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発明の名称 半導体集積回路、無線タグ及びセンサ
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−40702(P2007−40702A)
公開日 平成19年2月15日(2007.2.15)
出願番号 特願2005−221660(P2005−221660)
出願日 平成17年7月29日(2005.7.29)
代理人 【識別番号】100090620
【弁理士】
【氏名又は名称】工藤 宣幸
発明者 小久保 正一
要約 課題
安定的な動作を保証し、小型化・薄型化が可能であり、温度管理上のセンサの偽装を防止することができる半導体集積回路、無線タグ及びセンサを提供する。

解決手段
かかる課題を解決するため、本発明の半導体集積回路は、発振回路からの発振周波数の変化に基づいて温度を測定する半導体集積回路において、発振回路の容量が強誘電体であり、強誘電体の温度変化によって変化する誘電特性に基づいて、発振周波数を変化させることを特徴とする。
特許請求の範囲
【請求項1】
発振回路からの発振周波数の変化に基づいて温度を測定する半導体集積回路において、上記発振回路の容量が強誘電体であり、上記強誘電体の温度変化によって変化する誘電特性に基づいて、上記発振周波数を変化させることを特徴とする半導体集積回路。
【請求項2】
上記強誘電体は、少なくとも上記発振回路と同一基板上に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体集積回路。
【請求項3】
赤外線センサに強誘電体が設けられ、上記強誘電体が入射した赤外線により発熱し、その発熱による分極電荷量の変化を検出することで、入射する赤外線の遮断の有無を確認させることができる半導体集積回路。
【請求項4】
請求項3に記載の半導体集積回路は、上記赤外線センサを赤外線の入射用の窓つきのパッケージに封止したことを特徴とする半導体集積回路。
【請求項5】
請求項3に記載の半導体集積回路は、集積回路の裏面をエッチングすることにより、赤外線入射口を形成したことを特徴とする半導体集積回路。
【請求項6】
センサを搭載した半導体集積回路を備えた無線タグにおいて、上記半導体集積回路が請求項1〜5のいずれかに記載の半導体集積回路であることを特徴とする無線タグ。
【請求項7】
強誘電体の温度変化によって変化する誘電特性に基づいて、直接的又は間接的に感知対象を感知することを特徴とするセンサ。
【請求項8】
上記強誘電体が発振回路の容量として使用され、温度変化による誘電率の変化により発振周波数を変化させることで温度を感知することを特徴とする請求項7に記載のセンサ。
【請求項9】
上記強誘電体が、入射した赤外線により発熱し、その発熱による分極電荷量の変化を検出することで、入射する赤外線の遮断の有無を確認することを特徴とする請求項7に記載のセンサ。



発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体集積回路、無線タグ及びセンサに関し、例えば、物品等の温度を感知することができ、物品等に簡単に取り付けることができるICカードやICタグなどの無線タグ、半導体集積回路、及びセンサに適用し得る。
【背景技術】
【0002】
従来、温度センサは主にサーミスタが用いられていた。それ故、物流などで物品の温度管理をするために温度センサ付きの回路を物品に付与する際、温度履歴管理用に用いられるICカード、ICタグに、温度センサを内蔵することはできずに外付け部品となっていた。
【0003】
図2は、サーミスタを温度センサとした場合の従来の回路構成例を示す。図2において、従来の回路は、集積回路内部に少なくとも、2系統のCR発振回路100、CR発振式アナログ−デジタル回路200を有し、集積回路の端子に、基準抵抗311、発振用コンデンサ312、サーミスタ313及び抵抗314が接続されている。そして、CR発振回路100が、接続する部品の温度による抵抗あるいは容量の変化によって変動するCR発振周波数を発振し、CR発振式アナログ−デジタル回路200が、CR発振周波数に基づくCR発振クロックをカウントすることで抵抗値あるいは容量値をデジタル値に変換する。そのデジタル値は図示しないCPUなどに与えられて対応する温度が特定されて管理される。なお、CR発振回路100を2系統としたのは、例えばICカード等の表と裏の両面の温度を2点測定する必要がある場合にも対応できるようにしている。
【0004】
また、特許文献1には、温度に依存して共振周波数が変化する共振回路を有するセンサとして構成された温度センサを用いた温度測定システムが開示されている。
【0005】
【特許文献1】特開2001−144683号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、図2において、サーミスタ313は集積回路内に作りこむことは不可能であり、図2に示す回路構成ではICカード、ICタグに外付け部品として取り付けなければならず、コストの上昇や物品への実装の困難性が問題となる。
【0007】
また、サーミスタは外部部品であるため、サーミスタ自体を他の抵抗体などへ取り替えられ、温度履歴管理上偽装がなされるおそれなどの問題があった。
【0008】
また、特許文献1の温度測定システムは、温度測定装置が、無線タグに向けて電波を発し、温度センサの共振周波数を検知し、その共振周波数に対応する温度を特定することが開示されている。このとき、特許文献1の温度測定装置は、電波の周波数をスイープさせることにより放出する電波の周波数を変化させることが必要となる。そのため、設定された電力が無線タグ側に供給されない可能性があり、無線タグ内の回路が安定して動作しないおそれがある。
【0009】
そこで、上記の課題に鑑み、安定的な動作を保証し、小型化・薄型化が可能であり、温度管理上のセンサの偽装を防止することができる半導体集積回路、無線タグ及びセンサが求められている。
【課題を解決するための手段】
【0010】
かかる課題を解決するため、第1の本発明の半導体集積回路は、発振回路からの発振周波数の変化に基づいて温度を測定する半導体集積回路において、発振回路の容量が強誘電体であり、強誘電体の温度変化によって変化する誘電特性に基づいて、発振周波数を変化させることを特徴とする。
【0011】
第2の本発明の半導体集積回路は、赤外線センサに強誘電体が設けられ、強誘電体が入射した赤外線により発熱し、その発熱による分極電荷量の変化を検出することで、入射する赤外線の遮断の有無を確認させることができる。
【0012】
第3の本発明の無線タグは、センサを搭載した半導体集積回路を備えた無線タグにおいて、半導体集積回路が第1又は第2の本発明の半導体集積回路であることを特徴とする。
【0013】
第4の本発明のセンサは、強誘電体の温度変化によって変化する誘電特性に基づいて、直接的又は間接的に感知対象を感知することを特徴とするセンサ。
【発明の効果】
【0014】
本発明の半導体集積回路、無線タグ及びセンサによれば、安定的な動作を保証し、小型化・薄型化が可能であり、温度管理上のセンサの偽装を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0015】
(A)第1の実施形態
以下、本発明の半導体集積回路、無線タグ及びセンサの第1の実施形態について図面を参照して説明する。
【0016】
本実施形態は、温度センサを搭載した半導体集回路を備える無線タグを物品に備え付けて、その物品に対する温度管理を行なうシステムに適用した場合を示す。
【0017】
(A−1)第1の実施形態の構成
図3は、物品に備え付けられた無線タグとリーダライタ装置との関係を示すイメージ図である。図3に示すように、物品1には、後述する、強誘電体薄膜キャパシタを温度センサとして同一基板上に有する半導体集積回路を持つ無線タグ2が備え付けられている。
【0018】
リーダライタ装置3は、所定帯域の無線電波を利用して無線タグ2との間で情報の送受信をし、無線タグ2に対して温度測定開始指示したり、無線タグ2が格納している又は測定した温度情報を読み込んだりするものである。また、リーダライタ装置3は、据置式、カード式、携帯式など種々の形態のものを適用することができる。
【0019】
リーダライタ装置3と無線タグ2との間の通信方式は、特に限定されず種々の通信方式を適用することができ、例えば、国際標準化機構が推進するISO15693等で規格された13.56MHz帯周波数を用いた方式を適用できる。
【0020】
図4は、無線タグ2の内部構成例を示したブロック図である。図4に示すように、本実施形態の無線タグ2は、CPU21、メモリ22、アンテナ部23、温度センサ24、CR発信器25、アナログ/デジタル(A/D)変換器26を少なくとも有する。CPU21は、無線タグ2の機能を司るものであり、メモリ22は、例えば、ROM、RAM、不揮発性の書き換え可能メモリ等を適用できる。
【0021】
温度センサ24、CR発振器25、A/D変換器26は、同一基板上の半導体集積回路として構成することができる。勿論、CPU21やメモリ22なども同一基板上に設けることも可能である。つまり、従来のように、温度センサを外部部品とするのではなく、同一基板上に設けることができるので、システムの小型化、温度センサの取替え等による偽装を防止できる。
【0022】
以下では、本実施形態の無線タグ2が備える温度センサ24、CR発振器25、A/D変換器26の構成について図面を参照しながら詳細に説明する。
【0023】
図1は、温度センサ、CR発振器、A/D変換器を同一基板上に備えた半導体集積回路の回路図である。なお、図1のCR発振器及びA/D変換器の回路は、図2に示す従来の回路に対応するものを適用できるので、対応する部品については対応する符号を付して示す。
【0024】
図1に示すように、2系統のCR発振回路100、A/D変換器200が同一基板上にあり、CR発振回路100には、基準抵抗31、基準キャパシタ32、強誘電体薄膜キャパシタ33、発振用抵抗34が接続される。
【0025】
また、少なくとも強誘電体薄膜キャパシタ33は、CR発振回路100及びA/D変換器200の半導体集積回路内の同一基板上に形成される。なお、CR発振回路100に接続する他の部品類は、半導体集積回路内部あるいは外部のいずれで形成されても良い。
【0026】
本実施形態では、温度センサ24として、CR発振回路100の容量に強誘電体薄膜キャパシタ33を使用する。例えばICカード等には近年強誘電体メモリが採用されており、強誘電体薄膜キャパシタを形成するプロセスが使用されているため、特別な工程を追加することなく容易に強誘電体薄膜キャパシタを追加できる。
【0027】
ここで、強誘電体薄膜キャパシタ33には様々な種類があるが、本実施形態では、鉛を含まない強誘電体メモリ材料として注目されているSrBi2Ta209(SBT)を例にあげて説明する。
【0028】
強誘電体薄膜キャパシタ33は、組成、電極、焼成温度他いろいろなパラメータにより特性が変化するが、全般的にキュリー温度(Tc)をピークに誘電率が温度に応じて変化する特性がある。
【0029】
図5は、SrBi2Ta209(SBT)の誘電率の温度特性を示す図である。図5に示すように、例えば、SrBi2Ta209(SBT)は、20℃では約180程度の誘電率があり、60℃では約200程度の誘電率があるので、20℃と60℃と間の40℃の温度差で約10%以上の誘電率の変化がみられる。
【0030】
そこで、本実施形態では、このような温度特性のある強誘電体薄膜キャパシタ33をCR発振回路100の容量として使用し、温度変化により変化する誘電率の変動によりCR発振周波数も変化するから、CR発振回路100で発振させるCR発振クロックの周波数も変化させることができる。そして、A/D変換器200が抵抗値あるいは容量をデジタル化することで、その後の温度管理をデジタルで管理することができる。
【0031】
CR発振回路100は、接続する基準抵抗31、基準キャパシタ32、強誘電体薄膜キャパシタ33、発振用抵抗34の容量あるいは抵抗の変化によって変化するCR発振周波数を発振させ、A/D変換器200に与えるものである。
【0032】
A/D変換器200は、CR発振式A/D変換器であり、所定時間内で、CR発振回路100から与えられたCR発振周波数に基づくCR発振クロックをカウントし、抵抗値あるいは容量値をデジタル化するものである。なお、A/D変換器200は、CR発振クロックのカウント値を図示しないCPU21に与える。
【0033】
また、図1に示すように、A/D変換器200は、基準カウンタ201、測定カウンタ202、ADCコントロールレジスタ203、デコーダ204、Enable AD−Cレジスタ205、OR回路206、同期回路207、微分器208及び209、出力回路210、入力回路211、Select AD−C intレジスタ212、AND回路213、OR回路214を有して構成される。
【0034】
(A−2)第1の実施形態の動作
次に、図1に示す半導体集積回路における動作について図面を参照して説明する。
【0035】
A/D変換器200の動作について図6の動作波形を参照して説明する。
【0036】
A/D変換器200は、CR発振回路100に接続される抵抗あるいは容量の変化によって変化するCR発振周波数に基づくCR発振クロック(OSC clock)をカウントし、抵抗値あるいは容量値をデジタル値に変換するものである。
【0037】
ここで、CR発振回路100のCR発振周波数foscclkとCR定数との関係は、以下の式で表される。
【0038】
1/foscclk=toscclk=koscclk・C・R…(1)
ここで、koscclkは、電源電圧、基準抵抗、構成するトランジスタなどから決まる比例定数をいう。
【0039】
まず、基準カウンタ201に所望のゲート時間となるようカウンタ値(ここではnA0とする)を設定する。なお、ゲート時間は、システムクロック(System_C1ock)とカウント値(カウンタ最大値nA0)との積であらわされる。また、測定カウンタ202の値を“0”にプリセットする。
【0040】
次に、ADCコントロールレジスタ203を所望の発振モードに設定することで、デコーダ204に発振モードが決まり、発振に用いられる抵抗及びキャパシタが選択される。発振モードは、図示しないCPUを通じた操作により設定可能としてよい。
【0041】
そこで、EnableAD−Cレジスタ205をセットすると、EnableAD−Cレジスタ205からの出力がOR回路206及び同期回路207に与えられる。そして、同期回路207からのCRON信号がAND回路213でシステムクロックに同期してセットされ、システムクロックにより基準カウンタ201はカウントアップを開始する。
【0042】
また、同期回路207からCRON信号がCR発振回路100に与えられると、CR発振回路100は動作を開始する。
【0043】
ここで、CR発振回路100の動作について図面を参照して説明する。図7は、CR発振の動作開始を示す概略的な回路図であり、図8はCR発振回路100における動作波形図である。
【0044】
図7において、A/D変換器200から変換開始信号(CRON信号)が入力されると、図7(A)から図7(B)のように変換してCR発振周波数を発振させる。
【0045】
図8に示すように、CR発振回路100にCRON信号が与えられると(図7(ア))、インバータ101を通じて抵抗34に電流が流れ、CR発振周波数が発振される(図7(イ))。そして、基準抵抗31の抵抗値に達するとインバータ102に信号が通り、インバータ102から反転した信号が出力され(図7(ウ))、インバータ103からさらに反転した信号が出力されると(図7(エ))、図7(イ)の抵抗値が下がりCR発振波形を形成する。なお、図7(ウ)の信号がA/D変換器200に与えられる。
【0046】
図1に戻り、同期回路207からCRON信号がCR発振回路100に与えられ、CR発振回路100が動作を開始すると、CR発振周波数がCR発振回路100から入力回路211に与えられる。
【0047】
そして、入力回路211からの出力がCR発振クロックとして測定カウンタ202に与えられ、測定カウンタ202はCR発振クロックのカウントを開始する。
【0048】
ゲート時間経過後(本実施形態では、nA0+1〜FFFFをゲート時間とする)、基準カウンタ201はオーバーフローしてオーバーフローフラグをセットし、その信号によりCR発振は停止し、測定カウンタ202もカウントを停止する。
【0049】
図6において、測定カウンタ202のカウント値nB0は、ゲート時間中のCR発振クロックのカウント値であり、CR発振クロックの周波数に比例したものとなる。
【0050】
ここで、CR発振回路100自体を構成するトランジスタ等にも温度よる特性変化があるため、同じ容量、抵抗の場合でも周波数が変化してしまう。そのため、その温度センサではない、温度による特性変化を有しない基準抵抗、基準容量をその都度発振させ周波数を測定し、CR発振回路100の温度特性を相殺させる。
【0051】
ところが、本実施形態では、温度センサとしてCR発振回路100の容量に強誘電体薄膜キャパシタ33を使用するため、強誘電体薄膜キャパシタ33の誘電率の温度特性により、CR発振周波数もそれに比例して変動するため、温度センサとして機能させることができる。
【0052】
また、本実施形態では表、裏などの温度を測定することは不可能になるが、半導体集積回路内で発熱する箇所がある場合、離れた2箇所の温度を測定することで平均化できるようになるので、例ではCR発振回路を2系統のままとした。
【0053】
(A−3)第1の実施形態の効果
以上のように、第1の実施形態によれば、半導体集積回路内部の強誘電体薄膜キャパシタをCR発振式A/D変換回路に接続したことで、集積回路外部のサーミスタなどの温度センサを不要にできる。その結果、従来のように外部部品が不要になり、商品のコストを下げることが可能になる。また、本実施形態によれば、ICカード、ICタグなどの製品では形状の薄型化、小型化が重要な要件であり、これも容易に実現することが可能になる。
【0054】
(B)第2の実施形態
次に、本発明の半導体集積回路、無線タグ及びセンサの第2の実施形態について図面を参照して説明する。
【0055】
第2の実施形態も、強誘電体薄膜キャパシタを用いる点で第1の実施形態と共通する。しかし、第1の実施形態では、強誘電体薄膜キャパシタが触れる温度を直接的に感知するのに対して、第2の実施形態では、強誘電体薄膜キャパシタが赤外線を受光することにより熱を発生しその熱により強誘電体の分極が減少する。そして、その分極の減少からキャパシタの電極に電圧が発生することをセンサとして利用する。
【0056】
図9は、第2の実施形態に係る回路構成図を示す。図9に示す回路は、1つの半導体集積回路上に形成されるものである。
【0057】
図9示すように、本実施形態の半導体集集積回路は、並列比較式A/D変換器400、赤外線センサ500、アンプ600、出力電圧変化検出回路700を少なくとも備える。
【0058】
並列比較式A/D変換器400は、アンプ600を通じて受け取った赤外線センサ500の出力をデジタル化するものである。なお、本実施形態では、赤外線センサ500からの出力が電圧であるため、並列比較式A/D変換器400を適用したが、電圧変換式であれば他のA/D変換器を適用しても良い。
【0059】
赤外線センサ500は、直列に接続された強誘電体薄膜キャパシタ501、それに並列に接続された抵抗502、インピーダンス変換用のFET503を有して構成される。
【0060】
ここで、図10は、本実施形態の赤外線受光用窓を有したパッケージの例を示す。また、図11は、本実施形態の集積回路例の断面図である。図10に示すように、本実施形態の半導体集積回路は、例えばガラス等でなる赤外線の受光窓10aで封止し、その受光窓10aから入射した赤外線が、強誘電体薄膜キャパシタ501に照射し熱を発生させることができる構成である。また、例えば、ICカードやICタグ等のように実装上薄くなくてはならないものの場合には、図11に示すように、集積回路裏面に、例えばシリコン基板をエッチングするなどして赤外線の入射口10bを形成するようにしても良い。
【0061】
また、図12は、強誘電体薄膜キャパシタ501への赤外線入射と出力電圧との関係を示す関係図である。
【0062】
一般に、強誘電体薄膜キャパシタ501は、赤外線があたると熱が発生し、その熱により強誘電体の分極が減少する。そのため、図12(a)に示すように、分極の減少から強誘電体薄膜キャパシタの電極に電圧が発生する。また、強誘電体薄膜キャパシタ501への赤外線照射をやめると熱の発生をやめ、強誘電体の分極が増加する。そのため、図12(b)に示すように、分極の増加から強誘電体薄膜キャパシタの電極に電圧が減少する。
【0063】
そこで、本実施形態では、この強誘電体薄膜キャパシタ501への赤外線照射に係る熱の変化に応じた出力電圧の変化を検知することで、間接的なセンサとして機能させるものとする。
【0064】
アンプ600は、赤外線センサ500からの出力電圧を増幅して、並列比較式A/D変換器400及び出力電圧変化検出回路700に与えるものである。これにより、強誘電体薄膜キャパシタ501からの出力電圧を所望の倍率に増幅することができる。なお、アンプ60による出力電圧の増幅率は、強誘電体薄膜キャパシタの材料や検知したい対象物、パッケージなどにより調整することができる。
【0065】
出力電圧変化検出回路700は、アンプ600を通じて赤外線センサ500の出力を受け取り、赤外線センサ500の出力電圧が変化したことを検出すると出力するものである。また、出力電圧変化検出回路700は、赤外線センサ500の出力変化を検出すると、A/D変換割り込み(ADINT)を発生させて、A/D変換を行い温度の変化を記録させる。
【0066】
(B−3)第2の実施形態の効果
以上のように、本実施形態によれば、サーミスタ、サーモパイルなどの外つけセンサの替わりに強誘電体薄膜キャパシタで焦電式の赤外線センサを構成することで外つけ部品を不要にすることができる。
【0067】
さらに、本実施形態によれば、強誘電体薄膜キャパシタを発振に用いたりしないため、キャパシタは分極反転をすることはなく、キャパシタ特性の劣化しないセンサを実現できる。また、センサを駆動する必要がないため、低消費電力化が可能になる。
【0068】
(C)他の実施形態
上述した第1及び第2の実施形態に係るシステムは、強誘電体メモリなど強誘電体薄膜キャパシタを有する集積回路、特にICカード、ICタグなどで温度履歴などを監視するシステムを安価で、且つ小型に構成することを可能にする。
【0069】
また、第1及び第2の実施形態はともに、センサとなる強誘電体薄膜キャパシタを同一基板上に形成するとしたが、別基板に形成後、同一のパッケージに組み入れることも可能である。さらに、強誘電体薄膜はSBTを例に説明しているが、これに限定されず、PZTなど強誘電体特性を有し薄膜化が可能なものであれば良い。
【図面の簡単な説明】
【0070】
【図1】第1の実施形態の温度センサを搭載した半導体集積回路の回路構成図である。
【図2】従来の温度センサを搭載した半導体集積回路の回路構成図である。
【図3】第1の実施形態の無線タグとリーダライタ装置との関係を示すイメージ図である。
【図4】第1の実施形態の無線タグの内部構成を示す機能ブロック図である。
【図5】第1の実施形態の強誘電体薄膜キャパシタ(SBT)の誘電率の温度特性を示す図である。
【図6】第1の実施形態の半導体集積回路の動作波形図である。
【図7】第1の実施形態のCR発振回路の概略的な回路図である。
【図8】第1の実施形態のCR発振回路の動作波形図である。
【図9】第2の実施形態の半導体集積回路の回路構成図である。
【図10】第2の実施形態の赤外線受光窓を有したパッケージの例を示す図である。
【図11】第2の実施形態の半導体集積回路の断面図である。
【図12】第2の実施形態の強誘電体薄膜キャパシタの赤外線入射と出力電圧との関係を示す関係図である。
【符号の説明】
【0071】
2…無線タグ、24…温度センサ、25、100…CR発振器、16、200…A/D変換器、33、501…強誘電体薄膜キャパシタ、500…赤外線センサ。




 

 


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