DE69801800T2

DE69801800T2 - Verfahren zum Prüfen einer induktiven Resonanzschaltung

Info

Publication number: DE69801800T2
Application number: DE69801800T
Authority: DE
Inventors: Jean-Pierre Enguent
Original assignee: STMicroelectronics SA
Current assignee: STMicroelectronics SA
Priority date: 1997-11-18
Filing date: 1998-11-17
Publication date: 2002-06-13
Anticipated expiration: 2018-11-18
Also published as: EP0916958A1; FR2771183B1; EP0916958B1; US6236220B1; FR2771183A1; DE69801800D1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Prüfen einer Resonanzschaltung mit einer Kapazität und einer Spule.
Insbesondere betrifft die Erfindung das Prüfen von Antennenkreisen tragbarer Einrichtungen, die kontaktlos arbeiten, wie kontaktlose Chipkarten, elektronische Etiketten usw.
Zur Erinnerung ist in Fig. 1 sehr schematisch eine kontaktlos arbeitende integrierte Schaltung dargestellt, die beispielsweise auf einer Kunststoffkarte 20 angeordnet ist und eine kontaktlose Chipkarte bildet. Diese integrierte Schaltung 1 ist mit einem Antennenkreis 10 versehen, der im Wesentlichen eine in das Silizium der Schaltung 1 integrierte Kapazität 11 und eine Antennenspule 12 aufweist. Die Spule 12 ist auf der Kunststoffkarte 20 angeordnet und durch Verlöten mit Zinn/Blei oder Ultraschall-Verdrahtung über Verbindungsstellen 13 mit den Anschlüssen der Kapazität 11 verbunden. Der Antennenkreis 10 ist eine Resonanzschaltung, deren nominelle Resonanzfrequenz Fp gemäß den geltenden Normen 13,56 MHz beträgt. Wenn die Spule 12 in ein Magnetwechselfeld mit der Frequenz FP kommt, tritt an ihren Anschlüssen durch elektromagnetische Induktion eine Wechselspannung Vac auf. Diese Wechselspannung Vac kann unter guten Betriebsbedingungen 20 bis 40 Volt erreichen und wird von einem Gleichrichter 14 in eine Gleichspannung Vcc zur Versorgung der integrierten Schaltung umgewandelt.
Im Allgemeinen wird die Antennenspule 12 erst in einem fortgeschrittenen Stadium der Herstellung an die Verbindungsstellen 13 der integrierten Schaltung 1 angeschlossen, wenn die Schaltung 1 an der Kunststoffkarte 20 befestigt wird. Die integrierte Schaltung 1 wird dann mit einem Schutzharz überzogen. In diesem Stadium kommt es trotz der verschiedenen Kontrollen, die während der vorhergehenden Etappen vorgesehen sein können, vor, dass die Verbindung der Antennenspule 12 instabil ist oder dass die integrierte Kapazität 11, beispielsweise infolge einer Drift beim Herstellungsverfahren der integrierten Schaltung, nicht ihren nominellen Wert aufweist. Es ist daher wünschenswert, solche Anomalien festzustellen.
In US-5 631 572 wird ein Prüfverfahren von Kontakt- oder Lötverbindungen zwischen den Leiterbahnen einer gedruckten Schaltung und den Anschlussflächen einer darauf angeordneten Komponente oder integrierten Schaltung beschrieben.
Die Prüfung besteht darin,
- jede Bahn der gedruckten Schaltung auf eine Spannung zu legen, um einen Schaltkreis zwischen der Bahn und dem Masse-Niveau der gedruckten Schaltung zu bilden, indem an die parasitäre Diode zwischen der Anschlussfläche der integrierten Schaltung, die mit der Piste verbunden ist, und dem Masse-Niveau eine Spannung angelegt wird;
- ein elektromagnetisches Wechselfeld an diesen Schaltkreis anzulegen und
- gleichzeitig die Wechselspannung zu bestimmen, die an der mit der Bahn in Kontakt stehenden Spannungsanschlussklemme induziert wird, um die Unversehrtheit der Verbindung zwischen der Leiterbahn der gedruckten Schaltung und der Anschlussfläche der Komponente zu überprüfen.
Diese Druckschrift trägt also nichts zum Verständnis der Probleme beim Prüfen von Antennenkreisen kontaktloser Vorrichtungen bei.
Daher zielt die Erfindung auf ein Prüfverfahren ab, mit dem sich feststellen lässt, ob der Antennenkreis einer kontaktlosen Chipkarte und ganz allgemein einer kontaktlosen elektronischen tragbaren Einrichtung beschädigt ist.
Allgemeiner hat die Erfindung zum Ziel, eine nicht visuelle Kontrolle einer induktiven Resonanzschaltung zu ermöglichen.
Dabei beruht die Erfindung auf der einfachen, aber darum nicht weniger erfinderischen Idee, die Resonanzschaltung durch induktive Kopplung anzuregen und dann, immer noch durch induktive Kopplung, die Reaktion der Resonanzschaltung zu beobachten.
Insbesondere sieht die Erfindung ein Verfahren zum Prüfen einer induktiven Resonanzschaltung mit einer Kapazität und einer Antennenspule vor, das die folgenden Schritte umfasst:
- Anregen der Resonanzschaltung durch induktive Kopplung mittels einer in der Nähe der Spule der Resonanzschaltung angeordneten Prüfspule,
- abruptes Unterbrechen der Anregung der Resonanzschaltung und dann
- Feststellen eines durch Selbstinduktion in der Spule der Resonanzschaltung erzeugten und durch induktive Kopplung an die Prüfspule zurückübertragenen Antwortsignals in der Prüfspule. Vorzugsweise wird die Resonanzschaltung angeregt, indem an die Prüfspule ein Signal mit der vermuteten Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung angelegt wird.
In der Praxis kann die Anregungsdauer der Resonanzschaltung kurz sein und kleiner als die zweite Dauer.
Wenn kein Antwortsignal festgestellt wird, kann die Resonanzschaltung als außer Betrieb betrachtet werden.
Anderenfalls kann die Abklinggeschwindigkeit des Antwortsignals analysiert werden.
Wenn die Abklinggeschwindigkeit des Antwortsignals größer als eine vorbestimmte Schwelle ist, kann die Resonanzschaltung als außer Betrieb betrachtet werden.
Auch die Schwingfrequenz des Antwortsignals kann analysiert werden.
Wenn sich die Schwingfrequenz des Antwortsignals von der vermuteten Resonanzfrequenz stark unterscheidet, kann die Resonanzschaltung als außer Betrieb betrachtet werden.
Diese und andere Aspekte der Erfindung gehen detaillierter aus der folgenden Beschreibung des erfindungsgemäßen Prüfverfahrens unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen hervor. Es zeigen:
- die zuvor beschriebene Fig. 1 den Antennenkreis einer tragbaren elektronischen Einrichtung, die kontaktlos arbeitet,
- Fig. 2 eine Prüfanordnung für das erfindungsgemäße Verfahren und
- Fig. 3 die Kurve der zeitlichen Entwicklung eines Prüfsignals nach der Erfindung.
Fig. 2 zeigt ein Prüfsystem 30 für das erfindungsgemäße Verfahren. Dieses System 30 umfasst im Wesentlichen eine Prüfspule 31, einen Signalgenerator 32 und ein Messgerät 33. Die Prüfspule 31 ist mit dem Ausgang des Signalgenerators 32 und das Messgerät 33 mit den Anschlussklemmen der Prüfspule 31 verbunden. In der Nähe der Prüfspule 31 ist die Spule 12 eines Antennenkreises 10 der im Oberbegriff beschriebenen Art angeordnet, der die Kapazität 11 im Silizium einer integrierten Schaltung umfasst, die kontaktlos arbeitet.
Während eines ersten Schritts wird die Prüfspule 31 für die Dauer T1 mit einem Signal SE (Spannung oder Strom) angeregt, um induktive Energie an die Antennenspule 12 zu liefern und dort zu speichern. Das Signal SE ist vorzugsweise ein Wechselsignal mit der vermuteten Resonanzfrequenz FP des Antennenkreises 10, also bei den geltenden Normen mit 13,56 MHz. Zur Veranschaulichung ist in Fig. 3 die Form des Signals SE gezeigt. Die Dauer T1, für die das Anregungssignal angelegt wird, kann kurz sein und kleiner als die zweite Dauer, beispielsweise kann sie in der Größenordnung von Hundertstel Millisekunden liegen.
In einem zweiten Schritt wird das Anregungssignal SE abrupt unterbrochen und mittels des Messgerätes 33 ein Antwortsignal SR beobachtet, das an den Anschlussklemmen der Prüfspule 31 auftritt. Dieses Antwortsignal SR (das als Spannung oder als Strom beobachtet werden kann) ist das Abbild einer Reaktionsspannung VR, die durch Selbstinduktion in der Antennenspule 12 infolge der abrupten Unterbrechung des Anregungssignals SE auftritt. Wie Fig. 3 zeigt, ist das Antwortsignal SR abnehmend und oszillierend. Seine Abklinggeschwindigkeit ΔSR über die Zeit ist repräsentativ für den seriellen Widerstand des Antennenkreises 10. Seine Schwingfrequenz FR ist die Eigenfrequenz des Antennenkreises, nämlich
FR = (2π LC)&supmin;¹,
wobei C der Wert der Kapazität 11 und L die Induktivität der Antennenspule 12 ist.
Vorteilhafterweise kann durch die Beobachtung des Antwortsignals SR und die Messung der Parameter ASR und FR überprüft werden, ob der Antennenkreis 10 mit festgelegten Qualitätsnormen konform ist. Insbesondere wird die Abklinggeschwindigkeit ΔSR als akzeptabel angesehen, wenn sie unter einem Schwellenwert ΔSRO liegt. Ebenso wird die Eigenfrequenz FR als akzeptabel angesehen, wenn sie im Wesentlichen innerhalb eines bestimmten Toleranzbereichs (beispielsweise etwa 20%) der gewünschten Nominalfrequenz FP liegt.
Damit lassen sich in der Praxis vier Fälle beobachten:
1) Die Abklinggeschwindigkeit ASR ist kleiner als die Schwelle ASR0, und die Frequenz FR entspricht im Wesentlichen der Nominalfrequenz FP (im Toleranzbereich). Der Antennenkreis 10 darf als funktionierend angesehen werden, und die mit diesem Antennenkreis versehene tragbare Vorrichtung kann ausgeliefert werden.
2) Es wird kein Antwortsignal festgestellt. In diesem Fall ist der Antennenkreis 10 ein offener Kreis und funktioniert nicht. Das ist im Allgemeinen der Fall, wenn die Verlötung der Antennenspule 12 mit den Verbindungsstellen 13 schadhaft ist. Da die erfindungsgemäße Prüfung normalerweise in der Endphase der Produktion durchgeführt wird, wird die tragbare Einrichtung mit einem solchen Antennenkreis im Allgemeinen verworfen.
3) Die Frequenz FR entspricht im Wesentlichen der Nominalfrequenz FP, aber die Abklinggeschwindigkeit ΔSR ist größer als die Schwelle ΔSR0. Das bedeutet, dass der Antennenkreis 10 aufgrund parasitärer Widerstände, die nicht der Serienwiderstand der Antennenspule 12 und der Eigenwiderstand der Kapazität 11 im Silizium sind und die bei der Bestimmung der Schwelle ΔSR0 berücksichtigt werden, einen zu starken Dämpfungsfaktor aufweist. Im Allgemeinen liegt die Ursache für diese Anomalie darin, dass die Verlötung der Spule an den Verbindungsstellen 13 versagt (beispielsweise eine "kalte" Lötstelle bei Zinn-Blei oder eine Ultraschall-Verlötung, die schlecht haftete) und einen hohen Serienwiderstand aufweist. Der Antennenkreis 10 wird dann als außer Betrieb betrachtet und die tragbare Einrichtung kommt zum Ausschuss.
4) Die Abklinggeschwindigkeit tSR ist kleiner als der Schwellenwert ΔSR0, aber die Frequenz FR unterscheidet sich deutlich von der Nominalfrequenz FP (das heißt, sie liegt außerhalb des Toleranzbereichs). Das bedeutet, dass die integrierte Kapazität 11 nicht ihren konstruktionsbedingt vorgesehenen normalen Wert besitzt. Wird diese Anomalie an mehreren Antennenkreisen festgestellt, bedeutet dies, dass das Herstellungsverfahren der Kapazität 11 einer Drift unterliegt und Korrekturmaßnahmen zu ergreifen sind. In jedem Fall kann dieser Antennenkreis 10 als außer Betrieb betrachtet werden. Denn ein nicht abgestimmter Antennenkreis 10 liefert bei einem magnetischen Feld eine zu schwache induzierte Spannung Va, um die elektrische Versorgung einer kontaktlosen integrierten Schaltung gewährleisten zu können.
Schließlich schlägt die Erfindung ein einfaches und praktisches Verfahren vor, mit dem sich feststellen lässt, ob die charakteristischen Größen einer induktiven Resonanzschaltung innerhalb eines Toleranzbereichs liegen.
Darüber hinaus erfordert das erfindungsgemäße Verfahren keine visuelle Kontrolle und lässt sich gut in einer Fertigungsstraße automatisieren. Beispielsweise ist nach einer Ausführungsart vorgesehen, dass kontaktlose Chipkarten durch ein Transportmittel vor einen Prüfstand nach Fig. 2 transportiert werden. Die Ankunft der einzelnen Karten wird von einer photoelektrischen Zelle festgestellt, die das Aussenden des Anregungssignals SE und die Analyse des Antwortsignals SR auslöst. Um eine gute induktive Kopplung mit den Antennenspulen der Chipkarten zu gewährleisten, ist die Prüfspule 12 vorzugsweise flach und ober- oder unterhalb des Transportmittels in einem Abstand von einigen Millimetern von diesem angeordnet.
Schließlich wurde im Vorhergehenden vorgeschlagen, den Antennenkreis 10 mittels eines Signals SE mit der vermuteten Resonanzfrequenz FP anzuregen. Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass die maximale induktive Energie innerhalb sehr kurzer Zeit in die Spule 12 geschickt wird. Der Rahmen der Erfindung wird jedoch nicht verlassen, wenn ein anderes Anregungssignal, beispielsweise ein nicht schwingendes Signal in Rechteckform, vorgesehen wird. Wenngleich ein solches Signal weniger effizient ist, können damit Antennenkreise mit verschiedenen Resonanzfrequenzen oder mit a priori nicht bekannter Resonanzfrequenz geprüft werden.

Claims

1. Verfahren zum Prüfen einer Resonanzschaltung (10) mit einer Kapazität (11) und einer Spule (12), dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte aufweist:

- Anregen der Resonanzschaltung (10) durch induktive Kopplung mittels einer in der Nähe der Spule (12) der Resonanzschaltung (10) angeordneten Prüfspule (31), abruptes Unterbrechen der Anregung der Resonanzschaltung (10) und

- Feststellen eines durch Selbstinduktion in der Spule (12) der Resonanzschaltung (10) erzeugten und durch induktive Kopplung an die Prüfspule zurückübertragenen Antwortsignals (Sp) in der Prüfspule (31).

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Resonanzschaltung (10) durch Anlegen eines Signals mit der vermuteten Resonanzfrequenz (Fp) der Resonanzschaltung an die Prüfspule (31) angeregt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die Resonanzschaltung (10) als außer Betrieb betrachtet wird, wenn kein Antwortsignal (Sp) festgestellt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Abklinggeschwindigkeit (ASp) des Antwortsignals (SR) analysiert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Resonanzschaltung (10) als außer Betrieb betrachtet wird, wenn die Abklinggeschwindigkeit (ΔSp) des Antwortsignals (SR) größer als eine vorbestimmte Schwelle (ΔSR0) ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Schwingfrequenz (FR) des Antwortsignals (SR) analysiert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Resonanzschaltung (10) als außer Betrieb betrachtet wird, wenn sich die Schwingfrequenz (FR) des Antwortsignals (SR) stark von der vermuteten Resonanzfrequenz (FP) unterscheidet.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Dauer (T1) der Anregung der Resonanzschaltung (10) sehr kurz ist und kleiner als die zweite Dauer.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Antennenkreis einer elektronischen tragbaren Einrichtung (20) verwendet wird, um ihn als Resonanzschaltung (10) einzusetzen.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Prüfspule von flacher Form verwendet wird.