KR100600807B1 - 에너지 포집형 표면탄성파 기반의 무전원/무선 센서 - Google Patents

에너지 포집형 표면탄성파 기반의 무전원/무선 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에너지 포집형 표면탄성파 기반의 무전원/무선 센서를 구비한다.
본 발명의 무전원/무선 센서는 주변의 물리적 환경 변화에 따른 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 에너지변환부; 상기 에너지변환부에서 발생된 전기 에너지를 정류하여 저장하는 에너지저장부; 상기 에너지저장부에 저장된 전기 에너지를 공급받아 RF 신호를 발생시켜 출력하는 펄스발생부; 외부에서 가해지는 압력을 감지하는 압력센서; 및 상기 펄스발생부로부터 RF 신호를 인가받아 표면탄성파를 발생시키고, 상기 감지부에 가해진 압력의 크기에 따라 상기 표면탄성파를 가변시켜 그 크기를 계측한 후 계측된 데이터를 RF 신호로 출력하는 SAW 트랜스폰더를 구비하여, 외부의 전원공급없이도 대상물에 가해지는 압력을 센싱하여 센싱된 계측 데이터를 원거리까지 무선으로 전송함으로써, 센서의 소형화, 지능화, 무선화 경향에 부합할 수 있으며 설치 이후 반영구적으로 사용할 수 있고 유지보수도 필요없는 센서를 제공한다.

Description

에너지 포집형 표면탄성파 기반의 무전원/무선 센서{SAW based passive radio sensors using energy gatherer}
도 1은 종래 표면탄성파를 이용한 무전원/무선 센서의 구성을 나타낸 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 에너지 포집형 표면탄성파 기반의 무전원/무선 센서의 구성을 나타내는 구성도.
도 3은 도 2에서 사용되는 에너지변환부의 일 실시예로 진동-전기 에너지 변화기를 이용한 압전체 발전 개념을 나타내는 도면.
도 4는 도 2에서 에너지저장부의 회로구성을 보다 상세하게 나타낸 회로도.
도 5는 압전체(PZT)에 가해지는 진동 회수에 따라 캐패시터에 전기 에너지가 저장되는 실험 결과를 나타내는 도면.
도 6은 도 2에서 감지부의 작동 구조를 나타내는 도면.
도 7a는 수학식 2에 대한 FEA 해석을 통해 TM의 두께가 4.5㎛, 극판간극이 5.8㎛, 한 변의 길이가 400㎛인 박막에 대해, 인가 압력에 따른 박막의 변형을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 도면.
도 7b는 도 7a에 있어서 TM 접촉경계의 거동에 대한 시뮬레이션 측정결과를 나타내는 도면.
도 7c는 도 7a에 있어서 FEA 기법에 의한 시뮬레이션 측정결과를 각각 나타내는 도면.
도 8은 도 2에서 SAW 트랜스폰더의 IDT 전극들에 대한 실제 제작 모습을 보여주는 도면.
도 9는 식각액 혼합비에 따른 Al 박막의 식각 특성을 나타내는 도면.
본 발명은 무전원/무선 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 주변의 물리적환경(진동) 변화에 따른 진동 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 저장하고 이 압전 발전을 이용해 센서 내부에서 자체적으로 표면탄성파(SAW:Surface Acoustic Wave)를 생성한 후, 생성된 표면탄성파를 이용해 압력을 센싱하고 센싱된 데이터를 무선으로 전송함으로써 별도의 전원공급이 필요 없으며 장거리 전송이 가능한 무전원/무선 센서에 관한 것이다.
일반적으로 센서는 DC 전원을 인가받아야 동작이 가능하다. 센서에 DC 전원을 인가하는 방법으로는 전선을 통해 외부에서 전원을 인가하는 방법과 내부에 배터리를 구비하여 전원을 공급하는 방법이 있다.
그러나, 교량의 콘크리트 내부와 같이 사람의 손이 닿기 힘든 곳에 센서를 설치할 경우, 전선을 이용한 전원 공급 방식은 센서와 전원사이의 거리가 멀 경우 도선 저항에 의한 전력 손실의 문제뿐 아니라 전선이 끊어질 경우 유지보수가 불가 능하며, 배터리를 이용하는 방식은 배터리의 수명이 끝나면 센서를 사용할 수 없게 된다.
따라서, 반영구적으로 사용가능하면서도 유지보수의 필요성이 없는 센서에 대한 개발이 시급하며, 이러한 문제를 해결하기 위한 방법으로 제안되고 있는 것이 무전원 센서인 수동(Passive) 센서이다.
종래 사용되고 있는 수동 센서로서 대표적인 형태는 전자기 유도 결합에 의한 공진 주파수를 검출하는 방법, 표면탄성파의 반사파를 이용하는 방법, 및 RFID와 같은 무선 전력 전송 방법 등이 있다. 이들 중 LC 공진 주파수를 이용하는 방법은 감지거리가 수 ㎝ 이내이기 때문에 사용 범위가 극히 제한적이며, 무선 전력 전송 방법은 식별(identification)을 위한 읽기/쓰기 동작에 대해서는 현재의 반도체 기술로 충분히 저전력 구동이 가능하나 센서(온도, 습도, 뒤틀림, 압력 등)를 구동시키기에 충분한 전력을 공급할 수 없다. 표면탄성파를 이용하는 방법은 수동 센서 중 가장 우수한 성능을 보이고 있으나 아직까지 감지 거리가 짧아 장거리 데이터 전송이 불가능하다.
도 1은 종래 표면탄성파를 이용한 무전원/무선 센서의 구성을 간략하게 나타낸 구성도이다.
도 1의 무전원/무선 센서는 압전특성(Piezoelectricity)을 갖는 기판(LiNbO3) 위에 다수의 IDT(Inter Digital Transducer) 금속 전극들이 표면탄성파의 전파방향(propagating direction)을 따라서 병렬로 배치된 구조를 가진다.
외부의 송수신장치(미도시)에서 무선으로 고주파 펄스신호인 질의 펄스 신호를 센서로 송신하면, 이 펄스신호는 센서의 안테나(3)를 통해 SAW 소자부(1)로 인가된다. 고주파의 펄스신호가 SAW 소자부(1)에 입사되면, 압전기판에 의해 응력-발전의 과정이 반복되면서 표면탄성파가 생성된다.
SAW 소자부(1)에서 형성된 표면탄성파는 센서부(2)로 진행되며, 이 표면탄성파는 반사판(Reflector)들을 거치면서 파의 일부는 진행방향으로 계속해서 진행하고 동시에 진행 방향과 반대 방향의 반사파(P11)를 생성시킨다. 생성된 반사파(P11)는 SAW 소자부(1)로 인가되며, SAW 소자부(1)는 인가된 반사파들을 다시 전기적 신호인 펄스 신호(무선 응답 신호)로 변환한 후 안테나(4)를 통해 무선으로 외부의 송수신장치로 전송된다. 외부의 송수신장치는 반사파의 형태(진폭의 변화)를 이용해 센서에서 계측된 데이터를 분석하게 된다.
이러한 종래의 무전원/무선 센서는 외부의 송수신장치로부터 고주파의 펄스신호를 무선으로 인가받아 이를 내부적으로 진행시킨 후 그때 형성되는 반사파를 입력받은 펄스신호에 대한 응답 신호로서 다시 무선으로 외부의 송수신장치에게 전송해주는 왕복형이므로, 중간에 발생되는 에너지 손실 등에 의해 그 감지 거리가 짧아 장거리 데이터 전송이 불가능하다는 문제가 있다. 현재까지의 최대 감지 거리는 5m(RFID tag의 경우 약 20ｍ) 정도 밖에 되지 않는다.
따라서, 상술된 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 무전원/무선 센서의 구조를 개선하여 전원공급 및 부가적인 전자회로 없이도 센서에서 센싱된 데이터를 무선으로 장거리 전송이 가능하도록 하는데 있다.
위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 에너지 포집형 표면탄성파 기반의 무전원/무선 센서는, 주변의 물리적 환경 변화에 따른 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 에너지변환부; 상기 에너지변환부에서 발생된 전기 에너지를 정류하여 저장하는 에너지저장부; 상기 에너지저장부에 저장된 전기 에너지를 공급받아 RF 신호를 발생시켜 출력하는 펄스발생부; 외부에서 가해지는 압력을 감지하는 압력센서; 및 상기 펄스발생부로부터 RF 신호를 인가받아 표면탄성파를 발생시키고, 상기 감지부에 가해진 압력의 크기에 따라 상기 표면탄성파를 가변시켜 그 크기를 계측한 후 계측된 데이터를 RF 신호로 출력하는 SAW 트랜스폰더를 구비한다.
이러한 본 발명의 에너지 포집형 표면탄성파 기반의 무전원/무선 센서에서 에너지변환부는 외부 진동에 의해 압전체에 가해지는 압력을 전기적 에너지로 변환하는 압전발전기이며, 감전부는 외부에서 가해지는 압력의 크기에 따라 정전용량이 가변되는 가변 정전 용량형 압력센서인 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 에너지 포집형 표면탄성파 기반의 무전원/무선 센서의 구성을 나타내는 구성도이다.
본 발명의 에너지 포집형 표면탄성파 기반의 무전원/무선 센서는 에너지변환 부(10), 에너지저장부(20), 펄스발생부(30), 감지부(40) 및 SAW 트랜스폰더(transponder)(50)를 구비한다.
에너지변환부(10)는 진동과 같은 주변의 물리적 환경 변화에 따른 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 압전 발전기(Piezo Power Generator)로, 압전체에 가해지는 힘에 의해 전압을 발생시키며 그 인가된 힘의 크기에 따라 발생되는 전압의 양이 변화된다. 도 3은 도 2에서 사용되는 에너지변환부(10)의 일 실시예로 진동-전기 에너지 변화기를 이용한 압전체 발전 개념을 나타내는 도면으로, 에너지변환부(10)는 진동에 의해 발생되는 기계적 에너지가 압전체(PZT)를 통해 전기적 에너지로 변환되는 구조를 가진다. 에너지변환부(10)에서 생성된 전압은 에너지저장부(20)로 인가된다.
이러한 압전발전기는 종래 사용되고 있는 압전소자들을 택일적으로 이용할 수 있는 것으로 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
에너지저장부(20)는 에너지변환부(10)에서 발생된 고전압을 적당한 수준의 고전압으로 변압시킨 후 이를 정류하여 DC 전압으로 저장한다. 도 4는 도 2에서 에너지저장부(20)의 회로구성을 보다 상세하게 나타낸 회로도이다. 에너지변환부(10)에서 발생된 전압은 트랜스퍼머(21)에서 적정 레벨로 다운된 후 브릿지정류기(22)를 통해 전파(full wave) 정류되어 캐패시터(C1, 23)에 충전된다. 캐패시터 C1에 충전된 전압은 승압회로(24)에서 승압된 후 전압조정부(25)에 의해 펄스발생부(30)를 구동시킬 수 있는 전압(Vcc)으로 조정되어 펄스발생부(30)로 출력된다. 도 5는 압전체(PZT)에 가해지는 진동 회수에 따라 캐패시터 C1에 전기 에너지가 저 장되는 실험 결과를 나타내는 도면이다. 에너지저장부(20)는 캐패시터 C1에 기 규정된 레벨만큼 충전이 되면 저장된 전기 에너지를 방출시켜 펄스발생부(30)를 구동시킨다.
펄스발생부(30)는 전압제어발진기(VCO:Voltage Controlled Oscillator)로서 에너지저장부(20)로부터 출력되는 전압(Vcc)에 따라 조정되는 발진주파수로 RF 신호를 발생시켜 SAW 트랜스폰더(50)로 인가함으로써 SAW 트랜스폰더(50)에서 표면탄성파가 발생되도록 유도한다. 즉, 본 발명에서는 외부로부터 무선으로 RF 신호를 인가받지 않고 자체적으로 RF 신호를 발생시켜 표면탄성파를 유도한다.
감지부(40)는 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술을 이용한 가변 정전 용량형 압력센서로서 외부에서 가해지는 압력에 따라 정전용량이 가변되며 그 가변정도에 따라 SAW 트랜스폰더(50)의 센서 IDT(52)에 대한 임피던스를 가변시킨다. 즉, 센서에 가해진 압력에 따라 센서 IDT(52)에 대한 임피던스가 가변되고 그 임피던스의 변화에 따라 센서 IDT(52)를 통과한 표면탄성파의 진폭이 변화되므로 그 진폭이 어느정도 변했는지를 계산함으로써 센서(40)에 가해진 압력을 알 수 있게 된다.
SAW 트랜스폰더(50)는 펄스발생부(30)로부터 RF 신호를 인가받아 표면탄성파를 발생시키고 표면탄성파에 의해 계측된 감지부(40)의 센싱값(압력정보)을 안테나(55)를 통해 무선신호로 출력한다. 즉, 본 발명의 SAW 트랜스폰더(50)는 종래의 SAW 트랜스폰더와 같이 외부로부터 RF 신호를 입력받아 표면탄성파를 생성하는 것이 아니라, 센서 내에 구비되는 압전 발전기(10)를 이용해 전기 에너지를 생성한 후 그 전기 에너지를 이용해 내부적으로 RF 신호를 발생시켜 표면탄성파를 생성한다. 따라서, 삽입 손실을 약 20 - 30 dB 정도 감소시킬 수 있으며, 종래와 같이 질의 펄스 신호에 대한 응답 펄스 신호를 전송하는 왕복형이 아니므로 시스템 측면에서 30 dB 이상의 이익을 얻을 수 있다. 이는 파워 측면에서는 약 1000배의 이익을 가지므로 일반 SAW로 제작한 왕복형 센서에 비해 거리상 이익은 약 5.6배가 된다. 이러한 SAW 트랜스폰더(50)는 압전특성(Piezoelectricity)을 갖는 기판(LiNbO3) 위에 병렬되게 배열된 다수의 IDT 금속 전극들을 구비한다.
이러한 SAW 트랜스폰더(50)는 발진(SAW Launching) IDT(51), 센서 IDT(52), 기준 IDT(53), 출력 IDT(54) 및 안테나(55)를 구비한다.
발진 IDT(51)는 펄스발생기(30)로부터 RF 신호를 인가받아 이를 표면탄성파로 변환하여 센서 IDT(52)로 출력한다.
센서 IDT(52)는 감지부(40)와 전기적으로 연결되며 발진 IDT(51)와 출력 IDT(54) 사이에서 발진 IDT(51)에서 생성된 표면탄성파가 출력 IDT(54)로 인가되는 파의 진행경로상에 설치된다. 즉, 발진 IDT(51)에서 생성된 표면탄성파는 센서 IDT(52)를 통과하여 출력 IDT(54)로 인가되며, 이때 감지부(40)에 압력이 가해져 감지부(40)의 정전용량이 변화되면 이에 따라 센서 IDT(52)의 임피던스가 가변되어 통과하는 표면탄성파의 진폭의 크기를 변화시킨다.
기준 IDT(53)는 출력 IDT(54)를 중심으로 발진 IDT(51)와 반대방향에 설치되며, 펄스발생기(30)로부터 RF 신호를 인가받으면 이를 표면탄성파로 변환시켜 출력 IDT(54)로 출력한다. 이때, 기준 IDT(53)에서 생성되는 표면탄성파는 발진 IDT(51)에서 생성되는 표면탄성파와 동일한 진폭을 갖는 파형으로, 발진 IDT(51)에서 생성된 표면탄성파가 감지부(40)에 가해진 압력에 따라 센서 IDT(52)에서 어느 정도로 변화되었는지를 알 수 있도록 비교하기 위한 기준이 되는 표면탄성파이다. 따라서, 발진 IDT(51)와 기준 IDT(53)는 두 IDT(51, 53)에서 생성되는 표면탄성파가 동일한 크기의 진폭을 갖도록 설계된다. 그리고, 기준 IDT(53)는 기준 IDT(53)와 출력 IDT(54) 사이의 거리가 발진 IDT(51)와 출력 IDT(54) 사이의 거리보다 가깝도록 설치된다.
출력 IDT(54)는 기준 IDT(53)와 센서 IDT(52)로부터 인가되는 표면탄성파를 각각 RF 신호(RF 센서 신호)로 변환하며, 변환된 RF 센서 신호는 안테나(55)를 통해 무선으로 외부의 계측장치(미도시)로 전송된다.
미도시된 외부의 계측장치에서는 기준 IDT(53)에서 발생된 표면탄성파에 대응되는 RF 센서 신호와 발진 IDT(52)에서 발생된 표면탄성파에 대응되는 RF 센서 신호를 순차적으로 무선으로 수신한 후, 수신된 신호들을 신호처리하여 그 진폭의 크기를 비교함으로써 상기 감지부에 가해진 압력의 크기를 계측한다.
도 6은 도 2에서 감지부(40)의 작동 구조를 나타내는 도면이다.
본 발명에 따른 정전 용량형 압력센서는 두 극판의 간격(d), 유전상수(ε0) 및 극판의 면적에 따라 변하는 정전용량을 검출하는 것으로서, 두 극판 사이의 정전용량은
Figure 112004057185059-pat00001
로 표현되며, 박막(Membrance) 형태의 경우, 정전용량의 변화율은 박막의 변형(Deformation)에 따라 달리지며 그 크기는 적분형으로 수학식 1과 같이 표현된다.
Figure 112004057185059-pat00002
여기에서, d(x, y)는 박막의 처짐(Deflection)에 따른 좌표의 변화량이다.
수학식 1에서와 같이, 정전용량의 변화는 두 극판 사이의 거리에 따라 변하는 비선형 함수이다. 보통, 센서의 특성을 나타낼 때, 선형성은 주요한 성능인자이며, 정전용량 센서의 경우 비선형성은 바람직하지 않은 특성이다. 따라서, 본 발명에서는 기존 정전 용량형 센서의 장점인 온도에 따라 특성이 변하지 않는 성질을 가지면서, 단점인 비선형성과 최대-최소 정전용량의 차이가 적다는 점을 보완하며, 무선 트랜스폰더로 적용하고자 하는 SAW 소자의 특성 패턴에 맞도록 압력센서를 도 6에서와 같은 터치 모드(Touch Mode, 이하 TM이라 함)로 설계하였다.
도 6a는 터치 이전의 박막 변형(정전용량 ∝ 1/극판 간격)을, 도 6b는 터치시 박막 변형을, 도 6c는 터치 이후의 박막 변형(정전용량 ∝ 터치된 극판 면적)을, 도 6d는 x-y 면에서 본 박막의 형상을 각각 나타낸다. 여기에서, 박막에 가해진 압력의 크기는 P1〈 P2〈 P3이다.
일반적으로 박막 혹은 판(Plate)의 변형에 대한 해석은 소변형(Small deformation)이라는 가정 하에서 해석하게 되지만, TM의 경우 대변형(Large deformation)에 해당된다. 그러나, 일반적인 대변형 지배방정식(Governing equation) 만으로도 정확히 해석하기 곤란한데, 이는 박막이 바닥에 닿은 이후부터 경계조건이 인가 압력에 따라 계속해서 변하게 되면서 접촉 면적이 점점 넓어지기 때문이다. 따라서, 출원인은 수학식 2에서와 같은 일반적인 대변형 지배방정식에 대해 FEA(Finite Element Analysis)를 통한 해석적 기법으로 TM 변형에 대한 해석을 수행하였다.
Figure 112004057185059-pat00003
Figure 112004057185059-pat00004
여기에서, D는 Flexural rigidity 로
Figure 112004057185059-pat00005
이며, P는 인가 압력을, w는 (x,y) 좌표에서의 처짐을, E는 Young's modulus을, ν는 포아송 비를, 그리고 F는 응력 함수(Stress function)를 각각 나타낸다. 도 7a는 수학식 2에 대한 FEA 해석을 통해 TM의 두께가 4.5㎛, 극판간극이 5.8㎛, 한 변의 길이가 400㎛인 박막에 대해, 인가 압력에 따른 박막의 변형을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 도면이다. 도 7b는 도 7a에 있어서 TM 접촉경계의 거동, 도 7c는 FEA 기법에 의한 시뮬레이션 측정결과를 각각 나타낸다.
도 8은 도 2에서 SAW 트랜스폰더(50)의 IDT 전극들에 대한 실제 제작 모습을 보여주는 도면이다.
SAW 트랜스폰더(50)의 IDT 전극들은 도 8에서와 같이 압전기판(LiNbO3) 상에 알루미늄(Al) 박막을 증착함으로써 형성된다. 이때, IDT 전극을 형성하기 위한 Al 박막 증착과 리소그래피(Lithography) 공정은 소자의 품질을 좌우할 만큼 매우 중요하다. Al 박막이 설계에서 요구하는 수준보다 얇게 증착되면 전체 IDT의 임피던스가 상승하게 되어 RF 신호 흐름에 방해요인으로 작용한다. 반면에 Al 박막이 설계에서 요구한 수준 이상으로 두껍게 증착되면 임피던스는 감소되지만 Al 전극의 무게가 증가하여 탄성파의 진행을 방해하는 “Mass loading effect”가 발생하게 된다. 따라서, 적당한 두께의 Al 박막을 증착하여야 한다. Al 박막의 증착은 열증착, 이온빔증착 및 스퍼터 등의 공정을 통해 이루어질 수 있으며, 공정후 압전 기판의 잔류 응력의 영향이 없도록 공정하는 것이 가장 중요하다.
압전기판에 Al 박막이 증착된 후, IDT 전극들(51 ∼ 54)을 형성하기 위해 리소그래피 공정과 에칭 공정이 수행된다. 이때, 박막 증착된 Al은 식각액에 의해 빨리 식각되므로 설계하였던 패턴 아래쪽으로 더 식각되는 오버 에치(Over etch) 현상이 나타나게 된다. 따라서, 오버 에치 영향을 줄이기 위해 식각액 조성비를 바꾸어 가며 공정 실험을 수행하였으며, 식각액 조성비에 따른 에칭현상은 도 9와 같다. 이때, 식각액 조성비는 인산:질산:초산:DI Water = 4∼20:1:1∼5:1∼2 로 한다. 식각률은 인산의 함유량에 따라 인산 함유량이 많으면 패스트 에치 조건에 해당되며, 위 조성액 비율에 따라 식각률은 300 ∼ 3000 Å/min 정도 된다.
사진 공정을 위해 일반적인 포토레지스트(PR)인 AZ1512 또는 AZ7220 등을 이용할 수 있다. 이때, 패턴의 최소 선 폭은 2㎛로 하고, Al 식각은 빠른 에칭(fast etching) 조건과 느린 에칭(slow etching) 조건으로 나누어 공정을 수행하였다.
도 9에서, 도 9a는 빠른 에칭에 따른 Al 박막의 식각 상태를 보여주고 있으며, 도 9b는 느린 에칭에 따른 Al 박막의 식각 상태를 보여주고 있다. 도 9에서와 같이, 빠른 에칭 조건에서는 Al IDT 전극의 오버 에치가 두드러지게 나타나고 있으나, 느린 에칭 조건에서는 설계 형상과 비슷한 크기의 IDT 전극이 형성됨을 확인할 수 있었다.
상술된 구성을 갖는 본 발명에 따른 에너지 포집형 표면탄성파 기반의 무전원/무선 센서의 동작을 간략하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 무전원/무선 센서에 설치된 구조물 주변의 물리적 환경(예컨대, 진동)에 의해 압전 발전기(10)에 진동이 가해지면, 도 3에서와 같이 압전 발전기(10)는 진동 에너지를 전기적 에너지로 변환시켜 출력한다.
압전 발전기(10)에서 발전된 전기 에너지는 에너지저장부(20)의 캐패시터 C1를 충전시킨다. 에너지저장부(20)는 캐패시터 C1가 미리 규정된 레벨까지 충전되면 저장된 전기 에너지를 펄스발생기(30)로 방출시켜 펄스발생기(30)를 구동시킨다.
펄스발생기(30)는 에너지저장부(20)로부터 전기 에너지를 공급받으면 공급받은 전기 에너지의 전압 크기에 따라 발진주파수가 조절되어 해당 주파수에 따른 RF 신호를 발생시킨다. 펄스발생기(30)에서 발생된 RF 신호는 기준 IDT(53)와 발진 IDT(51)로 각각 인가된다.
기준 IDT(53)와 발진 IDT(51)는 RF 신호가 인가되면 이를 표면탄성파로 변환시켜 출력한다. 이때, 기준 IDT(53)에서 생성된 표면탄성파(이하, '기준 표면탄성 파'라 함)와 발진 IDT(51)에서 생성된 표면탄성파(이하, '센싱 표면탄성파'라 함)는 동일한 크기의 진폭을 갖는다.
기준 IDT(53)와 발진 IDT(51)에서 각각 생성된 기준 표면탄성파와 센싱 표면탄성파는 2에서의 화살표 방향과 같이 진행하여 출력 IDT(54)로 인가된다. 즉, 기준 IDT(53)에서 생성된 기준 표면탄성파는 곧바로 출력 IDT(54)로 인가되고, 발진 IDT(51)에서 생성된 표면탄성파는 센서 IDT(52)를 거쳐 출력 IDT(54)로 인가된다. 이때, 기준 IDT(53)와 출력 IDT(54) 사이의 거리(기준 표면탄성파의 진행거리)가 발진 IDT(51)와 출력 IDT(54) 사이의 거리(센싱 표면탄성파의 진행거리)보다 짧기 때문에 기준 표면탄성파가 센싱 표면탄성파보다 먼저 출력 IDT(54)로 인가된다.
이에 따라, 기준 IDT(53)에서 생성된 기준 표면탄성파가 먼저 출력 IDT(54)에서 RF 센서 신호로 변환된 후, 안테나(55)를 통해 무선으로 외부의 계측장치(미도시)로 전송된다. 이때, 기준 표면탄성파는 진행도중 다른 IDT 금속을 경유하지 않으므로 기준 IDT(53)에서 생성된 파형을 유지하게 된다.
다음에, 발진 IDT(54)에서 생성된 센싱 표면탄성파가 출력 IDT(54)에 인가되어 RF 센서 신호로 변환된 후 안테나(55)를 통해 무선으로 외부의 계측장치(미도시)로 전송된다. 그러나, 발진 IDT(54)와 출력 IDT(54) 사이에 센서 IDT(52)가 존재하기 때문에, 센싱 표면탄성파는 기준 표면탄성파와 달리 출력 IDT(54)로 진행하는 도중에 센서 IDT(52)에서 RF 신호로 변환되었다가 다시 표면탄성파로 변환되는 과정을 더 거치게 된다. 이에 따라, 센싱 표면탄성파는 그 진폭의 크기가 변화되며, 그 변화정도는 센서 IDT(52)의 임피던스 즉 감지부(40)에 가해진 압력에 따라 가변되는 정전용량의 크기에 따라 달라진다. 즉, 압력센서(40)에 가해지는 외부의 압력의 크기에 따라 압력센서(40)의 정전용량이 변화되고 그 변화정도에 따라 센싱 표면탄성파의 진폭의 크기가 결정된다.
센서 IDT(52)에 의해 진폭의 크기가 변환된 센싱 표면탄성파는 출력 IDT(54)에서 RF 센서 신호로 변환되어 안테나(55)를 통해 외부의 계측장치(미도시)로 전송된다. 외부의 계측장치(미도시)는 센싱 표면탄성파에 대응되는 RF 센서 신호와 먼저 도착된 기준 표면탄성파에 대응되는 RF 센서 신호를 각각 신호처리한 후 두 신호의 진폭을 비교하여 그 차이를 계산함으로써 압력센서(40)에 가해진 압력의 크기를 산출하게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 에너지 포집형 표면탄성파 기반의 무전원/무선 센서는 외부의 전원공급없이도 센싱이 가능하며 센싱된 계측 데이터를 원거리까지 무선으로 전송할 수 있어, 센서의 소형화, 지능화, 무선화 경향에 부합할 수 있으며 설치 이후 반영구적으로 사용할 수 있고 유지보수도 필요없는 센서를 제공한다.

Claims (9)

  1. 주변의 물리적 환경 변화에 따른 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 에너지변환부;
    상기 에너지변환부에서 발생된 전기 에너지를 정류하여 저장하는 에너지저장부;
    상기 에너지저장부에 저장된 전기 에너지를 공급받아 RF 신호를 발생시켜 출력하는 펄스발생부;
    외부에서 가해지는 압력을 감지하는 감지부; 및
    상기 펄스발생부로부터 RF 신호를 인가받아 표면탄성파를 발생시키고, 상기 감지부에 가해진 압력의 크기에 따라 상기 표면탄성파를 가변시켜 그 크기를 계측한 후 계측된 데이터를 RF 신호로 출력하는 SAW 트랜스폰더를 구비하는 에너지 포집형 표면탄성파 기반의 무전원/무선 센서.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 에너지변환부는
    외부 진동에 의해 압전체에 가해지는 압력을 전기적 에너지로 변환하는 압전발전기인 것을 특징으로 하는 에너지 포집형 표면탄성파 기반의 무전원/무선 센서.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 에너지저장부는
    상기 에너지변환부에서 발생된 전압을 적정 레벨로 다운시키는 트랜스퍼머;
    상기 트랜스퍼머의 출력전압을 정류하는 정류기;
    상기 정류기의 출력전압을 전압을 충전하는 충전부;
    상기 충전부의 출력전압을 승압시켜 출력하는 승압부; 및
    상기 승압부의 출력전압을 상기 펄스발생부의 구동전압으로 조정하여 상기 펄스발생부로 출력하는 전압조정부를 구비하는 것을 특징으로 하는 에너지 포집형 표면탄성파 기반의 무전원/무선 센서.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 펄스발생부는
    상기 에너지저장부의 출력전압에 따라 발진주파수를 생성하는 전압제어발진기(VCO:Voltage Controlled Oscillator)인 것을 특징으로 하는 에너지 포집형 표면탄성파 기반의 무전원/무선 센서.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 감지부는
    외부에서 가해지는 압력의 크기에 따라 정전용량이 가변되는 가변 정전 용량형 압력센서인 것을 특징으로 하는 에너지 포집형 표면탄성파 기반의 무전원/무선 센서.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 SAW 트랜스폰더는
    상기 펄스발생기로부터 RF 신호를 인가받아 이를 제 1 표면탄성파로 변환시켜 출력하는 기준 IDT;
    상기 펄스발생기로부터 RF 신호를 인가받아 이를 제 2 표면탄성파로 변환시켜 출력하는 발진 IDT;
    상기 감지부에 가해진 압력의 크기에 따라 임피던스가 가변되어 상기 발진 IDT로부터 출력되는 상기 제 2 표면탄성파의 진폭을 변화시켜 출력하는 센서 IDT;
    상기 기준 IDT로부터 인가되는 상기 제 1 표면탄성파와 상기 센서 IDT로부터 인가되는 제 2 표면탄성파를 순차적으로 RF 신호로 변환시키는 출력 IDT; 및
    상기 출력 IDT의 RF 신호를 무선으로 전송하는 안테나를 구비하는 것을 특징으로 하는 에너지 포집형 표면탄성파 기반의 무전원/무선 센서.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 기준 IDT와 상기 발진 IDT는
    상기 출력 IDT를 중심으로 반대방향에 서로 다른 거리만큼 이격되어 설치되는 것을 특징으로 하는 에너지 포집형 표면탄성파 기반의 무전원/무선 센서.
  8. 제 6항 또는 제 7항에 있어서, 상기 제 1 표면탄성파 및 상기 제 2 표면탄성파는 동일한 진폭을 갖는 것을 특징으로 하는 에너지 포집형 표면탄성파 기반의 무전원/무선 센서.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 제 1 표면탄성파에 대응되는 제 1 RF 신호와 상기 제 2 표면탄성파에 대응되는 제 2 RF 신호를 순차적으로 무선으로 인가받아 그 진폭의 크기를 비교하 여 상기 감지부에 가해진 압력을 산출하는 계측장치를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 에너지 포집형 표면탄성파 기반의 무전원/무선 센서.
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