專利名稱：收發(fā)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種收發(fā)器裝置。
在無線通信中，現(xiàn)有技術(shù)天線被實現(xiàn)為獨立的無源組件，也就是說被實現(xiàn)為與芯片分開提供的組件，其沒有被集成到這種電子芯片中。
天線在無線通信中的一種應(yīng)用是所謂的射頻標識標簽(RFID標簽)。射頻標識(RFID)是通過無線電傳輸進行的標識，其是一種能夠無接觸地讀取和存儲數(shù)據(jù)的方法。這種數(shù)據(jù)被存儲在RFID標簽(電子標簽)上，并且常常也被存儲在轉(zhuǎn)發(fā)器上。通過電磁波來讀取所存儲的數(shù)據(jù)，所述電磁波可以通過所述RFID標簽內(nèi)的天線而耦合進入，并且可以由所述天線輻射。RFID標簽的構(gòu)造尺寸主要取決于包含在其中的天線，因此這在RFID標簽的小型化方面成為一個限制因素。從現(xiàn)有技術(shù)中獲知的RFID標簽的尺寸通常是幾毫米到幾厘米。
RFID標簽被使用在電子證券保護系統(tǒng)中以用于防盜，其還被用于自動化技術(shù)中的應(yīng)用(例如作為通行費系統(tǒng)的一部分自動識別通行車輛)、訪問控制系統(tǒng)、無現(xiàn)金支付、滑雪票、加油卡、動物識別以及外借圖書館中的應(yīng)用。
RFID標簽通常包含天線、用于接收和發(fā)送電磁波的電路(轉(zhuǎn)發(fā)器)以及信號處理電路。有源的RFID標簽是電池操作的，無源的RFID標簽從所接收的無線電波中獲得其用于發(fā)送信息的能量。
實際上，RFID標簽上的天線通常被實施為無源組件，也就是說被實施為非集成電路組件，這主要是基于以下事實通信所需的能量傳輸對于天線長度有(最小)要求。因此，舉例來說，當偶極天線變得短于λ/4時，所述偶極天線的輻射功率顯著降低，其中λ是所述電磁輻射的波長。同樣地，天線的尺寸越小，由RFID應(yīng)用中的偶極子/偶極子耦合在近場中傳輸?shù)墓β示驮降汀?br> 單獨生產(chǎn)非集成天線是非常昂貴的，此外在封裝工藝中還存在用于把天線連接到芯片的其他成本。在RFID應(yīng)用中，用于芯片生產(chǎn)、天線生產(chǎn)和封裝的成本是近似均勻分配的部分。因此，集成所述天線可以降低至少一半的成本。
根據(jù)參考文獻[1]，具有集成天線的RFID芯片是已知的，其具有0.4mm×0.4mm的尺寸。然而，具有集成的、因而是小型化的天線的該RFID芯片的缺點在于，其中所述天線與讀取器的電場之間的耦合非常得差。這就導(dǎo)致從[1]獲知的具有集成天線的RFID芯片的范圍極短。盡管從[1]或者的μ芯片具有內(nèi)置天線，并且該內(nèi)置天線在原理上允許無接觸通信，但是該天線所能達到的與讀取器的通信距離大大受限，這是由于該天線被提供為集成組件，因此其尺寸非常小。為此，由于所傳輸?shù)牟ǖ牡凸β?，從[1]獲知的RFID標簽無法被用于很多RFID應(yīng)用，或者在使用時達不到足夠好的質(zhì)量。
參考文獻[2]公開了一種有限元分析以作為宏觀微帶天線的模型，該天線的尺寸在幾厘米的范圍內(nèi)。對于根據(jù)[2]的理論分析，假定一個基平面，其上設(shè)置有鐵電體層，在該鐵電體層上設(shè)置有亞鐵磁體層，在該亞鐵磁體層上設(shè)置有微帶天線。根據(jù)[2]，所述鐵電材料和亞鐵磁材料被用于降低所述天線的諧振頻率，從而提供一種用于低頻應(yīng)用的天線。
參考文獻[3]描述了一種半導(dǎo)體襯底，該半導(dǎo)體襯底具有單片集成的電路并且具有耦合到該單片集成電路的天線結(jié)構(gòu)。
此外，在參考文獻[4]中描述了一種在砷化鎵襯底上的微波電路。該微波電路具有相位匹配網(wǎng)絡(luò)、射頻饋電網(wǎng)絡(luò)以及多個電路結(jié)構(gòu)以用于控制射頻路徑上的電相移，其中所述多個電路結(jié)構(gòu)通過該電路相連。
參考文獻[5]公開了一種具有振蕩器的微波發(fā)送器和微波接收器，所述微波發(fā)送器和微波接收器分別具有多個IMPATT二極管以作為有源裝置。此外，提供了一個微帶表面區(qū)域，其在操作中充當諧振器，并且同時充當天線。所述IMPATT二極管和所述微帶表面區(qū)域是由相同的半導(dǎo)體襯底形成的。
此外，從參考文獻[6]獲知一種具有集成天線的微波毫米波模塊。形成一個多層襯底，該多層襯底包括第一電介質(zhì)層、第二電介質(zhì)層和第三電介質(zhì)層。在第三電介質(zhì)層上產(chǎn)生射頻電路線，并且在其上產(chǎn)生一個半導(dǎo)體芯片。在第二電介質(zhì)層的一側(cè)上形成開槽的孔，并且在另一側(cè)上形成天線饋線。在第一電介質(zhì)層中，形成輻射電磁波的多個開槽孔。通過一個黏附層把一個有機層疊置在該多層襯底上。
參考文獻[7]描述了一種具有嵌入的天線線圈的射頻標識標簽電路。所述天線線圈具有印制在一個襯底的相對兩側(cè)上的兩個繞組。第一繞組的線和第二繞組的線彼此偏移，以便減小所述繞組之間的寄生電容。
本發(fā)明特別是基于提供一種收發(fā)器裝置的目的，借助于該收發(fā)器裝置可以傳輸足夠大的電磁功率，其中該收發(fā)器裝置可以被小型化并且能夠以可承受的成本來生產(chǎn)該收發(fā)器裝置。
所述目的是通過一種收發(fā)器裝置而實現(xiàn)的，該收發(fā)器裝置具有如在獨立權(quán)利要求中所述的特征。
根據(jù)本發(fā)明的收發(fā)器裝置包含襯底以及天線，其中該襯底具有電介質(zhì)材料和/或磁材料層，所述電介質(zhì)材料的相對滲透率高于1，所述磁材料的相對磁導(dǎo)率高于1，并且其中該天線在該層上和/或在該層中被單片集成在該襯底中，該天線用于發(fā)送和接收信號。此外，所述收發(fā)器裝置具有單片集成在該襯底中的電路，其耦合到所述單片集成天線。
在提供具有單片集成在襯底中的天線的收發(fā)器裝置的過程中可以看出本發(fā)明的基本思想，在該天線中可以實現(xiàn)對該天線的有效(即電磁有效)延長，而無需增大幾何尺寸，其中，在所述天線的內(nèi)部(即在其緊接的環(huán)境區(qū)域中)形成具有足夠高的相對滲透率或者足夠高的磁導(dǎo)率的材料。通過在該單片集成的天線的環(huán)境區(qū)域內(nèi)形成電介質(zhì)材料或者磁材料，可以有效地增大所述有效天線長度并且同時可以實現(xiàn)收發(fā)器裝置的較小的結(jié)構(gòu)尺寸。換句話說，使用小型化的單片集成天線來產(chǎn)生在其電磁屬性方面與沒有電介質(zhì)/磁材料的較大天線具有類似功能的結(jié)構(gòu)。這樣確保了良好的效率(特別是在所述收發(fā)器裝置與相應(yīng)的收發(fā)器裝置的通信過程中具有足夠大的電磁功率傳輸，例如與對應(yīng)于被安排成RFID標簽的收發(fā)器裝置的讀取器進行通行)，并且所述單片集成天線的幾何尺寸較小。由于這些特性，根據(jù)本發(fā)明的收發(fā)器裝置特別適合于產(chǎn)生小型化的RFID標簽。
當幾何長度保持不變時，本發(fā)明因此通過提供具有足夠高的相對滲透率er或者足夠高的相對磁導(dǎo)率μr的材料(例如各支持層)來實現(xiàn)對所述天線的有效電磁延長。這樣大大改進并提高了天線的電磁效果，而不會幾何地延長由芯片尺寸預(yù)先確定的天線長度。
對于所述制造工藝，實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的收發(fā)器裝置僅僅意味著在并行芯片制造中引入附加的一級(以用于形成所述電介質(zhì)/磁材料)，另一方面，外部天線的昂貴的制造工藝以及在串行制造工藝中費力地組裝天線和芯片就變得多余了。這樣大大降低了所述收發(fā)器裝置的總的制造成本，成本節(jié)約在50％或者更多。
對于并行安排在襯底上的天線，所述電磁有效天線長度Leff由等式(1)給出Leff=Lϵrμr---(1)]]>在等式(1)中，L是幾何天線長度，er是電介質(zhì)(例如鐵電)層的相對滲透率，并且μr是磁層(例如鐵氧層)的相對磁導(dǎo)率。
利用足夠大的相對滲透率Er或者利用足夠大的相對磁導(dǎo)率μr，因此所述有效天線長度Leff可以比所述幾何尺寸L大很多。所述相對滲透率和相對磁導(dǎo)率分別可以取決于電磁輻射的頻率。這對于這兩個數(shù)字的絕對值以及它們的虛部同樣適用，因此適用于在操作中出現(xiàn)的損耗。
例如，對于足夠低的頻率(例如125kHz)，在1000的范圍之內(nèi)的相對滲透率可以利用鈦酸鍶鋇(BST)的鐵電薄膜獲得，幾百的相對磁導(dǎo)率可以利用鐵氧體層獲得。對于電有效天線，這樣例如導(dǎo)致與實際天線尺寸相比有效延長了500倍。
根據(jù)從屬權(quán)利要求獲得本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
所述襯底可以是電子芯片。該襯底可以是硅襯底，特別是硅芯片。處理耦合到所述天線中的信號或者向該天線提供信號以用于輻射的電路分別可以被單片集成在該電子芯片中。
所述天線可以被實現(xiàn)為微帶天線。例如在參考文獻[2]中描述了微帶天線的形成。
所述天線可以在所述電介質(zhì)材料和/或磁材料層之上具有導(dǎo)電層。
此外，所述天線可以在所述襯底之上以及在所述電介質(zhì)材料和/或磁材料層下方具有附加的導(dǎo)電層。
根據(jù)具有導(dǎo)電層和附加導(dǎo)電層的所述天線的一個實施例，所述電介質(zhì)材料和/或所述磁材料可以在類似三明治的結(jié)構(gòu)中提供，以作為所述導(dǎo)電層和所述附加導(dǎo)電層之間的層或結(jié)構(gòu)。
所述附加導(dǎo)電層可以被形成為所述襯底的最頂部的金屬化平面，其中該襯底被實現(xiàn)為電子芯片。
根據(jù)該有利實施例，所述天線的下方金屬層被實現(xiàn)在該芯片的最頂部的金屬化平面中或者被形成為該金屬化平面的一部分。作為替換方案，該下方金屬層也可以被單獨地施加在經(jīng)過預(yù)處理的芯片上。
所述電介質(zhì)材料層可以被形成為在所述附加導(dǎo)電層上方并且在所述導(dǎo)電層下方的一層。
所述磁材料層可以被形成為在所述附加導(dǎo)電層上方并且在所述導(dǎo)電層下方的一層。
所述電介質(zhì)材料可以具有永久的電極化，即便在沒有外部電場的情況下也是如此。換句話說，根據(jù)該實施例，所述電介質(zhì)材料被設(shè)置成使得即便在沒有外部電場的情況下該材料的永久極化仍然存在。
特別地，所述電介質(zhì)材料可以具有鐵電材料或者亞鐵電材料。鐵電材料應(yīng)當被理解成其中原子偶極距基本上全部具有公共的定向分量。亞鐵電材料包含具有第一指向的永久電偶極子以及具有與第一指向相反的第二指向的電偶極子，所述電偶極子的數(shù)量僅僅部分地彼此補償，從而其結(jié)果是即便在沒有電場的情況下也獲得永久的電極化。
所述電介質(zhì)材料例如可以具有鈦酸鍶鋇(BST)。
所述磁材料可以具有永久磁材料。永久磁材料特別應(yīng)當被理解成即便在沒有外部磁場的情況下也具有磁偶極距(即最終磁化)的材料。
特別地，所述磁材料可以具有鐵磁材料或者亞鐵磁材料。在鐵磁材料中，原子磁偶極距都具有公共的定向分量。亞鐵磁材料包含具有第一指向的永久磁偶極子以及具有與第一指向相反的第二指向的磁偶極子，所述磁偶極子的數(shù)量僅僅部分地彼此補償，從而其結(jié)果是即便在沒有(外部)磁場的情況下也獲得永久磁化。
所述磁材料可以特別具有鐵氧體。鐵氧體是鐵磁材料，特別是具有較差導(dǎo)電性的金屬氧化物。
所述天線以及所述電介質(zhì)材料和/或磁材料層可以被形成在所述芯片的正面或后面。當這些組件被形成在該芯片的正面時(即處于形成在該芯片的表面區(qū)域中的集成電路附近)，在天線和各電路組件之間實現(xiàn)了較短的信號路徑。另一方面，在所述芯片的后面形成天線、電介質(zhì)材料和/或磁材料在接觸該芯片的正面這一方面提供了更高的靈活性。在選擇把所述組件設(shè)置在芯片的正面還是后面時，必須考慮到接觸所述天線的可行性。
此外，可以在所述收發(fā)器裝置中提供一個支撐元件，所述襯底可以被設(shè)置在該支撐元件的上方和/或下方。該支撐元件例如可以是塑料支架。
特別地，所述收發(fā)器裝置可以被設(shè)置成無接觸芯片卡或者標識介質(zhì)(ID標簽，特別被設(shè)置成RFID標簽，例如轉(zhuǎn)發(fā)器)。在這些應(yīng)用領(lǐng)域中，本發(fā)明的收發(fā)器裝置的優(yōu)點是特別重要的，即簡單的配置、偏移的可制造性以及在接收和發(fā)送電磁波方面的足夠好的低損耗功能。
為了說明起見，可以特別把天線考慮成電磁LC安排，也就是說把天線考慮成一種諧振電磁電路。所述天線可以是電感主導(dǎo)的或者電容主導(dǎo)的，這取決于在該LC元件中具有主導(dǎo)影響的變量是電容C還是電感L。
在附圖中示出了本發(fā)明的一個示例性實施例，下面將更詳細地解釋本發(fā)明的該實施例。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選示例性實施例的收發(fā)器裝置。
附圖中的圖示是示意性的，而非按比例繪制。
在下文中將參照圖1描述根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選示例性實施例的收發(fā)器裝置100。
收發(fā)器裝置100包含硅芯片101，在其上形成了下方金屬天線層102。在該下方金屬天線層102之上，形成了具有高相對磁導(dǎo)率值的鐵氧體層103。在該鐵氧體層103之上，形成了具有高相對滲透率的鐵電體層104。在該鐵電體層104之上，形成了上方金屬天線層105。所述天線102、105被設(shè)置成微帶天線。
在硅芯片101中以及在硅芯片101之上分別提供有單片集成的天線102、105，其被設(shè)置成發(fā)送和接收電磁波形式的信號。此外，在收發(fā)器裝置100中，在硅芯片101中提供一個單片集成電路(圖1中未示出)，該單片集成電路耦合到所述單片集成天線102、105。在所述單片集成電路和天線102、105之間可以交換電信號。特別地，所述天線適于接收電磁信號，并且把其提供給所述單片集成電路以用于處理。此外，所述天線的所述單片集成電路可以提供由該天線輻射的信號，其中所輻射的該信號可以由讀取器(圖中未示出)接收。因此，在所述讀取器和被設(shè)置成RFID標簽的收發(fā)器裝置100之間可以通過電磁波進行通信。
由于提供了鐵氧體層103和鐵電體層104，根據(jù)等式(1)，天線102、105的有效長度Leff與所述幾何天線長度L相比被顯著增大。Er是鐵電體層104的電介質(zhì)常數(shù)。μr是鐵氧體層103的相對磁導(dǎo)率。
作為圖1中的安排的一個替換方案，鐵氧體層102也可以被提供在鐵電體層104的上方。如圖1所示，天線102、105、鐵電體層104和鐵氧體層102被形成在芯片101的正面(頂部)。換句話說，根據(jù)圖1，所述集成電路被集成在硅芯片101的頂部表面區(qū)域中，因此被提供在天線102、105的附近。這樣把信號路徑保持得較短，從而在信號傳輸期間只有很低的能量耗散。當所述收發(fā)器裝置被用作RFID標簽時，能夠在低能量下操作是特別有利的。
圖1示出了這樣一種安排，其中可以通過使用具有高相對滲透率(例如鐵電體)或者高滲透率(例如鐵氧體)的襯底來提供集成的天線102、105，同時仍然能夠傳輸足夠大的電磁功率。
在根據(jù)本發(fā)明的具有天線102、105的收發(fā)器裝置100的結(jié)構(gòu)中，如圖1所示，所述天線被設(shè)置成微帶天線。鐵電體層104和鐵氧體層103位于上方金屬天線層105及其下方的相對電極102(也是金屬材料)之間。鐵電體層104的層厚度he和鐵氧體層103的層厚度hm優(yōu)選地遠遠小于天線寬度L。
在圖1中示出的各層102到105可以被施加到經(jīng)過預(yù)處理的硅芯片101。然而，所述天線的下方金屬層102也可以被適當?shù)貙崿F(xiàn)在芯片101的最頂部的金屬化平面中。層103、104的相反的順序以及把所述各層施加到該芯片的后面也是可能的。在每種情況下，必須考慮到接觸所述天線的可能性。
參考文獻列表在本文獻中引用了下面的公開[1]http://www.hitachi.com/New/cnews/030902.html；[2]Araneo，R，Celozzi，S(2002)″FE Analysis of aLow-Frequency Microstrip Antenna″，IEEETransactions on Magnetics，vol.38，No.2，pages729-732；[3]DE3613258A1；[4]EP0055324B1；[5]EP0296838B1；[6]DE10118742A1；[7]EP0743615B1.
附圖標記列表100 收發(fā)器裝置101 硅芯片102 下方金屬天線層103 鐵氧體層104 鐵電體層105 上方金屬天線層
權(quán)利要求
1.一種收發(fā)器裝置，包括襯底，該襯底具有電介質(zhì)材料和/或磁材料層，所述電介質(zhì)材料具有高于1的相對滲透率，所述磁材料具有高于1的相對磁導(dǎo)率；單片集成在該襯底中和/或該層中的天線，該天線被設(shè)置成發(fā)送和接收信號；單片集成在該襯底中的電路，其耦合到該單片集成天線。
2.如權(quán)利要求1所述的收發(fā)器裝置，其中，所述襯底是電子芯片
3.如權(quán)利要求1或2所述的收發(fā)器裝置，其中，所述天線是微帶天線。
4.如權(quán)利要求1到3中的任一項所述的收發(fā)器裝置，其中，所述天線在所述電介質(zhì)材料和/或磁材料層至少具有導(dǎo)電層。
5.如權(quán)利要求4所述的收發(fā)器裝置，其中，所述天線在所述襯底之上并且在所述電介質(zhì)材料和/或磁材料層下方具有附加導(dǎo)電層。
6.如權(quán)利要求5所述的收發(fā)器裝置，其中，所述附加導(dǎo)電層被形成為所述襯底的最頂部的金屬化平面，所述襯底被實現(xiàn)為電芯片。
7.如權(quán)利要求5或6所述的收發(fā)器裝置，其中，所述電介質(zhì)材料層被形成為在所述附加導(dǎo)電層上方并且在所述導(dǎo)電層下方的一層。
8.如權(quán)利要求5到7中的任一項所述的收發(fā)器裝置，其中，所述磁材料層被形成為在所述附加導(dǎo)電層的上方并且在所述導(dǎo)電層的下方的一層。
9.如權(quán)利要求1到8中的任一項所述的收發(fā)器裝置，其中，所述電介質(zhì)材料即便在沒有外部電場的情況下也具有永久的電極化。
10.如權(quán)利要求1到9中的任一項所述的收發(fā)器裝置，其中，所述電介質(zhì)材料包括鐵電材料；或者亞鐵電材料。
11.如權(quán)利要求1到10中的任一項所述的收發(fā)器裝置，其中，所述電介質(zhì)材料包括鈦酸鍶鋇。
12.如權(quán)利要求1到11中的任一項所述的收發(fā)器裝置，其中，所述磁材料包括永久磁材料。
13.如權(quán)利要求1到12中的任一項所述的收發(fā)器裝置，其中，所述磁材料包括鐵磁材料；或者亞鐵磁材料。
14.如權(quán)利要求1到13中的任一項所述的收發(fā)器裝置，其中，所述磁材料包括鐵氧體。
15.如權(quán)利要求2到14中的任一項所述的收發(fā)器裝置，其中，所述天線以及所述電介質(zhì)材料和/或磁材料層被形成在所述電子芯片的正面或后面。
16.如權(quán)利要求1到15中的任一項所述的收發(fā)器裝置，其具有支撐元件，所述襯底被設(shè)置在該支撐元件之上或者被設(shè)置在該支撐元件之內(nèi)。
17.如權(quán)利要求1到16中的任一項所述的收發(fā)器裝置，其被設(shè)置成無接觸芯片卡；或者標識標簽。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種收發(fā)器裝置，該收發(fā)器裝置包括襯底，該襯底具有電介質(zhì)材料和/或磁材料層，所述電介質(zhì)材料具有高于1的相對滲透率，所述磁材料具有高于1的相對磁導(dǎo)率；單片集成在該襯底中和/或該層中的天線，該天線被設(shè)置成發(fā)送和接收信號；以及單片集成在該襯底中的電路，其耦合到該單片集成天線。
文檔編號G06K19/077GK101019142SQ200580028641
公開日2007年8月15日 申請日期2005年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月18日
發(fā)明者B·T·克諾爾 申請人:英飛凌科技股份公司