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TECHNISCHES GEBIET
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Hierin beschriebene Ausführungsformen beziehen sich auf Halbleitervorrichtungen und insbesondere auf Halbleitervorrichtungen, die Identifizierungsmarken enthalten.
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HINTERGRUND
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Es ist noch immer notwendig, die Identität und Position von Objekten, die mit z.B. Inventur, Produktherstellung, Vertrieb und verbundenen Tätigkeiten assoziiert sind, zu bestimmen. Solche Tätigkeiten stellen Herausforderungen an genauem Überwachen der Position und des Flusses eines Objekts. Eine Markenvorrichtung, die geeignet ausgestaltet ist, mit einer Vielzahl von Objekten, wie z.B. Gütern, Artikeln, Personen oder Tieren oder irgendeiner anderen Art von bewegendem Objekt, assoziiert zu werden, und um Positions- und Datenverfolgung zu ermöglichen, kann dazu verwendet werden, die Bewegungen des Objekts zu überwachen. Ein derartiges Markenverfolgungssystem ist ein elektronisches Identifizierungssystem, wie z.B. RFID. RFID-Marken werden zum Verfolgen des Objekts und zum Speichern und Abrufen von Informationen über ein Objekt an einem Objekt befestigt, damit verbunden oder sonst wie damit assoziiert.
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Irgendwelche Daten oder Informationen, die sich auf das Objekt, an dem eine RFID-Marke befestigt ist, beziehen, können in einem Speicher in der RFID-Marke geschrieben und gespeichert werden. Die RFID-Marke wird in einem geeigneten elektromagnetischen Feld von einem speziellen Leser erkannt und die in der Marke gespeicherten Informationen können gelesen und, sollte dies gewünscht sein, geändert werden. Typischerweise sind RFID-Markenvorrichtungen vollkommen passiv, d.h., sie enthalten keine integrierte Energieversorgung. Es entsteht ein kleines und tragbares Paket. Jedoch können passive Marken nur über einen relativ kurzen Bereich betrieben werden und werden durch die Ausbreitung des Felds, das zum Speisen von Energie und zur Kommunikation mit den Marken verwendet wird, beschränkt.
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Eine aktive RFID-Marke enthält eine mit der Marke verbundene Energieversorgung, um den Bereich, in dem sie erkannt werden kann, zu erhöhen. Jedoch wird mit dem Zusatz einer Batterie die RFID-Marke physisch größer und teurer. Große und steife Marken reduzieren dadurch die Nützlichkeit der Marken, sodass Anwendungen beschränkt werden.
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KURZDARSTELLUNG
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Gemäß einer Ausführungsform enthält eine Identifizierungsmarke ein Halbleitersubstrat, eine am Halbleitersubstrat befestigte Batterie und einen am Halbleitersubstrat befestigten Sensor. Die Batterie ist elektrisch mit dem Sensor verbunden und dazu ausgestaltet, dem Sensor elektrische Energie zuzuführen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthält eine Identifizierungsmarke ein Halbleitersubstrat, eine in das Halbleitersubstrat integrierte Batterie und einen in das Halbleitersubstrat integrierten Sensor.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthält eine Identifizierungsmarke einen Speicher, der dazu ausgestaltet ist, Identifizierungsinformationen zu speichern, eine Batterie und einen Sensor. Die Batterie ist elektrisch mit dem Sensor verbunden und dazu ausgestaltet, dem Sensor elektrische Energie zuzuführen.
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Der Fachmann auf dem Gebiet erkennt zusätzliche Merkmale und Vorteile beim Lesen der folgenden ausführlichen Beschreibung und beim Betrachten der begleitenden Zeichnungen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die begleitenden Zeichnungen sind enthalten, um für ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen zu sorgen, und sind in diese Patentbeschreibung integriert und bilden einen Teil von dieser. Die Zeichnungen stellen Ausführungsformen dar und dienen zusammen mit der Beschreibung zum Erläutern von Prinzipien der Ausführungsformen. Andere Ausführungsformen und viele der zugehörigen Vorteile der Ausführungsformen sind leicht ersichtlich, da sie mit Bezug auf die folgende Beschreibung besser verständlich werden. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise relativ zueinander maßstäblich. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen entsprechende ähnliche Teile.
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1 zeigt eine schematische Querschnittseitenansicht einer Halbleitervorrichtung (A), die eine Batterie und einen Temperatursensor gemäß einer Ausführungsform umfasst, und eine Draufsicht des Sensorgebiets (B).
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2 zeigt eine schematische Querschnittseitenansicht einer Halbleitervorrichtung (A), die eine Batterie und einen Stoßsensor umfasst, und eine Draufsicht des Sensorgebiets (B).
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3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Hochfrequenzidentifizierungs-(RFID)-Marke gemäß einer Ausführungsform.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die Aspekte und Ausführungsformen werden nun mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, in denen im Allgemeinen durchweg gleiche Bezugszeichen zur Bezugnahme auf gleiche Elemente verwendet werden. In der folgenden Beschreibung sind für Erläuterungszwecke zahlreiche spezifische Details dargelegt, um für ein gründliches Verständnis von einem oder mehreren Aspekten der Ausführungsformen zu sorgen. Es kann jedoch für einen Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich sein, dass ein oder mehrere Aspekte der Ausführungsformen mit einem geringeren Grad der spezifischen Details ausgeführt werden können. In anderen Fällen sind bekannte Strukturen und Elemente in schematischer Form gezeigt, um die Beschreibung von einem oder mehreren Aspekten der Ausführungsformen zu erleichtern. Selbstverständlich können andere Ausführungsformen verwendet werden und strukturelle oder logische Änderungen können durchgeführt werden, ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Ferner sollte beachtet werden, dass die Zeichnungen nicht maßstäblich oder zwingend maßstäblich sind.
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Obwohl ein spezielles Merkmal oder ein spezieller Aspekt einer Ausführungsform in Bezug auf nur eine von mehreren Implementierungen offenbart werden kann, kann ein solches Merkmal oder ein solcher Aspekt außerdem mit einem oder mehreren anderen Merkmalen oder Aspekten der anderen Implementierungen kombiniert werden, wie es für irgendeine gegebene oder spezielle Anwendung erwünscht und vorteilhaft sein kann. In dem Umfang, in dem die Begriffe „einschließen“, „aufweisen“, „mit“ oder andere Varianten davon entweder in der ausführlichen Beschreibung oder in den Ansprüchen verwendet werden, sollen solche Begriffe ferner in einer Weise ähnlich dem Begriff „umfassen“ einschließend sein. Die Begriffe „gekoppelt“ und „verbunden“ zusammen mit Ableitungen können verwendet werden. Selbstverständlich können diese Begriffe verwendet werden, um anzugeben, dass zwei Elemente ungeachtet dessen, ob sie in direktem physikalischem oder elektrischem Kontakt stehen oder sie nicht miteinander in direktem Kontakt stehen, miteinander zusammenarbeiten oder zusammenwirken. Der Begriff „beispielhaft“ ist auch lediglich als Beispiel anstatt als das Beste oder optimal gemeint. Die folgende ausführliche Beschreibung soll daher nicht in einer begrenzenden Hinsicht aufgefasst werden und der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist durch die beigefügten Ansprüche definiert.
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In besonderen Ausführungsformen werden Schichten oder Schichtstapel aufeinander aufgebracht oder Materialien werden auf Schichten aufgebracht oder abgeschieden. Es sollte erkannt werden, dass beliebige solche Begriffe wie „aufgebracht“ oder „abgeschieden“ wörtlich alle Arten von Techniken zum Aufbringen von Schichten aufeinander abdecken sollen. Insbesondere sollen sie Techniken abdecken, in denen Schichten auf einmal als Ganzes aufgebracht werden, wie beispielsweise Laminiertechniken, sowie Techniken, in denen Schichten in einer sequenziellen Weise abgeschieden werden, wie beispielsweise Sputtern, Plattieren, Formen, CVD usw.
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Die Halbleiterchips können Kontaktelemente oder Kontaktstellen auf einer oder mehreren ihrer äußeren Oberflächen umfassen, wobei die Kontaktelemente zum elektrischen Kontaktieren der Halbleiterchips dienen. Die Kontaktelemente können eine beliebige gewünschte Form oder Gestalt aufweisen. Sie können beispielsweise die Form von Kontaktflecken, d.h. flachen Kontaktschichten auf einer äußeren Oberfläche des Halbleitergehäuses, aufweisen. Die Kontaktelemente oder Kontaktstellen können aus einem beliebigen elektrisch leitfähigen Material hergestellt werden, z.B. aus einem Metall wie beispielsweise Aluminium, Gold oder Kupfer, oder einer Metalllegierung oder einem elektrisch leitfähigen organischen Material oder einem elektrisch leitfähigen Halbleitermaterial.
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Die Begriffe „verbunden“ und „gekoppelt“ schließen eine direkte Verbindung zwischen den verbundenen Elementen bzw. eine indirekte Verbindung durch ein(e) oder mehrere entweder passive oder aktive Elemente, dazwischenliegende Vorrichtungen bzw. Bauteile ein.
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Die Bedeutung von „ein“, „eine“ und „der/die/das“ schließt auch Bezugnahme auf den Plural ein. Die Bedeutung von „in“ schließt „in“ und „auf“ ein. Zusätzlich schließt eine Bezugnahme auf den Singular eine Bezugnahme auf den Plural ein, außer dass etwas anderes angegeben ist, oder außer dass dies widersprüchlich mit dieser Offenbarung ist.
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1A zeigt eine schematische Querschnittseitenansichtsdarstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform. 1B zeigt eine Draufsichtsdarstellung des Sensorgebiets der Halbleitervorrichtung.
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Die Halbleitervorrichtung 100 in 1A enthält ein Halbleitersubstrat 10, eine am Halbleitersubstrat 10 befestigte Batterie 20 und einen am Halbleitersubstrat 10 befestigten Sensor 30. Die Batterie 20 ist elektrisch mit dem Sensor 30 verbunden und speist dem Sensor 30 elektrische Energie.
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In der in 1A–1B gezeigten Ausführungsform enthält der Sensor 30 einen Temperatursensor. Jedoch kann im Allgemeinen der Sensor 30 irgendeine Art oder Typ von Sensor, zum Beispiel ein Stoßsensor, ein Beschleunigungssensor, ein Strahlungssensor und ein Sensor, der ein elektrisches oder magnetisches Feld misst, sein. Der Sensor 30 kann in der Form eines mikroelektromechanischen Sensors (MEMS) ausgestaltet sein. Der Sensor 30 kann auch so ausgestaltet sein, dass er die Funktion einer Energiegewinnungsvorrichtung ausübt. In einem derartigen Fall kann die Energiegewinnungsvorrichtung zum Beispiel dazu ausgestaltet sein, die Batterie wiederaufzuladen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Halbleitervorrichtung ist der Sensor ein Temperatursensor, der ein Thermoelement und/oder eine Thermosäule enthält.
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Gemäß einer Ausführungsform der Halbleitervorrichtung enthält der Sensor einen Stoßsensor und/oder einen Beschleunigungssensor, wobei der Stoßsensor oder der Beschleunigungssensor ein bewegliches Element und ein mit dem beweglichen Element verbundenes piezoelektrisches Element enthält.
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Gemäß einer Ausführungsform der Halbleitervorrichtung enthält der Sensor einen Strahlungssensor, wobei der Strahlungssensor einen pn-Übergang und/oder eine Fotodiode enthält.
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Gemäß einer Ausführungsform der Halbleitervorrichtung enthält der Sensor einen Sensor, der ein elektrisches oder magnetisches Feld misst, wobei der Sensor, der ein elektrisches oder magnetisches Feld misst, ein Feldabtastungselement, wie z.B. einen Hall-Sensor, einen Sensor für anisotropen Magnetowiderstand, einen Sensor für magnetischen Tunnelwiderstand oder einen Riesenmagnetowiderstands(GMR)-Sensor, enthält.
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Gemäß einer Ausführungsform der Halbleitervorrichtung ist der Sensor dazu ausgestaltet, einen vorbestimmten Wert, z.B. Temperatur, Beschleunigungsstrahlung usw., abzutasten und entweder der Sensor selbst oder eine mit dem Sensor verbundene Schaltung ist dazu ausgestaltet, festzustellen, ob der vorbestimmte Wert eine vorbestimmte Schwelle über- oder unterschreitet. Die Schaltung kann ferner dazu ausgestaltet sein, aufzuzeichnen, wann die vorbestimmte Schwelle vom vorbestimmten Wert über- oder unterschritten wird. Ein derartiges Ereignis kann in einem Speicher, der an dem Halbleitersubstrat der Halbleitervorrichtung befestigt oder darin integriert ist, gespeichert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Halbleitervorrichtung als eine Identifizierungsmarke ausgestaltet und enthält ferner einen Speicher, um Identifizierungsinformationen darin zu speichern. Die Identifizierungsinformationen sollen ein Objekt, an dem die Identifizierungsmarke befestigt ist, eindeutig identifizieren. Der Speicher kann dann auch dazu verwendet werden, Ereignisse aufzuzeichnen, wie es zuvor beschrieben wurde. In einem Lesebetrieb wird ein Leser oder eine Lese-Einrichtung auf eine derartige räumliche Distanz und Position relativ zu der Marke gebracht, dass der Speicher der Marke ausgelesen werden kann. Die Identifizierungsmarke kann ferner als eine Hochfrequenzidentifizierungs(RFID)-Marke ausgestaltet sein, in welchem Fall sie ferner einen Hochfrequenz-Transceiver enthält.
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Gemäß einer Ausführungsform wird der Sensor mittels Bearbeitungsschritten des Herstellungsprozesses der Batterie hergestellt, z.B. der mikrobearbeitete Hohlraum oder die Schicht der Membran, die zum Schließen der Batteriezelle und zum Tragen der zweiten Elektrode verwendet wird.
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Die Halbleitervorrichtung 100, wie sie in 1A gezeigt ist, enthält ein Halbleitersubstrat 10, z.B. ein Siliziumsubstrat. Das Halbleitersubstrat 10 enthält eine erste obere Hauptfläche 10A und eine zweite untere Hauptfläche 10B. Die Batterie 20 kann hauptsächlich innerhalb einer ersten Aussparungsfläche, die in der ersten Hauptfläche 10A gebildet ist, angeordnet sein. Die Batterie 20 enthält eine erste Batterieelektrode 21, die auf der gesamten unteren Oberfläche der ersten Aussparungsfläche angeordnet sein kann. Die erste Aussparungsfläche kann vollständig mit einem Batteriekörper der Batterie 20 gefüllt sein. Eine obere Oberfläche des Batteriekörpers, die koplanar mit einer oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 sein kann, kann von einer zweiten Batterieelektrode 22 überdeckt sein. Eine Verkapselung oder Abdekkungsschicht 15 kann so auf das Halbleitersubstrat 10 und die erste und zweite Aussparungsfläche aufgebracht sein, dass es auch die zweite Batterieelektrode 22 überdeckt. Eine Leitungsweg- oder Verdrahtungsschicht 16 kann so innerhalb der Verkapselungsschicht 15 angeordnet sein, dass sie mit der zweiten Batterieelektrode 22 verbunden ist und eine obere Oberfläche, die koplanar mit der oberen Oberfläche der Verkapselungsschicht 15 ist, aufweist, und dass sie zur Verbindung der Batterie 20 mit externen Vorrichtungen oder Elementen dienen kann. Die Leitungswegschicht 16 kann auch dazu verwendet werden, die Batterie 20 mit dem Temperatursensor 16 zu verbinden.
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Der Temperatursensor 30 kann eine leere Aussparungsfläche 31 und eine Thermosäule 32 enthalten. Die Thermosäule 32 kann in einer mäandrischen Form, mit abwechselnden Abschnitten von p-dotiertem Silizium 32.1 und n-dotiertem Silizium 32.2, ausgestaltet sein. Die Thermosäule 32 kann auf einer dünnen Membran oder auf einem dünnen Diaphragma, die bzw. das die zweite Aussparungsfläche überdeckt und im Wesentlichen koplanar mit der ersten Hauptfläche 10A des Siliziumsubstrats 10 ist, aufgebracht werden. Die Thermosäule 32 kann auch von der Verkapselungsschicht 15 überdeckt sein. Der Leerraum 31 kann mit der Umgebung verbunden sein, sodass die Temperatur innerhalb des Leerraums 31 der Umgebungstemperatur der Halbleitervorrichtung 100 entsprechen kann. Die Halbleitervorrichtung 100 kann an einer Oberfläche eines Objekts zur Überwachung eines Temperaturunterschieds zwischen dem Objekt und der Umgebungstemperatur angebracht werden. Wenn die Halbleitervorrichtung 100 an einer Oberfläche eines Objekts, das eine Temperatur, die sich wesentlich von der Umgebungstemperatur auf der anderen Seite der Halbleitervorrichtung 100 unterscheidet, aufweist, befestigt ist, kann die Thermosäule 32, die auf der Basis des Seebeck´schen Effekts betrieben werden kann, dazu verwendet werden, einen Strom von der warmen zu der kalten Seite herzustellen. In Fällen mit großen Temperaturgefällen könnte dieser Strom nützlich sein, um die Batterie 20 aufzuladen, jedoch wird die Thermosäule 32 in vielen Fällen nur dazu verwendet, einen Temperaturunterschied zu erkennen. Im Fall von z.B. gekühlten oder gefrorenen Gütern kann die Marke auf der Oberfläche des überwachten Objekts befestigt werden. Im kritischen Fall, wo die Kühlkette unterbrochen wurde, hat die Temperatur zwischen den Oberflächen der gekühlten Gütern eine wesentlich tiefere Temperatur als die Umgebungstemperatur. In diesem Fall kann das Siliziumsubstrat 10 dazu verwendet werden, eine Seite der Thermosäule 32 zum kalten Objekt zu leiten, während die andere Seite der Thermosäule 32 thermisch mit einem Gebiet auf der Chipoberfläche, das durch die Umgebungstemperatur erhitzt wird, gekoppelt ist. Die Thermosäule 32 wird eine nachweisbare Spannung liefern, die mit einer Schwellenerkennungsschaltung für geringste Leistungen beobachtet werden kann. Ein Sensor für die absolute Temperatur, der viel mehr Energie verbraucht, kann aktiviert werden, wenn die Schwelle für den Temperaturunterschied überschritten wird, selbst wenn dieses Ereignis während eines Zeitraums, während dessen keine Temperaturmessung vorgesehen ist, erscheint. Daher kann das Temperaturmessintervall wesentlich verlängert werden, z.B. 30 Minuten zwischen zwei Messungen anstatt ein paar Sekunden, ohne Gefahr zu laufen, relevante Temperaturänderungen in der Zwischenzeit zu verpassen.
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1B zeigt eine Draufsichtsdarstellung eines Temperatursensors, der den Leerraum 31 und die Thermosäule 32 umfasst. Die Querschnittsansicht in 1A wird entlang einer Ebene A-A, die in 1B gezeigt ist, gezogen. Wenn sich die Umgebungstemperatur von der Temperatur des Siliziumsubstrats 10 unterscheidet, kann sich das Diaphragma aufgrund der niederen thermischen Masse und des hohen thermischen Widerstands an die Umgebungstemperatur anpassen. Die p-dotierten und n-dotierten Leiter der Thermosäule 32 kreuzen die Grenze zwischen den zwei verschiedenen Temperaturgebieten und der Seebeck´sche Effekt wird eine Bewegung von freien Ladungsträgern von der warmen zur kalten Seite bewirken. Dieser Fluss an Ladungsträger baut eine Spannung entlang des Leiters, die proportional zum Temperaturgefälle ist, auf. Da alle Leiter in einer Reihe geschaltet sind und die p-dotierten und n-dotierten Gebiete Ladungsträger mit anderer Polarität aufweisen, addieren sich alle Spannungsgefälle zu einer relativ hohen Ausgangsspannung, die proportional zum Temperaturunterschied ist.
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Ein Batterietemperatursensor 40 (der in 1A nicht gezeigt ist), der in das Siliziumsubstrat 10 integriert und in relativer Nähe zur Batterie 20 angeordnet sein kann, um die Temperatur der Batterie 20 zu überwachen, ist auch in 1B gezeigt. Ferner zeigt 1B eine Leistungsmanagementeinheit 50, die einen Chip mit integrierter Schaltung enthalten und im Siliziumsubstrat 10 integriert sein kann und deren Funktion im Folgenden erklärt werden wird.
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Die Halbleitervorrichtung 100 von 1A–1B kann als eine Identifizierungsmarke, insbesondere als Hochfrequenzidentifizierungs(RFID)-Marke, ausgestaltet sein, wobei ein Hochfrequenz-Transceiver-Chip im Siliziumsubstrat 10 integriert und eine Antenne mit dem Funk-Transceiver-Chip verbunden ist.
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2A zeigt eine Querschnittseitenansichtsdarstellung einer Halbleitervorrichtung 200 gemäß einer Ausführungsform. Die Halbleitervorrichtung 200 enthält auch eine Batterie 20, die in der gleichen Weise wie die Batterie 20 in 1A ausgestaltet sein kann. Die Halbleitervorrichtung 200 enthält ferner einen Stoßsensor 60, der genauer in der Draufsichtsdarstellung von 2B gezeigt ist. Der Stoßsensor 60 kann eine bewegliche Masse 61, einen mit der beweglichen Masse 61 verbundenen Kragträger 62 und eine am Kragträger 62 aufgebrachte piezoelektrische Schicht 63 enthalten. Die bewegliche Masse 61 und der Kragträger 62 können angrenzend an die Abdichtungs- oder Verkapselungsschicht 15 gebildet werden, indem eine zusätzliche Strukturierung der Verkapselungsschicht 15 ausgeführt wird. Die Verkapselungsschicht 15 kann aus Silizium, Glas oder irgendeiner Art von synthetischem Material bestehen. Der Stoßdetektor 60 kann ferner einen Leerraum 64, der in der ersten Hauptfläche 10A des Siliziumsubstrats 10 gebildet ist, enthalten. Das Material der piezoelektrischen Schicht 63 kann auf dem Kragträger 62 gesputtert werden, sodass es nicht in den Herstellungsprozess des Silizium-Wafers, der die elektrischen Bauteile trägt, integriert werden muss. Die piezoelektrische Schicht 63 kann mit einer Verdrahtungsschicht 65 verbunden sein.
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Die Halbleitervorrichtung 200 kann als Identifikationsmarke zur Überwachung von Gütern, die sich aufgrund von Transport bewegen, verwendet werden. Die Halbleitervorrichtung 200 kann auch dazu verwendet werden, Energie von der kinetischen Energie der Bewegung zu gewinnen. Natürlich hängt die verfügbare Energie von verschiedenen Faktoren, wie z.B. der Stärke der Beschleunigung, der Eintrittswahrscheinlichkeit eines Beschleunigungszeitraums und der Größe der in der Gewinnungsvorrichtung verwendeten beweglichen Masse, ab. Die Halbleitervorrichtung 200 kann derart ausgestaltet sein, dass der Stoßsensor 60, im Rahmen dessen Funktion als Energiegewinnungsvorrichtung, nur im Falle von Beschleunigung Energie liefert, sodass er als ein Ereignisdetektionssensor für Stöße, die eine bestimmte Schwellenenergie überschreiten, verwendet werden kann. Dies verbraucht Energie, um den Beschleunigungsmessblock zu wecken, und verbraucht Energie von der Batterie, wie bei herkömmlichen Beschleunigungssensoren. Dies muss recht oft passieren, damit kurze Stöße nicht verpasst werden. Mit einer Gewinnungsvorrichtung, die Energie proportional zur Beschleunigung im Falle eines Ereignisses liefert, ist dies vollkommen unnötig. In diesem Fall muss eine weitere Beschleunigungsmesselektronik zur Bearbeitung des von der Gewinnungsvorrichtung kommenden Beschleunigungssignals nicht geweckt werden, wenn die gewonnene Signalenergie unter einer Schwelle bleibt.
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Ein weiteres mögliches Anwendungsbeispiel einer Halbleitervorrichtung ist das Überwachen von Produkten, die nicht dem Licht oder der Infrarotstrahlung ausgesetzt werden sollen. In diesem Fall könnte der Strahlungssensor ein einfacher pn-Übergang, der einen Fotostrom liefert, sein. Der Betrieb ist dem, der für die Temperaturüberwachungsmarke in 1A, 1B beschrieben wurde, sehr ähnlich. Der Dunkelstrom dieser Fotodiode könnte von einem Schwellenwertdetektor mit einem Minimum an Batteriestromverbrauch überwacht werden. Wenn die Schwelle überschritten wird, kann das Ereignis protokolliert werden und gegebenenfalls kann eine genauere Messung initiiert werden. Mögliche Anwendungen für solche Lichtüberwachungsmarken könnten Filmmaterialien oder lichtempfindliche pharmazeutische Produkte sein. Lichtempfindliche Marken können auch in Alarmsystemen verwendet werden, um zu überwachen, ob Türen oder Fenster geöffnet werden.
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3 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Hochfrequenzidentifizierungs(RFID)-Marke gemäß einer Ausführungsform. Die RFID-Marke 300 in 3 enthält eine Leistungsmanagementeinheit 310, eine integrierte Batterie 320 und eine Energiegewinnungsvorrichtung 330, die auch als Sensor, z.B. als Thermosäule, verwendet werden kann, wobei die Ausgestaltung insofern auch andersherum sein kann, dass das Bezugszeichen 330 einen Sensor, der auch als Energiegewinnungseinheit verwendet werden kann, bezeichnet. Die RFID-Marke 300 enthält ferner eine Leserschnittstelle 340 und mindestens einen batterieversorgten Block 350. Ferner kann es zusätzlich batterieversorgte Blöcke, die unabhängig voneinander durch die Leistungsmanagementeinheit 310 gesteuert werden können, und Blöcke, die externe Energie empfangen, wenn die Marke mit einer Lesestation in Kontakt tritt, geben. Wenn die Funktion einer extern versorgten Funktion teilweise oder komplett außerhalb des Lesers gebraucht wird, können diese Blöcke auch von der Batterie 320 versorgt werden.
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Der batterieversorgte Block 350 enthält mehrere Abschnitte, die verschiedenen batterieversorgten Funktionen entsprechen. Ein erster Abschnitt 350.1 kann als Funktion eine Energieversorgung einer Weckschaltung enthalten. Ein zweiter Abschnitt 350.2 kann als Funktion eine Energieversorgung des Sensors oder der Energiegewinnungsvorrichtung 330 enthalten. Ein dritter Abschnitt 350.3 kann als Funktion eine Energieversorgung eines Mikroreglers enthalten. Ein vierter Abschnitt 350.4 kann als Funktion eine Energieversorgung eines Hochfrequenz-Tranceivers enthalten. Natürlich kann es weitere Abschnitte, die weiteren batterieversorgten Funktionen entsprechen, geben.
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Die Leistungsmanagementeinheit 310 kann eine Batterieüberwachung 311, die dem Batterietemperatursensor 40, wie in 1B gezeigt, entspricht, ein Ladegerät 312, einen Spannungsregler 313 und eine Mehrzahl von elektrischen Schaltern enhalten. Während des Betriebs kann die Marke 300 eine Sequenz von Handlungen, die durch einen Zeitgeber, der zumindest eine der komplexeren batterieversorgten Funktionen nach einem Stromsparintervall weckt, geplant werden, durchlaufen. Je nach Ereignis, z.B. Sensorsignale, Zählerzustände oder empfangener HF-Signale, die nach dem Wecken erkannt werden, werden Entscheidungen über andere notwendige Handlungen und die Länge des nächsten Schlafintervalls getroffen. Nachdem die benötigten Handlungen beendet wurden, kann die Marke 300 zurück in den Schlafmodus gesetzt werden. Wenn eine Einwegbatterie verwendet wird, kann diese Sequenz fortgesetzt werden, es sei denn die Batterie ist leer. In diesem Fall stellt die Batterieenergie einen Lebenszeitgrenzwert für die Marke 300 bereit. In diesem Fall muss die Größe der Batterie einen Betrieb sicherstellen, der einen hinreichenden Spielraum über den längsten benötigten Betriebszeitraum aufweist. Z.B. könnte der längste Betriebszeitraum im Fall der Überwachung eines Impfstoffes mehrere Monate oder zum Verfolgen eines Koffers auf einem Flug ein paar Tage sein.
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Ein Ausgang der Energiegewinnungsvorrichtung 330 kann mit einem Eingang des Ladegeräts 312 verbunden sein und der Ausgang des Ladegeräts 312 kann mit einem Eingang der integrierten Batterie 320 verbunden sein. Jedoch ist die Funktion der Energiegewinnungsvorrichtung 330 nicht notwendigerweise, wie in herkömmlichen Energiegewinnungsansätzen, das Wiederaufladen der Batterie 320. Wie bereits im Zusammenhang mit 1A–1B und 2A–2B erklärt wurde, kann die Energiegewinnungsvorrichtung oder der Sensor 330 dazu verwendet werden, Ereignisse, die die Überwachungsfunktion der Marke betreffen, mit minimalem Energieverbrauch der Batterie 320 zu erkennen. Diese Ereigniserkennung wird verwendet, um den Zeitplan der Handlungen, z.B. genauere Messungen, HF-Übertragungen oder komplexe Signalverarbeitung, die mehr Energie benötigen, zu manipulieren.
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Wenn die Marke 300 über einen Zeitraum, der länger als die Batterielebenszeit ist, verwendet werden kann, sollte sie mit einem Lademechanismus bestückt werden. Für den Fall, dass die Marke 300 oft durch eine Leseeinheit, die die Marke mit Energie versorgen kann, gelesen wird, kann die Batterie 320 während des Leseprozesses wieder aufgeladen werden. Dies ist von besonderem Interesse für den Fall, dass die Batteriekapazität niedrig ist und die Lademöglichkeit hohe Ladungsübertragungsraten zulässt. In diesem Fall ermöglicht eine Temperaturmessung, die es erlaubt, den Ladungsstrom derart zu steuern, dass die maximale Nenntemperatur nicht überschritten wird, den Ladestrom auf der vertretbaren Reserve zu steuern und stellt sicher, dass die erreichbare Ladungsübertragung während jedes Leseeinheitskontakts erreicht wird.
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Eine weitere Möglichkeit, die längere Aufladezeiten zulässt, schließt eine spezielle Ladestation ein. Neben spezialisierten Aufladungsvorrichtungen könnten Mobiltelefone eine Möglichkeit darstellen, vor allem für Marken die für täglichen Gebrauch hergestellt werden, z.B. für den Fall, dass die Marke lange am Smartphone befestigt ist (direkt über einen Stekker oder induktiv, indem 2 Spulen gekoppelt werden, wenn die Markenherstellungstechnologie HF-Tauglich ist; eine Tasche für die Marke in der näheren Umgebung der Telefonantenne wäre auch eine Möglichkeit, um Energie zu empfangen) und nur für ein beschränktes Zeitintervall entfernt wird (zum Beispiel eine Marke, die als Schrittzähler oder als Pulsüberwachungsgerät und während sportlicher Betätigung als Datenlogger verwendet wird). Nachdem die Marke verwendet wurde, können die Informationen, die von der Marke gesammelt wurden, wieder vom Telefon gelesen werden, wenn die Marke am Telefon befestigt ist.
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Für Anwendungen, die eine Energiequelle, die von der integrierten Energiegewinnungsvorrichtung derart ausgenutzt werden kann, dass sie Energie mit der gleichen Größenordnung, wie sie für zumindest manche der Soll-Markenfunktionen gebraucht wird, gewinnt, aufweisen, kann die gewonnene Energie dem Batterieladegeräte 312 zugeführt werden.
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Gegebenenfalls wird der Zustand der Batterie 320, zumindest durch Messung des Stroms, der in die Batterie 320 hinein und daraus heraus fließt, und der Ausgangsspannung mittels eines geeigneten Messgeräts 314, überwacht. Gemeinsam mit den charakteristischen Daten der Batteriezelle liefert diese Information eine Abschätzung des Ladezustands und des inneren Widerstands der Batterie. Da die chemischen Prozesse stark von der Temperatur abhängen, kann die Genauigkeit der Batterieüberwachung durch Informationen von zusätzlichen Sensoren, wie einem Batterietemperatursensor, wie zum Beispiel der, der in 1B gezeigt und mit Bezugszeichen 40 bezeichnet ist, und der, aufgrund Integration auf dem gleichen Chip, in der näheren Umgebung der Batterie ist, erhöht werden. Solange die Markenschaltung nicht wesentliche Hitze produziert bzw. solange die Anwendung teilweisen Kontakt mit heißen oder kalten Objekten braucht, sollte die Siliziumchiptemperatur über den gesamten Chip fast konstant sein. In diesem Fall kann der Batterietemperatursensor auch als Anwendungstemperatursensor dienen. Der Betrieb der Marke kann je nach Batteriezustand geändert werden, wie im Folgenden gezeigt:
- a. wird ein bestimmter Ladungszustand unterschritten, wird die Betriebssequenz ausgedehnt, indem die Schlafperiode verlängert wird,
- b. wird ein bestimmter Ladungszustand unterschritten, werden Blöcke, die weniger wichtig sind, von der Betriebssequenz ausgeschlossen,
- c. wenn die Batterieladung nahe an der Betriebsgrenze ist, wird eine Herunterfahrenhandlung initiiert, z.B. wird der Zeitgeber deaktiviert und der Ladungsrest wird dazu verwendet, die Informationen im Datenprotokollspeicher zu behalten, damit diese bereitgehalten werden, außer dass die Marke gelesen wird,
- d. wenn die Batterietemperatur anzeigt, dass sie nicht mehr den benötigten Strom liefern kann, wird der Betrieb ausgedehnt, z.B. indem die Taktfrequenz der batteriebetriebenen Blöcke reduziert wird, oder indem Funktionen, die normalerweise gleichzeitig durchgeführt werden, nacheinander durchgeführt werden.
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Obwohl Ausführungsformen der Erfindung in Bezug auf eine oder mehrere Implementierungen beschrieben wurden, können Veränderungen und/oder Modifikationen an den dargestellten Beispielen vorgenommen werden, ohne vom Gedanken und Schutzbereich der beigefügten Ansprüche abzuweichen. In speziellem Hinblick auf die verschiedenen Funktionen, die durch die vorstehend beschriebenen Komponenten oder Strukturen (Anordnungen, Vorrichtungen, Schaltungen, Systeme usw.) durchgeführt werden, sollen die Begriffe (einschließlich einer Bezugnahme auf ein „Mittel“), die zum Beschreiben solcher Komponenten verwendet werden, irgendeiner Komponente oder Struktur entsprechen, wenn nicht anders angegeben, die die angegebene Funktion der beschriebenen Komponente durchführt (z.B. die funktional äquivalent ist), selbst wenn sie nicht zur offenbarten Struktur strukturell äquivalent ist, die die Funktion in den hier dargestellten beispielhaften Implementierungen der Erfindung durchführt.
