WO2024099800A1 - Elektro-akustisches multifunktionsmodul und elektro-akustisches kommunikationssystem - Google Patents

Elektro-akustisches multifunktionsmodul und elektro-akustisches kommunikationssystem Download PDF

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WO2024099800A1
WO2024099800A1 PCT/EP2023/080072 EP2023080072W WO2024099800A1 WO 2024099800 A1 WO2024099800 A1 WO 2024099800A1 EP 2023080072 W EP2023080072 W EP 2023080072W WO 2024099800 A1 WO2024099800 A1 WO 2024099800A1
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acoustic
electro
multifunctional
module
outer side
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PCT/EP2023/080072
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English (en)
French (fr)
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Michael Gebhart
Dominik Gürtl
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TDK Electronics AG
Original Assignee
TDK Electronics AG
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Publication date
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W44/00—Electrical arrangements for controlling or matching impedance
    • H10W44/20—Electrical arrangements for controlling or matching impedance at high-frequency [HF] or radio frequency [RF]
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B11/00—Transmission systems employing ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2201/00—Indexing scheme relating to printed circuits covered by H05K1/00
    • H05K2201/10—Details of components or other objects attached to or integrated in a printed circuit board
    • H05K2201/10007—Types of components
    • H05K2201/10083—Electromechanical or electro-acoustic component, e.g. microphone

Definitions

  • An electro-acoustic multifunctional module and an electro-acoustic communication system are specified.
  • RF connection radio frequency
  • RFID tags RFID tags
  • NFC tags near-field communication
  • the publication WO 2021/197735 Al describes a transmission arrangement with a primary piezoelectric transducer and a secondary piezoelectric transducer, by means of which an acoustic signal can be transmitted through a medium.
  • the publication WO 2022/101215 A1 describes a so-called ID tag in which a corresponding transponder chip is attached directly to a piezoelectric transducer.
  • To control such piezoelectric transducers specially adapted additional electrical and electronic components must be made available, which must be connected together to form complex, multi-part and cost-intensive circuit arrangements that can only be used individually for the respective intended application.
  • At least one task of certain embodiments is to specify an electro-acoustic multifunctional module. At least another task of certain embodiments is to specify an electro-acoustic communication system.
  • an electro-acoustic multifunctional module has a module body with a first outer side, on which an electrical interface is provided, and a second outer side, on which an acoustic interface is provided.
  • the electro-acoustic multi-function module which is also referred to below as multi-function module or simply as module forms a single, inseparable unit during normal operation and can therefore also be referred to as a monolithic device.
  • a module is therefore used to describe a device which, as part of its usual and intended use, is provided and installed as a one-piece component.
  • the term module in the present sense therefore does not include devices which are made up of several components which can be connected to one another by a user or which can be easily separated from one another by a user, for example by loosening mechanical connections using conventional tools and by removing soldered connections.
  • the module and in particular the module body cannot be disassembled into several parts without causing damage under normal conditions and is therefore referred to here and in the following as being one-piece.
  • the one-piece module body can be designed in such a way that it is not possible to non-destructively access those parts of the module in the module body which are not accessible from the outside in the normal, intended state of the module.
  • the multifunctional module is designed in such a way that it has several functionalities.
  • the several functionalities can in particular include data transmission and energy transmission, whereby the module can be used on a transmitter side and also on a receiver side.
  • one or more functionalities of the module can be selected by an external connection of the electrical interface that can be carried out by a user.
  • an electro-acoustic communication system for communication through a wall i.e. in particular for acoustic data and/or energy transmission through the wall, has at least two electro-acoustic multifunctional modules.
  • the electro-acoustic communication system can also be referred to below as a communication system or simply as a system.
  • the communication system can have at least two identical multifunctional modules, each of which has different functionalities that can be selected by different external connections of the respective electrical interface.
  • Each of the identical multifunctional modules offers in particular the same collection of different functionalities that are inherently provided and made available.
  • the functionality required for the individual multifunctional module, which depends on the desired application, is selected by the external connection.
  • the communication system in particular has at least a first electro-acoustic multifunctional module of the at least two electro-acoustic multifunctional modules, which is mounted on a first side of the wall is attached.
  • the at least one first multifunctional module with the acoustic interface is attached to the first side of the wall.
  • the communication system has at least one further electro-acoustic multifunctional module of the at least two electro-acoustic multifunctional modules, which is attached to a second side of the wall opposite the first side.
  • the at least one further multifunctional module with the acoustic interface is attached to the second side of the wall so that the acoustic interfaces face each other.
  • the at least one first multifunctional module and the at least one further multifunctional module can particularly preferably be attached directly opposite each other on the wall.
  • an acoustic wave generated by the acoustic interface of one multifunctional module can be detected through the wall by the acoustic interface of the other multifunctional module, with the acoustic wave being passed through the wall.
  • the communication system thus forms a system that can also be referred to as an ADL (acoustic data link).
  • ADL acoustic data link
  • Unidirectional or bidirectional communication can be possible here.
  • one of the multifunctional modules acts as a transmitter that sends out acoustic waves, while the other of the multifunctional modules acts as a receiver that detects the acoustic waves. This can make it possible, for example, to transfer energy through the wall.
  • data can be transmitted to the receiving multifunctional module, for example.
  • a multi-function module that receives first can, after detecting corresponding acoustic waves that are intended for energy transmission and/or that represent suitable control signals, generate acoustic waves itself as a response, which are received by the multi-function module that transmits first.
  • data can be queried through the wall once or continuously.
  • At least one multifunctional module can be connected to electrical and/or electronic components, whereby the respective functionality is selected.
  • the multifunctional modules can also be used, for example, to enable communication between the connected components on both sides of the wall.
  • a "wall” is generally referred to as a material that conducts acoustic waves.
  • the wall can particularly preferably be a metal wall.
  • other materials for the wall are also possible that have sufficient structure and strength to conduct acoustic waves.
  • they can be glued to the wall with the acoustic interface, for example with an epoxy resin-based adhesive or another adhesive that is not or only slightly elastic when cured.
  • mounting can also be carried out using a magnet on a metal wall, for example, whereby the magnet can be glued to the acoustic interface of the multifunctional module.
  • a first plurality of electro-acoustic multifunctional modules to be attached to the first side of the wall and a further plurality of multifunctional modules to be attached to the second side of the wall.
  • a further multifunctional module can be attached to the second side.
  • all multifunctional modules of the communication system are designed in the same way.
  • identical multifunctional modules are used on both sides of the wall, so that the multifunctional modules can be used as a universal component on each side of the wall and the communication system can therefore have a simple and cost-effective structure.
  • the electro-acoustic multifunctional module and the electro-acoustic communication system can be provided and set up to operate electronic components such as sensors inside or outside a room surrounded by a wall from the other side without cables and to enable an exchange of information and/or energy.
  • a corresponding first electronic component for example a sensor
  • a further electronic component is connected to the at least one further multifunctional module, which forms a suitable control for the first electronic component.
  • the fact that an electronic component is connected to a multifunctional module can particularly preferably mean that the electronic component is mounted directly on the multifunctional module or the multifunctional module is mounted directly on the electronic component.
  • a sensor can, for example, be an active sensor, i.e. a sensor with integrated signal processing and particularly preferably also with a digital interface. Such components can only perform their function if they receive at least a small electrical supply, which can be provided by the connected multifunctional module.
  • a sensor can be based on MEMS technology (MEMS: microelectromechanical system).
  • the acoustic interface of the multifunctional module has a piezoelectric component.
  • the piezoelectric component is provided and designed in particular for converting an electrical voltage signal, for example a carrier frequency, into an acoustic wave, particularly preferably with the same signal form, and vice versa.
  • the piezoelectric component can thus convert an electrical voltage signal into an acoustic wave, which is then emitted by the piezoelectric component, and conversely convert an acoustic wave incident on the piezoelectric component from outside into an electrical voltage.
  • the piezoelectric component is thus an electro-acoustic transducer.
  • the piezoelectric component can preferably comprise a lead-free material.
  • the piezoelectric component can also comprise PZT (lead zirconate titanate), for example.
  • the piezoelectric component is particularly preferably in the form of a circular or polygonal Disk which is applied to the second outer side of the module body.
  • a height of the piezoelectric component along the arrangement direction of the piezoelectric component on the module body is less than a width or a diameter of the piezoelectric component in a direction perpendicular to the arrangement direction.
  • the piezoelectric component can have electrode layers, for example on at least two areas and preferably on two sides, for example on two opposite sides, which are provided and designed for the electrical connection of the piezoelectric component.
  • the piezoelectric component can particularly preferably be designed as a disk with a bottom side facing the module body and an upper side facing away from the module body and opposite the bottom side, with a first electrode layer being applied to the top side and a second electrode layer being applied to the bottom side.
  • the first electrode layer can extend over a side edge of the disk to the bottom side, so that electrical contact with the piezoelectric component is only possible from the bottom side.
  • the second outer side of the module body has a first surface area.
  • the piezoelectric component can occupy a second surface area on the second outer side, which is preferably greater than or equal to 50% or greater than or equal to 60% or greater than or equal to 70% of the first surface area.
  • the available space on the second outer side can be used efficiently for the acoustic interface.
  • the piezoelectric component is designed as a circular disk formed, the disc can preferably have a diameter which substantially corresponds to a side length of the module body or at least 80% or at least 90% of the side length of the module body.
  • a region of the part or the entire part of the second outer side that is free, i.e. not covered, by the piezoelectric component is covered with a protective layer.
  • the piezoelectric component itself can be free of the protective layer at least on an upper side facing away from the module body.
  • the protective layer can thus surround the piezoelectric component laterally.
  • a protective layer can also be applied over the piezoelectric component.
  • a protective layer can be applied over the entire second outer side.
  • the protective layer can be, for example, a protective varnish, for example based on an epoxy resin.
  • the module body is cuboid-shaped or also designed as a cylinder with a round base or as a prism with a polygonal base.
  • the module body can have a first main surface, which is formed by the first outer side, and a second main surface, which is formed by the second outer side, which are connected to one another by side surfaces.
  • the main surfaces each have a larger surface area than each of the side surfaces. This can also mean that a height of the module body perpendicular to the main surfaces is smaller than the side lengths of the main surfaces.
  • the module body is designed as a cuboid with square main surfaces, the side lengths, i.e.
  • the multifunctional module can have a volume of greater than or equal to 5 mm3 and less than or equal to 300 mm3 and can therefore be very compact and have a small design.
  • the module body has at least two and preferably exactly two printed circuit boards, also referred to as PCBs (printed circuit boards), which are arranged one above the other and connected to one another by means of an intermediate layer.
  • the module body can have a first printed circuit board with the first outer side, on which the electrical interface is provided, and a second printed circuit board with the second outer side, on which the acoustic interface is provided.
  • the intermediate layer is arranged between the first and second printed circuit boards, so that the first and second printed circuit boards are connected by means of the intermediate layer and the first and second printed circuit boards and the intermediate layer are stacked one above the other in a sandwich-like manner.
  • the side of the first printed circuit board facing away from the intermediate layer is preferably the first outer side of the module body, the side of the second printed circuit board facing away from the intermediate layer is preferably the second outer side of the module body.
  • the module body can be manufactured in the form of a composite, also referred to as a panel.
  • a first circuit board composite is provided, which has a large number of Areas which, after later separation, each form a first circuit board of the module body.
  • the areas can be provided with a wiring level, i.e. in particular conductor tracks and assembly areas, and can be equipped with electrical and/or electronic components.
  • a material for the intermediate layer in the form of a plastic material such as a resin, for example an epoxy resin has been applied, preferably over a large area
  • a second circuit board composite can be applied to the intermediate layer, the second circuit board composite having a plurality of areas which, after later separation, each form a second circuit board of the module body.
  • the areas can in particular have electrode structures, which are described further below, which can be formed by metallization.
  • the intermediate layer can form a connecting layer for the material-locking connection of the first circuit board to the second circuit board.
  • the composite By separation, for example sawing, the composite can be divided into a plurality of module bodies.
  • the module body can have traces of the separation process on the side surfaces, for example traces of sawing, grinding and/or polishing processes.
  • the assembly of piezoelectric components can be carried out before or after separation.
  • electrical vias that protrude through the module body can be produced on the first circuit board assembly after the assembly of the second circuit board assembly.
  • the electrical interface has a plurality of electrical connection surfaces, which can also be referred to simply as connection surfaces below.
  • the electrical connection surfaces are arranged on the first outer side.
  • the connection surfaces can be formed by metallization of the first circuit board.
  • the electrical interface can have at least a first connection surface, a second connection surface and a third connection surface.
  • the first and second connection surfaces are electrically connected directly to the acoustic interface.
  • the acoustic interface can be controlled or read directly from the outside by external contacting of the first and second connection surfaces.
  • An electrical via can extend from each of the first and second connection surfaces through the module body to the second outer side.
  • a first electrode structure and a second electrode structure can be present on the second outer side.
  • the first electrode structure can be electrically connected to the first connection area, for example via an electrical via mentioned above.
  • the second electrode structure can be electrically connected to the second connection area, for example via another electrical via mentioned above.
  • the first connection area can be electrically connected directly to the first electrode structure and the second connection area can be electrically connected directly to the second electrode structure via the electrical vias.
  • the piezoelectric component can be attached to the first and second electrode structure and electrically connected.
  • the piezoelectric component can be mounted on the first and second electrode structure soldered on.
  • the piezoelectric component can be glued to the first and second electrode structure, for example with an electrically conductive adhesive.
  • a first electrode layer of the piezoelectric component can be attached to the first electrode structure.
  • a second electrode layer of the piezoelectric component can be attached to the second electrode structure.
  • the first and second electrode structures can each have a grid structure and thus not be formed over the entire surface of areas of the second outer side. This allows good freedom of movement and, at the same time, reliable attachment of the piezoelectric component to the second outer side.
  • connection surface on the first outer side can be electrically connected to a wiring level on an inner side of the first circuit board opposite the first outer side.
  • a wiring level in the form of conductor tracks and contact points can be formed on the inner side of the first circuit board opposite the first outer side and thus facing the intermediate layer.
  • further connection surfaces on the first outer side can be electrically connected to the wiring level.
  • the first connection surface can also be electrically connected to the wiring level.
  • electrical vias can be provided to connect connection surfaces to the wiring level, which extend from the first outer side to the inner side through the first circuit board.
  • the contact points of the wiring level can be designed and configured so that one or more electrical and/or electronic components can be mounted on them.
  • a semiconductor chip in the form of a near-field communication transponder chip can be mounted on the wiring level, i.e. in particular on contact points of the wiring level.
  • the semiconductor chip can have contact points that are soldered onto the contact areas or glued on in an electrically conductive manner.
  • the semiconductor chip can be intended and configured to provide at least one or more of the following functionalities: energy harvesting, I 2 C interface, memory management, encryption.
  • the first connection surface can be connected to the third connection surface via an inductor.
  • the inductor can be mounted on contact points provided for this purpose and wired via conductor tracks.
  • further connection surfaces and/or contact points can be connected to one another via further electrical or electronic components such as resistors, inductors and capacitors.
  • the electro-acoustic multifunctional module described here can form a subassembly of the communication system in the form of a monolithic component with an electrical interface and an acoustic interface.
  • the acoustic interface can particularly preferably be formed by the piezoelectric component in the form of a piezoelectric transducer, which is suitably acoustically coupled to one side of a wall, for example by gluing as described above.
  • the electrical interface can particularly preferably be formed by the electrical connection surfaces, which are in the form of so-called pads on a electrically insulating material, in particular a plastic material of the circuit board forming the first outer side. Such pads are easy to contact by soldering or by another electrical connection technology and can thus be connected, for example, to a sensor or one or more other electronic components.
  • a first multifunctional module can be attached to, for example, the inner side of a wall and acoustically coupled, while another multifunctional module is attached to the outer side of the wall, ideally opposite the first multifunctional module, and acoustically coupled.
  • the multifunctional modules convert the signals into acoustic waves that can penetrate the wall.
  • the multifunctional modules can in particular use suitable signals and protocols to ensure good transmission through the wall.
  • Each of the multifunctional modules can be operated analogously, i.e.
  • Each of the multifunctional modules can therefore function with an NFC protocol and corresponding signals, for example, and can as functions, for example, a universal ID number and/or energy harvesting for a regulated supply voltage and a test of the current capability of the channel and/or a digital I 2 C interface with master function and/or a memory management with fixed and/or volatile memory and/or encryption.
  • Figure 1 is a schematic representation of an electro-acoustic multifunctional module according to an embodiment
  • FIGS. 2A to 2M are schematic representations of an electro-acoustic multifunctional module according to further embodiments.
  • FIG. 3 is a schematic representation of an electro-acoustic communication system according to another embodiment
  • FIG. 4 is a schematic representation of an electro-acoustic communication system according to another embodiment
  • FIG. 5 is a schematic representation of an electro-acoustic communication system according to another embodiment.
  • Figure 6 is a schematic representation of an electro-acoustic communication system according to a further embodiment.
  • identical, similar or similarly acting elements can each be provided with the same reference symbols.
  • the elements shown and their relative sizes to one another are not to be regarded as being to scale; rather, individual elements, such as layers, components, structural elements and areas, can be shown exaggeratedly large for better representation and/or better understanding.
  • FIG. 1 shows an electro-acoustic multifunctional module 100 according to an exemplary embodiment.
  • the multifunctional module 100 has a one-piece module body 1 with a first outer side 11 and a second outer side 12.
  • An electrical interface 13 is provided on the first outer side 11.
  • An acoustic interface 14 is provided on the second outer side 12, which has a piezoelectric component 30.
  • the multifunctional module 100 is designed such that, for example, it can provide an acoustic output signal at the acoustic interface 14 based on an electrical input signal at the electrical interface 13. Simply put, the multifunctional module 100 can convert an electrical signal directly or indirectly into an acoustic signal.
  • the multifunctional module 100 is designed such that, based on an acoustic input signal at the acoustic interface 14, it can provide an electrical signal in an internal circuit and/or at the electrical interface 13. Simply put, the multifunctional module 100 can convert an acoustic signal directly or indirectly into an electrical signal.
  • the multifunctional module 100 is particularly designed to have several functionalities. The several Functionalities can in particular include data transmission and energy transmission, whereby the multifunctional module 100 can be used both on a transmitter side and on a receiver side of a communication system. In particular, one or more functionalities of the multifunctional module 100 can be selected by an external connection of the electrical interface 13 that can be carried out by a user. Further features and embodiments of the multifunctional module 100 are explained in connection with Figures 2A to 2M.
  • At least two multifunctional modules 100 can be part of an electro-acoustic communication system 1000, as explained in more detail in connection with Figures 3 to 6.
  • Figures 2A to 2M show three-dimensional views of the multifunctional module 100 with a view of the acoustic interface 14 and with a view of the electrical interface 13.
  • Figures 2C and 2D show schematic sectional views of various variants of the multifunctional module 100.
  • Figures 2E to 2M show further plan views, sectional views and schematic drawings of parts of the multifunctional module 100 to explain various aspects and features. The following description refers to all Figures 2A to 2M.
  • the multifunctional module 100 has, as can be seen in Figures 2A and 2B, a compact module body 1, which is preferably cuboid-shaped. Alternatively, however, Other shapes are also possible, for example a cylinder shape with a round base or a prism shape with a polygonal base, for example a hexagonal base. Regular polygonal bases such as a rectangle, square or hexagon can be advantageous if, for example, several multifunctional modules 100 are to be arranged close to one another in a space-saving manner.
  • the module body 1 has a first main surface, which is formed by the first outer side 11 with the electrical interface 13.
  • the module body 1 also has a second main surface, which is formed by the second outer side 12 with the acoustic interface 14.
  • the two main surfaces are connected to one another by side surfaces.
  • the main surfaces each have a larger surface area than each of the side surfaces, as shown, so that a height of the module body 1 perpendicular to the main surfaces is smaller than the side lengths of the main surfaces.
  • the module body 1 is designed as a cuboid with square main surfaces with side lengths, i.e.
  • the multifunctional module 100 can have a volume of greater than or equal to 5 mm 3 and less than or equal to 300 mm 3 and thus be very compact and have a small design.
  • the multifunctional module 100 with the cuboid module body 1 dimension of 5 .1 mm x 5 .1 mm * 1 .2 mm ( length * width * height ) .
  • the module body 1 has two circuit boards 15, 16 which are arranged one above the other and connected to one another by means of an intermediate layer 17, as indicated by the dashed lines in Figures 2A, 2C and 2D.
  • the module body 1 has a first circuit board 15 with the first outer side 11 on which the electrical interface
  • the first and second circuit boards 15 are provided on .
  • the module body 1 is preferably manufactured in the form of a composite, as described above in the general part.
  • the side of the first circuit board facing away from the intermediate layer 17 is preferably manufactured in the form of a composite, as described above in the general part.
  • the intermediate layer 17 can be formed from a plastic material such as a resin, for example with or from epoxy, and can cover electrical and electronic components mounted on the first circuit board 15 completely and preferably without cavities, so that the entire area between the first and second circuit boards 15, 16 is filled and the intermediate layer 17 forms a connecting layer for the material-locking connection of the first circuit board 15 to the second circuit board 16.
  • a piezoelectric component 30 is mounted as an acoustic interface 14.
  • the piezoelectric component 30 is an electro-acoustic transducer and has a piezoelectric material 33 on which electrode layers 31, 32 are applied for electrical contact, as is indicated in a sectional view in Figure 2G.
  • the piezoelectric component 30 preferably has a lead-free material.
  • the piezoelectric component 30 can also have PZT, for example.
  • the piezoelectric component 30 is particularly preferably designed in the form of a circular disk.
  • the piezoelectric component 30 can also be a polygonal disk, for example.
  • a height of the piezoelectric component 30 along the arrangement direction of the piezoelectric component 30 on the module body 1 is smaller than a width or a diameter of the piezoelectric component 30 in a direction perpendicular to the arrangement direction.
  • the second circuit board 16 has a first electrode structure 61 and a second electrode structure 62 on the second outer side 12 for mounting and electrically connecting the piezoelectric component 30, which are formed on regions of the second outer side 12.
  • the position of the piezoelectric component 30 above the electrode structures 61, 62 is also indicated by the dashed line.
  • the first and second electrode structures 61, 62 which are particularly preferably formed by metallizations of the second circuit board 16, each have a grid structure and are therefore not formed over the entire surface of the intended areas of the second outer side 12.
  • the first electrode structure 61 is contacted by an electrical via 41 which extends through the module body 1 from the second outer side 12 to the first outer side 11.
  • the second electrode structure 62 is contacted by a further electrical via 42 which extends through the module body 1 from the second outer side 12 to the first outer side 11.
  • the piezoelectric component 30 is attached to the first and second electrode structure 61, 62 and electrically connected, as indicated in Figure 2G.
  • the piezoelectric component 30 can be soldered or glued onto the first and second electrode structure 61, 62 as shown using a suitable connecting layer 70, which can be formed by a solder or an adhesive.
  • the piezoelectric component has
  • the piezoelectric component 30 which is designed as a disk, has a bottom side facing the second circuit board 16 and thus the module body and a top side facing away from the second circuit board 12 and thus the module body and opposite the bottom side, with the first electrode layer 31 being attached to the top side. and the second electrode layer 32 is applied to the underside.
  • the first electrode layer 31 extends over a side edge of the disk to the underside in order to enable the previously described fastening from the underside.
  • the assembly of the piezoelectric component 30 is particularly preferably carried out by means of ref low soldering, by means of an electrically conductive adhesive or also by means of an electrically non-conductive adhesive.
  • an electrically non-conductive adhesive the electrode structures 61, 62 and electrode layers 31, 32 arranged on top of one another are pressed against one another by shrinking when the adhesive hardens in such a way that an electrically conductive contact is created.
  • the piezoelectric component 30 covers as large a part of the second outer side 12 as possible.
  • the second outer side 12 of the module body 1 can, for example, have a first surface area, while the piezoelectric component 30 on the second outer side 12 can occupy a second surface area which is preferably greater than or equal to 50% or greater than or equal to 60% or particularly preferably greater than or equal to 70% of the first surface area.
  • the piezoelectric component 30 is designed as a circular disk as shown, the disk can preferably have a diameter which essentially corresponds to a side length of the module body 1 or at least 80% or at least 90% thereof.
  • the part of the second outer side 12 which is free i.e.
  • the piezoelectric component 30 is at least partially or completely covered with a protective layer 90, as can be seen in Figures 2A and 2C.
  • the piezoelectric component 30 itself can be free of the protective layer 90 on an upper side facing away from the module body 1.
  • the protective layer 90 can be applied over the entire second outer side 12 and thus also over the piezoelectric component 30, as is indicated in Figure 2D.
  • the protective layer 90 can be additionally or alternatively applied over parts of the side surfaces or the entire side surfaces and/or over parts of the first outer side 11 or the entire first outer side 11 (in each case not shown).
  • the protective layer 90 can in particular be electrically insulating and, for example, have a protective varnish or be a protective varnish.
  • the protective varnish can, for example, contain or be an epoxy resin.
  • the module body 1 i.e. in particular the first circuit board 15 of the module body 1, has a plurality of electrical connection surfaces 21 to 28 as an electrical interface 13, as can be seen in particular in Figures 2B and 2H.
  • the electrical connection surfaces 21 to 28 are arranged on the first outer side 11 and are particularly preferably designed as metallizations of the first circuit board 15.
  • the electrical interface 13 has in particular a first connection surface 21 and a second connection surface 22, wherein the first connection surface 21 is connected to the first electrode structure 61 on the second outer side 12 is directly electrically connected, while the second connection surface 22 is directly electrically connected to the second electrode structure 62 on the second outer side 12 via the previously described further electrical via 42 through the module body 1, as can be seen in the sectional view shown in Figure 21 through the module body 1 along the cutting plane HH indicated in Figure 2H.
  • the acoustic interface 14 can be directly controlled or read from the outside by external contacting of the first and second connection surfaces 21, 22, which corresponds to an analog operation of the multifunctional module 100.
  • the first circuit board 15 has, as an electrical interface 13 on the first outer side 11, in addition to the first and second connection surfaces 21, 22, further connection surfaces 23 to 28. Furthermore, on the inner side 18 of the first circuit board 15 opposite the first outer side 11 and thus facing the intermediate layer 17, a wiring level 80 in the form of contact points 81 and conductor tracks 82 is formed, as can be seen in various top views of the inner side 18 in Figures 2J, 2K and 2L. In Figure 2L, the positions of the connection surfaces 21 to 28 on the first outer side 11 are also indicated.
  • Figure 2M shows a schematic circuit diagram of the wiring level 80 and the connection surfaces 21 to 28.
  • the contact points 81 of the wiring level 80 can be provided and set up so that one or more electrical and/or electronic components can be mounted on them.
  • the semiconductor chip 50 is designed to provide at least one or more of the following functionalities: energy harvesting, I 2 C interface, memory management, encryption.
  • the semiconductor chip 50 can be a chip from the "NTAG" series from NXP Semiconductors.
  • the design of the wiring level 80 and the designations in Figure 2L and in particular in the circuit diagram in Figure 2M are shown purely as examples for such a semiconductor chip and are not to be understood as limiting.
  • connection surfaces 21 to 28 is electrically connected to the wiring level 80 via at least one electrical via 41 to 48.
  • a third connection surface 23 on the first outer side 11 is electrically connected to the wiring level 80 on the inner side 18 of the first circuit board 15.
  • the first connection surface 21 is also electrically connected to the wiring level 80 via the previously described electrical via 41, which extends through the module body 1.
  • further connection surfaces on the first outer side can be electrically connected to the wiring level via electrical vias.
  • the connection surfaces 21, 23, 24, 25, 26 and 28 are electrically connected to the wiring level 80 via one of the electrical vias 41, 43, 44, 45, 46 and 48.
  • connection surfaces and contact points can be connected via other electrical or electronic components such as resistors, inductors and capacitors, which in Figures 2L and 2M are designated RI, R2, LI and CI, are connected to one another.
  • resistors inductors and capacitors
  • in Figures 2L and 2M are designated RI, R2, LI and CI
  • the use of the inductor designated LI between the first and third connection areas 21, 23 can be particularly advantageous.
  • an inductor with an inductance of 220 nH, a capacitor with a capacitance of 100 nF and resistors each with a resistance value of 22 kOhm can be used.
  • the acoustic interface 14 can be connected to the semiconductor chip 50, so that digital operation of the acoustic interface 14 is possible.
  • the multifunctional module 100 described here is compact and delimited and offers a clearly defined range of functions, which is described below in conjunction with further features and exemplary embodiments.
  • the multifunctional module 100 has defined mechanical, electrical and information technology properties due to its structure, which can be used in particular for an electro-acoustic communication system 1000, which is described in various application possibilities in conjunction with Figures 3 to 6.
  • the communication system 1000 has at least two identical multifunctional modules 100, which, as described above and below, each have a collection of different functionalities that can be selected through different external connections of the respective electrical interface.
  • the communication system 1000 therefore has in particular at least a first electro-acoustic multifunctional module 100 of the at least two electro-acoustic multifunctional modules 100, which is attached to a first side of the wall 200.
  • the at least one first multifunctional module 100 with the acoustic interface is attached to the first side of the wall 200.
  • the communication system 1000 has at least one further electro-acoustic multifunctional module 100 of the at least two electro-acoustic multifunctional modules 100, which is attached to a second side of the wall 200 opposite the first side.
  • the at least one further multifunctional module 100 with the acoustic interface is attached to the second side of the wall 200, so that the acoustic interfaces of the two multifunctional modules 100 face each other.
  • the at least one first multifunctional module 100 and the at least one further multifunctional module 100 can, as shown, particularly preferably be attached directly opposite each other on the wall 200.
  • an acoustic wave generated by the acoustic interface of one multifunctional module 100 can be transmitted through the wall 200 from the acoustic Interface of the further multifunctional module 100 can be detected, the acoustic wave being conducted through the wall 200.
  • Unidirectional operation or bidirectional operation may be possible here.
  • the wall 200 can particularly preferably be a metal wall. Furthermore, other materials for the wall are also possible which have sufficient structure and strength to conduct acoustic waves.
  • each of the multifunctional modules 100 can also be mounted on a metal wall using a magnet, wherein the magnet is glued to the acoustic interface of the respective multifunctional module 100.
  • At least one respective multifunctional module is connected to electrical and/or electronic components, whereby the respective functionality is selected and communication between the electrical and/or electronic components on the two sides of the wall is made possible.
  • Each of the multifunctional modules 100 is provided with all its components as a one-piece device and is available as a structural unit that cannot be disassembled into several parts without causing damage under normal conditions. This applies in particular to the module body.
  • the technology described above also referred to as “embedded components PCB", is used to construct the multifunctional modules.
  • This technology contains an electronic circuit with the near-field communication transponder chip in a miniaturized design in the one-piece module body.
  • the acoustic interface is formed by the piezoelectric component as described.
  • each of the multifunctional modules 100 On the bottom or rear side of each of the multifunctional modules 100, which faces away from the wall and which is formed by the first outer side, there are the connection surfaces that form electrical connection pads that enable electrical connection of further elements in the form of external components such as a sensor, an analog-digital converter and the like.
  • the multifunctional module 100 offers a variety of different application possibilities that are possible without changing the respective internal architecture of the multifunctional modules. are .
  • each of the multi-function modules 100 has the piezoelectric transducer in the form of the piezoelectric component, which is well suited for electro-acoustic conversion in a certain frequency range.
  • This can particularly preferably be a frequency range of greater than or equal to 9 MHz and less than or equal to 15 MHz, in which, for example, the frequency 13.56 MHz usual for near-field communication lies. Direct or indirect electrical contact from the outside to the piezoelectric component is possible via the electrical interface.
  • the multi-function module can be connected 100 on one side, for example, as indicated in Figure 4 on the left side of the wall, connect an electronic component 400 such as an NFC reader with a suitable adaptation network. If the reader supports, for example, the ISO/IEC15693 standard or another corresponding standard, an acoustic transmission of energy and data through a wall 200 such as a metal wall is possible.
  • each of the multifunctional modules 100 offers an electrical circuit in the form of a semiconductor chip, which is a transponder and which can be formed, for example, by an integrated circuit (IC) from the NTAG series from NXP Semiconductors. As described above, it is possible to connect such a circuit at the input to the piezoelectric component via the electrical interface. If such a multifunctional module 100, shown on the right-hand side of the wall in Figure 4, is addressed with a suitable protocol and suitable signals, it responds in the protocol and reveals its universal ID number.
  • IC integrated circuit
  • the unique ID number of the transponder formed by the semiconductor chip can thus be read out via the acoustic channel if all the necessary framework conditions are met, for example if the semiconductor chip receives sufficient voltage amplitude for its function.
  • the multi-function module 100 on the right side of the wall 200 in Figure 4 can, in addition to the function of an acoustic ID tag, also fulfill the function of a non-volatile data storage device, which can be read by the part of the communication system 1000 arranged to the left of the wall 200.
  • the electrical connection surfaces and/or other parts of the module can be coated with an insulating protective layer 91 as mentioned above, as indicated in Figure 4.
  • the control side i.e. on the left-hand side of the wall in Figure 4
  • external electronics such as a so-called reader as described
  • Another transponder or another circuit can also be connected to the electrical interface.
  • an external adaptation network can also be connected and, if required, connected to the second input of the integrated transponder circuit via the first connection surface. This can, for example, lead to an improvement in efficiency through a larger and possibly more expensive adaptation network.
  • the integrated transponder circuit in the form of the wiring level with the semiconductor chip with the piezoelectric component can be made possible, as described above, for example by establishing an electrical connection between the third connection surface and the piezoelectric component, which is achieved by electrically connecting the second and third connection surfaces. This is possible directly using external wiring by short-circuiting the second and third connection surfaces, or by adding further elements in the connection between the second and third connection surfaces, which are suitable for impedance matching, for example. If the integrated semiconductor chip is connected to the piezoelectric component in this way, functions such as energy harvesting and a digital interface are available. In this case, it can also be advantageous for some applications, for example, if the other connection surfaces of the electrical interface of the multifunctional module on the control side are not connected to one another, but are used according to their transponder function.
  • FIG. 5 A corresponding application example is indicated in Figure 5.
  • other components 401 in the form of circuits and/or electronic components for example MEMS components and/or sensors, can be electrically and/or mechanically connected to the electrical interface and thus to the multifunctional module 100 in the manner of a "modular system", as is indicated in Figure 5 on the right-hand side of the wall.
  • harvested electrical power is available via the connection areas 24 and 28 marked “GND” and "VCC” in Figure 2M if the basic conditions are selected appropriately. Any electrical consumer can be connected to these connection areas if its power consumption is lower than the power that can be made available via the acoustic signal transmission through the wall and the semiconductor chip.
  • This Output can be switched on and off by control by commands of the previously described reader, which as previously mentioned is connected to the multifunctional module 100 on the left side of the wall in Figure 5.
  • three different regulated voltages can be provided with the previously described semiconductor chip, namely 1.8 V, 2.4 V and 3.0 V, and the current carrying capacity can be tested before activation.
  • the communication system 1000 can accordingly have a first plurality of electro-acoustic multifunctional modules 100 on the first side of the wall 200 and a further plurality of multifunctional modules 100 on the second side of the wall 200, which are connected in parallel and connected to an electronic component 401 such as a sensor.
  • an electronic component 401 such as a sensor.
  • a further multifunctional module 100 can be attached to the second side.
  • all multifunctional modules 100 of the communication system 1000 are designed identically.
  • the multi-functional modules 100 are used on each side of the wall, so that the multi-functional modules 100 can be used as a universal component on each side of the wall and the communication system 1000 can thus have a simple and cost-effective structure.
  • the transmission reliability can be increased by a corresponding plurality of multifunctional modules 100 per side of the wall 200.
  • a digital interface according to I 2 C specification with master function is available in addition to the connection areas 24 and 28 marked “GND” and “VCC” in Figure 2M via the connection areas 25 and 26 marked “SDA” and “SCL". It can be configured, for example in the communication system of Figure 5, via the reader connected on the left side of the wall in the multi-function module 100 connected to it or, via the acoustic signal transmission through the wall 200, in the multi-function module 100 on the right side of the wall 200 and can be used to establish digital bidirectional communication with any component 401 electrically connected to the multi-function module 100 on the right side of the wall.
  • the multifunctional module described here can serve as a central element in a modular system for setting up communication systems with acoustic energy and/or data transmission.
  • Different sensors can be connected via the generally usable electrical interface. These can also follow the small design of the multifunctional module. In this way, one obtains a range of possible sensor functions based on a single type of communication module in the form of the multifunctional module described here. This makes it possible to produce a large number of identical components without having to adapt them to their later use during production.

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Abstract

Es wird ein elektro-akustisches Multifunktionsmodul (100) angegeben, das einen Modulkörper (1) mit einer ersten Außenseite (11), auf der eine elektrische Schnittstelle (13) vorgesehen ist, und einer zweiten Außenseite (12), auf der eine akustische Schnittstelle (14) vorgesehen ist, aufweist, wobei das Multifunktionsmodul (100) als eine im Normalbetrieb untrennbare einzige Einheit ausgebildet ist und so eingerichtet ist, dass es mehrere Funktionalitäten aufweist, die zumindest eine Datenübertragung und eine Energieübertragung und die Verwendung auf einer Senderseite und einer Empfängerseite beinhalten, und eine oder mehrere Funktionalitäten durch eine von einem Benutzer durchführbare externe Verschaltung der elektrischen Schnittstelle (13) wählbar ist. Weiterhin wird ein elektro-akustisches Kommunikationssystem (1000) angegeben.

Description

Beschreibung
ELEKTRO-AKUSTISCHES MULTI FUNKTIONSMODUL UND ELEKTRO- AKUSTISCHES KOMMUNIKATIONSSYSTEM
Es werden ein elektro-akustisches Multi funktionsmodul und ein elektro-akustisches Kommunikationssystem angegeben .
Um elektronische Komponenten, die sich auf unterschiedlichen Seiten einer Wand befinden, beispielsweise zum Energie- oder Datenaustausch miteinander zu verbinden, ist es bekannt , Kabel zu verwenden, die durch Bohrungen durch die Wand hindurch geführt werden . Alternativ hierzu sind kabellose Verbindungen bekannt . Beispielsweise kann eine auf elektromagnetischer Strahlung basierende Kommunikationstechnologie , also eine sogenannte RF-Verbindung (RE : Radiofrequenz ) verwendet werden, die j edoch nur im Fall einer elektrisch nicht-leitenden oder nur schwach leitenden Wand oder auch einer zwar elektrisch leitendenden, aber sehr dünnen Wand genutzt werden kann, um Energie und Daten von einer Seite der Wand auf die andere Seite der Wand zu übertragen . Je nach Dicke der elektrisch leitenden Wand sind hierbei j edoch erhebliche Verluste in Kauf zu nehmen . Beispielsweise sind für die Anwendung einer ID-Kennzeichnung sogenannte RFID-Tags (REID : „radio- f requency identi fication" , Radiofrequenzidenti fikation) oder andere sogenannten NFC-Tags (NEC : „near- field communication" , Nahfeldkommunikation) bekannt , die beispielsweise auf einer äußeren Metalloberfläche verwendet werden können .
Die Druckschri ft WO 2021 / 197735 Al beschreibt eine Übertragungsanordnung mit einem primären piezoelektrischen Wandler und einem sekundären piezoelektrischen Wandler, mittels derer durch ein Medium ein akustisches Signal übertragen werden kann . Die Druckschri ft WO 2022 / 101215 Al beschreibt einen sogenannten ID-Tag, bei dem unmittelbar auf einem piezoelektrischen Wandler ein entsprechender Transponder-Chip befestig ist . Zur Ansteuerung solcher piezoelektrischer Wandler müssen speziell angepasste weitere elektrische und elektronische Komponenten zur Verfügung gestellt werden, die zu nur individuell für die j eweilige beabsichtigte Anwendung nutzbaren, komplexen, mehrteiligen und kostenintensiven Verschaltungsanordnungen zusammengeschaltet werden müssen .
Zumindest eine Aufgabe von bestimmten Aus führungs formen ist es , ein elektro-akustisches Multi funktionsmodul anzugeben . Zumindest eine weitere Aufgabe von bestimmten Aus führungs formen ist es , ein elektro-akustisches Kommunikationssystem anzugeben .
Diese Aufgaben werden durch Gegenstände gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst . Vorteilhafte Aus führungs formen und Weiterbildungen der Gegenstände sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet und gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form weist ein elektro- akustisches Multi funktionsmodul einen Modulkörper mit einer ersten Außenseite , auf der eine elektrische Schnittstelle vorgesehen ist , und einer zweiten Außenseite , auf der eine akustische Schnittstelle vorgesehen ist , auf .
Das elektro-akustische Multi funktionsmodul , das im Folgenden auch kurz als Multi funktionsmodul oder einfach als Modul bezeichnet werden kann, bildet eine im Normalbetrieb untrennbare einzige Einheit und kann somit auch als monolithische Vorrichtung bezeichnet werden . Als Modul wird hier und im Folgenden somit eine Vorrichtung bezeichnet , die im Rahmen ihrer üblichen und vorgesehenen Verwendung als einteilige Komponente bereitgestellt und verbaut wird . Unter den Begri f f Modul im vorliegenden Sinne fallen daher keine Vorrichtungen, die aus mehreren Komponenten gebildet werden, die von einem Benutzer miteinander zu verbinden sind oder die von einem Benutzer leicht , also beispielsweise durch mit üblichen Werkzeugen durchführbares Lösen von mechanischen Verbindungen und durch Entfernen von Lötverbindungen, voneinander getrennt werden können . Dementsprechend kann das Modul und insbesondere der Modulkörper unter Normalbedingungen nicht zerstörungs frei in mehrere Teile zerlegt werden und wird daher hier und im Folgenden als einteilig bezeichnet . Insbesondere kann der einteilige Modulkörper so ausgebildet sein, dass es nicht möglich ist , zerstörungs frei an solche Teile des Moduls im Modulkörper zu gelangen, die im normalen bestimmungsgemäßen Zustand des Moduls nicht von außen zugänglich sind .
Weiterhin ist das Multi funktionsmodul so eingerichtet , dass es mehrere Funktionalitäten aufweist . Die mehreren Funktionalitäten können insbesondere eine Datenübertragung und eine Energieübertragung beinhalten, wobei das Modul auf einer Senderseite und auch auf einer Empfängerseite verwendet werden kann . Insbesondere können eine oder mehrere Funktionalitäten des Moduls durch eine von einem Benutzer durchführbare externe Verschaltung der elektrischen Schnittstelle wählbar sein . Mit anderen Worten ist es einem Benutzer möglich, ein und dasselbe Multi funktionsmodul wahlweise auf einer Sender- oder Empfängerseite einzusetzen und nur aufgrund der vom Benutzer durchführbaren externen Verschaltung eine oder mehrere Funktionalitäten des Multi funktionsmoduls aus zuwählen und in Betrieb zu nehmen .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form weist ein elektro- akustisches Kommunikationssystem zur Kommunikation durch eine Wand, also insbesondere zur akustischen Daten- und/oder Energieübertragung durch die Wand, zumindest zwei elektro- akustische Multi funktionsmodule auf . Das elektro-akustische Kommunikationssystem kann im Folgenden auch kurz als Kommunikationssystem oder einfach als System bezeichnet werden .
Die vorab und nachfolgend beschriebenen Merkmale und Aus führungs formen gelten gleichermaßen für das elektro- akustische Multi funktionsmodul und das elektro-akustische Kommunikationssystem mit den zumindest zwei elektro- akus tischen Multi funktionsmodulen .
Insbesondere kann das Kommunikationssystem zumindest zwei baugleiche Multi funktionsmodule aufweisen, die j eweils unterschiedliche Funktionalitäten aufweisen, die durch unterschiedliche externe Verschaltungen der j eweiligen elektrischen Schnittstelle wählbar sind . Jedes der baugleichen Multi funktionsmodule bietet insbesondere dieselbe Sammlung unterschiedlicher Funktionalitäten auf , die inhärent vorgesehen und bereitgestellt wird . Die für das einzelne Multi funktionsmodul benötigte Funktionalität , die von der gewünschten Anwendung abhängig ist , wird durch die externe Verschaltung ausgewählt . Somit weist das Kommunikationssystem insbesondere zumindest ein erstes elektro-akustisches Multi funktionsmodul der zumindest zwei elektro-akustischen Multi funktionsmodule auf , das an einer ersten Seite der Wand angebracht ist . Insbesondere wird das zumindest eine erste Multi funktionsmodul mit der akustischen Schnittstelle an der ersten Seite der Wand angebracht . Weiterhin weist das Kommunikationssystem zumindest ein weiteres elektro- akustisches Multi funktionsmodul der zumindest zwei elektro- akustische Multi funktionsmodule auf , das an einer der ersten Seite gegenüber liegenden zweiten Seite der Wand angebracht ist . Insbesondere wird das zumindest eine weitere Multi funktionsmodul mit der akustischen Schnittstelle an der zweiten Seite der Wand angebracht , so dass die akustischen Schnittstellen einander zugewandt sind . Das zumindest eine erste Multi funktionsmodul und das zumindest eine weitere Multi funktionsmodul können besonders bevorzugt einander direkt gegenüber liegend an der Wand angebracht sein .
Im Betrieb kann eine akustische Welle , die von der akustischen Schnittstelle des einen Multi funktionsmoduls erzeugt wird, durch die Wand hindurch von der akustischen Schnittstelle des weiteren Multi funktionsmoduls detektiert werden, wobei die akustische Welle durch Wand geleitet wird . Das Kommunikationssystem bildet somit ein auch als ADL ( „acoustic data link" , akustische Datenverbindung) bezeichenbares System . Hierbei kann eine unidirektionale Kommunikation oder eine bidirektionale Kommunikation möglich sein . Im unidirektionalen Betrieb fungiert eines der Multi funktionsmoduls als Sender, der akustische Wellen aussendet , während das andere der Multi funktionsmodule als Empfänger fungiert , das die akustischen Wellen detektiert . Dadurch kann beispielsweise eine Energieübertragung durch die Wand hindurch möglich sein . Weiterhin können beispielsweise dem empfangenden Multi funktionsmodul Daten übermittelt werden . Im bidirektionalen Betrieb kann die Rolle von sendendem und empfangendem Multi funktionsmodul wechseln . Beispielsweise kann ein zuerst empfangendes Multi funktionsmodul nach der Detektion von entsprechenden akustischen Wellen, die zur Energieübertragung vorgesehen sind und/oder die geeignete Steuersignale darstellen, selbst akustische Wellen als Antwort erzeugen, die vom zuerst sendenden Multi funktionsmodul empfangen werden . Beispielsweise können so Daten durch die Wand hindurch einmalig oder fortlaufend abgefragt werden .
Auf j eder Seite der Wand kann das j eweilige zumindest eine Multi funktionsmodul mit elektrischen und/oder elektronischen Bauelementen verschaltet sein, wodurch die j eweilige Funktionalität ausgewählt wird . Über die Multi funktionsmodule kann beispielsweise auch eine Kommunikation zwischen den j eweils angeschlossenen Bauelementen auf den beiden Seiten der Wand ermöglicht werden .
Als „Wand" wird hier und im Folgenden allgemein ein akustische Wellen leitendes Material bezeichnet . Die Wand kann besonders bevorzugt eine Metallwand sein . Weiterhin sind auch andere Materialien für die Wand möglich, die eine ausreichende Struktur und Festigkeit haben, um akustische Wellen zu leiten . Um eine gute akustische Anbindung der Multi funktionsmodule an die Wand zu erreichen, können diese mit der akustischen Schnittstelle beispielsweise an die Wand geklebt sein, beispielsweise mit einem Epoxidharz-basierten Kleber oder auch einem anderen Kleber, der im ausgehärteten Zustand nicht oder nur wenig elastisch ist . Weiterhin kann beispielsweise auch eine Montage mittels eines Magneten an einer Metallwand erfolgen, wobei der Magnet auf der akustischen Schnittstelle des Multi funktionsmoduls aufgeklebt sein kann . Weiterhin kann es auch sein, dass an der ersten Seite der Wand eine erste Mehrzahl von elektro-akustischen Multi funktionsmodulen und an der zweiten Seite der Wand eine weitere Mehrzahl von Multi funktionsmodulen angebracht ist . Insbesondere kann für j edes Multi funktionsmodul an der ersten Seite ein weiteres Multi funktionsmodul an der zweiten Seite angebracht sein .
Besonders bevorzugt sind alle Multi funktionsmodule des Kommunikationssystems gleich ausgebildet . Mit anderen Worten werden auf beiden Seiten der Wand baugleiche Multi funktionsmodule verwendet , so dass die Multi funktionsmodule als universelle Komponente auf j eder Seite der Wand verwendet werden können und das Kommunikationssystem somit einen einfachen und kostengünstigen Aufbau aufweisen kann .
Insbesondere können das elektro-akustische Multi funktionsmodul und das elektro-akustische Kommunikationssystem dafür vorgesehen und eingerichtet sein, elektronische Bauelemente wie beispielsweise Sensoren innerhalb oder außerhalb eines von einer Wand umgebenen Raums von der anderen Seite her kabellos zu betreiben und einen Informations- und/oder Energieaustausch zu ermöglichen . Dazu kann auf der einen Seite ein entsprechendes erstes elektronisches Bauelement , beispielsweise ein Sensor, mit dem zumindest einen ersten Multi funktionsmodul verschaltet werden, während auf der anderen Seite mit dem zumindest einen weiteren Multi funktionsmodul ein weiteres elektronisches Bauelement verschaltet wird, das eine geeignete Ansteuerung für das erste elektronische Bauelement bildet . Dass ein elektronisches Bauelement mit einem Multi funktionsmodul verschaltet wird, kann besonders bevorzugt bedeuten, dass das elektronische Bauelement direkt auf dem Multi funktionsmodul montiert ist oder das Multi funktionsmodul direkt auf dem elektronischen Bauelement montiert ist . Insbesondere kann hierfür Löten verwendet werden . Ein Sensor kann beispielsweise ein aktiver Sensor sein, also ein Sensor mit einer integrierten Signalverarbeitung und besonders bevorzugt auch mit einer digitalen Schnittstelle . Solche Bauelemente können ihre Funktion nur bieten, wenn sie zumindest eine geringe elektrische Versorgung erhalten, die durch das verschaltete Multi funktionsmodul bereitgestellt werden kann . Weiterhin kann ein Sensor auf MEMS-Technologie (MEMS : Mikroelektromechanisches System) basieren .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form weist die akustische Schnittstelle des Multi funktionsmoduls ein piezoelektrisches Bauelement auf . Das piezoelektrische Bauelement ist insbesondere zur Umwandlung eines elektrischen Spannungssignals , beispielsweise einer Trägerfrequenz , in eine akustische Welle , besonders bevorzugt mit derselben Signal form, und umgekehrt vorgesehen und ausgebildet . Das piezoelektrische Bauelement kann somit ein elektrisches Spannungssignal in eine akustische Welle umwandeln, die dann vom piezoelektrischen Bauelement abgegeben wird, und umgekehrt eine von außen auf das piezoelektrische Bauelement einfallende akustische Welle wiederum in eine elektrische Spannung umwandeln . Das piezoelektrische Bauelement ist somit ein elektro-akustischer Wandler .
Das piezoelektrische Bauelement kann bevorzugt ein blei freies Material aufweisen . Alternativ dazu kann das piezoelektrische Bauelement beispielweise auch PZT (Blei-Zirkonat-Titanat ) aufweisen . Das piezoelektrische Bauelement ist besonders bevorzugt in Form einer kreis förmigen oder polygonalen Scheibe ausgebildet , die auf der zweiten Außenseite des Modulkörpers aufgebracht ist . Insbesondere ist eine Höhe des piezoelektrischen Bauelements entlang der Anordnungsrichtung des piezoelektrischen Bauelements auf dem Modulkörper geringer als eine Breite oder ein Durchmesser des piezoelektrischen Bauelements in einer Richtung senkrecht zur Anordnungsrichtung .
Weiterhin kann das piezoelektrische Bauelement beispielsweise auf zumindest zwei Bereichen und bevorzugt auf zwei Seiten, etwa auf zwei einander gegen überliegenden Seiten, Elektrodenschichten aufweisen, die zur elektrischen Anbindung des piezoelektrischen Bauelements vorgesehen und eingerichtet sind . Besonders bevorzugt kann das piezoelektrische Bauelement als Scheibe mit einer dem Modulkörper zugewandten Unterseite und einer vom Modulkörper weggewandten, der Unterseite gegenüberliegenden Oberseite ausgebildet sein, wobei auf der Oberseite eine erste Elektrodenschicht und auf der Unterseite eine zweite Elektrodenschicht aufgebracht ist . Die erste Elektrodenschicht kann sich über einen Seitenrand der Scheibe auf die Unterseite erstecken, so dass eine elektrische Kontaktierung des piezoelektrischen Bauelements ausschließlich von der Unterseite her möglich ist .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form weist die zweite Außenseite des Modulkörpers einen ersten Flächeninhalt auf . Das piezoelektrische Bauelement kann auf der zweiten Außenseite einen zweiten Flächeninhalt belegen, der bevorzugt größer oder gleich 50% oder größer oder gleich 60% oder größer oder gleich 70% des ersten Flächeninhalts ist . Dadurch kann der verfügbare Platz auf der zweiten Außenseite ef fi zient für die akustische Schnittstelle genutzt werden . I st das piezoelektrische Bauelement als kreis förmige Scheibe ausgebildet , kann die Scheibe bevorzugt einen Durchmesser aufweisen, der im Wesentlichen einer Seitenlange des Modulkörpers oder zumindest 80% oder zumindest 90% der Seitenlange des Modulkörpers entspricht .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form ist zumindest ein Bereich des Teils oder auch der gesamte Teil der zweiten Außenseite , der frei , also nicht bedeckt , vom piezoelektrischen Bauelement ist , mit einer Schutzschicht bedeckt . Das piezoelektrische Bauelement selbst kann zumindest auf einer dem Modulkörper abgewandten Oberseite frei von der Schutzschicht sein . Somit kann die Schutzschicht das piezoelektrische Bauelement seitlich umgeben . Alternativ dazu kann auch über dem piezoelektrischen Bauelement eine Schutzschicht aufgebracht sein . In diesem Fall kann über der gesamten zweiten Außenseite eine Schutzschicht aufgebracht sein . Die Schutzschicht kann beispielsweise ein Schutzlack, beispielsweise basierend auf einem Epoxidharz , sein .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form ist der Modulkörper quaderförmig oder auch als Zylinder mit einer runden Grundfläche oder als Prisma mit einer polygonalen Grundfläche ausgebildet . Insbesondere kann der Modulkörper eine erste Hauptoberfläche , die durch die erste Außenseite gebildet wird, und eine zweite Hauptoberfläche , die durch die zweite Außenseite gebildet wird, aufweisen, die durch Seitenflächen miteinander verbunden sind . Bevorzugt weisen die Hauptoberflächen j eweils einen größeren Flächeninhalt als j ede der Seitenflächen auf . Das kann auch bedeuten, dass eine Höhe des Modulkörpers senkrecht zu den Hauptoberflächen kleiner als Seitenlängen der Hauptoberflächen ist . Beispielsweise ist der Modulkörper als Quader ausgebildet mit quadratischen Hauptoberflächen, die Seitenlängen, also eine Länge und eine Breite , aufweisen, die j eweils größer oder gleich 3 mm oder größer oder gleich 4 mm oder größer oder gleich 5 mm und kleiner oder gleich 10 mm oder kleiner oder gleich 7 mm oder kleiner oder gleich 5 , 5 mm und mit einer Höhe von größer oder gleich 0 , 5 mm oder größer oder gleich 1 mm und kleiner oder gleich 3 mm oder kleiner oder gleich 2 mm oder kleiner oder gleich 1 , 5 mm sind . Besonders bevorzugt kann das Multi funktionsmodul ein Volumen von größer oder gleich 5 mm3 und kleiner oder gleich 300 mm3 aufweisen und somit sehr kompakt sein und eine kleine Bauform aufweisen .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form weist der Modulkörper zumindest zwei und bevorzugt genau zwei Leiterplatten, auch als PCB ( „printed circuit board" ) bezeichnet , auf , die übereinander angeordnet und mittels einer Zwischenschicht miteinander verbunden sind . Insbesondere kann der Modulkörper eine erste Leiterplatte mit der ersten Außenseite , auf der die elektrische Schnittstelle vorgesehen ist , und eine zweite Leiterplatte mit der zweiten Außenseite , auf der die akustische Schnittstelle vorgesehen ist , aufweisen . Zwischen der ersten und zweiten Leiterplatte ist die Zwischenschicht angeordnet , so dass die erste und zweite Leiterplatte mittels der Zwischenschicht verbunden sind und die erste und zweite Leiterplatte und die Zwischenschicht sandwichartig übereinander gestapelt sind . Die von der Zwischenschicht abgewandte Seite der ersten Leiterplatte ist bevorzugt die erste Außenseite des Modulkörpers , die von der Zwischenschicht abgewandte Seite der zweiten Leiterplatte ist bevorzugt die zweite Außenseite des Modulkörpers .
Die Herstellung des Modulkörpers kann in Form eines Verbunds , auch als Nutzen bezeichnet , erfolgen . Hierzu wird ein erster Leiterplattenverbund bereitgestellt , der eine Viel zahl von Bereichen aufweist , die nach einem späteren Vereinzeln j eweils eine erste Leiterplatte des Modulkörpers bilden . Die Bereiche können mit einer Verdrahtungsebene , also insbesondere Leiterbahnen und Montagbereichen, versehen sein sowie mit elektrischen und/oder elektronischen Komponenten bestückt sein . Nach einem, bevorzugt groß flächigen, Aufbringen eines Materials für die Zwischenschicht in Form eines Kunststof fmaterials wie etwa eines Harzes , beispielsweise eines Epoxidharzes , kann ein zweiter Leiterplattenverbund auf der Zwischenschicht aufgebracht werden, wobei der zweite Leiterplattenverbund eine Viel zahl von Bereichen aufweist , die nach einem späteren Vereinzeln j eweils eine zweite Leiterplatte des Modulkörpers bilden . Die Bereiche können insbesondere Elektrodenstrukturen, die weiter unten beschreiben sind, aufweisen, die durch Metallisierungen gebildet sein können . Die Zwischenschicht kann eine Verbindungsschicht zum stof f schlüssigen Verbinden der ersten Leiterplatte mit der zweiten Leiterplatte bilden . Durch Vereinzeln, beispielsweise Zersägen, kann der Verbund in eine Viel zahl von Modulkörpern zerteilt werden . Dadurch kann der Modulkörper an den Seitenflächen Spuren des Vereinzelungsprozesses , beispielsweise Spuren von Säge- , Schlei f- und/oder Polierprozessen, aufweisen . Die Montage von piezoelektrischen Bauelementen kann vor oder nach dem Vereinzeln durchgeführt werden . Weiterhin können elektrische Vias , die durch den Modulkörper hindurchragen, nach der Montage des zweiten Leiterplattenverbunds auf dem ersten Leiterplattenverbund hergestellt werden .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form weist die elektrische Schnittstelle eine Mehrzahl von elektrischen Anschluss flächen auf , die im Folgenden auch einfach als Anschluss flächen bezeichnet werden können . Die elektrischen Anschluss flächen sind auf der ersten Außenseite angeordnet . Die Anschluss flächen können durch Metallisierungen der ersten Leiterplatte ausgebildet sein . Insbesondere kann die elektrische Schnittstelle zumindest eine erste Anschluss fläche , eine zweite Anschluss fläche und eine dritte Anschluss fläche aufweisen .
Besonders bevorzugt sind die erste und zweite Anschluss fläche direkt mit der akustischen Schnittstelle elektrisch verbunden . Mit anderen Worten kann die akustische Schnittstelle durch eine externe Kontaktierung der ersten und zweiten Anschluss fläche von extern direkt angesteuert oder ausgelesen werden . Von j eder der ersten und zweiten Anschluss fläche kann j eweils ein elektrisches Via durch den Modulkörper hindurch zur zweiten Außenseite reichen .
Auf der zweiten Außenseite können eine erste Elektrodenstruktur und ein zweite Elektrodenstruktur vorhanden sein . Die erste Elektrodenstruktur kann mit der ersten Anschluss fläche elektrisch verbunden sein, beispielsweise über ein vorab genanntes elektrisches Via . Die zweite Elektrodenstruktur kann mit der zweiten Anschluss fläche elektrisch verbunden sein, beispielsweise über ein weiteres vorab genanntes elektrisches Via . Über die elektrischen Vias können die erste Anschluss fläche direkt mit der ersten Elektrodenstruktur und die zweite Anschluss fläche direkt mit der zweiten Elektrodenstruktur elektrisch verbunden sein .
Das piezoelektrische Bauelement kann an der ersten und zweiten Elektrodenstruktur befestigt und elektrisch angeschlossen sein . Insbesondere kann das piezoelektrische Bauelement auf der ersten und zweiten Elektrodenstruktur aufgelötet sein . Weiterhin kann das piezoelektrische Bauelement auf der ersten und zweiten Elektrodenstruktur aufgeklebt sein, beispielsweise mit einem elektrisch leitenden Klebstof f . Insbesondere kann eine erste Elektrodenschicht des piezoelektrischen Bauelements auf der ersten Elektrodenstruktur befestigt sein . Eine zweite Elektrodenschicht des piezoelektrischen Bauelements kann auf der zweiten Elektrodenstruktur befestigt sein . Die erste und zweite Elektrodenstruktur kann j eweils eine Gitterstruktur aufweisen und somit nicht voll flächig auf Bereichen der zweiten Außenseite ausgebildet sein . Dadurch können eine gute Bewegungs freiheit und gleichzeitig eine zuverlässige Befestigung des piezoelektrischen Bauelements auf der zweiten Außenseite ermöglicht werden .
Weiterhin kann die dritte Anschluss fläche auf der ersten Außenseite mit einer Verdrahtungsebene auf einer der ersten Außenseite gegenüber liegenden Innenseite der ersten Leiterplatte elektrisch verbunden sein . Mit anderen Worten kann auf der der ersten Außenseite gegenüber liegenden und somit der Zwischenschicht zugewandten Innenseite der ersten Leiterplatte eine Verdrahtungsebene in Form von Leiterbahnen und Kontaktstellen ausgebildet sein . Weiterhin können weitere Anschluss flächen auf der ersten Außenseite mit der Verdrahtungsebene elektrisch verbunden sein . Beispielsweise kann auch die erste Anschluss fläche mit der Verdrahtungsebene elektrisch verbunden sein . Insbesondere können zur Verbindung von Anschluss flächen mit der Verdrahtungsebene elektrische Vias vorgesehen sein, die von der ersten Außenseite zur Innenseite durch die erste Leiterplatte hindurch reichen .
Die Kontaktstellen der Verdrahtungsebene können dafür vorgesehen und eingerichtet sein, dass eine oder mehrere elektrische und/oder elektronische Komponenten auf diesen montiert werden können . Beispielsweise kann auf der Verdrahtungsebene , also insbesondere auf Kontaktstellen der Verdrahtungsebene , ein Halbleiterchip in Form eines Nahf eldkommunikationstransponderchips montiert sein . Insbesondere kann der Halbleiterchip Kontaktstellen aufweisen, die auf den Kontaktbereichen aufgelötet oder elektrisch leitend aufgeklebt sind . Der Halbleiterchip kann dazu vorgesehen und eingerichtet sein, zumindest eine oder mehrere der folgenden Funktionalitäten bereitzustellen : Energie-Harvesting, I2C-Schnittstelle , Speicherverwaltung, Verschlüsselung .
Weiterhin kann beispielsweise die erste Anschluss fläche über einen Induktor mit der dritten Anschluss fläche verbunden sein . Der Induktor kann auf dafür vorgesehenen Kontaktstellen montiert und über Leiterbahnen verdrahtet sein . Weiterhin können weitere Anschluss flächen und/oder Kontaktstellen über weitere elektrische oder elektronische Komponenten wie beispielsweise Widerstände , Induktoren und Kapazitäten, mit einander verbunden sein .
Das hier beschriebene elektro-akustische Multi funktionsmodul kann eine Unterbaugruppe des Kommunikationssystems in Form einer monolithischen Komponente mit einer elektrischen Schnittstelle und einer akustischen Schnittstelle bilden . Die akustische Schnittstelle kann besonders bevorzugt durch das piezoelektrische Bauelement in Form eines piezoelektrischen Wandlers gebildet werden, der an eine Seite einer Wand geeignet akustisch angekoppelt wird, beispielsweise wie oben beschreiben durch Kleben . Die elektrische Schnittstelle kann besonders bevorzugt durch die elektrischen Anschluss flächen gebildet werden, die in Form von sogenannten Pads auf einem elektrisch isolierenden Material , insbesondere einem Kunststof fmaterial der die erste Außenseite bildenden Leiterplatte , ausgebildet sind . Solche Pads sind durch Löten oder durch eine andere elektrische Verbindungstechnologie einfach zu kontaktieren und können so beispielsweise mit einem Sensor oder einer oder mehreren anderen Elektronik- Komponenten verbunden werden .
Wie oben beschrieben kann ein erstes Multi funktionsmodul an einer beispielsweise inneren Seite einer Wand angebracht und akustisch angekoppelt werden, während ein anderes Multi funktionsmodul entsprechend an der äußeren Seite der Wand, möglichst dem ersten Multi funktionsmodul gegenüberliegend, angebracht und akustisch angekoppelt wird . Mittels der elektrischen Schnittstellen der Multi funktionsmodule , die j eweils von der Wand weggerichtet angeordnet sind, können auf einfache Weise innen und außen konventionelle Elektronik-Komponenten angeschlossen werden . Die Multi funktionsmodule bewirken eine Umsetzung auf akustische Wellen, die die Wand durchdringen können . Die Multi funktionsmodule können neben der Verwendung geeigneter piezoelektrischer Bauelemente insbesondere geeignete Signale und Protokolle verwenden, um eine gute Übertragung durch die Wand zu gewährleisten . Jedes der Multi funktionsmodule kann analog, also mit direktem Kontakt einer angeschlossenen Elektronik-Komponente zum piezoelektrischen Bauelement , oder digital , also mit Kontakt einer angeschlossenen Elektronik- Komponente zum im Modulkörper angeordneten Halbleiterchip, der beispielsweise Signale und Protokolle als elektrische Signale vom piezoelektrischen Bauelement erhalten oder für dieses bereitstellen kann, betrieben werden . Jedes der Multi funktionsmodule kann somit beispielsweise mit einem NFC- Protokoll und entsprechenden Signalen funktionieren und kann als Funktionen beispielsweise eine universelle ID-Nummer und/oder Energie-Harvesting für eine geregelte Versorgungsspannung und einen Test der Stromfähigkeit des Kanals und/oder eine digitale I2C-Schnittstelle mit Master- Funktion und/oder eine Speicherverwaltung mit festem und/oder flüchtigem Speicher und/oder eine Verschlüsselung anbieten .
Weitere Vorteile , vorteilhafte Aus führungs formen und Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Aus führungsbeispielen .
Es zeigen :
Figur 1 eine schematische Darstellung eines elektro- akustischen Multi funktionsmoduls gemäß einem Aus führungsbeispiel ,
Figuren 2A bis 2M schematische Darstellungen eines elektro- akustischen Multi funktionsmoduls gemäß weiteren Aus führungsbeispielen,
Figur 3 eine schematische Darstellung eines elektro- akustischen Kommunikationssystems gemäß einem weiteren Aus führungsbeispiel ,
Figur 4 eine schematische Darstellung eines elektro- akustischen Kommunikationssystems gemäß einem weiteren Aus führungsbeispiel ,
Figur 5 eine schematische Darstellung eines elektro- akustischen Kommunikationssystems gemäß einem weiteren Aus führungsbeispiel und
Figur 6 eine schematische Darstellung eines elektro- akustischen Kommunikationssystems gemäß einem weiteren Aus führungsbeispiel . In den Aus führungsbeispielen und Figuren können gleiche , gleichartige oder gleich wirkende Elemente j eweils mit denselben Bezugs zeichen versehen sein . Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente , wie zum Beispiel Schichten, Bauteile , Bauelemente und Bereiche , zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein .
In Figur 1 ist ein elektro-akustisches Multi funktionsmodul 100 gemäß einem Aus führungsbeispiel gezeigt . Das Multi funktionsmodul 100 weist einen einteiligen Modulkörper 1 mit einer ersten Außenseite 11 und einer zweiten Außenseite 12 auf . Auf der ersten Außenseite 11 ist eine elektrische Schnittstelle 13 vorgesehen . Auf der zweiten Außenseite 12 ist eine akustische Schnittstelle 14 vorgesehen, die ein piezoelektrisches Bauelement 30 aufweist . Das Multi funktionsmodul 100 ist so ausgebildet , dass es beispielsweise aufgrund eines elektrischen Eingangssignals an der elektrischen Schnittstelle 13 ein akustisches Ausgangssignal an der akustischen Schnittstelle 14 bereitstellen kann . Einfach gesprochen kann das Multi funktionsmodul 100 ein elektrisches Signal direkt oder indirekt in ein akustisches Signal wandeln . Weiterhin ist das Multi funktionsmodul 100 so ausgebildet , dass es aufgrund eines akustischen Eingangssignals an der akustischen Schnittstelle 14 in ein elektrisches Signal in einem internen Schaltkreis und/oder an der elektrischen Schnittstelle 13 bereitstellen kann . Einfach gesprochen kann das Multi funktionsmodul 100 ein akustisches Signal direkt oder indirekt in ein elektrisches Signal wandeln . Das Multi funktionsmodul 100 ist insbesondere so ausgebildet , dass es mehrere Funktionalitäten aufweist . Die mehreren Funktionalitäten können insbesondere eine Datenübertragung und eine Energieübertragung beinhalten, wobei das Multi funktionsmodul 100 sowohl auf einer Senderseite als auch auf einer Empfängerseite eines Kommunikationssystems verwendet werden kann . Insbesondere können eine oder mehrere Funktionalitäten des Multi funktionsmoduls 100 durch eine von einem Benutzer durchführbare externe Verschaltung der elektrischen Schnittstelle 13 wählbar sein . Weitere Merkmale und Aus führungsbeispiele des Multi funktionsmoduls 100 sind in Verbindung mit den Figuren 2A bis 2M erläutert .
Zumindest zwei Multi funktionsmodule 100 , also insbesondere zwei gleiche Multi funktionsmodule 100 , können Teil eines elektro-akustischen Kommunikationssystems 1000 sein, wie in Verbindung mit den Figuren 3 bis 6 näher erläutert ist .
In Verbindung mit den Figuren 2A bis 2M sind weitere Aus führungsbeispiele für das Multi funktionsmodul 100 gezeigt . In den Figuren 2A und 2B sind hierzu dreidimensionale Ansichten des Multi funktionsmoduls 100 mit Blick auf die akustische Schnittstelle 14 und mit Blick auf die elektrische Schnittstelle 13 gezeigt . In den Figuren 2C und 2D sind schematische Schnittdarstellen von verschiedenen Varianten des Multi funktionsmoduls 100 gezeigt . In den Figuren 2E bis 2M sind weitere Draufsichten, Schnittdarstellungen und Schemazeichnungen von Teilen des Multi funktionsmoduls 100 zur Erläuterung verschiedener Aspekte und Merkmale gezeigt . Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich auf alle Figuren 2A bis 2M .
Das Multi funktionsmodul 100 weist , wie in den Figuren 2A und 2B erkennbar ist , einen kompakten Modulkörper 1 auf , der bevorzugt quaderförmig ist . Alternativ hierzu sind j edoch auch andere Formen möglich, beispielsweise eine Zylinderform mit einer runden Grundfläche oder eine Prismenform mit einer polygonalen Grundfläche , beispielsweise einer sechseckigen Grundfläche . Regelmäßige mehreckige Grundflächen wie ein Rechteck, Quadrat oder Sechseck können vorteilhaft sein, wenn beispielsweise mehrere Multi funktionsmodule 100 raumsparend nah nebeneinander angeordnet werden sollen .
Der Modulkörper 1 weist eine erste Hauptoberfläche auf , die durch die erste Außenseite 11 mit der elektrischen Schnittstelle 13 gebildet wird . Weiterhin weist der Modulkörper 1 eine zweite Hauptoberfläche auf , die durch die zweite Außenseite 12 mit der akustischen Schnittstelle 14 gebildet wird . Die beiden Hauptoberflächen sind durch Seitenflächen miteinander verbunden . Bevorzugt weisen die Hauptoberflächen wie gezeigt j eweils einen größeren Flächeninhalt als j ede der Seitenflächen auf , so dass eine Höhe des Modulkörpers 1 senkrecht zu den Hauptoberflächen kleiner als die Seitenlängen der Hauptoberflächen ist . Beispielsweise ist der Modulkörper 1 als Quader mit quadratischen Hauptoberflächen mit Seitenlängen, also einer Länge und einer Breite , von größer oder gleich 3 mm oder größer oder gleich 4 mm oder größer oder gleich 5 mm und kleiner oder gleich 10 mm oder kleiner oder gleich 7 mm oder kleiner oder gleich 5 , 5 mm und mit einer Höhe von größer oder gleich 0 , 5 mm oder größer oder gleich 1 mm und kleiner oder gleich 3 mm oder kleiner oder gleich 2 mm oder kleiner oder gleich 1 , 5 mm ausgebildet . Besonders bevorzugt kann das Multi funktionsmodul 100 ein Volumen von größer oder gleich 5 mm3 und kleiner oder gleich 300 mm3 aufweisen und somit sehr kompakt sein und eine kleine Bauform aufweisen . Im gezeigten Aus führungsbeispiel weist das Multi funktionsmodul 100 mit dem quaderförmigen Modulkörper 1 Abmessung von 5 , 1 mm x 5 , 1 mm * 1 , 2 mm ( Länge * Breite * Höhe ) auf .
Der Modulkörper 1 weist zwei Leiterplatten 15 , 16 auf , die übereinander angeordnet und mittels einer Zwischenschicht 17 miteinander verbunden sind, wie durch die gestrichelten Linien in den Figuren 2A, 2C und 2D angedeutet ist . Somit weist der Modulkörper 1 eine erste Leiterplatte 15 mit der ersten Außenseite 11 , auf der die elektrische Schnittstelle
13 vorgesehen ist , und eine zweite Leiterplatte 16 mit der zweiten Außenseite 12 , auf der die akustische Schnittstelle
14 vorgesehen ist , auf . Die erste und zweite Leiterplatte 15 ,
16 sind mittels der Zwischenschicht 17 verbunden, so dass die erste und zweite Leiterplatte 15 , 16 und die Zwischenschicht
17 sandwichartig übereinander gestapelt sind . Die Herstellung des Modulkörpers 1 erfolgt , wie oben im allgemeinen Teil beschrieben, bevorzugt in Form eines Verbunds . Die von der Zwischenschicht 17 abgewandte Seite der ersten Leiterplatte
15 ist die erste Außenseite 11 des Modulkörpers 1 und die von der Zwischenschicht 17 abgewandte Seite der zweiten Leiterplatte 16 ist die zweite Außenseite 12 des Modulkörpers 1 . Die Zwischenschicht 17 kann aus einem Kunststof fmaterial wie einem Harz , beispielsweise mit oder aus Epoxid, gebildet sein und auf der ersten Leiterplatte 15 montierte elektrische und elektronische Komponenten vollständig und bevorzugt ohne Hohlräume bedecken, so dass der gesamte Bereich zwischen der ersten und zweiten Leiterplatte 15 , 16 gefüllt ist und die Zwischenschicht 17 eine Verbindungsschicht zum stof f schlüssigen Verbinden der ersten Leiterplatte 15 mit der zweiten Leiterplatte 16 bildet .
Auf die zweite Außenseite 12 des Modulkörpers 1 wird, entweder vor oder nach einem Vereinzeln eines Modulkörperverbunds , als akustische Schnittstelle 14 ein piezoelektrisches Bauelement 30 montiert . Das piezoelektrische Bauelement 30 ist ein elektro-akustischer Wandler und weist ein piezoelektrisches Material 33 auf , auf dem Elektrodenschichten 31 , 32 zur elektrischen Kontaktierung aufgebracht sind, wie in Figur 2G in einer Schnittdarstellung angedeutet ist . Bevorzugt weist das piezoelektrische Bauelement 30 ein blei freies Material auf . Alternativ dazu kann das piezoelektrische Bauelement 30 beispielweise auch PZT aufweisen . Das piezoelektrische Bauelement 30 ist besonders bevorzugt in Form einer kreis förmigen Scheibe ausgebildet . Alternativ kann das piezoelektrische Bauelement 30 auch beispielsweise eine polygonale Scheibe sein . Insbesondere ist eine Höhe des piezoelektrischen Bauelements 30 entlang der Anordnungsrichtung des piezoelektrischen Bauelements 30 auf dem Modulkörper 1 geringer als eine Breite oder ein Durchmesser des piezoelektrischen Bauelements 30 in einer Richtung senkrecht zur Anordnungsrichtung .
Wie in den Figuren 2E und 2 F in einer Draufsicht auf die zweite Außenseite 12 der zweiten Leiterplatte 16 und in einer Schnittdarstellung durch die zweite Leiterplatte entlang der in Figur 2E angedeuteten Schnittebene EE gezeigt ist , weist die zweite Leiterplatte 16 auf der zweiten Außenseite 12 zur Montage und zum elektrischen Anschluss des piezoelektrischen Bauelements 30 eine erste Elektrodenstruktur 61 und ein zweite Elektrodenstruktur 62 auf , die auf Bereichen der zweiten Außenseite 12 ausgebildet sind . In Figur 2E wird durch die gestrichelte Linie noch die Position des piezoelektrischen Bauelements 30 über den Elektrodenstrukturen 61 , 62 angedeutet . Die erste und zweite Elektrodenstruktur 61 , 62 , die besonders bevorzugt durch Metallisierungen der zweiten Leiterplatte 16 gebildet werden, weisen j eweils eine Gitterstruktur auf und sind somit nicht voll flächig auf den vorgesehenen Bereichen der zweiten Außenseite 12 ausgebildet . Dadurch können eine gute Bewegungs freiheit und zugleich eine zuverlässige Befestigung des piezoelektrischen Bauelements 30 auf der zweiten Leiterplatte 16 erreicht werden . Die erste Elektrodenstruktur 61 ist durch ein elektrisches Via 41 kontaktiert , das durch den Modulkörper 1 von der zweiten Außenseite 12 bis zur ersten Außenseite 11 hindurchreicht . Die zweite Elektrodenstruktur 62 ist durch ein weiteres elektrisches Via 42 kontaktiert , das durch den Modulkörper 1 von der zweiten Außenseite 12 bis zur ersten Außenseite 11 hindurchreicht .
Das piezoelektrische Bauelement 30 wird an der ersten und zweiten Elektrodenstruktur 61 , 62 befestigt und elektrisch angeschlossen, wie in Figur 2G angedeutet ist . Insbesondere kann das piezoelektrische Bauelement 30 auf der ersten und zweiten Elektrodenstruktur 61 , 62 wie gezeigt unter Verwendung einer geeigneten Verbindungsschicht 70 , die durch ein Lot oder einen Klebstof f gebildet sein kann, aufgelötet oder auf geklebt . Hierzu weist das piezoelektrische Bauelement
30 die erste Elektrodenschicht 31 und die zweite Elektrodenschicht 32 auf , wobei die erste Elektrodenschicht
31 des piezoelektrischen Bauelements 30 auf der ersten Elektrodenstruktur 61 befestigt ist . Die zweite Elektrodenschicht 32 des piezoelektrischen Bauelements 30 ist auf der zweiten Elektrodenstruktur 62 befestigt . Wie in Figur 2G erkennbar ist , weist das als Scheibe ausgebildete piezoelektrische Bauelement 30 eine der zweite Leiterplatte 16 und damit dem Modulkörper zugewandte Unterseite und eine von der zweite Leiterplatte 12 und damit vom Modulkörper weggewandte , der Unterseite gegenüber liegenden Oberseite auf , wobei auf der Oberseite die erste Elektrodenschicht 31 und auf der Unterseite die zweite Elektrodenschicht 32 aufgebracht ist . Die erste Elektrodenschicht 31 erstreckt sich, um die vorab beschriebene Befestigung von der Unterseite her zu ermöglichen, über einen Seitenrand der Scheibe auf die Unterseite .
Besonders bevorzugt erfolgt die Montage des piezoelektrischen Bauelements 30 mittels Ref low-Lötens , mittels eines elektrisch leitenden Klebstof fs oder auch mittels eines elektrisch nicht-leitenden Klebstof fs . Im Fall eines elektrisch nicht-leitenden Klebstof fs werden die j eweils aufeinander angeordneten Elektrodenstrukturen 61 , 62 und Elektrodenschichten 31 , 32 durch Schrumpfen beim Aushärten des Klebstof fs derart aneinander gepresst , dass ein elektrisch leitender Kontakt entsteht .
Um eine möglichst ef fi ziente Wirkungsweise bei einer gleichzeitig kompakten Bauform zu erhalten, ist es vorteilhaft , wenn das piezoelektrische Bauelement 30 einen möglichst großen Teil der zweiten Außenseite 12 bedeckt . Die zweite Außenseite 12 des Modulkörpers 1 kann beispielsweise einen ersten Flächeninhalt aufweisen, während das piezoelektrische Bauelement 30 auf der zweiten Außenseite 12 einen zweiten Flächeninhalt belegen kann, der bevorzugt größer oder gleich 50% oder größer oder gleich 60% oder besonders bevorzugt größer oder gleich 70% des ersten Flächeninhalts ist . I st das piezoelektrische Bauelement 30 wie gezeigt als kreis förmige Scheibe ausgebildet , kann die Scheibe bevorzugt einen Durchmesser aufweisen, der im Wesentlichen einer Seitenlänge des Modulkörpers 1 oder zumindest 80% oder zumindest 90% davon entspricht . Weiterhin ist der Teil der zweiten Außenseite 12 , der frei , also nicht bedeckt , vom piezoelektrischen Bauelement 30 ist , zumindest teilweise oder ganz mit einer Schutzschicht 90 bedeckt , wie in den Figuren 2A und 2C erkennbar ist . Das piezoelektrische Bauelement 30 selbst kann dabei auf einer dem Modulkörper 1 abgewandten Oberseite frei von der Schutzschicht 90 sein . Alternativ dazu kann über der gesamten zweiten Außenseite 12 und damit auch über dem piezoelektrischen Bauelement 30 die Schutzschicht 90 aufgebracht sein, wie in Figur 2D angedeutet ist . Weiterhin kann es auch möglich sein, dass die Schutzschicht 90 zusätzlich oder alternativ über Teilen der Seitenflächen oder den gesamten Seitenflächen und/oder über Teilen der ersten Außenseite 11 oder der gesamten ersten Außenseite 11 aufgebracht ist ( j eweils nicht gezeigt ) . Die Schutzschicht 90 kann insbesondere elektrisch isolierend sein und beispielsweise einen Schutzlack aufweisen oder ein Schutzlack sein . Der Schutzlack kann beispielsweise ein Epoxidharz aufweisen oder sein .
Auf der ersten Außenseite 11 weist der Modulkörper 1 , also insbesondere die erste Leiterplatte 15 des Modulkörpers 1 , als elektrische Schnittstelle 13 eine Mehrzahl von elektrischen Anschluss flächen 21 bis 28 auf , wie insbesondere in den Figuren 2B und 2H erkennbar ist . Die elektrischen Anschluss flächen 21 bis 28 sind auf der ersten Außenseite 11 angeordnet und besonders bevorzugt als Metallisierungen der ersten Leiterplatte 15 ausgebildet .
Die elektrische Schnittstelle 13 weist insbesondere eine erste Anschluss fläche 21 und eine zweite Anschluss fläche 22 auf , wobei die erste Anschluss fläche 21 über das vorab beschriebene Via 41 durch den Modulkörper 1 hindurch mit der ersten Elektrodenstruktur 61 auf der zweiten Außenseite 12 direkt elektrisch verbunden ist , während die zweite Anschluss fläche 22 über das vorab beschriebene weitere elektrische Via 42 durch den Modulkörper 1 hindurch mit der zweiten Elektrodenstruktur 62 auf der zweiten Außenseite 12 direkt elektrisch verbunden ist , wie in der in Figur 21 gezeigten Schnittdarstellung durch den Modulkörper 1 entlang der in Figur 2H angedeuteten Schnittebene HH erkennbar ist . Dadurch kann die akustische Schnittstelle 14 durch eine externe Kontaktierung der ersten und zweiten Anschluss fläche 21 , 22 von extern direkt angesteuert oder ausgelesen werden, was einem analogen Betrieb des Multi funktionsmoduls 100 entspricht .
Die erste Leiterplatte 15 weist als elektrische Schnittstelle 13 auf der ersten Außenseite 11 zusätzlich zur ersten und zweiten Anschluss fläche 21 , 22 weitere Anschluss flächen 23 bis 28 auf . Weiterhin ist auf der der ersten Außenseite 11 gegenüber liegenden und somit der Zwischenschicht 17 zugewandten Innenseite 18 der ersten Leiterplatte 15 eine Verdrahtungsebene 80 in Form von Kontaktstellen 81 und Leiterbahnen 82 ausgebildet , wie in verschiedenen Aufsichten auf die Innenseite 18 in den Figuren 2 J, 2K und 2L erkennbar ist . In Figur 2L sind weiterhin noch die Positionen der Anschluss flächen 21 bis 28 auf der ersten Außenseite 11 angedeutet . Figur 2M zeigt ein schematisches Schaltbild der Verdrahtungsebene 80 und den Anschluss flächen 21 bis 28 .
Die Kontaktstellen 81 der Verdrahtungsebene 80 können dafür vorgesehen und eingerichtet sein, dass eine oder mehrere elektrische und/oder elektronische Komponenten auf diesen montiert werden können . Insbesondere ist auf der Verdrahtungsebene 80 , also auf dafür vorgesehenen Kontaktstellen 81 der Verdrahtungsebene , wie in Figur 2K gezeigt ist , ein Halbleiterchip 50 in Form eines
Nahf eldkommunikationstransponderchips durch Löten oder Kleben montiert . Der Halbleiterchip 50 ist dazu eingerichtet , zumindest eine oder mehrere der folgenden Funktionalitäten bereitzustellen : Energie-Harvesting, I2C-Schnittstelle , Speicherverwaltung, Verschlüsselung . Beispielsweise kann es sich bei dem Halbleiterchip 50 um einen Chip der „NTAG"-Reihe von NXP Semiconductors handeln . Die Aus führung der Verdrahtungsebene 80 sowie die Bezeichnungen in Figur 2L und insbesondere im Schaltbild in Figur 2M ist rein beispielhaft für einen solchen Halbleiterchip gezeigt und nicht beschränkend zu verstehen .
Zumindest eine der Anschluss flächen 21 bis 28 ist über zumindest ein elektrisches Via 41 bis 48 mit der Verdrahtungsebene 80 elektrisch verbunden . Beispielsweise ist eine dritte Anschluss fläche 23 auf der ersten Außenseite 11 mit der Verdrahtungsebene 80 auf der Innenseite 18 der ersten Leiterplatte 15 elektrisch verbunden . Weiterhin ist auch die erste Anschluss fläche 21 über das vorab beschriebe elektrische Via 41 , das sich durch den Modulkörper 1 hindurch erstreckt , mit der Verdrahtungsebene 80 elektrisch verbunden . Darüber hinaus können weitere Anschluss flächen auf der ersten Außenseite über elektrische Vias mit der Verdrahtungsebene elektrisch verbunden sein . Im gezeigten Aus führungsbeispiel sind die Anschluss flächen 21 , 23 , 24 , 25 , 26 und 28 über j eweils eines der elektrischen Vias 41 , 43 , 44 , 45 , 46 und 48 mit der Verdrahtungsebene 80 elektrisch verbunden .
Weiterhin können Anschluss flächen und Kontaktstellen über weitere elektrische oder elektronische Komponenten wie beispielsweise Widerstände , Induktoren und Kapazitäten, die in den Figuren 2L und 2M mit RI , R2 , LI und CI bezeichnet sind, mit einander verbunden . Beispielsweise kann für bestimmte Anwendungen der Einsatz des mit LI bezeichneten Induktors zwischen der ersten und dritten Anschluss fläche 21 , 23 besonders vorteilhaft sein . Beispielhaft können in Verbindung mit dem gezeigten Halbleiterchip 50 der NTAG-Serie von NXP Semiconductors , der insbesondere aus der NTP53x2- Baureihe sein kann, ein Induktor mit einer Induktivität von 220 nH, ein Kondensator mit einer Kapazität von 100 nF und Widerstände mit j eweils einem Widerstandswert von 22 kOhm verwendet werden .
Durch eine externe Verschaltung der zweiten und dritten Anschluss fläche 22 , 23 kann die akustische Schnittstelle 14 mit dem Halbleiterchip 50 verbunden werden, so dass ein digitaler Betrieb der akustischen Schnittstelle 14 möglich ist .
Das hier beschriebene Multi funktionsmodul 100 ist kompakt und abgegrenzt und bietet einen klar definierten Funktionsumfang, der im Folgenden in Verbindung mit weiteren Merkmalen und Aus führungsbeispielen beschrieben wird . Insbesondere weist das Multi funktionsmodul 100 aufgrund seines Aufbaus definierte mechanische , elektrische und inf ormationstechnische Eigenschaften auf , die insbesondere für ein elektro-akustisches Kommunikationssystem 1000 genutzt werden können, das in verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten in Verbindung mit den Figuren 3 bis 6 beschrieben ist .
Wie in Figur 3 gezeigt , weist das elektro-akustische Kommunikationssystem 1000 zur Kommunikation durch eine Wand 200 , also insbesondere zur akustischen Daten- und/oder Energieübertragung durch die Wand 200 , zumindest zwei beschriebene elektro-akustische Multi funktionsmodule 100 auf .
Insbesondere weist das Kommunikationssystem 1000 zumindest zwei baugleiche Multi funktionsmodule 100 auf , die wie vorab und im Folgenden beschrieben j eweils eine Sammlung unterschiedlicher Funktionalitäten aufweisen, die durch unterschiedliche externe Verschaltungen der j eweiligen elektrischen Schnittstelle wählbar sind . Somit weist das Kommunikationssystem 1000 insbesondere zumindest ein erstes elektro-akustisches Multi funktionsmodul 100 der zumindest zwei elektro-akustische Multi funktionsmodule 100 auf , das an einer ersten Seite der Wand 200 angebracht ist . Insbesondere wird das zumindest eine erste Multi funktionsmodul 100 mit der akustischen Schnittstelle an der ersten Seite der Wand 200 angebracht . Weiterhin weist das Kommunikationssystem 1000 zumindest ein weiteres elektro-akustisches Multi funktionsmodul 100 der zumindest zwei elektro-akustische Multi funktionsmodule 100 auf , das an einer der ersten Seite gegenüber liegenden zweiten Seite der Wand 200 angebracht ist . Insbesondere wird das zumindest eine weitere Multi funktionsmodul 100 mit der akustischen Schnittstelle an der zweiten Seite der Wand 200 angebracht , so dass die akustischen Schnittstellen der beiden Multi funktionsmodule 100 einander zugewandt sind . Das zumindest eine erste Multi funktionsmodul 100 und das zumindest eine weitere Multi funktionsmodul 100 können wie gezeigt besonders bevorzugt einander direkt gegenüber liegend an der Wand 200 angebracht sein .
Im Betrieb kann eine akustische Welle , die von der akustischen Schnittstelle des einen Multi funktionsmoduls 100 erzeugt wird, durch die Wand 200 hindurch von der akustischen Schnittstelle des weiteren Multi funktionsmoduls 100 detektiert werden, wobei die akustische Welle durch die Wand 200 geleitet wird . Hierbei kann ein unidirektionaler Betrieb oder ein bidirektionaler Betrieb möglich sein . Die Wand 200 kann besonders bevorzugt eine Metallwand sein . Weiterhin sind auch andere Materialien für die Wand möglich, die eine ausreichende Struktur und Festigkeit haben, um akustische Wellen zu leiten . Um eine gute akustische Anbindung der Multi funktionsmodule 100 an die Wand 200 zu erreichen, sind diese , wie in Figur 3 erkennbar ist , mit der akustischen Schnittstelle an die Wand 200 geklebt , beispielsweise mittels einer Verbindungsschicht 300 mit oder aus einem Epoxidharzbasierten Kleber oder auch einem anderen Kleber, der im ausgehärteten Zustand bevorzugt nicht oder nur wenig elastisch ist . Weiterhin kann beispielsweise auch eine Montage j edes der Multi funktionsmodule 100 mittels eines Magneten an einer Metallwand erfolgen, wobei der Magnet auf der akustischen Schnittstelle des j eweiligen Multi funktionsmoduls 100 aufgeklebt ist .
Wie in Verbindung mit den Figuren 4 bis 6 anhand einiger konkreter Anwendungsmöglichkeiten gezeigt ist , sind auf j eder Seite der Wand das j eweilige zumindest eine Multi funktionsmodul mit elektrischen und/oder elektronischen Bauelementen verschaltet , wodurch die j eweilige Funktionalität ausgewählt wird und eine Kommunikation zwischen den elektrischen und/oder elektronischen Bauelementen auf den beiden Seiten der Wand ermöglicht wird .
Jedes der Multi funktionsmodule 100 wird mit all seinen Komponenten als einteilige Vorrichtung bereitgestellt und liegt als bauliche Einheit vor, die unter Normalbedingungen nicht zerstörungs frei in mehrere Teile zerlegt werden . Dies gilt insbesondere auch für den Modulkörper . Zum Aufbau der Multi funktionsmodule wird die oben beschriebene auch als „embedded components PCB" bezeichenbare Technik genutzt , die eine elektronische Schaltung mit dem Nahf eldkommunikationstransponderchip in miniaturisierter Bauform im einteiligen Modulkörper enthält . An der Oberseite oder Vorderseite j edes der Multi funktionsmodule 100 , also der Seite , die an die Wand angekoppelt ist und die durch die zweite Außenseite gebildet wird, wird die akustische Schnittstelle wie beschrieben durch das piezoelektrische Bauelement gebildet . An der Unterseite oder Rückseite j edes der Multi funktionsmodule 100 , die von der Wand weggewandt ist und die durch die erste Außenseite gebildet wird, befinden sich die Anschluss flächen, die elektrische Anschluss-Pads bilden, die eine elektrische Anbindung weiterer Elemente in Form von externen Komponenten wie beispielsweise einem Sensor, einem Analog-Digital-Konverter und dergleichen ermöglichen . Insbesondere bietet die Multi funktionsmodule 100 eine Viel zahl unterschiedliche Einsatzmöglichkeiten, die ohne Änderung der j eweiligen internen Architektur der Multi funktionsmodule möglich sind .
Insbesondere weist j edes der Multi funktionsmodule 100 den piezoelektrischen Wandler in Form des piezoelektrischen Bauelements auf , das zur elektro-akustischen Wandlung in einem bestimmten Frequenzbereich gut geeignet ist . Besonders bevorzugt kann es sich hierbei um einen Frequenzbereich von größer oder gleich 9 MHz und kleiner oder gleich 15 MHz handeln, in dem beispielsweise die für Nahfeldkommunikation übliche Frequenz 13 , 56 MHz liegt . Ein direkter oder indirekter elektrischer Kontakt von außen zum piezoelektrischen Bauelement ist über die elektrische Schnittstelle möglich . Man kann an das Multi funktionsmodul 100 auf einer Seite beispielsweise , wie in Figur 4 auf der linken Seite der Wand angedeutet ist , eine elektronische Komponente 400 wie einen NFC-Reader mit geeignetem Anpass- Netzwerk anschließen . Wenn der Reader beispielsweise den Standard ISO/ IEC15693 oder einen anderen entsprechenden Standard unterstützt , ist eine akustische Übertragung von Energie und Daten durch eine Wand 200 wie beispielsweise eine Metallwand möglich .
In Figur 4 wird insbesondere die Funktion eines akustischen ID-Tags ermöglicht . Für dieses inhärente Merkmal bietet j edes der Multi funktionsmodule 100 einen elektrischen Schaltkreis in Form des Halbleiterchips , der ein Transponder ist und der beispielsweise durch einen Integrierten Schaltkreis ( IC : „integrated circuit" ) der NTAG-Baureihe von NXP Semiconductors gebildet werden kann . Über die elektrische Schnittstelle ist es wie oben beschrieben möglich, einen solchen Schaltkreis am Eingang mit dem piezoelektrischen Bauelement zu verbinden . Wird ein solches , in Figur 4 auf der rechten Seite der Wand gezeigtes Multi funktionsmodul 100 mit geeignetem Protokoll und geeigneten Signalen angesprochen, dann antwortet es im Protokoll und gibt seine universelle ID- Nummer preis . Ohne weitere externe Beschaltung ist somit die eindeutige ID-Nummer des durch den Halbleiterchip gebildeten Transponders über den akustischen Kanal auslesbar, wenn alle nötigen Rahmenbedingungen erfüllt sind, beispielsweise der Halbleiterchip ausreichend Spannungsamplitude für seine Funktion erhält . Beispielsweise kann das Multi funktionsmodul 100 auf der rechten Seite der Wand 200 in Figur 4 neben der Funktion eines akustischen ID-Tags beispielsweise auch die eines nicht- flüchtigen Datenspeichers erfüllen, der durch den links von der Wand 200 angeordneten Teil des Kommunikationssystems 1000 ausgelesen werden kann . In den genannten Fällen können die elektrischen Anschluss flächen und/oder andere Teile des Moduls wie weiter oben erwähnt mit einer isolierenden Schutzschicht 91 überzogen werden, wie in Figur 4 angedeutet ist .
Insbesondere kann es auf der Ansteuerseite , also in Figur 4 auf der linken Seite der Wand, möglich sein, dass nur diej enigen elektrischen Anschluss flächen genutzt werden, die mit dem piezoelektrischen Bauelement verbunden sind, also die erste und zweite Anschluss fläche . In diesem Fall lässt sich beispielsweise eine externe Elektronik, beispielsweise wie beschrieben ein sogenannter Reader, mit dem piezoelektrischen Bauelement als elektrisch-akustischem Wandler verbinden . Hierfür wären sogar Multi funktionsmodule geeignet , bei denen der Halbleiterchip fehlerhaft produziert wurde , solange nur die Funktion der akustischen Schnittstelle in Ordnung ist , woraus sich eine Erhöhung des Produktions-Yields ergeben kann . Es können auch ein anderer Transponder oder eine andere Schaltung an die elektrische Schnittstelle angeschlossen werden . Weiterhin kann auch ein externes Anpass-Netzwerk angeschlossen werden und bei Bedarf über die erste Anschluss fläche mit dem zweiten Eingang der integrierten Transponder-Schaltung verbunden werden . Dies kann beispielsweise zur Verbesserung des Wirkungsgrades durch ein größeres und gegebenenfalls teureres Anpass-Netzwerk führen .
Die integrierte Transponder-Schaltung in Form der Verdrahtungsebene mit dem Halbleiterchip mit dem piezoelektrischen Bauelement kann wie oben beschrieben beispielsweise durch das Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen der dritten Anschluss fläche und dem piezoelektrischen Bauelement ermöglicht werden, was durch elektrisches Verbinden der zweiten und dritten Anschluss flächen erfolgt . Dies ist durch eine externe Beschaltung direkt möglich, indem die zweite und dritte Anschluss fläche miteinander kurzgeschlossen werden, oder auch durch Hinzufügen weiterer Elemente in der Verbindung zwischen der zweiten und dritten Anschluss fläche , die beispielsweise für eine Impedanz-Anpassung geeignet sind . Wird auf derartige Weise der integrierte Halbleiterchip an das piezoelektrische Bauelement angeschlossen, so stehen beispielsweise Funktionen wie Energie-Harvesting und eine digitale Schnittstelle zur Verfügung . In diesem Fall kann es für einige Anwendungen beispielsweise auch vorteilhaft sein, wenn die übrigen Anschluss flächen der elektrischen Schnittstelle des Multi funktionsmoduls auf der Ansteuerseite nicht miteinander verbunden werden, sondern gemäß ihrer Funktion des Transponders verwendet werden .
In Figur 5 ist ein entsprechendes Anwendungsbeispiel angedeutet . Hierbei können in der Art eines „Baukastensystems" andere Komponenten 401 in Form von Schaltungen und/oder Elektronikbausteinen, beispielsweise MEMS-Bauelementen und/oder Sensoren, mit der elektrischen Schnittstelle und damit mit dem Multi funktionsmodul 100 elektrisch und/oder mechanisch verbunden werden, wie in Figur 5 auf der rechten Seite der Wand angedeutet ist .
Beispielsweise ist über die in Figur 2M mit „GND" und „VCC" bezeichneten Anschluss flächen 24 und 28 eine geharvestete elektrische Leistung verfügbar, wenn die Rahmenbedingungen geeignet gewählt werden . An diese Anschluss flächen kann somit ein beliebiger elektrischer Verbraucher angeschlossen werden, dessen Stromverbrauch kleiner ist als der Strom, der über die akustische Signalübertragung durch die Wand und den Halbleiterchip zur Verfügung gestellt werden kann . Dieser Ausgang kann durch Steuerung durch Kommandos des vorab beschriebenen Readers , der wie vorab erwähnt in Figur 5 auf der linken Seite der Wand an das Multi funktionsmodul 100 angeschlossen ist , ein- und ausgeschaltet werden . Beispielsweise können mit dem vorab beschriebenen Halbleiterchip drei unterschiedliche geregelte Spannungen zur Verfügung gestellt werden, nämlich 1 , 8 V, 2 , 4 V und 3 , 0 V, und es kann die Stromtragfähigkeit vor dem Freischalten getestet werden .
Beispielsweise bei höherem Strombedarf der angeschlossenen Elektronikkomponente können auch zwei oder mehrere Multi funktionsmodule 100 parallel geschaltet werden, gegebenenfalls unter Beachtung schaltungstechnischer Maßnahmen . Wie in Figur 6 angedeutet ist , kann das Kommunikationssystem 1000 entsprechend an der ersten Seite der Wand 200 eine erste Mehrzahl von elektro-akustischen Multi funktionsmodulen 100 und an der zweiten Seite der Wand 200 eine weitere Mehrzahl von Multi funktionsmodulen 100 aufweisen, die parallel geschaltet und an einer Elektronikkomponente 401 wie beispielsweise einem Sensor angeschlossen sind . Bevorzugt kann für j edes Multi funktionsmodul 100 an der ersten Seite ein weiteres Multi funktionsmodul 100 an der zweiten Seite angebracht sein . Besonders bevorzugt sind alle Multi funktionsmodule 100 des Kommunikationssystems 1000 gleich ausgebildet . Mit anderen Worten werden auf j eder Seite der Wand 200 baugleiche Multi funktionsmodule 100 verwendet , so dass die Multi funktionsmodule 100 als universelle Komponente auf j eder Seite der Wand verwendet werden können und das Kommunikationssystem 1000 somit einen einfachen und kostengünstigen Aufbau aufweisen kann . Neben der Möglichkeit , mehrere Multi funktionsmodule 100 hinsichtlich Energie- Harvesting parallel zu schalten, um den verfügbaren Strom zu erhöhen, kann durch eine entsprechende Mehrzahl von Multi funktionsmodulen 100 pro Seite der Wand 200 die Übertragungssicherheit erhöht werden .
Eine digitale Schnittstelle nach I2C-Spezi f ikation mit Master-Funktion steht zusätzlich zu den in Figur 2M mit „GND" und „VCC" bezeichneten Anschluss flächen 24 und 28 über die mit „SDA" und „SCL" bezeichneten Anschluss flächen 25 und 26 zur Verfügung . Sie kann, beispielsweise beim Kommunikationssystem der Figur 5 , über den auf der linken Seite der Wand angeschlossenen Reader im mit diesem verbundenen Multi funktionsmodul 100 oder, über die akustische Signalübertragung durch die Wand 200 , im Multi funktionsmodul 100 auf der rechten Seite der Wand 200 konfiguriert werden und dazu dienen, digitale bidirektionale Kommunikation zu einer beliebigen am Multi funktionsmodul 100 auf der rechten Seite der Wand elektrisch angeschlossenen Komponente 401 auf zunehmen . Die hierfür erforderlichen sogenannten „Pull-Up- Widerstände" sind in Form der in den Figuren 2L und 2M mit RI und R2 gekennzeichneten Widerstände schon im Multi funktionsmodul 100 vorhanden . Eine sogenannte „event detection"-Funktionalität wird durch den Halbleiterchip ebenfalls bereitgestellt , wobei hierfür auch externe Pull-Up- Widerstände angeschlossen werden können .
Das hier beschriebene Multi funktionsmodul kann als zentrales Element in einem Baukastensystem zum Aufbau von Kommunikationssystemen mit akustischer Energie- und/oder Datenübertragung dienen . Unterschiedliche Sensoren können über die allgemein verwendbare elektrische Schnittstelle angeschlossen werden . Diese können auch der kleinen Bauform des Multi funktionsmoduls folgen . Auf diese Weise erhält man eine Palette möglicher Sensor-Funktionen auf Basis eines einzigen Typs von Kommunikationsmodul in Form des hier beschriebenen Multi funktionsmoduls . Dadurch ist es möglich, eine große Stückzahl baugleicher Komponenten zu produzieren, ohne diese bereits bei der Herstellung an die spätere Verwendung anpassen zu müssen .
Die in den in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Merkmale und Aus führungsbeispiele können gemäß weiteren Aus führungsbeispielen miteinander kombiniert werden, auch wenn nicht alle Kombinationen expli zit beschrieben sind . Weiterhin können die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Aus führungsbeispiele alternativ oder zusätzlich weitere Merkmale gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil aufweisen .
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Aus führungsbeispiele auf diese beschränkt . Vielmehr umfasst die Erfindung j edes neue Merkmal sowie j ede Kombination von Merkmalen, was insbesondere j ede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet , auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht expli zit in den
Patentansprüchen oder Aus führungsbeispielen angegeben ist .
Bezugszeichenliste
I Modulkörper
II erste Außenseite
12 zweite Außenseite
13 elektrische Schnittstelle
14 akustische Schnittstelle
15, 16 Leiterplatte
17 Zwischenschicht
18 Innenseite
21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28 Anschlussfläche
30 piezoelektrisches Bauelement
31, 32 Elektrodenschicht
33 piezoelektrisches Material
41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48 Via
50 Halbleiterchip
61, 62 Elektrodenstruktur
70 Verbindungsschicht
80 Verdrahtungsebene
81 Kontaktstelle
82 Leiterbahn
90, 91 Schutzschicht
100 elektro-akustisches Multifunktionsmodul
200 Wand
300 Verbindungsschicht
400, 401 Komponente
1000 elektro-akustisches Kommunikationssystem
CI Kondensator
Induktor
RI, R2 Widerstand

Claims

Patentansprüche
1. Elektro-akustisches Multifunktionsmodul (100) , aufweisend einen Modulkörper (1) mit einer ersten Außenseite (11) , auf der eine elektrische Schnittstelle (13) vorgesehen ist, und einer zweiten Außenseite (12) , auf der eine akustische Schnittstelle (14) vorgesehen ist, wobei das Multifunktionsmodul (100) als eine im Normalbetrieb untrennbare einzige Einheit ausgebildet ist und so eingerichtet ist, dass es mehrere Funktionalitäten aufweist, die zumindest eine Datenübertragung und eine Energieübertragung und die Verwendung auf einer Senderseite und einer Empfängerseite beinhalten, und eine oder mehrere Funktionalitäten durch eine von einem Benutzer durchführbare externe Verschaltung der elektrischen Schnittstelle (13) wählbar ist.
2. Elektro-akustisches Multifunktionsmodul (100) nach dem vorherigen Anspruch, wobei das elektro-akustische Multifunktionsmodul (100) ein Volumen von größer oder gleich 5 mm3 und kleiner oder gleich 300 mm3 aufweist.
3. Elektro-akustisches Multifunktionsmodul (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Modulkörper (1) eine erste Leiterplatte (15) mit der ersten Außenseite (11) und eine zweite Leiterplatte (16) mit der zweiten Außenseite (12) aufweist, wobei die erste und zweite Leiterplatte (15, 16) über eine dazwischen angeordnete Zwischenschicht (17) miteinander verbunden sind.
4. Elektro-akustisches Multifunktionsmodul (100) nach dem vorherigen Anspruch, wobei - die elektrische Schnittstelle (13) eine Mehrzahl von elektrischen Anschlussflächen (21 bis 28) mit zumindest einer ersten Anschlussfläche (21) , einer zweiten Anschlussfläche (22) und einer dritten Anschlussfläche (23) aufweist,
- die erste und zweite Anschlussfläche (21, 22) direkt mit der akustischen Schnittstelle (14) elektrisch verbunden sind,
- die dritte Anschlussfläche (23) mit einer Verdrahtungsebene
(80) auf einer der ersten Außenseite (11) gegenüberliegenden Innenseite (18) der ersten Leiterplatte (15) elektrisch verbunden ist.
5. Elektro-akustisches Multifunktionsmodul (100) nach dem vorherigen Anspruch, wobei auf der Verdrahtungsebene (80) ein Halbleiterchip (50) in Form eines
Nahf eldkommunikationstransponderchips montiert und in der Zwischenschicht (17) angeordnet ist.
6. Elektro-akustisches Multifunktionsmodul (100) nach dem vorherigen Anspruch, wobei der Halbleiterchip (50) dazu eingerichtet ist, zumindest eine oder mehrere der folgenden Funktionalitäten bereitzustellen:
- Energie-Harvesting
- I2C-Schnittstelle
- Speicherverwaltung
- Verschlüsselung
7. Elektro-akustisches Multifunktionsmodul (100) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die erste Anschlussfläche (21) mit der Verdrahtungsebene (80) elektrisch verbunden ist . Elektro-akustisches Multifunktionsmodul (100) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die erste Anschlussfläche (21) mit der dritten Anschlussfläche (23) über einen Induktor (LI) auf der Verdrahtungsebene verbunden ist. Elektro-akustisches Multifunktionsmodul (100) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei von jeder der ersten und zweiten Anschlussfläche (21, 22) jeweils ein elektrisches Via (41, 42) durch den Modulkörper (1) hindurch zur zweiten Außenseite (12) reicht. Elektro-akustisches Multifunktionsmodul (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die akustische Schnittstelle (14) ein piezoelektrisches Bauelement (30) aufweist, das auf dem Modulkörper (1) befestigt ist. Elektro-akustisches Multifunktionsmodul (100) nach dem vorherigen Anspruch, wobei auf der zweiten Außenseite
(12) eine erste Elektrodenstruktur (61) und ein zweite Elektrodenstruktur (62) vorhanden sind und das piezoelektrische Bauelement (30) an der ersten und zweiten Elektrodenstruktur (61, 62) befestigt und elektrisch angeschlossen ist. Elektro-akustisches Multifunktionsmodul (100) nach dem vorherigen Anspruch, wobei das piezoelektrische Bauelement (30) auf der ersten und zweiten Elektrodenstruktur (61, 62) aufgelötet oder aufgeklebt ist . Elektro-akustisches Multifunktionsmodul (100) nach Anspruch 11 oder 12 mit Rückbezug auf Anspruch 4, wobei die erste Elektrodenstruktur (61) mit der ersten Anschlussfläche (21) und die zweite Elektrodenstruktur
(62) mit der zweiten Anschlussfläche (42) elektrisch verbunden sind.
14. Elektro-akustisches Multifunktionsmodul (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei der Teil der zweiten Außenseite (12) , der frei vom piezoelektrischen Bauelement (30) ist, zumindest teilweise mit einer Schutzschicht (90) bedeckt ist.
15. Elektro-akustisches Multifunktionsmodul (100) nach dem vorherigen Anspruch, wobei über der gesamten zweiten Außenseite (12) eine Schutzschicht (90) aufgebracht ist.
16. Elektro-akustisches Multifunktionsmodul (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei die zweite Außenseite (12) einen ersten Flächeninhalt aufweist und das piezoelektrische Bauelement (30) auf der zweiten Außenseite (12) einen zweiten Flächeninhalt belegt, der größer oder gleich 50% des ersten Flächeninhalts ist.
17. Elektro-akustisches Kommunikationssystem (1000) zur akustischen Daten- und/oder Energieübertragung durch eine Wand (200) , aufweisend
- zumindest zwei elektro-akustische Multifunktionsmodule
(100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
- wobei zumindest ein erstes elektro-akustisches
Multifunktionsmodul (100) der zumindest zwei elektro- akustische Multifunktionsmodule (100) an einer ersten Seite der Wand (200) angebracht ist und
- zumindest ein weiteres elektro-akustisches
Multifunktionsmodul (100) der zumindest zwei elektro- akustische Multifunktionsmodule (100) an einer der ersten Seite gegenüber liegenden zweiten Seite der Wand (200) angebracht ist. Elektro-akustisches Kommunikationssystem (1000) nach dem vorherigen Anspruch, wobei an der ersten Seite der Wand
(200) eine erste Mehrzahl von elektro-akustischen
Multifunktionsmodulen (100) und an der zweiten Seite der Wand (200) eine weitere Mehrzahl von elektro-akustischen Multifunktionsmodulen (100) angebracht ist. Elektro-akustisches Kommunikationssystem (1000) nach einem der beiden vorherigen Ansprüche, wobei alle elektro-akustischen Multifunktionsmodule (100) des Kommunikationssystems (1000) gleich ausgebildet sind.
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