KR100763020B1 - 압전발전 및 무선전력전송을 이용한 표면탄성파 기반의 무전원 및 무선 센싱 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 표면탄성파 기반의 무전원 및 무선 센싱 시스템을 개시한다.

본 발명의 표면탄성파 기반의 무전원 및 무선 센싱 시스템은 주변의 물리적 환경 변화에 따른 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 에너지변환부, 무선전력전송을 통해 인가된 마이크로파 전력을 정류하는 무선전력정류부, 상기 에너지변환부에서 변환된 상기 전기적 에너지를 정류하여 저장하고 상기 무선전력정류부에서 정류된 전력을 저장하는 에너지저장부, 상기 에너지저장부에 정류되어 저장된 상기 전기적 에너지와 상기 마이크로파 전력을 이용하여 RF 신호를 발생시키는 펄스발생부, 외부에서 가해지는 압력을 감지하는 감지부, 및 상기 펄스발생부에서 발생된 상기 RF 신호를 인가받아 표면탄성파를 발생시키되 상기 감지부에 가해진 압력의 크기에 따라 상기 표면탄성파를 가변시키고 가변된 상기 표면탄성파를 RF 센싱 신호로 변환하는 SAW 트랜스폰더를 구비함으로써, 압전발전 및 무선전력전송을 이용하여 반영구적으로 실시간 연속적인 타이어 압력 센싱이 가능하며, 센싱된 신호에 대한 장거리 전송이 가능하다.

Description

압전발전 및 무선전력전송을 이용한 표면탄성파 기반의 무전원 및 무선 센싱 시스템{SAW based passive radio sensig system using piezoelectric power and wireless power transmission}

도 1은 종래 표면탄성파를 이용한 무전원 및 무선 센서의 구성을 간략하게 나타낸 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 표면탄성파 기반의 무전원 및 무선 센싱 시스템의 구성을 나타내는 구성도.

도 3은 압전체를 이용한 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.

도 10은 타이어 내부에 센서가 설치된 모습을 나타내는 도면.

도 11은 송전용 안테나의 설치 모습을 나타내는 도면.

본 발명은 무전원 및 무선 센싱 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 차량의 주행에 의해 발생되는 진동 또는 타이어 내부의 압력변화에 따른 압전발전을 이용한 압력 센싱 및 무선전력전송(Wireless Power Transmission)을 이용한 압력 센싱을 하나의 센싱 시스템으로 모두 수행할 수 있도록 함으로써 차량이 주행중인 경우 뿐만 아니라 주행하지 않는 상황에서도 타이어의 공기압을 측정할 수 있으며, 센싱된 신호에 대한 원거리 전송이 가능한 표면탄성파(SAW:Surface Acoustic Wave) 기반의 무전원 및 무선 센싱 시스템에 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, 2003년 11월부터 북미지역에서 강제 법규로 지정된 "주행중 타이어 공기압 감지 시스템(TPMS:Tire Pressure Monitoring System)"에 적용하기 위해 센싱 장치를 타이어 내부에 설치하는 경우, 전선을 이용하여 외부에서 타이어 내부의 센서로 전원을 공급해줄 수 없으므로 센싱 장치 내부에 배터리를 장착하여 센싱 장치의 MCU, 압력 및 온도센서 그리고 무선 모듈에 전원을 공급하고 있다.

현재 TPMS의 주류는 리듐(Li) 전지를 사용하는 센싱 시스템이다. 이러한 TPMS는 타이어 공기압이 일정 수준 이하로 강하하게 되면, 기계식 스위치가 건전지의 (+)극과 (-)극을 시스템 내 회로와 연결시킨다. 스위치 연결에 의해 배터리로부터 전원을 공급받은 회로는 압력센서를 이용하여 압력을 감지하고 이상이 있을 경우 운전자에게 무선을 통해 경고 메시지를 송출한다.

그러나, TPMS에 사용되는 리듐(Li) 배터리는 온도가 80℃ 이상(통상 1시간 이상 주행하였을 경우 타이어 내부의 온도)의 경우 자연 방전이 심하게 증가되어 배터리 수명이 급격히 줄어들게 된다. 뿐만 아니라 배터리의 수명에 대한 한계 때문에 실시간 연속적인 감지는 실질적으로 불가능하다.

따라서, 배터리를 사용하지 않으면서 반영구적으로 실시간 계측이 가능하며 유지보수의 필요성이 없는 센서에 대한 개발이 시급한 실정이다. 이러한 문제를 해결하기 위한 방법으로 종래에 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 RFID 와 같은 무선전력전송 방법 등이 있다. 이들 중 LC 공진 주파수를 이용하는 방법은 감지거리가 수 ㎝ 이내이기 때문에 사용 범위가 극히 제한적이며, 무선전력전송 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 및 무선 센서의 구성을 간략하게 나타낸 구성도이다.

도 1의 무전원 및 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 및 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 표면탄성파를 이용한 무전원 및 무선 센서의 구조를 개선하여 반영구적인 실시간 연속적 감지가 가능하며 센서에서 센싱된 신호를 무선으로 장거리 전송이 가능하도록 하는데 있다.

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 표면탄성파 기반의 무전원 및 무선 센싱 시스템은 주변의 물리적 환경 변화에 따른 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 에너지변환부, 무선전력전송을 통해 인가된 마이크로파 전력을 정류하는 무선전력정류부, 상기 에너지변환부에서 변환된 상기 전기적 에너지를 정류하여 저장하고 상기 무선전력정류부에서 정류된 전력을 저장하는 에너지저장부, 상기 에너지저장부에 정류되어 저장된 상기 전기적 에너지와 상기 마이크로파 전력을 이용하여 RF 신호를 발생시키는 펄스발생부, 외부에서 가해지는 압력을 감지하는 감지부, 및 상기 펄스발생부에서 발생된 상기 RF 신호를 인가받아 표면탄성파를 발생시키되 상기 감지부에 가해진 압력의 크기에 따라 상기 표면탄성파를 가변시키고 가변된 상기 표면탄성파를 RF 센싱 신호로 변환하는 SAW 트랜스폰더를 구비한다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 표면탄성파 기반의 무전원 및 무선 센싱 시스템의 구성을 나타내는 구성도이다.

본 발명의 표면탄성파 기반의 무전원 및 무선 센싱 시스템은 에너지변환부(10), 무선전력정류부(20), 에너지저장부(30), 펄스발생부(40), 감지부(50) 및 SAW 트랜스폰더(transponder)(60)를 구비한다.

에너지변환부(10)는 자동차의 주행시 발생되는 진동 또는 타이어 내부의 공기압변화와 같은 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 도면이다. 에너지변환부(10)는 진동(또는 압력변화)에 의해 발생되는 기계적 에너지가 압전체(PZT)를 통해 전기적 에너지로 변환되는 구조를 가진다. 에너지변환부(10)에서 생성된 전압은 에너지저장부(30)로 인 가되어 저장된다.

이러한 압전발전기는 종래 사용되고 있는 압전소자들을 택일적으로 이용할 수 있는 것으로 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.

무선전력정류부(20)는 무선전력전송수단인 송전용 안테나(70a)로부터 마이크로파 형태로 인가되는 마이크로파 전력을 정류하여 DC 전력으로 변환한다. 무선전력정류부(20)에서 출력되는 DC 전력은 에너지저장부(30)에 인가되어 저장된다. 이러한 무선전류정류부(20)로는 정류용 다이오드가 사용되며, 정류용 다이오드로는 입사되는 마이크로파 전력과 변환된 DC 출력전압의 비(RF/DC)인 변환효율(Conversion Efficiency)을 높이기 위해 큰 순방향 전류와 역내압을 가지는 다이오드를 선택해야 한다. 이러한 정류 다이오드로는 버랙터(Varacter) 또는 쇼트키 다이오드(GaAs Schottky-Barrier diode) 등이 사용될 수 있으며, 특히 스위칭 속도를 고려할 때 쇼트키 다이오드가 가장 적절하다.

본 발명에서는 정류 다이오드로서 초고주파 특성이 양호한 GaAs 다이오드가 사용된다. 이때, 무선전력전송을 위해 사용되는 RF 주파수 대역(예컨대, 2.45GHz)이 다른 통신 및 고주파 응용기기들에 의해 사용되는 경우, 다이오드(20)에서 발생하는 고주파가 다시 제 1 안테나(66a)에서 재 방사되어 다른 통신기기 등에 영향을 미치게 되는 현상을 방지하기 위한 입력필터(미도시)를 더 구비할 수 있다. 이러한 무선전력 전송기술은 이미 공지된 기술이며 본 발명의 특징이 무선전력전송 자체에 있는 것이 아니므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

에너지저장부(30)는 에너지변환부(10)에서 발생된 전압을 펄스 발생부(40)를 구동시키기 위한 레벨로 변압시킨 후 이를 정류하여 DC 전압으로 저장하고, 무선전력정류부(20)에서 발생된 DC 전압을 저장한다. 그리고, 에너지저장부(30)는 에너지변환부(10) 및 무선전력정류부(20)에 의해 충전된 전압이 일정레벨에 도달하면 이를 방전시켜 적정 레벨 Vcc로 조정한 후 펄스발생기(40)로 출력한다. 도 4는 도 2에서 에너지저장부(30)의 회로구성을 보다 상세하게 나타낸 회로도이다. 에너지변환부(10)에서 발생된 전압은 트랜스퍼머(31)에서 적정 레벨로 다운된 후 브릿지정류기(32)를 통해 전파(full wave) 정류되어 캐패시터(C1, 33)에 충전된다. 그리고, 무선전력정류부(20)로부터 인가되는 DC 전압도 캐패시터 C1에 인가되어 충전된다. 이때, 본 발명에서는 자동차가 주행중인 경우에는 무선전력전송을 이용하지 않고 주행시의 진동 또는 타이어 내부의 압력변화에 의해 에너지변환부(10)에서 발생되는 전압을 이용하여 캐패시터 C1를 충전시키며, 주행을 하지 않아 에너지변환부(10)에 의한 전압발생이 이루어지지 않는 경우에는 무선전력전송을 이용하여 캐패시터 C1를 충전시킨다. 캐패시터 C1에 충전된 전압은 승압회로(34)에서 승압된 후, 전압조정부(35)에 의해 펄스발생부(40)를 구동시킬 수 있는 전압 Vcc으로 조정되어 펄스발생부(40)로 출력된다. 도 5는 압전체(PZT)에 가해지는 진동 회수에 따라 캐패시터 C1에 전기 에너지가 저장되는 실험 결과를 나타내는 도면이다.

펄스발생부(40)는 전압제어발진기(VCO:Voltage Controlled Oscillator)로서 에너지저장부(30)로부터 출력되는 전압 Vcc에 따라 조정되는 발진주파수로 RF 신호를 발생시켜 SAW 트랜스폰더(60)로 인가함으로써 SAW 트랜스폰더(60)에서 표면탄성파가 발생되도록 유도한다. 즉, 본 발명에서는 외부로부터 무선으로 RF 신호를 인 가받지 않고 자체적으로 RF 신호를 발생시켜 압력 센싱을 위한 표면탄성파의 발생을 유도한다.

감지부(50)는 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술을 이용하여 타이어의 공기압을 측정하기 위한 가변 정전 용량형 압력센서로서, 외부에서 가해지는 압력에 따라 정전용량이 가변되며 그 가변정도에 따라 SAW 트랜스폰더(60)의 센서 IDT(62)에 대한 임피던스를 가변시킨다. 즉, 타이어의 내부 압력변화에 의해 감지부(40)에 가해지는 압력이 변화하게 되고 이에 따라 센서 IDT(62)에 대한 임피던스가 가변된다. 그리고, 그 임피던스의 변화에 따라 펄스발생부(40)에 의해 센서 IDT(62)에서 발생되는 표면탄성파의 진폭이 변화된다. 따라서, 그 진폭이 어느정도 변했는지 알 수 있으면, 감지부(50)에 가해진 압력을 알 수 있게 된다.

SAW 트랜스폰더(60)는 펄스발생부(40)로부터 RF 신호를 인가받아 표면탄성파를 발생시키고 표면탄성파에 의해 계측된 감지부(40)의 센싱 데이터(압력정보)를 제 1 및 제 2 안테나(66a, 66b)를 통해 무선신호로 출력한다. 즉, 본 발명의 SAW 트랜스폰더(50)는 종래의 SAW 트랜스폰더와 같이 외부로부터 RF 신호를 입력받아 표면탄성파를 생성하는 것이 아니라, 펄스발생부(40)에 의해 내부적으로 RF 신호를 발생시켜 표면탄성파를 생성한다. 따라서, 외부로부터 RF 신호를 입력받아 표면탄성파를 생성시키는 것에 비해 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(60)는 압전특성(Piezoelectricity)을 갖는 기판(LiNbO₃) 위에 병렬되게 배열된 다수의 IDT 금속 전극들을 구비한다.

이러한 SAW 트랜스폰더(60)는 센서 IDT(62), 출력 IDT(64) 및 제 1 및 제 2 안테나(66a, 66b)를 구비한다.

센서 IDT(62)는 감지부(50)에 가해지는 압력에 따라 임피던스가 가변되며, 펄스발생기(40)로부터 RF 신호를 인가받아 감지부(50)에 의해 가변된 임피던스에 대응되는 표면탄성파를 출력한다. 즉, 센서 IDT(62)는 펄스발생기(40)로부터 RF 신호를 인가받으면 이를 표면탄성파로 변환시켜 출력 IDT(64)로 출력하며, 출력되는 표면탄성파의 진폭은 센서 IDT(62)의 임피던스에 따라 변화된다. 그리고, 센서 IDT(62)에 전기적으로 연결된 감지부(50)는 가해지는 압력에 따라 정전용량이 변화되어 센서 IDT(62)의 임피던스 변화를 유발시킨다. 따라서, 센서 IDT(64)에서 출력되는 표면탄성파의 진폭은 감지부(50)에 인가되는 압력에 따라 변화된다.

출력 IDT(64)는 센서 IDT(62)로부터 인가되는 표면탄성파를 RF 신호(RF 센싱 신호)로 변환하며, 변환된 RF 센싱 신호는 제 1 및 제 2 안테나(66a, 66b)를 통해 무선으로 외부의 계측장치(미도시)로 전송된다. 이때, 제 1 안테나(66a)는 전원의 소스(source)가 무었이냐에 따라 그 기능이 다소 달라진다. 즉, 제 1 안테나(66a)는 무선전력전송을 이용하는 경우에는 송전용 안테나(70a)로부터 출력되는 마이크로파 전력을 수신하기 위한 수전용 안테나로 사용되고, 압전발전을 이용하는 경우에는 RF 센싱 신호를 외부의 계측장치(미도시)로 출력하기 위한 송신용 안테나로 사용된다. 제 2 안테나(66b)는 RF 센싱 신호를 외부의 계측장치(미도시)로 출력하기 위한 송신용 안테나로만 사용된다. 따라서, 무선전력전송을 이용하지 않고 에너지변환부(10)에 의해 발생되는 전압을 이용하여 표면탄성파를 발생시키는 경우, 즉 주행에 따른 진동 또는 타이어 내부압력 변화가 발생되어 압전발전이 가능한 상황에서는 제 1 및 제 2 안테나(66a, 66b)를 통해 RF 센싱 신호가 출력된다. 그러나, 주행을 하지 않아 압전발전이 불가능하여 무선전력전송을 이용하여 표면탄성파를 발생시키는 경우에는, 제 1 안테나(66a)는 무선전력전송을 위한 수전용 안테나로 사용되며, RF 센싱 신호는 제 2 안테나(66b)를 통해 외부의 계측장치(미도시)로 전송된다.

미도시된 계측장치는 안테나(70b)를 통해 RF 센싱 신호를 인가받아 이를 기 설정된 기준값과 비교함으로써 감지부(50)에 가해진 압력을 계산하여 타이어의 내부 압력을 실시간으로 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

로 표현된다. 이때, 두 극판이 박막(Membrance) 형태인 경우, 정전용량의 변화율은 박막의 변형(Deformation)에 따라 달리지며 그 크기는 적분형으로 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.

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) 만으로는 정확한 해석이 곤란한데, 이는 박막이 바닥에 닿은 이후부터 경계조건이 인가 압력에 따라 계속해서 변하게 되면서 접촉 면적이 점점 넓어지기 때문이다. 따라서, 본 발명의 발명자는 수학식 2에서와 같은 일반적인 대변형 지배방정식에 대해 FEA(Finite Element Analysis)를 통한 해석적 기법으로 TM 변형에 대한 해석을 수행하였다.

여기에서, D는 Flexural rigidity 로

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(60)의 IDT 전극들에 대한 실제 제작 모습을 보여주는 도면이다.

SAW 트랜스폰더(60)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 설 계에서 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(62, 64)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 및 무선 센서의 동작을 간략하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 표면탄성파 기반의 무전원 및 무선 센싱 시스템은 압전발전과 무선전력전송을 이용하여 압력 센싱이 가능하므로, 이하에서는 압전발전을 이용하는 경우와 무선전력전송을 이용하는 경우를 구분하여 설명한다.

우선, 압전발전을 이용하는 경우에 있어서, 도 2의 센서가 도 10과 같이 타이어 내부에 설치된 상태에서 차량이 주행하면, 주행에 따른 진동 또는 타이어 내부의 압력변화에 의해 압전발전기(10)에 압력이 가해진다. 이러한 압력에 의해, 압전 발전기(10)는 도 3에서와 같이 전기적 에너지를 발생시켜 출력한다.

압전발전기(10)에서 발전된 전기 에너지는 에너지저장부(30)의 캐패시터 C1에 충전된다. 에너지저장부(30)는 캐패시터 C1가 미리 규정된 레벨까지 충전되면 충전된 전기 에너지를 방출시킨 후 이를 적정 레벨로 조정하여 펄스발생기(40)로 출력한다.

펄스발생기(40)는 에너지저장부(30)로부터 전기 에너지를 공급받으면 공급받은 전기 에너지의 전압 크기에 따라 발진주파수가 조절되어 해당 주파수에 따른 RF 신호를 발생시킨다. 펄스발생기(40)에서 발생된 RF 신호는 센서 IDT(62)로 인가된다.

센서 IDT(62)는 RF 신호가 인가되면 이를 표면탄성파로 변환시켜 출력한다. 이때, 센서 IDT(62)는 감지부(50)에 인가되는 압력의 변화에 따라 임피던스가 변화 되며 그 임피던스 변화에 따라 출력되는 표면탄성파의 진폭이 변화된다.

센서 IDT(62)에서 출력된 표면탄성파는 출력 IDT(64)로 전달된다.

출력 IDT(64)는 인가된 표면탄성파를 RF 센싱 신호로 변환하며, 변환된 RF 센싱 신호는 제 1 및 제 2 안테나(66a, 66b)를 통해 무선으로 외부의 계측장치(미도시)로 전송된다.

외부의 계측장치(미도시)는 안테나(70b)를 통해 RF 센싱 신호를 수신하여 신호처리한 후 이를 기 설정된 기준값과 비교하여 그 차이를 계산함으로써 감지부(40)에 가해진 압력의 크기를 산출하게 된다.

그러나, 자동차가 주행을 하지 않는 경우(예컨대 차량 시동 후 출발 직전)에는, 진동 또는 타이어 내부의 압력변화가 없으므로 압전발전을 이용한 압력센싱이 곤란한다. 이러한 경우 도 11에서와 같이 차량의 휀더 부분에 창착된 송전용 안테나(70a)를 이용해 타이어 내부로 마이크로파 전력을 송신해준다. 송전용 안테나(70a)로부터 송신된 마이크로파 전력은 수전용 제 1 안테나(66a)를 통해 수신된 후 다이오드(20)에 의해 반파 정류되어 DC 전압으로 변환된다(RF-DC 변환). 변환된 DC 전압은 캐패시터 C1에 충전된다.

이 후, 캐패시터 C1에 충전된 전압을 이용해 RF 센싱 신호가 발생되는 과정은 상술된 압전발전을 이용하는 경우에서와 동일하다.

상술된 실시예에서는, 본 발명의 센싱 시스템이 TPMS에 적용되는 경우에 대해서만 설명하고 있으나, 그 적용대상은 타이어 내부에만 한정되지 않고 교량 등 여러 분야에 적용될 수 있음은 자명하다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 표면탄성파 기반의 무전원 및 무선 센서는 압전발전과 무선전력전송을 이용하여 반영구적으로 실시간 연속적인 타이어 압력 센싱이 가능하며, 외부에서 인가되는 펄스신호를 이용하지 않고 자체적으로 표면탄성파를 발생시켜 압력을 센싱하므로 센싱 신호에 대한 장거리 전송이 가능하다.

Claims (8)

1. 주변의 물리적 환경 변화에 따른 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 에너지변환부;

   무선전력전송을 통해 인가된 마이크로파 전력을 정류하는 무선전력정류부;

   상기 에너지변환부에서 변환된 상기 전기적 에너지를 정류하여 저장하고, 상기 무선전력정류부에서 정류된 전력을 저장하는 에너지저장부;

   상기 에너지저장부에 정류되어 저장된 상기 전기적 에너지와 상기 마이크로파 전력을 이용하여 RF 신호를 발생시키는 펄스발생부;

   외부에서 가해지는 압력을 감지하는 감지부; 및

   상기 펄스발생부에서 발생된 상기 RF 신호를 인가받아 표면탄성파를 발생시키되, 상기 감지부에 가해진 압력의 크기에 따라 상기 표면탄성파를 가변시키고, 가변된 상기 표면탄성파를 RF 센싱 신호로 변환하는 SAW 트랜스폰더를 구비하는 압전발전 및 무선전력전송을 이용한 표면탄성파 기반의 무전원 및 무선 센싱 시스템.
2. 제 1항에 있어서, 상기 에너지변환부는

   외부 진동에 의해 압전체에 가해지는 압력을 전기적 에너지로 변환하는 압전발전기인 것을 특징으로 하는 압전발전 및 무선전력전송을 이용한 표면탄성파 기반의 무전원 및 무선 센싱 시스템.
3. 제 1항에 있어서, 상기 무선전력정류부는

   상기 마이크로파 전력을 반파 정류하는 정류용 다이오드인 것을 특징으로 하는 압전발전 및 무선전력전송을 이용한 표면탄성파 기반의 무전원 및 무선 센싱 시스템.
4. 제 3항에 있어서, 상기 무선전력정류부는

   상기 정류용 다이오드에서 발생되는 고주파가 재 방사되는 것을 방지하는 입력필터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 압전발전 및 무선전력전송을 이용한 표면탄성파 기반의 무전원 및 무선 센싱 시스템.
5. 제 1항에 있어서, 상기 감지부는

   외부에서 가해지는 압력의 크기에 따라 정전용량이 가변되는 가변 정전 용량형 압력센서인 것을 특징으로 하는 압전발전 및 무선전력전송을 이용한 표면탄성파 기반의 무전원 및 무선 센싱 시스템.
6. 제 1항에 있어서, 상기 SAW 트랜스폰더는

   상기 펄스발생기로부터 인가되는 상기 RF 신호를 상기 표면탄성파로 변환시켜 출력하며, 상기 감지부에 가해지는 압력의 크기에 따라 상기 표면탄성파의 진폭을 변화시키는 센서 IDT;

   상기 센서 IDT로부터 인가되는 상기 표면탄성파를 상기 RF 센싱 신호로 변환시키는 출력 IDT; 및

   상기 RF 센싱 신호를 외부로 출력하는 안테나부를 구비하는 것을 특징으로 하는 압전발전 및 무선전력전송을 이용한 표면탄성파 기반의 무전원 및 무선 센싱 시스템.
7. 제 6항에 있어서, 상기 안테나부는

   상기 마이크로파 전력을 수신하는 제 1 안테나; 및

   상기 RF 센싱 신호를 외부로 출력하는 제 2 안테나를 구비하는 것을 특징으로 하는 압전발전 및 무선전력전송을 이용한 표면탄성파 기반의 무전원 및 무선 센싱 시스템.
8. 제 1항에 있어서,

   상기 마이크로파 전력을 송신하는 무선전력전송부; 및

   상기 RF 센싱 신호를 수신하여 신호처리하고, 신호처리된 신호를 기 설정된 기준값과 비교하여 상기 감지부에 가해진 압력의 크기를 계측하는 계측장치를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 압전발전 및 무선전력전송을 이용한 표면탄성파 기반의 무전원 및 무선 센싱 시스템.

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