Passive ferroelektrische Modulatoren. RFID Backscatter Transponder

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1 Passive ferroelektrische Modulatoren für RFID Backscatter Transponder Patrick Scheele Technische Universität Darmstadt Institut für Hochfrequenztechnik FG Funkkommunikation Ferroelektische Backscatter-Modulatoren

2 Übersicht Systembetrachtung: RFID Transponder im Mikrowellenbereich Passiv steuerbare Bauelemente: Tunable Passives mit Ferroelektrika Demonstratoren: Miniaturisierte 2.45 GHz Backscatter Modulatoren Zusammenfassung und Ausblick 2 Ferroelektische Backscatter-Modulatoren

3 RFID-Transponder im Mikrowellenbereich Long-Range Transponder Entfernungen Reader-Transponder > 20m Radarortung *) 2D / 3D-Positionsbestimmung, Auflösung << 1cm! Anwendungen Fahrzeugidentifikation Logistik / Lagerhaltung verteilte Sensorik Herausforderung Halbleiterkosten Energieversorgung Fernfelddämpfung (Mautsysteme) (Hochlager) (Tierhaltung, Temperaturüberwachung) *) Wireless local positioning Vossiek, M.; Wiebking, L.; Gulden, P.; Wieghardt, J.; Hoffmann, C.; Heide, P.; Microwave Magazine, IEEE, Volume:4, Issue: 4, Dec. 2003, pp Ferroelektische Backscatter-Modulatoren

4 RFID Backscatter-Modulation ~~ Transmitter Directional Coupler P P Reader Receiver Modulator Transponder 4 Ferroelektische Backscatter-Modulatoren

5 Fernfelddämpfung Fernfelddämpfung in Abhängigkeit von Entfernung und Frequenz a fs d 2 a fs f 2 Dämpfung a fs / db MHz 2.45 GHz 5.8 GHz Entfernung d / m 5 Ferroelektische Backscatter-Modulatoren

6 Signalleistung Signalleistung in Abhängigkeit von Entfernung, Frequenz und Sendeleistung MHz / 0,5 W 2.45 GHz / 4 W 5.8 GHz / 8 W Leistung P / dbm Entfernung d / m 6 Ferroelektische Backscatter-Modulatoren

7 Kompakte Antennen Kompakte Antenne für 13,56 MHz (40 mm x 30 mm) Wirkungsgrad % *) HF Antenna Cookbook - Technical Application Report Texas Instruments Radio Frequency Identification Systems, Lit. Nr , Jan Ferroelektische Backscatter-Modulatoren

8 Kompakte Antennen Gefräste 10 GHz Dipol-Antenne (Beispiel) a f / GHz a / cm 10 0,85 5,8 1,47 2,45 3,47 0,869 9,78 13,56 MHz 11 m Wirkungsgrad % Hocheffiziente Antennen bei hohen Frequenzen 8 Ferroelektische Backscatter-Modulatoren

9 Systembetrachtung: RFID Transponder im Mikrowellenbereich Passiv steuerbare Bauelemente: Tunable Passives mit Ferroelektrika Demonstratoren: Miniaturisierte 2.45 GHz Backscatter Modulatoren Zusammenfassung und Ausblick 9 Ferroelektische Backscatter-Modulatoren

10 Raumtemperatur-Ferroelektrika Großes elektrisches Dipolmoment Ti 4+ & O 2- Polarisation Ba 2+,Sr 2+ Ti 4+ Zentralion klein & beweglich Große Auslenkung durch E-Feld Paraelektrische Phase Keine Hysterese Ti 4+ O 2- Kontinuierliche Änderung der relativen Permittivität ε r durch elektrisches Feld Sehr schnelle Aussteuerung (ps ns) Äußerst geringer Stromverbrauch Ferroelektrischer Mischkristall in paraelektrischer Phase (Perowskit-Zelle) 10 Ferroelektische Backscatter-Modulatoren

11 Substrateigenschaften Ba 0.6 Sr 0.4 TiO 3 (BST)- Dickschicht auf Al 2 O 3 BST 3µm Cr/Au t=2.2µm BST h=3.2µm Al 2 O 3 (Präparation: IWE, Universität Karlsruhe) Al 2 O 3 h=680µm Siebdrucktechnik auf Al 2 O 3 -Substrat Pressen, Sintern bei 1150 C-1250 C Mittlere Korngröße 0,2 0,4 µm Porosität % 11 Ferroelektische Backscatter-Modulatoren

12 BST Dickschicht Dielektrische Eigenschaften τ (E) = Dielektrische Steuerbarkeit ε r (0) εr(e) ε (0) r Ba 0.6 Sr 0.4 TiO 3 (BST)- Dickschicht auf Al 2 O 3 E Hohe Steuerbarkeit τ(10 V/µm) % Hohe Verluste tanδ Ferroelektische Backscatter-Modulatoren

13 Steuerbare Kapazitäten und Leitungen E DC s ε r (E DC) E DC U s ctl IDC 1µA U ctl Spannungserzeugung mit einfachem Transformator 13 Ferroelektische Backscatter-Modulatoren

14 Steuerbare Kapazitäten und Leitungen Steuerbare Koplanarleitungen Diskreter 0.4pF Varaktor (mit Bondpads) Koplanarer Varaktor 50µm 50µm 100µm 14 Ferroelektische Backscatter-Modulatoren

15 Systembetrachtung: RFID Transponder im Mikrowellenbereich Passiv steuerbare Bauelemente: Tunable Passives mit Ferroelektrika Demonstratoren: Miniaturisierte 2.45 GHz Backscatter Modulatoren Zusammenfassung und Ausblick 15 Ferroelektische Backscatter-Modulatoren

16 Modulator Schaltungsprinzip Reaktanzmodulator HF-Eingang DC-Block HF-Block Daten- Eingang P in Eingangsreflexionsfaktor abhängig vom Datensignal Steuerbarer Resonanzkreis 16 Ferroelektische Backscatter-Modulatoren

17 Serienresonator (1,58mm x 1,28mm) Realisierung Serienresonator Varaktor 500µm 17 Ferroelektische Backscatter-Modulatoren P in

18 Parallelresonator (1,1mm x 2,4mm) Realisierung Parallelresonator 500µm HF GND DC GND P in 18 Ferroelektische Backscatter-Modulatoren

19 Messwerte Serienresonator s 11 / db 0 Φ 11 / s 11 <3.3 db Φ= s11 (0V/µm) (L) Phase (0V/µm) (R) s11 (10V/µm) (L) Phase (0V/µm) (R) f / GHz Ferroelektische Backscatter-Modulatoren

20 Systemtest Digitale Modulation Modulation: Rechteck mit 70% duty cycle, f=20khz 100pF V Empfangene Daten V µs Modulator Eingangssignal Ferroelektische Backscatter-Modulatoren

21 Systembetrachtung: RFID Transponder im Mikrowellenbereich Passiv steuerbare Bauelemente: Tunable Passives mit Ferroelektrika Demonstratoren: Miniaturisierte 2.45 GHz Backscatter Modulatoren Zusammenfassung und Ausblick 21 Ferroelektische Backscatter-Modulatoren

22 Zusammenfassung und Ausblick Ferroelektrika für Modulatoranwendungen geeignet Gleichstromfreie Bauelemente, geringe Leistungsaufnahme Reduktion der Steuerspannung Vertikale Bauelemente in Dünnschichttechnik 50µm ~5µm Modulator als Drop-In SMD Bauelement Spannungsversorgung durch Energieakkumulation 22 Ferroelektische Backscatter-Modulatoren

23 Danksagung Siemens S.R.L. Bukarest Vlad Tomescu Siemens CT München Dr. Peter Gulden, Daniel Evers IWE, Universität Karlsruhe Michael Voigts, Jin Xu, Dr. Wolfgang Menesklou IMF III, Forschungszentrum Karlsruhe Florian Paul 23 Ferroelektische Backscatter-Modulatoren