JP2012511772A - Ｕｈｆ電子物品監視システムにおける使用のための金属酸化物半導体機器 - Google Patents

Abstract

電子物品監視（「ＥＡＳ」）タグと、タグを不活性化機器と物理的に接触させる必要性を伴わずに、ＥＡＳタグを不活性化させるための方法およびシステム。当該ＥＡＳタグは、所定の絶縁破壊電圧の閾値を有する、金属酸化物半導体（「ＭＯＳ」）コンデンサ等の非線形機器と、従来のダイオードとを置き換える。ＭＯＳコンデンサの両端に所定電圧を誘起することによりＭＯＳコンデンサの破壊をもたらし、ＥＡＳ問い合わせシステム内でＥＡＳタグを検出不能にする。
【選択図】図３

Description

本発明は、概して物品問い合わせシステムに関し、より具体的には、タグを不活性化機器と物理的に接触させる必要なく、極超短波（「ＵＨＦ」）問い合わせシステム内のタグを不活性化させるための方法およびシステムに関する。

混合ラベルまたは混合タグは、極超短波（「ＵＨＦ」）電子物品監視（「ＥＡＳ」）問い合わせシステムにて用いられ、周波数混合原理に基づく。典型的に、混合タグは双極子アンテナに取り付けられたダイオードを含む。そのタグは、例えば９１５ＭＨｚ等の、特定のマイクロ波周波数（ｆ_ｕｈｆ）で調整される。そのアンテナの双極子の長さとそのダイオードの接合静電容量を調節することによって、数百ＭＨｚから最大で数ＧＨｚの周波数範囲を選択することができる。その動作マイクロ波周波数が低いほど、その双極子の長さはより長い必要があり、その静電容量はより大きい。

しかしながら、ダイオードを有するタグを不活性化させる必要がある際に、不活性化機器には固有の制限がある。例えば、米国特許第４，３１８，０９０号および第４，５７４，２７４号は、ダイオードの非線形要素、および、直接接触または非直接接触のためのものだが、制限範囲を有する手段を用いるＵＨＦ混合タグを提供する。ダイオードの絶縁破壊特性は、不活性化を達成するためにダイオードを通じて相当な電流を駆動し、このようにして、十分な電気エネルギーをダイオードに供給してダイオードを破壊させるために、タグとの直接接触をもたらし、このようにしてタグを不活性化する。これは、この種類の「接触」による不活性化に限定することが常に可能または経済的に実行可能であるとは限らないので、結果的に非実用的な不活性化システムになる。それ故、この種類のタグ設計は、タグの不活性化が遠くから行われる状況、すなわち、不活性化機器がタグと接触していない状況では効果がない。（米国特許第５，６０８，３７９号で開示されているシステム等の）他の先行技術の不活性化システムは、スイッチおよび他のハードウェア機器を不活性化システムに追加することによって、この問題を避けようと試みてきた。これは高価かつ煩雑であることが判明し、かつ相当に大きい磁場源に対して比較的低い不活性化距離をもたらす。

前述の試みられた解決法の何れも、ＥＡＳタグと直接接続する不活性化機器の必要性を伴わず、かつ、追加的な不活性化要素をＥＡＳタグに提供する必要性を伴わず、十分な距離でＥＡＳタグを効果的に不活性化させる方法の問題を解決していない。その予測可能な非線形挙動を伴うダイオードの固有な特性は、遠くからタグを不活性化させることに関して、効果のないこうした種類のＥＡＳタグを利用するＥＡＳ不活性化システムを与える。

それ故、必要とされるものは、相当な距離で信頼性のある不活性化が実現されるように、極めて低い水準の絶縁破壊特性を示す非線形要素を用いた新たなＥＡＳタグである。

本発明は、ＭＯＳコンデンサ等の非線形ＭＯＳ機器をタグ内に組み込むことによって、ＵＨＦ問い合わせシステムにおけるタグの不活性化を容易にするためのシステム、方法、および装置を有利に提供する。本発明の１つの態様では、タグが、アンテナ回路と、そのアンテナ回路に電気的に連結された非線形構成部とを含む電子物品監視（「ＥＡＳ」）タグが提供される。当該非線形構成部は、絶縁破壊電圧の閾値を下回る電圧に対しては非線形静電容量を示し、絶縁破壊電圧の閾値を上回る電圧に対しては線形静電容量を示す。

別の態様では、電子物品監視（「ＥＡＳ」）タグの不活性化システムが提供され、タグが、アンテナ回路と、そのアンテナ回路に電気的に連結された非線形構成部とを含むＥＡＳタグを含む。当該非線形構成部は、絶縁破壊電圧の閾値を下回る電圧に対しては非線形静電容量を示し、絶縁破壊電圧の閾値を上回る電圧に対しては線形静電容量を示す。当該システムは、ＥＡＳタグと接触することなく、ＥＡＳタグを不活性化させるように適合された不活性化機器をさらに含む。

本発明のなお別の態様では、電子物品監視（「ＥＡＳ」）タグを不活性化させる方法が提供される。当該方法は、アンテナ回路と、そのアンテナ回路に電気的に連結された非線形構成部とを有するＥＡＳタグを提供することを含み、その非線形構成部は、絶縁破壊電圧の閾値を下回る電圧に対しては非線形静電容量を示し、絶縁破壊電圧の閾値を上回る電圧に対しては線形静電容量を示す。当該方法は、当該非線形構成部の両端に電圧を誘起することをさらに含み、その誘起した電圧は、当該非線形構成部を破壊するために絶縁破壊閾値より大きい。

本発明の追加的な態様は、後に続く記述において一部説明され、一部はその記述から明白であるか、あるいは本発明の実施によって学習され得る。本発明の態様は、添付の特許請求の範囲で具体的に挙げられている要素および組み合わせを用いて、実現および達成される。上述の一般的記述および以下の詳細な記述は、両方とも例示的かつ説明的でのみあり、特許請求されているように、本発明を制限するものではないことを理解されたい。

本発明、およびその付随する利点と特長のより徹底した理解が、以下の添付図面と併用して考慮される場合、以下の発明を実施するための形態に対する参照によってより容易に理解される。

ダイオードと双極子アンテナを利用する先行技術のタグ設計を例解する、ＵＨＦ混合タグの配置図である。 本発明の原理を組み込むＵＨＦ混合ＥＡＳシステムの線図である。 本発明の原理に従って構築された、非線形ＭＯＳ要素および双極子アンテナを利用する、ＥＡＳタグ設計の線図である。 ＥＡＳタグとともに用いられ、かつ本発明の原理に従って構築された非線形ＭＯＳコンデンサの側面図である。 本発明の原理に従って構築された、ｐ型ＭＯＳコンデンサの非線形静電容量特性を例解するグラフである。 本発明の原理に従って構築された、ＥＡＳタグの不活性化特性を強化するために用いられる回路線図である。

本発明による例示的な実施形態を詳細に説明する前に、当該実施形態は、システムを実装することに関連する装置の構成部と処理ステップの組み合わせにおいて、低電圧による破壊に適切な非線形ＭＯＳ機器をタグ内に含めることにより、近接する不活性化環境におけるＥＡＳタグの不活性化を容易にするための機器および方法に主に属することに留意されたい。従って、当該システムおよび方法の構成部は、本明細書の記述の恩恵を有する技術の当業者にとって容易に明白となる詳細により開示を不明確にしないように、必要に応じて、本発明の実施形態を理解することに関するそうした特定の詳細のみを示すように、慣習的な記号によって図面に表されている。

本明細書で用いられる場合、「第１の」および「第２の」、「頂部の」および「底部の」、ならびに同様のもの等の関係用語は、実体または要素の間における任意の物理的または論理的な関係または順序を必ずしも要求または暗示することなく、このような１つの実体または要素を別の実体または要素と区別するためにのみ用いられ得る。

図１は、電子物品監視（「ＥＡＳ」）システムにおいてしばしば用いられる混合マーカー２、または混合タグの先行技術の設計を例解する。典型的に頑強であり、かつ電圧を整流および制御するように設計されるダイオードを破壊するのに必要なエネルギー量が原因で、この種類の混合マーカーはタグの不活性化システムにおいて本質的に不完全である。ＭＯＳコンデンサの固有静電容量と比較的低い電圧の絶縁破壊特性の非線形性は、この態様におけるダイオードより望ましい。図１では、ダイオード４はアンテナ６の２つの部分の間に存在する。この種類のタグ設計は、タグの不活性化が遠くから行われる状況、すなわち、不活性化機器がタグと接触していない状況では効果がない。

同様の参照番号が同様の要素を指す図をここで参照すると、図２には、本発明の原理に従って構築され、概して「１０」として指定される、ＥＡＳ問い合わせシステムが示される。図２は、本発明に関連して用いられる極超短波（「ＵＨＦ」）ＥＡＳシステムを例解する。このシステムでは、ＵＨＦ搬送電場に加えて、（電場または磁場等の）低周波（ｆ_ｌｆ）場も要求される。低周波（「ＬＦ」）電場発生器１２は、低周波エネルギーを混合タグ１４に提供する。当該ＵＨＦ電磁信号は、ＬＦ変調信号と同調して用いられ、混合タグ１４のための電磁場源１２を提供する。タグ１４は、非線形要素（以下でより詳細に記述されている）、および双極子アンテナを含む。そのタグのダイオードの接合静電容量は電圧の関数として変化するので、ＵＨＦエネルギーおよび低いＬＦエネルギーの両方に照らされると、タグ１４は相互変調成分（ｆ_ｕｈｆ±ｆ_ｌｆ）を発生する。このような相互変調成分は、ＥＡＳ機器の存在を決定するために受信および処理される。

図３は、本発明の混合タグ１４の配置設計を例解する。本発明は、タグ１４と接触するＥＡＳタグの不活性化装置の必要性を伴わずに、ＥＡＳタグ１４を不活性化させる機能を提供する。図３で見ることができるように、タグ１４は、固有の低い絶縁破壊電圧を有する金属酸化物半導体（「ＭＯＳ」）機器１６等の非線形要素、および双極子アンテナ１８を含む。１つの実施形態では、ＭＯＳ機器１６は、双極子アンテナ１８の各側の間に位置付けられ、双極子アンテナ１８と電気的に接触している。ＭＯＳ機器１６の低い閾値の絶縁破壊電圧は、遠隔不活性化を含むより容易な不活性化を可能にし、追加的な不活性化要素をＥＡＳタグ１４に付加しない。加えて、このようなＭＯＳ機器１６の固有な非線形性は従来のダイオードより高い可能性があり、それ故改善した検出性能を提供することができる。

アンテナ１８は、ＵＨＦ電磁信号（例えば、９１５ＭＨｚ）に近似的に同調される。当該ＬＦ変調周波数は、例えば、１１１ＫＨｚであってよい。当該ＬＦ電場は、ＭＯＳ機器１６の非線形静電容量を変調し、ｆ_１±Ｎ＊ｆ_２（式中、ｆ_１はＵＨＦ信号の周波数であり、ｆ_２はＬＦ変調信号の周波数であり、Ｎは側波帯数である）という周波数の周期性を有するＵＨＦ信号の周辺に集中した一連の混合信号を創出する。当該混合信号のレベルは、ＵＨＦ共鳴場、ＬＦ変調場、混合タグのアンテナ１８、および、ＭＯＳ機器１６の非線形性特性の関数である。この混合信号に影響を及ぼすＭＯＳ機器１６の特性は、以下で検討されている。当該検出システムは、場源と検出回路構成を提供する電子機器とともに、ＵＨＦアンテナと変調アンテナから成る。

それ故、先行技術にあるような非線形ダイオード要素を有するＥＡＳタグは、ＭＯＳ機器１６を用いた本発明のＥＡＳタグによって置き換えられる。図４は、混合したＥＡＳタグ１４の構成部を例解する。図４で描写される設計は１つの実施形態であり、既存の製造技術に適切であり、かつ互換性があるようにこの設計を修正することは、本発明の範囲内にある。タグ１４は、頂部電極層２０、底部電極層２２、半導体領域２４、および絶縁体層２６を含む。その構造内にある絶縁層２６が原因で、当該機器はコンデンサのように挙動する。

図５は、本発明の原理に従って構築された機器１４のＣ−Ｖ（コンデンサ対電圧）特性を示す。端子電圧（この場合、ゲート電圧としても知られている）が増加するにつれて、追加的な空間電荷領域が創出される。これは、基礎的な固有のコンデンサ（Ｃ_ｉ）に直列接続している第２のコンデンサと同等である。この機器の最大の接合コンデンサはＣ_ｉであり、これは、電極の間に薄い絶縁体２６を有するコンデンサの値を想定し、εはコンデンサの絶縁体の誘電定数、Ａはコンデンサの面積、ｄはコンデンサの厚さを表す場合、
Ｃ＝ε（Ａ／ｄ）
と表現することができる。ｐ型半導体を用いる場合、ゲート電圧が負電圧から正電圧に増加する際に、その孔は絶縁体／半導体の界面から押しのけられ、多数の不動の陰イオンを残す。これは間隙を効果的に増加させ、それ故、合計の正味の静電容量は減少される。その静電容量は最終的に最小値に達する。電圧を追加的に増加させても、空乏領域の大きさは増加しない。ゲート電圧のさらなる増加は反転を創出し、そこで、大量の電子が界面に引き付けられ、結果として、その実効静電容量はＣ_ｉの値に戻る。しかしながら、このことは低周波数（１００Ｈｚ未満）領域でのみ起こる。典型的な高周波数条件では、その正味の静電容量は、反転層内の少数担体の発生−再結合率に関連するＡＣ場にその電荷が素早く反応することができないので、図５で示されるようにＣ_ｍｉｎであると測定される。

ＭＯＳ機器１６のＣＶ特性は、半導体のドーピング濃度、絶縁体２６の厚さ、ならびに、電極２０および２２に用いられる材料の種類に依存する。非線形性の程度が（先行技術で用いられるような）ダイオードの程度を超え、それによって、ＵＨＦ ＥＡＳシステムの性能をさらに強化できるように、本発明の設計を修正することができる。その上、ダイオードを用いるそうしたＥＡＳ機器の域を超え、不活性化装置から距離をおいてＭＯＳ機器１６を不活性化させることができる。使い捨てのＥＡＳタグ１４を用いる場合、この配設は有利である。ダイオードとは対照的に、電極の両端に十分高い電圧（Ｖ_Ｇ）を印加することによって、ＭＯＳ機器１６を破壊することができる。結果として、当該ＥＡＳ機能を効果的に除去および／または修正することができ、混合信号の生成を停止させる結果をもたらす、すなわち、不活性化が起こる。ＭＯＳ機器１６の比較的低い絶縁破壊電圧により、ＥＡＳ混合タグ１４の非線形要素（すなわち、ＭＯＳ機器１６）に追加的な特長を付加することなく、不活性化距離を創出することが可能である。

不活性化の容易さを促進するために、ＥＡＳタグ１４のＭＯＳ機器１６の絶縁破壊電圧をさらに最小化することができる。例えば、絶縁体層／誘電性層２６の厚さを減少させることによって、このことを達成することができる。より薄い層を用いる場合、高電場を発生して絶縁破壊を誘起することができる。代替的に、より低い絶縁破壊電圧を有する、異なる種類の絶縁体を選択することが可能である。なお別の実施形態では、不純物または欠陥中心が誘電性層の堆積の最中に含まれ、絶縁破壊を助長し得る。

それ故、ＭＯＳ機器１６は、混合タグ１４内における不活性化特性を決定する、組み込まれた絶縁破壊電圧特性を有する。不活性化機器は、決定した動作周波数で規制境界内に電場源を提供する。当該電場は混合タグ１４と連結し、ＭＯＳ機器１６の薄い酸化物層の必要な絶縁破壊を提供する。この絶縁破壊閾値に満たない場合、ＭＯＳ機器１６は非線形コンデンサとして動作する。しかしながら、絶縁破壊が達成された後、ＭＯＳ機器１６は、よりいくらか低い静電容量値を有する線形コンデンサとして動作する。非線形性特性の欠如により、混合タグ１４はＥＡＳ混合システム内で検出不能になる。

図６は、本発明の代替的な一実施形態を例解する。この実施形態では、不活性化性能を強化するためにＭＯＳ機器１６の両端に不活性化場誘起電圧を増幅するために、漸増電圧回路が付加される。この計画では、ＭＯＳ機器１６とともに、特定の電子構成部を付加することができる。前述のように、双極子アンテナまたはループアンテナ等のアンテナが接点ＡおよびＢに取り付けられ、非線形ＭＯＳ蓄電機器１６と接続する。図６の例示的な実施形態では、コックロフト・ウォルトン電圧増倍器が、最大でＶ_ｉｎのピーク電圧の数倍にＤＣ電圧を上昇させるために用いられる。ＭＯＳ機器１６の両端の電圧を増加させる働きをする、他の種類の漸増回路も用いられてよいということが知られている。この例では、コンデンサ２８（Ｃ１〜Ｃ６）とダイオード３０（Ｄ１〜Ｄ６）の梯子型回路網は、ＭＯＳ機器１６の両端で電圧を増幅させる働きをする。その後、最終段階の電圧出力は、ＭＯＳＦＥＴスイッチ３２を通じてＭＯＳ機器１６に返される。当該電圧が所定量に増加した際、ＭＯＳＦＥＴスイッチが入れられ、高電圧がＭＯＳ機器１６の破壊に利用可能である。ＭＯＳ機器１６の両端の電圧を漸増することによって不活性化性能を改善するために、他の回路が組み込まれてよい。

それ故、アンテナ１８は接点ＡおよびＢに電気的に接続され、ＭＯＳ機器１６は、十分な不活性化電場がアンテナ１８に印加される場合、印加電圧を漸増することによって不活性化性能を向上する、図６で描写される回路を含み得る。通常の検出モード下では、受動ダイオードおよびトランジスタ機器が、当該漸増電圧回路を作動させるのに必要な、要求される範囲の電源投入を下回る場合、当該漸増電圧回路は開回路として現れる。

本発明は、低電圧による絶縁破壊に適切な非線形ＭＯＳ機器をタグ内に含めることによって、近接する不活性化環境内でのＥＡＳタグの不活性化を容易にするために用いられる機器、システム、および方法を有利に提供および定義する。

加えて、上記で別の旨の言及が行われない限り、添付図面の全ては原寸に比例してないことに留意されたい。重要なことには、本発明の趣旨および本質的な特性から逸脱することなく、他の特定の形態で本発明を具現することができ、したがって、本発明の範囲を示すものとしては、前述の明細書ではなく、以下の特許請求の範囲を参照するべきである。

Claims (20)

1. アンテナ回路と、
   前記アンテナ回路に電気的に連結された非線形構成部であって、前記非線形構成部は、絶縁破壊電圧の閾値を下回る電圧に対しては非線形静電容量を示し、前記絶縁破壊電圧の閾値を上回る電圧に対しては線形静電容量を示す非線形構成部と、
   を備える電子物品監視（「ＥＡＳ」）タグ。
2. 前記非線形構成部が金属酸化物半導体（「ＭＯＳ」）機器である、請求項１に記載の電子物品監視（「ＥＡＳ」）タグ。
3. 前記アンテナ回路が双極子アンテナを含む、請求項１に記載の電子物品監視（「ＥＡＳ」）タグ。
4. 前記アンテナ回路が第１部分と第２部分を含み、前記非線形構成部が、前記アンテナ回路の前記第１部分と前記アンテナ回路の前記第２部分との間に配置される、請求項１に記載の電子物品監視（「ＥＡＳ」）タグ。
5. 前記ＭＯＳ機器への所定電圧の印加が前記ＭＯＳ機器の絶縁破壊をもたらし、それによって、ＥＡＳ問い合わせシステムによりＥＡＳタグを検出不能にする、請求項２に記載の電子物品監視（「ＥＡＳ」）タグ。
6. 前記ＭＯＳ機器が絶縁体層を含み、前記ＭＯＳ機器への前記所定電圧の印加が前記絶縁体層の絶縁破壊をもたらす、請求項５に記載の電子物品監視（「ＥＡＳ」）タグ。
7. 前記ＭＯＳ機器に電気的に連結された漸増回路をさらに備え、前記漸増回路が前記ＭＯＳ機器に印加される前記電圧を増加させる、請求項５に記載の電子物品監視（「ＥＡＳ」）タグ。
8. 前記漸増回路が所定電圧で作動するスイッチを含み、前記増加した電圧を前記ＭＯＳ機器に利用可能にする、請求項７に記載の電子物品監視（「ＥＡＳ」）タグ。
9. 前記ＥＡＳタグが、高周波信号と低周波信号の組み合わせによって変調された混合タグである、請求項１に記載の電子物品監視（「ＥＡＳ」）タグ。
10. 電子物品監視（「ＥＡＳ」）タグであって、前記タグは、
    アンテナ回路と、
    前記アンテナ回路に電気的に連結された非線形構成部であって、前記非線形構成部は、絶縁破壊電圧の閾値を下回る電圧に対しては非線形静電容量を示し、前記絶縁破壊電圧の閾値を上回る電圧に対しては線形静電容量を示す非線形構成部と、
    を備えるタグと、
    前記ＥＡＳタグに接触することなく、前記ＥＡＳタグを不活性化させるように適合された不活性化機器と、
    を備える、ＥＡＳタグの不活性化システム。
11. 前記非線形構成部が金属酸化物半導体（「ＭＯＳ」）機器である、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記アンテナ回路が双極子アンテナを含む、請求項１０に記載のシステム。
13. 前記アンテナ回路が第１部分と第２部分を含み、前記非線形構成部が、前記アンテナ回路の前記第１部分と前記アンテナ回路の前記第２部分との間に配置される、請求項１０に記載のシステム。
14. 前記不活性化機器が、前記ＭＯＳの両端に所定電圧を印加して前記ＭＯＳ機器の絶縁破壊をもたらし、それによって、ＥＡＳ問い合わせシステムによりＥＡＳタグを検出不能にする、請求項１１に記載のシステム。
15. 前記ＭＯＳ機器が絶縁体層を含み、前記ＭＯＳ機器への前記所定電圧の印加が前記絶縁体層の絶縁破壊をもたらす、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記ＭＯＳ機器に電気的に連結された漸増回路をさらに備え、前記漸増回路が前記ＭＯＳ機器に印加される電圧を増加させる、請求項１４に記載のシステム。
17. 前記漸増回路が所定電圧で作動するスイッチを含み、前記増加した電圧を前記ＭＯＳ機器に利用可能にする、請求項１６に記載のシステム。
18. 前記ＥＡＳタグが、高周波信号と低周波信号の組み合わせによって変調された混合タグである、請求項１０に記載のシステム。
19. 電子物品監視（「ＥＡＳ」）タグを不活性化させる方法であって、前記方法は、
    アンテナ回路と、前記アンテナ回路に電気的に連結された非線形構成部と、を有するＥＡＳタグを提供することであって、前記非線形構成部は、絶縁破壊電圧の閾値を下回る電圧に対しては非線形静電容量を示し、前記絶縁破壊電圧の閾値を上回る電圧に対しては線形静電容量を示すことと、
    前記非線形構成部の両端に電圧を誘起することであって、前記誘起した電圧は、前記非線形構成部を絶縁破壊するために前記絶縁破壊の閾値より大きいことと、
    を含む方法。
20. 前記非線形構成部が金属酸化物半導体（「ＭＯＳ」）機器である、請求項１９に記載の方法。

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