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Die
sogenannte "Smart-Label" Technik setzt sich
als Datenträger
insbesondere in der Logistik immer stärker durch. Darunter versteht
man einen dünnen,
in aller Regel sehr kleinen Transponder-Schaltkreis mit typisch
unter 1 mm2 Fläche, der im Hochfrequenzfeld
eines Schreib/Lesegerätes
mit Energie versorgt wird, und Daten aufnehmen und/oder insbesondere
wiedergeben kann. Weitere Entwicklungen beziehen auch Sensoren und/oder
Aktoren wie beispielsweise Displays mit ein.
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Die
Energieeinkopplung erfolgt bei den derzeit am meisten verwendeten
Labels nach dem Prinzip des schwach gekoppelten Transformators.
Dabei wird die Leistung eines Schreib/Lesegerätes bei einer Frequenz von
typisch 13,56 MHz mittels einer Spule mit nur wenigen Windungen
in das ebenfalls mit einer Spule versehene Label eingekoppelt. Die Energie
wird über
eine kurze Zeit in einem Kondensator gespeichert und für den Betrieb
des Labels verwendet. Die Daten-Übertragung
erfolgt durch Modulation der eingestrahlten Leistung, die Rückübertragung
meist durch Dämpfungfsmodulation,
also die Veränderung
des Koppelfaktors durch simplen Kurzschluß der Spule des Labels. Dies
ist seit der Einführung
der kontaktlosen Chipkarten allgemein bekannt und standardisiert;
eine gute Beschreibung liefert: [K. Finkenzeller, RFID-Handbuch,
3. Auflage, Verlag Hanser, München
2002].
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Smart
Labels sind gewissermaßen
eine Erweiterung der Chipkarten-Technik hin zu flexiblen, möglichst
dünnen
Aufklebern. Zweck des Übergangs zu
möglichst
dünnen
Labels sind zum einen die Beibehaltung der eingeführten Spende-Verfahren
(Rollen, Aufkleber) als auch die Erschließung neuer, noch breiterer
Anwendungsfelder, um mit typischen Anwendungen wie etwa dem Barcode-Aufkleber
im Supermarkt.
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Die
induktive Kopplung ist zwar für
große Reichweite,
weitgehend Richtungs-unabhängige Kopplung,
große
Störsicherheit
bestens geeignet; es ergeben sich allerdings drastische Einschränkungen, wenn
sich das Label auf gut leitenden Oberflächen befindet. Der typische
Fall sind etwa Aufkleber auf Konservendosen oder Behältnissen
mit einlaminierter Aluminiumfolie, wie sie für verschiedenste Zwecke (Aroma,
Dampfsperre) insbesondere auch in Lebensmittel-Verpackungen eingesetzt
werden. Insbesondere die Einschränkung
der "Metallgängigkeit" ist es, die die
allgemeine Warenkennzeichnung ("global scanning") derzeit behindert
und letztlich verhindert.
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Es
hat nicht an Versuchen gefehlt, RFID-Label metallgängig zu
machen. Dazu eignen sich Abstandshalter, die das Label in einem
gewissen Abstand von der Metalloberfläche halten. Weil dies in aller
Regel erheblich stört,
hat man versucht, eine Abschirm-Folie zwischen Metall und Label
anzuordnen. Sinn dieser Folie ist es, mittels hochpermeabler Substanzen
(Ferritpulver) den effektiven Abstand zwischen Label und Metall
zu vergrößern. Mit
in Gummi oder einem vergleichbaren Träger eingebetteten Ferritpulver
lässt sich
beispielsweise eine mittlere Permeabilität von 9 erreichen, die einer
Abstandserhöhung
um den Faktor 3 entspricht. Eine Foliendicke von 0,2 mm entspricht
damit einem effektiven Abstand von 0,6 mm. Meist genügt eine
einzige derartige Folie nicht, so dass mehrere übereinander angeordnet werden
müssen.
Dadurch wird das Label aber verhältnismäßig dick
und für
die oben erwähnten
Einsatzgebiete unattraktiv.
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Als
Ausweg bleibt, die Permeabilität
der Abschirmung zu erhöhen.
Es sind Materialien, insbesondere aus der Gruppe der amorphen Eisen-,
Kobalt- oder Nickellegierungen verfügbar, die Permeabilitäten von
weit über
1000, auch bei den erwähnten Frequenzen
im MHz-Bereich, aufweisen. Solche Materialien können zu dünnen Folien ausgewalzt werden
und die magnetische Komponente eines elektromagnetischen Feldes
auch bei geringer Dicke hocheffizient abschirmen.
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Aus
Gründen
der elektrischen Verluste (Induzierung einer Spannung in der metallisch
leitenden Folie) macht es keinen Sinn, diese Folie in kompakter Form
an Smart Labels zu verwenden. Vielmehr erfordern die elektrotechnischen
Gesetzmäßigkeiten, dass
senkrecht zur Stromflußrichtung
eine möglichst hohe
magnetische Leitfähigkeit,
parallel zur Stromflußrichtung
aber eine möglichst
geringe oder keine elektrische Leitfähigkeit vorhanden ist. Im Falle
von RFID-Labnels kennt man die Richtung der elektrischen und daher
auch der magnetischen Feldlinien genau. Da man die Richtung des
induzierenden Feldes, hier genauer des abzuschirmenden Feldes kennt,
(sie ist durch die Geometrie der Flachspule des Labels gegeben),
kann man die Abschirmschicht im Sinne einer bestmöglichen
Abschirmung ausrichten.
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Dies
ist auf der Grundlage der Elektrotechnik allgemein bekannt und im
Zusammenhang mit Smart Labels anderweitig von Autoren bereits beschrieben. Eine
dem Patent und Markenamt bereits eingereichte Patentanmeldung (Az:
101 49 12603) bezieht sich auf diese Ausrichtung und auch Materialaspekte.
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Die
optimale Konfiguration sieht möglichst schmale
Streifen aus hochpermeablen Material vor, das senkrecht zur Windungsrichtung
der Flachspule angeordnet ist, dergestalt, dass sich mindestens
eine derartige hochpermeable Schicht zwischen den Leitbahnen der
Flachspule und der Metall-Oberfläche des
zu kennzeichnenden Gegenstades befindet.
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Solche
Strukturen können
mittels Ätzen, Stanzen
usw. erzeugt werden. Beide Verfahren sind langsam, unflexibel in
der Herstallung oder kostspielig. Eine weitere Methode besteht im
Aufdrucken von hochpermeablem Pulver, etwa mittels Siebdruck. Leider
erweist sich dieses Verfahren aber als nachteilig, weil dadurch
nur verhältnismäßig kleine
Partikel übertragen
werden können.
Für eine
effiziente Abschirmwirkung soll jedoch die magnetische Leitung in der
erforderlichen Richtung möglichst
ohne Unterbrechung des magnetischen Leiters, also ohne „Luftspalt" erfolgen.
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Hier
setzt die vorliegende Erfindung ein. Eine mögliche Ausgestaltung wird am
besten anhand eines Beispiels beschrieben.
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In
einem Vorratsgefäß befindet
sich eine Vielzahl von Stäbchen
aus hochpermeablen Material. Die einzelnen Stäbchen sollen Abmessungen von
typisch 1.. 10 mm Länge,
0.2 mm Breite und 0.025 mm Dicke aufweisen. Stäbchen dieser Art können aus Halbmaterialien
wie etwa Draht, oder auch Feinstblechen hergestellt werden. Als
materialien kommen die bekannten hochpermeablen Legierungen auf
FeB oder FeCoB oder auch andere Vertreter infrage, die zur Verbesserung
ihrer weichmagnetischen Eigenschaften aus der Schmelze schockgekühlt werden und
daher zur Unterdrückung
der sog. Weiß'schen Bezirke eine
weitgehend amorphe Kristallstruktur aufweisen.
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Diese
Stäbchen
werden durch ein Spendeverfahren, etwa ein Rüttelwerk auf eine Unterlage
gestreut. Durch ein Magnetfeld unter der Oberfläche der Unterlage, realisiert
etwa durch eine oder mehrere stromdurchflossene Spulen, können die
Stäbchen sowohl
ausgerichtet werden; sie können
insbesondere auch festgehalten werden. Die so ausgerichteten und
gehaltenen Stäbchen
können
auf eine mit einem Kleber versehene Oberfläche übertragen werden. Dadurch kann
dann eine strukturierte Abschirmschicht nach den elektrotechnischen
Erfordernissen hergestellt werden. Diese Schicht kann dann mit dem eigentlichen
Smart Label zusammenlaminiert werden.
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Nach
der Lehre der Erfindung sind folgende Merkmale entscheidend:
Verwendung
eines hochpermeablen, zweckmäßigerweise
in Form dünner,
schmaler Streifen vorliegenden Abschirmmaterials.
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Ausrichtung
des länglichen,
hochpermeablen Abschirmmaterials mittels eines Magnetfeldes, das
der Struktur der abzuschirmenden Flachspule entspricht.
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Übertragen
der festgehaltenen Stäbchen
auf das abzuschirmende Substrat des Labels.
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Fixieren
der durch das Magnetfeld definierten Anordnung der Abschirmstreifen
mittels eines im wesentlichen organischen Klebers.
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Aus
der Drucktechnik sind dem Fachmann Verfahren bekannt, die sich die
magnetischen Eigenschaften von Toner-Pulvern sowie deren Übertrag mittels
magnetischer Kräfte
zunutze machen. Dieses Verfahren wird als Magnetografie bezeichnet.
Dabei wird beispielsweise über sehr
kleine Magnetköpfe eine
Trommeloberfläche
bildmäßig magnetisisert. Diese
magnetisierten Stellen sind in der Lage, Tonerteilchen zu halten
und auf ein geeignetes Substrat, in aller Regel Papier, zu übertragen.
Eine ausführliche Beschreibung
derartiger Verfahren ist beispielsweise gegeben in: [W. Hülsbusch,
Verlag Hülsbusch,
Konstanz 1990]. Derartige Verfahren haben jedoch das vorrangige
Ziel, graphische Bilder, Texte zu übertragen; sie sind daher auf
Tonergrößen von
5...50 μm, und
zwar in aller Regel nahezu sphärische
Toner-Kügelchen
ausgelegt. Die selektive Magnetisierung der Übertragungs-Tommel erfolgt
durch sehr kleine, der erforderlichen Druck-Auflösung angepaßte Magnet-Köpfe, oder
auch durch die im wesentlichen thermische Entmagnetisierung mittels
lokaler, durch die Bildvorlage definierte Bestrahlung der Trommel
mittels intensivem Laserlicht, das die Trommel lokal über den
Curie-Punkt des Magnetmaterials erwärmt und damit entmagnetisiert.
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Im
Gegensatz zu dieser Bild-erzeugenden Magnetografie steht bei dem
hier beschriebenen Verfahren die magnetisch unterstützte Übertragung
von länglichen
Teilchen mit den oben angegebenen Abmessungen im Vordergrund. Deshalb
sollen keine kleinen, lediglich dem Halten dienenden lokalen magnetisierten
Bereiche eingesetzt werden; vielmehr soll die Magnetisierung derart
gerichtet erfolgen, dass sich die zu übertragenden Stäbchen in
der gewünschten
Ausrichtung an die Trommel anlagern. Diese Ausrichtung erfolgt in
der bekannten Weise durch die Energieminimierung, das heißt die Ausrichtung
der permeablen Stäbchen
als möglichst
kurze Verbindung zwischen einem magnetischen Nord- und Südpol.
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Eine
zweckmäßige Anordnung
sieht daher vor, eine mit den üblichen
Methoden der Magnetfelderzeugung (Spule, magnetisch weiches Eisen
als Polschuhe usw.) definierte, der Flachspule des Labels entprechende
Struktur zu schaffen, durch ein Substrat abzudecken, mit den erwähnten Stäbchen möglichst
ein-lagig zu beschichten, und diese ausgerichtete Struktur auf das
abzuschirmende Substrat nach den Erfordernissen der Elektrotechnik
zu übertragen.
Die zweckmäßigste,
aber nicht ausschließliche
Form ist diejenige einer Trommel, die einen schnellen rotatorischen
Prozeß ermöglicht.
Die damit zusammenhängenden
Randbedingungen wie Reinigen der Trommel mittels Rakel, Oberflächenschutz gegen
Verkratzen, usw. sind dem Fachmann vertraut.
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Auch
die Ausgestaltung der haltenden und orientierenden Magentfelder
mittels einer oder mehrerer stromdurchflossener Spulen ist lediglich
ein besonders günstiges
Merkmal, weil damit eine beliebiges Ein- und Ausschalten möglich wird.
Ausdrücklich sei
auch auf den Ersatz dieser Elektromagnete durch Permanentmagnete
hingewiesen; das Ein- und Ausschalten erfolgt in diesem Fall durch
Variation des Abstandes zwischen Halte- bzw. Orientierungsmagnet
und dem die zu übertragenden
Teilchen tragende Oberfläche
der Trommel.
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Ausgehend
von diesen Merkmalen sind zahlreiche Ausgestaltungen möglich.
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So
kann insbesondere die Beschichtung auf einer separaten Folie erfolgen,
die nach ihrer Fertigstellung mit dem eigentlichen Transponder zum
fertigen Smart Label verbunden wird.
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Ebenfalls
möglich
ist das Ausbringen der Abschirmstruktur auf ein „Druckwerkzeug", beispielsweise
eine rotierende Trommel und Übertrag
auf das eigentliche Substrat, hier also das abzuschirmende Smart
Label. Die Ausrichtung soll mittels in der Trommel angeordneter
magnetischer Felder (stromdurchflossene Spule oder auch Permanentmagnete)
erfolgen.
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Übertrag
erfolgt durch Abschalten des Stroms dieser Spule beim Auftreffen
der geordnet gehaltenen Partikel auf dem Kleber-beschichteten Substrat.
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Zur
Verbesserung der Wirkung der Abschirmung ist es möglich und
eventuell zweckmäßig, mehrere
diese Schichten übereinander
anzuordnen. Die gegenseitige Lage soll justiert sein; am einfachsten kann
dies durch die Erzeugung zweier solcher Schichten auf der Vorder-
und Rückseite
eines Substrates erfolgen. Dadurch wird mindestens eine derartige
Schicht mit einer weiteren solchen Schicht derart verbunden, dass
sich eine möglichst
gute transversale magnetische Leitung einstellt
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Alle
diese Verfahren sind geeignet, extrem dünne Abschirmschichten hoher
Effizienz bei geringen induktiven Verlusten herzustellen. Bei einer
mittleren Permeabilität
von 900 in der transversalen Richtung und einer geometrischen Dicke
von typisch 0,1 mm sind damit Smart Labels möglich, die auch in unmittelbaren
Kontakt mit einer Metalloberfläche
einen effektiven Abstand von über
3 mm einhalten; dies genügt
für einen
Betrieb der Label auf dem Metall.
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Die
permeable Abschirmschicht verändert die
Selbstinduktivität
der Flachspule des Transponders. Da die Abschirmschicht jedoch fest
mit dem Label verbunden ist, kann die dadurch resultierende Verstimmung
des Schwingkreises durch eine Anpassung der Induktivität, also
der windungszahl beziehungsweise -fläche kompensiert werden.
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Das
hier skizzierte Verfahren dient primär zur Verbesserung der Abschirmung
eines im Frequenzbereich von typisch 100 kHz.. 100 MHz betriebenen Smart
Labels.
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Die
gerichtete Abschirmung kann ebenso vorteilhaft verwendet werden,
um Label bei höheren Frequenzen
gegen die Unterlage abzuschirmen. Insbesondere werden Smart Label
bei 868 MHz, bei 2,45 GHz und auch höheren Frequenzen betrieben. Die
Kopplung zur Basisstation erfolgt bei diesen hohen Frequenzen nicht
mehr nach dem Prinzip des Transformators, sondern mittels eines
elektrischen Dipols, der an die Wellenlänge angepasst ist. Ebenfalls
gebräuchlich
und in aller Regel vorteilhaft (Impedanz und Schutz des Eingangs
des Schaltkreises) ist die zum offenen Dipol inverse Anordnung (Schlitzantenne)
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Auch
hier ist die Einhaltung eines effektiv vergrößerten Abstandes zu einer metallischen
mittels einer hochpermeablen Abschirmschicht, die nach den oben
aufgezählten
Grundsätzen
justiert und auf das Substrat übertragen
und/oder fixiert wird, möglich
und vorteilhaft. Auch dafür
sind neuerdings hochpermable Materialien verfügbar, deren vorteilhafte magnetische
Eigenschaften bin in den Ghz-Bereich reichen.
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Des
weiteren ist die magnetische Anordnung, Übertragung, Fixierung von länglichen
hochpermeablen Partikeln über
die hier angesprochene Smart Label-Anwendung hinaus auch in anderen Breichen
der Elektrotechnik vorteilhaft. Beispiele sind etwa miniaturisierte
Transformatoren, flache Transformatoren im Rahmen einer LMD-Technik
(Laminate Mounted Devices), sowie extrem flache Ferritantennen etwa
für Rundfunkantennen
und viele weitere Einsatzgebiete.
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Literatur
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- Finkenzeller, Klaus: RFID-Handbuch, 3. Auflage; 2002 Carl
Hanser-Verlag, München;
ISBN 3-446-22071-2
- Hülsbusch,
Werner: Der Laser in der Druckindustrie; 1990 Verlag W. Hülsbusch,
Konstanz; ISBN 3-980-2643-0-0
- Plettner, Andreas: Einrichtung zur Abschirmung eines Transponders,
sowie.. Patentanmeldung Az: 101 49 12603