Die Erfindung betrifft einen Transponder mit elektronischem Speicherchip und magnetischer Ringantenne. Die Erfindung betrifft ferner ein Transponderhalbzeug und ein Herstellungsverfahren für einen derartigen Transponder.

Transpondertechnologie wird seit mehreren Jahren in vielen Anwendungen erfolgreich eingesetzt: Der berührungslose Firmenausweis, der den Zutritt zum Arbeitsplatz freigibt oder die Wegfahrsperre auf Basis eines in den Fahrzeugschlüssel eingebauten Transponders sind typische Beispiele. Dabei erweist sich die Transponder- bzw. RFID-Technologie robuster als herkömmliche Kennzeichnungssysteme, insbesondere Etiketten mit Barcodes: Für verschmutzte, verdeckte oder beschädigte Barcodes stehen trotz einer wachsenden Zahl von eingebauten Redundanzen die Chancen auf Erfassung schlecht. Dagegen bietet die von einer optischen Sichtverbindung unabhängige RFID-Technologie auch bei stark verschmutzten Datenträgern eine konstant hohe Lesequalität. Weitere Vorteile der RFID-Technologie sind die prinzipiell hohen Speicherfähigkeiten (aktuell bis zu 64 kByte), die Möglichkeit der Umprogrammierung und der verschlüsselten Datenübertragung.

Ein Transponder besteht üblicherweise aus einem Koppelelement (Spule oder Mikrowellenantenne) und einem elektronischen Mikrochip. Passive Transponder enthalten keine eigene Spannungsversorgung (Batterie) und verhalten sich außerhalb des Ansprechbereichs eines Lesegeräts vollkommen passiv. Erst innerhalb des Ansprechbereichs eines Lesegeräts wird der Transponder aktiviert. Die zum Betrieb des passiven Transponders benötigte Energie wird ebenso wie Takt und Daten durch die Koppeleinheit kontaktlos zum Transponder übertragen.

Unterschieden wird typischerweise zwischen induktiv bzw. magnetisch gekoppelten Transpondersystemen, die im Frequenzbereich von Niederfrequenz (<150 kHz) bis Hochfrequenz (HF, 13,56 MHz) zum Einsatz kommen, und elektromagnetisch gekoppelte Systeme, die im Ultrahochfrequenz- und Mikrowellenbereich (UHF ab 866 MHz) eingesetzt werden.

Induktive Systeme arbeiten im Nahfeld – mit magnetischen Ringantennen, deren Umfang oft kleiner ist als ein Zehntel der Wellenlänge &lgr;. Sie zeichnen sich im Allgemeinen durch kompakte Bauformen und einen klar definierten Lesebereich aus.

Dagegen zeichnen sich elektromagnetisch gekoppelte Systeme durch Reichweiten größer als die Wellenlänge &lgr; aus. Dabei kommen Antennen mit elektrischem Nahfeld, insbesondere Dipolantennen, zum Einsatz, die relativ groß sind mit einer Länge in der Größenordnung von &lgr;/2.

Für magnetische Ringantennen sind folgende Bauformen bekannt (siehe Rothammels Antennenbuch, DARC Verlag Baunatal, 12. Auflage, Kapitel 6):

• 1. Magnetische Antennen mit untenliegender Abstimmung und kapazitiver Auskopplung,
• 2. Magnetische Antennen mit obenliegender Abstimmung und galvanischer Auskopplung und
• 3. Magnetische Antennen mit induktiver Auskopplung.

Transponder können in hohen Stückzahlen kostengünstig in Form von Transponder-Etiketten bzw. so genannten Smart Labels hergestellt werden. Diese enthalten eine Folie als Träger, auf der eine dünne – geätzte oder gedruckte – Antenne aufgebracht ist. Der Chip wird dabei entweder direkt mit hohen Präzisionsanforderungen oder indirekt als Chipmodul bzw. Strap aufgebracht und elektrisch leitfähig kontaktiert. Um die leitfähige Verbindung herzustellen, kommen Verfahren wie leitfähiges Kleben, Bonden (Verschweißen) oder Crimpen zum Einsatz, die jeweils zusätzliche Kosten verursachen.

Bei der Kennzeichnung von kleinen Gegenständen stoßen die bekannten Transpondersysteme an technische Grenzen: Bei induktiv gekoppelten Systemen sind zwar kleine Bauformen möglich, jedoch nehmen die Induktivität und die Lesereichweite mit kleiner werdenden Querschnittflächen der Ringantenne ab. Aufgrund der kleinen Induktivität ist bei den üblichen Transponderfrequenzen induktiver Systeme eine große Kapazität erforderlich, die sich typischerweise in höheren Kosten niederschlägt. Auch der Kennzeichnung von kleinen Gegenständen ist daher eine möglichst große Antennenquerschnittsfläche anzustreben.

Elektromagnetische Antennen können aufgrund der mit der Frequenz vorgegeben Länge der Dipolantenne nicht beliebig klein gefaltet werden. Dabei wäre der UHF- bzw. Mikrowellenbereich aufgrund der höheren Frequenz in Bezug auf die Lesereichweite im Vorteil.

Hier setzt die Erfindung an. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Stands der Technik zu vermeiden und insbesondere einen gattungsgemäßen Transponder anzugeben, der auch in kleinen Bauformen eine gute Lesereichweite aufweist und darüber hinaus kostengünstig produziert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Transponder mit den Merkmalen des Hauptanspruchs und des nebengeordneten Anspruchs 5 gelöst. Ein Transponderhalbzeug und ein Herstellungsverfahren für einen Transponder sind in den nebengeordneten Ansprüchen angegeben. Weitere vorteilhafte Details, Aspekte und Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung, den Figuren und den Beispielen.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden die folgenden Abkürzungen und Begriffe benutzt:

Die Abkürzung RFID (Radio Frequency Identification) wird hier allgemein für Identifkationssysteme mit kontaktloser elektromagnetischer Energie- und Datenübertragung verwendet – unabhängig von der eingesetzten Trägerfrequenz.

Unter Transponderauslesegerät wird ein System verstanden, das über elektromagnetische Felder einen Transponder mit Energie versorgen, Daten aus dessen Chip auslesen und optional auch Daten auf den Chip schreiben kann.

Nach einem ersten Erfindungsaspekt ist bei einem Transponder der eingangs genannten Art vorgesehen, dass die Ringantenne eine elektrische leitfähige Spule mit mindestens einer Windung und einen Kondensator umfasst und dass der Transponder auf eine Arbeitsfrequenz von 860 MHz oder mehr für UHF oder den Mikrowellenbereich ausgelegt ist.

Bevorzugt umfasst die Ringantenne dabei eine Spule mit nur einer Windung. Die Induktivität der Spule ist mit Vorteil kleiner ist als 1 &mgr;H, bevorzugt kleiner 0,2 &mgr;H, und der Umfang der Spule ist zweckmäßig kleiner ist als 20 cm, bevorzugt kleiner 4 cm. Die Kapazität des Kondensators ist vorteilhaft aus dem Bereich 0,1 pF bis 20 pF, bevorzugt aus dem Bereich 0,5 pF bis 5 pF ausgewählt.

Nach einem zweiten Erfindungsaspekt ist bei einem Transponder der eingangs genannten Art vorgesehen, dass die Ringantenne eine elektrische leitfähige Spule mit mindestens einer Windung und einen Kondensator umfasst, wobei der Kondensator als Dielektrikum eine dünne Isolatorfolie aufweist, die gleichzeitig als Trägerfolie für die Spule und/oder den Chip dient.

In beiden Erfindungsaspekten werden, wie nachfolgend genauer ausgeführt, insbesondere folgende Vorteile verwirklicht:

• – kompakte Bauform;
• – einfache, kostengünstige Herstellung;
• – flexible Einsatzmöglichkeiten;
• – einfache Abstimmmöglichkeit nach Herstellung eines Transponderhalbzeugs;
• – einfache Montage auf verschiedene Gegenstände.

Bei dem Transponder des zweiten Erfindungsaspekts ist die Isolatorfolie vorzugsweise eine Kunststofffolie, insbesondere eine Polyester (PET)-Folie, eine Polyimid-Folie oder eine Polypropylen (PP)-Folie.

In einer vorteilhaften Gestaltung ist der gesamte Transponder auf der Isolatorfolie aufgebaut.

Während grundsätzlich Spule und Speicherchip auf derselben Seite der Isolatorfolie angeordnet sein können, ist es vor allem wegen den geringeren Anforderungen an die Positionierungsgenauigkeit bevorzugt, dass die Spule und der Speicherchip auf gegenüberliegenden Oberflächen der Isolatorfolie aufgebaut sind.

In einer Weiterbildung des zweiten Erfindungsaspekts ist eine zweite Isolatorfolie vorgesehen, die mit der ersten Isolatorfolie so verbunden, insbesondere verklebt oder verschweißt ist, dass die Spule zwischen den beiden Isolatorfolien verpackt ist.

Der Transponder ist vorzugsweise auf eine Arbeitsfrequenz oberhalb 10 MHz, insbesondere auf eine Arbeitsfrequenz um 13,56 MHz, 27,1 MHz, 40,68 MHz, 433,92 MHz, 860–960 MHz, 2,45 GHz, 5,8 GHz oder 24,1 GHz, und besonders bevorzugt auf eine Arbeitsfrequenz oberhalb von 860 MHz, also im UHF und Mikrowellenbereich ausgelegt, da hier mit der erfindungsgemäßen Ringantenne kompakte Bauformen realisiert werden können.

Die Isolatorfolie ist mit Vorteil dünner als 50 &mgr;m, bevorzugt liegt ihre Dicke im Bereich zwischen 10 &mgr;m und 40 &mgr;m.

Die Spulenfläche A der leitfähigen Spule ist in beiden Erfindungsaspekten zweckmäßig kleiner als 40 cm², und liegt bevorzugt im Bereich zwischen 0,06 cm² und 4 cm², besonders bevorzugt im Bereich zwischen 0,18 cm² und 1 cm².

Die Transponder nach beiden Erfindungsaspekten können mit Vorteil mit einer Klebstoffschicht für den Einsatz der Transponder als selbstklebende Transponderetiketten (so genannte Smart Label) versehen sein.

Die Spule ist in beiden Aspekten zweckmäßig durch eine Leiterbahn auf einer Trägerfolie gebildet. Im zweiten Erfindungsaspekt übernimmt die Isolatorfolie mit Vorteil die Rolle der Trägerfolie. Es bietet sich dabei an, die Leiterbahn durch Herausätzen aus einer vollflächigen Metallfolie – insbesondere einer Kupfer- oder Aluminiumfolie – oder durch Drucken einer leitfähigen Paste – insbesondere Silberleitpaste – zu bilden.

Die Windungszahl der Spule ist vorzugsweise kleiner als 20, bevorzugt kleiner als 10, und beträgt insbesondere 1, 2 oder 3. Die Windungszahl 1 bringt dabei den zusätzlichen Vorteil, dass keine Brücke zum Verbinden der Spulenenden erforderlich ist.

Der Transponder des zweiten Erfindungsaspekts ist mit Vorteil bei ebener Isolatorfolie funktionsfähig, wobei die Antennenspule parallel zur Isolatorfolie angeordnet ist. Alternativ kann die Isolatorfolie nicht parallel zur von der Antenne aufgespannten Fläche liegen, sondern aus ihr herausragen. Dies kann beispielsweise dadurch verwirklicht sein, dass die Isolatorfolie zu einer geschlossenen Röhre aufgewickelt ist, entlang deren Umfang die Spule verläuft.

Die Leiterbahnen sind zweckmäßig so geformt, dass sich die Resonanzfrequenz der Antenne durch Positionierungsungenauigkeiten beim Aufwickeln nicht verschiebt. Vorzugsweise sind sie so geformt, dass im Bereich der übereinander liegenden Teilabschnitte der beiden Leiterbahnen, die eine Leiterbahn eine wesentlich größere Ausdehnung hat als die andere.

In einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung sind die Leiterbahnen so geformt, dass beim Aufwickeln durch gezielte Positionierung der übereinander liegenden Teilbereiche die Resonanzfrequenz des Transponders abgestimmt werden kann, bevorzugt so geformt, dass die Größe des überlappenden Teils durch die Positionierung ausgewählt werden kann.

Der elektrische Speicher kann als Nur-Lese-Speicher oder als wiederbeschreibbarer Speicher ausgebildet sein.

Die Erfindung enthält weiter ein Transponderhalbzeug mit einem biegsamen, elektrisch isolierenden Träger mit zwei Leiterbahnen, die jeweils auf einer Seite mit einem Transponderbaustein verbunden sind, und bei dem beim Aufwickeln des Trägers mit einem bestimmten Umfang die beiden Leiterbahnen in Teilabschnitten so übereinander liegen, dass sie mit dem dazwischen liegenden Träger eine Ringantenne und zusammen mit dem Transponderbaustein einen auf die gewünschte Resonanzfrequenz abgestimmten Transponder bilden.

Das Transponderhalbzeug ist vorzugsweise selbstklebend, so dass ein Transponder durch Aufkleben auf einen Gegenstand mit einem bestimmten Umfang gebildet werden kann.

Der Träger des Transponderhalbzeugs besteht mit Vorteil aus einer Kunststofffolie, insbesondere einer Polyester-Folie, einer Polyimid-Folie oder einer Polypropylen-Folie. Die Leiterbahnen des Transponderhalbzeugs bestehen zweckmäßig aus Metallfolie oder einer durch Siebdruck aufgebrachten leitfähigen Paste.

Der Transponderbaustein des Transponderhalbzeugs enthält vorzugsweise einen Schaltkreis zur Frequenzstabilisierung, um Unterschiede im Antennenquerschnitt beim Aufbringen des Trägers auf unterschiedliche Gegenstände auszugleichen.

Die Leiterbahnen sind mit Vorteil so geformt, dass sich die Resonanzfrequenz der Antenne durch Positionierungsungenauigkeiten beim Aufwickeln nicht verschiebt, bevorzugt sind sie so geformt, dass im Bereich der übereinander liegenden Teilabschnitte der beiden Leiterbahnen, die eine Leiterbahn eine wesentlich größere Ausdehnung hat als die andere.

Das Transponderhalbzeug selbst ist mit Vorteil so geformt, dass beim Aufwickeln durch gezielte Positionierung der übereinander liegenden Teilbereiche die Resonanzfrequenz des so bildenden Transponders abgestimmt werden kann. Vorzugsweise sind dabei die Leiterbahnen so geformt, dass die Größe des überlappenden Teils durch die Positionierung ausgewählt werden kann.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Transponderhalbzeug mit Vorteil so geformt, dass beim Aufwickeln unabhängig vom gewählten Umfang innerhalb eines zugelassenen Bereichs die Resonanzfrequenz des Transponders sich nicht wesentlich ändert. Vorzugsweise sind dabei die Leiterbahnen so geformt, dass die Größe des überlappenden Teils mit zunehmendem Umfang so abnimmt, dass die dabei zunehmende Induktivität der Antenne durch eine abnehmende Kapazität ausgeglichen wird.

Die Erfindung enthält weiter ein Verfahren zum Herstellen eines Transponders nach dem ersten Erfindungsaspekt, bei dem ein elektronischer Speicherchip mit einer magnetischen Ringantenne gekoppelt wird, wobei die Ringantenne mit einer elektrisch leitfähigen Spule mit mindestens einer Windung und mit einem Kondensator ausgebildet wird, und wobei der Transponder auf eine Arbeitsfrequenz von 860 MHz oder mehr für UHF oder den Mikrowellenbereich ausgelegt wird.

Die Erfindung enthält auch ein Verfahren zum Herstellen eines Transponders nach dem zweiten Erfindungsaspekt, bei dem ein elektronischer Speicherchip mit einer magnetischen Ringantenne gekoppelt wird, die Ringantenne mit einer elektrisch leitfähigen Spule mit mindestens einer Windung und mit einem Kondensator ausgebildet wird, und wobei Kondensator mit einer dünnen Isolatorfolie als Dielektrikum ausgebildet wird, die gleichzeitig als Trägerfolie für die Spule und/oder den Chip dient.

Bei einer vorteilhaften Verfahrensvariante umfasst die Spule nur eine Windung und der Transponderbaustein wird, insbesondere als Chip oder Chipmodul, so aufgebracht, dass er direkt ohne eine Brücke an beiden Enden der Spule gekoppelt wird.

In beiden Verfahrensvarianten kann ein Transponderbaustein aufgebracht, insbesondere aufgeklebt und durch Schweißen oder Bonden elektrisch mit der Spule verbunden werden.

Vorzugsweise wird der Transponder mit einer Schutzschicht versehen. Die Schutzschicht ist dabei bevorzugt durch eine aufgebrachte Lack- oder Kunststoffschicht oder einen passend umfassenden Schutzkörper gebildet.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt. Es zeigen:

1 in Aufsicht einen Transponder mit magnetischer Ringantenne, die nur eine Windung umfasst, und für den UHF-Frequenzbereich geeignet ist;

2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Transponders, bei der die Trägerfolie gleichzeitig als Dielektrikum für den Kondensator der Ringantenne dient, wobei (a) eine Aufsicht und (b) einen 20-fach gestreckten Querschnitt entlang der Linie B-B von (a) zeigt;

3 die Kennzeichnung eines zylinderförmigen Gegenstandes mit Hilfe eines selbstklebenden Transponderhalbzeugs: a) Selbstklebendes Transponderhalbzeug mit offener Spule, b) Aufkleben des Transponderhalbzeugs auf den Gegenstand, c) fertiger, mittels Transponder gekennzeichneter Gegenstand;

4 die Kennzeichnung eines zylinderförmigen Gegenstandes mit Hilfe eines selbstklebenden Transponderhalbzeugs, das so geformt ist, dass sich die Resonanzfrequenz weder durch Positionierungsungenauigkeiten noch durch Variationen im Umfang des Gegenstands ändert.

Zunächst wird mit Bezug auf die 1 ein Transponder mit magnetischer Ringantenne, die nur eine Windung umfasst, erläutert.

In 1 bezeichnet das Bezugszeichen 21 den Transponderchip, 22 die Antennenspule und 3 einen Träger aus Kunststoff. Der Chip ist dabei direkt über ein Flip-Chip-Verfahren auf die Spule aufgebracht. Die Antennenspule hat einen Durchmesser von lediglich 1 cm, deren Induktivität beträgt dabei etwa 0,1 &mgr;H. Zusammen mit einem im Transponderchip integrierten Kondensator entsteht eine Ringantenne, die auf 868 MHz abgestimmt ist.

Spule 22 und Chip 21 können, wie im Ausführungsbeispiel der 1 auf derselben Seite des Kunststoffträgers 3 aufgebracht sein, oder sie können, wie in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen, auf gegenüberliegenden Seiten des Trägers 3 angeordnet sein.

2 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Transponders, bei dem die Trägerfolie 3 der Antennenspule 22 gleichzeitig als Dielektrikum für den Kondensator der Ringantenne fungiert. 2a zeigt den Transponder in Aufsicht, während 2b einen um den Faktor 20 gestreckten Querschnitt entlang der in 2a gezeigten gestrichelten Linie B-B repräsentiert.

In 2a ist der Chip indirekt als Chipmodul 211 aufgebracht. Vorteil dabei ist, dass die Anforderungen an die Präzision beim Aufbringen des Chipmoduls geringer sind. Die Ringantenne wird einerseits aus der Antennenspule 22 als induktives Element und andererseits aus zwei Kondensatoren gebildet, die wiederum aus den übereinander liegenden Abschnitten der Antennenspule 22 und des Chipmoduls 211 als Elektroden und der Folie 3 als Dielektrikum bestehen.

Ein Vorteil dieser Ausführungsform liegt neben der kompakten Bauform in der einfachen Montage des Chipmoduls, die nicht elektrisch leitfähig ausgeführt werden muss. Außerdem kann durch die Dicke der Folie und insbesondere auch durch die Positionierung des Chipmoduls der Transponder abgestimmt werden – auch nachdem sowohl Chipmodul 211 als auch die Antennenspule 22 schon gefertigt sind.

3 zeigt die Kennzeichnung einer Flasche mit Hilfe eines selbstklebenden Transponderhalbzeugs. Das selbstklebende Transponderhalbzeug 20 (3a) ist auf einer selbstklebenden Folie 3 aufgebaut und umfasst den Transponderchip 21, sowie Leiterbahnen 22 und 23 zum Aufbau der Transponderspule, wobei der Transponderchip 21 mittels Flip-Chip-Verfahren mit den beiden Leiterbahnen kontaktiert ist. Die Leiterbahnen 22, 23 sind so angeordnet, dass deren offenen Enden übereinander zu liegen kommen, wenn das Transponderhalbzeug auf einen zylinderförmigen Gegenstand mit einem vorgegebenen Umfang verklebt wird.

In 3b ist dargestellt, wie das Transponderhalbzeug 20 auf den zylinderförmigen Abschnitt 12 einer Flasche 1 aufgeklebt wird. Bei vollständig aufgeklebtem Transponderhalbzeug (3c) bilden die Leiterbahnen 22, 23 zusammen mit der Folie 3 eine Ringantenne, die zusammen mit dem kontaktierten Chip einen funktionsfähigen Transponder 2 ergibt. Die Folie 3 bildet dabei einerseits das Dielektrikum für einen Kondensator, der im überlappenden Bereich der Leiterbahnen 22 und 23 gebildet wird, und andererseits eine durchgehende Schutzschicht für den Transponder. Sie kann dabei gleichzeitig als bedruckbares Etikett für die Flasche dienen.

4 zeigt die Kennzeichnung einer Flasche mit Hilfe eines selbstklebenden Transponderhalbzeugs, dessen Anwendung unempfindlich gegenüber Positionierungsungenauigkeiten sowie Variationen im Umfang der Flasche ist. Die Leiterbahnen 22 und 23 sind wiederum so angeordnet, dass deren offenen Enden übereinander zu liegen kommen, wenn das Transponderhalbzeug auf einen zylinderförmigen Gegenstand mit einem vorgegebenen Umfang verklebt wird.

Darüber hinaus sind die Leiterbahnen 22 und 23 so geformt, dass im Bereich der übereinander liegenden Teilabschnitte 24 der beiden Leiterbahnen, die eine Leiterbahn 22 eine wesentlich größere Ausdehnung hat als die andere Leiterbahn 23. Bei Positionierungenauigkeiten, d. h. bei leichten Verschiebungen der Leiterbahnen 22 und 23 relativ zueinander, bleibt dadurch die Fläche des überlappenden Teilabschnitts 24 und damit die Kapazität des daraus gebildeten Kondensators nahezu konstant.

Weiterhin nimmt die Breite der Leiterbahn 23 nach außen hin ab. Beim Aufbringen des Halbzeugs auf Flaschen verschiedener Durchmesser nimmt die Größe des überlappenden Teils 24 der Leiterbahnen ab, je größer der Durchmesser – innerhalb eines zugelassenen Bereichs – ist. Damit nimmt auch die Kapazität des daraus gebildeten Kondensators entsprechend ab und gleicht die zunehmende Induktivität des aus den Leiterbahnen gebildeten Antennenrings derart aus, so dass die Resonanzfrequenz des Transponders – innerhalb des zugelassenen Bereichs praktisch konstant bleibt.

Insgesamt wird damit eine Unempfindlichkeit des Transponderaufbaus gegenüber Positionierungsungenauigkeiten bei der Montage als auch gegenüber Variationen im Umfang der gekennzeichneten Flaschen erreicht.

Während die Erfindung insbesondere mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsbeispiele gezeigt und beschrieben worden ist, versteht sich für den Fachmann, dass Änderungen in Gestalt und Einzelheiten gemacht werden können, ohne von dem Gedanken und Umfang der Erfindung abzuweichen. Dementsprechend soll die Offenbarung der vorliegenden Erfindung nicht einschränkend sein. Statt dessen soll die Offenbarung der vorliegenden Erfindung den Umfang der Erfindung veranschaulichen, der in den nachfolgenden Ansprüchen dargelegt ist.