-
In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird eine Kontaktlos Anordnung zur Regelung einer Temperatur einer on-chip Sensoreinrichtung, wobei die Kontaktlos-Anordnung eine Kontaktlos-Einrichtung, beispielsweise eine Kontaktlos-Chipkarte, und ein dazugehöriges Kontaktlos-Lesegerät aufweist.
-
Messvorgänge, zum Beispiel bei biochemischen Anwendungen wie der Vervielfältigung der DNS (Desoxyribonukleinsäure), werden meistens unter konstant bleibenden Bedingungen durchgeführt. In den üblicherweise verwendeten PCR-Systemen (PCR: Polymerase Chain Reaction – Polymerase-Kettenreaktion) kann es beispielsweise erforderlich sein, die Temperatur nach einem vorgegebenen Ablaufmuster mehrmals anzuheben und abzusenken, um die DNS-Vervielfältigung zu ermöglichen. Der anschließende Messvorgang jedoch soll unter gleichbleibender Temperatur durchgeführt werden. Durch die immer gleiche und konstant bleibende Temperatur bei der Messung kann der Einfluss des Temperaturkoeffizienten minimiert werden. Das Einstellen und Konstanthalten der Temperatur wird mit einem sogenannten Thermocycler bewerkstelligt. Thermocycler sind große Maschinen, die mit Heizelementen ausgestattet sind. Die Wärmeenergie wird meist kontaktbehaftet dem Messobjekt zugefügt, wobei jedoch viel Wärmeenergie unnötig in das großvolumige umgebende Material verloren geht. zudem werden die Temperaturänderungen am Messobjekt durch eine Temperaturänderung des großvolumigen umgebenden Materials erreicht. Dadurch ergibt sich eine Beschränkung hinsichtlich der mit solchen Geräten erreichbaren Temperaturänderungsrate.
-
In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird eine Kontaktlos-Einrichtung bereitgestellt, welche aufweist: einen ersten Sensor zum Erfassen eines außerhalb der Kontaktlos-Einrichtung auftretenden Sensorparameters; einen zweiten Sensor zum Ermitteln einer an dem ersten Sensor herrschenden Temperatur; einen mit dem ersten Sensor und dem zweiten Sensor gekoppelten Prozessor; eine mit dem Prozessor gekoppelte Antenne zum Bereitstellen von Energie an den Prozessor; und ein Heizelement, welches einen Teil der bereitgestellten Energie in Wärme umwandelt, wobei das Heizelement derart relativ zu einem vorgegebenen Bereich der Kontaktlos-Einrichtung angeordnet ist, dass eine in dem vorgegebenen Bereich herrschende Temperatur mittels des Heizelements einstellbar ist.
-
Bei der Kontaktlos-Einrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann es sich um eine passive Einrichtung handeln, welche mittels der Antenne aus einem entsprechenden Kopplungsfeld ihre Betriebsenergie beziehen kann. Bei bedarf kann die Kontaktlos-Einrichtung jedoch aktiv sein und eine eigene Stromquelle in Form einer Batterie oder eines Kondensators aufweisen. Die Antenne kann zur kontaktlosen Übertragung von Daten über eine Luftschnittstelle mittels eines elektromagnetischen Feldes eingerichtet sein, beispielsweise gemäß der ISO 14443 Norm und/oder der ISO 15693 Norm. Das Funktionsprinzip der Kontaktlos-Einrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen ist nicht auf die induktive Übertragung von Daten und Energie beschränkt, da die Daten und/oder die Energie auch kapazitiv übertragen werden können.
-
Die Länge der die Antenne ausbildenden Leitung kann an die drahtlose Kommunikation bei einer bestimmten Frequenz angepasst sein, beispielsweise bei 13,56 MHz, was dem am häufigsten verwendeten RFID-Frequenzband (RFID: radio frequency identification – Identifizierung mit Hilfe elektromagnetischer wellen) entspricht. Die Kontaktlos-Einrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann als eine integrierte Schaltung ausgebildet sein, beispielsweise unter Verwendung der eWLB-Technologie (eWLB: Embedded Wafer Level Ball Grid Array – auf Wafer-Ebene eingebettete Lotkugelanordnung). Die Antenne kann als eine Schleifenantenne oder Spule mit mehreren Windungen ausgebildet sein, wobei die sie ausbildenden Leiterbahnen Teil einer RDL (RDL: redistribution layer – Umverdrahtungsebene) sein können. Die Leiterbahnen der Antenne können beispielsweise um die Sensoren und/oder um den Prozessor herum verlaufend angeordnet sein, so dass die Kontaktlos-Einrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen sehr kompakt ausgebildet werden kann.
-
Der Prozessor kann in Form eines Mikrochips vorliegen und eingerichtet sein die drahtlose Kommunikation zu steuern und kann damit zum einen als RFID-Chip fungieren. Ferner kann der Prozessor eingerichtet sein, den Betrieb des ersten Sensors und/oder des zweiten Sensors zu steuern. Der Prozessor kann auf Anfrage von einem Lesegerät eingerichtet sein, eine Temperaturmessung vom zweiten Sensor durchführen zu lassen und den außerhalb der Kontaktlos-Einrichtung auftretenden Sensorparameter vom ersten Sensor bestimmen zu lassen. Zusätzlich kann der Prozessor eingerichtet sein die mittels der beiden Sensoren ermittelten Parameterwerte drahtlos über das Kommunikationsfeld an das Lesegerät zu übermitteln. Bei dem ersten Sensor kann es sich um einen diagnostischen Biosensor handeln oder allgemein gesprochen um einen Sensor zur Detektion von speziellen Messgrößen in verschiedensten Messapplikationen wie zum Beispiel
- – zum Messen von Zell- und/oder Stoffkonzentration (Pathogenen, Glucose, Kalium, Lactat etc...) in Blut, Speichel, Tränenflüssigkeit oder Harn;
- – zum Messen von Inhaltsstoffen bzw. pH Wert von Trinkwasser, von Wasser in Schwimmbädern oder von Erde für den Ackerbau;
- – zum Messen von Schadstoffen, (Fäulnis-)Bakterien, Schimmelpilzen, chemische Veränderungen etc. in zu lange oder falsch gelagerten Lebensmitteln bzw. Pharmazeutika; und/oder
- – zum Messen von Gaskonzentrationen (COx, SOx, Nx...) oder Feinstaubkonzentration in der Luft.
-
In alternativen Ausführungsbeispielen kann der Prozessor eingerichtet sein, auf Grundlage der ermittelten Temperatur und/oder des außerhalb der Kontaktlos-Einrichtung auftretenden Sensorparameters Berechnungen durchzuführen, um aus den mittels der Sensoren ermittelten Daten weiterführende Informationen abzuleiten. Anders ausgedrückt kann der Prozessor zum Ausführen bestimmter Analyse- bzw. Auswertealgorithmen eingerichtet sein, welche im Vorfeld der Übermittlung an das Kontaktlos-Lesegerät ausgeführt werden können. So kann die Kontaktlos-Einrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen beispielsweise Anzeigemittel wie LEDs (lichtemittierende Dioden) und/oder OLEDs (organische lichtemittierende Dioden) aufweisen zum Darstellen von Ergebnissen, die auf den vom Prozessor durchgeführten Analyse- bzw. Auswertealgorithmen beruhen. Beispielsweise kann eine Leuchtvorrichtung an/auf der Kontaktlos-Einrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen als Statusindikator verwendet werden um anzuzeigen, dass ein Erfassungsvorgang mittels des ersten Sensors gerade stattfindet, abgeschlossen ist oder dass beispielsweise die mittels des zweiten Sensors ermittelte Temperatur noch nicht im Zielbereich ist und deshalb zur Zeit noch angepasst wird. Aus einer solchen vorläufigen Auswertung der Messparameter der beiden Sensoren können Informationen abgeleitet werden, welche unmittelbar auf der Kontaktlos-Einrichtung, dem Ort der Vermessung eines Mediums, dargestellt werden können. Des Weiteren kann mittels einer stattfindenden vorläufigen Auswertung/Verarbeitung der Messparameter das Datenvolumen, welches von der Kontaktlos-Einrichtung an ein Kontaktlos-Lesegerät übertagen wird, reduziert werden. So kann beispielsweise aus mehreren mittels des zweiten Sensors ermittelten Temperaturwerten eine Temperaturänderungsrate vom Prozessor der Kontaktlos-Einrichtung errechnet werden und anstatt der vielen Einzeltemperaturwerte an ein Kontaktlos-Lesegerät übertragen werden.
-
Das Heizelement, welches einen Teil der bereitgestellten Energie in Wärme umwandelt, ist derart relativ zu einem vorgegebenen Bereich der Kontaktlos-Einrichtung angeordnet, dass eine in dem vorgegebenen Bereich herrschende Temperatur mittels des Heizelements einstellbar ist. Bei dem vorgegebenen Bereich kann es sich beispielsweise um mindestens einen Teilbereich des ersten Sensors handeln, beispielsweise eine Erfassungsfläche bzw. Sensorfläche des ersten Sensors. Unter der Sensorfläche ist die aktive Fläche des Sensors gemeint, welche bei einem Messvorgang mit dem zu analysierenden Medium in Kontakt tritt und mit der das Medium während der Messung interagieren kann. Das Heizelement kann verwendet werden, um die Temperatur einzustellen, bei welcher der außerhalb der Kontaktlos-Einrichtung auftretende Sensorparameter mittels des ersten Sensors erfasst wird. Die Aufnahmefläche kann beispielsweise auf dem Heizelement angeordnet sein oder mit diesem in Kontakt stehen, so dass das Heizelement als eine Art heizbarer Boden für die Sensorfläche fungiert. Es kann von Vorteil sein, wenn das Heizelement den vorgegebenen Bereich gleichmäßig erwärmen kann. Dieses kann erreicht werden, indem das Heizelement beispielsweise flächig ausgebildet ist, beispielsweise eine Fläche aufweist, welche in etwa genau so groß oder halb so groß ist wie der vorgegebene Bereich, damit der vorgegebene Bereich möglichst gleichmäßig temperiert werden kann.
-
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der Kontaktlos-Einrichtung kann das Heizelement mindestens einen in der Kontaktlos-Einrichtung vorgesehenen elektrischen Widerstand, aufweisen.
-
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der Kontaktlos-Einrichtung kann der elektrische Widerstand einen Shunt-Widerstand, vorzugsweise einen geregelten Shunt-Widerstand aufweisen. Bei dem geregelten Shunt-Widerstand kann es sich beispielsweise um einen geregelten Transistor handeln, welcher die überschüssige Energie aus dem magnetischen Kopplungsfeld in Wärme umwandelt durch entsprechendes anpassen seines Widerstandes.
-
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der Kontaktlos-Einrichtung kann das Heizelement zumindest teilweise von dem Prozessor gebildet sein. Der vorgegebene Bereich kann beispielsweise auf der Prozessoroberfläche angeordnet sein und damit durch dessen Abwärme heizbar sein. Das Heizelement kann als geregelter Shunt-Widerstand eingerichtet sein oder mittels des Prozessors implementiert sein, welcher mit einer bestimmten Taktfrequenz betrieben wird, wobei zur Steuerung der Wärmeabgabe mittels des Heizelements in einem solchen Fall bei dem Prozessor eine Taktregelung zum Einsatz kommen kann.
-
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der Kontaktlos-Einrichtung kann die Kontaktlos-Einrichtung eine Kontaktlos-Karte, vorzugsweise eine kontaktlose Chipkarte sein.
-
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der Kontaktlos-Einrichtung kann der erste Sensor einen physikalischen Sensor und/oder einen chemischen Sensor und/oder einen Sensor zum Erfassen von Biopolymeren aufweisen, beispielsweise makromolekularen Biopolymeren. Der Sensor kann beispielsweise als Biosensor eingerichtet sein und für die Erkennung von Zielsubstanzen ein biologisches Detektionssystem aufweisen, welches z. B. Antikörper, Enzyme, Organellen oder Mikroorganismen aufweisen kann. Bei der Detektion tritt das biologische Detektionssystem des Biosensors in Wechselwirkung mit der zu analysierenden Zielsubstanz und es kann zu einer physikochemischen Zustandsveränderung kommen, wie z. B. zu einer Veränderung einer Schichtdicke, von Brechzahlen, einer Lichtabsorption oder der elektrischen Ladung. Eine eingetretene Zustandsveränderung kann dann mittels eines entsprechend zu ihrer Detektion eingerichteten Signalumwandlers in ein elektrisches Signal umgewandelt werden und so analysiert/ausgewertet werden.
-
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Kontaktlos-Einrichtung ferner eine Zuführstruktur aufweisen zum Zuführen eines mittels des ersten Sensors zu analysierenden Mediums, vorzugsweise einer Flüssigkeit, zu dem ersten Sensor. Bei der Zuführstruktur kann es sich um einen Hohlraum mit einer Eintrittsöffnung handeln, durch welche das zu analysierende Medium in den Hohlraum eingebracht werden kann. Bei mindestens einer Fläche des Hohlraums, beispielsweise der Bodenfläche, kann es sich um die Sensorfläche handeln. Ferner kann es sich bei der Zuführstruktur um Zuflusskanäle bzw. ein Kanalsystem handeln, welches zum Einleiten und Verteilen des Mediums auf der Sensorfläche eingerichtet ist. Bei der Zuführstruktur können beispielsweise Kapillarkräfte verwendet werden, um das Medium von der Einbringstelle zur Sensorfläche zu führen/leiten.
-
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der Kontaktlos-Einrichtung kann der zweite Sensor eingerichtet sein, eine die Temperatur des Mediums repräsentierende Temperatur zu erfassen. Der zweite Sensor kann beispielsweise integral in oder an dem ersten Sensor ausgebildet sein, beispielsweise in Form einer Zwischenschicht, oder aber auch als getrenntes Bauteil an dem ersten Sensor angeordnet sein.
-
In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird ein Kontaktlos-Lesegerät bereitgestellt aufweisend einen Prozessor; eine mit dem Prozessor gekoppelte Antenne zum Bereitstellen von Energie an eine Kontaktlos-Einrichtung; wobei der Prozessor eingerichtet ist, eine Information, welche einen von der Kontaktlos-Einrichtung ermittelten Sensorparameter repräsentiert, zu empfangen und eine Energie-Einstellgröße zu ermitteln zum Einstellen der an die Kontaktlos-Einrichtung bereitgestellten Energie abhängig von der empfangenen Information.
-
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann das Kontaktlos-Lesegerät als Kommunikationseinrichtung, vorzugsweise eine mobile Kommunikationseinrichtung, weiter vorzugsweise eine Mobilfunk-Kommunikationseinrichtung, etwa ein Handy, eingerichtet sein. Das Kontaktlos-Lesegerät kann eingerichtet sein, sowohl drahtlos mit einer Kontaktlos-Einrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen zu kommunizieren als auch dieser eine entsprechend erforderliche Energiemenge über das Kopplungsfeld bereitzustellen. Das Kontaktlos-Lesegerät kann eingerichtet sein, den von der Kontaktlos-Einrichtung ermittelten Sensorparameter mit einem Sollwert des Sensorparameters zu vergleichen und in Abhängigkeit davon die Energie-Einstellgröße zu ermitteln.
-
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen des Kontaktlos-Lesegerätes kann es sich bei dem von der Kontaktlos-Einrichtung ermittelten Sensorparameter um eine Temperatur handeln.
-
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen wird eine Kontaktlos-Anordnung bereitgestellt, aufweisend eine Kontaktlos-Einrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen und ein Kontaktlos-Lesegerät gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen, wobei der Prozessor eingerichtet ist, eine Information über die vom zweiten Sensor ermittelte Temperatur zu empfangen und die der Kontaktlos-Einrichtung bereitgestellte Energie abhängig von der empfangenen Information über die vom zweiten Sensor ermittelte Temperatur einzustellen.
-
Mittels der Kontaktlos-Anordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die Temperatur des vorgegebenen Bereiches der Kontaktlos-Einrichtung gezielt eingestellt und/oder überwacht und geregelt werden. Durch eine Anpassung der Feldstärke des Kopplungsfeldes kann die der Kontaktlos-Einrichtung bereitstellbare Energie eingestellt werden. Dadurch kann die Menge der dem Heizelement bereitstellbaren und zu Wärme umwandelbaren Energie angepasst werden. Mit der Kontaktlos-Anordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann also nicht nur bei der Erfassung eines außerhalb der Kontaktlos-Einrichtung auftretenden Sensorparameters die Temperatur ermittelt (gemessen) werden, sondern es kann bei dem Erfassungs- bzw. Messvorgang mittels des ersten Sensors die Temperatur der Umgebung des ersten Sensors gezielt eingestellt werden. Diese Eigenschaft kann weiterführend verwendet werden, um beispielsweise die Temperatur des zu analysierenden Mediums nach einem wertemäßig und zeitmäßig vordefinierten Muster zu verändern und dabei zu überwachen, ob die innerhalb der Temperatursequenz die gewünschten Zwischenprodukte gebildet worden sind.
-
Die Kontaktlos-Anordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen ermöglicht Messvorgänge bei einem sehr kleinen Gesamtenergieaufwand, da es sich hierbei um ein kleinskaliges (miniaturisiertes) Messsystem handelt. Die Kontaktlos-Anordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann als eine hoch miniaturisierte Realisierung eines Thermocyclers gesehen werden. Hierbei kann jedoch beispielsweise die geringe aus einem NFC-kompatiblen (NFC: near field communication – Nahfeldkommunikation) Mobiltelefon, üblicherweise einem Smartphone, beziehbare Energie genügen, um in Verbindung mit einer Kontaktlos-Einrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen ein mobiles Messsystem zu realisieren. Mit der Kontaktlos-Anordnung lassen sich somit beispielsweise sehr handliche und bedienungsfreundliche Messsysteme realisieren, mit welchen ein Benutzer beispielsweise seinen Blutzuckergehalt feststellen könnte oder ein Lebensmittel auf mögliche Stoffe zu untersuchen, auf die sie/er allergisch reagiert.
-
Wie bereits erwähnt, kann die Kontaktlos-Anordnung, insbesondere die Kontaktlos-Einrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen sehr kleinskalig ausgebildet werden. Es können Messungen bei sehr geringen Volumina (beispielsweise Flüssigkeitsvolumina) des zu analysierenden Mediums durchgeführt werden. Da keine großen (aktiven und passiven) zu erwärmenden Massen bzw. Volumina im Spiel sind und somit hohe Wärmekapazitäten vermieden werden, kann eine sehr genaue und schnelle Messung und/oder Einstellung der Temperatur erfolgen. Zudem kann eine individuelle Temperatureinstellung für jedes einzelne Messobjekt erfolgen, wenn mehrere Messobjekte auf einmal vermessen werden sollen.
-
Durch die Kompaktheit der Kontaktlos-Einrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die erforderliche Wärme von dem Heizelement erzeugt und lokal angewendet werden. Dadurch kann das Risiko von Verbrennungen minimiert werden, welches beispielsweise bei unsachgemäßer Handhabung von üblichen Thermocyclern besteht, die im Betrieb große, auf hohe Temperaturen gebrachte Teile aufweisen. Die Kontaktlos-Anordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen ermöglicht somit eine sichere Anwendung und Bedienung auch von nicht eingeschulten und Personen.
-
In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird ein Verfahren zum Betreiben der Kontaktlos-Anordnung bereitgestellt, wobei das Verfahren aufweist: Ermitteln der an dem ersten Sensor herrschenden Temperatur mittels des zweiten Sensors; Übermitteln der ermittelten Temperatur an das Kontaktlos-Lesegerät; Vergleichen der ermittelten Temperatur mit einer Sollwert-Temperatur; und Anpassen der an die Kontaktlos-Einrichtung bereitgestellten Energie in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichens.
-
In weiteren Ausführungsbeispielen kann das Verfahren ferner Starten eines Messvorgangs aufweisen zum Erfassen eines außerhalb der Kontaktlos-Einrichtung auftretenden Sensorparameters mittels des ersten Sensors, falls die ermittelte Temperatur mit der Sollwert-Temperatur übereinstimmt.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
-
Es zeigen
-
1 eine Kontaktlos-Einrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen;
-
2 ein Kontaktlos-Lesegerät gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen;
-
3 eine Kontaktlos-Einrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen;
-
4 eine Kontaktlos-Anordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen; und
-
5 ein Verfahren zum Betreiben einer Kontaktlos-Anordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen.
-
In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die Teil dieser bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. In dieser Hinsicht wird Richtungsterminologie wie etwa „oben”, „unten”, „vorne”, „hinten”, „vorderes”, „hinteres”, usw. mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Komponenten von Ausführungsformen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.
-
Im Rahmen dieser Beschreibung werden die Begriffe ”verbunden”, ”angeschlossen” sowie ”gekoppelt” verwendet zum Beschreiben sowohl einer direkten als auch einer indirekten Verbindung, eines direkten oder indirekten Anschlusses sowie einer direkten oder indirekten Kopplung. In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
-
In 1 ist eine Kontaktlos-Einrichtung 100 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen dargestellt. Diese weist einen ersten Sensor 102 zum Erfassen eines außerhalb der Kontaktlos-Einrichtung 100 auftretenden Sensorparameters, einen zweiten Sensor 104 zum Ermitteln einer an dem ersten Sensor 102 herrschenden Temperatur, einen mit dem ersten Sensor 102 und dem zweiten Sensor 104 gekoppelten Prozessor 106, eine mit dem Prozessor 106 gekoppelte Antenne 108 zum Bereitstellen von Energie an den Prozessor 106, und ein Heizelement 110 auf, welches einen Teil der bereitgestellten Energie in Wärme umwandelt, wobei das Heizelement 110 derart relativ zu einem vorgegebenen Bereich der Kontaktlos-Einrichtung 100 angeordnet ist, dass eine in dem vorgegebenen Bereich herrschende Temperatur mittels des Heizelements 110 einstellbar ist. Die Kontaktlos-Einrichtung 100 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen ermöglicht es die Temperatur sehr nahe am ersten Sensor 102 zu messen und zusätzlich sehr nahe an diesem Sensor auf die Temperatur Einfluss zu nehmen bzw. diese mittels einer entsprechenden Bestromung des Heizelements 110 zu regeln.
-
In 2 ist ein Kontaktlos-Lesegerät 200 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen dargestellt, welches einen Prozessor 202 und eine mit dem Prozessor 202 gekoppelte Antenne 204 zum Bereitstellen von Energie an eine Kontaktlos-Einrichtung 100 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen aufweist. Der Prozessor 202 ist eingerichtet eine Information, welche einen von der Kontaktlos-Einrichtung 100 ermittelten Sensorparameter repräsentiert, zu empfangen und eine Energie-Einste1lgröße zu ermitteln zum Einstellen der an die Kontaktlos-Einrichtung 100 bereitgestellten Energie abhängig von der empfangenen Information.
-
Eine weitere Ausführungsform der Kontaktlos-Einrichtung ist in 3 dargestellt. Die Kontaktlos-Einrichtung 300 weist den ersten Sensor 302 in Form eines Sensorchips auf, welcher eine Sensor- bzw. Aufnahmefläche 304 für ein zu untersuchendes Medium aufweist. Unter dem Sensorchip 302 ist der Prozessor 306 angeordnet, bei dem es sich beispielsweise um einen RF-Chip (RF: radio frequency – Radiofrequenz), etwa eine entsprechend dafür ausgelegte ASIC (application-specific integrated circuit – anwendungsspezifische integrierte Schaltung) handeln kann. Der Prozessor 306 ist bei dieser beispielhaften Kontaktlos-Einrichtung 300 unter dem ersten Sensor 302 angeordnet. Zwischen dem Prozessor 306 und dem ersten Sensor 302 kann eine Haftschicht angeordnet sein, welche zusätzlich für eine verbesserte thermische Anbindung der beiden elektronischen Bauteile sorgen kann. Das Heizelement ist hierbei nicht explizit dargestellt, da es innerhalb des Prozessors 306 integriert ist bzw. von dem Prozessor 306 gebildet wird. Die obere Fläche des Prozessors 306 dient als Heizelement, welches den ersten Sensor 302 und seine Sensorfläche 304 kontrolliert erwärmen kann. In diesem Ausführungsbeispiel entspricht der vorgegebene Bereich der Sensorfläche 304, wobei jedoch bei genügend hoher Miniaturisierung der Vorrichtung 300 die Temperatur der Sensorfläche 304 zum Beispiel näherungsweise mit der Temperatur der Unterseite des ersten Sensors 302 gleichgesetzt werden kann. Der zweite Sensor ist in 3 nicht explizit dargestellt, er kann beispielsweise als flächig oder punktuell ausgebildeter Temperatursensor auf Basis eines Kaltleiters zwischen dem Prozessor 306 und dem ersten Sensor 302 oder etwa auf der Aufnahmefläche 304 selbst angeordnet sein.
-
Um den ersten Sensor 302 und den Prozessor 306 ist die Antenne 308 angeordnet, welche in diesem Ausführungsbeispiel als eine Spule bzw. Schleifenantenne mit einer Anzahl von Windungen ausgebildet ist. Die Leiterbahn, welche die Antenne 308 formt, kann Teil einer ersten Umverdrahtungsebene sein. Die Antenne 308 und der Prozessor 306 können auf einem gemeinsamen Träger angeordnet sein. Die Antenne 308 ist mittels einer zweiten Umverdrahtungsebene 310 mit dem Prozessor 306 elektrisch gekoppelt. Die zweite Umverdrahtungsebene 310 dient ebenfalls zur elektrischen Kontaktierung zwischen dem Prozessor 306 und dem ersten Sensor 302. In der in 3 gezeigten Ansicht ist das die Einrichtung umgebende Vergussmaterial bzw. das Material des Chipkartenkörpers, in dem die Kontaktlos-Einrichtung 300 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen eingebettet sein kann, nicht dargestellt. In dem fertigen Produkt sind im umgebenden Vergussmaterial Durchkontaktierungen 314 ausgebildet, welche eine elektrische Verbindung zwischen der ersten Umverdrahtungsebene und der zweiten Umverdrahtungsebene 310 herstellen. Weiterhin sind, wie in 3 dargestellt, Anschlusskontakte 312 (auch bezeichnet als Anschlusspads 312) zum elektrischen Kontaktieren des Prozessors 306 und/oder des ersten Sensors 302 vorgesehen. Die Anschlusskontakte 312 können unterschiedliche Funktionen haben. So kann/können beispielsweise ein oder mehrere der Anschlusskontakte 312 zur Energieversorgung vorgesehen sein und beispielsweise zum Anlegen der Versorgungsspannung (VDD) oder zum Anlegen einer Bezugsspannung (VSS) vorgesehen sein.
-
Ferner kann/können beispielsweise ein oder mehrere der Anschlusskontakte 312 zur (Daten-)Kommunikation und/oder zur (Steuerungs-)Kommunikation vorgesehen sein und beispielsweise eine vordefinierte Kommunikationsschnittstelle bilden, beispielsweise eine seriell-parallel-Schnittstelle (SPI-Schnittstelle). Diese kann/können beispielsweise zum Debuggen von Steuerungsprogrammen des Prozessors 306 und/oder des ersten Sensors 302 vorgesehen sein. Weiterhin kann/können beispielsweise ein oder mehrere der Anschlusskontakte 312 als an sich (d. h. beispielsweise im Betrieb) funktionslose Anschlusskontakte 312 (auch bezeichnet als Dummy-Anschlusskontakte 312) vorgesehen sein.
-
In einer beispielhaften Ausführungsform der Kontaktlos-Einrichtung 300 kann diese für PCR-Messvorgänge eingerichtet sein. Dazu kann die die Sensorfläche 304 mit einer TMR-Beschichtung (TMR: Tunnelmagnetwiderstand) beschichtet sein, zum selektiven Ansprechen auf analysierender Zielmoleküle, welche sich bereits im Medium befinden oder in diesem während des Messvorgangs noch gebildet werden.
-
Ein Gesamtsystem 400, welches eine Kontaktlos-Einrichtung 100 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen und ein Kontaktlos-Lesegerät 200 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen aufweist, ist in 4 dargestellt. Elemente, welche bereits in 1 und 2 eingeführt und beschrieben worden sind, tragen die gleichen Bezugszeichen und werden nicht erneut beschrieben. Bei der Kontaktlos-Anordnung 400 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen beeinflusst die Temperaturmessung direkt am ersten Sensor der Kontaktlos-Einrichtung 100 über einen Regelalgorithmus, welcher von einer Logik im Kontaktlos-Lesegerät 200 ausgeführt wird, die Ausgangsleistung des Kontaktlos-Lesegerätes 200 und damit die Feldstärke des vom Kontaktlos-Lesegerät 200 erzeugten elektromagnetischen Kopplungsfeldes.
-
In 4 ist der Regelmechanismus, welcher mittels des Prozessors 202 des Kontaktlos-Lesegerätes 200 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen implementiert ist, in größerem Detail dargestellt. Der Prozessor 202 ist eingerichtet, die Information, welche einen von der Kontaktlos-Einrichtung 100 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen ermittelten Sensorparameter repräsentiert, beispielsweise einen im vorgegebenen Bereiche herrschenden Temperaturwert 412, mit einem Temperatur-Sollwert 410 zu vergleichen. Unter dem Temperatur-Sollwert 410 kann ein zeitlich variabler Sollwert verstanden werden, also etwa einen Sollwert, welcher einen zeitlich vorgegebenen Temperaturverlauf modelliert, welchem das zu untersuchende Medium ausgesetzt werden soll. Aus dem Vergleich kann mittels eines Stellgliedes 414, beispielsweise eines P-Reglers, eines PI-Reglers oder eines PID-Reglers, ein Temperatur-Stellwert 416 bestimmt werden, welcher zur Anpassung der Ausgangsleistung des Kontaktlos-Lesegerätes 200 dienen kann. Anders ausgedrückt kann das Kontaktlos-Lesegerät eingerichtet sein, die Feldstärke des von ihm erzeugenden Magnetfeldes 430 gemäß dem Temperatur-Stellwert 416 anzupassen.
-
Die Kontaktlos-Einrichtung 100 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen ist eingerichtet, an das vom Kontaktlos-Lesegerät 200 erzeugte Feld zu koppeln, beispielsweise induktiv an das vom Kontaktlos-Lesegerät 200 erzeugte Magnetfeld 430 zu koppeln. Das Heizelement 110 ist eingerichtet, einen Teil der aus dem Kopplungsfeld 430 bezogenen Energie in Wärme 422 umzuwandeln und diese dem vorgegebenen Bereich zuzuführen, so dass die Temperatur des vorgegebenen Bereiches einstellbar ist. Bei dem Heizelement 110 kann es sich beispielsweise um einen Shunt-Transistor des Prozessors 106 handeln, welcher zur Anpassung der dem Prozessor 110 aus dem Kopplungsfeld 430 bereitgestellten Energie vorgesehen ist. Die Temperatur des vorgegebenen Bereiches kann vom zweiten Sensor (nicht in 4 dargestellt) erfasst werden und es kann eine entsprechende Information über das Kopplungsfeld 430 dem Kontaktlos-Lesegerät 200 als Temperatur-Messwert 412 gemeldet werden.
-
Die Kontaktlos-Anordnung 400 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen bildet eine geschlossene Regelschleife, bei welcher die Information über die Temperatur des vorgegebenen Bereiches der Kontaktlos-Einrichtung 100 als Regelgröße zum Einstellen des Temperatur-Stellwertes 416 und damit letzten Endes der Feldstärke des Kopplungsfeldes 430 verwendet wird. Anders ausgedrückt kann mit einer Temperaturmessung in unmittelbarer Nähe zum ersten Sensorchip durch einen Regelalgorithmus die Ausgangsleistung des Kontaktlos-Lesegerätes 200 beeinflusst werden. Die vom Heizelement 110 erzeugte Wärme kann proportional zur Feldstärke des Kopplungsfeldes 430 sein, welches von dem Kontaktlos-Lesegerät 200 erzeugt wird. Die Leistung des Kopplungsfeldes 430 kann vom Kontaktlos-Lesegerät 200 in Echtzeit angepasst werden (bei Vernachlässigung der Rechenzeit des Prozessors 202 bei der Ausführung des Regelalgorithmus) und beispielsweise einen schwankenden Energiebedarf des Prozessors 110 und/oder der Sensoren der Kontaktlos-Einrichtung 100 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kompensieren. Ferner können auch Schwankungen der Stärke des Kopplungsfeldes am Ort der Kontaktlos-Einrichtung 100 ausgeglichen werden, welche beispielsweise durch eine Relativbewegung zwischen der Kontaktlos-Einrichtung 100 und dem Kontaktlos-Lesegerät 200 hervorgerufen werden können.
-
Je nach Applikation kann auch zusätzlich zum Heizelement eine passive, heizende Struktur bereitgestellt werden, welche beispielsweise einen bestimmten Teil der von der Kontaktlos-Einrichtung 100 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen aus dem Kopplungsfeld 430 bezogenen Energie in Wärme umwandelt. Dazu können an und/oder um den ersten Sensor Widerstandsstrukturen ausgebildet sein, mittels welchen gezielt Energie in Form von wärme dissipiert werden kann zur Erwärmung des vorbestimmten Bereiches. In solchen Ausführungsformen kann dann im Gegenzug das Heizelement für kleinere (Heiz-)Leistungen ausgelegt werden.
-
In 5 ist ein Flussdiagramm 500 gezeigt, welches ein beispielhaftes Verfahren zum Betreiben einer Kontaktlos-Anordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen veranschaulicht.
-
In einem ersten Schritt 502 kann ein Initialisierungsvorgang zur Vorbereitung einer Temperaturmessung stattfinden. Dieser Schritt ist optional und kann beispielsweise einen Verbindungsaufbau zwischen einer Kontaktlos-Einrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen, etwa einer Diagnose-Chipkarte, und einem Kontaktlos-Lesegerät und/oder einen Überprüfungsvorgang der Diagnose-Chipkarte, insbesondere des zweiten Sensors, auf seine Funktionstüchtigkeit hin aufweisen.
-
Ist der Initialisierungsvorgang positiv abgeschlossen, kann in einem nächsten Schritt 504 mittels des zweiten Sensors der Kontaktlos-Einrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen die im vorgegebenen Bereich, beispielsweise an dem ersten Sensor, herrschende Temperatur ermittelt werden. Nach beendeter Messung kann eine Information bezüglich der vom zweiten Sensor ermittelten Temperatur, beispielsweise der Temperaturwert selbst, drahtlos von der Kontaktlos-Einrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen an das Kontaktlos-Lesegerät übermittelt werden.
-
In einem darauffolgenden Schritt 506 kann die übertragene Information bezüglich der vom zweiten Sensor ermittelten Temperatur vom Kontaktlos-Lesegerät mit einem Temperatur-Sollwert verglichen werden. Wie bereits erwähnt, kann der Sollwert ein zeitlich variabler Sollwert. sein. Es kann beispielsweise sein, dass das auf den zweiten Sensor aufgebrachte Testmedium erst auf eine bestimmte Temperatur gebracht werden muss oder für eine bestimmte Zeit bei einer bestimmten. Temperatur verweilen muss, bevor der eigentliche Messvorgang startet. Ferner können beispielsweise Szenarien eintreten, bei denen das zu analysierende Medium, nachdem es für eine bestimmte Zeit bei einer bestimmten Temperatur verweilt ist, einem vorbestimmten Temperaturverlauf ausgesetzt werden muss, bevor die eigentliche Messung gestartet wird. Der bestimmte Temperaturverlauf kann beispielsweise vorsehen, dass das Medium mehrmals auf unterschiedliche Temperaturen erwärmt wird und dazwischen auf unterschiedliche Temperaturen abgekühlt wird, so wie es bei PCR-Verfahren üblicherweise der Fall ist. Der Temperatur-Sollwert kann damit zeitlich variabel sein und einem Temperaturwert gemäß dem vorbestimmten Temperaturerlauf entsprechen.
-
Liefert das Ergebnis des Temperaturvergleiches, welches zum Beispiel vom Prozessor 202 des in 2 dargestellten Kontaktlos-Lesegerätes 200 errechnet werden kann, dass die ermittelte Temperatur 412 kleiner ist als der Temperatur-Sollwert 410, wird im Schritt 508 die Energie-Einstellgröße derart angepasst, dass die Feldstärke des Kopplungsfeldes 430 erhöht wird und damit der Kontaktlos-Einrichtung mehr Energie bereitgestellt wird. Der Überschuss an Energie kann vom Heizelement 110 zumindest zum Teil in Wärme umwandelt werden und dem vorgegebenen Bereich, beispielsweise der Aufnahmefläche des ersten Sensors, zugeführt werden, um letzten Endes die Testumgebung des Mediums und damit das Medium selbst zu erwärmen.
-
Liefert hingegen das Ergebnis des Temperaturvergleiches, dass die gemessene Temperatur 412 größer ist als der Temperatur-Sollwert 410, wird im Schritt 510 die Energie-Einstellgröße derart angepasst, dass die Feldstärke des Kopplungsfeldes 430 verringert wird und damit der Kontaktlos-Einrichtung weniger Energie bereitgestellt wird. Dadurch steht dem Heizelement 110 weniger Energie zur Verfügung, welche es zumindest zum Teil in Wärme umwandeln kann um es dem vorgegebenen Bereich zuzuführen. Dadurch kühlt der vorgegebene Bereich ab und seine Temperatur wird erniedrigt, so dass durch diese Maßnahme die Temperatur des Mediums zumindest durch passive Abkühlung selbst herabgesetzt werden kann. Der Abkühlvorgang kann gesteuert werden, indem die Erwärmungsrate des vorgegebenen Bereiches bestimmt wird. Ist die Erwärmungsrate geringer als die passive Abkühlungsrate, so fällt die Temperatur. Aus dem Verhältnis der mittels des Heizelements einstellbaren Erwärmungsrate zur Abkühlrate kann der Abfall der Temperatur in dem vorgegebenen Bereich gesteuert werden.
-
In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Kontaktlos-Einrichtung zur Beschleunigung des Abkühlvorgangs des vorgegebenen Bereiches ein Kühlelement aufweisen, welches derart relativ zum vorgegebenen Bereich der Kontaktlos-Einrichtung angeordnet ist, dass die im vorgegebenen Bereich herrschende Temperatur mittels des Kühlelements einstellbar ist. Mit anderen Worten kann das Kühlelement die passive Abkühlungsrate vorgegebenen Bereiches beschleunigen. Bei dem Kühlelement kann es sich um eine elektrothermische Wandlerstruktur handeln, etwa ein Peltier-Element. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die elektrothermische Wandlerstruktur die Funktion des Heizelements übernehmen, da abhängig von Stromstärke und -richtung Wärme von einem Teilbereich zu einem anderen Teilbereich des Peltier-Elements gepumpt werden kann und dadurch eine Temperaturdifferenz zwischen diesen Bereichen erzeugt werden kann, welche zur Erwärmung oder zur Abkühlung des vorgegebenen Bereiches der Kontaktlos-Einrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen genutzt werden kann.
-
In den Fällen, in denen die gemessene Temperatur 412 nicht mit dem Temperatur-Sollwert 410 übereinstimmt, was zu einer Anpassung der Energie-Einstellgröße führt, also nach Ausführung des Schrittes 508 oder 510, wird nach einer vorbestimmten Zeit erneut der Schritt 504 ausgeführt, in dem mittels des zweiten Sensors der Kontaktlos-Einrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen die an dem ersten Sensor herrschende Temperatur erneut ermittelt wird. Damit kann der Einfluss der vorhergehenden Anpassung der Energie-Einstellgröße überprüft werden. Die vorbestimmte Zeit, nach welcher eine erneute Temperaturmessung iterativ durchgeführt wird, kann an die Bedürfnisse der Applikation angepasst werden und im Bereich von einigen Millisekunden bis zu mehreren Sekunden oder Minuten liegen.
-
Liefert das Ergebnis des Temperaturvergleiches, dass die gemessene Temperatur 412 dem Temperatur-Sollwert 410 entspricht, kann im Schritt 512 mit der Initialisierung des tatsächlichen Mess- bzw. Erfassungsvorgangs durch den ersten Sensor begonnen werden. Hier können in Analogie zur Initialisierung der Temperaturmessung in Schritt 502 vorbereitende Maßnahmen getroffen werden, welche auf die Überprüfung der Funktionstüchtigkeit des Messsystems, mitunter des ersten Sensors, abstellen. Im Rahmen dieser Beschreibung ist unter dem tatsächlichen Messvorgang der Messvorgang gemeint, welcher auf der Interaktion zwischen dem zu analysierenden Medium und der Sensorfläche des ersten Sensors beruht.
-
Der Schritt 512, in dem der Messvorgang initialisiert wird, muss natürlich nicht nach der ersten auftretenden Übereinstimmung der an dem ersten Sensor herrschenden Temperatur mit dem Temperatur-Sollwert 410 ausgeführt werden. Vielmehr kann der Schritt 512 auch erst dann ausgeführt werden, wenn ein bestimmter Verlauf der am ersten Sensor herrschenden Temperatur durchlaufen ist, also nach einer Temperierungssequenz, in welcher der Temperaturmessvorgang (Schritt 504), der Vergleichsvorgang (Schritt 506) und der Anpassungsvorgang der Energie-Einstellgröße (Schritte 508 und 510) iteriert worden sind.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- ISO 14443 Norm [0004]
- ISO 15693 Norm [0004]
