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Die
Erfindung betrifft einen RFID-Transponder.
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RFID-Transponder
werden für
die verschiedensten Anwendungen eingesetzt, insbesondere zum elektronischen
Identifizieren von Gegenständen.
Im RFID-Transponder
kann beispielsweise eine Identifikationsnummer für den entsprechenden Gegenstand
gespeichert sein. Mittels eines Lesegeräts kann diese Identifikationsnummer
ausgelesen werden. Das Problem dabei ist, daß passive RFID-Transponder
sich sehr nahe am Lesegerät
befinden müssen,
damit ein Auslesen möglich
ist. Ein weiteres Problem besteht darin, daß die herkömmlichen RFID-Transponder nicht
hinreichend widerstandsfähig
gegen Umwelteinflüsse
(Temperatur, mechanische Belastungen, chemische Angriffe) sind, so
daß ihr
Anwendungsbereich stark eingeschränkt ist.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen RFID-Transponder zu schaffen,
der zum einen widerstandsfähig
gegen Umwelteinflüsse
ist und zum anderen auch über
vergleichsweise große
Entfernungen ausgelesen werden kann.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein RFID-Transponder
mit einem Gehäuse
vorgesehen, in welchem ein RFID-Chip gekapselt angeordnet ist, und
einer flexiblen Antenne, die an den RFID-Chip angeschlossen ist.
Die Kapselung des RFID-Chips im Inneren des Gehäuses erhöht die Widerstandsfähigkeit
gegen Umwelteinflüsse.
Die Verwendung einer flexiblen Antenne zusammen mit dem gekapselten
Gehäuse
ermöglicht,
den RFID-Transponder
in rauhen Umgebungen einzusetzen, da die Antenne bei Belastungen nachgeben
kann. Dies verhindert zum einen, daß die Antenne selbst beschädigt wird.
Besonders vorteilhaft ist aber, daß die auf die Antenne wirkenden
Belastungen, aufgrund der Flexibilität, nicht unmittelbar auf das
Gehäuse übertragen
werden und dort zu hohen Biegebeanspruchungen im Bereich des Übergangs
von der Antenne zum Gehäuse
führen.
Solche Biegebeanspruchungen würden
auf Dauer die Dichtigkeit des Gehäuses beeinträchtigen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist vorgesehen, daß die
Antenne aus zwei Teilstücken
besteht. Jedes Teilstück
hat dabei eine Länge,
die der Hälfte
der Wellenlänge
der vom RFID-Chip verwendeten Sende-/Empfangsfrequenz entspricht.
Auf diese Weise ergibt sich eine hohe Sende- und Enpfangsreichweite.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, daß die
Antenne mittels einer Zugentlastung im Gehäuse aufgenommen ist. Eine solche
Zugentlastung kann mit geringem Aufwand durch eine Klemmung im Gehäuse realisiert
werden, die aus einander unmittelbar gegenüberliegenden Klemmflächen oder
auch aus gegeneinander versetzten Klemmflächen besteht. Eventuelle Zugbelastungen,
die auf die Antenne wirken, können
so zuverlässig
vom Gehäuse
aufgenommen werden.
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Die
Antenne kann aus Draht, Litze, Blech, metallisierter Folie, flexibler
Leiterplatte oder heißgeprägten Leitern
auf einem Polymerträger
bestehen. Wichtig ist, daß ein
elektrischer Leiter verwendet wird, der auch mehrfachen Biegebelastungen
gut widerstehen kann.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, daß im
Gehäuse
Kontaktierungsflächen
für die
Antenne vorgesehen sind, die insbesondere mittels Laser-Direkt-Strukturierung
oder 2-Komponenten-Spritzguß gebildet
sind. Auf diese Weise kann mit geringem Herstellungsaufwand eine
sehr präzise
ausgeführte Kontaktierungsfläche hergestellt
werden.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, daß der RFID-Chip
in einer separaten Aufnahme im Gehäuse angeordnet ist, die mit
einer Chip-Vergußmasse
ausgefüllt
ist, insbesondere mit einem temperaturbeständigen Globtop. Die Chip-Vergußmasse weist
im ausgehärteten
Zustand also eine gewisse Elastizität auf, so daß der Chip
besonders gut bei mechanischen Belastungen geschützt ist. Ferner gewährleistet
die Elastizität
der Chip-Vergußmasse,
daß bei
Temperaturänderungen
keine Wärmespannungen
auf den Chip übertragen
werden.
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Weiterhin
kann vorgesehen sein, daß der
Innenraum des Gehäuses
mit einer Vergußmasse
ausgefüllt
ist, beispielsweise mit Epoxidharz. Die das Gehäuse ausfüllende Vergußmasse hat
also eine vergleichsweise hohe mechanische Festigkeit, so daß sich insgesamt
eine gute Widerstandsfähigkeit
des RFID-Transponders
gegen Umwelteinflüsse
ergibt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist vorgesehen, daß das
Gehäuse
und die Antenne von einem Schutzelement umgeben sind. Dieses Schutzelement
kann beispielsweise ein Schrumpfschlauch oder eine Ummantelung mit
einer Gummischicht, einer EPDM-Schicht oder Hotmelt sein. Zusätzlich zum
mechanischen Schutz erhöht das
Schutzelement die Abdichtung zwischen der Antenne und dem Gehäuse. Im
Falle eines Schrumpfschlauchs kann dieser innenseitig mit einer
Kleberschicht versehen sein, so daß zwischen dem Schrumpfschlauch
und der Antenne zuverlässig
abgedichtet ist. Dies verhindert, daß Schmutzpartikel etc. zwischen
Schrumpfschlauch und Antenne zum Gehäuse hin wandern und dort in
den Bereich des Übergangs
zwischen Antenne und Gehäuse
gelangen. Im Falle einer Gummi- oder EPDM-Schicht oder Hotmelt werden
vorteilhafterweise die axialen Enden der Antenne vollständig umschlossen,
so daß hier überhaupt
keine Schmutzpartikel eintreten können.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand verschiedener Ausführungsformen
beschrieben, die in den beigefügten
Zeichnungen dargestellt sind. In diesen zeigen:
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die 1 einen RFID-Transponder gemäß einer
ersten Ausführungsform,
wobei in 1a ein teilgeschnittenes Gehäuse, in 1b eine
Draufsicht auf das geöffnete
Gehäuse
und in 1c der mit einem Schrumpfschlauch
ummantelte RFID-Transponder gezeigt ist;
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die 2 einen RFID-Transponder gemäß einer
zweiten Ausführungsform,
wobei in 2a das Gehäuse in einer teilgeschnittenen
Seitenansicht gezeigt ist, in 2b eine
Draufsicht auf den Transponder vor dem Vergießen und in den 2c bis 2e der
Transponder in einer Seitenansicht mit teilgeschnittenem Gehäuse in drei
Stadien während
der Herstellung; und
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die 3 einen RFID-Transponder gemäß einer
dritten Ausführungsform,
wobei in 3a das Gehäuse in einer teilgeschnittenen
Seitenansicht gezeigt ist, in 3b der
RFID-Transponder in einer Draufsicht vor dem Vergießen des
Gehäuses
und in den 3c bis 3e der
RFID-Transponder in einer perspektivischen Ansicht mit teilgeschnittenem Gehäuse in drei
Stadien während
der Herstellung.
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In 1c ist
ein RFID-Transponder 5 zu sehen, der als wesentliche Bestandteile
ein Gehäuse 10 (siehe 1a),
einen RFID-Chip 30 (siehe 1b), eine
Antenne 40 und ein Schutzelement 50 (siehe 1c)
aufweist.
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Das
Gehäuse 10 ist
mit einer Aufnahme 12 für
den RFID-Chip 30 versehen, die nach Art einer Vertiefung
im vergleichsweise dicken Boden des Gehäuses 10 ausgebildet
ist. Auf dem Boden des Gehäuses
ist beiderseits der Aufnahme 12 ein Leiter 14 (siehe 1b)
aufgebracht, der einen Bondbereich 16 und einen Kontaktbereich 18 aufweist.
Das Gehäuse
ist insgesamt langgestreckt und weist an seinen axialen Enden jeweils
eine Zugentlastung 20 auf, die hier durch jeweils zwei
einander gegenüberliegende
Klemmabschnitte 22 gebildet ist. Allgemein gesprochen hat
das Gehäuse
eine rinnenförmige
Gestalt, da sich entlang dem Boden zwei Seitenwände 24 über die
gesamte Länge
des Gehäuses
erstrecken. Die Länge
des Gehäuses
bei der ersten Ausführungsform
beträgt
etwa 11 mm.
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Das
Gehäuse
besteht aus Kunststoff, beispielsweise aus Vectra LCP, und kann
durch Laser-Direkt-Strukturierung oder 2-Komponenten-Spritzguß hergestellt
sein. Im Falle der Laser-Direkt-Strukturierung werden mittels eines
Laserstrahls auf der Oberfläche
des Gehäuses
Kupferpartikel aktiviert, die im Kunststoff verteilt sind. Auf diesen
Kupferpartikeln wird dann der Leiter 14 aufgebaut. Im Falle
des 2-Komponenten-Spritzgußverfahrens
wird das Gehäuse
aus einer ersten Komponente gespritzt, und eine zweite Komponente,
auf der ein elektrisch leitfähiges
Material abgeschieden werden kann, wird in den Bereichen eingespritzt,
in denen der Leiter 14 aufgebaut werden soll.
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Der
RFID-Chip 30 ist in der Aufnahme 12 vertieft und
damit geschützt
angeordnet. Er ist elektrisch mit den Bondbereichen 16 verbunden.
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Die
Antenne 40 besteht hier aus zwei Teilstücken, die an den axialen Enden
des Gehäuses 10 angeordnet
ist. Jede Antenne besteht hier aus einer elektrisch leitenden Litze 42,
die von einem isolierenden Mantel 44 umgeben ist. Die Litze
jeder Antenne ist mit dem entsprechenden Kontaktbereich 18 des Leiters
elektrisch verbunden, beispielsweise verlötet. Der Mantel 44 ist
mechanisch fest in der Zugentlastung 20 eingeklemmt, so
daß die
Lötstelle
vor mechanischen Belastungen geschützt ist. Die Länge jedes Teilstücks der
Antenne beträgt
die Hälfte
der Wellenlänge
der Sende-/Empfangsfrequenz des RFID-Chips 30.
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Nach
dem Einsetzen des RFID-Chips 30 und dem elektrischen Anschließen der
Teilstücke
der Antenne 40 wird das Innere des Gehäuses vergossen. Dies wird im
Detail nachfolgend anhand der zweiten Ausführungsform erläutert.
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Nach
Vergießen
des Gehäuses
wird das Schutzelement 50 um das Gehäuse und die Antenne herum angebracht.
Das Durchmesserverhältnis
von Antenne und Gehäuse
zueinander ist so bemessen, daß es
kleiner ist als das Schrumpfungsverhältnis des Schrumpfschlauchs,
so daß dieser
sich nach Erwärmen
fest an die Antenne und das Gehäuse
anlegt. Dabei ist der Schrumpfschlauch auf seiner Innenseite mit
einer Kleberschicht versehen, so daß der Schrumpfschlauch eine
dichte Verbindung mit der Antenne eingeht. Dies gewährleistet,
daß keinerlei
Schmutzpartikel oder andere Medien entlang den Teilstücken der
Antenne zum Gehäuse
hin in den RFID-Transponder eindringen können.
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Der
so geschaffene RFID-Transponder zeichnet sich dadurch aus, daß aufgrund
der Antenne eine Reichweite zum Auslesen der Daten von mindestens
einem Meter erreicht wird. Eine besondere Anwendungsmöglichkeit
dieses RFID-Transponders besteht
darin, ihn mittels des Schrumpfschlauchs an einem Kabel zu befestigen,
so daß er
mit diesem dauerhaft verbunden ist, aber das Kabel (aufgrund der
Elastizität
des Schrumpfschlauchs und der Antenne) flexibel bleibt. Das Kabel
kann aufgrund des RFID-Transponders zuverlässig identifiziert werden, beispielsweise
während
es verschiedene Produktionsschritte durchläuft, durch die auch der RFID-Transponder
mitgenommen wird.
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In 2 ist eine zweite Ausführungsform gezeigt. Für die von
der ersten Ausführungsform
bekannten Merkmale werden dieselben Bezugszeichen verwendet, und
es wird insoweit auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
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Der
wesentliche Unterschied zur ersten Ausführungsform besteht darin, daß bei der
zweiten Ausführungsform
der Boden des Gehäuses 10 aufwendiger
strukturiert ist und er dort, wo der Kontaktbereich 18 des
Leiters 14 sich befindet, schräg zur Mitte hin nach unten
abfällt.
Die Litze 42 der Antenne 40 wird zum Verlöten nach
unten abgebogen, so daß die
Lötstelle
insgesamt tiefer im Gehäuse
liegt.
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Ein
zweiter Unterschied zur ersten Ausführungsform besteht darin, daß beiderseits
der Aufnahme 12 für
den RFID-Chip 30 zwischen den Seitenwänden 24 zwei Dämme 26 im
Gehäuse
ausgebildet sind, so daß zwischen
ihnen eine Wanne zur Aufnahme einer Chip-Vergußmasse 34 gebildet
ist. Diese füllt
den Bereich oberhalb des RFID-Chips 30 bis zur Krone der
Dämme 26 aus
und schließt
somit den RFID-Chip 30 zusammen mit den Bond-Drähten 32 sicher
ein. Dieser Zustand ist in 2c gezeigt.
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Nach
dem Vergießen
des RFID-Chips 30 werden die Litzen 42 der Antenne 40 mit
den Kontaktbereichen 18 der Leiter 14 verlötet. Dieser
Zustand ist in 2d zu sehen.
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Anschließend wird
der verbleibende Innenraum des Gehäuses 10 mit einer
Vergußmasse 36 ausgefüllt, beispielsweise
Epoxidharz. Dieses überdeckt
die Verbindung zwischen den Litzen 42 der Antenne und den
Kontaktbereichen 18 der Leiter 14 und auch die
Chip-Vergußmasse 34.
Die Vergußmasse 36 wird
bis knapp unter das von der Oberkante der Seitenwände 24 vorgegebene
Niveau eingefüllt.
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Die
Länge des
Gehäuses
beträgt
bei der zweiten Ausführungsform
etwa 15 mm.
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Der
auf diese Weise gebildete RFID-Tranponder 5 ist aufgrund
der verwendeten Materialien sehr hitzebeständig und kann beispielsweise
in das Gummimaterial eines Förderbandes
einvulkanisiert werden. Aufgrund seiner Flexibilität kann er
den Walkbewegungen des Gurtes über
den Rollen ohne Widerstand und Verschleiß folgen. Dabei wird der RFID-Transponder
vorzugsweise im Winkel von 90° zu
integrierten Transportseilen angeordnet. Dies ermöglicht Reichweiten
von mehr als einem Meter zum Auslesen der gespeicherten Daten. Diese
Reichweite ist ein besonderer Vorteil in einer rauhen Umgebung,
da sie es ermöglicht,
ein RFID-Lesegerät
in einem vergleichsweise großen
Abstand zum Förderband
anzuordnen. Dies gewährleistet,
daß vom
Förderband
herunterfallende Ladung oder auch ein Reißen des Transportgurtes das
Lesegerät
nicht zerstört.
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In 3 ist eine dritte Ausführungsform gezeigt. Für die von
der ersten bzw. der zweiten Ausführungsform
bekannten Merkmale und Gestaltungen werden dieselben Bezugszeichen
verwendet, und es wird insoweit auf die obigen Erläuterungen
verwiesen.
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Der
wesentliche Unterschied zwischen der zweiten und der dritten Ausführungsform
besteht in der Ausgestaltung der Zugentlastung. Bei der dritten Ausführungsform
werden gegeneinander versetzte Klemmabschnitte 22 verwendet,
so daß die
Antenne 40 mäanderförmig ausgelenkt
wird. Es ergibt sich eine verbesserte Zugentlastung, so daß auch bei sehr
großen
Belastungen der Antenne keine mechanischen Belastungen auf die Lötstelle
zwischen Litze 42 und Kontaktbereich 18 des Leiters 14 übertragen werden.
Aufgrund der Ausgestaltung der Zugentlastung 20 beträgt die Länge des
Gehäuses 10 bei
der dritten Ausführungsform
etwa 22 mm.
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Anstelle
des Schrumpfschlauchs der ersten Ausführungsform kann als Schutzelement
auch eine Gummischicht verwendet werden, in die der Transponder
einvulkanisiert wird. Es kann auch eine Schicht aus EPDM oder Hotmelt
verwendet werden.
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Die
Antenne 40 kann anstelle des bei den Ausführungsformen
verwendeten Kabels auch durch einen anderen Leiter gebildet sein,
beispielsweise durch eine metallisierte Folie, durch ein flexible
Leiterplatte, durch heiß geprägte Leiter
auf einem Polymerträger
oder durch Draht.