DE10204884A1 - Transponderetikett - Google Patents

Abstract

Das Transponderetikett weist eine Antennenspule (1), einen Halbleiterchip (2) sowie eine einschichtige Folie (3) auf, welche zum einen als Trägerfolie dient, zum anderen eine Abstimmung gegen die Induktion magnetischer Gegenfelder in der metallischen Unterlage (6) darstellt. Der Halbleiterchip (2) erfüllt sowohl die Funktion eines Kondensatorelements des Transponderschwingkreises als auch die eines Speicherbausteins. Die Folie (3) besteht aus einer flexiblen Matrix, mit eingelagerten Ferritpartikeln (4), welche der Folie (3) weichmagnetische Eigenschaften verleihen. Die Permeabilitätszahl der Folie (3) ist auf deren Dicke D und das Material der Unterlage (6) abgestimmt, wobei sie bei geringerer Dicke D größer zu wählen ist. Die Resonanzfrequenz des aus Antennenspule (1) und Halbleiterchip (2) bestehenden Tranponderschwingkreises liegt bei aufgeklebtem Etikett in einem engen Ziel-Frequenzband. Um dieses Kriterium bei geringer Foliendicke einhalten zu können, ist der Transponderschwingkreis vor Anbringung auf der Unterlage (6) so zu niedrigeren Frequenzen hin vorverstimmt, daß seine Resonanzfrequenz in Abwesenheit der Folie (3) deutlich unterhalb der Lesefrequenz liegt.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Transponderetikett.
• Transponderetiketten, häufig auch als RFID-Etiketten bezeichnet, welche einen Schwingkreis mit einem Spulenelement und einem Kondensatorelement aufweisen, welcher im Radiofrequenzbereich in Resonanz versetzt werden kann, um das Etikett zu detektieren, gegebenenfalls auch einen auf dem Etikett untergebrachten Halbleiterchip mit Energie zu versorgen, sind mittlerweile weit verbreitet. Sie werden unter anderem zur Warensicherung, darüber hinaus auch in vielen anderen Anwendungen, vor allem auf dem Gebiet der Logistik, eingesetzt. Neben der reinen Detektion der Etiketten bzw. der Waren, auf welchen diese angebracht sind, sind auch Aufgaben der berührungslosen Datenübermittlung üblich, etwa um einen Produkt-Code oder weitere auf einem auf dem Etikett untergebrachten Chip gespeicherte Produktspezifika auszulesen. Übliche hierzu eingesetzte Detektions- bzw. Lesegeräte arbeiten heute mit einer Frequenz von 13,56 MHz, in diesem Bereich liegt dann auch die Resonanzfrequenz des Transponderschwingkreises der jeweils eingesetzten RFID- Etiketten. Daneben sind auch noch Transpondersysteme mit einer Arbeitsfrequenz von 100 bis 135 kHz gebräuchlich, welche sich allerdings durch eine recht begrenzte Übertragungsrate und einen, wegen der üblicherweise eingesetzten Drahtspulen, größeren Herstellungsaufwand der entsprechenden Etiketten auszeichnen.
• Herkömmliche Transponderetiketten der beschriebenen Art können nicht zur Kennzeichnung von metallischen Gegenständen verwendet werden, da sie sich nach Anbringung auf einer elektrisch leitfähigen Fläche nicht mehr detektieren bzw. lesen lassen. Dies liegt darin begründet, daß das hochfrequente magnetische Wechselfeld, welches zur Anregung des Transponderschwingkreises und somit zur induktiven Energieübertragung in das Transponderetikett benötigt wird, in der elektrisch leitenden Fläche Wirbelströme induziert, welche wiederum ein entgegengesetzt oszillierendes Magnetfeld erzeugen. Nahe der leitenden Fläche kommt es daher zu einer sehr starken Abschwächung des einfallenden Feldes.
• Aus DE-A-195 16 448 ist eine flexible Kunststoffolie, in welche Ferritpartikeln als weichmagnetischer Werkstoff eingelagert sind, sowie deren Verwendung zur Abschirmung einer HF-Spule gegenüber Metallen bekannt. Vereinzelt existieren auch bereits etikettenartige Transponderaufbauten mit Halbleiterchip, welche eine derartige Ferritfolie zur Abschirmung gegen metallischen Untergrund aufweisen. Die Ferritfolie, auf welcher Antennenspule und Chip untergebracht sind, ist hier stets in einer Dicke von mindestens 1,5 mm ausgeführt, um eine hinreichende Abschirmung gegenüber der leitenden Unterlage zu erreichen, wobei die möglichen Lesereichweiten bereits bei der genannten Mindestdicke stark reduziert sind. Die Foliendicke von 1,5 mm wird auch deshalb nicht unterschritten, da ansonsten die darunterliegende metallische Unterlage eine zu große Verstimmung des Transponders hin zu höheren Frequenzen bewirkt, d. h. die Resonanzfrequenz des Transponderschwingkreises steigt. Das Energieversorgungs- und Datenaustauschprinzip der magnetischen Kopplung funktioniert jedoch nur aufgrund der Resonanzeigenschaft des Transponderschwingkreises. Liegt die tatsächliche Resonanzfrequenz des Transponderschwingkreises zu weit außerhalb eines schmalen Ziel-Frequenzbandes um die Betriebsfrequenz des Detektions- bzw. Lesegeräts, so sind die im Transponderschwingkreis induzierten Ströme zu gering, um hinreichende Übertragungsreichweiten zu ermöglichen.
• Aus dem Erfordernis großer Mindestfoliendicken bei herkömmlichen etikettenartigen Transponderaufbauten ergeben sich erheblich Probleme für die praktische Anwendung. Insbesondere die Anbringung auf stark gekrümmten Oberflächen auf etikettentypische Weise mittels Haftklebstoffen ist stark erschwert, da der dicke Folienaufbau beim Verbiegen ein relativ starkes Rückstellmoment hervoruft. Häufig ist eine entsprechende Aufbaudicke auch unerwünscht, weil weit überstehende Vorsprünge auf der Oberfläche des zu kennzeichnenden Gegenstands dessen Gebrauch einschränken würden oder ästhetische Gründe dagegen sprächen. Eine an herkömmliche, nicht abgeschirmte Transponderetiketten gemahnende Handhabung wird weit verfehlt.
• Angesichts der beschriebenen Problematik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Transponderetikett zu schaffen, welches auf leitenden, beispielsweise metallischen Flächen detektierbar bzw. lesbar ist, und welches dennoch ausreichende Biegeflexibilität und Einfachheit in der Handhabung aufweist.
• Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Transponderetikett zur Anbringung auf einer elektrisch leitfähigen Unterlage gelöst, welches einen ein Spulenelement und ein Kondensatorelement enthaltenden Schwingkreis mit einer Resonanzfrequenz im Radiowellenbereich und eine ein- oder mehrschichtige dünne, flexible Folie mit einem Anteil an weichmagnetischem Material, vorzugsweise Ferrit, welcher eine Erhöhung der Permeabilitätszahl der Folie bewirkt, aufweist, wobei die Folie sich über zumindest einen Großteil der von dem Spulenelement eingenommenen Fläche des Transponderetiketts erstreckt und sich bei Anbringung des Transponderetiketts zwischen dem Spulenelement und der Unterlage befindet, und wobei die Dicke der Folienschichten und die Permeabilitätszahl der Folie so aufeinander und auf die zur Anbringung bestimmte Unterlage abgestimmt sind, daß bei Anbringung des Transponderetiketts auf der Unterlage zum einen eine hinreichende magnetische Abschirmung gegenüber der Unterlage, d. h. eine entsprechend verminderte Feldabschwächung gewährleistet ist, zum anderen die Resonanzfrequenz in einem vorgegebenem Ziel-Frequenzband liegt. Dieses Ziel-Frequenzband stellt einen möglichst engen Frequenzbereich um die Arbeitsfrequenz des Detektions- bzw. Lesegeräts dar, welches zur Detektion des Transpondertiketts bzw. zum Lesen der auf einem darauf untergebrachten Halbleiterchip gespeicherten Daten eingesetzt werden soll.
• Während bei herkömmlichen geschirmten etikettenartigen Transponderaufbauten eine Mindestdicke der Ferrifolie von 1,5 mm erforderlich ist, um die Detektier- bzw. Lesbarkeit zu gewährleisten, hat sich bei dem erfindungsgemäßen Transponderetikett überaschenderweise gezeigt, daß auch dünnere Folien mit weichmagnetischen Eigenschaften eine hinreichende Abschirmung bieten können, wenn man die Permeabilitätszahl und die Dicke der Folie bzw. deren Schichten aufeinander, sowie auf die Unterlage abstimmt. Durch Verwendung einer Folie mit höherer Permeabilitätszahl läßt sich deren Dicke im Aufbau des Transponderetiketts erheblich reduzieren, ohne daß die Feldabschwächung durch in der leitenden Unterlage induzierte Wirbelströme zu stark ausfällt, oder daß die Resonanzfrequenz des Transponderschwingkreises zu weit angehoben wird. Die verminderte Dicke des erfindungsgemäßen Transponderetiketts führt aufgrund geringerer Widerstandsmomente zu einer besseren Biegbarkeit, so daß sich das Transponderetikett mit der vorzugsweise an der Unterseite vorzusehenden selbstklebenden Beschichtung auch an gekrümmten Oberflächen gut befestigen läßt.
• Vorzugsweise ist die flexible Folie dünner als 1 mm und weist eine Permeabilitätszahl von mindestens 10 auf. Auf für den Fachmann nicht vorhersehbare Weise hat sich für Standard-Transponderinlays eine Permeabilitätszahl zwischen 13 und 17 und eine Foliendicke, in Abhängigkeit des Materials der leitenden Unterlage, zwischen 0,3 und 0,8 mm als besonders vorteilhaft herausgestellt. So lassen sich unter Verwendung von 13,56 MHz-Transpondertechnologie bei einer Permeabilitätszahl der Folie von etwa 15 gute Les- bzw. Detektierbarkeiten auf Nickel mit einer Foliendicke von 0,3 mm, auf Stahl mit einer Foliendicke von 0,7 mm und auf Aluminium mit einer Foliendicke von 0,8 mm erzielen. Wesentlich dünnere Foliendicken bei wesentlich höheren Permeabilitäten führen dagegen zu einer überproportional abnehmenden Transpondersensitivität.
• Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die flexible Folie eine dünne Folienschicht auf, welche frei von dem weichmagnetischen Material ist, wobei diese Folienschicht auf der dem Spulenelement zugewandten Seite oder der dem Spulenelement abgewandten Seite angeordnet sein kann.
• Vorzugsweise erstreckt sich die flexible Folie über die gesamte Fläche des Transponderetiketts, da dies zum einen die Herstellung vereinfacht, zum anderen zur Robustheit des Transponderetiketts beiträgt, jedoch kann zum Ausgleich einer unerwünscht großen Verstimmung der Resonanzfrequenz des Transponders hin zu niedrigen Frequenzen ein Teil der von dem Spulenelement eingenommenen Fläche ausgenommen werden, die Folie unter dem Spulenelement also eine Aussparung aufweisen.
• Während für herkömmlichen Transponderetiketten Transponder-Inlays mit einer möglichst geringe Verstimmung, das bedeutet einer möglichst geringen Abweichung der Resonanzfrequenz von der beabsichtigten Arbeitsfrequenz, ausgewählt werden, ist für erfindungsgemäße Etiketten überraschenderweise eine andere Auslegung vorzuziehen: Als besonders vorteilhaft bei der Verwendung sehr dünner Folien hat sich herausgestellt, den Transponderschwingkreis so abzustimmen, daß dessen Resonanzfrequenz vor dem Anbringen auf die leitende Unterlage und in gleichzeitiger Abwesenheit der weichmagnetisches Material aufweisenden Folie deutlich unterhalb der Arbeitsfrequenz des zu verwendenden Lese- oder Detektionssystems bzw. unterhalb des vorgegebenen Ziel-Frequenzbands liegt. Da die leitende Unterlage trotz Abschirmung eine Anhebung der Resonanzfrequenz des Transponderschwingkreises des Etiketts bewirkt, sobald dieses darauf angebracht worden ist, ermöglicht es die bewußte Vorverstimmung des Transponderschwingkreises der beschriebenen Art, ein besonders enges Ziel-Frequenzband vorzugeben, und dennoch das erfindungsgemäße Abstimmungskriterium einzuhalten. Die tatsächliche Resonanzfrequenz im betriebsbereiten Zustand liegt also besonders nahe an der Arbeitsfrequenz des Detektions- bzw. Lesegeräts, welches zur Detektion des Transpondertiketts bzw. zum Lesen der auf dem gegebenenfalls darauf untergebrachten Halbleiterchip gespeicherten Daten eingesetzt werden soll. Als Vorteil resultiert hieraus eine besonders gut gewährleistete Ausnutzung des Resonanzeffekts. Es läßt sich mit der geschilderten Maßnahme somit eine günstige Erkennungs- bzw. Lesereichweite erzielen. Wahlweise ermöglicht eine Vorverstimmung der beschriebenen Art gegenüber dem Einsatz eines nicht entsprechend vorverstimmten Transponder Inlays eine dünnere Ausführung der weichmagnetisches Material aufweisenden Folie bei etwas verminderter Lesereichweite.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird ein Schwingkreis mit einer gegenüber Standard-Transponderinlays erhöhten Resonanzgüte verwendet. Die Resonanzgüte wird dabei so gewählt, daß sie vor der Anbringung des Transponderetiketts auf die leitende Unterlage über einem festgelegten Wert liegt, diesen im betriebsbereiten Zustand auf der Unterlage jedoch nicht überschreitet. Der entsprechende Wert liegt vorzugsweise zwischen 20 und 30 und ist dabei im genannten Bereich mittels Auslegungsversuchen festzulegen oder abzuschätzen.
• Besonders vorteilhaft ist es, ein Oberetikett vorzusehen, welches die darunterliegenden Transponderbauteile, d. h. die Antennenspule und den vorzugsweise vorgesehenen Halbleiterchip, gegen äußere Einflüsse, wie etwa Feuchtigkeit, mechanische Beanspruchungen oder durch eine abnorme Umgebungstemperatur bedingte Einwirkungen schützt. Ein solches Oberetikett kann vorteilhafterweise aus einer überlaminierten, bedruckten Kunststoffolie bestehen. Ein besonders guter Schutz der elektronischen Bauteile ergibt sich durch Vorsehen eines Überzugs aus Polyurethan- Gießharz.
• Wie oben angedeutet, ist es vorteilhaft, ein Integrierter-Schlatkreiselement in Form eines Halbleiterchips auf dem Transponderetikett unterzubringen. Der Chip dient dann zur Datenspeicherung und fungiert vorzugsweise auch als Kondensatorelement.
• Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der zugehörigen Zeichnung Fig. 1 näher beschrieben, welche ein erfindungsgemäßes Transponderetikett sowie einen Ausschnitt der leitenden Unterlage darstellt, auf welcher dieses angebracht ist. Die Darstellung ist dabei nicht maßstabsgerecht und rein schematisch aufzufassen. Insbesondere sind die Schichtdicken stark vergrößert gezeichnet.
• Das in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Transponderetikett weist eine Antennenspule 1, einen Halbleiterchip 2 sowie eine einschichtige Folie 3 der Dicke D auf, welche zum einen als Trägerfolie dient, zum anderen eine Abschirmung gegen die Induktion magnetischer Gegenfelder in der metallischen Unterlage 6 darstellt, welche eine Abschwächung des für die Transponderabfrage benötigten oszillierenden Magnetfeldes bewirken.
• Der Halbleiterchip 2 erfüllt sowohl die Funktion eines Kondensatorelements des Transponderschwingkreises als auch die eines Speicherbausteins, auf welchem spezifische Daten des Produkts gespeichert sind, einen Teil dessen die metallische Unterlage 6 darstellt. Bei den spezifischen Daten kann es sich beispielsweise um einen Produktcode, eine Seriennummer oder das Produkt kennzeichnene technische Kennwerte handeln.
• Die Folie 3 besteht aus einer flexiblen Matrix beispielsweise aus Silikongummi, in welcher Ferritpartikeln 4 eingelagert sind, welche der Folie 3 weichmagnetische Eigenschaften verleihen und somit für deren Abschirmwirkung verantwortlich sind. Die Permeabilitätszahl der Folie 3 ist auf deren Dicke D und das Material der Unterlage 6 abgestimmt, wobei sie bei geringerer Dicke D größer zu wählen ist. Besteht die Unterlage 6 aus Aluminium, so ist bei einer Dicke von D = 0,8 mm und Verwendung eines Standard-Transponderinlays eine Permeabilitätszahl von etwa 15 besonders geeignet. Mittels der im folgenden beschriebenen erfindungsgemäßen Maßnahme einer bewußt gewählten Transpondervorverstimmung ist jedoch für das beschriebene Beispiel eine verminderte notwendige Foliendicke D realisiert.
• Die Transponderanordnung des abgebildeten Etiketts ist für eine Lesefrequenz von 13,56 MHz ausgelegt, das bedeutet, die Resonanzfrequenz des aus Antennenspule 1 und Halbleiterchip 2 bestehenden Transponderschwingkreises liegt bei aufgeklebtem Etikett in einem engen Ziel-Frequenzband um diesen Wert. Um dieses Kriterium bei der geringen Dicke der Folie 3 einhalten zu können, ist der Transponderschwingkreis vor der Anbringung auf der Unterlage 6 so zu niedrigeren Frequenzen hin vorverstimmt, daß seine Resonanzfrequenz in Abwesenheit der Folie 3 deutlich unterhalb der Lesefrequenz liegt.
• Die sichere Anbringung des Etiketts auf der Unterlage 6 wird mittels einer Haftklebstoffbeschichtung 5 bewerkstelligt, die vor dem Aufkleben des Etiketts zweckmäßigerweise mit Abziehmaterial bedeckt ist.
• Nicht abgebildet ist ein bedrucktes Oberetikett aus Kunststoff, mit welchem der dargestellte Etikettenaufbau überzogen ist, und welcher einen gewissen Schutz des Halbleiterchips 2 sowie der Antennenspule 1 gegen äußere Einwirkungen chemischer, mechanischer oder thermischer Natur bietet.

Claims (14)

1. Transponderetikett zur Anbringung auf einer elektrisch leitenden Unterlage (6), welches folgendes aufweist:
einen ein Spulenelement (1) und ein Kondensatorelement (2) aufweisenden Schwingkreis mit einer Resonanzfrequenz im Radiowellenbereich und
eine ein- oder mehrschichtige dünne, flexible Folie (3), aufweisend einen Anteil an weichmagnetischem Material (4), welcher eine Erhöhung der Permeabilitätszahl der Folie (3) bewirkt,
wobei die Folie (3) sich über zumindest einen Großteil der von dem Spulenelement (1) eingenommenen Fläche des Transponderetiketts erstreckt und sich bei Anbringung des Transponderetiketts zwischen dem Spulenelement (1) und der Unterlage (6) befindet,
und wobei die Dicke der Folienschichten und die Permeabilitätszahl der Folie (3) so aufeinander und auf die zur Anbringung bestimmte Unterlage (6) abgestimmt sind, daß bei Anbringung des Transponderetiketts auf der Unterlage (6) eine hinreichende magnetische Abschirmung gegenüber der Unterlage (6) gewährleistet ist, und die Resonanzfrequenz in einem vorgegebenem Ziel-Frequenzband liegt.

2. Transponderetikett gemäß Anspruch 1, wobei die Folie (3) dünner als 1 mm und die Permeabilitätszahl der Folie (3) größer oder gleich 10 ist.

3. Transponderetikett gemäß Anspruch 2, wobei die Permeabilitätszahl der Folie (3) zwischen 13 und 17 und die Foliendicke zwischen 0,3 und 0,8 mm beträgt.

4. Transponderetikett gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das weichmagnetische Material (4) Ferrit ist.

5. Transponderetikett gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Transponderetikett eine selbstklebende Beschichtung (5) zur Anbringung auf der Unterlage (6) aufweist.

6. Transponderetikett gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Folie (3) auf ihrer dem Spulenelement (1) zugewandten Seite eine Folienschicht aufweist, welche frei von dem weichmagnetischen Material (4) ist.

7. Transponderetikett gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Folie (3) auf ihrer von dem Spulenelement (1) abgewandten Seite eine Folienschicht aufweist, welche frei von dem weichmagnetischen Material (4) ist.

8. Transponderetikett gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sich die Folie (3) über die gesamte Fläche des Transponderetiketts erstreckt.

9. Transponderetikett gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Resonanzfrequenz des Schwingkreises bei gleichzeitiger Abwesenheit der elektrisch leitenden Unterlage (6) und der einen Anteil an weichmagnetischem Material (4) aufweisenden Folie (3) unterhalb des vorgegebenem Ziel-Frequenzbands liegt.

10. Transponderetikett gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Schwingkreis eine Resonanzgüte aufweist, die vor Anbringen des Transponderetiketts auf die leitende Unterlage (6) über einem festgelegten Wert liegt, diesen im betriebsbereiten Zustand auf der Unterlage (6) jedoch nicht überschreitet.

11. Transponderetikett gemäß Anspruch 10, wobei der festgelegte Wert zwischen 20 und 30 liegt

12. Transponderetikett gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Transpoderetikett ein Decketikett zum Schutz des Spulenelements (1) und des Kondensatorelements (2) aufweist.

13. Transponderetikett gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Transpoderetikett ein Integrierter-Schaltkreis-Element (2) aufweist.

14. Transponderetikett gemäß Anspruch 13, wobei das Integrierter-Schaltkreis- Element (2) das Kondensatorelement (2) umfaßt.