KR102101059B1 - 수동형 무선 센서 - Google Patents
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Abstract
RFID 센서 태그는 보통의 RFID 회로 및 기능(예를 들어 정류기(22), 변조기(24), 로직(26) 및 메모리(27))뿐만 아니라, 공진기 기반 클록 생성기 또는 오실레이터(23)를 포함할 수 있을 것이다. 오실레이터(23)는 높은 Q값을 갖는 안정적인 공진기 기반 오실레이터이다. 공진기 기반 오실레이터(23)는 발진 주파수를 조절하는 센싱 요소에 의해 로딩될 수 있으며, 즉 발진 주파수는 측정 양에 민감하다. 이에 의하여, 공진기 기반 오실레이터 및 센서 요소를 갖는 수동형 RFID 센서가 제공되며, 발진 주파수는 센싱이 요구될 때 센서 요소에 의존하게 할 수 있다. 이 개념은 기존의 RFID 태그와 호환될 수 있으며, 판독 거리를 감소시키지 않으면서 외부 양을 측정할 수 있게 한다.
Description
본 발명은 수동형 무선 센서에 관한 것이다.
센서는 측정된 양을 판독 가능한 포맷, 통상적으로 전기적 신호로 변환하는 디바이스이다. 요즘에는 사실상 모든 측정 목적에 대하여 상업적으로 이용 가능한 센서들이 존재한다. 연결성에 따라서 센서는 무선 센서와 유선 센서로 나뉠 수 있다. 유선 센서는 와이어링 하니스(wiring harness) 또는 케이블 어셈블리를 통해 리더 디바이스에 연결된다. 무선 센서는 센서로의 물리적 연결 없이 판독될 수 있으며, 종종 센서에 무선 송수신기를 장착함으로써 실현된다. 송신된 무선 신호는 무선 신호를 원하는 출력으로 변환하는 수신기에 의하여 해석된다. 예를 들어 (온도 및 압력과 같은) 거친 동작 조건, 회전 부품, 또는 비용 및 배선의 복잡성 등의 이유로 유선 연결이 어려운 많은 분야에서 무선 동작은 유용하다. 그러나, 무선 센서는 또한 배터리로 인한 제한된 수명, 감쇠 및 간섭으로 인한 제한된 판독 거리, 신호의 제어 불가능한 전파로 인한 보안 이슈 및 통신의 느린 속도의 가능성과 같은 몇몇 단점이 존재한다. 전력원 및 통신 원리에 기초하여 무선 센서는 세개의 카테고리로 나뉠 수 있다: 능동형 센서, 반수동형(semi-passive) 센서 및 수동형 센서.
능동형 무선 센서는 통상 무선 송수신기(radio transceiver)와 송수신기를 동작시키는 온-보드 배터리를 모두 구비한다. 능동형 무선 센서는 자체 전력원을 구비하기 때문에 강력한 송신기 및 민감한 수신기를 사용할 수 있다. 그러나, 보드 상의 배터리는 수명을 제한하고, 또한 크기와 무게를 증가시킨다. 더 복잡한 회로로 인하여 능동형 센서의 가격은 수동형 센서의 가격보다 훨씬 비쌀 수 있다.
반수동형 무선 센서는 무선 송수신기를 포함하지 않으나 배터리가 장착되어 있다. 배터리는 집적 회로(IC)를 작동시키는데 사용되며, 센서가 리더 디바이스와 독립적으로 동작 가능하게 하거나 또는 센서 내의 메모리를 유지하게 한다. 반수동형 배터리 보조 센서는 통신을 위하여 변조된 백스캐터링(backscattering) 기술을 사용한다. 이는 반수동형 센서가 송신을 위하여 온-보드 배터리로부터 어떠한 전력도 필요로 하지 않고, 센서가 리더 디바이스로부터 방출된 전력의 일부를 단순히 반사시킨다는 것을 의미한다.
능동형 및 반수동형 센서와 달리, 수동형 센서는 온-보드 배터리를 필요로 하지 않는다. 따라서 그들은 덜 복잡하고 더 작고 더 저렴할 수 있으며, 그들의 수명은 전력 공급에 의하여 제한되지 않는다. 통상적인 수동형 무선 센서의 판독 거리는 10cm 에서 3m 사이이다. 수동형 무선 센서는 네 개의 메인 카테고리로 나뉠 수 있다: 무선 주파수 식별(RFID: Radio frequency identification) 태그, 전기적 공진 회로 센서, 표면 탄성파(SAW: surface acoustic wave), 고조파(harmonic) 센서, 및 상호변조(intermodulation) 센서.
SAW 센서는 전자기 에너지를 표면 탄성파(SAW)로 변환하기 위하여 압전(piezo-electric) 기판 상에 패터닝된 인터디지털 변환기(Interdigital transducer)를 사용한다. SAW는 이후 음향 반사판에 의하여 조작되고, 전자기 에너지로 다시 변환되며, 그리고 리더 디바이스로 다시 방사된다. 측정된 양은 압전 기판상의 SAW의 전파 특성에 영향을 미친다. 센싱 요소로 압전 재료를 사용해야 할 필요성은 가능한 응용분야를 제한한다. 더욱이, SAW 태그는 오직 하드 코딩된 식별(hard-coded indentification)만을 가능하게 하며, 칩에 어떤 메모리도 제공하지 않는다.
공진 센서는 단순한 공진 회로로 구성되는데, 이 공진 회로의 공진은 측정된 양에 민감하다. 이들 센서는 리더로의 근거리 커플링을 필요로하며, 이는 그들의 판독 거리를 수 센티미터로 제한한다.
고조파 센서는, 리더에 의해 하나 또는 많은 톤(tone)으로 조사되었을 때, 고조파 주파수에서 센서 데이터를 스캐터링백 한다. 다시 말해, 센서는 톤들을 혼합하고(혼합을 설정하기 위해서 비선형성이 필요함), 고조파 성분(harmonic product)을 포함하는 신호를 반사시키며, 이 신호는 리더 주파수로부터 오프셋 되어있다. 고조파 리더는 전송된 주파수의 고조파를 수신하며, 수신된 데이터는 이후 이 고조파의 생성을 야기하는 물체의 정확한 위치 및 이동성(mobility)을 찾기 위해 처리된다. 이 개념은 처음에 원격측정을 위해 제안되었다. 최근에 감지 분야용 상호변조 통신 원리가 개선되었다. 이 원리에서, 센서는 두 개의 근접하게 위치한 주파수에 의하여 작동되고, 센서 데이터는 상호변조 주파수에서 스캐터링백 된다. 이 접근법은 매우 긴 거리(심지어 수십 미터)에 걸쳐 (MEMS 센서와 같은) 일반(generic) 센싱 요소의 무선 판독을 가능하게 한다. 센서는 또한 ID를 구비할 수 있다. 그러나, 이 개념은 특별한 리더를 필요로 하며, 메모리나 충돌방지(anti-collision) 프로토콜을 제공하지 않는다. 그러한 접근법은 WO2011/121180 및 US6378360에 개시되어 있다.
RFID는 태그와 리더 사이에서 통신하기 위해 라디오 파를 사용하는 식별 기술이며, 아이템을 식별하기 위해 사용된다. 리더 디바이스와 태그 사이에 가시선을 필요로 하지 않는 것과 같은 광학 바코드 식별에 비해 RFID의 몇몇 이점이 존재하며, RFID 리더는 또한 동시에 수백 개의 태그를 판독할 수 있다. 수동형 RFID 태그는 변조된 백스캐터링 통신 원리를 사용하며, 이는 도 1에 도시되어 있다. 태그(10)가 RFID 리더(11)와 통신할 때, 태그(10)는 수신된 신호(12)를 변조하고, 그것의 일부(13)를 리더로 다시 반사한다. 통상적인 수동 태그는 안테나 특수 용도 마이크로 칩에 연결된 안테나를 포함한다. RFID 송수신기, 또는 리더에 의하여 무선으로 질의(interrogated)되면, RFID 태그 안테나는 RFID 리더로부터 전력 및 RF 신호를 수신하며 이들을 칩에 제공한다. 칩은 신호를 처리하여 요청된 데이터를 RFID 리더로 다시 전송한다. 백스캐터 신호(backscattered signal)는 전송된 데이터에 따라서 변조된다. RFID의 최고 동작 주파수 및 판독 거리는 집적 회로(IC)를 위한 정류된 전력에 의하여 제한되며, 이는 각각 수 GHz 및 5-10m이다.
RFID가 식별을 위해 대게 사용된다. RFID 태그는 재기록 가능한 메모리를 구비하며, 이는 RFID 태그의 재사용 가능한 특성을 가능하게 하나, 그들은 외부 양(external quantities)을 측정하는 데에 유용하지 않다. RFID는 또한 외부 센서와 외부 센서를 판독하기 위한 디지털 로직을 갖는 RFID 태그를 구비함으로써 센싱에 적합한 것이 알려져 왔다. 이 접근법의 이점은 일반 센서를 사용한다는 것이며, 따라서 매우 광범위한 분야에 대하여 적당할 것이다. 그러나, 이 접근법에서 센서 판독을 위해 추가적인 A/D 컨버터 및 디지털 회로가 태그에 포함되어야 한다. 추가적인 전자부품으로 인한 증가된 전력 소비는 판독 범위를 현저하게 감소시킨다(예를 들어, 8bit A/D 컨버터를 사용할 때 10m에서 0.3m로). 추가적인 센서 요소는 전력 소비를 증가시킨다. A/D 컨버터 및 추가적인 디지털 회로의 구현에 대한 고려는 [1]에 논의되어 있다: Chapter 9 "Smart RFID Tags", in the book "Development and Implementation of RFID Technology", ISBN 978-3-902613-54-7, February 2009, I-Tech, Vienna, Austria. http://www.intechopen.com/books/development_and_implementation_of_rfid_technology.
요약하면, 현재의 수동 무선 센서 기술은 몇 가지 제한이 있다. 어떠한 단일 기술도 센싱과, 식별 및 충돌 방지와 같은 RFID 기술의 복잡한 기능(sophisticated feature)과, 큰 판독 거리를 동시에 제공하지 못한다.
본 발명의 목적은 센싱과, 복잡한 기능과, 큰 판독 거리를 제공할 수 있는 수동형 무선 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 첨부된 독립 청구항에 따른 수동형 무선 센서 및 시스템에 의하여 달성된다. 본 발명의 바람직한 실시예들이 종속 청구항에서 개시된다.
본 발명의 일 측면은 수동형 무선 트랜스폰더(transponder)로서, 무선 주파수 식별(RFID) 기능을 제공하기 위하여 백스캐터링 원리로 통신하기 위한 안테나, 정류기, 오실레이터 및 변조기와, 미리 정해진 변수를 감지하는 센싱 요소를 포함하며, 오실레이터는 공진기 기반 오실레이터(예를 들어, LC-오실레이터, RLC-오실레이터, 크리스탈 오실레이터, MEMS 공진기 기반 오실레이터)이며, 센싱 요소는 오실레이터에 연결되며, 오실레이터로부터의 변조 주파수 출력은 미리 정해진 변수의 센싱된 값에 의존하도록 구성되어 있다.
일 실시예에서, 트랜스폰더는 식별 및 출돌 방지(anti-collision)와 같은 RFID 기능을 위한 제어 로직 및/또는 메모리를 더 포함한다.
일 실시예에서, 트랜스폰더의 주요 부분은 집적 회로 기술로 구현되고, 센싱 요소는 MEMS 센서와 같은 외부 구성요소일 수 있다. 일반적으로, 저항성, 용량성 및 유도성 센서 요소가 모두 전기적 공진기의 공진에 영향을 줄 수 있기 때문에 사용될 수 있다. 저항성 센서의 예로서 온도 및 변형(strain) 센서를 포함할 수 있다. 유도성 센서는 (특정 여기 주파수에서 유도될 수 있는) 초음파 트랜스듀서, 근접 센서 및 유도성 릴레이를 포함할 수 있다. 전압 또는 힘과 같은 다른 변수들이, 예를 들어 버랙터 다이오드(varactor diode) 및 압전 재료를 사용하여 커패시턴스로 변환될 수 있다.
일 실시예에서, 트랜스폰더의 주요 부분은 집적 회로 기술로 구현되고, 오실레이터의 적어도 일부는 외부 공진기, 외부 MEMS 공진기 외부 인덕터와 같은 외부 구성요소를 포함한다.
일 실시예에서, 트랜스폰더의 주요 부분은 집적 회로 기술로 구현되고, 센싱 요소 및 오실레이터의 공진기 부분은 공진 센서 또는 MEMS 공진 센서로 구현된다.
일 실시예에서, 오실레이터는 콜피츠(Colpitts) 오실레이터, 마이스너(Meissner) 오실레이터, 암스트롱(Armstrong) 오실레이터 또는 하틀레이(Hartley) 오실레이터일 수 있다. 더욱이, 더 복잡한 오실레이터 구조가 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 오실레이터는 많은 스위칭 가능한 센서 요소들로 로드될 수 있다. 오실레이터를 로드하기 위해 한 번에 하나의 센서 요소가 로드될 수 있으며, 따라서 발진 주파수에 영향을 미친다. 이러한 방법으로 트랜스폰더는 독립적으로 판독될 수 있는 복수의 센서들을 구비할 수 있다. 트랜스폰더는 특정 센싱 요소를 스위칭 온 하고 나머지를 모두 스위칭 오프하는 로직 회로를 갖는다. 리더 디바이스는 트랜스폰더로 어떤 센서를 스위칭 온 할지에 대한 커맨드를 보낸다.
일 실시예에서, LC 또는 RLC 오시레이터는 능동 증폭 디바이스, 용량성 분할기, 및 피드백 인덕턴스를 포함하는 콜피츠 오실레이터이다.
일 실시예에서, LC 또는 RLC 오실레이터로부터의 변조 주파수 출력의 전압 레벨은 용량성 분할기의 용량성 분할기 비율에 의존한다.
일 실시예에서, 수동형 무선 트랜스폰더는 하나 이상의, 안테나와 정류기 사이의 하이패스 필터, 정류기의 DC 출력과 오실레이터의 입력 사이의 로우패스 필터, 및 오실레이터의 출력과 변조기의 입력 사이의 밴드패스 필터를 포함한다.
일 실시예에서, 정류기는 정류 다이오드 D1을 포함하고, 정류 다이오드는 또한 변조기의 믹서를 제공한다.
일 실시예에서, 변조된 백스캐터링 신호는 미리 정해진 변수의 센싱된 값에 의존하는 발진 주파수로 질의 주파수(interrogation frequency)로부터 오프셋된 사이드밴드(sideband)를 포함한다.
본 발명의 일 측면은 RFID 리더 및 본 발명의 실시예들에 따른 적어도 하나의 수동형 무선 트랜스폰더를 포함하는 시스템이다.
본 발명의 실시예들에 따른 수동형 무선 센서 개념은 다음을 제공할 수 있다:
1) RFID의 모든 복잡한 기능(메모리, ID 및 충돌 방지)
2) 일반적인 외부 센싱 요소(예를 들어, MEMS 센서)를 사용하여 압력 또는 가속도와 같은 외부 양을 측정할 수 있는 가능성
3) 매우 큰 판독 거리(>10m), 및
4) 기존 RFID 리더와의 호환성
이하에서는 도면을 참조하여 바람직한 실시예들에 의하여 본 발명이 더욱 자세히 설명될 것이다.
도 1은 RFID 시스템에서 백스캐터링 통신 원리를 도시한다.
도 2는 RFID 태그 아키텍쳐를 도시하는 기능 블록도이다.
도 3은 RC 오실레이터를 도시하는 회로도이다.
도 4a는 LC 오실레이터의 예를 도시한다.
도 4b는 집적 회로 칩 및 외부 구성요소로 구현된 RFID 센서 태그의 예를 도시한다.
도 4c는 둘 이상의 센싱 요소를 구비하는 RFID 센서 태그의 예를 도시한다.
도 5a는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 RFID 센서에 대한 통신 원리를 도시하는 시스템도이다.
도 5b는 RFID 센서의 통신 원리를 도시하는 스펙트럼 그래프이다.
도 6은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 RFID 센서 디바이스를 도시하는 블록도 및 회로도이다.
도 7은 입력 전압 공급의 함수로서의 발진 출력 전압을 도시하는 그래프이다.
도 1은 RFID 시스템에서 백스캐터링 통신 원리를 도시한다.
도 2는 RFID 태그 아키텍쳐를 도시하는 기능 블록도이다.
도 3은 RC 오실레이터를 도시하는 회로도이다.
도 4a는 LC 오실레이터의 예를 도시한다.
도 4b는 집적 회로 칩 및 외부 구성요소로 구현된 RFID 센서 태그의 예를 도시한다.
도 4c는 둘 이상의 센싱 요소를 구비하는 RFID 센서 태그의 예를 도시한다.
도 5a는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 RFID 센서에 대한 통신 원리를 도시하는 시스템도이다.
도 5b는 RFID 센서의 통신 원리를 도시하는 스펙트럼 그래프이다.
도 6은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 RFID 센서 디바이스를 도시하는 블록도 및 회로도이다.
도 7은 입력 전압 공급의 함수로서의 발진 출력 전압을 도시하는 그래프이다.
도 2는 RFID 트랜스폰더(태그) 아키텍쳐의 예를 도시하는 기능 블록도이다. 도시된 예에서 RFID 태그(10)는 RFID 리더(11)와 통신하기 위해 태그의 프런트엔드 임피던스(front end impedence)(매칭 회로는 미도시)와 직접 매칭되는 안테나(21); 통상적으로, RF 전력을 직류(DC)로 변환하기 위한 정류기 회로(22), 클록 생성기 또는 오실레이터(23), 변조기(24) 및 복조기(25)를 포함할 수 있는 아날로그 RF 프런트 엔드;를 포함할 수 있을 것이다. 또한 질의 커맨드를 처리하고, 충돌 방지 프로토콜을 실행하고, 데이터 유효성 체크를 수행하고, 메모리 판독-기입 동작을 실행하고, 출려 제어 및 데이터 흐름을 수행하는 등의 원하는 기능을 제공하기 위하여 로직 부분이나 디지털 제어 모듈(26)이 또한 구성될 수 있을 것이다. 로직 구현은 주로 정의된 기준 및 특정 관련 프로토콜을 따른다. 추가적으로, 메모리 스토리지(27)가 제공될 수 있을 것이다. 사용자의 요구에 따라서, 만약 판독/기록 성능이 모두 사용되면, 비휘발성 메모리 스토리지가 필요할 수 도 있을 것이다.
위에 언급된 바와 같이, 수동형 RFID 태그는 통신을 위해 변조된 백스캐터링 원리를 사용한다. 태그가 리더와 통신할 때, 태그는 수신한 신호를 변조하고 그 일부분을 다시 리더로 반사한다. 종래 RFID 시스템에서는 변조된 주파수는 태그의 클록 주파수와 동일하다. 종래 RFID 시스템에서는 클록 주파수 생성기(23)가 그 주파수가 상대적으로 불안정한 비효율적인 RC-오실레이터로 실현되어 있다. 따라서 상대적으로 넓은 대역(40 또는 160kHz, ±15%)이 태그의 변조된 응답을 위하여 할당되어 있다. 현재 시스템에서 변조된 주파수 그 자체는 어떠한 정보도 보내지 않으며, 스펙트럼 효율성이 떨어진다(정보 대역은 전체 대역의 10분의 1만큼 낮을 수 있다). RC-오실레이터는 또한 상대적으로 많은 전력을 소비한다. 트랜지스터 M1, 저항 R1 및 커패시터 C1을 포함하는 RC 오실레이터의 예가 도 3에 도시된다.
현재의 수동형 무선 센서는 센싱과 RFID 기술의 복잡한 기능을 동시에 제공할 수 없다. 판독 거리를 감소시키지 않고 외부 양을 측정할 수 있는 가능성 및 RFID의 복잡한 기능을 가능하게 하기 위하여 센서 요소와 공진기 기반 오실레이터(LC-오실레이터, RLC-오실레이터, 수정 오실레이터 또는 이와 유사한 것)을 가진 RFID 태그를 구비함으로써 실현될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, RFID 태그 디바이스에서 불안정안 RC-오실레이터를 높은 Q값을 갖는 안정적인 공진기 기반 오실레이터로 대체하고, RFID는 판독 거리를 감소시키지 않고 외부 양을 측정할 수 있는 가능성 및 RFID의 복잡한 기능을 가능하게 하기 위하여 센서 요소를 구비한다. 공진기 기반 오실레이터의 예는 하틀레이, 콜피츠, 암스트롱 및 마이스너 LC-오실레이터 또는 RLC-오실레이터, 다른 수정 오실레이터, 및 MEMS(microelectro-mechanical system), SAW(surface acoustic wave) 및 BAW(bulk acoustic wave) 공진기에 기반한 오실레이터를 포함할 수 있다. LC-오실레이터에 대하여 여기에 개시된 예시적인 실시예들이 RLC-오실레이터에도 유사하게 적용될 수 있다. 최소한의 저항 R이 LC-오실레이터 내에 도입되는 경우 LC-오실레이터가 RLC-오실레이터로 될 것이라는 것이 이해되어야 한다. 실제로, 인덕터 L 내에는 언제나 저항 R이 존재하기 때문에, 모든 LC-오실레이터는 RLC-오실레이터로서 간주될 수 있다. 반면에, 저항 성분 R이 전력 소비를 증가시키고 판독 거리를 감소시키기 때문에 저항 성분 R을 최소화시키는 것이 바람직하다. 본 발명은 또한 감소된 측정 해상도를 갖는 RC-오실레이터가 사용될 수 있다. RC-오실레이터의 이점은 그것을 집적할 수 있다는 것이다.
공진기 기판 오실레이터는 우선 RFID의 스펙트럼 효율을 크게 개선하여, 서로 다른 변조 주파수들에서의 많은 태그들의 동시 판독을 가능하게 한다(최신 리더는 이미 캐리어 주파수 멀티 억세스 스킴이 가능한데, 이는 변조 주파수 멀티 억세스 스킴과 혼동하지 않아야 한다). 더욱이, 공진기 기반 오실레이터는 발진 주파수를 조절할 수 있는 센싱 요소에 의해 로딩될 수 있으며, 즉 발진 주파수는 측정 양에 민감하게 된다. 다시 말해, 공진기 기반 오실레이터와 센서 요소를 갖는 수동형 RFID 센서가 제공되며, 여기서 발진 주파수는 센싱이 요구될 때 센서 요소에 의존하게 할 수 있다. 따라서 이 개념은 기존의 RFID 태그와 호환될 수 있으며, 판독 거리를 감소시키지 않으면서 외부 양을 측정할 수 있게 한다.
또한 예를 들어 공진이 측정 양에 민감하도록 MEMS 공진기를 설계함으로써 공진기와 센서를 결합하는 것도 가능하다. 예를 들어, MEMS 공진기의 공진 주파수는 온도와 변형(strain)에 민감하게 할 수 있으며, 따라서 이들 파라미터는 공진 주파수로부터 획득할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 많은 이점을 제공한다. 우선, RFID 센서 태그는 기존 RFID 리더가 이미 태그의 클록 주파수(즉, 변조 주파수)를 측정하기 때문에, 그들에 의해 질의될 수 있다. 기존의 RFID 리더가 본 발명의 실시예들에 따른 센서 RFID와 통신하기 위하여 하드웨어의 수정이 요구되지 않는다. RFID 센서 태그는 또한 판독 거리의 어떠한 감소도 없이 외부 센서 요소를 구비할 수 있다. 실제로, RFID 태그의 전력 소비는 RC-공진기가 공진기에 기반한 오실레이터(예를 들어, LC, RLC, 쿼츠 수정, SAW 또는 BAW 공진기 또는 MEMS 공진기)로 대체될 때 살짝 감소한다.
트랜지스터 M1 및 인덕터 L1과 커패시터 C21의 병렬 연결의 LC 공진기(41)를 포함하는 공진기 기반 LC 오실레이터의 예가 도 4a에 도시된다.
도 4b는 RFID 센서 태그의 예를 도시하는데, 보통의 RFID 회로 및 기능(예를 들어 정류기(22), 변조기(24), 로직(26) 및 메모리(27))뿐만 아니라 클록 생성기(23)의 일부(예를 들어 트랜지스터 M1 및 커패시터 C1)가 집적 회로 칩(43) 상에 구현되며, 반면에 오실레이터(23)의 일부(예를 들어 인덕터 L1 또는 공진기) 및 센싱 요소(42)(예를 들어 용량성 센서 Cs)가 집적 회로 칩(43)에 연결되는 외부 구성요소로서 구현될 수 있을 것이다. 대안적으로, 전체 공진기(예를 들어 공진기(41))가 하나 이상의 외부 구성요소로 구현될 수 있을 것이며, 또는 일부 다른 종류의 구성이 사용될 수도 있을 것이다. 이 개념은 잠재적으로 낮은 가격의 인덕터, 공진기 및 센서 또는 공진 센서를 사용하게 할 것이다. 예를 들어, MEMS 공진기 및 센서 또는 MEMS 공진 센서를 적용할 수 있을 것이다. MEMS 공진 센서는 공진 디바이스이며, 그 공진은 측정 양에 민감하게 한다. 측정 양은 디바이스의 공진을 측정함으로써 획득된다. MEMS 공진기 및 센서의 가격은 0.5-2€의 범위이며, 대량 생산된 RFID 칩의 가격은 약 0.1€이다. 비교해보면, 센서 인터페이스를 갖는 대량 생산된 고주파수(HF) 및 근거리 통신(NFC: near-field-communication) RFID 태그는 가격이 $2.59-3.46이다.
도 4c는 둘 이상의 센싱 요소(42-1, 42-2, ..., 42-N)을 구비하는 RFID 센서 태그 또는 트랜스폰더의 예를 도시한다. RFID 센서 태그는 보통의 RFID 회로 및 기능(예를 들어 정류기(22), 변조기(24), 로직(26) 및 메모리(27))뿐만 아니라, 다른 예시적 실시예들에서 설명된 것과 같은 공진기 기반 클록 생성기 또는 오실레이터(23)를 포함할 수 있을 것이다. 오실레이터(23)로부터의 변조 주파수 출력이 인에이블된 센싱 요소(42)의 미리 정해진 변수의 센싱된 값에 의존하도록, 센싱 요소(42-1, 42-2, ...,42-N)는 한번에 하나씩 선택적으로 오실레이터(23)를 로드하도록 인에이블된다. 다시 말해, 한번에 하나의 센싱 요소가 오실레이터를 로드하도록 선택되고, 따라서 발진 주파수에 영향을 미친다. 이러한 방식으로 트랜스폰더는 개별적으로 판독될 수 있는 복수의 센서를 구비할 수 있다. 트랜스폰더는 특정 센싱 요소를 스위칭 온 하고 나머지들을 스위치 오프 할 수 있는 로직 회로를 가질 수 있을 것이다. 예를 들어, 트랜스폰더는 오실레이터(23)와 복수의 센싱 요소(42-1, 42-2, ..., 42-N) 중 하나를 선택적으로 연결하고 나머지의 연결을 해제하도록 구성되는 아날로그 멀티플렉서 또는 스위치 회로와 같은 셀렉터(44)를 포함할 수 있을 것이다. 선택적인 인에이블, 스위칭 또는 연결은 미리 정해진 시퀀스에 따라서 수행될 수 있을 것이다. 대안적으로, 리더 디바이스는 센싱 요소(42-1, 42-2, ..., 42-N)가 스위칭 온 되도록 트랜스폰더에 커맨드를 전송할 수 있다. 예를 들어, 로직(26)이 선택 커맨드를 리더로부터 수신하고, 그에 따라서 셀렉터(44)를 제어할 수 있을 것이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 RFID 센서에 대한 통신 원리를 도시한다. 도 5a 및 도 5b에서, fcw 및 fosc는 각각 캐리어 주파수 및 발진 주파수를 나타낸다. RFID 센서는 리더(11)로부터 전송된 RF CW 신호를 사용하여 작동된다. 먼저, RF 신호가 (도 4b의 정류기(22)와 같은) 정류기(22)에 의하여 DC 전압으로 변환된다. 정류된 전압은 오실레이터(23)에 전력을 공급하며, 오실레이터(23)는 그 출력에서 저주파수 사인파(sinusoid) fosc를 생성한다. 마지막으로, 발진 신호 fosc가 변조기(24)에 제공되어 백스캐터링 원리가 실현된다. 변조기(24)는 신호를 변조하며, 안테나(21)로 되돌아가는 신호들은 안테나와 정류기(21)/변조기(24) 사이의 매칭에 의존한다. 결과적으로 센서로부터 반사된 신호에는 사이드밴드 fcw-fosc 및 fcw+fosc가 존재한다. 사이드밴드는 캐리어 fcw에서 발진 주파수 fosc만큼 오프셋 된다.
오직 설명을 목적으로, 본 발명의 예시적인 실시예들이 도 6에 도시된 바와 같이, 오직 주요 부품인 안테나(21), 정류기(22), LC-오실레이터(23), 변조기(24) 및 센싱 요소(42)만이 개시된다. 안테나(21)는 본 기술분야에 통상의 기술자에게 잘 알려진 적절한 매칭 회로로 정류기(22)와 매칭된다. 더욱이, 안테나(21)와 정류기(22) 사이의 하이패스 필터(51), 정류기(21)의 DC 출력과 저주파수 오실레이터(23)의 입력 사이의 로우패스 필터(52), 및 오실레이터(23)의 출력과 변조기(24)의 입력 사이의 밴드패스 필터(53)를 포함할 수 있을 것이다.
수동형 RFID 센서(50)는 통상적으로 그 동작에 필요한 모든 에너지를 리더 디바이스(11)의 질의 신호로부터 수확한다. 그러나, 증가된 판독 범위를 달성할 수 있도록 현재의 센서 디바이스에 다른 에너지 수확기(energy harvester)를 부착하는 것 또한 가능할 것이다. 가능한 에너지 수확기는 광전변환 및 태양 전지, 서모커플(thermocouples), 진동 에너지 수확기, (또한 마이크로스코픽 레벨의) 풍력 터빈 및 음향 수확기를 포함할 수 있다. 리더 디바이스(11)는 태그를 연속파(CW: continuous wave)로 조사하며, RFID 센서는 전압 정류기(22)를 사용하여 동작에 필요한 공급 전압 VDC를 생성한다. RFID 센서가 종종 먼 거리에서 동작하는 소신호 조건(small signal condition) 하에서, 정류기의 효율은 피크 AC 전압에 비례한다. 정류기(22)는 다이오드 D1와 같은 비선형 요소에 기반할 수 있으며, AC 전압을 DC로 변환하는데 사용된다. 가장 단순한 정류기는 제로 바이어스 쇼트키 다이오드 D1을 포함할 수 있을 것이다. DC 로드, 즉 오실레이터(23)에서 RF 에너지가 소멸되는 것을 방지하기 위하여, 안테나(21)는 DC 블록 커패시턴스와 같은 하이패스 필터(51)로 정류기 다이오드 D1로부터 분리될 수 있을 것이며, 오실레이터(23)는 RF 초크(choke)와 같은 로우패스 필터(520로 RF에서 안테나(21) 및 정류기(22)로부터 분리될 수 있을 것이다.
앞서 설명된 바와 같이, 센서는 통신을 위해 변조된 백스캐터링 원리를 사용한다. 예시적 실시예에서, 변조된 백스캐터링은 오실레이터 출력 fosc를 정류기(22)에 적용함으로써 시현될 수 있다. 다시 말해, 정류기 다이오드 D1은 또한 변조기(24)의 일부로서도 사용된다. 변조기(24)에서, 정류기 다이오드 D1는 믹서로서 사용된다. RF 초크와 같은 밴드패스 필터(63)는 오실레이터 주파수 fosc가 통과하고 다른 주파수들은 차단하도록 한다. 발진 신호 fosc는 정류기 다이오드 D1의 RF 임피던스를 변조한다. 발진 주파수 fosc에서의 전압은 원 입력 주파수 fcw와 믹싱되어 합(fcw+fosc) 및 차(fcw-fosc) 주파수에서의 신호들을 생성한다. 결과적으로 센서(50)로부터 반사된 신호에 사이드밴드가 존재한다. RFID 센서에 의하여 반사된 전력은 예를 들어, 다이오드 파라미터들, RFID 센서 입력 전력(VDC), 오실레이터 출력 전압(VOSC) 및 안테나(21)의 내부 저항에 의존한다.
수동형 무선 센서에서 사용될 때, 오실레이터(23)는 큰 출력 전압을 생성해야 하고, 그 전력 소비는 적어야 한다. RFID 센서(50)의 전력 소비는 주로 오실레이터 출력 전압을 생성하는 오실레이터 회로(23)에서 일어나는데, 오실레이터 출력 전압은 센서의 판독 거리가 의존한다. 따라서 RFID 센서(50)의 전력 소비는 초저(ultra-low) 공급 전압으로 동작할 수 있는 오실레이터를 설계함으로써 임의로 작게할 수 있다. 더욱이, RFID 센서(50)의 더 큰 판독 거리가 큰 오실레이터 출력 전압을 생성함으로써 달성될 수 있다. 센서가 디지털 IC 전자부품을 구비하지 않는다는 가정하에 사전 분석(previous analysis)이 이루어졌다. 디지털 전자부품이 포함될 때, 디지털 회로의 전력 소비로 인하여 판독 거리가 제한될 수 있다.
오실레이터 회로(23)는 다양한 오실레이터 토폴로지로 구현될 수 있다. 대표적인 오실레이터 토폴로지의 예로서 콜피츠 오실레이터, 마이스너 오실레이터, 암스트롱 오실레이터, 및 하틀레이 오실레이터를 포함할 수 있다. 콜피츠 오실레이터는 아마도 역사상 매우 널리 사용되는 오실레이터이며, 최대 100MHz까지의 상업적인 신호 생성기에서 널리 사용되며, 이는 구현되기 매우 용이하기 때문이다. 예시적인 실시예들에서 간단한 콜피츠 오실레이터 토폴로지가 본 발명을 이 오실레이터 토폴로지로 제한하는 것을 의도하지 않고 설명을 위하여 선택되었다.
도 6을 참조하면, 예시적인 오실레이터(23)는 저전압 콜피츠 오실레이터로 구현될 수 있을 것이다. 예시적인 오실레이터 회로는 트랜지스터 M1, 커패시터 C1 및 C2를 구비하는 용량성 분할기, 및 피드백 인덕터 L1을 포함하는 공통-게이트 증폭기를 포함할 수 있을 것이다.
오실레이터의 전력 소비는 주로 반도체 제조 공정 및 트랜지스터 기술 타입에 의존한다. 공통 프로세스는 실리콘(Si), 갈륨 비소(GaAs) 및 실리콘 게르마늄(SiGe)이다. 사용되는 통상적인 기술들은 바이폴러 정션 트랜지스터(BJT), 전계효과 트랜지스터(FET) 및 헤테로정션 바이폴러 트랜지스터(HBT)이다. 오실레이터의 전력 소비는 또한 바이어스 회로 및 트랜지스터의 임계 전압에 의존한다. 금속 산화물 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET)은 전계효과 트랜지스터(FET)의 일종이다. BJT와 비교하여, MOSFET은 매우 작게 제작될 수 있으며, 그 동작에 상대적으로 낮은 전력이 요구된다. 따라서 예시적 실시예에서, ALD 800과 같은 매우 낮은 임계 전압을 갖는 MOSFET 트랜지스터 M1가 사용될 수 있다.
초저전압 동작에 대해, MOSFET 트랜지스터 M1의 제어 단자는 공급 전압 VDC에 직접 연결되며, 드레인 단자는 공급 전압 VDC에 피드백 인덕터 L1을 통해 연결되며, 소스 단자는 그라운드에 인덕터 L2와 바이어싱 저항 Rbias의 직렬 연결을 통해 연결된다. 센싱 요소(42)는 오실레이터의 출력에서 로드 저항 RL을 제공할 수 있을 것이다. 요구되는 피드백이 드레인 단자와 그라운드 사이의 커패시터 C1과 C2의 직렬 연결에 의하여 형성되는 용량성 분할기로 달성될 수 있을 것이다. C1과 C2 사이의 중간 단자는 소스 단자에 연결되며, 오실레이터의 출력을 제공한다. 용량성 분할기 C1-C2는 오실레이터 전압들 VDC와 VOSC 사이의 비율을 결정한다.
등가 커패시턴스 Ceq 및 용량성 분할 비율 nc가 아래와 같이 표현될 수 있다.
도 7은 아래 표 1에 나열된 파라미터 값들과 100kHz에서의 신호 생성을 목적으로 하는 입력 전압 공급의 함수로서의 발진 출력 전압을 도시한다. 오실레이터는 수동형 무선 센서에서 사용하는 것을 실현 가능하게 하는 발진을 시작하기 위하여 최소 4mV의 공급 전압이 요구된다.
[표 1] 발진 시뮬레이션에 사용되는 파라미터
피드백 인덕터 L1 = 1mH
바이어스 인덕터 L2 = 10mH
커패시터 C1 = 3.3nF
커패시터 C2 = 16nF
로드 저항 RL = 0.5MΩ
피드백 저항 Rbias = 50Ω
오실레이터의 설계 동안, 오실레이터 설계시 고려될 수 있는 몇몇 주요 기능이 실현된다. 오실레이터의 전력 소비는 용량성 분할 비율을 감소시키고 피드백 인덕터의 큐 인자(quality factor) Q를 증가시킴으로써 임의로 낮게 할 수 있다. 정류된 DC 전압이 다이오드 파라미터들, 입력 전력 및 로드 임피던스에 의존함이 발견되었다. 오실레이터 출력 전압은 정류된 DC 전압, 오실레이터 회로 토폴로지, 및 큐 인자 및 공진기의 특성 임피던스에 의존한다. 더욱이, 오실레이터에 의한 전력 소비는 용량성 분할기 비율을 감소시킴으로써 임의로 낮게 될 수 있다. 더욱이, 센서의 변조된 반사된 전력은 믹서 다이오드 파라미터, 센서의 입력 전력 및 오실레이터의 출력 전압에 의존한다.
발명의 개념이 다양한 명백한 대안적인 방법으로 구현될 수 있음이 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 본 발명 및 그 실시예들은 위에 설명된 예들로 제한되지 않으며, 청구범위의 내에서 변경될 수 있을 것이다.
Claims (15)
- RFID(radio frequency identification) 기능을 제공하기 위하여 백스캐터링 원리(backscattering principle)로 통신하기 위한 안테나, 정류기, 오실레이터 및 변조기와, 미리 정해진 변수를 센싱하는 센싱 요소를 포함하며,
디지털 응답을 실어나르는 변조된 백스캐터링 신호는, 질의 주파수(interrrogation frequency)로부터 상기 오실레이터로부터의 변조 주파수 출력만큼 오프셋된 사이드밴드를 포함하고,
상기 오실레이터는 공진기에 기반하며,
상기 센싱 요소는 상기 오실레이터에 연결되며,
상기 오실레이터로부터 출력된 상기 변조 주파수 및 그로 인한 상기 변조된 백스캐터링된 신호의 사이드밴드의 오프셋이 상기 미리 정해진 변수의 센싱된 값에 의존하여 이를 실어나르도록 구성된 수동형 무선 트랜스폰더. - 청구항 1에 있어서,
상기 센싱 요소는 식별 및 충돌 방지(anti-collision)와 같은 RFID 기능을 위한 제어 로직 및/또는 메모리를 더 포함하는 수동형 무선 트랜스폰더. - 청구항 1에 있어서,
상기 트랜스폰더의 주요 부분(major part)은 집적 회로 기술로 구현되고, 상기 센싱 요소는 외부 구성요소인, 수동형 무선 트랜스폰더. - 청구항 1에 있어서,
상기 트랜스폰더는, 상기 오실레이터로부터의 상기 변조 주파수 출력이 오실레이터를 로드하도록 인에이블된(enabled) 센싱 요소의 상기 미리 정해진 변수의 센싱된 값에 의존하도록, 한 번에 하나씩 선택적으로 상기 오실레이터를 로드하도록 인에이블 되는 복수의 센싱 요소를 포함하는 수동형 무선 트랜스폰더. - 청구항 4에 있어서,
상기 트랜스폰더는 미리 정해진 시퀀스 또는 리더 디바이스로부터 수신한 명령에 따라서 상기 복수의 센싱 요소 중 선택적으로 하나를 인에이블 시키고 나머지들을 디스에이블시키도록 구성된 선택 수단을 포함하는 수동형 무선 트랜스폰더. - 청구항 1에 있어서,
상기 트랜스폰더의 주요 부분은 집적 회로 기술로 구현되고, 상기 오실레이터의 적어도 일부는 외부 공진기와 같은 외부 구성요소를 포함하는 수동형 무선 트랜스폰더. - 청구항 1에 있어서,
상기 트랜스폰더의 주요 부분은 집적 회로 기술로 구현되고, 상기 센싱 요소 및 상기 오실레이터의 공진기 부분은 공진 센서(resonant sensor) 또는 MEMS 공진 센서로 구현되는 수동형 무선 트랜스폰더. - 청구항 1에 있어서,
공진기에 기반한 상기 오실레이터는 LC 오실레이터, RLC 오실레이터, 수정 오실레이터, 및 MEMS(microelectromechanical system) 공진기, SAW(surface acoustic wave) 공진기 또는 BAW(bulk acoustic wave) 공진기에 기반한 오실레이터 중 하나를 포함하는 수동형 무선 트랜스폰더. - 청구항 1에 있어서,
상기 오실레이터는 콜피츠(Colpitts) 오실레이터, 마이스너(Meissner) 오실레이터, 암스트롱(Armstrong) 오실레이터 및 하틀레이(Hartley) 오실레이터 중 하나인 수동형 무선 트랜스폰더. - 청구항 1에 있어서,
상기 오실레이터는 능동 증폭 디바이스, 용량성 분할기(capacitive divider) 및 피드백 인덕턴스를 포함하는 콜피츠 LC 또는 RLC 오실레이터인 수동형 무선 트랜스폰더. - 청구항 10에 있어서,
상기 LC 또는 RLC 오실레이터로부터의 상기 변조 주파수 출력의 전압 레벨이 상기 용량성 분할기의 용량성 분할기 비율에 의존하는 수동형 무선 트랜스폰더. - 청구항 1에 있어서,
하나 이상의, 상기 안테나와 상기 정류기 사이의 하이패스 필터, 상기 정류기의 DC 출력과 상기 오실레이터의 입력 사이의 로우패스 필터 및 상기 오실레이터의 출력과 상기 변조기의 입력 사이의 밴드패스 필터를 포함하는 수동형 무선 트랜스폰더. - 청구항 1에 있어서,
상기 정류기는 정류 다이오드 D1을 포함하고, 상기 정류 다이오드는 또한 변조기의 믹서를 제공하는 수동형 무선 트랜스폰더. - RFID 리더 및 적어도 하나의 수동형 무선 트랜스폰더를 포함하며,
상기 수동형 무선 트랜스폰더는,
RFID(radio frequency identification) 기능을 제공하기 위하여 백스캐터링 원리(backscattering principle)로 통신하기 위한 안테나, 정류기, 오실레이터 및 변조기와, 미리 정해진 변수를 센싱하는 센싱 요소를 더 포함하며,
디지털 응답을 실어나르는 변조된 백스캐터링 신호는, 질의 주파수(interrogatin frequency)로부터 상기 오실레이터로부터의 변조 주파수 출력만큼 오프셋된 사이드밴드를 포함하고,
상기 오실레이터는 공진기에 기반하며,
상기 센싱 요소는 상기 오실레이터에 연결되며,
상기 오실레이터로부터 출력된 상기 변조 주파수 및 그로 인한 상기 변조된 백스캐터링된 신호의 사이드밴드의 오프셋이 상기 미리 정해진 변수의 센싱된 값에 의존하여 이를 실어나르도록 구성된 시스템. - 삭제
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