Ein Verfahren zur breitbandigen Impedanzmessung von · PDF fileund On -Wafer -Prober Messverfahren zur Impedanzbestimmung Transponderchips Probe Network Analyzer Frequenzbereich: 10

Fachgebiet Hochfrequenztechnik und Funksysteme• Appelstraße 9A • 30176 Hannover • www.hft.uni-hannover.de •

Dipl.-Ing. René Herschmann

4. Juli 2006

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Appelstraße 9 A

D-30167 Hannover

www.hft.uni-hannover.deProf. Dr.-Ing. Hermann Eul

Ein Verfahren zur breitbandigen Impedanzmessung von

RFID Transponderantennen



4. Juli 2006

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Inhaltsüberblick

• Problemstellung und Anwendungsbereich

– Neuartige Antennendesigns für den Einsatz in UHF RFID-Transpondern

– Verfahren zur Messung von Impedanz (Impedanzanalysator, Netzwerkanalysator)

• Vorstellung eines alternativen Konzepts zur Impedanzmessung von Dipolantennen unter Verwendung des Netzwerkanalysatorsund koaxialer Messspitzen

– Simulationsmodelle und Messaufbau

– Die Berechnung der Transponderimpedanz

– Vergleich von Simulations- und Messergebnissen

• Weiterentwicklung des Verfahrens

Software zur DurchfSoftware zur DurchfSoftware zur DurchfSoftware zur Durchfüüüührung der Feldsimulationen: hrung der Feldsimulationen: hrung der Feldsimulationen: hrung der Feldsimulationen: AnsoftAnsoftAnsoftAnsoft HFSSHFSSHFSSHFSS



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Antennendesign - Parametrisierte AntennenProblemstellung:

Umgebungsparameter beeinflussen das elektromagnetische Verhalten der Antenne.Variation der Eingangsimpedanz führt zur Verschiebung der Resonanzfrequenz

und veränderter Antennengüte (→ Bandbreite).

Wie sínd die geometrischen Parameter der Antenne bei vorgegebenen Umgebungsparametern zu wählen?

SmartCard

MeanderlineDipol

Verwendung einer resonantenMeanderlinestruktur als Transponderantenne in einem UHF RFID-System Smart Card Daten

Länge=86.5mmBreite=54mmTiefe=0.76mm

εr=2.25 (Polyethylen)

εU= 1 .. 20

Systembeispiel:

Problemstellung und Anwendungsbereich



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Antennendesign - Parametrisierte Antennen

Lösungsansatz:Durchführung eines Parametersweeps mit den variablen Materialparametern

(üblicherweise ε; aber auch µ, σ möglich)und den Geometrieparametern der Antennenstruktur sowie der Frequenz.

Parametersweep der Kurvenlänge Parametersweep der Leiterbreite

Variation der Eingangsimpedanz,

der Resonanzfrequenz und der Bandbreite




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Winkelmodulation

Radiale Modulation

Modulation der Länge

Eine Erhöhung der Anzahl der Freiheitsgrade geometrisch komplexer Strukturen resultiert in einer größeren Designflexibilität zur Anpassung des Verlaufs der Eingangsimpedanz

der Antenne im betrachteten Frequenzbereich.

Parametrisierte Simulationsmodellevon Transponderantennen




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6Problemstellung und Anwendungsbereich

Die elektromagnetischen Eigenschaften der Transponder-antenne sind abhängig vom Produktionsverfahren.

Die Aufbau- und Verbindungstechnologie beeinflusst die Impedanzanpassung zwischen Chip und Antenne.

Messtechnische Verifzierung der Qualität und Reproduzierbarkeit eines Produktionsverfahrens zur Herstellung eines UHF-Transponders

Erzeugung der metallisierten

Antennenstruktur

Bond WiresFlip Chip TSSOP

RBW LBW

ZChipZA

RTSSOP LTSSOP

ZChipCTSSOPZA

RFC

CFC

ZChipZA

Vereinfachte Ersatzschaltbilder

Ätzverfahren

Sputter Technologie

Laserstrukturierung

Siebdruckverfahren

Die produktionstechnische Qualität der Transponderantenne ist verfahrensabhängig. Die geometrischen Abmessungen der

Antennen aus dem Produktionsprozess und der am Computer erstellten CAD Modelle können voneinander abweichen.

Temperatur, Druck und die spezifischen Eigenschaften eines optional verwendeten Klebers bestimmen die zur

Anpassung an die Antenne relevante Impedanz.

Messung von ZChip

unter Berücksichtigungder Aufbau- und

Verbindungstechnologie.

Messung der Antennenimpedanz

ZA.

Optimierte Transponderfür die Anwendung

im UHF Frequenzbereich.



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Messverfahren zur Impedanzbestimmung

AgilentRF LCR Meter

4287A 1 MHz – 3 GHz

Bestimmung der Impedanz einer induktiven

Schleifenantenne für HF-RFID Transponder

Frequenzbereich: 1 MHz – 3 GHz, in 100 kHz Schritten Impedanzbereich: 200 mΩ – 3 kΩMessgenauigkeit: 1%Highspeed Messung: 9 msGerätepreis: ~30.000 US$

Impedanzmessung unter Verwendung eines LCR-Meters




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PA 200 HS

PNA E8361A

AgilentNetwork Analyzer10 MHz – 110 GHzPNA E8361A

Süss MicrotecOn-Wafer-Prober

10 MHz – 110 GHzPA 200 HS

Impedanzmessung unter Verwendung einer Kombination aus Netzwerkanalysator

und On-Wafer-Prober


Transponderchips

Probe

Network AnalyzerFrequenzbereich: 10 MHz – 67 GHz,

mit Frequenzbereichserweiterung 10 MHz – 110 GHz

Dynamikbereich: > 90 dBMessgeschwindigkeit: < 26 µs/pointGerätepreis: ~ 145.000 US$

mit Frequenzbereichserweiterung~ 250.000 US$

On-Wafer-ProberFrequenzbereich: DC – 110 GHzMessspitzen: Süss |Z| Probe, koplanar

Frequenz-

bereichs-

erweiterung




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Vergleich der Messgenauigkeiten von Netzwerkanalysator und Impedanzanalysator


Quelle: The University of Texas at Austin,Dept. of Electrical and Computer EngineeringMicroElectromagnetics Device Group

Darstellung der 10% Genauigkeitsgrenzen bei der

Messung der frequenzabhängigen Impedanz von Kondensatoren (1 pF und 10 pF) mit einem

Netzwerkanalysator und einem Impedanzanalysator.

Chipimpedanzen bei :Philips UCode EPC 1.19Atmel ATA5590Impinj Monza

868 MHzf =

( )40 800 ChipZ j= − ⋅ Ω

( )10 200 ChipZ j= − ⋅ Ω

( )35 110 ChipZ j= − ⋅ Ω

Die Verwendung des Netz-werkanalysators ist möglich.




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Parametrisierte Simulationsmodelle unter Ansoft HFSS

Bowtieantenne mit modulierter Berandungskurve

MBow1MBow2

MBow3

Impedanzmessung mit koaxialen Messspitzen

x

y

x

y

Anregung: Lumped Port



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Simulationsmodelle mit koaxialer Speisung der Dipolantenne

Seitenansicht

Außenleiter

Innenleiter

Tor 1

Innenleiter

Tor 2

Substrat

Dielektrikum

3D Ansicht(ohne Substrat)

Antennenarme

Deembedding-länge

50 Ω r2.07, 1r

ε µ= =

0.51 mm

1.68 mm

2.2 mm

I

D

A

d

d

d

=

=

=

EZ86

AbmessungenMaterialdaten

des Dielektrikums

Wellen-

widerstandBezeichner

Ad

Id

Dd


Für die Verifizierung des Verfahrens werden für den

Vergleich zwischen Simulations-und Messergebnissen skalierte

Modelle der Antennen MBow2 und MBow3 verwendet, deren erste Serienresonanz oberhalb von

f=2 GHz auftritt.Die Antennen werden in einem fotolithografischen Prozess

hergestellt.



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Das Ersatzschaltbild des Simulations-modells und Messaufbaus:

Die Berechnung der Antennenimpedanz


1. Messung der Streumatrix des Zweitors

2. Deembedding der Streumatrix

3. Berechnung der Koppelimpedanzmatrix

4. Berechnung der Eingangsimpedanz der Dipolantenne aus den Elementen der Koppelimpedanzmatrix

[ ] [ ] [ ]( ) [ ] [ ]( )1

B BZ Z E S E S Z−

= ⋅ − ⋅ + ⋅

[ ]S ′

[ ] [ ]1

l lS e S e

γ γ− ′ = ⋅ ⋅

1 2 1 2 1 2

1 2

1 1 1 1 2

in

U U U U U UZ Z Z

I I I I I

−= = − = + = +

22 21 ,2

11 12 ,1

B

B

Z Z Za

Z Z Z

− += −

− +

[ ]

[ ]( )

11 ,2 12 ,1

1

22 ,2 12

22 ,1 21 ,2

2

11 ,1 21

det

det

B B

B

B B

B

Z Z Z Z Z aZ

Z Z Z a

Z a Z Z a Z ZZ

Z Z a Z

+ ⋅ + ⋅ ⋅=

+ − ⋅

⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅=

+ ⋅ −

,

1GU U

a

= ⋅

Anregungsvektor des Mehrleitersystems:



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13Impedanzmessung mit koaxialen Messspitzen

Vergleich zwischen Simulations- und Messergebnissen

−2 −1 0 1 2−2

−1.5

−1

−0.5

0

0.5

1

1.5

2

x / mm

y /

mm

Strukturelle Variante des Antennen-modells durch Entfernen eines Streifens

der Breite b über der Geometrieberandung

Speisebereich der Antenne MBow3

MBow2

2 2.2 2.4 2.6 2.8 3−70

−60

−50

−40

−30

−20

−10

0

|S1

1| /

dB

f / GHz

2 3 4 5 60

200

400

600

800

1000

1200

1400

Re

Zin

/

Ω

f / GHz2 3 4 5 6

−800

−600

−400

−200

0

200

400

600

ImZ

in /

Ω

f / GHz

MessungHFSS

1HFSS

2HFSS

3

MessungHFSS

1HFSS

2HFSS

3MessungHFSS

1HFSS

2HFSS

3

2 2.2 2.4 2.6 2.8 3−50

−45

−40

−35

−30

−25

−20

−15

−10

−5

0

|S1

1| /

dB

f / GHz

2 3 4 5 60

100

200

300

400

500

600

700

800

Re

Zin

/

Ω

f / GHz2 3 4 5 6

−400

−300

−200

−100

0

100

200

300

ImZ

in /

Ω

f / GHz

MessungHFSS

1HFSS

2HFSS

3

MessungHFSS

1HFSS

2HFSS

3

MessungHFSS

1HFSS

2HFSS

3

MBow3



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AntennenmodellAnregungs-variante MBow2 MBow3

Lumped Port

OCPEZ86

TCPEZ86

TCPEZ34

2 3 4 5 6−800

−600

−400

−200

0

200

400

600

ImZ

in /

Ω

f / GHz

LPOCP

EZ86TCP

EZ86

MBow2

2 3 4 5 6−400

−300

−200

−100

0

100

200

300

ImZ

in /

Ω

f / GHz

LPOCP

EZ86TCP

EZ86

3 2 3 4 5 60

200

400

600

800

1000

1200

1400

Re

Zin

/

Ω

f / GHz

LPOCP

EZ86TCP

EZ86

3 2 3 4 5 60

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Re

Zin

/

Ω

f / GHz

LPOCP

EZ86TCP

EZ86

MBow3




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Mikroskopaufnahme der Kontaktierung der Innenleiter der Koaxialkabel (EZ34)mit der Spiralantenne ohne Lötkontakt

Weiterentwicklung des Verfahrens

• Einsatz koaxialer Messspitzen mitmöglichst kleinem Querschnitt

• Anwendung planarer Kalibrier-verfahren → Deembeding entfällt;

Kalibrierstandards auf Antennen-

substrat erforderlich

• Mechanische Positionierung zur

Reproduktion der Messung

dA=0.88 mmdD=0.66 mmdI=0.2 mmEZ34

dA=2.2 mmdD=1.68 mmdI=0.51 mmEZ86

Antennen-arme

Innenleiter der koaxialen Mess-spitzen



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Vielen Dank fVielen Dank fVielen Dank fVielen Dank füüüür Ihre r Ihre r Ihre r Ihre Aufmerksamkeit !Aufmerksamkeit !Aufmerksamkeit !Aufmerksamkeit !

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