(57)【要約】無線周波数識別タグ又は無線周波数受信器における過電圧保護デバイスは、基地局と、無線周波数識別タグ又は無線周波数受信器との間に電磁結合手段を有する。少なくとも１つの強誘電コンデンサは、この結合手段へ電気的に接続されている。強誘電コンデンサの両端の電圧がその抗電圧を下回ったままである限り、その静電容量は線形であり、タグ又は無線周波数受信器は正常に動作する。しかし、強誘電コンデンサの両端の電圧が抗電圧を超える場合には、強誘電コンデンサでは極性反転が起こり、その非線形な散逸的挙動を示す。結合手段へ適切な方法で強誘電コンデンサを接続することにより、タグ又は無線周波数受信器において存在する電子部品へ伝送される電圧のダンピングが生ずる。結果として、電子部品は、それ自体への損傷を引き起こしうる過電圧に対して保護される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基地局と無線周波数識別タグ又は無線周波数受信器との間に電磁結合手段を有する、前記無線周波数識別タグ又は無線周波数受信器における過電圧保護デバイスであって、
前記結合手段へ電気的に接続される少なくとも１つの強誘電コンデンサを特徴とする過電圧保護デバイス。
【請求項２】
前記電磁結合手段は、基地局からエネルギーを受信するアンテナへ接続された共振回路を有し、
前記少なくとも１つの強誘電コンデンサは、前記共振回路へ電気的に接続される、ことを特徴とする請求項１記載の過電圧保護デバイス。
【請求項３】
前記電磁結合手段は、前記基地局と前記無線周波数識別タグ又は無線周波数受信器との間に静電容量となって現れ、
前記少なくとも１つの強誘電コンデンサは、前記静電容量へ電気的に接続される、ことを特徴とする請求項１記載の過電圧保護デバイス。
【請求項４】
直列構造にある少なくとも２つの強誘電コンデンサは、前記結合手段へ電気的に接続される、ことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項記載の過電圧保護デバイス。
【請求項５】
前記少なくとも１つの強誘電コンデンサは、前記結合手段に並列に接続される、ことを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一項記載の過電圧保護デバイス。
【請求項６】
前記少なくとも１つの強誘電コンデンサは、保護されるべき電子チップに一体化される、ことを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか一項記載の過電圧保護デバイス。
【請求項７】
少なくとも１つの強誘電コンデンサは、保護されるべき電子部品へエネルギーを供給するアンテナに一体化される、ことを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか一項記載の過電圧保護デバイス。
【請求項８】
前記少なくとも１つの強誘電コンデンサは、有機強誘電体フィルムにより作られる、ことを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか一項記載の過電圧保護デバイス。
【請求項９】
請求項１乃至８のうちいずれか一項記載の過電圧保護デバイスを設けられる無線周波数受信器。
【請求項１０】
請求項１乃至９のうちいずれか一項記載の過電圧保護デバイスを設けられる無線周波数識別タグ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基地局と無線周波数識別タグ又は無線周波数受信器との間に電磁結合手段を有する、前記無線周波数識別タグ又は無線周波数受信器における過電圧保護デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
無線周波数受信器又は無線周波数識別タグ（ｔａｇ）は、基地局によって送信される電磁波から、必要なエネルギーを得る。この目的のために、電磁結合手段は、タグ又は受信器に設けられる。望ましくは共振回路の形をした適切な回路は、基地局から受信した電圧、ひいては読取距離が最大にされるように、電磁結合手段へ接続される。送信アンテナ及びタグ電子部品（ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）は、通常は、適切なボンディング技術により電気的及び機械的に結合された異なる基板上に作られる。タグ又は受信器によって受信されるエネルギーは、従来直流バイアス電圧として、整流され、調整され、受信器又はタグに存在する電子部品へ送信される。
【０００３】
送信アンテナが等方向にその周りの空間において電力を放射するとすれば、空間内のある点で利用可能な電力密度は、所定の点と送信アンテナとの間の距離の二乗に反比例する。それ以外に理想的な環境下で、チップで利用可能な直流電圧Ｖｃｈｉｐは、通常は、送信アンテナと受信器又はタグとの間の距離に反比例する。このことは、受信器又はタグが送信アンテナに近い、又は送信アンテナから遠いかどうかに実質的に依存して相異しうる。しかし、Ｖｃｈｉｐの最大値は、一般的に制限される（シリコン電子部品で１〜５Ｖ、有機電子部品で２０〜４０Ｖ）。
【０００４】
受信器又はタグが基地局に近づく場合に、受信電圧は急激に増大する。その場合に、受信器又はタグでの電圧は、電子部品が耐えることができる最大電圧を超えうる。その結果として、受信器又はタグは破壊されることがある。
【０００５】
シリコン受信器又はタグでは、電子部品は、例えば米国特許５，８７４，８２９号に記載されるように、概してｐｎ接合電圧基準及びトランジスタに基づく適切な回路によって、又は、米国特許６，２２９，４４３号に記載されるように、共振回路に並列に配置され且つ電圧検知回路によって制御されるコンデンサ及びトランジスタの直列構造により離調する（ｄｅｔｕｎｅ）ことによって、過電圧に対して保護される。当該技術分野の先行技術に従うこのアプローチは、有機回路ではｐｎ接合が得られないことにより、有機電子部品では不可能である。また、現在入手可能なトランジスタは正の閾値を有するＰＭＯＳのみであって、このことは、結果として得られるダイオードが常にオンしていることを意味するので、ダイオード接続トランジスタは利用不可能である。
【特許文献１】米国特許５，８７４，８２９号
【特許文献２】米国特許６，２２９，４４３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、シリコン受信器又はタグのみならず、有機トランジスタにより構成される受信器又はタグに関しても最大電圧Ｖｃｈｉｐを制御する他の方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
従って、本発明に従って、上述されたような過電圧保護デバイスは、前記結合手段へ電気的に接続される少なくとも１つの強誘電コンデンサによって特徴付けられる。
【０００８】
有機受信器又はタグのための過電圧保護は、それ自体は中国特許公開１４２１４７９号から知られる。前記保護は、フィルム材料のような小型のＰＥＮ、有機高分子ポリ（エチレン・ナフタリン・ジカルボン酸塩）の特定の選択に基づく。この材料は、ある閾値を超える電圧が印加される場合に、その導通状態を変化させうる。
【０００９】
本発明は、更に、このような過電圧保護デバイスを設けられた無線周波数受信器及び無線周波数識別タグに関する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の上記及び他の目的及び特徴は、添付の図面に関連して検討される以下の詳細な記載から明らかとなるであろう。
【００１１】
図１は、アンテナ配置２を有する基地局１と、タグ電子部品をモデル化し、共振回路４、整流器５及び非線形抵抗６を有する識別タグ３とを概略的に示す。無線周波数識別タグ３は、基地局１によって送信される電磁波から必要なエネルギーを得る。適切なアンテナ配置２は、タグへのエネルギー送信を最適化する。アンテナはしばしばループであり、ＥＭリンクは、低い結合係数ｋを有する変圧器と見なされうる。タグ側では、搬送周波数に中心を合わせられた並列共振回路４が、受信電圧、ひいては読取距離を最大にするために、アンテナへ取り付けられている。アンテナ２及びタグ電子部品は、通常は、適切なボンディング技術により電気的及び機械的に結合された異なる基板上に作られる。タグ３によって受信されたエネルギーは、直流バイアス電圧として、整流され、調整され、タグ上に存在する電子部品へ送信される。この直流電圧Ｖｃｈｉｐは、通常は、タグアンテナによって捕捉される電力の平方根関数である。
【００１２】
送信アンテナが等方向にその周りの空間において電力を放射するとすれば、空間内のある点で利用可能な電力密度は、所定の点と送信アンテナとの間の距離の二乗に反比例する。完璧なインピーダンス整合が仮定され、且つ、極性及びアンテナ利得効果が無視されるならば、チップで利用可能な直流電圧Ｖｃｈｉｐは、送信アンテナとタグとの間の距離に反比例しうる。このことは、電圧Ｖｃｈｉｐが、タグ３が送信アンテナ回路２に近い、又は送信アンテナ回路２から遠いかどうかに実質的に依存してかなり相異しうる。しかし、Ｖｃｈｉｐの最大値は、一般的に制限される（シリコン電子部品で１〜５Ｖ、有機電子部品で２０〜４０Ｖ）。
【００１３】
タグ３が基地局１に近づく場合に、受信電圧は急激に増大する。その場合に、タグ３での電圧は、電子部品が耐えることができる最大電圧を超え、従って、タグ３は破壊されうる。
【００１４】
シリコンタグでは、電子部品は、概してｐｎ接合電圧基準及びトランジスタに基づく適切な回路によって、過電圧に対して保護される。シリコンタグのこのような過電圧保護回路の一例は、図２に示される。この実施形態における過電圧保護は、ダイオード（又はダイオードの直列配置）７及びバイポーラトランジスタ８によって形成される。電圧Ｖｃｈｉｐがダイオード７の閾値電圧Ｖｔとバイポーラトランジスタ８のベース−エミッタ間電圧Ｖｂｅとを足し合わせたものを超える場合に、電流が、トランジスタ８をオンに切り替えるようトランジスタ８のベースに流れる。その場合に、トランジスタ８は、共振をダンピングして、整流電圧を値Ｖｔ＋Ｖｂｅへと低減するよう、共振回路４からの電流量の多くを吸収する。
【００１５】
当該技術分野の先行技術に従うこのアプローチは、有機回路ではｐｎ接合が得られないことにより、有機電子部品では不可能である。従って、基準電圧Ｖｔを生成することが不可能である。現在入手可能なトランジスタは正の閾値を有するＰＭＯＳのみであって、このことは、結果として得られるダイオードが常にオンしていることを意味するので、ダイオード接続トランジスタを用いることさえかなわない。
【００１６】
本発明に従って、過電圧保護デバイスは、例えば並列に共振回路４に電気的に接続される強誘電コンデンサによって形成される。このような過電圧保護デバイスを備えるタグの実施例は、図３に表される。図３では、過電圧保護デバイスは、共振回路４に並列に接続された強誘電コンデンサ９によって形成される。
【００１７】
強誘電コンデンサは、変位対電圧特性におけるヒステリシスを特徴とする非線形デバイスである。変位Ｄは、関係
【数１】
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によって表されうる。ここで、Ｑは強誘電コンデンサに蓄えられた電荷であり、Ａはその面積であり、Ｐはその分極性である。図４は、理想的な強誘電コンデンサのＤ−Ｖ特性を示す。理想的な強誘電コンデンサにおいて、抗電圧ＶＣ（ｃｏｅｒｃｉｖｅ  ｖｏｌｔａｇｅ）に少なくとも等しい電圧がコンデンサに印加される場合に、誘電体は分極し、−ＶＣに少なくとも等しい電圧が印加されるまではその分極状態を無制限に保持する。如何なる印加電圧も用いずに保たれる分極は、残留分極ＰＳと呼ばれる。その場合に、理想的な強誘電コンデンサは、厳密にＶ＝±ＶＣで２つの分極の間を切り替える。実際の強誘電コンデンサでは、この分極反転は厳密に抗電圧で生じず、分極状態間の遷移はより段階的である。更に、抗電圧よりも僅かに低い電圧でさえ、部分的な分極状態及び分極反転が、不飽和ループと呼ばれるループに見られる。不飽和ループを示す強誘電コンデンサのＤ−Ｖ特性は図５に表される。その曲線は、適切に正規化された、Ｑ／ユニット面積（ｍＣ／ｍ２）で表される変位対印加電圧を表示する。
【００１８】
本発明の説明のために、２つの事象が関連する。
１．図４及び５から明らかであるように、静電容量、即ち、強誘電コンデンサによって与えられるＱ−Ｖ特性の傾きは、ＶＣに近い電圧が達成されて、極性反転が起こる場合を除いて、小さい電圧信号に関して測定される容量Ｃ０にほぼ等しい。
２．強誘電材料内での双極子方向付けのプロセスは、極性反転の間にデバイス電流において電流ピークを作り出す。容量性電流に反して、この電流は、常に、平均電力が浪費されうるように、印加電圧と同じ符号を有する。デバイス内で浪費される電力は、強誘電材の双極子方向を切り替えることを必要とされる。
【００１９】
まとめると、強誘電コンデンサは、印加電圧が抗値ＶＣの近くとなり、極性反転が起こる場合に、実電力を吸収するコンデンサと見なされる。
【００２０】
特定の強誘電コンデンサの特性は、図６Ａ及び６Ｂに表される。
【００２１】
図６Ａは、１９５ｎｍの厚さを有するストロンチウム・ビスマス・タンタル・ニオブ酸塩、略してＳＢＴＮの強誘電コンデンサのＤ−Ｖ特性を示す。縦軸はＣ／ｍ２で変位を示し、横軸はボルトで印加電圧の振幅を示す。曲線Ａは５Ｖの最大振幅に対応し、曲線Ｂは０．４Ｖの最大電圧に対応する。主要パラメータは、ＶＣ＝０．９８Ｖ、Ｃ０＝１．６μＦ／ｃｍ２、ＰＳ＝１０μＣ／ｃｍ２である。
【００２２】
図６Ｂは、図６Ａと同じ強誘電コンデンサにおける時間に対するボルトでの印加電圧（曲線Ｂ）及びアンペアでの切替電流ＩＳＷ（曲線Ａ）を示す。電圧振幅は、抗値を超える。
【００２３】
強誘電コンデンサは、例えばバリウム又はチタン酸塩などの多数の無機材料から作られうるが、例えばポリマー（ジフッ化ビニリデン）（ＰＶＤＦ）又は三フッ化エチレンｐを含むジフッ化ビニリデン（ＶＤＦ−ＴｒＥＦ）のコポリマーなどの幾つかの有機材料が、また、強誘電的挙動を示す。また、強誘電体及び非強誘電体を含む無機強誘電材及び／又は有機強誘電材の混合から成る複合材料が用いられても良い。
【００２４】
既に述べられ、図３に表されたように、本発明に従って、強誘電コンデンサは、共振回路４に並列に電気的に接続される。Ｖ０の振幅が抗電圧ＶＣを下回ったままである限り、全ての静電容量は線形であり、共振回路は正常に作動する。しかし、Ｖ０の振幅がＶＣに到達する又は超える場合には、強誘電コンデンサは極性反転を起こし、その非線形な散逸的挙動を示す。これは、共振回路のＱファクタの損失及び離調をもたらす。どちらの事象も、Ｖ０のダンピングを引き起こしうる。Ｖ０の振幅が抗値を再び下回る場合に、強誘電コンデンサの挙動は再び線形となり、その値はＣ０に近くなり、極性反転に起因する損失は消散する。結果として、共振回路の元の特性が回復する。
【００２５】
並列な強誘電コンデンサが、有機半導体（有機ＲＦＩＤ）に基づく識別タグでの最大電圧を制御するよう、図３を参照して記載されたように適用されうる。この用途における最大印加電圧は、当該技術分野における先行技術に従って、２０〜４０Ｖである。
【００２６】
１５０ｎｍの厚さを有するＰＶＤＦコンデンサの抗電圧は〜１０Ｖである。２０〜４０Ｖの電位における保護は、僅かにＰＶＤＦフィルムを厚くすることにより、又は直列に幾つかのＰＶＤＦコンデンサを配置することにより容易に得られる。ＰＶＤＦ強誘電コンデンサは、有機ＲＦＩＤにおける過電圧保護の問題に統合的解決法を与えるよう、同じ基板上で有機タグ電子部品と一体化されうる。集積化に関する実験が成功裏に実施されてきた。強誘電コンデンサは、また、アンテナ基板上に集積されても良い。費用極小化は、最良の選択を決定しうる。
【００２７】
シリコン（Ｓｉ）ＲＦＩＤの過電圧保護に関して、図２に表されるような従来の解決法は幾つかの欠点を有する。
１．当該技術分野での先行技術において保護目的のために用いられるシャントトランジスタの面積は、１０，０００平方ミクロンであると概算され得る。この面積は、同じ技術において、〜４０個のフリップフロップに対応する。この数字は、このような簡単なシステムでは相当な数の論理回路である。言い換えると、保護回路は面積を消費し、費用要因を構成する。
２．保護回路は、読取器が基地局の近くにあって、基地局が電力をオン及びオフに切り替える場合に、有効であるよう十分に高速でなければならない。これは、相当な設計努力が適正な速度を保証するために必要とされることを意味する。
３．当該技術分野での先行技術において記載される保護回路は、回路内に直流電圧バイアス、ひいては整流器の存在を必要とする。しかし、多数の新しい用途が示されており、これらの用途では、アンテナへ接続される整流器は必要とされず、電子部品は、前出のシリコン面積を節約するために、共振器の交流出力によって直接的に電源を供給される。
【００２８】
ＲＦＩＤシリコンチップにおいて、強誘電コンデンサは、埋め込まれた強誘電ランダムアクセスメモリ（ＦＥＲＡＭ）を構成するために予め利用可能な強誘電コンデンサを用いて、又は、チップ表面に意図的に加工されたフィルムを用いて、シリコンアクティブ領域の表面に、当該技術のバックエンドで集積されうる。これにより、より小さなインプリントと、場合により費用の低減とをもたらすよう、強誘電コンデンサが電子部品にスタックされうるので、第１の問題が取り除かれる。提案される解決法は、また、強誘電システムの切替と同じくらい高速なので、如何なる特別な設計努力も必要としない。ほとんどの無機強誘電体の抗電圧は、最新の集積電子部品の保護を提供するに足りるほど低いが、フィルム有機強誘電体が、また適用可能である。
【００２９】
無機強誘電コンデンサ及び（望ましくは）有機強誘電コンデンサは、また、シリコンタグのアンテナに集積されても良い。
【００３０】
更に、本発明は、交流電圧が直接的に電子部品に電源を供給するために用いられる場合に、保護を提供するために如何なる直流電圧も必要とせず、また、全てのシステムへ適用可能であることが知られうる。これは、従来の保護回路の使用に関連する最後の問題を取り除く。
【００３１】
図７で、本発明に従う無線周波数識別タグにおける過電圧保護の更なる実施形態が示される。この場合に、基地局１とタグ３との間の電磁結合が、上述されたような誘導結合の代わりに、静電容量１０及び１１により得られる。タグは、基地局に取り付けられた対応するパッドの近くに配置されるべき金属蒸着パッドを有する。このようにして、容量結合は、電力を伝送し、且つ、基地局からタグへの信号と、基地局へ戻る識別コードとを制御するよう確立されうる。基地局とタグとの間の容量結合は、低費用、低周波数のＲＦＩＤシステムでの使用のために適用される。容量タグに関して、共振回路はタグ側では用いられない。これは、非実際的に大きなインダクタを必要としうるためである。この場合に、保護は以下のように作用する。ノードＡとＢとの間の電圧が強誘電コンデンサ９の抗電圧よりも低い場合には、このコンデンサ９は、結合コンデンサ１０及び１１よりも一層小さい容量を与えるように選択されるべきである。このようにして、強誘電コンデンサ９の存在は、回路の通常動作に影響を与えることなく、直流信号は、負荷両端の２つのダイオード５及び１２によって発生する。ダイオード１２は、直流電流の経路を提供するために必要とされ、環流用ダイオード（ｆｒｅｅｗｈｅｅｌｉｎｇ  ｄｉｏｄｅ）と見なされても良いことが知られうる。ＡとＢとの間の交流電圧が、強誘電コンデンサ９の抗電圧に匹敵する値まで増大する場合に、強誘電コンデンサの容量は、目立って増大しうる。これは、強誘電コンデンサからの交流信号へ与えられるインピーダンスが減少し、ＡとＢとの間の電圧が低下することを意味する。ＡとＢとの間の電圧が抗電圧よりも低い場合に、強誘電コンデンサによって与えられる容量は再び小さくなり、回路は最初の解決法と同様に動作する。このようにして、ノードＡとＢとの間の過度の交流電圧は、効果的にダンピングされて、安全な値へと戻される。当然、この場合にも、強誘電コンデンサの直列接続が適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】当該技術分野の先行技術に従う基地局及び無線周波数識別タグを概略的に示す。
【図２】当該技術分野の先行技術に従うシリコンタグにおける過電圧保護回路を概略的に示す。
【図３】本発明に従う無線周波数識別タグを概略的に示す。
【図４】理想的な強誘電コンデンサの変位Ｄ対電圧特性を示す。
【図５】不飽和ループを表す強誘電コンデンサの変位対電圧特性を示す。
【図６Ａ】特定の強誘電コンデンサの変位対電圧特性を示す。
【図６Ｂ】図６Ａの特定の強誘電コンデンサの印加電圧及び切替電流対時間を示す。
【図７】本発明に従う無線周波数識別タグの更なる実施形態を概略的に示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
2008514050.tif 000010
【図７】
2008514050.tif 000011
【国際調査報告】
2008514050.tif 000012
2008514050.tif 000013
2008514050.tif 000014