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1 GvB Director: Prof. Dr. rer. nat. Anton Grabmaier Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische...

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1 GvB Director: Prof. Dr. rer. nat. Anton Grabmaier Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme, Duisburg Transponder Systems for Identification and Micro-Telemetry Dr. Gerd vom Boegel
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1

GvB

Director: Prof. Dr. rer. nat. Anton Grabmaier

Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme, Duisburg

Transponder Systems

for Identification and Micro-Telemetry

Dr. Gerd vom Boegel

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2G. vom Boegel

MINAPIM, Sept. 2008, Manaus

Contents Introduction of Fraunhofer IMS

Current Applications of Transponder-

Systems

Basics of Transponder Systems

Chip-Technology and integrated

Sensors

Applications

Trends and new Applications

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3G. vom Boegel

MINAPIM, Sept. 2008, Manaus

Foundation: 1984/85

Staff: > 200

Mission:

• Applied Research, development, and production of innovative

microelectronic products

• Technology development and transfer

Budget: (18,8 Mio. Euro for 2008)

25 % basic funding for corporate research and administration

25 % publicly funded projects

50 % projects funded by industry

100% public

100% privat

basic research

applied research

product devel.

Max-Planck-Gesellschaft

Fraunhofer-Gesellschaft

industry

Fraunhofer IMS

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4G. vom Boegel

MINAPIM, Sept. 2008, Manaus

IMS Infrastructure

Clean Room of IMS Duisburg

• Total area: 1300 m2

• Clean room class: 10

• Wafer size: 200 mm (8 inch, 0.25µm)

• Staff: app. 90 in 4 shifts / 7days a week

• Capacity: > 70.000 wafer/p.a.

Production range

• Complete CMOS process line plus integrated sensors

• Production from some 100 ASICs/p.a. - > 1,000,000 ASICs/p.a.

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MINAPIM, Sept. 2008, Manaus

Microsystems Lab

• Total area: 400 m² (600 m² in 2008)

• Clean room class: 10

• Wafer size: 200 mm

• Staff: 5 +

• Mission: Extending the application areas of CMOS (“More than Moore”) by Post Processing on CMOS wafers

Development Activities

• Adding layers, structures, devices onto preprocessed “intelligent substrates” (CMOS wafers) to create integrated sensor systems. Examples: Bolometer arrays for IR imaging, Biosensors

IMS Infrastructure

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MINAPIM, Sept. 2008, Manaus

Immobilizer of Passenger Cars

Electronic Ear-Tag

Control of Material Flow in Production

Sports Timing (e.g. Marathon)

Access control at Skiing Lifts

Baggage Sorting

Maut Control

Building Automation

Waste Management

. . .

Currently used

Applications

of

Transponder

Systems

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MINAPIM, Sept. 2008, Manaus

Frequency Bands for Transponder Applications

0,01 0,01 1 10 100 1000 10.000 100.000

20

40

60

80

25

250

MHz

m0,0030,030,33303003.00030.000

Frequency:

Wave length:

100 - 135 kHz 13,56 MHz 2,45 GHz

H, dBµA/m in 10mERP, mW

6,78 13,56 27,125 40,68 433 868 915 2450 5800 24.000

(>30MHz)(<30MHz)

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MINAPIM, Sept. 2008, Manaus

Principle of Energy Transmission within passive Transponder Systems

Energie, Takt

Lesegerätmagnetisches Feld H

~ G

C

Chip

Transponder

MOD

C1

V1

V2

V3

L1 L2

Reader

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MINAPIM, Sept. 2008, Manaus

RF- Frontend

Processor-core

Data

Data

Clock

A/D- Converter

Oszi. Program- memory

Clock

Voltage-control regler

Vregel VDD

Antenna

Transponder-ASIC

Battery

Temperature-Sensor regler

Temperature Monitoring Transponder „TempLog-Label“

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7,83 mm²Chipfläche

96 Bit ID-Nummer + Kalibrierwerte

2 kBit Datenspeicher

Speicher

6,62 kBit/s; 6,67 kBit/s

26,48 kBit/s; 26,69 kBit/s

Datenübertragung

up-stream

1,65 kBit/s

26,48 kBit/s

Datenübertragung

down-stream

-40 – 70 °CTemperaturbereich

250 µAStromaufnahme

< 1 µA Ruhestrom

2,4 – 3,6 VVersorgungsspannung

Temperature-Transponder ASIC (ISO-Standard 15693)

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MINAPIM, Sept. 2008, Manaus

Pressure and

Temperature

Transponder

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MINAPIM, Sept. 2008, Manaus

Photograph:

Transponder

Chip with

Pressure Sensor

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13G. vom Boegel

MINAPIM, Sept. 2008, Manaus

Kontakte

Substrate lektrode

M em branPassiv ierung

U nterdruck

Micro-machined

Pressure Sensor

Elements

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MINAPIM, Sept. 2008, Manaus

Active Tire-Pressure Transponder System

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Reader

Active Tire Pressure Transponder System

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Vacuum Monitoring in Vacuum-Isolation

panels (VIP)

VIP-Assembly:- Filler Material- Transponder- Foil VIP-Mounting

Embedded

Transponder

in VIP

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Retina

Transceiver with pressure-sensor, temperature sensor

and sensor elektronics

Antenna

Reader Unit with memory

Aim: Prevent blindnessdue to Glaucoma

Measuring of pressure within-eye pressure sensor

Reader-Antenna integratedin glasses

Continuous Monitoringof Pressure

Alarm at over-pressure

Example Tele-Medicine: Monitoring of „Glaucoma“ patients

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Transponder in

Silicon Capsulation

Example Tele-Medicine: Monitoring of „Glaucoma“ patients

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19G. vom Boegel

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Example of active Transponder IMS - µNode:

Ultra-Low-Power Processor

3-Volt-Battery

RF-Link with 2,45 GHz Frontend and 100 Canals

ZigBee Protocol

LF-Link / Wake-Up with 125 kHz Frontend

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Wireless Monitoring:

• Humidity (Air and Earth)

• Temperature (Air and Earth)

• Light

• pH-Value

Feature:

• Operation over one Period(Source: Fraunhofer-IMS)

Agricultural Application of active System:

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(Source: LWK NRW, Fraunhofer IMS)

Sensor 1Sensor 2Sensor 3Sensor 4

12pm2004/12/21

4pm2004/12/21

8pm2004/12/21

12am2004/12/22

4am2004/12/22

8am2004/12/22

12pm2004/12/22

Time / Date

Te

mp

era

ture

(°C

)

25

20

15

10

5

0

Agricultural Application of active System:

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22G. vom Boegel

MINAPIM, Sept. 2008, Manaus

Transponder-Systems are already

used in many applications

The Combination of RFID and Sensors opens

new Applications in many Areas

IMS offers Development- and

Production-Service

Summary

Source: Fraunhofer-IMS)

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Thank you for your attention

Contact

Gerd vom Boegel:


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