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Die
Erfindung betrifft einen zur Befestigung an Textilien geeigneten
kontaktlosen Transponder, der ein Halbleiterchip und eine Antenne
aufweist, und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
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Derartige
Transponder müssen
sehr dünn und
flexibel ausgeführt
werden, damit sie in einfacher Weise an Textilien befestigt werden
können
und die Verwendung der Textilien weder optisch noch funktionell
beeinträchtigen.
Dabei ist es erforderlich, dass die Transponder diese Eigenschaften
selbst nach häufigen
Reinigungsprozeduren wie Vorwaschen, Waschen, Trocknen und beim
Bügeln
beibehalten.
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Die
erfindungsgemäßen flexiblen
und dünnen
Transponder können
für beliebige
weitere Anwendungsfälle
verwendet werden, z. B. als Einleger in Waren oder Warenverpackungen,
als Aufkleber für beliebige
Produkte und Zwecke, u. a. für
medizinische Geräte,
Blutkonserven, Taschen, Lederwaren etc. Der Begriff "zur Verwendung an
Textilien geeignet" bedeutet,
dass der Transponder seine optischen, mechanischen und funktionellen
Eigenschaften auch bei bzw. nach speziellen Verwendungs-, Reinigungs-,
Desinfektions-, Sterilisations- und Trocknungsprozeduren ohne signifikante Änderung beibehält.
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Als
kontaktlose Transponder werden dabei mikroelektronische Anordnungen
verstanden, die einen Halbleiterchip und eine Antenne enthalten,
insbesondere kontaktlose Chipkarten, Waren oder Warenverpackungen
mit eingearbeiteter Antenne und Transponderchip, elektronische kontaktlose
Etiketten, Tickets, Wertscheine etc. Insbesondere kommen im Hoch-
und Höchstfrequenzbereich
arbeitende kontaktlose Transponder zur Anwendung. Der Halbleiterchip
kann bereits auf Leiterbahnabschnitte kontaktiert und gegebenenfalls
mittels Abdeckmaterialien zumindest teilweise gegen mechanische,
chemische und Feuchteeinflüsse
geschützt
sein. Dabei ist das so gebildete Modul mit den Antennenanschlüssen verbunden.
Für Hochfrequenztransponder
können
die Leiterbahnabschnitte des Moduls so gestaltet sein, dass sie
bereits die Antenne bilden.
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Zur
elektronischen Identifizierung von Textilien ist es bekannt, starre,
scheibenförmige
kontaktlose Transponder zu verwenden, wobei die Scheiben sowohl
ungelocht als auch mit einem zentrisch angebrachten Loch ausgebildet
sein können.
Diese mantelknopfgroßen
Scheiben bestehen meist aus Duroplast, in welches der Halbleiterchip
und die Antenne eingebettet sind. Ihre mechanische Festigkeit ist
exzellent und ihre Beständigkeit
gegen Feuchte, Temperatur und Waschlaugen genügt den Anforderungen an wasch-
und bügelfähige Transponder.
Nachteilig ist ihre Dicke, ihre fast schwarze Farbe und ihre Steifigkeit.
Die Transponder wirken damit an Textilien als Fremdkörper. Ungünstig ist
ferner, dass die realisierbare Antennengröße und damit die Schreib-/Lesereichweite
stark eingeschränkt
ist.
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Derartige
Transponder stellen die Firmen Sobymat (Schweiz und Schweden, AEG
Ident (Deutschland) und SunBest (Taiwan) her. SunBest stellt waschfähige Transponder
her, die einen in Polyurethanfolien eingebetteten folienartigen
Transponder aufweisen. Nachteilig ist, dass sich zwischen dem Polyurethan
und der eingebetteten Transponderfolie kein Verbund ergibt und Feuchtigkeit
in den Flächenspalt
eindringt. Dadurch ist die Anwendungstemperatur und die Lebensdauer
des Transponders stark begrenzt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen flexiblen kontaktlosen
Transponder, der wasch- und bügelfähig ist
und eine große
Schreib-/Lesereichweite ermöglicht,
sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung, anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe mit einem Transponder, der die in Anspruch 1 genannten Merkmale
aufweist und mit einem Verfahren, welches die in Anspruch 15 angegebenen
Merkmale aufweist, gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind in den zugehörigen Unteransprüchen angegeben.
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Der
erfindungsgemäße Transponder
besteht aus zwei dünnen,
flexiblen, flächigen
und temperaturbeständigen
Folien, die gegen übliche
Textilreinigungsmittel beständig
sind, wobei die Folien im Deckfolienbereich flächig und fest miteinander verbunden
sind und bei denen sich im Antennen- und Modulbereich zwischen den Deckfolien
ein Kleber befindet, in den die Antenne und das Modul vollständig und
oder nahezu vollständig
eingebettet sind. Die Folien bestehen aus flexiblen und reißfesten
Kunststoffen mit Schmelzpunkten > 190°C und hoher
Wärmeformbeständigkeit,
vorzugsweise aus Polyester oder Polyethylennaphthalat. Beide Deckfolien
bestehen jeweils aus dem gleichen Material und weisen eine Dicke
von (10 ... 60) μm
auf.
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Bei
geringeren Anwendungstemperaturen als 190°C können auch Deckfolien mit geringeren Schmelzpunkten
verwendet werden.
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Zur
Verbesserung der Laminierfähigkeit
der Deckfolienverbundbereiche ist es vorteilhaft, die zueinander
weisenden Flächenseiten
der Deckfolien mittels Plasma- oder Koronabehandlung zu reinigen und
zu aktivieren oder/und eine dünne
Haftschicht aufzutragen.
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Bei
der Verwendung von Polyester oder Polyethylennaphthalat wird die
Deckfolie vorteilhaft bereits im Extrusionsprozess mit einer koextrudierten Haftschicht
mit Schmelzklebereigenschaften versehen.
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Vorteilhaft
ist es ferner, im Antennen- und Modulbereich als Kleber einen Haftkleber
zu verwenden. Insbesondere Acrylatkleber und Polyurethankleber bleiben
bis zu Temperaturen von 200°C
nassklebrig bzw. gelartig ohne auszuhärten. Die Kleberschichtdicke
ist so zu wählen,
dass sie im Bereich der Antenne gleich oder größer als die Dicke des Antennenmaterials
ist. Als Antennenmaterial ist vorzugsweise Draht mit einem Durchmesser
von (20 ... 60) μm
zu verwenden. Der Draht ist mit einer Isolierlackschicht überzogen
und ist vorzugsweise einlagig auf bzw. in der Kleberschicht zu befestigen.
Bevorzugte Drahtmetalle sind Kupfer, Bronze und Messing. Insbesondere
sind Bronze und Messing vorteilhaft, da sie im weichen wie im harten
Zustand eine größere Dehnung
und eine größere Zugfestigkeit
als Kupfer aufweisen. Vorteilhaft ist es, die Drahtoberfläche mit einer
dünnen
Silberschicht zu überziehen.
Im Modulbereich ist die Kleberschichtdicke entsprechend der Moduldicke
zu wählen.
Der Kleber kann auf eine oder auf beide Deckfolien aufgetragen werde.
Der Auftrag kann mittels Siebdruck oder durch Auflegen von Haftklebefolienabschnitten
oder durch Kombination beider Verfahren und weitere Verfahren wie
Dispensen, Aufstreichen usw. erfolgen.
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Die
Deckfolien werden über
ihre Haftschichten heißlaminierend
verbunden. Das Laminieren kann mit Rollen- oder mit Plattenlaminatoren
erfolgen. Die Zwischenlagen beim Plattenlaminator bzw. die Rollen
beim Rollenlaminator müssen
dabei mit einer polsterähnlichen
elastischen Schicht versehen sein, die in der Lage ist, die reliefartigen
Höhenunterschiede
des entsprechenden Transponders auszugleichen und auf jedem Flächenstück des Transponders
den erforderlichen Laminierdruck aufzubauen.
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Eine
weitere Ausführungsform
des Transponders besteht darin auf der unteren Deckfolie durch Aufbringen
und nachfolgendes Ätzen
einer Kupferschicht eine Antennenstruktur zu erzeugen und auf diese
ein Modul oder ein Halbleiterchip zu kontaktieren. Auf die obere
Deckfolie wird spiegelbildlich im Antennen- und Modulbereich Haftkleber entsprechender
Dicke aufgebracht und danach die obere mit der unteren Deckfolie
durch Laminieren verbunden.
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Außerdem kann
die Verbindung zwischen oberer und unterer Deckfolie im Deckfolienbereich durch
Auftragen einer dünnen
Schicht Kleber auf mindestens eine der Deckfolien und nachfolgendes Laminieren
hergestellt werden. Zweckmäßigerweise erfolgt
bei dieser Herstellungsvariante das Laminieren in Plattenlaminatoren
mit elastischen Zwischenlagen.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführung
entsteht dadurch, dass im Deckfolienbereich des Transponders ein
oder mehrere Durchbrüche
angeordnet werden, insbesondere innerhalb der von der Antenne umschlossenen
Fläche.
Dadurch wird die Steifigkeit des Transponders reduziert, und der
Durchtritt von Waschlauge zu den unter dem Transponder liegenden
Textilstücken
und die Entwässerung
der Textilien nach dem Zwischenspülen, beim Schleudern, Trocknen
und Bügeln
erleichtert.
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Ebenso
ist es vorteilhaft die Transponderränder, sowohl die inneren Ränder der
Durchbrüche
als auch den äußeren Rand
des Transponders, ohne scharfe Ecken zu gestalten, indem diese mit
einem Mindestradius von 0,5 mm versehen werden. Dadurch wird die
Gefahr des Delaminierens des Deckfolienverbundes beim Gebrauch und
bei der Reinigung der Textilien vermindert.
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Ferner
ist es vorteilhaft, den Transponder auf einem flächenmäßig den Transponder überragenden Transponderträger zu befestigen.
Das Material des Transponderträgers
kann aus gewebtem Stoff, aus Vlies, aus faserverstärkter Folie
oder aus sonstiger Folie bestehen. Der Transponder ist im Deckfolienverbundbereich
mit dem Transponderträger
verbunden. Ein bevorzugtes Verfahren ist hierzu das Ultraschallschweißen. Das
Verschweißen
verbessert auch die Festigkeit des Deckfolienverbundes. Besonders
geeignet als Trägermaterial
sind Materialien, die im wesentlichen aus Polyesterfaser bestehen,
wie sie üblicherweise
für Stoffetiketten
verwendet werden.
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Die
Befestigung derartiger Etikettentransponder kann durch Annähen oder
Ankleben an das Textilstück
erfolgen. Befindet sich der Transponder zwischen einem Textilstück und einem üblichen
Stoffetikett, ist er für
den Anwender nicht sichtbar und auf Grund seiner geringen Dicke,
seiner Flexibilität
und seiner besonderen Gestaltung, wie stark verrundete Ecken und
Durchbrüche,
auch kaum fühlbar.
Bei Verwendung von Polyesterfasern als Transponderträger einerseits
und Verwendung von Polyesterfolie als Deckfolie andererseits ergeben
sich durch das Ultraschallschweißen materialhomogene, sehr
feste und in Wasch-, Trocknungs- und Bügelprozessen äußerst stabile
Verbindungen zwischen Transponder und Transponderträger.
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Nach
Befestigung des Transponderträgers auf
dem Textilstück
liegt der Transponder geschützt zwischen
dem Stoff des Textilstückes
und dem Etikettenstoff des Transponderträgers und behindert die Reinigungsprozesse
nicht. Der Transponderträger kann
durch Bedrucken und/oder durch spezielle Webtechniken gestaltet
sein.
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Die
Anordnung zeichnet sich durch eine Reihe von Vorteilen aus. Hierzu
zählen
insbesondere:
- 1. Außerhalb des Antennen- und Modulbereiches weist
der an sich flächige
Transponder eine Dicke auf, die lediglich der Dicke beider Deckfolien
entspricht. Die minimale Dicke im Deckfolienverbundbereich beträgt 20 μm. Dieser
Verbund ist flächig
und dicht gegen fließende
Waschmedien. Nur im Antennen- und Modulbereich weist der Transponder
eine um den Durchmesser des Antennendrahtes oder um die Dicke des
Moduls gegenüber
dem Deckfolienverbund größere Dicke auf.
Bei einem Drahtdurchmesser einschließlich Isolierlack von 45 μm und bei
Verwendung 10 μm dicker
Deckfolien ist der Transponder im Antennenbereich insgesamt 65 μm dick. Die
größte Dicke
weist der Transponder nur im flächenmäßig unbedeutenden
Modulbereich auf. Je nach Moduldicke bzw. Chipdicke inclusive Kontaktdicke kann
an dieser Stelle die Transponderdicke bis zu 400 μm betragen.
- 2. Ein besonderer Vorteil besteht darin, dass der gelartige,
zähklebrige
Haftkleber stets zähflüssig und
flexibel bleibt. Der gesamte Verbund weist keine härtenden
Kleber auf und bleibt dadurch flexibel. Antenne und Modul sind vollständig oder zumindest
nahezu vollständig
im Haftkleber eingebettet, der die Lage der Antennenwindungen zueinander
sichert, der eine gute Beständigkeit gegen
durch die Deckfolien diffundierende Feuchtigkeit aufweist und dessen
zähe Klebrigkeit
einen dauernden Verbund der Deckfolien im Antennen- und Modulbereich
untereinander und mit der Antenne und dem Modul bzw. dem Chip sichert
und Lufteinschluss vermeidet.
- 3. Falls der Transponder infolge der Verwendung und von Wasch-
und Trockenprozessen verknüllt oder
verknickt ist, lässt
er sich durch Bügeln
glätten.
- 4. Insbesondere Ausführungen,
bei denen die Antenne aus dünnem,
weichem, aber sehr zugfestem Draht besteht, zeichnen sich durch
eine sehr geringe Steifigkeit aus, sodass die Verwendungseigenschaften
der Textilien nicht eingeschränkt werden.
- 5. Durch Versilbern des Antennenmaterials können die Hochfrequenzeigenschaften
der Antenne und das Kontaktverhalten zwischen Antenne und Modul
verbessert werden, die Beständigkeit
des Antennenmaterials gegen Feuchte erhöht und das dekoratives Design
der Antenne verbessert werden. Ferner kann das Design durch die
Farbe und Dicke des Isolierlackes beeinflusst werden.
- 6. Durch die Anordnung einer oder mehrerer Durchbrüche im Deckfolienbereich
des Transponders wird die Steifigkeit des Transponders reduziert.
Gleichzeitig wird der Durchtritt von Waschlauge zu den unter dem
Transponder liegenden Textilstücken
und die Entwässerung
der Textilien nach dem Zwischenspülen, beim Schleudern, Trocknen
und Bügeln
erleichtert.
- 7. Der Transponder kann in einfacher Weise auf einem Transponderträger befestigt
werden, der vorzugsweise aus gewebtem Stoff besteht, sodass ein
damit entstandener Etikettentransponder so an dem Textilstück befestigt
ist, dass sich der Transponder zwischen Textilstück und Transponderträger befindet.
Der Transponder ist hinter einem üblichen Stoffetikett angeordnet
und für
den Anwender nicht sichtbar. Auf Grund seiner geringen Dicke, seiner
Flexibilität
und seiner besonderen Gestaltung ist er auch kaum fühlbar.
- 8. Der Etikettentransponder kann durch vielfältige Verbindungsverfahren,
wie Kleben, Schweißen, Annähen, Einklemmen
und dergleichen an beliebigen Materialien befestigt werden und durch Bedrucken
oder durch bestimmte Webverfahren mit einem gewünschten Design versehen werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.
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In
den zugehörigen
Zeichnungen zeigen:
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1 einen
Transponder in Draufsicht,
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2 einen
Querschnitt des in 1 dargestellten Transponders,
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2a einen
Ausschnitt des in 2 gezeigten Querschnittes.
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3 eine
Ausführung
als Etikettentransponder in Draufsicht und
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4 einen
an einem Textilstück
befestigten Etikettentransponder im Querschnitt.
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Der
in 1 gezeigte Halbleiterchip ist in einem vorgefertigten,
plastgeschützten
Modul 1 auf metallischen Leiterstreifen 10 kontaktiert.
An die äußeren Enden
der im Beispiel 30 μm
dicken Leiterstreifen 10 sind an den Verbindungsstellen 2 die
Anschlüsse
der Antenne 4 geschweißt.
Die Antenne 4 besteht aus Kupfer, Bronze oder Messing.
Vorzugsweise wird ein versilberter Bronzedraht verwendet. Der Durchmesser
des versilberten Drahtes 3 beträgt im Beispiel 40 μm. Die Bronze
besteht aus 6% Zinn und 94% Kupfer und wird im Zustand "weich" verwendet. Der Kern
des Drahtes 3 ist mit einer 4 μm dicken Schicht aus Isolierlack 7 überzogen.
Die Deckfolien 5 bestehen aus Polyester, auf welches im
Extrusionsprozess einseitig eine dünne Haftschicht 6 aufgebracht
wurde. Die Dicke der Deckfolie 5 beträgt 15 μm und die Dicke der auf dem
Polyester aufgebrachten Haftschicht 6 beträgt ≤ 2 μm. Auf die
untere Deckfolie 5.1 ist in einem weiteren Schritt auf
die Flächenseite
der Haftschicht 6 mittels Siebdruck Haftkleber 15 im
Bereich des Antennen- und Modulbereiches 8 in einer Dicke
von ca. 25 μm
aufgebracht. Der Haftkleber 15 besteht im Beispiel aus
einem bis zu 200°C
gelartig bleibenden, zähklebrigen
Acrylat. Die obere Deckfolie 5.2 wurde spiegelbildlich
zu der unteren Deckfolie 5.1 ebenfalls mit dem gleichen
Haftkleber 15 und gleicher Dicke bedruckt. Die Fläche des
Antennen- und Modulbereichs 8 ist allseitig größer ausgeführt als
die Fläche
der auf diesem Bereich zu befestigenden Antenne 4 und des
mit ihr verbundenen Moduls 1. Damit können sowohl die Lagetoleranzen
für Modul 1 und
Antenne 4 ausgeglichen werden, als auch ein allmählicher Übergang
von der maximalen Dicke im Bereich des Drahtes 3 sowie
des Moduls 1 zum haftkleberfreien Deckfolienverbundbereich 9 geschaffen
werden. Dies ist erforderlich, um ein Aufschälen des Deckfolienverbundes
durch Antenne 4 oder Modul 1 zu vermeiden.
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Auf
die untere Deckfolie 5.1 wird nach dem Aufsetzen der Antenne 4 mit
dem angeschweißten Modul 1 auf
die Haftkleberschicht 15 deckungsgleich die obere Deckfolie 5.2 aufgelegt.
Anschließend
werden die Schichten unter Druck- und Temperatureinwirkung zu einem
Verbund laminiert. Im Beispiel erfolgte das Laminieren in einem
Rollenlaminator bei einer Temperatur von 160 °C. Die Laminatorrollenoberfläche ist
dabei elastisch ausgeführt,
um zu erreichen, dass jedes Flächenstück der zu
laminierenden Schichten mit Pressdruck und Temperatur beaufschlagt
wird, die Antenne 4 und das Modul 1 vollständig mit
Haftkleber 15 verpresst werden und der Haftkleber 15 so
verquetscht wird, dass sich ein nahezu stetiger Ubergang zum Deckfolienverbundbereich 9 ergibt.
Dabei verdrängt
das Modul 1 im Modulbereich 8 den Haftkleber 15,
so dass sich die Haftkleberdicke partiell erhöht. Im Deckfolienverbundbereich 9,
der sich innerhalb des Antennen- und Modulbereiches 8 befindet,
sind Durchbrüche 12 ausgeschnitten.
Die Durchbrüche 12 sind
im Beispiel (2 × 2)
mm2 groß und
weisen einen Eckenadius von 0,5 mm auf. Der äußere Rand 14 des durch
Laminieren und nachfolgendes Randbeschneiden entstandenen Transponders
weist Eckenradien von 4 mm auf.
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2 zeigt
einen Querschnitt durch den Transponder und 2a ein
vergrößert dargestelltes Detail.
Das Modul 1 ist an den Verbindungstellen 2 mit
seinen Leiterstreifen 10 an den Enden der Antenne 4 befestigt.
Das Modul 1, die Leiterstreifen 10 und die kreuzenden
Antennenwindungen 4 sind nahezu vollständig in den Haftkleber 15 eingebettet.
Der Haftkleber 15 verläuft
keilförmig
bis zum Deckfolienverbundbereich 9. Aufgrund der Druckbelastung beim
Laminieren wurde der Haftkleber 15 so verquetscht, dass
bestimmte Bereiche des Isolierlackes 7 und des Modules 1 direkt
an der Haftschicht 6 der Deckfolien 5 anliegen.
Damit wird erreicht, dass der Transponder an diesen Stellen im Antennen-
und Modulbereich 8 die geringstmögliche Dicke annimmt. Der Transponder
ist reliefartig ausgebildet. Seine Dicke beträgt 30 μm im Deckfolienverbundbereich 9,
im Antennenbereich 8 ca. 78 μm und im Modulbereich 8 bei
einem 200 μm
dicken Modul 1 etwa 230 μm.
In den Durchbrüchen 12 ist
der Transponder gelocht. Bei Verwendung dicker Deckfolien 5 und
sehr dünner Drähte 3 für die Antenne 4 und
dünner
Module 1 verringert sich der Grad der reliefartigen Ausprägung.
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Bei
der in 3 dargestellten Ausführungsform als Etikettentransponder
ist der Transponder mittels Ultraschallverschweißung auf einem Transponderträger 13 befestigt.
Das Garn des in Leinenbindung gewebten Transponderträgers 13 besteht
im Beispiel aus versponnenen Polyesterfasern. Die Dicke des gewebten
Transponderträgers 13 beträgt ca. 150 μm. Die Ultraschallschweißstellen 11 liegen
im Bereich des Deckfolienverbundes 9 und sind bevorzugt
im äußeren Deckfolienverbundbereich 9 angeordnet.
Im Beispiel sind Schweißsonotroden
mit 2 mm Durchmesser verwandt worden. Durch die Verwendung von Deckfolien 5 aus
Polyester und eines Transponderträgers 13 aus Polyesterfasern
verbinden sich die Materialien an der Schweißstelle 11 zu einem
weitgehend material-homogenen Gebilde. Es sind aber ebenso Verschweißungen unterschiedlicher
Stoffe möglich
sowie Verschweißungen,
bei denen sich nur ein Material während des Schweißvorganges
vorübergehend
verflüssigt.
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In 4 ist
ein Etikettentransponder abgebildet, der auf gewebten Stoff eines
Textilstückes 16 entlang
zweier gegenüberliegender
Ränder
angenäht
ist. Die Nahtstellen 17 sind im Schnitt dargestellt. Der
Stoff des Textilstückes 16 hat
im Beispiel eine Dicke von 250 μm.
Der Transponder befindet sich geschützt zwischen dem Stoff des
Textilstückes 16 und
dem Stoff des Transponderträgers 13.
Aufgrund seiner Durchbrüche 12 verhält sich
der Transponder in den Reinigungsprozessen wie Stoff und ist beim
Entwässern
der Wäsche
durch Pressen oder Schleudern durch die beidseitige Stoffauflage
vor extremer Knickbelastung und beim Bügeln gegen direkte Auflage
der geheizten Flächen
der Bügelmaschine geschützt.
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- 1
- Modul
- 2
- Verbindungsstelle
- 3
- Draht
- 4
- Antenne
- 5
- Deckfolie
- 5.1
- untere
Deckfolie
- 5.2
- obere
Deckfolie
- 6
- Haftschicht
- 7
- Isolierlack
- 8
- Antennen-
und Modulbereich
- 9
- Deckfolienverbundbereich
- 10
- Leiterstreifen
- 11
- Ultraschallverschweißung
- 12
- Durchbruch
- 13
- Transponderträger
- 14
- Transponderrand
- 15
- Haftkleber
- 16
- Textilstück
- 17
- Nahtstelle