DE69630558T2

DE69630558T2 - Elektronisches Bauelement für eine kontaktlose passive Karte

Info

Publication number: DE69630558T2
Application number: DE69630558T
Authority: DE
Inventors: Yves Thorigne; Jacky Bouvier
Original assignee: Ministere des PTT; France Telecom SA
Current assignee: Ministere des PTT; Orange SA
Priority date: 1995-06-22
Filing date: 1996-06-13
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2016-06-14
Also published as: JP2002063558A; EP0750276A2; EP0750276B1; EP1310909A1; EP0750276A3; USRE41301E1; JP3773069B2; FR2735929B1; EP1091312A1; FR2735929A1; US5841123A; JPH09121483A; JP2005033817A; DE69630558D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein mikroelektronisches Bauelement für eine passive kontaktlose Karte, wobei eine passive kontaktlose Karte ein derartiges Bauelement trägt, ferner auf eine Station zur elektromagnetischen Kopplung mit einer derartigen passiven kontaktlosen Karte und schließlich auf ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen mikroelektronischen Bauelementes.
Die Erfindung findet allgemeine Anwendung bei der uni- oder bidirektionalen Übertragung von Daten zwischen einer passiven kontaktlosen Karte und einer Fernstation.
Eine kontaktlose Karte kann mit einer internen Energiequelle ausgestattet sein oder nicht. Im ersten Fall handelt es sich um eine aktive Karte, während es sich im zweiten Fall um eine passive Karte handelt.
Die passive kontaktlose Karte empfängt die von ihr benötigte Energie über eine elektromagnetische Kopplung von der Fernstation. Sie gilt als nahe Karte, wenn ihre Betriebsentfernung zur Station generell unter einigen Millimetern liegt oder gleich einigen Millimetern ist.
In der Praxis trägt eine passive kontaktlose Karte ein mikroelektronisches Bauelement, die eine Spule (auch Antenne oder Selbstinduktivität genannt) zur Versorgung des Bauelements durch Induktion und zur induktiven Übertragung eines Datensignals von und zu der Station sowie eine Verarbeitungseinrichtung umfasst, die von dieser Spule gespeist wird und zur Verarbeitung des übertragenen oder des zu übertragenden Datensignals dient.
Aus technologischer Sicht lassen sich zwei unterschiedliche Kategorien passiver kontaktloser Karten unterscheiden.
Bei der ersten Kategorie erfolgt die elektromagnetische Kopplung über eine Antenne (oder mehrere Antennen), die auf einem Substrat, bei dem es sich nicht um das des mikroelektronischen Bauelementes handelt, ausgebildet ist (oder sind).
Genauer gesagt bedeutet das, dass die Antenne auf einem ausgewählten Substrat aufgebracht wird, das seinerseits im Material angebracht ist, aus dem die Karte besteht (PVC, ABS, Polykarbonat usw.). Das mikroelektronische Bauelement wiederum wird über Lötdrähte mit der Antenne verbunden. Diese erste Kategorie wird im Folgenden passive kontaktlose Karte mit aufmontierter Spule genannt. Das Fertigungsverfahren dieser Karte ist aufgrund der Montagearbeiten mit Drähten kostspielig.
Bei der zweiten Kategorie wird die Spule direkt auf dem mikroelektronischen Bauelement, das meistens aus Siliziummaterial besteht, aufgebracht. Diese zweite Kategorie wird im Folgenden passive kontaktlose Karte mit integrierter Spule oder „coil on chip" genannt. Das Fertigungsverfahren dieser integrierten Karte ist gegenüber der Karte mit aufmontierter Spule deutlich einfacher, da verschiedene Montagearbeiten, insbesondere die Verbindung des mikroelektronischen Bauelements mit der Antenne, entfallen.
Die Oberfläche der integrierten Spule ist jedoch generell kleiner als die einer aufmontierten Antenne, weil die Oberfläche der integrierten Spule einerseits durch die Oberfläche des Bauelementes, die zur Reduzierung der Fertigungskosten so klein wie möglich ausfallen sollte, und andererseits durch die Oberfläche, die notwendigerweise von der Verarbeitungseinrichtung des Bauelementes belegt wird, eingeschränkt wird. Damit wird die an die passive kontaktlose Karte übertragene Energie in gleichem Maße reduziert.
Außerdem bringt die dreidimensionale Gestaltung der Leiterwindungen einer integrierten Spule eine Reihe von Schwierigkeiten mit sich, insbesondere die Schaffung parasitärer Komponenten, beispielsweise die Bildung eines Kondensators, dessen Kapazität nicht vernachlässigt werden kann, was zu einer Reduzierung der an dem betreffenden Bauelement verfügbaren elektrischen Leistung führt.
Der Aufsatz „Choisir sa technologie pour un asic mixte" von MOUGAHED DARWISH in der Zeitschrift ELECTRONIQUE Nr. 25, Februar 1993, PARIS, Seiten 49–51, XP 000334566 beschreibt einen integrierten Schaltkreis ohne interne Versorgung, der eine Verarbeitungseinrichtung zur Verarbeitung eines zu einer Fernstation zu übertragenden Datensignals und eine auf Silizium integrierte Spule zur Speisung des integrierten Schaltkreises mit Energie umfasst.
Bei einem herkömmlichen Metallisierungsverfahren für integrierte Schaltkreise wird nur eine kleine Anzahl von Windungen konfektioniert, wodurch sich keine ausreichend große Energie zur Versorgung der für eine bidirektionalen Datenübertragung vorgesehenen Verarbeitungseinrichtung induzieren lässt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein mikroelektronisches Bauelement mit integrierter Spule für eine passive kontaktlose Karte zu schaffen, welches einerseits eine ausreichend hohe Energie bereitstellt zur Versorgung der Verarbeitungseinrichtung des Bauelementes, mit Hilfe derer die bidirektionale Datentübertragung zwischen einer Karte und einer Station verarbeitet werden kann und welches andererseits die Ausbildung parasitärer Komponenten verhindert, und zwar bei Fertigungskosten, die deutlich unter denen für eine Kontaktkarte oder eine passive kontaktlose Karte mit aufmontierter Spule liegen.
Diese Aufgabe wird bei einem eingangs genannten mikroelektronischen Bauelement mit integrierter Spule durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Die Fläche des Bauelementes ist beispielsweise ein 8 mm² großes Quadrat.
Bei einer anderen bevorzugten Ausbildungsform der Erfindung wird bei der Herstellung der integrierten Spule auf eine mikroelektronische Technologie, eine sogenannte 0,5-Mikrometer-Technologie, zurückgegriffen, mit Hilfe derer die Metallisierung der integrierten Spule auf mehreren Ebenen erfolgen kann, wodurch eine entsprechende Reduzierung der Oberfläche der integrierten Spule erzielt werden kann und die Fertigungskosten entsprechend minimiert werden. Bei dieser Ausbildungsform der Erfindung ist die Fläche des Bauelementes zum Beispiel ein 4 mm² großes Quadrat, wobei die integrierte Spule auf drei Metallisierungsebenen ausgebildet wird.
In der Praxis werden die Windungen der integrierten Spule auf dem Umfang der Gesamtfläche des Bauelementes um die Verarbeitungseinrichtung herum ausgebildet.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Verarbeitungseinrichtung eine Schaltung zur Gleichrichtung des hochfrequenten Wechselspannungssignals, das durch Induktion von der Station bei Vorliegen eines Magnetfeldes übertragen wird, in ein Gleichspannungssignal, das mit dem von der Station übertragenen Daten moduliert ist, und ferner Mittel zur Demodulation des so gleichgerichteten, modulierten Gleichspannungssignals zur Rückgewinnung der von der Station übertragenen Daten.
Die Demodulationseinrichtung arbeitet beispielsweise mit Amplitudendemodulation, wodurch die Verarbeitungseinrichtung vereinfacht und die für diese Verarbeitungseinrichtung notwendige Leistung reduziert werden kann.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Verarbeitungseinrichtung eine Schaltung zur Modulation des hochfrequenten Wechselspannungssignals an den Anschlüssen der Spule bei Vorliegen eines Magnetfeldes zur Übertragung der Daten von dem Bauelement zur Station.
In der Praxis arbeitet die Modulationseinrichtung mit Amplitudenmodulation, welche durch Modulation der Last an der Versorgungsspannung erreicht wird.
In Weiterbildung der Erfindung enthält die Verarbeitungseinrichtung ferner folgende Merkmale:

– Eine Schaltung zur Rückgewinnung eines Taktsignals aus dem von der Fernstation bei Vorliegen eines Magnetfeldes durch Induktion übertragenen hochfrequenten Wechselspannungssignal;
– eine Einrichtung zur Datenspeicherung, die nach dem rückgewonnenen Taktsignal getaktet ist, und
– eine Einrichtung zum Lesen/Schreiben von Daten in die genannte Speichereinrichtung, die nach dem rückgewonnenen Taktsignal getaktet ist.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf eine passive kontaktlose Karte, welche das vorstehend beschriebene Bauelement enthält.
Des weiteren bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Station, die elektromagnetisch mit einer derartigen passiven, kontaktlosen Karte koppelbar ist.
Schließlich bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines elektromagnetischen Bauelementes für eine passive kontaktlose Karge, die zur Übertragung von Daten zwischen dem Bauelement und der Station elektromagnetisch an eine Fernstation koppelbar ist.
In bekannter Weise umfasst das Verfahren folgende Schritte:

a) Ausbildung der Verarbeitungseinrichtung für das übertragene Datensignal in der Technologie der integrierten Schaltkreise auf dem Substrat des Bauelementes, und
b) Ausbildung der Windungen einer Spule zur Versorgung der Verarbeitungseinrichtung des Bauelementes mittels Induktion und zur induktiven Übertragungsverbindung des Datensignals von und zu der Station in planarer integrierter Technologie durch Metallisierung und direkte Aufbringung auf der Oberfläche des Bauelementes.

Dieses Verfahren kennzeichnet sich durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 11.
In Weiterbildung der Erfindung wird die Spule zum Beispiel auf drei Metallisierungsebenen nach einer mikroelektronischen 0,5-Mikrometer-Technologie ausgebildet.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der detaillierten Beschreibung und Zeichnungen. Es zeigt:
1 eine schematische Ansicht der induktiven Kopplung einer Fernstation und einer passiven kontaktfreien Karte;
2 ein Blockschaltbild der wesentlichen Bauteile der Station, die elektromagnetisch mit dem Bauelement der erfindungsgemäßen kontaktlosen Karte koppelbar ist;
3 ein elektrisches Ersatzschaltbild für einen Teil der wesentlichen Bauteile des erfindungsgemäßen Bauelementes,
4 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen integrierten Schaltkreis, welcher die Windungen einer planaren, gedruckten oder durch Fotolithographie hergestellten Selbstinduktivität aufweist,
5 eine schematische Darstellung des Verlaufs der Windungen des integrierten Schaltkreises nach 4,
6 einen Querschnitt des erfindungsgemäßen Bauelementes mit drei Metallisierungsebenen, und,
7 ein Flußdiagramm für die Wahl der Größe der Windungen der integrierten Spule und ihrer Anzahl.
Wie 1 zeigt, ist die Antenne L1 der Fernstation SD elektromagnetisch mit dem induktiven Bauelement (oder die Spule) L2 der passiven kontaktlosen Karte CSC gekoppelt. Die Antenne L1 ist in Form eines Stäbchens oder in Form eines Torus mit Spalt aus magnetischem Werkstoff ausgebildet, auf dem mehrere Windungen aufgewickelt sind, durch die ein Strom I1 fließt. Das induktive Bauelement L2 besteht aus Windungen, die auf dem Bauelement der Karte aufgebracht sind, wie nachstehend noch detaillierter beschrieben wird. Der Strom I2 fließt durch die Windungen der integrierten Spule L2.
Die induktive Kopplung definiert sich über die gegenseitige Induktivität M zwischen den Schaltkreisen L1 und L2. Die Kopplung erfolgt stationsseitig über den Spannungsgenerator jMwI2, der die Spannung an die Anschlüsse der Antenne L1 liefert, und kartenseitig über den Spannungsgenerator jMwI1, der die Spannung V2 an die Anschlüsse des induktiven Bauelementes L2 liefert. Der Schaltkreis der Karte wird von dem induktiven Bauelement L2, dem Kondensator C2 der Antenne und dem Verlustwiderstand R2 bestimmt. Die in dem induktiven Bauelement L2 induzierte Spannung V2 wird mittels einer Gleichrichterbrücke D2 gleichgerichtet und anschließend mittels eines Glättungskondensators CL gefiltert.
Der parallel zum Glättungskondensator CL angeordnete Widerstand RU stellt hier den äquivalenten Lastwiderstand dar, der gebildet wird von der Gesamtheit der elektronischen Schaltkreise des Bauelementes und deren Verbrauch äquivalent zum Verbrauch des Widerstandes RU ist.
Der Widerstand RM stellt den Lastmodulationswiderstand dar, der später im Detail beschrieben wird.
Der Transistor T2 ist im Takt der von dem Bauelement zur Fernstation übertragenen Daten leitend oder nicht-leitend.
Wie später noch im Detail ersichtlich sein wird, werden die numerischen Werte der Bauteile des Bauelementes nach einer vorbestimmten erfindungsgemäßen Gesetzmäßigkeit ausgewählt. In der Praxis liegt der Widerstand RU in der Größenordnung von 9 KOhm, die Gleichspannung V2 in der Größenordnung von 3 V und die an dem Bauelement verfügbare Leistung in der Größenordnung von 1 mW.
Wie 2 zeigt, ist die passive kontaktlose Karte CSC elektromagnetisch über ein Magnetfeld CM beispielsweise in der Größenordnung von 5 Gauß oder mehr mit der Fernstation SD gekoppelt. Die Fernstation übernimmt die Funktionen der Versorgung und des Datenaustausches mit der passiven kontaktlosen Karte. Im Betrieb befindet sich die kontaktlose Karte in einem Abstand von ca. 2 mm zur Magnetspule L 1 der Station und in deren Achse.
Ein Oszillator 10 liefert über einen Verstärker 8 ein hochfrequentes Wechselspannungssignal F1 an die Spule L1.
Die Frequenz F1 des Oszillators beträgt beispielsweise 4,9152 MHz.
In der Praxis ist die Spule L1 auf einem Spulenkörper mit Magnetkern ausgebildet. Sie besteht aus 16 Windungen von jeweils 9 mm Breite und 9 mm Durchmesser. Das hochfrequente Wechselspannungssignal F1 ermöglicht die gleichzeitige Übertragung der Energie, des Takts und der Daten an das Bauelement CSC.
Ein Dämpfungs- und Phasenregler-Netzwerk 14 ist vorgesehen, um das von der Karte übertragene Signal zu empfangen. Das Dämpfungs- und Phasenregler-Netzwerk 14 passt das Eingangsnetzwerk im Bereich von 120 Volt _{Spitze–Spitze} auf die Spannung an den Anschlüssen der Spule L1 von 40 mV _{Spitze–Spitze} an, was einer Dämpfung von 70 dB entspricht. Das Dämpfungs- und Phasenregler-Netzwerk 14 umfasst beispielsweise ein durch 100 teilbares kapazitives Netzwerk und anschließend ein dämpfendes und phasenregelndes Netzwerk LRC, so dass das Signal in Phase mit dem vom Oszillator 10 auf der Frequenz F1, also 4,9152 MHz, erzeugten Signal ist.
Ein Mischer 20 umfasst einen Eingang 16 zum Empfang des vom Dämpfungs- und Phasenregler-Netzwerk 14 ausgehenden Signals sowie einen Eingang 18 zum Empfang des vom Oszillator 10 ausgehenden Signals.
Der Mischer 20 weist einen Umsetzungsgewinn in der Größenordnung von 16 dB auf.
Eine Verstärkerschaltung 26 ist am Ausgang des Mischers 20 angeordnet. Die Verstärkerschaltung 26 besitzt einen Gewinn von 80 dB und eine Bandbreite von 50 KHz. Sie besteht aus drei Kreisen; der erste ist ein passives RC-Filter, dessen Impedanz auf den Ausgang des Mischers 20 angepasst ist. Die beiden anderen Kreise bestehen aus einem Operationsverstärker mit jeweils 40 dB und einer Bandbreite von 50 KHz. Der erste Operationsverstärker ist invertierend ausgebildet, während der zweite Operationsverstärker aus Stabilitätsgründen nicht-invertierend ausgebildet ist.
Ein nicht dargestellter Signalformer ist an den Ausgang der Verstärkerschaltung 26 angeschlossen, um die empfangenen Daten in Binärdaten umzuformen.
Wie an Hand von 1 bereits erläutert wurde, wird bei der Übertragung der Daten von dem Bauelement zur Station das Prinzip der Lastmodulation verwendet. Dabei geht es, kurz gesagt, darum, daß die an den Anschlüssen der Stromversorgung vorhandene Last variiert wird.
Der Lastwiderstand variiert zwischen den Werten RU (nicht-leitender Transistor) und RU·RM/RU + RM (leitender Transistor).
Die Resonanzüberhöhung der Spule L1 variiert in Abhängigkeit von der durch das Bauelement verbrauchten Leistung. Die an den Anschlüssen der Spule liegende Spannung V1 weist dann eine leichte Schwankung auf. Die Lastmodulation zeigt sich an den Anschlüssen der Spule L1 in Form einer Amplitudenmodulation. In der Praxis liegt der Modulationsgrad in der Größenordnung von 0,2% bei einem Modulationswiderstand gleich 16 KOhm.
Die Datenübertragung von dem Bauelement zur Station liegt in der Größenordnung von 9,6 Kbits/s.
Im Übrigen ermöglicht die an den Anschlüssen des induktiven Bauelementes L2 verfügbare sinusförmige Spannung mit Hilfe der Taktrückgewinnungsschaltung die Erzeugung mehrerer Takte, die wiederum für das Arbeiten der Logikschaltkreise des Bauelementes notwendig sind.
In 3 ist die Taktrückgewinnungsschaltung RCK am Ausgang des induktiven Bauelements L2 angeordnet, um die an den Anschlüssen des induktiven Bauelements L2 vorliegende sinusförmige Wechselspannung zu formen. Die Schaltung RCK erzeugt dann ein Logiksignal mit einer Frequenz von 4,9152 MHz.
Eine Teilerschaltung DIV ist mit der Taktgewinnungsschaltung RCK verbunden, um das Logiksignal auf eine passende Frequenz herunter zu teilen. Die Teilerschaltung DIV teilt die gewonnene Frequenz beispielsweise durch 32, um eine Frequenz von 153,6 KHz zu erhalten, die für die Taktung einer Folgerschaltung SEQ bestimmt ist.
Die Teilerschaltung DIV teilt ferner das gewonnene Logiksignal durch 512, um eine Frequenz von 9600 Hz zu erhalten, die für die Taktung der Kodierschaltung COD und der Dekodierschaltung DEC bestimmt ist, wie später noch detailliert beschrieben werden werden soll.
Die Übertragung der Daten von der Station zum Bauelement basiert auf der Amplitudenmodulation des Signals. Auf Bauelementenebene erfolgt die Demodulation über die Gleichrichterbrücke D2 und das vom Lastwiderstand RU und dem Glättungskondensator CL gebildete Bauteil.
Vorzugsweise wird das amplitudendemodulierte Signal, beispielsweise 0,3 V mit 10% Demodulationsgrad bei 3 V Versorgungsspannung, nach Unterdrückung der Gleichstromkomponente durch eine Verstärkungsschaltung AP2 so verstärkt, dass ein Signal mit logischen Niveaus erzeugt wird. Die Verstärkungsschaltung AP2 unterdrückt zudem die Gleichstromkomponente des Signals V2 vor der Verstärkung, um nur das Signal zu verstärken, das vorzugsweise eine Manchester-Kodierung aufweist.
Die Informationskodierung erfolgt vorzugsweise nach der Manchester-Kodierung, bei welcher der Logikzustand "0" durch Aufeinanderfolge der beiden Binärelemente "1" und "0" kodiert wird, während der Logikzustand "1" durch die Folge "01" kodiert wird. Der Binärdatenfluss ist hier doppelt so hoch wie der Informationsdatenfluss. Diese Informationskodierung hat den Vorteil, dass die Informationsübertragung durch Unterdrückung der Gleichstromkomponente verbessert wird.
Die Binärdaten werden in Registern MEM gespeichert. Die von der Station übertragenen Daten werden vor der Speicherung mit Hilfe einer Dekodierungsschaltung DCC vom Manchester-Typ dekodiert. Andererseits werden die zur Station zu übertragenden Daten vor ihrer Übertragung über den Transistor T2 mit Hilfe einer Kodierungsschaltung COD kodiert. Eine RESET-Funktion ist ebenfalls verfügbar, um die Logik-Schaltkreise des Bauelementes korrekt zu initialisieren.
Wie aus den 4 und 5 ersichtlich ist, wird die Selbstinduktivität L2 durch Metallisierung auf dem von der Verarbeitungseinrichtung nicht belegten Umfang des Bauelementes und um die Verarbeitungseinrichtung für die bidirektionale Datenübertragung herum ausgebildet. Dieses induktive Bauelement bildet einen magnetischen Dipol, der von mehreren gegenüberliegenden Windungen gebildet wird, welche entsprechend dem in 5 dargestellten Verlauf aufgewickelt sind. Die Windungen sind nicht nebeneinanderliegend. Der Abstand i zwischen zwei benachbarten Windungen soll isolierend sein. Der Gang e der Windungen entspricht der Summe der Isolierung i und der Breite e' einer Windung. Beispielsweise beträgt der Gang e genau 8 μm mit e' = 6 μm und i = 2 μm. Die Anzahl der Windungen sowie ihre Breite werden nach mehreren Kriterien definiert. Eines der Hauptkriterien ist der Wirkungsgrad der Fernspeisung. Ein weiteres Kriterium ist die auf dem Bauelement verfügbare Fläche sowie die Spannungsschwankung bei der Datenübertragung.
Erstens muss der Wirkungsgrad der Fernspeisung so groß sein, daß man eine induzierte Spannung V2 erhält, die einen zur Speisung der Logik-Schaltkreise des Bauelementes ausreichenden Wert aufweist.
Zweitens muss die Schwankung ΔV2 der Spannung bei der Lastmodulation (das heißt bei der Übertragung der Daten von dem Bauelement zur Station oder umgekehrt) so gering sein, dass die Funktionsweise der Logik-Schaltkreise des Bauelementes nicht gestört wird.
Drittens muss die zur Aufbringung der Windungen der Induktivität L2 auf dem Bauelement verfügbare Fläche S groß genug sein, um die gewählte induzierte Spannung V2 zu erzeugen und klein genug sein, um die Produktionskosten des Bauelementes zu reduzieren.
Die Optimierung der Auswahl dieser Parameter erfolgt nach dem in 7 erläuterten Verfahren.
Zuallererst werden die physikalischen Parameter des Bauelementes ausgewählt, das heißt ihre Oberfläche und die Anzahl der Metallisierungsebenen der Windungen. Das Bauelement weist beispielsweise eine Oberfläche von 8 mm² in Quadratform auf, wobei a = 2,83 mm, 1 = 1,7 mm und d = 0,565 mm betragen. Die Anzahl der Metallisierungsebenen ist in diesem Falle gleich 1. Anschließend lässt man die Breite der Windungen in einer Regelschleife variieren, bis eine optimale Spannung V2, das heißt die höchstmögliche Spannung und eine optimale Schwankung ΔV2, das heißt die kleinstmögliche Schwankung, erzielt werden (Schritt 1).
Dazu wird zunächst der Wert der Parameter R2, C2 und S bestimmt (Schritt 2).
Der Widerstand R2 ergibt sich aus der Gleichung (I) im Anhang.
Die Fläche S ergibt sich aus der Gleichung (II) im Anhang.
Auf der Grundlage von R2 und S wird der Wert (jMωI1)_Spitze berechnet, der zur Summe der Flächen der Windungen proportional ist (Schritt 3).
Anschließend ist der Wert des Kondensators C2 zu ermitteln, beispielsweise mit Hilfe einer elektrischen Simulationssoftware. Ist C2 bekannt, können die Werte von E (Gleichung III im Anhang) und Z (Gleichung IV im Anhang) berechnet werden (Schritt 3).
Diese beiden Werte E und Z werden anschließend in die Gleichung V im Anhang übertragen (Schritt 4).
Ist der Leitungswinkel θ1 der Gleichrichterschaltung D2 bekannt, kann die Spannung V2 nach der Gleichung VI im Anhang berechnet werden.
Diese Berechnung wird für verschiedene Windungsbreiten durchgeführt, bis der maximale Wert von V2 bestimmt ist.
Bei einer ersten Ausführungsform, bei der das Bauelement quadratisch ist und eine Fläche von 8 mm² aufweist, wobei die Außenlänge a gleich 2,83 mm und die Innenlänge 1 gleich 1,7 mm bei einer Gesamtbreite d der Windungen in der Größenordnung von 0,565 mm ist, belegen die Spule und die Selbstinduktivität eine Fläche gleich 60% der Gesamtfläche des Bauelementes. In diesem Falle ist die Spule auf einer einzigen Metallisierungsebene ausgebildet.
Es hat sich gezeigt, dass die optimalen Werte eines Bauelementes bei einer Spannung V2 von 2,7 V, einem Winkel θ1 von 52,4°, einer Fläche S von 367 mm², einem Widerstand R2 von 3,46 KOhm, einer Windungszahl n von 69, einer Breite e' von 6 μm und einer Induktion von 5,6 Gauß liegen.
Bei einer anderen Ausführungsform nach 6 sind die Windungen der Selbstinduktivität auf drei Metallisierungsebenen nach der 0,5-μ-Technologie ausgebildet. Das Bauelement umfasst eine quadratische Fläche von 4 mm². Unter diesen Bedingungen belegt die Selbstinduktivität eine Fläche von 3,5 mm², was einer Belegung in der Größenordnung von 87% der Gesamtfläche des Bauelementes entspricht.
Bei der Darstellung nach 6 sind die Metallisierungsebenen mit M1 bis M3 bezeichnet, und die Windungen sind mit Smj bei einer Gesamtzahl m von 1 bis 3 bezeichnet, wobei die Gesamtzahl j von 1 bis R variiert und m × j = n ist. Bei mehreren Metallisierungsebenen sind die Windungen übereinandergelegt mit einem Zwischenraum von vorgegebener Stärke zwischen den einzelnen Windungen.
Auf jeder Ebene werden die Windungen genau nach dem in 5 gezeigten Verlauf aufgewickelt.
Die Windungen der Ebene M1 können in Serie mit denen der Ebene M2 verbunden werden, wobei letztere an die Windungen der Ebene M3 angeschlossen werden können.
Bei Serienmontage reduziert jedoch die Kapazität zwischen den Windungen den Wirkungsgrad der Fernspeisung überaus deutlich.
Erfindungsgemäß werden die Windungen gemäß 6 vorteilhafterweise untereinander kurzgeschlossen. Die parallele Wicklung der Windungen reduziert dabei den Wert der Kapazität der Antenne. Denn die Kapazität zwischen den Windungen wird aufgehoben, und nur die Kapazität zwischen den Windungen der Ebene M1 und dem Substrat besteht weiter. Diese Reduzierung gewährleistet eine deutliche Erhöhung des Wirkungsgrades der Fernspeisung.
Die Kurzschlüsse zwischen den Windungen werden beispielsweise durch metallisierte Brücken V ausgebildet, die beispielsweise mit V 11 für die zwischen der ersten mit S11 bezeichneten Windung der Ebene M1 und der ersten mit S21 bezeichneten Windung der Ebene M2 angeordnete Brücke bezeichneten ist. ANHANG
mit n = Anzahl der Windungen
e' = Breite der Windungen
e = Windungsgang e' + i
Rcarrée = Schichtwiderstand der Metallisierung
1 = Seitenlänge der inneren, quadratischen Windung
(VI) V2 = |E| × cosθ1 – VP

Claims

Mikroelektronisches Bauelement für eine passive kontaktlose Karte, die elektromagnetisch mit einer Fernstation (SD) zur bidirektionalen Datenübertragung zwischen der Karte (SCS) und der Station koppelbar ist, wobei das Bauelement folgende Merkmale aufweist: – Eine in der Technologie der integrierten Schaltkreise auf dem Substrat des Bauelementes ausgebildete Verarbeitungseinrichtung zum Verarbeiten eines die übertragenen Daten repräsentierenden Signals; – eine Spule (L2) zur Versorgung der Verarbeitungseinrichtung durch Induktion und zur induktiven Kopplung des die Daten repräsentierenden Signals mit der Station (SD), wobei die Windungen der Spule (L2) in planarer integrierter Technologie durch Metallisierung ausgebildet und direkt auf der Oberfläche des Bauelementes aufgebracht sind, – dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragung der Daten von dem Bauelement zur Station durch Amplitudenmodulation, die durch Lastmodulation der Versorgungsspannung erzielt wird, für eine vorgegebene Oberfläche des Bauelementes erfolgt, daß die Anzahl (n) der Windungen der Spule (L2) und die Breite (e') der Windungen so gewählt sind, dass die Spannung (V2) an den Anschlüssen der Verarbeitungseinrichtung die größtmögliche ist, um die Verarbeitungseinrichtung durch Induktion fern zu speisen, und dass die Windungen der Induktivität (L2) auf mehreren Ebenen ausgebildet und mit einem bestimmten Abstand zwischen jeder Ebene übereinander angeordnet sind, wobei jede Windung einer vorbestimmten Ebene mit einer Windung einer angrenzenden Ebene kurzgeschlossen ist.
Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtfläche des Bauelementes einige mm² beträgt.
Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtfläche des Bauelementes 8 mm² beträgt.
Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtfläche des Bauelementes 4 mm² beträgt und dass die Windungen der Spule auf drei Metallisierungsebenen ausgebildet sind.
Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen der Spule auf dem Umkreis der Oberfläche des Bauelementes um die Verarbeitungseinrichtung herum aufgebracht sind.
Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinrichtung ferner eine Schaltung (D2) zur Gleichrichtung des von der Station durch Induktion übertragenen hochfrequenten Wechselspannungssignals in ein Gleichspannungssignal aufweist, das mit den von der Station übertragenen Daten moduliert ist, und dass die Demodulationsschaltung (CL, AP2) das gleichgerichtete modulierte Signal demoduliert, um die von der Station übertragenen Daten rückzugewinnen.
Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinrichtung ferner folgende Merkmale aufweist. – Eine Schaltung zur Rückgewinnung eines Taktsignals (RCK) auf der Grundlage des von der Fernstation durch Induktion übertragenen Wechselspannungssignals; – eine Einrichtung (MEM) zur Speicherung von Daten, die entsprechend dem rückgewonnenen Taktsignal getaktet sind, und – eine Einrichtung (SEQ zum Lesen/Schreiben der Daten, welche entsprechend dem rückgewonnenen Taktsignal getaktet sind.
Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Verarbeitungseinrichtung belegte Oberfläche kleiner ausfällt als die des Bauelementes, wobei sich die Windungen der Spule (L2) direkt auf der von der Verarbeitungseinrichtung nicht belegten Oberfläche des Bauelementes befinden.
Passive kontaktlose Karte, dadurch gekennzeichnet, dass die Karte ein Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche aufweist.
Station mit einer elektromagnetischen, kontaktlosen Kopplungseinrichtung für eine Karte nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Station zur Übertragung eines hochfrequenten Wechselspannungssignals vorgesehen ist, wodurch gleichzeitig Energie und Daten an die Karte übertragen werden.
Verfahren zur Herstellung eines mikroelektronischen Bauelementes für eine passive kontaktlose Karte, das zur bidirektionalen Übertragung von Daten zwischen dem Bauelement und der Station elektromagnetisch an eine Fernstation koppelbar ist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: a) Ausbildung einer Verarbeitungseinrichtung für ein übertragenes Datensignal auf dem Substrat des Bauelementes in der Technologie integrierter Schaltkreise; b) Ausbildung der Windungen einer Spule zur Versorgung der Verarbeitungseinrichtung des Bauelementes durch Induktion und zur induktiven Kopplung des Datensignals mit der Station durch planare integrierte Technologie mittels Metallisierung und direkte Aufbringung auf der Oberfläche des Bauelementes, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragung der Daten von dem Bauelement zur Station durch Amplitudenmodulation erfolgt, die durch Lastmodulation der Versorgungsspannung dadurch erzielt wird, dass für eine vorgegebene Oberfläche des Bauelementes ein Schritt zur Auswahl der Anzahl der Windungen und ihrer Breite vorgesehen ist, wobei der Schritt darin besteht, die Spannung (V2) an den Anschlüssen der Verarbeitungseinrichtung für unterschiedliche Windungsbreiten zu ermitteln und deren Breite auszuwählen, die dem Maximalwert der Spannung (V2) an den Anschlüssen der Verarbeitungseinrichtung entspricht, und dass die Windungen der Induktivität (L2) auf mehreren Ebenen ausgebildet und in einem bestimmten Abstand zwischen jeder Ebene übereinander angeordnet sind, wobei jede Windung einer vorbestimmten Ebene mit einer Windung einer angrenzenden Ebene kurzgeschlossen ist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen der Spule auf drei Metallisierungsebenen entsprechend der 0,5-μ Technologie ausgebildet sind.