专利名称：针对无电源的应用的时间测量设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种时间测量设备、实时时钟，并涉及包括实时时钟电路的电组件。本 发明还涉及一种卡状的识别或认证设备，并涉及一种用于相对于参考时间来测量时间的方法。
背景技术：
现有技术中已知使用放射性衰变在集成电路中测量时间，例如US4，676，661。US 4，676，661中公开的时间测量设备旨在替代基于石英振荡器的时间测量，通过对放射性衰 变进行计数直至预设数目的衰变计数，来周期性地提供电信号，以便以秒为单位来计数时 间。虽然US4，676，661在图5实施例中也考虑到计算自从制造以来流逝的时间，但是该时 间计算仅仅是以年为精度来执行的。针对结合到除表之外的其他许多应用设备，时间测量已受到关注。然而，这些应用 设备中的许多，例如RFID标签和识别卡、银行卡等，通常不是持续地连接至电源。这些应用 设备中的一些可以允许结合电池或蓄电池，但是不允许或不要求在与电源线断开时，通过 消耗来自电池或蓄电池的能量进行持续操作。对于这些应用设备，可能希望能够精确跟踪 真实时间，甚至在长时间(在一些情况下，甚至多年)缺乏与电气电源连接的情况下。
发明内容
根据本发明第一方面，提供了一种时间测量设备，包括-定时参考电路，被配置为具有参考频率的电参考信号，所述参考频率适合测量或 控制分辨率为秒或更小的积分时间跨度；-在基板上或集成到基板中的放射性辐射源，包括具有至少一个月的已知半衰期 的至少一个放射性同位素；-针对放射性辐射的检测器，所述检测器与放射性辐射源一起集成在相同的基板 上或基板中，并被配置为提供检测器信号，所述检测器信号指示在积分时间跨度上检测到 的放射性衰变事件的数目；-控制电路，与定时参考电路和检测器相连，并被配置为-控制或测量积分时间跨度，以及-使用检测器信号、积分时间跨度的值、半衰期、以及在参考时间处所述至少一个 放射性同位素的已知衰变速率，来计算瞬息时间与参考时间之间的时间差。本发明第一方面的时间测量设备允许即使在从电源断开较长时段之后，也能够跟 踪相对于参考时间而流逝的时间。为此，本发明时间测量设备的实施例包括定时参考电路、放射性辐射源、针对放射 性衰变事件的关联检测器以及控制电路，检测器例如是针对放射性衰变事件的计数器。使用检测器信号、以及例如存储的参考时间、积分时间跨度的值、半衰期和在参考 时间处所述至少一个放射性同位素的已知衰变速率等已知参数，可以一定精度来计算瞬息时间与参考时间之间的时间差，该一定精度提供了甚至在与电源断开多年之后的有价值的 真实时间信息。以下，描述本发明第一方面的时间测量设备的实施例的附加特征。不同实施例的 附加特征可以彼此结合来形成其他实施例，除非一些实施例的附加特征被描述为形成彼此 的相互备选物。根据本发明第一方面的时间测量设备可以设置在厚度小于300微米的基板上。该 厚度甚至可以适当地更小，以改进在例如RFID标签或卡状设备(例如，识别卡、银行卡、信 用卡等)等平坦应用设备中的集成。针对这种应用的优选的基板厚度小于150微米。但是， 基板可以更薄，在制造期间，在适当关注的情况下，厚度甚至可以在100微米以下。为了达到特别小的尺寸，优选实施例的定时参考电路包括微机电谐振器(以下称 为MEMS谐振器)和振荡器电路，振荡器电路与MEMS谐振器相连。在这些实施例中，甚至可 以实现单片集成。因此，在一个实施例中，使用单个基板来集成本发明第一方面的时间测量设备，因 此在基板上集成的不仅有定时参考电路，还有放射性辐射源、计数器和控制电路。这样，实 现了非常小的设备，适合结合到如上所述的薄形应用设备，甚至适合结合到纸张中。单片集成不是绝对的需求。也可以通过提供组合到单个封装或组件中的分离的管 芯，来实现小尺寸，特别是相对于产品高度。例如，可以使用例如管芯堆叠，在单个封装或组 件中组合一个管芯上的MEMS谐振器、beta发射体和计数器管芯、以及包括例如驱动电路、 非易失性存储器和逻辑的电路管芯。这种封装足够小，以允许结合到智能卡等中。然而，本发明的时间测量设备也可以用在对于几何扩展没有如此严格要求的应用 设备中。在这种对于尺寸限制不大的实施例中，定时参考电路可以备选地包括石英振荡器。因此，本发明的时间测量设备对于任何应用设备都是有用的，应用设备得益于在 设备已经从其电源断开之后也能够跟踪所流逝时间的能力。在一个优选实施例中，放射性同位素的半衰期是至少一年。鉴于本发明的时间测 量设备要在其中使用的应用设备的有限寿命，在一个实施例中使用半衰期是5和10年的放 射性同位素，而在另一实施例中使用半衰期在10到20年之间的放射性同位素。优选地，所 用的放射性同位素是beta辐射的发射体，S卩，电子。由于beta发射体一般具有较低的环境 风险，所以相比于alpha或gamma发射体而言是优选的。此外，发射的电子可以具有较低能 量，因此，可以具有较低穿透深度，这防止了辐射逃逸出时间测量设备。因此，低能发射体相 比于高能发射体是非常优选的，以使放射性辐射引起的风险尽可能接近零。为了进一步减 小人类暴露给所发射的辐射的风险，可以在基板上提供屏蔽层，或者可以将屏蔽结合到包 含时间测量设备的应用设备中。在一个实施例中，使用单个放射性同位素作为基板上或基板中的放射性辐射源。 适当的示例是氚同位素，3H。该氚同位素是半衰期大致为12年的beta发射体。所发射的电 子具有ISkeV的能量。氚的优点在于可以所需的注入剂量注入到限定的基板区域。因此， 可以根据时钟操作的需求，高精度地控制基板中氚原子的数目。如果只使用单个放射性同位素作为放射性辐射源，则优选地，控制电路被配置为 根据如下公式来计算瞬息时间与所存储的参考时间之间的时间差
权利要求
1.一种时间测量设备，包括-定时参考电路，被配置为产生具有参考频率的电参考信号，所述参考频率适合测量或 控制分辨率为秒或更小的积分时间跨度；-在基板上或集成到基板中的放射性辐射源，包括具有至少一个月的已知半衰期的至 少一个放射性同位素；-针对放射性辐射的检测器，所述检测器与放射性辐射源一起集成在相同的基板上或 基板中，并被配置为提供检测器信号，所述检测器信号指示在积分时间跨度上检测到的放 射性衰变事件的数目；-控制电路，与定时参考电路和检测器相连，并被配置为 -控制或测量积分时间跨度，以及-使用检测器信号、积分时间跨度的值、半衰期、以及在参考时间处所述至少一个放射 性同位素的已知衰变速率，来计算瞬息时间与参考时间之间的时间差。
2.根据权利要求1所述的时间测量设备，其中，定时参考电路包括 -微机电谐振器，以下称为MEMS谐振器，以及-振荡器电路，振荡器电路与MEMS谐振器相连。
3.根据权利要求1或2所述的时间测量设备，其中，放射性辐射源是单个放射性同位 素，该放射性同位素是beta辐射发射体并具有在10到20年之间的半衰期。
4.根据权利要求3所述的时间测量设备，其中，控制电路被配置为根据如下公式来计 算时间差_ XnA0T -\nC{t,T)~ I其中，t表示时间差，Atl表示放射性辐射源中的放射性同位素在参考时间处的已知衰变 速率，C(t，T)表示在积分时间跨度T上由t限定的时间点处检测到的计数数目，以及λ以 关系λ =0.7t1/2与放射性同位素的半衰期有关。
5.根据前述权利要求之一所述的时间测量设备，其中，-在半导体基板中集成检测器以及包含放射性同位素的埋入层， -检测器包括具有半导体基板的检测器区的pn结，该检测器区是在工作电压下可从电 荷载流子耗尽的，以及其中-埋入层至少部分地在检测器区内延伸。
6.根据前述权利要求之一所述的时间测量设备，其中，-放射性辐射源包括第一放射性同位素和第二放射性同位素，以及其中 -第二放射性同位素的第二半衰期是第一放射性同位素的第一半衰期的至少三倍，第 一半衰期在10到20年的范围内。
7.根据权利要求6所述的时间测量设备，其中，选择放射性辐射源中的第一和第二放 射性同位素的原子数目，使得这两个放射性同位素的衰变速率在首次操作时间测量设备之 前的已知时间点处是相等的或者是近似相等的。
8.根据权利要求6或7所述的时间测量设备，其中，控制电路被配置为根据如下公式来 计算时间差
9.根据权利要求6到8之一所述的时间测量设备，其中，-在半导体基板中集成检测器以及包含第一放射性同位素的埋入层， -计数器包括具有半导体基板中的检测器区的至少一个pn结，该检测器区是在工作电 压下可从电荷载流子耗尽的，-埋入层至少部分地在检测器区内延伸， -在基板上的绝缘层上布置第二放射性同位素层，以及-计数器被配置为在与衰变事件关联的至少两个能量范围的计数之间进行区分，以将 第一放射性同位素的第一衰变事件与第二放射性同位素的第二衰变事件相分离，并且计数 器被配置为对第一和第二衰变事件进行分离计数。
10.根据前述权利要求之一所述的时间测量设备，其中，基板具有小于200微米的厚度。
11.根据前述权利要求之一所述的时间测量设备，包括集成到单个封装中的多个管芯， 或者在时间测量设备中，将定时参考电路、放射性辐射源、检测器、控制电路和可编程非易 失性存储器集成到单个管芯中。
12.—种实时时钟，包括根据权利要求1到11之一所述的时间测量设备，其中，控制电 路被配置为使用所存储的参考时间和所计算的时间差，来计算实时值并在控制电路输出处 提供该实时值。
13.—种电组件，包括根据权利要求1到11之一所述的时间测量设备或者根据权利要 求12所述的实时时钟，还包括功率端子，所述功率端子被配置为从外部电源接收功率，以 操作定时参考电路、计数器和控制电路。
14.一种识别或认证设备，包括根据权利要求12或13的电组件。
15.一种用于相对于参考时间测量时间的方法，包括-提供根据权利要求1所述的时间测量设备或者根据权利要求11所述的实时时钟； -在时间跨度内保持时间测量设备或实时时钟与电源断开； -在所述时间跨度之后，从电源向时间测量设备或实时时钟提供工作功率； -使时间测量设备或实时时钟的控制单元进行如下操作a)测量或控制积分时间跨度，b)接收来自检测器的检测信号，以及c)使用计数信号、积分时间跨度的值、半衰期、以及至少一个放射性同位素在参考时间 处的已知衰变速率，来计算瞬息时间与参考时间之间的时间差；d)可选地并且仅仅在提供根据权利要求11的实时时钟的情况下，附加地使用所存储 的参考时间和所计算的时间差来计算实时值；以及-依据是否已经执行了步骤d)，从时间测量设备相应地接收时间差值或实时值。
全文摘要
本发明涉及一种时间测量设备，包括在单个基板或多个基板上的定时参考电路；在基板上或基板中的放射性辐射源；在基板上或基板中的放射性衰变事件计数器。基板上的控制电路被配置为使用定时参考来控制计数器的积分时间，从计数器接收计数信号，并使用计数信号、积分时间跨度的值、半衰期、以及在参考时间处所述至少一个放射性同位素的已知衰变速率，来计算瞬息时间与参考时间之间的时间差。
文档编号G04F13/00GK102099753SQ200980128326
公开日2011年6月15日 申请日期2009年7月22日 优先权日2008年7月23日
发明者帕维尔·穆夏尔, 彼得·杨·什利克维尔, 约瑟夫·托马斯·马丁内斯·范贝克 申请人:Nxp股份有限公司