CN103487070A

CN103487070A - 印刷电子与集成电路混合结构的通用传感器系统

Info

Publication number: CN103487070A
Application number: CN201310275781.0A
Authority: CN
Inventors: 赵家庆; 郭小军; 刘文江
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2013-07-03
Filing date: 2013-07-03
Publication date: 2014-01-01

Abstract

一种印刷电子与集成电路混合结构的通用传感器系统，包括换能电路、印刷电子转换电路、集成电路、显示屏、天线和读卡器终端，其中，换能电路、印刷电子转换电路和天线采用印刷电子技术制成，换能电路包括能够感知外界信息的敏感器件并将获得的传感信息转换为电信号，印刷电子转换电路连接换能电路并将其电信号转换为满足集成电路输入要求的电量模拟信号，集成电路连接印刷电子转换电路并对其电量模拟信号进行处理分析且输出相应的通讯数据包信号，该通讯数据包信号通过有线方式在本地的显示屏上显示或者通过天线发射，由读卡器终端处理和显示。本发明实现了印刷电子与集成电路的整合，具有通用性与实用性强、功耗低、便于携带、成本低廉、可弯曲等优点。

Description

印刷电子与集成电路混合结构的通用传感器系统

技术领域

本发明涉及一种传感器系统，具体涉及一种印刷电子与集成电路混合结构的通用传感器系统，属于印刷电子技术与传统集成电路交叉的技术领域。

背景技术

印刷电子具有大面积、柔性和低成本等特点，尽管其制作出来的电路的集成度与性能还比不上传统的集成电路，但是依靠其本身的优势已经在很多领域中展现出了广阔的应用前景，比如大面积的传感器、射频识别标签、柔性显示器和可折叠太阳能单元等。随着印刷电子技术的不断进步，其一定会得到更大的重视与更广泛的应用。

传统的集成电路具备集成度高、体积小、性能优异、寿命长等优点，但也同时存在有成本高、不可折叠等缺点。因此，将印刷电子技术与集成电路整合到同一个传感器系统中，可以实现优势互补，在保证性能的同时降低成本。

近年来一种新的短距离高频无线通信技术—NFC（Near Field Communication）迅速发展，NFC允许电子设备之间进行非接触式点对点数据传输（在十厘米内）交换数据。该技术由免接触式射频识别（RFID）演变而来，并向下兼容RFID，主要用于手机等手持设备中提供M2M(Machine to Machine)的通信。目前NFC手持设备正逐渐融入人们的生活，因此采用NFC通讯具有很大的便携性。

发明内容

本发明针对印刷电子技术与集成电路各自的不足，提供一种印刷电子与集成电路混合结构的通用传感器系统，将印刷电子与传统的集成电路整合于同一个通用的传感器系统中，以达到在保证系统性能的前提下降低成本、便利携带的目的，其具有通用性与实用性强、功耗低、便于携带、成本低廉等优点。

本发明解决其技术问题的技术方案是：

一种印刷电子与集成电路混合结构的通用传感器系统，实现印刷电子与集成电路的整合，其包括有换能电路、印刷电子转换电路、集成电路、显示屏、天线和读卡器终端；所述换能电路采用印刷电子方式打印在基板上而制成，其包括能够感知外界信息的敏感器件，该换能电路能够通过物理或者化学方式将获得的传感信息转换为电信号；所述印刷电子转换电路与所述换能电路连接并将来自该换能电路的电信号转换为能够满足所述集成电路输入要求的电量模拟信号，该印刷电子转换电路采用印刷电子方式打印在基板上而制成；所述集成电路与所述印刷电子转换电路连接，并对来自该印刷电子转换电路的电量模拟信号进行处理分析且输出相应的通讯数据包信号；所述显示屏与所述集成电路连接并将来自该集成电路的通讯数据包信号显示出来；所述天线与所述集成电路连接并将来自该集成电路的通讯数据包信号发射出去，该天线采用印刷电子方式打印在基板上而制成；所述读卡器终端接收来自所述天线的通讯数据包信号并对之进行处理和显示。

所述的集成电路包括模拟数字转换器、处理器、射频前端和稳压器，所述模拟数字转换器连接所述印刷电子转换电路，并且将来自该印刷电子转换电路的电量模拟信号数字化，所述的处理器连接所述模拟数字转换器和所述显示屏，并对来自该模拟数字转换器的数字化信号进行处理分析且组织成相应的通讯数据包，所述射频前端连接所述处理器和所述天线，并接收来自该处理器的通讯数据包信号且传输给该天线，所述稳压器连接外接电源，同时与所述换能电路、印刷电子转换电路、显示屏、模拟数字转换器、处理器和射频前端连接并且对之供电。

所述的射频前端和天线以特定的通讯协议与所述读卡器终端进行通讯，支持ISO14443-1、ISO14443-2和ISO14443-3协议。

所述的稳压器通过外接电源供电或者通过天线谐振供电。

所述的处理器为MCU处理器或纯逻辑电路。

所述的模拟数字转换器能够实现电流、电压或电阻的模拟数字转换。

所述的换能电路的基板、印刷电子转换电路的基板和天线的基板为可弯曲的柔性基板，其材料为PEN、PET、PVC膜或纸，该换能电路、印刷电子转换电路和天线能够整体弯曲。

所述的读卡器终端为NFC手机或者读卡器。

所述的显示屏为LED、LCD或OLED显示屏。

所述的电量模拟信号为电压、电流、电阻或电容信号。

所述的外界信息为生物、化学、压力或温度信息。

所述的换能电路和印刷电子转换电路能够根据不同的外界信息进行更换。

与现有技术相比较，本发明具有以下优点：

第一、所述通用传感器系统实现了印刷电子与传统集成电路的整合，充分结合了印刷电子的大面积、柔性和低成本等长处以及传统集成电路的集成度高、体积小、性能优异、寿命长等优点。

第二、对于感知各种外界信息的不同需要，只须更换前端部分的换能电路以及中间的印刷电子转换电路即可，终端的集成电路、显示屏、天线和读卡器终端等构件可以保持不变，因而本发明适应性广泛，为一种性能优良的通用传感器系统。

第三、由印刷电子制成的换能电路、印刷电子转换电路和天线均可以整体弯曲，因而能够适应更多的使用场合。

第四、本发明具备功耗低、便于携带、成本低廉和空间适应性强等优点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作详细说明。

本发明是一种印刷电子与集成电路混合结构的通用传感器系统，该系统在前端换能电路使用印刷电子技术实现对各种外界信息（压力、温度、生物、化学等）的感知，中间通过印刷电子转换电路将前端感知到的外界信息转换为统一的电压，电流，电阻，电容等信号输出，终端通过传统的集成电路对接收到的信号处理、分析，最终通过有线方式将信号在本地显示屏上显示，或者将信号通过射频前端和天线发射出去，由读卡器终端（NFC手机、读卡器等便携式设备）负责处理和显示，整个系统的可以通过外接电源供电，也可以通过天线谐振供电。

请参阅图1，本发明所述印刷电子与集成电路混合结构的通用传感器系统实现了印刷电子与集成电路的整合，其包括有换能电路1、印刷电子转换电路2、集成电路3、显示屏4、天线5和读卡器终端6。

所述换能电路1可以是但不限于生物、化学传感器、压力、温度换能电路，其主要包括能够感知生物、化学、压力或温度等外界信息的敏感器件，该换能电路1能够通过物理或者化学方式将获得的传感信息转换为电信号；所述的换能电路1由印刷电子技术制成，其采用印刷电子方式打印在基板上，该基板为可弯曲的柔性基板，其材料为PEN、PET、PVC膜或纸等但不仅限于此，该换能电路1整体能够弯曲。

所述印刷电子转换电路2与所述换能电路1连接，其可以将来自前端的换能电路1的各式各样的电信号，包括电荷、瞬时的电压、电流等，转换为统一的电压、电流、电阻或电容等电量模拟信号，该电量模拟信号为可以电路测试的信号，以便满足终端的集成电路3对输入信号的要求。所述的印刷电子转换电路由印刷电子技术制成，其采用印刷电子方式打印在基板上，该基板为可弯曲的柔性基板，其材料为PEN、PET、PVC膜或纸等但不仅限于此，该印刷电子转换电路能够整体弯曲。

所述集成电路3与所述印刷电子转换电路2连接，并对来自该印刷电子转换电路2的电量模拟信号进行处理分析且输出相应的通讯数据包信号。所述的集成电路3属于一种常规传统的集成电路，其包括模拟数字转换器A、处理器B、射频前端C和稳压器D。所述模拟数字转换器A连接所述印刷电子转换电路2，并且将来自该印刷电子转换电路2的电量模拟信号数字化，该模拟数字转换器A能够实现电流的模拟数字转换，也可以实现电压的模拟数字转换，还可以实现电阻的模拟数字转换等。所述的处理器B连接所述模拟数字转换器A和所述显示屏4，并且对来自该模拟数字转换器A的数字化信号进行处理分析，同时组织成相应的通讯数据包；所述的处理器B可以是MCU处理器，也可以是纯逻辑电路，其功能都是实现数模转换器的驱动，传输帧格式的处理。所述射频前端C连接所述处理器B和所述天线5，并接收来自该处理器B的通讯数据包信号且传输给该天线5。所述稳压器D连接外接电源，同时与所述换能电路1、印刷电子转换电路2、显示屏4、模拟数字转换器A、处理器B和射频前端C连接，并且对它们供电；所述的稳压器D可以通过外接电源供电，也可以通过天线谐振供电，以提供芯片内部必要的电压和电流。

所述显示屏4与所述集成电路3的处理器B连接并将来自该集成电路3的通讯数据包信号显示出来，即所述处理器B能够把通讯数据通过有线方式在本地的显示屏4上显示；所述的显示屏4包括但不限于LED、LCD、OLED等显示屏。

所述天线5与所述集成电路3的射频前端C连接并将来自该集成电路3的通讯数据包信号发射出去，该天线5采用印刷电子方式打印在基板上而制成，该基板为可弯曲的柔性基板，其材料为PEN、PET、PVC膜或纸，该天线5能够整体弯曲。

所述读卡器终端6包括但不限于NFC手机或者读卡器，其接收来自所述天线5的通讯数据包信号并对之进行处理和显示。

所述的射频前端C和天线5以特定的通讯协议与所述读卡器终端进行通讯，特别地，支持ISO14443-1、ISO14443-2和ISO14443-3协议；经过复位应答、防冲突机制、选择、密码校验等流程，外部终端将数据显示给使用者，整个系统响应时间在1秒以内。即，所述处理器B能够将通讯数据包信号通过射频前端C、天线5发射出去，由读卡器终端6（NFC手机、读卡器等便携式设备）负责处理通讯数据包和显示。

对于不同的外界信息，只需要更换前端部分的换能电路1以及中间的印刷电子转换电路2，而终端的集成电路3、显示屏4、天线5、读卡器终端6可以保持不变。即，所述的换能电路1和印刷电子转换电路2能够根据不同的外界信息进行更换。

Claims

1.一种印刷电子与集成电路混合结构的通用传感器系统，其特征在于：所述通用传感器系统实现印刷电子与集成电路的整合，其包括有换能电路、印刷电子转换电路、集成电路、显示屏、天线和读卡器终端；所述换能电路采用印刷电子方式打印在基板上而制成，其包括能够感知外界信息的敏感器件，该换能电路能够通过物理或者化学方式将获得的传感信息转换为电信号；所述印刷电子转换电路与所述换能电路连接并将来自该换能电路的电信号转换为能够满足所述集成电路输入要求的电量模拟信号，该印刷电子转换电路采用印刷电子方式打印在基板上而制成；所述集成电路与所述印刷电子转换电路连接，并对来自该印刷电子转换电路的电量模拟信号进行处理分析且输出相应的通讯数据包信号；所述显示屏与所述集成电路连接并将来自该集成电路的通讯数据包信号显示出来；所述天线与所述集成电路连接并将来自该集成电路的通讯数据包信号发射出去，该天线采用印刷电子方式打印在基板上而制成；所述读卡器终端接收来自所述天线的通讯数据包信号并对之进行处理和显示。

2.根据权利要求1所述的印刷电子与集成电路混合结构的通用传感器系统，其特征在于：所述的集成电路包括模拟数字转换器、处理器、射频前端和稳压器，所述模拟数字转换器连接所述印刷电子转换电路，并且将来自该印刷电子转换电路的电量模拟信号数字化，所述的处理器连接所述模拟数字转换器和所述显示屏，并对来自该模拟数字转换器的数字化信号进行处理分析且组织成相应的通讯数据包，所述射频前端连接所述处理器和所述天线，并接收来自该处理器的通讯数据包信号且传输给该天线，所述稳压器连接外接电源，同时与所述换能电路、印刷电子转换电路、显示屏、模拟数字转换器、处理器和射频前端连接并且对之供电。

3.根据权利要求2所述的印刷电子与集成电路混合结构的通用传感器系统，其特征在于：所述的射频前端和天线以特定的通讯协议与所述读卡器终端进行通讯，支持ISO14443-1、ISO14443-2和ISO14443-3协议。

4.根据权利要求2所述的印刷电子与集成电路混合结构的通用传感器系统，其特征在于：所述的稳压器通过外接电源供电或者通过天线谐振供电。

5.根据权利要求2所述的印刷电子与集成电路混合结构的通用传感器系统，其特征在于：所述的处理器为MCU处理器或纯逻辑电路。

6.根据权利要求2所述的印刷电子与集成电路混合结构的通用传感器系统，其特征在于：所述的模拟数字转换器能够实现电流、电压或电阻的模拟数字转换。

7.根据权利要求1所述的印刷电子与集成电路混合结构的通用传感器系统，其特征在于：所述的换能电路的基板、印刷电子转换电路的基板和天线的基板为可弯曲的柔性基板，其材料为PEN、PET、PVC膜或纸，该换能电路、印刷电子转换电路和天线能够整体弯曲。

8.根据权利要求1所述的印刷电子与集成电路混合结构的通用传感器系统，其特征在于：所述的读卡器终端为NFC手机或者读卡器。

9.根据权利要求1所述的印刷电子与集成电路混合结构的通用传感器系统，其特征在于：所述的显示屏为LED、LCD或OLED显示屏。

10.根据权利要求1所述的印刷电子与集成电路混合结构的通用传感器系统，其特征在于：所述的电量模拟信号为电压、电流、电阻或电容信号。

11.根据权利要求1所述的印刷电子与集成电路混合结构的通用传感器系统，其特征在于：所述的外界信息为生物、化学、压力或温度信息。

12.根据权利要求1或11所述的印刷电子与集成电路混合结构的通用传感器系统，其特征在于：所述的换能电路和印刷电子转换电路能够根据不同的外界信息进行更换。