WO2006117402A1 - Sicherheitsmerkmal - Google Patents

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WO2006117402A1
WO2006117402A1 PCT/EP2006/062070 EP2006062070W WO2006117402A1 WO 2006117402 A1 WO2006117402 A1 WO 2006117402A1 EP 2006062070 W EP2006062070 W EP 2006062070W WO 2006117402 A1 WO2006117402 A1 WO 2006117402A1
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WO
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security feature
layer
feature according
layer system
signal response
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PCT/EP2006/062070
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English (en)
French (fr)
Inventor
Armin Dadgar
Aloys Krost
Alexander Lösing
Original Assignee
Azzurro Semiconductors Ag
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06K—GRAPHICAL DATA READING; PRESENTATION OF DATA; RECORD CARRIERS; HANDLING RECORD CARRIERS
    • G06K19/00—Record carriers for use with machines and with at least a part designed to carry digital markings
    • G06K19/06—Record carriers for use with machines and with at least a part designed to carry digital markings characterised by the kind of the digital marking, e.g. shape, nature, code
    • G06K19/067—Record carriers with conductive marks, printed circuits or semiconductor circuit elements, e.g. credit or identity cards also with resonating or responding marks without active components
    • G06K19/0672—Record carriers with conductive marks, printed circuits or semiconductor circuit elements, e.g. credit or identity cards also with resonating or responding marks without active components with resonating marks
    • G06K19/0675—Record carriers with conductive marks, printed circuits or semiconductor circuit elements, e.g. credit or identity cards also with resonating or responding marks without active components with resonating marks the resonating marks being of the surface acoustic wave [SAW] kind
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06K—GRAPHICAL DATA READING; PRESENTATION OF DATA; RECORD CARRIERS; HANDLING RECORD CARRIERS
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    • G06K19/06—Record carriers for use with machines and with at least a part designed to carry digital markings characterised by the kind of the digital marking, e.g. shape, nature, code
    • G06K19/067—Record carriers with conductive marks, printed circuits or semiconductor circuit elements, e.g. credit or identity cards also with resonating or responding marks without active components
    • G06K19/0672—Record carriers with conductive marks, printed circuits or semiconductor circuit elements, e.g. credit or identity cards also with resonating or responding marks without active components with resonating marks

Definitions

  • the invention relates to a security feature with a multilayer system of semiconductive piezoelectric materials of different bandgap energy. Furthermore, the present invention relates to an article containing such a security feature. Items, such as securities, are equipped with security features to make their authenticity verifiable and to identify counterfeits in this way.
  • security features are devices which are produced separately from the object to be secured and, after their manufacture, are connected to the object to be secured.
  • Safety requirements are in particular the following requirements: They must be difficult to imitate, have high robustness, be stable to moisture, kinking and electrostatic charge, as well as easily recognizable and can be produced at low cost.
  • a working with surface acoustic waves identification mark is known, which is readable with pulsed electromagnetic high frequency radiation.
  • This is an RFID tag.
  • the security feature can be attached to a vehicle, for example.
  • the technical problem underlying the present invention is therefore to specify a safety feature based on RFID technology that is particularly difficult to falsify.
  • the technical problem is solved by a security feature that encodes information and is designed to transmit the information to pulsed radio frequency electromagnetic radiation having a frequency in the MHz to GHz range in the form of a signal response.
  • the security feature according to the invention contains a multilayer system of semiconducting piezoelectric materials of different bandgap energy,
  • the signal response is either dependent on the frequency of the radiofrequency radiation incident on the multilayer system, or that the signal response is variable by time-overlapping incident light onto the multilayer system with the radiofrequency radiation, the energy of the incident light being greater than a specific energy, for generating charge carriers in at least one
  • Layer of the multilayer system is suitable, or that the signal response has both properties mentioned in combination.
  • the signal response in a first alternative depends on the frequency of the high-frequency radiation incident on the multilayer system.
  • this security feature according to the invention it is possible to provide a signal response which has a dependence on the frequency of the incident high-frequency radiation that is characteristic of the design of the multilayer system and is therefore characteristic of the respective security feature.
  • a frequency dependence of the signal response can be achieved, for example, by selecting one or more materials with different sound propagation velocities at different frequencies (dispersion) and / or by the choice of a material with frequency-dependent penetration depth surface waves generated by irradiation of the radio frequency radiation of a particular frequency.
  • the signal response of the security feature according to the invention is variable with additional light irradiation, the energy of the incident light being greater than a specific energy suitable for generating charge carriers in at least one layer of the multilayer system.
  • the pulsed electromagnetic high-frequency radiation with a frequency in the MHz to GHz range that is received in the first alternative alone and in the second alternative simultaneously with the light irradiation is also referred to below as the high-frequency test pulse.
  • a high-frequency test pulse consist of either one or more individual pulses. This has the advantage that different signal responses are given for the two cases of existing and missing additional light irradiation. Because by light absorption, free charge carriers in sufficient concentration can be generated in selected layers of the multilayer system in order to detectably influence the signal response.
  • the penetration depth of the high-frequency test pulse can be reduced, which can influence the attenuation characteristic of the surface acoustic wave safety feature or the signal shape of the signal response.
  • Other mechanisms of influencing will be explained below in the description of preferred embodiments.
  • composition of the different signal responses with and without light irradiation is thus characteristic of the security feature of the present invention and can be easily checked, but difficult to imitate.
  • suitable for light absorption energies are dependent on the particular material composition of the multi-layer system.
  • High absorption of light in semiconducting materials is usually above the bandgap energy.
  • the bandgap energy of semiconductors in binary, tertiary, quaternary, etc. material systems can be predefined and realized as desired by setting a suitable stoichiometry very precisely.
  • the first and second alternatives are combined. That is, the signal response is dependent both on the frequency of the radiofrequency radiation incident on the multilayer system and that the signal response is variable by time-overlapping incident light onto the multilayer system with the radiofrequency radiation, the energy of the incident light being greater is to be chosen as a specific energy suitable for generating charge carriers in at least one layer of the multi-layer system.
  • This third alternative combines the advantages of the first and second alternatives.
  • the security feature of the present invention can be made with a small footprint and is universally applicable for many items to be secured. Among other things, securities, merchandise and valuables are currently being considered.
  • the security feature can be used to protect against the assumption of counterfeiting, but also for identification.
  • Information can be coded in the inventive security feature solely by the inventive variation of the signal response with or without additional light irradiation.
  • Other additional possibilities of information coding in the security feature according to the invention are known to the person skilled in the art from RFID technology and will also be described below on the basis of exemplary embodiments. You can also find use.
  • the security feature of the invention requires the use of a technically extremely complex and complicated process management, which can be carried out only on the basis of high investments in the corresponding manufacturing technology and with the help of highly specialized personnel. At the same time, however, it is extremely inexpensive to produce in large quantities with the known mass production technologies of chip production and therefore does not lead to an increase in the cost of producing or providing the secured objects in comparison with previously known security features. Since the multi-layer system can be varied only slightly depending on the application can, the imitation is additionally complicated. It is not foreseeable that the production of security features with complex multi-layer systems made of piezoelectric semiconductor materials will become technically routine and therefore virtually accessible to anyone, such as the printing of holograms.
  • the security feature is connected to either one or more electrically conductive strips serving as an antenna or to an at least partially electrically conductive material.
  • this may be a metallic security strip usually used there. This can thus perform a dual function in which it also serves as the security feature as an antenna. As a result, damage to the security feature or a removal for counterfeiting purposes in other banknotes is very difficult.
  • the multi-layer system is designed to output the signal response after receiving the high-frequency radiation to produce surface waves in the multi-layer system. Additional advantages arise when the multi-layer system contains a semiconducting material that can be excited to emit light. Alternatively, the multilayer system may also contain a semiconducting material which can be excited to illuminate inductively or photovoltaically by means of a current flowing in the security feature or in a connected element. Another alternative is a multilayer system containing a semiconductive material that is excitable by direct electrical contact for illumination, as is For example, when integrating a light emitting diode in the security feature is the case. The illumination of the multilayer system as well as the signal response depends on the material composition in the individual layers of the multilayer system.
  • the characteristic luminescences of semiconducting materials such as the luminescence of the radiating band-band recombination of electrons and holes, are at the respective bandgap energy of the semiconductor material. Due to the individual stoichiometry of the layers of a multi-layer system, the illumination of the multi-layer system by means of wavelength-selective detection can therefore make the authenticity of the security feature verifiable or encode other information. For example, the light emission of the multilayer system can be clearly related to the value of a banknote, so that different banknotes can be identified and verified on the basis of their different light emission.
  • the emission at more than one wavelength is possible, for example, when using a multi-quantum well structure or an LED structure in the multilayer system. Different quantum wells can be made in this embodiment having dominant luminescence at different wavelengths. This is best possible in the execution of a part of the structure of the security feature as a light-emitting diode. Thus, additionally or alternatively to the radio-based test, a visual check of the security feature can take place.
  • This solution can be made very robust against electrostatic discharge and other interference when using suitable, further specified below materials. It can also be easily integrated on the light emitter structure, such as the diode structure or in the substrate of the security feature, especially when using a silicon substrate, protection against electrostatic discharge and, in the case of direct contact, against reverse polarity.
  • the multilayer system preferably contains layers of III-V compound semiconductors of the AIGaInN material system or II-VI compound semiconductors of the
  • Material system ZnMgCdO or a combination of layers of both mentioned material systems have the advantage of being very robust against electrostatic discharge and other disturbing influences and can be varied over a wide range of stoichiometry, which is advantageous for the variability in influencing the security feature and in the
  • the multi-layer system of the security feature is designed to deliver the signal response with a dependent on the frequency of the incident electromagnetic radiation frequency signal width or dependent on the frequency of the incident electromagnetic radiation, time interval, wherein the layers of the multilayer system of piezoelectric materials with different velocities of sound and / or attenuations are formed. In this way, the security against counterfeiting is further increased.
  • the multi-layer system is designed to output different signal responses for different polarizations of the incident pulsed electromagnetic high-frequency radiation.
  • antennas can be mounted or shaped so as to generate a wave in the security feature only for electromagnetic radiation polarized in one direction. In antennas and reflectors crossed by 90 °, anisotropy of the wave propagation in the material of the multilayer system can be exploited in order to generate different signal responses depending on the orientation of the object to be tested.
  • the signal response of the security feature is made variable in that the multilayer system is configured. det is to output different signal responses at different temperatures.
  • a second aspect of the present invention relates to an article which contains a security feature according to the first aspect of the invention or according to one of the embodiments of the security feature described within the scope of this application.
  • the subject of the second aspect of the invention in preferred embodiments is a security such as a banknote, a stock, etc. or a document.
  • the security feature in such articles in a carrier material, such as paper is introduced between the surfaces thereof.
  • the integration of the security feature into the carrier material can be carried out, for example, during the production of the carrier material, that is to say, for example, in papermaking.
  • the security feature can be introduced either separately or together with the security strips customary with banknotes.
  • the security feature can easily be made so thin that it can be fully embedded in paper, depending on the material in a very small size (for example, about 0.1 x 0.1 x 0.02 mm 3 (length x width x height)), whereby it is additionally protected against mechanical damage and hardly noticeable.
  • the buckling of a paper can lead to no destruction with such a small security feature.
  • the security feature can also be applied to the object, which is particularly recommended when used together with holograms.
  • Holograms can be formed as electrically conductive structures at least in sections, the conductive sections then serving as an antenna and thereby significantly improving the signal-to-noise ratio of the signal response at the same irradiation power.
  • Optimal for a high degree of robustness is, when using an antenna on the security feature, to guide them in the middle of the paper plane, so in the paper and there to connect with the security feature, because the average paper level is never stretched or compressed during buckling. That way are The antenna and the chip are subjected to minimal stresses and the durability and safety against mechanical damage can be improved.
  • FIG. 1 shows a schematic plan view of a first exemplary embodiment of a security feature according to the invention
  • Figure 2 is a schematic plan view of a second embodiment of a security feature according to the invention.
  • Figure 3 is a schematic cross-sectional view of the embodiments of Figures 1 and 2;
  • FIG. 4 shows another embodiment of a security feature with integrated LEDs in a plan view ( Figure 4a), a cross-sectional view ( Figure 4b) and an equivalent circuit diagram ( Figure 4c).
  • FIG. 1 A schematic plan view of a first embodiment of a security feature according to the invention.
  • the security feature 100 of FIG. 1 includes on a chip 102 a transmitting and receiving part 104, which in a known way has interdigital transducers 106, which are connected to two branches 108 and 110 of an antenna.
  • a data area 112 encodes information.
  • the information coding takes place in such a way that electromagnetic waves received via the antenna branches 108 and 110 are converted into surface acoustic waves (SAW) by the interdigital transducers 106 in the transmitting and receiving section 104 when propagating in the wave direction W of strip-shaped metallic reflectors partially reflected and fed via the interdigital transducer 106 of the transmitting and receiving part 104 back into the antenna branches 108 and 1 10, of which corresponding electromag- nets are radiated which can be received and evaluated by a suitable detector.
  • SAW surface acoustic waves
  • FIG. 1b the resulting waveform is shown schematically in FIG. 1b.
  • the high-frequency test pulse is received at a time point P 0 on the security feature.
  • the signal response which is summarized in Figure 1 b with the reference numeral 114, thus consists of a characteristic sequence of high-frequency pulses.
  • the position of the respective pulses can be used to encode an information bit, for example, in the sense of a pulse position modulation in which the deviation of a temporal pulse position relative to a time frame can encode information.
  • a high-frequency test pulse does not necessarily consist of a single pulse, but may form a defined pulse train, in which case the signal response forms a correspondingly complex signal pattern.
  • FIG. 2 shows an alternative exemplary embodiment of a security feature 200, which differs from the security feature 100 in that, in addition to the data region 212, a reflector 216 is included. The reflector is used to generate a final reference pulse which indicates the end of the signal response. Otherwise, the structure and operation of the security feature 200 is similar to that described with reference to FIG. Identical structural features of the security features 100 and 200 are provided with reference numerals that differ from each other only in the first digit.
  • FIG. 3 shows a schematic cross-sectional view of the security feature 100.
  • the cross-sectional view for the security feature 20 would look identical, and for the sake of simplicity, however, reference will be made only to the exemplary embodiment of FIG.
  • the security feature 100 includes a multilayer system 118 on a substrate 120.
  • the multilayer system in the present embodiment includes 3 piezoelectric semiconductor layers 122 to 126 on a buffer layer 128.
  • reflectors of the data area 112 are indicated, but the exact arrangement of the drawings is not the same for the sake of simplicity corresponds to the arrangement indicated in FIG.
  • the multilayer system 118 is formed in a preferred embodiment of three layers 122 to 126 of Group III nitrides such as GaN, AlN or InN or their ternary and quaternary compounds. These materials are piezoelectric, very hard and chemically very stable, and they meet all of the safety feature ruggedness requirements of the present invention. Alternatively, Il-VI semiconductors in the ZnCdMgO system are suitable, the chemical stability of this material system being lower than in the case of the Group III nitrides, and the field of use is therefore somewhat limited.
  • Group III nitrides such as GaN, AlN or InN or their ternary and quaternary compounds. These materials are piezoelectric, very hard and chemically very stable, and they meet all of the safety feature ruggedness requirements of the present invention. Alternatively, Il-VI semiconductors in the ZnCdMgO system are suitable, the chemical stability of this material system being lower than in the case of the Group III nitrides, and the field of use is therefore somewhat limited.
  • the simplest suitable multilayer system in such a case is analogous to a field effect transistor structure a GaN (corresponding to the layer 124) / AIGaN (corresponding to the layer 122) layer sequence.
  • the layers 126 and 128 should be as high as possible.
  • an electron accumulation is formed in the GaN layer 124.
  • a low frequency surface acoustic wave having a frequency of z. B. 2 GHz attenuated by the deeper penetration of the wave stronger than a wave with 8 GHz.
  • This layer structure can also be constructed such that the layers 126 and 122 of AIGaN with an aluminum concentration of about 10% lie on a buffer 128, preferably made of AIGaN, and a 5 nm thick GaN layer 124 is arranged therebetween.
  • the structure may be constructed entirely of a material such as GaN and layer 124 may be selectively doped. This also increases the attenuation at lower frequencies.
  • the transmitting and receiving part 104 in one embodiment contains interdigital metal contacts on the piezoelectric surface layer 122 at distances of ⁇ / 4, where ⁇ denotes the wavelength of the surface wave propagating in the surface layer 122. It can be provided either a transmitting and receiving unit or additionally at a defined distance, a second transmitting and receiving unit (not shown), depending on whether the waves are to run from one antenna to the next, or whether they receive from one and the same unit and to be sent back.
  • the metallization required for the data area and the transmission and reception area can be produced, for example, by vapor deposition or sputtering. Particularly suitable materials for the top metallization layer are hard and noble metals, such as Au, Pd or Pt, or Cr, because these are the most robust to environmental influences.
  • the multi-layer system 118 with the layers 122 to 126 can be applied using sputtering techniques or epitaxial methods, such as, for example, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) or molecular beam epitaxy (MBE).
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • MBE molecular beam epitaxy
  • a surface acoustic wave which is partially reflected by the reflectors of the data region 12, penetrates into the layer stack of the multilayer system 118 at different depths, depending on the wavelength of an additional irradiation symbolized by the arrow 130.
  • the signal responses may be attenuated differently depending on the wavelength or generate a temporally and / or spectrally more spread signal response.
  • a high charge carrier concentration can be generated in those layers which have a high absorption coefficient at the used wavelength of the additional irradiation, for example because the energy of the additional irradiation is above the energy of the band gap of a respective layer.
  • This high charge carrier concentration can also in a characteristic manner, for. For example, in the form of damping or by influencing the signal form of the signal response, influence the signal response.
  • a further possibility for checking the authenticity of the security feature 100 that is dependent on the material and structure is a measurement of the temperature dependence of the signal response.
  • the temperature dependence varies greatly depending on the material used and the layer structure used. Through the changes Therefore, falsifications based on the use of other materials or other manufacturing processes can easily be detected.
  • waves traveling in the crystal are, in one embodiment, affected by holes etched into the layer structure of the multiple system 118 from the surface.
  • An exemplary embodiment is designed to realize a so-called acoustic band gap, analogously to an optical band gap. That is, a regular arrangement of holes allows only the propagation of waves with certain properties, for example a certain frequency.
  • acoustic band gap analogously to an optical band gap.
  • the incoming and received by the antenna electromagnetic wave occurs in a crystal direction, which converts the electromagnetic oscillation into a mechanical vibration.
  • the crystal, at least the surface layer 122 must therefore be polarizable in the respective crystal direction.
  • An essential advantage of the described passive component over conventional RFID solution is its insensitivity to environmental influences and electrostatic charging.
  • the reflectors of the data area are realized by a three-dimensional structuring of the surface or by application of non-metallic material, such as, for example, silicon nitride or silicon dioxide.
  • non-metallic material such as, for example, silicon nitride or silicon dioxide.
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of a security feature 400 with integrated light-emitting diodes in a plan view (FIG. 4a), a cross-sectional view (FIG. 4b) and an equivalent circuit diagram (FIG. 4c).
  • the security feature 400 contains, in addition to the structural elements of the antenna branches 408, 410, the transmitting and receiving part 404 with interdigital transducers 406 and the data area 412, two light-emitting diodes 430 and 432 already explained with reference to the security feature 1 of FIG. 1 a).
  • the light-emitting diodes are connected to the antenna branches 408 and 410, which may be formed, for example, in a security paper from the security strips commonly used there.
  • the security strips / antenna branches 408 and 410 have contact structures 434 and 436. These are designed so that they can be connected in operation with a suitable voltage source, via which the LEDs 430 and 432 are activated.
  • the light emitting diodes 430 and 432 are formed in a lower surface area 438 of the substrate 420.
  • this can be realized, for example, in such a way that the layer structure for the light-emitting diodes 430 and 432 takes place in connection with the layer of the multi-layer system of the security feature in the substrate region 440.
  • the LED structures can then be exposed by known patterning techniques.
  • FIGS. 4 a) and b) the light-emitting diodes 430 and 432 are oppositely poled. In this way, a reverse polarity protection can be created in a simple way. In any case, when reading the luminescence only one of the two LEDs shines. However, it is ensured that the case that both LEDs are operated in the reverse direction and do not light can not occur.
  • the reference numerals 442 and 444 indicate front contacts of the LEDs 430 and 432, respectively, and the reference numerals 446 and 448 indicate corresponding back contacts.
  • the equivalent circuit diagram of this structure is shown in FIG. 4c).
  • the light-emitting diodes are processed into different layer depths of the component and consist of layers emitting at different wavelengths, which is easily realizable in such an embodiment, different luminescence wavelengths can be excited depending on the current direction, which further falsifies the security element 400.
  • the decay of the luminescence can also be measured in more elaborate test equipment.
  • the temporal behavior of luminescence is characteristic of the structure, doping and defect density of the material, which can not be faked with reasonable effort.
  • such a security feature places high demands on the reproducibility of the layers in the production.
  • the electrical diode characteristic itself can also be used as a characteristic feature of the security feature.
  • the series resistance and the ideality factor of such a characteristic are strongly dependent on the structure of the diode and can be selectively influenced.
  • a targeted influencing of the characteristic line can be achieved by a different frequency for driving the diode with an alternating voltage and thus by modulated currents through the diode structure.
  • the diode does not even have to be designed as a luminescent component, so it can, for.
  • Conceivable are also simple electrical high, low or band passes, which are realized in the part of the device that does not serve as a piezoelectric component.
  • the present invention thus solves the problem of inexpensive and secure product and counterfeiting.
  • the invention differs
  • the essential security feature is essentially that of most known solutions in that it is particularly simple to implement and dispenses with integrated circuits and, in its basic form, any form of electronic components, as a result of which a very high degree of robustness can be ensured.
  • a Bluetooth functionality can be integrated into the security feature.
  • information stored on the security feature can be read out.
  • a coded number and further information can be read from a security, such as a serial number. This allows verification of the authenticity of the security by comparison with information stored in a database.
  • the reading of information can be done in shops or other facilities using special equipment.
  • multiple test methods can be used which, for example, in addition to the signal response also read out the light emitted by the security feature and thus provide several levels of security.
  • Central banks may in securities on such features or other features in the security feature, eg. B. can be read with a different radio frequency, the authenticity and also the origin of a bill clearly determine.
  • the security feature of the present invention thereby has the advantage that the anonymity of the bill is maintained and to hinder the counterfeiting special materials and manufacturing processes are used, which at low production price a very ensure high robustness. Still can be avoided with this security feature in contrast to classic RFID solutions, the criminals scan the content of the wallet of passersby radio waves, since the solution of the present invention is only very briefly readable and has no collision protection.

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Abstract

Sicherheitsmerkmal, das lnformationen kodiert und ausgebildet ist, die Informationen auf Bestrahlen mit gepulster elektromagnetischer Hochfrequenzstrahlung mit einer Frequenz im MHz- bis GHz-Bereich hin in Form einer Signalantwort auszugeben, wobei das Sicherheitsmerkmal ein Mehrschichtsystem halbleitender piezoelektrischer Materialien unterschiedlicher Bandlückenenergie enthält, derart, - dass die Signalantwort entweder von der Frequenz der auf das Mehrschicht- system einfallenden Hochfrequenzstrahlung abhängig ist, oder - dass die Signalantwort durch auf das Mehrschichtsystem mit der Hochfrequenzstrahlung zeitlich überlappend einfallendes Licht veränderlich ist, wobei die Energie des einfallenden Lichts gröβer als eine spezifische Energie zu wählen ist, die zur Erzeugung von Ladungsträgern in mindestens einer Schicht des Mehrschichtsystems geeignet ist, oder - dass die Signalantwort beide genannten Eigenschaften in Kombination aufweist.

Description

Sicherheitsmerkmal
Die Erfindung betrifft ein Sicherheitsmerkmal mit einem Mehrschichtsystem halbleitender piezoelektrischer Materialien unterschiedlicher Bandlückenenergie. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung einen Gegenstand, der ein solches Sicherheitsmerkmal enthält. Gegenstände, wie beispielsweise Wertpapiere, werden mit Sicherheitsmerkmalen ausgestattet, um ihre Authentizität nachprüfbar zu machen und auf diesem Wege Fälschungen erkennen zu können. Bei Sicherheitsmerkmalen im Sinne der vorliegenden Anmeldung handelt es sich um eine Vorrichtung, die getrennt vom zu sichernden Gegenstand produziert wird und nach ihrer Herstellung mit dem zu sichernden Gegenstand verbunden wird. An Sicherheitsmerkmale werden insbesondere folgende Anforderungen gestellt: Sie müssen schwer nachahmbar sein, eine hohe Robustheit aufweisen, stabil gegenüber Feuchtigkeit, Knicken und elektrostatische Aufladung sein, sowie einfach erkennbar und mit geringen Kosten herstellbar sein.
Es ist bekannt, Hologramme, Wasserzeichen oder speziell bedruckte Bereiche, beispielsweise auf Geldscheinen, anzubringen. Eine Fälschung derartiger Si- cherheitsmerkmale ist jedoch mit zunehmender Verbreitung der entsprechenden Technologien immer leichter geworden. Weiterentwicklungen derartiger Sicherheitsmerkmale , die in den letzten Jahren vorgeschlagen wurden, basieren auf der RFID-Technologie und enthalten integrierte Schaltkreise auf der Basis von Silizium. Nachteile solcher Sicherheitsmerkmale sind jedoch, dass sie relativ groß, mechanisch nicht sehr robust und nur bedingt resistent gegen elektrostatische Entladung sind. Zusätzlich sind derartige Sicherheitsmerkmale vergleichsweise teuer und würden beispielsweise die Kosten für die Herstellung von Euro- Banknoten nahe zu verdoppeln.
Speziell bei Banknoten ist die Möglichkeit einer Verfolgung einzelner Banknoten unter Datenschutzaspekten unerwünscht. Problematisch an der Anfälligkeit halbleiterbasierter Sicherheitsmerkmale gegen elektrostatische Entladungen ist auch, dass eine eindeutige Identifikation nicht gesichert ist, wenn die Ausfall- Wahrscheinlichkeit des Sicherheitsmerkmals nicht verschwindend gering ist.
Aus der DE 44 05 647 A1 ist eine mit akustischen Oberflächenwellen arbeitende Identifizierungsmarke bekannt, die mit gepulster elektromagnetischer Hochfrequenzstrahlung auslesbar ist. Hierbei handelt es sich also um einen RFID-Tag. Das Sicherheitsmerkmal kann beispielsweise an einem Fahrzeug angebracht werden.
Nachteil des aus der DE 44 05 647 A1 bekannten Sicherheitsmerkmal ist seine relativ leichte Fälschbarkeit. Da die RFID-Technologie heute weit verbreitet ist, kann ein derartiges Sicherheitsmerkmal leicht nachgebaut werden.
Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende technische Problem ist es daher, ein auf der RFID-Technologie basierendes Sicherheitsmerkmal anzugeben, das besonders schwer fälschbar ist.
Das technische Problem wird gelöst durch ein Sicherheitsmerkmal, das Informationen kodiert und ausgebildet ist, die Informationen auf Bestrahlen mit gepulster elektromagnetischer Hochfrequenzstrahlung mit einer Frequenz im MHz- bis GHz-Bereich hin in Form einer Signalantwort auszugeben. Das erfindungsgemäße Sicherheitsmerkmal enthält ein Mehrschichtsystem halbleitender piezoelektrischer Materialien unterschiedlicher Bandlückenenergie, derart,
- dass die Signalantwort entweder von der Frequenz der auf das Mehrschichtsystem einfallenden Hochfrequenzstrahlung abhängig ist, oder dass die Signalantwort durch auf das Mehrschichtsystem mit der Hochfrequenzstrahlung zeitlich überlappend einfallendes Licht veränderlich ist, wobei die Energie des einfallenden Lichts größer als eine spezifische Energie zu wählen ist, die zur Erzeugung von Ladungsträgern in mindestens einer
Schicht des Mehrschichtsystems geeignet ist, oder dass die Signalantwort beide genannten Eigenschaften in Kombination aufweist.
Bei dem erfindungsgemäßen Sicherheitsmerkmal ist die Signalantwort in einer ersten Alternative von der Frequenz der auf das Mehrschichtsystem einfallenden Hochfrequenzstrahlung abhängig. Bei diesem erfindungsgemäßen Sicherheitsmerkmal gelingt es, eine Signalantwort bereitzustellen, die eine je nach Ausbildung des Mehrschichtsystems charakteristische Abhängigkeit von der Frequenz der einfallenden Hochfrequenzstrahlung hat und somit für das jeweilige Sicherheitsmerkmal charakteristisch ist. Eine Frequenzabhängigkeit der Signalantwort kann beispielsweise erzielt werden durch Wahl eines oder mehrerer Materialien mit unterschiedlichen Schallausbreitungsgeschwindigkeiten bei unterschiedlichen Frequenzen (Dispersion) und/oder durch die Wahl eines Materials mit frequenz- abhängiger Eindringtiefe erzeugter Oberflächenwellen, die durch Einstrahlung der Hochfrequenzstrahlung einer jeweiligen Frequenz entstehen.
In einer zweiten Alternative ist die Signalantwort des erfindungsgemäßen Sicherheitsmerkmals bei zusätzlicher Lichteinstrahlung veränderlich, wobei die Energie des einfallenden Lichts größer als eine spezifische Energie zu wählen ist, die zur Erzeugung von Ladungsträgern in mindestens einer Schicht des Mehrschichtsystems geeignet ist. Die in der ersten Alternative allein und in der zweiten Alternative gleichzeitig mit der Lichtbestrahlung eingehende gepulste elektromagnetische Hochfrequenzstrahlung mit einer Frequenz im MHz- bis GHz-Bereich wird nachfolgend auch kurz als Hochfrequenz-Testimpuls bezeichnet. Dabei kann ein Hochfrequenz- Testimpuls entweder aus einem oder aus mehreren Einzelimpulsen bestehen. Dies hat den Vorteil, dass unterschiedliche Signalantworten für die beiden Fälle vorhandener und fehlender zusätzlicher Lichteinstrahlung abgegeben werden. Denn durch Lichtabsorption können in ausgewählten Schichten des Mehrschichtsystems freie Ladungsträger in ausreichender Konzentration erzeugt werden, um die Signalantwort nachweisbar zu beeinflussen.
Unterschiedliche Effekte sind für die Realisierung der zweiten Alternative nutzbar. Beispielsweise kann durch Lichtabsorption im Mehrschichtsystem die Eindringtiefe des Hochfrequenz-Testimpulses verringert werden, was die Dämp- fungscharakteristik des Sicherheitsmerkmals für Oberflächenschallwellen oder die Signalform der Signalantwort beeinflussen kann. Weitere Mechanismen der Beeinflussung werden unten im Rahmen der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele erläutert.
Auch die Zusammenstellung der unterschiedlichen Signalantworten mit und ohne Lichteinstrahlung ist also charakteristisch für das Sicherheitsmerkmal der vorliegenden Erfindung und kann leicht überprüft, jedoch schwer imitiert werden. Denn die zur Lichtabsorption geeigneten Energien sind vom der jeweiligen Materialzusammensetzung des Mehrschichtsystems abhängig. Eine hohe Absorptionsfä- higkeit für Licht liegt bei halbleitenden Materialien in der Regel oberhalb der Bandlückenenergie vor. Bekanntlich kann die Bandlückenenergie von Halbleitern in binären, tertiären, quaternären, etc. Materialsystemen durch Einstellung einer geeigneten Stöchiometrie nach Wunsch sehr präzise vordefiniert und realisiert werden. Stimmt das Mehrschichtsystem eines gefälschten Sicherheitsmerkmals nicht exakt mit dem erfindungsgemäßen Sicherheitsmerkmal überein, lässt sich auch der Effekt der Änderung der Impulsantwort bei zusätzlicher Lichteinstrahlung nicht reproduzieren, wodurch die Fälschung leicht nachweisbar ist. In einer dritten Alternative liegen die erste und die zweite Alternative in Kombination vor. Das heißt, dass die Signalantwort sowohl von der Frequenz der auf das Mehrschichtsystem einfallenden Hochfrequenzstrahlung abhängig ist, als auch, dass die Signalantwort durch auf das Mehrschichtsystem mit der Hochfrequenz- Strahlung zeitlich überlappend einfallendes Licht veränderlich ist, wobei die E- nergie des einfallenden Lichts größer als eine spezifische Energie zu wählen ist, die zur Erzeugung von Ladungsträgern in mindestens einer Schicht des Mehrschichtsystems geeignet ist. Diese dritte Alternative kombiniert die Vorteile der ersten und zweiten Alternativen.
Das Sicherheitsmerkmal der vorliegenden Erfindung kann mit nur geringer Baugröße hergestellt werden und ist für universell für viele zu sichernde Gegenstände einsetzbar. Unter anderem ist derzeit an Wertpapiere, Handelswaren und Wertsachen gedacht. Das Sicherheitsmerkmal kann zur Sicherung vor einer Annahme von Fälschungen eingesetzt werden, aber auch zur Identifikation.
Informationen können bei dem erfindungsgemäßen Sicherheitsmerkmal allein durch die erfindungsgemäße Variation der Signalantwort mit oder ohne zusätzliche Lichteinstrahlung kodiert sein. Sonstige, zusätzliche Möglichkeiten der In- formationskodierung in dem erfindungsgemäßen Sicherheitsmerkmal sind dem Fachmann an von der RFID-Technologie her bekannt und werden weiter unten auch anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Sie können zusätzlich Verwendung finden.
Das Sicherheitsmerkmal der Erfindung erfordert den Einsatz einer technisch äußerst aufwändigen und komplizierten Prozessführung, die nur auf der Grundlage hoher Investitionen in die entsprechende Herstellungstechnologie und mit Hilfe hochspezialisierten Personals durchgeführt werden kann. Zugleich ist es jedoch mit den bekannten Massenproduktionstechnologien der Chipfertigung in großen Stückzahlen äußerst preisgünstig herstellbar und führt daher im Vergleich mit vorbekannten Sicherheitsmerkmalen nicht zu einer Verteuerung der Herstellung oder Bereitstellung der gesicherten Gegenstände. Da das Mehrschichtsystem je nach Anwendungsfall auch nur geringfügig variiert werden kann, wird das Imitieren zusätzlich erschwert. Es ist nicht absehbar, dass die Herstellung von Sicherheitsmerkmalen mit komplexen Mehrschichtsystemen aus piezoelektrischen Halbleitermaterialien technische Routine und damit quasi für jedermann zugänglich wird, wie etwa das Drucken von Hologrammen.
Daher gelingt es mit der Erfindung, ein besonders schwer fälschbares Sicherheitsmerkmal bereitzustellen.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Sicherheitsmerkmals beschrieben. Die Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden, wenn dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Sicherheitsmerkmal mit entweder einem oder mehreren als Antenne dienenden, elektrisch leitfähigen Streifen oder mit einem zumindest abschnittsweise elektrisch leitfähigen Material verbunden. Hierbei kann es sich beispielsweise im Fall einer Verwendung des Sicherheitsmerkmals in einem Wertpapier oder einer Banknote um einen dort üblicherweise verwendeten metallischen Sicherheitsstreifen handeln. Dieser kann also eine Doppelfunktion wahrnehmen, in dem er zugleich dem Sicher- heitsmerkmal als Antenne dient. Dadurch ist eine Beschädigung des Sicherheitsmerkmals oder eine Entnahme zu Fälschungszwecken bei anderen Banknoten stark erschwert.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Mehrschichtsystem ausge- bildet, die Signalantwort nach Empfang der Hochfrequenzstrahlung unter Erzeugung von Oberflächenwellen im Mehrschichtsystem auszugeben. Zusätzliche Vorteile ergeben sich, wenn das Mehrschichtsystem ein halbleitendes Material enthält, das mit Licht zum Leuchten anregbar ist. Alternativ kann das Mehrschichtsystem auch ein halbleitendes Material enthalten, das induktiv oder foto- voltaisch mit Hilfe eines im Sicherheitsmerkmal oder in einem damit verbundenen Element fließenden Strom zum Leuchten anregbar ist. Eine weitere Alternative bildet ein Mehrschichtsystem, das ein halbleitendes Material enthält, das durch direkte elektrische Kontaktierung zum Leuchten anregbar ist, wie dies beispielsweise bei Integration einer Leuchtdiode in das Sicherheitsmerkmal der Fall ist. Das Leuchten des Mehrschichtsystems ist ebenso wie die Signalantwort von der Materialzusammensetzung in den einzelnen Schichten des Mehrschichtsystems abhängig. Bekanntlich liegen die charakteristischen Lumineszenzen halbleitender Materialien wie etwa die Lumineszenz der strahlenden Band-Band- Rekombination von Elektronen und Löchern bei der jeweiligen Bandlückenenergie des Halbleitermaterials. Durch die individuelle Stöchiometrie der Schichten eines Mehrschichtsystems kann daher auch das Leuchten des Mehrschichtsystems durch eine wellenlängeselektive Detektion die Authentizität des Sicher- heitsmerkmals nachprüfbar machen oder sonstige Information kodieren. Beispielsweise kann die Lichtemission des Mehrschichtsystems in eindeutigem Bezug zu dem Wert einer Banknote stehen, so dass unterschiedliche Banknoten anhand ihrer unterschiedlichen Lichtemission erkannt und verifiziert werden können.
Denkbar ist auch die Emission bei mehr als einer Wellenlänge. Dies ist beispielsweise bei Verwendung einer Multiquantum-Well-Struktur oder einer LED- Struktur im Mehrschichtsystem möglich. Unterschiedliche Quantum-Wells können bei diesem Ausführungsbeispiels hergestellt werden, die dominante Lumi- neszenzen bei unterschiedlichen Wellenlängen aufweisen. Dies ist am besten in der Ausführung eines Teils der Struktur des Sicherheitsmerkmals als Leuchtdiode möglich. Damit kann zusätzlich oder alternativ zur funkbasierten Prüfung eine optische Prüfung des Sicherheitsmerkmals erfolgen. Diese Lösung kann bei Verwendung geeigneter, weiter unten näher genannter Materialien sehr robust gegenüber elektrostatischer Entladung und anderen Störeinflüssen ausgebildet werden. Es kann auch einfach auf der Lichtemitterstruktur, wie etwa der Diodenstruktur oder im Substrat des Sicherheitsmerkmals, insbesondere bei Verwendung eines Silizium-Substrates, ein Schutz gegen elektrostatische Entladung und, für den Fall einer direkten Kontaktierung, gegenüber Verpolung integriert werden.
Vorteilhaft ist hierfür eine zumindest teilweise im sichtbaren Bereich des Spektrums liegende Lumineszenz, weil sie mit einfachen Testgeräten nach Augen- schein eine schnelle und einfache Beurteilung der Echtheit von entsprechend geschützten Gegenständen zulässt.
Bevorzugt enthält das Mehrschichtsystem Schichten aus Ill-V-Verbindungs- halbleitern des Materialsystems AIGaInN oder Il-Vl-Verbindungshalbleiter des
Materialsystems ZnMgCdO oder einer Kombination von Schichten aus beiden genannten Materialsystemen. Beide Materialsysteme haben den Vorteil, sehr robust gegenüber elektrostatischer Entladung und anderen Störeinflüssen zu sein und über einen weiten Stöchometriebereich hin variierbar zu sein, was für die Variabilität bei der Beeinflussung des Sicherheitsmerkmals und bei der
Lichtemission günstig ist.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Mehrschichtsystem des Sicherheitsmerkmals ausgebildet, die Signalantwort mit einer von der Frequenz der einfallenden elektromagnetischen Hochfrequenzstrahlung abhängigen Signalbreite oder einem von der Frequenz der einfallenden elektromagnetischen Hochfrequenzstrahlung abhängigen zeitlichen Abstand abzugeben, wobei die Schichten des Mehrschichtsystems aus piezoelektrischen Materialien mit unterschiedlichen Schallgeschwindigkeiten und/oder Dämpfungen gebildet sind. Auf diese Weise wird die Fälschungssicherheit weiter erhöht.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Mehrschichtsystem ausgebildet, für verschiedenen Polarisationen der einfallenden gepulsten elektromagnetischen Hochfrequenzstrahlung verschiedene Signalantworten auszugeben. Bei- spielsweise lassen sich Antennen so anbringen oder formen, dass sie nur für in eine Richtung polarisierte elektromagnetische Strahlung eine Welle im Sicherheitsmerkmal erzeugen. Bei um 90° gekreuzt angeordneten Antennen und Reflektoren kann eine Anisotropie der Wellenausbreitung im Material des Mehrschichtsystems ausgenutzt werden, um je nach Orientierung des zu prüfenden Objektes unterschiedliche Signalantworten zu erzeugen.
Die Signalantwort des Sicherheitsmerkmals wird bei einem weiteren Ausführungsbeispiel dadurch variabel gestaltet, dass das Mehrschichtsystem ausgebil- det ist, bei verschiedenen Temperaturen verschiedener Signalantworten auszugeben.
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Gegenstand, der ein Sicherheitsmerkmal nach dem ersten Aspekt der Erfindung oder nach einem der im Rahmen dieser Anmeldung beschriebenen Ausführungsbeispiele des Sicherheitsmerkmals enthält. Der Gegenstand des zweiten Aspekts der Erfindung ist in bevorzugten Ausführungsbeispielen ein Wertpapier, wie etwa eine Banknote, eine Aktie, etc. oder ein Dokument. Vorzugsweise ist das Sicherheitsmerkmal bei solchen Gegenständen in einem Trägermaterial, beispielsweise Papier, zwischen dessen Oberflächen eingebracht. Die Integration des Sicherheitsmerkmals in das Trägermaterial kann beispielsweise schon bei der Herstellung des Trägermaterials, also beispielsweise bei der Papierherstellung erfolgen. Im Falle der Herstellung von Banknoten kann das Sicherheitsmerkmal entweder separat oder zu- sammen mit dem bei Banknoten üblichen Sicherheitsstreifen eingebracht werden. Das Sicherheitsmerkmal kann je nach Material in sehr kleiner Baugröße (beispielsweise ca. 0,1 x 0,1 x 0,02 mm3 (Länge x Breite x Höhe)) problemlos so dünn gefertigt werden, dass es vollständig in Papier eingebettet werden kann, wodurch es zusätzlich gegen mechanische Beschädigung geschützt ist und kaum auffällt. Insbesondere das Knicken eines Papiers kann bei solch einem kleinen Sicherheitsmerkmal zu keiner Zerstörung führen.
Alternativ lässt sich das Sicherheitsmerkmal auch auf den Gegenstand aufbringen, was sich insbesondere bei gemeinsamer Verwendung mit Hologrammen empfiehlt. Hologramme können als elektrisch zumindest abschnittsweise leitende Strukturen ausgebildet werden, wobei die leitenden Abschnitte dann als Antenne dienen und dadurch den Signal-Rauschabstand der Signalantwort bei gleicher Einstrahlungsleistung deutlich verbessern können.
Optimal für eine hohe Robustheit ist es, bei Verwendung einer Antenne an dem Sicherheitsmerkmal, diese in der Mitte der Papierebene, also im Papier zu führen und auch dort mit dem Sicherheitsmerkmal zu verbinden, weil die mittlere Papierebene beim Knicken nie gedehnt oder gestaucht wird. Auf diese Weise sind die Antenne und der Chip minimalen Spannungen ausgesetzt und kann die Haltbarkeit sowie die Sicherheit vor mechanischer Beschädigung verbessert werden.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Sicherheitsmerkmals anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
Figur 1 : eine schematische Draufsicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Sicherheitsmerkmals;
Figur 2: eine schematische Draufsicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Sicherheitsmerkmals;
Figur 3: eine schematische Querschnittsansicht der Ausführungsbeispiele der Figuren 1 und 2;
Figur 4: ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sicherheitsmerkmals mit integrierten Leuchtdioden in einer Draufsicht (Figur 4a), einer Querschnittsansicht (Figur 4b) und einem Ersatzschaltbild (Figur 4c).
Eine schematische Draufsicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Sicherheitsmerkmals. Das Sicherheitsmerkmal 100 der Figur 1 enthält auf einem Chip 102 einen Sende- und Empfangsteil 104, das in bekann- ter Weise Interdigitalwandler 106 aufweist, die mit zwei Zweigen 108 und 1 10 einer Antenne verbunden sind. Ein Datenbereich 112 kodiert Informationen. Die Informationskodierung erfolgt in der Weise, dass über die Antennenzweige 108 und 1 10 empfangene elektromagnetische Wellen, die im Sende- und Empfangsteil 104 durch die Interdigitalwandler 106 in akustische Oberflächenwellen (sur- face acoustic waves, SAW) gewandelt werden, beim Ausbreiten in der Wellenrichtung W von streifenförmigen metallischen Reflektoren teilreflektiert und über die Interdigitalwandler 106 des Sende- und Empfangsteils 104 zurück in die Antennenzweige 108 und 1 10 gespeist, von denen entsprechende elektromag- netische Wellen abgestrahlt werden, die von einem geeigneten Detektor empfangen und ausgewertet werden können. Am einfachen Beispiel eines elektromagnetischen Testimpulses wird die sich ergebende Signalform in Figur 1 b schematisch dargestellt. Der Hochfrequenztestimpuls gehe zu einem Zeitpunkt P0 am Sicherheitsmerkmal ein. Nach Wandlung und Teilreflexion entstehen an den unterschiedlichen Reflektoren des Datenbereichs 1 12 reflektierte Oberflächenwellen, die in einer zur Wellenrichtung W entgegengesetzten Richtung zurück zu den Interdigitalwandlern 106 laufen. Je nach Position der Reflektoren ergeben sich dabei unterschiedliche Laufzeiten zwischen Eingang des Hochfre- quenz-Testimpulses an der Antenne 108,110 und der Abstrahlung des teilreflektierten Signals über die Antenne 108,110. Die Signalantwort, die in Figur 1 b mit dem Bezugszeichen 114 zusammengefasst ist, besteht also aus einer charakteristischen Folge von Hochfrequenzimpulsen. Die Position der jeweiligen Impulse kann zur Codierung eines Informationsbits benutzt werden, beispielsweise im Sinne einer Puls-Positionsmodulation, bei der die Abweichung einer zeitlichen Impulsposition relativ zu einem Zeitraster Information codieren kann. In einem entsprechenden Testgerät können auch verschiedene Muster von Signalantworten abgespeichert sein, die bestimmten Informationen zugeordnet sind. Dementsprechend muss ein Hochfrequenz-Testimpuls auch nicht notwendigerweise aus einem einzelnen Impuls bestehen, sondern kann eine definierte Impulsfolge bilden, wobei in diesem Fall die Signalantwort ein entsprechend komplexes Signalmuster bildet. Durch Vergleich der detektierten Signalantwort mit vorgespeicherten Informationen oder Signalmustern kann ermittelt werden, ob das Sicherheitsmerkmal 100 authentifizierbar ist oder eine Fälschung darstellt.
Anzumerken ist, dass in der Reflektorenstruktur des Datenbereiches 1 12 auch vielfach Reflektionen auftreten können, die ebenfalls zu einer sehr spezifischen, beispielsweise auch von der Dämpfung des verwendeten piezoelektrischen Materials zur Bildung der akustischen Oberflächen abhängigen Impulsantwort liefern. Derartige Signalmuster können mit hochwertiger Messtechnik detektiert werden. Figur 2 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Sicherheitsmerkmals 200, das sich vom Sicherheitsmerkmal 100 dadurch unterscheidet, dass zusätzlich zum Datenbereich 212 einen Reflektor 216 enthält. Der Reflektor dient zur Erzeugung eines abschließenden Referenzimpulses, der das Ende der Signal- antwort anzeigt. Ansonsten gleicht die Struktur- und Funktionsweise des Sicherheitsmerkmals 200 der anhand von Figur 1 beschriebenen. Gleiche Strukturmerkmale der Sicherheitsmerkmale 100 und 200 sind mit Bezugszeichen versehen, die sich nur in der ersten Ziffer voneinander unterscheiden.
Figur 3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht des Sicherheitsmerkmals 100. Die Querschnittsansicht für das Sicherheitsmerkmal 20 sähe identisch aus und der Einfachheit halber wird jedoch nur auf das Ausführungsbeispiel der Figur 1 a Bezug genommen. Das Sicherheitsmerkmal 100 enthält ein Mehrfachschichtsystem 118 auf einem Substrat 120. Das Mehrfachschichtsystem enthält i vorliegenden Ausführungsbeispiel 3 piezoelektrische Halbleiterschichten 122 bis 126 auf einer Pufferschicht 128. Schematisch angedeutet sind Reflektoren des Datenbereichs 1 12, deren genaue Anordnung der Einfachheit halber der zeichnerischen Darstellung jedoch nicht der in Figur 1 angegebenen Anordnung entspricht.
Das Mehrschichtsystem 118 ist in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel aus drei Schichten 122 bis 126 von Gruppe Ill-Nitriden, wie GaN, AIN oder InN oder deren ternären und quaternären Verbindungen gebildet. Diese Materialien sind piezoelektrisch, sehr hart und chemisch sehr stabil, und sie erfüllen alle im vor- liegenden Zusammenhang zu stellenden Anforderungen an die Robustheit des Sicherheitsmerkmals. Alternativ geeignet sind Il-Vl-Halbleiter im System ZnCdMgO, wobei die chemische Stabilität dieses Materialsystems geringer ist als bei den Gruppe-Ill-Nitriden und der Einsatzbereich deshalb etwas eingeschränkt ist.
Das einfachste geeignete Mehrschichtsystem in solch einem Fall ist analog einer Feldeffekttransistorstruktur eine GaN (entsprechend der Schicht 124) / AIGaN (entsprechend der Schicht 122) Schichtenfolge. Die Schichten 126 und 128 sollten dabei möglichst hochohmig sein.
An der Grenzfläche solch einer Struktur bildet sich eine Elektronenakkumulation in der GaN-Schicht 124. Bei einer Dicke der AIGaN-Schicht 122 zwischen 10 und 50 nm wird eine niederfrequente Oberflächenwelle mit einer Frequenz von z. B. 2 GHz durch das tiefere Eindringen der Welle stärker gedämpft als eine Welle mit 8 GHz. Diese Schichtstruktur kann auch so aufgebaut sein, dass die Schichten 126 und 122 aus AIGaN mit einer Aluminiumkonzentration um 10% auf ei- nem vorzugsweise aus AIGaN gebildeten Puffer 128 liegt und dazwischen eine 5 nm dicke GaN Schicht 124 angeordnet ist.
Bei Bestrahlen dieser Struktur mit Licht einer Energie oberhalb der Bandlücke von GaN aber unterhalb der AIGaN-Bandlücke werden im GaN Ladungsträger erzeugt, die die Dämpfung der Welle erhöhen. Wesentlich für die Stärke des Effekts ist die Dicke der oberen Schicht, da die Oberflächenwellen naturgemäß nur wenig in die Tiefe eindringen. Auch kann die Struktur ganz aus einem Material wie GaN aufgebaut sein und Schicht 124 gezielt dotiert sein. Auch dies erhöht die Dämpfung bei niedrigeren Frequenzen.
Nicht dargestellt sind in der Querschnittsansicht der Figur 3 die Strukturen des Sende-Empfangsteils 104 und der Antenne 108, 110.
Das Sende- und Empfangsteil 104 enthält in einem Ausführungsbeispiel interdigi- tale Metallkontakte auf der piezoelektrischen Oberflächenschicht 122 in Abständen von λ/4, wobei λ die Wellenlänge der sich in der Oberflächenschicht 122 ausbreitenden Oberflächenwelle bezeichnet. Es kann entweder eine Sende- und Empfangseinheit oder zusätzlich in einem definierten Abstand eine zweite Sende- und Empfangseinheit (nicht dargestellt) vorgesehen sein, je nachdem, ob die Wellen von einer Antenne zur nächsten laufen sollen, oder ob sie von ein und derselben Einheit empfangen und zurückgesendet werden sollen. Die für den Datenbereich und den Sende- und Empfangsbereich erforderliche Metallisierung kann beispielsweise durch Aufdampfen oder Sputtern hergestellt werden. Besonders geeignete Materialien für die oberste Metallisierungsschicht sind harte und edle Metalle, wie Au, Pd oder Pt, oder Cr, weil diese gegenüber Umwelteinflüssen am robustesten sind.
Das Mehrschichtsystem 1 18 mit den Schichten 122 bis 126 kann mit Sputter- techniken oder epitaktischen Verfahren, wie beispielsweise der metallorganischen Gasphasenepitaxie (engl. Metal Organic Chemical Vapour Deposition, MOCVD) oder der Molekularstrahlepitaxie (engl. Molecular Beam Epitaxy, MBE) aufgebracht werden.
Im Betrieb des Sicherheitsmerkmals 100 dringt eine Oberflächenschallwelle, welche teilweise von den Reflektoren des Datenbereichs 1 12 reflektiert wird, je nach Wellenlänge einer durch den Pfeil 130 symbolisierten Zusatzbestrahlung unterschiedlich tief in den Schichtstapel des Mehrfachschichtsystems 118 ein. Auf diese Weise entstehen je nach Wellenlänge der Zusatzbestrahlung 130 unterschiedliche Signalantworten. Beispielsweise können die Signalantworten je nach Wellenlänge unterschiedlich gedämpft sein oder eine zeitlich und/oder spektral stärker gespreizte Signalantwort erzeugen. Durch das Bestrahlen mit der Zusatzbestrahlung 130 kann eine hohe Ladungsträgerkonzentration in denjenigen Schichten erzeugt werden, die bei der verwendeten Wellenlänge der Zusatzbestrahlung einen hohen Absorptionskoeffizienten aufweisen, beispielsweise weil die Energie der Zusatzbestrahlung oberhalb der Energie der Bandlü- cke einer jeweiligen Schicht liegt. Diese hohe Ladungsträgerkonzentration kann ebenfalls in charakteristischer Weise, z. B. in Form der Dämpfung oder durch Einflussnahme auf die Signalform der Signalantwort, auf die Signalantwort Ein- fluss nehmen.
Eine weitere material- und strukturabhängige Überprüfungsmöglichkeit der Echtheit des Sicherheitsmerkmals 100 ist eine Messung der Temperaturabhängigkeit der Signalantwort. Die Temperaturabhängigkeit variiert stark in Abhängigkeit vom verwendeten Material und der verwendeten Schichtstruktur. Durch die Verände- rung der Schallgeschwindigkeit mit der Temperatur können daher Fälschungen, die auf der Verwendung anderer Materialien oder anderer Herstellungsverfahren beruhen, leicht festgestellt werden.
Neben den oben genannten Oberflächenschallwellen können auch andere im Material erzeugbaren Kristallschwingungen zur Identifikation oder Echtheitsprüfung des Sicherheitsmerkmals genutzt werden. Im Kristall laufende Wellen werden in einer Ausführungsform durch Löcher beeinflusst, die von der Oberfläche aus in die Schichtstruktur des Mehrfachsystems 118 geätzt werden. Ein Ausfüh- rungsbeispiel ist zur Realisierung eines sogenannten Acoustic band gap, analog zu einem optical band gap ausgebildet. Das heißt, eine regelmäßige Löcheranordnung lässt nur die Ausbreitung von Wellen mit bestimmten Eigenschaften, beispielsweise einer bestimmten Frequenz zu. In solchen Strukturen lässt sich durch gezieltes Weglassen oder Hinzufügen von Strukturelementen wie Löchern oder durch eine vertikale Vielfachschichtstruktur eine Information auf die sich ausbreitende Welle aufprägen, die über die Signalantwort ausgelesen werden kann. Für die Erzeugung der Welle ist dabei wesentlich, dass die eintreffende und von der Antenne empfangene elektromagnetische Welle in einer Kristallrichtung auftritt, die die elektromagnetische Schwingung in eine mechanische Schwingung umwandelt. Der Kristall, zumindest die Oberflächenschicht 122 muss also in der betreffenden Kristallrichtung polarisierbar sein.
Ein wesentlicher Vorteil des beschriebenen passiven Bauelements gegenüber herkömmlichen RFID-Lösung ist seine Unempfindlichkeit gegenüber Umweltein- flüssen und elektrostatischer Aufladung.
In einer alternativen Ausführungsform werden die Reflektoren des Datenbereiches durch eine dreidimensionale Strukturierung der Oberfläche oder durch Aufbringen von nichtmetallischem Material, wie beispielsweise Siliziumnitrid oder Siliziumdioxid realisiert. An solchen Strukturen wird die akustische Oberflächenwelle ebenfalls gestreut oder gedämpft. Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sicherheitsmerkmals 400 mit integrierten Leuchtdioden in einer Draufsicht (Figur 4a), einer Querschnittsansicht (Figur 4b) und einem Ersatzschaltbild (Figur 4c).
Das Sicherheitsmerkmal 400 enthält neben den anhand des Sicherheitsmerkmals 1 der Figur 1 a) bereits erläuterten Strukturelementen der Antennezweige 408, 410, des Sende- und Empfangsteils 404 mit Interdigitalwandlern 406 und dem Datenbereich 412 zwei Leuchtdioden 430 und 432. Die Leuchtdioden sind mit den Antennenzweigen 408 und 410 verbunden, die beispielsweise in einem Wertpapier von den dort üblicherweise verwendeten Sicherheitsstreifen gebildet werden können. Zur Kontaktierung der Leuchtdioden 430 und 432 weisen die Sicherheitsstreifen/Antennenzweige 408 und 410 Kontaktstrukturen 434 und 436 auf. Diese sind so ausgestaltet, dass sie im Betrieb mit einer geeigneten Spannungsquelle verbunden werden können, über die die Leuchtdioden 430 und 432 aktiviert werden. Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 4a) sind die Leuchtdioden 430 und 432 in einem tiefer liegenden Oberflächenbereich 438 des Substrats 420 ausgebildet. Herstellungstechnisch kann dies beispielsweise so realisiert werden, dass die Schichtstruktur für die Leuchtdioden 430 und 432 im Zusammenhang mit der Schicht des Mehrfachschichtsystems des Sicherheits- merkmals im Substratbereich 440 erfolgt. Im späteren Verlauf der Herstellung können die LED-Strukturen dann durch bekannte Strukturierungsverfahren freigelegt werden. Alternativ ist es auch möglich, eine LED-Struktur an der Oberfläche anzuordnen, die auch für die Ausbreitung der Oberflächenwellen genutzt wird. In beiden alternativen Prozessen wird die LED anschließend kontaktiert.
In Figur 4 a) und b) ist dargestellt, dass die Leuchtdioden 430 und 432 entgegengesetzt gepolt sind. Auf diese Weise kann auf einfache Art ein Verpolungs- schutz geschaffen werden. In jedem Fall leuchtet beim Auslesen der Lumineszenz nur eine der beiden Leuchtdioden. Es ist aber sichergestellt, dass der Fall, das beide Leuchtdioden in Sperrrichtung betrieben werden und nicht leuchten, nicht auftreten kann. Die Bezugszeichen 442 und 444 kennzeichnen Frontkontakte der Leuchtdioden 430 bzw. 432, und die Bezugszeichen 446 und 448 kennzeichnen entsprechende Rückseitenkontakte. Das Ersatzschaltbild dieser Struktur ist in Figur 4c) dargestellt.
Sind die Leuchtdioden darüber hinaus in verschiedene Schichttiefe des Bauele- ments prozessiert und bestehen aus bei unterschiedlichen Wellenlängen emittierenden Schichten, was in solch einer Ausführung einfach realisierbar ist, so lassen sich je nach Stromrichtung unterschiedliche Lumineszenzwellenlängen anregen, was eine Fälschung des Sicherheitselements 400 weiter erschwert.
Neben der Lumineszenzwellenlänge kann in aufwendigeren Prüfgeräten auch das Abklingen der Lumineszenz gemessen werden. Das zeitliche Verhalten der Lumineszenz ist charakteristisch für Struktur, Dotierung und Defektdichte des Materials, die mit einem vertretbaren Aufwand nicht fälschbar sind. Andererseits stellt ein solches Sicherheitsmerkmal hohe Anforderungen an die Reproduzier- barkeit der Schichten in der Herstellung.
Neben der Lumineszenz und ihrem Abklingverhalten kann auch die elektrische Diodenkennlinie selbst als charakteristisches Merkmal des Sicherheitsmerkmals verwendet werden. Insbesondere der Serienwiderstand und der Idealitätsfaktor einer solchen Kennlinie sind stark vom Aufbau der Diode abhängig und können gezielt beeinflusst werden. So kann in den Zuleitungen oder durch lithographisch erzeugte oder geätzte Induktivitäten und Kapazitäten eine gezielte Beeinflussung der Kennlinie durch eine zur Ansteuerung der Diode mit einer Wechselspannung verschiedner Frequenz und somit von modulierten Strömen durch die Dioden- struktur erzielt werden. Dabei muss die Diode nicht einmal zwingend als lumi- neszierendes Bauteil ausgelegt sein, kann also, z. B. bei Verwendung von Silizium als Trägersubstrat 420 der piezoelektrischen Schichtstruktur auch im Siliziumsubstrat selbst realisiert sein. Denkbar sind auch einfache elektrische Hoch-, Tief- oder Bandpässe, die in dem Teil des Bauelements realisiert sind, der nicht als piezoelektrisches Bauteil dient.
Die vorliegende Erfindung löst also das Problem einer preiswerten und sicheren Produkt- und Fälschungssicherung. Dabei unterscheidet sich das erfindungsge- mäße Sicherheitsmerkmal im Wesentlichen von den meisten bekannten Lösungen darin, dass es besonders einfach ausführbar ist und auf integrierte Schaltkreise und, in seiner Grundform, jegliche Form elektronischer Bauelemente verzichtet, wodurch eine sehr hohe Robustheit gewährleistet werden kann.
Variationen des erfindungsgemäßen Sicherheitsmerkmals sind möglich. So kann beispielsweise eine Bluetooth-Funktionalität in das Sicherheitsmerkmal integriert werden. Mit Bluetooth oder einem anderen vergleichbaren Funkverfahren können auf dem Sicherheitsmerkmal gespeicherte Informationen ausgelesen wer- den. Beispielsweise kann mit einem entsprechenden Programm eine kodierte Zahl und weitere Informationen aus einem Wertpapier ausgelesen werden, wie etwa eine Seriennummer. Dies ermöglicht eine Überprüfung der Echtheit des Wertpapiers durch Vergleich mit Informationen, die in einer Datenbank gespeichert sind.
Denkbar ist ebenfalls der Vergleich der erhaltenen Informationen mit Farbe, Größe oder anderen Merkmalen oder anderen Informationen des Sicherheitsmerkmals, wobei dies wegen der bevorzugten geringen Baugröße des Sicherheitsmerkmals für eine Routineauslesung weniger geeignet erscheint.
Das Auslesen von Informationen kann in Geschäften oder anderen Einrichtungen mit Hilfe spezieller Geräte vorgenommen werden. Dabei können Mehrfachtestverfahren verwendet werden, die beispielsweise neben der Signalantwort auch das von dem Sicherheitsmerkmal emittierte Licht auslesen und somit mehrere Sicherheitsstufen bieten. Zudem kann dort einfach eine zusätzliche optische Prüfung erfolgen, ähnlich den schon bekannten schwarzlichtbasierten Prüfgeräten, so etwa durch Photolumineszenz oder durch Elektrolumineszenz in Teilen des Chips. Notenbanken können bei Wertpapieren über solche Merkmale oder auch weitere Merkmale im Sicherheitsmerkmal, z. B. mit einer anderen Radiofre- quenz ausgelesen werden können, die Echtheit und auch die Herkunft eines Geldscheins eindeutig feststellen. Gegenüber bekannten RFID-Lösungen, die mit integrierten Schaltkreisen arbeiten, hat das Sicherheitsmerkmal der vorliegenden Erfindung dabei den Vorteil, das die Anonymität des Geldscheins erhalten bleibt und das zur Erschwerung der Fälschung spezielle Materialien und Herstellungsverfahren verwendet wer- den, die bei niedrigem Herstellungspreis eine sehr hohe Robustheit sicherstellen. Noch kann mit diesem Sicherheitsmerkmal im Gegensatz zu klassischen RFID- Lösungen vermieden werden, das Kriminelle durch Funkwellen den Inhalt der Geldbörse von Passanten scannen, da die Lösung der vorliegenden Erfindung nur sehr kurz reichweitig auslesbar ist und keinen Kollisionsschutz aufweist.
Die vorliegende Anmeldung nimmt die Priorität der beiden deutschen Patentanmeldungen 10 2005 021 814.8 und 10 2005 021 815.6 in Anspruch, die durch Referenzname vollständig in die vorliegende Anmeldung mit einbezogen sind (im Sinne einer incorporation by reference nach amerikanischem Patentrecht).

Claims

Patentansprüche
1. Sicherheitsmerkmal, das Informationen kodiert und ausgebildet ist, die Informationen auf Bestrahlen mit gepulster elektromagnetischer Hochfre- quenzstrahlung mit einer Frequenz im MHz- bis GHz-Bereich hin in Form einer Signalantwort auszugeben,
wobei das Sicherheitsmerkmal ein Mehrschichtsystem halbleitender piezoelektrischer Materialien unterschiedlicher Bandlückenenergie enthält, der- art, derart,
- dass die Signalantwort entweder von der Frequenz der auf das Mehrschichtsystem einfallenden Hochfrequenzstrahlung abhängig ist, oder
- dass die Signalantwort durch auf das Mehrschichtsystem mit der Hochfrequenzstrahlung zeitlich überlappend einfallendes Licht veränderlich ist, wobei die Energie des einfallenden Lichts größer als eine spezifische Energie zu wählen ist, die zur Erzeugung von Ladungsträgern in mindestens einer Schicht des Mehrschichtsystems geeignet ist, oder
- dass die Signalantwort beide genannten Eigenschaften in Kombination aufweist.
2. Sicherheitsmerkmal nach Anspruch 1 , das mit entweder einem oder mehre- ren als Antenne dienenden, elektrisch leitfähigen Streifen oder einem zumindest abschnittsweise elektrisch leitfähigen Material verbunden ist.
3. Sicherheitsmerkmal nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Mehrschichtsystem ausgebildet ist, die Signalantwort nach Empfang der Hochfrequenz- Strahlung unter Erzeugung von Oberflächenwellen im Mehrschichtsystem auszugeben.
4. Sicherheitsmerkmal nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Mehrschichtsystem ein halbleitendes Material enthält, das mit Licht zum Leuchten anregbar ist.
5. Sicherheitsmerkmal nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Mehrschichtsystem ein halbleitendes Material enthält, das induktiv oder photo- voltaisch mit Hilfe eines im Sicherheitsmerkmal oder in einem damit verbundenen Element fließenden Strom zum Leuchten anregbar ist.
6. Sicherheitsmerkmal nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Mehrschichtsystem ein halbleitendes Material enthält, das durch direkte elektrische Kontaktierung zum Leuchten anregbar ist.
7. Sicherheitsmerkmal nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem das Mehr- schicht ausgebildet ist, auf eine geeignete Anregung hin Lumineszenz bei verschiedenen Wellenlängen auszugeben.
8. Sicherheitsmerkmal nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Energie des auf das Mehrschichtsystem einfallenden Lichts oberhalb der Bandlückenenergie mindestens einer Schicht des Mehrschichtsystems zu wählen ist.
9. Sicherheitsmerkmal nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Mehrschichtsystem Schichten aus I N-V- Verbindungshalbleitern des Materi- alsystems AIGaInN oder Il-Vl-Verbindungshalbleiter des Materialsystems
ZnMgCdO oder eine Kombination von Schichten aus beiden genannten Materialsystemen enthält.
10. Sicherheitsmerkmal nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Mehrschichtsystem ausgebildet ist, die Signalantwort mit einer von der
Frequenz der einfallenden elektromagnetischen Hochfrequenzstrahlung abhängigen Signalbreite oder einem von der Frequenz der einfallenden e- lektromagnetischen Hochfrequenzstrahlung abhängigen zeitlichen Abstand abzugeben, wobei die Schichten des Mehrschichtsystems aus piezoelektrischen Materialien mit unterschiedlichen Schallgeschwindigkeiten und/oder Dämpfungen gebildet sind.
1 1. Sicherheitsmerkmal nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Mehrschichtsystem ausgebildet ist, für verschiedene Polarisationen der einfallenden gepulsten elektromagnetischen Hochfrequenzstrahlung verschiedene Signalantworten auszugeben.
12. Sicherheitsmerkmal nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Mehrschichtsystem ausgebildet ist, für verschiedene Ausbreitungsrichtungen der einfallenden gepulsten elektromagnetischen Hochfrequenzstrahlung verschiedene Signalantworten auszugeben.
13. Sicherheitsmerkmal nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Mehrschichtsystem ausgebildet ist, bei verschiedenen Temperaturen verschiedene Signalantworten auszugeben.
14. Gegenstand, enthaltend ein Sicherheitsmerkmal nach einem der vorste- henden Ansprüche.
15. Gegenstand nach Anspruch 14, der ein Wertpapier oder ein Dokument ist.
16. Gegenstand nach Anspruch 15, bei dem das Sicherheitsmerkmal in einem Trägermaterial zwischen dessen Oberflächen eingebracht ist.
17. Gegenstand nach Anspruch 14, bei dem das Sicherheitsmerkmal mit einem Aufkleber verbunden ist.
18. Gegenstand nach Anspruch 15, bei dem das Sicherheitsmerkmal mit einem elektrisch leitfähigen Streifen verbunden ist, der als Antenne dient.
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