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Die Erfindung betrifft ein Chipmodul für eine Chipkarte und eine Chipkarte umfassend einen Kartenkörper und ein Chipmodul.
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Kartenförmige Datenträger, insbesondere Chipkarten, werden in vielen Bereichen eingesetzt, beispielsweise zur Durchführung von Transaktionen des bargeldlosen Zahlungsverkehrs, als Ausweisdokumente oder zum Nachweis von Zugangsberechtigungen. Eine Chipkarte weist einen Kartenkörper und einen in den Kartenkörper eingebetteten integrierten Schaltkreis zum Beispiel in Form eines Chipmoduls mit einem Chip auf. Das Chipmodul wird in eine Kavität oder Modulöffnung des Kartenkörpers eingesetzt.
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Im Folgenden werden Chipmodule oder Chipkarten mit integrierter Spule betrachtet, welche eine berührungslose oder kontaktlose Kommunikation ermöglichen. Beispielsweise können Chipkartencontroller mit RFID-Funktionalität eingesetzt werden.
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Es können zudem Kartenkörper mit einem metallischen Kern in Form einer metallischen Kernschicht oder eines metallischen Kernelements betrachtet werden, sowie Karten mit Dual-Interface-(DI)-Funktionalität, bei denen der Kartenkörper zum Teil oder vollständig aus Metall besteht. Die Funktionsweise einer solchen Karte besteht darin, dass ein Chipmodul verwendet wird, das selbst eine Spule enthält (Coil On Modul). Diese Spule koppelt auf den metallischen Kartenkörper.
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In der Praxis hat sich gezeigt, dass die Kommunikation mit den Lesegeräten, insbesondere nach dem RFID Standard, oftmals schlecht ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Kommunikation zwischen Chipmodul oder Chipkarte und den Lesegeräten zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch ein Chipmodul für eine Chipkarte und eine Chipkarte gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Ein Chipmodul für eine Chipkarte, umfassend eine Spule und einen Chip, wobei eine Kapazität eines Kondensators des Chips und die Induktivität der Spule einen Schwingkreis bilden, sieht vor, dass die Spule eine Induktivität von mehr als 2,6 µH aufweist und dass mindestens ein zum Chip externer erster Leistungsanpassungskondensator vorgesehen ist, der seriell zu der Spule angeordnet ist. Das heißt, der mindestens eine erste Leistungsanpassungskondensator ist im Verhältnis zum Chip extern bzw. separat vom Chip im Chipmodul vorgesehen.
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Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass zunächst die Induktivität auf einen Wert von größer als 2,6 µH gebracht wird. Diese ist für eine hohe Energieeinbringung und auch für eine hohe Güte verantwortlich. Anschließend wird mittels des externen ersten Leistungsanpassungskondensators eine Leistungsanpassung an das Lesegerät oder den technischen Standard des Lesegeräts vorgenommen. Bei einer ausreichend hohen Induktivität kann ein Leistungsanpassungskondensator für die Leistungsanpassung ausreichend sein.
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Das hier vorgeschlagene Chipmodul hat somit den Vorteil, dass durch die Leistungsanpassung des Chipmoduls und die hohe Güte die Energieeinkopplung in die Spule erhöht wird. Damit ergibt sich ein maximaler Energieeintrag in die als Antenne funktionierende Spule des Chipmoduls. Dadurch wird zum einen ein schnellerer Start des Chips oder des Prozessors möglich und zum anderen wird ein schnellerer Betrieb infolge einer höheren Betriebsfrequenz des Chips oder des Prozessors ermöglicht.
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Es kann vorgesehen sein, dass ein externer zweiter Leistungsanpassungskondensator vorgesehen ist, der parallel zu dem Chip angeordnet ist. Mit zwei Kondensatoren kann die Leistungsanpassung weiter verbessert werden. Mit einem oder mehr parallel angeordneten Kondensatoren kann unerwünschte Blindleistung oder Scheinleistung reduziert werden.
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Es kann ferner vorgesehen sein, dass ein externer dritter Leistungsanpassungskondensator vorgesehen ist, der parallel zu dem externen zweiten Kondensator angeordnet ist. Mit drei oder mehr Kondensatoren kann die Leistungsanpassung noch weiter angepasst und verbessert werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Kapazität des externen dritten Leistungsanpassungskondensators der Kapazität des Kondensators des Chips entspricht. Der Chipkartencontroller kann zum Beispiel eine maximale Eingangskapazität von 78 pF haben. Die Bestimmung des externen ersten und zweiten Kondensators kann jetzt so erfolgen, dass die Resonanzfrequenz im induktiven Bereich liegt. Zudem können die beiden Kapazitäten derart gewählt werden, dass der Q-Faktor (Güte) so hoch wie möglich ist.
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Es kann ferner vorgesehen sein, dass eine Resonanzfrequenz des Schwingkreises mit dem mindestens einen zum Chip externen Leistungsanpassungskondensator zwischen 13 MHz und 14 MHz und vorzugsweise 13,56 MHz beträgt. Die Resonanzfrequenz eines externen Lesegeräts liegt zum Beispiel bei RFID Lesern bei 13,56 MHz. Die Resonanzfrequenz des Chipmoduls wird durch die hier vorgeschlagene Leistungsanpassung des Chipmoduls auf die Resonanzfrequenz eines externen Lesegeräts gebracht, die in dem RFID Beispiel bei 13,56 MHz liegt. Damit ergibt sich ein maximaler Energieeintrag in die als Antenne funktionierende Spule des Chipmoduls. Dadurch wird zum einen ein schnellerer Start des Chips oder des Prozessors erlaubt und zum anderen wird ein schnellerer Betrieb infolge einer höheren Betriebsfrequenz des Chips oder des Prozessors ermöglicht.
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Es kann vorgesehen sein, dass eine vorläufige Resonanzfrequenz des Schwingkreises mit dem mindestens einen zum Chip externen Leistungsanpassungskondensator unter 13,56 MHz liegt und dass eine Resonanzfrequenz des Schwingkreises mit dem mindestens einen zum Chip externen Leistungsanpassungskondensator und einer metallischen Schicht eines Kartenkörper zur Aufnahme des Chipmoduls zwischen 13 MHz und 14 MHz und vorzugsweise 13,56 MHz beträgt. Dadurch, dass das Chipmodul auf eine vorläufige Resonanzfrequenz eingestellt wird, kann das verwendete Material des Kartenkörpers wie V2A, Messing, usw. mit kompensiert werden. Das Chipmodul wird also vorab an die später verbaute Karte angepasst. Wenn das Chipmodul auf oder in einem Metallkörper angeordnet wird, verschiebt sich die Resonanzfrequenz und der Schwingkreis verhält sich nun kapazitiv.
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Es kann ferner vorgesehen sein, dass die Spule zusätzliche Windungen in einer zweiten Ebene aufweist. Die Windungen der Spule sind üblicherweise auf einer Unter- oder Innenseite des zweilagigen Moduls aufgebracht. Die Unterseite ist für die Montage auf einem Kartenkörper der Chipkarte bestimmt. Vorteilhaft sind auf der Oberseite die zusätzlichen Windungen aufgebracht, zum Beispiel um Kontaktpads herum. So können zum Beispiel zwei bis vier Windungen zusätzlich angeordnet sein. Eine weitere Möglichkeit ist eine Multilayer-Platine. In diesem Fall ist eine weitere Spule oder weitere Windungen in einer Zwischenlage eingebracht. Damit bei diesem Aufbau die Induktivität durch die Kopplung der übereinander liegenden Windungen nicht zu groß wird, kann die Anzahl der Windungen reduziert, aber die Leiterbahnbreite im gleichen Zug verbreitet werden. Somit wird der Innenwiderstand der Spule verkleinert und die Güte Q der Spule maßgeblich erhöht.
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Eine erfindungsgemäße Chipkarte umfasst ein Chipmodul wie zuvor beschrieben und einen Kartenkörper mit einer Kavität, in welcher das Chipmodul angeordnet ist. Es gelten die gleichen Vorteile und Modifikationen wie zuvor beschrieben.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Kartenkörper eine metallische Schicht aufweist und dass eine Resonanzfrequenz des Schwingkreises mit dem mindestens einen zum Chip externen Leistungsanpassungskondensator und der metallischen Schicht zwischen 13 MHz und 14 MHz und vorzugsweise 13,56 MHz beträgt. Die Resonanzfrequenz eines externen Lesegeräts liegt zum Beispiel bei RFID Lesern bei 13,56 MHz.
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Die Resonanzfrequenz des Chipmoduls wird durch die Leistungsanpassung des Chipmoduls auf die Resonanzfrequenz eines externen Lesegeräts gebracht, die in dem RFID Beispiel bei 13,56 MHz liegt. Damit ergibt sich ein maximaler Energieeintrag in die als Antenne funktionierende Spule des Chipmoduls. Dadurch wird zum einen ein schnellerer Start des Chips oder des Prozessors erlaubt und zum anderen wird ein schnellerer Betrieb infolge einer höheren Betriebsfrequenz des Chips oder des Prozessors ermöglicht.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beispielhaft beschrieben. Darin zeigen
- 1: eine Schnittdarstellung einer Chipkarte mit Kartenkörper und Chipmodul;
- 2: ein Ersatzschaltbild eines Chipmoduls gemäß dem Stand der Technik;
- 3: ein Ersatzschaltbild eines Chipmoduls gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
- 4: ein Ersatzschaltbild eines Chipmoduls gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
- 5: ein Ersatzschaltbild eines Chipmoduls gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel;
- 6: eine schematische Ansicht einer Unterseite eines Chipmoduls; und
- 7: eine schematische Ansicht einer Oberseite eines Chipmoduls.
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1 zeigt eine Schnittdarstellung einer Chipkarte 10 mit einem Chipmodul 20 und einem Kartenkörper 40.
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Der Kartenkörper 40 umfasst eine metallische Schicht 41 zum Beispiel aus einer Edelstahllegierung mit einer Dicke von 400 µm.
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Eine Hauptfläche 42 oder Oberfläche der metallischen Schicht 41 ist mit einer Kunststoffschicht 43 bedeckt oder laminiert. Eine gegenüberliegende zweite Hauptfläche 44 oder Oberfläche der metallischen Schicht 41 ist mit einer weiteren Kunststoffschicht 45 bedeckt oder laminiert. Die beiden Kunststoffschichten 43, 45 können zum Beispiel aus PET, PC, PVC oder PP bestehen und eine Dicke von jeweils 200 µm haben. Die Dicke des gesamten Kartenkörpers 40 sollte die maximale Dicke eines Chipkartenkörpers gemäß ISO 7810 nicht übersteigen.
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Eine Kavität 46 oder Modulöffnung ist in der Hauptseite oder Oberfläche des Kartenkörpers 40 ausgenommen. In einem mittleren Bereich der Kavität 46 ist ein Sackloch 47 ausgenommen. Das Sackloch 47 ist von einem umlaufenden Randbereich 48 umgeben.
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Die Kavität 46 ist nur zu einem Teil der Tiefe der Kunststoffschicht 43 ausgenommen. Der Randbereich 48 ist in der Kunststoffschicht 43 ausgebildet. Das Sackloch 47 erstreckt sich durch die gesamte Kunststoffschicht 43, die gesamte metallischen Schicht 41 sowie einen Teil der Kunststoffschicht 45. Die Kavität 46 und das Sackloch 47 werden beispielsweise mittels eines Laserarbeitsganges oder Fräsarbeitsganges erstellt.
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Das Chipmodul 20 ist in der Kavität 46 und dem Sackloch 47 angeordnet und dort zum Beispiel verklebt. Das Chipmodul 20 umfasst eine Kontaktflächenstruktur 21, die eine Spule 22 trägt. Die Spule 22 kann auf einem hier nicht dargestellten Modultape angeordnet sein. Die Kontaktflächenstruktur 21 liegt in dem Randbereich 48 der Kavität 46 auf der Kunststoffschicht 43 auf.
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Das Chipmodul 20 umfasst ferner einen Chip 23, der zum Beispiel in einer Vergussmasse 24 an einer Unterseite der Kontaktflächenstruktur 21 befestigt ist. Über die Spule 22 wird der Chip 23 mit Energie und/oder Signalen versorgt. So kann ein aus der metallischen Schicht 41 austretendes elektromagnetisches Feld in die Spule 22 eingekoppelt werden. Beispielsweise kann der Chip 23 ein Chipkartencontroller mit RFID-Funktionalität sein oder diesen enthalten.
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2 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Chipmoduls 20 gemäß dem Stand der Technik. Das Chipmodul 20 umfasst einen Chip 23 zum Beispiel in Form einer integrierten Schaltung. Der Chip 23 kann zum Beispiel auf das Chipmodul 20 aufgelötet oder verklebt sein oder per Flip-Chip-Montage auf das Chipmodul 20 aufgebracht worden sein. Der Chip 23 enthält einen Kartencontroller für die Chipkarte 10. Der Chip 23 enthält üblicherweise einen Prozessor zum Ausführen von Steuerungsfunktionen für die Chipkarte 10 und für die Kommunikation und zum Ausführen von Rechenoperationen zum Beispiel für Sicherheitsfunktionen. Zudem enthält der Chip 23 einen Speicherbereich zum Ablegen und/oder Verfügbarmachen von Daten.
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Der Chip 23 enthält ferner einen Kondensator 25 mit einer Kapazität von zum Beispiel 78 pF. Die Spule 22 ist parallel zu dem Chip 23 geschaltet und hat eine maximale Induktivität von 2,5 µH. Die Spule 22 und der Kondensator 25 bilden einen Parallelschwingkreis. Mit Hilfe dieses Schwingkreises kann das Chipmodul 20 mit einem zur Chipkarte 10 externen Lesegerät kommunizieren.
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3 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Chipmoduls 20 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, bei dem eine Leistungsanpassung des Chipmoduls 20 an ein externes Lesegerät erfolgt ist. Ziel ist es, die Spule 22 so an den Chip 23 anzupassen, dass zum einen die Güte des Schwingkreises erhöht wird und dass Schein- und Blindleistung minimiert werden. Zudem wird die Resonanzfrequenz des Schwingkreises an die Resonanzfrequenz des Lesegeräts angepasst.
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In diesem Beispiel wird von einem RFID-Lesegerät ausgegangen, das eine Resonanzfrequenz von 13,56 MHz hat.
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Im Zuge der Leistungsanpassung wird die Induktivität zunächst so groß wie möglich ausgelegt. Dies ist für die Energieeinbringung in das Chipmodul 20 oder den Chip 23 als auch für die Güte wichtig. Die Spule 22 hat entsprechend eine Induktivität von mehr als 2,6 µH. Details zu der Spule 22 sind anhand der 6 und 7 erläutert.
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Die Spule 22 ist zwischen zwei Kontaktpunkten oder Anschlüssen 26 und 27 angeschlossen. Die Anschlüsse 26 und 27 können Anschlüsse des Chips 23, Kontaktpunkte auf einer Platine oder theoretische Knotenpunkte sein. Die Spule 22 ist parallel zu den Anschlüssen 26 und 27 geschaltet.
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Weiter wird im Zuge der Leistungsanpassung ein zum Chip 23 externer erster Leistungsanpassungskondensator 28 vorgesehen, der seriell zu der Spule 22 angeordnet ist. Der erste Leistungsanpassungskondensator 28 ist also im Verhältnis zum Chip 23 extern bzw. separat vom Chip 23 im Chipmodul 20 vorgesehen.
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Je nach Induktivität der Spule 22 ist ein Kondensatorwert zwischen 10 pF und 200 pF vorgesehen. Der Leistungsanpassungskondensator 28 kann als externes Bauteil entweder über einen Lötprozess oder einen Bondprozess auf das Modultape angeschlossen werden. Ist der benötigte Kondensatorwert geringer als 20pF, kann dieser auch auf dem Chipmodul 20 über nicht verwendete Modulpads zum Beispiel C4, C8 und/oder C6 ausgebildet sein. Dies ist vor allen Dingen dann möglich, wenn ein Multilayer-Tape eingesetzt wird.
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Die Anpassung des Chipmoduls 20 oder des Schwingkreises zusammen mit dem Leistungsanpassungskondensator 28 erfolgt auf eine Resonanzfrequenz des Schwingkreises zwischen 13 MHz und 14 MHz und vorzugsweise 13,56 MHz, so dass die Resonanzfrequenz des Schwingkreises mit der des Lesegeräts übereinstimmt.
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Die Frequenz des Schwingkreises verändert sich, wenn die Spule 22 noch mit einem Metall beaufschlagt wird. Für die Verwendung des Chipmoduls 20 in einer Chipkarte 10 mit einem metallischen oder teilweise metallischen Kartenkörper 40 wird die Resonanzfrequenz für das Chipmodul 20 so bestimmt, dass eine vorläufige Resonanzfrequenz niedriger als die Zielfrequenz von 13,56 MHz eingestellt ist.
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Die vorläufige Resonanzfrequenz des Schwingkreises mit dem Leistungsanpassungskondensator 28 liegt unter 13,56 MHz. Wenn nun das Chipmodul 20 zu dem metallischen Kartenkörper 40 hinzugefügt wird verändert sich die Frequenz entsprechend so dass die endgültige Resonanzfrequenz des Schwingkreises mit dem Leistungsanpassungskondensator 28 und der metallischen Schicht 41 des Kartenkörpers 40 wieder zwischen 13 MHz und 14 MHz und vorzugsweise 13,56 MHz beträgt.
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Anders ausgedrückt ist die vorläufige Resonanzfrequenz um den Frequenzanteil des Metalls reduziert, so dass bei der fertigen Chipkarte 10 inklusive der metallischen Schicht 41 des Kartenkörpers 40 die Ziel-Resonanzfrequenz erreicht wird.
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Durch die Anpassung wird zunächst der Wert der Spule 22 erhöht, was wiederum die Energieeinbringung in das Chipmodul 20 oder den Chip 23 als auch die Güte erhöht. Über den in den Schwingkreis eingefügten Kondensator 28 wird dann zum einen die Zielfrequenz eingestellt und zum anderen die Blind- oder Scheinleistung so gering wie möglich eingestellt. Zudem sollten die beiden Kapazitäten so gewählt werden, dass der Q-Faktor so hoch wie möglich ist, so dass der Schwingkreis nur eine schwache Dämpfung hat. Dies kann zum Beispiel mittels eines Smith Diagramms erfolgen.
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Dies führt zu einem höheren Energieeintrag, was einen schnelleren Start des Prozessors oder des Chips 23 und einen schnelleren Betrieb infolge einer höheren Betriebsfrequenz des Prozessors oder des Chips 23 erlaubt.
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4 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Chipmoduls 20 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Hier sind zwei Leistungsanpassungskondensatoren 28 und 29 vorgesehen.
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Der erste Leistungsanpassungskondensator 28 ist seriell zu der Spule 22 angeordnet und der zweite Leistungsanpassungskondensator 29 ist parallel zu dem Chip 23 oder zu den Anschlüssen 26 und 27 angeordnet. Je nach Induktivität der Spule werden Kondensatorwerte zwischen 10 und 200pF benötigt.
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Die zwei Leistungsanpassungskondensatoren 28 und 29 erlauben eine feinere Einstellung oder Anpassung des Schwingkreises. Ansonsten gelten die Ausführungen zu 3 auch hier. Insbesondere kann auch der Schwingkreis oder das Chipmodul 20 gemäß 4 an einen metallischen oder teilweise metallischen Kartenkörper 40 angepasst werden.
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5 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Chipmoduls 20 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Hier sind drei Leistungsanpassungskondensatoren 28, 29 und 30 vorgesehen.
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Der dritte Leistungsanpassungskondensator 30 ist parallel zu dem zweiten Leistungsanpassungskondensator 29 oder den Anschlüssen 26 und 27 geschaltet.
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Die Kapazität des dritten Leistungsanpassungskondensators 30 entspricht der Kapazität des Kondensators 25 des Chips 23.
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Die Bestimmung des parallelen zweiten Leistungsanpassungskondensators 29 und des seriellen ersten Leistungsanpassungskondensators 28 erfolgt so, dass die Resonanzfrequenz im induktiven Bereich liegt. Zudem sollten die Kapazitäten so gewählt werden, dass der Q-Faktor so hoch wie möglich ist.
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Die drei Leistungsanpassungskondensatoren 28, 29 und 30 erlauben eine noch feinere Einstellung oder Anpassung des Schwingkreises. Ansonsten gelten die Ausführungen zu 3 auch hier. Insbesondere kann auch der Schwingkreis oder das Chipmodul 20 gemäß 5 an einen metallischen oder teilweise metallischen Kartenkörper 40 angepasst werden.
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6 zeigt eine schematische Ansicht einer Unterseite eines Chipmoduls 20.
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Die Unterseite des Chipmoduls 20 ist dem Kartenkörper 40 zugewandt und kann auch als Innenseite bezeichnet werden.
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In einem mittleren Bereich des Chipmoduls 20 ist der Chip 23 angeordnet. Der Chip 23 ist von der Spule 22 umgeben. Die Windungen der Spule 22 sind in einer Ebene parallel zu der Kontaktflächenstruktur 21 des Chipmoduls 20 oder einer Hauptfläche der Chipkarte 10 angeordnet.
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Es sind etwa 12 bis 16 Windungen vorhanden, die hier konzentrisch um den Chip 23 verlaufen. Die Breite einer Windung kann 50 µm bis 70 µm betragen und der Abstand zwischen zwei Windungen kann 100 µm betragen. Die Windungen können Kupferdicken bis zu etwa 30 µm haben.
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7 zeigt eine schematische Ansicht einer Oberseite eines Chipmoduls 20 oder zumindest eines zentralen Bereichs der Oberseite.
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Mittig sind Pads 31 oder Kontaktfelder der Chipkarte 10 angeordnet. Diese können von einer externen Kontakteinheit berührend kontaktiert werden, um Energie und/ oder Signale zu übertragen.
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Die Spule 22 hat an der Oberseite zusätzliche Windungen 32, welche um die Pads 31 herumverlaufen. Die zusätzlichen Windungen 32 sind in einer zweiten Ebene angeordnet, das heißt unterschiedlich zu den Windungen der Spule 22, welche sich an der Unterseite befinden.
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Eine Wicklungsachse der Spule liegt im Zentrum der Pads 31 beziehungsweise des Chips 23. Die erste und zweite Ebene sind derart angeordnet, dass die Wicklungsachse eine Normale zu den beiden Ebenen bildet.
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Eine weitere Möglichkeit, zwei Ebenen zu bilden, ist eine Multilayer-Platine. In diesem Fall ist eine weitere Spule oder weitere Windungen einer Spule in einer Zwischenlage der Multilayer-Platine eingebracht.
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Durch die Hinzunahme einer zweiten Wicklungsebene kann die Limitierung des begrenzten Platzes des Chipmoduls aufgehoben werden und es kann eine höhere Induktivität zur Verfügung gestellt werden.
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Die hier vorgeschlagene Leistungsanpassung des Chipmoduls 20 umfasst die Abstimmung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises an die Leseeinheit, die Erhöhung der Induktivität sowie die Verbesserung der Güte.
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Diese Kombination erlaubt einen erhöhten Energieeintrag in das Chipmodul 20 beziehungsweise den Chip 23, was zu einer erhöhten Performance führt.
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Dies erlaubt einen schnelleren Start des Prozessors oder des Chips 23 und einen schnelleren Betrieb infolge einer höheren Betriebsfrequenz des Prozessors oder des Chips 23.
