DE102022001598A1

DE102022001598A1 - Sensorelement, Prüfvorrichtung und Verfahren für die Prüfung eines Datenträgers mit Spinresonanz-Merkmal

Info

Publication number: DE102022001598A1
Application number: DE102022001598.6A
Authority: DE
Inventors: Stephan Huber
Original assignee: Giesecke and Devrient Currency Technology GmbH
Current assignee: Giesecke and Devrient Currency Technology GmbH
Priority date: 2022-05-06
Filing date: 2022-05-06
Publication date: 2023-11-09
Also published as: WO2023213438A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sensorelement (30) für die Prüfung eines flächigen Datenträgers (10), insbesondere einer Banknote, mit einem Spinresonanz-Merkmal (12). Das Sensorelement umfasst einen Magnetkern (35) mit einem durch zwei Polflächen (38) des Magnetkerns begrenzten Luftspalt (32), in den der flächige Datenträger (10) zur Prüfung einbringbar ist, eine Polarisationseinrichtung (34) zu Erzeugung eines statischen magnetischen Flusses in dem Luftspalt (32) und eine Resonatoreinrichtung (40) zur Anregung des Spinresonanz-Merkmals (12) des zu prüfenden Datenträgers in dem Luftspalt. Erfindungsgemäß umfasst die Resonatoreinrichtung (40) eine Signalquelle (22) und eine Mehrzahl von Streifenleitungs-Resonatoren (46), die gleichzeitig aus der Signalquelle (22) gespeist sind, und die Streifenleitungs-Resonatoren (46) sind flächig mit einer Haupterstreckungsebene (50) ausgebildet, die planparallel zu zumindest einer der Polflächen (38) des Magnetkerns ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensorelement für die Echtheitsprüfung eines flächigen Datenträgers, insbesondere einer Banknote, mit einem Spinresonanz-Merkmal. Die Erfindung betrifft auch eine Prüfvorrichtung mit einem solchen Sensorelement und ein Verfahren zur Echtheitsprüfung mit einem solchen Sensorelement oder einer solchen Prüfvorrichtung.
Datenträger, wie Wert- oder Ausweisdokumente, aber auch andere Wertgegenstände, wie etwa Markenartikel, werden zur Absicherung oft mit Sicherheitselementen versehen, die eine Überprüfung der Echtheit der Datenträger gestatten und die zugleich als Schutz vor unerlaubter Reproduktion dienen. Es ist bekannt, bei der maschinellen Echtheitsprüfung Sicherheitselemente mit Spinresonanz-Merkmalen zur Absicherung von Dokumenten und anderen Datenträgern einzusetzen. Die Sicherheitselemente sind dazu mit Substanzen versehen, die eine Spinresonanz-Signatur aufweisen. Zu den für die Echtheitsprüfung einsetzbaren Spinresonanz-Signaturen gehören insbesondere Kernspin-Resonanz-Effekte (Nuclear Magnetic Resonance, NMR), Elektronspin-Resonanz-Effekte (ESR) und ferromagnetische Resonanz-Effekte (FMR).
Bei der Prüfung von Banknoten werden zur Detektion der Spinresonanz-Signaturen meist drei verschiedene Magnetfelder im Messbereich beispielsweise einer Banknotenbearbeitungsmaschine erzeugt. Dabei handelt es sich konkret um ein quasistatisches Polarisationsfeld B₀, das parallel zur Axialrichtung (z-Richtung) des Luftspalts eines magnetischen Kreises verläuft. Ein zweites Magnetfeld ist durch ein Modulationsfeld B_mod gebildet, welches ebenfalls parallel zur z-Achse verläuft und typischerweise eine Frequenz f_mod im kHz-Bereich hat. Zur Anregung von Übergängen zwischen den aufgespaltenen Spin-Energieniveaus der Spinresonanz-Signatur-Substanzen ist ein Anregefeld B₁ vorgesehen, das senkrecht zur B₀-Richtung polarisiert ist. Das Anregefeld schwingt dabei mit der Resonanzfrequenz des Materials, die auch als Larmorfrequenz bezeichnet wird, und die proportional zum Polarisationsfeld B₀ ist.
Zur Erzeugung des Polarisationsfeldes B₀ kommt häufig ein magnetischer Kreis zum Einsatz, der den magnetischen Fluss von Permanentmagneten und/oder Spulen zu einem Luftspalt leitet, in dem die Prüfung der flächigen Datenträger stattfindet.
Für die Erzeugung des Anregefelds B₁ wird ein Hochfrequenz-Resonator, beispielsweise ein Streifenleitungs-Resonator, verwendet. Dabei handelt es sich um eine leitende Struktur mit einer charakteristischen Länge 1, die auf einem Träger angeordnet ist. Passt bei der Echtheitsprüfung die Wellenlänge λ des eingekoppelten Hochfrequenzsignals zu der Abmessung 1 der leitenden Struktur, so kann sich im Resonator eine stehende Welle ausbilden und der Streifenleitungs-Resonator ist zu der zur Wellenlänge X gehörenden Anregefrequenz in Resonanz. Da die Ausdehnung eines Streifenleitungs-Resonators in der Ebene des Trägers deutlich größer ist als senkrecht dazu, spricht man auch von der Ebene des Streifenleitungs-Resonators, die der Ebene des Trägers entspricht.
Ein Sensorelement für die der Prüfung eines Datenträgers, etwa einer Banknote, auf Basis eines Streifenleitungs-Resonators hat in der Regel ein limitiertes Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR), das proportional zur Anzahl der Spins des Spinresonanz-Merkmals in einem sensitiven Bereich ist. Da der sensitive Bereich mit der Größe des Resonators skaliert, kann das Signal-zu-Rausch-Verhältnis grundsätzlich durch eine Vergrößerung des Resonators verbessert werden.
Die Länge des Resonators bestimmt dessen Resonanzfrequenz, so dass man bei einer vorgegebenen Resonanzfrequenz, die auf die Larmor-Frequenz des zu messenden Merkmalsstoffs abgestimmt ist, die Resonatorlänge nicht beliebig vergrößern kann. Wählt man beispielsweise für die Resonatorlänge ein geeignetes Vielfaches der λ/2- oder λ/4 -Grundmode, so kann man den Resonator in einer höheren räumlichen Mode betreiben und so den sensitiven Bereich und damit das Signal-zu-Rausch-Verhältnis vergrößern. Dies hat jedoch den Nachteil, dass oft mit steigender Mode ein Abfall der Güte Q des Resonators einhergeht, der mit einer Verringerung der Signalstärke verbunden ist. Zudem kann dabei nur ein zusammenhängender Bereich des Datenträgers vermessen werden. Eine Vermessung zweier nicht benachbarter Positionen auf dem Datenträger ist dagegen nicht möglich.
Eine Verbreiterung des Streifenleitungs-Resonators lässt die Resonanzfrequenz in erster Näherung konstant, jedoch ist für sehr breite Resonatoren eine Anpassung der Resonatorimpedanz auf die Impedanz der Signalquelle oftmals nicht möglich. Auch hier besteht der zusätzliche Nachteil, dass nur ein zusammenhängender Bereich des Datenträgers vermessen werden kann, eine Vermessung zweier nicht benachbarter Positionen auf dem Datenträger dagegen nicht möglich ist.
Weiter kann ausgenutzt werden, dass die Signalstärke einer Spinresonanz-Messung proportional zur Quadratwurzel der dem Resonator zugeführten Signalleistung ist. Es ist also sinnvoll, die Leistung des Anregesignals zu maximieren. Dies ist jedoch nur bis zu einer bestimmten, merkmalsabhängigen Grenzleistung P_opt möglich. Steigert man die dem Resonator zugeführte Leistung über P_opt hinaus, so tritt keine Signalsteigerung mehr auf, sondern es ist sogar ein Signalabfall bzw. eine Verzerrung der Spinresonanzlinie zu erwarten. Das Signal-zu-Rausch-Verhältnis kann daher auch über eine Erhöhung der zugeführten Leistung nicht beliebig gesteigert werden.
Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Sensorelement mit großem Signal-zu-Rausch-Verhältnis der Spinresonanz-Messung anzugeben, das die genannten Nachteile vermeidet.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung stellt ein Sensorelement für die Prüfung, insbesondere Echtheitsprüfung, eines flächigen Datenträgers mit einem Spinresonanz-Merkmal bereit. Bei dem flächigen Datenträger kann es sich beispielsweise um eine Banknote handeln. Das Sensorelement enthält einen Magnetkern mit einem, insbesondere durch zwei Polflächen des Magnetkerns begrenzten, Luftspalt, in den der flächige Datenträger zur Prüfung einbringbar ist, eine Polarisationseinrichtung zu Erzeugung eines statischen magnetischen Flusses in dem Luftspalt, sowie eine Resonatoreinheit zur Anregung des Spinresonanz-Merkmals des zu prüfenden Datenträgers in dem Luftspalt.
An den Polflächen besteht der Magnetkern dabei bevorzugt aus einem ferromagnetischen Material mit einer magnetischen Permeabilität µ_r >> 1, also insbesondere µ_r größer 1+10², die Polflächen können aber auch von einem paramagnetischen Material mit µ_r ≈ 1, also insbesondere µ_r höchstens 1+10^-2, gebildet werden.
Die Resonatoreinheit umfasst dabei eine, insbesondere einzige, Signalquelle und eine Resonatoreinrichtung mit einer Mehrzahl von Streifenleitungs-Resonatoren, die gleichzeitig aus der Signalquelle gespeist sind. Die Streifenleitungs-Resonatoren sind dabei flächig mit einer Haupterstreckungsebene ausgebildet, die planparallel zu zumindest einer der Polflächen des Magnetkerns ist. Bevorzugt umfasst die Resonatoreinheit genau eine Signalquelle und / oder alle Streifenleitungs-Resonatoren der Resonatoreinrichtung sind gleichzeitig aus derselben Signalquelle gespeist.
Wie nachfolgend genauer erläutert, ermöglicht die Verwendung einer Mehrzahl von derart ausgerichteten und gleichzeitig aus derselben Signalquelle gespeisten Streifenleitungs-Resonatoren eine signifikante Erhöhung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses gegenüber der Verwendung eines Einzelresonators. Zudem können auf einfache Weise nicht nur zusammenhängende Spinresonanz-Merkmale, sondern auch Spinresonanz-Merkmale mit nicht benachbarten Teilbereichen geprüft werden, da die Positionen der mehreren Streifenleitungs-Resonatoren ohne Weiteres auf die Positionen der bei der Spinresonanz-Messung zu erfassenden Teilbereiche abgestimmt sein kann.
Die eingesetzten Streifenleitungs-Resonatoren zeichnen sich grundsätzlich insbesondere dadurch aus, dass ihr sensitiver Bereich sehr gut zugänglich ist und sie für flächige Proben, wie sie die zu prüfenden Banknoten darstellen, einen sehr hohen Füllfaktor aufweisen. Die Streifenleitungs-Resonatoren werden nachfolgend teilweise auch nur kurz als Resonatoren bezeichnet.
Bevorzugt ist die Mehrzahl von Streifenleitungs-Resonatoren in Form eines linearen Arrays oder zweidimensional auf den Gitterpunkten eines regelmäßigen Gitters angeordnet, beispielsweise in rechteckiger, hexagonaler oder zeilenweise versetzter Anordnung. Benachbarte Streifenleitungs-Resonatoren in verschiedenen Zeilen und/oder Spalten des Arrays können äquidistant angeordnet sein, können aber auch unterschiedliche Abstände voneinander aufweisen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung bildet die Mehrzahl von Streifenleitungs-Resonatoren ein Nx1-Array mit N parallel geschalteten Streifenleitungs-Resonatoren, wobei N ≥ 2, insbesondere N = 2, 3, 4 oder 5 ist.
In einer anderen, ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung bildet die Mehrzahl von Streifenleitungs-Resonatoren ein 1xM-Array mit M in Reihe geschalteten Streifenleitungs-Resonatoren, wobei M > 2, insbesondere M = 2, 3, 4 oder 5 ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung bildet die Mehrzahl von Streifenleitungs-Resonatoren ein NxM-Array mit teilweise in Reihe und teilweise parallel zueinander geschalteten Streifenleitungs-Resonatoren, wobei N ≥ 2 und M ≥ 2, insbesondere N = 2, 3, 4 oder 5 und/oder M = 2, 3, 4 oder 5 ist.
Die Streifenleitungs-Resonatoren der Resonatoreinrichtung weisen mit Vorteil dieselbe Resonanzfrequenz auf. Bevorzugt sind die Streifenleitungs-Resonatoren zudem auf eine Prüfung des Spinresonanz-Merkmals in derselben räumlichen Mode des Anregefelds ausgelegt und eingerichtet, besonders bevorzugt weisen die Streifenleitungs-Resonatoren die gleiche geometrische Form, beispielsweise eine quadratische, eine rechteckige oder eine Ring-Form auf.
Vorteilhaft ist die Polarisationseinrichtung so ausgebildet, dass sie in dem Luftspalt einen statischen magnetischen Fluss erzeugt, der bei allen Streifenleitungs-Resonatoren im Wesentlichen gleich stark ist. Konkret ist mit Vorteil vorgesehen, dass der statische magnetische Fluss am Ort der Streifenleitungs-Resonatoren eine maximale Abweichung von 2% oder weniger aufweist.
Die Haupterstreckungsebene der Streifenleitungs-Resonatoren ist zweckmäßig senkrecht zu der Richtung des von der Polarisationseinrichtung erzeugten statischen magnetischen Flusses orientiert. Im Rahmen dieser Beschreibung wird die Richtung des statischen magnetischen Flusses auch als z-Richtung bezeichnet. Die Hauptebene des Streifenleitungs-Resonators erstreckt sich dann in der zur z-Richtung senkrechten x-y-Ebene. Insbesondere ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Haupterstreckungsebene der Streifenleitungs-Resonatoren planparallel zu beiden den Luftspalt begrenzenden Polflächen des Magnetkerns ist.
Vorteilhaft sind die Streifenleitungs-Resonatoren der Resonatoreinrichtung alle in derselben Ebene angeordnet, insbesondere sind die Streifenleitungs-Resonatoren alle in einer Ebene eines gemeinsamen Trägers, beispielsweise einer Leiterplatte angeordnet.
Die Resonatoreinheit ist vorzugsweise mit Vorteil auf einen Betrieb der, insbesondere einzigen, Signalquelle bei hoher Ausgangsleistung ausgelegt und eingerichtet, bei der bei einer Prüfung des Spinresonanz-Merkmals mit einem einzelnen der Streifenleitungs-Resonatoren eine Signalsättigung auftritt. Da sich die zugeführte Signalleistung auf die Mehrzahl der Streifenleitungs-Resonatoren verteilt, kann die Resonatoreinheit mit deutlich höherer Anregeleistung als ein Einzelresonator betrieben werden, ohne dass dabei Sättigungseffekte auftreten. Enthält die Resonatoreinrichtung beispielsweise K = NxM gleichartige Streifenleitungs-Resonatoren, so kann durch geeignete Beschaltung die Anregeleistung der Signalquelle auf die K Streifenleitungs-Resonatoren gleichmäßig verteilt werden und dadurch die Resonatoreinrichtung insgesamt mit im Wesentlichen der K-fachen Anregeleistung eines Einzelresonators gespeist werden. Das Signal-zu-Rausch-Verhältnis kann daher gegenüber einem Einzelresonator um einen Faktor √K gesteigert werden, ohne dass Sättigungseffekte auftreten.
Die Anordnung von Streifenleitungs-Resonatoren hat zweckmäßig eine kleinere Flächenausdehnung als der zu prüfende Datenträger, insbesondere eine zu prüfende Banknote.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Streifenleitungs-Resonatoren rechteckig mit einem Aspektverhältnis von weniger als 3:1 ausgebildet.
Die Streifenleitungs-Resonatoren bilden vorteilhaft unabhängige elektromagnetische Moden des Anregefelds aus, wobei das gesamte Anregefeld vorzugsweise lokale Minima zwischen den Streifenleitungs-Resonatoren aufweist.
Der Luftspalt weist vorteilhaft eine Höhe, also eine Abmessung in z-Richtung, von weniger als 10 mm, vorzugsweise von weniger als 5 mm auf. Dadurch lässt sich ein besonders starkes Polarisationsfeld, also ein starker statischer magnetischer Fluss, im Luftspalt erzeugen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Sensorelement weiter eine Modulationseinrichtung zur Erzeugung eines zeitlich variierenden magnetischen Modulationsfelds in dem Luftspalt auf, wobei bevorzugt die Modulationsfrequenz bei allen Streifenleitungs-Resonatoren der Resonatoreinrichtung gleich hoch ist. Beispielsweise weicht die Modulationsfrequenz am Ort von je zwei Streifenleitungs-Resonatoren um höchstens 2% voneinander ab. Die Modulationseinrichtung ist vorteilhaft durch eine im Luftspalt angeordnete Einzel-Modulationsspule, insbesondere eine Einzel-Planarspule gebildet.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung weist das Sensorelement weiter eine Rampspule zur Erzeugung einer Rampenfunktion des statischen magnetischen Flusses auf.
Die Resonatoreinrichtung ist mit Vorteil auf die Anregung von Spinresonanz-Signalen mit einer Frequenz oberhalb von 1 GHz, insbesondere zwischen 1 GHz und 10 GHz, ausgelegt. Gegenüber niedrigeren Frequenzen ermöglicht dies eine höhere spektrale Auflösung und ein stärkeres Messsignal.
Die Resonatoreinrichtung ist insbesondere auch zur Erfassung von Spinresonanz-Signalen des Spinresonanz-Merkmals ausgebildet. Die Streifenleitungs-Resonatoren der Resonatoreinrichtung können insbesondere ein Antwortsignal des Spinresonanz-Merkmals aufnehmen und an einen Detektor ausgeben. Die Spinresonanzen können beispielsweise mit einem Dauerstrich (CW)-Verfahren, einem gepulsten Verfahren oder einem Rapid-Scan-Verfahren bestimmt werden.
Die Streifenleitungs-Resonatoren können bei der Prüfung des Datenträgers sowohl in Reflexion als auch in Transmission betrieben werden. Letzteres hat den Vorteil, dass im Signalzweig kein Element wie etwa ein Zirkulator benötigt wird, das die zum Resonator vor- und rücklaufenden Signale auftrennt.
Mit Vorteil umfasst die Resonatoreinrichtung einen flächigen Träger, auf dem die Streifenleitungs-Resonatoren aufgebracht sind. Der Träger ist zweckmäßig durch eine Leiterplatte gebildet, was eine reproduzierbare und kostengünstige Herstellung erlaubt. Es ist allerdings auch vorteilhaft, insbesondere zur Verringerung dielektrischer Verluste im Trägermaterial, Träger auf Basis von Keramik, Teflon oder Kohlenwasserstoffen einzusetzen.
Die Erfindung enthält auch eine Prüfvorrichtung für die Prüfung eines flächigen Datenträgers, insbesondere einer Banknote, mit einem Spinresonanz-Merkmal mit einem Sensorelement der beschriebenen Art und mit einer Transporteinrichtung, die die zu prüfenden flächigen Datenträger entlang eines Transportpfades durch den Luftspalt des Magnetkerns führt.
Die Transporteinrichtung ist insbesondere auf einen schnell-laufenden Transport, beispielsweise zwischen 1 m/s und 12 m/s, der zu prüfenden flächigen Datenträger entlang des Transportpfades ausgelegt und eingerichtet.
Die Erfindung enthält auch ein Verfahren zur Prüfung eines flächigen Datenträgers, insbesondere einer Banknote, mit einem Spinresonanz-Merkmal mittels eines Sensorelements der beschriebenen Art oder einer Prüfvorrichtung der beschriebenen Art, wobei bei dem Verfahren

- ein zu prüfender flächiger Datenträger entlang eines Transportpfades durch den Luftspalt des Magnetkerns des genannten Sensorelements geführt wird,
- mit der Polarisationseinrichtung ein statischer magnetischer Fluss und vorzugsweise mit einer Modulationseinrichtung ein zeitlich variierendes magnetisches Modulationsfeld in dem Luftspalt erzeugt wird, und
- mit der Signalquelle der Resonatoreinheit gleichzeitig die Mehrzahl der Streifenleitungs-Resonatoren der Resonatoreinrichtung gespeist werden, und
- mit der Resonatoreinrichtung das Spinresonanz-Merkmal des zu prüfenden Datenträgers angeregt wird.

Bei einer vorteilhaften Verfahrensführung wird die Resonatoreinrichtung von der Signalquelle mit einer hohen Ausgangsleistung gespeist, bei der bei einer Prüfung des Spinresonanz-Merkmals mit einem einzelnen der Streifenleitungs-Resonatoren bereits eine Signalsättigung auftritt.
Weitere Ausführungsbeispiele sowie Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert, bei deren Darstellung auf eine maßstabs- und proportionsgetreue Wiedergabe verzichtet wurde, um die Anschaulichkeit zu erhöhen.
Es zeigen:

1 schematisch eine Prüfvorrichtung eines Banknotenbearbeitungssystems für die Messung von Spin-Resonanzen eines Banknotenprüflings,
2 schematisch eine Aufsicht auf eine Resonatoreinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
3 eine auf einen Betrieb in Transmission ausgelegte erfindungsgemäße Resonatoreinrichtung mit einem seriellen 1x5-Array aus fünf rechteckigen Streifenleitungs-Resonatoren, und
4 eine auf einen Betrieb in Reflexion ausgelegte Resonatoreinrichtung mit einem seriellen 1x3-Array aus drei quadratischen Streifenleitungs-Resonatoren.

Die Erfindung wird nun am Beispiel der Echtheitsprüfung von Banknoten erläutert. 1 zeigt dazu schematisch eine Prüfvorrichtung 20 eines Banknotenbearbeitungssystems für die Messung von Spin-Resonanzen eines Banknotenprüflings 10.
Der Banknotenprüfling 10 weist ein Spinresonanz-Merkmal 12 auf, dessen charakteristische Eigenschaften zum Nachweis der Echtheit der Banknote dienen. Die Prüfvorrichtung 20 enthält ein Sensorelement 30 mit einem Magnetkern 35, der einen durch zwei Polflächen 38 begrenzten Luftspalt 32 aufweist, durch den der Banknotenprüfling 10 bei der Echtheitsprüfung entlang eines Transportpfads 14 geführt wird.
Zur Detektion von Spinresonanz-Signaturen des Spinresonanz-Merkmals 12 erzeugt das Sensorelement 30 in einem Messbereich des Luftspalts 32 drei verschiedene Magnetfelder.
Zum einen wird durch eine Polarisationseinrichtung 34 ein statischer magnetischer Fluss parallel zur z-Achse im Messbereich erzeugt. Um ein starkes Polarisationsfeld zu erzeugen, beträgt die Höhe des Luftspalts in z-Richtung vorteilhaft weniger als 10 mm, insbesondere sogar weniger als 5 mm.
Zum zweiten erzeugt eine Modulationseinrichtung 36 ein zeitlich variierendes magnetisches Modulationsfeld in dem Luftspalt, das ebenfalls parallel zur z-Achse verläuft und eine Modulationsfrequenz f_Mod im Bereich zwischen 1 kHz bis 1 MHz aufweist. Schließlich erzeugt eine Resonatoreinrichtung 40 mit Streifenleitungs-Resonatoren in dem Luftspalt ein Anregefeld, das die Energieübergänge zwischen den Spin-Energieniveaus im Spinresonanz-Merkmal 12 induziert. Das Anregefeld hat typischerweise Frequenzen oberhalb von 1 GHz und ist senkrecht zur z-Richtung polarisiert.
Die Frequenz des Anregefelds ist dabei auf die Larmor-Frequenz des nachzuweisenden Spinresonanz-Merkmals 12 abgestimmt, um dessen Spinresonanz-Signatur messen und für die Echtheitsprüfung verwenden zu können. Eine Resonatoreinheit des Sensorelements enthält hierzu neben der Resonatoreinrichtung 40 eine Signalquelle 22, deren Anregefrequenz f_MW der erwarteten Larmor-Frequenz des Spinresonanz-Merkmals 12 entspricht. Das Anregesignal der Signalquelle 22 wird den Streifenleitungs-Resonatoren der Resonatoreinrichtung 40 gleichzeitig zugeführt und erzeugt dort ein magnetisches Wechselfeld der Frequenz f_MW.
Neben den genannten Elementen enthält die Prüfvorrichtung 20 in der Regel eine Detektor-Diode zur Messung der reflektierten Hochfrequenz-Leistung und eine Auswerteeinheit zur Auswertung und gegebenenfalls Anzeige des Messergebnisses. Ist das Spinresonanz-Merkmal 12 bei einer eingekoppelten Frequenz in Resonanz, so ändert sich die Resonatorgüte und damit die von den Streifenleitungs-Resonatoren reflektierte Leistung. Aufgrund der Modulation des statischen Polarisationsfelds durch die Modulationseinrichtung 36 oszilliert der genaue Wert der Larmor-Frequenz der Probe, so dass das erhaltene Messsignal mit der Modulationsfrequenz amplitudenmoduliert ist.
Als Besonderheit enthält die Resonatoreinrichtung 40 zur Erzielung eines hohen Signal-zu-Rausch-Verhältnis anstelle eines herkömmlichen Einzelresonators ein NxM-Array von Streifenleitungs-Resonatoren mit N und/oder M größer als 1, wobei die Streifenleitungs-Resonatoren, insbesondere alle, gleichzeitig von derselben Signalquelle 22 gespeist sind. Im Rahmen dieser Beschreibung bezeichnet N dabei die Anzahl der elektrisch parallel geschalteten Signalzweige, und M die Anzahl der in Reihe geschalteten Resonatoren pro Signalzweig.
2 zeigt zur näheren Erläuterung schematisch eine Aufsicht auf die Streifenleitungs-Resonatoren-Anordnung einer Resonatoreinrichtung 40 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei der Resonatoreinrichtung 40 ist auf einem flächigen Träger, beispielsweise einer Leiterplatte 42, ein 2x1-Array 44 von Streifenleitungs-Resonatoren 46 aufgebaut. Die Anordnung der 2 bildet im oben definierten Sinn ein 2x1-Array 44 mit N=2 und M=1, da das Array zwei, parallel geschaltete Resonatoren enthält. Die beiden Streifenleitungs-Resonatoren 46 des 2x1-Arrays 44 werden von demselben Signalzweig 48 durch dieselbe Signalquelle 22 der Resonatoreinheit gespeist.
Die Resonatoreinrichtung 40 mit den Streifenleitungs-Resonatoren 46 ist flächig mit einer Haupterstreckungsebene 50 ausgebildet, welche planparallel zu den beiden Polflächen 38 des Magnetkerns 35 liegt. Die Streifenleitungs-Resonatoren 46 liegen dabei alle in derselben Ebene und befinden sich in einem homogenen Polarisationsfeld B₀. Gemäß 2 sind die beiden Resonatoren 46 auf einer Linie quer zur Transportrichtung 14 der zu prüfenden Datenträger angeordnet, sie können aber alternativ auch in Transportrichtung hintereinander oder schräg zur Transportrichtung angeordnet sein. Ein Array aus N > 2 elektrisch parallel geschalteten Resonatoren muss geometrisch auch nicht linear ausgebildet sein, sondern es sind auch zweidimensionale Anordnungen möglich, beispielsweise auf den Gitterpunkten eines Rechteck- oder hexagonalen Gitters, oder in anderen, auf das zu prüfende Echtheitsmerkmal abgestimmten Anordnungen wie zum Beispiel entlang eines Kreisumfangs.
Verglichen mit einem Einzelresonator der Fläche eines der beiden Streifenleitungs-Resonatoren 46 ist die Anzahl der Spins in dem sensitiven Bereich des 2x1-Arrays 44 verdoppelt. Wird jedem der beiden Streifenleitungs-Resonatoren 46 des Arrays 44 dieselbe Leistung zugeführt wie dem Vergleichs-Einzelresonator, so erhält man gegenüber dem Vergleichs-Einzelresonator eine Verdoppelung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses.
Bei der in 2 illustrierten Beschaltung 48 teilt sich die dem Array 44 von der Signalquelle 22 zugeführte Signalleistung auf die beiden Streifenleitungs-Resonatoren 46 zu gleichen Teilen auf. Das 2x1-Array 44 kann daher mit der doppelten Anregeleistung wie ein Vergleichs-Einzelresonator betrieben werden, ohne dass Sättigungseffekte auftreten.
Neben dem in 2 zur Illustration gezeigten 2x1-Array sind selbstverständlich auch größere einspaltige Arrays, allgemein Nx1-Arrays mit N > 2, beispielsweise N = 3, 4 oder 5 möglich.
Darüber hinaus sind auch 1xM-Arrays von Streifenleitungs-Resonatoren möglich, also Arrays, die aus nur einer Zeile von mehreren (M ≥ 2) in Reihe geschalteten Resonatoren bestehen. 3 zeigt hierzu als Ausführungsbeispiel eine auf einen Betrieb in Transmission ausgelegte Resonatoreinrichtung 60 mit einem seriellen 1x5-Array 64 aus fünf rechteckigen Streifenleitungs-Resonatoren 66, die von demselben Signalzweig 68 durch dieselbe Signalquelle (nicht gezeigt) gespeist werden. Die Streifenleitungs-Resonatoren 66 sind im Beispiel auf einer Linie in Transportrichtung 14 angeordnet und haben in Transportrichtung 14 jeweils eine Länge 1 = λ/2 und einen Abstand d = X, wobei λ die Wellenlänge des eingekoppelten Hochfrequenzsignals f_MW darstellt. Auch bei einem in Reihe geschalteten Array sind alternativ andere geometrische Anordnungen der Resonatoren möglich, beispielsweise auf einer Linie quer zur Transportrichtung oder auch zweidimensionale Anordnungen, beispielsweise auf den Gitterpunkten eines Rechteck- oder hexagonalen Gitters.
Als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt 4 eine auf einen Betrieb in Reflexion ausgelegte Resonatoreinrichtung 70 mit einem seriellen 1x3-Array 74 aus drei quadratischen Streifenleitungs-Resonatoren 76 einer Seitenlänge 1 = λ/2, die von demselben Signalzweig 78 durch dieselbe Signalquelle gespeist werden.
Auch die Ausgestaltungen der 3 und 4 haben den Vorteil, dass der sensitive Bereich der Resonatoreinrichtung gegenüber einem Vergleichs-Einzelresonator vergrößert und die maximal mögliche Anregeleistung erhöht wird.
Neben den gezeigten eindimensionalen Nx1-Arrays und 1xM-Arrays sind auch Beschaltungen vorteilhaft, bei denen die Streifenleitungs-Resonatoren ein NxM-Array mit N ≥ 2 und M ≥ 2 bilden und die Streifenleitungs-Resonatoren teilweise in Reihe und teilweise parallel zueinander geschaltet sind. Bevorzugt sind die Resonatoren in diesem Fall auch geometrisch in einem Gitter mit NxM Gitterpunkten, beispielsweise in Form eines Rechteckgitters oder mit zeilenweise versetzter Anordnung, angeordnet.
Um die Vorteile erfindungsgemäßer Sensorelemente mit einem Array aus Streifenleitungs-Resonatoren zu demonstrieren, wurde das Verhalten eines Sensorelements mit einem 2x1-Array in paralleler Konfiguration nach 2 simuliert und mit einem Einzelresonator verglichen.
Das erfindungsgemäße Streifenleitungs-Resonator-Array und der Vergleichs-Einzelresonator sind jeweils auf einer Leiterplatte der Stärke 1,5 mm aufgebaut, deren Dielektrizitätskonstante 3,66 beträgt. Als Grundelement wird jeweils ein quadratischer λ/2-Streifenleitungs-Resonator mit einer Kantenlänge von 7,1 mm, entsprechend einer Resonanzfrequenz von 9,8 GHz, verwendet.
Bei dem Vergleichs-Einzelresonator ist nur ein einziges solches Grundelement vorhanden. Die Impedanz des Grundelements wird mit einem planaren λ/4-Impedanztransformator direkt auf 50 S2 angepasst und der Einzelresonator mit Hilfe eines Zirkulators von einer 50 Ω-Quelle gespeist.
Das erfindungsgemäße Streifenleitungs-Resonator-Array 44 enthält zwei nach Art der 2 parallel geschaltete Grundelemente 46. Die Impedanz jedes Grundelements 46 wird mit einem λ/4-Impedanztransformator auf 100 Ω transformiert. Über die anschließende Parallelschaltung beider Grundelemente erhält man eine Gesamtimpedanz von 50 Ω. Das parallelgeschaltete Array 44 wird mit Hilfe eines Zirkulators von einer 50 Ω - Quelle gespeist, so dass beide Grundelemente 46 gleichzeitig von derselben Signalquelle gespeist sind.
Mit dem so aufgebauten Vergleichs-Einzelresonator und dem 2x1-Array 44 wurde jeweils eine Spin-Resonanzmessung an einer planaren Probe simuliert, die homogen mit einem Spinresonanz-Merkmal dotiert ist.
Das erfindungsgemäße 2x1-Array 44 wird dabei mit der doppelten Leistung wie der Vergleichs-Einzelresonator betrieben. Das Polarisationsfeld B₀ und das Modulationsfeld B_Mod sind bei beiden Messungen identisch.
Für beide Konfiguration wurde das Signal-zu-Rausch-Verhältnis bestimmt und als Maßzahl für die Verbesserung der vorliegenden Erfindung das Verhältnis der beiden Signal-zu-Rausch-Verhältnisse $η = {SNR}_{Array} / {SNR}_{Einzelresonator}$
ermittelt. Für den Verbesserungsfaktor wurde dabei ein Wert η = 1,93 erhalten, das Signal-zu-Rausch-Verhältnis des erfindungsgemäßen Streifenleitungs-Resonator-Arrays 44 ist also nahezu doppelt so groß wie das Signal-zu-Rausch-Verhältnis des Vergleichs-Einzelresonators.
Die Abweichung zur maximal erwarteten Verbesserung η_ideal = 2,0 erklärt sich durch zusätzliche Verluste im Ankoppelnetzwerk des Arrays .
Bezugszeichenliste

10: Banknotenprüfling
12: Spinresonanz-Merkmal
14: Transportpfad
20: Prüfvorrichtung
22: Signalquelle
30: Sensorelement
32: Luftspalt
34: Polarisationseinrichtung
35: Magnetkern
36: Modulationseinrichtung
38: Polflächen
40: Resonatoreinrichtung
42: Leiterplatte
44: 2x1-Array
46: Streifenleitungs-Resonatoren
48: Beschaltung
50: Haupterstreckungsebene
60: Resonatoreinrichtung
64: 1x5-Array
66: rechteckige Streifenleitungs-Resonatoren
68: Signalzweig
70: Resonatoreinrichtung
74: 1x3-Array
76: quadratische Streifenleitungs-Resonatoren
78: Signalzweig

Claims

Sensorelement (30) für die Prüfung eines flächigen Datenträgers (10), insbesondere einer Banknote, mit einem Spinresonanz-Merkmal (12), mit - einem Magnetkern (35) mit einem durch zwei Polflächen (38) des Magnetkerns begrenzten Luftspalt (32), in den der flächige Datenträger (10) zur Prüfung einbringbar ist, - einer Polarisationseinrichtung (34) zu Erzeugung eines statischen magnetischen Flusses in dem Luftspalt (32) und - einer Resonatoreinheit zur Anregung des Spinresonanz-Merkmals (12) des zu prüfenden Datenträgers in dem Luftspalt, dadurch gekennzeichnet, dass - die Resonatoreinheit eine, insbesondere genau eine, Signalquelle (22) und eine Resonatoreinrichtung (40) mit einer Mehrzahl von Streifenleitungs-Resonatoren (46) umfasst, die gleichzeitig aus der Signalquelle (22) gespeist sind, und dass - die Streifenleitungs-Resonatoren (46) flächig mit einer Haupterstreckungsebene (50) ausgebildet sind, die planparallel zu zumindest einer der Polflächen (38) des Magnetkerns ist.
Sensorelement (30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatoreinheit genau eine Signalquelle (22) aufweist und alle Streifenleitungs-Resonatoren (46) der Resonatoreinrichtung (40) gleichzeitig aus der einen Signalquelle (22) gespeist sind.
Sensorelement (30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Streifenleitungs-Resonatoren (44, 46) ein NxM-Array aus N elektrisch parallel geschalteten Signalzweigen mit je M in Reihe geschalteten Streifenleitungs-Resonatoren pro Signalzweig bilden, wobei N und M natürliche Zahlen sind und zumindest einer der Werte von N und M größer als 1 ist.
Sensorelement (30) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Streifenleitungs-Resonatoren (44, 46) ein Nx1-Array mit N parallel geschalteten Streifenleitungs-Resonatoren bildet, wobei N ≥ 2, insbesondere N = 2, 3, 4 oder 5 ist.
Sensorelement (30) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Streifenleitungs-Resonatoren ein 1xM-Array mit M in Reihe geschalteten Streifenleitungs-Resonatoren bildet, wobei M ≥ 2, insbesondere M = 2, 3, 4 oder 5 ist.
Sensorelement (30) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Streifenleitungs-Resonatoren ein NxM-Array mit teilweise in Reihe und teilweise parallel zueinander geschalteten Streifenleitungs-Resonatoren bildet, wobei und N ≥ 2 und M ≥ 2, insbesondere N = 2, 3, 4 oder 5 und/ oder M = 2, 3, 4 oder 5 ist.
Sensorelement (30) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Streifenleitungs-Resonatoren (44, 46) der Resonatoreinrichtung (40) dieselbe Resonanzfrequenz aufweisen, bevorzugt, dass die Streifenleitungs-Resonatoren zudem auf eine Prüfung des Spinresonanz-Merkmals in derselben räumlichen Mode des Anregefelds ausgelegt und eingerichtet sind, besonders bevorzugt, dass die Streifenleitungs-Resonatoren die gleiche geometrische Form aufweisen.
Sensorelement (30) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisationseinrichtung (34) einen statischen magnetischen Fluss in dem Luftspalt (32) erzeugt, der bei allen Streifenleitungs-Resonatoren (44, 46) im Wesentlichen gleich stark ist, insbesondere, dass der statische magnetische Fluss am Ort der Streifenleitungs-Resonatoren eine maximale Abweichung von 2% oder weniger aufweist.
Sensorelement (30) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Haupterstreckungsebene (50) senkrecht auf der Richtung des von der Polarisationseinrichtung erzeugten statischen magnetischen Flusses steht, insbesondere dass die Haupterstreckungsebene (50) der Streifenleitungs-Resonatoren planparallel zu beiden den Luftspalt (32) begrenzenden Polflächen (38) des Magnetkerns (35) ist.
Sensorelement (30) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Streifenleitungs-Resonatoren (44, 46) der Resonatoreinrichtung (40) alle in derselben Ebene angeordnet sind, insbesondere dass die Streifenleitungs-Resonatoren alle in einer Ebene eines gemeinsamen Trägers, beispielsweise einer Leiterplatte, angeordnet sind.
Sensorelement (30) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatoreinheit auf einen Betrieb der Signalquelle (22) bei einer hohen Ausgangsleistung ausgelegt und eingerichtet ist, bei der bei einer Prüfung des Spinresonanz-Merkmals mit einem einzelnen der Streifenleitungs-Resonatoren eine Signalsättigung auftritt.
Sensorelement (30) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung von Streifenleitungs-Resonatoren (44, 46) eine kleinere Flächenausdehnung hat als der zu prüfende Datenträger (10), insbesondere eine zu prüfende Banknote.
Sensorelement (30) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Streifenleitungs-Resonatoren rechteckig mit einem Aspektverhältnis von weniger als 3:1 ausgebildet sind.
Sensorelement (30) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Streifenleitungs-Resonatoren (44, 46) unabhängige elektromagnetische Moden des Anregefelds ausbilden, wobei das gesamte Anregefeld vorzugsweise lokale Minima zwischen den Streifenleitungs-Resonatoren aufweist.
Sensorelement (30) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt (32) eine Höhe von weniger als 10 mm, vorzugsweise von weniger als 5 mm, aufweist.
Sensorelement (30) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement eine Modulationseinrichtung (36) zur Erzeugung eines zeitlich variierenden magnetischen Modulationsfelds in dem Luftspalt aufweist, wobei bevorzugt die Modulationsfrequenz bei allen Streifenleitungs-Resonatoren der Resonatoreinrichtung gleich hoch ist.
Prüfvorrichtung (20) für die Prüfung eines flächigen Datenträgers, insbesondere einer Banknote, mit einem Spinresonanz-Merkmal, mit - einem Sensorelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, und - einer Transporteinrichtung, die die zu prüfenden flächigen Datenträger (10) entlang eines Transportpfades (14) durch den Luftspalt des Magnetkerns führt, wobei die Transporteinrichtung vorteilhaft auf einen schnell-laufenden Transport der zu prüfenden flächigen Datenträger entlang des Transportpfades ausgelegt und eingerichtet ist.
Verfahren zur Prüfung eines flächigen Datenträgers (10), insbesondere einer Banknote, mit einem Spinresonanz-Merkmal (12) mittels eines Sensorelements (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 16 oder einer Prüfvorrichtung (20) nach Anspruch 17, wobei bei dem Verfahren - ein zu prüfender flächiger Datenträger (10) entlang eines Transportpfades durch den Luftspalt des Magnetkerns des genannten Sensorelements (30) geführt wird, - mit der Polarisationseinrichtung (34) ein statischer magnetischer Fluss und vorzugsweise mit einer Modulationseinrichtung (36) ein zeitlich variierendes magnetisches Modulationsfeld in dem Luftspalt erzeugt wird, und - mit der Signalquelle (22) gleichzeitig die Mehrzahl der Streifenleitungs-Resonatoren (46) der Resonatoreinrichtung (40) gespeist werden und - mit der Resonatoreinrichtung (40) das Spinresonanz-Merkmal (12) des zu prüfenden Datenträgers (10) angeregt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatoreinrichtung (40) von der Signalquelle mit einer hohen Ausgangsleistung gespeist wird, bei der bei einer Prüfung des Spinresonanz-Merkmals mit einem einzelnen der Streifenleitungs-Resonatoren eine Signalsättigung auftritt.