HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung, wie sie in Anspruch 1 definiert
ist, betrifft eine Chipkarte mit einer Solarzellenbatterie,
insbesondere eine solche Karte, die eine Tasteneingabe, eine
Anzeige, einen integrierten Schaltkreis (IC) zum Speichern
und Rechnen und eine Solarzellenbatterie als Stromquelle für
die obengenannten Schaltkreise aufweist. Die Erfindung soll
beispielsweise als Sparbuch Verwendung finden. Die Erfindung
zeichnet sich dadurch aus, daß sie eine Solarzellenbatterie
als Teil der Chipkarte, aber keine Sekundärbatterie aufweist.
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Eine herkömmliche Chipkarte wird in der japanischen
Patentveröffentlichung 5389/86 gezeigt.
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Fig. 10 ist eine perspektivische Darstellung der
herkömmlichen Chipkarte der genannten Veröffentlichung, und Fig. 11
ist ein Schaltdiagramm der Chipkarte von Fig. 10. Bei diesen
Darstellungen sind auf einer Oberfläche der Karte 1 ein
Tasteneingabebereich 2 mit einer Tastatur für die
Dateneingabe, eine Anzeigeeinrichtung 3 zur Anzeige der Daten mit
einem Flüssigkristall-Anzeigeeleinent und eine
Solarzellenbatterie 4 als Stromquelle angebracht. Und auf der anderen
Oberfläche weist die Karte einen Anschluß 5 für eine äußere
Verbindung sowohl für Daten als auch für Stromversorgung und
eine Prägung für einen Kennungskode auf. Eine
Sekundärbatterie 6, die mit der Solarzellenbatterie 4 verbunden ist, und
der integrierte Schaltkreis (IC) 10 sind ebenfalls auf der
Karte 1 angebracht. Die Chipkarte 10 umfaßt eine zentrale
Recheneinheit (CPU) 11 zum Rechnen, einen Festwertspeicher
(ROM) 12 zum Speichern eines Programms und von Daten, einen
Direktzugriffsspeicher (RAM) 13 zum Speichern von Daten,
einen elektrisch löschbaren, programmierbaren
Festwertspeicher
(EEPROM) 14, der zwar ein Festwertspeicher ist, aber
elektrisch neu speicherbar ist, ein Anzeigeschaltkreis 14 und
ein Taktgeber-Zeitrechnungs-Schaltkreis 16. Das EEPROM 14 ist
ein Festwertspeicher, kann aber durch Anlegen einer
vorgegebenen Spannung überschrieben werden und behält den
Speicherinhalt ohne Stromversorgung bei. Das EEPROM 14 umfaßt einen
Spannungsverstärker zur Anhebung der Spannung auf die
Betriebsspannung des EEPROMs (beispielsweise 21 Volts), um
Daten neu zu speichern, einen ersten Speicherbereich zum
Speichern einer Geheimnummer und/oder einer Kennungsnummer, und
einen zweiten Speicherbereich zum Speichern der Anzahl der
Nicht-Übereinstimmungen zwischen der Geheimnummer und der
Nummer, die durch ein Karteninhaber eingegeben wird.
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Beim Betrieb, wenn die Chipkarte zum Zahlen verwendet wird,
wird die Anzeige zuerst durch Betätigen der Eingabetastatur 2
gelöscht, dann wird der Geheimkode durch Betätigen der
Eingabetastatur 2 in die CPU 11 eingegeben. Danach vergleicht die
CPU 11 den im EEPROM 14 gespeicherten Geheimkode mit den über
die Eingabetastatur 2 eingegebenen Daten, und wenn diese
übereinstimmen, wird durch den Anzeigeschaltkreis 15 der Kode
"OK" auf der Anzeigeeinheit 3 angezeigt. So wird bestätigt,
daß der Benutzer der tatsächliche Karteneigentümer ist, und
der Geschäftsangestellte gibt die Karte ähnlich wie bei einer
herkömmlichen Kreditkarte in einen Prägedrucker.
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Andererseits zeigt die CPU 11, wenn sich der Kode von der
Eingabetastatur 2 vom Speicherinhalt des EEPROMs 14
unterscheidet, die Tatsache der mangelnden Übereinstimmung
auf der Anzeigeeinheit 3 an, und erzwingt einen erneuten
Versuch. Die CPU 11 zählt die Anzahl der Nicht-Übereinstimmung
unter Verwendung des zweiten Speicherbereichs im EEPROM 14
durch Speichern der Zählnummer der Nicht-Übereinstimmungen in
diesem Bereich. Wenn der Inhalt dieses zweiten Bereichs "5"
erreicht, erkennt die CPU 11, daß der Benutzer nicht der
wahre Karteneigentümer ist, macht die Karte ungültig und
zeigt auf der Anzeigeeinheit 3 an, daß die Karte ungültig
ist. So wird die illegale Verwendung einer Chipkarte
verhindert.
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Die Stromzufuhr zur Chipkarte 10 wird durch die
Sekundärbatterie 6 bewirkt, die durch die Solarzellenbatterie
4 aufgeladen wird. Deshalb wird, auch wenn die
Solarzellenbatterie in einer dunklen Umgebung nicht arbeitet, die
Chipkarte 10 mit Strom versorgt, und so ist die Chipkarte 10 auch
bei ungenügender Beleuchtung funktionsfähig.
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Was die Solarzellenbatterie betrifft, so ist die ELA015
(Handelsbezeichnung), die in "Fuji amorphous silicon solar
batterie" beschrieben und von Fuji Denki Co., Ltd.
hergestellt wird, im Handel erhältlich. Die Außenabmessungen
dieser Solarzellenbatterie betragen 35,1 x 13,7 x 0,1 mm, und
die elektrischen Kenndaten sind: eine Ausgangsspannung von
1,5 V und ein Betriebsstrom von 6 uA bei 200 Lux. Diese
Solarzellenbatterie hat eine einzige ebene Schicht von vier
amorphen Siliziumelementen, die miteinander in Reihe
geschaltet sind.
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Ein herkömmliche Chipkarte mit einer herkömmllichen
Solarzellenbatterie hat jedoch die folgenden Nachteile.
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In der genannten japanischen Patentveröffentlichung 5839/86
wird keine Beschreibung für den Stromverbrauch in der
Chipkarte 10, die Ausgangsleistung der Solarzellenbatterie 4 und
die Kapazität der Sekundärbatterie 6 gegeben. Nach unserer
Analyse kann eine herkömmliche Solarzellenbatterie mit einer
Einschichtstruktur keine Chipkarte, die die Inhalte des
EEPROMs 14 je nach der Anzahl der Fehler bei der Eingabe der
Kennungsnummer auf den neuesten Stand bringt, betreiben, wenn
man davon ausgeht, daß keine externe Stromversorgung
verwendet wird und daß die Größe der Chipkarte dem Standard (86 x
54 mm²) entspricht. Ein EEPROM 14 hat einen Stromverbrauch
von 1,35 V und 20 uA alleine für das Schreiben von einigen
Datenbits, und der Stromverbrauch für das EEPROM 14 steigt
mit der Anzahl der Bits. Mit anderen Worten kann eine
herkömmliche Einschicht-Solarzellenbatterie keine Chipkarte
betreiveb, die ein EEPROM aktualisiert.
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Die Größe einer Chipkarte ist international auf 86 x 54 mm²
genormt, was eine Fläche von 4644 mm² ergibt. Und die Fläche
für die Solarzellenbatterie beträgt beispielsweise 924 mm²
(20 % der Gesamtfläche einer Chipkarte), was dem Rest der
Fläche der Chipkarte entspricht, die andere Teile trägt.
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Mit der Festlegung der Fläche einer Solarzellenbatterie auf
924mm² werden im folgenden die Kenndaten einer herkömmlichen
Einschicht-Solarzellenbatterie analysiert.
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Eine herkömmliche Einschicht-Solarzellenbatterie 50 in Fig.
12 umfaßt ein Substrat 51 aus rostfreiem Stahl von 0,05-2 mm
Breite, eine auf dem Substrat 51 aufgebrachte Isolierschicht
52 aus Polyimidharz und Umwandlungszellen 53-1 bis 53-3, die
auf der Isolierschicht 52 angeordneten sind. Diese Zellen
sind in einer Ebene aufgebracht und sind miteinander in
Reihenschaltung verbunden. Jede der Zellen 53-1 bis 53-3 wird
durch ein Plasma-CVD-Verfahren erzeugt und umfaßt eine
leitende Metallelektrode 53a, eine einzige Schicht einer
optoelektrischen Umwandlungsschicht 53b aus amorphem Silizium
des P-I-N-(oder N-I-P)-Typs und eine transparente Elektrode
53c. Ein toter Raum 54 ist vorgesehen, um die Zellen 53-1 bis
53-3 jeweils voneinander zu trennen. Diese drei Zellen sind
dadurch, daß die Elektrode 53c der ersten Zelle 53-1 mit der
Elektrode 53a der zweiten Zelle 53-2 und die Elektrode 53c
der zweiten Zelle 53-2 mit der Elektrode 53a der dritten
Zelle 53-3 verbunden ist, in Reihe geschaltet.
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Fig. 13 zeigt die Kurven beim Auftrag von Spannung und Strom
der Solarzellenbatterie 50 von Fig. 12, wobei die horizontale
Achse die Ausgangsspannung V (Volt) und die vertikale Achse
den Ausgangsstrom (uA) zeigt und die Lichtintensität 200 Lux
(Leuchtstofflampe) beträgt. In Fig. 13 zeigt die Kurve 60 die
Kenndaten für den Fall, wenn vier Zellen in Reihe geschaltet
sind, die Kurve 61 zeigt den Fall, wenn drei Zellen in Reihe
geschaltet sind, und die Kurve 62 zeigt den Fall, wenn zwei
Zellen in Reihe geschaltet sind. Die schattierte Fläche A
zeigt die Fläche, für die der Schreibvorgang in das EEPROM 14
in der Chipkarte 10 möglich ist. Der Schreibvorgang in das
EEPROM 14 erfordert eine Spannung von etwa 1,35 V und einen
Strom von mehr als 20 uA.
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Es sollte bei Fig. 13 beachtet werden, daß keine der Kurven
60, 61 und 62 die Fläche A schneidet. Das bedeutet, daß eine
herkömmliche Einschicht-Solarzellenbatterie nach Fig. 12 kein
EEPROM 14 auf der Chipkarte 10 betreiben kann. Obwohl die
Chipkarte 10 mit einer herkömmlichen
Einschicht-Solarzellenbatterie betrieben werden kann, wenn die Lichtintensität sehr
hoch wäre, ist das nicht praktisch.
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Wenn bei einer herkömmlichen Chipkarte das Aktualisieren
eines EEPROMs versucht wird, muß eine größere
Solarzellenbatterie verwendet werden, so daß man einen größeren Strom erhält,
oder man muß eine große Sekundärbatterie verwenden. Da jedoch
die Größe und die Höhe einer Chipkarte vorgegeben sind, muß,
wenn die Größe der auf der Chipkarte angeordneten
Solarzellenbatterie groß ist, der Bereich für die anderen Bauteile
verringert werden. So würde die Fläche für eine
Eingabetastatur 2 und/oder Anzeigeeinheit 3 verkleinert werden, und die
Betätigung der Eingabetastatur unbequem werden und/oder die
Anzahl der Zeichen auf der Anzeigeeinheit würde verringert
werden, oder zumindest die Größe der Zeichen auf der
Anzeigeeinheit würde verkleinert werden. In ähnlicher Weise müßte,
wenn eine große Sekundärbatterie verwendet würde, die Fläche
für die anderen Bauteile verringert werden und/oder die
Chipkarte selbst müßte größer werden.
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Das europäische Patent EP 0 167 044 betrifft eine
"intelligente" Karte, die zusätzlich zu dem elektronischen Bauteilen
eine Solarzellenbatterie, die auf einer Fläche der Karte
angebracht ist, aufweist. Die Solarzellenbatterie ist wie
herkömmliche Solarzellen strukturiert und verursacht daher
einen Nachteil der offenbarten Erfindung: die durch die
Solarzellenbatterie erzeugte Energie reicht nicht aus, um bei
Zimmerbeleuchtung ein EEPROM zu schreiben. Daher ist es
erforderlich, eine Sekundärbatterie, die die von der
Solarzellenbatterie gelieferte Energie speichert, in die Chipkarte
einzubauen. Infolgedessen wird der auf der Chipkarte
verfügbare Platz verringert, so daß die Betriebsfähigkeit der Karte
zerstört wird. Außerdem ist klar, daß das Vorhandensein einer
Sekundärbatterie zusätzlich zur Solarzellenbatterie Nachteile
bei der Herstellung der Chipkarte mit sich bringt.
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Eine Solarzellenbatterie mit einer zweifach
übereinandergeschichteten P-I-N-Struktur auf der Basis von
amorphem Silizium ist Gegenstand des Artikels "High
efficiency a-Si:H two-stacked tandem solar cell",
veröffentlicht 1987 in IEEE auf den Seiten 1095-1100 des
Konferrenzberichts über die 19. IEEE-Konferenz der
Photostrom-Spezialisten. Dieses Dokument ist eine Veröffentlichung über eine
wissenschaftliche Konferenz und offenbart Ergebnisse bei der
Verbesserung der Wirksamkeit von derartigen
Solarzellenbatterien durch die Verwendung von mikrokristallinen
Siliziumfilmen. Diese Entgegenhaltung hat jedoch den Nachteil, daß
sie keinen Hinweis darauf liefert, wie dick die
mikrokristallinen Siliziumfilme in Wirklichkeit sind und wie sie
hergestellt werden. Nur die Berechnung zeigt, daß die Dicke der N-
Schicht im Fall der oberen Zelle etwa 350 Å beträgt; für die
untere Zelle ist die Dicke nicht spezifiziert.
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Das deutsche Patent DE 3 305 030 betrifft eine verbesserte
mehrschichtige Solarzellenbatterie, die durch eine
verbesserte Wirksamkeit bei der Energieumwandlung durch Verwendung
von besonders dotierten amorphen Siliziumschichten
gekennzeichnet ist. Trotz der vorgeschlagenen Verbesserungen ist
der elektrische Widerstand der N-Schicht hoch, da sie keine
mikrokristalline Struktur hat.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die
Nachteile und Einschränkungen einer herkömmlichen Chipkarte
durch Schaffung einer neuen und verbesserten Chipkarte zu
beheben.
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Es ist auch Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Chipkarte zu schaffen, die eine Solarzellenbatterie aufweist, bei
der das Aktualisieren eines EEPROMs durch Verwendung einer
inneren Solarzellenbatterie möglich ist, ohne das eine
externe Stromquelle oder eine Sekundärbatterie verwendet wird.
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Die obengenannten und noch weitere Aufgaben werden mittels
einer Chipkarte mit einer Solarzellenbatterie gelöst, welche
aufweist: einen Kartenkörper, einen Tasteneingabebereich zum
Eingaben von Daten, der auf einer ersten Oberfläche des
Kartenkörpers angeordnet ist, eine Anzeigeeinheit zum Anzeigen
von Daten, die auf der ersten Oberfläche des Kartenkörpers
angeordnet ist, eine auf der ersten Oberfläche der Chipkarte
angeordnete Solarzellenbatterie zum Liefern von Betriebsstrom
für die Chipkarte, und einen integrierten Schaltkreis mit
wenigstens einer CPU, einem ROM zum Speichern des Programms
zum Betrieb der CPU, einem RAM zum Speichern der
Betriebsdaten der CPU und einem EEPROM zum Speichern von elektrisch
löschbaren Festwertdaten, wobei die Solarzellenbatterie eine
Solarzellenbatterie des Tandem-Typs ist, die ein Substrat
(30), eine Vielzahl von laminierten optoelektrischen
Umwandlungszellen (31-1, 31-2, 31-3) aus amorpher
Siliziumlegierung, das auf dem Substrat (30) aufgetragen ist, und eine
auf den Umwandlungszellen angebrachte transparente Elektrode
32 aufweist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die vorgenannte und weitere Aufgaben, Merkmale und damit
verbundene
Vorteile der vorliegenden Erfindung werden mittels
der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen
besser verständlich werden, wobei:
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Fig. 1 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße
Chipkarte ist;
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Fig. 2 ein Querschnitt eines Bereichs der
Solarzellenbatterie von Fig. 1 ist;
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Fig. 3 eine Querschnittsdarstellung einer
Solarzellenbatterie von Fig. 1 ist;
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Fig. 4 die Kurven der Beziehung zwischen Filmdicke und
Leitfähigkeit der amorphen Siliziumschicht des N-
Typs zeigt;
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Fig. 5 die charakteristischen Kurven der
Solarzellenbatterie von Fig. 2 und 3 gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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Fig. 6 ein Schaltdiagramm einer erfindungsgemäßen
Chipkarte nach Fig. 1 ist;
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Fig. 7 ein Schaltdiagramm des Schalters 45 und des
Spannungsdetektors 47 von Fig. 6 ist;
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Fig. 8 einen Fingerabdruck zeigt;
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Fig. 9 die Größe eines Zeichens zeigt;
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Fig. 10 eine perspektivische Darstellung einer
herkömmlichen Chipkarte ist;
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Fig. 11 ein Schaltdiagramm einer herkömmlichen Chipkarte
von Fig. 10 ist;
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Fig. 12 ein Schaltdiagramm einer herkömmlichen
Solarzellenbatterie ist; und
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Fig. 13 charakteristische Kurven der herkömmlichen
Solarzellenbatterie von Fig. 12 zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Fig. 1 ist eine Draufsicht auf eine Chipkarte, die eine
erfindungsgemäße Solarzellenbatterie aufweist, und Fig. 2 ist
ein vergrößerter Querschnitt eines
Solarzellenbatteriebereichs 24 von Fig. 1.
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Die erfindungsgemäße Chipkarte hat, wie in Fig. 1 gezeigt
ist, einen aus Plastik hergestellten Kartenkörper 21. Auf
einer Oberfläche des Kartenkörpers 21 sind ein
Tasteneingabebereich 22 mit Tasten zur Dateneingabe, eine Anzeigeeinheit 23
mit einer LCD (Flüssigkristallanzeige) zur Datenanzeige und
eine Solarzellenbatterie 24 für die Stromversorgung
vorgesehen. Auf der anderen Oberfläche der Karte 21 sind ein äußerer
Anschluß 25 des kontaktierenden oder berührungsfreien Typs
für die Ein- und Ausgabe von Daten und für die Stromzufuhr
von einem externen Gerät und geprägte oder gedruckte Zeichen
zur Darstellung der Kennungskodes etc. Ein IC (integrierter
Schaltkreis) 26 zum Betreiben der Chipkarte ist in der Karte
21 eingebettet.
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Fig. 2 zeigt eine Solarzellenbatterie 24, umfaßend ein
Substrat 30, das als eine der Elektroden aus rostfreiem Stahl
wirkt, eine Vielzahl von laminierten optoelektrischen
Energieumwandlungszellen 31-1 bis 31-3, die auf dem Substrat
angeordnet sind, eine transparente Elektrode 32, die aus ITO
(Indium-Zinn-Oxid) hergestellt und auf den Umwandlungszellen
angeordnet ist, und einen Schutzlack 33 auf der transparenten
Elektrode 32.
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Jede der optoelektrischen Umwandlungszellen 31-1 bis 31-3 ist
aus einer amorphen Siliziumzelle des P-I-N-Typs (oder N-I-P-
Typs) gebildet, die durch ein Plasma-CVD-Verfahren
hergestellt wird. Die laminierten Zellen 31-1 bis 31-3 sind im
wesentlichen in Reihe miteinander geschaltet, so daß man den
ausgehenden elektrischen Strom zwischen dem Substrat 30 und
der transparenten Elektrode 32 erhält. Die
Wellenlängencharakteristika jeder Zellen hängen von der
jeweiligen Zelle ab, wobei die obere Zelle das Licht mit den
kürzeren Wellenlängen umwandelt, so daß das Licht, das die
Zellen beleuchtet, effizient in Elektrizität umgewandelt
wird. Die Dicke jedes Bereichs der Solarzellenbatterie 24 ist
beispielsweise so gewählt, daß die Dicke des Substrats 30 im
Bereich zwischen 50 um und 200 um liegt, die Dicke der
Umwandlungszellen im Bereich zwischen 0,3 um und 0,6 um (jede
Zelle liegt im Bereich zwischen 0,05 um und 0,4 um) liegt,
die Dicke der transparenten Elektrode 32 500-800 Å beträgt
und die Dicke des Schutzlacks im Bereich zwischen 10 um und
50 um liegt.
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Die charakteristischen Spannung/Strom-Kurven der
Solarzellenbatterie des Tandem-Typs von Fig. 2 und 3 sind in
Fig. 5 gezeigt, wobei die Fläche der Solarzellenbatterie 924
mm² beträgt, wobei die Kurve 70 den Fall zeigt, bei dem sechs
optoelektrische Umwandlungszellen (31-1 bis 31-3) vorhanden
sind, wobei die Kurve 71 den Fall von fünf Umwandlungszellen
zeigt, wobei die Kurve 72 den Fall von vier Umwandlungszellen
zeigt, wobei die Kurve 73 den Fall von drei Umwandlungszellen
zeigt, und die Kurve 74 den Fall von zwei Umwandlungszellen
betrifft. Die Lichtintentsität und andere Bedingungen in Fig.
5 sind dieselben wie die in Fig. 13. In Fig. 5 sollte bemerkt
werden, daß die beiden Kurven 72 und 73 die Betriebsfläche A
kreuzen, und daß deshalb klar ist, daß die
Solarzellenbatterie des Tandem-Typs, die drei oder vier laminierte
optoelektrische Tandem-Umwandlungszellen aufweist, trotz der
begrenzten Fläche (924 mm²) und des begrenzten Verhältnisses (20 %)
bezüglich der Gesamtfläche einer Chipkarte das EEPROM in der
Chipkarte betreiben kann. Daher kamen wir zu dem Schluß, daß
die Solarzellenbatterie des Tandem-Typs mit drei oder vier
Umwandlungszellen das Beste für eine Chipkarte ist, die mit
einer Stromquellenspannung von 1,35 - 1,5 Volt betrieben
wird. Es sollte hierbei bemerkt werden, daß die vier Zellen
der Solarzellenbatterie 72 des Tandem-Typs durch eine
Solarzellenbatterie des Tandem-Typs mit zwei Reihen von je zwei
seriellen Umwandlungszellen ersetzt werden können, wobei
jede die Hälfte der Fläche der der Kurve 72 ausmacht.
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Das Bedeckungsverhältnis einer Solarzellenbatterie 24 ist
nicht streng auf 20 % begrenzt, sondern es ist auch ein
Verhältnis zwischen 10 % und 30 % möglich. Da in einem Büro oder
eine Wohnung die Lichtintensität mehr als 400 Lux betragen
kann, reicht die halbe Fläche (10 % oder 462 mm&sub2;) einer
Solarzellenbatterie zum Betrieb einer Chipkarte aus. Die obere
Grenze des Verhältnisses einer Solarzellenbatterie beträgt
mehr als 30 %, da sich, wenn das Verhältnis mehr als 30 %
beträgt, die Fläche eines Eingabetastaturbereichs und einer
Anzeigeeinheit verringern würde und die Betreibbarkeit der
Chipkarte würde sich vermindern.
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Als nächstes wird die vorliegende Solarzellenbatterie 24 des
Tandem-Typs mit einer herkömmlichen
Einschicht-Solarzellenbatterie 50 von Fig. 12 verglichen.
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Vorausgesetzt, daß die Energieumwandlungseffizienz jeder
Umwandlungszelle 53-1 bis 53-3 konstant ist, und daß die Fläche
der Solarzellenbatterie vorgegeben ist, ist die
Ausgangsleistung der herkömmlichen Solarzellenbatterie von Fig. 12 wegen
des Vorhandenseins des toten Raums 54, der nicht zur
Umwandlung von optischer Energie in elektrische Energie beiträgt,
niedriger als die von Fig. 5. Da die Solarzellenbatterie des
Tandem-Typs von Fig. 2 keinen toten Raum aufweist, wird die
gesamte Fläche der Solarzellenbatterie für die
optoelektrische Umwandlung verwendet.
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Außerdem hat die vorliegende Sonnenenergie einen höheren
Füllfaktor, der durch
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maximale Ausgangsleistung/(Leerlaufspannung) x (Kurzschlußstrom)
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definiert wird, als eine herkömmliche Einschicht-
Solarzellenbatterie. Hierbei ist zu beachten, daß das
elektrische Feld in einer Umwandlungszelle einer
Solarzellenbatterie aus amorphem Silizium den Ausgangsstrom sehr start
beeinflußt. Das elektrische Feld in der Struktur von Fig. 2 ist
stärker als das des Standes der Technik, da die Dicke jeder
Umwandlungszelle der vorliegenden Solarzellenbatterie für
einen vorgegebene Lichtintensität dünner als die einer
herkömmlichen Solarzellenbatterie ist.
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Weiterhin zerstört, da eine herkömmliche
Einschicht-Solarzellenbatterie eine Isolierschicht 542 für die Isolation jeder
Umwandlungszelle aufweisen muß, eine aus einem
hochmolekularen Verbundfilm oder einem nicht-organischen dünnen Film
hergestellte Isolierschicht die Charakteristika der
Solarzellenbatterie dadurch, daß ein Fremdkörper in eine amorphe
Siliziumschicht eingefügt wird, und/oder die Zerstörung des
Oberflächenprofils eines Substrats aus rostfreiem Stahl.
Andererseits weist die vorliegende Solarzellenbatterie keine
derartige Isolierschicht auf, vielmehr sind die amorphen
Siliziumschichten direkt auf das Substrat aufgebracht.
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Obwohl die obige Analyse auf die Beziehungen einer
Stromquelle mittels einer Solarzellenbatterie und den
Stromverbrauch durch einen integrierten Schaltkreis 26 ausgerichtet
ist, sollte beachtet werden, daß der Stromverbrauch in dem
integrierten Schaltkreis 26 in der obigen Analyse den
Stromverbrauch in der Anzeigeeinheit 23 und anderen Bauteilen
mit umfaßt.
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Die weitere Verbesserung der Solarzellenbatterie ist gemäß
den Fig. 3 und 4 beschrieben.
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FIg. 3 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Querschnitts
von Fig. 2. Die erste Umwandlungszelle 31-1 hat ein P-Schicht
(P&sub1;), eine I-Schicht (I&sub1;, Intrinsikschicht) und eine N-
Schicht (N&sub1;). Die zweite Zelle 31-2 hat in ähnlicher Weise
die Schichten N&sub2;, I&sub2; und P&sub2; und die dritte Zelle 31-3 hat die
Schichten N&sub3;, I&sub3; und P&sub3;. Die Dicke der inneren intrinsichen
Schicht I&sub1; ist im Vergleich zu der der äußeren intrinsichen
Schicht I&sub3; groß, so daß alle drei Schichten den gleichen
Strom erzeugen können. Da das Licht, das eine
Solarzellenbatterie beleuchtet, von jeder der Schicht absorbiert wird, ist
die Lichtintensität der inneren Schicht (31-1) im Vegleich zu
der der äußeren Schicht (31-3) gering, und deshalb muß die
innere Schicht dicker als die äußere Schicht sein, um den
gleichen Strom durch jede der Zellen zu gewährleisten. Es muß
hierbei beachtet werden, daß alle Zellen die gleiche
Kapazität aufweisen oder den gleichen Strom liefern müssen, da die
Zellen in Reihenschaltung verbunden sind und die Kapazität
der Solarzellenbatterie selbst durch die schwächste Zelle
begrenzt wird.
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Bei einer P-Schicht und einer N-Schicht ist es vorteilhaft,
daß diese Schichten so dünn wie möglich sind, da nur Licht,
das in einer I-Schicht absorbiert wird, für die
optoelektrische Umwandlung wirksam ist, aber in einer N-Schicht oder P-
Schicht absorbiertes Licht unwirksam ist. Insbesondere die N-
Schicht muß dünn sein. Die Dicke der P-Schicht ist nicht so
wichtig wie die der N-Schicht, da die Bandlücke einer P-
Schicht groß ist und kein sichtbares Licht absorbiert.
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Außerdem muß die Berührung zwischen einer P-Schicht und einer
N-Schicht einen ohm'schen Kontakt statt eines P-N-Kontakts
liefern.
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Wenn aber die Dicke der N-Schicht gering ist, steigt der
elektrische Widerstand an oder die elektrische Leitfähigkeit
sinkt, wie in Fig. 4 gezeigt ist, wo die horizontale Achse
die Dicke einer Schicht in Å und die vertikale Achse die
elektrische Leitfähigkeit zeigt. Die Kurve A in Fig. 4 zeigt
die Charakteristika einer herkömmlichen amorphen
Siliziumschicht, die Kurven B und C zeigen die Charakteristika von
mikrokristallinem Silizium. Wenn der Widerstand groß ist,
erhält man keinen ohm'schen Kontakt zwischen den P-N-Kontakten
(zwischen N&sub1; und P&sub2;, und N&sub2; und P&sub3;).
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Die Kurve B löst das obengenannte Problem teilweise dadurch,
daß statt einer amorphen Schicht eine mikrokristalline
Schicht verwendet wird, aber das reicht noch nicht.
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Die Kurve C zeigt die Charakteristika der vorliegenden
Erfindung. Eine erfindungsgemäße N-Schicht der Kurve C erhält man
durch das spezifische Gasverhältnis und
Entladungs-Leistungsdichte beim Plasma-CVD-Verfahren zur Herstellung einer N-
Schicht. Das bedeutet, daß man erfindungsgemäß eine
mikrokristalline Schicht durch Verwendung des Gasverhältnises
PH&sub3;/SiH&sub4;=0,1-1,0 %, vorzugsweise 0,2-0,5 %, und H&sub2;/SiH&sub4;=50-
200, vorzugsweise 80-100, und die Enladungs-Leistungsdichte
von 0,2-2,0, vorzugsweise 0,5-1,0 Watt/cm²' erhält. Der
Durchmesser der mikrokristallinen Körner ist bei den obigen
Bedingungen weniger als die Dicke einer Schicht, und die
elektrische Leitfähigkeit ist hoch genug, wie in der Kurve C
in Fig. 4 gezeigt ist.
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Die Dicke einer erfindungsgemäßen N-Schicht liegt im Bereich
von 80Å und 110Å, und die Verwendung einer derartigen Dicke
verringert den Ausgangsstrom der Solarzellenbatterie um etwa
10 %, verglichen mit dem einer Solarzellenbatterie, die einer
N-Schicht der Dicke 250 Å der Charakteristika B in Fig. 4
hat.
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Bei einer bevorzugten numerischen Ausführungsform ist die N-
Schicht aus hydriertem mikrokristallinem Silizium (uc-Si:H)
mit einer Dicke von 80-100 Å, die P-Schicht ist aus
hydriertem Siliziumkarbid (a-Si:C:H) oder amorphem hydriertem
Silziumnitrid (a-Si:N:H) der Dicke 50-100 Å hergestellt, und eine
I-Schicht ist aus amorphem hydriertem Silizium der Dicke 420-
4000 Å hergestellt. Die Dicke einer I-Schicht hängt davon ab,
wo die Zelle angeordnet ist, wie bereits oben erwähnt wurde.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Dicke der N-Schicht im
Bereich zwischen 80 Å und 100 Å liegt.
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Fig. 6 zeigt ein Schaltdiagramm der Chipkarte von Fig. 1.
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In Fig. 6 hat der externe Verbindungsanschluß 25 einen
Kontakt 25a für den Eingang der Stromversorgung Vdd,
einen
Taktkontakt 25b für den Eingang eines Taktsignals φ, einen
Datenkontakt 25c für die Ein- und Ausgabe von Daten DA, einen
Rücksetzkontakt 25d für das Eingangssignal R und einen
Erdungskontakt 25e zum Erden der Chipkarte.
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Der in der Chipkarte 21 eingebettete integrierte Schaltkreis
28 umfaßt eine CPU 40 zur Datenverarbeitung (Rechnen), ein
RAM 41 (Direktzugriffsspeicher) zum Speichen von Daten zum
Betrieb der CPU 40, ein ROM 42 (Festwertspeicher) zum
Speichern des Programms für die CPU 40 und Daten, ein EEPROM 43
(elektrisch löschbarer, programmierbarer Festwertspeicher)
zum Speichern von vertraulichen Daten, wie etwa einem
Geheimkode, einen Anzeigebetriebsschaltkreis 44, einen Schalter 45
zum Umschalten zwischen einer internen Stromversorgung und
einer externern Stromversorgung, eine Taktsteuerung 45, die
so funktioniert, daß sie ein externes Taktsignal φ im On-
Line-Zustand empfängt und das Taktsignal φ im
Off-Line-Zustand erzeugt, und einen Spannungsdetektor 47, der die
Betriebszustände der Chipkarte, ob sie im On-Line-Zustand
oder im Off-Line-Zustand ist, erkennt und den Schalter 45 und
die Taktsteuerung entsprechend dem Betriebszustand
umschaltet. Die CPU 40 ist mit der Eingabetastatur 22, den
Kontakten 24a, 24c, 24d, dem RAM 41, dem ROM 42, dem EEPROM
43 und dem Anzeigesteuerkreis 44, dem Schalter 45, der
Taktsteuerung 46 und dem Spannungsdetektor 47 verbunden. Der
Anzeigesteuerkreis 44 ist mit der Anzeigeeinheit 23
verbunden. Der Schalter 45 ist mit der Solarzellenbatterie 24
verbunden. Und die Taktsteuerung 46 ist mit dem Kontakt 25b
verbunden.
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Ein Spannungssteuerkreis zum Steuern der Betriebsspannung von
der Solarzellenbatterie auf konstantem Wert und ein
Spannungsverstärker zum Erhöhen der Spannung zum Betrieb des
EEPROMs 43 sind ebenfalls vorgesehen, obwohl sie in Fig. 4
nicht gezeigt sind.
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Der Betrieb der Chipkarte von Fig. 6 ist folgendermaßen.
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Zuerst wird ein OFF-Line-Betrieb, bei dem die Chipkarte nicht
an ein externes Gerät angeschlossen ist, beschrieben.
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Beim OFF-Line-Zustand stellt der Spannungsdetektor 47 die
Tatsache fest, daß keine Spannung von einer externen
Stromquelle zum Kontakt 24a zugeführt wird, der Schalter 45 und
die Taktsteuerung 46 werden auf den OFF-Line-Zustand
geschaltet. Dann wird der Ausgang der Solarzellenbatterie 24 über
den Schalter 45 mit der CPU 40 und dem Anzeigesteuerkreis 44
verbunden, so daß die in den Umwandlungszellen 31-1 bis 31-3
bei Beleuchtung der Solarzellenbatterie erzeugte
Stromlieferung in der Solarzellenbatterie zur CPU 40 und den
Anzeigesteuereinheit 44 geliefert wird. Die Taktsteuerung 46 erzeugt
das Taktsignal φ, das an die CPU 40 abgegeben wird.
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Die Identifikation, ob der Benutzer der Karte der
tatsächliche Eigentümer der Karte ist, wird wie folgt geprüft. Ein
Kartenbenutzer, der die Karte hat, gibt den Geheimkode des
Karteneigentümers durch Betätigung des
Tastatureingabebereichs 22 in die CPU 40 ein. Dann vergleicht die CPU 40, die
nach dem in dem ROM 42 gespeicherten Programm arbeitet, den
im EEPROM 43 gespeicherten Geheimkode mit dem Geheimkode vom
Tastatureingabebereich 22, und wenn die beiden
übereinstimmen, wird diese Tatsache der Übereinstimmung auf der
Anzeigeeinheit 23 durch den Anzeigesteuerkreis 44 angezeigt. Dann
zeigt die CPU 40 den Kontostand an und betreibt die
Chipkarte.
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Andererseits zeigt die CPU 40, wenn der Geheimkode vom
Tastatureingabebereich 22 nicht mit dem in dem EEPROM
gespeicherten Geheimkode übereinstimmt, diese Tatsache der mangelnden
Übereinstimmung auf der Anzeigeeinheit 23 durch den
Anzeigesteuerkreis 44 an, und veranlaßt den Kartenverwender, einen
neuen Versuch zu starten. Weiterhin speichert die CPU die
Anzahl der Versuche mit mangelnder Übereinstimmung in dem
speziellen Bereich des EEPROMs 43. Wenn die Anzahl der Versuche
mit mangelnder Übereinstimmung eine vorgegebene Zahl
erreicht, z.B. drei oder fünf, entscheidet die CPU, daß der
Kartenbenutzer nicht der Karteninhaber ist und zeigt diese
Entscheidung der CPU auf der Anzeigeeinheit 23 an, und
blockiert den internen Schaltkreis 26 durch ein Verbot zum Lesen
und Schreiben von Daten in die Speicher, einschl. des RAMs
und des ROMs. So wird die falsche oder unehrenhafte
Verwendung der Karte verhindert.
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Der ON-Line-Betrieb, bei dem die Chipkarte mit einem externen
Gerät verbunden ist, wird als nächstes erklärt.
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Wenn der Spannungsdetektor 47 feststellt, daß die externe
Stromquelle den Kontakt 24a mit Spannung beaufschlagt, werden
er und der Schalter 45 und die Taktsteuerung 46 in den ON-
Line-Zustand geschaltet. Dann wird die Leistung der
Solarzellenbatterie 24 mit dem Schalter 45 ausgeschaltet, und die
Spannung Vdd der externen Stromquelle wird dem integrierten
Schaltkreis 26 über den Kontakt 25a zugeführt. Gleichzeitig
wird das externe Taktsignal φ der CPU 40 über den Kontakt 25b
und die Taktsteuerung 46 zugeführt. Die Daten DA werden
zwischen der CPU 40 und einem externen Gerät über den Kontakt
25c geschickt und empfangen.
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Fig. 7 zeigt ein detailliertes Schaltdiagram des Abschnitts
des Schalters 45 und des Spannungsdetektors 47 in Fig. 6. In
der Zeichnung ist der externe Kontakt 25a einer der externen
Kontakte 25a bis 25e in Fig. 6. Wenn die Chipkarte mit einem
externen Gerät verbunden ist, wird durch das externe Geräte
eine Stromspannung von 5 Volt an den Stromzufuhrkontakt (Vdd)
25a angelegt. Der erste Schalter 69 wird zwischen dem
Stromzufuhrkontakt 24a und der Stromzufuhrleitung 70 für einen
integrierten Schaltkreis eingeschoben. Der Widerstand 66 ist
zwischen der Source-Elektrode und der Gate-Elektrode des
Schalters 60, der durch den P-Kanal-MOSFET gebildet ist,
angeschlossen. Der zweite Schalter 62 ist zwischen der
Stromzufuhrleitung 70 und der Solarzellenbatterie 24 angeschlossen.
Dieser Schalter 62 ist ebenfalls durch einen P-Kanal-MOSFET
verwirklicht.
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Der Spannungsdetektor 47 hat drei in Reihe geschaltete
Feldeffekttransistoren (FET) 52, 54 und 56 zwischen dem
Stromzufuhrkontakt 25a und Erde. Die FETs 52 und 54 liefern einen
vorgegebenen Spannungsabfall von 0,6 V und dem FET 57 wird
eine Vorspannung von 1,0 V zu der Gate-Elektrode zugeführt.
Der Ausgangspunkt A des Spannungsdetektors ist die Verbindung
zwischen dem FET 54 und dem FET 56 und das Potential des
Ausgangspunkts A ist um 1,2 V niedriger als die
Stromquellenspannung am Kontakt 25a. Der Ausgangspunkt A des
Spannungsdetektors 47 ist über den FET 64 mit dem ersten Schalter 60 und
über den Inverter 58 mit dem zweiten Schalter verbunden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat der
Spannungsdetektor 47 eine Schwellenspannung von 3,2 V. Wenn
die äußere Spannung am Kontakt 25a höher als 3,2 V ist, ist
der FET 64 leitend, und also ist auch der erste Schalter 60
leitend, d.h. der erste Schalter 60 ist leitend und die
Stromspannung zu dem integrierten Schaltkreis wird durch ein
externes Gerät geliefert. Die Ausgangsleistung des Inverters
58 ist zu dieser Zeit auf hohem Niveau und also ist der
zweite Schalter 62 nicht-leitend. So ist die Solarzellenbatterie
24 ausgeschaltet.
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Wenn die äußere Spannung am Kontakt 25a niedriger als 3,2 V
ist, ist der erste FET 64 nicht-leitend und der erste
Schalter 60 ist nicht-leitend. Der Ausgang des Inverters 58 ist
auf niedrigem Niveau und der zweite Schalter 62 ist leitend.
Deshalb liefert die Solarzellenbatterie, die 1,5 bis 2 V hat,
den Strom zum integrierten Schaltkreis und die externe
Stromquelle ist abgeschaltet.
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Es sollte bemerkt werden, daß die Solarzellenbatterie 24 vor
annormal hoher Spannung oder statischer Elektrizität am
Kontakt 25a durch den Schalter 45 geschützt ist, da der erste
Schalter 60 nicht-leitend ist, wenn die Chipkarte im OFF-
Line-Zustand ist, bei dem die Chipkarte nicht an ein externes
Gerät angeschlossen ist, und der zweite Schalter 62 ist
nicht-leitend, wenn die Chipkarte im ON-Line-Zustand ist, bei
dem die Chipkarte mit einem externen Gerät verbunden ist.
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Der Schalter 45 und der Spannungsdetektor 47 können eine
ausreichende Widerstehspannung für statische Elektrizität
aufweisen, da diese Bauteile auf demselben Halbleiterchip wie
die CPU 40, die Speicher 41, 42 und 43 etc. integriert sind,
und es ist deshalb leicht, bei einem herkömmlichen
Halbleiter-Herstellungsverfahren eine Widerstehspannung bis zu 500-
600 V zu gewährleisten.
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Der Kondensator 70 ist über die Solarzellenbatterie 24
angeschlossen, so daß der Kondensator 70 geladen wird. Wenn
der integrierte Schaltkreis für das Aktualisieren des EEPROMs
mehr Energie benötigt, wird diese Energie sowohl von der
Solarzellenbatterie 24 als auch vom Kondensator 70 geliefert.
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Als nächstes wird die Größe jedes Bauteils auf einer
Chipkarte diskutiert.
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Die Größe jedes Bauteils muß so ausgelegt sein, daß die
Chipkarte bequem verwendet werden kann.
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Fig. 8 zeigt das Beispiel eines Fingerabdrucks auf einer
nachgiebigen Plastikstelle mit der Breite von 0,5 mm, so daß
die Größe jeder Taste des Eingabetastaturbereichs 22
festgelegt ist. Aus Fig. 8 ergibt sich die bevorzugte Größe einer
Taste beispielsweise als 9 x 6,5 mm².
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Die Sichtbarkeit eines Zeichens auf einer Anzeigeeinheit 23
hängt von der Größe des Zeichens, der Drucktechnik, der
Papierqualität und/oder der Qualität der Tinte ab. Was die
Größe der Zeichen betrifft, verwendet die vorliegende
Erfindung die Größe von 2 x 3,05 mm², wie in Fig. 9(a) gezeigt
ist. Die Größe von 8 Punktzeichen, die in japanischen
Zeitungen verwendet werden, mit 2,811 x 2,811 mm² ist zu
Vergleichszwecken in Fig. 9(b) gezeigt.
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Ein Ausführungsbeispiel für die Größe eines
Tatstatureingabebereichs 22, einer Anzeigeeinheit 23 und einer
Solarzellenbatterie 24 und das Verhältnis dieser Bauteile zur Fläche
einer Chipkarte wird zusammen mit den Daten aus dem Stand der
Technik von Fig. 10 in der folgenden Tabelle gezeigt.
Detail
vorliegende Erfindung
Stand der Technik
Fläche
Verhältnis
IC Karte
Tastatur
Anzeigeeinh.
weitere
Solarzellenbatterie
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Die Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im folgenden
aufgelistet.
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1) Es ist keine Sekundärbatterie erforderlich und eine
Chipkarte arbeitet mit nur einer Sonnebatterie. Deshalb
vereinfacht sich die Schaltkreisstruktur der Chipkarte.
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2) Der Aktualisiervorgang eines EEPROMs 43 beim OFF-
Line-Zustand ist möglich und dadurch wird die Sicherheit
einer Chipkarte verbessert. Zudem kann die Karte entweder im
OFF-Line- oder im ON-Line-Zustand verwendet werden.
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3) Da das Verhältnis einer Solarzellenbatterie
ungefähr 20% der Gesamtfläche beträgt, wenn eine genormte
internationale Karte verwendet wird, können andere Bauteile, wie
beispielsweise ein Tastatureingabebereich und eine
Anzeigeeinheit,
die große Fläche einnehmen. Deshalb verbessert sich
die Betreibbarkeit einer Karte. Außerdem ist die Dicke der
Chipkarte gering; sie beträgt beispielsweise nur 0,76 mm.
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4) Da die Struktur einer Solarzellenbatterie einfach
ist, reduzieren sich auch die Herstellungskosten der
Chipkarte selbst.
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5) Die Umwandlungswirkung einer Solarzellenbatterie
erhöht sich im Vergleich zu eienr herkömmlichen Einschicht-
Solarzellenbatterie 2-3mal. Die verbesserte
Solarzellenbatterie wird auch dazu verwendet, den Inhalt eines Speichers im
OFF-Line-Zustand anzuzeigen.
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Dadurch werden die Anwendungsbereiche für eine Chipkarte
wesentlich erweitert.
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Es sind für den Fachmann natürlich einige Veränderungen
möglich. Beispielsweise ist das Layout jedes der Bauteile nicht
auf das in Fig. 1 gezeigte beschränkt, und der Schaltkreis
des IC 26 beschränkt sich nicht auf den von Fig.6. Außerdem
kann der externe Anschluß 25 weggelassen werden, wenn eine
Chipkarte nur im OFF-Line Zustand verwendet wird.