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Kapazitiv auswertbare gedruckte Schaltungen

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Manchmal dauert es eine Weile, bis einem in der heutigen Zeit eine interessante neue Technologie oder Produktidee auffaellt. So gesehen bei Printechnologics aus Chemnitz, welche anstrebt und auch schon umgesetzt hat, mit angepassten Druckverfahren auswertbare Strukturen und elektronische Schaltungen auf Papier oder Folie zu erzeugen und diverse Objekte, wie auch in Kartenform damit auszuruesten. Damit steht jene Firma auch fuer einen neuen Anschub einer nicht mehr ganz neuen Technologie.
IDTechEx hat festgestellt, dass es derzeit bereits 135 Firmen in Deutschland gibt, die Teile von gedruckten Schaltungen bereitstellen oder sich als Forscher oder Anbieter von Produkten in diesem Metier haben listen lassen. So ist bereits 2005 die weltweit erste massengedruckte elektronische Schaltung aus 14 Transistoren unter Leitung der BASF Future Business GmbH und mit Hilfe von weiteren Projektpartnern, so z.B. dem Institut fuer Print- und Medientechnik der TU Chemnitz, entwickelt und hergestellt worden.

Es muss nicht immer gleich die hoeher integrierte Schaltung sein, mitunter eignen sich Strukturen, die im Leser oder auf einer Unterlage (wie ein kapazitives Multitouchdisplay eines Smartphones) genutzt werden, um individuelle Kodierungen zu erzeugen, kostenguenstig und stabil auswertbar. Diverse Techniken ermoeglichen es dann auch, gedruckte Batterien, duenn und flexibel zu erzeugen.
Natuerlich soll und kann nicht an Stelle der Experten dort ueber Details diskutiert werden. Auf dem Internetauftritt von Printechnologics finden sich fuer alle Interessierten denn auch die Grundlagen ueber deren Ansinnen und Produkte.

Ein offizieller Wortlaut ist: „Wir bedrucken Papier. Danach kann dieses Papier elektronische Daten und sogar Energie wie eine Batterie speichern. Dabei bleibt dieses Papier wie es ist: flexibel, günstig, ungiftig und recyclebar. So entsteht umweltfreundliche low-cost Elektronik, die in zahllosen Anwendungsgebieten visionäre Moeglichkeiten eröffnet.“
„Unsere Vision: Schauen sie sich all die leblosen Gegenstaende um sich herum an. Wir haben kein geringeres Ziel, als denen digitales Leben einzuhauchen und so eine Bruecke zu schlagen zwischen der bisher strickt getrennten Internet- und Multimediawelt und realen Gegenstaenden.“

Ein entsprechender Link ist dann hier zu finden.

Bleibt die Vorausschau auf innovative Produkte und wie sie sich entwickeln koennen, sicherlich ist ein entsprechendes Marktpotenzial vorhanden, man denke nur an Produkte aus dem Handel, Zeitungen, Tickets oder die Spieleszene. Aber auch darueber ist oben online zu lesen …

Smarte Objekte – genauer hingeschaut

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Röhrchentransponder
Garnicht mal so einfach herstellbar, finden wir hier einen Chip mit um einen Ferritkern gewickelten Antenne im Glasroehrchen. Dies geschieht hier in 125 KHz-Technik und meist nur zur Abgabe einer Unique-ID an ein Lesegeraet, vorallem zur Kennzeichnung von Waren oder auch „lebendigen“ Tieren.

DI-Smartcard
Chipkarten sind weit verbreitet. Neben Speicherloesungen kommen Smartcards als kontaktbehafteter oder kontaktloser Controller daher. Im Bild eine Karte, die beide Interfaces besitzt, wobei hier als Besonderheit das Kontaktmodul mit der Antenne ohne leitende Verbindung induktiv gekoppelt ist.

Modulbänder
Kontaktmodule, einfach sichtbar als Sechs- oder Achtkontakter aussen an der Karte, sind als Band meist im Zweiernutzen konfektioniert und werden nach Lamination mit Kleber vom Modulband ausgestanzt und in die vorher gefraeste Kavitaet in den Plastikkoerper eingesetzt und thermisch verbunden.

Antennen-Inlay
Hier eine Illustration, was es in einer RFID-Karte braucht. Chipmodul und Antenne, wobei letztere neben Kupferwicklung auch geaetzt oder mittels Siebdruck auf Traegerfolie realisiert werden kann. Ohne „Verpackung“ im Modulgehaeuse wird auch ein Nacktchip im Flipchipverfahren an die Antenne gekoppelt.

Gedruckte Schaltung
Gegenueber klassischen Loesungen mit Chip und Antenne bringt eine gedruckte Schaltung Vorteile mit sich, da sie flach, robust und in Mengen kostenguenstiger herstellbar ist. Das Halbleiterverhalten erzeugen dabei Polymere in Verbindung mit einer siebgedruckten Schaltung, jedoch mit begrenztem Integrationsgrad.

Integrierte Schaltung
Hier eine aktive Loesung mit integrierter Batterie, die temperaturbestaendig und flach genug ist, um in einer ISO-konformen Smartcard verbaut zu werden und welche eine Tonfolge erzeugt, die mittels einer Soundcard oder Modem in der weiteren Verarbeitung ausgewertet wird.

Innovative Produkte im Bereich Hologramme

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Hologramme sind sicher kein alter Hut, auch wenn sie schon recht lange, mehrheitlich auf Papiererzeugnissen und natürlich Smartcards zu finden sind.

Fuer einige bestimmt interessant an dieser Stelle, dass auch diverse Matrizen hergestellt werden, um nicht nur Hologramme auf Folien fuer Karten, sondern auch auf viel haertere metallische Unterlagen (z.B. Muenzen) aufzubringen, wenngleich die Vorlagen hier keine lange Standzeit haben und man immer wieder neue schaffen muss. Zusaetzlich dazu existieren mittlerweile Techniken, bei denen Plastikmaterial in die vergitterte Hologrammstruktur einfliesst, so dass Hologramm und Traeger tatsaechlich richtig miteinander verbunden sind. Hier ist vorallem Polycarbonat das geeignete umschliessende Material, das dann auch noch auf der Oberflaeche gelasert werden kann. Daneben wird mit Zuschlagsstoffen gearbeitet/experimentiert, welche als quasi Hologramm-Staub auch noch Kennzeichnungen (Seriennummern) auf jedem einzelnen Koernchen tragen kann, schon beeindruckend.

Wie nun weiter?
Ein grosser Teil der Neuerungen ist auch fuer den ID-Karten-Bereich entwickelt worden und sollte in den naechsten Jahren tatsaechlich eine weitere Verbreitung finden. Neben bekannten Firmen aus dem deutschsprachigen Raum findet man auch in anderen Laendern ein komplettes Portfolio. In Verbindung mit Technologie auf dem neuesten Stand wiederum bei z.B. Firma Optaglio. Man hat sich auf Security-Produkte, insbesondere Hologramm-Techniken fuer verschiedene Bereiche spezialisiert. Ein gern gezeigtes Highlight ist die Karte von Tschechien, die, in ein Hologramm gegossen, alle Orte und wesentlichen Strassen des Landes enthaelt, und das auf einer Flaeche, nicht groesser als ein Daumennagel. Unter einem Mikroskop gut nachzuvollziehen, was ich auch vor ein paar Wochen tun konnte. Bis zu 500K-dpi sind moeglich, also wirklich eine etwas andere Welt. Erreicht wird das nicht zuletzt dadurch, dass neben lithografischen Verfahren zur Stempelherstellung auch direkt gelasert wird.

Man beherrscht im Uebrigen nicht nur gaengige 3D- und Kine-Varianten, sondern auch sogenannte Real-Color-Hologramme, bei denen nicht das ganze Regenbogen-Spektrum, sondern nur ein eingegrenztes Spektrum zurueckgeworfen wird. Gerne zeigt man einen „Obstkorb“, bei dem tatsaechlich gelbe Bananen im Gegenlicht sichtbar werden, auch, wenn sie noch zuweilen etwas bunt flimmern 😉 …

Induktiv gekoppeltes Dualinterface

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Sicherlich mittlerweile bekannt für einige von Ihnen. Sollte aber jemand dabei sein, der sich insbesondere mit der induktiv gekoppelten Chip-Antenne-Lösung der Firma SPS noch nicht befasst hat, für diesen lohnt sich das Weiterlesen an dieser Stelle.

In der Vergangenheit hat man ja immer eine wirklich sichere und dabei praktikable Methode der Verbindung zum kontaktlosen Interface gesucht, was auch mit Investitionen beim Chipimplantieren verbunden war. Hier wartet man nun mit einer kleinen Antenne auf der Rückseite des Chipmoduls auf, der Gegenpart im Kartenkörper ist entsprechend gestaltet, so dass keine zwei leitenden Kontaktpunkte mehr notwendig sind.

Mechanisch ist das Ganze erheblich mehr belastbar als flexible bzw. gebumpte Lösungen, ein guter Fortschritt also, auch nicht unbedingt erkauft von Reichweiten-Einbußen, davon konnte sich der Interessierte zuletzt auf der Cartes in Paris am Stand überzeugen. Sie werden sagen, dass ein entsprechender Kartenkörper und Modul teurer sein müssen, aber hierzu muss man sich sicherlich auch den Einsatzzweck und Stückzahlen anschauen. Mittlerweile lassen sich ganz verschiedene Chiptypen im speziellen Modul durch SPS verpacken, was alles geht kann ich deshalb hier adhoc garnicht sagen.

Absolut erwähnenswert finde ich aber, welche Entwicklung das Produkt im Laufe der Zeit durchgemacht hat, auch mit Rücksicht auf die Produktion und als ein einfach zu implementierendes Derivat für eine bestehende Dualinterface-Karte. Denn mittlerweile sind entsprechende Chipmodule nur noch so gross, dass keine Änderung bei der Modulband-Verarbeitung notwendig ist, lediglich sitzt das Ganze etwas korrigiert auf der Karte, da sich hier sechs Kontakte im Zentrum des Moduls und der Miniantenne auf der Rückseite befinden.

Kein alter Hut also und durchdacht weiterentwickelt. Auch gestaltet man Teile der Leiterfolien im Inneren der Karte mittlerweile so, dass sie durchgeprägt werden können, mit Rücksicht auf die Hochprägung bei der Personalisierung von Kreditkarten.

SmartCard vs. andere Formfaktoren

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Alte und neue Märkte für das produzierende Gewerbe also. Eine Frage, die sich so in der Welt des Anwenders nicht stellt, denn neue Formfaktoren werden nicht einfach so kreiert, sondern sind meist auch anwendungsgetrieben. Die äussere Form und die des Transponders im Inneren soll einem bestimmten Zweck der Verwendung möglichst gut dienlich sein, die Hülle kompakt sein und Schutz oder eben Platz für Beschriftung bieten.

Dem muss dann auch teilweise die Auswerteseite folgen. So existieren in Bezug auf den Formfaktor und natürlich auch der Technik mittlerweile vielfältige Lösungen nebeneinander, aus denen der Anwender bei kontaktlosen Lösungen wählen kann.

Etwas anders verhält es sich dagegen beim Anbieter oder vielmehr dem Hersteller. Ausgehend davon, dass Hersteller und Weiterverarbeiter von Chipkarten (Dabei bitte ich jetzt mal die originären Anbieter von Labels und Coins ein Auge zuzudrücken, da ich mich ja nicht ganz meiner Herkunft verschliessen kann.) klassischerweise beim Plastik oder der Karte gestartet sind, ist auch deren ursprüngliches Produktionsequipment auf diesen Formfaktor (nennen wir es meinetwegen ISO78xx) ausgerichtet.

Derlei Normen bezogen auf die zu verarbeitende Technik sind aber weniger das Problem. Ein recht kleiner Schritt für oben genannte Klientel jedenfalls, statt einer Speicherkarte eine Prozessorkarte oder eine kontaktlose Karte zu personalisieren oder im Bogen herzustellen, sei es nun Vicinity oder Proximity. Man möge mir diese grobe Vereinfachung verzeihen, aber bei wirklich veränderlichen Formen stellt sich schon eher die Frage nach der Aufstellung, so komisch das klingt. Teilen wir hier gedanklich eigentlich nicht nur in verschiedene Märkte sondern auch in verschiedene, festgefahrene Anbieter-Welten? Ist ein Unternehmen, in dem sich die Wertschöpfungskette wie eine Kette von Produktionsmaschinen – auch im getanen aktuellen Invest – innerbetrieblich durchzieht, einfach so in der Lage, sich neue Märkte (z.B. weg von der Karte hin zu Auto-ID-Produkten) zu erschliessen oder in seinem Metier gefangen? Ich glaube, hier bleibt es schon spannend, einfach so geht es sicher zumindest für die mid-sized Companies nicht. Einerseits haben wir es mit verschiedenem Wachstum in speziellen Bereichen zu tun, was die Strategie der Unternehmen beeinflusst. Anders wie grosse Anbieter schauen mittelständige Unternehmen genauer hin, wo es sich in der Zukunft zu engagieren gilt. Andererseits gibt es eine immer größere Aufgabenteilung und Spezialisierung, die im Einzelnen ganz unterschiedliche Bedürfnisse hervorbringt.

Bei Kartenherstellern werden mittlerweile Antennen für Transponder für das Passwesen gelegt, bei Personalisierern wiederum ist man teilweise auch auf die Verarbeitung von Coins und NFC-Handys eingerichtet. Daneben entstehen ganz neue Firmen. Nicht zu vergessen auch, dass der Trend anhält, durch Aquisitionen oder Partnerschaften mehr Fläche zu schaffen und Konstrukte, die immer mehr aus einer Hand anbieten können. Dieser Trend hat Unternehmen ganz unterschiedlicher Grösse erfasst.

Grundlagen – kontaktlose Chipkarten

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Kontaktlose Chipkarten sind in der Lage, mit ihrem Gegenueber Daten ueber die „Luftschnittstelle“ ohne direkte Beruehrung auszutauschen. Sie eignen sich fuer Anwendungen, bei denen dieser Komfortaspekt oder die organisatorischen und technologischen Ablaeufe dies bedingen und werden daher in Bereichen wie Identifikation in Unternehmen oder zur Zutrittskontrolle bei Events und mehr und mehr beim kontaktlosen Bezahlen sowie im oeffentlichen Personenverkehr eingesetzt. Im Gueterverkehr entwickelt sich in anderen Formfaktoren wie der Karte der Auto-ID-Bereich, wo vergleichbare RFID-Produkte speziellen Anforderungen gerecht werden. Vorteile von kontaktlosen Chipkarten liegen in der mit Abstrichen „Verschleissfreiheit“ bei der Interaktion mit dem Terminal und Widerstandsfaehigkeit gegen Umwelteinfluesse (z.B. Skilifte). Die Datenuebertragung findet bei aktuellen Modellen sehr schnell statt und genuegt z.B. den Protokollen der ISO14443 und ISO15693, in die auch ueblicherweise eingeteilt wird.

Bei der Realisierung in der Karte ist heutzutage RFID-Technik das physikalische Mittel der Wahl, bei der das durch das Chipkarten-Lesegeraet erzeugte Feld ueber die Antenne der Chipkarte eine Spannung induziert, die zur Stromversorgung des Chip genutzt wird. Ueber das gleiche Interface erfolgt die Datenuebertragung nach z.B. oben genannten Protokollen, welche stellvertretend fuer HF-Modelle sind. Im UHF-Bereich finden wir eine weitere Produktfamilie, die an Stabilitaet aufgeholt und sich ihre Anwendungen erschlossen hat. Neben Umwelteinfluessen und dem Systemaufbau inklusive Leserantennen spielen fuer die erreichbare Entfernung zum Leser auch die Art und Weise der Kommunikation, wie diverse Sicherheitsmerkmale, eine Rolle. Das bringt mit sich, dass sich unter den entsprechenden Normen Karten unterschiedlicher Reichweite versammelt haben: ISO10536 – Close-Coupling-Cards, ISO14443 – Proximity-Cards, ISO15693 – Vicinity-Cards. So kann jeweils mit (fast) direktem Kontakt, ueber bis zu 10cm, ueber bis zu 1m und darueber hinaus kommuniziert werden. In der Praxis werden meist geringere Entfernungen, wie theoretisch erreichbar, anzutreffen sein.

Desweiteren sollte man bei kontaktlosen Chipkarten zwischen kontaklosen Speicherkarten und kontaktlosen Controllern (Mikroprozessorkarte) unterscheiden. Eine Kombination der Eigenschaften der Prozessorkarte mit denen der kontaktlosen Technik ist dort von Nutzen, wo eine reine Speicherloesung nicht mehr ausreicht und schon laenger Stand der Technik. Einen Sonderfall stellen dabei Dual-Interface-Karten dar, bei denen der Controller mit beiden Interfaces, kontaktbehaftet- und kontaktlos verbunden ist, es muss dabei nicht mit getrennten Loesungen wie bei Hybrid- bzw. Kombikarten gearbeitet werden. Aktive Loesungen (Stromversorgung in der Karte) sind derzeit noch eine Nischenloesung, koennen aber bei Installationen, die eine Initiative der Karte brauchen, eine Kommunikation ueber sehr weite Strecken oder eine Langfristaufzeichnung von Daten mit Datenanzeige zum Ziel haben, eine Rolle spielen. Bekannte Chipmodelle bei passiven Karten sind z.B. HITAG, I-Code (NXP), Mifare (NXP, Infineon) sowie my-D, Legic, Temic oder EM4102 (EM-Marine). Letztes ist ein Beispiel fuer einen read-only-Baustein, welche sich nocheinmal guenstiger im Vergleich zu Speichermodellen mit Schreibmoeglichkeit darstellen und Massenanwendungen, die nur wenige Daten (minimal eine Seriennummer, auch unique ID) des Chip auslesen muessen, gerecht werden.

Grundlagen – kontaktbehaftete Chipkarten

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Speicherchipkarten

Der Einsatz von Speicherchipkarten in grosser Zahl begann mit der Aera der Telefonwertkarten. Danach wurden und werden diese ueberall dort eingesetzt, wo eine Speicherung von Daten auf einfache Art und Weise realisiert werden soll, wie z.B. auf der herkoemmlichen Krankenversicherungskarte in Deutschland. Ihre Vorteile liegen im guenstigen Preis und der Moeglichkeit, schnell eine einfache Anwendung aufbauen zu koennen.

Fuer den globalen Schutz von Daten steht mitunter ein PIN-gestuetzter Schreib- bei wenigen Modellen auch Leseschutz zur Verfuegung. Die Groesse des Nutzdatenspeichers kann variieren. Eine Einteilung findet nach der Art des Kommunikationsprotokolls statt, wonach man in Karten mit 2wire-, 3wire- und I²C-Bus unterscheiden kann. Gaengige Modelle waren zum Zeitpunkt dieses Artikels (11/2008) zum Beispiel die Infineon-Modelle SLE5532 und SLE5528, weitere Hersteller dieser Bausteine gibt es einige mehr, wie Atmel oder ST-Microelectronics.

Obwohl in den vergangenen Jahren der weltweite Anteil von Speicherkarten zu Prozessorkarten bei der Anzahl der ausgegebenen Karten stetig sinkt, findet immer noch ein Migrationsszenario von reinen Plastikkarten oder Magnetstreifenkarten hin zu Speicherchipkarten, wie beispielsweise bei Kunden- oder Mitgliedskarten statt.

Prozessorchipkarten

Prozessorchipkarten sind mit einem Mikroprozessor ausgeruestet und damit in der Lage, Rechenoperationen auszufuehren. Die Kommunikation findet im Allgemeinen in Form von Befehlssequenzen statt, welche durch ein entsprechendes Betriebssystem auf der Karte verarbeitet werden. Dadurch werden flexible Anwendungen moeglich.

Jeder Chip enthaelt im Wesentlichen die Bausteine ROM, EEPROM, RAM, CPU und IO-Logik. Kommuniziert wird nach diversen Protokollen wie T=0 oder T=1, wobei auch schon USB implementiert ist. Weiterhin kann man in native Loesungen (mit Filesystem und Betriebssystem wie CardOS (Siemens), StarCOS (G&D) etc.) und solche, die zusaetzlich mit einer virtuellen Engine ausgestattet sind (Javacards (NXP, G&D, Gemalto, Oberthur usw.), Basiccard (Zeitcontrol), MULTOS (MOASCO)) unterscheiden.

Die Vorteile von Prozessorchipkarten sind neben ihrer hohen Speicherkapazitaet vorallem die sichere Speicherung schuetzenswerter Daten, die mit der Faehigkeit einhergeht, Rechenoperationen abarbeiten zu koennen, bei Vorhandensein eines Cryptocontrollers (wie bei einem Baustein SLE66CX320 von Infineon) auch komplexe Verschluesselungsalgorythmen. Entsprechende Files oder Datenbereiche lassen sich mit verschiedenen Zugriffsrechten versehen. Dadurch bringen derlei Karten die notwendigen Eigenschaften fuer Produkte im Bankingbereich (EMV-Karten bzw. Kredit- oder Debitkarte mit Chip) fuer GSM-Zwecke (SIM-Karte im Mobiltelefon) oder im Unternehmensbereich (Company-Badges fuer Zutritt oder sicherem Login) mit.

Grundlagen – Chipkarten allgemein

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Allgemein, Anwendungen

Chipkarten-Anwendungen findet man auch ausserhalb des Kreditwesens, des GSM-Bereichs und der Krankenversicherung einige, auch wenn sie einen nicht immer gleich „anspringen“.

Aus einer „Aufbruchstimmung“ ist Alltag geworden, jedoch steckt in dieser Technologie (oder sagen wir lieber: in moeglichen nutzbringenden Anwendungen) noch jede Menge Potential. Mittlerweile reden wir ueber verschiedene Produkte und Formfaktoren, damit haben sich erweiterte Moeglichkeiten wie z.B. im Auto-ID-Bereich ergeben.

Aber es sind nicht immer die grossen Dinge, die interessieren, die Technik macht eine eigene Faszination aus. Diese hat jedenfalls schon lange einen Stand erreicht, dass sie sich fuer eine Vielzahl von sicherheitsrelevanten Aufgaben eignet, was im Unternehmensumfeld mehr und mehr praktiziert wird. Landesweite ID-Kartenprojekte werden aufgesetzt und e-Ticketing ist dabei, sich zu beweisen. Rueckschlaege sind bereits zu verkraften gewesen.

Wenngleich die technische Entwicklung voranschreitet, die Chipkartenwelt ist heute eine anwendungsgetriebene Welt, und das ist auch gut so.

Unabhaengig davon ist das Kartenmedium selbst fast immer Marketinginstrument. Das ist nicht nur dem Handel bewusst geworden.

Lassen Sie uns also ein bisschen in den Background schauen …

Einteilung, Typen, Standards

Im Kartenumfeld finden sich verschiedenste Techniken. Plastikkarten koennen mit unterschiedlichen Ausstattungsmerkmalen wie Labels und Unterschriftstreifen ausgeruestet sein. Zur Aufbringung von Daten tragenden Bereichen kommen neben dem Druck oder anderen „statischen“ Methoden (Lochung, Barcode) Magnetstreifen und Chipmodul zum Einsatz. Bei Chipkarten unterscheidet man ueblicherweise zwischen Speicherkarten und Mikroprozessorkarten. Mittlerweile koexistieren verschiedenste Techniken und Methoden je nach Anwendungsumfeld nebeneinander.

Die Normierung von Chipkarten geschieht durch ISO/IEC, im europaeischen Raum auch durch die CEN. Wichtige Normen finden sich in der ISO/IEC78xx-Reihe, wobei eine 7810 grundhaft die Karte als ID1-Karte in ihren physischen Parametern beschreibt und z.B. unter 7816 Belange fuer ISO-Chipkarten zusammengefasst sind.

Ueber die Jahre hat eine Evolution von reinen Speichermedien hin zu immer komplexeren Prozessorchipkarten mit Coprozessor, aktiven Systemen u.a. mit Display und verschiedenen Interfaces (USB) stattgefunden. In diesem Rahmen wird der Ausdruck „Smartcard“ zwar verschieden verwandt, sollte jedoch im Allgemeinen immer eine „rechnende“ mikroprozessor-basierte Karte bezeichnen.

In Bezug auf die Auspraegung der physischen Schnittstelle kann man zwischen kontaktbehafteten und kontaktlosen Karten unterschieden. Im kontaktlosen RFID-Bereich finden sich sowohl Speichermodelle mit mehr oder weniger Sicherheitslogik als auch Prozessorkarten, die auch mit einem dualen Interface (kontaktbehaftet und kontaktlos) ausgeruestet sein koennen. Betreffende Normen sind hier die ISO/IEC14443, 15693 und (mittlerweile weniger wichtig) 10536.