センサシステム用半導体装置
【課題】小型軽量で電池交換不要なセンサシステム用半導体装置を提供する。
【解決手段】センサ（ＴＤ１，ＡＳ１，ＰＤ１，ＧＳ１）、Ａ／Ｄ変換回路（ＡＤ１）、マイクロプロセッサ（ＣＰＵ１）、メモリ（ＭＥＭ１）、送信回路（ＲＦ１）、及び、電力発生装置（ＣＭ１）を備えたセンサチップ（ＳＣＨＩＰ１）を構成する。センサ、Ａ／Ｄ変換回路、マイクロプロセッサ、メモリ、及び、送信回路は、一方の基板面（ＳＩＤＥ１）上に形成し、また、電力発生装置は、前記基板面とは逆の基板面（ＳＩＤＥ２）上に形成する。
【解決手段】センサ（ＴＤ１，ＡＳ１，ＰＤ１，ＧＳ１）、Ａ／Ｄ変換回路（ＡＤ１）、マイクロプロセッサ（ＣＰＵ１）、メモリ（ＭＥＭ１）、送信回路（ＲＦ１）、及び、電力発生装置（ＣＭ１）を備えたセンサチップ（ＳＣＨＩＰ１）を構成する。センサ、Ａ／Ｄ変換回路、マイクロプロセッサ、メモリ、及び、送信回路は、一方の基板面（ＳＩＤＥ１）上に形成し、また、電力発生装置は、前記基板面とは逆の基板面（ＳＩＤＥ２）上に形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサシステム用半導体装置に関し、特に、小型・軽量で電池交換不要なセンサシステム用半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、健康志向の高まりにより、個人が手軽に体調その他をチェックできる健康管理機器（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｖｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ（以下、「ＰＶＡ」という。））への注目が急速に高まりつつある。このＰＶＡの基本的な機能は、従来からある高価な医療用測定機器と同じである。しかし、高価な医療用機器と違い、一般ユーザでも購入できる程度に安価で構成されることが望まれる。また、心臓病などの生活習慣病では、継続的に体温や脈拍や血圧など体調を把握することが重要である。このため、ＰＶＡ機器では、ユーザがいつでも簡単に自分の体調を測定できるようにすることが必要である。具体的には、持ち運びができる程度に小型・軽量化する必要がある。このため、小型のボードに作成されたＰＶＡ機器が開発されている。
【０００３】
例えば、特開２００１−３２７４７２号公報（以下、「特許文献１」という。）、及び、特開２００１−３４４３５２号公報（以下、「特許文献２」という。）では、ＧＳＲ（Ｇａｌｖａｎｉｃ Ｓｋｉｎ Ｒｅｆｌｅｘ：皮膚電気反射）、加速度、体温、脈拍センサ等のセンサを搭載したセンサボードと、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ等の小電力無線インタフェースにより、上記センサボードと通信を行ってセンサ情報を収集して、ユーザの体調等を分析するメインボードから構成されたＰＶＡ機器が紹介されている。センサボードには、センサの他に、ＣＰＵ、メモリ、Ａ／Ｄ変換器、小電力無線インタフェース、増幅器、及び、小型電池が搭載されており、上記センサの種類毎に専用のボードが用意されている。センサボード内でセンサからの情報（アナログ量）を適当なレベルにまで増幅した後に、Ａ／Ｄ変換を行って、ディジタル量に変換した後、ＣＰＵにより適切な形式に加工された後に、小電力無線インタフェースチップ経由でメインモジュールに送信される。
【０００４】
上記センサのうち、ＧＳＲ電極により、電極経由で検知された皮膚の電気インピーダンスの変化具合が検知可能であり、ユーザの心理状態（怒っている等）が把握できる。また、脈拍センサからは、ユーザの脈拍を検知できる他に、血液中の酸素飽和度も測定可能である。さらに、血糖値等も推定することが可能であり、ユーザの健康状態が把握できる。また、脈拍の間隔からユーザの心理状態もある程度推定可能である。なお、脈拍センサは、赤外／赤色ＬＥＤと半導体フォトダイオードの組み合わせで構成される。一方、加速度センサは、３軸方向の加速度センサから構成され、ユーザの姿勢や動き等が推定できる。小電力無線インタフェース経由により、診断結果等を、小電力無線インタフェース内蔵の腕時計、ヘッドセット、携帯電話等に送信して、ユーザに通知することが可能である。
【０００５】
一方、半導体プロセスの微細化に伴い、簡単なＲＦ回路、低機能のＣＰＵ、及び、低容量のメモリ（不揮発メモリ等）を、数ｍｍ平方以下の半導体集積回路に集積したＲＦＩＤチップが、日経エレクトロニクス２００２年２月２５日号、ｐｐ．１１２〜ｐｐ．１３７（以下、「非特許文献１」という。）に開示されている。非特許文献１には、ＲＦＩＤチップがチップ内の不揮発メモリに固有のＩＤを書き込み、そのＩＤをＲＦリーダ経由で外部に読み出して、バーコード等と同様に商品等の識別タグとして利用できる旨が開示されている。ＲＦＩＤリーダーからＩＤを読み取る場合には、高周波をＲＦＩＤチップに照射し、ＲＦＩＤチップに接続されたコイルとコンデンサから構成されたＬＣ共振回路のＱ値の変化を検出することにより、非接触で実現される。
ＲＦＩＤチップには、単なるＩＤ以外に、商品についての情報等を不揮発メモリに書き込むことも可能である。例えば、特開２００１−１８７６１１号公報（以下、「特許文献３」という。）には、食品（例えば、ビール樽等。）流通管理システムへの応用例が開示されている。特許文献３では、ＲＦＩＤチップ、センサボード、及び、小型電池から構成されたセンサ付きＩＤタグをビール樽に埋め込んで、センサボードで読み取られたビール樽の温度を随時ＲＦＩＤチップ内の不揮発メモリに書き込んで蓄積する。最終的に、ユーザに届けられた際に、ユーザ側でＲＦリーダにて流通時の温度情報を読み出す。このような構成により、不適切な温度条件で放置されていなかったか等の情報を電子的に記録し、その記録情報を読み出すことができる。
一方、特開２００２−５８６４８号公報（以下、「特許文献４」という。）には、ＲＦＩＤチップを位置検出に応用した例が開示されている。この例では、マウス等の実験用小動物にＲＦＩＤチップを付ける。同時に、マウスの飼育箱を升目状の細かいエリアに区切り、エリア毎にＲＦＩＤリーダーを複数配置する。複数のＲＦＩＤリーダーのうち、どのＲＦＩＤリーダーで読み取られたかを記録することにより、マウスの動きを検出する。さらに、ＲＦＩＤチップのＩＤ情報を活用することにより、個々のマウスを判別することが可能である。このような構成により、どのマウスがどのように活動しているのかを把握することができる。
【０００６】
また、このような小型の半導体チップを体内に埋め込んで、ユーザの補助に役立てようという試みも提案されている。例えば、特開平５−２９３１２８号公報（以下、「特許文献５」という。）には、小型チップを発声器官に埋め込み、発声器官の振動を検知して、ＲＦにて外部の擬似音声発生装置に送信して、ユーザの発声を代行するというアイデアが開示されている。上記チップを、咽頭、喉頭、気道、顔面、口腔、鼻腔等の複数箇所に埋め込み、チップ内の振動センサにより各部の振動を検知して、擬似音声発生装置にてユーザが発語したい音声を分析することが実現される。何らかの障害により、発声器官を損傷したユーザの補助に役立てることが可能となる。
【０００７】
なお、ＩＥＥＥ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｊｕｌｙ ２０００、ｐｐ．４２〜４８（以下、「非特許文献２」という。）には、床、壁、人体等は微小ながらも常に振動しており、通常、〜ｍＷ／ｃｍ３のエネルギー密度を有している旨が開示されている。
【０００８】
ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＶＥＲＹ ＬＡＲＧＥ ＳＣＡＬＥ ＩＮＴＥＧＲＡＴＵＩＯＮ ＳＹＳＴＥＭＳ、ＶＯＬ．９、ＮＯ．１、ＦＥＢＲＵＡＲＹ ２００１、ｐｐ．６４〜ｐｐ．７５（以下、「非特許文献３」という。）には、電力回収回路の構成が開示されている。
【０００９】
ＥＤＮ Ｊａｐａｎ、２００２．５号、ｐｐ．５５〜ｐｐ．６１（以下、「非特許文献４」という。）には、ＭＥＭＳプロセスによって形成された高周波スイッチが開示されている。
【００１０】
日経エレクトロニクス２００２年３月１１日号、ｐｐ．５５〜ｐｐ．６６（以下、「非特許文献５」という。）には、超広帯域無線通信方式であるＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ）について開示されている。また、非特許文献５には、ＵＷＢにおけるデータ受信の際には、受信機のパルスジェネレータから供給されるパルス列と受信したパルス列との相関をとる相関器が必要となる旨が開示されている。
【００１１】
ＩＥＥＥ Ｐｒｏｃ． Ｃｉｒｃｕｉｔｓ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｓｙｓｔ．，Ｖｏｌ．１４８、Ｎｏ．６、 Ｄｅｃｅｍｅｂｅｒ ２００１（以下、「非特許文献６」という。）には、電磁誘導を利用して発電を行う発電機が開示されている。
【００１２】
【特許文献１】特開２００１−３２７４７２号公報
【特許文献２】特開２００１−３４４３５２号公報
【特許文献３】特開２００１−１８７６１１号公報
【特許文献４】特開２００２−５８６４８号公報
【特許文献５】特開平５−２９３１２８号公報
【非特許文献１】日経エレクトロニクス２００２年２月２５日号、ｐｐ．１１２〜ｐｐ．１３７
【非特許文献２】ＩＥＥＥ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｊｕｌｙ ２０００、ｐｐ．４２〜４８
【非特許文献３】ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＶＥＲＹ ＬＡＲＧＥ ＳＣＡＬＥ ＩＮＴＥＧＲＡＴＵＩＯＮ ＳＹＳＴＥＭＳ、ＶＯＬ．９、ＮＯ．１、ＦＥＢＲＵＡＲＹ ２００１、ｐｐ．６４〜ｐｐ．７５
【非特許文献４】ＥＤＮ Ｊａｐａｎ、２００２．５号、ｐｐ．５５〜ｐｐ．６１
【非特許文献５】日経エレクトロニクス２００２年３月１１日号、ｐｐ．５５〜ｐｐ．６６
【非特許文献６】ＩＥＥＥ Ｐｒｏｃ． Ｃｉｒｃｕｉｔｓ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｓｙｓｔ．，Ｖｏｌ．１４８、Ｎｏ．６、 Ｄｅｃｅｍｅｂｅｒ ２００１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
特許文献１及び２に開示されているＰＶＡ機器は、汎用のＣＰＵとセンサを組み合わせたボードでＰＶＡ機器を構成しているため、高価な医療機器を使わなくても手軽に健康管理ができるようになる。しかし、このようなＰＶＡ機器では、センサボードとメインボードそれぞれに電池が必要であり、ある程度以上の重量（〜数１００グラム）になってしまう。また、複数の半導体集積回路その他の部品をボード上にアセンブルして構成するため、ある程度以上の大きさ（〜カードサイズ）が必要である。このため、長時間使用するには、ユーザの身体に与える負担が大きい。また、電池を電源としているため、電池交換の手間が必要である。さらに、各々のセンサボードとメインボード間は、小電力無線インタフェースにより無線接続されているが、センサとセンサボード間は通常のワイヤで接続されているため、使い勝手及び耐久性の面でやや問題がある。
【００１４】
一方、非特許文献１に開示されているＲＦＩＤチップは、電池が不要であるとともに小型でもある。このため、マウス等の小動物から人間や食品等の商品に至るまで、数多くのものに装着可能である。しかし、従来の技術で説明したとおり、ＬＣ共振回路のＱ値をコントロールすることによりＲＦＩＤリーダーに信号を送信するため、外部のインダクタＬに、使用するＲＦ信号の波長（＝１／周波数）に応じた大きさのものが必要となる。また、独自の電源を持たないため、動作可能時は、ＲＦＩＤリーダーでＲＦ信号を照射された時のみである。このため、ＰＶＡ機器に必要とされるように長時間に渡ってユーザの生体情報（体温、脈拍等）を検知する用途には適さない。
【００１５】
また、特許文献３に開示されているビール樽向けＲＦＩＤタグは、長時間の使用を可能とするために、小型電池とともに使用されるものである。しかしこの結果、ＲＦＩＤチップの大きさはボードサイズとなってしまい、ＲＦＩＤチップの「小型軽量でどこにでもタグとしてつけられる」という特徴が犠牲にされている。
【００１６】
特許文献４では、マウスの動きの検出にＲＦＩＤチップを利用しているが、升目毎に配置したＲＦＩＤリーダーから常時ＲＦ信号を送信し続ける必要がある。ＲＦＩＤリーダーから送信されるＲＦ信号は、数１００ｍＷ程度であり、全体を合わせるとかなりの電力になり、低消費電力化を図るのは困難である。
【００１７】
特許文献５には、小型の半導体チップを人体に埋め込んで発声器官の代用をさせようとするアイデアが開示されている。しかし、半導体チップを埋め込む際には人体の切除が必須となるため、ユーザへの身体的負担及び心理的負担は大きいものと考えられる。また、特許文献５には、埋め込む半導体チップの具体的な構成、特に、電池を埋め込まない場合に半導体チップの電源をどうするのかという点について、全く開示されていない。
【００１８】
本発明の目的は、発電機等を内蔵し長時間動作可能で、無線信号により外部機器に検知データを送信できる、小型・軽量のセンサシステム用半導体装置を提供することである。
【００１９】
さらに、本発明の他の目的は、上記センサシステム用半導体装置を用いた、小型の健康管理機器、動き検出装置、食品流通管理装置、及び、家電等の機器の制御装置等を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明の代表的なものは下記のとおりである。すなわち、計測の対象となる物理量を検知するセンサと、前記センサにより検知した信号を増幅してディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路と、前記ディジタル信号を処理するマイクロプロセッサと、前記センサにより得た情報を格納するメモリと、前記マイクロプロセッサにより処理した信号を外部へ送信する送信回路と、前記センサ、前記Ａ／Ｄ変換回路、前記マイクロプロセッサ、前記メモリ、及び、前記送信回路に、電力を供給するための電力発生装置とを有する半導体装置である。
【００２１】
また、本発明の他の代表的なものは、温度センサ、加速度センサ、及び、赤色／赤外光センサを有するセンサと、前記センサからの信号を増幅してディジタル量に変換するＡ／Ｄ変換回路と、前記センサから情報を取り出して、該情報を加工するマイクロプロセッサと、前記マイクロプロセッサのプログラムコード、及び、前記センサからの前記情報を格納するメモリと、前記マイクロプロセッサに制御され、外部との通信を行う送信回路と、前記センサ、前記Ａ／Ｄ変換回路、前記マイクロプロセッサ、前記メモリ、及び、前記送信回路の各回路に、電源を供給するか否かを制御する電源制御回路と、力学振動による可変容量コンデンサの静電エネルギーの増加分を回収して電気エネルギーに変換する電力回収回路とを有し、前記センサ、前記Ａ／Ｄ変換回路、前記マイクロプロセッサ、前記メモリ、前記送受信回路、及び、前記電源制御回路は、一つの半導体基板の上に形成されている半導体装置である。
【００２２】
また、本発明のもう一つの代表的なものは、マイクロプロセッサと、情報を格納するメモリと、前記マイクロプロセッサと外部との通信を行う送受信回路とが一つの半導体基板の上に形成されている半導体装置であって、前記半導体装置は、前記マイクロプロセッサ、前記メモリ、及び、前記送受信回路に電力を供給するための電力発生装置を有し、前記半導体装置は、第１外部から第１データを受信し、受信した該第１データを処理して第２データへ変換し、該第１外部とは異なる第２外部へ向けて、該第２データを送信する機能を有する半導体装置である。
【発明の効果】
【００２３】
センサ、マイクロプロセッサ、メモリ、送信回路、及び、電力発生装置を備えた本発明の構成を採用することにより、長時間の継続使用が可能で、小型軽量なセンサシステム用半導体装置を提供することができる。
【００２４】
また、このセンサシステム用半導体装置は小型軽量であり、電池交換にも煩わされないため、長時間の装着が要求される健康機器等に適して用いられる。
【００２５】
また、電子ロボット玩具に自分の感情を伝えられる装置、操作者の意図を手振り等で家電機器等に伝達可能なリモコン装置、スポーツ競技の記録装置、または、食品の流通経路での温度状況を監視する記録装置等に応用することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施例につき、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図において、同一符号は同一または類似部分を示すものである。
（実施例１）
センサシステム用半導体装置すなわちセンサチップの構成の一実施例を図１（ａ）、（ｂ）に示す。図１（ａ）には、センサチップの一方の主面を、また、図１（ｂ）には、図１（ａ）とは逆の主面を示している。センサチップ（ＳＣＨＩＰ１）は、第１の半導体集積回路（ＣＨＩＰ１）、第２の半導体集積回路（ＣＨＩＰ２）、発光ダイオード（ＬＥＤ）チップ（ＬＥＤ１）、コンデンサ（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）、インダクタ（Ｌ１）、及び、これらを搭載するための基板（ＢＯ１）から構成される。このうち、基板（ＢＯ１）には、これらのチップ間を結線するための配線パターン、後述する高周波送受信回路で使用するアンテナ（ＡＮＴ１〜４）パターン、及び、後述するセンサ回路（ＧＳ１）で使用する電極（ＧＳＲ１〜４）パターン等が、銅あるいは金等の金属で描かれている。これらについては、通常、ＭＣＰ（Ｍｕｌｔｉ Ｃｈｉｐ Ｐａｃｋａｇｅ）チップとして用いられているのと同様のもので構成されている。
【００２７】
センサチップの断面図を図２（ａ）、（ｂ）に示す。図２に示されるように、第１の半導体集積回路（ＣＨＩＰ１）、及び、第２の半導体集積回路（ＣＨＩＰ２）は、本発明に特有な配置で基板（ＢＯ１）に搭載されている。すなわち、ＣＨＩＰ１、ＣＨＩＰ２は、基板上の同一面ではなく、それぞれ、第１の基版面（ＳＩＤＥ１）、及び、第２の基版面（ＳＩＤＥ２）に搭載されている。また、図２に示すように、これらの半導体集積回路チップ、コンデンサ、インダクタ、及び、基板は、防水樹脂（ＭＯ１）でモールドされており耐水性である。これらのモールドは、通常のＭＣＰと同様のものが使用可能であるが、ＣＨＩＰ１の上面に、赤色／赤外光を透過する材質のモールド材により、本発明に特有な光学窓（ＰＷＩＮ１）を設置する点に特徴がある。より詳細には、この光学窓（ＰＷＩＮ１）は、基板ＭＯ１上に搭載されたＬＥＤ１及びＣＨＩＰ１上の専用の光学センサ上に設置される。これは、後述するように、ＬＥＤ１が発生する、赤色あるいは赤外光を外部に向けて照射し、ＣＨＩＰ１に設けられた専用の光学センサにより、反射光等を検知できるようにするためである。
【００２８】
また、図２（ａ）に示すように、コンデンサ（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）及び、インダクタ（Ｌ１）には、通常のＭＣＰチップで使用されているものと同様のチップ形態のものが使用可能である。なお、コンデンサについては、図２（ｂ）に示すように、基板を多層基板で形成して、そのうちのいくつかの層をペアで使用する、積層コンデンサ（Ｃ１Ａ、Ｃ２Ａ、Ｃ３Ａ）で構成することも可能である。
【００２９】
これらの半導体集積回路（ＣＨＩＰ１、ＣＨＩＰ２）を用いたセンサチップ（ＳＣＨＩＰ１）を使用することにより、小型・軽量の携帯型健康管理機器を実現することができる。センサチップを健康管理機器へ応用した一例を図３に示す。この実施例では、センサチップは、ばんそうこう等のシール（ＢＡ１）により、ユーザ（ＵＳ１）の皮膚等（ＳＫＩＮ１）に装着するように構成されている。センサチップのＳＩＤＥ１面を、ユーザの皮膚等に接触させるように装着する。このように装着することで、後述する各種センサにより、ユーザの体調または健康状態を検知することが可能となる。なお、この実施例ではばんそうこう等のシールＢＡ１により装着しているが、皮膚等に接触させることができれば、必ずしもこれに限られない。例えば、腕時計の裏側にセンサチップを装着することによっても、実現可能である。
【００３０】
検知されたデータは、第１の半導体集積回路ＣＨＩＰ１上にある、マイクロプロセッサＣＰＵ１、及び、高周波送信回路ＲＦ１を経由して、無線（ＷＬ１）により外部の健康モニタ（ＭＯＮＩＴＯＲ１）等に送信される。第１の半導体集積回路（ＣＨＩＰ１）は、マイクロプロセッサ（ＣＰＵ１）、メモリ（ＭＥＭ１）、外部との通信を行う高周波送受信回路（ＲＦ１）、基板（ＢＯ１）上に設けられたアンテナ（ＡＮＴ１〜４）の送受信等を切り替える高周波スイッチ（ＲＷ１）、温度センサ（ＴＤ１）、加速度センサ（ＡＳ１）、赤外／赤色光センサ（ＰＤ１）、インピーダンスセンサ（ＧＳ１）等で構成されるセンサ回路、センサからの信号を増幅してディジタル量に変換するＡ／Ｄ変換回路（ＡＤ１）、基板上に搭載された発光ダイオード（ＬＥＤ１）を駆動するドライバ（ＬＤ１）、上記ＣＰＵ１、ＭＥＭ１、ＲＦ１、ＲＷ１、ＴＤ１、ＡＳ１、ＰＤ１、ＧＳ１への電源供給を制御する電源制御回路（ＰＣ１）、ＰＣ１のオン／オフを制御するタイマ回路（ＴＭ１）、及び、コンデンサＣ１に蓄積された電荷量を監視する電荷監視回路（ＣＷ１）から構成される。
【００３１】
マイクロプロセッサＣＰＵ１は、メモリＭＥＭ１上に格納されたプログラム（ＰＲ１）に従って、チップ上の各回路の動作モードを設定して制御して、各センサを駆動して検知を行う。また、後述するように、検知されたデータを圧縮する、または、ＩＤ情報を付加する等の加工を行った後に、上記高周波送信回路ＲＦ１経由で、無線にて外部に送信する。さらに、ＲＦ１内蔵の受信回路により、外部からの指令、例えば、マイクロプロセッサＣＰＵ１における動作モードのパラメータの設定変更が可能である。また、プログラムＰＲ１に適切なプログラムコードを付加することにより、任意の処理を追加することが可能である。
【００３２】
メモリＭＥＭ１は、プログラムＰＲ１の以外にも、例えば、センサからの取得データや、マイクロプロセッサＣＰＵ１における動作モードのパラメータ等の情報を保持する。メモリＭＥＭ１は、典型的には、低消費電力でデータ保持可能なＳＲＡＭや、電源供給オフ時でもメモリ内容が保持されるＮＯＲ型あるいはＡＮＤ型等のフラッシュメモリ等で構成される。しかし、低消費電力でメモリ内容が保持できれば、他のタイプのメモリも使用可能である。
【００３３】
第２の半導体集積回路（ＣＨＩＰ２）は、微弱な外部振動を電気エネルギーに変換する小型の発電チップである。非特許文献２に開示されているように、床、壁、人体等の外部振動エネルギーを利用すれば、０．１ｍＷ程度の発電が可能となる。以下、本発明の発電チップの動作を具体的に説明す場合の、電圧Ｖ（Ｖ０→Ｖ１）と静電エネルギる。
【００３４】
発電チップＣＨＩＰ２は、外部の振動により静電容量が変化する可変容量コンデンサ（ＣＭ１）、及び、電力回収回路（ＰＣ２）から構成される。電力回収回路ＰＣ２は、可変容量コンデンサＣＭ１により外部振動の力学エネルギーから変換された電気エネルギーを回収して、基板上のコンデンサ（Ｃ３）を充電するように機能する。可変容量コンデンサＣＭ１は、通常、ＭＥＭＳプロセスによりシリコンチップ上に微細構造で構成される。具体的には、図１（ｂ）に示すように、２つの固定電極（ＳＴ１、ＳＴ２）及び、可動電極（ＶＴ１）から構成される。このうち、可動電極（ＶＴ１）はアンカー（ＰＮ１〜４）以外のどこにも固定されておらず、ＣＨＩＰ２上に浮いている。このため、ＣＨＩＰ２がある加速度を持って振動等の運動をすると、これにより発生する慣性力により、２つの固定電極（ＳＴ１、ＳＴ２）間を振動する。この振動により、これらの電極間の距離が変わり、静電容量が変化する。
【００３５】
図４に示すのは、可変容量コンデンサ（ＣＭ１）の電荷Ｑを一定のＱ１にして、外部振動によりＣＭ１の静電容量がＣ１→Ｃ２（Ｃ２＜Ｃ１）と変化したー（Ｅ１→Ｅ２）の変化を示す図である。このように、外部振動により静電容量が変化する結果、蓄えられる静電エネルギーが増加する（ΔＥ＝Ｅ２−Ｅ１）。そして、この静電エネルギーの増加分ΔＥを回収することにより、小型発電機としての機能を発揮する。
【００３６】
ＣＨＩＰ２に形成する電力回収回路の一実施例を図５に示す。この回路は、非特許文献３に開示されているものと同様の構成をしている。可変容量コンデンサＣＭ１の他に、コンデンサＣ２、Ｃ３、インダクタＬ１、ＰＭＯＳトランジスタＴＰ１、ＮＭＯＳトランジスタＴＮ１、及び、これらのトランジスタのオン／オフのタイミングを制御するドライブ回路（ＰＤＲ１）から構成される。ドライブ回路ＰＤＲ１は、外部振動による可変容量ＣＭ１の静電容量の変化に応じて、図６に示すタイミング（Ｔ１〜Ｔ５）で、ＴＮ１及び、ＴＰ１のオン／オフを制御する。電力回収回路の動作は本発明の特徴部分ではないため、ここでは説明を省略する。発生した電力については、最終的には、コンデンサＣ３、ダイオードＤ３を経てＶＤＤ１ラインに供給され、第１の半導体集積回路ＣＨＩＰ１の電源制御回路ＰＣ１に接続されたコンデンサＣ１に充電される。なお、ＣＭ１に元となる電荷を供給するコンデンサＣ２には初期電荷を与える必要がある。この目的で、本発明のセンサチップにおいては、コンデンサＣ２の充電をアンテナ（ＡＮＴ１〜４）及び、整流器（Ｄ２）を経由して、ＲＦＩＤリーダー等により外部から誘導された高周波電力により非接触で充電を行う。
【００３７】
可変容量コンデンサＣＭ１は、半導体プロセスとコンパチブルなＭＥＭＳプロセスで作成可能である。このため、１つの半導体集積回路に混載することも可能である。しかし、図４に示されるように、取り出される電気エネルギーは、コンデンサＣＭ１の静電容量（最大容量Ｃ２と最小容量Ｃ１の差）、及び、初期電荷Ｑの２つの値に依存する。すなわち、コンデンサＣＭ１の静電容量が大きいほど、また、初期電荷Ｑが大きいほど、大きな電気エネルギーを取り出すことができる。このため、静電容量は大きいものの方が好適であり、通常、数１００ｐＦ程度のものが必要とされる。静電容量を大きくするには、図１に示すＣＭ１の面積を大きくするほかに、櫛状に形成された電極間の溝の深さを深くする必要がある。このため、１ｃｍ×１ｃｍ×０．５ｍｍ（深さ）程度のサイズのものが必要とされる。
【００３８】
なお、この溝はエッチングにより形成されるが、通常の半導体集積回路では、０．５ｍｍエッチングは必要とされない。しかし、発電効率の点から考えると、溝は深ければ深いほど、より好ましい。一方、半導体集積回路を作成する際のコストを考えると、コンデンサＣＭ１の面積は小さければ小さいほうがより好ましい。また、エッチングで削る溝も、それほど深くないほうがより好ましい。
【００３９】
この相反する問題を解決するため、本発明のセンサチップでは、図１に示すように、可変容量コンデンサＣＭ１及び、発電制御回路と、それ以外の回路を別々の半導体集積回路で構成する。このような２チップ構成により、それぞれのチップに特化した専用プロセスにて作成することが可能となり、溝の深さも任意に形成できる。さらに、本発明に特有な構成として、これらのチップを、ＭＣＰ構成で基板の裏表両面（ＳＩＤＥ１、ＳＩＤＥ２）に搭載する。このような構成により、可変容量コンデンサＣＭ１の面積を、センサチップと同程度のサイズにまで大きくできるため、大容量のものが実現可能となる。さらに、図１に示すように、基板ＢＯ１の他のエリアに電力回収回路として必須となる、コンデンサ（Ｃ２、Ｃ３）、インダクタ（Ｌ１）、また、センサ回路で必要になるＬＥＤチップ、ＧＳＲ電極、さらに、高周波送受信回路で必要となるアンテナ等を、基板上に搭載するか、または、配線パターンとして形成できる。つまり、本発明に特有な図１の構成により、ほぼチップサイズの大きさ（〜１ｃｍ角以下）に、発電機、センサ、ＣＰＵ、ＲＦを集積したセンサシステムが実現可能となる。この結果、自律的なセンサシステムを実現することができる。
【００４０】
以上のように、本発明のセンサチップにおいては、自律的に電源を得ることが可能である。しかし、従来の技術では、１ｃｍ角程度のサイズでは、発電電力は０．１ｍＷ程度に限られている。一方、ＣＭＯＳプロセスで作成された半導体集積回路では、マイクロプロセッサ、メモリ（特にＳＲＡＭ）は、クロック周波数を１００ＫＨｚ程度に下げることにより、消費電力を数１０μＷのオーダにまで押さえることが可能である。本実施例の場合、マイクロプロセッサが受け持つ一番重い処理は、データの圧縮、程度の作業であり、１００ＫＨｚ程度のクロック周波数でも十分処理可能である（例えば、クロック周波数１００ＫＨｚならば、１秒間に１０万サイクル命令を実行可能。１ｍ秒間でも、１００サイクル命令を実行可能である）。このため、上記発電チップにより電源を供給してプロセッサ、メモリその他を動作させることが可能である。
【００４１】
しかし、高周波により無線で外部と通信を行うには、例えば、低消費電力と言われている、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ等の小電力無線インタフェースでも、１ｍＷ程度のＲＦ出力が必要とされている。実際には、供給電力をＲＦに変換するＲＦパワー付加効率が５０％程度であるので、数ｍＷ程度の電力が必要になるものと予想される。このため、従来から、より低消費電力な無線方式が提案されているが、１ｍＷ程度の供給電力が必要とされている。このように、ＲＦ部分が電力を最も必要としており、上記発電チップからの微小電力そのままでは、高周波により外部と通信を行うのは困難である。
【００４２】
この問題を解決するために、本発明では、コンデンサＣ１、タイマＴＭ１、スイッチトランジスタＴＰ２、電荷監視回路ＣＷ１、及び、電源制御回路ＰＣ１から構成された低消費電力動作方式を用いる。すなわち、ＣＨＩＰ１の各回路には常時通電せず、その代わりにコンデンサＣ１に発電電力を蓄える。タイマＴＭ１により設定された時間間隔が経過したと判断された場合、あるいは、電荷監視回路ＣＷ１が十分な電力が蓄えられたと判断した場合のみに、電源制御回路ＰＣ１内のスイッチトランジスタを導通させ、他の回路に電力を供給する。つまり、間欠的に検知動作あるいは外部との通信を行う。この超低消費電力動作方式をより具体的に示したのが、図７に示す動作フローチャートである。
【００４３】
図７に示されるように、ＣＰＵ１は常時スリープ状態Ｐ１１０にある。タイマＴＭ１あるいは電荷監視回路ＣＷ１からの割り込みによりＰ１２０以降の動作状態に遷移する。動作状態においては、メモリＭＥＭ１に格納されたプログラムあるいは動作パラメータに従って以降の動作を決定する。例えば、動作パラメータがデータの検知ならば、データセンスルーチンＰ２００を呼び出し、センサ駆動／サブルーチンＰ２１０、データ取り出し／加工（圧縮等）サブルーチンＰ２２０、データ書き込みサブルーチンＰ２３０を順次実行し、センサからデータを取得し、メモリにデータを書き込む。一方、動作パラメータがデータ送信の場合には、データ送信ルーチンＰ３００を呼び出し、データ読み出しサブルーチンＰ３１０、識別子生成サブルーチンＰ３２０、パケット生成サブルーチンＰ３３０、圧縮／変調サブルーチンＰ３４０、パケット送信サブルーチンＰ３５０を順次実行し、データを送信する。
【００４４】
検知データは、図８（ａ）に示すように、識別子（ＰＳ１）＋データ（ＰＤ１）から構成されたパケット（ＳＰＡＴ１）形式で送信される。このように、送信データに識別子を付加することにより、例えば、本発明のセンサチップが、複数同時に使用された場合においても、外部機器、例えば、図３のＭＯＮＩＴＯＲ１側で、どのセンサチップから来たデータなのか判別が可能になる。識別子ＰＳ１には、例えば、半導体集積回路ＣＨＩＰ１の出荷時において、メモリＭＥＭ１の不揮発メモリ部分に書き込まれた固有のＩＤ等チップ固有の情報を使用できる。さらに、図８（ｂ）に示されるように、識別子ＰＳ１の他にも、例えば、この情報がセンサチップのどのセンサからの情報なのかの識別情報（センサ種別、ＰＳ２）を付加することも可能である。
【００４５】
また、動作モード設定ルーチンＰ１２０においては、この他にも、電荷監視回路ＣＷ１の充電状態を記録したレジスタＣＲ１の読み出しや、あるいは、タイマＴＭ１の時間間隔設定レジスタＴＲ１の書き込みを行う。このようにすることにより、発電チップＣＨＩＰ２の状況に合わせた動作設定が可能である。
【００４６】
図９に示すのは、上記電源制御において使用する、本発明に特有な電源制御回路ＰＣ１、電荷監視回路ＣＷ１、及び、タイマＴＭ１の構成である。この図に示すように、電源制御回路ＰＣ１は、制御論理回路ＰＣＣ１、スイッチトランジスタＴＰ２から構成される。電荷監視回路ＣＷ１あるいはタイマＴＭ１からの信号ＥＰ１及び、ＥＰ２がローレベルの場合のみ、制御論理ＰＣＣ１の出力がローレベルとなり、スイッチトランジスタＴＰ２が導通状態となり、ＶＤＤ２ラインに電源が供給される。その結果、ＶＤＤ２から電源を供給されている、メモリＭＥＭ１、高周波送受信回路ＲＦ１、Ａ／Ｄ変換回路ＡＤ１、センサその他の回路が起動する。
【００４７】
電荷監視回路ＣＷ１は、典型的には、抵抗Ｒ１、Ｒ２、基準電圧発生回路ＶＲＥＦ１、及び、電圧比較回路ＣＯＭＰ１で構成される。電圧比較回路ＣＯＭＰ１により、以下の式で与えられるしきい値電圧Ｖｔ１と比較し、ＶＤＤ１＞Ｖｔ１の場合に、出力ＥＰ１をローレベル（＝ＧＮＤレベル）にプルダウンする。
【００４８】
【数１】
【００４９】
この基準電圧ＶＲ０の電圧値は、バスインタフェースＶＣＮＴ１経由で、ＣＰＵ１から変更することも可能である。なお、ＶＲＥＦ１、ＣＯＭＰ１については、常時給電されるため、例えば、抵抗Ｒ１、Ｒ２には、高抵抗（数１０ＭΩ以上）等で設計すること等が必要である。これらについては、ＣＭＯＳプロセスで形成されるのが一般的である。
【００５０】
タイマＴＭ１は、発振回路ＯＳＣ１、プリセットカウンタＣＯＵＮＴ１、ＣＯＵＮＴ１のプリセット値を保持するレジスタＲＥＧ１、電荷監視回路ＣＷ１が規定電圧になるまでのカウント値を保持するレジスタＲＥＧ２、及び、ＣＰＵ１とのバスインタフェースＴＩＦ１で構成される。プリセットカウンタＣＯＵＮＴ１は、レジスタＲＥＧ１に設定されたプリセット値までカウントアップし、出力ＥＰ２のローレベルの信号を出力する。このレジスタＲＥＧ１、ＲＥＧ２の内容は、バスインタフェースＴＩＦ１経由で、ＣＰＵ１から書き込みあるいは読み出しが可能である。なお、これらのレジスタの値は、図７のルーチンＰ１３０において設定される。これらの各回路は本発明特有なものではないのでここでは詳細については説明を省略する。なお、このタイマ回路も常時通電されるため、低電力化が必要である。低電力化には、発振回路ＯＳＣ１の発振周波数を低く押さえるのが好適である。例えば、３２ＫＨｚ程度に設定することにより、タイマＴＭ１の消費電流を、１μＡ以下に抑えることができる。
【００５１】
ＰＣ１、ＣＷ１、ＴＭ１により実現される本発明の超低消費電力動作方式を図１０に示す。図１０に示されるように、半導体集積回路ＣＨＩＰ１の大部分の回路は、通常は動作しておらず（ＳＬＰ）、短い時間のみ間欠的に動作する（ＯＰＲ）。このような間欠動作ににより、前述した電力の問題も解決可能である。例えば、コンデンサＣ１には、典型的には、１μＦ程度のものが使用可能であり、例えば、１Ｖで充電すれば１μクーロンすなわち、１ｍＡ程度の電流を１ｍ秒程度、供給可能である。つまり、コンデンサＣ１の充電電圧を数Ｖ（通常３Ｖ程度）と設定した場合には、ＲＦパワー付加効率を５０％とした場合にも、１ｍＷ程度の送信電力で外部にデータを送信することも実現可能である。一方、発電チップの発電電力を０．１ｍＷ、コンデンサＣ１の静電容量を１μＦとした場合に、充電をするには、以下の計算式に基づく時間がかかる。
【００５２】
【数２】
【００５３】
余裕を見て充電に１００ｍ秒かかってとしても、１秒間に１０回以上、チップを駆動して
、検知あるいは高周波により無線でデータを送信することが可能である。本実施例のように、健康管理機器に使用する場合は、検知に要求される間隔は、最短でも、１秒間に１０回も取れれば充分であると考えられる（例えば、比較的周期が短い脈拍でも１秒程度の周期である）。このため、本発明のように、０．１秒（＝１００ｍ秒）間隔で間欠動作を行ったとしても、実用上何の支障も来たさない。さらに、図７の動作モード設定ルーチンＰ１２０で、例えば、１０回に１回だけに絞る等の設定を行うことも可能である。最も電力が要求されるデータ送信の頻度を減らせば、コンデンサＣ１に蓄えられた電荷の消費が押さえられ、充電にかかる時間を短縮でき、検知の回数を増やすことも可能である。このように、本発明のセンサチップでは、本発明に特有な電源制御回路と、ＭＥＭＳプロセスで作成された超小型発電機を組み合わせることにより、電池なしで自律的に動作することが可能である。
【００５４】
図１１に示すのは、より高い電源電圧が必要な場合に、本電源制御回路にて使用可能な昇圧レギュレータ（ＲＧ１）の構成例である。なお、このレギュレータは必ずしも必要なものではなく、例えば、発電チップの出力電圧を適切に設定すれば不要である。
【００５５】
図１２に示すのは、本発明のセンサチップにおける、第１の半導体集積回路上に作成される各種センサの構成である。以下、各センサの構成を説明する。図１２（ａ）は、温度センサであり、ダイオードＤ４、定電流回路ＣＳ１、増幅器Ａ１で構成される。増幅器Ａ１によりダイオードＤ４の順方向電圧の温度による変動（Ａ／Ｄ変換回路経由でマイクロプロセッサＣＰＵ１に読み込み、適温度係数：〜−２ｍＶ／℃）を測定し、後述する宜補正することにより、温度を測定する。これらの増幅器、定電流回路その他については、特に本発明に特有なものではないので、ここでは詳細な説明は省略する（以下でも同様）。本センサチップは非常に小型（典型的には、５ｍｍ角以下）であり、チップ自身の熱容量は、例えば、人体等と比べると無視できる値である。さらに、本センサチップは非常に低消費電力であるため、チップ自身の発熱は無視できる。このため、本センサチップを図３に示す形態で人体に接触させれば、本温度センサにより、正確に体温を測定することが可能である。なお、この図に示しているのは、温度センサの構成の一例であり、他の構成のセンサも使用可能である。
【００５６】
一方、加速度センサは、図１２（ｂ）に示されるように、ＭＥＭＳプロセスで作成された可変容量コンデンサＣＡＳ１〜ＣＡＳ４、及び、差動増幅器Ａ２から構成される。この可変容量コンデンサは、前述した発電チップＣＨＩＰ２上に構成される発電用コンデンサＣＭ１と、基本的には同じ構造である。図１のＣＭ１と同様に、加速度により生じた慣性力により、可動電極と固定電極間の距離が変わることによりＣＡＳ１〜ＣＡＳ４の静電容量が変化する。例えば、図１２（ｂ）で、紙面の上から下へ向かう方向で加速度が生じたとすると、可動電極ＶＴ２及び、ＶＴ３は、紙面上方へ移動する。このため、ＣＡＳ１及び、ＣＡＳ３の静電容量は増加し、ＣＡＳ２及び、ＣＡＳ４の静電容量は減少する。したがって、Ｂ１の電位は上昇するが、逆に、Ｂ２の電位は下降することになる。この結果、差動増幅器Ａ２の出力電位は上昇し、加速度が加わったことが検出できる。
【００５７】
このように、発電チップで使用する可変容量コンデンサＣＭ１とは違い、本加速度センサでは容量の変化の相対値が重要であるので、大きな容量は必要とされない。このため、ＣＰＵその他の回路と同一の半導体集積回路上に集積することが可能である。なお、検出される電位差は、加えられた加速度に対して線形ではない。このため、場合によっては、後述するＡ／Ｄ変換回路経由でマイクロプロセッサＣＰＵ１に読み込んだ後に、ＣＰＵ１でソフトウエア的に補正する必要がある。このような場合には、メモリＭＥＭ１に補正テーブルを格納しておくことが好適である。
【００５８】
本加速度センサを使用することにより、例えば、ユーザがどのような動作（座っている、歩いている、走っている）を行っているのかを把握することが可能となる。また、９０度で直交する方向（ＸＹ方向）に２個使用することにより、二次元の加速度がわかり、ユーザがどちらの方向に向かおうとしているかというような情報が把握できる。さらに、例えば、ユーザの心拍測定等、単純に振動の有無を捉えるセンサとしても利用することが可能となる。
【００５９】
図１２（ｃ）に示すのは、インピーダンスセンサの構成例である。定電流源ＣＳ２、増幅器Ａ３により、本半導体集積回路の外部に設けられた電極ＧＳＲ１、ＧＳＲ２間の電圧降下を測定する。定電流源ＧＳ２に設定されている電流値で測定された電圧降下を除算することにより、この２つの電極間の電気インピーダンスを測定する。本インピーダンスセンサにより、例えば、ユーザの皮膚ＳＫＩＮ１の電気インピーダンスを測定することができる。マイクロプロセッサＣＰＵ１によるデータ処理を併用することにより、Ｇａｌｖａｎｉｃ Ｓｋｉｎ Ｒｅｆｌｅｘが求められ、ユーザの感情状態（怒っている、喜んでいる、悲しんでいる等）、または、ユーザのストレス状態を把握することが可能である。
【００６０】
さらに、図１２（ｄ）に示すのは、脈拍センサの構成である。本脈拍センサは、フォトダイオードＤ５、負荷抵抗Ｒ４、及び、増幅器Ａ４から構成される光学センサＰＤ１、及び、光学センサＰＤ１の光源となる基板上に搭載された赤色／赤外ＬＥＤ（ＬＥＤ１）、及び、バスインタフェースＬＩＦ１とＬＥＤ１のドライブトランジスタＴＮ３から構成されたドライブ回路ＬＤ１から構成される。本脈拍センサでは、測定時にのみ、バスＢＵ１経由でマイクロプロセッサＣＰＵ１からの制御信号に基づいて、トランジスタＴＮ３を導通させて、ＬＥＤ１を発光させ、ユーザの皮膚ＳＫＩＮ１に赤色光あるいは赤外光を照射する。照射光（ＬＲ１）の反射光／散乱光（ＬＲ２）その他をフォトダイオードＤ５にて受信する。増幅器Ａ４で増幅後、Ａ／Ｄ変換回路経由で、マイクロプロセッサＣＰＵ１で受信光の強度を測定して、血流量に応じた赤色光／赤外光の減衰量の推移（＝脈拍）を測定する。なお、通常のＬＥＤでは、十分な強度の赤外光あるいは赤色光を得るためには、少なくとも１ｍＡ程度のドライブ電流が必要である。このため、高周波送受信回路を駆動する場合と同様に、本脈拍センサもコンデンサＣ１に蓄積した電荷により間欠的に動作させる、本発明に特有な超低消費電力動作方式は必須である。
【００６１】
本脈拍センサの測定原理は、赤色光あるいは赤外光を、血液中のヘモグロビンが吸収するため、その吸収量（＝光の減衰量）を測定すれば、どの程度の血液が皮膚中に流れているのかがわかるという原理に基づいている。また、ヘモグロビンの光吸収特性は、酸素を吸着している場合とそうでない場合に、吸収特性が変化することが知られており、赤外光と赤色光の２通りについてそれぞれの吸収値を測定すれば、簡単な数式により、血液中の酸素飽和度が推定できることが広く知られている。この酸素飽和度を活用すれば、血糖値その他が推定可能である。
【００６２】
本発明のセンサチップにおいても、ＬＥＤを赤色あるいは赤外光の２系統用意して、時分割にて測定することにより、この酸素飽和度を測定することが可能である。また、脈拍間隔は、ユーザが緊張状態にある、または、リラックス状態にある等の感情状態と深い相関関係がある。本センサチップに搭載のマイクロプロセッサＣＰＵ１を活用することにより、単にユーザの脈拍のみではなく、ユーザの健康状態や、感情等についての情報を把握することが可能となる。
【００６３】
以上のセンサの出力はアナログ値であるため、ＣＰＵに取り込んで、ＲＦ経由で無線で外部機器に送信するためには、ディジタル値に変換する必要がある。このアナログ値からディジタル値への変換は、それぞれのセンサの出力に、Ａ／Ｄ変換器を接続すれば実現されるが、チップ面積や消費電力の点で、複数のＡ／Ｄ変換回路を設置するのは好ましくない。このため、図１３に示すＡ／Ｄ変換回路にて、一括してディジタル値への変換を行うほうがより好ましい。
【００６４】
図１３に示すように、Ａ／Ｄ変換回路（ＡＤ１）は、バスインタフェース回路ＡＤＩＦ１、Ａ／Ｄ変換回路本体であるＡＤＣ１、及び、ＳＷ１〜ＳＷ３で構成される入力切替スイッチＡＳＷ、プログラマブルゲインコントロール増幅器ＰＧＡ１、これらの回路の動作パラメータを設定するＡ／Ｄ変換制御回路ＡＤＣＯＮＴ１から構成される。本発明に特有な入力切替スイッチＡＳＷ、及び、プログラマブルゲインコントロール増幅器ＰＧＡ１は、バスＢＵ１経由でＣＰＵ１から送信される制御コマンドに応じて、制御回路ＡＤＣＯＮＴ１にて動作パラメータを設定する。
【００６５】
例えば、温度を測定する場合には、測定に先立ち、ＣＰＵ１により、入力切替スイッチＡＳＷがＩ１を選択（ＳＷ１：Ｄ１、ＳＷ３：Ｄ１）し、プログラマブルゲインコントロール増幅器ＰＧＡ１の設定ゲインが温度センサに相応しいゲインになるように、バスＢＵ１経由で、ＡＤＣＯＮＴ１内の制御レジスタを設定する。このように設定することにより、温度センサの出力ＳＴをＰＧＡ１経由でＡ／Ｄ変換器に取り込んでディジタル値に変換し、バスインタフェースＡＤＩＦ１経由でＣＰＵに取り込む。同様に、他のセンサの出力を読み込みたい場合には、ＡＤＣＯＮＴ１内の制御レジスタに、目的のセンサに合わせたゲイン設定及び、入力切替スイッチ設定を書き込んで、ＡＤＣ１を駆動する。このような構成により、チップサイズの増加を抑え、さらに、消費電力の増加を抑えることが可能である。
【００６６】
なお、入力切替スイッチを構成するＳＷ１〜３には、アナログ信号をロスなく通過させるスイッチが必要であり、例えば、図１４に示す、ＰＭＯＳトランジスタ及び、ＮＭＯＳトランジスタから構成されたパストランジスタタイプのスイッチが使用可能である。また、本センサチップでは、検知すべき情報が人体の生体情報に限られているので、Ａ／Ｄ変換回路ＡＤＣ１には、低速なタイプのもので十分である。
【００６７】
図１５は、本発明のセンサチップにおいて、外部機器に検知した情報を送信するために使用する高周波送受信回路ＲＦ１、及び、ＲＦ１とアンテナ等との接続関係を切り替える高周波スイッチＲＷ１の構成例を示した図である。高周波送受信回路ＲＦ１は、バスインタフェースＲＦＩＦ１、送信に使用する変調回路ＭＯＤ１、送信アンプＰＳＡ１、及び、受信に使用する復調回路ＤＭＯＤ１、受信アンプＰＲＡ１、及び、これらの回路の動作パラメータをＣＰＵ１によりバスインタフェースＲＦＩＦ１により設定された制御レジスタの内容に応じて制御する制御回路ＲＦＣＯＮＴ１から構成される。これらの各回路は特に本発明に特有なものではないので、ここでは詳細は説明しないが、データ送信時には、ＣＰＵ１がＲＦＣＯＮＴ１内の制御レジスタを送信モードに設定し、バスインタフェース経由で変調器ＭＯＤ１に送信データを送る。ＭＯＤ１は送られてきたデータを元に発振回路ＶＣＯ１で生成された搬送波を変調する。変調方式には、ＰＳＫ（Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）、ＱＡＭ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）等の様々な方式が存在するが、本発明に特有なものではないので、ここでは詳細な説明は省略する。以上のようにして、変調された搬送波は、ＲＦＣＯＮＴ１にてゲインコントロールされた送信アンプＰＳＡ１により増幅され、高周波切替スイッチＲＷ１に送られる。
【００６８】
高周波スイッチＲＷ１は、非特許文献４に開示されているように、通常、ＰＩＮダイオードの半導体素子やＣＭ１及びＣＡＳと同様に、半導体チップ表面にＭＥＭＳプロセスによって作成された微細接点等により構成される。コントロール端子ＲＣ１からの制御信号により、ＰＩＮダイオードあるいはＭＥＭＳ微細接点のバイアス電圧を制御して、ＲＦ信号の行き先を切り替える。具体的には、送信時には、ＣＰＵ１経由で設定されたＲＦＣＯＮＴ１内部の設定レジスタの内容に従って、ＲＣ１端子経由で、ＲＳ１とＲＳ３間が導通するように設定される。同様に、受信時には、ＲＳ３とＲＳ２間を導通状態に設定して、復調回路ＤＭＯＤ１により、アンテナからの高周波信号を復調する。復調された信号は、バスインタフェースＲＦＩＦ１経由でＣＰＵ１が読み取ることが可能である。以上の受信機能を、メモリＭＥＭ１内に格納される動作パラメータの設定に使用することもできる。例えば、センサチップの検知の起動間隔や、各センサの動作パラメータ（増幅器のゲイン等）を変更可能である。
【００６９】
ＲＷ１は、データ送信時あるいはデータ受信時以外の場合においては、ＲＳ３とＲＳ４が導通状態に設定される。このため、アンテナから受信した高周波電力は、整流器Ｄ２を通して発電チップに元となる電荷を供給するコンデンサＣ２、及び、整流器Ｄ１を通じて本センサチップの間欠動作を実現するコンデンサＣ１に蓄えられる。このように、本発明のセンサチップでは、外部からアンテナ経由で電力を供給することも可能である。
【００７０】
前述したように、ＲＦ送信には比較的大きな電力が必要である。このため、通常は、データの検知だけを実行し、メモリにデータを蓄えておき、例えば、１日に一回だけ、外部の健康管理機器（ＭＯＮＩＴＯＲ１等）に送信するという方式により電力消費を抑えることも可能である。
【００７１】
また、非特許文献５に開示されているような、超広帯域無線通信方式であるＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ）を用いることにより、さらなる低消費電力化も可能である。ＵＷＢでは、前述したＰＳＫやＡＳＫ等とは異なり、高周波パルス信号そのものを変調してデータを送受信する。例えば、送信したいデータが“１”の時はパルスを送出し、“０”の時は、パルスを１００ｐｓ遅らせて送出する等により、パルス列を送信データにて変調する。このため、図１６の高周波送受信回路ＲＦ２に示されるように、パルスを発生するパルスジェネレータＰＧＥＮ１と、そのパルスを送出するかどうかをコントロールする変調器ＭＯＤ２のみで構成可能である。すなわち、図１５で示したＰＳＫやＱＡＭ等の狭帯域の通信方式では必須であった送信アンプが不要となり、高周波送受信回路の回路規模を小さく抑えることが可能である。この結果、チップの製造コストを抑えられると同時に、チップの低消費電力化が実現できる。
【００７２】
さらに、ＵＷＢでは、比較的短い通信距離しか要求されない場合、ＲＦ送信電力を抑えることが可能である。このようなセンサチップでは、例えば、腕に貼り付けたセンサチップから、胸ポケットに入れた携帯型健康機器にデータを送信できれば十分である（例えば、通信距離は数１０ｃｍ程度で十分である。）。このため、ＲＦ送信電力を、例えば、数１０μＷに設定することも可能である。このように、ＵＷＢは本発明のセンサチップにより望ましい無線通信方式である。
【００７３】
なお、ＵＷＢでは、データ受信の際に、相関器（図１６のＣＯＲ１）が必要となる。この相関器は、通常、受信チップ内のパルスジェネレータから供給されるパルス列と、受信されたパルス列の相関をとる。具体的には、例えば、パルス列が１００ｐｓ遅れた位置にあるかを検出して、データを再生する働きをする回路である。この相関器には、一般には、複数のＡ／Ｄ変換器が必要となり、複雑かつ規模の大きい回路が必要となる。このため、ＵＷＢの持つ「送信機が簡単に構成可能」という利点を十分生かすことができない可能性もある。
【００７４】
そこで、ハイブリット構成の高周波送受信回路ＲＦ３を図１７に示す。この構成では、送信だけを図１６で説明したＵＷＢ通信方式で行う（パルスジェネレータＰＧＥＮ１、変調器ＭＯＤ２）。一方、受信は、図１５で説明したＰＳＫやＱＡＭ等の狭帯域の通信方式で行う（受信アンプＰＲＡ３、発振器ＶＣＯ１、復調器ＤＭＯ３）。このようなハイブリット構成により、ＵＷＢの受信には必須であった複雑な相関器が不要になり、回路規模が小さく、かつ、消費電力（〜ＲＦ送信電力）を抑えることができる。このように、図１７に示すハイブリット構成の高周波送受信回路ＲＦ３は、本発明の目的に好適な構成の送受信回路である。
【００７５】
以上のセンサチップを用いて健康管理機器を構成したものを図３に示す。この図において、健康モニタＭＯＮＩＴＯＲ１は、通常、高周波送受信回路（ＲＦ１０）、変復調回路（ＭＯＤ１０、ＤＭＯＤ１０）、プロセッサ（ＣＰＵ１０）、メモリ（ＭＥＭ１０）、表示装置（ＤＩＳＰ１０）から構成される（図１８）。これらの各回路については、本発明に特有なものではないのでここでは詳細な説明は省略する。
【００７６】
ＭＯＮＩＴＯＲ１の動作フローチャートを図１９に示す。データ読み取りルーチン（Ｐ４００）及び、データ受信ルーチン（Ｐ４１０〜４１３）により、ＲＦ１０にて、無線接続ＷＬ１経由でセンサチップからの信号を受信し、ＤＭＯＤ１０にて復調してセンスデータ（ＳＤ１）を取り出す。
【００７７】
以上のようにして復調されたセンスデータのデータ構造を図２０に示す。図２０に示すように、センスデータＳＤ１は、チップＩＤ（ＣＩＤ）、センサＩＤ（ＳＩＤ）、データ（ＤＡＴＡ）の組で構成され、どのチップのどのセンサからのデータなのかを判別できるように構成されている。以下、体調診断ルーチン（Ｐ４２０）にて、体調を診断し、結果表示ルーチン（Ｐ４３０）にて、診断結果をＤＩＳＰ１０上に表示する。なお、図３及び、図１９に示すように、体調診断ルーチンＰ４２０においては、無線接続ＷＬ２にて、携帯電話網あるいはインターネット等の広域ネットワーク網（ＷＡＮ１）上に接続された健康情報データベースサーバ（ＤＳＶ１、ＤＢ１）に接続して、体調情報を照会して、より正確な診断結果を得ることも可能である。
【００７８】
また、図２１に示すように、センサチップの送受信手順を簡素化することも可能である。例えば、図２１（ａ）は、データを検知したらメモリに蓄積せずにそのまま送信する例である。図２１（ｂ）は、チップＩＤ等の識別子データを加えずに、そのまま送信する例である。送受信手続きを簡素化することにより、例えば、メモリ容量を小さくでき、ＣＰＵの機能を削ってチップ面積及び電力を減らすことが可能である。このため、用途によっては、このような構成を取ることもできる。
【００７９】
以上のように、本発明のセンサチップを使用することにより、電池不要な小型かつ軽量のメンテナンスフリーな健康管理機器が実現できる。本発明のセンサチップを用いれば、ユーザが長時間装着することが可能となり、継続的にデータを取得できる健康管理機器が実現できる。また、本発明のセンサチップでは、チップ内にすべてのセンサを内蔵し、検知データは、無線にて外部に送信される。このため、センサと本体を接続するワイヤ等は全く必要がない。このため、非常に使い勝手がよく、ユーザは全く無負荷で本発明のセンサチップをつけて、各自の生体データを長時間継続的に取り続けることが可能である。また、半導体集積回路で作成することにより、大量生産が可能となる。このため、非常に安価な価格で製造することが可能となる。
（実施例２）
実施例１では、ＭＣＰ構成により、本発明のセンサチップを構成する例を説明した。一方、ＭＥＭＳプロセスは半導体プロセス互換であるため、ＭＥＭＳ可変容量コンデンサを、センサ、マイクロプロセッサ等の他の回路とともに、１チップ上に集積することが可能である。ＭＥＭＳ可変容量コンデンサをセンサ、マイクロプロセッサ等の他の回路と混載して形成したセンサチップを図２２に示す。このような構成にしてもセンサチップの小型化を図ることができる。しかし、ＭＥＭＳ可変容量コンデンサに要求される面積は比較的大きい。このため、図２２に示すような構成を採ると、大きなＭＥＭＳ可変容量コンデンサを用いる場合には、センサチップの十分な小型化が図りにくい。
【００８０】
そこで、小型化を図る上でより望ましい態様を図２３（ａ）〜（ｃ）に示す。これらの図において、各回路ＰＣ１、ＰＣ２、ＣＰＵ１は、実施例１で説明したものと同様の構成である。このセンサチップでは、ＭＥＭＳ可変容量コンデンサをチップの裏面（ＳＩＤＥ２）に形成する。すなわち、チップの表面（ＳＩＤＥ１）にセンサ、マイクロプロセッサ等の回路を形成し、チップの裏面（ＳＩＤＥ２）にＭＥＭＳ可変容量コンデンサを形成するという、分離型構造によりセンサチップを形成するものである。このような構造を採用することにより、半導体回路とＭＥＭＳ可変容量コンデンサを同じ面に形成するセンサチップ（図２２）と比較して、チップ面積をより小さくすることができる。
【００８１】
また、チップの裏面にＭＥＭＳ可変容量コンデンサを形成するという上記方法ではなく、ＭＥＭＳ可変容量コンデンサを他のチップ上にあらかじめ形成しておき、そのＭＥＭＳ可変容量コンデンサが形成されているチップと、センサ、マイクロプロセッサ等が形成されているチップとの裏面同士を貼り合わせることにより、上記方法によるものと同程度まで面積を小さくしたセンサチップを実現することもできる。
【００８２】
さらに、図には示さないが、センサ、マイクロプロセッサ等を集積したチップの表面（ＳＩＤＥ１）の上をパッシベーション膜で覆い、その上に、ＭＥＭＳ可変容量コンデンサを形成することによっても、面積をより小さくしたセンサチップを実現することが可能となる。
（実施例３）
実施例１では、図１に示すように、本発明のセンサチップに特有なＭＣＰ構成で、ＭＥＭＳ可変容量を使用した小型発電機、センサ、マイクロプロセッサ、メモリ、高周波回路、電源制御回路等を集積することにより、小型・軽量の健康管理機器を実現できることを示した。一方、これ以外にも、同程度のサイズで、０．１ｍＷ程度の電力を供給可能な発電機または電池が存在する。
【００８３】
例えば、電磁誘導を利用する発電機を用いた実施例を図２４（ａ）、（ｂ）に示す。図２４（ａ）はチップ断面を、また、図２４（ｂ）は、チップ裏面を表している。この発電機は、非特許文献６に開示されているものと同様の構成である。基板ＢＯ２のＳＩＤＥ２面に、中空の領域（＝キャビティ）ＣＡ１を形成する。キャビティＣＡ１内に、永久磁石ＭＡ１、及び、ＭＡ１を基板ＢＯ２に吊すスプリング等の支持材ＳＴ１を装備する。さらに、基板ＢＯ２のＳＩＤＥ２面上に配線パターンによりスパイラルタイプのインダクタＳＬ１を形成する。外部振動により支持材ＳＴ１で保持された永久磁石ＭＡ１が慣性運動を行い、この慣性運動による磁束の変化を電磁誘導の原理により、インダクタＳＬ１により電気エネルギーに変換される。実施例１で説明した本発明の超低消費電力制御方式を併用することにより、実施例１と同様の小型センサチップを実現することができる。
【００８４】
太陽電池ＢＡ３を使用してセンサチップを構成した実施例を図２４（ｃ）、（ｄ）に示す。図２４（ｃ）はチップ断面を、また、図２４（ｄ）はチップ裏面を表している。基板ＢＯ３のＳＩＤＥ２面に太陽電池を搭載する。この図に示すように、太陽電池ＢＡ３は、モールドＭＯ３を露出させる必要がある。もしくは、ＣＨＩＰ１の上部に形成された光学窓ＰＷＩＮ１と同様の素材により、ＢＡ３上に光学窓を形成する必要がある。照射される光の強さにより変動するが、太陽電池自体は、０．０５〜１ｍＷ／ｃｍ２程度の発電能力を有する。使用時には、ある程度の光を照射する必要がある。このため、図２４（ｃ）に示すように、太陽電池ＢＡ３は人体に接触されるＳＩＤＥ１面とは逆のＳＩＤＥ２面に配置されることがより望ましい。
【００８５】
温度差で発電可能なゼーベック素子ＢＡ４を使用した実施例を図２４（ｅ）、（ｆ）に示す。図２４（ｅ）はチップ断面を、また、図２４（ｆ）はチップ裏面を表している。ゼーベック素子は、半導体の一種であるＮ型ＢｉＴｅ及びＰ型ＢｉＴｅから構成されるＰＮ接合からなり、ＰＮ接合に温度差を与えると、起電力（〜２０ｍＶ）が発生するという物理現象を利用して、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する素子である。図２４（ｅ）に示すように、本実施例のセンサチップＳＣＨＩＰ５では、ゼーベック素子による発電機ＢＡ４は、基板ＢＯ４のＳＩＤＥ２面に配置されている。このゼーベック素子の両端は、良好な熱伝導特性を有するヒートスプレッタＨＴ１、ＨＴ２を介して、基板ＢＯ４あるいは外気と熱的に結合され、これらの温度差により発電を行う。このため図２４（ｅ）のように、ヒートスプレッタＨＴ１、ＨＴ２間は、断熱材ＩＮＳ１により熱的に絶縁状態にする必要がある。実使用時には、図３に示すように、ＨＴ１側には人体の体温、ＨＴ２側には外気温という状態で使用され、ユーザの体温と外気温の差を利用して発電を行う。
【００８６】
小型のボタン電池ＢＡ５を使用した実施例を図２４（ｇ）、（ｈ）に示す。図２４（ｇ）はチップ断面を、また、図２４（ｈ）はチップ裏面を表している。図２４（ａ）〜（ｆ）に示す実施例とは異なり、発電機構を持たないため永遠に使用することはできない。しかし、ボタン電池は、時計で使われる小型のものでも２０ｍＡＨ程度の容量（ＬＲ４１）があるため、本発明の低消費電力制御方式と併用すれば、電池交換せずに数年間使用することができる。
【００８７】
以上の実施例のとおり、本発明のセンサチップは、種々の発電機または電池により構成することが可能である。また、これらの異なるタイプの発電機または電池を組み合わせて使用することもできる。
【００８８】
例えば、図１のＭＥＭＳ可変容量型の発電機と、図２４（ｇ）、（ｈ）のボタン電池を組み合わせて使用して、検知動作はＭＥＭＳ可変容量型の発電機からの電力で行い、無線により検知データを外部機器に送信する場合にはボタン電池を補助的な電源として利用するというような、ハイブリット構成にすることも可能である。このようなハイブリット構成のセンサチップを用いれば、到達可能距離を伸ばすことや、送信時間を拡大する、ということがより容易に実現できる。
（実施例４）
以上の実施例では、センサチップに内蔵する微小電力ＲＦ送信回路によりセンサデータを直接、外部機器（例えば、図３の健康管理モニタ）に送信する例を説明した。しかし、実施例１でも説明したように、送信できるＲＦ電力が限られている。このため、外部機器との無線接続距離は、通常、１〜２ｍとされている。さらに、実施例３で説明したようなボタン電池とのハイブリット構成を採用した場合にも、電池寿命を考慮すると、送信電力をむやみに増加させることもできない。この問題を解決する目的で使用するのが、本実施例で説明する小型無線中継チップである。
【００８９】
小型無線中継チップの一実施例を図２５に示す。小型無線中継チップＲＣＨＩＰ１は、例えば、部屋ＲＭ１の床または壁などに設置され、実施例１〜３で説明したようなセンサチップ（ＳＣＨＩＰ１〜３）が送信するパケットデータ（ＰＤ１０〜ＰＤ１３）を受信し、１つにまとめた後に外部機器ＭＡ１０に再度送信（＝中継）する。この無線中継チップを使用して、順次、データを中継して行くことにより、データの到達距離を拡大することができる。
【００９０】
小型無線中継チップのメインチップが配置された面（ＳＩＤＥ１）の構成を図２６に示す。この図では示していないが、チップ面と逆のＳＩＤＥ２面には、通常、図１（ｂ）に示すものと同様のＭＥＭＳ可変容量型発電機チップ、または、図２４（ａ）〜（ｄ）の発電機または電池が、ＭＣＰ構成で１チップ上に集積されている。この他にも、アンテナ、コンデンサその他を集積してもよく、特に電源等を必要とせずに、このチップ単体で動作することが可能である。
【００９１】
図２６のように、本実施例の特徴部分であるＣＨＩＰ５は、マイクロプロセッサＣＰＵ１、メモリＭＥＭ１、高周波送受信回路ＲＦ１、電荷監視回路ＣＷ１、タイマＴＭ１、及び、電源制御回路ＰＣ１から構成される。これらの各回路の構成は、通常、実施例１で説明したセンサチップのメインチップＣＨＩＰ１のものと同様のものである。
【００９２】
小型無線中継チップの動作フローチャートを図２７に示す。実施例１で示したセンサチップと同様の低消費電力動作方式により、通常はスリープ状態Ｐ１１０にあり、タイマＴＭ１、及び、電荷監視回路ＣＷ１からの起動信号により、間欠的に立ち上がり、データ受信Ｐ４１０、データ送信を行う。なお、図２５の動作フローチャートにおいては、データ受信Ｐ４１０を、データ送信Ｐ１２０よりもより高い頻度で起動させる必要がある。これは、あらかじめ余裕を持ってデータ受信をすることにより、センサチップＳＣＨＩＰ１〜３からのデータの取りこぼしを回避するためである。しかし、このように、データ受信Ｐ４１０の起動頻度を密にしたとしても、受信動作は送信動作よりも低消費電力であるので、問題にならない。
【００９３】
また、図２７のＰ３２０ルーチンにおいて、センサチップからのセンサデータに、本無線中継チップの固有のＩＤ（ＲＩＤ２０）を付加することも可能である。次の実施例５で説明するとおり、この中継チップＩＤを受信側で取り出すことにより、どの経路を経由して、データが受信されたのかを認識することが可能になる。
（実施例５）
次に、本発明のセンサチップまたは無線中継チップを用いた応用例について、図２８に従って説明する。
【００９４】
図２８（ａ）は、家電、ゲーム機、ロボット型玩具等の機器（ＥＭ５０）の制御に、本発明のセンサチップを応用した例である。この図に示されるように、ユーザＵＳ５０は、本発明のセンサチップＳＣＨＩＰ５０、５１を、例えば、図３に示す形態で体に装着して機器ＥＭ５０を使用する。機器ＥＭ５０は、本発明のセンサチップＳＣＨＩＰ５０、５１から無線接続ＷＬ５０経由で制御信号を受信するＲＦ５０、及び、受信された制御信号に従って、ＥＭ５０の動作や動作パラメータを設定する、マイクロプロセッサＣＰＵ５０、メモリＭＥＭ５０、表示装置ＤＩＳＰ５０、データベースＤＢ５０、及び、携帯電話網またはインターネット等の広域ネットワーク網に接続するネットワークインタフェースＮＩ５０、さらに、機器ＥＭ５０の移動などに使用されるモーターＭＯ５０から構成される。機器ＥＭ５０には、典型的には、電子ロボット玩具等が想定され、例えば、本発明のセンサチップＳＣＨＩＰ５０、５１で検知されたユーザの情報に応じて、動作を変えることにより、あたかも、ユーザの意図を汲み取って動作しているかのような、高品位の動作が実現できる。
【００９５】
具体的には、本発明のセンサチップ内の脈拍センサあるいはインピーダンスセンサから取得された脈拍情報、ＧＳＲ情報を元に、ＣＰＵ５０にて、ユーザの感情あるいは心理状態を推定する。ユーザが悲しんでいると判断した場合には、モーター５０を起動してなぐさめる等の動作を行う。また、ユーザが緊張状態にあると判断した場合には、緊張を和らげる鳴声をスピーカＳＰ５０から発声させる等の行動を行う。この他にも、センサチップ内の加速度センサにより検知されたユーザの手振り等の動き情報により、例えば、ユーザの意図する方向を向く等の動作をさせることが可能である。さらに、この手振り等の情報を、家電機器へのボタン入力の代りとして利用することも可能である。このように、本センサチップの応用範囲を非常に広い。
【００９６】
なお、ここで説明したのは代表的な一実施例であり、ユーザの生体情報により家電機器の制御するような応用例、例えば、ユーザの体温に応じてエアコンの冷房設定を変えるといった用途等にも、本発明のセンサチップは応用可能である。
【００９７】
センサチップ及び無線中継チップを、サッカー等のスポーツ競技の記録に応用した一実施例を図２８（ｂ）に示す。この実施例では、サッカー選手ＵＳ６０は、足などに本発明のセンサチップ（ＳＣＨＩＰ６０、ＳＣＨＩＰ６１）を装着している。ＳＣＨＩＰ６０、６１において検知された情報は、サッカー競技場ＰＩ６０内に規則的に設置された、本発明の無線中継チップＲＣＨＩＰ６０〜６４により受信され、実施例４で説明したとおり、無線中継チップのＩＤを付加されて、最終的には、基地局ＢＳＴＡ６０において受信される。基地局ＢＳＴＡ６０は、無線中継チップＲＣＨＩＰ６０〜６４から、無線接続ＷＬ６０経由でセンスデータを受信するＲＦ６０、センスデータを解析して、選手の動きまたは脈拍等の健康状態を解析する、マイクロプロセッサＣＰＵ６０、メモリＭＥＭ６０、データベースＤＢ６０、及び、携帯電話網、インターネット、または、専用ネットワーク網等の広域ネットワークＷＡＮ６０に接続するための、ネットワークインタフェースＮＩ６０から構成される。基地局ＢＳＴＡ６０では、パケットデータの解析を行い、無線中継チップにおいて付加された中継チップのＩＤからセンサチップの発信場所を特定し、各選手が現在競技場のどの地点にいるかをリアルタイムで解析する。同時に、検知された脈拍等の生体情報から各選手の疲労度が推定でき、例えば、選手交代等の判断に使用することも可能である。さらに、広域ネットワークＷＡＮ６０経由で、解析された情報を転送することにより、ＷＡＮに接続された、例えば、ＢＳ６０等のテレビ放送局でテレビ放送等に活用することが可能である。
【００９８】
なお、ここで説明したのはサッカー競技だけであるが、その他のスポーツ競技にも使用可能であることは言うまでもない。このように、本発明のセンサチップ及び、無線中継チップを活用することにより、スポーツ競技において、各選手の位置をリアルタイムでモニタすることが可能となる。なお、従来から、ＲＦＩＤチップを使用してマウス等の実験動物の動きを検出する装置は提案されている。しかし、サッカー競技場のような広いエリアで使用するには、高価なＲＦＩＤリーダーが大量に必要になる。また、莫大な電力を消費するという問題がある。これに対して、本発明のセンサチップ／無線中継チップは非常に低消費電力で実現可能である。このように、本発明のセンサチップ／無線中継チップを使用することにより、実用的なスポーツ競技記録装置を提供することができる。
【００９９】
食品流通管理向けに、本発明のセンサチップを使用した一実施例を図２８（ｃ）に示す。この図に示されるように、食品ＦＯＯＤ７０に本発明のセンサチップを付加する。食品ＦＯＯＤ７０は、典型的には、ワインあるいはビール等が想定される。この図に示されるように、本発明のセンサチップは、ワインビンまたはビールビン等に添付され、実施例１で説明したように、ある一定期間でセンサを起動して、内蔵温度センサにより温度を継続的に測定し、メモリＭＥＭ７０上に蓄積する。最終的に、消費者の手元に渡った段階にて、リーダーＲＥＡＤＥＲ７０にて、メモリに蓄積された情報を読み取る。ＲＥＡＤＥＲ７０は、センサチップから無線接続ＷＬ７０にて、検知データを読み取るＲＦ７０、及び、読み取られたデータを解析して表示するマイクロプロセッサＣＰＵ７０、メモリＭＥＭ７０、表示装置ＤＩＳＰ７０から構成される。このＲＥＡＤＥＲ７０には、ネットワーク装置ＮＩ７０を内蔵することも可能であり、ＮＩ７０経由で、携帯電話網またはインターネット等の広帯域ネットワーク網ＷＡＮ７０を経由して、データ管理サーバＳＶ７０内のデータベースＤＢ７０にアクセスすることが可能である。すなわち、受信されたセンサチップのチップＩＤを、サーバＳＶ７０内のデータベースＤＢ７０に照会することにより、ユーザの手元にてＦＯＯＤ７０の生産者情報等を得ることができる。
【０１００】
なお、従来から、ＲＦＩＤと電池を備えた装置を使用すれば、ビール樽の流通管理その他が実現可能である。しかし、本発明のセンサチップと違い、ワインビンまたはビールビンに添付可能な程度にサイズを小さくすることは困難であった。さらに、電池により動作電源を賄うため、電池が切れた場合にはデータが取得できない恐れがあり、その結果、データを収集できる期間も限られている。このため、飲食店等で業務用に使用されるビール樽等の、比較的短期間で回収されるものにしか使用することができなかった。これに対して、本発明のセンサチップを使用すれば、ワインビンなどの比較的小さいものにも添付可能であり、また、長期間センス可能であるため、業務用ビール樽以外にも様々な用途に応用可能である。
【０１０１】
以上、本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、上記実施例では、送受信回路を有するセンサチップについて具体的に説明したが、無線による受信の必要がないセンサチップである場合には、送受信回路のうち送信回路を備えていればよい。したがって、このようなセンサチップにおいては、受信回路を省略することができる。
【０１０２】
また、上記実施例では、センサとして、温度センサＴＤ１、加速度センサＡＳ１、赤外／赤色光センサＰＤ１、及び、インピーダンスセンサＧＳ１を備えたセンサチップについて具体的に説明したが、必ずしも、これらのセンサを全て備えている必要はない。目的に応じて、上記各センサの一部のみを備えているもの、または、上記各センサ以外のセンサを利用するものであってもよい。
【０１０３】
また、上記実施例では、センサチップを主に人間に利用することを前提として説明したが、必ずしも人間を対象とするだけでなく、犬、猫等その他の動植物を対象とすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】本発明のセンサチップの望ましい一実施形態を示す図。
【図２】図１に示すセンサチップの断面図。
【図３】実施例１で説明する、本発明のセンサチップを用いた健康管理機器。
【図４】本発明のセンサチップにおける可変容量コンデンサの静電容量が外部振動により変化した場合の電圧変化と静電エネルギーの増加分を示す図。
【図５】図４に示す静電エネルギーの増加分を回収して電力に変える電力回収回路の構成図。
【図６】図５に示す電力回収回路の動作を説明する図。
【図７】本発明のセンサチップの動作概要を示す図。
【図８】本発明のセンサチップから外部機器に送信されるデータ形式を示す図。
【図９】本発明のセンサチップの一部をなす、電源制御回路、タイマ回路、電荷監視回路の構成図。
【図１０】図９に示す電源制御回路により実現される低消費電力動作方式を示す図。
【図１１】図９に示す電源制御回路のレギュレータＲＧ１の構成図。
【図１２】本発明のセンサチップの一部をなす、温度センサ、加速度センサ、インピーダンスセンサ、脈拍センサの構成を示す図。
【図１３】本発明のセンサチップの一部をなす選択機能付きＡ／Ｄ変換回路の構成図。
【図１４】図１３に示す選択機能付きＡ／Ｄ変換回路で用いるマルチプレクサの構成図。
【図１５】本発明のセンサチップの一部をなす高周波送受信回路、高周波切替スイッチの構成図。
【図１６】本発明のセンサチップの一部をなす高周波送受信回路の第２の構成図。
【図１７】本発明のセンサチップの一部をなす高周波送受信回路の第３の構成図。
【図１８】図３の健康管理機器で使用する、携帯型健康モニタの構成の一例を示す図。
【図１９】図１８に示す携帯型健康モニタにおける処理の流れの概要を示す図。
【図２０】本発明のセンサチップが外部機器に送信するパケットデータの一例を示す図。
【図２１】本発明のセンサチップの検知データ送信方法についての別の例を示す図。
【図２２】実施例２で説明する、コンデンサ、インダクタ、ＬＥＤ以外を１つの半導体集積回路にて構成したセンサチップの一例を示す図。
【図２３】実施例２で説明する、コンデンサ、インダクタ、ＬＥＤ以外を１つの半導体集積回路にて構成したセンサチップついての別の一例を示す図。
【図２４】実施例３で説明する、センサチップの一部をなす電力発生器の構成例を示す図。
【図２５】実施例４で説明する、無線中継チップによる検知データの中継の概念を示す図。
【図２６】実施例４で説明する、無線中継チップの構成例を示す図。
【図２７】図２６に示す無線中継チップの動作例の概要を示す図。
【図２８】実施例５で説明する、本発明のセンサチップ及び無線中継チップの応用例を示す図。
【符号の説明】
【０１０５】
ＳＣＨＩＰ１，ＳＣＨＩＰ２，ＳＣＨＩＰ３，ＳＣＨＩＰ４，ＳＣＨＩＰ５，ＳＣＨＩＰ６，ＳＣＨＩＰ１０，ＳＣＨＩＰ１１，ＳＣＨＩＰ１２，ＳＣＨＩＰ５０，ＳＣＨＩＰ５１，ＳＣＨＩＰ６０，ＳＣＨＩＰ６１，ＳＣＨＩＰ６２，ＳＣＨＩＰ６３，ＳＣＨＩＰ６４，ＳＣＨＰ７０…センサチップ、
ＣＨＩＰ１，ＣＨＩＰ２，ＣＨＩＰ３，ＣＨＩＰ４…半導体集積回路、
ＣＭ１…可変容量コンデンサ、
ＣＰＵ１…マイクロプロセッサ、
ＡＤ１…Ａ／Ｄ変換回路、
ＭＥＭ１…メモリ、
ＰＣ１…電源供給回路、
ＲＦ１，ＲＦ２，ＲＦ３…高周波送受信回路、
ＴＤ１…温度センサ、
ＡＳ１…加速度センサ、
ＰＤ１…赤外／赤色光センサ、
ＭＡ１…永久磁石、
ＢＡ３…太陽電池、
ＢＡ４…ゼーベック素子、
ＢＡ５…ボタン電池、
ＲＣＨＩＰ１，ＲＣＨＩＰ６０，ＲＣＨＩＰ６１，ＲＣＨＩＰ６２，ＲＣＨＩＰ６３，ＲＣＨＩＰ６４…無線中継チップ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサシステム用半導体装置に関し、特に、小型・軽量で電池交換不要なセンサシステム用半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、健康志向の高まりにより、個人が手軽に体調その他をチェックできる健康管理機器（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｖｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ（以下、「ＰＶＡ」という。））への注目が急速に高まりつつある。このＰＶＡの基本的な機能は、従来からある高価な医療用測定機器と同じである。しかし、高価な医療用機器と違い、一般ユーザでも購入できる程度に安価で構成されることが望まれる。また、心臓病などの生活習慣病では、継続的に体温や脈拍や血圧など体調を把握することが重要である。このため、ＰＶＡ機器では、ユーザがいつでも簡単に自分の体調を測定できるようにすることが必要である。具体的には、持ち運びができる程度に小型・軽量化する必要がある。このため、小型のボードに作成されたＰＶＡ機器が開発されている。
【０００３】
例えば、特開２００１−３２７４７２号公報（以下、「特許文献１」という。）、及び、特開２００１−３４４３５２号公報（以下、「特許文献２」という。）では、ＧＳＲ（Ｇａｌｖａｎｉｃ Ｓｋｉｎ Ｒｅｆｌｅｘ：皮膚電気反射）、加速度、体温、脈拍センサ等のセンサを搭載したセンサボードと、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ等の小電力無線インタフェースにより、上記センサボードと通信を行ってセンサ情報を収集して、ユーザの体調等を分析するメインボードから構成されたＰＶＡ機器が紹介されている。センサボードには、センサの他に、ＣＰＵ、メモリ、Ａ／Ｄ変換器、小電力無線インタフェース、増幅器、及び、小型電池が搭載されており、上記センサの種類毎に専用のボードが用意されている。センサボード内でセンサからの情報（アナログ量）を適当なレベルにまで増幅した後に、Ａ／Ｄ変換を行って、ディジタル量に変換した後、ＣＰＵにより適切な形式に加工された後に、小電力無線インタフェースチップ経由でメインモジュールに送信される。
【０００４】
上記センサのうち、ＧＳＲ電極により、電極経由で検知された皮膚の電気インピーダンスの変化具合が検知可能であり、ユーザの心理状態（怒っている等）が把握できる。また、脈拍センサからは、ユーザの脈拍を検知できる他に、血液中の酸素飽和度も測定可能である。さらに、血糖値等も推定することが可能であり、ユーザの健康状態が把握できる。また、脈拍の間隔からユーザの心理状態もある程度推定可能である。なお、脈拍センサは、赤外／赤色ＬＥＤと半導体フォトダイオードの組み合わせで構成される。一方、加速度センサは、３軸方向の加速度センサから構成され、ユーザの姿勢や動き等が推定できる。小電力無線インタフェース経由により、診断結果等を、小電力無線インタフェース内蔵の腕時計、ヘッドセット、携帯電話等に送信して、ユーザに通知することが可能である。
【０００５】
一方、半導体プロセスの微細化に伴い、簡単なＲＦ回路、低機能のＣＰＵ、及び、低容量のメモリ（不揮発メモリ等）を、数ｍｍ平方以下の半導体集積回路に集積したＲＦＩＤチップが、日経エレクトロニクス２００２年２月２５日号、ｐｐ．１１２〜ｐｐ．１３７（以下、「非特許文献１」という。）に開示されている。非特許文献１には、ＲＦＩＤチップがチップ内の不揮発メモリに固有のＩＤを書き込み、そのＩＤをＲＦリーダ経由で外部に読み出して、バーコード等と同様に商品等の識別タグとして利用できる旨が開示されている。ＲＦＩＤリーダーからＩＤを読み取る場合には、高周波をＲＦＩＤチップに照射し、ＲＦＩＤチップに接続されたコイルとコンデンサから構成されたＬＣ共振回路のＱ値の変化を検出することにより、非接触で実現される。
ＲＦＩＤチップには、単なるＩＤ以外に、商品についての情報等を不揮発メモリに書き込むことも可能である。例えば、特開２００１−１８７６１１号公報（以下、「特許文献３」という。）には、食品（例えば、ビール樽等。）流通管理システムへの応用例が開示されている。特許文献３では、ＲＦＩＤチップ、センサボード、及び、小型電池から構成されたセンサ付きＩＤタグをビール樽に埋め込んで、センサボードで読み取られたビール樽の温度を随時ＲＦＩＤチップ内の不揮発メモリに書き込んで蓄積する。最終的に、ユーザに届けられた際に、ユーザ側でＲＦリーダにて流通時の温度情報を読み出す。このような構成により、不適切な温度条件で放置されていなかったか等の情報を電子的に記録し、その記録情報を読み出すことができる。
一方、特開２００２−５８６４８号公報（以下、「特許文献４」という。）には、ＲＦＩＤチップを位置検出に応用した例が開示されている。この例では、マウス等の実験用小動物にＲＦＩＤチップを付ける。同時に、マウスの飼育箱を升目状の細かいエリアに区切り、エリア毎にＲＦＩＤリーダーを複数配置する。複数のＲＦＩＤリーダーのうち、どのＲＦＩＤリーダーで読み取られたかを記録することにより、マウスの動きを検出する。さらに、ＲＦＩＤチップのＩＤ情報を活用することにより、個々のマウスを判別することが可能である。このような構成により、どのマウスがどのように活動しているのかを把握することができる。
【０００６】
また、このような小型の半導体チップを体内に埋め込んで、ユーザの補助に役立てようという試みも提案されている。例えば、特開平５−２９３１２８号公報（以下、「特許文献５」という。）には、小型チップを発声器官に埋め込み、発声器官の振動を検知して、ＲＦにて外部の擬似音声発生装置に送信して、ユーザの発声を代行するというアイデアが開示されている。上記チップを、咽頭、喉頭、気道、顔面、口腔、鼻腔等の複数箇所に埋め込み、チップ内の振動センサにより各部の振動を検知して、擬似音声発生装置にてユーザが発語したい音声を分析することが実現される。何らかの障害により、発声器官を損傷したユーザの補助に役立てることが可能となる。
【０００７】
なお、ＩＥＥＥ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｊｕｌｙ ２０００、ｐｐ．４２〜４８（以下、「非特許文献２」という。）には、床、壁、人体等は微小ながらも常に振動しており、通常、〜ｍＷ／ｃｍ３のエネルギー密度を有している旨が開示されている。
【０００８】
ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＶＥＲＹ ＬＡＲＧＥ ＳＣＡＬＥ ＩＮＴＥＧＲＡＴＵＩＯＮ ＳＹＳＴＥＭＳ、ＶＯＬ．９、ＮＯ．１、ＦＥＢＲＵＡＲＹ ２００１、ｐｐ．６４〜ｐｐ．７５（以下、「非特許文献３」という。）には、電力回収回路の構成が開示されている。
【０００９】
ＥＤＮ Ｊａｐａｎ、２００２．５号、ｐｐ．５５〜ｐｐ．６１（以下、「非特許文献４」という。）には、ＭＥＭＳプロセスによって形成された高周波スイッチが開示されている。
【００１０】
日経エレクトロニクス２００２年３月１１日号、ｐｐ．５５〜ｐｐ．６６（以下、「非特許文献５」という。）には、超広帯域無線通信方式であるＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ）について開示されている。また、非特許文献５には、ＵＷＢにおけるデータ受信の際には、受信機のパルスジェネレータから供給されるパルス列と受信したパルス列との相関をとる相関器が必要となる旨が開示されている。
【００１１】
ＩＥＥＥ Ｐｒｏｃ． Ｃｉｒｃｕｉｔｓ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｓｙｓｔ．，Ｖｏｌ．１４８、Ｎｏ．６、 Ｄｅｃｅｍｅｂｅｒ ２００１（以下、「非特許文献６」という。）には、電磁誘導を利用して発電を行う発電機が開示されている。
【００１２】
【特許文献１】特開２００１−３２７４７２号公報
【特許文献２】特開２００１−３４４３５２号公報
【特許文献３】特開２００１−１８７６１１号公報
【特許文献４】特開２００２−５８６４８号公報
【特許文献５】特開平５−２９３１２８号公報
【非特許文献１】日経エレクトロニクス２００２年２月２５日号、ｐｐ．１１２〜ｐｐ．１３７
【非特許文献２】ＩＥＥＥ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｊｕｌｙ ２０００、ｐｐ．４２〜４８
【非特許文献３】ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＶＥＲＹ ＬＡＲＧＥ ＳＣＡＬＥ ＩＮＴＥＧＲＡＴＵＩＯＮ ＳＹＳＴＥＭＳ、ＶＯＬ．９、ＮＯ．１、ＦＥＢＲＵＡＲＹ ２００１、ｐｐ．６４〜ｐｐ．７５
【非特許文献４】ＥＤＮ Ｊａｐａｎ、２００２．５号、ｐｐ．５５〜ｐｐ．６１
【非特許文献５】日経エレクトロニクス２００２年３月１１日号、ｐｐ．５５〜ｐｐ．６６
【非特許文献６】ＩＥＥＥ Ｐｒｏｃ． Ｃｉｒｃｕｉｔｓ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｓｙｓｔ．，Ｖｏｌ．１４８、Ｎｏ．６、 Ｄｅｃｅｍｅｂｅｒ ２００１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
特許文献１及び２に開示されているＰＶＡ機器は、汎用のＣＰＵとセンサを組み合わせたボードでＰＶＡ機器を構成しているため、高価な医療機器を使わなくても手軽に健康管理ができるようになる。しかし、このようなＰＶＡ機器では、センサボードとメインボードそれぞれに電池が必要であり、ある程度以上の重量（〜数１００グラム）になってしまう。また、複数の半導体集積回路その他の部品をボード上にアセンブルして構成するため、ある程度以上の大きさ（〜カードサイズ）が必要である。このため、長時間使用するには、ユーザの身体に与える負担が大きい。また、電池を電源としているため、電池交換の手間が必要である。さらに、各々のセンサボードとメインボード間は、小電力無線インタフェースにより無線接続されているが、センサとセンサボード間は通常のワイヤで接続されているため、使い勝手及び耐久性の面でやや問題がある。
【００１４】
一方、非特許文献１に開示されているＲＦＩＤチップは、電池が不要であるとともに小型でもある。このため、マウス等の小動物から人間や食品等の商品に至るまで、数多くのものに装着可能である。しかし、従来の技術で説明したとおり、ＬＣ共振回路のＱ値をコントロールすることによりＲＦＩＤリーダーに信号を送信するため、外部のインダクタＬに、使用するＲＦ信号の波長（＝１／周波数）に応じた大きさのものが必要となる。また、独自の電源を持たないため、動作可能時は、ＲＦＩＤリーダーでＲＦ信号を照射された時のみである。このため、ＰＶＡ機器に必要とされるように長時間に渡ってユーザの生体情報（体温、脈拍等）を検知する用途には適さない。
【００１５】
また、特許文献３に開示されているビール樽向けＲＦＩＤタグは、長時間の使用を可能とするために、小型電池とともに使用されるものである。しかしこの結果、ＲＦＩＤチップの大きさはボードサイズとなってしまい、ＲＦＩＤチップの「小型軽量でどこにでもタグとしてつけられる」という特徴が犠牲にされている。
【００１６】
特許文献４では、マウスの動きの検出にＲＦＩＤチップを利用しているが、升目毎に配置したＲＦＩＤリーダーから常時ＲＦ信号を送信し続ける必要がある。ＲＦＩＤリーダーから送信されるＲＦ信号は、数１００ｍＷ程度であり、全体を合わせるとかなりの電力になり、低消費電力化を図るのは困難である。
【００１７】
特許文献５には、小型の半導体チップを人体に埋め込んで発声器官の代用をさせようとするアイデアが開示されている。しかし、半導体チップを埋め込む際には人体の切除が必須となるため、ユーザへの身体的負担及び心理的負担は大きいものと考えられる。また、特許文献５には、埋め込む半導体チップの具体的な構成、特に、電池を埋め込まない場合に半導体チップの電源をどうするのかという点について、全く開示されていない。
【００１８】
本発明の目的は、発電機等を内蔵し長時間動作可能で、無線信号により外部機器に検知データを送信できる、小型・軽量のセンサシステム用半導体装置を提供することである。
【００１９】
さらに、本発明の他の目的は、上記センサシステム用半導体装置を用いた、小型の健康管理機器、動き検出装置、食品流通管理装置、及び、家電等の機器の制御装置等を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明の代表的なものは下記のとおりである。すなわち、計測の対象となる物理量を検知するセンサと、前記センサにより検知した信号を増幅してディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路と、前記ディジタル信号を処理するマイクロプロセッサと、前記センサにより得た情報を格納するメモリと、前記マイクロプロセッサにより処理した信号を外部へ送信する送信回路と、前記センサ、前記Ａ／Ｄ変換回路、前記マイクロプロセッサ、前記メモリ、及び、前記送信回路に、電力を供給するための電力発生装置とを有する半導体装置である。
【００２１】
また、本発明の他の代表的なものは、温度センサ、加速度センサ、及び、赤色／赤外光センサを有するセンサと、前記センサからの信号を増幅してディジタル量に変換するＡ／Ｄ変換回路と、前記センサから情報を取り出して、該情報を加工するマイクロプロセッサと、前記マイクロプロセッサのプログラムコード、及び、前記センサからの前記情報を格納するメモリと、前記マイクロプロセッサに制御され、外部との通信を行う送信回路と、前記センサ、前記Ａ／Ｄ変換回路、前記マイクロプロセッサ、前記メモリ、及び、前記送信回路の各回路に、電源を供給するか否かを制御する電源制御回路と、力学振動による可変容量コンデンサの静電エネルギーの増加分を回収して電気エネルギーに変換する電力回収回路とを有し、前記センサ、前記Ａ／Ｄ変換回路、前記マイクロプロセッサ、前記メモリ、前記送受信回路、及び、前記電源制御回路は、一つの半導体基板の上に形成されている半導体装置である。
【００２２】
また、本発明のもう一つの代表的なものは、マイクロプロセッサと、情報を格納するメモリと、前記マイクロプロセッサと外部との通信を行う送受信回路とが一つの半導体基板の上に形成されている半導体装置であって、前記半導体装置は、前記マイクロプロセッサ、前記メモリ、及び、前記送受信回路に電力を供給するための電力発生装置を有し、前記半導体装置は、第１外部から第１データを受信し、受信した該第１データを処理して第２データへ変換し、該第１外部とは異なる第２外部へ向けて、該第２データを送信する機能を有する半導体装置である。
【発明の効果】
【００２３】
センサ、マイクロプロセッサ、メモリ、送信回路、及び、電力発生装置を備えた本発明の構成を採用することにより、長時間の継続使用が可能で、小型軽量なセンサシステム用半導体装置を提供することができる。
【００２４】
また、このセンサシステム用半導体装置は小型軽量であり、電池交換にも煩わされないため、長時間の装着が要求される健康機器等に適して用いられる。
【００２５】
また、電子ロボット玩具に自分の感情を伝えられる装置、操作者の意図を手振り等で家電機器等に伝達可能なリモコン装置、スポーツ競技の記録装置、または、食品の流通経路での温度状況を監視する記録装置等に応用することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施例につき、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図において、同一符号は同一または類似部分を示すものである。
（実施例１）
センサシステム用半導体装置すなわちセンサチップの構成の一実施例を図１（ａ）、（ｂ）に示す。図１（ａ）には、センサチップの一方の主面を、また、図１（ｂ）には、図１（ａ）とは逆の主面を示している。センサチップ（ＳＣＨＩＰ１）は、第１の半導体集積回路（ＣＨＩＰ１）、第２の半導体集積回路（ＣＨＩＰ２）、発光ダイオード（ＬＥＤ）チップ（ＬＥＤ１）、コンデンサ（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）、インダクタ（Ｌ１）、及び、これらを搭載するための基板（ＢＯ１）から構成される。このうち、基板（ＢＯ１）には、これらのチップ間を結線するための配線パターン、後述する高周波送受信回路で使用するアンテナ（ＡＮＴ１〜４）パターン、及び、後述するセンサ回路（ＧＳ１）で使用する電極（ＧＳＲ１〜４）パターン等が、銅あるいは金等の金属で描かれている。これらについては、通常、ＭＣＰ（Ｍｕｌｔｉ Ｃｈｉｐ Ｐａｃｋａｇｅ）チップとして用いられているのと同様のもので構成されている。
【００２７】
センサチップの断面図を図２（ａ）、（ｂ）に示す。図２に示されるように、第１の半導体集積回路（ＣＨＩＰ１）、及び、第２の半導体集積回路（ＣＨＩＰ２）は、本発明に特有な配置で基板（ＢＯ１）に搭載されている。すなわち、ＣＨＩＰ１、ＣＨＩＰ２は、基板上の同一面ではなく、それぞれ、第１の基版面（ＳＩＤＥ１）、及び、第２の基版面（ＳＩＤＥ２）に搭載されている。また、図２に示すように、これらの半導体集積回路チップ、コンデンサ、インダクタ、及び、基板は、防水樹脂（ＭＯ１）でモールドされており耐水性である。これらのモールドは、通常のＭＣＰと同様のものが使用可能であるが、ＣＨＩＰ１の上面に、赤色／赤外光を透過する材質のモールド材により、本発明に特有な光学窓（ＰＷＩＮ１）を設置する点に特徴がある。より詳細には、この光学窓（ＰＷＩＮ１）は、基板ＭＯ１上に搭載されたＬＥＤ１及びＣＨＩＰ１上の専用の光学センサ上に設置される。これは、後述するように、ＬＥＤ１が発生する、赤色あるいは赤外光を外部に向けて照射し、ＣＨＩＰ１に設けられた専用の光学センサにより、反射光等を検知できるようにするためである。
【００２８】
また、図２（ａ）に示すように、コンデンサ（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）及び、インダクタ（Ｌ１）には、通常のＭＣＰチップで使用されているものと同様のチップ形態のものが使用可能である。なお、コンデンサについては、図２（ｂ）に示すように、基板を多層基板で形成して、そのうちのいくつかの層をペアで使用する、積層コンデンサ（Ｃ１Ａ、Ｃ２Ａ、Ｃ３Ａ）で構成することも可能である。
【００２９】
これらの半導体集積回路（ＣＨＩＰ１、ＣＨＩＰ２）を用いたセンサチップ（ＳＣＨＩＰ１）を使用することにより、小型・軽量の携帯型健康管理機器を実現することができる。センサチップを健康管理機器へ応用した一例を図３に示す。この実施例では、センサチップは、ばんそうこう等のシール（ＢＡ１）により、ユーザ（ＵＳ１）の皮膚等（ＳＫＩＮ１）に装着するように構成されている。センサチップのＳＩＤＥ１面を、ユーザの皮膚等に接触させるように装着する。このように装着することで、後述する各種センサにより、ユーザの体調または健康状態を検知することが可能となる。なお、この実施例ではばんそうこう等のシールＢＡ１により装着しているが、皮膚等に接触させることができれば、必ずしもこれに限られない。例えば、腕時計の裏側にセンサチップを装着することによっても、実現可能である。
【００３０】
検知されたデータは、第１の半導体集積回路ＣＨＩＰ１上にある、マイクロプロセッサＣＰＵ１、及び、高周波送信回路ＲＦ１を経由して、無線（ＷＬ１）により外部の健康モニタ（ＭＯＮＩＴＯＲ１）等に送信される。第１の半導体集積回路（ＣＨＩＰ１）は、マイクロプロセッサ（ＣＰＵ１）、メモリ（ＭＥＭ１）、外部との通信を行う高周波送受信回路（ＲＦ１）、基板（ＢＯ１）上に設けられたアンテナ（ＡＮＴ１〜４）の送受信等を切り替える高周波スイッチ（ＲＷ１）、温度センサ（ＴＤ１）、加速度センサ（ＡＳ１）、赤外／赤色光センサ（ＰＤ１）、インピーダンスセンサ（ＧＳ１）等で構成されるセンサ回路、センサからの信号を増幅してディジタル量に変換するＡ／Ｄ変換回路（ＡＤ１）、基板上に搭載された発光ダイオード（ＬＥＤ１）を駆動するドライバ（ＬＤ１）、上記ＣＰＵ１、ＭＥＭ１、ＲＦ１、ＲＷ１、ＴＤ１、ＡＳ１、ＰＤ１、ＧＳ１への電源供給を制御する電源制御回路（ＰＣ１）、ＰＣ１のオン／オフを制御するタイマ回路（ＴＭ１）、及び、コンデンサＣ１に蓄積された電荷量を監視する電荷監視回路（ＣＷ１）から構成される。
【００３１】
マイクロプロセッサＣＰＵ１は、メモリＭＥＭ１上に格納されたプログラム（ＰＲ１）に従って、チップ上の各回路の動作モードを設定して制御して、各センサを駆動して検知を行う。また、後述するように、検知されたデータを圧縮する、または、ＩＤ情報を付加する等の加工を行った後に、上記高周波送信回路ＲＦ１経由で、無線にて外部に送信する。さらに、ＲＦ１内蔵の受信回路により、外部からの指令、例えば、マイクロプロセッサＣＰＵ１における動作モードのパラメータの設定変更が可能である。また、プログラムＰＲ１に適切なプログラムコードを付加することにより、任意の処理を追加することが可能である。
【００３２】
メモリＭＥＭ１は、プログラムＰＲ１の以外にも、例えば、センサからの取得データや、マイクロプロセッサＣＰＵ１における動作モードのパラメータ等の情報を保持する。メモリＭＥＭ１は、典型的には、低消費電力でデータ保持可能なＳＲＡＭや、電源供給オフ時でもメモリ内容が保持されるＮＯＲ型あるいはＡＮＤ型等のフラッシュメモリ等で構成される。しかし、低消費電力でメモリ内容が保持できれば、他のタイプのメモリも使用可能である。
【００３３】
第２の半導体集積回路（ＣＨＩＰ２）は、微弱な外部振動を電気エネルギーに変換する小型の発電チップである。非特許文献２に開示されているように、床、壁、人体等の外部振動エネルギーを利用すれば、０．１ｍＷ程度の発電が可能となる。以下、本発明の発電チップの動作を具体的に説明す場合の、電圧Ｖ（Ｖ０→Ｖ１）と静電エネルギる。
【００３４】
発電チップＣＨＩＰ２は、外部の振動により静電容量が変化する可変容量コンデンサ（ＣＭ１）、及び、電力回収回路（ＰＣ２）から構成される。電力回収回路ＰＣ２は、可変容量コンデンサＣＭ１により外部振動の力学エネルギーから変換された電気エネルギーを回収して、基板上のコンデンサ（Ｃ３）を充電するように機能する。可変容量コンデンサＣＭ１は、通常、ＭＥＭＳプロセスによりシリコンチップ上に微細構造で構成される。具体的には、図１（ｂ）に示すように、２つの固定電極（ＳＴ１、ＳＴ２）及び、可動電極（ＶＴ１）から構成される。このうち、可動電極（ＶＴ１）はアンカー（ＰＮ１〜４）以外のどこにも固定されておらず、ＣＨＩＰ２上に浮いている。このため、ＣＨＩＰ２がある加速度を持って振動等の運動をすると、これにより発生する慣性力により、２つの固定電極（ＳＴ１、ＳＴ２）間を振動する。この振動により、これらの電極間の距離が変わり、静電容量が変化する。
【００３５】
図４に示すのは、可変容量コンデンサ（ＣＭ１）の電荷Ｑを一定のＱ１にして、外部振動によりＣＭ１の静電容量がＣ１→Ｃ２（Ｃ２＜Ｃ１）と変化したー（Ｅ１→Ｅ２）の変化を示す図である。このように、外部振動により静電容量が変化する結果、蓄えられる静電エネルギーが増加する（ΔＥ＝Ｅ２−Ｅ１）。そして、この静電エネルギーの増加分ΔＥを回収することにより、小型発電機としての機能を発揮する。
【００３６】
ＣＨＩＰ２に形成する電力回収回路の一実施例を図５に示す。この回路は、非特許文献３に開示されているものと同様の構成をしている。可変容量コンデンサＣＭ１の他に、コンデンサＣ２、Ｃ３、インダクタＬ１、ＰＭＯＳトランジスタＴＰ１、ＮＭＯＳトランジスタＴＮ１、及び、これらのトランジスタのオン／オフのタイミングを制御するドライブ回路（ＰＤＲ１）から構成される。ドライブ回路ＰＤＲ１は、外部振動による可変容量ＣＭ１の静電容量の変化に応じて、図６に示すタイミング（Ｔ１〜Ｔ５）で、ＴＮ１及び、ＴＰ１のオン／オフを制御する。電力回収回路の動作は本発明の特徴部分ではないため、ここでは説明を省略する。発生した電力については、最終的には、コンデンサＣ３、ダイオードＤ３を経てＶＤＤ１ラインに供給され、第１の半導体集積回路ＣＨＩＰ１の電源制御回路ＰＣ１に接続されたコンデンサＣ１に充電される。なお、ＣＭ１に元となる電荷を供給するコンデンサＣ２には初期電荷を与える必要がある。この目的で、本発明のセンサチップにおいては、コンデンサＣ２の充電をアンテナ（ＡＮＴ１〜４）及び、整流器（Ｄ２）を経由して、ＲＦＩＤリーダー等により外部から誘導された高周波電力により非接触で充電を行う。
【００３７】
可変容量コンデンサＣＭ１は、半導体プロセスとコンパチブルなＭＥＭＳプロセスで作成可能である。このため、１つの半導体集積回路に混載することも可能である。しかし、図４に示されるように、取り出される電気エネルギーは、コンデンサＣＭ１の静電容量（最大容量Ｃ２と最小容量Ｃ１の差）、及び、初期電荷Ｑの２つの値に依存する。すなわち、コンデンサＣＭ１の静電容量が大きいほど、また、初期電荷Ｑが大きいほど、大きな電気エネルギーを取り出すことができる。このため、静電容量は大きいものの方が好適であり、通常、数１００ｐＦ程度のものが必要とされる。静電容量を大きくするには、図１に示すＣＭ１の面積を大きくするほかに、櫛状に形成された電極間の溝の深さを深くする必要がある。このため、１ｃｍ×１ｃｍ×０．５ｍｍ（深さ）程度のサイズのものが必要とされる。
【００３８】
なお、この溝はエッチングにより形成されるが、通常の半導体集積回路では、０．５ｍｍエッチングは必要とされない。しかし、発電効率の点から考えると、溝は深ければ深いほど、より好ましい。一方、半導体集積回路を作成する際のコストを考えると、コンデンサＣＭ１の面積は小さければ小さいほうがより好ましい。また、エッチングで削る溝も、それほど深くないほうがより好ましい。
【００３９】
この相反する問題を解決するため、本発明のセンサチップでは、図１に示すように、可変容量コンデンサＣＭ１及び、発電制御回路と、それ以外の回路を別々の半導体集積回路で構成する。このような２チップ構成により、それぞれのチップに特化した専用プロセスにて作成することが可能となり、溝の深さも任意に形成できる。さらに、本発明に特有な構成として、これらのチップを、ＭＣＰ構成で基板の裏表両面（ＳＩＤＥ１、ＳＩＤＥ２）に搭載する。このような構成により、可変容量コンデンサＣＭ１の面積を、センサチップと同程度のサイズにまで大きくできるため、大容量のものが実現可能となる。さらに、図１に示すように、基板ＢＯ１の他のエリアに電力回収回路として必須となる、コンデンサ（Ｃ２、Ｃ３）、インダクタ（Ｌ１）、また、センサ回路で必要になるＬＥＤチップ、ＧＳＲ電極、さらに、高周波送受信回路で必要となるアンテナ等を、基板上に搭載するか、または、配線パターンとして形成できる。つまり、本発明に特有な図１の構成により、ほぼチップサイズの大きさ（〜１ｃｍ角以下）に、発電機、センサ、ＣＰＵ、ＲＦを集積したセンサシステムが実現可能となる。この結果、自律的なセンサシステムを実現することができる。
【００４０】
以上のように、本発明のセンサチップにおいては、自律的に電源を得ることが可能である。しかし、従来の技術では、１ｃｍ角程度のサイズでは、発電電力は０．１ｍＷ程度に限られている。一方、ＣＭＯＳプロセスで作成された半導体集積回路では、マイクロプロセッサ、メモリ（特にＳＲＡＭ）は、クロック周波数を１００ＫＨｚ程度に下げることにより、消費電力を数１０μＷのオーダにまで押さえることが可能である。本実施例の場合、マイクロプロセッサが受け持つ一番重い処理は、データの圧縮、程度の作業であり、１００ＫＨｚ程度のクロック周波数でも十分処理可能である（例えば、クロック周波数１００ＫＨｚならば、１秒間に１０万サイクル命令を実行可能。１ｍ秒間でも、１００サイクル命令を実行可能である）。このため、上記発電チップにより電源を供給してプロセッサ、メモリその他を動作させることが可能である。
【００４１】
しかし、高周波により無線で外部と通信を行うには、例えば、低消費電力と言われている、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ等の小電力無線インタフェースでも、１ｍＷ程度のＲＦ出力が必要とされている。実際には、供給電力をＲＦに変換するＲＦパワー付加効率が５０％程度であるので、数ｍＷ程度の電力が必要になるものと予想される。このため、従来から、より低消費電力な無線方式が提案されているが、１ｍＷ程度の供給電力が必要とされている。このように、ＲＦ部分が電力を最も必要としており、上記発電チップからの微小電力そのままでは、高周波により外部と通信を行うのは困難である。
【００４２】
この問題を解決するために、本発明では、コンデンサＣ１、タイマＴＭ１、スイッチトランジスタＴＰ２、電荷監視回路ＣＷ１、及び、電源制御回路ＰＣ１から構成された低消費電力動作方式を用いる。すなわち、ＣＨＩＰ１の各回路には常時通電せず、その代わりにコンデンサＣ１に発電電力を蓄える。タイマＴＭ１により設定された時間間隔が経過したと判断された場合、あるいは、電荷監視回路ＣＷ１が十分な電力が蓄えられたと判断した場合のみに、電源制御回路ＰＣ１内のスイッチトランジスタを導通させ、他の回路に電力を供給する。つまり、間欠的に検知動作あるいは外部との通信を行う。この超低消費電力動作方式をより具体的に示したのが、図７に示す動作フローチャートである。
【００４３】
図７に示されるように、ＣＰＵ１は常時スリープ状態Ｐ１１０にある。タイマＴＭ１あるいは電荷監視回路ＣＷ１からの割り込みによりＰ１２０以降の動作状態に遷移する。動作状態においては、メモリＭＥＭ１に格納されたプログラムあるいは動作パラメータに従って以降の動作を決定する。例えば、動作パラメータがデータの検知ならば、データセンスルーチンＰ２００を呼び出し、センサ駆動／サブルーチンＰ２１０、データ取り出し／加工（圧縮等）サブルーチンＰ２２０、データ書き込みサブルーチンＰ２３０を順次実行し、センサからデータを取得し、メモリにデータを書き込む。一方、動作パラメータがデータ送信の場合には、データ送信ルーチンＰ３００を呼び出し、データ読み出しサブルーチンＰ３１０、識別子生成サブルーチンＰ３２０、パケット生成サブルーチンＰ３３０、圧縮／変調サブルーチンＰ３４０、パケット送信サブルーチンＰ３５０を順次実行し、データを送信する。
【００４４】
検知データは、図８（ａ）に示すように、識別子（ＰＳ１）＋データ（ＰＤ１）から構成されたパケット（ＳＰＡＴ１）形式で送信される。このように、送信データに識別子を付加することにより、例えば、本発明のセンサチップが、複数同時に使用された場合においても、外部機器、例えば、図３のＭＯＮＩＴＯＲ１側で、どのセンサチップから来たデータなのか判別が可能になる。識別子ＰＳ１には、例えば、半導体集積回路ＣＨＩＰ１の出荷時において、メモリＭＥＭ１の不揮発メモリ部分に書き込まれた固有のＩＤ等チップ固有の情報を使用できる。さらに、図８（ｂ）に示されるように、識別子ＰＳ１の他にも、例えば、この情報がセンサチップのどのセンサからの情報なのかの識別情報（センサ種別、ＰＳ２）を付加することも可能である。
【００４５】
また、動作モード設定ルーチンＰ１２０においては、この他にも、電荷監視回路ＣＷ１の充電状態を記録したレジスタＣＲ１の読み出しや、あるいは、タイマＴＭ１の時間間隔設定レジスタＴＲ１の書き込みを行う。このようにすることにより、発電チップＣＨＩＰ２の状況に合わせた動作設定が可能である。
【００４６】
図９に示すのは、上記電源制御において使用する、本発明に特有な電源制御回路ＰＣ１、電荷監視回路ＣＷ１、及び、タイマＴＭ１の構成である。この図に示すように、電源制御回路ＰＣ１は、制御論理回路ＰＣＣ１、スイッチトランジスタＴＰ２から構成される。電荷監視回路ＣＷ１あるいはタイマＴＭ１からの信号ＥＰ１及び、ＥＰ２がローレベルの場合のみ、制御論理ＰＣＣ１の出力がローレベルとなり、スイッチトランジスタＴＰ２が導通状態となり、ＶＤＤ２ラインに電源が供給される。その結果、ＶＤＤ２から電源を供給されている、メモリＭＥＭ１、高周波送受信回路ＲＦ１、Ａ／Ｄ変換回路ＡＤ１、センサその他の回路が起動する。
【００４７】
電荷監視回路ＣＷ１は、典型的には、抵抗Ｒ１、Ｒ２、基準電圧発生回路ＶＲＥＦ１、及び、電圧比較回路ＣＯＭＰ１で構成される。電圧比較回路ＣＯＭＰ１により、以下の式で与えられるしきい値電圧Ｖｔ１と比較し、ＶＤＤ１＞Ｖｔ１の場合に、出力ＥＰ１をローレベル（＝ＧＮＤレベル）にプルダウンする。
【００４８】
【数１】
【００４９】
この基準電圧ＶＲ０の電圧値は、バスインタフェースＶＣＮＴ１経由で、ＣＰＵ１から変更することも可能である。なお、ＶＲＥＦ１、ＣＯＭＰ１については、常時給電されるため、例えば、抵抗Ｒ１、Ｒ２には、高抵抗（数１０ＭΩ以上）等で設計すること等が必要である。これらについては、ＣＭＯＳプロセスで形成されるのが一般的である。
【００５０】
タイマＴＭ１は、発振回路ＯＳＣ１、プリセットカウンタＣＯＵＮＴ１、ＣＯＵＮＴ１のプリセット値を保持するレジスタＲＥＧ１、電荷監視回路ＣＷ１が規定電圧になるまでのカウント値を保持するレジスタＲＥＧ２、及び、ＣＰＵ１とのバスインタフェースＴＩＦ１で構成される。プリセットカウンタＣＯＵＮＴ１は、レジスタＲＥＧ１に設定されたプリセット値までカウントアップし、出力ＥＰ２のローレベルの信号を出力する。このレジスタＲＥＧ１、ＲＥＧ２の内容は、バスインタフェースＴＩＦ１経由で、ＣＰＵ１から書き込みあるいは読み出しが可能である。なお、これらのレジスタの値は、図７のルーチンＰ１３０において設定される。これらの各回路は本発明特有なものではないのでここでは詳細については説明を省略する。なお、このタイマ回路も常時通電されるため、低電力化が必要である。低電力化には、発振回路ＯＳＣ１の発振周波数を低く押さえるのが好適である。例えば、３２ＫＨｚ程度に設定することにより、タイマＴＭ１の消費電流を、１μＡ以下に抑えることができる。
【００５１】
ＰＣ１、ＣＷ１、ＴＭ１により実現される本発明の超低消費電力動作方式を図１０に示す。図１０に示されるように、半導体集積回路ＣＨＩＰ１の大部分の回路は、通常は動作しておらず（ＳＬＰ）、短い時間のみ間欠的に動作する（ＯＰＲ）。このような間欠動作ににより、前述した電力の問題も解決可能である。例えば、コンデンサＣ１には、典型的には、１μＦ程度のものが使用可能であり、例えば、１Ｖで充電すれば１μクーロンすなわち、１ｍＡ程度の電流を１ｍ秒程度、供給可能である。つまり、コンデンサＣ１の充電電圧を数Ｖ（通常３Ｖ程度）と設定した場合には、ＲＦパワー付加効率を５０％とした場合にも、１ｍＷ程度の送信電力で外部にデータを送信することも実現可能である。一方、発電チップの発電電力を０．１ｍＷ、コンデンサＣ１の静電容量を１μＦとした場合に、充電をするには、以下の計算式に基づく時間がかかる。
【００５２】
【数２】
【００５３】
余裕を見て充電に１００ｍ秒かかってとしても、１秒間に１０回以上、チップを駆動して
、検知あるいは高周波により無線でデータを送信することが可能である。本実施例のように、健康管理機器に使用する場合は、検知に要求される間隔は、最短でも、１秒間に１０回も取れれば充分であると考えられる（例えば、比較的周期が短い脈拍でも１秒程度の周期である）。このため、本発明のように、０．１秒（＝１００ｍ秒）間隔で間欠動作を行ったとしても、実用上何の支障も来たさない。さらに、図７の動作モード設定ルーチンＰ１２０で、例えば、１０回に１回だけに絞る等の設定を行うことも可能である。最も電力が要求されるデータ送信の頻度を減らせば、コンデンサＣ１に蓄えられた電荷の消費が押さえられ、充電にかかる時間を短縮でき、検知の回数を増やすことも可能である。このように、本発明のセンサチップでは、本発明に特有な電源制御回路と、ＭＥＭＳプロセスで作成された超小型発電機を組み合わせることにより、電池なしで自律的に動作することが可能である。
【００５４】
図１１に示すのは、より高い電源電圧が必要な場合に、本電源制御回路にて使用可能な昇圧レギュレータ（ＲＧ１）の構成例である。なお、このレギュレータは必ずしも必要なものではなく、例えば、発電チップの出力電圧を適切に設定すれば不要である。
【００５５】
図１２に示すのは、本発明のセンサチップにおける、第１の半導体集積回路上に作成される各種センサの構成である。以下、各センサの構成を説明する。図１２（ａ）は、温度センサであり、ダイオードＤ４、定電流回路ＣＳ１、増幅器Ａ１で構成される。増幅器Ａ１によりダイオードＤ４の順方向電圧の温度による変動（Ａ／Ｄ変換回路経由でマイクロプロセッサＣＰＵ１に読み込み、適温度係数：〜−２ｍＶ／℃）を測定し、後述する宜補正することにより、温度を測定する。これらの増幅器、定電流回路その他については、特に本発明に特有なものではないので、ここでは詳細な説明は省略する（以下でも同様）。本センサチップは非常に小型（典型的には、５ｍｍ角以下）であり、チップ自身の熱容量は、例えば、人体等と比べると無視できる値である。さらに、本センサチップは非常に低消費電力であるため、チップ自身の発熱は無視できる。このため、本センサチップを図３に示す形態で人体に接触させれば、本温度センサにより、正確に体温を測定することが可能である。なお、この図に示しているのは、温度センサの構成の一例であり、他の構成のセンサも使用可能である。
【００５６】
一方、加速度センサは、図１２（ｂ）に示されるように、ＭＥＭＳプロセスで作成された可変容量コンデンサＣＡＳ１〜ＣＡＳ４、及び、差動増幅器Ａ２から構成される。この可変容量コンデンサは、前述した発電チップＣＨＩＰ２上に構成される発電用コンデンサＣＭ１と、基本的には同じ構造である。図１のＣＭ１と同様に、加速度により生じた慣性力により、可動電極と固定電極間の距離が変わることによりＣＡＳ１〜ＣＡＳ４の静電容量が変化する。例えば、図１２（ｂ）で、紙面の上から下へ向かう方向で加速度が生じたとすると、可動電極ＶＴ２及び、ＶＴ３は、紙面上方へ移動する。このため、ＣＡＳ１及び、ＣＡＳ３の静電容量は増加し、ＣＡＳ２及び、ＣＡＳ４の静電容量は減少する。したがって、Ｂ１の電位は上昇するが、逆に、Ｂ２の電位は下降することになる。この結果、差動増幅器Ａ２の出力電位は上昇し、加速度が加わったことが検出できる。
【００５７】
このように、発電チップで使用する可変容量コンデンサＣＭ１とは違い、本加速度センサでは容量の変化の相対値が重要であるので、大きな容量は必要とされない。このため、ＣＰＵその他の回路と同一の半導体集積回路上に集積することが可能である。なお、検出される電位差は、加えられた加速度に対して線形ではない。このため、場合によっては、後述するＡ／Ｄ変換回路経由でマイクロプロセッサＣＰＵ１に読み込んだ後に、ＣＰＵ１でソフトウエア的に補正する必要がある。このような場合には、メモリＭＥＭ１に補正テーブルを格納しておくことが好適である。
【００５８】
本加速度センサを使用することにより、例えば、ユーザがどのような動作（座っている、歩いている、走っている）を行っているのかを把握することが可能となる。また、９０度で直交する方向（ＸＹ方向）に２個使用することにより、二次元の加速度がわかり、ユーザがどちらの方向に向かおうとしているかというような情報が把握できる。さらに、例えば、ユーザの心拍測定等、単純に振動の有無を捉えるセンサとしても利用することが可能となる。
【００５９】
図１２（ｃ）に示すのは、インピーダンスセンサの構成例である。定電流源ＣＳ２、増幅器Ａ３により、本半導体集積回路の外部に設けられた電極ＧＳＲ１、ＧＳＲ２間の電圧降下を測定する。定電流源ＧＳ２に設定されている電流値で測定された電圧降下を除算することにより、この２つの電極間の電気インピーダンスを測定する。本インピーダンスセンサにより、例えば、ユーザの皮膚ＳＫＩＮ１の電気インピーダンスを測定することができる。マイクロプロセッサＣＰＵ１によるデータ処理を併用することにより、Ｇａｌｖａｎｉｃ Ｓｋｉｎ Ｒｅｆｌｅｘが求められ、ユーザの感情状態（怒っている、喜んでいる、悲しんでいる等）、または、ユーザのストレス状態を把握することが可能である。
【００６０】
さらに、図１２（ｄ）に示すのは、脈拍センサの構成である。本脈拍センサは、フォトダイオードＤ５、負荷抵抗Ｒ４、及び、増幅器Ａ４から構成される光学センサＰＤ１、及び、光学センサＰＤ１の光源となる基板上に搭載された赤色／赤外ＬＥＤ（ＬＥＤ１）、及び、バスインタフェースＬＩＦ１とＬＥＤ１のドライブトランジスタＴＮ３から構成されたドライブ回路ＬＤ１から構成される。本脈拍センサでは、測定時にのみ、バスＢＵ１経由でマイクロプロセッサＣＰＵ１からの制御信号に基づいて、トランジスタＴＮ３を導通させて、ＬＥＤ１を発光させ、ユーザの皮膚ＳＫＩＮ１に赤色光あるいは赤外光を照射する。照射光（ＬＲ１）の反射光／散乱光（ＬＲ２）その他をフォトダイオードＤ５にて受信する。増幅器Ａ４で増幅後、Ａ／Ｄ変換回路経由で、マイクロプロセッサＣＰＵ１で受信光の強度を測定して、血流量に応じた赤色光／赤外光の減衰量の推移（＝脈拍）を測定する。なお、通常のＬＥＤでは、十分な強度の赤外光あるいは赤色光を得るためには、少なくとも１ｍＡ程度のドライブ電流が必要である。このため、高周波送受信回路を駆動する場合と同様に、本脈拍センサもコンデンサＣ１に蓄積した電荷により間欠的に動作させる、本発明に特有な超低消費電力動作方式は必須である。
【００６１】
本脈拍センサの測定原理は、赤色光あるいは赤外光を、血液中のヘモグロビンが吸収するため、その吸収量（＝光の減衰量）を測定すれば、どの程度の血液が皮膚中に流れているのかがわかるという原理に基づいている。また、ヘモグロビンの光吸収特性は、酸素を吸着している場合とそうでない場合に、吸収特性が変化することが知られており、赤外光と赤色光の２通りについてそれぞれの吸収値を測定すれば、簡単な数式により、血液中の酸素飽和度が推定できることが広く知られている。この酸素飽和度を活用すれば、血糖値その他が推定可能である。
【００６２】
本発明のセンサチップにおいても、ＬＥＤを赤色あるいは赤外光の２系統用意して、時分割にて測定することにより、この酸素飽和度を測定することが可能である。また、脈拍間隔は、ユーザが緊張状態にある、または、リラックス状態にある等の感情状態と深い相関関係がある。本センサチップに搭載のマイクロプロセッサＣＰＵ１を活用することにより、単にユーザの脈拍のみではなく、ユーザの健康状態や、感情等についての情報を把握することが可能となる。
【００６３】
以上のセンサの出力はアナログ値であるため、ＣＰＵに取り込んで、ＲＦ経由で無線で外部機器に送信するためには、ディジタル値に変換する必要がある。このアナログ値からディジタル値への変換は、それぞれのセンサの出力に、Ａ／Ｄ変換器を接続すれば実現されるが、チップ面積や消費電力の点で、複数のＡ／Ｄ変換回路を設置するのは好ましくない。このため、図１３に示すＡ／Ｄ変換回路にて、一括してディジタル値への変換を行うほうがより好ましい。
【００６４】
図１３に示すように、Ａ／Ｄ変換回路（ＡＤ１）は、バスインタフェース回路ＡＤＩＦ１、Ａ／Ｄ変換回路本体であるＡＤＣ１、及び、ＳＷ１〜ＳＷ３で構成される入力切替スイッチＡＳＷ、プログラマブルゲインコントロール増幅器ＰＧＡ１、これらの回路の動作パラメータを設定するＡ／Ｄ変換制御回路ＡＤＣＯＮＴ１から構成される。本発明に特有な入力切替スイッチＡＳＷ、及び、プログラマブルゲインコントロール増幅器ＰＧＡ１は、バスＢＵ１経由でＣＰＵ１から送信される制御コマンドに応じて、制御回路ＡＤＣＯＮＴ１にて動作パラメータを設定する。
【００６５】
例えば、温度を測定する場合には、測定に先立ち、ＣＰＵ１により、入力切替スイッチＡＳＷがＩ１を選択（ＳＷ１：Ｄ１、ＳＷ３：Ｄ１）し、プログラマブルゲインコントロール増幅器ＰＧＡ１の設定ゲインが温度センサに相応しいゲインになるように、バスＢＵ１経由で、ＡＤＣＯＮＴ１内の制御レジスタを設定する。このように設定することにより、温度センサの出力ＳＴをＰＧＡ１経由でＡ／Ｄ変換器に取り込んでディジタル値に変換し、バスインタフェースＡＤＩＦ１経由でＣＰＵに取り込む。同様に、他のセンサの出力を読み込みたい場合には、ＡＤＣＯＮＴ１内の制御レジスタに、目的のセンサに合わせたゲイン設定及び、入力切替スイッチ設定を書き込んで、ＡＤＣ１を駆動する。このような構成により、チップサイズの増加を抑え、さらに、消費電力の増加を抑えることが可能である。
【００６６】
なお、入力切替スイッチを構成するＳＷ１〜３には、アナログ信号をロスなく通過させるスイッチが必要であり、例えば、図１４に示す、ＰＭＯＳトランジスタ及び、ＮＭＯＳトランジスタから構成されたパストランジスタタイプのスイッチが使用可能である。また、本センサチップでは、検知すべき情報が人体の生体情報に限られているので、Ａ／Ｄ変換回路ＡＤＣ１には、低速なタイプのもので十分である。
【００６７】
図１５は、本発明のセンサチップにおいて、外部機器に検知した情報を送信するために使用する高周波送受信回路ＲＦ１、及び、ＲＦ１とアンテナ等との接続関係を切り替える高周波スイッチＲＷ１の構成例を示した図である。高周波送受信回路ＲＦ１は、バスインタフェースＲＦＩＦ１、送信に使用する変調回路ＭＯＤ１、送信アンプＰＳＡ１、及び、受信に使用する復調回路ＤＭＯＤ１、受信アンプＰＲＡ１、及び、これらの回路の動作パラメータをＣＰＵ１によりバスインタフェースＲＦＩＦ１により設定された制御レジスタの内容に応じて制御する制御回路ＲＦＣＯＮＴ１から構成される。これらの各回路は特に本発明に特有なものではないので、ここでは詳細は説明しないが、データ送信時には、ＣＰＵ１がＲＦＣＯＮＴ１内の制御レジスタを送信モードに設定し、バスインタフェース経由で変調器ＭＯＤ１に送信データを送る。ＭＯＤ１は送られてきたデータを元に発振回路ＶＣＯ１で生成された搬送波を変調する。変調方式には、ＰＳＫ（Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）、ＱＡＭ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）等の様々な方式が存在するが、本発明に特有なものではないので、ここでは詳細な説明は省略する。以上のようにして、変調された搬送波は、ＲＦＣＯＮＴ１にてゲインコントロールされた送信アンプＰＳＡ１により増幅され、高周波切替スイッチＲＷ１に送られる。
【００６８】
高周波スイッチＲＷ１は、非特許文献４に開示されているように、通常、ＰＩＮダイオードの半導体素子やＣＭ１及びＣＡＳと同様に、半導体チップ表面にＭＥＭＳプロセスによって作成された微細接点等により構成される。コントロール端子ＲＣ１からの制御信号により、ＰＩＮダイオードあるいはＭＥＭＳ微細接点のバイアス電圧を制御して、ＲＦ信号の行き先を切り替える。具体的には、送信時には、ＣＰＵ１経由で設定されたＲＦＣＯＮＴ１内部の設定レジスタの内容に従って、ＲＣ１端子経由で、ＲＳ１とＲＳ３間が導通するように設定される。同様に、受信時には、ＲＳ３とＲＳ２間を導通状態に設定して、復調回路ＤＭＯＤ１により、アンテナからの高周波信号を復調する。復調された信号は、バスインタフェースＲＦＩＦ１経由でＣＰＵ１が読み取ることが可能である。以上の受信機能を、メモリＭＥＭ１内に格納される動作パラメータの設定に使用することもできる。例えば、センサチップの検知の起動間隔や、各センサの動作パラメータ（増幅器のゲイン等）を変更可能である。
【００６９】
ＲＷ１は、データ送信時あるいはデータ受信時以外の場合においては、ＲＳ３とＲＳ４が導通状態に設定される。このため、アンテナから受信した高周波電力は、整流器Ｄ２を通して発電チップに元となる電荷を供給するコンデンサＣ２、及び、整流器Ｄ１を通じて本センサチップの間欠動作を実現するコンデンサＣ１に蓄えられる。このように、本発明のセンサチップでは、外部からアンテナ経由で電力を供給することも可能である。
【００７０】
前述したように、ＲＦ送信には比較的大きな電力が必要である。このため、通常は、データの検知だけを実行し、メモリにデータを蓄えておき、例えば、１日に一回だけ、外部の健康管理機器（ＭＯＮＩＴＯＲ１等）に送信するという方式により電力消費を抑えることも可能である。
【００７１】
また、非特許文献５に開示されているような、超広帯域無線通信方式であるＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ）を用いることにより、さらなる低消費電力化も可能である。ＵＷＢでは、前述したＰＳＫやＡＳＫ等とは異なり、高周波パルス信号そのものを変調してデータを送受信する。例えば、送信したいデータが“１”の時はパルスを送出し、“０”の時は、パルスを１００ｐｓ遅らせて送出する等により、パルス列を送信データにて変調する。このため、図１６の高周波送受信回路ＲＦ２に示されるように、パルスを発生するパルスジェネレータＰＧＥＮ１と、そのパルスを送出するかどうかをコントロールする変調器ＭＯＤ２のみで構成可能である。すなわち、図１５で示したＰＳＫやＱＡＭ等の狭帯域の通信方式では必須であった送信アンプが不要となり、高周波送受信回路の回路規模を小さく抑えることが可能である。この結果、チップの製造コストを抑えられると同時に、チップの低消費電力化が実現できる。
【００７２】
さらに、ＵＷＢでは、比較的短い通信距離しか要求されない場合、ＲＦ送信電力を抑えることが可能である。このようなセンサチップでは、例えば、腕に貼り付けたセンサチップから、胸ポケットに入れた携帯型健康機器にデータを送信できれば十分である（例えば、通信距離は数１０ｃｍ程度で十分である。）。このため、ＲＦ送信電力を、例えば、数１０μＷに設定することも可能である。このように、ＵＷＢは本発明のセンサチップにより望ましい無線通信方式である。
【００７３】
なお、ＵＷＢでは、データ受信の際に、相関器（図１６のＣＯＲ１）が必要となる。この相関器は、通常、受信チップ内のパルスジェネレータから供給されるパルス列と、受信されたパルス列の相関をとる。具体的には、例えば、パルス列が１００ｐｓ遅れた位置にあるかを検出して、データを再生する働きをする回路である。この相関器には、一般には、複数のＡ／Ｄ変換器が必要となり、複雑かつ規模の大きい回路が必要となる。このため、ＵＷＢの持つ「送信機が簡単に構成可能」という利点を十分生かすことができない可能性もある。
【００７４】
そこで、ハイブリット構成の高周波送受信回路ＲＦ３を図１７に示す。この構成では、送信だけを図１６で説明したＵＷＢ通信方式で行う（パルスジェネレータＰＧＥＮ１、変調器ＭＯＤ２）。一方、受信は、図１５で説明したＰＳＫやＱＡＭ等の狭帯域の通信方式で行う（受信アンプＰＲＡ３、発振器ＶＣＯ１、復調器ＤＭＯ３）。このようなハイブリット構成により、ＵＷＢの受信には必須であった複雑な相関器が不要になり、回路規模が小さく、かつ、消費電力（〜ＲＦ送信電力）を抑えることができる。このように、図１７に示すハイブリット構成の高周波送受信回路ＲＦ３は、本発明の目的に好適な構成の送受信回路である。
【００７５】
以上のセンサチップを用いて健康管理機器を構成したものを図３に示す。この図において、健康モニタＭＯＮＩＴＯＲ１は、通常、高周波送受信回路（ＲＦ１０）、変復調回路（ＭＯＤ１０、ＤＭＯＤ１０）、プロセッサ（ＣＰＵ１０）、メモリ（ＭＥＭ１０）、表示装置（ＤＩＳＰ１０）から構成される（図１８）。これらの各回路については、本発明に特有なものではないのでここでは詳細な説明は省略する。
【００７６】
ＭＯＮＩＴＯＲ１の動作フローチャートを図１９に示す。データ読み取りルーチン（Ｐ４００）及び、データ受信ルーチン（Ｐ４１０〜４１３）により、ＲＦ１０にて、無線接続ＷＬ１経由でセンサチップからの信号を受信し、ＤＭＯＤ１０にて復調してセンスデータ（ＳＤ１）を取り出す。
【００７７】
以上のようにして復調されたセンスデータのデータ構造を図２０に示す。図２０に示すように、センスデータＳＤ１は、チップＩＤ（ＣＩＤ）、センサＩＤ（ＳＩＤ）、データ（ＤＡＴＡ）の組で構成され、どのチップのどのセンサからのデータなのかを判別できるように構成されている。以下、体調診断ルーチン（Ｐ４２０）にて、体調を診断し、結果表示ルーチン（Ｐ４３０）にて、診断結果をＤＩＳＰ１０上に表示する。なお、図３及び、図１９に示すように、体調診断ルーチンＰ４２０においては、無線接続ＷＬ２にて、携帯電話網あるいはインターネット等の広域ネットワーク網（ＷＡＮ１）上に接続された健康情報データベースサーバ（ＤＳＶ１、ＤＢ１）に接続して、体調情報を照会して、より正確な診断結果を得ることも可能である。
【００７８】
また、図２１に示すように、センサチップの送受信手順を簡素化することも可能である。例えば、図２１（ａ）は、データを検知したらメモリに蓄積せずにそのまま送信する例である。図２１（ｂ）は、チップＩＤ等の識別子データを加えずに、そのまま送信する例である。送受信手続きを簡素化することにより、例えば、メモリ容量を小さくでき、ＣＰＵの機能を削ってチップ面積及び電力を減らすことが可能である。このため、用途によっては、このような構成を取ることもできる。
【００７９】
以上のように、本発明のセンサチップを使用することにより、電池不要な小型かつ軽量のメンテナンスフリーな健康管理機器が実現できる。本発明のセンサチップを用いれば、ユーザが長時間装着することが可能となり、継続的にデータを取得できる健康管理機器が実現できる。また、本発明のセンサチップでは、チップ内にすべてのセンサを内蔵し、検知データは、無線にて外部に送信される。このため、センサと本体を接続するワイヤ等は全く必要がない。このため、非常に使い勝手がよく、ユーザは全く無負荷で本発明のセンサチップをつけて、各自の生体データを長時間継続的に取り続けることが可能である。また、半導体集積回路で作成することにより、大量生産が可能となる。このため、非常に安価な価格で製造することが可能となる。
（実施例２）
実施例１では、ＭＣＰ構成により、本発明のセンサチップを構成する例を説明した。一方、ＭＥＭＳプロセスは半導体プロセス互換であるため、ＭＥＭＳ可変容量コンデンサを、センサ、マイクロプロセッサ等の他の回路とともに、１チップ上に集積することが可能である。ＭＥＭＳ可変容量コンデンサをセンサ、マイクロプロセッサ等の他の回路と混載して形成したセンサチップを図２２に示す。このような構成にしてもセンサチップの小型化を図ることができる。しかし、ＭＥＭＳ可変容量コンデンサに要求される面積は比較的大きい。このため、図２２に示すような構成を採ると、大きなＭＥＭＳ可変容量コンデンサを用いる場合には、センサチップの十分な小型化が図りにくい。
【００８０】
そこで、小型化を図る上でより望ましい態様を図２３（ａ）〜（ｃ）に示す。これらの図において、各回路ＰＣ１、ＰＣ２、ＣＰＵ１は、実施例１で説明したものと同様の構成である。このセンサチップでは、ＭＥＭＳ可変容量コンデンサをチップの裏面（ＳＩＤＥ２）に形成する。すなわち、チップの表面（ＳＩＤＥ１）にセンサ、マイクロプロセッサ等の回路を形成し、チップの裏面（ＳＩＤＥ２）にＭＥＭＳ可変容量コンデンサを形成するという、分離型構造によりセンサチップを形成するものである。このような構造を採用することにより、半導体回路とＭＥＭＳ可変容量コンデンサを同じ面に形成するセンサチップ（図２２）と比較して、チップ面積をより小さくすることができる。
【００８１】
また、チップの裏面にＭＥＭＳ可変容量コンデンサを形成するという上記方法ではなく、ＭＥＭＳ可変容量コンデンサを他のチップ上にあらかじめ形成しておき、そのＭＥＭＳ可変容量コンデンサが形成されているチップと、センサ、マイクロプロセッサ等が形成されているチップとの裏面同士を貼り合わせることにより、上記方法によるものと同程度まで面積を小さくしたセンサチップを実現することもできる。
【００８２】
さらに、図には示さないが、センサ、マイクロプロセッサ等を集積したチップの表面（ＳＩＤＥ１）の上をパッシベーション膜で覆い、その上に、ＭＥＭＳ可変容量コンデンサを形成することによっても、面積をより小さくしたセンサチップを実現することが可能となる。
（実施例３）
実施例１では、図１に示すように、本発明のセンサチップに特有なＭＣＰ構成で、ＭＥＭＳ可変容量を使用した小型発電機、センサ、マイクロプロセッサ、メモリ、高周波回路、電源制御回路等を集積することにより、小型・軽量の健康管理機器を実現できることを示した。一方、これ以外にも、同程度のサイズで、０．１ｍＷ程度の電力を供給可能な発電機または電池が存在する。
【００８３】
例えば、電磁誘導を利用する発電機を用いた実施例を図２４（ａ）、（ｂ）に示す。図２４（ａ）はチップ断面を、また、図２４（ｂ）は、チップ裏面を表している。この発電機は、非特許文献６に開示されているものと同様の構成である。基板ＢＯ２のＳＩＤＥ２面に、中空の領域（＝キャビティ）ＣＡ１を形成する。キャビティＣＡ１内に、永久磁石ＭＡ１、及び、ＭＡ１を基板ＢＯ２に吊すスプリング等の支持材ＳＴ１を装備する。さらに、基板ＢＯ２のＳＩＤＥ２面上に配線パターンによりスパイラルタイプのインダクタＳＬ１を形成する。外部振動により支持材ＳＴ１で保持された永久磁石ＭＡ１が慣性運動を行い、この慣性運動による磁束の変化を電磁誘導の原理により、インダクタＳＬ１により電気エネルギーに変換される。実施例１で説明した本発明の超低消費電力制御方式を併用することにより、実施例１と同様の小型センサチップを実現することができる。
【００８４】
太陽電池ＢＡ３を使用してセンサチップを構成した実施例を図２４（ｃ）、（ｄ）に示す。図２４（ｃ）はチップ断面を、また、図２４（ｄ）はチップ裏面を表している。基板ＢＯ３のＳＩＤＥ２面に太陽電池を搭載する。この図に示すように、太陽電池ＢＡ３は、モールドＭＯ３を露出させる必要がある。もしくは、ＣＨＩＰ１の上部に形成された光学窓ＰＷＩＮ１と同様の素材により、ＢＡ３上に光学窓を形成する必要がある。照射される光の強さにより変動するが、太陽電池自体は、０．０５〜１ｍＷ／ｃｍ２程度の発電能力を有する。使用時には、ある程度の光を照射する必要がある。このため、図２４（ｃ）に示すように、太陽電池ＢＡ３は人体に接触されるＳＩＤＥ１面とは逆のＳＩＤＥ２面に配置されることがより望ましい。
【００８５】
温度差で発電可能なゼーベック素子ＢＡ４を使用した実施例を図２４（ｅ）、（ｆ）に示す。図２４（ｅ）はチップ断面を、また、図２４（ｆ）はチップ裏面を表している。ゼーベック素子は、半導体の一種であるＮ型ＢｉＴｅ及びＰ型ＢｉＴｅから構成されるＰＮ接合からなり、ＰＮ接合に温度差を与えると、起電力（〜２０ｍＶ）が発生するという物理現象を利用して、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する素子である。図２４（ｅ）に示すように、本実施例のセンサチップＳＣＨＩＰ５では、ゼーベック素子による発電機ＢＡ４は、基板ＢＯ４のＳＩＤＥ２面に配置されている。このゼーベック素子の両端は、良好な熱伝導特性を有するヒートスプレッタＨＴ１、ＨＴ２を介して、基板ＢＯ４あるいは外気と熱的に結合され、これらの温度差により発電を行う。このため図２４（ｅ）のように、ヒートスプレッタＨＴ１、ＨＴ２間は、断熱材ＩＮＳ１により熱的に絶縁状態にする必要がある。実使用時には、図３に示すように、ＨＴ１側には人体の体温、ＨＴ２側には外気温という状態で使用され、ユーザの体温と外気温の差を利用して発電を行う。
【００８６】
小型のボタン電池ＢＡ５を使用した実施例を図２４（ｇ）、（ｈ）に示す。図２４（ｇ）はチップ断面を、また、図２４（ｈ）はチップ裏面を表している。図２４（ａ）〜（ｆ）に示す実施例とは異なり、発電機構を持たないため永遠に使用することはできない。しかし、ボタン電池は、時計で使われる小型のものでも２０ｍＡＨ程度の容量（ＬＲ４１）があるため、本発明の低消費電力制御方式と併用すれば、電池交換せずに数年間使用することができる。
【００８７】
以上の実施例のとおり、本発明のセンサチップは、種々の発電機または電池により構成することが可能である。また、これらの異なるタイプの発電機または電池を組み合わせて使用することもできる。
【００８８】
例えば、図１のＭＥＭＳ可変容量型の発電機と、図２４（ｇ）、（ｈ）のボタン電池を組み合わせて使用して、検知動作はＭＥＭＳ可変容量型の発電機からの電力で行い、無線により検知データを外部機器に送信する場合にはボタン電池を補助的な電源として利用するというような、ハイブリット構成にすることも可能である。このようなハイブリット構成のセンサチップを用いれば、到達可能距離を伸ばすことや、送信時間を拡大する、ということがより容易に実現できる。
（実施例４）
以上の実施例では、センサチップに内蔵する微小電力ＲＦ送信回路によりセンサデータを直接、外部機器（例えば、図３の健康管理モニタ）に送信する例を説明した。しかし、実施例１でも説明したように、送信できるＲＦ電力が限られている。このため、外部機器との無線接続距離は、通常、１〜２ｍとされている。さらに、実施例３で説明したようなボタン電池とのハイブリット構成を採用した場合にも、電池寿命を考慮すると、送信電力をむやみに増加させることもできない。この問題を解決する目的で使用するのが、本実施例で説明する小型無線中継チップである。
【００８９】
小型無線中継チップの一実施例を図２５に示す。小型無線中継チップＲＣＨＩＰ１は、例えば、部屋ＲＭ１の床または壁などに設置され、実施例１〜３で説明したようなセンサチップ（ＳＣＨＩＰ１〜３）が送信するパケットデータ（ＰＤ１０〜ＰＤ１３）を受信し、１つにまとめた後に外部機器ＭＡ１０に再度送信（＝中継）する。この無線中継チップを使用して、順次、データを中継して行くことにより、データの到達距離を拡大することができる。
【００９０】
小型無線中継チップのメインチップが配置された面（ＳＩＤＥ１）の構成を図２６に示す。この図では示していないが、チップ面と逆のＳＩＤＥ２面には、通常、図１（ｂ）に示すものと同様のＭＥＭＳ可変容量型発電機チップ、または、図２４（ａ）〜（ｄ）の発電機または電池が、ＭＣＰ構成で１チップ上に集積されている。この他にも、アンテナ、コンデンサその他を集積してもよく、特に電源等を必要とせずに、このチップ単体で動作することが可能である。
【００９１】
図２６のように、本実施例の特徴部分であるＣＨＩＰ５は、マイクロプロセッサＣＰＵ１、メモリＭＥＭ１、高周波送受信回路ＲＦ１、電荷監視回路ＣＷ１、タイマＴＭ１、及び、電源制御回路ＰＣ１から構成される。これらの各回路の構成は、通常、実施例１で説明したセンサチップのメインチップＣＨＩＰ１のものと同様のものである。
【００９２】
小型無線中継チップの動作フローチャートを図２７に示す。実施例１で示したセンサチップと同様の低消費電力動作方式により、通常はスリープ状態Ｐ１１０にあり、タイマＴＭ１、及び、電荷監視回路ＣＷ１からの起動信号により、間欠的に立ち上がり、データ受信Ｐ４１０、データ送信を行う。なお、図２５の動作フローチャートにおいては、データ受信Ｐ４１０を、データ送信Ｐ１２０よりもより高い頻度で起動させる必要がある。これは、あらかじめ余裕を持ってデータ受信をすることにより、センサチップＳＣＨＩＰ１〜３からのデータの取りこぼしを回避するためである。しかし、このように、データ受信Ｐ４１０の起動頻度を密にしたとしても、受信動作は送信動作よりも低消費電力であるので、問題にならない。
【００９３】
また、図２７のＰ３２０ルーチンにおいて、センサチップからのセンサデータに、本無線中継チップの固有のＩＤ（ＲＩＤ２０）を付加することも可能である。次の実施例５で説明するとおり、この中継チップＩＤを受信側で取り出すことにより、どの経路を経由して、データが受信されたのかを認識することが可能になる。
（実施例５）
次に、本発明のセンサチップまたは無線中継チップを用いた応用例について、図２８に従って説明する。
【００９４】
図２８（ａ）は、家電、ゲーム機、ロボット型玩具等の機器（ＥＭ５０）の制御に、本発明のセンサチップを応用した例である。この図に示されるように、ユーザＵＳ５０は、本発明のセンサチップＳＣＨＩＰ５０、５１を、例えば、図３に示す形態で体に装着して機器ＥＭ５０を使用する。機器ＥＭ５０は、本発明のセンサチップＳＣＨＩＰ５０、５１から無線接続ＷＬ５０経由で制御信号を受信するＲＦ５０、及び、受信された制御信号に従って、ＥＭ５０の動作や動作パラメータを設定する、マイクロプロセッサＣＰＵ５０、メモリＭＥＭ５０、表示装置ＤＩＳＰ５０、データベースＤＢ５０、及び、携帯電話網またはインターネット等の広域ネットワーク網に接続するネットワークインタフェースＮＩ５０、さらに、機器ＥＭ５０の移動などに使用されるモーターＭＯ５０から構成される。機器ＥＭ５０には、典型的には、電子ロボット玩具等が想定され、例えば、本発明のセンサチップＳＣＨＩＰ５０、５１で検知されたユーザの情報に応じて、動作を変えることにより、あたかも、ユーザの意図を汲み取って動作しているかのような、高品位の動作が実現できる。
【００９５】
具体的には、本発明のセンサチップ内の脈拍センサあるいはインピーダンスセンサから取得された脈拍情報、ＧＳＲ情報を元に、ＣＰＵ５０にて、ユーザの感情あるいは心理状態を推定する。ユーザが悲しんでいると判断した場合には、モーター５０を起動してなぐさめる等の動作を行う。また、ユーザが緊張状態にあると判断した場合には、緊張を和らげる鳴声をスピーカＳＰ５０から発声させる等の行動を行う。この他にも、センサチップ内の加速度センサにより検知されたユーザの手振り等の動き情報により、例えば、ユーザの意図する方向を向く等の動作をさせることが可能である。さらに、この手振り等の情報を、家電機器へのボタン入力の代りとして利用することも可能である。このように、本センサチップの応用範囲を非常に広い。
【００９６】
なお、ここで説明したのは代表的な一実施例であり、ユーザの生体情報により家電機器の制御するような応用例、例えば、ユーザの体温に応じてエアコンの冷房設定を変えるといった用途等にも、本発明のセンサチップは応用可能である。
【００９７】
センサチップ及び無線中継チップを、サッカー等のスポーツ競技の記録に応用した一実施例を図２８（ｂ）に示す。この実施例では、サッカー選手ＵＳ６０は、足などに本発明のセンサチップ（ＳＣＨＩＰ６０、ＳＣＨＩＰ６１）を装着している。ＳＣＨＩＰ６０、６１において検知された情報は、サッカー競技場ＰＩ６０内に規則的に設置された、本発明の無線中継チップＲＣＨＩＰ６０〜６４により受信され、実施例４で説明したとおり、無線中継チップのＩＤを付加されて、最終的には、基地局ＢＳＴＡ６０において受信される。基地局ＢＳＴＡ６０は、無線中継チップＲＣＨＩＰ６０〜６４から、無線接続ＷＬ６０経由でセンスデータを受信するＲＦ６０、センスデータを解析して、選手の動きまたは脈拍等の健康状態を解析する、マイクロプロセッサＣＰＵ６０、メモリＭＥＭ６０、データベースＤＢ６０、及び、携帯電話網、インターネット、または、専用ネットワーク網等の広域ネットワークＷＡＮ６０に接続するための、ネットワークインタフェースＮＩ６０から構成される。基地局ＢＳＴＡ６０では、パケットデータの解析を行い、無線中継チップにおいて付加された中継チップのＩＤからセンサチップの発信場所を特定し、各選手が現在競技場のどの地点にいるかをリアルタイムで解析する。同時に、検知された脈拍等の生体情報から各選手の疲労度が推定でき、例えば、選手交代等の判断に使用することも可能である。さらに、広域ネットワークＷＡＮ６０経由で、解析された情報を転送することにより、ＷＡＮに接続された、例えば、ＢＳ６０等のテレビ放送局でテレビ放送等に活用することが可能である。
【００９８】
なお、ここで説明したのはサッカー競技だけであるが、その他のスポーツ競技にも使用可能であることは言うまでもない。このように、本発明のセンサチップ及び、無線中継チップを活用することにより、スポーツ競技において、各選手の位置をリアルタイムでモニタすることが可能となる。なお、従来から、ＲＦＩＤチップを使用してマウス等の実験動物の動きを検出する装置は提案されている。しかし、サッカー競技場のような広いエリアで使用するには、高価なＲＦＩＤリーダーが大量に必要になる。また、莫大な電力を消費するという問題がある。これに対して、本発明のセンサチップ／無線中継チップは非常に低消費電力で実現可能である。このように、本発明のセンサチップ／無線中継チップを使用することにより、実用的なスポーツ競技記録装置を提供することができる。
【００９９】
食品流通管理向けに、本発明のセンサチップを使用した一実施例を図２８（ｃ）に示す。この図に示されるように、食品ＦＯＯＤ７０に本発明のセンサチップを付加する。食品ＦＯＯＤ７０は、典型的には、ワインあるいはビール等が想定される。この図に示されるように、本発明のセンサチップは、ワインビンまたはビールビン等に添付され、実施例１で説明したように、ある一定期間でセンサを起動して、内蔵温度センサにより温度を継続的に測定し、メモリＭＥＭ７０上に蓄積する。最終的に、消費者の手元に渡った段階にて、リーダーＲＥＡＤＥＲ７０にて、メモリに蓄積された情報を読み取る。ＲＥＡＤＥＲ７０は、センサチップから無線接続ＷＬ７０にて、検知データを読み取るＲＦ７０、及び、読み取られたデータを解析して表示するマイクロプロセッサＣＰＵ７０、メモリＭＥＭ７０、表示装置ＤＩＳＰ７０から構成される。このＲＥＡＤＥＲ７０には、ネットワーク装置ＮＩ７０を内蔵することも可能であり、ＮＩ７０経由で、携帯電話網またはインターネット等の広帯域ネットワーク網ＷＡＮ７０を経由して、データ管理サーバＳＶ７０内のデータベースＤＢ７０にアクセスすることが可能である。すなわち、受信されたセンサチップのチップＩＤを、サーバＳＶ７０内のデータベースＤＢ７０に照会することにより、ユーザの手元にてＦＯＯＤ７０の生産者情報等を得ることができる。
【０１００】
なお、従来から、ＲＦＩＤと電池を備えた装置を使用すれば、ビール樽の流通管理その他が実現可能である。しかし、本発明のセンサチップと違い、ワインビンまたはビールビンに添付可能な程度にサイズを小さくすることは困難であった。さらに、電池により動作電源を賄うため、電池が切れた場合にはデータが取得できない恐れがあり、その結果、データを収集できる期間も限られている。このため、飲食店等で業務用に使用されるビール樽等の、比較的短期間で回収されるものにしか使用することができなかった。これに対して、本発明のセンサチップを使用すれば、ワインビンなどの比較的小さいものにも添付可能であり、また、長期間センス可能であるため、業務用ビール樽以外にも様々な用途に応用可能である。
【０１０１】
以上、本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、上記実施例では、送受信回路を有するセンサチップについて具体的に説明したが、無線による受信の必要がないセンサチップである場合には、送受信回路のうち送信回路を備えていればよい。したがって、このようなセンサチップにおいては、受信回路を省略することができる。
【０１０２】
また、上記実施例では、センサとして、温度センサＴＤ１、加速度センサＡＳ１、赤外／赤色光センサＰＤ１、及び、インピーダンスセンサＧＳ１を備えたセンサチップについて具体的に説明したが、必ずしも、これらのセンサを全て備えている必要はない。目的に応じて、上記各センサの一部のみを備えているもの、または、上記各センサ以外のセンサを利用するものであってもよい。
【０１０３】
また、上記実施例では、センサチップを主に人間に利用することを前提として説明したが、必ずしも人間を対象とするだけでなく、犬、猫等その他の動植物を対象とすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】本発明のセンサチップの望ましい一実施形態を示す図。
【図２】図１に示すセンサチップの断面図。
【図３】実施例１で説明する、本発明のセンサチップを用いた健康管理機器。
【図４】本発明のセンサチップにおける可変容量コンデンサの静電容量が外部振動により変化した場合の電圧変化と静電エネルギーの増加分を示す図。
【図５】図４に示す静電エネルギーの増加分を回収して電力に変える電力回収回路の構成図。
【図６】図５に示す電力回収回路の動作を説明する図。
【図７】本発明のセンサチップの動作概要を示す図。
【図８】本発明のセンサチップから外部機器に送信されるデータ形式を示す図。
【図９】本発明のセンサチップの一部をなす、電源制御回路、タイマ回路、電荷監視回路の構成図。
【図１０】図９に示す電源制御回路により実現される低消費電力動作方式を示す図。
【図１１】図９に示す電源制御回路のレギュレータＲＧ１の構成図。
【図１２】本発明のセンサチップの一部をなす、温度センサ、加速度センサ、インピーダンスセンサ、脈拍センサの構成を示す図。
【図１３】本発明のセンサチップの一部をなす選択機能付きＡ／Ｄ変換回路の構成図。
【図１４】図１３に示す選択機能付きＡ／Ｄ変換回路で用いるマルチプレクサの構成図。
【図１５】本発明のセンサチップの一部をなす高周波送受信回路、高周波切替スイッチの構成図。
【図１６】本発明のセンサチップの一部をなす高周波送受信回路の第２の構成図。
【図１７】本発明のセンサチップの一部をなす高周波送受信回路の第３の構成図。
【図１８】図３の健康管理機器で使用する、携帯型健康モニタの構成の一例を示す図。
【図１９】図１８に示す携帯型健康モニタにおける処理の流れの概要を示す図。
【図２０】本発明のセンサチップが外部機器に送信するパケットデータの一例を示す図。
【図２１】本発明のセンサチップの検知データ送信方法についての別の例を示す図。
【図２２】実施例２で説明する、コンデンサ、インダクタ、ＬＥＤ以外を１つの半導体集積回路にて構成したセンサチップの一例を示す図。
【図２３】実施例２で説明する、コンデンサ、インダクタ、ＬＥＤ以外を１つの半導体集積回路にて構成したセンサチップついての別の一例を示す図。
【図２４】実施例３で説明する、センサチップの一部をなす電力発生器の構成例を示す図。
【図２５】実施例４で説明する、無線中継チップによる検知データの中継の概念を示す図。
【図２６】実施例４で説明する、無線中継チップの構成例を示す図。
【図２７】図２６に示す無線中継チップの動作例の概要を示す図。
【図２８】実施例５で説明する、本発明のセンサチップ及び無線中継チップの応用例を示す図。
【符号の説明】
【０１０５】
ＳＣＨＩＰ１，ＳＣＨＩＰ２，ＳＣＨＩＰ３，ＳＣＨＩＰ４，ＳＣＨＩＰ５，ＳＣＨＩＰ６，ＳＣＨＩＰ１０，ＳＣＨＩＰ１１，ＳＣＨＩＰ１２，ＳＣＨＩＰ５０，ＳＣＨＩＰ５１，ＳＣＨＩＰ６０，ＳＣＨＩＰ６１，ＳＣＨＩＰ６２，ＳＣＨＩＰ６３，ＳＣＨＩＰ６４，ＳＣＨＰ７０…センサチップ、
ＣＨＩＰ１，ＣＨＩＰ２，ＣＨＩＰ３，ＣＨＩＰ４…半導体集積回路、
ＣＭ１…可変容量コンデンサ、
ＣＰＵ１…マイクロプロセッサ、
ＡＤ１…Ａ／Ｄ変換回路、
ＭＥＭ１…メモリ、
ＰＣ１…電源供給回路、
ＲＦ１，ＲＦ２，ＲＦ３…高周波送受信回路、
ＴＤ１…温度センサ、
ＡＳ１…加速度センサ、
ＰＤ１…赤外／赤色光センサ、
ＭＡ１…永久磁石、
ＢＡ３…太陽電池、
ＢＡ４…ゼーベック素子、
ＢＡ５…ボタン電池、
ＲＣＨＩＰ１，ＲＣＨＩＰ６０，ＲＣＨＩＰ６１，ＲＣＨＩＰ６２，ＲＣＨＩＰ６３，ＲＣＨＩＰ６４…無線中継チップ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサと、
上記センサにより検知したデータを処理するマイクロプロセッサと、
上記処理されたデータを外部へ無線送信する送信回路と、
上記センサ、上記マイクロプロセッサ、上記送信回路に電力を供給するための電力発生装置と、
上記電力発生装置からの電力の供給を制御する電源制御回路と、を有し
上記電源制御回路は、上記センサ、上記マイクロプロセッサ、及び上記送信回路に間欠的に電力を供給し、
上記センサ、上記マイクロプロセッサ、及び上記送信回路は上記電力の供給を受けて動作する半導体装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置において、
上記センサにより検知したデータを格納するメモリをさらに有し、
上記送信回路は、上記メモリに格納されたデータをまとめて無線送信する半導体装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の半導体装置において、
タイマをさらに有し、
上記電源制御回路は、上記タイマにより設定された時間間隔で上記センサ、上記マイクロプロセッサ、及び上記送信回路に電力を供給する半導体装置。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れかに記載の半導体装置において、
上記電力発生装置からの電力を蓄電するコンデンサをさらに有し、
上記電源制御回路は、上記コンデンサに蓄電された電力を上記センサ、上記マイクロプロセッサ、及び上記送信回路に供給する半導体装置。
【請求項５】
請求項４に記栽の半導体装置において、
上記コンデンサに蓄電された電力を監視する電荷監視回路をさらに有し、
上記電荷監視回路が上記コンデンサに十分な電力が蓄電されたと判断した場合に、上記電源制御回路は上記コンデンサに蓄電された電力を上記センサ、上記マイクロプロセッサ、及び上記送信回路に供給する半導体装置。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れかに記載の半導体装置において、
上記センサは、加速度センサである半導体装置。
【請求項７】
請求項１乃至５の何れかに記載の半導体装置において、
上記センサは、赤色光または赤外光を透過する物質で覆われている光学センサである半導体装置。
【請求項８】
請求項１乃至７の何れかに記載の半導体装置において、
上記電力発生装置は、ボタン電池である半導体装置。
【請求項９】
請求項１乃至７の何れかに記載の半導体装置において、
上記電力発生装置は、光エネルギーを利用して発電するものである半導体装置。
【請求項１０】
請求項３乃至７の何れかに記載の半導体装置において、
上記センサにより検知した信号を増幅してディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路をさらに有し、
上記センサ、上記マイクロプロセッサ、上記送信回路、上記メモリ、及び上記Ａ／Ｄ変換回路は、一つの半導体基板の上に形成されている半導体装置。
【請求項１】
センサと、
上記センサにより検知したデータを処理するマイクロプロセッサと、
上記処理されたデータを外部へ無線送信する送信回路と、
上記センサ、上記マイクロプロセッサ、上記送信回路に電力を供給するための電力発生装置と、
上記電力発生装置からの電力の供給を制御する電源制御回路と、を有し
上記電源制御回路は、上記センサ、上記マイクロプロセッサ、及び上記送信回路に間欠的に電力を供給し、
上記センサ、上記マイクロプロセッサ、及び上記送信回路は上記電力の供給を受けて動作する半導体装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置において、
上記センサにより検知したデータを格納するメモリをさらに有し、
上記送信回路は、上記メモリに格納されたデータをまとめて無線送信する半導体装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の半導体装置において、
タイマをさらに有し、
上記電源制御回路は、上記タイマにより設定された時間間隔で上記センサ、上記マイクロプロセッサ、及び上記送信回路に電力を供給する半導体装置。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れかに記載の半導体装置において、
上記電力発生装置からの電力を蓄電するコンデンサをさらに有し、
上記電源制御回路は、上記コンデンサに蓄電された電力を上記センサ、上記マイクロプロセッサ、及び上記送信回路に供給する半導体装置。
【請求項５】
請求項４に記栽の半導体装置において、
上記コンデンサに蓄電された電力を監視する電荷監視回路をさらに有し、
上記電荷監視回路が上記コンデンサに十分な電力が蓄電されたと判断した場合に、上記電源制御回路は上記コンデンサに蓄電された電力を上記センサ、上記マイクロプロセッサ、及び上記送信回路に供給する半導体装置。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れかに記載の半導体装置において、
上記センサは、加速度センサである半導体装置。
【請求項７】
請求項１乃至５の何れかに記載の半導体装置において、
上記センサは、赤色光または赤外光を透過する物質で覆われている光学センサである半導体装置。
【請求項８】
請求項１乃至７の何れかに記載の半導体装置において、
上記電力発生装置は、ボタン電池である半導体装置。
【請求項９】
請求項１乃至７の何れかに記載の半導体装置において、
上記電力発生装置は、光エネルギーを利用して発電するものである半導体装置。
【請求項１０】
請求項３乃至７の何れかに記載の半導体装置において、
上記センサにより検知した信号を増幅してディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路をさらに有し、
上記センサ、上記マイクロプロセッサ、上記送信回路、上記メモリ、及び上記Ａ／Ｄ変換回路は、一つの半導体基板の上に形成されている半導体装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【公開番号】特開２００８−１７３４６２（Ｐ２００８−１７３４６２Ａ）
【公開日】平成２０年７月３１日（２００８．７．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３１６８１７（Ｐ２００７−３１６８１７）
【出願日】平成１９年１２月７日（２００７．１２．７）
【分割の表示】特願２００２−１８５４５０（Ｐ２００２−１８５４５０）の分割
【原出願日】平成１４年６月２６日（２００２．６．２６）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年７月３１日（２００８．７．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月７日（２００７．１２．７）
【分割の表示】特願２００２−１８５４５０（Ｐ２００２−１８５４５０）の分割
【原出願日】平成１４年６月２６日（２００２．６．２６）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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