Überlagerung des nach der pulsförmigen Anregung abklingenden Signals mit einem konstanten durch das Wechselfeld verursachten Signal. Die beiden Signalanteile werden mittels Inverter und Addierer voneinander getrennt. Alternativ oder zusätzlich könnte das Wechselfeldsignal durch einen schmalbandigen Sperr-Filter, beispielsweise in der Form eines Notch-Filters, vom abklingenden Signal getrennt werden. Weiterhin könnte eine Verzögerungs-Schaltung, beispielsweise bestehend aus einem A/D-Wandler, einem FIFO-Puffer und einem D/A-Wandler (sowie einem Phasenlagenkorrektor), eingesetzt werden, um durch Subtraktion des aktuellen, überlagerten Signals von einem verzögerten Signal den abklingenden Signalanteil zu isolieren. Erst das getrennte Signal wird dann jeweils vom eigentlichen A/D-Wandler der Messvorrichtung verarbeitet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Messvorrichtung zur zuverlässigen Erfassung einer Schwingkreiseigenschaft, wie der Resonanzfrequenz, vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Messvorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein Grundgedanke des vorliegenden Verfahrens besteht darin, einen störenden Einfluss von Hintergrundflächen im Messaufbau auf das Messergebnis auszuschließen durch Bereitstellen eines ausreichend großen Luftvolumens. Hierfür wird insbesondere eine geeignete Auflagefläche zusammen mit einem mechanischen Abstandshalter eingesetzt.
Das bekannte Verfahren zum Messen einer Eigenschaft eines zur kontaktlosen Datenkommunikation vorgesehenen Schwingkreises mit einer Messvorrichtung, umfasst die folgenden Schritte. Anordnen des Schwingkreises in der Messvorrichtung, Anregen des Schwingkreises durch die Messvorrichtung mittels eines Energiepulses, Erfassen einer abklingenden Schwingung des Schwingkreises in Antwort auf die Anregung durch den Energiepuls mit der Messvorrichtung, und Auswerten der erfassten Schwingung hinsichtlich der Eigenschaft des Schwingkreises.
Vorliegend wird der Schwingkreis nun in dem Schritt des Anordnens auf einer Auflagefläche der Messvorrichtung planar angeordnet und ein luftgefüllter Raum mit einem vorbestimmten Minimalvolumen auf einer von einem Antennenträger der Messvorrichtung abgewandten Seite des Schwingkreises bereitgestellt.
Durch die hohe Messgenauigkeit des zu Grunde liegenden induktiven Messverfahrens wurde erkennbar, wie hoch der Einfluss selbst von nichtmetallischen Flächen auf das Messergebnis sein kann. Zur Vermeidung einer Schwingkreisverstimmung durch parasitäre Kapazitäten, insbesondere verursacht durch Messtische oder Flächen auf denen der Schwingkreis angeordnet ist, wird das Mindestvolumen bereitgestellt.
Das Mindestvolumen entspricht einer induktiv wirksamen Fläche mal einem Mindestabstand. Die induktiv wirksame Fläche eines Schwingkreises entspricht dabei im Wesentlichen der Fläche der Antennenspule des Schwingkreises. Ein Mindestabstand ist so gewählt, dass ein in diesem Abstand angeordneter metallischer Körper das Messergebnis der Schwingkreiseigenschaft nicht mehr bzw. maximal im Rahmen vorhandener Messtoleranzen beeinflusst.
Der Antennenträger umfasst die Erregerantenne und/oder die Anregungsantenne, die insbesondere orthogonal zueinander angeordnet sind. Der Antennenträger der Messvorrichtung ist ein steifer (starrer), planarer Antennenträger. Insbesondere ist der Antennenträger starr mit der Messeinheit verbunden.
Aus der erfassten Schwingung kann dann, wie nachfolgend im Detail beschrieben, die Eigenschaft des Schaltkreises eindeutig abgelesenen werden, wie beispielsweise die Eigenresonanzfrequenz oder die Güte des Schaltkreises.
Das vorliegende Verfahren zum Messen einer Eigenschaft eines zur kontaktlosen Datenkommunikation vorgesehenen Schwingkreises mit einer Messvorrichtung, umfasst die folgenden Schritte. Die Messvorrichtung wird in der Regel zu dem Schwingkreis hin geführt. Der Schwingkreis wird durch die Messvorrichtung mittels eines Energiepulses angeregt. Eine abklingende Schwingung des Schwingkreises in Antwort auf die Anregung durch den Energiepuls wird mit der Messvorrichtung erfasst.
Der Schwingkreis umfasst eine Antenne und vorzugsweise ein daran angeschlossenes Bauelement, insbesondere in der Form eines Chips. Der Schwingkreis ist für eine induktiv koppelnde Datenkommunikation ausgebildet, wie sie beispielsweise als RFID- oder NFC-Kommunikation bekannt ist. Die Antenne des Schwingkreises ist als planare Spulenantenne mit vorzugsweise mindestens einer Windung ausgebildet. Auch die Erregerantenne und die Messantenne der Messvorrichtung sind als induktiv koppelnde Antennen ausgebildet. Der Schwingkreis bzw. Schaltkreis, wie er im Folgenden teilweise bezeichnet wird, ist zur Kommunikation nach ISO/IEC 14443 und/oder ISO/IEC 15693 eingerichtet sein.
Das weitere Erfassen eines durch das Führen der Messvorrichtung entstandenen Messparameters kann für eine Auswertung der erfassten Schwingung und/oder für eine Rückmeldung zum Führen an die Instanz, welche die Messvorrichtung führt, verwendet werden.
Der Messparameter betrifft eine Bewegung der Messvorrichtung und/oder eine Lage der Messvorrichtung zu dem ersten Schwingkreis. Die Lage der Messvorrichtung umfasst insbesondere den Abstand der Messvorrichtung zum Schwingkreis und/oder die Lage der Ebene der Messantenne (und der Erregerantenne) zu der Lage der Ebene der Antenne des Schwingkreises.
Das Auswerten der erfassten Schwingung des Schwingkreises hinsichtlich der Eigenschaft des Schwingkreises kann unter Verwendung des Messparameters erfolgen.
Insbesondere wenn in einem Messvorgang mehrere Schwingkreise gemessen werden, erfolgen entsprechend nacheinander Messungen mit den Teilmessschritten des Anregens und Erfassens für jeden zu messenden Schwingkreis. Das Führen der Messvorrichtung zu dem nächsten Schwingkreis hin kann dabei wie ein weiterer Teilschritt der jeweiligen Messungen betrachtet werden.
Mittels der erfassten Bewegung kann insbesondere der gemessene Schwingkreis aus mehreren gemessenen Schwingkreisen bestimmt werden, falls das Bewegungsmuster unbekannt oder nicht mit hinreichender Sicherheit vorbestimmt ist.
Wird der Messparameter in dem Schritt des Auswerten mit berücksichtigt, müssen die Randbedingungen der Messung nicht notwendigerweise so genau eingehalten werden, wie es ohne diesen Schritt erforderlich wäre. So kann die Auswertung beispielsweise den erfassten tatsächlichen Abstand zum gemessenen Schwingkreis oder eine Abweichung der Ebene der Messantenne zum gemessenen Schwingkreis berücksichtigen. Ein Referenzwert (für einen Vergleich) oder der Messwert kann im Rahmen der Auswertung durch den Messparameter korrigiert werden.
Eine Verwendung des Messparameters, um ein Rückmeldungssignal zu erzeugen, ermöglicht es, die Führung der Messeinrichtung zu beeinflussen. Diese Rückmeldung kann insbesondere bereits in der Messvorrichtung erzeugt und ausgegeben werden. Zur Ausgabe einer Rückmeldung an einen Benutzer der Vorrichtung können optische, akustische oder mechanische Rückmeldeeinheiten dienen.
Vorteilhaft erfolgt das Anregen des Schwingkreises als induktives Anregen mittels eines gepulsten Magnetfeldes erfolgt, wobei das Magnetfeld vorzugsweise durch einen einzelnen Strompuls erzeugt wird und/oder wobei der Strompuls vorzugsweise als Gleichstrompuls in Form eines Dirac-Stoßes erzeugt wird. In der Regel wird das Anregen des Schwingkreises kontaktlos mittels einer Erregerantenne durchgeführt. Ebenso wird das Erfassen der Schwingung des Schwingkreises kontaktlos mittels einer Messantenne durchgeführt.
Die Messvorrichtung zum Messen eines zur kontaktlosen Datenkommunikation eingerichteten Schwingkreises umfasst neben einem Griff, welcher für das Messen des Schwingkreises die Führung der Messvorrichtung zu dem Schwingkreis ermöglicht, eine Erregerantenne für ein kontaktloses Anregen des Schwingkreises und eine Messantenne, die eingerichtet ist, eine abklingende Schwingung des Schwingkreises in Antwort auf die Anregung mittels der Erregerantenne zu erfassen. Bevorzugt ist auch ein Impulsgeber, der den Energiepuls erzeugt in der Messvorrichtung enthalten.
Die Messvorrichtung umfasst ferner einen Sensor zur Erfassung eines durch die Führung der Messvorrichtung entstandenen Messparameters. Als Sensor können ein Beschleunigungssensor, ein Abstandssensor und/oder ein Lagesensor dienen.
Die Rückmeldeeinheit erzeugt eine Rückmeldung als Steuersignal oder als für einen Benutzer wahrnehmbares Signal. Die Rückmeldung betrifft die geführte Bewegung der Messvorrichtung.
Die Messvorrichtung ist eine tragbare Einheit. Die Mess- und Auswertungsvorrichtung (oder Prüfvorrichtung) umfasst neben der Messvorrichtung auch eine Auswertungseinheit. Die Auswertungseinheit kann stationär oder aber beweglich, beispielsweise mit einem eigenen Griff, ausgebildet sein.
Die erfasste Schwingung des Schaltkreises wird schließlich ausgewertet, insbesondere hinsichtlich einer Eigenresonanzfrequenz und/oder Güte des Schaltkreises. Dies kann mittels einer Auswertungseinrichtung erfolgen, die mit der Messantenne verbunden ist.
Die Auswertungseinrichtung kann dabei insbesondere einen Vergleich mit Referenzwerten einer intakten Antennenspule heranziehen. Zur Analyse der von der Messantenne beim Erfassen der Schwingung, d. h. der freien, gedämpften Schwingung, erfassten Signale kann in bekannter Weise beispielsweise ein digitaler Signalprozessor (DSP) dienen.
Ein durch einen Energiepuls angeregter Schaltkreis schwingt nach der Anregung grundsätzlich unmittelbar mit einer freien, gedämpften Schwingung A(t) aus, welche mit der folgenden Formel beschrieben werden kann: A(t) = A₀(t)e^(–δt)cosωt.
A(t) kann dabei dem Strom I oder der Spannung U eines durch den Schaltkreis gebildeten elektrischen Schwingkreises entsprechen. Demnach kann der Spannungsverlauf des Schaltkreises unmittelbar nach der Anregung mit der folgenden Formel beschrieben werden: U(t) = U₀(t)e^(–δt)cosωt
Die Kreisfrequenz ω entspricht dabei der Eigenresonanzfrequenz des Schaltkreises fres multipliziert mit 2π (ω = 2πfres). Aus dem Abklingkoeffizienten δ und der Eigenresonanzfrequenz f_res kann die Güte Q des Schaltkreises ermittelt werden. Alternativ kann die Güte Q auch aus zwei aufeinander folgenden Maxima A_n und A_n+1 der Schwingungsamplitude des Schaltkreises ermittelt werden.
Je länger der Abklingvorgang dauert, desto höher ist die Güte des entsprechenden Schwingkreises. D. h. eine Auswertung der freien, gedämpften Schwingung des Schaltkreises, d. h. deren Ausschwingen unmittelbar nach der Anregung, erlaubt es, sowohl die Eigenresonanzfrequenz als auch die Güte des Schaltkreises zu bestimmen.
Ein Aspekt der Erfindung beruht nun auf dem Umstand, dass ein Defekt der Antenne des zu prüfenden Schaltkreises, wie beispielsweise eine Unterbrechung einer Leiterbahn oder ein Kurzschluss zwischen einzelnen Spulenwindungen einer als Antennenspule ausgebildeten Antenne, dazu führt, dass sich ein bei einer beschriebenen Prüfung erkennbarer Signalverlauf des Ausschwingens signifikant von einem entsprechenden Signalverlauf des Ausschwingen einer intakten Antennenspule unterscheidet. Anhand der ausgewerteten freien, gedämpften Schwingung festgestellte Parameter einer fehlerhaften Antenne, insbesondere deren Eigenresonanzfrequenz und deren Güte, unterscheiden sich deutlich von den entsprechenden Parametern einer intakten Antenne.
Ein Leiterbannbruch beispielsweise zeigt sich in einem deutlich erkennbar veränderten Ausschwingverhalten, insbesondere einer veränderten, in der Regel erhöhten Eigenresonanzfrequenz. Im Falle eines Kurzschlusses von zwei oder mehr Spulenwindungen ist kaum mehr ein Ausschwingen zu beobachten.
Auf diese Weise kann beim Auswerten der freien, gedämpften Schwingung durch die Prüfvorrichtung nicht nur erkannt werden, ob die Antennenspule fehlerhaft ist oder nicht, sondern es kann im Falle eines Fehlers oder Mangels auch der Typ des Fehlers bzw. die Art des Mangels festgestellt werden.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind offensichtlich und zahlreich. Die Prüfung des Schaltkreises, insbesondere der Antenne des Schaltkreises, kann kontaktlos und mit sehr geringem Zeitaufwand erfolgen. Dies erlaubt für geeignete Ausführungsformen von Schaltkreisen eine Prüfung während eines laufenden Produktionsprozesses. Insbesondere kann auch bereits eine gedruckte Antennenspule, welche noch nicht vollständig ausgehärtet ist, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geprüft werden. Die benötigte Messvorrichtung ist vergleichsweise einfach und kostengünstig bereitzustellen. Zudem erlaubt das Verfahren nicht nur, Fehler oder Mängel einer defekten Antenne des Schaltkreises zu erkennen, sondern auch verschiedene Fehlertypen eines zu prüfenden Schaltkreises zu unterscheiden.
Grundsätzlich sollte eine Messantenne der betreffenden Art, d. h. eine Messantenne, die eingerichtet ist, eine Schwingung, beispielsweise eines gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren angeregten Schaltkreises, zu erfassen, bestimmte technischen Eigenschaften zeigen. Eine solche Messantenne sollte derart ausgebildet sein, dass sie selbst durch ihre physikalischen Eigenschaften eine Messung, beispielsweise einer Schwingung eines Schaltkreises, nicht oder nur unwesentlich beeinflusst. Dazu sollte die Messantenne möglichst breitbandig ausgelegt sein und lediglich eine sehr gering ausgeprägte Spannungsüberhöhung im Bereich ihrer Resonanzfrequenz aufweisen. Insbesondere sollte ein Ausschwingen der Messantenne, beispielsweise in Reaktion auf eine Anregung, im Wesentlichen unterdrückt werden.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Prüfverfahrens und mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Messvorrichtung werden die Erregerspule und die Messantenne der Messvorrichtung. In dem Fall, dass die Erregerspule und die Messantenne nicht orthogonal zueinander, sondern beispielsweise nebeneinander angeordnet sind, wird der Erregungspuls der Erregerspule auch von der Messantenne erfasst. Zudem überlagert dann das Abschwingverhalten der Erregerspule das zu messende Abschwingverhalten der Antennenspule.
Bei einer „orthogonalen” Anordnung der Erregerspule zu der Messantenne liegen diese derart zueinander, dass das Signal der Erregerspule von der Messantenne nicht wahrgenommen wird. Die Erregerspule ist dabei gegenüber der Messantenne räumlich so angeordnet, dass in der Messantenne im Wesentlichen kein Signal eingekoppelt wird. Ein Signal wird in eine Spule immer dann eingekoppelt, wenn das Ringintegral über den magnetischen Fluss Φ durch diese Spule größer als Null ist (vgl. oben zitiertes RFID-Handbuch, Kapitel 4.1.6 und 4.1.9.2). Das Integral über den magnetischen Fluss Φ ist genau dann Null, wenn sich magnetische Feldlinien unterschiedlicher Richtung und Feldstärke in der Messantenne über die Gesamtfläche gegenseitig aufheben, oder wenn der Winkel der Feldlinien zur Spulenachse genau 90° beträgt – daher der Begriff „orthogonale” Anordnung. Eine geeignete, so genannte koplanare orthogonale Anordnung der Erregerspule zur Messantenne kann beispielsweise derart erfolgen, dass die beiden Antennen in einer Ebene geeignet teilweise übereinander liegen.
Vorzugsweise ist an die Messantenne der Messvorrichtung unmittelbar ein Verstärker angeordnet. Dadurch kann eine lange, kapazitätsbelegte Zuleitung vermieden werden. Der Verstärker umfasst bevorzugt einen hochohmigen Eingang. Als Verstärker kann beispielsweise ein Impedanzwandler verwendet werden. Dessen Ausgangsimpedanz ist dann vorzugsweise an ein Übertragungsmittel angepasst, welches den Impedanzwandler mit der Auswertungseinrichtung verbindet. Als Verbindungsmittel wird vorzugsweise ein Koaxialkabel verwendet. In diesem Fall beträgt die Ausgangsimpedanz des Impedanzwandlers 50 Ω.
Wie erwähnt, wird im Zusammenhang mit der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens im Schritt des Auswerten der wie vorstehend beschrieben, erfassten oder ermittelten freien, gedämpften Schwingung des Schaltkreises insbesondere die Eigenresonanzfrequenz des Schaltkreises und die Güte des Schaltkreises in Abhängigkeit von der Feldstärke des vorliegenden magnetischen Wechselfeldes ermittelt. Daraus können, wie beschrieben, in vielfältiger Weise Rückschlüsse auf die Funktionsfähigkeit bzw. die Eigenschaften des Schaltkreises gezogen werden.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beispielhaft beschrieben. Darin zeigen:
1 eine funktionale Darstellung der an einer Messung beteiligten Einheiten;
2 den Verlauf einer freien, gedämpften Schwingung;
3 Schritte einer bevorzugten Ausführungsform eines Mess- und Auswertungsverfahrens zum Prüfen eines zur kontaktlosen Datenkommunikation eingerichteten Schwingkreises;
4 einen Bogenmesstisch, insbesondere als Teil einer Messvorrichtung nach 5;
5 eine bevorzugte Ausführungsform der tragbaren Mess- und Auswertungsvorrichtung; und
6 eine bevorzugte Ausführungsform der tragbaren Mess- und Auswertungsvorrichtung.
Der in 1 exemplarisch dargestellte Messaufbau dient zum Prüfen eines zur kontaktlosen Datenkommunikation eingerichteten Schaltkreises 20 als Schwingkreis. Dieser Schwingkreis 20 umfasst eine Antennenspule 22, welche mindestens eine Windung umfasst, und ein elektronisches Bauteils 24, beispielsweise ein RFID-Chip. Antennenspule 22 und Bauteil 24 sind auf einem nicht leitenden Träger angeordnet. Die Antennenspule 22 ist eine induktiv koppelnde Antennenspule.
Der Messaufbau umfasst einen Impulsgeber 110, der vorzugsweise über einen Verstärker 120 mit einer Erregerspule 130 verbunden ist. Mittels eines durch den Impulsgeber 110 erzeugten Energiepulses, vorzugsweise in Form eines Dirac-Stoßes, kann der zu prüfende Schaltkreis 20 über die Erregerspule kontaktlos angeregt werden.
Eine Messantenne 140 ist eingerichtet, eine Schwingung des zu prüfenden Schaltkreises 20 zu erfassen und vorzugsweise über einen Verstärker 150 an eine Auswertungseinrichtung 160 weiterzuleiten. Erregerspule 130 und Messantenne 140 sind für die Messung in geeignetem, vorzugsweise geringem Abstand neben der Antenne 22 des zu prüfenden Schaltkreises 20 angeordnet. Die Messantenne 140 erfasst die in Antwort auf die Anregung durch den Energiepuls abklingende Schwingung des Schaltkreises 20.
Wie in 1 durch die teilweise überlappende Anordnung angedeutet, sind die Messantenne 140 und Erregerspule 130 dabei orthogonal zueinander angeordnet. Dies hat, wie vorstehend beschrieben, die Auswirkung, dass in die Messantenne 140 möglichst kein Signal der Erregerspule 130 eingekoppelt wird. Die Erregerspule 130 und die Messantenne 140 können auf einem geeigneten, flächigen Träger angeordnet werden.
Um eine günstige Signalauskopplung zu erreichen, sollte das mittels der Messantenne 140 erfasste Signal möglichst hochohmig ausgekoppelt werden. Daher wird unmittelbar an die Messantenne 140, wie in 1 dargestellt, ein Verstärker 150 mit hochohmigem Eingang angeordnet. Vorzugsweise wird als Verstärker 150 ein Impedanzwandler eingesetzt. Dieser besitzt vorzugsweise eine Ausgangsimpedanz von 50 Ω und ist mittels eines Koaxialkabels 155 mit der Auswertungseinrichtung 160 verbunden. Dieses sollte dabei vorzugsweise eine Eingangsimpedanz von 50 Ω aufweisen. Damit können Reflexionen wirkungsvoll vermieden werden.
2 zeigt den theoretischen Verlauf einer freien, gedämpften Schwingung A(t) im Verlauf der Zeit t. Die Funktion A(t) kann dabei dem Strom I oder der Spannung U entsprechen. Die Kreisfrequenz ω entspricht der Eigenresonanzfrequenz des entsprechenden Schaltkreises 20 multipliziert mit 2π. Aus dem Abklingkoeffizienten 6 kann die Güte des Schaltkreises 20 bestimmt werden. Eine entsprechend abklingende Schwingung entsteht in Antwort auf die vorliegende Anregung mittels eines Energiepulses.
5 zeigt eine tragbare Messvorrichtung 300, welche eine an einem Griff führbare Messeinheit 100, eine Auswertungseinheit 200 und einen Messtisch 400 umfasst. Die Messeinheit 100 ist über ein flexibles Kabel 210 oder kabellos (beispielsweise via Bluetooth) mit der Auswertungseinheit 200 verbunden. Auf einem Antennenträger 135 der Messeinheit 100 sind die Messantenne und die Erregerantenne angeordnet (nicht dargestellt). Die hier ebenfalls nicht dargestellten Einheiten aus 1, also der Impulsgeber 110 und die Verstärker 120 und 150 sind vorzugsweise ebenfalls in der Messeinheit 100 angeordnet. Von Interesse ist, dass die Messeinheit 100 – unabhängig von der Auswertungseinheit 200 – bewegbar ist.
Die Messeinheit 100 kann somit über einen Bogen 10 mit mehreren Schwingkreisen geführt werden, um die Schwingkreise nacheinander zu prüfen. Der Bogen 10 wird auf dem Messtisch 400 angeordnet. Für die Messung wird die Messeinheit 100 so über den Bogen 10 geführt, dass der Antennenträger 135 der Messeinheit 100, auf welchem die Messantenne und die Erregerantenne angeordnet sind (nicht dargestellt), optimal zu dem gerade zu messenden Schwingkreis angeordnet ist. Bevorzugt soll die Messvorrichtung parallel mit einem vorgegebenen minimalen Abstand zum Schwingkreis (ohne Berührung) geführt werden. Die Messeinheit 100 umfasst Mittel zur Erfassung eines Messparameters, der aus der geführten Bewegung der Messeinheit 100 entsteht, beispielsweise in der Form eines Beschleunigungssensors.
In 4 ist der Bogenmesstisch 400 aus 5 näher dargestellt. Vorliegend sollen die Schwingkreise wiederum auf einem Bogen mit mehreren Schwingkreisen angeordnet sein.
Der Bogenmesstisch 400 umfasst eine Auflagefläche 410, eine Bogenhalterung 420 und einen Grundkörper 430. Die Auflagefläche 410 kann mit Hilfe eines Hebels 440 zwischen einer ersten, nicht dargestellten, Position und der dargestellten zweiten Position bewegt werden.
Der flexible Bogen mit einer Vielzahl von Schwingkreisen 20 wird in der ersten Position der Auflagefläche 410 auf den Messtisch gelegt. Der Bogen liegt auf einem Außenrahmen 412 der Auflagefläche 410, welche zudem optionale Zwischenstützen 411 umfassen kann. Der Bogen liegt aber zunächst ebenso auf der mit Löchern versehenen Anordnungsfläche 432 des Grundkörpers 430 auf. Durch Umlegen der Hebel 422 der Bogenhalterung 420 wird der Bogen mittels Klemm- und/oder Spannmitteln 421 gehalten und ggf. gespannt. Der so fixierte Bogen wird zusammen mit der Auflagefläche 410 in die zweite Position gebracht, so dass zwischen Bogen und Anordnungsfläche 432 ein definierter Hohlraum entsteht. Die Auflagefläche 410 wird dabei durch den Hebel 440 und eine damit verbundene Bewegung der Abstandshalter 413 nach oben, also vom Grundkörper 430 weg, bewegt.
Erst danach wird die Messeinheit 100 aus 5 zur Messung der Schwingkreise 20 des Bogens 10 nacheinander von Schwingkreis zu Schwingkreis geführt. In einem ersten Messvorgang für einen ersten Bogen 10 wird die Messeinheit 100 spaltenweise und mit wechselnder Richtung, also abwechselnd von unten nach oben und dann von oben nach unten, geführt. In einem zweiten Messvorgang, für einen anderen Bogen 10, wird die Messvorrichtung zeilenweise und wieder mit wechselnder Richtung, also wechselnd von links nach rechts und dann von rechts nach links, geführt.
Neben einer solchen mäanderförmigen Bewegung kann aber auch eine gleichgerichtete zeilenweise oder spaltenweise Bewegung erfolgen. Nicht vorbestimmte Bewegungen entstehen insbesondere bei Führung der Messvorrichtung durch einen Benutzer. Zudem müssen nicht immer alle Schwingkreise geprüft werden. Beispielsweise kann aus jeder Zeile und Spalte zufällig nur ein Schwingkreis geprüft werden.
In 3 sind Schritte einer bevorzugten Ausführungsform eines Verfahrens zum Messen eines zur kontaktlosen Datenkommunikation eingerichteten Schaltkreises 20 angegeben.
In Schritt S1 wird der Schwingkreis auf der Messvorrichtung planar angeordnet, beispielsweise durch Auflegen des Bogens auf den Messtisch und optionales Halten und Spannen des Bogens. In Schritt S2 wird hinter dem Schwingkreis ein Hohlraum vorbestimmten Volumens bereitgestellt, beispielsweise durch das Bewegen der Auflagefläche des Messtisches von der Anordnungsfläche weg.
Optional wird bei geführter Bewegung der Messeinheit Ein durch die geführte Bewegung entstandener Messparameter wird in Schritt S3 erfasst. Beispielsweise erfasst ein Beschleunigungssensor anhand eines Beschleunigungswertes die Bewegung der Messeinheit.
In Schritt S4 wird der Schaltkreis 20 mittels eines Energiepulses angeregt. Dies kann mittels der Erregerspule 130 aus 1 durch Zusammenwirken mit dem Impulsgeber 110 erfolgen. Das Anregen erfolgt vorzugsweise mittels eines gepulsten Magnetfeldes induktiv, wobei das Magnetfeld vorzugsweise durch einen einzelnen Strompuls in Form eines Dirac-Stoßes erzeugt wird.
In Schritt S5 wird die Schwingung des Schaltkreises 20 in Antwort auf das Anregen des Schaltkreises 20 erfasst. Dazu dient die Messantenne 140 aus 1. Die erfasste Schwingung entspricht dabei einer freien, gedämpften Schwingung des Schaltkreises 20.
Die Schritte S3 bis S5 werden in einem Messvorgang für mehrere Schwingkreise nacheinander wiederholt ausgeführt. Die Schritte S3 bis S5 werden für jeden der weiteren zu messenden Schaltkreise ausgeführt. Der Messvorgang umfasst somit eine Messung für jeden Schaltkreis.
Die Auswertungseinheit 200 empfängt die erfasste Schwingung, als Messwerte, und zumindest einen Teil der Messparameter.
In Schritt S6 wird die erfasste Schwingung durch eine Auswertungseinrichtung, beispielsweise die Auswertungseinrichtung 200 aus 5, ausgewertet. Wie vorstehend beschrieben, kann in dieser Weise die Funktionsfähigkeit des Schaltkreises geprüft und insbesondere eine Eigenresonanzfrequenz und/oder eine Güte des Schaltkreises 20 ermittelt werden.
Nachdem mehrere Schaltkreise geprüft wurden, kann in der Auswertungseinheit anhand des erfassten Messparameters Beschleunigung das Bewegungsmuster im Sinne von 4 bestimmt werden S5. Erst aus dem Messparameter ergibt sich also mit Sicherheit, welche erfasste Schwingung für welchen Schwingkreis auszuwerten ist. Alternativ dient der Messparameter Beschleunigung nur zum Abgleich des tatsächlichen Bewegungsmuster der Messvorrichtung mit einem vorgegebenen Bewegungsmuster.
In 6 sind die Komponenten der Messeinheit 100 genauer dargestellt. Der Antennenträger 135 mit der symbolisch dargestellten Erregerantenne 130 und der Messantenne 140 ist über einen Trägerhalter 134 (starr) mit einem Griff 131 verbunden. Der Griff 131 wird aus zwei Griffschalenhälften gebildet. Der ebenfalls am Griff angeschlossene Kabelanschluss 132 dient zur Aufnahme des flexiblen nicht dargestellten Verbindungskabels zur Auswertungseinheit.
Der Trägerhalter 134 ermöglicht einen Austausch des Antennenträgers 135, beispielsweise wenn zur Messung von Schwingkreisen mit deutlich kleinerer Antennenfläche, kleinere Anregungs- und Messantennen eingesetzt werden sollen.
Zudem ist der Trägerhalter 134 oder der Antennenträger 135 mit einem Anordnungsmittel 136 versehen, welcher das Anordnen eines Schwingkreises auf dem Antennenträger 135 unterstützt. Vorliegend weist der Trägerhalter 134 an seiner unteren Seite eine Breite B auf. Die Breite B ist so gewählt, dass die Messeinheit stabil auf der Kante mit der Länge B abgestellt werden kann.
Durch geeignete Wahl der Länge L des Trägerhalters 134 entsteht ein ausreichender Abstand h zwischen dem Boden (Abstellfläche) auf dem die Messeinheit 100 abgestellt wird und dem Antennenträger 135. Wird ein Schwingkreis auf dem Trägerhalter 134 angeordnet, so ist ein Einfluss des Bodens (bzw. dessen Material oder Ausgestaltung) auf das Messergebnis durch den ausreichenden Abstand h ausgeschlossen.
In dem Griff 131 der Messeinheit 100 sind – möglichst nahe zu dem Antennenträger 135 – einer oder mehrere Sensoren 171, 172, 173 zur Erfassung von Messparametern vorgesehen. Ein Beschleunigungssensor 171 erfasst die Beschleunigung beim Führen der Messeinheit 100 zu dem zu prüfenden Schwingkreis. Die erfassten Beschleunigungswerte werden der Auswertungseinheit bereitgestellt.
Ein Abstandssensor 172 und/oder ein Lagesensor 173 sind im Bereich des Trägerhalters angeordnet. Sie können beispielsweise zusammen mit dem Impulsgeber und den Verstärkern aus 1 auf einer Platine angeordnet werden. Der Abstandssensor 172 erfasst den Abstand zum Schaltkreis. Der Lagesensor erfasst die Lage der Ebene des Antennenträgers 135 relativ zur Ebene des Schaltkreises (bzw. zur Ebene der Antenne des Schaltkreises). Die erfassten Messparameter können an die Auswertungseinheit übertragen werden und/oder als Basis für eine Rückmeldung an der Messvorrichtung dienen.
Die Messvorrichtung umfasst ferner mindestens eine Rückmeldeeinheit 181, 182 sowie einen Taster 183 als Eingabemittel. Der Taster 183 kann zur manuellen Auslösung einer Messung (Schritte S2 und S3) dienen. Die Rückmeldeeinheit 181 ist eine mechanische Rückmeldeeinheit, insbesondere in der Form eines Vibrationselements. Die Rückmeldeeinheit 182 ist eine optische Rückmeldeeinheit, insbesondere in der Form einer farbigen LED. Die Rückmeldeeinheit 182 kann zugleich als Taster ausgebildet sein.
Erkennt die Messeinheit 100 (oder die Auswertungseinheit 200), dass die Lage und/oder der Abstand der Messvorrichtung zum Schaltkreis anzupassen ist, kann eine Rückmeldung mittels der Rückmeldeeinheiten 181, 182 erfolgen. Der die Messvorrichtung führende Benutzer kann die Führung der Messeinheit 100 nach einer Rückmeldung anpassen. Eine die Messvorrichtung führende Einheit könnte ein Steuersignal als entsprechende Rückmeldung auswerten. Eine Rückmeldung mittels einer Rückmeldeeinheit 181, 182 kann von der Auswertungseinheit 200 beispielsweise angestoßen werden, wenn die Auswertung ein negatives Prüfungsergebnis (Schaltkreis defekt bzw. nicht im Normalbereich) ergibt. Ebenso könnte die Auswertungseinheit 200 über eine andere Rückmeldung mittels einer Rückmeldeeinheit 181, 182 eine erneute Messung eines Schaltkreises anfordern (Schaltkreis evtl. defekt bzw. zweideutiges Prüfungsergebnis bei erfasstem Messparameter).
An eine Auswertungseinheit können mehrere Messvorrichtungen eines Produktionssystems angeschlossen sein.
In einem Produktionssystem mit mehreren Messvorrichtungen werden diese insbesondere den gleichen Schwingkreis mehrfach vor und/oder nach unterschiedlichen Produktionsschritten messen. Beispielsweise kann ein Schwingkreis vor und nach dem Verbinden des Bauelements (Chip) mit der Antenne geprüft werden. Der gleiche Schwingkreis wird dann beispielsweise von einer weiteren Messvorrichtung nach einer Integration in einen tragbaren Datenträger geprüft (z. b. nach der Lamination des Trägers mitsamt Schaltkreis als Inlay in den Kartenkörper).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2013/034293 A1 [0005]
DE 102013002139 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„RFID-Handbuch” von Klaus Finkenzeller, 6. Auflage, Carl Hanser Verlag, München, 2012, in Kapitel 4.1.11.2 [0004]
ISO/IEC 14443 [0017]
ISO/IEC 15693 [0017]

Claims

Verfahren zum Messen einer Eigenschaft eines zur kontaktlosen Datenkommunikation vorgesehenen Schwingkreises (20) mit einer Messvorrichtung (300), umfassend die Schritte: – Anordnen (S1) des Schwingkreises (20) in der Messvorrichtung (300); – Anregen (S4) des Schwingkreises (20) durch die Messvorrichtung (300) mittels eines Energiepulses; und – Erfassen (S5) einer abklingenden Schwingung des Schwingkreises (20) in Antwort auf die Anregung durch den Energiepuls mit der Messvorrichtung (300); und – Auswerten (S6) der erfassten Schwingung hinsichtlich der Eigenschaft des Schwingkreises (20) dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schritt des Anordnens (S1) der Schwingkreis auf einer Auflagefläche (410; 135) der Messvorrichtung (300) planar angeordnet wird; und Bereitstellen (S2) eines luftgefüllten Raums mit einem vorbestimmten Minimalvolumen auf einer von einem Antennenträger (135) der Messvorrichtung (300) abgewandten Seite des Schwingkreises (20).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schritt des Bereitstellens (S2) ein Abstand zwischen einer Anordnungsfläche (432) der Messvorrichtung (300) und dem Schwingkreis (20) erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer von dem Schwingkreis (20) abgewandten Seite des Antennenträgers (135) ein weiterer luftgefüllter Raum mit dem vorbestimmten Minimalvolumen bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch – Erfassen (S3) eines durch ein Führen einer Messeinheit (100) der Messvorrichtung (300) entstandenen Messparameters.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Messvorgang die Eigenschaft für mehrere Schwingkreise jeweils nacheinander mit den Teilmessschritten des Führens, Anregen (S4) und Erfassen (S5) gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Anregen des Schwingkreises (20) als induktives Anregen mittels eines gepulsten Magnetfeldes erfolgt, wobei das Magnetfeld vorzugsweise durch einen einzelnen Strompuls erzeugt wird und/oder wobei der Strompuls vorzugsweise als Gleichstrompuls in Form eines Dirac-Stoßes erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Anregen des Schwingkreises (20) kontaktlos mittels einer Erregerantenne (130) durchgeführt wird und/oder dass das Erfassen der Schwingung des Schwingkreises (20) kontaktlos mittels einer Messantenne (140) durchgeführt wird.
Messvorrichtung (300) zum Messen einer Eigenschaft eines zur kontaktlosen Datenkommunikation eingerichteten Schwingkreises (20), wobei die Messvorrichtung (300) umfasst: – eine Erregerantenne (130) für ein kontaktloses Anregen des Schwingkreises; und – eine Messantenne (140), die eingerichtet ist, eine abklingende Schwingung des Schwingkreises (20) in Antwort auf die Anregung mittels der Erregerantenne (130) zu erfassen, gekennzeichnet durch – eine Auflagefläche (410; 135) zum planaren Anordnen des Schwingkreises (20) auf der Auflagefläche (410; 135); – Abstandsmittel (413, 134), welche eingerichtet sind, um auf einer von einem Antennenträger (135) der Messvorrichtung (300) abgewandten Seite des Schwingkreises (20) einen luftgefüllten Raums mit einem vorbestimmten Minimalvolumen bereitzustellen.
Messvorrichtung (300) nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (300) weitere Abstandsmittel (134) umfasst, welche eingerichtet sind, um auf einer von dem Schwingkreis (20) abgewandten Seite des Antennenträgers (135) einen luftgefüllten Raums mit dem vorbestimmten Minimalvolumen bereitzustellen.