JP2020113250A - 延伸アンテナを用いたセンサーシステム - Google Patents

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Abstract

【課題】体積が小さく別途のバッテリーを必要としない延伸アンテナを備えたタグを含むセンサーシステムを提供する。【解決手段】本発明によるセンサーシステムは、延伸アンテナ及び延伸抵抗を備えた第１のセンサーを含み、前記延伸抵抗の延伸の程度に対応するセンシング信号を生成して前記延伸アンテナを通じて前記センシング信号を読取り部に伝送し、第１周波数に対応する第１領域で動作するように構成されたタグ部と、前記タグ部と誘導結合方式で結合し、前記センシング信号を受信して読み取り、第２周波数に対応する第２領域で動作するように構成された読取り部と、を有し、前記第１周波数は、３０ＭＨｚ以上５０ＭＨｚ以下の範囲に含まれ、前記第２周波数は前記第１周波数と異なる。【選択図】 図１

Description

本発明は、センサーシステムに関し、特に、体積が小さく別途のバッテリーを必要としない延伸アンテナを備えたタグを含むセンサーシステムに関する。
従来の皮膚貼り付け型センサーシステムの場合、延伸可能なゴム素材の基板上にセンサー部を形成し、リジッド（ｒｉｇｉｄ）な回路部をゴム素材の基板に実装してセンサーシステムを構成した。
このような従来のセンサーシステムのセンサーと信号処理回路は、延伸可能に波形状（ｗａｖｙ）に形成された配線で互いに接続される。
また、従来の他のセンサーシステムの場合、センサー部に無線通信が可能なアンテナをさらに実装して、センサで測定された信号を外部から読み取る（ｒｅａｄｏｕｔ）システムで構成された。
また、従来のさらに他のセンサーシステムの場合、延伸可能なセンサーにアンテナを接続してセンサーの延伸の程度に対応する共振周波数の変動を外部から読み取ることができるシステムで構成された。
しかし、このような従来のセンサーシステムの場合、皮膚に貼り付けることは可能であるが、システムの体積が大きく（ｂｕｌｋｙ）、着用感が良くなくてフレキシブル／ストレッチャブル（ｆｌｅｘｉｂｌｅ／ｓｔｒｅｔｃｈａｂｌｅ）電子機器の長所が見つからず、また、ＩＣなどの駆動のために別途のバッテリーが必要になるという問題があった。
また、従来の他のセンサーシステムの場合、無線通信を用いて信号を外部から読み取るが、商用ＮＦＣ周波数（１３．５６ＭＨｚ）を使用できないため、現在用いられている携帯電話などとの互換性がなく、共振周波数の変調を受信するシステムであるため、センサーの延伸の程度に応じた周波数変調に脆弱であるという問題がある。
また、従来のまた他のセンサーシステムの場合、リジッドな回路部を内蔵しているため、着用感が良くないという問題がある。
特開２０１１−２４５１４３号公報
本発明は、上記従来の皮膚貼り付け型センサーシステムにおける問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、体積が小さく別途のバッテリーを必要としない延伸アンテナを備えたタグ（ｔａｇ）を含むセンサーシステムを提供することにある。
また、本発明の他の目的は、商用ＮＦＣ周波数（１３．５６ＭＨｚ）を用いることができるセンサーシステムを提供することにある。
また、本発明の他の目的は、皮膚に貼り付けが可能でかつ着用感が改善された延伸可能なタグを含むセンサーシステムを提供することにある。
上記目的を達成するためになされた本発明によるセンサーシステムは、延伸アンテナ及び延伸抵抗を備えた第１のセンサーを含み、前記延伸抵抗の延伸の程度に対応するセンシング信号を生成して前記延伸アンテナを通じて前記センシング信号を読取り部に伝送し、第１周波数に対応する第１領域で動作するように構成されたタグ部と、前記タグ部と誘導結合方式で結合し、前記センシング信号を受信して読み取り、第２周波数に対応する第２領域で動作するように構成された読取り部と、を有し、前記第１周波数は、３０ＭＨｚ以上５０ＭＨｚ以下の範囲に含まれ、前記第２周波数は前記第１周波数と異なることを特徴とする。
前記第２周波数は、１３．５６ＭＨｚであり、前記第１領域は、前記第１周波数と第１結合係数に対応する領域であり、前記第２領域は、前記第２周波数と第２結合係数に対応する領域であり、前記第１結合係数は、前記第２結合係数より大きいことが好ましい。
前記延伸アンテナは第１の延伸電極で形成されたインダクタ、及び第１のキャパシタを含み、前記インダクタは、前記第１の延伸電極を所定の方向に巻き取って形成された螺旋形状であり、前記第１のキャパシタは、前記インダクタの一部と前記インダクタの一部と重なる第２の延伸電極とで形成され、前記インダクタと前記第１のキャパシタは、第１状態から第２状態に延伸されることが好ましい。
前記第２状態で、前記第１の延伸電極の抵抗値は第１の基準抵抗値以下であり、前記第２の延伸電極の抵抗値は第２の基準抵抗値以下であることが好ましい。
前記第１状態で、前記延伸抵抗の抵抗値は、第３の基準抵抗値以下であることが好ましい。
前記第１の基準抵抗値、前記第２の基準抵抗値、及び前記第３の基準抵抗値は、それぞれ１００Ω、３Ω、及び１０００Ωであることが好ましい。
前記第１のキャパシタは、前記インダクタの一部と前記第２の延伸電極との間に誘電体を挟んだサンドイッチ構造であり、前記第１の延伸電極及び前記第２の延伸電極のシート抵抗は、０．０５（Ｏｈｍ／ｓｑｕａｒｅ）未満であることが好ましい。
前記サンドイッチ構造は、２つのＳＥＢＳ（Ｓｔｙｒｅｎｅ−Ｅｔｈｙｌｅｎｅ−Ｂｕｔｙｌｅｎｅ−Ｓｔｙｒｅｎｅ）誘電体を含むことが好ましい。
前記インダクタは、前記第１状態で、４５１．５ｎＨのインダクタンスを有し、抵抗値は２．９８Ωであり、前記第２状態で、５９５．２ｎＨのインダクタンスを有し、抵抗値は４１．７Ωであることが好ましい。
前記第１状態及び前記第２状態での、前記第１のキャパシタの単位キャパシタンスは、それぞれ１６．３ｐＦ／ｃｍ２及び２２．０ｐＦ／ｃｍ２であることが好ましい。
前記第１のセンサーは、皮膚に貼り付け可能な抵抗性変形センサーであり、カーボンナノチューブ素材で形成されることが好ましい。
前記第１状態は、延伸されない状態であり、前記第２状態は、前記第１状態より５０％延伸された状態であることが好ましい。
前記延伸アンテナは、ダイオードと、第２のキャパシタと、第１の動作周波数範囲を有する第１のリングオシレータと、をさらに含み、前記ダイオードは、前記第２領域に対応する無線電力信号を整流するように構成され、前記第２のキャパシタは、前記整流された無線電力信号に対応するエネルギーを貯蔵するように構成され、前記第１のリングオシレータは、前記第２のキャパシタに貯蔵されたエネルギーを用いて駆動され、前記第１の動作周波数範囲内で、前記第１のセンサーの延伸の程度により前記センシング信号の周波数を変調して第１の変調センシング信号を生成するように構成され、前記読取り部は、前記周波数変調されたセンシング信号を読み取るように構成されることが好ましい。
前記延伸アンテナは、第２のセンサーと、第２の動作周波数範囲を有する第２のリングオシレータと、をさらに含み、前記第２のリングオシレータは、前記第２の動作周波数範囲内で、前記第２のセンサーの延伸の程度により、前記センシング信号の周波数を変調して第２の変調センシング信号を生成するように構成され、前記第１のセンサーと前記第１のリングオシレータとがマッチングされ、前記第２のセンサーと前記第２のリングオシレータとがマッチングされ、前記第１の動作周波数範囲と前記第２の動作周波数範囲は互いに異なることが好ましい。
前記読取り部は、前記第１の変調センシング信号及び前記第２の変調センシング信号をそれぞれ区別して読み取るように構成されることが好ましい。
前記読取り部は、前記第１の動作周波数範囲に対応する第１のバンドパスフィルタと、前記第２の動作周波数範囲に対応する第２のバンドパスフィルタと、を含み、前記第１のバンドパスフィルタ及び前記第２のバンドパスフィルタを用いて、前記第１の変調センシング信号と前記第２の変調センシング信号をそれぞれ区別して読み取るように構成されることが好ましい。
前記ダイオードは、金属−半導体ショットキー（ｍｅｔａｌ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｓｃｈｏｔｔｋｙ）構造であることが好ましい。
前記ダイオード、前記第２のキャパシタ、第２のセンサー、前記第１のリングオシレータ、及び前記第２のリングオシレータは、全て延伸可能な素材で形成されることが好ましい。
本発明に係るセンサーシステムによれば、センサーシステムのタグ部は、延伸可能なアンテナ及び延伸可能なセンサーを含み、センサーに含まれている延伸可能な抵抗の延伸の程度に対応する抵抗値の変化に応じて負荷変調によってセンシング信号を生成し、アンテナを通じて読取り部にセンシング信号を伝送することで、体積が小さく、別途のバッテリーを必要としない、アンテナを備えたタグを含むセンサーシステムを提供することができる。
また、本発明に係るセンサーシステムによれば、商用ＮＦＣ周波数（１３．５６ＭＨｚ）が用いられるセンサーシステムを提供することができる。
また、本発明に係るセンサーシステムによれば、皮膚に貼り付けが可能でかつ着用感が改善された延伸可能なタグを含むセンサーシステムを提供することができる。
本発明の実施形態によるセンサーシステムの等価回路図である。 本発明の実施形態によるアンテナの形状を示す斜視図である。 本発明の実施形態によるアンテナのインダクタンス特性を示すグラフである。 本発明の実施形態によるキャパシタの形状である。 本発明の実施形態によるキャパシタの概略断面構造を示す断面図である。 本発明の実施形態によるキャパシタの特性を示すグラフである。 本発明の実施形態によるアンテナの特性を示すグラフである。 共振周波数別出力電圧を示すグラフである。 本発明の実施形態によるセンサーシステムの動作領域を示すグラフである。 各領域で品質係数の変化に応じたセンサーシステムの感度を示すグラフである。 本発明の実施形態によるセンサーの装着画像である。 本発明の実施形態によるセンサーの特性を示すグラフである。 本発明の実施形態によるタグ部の延伸の程度に応じた出力電圧を示すグラフである。 本発明の実施形態によるタグ部と読取り部の間の垂直距離に応じた出力電圧を示すグラフである。 本発明の実施形態によるタグ部と読取り部の間の水平距離に応じた出力電圧を示すグラフである。 本発明の他の実施形態によるセンサーシステムの等価回路図である。 本発明のさらに他の実施形態によるセンサーシステムの等価回路図である。
次に、本発明に係るセンサーシステムを実施するための形態の具体例を図面を参照しながら説明する。
同一又は類似の構成要素については同一又は類似の参照符号を付与し、これに対する重複する説明は省略する。
以下の説明で使用される構成要素に対する接尾辞‘モジュール’及び‘部’は本明細書の作成の容易性のみを考慮して付与又は混用されるものであって、それ自体で互いに区別される意味又は役割を有するものではない。
また、本明細書で開示する実施形態を説明するにあたって、関連した公知技術に対する具体的な説明が本明細書で開示される実施形態の要旨が不明確になると判断される場合には、その詳細な説明を省略する。
また、添付した図面は本明細書で開示される実施形態を容易に理解できるためのものであり、添付した図面によって本明細書で開示された技術的な思想が制限されず、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変更、均等物乃至代替物を含むと理解されなければならない。
第１、第２などのように序数を含む用語は、多様な構成要素を説明するために用いられるが、このような構成要素は上述した用語によって限定されない。
用語は一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的にのみ用いられる。
ある構成要素が他の構成要素に‘連結されて’いるとか、‘接続されて’いると言及されたときは、該他の構成要素に直接的に連結されているか、又は接続されている場合もあるが、その中間に他の構成要素が存在する場合もあると理解されなければならない。
これに対し、ある構成要素が他の構成要素に‘直接連結されて’いるとか、‘直接接続されて’いると言及されたときは、その中間に他の構成要素が存在しないものと理解されなければならない。
単数の表現は文脈上明白に異なることを意味しない限り、複数の表現を含む。
本明細書において、‘含む’又は‘有する’などの用語は、明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品又はこれらを組み合わせたものが存在することを指定するものであって、一つ又はそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品又はこれらを組み合わせたものなどの存在又は付加可能性を予め排除しないものと理解しなければならない。
以下、図１を参照して本発明の実施形態によるセンサーシステムを説明する。
図１は、本発明の実施形態によるセンサーシステムの等価回路図である。
図１を参照すると、本発明の実施形態によるセンサーシステム１は、皮膚貼り付け型延伸可能なタグ部１０（以下、タグ部という）及び延伸可能な読取り部２０（以下、読取り部という）を含み、タグ部１０と読取り部２０は所定の共振周波数（ｆ：例えば１３．５Ｍｈｚ）を用いて誘導結合（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ−ｃｏｕｐｌｉｎｇ）方式で結合している。
タグ部１０と読取り部２０は、ＮＦＣ又はＲＦＩＤなどの無線通信を用いて互いに通信できるが、これに限定されるものではない。
読取り部２０は、無線電力信号を通じて非接触式でタグ部１０に駆動電源を供給し、タグ部１０で生成されたセンシング信号を振幅変調（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号感知方式で受信して読み取る。
具体的には、読取り部２０は、アンテナ２１及び回路部２２を含み、使用者の衣服に貼り付けられ、アンテナ２１から得られた出力電圧（Ｖｏ）の振幅を用いてタグ部１０のセンシング信号を読み取る。
アンテナ２１はその等価回路として、互いに直列連結された延伸可能なインダクタ（インダクタと記す：Ｌｒ）及び寄生抵抗（Ｒｒ）で表現され、回路部２２は、振幅変調（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）によるセンシング信号を読み取る。
タグ部１０と読取り部２０の間には３つのパラメータである、共振周波数（ｆ）、品質係数（Ｑｕａｌｉｔｙ Ｆａｃｔｏｒ：Ｑ）、及び結合係数（ｃｏｕｐｌｉｎｇｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ：ｋ）が存在し、共振周波数（ｆ）及び品質係数（Ｑ）は、下記に示す数式１で表される。
ここで、Ｌｔａｇ、Ｃｔａｇ、及びＲｔａｇは、それぞれアンテナ１１のインダクタンス、キャパシタンス、及び寄生抵抗値を意味する。
タグ部１０は、延伸可能なアンテナ１１、（以下、アンテナという）及び延伸可能なセンサー１２（以下、センサーという）を含み、センサー１２に含まれている延伸可能な抵抗（Ｒｓ、図６参照、以下、抵抗という）の延伸の程度に対応する抵抗値の変化に応じて負荷変調（ｌｏａｄｉｎｇ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）によってセンシング信号を生成し、アンテナ１１を通じて読取り部２０にセンシング信号を伝送する。
アンテナ１１は、その等価回路として、互いに並列連結された、インダクタ（Ｌｔ）と延伸可能なキャパシタ（Ｃｔ）（以下、キャパシタという）、及び寄生抵抗（Ｒｔ）で表現される。
以下、図２ａ、図２ｂを参照して本発明の実施形態によるインダクタ（Ｌｔ）を説明する。
図２ａは、本発明の実施形態によるアンテナの形状を示す斜視図であり、図２ｂは、本発明の実施形態によるアンテナのインダクタンス特性を示すグラフである。
図２ａを参照すると、アンテナ１１は、延伸可能な伝導体を所定の方向（例えば、反時計方向）に巻き取って螺旋形状に形成され、巻き取られた形状の延伸可能な伝導体が図１を参照して説明したインダクタ（Ｌｔ）を形成する。
このとき、延伸可能な伝導体は、高伝導の延伸可能な銀ナノパーティクル（Ａｇ ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅ）をポリウレタン（ＰＵ）に埋め込んで（ｅｍｂｅｄｄｉｎｇ）製作され、延伸可能な伝導体のシート抵抗は０．０５（Ｏｈｍ／ｓｑｕａｒｅ）未満の値であることが望ましいが、これに限定されるものではない。
インダクタ（Ｌｔ）は、十分な感度（Ｓ）（図５ｂ参照）を提供するために、１００ｎＨを超えるインダクタンスを有さなければならないし、内部抵抗は、第１の基準抵抗値（１００Ω）以下でなければならない。
以下、インダクタ（Ｌｔ）を製造する方法を具体的に説明する。
まず、ステンシル印刷又はディスペンサー印刷方式で延伸可能な電極（以下、延伸電極という）、例えば、スチレン−エチレン−ブタジエン−スチレン樹脂（Ｓｔｙｒｅｎｅ−Ｅｔｈｙｌｅｎｅ−Ｂｕｔｙｌｅｎｅ−Ｓｔｙｒｅｎｅ：ＳＥＢＳ）電極上に延伸可能な導体インク（フレークとエラストマーの複合インク、（例えば、ＰＥ８７３））を螺旋形状に印刷する。
このとき、プリンタ（例えば、Ｖｏｌｔｅｒａ社、「Ｖ−ｏｎｅ」）を使用でき、ＳＥＢＳによる基板は、高降伏電圧、優れた誘電損失及び高い延伸可能性の特性を有しており、１０（μｍ Ｈ１２２１）のＳＥＢＳ基板であり得る。
必要なインダクタンスに到達するために、例えば、４周巻いて「４．９ｃｍ×４．５ｃｍ」の大きさの螺旋状インダクタを形成することが望ましい。
幅が４ｍｍの広いラインは、全体螺旋形の長さと幅の比率を最小化するように設計されて、品質係数（Ｑ）値を高めるためにインダクタの内部抵抗を減らすことができる。
このとき、インダクタ（Ｌｔ）のパターンは、アルティウムデザイナー（Ａｌｔｉｕｍ Ｄｅｓｉｇｎｅｒ）ソフトウェアを用いて設計され得るが、これに限定されるものではない。
次に、１０５℃で３０分間アニーリング（ａｎｎｅａｌｉｎｇ）して印刷した導体インクを完全に硬化させる。
図２ｂを参照すると、実施形態によるインダクタ（Ｌｔ）は、第１状態（０％延伸（ｓｔｒａｉｎ）された状態）状態でインダクタンスが４５１．５ｎＨであり、インダクタ（Ｌｔ）による寄生抵抗（Ｒｔ）の抵抗値は２．９８Ωを有しており、第２状態で、インダクタンスは５９５．２ｎＨとなり、３１．８％増加し、抵抗値は４１．７Ωで約１４倍増加する。
このとき、寄生抵抗（Ｒｔ）の抵抗値は、依然として第１の基準抵抗値（１００Ω）以下であるため、高い延伸条件でもセンサーシステム１を成功裏に作動させることができる。
以下、図３ａ〜図３ｃを参照して本発明の実施形態によるキャパシタ（Ｃｔ）を説明する。
図３ａは、本発明の実施形態によるキャパシタの形状であり、図３ｂは、本発明の実施形態によるキャパシタの概略断面構造を示す断面図であり、図３ｃは、本発明の実施形態によるキャパシタの特性を示すグラフである。
キャパシタ（Ｃｔ）は、低い電極抵抗を維持しながら数１０ｐＦのキャパシタンスを有することが望ましい。
図３ａを参照すると、キャパシタ（Ｃｔ）が低い電極抵抗を有するようにするため、キャパシタ（Ｃｔ）は、螺旋状インダクタ（Ｌｔ）上に延伸電極をインダクタ（Ｌｔ）の一部と重複させて形成される。
具体的には、図３ｂを参照すると、キャパシタ（Ｃｔ）は、螺旋状のインダクタ（Ｌｔ）の上に銀ナノパーティクル延伸電極（Ａｇ）を重畳させ、インダクタ（Ｌｔ）と延伸電極（Ａｇ）の間に２層のＳＥＢＳ誘電体を積層してサンドイッチ構造で形成される。
つまり、インダクタ（Ｌｔ）の上に２つのＳＥＢＳ誘電体を積層した後、他の一つの電極（Ａｇ）を積層してサンドイッチ構造のキャパシタ（Ｃｔ）を製造する。
図３ｃを参照すると、キャパシタ（Ｃｔ）は、第１状態で１６．３ｐＦ／ｃｍ２単位のキャパシタンスを有し、第２状態（５０％延伸（ｓｔｒａｉｎ）された状態）になると電極（Ａｇ）の広さが大きくなり、誘電体（ＳＥＢＳ）の厚さは薄くなり、単位キャパシタンスは２２．０ｐＦ／ｃｍ２に増加する。
このとき、伸びた電極（Ａｇ）の抵抗値は、第２の基準抵抗値（例えば、３Ω）以下の低い電極抵抗を維持するため、高い延伸条件でもセンサーシステム１を成功裏に作動させることができる。
以下、図４を参照して、本発明の実施形態によるアンテナ１１の特性を説明する。
図４は、本発明の実施形態によるアンテナの特性を示すグラフである。
アンテナ１１は、インダクタ（Ｌｔ）とキャパシタ（Ｃｔ）をもって、タグ部１０の共振構造を形成する。
上述した数式１で、図２ｂに示したインダクタンス値と図３ｃに示したキャパシタンス値を代入して品質係数（Ｑ）を計算できる。
具体的には、図４を参照すると、タグ部１０が、第１状態（０％延伸）から第２状態５０％延伸）に延伸されると、タグ部１０の固有の共振周波数（ｆ）は、６８．１ＭＨｚから４６．０ＭＨｚに落ち、品質係数（Ｑ）は、８．１から１．２に落ちる。
読取り部２０は、結合係数（ｋ）で１３．５６ＭＨｚにおいて正確に共振するように設計される。
このような設計は、最大感度を提供して最大の無線作動距離を保障する。
しかし、読取り部の共振周波数１３．５６ＭＨｚのみを使用する場合、共振周波数（ｆ）に対する帯域幅が非常に狭く、品質係数（Ｑ）の低下（ｄｒｏｐ）の許容範囲が狭い。
つまり、寄生抵抗（Ｒｔ）の増加とインダクタ（Ｌｔ）のインダクタンスの増加でアンテナ１１の品質係数（Ｑ）が低下して、センサーシステム１は安定的に作動できない。
また、結合係数（ｋ）が増加すれば、タグ部１０のアンテナ１１が読取り部２０のアンテナ２１に強いローディング効果（ｌｏａｄｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ）を誘発して、アンテナ１１の感度（Ｓ）（図５ａ参照）は急激に低下する。
したがって、このような問題点を解決するために、従来の１３．５６ＭＨｚ以外の他の共振周波数領域帯で作動するアンテナ１１を設計する必要がある。
本発明の実施形態による読取り部２０は、１３．５６ＭＨｚの共振周波数で動作し、タグ部１０は第１状態だけでなく、第２状態になって結合係数（ｋ）が高い場合にも１３．５６ＭＨｚの共振周波数以外の他の周波数領域で動作可能である。
以下、図５ａ〜図５ｃを参照して、本発明の実施形態によるタグ部１０と読取り部２０の動作領域を具体的に説明する。
図５ａは、共振周波数（ｆ）別出力電圧（Ｖｏ）を示すグラフであり、図５ｂは、本発明の実施形態によるセンサーシステムの動作領域を示すグラフであり、図５ｃは、各領域で結合係数（ｋ）の変化に応じたセンサーシステムの感度（Ｓ）を示すグラフである。
図５ａを参照すると、ｋ＝０．５及びＱ＝１０の場合、出力電圧（Ｖｏ）の変化率（つまり、図５ａのグラフの傾き）を感度（Ｓ）と定義すると、センサー１２の抵抗（Ｒｓ）が１０２Ω〜１０３Ωの区間内で、共振周波数（ｆ）が正確に１３．５６ＭＨｚであるか、３０ＭＨｚより大きい、５０ＭＨｚ又は１００ＭＨｚである場合、グラフの傾きが急である。
つまり、共振周波数（ｆ）が１３．５６ＭＨｚであるか、５０ＭＨｚ又は１００ＭＨｚで感度（Ｓ）が高い。
具体的には、図５ｂを参照すると、センサの抵抗（Ｒｓ）が７００Ωの場合、読取り部２０は第１領域Ｒ１で動作し、タグ部１０は第２領域Ｒ２で動作することができる。
第１領域Ｒ１は、低い結合係数（ｋ）（０．１以下）と１３．５６ＭＨｚの共振周波数（ｆ）に対応する領域である。
また、第１領域Ｒ１は延伸による共振周波数（ｆ）の小さな変化に感度（Ｓ）が大きく変わる領域である。
第２領域Ｒ２は、高い（ｋ）値（０．２以上）と３０ＭＨｚ以上５０ＭＨｚ以下の共振周波数（ｆ）に対応する領域であり、共振周波数（ｆ）が変わっても感度（Ｓ）は高く維持できる領域である。
また、第２領域Ｒ２は、品質係数（Ｑ）の低下の許容範囲が広い。
具体的には、図５ｃを参照すると、品質係数（Ｑ）が１０から１に減少するとき、第２領域Ｒ２での感度（Ｓ）は、３．９３ｍＶ／Ωから２．１８ｍＶ／Ωに落ちる反面、第１領域Ｒ１での感度（Ｓ）は、−２ｍＶ／Ωから−０．１７ｍＶ／Ωに急激に落ちる。
したがって、第２領域Ｒ２では品質係数（Ｑ）の変化が大きくても感度（Ｓ）の変化は第１領域Ｒ１より少ない。
つまり、再び図４を参照すると、タグ部１０が第１状態から第２状態になると、タグ部１０の共振周波数（ｆ）は、６８．１ＭＨｚから４６．０ＭＨｚとなる。
このとき、品質係数（Ｑ）は、８．１から１．２に大幅に落ちたが、第２領域Ｒ２での感度（Ｓ）は、３．９３ｍＶ／Ωから２．１８ｍＶ／Ωに少なく落ちるので、品質係数（Ｑ）の変化が大きくても感度（Ｓ）の変化は少ない。
また、第２領域Ｒ２の共振周波数（ｆ）は、３０ＭＨｚ以上に高いため、キャパシタ（Ｃｔ）のキャパシタンス値は大きな値でなくても構わない。
したがって、キャパシタ（Ｃｔ）を形成する電極（Ａｇ）は、それ以上薄い必要はなく、製造の困難性を減少させ延伸されても感度（Ｓ）の変化が少なくて、信頼度が向上する。
以下、図１、図５ａ、及び図６ａ、図６ｂを参照して、本発明の実施形態によるセンサーを説明する。
図６ａは、本発明の実施形態によるセンサーの装着画像であり、図６ｂは、本発明の実施形態によるセンサーの特性を示すグラフである。
図１及び図６ａを参照すると、センサー１２は、皮膚に貼り付け可能な抵抗性変形センサーであって、抵抗（Ｒｓ）を含み、ポリジメチルシロキサン（Ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌ Ｓｉｌｏｘａｎｅ：ＰＤＭＳ）が埋め込まれた（ｅｍｂｅｄｄｉｎｇ）カーボンナノチューブ（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏ ｔｕｂｅ：ＣＮＴ）であってもよく、コーヒーリング効果（ｃｏｆｆｅｅ ｒｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ）に基づいた延伸可能なセンサーであってもよい。
皮膚に貼り付けられたセンサー１２は、抵抗（Ｒｓ）の延伸の程度に対応する振幅変調に応じたセンシング信号を生成する。
前述のように、読取り部２０は、受信されたセンシング信号に対応する出力電圧Ｖｏの振幅を用いてタグ部１０のセンシング信号を読み取る。
センサー１２は、高い感度（Ｓ）を有さなければならないし、このため、抵抗（Ｒｓ）値は、第１状態で第３の基準抵抗（１０３Ω）より小さなければならない。
図６ｂを参照すると、センサー１２が心拍センサーの場合の測定時間に応じた抵抗（Ｒｓ）の抵抗値を示す。
心臓拍動に対応してセンサー１２が延伸され、それに応じて抵抗（Ｒｓ）の抵抗値はパルス形状を示す。
このようなパルス形状に対応して、タグ部１０で負荷変調によるセンシング信号が生成され、読取り部２０は、センシング信号に対応する出力電圧（Ｖｏ）の振幅を用いてセンシング信号を読み取る。
説明の便宜のため、センサー１２は、心拍センサーとして説明したが、実施形態がこれに制限されるものではなく、呼吸及び身体の動きなど人間の生物学的信号を延伸可能な抵抗を用いて感知するためのセンサーであれば、いかなるセンサーでも構わない。
以下、図７ａ〜図７ｃを参照して本発明の実施形態によるタグ部１０の延伸の程度及びタグ部１０と読取り部２０の間の距離に応じたセンサーシステム１の特性を説明する。
図７ａは、本発明の実施形態によるタグ部の延伸の程度に応じた出力電圧を示すグラフであり、図７ｂは、本発明の実施形態によるタグ部と読取り部の間の垂直距離に応じた出力電圧を示すグラフであり、図７ｃは、本発明の実施形態によるタグ部と読取り部の間の水平距離に応じた出力電圧を示すグラフである。
図７ａを参照すると、抵抗（Ｒｓ）の抵抗値が第３の基準抵抗（１０３Ω）以下である区間で、抵抗（Ｒｓ）が第１状態から第２状態になるまでグラフの傾きに対応する感度（Ｓ）は非常に高い値を維持する。
また、人間の生物学的なパルス信号は、抵抗（Ｒｓ）が第１状態から第２状態になっても、人間の生物学的なパルス信号に対応する出力電圧（Ｖｏ）として検出される。
したがって、本発明の実施形態によるセンサーシステム１は、タグ部１０が第２状態になっても小さな人間の生物学的信号を検出することができる。
図７ｂを参照すると、タグ部１０と読取り部２０の間の垂直（Ｖｅｒｔｉｃａｌ）距離が４．２ｍｍから増加することで、抵抗（Ｒｓ）の抵抗値が第３の基準抵抗（１０３Ω）以下である区間で、図７ｂに示された曲線の傾きに対応する感度（Ｓ）は増加し、その後急速に減少する。
垂直距離が２０ｍｍを超えると曲線はほとんど平坦になり、感度（Ｓ）は「０」に近くなる。
つまり、垂直距離が４．２ｍｍのとき、出力電圧（Ｖｏ）のピークが最も高く、垂直分離距離が２０ｍｍを超えて２３．４ｍｍに到達すると出力電圧（Ｖｏ）はほとんど検出されない。
図７ｃを参照すると、タグ部１０と読取り部２０の間の水平（又は側方（ｌａｔｅｒａｌ））距離が０ｍｍから増加することで、抵抗（Ｒｓ）の抵抗値が第３の基準抵抗（１０３Ω）以下である区間で、感度（Ｓ）は増加し、その後急速に減少する。
水平距離が２５ｍｍを超えると曲線はほとんど平坦になり、感度（Ｓ）は「０」に近くなる。
つまり、水平距離が０ｍｍのとき、出力電圧（Ｖｏ）のピークが最も高く、水平分離距離が２５ｍｍを超えて３５ｍｍに到達すると出力電圧（Ｖｏ）はほとんど検出されない。
以下、図１及び図８を参照して、本発明の他の実施形態によるアンテナ１１１を説明する。
図８は、本発明の他の実施形態によるセンサーシステムの等価回路図である。
図８を参照すると、アンテナ１１１は、図１に示したインダクタ（Ｌｔ）、キャパシタ（Ｃｔ）、及び寄生抵抗（Ｒｔ）以外に、延伸可能なダイオード（Ｄ１）（以下、ダイオードという）、キャパシタ（Ｃ）、延伸可能なトランジスター（Ｔ）（以下、トランジスターという）、及び延伸可能なリングオシレータ（Ｒｏ）（Ｒｉｎｇ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）を含み、センサー１２に接続される。
インダクタ（Ｌｔ）、キャパシタ（Ｃｔ）、寄生抵抗（Ｒｔ）、及びセンサー１２は、図１を参照して説明した内容と同じであるため、詳細な説明は省略する。
ダイオード（Ｄ）は、読取り部２０から送信された第２領域に対応する無線電力信号を整流する。
このため、ダイオード（Ｄ）の動作周波数は、１００ＭＨｚ以上、破壊電圧は５０Ｖ以上であり、逆方向漏れ電流（Ｒｅｖｅｒｓｅ ｌｅａｋａｇｅ ｃｕｒｒｅｎｔ）は、１００ｎＡより小さく、順方向電流（ｆｏｒｗａｒｄ ｃｕｒｒｅｎｔ）は、０．１ｍＡ以上である。
このような特性を実現するため、ダイオード（Ｄ）は、金属−半導体−ショットキー（ｍｅｔａｌ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｓｃｈｏｔｔｋｙ）構造が適用され得るが、これに限定されるものではない。
キャパシタ（Ｃ）にはダイオード（Ｄ）によって整流された信号に対応するエネルギーが貯蔵され、貯蔵されたエネルギーは、リングオシレータ（Ｒｏ）の駆動電源として使用される。
トランジスター（Ｔ）は、リングオシレータ（Ｒｏ）によって制御されるトランジスターであって、負荷変調に使用される。
リングオシレータ（Ｒｏ）は、固有の動作周波数範囲を有し、アンテナ１１１の延伸の程度によりセンシング信号の周波数を変調する。
つまり、抵抗（Ｒｓ）の延伸の程度によってリングオシレータ（Ｒｏ）の動作周波数が変更され、これに対応して変調されたセンシング信号が生成される。
変調されたセンシング信号は、アンテナ１１１を通じて読取り部２０に伝送される。
リングオシレータ（Ｒｏ）は、無線周波数回収エネルギー（ＲＦ ｈａｒｖｅｓｔｅｄ ｅｎｅｒｇｙ）を使用するため、１５Ｖ未満の低い動作電圧と１ｍＷ未満の低消費電力、及び１００Ｈｚを超える広い周波数領域が要求される。
複数のセンサーを用いて複数の身体信号をモニターするためには、複数のセンサー及び複数のセンサーに対応する複数のリングオシレータを含む複数のタグ部を構成することが必要となる。
例えば、心拍数、呼吸数、及び身体の動きをモニターする場合、心拍数センサー、呼吸数センサー、及び身体の動きセンサー、並びにこれらのセンサーにそれぞれマッチングする３つのリングオシレータを含む３つのタグ部を所定の人体位置にそれぞれ貼り付けて、心拍数、呼吸数、及び身体の動きをモニターすることができる。
具体的には、このような３つのリングオシレータの動作周波数範囲は、それぞれ２０〜４０Ｈｚ、７０〜１００Ｈｚ、３００〜５００Ｈｚであり、互いに重畳しない。
読取り部２０には、２０〜４０Ｈｚ、７０〜１００Ｈｚ、３００〜５００Ｈｚに対応する、アルゴリズム及びバンドパスフィルタ（ｂａｎｄｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ）をそれぞれ含むことができ、このようなアルゴリズム及びバンドパスフィルタを用いて各リングオシレータの動作周波数帯域に対応する変調されたセンシング信号を区別して読み取ることができる。
以上で、説明の便宜のため、実施形態によるセンサーシステムにおいては、一つのタグ部１０と一つの読取り部２０を含んでいるものを説明したが、実施形態はこれに限定されるものではなく、複数のタグ部と一つの読取り部、又は複数のタグ部と複数の読取り部を含むシステムを含むことができる。
図９は、本発明のさらに他の実施形態によるセンサーシステムの等価回路図である。
以下、図９を参照して、本発明のさらに他の実施形態によるセンサーシステムを説明する。
図９を参照すると、本発明のさらに他の実施形態によるセンサーシステムは、第１〜第３タグ部（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）及び読取り部２０を含む。
第１〜第３タグ部（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）は、対応する第１〜第３アンテナ（１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ）、第１〜第３センサー（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ）をそれぞれ含む。
第１〜第３タグ部（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）それぞれは、図８を参照して説明したタグ部１０と構成が同じであるので、詳細な説明は省略する。
第１〜第３タグ部（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）それぞれは、身体の互いに異なる部分の生体信号、例えば、心拍数、呼吸、及び身体の動きなどをモニターすることができるが、これに限定されるものではない。
読取り部２０は、図８を参照して説明した読取り部２０の構成を全て含み、さらに回路部２２を含み得る。
図８の読取り部２０と同じ構成に対する詳細な説明は省略する。
回路部２２は、アンテナ２１と接続されており、互いに異なる周波数でそれぞれ動作する第１のバンドパスフィルタ（２２ｆ１）、第２のバンドパスフィルタ（２２ｆ２）、及び第３のバンドパスフィルタ（２２ｆ３）を含み、メモリ２２ｍと処理回路２２ｐとを含む。
メモリ２２ｍは、第１タグ部１０ａ、第２タグ部１０ｂ、及び第３タグ部１０ｃから感知された信号を読取り部２０が区別できるように処理回路２２ｐによって実行される信号処理アルゴリズムのような命令が保存される。
以上で、説明の便宜のため、３つのタグ部（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）及び読取り部２０を含んでいるものを説明したが、実施形態はこれに限定されるものではなく、複数のタグ部と一つの読取り部、又は複数のタグ部と複数の読取り部を含むシステムを含むことができる。
尚、本発明は、上述の実施形態に限られるものではない。本発明の技術的範囲から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。
１ センサーシステム
１０、 タグ部
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ 第１〜第３タグ部
１１、１１１ アンテナ
１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ 第１〜第３アンテナ
１２ センサー
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ 第１〜第３センサー
２０ 読取り部
２１ アンテナ
２２ 回路部
２２ｆ１、２２ｆ２、２２ｆ３ （第１〜第３）のバンドパスフィルタ
２２ｍ メモリ

Claims (18)

  1. センサーシステムであって、
    延伸アンテナ及び延伸抵抗を備えた第１のセンサーを含み、前記延伸抵抗の延伸の程度に対応するセンシング信号を生成して前記延伸アンテナを通じて前記センシング信号を読取り部に伝送し、第１周波数に対応する第１領域で動作するように構成されたタグ部と、
    前記タグ部と誘導結合方式で結合し、前記センシング信号を受信して読み取り、第２周波数に対応する第２領域で動作するように構成された読取り部と、を有し、
    前記第１周波数は、３０ＭＨｚ以上５０ＭＨｚ以下の範囲に含まれ、前記第２周波数は前記第１周波数と異なることを特徴とするセンサーシステム。
  2. 前記第２周波数は、１３．５６ＭＨｚであり、
    前記第１領域は、前記第１周波数と第１結合係数に対応する領域であり、前記第２領域は、前記第２周波数と第２結合係数に対応する領域であり、
    前記第１結合係数は、前記第２結合係数より大きいことを特徴とする請求項１に記載のセンサーシステム。
  3. 前記延伸アンテナは第１の延伸電極で形成されたインダクタ、及び第１のキャパシタを含み、
    前記インダクタは、前記第１の延伸電極を所定の方向に巻き取って形成された螺旋形状であり、
    前記第１のキャパシタは、前記インダクタの一部と前記インダクタの一部と重なる第２の延伸電極とで形成され、
    前記インダクタと前記第１のキャパシタは、第１状態から第２状態に延伸されることを特徴とする請求項２に記載のセンサーシステム。
  4. 前記第２状態で、前記第１の延伸電極の抵抗値は第１の基準抵抗値以下であり、前記第２の延伸電極の抵抗値は第２の基準抵抗値以下であることを特徴とする請求項３に記載のセンサーシステム。
  5. 前記第１状態で、前記延伸抵抗の抵抗値は、第３の基準抵抗値以下であることを特徴とする請求項４に記載のセンサーシステム。
  6. 前記第１の基準抵抗値、前記第２の基準抵抗値、及び前記第３の基準抵抗値は、それぞれ１００Ω、３Ω、及び１０００Ωであることを特徴とする請求項５に記載のセンサーシステム。
  7. 前記第１のキャパシタは、前記インダクタの一部と前記第２の延伸電極との間に誘電体を挟んだサンドイッチ構造であり、
    前記第１の延伸電極及び前記第２の延伸電極のシート抵抗は、０．０５（Ｏｈｍ／ｓｑｕａｒｅ）未満であることを特徴とする請求項６に記載のセンサーシステム。
  8. 前記サンドイッチ構造は、２つのＳＥＢＳ（Ｓｔｙｒｅｎｅ−Ｅｔｈｙｌｅｎｅ−Ｂｕｔｙｌｅｎｅ−Ｓｔｙｒｅｎｅ）誘電体を含むことを特徴とする請求項７に記載のセンサーシステム。
  9. 前記インダクタは、前記第１状態で、４５１．５ｎＨのインダクタンスを有し、抵抗値は２．９８Ωであり、
    前記第２状態で、５９５．２ｎＨのインダクタンスを有し、抵抗値は４１．７Ωであることを特徴とする請求項８に記載のセンサーシステム。
  10. 前記第１状態及び前記第２状態での、前記第１のキャパシタの単位キャパシタンスは、それぞれ１６．３ｐＦ／ｃｍ２及び２２．０ｐＦ／ｃｍ２であることを特徴とする請求項９に記載のセンサーシステム。
  11. 前記第１のセンサーは、皮膚に貼り付け可能な抵抗性変形センサーであり、カーボンナノチューブ素材で形成されることを特徴とする請求項１０に記載のセンサーシステム。
  12. 前記第１状態は、延伸されない状態であり、前記第２状態は、前記第１状態より５０％延伸された状態であることを特徴とする請求項１１に記載のセンサーシステム。
  13. 前記延伸アンテナは、ダイオードと、第２のキャパシタと、第１の動作周波数範囲を有する第１のリングオシレータと、をさらに含み、
    前記ダイオードは、前記第２領域に対応する無線電力信号を整流するように構成され、
    前記第２のキャパシタは、前記整流された無線電力信号に対応するエネルギーを貯蔵するように構成され、
    前記第１のリングオシレータは、前記第２のキャパシタに貯蔵されたエネルギーを用いて駆動され、前記第１の動作周波数範囲内で、前記第１のセンサーの延伸の程度により前記センシング信号の周波数を変調して第１の変調センシング信号を生成するように構成され、
    前記読取り部は、前記周波数変調されたセンシング信号を読み取るように構成されることを特徴とする請求項１２に記載のセンサーシステム。
  14. 前記延伸アンテナは、第２のセンサーと、第２の動作周波数範囲を有する第２のリングオシレータと、をさらに含み、
    前記第２のリングオシレータは、前記第２の動作周波数範囲内で、前記第２のセンサーの延伸の程度により、前記センシング信号の周波数を変調して第２の変調センシング信号を生成するように構成され、
    前記第１のセンサーと前記第１のリングオシレータとがマッチングされ、前記第２のセンサーと前記第２のリングオシレータとがマッチングされ、前記第１の動作周波数範囲と前記第２の動作周波数範囲は互いに異なることを特徴とする請求項１３に記載のセンサーシステム。
  15. 前記読取り部は、前記第１の変調センシング信号及び前記第２の変調センシング信号をそれぞれ区別して読み取るように構成されることを特徴とする請求項１４に記載のセンサーシステム。
  16. 前記読取り部は、前記第１の動作周波数範囲に対応する第１のバンドパスフィルタと、前記第２の動作周波数範囲に対応する第２のバンドパスフィルタと、を含み、
    前記第１のバンドパスフィルタ及び前記第２のバンドパスフィルタを用いて、前記第１の変調センシング信号と前記第２の変調センシング信号をそれぞれ区別して読み取るように構成されることを特徴とする請求項１５に記載のセンサーシステム。
  17. 前記ダイオードは、金属−半導体ショットキー（ｍｅｔａｌ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｓｃｈｏｔｔｋｙ）構造であることを特徴とする請求項１６に記載のセンサーシステム。
  18. 前記ダイオード、前記第２のキャパシタ、第２のセンサー、前記第１のリングオシレータ、及び前記第２のリングオシレータは、全て延伸可能な素材で形成されることを特徴とする請求項１７に記載のセンサーシステム。
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