Transponder Systems for Identification and Micro-Telemetry Dr Transponder Systems for Identification and Micro-Telemetry Dr. Gerd vom Boegel Director: Prof. Dr. rer. nat. Anton Grabmaier Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme, Duisburg Einleitung Meine sehr geehrte Damen, Meine sehr geehrte Herren, herzlich willkommen zum heutigen XXX am Fraunhofer Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme. In den nächsten 15 Minuten werde ich ihnen das Institut vorstellen und einen Überblick über unsere Aktivitäten vermitteln. Das Thema XXXX ist eine Anwendung der Mikroelektronischen Systeme. Mikroelektronische Systeme wiederum sind miniaturizierte Systeme die aus mindestens 2 der folgenden 3 Funktionen bestehen: Sensorik Signal Aufbereitung, vorzugsweise in CMOS Technologie und Aktuatorik Der Fokus unserer bisherigen Mikrosysteme sind: Optische Systeme, Drucksensoren, Gassensoren, Magnetische Sensoren und Strömungssensoren. Kurzum alle Mikrosysteme die Synergien durch die Integration mit CMOS Schaltungstechnik realisieren. Daher ist der Bereich XXX eine konsequente Fortsetzung unserer Mikrosystem Aktivitäten Ich werde Ihnen nun im weiteren auf die Fraunhofer Gesellschaft und unser Institut eingehen. -> Fraunhofer Gesellschaft

Contents Introduction of Fraunhofer IMS Current Applications of Transponder-Systems Basics of Transponder Systems Chip-Technology and integrated Sensors Applications Trends and new Applications

Fraunhofer IMS 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 product devel. industry applied research Fraunhofer- Gesellschaft Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme, kurz IMS Duisburg Gegründet wurde das IMS 1985, heute sind zusammen mit den beiden Fachbereichen an der Universität DUE über 200 MA beschäftigt. Das IMS beschäftigt sich mit angewandter Forschung, Entwicklung und der Produktion von innovativen Mikroelektronik Produkten. Die Schwerpunkte der Aktivitäten sind: Schaltungsdesign Signalverarbeitung Drahtlose Systeme Anwendungstechnik Technologie / Prozeß Entwicklung Sensorik Produktion Die Grafik unten zeigt die Position des IMS der Fraunhofer-Gesellschaft zwischen der Grundlagenforschung wie zB der Max Planck Gesellschaft und der industriellen (Serien-) Entwicklung in Deutschland. Das IMS hat traditionelle eine sehr großen Anteil an Industrieerlösen (>50%) durch die CMOS Fertigung. -> IMS Infrastruktur basic research Max-Planck-Gesellschaft 100% public 100% privat

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. IMS Infrastruktur Das IMS ist nach ISO 9001 zertifiziert. Die CMOS Fab wird in Rahmen der Elmos/IMS Kooperation in 2006 ISO / TS 16949 zertifiziert. Der Reinraum des IMS beträgt heute ca. 1300m² in der Reinraumklasse 10. Die CMOS Linie ist für 8" Wafer im 0,25µm Prozess ausgelegt. Ca. 90MA in der Produktion sind in 3 Schichten, 7 Tage die Woche beschäftigt. Die Kapazität liegt bei ca. 70.000 Wafer / jahr. Kürzlich wurde das IMS um weitere 400 qm Reinraum für eine Montage Linie und den Wafertest erweitert. Die IMS Ausstattung umfasst zusätzlich zur 8“ CMOS Linie, den kompletten Wafertest auf 8" Basis, auch der von opt. Sensoren oder Drucksensoren auf Waferebene; eine komplette Montage Linie für die ChipOnBoard Montage. Die Produkte umfassen CMOS basierende Schaltungen und integrierte Sensoren. Die Stückzahlen reichen je nach Anwendungen von einigen 100 ASICs/Jahr bis über 1 Mio ASICs /Jahr. Die Büro/Laborräume und der Reinraumbereich sind in den letzten zwei Jahren um mehr als 33 % erweitert worden! Insgesamt steht eine Hauptnutzfläche von mehr als 7000m² zur Verfügung. -> IMS Infrastruktur Mikrosystemtechnik (PostProcess auf CMOS)

IMS Infrastructure 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 Im Mikrosystemtechniklabor werden nach auf / nach dem Standart CMOS Prozess hinzugefügt. Das können z.B. Bioaktiveschichten sein oder auch mikromechanische zusätzliche Arbeitsschritte sein. (IR Bolometer)

Currently used Applications of Transponder Systems 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 . . .

Frequency Bands for Transponder Applications

Principle of Energy Transmission within passive Transponder Systems Reader

Temperature Monitoring Transponder „TempLog-Label“

96 Bit ID-Nummer + Kalibrierwerte Temperature-Transponder ASIC (ISO-Standard 15693) 7,83 mm² Chipfläche 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 down-stream -40 – 70 °C Temperaturbereich 250 µA Stromaufnahme < 1 µA Ruhestrom 2,4 – 3,6 V Versorgungsspannung

Pressure and Temperature Transponder

Photograph: Transponder Chip with Pressure Sensor

Micro-machined Pressure Sensor Elements

Active Tire-Pressure Transponder System

Active Tire Pressure Transponder System Reader

Vacuum Monitoring in Vacuum-Isolation panels (VIP) Embedded Transponder in VIP VIP-Assembly: - Filler Material - Transponder - Foil VIP-Mounting

Example Tele-Medicine: Monitoring of „Glaucoma“ patients Aim: Prevent blindness due to Glaucoma Measuring of pressure with in-eye pressure sensor Reader-Antenna integrated in glasses Continuous Monitoring of Pressure Alarm at over-pressure

Example Tele-Medicine: Monitoring of „Glaucoma“ patients Transponder in Silicon Capsulation

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 Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme. IMS Duisburg Gegründet wurde das IMS 1985, heute sind über 200 MA beschäftigt. Das IMS beschäftigt sich mit angewandter Forschung, Entwicklung und der Produktion von innovativen Mikroelektronik Produkten. Die Schwerpunkte der Aktivitäten sind: Schaltungsdesign Signalverarbeitung Drahtlose Systeme Anwendungstechnik Technologie / Sensorik Produktion Die Grafik unten zeigt die Position des IMS der Fraunhofer-Gesellschaft zwischen der Grundlagenforschung und der industriellen (Serien-)Entwicklung in Deutschland. Das IMS hat traditionelle eine sehr großen Anteil an Industrieerlösen (>50%) durch die CMOS Fertigung. -> IMS Infrastruktur

Agricultural Application of active System: 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: 25 Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3 Sensor 4 20 15 Temperature (°C) 10 5 12pm 2004/12/21 4pm 2004/12/21 8pm 2004/12/21 12am 2004/12/22 4am 2004/12/22 8am 2004/12/22 12pm 2004/12/22 Time / Date (Source: LWK NRW, Fraunhofer IMS)

Summary 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 Source: Fraunhofer-IMS)

Thank you for your attention Contact Gerd vom Boegel: Ich danke für Ihre Aufmerksamkeit und stehe nun für die Diskussion zur Verfügung.