01 Introduction

01 Introduction
1st unit in course 440.417, RFID Systems, TU Graz
Dipl.-Ing. Dr. Michael Gebhart, MSc
RFID Systems, Graz University of Technology
SS 2016, Feb. 29th
Content and Dates of lectures
Date
Content
RFID Systems LV 440.417

Feb. 29th, 2016
- Introduction to RFID

March 7th, 2016
- Standards and Frequency Regulation
14th,
- HF Basics, Elements and Components

March

April 11th, 2016
- Protocols

April 25th, 2016
- Loop antennas and transponders
2nd,
2016
2016
- HF Reader Technology
- Contactless Measurement

May

May 23rd, 2016
- LF Technology

June 6th, 2016
- UHF Technology I and II

Exam: June 13th, 2016

Lecture notes available from www.rfid-systems.at
- “Hands-on” or Excursion
page 2
Introduction
What is RFID?
page 3
What is RFID?
page 4
Typical application scenario
Transponder Card, Smart Label
Analogue Part
Clock Extraction
Loop antenna
Application
Network
Voltage regulator
Transponder
Chip
Modulator,
Demodulator
Digital part
Coder,
Decoder
Framing
Access
Control
Data
Memory
CPU
CRC
Information
Energy,
Information
Computer
13.56 MHz
by means of
Loadmodulation
Reader loop antenna
Reader PCB
Connection line
The typical application is operated on a PC with a network in the background. Access to
information on the memory of a Contactless Card is needed. This requires a Reader,
which provides at the Air Interface
– Power for the Card operation,
– Commands for the Card to execute,
– A receiver to the Information from the Card, transmitted via Load Modulation
according to a Standard for Contactless Techology.
page 5
What is a “Smart Label”?

The contactless transponder is the electrically functional part.

“Label” refers to object-oriented tagging (e.g. logistics).
and a chip
assembled to it
… on substrate,
e.g. PVC-foil ...
Paper label
containing RFID technology
Antenna, printed,
etched or embedded wire ...
page 6
What is a “SmartCard”?
 ISO/IEC14443.........The Contactless Proximity Air Interface for person-related
cards / applications was standardized 1 decade ago.
-
Applications in Government (e-Passports, driver license, health card...), Payment (Contactless Credit
Cards), Public Transport (Ticketing), Secure Access Control, etc. are successfully deployed.
-
The same battery-less, proven secure chip technology now migrates into objects e.g. SD-Cards,
watches, USB-Sticks, which requires small antennas. Very High Data Rates ~ 10 Mbit/s also allow new
applications. This requires more accurate chip characterization and tolerance consideration.
 Standards (ISO/IEC)
– 7810...........Card geometry (e.g. ID-1 format)
and physical properties
– 7811-3/-3...Embossing (letters raised in relief)
– 7811...........magnetic stripe cards
– 7812...........optical character recognition cards
– 7813...........bank cards
– 7816...........contact cards with ICs
– 10373.........test methods
ID-1(ISO/IEC7810) Cardformat:85.6x54mm
Class 1antennazone
Radius 3mm
"forbiddenzone"
Card geometry specifications.
64mm
81mm
page 7
To differentiate...
 Contactless Smart Label: Transponder in an often flexible adhesive sticker,
for object-oriented applications. Diverse form factors appear in the field,
related to the properties of the object which they are attached to. Optimised
rather for long distance operation, than for high data rates. NV Memory is of
rather low size (typical order is 2 kbit) and the protocols used are also
optimised for long distance, to recognise and identify many Smart Labels
around in short time, and for very low power on the transponder.
 Contactless Smart Card: Transponder Card, containing person-related data.
It allows to store more data (typical order is 200 kBytes) and operates with
protocols which are optimised for high data rates (100 – 850 kbit/s) at rather
short distances (a few centimeters). Security is an important aspect of
quality, the stored (and transmitted) data is often protected by cryptography.
page 8
Partners in the RFID production value chain
Inlets, Labels and Tags
need chips for their
function
Chip
Chip
Must work together to
optimise performance for
both sides, Reader &
Transponder.
Readers, often based on integrated
chips, must support Standards by
their periphery (antenna, matching
network) and allow good operating
conditions for contactless
transponders.
Inlet / Tag
Inlet
Tag
Reader /
Reader
Printer
Software erhält die Eingaben
von den Readern und braucht
daher gutes Verständnis ihrer
Eigenschaften auf die
Kontaktlos-Funktion.
System integrators must have a clear
understanding of all parts in the chain
to support standard conformance starting with chip manufacturers, and
including Readers, Software,
Installation and Service.
Software
Software
System
System
Integrator
Integrator
End user / Application
page 9
Context of RFID
Identification systems
page 10
Bar code systems (printed)
Code using imprinted bars and spacers, which can be read out by optical laser scan.
Contains clock and data information in a standardised format
 UPC......Universal Product Code,
USA ~ 1973
 EAN......European Article Number,
introduced 1976 for food
 EPC......Electronic Product Code
More than 10 different major barcode
systems are in use in parallel, today.
Already in the early 1990ies the market
volumen for barcodes was 1.5 billion
Euro, so it is a significant industry by
itself.
page 11
Bar code - EPC
Schlüsselbezeichnung
EPC Datenstrukturen
Standard EPC Tag Data
Header
Filter (optional)
Domain Identifier
EPC oder EPC Identifier,
z.B. SGTIN, SGLN, SSCC, GID
Header
Header
Codelänge Code-Schema
(binär)
(hexadezimal)
(bit)
0001100 0C – 0F
NA
Reserviert bis
0001111
64 bit Ende
00010000 10 – 2E
NA
RFU
00101110
00101111
2F
96
DoD-96
00110000
30
96
SGTIN-96
00110001
31
96
SSCC-96
00110010
32
96
SGLN-96
00110011
33
96
GRAI-96
00110100
34
96
GIAI-96
00110101
35
96
GID-96
00110110
36
198
SGTIN-198
00110111
37
170
GRAI-170
SGTIN-96
Header
Filter
Partition
3 bit
5
Company
Prefix
24 bit
0614141
Item
Reference
20 bit
100734
Serial
Number
38 bit
2
8 bit
0011
0000
(binär)
3 bit
7
(dezimal)
(dezimal)
(dezimal)
(dezimal)
(dezimal)
http://www.epcglobalinc.org/standards/tds/tds_1_4-standard-20080611.pdf
page 12
World of Cards (I)
Standard (ISO/IEC)
Topics
 7810
Card format and physical
properties
 7811-1/-3
Embossing (alphanumeric
characters imprinted in relief
 7811-2 /-4/-5/-6
Magnetic stripe cards
 7812
OCR Cards
 7813
bank cards
 7816
contact-based cards with
integrated circuits
 10373
Test methods
page 13
World of Cards (II)
Magnetic Stripe Cards
 Card Format ID-1: 85.6 x 54 x 0.76 mm
SPUR 1 76 Alphanumerische Zeichen
FS
NAME
FS
Name
(26 alphanum.
Characters)
Prim. Account No.
(19 digits)
ADDITIONAL DATA DISCRETIONARY DATA ES LRC
Expir. date [YYMM]
Service Code
54 mm
PAN
4 PIN Verification Key Ind. 1
3 PIN Verification Value 4
Card Verification Value or
Card Verification Code 3
SPUR 2 37 Numerische Zeichen
SS
PAN
FS ADDITIONAL DATA
DISCRETIONARY DATA ES LRC
SPUR 3 104 Numerische Zeichen
SS FC
PAN
SS...Start Sentinel B(hex)
FS...Field Separator D(hex)
ES...End Sentinel F(hex)
FS
SECURITY DATA
ADDITIONAL DATA
0,76 mm stark
SS FC
ES LRC
LRC...Longitudinal Redundancy Check character
FC......Format Code
Track width
track
0,11" (2,8 mm)
0,11" (2,8 mm)
0,11" (2,8 mm)
1
2
3
Code

Storage density
bits per inch
IATA
210
ABA
75
THRIFT
210
85,6 mm
Character coding
incl. parity bit
7 bits / symbol
5 bits / symbol
5 bits / symbol
Info content
incl. control info
79 alphanum.
40 numeric
107 numeric
page 14
World of Cards (III)
Optical character recognition
Cards (OCR)
85.5
10.2
65.3
 The use of Optical Character Recognition
systems (OCR) started in the 1960ies.
Special character types were designed,
wllowing to be read not only by humans
but also automatically, by machines.
 Standardised e.g. in
ISO/IEC7811-1/-3 (Embossing).
Front of Card
54
Identification number line
21.4 24
Name and adress area
14.5
7.6
66
3
 Applications in production, services and
administration, or in the economy sector.
page 15
World of Cards (IV)
Chip-Disk
 The idea, to allow more data volume on a
Card, using available optical storage
technology, led to the introduction of the
Chip-disc in 1999. Approximately 30 MB
can be stored on the CD part.
 ISO/IEC 11693 / 11694 / 10373-5
 Meanwhile, the concept has disappeared
from market, because more memory size
can easiliy be implemented by an
integrated circuit Card (with contact
interface).
page 16
Chip card – memory card (concept State machine)
Memory cards operate with the Sequential
Logic of a (usually CMOS) State Machine.
 Supply power
Speicherkarte (State Machine)
VCC
GND
Class A
4.5...5.5 V
< 60 mA
RST
VPP
Class B
2.7...3.3 V
< 50 mA
CLK
I/O
RFU
RFU
Adress- und
Sicherheitslogik
EEPROM
ROM
VCC....................... Negative supply voltage
GND....................... Ground
VPP........................ Positive supply voltage
RST........................ Reset
CLK........................ Clock frequency
I/O.......................... Data interface
RFU........................ Reserved for future use
page 17
Chip card – Controller card (concept processor)
Controller Cards operate using an
integrated microcontroller, using a
segented memory (including ROM, RAM
and EEPROM segments).
ROM may be mask-programmed in the
wafer-based chip manufacturing process.
It contains the operating system.
Prozessorkarte (Controller Chip)
VCC
GND
RST
VPP
CLK
I/O
RFU
RFU
CPU
RAM
ROM
EEPROM
EEPROM contains application data
which may be modified in operation.
Access is only possible via the operating
system.
RAM is the temporary, volatile
operational memory of the controller. The
data content is lost after supply powerdown.
page 18
Some Identification systems
 Barcodes (=> Labels, Tags, object related)
 OCR Reader (Optical Character Recognition)
 Biometric Methods (person-related)
–
–
–
–
Finger print
Iris-scan
Face recognition
Speech identifikation
 Magnetic stripe cards
 Chip cards (=> Cards, person-related)
– Contact cards (SIM)
– Contactless cards (RFID, NFC)
page 19
RFID related standards and application fields
page 20
Tickets for Public Transport
 Paper tickets with battery-less
Transponder technology are used in
many cities, including London,
Moscow, Warsaw, generally in the
Netherlands and e.g. in 60 cities in
China.
 2007 are more than 3 billion Mifare
transponder chips in field, only Philips
has sold more than 9 million Reader
Chips for infrastructure.
 Low Power Design and low-cost
(small chip area) are essential for
success in this application area.
 Earlier, chips were mostly fabricated
as state-machines, today most are
fabricated as controller-cards, in
CMOS technology.
page 21
RFID in Automotive applications
 Passive key-less entry
 Tire pressure
monitoring
 Immobilizer
 High Reliability and
very low drop-out
rates are essential for
success in this
market.
 One chip often
contains a
combination of several
technologies (active,
passive, UHF, HF,...)
page 22
RFID as product index
 Magnetic tapes for back-up
storage of data in IT, e.g. for
banks, contain an HF-RFID
transponder. (LTO).
 It allows a robotic arm to
select and identify one tape,
and the memory saves a
content of the tape.
Furthermore, operational
data (number of accesses,
date and time-stamp,
amount of use of the tape)
can be saved.
page 23
Animal Tracking and Identification, food chain
 Includes identification, tracking and history from
birth to slaughter, e.g. of cows.
 Advantages are:
– Improved awareness, that only animals in good
health can enter the human food chain,
– Allows to have overview and allows to control
actions in case of animal diseas,
– Individual treatment of individual animals is
possible during the feeding,
– Prevention of illegal sales
– Simplifies the control for import and export,
– Helps to prevent theft of animals.
page 24
Pharmacy market
Advantages in trademark protection and medicine distribution
RFID allows dual-fold brand protection of Medicine:
 Verification
–
Every package marked with RFID has a serial
number (UID), which allows an identification of the
package by a search in a data base of all authentic
medicine. This can easilybe done at each step in
the production chain.
 Back-tracking
– This “Unique IDentification number” allows to get
informations, where the medicine is, at this moment,
about the history, the owners, packaging or
configuration, storing conditions, for all partners in
the production chain with access to the RFID
system.
– Knowledge about this history, as accessible via
RFID, allows to track and find all distributors, e.g. if
the medicine should be distributed, or if it should
later be collected and destroyed.
page 25
Fashion industry
Quick change to RFID has happened, because…
 RFID-friendly environment (defined entry point
is good for installation of gate antennas)
 High costs and high margins per unit of
clothing, which means a low percentage of
costs of the RFID-tag in the sales price
 Brand protection – 22 % of all world-wide sales
of shoes are imitations
 Short stay of the fashion in the shop (fashion
trends change quickly) – lower transponder
lifetime or data retention requirements
 Inventory – accurate stock level
page 26
Elektronic Passport (and e-Visas)
 Introduction in 2005
 Typ. 70 - 100 Million e-PP
per year
 ~ 300 Million Chips in the
field in 2008
 Philips had 70 - 80 % market
share in the first years
 ICAO (civil aviation authority)
had adopted ISO/IEC 14443
for world-wide standardized
passport system
 Based on Mifare-Technology,
which had been developed
by Mikron in Gratkorn.
page 27
Contactless Credit Cards
 6 billion Cards for Bank
applications in the field in
2006
 1.5 billion controller Cards
(mainly SIMCards)
 ~ 60 Million contactless
Credit Cards in market in
2008, increasing trend.
 Vital for this application are
Security and low Card
production costs
page 28
Near Field Communication NFC
 Combines the function of a reader with a passive transponder
 Allows to implement / emulate several Card applications in one
device (mobile phone, tablet, handheld, etc.)
 Intuitive handling by very limited distance in near-field
(compared to Bluetooth, WLAN, etc.)
 Personal, mobile multi-protocol reader / 13.56 MHz roof
standard
page 29
Coil on Chip
The concept to integrate a complete RFID transponder system
including antenna on a silicon chip, was implemented by
Hitachi.
RFID- „powder“ consisting of particles in size of 0.4 x 0.4 x
0.06 mm which contain a simple chip (ROM state-machine)
operated at 2.45 GHz (small antenna).
The intended application is a security feature for documents
(„chip in paper“). Contracts, commercial papers, banknotes, or
product eticettes.
Quelle: Spektrum d. Wissenschaft, 5/08
An immediate problem for „coil on chip“ appears in the size,
which is determined by the antenna. The change to a smaller
silicon process node is hard to implement – antenna size
depends on operating frequency, and for the same system
cannot be miniaturized.
page 30
Medical applications
Contactless communication
technology also has medical
applications:
•
•
Retina-implant is powersupplied and gets informations
for the visual system via
inductive near-field coupling,
Implant in the human ear gets
power and acoustic information
to stimulate the nerves
Advantage: cable connections
can be avoided, and the
replacement of batteries can
also be avoided.
Quelle: Spektrum d. Wissenschaft, 6/08
page 31
RFID + Sensorik
Interessant scheint auch die Idee, Sensoren kontaktlos über
einige Distanz an ein Datenerfassungs- oder Auswertesystem
anzuschließen. In Frage kommen eine Reihe von Sensoren,
• Temperatur,
• Druck,
• ph-Wert (Säuregehalt),
• Lage,...
Die Sensoren würden mit Energie versorgt und über ein RFIDStandard-Protokoll (etwa ISO/IEC15693) konfiguriert bzw.
ausgelesen. Hinweis: Auch Batterien sind mittlerweile auf
Silizium integrierbar.
Ein Beispiel dafür ist der ZMD41211. Der Chip ist ein
integrierter Temperatursensor und Datenlogger
• - 30 °C ..... + 50 °C, +/- 0,5 °C
• Speicher für 720 Temperaturwerte, Timer konfigurierbar,
• 1,3 VDC Stützbatterie (für Temperaturerfassung)
• ISO/IEC15693 Schnittstelle (Daten auslesen,
programmieren)
• Andere Sensoren können über I²C an den Chip
angebunden werden.
Si-integrierte Mikrobatterie, Quelle: elektronik report 10/2008
page 32
Streifenleiter-Technik als passiver RFID-Sensor
Electromagnetic waves are converted in surfaceacoustic waves in the material, which propagate much
slower. Dedicated regions of different material
structure serve as reflectors which reflect a part of the
incoming power back to the antenna. By choice of the
reflectors, individual responses (only few bits
identification)can be encoded.
As the propagation time in certain substrate materials (e.g.
LiNbO3) are linear correlated to temperature, this principle can
be used for remote temperature sensing.
Quelle: [5]
page 33
Polymer-Elektronik
Immer wieder wird RFID auch im Zusammenhang mit der noch
jungen Polymer-Elektronik genannt, Trasistoren auf Basis
organischer Chemie. Die Schaltungen können damit
zusammen mit der Antenne auf Folie gedruckt werden.
Zwar konnte die Lebensdauer organischer Schaltungen
inzwischen von einigen Stunden auf Jahre erhöht werden,
dennoch steht die inzwischen durchaus technisch umsetzbare,
junge Idee einer bereits hoch entwickelten Fertigung auf
Silizium-Basis gegenüber.
Quelle: elektronik report 4/2006
Strukturgröße
Datenvolumen
Alterung
Schwellspannung
Silizium
~ 0.1 µm
~ 100 kB
~ 100 J.
~ 0,7 V
Polymer
~ 0.1 mm
~ 10 bit
~ 1 J.
~ 20 V
Es bedarf also spezieller Anwendungen, um
diese interessante Alternative für den Markt auch
konkurrenzfähig zu machen.
page 34
A subjective
history of semiconductor technology with focus on
RFID and Contactless Communication
The Physicists (I)
In 1820 Hans Christian Oerstedt found by chance during a
University lecture n Copenhagen, that a current-carrying
conductor can move a magnetic needle. Laboratories all over the
world immediately started to investigate the effect, trying to
explain it.
As the concept of a field (amplitude, direction vector…) was not
existing in that time, it was difficult to describe the experiment
accurately (movement of the needle was defined relative to the
sky…)
Hans Christian Oerstedt,Quelle: [7]
André-Marie Ampere was the first to develop a reference, described
in his “swimmer rule”. It defines, in which direction the north pole
of the magnetic needle rotates, relative to a DC current. Later,
this rule developed to the “three finger rule” used today.
It is essential to note, at the beginning the most
important point was to understand the
phenomenon and to develop specific terms, to
be able to describe it (phenomenologic view).
However, this was achieved not just by random
trials, but by defining clever experiments to find
out the essential relations. And by systematic
variation of parameters.
Schwimmerregel, Quelle: Spektrum d. Wissenschaft 9/08 [7]
page 36
The Physicists (II)
1831: The principle of induction is – independent from each
other – found by Michael Faraday in England, and
Joseph John Henry in America. It accounts to Faradays
particular qualities – by using explorative experiments –
to have had a good sense to develop a new view and to
find an appropriate concept and terms to describe the
phenomenon.
Led by theory and very different experimented Jean
Baptiste Biot and his assistant Felix Savart in Paris. Biot
already had a clear concept in mind, which form his law
should have, when he determined in experiments with
little flexibility the exact coefficients for it. Mathematical
formulas were much higher regarded in Paris at that
time, than experiments.
+q1
+q2
dl
r
d2F
F
F
Michael Faraday ~1840, Dagouerrotypie. Quelle: [7]
I1
I2
B
d2F
r
FCOULOMB 
1
4  0

Coulomb force
q1  q2
r2
d 2 FBIOT  SAVART 
0 I 2 dl  I1dl

4
r2
Biot-Savart force
page 37
The Physicists (III)
1873: James Clerk, who´s father took over the name
Maxwell after purchasing a manor house, could
summarise the effects of electrotechnology which
were known until then in a formal theory [8].
1886: Heinrich Hertz generates in Berlin
experimentally electromagnetic waves and studies
their emission and detection. He also investigates
the border region from near-field to far-field and
the behaviour of the electric and magnetic field.
He develops the method of magnetic momentum
as a theory for the propagation of the H-field
(analogue to the electric dipole momentum).
Maxwell 1855 ,Quelle: [7]
Theoretical foundations for a system of absolute
electric units get highly required. A congress in
Paris in 1881, later in Chicago in 1893, defines
units like Volt, Ampere, Farad, Ohm.
page 38
First semiconductor technologies
1839 Alexandre Edmont Becquerel found the photo-effect as
an increased voltage at two electrodes consisting of
different metals, which are immersed in acid (Volta´s cell).
1875 W. Siemens developed the Selenium cell as converter of
optical power to electric current. Reasoning was the very
low voltage of signals, transmitted over the transatlantic
telegraph cable, which could be visualised only by a lightspot which was deflected by a mirror-galvanometer, which
had been developed by Lord Kelvin for this specific
purpose. Siemens´ electrical-mechanical-opticalmechanical amplifier allowed to record the data (using a
relaise) on paper.
Semiconductor diodes made of Selenium were in use until
the 1950ies, mainly as rectifier for the voltage supply.
Disadvantages were the low allowable reverse voltage of
only 26 Volts (serial circuit of rectifiers necessary), high
leakage current and aging caused by light.
However, operated as solar cell the selenium cell achieves
about 1 % efficienty. Cells of 6 cm diameter have about 1.6
V off-load voltage and 15 … 20 mA short-circuit current.
Quelle: Autor, Größe ca. 8 cm.
page 39
Inductive near-field applications
First applications for inductive near-field coupling appeared
already around 1880, e.g. in the context of connecting a
Telephone to the movable railway (patents of Smith or
Woods), however, without any practical relevance.
Harold Wheeler introduced the classical definition of the
“radian sphere” for the near-field region. Within a cylinder
with a radius of l/2 around the antenna conductor,
induction dominates compared to radiation.
Quelle: [4]
page 40
1916 - Czochralski Tiegelziehverfahren
1916 hatte der polnische Wissenschaftler Jan Czochralski
versehentlich seine Schreibfeder in einen Tiegel mit
flüssigem Zinn anstatt ins Tintenfass getaucht - und
entdeckte ein Herstellungsverfahren für Einkristalle und
veröffentlichte es 1918.
Beim Tiegelziehverfahren befindet sich eine gereinigte
Schmelze (beispielsweise Silizium) knapp unter dem
Schmelzpunkt. Ein rotierender Stab mit einem
Impfkristall in richtiger Orientierung wird eingetaucht,
und nach oben gezogen. Dabei entsteht ein Einkristall,
dessen Durchmesser sehr genau durch Regelung von
Temperatur und Geschwindigkeit bestimmt werden
kann.
Quelle: Wikipedia
Großtechnischen Nutzen fand das Verfahren ab den
späten 50iger Jahren in der Herstellung des
Ausgangsmaterials für Wafer zur Produktion von
Halbleiter-Bauelementen oder Photovoltaik-Zellen,
heute gibt es verfeinerte Verfahren wie das
Zonenschmelzverfahren.
Quelle: elektronik report 3/05
page 41
~1930 Kristallsysteme
Halbleiter wurden vor allem als Diodengleichrichter genutzt, es war
Funkamateuren jedoch schon in den 20iger Jahren bekannt, dass
sich mit ihnen auch Verstärkung realisieren lässt.
J. E. Lilienfeld patentierte 1930 in Kanada und den USA ein dem
MOS-Transistor verwandtes Bauelement auf Basis des Halbleiters
Kupfersulfid [6].
Der deutsche Physiker O. Heil entwickelte 1934 und patentierte
1935 unabhängig davon ein ähnliches Prinzip (S.d.W. 07/09 p94).
Das Halbleitermaterial wurde damals mit mehreren Metallspitzen
kontaktiert, war jedoch der Luft ausgesetzt, wodurch sich binnen
Stunden Oxidschichten bildeten, sodass die Kontakte nachgesetzt
werden mußten. Hauptproblem war die nicht erreichbare
gleichmäßige Reinheit und Dotierung des Halbleiters (Anforderung
für Silizium: < 1 Fremdatom auf 1 Milliarde Si-Atome), und es fehlte
auch eine Theorie zum Funktionsprinzip.
So hatten Halbleiterbauelemente, damals in Amateurfunkzeitungen
auch als “Kristallsysteme” bezeichnet, gegenüber der gut
verstandenen und reproduzierbaren Röhren-Elektronik einen
schlechten Ruf und waren vor dem 2. WK kaum Objekt ernsthafter
Forschung.
page 42
~1940 Kontaktlose Leistungs-Übertragung
Röhren waren gut beherrschbare Systeme, es waren Ausgangsleistungen von mehreren Kilowatt
und hohe Frequenzen mit ihnen erreichbar. In der Zeit des 2. Weltkrieges wurde diese Technik
dazu benützt, leistungsstarke Mittel- und Kurzwellensender zu bauen, die neben Musik auch
Propaganda in die Welt übertrugen.
Funkamateure verwendeten zu Beginn des Rundfunk-Zeitalters passive AM-Detektoren aus
Resonanzkreis und Gleichrichterdiode, welche die über eine große Antenne empfangene HFLeistung im Kopfhörer hörbar machten. Nahe einem Sender konnten sogar Lautsprecher, die zum
direkten Anschluss an Röhren auch hochohmig (~ 1k) gebaut wurden, direkt gespeist werden.
Mit einer Drahtwindung um den Gartenzaun als Antenne und einem Resonanzkreis zur Anpassung
konnte so in ca. 2 km Entfernung zu einem Mittelwellensender mit einer Glühbirne von ca. 1 - 2 W
eine Gartenhütte beleuchtet werden. Den Schwankungen des Lichtes nach war dabei auch Musik
oder Sprache unterscheidbar. Diese Anfang 1940 durchaus gängige Praxis wurde jedoch von der
damaligen Regierung verboten, weil sie für die Sender Einbußen ihrer Reichweite bedeutete.
page 43
1947 - Transistor (Flächentransistor)
In den Bell Laboratories der amerikanischen Telefongesellschaft
AT&T suchte man nach praktischen Verstärkern, und setzte dafür
bis zu 6000 Forscher ein. Es war dabei ausdrücklich erwünscht,
ausgetretene Pfade zu verlassen und nicht kleine
Verbesserungsschritte, sondern neue Wege zu gehen. Der
Durchbruch gelang Ende 1947 drei Ingenieuren Walter Brattain,
John Bardeen und William Shockley mit einer Anordnung rund um
ein Plättchen Germanium.
Shockley verbesserte später den Prototypen und erfand den
Bipolartransistor, der sich besser für Massenfertigung eignete.
AT&T vergab Linzenzen für Transistor-Fertigung an andere
Firmen, darunter TI oder Sony, die auf dieser Grundlage einige
Jahre später tragbare Radios auf den Markt brachten und dem
Gerät damit zum Massendurchbruch verhalfen.
Quelle: elektronik report, 4/2006
Einige von Shockleys Ingenieuren wiederum gründeten 1957 ihr
eigenes Halbleiterunternehmen Fairchild Semiconductors, und
das Schema wiederholte sich: Techniker, die das Gefühl hatten,
die Kontrolle über ihre eigene Entwicklung zu verlieren, stiegen
aus und gründeten ihre eigenen Unternehmen - der Begriff
“Silicon Valley” entstand.
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1954 - Siliziumtransistor
Seit Sommer 1953 hatte Gordon Teal, Entwicklungsleiter der
damals noch weniger bedeutenden Halbleiterfirma Texas
Instruments, mit seinem Team intensiv an der Idee des
Silizium-Transistors gearbeitet. Am 14. April 1954 gelang mit
hochreinem Ausgangsmaterial von DuPont schließlich der
Durchbruch. Zur Veröffentlichung gibt es folgende Anektdote:
Teal stellte als letzter Sprecher auf einer Konferenz, bei der
Fachleute den Silizium-Transistor erst in Jahren für umsetzbar
hielten, den Transistor vor “...I happen to have a few samples
in my pocket...”. Dann schaltete er einen portablen
Plattenspieler mit damals üblichem Verstärker aus
Germanium-Transistoren ein, tauchte die Transistoren in
einen Becher mit heißem Öl, sodass die Musik langsam
verstummte. Dann ersetzte er den Verstärker durch SiliziumTransistoren, machte das gleiche Experiment und es zeigte
sich keine Veränderung.
Quelle: elektronik report, 1/2005
Durch seine höhere Sperrschicht-Temperatur von 150 °C
gegenüber Germanium mit nur 70 °C und die geringeren
Sperrströme ist der Silizium-Transistor die technisch weitaus
bessere Variante.
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1959 - Integrierte Schaltungen
Der erste “Integrated Circuit” wurde von Jack Kilby 1959 bei
Texas Instruments entwickelt. Seine Schaltung bestand aus
Transistor, Widerstand und Kapazität, um das Konzept zu
zeigen. Er patentierte seine Idee unter dem Titel “Miniaturized
Electronic Circuits” 1959.
Eine integrierte Schaltung ist ein Stück Halbleiter, auf dem
eine Anzahl elektronischer Bauelemente miteinander zu einer
Schaltung verbunden sind.
Hinweis am Rande:
Auch die in der Massenproduktion
noch dominierende Röhrentechnik
entdeckte das Konzept für sich ,
so wurden beispielsweise ganze
Audioverstärkerschaltungen in
einem Glaskolben eingebaut.
Quelle: Veendrick, [6]
Integrierter Bipolar-Flächen-Transistor BC107 (Philips)
page 46
1965 - Moore´s Law
Über 40 Jahre hält die von Intel-Mitbegründer Gordon E.
Moore 1965 aufgestellte und 1975 veröffentlichte
Einschätzung inzwischen der Wirklichkeit stand:
Etwa alle zwei Jahre verdoppelt sich die Transistor-Dichte auf
einer integrierten Schaltung.
Bereits Moore selbst setzte seine Wachstumsprognose auch
in Beziehung zu den relativen Herstellungskosten pro
Komponente. Leistungsfähigere Halbleiter müssen nicht nur
technisch herstellbar, sondern auch für einen breiten Markt
verfügbar sein. Immer wichtiger wurde dabei die Zeit, zu der
ein Produkt am Markt erscheint, das Schlagwort “Time to
Market”.
Quelle: elektronik report, 7/8/2005
Dies gilt insbesondere sehr stark für den Bereich RFID, in dem
rasche Anpassung an aktuelle Bedürfnisse am Markt ein
Schlüssel zum Erfolg sind. Projektplanung und ProjektRisikomanagement sind heute wesentliche Bausteine in der
Chip-Entwicklung (...und stehen natürlich manchmal im
Widerspruch zu höchsten Qualitätsansprüchen aus rein
technischem Verständnis).
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Erste RFID Konzepte
1948 Harry Stockman, ein schwedischer
Elektrotechniker, der nach Amerika emigriert war
und dort in der Radar-Technik der Harvard
University arbeitete, publiziert seinen Report
“Communication by Means of reflected power” und
erfindet damit das Prinzip der BackscatterTransponder, heute eingesetzt für UHF-RFID
Technik.
~ 1960 führen Firmen wie Checkpoint Systems oder
Sensormatic den 1-bit-Transponder für Electronic
Article Surveillance (EAS) als Diebstahlschutz ein.
Grundlage sind magnetische Resonanzkreise (oft
auf 8,2 MHz) und bewußt zerstörbare Sicherungen
oder Folienkondensatoren.
1973 patentiert Martin Cardullo einen passiven
Transponder, der ein reflektiertes Signal modulieren
und so gespeicherte Daten übertragen konnte.
Quelle: Cardullos Patent, 1973
page 48
Chip production on silicon wafers
Wafers are disks cut out of silicon monocrystals, on which integrated
circuits can be fabricated, using photo-chemical process steps. Size
and thickness of wafers have the following standardised measures:
English name
convention
2 Zoll
3 Zoll
4 Zoll
5 Zoll
6 Zoll
8 Zoll
12 Zoll
18 Zoll
Diameter
in mm
50,8
76,2
100
125
150
200
300
450
Typical thickness
in µm
275
375
525
625
675
725
775
???
Year of market
introduction
1971
1973
1976
1982
1988
1990
1997
???
Quelle:Wikipedia
Dice means an individual integrated circuit.
Lot: A typical number of wafers is processed together, e.g 12,18 or
25 wafers. To note: For prototyping, it is also possible to take
individual wafers our of the production, e.g. to shift a decision, e.g.
on a mask-programmable operating system, and to save time (as
only few steps are necessary to complete the wafer).
Batch means a transport box for wafers, typ. Can carry 32 wafers.
page 49
Chipherstellung auf Silizium
Masken werden benötigt, um die verschiedenen Schichten im
vertikalen Aufbau der integrierten Schaltung nacheinander zu
prozessieren. Je nach Strukturgröße umfasst ein
Vollmaskensatz 15 ... 35 einzelne Masken zu Kosten von
30.000 ... 800.000 €. Kleine Strukturgrößen benötigen in der
Regel mehr Masken zu deutlich höheren Masken-Kosten. Eine
gelungene Simulation wird damit immer wichtiger, ein “First
Time Right” ist der Wunsch der Industrie.
Auch anwendungsbezogene Software kann als ROM-Code
über Masken programmiert werden. Für unterschiedliche Chips
werden damit keine Vollmaskensätze, sondern lediglich einige
wenige unterschiedliche Masken benötigt, mit denen der ROMCode am Dice hergestellt wird.
Quelle:elektronik report 5/2007
Multiple Part Wafer oder Shared Reticles können in der
Entwicklungsphase verwendet werden, um auf einem Wafer
mehrere unteschiedliche ICs herzustellen und Kosten zu
sparen.
Quelle:elektronik report 12/2005
page 50
Chipherstellung auf Silizium
Üblich sind heute Wafer-Durchmesser von 150... 300 mm.
Thinning: Nach der Prozessierung werden die Wafer z.B. durch
Abschleifen der Rückseite dünner gemacht (typ. 300, 150, 75
µm). Anschließend werden die Wafer mit Diamant-Trennsägen
zersägt, oder mit Laser geschnitten. Die einzelnen Dices
werden getrennt auf Folie platziert.
Sogenannte Sägebügel, Verbindungsbrücken, die bewußt über
die Trennlinie des Dice hinausgehen und beim Sägen
durchtrennt werden, können verwendet werden, um am Chip
den Fertigungszustand abfragen zu können. So ist es
beispielsweise möglich, zwischen einem Testprogramm (etwa
für Wafer-Test) und dem fertigen Anwenderprogramm zu
unterscheiden.
Quelle:Wikipedia
Quelle:elektronik report 12/2008
page 51
Semiconductor memory technologies
Semiconductor
memories
non-volatile
(no data retention without
supply voltage)
(data retention without supply
voltage)
One time
programmmable
PROM
EPROM
EEPROM
FeRAM
Multiple read /
write cycles
MRAM
SRAM
DRAM
Refresh needed No refresh needed
Maskprogrammable
ROM
volatile
Quelle:Sikora [10].
page 52
Standard-Speichertechnologien
DRAMs: Dynamische RAMs benötigen ständige Auffrischung der
gespeicherten Daten, haben jedoch den geringsten Flächenbedarf
je Speicherzelle. Sie erlauben daher höchste Speicherdichten zu
geringsten Kosten, nachteilig ist jedoch eine höhere
Verlustleistung (bedingt durch Datenauffrischung) im Betrieb.
SRAMs: Statische RAMs können Daten bei Anliegen einer
Versorgungsspannung dauernd speichern, sie benötigen jedoch
mehr Chip-Fläche. Vorteilhaft ist die geringe Verslustleistung und
kurze Zugriffszeiten.
page 53
Mögliche zukünftige Speichertechnologien
FeRAMs: Ferroelektrische RAMs sind ähnlich wie DRAMs aufgebaut, besitzen
jedoch ein ferroelektrisches Dielektrikum im Speicherkondensator. Dieses wird durch
Anlegen eines elektrischen Feldes sehr schnell (~100 ns) remanent polarisiert.
Vorteile:
•
•
•
Schreibvorgang bei normaler Chip-Spannung, eine Ladungspumpe entfällt,
Sehr kurze Zeit für Schreibvorgang,
Hohe Zahl an Schreib- und Lesezyklen scheint möglich, da Materialbelastung nicht so hoch
wie bei Standard-Technik ist
MRAMs: Magnetische RAMs verwenden, ähnlich wie die ersten MagnetKernspeicher kleine ferroelektrische Partikel (mit Hysterese und hoher Remanenz),
die durch Stromfluß magnetisiert werden. Zerstörendes Lesen - die Information muss
anschließend wieder in die Zelle geschrieben werden. Neu ist heute, dass das
Prinzip im Silizium-Prozess mitintegriert wird.
•
•
•
Hybride Strukturen: Geschichteter Aufbau von ferromagnetischem und Halbleitermaterial,
es werden kleine Hall-Sonden aufgebaut, welche die Richtungsablenkung des Stromes
durch das Magnetfeld in der Speicherzelle detektieren.
MTJ: Magnetischer Tunnel-Effekt, Magnetoresistanz. Zwei dünne ferromagnetische
Schichten sind durch eine sehr dünne dielektrische Tunnelbarriere verbunden. Der
Widerstand der Schichtenfolge vermindert sich, wenn die beiden ferromagnetischen
Schichten parallel magnetisiert sind.
GMR: Giant Magneto-Resistance. Eine leitende Schicht trennt zwei ferromagnetische
Schichten. Durch einen Quanteneffekt ändert sich der Wirkwiderstand abhängig von der
magnetisch gespeicherten Information in den beiden ferromagnetischen Schichten.
page 54
Strukturgrößen in der Integration
Kosten je Chip sind ein entscheidender Faktor, der zu immer
weiter Miniaturisierung bei der Chipherstellung drängt. Die
benötigte Silizium-Fläche für eine bestimmte Chip-Funktion soll
möglichst minimiert werden. Viele Dices sollen auf einem Wafer
produziert werden können.
Da unterschiedliche Halbleiter-Hersteller aus Effizienzgründen
auf gemeinsames Equipment und Prozess-Technologie
zurückgreifen, haben sich auch de-facto Standards für
sogenannte Strukturgrößen entwickelt:
Quelle:elektronik report, 7-8/2000
180 nm, 150 nm, 100 nm, 75 nm, 40 nm, etc.
Mit der Verkleinerung der Struktur gehen aber auch
Änderungen der Systemparameter einher:
•
•
Versorgungsspannung reduziert sich (180 nm typ. 1,8 VDC),
•
•
•
Zuleitungswiderstände erhöhen sich (geringere Bahnbreiten),
max. zulässige Spannung reduziert sich => u.U. neue AnalogKonzepte nötig,
Verlustleistung je Fläche steigt, Temperatur u.U. kritisch,
Kosten für Maskensatz der Herstellung steigen,
page 55
Chipherstellung auf Silizium
Yield, die Ausbeute, ist der Prozentsatz der “guten Teile” aus
der Produktion, also jener Teile, die den Wafer-Test am
Abschluss der Produktion bestehen und somit innerhalb der
Produkt-Spezifikation liegen. Beim Wafertest wird eine WaferMap erstellt, die schlechte Teile kennzeichnet. In der
Weiterverarbeitung, nach dem Einsetzen in Gehäuse und dem
Aufbringen auf Bauteile-Bänder (Reels) werden schlechte Teile
durch ausgestanzte Löcher markiert und später vor dem
Einbau ins Produkt aussortiert.
page 56
Packaging (I)
Anschließend wird das Dice in eine Gehäusebauform
eingebaut. Klassische Gehäuse mit Durchkontaktierung bzw.
als Surface Mounted Device (SMD) werden für RFID gerne für
Engineering Samples verwendet, Produkte in Entwicklung, bei
denen Messungen auch an einzelnen Modulen der Schaltung
durchgeführt werden soll.
Quelle:Veendrick [6]
page 57
Packaging (II)
Gehäuse für Chips bedeuten je Produkt Kosten von ca. 5 - 50% der Dices. Neben einer Verbesserung
der elektrischen Parameter (Zuleitungsinduktivität) lohnt es sich insbesondere für Low-Cost RFIDTransponder, in diesem Aspekt voraus zu sein. 3 Technologien sind heute wesentlich:
•
Wire Bonding: Das Dice wird an der Unterseite mit thermisch gut leitendem Kleber im Gehäuse
festgeklebt, anschließend werden Golddrähte (Bonddrähte) mit ca. 25 µm Durchmesser einer nach dem
anderen von Dice-Anschluß zu innerem Gehäuse-Anschluß punktverschweißt. Dies ist die ältere
Technik, großindustriell noch sehr häufig eingesetzt. Nachteil: Zeitaufwand, Leitungsinduktivität,...
Quelle:Veendrick [6]
page 58
Packaging (III)
Tape Automated Bonding: Ein vorgefertigter “Lead Frame” vom Band wird dabei verwendet. Gold”Bumps” werden an den Kontaktflächen des Dies oder an den Verbindungspunkten des inneren “Lead
Frames” eingefügt. Ein Prozess-Schritt mit Druck und Temperatur wird verwendet, um die Bumps in
feste Verbindungen zwischen Chip und Lead Frame umzuwandeln (Inner Lead Bonding). Anschließend
wird dieser Lead Frame vom Band ausgestanzt und mit einem im Gehäuse befindlichen Lead Frame
verbunden (Outer Lead Bonding). Dice und Verbindungen werden dann im Gehäuse mit Epoxidharz
vergossen. Vorteil: Hoch automatisiert, stoßfest, gut gleichmäßig,...
Quelle:Veendrick [6]
Flip Chip: Das Die wird im Gehäuse umgedreht (“geflippt”),
sodass die Seite mit den Funktionselementen zum Boden
des Gehäuses gerichtet ist. Zinnkügelchen werden auf den
Bond Pads des Dies abgeschieden, üblicherweise solange
das Die noch am Wafer ist, und am Gehäuse-Board. Der
umgedrehte Chip wird unter Temperatur und Druck mit dem
Gehäuse verbunden. Vorteil: Sehr kurze Leitungslängen,
gute mechanische Stabilität, gute Platzausnutzung.
Nachteil: keine visuelle Inspektion mehr möglich...
page 59
Gehäusebauformen für Transponder-Chips
Spezielle Bauformen sind nötig, um den Anforderungen des Transponder-Endproduktes gerecht
zu werden. Kritische Punkte sind
•
•
•
•
Toleranzen bei der Bestückung,
Bauhöhe (speziell für Kartenprodukte),
Verlustleistungs-Abgabe,
Kosten des gesamten Transponders (bei low-cost Produkten fällt das Gehäuse umso stärker ins
Gewicht).
Einige de-facto Standards haben sich herausgebildet, die hier kurz gezeigt werden sollen:
Quelle:elektronik report, 7-8/2000
page 60
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Audience!
Please feel free to ask questions...
page 61
Referenzen
[1]
NXP Site Presentation Slideset
[2]
ISO/IEC JTC1/SC17/WG8/TF2 N394, LETI/CEA Grenoble, T. Thomas
[3]
Explorieren - Entdecken - Testen, F. Steinle, Spektum d. Wissenschaft, 9/2008
[4]
Near Field Technology - an emerging RF discipline, H. Schantz, j. Fluhler, Proc. EuCAP
2006, Nice, France
[5]
High temperature RFID System using passive SAW transponders, R. Fachberger, G.
Bruckner, J. Bardong, L. Reindl, Proc. Of the European Microwave Association, 2007
[6]
Deep-Submicron CMOS ICs, Harry Veendrick, Kluwer academic publishers, 2nd ed.
2000, ISBN 90 440 011 16
[7]
Die großen Physiker und ihre Entdeckungen, Emilio Segré, Piper Verlag 1997, ISBN 3492-03950-2
[8]
Treatise on Electricity and Magnetism, J. C. Maxwell, 1st ed. 1873
[9]
Mikroelektronik-Trends - Märkte und Produkte, A. Sikora, elektronik report 7-8, 2000
[10]
Trends und Entwicklungen bei Halbleiterspeichern, A. Sikora, elektronik report 11a, 2000
page 62
Trainingsfragen zur Verständniskontrolle
•
•
Was bedeutet RFID?
•
Welche Elemente sind für passive RFID-Technik nötig? Wie sieht die
Wertschöpfungskette in der Produktion von RFID-Bauteilen aus?
•
Beschreiben Sie die Entwicklungsgeschichte und Grundlagen der Halbleitertechnik
anhand von ein paar Stichworten.
•
Denken Sie Begriffe aus der Halbleitertechnik und ihre Bedeutung durch.
In welchen Bereichen ist der Einsatz von RFID-Technologie denkbar, und wo liegen
Vorteile und Nachteile?
page 63
References

K. Finkenzeller, RFID-Handbuch: Grundlagen und praktische Anwendungen von
Transpondern, kontaktlosen Chipkarten und NFC, 6. Auflage, Carl Hanser Verlag
GmbH & Co. KG, Mai 2012

G. H. Schalk, R. Bienert, Mifare and Contactless Cards in Application, Elektor
Publishing, ISBN-10: 1907920145, 2013

.
Some Literature

RFID Handbook

RFID: Mifare and
Contactless Cards in
Application
Fundamentals and Applications in
Contactless Smart Cards, Radio
Frequency Identification and Near
Field Communication
Gerhard Schalk and Renke Bienert
Klaus Finkenzeller,
Elektor Publishing, April 2013
John Wiley & Sons
ISBN 978-1907920141
ISBN10 0470695064
www.smartcard-magic.net

Near Field
Communication (NFC)
From Theory to Practice
Vedat Coscun, Kerem Ok, Busra
Ozdenizci,
1st ed., John Wiley & Sons, 2012
ISBN10 1119971098

Anwendungen und
Technik von Near
Field Communication
(NFC)
Josef Langer und Michael Roland
1. Auflage, Springer, Berlin, 2010
ISBN10: 978-3642054969
page 66