JP2016502164A - 集積オンチップアンテナを通じた無線変換器のためのシステム及び方法 - Google Patents
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Abstract
無線センサに適した新たな方法及びシステムを説明する。システムは、環境発電ユニット、変換器、電子制御回路、及びアンテナを備えることができる。全ての要素は、単一システム内にモノシリックに集積することができる。【選択図】図１
Description
[関連出願の相互参照]
本願は、２０１２年１０月１６日付け出願の米国仮特許出願第６１／７１４，６０５号の優先権を主張し、２０１０年８月２０日付け出願の米国特許出願番号第１２／８６０，７２３号（代理人整理番号Ｐ６３７―ＵＳ）及び２０１３年２月１１日付け米国特許公開第２０１３−０２０７６３９号に関連し、全てのその開示は、参照によりここに全てが組み込まれる。
本願は、２０１２年１０月１６日付け出願の米国仮特許出願第６１／７１４，６０５号の優先権を主張し、２０１０年８月２０日付け出願の米国特許出願番号第１２／８６０，７２３号（代理人整理番号Ｐ６３７―ＵＳ）及び２０１３年２月１１日付け米国特許公開第２０１３−０２０７６３９号に関連し、全てのその開示は、参照によりここに全てが組み込まれる。
[技術分野]
本発明は、無線センサに関する。より具体的に、本発明は、集積アンテナを有する無線センシングのためのシステム及び方法に関する。
本発明は、無線センサに関する。より具体的に、本発明は、集積アンテナを有する無線センシングのためのシステム及び方法に関する。
本発明の第１の態様によれば、無線センシングのためのシステムが記載され、該システムは、電磁放射から前記システムに電力を提供するように構成される環境発電装置と、測定可能な量を検出するように構成される変換器と、電子回路と、アンテナと、を備え、前記電子回路は、前記測定可能な量をエンコードし、それらを前記アンテナに送信するように構成され、前記アンテナは、前記エンコードされた測定可能な量を送信するように構成され、さらに、前記環境発電装置、前記変換器、前記電子回路及び電気アンテナが、前記システム内にモニシリックに集積される。
本発明の第２の態様によれば、無線センシングのためのシステムが記載され、該システムは、電磁放射から前記システムに電力を提供するように構成される環境発電装置と、測定可能な量を検出するように構成される変換器と、電子回路と、アンテナと、を備え、前記電子回路は、前記測定可能な量をエンコードし、それらを前記アンテナに送信するように構成され、前記アンテナは、前記エンコードされた測定可能な量を送信するように構成され、さらに、前記変換器、前記電子回路及び電気アンテナが、前記システム内にモニシリックに集積される。
添付図は、本明細書に組み込まれてその一部を構成し、例示的な実施形態の説明と併せて本発明の一以上の実施形態を説明し、本発明の原理及び実施態様を説明するために用いられる。
集積アンテナを有するセンシングシステムの一実施形態を示す図である。
光学的に駆動されるセンシングシステムの一実施形態を示す図である。
光ファイバにより伝搬される光によって、光学的に駆動されるセンシングシステムを示す図である。
センシングシステムにおける電子回路の一実施形態を示す図である。
本明細書は、プラットフォームを説明し、ここでは、無線センサにより測定されたデータの通信に用いるアンテナがモノシリックに製造されたオンチップを特徴とするプラットフォームについて説明する。ある実施形態において、このプラットフォームは、電磁放射から電気を生成する環境発電装置と、目標物の入力を電流又は電圧に変換する変換器モジュールと、システム内の他の構成要素を制御する電子回路と、その電子回路と同一チップ上にモニシリックに集積されたアンテナとを組み合わせる。環境発電装置は、システムに電力を供給するために、マイクロ波又は光放射から電気を生成することができ、変換器は、例えば温度又は化学反応といった、目標物の周囲の信号を、電流又は電圧に変換する。そして、電子回路は、入力信号をエンコードし、このエンコードされた入力信号は、オンチップアンテナを通じて送信される。その後、外部の検知器及び計算装置は、これらのデータを受信し、測定による元の信号に復調する。
ここに記載されるシステム及び方法の一利点は、アライメント、検出等の点において光データリンクと比較すると、無線周波数通信に順応性があることである。ＧＨｚ以上のより高いオーダーの搬送波で、プラットフォーム全体のサイズは、生物学的組織への移植のような用途向けには十分に小さく、同時に、検知器の照準線調整は、光通信の場合のように厳密に要求されない。検知器の照準線調整は、ある環境下で実現できない可能性がある。
搬送波は、プラットフォームを囲む材料による吸収スペクトルにおけるマイクロ波窓を利用するように設計することができ、さらに、アンテナの放射パターンは、特定の用途に対する要求を満たすようにカスタマイズすることができる。例えば、ヒト生物学的組織内部のアンテナの放射パターンは、送信信号を最大限にするために、組織外部の方向を指すことができる。また、放射パターンは、特定の組織又は器官を避ける方向を指すことができ、例えば、送信電力を節約すること又は副作用から生物学的組織を保護することのどちらか一方のために（又は両方）、放射パターンは、生物学的組織により吸収される不要輻射を避ける方向を指すことができる。
無線センシングプラットフォームのためのシステム及び方法は、当業者に知られている。そのようなプラットフォームは、半導体光発電、電気回路、変換器モジュール、及びデータリンクレーザを組み合わせることができ、例えば、上記で引用された米国特許出願番号第１２／８６０，７２３号及び米国特許公開第２０１３−０２０７６３９号に記載された通りであり、これらの両方の開示は、参照によりここに全てが組み込まれる。しかしながら、データリンクレーザは、データ伝送をかなり指向的にする性質があり、これにより、ある状況下で、光検出器の配置は制限されてしまう。例えば、移植された無線チップに隣接する外部の空間は、合理的な照準線調整範囲内で光検出器モジュールを取り付けるには、あまりに狭すぎるかもしれない。従って、特定の状況において、マイクロ波データリンクを備え、その一方で完全なプラットフォームの小型化された特徴を維持することは、有利となりえる。本明細書は、高集積であり、可能な限りモノシリックな無線データ通信の実施例を記載する。
本明細書において、説明するプラットフォームは、無線周波数（ＲＦ）通信のための電子回路とモノシリックに集積されたオンチップアンテナを用いて製造される。完全なプラットフォームは、マイクロ波放射又は光照射のどちらか一方により、駆動することができる。
図１は、本発明の一実施形態を示し、ここでは、プラットフォーム１００は、ＲＦ放射１０２により駆動される。ＲＦ環境発電ユニット１０５は、電子回路に供給する電気を生成し、その電子回路は、プラットフォーム１００の他の部分を制御し、この他の部分は、例えば、要素１１０、アンテナ１１５、データリンク１２０等である。例えば、環境発電ユニット１０５は、誘導コイルであってもよい。ある実施形態において、この誘導コイルは、オフチップモジュールであってもよく、又は、プラットフォーム１００の一部にモノシリックに集積されていてもよい。
要素１１０は、変換器又はセンサを備えてもよく、用語は、本明細書において互換的に使用される。要素１１０は、周囲の測定可能な量１２５の異なる種類を、検出又は測定することができる。これらの量１２５は、本質的に、物理的、化学的、又は生物学的であってよい。例として、当業者に理解されるように、温度、ｐＨ値、血糖含有量、ガス濃度等が挙げられる。
図２は、本発明の他の実施形態を示し、ここでは、プラットフォーム２００は、光放射２０２により駆動される。光発電ユニット２０５は、電子回路に供給する電気を生成し、その電子回路は、プラットフォーム２００の他の部分を制御し、この他の部分は、例えば、変換器２１０、アンテナ２１５、及びデータリンク２２０等である。例えば、ある実施形態において、光発電ユニット２０５は、半導体光発電モジュールであってもよく、ヘテロエピキャピタル境界（例えば、III-Ｖ太陽電池）か、モノシリック的な集積（例えば、Ｓi光発電オンチップ）であってもよい。Ｓｉ光発電オンチップは、当業者に知られている。光発電ユニット２０５は、電力を供給するために、光放射２０２を電気に変換する。
要素２１０は、変換器又はセンサを備えることができ、これにより、周囲の測定可能な量２２５の異なる種類を、検出又は測定することが可能になる。これらの量２２５は、本質的に、物理的、化学的、又は生物学的であってよい。例として、当業者に理解されるように、温度、ｐＨ値、血糖含有量、ガス濃度等が挙げられる。
図３は、本発明の他の実施形態を示し、ここでは、プラットフォーム２００は、ファイバ媒介型の照射３０２により駆動される。光発電ユニット３０５は、電子回路に供給する電気を生成し、その電子回路は、プラットフォーム３００の他の部分を制御し、この他の部分は、例えば、変換器３１０、アンテナ３１５、データリンク３２０等である。例えば、ある実施形態において、光発電ユニット３０５は、半導体光発電モジュールであってもよく、ヘテロエピタキシャル境界（例えば、III-Ｖ太陽電池）か、モノシリック的な集積（例えば、Ｓｉ光発電オンチップ）であってもよい。光発電ユニット３０５は、電力を供給するために、光放射３０２を電気に変換する。
要素３１０は、変換器又はセンサを備えることができ、これにより、周囲の測定可能な量３２５の異なる種類を、検出又は測定することが可能になる。これらの量３２５は、本質的に、物理的、化学的、又は生物学的であってよい。例として、当業者に理解されるように、温度、ｐＨ値、血糖含有量、ガス濃度等が挙げられる。
幾つかの実施形態では、電子回路、アンテナドライバ、及びオンチップアンテナは、全て同一チップにモノシリックに集積することができる。実装の一方法は、チップ用の商業的なＣＭＯＳ製造工場に設計を依頼することである。
変換器（例えば、図３に示す要素３１０）は、周囲からの目標物の様々な入力（例えば、図３に示す要素３２５）を、検出又は変換することができる。例として、電圧、温度、化学、又は血糖変動が挙げられ、これらは、電流信号又は電圧信号に変換することができ、さらに、順々に電子回路に供給して増幅するか、電子回路により処理することができる。センシング装置の例は、当業者に知られている。ある例は、２０１３年７月１２日付け出願の米国特許出願番号第１３／９４１，２４０号（代理人整理番号Ｐ１１７０―ＵＳ）に開示されており、この開示は、参照によりここに全てが組み込まれる。
本明細書に記載のシステムにおける電子回路は、必要ならば、当業者に理解されるように、電圧コンバータ、電圧レギュレータ、エネルギー貯蔵等を含んでいてもよい。
完全なプラットフォームが十分に小型化するためは、ＲＦデータリンクが、ＧＨｚオーダーの周波数範囲で動作するように設計される。可能な選択として、アンテナの搬送波周波数が１から１００ＧＨｚ間となるように設計することがあり、これにより、通常のコード体系の実装が可能になる。プラットフォームは、生物学的組織内に移植することが可能であるため、増幅変調（ＡＭ）に代わり、周波数変調（ＦＭ）又は位相変調（ＰＭ）をエンコードするために、利用することができる。理由は、当業者に理解されるように、そのような選択が、散乱、マルチパス伝播等の問題を回避することに役立つためである。
移植の状況（例えば、血管に近い脂質組織内に移植される等）に応じて、データ伝送の信号損失を最小限にするために、搬送波周波数は、周囲の組織の吸収スペクトルにおけるマイクロ波窓に対応するように設計することができる。また、アンテナ放射パターンは、プラットフォームの特定要求に応じて調整することができる。
本発明のある実施形態では、図４に示すように、データ４０５が、変換器により検出される。例えば、センサは、機能電極４０５上の酵素反応に関連する電気信号を測定することもできる。
ＧＨｚ範囲での伝送のために、プラットフォーム上の電圧制御発振器（ＶＣＯ）は、電気信号４０５を調整することができる。オペアンプ増幅器４１５は、ＶＣＯ４１０の出力を増幅し、これにより、アンテナ４２０を駆動する。
上記のように、アンテナ４２０の周波数範囲は、アンテナ４２０と受信機４３０との間に在りえる障害物４２５を介する伝送を可能にするために、調整することができる。例えば、障害物４２５は、人体の生物学的組織かもしれない。
従って、データ４０５は、伝送のためにエンコードされ、ＲＦ信号４２０によって伝送され、その後、外部のマイクロ波検出器４３０により検出することができる。その後、検出された信号は、測定による元の信号を復元するために、計算装置により復調される。
例えば、上記で引用された米国特許出願番号第１３／９４１，２４０号において、機能電極の開示が記載される。ＶＣＯの開示は、当業者に知られており、さらに、例えば、Neil H. E. Weste等による「Principles of CMOS VLSI Design: A System Perspective(Addison Wesley, 2000)」に記載され、この開示は、参照によりここに全てが組み込まれる。図４は、ＶＣＯの回路例を示す。当業者により理解されるように、他の電子回路も、本発明の他の実施形態において利用することができる。
本発明については、複数の実施形態に基づいて記述したが、けれども、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、様々な改変がされ得ることが理解できる。従って、他の実施形態も次の特許請求の範囲に包含される。
上述の例により、本発明の全範囲に対応付けられる実施形態の作成及び使用する方法の完全な開示及び説明が当業者に提供され、また、上述の例は、発明者らが本発明とみなす範囲を制限することを意図しない。
ここに開示された方法及びシステムを実行するために、上記形態の修正は、当業者にとって明らかであり、この修正も、次の特許請求の範囲内であることが意図される。明細者内で言及される全ての特許及び刊行物は、本発明に属する当業者の技術レベルを示すものである。本明細書で引用された全ての参考文献は、参照により同程度に組み込まれ、各参考文献は、参照によりその全てが個々に組み込まれる。
本発明は、特定の方法又はシステムに限定されないことが理解され、これは、当然に変更することができる。また、本明細書の用語は、特定の実施形態のみを説明する目的で使用されることが理解され、限定を意図するものではない。本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用されるように、「ある」、「一つ」、及び「前記」は、その性質に反しない限り、複数の指示対象を含む。用語「複数」は、要旨が明らかに指示しない限り、二以上の指示対象を含む。定義されない限り、ここで使用される技術用語及び科学用語は、当業者によって通常に理解されるものと、同じような意味を有する。
Claims (19)
- 無線変換器のためのシステムであって、該システムは、
電磁放射から前記システムに電力を提供するように構成される環境発電装置と、
測定可能な量を検出するように構成される変換器と、
電子回路と、
アンテナと、を備え、
前記電子回路は、前記測定可能な量をエンコードし、それらを前記アンテナに送信するように構成され、前記アンテナは、前記エンコードされた測定可能な量を送信するように構成され、さらに、前記環境発電装置、前記変換器、前記電子回路及び電気アンテナが、前記システム内にモニシリックに集積される、システム。 - 請求項１に記載のシステムにおいて、前記環境発電装置は、無線周波数放射により駆動される誘導コイルである、システム。
- 請求項１に記載のシステムにおいて、前記環境発電装置は、光照射により駆動される光発電ユニットである、システム。
- 請求項３に記載のシステムにおいて、前記光照射は、光ファイバを通じて伝搬される、システム。
- 請求項１〜４のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記変換器は、生物学的量又は化学的量を検出する機能電極を有する、システム。
- 請求項１〜５のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記電子回路は、電圧制御発振器を備える、システム。
- 請求項１〜６のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記アンテナは、１から１００ＧＨｚの周波数範囲内で動作する、システム。
- 請求項１〜７のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記アンテナは、前記システムを囲む材料を貫いて送信することできる周波数範囲内で動作するように構成される、システム。
- 請求項８に記載のシステムにおいて、前記周波数範囲は、前記システムを囲む前記材料の吸収ギャップである、システム。
- 請求項８に記載のシステムにおいて、前記材料は、ヒト生物学的組織である、システム。
- 請求項１〜１０のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記アンテナの放射パターンは、所望のパターンによって信号を送信するように構成される、システム。
- 請求項１１に記載のシステムにおいて、前記システムは、ヒト生物学的組織内にあり、前記所望のパターンは、前記ヒト生物学的組織の外側の方向を指す、システム。
- 請求項１２に記載のシステムにおいて、前記所望のパターンは、前記ヒト生物学的組織の特定部分を避ける方向を指す、システム。
- 請求項１〜１３のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記システムにモニシリックに集積されない受信機をさらに備える、システム。
- 無線変換器のためのシステムであって、該システムは、
電磁放射から前記システムに電力を提供するように構成される環境発電装置と、
測定可能な量を検出するように構成される変換器と、
電子回路と、
アンテナと、を備え、
前記電子回路は、前記測定可能な量をエンコードし、それらを前記アンテナに送信するように構成され、前記アンテナは、前記エンコードされた測定可能な量を送信するように構成され、さらに、前記変換器、前記電子回路及び電気アンテナが、前記システム内にモニシリックに集積される、システム。 - 請求項１５に記載のシステムにおいて、前記環境発電装置は、誘導コイルである、システム。
- 測定可能な量を検出する方法であって、該方法は、
請求項１に記載の前記装置を提供するステップと、
受信機を用いて、エンコードされ送信された測定可能な量を検出するステップと、を含む、方法。 - 請求項１７に記載の方法において、前記提供するステップは、人体に前記装置を植え込むステップを含む、方法。
- 請求項１７又は１８に記載の方法において、前記検出するステップは、前記装置と前記受信機との間にある障害物を介して実行される、方法。
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