DE19848833C1 - Transpondervorrichtung mit einer Einrichtung zum Schutz vor elektromagnetischen Störfeldern - Google Patents

Abstract

Eine Transpondervorrichtung besteht aus einem Schaltungschip, der eine integrierte Schaltung aufweist, die einen Transponderschaltkreis definiert, und einem Trägersubstrat, das den Schaltungschip trägt und auf dem eine mit Anschlüssen des Schaltungschips verbundene Antennenmetallisierung zur Energieversorgung und Datenübertragung angeordnet ist. Eine Schutzeinrichtung zum Schutz des Transponderschaltkreises vor elektromagnetischen Störfeldern ist auf dem Trägersubstrat vorgesehen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Transponder­ vorrichtung mit einer Einrichtung zum Schutz vor elektroma­ gnetischen Störfeldern und insbesondere eine Transpondervor­ richtung, die einen Schaltungschip aufweist, der auf einem Trägersubstrat, auf dem eine Antennenmetallisierung vorgese­ hen ist, aufgebracht ist.

Seit der Entwicklung extrem energiesparender Schaltungstech­ niken, beispielsweise unter Verwendung der CMOS-Technologie, sind für die Ausführung von logischen Funktionen nur sehr geringe Energiemengen nötig. Dies ermöglicht die Realisie­ rung sogenannter Transponder, deren physikalische Grundlage die kontaktlose Energie- und Daten-Übertragung ist. Seit der Einführung der Planartechnik ist bekannt, daß für integrier­ te Schaltkreise lediglich der oberste Bereich des halblei­ tenden Siliziumsubstrats relevant und erforderlich ist. Die Kombination von Transpondertechnik und Planartechnik führt zu extrem dünnen Transponderschaltkreisen, die in umweltver­ trägliche Trägermaterialien, wie Papier oder Kunststoff, eingebettet werden können. Aufgrund der geringen Dicke sind mit den üblichen Verfahren der Papiertechnik herstellbare Aufkleber, Karten, Etiketten, usw. realisierbar, die sich rein äußerlich kaum von herkömmlichen Etiketten, die keine integrierte Transponderschaltung aufweisen, unterscheiden. Aufgrund der mechanischen Kompatibilität ist eine parallele Verwendung von konventionellen Etiketten und Transponder­ etiketten möglich. Einsatzgebiete für solche Etiketten sind beispielsweise Tickets, Gepäckaufkleber, Identifikationssy­ steme und ganz allgemein "elektronisches Papier".

Es ist bekannt, in kontaktlosen Chipkarten Transponder ein­ zusetzen, die üblicherweise mittels Hochfrequenz kommunizie­ ren. Dies geschieht vorzugsweise durch eine induktive An­ kopplung an ein Lese- bzw. Schreib-Lese-Gerät. Das vom Lese- bzw. Schreib-Lese-Gerät generierte Feld erzeugt in der Emp­ fangsspule des Transponders eine Hochfrequenzspannung, die einerseits zur internen Spannungserzeugung auf dem Chip gleichgerichtet wird und andererseits durch ihre Phasen- oder Frequenz-Lage zur Signalübertragung dient. Die Rück­ übertragung der Daten vom Transponder zum Lese- bzw. Schreib-Lese-Gerät erfolgt in den meisten Fällen über eine Dämpfungsmodulation des Hochfrequenzfeldes. Bei "aktiven" Ausführungen kann ein zusätzlicher Hochfrequenzsender vorge­ sehen sein, der seine Energie aus dem Hochfrequenzfeld des Lese- bzw. Schreib-Lese-Geräts gewinnt. Bei reinen Identi­ fikationssystemen ist ein nichtflüchtiger Speicher, bei­ spielsweise ein ROM, ein EEPROM oder ein FRAM, auf dem Bau­ stein vorgesehen, während Telemetriesysteme statt des Spei­ chers oder auch parallel dazu einen oder mehrere Sensoren aufweisen.

Die Antenne kann kapazitiv mit dem Lese- bzw. Schreib-Lese- Gerät gekoppelt sein, ist jedoch in den meisten Fällen in­ duktiv mit demselben gekoppelt. Induktive Antennen bestehen in aller Regel aus Flachspulen, deren Fläche etwa 40 cm², bei einem Chipkartenformat ISO 7810ff, oder auch weniger beträgt. Für die Hochfrequenzübertragung sind verschiedene postalische Hochfrequenzbestimmungen zu beachten, die neben den benutzbaren Frequenzbändern vor allem auch die Obergren­ ze der Strahlungsleistung definieren. In technischen Anlagen und abgeschirmten Bereichen gelten diese Obergrenzen jedoch nur begrenzt. Dies gilt auch für Lesegeräte und vor allem auch für Schreibgeräte, bei denen die Chipkarte in einen Leseschlitz eingeführt wird, der unter anderem der Hochfre­ quenzkapselung dient. Weitere Beispiele für Anwendungsgebie­ te, bei denen eine Hochfrequenzkapselung vorliegt, sind bei­ spielsweise metallisch geschirmte Gepäck-Sortier-Tunnel.

Transponder der oben beschriebenen Art müssen sehr empfind­ lich sein, um eine Übertragung über eine ausreichende Reich­ weite erzielen zu können. Andererseits muß der Transponder jedoch auch große Feldstärken verarbeiten können, wie sie bei einem Quasi-Kontakt mit einem Lese- oder Schreib-Gerät auftreten. Somit ergeben sich trotz einer entsprechenden Auslegung der Basisstation bzw. Anpassungsregelungen dersel­ ben sehr große Pegeldifferenzen von weit über 100 dB, die verarbeitet werden können. Diese Anforderungen werden in den kommenden Jahren dadurch verstärkt, daß Transponder mit Schaltkreisen entwickelt werden, die mit ultrageringer Lei­ stung arbeiten, die eine Arbeitsspannung von nur noch 1,7 V verwenden.

Neben der stark schwankenden Feldstärke der Basisstation muß der Transponder insbesondere auch gegen transiente elektro­ magnetische Störfelder, d. h. ESD-Belastungen (ESD = electro­ static discharge = elektrostatische Entladung) geschützt werden. Eine solche ESD-Belastung kann beispielsweise durch Anfahrströme bei elektrischen Bahnen, Radarpulse im Flugha­ fenbereich oder starke Rundfunksender bzw. Richtstrahler er­ zeugt werden. Überdies kann eine elektrostatische Entladung durch Blitzschläge, Überschläge in der Umgebung oder eine elektrostatische Aufladung bewirkt werden. Darüberhinaus kann eine ESD-Belastung während der Herstellung durch Hoch­ frequenzsender in den Herstellungsgeräten bewirkt werden, z. B. durch verschiedene Meßvorgänge oder im Extremfall durch eine Mikrowellentrocknung. Eine elektrostatische Aufladung bei der Fertigung kann ferner bei der Abwicklung von in Kunststoff oder Papier eingebetteten Transpondern von Rollen erzeugt werden.

Es ist bekannt, ESD-Schutzvorrichtungen bei kontaktlosen Chipkarten vorzusehen, die in der Integration von antiparal­ lelen Diodenstrecken zwischen den Eingängen oder zwischen Eingang und Versorgungsspannung der integrierten Schaltung der Chipkarte bestehen. Dabei werden ganz allgemein Bauele­ mente oder Bauelemente-Kombinationen mit einer stark nicht­ linearen Strom-Spannungskennlinie eingesetzt, die die Über­ spannung ableiten. Die abgeleitete Energie kann in einen Wi­ derstand geleitet oder auch in einen Kondensator zwischenge­ speichert werden. Diese Bauelemente haben einen nicht gerin­ gen Platzbedarf, wobei eine Induktivität zur Reduzierung transienter Spannungsspitzen aus geometrischen Gründen auf dem Schaltungschip ohnedies nicht realisiert werden kann.

Solche Konzepte, bei denen ESD-Schutzvorrichtungen auf dem Schaltungschip angeordnet sind, sind bekannt und realisiert. Bei solchen Schutz-Bauelementen wird die Störenergie in Wär­ me umgesetzt. Die Wärmekapazität eines dünnen Schaltungs­ chips für eine Transpondervorrichtung ist aufgrund der ge­ ringen Masse entsprechend gering. Bei einer typischen Fläche von einem Quadratmillimeter und einer Dicke von 10 µm des Schaltungschips bei einer spezifischen Wärmekapazität von k = 0,7 J/g/K ergibt sich eine Wärmekapazität des Schaltungs­ chips von c = V × ϕ × κ = 17 µWsek/K. Rechnerisch ergibt sich somit bei einer Einstrahlung von 1 mW ein Temperaturan­ stieg von ca. 60 K/sek. Die Entwärmung in die Umgebung ist durch den Einbau in Kunststoff bzw. Papier nicht sehr effi­ zient, da die Wärmeleitung dieser Stoffe relativ gering ist. Ein weiterer Nachteil der bekannten Schutzvorrichtungen ist der nicht geringe Flächenbedarf, den die Schutzelemente auf dem Schaltungschip, d. h. der integrierten Schaltung, benöti­ gen. Gerade bei extrem preisgünstigen integrierten Schaltun­ gen für Wegwerfanwendungen fällt dieser Flächenbedarf ins Gewicht.

Die DE 196 14 914 A1 bezieht sich auf eine Transponderanord­ nung, bei der ein zuverlässiger Schutz gegen Schäden durch elektrostatische Aufladung ohne aufwendige Schutzbeschaltung des Transponderschaltkreises realisiert werden soll. Dazu ist eine Folie aus einem hochohmigen leitfähigen Material vorgesehen, mit der der Schaltkreis zumindest in zwischen Kontaktpunkten des Schaltkreises liegenden Bereichen be­ schichtet ist. Dieses hochohmige leitfähige Material soll so gut leitfähig sein, daß eine elektrostatische Aufladung zu­ verlässig vermieden wird, andererseits jedoch so hochohmig sein, daß die Antennennutzsignale nicht nennenswert beein­ trächtigt werden.

Die DE 197 13 949 A1 bezieht sich auf ein Gehäuseteil mit Schirmwirkung für Funkgeräte, wobei in das betreffende Ge­ häuseteil ein Drahtgewebe eingegossen ist.

Ferner beschreibt die GB 2235609 A eine Anordnung zum Deak­ tivieren der Resonanzschaltung eines elektronischen Eti­ ketts. Das in dieser Schrift beschriebene elektronische Eti­ kett besitzt jedoch keinen Schaltungschip, der vor einer ESD-Entladung geschützt werden müßte, da das Etikett ledig­ lich eine Resonanzschaltung, die aus einer Spule besteht, aufweist. Um eine Deaktivierung der Resonanzschaltung zu be­ wirken, lehrt die GB 2235609 A das Vorsehen eines Nicht-Lei­ ters, der mit Kupferpulver versetzt ist, über den Spulenlei­ tungen, so daß durch die Zufuhr einer hohen Energie ein thermischer Durchbruch bewirkt werden kann, der den ur­ sprünglichen Nicht-Leiter bleibend leitend macht. Dadurch werden die Spulenwindungen kurzgeschlossen, so daß die Spule nicht mehr in Resonanz geraten kann, wodurch eine bleibende Deaktivierung des Resonanzkreises bewirkt wird. Im Hinblick auf einen Schutz vor einer elektrostatischen Entladung wäh­ rend der Herstellung des elektronischen Etiketts lehrt diese Schrift lediglich, den Deaktivatorstreifen in beabstandete Abschnitte zu trennen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine möglichst wirksame und einfache Möglichkeit zur Reali­ sierung eines ESD-Schutzes für eine Transpondervorrichtung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine Transpondervorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Realisierung von Schutzstrukturen für einen induktiven oder kapazitiven Transponder, wobei die Schutzstruktur nicht auf der inte­ grierten Schaltung, d. h. dem Schaltungschip, sondern extern an den peripheren, der Energieversorgung und Datenübertra­ gung dienenden Antennenbeschaltung angebracht ist. Die vor­ liegende Erfindung umfaßt dabei sowohl induktive als auch kapazitive Transponder. Als Schutzstrukturen dienen vorzugs­ weise ein oder mehrere Bauelemente, die eine im wesentlichen durch die Metallurgie und/oder das Herstellungsverfahren de­ finierte uni- oder bidirektionale Schwellenspannung besit­ zen, über der eine deutlich erhöhte Stromleitfähigkeit ein­ setzt. Dabei können die Schutzelemente im wesentlichen groß­ flächig über mehrere Windungen oder bei Verwendung einer Spulenmetallisierung beiden Spulenenden angeordnet sein. Diese Schutzelemente können somit auf einem mittels einfa­ cher Siliziumtechnik gefertigten dünnen Halbleitersubstraten realisiert sein und ohne spezielle Justage nach dem Zufalls­ prinzip mit der Spule verbunden werden. Die Schutzelemente können beispielsweise mittels aus der Dünnfilmtransistor­ technik bekannten Verfahren unter Verwendung von Niedertem­ peraturprozessen hergestellt werden.

Dabei dient erfindungsgemäß eine halbleitende Schicht als Schutzeinrichtung. Als halbleitende Schutzschicht kommt da­ bei eine II-VI-Verbindung, wie beispielsweise Zinkoxid, in Betracht. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann als Schutz­ schicht ein elektrisch leitendes, organisches Polymer ver­ wendet werden. Die für die elektrische Ankopplung der Schutzschichten erforderlichen Kontaktschichten, Diffu­ sionsbarrieren bzw. Haftschichten werden zwischen dem Anten­ nenmaterial und der jeweiligen Schutzschicht aufgebracht.

Besteht die Antenne aus Kupfer kann überdies vorzugsweise eine Kupferoxidschicht auf der Kupfermetallisierung gebildet werden, die dann als halbleitendes Material für eine ESD-Si­ cherung dient. Ein solches Kupferoxid kann auch erzeugt wer­ den, wenn ein kupferbeschichtetes Aluminium als Spulenmate­ rial verwendet wird. Hierfür geeignete Materialien sind Kup­ fer-Chalkogenid-Verbindungen, beispielsweise Cu₂O, CuS, CuSe, CuTe und insbesondere das aus der Solarzellentechnik bekannte CuInSe₂ oder CuGa_xIn_x-1Se₂.

Erfindungsgemäß kann über der halbleitenden Schicht vorzugs­ weise eine weitere Metallisierung vorgesehen sein, um die Schutzeinrichtung zu realisieren. Diese Metallisierung kann bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung durch eine bei einer Verwendung einer Spule ohnehin vorliegende Überbrückungsmetallisierung gebildet sein. Dadurch ist zur Realisierung der ESD-Schutzvorrichtung ein noch geringerer Aufwand notwendig.

Ferner kann ein Belag mit Induktivitäts-erhöhenden Eigen­ schaften auf der Spulenmetallisierung abgeschieden werden, um auftretende Spannungsspitzen bei transienten Stromanstie­ gen zu dämpfen.

Die vorliegende Erfindung liefert eine Reihe von Vorteilen. Insbesondere ist aufgrund der Großflächigkeit der Schutz­ elemente, die dadurch möglich ist, daß die Schutzelemente auf dem Trägersubstrat angeordnet sind, eine bessere Ent­ wärmung aus den Schutzstrukturen möglich. Ferner wird keine für die elektrische Funktion der Transponderschaltkreise wertvolle Chipfläche des Schaltungschips verbraucht. Über­ dies sind die Schutzstrukturen erfindungsgemäß mit relativ einfachen Verfahren, vor allem auch mittels unpräziser Schichtabscheideverfahren realisierbar. Die Schutzelemente können darüberhinaus unabhängig von der Chipherstellung als integraler Bestandteil des antennentragenden Substrats ge­ fertigt werden. Somit ermöglicht die vorliegende Erfindung eine größere Flexibilität hinsichtlich der Verwendung ande­ rer Chips bzw. eines Redesigns.

Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den ab­ hängigen Ansprüchen dargelegt.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich­ nungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Querschnittansicht einer Trans­ pondervorrichtung, bei der die vorliegende Erfin­ dung realisiert sein kann;

Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Grundsätze der Erfindung;

Fig. 3A, 3B und 3C schematische Darstellungen zur Erläute­ rung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung; und

Fig. 5A und 5B eine schematische Draufsicht bzw. eine sche­ matische Querschnittansicht zur Erläuterung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine Transpondervorrichtung dargestellt, bei der ein Schaltungschip 2 in einer Ausnehmung eines Träger­ substrats 4 angeordnet ist. Der Schaltungschip 2 weist zwei Anschlußflächen 6 und 8 auf. Auf dem Trägersubstrat 4 ist eine Antennenmetallisierung 10 in der Form einer Spule vor­ gesehen. Die Antennenmetallisierung 10 besitzt ein erstes Anschlußende 12 und ein zweites Anschlußende 14. Das erste Anschlußende 12 ist über eine Verbindungsmetallisierung 16 mit der ersten Anschlußfläche 6 des Schaltungschips 2 ver­ bunden. Das zweite Anschlußende 14 ist über eine Über­ brückungsmetallisierung 18 mit dem zweiten Anschlußende 8 des Schaltungschips 2 verbunden. Zwischen der Verbindungs­ metallisierung 16 und dem Schaltungschip 2 bzw. dem Träger­ substrat 4 ist eine Isolationsschicht 20 vorgesehen, die op­ tional ist, d. h. fehlen kann, wenn eine Isolation der Ver­ bindungsmetallisierung 16 von dem Schaltungschip 2 nicht er­ forderlich ist. Die Überbrückungsmetallisierung 18 muß je­ doch zwangsweise von den unter derselben angeordneten Spu­ lenwindungen 22 isoliert sein. Dies geschieht durch eine Isolationsschicht 24.

Die in Fig. 1 dargestellte Flachspule 10 mit einer Indukti­ vität von einigen µH besteht, je nach umschreibbarer Fläche und Arbeitsfrequenz aus mehreren Windungen, üblicherweise zwischen 4 und 10 Windungen bei einer Arbeitsfrequenz von 13 MHz. Um eine hohe Spulengüte zu erreichen, wird als Material vorzugsweise Aluminium oder Kupfer verwendet. Eine typische Flachspule besteht aus einem ca. 5 µm dicken, strukturierten Kupfer mit einer Leiterbahnbreite von 0,3 bis 1 mm. Der ge­ genseitige Abstand der Leiterbahnen liegt ebenfalls in einem Bereich von 0,3 bis 1 mm.

Bezugnehmend auf Fig. 2 werden nun die Grundsätze der Erfin­ dung erläutert. In Fig. 2 ist eine Spulenmetallisierung 30 spiralförmig dargestellt, wobei diese Spiralform jedoch in keiner Weise eine Einschränkung darstellt. Wesentlich ist, daß die Spulenmetallisierung 30 auf dem Trägersubstrat einer Transpondervorrichtung angebracht ist. Zwischen Windungen der Spulenmetallisierung 30 sind nun Schutzeinrichtungen 32 vorgesehen, die eine definierte unidirektionale oder bidi­ rektionale Schwellenspannung aufweisen, über der eine deut­ lich erhöhte Stromleitfähigkeit einsetzt. Hierzu dienen als Schutzeinrichtungen vorzugsweise Dioden.

Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen besteht, wie in dem vergrößerten Teil der Fig. 2 dargestellt ist, jede Schutz­ einrichtung 32 aus einem Paar antiparallel verschalteter Dioden 34 und 36. Die Schutzeinrichtungen 32 sind zumindest zwischen Bereichen, die benachbart zu den Enden der Spulen­ metallisierung sind, vorgesehen. Jedoch können, wie eben­ falls in Fig. 2 zu sehen ist, auch zwischen Einzelwindungen und prinzipiell auch zwischen allen Windungen Schutzvorrich­ tungen vorgesehen sein.

Im folgenden werden nun Möglichkeiten beschrieben, die die Schutzeinrichtungen möglichst preisgünstig im Rahmen der Spulenherstellung bzw. allgemein bei der Fertigung des Transponders realisiert werden können.

Eine erste Möglichkeit besteht im Aufkleben von separat und mit einfachen Mitteln gefertigten Siliziumdioden, die mit­ tels eines leitfähigen Klebers elektrisch mit dem Metall der Spulenwindungen verbunden werden. Hierzu können in vorzugs­ weise dünnem Silizium großflächige Dioden realisiert werden und mittels einer ebenfalls anspruchslosen, weil relativ un­ präzisen Kontaktiertechnik über die Windungen gelegt und elektrisch verbunden werden. Zu diesem Zweck können schmale Siliziumbändchen einer Breite von 500 bis 1000 µm erzeugt werden, in denen eine Vielzahl von Diodenstrecken mit perio­ disch/rasterförmig angeordneten großflächigen Kontakten ent­ halten ist, wobei die Kontakte beispielsweise einen Durch­ messer von 30 bis 100 µm aufweisen. Solche Siliziumbändchen können ohne aufwendige Justage über die Windungen gelegt und mit einem Leitkleber oder einem anisotropen Leitkleber mit dem Metall der Flachspulen-Windungen verbunden werden. Eine oder mehrere der Diodenstrecken stellen dann eine ab der Durchlaßspannung leitende Verbindung her, die einen Span­ nungsanstieg über eine durch die Ausgestaltung der Dioden­ anordnung, d. h. die Anzahl der antiparallelen Dioden pro Strecke, definierte Einsatzspannung verhindert. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein weiteres elektronisches Bauteil in Form der Dioden bzw. des Diodenrasters notwendig. Jedoch können diese Diodenanordnungen mit sehr geringem Aufwand, vergleichsweise geringer Präzision und mit wenigen Masken­ schritten gefertigt werden.

Alternativ können die diodenartigen Verbindungen erfindungs­ gemäß durch das Aufbringen einer halbleitenden Schicht zu­ mindest auf Bereiche der Antennenmetallisierung realisiert werden. Vorzugsweise kann dann über der halbleitenden Schicht eine weitere Metallisierungsschicht vorgesehen wer­ den.

Bei einem ersten Ausführungsbeispiel, bei dem die Schutz­ einrichtung durch eine halbleitende Schicht gebildet ist, kann diese halbleitende Schicht durch das Aufsputtern von Silizium auf das die Flachspule tragende Substrat realisiert sein. Das durch das Aufsputtern oder auch durch andere Pro­ zesse aufgebrachte Silizium ist jedoch mikrokristallin oder amorph. Es ist jedoch möglich, durch die geeignete Wahl der Abscheidparameter die für eine erforderliche Leitfähigkeit benötigte Kristallitgröße in gewissen Grenzen einzustellen. Insbesondere kann durch eine transiente Laserbetrahlung die Kristallitgröße und damit die Elektronenleitfähigkeit erhöht werden. Somit kann eine solche Halbleiterschicht als eine Schutzvorrichtung mit diodenartiger Wirkung verwendet wer­ den.

Ein Beispiel für eine derartige Schutzeinrichtung ist in Fig. 3A gezeigt. Bei dem in Fig. 3A gezeigten Beispiel ist über der rechten Hälfte einer auf einem Trägersubstrat 40 angeordneten Spulenmetallisierung 38 eine halbleitende Schicht 50 aufgebracht. Weisen die einzelnen Leiterbahnen der Spulenmetallisierung 38 einen ausreichend geringen Ab­ stand voneinander auf, beispielsweise weniger als 100 µm, so kann bereits das zwischen den einzelnen Leiterbahnen ange­ ordnete halbleitende Material der halbleitenden Schicht 50 eine diodenartige Verbindung zwischen den einzelnen Leiter­ bahnen bewirken. Dieser Fall ist in Fig. 3B dargestellt, in der eine Querschnittdarstellung des bei 52 in Fig. 3A ge­ zeigten Bereichs dargestellt ist. In Fig. 3C hingegen ist der Fall dargestellt, in dem die einzelnen Leiterbahnen der Spulenmetallisierung eine solche Beabstandung voneinander aufweisen, das eine diodenartige Verbindung durch das zwi­ schen denselben angeordnete halbleitende Material nicht mehr möglich ist. In diesem Fall ist über der halbleitenden Schicht 50 eine Metallschicht 54 vorgesehen, so daß jeweils zwischen der unteren Oberfläche der Metallschicht 54 und der Oberseite der einzelnen Leiterbahnen der Spulenmetallisie­ rung 38 diodenartige Verbindungen bewirkt werden.

In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, um zu veranschaulichen, in welchem Bereich ein halbleitendes Material auf die Spulenmetallisierung 38 aufgebracht werden kann. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine Schicht 60 aus einem halbleitenden Material lediglich in einem Bereich zwi­ schen den beiden Anschlußenden 62 und 64 der Spulenmetalli­ sierung 38 angeordnet. Wiederum kann dieses halbleitende Ma­ terial 60 nun eine direkte diodenartige Verbindung realisie­ ren oder zusammen mit einer Metallschicht, die auf das halb­ leitende Material aufgebracht ist, als solche wirksam sein.

Alternativ ist auch die Implementierung von pn-Übergängen möglich, wobei sich zur Realisierung solcher pn-Übergänge insbesondere Dünnfilmtransistortechniken eignen. Solche Dünnfilmtransistortechniken sind insbesondere im Zusammen­ hang mit AM-FPD (Activ Matrix Flat Panel Display) bekannt, wobei es dort auf möglichst niedrige maximale Prozeßtempe­ raturen ankommt. Unter Verwendung der aus der Dünnfilmtran­ sistortechnik bekannten Technologien können in einer auf das die Antenne tragende Substrat aufgebrachten Schicht aus Si­ lizium oder einem anderen Halbleiter Dioden hergestellt wer­ den, die die Schutzeinrichtungen darstellen.

Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann die halbleitende Schicht aus Zinkoxid bestehen. Die halbleitende Wirkung von Zinkoxid beruht auf der feldabhängigen Ausbildung bzw. Ver­ schiebung von Raumladungszonen an den internen Grenzen der mikrokristallinen Struktur des geeignet abgeschiedenen Zink­ oxids, ZnO. Ab einer definierten Feldstärke bzw. einem defi­ nierten Spannungsabfall zwischen den Korngrenzen der mikro­ kristallinen ZnO-Verbindung beginnt diese leitfähig zu wer­ den. Dieser Effekt findet beispielsweise in Überspannungs­ schutz-Bauelementen oder Varistoren technische Anwendung. Erfindungsgemäß kann nun über geeigneten Bereichen der Flachspule auf dem Trägersubstrat eine elektrisch mit den Windungen oder zumindest mit den Enden der Spule verbundene ZnO-Schicht abgeschieden werden, die Überspannungen ableiten kann. Diese Schicht kann zusätzlich dotiert sein. Sie kann ferner hinsichtlich ihres internen Aufbaus, d. h. der Kri­ stallitgröße, der Segregation von Fremdelementen an den Korngrenzen, usw., derart modifiziert sein, daß die von der integrierten Schaltung, d. h. der Transponderelektronik auf dem Schaltungschip, tolerierte Eingangsspannung nicht über­ schritten wird. Abhängig von der Beabstandung der einzelnen Leiterbahnen der Antennenmetallisierung kann diese ZnO- Schicht allein als Schutzeinrichtung ausreichen. Alternativ kann wiederum eine Metallschicht über der ZnO-Schicht ange­ ordnet werden.

Die halbleitende Schicht kann ferner durch einen organischen Halbleiter, der zwischen bzw. über den Windungen der Flach­ spule angeordnet wird, realisiert sein. Solche halbleitenden Polymere können ebenfalls als überspannungsableitende, kurz­ schließende Schutzschicht verwendet werden. Das elektrische Verhalten organischer Halbleiter, d. h. deren Leitfähigkeit und Ladungsträgerbeweglichkeit, ist für Logik- bzw. Verstär­ kerschaltungen nicht ausreichend, kann aber für großflächige Anwendungen, wie sie die Schutzdioden bei der erfindungsge­ mäßen Schutzeinrichtung darstellen, ausgenutzt werden. Orga­ nische halbleitende Materialien sind vorteilhaft dahinge­ hend, daß dieselben mittels anspruchsloser Druckverfahren oder ähnlichen Beschichtungsmethoden aufgebracht werden kön­ nen.

Bei einem wiederum alternativen Ausführungsbeispiel der vor­ liegenden Erfindung können die metallurgischen Gegebenheiten des Spulenmaterials ausgenutzt werden, wenn als Spulenmate­ rial Kupfer verwendet ist. Dieses wird vorzugsweise auflami­ niert oder im Vakuum aufgedampft. Insbesondere aufgedampftes Kupfer kann in metallurgisch hochreinen, dünnen Schichten hoher Gleichmäßigkeit auf Substrate mit glatter Oberfläche, beispielsweise bestehend aus Polyester oder Polyimid, aber auch auf Papier aufgebracht werden. Es ist bekannt, daß Kup­ feroxid (Cu₂O, "Kupferoxydul"), halbleitende Eigenschaften besitzt, wobei extrem dünne Cu₂O-Schichten früher für Gleichrichterzwecke ausgenutzt wurden. Besser geeignet sind jedoch andere Verbindungen zwischen Kupfer und Chalkogeni­ den, insbesondere solche, bei denen Sauerstoff durch das chemisch analoge Selen ersetzt ist. Um die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung zu erzeugen, kann nun bei der Aufdampfung des Kupfers in der Oberflächennächsten Schicht nahezu stö­ chiometrisches CuInSe₂ erzeugt werden.

Um dieses CuInSe₂ zu erzeugen, kann beispielsweise ein Mehr­ strahl-Verdampfer-Verfahren verwendet werden, bei dem nach dem eigentlichen Aufdampfen der Kupferschicht ohne Unterbre­ chung des Vakuums eine dünne InSe- oder InGaSe-Schicht auf­ gedampft oder aus CVD-Quellen abgeschieden wird. Derartige Verfahren sind aus der Herstellung von CIS-Solarzellen be­ kannt. Diese Verfahren dienen dort zur Herstellung des halb­ leitenden CIS-Materials für effiziente mikrokristalline So­ larzellen. Jedoch liegen die Anforderungen bei der Verwen­ dung für Solarzellen wesentlich höher, da dort eine hohe Kristallit-Qualität und -Größe notwendig ist, um eine hohe Ladungsträger-Lebensdauer und damit eine effiziente Energie­ umwandlung zu erreichen.

Erfindungsgemäß können die aus Kupfer bestehenden Leiterbah­ nen der Antennenmetallisierung mit CIS beschichtet werden, um eine Schutzeinrichtung zu bilden. Vorzugsweise wird dann eine weitere Kupferschicht aufgedampft, die die Kathode der Diode der Schutzeinrichtung darstellt. Dabei erfolgt die Ausbildung eines qualitativ schlechten pn-Übergangs entweder während des Aufdampfprozesses, bei dem das Freiwerden der Verdampfungsenthalpie eine lokale Erwärmung mit sich bringt. Alternativ wird eine gesonderte transiente Temperaturbehand­ lung mittels Licht oder Laser durchgeführt. Ein weiteres Eingehen auf die aus der CIS-Solarzellentechnik bekannten Verfahren ist an dieser Stelle nicht notwendig. Anzumerken ist jedoch, daß die CIS-Technik bestrebt ist, eine möglichst hohe Minoritätsträger-Lebensdauer zur möglichst effizienten Trennung der durch die Lichtbestrahlung generierten Ladungs­ träger zu erreichen. Bei der erfindungsgemäßen Anwendung ist diese Lebensdauer vergleichsweise unwichtig, da eine kurze Ladungsträgerlebensdauer vielmehr die Schutzwirkung durch schnelleres Schalten der Diode beschleunigt.

Nachfolgend wird bezugnehmend auf die Fig. 5A und 5B darauf eingegangen, wie eine Schutzeinrichtung bei der in Fig. 1 dargestellten bekannten Transpondervorrichtung realisiert sein kann. Fig. 5A zeigt eine schematische Draufsicht eines Abschnitts der Transpondervorrichtung, wobei ein Schaltungs­ chip 100 mit Anschlußflächen 102 und 104, der auf oder teil­ weise in einem Trägersubstrat 106 (Fig. 5B) angeordnet ist, dargestellt ist. Auf dem Trägersubstrat 106 ist eine Spulen­ metallisierung 108 angeordnet, wobei ein erstes Anschlußende 110 der Spulenmetallisierung über eine Verbindungsmetalli­ sierung 112 mit der ersten Anschlußfläche 102 des Schal­ tungschips 100 verbunden ist. Ein zweites Anschlußende 114 der Spulenmetallisierung 108 ist über eine Überbrückungsme­ tallisierung 116 mit dem zweiten Anschluß 104 des Schal­ tungschips 100 verbunden. Durch die Überbrückungsmetallisie­ rung 116 müssen dabei die zwischen dem Schaltungschip 100 und dem zweiten Anschlußende 114 liegenden Spulenwindungen überbrückt werden.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Darstellung ist zwischen der Überbrückungsmetallisierung 18 und den überbrückten Windun­ gen 22 ein Isolator 24 angeordnet. Erfindungsgemäß wird nun zwischen den überbrückten Windungen und der Überbrückungs­ metallisierung 116 ein halbleitendes Material 118 angeord­ net, so daß entsprechend dem bezugnehmend auf Fig. 3C be­ schriebenen Ausführungsbeispiel eine Schutzeinrichtung rea­ lisiert wird, indem jeweils zwischen den überbrückten Leiterbahnen und der Überbrückungsmetallisierung 116 dioden­ artige Verbindungen erzeugt werden. Beim Auftreten einer Überspannung werden diese diodenartigen Verbindungen leitfä­ hig, so daß eine solche Überspannung nicht an den Anschlüs­ sen 102 und 104 des Schaltungschips 100 anliegt, sondern ab­ geleitet wird.

Es ist für Fachleute offensichtlich, daß durch eine geome­ trische Auslegung sichergestellt werden kann, daß die dio­ denartigen Verbindungen gemäß der vorliegenden Erfindung beispielsweise im wesentlichen zwischen zwei benachbarten Leiterbahnen wirken. Überdies kann durch die Fläche des Schichtbelags sowie die Materialgüte die parasitäre Dämp­ fungskapazität der Diodenstrecke jeweils in Grenzen an die elektrischen Erfordernisse angepaßt werden.

Neben der beschriebenen Ausgestaltung der Schutzeinrichtung kann es vorteilhaft sein, die Spulenmetallisierung in Berei­ chen oder auch ganzflächig ein- oder beidseitig mit einem Material hoher magnetischer Permeabilität zu beschichten, um dadurch transiente Stromanstiege durch einen solchen Induk­ tivitäts-erhöhenden Belag zeitlich zu verzögern und damit auftretende Spannungsspitzen zu dämpfen. Daneben ist es überdies möglich, mehrere der oben vorgestellten Verfahren gleichzeitig einzusetzen, beispielsweise eine Kombination einer ZnO-Spannungsbegrenzung mit einer Stromabflachung mit­ tels einer Induktions-erhöhenden Schicht hoher magnetischer Permeabilität.

Es ist ferner offensichtlich, daß die vorliegende Erfindung auch bei Transpondern einsetzbar ist, die als Antenne einen Dipol verwenden. Hier wird die Schutzschicht über die Flä­ chenbeläge der Dipolkapazität und/oder zwischen den Einspei­ sungspunkten des Dipols elektrisch kontaktiert.

Claims (15)

1. Transpondervorrichtung mit
einem Schaltungschip (100), der eine integrierte Schal­ tung aufweist, die einen Transponderschaltkreis defi­ niert,
einem Trägersubstrat (40; 106), das den Schaltungschip (100) trägt und auf dem eine mit Anschlüssen (102, 104) des Schaltungschips (100) verbundene Antennenmetalli­ sierung (30; 38; 108), die ein erstes (62; 110) und ein zweites (64; 114) Anschlußende aufweist, zur Energie­ versorgung und Datenübertragung angeordnet ist, und
einer Schutzeinrichtung (32; 50; 54; 60; 116, 118) zum Schutz des Transponderschaltkreises vor elektromagneti­ schen Störfeldern, die auf dem Trägersubstrat (40; 106) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schutzeinrichtung (32'; 50; 54; 60; 116, 118) durch eine auf das Trägersubstrat aufgebrachte halblei­ tende Schicht gebildet ist, die eine diodenartige Ver­ bindung zumindest zwischen einem zu dem ersten An­ schlußende (62; 110) benachbarten Abschnitt der Anten­ nenmetallisierung (30; 38; 108) und einem zu dem zwei­ ten Anschlußende (64; 114) benachbarten Abschnitt der Antennenmetallisierung (30; 38; 108) bildet.

2. Transpondervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Antennenmetallisierung (30; 38; 108) eine Spule ist, deren erstes Anschlußende (62; 110) mit einem er­ sten Anschluß (102) des Schaltungschips verbunden ist und deren zweites Anschlußende (64; 114) mit einem zweiten Anschluß (104) des Schaltungschips (100) ver­ bunden ist.

3. Transpondervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß über der halbleitenden Schicht eine Metallschicht (54; 116) gebildet ist.

4. Transpondervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Metallschicht (116) eine Überbrückungsmetalli­ sierung ist, die zur elektrisch leitfähigen Verbindung des zweiten Anschlußendes (114) der Antennenmetallisie­ rung (108) mit dem zweiten Anschluß (104) des Schal­ tungschips (100) verwendet ist.

5. Transpondervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die halbleitende Schicht (50, 60, 118) durch eine entsprechend dotierte Siliziumschicht gebildet ist.

6. Transpondervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in der halbleitenden Schicht ein pn-Übergang gebil­ det ist.

7. Transpondervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die halbleitende Schicht (50; 60; 118) durch eine ZnO-Schicht gebildet ist.

8. Transpondervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die halbleitende Schicht (50; 60; 118) durch eine organische Polymerschicht gebildet ist.

9. Transpondervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenmetallisierung (38; 108) aus Kupfer be­ steht und die halbleitende Schicht (50; 60; 118) aus einem Kupferoxid gebildet ist.

10. Transpondervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die halbleitende Schicht (50; 60; 118) derart über der Antennenmetallisierung (38; 108) angeordnet ist, daß diodenartige Verbindungen zwischen einer Mehrzahl jeweils benachbarter Windungen der Antennenmetallisie­ rung gebildet sind.

11. Transpondervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die halbleitende Schicht (50; 60; 118) und die Me­ tallschicht (854; 116) derart über der Antennenmetalli­ sierung (38; 108) angeordnet sind, daß diodenartige Verbindungen zwischen einer Mehrzahl jeweils benachbar­ ter Verbindungen der Antennenmetallisierung gebildet sind.

12. Transpondervorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenmetallisierung (30; 38; 108) mit einem Material hoher magnetischer Permeabilität beschichtet ist.

13. Transpondervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die halbleitende Schicht durch ein auf das Träger­ substrat aufgebrachtes Siliziumsubstrat, in dem Dioden­ strukturen gebildet sind, gebildet ist.

14. Transpondervorrichtung nach Anspruch 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Diodenstrukturen antiparallele Diodenstrukturen sind.

15. Transpondervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Antennenmetallisierung durch eine Dipolkapazi­ tät gebildet ist, wobei die Schutzeinrichtung zwischen den Einspeisungspunkten der Dipolkapazität vorgesehen ist.