JP6363222B2 - センサデバイス、センサシステム - Google Patents

Description

本発明は、センサデバイス、センサシステムに関する。更に詳しくは、歯等に装着して用いられる生体用のセンサデバイスおよびセンサシステムに関する。

センサ信号を外部に無線送信するセンサデバイスが提案されている。このようなセンサデバイスは、例えば、生体センサとしての利用が検討されている。

特許文献１には、口装着型通信機と、身体センサと、口装着型通信機および身体センサに連結される結合ユニットであって、遠隔ステーションと通信するように適合される結合ユニットと、を備える双方向通信デバイスが開示されている。
特許文献２には、生体の体内に埋め込むためのセンサシステムであって、生体のパラメータを計測して、対応する計測された信号を生成する計測ユニットと、計測された信号を利用して信号を送信する送信ユニットと、計測された信号を処理して送信ユニットの送信信号の送信を制御する制御及び評価ユニットと、各ユニットにエネルギーを供給するエネルギー蓄積ユニットと、計測ユニット、送信ユニット、制御及び評価ユニット、並びに、エネルギー蓄積ユニットを少なくとも部分的に取り囲む外皮とを備える、センサシステムが開示されている。
一方、特許文献３には、瞳孔に光を導くことが可能なコンタクトレンズであり、制御情報により機能する機能層と、機能層を制御情報により制御する制御層と、外部機器と通信可能な通信層と、各層に電力を与える電源層とを含む半導体素子を備えたコンタクトレンズが開示されている。

特表２０１１−５１２０４９号公報 特表２０１３−５３９６９２号公報 特開２０１４−１６０２５８号公報

センサデバイスにおいては、消費電力が小さく、より小型であることが近年望まれている。生体用のセンサデバイスにおいては、上記の特性がより求められている。

しかしながら、特許文献１は、センサ信号をそのまま外部機器へ送信しているので、データ通信量が多く、消費電力が大きかった。また、特許文献１には、交換式または常設のバッテリを電源としてアセンブリに含めることができると記載されているが、アセンブリにこれらのバッテリを含めると、アセンブリが大型になる傾向にあった。

また、特許文献２は、エネルギー蓄積ユニットとして、リチウムイオン電池やフィルム電池などの電池を使用しているので、特許文献２のセンサデバイスは、大型なものになる傾向にあった。更には、これらの電池（エネルギー蓄積ユニット）は、半導体プロセスで製造することはできないので、計測ユニット等とは別のプロセスで製造する必要があり、生産性が劣る問題があった。

また、特許文献３の半導体素子は、機能層から得られたデータをＲＯＭ（ｒｅａｄ ｏｎｌｙ ｍｅｍｏｒｙ）に記録して、外部機器へ送信しているので、データ通信量が多く、消費電力が大きかった。

よって、本発明の目的は、消費電力が少なく、小型化が可能なセンサデバイスおよびセンサシステムを提供することにある。

本発明者が、鋭意検討を行った結果、以下の構成により、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。本発明は、以下を提供する。
＜１＞ 発電部および無線給電部から選ばれる少なくとも一種の電力供給部と、目的とする情報を検出して信号を出力するセンサ部と、信号に基づいて判定を行うロジック部と、判定の結果を外部へ送信する無線通信部とを有するユニットと、
ユニットの外周の少なくとも一部を覆う封止材料とを有し、
ユニットは、一つの半導体基板表面に上記各部を有し、各部が電気的に接続しているか、または、複数の半導体基板に上記各部が形成され、各部が形成された半導体基板が積層し、かつ、各部が電気的に接続している、センサデバイス。
＜２＞ ユニットは、複数の半導体基板に各部が形成され、各部が形成された半導体基板が積層し、かつ、各部が電気的に接続している、＜１＞に記載のセンサデバイス。
＜３＞ ユニットは、一つの半導体基板表面に上記各部を有し、各部が電気的に接続している、＜１＞に記載のセンサデバイス。
＜４＞ 封止材料は、ユニットの外周全体を覆っている、＜１＞〜＜３＞のいずれかに記載のセンサデバイス。
＜５＞ ユニットは、センサ部から出力された信号をデジタル変換する、アナログ−デジタル変換部を有する、＜１＞〜＜４＞のいずれかに記載のセンサデバイス。
＜６＞ ユニットは、音、振動、電磁波および熱から選ばれる少なくとも一種のエネルギーを発生するエネルギー発生部を有する、＜１＞〜＜５＞のいずれかに記載のセンサデバイス。
＜７＞ 無線通信部は、センサデバイス固有の識別情報を外部に送信する、＜１＞〜＜６＞のいずれかに記載のセンサデバイス。
＜８＞ ユニットは、センサデバイスの動作状況を管理する、動作状況管理部を有する、＜１＞〜＜７＞のいずれかに記載のセンサデバイス。
＜９＞ 動作状況管理部は、センサデバイスの作動開始日時、センサデバイスの作動時間、およびユニットの各部の動作検査情報から選ばれる少なくとも１つを記録して、センサデバイスの交換時期、および、動作検査情報の異常から選ばれる少なくとも１つの警告情報を検出する、＜８＞に記載のセンサデバイス。
＜１０＞ 無線通信部は、動作状況管理部により検出された警告情報を外部機器に送信する、＜９＞に記載のセンサデバイス。
＜１１＞ ロジック部は、動作状況管理部により動作検査情報の異常が検出された場合、センサ部から出力された信号、および、ロジック部での判定のための基準値から選ばれる１種以上を補正して判定を行う、＜９＞または＜１０＞に記載のセンサデバイス。
＜１２＞ 生体用である、＜１＞〜＜１１＞のいずれかに記載のセンサデバイス。
＜１３＞ 歯に装着して用いられる、＜１＞〜＜１２＞のいずれかに記載のセンサデバイス。
＜１４＞ ＜１＞〜＜１３＞のいずれかに記載のセンサデバイスと、センサデバイスと通信を行う通信デバイスと、を有するセンサシステム。

本発明によれば、消費電力が少なく、小型化が可能なセンサデバイスおよびセンサシステムを提供することが可能となった。

本発明の第１の実施形態のセンサデバイスの概略図である。 同センサデバイスのユニットの斜視図である。 図２のユニットの分解斜視図である。 ロジック部での合否判定のアルゴリズムの一例を示すフローチャートである。 ロジック部でのランク判定のアルゴリズムの一例を示すフローチャートである。 センサデバイスの交換時期の判定のアルゴリズムの一例を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態のセンサデバイスにおけるユニットの概略平面図である。 本発明の第３の実施形態のセンサデバイスにおけるユニットの分解斜視図である。 本発明の第４の実施形態のセンサデバイスにおけるユニットの概略平面図である。 本発明の第５の実施形態のセンサデバイスにおけるユニットの分解斜視図である。

以下に記載する本発明における構成要素の説明は、本発明の代表的な実施態様に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施態様に限定されるものではない。
本明細書において、「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。
本明細書において「工程」との語は、独立した工程だけではなく、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の所期の作用が達成されれば、本用語に含まれる。

本発明のセンサデバイスは、発電部および無線給電部から選ばれる少なくとも一種の電力供給部と、目的とする情報を検出して信号を出力するセンサ部と、センサ部から出力された信号に基づいて判定（合否判定またはランク判定など）を行うロジック部と、判定の結果を外部へ送信する無線通信部とを有するユニットと、
ユニットの外周の少なくとも一部を覆う封止材料とを有し、
ユニットは、一つの半導体基板表面に各部を有し、各部が電気的に接続しているか、または、複数の半導体基板に各部が形成され、各部が形成された半導体基板が積層し、かつ、各部が電気的に接続（有線または無線による接続）してなるものである。
従来のセンサデバイスのユニットは、回路基板上に、センサ素子などの各部の機能を有する電子部品を実装してなるものであったが、本発明によれば、ユニットは、一つの半導体基板表面に各部を有し、各部が電気的に接続しているか、または、複数の半導体基板に各部が形成され、各部が形成された半導体基板が積層し、かつ、各部が電気的に接続してなるものであり、回路基板（いわゆるプリント基板）を使用していないので、センサデバイスの小型化が可能である。
更には、センサ部が出力した信号に基づいてロジック部で合否判定やランク判定等の判定を行い、無線通信部にて、判定結果を外部へ送信するので、外部機器へのデータ通信量を抑えることができる。その結果、センサデバイスの消費電力を低減することができる。
また、本発明のセンサデバイスは、電力供給部として、発電部および無線給電部から選ばれる少なくとも一種を有するので、バッテリ交換などの手間を省くことができる。このため、センサデバイスを、取り付け被対象に長期間取り付けたままの状態にすることができ、生体用センサデバイスとして好適に用いることができる。特に、歯に装着して用いるセンサデバイスとして好適である。
更には、本発明のセンサデバイスは、ユニットの各部が、半導体基板上に形成されているので、半導体プロセスでの製造が可能であり、生産性に優れる。
以下、本発明のセンサデバイスについて説明する。

＜第１の実施形態＞
図１〜３を用いて、本発明のセンサデバイスの第１の実施形態を説明する。
図１は、センサデバイスの概略図であり、図２は、ユニット１の斜視図であり、図３は、ユニット１の分解斜視図である。

図１に示すように、このセンサデバイスは、ユニット１と、ユニット１の外周の少なくとも一部を覆う封止材料２とを有する。
センサデバイスの形状は、特に限定はなく、矩形状、シート状、球状、楕円体など、種々の形状にすることができる。
本発明のセンサデバイスは、最大外径が１０ｍｍ以下であることが好ましく、３ｍｍ以下がより好ましい。なお、本発明において、最大外径は、センサデバイスが矩形状またはシート状の場合は、対角線を意味する。センサデバイスが球状の場合は、センサデバイスの直径を意味する。また、センサデバイスが楕円体の場合は、楕円体の直径軸のうち、最も長いものを意味する。下限は、特に限定はないが、取扱性等の観点から、例えば、０．１ｍｍ以上が好ましい。
本発明のセンサデバイスがシート状の場合、厚みは、０．００１〜３ｍｍが好ましい。下限は、０．００５ｍｍ以上がより好ましく、０．０１ｍｍ以上が更に好ましい。上限は、２ｍｍ以下がより好ましく、１ｍｍ以下が更に好ましい。また、縦辺および横辺のうち、長手辺の長さは、１〜２０ｍｍが好ましい。上限は、１０ｍｍ以下がより好ましく、５ｍｍ以下が更に好ましい。
本発明のセンサデバイスが矩形状の場合、厚みは、０．０１〜１０ｍｍが好ましい。下限は、０．０５ｍｍ以上がより好ましく、０．１ｍｍ以上が更に好ましい。上限は、５ｍｍ以下がより好ましく、３ｍｍ以下が更に好ましい。また、縦辺および横辺のうち、長手辺の長さは、０．０１〜１０ｍｍが好ましい。上限は、５ｍｍ以下がより好ましく、３ｍｍ以下が更に好ましい。
本発明のセンサデバイスが球状の場合、直径は、０．００１〜１０ｍｍが好ましい。下限は、０．０５ｍｍ以上がより好ましく、０．１ｍｍ以上が更に好ましい。上限は、５ｍｍ以下がより好ましく、３ｍｍ以下が更に好ましい。
本発明のセンサデバイスが楕円体の場合、最も長い直径軸の長さは、０．００１〜１０ｍｍが好ましい。下限は、０．０５ｍｍ以上がより好ましく、０．１ｍｍ以上が更に好ましい。上限は、５ｍｍ以下がより好ましく、３ｍｍ以下が更に好ましい。

封止材料２は、非生分解性で、生体に無害な材料が好ましい。また、センサデバイスを歯に装着して用いる場合は、白色の材料が好ましい。なお、非生分解性とは、微生物の作用で分解しないことを意味する。
非生分解性で、生体に無害な材料としては、例えば、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、エチレン−酢酸ビニル共重合体樹脂、パラキシリレン系樹脂などが挙げられる。
市販品としては、テフロン（登録商標、デュポン社製）、パリレン（登録商標、日本パリレン合同会社製）などが挙げられる。

封止材料２の膜厚の最薄部は、０．１μｍ以上が好ましく、０．２μｍ以上がより好ましく、１μｍ以上が更に好ましい。膜厚が上記範囲であれば、ユニット１の保護機能が十分に得られる。封止材料２の膜厚の最薄部の上限は、センサデバイスの小型化の観点から、２００μｍ以下が好ましく、１００μｍ以下がより好ましく、５０μｍ以下が更に好ましい。
なお、図１では、ユニット１の外周全体が封止材料２で覆われているが、ユニット１の外周の一部が封止材料から露出していてもよい。
センサデバイスを生体用として用いる場合は、生体への安全性等の観点から、ユニット１の外周全体が封止材料２で覆われていることが好ましい。

図２、３に示すように、ユニット１は、無線通信部を有する半導体基板１４、発電部および無線給電部から選ばれる少なくとも一種の電力供給部を有する半導体基板１３、ロジック部を有する半導体基板１２、センサ部を有する半導体基板１１の順に積層している。
半導体基板同士は、図示しない接着剤で接合されていることが好ましい。接着剤としては、例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂などが挙げられる。また、特開２０１２−０２５８４７号公報、特開２０１０−１３２７９３号公報、特開２００９−０３２７３２号公報に記載されたアンダーフィル剤を用いることもできる。
そして、各半導体基板上に形成された各部が、貫通電極２１〜２３を介して電気的に接続している。貫通電極同士は、図示しない半田バンプ、銅バンプ（ニッケル、錫、金などで表面をメッキされていても良い）、金属（銀や銅など）のペースト、金属（銀や銅など）のナノ粒子、金属（銀や銅やアルミなど）のナノピラーなどで接合されている。

この実施形態では、図２、３に示すようにユニット１において、センサ部を有する半導体基板１１と、無線通信部を有する半導体基板１４が、それぞれ最外層に配置されている。
センサ部を有する半導体基板１１が最外層に配置されているので、センサとしての感度が良好である。また、無線通信部を有する半導体基板１４が、最外層に配置されているので、外部との通信が良好である。
なお、図２、３において、ロジック部を有する半導体基板１２と、電力供給部を有する半導体基板１３との積層順序を入れ替えても同様の効果が得られる。

また、この実施形態では、図３に示すように、貫通電極２１〜２３を用いて半導体基板上の各部を電気的に接続しているが、貫通電極のかわりに、ワイヤボンディング、無線電磁結合等の技術を用いて各部を電気的に接続してもよい。無線電磁結合による積層は、上下の半導体基板間でコイルが対向するように各半導体基板上にコイルを配置して、各部を電気的に接続する技術である。無線電磁結合による積層については、例えば、特開２０１１−０８６７３８号公報、特開２０１２−２０９７６９号公報などを参照でき、この内容は本明細書に組み込まれることとする。

本発明において、半導体基板は、公知のものを制限なく使用することができる。例えば、シリコン基板、ＳｉＣ基板、ＳｉＧｅ基板、ＺｎＳ基板、ＺｎＳｅ基板、ＧａＡｓ基板、ＩｎＧａＡｓ基板、ＩｎＰ基板、ＧａＮ基板などが挙げられる。なお、本発明において、半導体基板とは、表面にセンサ部等の各機能を形成して素子化するための基板であって、チップ化した電子部品（半導体素子など）を実装するための回路基板（プリント基板、プリント配線板、サブストレート）とは異なる。
以下、ユニット１の各部に説明する。

＜＜センサ部＞＞
本発明のセンサデバイスにおいて、センサ部は、目的とする情報を検出して信号を出力するものであって、用途により選択することができる。例えば、イメージセンサ、可視光センサ、赤外光センサ、紫外光センサ、温度センサ、湿度センサ、圧力センサ、触覚センサ、加速度センサ、ジャイロセンサ（磁気センサ）、マイクロフォン（音センサ）、ガスセンサ、イオンセンサ、バイオセンサ、電気抵抗センサ、電気インピーダンスセンサ、近接センサ、電磁波センサ、放射線センサ、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）受信センサなどが挙げられる。
イメージセンサとしては、電荷結合素子（ＣＣＤ）、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）等の固体撮像素子が挙げられる。使用する半導体や光フィルターによって、可視光、赤外線、紫外線などのイメージセンサとして応用できる。
また、上記の圧力センサ、触覚センサ、加速度センサ、ジャイロセンサ、マイクロフォンなどを、ＭＥＭＳの半導体加工技術を応用して作成することもでき、これらを総称してＭＥＭＳセンサと呼ぶこともある。
センサデバイスを歯に装着して用いる場合にも上記全てのセンサを適用できるが、イメージセンサや各種光センサ部は発光デバイス（エネルギー発生部）とセットで使用することが好ましい。口腔内は、外光が安定して照射されないため、パッシブセンシング（発光デバイスがなく、外部からくる光を受動的に検出）ではなくアクティブセンシング（発光デバイスから短時間のパルス光を発光してその反射光や透過光を発光パルスに同期して検出）で用いる方が検出精度が高くできるため、同じ精度を実現するための電力消費量を少なく抑えることができるためである。

＜＜ロジック部＞＞
本発明のセンサデバイスにおいて、ロジック部は、センサ部が出力した信号に基づいて判定（例えば、合否判定、ランク判定など）を行うものである。例えば、センサ部の出力信号を記録するメモリ回路（一時的メモリ）と、判定のための基準値（判定基準値）を記録するメモリ回路（長期的メモリ）と、判定を行う演算回路とを有するものなどが挙げられる。なお、一時的メモリは、省略することもできる。
本発明のセンサデバイスは、上記判定を行うロジック部を有することで、センサ出力のデジタル化データ全てを送信する場合（例えば１６ビット）に比べて、判定結果（例えば２ビット）だけを送信することができるので、無線通信部におけるデータ通信量を少なくし、消費電力量を抑えることができる。
ロジック部での判定では、ランク分けのランク数を少なくすることで、ロジック部での負荷を小さくでき、消費電力をより抑えることができる。ランク分けのランク数は、２５６以下が好ましく、６４以下がより好ましく、１６以下が更に好ましい。
ロジック部のメモリ回路（長期的メモリ）には、判定のための基準値の他に、センサデバイス固有の識別情報を記録することが好ましい。センサデバイス固有の識別情報としては、例えば、センサの種別、メーカー、シリアル番号などを示すコード情報などが挙げられる。

本発明のセンサデバイスにおいて、ロジック部は、センサ部から出力された信号をデジタル変換する、アナログ−デジタル変換部（アナログ−デジタル変換回路）を更に有していてもよい。センサ部から出力された信号をデジタル変換することにより、ロジック部の判定回路をデジタル回路だけで構成できるので、判定基準値を複数設定した複雑な多段階のランク判定や、複数のセンサ信号の組合せによる判定（例えば、温度が３７度以上で可視光反射率が１０％以下の場合はランクＡ、温度３７度以上で反射率１０％超はランクＢ、温度３７度未満は反射率によらずランクＣなど）の場合、回路規模を縮小でき、省電力化が図れる。一方、単純な判定のみ（例えば、センサ出力が１Ｖ以上なら合格、１Ｖ未満なら不合格）の場合は、アナログ−デジタル変換をせずに、アナログ信号をアナログ回路（トランジスタなど）で直接判定する方が、ロジック回路規模を縮小できてトータルの回路規模を削減できるメリットがある。
なお、アナログ−デジタル変換部は、ロジック部とは別の半導体基板に形成することもできる。

ロジック部での合否判定のアルゴリズムの一例を、図４を用いて説明する。
図４に示されるように、ロジック部に、センサ部からの信号が入力されると、入力された信号が設定範囲内であるか判定する（ステップＳ１）。設定範囲内であれば、合格判定信号を出力して（ステップＳ２）、終了となる。設定範囲外であれば、不合格判定信号を出力して（ステップＳ３）、終了となる。

ロジック部でのランク判定のアルゴリズムの一例を、図５を用いて説明する。
ロジック部に、センサ部からの信号が入力されると、入力された信号がランクＡの設定範囲内であるか判定する（ステップＳ１１）。設定範囲内であれば、ランクＡの信号を出力して（ステップＳ１２）、終了となる。設定範囲外であれば、ランクＢの設定範囲内であるか判定する（ステップＳ１３）。設定範囲内であれば、ランクＢの信号を出力して（ステップＳ１４）、終了となる。ランクＢの設定範囲外であれば、ランクＣの信号を出力して（ステップＳ１５）、終了となる。

本発明のセンサデバイスにおいて、ロジック部のメモリ回路（長期的メモリ）は、センサデバイスの作動開始日時、センサデバイスの作動時間、およびユニットの各部の動作検査情報から選ばれる少なくとも１つを記録することも好ましい。この態様において、ロジック部の演算回路は、上記記録された情報に基づき、センサデバイスの交換時期、および、動作検査情報の異常から選ばれる少なくとも１つの警告情報を検出するように構成されていることが好ましい。
このように構成されたロジック部は、センサデバイスの動作状況を管理する、動作状況管理部としての機能を兼ね備えてなるものである。

センサデバイスの交換時期の判定は、例えば、次のようにして行うことができる。図６に示すように、メモリ回路に記録されたセンサデバイスの作動開始日時と、現在の日時とを比較して、センサデバイスの作動時間を算出する（ステップＳ２１）。次に、センサデバイスの作動時間が設定範囲内か判定する（ステップＳ２２）。設定範囲内であれば、終了となる。一方、設定範囲を外れる場合は、寿命に達していると判定し、センサデバイスの交換時期を知らせる警告信号を出力する。なお、メモリ回路にて、センサデバイスの作動時間を記録している場合は、ステップＳ２１を省略することができる。

動作検査情報の異常としては、センサの異常、ロジック回路の異常、電源回路の異常、通信回路の異常などが挙げられる。しかし個別の回路部分の異常を解析することは必要なく、デバイスのどこかに異常があるかどうかを判定すれば良いので、デバイスのどこかに異常がないかを検出することを目的とする。一部に異常があったとしても、一部だけを修理することはできず、最終的にはデバイス全体を交換するしか対応方法がないためである。
動作検査情報の異常の検出は、例えば、次のようにして行うことができる。
センサデバイスに断線チェック用の回路を形成しておき、断線チェック用の回路に確認信号を送り、予めメモリ回路に記録しておいた出力値に対して所定の範囲を外れる場合は、断線などの異常が生じていると判定し、動作検査情報の異常を検出する方法が挙げられる。
また、センサデバイスが、発光ダイオード（ＬＥＤ）を発光させ、その光量をセンサ部で測定する場合、検査用規定値にてＬＥＤをパルス発光させ、センサ受信信号をモニターし、予め設定してメモリ回路に記録されている合格範囲を逸脱していた場合、異常が生じていると判定し、動作検査情報の異常を検出する方法を用いることもできる。

なお、センサデバイスの交換時期の判定のアルゴリズム、動作検査情報の異常の検出のアルゴリズムは、外部機器で行うこともできる。例えば、センサデバイス固有の識別情報と、センサデバイスの作動開始日時、動作検査情報の異常の検出のアルゴリズムなどを関連付けて記憶させておき、外部機器上で、上述した判定を行うことができる。

本発明のセンサデバイスは、動作検査情報の異常が検出された場合、ロジック部は、センサ部から出力された信号、および、ロジック部での判定基準値から選ばれる１種以上を補正して、上述した合否判定や、ランク判定等の判定を行うように構成されていることが好ましい。すなわち、動作検査情報の異常が検出された場合、ロジック部では以下のいずれかの方法で判定を行うように構成されていることが好ましい。
（１）センサ部から出力された信号の実測値を、動作検査情報の異常に応じて補正し、補正値後のセンサ出力に基づいて、ロジック部にて上述した判定を行う。
（２）ロジック部のメモリ回路に記録された判定基準値を、動作検査情報の異常に応じて補正し、補正後の判定基準値に基づいて、ロジック部にて上述した判定を行う。
（３）センサ部から出力された信号の実測値と、ロジック部のメモリ回路に記録された判定基準値を、それぞれ動作検査情報の異常に応じて補正し、補正後のセンサ出力および判定基準値に基づいて、ロジック部にて上述した判定を行う。
この態様によれば、センサデバイスの交換頻度を抑えつつ、センサ部での検出を精度よく行うことができる。センサデバイスの交換頻度を抑えることで、生体用のセンサデバイスなど、センサデバイスの交換を頻繁に行うことが難しい用途に対して好ましく利用できる。また、上記のうち、特に（２）の態様が好ましい。この態様によれば、メモリ回路に記録された判定基準値を書き換えるだけで済むので、ロジック回路にかかる負荷を低減でき、消費電力をより抑えることが期待できる。例えば、「正常時の判定基準値」を、「正常時の判定基準値×Ｚ」に書き換えることで、ロジック部にて、正常な場合の判定結果と同じ判定結果を出力できる。

センサ部の出力の補正は、例えば、次のようにして行うことができる。
例えば、センサデバイスが、発光ダイオード（ＬＥＤ）を発光させ、その光量をセンサ部で測定する場合、センサ部の前に標準反射板（高反射率）を置き、ＬＥＤを発光させ反射光量をモニターし、センサ部の出力信号を、メモリ回路に記録された平常値と比較する。次に標準反射板（低反射率）を置き同様の操作をする。この２つのデータから、補正値を算出してメモリ回路に記録し、センサ部から出力された信号の実測値を補正値で補正する。センサ部の実測値を、上記補正値で補正した値を用いて、上述した合否判定や、ランク判定などの判定を行う。
また、判定基準値の補正は、上述した２つのデータから算出した補正値に基づき、メモリ回路に記録された判定基準値を補正する方法などが挙げられる。
本発明において、センサ部の出力補正、判定基準値の補正のアルゴリズムは、ロジック部の演算回路にて行ってもよいし、外部機器で行うこともできる。

＜＜電力供給部＞＞
本発明のセンサデバイスにおいて、電力供給部は、発電部および無線給電部から選ばれる少なくとも一種を有する。電力供給部は、発電部と無線給電部のいずれか一方のみであってもよく、両方を備えていてもよい。
本発明において、発電部としては、振動発電、熱電発電などの技術を適用して形成したものが挙げられる。
振動発電は、振動をエネルギー源とする発電方法であって、磁石とコイルの相対移動による磁束変化で発電する電磁誘導方式、圧電素子に応力を加えることで起電する圧電方式、電荷を帯びた基板と、その基板に対向する基板の相対移動により発電する静電誘導方式などが挙げられる。振動発電を適用した発電部については、特開２０１１−１６０６１２号公報の記載を参酌して形成することができ、この内容は本明細書に組み込まれることとする。
熱電発電としては、熱エネルギーを電力エネルギーに変換する発電法である。熱電発電を適用した発電部は、ＷＯ２０１３／０６９３４７号パンフレットに記載された熱電変換素子などを用いて形成することができ、この内容は本明細書に組み込まれることとする。
センサデバイスを歯に装着して用いる場合には、発電部は、振動発電が好ましい。口腔内では、温度は一定で温度差は得にくいが、振動は発生しやすいためである。

無線給電部は、磁気エネルギーの形で充電できるコイルを備えてなるものが挙げられる。上記コイルは、半導体基板上にフォトリソグラフィー法で形成したものが好ましい。この態様によれば、半導体プロセスにより無線給電部を形成できるので、センサデバイスの生産性を向上できる。
フォトリソグラフィー法によるコイルの形成方法としては、化学蒸着、物理蒸着などの方法で、半導体基板上などに導体層を形成する。次に、導体層上にフォトレジストを層状に適用する。次に、層状に適用されたフォトレジスト上に、パターンが形成されたマスクを重ねて光を照射する。次に、フォトレジストの未硬化部分を、現像液で除去し、レジストパターンを形成する。次に、レジストパターンをマスクにして、導体層をエッチングで部分的に除去し、その後に不要なレジストパターンも取り除くことで、コイルを形成できる。
本発明において、電力供給部は、発電部や無線給電部で発電した電気エネルギーを蓄電するキャパシタ部（コンデンサ部）をさらに有することが好ましい。

＜＜無線通信部＞＞
本発明のセンサデバイスにおいて、無線通信部は、ロジック部での合否判定やランク判定等の判定結果を外部へ送信するものである。無線通信部としては、送信用のアンテナ回路と、受信用のアンテナ回路とを少なくとも有するものが挙げられる。
本発明において、無線通信部は、省電力化の観点から、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＮＦＣ（登録商標、Ｎｅａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）、ＤＳＲＣ（登録商標、Ｄｅｄｉｃａｔｅｄ Ｓｈｏｒｔ Ｒａｎｇｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ）などの、０．０１〜１０ｍといった短い距離で行われる通信プロトコルで、無線通信するように構成されていることが好ましい。

本発明のセンサデバイスは、ロジック部のメモリ回路にてデバイス固有の識別情報を記録する場合においては、無線通信部は、合否判定やランク判定等の判定結果と共に、デバイス固有の識別情報を送信するように構成されていることが好ましい。この態様によれば、サーバなどの外部機器にて、センサ情報の管理が容易に行うことができる。
また、センサデバイス固有の識別情報と、センサデバイスの位置情報との関係をサーバにあらかじめ登録しておくことで、世界中のセンサ情報をサーバ上のビッグデータから検索できる。例えば、世界中の人類の体温情報の分布を調べて、伝染病などの拡散状況の把握などに利用できる。

本発明のセンサデバイスにおいて、無線通信部は、センサデバイスの交換時期、および、動作検査情報の異常から選ばれる少なくとも１つの警告情報を外部機器に送信することが好ましい。この態様によれば、警報情報を受け取った外部機器は、表示等の手段で、センサデバイスのユーザーに警告情報を伝達し、新品に交換するか、異常の可能性を知りながらも計測を継続するか、或いは、低精度でも良い使い方に変更するか、等の対処方法を促すことができる。

＜センサデバイスの用途＞
本発明のセンサデバイスは、消費電力が小さく、小型化が可能であり、さらには、センサデバイスを、取り付け被対象に長期間取り付けたままの状態にすることができる。このため、人、動物、魚など生体に取り付けて用いる生体用センサデバイスとして好ましく用いることができる。
生体へのセンサデバイスの取り付け方法としては、生体内に埋め込んだり、生体の歯に装着する方法などが挙げられる。取り付け取り外し時の生体への負担などの観点から、歯に装着して用いることが好ましい。
センサデバイスを歯に装着する場合、例えば、歯科用接着剤を用いて装着する方法などが挙げられる。
歯科用接着剤としては、重合性単量体などを含む従来公知の歯科用接着剤を用いることができる。例えば、特開２００９−７３３９号公報に記載された、細胞接着性人工ペプチドを含有する歯科用インプラント用接着剤、特表２０１３−５４１５２４号公報に記載された、置換糖アミド化合物を含む重合性歯科用組成物、国際公開２０１３／１４５６２１号パンフレット、国際公開２００５／０６０９２０号パンフレットに記載されたリン酸基含有（メタ）アクリレート化合物を含む歯科用接着剤などを用いることができる。

＜センサデバイスの製造方法＞
次に、本発明のセンサデバイスの製造方法について説明する。
本発明のセンサデバイスのユニットは、半導体プロセスにより製造することができる。
すなわち、半導体基板の表面に酸化膜を形成させる（工程１）。
次に、酸化膜が形成された半導体基板上に、フォトレジストを層状に適用する（工程２）。
次に、層状に適用されたフォトレジスト（フォトレジスト層）上に、パターンが形成されたマスクを重ねて光を照射する（工程３）。
次に、フォトレジストの未硬化部分を、現像液で除去し、レジストパターンを形成する（工程４）。
次に、レジストパターンをマスクにして、酸化膜をエッチングで部分的に除去し、その後に不要なレジストパターンも取り除く（工程５）。エッチングは、ウェットエッチング、ドライエッチングのいずれであってもよい。
ドライエッチングとしては、例えば、イオンミリング、反応性イオンエッチング、スパッタエッチングなどが挙げられ、イオンミリング、反応性イオンエッチングが特に好ましい。エッチングガスとしては、Ｏ_２、Ｃｌ_２、ＣＨＦ_３、ＣＦ_４、ＳＦ_６、Ｃ６０、Ａｒなどが挙げられる。
次に、半導体基板に半導体の特性を持たせるため、リンやボロンなどの不純物イオンを注入し、加熱処理を行って、活性化させ、半導体を形成する（工程５）。
次に、半導体上に、金属層を形成する（工程６）。
更に、金属層の上に絶縁用の無機膜（酸化シリコン、窒化シリコン等）や有機膜（ポリイミド等）で保護し、接続電極部のみ金属層が露出するように、フォトリソプロセスによりパターンを形成する（工程７）。
このようにして、半導体基板上にロジック部、無線通信部等の各部を形成することができる。
センサ部の場合は、センサの種類に応じて、上記工程に加えて、あるいは、上記工程に代えて、特別な半導体プロセスを用いる。例えばＭＥＭＳセンサの場合は、犠牲層をフォトリソプロセスによってパターン状に形成した上に無機膜等を形成し、ドライエッチングによって犠牲層を除去することにより、半導体基板上に凹凸や可動部を形成する工法が知られている。イメージセンサの場合は、形成したＣＭＯＳセンサ回路の上に感光性のカラーレジストを形成し、フォトリソプロセスによりカラーフィルターを設けることが多い。
次に、各部が形成された半導体基板同士を、接着剤で接合し、貫通電極、ワイヤボンディング、無線電磁結合等の技術を用いて各部を電気的に接続して、ユニット１を製造する。
貫通電極にて各部を電気的に接続する場合は、半導体基板にビアを形成し、ビア内を導電材料（銅など）で埋め、各半導体基板の貫通電極同士を半田バンプなどで接合する方法が挙げられる。
無線電磁結合にて各部を電気的に接続する場合は、上下の半導体基板間でコイルが対向するように各半導体基板上にコイルを配置して、各部を電気的に接続する方法が挙げられる。コイルは、例えば、フォトリソグラフィー法で形成することができる。
このようにしてユニット１を形成した後、ユニット１の外周の少なくとも一部を封止材料２で覆うことで、図１に示すセンサデバイスを製造できる。
封止材料２によるユニット１の被覆方法としては、例えば、シート状の封止材料で、ユニット１の外周をラミネートする方法や、液状の封止材料をユニット１に適用してユニット１の外周を被覆する方法などが挙げられる。液状の封止材料の適用方法としては、熱溶融した封止材料を用いるトランスファーモールド法、コンプレッションモールド法、溶液状の封止材料を用いるディップコート法、コンマコート法、エアーナイフコート法、カーテンコート法、ワイヤーバーコート法、グラビアコート法、エクストルージョンコート法、スピンコート法、スリットコート法などが挙げられる。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明のセンサデバイスの第２の実施形態について、図７を用いて説明する。
図７は、ユニット１００の概略平面図である。
この実施形態のセンサデバイスのユニット１００は、同一の半導体基板１１０上に、センサ部１０１、ロジック部１０２、発電部および無線給電部から選ばれる少なくとも一種の電力供給部１０３、および、無線通信部１０４がそれぞれ形成され、半導体基板上の各部が電気的に接合してなるものである。
各部については、上述した第１の実施形態で説明したものと同様である。
この実施形態によれば、より薄膜なセンサデバイスとすることができる。また、半導体基板を積層する手間を省略できる。

図７に示すユニット１００は、半導体プロセスにより製造することができる。上述したように、半導体基板上の各部を形成する領域に、上述した工程１〜工程６をそれぞれ行うことで、同一の半導体基板１１０上に、センサ部１０１、ロジック部１０２、発電部および無線給電部から選ばれる少なくとも一種の電力供給部１０３、および、無線通信部１０４がそれぞれ形成されてなるユニット１００を製造できる。

＜第３の実施形態＞
次に、本発明のセンサデバイスの第３の実施形態について、図８を用いて説明する。図８は、ユニット１ａの分解斜視図である。
このユニット１ａは、無線通信部を有する半導体基板１４ａ、発電部および無線給電部から選ばれる少なくとも一種の電力供給部を有する半導体基板１３ａ、ロジック部を有する半導体基板１２ａの順に積層している。そして、ロジック部を有する半導体基板１２ａ上には、センサ部を有する半導体基板１１ａと、エネルギー発生部を有する半導体基板１５ａとが積層している。すなわち、このユニット１ａは、図８に示すように、センサ部を有する半導体基板１１ａと、エネルギー発生部を有する半導体基板１５ａと、無線通信部を有する半導体基板１４ａとが、それぞれ最外層に配置されている。
各半導体基板同士は、図示しない接着剤で接合されている。
そして、上下に積層された各半導体基板上に形成された各部は、貫通電極３１〜３４を介して電気的に接続している。各貫通電極同士は、図示しない半田バンプなどで接合されている。

この実施形態において、センサ部、ロジック部、電力供給部、および、無線通信部については、上述した第１の実施形態で説明したものと同様である。
エネルギー発生部としては、音、振動、電磁波および熱から選ばれる少なくとも一種のエネルギーを発生するものが挙げられる。
なお、本明細書において、「電磁波」とは、空間の電場と磁気の変化によって形成される波を意味し、光を含むものである。例えば、γ線、Ｘ線、紫外線、可視光線、赤外線、マイクロ波、電波などが挙げられる。
エネルギー発生部として、電磁波を発生するものを用いる場合、センサデバイスを生体用として用いる場合においては、可視光線、赤外線、マイクロ波、または、電波を発生するものが好ましい。
エネルギー発生部の具体例としては、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザーダイオード（ＬＤ）、ダイヤモンド基板を用いた半導体マイクロ波発生素子、半導体スピーカーなどが挙げられる。センサ部の種類に応じて適宜選択することができる。
例えば、センサ部が、イメージセンサ、可視光センサまたは赤外光センサの場合、エネルギー発生部は、可視から赤外の光を発生するＬＥＤやＬＤが好ましい。センサ部がマイクロフォン（音センサ）の場合、エネルギー発生部はピエゾ素子等を用いた半導体スピーカーが好ましい。

第３の実施形態のセンサデバイスは、エネルギー発生部を有する半導体基板１５ａを更に有する点で、上記第１の実施形態のセンサデバイスと相違する。
このセンサデバイスは、エネルギー発生部から出力されたエネルギーを用いて、センサ部で検出することができるので、センサ感度を高めることができる。さらには、エネルギー発生パルスを短くすることで、センサの通電時間を短くでき、省電力化できる。複数回のエネルギー発生パルスを周期的に発生させて、センサの検出をこの周期に同期させることで、信号の検出Ｓ／Ｎを向上できるという効果も得られる。
なお、図８では、センサ部と、エネルギー発生部は、それぞれ別の半導体基板上に形成されているが、センサ部とエネルギー発生部が、同一の半導体基板上に形成されていてもよい。

＜第４の実施形態＞
次に、本発明のセンサデバイスの第４の実施形態について、図９を用いて説明する。
図９は、ユニット１００ａの概略平面図である。
この実施形態のセンサデバイスのユニット１００ａは、同一の半導体基板１１０ａ上に、センサ部１０１ａ、ロジック部１０２ａ、発電部および無線給電部から選ばれる少なくとも一種の電力供給部１０３ａ、無線通信部１０４ａ、エネルギー発生部１０５ａがそれぞれ形成され、半導体基板上の各部が電気的に接合してなるものである。
各部については、上述した第１の実施形態、第３の実施形態で説明したものと同様である。

＜第５の実施形態＞
次に、本発明のセンサデバイスの第５の実施形態について、図１０を用いて説明する。図１０は、ユニット１ｂの分解斜視図である。
このユニット１ｂは、無線通信部を有する半導体基板１４ｂ、センサデバイスの動作状況を管理する動作状況管理部を有する半導体基板１６ｂ、発電部および無線給電部から選ばれる少なくとも一種の電力供給部を有する半導体基板１３ｂ、ロジック部を有する半導体基板１２ｂ、センサ部を有する半導体基板１１ｂの順に積層している。すなわち、このユニット１ｂは、図９に示すように、センサ部を有する半導体基板１１ｂと、無線通信部を有する半導体基板１４ｂとが、それぞれ最外層に配置されている。
各半導体基板同士は、図示しない接着剤で接合されている。
そして、上下に積層された各半導体基板上に形成された各部は、貫通電極４１〜４４を介して電気的に接続している。各貫通電極同士は、図示しない半田バンプなどで接合されている。

この実施形態において、センサ部、ロジック部、電力供給部、無線通信部については、上述した第１の実施形態で説明したものと同様である。
動作管理部は、センサデバイスの動作状況を管理するものであって、センサデバイスの作動開始日時、センサデバイスの作動時間、およびユニットの各部の動作検査情報から選ばれる少なくとも１つを記録して、センサデバイスの交換時期、および、動作検査情報の異常から選ばれる少なくとも１つの警告情報を検出するように構成されていることが好ましい。
動作管理部の詳細について、上述した第１の実施形態のロジック部で説明したものと同様である。
なお、この実施形態のロジック部は、動作状況管理部としての機能は有していない。

このセンサデバイスのユニット１ｂは、動作状況管理部を有する半導体基板１６ｂ、電力供給部を有する半導体基板１３ｂ、ロジック部を有する半導体基板１２ｂの順に積層しているが、これらの積層順序は入れ替えてもよい。
また、エネルギー発生部を有する半導体基板を更に有していてもよい。

＜センサシステム＞
次に、本発明のセンサシステムについて説明する。
本発明のセンサシステムは、上述したセンサデバイスと、センサデバイスと通信を行う通信デバイスを有する。
通信デバイスとしては、センサデバイスと無線通信可能なものであればよく、特に限定はない。たとえは、パソコン、無線通信機能付きパソコン周辺機器（ハードディスク、プリンターなど）、無線通信機能付き家電（テレビ、冷蔵庫、電話機など）、ＮＦＣ対応機器（ＲＦＩＤ（ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｒ）タグやＦｅｌｉＣａ（登録商標）の読取装置や書込装置）などの電子機器、携帯電話、タブレット、スマートフォン等の携帯端末などが挙げられる。

本発明のセンサデバイスは、ビッグデータを保管するサーバと直接通信を行ってもよいが、通信距離が長くなるに伴い消費電力が大きくなる。このため、センサデバイスと直接通信を行う外部機器は、省電力化の観点から、センサデバイスに対して、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、ＮＦＣなどの、０．０１〜１０ｍといった短い距離で行われる通信プロトコルで無線通信可能で、かつ、基地局やサーバとの長距離無線通信（例えば、Ｗｉ−Ｆｉ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｆｉｄｅｌｉｔｙ）、ＬＴＥ（Ｌｏｎｇ Ｔｅｒｍ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）、など）やインターネット接続可能な機器（有線接続を含む）が好ましい。

本発明のセンサシステムにおいて、外部機器は、センサデバイスの交換時期の判定のアルゴリズム、センサデバイスの動作検査情報の異常の検出のアルゴリズム、および、センサ部の出力補正のアルゴリズムを行うように構成されたものであってもよい。なお、これらのアルゴリズムは、センサデバイス内で行うこともできる。

１、１ａ、１ｂ：ユニット
２：封止材料
１１、１１ａ、１１ｂ：センサ部を有する半導体基板
１２、１２ａ、１２ｂ：ロジック部を有する半導体基板
１３、１３ａ、１３ｂ：電力供給部を有する半導体基板
１４、１４ａ、１４ｂ：無線通信部を有する半導体基板
１５ａ：エネルギー発生部を有する半導体基板
１６ｂ：動作状況管理部を有する半導体基板
２１〜２３、３１〜３４、４１〜４４：貫通電極
１００、１００ａ：ユニット
１０１、１０１：センサ部
１０２、１０２：ロジック部
１０３、１０３ａ：電力供給部
１０４、１０４ａ：無線通信部
１０５ａ：エネルギー発生部
１１０、１１０ａ：半導体基板

Claims (11)

1. 発電部および無線給電部から選ばれる少なくとも一種の電力供給部と、目的とする情報を検出して信号を出力するセンサ部と、前記信号に基づいて判定を行うロジック部と、前記判定の結果を外部へ送信する無線通信部とを有するユニットと、
   前記ユニットの外周の少なくとも一部を覆う封止材料とを有し、
   前記ユニットは、複数の半導体基板に前記各部が形成され、前記各部が形成された半導体基板が積層し、かつ、前記各部が電気的に接続している、センサデバイス。
2. 発電部および無線給電部から選ばれる少なくとも一種の電力供給部と、目的とする情報を検出して信号を出力するセンサ部と、前記信号に基づいて判定を行うロジック部と、前記判定の結果を外部へ送信する無線通信部とを有するユニットと、
   前記ユニットの外周の少なくとも一部を覆う封止材料とを有し、
   前記ユニットは、一つの半導体基板表面に前記各部を有し、前記各部が電気的に接続しているか、または、複数の半導体基板に前記各部が形成され、前記各部が形成された半導体基板が積層し、かつ、前記各部が電気的に接続しており、
   前記ユニットは、センサデバイスの動作状況を管理する、動作状況管理部を有し、
   前記動作状況管理部は、センサデバイスの作動開始日時、センサデバイスの作動時間、およびユニットの各部の動作検査情報から選ばれる少なくとも１つを記録して、センサデバイスの交換時期、および、前記動作検査情報の異常から選ばれる少なくとも１つの警告情報を検出する、センサデバイス。
3. 前記封止材料は、前記ユニットの外周全体を覆っている、請求項１または２に記載のセンサデバイス。
4. 前記ユニットは、前記センサ部から出力された信号をデジタル変換する、アナログ−デジタル変換部を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のセンサデバイス。
5. 前記ユニットは、音、振動、電磁波および熱から選ばれる少なくとも一種のエネルギーを発生するエネルギー発生部を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載のセンサデバイス。
6. 前記無線通信部は、センサデバイス固有の識別情報を外部に送信する、請求項１〜５のいずれか１項に記載のセンサデバイス。
7. 前記無線通信部は、前記動作状況管理部により検出された前記警告情報を外部機器に送信する、請求項２に記載のセンサデバイス。
8. 前記ロジック部は、前記動作状況管理部により前記動作検査情報の異常が検出された場合、前記センサ部から出力された信号、および、前記ロジック部での判定のための基準値から選ばれる１種以上を補正して判定を行う、請求項２または７に記載のセンサデバイス。
9. 生体用である、請求項１〜８のいずれか１項に記載のセンサデバイス。
10. 歯に装着して用いられる、請求項１〜９のいずれか１項に記載のセンサデバイス。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載のセンサデバイスと、
    前記センサデバイスと通信を行う通信デバイスと、
    を有するセンサシステム。