WO2020035289A1 - Passiv arbeitender Transponder mit sensitiver Funktionalität - Google Patents

Passiv arbeitender Transponder mit sensitiver Funktionalität Download PDF

Info

Publication number
WO2020035289A1
WO2020035289A1 PCT/EP2019/070213 EP2019070213W WO2020035289A1 WO 2020035289 A1 WO2020035289 A1 WO 2020035289A1 EP 2019070213 W EP2019070213 W EP 2019070213W WO 2020035289 A1 WO2020035289 A1 WO 2020035289A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
microchip
electrical energy
energy supply
supply element
electrical
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/070213
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hans-Jürgen Holland
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. filed Critical Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Publication of WO2020035289A1 publication Critical patent/WO2020035289A1/de

Links

Classifications

    • 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
    • G06K19/07—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 integrated circuit chips
    • G06K19/0701—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 integrated circuit chips at least one of the integrated circuit chips comprising an arrangement for power management
    • G06K19/0707—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 integrated circuit chips at least one of the integrated circuit chips comprising an arrangement for power management the arrangement being capable of collecting energy from external energy sources, e.g. thermocouples, vibration, electromagnetic radiation
    • 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
    • G06K19/07—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 integrated circuit chips
    • G06K19/0701—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 integrated circuit chips at least one of the integrated circuit chips comprising an arrangement for power management
    • G06K19/0707—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 integrated circuit chips at least one of the integrated circuit chips comprising an arrangement for power management the arrangement being capable of collecting energy from external energy sources, e.g. thermocouples, vibration, electromagnetic radiation
    • G06K19/0708—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 integrated circuit chips at least one of the integrated circuit chips comprising an arrangement for power management the arrangement being capable of collecting energy from external energy sources, e.g. thermocouples, vibration, electromagnetic radiation the source being electromagnetic or magnetic
    • G06K19/071—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 integrated circuit chips at least one of the integrated circuit chips comprising an arrangement for power management the arrangement being capable of collecting energy from external energy sources, e.g. thermocouples, vibration, electromagnetic radiation the source being electromagnetic or magnetic the source being a field other than an interrogation field, e.g. WLAN, cellular phone network
    • 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
    • G06K19/07—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 integrated circuit chips
    • G06K19/0701—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 integrated circuit chips at least one of the integrated circuit chips comprising an arrangement for power management
    • G06K19/0707—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 integrated circuit chips at least one of the integrated circuit chips comprising an arrangement for power management the arrangement being capable of collecting energy from external energy sources, e.g. thermocouples, vibration, electromagnetic radiation
    • G06K19/0711—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 integrated circuit chips at least one of the integrated circuit chips comprising an arrangement for power management the arrangement being capable of collecting energy from external energy sources, e.g. thermocouples, vibration, electromagnetic radiation the source being mechanical or acoustical
    • 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
    • G06K19/07—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 integrated circuit chips
    • G06K19/0716—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 integrated circuit chips at least one of the integrated circuit chips comprising a sensor or an interface to a sensor
    • 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
    • G06K19/07—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 integrated circuit chips
    • G06K19/0723—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 integrated circuit chips the record carrier comprising an arrangement for non-contact communication, e.g. wireless communication circuits on transponder cards, non-contact smart cards or RFIDs

Definitions

  • the invention relates to a passive transponder that can also detect physical measured variables.
  • Transponders are e.g. used as RFID systems for contactless identification of people or objects and consist of a reader and a mostly mobile transponder. Furthermore, these systems can also include sensors that record measurement signals, which are then read out by the reader.
  • Passive transponders usually do not have their own electrical energy source. For example, they obtain the electrical energy from the magnetic or electromagnetic carrier field of a reader depending on the frequency used. An antenna is located on the transponder or is connected to it. This antenna must be arranged in the carrier field in such a way that it can absorb energy from the field. If the transponder is also equipped with a sensor, the carrier field must be available for the acquisition of the sensor measurement signals. In this case, the reader for energy transmission must be brought close to the respective antenna at all times. Such a setup is associated with great logistical effort for many applications, e.g. when monitoring a production process, especially if sensor measurement signals are to be recorded at regular intervals and reliably.
  • Electrical energy storage units make the product more expensive and have to be charged or replaced.
  • the stored measurement signals can then be read out by the reader at any time, preferably on request.
  • a microchip and at least one electrical energy supply element are applied to a carrier or carrier substrate, for example consisting of printed circuit board material or silicon.
  • the microchip has a connection for an electrical supply voltage, which is provided by the electrical energy supply element.
  • the transponder is also equipped with at least one sensor and at least one antenna.
  • the at least one electrical energy supply element converts mechanical or electromagnetic or thermal energy from the environment of the trans ponder into electrical supply energy, which is required for the detection and storage of measurement signals of the at least one sensor with the microchip.
  • At least one antenna connected to the microchip is required in order to be able to read the measurement signals via a reader.
  • An electrical energy supply element can also be designed to convert several of the three types of energy mentioned into electrical energy.
  • Piezoelectric materials that convert vibrations into electrical energy can be used as the electrical energy supply element. Small mechanical rotors driven by air currents can also be used. The kinetic energy required for this can naturally be e.g. by atmospheric winds, fluid flows, but also by the movement of vehicles, flying objects or robotic arms with which the transponder is connected or in the vicinity of which it is provided.
  • the electrical energy supply element can also generate electrical energy from electromagnetic fields that are generated by photons from a natural or artificial photon source.
  • the electrical energy supply element can be realized by a photovoltaic element, so that e.g. when switching on a light source electrical energy for a measurement process and the storage of the respective measurement signal can gain.
  • the switch-on process can also be used as a control element. If the light is switched on in an almost dark room, the measuring process is triggered. Then the light is switched off again.
  • the electrical energy supply element can also consist of an array of photovoltaic elements. Solar cells or photodiodes are examples of suitable photovoltaic elements.
  • thermoelectric elements are an example of suitable thermoelectric elements.
  • thermoelectric elements can also be used to cool and thus e.g. to increase the efficiency of individual or multiple electrical energy supply elements or the sensitivity of a sensor.
  • Individual or more electrical energy supply elements and / or sensors and / or antennas can also be attached to different sides of the substrate, wherein the substrate can be provided with electrical through-plugs in order to provide reliable electrical contact between the microchip and the electrical energy supply elements or sensors or antennas enable.
  • these components can also be partially or completely integrated into the microchip.
  • An electrical energy supply element can be connected to the microchip directly via an electrical supply connection but also via one or more capacitive elements or capacitors.
  • capacitive elements makes it possible to temporarily store electrical energy that is necessary for the operation of the microchip and the sensor (s), but cannot be provided temporarily by an electrical energy supply element, and thus to bridge short-term fluctuations in the energy supply.
  • At least one capacitive element can also be integrated directly in the microchip.
  • CMOS-based components are usually built up in layers, with several metal layers being isolated by insulation layers can be separated. A vertical electrical via connection then enables an electrical connection between the individual metal layers. When manufacturing the microchip, one or more of these layers can be replaced by a corresponding one
  • Wiring structures that connect the individual components of the transponder with the microchip can be applied together with the respective metal layers in one step.
  • An antenna connected to the microchip can be used to identify and read out the measurement signals of the sensor (s) stored in the memory of the microchip.
  • the antenna can be realized by an electrical dipole, energy and information being transmitted through the far electromagnetic field of the reader. This can preferably be achieved with a carrier frequency that is between 850 MHz and 950 MHz. But it can also be used a coil antenna consisting of one or more turns, energy and information can be exchanged by magnetic dipole interaction between the near field of the coil and the magnetic field of the reader, preferably at a carrier frequency of 13.56 MHz.
  • the impedances of the antenna and microchip can be determined by a
  • Adaptation network in the form of capacitive and / or inductive elements can be coordinated with one another. As a result, energy and signal transmission losses can be minimized.
  • the antenna can be made of copper or aluminum.
  • the at least one sensor can record various physical measurement variables of the environment, such as temperature, pressure, chemical composition or geographical position. However, it can also be used for monitoring machines and biological or chemical processes and in doing so, for example, registering torques, flow velocities, electromagnetic fields, etc.
  • the sensor can be integrated in the microchip or applied externally on the carrier and connected to the microchip by electrical contacts.
  • the signal transfer between microchip and sensor can be implemented by a bus system, in particular an I2C bus system.
  • the microchip can be dependent on at least one parameter, e.g. Temperature etc., pass on measurement signals of some selected sensors to a reader via a selected antenna.
  • the measurement signals can be transmitted live from the respective sensors to the reader or passed on to the reader from the internal memory of the microchip at any time.
  • Such a selective transmission of measurement signals can be realized by a computer program or by an analog control.
  • the electrical supply voltage required for this can be provided by the at least one electrical energy supply element or the carrier field of the reader.
  • the various electrical energy supply elements can also be matched to one another by programming the microchip or by analog control as a function of at least one parameter. For example, thermoelectric and / or photovoltaic electrical energy supply elements can only be used at a certain time of day.
  • transponder with additional electrical energy supply elements are diverse. It can be used wherever measurement signals have to be recorded, but no external electrical power supply is available or is very expensive.
  • Such an autonomous system can e.g. for machine and / or process monitoring in industrial production or for monitoring body functions in medical technology. Other possible applications are in the area of safety technology, vehicle sensors, etc.
  • FIG. 1 shows a plan view of a transponder in which the microchip 101 is connected to an electrical dipole antenna 104 and a sensor 103 mounted externally on the carrier 100.
  • the microchip 101 is connected to an electrical energy supply element 102, a capacitor 105 being connected in parallel therebetween. All components are mounted flat on one side of the carrier 100.
  • Figure 2 shows the side view of the transponder shown in Figure 1.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Arrangements For Transmission Of Measured Signals (AREA)

Abstract

Der Transponder besteht aus einem Träger (100) auf dem sich ein Mikrochip (101), befindet, wobei der Mikrochip mit mindestens einer Antenne (104) und mindestens einem Sensor (103) zur Erfassung mindestens einer physikalischen Messgröße verbunden ist und einen internen elektronischen Speicher zur Ablage der erfassten Messsignale enthält. Der Mikrochip (101) verfügt zusätzlich über einen Anschluss für eine externe elektrische Versorgungsspannung, die mit mindestens einem Elektroenergieversorgungselement (102) verbunden ist, welches sich ebenfalls auf dem Träger (100) befindet. Das mindestens eine Elektroenergieversorgungselement (102) stellt die elektrische Versorgungsspannung durch Umwandlung von mechanischer und/oder elektromagnetischer und/oder thermischer Energie aus der Umgebung des Transponders bereit.

Description

Passiv arbeitender Transponder mit sensitiver Funktionalität
Die Erfindung betrifft einen passiven Transponder, der auch physikalische Messgrößen erfassen kann.
Transponder werden z.B. als RFID Systeme zur kontaktlosen Identifikation von Personen oder Objekten eingesetzt und bestehen aus einem Reader und ei nem meist mobilen Transponder. Weiterhin können diese Systeme auch Sen soren beinhalten, die Messsignale erfassen, welche dann von dem Reader ausgelesen werden.
Passiv arbeitende Transponder verfügen üblicherweise über keine eigene elektrische Energiequelle. Sie beziehen z.B. die elektrische Energie aus dem magnetischen oder aus dem elektromagnetischen Trägerfeld eines Readers je nach benutzter Frequenz. Eine Antenne befindet sich auf dem Transponder oder ist mit diesem verbunden Dabei muss diese Antenne so im Trägerfeld angeordnet werden, dass sie Energie aus dem Feld aufnehmen kann. Ist der Transponder auch mit einem Sensor ausgestattet, so muss für die Er fassung der Sensormesssignale das Trägerfeld vorhanden sein. In diesem Fall muss zu allen Messzeitpunkten der Reader zur Energieübertragung nah an die jeweilige Antenne gebracht werden. Ein solches Setup ist für viele Anwendun gen, z.B. bei der Überwachung eines Produktionsprozesses, mit großem logis tischen Aufwand verbunden, insbesondere wenn Sensormesssignale in regel mäßigen Abständen und sicher erfasst werden sollen.
Eine mögliche Alternative wäre es den Transponder noch mit einer Elektro energiespeichereinheit, insbesondere einer Batterie, auszustatten, die außer halb des Trägerfeldes die notwendige elektrische Versorgungsenergie zur Ver fügung stellt. Elektroenergiespeichereinheiten verteuern jedoch das Produkt und müssen geladen oder gewechselt werden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Transponder mit mindestens einen Sensor vorzuschlagen, der auch ohne Reader oder Elektroenergiespeicherein heit eigenständig Messsignale aufnehmen und speichern kann. Die gespei cherten Messsignale können dann zu einem beliebigen Zeitpunkt von dem Reader bevorzugt nach Anforderung ausgelesen werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Transponder, der die Merk male des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Wei terbildungen der Erfindung können mit den in den untergeordneten Ansprü chen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Transponder werden auf einem Träger bzw. Trä gersubstrat, z.B. bestehend aus Leiterplattenmaterial oder aus Silizium, ein Mikrochip und mindestens ein Elektroenergieversorgungselement (energy harvester) aufgebracht. Dabei verfügt der Mikrochip über einen Anschluss für eine elektrische Versorgungsspannung, die durch das Elektroenergieversor gungselement bereitgestellt wird. Der Transponder ist zusätzlich mit mindes ten einem Sensor und mindestens einer Antenne ausgestattet. Das mindes tens eine Elektroenergieversorgungselement wandelt mechanische oder elektromagnetische oder thermische Energie aus der Umgebung des Trans ponders in eine elektrische Versorgungsenergie um, die zur Erfassung und Speicherung von Messsignalen des mindestens einen Sensors mit dem Mikro chip, benötigt wird. Mindestens eine Antenne, die mit dem Mikrochip ver- bunden ist, wird benötigt, um über einen Reader die Messsignale auslesen zu können. Ein Elektroenergieversorgungselement kann auch ausgebildet sein um mehrere der drei genannten Energiearten in elektrische Energie zu wan deln.
Als Elektroenergieversorgungselement können piezoelektrische Materialien zum Einsatz kommen, die Vibrationen in elektrische Energie umwandeln. Es können auch kleine mechanische Rotoren verwendet werden, die durch Luft strömungen angetrieben werden. Die dafür notwendige kinetische Energie kann auf natürliche Weise z.B. durch atmosphärische Winde, Fluidströme, aber auch durch die Bewegung von Fahrzeugen, Flugobjekten oder Roboter armen mit denen der Transponder verbunden ist oder in dessen Nähe er sich befindet, bereitgestellt werden.
Das Elektroenergieversorgungselement kann aber auch elektrische Energie aus elektromagnetischen Feldern gewinnen, die durch Photonen einer natürli chen oder artifiziellen Photonenquelle erzeugt werden. Zum Beispiel kann das Elektroenergieversorgungselement durch ein photovoltaisches Element reali siert werden, sodass man z.B. beim Einschalten einer Lichtquelle elektrische Energie für einen Messvorgang und die Speicherung des jeweiligen Messsig nals gewinnen kann. Der Einschaltvorgang kann dabei auch als Steuerelement genutzt werden. Wenn in einem nahezu dunklen Raum das Licht eingeschal ten wird, wird der Messvorgang ausgelöst. Danach wird das Licht wieder aus geschaltet. Das Elektroenergieversorgungselement kann auch aus einem Feld von photovoltaischen Elementen bestehen. Solarzellen oder Photodioden sind Beispiele für geeignete photovoltaische Elemente.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, thermische Energie zu nutzen wie sie zum Beispiel bei mechanischen, biologischen oder chemischen Prozessen ent steht und/oder von einer Maschine oder einem menschlichen oder tierischen Körper abgestrahlt wird. Dabei kann ein Temperaturgradient, der sich z.B. durch Temperaturunterschiede auf beiden Seiten des Transponders ergibt, genutzt werden, um mit Hilfe von thermoelektrischen Elementen einen elekt rischen Strom zu erhalten. Dafür können auch Temperaturunterschiede zwi schen dem Substrat selbst und der Umgebung genutzt werden. Das Elektro energieversorgungselement kann auch aus einem Feld von thermoelektri- sehen Elementen bestehen. Peltierelemente sind ein Beispiel für geeignete thermoelektrische Elemente.
Verschiedene Elektroenergieversorgungselemente können auch miteinander kombiniert und gekoppelt werden um etwaige Fluktuationen einer jeweiligen Energiequelle auszugleichen oder um die Effizienz einzelner oder mehrerer Elektroenergieversorgungselemente zu erhöhen. So können thermoelektri sche Elemente auch eingesetzt werden um zu kühlen und damit z.B. den Wir kungsgrad einzelner oder mehrerer Elektroenergieversorgungselemente oder die Sensitivität eines Sensors zu erhöhen.
Einzelne oder mehrere Elektroenergieversorgungselemente und/oder Senso ren und/oder Antennen können auch auf verschiedenen Seiten des Substrats angebracht sein, wobei das Substrat mit elektrischen Durchkontaktierungen versehen werden kann, um eine zuverlässige elektrische Kontaktierung zwi schen Mikrochip und den Elektroenergieversorgungselementen oder Senso ren oder Antennen zu ermöglichen. Diese Komponenten können alternativ auch teilweise oder vollständig in den Mikrochip integriert werden.
Ein Elektroenergieversorgungselement kann direkt über einen elektrischen Versorgungsanschluss aber auch über eine oder mehrere kapazitive Elemente bzw. Kondensatoren mit dem Mikrochip verbunden sein. Die Verwendung von kapazitiven Elementen ermöglicht es, elektrische Energie, die für den Betrieb des Mikrochips und des/der Sensors/Sensoren notwendig ist, aber kurzzeitig von einem Elektroenergieversorgungselement nicht bereitgestellt werden kann, zwischenzuspeichern und damit kurzzeitige Fluktuationen in der Ener gieversorgung zu überbrücken. Dabei kann mindestens ein kapazitives Ele ment auch direkt im Mikrochip integriert sein.
Da die nach den obigen Verfahren bereitgestellten elektrischen Versorgungs energien typischerweise klein sind, wird bevorzugt ein Transponder verwen det, der eine geringe elektrische Stromaufnahme benötigt. Die dafür notwen digen energieeffizienten Mikrochips, Sensoren und Elektroenergieversor gungselemente können z. B. mit modernen CMOS Technologien realisiert werden. Solche CMOS basierten Komponenten sind dabei üblicherweise schichtweise aufgebaut, wobei mehrere Metallschichten durch Isolations- schichten voneinander getrennt sein können. Eine vertikale elektrische Durchkontaktierung ermöglicht dann eine elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Metallschichten. Bei der Fabrikation des Mikrochips kann eine oder auch mehrere dieser Schichten durch eine entsprechende
Layoutgestaltung zur Ausbildung einer Antenne oder auch von Teilen der An tenne genutzt werden. Verdrahtungsstrukturen, die die einzelnen Komponen ten des Transponders mit dem Mikrochip verbinden, können zusammen mit den jeweiligen Metallschichten in einem Arbeitsschritt aufgebracht werden.
Es ist aber auch möglich eine separat gefertigte Antenne an den Mikrochip z.B. durch Löten anzubringen.
Eine mit dem Mikrochip verbundene Antenne kann zur Identifikation und für das Auslesen der im Speicher des Mikrochips abgelegten Messsignale des/der Sensors/Sensoren dienen. Dazu kann die Antenne durch einen elektrischen Dipol realisiert werden, wobei durch das elektromagnetische Fernfeld des Readers Energie und Informationen übertragen werden. Dies kann bevorzugt mit einer Trägerfrequenz, die zwischen 850 MHz und 950 MHz liegt, erreicht werden. Es kann aber auch eine Spulenantenne bestehend aus einer oder mehreren Windungen verwendet werden, wobei Energie und Informationen durch magnetische Dipolwechselwirkung zwischen dem Nahfeld der Spule und dem magnetischen Feld des Readers ausgetauscht werden können, be vorzugt bei einer Trägerfrequenz von 13,56 MHz.
Die Impedanzen von Antenne und Mikrochip können durch ein
Anpassnetzwerk in Form von kapazitiven und/oder induktiven Elementen auf einander abgestimmt werden. Dadurch können Energie- und Signalübertra gungsverluste minimiert werden. Je nach Realisierungsart kann die Antenne aus Kupfer oder Aluminium bestehen.
Der mindestens eine Sensor kann verschiedene physikalische Messgrößen der Umgebung, wie z.B. Temperatur, Druck, chemische Zusammensetzung oder geographische Position erfassen. Er kann aber auch bei der Überwachung von Maschinen sowie biologischen oder chemischen Prozessen eingesetzt werden und dabei z.B. Drehmomente, Strömungsgeschwindigkeiten, elektromagneti sche Felder etc. erfassen. Der Sensor kann dabei im Mikrochip integriert oder extern auf dem Träger aufgebracht und mit dem Mikrochip durch elektrische Kontakte verbunden sein. Der Signaltransfer zwischen Mikrochip und Sensor kann dabei durch ein Bussystem, insbesondere ein I2C Bussystem, realisiert werden.
Der Mikrochip kann abhängig von mindestens einem Parameter, z.B. Tempe ratur etc, Messsignale einiger ausgewählter Sensoren über eine ausgewählte Antenne an einen Reader weitergeben. Die Messsignale können dabei live von den jeweiligen Sensoren an den Reader übertragen werden oder zu einem beliebigen Zeitpunkt aus dem internen Speicher des Mikrochips an den Rea der weitergegeben werden. Eine solche selektive Übertragung von Messsigna len kann durch ein Computerprogramm oder durch eine analoge Regelung realisiert werden. Die dafür notwendige elektrische Versorgungsspannung kann von dem mindestens einen Elektroenergieversorgungselement oder dem Trägerfeld des Readers bereitgestellt werden. Die verschiedenen Elektroener gieversorgungselemente können ebenfalls durch eine Programmierung des Mikrochips oder eine analoge Regelung in Abhängigkeit mindestens eines Pa rameters aufeinander abgestimmt werden. Zum Beispiel können thermoelekt rische und/oder photovoltaische Elektroenergieversorgungselemente nur zu einer bestimmten Tageszeit eingesetzt werden.
Die Anwendungsmöglichkeiten eines Transponders mit zusätzlichen Elektro energieversorgungselementen sind vielfältig. Es kann überall dort eingesetzt werden wo Messsignale erfasst werden müssen, aber keine externe elektri sche Energieversorgung zur Verfügung steht oder sehr kostspielig ist. Ein solch autarkes System kann z.B. zur Maschinen- und/oder Prozessüberwachung in der industriellen Fertigung oder zur Überwachung von Körperfunktionen in der Medizintechnik eingesetzt werden. Weitere mögliche Anwendungen lie gen im Bereich der Sicherheitstechnik, Fahrzeugsensorik etc.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigt Figur 1 eine Draufsicht eines Transponders bei dem der Mikrochip 101 mit einer elektrischen Dipolantenne 104 und einem extern auf dem Trä ger 100 angebrachten Sensor 103 verbunden ist. Der Mikrochip 101 ist mit einem Elektroenergieversorgungselement 102 verbunden, wobei ein Konden sator 105 parallel dazwischengeschaltet ist. Alle Komponenten sind flächig auf einer Seite des Trägers 100 angebracht. Figur 2 zeigt die Seitenansicht des in Figur 1 dargestellten Transponders.

Claims

Patentansprüche
1. Transponder bestehend aus einem Träger (100) auf dem sich ein Mik rochip (101), befindet, wobei der Mikrochip mit mindestens einer An tenne (104) und mindestens einem Sensor (103) zur Erfassung mindes tens einer physikalischen Messgröße verbunden ist und einen internen elektronischen Speicher zur Ablage der erfassten Messsignale enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrochip (101) zusätzlich über einen Anschluss für eine externe elektrische Versorgungsspannung verfügt, die mit mindestens einem Elektroenergieversorgungselement (102) verbunden ist, welches sich ebenfalls auf dem Träger (100) befindet, wobei das mindestens eine Elektroenergieversorgungselement (102) die elektrische Versorgungsspannung durch Umwandlung von mecha nischer und/oder elektromagnetischer und/oder thermischer Energie aus der Umgebung des Transponders bereitstellt.
2. Transponder nach dem vorigen Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrochip (101) und/oder mindestens ein Elektroenergieversor gungselement (102) und/oder Sensor (103) als CMOS basierter Mikro chip (101) und/oder Elektroenergieversorgungselement (102) und/oder Sensor (103) realisiert ist.
3. Transponder nach einem der vorigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrochip (101) bei einer Trägerfrequenz von 850 MHz bis 950 MHz arbeitet, wobei die mindestens eine Antenne (104) in Form einer elektrischen Dipolantenne ausgeführt ist oder der Mikrochip (101) bei einer Trägerfrequenz von 13,56 MHz arbeitet, wobei die mindestens eine Antenne (104) in Form einer elektrischen Spule ausgeführt ist.
4. Transponder nach einem der vorigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor (103) unterschiedliche physikalische Messgrößen erfasst und mit dem Mikrochip (101) über ein Bussystem, insbesondere ein l2C Bussystem, verbunden ist.
5. Transponder nach einem der vorigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor (103) im Mikrochip integriert ist.
6. Transponder nach einem der vorigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Elektroenergieversorgungselement (102) in Form eines Feldes von Fotodioden im Mikrochip (101) integriert ist.
7. Transponder nach einem der vorigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich mindestens ein kapazitives Element (105), insbesondere ein Kondensator, auf dem Träger (100) aufgebracht ist, so dass sich das mindestens eine kapazitive Element (105) zwischen dem mindestens einen Elektroenergieversorgungselement (102) und dem Mikrochip (101) angeordnet und elektrisch leitend mit dem Mikrochip (101) und dem mindestens einen Elektroenergieversorgungselement (102) ver bunden ist oder in dem Mikrochip (101) als internes Bauelement integriert ist oder in dem mindestens einen Elektroenergieversorgungselement (102) in tegriert ist.
8. Transponder nach einem der vorigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrochip (101) durch eine Programmierung oder eine analoge Regelung so ausgebildet ist, dass in Abhängigkeit mindestens eines Pa rameters, mindestens ein spezifischer Sensor (103) ausgewählt werden kann, um einen Messprozess auszulösen, und Messsignale dieses min destens einen Sensors (103) zu speichern und/oder selektiv über min destens eine Antenne (104) an einen Reader weiterzugeben, wobei die dafür notwendige elektrische Versorgungsspannung von mindestens einem Elektroenergieversorgungselement (102) oder dem elektro magnetischen Trägerfeld des Readers bereitgestellt wird.
9. Transponder nach einem der vorigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Elektroenergieversorgungselemente (102) so miteinander kombiniert und gekoppelt sind, dass temporäre Energiefluktuationen mindestens eines Elektroenergieversorgungselements (102) durch mindestens ein anderes Elektroenergieversorgungselement (102) überbrückt werden können.
10. Transponder nach einem der vorigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Elektroenergieversorgungselement (102) oder mindes tens ein Sensor (103) oder mindestens eine Antenne (104) an der Seite des Trägers (100), die der Seite auf der sich der Mikrochip (101) befin det, gegenüberliegt, angebracht ist.
PCT/EP2019/070213 2018-08-15 2019-07-26 Passiv arbeitender Transponder mit sensitiver Funktionalität WO2020035289A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102018213730.7 2018-08-15
DE102018213730.7A DE102018213730A1 (de) 2018-08-15 2018-08-15 Passiv arbeitender Transponder mit sensitiver Funktionalität

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2020035289A1 true WO2020035289A1 (de) 2020-02-20

Family

ID=67470404

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2019/070213 WO2020035289A1 (de) 2018-08-15 2019-07-26 Passiv arbeitender Transponder mit sensitiver Funktionalität

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102018213730A1 (de)
WO (1) WO2020035289A1 (de)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20170249542A1 (en) * 2014-11-07 2017-08-31 3M Innovative Properties Company TAG ASSEMBLY WITH MULTIPLE ANTENNAS, ICs, AND/OR SENSING ELEMENTS
WO2017187208A1 (en) * 2016-04-29 2017-11-02 Novus Communications Ltd Tracking system

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6480699B1 (en) * 1998-08-28 2002-11-12 Woodtoga Holdings Company Stand-alone device for transmitting a wireless signal containing data from a memory or a sensor
DE102007028467A1 (de) * 2007-06-18 2008-12-24 Polyic Gmbh & Co. Kg Messvorrichtung mit RFID-Transponder und Sensor
DE102012023064A1 (de) * 2012-11-20 2014-05-22 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. RFID-Transponder, der passiv betreibbar ist
US10140566B2 (en) * 2013-12-30 2018-11-27 Metso Oyj Passive wireless sensor

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20170249542A1 (en) * 2014-11-07 2017-08-31 3M Innovative Properties Company TAG ASSEMBLY WITH MULTIPLE ANTENNAS, ICs, AND/OR SENSING ELEMENTS
WO2017187208A1 (en) * 2016-04-29 2017-11-02 Novus Communications Ltd Tracking system

Also Published As

Publication number Publication date
DE102018213730A1 (de) 2020-02-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2051867B1 (de) Piezo-element zur sensorenergieversorgung
DE10151440C1 (de) Organisches Elektronikbauteil, Verfahren zu seiner Herstellung und seine Verwendung
EP3302340A1 (de) Chirurgisches behälterinhalt-erfassungssystem
EP2127161A2 (de) System und portables gerät für die übertragung von identifikationssignalen
DE112009004421T5 (de) RFID-Abtastsystem ohne äußere Energieversorgung zur Abfrage des strukturellen Befindens
DE102006057643A1 (de) Verfahren und System zur Überwachung eines Behälters
DE102015002078B3 (de) Batteriezelle für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs, Batterie sowie Kraftfahrzeug
EP3338519A1 (de) Gegenstand mit einer elektronischen einheit und mit leiterstrukturen auf einer trägerstruktur
DE102014115886A1 (de) Halbleitervorrichtung mit einer hochfrequenzbasierten Identifizierungsmarkierung
EP1966742A1 (de) Vorrichtung und verfahren zur prüfung und drahtlosen übermittlung des zustands eines signalgebers
WO2020035289A1 (de) Passiv arbeitender Transponder mit sensitiver Funktionalität
DE102010028868B4 (de) Halbleitersubstratbasierte Anordnung für eine RFID-Einrichtung, RFID-Einrichtung und Verfahren zur Herstellung einer solchen halbleitersubstratbasierten Anordnung
DE102008003498B4 (de) Aufprallerfassungselement für ein Luftfahrzeug, damit aufgebaute Aufprallerfassungsvorrichtung sowie Verfahren zur Überwachung von Aufprallvorgängen auf ein Luftfahrzeug
DE102020203311A1 (de) System und Verfahren zur Identifizierung von Informationen eines lebenden Körpers
DE102013004594A1 (de) Sensorvorrichtung sowie Sensorsystem, Behälter und Regalsystem mit einer Sensorvorrichtung und Herstellungsverfahren für eine Sensorvorrichtung
DE102004054622A1 (de) Schichtanordnung für eine Leiterplatte
WO2008104487A2 (de) Drahtlos fernabfragbarer energiesparender sensor
EP1835552A1 (de) Piezoelektrische Vorrichtung
WO2019193095A1 (de) Elektronisches ein-/ausgangsgerät der signal-, daten- und/oder energieübertragung mit galvanischer trennung
DE102018110554A1 (de) Magnetfeldkoppler zum Koppeln eines RFID Systems und RFID System
EP1449309B1 (de) Aktivierungseinrichtung für ein fernauslösbares Schaltungssystem
DE102010062559A1 (de) Mikroelektromechanisches Sensormodul sowie entsprechendes Herstellungsverfahren
EP3351960B1 (de) Anordnung und verfahren zur ortsbestimmung eines bewegbaren objekts
WO2008095486A2 (de) Photovoltaik-vorrichtung mit rfid-sicherheitsvorrichtung sowie herstellverfahren dafür
DE202015002110U1 (de) Anordnung zur, insbesondere hochohmigen, Widerstandsmessung an Textilprodukten

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 19745606

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 19745606

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1