KR100453512B1 - 표면탄성파 공진기를 이용한 센서 시스템 - Google Patents

표면탄성파 공진기를 이용한 센서 시스템 Download PDF

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KR100453512B1
KR100453512B1 KR10-2002-0084228A KR20020084228A KR100453512B1 KR 100453512 B1 KR100453512 B1 KR 100453512B1 KR 20020084228 A KR20020084228 A KR 20020084228A KR 100453512 B1 KR100453512 B1 KR 100453512B1
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Abstract

본 발명은 표면탄성파 공진기를 이용한 센서 시스템에 관한 것으로서, 별도의 전원을 사용하지 않고 특정 주파수를 가지며 외부로부터 수신되는 신호에 따른 공진 주파수를 생성하는 동시에 온도 또는 압력 등이 변화되면 상기 공진 주파수가 시프트된 변환 신호를 생성하는 표면탄성파 공진기를 포함한 센서부와, 상기 센서부로 상기 특정 주파수를 가지는 신호가 무선 통신을 통해 송신되도록 신호 발생부와 상기 변환 신호를 무선 통신을 통해 수신하여 상기 온도 또는 압력 등을 감지하는 신호 감지부로 이루어진 제어부로 구성됨으로써, 상기 센서부가 별도의 전원을 사용하지 않기 때문에 전력 소모가 감소될뿐만 아니라, 상기 센서부와 제어부가 무선 통신을 통해 신호를 송수신하므로 상기 센서부 설치시 제약이 해소되고, 높은 Q 값을 가지는 표면탄성파 공진기를 사용하는 동시에 상기 센서부에 상기 공진 주파수와 변환 신호에 따른 전압을 검출하는 전압 검출부 및 상기 검출된 전압에 의해 점멸되는 점멸부를 사용하여 상기 신호 감지부의 역할을 대신 수행할 수 있도록 하여 상기 제어부에서 신호 감지부를 생략할 수 있기 때문에 상기 센서부 및 제어부의 구성이 간소화되는 효과가 있다.

Description

표면탄성파 공진기를 이용한 센서 시스템{ Sensing system using surface acoustic wave resonator }
본 발명은 표면탄성파 공진기를 이용한 센서 시스템에 관한 것으로서, 특히 외부 온도 또는 압력 등이 변화하는 경우 별도의 전원을 사용하지 않고 생성되는 공진 주파수가 시프트된 변환 신호가 생성되는 표면탄성파 공진기를 통해 무선 통신으로 신호의 송수신이 가능하도록 하여 설치 공간의 제약이 해소되는 표면탄성파 공진기를 이용한 센서 시스템에 관한 것이다.
종래의 기술에 따른 센서 장치는 도 1 에 도시된 바와 같이, 온도 또는 압력 등의 변화에 따라 생성되는 신호의 크기가 가변되는 센서부(2)와, 상기 센서부(2)와 일체형 또는 유선을 통해 연결되며 상기 센서부(2)에서 생성되는 신호를 전달받아 상기 온도 또는 압력 등을 감지하는 제어부(4)와, 상기 제어부(4)에 의해 감지된 온도 또는 압력 등이 외부에 디스플레이되도록 하는 디스플레이부(6)와, 상기 센서부(2) 및 제어부(4)의 동작 전원을 공급하는 전원 공급부(8)를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 센서부(2)는 상기 온도 또는 압력 등의 변화에 따라 생성되는 신호의 크기가 가변되는 온도 센서 또는 압력 센서 등으로 이루어지며, 상기 제어부(4)는 상기 센서부(2)에서 생성되는 신호의 크기에 따라 온도 또는 압력 등을 감지할 수 있도록 상기 신호의 크기에 따른 온도 또는 압력 등에 대한 테이블이 미리 저장되어 상기 센서부(2)에서 생성되는 신호의 크기와 온도 또는 압력 등에 대한관계를 상기 디스플레이부(6)를 통해 표 또는 그래프 등으로 디스플레이시켜 사용자가 용이하게 상기 온도 또는 압력 등을 확인할 수 있도록 한다.
또한, 상기 전원 공급부(8)는 상기 센서부(2)와 제어부(4)의 동작 전원을 각각 공급하게 되는데, 이때 상기 센서부(2)와 제어부(4)에 공급되는 동작 전원이 다를 경우 상기 센서부(2) 및 제어부(4)의 동작 전원에 부합하도록 전원을 변환하는 전압 변환부(8a)를 더 포함한다.
그러나, 상기와 같은 종래의 기술에 따른 센서 장치는 상기 센서부(2)와 제어부(4)가 일체형 또는 유선을 통하여 연결되므로 상기 센서부(2)를 설치하는데 있어 많은 제약이 따르고, 상기 센서부(2)와 제어부(4)가 동작하기 위하여 모두 전원이 공급되기 때문에 이로 인한 전력 소모가 증가한다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 외부 온도 또는 압력 등을 감지하는 센서부에 별도의 전원을 사용하지 않으며 외부로부터 수신되는 신호에 따라 공진 주파수를 생성하고, 외부의 온도 또는 압력 등이 변화될 경우 상기 공진 주파수가 시프트된 변환 신호를 생성하는 표면탄성파 공진기를 사용하여 상기 외부로부터 수신되는 신호와 변환 신호간의 위상차를 통해 상기 온도 또는 압력 등을 감지할 수 있도록 함으로써, 소모되는 전력이 감소될 수 있는 표면탄성파 공진기를 이용한 센서 시스템을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 높은 Q 값을 가지는 표면탄성파 공진기를사용하여 별도의 임피던스 정합이 요구되지 않도록 하는 동시에 상기 센서부에서 상기 온도 또는 압력 등의 변화를 확인할 수 있도록 하여 구성이 간소화될 수 있는 표면탄성파 공진기를 이용한 센서 시스템을 제공하는데 있다.
도 1 은 종래의 기술에 따른 센서 시스템이 도시된 도면,
도 2 는 본 발명에 따른 표면탄성파 공진기를 이용한 센서 시스템의 제 1 실시예가 도시된 도면,
도 3 은 도 2 에서 Q 값에 따른 표면탄성파 공진기의 손실율이 도시된 도면,
도 4a 내지 도 4d 는 도 2 의 동작 파형이 도시된 도면,
도 5 는 본 발명에 따른 표면탄성파 공진기를 이용한 센서 시스템의 제 2 실시예가 도시된 도면,
도 6a 및 도6b 는 도 5 의 동작 파형이 도시된 도면,
도 7 은 본 발명에 따른 표면탄성파 공진기를 이용한 센서 시스템의 제 3 실시예가 도시된 도면이다.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
100: 센서부 110: 표면탄성파 공진기
120: 절연부 200: 제어부
210: 신호 발생부 220: 신호 감지부
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 표면탄성파 공진기를 이용한 센서 시스템은 외부로부터 특정 주파수를 가지는 신호가 수신되는 경우 그에 따른 공진 주파수를 생성하는 동시에 외부의 온도 또는 압력 등이 변화하게 되면 상기 공진 주파수가 시프트된 변환 신호를 생성하는 센서부와, 상기 특정 주파수를 가지는 신호를 생성하고, 상기 생성된 신호가 안테나를 통해 상기 센서부로 송신되도록 하는 제어부를 포함하여 구성된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 표면탄성파 공진기를 이용한 센서 시스템은 도 2 에 도시된 바와 같이, 외부로부터 특정 주파수를 가지는 신호가 수신되는 경우 상기 특정 주파수에 따른 공진 주파수를 생성하는 동시에 외부의 온도 또는 압력 등이 변화되면 상기 공진 주파수가 시프트된 변환 신호가 생성되는 센서부(100)와, 상기 특정 주파수를 가지는 신호를 생성하고, 상기 생성된 신호가 안테나를 통해 상기 센서부(100)로 송신되도록 하는 제어부(200)를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 센서부(100)는 상기 제어부(100)에서 송신되는 신호가 수신되도록 하는 수신 안테나(100a)와, 상기 수신 안테나(100a)로 수신된 신호에 따른 공진 주파수를 생성하는 동시에 외부의 온도 또는 압력 등이 변화되면 상기 공진 주파수가 시프트된 변환 신호가 생성되는 표면탄성파 공진기(110)와, 상기 표면탄성파 공진기(110)에서 생성된 변환 신호가 외부로 송신되도록 하는 송신 안테나(100b)와, 상기 표면탄성파 공진기(110)에서 생성된 변환 신호의 역류를 방지하는 절연부(120)로 구성된다.
이때, 상기 표면탄성파 공진기(110)는 높은 Q(Quality Factor) 값을 가지도록 하는데, 이는 도 3 에 도시된 바와 같이, 상기 Q 값은 상기 표면탄성파 공진기(110)의 손실율 및 전력 소모와 비례의 관계가 있기 때문에 상기 높은 Q 값(11)을 가지는 표면탄성파 공진기(110)에서의 손실율 및 상기 제어부(200)에서의 전력 소모는 증가하게 되고, 낮은 Q 값(12)을 가지는 상기 표면탄성파 공진기(110)에서의 손실율 및 상기 제어부(200)에서의 전력 소모는 감소하게 되는 것이다. 이때, 상기 Q 값은 상기 표면탄성파 공진기(110)에서 생성되는 공진 주파수의 중심주파수에 대한 3dB 대역폭으로 정의되고, 상기 손실율은 중심 주파수에서의 손실값으로 정의되며, 상기 표면탄성파 공진기(110)는 임피던스 정합이 이루어지지 않을 경우 손실은 증가하게 되나 Q 값은 높아지게 된다.
따라서, 상기 제어부(200)가 충분한 전력을 보유하고 있는 경우 높은 Q 값을 가지는 표면탄성파 공진기(110)를 사용하게 되면 별도의 임피던스 정합이 요구되지 않기 때문에 상기 센서부(100)의 구성이 간소화되고, 높은 Q 값으로 인해 시프트되는 주파수를 정확하게 측정할 수 있게 된다.
또한, 상기 제어부(200)는 상기 특정 주파수를 가지는 신호를 생성하고, 상기 생성된 신호가 안테나(210a)를 통해 상기 센서부(100)로 송신되도록 하는 신호 발생부(210)와, 상기 센서부(100)에서 송신된 변환 신호를 수신하는 동시에 상기 신호 발생부(210)에서 송신되는 신호가 전달되어 상기 변환 신호와의 위상차를 산출하고, 상기 산출된 위상차에 따라 상기 온도 또는 압력 등을 감지하는 신호 감지부(220)로 구성된다.
여기서, 신호 발생부(210)는 상기 특정 주파수를 가지는 신호가 생성되는 신호 생성부(211)와, 상기 신호 생성부(211)에서 생성된 신호의 위상을 검출하는 제 1 위상 검출부(212)와, 상기 제 1 위상 검출부(212)에서 검출된 위상에 따른 전압 신호를 생성하는 제 1 전압 생성부(213)와, 상기 제 1 전압 생성부(213)에서 생성된 전압 신호를 필터링하는 제 1 필터부(214)와, 상기 제 1 필터부(214)에서 필터링된 전압 신호가 출력되는 전압 출력부(215)와, 상기 전압 출력부(215)에서 출력된 전압 신호를 설정된 분배 비율에 따라 분배하는 전압 분배부(216)와, 상기 전압 분배부(216)에서 분배된 전압 신호를 증폭하여 안테나(210a)를 통해 상기 센서부(100)로 송신될 수 있도록 하는 증폭부(217)와, 상기 전압 분배부(216)의 전압 신호 분배 비율을 설정하는 분배 설정부(218)로 구성된다.
또한, 상기 신호 감지부(220)는 상기 센서부(100)에서 송신된 변환 신호가 수신되는 안테나(220a)와, 상기 안테나(220a)를 통해 수신된 변환 신호를 잡음 제거 및 증폭하는 저잡음 증폭부(Low Noise Amplifier)(221)와, 상기 저잡음증폭부(221)를 통과한 변환 신호의 위상을 검출하는 동시에 상기 전압 분배부(216)에서 분배된 전압 신호가 전달되어 상기 분배된 전압 신호와 변환 신호의 위상차를 산출하는 제 2 위상 검출부(222)와, 상기 제 2 위상 검출부(222)에서 검출된 위상차에 따른 전압 신호를 생성하는 제 2 전압 생성부(223)와, 상기 제 2 전압 생성부(223)에서 생성된 전압 신호를 필터링하는 제 2 필터부(224)와, 상기 제 2 필터부(224)에서 필터리된 전압 신호의 크기를 감지하는 전압 감지부(225)와, 상기 전압 감지부(225)에서 감지된 전압 신호에 따른 온도 또는 압력 등을 외부로 디스플레이하는 디스플레이부(226)로 구성된다.
이때, 상기 제 2 위상 검출부(222)에서 산출되는 위상차는 도 4a 및 도4b 에 도시된 바와 같이, 상기 신호 발생부(210)에서 생성된 신호의 주파수(21)와 상기 변환 신호의 주파수(22) 차이가 설정치(f1) 이하인 경우와 도4c 및 도 4d 에 도시된 바와 같이, 상기 신호 발생부(210)에서 생성된 신호의 주파수(21)와 상기 변환 신호의 주파수(22) 차이가 설정치(f1)를 초과하는 경우가 있고, 상기 제 2 전압 생성부(223)는 상기 주파수 차이가 설정치(f1) 이하인 경우 기준 전압 이하로 전압 신호가 생성되고, 상기 주파수 차이가 설정치(f1)를 초과할 경우 기준 전압 이상으로 전압 신호가 생성되도록 한다.
또한, 상기 디스플레이부(226)는 상기 전압 감지부(225)에서 감지된 전압 신호의 크기에 따른 온도 또는 압력 등에 대한 데이터가 미리 테이블로 저장되어 있어 상기 온도 또는 압력 등을 표 또는 그래프 등을 통해 외부로 디스플레이하게 된다.
한편, 상기 센서부(100)에서 상기 신호 발생부(210)에서 생성되는 신호에 따라 상기 표면탄성파 공진기(110)에서 생성되는 공진 주파수와 외부의 온도 또는 압력 등이 변화되어 상기 공진 주파수가 시프트된 변환 신호의 주파수 차이에 따른 전압을 검출할 수 있도록 하면, 도 5 에 도시된 바와 같이, 상기 센서부(100)에서 상기 주파수 차이에 따른 전압을 검출하는 전압 검출부(130)와 상기 전압 검출부(130)에서 검출된 전압에 따라 점멸되는 점멸부(140)가 형성되는데, 이때 상기 신호 감지부(220)의 역할을 상기 전압 검출부(130)와 점멸부(140)가 대신 수행할 수 있기 때문에 상기 도 3 의 제어부(200)에서 신호 감지부(220)가 생략되는 동시에 상기 센서부(100)의 송신 안테나(100b)가 생략되어 상기 센서부(100) 및 제어부(200)의 구성이 간소화된다.
또한, 상기 신호 감지부(220)가 생략될 수 있기 때문에 상기 신호 발생부(210)의 전압 출력부(215)에서 출력되는 전압 신호를 분배하는 전압 분배부(216) 및 분배 설정부(218)도 생략 가능하다.
여기서, 상기 전압 검출부(130)는 도 6a 및 도6b 에 도시된 바와 같이, 상기 신호 발생부(210)에서 생성된 신호에 따라 상기 표면탄성파 공진기(110)에서 생성되는 공진 주파수(51, 61)와 외부의 온도 또는 압력 등에 의해 상기 공진 주파수(51, 61)가 시프트된 변환 신호(52, 62)의 주파수를 곱하여 생성되는 전압(53, 63)을 검출하게 되는데, 상기 검출된 전압(53, 63)은 상기 공진주파수(51, 61)와 변환 신호의 주파수(52, 62) 차이와 설정치(f1)와의 따라 일정기준 이상의 크기 또는 미만의 크기를 가지게 되고, 상기 주파수 차이에 따라 검출되는 전압(53, 63)에 의해 상기 점멸부(140)가 점멸됨으로써, 상기 센서부(100)에서 생성되는 변환 신호와 상기 신호 발생부(210)에서 생성되는 신호와의 위상차를 산출하기 위한 신호 감지부(220)가 사용되지 않고 상기 온도 또는 압력 등을 감지할 수 있어 상기 제어부(200)가 간소화될 수 있는 것이다.
한편, 상기 센서부(100)에 낮은 Q 값을 가지는 표면탄성파 공진기(110)를 사용할 경우에는 도 7 에 도시된 바와 같이, 상기 표면탄성파 공진기(110)로 입력 및 출력되는 신호의 임피던스를 정합시키는 제 1 및 제 2 정합부(150, 160)와, 상기 절연부(120)를 통과한 변환 신호의 임피던스를 정합시켜 상기 전압 검출부(130)로 입력되도록 하는 제 3 정합부(170)가 연결된다.
특히, 상기 도 5 및 도 7 에 도시된 바와 같이 센서부(100)에 전압 검출부(130) 및 점멸부(140)를 형성하게 되면, 상기 제어부(200)에 대하여 다수개의 센서부(100)를 사용할 수 있고, 상기 다수개의 센서부(100)에 포함된 표면탄성파 공진기(110)가 상기 제어부(200)에서 생성되는 신호에 대하여 동일한 공진 주파수를 가지게 되는 경우도 사용 가능하게 된다.
한편, 상기 표면탄성파 공진기(110)의 중심 주파수는 일정하지 않으므로 상기 제어부(200)에서 생성되는 신호에 대하여 상온(25℃, 1기압)에서 상기 표면탄성파 공진기(110)의 주파수를 조정해야 한다.
상기와 같이 구성되는 표면탄성파 공진기를 이용한 센서 시스템의 동작을 살펴보면 다음과 같다.
본 발명에 따른 표면탄성파 공진기를 이용한 센서 시스템은 먼저, 상기 신호 발생부(210)에서 특정 주파수를 가지는 신호가 안테나(210a)를 통해 외부로 송신되면 상기 센서부(100)의 수신 안테나(100a)를 통해 상기 송신된 신호가 수신되고, 상기 수신된 신호에 따라 상기 표면탄성파 공진기(110)에서 공진 주파수가 생성되고, 상기 표면탄성파 공진기(110)는 외부의 온도 또는 압력 등이 변화하게 되면 상기 공진 주파수가 시프트된 변환 신호를 생성하게 된다.
이때, 상기 변환 신호를 상기 신호 감지부(220)에서 수신하는 동시에 위상을 검출하고, 상기 신호 발생부(210)에서 생성된 신호의 위상과 위상차를 산출하게 되고, 상기 산출된 위상차에 따른 전압 신호를 통해 상기 온도 또는 압력 등이 외부로 디스플레이되도록 한다.
한편, 상기 센서부(100)에 전압 검출부(130) 및 점멸부(140)가 형성된 경우에는 상기 전압 검출부(130)에서 상기 특정 주파수를 가지는 신호에 따른 공진 주파수와 상기 변환 신호의 주파수를 곱하여 그에 따른 전압을 검출하게 되고, 상기 검출된 전압의 크기에 따라 상기 점멸부(140)가 점멸되도록 한다.
특히, 상기 신호 감지부(220)의 역할을 상기 전압 검출부(130)와 점멸부(140)가 대신 수행하기 때문에 상기 제어부(200)에서 상기 신호 감지부(220)를 생략할 수 있기 때문에 상기 제어부(200)의 구성이 간소화될 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 표면탄성파 공진기를 이용한 센서 시스템은 별도의 전원을 사용하지 않고 특정 주파수를 가지며 외부로부터 수신되는 신호에 따른 공진 주파수를 생성하는 동시에 온도 또는 압력 등이 변화되면 상기 공진 주파수가 시프트된 변환 신호를 생성하는 표면탄성파 공진기를 포함한 센서부와, 상기 센서부로 상기 특정 주파수를 가지는 신호가 무선 통신을 통해 송신되도록 신호 발생부와 상기 변환 신호를 무선 통신을 통해 수신하여 상기 온도 또는 압력 등을 감지하는 신호 감지부로 이루어진 제어부로 구성됨으로써, 상기 센서부가 별도의 전원을 사용하지 않기 때문에 전력 소모가 감소될뿐만 아니라, 상기 센서부와 제어부가 무선 통신을 통해 신호를 송수신하므로 상기 센서부의 설치시 공간의 제약이 해소되는 효과가 있다.
또한, 높은 Q 값을 가지는 표면탄성파 필터를 사용하여 별도의 임피던스 정합이 요구되지 않기 때문에 상기 센서부의 구성이 간소화되고, 상기 센서부에 상기 공진 주파수와 변환 신호에 따른 전압을 검출하는 전압 검출부 및 상기 검출된 전압에 의해 점멸되는 점멸부를 사용하여 상기 신호 감지부의 역할을 대신 수행할 수 있도록 하여 상기 제어부에서 신호 감지부를 생략할 수 있기 때문에 상기 제어부의 구성이 간소화되는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 외부로부터 특정 주파수를 가지는 신호가 수신되는 경우 그에 따른 공진 주파수를 생성하는 동시에 외부의 온도 또는 압력 등이 변화하게 되면 상기 공진 주파수가 시프트된 변환 신호를 생성하는 센서부와,
    상기 특정 주파수를 가지는 신호를 생성하고, 상기 생성된 신호가 안테나를 통해 상기 센서부로 송신되도록 하는 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 표면탄성파 공진기를 이용한 센서 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서부는 상기 특정 주파수를 가지는 신호가 수신되는 수신 안테나와, 상기 수신 안테나로 수신된 신호에 따른 공진 주파수를 생성하는 동시에 외부의 온도 또는 압력 등이 변화하는 경우 상기 공진 주파수가 시프트된 변환 신호가 생성되는 표면탄성파 공진기와, 상기 표면탄성파 공진기에서 생성된 변환 신호가 외부로 송신되도록 하는 송신 안테나와, 상기 표면탄성파에서 생성된 변환 신호의 역류를 방지하는 절연부로 구성되는 것을 특징으로 하는 표면탄성파 공진기를 이용한 센서 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서부는 상기 특정 주파수를 가지는 신호가 수신되는 수신 안테나와, 상기 수신 안테나를 통해 수신된 신호에 따른 공진 주파수를 생성하는 동시에 외부의 온도 또는 압력 등이 변화하면 상기 공진 주파수가 시프트된 변환 신호가 생성되는 표면탄성파 공진기와, 상기 수신 안테나를 통해 수신되는 신호와 상기 변환 신호의 주파수 차에 따른 전압을 생성하는 전압 검출부와, 상기 표면탄성파 공진기에서 생성된 변환 신호의 역류를 방지하는 절연부와, 상기 전압 생성부에서 생성된 전압의 크기에 따라 점멸되는 점멸부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 표면탄성파 공진기를 이용한 센서 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 특정 주파수를 가지는 신호가 생성되고, 상기 생성된 신호가 안테나를 통해 외부로 송신되도록 하는 신호 발생부와, 상기 센서부에서 송신된 변환 신호가 수신하는 동시에 상기 신호 발생부에서 외부로 송신된 신호가 전달되어 상기 변환 신호와의 위상차를 산출하고, 상기 산출된 위상차에 따라 상기 온도 또는 압력 등을 감지하는 신호 감지부로 구성되는 것을 특징으로 하는 표면탄성파 공진기를 이용한 센서 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 센서부는 상기 표면탄성파 공진기로 입력 및 출력되는 신호의 임피던를 정합시키는 제 1 정합부 및 제 2 정합부와, 상기 절연부와 전압 검출부 사이의 임피던스를 정합시키는 제 3 정합부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 표면탄성파 공진기를 이용한 센서 시스템.
  6. 제 3 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 특정 주파수를 가지는 신호를 생성하고, 상기 생성된 신호가 안테나를 통해 외부로 송신되도록 하는 신호 발생부로 구성되는 것을 특징으로 하는 표면탄성파 공진기를 이용한 센서 시스템.
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