DE212020000609U1

DE212020000609U1 - Kennzeichnung zur Authentifizierung eines Produktes

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Publication number: DE212020000609U1
Application number: DE212020000609.1U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Imero De GmbH
Priority date: 2019-04-25
Filing date: 2020-01-14
Publication date: 2021-12-20
Anticipated expiration: 2030-01-15
Also published as: WO2020216464A1; DE102019002985B3

Abstract

Eine Kennzeichnung (100) zur Authentifizierung eines Produkts (2000), umfassend:
eine lichtemittierende Einheit (101) zur Formung von Licht um die Kennzeichnung zu erfassen;
eine Versorgungseinheit (300) zur Stromversorgung der lichtemittierenden Einheit (101);
wobei die Versorgungseinheit (300) eine Empfangsvorrichtung (310) zur Entnahme von Leistung aus einem zeitlich veränderlichen elektromagnetischen Feld aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kennzeichnung zur Authentifizierung eines Produktes.
Die Probleme der Authentifizierung und der Abschreckung von Fälschern können in vielen Zusammenhängen wichtig sein. Wechsel, Aktien- und Obligationenzertifikate, Pharmazeutika, Luxusgüter, Kreditkarten, Pässe, Konnossemente sowie viele andere rechtliche Dokumente (z.B. Urkunden, Testamente etc.) müssen zuverlässig echt sein, um nützlich zu sein. Die Authentifizierung von Produkten und die Vermeidung von Fälschungen kann auch in vielen weniger offensichtlichen Zusammenhängen wichtig sein. Beispielsweise wären verbesserte Mechanismen zur Überprüfung/Fälschungsprävention sehr nützlich, um z.B. den Inhalt von Schiffscontainern zu überprüfen, Produkte mit besonderer gesundheitlicher oder krimineller Vorgeschichte schnell zu identifizieren usw. Gefälschte Produkte sind per Definition nicht autorisierte Kopien eines Produkts, seiner Verpackung, Kennzeichnung und/oder seines Logos/seiner Logos. Attraktive Ziele für Fälscher sind Artikel mit hohem Markenwert oder Symbolwert, bei denen die Produktionskosten unter dem Marktwert liegen.
Authentifizierung ist der Akt der Bestätigung der Echtheit eines Attributs eines Datenstücks, das von einer Entität für wahr gehalten wird, um zu überprüfen, ob ein Objekt, z. B. ein Luxusgut, echt ist. Im Gegensatz zur Identifizierung, die sich auf die Feststellung oder sonstige Angabe eines Anspruchs bezieht, der angeblich die Identität einer Person oder eines Gegenstands bescheinigt, ist die Authentifizierung der Prozess der tatsächlichen Bestätigung dieser Identität. Dabei kann es sich um die Bestätigung der Identität einer Person durch die Validierung ihrer Identitätsdokumente handeln, um die Überprüfung der Echtheit einer Website mit einem digitalen Zertifikat oder um die Sicherstellung, dass ein Produkt das ist, was seine Verpackung und Etikettierung vorgibt. Mit anderen Worten: Bei der Authentifizierung wird häufig die Gültigkeit mindestens einer Form der Identifizierung überprüft.
Fälschungen haben weltweit Ausmaße erreicht, insbesondere im Bereich der Konsumgüter, einschließlich Waren aus Stoff, Kunststoff, Leder, Metall oder Kombinationen davon wie Kleidung, Arzneimittel, Luxusgüter, Uhren, Handtaschen und Brieftaschen, Parfums und andere Konsumgüter. Elektronik- und Softwareprodukte sind auch besondere Ziele von Fälschern, die sich den Wert von Marken oder Urheberrechten ohne Lizenz aneignen. Da Kosteneinsparungen auf der Grundlage verringerter zusätzlicher Produktionskosten (ohne Lizenzgebühren) kein notwendiger Bestandteil des Fälschungsprogramms sind, können die gefälschten Artikel von scheinbar hoher Qualität sein und echten Artikeln sehr ähnlich sein. Tatsächlich können gefälschte Artikel echten Waren so sehr ähneln, dass die Verbraucher die gefälschten Artikel leicht mit den echten Artikeln verwechseln. Unter anderen Umständen segmentiert der Hersteller den Weltmarkt nach unterschiedlichen Verkaufs- und Vertriebspraktiken, so dass die „gefälschten“ Waren im Wesentlichen mit den echten Waren identisch sein können. Darüber hinaus produziert ein Hersteller in vielen Fällen Waren unter Lizenz von einem Eigentümer des geistigen Eigentums, so dass auch Verkäufe außerhalb der Lizenzvereinbarung „gefälscht“ sind.
Es gibt viele Methoden, um Fälschungen zu verhindern und betrügerische Hersteller von Waren abzuschrecken. Einige Versuche beinhalten das Anbringen von verschlüsselten oder unverschlüsselten Markierungen direkt auf der Ware selbst (analog zur Signatur eines Künstlers auf seinem Gemälde). Das Problem mit dieser Methodik ist, dass sobald der Fälscher lernt, die „Unterschrift“ zu kopieren, die Technik nicht mehr funktioniert und für Authentifizierungszwecke wertlos wird.
Im Bereich des Geldes beispielsweise sind die Methoden der Fälschungsbekämpfung inzwischen recht ausgefeilt - der Einsatz von zweidimensionalen Authentifizierungsmechanismen wie Wasserzeichen oder spezielle, im Papier selbst eingearbeitete Fäden sind hilfreich. Sie sind jedoch weiterhin anfällig für Reverse-Engineering. Sobald ein potenzieller Fälscher lernt, wie man die Anti-Fälschungstechnologie nachahmt, kann er sie zu seinem eigenen Vorteil nutzen. Daher kann die einfache Freigabe von Anti-Fälschungstechnologie in die Welt ein indirekter Weg sein, um den Stand der kriminellen Technologie voranzutreiben.
Auf der anderen Seite besteht ein großer Bedarf für den Endbenutzer, das Produkt selbst zu authentifizieren, ohne teure und komplexe Tools, wie z.B. Interferometer, zu verwenden. Jedes Merkmal, das mit dem bloßen Auge beobachtet werden kann, lässt sich jedoch leicht reproduzieren, während kleine und komplexe Merkmale spezielle Tools für ihr Auslesen benötigen.
Daher besteht weiterhin ein großer Bedarf an Kennzeichnungen, die sowohl sicher als auch für den Endbenutzer zugänglich sind. Im Einzelnen besteht weiterhin Bedarf an der Herstellung hoch verschlüsselter Muster, die zur Authentifizierung zugehöriger Objekte verwendet werden können, sowie an der Fähigkeit, diese Objekte schnell und genau auf ihre Echtheit zu überprüfen. Weiterhin besteht die Notwendigkeit, dass das verschlüsselte Muster kaum fälschbar und eindeutig sein soll. Mit anderen Worten, es besteht ein großer Bedarf, die Mittel für die billige und relativ einfache Reproduktion dieser hochtechnischen verschlüsselten Muster abzugrenzen, damit Kriminelle im Wesentlichen davon abgehalten werden, die hier beschriebene Kennzeichnung zu fälschen.
Darüber hinaus besteht weiterhin Bedarf an der wirtschaftlichen Herstellung von Etiketten, die fälschungssicher, einzigartig und von fast jedem und fast überall leicht lesbar sind.
Dieser Gegenstand wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Nach einer Ausführungsform besteht eine Kennzeichnung zur Authentifizierung eines Produktes aus einer lichtemittierenden Einheit zur Formung von Licht um die Kennzeichnung zu erfassen.
Zusätzlich umfasst das Kennzeichnung gemäß der Ausführungsform eine Versorgungseinheit zur Stromversorgung der lichtemittierenden Einheit; wobei die Versorgungseinheit eine Empfangsvorrichtung zur Entnahme der Leistung aus einem zeitlich veränderlichen elektromagnetischen Feld umfasst.
Die lichtemittierende Einheit ermöglicht das aktive Aussenden eines Lichtmusters, das mit dem bloßen Auge oder einer optischen Erfassungseinrichtung, vorteilhafterweise eine optische Erfassungseinheit eines Smartphones wie z.B. einer Kamera, erkennbar ist. Genauer gesagt wird das Lichtmuster dadurch erzeugt, dass die lichtemittierende Einheit mit Energie versorgt wird, die der lichtemittierenden Einheit von außen zugeführt wird. Somit ist das Lichtmuster ohne zusätzliche optische Elemente, wie z.B. eine zusätzliche Lichtquelle oder einen zusätzlichen optischen Filter, erkennbar. Mit anderen Worten, die Komplexität für die Erkennung des Lichtmusters wird reduziert. Nach einem Beispiel des Standes der Technik muss der Stoff bei Verwendung einer passiv betriebenen lichtemittierenden Einheit, z.B. eines fluoreszierenden Lichtmusters, Licht oder andere elektromagnetische Strahlung absorbieren. Genauer gesagt, das absorbierte Licht hat vorzugsweise eine kürzere Wellenlänge und damit eine höhere Energie.
Nach der vorliegenden Erfindung, nach der die lichtemittierende Einheit von einer Versorgungseinrichtung gespeist wird, ist die Notwendigkeit einer zusätzlichen Lichtquelle zur Speisung der lichtemittierenden Einheit nicht notwendig. Außerdem entfällt durch den Verzicht auf die zusätzliche Lichtquelle die Verwendung von Filtern zur Unterscheidung zwischen dem von der zusätzlichen Lichtquelle und dem von der lichtemittierenden Einheit abgestrahlten Licht.
Vorteilhafterweise, entsprechend einer ersten Ausführungsform, umfasst die lichtemittierende Einheit eine lichtemittierende Diode zur Erzeugung von Licht und eine transparente Schicht mit einer Vielzahl von Partikeln zur Formung des von der Diode erzeugten Lichts umfasst.
Zusätzlich oder alternativ, entsprechend einer zweiten Ausführungsform, umfasst die lichtemittierende Einheit ein Substrat; eine Blendenschicht mit einer Vielzahl von Öffnungen, wobei sich jede Öffnung durch die Blendenschicht von einer unteren Oberfläche der Blendenschicht zu einer gegenüberliegenden oberen Oberfläche der Blendenschicht erstreckt; und eine Vielzahl von Lichtquellen. Jede einzelne Lichtquelle der Vielzahl von Lichtquellen besteht aus einem Kernelement, das sich von einer oberen Oberfläche des Substrats durch eine der Vielzahl von Öffnungen, die in der Blendenschicht ausgebildet sind, erstreckt. Darüber hinaus besteht jede einzelne Lichtquelle aus einem Schalenelement, das sich vom Kernelement aus und/oder um das Kernelement der jeweiligen Einzellichtquelle erstreckt. Außerdem ist das Schalenelement jeder einzelnen Lichtquelle vom Substrat beabstandet.
Somit wird, entsprechend der ersten und zweiten Ausführungsform, beeinflusst durch eine Vielzahl von Partikeln oder das Licht wird von einer Vielzahl von Lichtquellen ausgesendet.
Dadurch wird in beiden Fällen ein einzigartiges Lichtmuster ausgestrahlt. Genauer gesagt, entsprechend der ersten Ausführungsform sind die Partikel örtlich verteilt in der transparenten Schicht. Alternative, entsprechend der zweiten Ausführungsform, sind die Lichtquellen räumlich in und/oder auf der Kennzeichnung verteilt. Durch die Analyse der geometrischen Anordnung des emittierten Lichtmusters kann in beiden Fällen die Kennzeichnung somit zur Authentifizierung eines Produktes verwendet werden. Vorteilhaft, entsprechend der zweiten Ausführungsform, ist die Anordnung mehrerer tausend bis hunderttausend Lichtquellen auf einer Fläche von 1 mm². Dadurch kann ein besonders einzigartiges Muster erzeugt werden.
Außerdem, entsprechend der ersten und zweiten Ausführungsform, sind die Lichtquellen Halbleiter-Lichtquellen. Genauer gesagt, entsprechend der zweiten Ausführungsform umfasst jede Lichtquelle ein Kernelement, das mit einem Substrat in Kontakt steht, und ein Schalenelement, das sich auf und/oder um das Kernelement herum erstreckt. Mit anderen Worten, entsprechend der ersten und zweiten Ausführungsform, jede Lichtquelle ist eine Halbleiter-Lichtquelle, die Licht aussendet, wenn Strom durch sie fließt. Die Elektronen im Halbleiter rekombinieren mit den Elektronenlöchern und geben dabei Energie in Form von Photonen ab. Dieser Effekt wird auch als Elektrolumineszenz bezeichnet. Die Wahl des Materials für den Kern und das Schalenmaterial oder der Diode hängt in der Regel von den gewünschten Eigenschaften der Lichtquelle ab. Prinzipiell können alle Materialkombinationen, die von Festkörper-Lichtquellenverstärkermaterial bekannt sind, insbesondere direkte Bandlücken-Halbleiter, auch auf die Kern-/Schalen-Strukturen der Lichtquelle aufgebracht werden. Vorteilhaft, entsprechend der zweiten Ausführungsform, ist, dass jede Lichtquelle weiterhin einen pn-Anschluss oder einen pin-Anschluss aufweist. Die Erfindung ermöglicht somit eine direkte Integration der Diode in die Kernschalenstruktur.
Beispielhaft für die erste Ausführungsform, ist die Vielzahl von Partikeln zumindest teilweise absorbierend und absorbiert einen Teil des Lichts, welches von der Diode emittiert wird, und somit wird das Licht geformt und eine einzigartiges Muster wird durch die Kennzeichnung ausgegeben.
Entsprechend eines vorteilhaften Aspekts der ersten Ausführungsform ist die lichtemittierende Diode ein oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator, VCSEL, ist. Somit wird eine besonders heller und ausgerichteter Lichtstrahl, der leicht detektierbar ist, erzeugt.
Entsprechend eines vorteilhaften Aspekts der ersten Ausführungsform ist die transparente Schicht SiO2, Epoxid, Klebstoff oder ein Polymer umfasst. Solche Materialien ermöglichen eine besonders einfache Herstellung der Schicht, die die Partikel trägt. Außerdem sind diese Materialien besonders wirtschaftlich. Darüber hinaus sind solche Schichtmaterialien vorteilhaft, um die Partikel eindeutig anzuordnen. Genauer gesagt, z.B. bei einem Klebstoff, gast der Klebstoff während des Aushärtungsprozesses aus, wodurch die transparente Schicht schrumpft. Infolgedessen ändert sich der relative Abstand zwischen den Partikeln im Klebstoff. Dadurch wird es schwieriger, die spezifische Anordnung der Partikel in der Schicht zu reproduzieren, da der Aushärtungsprozess vorhergesehen werden muss.
Entsprechend eines vorteilhaften Aspekts der ersten Ausführungsform sind die Partikel das erzeugte Licht zumindest teilweise reflektieren. Einem Aspekt zufolge bestehen die Partikel aus Metall, z.B. Kupfer, einem Dielektrikum, einer Phosphoreszenz oder einem nichtlinearen Absorber. Folglich formen die Partikel den Strahl nicht nur durch Absorption, d. h. durch die Erzeugung eines Schattens, sondern formen das Licht zusätzlich durch das Reflexionsmuster.
Gemäß einem noch vorteilhafteren Aspekt der ersten Ausführungsform wird ein VCSEL mit reflektierenden Partikeln kombiniert. Wie dem Fachmann bekannt ist, ist das Licht des Lasers kohärent. Daher kann das Licht durch die Vielzahl von Partikeln interferieren. Infolgedessen formt der Interferenzeffekt den Strahl, so dass das Muster komplexer wird.
Entsprechend eines vorteilhaften Aspekts der ersten Ausführungsform umfasst die transparente Schicht eine der lichtemittierenden Diode zugewandte Unterseite und eine gegenüberliegende Oberseite zur Abgabe des geformten Lichts aufweist, und wobei ein erstes Teilchen näher an der Oberseite angeordnet ist als ein zweites Teilchen. Mit anderen Worten, die Anordnung der Teilchen nicht nur in zwei Dimensionen, sondern in einer einzigen Ebene senkrecht zur Lichtaustrittsrichtung des VCSEL, macht das Muster komplexer. Insbesondere wird der Freiheitsgrad größer, und damit wird das Muster komplexer.
Gemäß einem noch vorteilhafteren Aspekt der ersten Ausführungsform wird ein VSCEL mit reflektierenden Teilchen kombiniert, wobei ein erstes Teilchen näher an der oberen Oberfläche angeordnet ist als ein zweites Teilchen.
In einem Beispiel der zweiten Ausführungsform kann ein unterer Teil des Kernelements und/oder des Schalenelements einen ersten Halbleiterbereich mit einer ersten Dotierungskonzentration umfassen, wobei der untere Teil dem Substrat zugewandt ist, und ein oberer Teil des Kernelements und/oder des Schalenelements kann einen zweiten Halbleiterbereich mit einer zweiten, von der ersten Dotierungskonzentration verschiedenen Dotierungskonzentration umfassen, wobei der obere Teil von dem Substrat abgewandt ist. In dieser Konfiguration kann ein horizontaler oder seitlicher p-n-Übergang gebildet werden.
Zum Beispiel kann entsprechend der zweiten Ausführungsform die erste Dopingkonzentration eine p-Konzentration und die zweite Dopingkonzentration eine n-Konzentration sein oder umgekehrt. Die n-Konzentration ist vorzugsweise mindestens 5 mal kleiner als die p-Konzentration. In einem Beispiel ist die genannte n-Konzentration höchstens 20 Mal kleiner als die genannte p-Konzentration.
Noch vorteilhafter ist die Bildung, entsprechend der zweiten Ausführungsform, einer intrinsischen Schicht zwischen dem Kernelement und dem Schalenelement. Vorteilhaft ist, dass die intrinsische Schicht ein Halbleitermaterial mit einer geringeren Bandlücke als das Halbleitermaterial des Kernelements und einer geringeren Bandlücke als das Halbleitermaterial des Schalenelements sein kann. Noch vorteilhafter ist, dass die intrinsische Schicht eine Quantum-Well-Struktur bilden kann. Insbesondere werden die Quantentöpfe durch ein Halbleitermaterial mit einer geringeren Bandlücke, z.B. GaAs, gebildet, das zwischen zwei Schichten von Halbleitermaterial mit einer größeren Bandlücke, z.B. AlGaAs, eingebettet ist.
Weiterhin besteht die lichtemittierende Einheit entsprechend der zweiten Ausführungsform aus einer Blendenschicht mit einer Vielzahl von Öffnungen. Jedes Kernelement der Vielzahl von Lichtquellen erstreckt sich durch eine der genannten Öffnungen der Vielzahl von Öffnungen, die in der Blendenschicht gebildet werden. So ermöglicht die Blendenschicht die Anordnung der Lichtquellen, die das einzigartige Lichtmuster ausstrahlen.
Außerdem ist das Schalenelement, entsprechend der zweiten Ausführungsform, vom Untergrund beabstandet. Zusätzlich ist das Kernelement mit dem Substrat in Kontakt. So kann jede Lichtquelle kontaktiert werden, indem das Schalenelement mit einem ersten Kontakt und das Substrat mit einem zweiten Kontakt kontaktiert wird. Somit ist eine effiziente Kontaktierung möglich. Ein nicht vom Substrat beabstandetes Schalenelement kann einen Kurzschluss zwischen dem Schalenelement und dem Substrat verursachen.
Ferner, entsprechend der ersten und zweiten Ausführungsform, enthält das Netzteil eine Empfangsvorrichtung zur Energiegewinnung aus einem zeitlich veränderlichen elektromagnetischen Feld. Ein solches Empfangsgerät ermöglicht eine drahtlose Leistungsübertragung (WPT), eine drahtlose Energieübertragung (WET) oder eine elektromagnetische Energieübertragung. Nach der vorliegenden Anwendung ist die drahtlose Energieübertragung die drahtlose Übertragung von elektrischer Energie als physikalische Verbindung. In einem drahtlosen Energieübertragungssystem erzeugt ein Sendegerät, das mit elektrischer Energie aus einer Stromquelle betrieben wird, ein zeitveränderliches elektromagnetisches Feld, das die Energie über den Raum an das Empfangsgerät überträgt, das aus dem Feld Energie entnimmt und diese an einen elektrischen Verbraucher, nämlich die lichtemittierende Einheit, liefert. Die Technologie der drahtlosen Energieübertragung macht den Einsatz von Kabeln und Batterien überflüssig und erhöht so die Mobilität, den Komfort und die Sicherheit eines elektronischen Gerätes für alle Nutzer. Zusätzlich erfolgt eine drahtlose Energieübertragung zur Versorgung der lichtemittierenden Einheit, wo Verbindungsleitungen unbequem, gefährlich oder nicht möglich sind.
Entsprechend einer vorteilhaften Aspekts der zweiten Ausführungsform ist die untere Oberfläche der Blendenschicht der oberen Oberfläche des Substrats zugewandt. Noch vorteilhafter ist, dass die untere Oberfläche der Blendenschicht die obere Oberfläche des Substrats berührt. Dadurch kann die lichtemittierende Einheit in einem kompakten Schichtaufbau hergestellt werden und eine kostengünstige Fertigung wird ermöglicht. Beispielsweise können bekannte Verfahren zur Herstellung eines Schichtaufbaus, wie die thermische Oxidation oder das Sputtern von Materialien auf einem Wafer, eingesetzt werden.
Zusätzlich oder alternativ, entsprechend eines Aspekts der zweiten Ausführungsform, besteht die Blendenschicht aus einem dielektrischen Material, vorzugsweise SiO2. Die Blendenschicht bildet somit einen Isolator zwischen dem vom Substrat beabstandeten Schalenelement und dem Substrat. Dies ermöglicht eine besonders einfache Fertigung und erhöht die Kontaktierungsqualität zur Stromversorgung der Leuchteinheit. Insbesondere die Blendenschicht selbst verhindert einen elektrischen Kontakt zwischen dem Schalenelement und dem Substrat.
Zusätzlich oder alternativ, entsprechend eines Aspekts der zweiten Ausführungsform, dazu hat die Blendenschicht eine Dicke von weniger als 5 nm, vorzugsweise zwischen 1 nm und 2 nm. Mit anderen Worten: Die Blendenschicht ist eine dünne Maskenschicht, die sich schnell und ohne aufwendige Fertigungstechniken auf dem Substrat bildet.
Vorteilhaft, entsprechend eines Aspekts der zweiten Ausführungsform, ist, dass die Blendenschicht mit Standard-Fertigungstechniken leicht zu ätzen ist, aber dennoch ausreicht, um die Positionen, an denen Kernelemente der Lichtquellen auf dem Substrat mit hoher Präzision wachsen, zu definieren und das Wachstum der Kernelemente an diesen Positionen zu unterstützen. Vor dem Ätzschritt kann die Blendenschicht durch Oxidation der obersten paar Nanometer des Halbleitermaterials, das der Luft ausgesetzt ist, wie z.B. Si/SiO2, hergestellt werden. Noch vorteilhafter ist die Erhöhung der Blendenschichtdicke vor der Bildung der Öffnungen durch. thermische Oxidation oder Sputtern bis zu 100 nm. So können die Öffnungen leicht durch einen Ätzprozess geformt werden.
Nach einer vorteilhaften Aspekts der zweiten Ausführungsform umfasst die Blendenschicht mindestens eine Aussparung, die von der oberen Oberfläche der Blendenschicht ausgeht. Eine Aussparung ist ähnlich wie ein Sackloch. Es handelt sich um ein Loch oder eine Vertiefung, die bis zu einer bestimmten Tiefe geätzt wird, ohne auf die andere Seite der Blendenschicht durchzubrechen. Vorteilhaft ist, dass die Oberen Oberfläche der Blendenschicht eine Vielzahl von Vertiefungen aufweist, so dass eine raue Oberfläche entsteht, vorzugsweise mit einem Effektivwert (rms) von 0,2 nm bis 1 nm.
Zusätzlich oder alternativ dazu, entsprechend eines Aspekts der zweiten Ausführungsform, umfasst die obere Oberfläche der Blendenschicht Reste eines Ätzmaterials, vorzugsweise HF und/oder HNO3, wobei die Reste des Ätzmaterials aus einem Ätzprozess zur Erzeugung einer rauen oberen Oberfläche resultieren. So wird durch einen Ätzprozess ein Zufallsmuster erzeugt, das es ermöglicht, ein Muster von Öffnungen herzustellen, das kaum fälschbar sein kann und besonders einzigartig ist. Außerdem ist ein solches Muster leicht herzustellen.
Im Detail, entsprechend eines Aspekts der zweiten Ausführungsform, bildet die Ätzung der Blendenschicht Öffnungen an beliebigen Stellen. Ein direkter Kontakt der oberen Oberfläche der Blendenschicht mit dem Ätzmaterial ist jedoch anders als bei den üblichen Herstellungsverfahren von Halbleiterlichtquellen. Bei diesen Verfahren wird in der Regel ein Maskierungsverfahren eingesetzt, das die obere Oberfläche der Blendenschicht schützt, um Lichtquellen an definierten Positionen zu erzeugen. Hier ist die Oberfläche nicht mit einer Maske geschützt, so dass die Blendenschicht aus Öffnungen an beliebigen Stellen besteht.
Ferner, entsprechend eines Aspekts der zweiten Ausführungsform, durch die Berührung der gesamten oberen Oberfläche der Blendenschicht können sich in der oberen Oberfläche Vertiefungen bilden, so dass eine raue Oberfläche entsteht. Zusätzlich oder alternativ können Reste des Ätzmaterials auf der oberen Oberfläche der Blendenschicht verbleiben. Vorteilhaft ist die Reinigung der Deckschicht nach dem Ätzprozess. Aufgrund der Entropie verbleibt jedoch zumindest ein kleiner Teil des Ätzmaterials auf der oberen Oberfläche der Blendenschicht. Solche Vertiefungen oder Rückstände werden nicht erzeugt, wenn die Blendenschicht maskiert wurde, um ein wohldefiniertes Muster von Öffnungen zu erzeugen.
Ferner, entsprechend eines Aspekts der zweiten Ausführungsform, die Blendenschicht definiert ein einzigartiges Muster von Öffnungen und der Aufwand für die Reproduktion eines solchen Lichtmusters ist sehr hoch. Schwankungen in der Materialzusammensetzungen in der Blendenschicht, die Dauer des Ätzprozesses und der Zusammensetzung des Ätzmaterials können die raue Oberfläche und damit insbesondere das zufällige Muster der Öffnungen verursachen. Folglich ermöglicht eine derart raue Oberfläche der Blendenschicht ein einzigartiges Muster von Öffnungen, wodurch hochkomplexe Muster für Lichtquellen entstehen, die sich durch diese Öffnungen hindurch erstrecken. Da eine Reproduktion eines Lichtmusters, das durch die zufällig angeordnete Vielzahl von Lichtquellen erzeugt wird, kaum möglich ist, ist die Kennzeichnung schwer zu fälschen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform besteht die Empfangsvorrichtung aus einer elektromagnetischen Spule zur induktiven Kopplung mit dem zeitlich veränderlichen elektromagnetischen Feld.
Generell lassen sich die drahtlosen Energietechniken hauptsächlich in zwei Kategorien einteilen, nämlich in Nah- und Fernfeld. Vorteilhaft sind Nahfeld- oder strahlungsfreie Techniken, bei denen die Energie über kurze Entfernungen durch Magnetfelder mittels induktiver Kopplung zwischen den Drahtspulen oder durch elektrische Felder mittels kapazitiver Kopplung zwischen den Metallelektroden übertragen wird. Beispielsweise kann die induktive Kopplung als Funktechnologie eingesetzt werden. Die induktive Kopplung umfasst weit verbreitete Anwendungen wie das Aufladen von Handgeräten wie Telefonen und elektrischen Zahnbürsten, RFID-Tags (Radio Frequency Identification) und das drahtlose Aufladen oder die kontinuierliche drahtlose Energieübertragung in implantierbaren medizinischen Geräten wie künstlichen Herzschrittmachern oder Elektrofahrzeugen. Folglich kann eine Vielzahl von üblicherweise verwendeten Geräten, einschließlich Smartphones, eine solche Energieübertragung liefern. So kann das Label leicht an eine gegebene Infrastruktur von drahtlosen Energietechniken angepasst werden.
Alternativ wird bei Fernfeld- oder Strahlungstechniken, auch Power Beaming genannt, die Leistung durch Strahlen elektromagnetischer Strahlung, wie Mikrowellen oder Laserstrahlen übertragen. Diese Techniken können Energie über größere Entfernungen transportieren, müssen aber auf den Empfänger ausgerichtet sein.
Nach der vorliegenden Beschreibung ist eine Wicklung eine gebräuchliche Bezeichnung für eine elektromagnetische Spule.
Nach der vorliegenden Beschreibung ist eine elektromagnetische Spule ein elektrischer Leiter wie ein Draht in Form einer Spule, Spirale oder Wendel. Je nach Anwendung kann ein Kreissegment einer Spule eine elektromagnetische Spule zur induktiven Kopplung bilden. Elektromagnetische Spulen werden in der Elektrotechnik, in Anwendungen, bei denen elektrische Ströme mit Magnetfeldern wechselwirken, in Geräten wie Elektromotoren, Generatoren, Drosseln, Elektromagneten, Transformatoren und Sensorspulen eingesetzt. Ein externes, zeitveränderliches Magnetfeld durch das Innere der Spule erzeugt ein elektromagnetisches Feld (Spannung) im Leiter.
Genauer gesagt werden elektrische und magnetische Felder durch geladene Teilchen in der Materie, wie z.B. Elektronen, erzeugt. Eine stationäre Ladung erzeugt ein elektrostatisches Feld im Raum um sie herum. Ein gleichmäßiger Ladungsstrom (Gleichstrom, DC) erzeugt ein statisches Magnetfeld um ihn herum. Die oben genannten Felder enthalten Energie, können aber keine Kraft übertragen, weil sie statisch sind. Allerdings können zeitveränderliche Felder Energie übertragen. Beschleunigte elektrische Ladungen, wie z.B. ein Wechselstrom (AC) von Elektronen in einem Draht, erzeugen im Raum um sie herum zeitveränderliche elektrische und magnetische Felder. Diese Felder können oszillierende Kräfte auf die Elektronen in einer Empfangsantenne des Empfangsgerätes ausüben und sie dadurch hin und her bewegen. Diese Schwingungen stellen Wechselströme dar, die als Vielzahl von Lichtquellen zur Versorgung einer Last genutzt werden können.
Die oszillierenden elektrischen und magnetischen Felder, die bewegte elektrische Ladungen in einem Antennengerät der Empfangsvorrichtung umgeben, können in zwei Bereiche unterteilt werden, abhängig von der Entfernung von der Antenne. Die Felder haben in diesen Regionen unterschiedliche Charakteristika, und es werden unterschiedliche Technologien zur Energieübertragung eingesetzt.
Vorzugsweise wird die Leistung im Nahfeld oder im strahlungsfreien Bereich übertragen. Damit ist der Bereich innerhalb von etwa 1 Wellenlänge (λ) der Antenne gemeint. In diesem Bereich sind die oszillierenden elektrischen und magnetischen Felder getrennt und die Leistung kann über elektrische Felder durch kapazitive Kopplung (elektrostatische Induktion) zwischen Metallelektroden oder über magnetische Felder durch induktive Kopplung (elektromagnetische Induktion) zwischen Drahtspulen übertragen werden. Vorzugsweise wird die Leistung über induktive Kopplung übertragen.
Nach einem vereinfachten Schema werden im Nahfeldbereich beide Felder, nämlich die elektrischen und die magnetischen Felder, lokalisiert (in dieser Anwendung auch als nichtstrahlend bezeichnet), d.h. die Energie bleibt in kurzer Entfernung zum Sender. Wenn es kein Empfangsgerät oder absorbierendes Material innerhalb ihrer begrenzten Reichweite gibt, an das sie sich ankoppeln können, verlässt fast kein Strom den Sender. Mit anderen Worten, das Empfangsgerät der Versorgungseinrichtung und damit die Kennzeichnung ist stromlos. Folglich wird die Mehrzahl der Lichtquellen der lichtemittierenden Einheit kein Licht aussenden, wenn keine Versorgungseinrichtung nahe genug zum Einkoppeln ist.
Genauer gesagt ist die Reichweite dieser Felder kurz und hängt von der Größe und Form der Antennengeräte ab, die vorzugsweise elektromagnetische Spulen sind. Die Felder und damit die Sendeleistung nehmen exponentiell mit dem Abstand D_R ab, z.B. 1/d^3, so dass bei einem Abstand D_R zwischen den beiden Antennen, der viel größer ist als der Durchmesser der Antennen D_A, nur sehr wenig Leistung empfangen wird.
Vorzugsweise folgt die elektromagnetische Spule einer Kurve, die durch eine Spirale gebildet wird. Auf diese Weise können flache Kennzeichnungen mit einer das Licht emittierenden Oberfläche hergestellt werden. Mit anderen Worten, die Dicke der Kennzeichnungen kann reduziert werden.
Eine Spirale ist je nach Anwendung eine Kurve auf einer Ebene, die sich um einen festen Mittelpunkt in kontinuierlich zunehmender oder abnehmender Entfernung von diesem Punkt windet. Mit anderen Worten, eine planare Kurve, die sich in beiden senkrechten Richtungen innerhalb ihrer Ebene erstreckt. Die Rille auf einer Seite einer Schallplatte kommt einer ebenen Spirale sehr nahe; insbesondere unterscheiden sich aufeinanderfolgende Schleifen im Durchmesser.
Der Fachmann weiß, dass eine dreidimensionale Kurve, die sich um eine Achse in konstantem oder sich ständig änderndem Abstand dreht, während sie sich parallel zur Achse bewegt, je nach Anwendung auch als Spirale betrachtet werden kann, d.h. die Spirale kann durch ihren dreidimensionalen Verwandten, nämlich die Helix, gebildet werden.
Nach einer noch vorteilhafteren Ausführungsform besteht die Empfangsvorrichtung außerdem aus einem Kondensator, der mit der elektromagnetischen Spule zu einem elektrischen Resonator verbunden ist. Dadurch kann die Kopplung zwischen den Antennen stark erhöht werden, was eine effiziente Übertragung bei etwas größeren Entfernungen ermöglicht.
Genauer gesagt, bei kurzen Reichweiten bis etwa einem Antennendurchmesser: D_range ≤ D_ant kann durch resonanzfreie kapazitive oder induktive Kopplung ausreichende Leistungsmengen übertragen werden. Vorteilhaft ist die resonante kapazitive oder induktive Kopplung, die ausreichende Leistungsmengen bis zum 10-fachen des Antennendurchmessers überträgt: D_range ≤ 10 D_ant.
Genauer gesagt ist die resonante induktive Kopplung eine Form der induktiven Kopplung, bei der die Leistung durch Magnetfelder zwischen zwei Resonanzkreisen (Abstimmkreisen), einem im Sender und einem im Empfänger, übertragen wird. Jeder Schwingkreis besteht aus einer elektromagnetischen Spule, die mit einem Kondensator verbunden ist, oder aus einer Selbstresonanzspule oder einem anderen Resonator mit interner Kapazität. Beide sind so abgestimmt, dass sie auf der gleichen Resonanzfrequenz schwingen. Die Resonanz zwischen den Spulen kann die Kopplung und die Leistungsübertragung erheblich steigern.
Ein weiterer Vorteil einer solchen Resonanztechnologie ist, dass Resonanztechnologien derzeit in modernen induktiven, drahtlosen Energiesystemen, z.B. in Smartphones, weit verbreitet sind.
Gemäß einer noch vorteilhafteren Ausführungsform umfasst die Stromversorgungseinheit ferner einen Gleichrichter zur Umwandlung eines Wechselstroms, der aus dem von der Empfangsvorrichtung empfangenen Strom gewonnen wird, in einen Gleichstrom. Folglich kann die Stromversorgungseinheit einen Gleichstrom für die lichtemittierende Einheit bereitstellen, und somit kann die Lichtleistung besser gesteuert werden. Im Falle eines VCSEL kann z. B. der Laserbetrieb verbessert werden. Eine solche Konfiguration ermöglicht es, eine Fehlfunktion des VCSEL bei Betrieb in Sperrrichtung zu vermeiden.
Gemäß einer noch vorteilhafteren Ausführungsform umfasst die Stromversorgungseinheit außerdem einen Speicherkondensator zum Speichern der aus dem Gleichstrom gewonnenen Ladung. Somit kann die lichtemittierende Einheit auch dann mit Strom versorgt werden, wenn das stromübertragende Element, z.B. das Smartphone, entfernt wurde.
Darüber hinaus kann die lichtemittierende Einheit durch die Verwendung des Speicherkondensators und des VCSEL in einem Lasermodus betrieben werden, bis der von der Stromversorgungseinheit bereitgestellte Strom unter einen vorgegebenen Schwellenwert fällt. Liegt die Ladung unter dem vorbestimmten Schwellenwert, arbeitet der VCSEL als Leuchtdiode ohne Laserbetrieb, d. h. er liefert keinen kohärenten Strahl und typischerweise einen größeren Abstrahlwinkel. Daher ändern sich der Emissionswinkel des VCSEL und das Interferenzmuster, wenn er die transparente Schicht passiert. Dadurch werden zwei Lichtmuster erzeugt, die noch komplexer sind. Folglich wird es schwieriger, das Etikett zu fälschen.
Gemäß einer noch vorteilhafteren Ausführungsform umfasst die Stromversorgungseinheit außerdem einen Widerstand, der zwischen dem Speicherkondensator und der Strahlerzeugungsvorrichtung angeordnet ist. Dadurch kann die Zeit, in der die lichtemittierende Einheit mit Strom versorgt werden kann, wenn das stromübertragende Element, z. B. das Smartphone, entfernt wurde, erhöht werden.
Durch die Verwendung eines Widerstands und des VSCEL hängt die Zeit, in der der VSCEL von einem Laser-Modus in einen Nicht-Laser-Modus wechselt, vom Wert des Widerstands ab. Folglich ist der Wert des Widerstands eine weitere Größe, die die Komplexität des Musters bestimmt, und somit wird es durch die Verwendung eines Widerstands schwerer, das Etikett zu fälschen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform bildet eine erste Lichtquelle eine erste Nanodrahtstruktur, wobei das Kernelement der ersten Lichtquelle, das die erste Nanodrahtstruktur bildet, einen ersten Kerndurchmesser aufweist, und eine zweite Lichtquelle bildet eine zweite Nanodrahtstruktur, wobei das Kernelement der zweiten Lichtquelle, das die zweite Nanodrahtstruktur bildet, einen zweiten Kerndurchmesser aufweist. Außerdem ist der erste Kerndurchmesser anders als der zweite Kerndurchmesser.
Daher sind die physikalischen Eigenschaften dieser Halbleiter-Lichtquellen unterschiedlich. Im Detail definieren die physikalischen Eigenschaften die elektrischen Parameter, die erforderlich sind, damit die Lichtquelle Licht ausstrahlt. So benötigen die Lichtquellen beispielsweise unterschiedliche Leistungen, um Licht zu emittieren. Ändert sich also die Leistungsübertragungsrate zwischen dem an das Kennzeichnung angeschlossenen Leistungsempfangsgerät und einer leistungsübertragenden Einheit, beispielsweise dem Nahfeld-Kommunikationsmodul (NFC) eines Smartphones, so ändert sich die übertragene Leistungsrate und damit auch die Anzahl der Lichtquellen, die Licht aussenden. Dies ermöglicht, dass nicht nur das Lichtmuster einen räumlich eindeutigen Fingerabdruck hat, sondern auch einen Fingerabdruck in Abhängigkeit von der übertragenen Leistung. Dieser Effekt kann genutzt werden, um einen zeitabhängigen Fingerabdruck zu erzeugen.
So kann die Kamera des Smartphones das Licht einer ersten Vielzahl von Lichtmustern, die mindestens eine Lichtquelle umfassen, einfangen. Durch den Vergleich der der Kennzeichnung zugeführten Leistung kann das unterschiedliche Lichtmuster genutzt werden, um die Zuverlässigkeit des Musters zu erhöhen. Darüber hinaus werden die unterschiedlichen Durchmesser der Kernelemente durch die raue Oberfläche der Blendenschicht verursacht. Die durch den Ätzprozess entstandene raue Oberfläche der Blendenschicht sorgt somit dafür, dass das einzigartige Muster nicht nur durch die räumliche Verteilung des Lichtmusters, sondern auch durch die unterschiedliche physikalische Reaktion auf die zugeführte Leistung kaum fälschbar ist. Eine einfache Möglichkeit, die Stromzufuhr zu ändern, besteht darin, sich mit der Empfangsvorrichtung langsam an das Kennzeichnung mit der Stromübertragungseinheit zu nähern.
Noch vorteilhafter ist die Bildung einer intrinsischen Schicht zwischen dem Kernelement und dem Schalenelement. Die intrinsische Schicht kann eine Quantum-Well-Struktur bilden, die die Helligkeit beeinflusst. Insbesondere die Blendenschicht bewirkt, dass die Dicke der intrinsischen Schicht für die einzelnen Lichtquellen variabel ist. Durch eine variable Verdickung, also eine zufällige Dicke, wird die Helligkeit der einzelnen Lichtquellen beeinflusst. So ist das einzigartige Muster nicht nur aufgrund der räumlichen Verteilung des Lichtmusters und/oder der unterschiedlichen physikalischen Reaktion auf die zugeführte Leistung der intrinsischen Schicht kaum fälschbar, sondern auch aufgrund der Helligkeit der Lichtquellen, die durch die variable Dicke der intrinsischen Schicht verursacht wird.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Kennzeichnung zusätzlich eine reflektierende Schicht. Durch die Verwendung einer reflektierenden Schicht kann die Lichtemission erhöht werden. Außerdem kann die reflektierende Schicht eine optische Rückmeldung für den Laserbetrieb mindestens einer der Lichtquellen liefern.
Vorteilhaft ist die Anordnung der Reflexionsschicht zwischen diesem Schalenelement und der oberen Oberfläche der Blendenschicht. Alternativ wird die Reflexionsschicht zwischen der Blendenschicht und dem Substrat eingefügt. Alternativ dazu erstreckt sich die reflektierende Schicht von einer unteren Oberfläche des Substrats, wobei die untere Oberfläche des Substrats der oberen Oberfläche des Substrats gegenüberliegt.
Eine besonders einfache Herstellung wird durch die Ausdehnung der Reflexionsschicht von der unteren Oberfläche des Substrats ermöglicht. Die reflektierende Schicht kann beispielsweise durch kommerziell erhältliche Silicon-on-Insulator (SOI)-Wafer gebildet werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform bildet mindestens eine Lichtquelle eine Nanodrahtstruktur, wobei das Kernelement der einen Lichtquelle, die die Nanodrahtstruktur bildet, einen Kerndurchmesser aufweist, und wobei das Schalenelement der einen Lichtquelle, die die Nanodrahtstruktur bildet, einen größeren Schalendurchmesser als der Kerndurchmesser aufweist.
Eine solche Konfiguration ist besonders vorteilhaft in Verbindung mit einer reflektierenden Schicht. Eine solche Kernschalenstruktur bildet zusammen mit einer reflektierenden Schicht einen Laser, der eine besonders helle und gerichtete Lichtquelle bildet, die leicht zu erkennen ist.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung einer Kennzeichnung zur Authentifizierung eines Produkts, das die folgenden Schritte umfasst:

eine lichtemittierende Einheit, bestehend aus einem Substrat, bereitzustellen; eine Blendenschicht mit einer Vielzahl von Öffnungen, wobei sich jede Öffnung durch die Blendenschicht von einer unteren Oberfläche der Blendenschicht zu einer gegenüberliegenden oberen Oberfläche der Blendenschicht erstreckt; eine Vielzahl von Lichtquellen, wobei jede Lichtquelle umfasst:
- ein Kernelement, das sich von einer oberen Oberfläche des Substrats durch eine der mehreren in der Blendenschicht ausgebildeten Öffnungen erstreckt;
- ein Schalenelement, das sich auf und/oder um das Kernelement herum erstreckt;
wobei das Schalenelement vom Substrat beabstandet ist,

Kontaktieren der lichtemittierenden Einheit mit einer Versorgungseinheit zur Stromversorgung der lichtemittierenden Einheit, wobei die Versorgungseinheit eine Empfangsvorrichtung zur Entnahme der Leistung aus einem zeitlich veränderlichen elektromagnetischen Feld aufweist.
Die beigefügten Zeichnungen sind in die Beschreibung eingearbeitet und bilden einen Teil der Beschreibung, um mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu veranschaulichen. Diese Zeichnungen dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung der Grundsätze der Erfindung. Die Zeichnungen dienen lediglich der Veranschaulichung der bevorzugten und alternativen Beispiele für die Herstellung und Benutzung der Erfindung und sind nicht so auszulegen, dass sie die Erfindung auf die abgebildeten und beschriebenen Ausführungsformen beschränken. Darüber hinaus können mehrere Aspekte der Ausführungsform- einzeln oder in verschiedenen Kombinationen - nach der vorliegenden Erfindung Lösungen bilden. Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen können daher entweder allein oder in einer beliebigen Kombination betrachtet werden. Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der folgenden genaueren Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung, wie sie in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, in denen sich gleichartige Hinweise auf gleichartige Elemente beziehen und wobei

eine schematische Darstellung einer Kennzeichnung nach der vorliegenden Erfindung;
eine schematische Darstellung einer Kennzeichnung nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
eine schematische Darstellung einer Kennzeichnung nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
eine schematische Darstellung einer Versuchsanordnung zur Analyse einer Kennzeichnung ist;
eine schematische Darstellung von fünf einzigartigen Lichtmustern ist;
eine schematische Darstellung des Ausgangsmaterials für die Kennzeichnung zeigt;
eine schematische Darstellung von nach einem Schritt der Bildung einer Vielzahl von Öffnungen zeigt;
eine schematische Darstellung von nach einem Schritt der Bildung von Kernelementen zeigt;
eine schematische Darstellung von nach einem Schritt der Formung von Schalenelementen zeigt;
eine schematische Darstellung von nach einem Schritt der Bildung einer Schutzschicht zeigt;
eine schematische Darstellung von nach einem Schritt der Bildung einer Kontaktschicht;
eine schematische Darstellung einer Lichtquelle;
eine schematische Darstellung von nach einem Schritt der Kontaktierung einer lichtemittierenden Einheit mit einer Versorgungseinheit;
einen Schaltplan einer drahtlosen Energieübertragungseinrichtung;
eine Draufsicht auf ;
eine Ausführungsform einer lichtemittierenden Einheit mit zusätzlicher reflektierender Oberfläche;
eine weitere Ausführungsform einer lichtemittierenden Einheit mit zusätzlicher reflektierender Oberfläche; und
eine weitere Ausführungsform einer lichtemittierenden Einheit mit zusätzlicher reflektierender Oberfläche.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der Abbildungen näher erläutert, wobei zunächst auf Bezug genommen wird, die eine schematische Darstellung einer Kennzeichnung 100 nach der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die Kennzeichnung 100 umfasst eine lichtemittierende Einheit 101 zur Erzeugung eines geformten Lichtstrahls, um das Kennzeichen zu identifizieren, und eine Stromversorgungseinheit 300 zur Stromversorgung der lichtemittierenden Einheit 101.
Die in 1A dargestellte lichtemittierende Einheit 101 ist eine Halbleiterlichtquelle, insbesondere eine Diode. Die Stromversorgungseinheit 300 umfasst einen Resonanzkreis mit einer elektromagnetischen Spule. Gemäß einer ersten Ausführungsform, die in 1B gezeigt ist, umfasst die lichtemittierende Einheit 101 eine einzelne Lichtquelle 200A und eine transparente Schicht 900 mit einer Vielzahl von Partikeln 902 zur Formung des von der Diode erzeugten Lichts. Gemäß einer zweiten Ausführungsform, die in 1C gezeigt ist, umfasst die lichtemittierende Einheit 101 eine Vielzahl von Lichtquellen 200.
Wie in 1A gezeigt, umfasst das Kennzeichen 100 gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform eine Datenspeichereinheit 500, einen Speicherkondensator 600, einen Gleichrichter 700 und einen Widerstand 800. Die Datenspeichereinheit 500 ist mit der Stromversorgungseinheit 300, insbesondere mit einem ersten Ende der elektromagnetischen Spule, und einem ersten Knotenpunkt verbunden, wobei der erste Knotenpunkt mit einer Parallelschaltung verbunden ist. Im Einzelnen ist der Gleichrichter 700 mit der Stromversorgungseinheit 300, insbesondere mit einem zweiten Ende der elektromagnetischen Spule, und einem zweiten Knotenpunkt verbunden, wobei der zweite Knotenpunkt mit der Parallelschaltung verbunden ist. Der Speicherkondensator 600 ist zwischen dem ersten Knoten und dem zweiten Knoten angeschlossen und bildet einen ersten Zweig der Parallelschaltung. Der Widerstand und die lichtemittierende Einheit 101 sind in einer Reihenschaltung verbunden, wobei die Reihenschaltung über den ersten Knoten und den zweiten Knoten verbunden ist und einen zweiten Zweig der Parallelschaltung bildet.
Die Datenspeichereinheit 500 speichert Daten zur Identifizierung des Etiketts. Die Datenspeichereinheit 500 ist z.B. ein NFC-Chip, der zusätzlich zur Kommunikation mit einem Benutzergerät, wie z.B. einem Smartphone, geeignet ist. Die Daten können von dem Benutzergerät ausgelesen werden, wenn es mit der durch den NFC-Chip gebildeten Datenspeichereinheit 500 verbunden ist, zum Beispiel durch eine drahtlose Verbindung.
Der Speicherkondensator 600 ist ein Kondensator zum Speichern einer Ladung. Der Speicherkondensator wird aufgeladen, wenn das Etikett von der Stromversorgungseinheit 300 mit Strom versorgt wird. Sobald die Stromversorgungseinheit 300 vom Benutzergerät getrennt wird, d.h. keinen Strom erhält, wird der Speicherkondensator 600 entladen. Durch die Entladung liefert der Speicherkondensator 600 die geladene Energie an die Lichteinheit 101. Folglich wird die lichtemittierende Einheit 101 auch dann mit Strom versorgt, wenn die Stromversorgungseinheit 300 nicht in Kontakt mit einem Benutzergerät ist.
Der Gleichrichter 700 ist eine Diode zur Umwandlung eines von der Stromversorgungseinheit 300 gelieferten Wechselstroms in einen Gleichstrom, der dem Speicherkondensator 600 und der Lichtemissionseinheit 101 zugeführt wird. Dadurch ist es möglich, die Ladung im Speicherkondensator 600 effizient zu sammeln.
Außerdem kann die lichtemittierende Einheit 101 durch die Bereitstellung des Gleichstroms effizienter betrieben werden. So kann beispielsweise eine Fehlfunktion der lichtemittierenden Einheit 101 vermieden werden, die entstehen kann, wenn die Diode ständig in Sperrrichtung mit Strom versorgt wird.
Der Gleichrichter kann eine Schottky-Diode sein, die höhere Schaltgeschwindigkeiten und eine bessere Systemeffizienz ermöglicht.
Der Widerstand 800 dient dazu, eine schnelle Entladung des Speicherkondensators 600 zu verhindern. Genauer gesagt passt der Widerstand 700 in der Reihenschaltung mit der lichtemittierenden Einheit 101 die an die lichtemittierende Einheit 101 gelieferte Spannung an. Der Widerstand 700 kann ein passives oder ein aktives Bauelement sein, z. B. Transistoren oder Operationsverstärker. Auf diese Weise kann die im Speicherkondensator 600 gespeicherte Ladung effizienter an die lichtemittierende Einheit 101 geliefert werden.
Außerdem kann der Widerstand dazu dienen, Sicherheitsanforderungen zu erfüllen. Insbesondere kann er die an die lichtemittierende Einheit 101 gelieferte Leistung begrenzen, so dass die lichtemittierende Einheit 101 Licht unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts abgibt. Ist die lichtemittierende Einheit 101 beispielsweise eine Laservorrichtung, so muss das abgegebene Licht unterhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts liegen, damit das Auge eines Benutzers geschützt ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform, die in 1A nicht dargestellt ist, kann ein Schaltelement in dem den Speicherkondensator 600, den Widerstand 700 und die lichtemittierende Einheit 101 umfassenden Schaltpfad vorgesehen sein. Das Schaltelement ist dazu geeignet, die Verbindung zwischen dem Speicherkondensator 600 und der lichtemittierenden Einheit 101 zu unterbrechen. Ein solches Schaltelement, das von einem Prozessor gesteuert werden kann, der Teil des NFC-Chips sein kann, ermöglicht es, die Stromversorgung der lichtemittierenden Einheit 101 zu steuern. Auf diese Weise kann die im Speicherkondensator 6000 gespeicherte Ladung effizienter der Leuchteinheit 101 zugeführt werden. Gemäß einem Beispiel ist der durch ein aktives Bauelement gebildete Widerstand 800 zusätzlich als Schaltelement betreibbar.
Ferner zeigt 1B eine schematische Ansicht eines Systems mit einem Kennzeichen 100A gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Kennzeichen 100A umfasst eine Lichtquelle 200A und die transparente Schicht 900. Die transparente Schicht umfasst eine Vielzahl von Partikeln 902. Die Partikel formen den Strahl, um ein einzigartiges Muster zu erzeugen.
Die Kennzeichnung 100A wird z.B. auf ein Produkt 2000 geklebt. Das Produkt 2000 nach dieser Ausführungsform ist eine medizinische Verpackung. Das Kennzeichnung 100A wird über eine drahtlosen Verbindung 3002 mit Strom, z.B. mit dem Strom des NFC-Chips (Nearfield communication), aus einem Gerät 3000, z.B. einem Smartphone, gespeist. Die Sendeeinheit sendet Licht 102 aus, das von einer Detektionseinheit des Gerätes 3000, z.B. einer Smartphone-Kamera, erkannt wird. Vorteilhaft ist die Anzeige des erkannten Lichtmusters auf dem Display 3010 des Gerätes 3000. Weiterhin wird das detektierte Lichtmuster, das einzigartig ist und von dem der Kennzeichnung emittierten Lichtmuster abhängt, weiter analysiert.
Zum Beispiel wird das Lichtmuster mit Hilfe einer Datenbank identifiziert, die auf einer vom Hersteller des Produkts bereitgestellten Webseite gehostet wird. Zusätzlich oder alternativ wird das Lichtmuster anhand der Daten identifiziert, die ein zusammen mit der Kennzeichnung auf der Montageeinheit montierter Speicher liefert. Der Speicher kann zum Beispiel ein NFC-Chip sein.
Mit dem NFC-Chip kann zum Beispiel eine digitale ID des Etiketts an das Smartphone übertragen werden. So kann das gemessene Muster anhand der ID schnell in einer Datenbank verglichen werden.
Einem Aspekt zufolge ist die Lichtquelle 200A ein oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL). Ein VCSEL ermöglicht es, Licht direkt von der Oberfläche des Etiketts 100A zu emittieren. So kann die begrenzte Leistung der Stromversorgungseinheit effizient genutzt werden, um Licht zu erzeugen, das vom Etikett weggestrahlt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt besteht die transparente Schicht 900 aus SiO2, Epoxid, Klebstoff oder einem Polymer. Diese Materialien sind für das von der Lichtquelle 200A emittierte Licht transparent. Somit wird das von der Lichtquelle 200A emittierte Licht nicht durch die transparente Schicht 900 blockiert.
Ein weiterer Aspekt ist, dass die Partikel 902 das erzeugte Licht zumindest teilweise reflektieren. Folglich ermöglichen die Partikel 902 die Formung des Strahls, blockieren ihn jedoch nicht vollständig. Somit ist ein Signal durch das Benutzergerät 3000 detektierbar. Die Partikel 902 bestehen zum Beispiel aus einem Metall, einem Dielektrikum, einem Phosphoreszenzmaterial oder einem nichtlinearen Absorber.
Gemäß einem weiteren Aspekt weist die transparente Schicht 900 eine der Lichtquelle 200A zugewandte Unterseite und eine gegenüberliegende Oberseite zur Abgabe des geformten Strahls auf, und wobei ein erstes Teilchen näher an der Oberseite angeordnet ist als ein zweites Teilchen. Mit anderen Worten, die Partikel sind dreidimensional angeordnet. Dadurch werden die Weglängen zwischen den von der Lichtquelle 200A emittierten Lichtstrahlen beeinflusst. Insbesondere wenn es sich bei der Lichtquelle 200A um einen Laser handelt, lässt sich durch die dreidimensionale Anordnung der Partikel 902 ein besonders einzigartiges Interferenzmuster erzeugen. So ist, wie in 1B gezeigt, auf einem Display 3010 des Benutzergeräts ein besonders einzigartiges Beugungsmuster auf dem Display erkennbar, wenn die Lichtquelle 200A kohärentes Licht liefert.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird, wenn die Lichtquelle 200A kein kohärentes Licht liefert, z.B. wenn die Lichtquelle 200A nicht in einem Lasermodus betrieben wird, die dreidimensionale Anordnung der Partikel den Strahl teilweise abschatten und das Licht streut. Der abgeschattete und gestreute Strahl kann alternativ oder zusätzlich zur Erzeugung eines einzigartigen Musters verwendet werden.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann die Lichtquelle 200A im Laser-modus und im Nicht-Lasermodus betrieben werden. Folglich kann das emittierte Licht in Abhängigkeit von der der Lichtquelle 200A zugeführten Leistung durch zwei unterschiedliche Verfahren geformt werden. Sobald die Lichtquelle 200A im Laserbetrieb arbeitet, ist das emittierte Licht ausreichend kohärent, insbesondere ist die räumliche und zeitliche Kohärenz ausreichend, so dass ein ausgeprägtes Beugungsmuster entsteht. Mit anderen Worten: Der gerichtete Strahl, der durch das Laserlicht verursacht wird, kann interferieren.
Andernfalls, wenn die von der Stromversorgungseinheit und/oder dem Speicherkondensator gelieferte Leistung nicht ausreicht, damit die Lichtquelle 200A kohärentes Licht aussendet, wird inkohärentes Licht von der Lichtquelle 200A ausgesendet. Folglich basiert das von der Benutzerausrüstung erkannte Muster auf dem Schatteneffekt der Partikel oder auf einer Reflexion der Partikel. Die der Lichtquelle 200A zugeführte Leistung kann z. B. aktiv durch das Schaltelement gesteuert werden. Zusätzlich oder alternativ kann die Konfiguration der elektrischen Komponenten die Leistung, die der Lichtquelle 200A zugeführt wird, nach einer vorbestimmten Zeit nach dem Trennen von der Benutzerausrüstung, nämlich in der Zeitspanne, in der sich der Speicherkondensator entlädt, reduzieren.
Ferner zeigt 1C eine schematische Ansicht eines Systems mit einem Etikett 100B gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Kennzeichen umfasst eine Vielzahl von Lichtquellen 200, die auf einer Montageeinheit 400 angeordnet sind.
Das Kennzeichen 100B ist auf einem Produkt 2000 angebracht, beispielsweise aufgeklebt. Bei dem Produkt 2000 handelt es sich gemäß dieser Ausführungsform um eine medizinische Verpackung. Das Etikett 100B wird mit einer drahtlosen Energie 3002, z.B. durch einen Nahfeldkommunikationschip (NFC), von einem Gerät 3000, z.B. einem Smartphone, versorgt. Die lichtemittierende Einheit sendet Licht 102 aus, das von einer Erfassungseinheit des Geräts 3000, z. B. einer Smartphone-Kamera, erfasst wird. Vorteilhafterweise wird das detektierte Lichtmuster auf dem Display 3010 des Geräts 3000 angezeigt. Ferner wird das detektierte Lichtmuster, das eindeutig ist und von dem vom Kennzeichen emittierten Lichtmuster abhängt, weiter analysiert.
Das Lichtmuster wird zum Beispiel mit Hilfe einer Datenbank identifiziert, die auf einer vom Hersteller des Produkts bereitgestellten Webseite geführt wird. Zusätzlich oder alternativ wird das Lichtmuster mit Hilfe von Daten identifiziert, die von einem Speicher bereitgestellt werden, der zusammen mit dem Etikett an der Montageeinheit angebracht ist. Bei dem Speicher kann es sich zum Beispiel um einen NFC-Chip handeln.
Mit dem NFC-Chip kann beispielsweise eine digitale ID des Kennzeichens an das Smartphone übertragen werden. So kann das gemessene Muster anhand der ID schnell in einer Datenbank verglichen werden.
Weiterhin ist unter Bezugnahme auf ein Schema eines Versuchsaufbaus zur Analyse eines Etiketts dargestellt. Nach diesem Versuchsaufbau wird die Kennzeichnung 100B durch eine zusätzliche Lichtquelle aktiv. Das von der Kennzeichnung 100B ausgestrahlte Licht wird durch einen halbtransparenten Spiegel geleitet. Eine optische Einheit analysiert dann das empfangene Licht.
Weiterhin werden in Bezug auf fünf einzigartige Lichtmuster gezeigt. Insbesondere die erste Reihe von zeigt fünf Lichtmuster, wie sie mit einer optischen Einheit, z.B. einer Smartphone-Kamera, erkannt werden. Nach der Aufnahme des Lichtmusters kann das Bild mit einem Software-Algorithmus bearbeitet werden. Ein Beispiel für Bilder, die mit einem Algorithmus zur Reduzierung der Komplexität des Lichtmusters durch Pixel-Binning verarbeitet wurden, ist in der zweiten Reihe dargestellt. Die dritte Zeile schließlich zeigt einen aus dem konvertierten Bild resultierenden Code (Hash), der einen effizienten Vergleich mit der Datenbank des Herstellers ermöglicht. Der Identifikationscode kann über eine Webseite bereitgestellt werden.
Nun wird mit Bezug auf die bis die Herstellungsmethode einer lichtemittierenden Einheit nach einer vorteilhaften Ausführungsform beschrieben. zeigt zunächst das unbearbeitete Ausgangsmaterial. Insbesondere besteht die Kennzeichnung aus einem Substrat 110 und einer auf dem Substrat ausgebildeten Lochschicht 120. Das Substrat 110 besteht vorzugsweise aus Silizium, GaAs, GaN oder InP. Entsprechend einer vorteilhaften Ausführung besteht die Blendenschicht 120 aus einem dielektrischen Material, vorzugsweise SiO2.
Das Substrat hat eine der oberen Oberfläche 112 gegenüberliegende untere Oberfläche 122 der Blendenschicht. Vorteilhaft ist, dass die obere Oberfläche 112 die untere Oberfläche 122 berührt. Weiterhin steht eine obere Oberfläche 123 der Blendenschicht 120 der unteren Oberfläche 122 der Blendenschicht 120 gegenüber. Weiterhin steht eine untere Oberfläche 113 des Substrats 110 der oberen Oberfläche 112 des Substrats 110 gegenüber.
Weiterhin zeigt ein Schema von nach einem Schritt der Bildung einer Vielzahl von Öffnungen 124 in der Blendenschicht 120. Insbesondere reicht eine Vielzahl von Öffnungen 124 durch die Blendenschicht 120. Genauer gesagt, jede Öffnung 124 erstreckt sich durch die genannte Blendenschicht 120 von der untere Oberfläche 122 der Blendenschicht 120 bis zur gegenüberliegenden oberen Oberfläche 123 der Blendenschicht 120. Vorteilhaft ist das Ätzen der Blendenschicht. Dies ermöglicht eine einfache Herstellung, da Standardtechniken wie das chemische Nassätzen verwendet werden können.
Wie in weiter dargestellt, umfasst die obere Oberfläche 123 der Lochschicht 120 weiterhin eine Vielzahl von Aussparungen 126. Insbesondere erstreckt sich jede Aussparung von der oberen Oberfläche 123 der Blendenschicht 120 in die gleiche Richtung wie die Öffnungen 124. Die Vertiefungen 126 sind nach der vorliegenden Darstellung ein Artefakt des Ätzprozesses zur Erzeugung der Öffnungen 124. Im Detail wird die Blendenschicht 120 für einige Sekunden geätzt, um die Vielzahl der Öffnungen 124 zu erzeugen. Vorteilhafterweise wird die Blendenschicht so geätzt, dass auf einer Fläche von 1 mm² tausend bis eine Million Öffnungen 124 erzeugt werden. Noch vorteilhafter ist, dass die Blendenschicht so geätzt wird, dass auf einer Fläche von 1 mm² tausend bis hunderttausend Öffnungen entstehen. Da die obere Oberfläche 123 der Blendenschicht 120 nicht mit einer ätzresistenten Schicht maskiert wurde, ist die Anzahl der Öffnungen 124 hauptsächlich von der Dauer des Ätzvorgangs abhängig. Gleichzeitig werden in der Blendenschicht Aussparungen 126 gebildet. Insbesondere reichen die Aussparungen 126 nicht durch die Blendenschicht.
Wie in weiter dargestellt, ist die Oberfläche der Blendenschicht rau. Nicht in dargestellt ist, dass die obere Oberfläche der Blendenschicht Rückstände des Ätzmaterials enthält, wobei diese Rückstände des Ätzmaterials aus dem Ätzprozess zur Herstellung der Öffnungen resultieren. Insbesondere ist der Ätzprozess nicht dazu gedacht, Öffnungen an vorher definierten Stellen zu bilden. Vielmehr sind die Öffnungen, auch als Löcher bezeichnet, zufällig verteilt.
So ermöglicht die Blendenschicht 120 ein zufälliges Wachstum von Lichtquellen durch vorheriges Ätzen von zufälligen Öffnungen 124 in dieser Blendenschicht 120. Zusätzlich dient die Blendenschicht 120 als Reflexionsschicht für optische Operationen wie z.B. Laseroperationen.
Weiterhin zeigt ein Schema von nach einem Schritt der Bildung von Kernelementen 210 auf dem Substrat 110, nämlich die Bildung von beispielhaften Kernelementen 210a und 210b. Insbesondere die Kernelemente 210 wachsen aus der Oberfläche 112 des Substrats 110. Genauer gesagt wachsen die Kernelemente 210 durch die Öffnungen 124, die in der Lochschicht 120 gebildet werden. Die Blendenschicht 120 erlaubt es also, die Positionen zu definieren, an denen die Kernelemente 120 wachsen. Die Kernelemente werden vorteilhaft mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) oder metallorganischer chemischer Gasphasenabscheidung (MOCVD) aufgewachsen.
Zusätzlich definiert die Blendenschicht die geometrischen Parameter wie den Durchmesser der Kernelemente 120. Zum Beispiel ist der Durchmesser der Kernelemente 120b größer als der Durchmesser der Kernelemente 120a. Insbesondere und wie in dargestellt, ist der Durchmesser eines Kernelements 120 vom Durchmesser der jeweiligen Öffnung abhängig.
Ein weiterer geometrischer Parameter jedes Kernelements 120, der durch die Blendenschicht 120 definiert wird, ist die Länge des Kernelements, wobei die Länge in der Richtung senkrecht zur oberen Oberfläche 112 des Substrats 120 definiert ist. Unter der Annahme, dass das Material für die Kernelemente mit einer bestimmten Flussrate bereitgestellt wird, wobei die Flussrate konstant ist, ist das für die einzelnen Kernelemente verfügbare Material unterschiedlich, da es von der individuellen Umgebung abhängig sein kann, die durch Aussparungen, Verunreinigungen und um Material konkurrierende Kernelemente beeinflusst wird. Zum Beispiel ist das Kernelement 210a länger als das Kernelement 120b. Die Länge hängt insbesondere von dem für das Wachstum des jeweiligen Kernelements verfügbaren Material ab. Ist z.B. die lokale Dichte der Öffnungen größer, steht für ein einzelnes Kernelement 210 weniger Material zur Verfügung.
So wird, wie in gezeigt, die Vielzahl der Kernelemente 210 auf dem Substrat 110 aufgewachsen, wobei jedes Kernelement spezifische geometrische Eigenschaften hat.
Weiterhin zeigt ein Schema von nach einem Schritt der Bildung der Schalenelemente 220 auf den Kernelementen, nämlich beispielhaft die Schalenelemente 220a, 220b und 220c. Insbesondere die Schalenelemente 220 erstrecken sich auf und/oder um die Kernelemente herum. Zum Beispiel wird das Schalenelement 220c auf das jeweilige Kernelement aufgesteckt. Weiterhin sind die Schalenelemente 220 vom Untergrund beabstandet. Insbesondere die vorzugsweise durch ein isolierendes Material gebildete Lochschicht 120 beabstandet die Schalenelemente 220 zum Substrat 110.
Weiterhin definiert jedes Kernelement die geometrischen Parameter als Durchmesser der Schalenelemente 220. Zum Beispiel ist der Durchmesser des Schalenelements 220b größer als der Durchmesser des Schalenelements 220a. Insbesondere der Durchmesser der Schalenelemente 220 ist abhängig vom Durchmesser des jeweiligen Kernelements. Zusätzlich kann der Durchmesser des Schalenelementes vom individuellen Materialfluss abhängen, der wiederum von der individuellen Position der Schalenelemente 220 auf dem Untergrund 110 abhängen kann.
Ein weiterer geometrischer Parameter jedes Schalenelements 220, der durch das Kernelement definiert wird, ist die Länge des Schalenelements. Unter der Annahme, dass das Material für das Schalenelement 220 mit einer bestimmten Durchflussmenge bereitgestellt wird, wobei die Durchflussmenge konstant ist, ist das für das einzelne Schalenelement 220 verfügbare Material variabel. Zum Beispiel ist das Schalenelement 220a länger als das Schalenelement 220b. Generell hängt die Länge von dem für das Wachstum des jeweiligen Schalenelementes zur Verfügung stehenden Material ab. Ist z.B. die lokale Dichte der Kernelemente größer, steht weniger Material für das einzelne Schalenelement 220 zur Verfügung.
Weiterhin zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung einer Kennzeichnung mit einer Schutzschicht 130. Insbesondere zeigt schematisch die nach einem Schritt der Bildung der Schutzschicht 130 auf der Blendenschicht 120. Die Schutzschicht 130 ermöglicht den Schutz der Vielzahl von Lichtquellen 200, wobei jede Lichtquelle aus dem Kernelement 210 und einem Schalenelement 220 gebildet wird.
Genauer gesagt, die Schutzschicht 130 erstreckt sich von der oberen Oberfläche 123 der Blendenschicht 120. Die Schutzschicht 130 wird vorteilhafterweise durch ein Verfahren wie Sputtern, Spin-Coating, Atomlagenabscheidung und/oder chemische Bedampfung hergestellt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform besteht die Schutzschicht aus einem dielektrischen Material, wie z.B. einem Polymer oder Benzocyclobuten (BCB). So kann die Schutzschicht 130 die Lichtquellen 200 stabilisieren und/oder mechanisch schützen.
Weiterhin zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung einer Kennzeichnung, das zusätzlich eine Kontaktschicht 140 enthält. Insbesondere zeigt schematisch die nach einem Schritt der Bildung der Kontaktschicht 140 auf der Schutzschicht 130. Die Kontaktschicht 140 ermöglicht die Kontaktierung der Vielzahl von Lichtquellen 200, wobei jede Lichtquelle durch ein Kernelement 210 und ein Schalenelement 220 gebildet wird. Weiterhin trennt die Schutzschicht 130 die Kontaktschicht 140 von der Blendenschicht 120 und ermöglicht so eine effiziente Ladungsrekombination in den Lichtquellen. Nach einer alternativen, in den Abbildungen nicht gezeigten Ausführung, wird die Kontaktschicht direkt auf der isolierenden Blendenschicht gebildet.
Vorteilhaft ist, dass die Kontaktschicht 140 aus einem Metall besteht, z.B. Au, Ag, Cu oder Ti. Alternativ besteht die Kontaktschicht 140 aus leitfähigen Polymeren wie PEDOT:PSS ((Poly(3,4-ethylendioxythiophen): Polystyrolsulfonsäure).
So bildet die Kontaktschicht 140 einen ersten elektrischen Kontakt für die Vielzahl der Lichtquellen 200. Die elektrische Kontaktschicht 140 kann nach einer noch vorteilhafteren Ausführungsform eine dünne metallische Schicht wie Au, Cu oder Ti sein, die eine ausreichende Transmission ermöglicht, oder aus einem transparenten leitenden Material wie Indium-ZinnOxid (ITO) gebildet werden. Die Kontakte sind vorzugsweise ohmsch.
Zusätzlich kann die metallische Kontaktschicht 140 als zweite reflektierende Schicht an der oberen Oberfläche der Lichtquellen 200 verdoppelt werden, wodurch die Eingrenzung weiter verstärkt und somit eine Laserschwelle weiter gesenkt werden kann.
Wie in weiter dargestellt, bildet eine Deckschicht 142 der Kontaktschicht 140 eine Grenzfläche der lichtemittierenden Einheit. Insbesondere darf die Kontaktschicht 140 eine Lichtquelle 200b abdecken. Zusätzlich oder alternativ kann die obere Oberfläche eines Schalenelements einer Lichtquelle 200a einen Teil einer Begrenzung der lichtemittierenden Einheit bilden. Vorteilhaft ist, dass die Deckschicht 142 der Kontaktschicht 140 eine glatte Oberfläche aufweist. So können z.B. von der obersten Schicht 142 ausgehende Schalenelemente durch ein mechanisches oder chemisches Verfahren entfernt werden.
Das Substrat 110, die Blendenschicht 120, die Vielzahl der Lichtquellen 200, die Schutzschicht 130 und die Kontaktschicht 140 bilden eine lichtemittierende Einheit 101. Entsprechend einer vorteilhaften, in den Abbildungen nicht gezeigten Ausführung, ist die lichtemittierende Einheit durch eine Kapselungsstruktur geschützt. Die Verkapselungsstruktur ist z.B. eine auf der Kontaktschicht 140 gebildete Schicht.
Vorteilhaftweise ist das Substrat 110 dotiert, um als zweite Kontaktschicht zu dienen. Insbesondere ist die Dotierung des Substrates gleich der Dotierung des Kerns und/oder die Dotierung des Substrates unterscheidet sich von der Dotierung der Schale. Ist z.B. die Schale p-dotiert, so ist das Substrat n-dotiert und/oder ist der Kern p-dotiert, so ist das Substrat p-dotiert.
Weiterhin zeigt ein weiteres Beispiel für eine der mehreren Lichtquellen 200. Jede Lichtquelle 200 nach dieser Ausführungsform besteht aus einem Substrat 110, einer Blendenschicht 120, einem Kernelement 210, einem zusätzlichen intrinsischen Element 230 und einem Schalenelement 220. Vorteilhaft ist, dass das intrinsische Element 230 ein Innenelement des Schalenelementes 220 ist. Insbesondere stellt das intrinsische Element einen intrinsischen Halbleiter und die Hülle einen p- oder n-Typ-Halbleiter dar. Das intrinsische Element kann eine Quantum-Well-Struktur bilden. Die Dicke des Quantentopfes kann vom Materialfluss während des Wachstumsprozesses abhängen, der von der individuellen Position der jeweiligen Lichtquelle abhängt. Die Lichtintensität der einzelnen Lichtquellen ist also stark von der jeweiligen Position auf der Kennzeichnung abhängig.
Vorteilhaft ist, dass die Lichtquelle 200 eine Nanodraht-Laserstruktur bildet. Insbesondere das Kernelement 210 ist ein längliches Element, das sich vertikal vom Siliziumsubstrat 110 aus erstreckt. Das Schalenelement 220 ist ein längliches Element, das auf und um das Kernelement 210 herum geformt ist.
Vorteilhaft ist, dass das Substrat 110 aus einem Halbleitermaterial wie Si, GaAs, GaN oder InP besteht und als Substrat dient. Noch vorteilhafter ist, dass das Substrat ein Siliziumsubstrat mit einer < 100> Siliziumoberfläche oder einer < 111 > Siliziumoberfläche ist.
Vorteilhaft ist, dass die Blendenschicht 120 aus einem dielektrischen Material wie SiO2 besteht und ein zufälliges Wachstum der Lichtquelle 200, z.B. eines Nanodrahtes, durch vorheriges Ätzen von zufälligen Löchern in dieser dielektrischen Schicht ermöglicht. Die Blendenschicht dient auch als Reflexionsschicht für den Laserbetrieb.
Vorteilhaft ist, dass das Kernelement 210 aus einem p-leitenden Halbleitermaterial wie GaAs, InP oder GaN besteht und als p-Kontakt dient. Vorteilhaft ist, dass das intrinsische Element 230 aus einem intrinsischen Halbleiter wie GaAs, InP oder GaN besteht. Das intrinsische Element 230 dient als Rekombinationszone und optische Verstärkung. Vorteilhaft ist, dass das Schalenelement 220 aus einem n-Typ-Halbleiter wie GaAs, InP oder GaN besteht. Das Schalenelement 220 dient als n-Kontakt.
Nach einer Ausführungsform werden die Abmessungen der Lichtquelle 200 entsprechend der Laserwellenlänge eines Lasersignals gewählt, das die Lichtquellenstruktur 200 aussenden soll, wodurch eine Nanodraht-Laserstruktur entsteht. Ein Durchmesser d1< λ/(2-n) verhindert das Eindringen von Laserlicht durch das Kernelement 210 zum darunter liegenden Substrat 110, da der Kerndurchmesser unterhalb eines optischen Trenndurchmessers bleibt und eine Wellenleitung im Kernelement 210 effizient vermieden wird. Als Folge davon wird das im Kern-Schale-Element auf der Blendenschicht 120 geführte Licht an der Blendenschicht reflektiert und liefert so eine optische Rückkopplung für den Laserbetrieb des Gerätes.
Ein Außendurchmesser d2 des Schalenelements 220 kann mindestens d2> λ/(2-n), insbesondere d2> λ/(n), betragen, wobei n einen Brechungsindex des Schalenelements 220 bezeichnet. Dies ermöglicht eine effiziente Wellenleitung innerhalb des Kern-Schale-Elements entlang der vertikalen Achsen. Folglich kann sich das Laserlicht entlang der Längsrichtung des Kern-Schale-Elements ausbreiten. An den Endfacetten des Kern-Schale-Elements wird das Licht reflektiert und schwingt in Längsrichtung des Kern-Schale-Elements mit. Das Kern-Schale-Element 220 dient somit als Laserkavität.
Je nach Laserwellenlänge kann der Durchmesser d1 des Kernelements 210 im Bereich zwischen 80 nm und 300 nm liegen. Entsprechend darf der Durchmesser d2 des Schalenelementes 220 mindestens 160 nm, insbesondere mindestens 400 nm oder mindestens 600 nm betragen.
Weiterhin dient die Blendenschicht 120 zur Reflexion des optischen Lichts, insbesondere der Lasermoden, an dem Ende des Schalenelements 210 das dem Substrat zugewandten ist und sorgt somit für eine resonante Rückführung der optischen Moden zum Lasen der Nanodrahtstruktur 200. So erhöht die Blendenschicht 120 die Reflektivität, insbesondere die modale Reflektivität.
Weiterhin zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung einer Kennzeichnung 100B mit einem Versorgungseint 300 zur Stromversorgung der Leuchteinheit 101 wie in oder dargestellt. Insbesondere zeigt schematisch die nach einem Schritt der Kontaktierung des Lichteinheit 101 mit der Versorgungseinheit 300.
Die Versorgungseinheit 300 besteht aus einer Empfangsvorrichtung 310, einem ersten elektrischen Anschluss 320 und einem zweiten elektrischen Anschluss 330. Das Empfangsgerät 310 entnimmt die Leistung aus einem zeitlich veränderlichen elektromagnetischen Feld und wird anhand von detailliert beschrieben.
zeigt einen Schaltplan eines drahtlosen Energieübertragungsgerätes mit einer Sendeeinheit 3001 und einer Empfangseinheit. Die Empfangseinheit, bestehend aus einer elektromagnetischen Spule 312 und einem Kondensator 314, bildet einen Schwingkreis, der auch als Tankkreis bezeichnet wird. Die Empfangsvorrichtung wird über einen ersten elektrischen Anschluss 320 und einen zweiten elektrischen Anschluss 330 mit einer Lichtquelle 200, die eine Diode ist, wie z.B. in oder dargestellt, verbunden.
Vorteilhaft ist, dass die Sendeeinheit 3001 aus einer Spule besteht, die eine Nahfeldkommunikation (NFC) ermöglicht, wie sie z.B. in einem NFC-Chip eines Smartphones enthalten ist.
Entsprechend der vorteilhaften Ausgestaltung in ist die Empfangsvorrichtung ein Schwingkreis. Der Kondensator 314 besteht aus zwei Platten. Vorteilhaft ist, dass eine erste Kondensatorplatte durch das dotierte Substrat 110 und eine zweite Kondensatorplatte durch die leitfähige Schicht 140 gebildet wird, wie z.B. in Bild 11 dargestellt. Nach einer alternativen, in den Abbildungen nicht gezeigten Ausführung, können die Kondensatorplatten durch zusätzliche leitende Platten gebildet werden.
Zurück zu ist eine Ausführungsform gezeigt, bei der der erste elektrische Steckverbinder 320 das Netzteil 300 mit der Leitschicht 140 verbindet. So wird das Schalenelement 220 mit dem Netzteil 300 elektrisch kontaktiert.
Der zweite elektrische Anschluss 330 verbindet das Netzteil 300 mit dem Substrat 110. So ist das Kernelement 210 mit dem Netzteil 300 elektrisch kontaktiert. Insbesondere wird in der lichtemittierenden Einheit 101 eine Kontaktierungsaussparung gebildet, die sich von einer Grenzfläche der lichtemittierenden Einheit 101 bis zum Substrat 110 erstreckt. Wie in dargestellt, wird eine Öffnung gebildet, die sich durch oder neben der Kontaktschicht 140, durch die Schutzschicht 130 und die Blendenschicht 120 erstreckt, so dass der zweite Verbinder 330 das Substrat 110 kontaktiert.
Weiterhin zeigt eine Draufsicht auf . Insbesondere enthält die Montageeinheit 400 die Kennzeichnung, die aus einer lichtemittierende Einheit 101, wie z.B. in dargestellt, und einer Versorgungseinheit mit einer elektromagnetischen Spule 312, wie z.B. in dargestellt, besteht. Ein Wafer kann beispielsweise durch einen Strukturierungsprozess, z.B. Photolithographie, strukturiert werden und so die Spule des Netzteils erzeugen. Der gleiche Wafer kann mit dem oben beschriebenen Prozess zur Erzeugung der lichtemittierenden Einheit behandelt werden. Somit dient das Substrat zusätzlich als Montageeinheit 400. So können einfach und kostengünstig mehrere Kennzeichnungen auf einem Wafer hergestellt werden. Alternativ kann die Montageeinheit eine Versorgungseinheit wie z.B. ein NFC-Tag sein und die Leuchteinheit kann mechanisch und elektrisch an eine solche Versorgungseinheit angeschlossen werden.
Die lichtemittierende Einheit 101 umfasst die Kontaktfläche 140 zur Kontaktierung der Schalenelemente 220 der Vielzahl der Lichtquellen. Weiterhin ist, wie in dargestellt, die Umfangsform der lichtemittierenden Einheit asymmetrisch, nämlich ein Fünfeck. Mit anderen Worten, die periphere Form, auch als Umfangsform bezeichnet, ist weder spiegel- noch punktsymmetrisch. So kann durch die Analyse der Umfangsform der lichtemittierenden Einheit leichter eine Vorzugsorientierung ermittelt werden. Dadurch wird die Identifizierung des Lichtmusters, wie z.B. in dargestellt, vereinfacht.
Die elektromagnetische Spule 312 bildet eine Spirale, die die Kontaktfläche 140 der Leuchteinheit 101 berührt und sich um einen Mittelpunkt der Leuchteinheit 101 windet. Diese Anordnung ermöglicht eine besonders kompakte Konfiguration. Weiterhin wird die Spule mit einer Platte des Kondensators 314 verbunden. Ebenfalls nicht dargestellt, kann die Platte einen Rahmen um die elektromagnetische Spule 314 bilden, um die Fläche des Kondensators zu vergrößern. Dies ermöglicht es, einen Schwingkreis mit einer kompakten Konfiguration zu bilden. Nicht dargestellt in ist die zweite Kondensatorplatte, die vorzugsweise durch das Substrat gebildet wird, das vorzugsweise wie oben beschrieben dotiert ist.
Nach einer Ausführungsform beträgt der Abstand zwischen den Kondensatorplatten zwischen 1 µm und 10 µm, vorzugsweise 5 µm. Die Fläche des Kondensators, insbesondere die Fläche, die durch gegenüberliegende Kondensatorplatten gebildet wird, liegt zwischen 0,5 mm2 und 5 mm2, vorzugsweise 1 mm2. Die elektromagnetische Spule hat eine Wicklungszahl, die der Anzahl der geschlossenen Kurven in der Ebene um den Mittelpunkt entspricht, von 1 bis 5000.
Die Resonanzfrequenz der Empfangsvorrichtung beträgt nach einer bevorzugten Ausführungsform 13,56 MHz oder ein ganzzahliges Vielfaches davon.
Unter Bezugnahme auf die bis sind Ausführungsformen dargestellt, bei denen die lichtemittierende Einheit eine zusätzliche reflektierende Schicht 150 aufweist. Eine solche zusätzliche reflektierende Schicht erhöht die Menge des von den Lichtquellen abgestrahlten Lichts und kann eine optische Rückmeldung für den Laserbetrieb der Lichtquellen liefern.
zeigt eine Ausführungsform, bei der die reflektierende Schicht 150 von der unteren Oberfläche 113 des Substrats 110 ausgeht. Vorteilhaft ist, dass das Substrat eine Dicke von weniger als 10 µm hat. Noch vorteilhafter ist, dass das Substrat eine Dicke von weniger als 100 nm hat.
So kann z.B. ein Substrat einschließlich der reflektierenden Schicht durch einen Siliziumauf-Isolator (SOI)-Wafer bereitgestellt werden.
zeigt eine Ausführungsform, bei der die Reflexionsschicht 150 zwischen einer unteren Oberfläche des Schalenelements 220 und der oberen Oberfläche 123 der Blendenschicht 120 angeordnet ist. Die untere Oberfläche des Schalenelementes 210 zeigt zur oberen Oberfläche 123 der Lochschicht 120.
Eine solche Anordnung kann durch das Aufwachsen von Opferdrähten in den zufälligen Löchern der Lochschicht 120 in einem ersten Fertigungsschritt hergestellt werden. Die so entstandene Struktur wird dann mit der Reflexionsschicht 150, vorzugsweise einer Oxidschicht, beschichtet, wobei die ursprüngliche Blendenschicht 120 dicker wird. Anschließend werden die Opferdrähte entfernt, z.B. thermisch verdampft oder geätzt. In der verbleibenden dicken Schicht, bestehend aus der Blendenschicht 120 und der Reflexionsschicht 150, werden die Kernelemente wie z.B. in dargestellt gebildet. Eine solche Anordnung bietet einen zusätzlichen Schutz vor Fälschungen, da die Form der Öffnungen zusätzlich durch die Form der ersten Opferdrähte bestimmt wird, diese Opferdrähte jedoch stets entfernt wurden.
Weiterhin ist, wie in dargestellt, die Reflexionsschicht 150 zwischen der Blendenschicht 120 und dem Substrat 110 angeordnet.
Eine solche Reflexionsschicht 150 kann erzeugt werden, indem zunächst eine dicke Reflexionsschicht 150 auf dem Substrat 110 gebildet wird. Dann wird auf der dicken Reflexionsschicht 150 die Blendenschicht 120 gebildet. Dann wird diese Blendenschicht 120 geätzt, wie z.B. mit der Referenz beschrieben. Das in der Blendenschicht 120 gebildete zufällige Öffnungsmuster kann dann durch einen Trockenätzschritt auf die Reflexionsschicht 150 übertragen werden, indem die Blendenschicht 120 als Maske verwendet wird.
Obwohl in den obigen Abbildungen nur eine Ausführungsform gezeigt wird, bei der das Kernelement 210 und das Schalenelement 220 zylindrisch sind, können beide, das Kernelement 210 und das Schalenelement 220, sechseckig oder dreieckig sein. Je nach den verwendeten Materialien können jedoch auch andere Formen verwendet werden.
Obwohl in den obigen Abbildungen nur eine Ausführungsform gezeigt wird, bei der die elektromagnetische Spule auf der lichtemittierenden Einheit gebildet wird, kann die elektromagnetische Spule auf dem Substrat gebildet werden.

Claims

Eine Kennzeichnung (100) zur Authentifizierung eines Produkts (2000), umfassend: eine lichtemittierende Einheit (101) zur Formung von Licht um die Kennzeichnung zu erfassen; eine Versorgungseinheit (300) zur Stromversorgung der lichtemittierenden Einheit (101); wobei die Versorgungseinheit (300) eine Empfangsvorrichtung (310) zur Entnahme von Leistung aus einem zeitlich veränderlichen elektromagnetischen Feld aufweist.
Kennzeichnung (100) zur Authentifizierung eines Produkts (2000) nach Anspruch 1, wobei die lichtemittierende Einheit (101A) eine lichtemittierende Diode (200A) zur Erzeugung von Licht und eine transparente Schicht (900) mit einer Vielzahl von Partikeln (902) zur Formung des von der Diode erzeugten Lichts umfasst.
Kennzeichnung (100) zur Authentifizierung eines Produkts (2000) nach Anspruch 2, wobei die lichtemittierende Diode ein oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator, VCSEL, ist.
Kennzeichnung (100) zur Authentifizierung eines Produkts (2000) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die transparente Schicht SiO2, Epoxid, Klebstoff oder ein Polymer umfasst.
Kennzeichnung (100) zur Authentifizierung eines Produkts (2000) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Partikel das erzeugte Licht zumindest teilweise reflektieren.
Kennzeichnung (100) zur Authentifizierung eines Produkts (2000) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Partikel aus einem Metall, einem Dielektrikum, einer Phosphoreszenz oder einem nichtlinearen Absorber bestehen.
Kennzeichnung (100) zur Authentifizierung eines Produkts (2000) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die transparente Schicht eine der lichtemittierenden Diode zugewandte Unterseite und eine gegenüberliegende Oberseite zur Abgabe des geformten Lichts aufweist, und wobei ein erstes Teilchen näher an der Oberseite angeordnet ist als ein zweites Teilchen.
Kennzeichnung (100) zur Authentifizierung eines Produktes (2000) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Empfangsvorrichtung (301) eine elektromagnetische Spule (312) zur induktiven Kopplung mit dem zeitlich veränderlichen elektromagnetischen Feld aufweist, vorzugsweise, wobei die elektromagnetische Spule einer durch eine Spirale gebildeten Kurve folgt.
Kennzeichnung (100) zur Authentifizierung eines Produkts (2000) nach Anspruch 8, wobei die Empfangsvorrichtung (310) ferner einen Kondensator (314) umfasst, der mit der elektromagnetischen Spule (312) verbunden ist, um einen elektrischen Resonator zu bilden.
Kennzeichnung (100) zur Authentifizierung eines Produkts (2000) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Stromversorgungseinheit (300) ferner einen Gleichrichter (700) zur Umwandlung eines Wechselstroms, der aus dem von der Empfangsvorrichtung (310) empfangenen Strom gewonnen wird, in einen Gleichstrom umfasst.
Kennzeichnung (100) zur Authentifizierung eines Produkts (2000) nach Anspruch 10, wobei die Stromversorgungseinheit (300) ferner einen Speicherkondensator (600) zur Speicherung der aus dem Gleichstrom gewonnenen Ladung umfasst.
Kennzeichnung (100) zur Authentifizierung eines Produkts (2000) nach Anspruch 11, wobei die Stromversorgungseinheit (300) ferner einen Widerstand (800) umfasst, der zwischen dem Speicherkondensator und der lichtemittierenden Einheit angeordnet ist.
Kennzeichnung (100) zur Authentifizierung eines Produkts (2000) nach einem der vorangehenden Ansprüche, das ferner eine Datenspeichereinheit (500) umfasst.
Kennzeichnung (100) zur Authentifizierung eines Produkts (2000) nach Anspruch 13, wobei es sich bei der Speichereinheit um einen Nahfeldkommunikations-Chip (NFC) handelt.
Kennzeichnung (100B) zur Authentifizierung eines Produkts (2000) nach Anspruch 1, wobei die lichtemittierende Einheit (101) umfasst; ein Substrat (110); eine Blendenschicht (120) mit einer Vielzahl von Öffnungen (124), wobei sich jede Öffnung (124) durch die Blendenschicht (120) von einer unteren Oberfläche (122) der Blendenschicht (120) zu einer gegenüberliegenden oberen Oberfläche (123) der Blendenschicht (120) erstreckt; eine Vielzahl von Lichtquellen (200), jede Lichtquelle (200) umfassend: ein Kernelement (210), das sich von einer oberen Oberfläche (112) des Substrats (110) durch eine der Vielzahl von Öffnungen (124), die in der Blendenschicht (120) ausgebildet sind, erstreckt; ein Schalenelement (220), das sich vom Kernelement (210) aus und/oder um das Kernelement (210) herum erstreckt; und wobei das Schalenelement (220) von dem Substrat (110) beabstandet ist.