JP2008522184A

JP2008522184A - エネルギー捕集型の表面弾性波基盤の無電源／無線センサー

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Publication number: JP2008522184A
Application number: JP2007544253A
Authority: JP
Inventors: ブンキョウチョイ; ジェゲウンオ
Original assignee: エムディーティーカンパニーリミテッド
Priority date: 2004-12-04
Filing date: 2005-05-03
Publication date: 2008-06-26
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Abstract

エネルギー捕集型の表面弾性波基盤の無電源／無線センサーを備える。
本発明の無電源／無線センサーは、周辺の物理的な環境変化による機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換するエネルギー変換部と、エネルギー変換部で発生した電気エネルギーを整流して保存するエネルギー保存部と、エネルギー保存部に保存された電気エネルギーを供給されてＲＦ信号を発生させて出力するパルス発生部と、外部から加えられる圧力を感知する感知部と、パルス発生部からＲＦ信号を印加されて表面弾性波を発生させ、その表面弾性波に対応するＲＦ信号と感知部に加えられた圧力の大きさによって表面弾性波を可変させてその変化した表面弾性波に対応したＲＦ信号を出力するＳＡＷトランスポンダーと、を備え、これにより、外部の電源供給なしにも対象物に加えられる圧力をセンシングして、センシングされた計測データを遠距離まで無線で伝送することによって、センサーの小型化、知能化、無線化の傾向に符合でき、設置以後に半永久的に使用できる、メンテナンスフリーセンサーを提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、無電源／無線センサーに係り、特に周辺の物理的な環境（振動）変化による機械的エネルギーを電気エネルギーに変換させて保存し、この圧電発電を利用してセンサーの内部で自体的に表面弾性波（ＳｕｒｆａｃｅＡｃｏｕｓｔｉｃＷａｖｅ：ＳＡＷ）を生成した後、生成されたＳＡＷを利用して圧力をセンシングし、センシングされたデータを無線で伝送することによって、別途の電源供給が不要であり、長距離伝送が可能な無電源／無線センサーに関する。

一般的に、センサーは、ＤＣ電源を印加されて初めて動作が可能である。センサーにＤＣ電源を印加する方法としては、電線を通じて外部から電源を印加する方法と、内部にバッテリーを備えて電源を供給する方法とがある。

しかし、橋梁のコンクリートの内部のように人の手が届き難い所にセンサーを設置する場合、電線を利用した電源供給方式は、センサーと電源との距離が遠い場合、導線抵抗による電力損失の問題だけでなく、電線が切れた場合の、保守が不可能であり、バッテリーを利用する方式は、バッテリーの寿命が終われば、センサーを使用できなくなる。

したがって、半永久的に使用可能でありつつも、保守の必要性のないセンサーの開発が急務であり、かかる問題を解決するための方法として提案されているものが無電源センサーである受動センサーである。

従来使われている受動センサーとして代表的な形態は、電磁気誘導結合による共振周波数を検出する方法、ＳＡＷの反射波を利用する方法、及びＲＦＩＤのような無線電力伝送方法などがある。それらのうち、ＬＣ共振周波数を利用する方法は、感知距離が数ｃｍ以内であるため、使用範囲が非常に制限的であり、無線電力伝送方法は、識別のための読み取り／書き込み動作に対しては、現在の半導体技術により十分に低電力駆動が可能であるが、センサー（温度、湿度、反り、圧力など）を駆動させるのに十分な電力を供給できない。ＳＡＷを利用する方法は、受動センサーのうち最も優秀な性能を表しているが、まだ感知距離が短くて長距離データ伝送が不可能である。

図１は、従来のＳＡＷを利用した無電源／無線センサーの構成を簡略に示す構成図である。

図１の無電源／無線センサーは、圧電特性を有する基板（ＬｉＮｂＯ_３）上に多数のＩＤＴ（ＩｎｔｅｒＤｉｇｉｔａｌＴｒａｎｓｄｕｃｅｒ）金属電極がＳＡＷの伝播方向に沿って並列に配置された構造を有する。

外部の送受信装置（図示せず）から無線で高周波パルス信号である質疑パルス信号をセンサーに送信すれば、このパルス信号は、センサーのアンテナ３を通じてＳＡＷ素子部１に印加される。高周波のパルス信号がＳＡＷ素子部１に入射されれば、圧電気板により応力−発電の過程が反復されつつＳＡＷが生成される。

ＳＡＷ素子部１で生成されたＳＡＷは、センサー部２に進み、このＳＡＷは、反射板を経つつ、波の一部は進行方向に進み続けると共に、進行方向と逆方向の反射波Ｐ_１１を生成させる。生成された反射波Ｐ_１１は、ＳＡＷ素子部１に印加され、ＳＡＷ素子部１は、印加された反射波Ｐ_１１を再び電気的信号であるパルス信号（無線応答信号）に変換した後、アンテナ４を通じて無線で外部の送受信装置へ伝送される。外部の送受信装置は、反射波の形態（振幅の変化）を利用してセンサーで計測されたデータを分析する。

かかる従来の無電源／無線センサーは、外部の送受信装置から高周波のパルス信号を無線で印加されて、それを内部的に進めた後、そのときに形成される反射波を入力されたパルス信号に対する応答信号として再び無線で外部の送受信装置へ伝送する往復型であるので、中間に発生するエネルギー損失などによりその感知距離が短くて長距離データ伝送が不可能であるという問題がある。現在までの最大感知距離は、５ｍ（ＲＦＩＤタグの場合、約２０ｍ）ほどに過ぎない。

本発明の目的は、前述した問題を解決するためのものであって、無電源／無線センサーの構造を改善して、電源供給及び付加的な電子回路なしにもセンサーでセンシングされたデータを無線で長距離伝送を可能にするところにある。

前記目的を達成するための本発明のエネルギー捕集型のＳＡＷ基盤の無電源／無線センサーは、周辺の物理的な環境変化による機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換するエネルギー変換部と、前記エネルギー変換部で発生した電気エネルギーを整流して保存するエネルギー保存部と、前記エネルギー保存部に保存された電気エネルギーを供給されてＲＦ信号を発生させて出力するパルス発生部と、外部から加えられる圧力を感知する感知部と、前記パルス発生部からＲＦ信号を印加されてＳＡＷを発生させ、そのＳＡＷに対応するＲＦ信号と前記感知部に加えられた圧力の大きさによって前記ＳＡＷを可変させてその変化したＳＡＷに対応したＲＦ信号を出力するＳＡＷトランスポンダーと、を備える。

かかる本発明のエネルギー捕集型のＳＡＷ基盤の無電源／無線センサーにおいて、エネルギー変換部は、外部振動により圧電体に加えられる圧力を電気的エネルギーに変換する圧電発電器であり、感電部は、外部から加えられる圧力の大きさによって静電容量が可変する可変静電容量型の圧力センサーであることを特徴とする。

以下、添付された図面を参照して、本発明の望ましい実施形態をさらに詳細に説明する。

図２は、本発明によるエネルギー捕集型のＳＡＷ基盤の無電源／無線センサーの構成を示す構成図である。

本発明のエネルギー捕集型のＳＡＷ基盤の無電源／無線センサーは、エネルギー変換部１０、エネルギー保存部２０、パルス発生部３０、感知部４０及びＳＡＷトランスポンダー５０を備える。

エネルギー変換部１０は、振動のような周辺の物理的な環境変化による機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換する圧電発電器であって、圧電体（ＰＺＴ）に加えられる力により電圧を発生させ、その印加された力の大きさによって発生する電圧の量が変化する。図３は、図２で使われるエネルギー変換部１０の一実施形態であり、振動−電気エネルギー変換器を利用したＰＺＴの発電概念を示す図面であって、エネルギー変換部１０は、振動により発生する機械的エネルギーがＰＺＴを通じて電気的エネルギーに変換する構造を有する。エネルギー変換部１０で生成された電圧は、エネルギー保存部２０に印加される。

かかる圧電発電器は、従来使われている圧電素子を択一的に利用できるものであって、それについての詳細な説明は省略する。

エネルギー保存部２０は、エネルギー変換部１０で発生した高電圧を適当なレベルの電圧に変圧させた後、それを整流してＤＣ電圧に保存する。図４は、図２のエネルギー保存部２０の回路構成をさらに詳細に示した回路図である。エネルギー変換部１０で発生した電圧は、トランスフォーマー２１で適正なレベルに降圧された後、ブリッジ整流器２２を通じて全波整流されてコンデンサーＣ１に充電される。コンデンサーＣ１に充電されたＤＣ電圧は、昇圧回路２４で昇圧された後、電圧調整部２５によりパルス発生部３０を駆動させる電圧Ｖｃｃに調整されてパルス発生部３０に出力される。図５は、ＰＺＴに加えられる振動回数によって、コンデンサーＣ１に電気エネルギーが保存される実験結果を示す図面である。エネルギー保存部２０は、コンデンサーＣ１に既規定されたレベルほど充電されれば、保存された電気エネルギーを放出させてパルス発生部３０を駆動させる。

パルス発生部３０は、電圧制御発振器（ＶｏｌｔａｇｅＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄＯｓｃｉｌｌａｔｏｒ：ＶＣＯ）であって、エネルギー保存部２０から出力される電圧Ｖｃｃによって調整される発振周波数でＲＦ信号を発生させてＳＡＷトランスポンダー５０に印加することによって、ＳＡＷトランスポンダー５０でＳＡＷが発生するように誘導する。すなわち、本発明では、外部から無線でＲＦ信号を印加されずに自体的にＲＦ信号を発生させてＳＡＷを誘導する。

感知部４０は、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）技術を利用した可変静電容量型の圧力センサーであって、外部から加えられる圧力によって静電容量が可変し、その可変程度によってＳＡＷトランスポンダー５０のセンサーＩＤＴ５２に対するインピーダンスを可変させる。すなわち、センサーに加えられた圧力によってセンサーＩＤＴ５２に対するインピーダンスが可変し、そのインピーダンスの変化によってセンサーＩＤＴ５２を通過したＳＡＷの振幅が変化するので、その振幅がどれほど変わったかを計算することによって、センサーに加えられた圧力が分かる。

ＳＡＷトランスポンダー５０は、パルス発生部３０からＲＦ信号を印加されてＳＡＷを発生させ、ＳＡＷにより計測された感知部４０のセンシング値（圧力情報）をアンテナ５５を通じて無線信号として出力する。すなわち、本発明のＳＡＷトランスポンダー５０は、従来のＳＡＷトランスポンダーのように外部からＲＦ信号を入力されてＳＡＷを生成するものではなく、センサー内に備えられる圧電発電器１０を利用して電気エネルギーを生成した後、その電気エネルギーを利用して内部的にＲＦ信号を発生させてＳＡＷを生成する。したがって、挿入損失を約２０ないし３０ｄＢ減少させ、従来のように質疑パルス信号に対する応答パルス信号を伝送する往復型でないので、システムの側面で３０ｄＢ以上の利益が得られる。これは、パワーの側面では、約１０００倍の利益を有するので、一般のＳＡＷで製作した往復型センサーに比べて距離上利益は約５．６倍となる。かかるＳＡＷトランスポンダー５０は、圧電特性を有する基板（ＬｉＮｂＯ_３）上に並列に配列された多数のＩＤＴ金属電極を備える。

かかるＳＡＷトランスポンダー５０は、発振ＩＤＴ５１、センサーＩＤＴ５２、基準ＩＤＴ５３、出力ＩＤＴ５４及びアンテナ５５を備える。

発振ＩＤＴ５１は、パルス発生器３０からＲＦ信号を印加されて、それをＳＡＷに変換してセンサーＩＤＴ５２に出力する。

センサーＩＤＴ５２は、感知部４０と電気的に連結され、発振ＩＤＴ５１と出力ＩＤＴ５４との間で発振ＩＤＴ５１で生成されたＳＡＷが出力ＩＤＴ５４に印加される波の進行経路上に設置される。すなわち、発振ＩＤＴ５１で生成されたＳＡＷは、センサーＩＤＴ５２を通過して出力ＩＤＴ５４に印加され、このとき、感知部４０に圧力が加えられて感知部４０の静電容量が変化すれば、これにより、センサーＩＤＴ５２のインピーダンスが可変して通過するＳＡＷの振幅の大きさを変化させる。

基準ＩＤＴ５３は、出力ＩＤＴ５４を中心に発振ＩＤＴ５１と逆方向に設置され、パルス発生器３０からＲＦ信号を印加されれば、それをＳＡＷに変換させて出力ＩＤＴ５４に出力する。このとき、基準ＩＤＴ５３で生成されるＳＡＷは、発振ＩＤＴ５１で生成されるＳＡＷと同じ振幅を有する波形であって、発振ＩＤＴ５１で生成されたＳＡＷが感知部４０に加えられた圧力によってセンサーＩＤＴ５２でどれほど変化したかが分かるように比較するための基準となるＳＡＷである。したがって、発振ＩＤＴ５１と基準ＩＤＴ５３とは、二つのＩＤＴ５１，５３で生成されるＳＡＷが同じ大きさの振幅を有するように設計される。そして、基準ＩＤＴ５３は、基準ＩＤＴ５３と出力ＩＤＴ５４との距離が発振ＩＤＴ５１と出力ＩＤＴ５４との距離より近く設置される。

出力ＩＤＴ５４は、基準ＩＤＴ５３とセンサーＩＤＴ５２とから印加されるＳＡＷをそれぞれＲＦ信号（ＲＦセンサー信号）に変換し、変換したＲＦセンサー信号は、アンテナ５５を通じて無線で外部の計測装置（図示せず）へ伝送される。

外部の計測装置（図示せず）では、基準ＩＤＴ５３で発生したＳＡＷに対応するＲＦセンサー信号と、センサーＩＤＴ５２で発生したＳＡＷに対応するＲＦセンサー信号とを順次に無線で受信した後、受信された信号を信号処理してその振幅の大きさを比較することによって、前記感知部４０に加えられた圧力の大きさを計測する。

図６ないし９は、図２で感知部４０の作動構造を示す図面である。

本発明による静電容量型の圧力センサーは、二つの極板の間隔ｄ、誘電定数ε_０及び極板の面積によって変わる静電容量を検出するものであって、二つの極板間の静電容量は、
で表現され、薄膜形態の場合、静電容量の変化率は、薄膜の変形によって変わり、その大きさは、積分型で数式１のように表現される。

ここで、ｄ（ｘ，ｙ）は、薄膜の反りによる座標の変化量である。

数式１のように、静電容量の変化は、二つの極板間の距離によって変わる非線形関数である。通常、センサーの特性を表す時、線形性は、主要な性能因子であり、静電容量センサーの場合、非線形性は望ましくない特性である。したがって、本発明では、既存の静電容量型センサーの長所である温度によって特性が変わらない性質を有し、かつ短所である非線形性及び最大−最小静電容量の差が少ないという点を補完し、無線トランスポンダーに適用しようとするＳＡＷ素子の特性パターンに合わせて圧力センサーを図６のようなタッチモード（ＴｏｕｃｈＭｏｄｅ：ＴＭ）で設計した。

図６は、タッチ以前の薄膜変形（静電容量∝１／極板間隔）を、図７は、タッチ時の薄膜変形を、図８は、タッチ以後の薄膜変形（静電容量∝タッチされた極板面積）を、図９は、ｘ−ｙ面で見た薄膜の形状をそれぞれ示す。ここで、薄膜に加えられた圧力の大きさは、Ｐ_１＜Ｐ_２＜Ｐ_３である。

一般的に、薄膜あるいは板の変形についての解析は、小変形という仮定下で解析するが、ＴＭの場合、大変形に該当する。しかし、一般的な大変形の支配方程式のみでも正確に解析し難いが、これは、薄膜が底部に着いた以後から境界条件が印加圧力によって変わり続けて、接触面積が次第に広くなるためである。したがって、出願人は、数式２のような一般的な大変形の支配方程式に対して、ＦＥＡ（ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＡｎａｌｙｓｉｓ）を通じた解析的技法でＴＭ変形についての解析を行った。

ここで、Ｄは曲げ剛性であって、
であり、Ｐは印加圧力を、ｗは（ｘ，ｙ）座標での反りを、Ｅはヤング率を、ｖはポアソン比を、Ｆは応力関数をそれぞれ表す。図１０は、数式２に対するＦＥＡ解析を通じて、ＴＭの厚さが４．５μｍ、極板間隙が５．８μｍ、一辺の長さが４００μｍである薄膜に対して、印加圧力による薄膜の変形をシミュレーションした結果を示す図面である。図１１は、図１０において、ＴＭ接触境界の挙動、図１２は、ＦＥＡ解析によるシミュレーション測定結果をそれぞれ表す。

図１３は、図２でＳＡＷトランスポンダー５０のＩＤＴ電極に対する実際の製作形態を示す図面である。

ＳＡＷトランスポンダー５０のＩＤＴ電極は、図１３のように、圧電基板（ＬｉＮｂＯ_３）上にアルミニウム（Ａｌ）薄膜を蒸着することによって形成される。このとき、ＩＤＴ電極を形成するためのＡｌ薄膜の蒸着とリソグラフィ工程は、素子の品質を左右するほど非常に重要である。Ａｌ薄膜が設計で要求するレベルより薄く蒸着されれば、全体ＩＤＴのインピーダンスが上昇してＲＦ信号の流れに妨害要因として作用する。一方、Ａｌ薄膜が設計で要求したレベル以上に厚く蒸着されれば、インピーダンスは減少するが、Ａｌ電極の重量が増加して、ＳＡＷの進行を妨害する“Ｍａｓｓｌｏａｄｉｎｇｅｆｆｅｃｔ”が発生する。したがって、適当な厚さのＡｌ薄膜を蒸着せねばならない。Ａｌ薄膜の蒸着は、熱蒸着、イオンビーム蒸着及びスパッタなどの工程を通じて行われ、工程後に圧電基板の残留応力の影響を除去することが最も重要である。

圧電基板にＡｌ薄膜が蒸着された後、ＩＤＴ電極５１ないし５４を形成するためにリソグラフィ工程及びエッチング工程が行われる。このとき、薄膜蒸着されたＡｌは、エッチング液により速くエッチングされるので、設計したパターン幅未満にさらにエッチングされるオーバーエッチ現象が現れる。したがって、オーバーエッチの影響を減らすために、エッチング液の組成比を変えて工程実験を行い、エッチング液の組成比によるエッチング現象は図１４、１５の通りである。このとき、エッチング液の組成比は、燐酸：硝酸：酢酸：ＤＩＷａｔｅｒ＝４ないし２０：１：１ないし５：１ないし２とする。エッチング率は、燐酸の含有量によって、燐酸の含有量が多ければ、速いエッチ条件に該当し、前記組成液の比率によって、エッチング率は３００ないし３０００Å／ｍｉｎほどとなる。

写真工程のために、一般的なフォトレジスト（ＰＲ）であるＡＺ１５１２またはＡＺ７２２０などを利用できる。このとき、パターンの最小線幅は２μｍとし、Ａｌエッチングは、速いエッチング条件と遅いエッチング条件とに分けて工程を行った。

図１４は、速いエッチングによるＡｌ薄膜のエッチング状態を示しており、図１５は、遅いエッチングによるＡｌ薄膜のエッチング状態を示している。図１４及び図１５に示すように、速いエッチング条件では、ＡｌＩＤＴ電極のオーバーエッチが著しく現れているが、遅いエッチング条件では、設計の形状と類似した大きさのＩＤＴ電極が形成されるのが確認できた。

前述した構成を有する本発明によるエネルギー捕集型のＳＡＷ基盤の無電源／無線センサーの動作を簡略に説明すれば、次の通りである。

本発明の無電源／無線センサーに設置された構造物周辺の物理的環境（例えば、振動）により圧電発電器１０に振動が加えられれば、図３のように、圧電発電器１０は、振動エネルギーを電気的エネルギーに変換させて出力する。

圧電発電器１０で発電された電気エネルギーは、エネルギー保存部２０のキャパシタＣ１を充電させる。エネルギー保存部２０は、キャパシタＣ１が既に規定されたレベルまで充電されれば、保存された電気エネルギーをパルス発生器３０に放出させてパルス発生器３０を駆動させる。

パルス発生器３０は、エネルギー保存部２０から電気エネルギーを供給されれば、供給された電気エネルギーの電圧大きさによって発振周波数が調節されて、該周波数によるＲＦ信号を発生させる。パルス発生器３０で発生したＲＦ信号は、基準ＩＤＴ５３と発振ＩＤＴ５１とにそれぞれ印加される。

基準ＩＤＴ５３と発振ＩＤＴ５１とは、ＲＦ信号が印加されれば、それをＳＡＷに変換させて出力する。このとき、基準ＩＤＴ５３で生成されたＳＡＷ（以下、‘基準ＳＡＷ’という）と、発振ＩＤＴ５１で生成されたＳＡＷ（以下、‘センシングＳＡＷ’という）とは同じ大きさの振幅を有する。

基準ＩＤＴ５３と発振ＩＤＴ５１とでそれぞれ生成された基準ＳＡＷとセンシングＳＡＷとは、図２での矢印方向に進んで出力ＩＤＴ５４に印加される。すなわち、基準ＩＤＴ５３で生成された基準ＳＡＷは、直ちに出力ＩＤＴ５４に印加され、発振ＩＤＴ５１で生成されたセンシングＳＡＷは、センサーＩＤＴ５２を経て出力ＩＤＴ５４に印加される。このとき、基準ＩＤＴ５３と出力ＩＤＴ５４との距離（基準ＳＡＷの進行距離）が発振ＩＤＴ５１と出力ＩＤＴ５４との距離（センシングＳＡＷの進行距離）より短いため、基準ＳＡＷがセンシングＳＡＷより先に出力ＩＤＴ５４に印加される。

これにより、基準ＩＤＴ５３で生成された基準ＳＡＷが先に出力ＩＤＴ５４でＲＦセンサー信号に変換された後、アンテナ５５を通じて無線で外部の計測装置（図示せず）へ伝送される。このとき、基準ＳＡＷは、進行途中で他のＩＤＴ金属を経由しないので、基準ＩＤＴ５３で生成された波形を維持する。

次いで、発振ＩＤＴ５１で生成されたセンシングＳＡＷが出力ＩＤＴ５４に印加されてＲＦセンサー信号に変換された後、アンテナ５５を通じて無線で外部の計測装置（図示せず）へ伝送される。しかし、発振ＩＤＴ５１と出力ＩＤＴ５４との間にセンサーＩＤＴ５２が存在するため、センシングＳＡＷは、基準ＳＡＷと異なり、出力ＩＤＴ５４に進む途中でセンサーＩＤＴ５２でＲＦ信号に変換されて再びＳＡＷに変換される過程をさらに経る。これにより、センシングＳＡＷは、その振幅の大きさが変化し、その変化程度は、センサーＩＤＴ５２のインピーダンス、すなわち感知部４０に加えられた圧力によって可変する静電容量の大きさによって変わる。すなわち、圧力センサーに加えられる外部の圧力の大きさによって感知部４０の静電容量が変化し、その変化程度によってセンシングＳＡＷの振幅の大きさが決定される。

センサーＩＤＴ５２により振幅の大きさが変換したセンシングＳＡＷは、出力ＩＤＴ５４でＲＦセンサー信号に変換されてアンテナ５５を通じて外部の計測装置（図示せず）へ伝送される。外部の計測装置（図示せず）は、センシングＳＡＷに対応するＲＦセンサー信号と先に到着した基準ＳＡＷに対応するＲＦセンサー信号とをそれぞれ信号処理した後、二つの信号の振幅を比較してその差を計算することによって、圧力センサーに加えられた圧力の大きさを算出する。

前述したように、本発明のエネルギー捕集型のＳＡＷ基盤の無電源／無線センサーは、外部の電源供給なしにもセンシングが可能であり、センシングされた計測データを遠距離まで無線で伝送できるので、センサーの小型化、知能化、無線化の傾向に符合でき、設置以後に半永久的に使用できる、メンテナンスフリーセンサーを提供する。

従来のＳＡＷを利用した無電源／無線センサーの構成を示す構成図である。本発明によるエネルギー捕集型のＳＡＷ基盤の無電源／無線センサーの構成を示す構成図である。図２で使われるエネルギー変換部の一実施形態であり、振動−電気エネルギー変換器を利用したＰＺＴの発電概念を示す図面である。図２のエネルギー保存部の回路構成をさらに詳細に示す回路図である。ＰＺＴに加えられる振動回数によってコンデンサーに電気エネルギーが保存される実験結果を示す図面である。図２の感知部の作動構造を示す図面である。図２の感知部の作動構造を示す図面である。図２の感知部の作動構造を示す図面である。図２の感知部の作動構造を示す図面である。数式２に対するＦＥＡ解析を通じて、ＴＭの厚さが４．５μｍ、極板間隙が５．８μｍ、一辺の長さが４００μｍである薄膜に対して、印加圧力による薄膜の変形をシミュレーションした結果を示す図面である。図１０のＴＭ接触境界の挙動に対するシミュレーション測定結果を示す図面である。図１０における、ＦＥＡ解析によるシミュレーション測定結果を示す図面である。図２のＳＡＷトランスポンダーのＩＤＴ電極に対する実際の製作形態を示す図面である。エッチング液の混合比によるＡｌ薄膜のエッチング特性を示す図面である。エッチング液の混合比によるＡｌ薄膜のエッチング特性を示す図面である。

Claims

周辺の物理的な環境変化による機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換するエネルギー変換部と、
前記エネルギー変換部で発生した電気エネルギーを整流して保存するエネルギー保存部と、
前記エネルギー保存部に保存された電気エネルギーを供給されてＲＦ信号を発生させて出力するパルス発生部と、
外部から加えられる圧力を感知する感知部と、
前記パルス発生部からＲＦ信号を印加されて表面弾性波を発生させ、その表面弾性波に対応するＲＦ信号と前記感知部に加えられた圧力の大きさによって前記表面弾性波を可変させてその変化した表面弾性波に対応したＲＦ信号を出力するＳＡＷトランスポンダーと、を備えるエネルギー捕集型の表面弾性波基盤の無電源／無線センサー。
前記エネルギー変換部は、
外部振動により圧電体に加えられる圧力を電気的エネルギーに変換する圧電発電器であることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー捕集型の表面弾性波基盤の無電源／無線センサー。
前記エネルギー保存部は、
前記エネルギー変換部で発生した電圧を適正なレベルに降圧させるトランスフォーマーと、
前記トランスフォーマーの出力電圧を整流する整流器と、
前記整流器の出力電圧を充電する充電部と、
前記充電部の出力電圧を昇圧させて出力する昇圧部と、
前記昇圧部の出力電圧を前記パルス発生部の駆動電圧として調整して前記パルス発生部に出力する電圧調整部と、を備えることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー捕集型の表面弾性波基盤の無電源／無線センサー。
前記パルス発生部は、
前記エネルギー保存部の出力電圧によって発振周波数を生成する電圧制御発振器であることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー捕集型の表面弾性波基盤の無電源／無線センサー。
前記感知部は、
外部から加えられる圧力の大きさによって静電容量が可変する可変静電容量型の圧力センサーであることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー捕集型の表面弾性波基盤の無電源／無線センサー。
前記ＳＡＷトランスポンダーは、
前記パルス発生器からＲＦ信号を印加されて、それを第１表面弾性波に変換させて出力する基準ＩＤＴと、
前記パルス発生器からＲＦ信号を印加されて、それを第２表面弾性波に変換させて出力する発振ＩＤＴと、
前記感知部に加えられた圧力の大きさによってインピーダンスが可変して、前記発振ＩＤＴから出力される前記第２表面弾性波の振幅を変化させて出力するセンサーＩＤＴと、
前記基準ＩＤＴから印加される前記第１表面弾性波と、前記センサーＩＤＴから印加される第２表面弾性波とを順次にＲＦ信号に変換させる出力ＩＤＴと、
前記出力ＩＤＴのＲＦ信号を無線で伝送するアンテナと、を備えることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー捕集型の表面弾性波基盤の無電源／無線センサー。
前記基準ＩＤＴ及び前記発振ＩＤＴは、
前記出力ＩＤＴを中心に逆方向に異なる距離ほど離隔されて設置されることを特徴とする請求項６に記載のエネルギー捕集型の表面弾性波基盤の無電源／無線センサー。
前記第１表面弾性波及び前記第２表面弾性波は、同じ振幅を有することを特徴とする請求項６または７に記載のエネルギー捕集型の表面弾性波基盤の無電源／無線センサー。
前記第１表面弾性波に対応する第１ＲＦ信号と、前記第２表面弾性波に対応する第２ＲＦ信号とを順次に無線で印加されて、その振幅の大きさを比較して前記感知部に加えられた圧力を算出する計測装置をさらに備えることを特徴とする請求項６に記載のエネルギー捕集型の表面弾性波基盤の無電源／無線センサー。