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DE3824870C2 - System zur kontaktlosen Informationsübertragung zwischen einer IC-Karte und einem Kartenlese-/-schreibgerät sowie IC-Karte hierfür - Google Patents

System zur kontaktlosen Informationsübertragung zwischen einer IC-Karte und einem Kartenlese-/-schreibgerät sowie IC-Karte hierfür

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DE3824870C2
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein System zur kontaktlosen Informationsübertragung zwischen einer IC-Karte und einem Kartenlese-/-schreibgerät sowie auf eine IC-Karte gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 5.
Eine Kreditkarte, Geldausgabeautomaten- bzw. GAA-Karte od. dgl. kann eine kontaktlose IC-Karte sein, die in allgemein bekannter Weise die Übertragung von Information zwischen sich und einem externen Datenspeichermedium über eine Vorrichtung wie etwa ein Kartenlese-/-schreibgerät ohne elektrischen Kontakt (z. B. über Elektroden, Kontaktstifte etc.) mit dem Gerät durchführt.
Eine konventionelle kontaktlose IC-Karte 10 (Fig. 5 und 6) besteht im wesentlichen aus einer Leiterkarte 11, auf der ein IC-Chip 12 für die Steuerung der Kartenfunktionen (ein­ schließlich der Datenspeicherung) angeordnet ist. Ferner sind auf der Leiterkarte 11 eine elektromagnetische Spule 13 zur Versorgung des IC-Chips mit Strom von einer externen Stromversorgung und eine elektromagnetische Spule 14 für die Ausgabe und den Empfang von Daten zwischen dem IC-Chip 12 und einem kontaktlosen Kartenlese-/-schreibgerät 15 eines externen Informationsspeichermediums (nicht gezeigt) vorgesehen. Der IC-Chip 12 und die elektromagnetischen Spulen 13, 14 sind zusammen mit der Leiterkarte 11 in ein Schutzgehäuse (oder einen Kartenkörper) 16 aus einem di­ elektrischen Kunstharz od. dgl. eingebettet.
Ein konventionelles kontaktloses Kartenlese-Schreibgerät 15 (Fig. 6) ist zur Aufnahme einer kontaktlosen IC-Karte 10 ausgelegt und umfaßt eine Leiterkarte 17 mit zwei darauf vorgesehenen elektromagnetischen Spulen 18, 19, die Strom von einer externen Versorgung (nicht gezeigt) zuführen bzw. Informa­ tion ausgeben/empfangen. Wenn eine IC-Karte 10 richtig in das Lese-Schreibgerät eingeführt ist, entsprechen diese Spulen 18, 19 den jeweiligen elektromagnetischen Spulen 13, 14 der IC-Karte 10 und liegen diesen im wesentlichen gegenüber.
In der Praxis sind das Kartenlese-/-schreibgerät 15 und die IC-Karte 10 in bezug aufeinander richtig ausgerichtet, wie Fig. 6 zeigt. Die Spulen der IC-Karte 10 haben die gleiche Spiralkonfiguration wie die Spulen des Kartenlese-/ -schreibgeräts 15, so daß, wenn die IC-Karte in das Gerät eingeführt und darin gehalten ist, die Mitten der Spulen 13, 14 der IC-Karte jeweils im wesentlichen den Mitten der Spulen 18, 19 des Geräts gegenüberliegen. Von der externen Stromversorgung fließt Wechselstrom zu der elektromagneti­ schen Spule (Versorgungsspule) 18 des Kartenlese-/-schreibgeräts 15 und wird in der elektromagnetischen Spule 13 der IC-Karte 10 induziert. Dieser induzierte Wechselstrom wird von einem Vollweggleichrichter oder einer Diodenbrückenschaltung (nicht gezeigt) im IC-Chip 12 gleichgerichtet, so daß eine Stromversorgung im Chip mit Strom gespeist wird. Wenn dem IC-Chip 12 Strom zugeführt wird, kann die Informationsüber­ tragung zwischen der IC-Karte 10 und dem Kartenlese-/ schreibgerät 15 stattfinden, da die elektromagnetische Spule (Datenausgabe-Empfangsspule) 19 des Kartenlese-/-schreibge­ räts und die elektromagnetische Spule 14 der IC-Karte elek­ tromagnetisch miteinander gekoppelt sind.
Normalerweise ist die Größe einer induzierten elektroma­ gnetischen Kraft, die in einer elektromagnetisch gekoppel­ ten Spule induziert wird, der Anzahl Windungen der Spule und der Länge ihrer Spiralen proportional. Um also eine hocheffiziente und zuverlässige Informations- und Energie­ übertragung zwischen der IC-Karte und dem Lese-Schreibgerät zu erzielen, wird vorteilhaft die Anzahl Windungen und/oder die Gesamtspirallänge der elektromagnetischen Spulen sowohl der IC-Karte als auch des Kartenlese-/-schreibgeräts maximiert.
Da jedoch die elektromagnetischen Spulen sowohl der kon­ ventionellen IC-Karten als auch der konventionellen Karten­ lese-/-schreibgeräte durch Ätzen von Kupferfolie gebildet sind, die auf der Oberfläche von Leiterkarten vorgesehen ist (und eine Dicke von ca. 18-35 µm hat), sind die Breiten der Spulenwindungen und die Abstände zwischen aneinander­ grenzenden Windungen durch die derzeit mögliche Ätzgenauig­ keit begrenzt. Infolgedessen ist es bei IC-Karten mit kon­ ventionellen Leiterkarten und konventionellen Kartenlese-/ -schreibgeräten nur möglich, die Windungsbreiten und die Windungsabstände auf ca. 50-150 µm zu reduzieren.
Infolgedessen müssen die elektromagnetischen Spulen physisch groß ausgebildet sein, wodurch die Karte insgesamt größer wird. Um die gewünschte Zuverlässigkeit und Effizienz zu erzielen, haben typische geätzte Spulen einen Durchmesser von bis zu 2,5 cm. Da ferner eine große Leiterkarte benötigt wird, um darauf große elektromagnetische Spulen anzubringen, besteht bei der konventionellen IC-Karte eine große Biege- und Bruchgefahr. Außerdem ist die konventionelle IC-Karte sehr dick (z. B. einige mm), da der IC-Chip auf der Leiterkarte befestigt ist.
Aus der US 46 50 981 ist ein IC-Kartensystem mit einem integrierten Schaltkreis bekannt, wobei auch hier die Energie- und Datenübertragung induktiv erfolgt.
Dort wird offenbart, um den äußeren Randbereich eines integrierten Schaltkreises, der in die IC-Karte eingebettet ist, eine integrierte Spule anzuordnen. Diese Spule besteht vorzugsweise aus einem Aluminiumleiter, wobei die einzelnen Windungen einen Abstand von ca. 10 µm besitzen. Dadurch, daß im Außenumfangsbereich des integrierten Schaltkreises nur eine begrenzte Induktivität, d. h. eine begrenzte Windungs­ anzahl der Spule vorgesehen werden kann, müßte, um die effektive Windungslänge zu vergrößern, der Chip selbst größere Flächenabmessungen aufweisen. Erst durch diese Maßnahme könnte eine entsprechende Windungsanzahl realisiert werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, ein System zur Informationsübertragung zwischen einer IC-Karte und einem Kartenlese-/-schreibgerät bereitzustellen, wobei die IC-Karte mindestens eine integrierte Spule zur induktiven Infor­ mationsübertragung aufweist und die IC-Karte für die kontaktlose Informationsübertragung selbst dahingehend weiterzubilden, daß mit einem minimalen Flächenbedarf für die Spule eine hohe Koppelinduktivität erreicht werden kann.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 5, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung in den Unteransprüchen gezeigt sind.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht einer ersten Ausführungsform der kontaktlosen IC-Karte nach der Erfindung, wobei ein Teil des Schutzgehäuses entfernt ist;
Fig. 2 einen Querschnitt 2-2 durch die IC-Karte von Fig. 1;
Fig. 3 eine der Fig. 1 ähnliche Draufsicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 4 einen Querschnitt 4-4 von Fig. 3;
Fig. 5 eine der Fig. 1 ähnliche Draufsicht auf eine konventionelle kontaktlose IC-Karte; und
Fig. 6 einen Querschnitt durch die konventionelle IC-Karte von Fig. 5 und ein konventionelles Kartenlese-/-schreibgerät.
Es ist zu beachten, daß die in den Zeichnungen gezeigten IC-Chips und ihre zugehörigen Spulen der Klarheit halber größer gezeichnet sind, als sie tatsächlich sind. Fig. 1 zeigt eine kontaktlose IC-Karte 40 mit einem IC-Chip 41, der in ein Gehäuse 42 aus dielektrischem Kunstharz od. dgl. eingebettet ist. Der IC-Chip 41 kann CMOS-Struktur (oder eine andere gewünschte Struktur) haben und hat einen Kar­ tenlogikkreis 43 bekannter IC-Auslegung zur Steuerung der Funktionen der IC-Karte. Der Kartenlogikkreis 43, der im weiteren Verlauf auch nur Logikkreis genannt wird, enthält eine Gleichrichterschaltung mit Dioden od. dgl., die z. B. durch Anwendung eines Doppel-CMOS-Verfahrens gebildet ist.
Ferner schließt die Integration des Logikkreises 43 und mindestens einer induktiven Spule 44 in einem IC-Chip 41 die Notwendigkeit für eine Leiterkarte als Verdrahtungsträger aus. Damit kann die Gesamtgröße der IC-Karte 40 erheblich verringert werden. Da die Dicke der Karte hauptsächlich durch die Dicke des IC-Chips 41 in Verbindung mit dem dielektrischen Gehäuse bzw. Körper 42 bestimmt ist, kann die Karte insbesondere erheblich dünner als eine konventionelle IC-Karte mit Leiterkarte sein.
Typischerweise bestehen IC-Chips aus einer Mehrzahl von übereinanderliegenden Schichten, die in Verbindung mit konventionellen Herstellungsverfahren gebildet werden. Diese Verfahren umfassen typischerweise das Aufbringen metallisierter Anschlüsse durch Abscheiden (z. B. durch Sputtern) eines dünnen Metallisierungsfilms auf einem Halb­ leitersubstrat wie Silizium und anschließendes Ätzen des Metallisierungsfilms unter Bildung des gewünschten Verdrah­ tungsmusters. Bei der vorliegenden Erfindung bestehen die induktiven Spulen aus mehreren miteinander ver­ bundenen Metallschichten, die auf dem Halbleitersubstrat gleichzeitig mit dem dem Logikkreis 43 zugehörigen Metall­ muster aufgebracht werden.
Wie bereits beschrieben, ist es aufgrund der Vielschicht­ konfiguration eines IC-Chips möglich, wenigstens eine der induktiven Spulen im Chip so auszubilden, daß sie zwei oder mehr miteinander verbundene ebene Spiralwicklungsabschnitte bildet.
Die Spule 44 gemäß Fig. 1 und 2 besteht aus zwei geschichteten Spulenwicklungen (44a und 44b), die in zwei separaten Verdrahtungsschichten des IC-Chips 41 liegen und so ausgelegt sind, daß sie im wesentlichen übereinanderliegen. Diese beiden Spulenwicklungen 44a, 44b sind miteinander durch ein zentrales Leiterelement 45 verbunden, das zwischen den separaten Verdrahtungsschichten, in denen die Spulen liegen, verläuft. Bei der gezeigten Ausführungsform verläuft die oberste ebene Spulenwicklung 44a spiralförmig nach innen im Uhrzeigersinn, während die andere ebene Spulenwicklung 44b im Uhrzeigersinn nach außen spiralförmig verläuft (d. h., die beiden ebenen Wicklungen haben vom induktiven Gesichtspunkt denselben Wickelsinn). So bilden die beiden Wicklungen, wenn sie in ihren Mittelpunkten durch das zentrale Leiterelement 45 miteinander verbunden sind, effektiv eine Spule 44 mit der doppelten Anzahl Windungen und somit erheblich vergrößerten induktiven Charakteristiken. Daher kann die Spule 44 mit erhöhter Zuverlässigkeit und Effizienz Daten induktiv ausgeben und empfangen.
Es ist zu beachten, daß die Spule (Datenausgabe-/-empfangsspule) 44 auch drei oder mehr ebene Wicklungen aufweisen kann, deren Enden jeweils über mehrere zentrale Leiterelemente (entsprechend dem Element 45) miteinander verbunden sind. Wenn also benachbarte Wicklungen denselben induktiven Wickelsinn haben, kann die Spule 44 Information mit noch weiter erhöhter Zuverlässigkeit und Effizient ausgeben und empfangen. Zwar sind bei der IC-Karte nach den Fig. 1 und 2 praktisch sämtliche der beiden ebenen geschichteten Spulenwicklungen 44a, 44b übereinander angeordnet, es ist jedoch auch eine abwechselnd aufeinanderfolgende Anordnung möglich, bei der nur bestimmte Teile der ebenen Wicklungen übereinanderliegen.
Eine nicht gezeigte Energieversorgungsspule kann eine der integrierten Datenausgabe-/-empfangsspule 44 von Fig. 1 ähnliche Mehrschichtausbildung und somit ebenfalls erhöhte Zuverlässigkeit und Effizienz aufweisen.
Die Fig. 3 und 4 zeigen eine zweite Ausführungsform. Wie bei der vorhergehenden Ausführungsform hat eine IC-Karte 50 (bzw. ein nicht gezeigtes Kartenlese-/-schreibgerät) einen IC-Chip 51, der in ein Schutzgehäuse 52 aus dielektrischem Kunstharz od. dgl. eingebettet ist. Der IC-Chip 51 hat einen Kartenlogikkreis (Logikkreis) 53 zur Steuerung der Kartenfunktionen (bzw. der Funktionen des Lese-Schreibgeräts) und eine integrierte Spule 54 für die Durchführung der Ausgabe bzw. des Empfangs von Information. Aufgrund der Mehrschichtkonfiguration des IC-Chips 51 kann ein Teil bzw. können sämtliche der Wicklungen 54a der Spule 54 über dem Logikkreis 53 angeordnet sein. Dadurch wird der Integrationsgrad des IC-Chips 51 weiter verbessert, so daß eine kompaktere IC-Karte bereitgestellt wird.
Die Fig. 3 und 4 zeigen zwar einen IC-Chip mit nur einer Spule (Datenausgabe-/-empfangsspule) 54, aber es kann auch eine Energieversorgungsspule so ausgebildet sein, daß sie über dem Logikkreis 53 liegt.
Ferner ist zu beachten, daß die Spulen mit Konfigurationen entsprechend den beschriebenen Ausführungsformen miteinander für die Energie- oder Datenübertragung einsetzbar sind.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, wird durch die Erfindung eine verbesserte kontaktlose IC-Karte angegeben, die erheblich dünner und kompakter als herkömm­ liche IC-Karten mit Leiterkarten sind. Die verbesserte IC-Karte umfaßt integriert in einem IC-Chip einen Logikkreis zur Steuerung der Kartenfunktionen und integrierte geschichtete Spulenwicklungen für die Energiezuführung und die Ausgabe bzw. dem Empfang von Information, wodurch die Notwendigkeit für eine Leiterkarte entfällt. Ferner ist ein die vorliegende Erfin­ dung nutzendes System in der Lage, hocheffizient und hoch­ zuverlässig die kontaktlose Datenausgabe bzw. den Daten­ empfang und die Energiezuführung zwischen einer IC-Karte und einem Kartenlese-/-schreibgerät durchzuführen. Bei diesem System werden keine Leiterkarten od. dgl. benötigt, so daß seine Herstellung relativ einfach und kostengünstig ist.

Claims (5)

1. System zur kontaktlosen Informationsübertragung zwischen einer IC-Karte und einem Kartenlese-/-schreibgerät, umfassend
  • - einen ersten IC-Chip auf der IC-Karte, der einen Karten­ logikkreis zur Steuerung der Kartenfunktionen aufweist sowie
  • - Karteninformations-Übertragungsmittel auf der IC-Karte mit wenigstens einer ersten integrierten, elektro­ magnetisch induktiven Spule zur elektromagnetischen Informationsübertragung und Mittel zum Koppeln der ersten Spule mit dem Kartenlogikkreis,
  • - Lese-Schreibinformationsübertragungsmittel am Kartenlese- /-schreibgerät mit wenigstens einer zweiten elektro­ magnetisch induktiven Spule zur elektromagnetischen Informationsübertragung zu und von der ersten inte­ grierten Spule der IC-Karte und
  • - wenigstens teilweise auf der IC-Karte liegende Versor­ gungsmittel zur Energieversorgung des ersten IC-Chips, dadurch gekennzeichnet, daß die erste integrierte Spule (44, 54) zwei oder mehrere geschichtete Spulenwicklungen (44a, 44b, 54a, 54b) aufweist, die elektrisch miteinander gekoppelt sind, um die elektro­ magnetischen Induktivität zu erhöhen, und daß das Kartenlese-/-schreibgerät einen zweiten IC-Chip aufweist, wobei der zweite IC-Chip ebenfalls als zweite Spule eine integrierte Spule mit zwei oder mehreren geschichteten Spulenwicklungen analog der ersten integrierten Spule (44) besitzt und wobei wenigstens ein Teil (54a) bzw. eine Schicht der Spulen (44, 54) über ihren zugehörigen Kartenlogikkreisen (53, 43) angeordnet sind.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl der geschichteten Spulenwicklungen (44a, 44b) in axialer Ausrichtung übereinanderliegend und elektrisch in Reihe geschaltet angeordnet ist.
3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Spulenwicklungen (44a, 44b) denselben induktiven Wicklungssinn haben.
4. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Spulen (44, 54) eine ebene Spiral­ konfiguration hat.
5. IC-Karte für die kontaktlose Informationsübertragung mit einem Kartenlese-/schreibgerät, umfassend
  • - einen ersten IC-Chip, der einen Kartenlogikkreis zur Steuerung der Kartenfunktionen aufweist, sowie
  • - Karteninformations-Übertragungsmittel, mit wenigstens einer ersten integrierten elektromagnetisch induktiven Spule zur elektromagnetischen Informationsübertragung und Mittel zum Koppeln der ersten Spule mit dem Kartenlogik­ kreis, und Versorgungsmittel bzw. Teile von Versorgungs­ mitteln zur Energieversorgung des ersten IC-Chips, dadurch gekennzeichnet, daß die erste integrierte Spule (44, 54) zwei oder mehrere geschichtete Spulenwicklungen (44a, 44b, 54a, 54b) aufweist, die elektrisch miteinander gekoppelt sind, um die elektromagnetische Induktivität zu erhöhen, wobei wenigstens ein Teil (54a) über dem zugehörigen Kartenlogikkreis (53) liegt.
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