WO2023213438A1 - Sensorelement, prüfvorrichtung und verfahren für die prüfung eines datenträgers mit spinresonanz-merkmal - Google Patents

Sensorelement, prüfvorrichtung und verfahren für die prüfung eines datenträgers mit spinresonanz-merkmal Download PDF

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WO2023213438A1
WO2023213438A1 PCT/EP2023/025209 EP2023025209W WO2023213438A1 WO 2023213438 A1 WO2023213438 A1 WO 2023213438A1 EP 2023025209 W EP2023025209 W EP 2023025209W WO 2023213438 A1 WO2023213438 A1 WO 2023213438A1
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stripline resonators
sensor element
resonator
stripline
air gap
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PCT/EP2023/025209
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Stephan Huber
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Giesecke+Devrient Currency Technology Gmbh
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    • G07D7/04—Testing magnetic properties of the materials thereof, e.g. by detection of magnetic imprint
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    • G01R33/383—Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field using permanent magnets

Definitions

  • the invention relates to a sensor element for checking the authenticity of a flat data carrier, in particular a banknote, with a spin resonance feature.
  • the invention also relates to a testing device with such a sensor element and a method for authenticity testing with such a sensor element or such a testing device.
  • Data carriers such as valuables or identification documents, but also other valuables, such as branded items, are often provided with security elements for security purposes, which allow the authenticity of the data carrier to be checked and which at the same time serve as protection against unauthorized reproduction.
  • security elements with spin resonance features to secure documents and other data carriers during automatic authenticity testing.
  • the security elements are provided with substances that have a spin resonance signature.
  • the spin resonance signatures that can be used for authenticity testing include, in particular, nuclear spin resonance effects (Nuclear Magnetic Resonance, NMR), electron spin resonance effects (ESR) and ferromagnetic resonance effects (FMR).
  • a quasi-static polarization field B 0 that runs parallel to the axial direction (z-direction) of the air gap of a magnetic circuit.
  • a second magnetic field is formed by a modulation field Bmod, which also runs parallel to the z-axis and typically has a frequency f mod in the kHz range.
  • an excitation field B 1 is provided, which is polarized perpendicular to the B 0 direction.
  • the excitation field oscillates at the resonance frequency of the material, which is also referred to as the Larmor frequency and which is proportional to the polarization field B 0 .
  • a magnetic circuit is often used, which directs the magnetic flux from permanent magnets and/or coils to an air gap in which the testing of the flat data carriers takes place.
  • a high-frequency resonator for example a stripline resonator, is used to generate the excitation field B 1 .
  • This is a conductive structure with a characteristic length 1, which is arranged on a support. If, during the authenticity test, the wavelength ⁇ of the coupled-in high-frequency signal matches the dimension 1 of the conductive structure, a standing wave can form in the resonator and the stripline resonator is in resonance with the excitation frequency belonging to the wavelength ⁇ . Since the extent of a stripline resonator in the plane of the carrier is significantly larger than perpendicular to it, one also speaks of the plane of the stripline resonator, which corresponds to the plane of the carrier.
  • a sensor element for testing a data carrier, such as a banknote, based on a stripline resonator usually has a limited signal-to-noise ratio (SNR), which is proportional to the number of spins of the spin resonance feature in a in a sensitive area. Since the sensitive area scales with the size of the resonator, the signal-to-noise ratio can fundamentally be improved by increasing the size of the resonator.
  • SNR signal-to-noise ratio
  • the length of the resonator determines its resonance frequency, so that at a given resonance frequency that is matched to the Larmor frequency of the feature substance to be measured, the resonator length cannot be increased arbitrarily. For example, if you choose a suitable multiple of the ⁇ /2 or ⁇ /4 fundamental mode for the resonator length, you can operate the resonator in a higher spatial mode and thus increase the sensitive area and thus the signal-to-noise ratio. However, this has the disadvantage that with increasing mode there is often a drop in the quality Q of the resonator, which is accompanied by a reduction in the signal strength connected is. In addition, only a contiguous area of the data carrier can be measured. However, it is not possible to measure two non-adjacent positions on the data carrier.
  • the signal strength of a spin resonance measurement is proportional to the square root of the signal power supplied to the resonator. It therefore makes sense to maximize the power of the excitation signal. However, this is only possible up to a certain, feature-dependent limit power P opt . If the power supplied to the resonator is increased beyond P opt , there will no longer be an increase in the signal, but rather a decrease in the signal or a distortion of the spin resonance line can be expected. The signal-to-noise ratio cannot therefore be increased arbitrarily by increasing the power supplied.
  • the object of the invention is to provide a generic sensor element with a high signal-to-noise ratio for the spin resonance measurement, which avoids the disadvantages mentioned.
  • the invention provides a sensor element for testing, in particular authenticity testing, of a flat data carrier with a spin resonance feature.
  • the flat data carrier can be, for example, a banknote.
  • the Sensor element contains a magnetic core with an air gap, in particular limited by two pole surfaces of the magnetic core, into which the flat data carrier can be inserted for testing, a polarization device for generating a static magnetic flux in the air gap, and a resonator unit for excitation the spin resonance feature of the data carrier to be tested in the air gap.
  • the spin resonance feature is preferably an ESR feature.
  • the magnetic core preferably consists of a ferromagnetic material with a magnetic permeability ⁇ r >>1, i.e. in particular ⁇ r greater than 1+10 2 , but the pole surfaces can also be made of a paramagnetic material with ⁇ r ⁇ 1, i.e in particular ⁇ r at most 1+10 -2 , are formed.
  • the resonator unit comprises a, in particular a single, signal source and a resonator device with a plurality of stripline resonators, which are simultaneously fed from the signal source.
  • the stripline resonators are flat with a main extension plane that is plane-parallel to at least one of the pole faces of the magnetic core.
  • the resonator unit preferably comprises exactly one signal source and/or all stripline resonators of the resonator device are simultaneously fed from the same signal source.
  • the use of a plurality of stripline resonators aligned in this way and fed simultaneously from the same signal source enables a significant increase in the signal-to-noise ratio compared to the use of a single resonator.
  • spin resonance features not only connected spin resonance features, but also spin resonance features with non-adjacent subregions can be checked in a simple manner, since the positions of the multiple stripline resonators can easily be coordinated with the positions of the subregions to be detected in the spin resonance measurement.
  • the stripline resonators used are characterized in particular by the fact that their sensitive area is very easily accessible and they have a very high fill factor for flat samples, such as those represented by the banknotes to be tested.
  • the stripline resonators are sometimes simply referred to as resonators below.
  • the plurality of stripline resonators is preferably arranged in the form of a linear array or two-dimensionally on the grid points of a regular grid, for example in a rectangular, hexagonal or row-by-row arrangement. Adjacent stripline resonators in different rows and/or columns of the array can be arranged equidistantly, but can also be at different distances from one another.
  • the stripline resonators of the resonator device advantageously have the same resonance frequency.
  • the stripline resonators are preferably also designed and set up to test the spin resonance feature in the same spatial mode of the excitation field; particularly preferably the stripline resonators have Resonators have the same geometric shape, for example a square, a rectangular or a ring shape.
  • the polarization device is advantageously designed in such a way that it generates a static magnetic flux in the air gap that is essentially the same strength for all stripline resonators. Specifically, it is advantageously provided that the static magnetic flux at the location of the stripline resonators has a maximum deviation of 2% or less.
  • the main extension plane of the stripline resonators is expediently oriented perpendicular to the direction of the static magnetic flux generated by the polarization device.
  • the direction of the static magnetic flux is also referred to as the z-direction.
  • the main extension plane of the stripline resonator then extends in the xy plane perpendicular to the z direction.
  • the main extension plane of the stripline resonators is plane-parallel to both pole surfaces of the magnetic core that delimit the air gap.
  • the stripline resonators of the resonator are all arranged in the same plane, in particular the stripline resonators are all arranged in one plane of a common carrier, for example a printed circuit board.
  • stripline resonators expediently has a smaller surface area than the data carrier to be checked, in particular a banknote to be checked.
  • the stripline resonators are rectangular with an aspect ratio of less than 3:1.
  • the stripline resonators advantageously form independent electromagnetic modes of the excitation field, the entire excitation field preferably having local minima between the stripline resonators.
  • the air gap advantageously has a height, i.e. a dimension in the z direction, of less than 10 mm, preferably less than 5 mm. This allows a particularly strong polarization field, i.e. a strong static magnetic flux, to be generated in the air gap.
  • the sensor element further has a modulation device for generating a time-varying magnetic modulation field in the air gap, the modulation frequency preferably being the same for all stripline resonators of the resonator device.
  • the modulation frequency at the location of two stripline resonators differs from each other by a maximum of 2%.
  • the modulation device is advantageously formed by an individual modulation coil, in particular an individual planar coil, arranged in the air gap.
  • the sensor element further has a ramp coil for generating a ramp function of the static magnetic flux.
  • the resonator device is advantageously designed for the excitation of spin resonance signals with a frequency above 1 GHz, in particular between 1 GHz and 10 GHz. Compared to lower frequencies, this enables higher spectral resolution and a stronger measurement signal.
  • the resonator device is in particular also designed to detect spin resonance signals of the spin resonance feature.
  • the stripline resonators of the resonator device can in particular record a response signal of the spin resonance feature and output it to a detector.
  • the spin resonances can be determined, for example, using a continuous wave (CW) method, a pulsed method or a rapid scan method.
  • the stripline resonators can be operated in both reflection and transmission when testing the data carrier.
  • the latter has the advantage that no element such as a circulator is required in the signal branch, which separates the signals traveling to and from the resonator.
  • the resonator device advantageously comprises a flat support on which the strip line resonators are applied.
  • the carrier is expediently formed by a circuit board, which allows reproducible and cost-effective production.
  • it is also advantageous, particularly to reduce dielectric losses in the carrier material, to use carriers based on ceramics, Teflon or hydrocarbons.
  • the invention also contains a testing device for testing a flat data carrier, in particular a banknote, with a spin resonance feature Sensor element of the type described and with a transport device which guides the flat data carriers to be tested along a transport path through the air gap of the magnetic core.
  • the transport device is designed and set up in particular for fast-running transport, for example between 1 m/s and 12 m/s, of the flat data carriers to be tested along the transport path.
  • the invention also contains a method for testing a flat data carrier, in particular a banknote, with a spin resonance feature by means of a sensor element of the type described or a testing device of the type described, wherein in the method a flat data carrier to be tested is moved along a transport path through the Air gap of the magnetic core of the sensor element mentioned is guided, with the polarization device a static magnetic flux and preferably with a modulation device a time-varying magnetic modulation field is generated in the air gap, and with the signal source of the resonator unit at the same time the majority of the stripline resonators Resonator device are fed, and with the resonator device the spin resonance feature of the data carrier to be tested is excited.
  • the resonator device is fed by the signal source with a high output power, at which signal saturation already occurs when testing the spin resonance feature with an individual of the stripline resonators.
  • FIG. 1 shows schematically a testing device of a banknote processing system for measuring spin resonances of a banknote test specimen
  • FIG. 2 shows a schematic top view of a resonator device according to an exemplary embodiment of the invention
  • FIG 3 shows a resonator device according to the invention designed for operation in transmission with a serial 1x5 array of five rectangular stripline resonators
  • FIG. 4 shows a resonator device designed for operation in reflection with a serial 1x3 array of three square stripline resonators.
  • FIG. 1 shows schematically a testing device 20 of a banknote processing system for measuring spin resonances of a banknote test specimen 10.
  • the banknote test specimen 10 has a spin resonance feature 12, the characteristic properties of which serve to prove the authenticity of the banknote.
  • the testing device 20 contains a sensor element 30 with a magnetic core 35, which has an air gap 32 delimited by two pole surfaces 38, through which the banknote test item 10 is guided along a transport path 14 during the authenticity test.
  • the sensor element 30 To detect spin resonance signatures of the spin resonance feature 12, the sensor element 30 generates three different magnetic fields in a measuring area of the air gap 32.
  • a polarization device 34 generates a static magnetic flux parallel to the z-axis in the measuring area.
  • the height of the air gap in the z direction is advantageously less than 10 mm, in particular even less than 5 mm.
  • a modulation device 36 generates a time-varying magnetic modulation field in the air gap, which also runs parallel to the z-axis and has a modulation frequency f Mod in the range between 1 kHz to 1 MHz.
  • a resonator device 40 with stripline resonators in the air gap generates an excitation field that induces the energy transitions between the spin energy levels in the spin resonance feature 12.
  • the excitation field typically has frequencies above 1 GHz and is polarized perpendicular to the z-direction.
  • the frequency of the excitation field is matched to the Larmor frequency of the spin resonance feature 12 to be detected in order to be able to measure its spin resonance signature and use it for authenticity testing.
  • a resonator unit of the sensor element contains, in addition to the resonator device 40, a signal source 22 whose excitation frequency f MW corresponds to the expected Larmor frequency of the spin resonance feature 12.
  • the excitation signal from the signal source 22 is simultaneously fed to the stripline resonators of the resonator device 40 and generates an alternating magnetic field of frequency f MW there.
  • the testing device 20 generally contains a detector diode for measuring the reflected high-frequency power and an evaluation unit for evaluating and, if necessary, displaying the measurement result.
  • this Spin resonance feature 12 resonates at a coupled frequency, the resonator quality changes and thus the power reflected by the stripline resonators. Due to the modulation of the static polarization field by the modulation device 36, the exact value of the Larmor frequency of the sample oscillates, so that the measurement signal obtained is amplitude modulated with the modulation frequency.
  • the resonator device 40 contains an NxM array of stripline resonators with N and/or M greater than 1 instead of a conventional individual resonator in order to achieve a high signal-to-noise ratio, the stripline resonators, in particular all, are simultaneously fed by the same signal source 22.
  • N denotes the number of signal branches connected electrically in parallel
  • M denotes the number of resonators connected in series per signal branch.
  • FIG. 2 schematically shows a top view of the stripline resonator arrangement of a resonator device 40 according to an exemplary embodiment of the invention.
  • a 2x1 array 44 of stripline resonators 46 is constructed on a flat support, for example a circuit board 42.
  • the two stripline resonators 46 of the 2x1 array 44 are fed by the same signal branch 48 through the same signal source 22 of the resonator unit.
  • the resonator device 40 with the stripline resonators 46 is formed flat with a main extension plane 50, which is plane-parallel to the two pole faces 38 of the magnetic core 35.
  • the stripline resonators 46 all lie in the same plane and are located in a homogeneous polarization field B 0 .
  • the two resonators 46 are arranged on a line transverse to the transport direction 14 of the data carrier to be tested, but they can alternatively also be arranged one behind the other in the transport direction or obliquely to the transport direction.
  • a Array of N > 2 resonators connected electrically in parallel does not have to be geometrically linear, but two-dimensional arrangements are also possible, for example on the grid points of a rectangular or hexagonal grid, or in other arrangements tailored to the authenticity feature to be checked. such as along the circumference of a circle.
  • the number of spins in the sensitive region of the 2x1 array 44 is doubled. If each of the two stripline resonators 46 of the array 44 is supplied with the same power as the comparison individual resonator, the signal-to-noise ratio is doubled compared to the comparison individual resonator.
  • the signal power supplied to the array 44 from the signal source 22 is divided equally between the two stripline resonators 46.
  • the 2x1 array 44 can therefore be operated with twice the excitation power as a comparison single resonator without saturation effects occurring.
  • 1xM arrays of stripline resonators are also possible, i.e. arrays that consist of just one row of several (M ⁇ 2) resonators connected in series.
  • 3 shows, as an exemplary embodiment, a resonator device 60 designed for operation in transmission with a serial 1x5 array 64 of five rectangular stripline resonators 66, which are fed by the same signal branch 68 through the same signal source (not shown).
  • other geometric arrangements of the resonators are alternatively possible, for example on a line transverse to the transport direction or two-dimensional arrangements, for example on the grid points of a rectangular or hexagonal grid.
  • FIGS. 3 and 4 also have the advantage that the sensitive area of the resonator device is enlarged compared to a comparison individual resonator and the maximum possible excitation power is increased.
  • circuits in which the stripline resonators form an NxM array with N ⁇ 2 and M ⁇ 2 and the stripline resonators are partly connected in series and partly in parallel to one another are also advantageous are.
  • the resonators are preferably also arranged geometrically in a grid with NxM grid points, for example in the form of a rectangular grid or with a row-by-line arrangement.
  • the stripline resonator array according to the invention and the comparison individual resonator are each constructed on a circuit board with a thickness of 1.5 mm, the dielectric constant of which is 3.66.
  • the basic element is a square ⁇ /2- Stripline resonator with an edge length of 7.1 mm, corresponding to a resonance frequency of 9.8 GHz, is used.
  • the impedance of the basic element is adjusted directly to 50 ⁇ using a planar ⁇ /4 impedance transformer and the individual resonator is fed from a 50 ⁇ source using a circulator.
  • the stripline resonator array 44 contains two basic elements 46 connected in parallel in the manner of FIG. 2.
  • the impedance of each basic element 46 is transformed to 100 ⁇ using a ⁇ /4 impedance transformer. By subsequently connecting both basic elements in parallel, a total impedance of 50 ⁇ is obtained.
  • the parallel-connected array 44 is powered by a 50 ⁇ source using a circulator, so that both basic elements 46 are powered by the same signal source at the same time.
  • the 2x1 array 44 according to the invention is operated with twice the power as the comparison single resonator.
  • the polarization field B 0 and the modulation field BMod are identical in both measurements.
  • the signal-to-noise ratio was determined for both configurations and the ratio of the two signal-to-noise ratios was used as a measure for the improvement of the present invention determined.
  • a value ⁇ 1.93 was obtained for the improvement factor, so the signal-to-noise ratio of the stripline resonator array 44 according to the invention is almost twice as large as the signal-to-noise ratio of the comparison - Single resonator.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sensorelement (30) für die Prüfung eines flächigen Datenträgers (10), insbesondere einer Banknote, mit einem Spinresonanz-Merkmal (12). Das Sensorelement umfasst einen Magnetkern (35) mit einem durch zwei Polflächen (38) des Magnetkerns begrenzten Luftspalt (32), in den der flächige Datenträger (10) zur Prüfung einbringbar ist, eine Polarisationseinrichtung (34) zu Erzeugung eines statischen magnetischen Flusses in dem Luftspalt (32) und eine Resonatoreinrichtung (40) zur Anregung des Spinresonanz-Merkmals (12) des zu prüfenden Datenträgers in dem Luftspalt. Erfindungsgemäß umfasst die Resonatoreinrichtung (40) eine Signalquelle (22) und eine Mehrzahl von Streifenleitungs-Resonatoren (46), die gleichzeitig aus der Signalquelle (22) gespeist sind, und die Streifenleitungs-Resonatoren (46) sind flächig mit einer Haupterstreckungsebene (50) ausgebildet, die planparallel zu zumindest einer der Polflächen (38) des Magnetkerns ist.

Description

Sensorelement, Prüfvorrichtung und Verfahren für die Prüfung eines Datenträgers mit Spinresonanz-Merkmal
Die Erfindung betrifft ein Sensorelement für die Echtheitsprüfung eines flächigen Da- tenträgers, insbesondere einer Banknote, mit einem Spinresonanz-Merkmal. Die Erfin- dung betrifft auch eine Prüfvorrichtung mit einem solchen Sensorelement und ein Ver- fahren zur Echtheitsprüfung mit einem solchen Sensorelement oder einer solchen Prüf- vorrichtung.
Datenträger, wie Wert- oder Ausweisdokumente, aber auch andere Wertgegenstände, wie etwa Markenartikel, werden zur Absicherung oft mit Sicherheitselementen verse- hen, die eine Überprüfung der Echtheit der Datenträger gestatten und die zugleich als Schutz vor unerlaubter Reproduktion dienen. Es ist bekannt, bei der maschinellen Echtheitsprüfung Sicherheitselemente mit Spinresonanz-Merkmalen zur Absicherung von Dokumenten und anderen Datenträgern einzusetzen. Die Sicherheitselemente sind dazu mit Substanzen versehen, die eine Spinresonanz-Signatur aufweisen. Zu den für die Echtheitsprüfung einsetzbaren Spinresonanz-Signaturen gehören insbesondere Kernspin-Resonanz-Effekte (Nuclear Magnetic Resonance, NMR), Elektronspin-Reso- nanz-Effekte (ESR) und ferromagnetische Resonanz-Effekte (FMR).
Bei der Prüfung von Banknoten werden zur Detektion der Spinresonanz-Signaturen meist drei verschiedene Magnetfelder im Messbereich beispielsweise einer Banknoten- bearbeitungsmaschine erzeugt. Dabei handelt es sich konkret um ein quasistatisches Polarisationsfeld B0, das parallel zur Axialrichtung (z-Richtung) des Luftspalts eines magnetischen Kreises verläuft. Ein zweites Magnetfeld ist durch ein Modulationsfeld Bmod gebildet, welches ebenfalls parallel zur z- Achse verläuft und typischerweise eine Frequenz fmod im kHz-Bereich hat. Zur Anregung von Übergängen zwischen den aufge- spaltenen Spin-Energieniveaus der Spinresonanz-Signatur-Substanzen ist ein Anrege- feld B1 vorgesehen, das senkrecht zur B0-Richtung polarisiert ist. Das Anregefeld schwingt dabei mit der Resonanzfrequenz des Materials, die auch als Larmorfrequenz bezeichnet wird, und die proportional zum Polarisationsfeld B0 ist. Zur Erzeugung des Polarisationsfeldes B0 kommt häufig ein magnetischer Kreis zum Einsatz, der den magnetischen Fluss von Permanentmagneten und/ oder Spulen zu ei- nem Luftspalt leitet, in dem die Prüfung der flächigen Datenträger stattfindet.
Für die Erzeugung des Anregefelds B1 wird ein Hochfrequenz-Resonator, beispiels- weise ein Streifenleitungs-Resonator, verwendet. Dabei handelt es sich um eine leitende Struktur mit einer charakteristischen Länge 1, die auf einem Träger angeordnet ist. Passt bei der Echtheitsprüfung die Wellenlänge λ des eingekoppelten Hochfrequenzsignals zu der Abmessung 1 der leitenden Struktur, so kann sich im Resonator eine stehende Welle ausbilden und der Streifenleitungs-Resonator ist zu der zur Wellenlänge λ gehö- renden Anregefrequenz in Resonanz. Da die Ausdehnung eines Streifenleitungs-Re- sonators in der Ebene des Trägers deutlich größer ist als senkrecht dazu, spricht man auch von der Ebene des Streifenleitungs-Resonators, die der Ebene des Trägers ent- spricht.
Ein Sensorelement für die Prüfung eines Datenträgers, etwa einer Banknote, auf Basis eines Streifenleitungs-Resonators hat in der Regel ein limitiertes Signal-zu-Rausch-Ver- hältnis (SNR), das proportional zur Anzahl der Spins des Spinresonanz-Merkmals in ei- nem sensitiven Bereich ist. Da der sensitive Bereich mit der Größe des Resonators ska- liert, kann das Signal-zu-Rausch-Verhältnis grundsätzlich durch eine Vergrößerung des Resonators verbessert werden.
Die Länge des Resonators bestimmt dessen Resonanzfrequenz, so dass man bei einer vorgegebenen Resonanzfrequenz, die auf die Larmor-Frequenz des zu messenden Merkmalsstoffs abgestimmt ist, die Resonatorlänge nicht beliebig vergrößern kann. Wählt man beispielsweise für die Resonatorlänge ein geeignetes Vielfaches der λ/2- oder λ/4 -Grundmode, so kann man den Resonator in einer höheren räumlichen Mode betreiben und so den sensitiven Bereich und damit das Signal-zu-Rausch-Verhältnis vergrößern. Dies hat jedoch den Nachteil, dass oft mit steigender Mode ein Abfall der Güte Q des Resonators einhergeht, der mit einer Verringerung der Signalstärke verbunden ist. Zudem kann dabei nur ein zusammenhängender Bereich des Datenträ- gers vermessen werden. Eine Vermessung zweier nicht benachbarter Positionen auf dem Datenträger ist dagegen nicht möglich.
Eine Verbreiterung des Streifenleitungs-Resonators lässt die Resonanzfrequenz in erster Näherung konstant, jedoch ist für sehr breite Resonatoren eine Anpassung der Resona- torimpedanz auf die Impedanz der Signalquelle oftmals nicht möglich. Auch hier be- steht der zusätzliche Nachteil, dass nur ein zusammenhängender Bereich des Datenträ- gers vermessen werden kann, eine Vermessung zweier nicht benachbarter Positionen auf dem Datenträger dagegen nicht möglich ist.
Weiter kann ausgenutzt werden, dass die Signalstärke einer Spinresonanz-Messung proportional zur Quadratwurzel der dem Resonator zugeführten Signalleistung ist. Es ist also sinnvoll, die Leistung des Anregesignals zu maximieren. Dies ist jedoch nur bis zu einer bestimmten, merkmalsabhängigen Grenzleistung Popt möglich. Steigert man die dem Resonator zugeführte Leistung über Popt hinaus, so tritt keine Signalsteigerung mehr auf, sondern es ist sogar ein Signalabfall bzw. eine Verzerrung der Spinresonanz- linie zu erwarten. Das Signal-zu-Rausch-Verhältnis kann daher auch über eine Erhö- hung der zugeführten Leistung nicht beliebig gesteigert werden.
Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Sensorelement mit großem Signal-zu-Rausch-Verhältnis der Spinresonanz-Messung an- zugeben, das die genannten Nachteile vermeidet.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiter- bildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung stellt ein Sensorelement für die Prüfung, insbesondere Echtheitsprüfung, eines flächigen Datenträgers mit einem Spinresonanz-Merkmal bereit. Bei dem flächi- gen Datenträger kann es sich beispielsweise um eine Banknote handeln. Das Sensorelement enthält einen Magnetkern mit einem, insbesondere durch zwei Polflä- chen des Magnetkerns begrenzten, Luftspalt, in den der flächige Datenträger zur Prü- fung einbringbar ist, eine Polarisationseinrichtung zu Erzeugung eines statischen mag- netischen Flusses in dem Luftspalt, sowie eine Resonatoreinheit zur Anregung des Spinresonanz-Merkmals des zu prüfenden Datenträgers in dem Luftspalt. Bei dem Spinresonanz-Merkmal handelt es sich bevorzugt um ein ESR-Merkmal.
An den Polflächen besteht der Magnetkern dabei bevorzugt aus einem ferromagneti- schen Material mit einer magnetischen Permeabilität μr >>1, also insbesondere μr größer 1+102, die Polflächen können aber auch von einem paramagnetischen Material mit μr ≈ 1, also insbesondere μr höchstens 1+10-2, gebildet werden.
Die Resonatoreinheit umfasst dabei eine, insbesondere einzige, Signalquelle und eine Resonatoreinrichtung mit einer Mehrzahl von Streifenleitungs-Resonatoren, die gleich- zeitig aus der Signalquelle gespeist sind. Die Streifenleitungs-Resonatoren sind dabei flächig mit einer Haupterstreckungsebene ausgebildet, die planparallel zu zumindest einer der Polflächen des Magnetkerns ist. Bevorzugt umfasst die Resonatoreinheit ge- nau eine Signalquelle und / oder alle Streifenleitungs-Resonatoren der Resonatorein- richtung sind gleichzeitig aus derselben Signalquelle gespeist.
Wie nachfolgend genauer erläutert, ermöglicht die Verwendung einer Mehrzahl von derart ausgerichteten und gleichzeitig aus derselben Signalquelle gespeisten Streifenlei- tungs-Resonatoren eine signifikante Erhöhung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses ge- genüber der Verwendung eines Einzelresonators. Zudem können auf einfache Weise nicht nur zusammenhängende Spinresonanz-Merkmale, sondern auch Spinresonanz- Merkmale mit nicht benachbarten Teilbereichen geprüft werden, da die Positionen der mehreren Streifenleitungs-Resonatoren ohne Weiteres auf die Positionen der bei der Spinresonanz-Messung zu erfassenden Teilbereiche abgestimmt sein kann. Die eingesetzten Streifenleitungs-Resonatoren zeichnen sich grundsätzlich insbeson- dere dadurch aus, dass ihr sensitiver Bereich sehr gut zugänglich ist und sie für flächige Proben, wie sie die zu prüfenden Banknoten darstellen, einen sehr hohen Füllfaktor aufweisen. Die Streifenleitungs-Resonatoren werden nachfolgend teilweise auch nur kurz als Resonatoren bezeichnet.
Bevorzugt ist die Mehrzahl von Streifenleitungs-Resonatoren in Form eines linearen Ar- rays oder zweidimensional auf den Gitterpunkten eines regelmäßigen Gitters angeord- net, beispielsweise in rechteckiger, hexagonaler oder zeilenweise versetzter Anordnung. Benachbarte Streifenleitungs-Resonatoren in verschiedenen Zeilen und/ oder Spalten des Arrays können äquidistant angeordnet sein, können aber auch unterschiedliche Ab- stände voneinander aufweisen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung bildet die Mehrzahl von Streifenleitungs-Resonato- ren ein Nx1-Array mit N parallel geschalteten Streifenleitungs-Resonatoren, wobei N ≥ 2, insbesondere N = 2, 3, 4 oder 5 ist.
In einer anderen, ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung bildet die Mehrzahl von Strei- fenleitungs-Resonatoren ein 1xM-Array mit M in Reihe geschalteten Streifenleitungs- Resonatoren, wobei M ≥ 2, insbesondere M = 2, 3, 4 oder 5 ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung bildet die Mehrzahl von Streifenlei- tungs-Resonatoren ein NxM-Array mit teilweise in Reihe und teilweise parallel zuei- nander geschalteten Streifenleitungs-Resonatoren, wobei N ≥ 2 und M ≥ 2, insbesondere N = 2, 3, 4 oder 5 und/ oder M = 2, 3, 4 oder 5 ist.
Die Streifenleitungs-Resonatoren der Resona toreinrichtung weisen mit Vorteil dieselbe Resonanzfrequenz auf. Bevorzugt sind die Streifenleitungs-Resonatoren zudem auf eine Prüfung des Spinresonanz-Merkmals in derselben räumlichen Mode des Anregefelds ausgelegt und eingerichtet, besonders bevorzugt weisen die Streifenleitungs- Resonatoren die gleiche geometrische Form, beispielsweise eine quadratische, eine rechteckige oder eine Ring-Form auf.
Vorteilhaft ist die Polarisationseinrichtung so ausgebildet, dass sie in dem Luftspalt ei- nen statischen magnetischen Fluss erzeugt, der bei allen Streifenleitungs-Resonatoren im Wesentlichen gleich stark ist. Konkret ist mit Vorteil vorgesehen, dass der statische magnetische Fluss am Ort der Streifenleitungs-Resonatoren eine maximale Abweichung von 2% oder weniger aufweist.
Die Haupterstreckungsebene der Streifenleitungs-Resonatoren ist zweckmäßig senk- recht zu der Richtung des von der Polarisationseinrichtung erzeugten statischen mag- netischen Flusses orientiert. Im Rahmen dieser Beschreibung wird die Richtung des sta- tischen magnetischen Flusses auch als z-Richtung bezeichnet. Die Haupterstreckungs- ebene des Streifenleitungs-Resonators erstreckt sich dann in der zur z-Richtung senk- rechten x-y-Ebene. Insbesondere ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Haupterstre- ckungsebene der Streifenleitungs-Resonatoren planparallel zu beiden den Luftspalt be- grenzenden Polflächen des Magnetkerns ist.
Vorteilhaft sind die Streifenleitungs-Resonatoren der Resona to reinrichtung alle in der- selben Ebene angeordnet, insbesondere sind die Streifenleitungs-Resonatoren alle in ei- ner Ebene eines gemeinsamen Trägers, beispielsweise einer Leiterplatte angeordnet.
Die Resonatoreinheit ist vorzugsweise mit Vorteil auf einen Betrieb der, insbesondere einzigen, Signalquelle bei hoher Ausgangsleistung ausgelegt und eingerichtet, bei der bei einer Prüfung des Spinresonanz-Merkmals mit einem einzelnen der Streifenlei- tungs-Resonatoren eine Signalsättigung auftritt. Da sich die zugeführte Signalleistung auf die Mehrzahl der Streifenleitungs-Resonatoren verteilt, kann die Resonatoreinheit mit deutlich höherer Anregeleistung als ein Einzelresonator betrieben werden, ohne dass dabei Sättigungseffekte auftreten. Enthält die Resonatoreinrichtung beispielsweise K = NxM gleichartige Streifenleitungs-Resonatoren, so kann durch geeignete Beschaltung die Anregeleistung der Signalquelle auf die K Streifenleitungs-Resonatoren gleichmäßig verteilt werden und dadurch die Resonatoreinrichtung insgesamt mit im Wesentlichen der K-fachen Anregeleistung eines Einzelresonators gespeist werden. Das Signal-zu-Rausch-Verhältnis kann daher gegenüber einem Einzelresonator um einen Faktor √K gesteigert werden, ohne dass Sättigungseffekte auftreten.
Die Anordnung von Streifenleitungs-Resonatoren hat zweckmäßig eine kleinere Flä- chenausdehnung als der zu prüfende Datenträger, insbesondere eine zu prüfende Banknote.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Streifenleitungs-Resonatoren rechteckig mit einem Aspektverhältnis von weniger als 3:1 ausgebildet.
Die Streifenleitungs-Resonatoren bilden vorteilhaft unabhängige elektromagnetische Moden des Anregefelds aus, wobei das gesamte Anregefeld vorzugsweise lokale Mi- nima zwischen den Streifenleitungs-Resonatoren aufweist.
Der Luftspalt weist vorteilhaft eine Höhe, also eine Abmessung in z-Richtung, von we- niger als 10 mm, vorzugsweise von weniger als 5 mm, auf. Dadurch lässt sich ein be- sonders starkes Polarisationsfeld, also ein starker statischer magnetischer Fluss, im Luftspalt erzeugen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Sensorelement weiter eine Modulations- einrichtung zur Erzeugung eines zeitlich variierenden magnetischen Modulationsfelds in dem Luftspalt auf, wobei bevorzugt die Modulationsfrequenz bei allen Streifenlei- tungs-Resonatoren der Resonatoreinrichtung gleich hoch ist. Beispielsweise weicht die Modulationsfrequenz am Ort von je zwei Streifenleitungs-Resonatoren um höchstens 2% voneinander ab. Die Modulationseinrichtung ist vorteilhaft durch eine im Luftspalt angeordnete Einzel-Modulationsspule, insbesondere eine Einzel-Planarspule gebildet. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung weist das Sensorelement weiter eine Rampspule zur Erzeugung einer Rampenfunktion des statischen magnetischen Flusses auf.
Die Resonatoreinrichtung ist mit Vorteil auf die Anregung von Spinresonanz-Signalen mit einer Frequenz oberhalb von 1 GHz, insbesondere zwischen 1 GHz und 10 GHz, ausgelegt. Gegenüber niedrigeren Frequenzen ermöglicht dies eine höhere spektrale Auflösung und ein stärkeres Messsignal.
Die Resonatoreinrichtung ist insbesondere auch zur Erfassung von Spinresonanz-Signa- len des Spinresonanz-Merkmals ausgebildet. Die Streifenleitungs-Resonatoren der Re- sonatoreinrichtung können insbesondere ein Antwortsignal des Spinresonanz-Merk- mals aufnehmen und an einen Detektor ausgeben. Die Spinresonanzen können bei- spielsweise mit einem Dauerstrich (CW)-Verfahren, einem gepulsten Verfahren oder ei- nem Rapid-Scan-Verfahren bestimmt werden.
Die Streifenleitungs-Resonatoren können bei der Prüfung des Datenträgers sowohl in Reflexion als auch in Transmission betrieben werden. Letzteres hat den Vorteil, dass im Signalzweig kein Element wie etwa ein Zirkulator benötigt wird, das die zum Resona- tor vor- und rücklaufenden Signale auftrennt.
Mit Vorteil umfasst die Resonatoreinrichtung einen flächigen Träger, auf dem die Strei- fenleitungs-Resonatoren aufgebracht sind. Der Träger ist zweckmäßig durch eine Lei- terplatte gebildet, was eine reproduzierbare und kostengünstige Herstellung erlaubt. Es ist allerdings auch vorteilhaft, insbesondere zur Verringerung dielektrischer Verluste im Trägermaterial, Träger auf Basis von Keramik, Teflon oder Kohlenwasserstoffen ein- zusetzen.
Die Erfindung enthält auch eine Prüfvorrichtung für die Prüfung eines flächigen Daten- trägers, insbesondere einer Banknote, mit einem Spinresonanz-Merkmal mit einem Sensorelement der beschriebenen Art und mit einer Transporteinrichtung, die die zu prüfenden flächigen Datenträger entlang eines Transportpfades durch den Luftspalt des Magnetkerns führt.
Die Transporteinrichtung ist insbesondere auf einen schnell-laufenden Transport, bei- spielsweise zwischen 1 m/s und 12 m/s, der zu prüfenden flächigen Datenträger ent- lang des Transportpfades ausgelegt und eingerichtet.
Die Erfindung enthält auch ein Verfahren zur Prüfung eines flächigen Datenträgers, insbesondere einer Banknote, mit einem Spinresonanz-Merkmal mittels eines Sensorele- ments der beschriebenen Art oder einer Prüfvorrichtung der beschriebenen Art, wobei bei dem Verfahren ein zu prüfender flächiger Datenträger entlang eines Transportpfades durch den Luftspalt des Magnetkerns des genannten Sensorelements geführt wird, mit der Polarisationseinrichtung ein statischer magnetischer Fluss und vorzugs- weise mit einer Modulationseinrichtung ein zeitlich variierendes magnetisches Modulationsfeld in dem Luftspalt erzeugt wird, und mit der Signalquelle der Resonatoreinheit gleichzeitig die Mehrzahl der Streifen- leitungs-Resonatoren der Resonatoreinrichtung gespeist werden, und mit der Resonatoreinrichtung das Spinresonanz-Merkmal des zu prüfenden Da- tenträgers angeregt wird.
Bei einer vorteilhaften Verfahrensführung wird die Resonatoreinrichtung von der Sig- nalquelle mit einer hohen Ausgangsleistung gespeist, bei der bei einer Prüfung des Spinresonanz-Merkmals mit einem einzelnen der Streifenleitungs-Resonatoren bereits eine Signalsättigung auftritt. Weitere Ausführungsbeispiele sowie Vorteile der Erfindung werden nachfolgend an- hand der Figuren erläutert, bei deren Darstellung auf eine maßstabs- und proportions- getreue Wiedergabe verzichtet wurde, um die Anschaulichkeit zu erhöhen.
Es zeigen:
Fig. 1 schematisch eine Prüfvorrichtung eines Banknotenbearbeitungssystems für die Messung von Spin-Resonanzen eines Banknotenprüflings,
Fig. 2 schematisch eine Aufsicht auf eine Resonatoreinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 3 eine auf einen Betrieb in Transmission ausgelegte erfindungsgemäße Re- sonatoreinrichtung mit einem seriellen 1x5-Array aus fünf rechteckigen Streifenleitungs-Resonatoren, und
Fig. 4 eine auf einen Betrieb in Reflexion ausgelegte Resonatoreinrichtung mit einem seriellen 1x3- Array aus drei quadratischen Streifenleitungs-Resona- toren.
Die Erfindung wird nun am Beispiel der Echtheitsprüfung von Banknoten erläutert. Fi- gur 1 zeigt dazu schematisch eine Prüfvorrichtung 20 eines Banknotenbearbeitungssys- tems für die Messung von Spin-Resonanzen eines Banknotenprüflings 10.
Der Banknotenprüfling 10 weist ein Spinresonanz-Merkmal 12 auf, dessen charakteristi- sche Eigenschaften zum Nachweis der Echtheit der Banknote dienen. Die Prüfvorrich- tung 20 enthält ein Sensorelement 30 mit einem Magnetkern 35, der einen durch zwei Polflächen 38 begrenzten Luftspalt 32 aufweist, durch den der Banknotenprüfling 10 bei der Echtheitsprüfung entlang eines Transportpfads 14 geführt wird. Zur Detektion von Spinresonanz-Signaturen des Spinresonanz-Merkmals 12 erzeugt das Sensorelement 30 in einem Messbereich des Luftspalts 32 drei verschiedene Mag- netfelder.
Zum einen wird durch eine Polarisationseinrichtung 34 ein statischer magnetischer Fluss parallel zur z- Achse im Messbereich erzeugt. Um ein starkes Polarisationsfeld zu erzeugen, beträgt die Höhe des Luftspalts in z-Richtung vorteilhaft weniger als 10 mm, insbesondere sogar weniger als 5 mm.
Zum zweiten erzeugt eine Modulationseinrichtung 36 ein zeitlich variierendes magneti- sches Modulationsfeld in dem Luftspalt, das ebenfalls parallel zur z- Achse verläuft und eine Modulationsfrequenz fMod im Bereich zwischen 1 kHz bis 1 MHz aufweist. Schließ- lich erzeugt eine Resonatoreinrichtung 40 mit Streifenleitungs-Resonatoren in dem Luftspalt ein Anregefeld, das die Energieübergänge zwischen den Spin-Energieniveaus im Spinresonanz-Merkmal 12 induziert. Das Anregefeld hat typischerweise Frequenzen oberhalb von 1 GHz und ist senkrecht zur z-Richtung polarisiert.
Die Frequenz des Anregefelds ist dabei auf die Larmor-Frequenz des nachzuweisenden Spinresonanz-Merkmals 12 abgestimmt, um dessen Spinresonanz-Signatur messen und für die Echtheitsprüfung verwenden zu können.
Eine Resonatoreinheit des Sensorelements enthält hierzu neben der Resonatoreinrich- tung 40 eine Signalquelle 22, deren Anregefrequenz fMW der erwarteten Larmor-Fre- quenz des Spinresonanz-Merkmals 12 entspricht. Das Anregesignal der Signalquelle 22 wird den Streifenleitungs-Resonatoren der Resonatoreinrichtung 40 gleichzeitig zuge- führt und erzeugt dort ein magnetisches Wechselfeld der Frequenz fMW.
Neben den genannten Elementen enthält die Prüfvorrichtung 20 in der Regel eine De- tektor-Diode zur Messung der reflektierten Hochfrequenz-Leistung und eine Auswer- teeinheit zur Auswertung und gegebenenfalls Anzeige des Messergebnisses. Ist das Spinresonanz-Merkmal 12 bei einer eingekoppelten Frequenz in Resonanz, so ändert sich die Resonatorgüte und damit die von den Streifenleitungs-Resonatoren reflektierte Leistung. Aufgrund der Modulation des statischen Polarisationsfelds durch die Modu- lationseinrichtung 36 oszilliert der genaue Wert der Larmor-Frequenz der Probe, so dass das erhaltene Messsignal mit der Modulationsfrequenz amplitudenmoduliert ist.
Als Besonderheit enthält die Resonatoreinrichtung 40 zur Erzielung eines hohen Signal- zu-Rausch-Verhältnis anstelle eines herkömmlichen Einzelresonators ein NxM- Array von Streifenleitungs-Resonatoren mit N und/ oder M größer als 1, wobei die Streifenlei- tungs-Resonatoren, insbesondere alle, gleichzeitig von derselben Signalquelle 22 ge- speist sind. Im Rahmen dieser Beschreibung bezeichnet N dabei die Anzahl der elektrisch parallel geschalteten Signalzweige, und M die Anzahl der in Reihe geschalte- ten Resonatoren pro Signalzweig.
Figur 2 zeigt zur näheren Erläuterung schematisch eine Aufsicht auf die Streifenlei- tungs-Resonatoren- Anordnung einer Resonatoreinrichtung 40 nach einem Ausfüh- rungsbeispiel der Erfindung. Bei der Resonatoreinrichtung 40 ist auf einem flächigen Träger, beispielsweise einer Leiterplatte 42, ein 2x1-Array 44 von Streifenleitungs-Re- sonatoren 46 aufgebaut. Die Anordnung der Fig. 2 bildet im oben definierten Sinn ein 2x1-Array 44 mit N=2 und M=1, da das Array zwei parallel geschaltete Resonatoren enthält. Die beiden Streifenleitungs-Resonatoren 46 des 2x1-Arrays 44 werden von demselben Signalzweig 48 durch dieselbe Signalquelle 22 der Resonatoreinheit gespeist.
Die Resonatoreinrichtung 40 mit den Streifenleitungs-Resonatoren 46 ist flächig mit ei- ner Haupterstreckungsebene 50 ausgebildet, welche planparallel zu den beiden Polflä- chen 38 des Magnetkerns 35 liegt. Die Streifenleitungs-Resonatoren 46 liegen dabei alle in derselben Ebene und befinden sich in einem homogenen Polarisationsfeld B0. Gemäß Figur 2 sind die beiden Resonatoren 46 auf einer Linie quer zur Transportrichtung 14 der zu prüfenden Datenträger angeordnet, sie können aber alternativ auch in Trans- portrichtung hintereinander oder schräg zur Transportrichtung angeordnet sein. Ein Array aus N > 2 elektrisch parallel geschalteten Resonatoren muss geometrisch auch nicht linear ausgebildet sein, sondern es sind auch zweidimensionale Anordnungen möglich, beispielsweise auf den Gitterpunkten eines Rechteck- oder hexagonalen Git- ters, oder in anderen, auf das zu prüfende Echtheitsmerkmal abgestimmten Anordnun- gen wie zum Beispiel entlang eines Kreisumfangs.
Verglichen mit einem Einzelresonator der Fläche eines der beiden Streifenleitungs-Re- sonatoren 46 ist die Anzahl der Spins in dem sensitiven Bereich des 2x1-Arrays 44 ver- doppelt. Wird jedem der beiden Streifenleitungs-Resonatoren 46 des Arrays 44 dieselbe Leistung zugeführt wie dem Vergleichs-Einzelresonator, so erhält man gegenüber dem Vergleichs-Einzelresonator eine Verdoppelung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses.
Bei der in Fig. 2 illustrierten Beschaltung 48 teilt sich die dem Array 44 von der Signal- quelle 22 zugeführte Signalleistung auf die beiden Streifenleitungs-Resonatoren 46 zu gleichen Teilen auf. Das 2x1-Array 44 kann daher mit der doppelten Anregeleistung wie ein Vergleichs-Einzelresonator betrieben werden, ohne dass Sättigungseffekte auf- treten.
Neben dem in Fig. 2 zur Illustration gezeigten 2x1-Array sind selbstverständlich auch größere einspaltige Arrays, allgemein Nx1-Arrays mit N > 2, beispielsweise N = 3, 4 oder 5 möglich.
Darüber hinaus sind auch 1xM-Arrays von Streifenleitungs-Resonatoren möglich, also Arrays, die aus nur einer Zeile von mehreren (M ≥ 2) in Reihe geschalteten Resonatoren bestehen. Figur 3 zeigt hierzu als Ausführungsbeispiel eine auf einen Betrieb in Trans- mission ausgelegte Resonatoreinrichtung 60 mit einem seriellen 1x5- Array 64 aus fünf rechteckigen Streifenleitungs-Resonatoren 66, die von demselben Signalzweig 68 durch dieselbe Signalquelle (nicht gezeigt) gespeist werden. Die Streifenleitungs-Resonatoren 66 sind im Beispiel auf einer Linie in Transportrichtung 14 angeordnet und haben in Transportrichtung 14 jeweils eine Länge 1 = λ/2 und einen Abstand d = λ, wobei λ die Wellenlänge des eingekoppelten Hochfrequenzsignals fMW darstellt. Auch bei einem in Reihe geschalteten Array sind alternativ andere geometrische Anordnungen der Re- sonatoren möglich, beispielsweise auf einer Linie quer zur Transportrichtung oder auch zweidimensionale Anordnungen, beispielsweise auf den Gitterpunkten eines Rechteck- oder hexagonalen Gitters.
Als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt Fig. 4 eine auf einen Betrieb in Reflexion ausgelegte Resonatoreinrichtung 70 mit einem seriellen 1x3- Array 74 aus drei quadratischen Streifenleitungs-Resonatoren 76 einer Seitenlänge 1 = λ/2, die von dem- selben Signalzweig 78 durch dieselbe Signalquelle gespeist werden.
Auch die Ausgestaltungen der Figuren 3 und 4 haben den Vorteil, dass der sensitive Be- reich der Resonatoreinrichtung gegenüber einem Vergleichs-Einzelresonator vergrößert und die maximal mögliche Anregeleistung erhöht wird.
Neben den gezeigten eindimensionalen Nx1-Arrays und 1xM-Arrays sind auch Be- schaltungen vorteilhaft, bei denen die Streifenleitungs-Resonatoren ein NxM- Array mit N ≥ 2 und M ≥ 2 bilden und die Streifenleitungs-Resonatoren teilweise in Reihe und teilweise parallel zueinander geschaltet sind. Bevorzugt sind die Resonatoren in diesem Fall auch geometrisch in einem Gitter mit NxM Gitterpunkten, beispielsweise in Form eines Rechteckgitters oder mit zeilenweise versetzter Anordnung, angeordnet.
Um die Vorteile erfindungsgemäßer Sensorelemente mit einem Array aus Streifenlei- tungs-Resonatoren zu demonstrieren, wurde das Verhalten eines Sensorelements mit einem 2x1-Array in paralleler Konfiguration nach Fig. 2 simuliert und mit einem Einzel- resonator verglichen.
Das erfindungsgemäße Streifenleitungs-Resona tor-Array und der Vergleichs-Einzelre- sonator sind jeweils auf einer Leiterplatte der Stärke 1,5 mm aufgebaut, deren Dielektri- zitätskonstante 3,66 beträgt. Als Grundelement wird jeweils ein quadratischer λ/ 2- Streifenleitungs-Resonator mit einer Kantenlänge von 7,1 mm, entsprechend einer Reso- nanzfrequenz von 9,8 GHz, verwendet.
Bei dem Vergleichs-Einzelresonator ist nur ein einziges solches Grundelement vorhan- den. Die Impedanz des Grundelements wird mit einem planaren λ/ 4-lmpedanztrans- formator direkt auf 50 Ω angepasst und der Einzelresonator mit Hilfe eines Zirkulators von einer 50 Ω -Quelle gespeist.
Das erfindungsgemäße Streifenleitungs-Resonator-Array 44 enthält zwei nach Art der Fig. 2 parallel geschaltete Grundelemente 46. Die Impedanz jedes Grundelements 46 wird mit einem λ/ 4-lmpedanztransformator auf 100 Ω transformiert. Über die anschlie- ßende Parallelschaltung beider Grundelemente erhält man eine Gesamtimpedanz von 50 Ω. Das parallelgeschaltete Array 44 wird mit Hilfe eines Zirkulators von einer 50 Ω - Quelle gespeist, so dass beide Grundelemente 46 gleichzeitig von derselben Signal- quelle gespeist sind.
Mit dem so aufgebauten Vergleichs-Einzelresonator und dem 2x1- Array 44 wurde je- weils eine Spin-Resonanzmessung an einer planaren Probe simuliert, die homogen mit einem Spinresonanz-Merkmal dotiert ist.
Das erfindungsgemäße 2x1-Array 44 wird dabei mit der doppelten Leistung wie der Vergleichs-Einzelresonator betrieben. Das Polarisationsfeld B0 und das Modulationsfeld BMod sind bei beiden Messungen identisch.
Für beide Konfiguration wurde das Signal-zu-Rausch-Verhältnis bestimmt und als Maßzahl für die Verbesserung der vorliegenden Erfindung das Verhältnis der beiden Signal-zu-Rausch-V erhältnisse
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ermittelt. Für den Verbesserungsfaktor wurde dabei ein Wert η = 1,93 erhalten, das Sig- nal-zu-Rausch-Verhältnis des erfindungsgemäßen Streifenleitungs-Resona tor- Arrays 44 ist also nahezu doppelt so groß wie das Signal-zu-Rausch-Verhältnis des Vergleichs- Einzelresonators .
Die Abweichung zur maximal erwarteten Verbesserung ηideal = 2,0 erklärt sich durch zusätzliche Verluste im Ankoppelnetzwerk des Arrays .
Bezugszeichenliste
10 Banknotenprüfling
12 Spinresonanz-Merkmal 14 Transportpfad
20 Prüfvorrichtung
22 Signalquelle
30 Sensorelement
32 Luftspalt 34 Polarisationseinrichtung
35 Magnetkern
36 Modulationseinrichtung
38 Polflächen
40 Resonatoreinrichtung 42 Leiterplatte
44 2x1-Array
46 Streifenleitungs-Resonatoren
48 Beschaltung
50 Haupterstreckungsebene 60 Resonatoreinrichtung
64 1x5- Array
66 rechteckige Streifenleitungs-Resonatoren
68 Signalzweig
70 Resonatoreinrichtung 74 1x3- Array
76 quadratische Streifenleitungs-Resonatoren
78 Signalzweig

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Sensorelement (30) für die Prüfung eines flächigen Datenträgers (10), insbeson- dere einer Banknote, mit einem Spinresonanz-Merkmal (12), mit einem Magnetkern (35) mit einem durch zwei Polflächen (38) des Magnetkerns begrenzten Luftspalt (32), in den der flächige Datenträger (10) zur Prüfung ein- bringbar ist, einer Polarisationseinrichtung (34) zu Erzeugung eines statischen magnetischen Flusses in dem Luftspalt (32) und einer Resonatoreinheit zur Anregung des Spinresonanz-Merkmals (12) des zu prüfenden Datenträgers in dem Luftspalt, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatoreinheit eine, insbesondere genau eine, Signalquelle (22) und eine Resonatoreinrichtung (40) mit einer Mehrzahl von Streifenleitungs-Resonatoren (46) umfasst, die gleichzeitig aus der Signalquelle (22) gespeist sind, und dass die Streifenleitungs-Resonatoren (46) flächig mit einer Haupterstreckungsebene (50) ausgebildet sind, die planparallel zu zumindest einer der Polflächen (38) des Magnetkerns ist.
2. Sensorelement (30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Resona- toreinheit genau eine Signalquelle (22) aufweist und alle Streifenleitungs-Resona- toren (46) der Resonatoreinrichtung (40) gleichzeitig aus der einen Signalquelle (22) gespeist sind.
3. Sensorelement (30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehr- zahl von Streifenleitungs-Resonatoren (44, 46) ein NxM- Array aus N elektrisch parallel geschalteten Signalzweigen mit je M in Reihe geschalteten Streifenleitungs-Resonatoren pro Signalzweig bilden, wobei N und M natürliche Zahlen sind und zumindest einer der Werte von N und M größer als 1 ist.
4. Sensorelement (30) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehr- zahl von Streifenleitungs-Resonatoren (44, 46) ein Nx1-Array mit N parallel geschalte- ten Streifenleitungs-Resonatoren bildet, wobei N ≥ 2, insbesondere N = 2, 3, 4 oder 5 ist.
5. Sensorelement (30) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehr- zahl von Streifenleitungs-Resonatoren ein 1xM- Array mit M in Reihe geschalteten Strei- fenleitungs-Resonatoren bildet, wobei M ≥ 2, insbesondere M = 2, 3, 4 oder 5 ist.
6. Sensorelement (30) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehr- zahl von Streifenleitungs-Resonatoren ein NxM-Array mit teilweise in Reihe und teil- weise parallel zueinander geschalteten Streifenleitungs-Resonatoren bildet, wobei und N ≥ 2 und M ≥ 2, insbesondere N = 2, 3, 4 oder 5 und/ oder M = 2, 3, 4 oder 5 ist.
7. Sensorelement (30) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Streifenleitungs-Resonatoren (44, 46) der Resonatoreinrichtung (40) dieselbe Resonanzfrequenz aufweisen, bevorzugt, dass die Streifenleitungs-Resona- toren zudem auf eine Prüfung des Spinresonanz-Merkmals in derselben räumlichen Mode des Anregefelds ausgelegt und eingerichtet sind, besonders bevorzugt, dass die Streifenleitungs-Resonatoren die gleiche geometrische Form aufweisen.
8. Sensorelement (30) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Polarisationseinrichtung (34) einen statischen magnetischen Fluss in dem Luftspalt (32) erzeugt, der bei allen Streifenleitungs-Resonatoren (44, 46) im Wesentlichen gleich stark ist, insbesondere, dass der statische magnetische Fluss am Ort der Streifenleitungs-Resonatoren eine maximale Abweichung von 2% oder weniger aufweist.
9. Sensorelement (30) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Haupterstreckungsebene (50) senkrecht auf der Richtung des von der Polarisationseinrichtung erzeugten statischen magnetischen Flusses steht, insbesondere dass die Haupterstreckungsebene (50) der Streifenleitungs-Resonatoren planparallel zu beiden den Luftspalt (32) begrenzenden Polflächen (38) des Magnet- kerns (35) ist.
10. Sensorelement (30) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Streifenleitungs-Resonatoren (44, 46) der Resonatoreinrichtung (40) alle in derselben Ebene angeordnet sind, insbesondere dass die Streifenleitungs-Re- sonatoren alle in einer Ebene eines gemeinsamen Trägers, beispielsweise einer Leiter- platte, angeordnet sind.
11. Sensorelement (30) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Resonatoreinheit auf einen Betrieb der Signalquelle (22) bei ei- ner hohen Ausgangsleistung ausgelegt und eingerichtet ist, bei der bei einer Prüfung des Spinresonanz-Merkmals mit einem einzelnen der Streifenleitungs-Resonatoren eine Signalsättigung auftritt.
12. Sensorelement (30) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Anordnung von Streifenleitungs-Resonatoren (44, 46) eine klei- nere Flächenausdehnung hat als der zu prüfende Datenträger (10), insbesondere eine zu prüfende Banknote.
13. Sensorelement (30) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Streifenleitungs-Resonatoren rechteckig mit einem Aspektver- hältnis von weniger als 3:1 ausgebildet sind.
14. Sensorelement (30) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Streifenleitungs-Resonatoren (44, 46) unabhängige elektromag- netische Moden des Anregefelds ausbilden, wobei das gesamte Anregefeld vorzugs- weise lokale Minima zwischen den Streifenleitungs-Resonatoren aufweist.
15. Sensorelement (30) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Luftspalt (32) eine Höhe von weniger als 10 mm, vorzugsweise von weniger als 5 mm, aufweist.
16. Sensorelement (30) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch ge- kennzeichnet, dass das Sensorelement eine Modulationseinrichtung (36) zur Erzeugung eines zeitlich variierenden magnetischen Modulationsfelds in dem Luftspalt aufweist, wobei bevorzugt die Modulationsfrequenz bei allen Streifenleitungs-Resonatoren der Resonatoreinrichtung gleich hoch ist.
17. Prüfvorrichtung (20) für die Prüfung eines flächigen Datenträgers, insbesondere einer Banknote, mit einem Spinresonanz-Merkmal, mit einem Sensorelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, und einer Transporteinrichtung, die die zu prüfenden flächigen Datenträger (10) ent- lang eines Transportpfades (14) durch den Luftspalt des Magnetkerns führt, wo- bei die Transporteinrichtung vorteilhaft auf einen schnell-laufenden Transport der zu prüfenden flächigen Datenträger entlang des Transportpfades ausgelegt und eingerichtet ist.
18. Verfahren zur Prüfung eines flächigen Datenträgers (10), insbesondere einer Bank- note, mit einem Spinresonanz-Merkmal (12) mittels eines Sensorelements (30) nach ei- nem der Ansprüche 1 bis 16 oder einer Prüfvorrichtung (20) nach Anspruch 17, wobei bei dem Verfahren ein zu prüfender flächiger Datenträger (10) entlang eines Transportpfades durch den Luftspalt des Magnetkerns des genannten Sensorelements (30) geführt wird, mit der Polarisationseinrichtung (34) ein statischer magnetischer Fluss und vor- zugsweise mit einer Modulationseinrichtung (36) ein zeitlich variierendes mag- netisches Modulationsfeld in dem Luftspalt erzeugt wird, und mit der Signalquelle (22) gleichzeitig die Mehrzahl der Streifenleitungs-Resona- toren (46) der Resonatoreinrichtung (40) gespeist werden und mit der Resonatoreinrichtung (40) das Spinresonanz-Merkmal (12) des zu prü- fenden Datenträgers (10) angeregt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Resona torein- richtung (40) von der Signalquelle mit einer hohen Ausgangsleistung gespeist wird, bei der bei einer Prüfung des Spinresonanz-Merkmals mit einem einzelnen der Streifenlei- tungs-Resonatoren eine Signalsättigung auftritt.
PCT/EP2023/025209 2022-05-06 2023-05-05 Sensorelement, prüfvorrichtung und verfahren für die prüfung eines datenträgers mit spinresonanz-merkmal WO2023213438A1 (de)

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