Sensor networks stretchable silicon has been incorporated

本発明の分野は、概してセンサネットワークに関するものであり、具体的には、ストレッチャブルシリコンが組み込まれたセンサネットワークに関する。

既存のモニタリング法、例えば広い面積の構造ヘルスモニタリングには、導電線と、場合によっては導電繊維とに基づいて相互に接続されたセンサネットワークが含まれる。 光ファイバー通信は、一部の通信システムにおいて低消費電力の装置を可能にするが、ネットワークノード間の複雑な相互接続無しではセンサアレイのアドレシングが可能でない。 他の検討事項としては、製造可能性、入出力信号の機械的接続、スケーラビリティ、配線／光ファイバーハーネスのコスト及び信頼性、パワーバス、及びデータバスが挙げられる。

一実施形態では、ストレッチャブルシリコン基板と、ストレッチャブルシリコン基板上に作製された複数のノードとを含むセンサネットワークが提供される。 ノードは、エネルギー収集貯蔵要素、通信装置、感知装置、及びプロセッサをそれぞれ少なくとも一つ含む。 ノードは、相互に接続する導体を介して相互接続される。

別の実施形態では、ネットワークを作製する方法が提供される。 この方法は、所望の領域全体にシリコンメディアを広げること、広げたシリコンメディアを加工してその上に任意の数のノードを生成すること、及びストレッチャブルメディア内の導体経路を利用することにより、生成されたノードを冗長に相互接続してネットワークを形成することを含む。

また別の実施形態では、構造をモニタリングするためのネットワークが提供される。 このネットワークは、ストレッチャブルシリコン基板と、ストレッチャブルシリコン基板上に作製された複数のセンサと、ストレッチャブルシリコン基板上に作製された少なくとも一つの通信装置と、ストレッチャブルシリコン基板上に作製された少なくとも一つのエネルギー収集及び貯蔵要素とを含んでいる。 ストレッチャブルシリコン基板は、複数のセンサを相互接続する基板中の複数の導体経路と、少なくとも一つの通信装置と、少なくとも一つのエネルギー収集及び貯蔵要素とを含んでいる。 ネットワークは、センサが分散するように基板全体に亘って取り付けられる。 センサからのデータは、少なくとも一つの通信装置を介して外部装置に通信される。

図１は、有利な一実施形態におけるストレッチャブルシリコンを使用して作製されたセンサネットワークを示すブロック図である。

図２は、別の有利な実施形態におけるセンサネットワークを示す線図であり、このネットワークには、エネルギー収集及び貯蔵要素を相互接続するストレッチャブルシリコンと、無線及び有線の通信装置と、マイクロセンサと、ネットワーク管理プロセッサとが含まれている。

図３は、別の有利な実施形態において、ストレッチャブルシリコンを使用してセンサネットワークを作製する方法を示すフロー図である。

図１は、ストレッチャブルシリコンに基づくセンサネットワーク１０のブロック図である。 図示の実施形態では、ストレッチャブルシリコン基板上に三つのノードが作製されている。 これら三つのノードは、電源ノード１２、プロセッサノード１４、及びセンサノード１６である。 ノードは、ストレッチャブルシリコン基板に形成された相互に接続する導体２０、２２、及び２４を介して相互接続されている。

一実施形態では、電源ノード１２はエネルギー収集及び貯蔵要素である。 例えば、電源ノードは、シリコンベースのナノ／マイクロ電気機械システム（Ｎ／ＭＥＭＳ）に統合された圧電ジェネレータである。 この実施形態では、このような組み合わせにより電力を生成して貯蔵することができる。 電源ノード１２は、このような電力をプロセッサノード１４とセンサノード１６の両方に供給することができる。 他の実施形態では、複数の電源ノード１２をストレッチャブルシリコン基板全体に分散させて、処理、感知、又は通信の機能を有するそれらのノードに電力を供給させることができる。

プロセッサノード１４は、処理機能を含んでおり、センサノード１６の無線通信機能を有する部分と通信するＲＦ送受信機３０を含むことができる。 プロセッサノード１４は、更に、例えばデジタルビークルネットワークインターフェース４０を介して通信するための処理能力を含むことができる。 図１の実施形態は、ＲＦ送受信機３０を介したビークルネットワーク４０とセンサノード１６との間の通信を容易にするＲＦ−デジタル変換器３２とデジタル−ＲＦ変換器３４とを含むことができる。 プロセッサノード１４はセンサネットワーク１０の挙動を管理及び監視することができ、このような挙動には、発電及び電力消費、データ取得、及びセンサネットワーク１０内通信とビークルネットワーク４０などの外部装置との通信の両方が含まれる。

センサノード１６は無線動作能を有することができるが、別の実施形態は有線動作能により動作してもよい。 いずれの構成においても、センサノード１６は、センサ要素５０と通信要素５２とを含む。 センサ要素５０は、一体形成された信号コンディショニング回路を含むことができるか、又は信号コンディショニング回路はセンサ要素から物理的に分離されてもよい。

図１に示されるセンサノード１６は、上述のプロセッサノード１４に類似して、無線動作用に構成されている。 しかしながら、ストレッチャブルシリコン相互接続２０に示されるようなセンサノード１６とプロセッサノード１４との間の通信相互接続としてストレッチャブルシリコンメディアを使用する実施形態が考慮される。 図示の実施形態では、ストレッチャブルシリコン相互接続２２を利用して電源ノード１２からプロセッサノード１４に電力が供給されていると同時に、ストレッチャブルシリコン相互接続２４を利用して電源ノード１２からセンサノード１６に電力が供給されている。

図２は、ストレッチャブルシリコン１０５を使用して作製されたセンサネットワーク１００を示している。 図示の実施形態では、ネットワーク１００は、ストレッチャブルシリコン１０５上に作成された複数の構成要素を含んでいる。 これらの構成要素には、例えば、エネルギー収集及び貯蔵要素１１０、通信装置１２０、センサ１３０、及びネットワーク管理プロセッサ１４０が含まれる。 通信装置１２０は、無線装置と有線装置の両方を含むことができる。 本明細書に記載されるように、複数の構成要素がストレッチャブルシリコン１０５のメディア上に集積され、メディア内には複数の導電経路１６０（相互接続）が形成されて、例えば、エネルギー収集及び貯蔵要素１１０から通信装置１２０、センサ１３０、及びネットワーク管理プロセッサ１４０への電力の導通を担っている。

導電経路１６０はまた、上記に列挙された構成要素間の通信の少なくとも一部を行う。 後述で更に説明するように、一実施形態においては、ストレッチャブルシリコン１０５は無線センサの自律的なネットワークの一部を形成する。 ストレッチャブルシリコン相互接続１６０を有するネットワーク１００に組み込まれた冗長性により高い信頼性が得られる。 したがって、ネットワーク１００は、種々のネットワーク構成要素間に選択可能な経路を使用して、センサ１３０と既存のビークル通信ネットワークとの間に確実な通信を達成することができる。 図示のネットワーク１００は、独自の電源としてエネルギー収集及び貯蔵要素１１０を有するので、このようなネットワークを追加してもビークルパワー系統の負担にならない。

ストレッチャブルシリコンメディア１０５は、同メディア上に形成された全てのノードを所望の機能を提供する構成要素に転換できるので、優良なイネーブラである。 その例としては、プロセッサ機能及び小型のセンサノードが挙げられる。 一実施形態では、ノードの大きさは約２００マイクロメートルである。 一実施形態では、ストレッチャブルシリコンメディア１０５は、ファウンドリ処理された、１ｃｍ〜２０ｃｍの大きさのモノリシックなシリコンダイから加工されて、広い面積に広げられる。 このプロセスにより、メディア１０５の上に作製された種々のノードの間を走る複数の頑丈な導体が得られる。

ネットワーク１００は、エネルギー貯蔵装置の重量及びサポータビリティ、ネットワークノード間の相互接続の複雑性、製造可能性、入出力信号の機械的接続、及びスケーラビリティに関連した先行技術の問題の少なくとも一部を解決する。 具体的には、ネットワーク１００が組み込まれたシステムは、広い面積を網羅するセンサのネットワークを可能にするもので、複数の用途を有している。 そのような用途の一つは、複数の上記センサが処理要素にデータを供給し、この処理要素に外部システムから問い合わせることが可能な構造の構造ヘルスモニタリングである。 他の用途には、メディア１０５上に作製された適用可能なセンサを使用した空力表面上の気流のモニタリング、及び航空宇宙構造の使用に伴いうる着氷及びその他の危険な状態のモニタリングが含まれる。

次に、ネットワーク１００の個々の構成要素について説明する。 エネルギー収集及び貯蔵要素１１０は、ネットワーク１００の他の要素に電力を供給する。 一実施形態では、要素１１０内部でナノ圧電ジェネレータ効果を利用することにより、機械的応力を電流又は電圧に変換し、メディア１０５上に作製可能なあらゆるセンサを含むネットワーク１００の他の構成要素に給電する。 特定の一実施形態では、ネットワーク１００に酸化亜鉛（ＺｎＯ）ナノワイヤが利用される。 これらのＺｎＯナノワイヤは、任意の曲率及び材質を有する基板上で化学合成を使用して成長させる。 これらのＺｎＯナノワイヤジェネレータは、約１平方ミリメートルの面積内にミリワット単位の電力を生成する。

このようなエネルギー収集及び貯蔵要素１１０に関連する電力出力は、ナノワイヤ基板の面積拡大に比例して増大する。 また、このような装置は、ストレッチャブルシリコンベースのナノ／マイクロ電子デバイスと容易に集積させて、ロバストなナノ／マイクロ電気機械システム（Ｎ／ＭＥＭＳ）とすることができる。

通信装置１２０に関して、少なくとも一実施形態には、ネットワーク１００とのデータの送受信を可能にする無線トランシーバノードを組み込まれている。 このような実施形態は、シリコンシステムベースのシングルチップトランシーバと呼ばれる。 一実施形態は、単一のダイの上に無線トランシーバのＲＦ及びベースバンド構成要素を構築することを含むトランシーバ用集積回路の作製に、ストレッチャブルシリコンを組み込んでいる。 無線トランシーバのノードは、外部装置に直接接続することができる。

シリコンは、高レベルな集積と、大量生産に望ましい低コストを提供し、更には電力消費を低減する可能性を有している。 電力消費量を低下させることができれば、プラスチックなどの梱包材の価格を下げることができ、チップのコストを大きく削減することができる。 集積方法にシリコンを使用する場合、バイポーラ及びＣＭＯＳが最も一般的な加工技術である。 バイポーラ技術は、高速性を提供し、アナログの分野において最も一般的に使用されている。 ＣＭＯＳは、低い制限周波数を有しているが、デジタルの分野において魅力的な高レベルな集積を提供する。

センサノード１３０は、シリコンベースのデバイスを用いて構築されたネットワークを形成する。 種々の実施形態では、センサノード１３０には、構造ヘルスモニタリング用のセンサ、温度センサ、圧力センサ、振動センサ、着氷センサ、動的な流れ剥離センサ、及びその他の種類のセンサが含まれうる。 一実施形態では、センサノード１３０は、信号コンディショニング回路を含み、センサノード１３０と通信装置１２０との間のインターフェース、及び／又はセンサノードとネットワーク管理プロセッサ１４０との間のインターフェースとなっている。 ネットワーク管理プロセッサ１４０は、有効なセンサノード１３０のネットワークを監視して、それらがネットワークに属するかどうかを決定することができる。 通信装置１２０、センサノード１３０、及びネットワーク管理プロセッサ１４０が必要とする電力は、種々の実施形態では、上述のエネルギー収集及び貯蔵要素１１０によって供給される。

図３は、ストレッチャブルシリコンを組み込んだ本明細書に記載のセンサネットワークのようなセンサネットワークの作製方法を更に示すフロー図２００である。 フロー図２００に例示されるこの方法は、所望の領域全体にシリコンメディアを広げること２０２、広げたシリコンメディアを加工して、その上に任意の数のノードを生成すること２０４、及びストレッチャブルメディア内の導体を利用して、生成されたノードを冗長に相互接続することによりネットワークを形成すること２０６を含む。

後述で更に説明するように、広げたシリコンメディアを加工すること２０４は、エネルギー収集及び貯蔵要素、通信装置、感知装置、及びプロセッサのうちの一又は複数を生成することを含むことができ、ストレッチャブルメディア内の導体を利用すること２０６は、エネルギー収集及び貯蔵要素から種々の通信装置、感知装置、及びプロセッサへ電力を導くことを含むことができる。

広げたシリコンメディアを加工すること２０４は、一実施形態では、無線通信能を有する少なくとも一つの通信装置を生成することを含む。 別の実施形態では、広げたシリコンメディアを加工すること２０４は、外部ネットワークと通信できる少なくとも一つのプロセッサを生成することを含む。 後述で更に説明するように、フロー図２００に記載の方法は複数の用途に有用であるので、広げたシリコンメディアを加工すること２０４は、限定しないが、例えば、構造ヘルスモニタリング及び管理用のセンサを生成すること、着氷センサを生成すること、及びセンサ周囲の気流の動的な流れの剥離を感知するためのセンサを生成することを含むことができる。

本明細書に記載された種々の実施形態は、例えば航空機及びその他のビークルの、構造ヘルスモニタリング及び管理のために使用することができる。 このような用途では、ストレッチャブルシリコン基板は、例えば元の大きさの１００倍まで広げることができる。 構造ヘルスの分野では、このような基板を構造の関連部位全体に取り付けることができる。 このような構成では、センサは、環境の変化を感知して、ネットワーク管理プロセッサ１４０のようなネットワークプロセッサにデータを送信することができ、ネットワーク管理プロセッサ１４０は、次いで、通信装置１２０を利用して外部システムにセンサデータを通信する。 構造ヘルスモニタリング以外の用途の例としては、周囲の気流の動的な流れの剥離、及び構造上の着氷のモニタリングが挙げられる。

本明細書に記載された無線センサの自律的なネットワークは、航空宇宙の分野の厳密な構造制御の要求に応え、有害環境における設置に適したセンサの設計及び構築方法を向上させる。 独特の適用が望まれる航空機及び航空エンジンに、厳しく要求の大きな環境用の広い範囲の温度センサ、圧力センサ及び流動センサが利用可能となる。 また、記載されたネットワークには、多数の分散センサからの大量のヘルス管理データを通信、記憶、及び処理するのに必要な最新のデータシステムアーキテクチャを組み込むことができる。

一実施例では、ネットワーク１００は、最適なビークル管理及びミッションコントロールのための構造的システム、推進システム、熱防御システム、及びその他の重要なシステムをリアルタイムで把握することができる統合ビークル健全性管理（ＩＶＨＭ）システムの一部として実行することができる。 このようなシステムでは、内蔵式のリアルタイム感知システムは、ビークル健全性管理システムの必須の構成要素である。 このような性能を提供するために、ネットワーク１００は、厳しい航空宇宙動作環境に耐える能力を有しながら、最小のサイズ、重量、及び電力要件を有するセンサも含む。

本明細書では、実施例を使用して、ベストモードを含む種々の実施形態を開示し、且つ当業者が、任意のデバイス又はシステムを作製及び使用すること、及び任意の方法を実行することを含めてこのような実施形態を実施することを可能にしている。 特許可能な範囲は、請求の範囲によって規定され、当業者が想起する他の実施例を含みうる。 このような他の実施例は、特許請求の範囲の字義通りの説明から逸脱しない構造的要素を有する場合、又は特許請求の範囲の字義通りの説明から無視できる程度の差異を有する等価な構造的要素を有する場合、特許請求の範囲に含まれる。
また、本願は以下に記載する態様を含む。
（態様１）
ストレッチャブルシリコン基板と、
前記ストレッチャブルシリコン基板上に作製された複数のノードであって、エネルギー収集及び貯蔵要素、通信装置、感知装置、及びプロセッサのうちの少なくとも一つを含み、前記基板上に形成された相互に接続する導体を介して相互接続された前記ノードと
を備えたセンサネットワーク。
（態様２）
前記エネルギー収集及び貯蔵要素が、前記通信装置、前記感知装置、及び前記プロセッサに電力を供給する、態様１に記載のセンサネットワーク。
（態様３）
前記エネルギー収集及び貯蔵要素が、機械的応力を電気エネルギーに転換する圧電装置を含んでいる、態様１に記載のセンサネットワーク。
（態様４）
前記ストレッチャブルシリコン基板が、前記ノードを相互に接続する複数の導体を含んでいる、態様１に記載のセンサネットワーク。
（態様５）
前記ノードの一部が無線通信能を含んでいる、態様１に記載のセンサネットワーク。
（態様６）
無線通信能がＲＦトランシーバを含んでいる、態様５に記載のセンサネットワーク。
（態様７）
前記ノードの少なくとも一つが、前記センサネットワークの外部のシステムと通信する処理能力を含んでいる、態様１に記載のセンサネットワーク。
（態様８）
外部システムとの通信がビークルネットワークインターフェースを介して行われる、態様７に記載のセンサネットワーク。
（態様９）
前記感知装置が、構造ヘルスモニタリング及び管理用のセンサ、着氷センサ、並びにセンサ周囲の気流の動的な流れの剥離を感知するセンサのうちの少なくとも一つを含んでいる、態様１に記載のセンサネットワーク。
（態様１０）
前記ストレッチャブルシリコン基板が、一の領域全体に広げられたモノリシックなシリコンダイを含んでいる、態様１に記載のセンサネットワーク。
（態様１１）
前記エネルギー収集及び貯蔵要素が、前記ストレッチャブルシリコン基板上に成長した酸化亜鉛ナノワイヤを含んでいる、態様１に記載のセンサネットワーク。
（態様１２）
前記感知装置が、温度センサ、圧力センサ、及び振動センサのうちの少なくとも一つを含んでいる、態様１に記載のセンサネットワーク。
（態様１３）
所望の領域全体にシリコンメディアを広げること、
広げたシリコンメディアを加工することにより、メディアの上に任意の数のノードを生成すること、及び
ストレッチャブルメディア内の導体を利用して、生成されたノードを冗長に相互接続することによりネットワークを形成すること
を含む、ネットワーク作製方法。
（態様１４）
広げたシリコンメディアを加工することが、エネルギー収集及び貯蔵要素、通信装置、感知装置、及びプロセッサそれぞれのうちの少なくとも一つを生成することを含む、態様１３に記載の方法。
（態様１５）
ストレッチャブルメディア内の導体を利用することが、エネルギー収集及び貯蔵要素から通信装置、感知装置、及びプロセッサへと電力を導くことを含む、態様１４に記載の方法。
（態様１６）
広げたシリコンメディアを加工することが、無線通信能を有する少なくとも一つの通信装置を生成することを含む、態様１４に記載の方法。
（態様１７）
広げたシリコンメディアを加工することが、外部ネットワークと通信できる少なくとも一つのプロセッサを生成することを含む、態様１４に記載の方法。
（態様１８）
広げたシリコンメディアを加工することが、構造ヘルスモニタリング及び管理用のセンサ、着氷センサ、並びにセンサ周囲の気流の動的な流れの剥離を感知するセンサのうちの少なくとも一つを生成することを含む、態様１３に記載の方法。
（態様１９）
ストレッチャブルシリコン基板と、
前記ストレッチャブルシリコン基板上に作製された複数のセンサと、
前記ストレッチャブルシリコン基板上に作製された少なくとも一つの通信装置と、
前記ストレッチャブルシリコン基板上に作成された少なくとも一つのエネルギー収集及び貯蔵要素と
を備えた構造をモニタリングするためのネットワークであって、
前記ストレッチャブルシリコン基板が、前記複数のセンサと、前記少なくとも一つの通信装置と、前記少なくとも一つのエネルギー収集及び貯蔵要素とを相互に接続する複数の導体経路を内部に含んでおり、前記ネットワークが構造全体に取り付けられることによりセンサが分散配置され、前記センサからのデータが前記少なくとも一つの通信装置を介して外部装置に通信される、
構造をモニタリングするためのネットワーク。
（態様２０）
前記少なくとも一つのエネルギー収集及び貯蔵要素、前記少なくとも一つの通信装置、及び前記複数のセンサと相互に接続されて、前記ネットワークの外部のシステムと通信するように動作可能な少なくとも一つのプロセッサを更に備えている、態様１９に記載の構造をモニタリングするためのネットワーク。