JP4766894B2

JP4766894B2 - 物品管理システム

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Publication number: JP4766894B2
Application number: JP2005090145A
Authority: JP
Inventors: 康行荒井
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2004-03-26
Filing date: 2005-03-25
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2025-03-25
Also published as: JP2005310128A

Description

本発明は、非接触でデータの通信を行うことのできる無線チップ並びにそれを内包する容器類に関する。

食品や医薬品などの品物の多くは、安全衛生管理や品質の維持管理のために、内容物を容器に密封して流通させている。例えば、ビールやジュースなどの清涼飲料は、荷室の温度を制御できる車両で商品を輸送している。それをもって、高品質であることを宣伝している。また、医薬品類や食料品類は、それを保存する容器を開封してしまうと、商品としての価値が無くなってしまう。すなわち、その商品の安全性に対する信用が損失してしまう。

これらの商品を購入する消費者にとっては、流通段階でどのように商品が管理されていたのか、的確に知ることができないという問題があった。仮に商品に添付されているラベルの表示が改竄されていたとしても、その真偽のほどを容易に判断することはできなかった。

最近では多くの商品に付けられているバーコードに代わり、微小なＩＣチップを用いて、物の識別や管理を行う技術が注目されている。この技術はＲＦＩＤ(Radio Frequency Identification)とも呼ばれている。ＲＦＩＤはデータを記憶させることのできるＩＣチップを、数センチ程度の大きさのタグに付けたものである。データは無線通信で、リーダ／ライタと呼ばれる外部装置と交信する仕組みとなっている。アンテナ側からの非接触電力伝送技術により、バッテリーを持たなくても通信可能としている。

しかしながら、ＲＦＩＤで取り扱うデータは、外部装置から書き込む必要があった。従って、その商品の品質などを瞬時に知ることはできなかった。また、必要な情報は外部装置を使って、逐次書き込む必要があった。

本発明は、商品の流通履歴や、内容物の状態を適宜記録する無線チップを提供することを目的とする。また、容器内に保持された内容物、若しくは容器内に密封されている内容物の状態を、当該容器を開放することなく知ることのできる技術を提供することを目的とする。

本発明は、無線通信によりデータを交信することが可能であり、センサ機能とメモリ機能が付いている無線チップを含んでいる。当該無線チップを容器内に保持して、容器外からその内部状態を探知することを可能とする。

無線チップは、メモリ回路、センサ回路、通信回路等が形成され、無線通信のためのアンテナが付与されている。この無線チップは単結晶半導体基板に形成されるトランジスタ、又は絶縁基板上の半導体膜で形成される薄膜トランジスタ（以下、「ＴＦＴ」ともいう。）で実現する。センサは電気的又は磁気的な手段により容器内部の状態を検知するもので、明るさ、温度、抵抗値、静電容量などを代用特性として測定する。その代用特性から、容器を開放することなく、内容物の情報を探知する。

無線チップは、容器内部に遊離した状態で存在させても良いし、内壁に固定した状態で設けることができる。容器を構成する部材の中に埋め込んでも良い。また、容器に装着するラベルに付けても良い。

本発明は、梱包体に設けた第１の無線チップと、梱包体内に入れられた容器体に設けた第２の無線チップを備えていても良い。第１の無線チップは、通信機能、メモリ機能の他に演算処理機能を備えている。第２の無線チップには、通信機能、メモリ機能、センサ機能を備えている。さらに、第１の無線チップには蓄電池を備えていても良い。

第１の無線チップと第２の無線チップとは、微弱信号であっても通信可能な範囲に配置する。第１の無線チップと、データの読み取り及び書き込みを行う外部装置との間は、数メートルから数十メートル離れていても通信可能な状態となるようにしている。すなわち、第２の無線チップには、通信機能を簡便化しアンテナも小型して、近距離のみの通信を行う。また、演算処理機能等も省略して小型化する。一方、第１の無線チップは、アンテナを大型化しても良く、外部装置と数メートルから数十メートル離れていても通信できるように、通信回路を大型化しても良い。

本発明の容器類は、センサ部と、メモリ部と、制御演算回路部と、通信回路部と、アンテナとを備えた無線チップを内包している。メモリ部の構成は、センサ部からの出力データを記憶する第１メモリ部と、通信回路部で受信した書き込みデータを記憶する第２メモリ部とすることもできる。センサ部と、メモリ部と、制御演算回路部と、通信回路部は、絶縁表面に形成され島状に分割形成された半導体層でチャネル領域が形成される薄膜トランジスタで実現することができる。

本発明によれば、容器内にセンサ機能の付いた無線チップを配置させることにより、商品の流通履歴や、内容物の状態を知ることができる。また、容器の内部の状態を、当該容器を開放することなく知ることができる。

以下、本発明の実施の態様について、図面を参照して説明する。但し、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細をさまざまに変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に示す図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

図１に、集積回路部１０１とアンテナ１０２を備えた無線チップ１００の構成を示す。集積回路部１０１は、温度、湿度、照度、その他の特性を物理的又は化学的手段により検出するセンサ部１０６を備えている。センサ部１０６は、センサ１０８とそれを制御するセンサ回路１０９が含まれている。センサ１０８は抵抗素子、容量結合素子、誘導結合素子、光起電力素子、光電変換素子、熱起電力素子、トランジスタ、サーミスタ、ダイオードなどの半導体素子で形成される。センサ回路１０９はインピーダンス、リアクタンス、インダクタンス、電圧又は電流の変化を検出し、アナログ／デジタル変換（Ａ／Ｄ変換）して演算処理回路部１０３に信号を出力する。

メモリ部１０４は、読み出し専用メモリや、書き換え可能メモリの一方若しくは双方を備えている。メモリ部１０４は、スタティックＲＡＭ（Static RAM）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）、フラッシュメモリなどで構成することで、センサ部１０６及びアンテナ１０２を経由して受信した外部からの情報を随時記録することができる。メモリ部１０４は、センサ部１０６で検知した信号を格納する第１メモリ部１１０と、リーダ／ライタ装置から書き込まれた情報を記録する第２メモリ部１１１に分けて構成することもできる。また、マスクＲＯＭやプログラマブルＲＯＭで読み出し専用メモリ部を設けておいても良い。

第１メモリ部１１０はセンサ部１０６で検知した情報を記録するために、逐次書き込みを可能とするとともに、データが消失しないフラッシュメモリなどで構成することが好ましい。また、フローティングゲート構造の記憶素子であって、一度だけ書き込み可能な記憶素子を適用することが好ましい。

通信回路部１０５は、復調回路１１２、変調回路１１３を含んでいる。復調回路１１２は、アンテナ１０２を経由して入力される信号を復調して、演算処理回路部１０３に出力する。信号にはセンサ部１０６を制御する信号や、メモリ部１０４に記憶させる情報を含んでいる。また、センサ回路１０９から出力される信号や、メモリ部１０４から読み出された情報は、演算処理回路部１０３を通して変調回路１１３に出力される。変調回路１１３は、この信号を無線通信可能な信号に変調して、アンテナ１０２を介して外部装置に出力する。

演算処理回路部１０３、センサ部１０６、メモリ部１０４及び通信回路部１０５を動作させるのに必要な電力は、アンテナ１０２を介して供給される。アンテナ１０２は、リーダ／ライタと呼ばれる外部装置から供給される電磁波を受信して、必要な電力を電源回路部１０７で発生させている。アンテナ１０２は通信する周波数帯に応じて適宜設計すれば良い。電磁波の周波数帯は、１３５ｋＨｚまでの長波帯、６〜６０ＭＨｚ（代表的には１３．５６ＭＨｚ）の短波帯、４００〜９５０ＭＨｚの超短波帯、２〜２５ＧＨｚのマイクロ波帯などを使用することができる。長波帯や短波帯のアンテナは、ループアンテナによる電磁誘導を利用したものが利用される。その他に相互誘導作用（電磁結合方式）又は静電気による誘導作用（静電結合方式）を利用したものであっても良い。電力は電源回路部１０７で生成する。アンテナ１０２はデータ通信用アンテナと、電力供給用アンテナを分離して設けても良い。

このようなアンテナ１０２は、アルミニウム、銅、銀を含む金属材料で形成する。例えば、銅又は銀のペースト状組成物を、スクリーン印刷、オフセット印刷、インクジェット方式の印刷法でアンテナ１０２形成することができる。また、スパッタリングなどでアルミニウム膜を形成し、エッチング加工によりアンテナ１０２を形成しても良い。その他、電解メッキ法、無電解メッキ法を用いてアンテナ１０２を形成しても良い。

図１で示す無線チップ１００において、メモリ部１０４の構成を変更した無線チップ１２０を図２に示す。集積回路部１２１はメモリ部１２２を逐次書き込みを可能とするとともに、データが消失しないフローティングゲート構造の記憶素子で構成したものである。特に、フローティングゲート構造の記憶素子であって、一度だけ書き込み可能な記憶素子を適用することが好ましい。この構成の無線チップ１２０はセンサ１０８で検出したデータを記録して、読み出す機能のみを持っている。機能を単純化することにより、無線チップ１２０を小型化することができる。また、省電力化することができる。

図３は、無線チップ１００と情報の送受信を行うリーダ／ライタモジュール２００の一例を示す。アンテナ２０１と、発振器２０３、復調回路２０４、変調回路２０５を備えた通信回路部２０２を備えている。その他に演算処理回路部２０６、外部インターフェイス部２０７を備えコンピュータなどの情報処理装置と接続可能となっている。制御信号を暗号化して送受信するには、暗号化／複合化回路部２０８とメモリ部２０９を備えておけば良い。電源回路部２１０は各回路に電力を供給するものとなっている。

図１で示す無線チップ１００及び図２で示す無線チップ１２０は、単結晶半導体で作製するトランジスタ、多結晶半導体膜を用いて作製するＴＦＴなど、その他の能動素子と受動素子を組み合わせて構成する。

図４（Ａ）はトップゲート型のＴＦＴを適用する一例を示している。基板３００上に、下地膜となる第１絶縁層３０１、半導体層３０２、ゲート絶縁層として機能することができる第２絶縁層３０３が設けられている。基板３００はアルミノシリケートガラス、アルミノホウケイ酸ガラスなどを素材とするガラス基板、石英基板などを用いることができる。第１絶縁層３０１は窒化シリコン又は酸化窒化シリコンを用いて形成する。第２絶縁層３０３は、酸化シリコン又は酸化窒化シリコンで形成する。

第２絶縁層３０３の上には、半導体層３０２に対応してゲート電極３０４が形成されている。その上層に保護層として機能する第３絶縁層３０５、層間絶縁層として機能する第３絶縁層３０５が設けられている。半導体層３０２とコンタクトを形成する配線３０７の上層には、保護層として機能する第５絶縁層３０８を形成しても良い。第３絶縁層３０５は窒化シリコンで形成することが好ましい。

半導体層３０２は、結晶構造を有する半導体で形成される層であり、典型的には多結晶シリコンを用いる。例えば、非晶質若しくは微結晶質の半導体を、レーザビームの照射により結晶化させた多結晶半導体を用いる。その他に、加熱処理により結晶化させた結晶性半導体、加熱処理とレーザー光の照射を組み合わせて結晶化させた結晶性半導体を適用することができる。加熱処理においては、シリコン半導体の結晶化を助長する作用のあるニッケルなどの金属元素を用いた結晶化法を適用することが好ましい。

レーザビームを照射して結晶化する場合には、連続発振レーザビームの照射若しくは繰り返し周波数が１０ＭＨｚ以上であって、パルス幅が１ナノ秒以下、好ましくは１乃至１００ピコ秒である高繰返周波数超短パルスレーザビームを照射する。このパルスレーザビームを照射ことによって、半導体が溶融した溶融帯を、当該レーザビームの照射方向に連続的に移動させながら結晶化を行う。上記のようなレーザビームを照射することによって、結晶粒界が一方向に延びる結晶性半導体を得ることができる。この結晶に合わせてＴＦＴを配置すれば、高速動作が可能な無線チップを作製することができる。具体的には、ＴＦＴのチャネル方向、すなわちキャリアのドリフト方向を、結晶粒界に延びる方向に合わせることで、高い電界効果移動度を得ることができる。それにより、例えば、インバータの１段当たりの遅延時間を２６nナノ秒以下とすることができる。

ゲート電極３０４は金属又は一導電型の不純物を添加した多結晶半導体で形成する。金属を用いる場合はタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、アルミニウム（Ａｌ）などを用いることができる。また、前記した金属を窒化させた金属窒化物を用いることができる。或いは、当該金属窒化物からなる第１層と当該金属から成る第２層とを積層させた構造としても良い。積層構造とする場合には、第１層の端部が第２層の端部より外側に延設した帽子型（ハット端）の形状としても良い。このとき第１層を金属窒化物とすることで第２層金属の下地に対する密着性を向上させることができる。また、バリアメタルとすることができる。すなわち、第２層の金属が、第２絶縁層３０３やその下層の半導体層３０２に拡散することを防ぐことができる。

半導体層３０２、第２絶縁層３０３、ゲート電極３０４を組み合わせて構成されるＴＦＴは、シングルドレイン構造、ＬＤＤ（低濃度ドレイン）構造、ゲートオーバーラップドレイン構造など各種構造を適用することができる。また、シングルゲート構造であって等価的には同電位のゲート電圧が印加されるトランジスタが直列に接続された形となるマルチゲート構造、半導体層を上下にゲート電極で挟むデュアルゲート構造を適用することができる。

第３絶縁層３０５は、酸化シリコン及び酸化窒化シリコンなどの無機絶縁材料、又はアクリル樹脂及びポリイミド樹脂などの有機絶縁材料で形成する。スピン塗布やロールコーターなど塗布法を用いる場合には、有機溶媒中に溶かされた絶縁膜材料を塗布した後、熱処理により絶縁層を形成される酸化シリコンを用いることもできる。例えば、シロキサン結合を含む塗布膜を形成しておいて、２００乃至４００℃での熱処理により形成可能な絶縁層を用いることができる。第３絶縁層３０５を、塗布法で形成する絶縁層やリフローにより平坦化した絶縁層を形成することで、その層上に形成する配線の断線を防止することができる。また、多層配線を形成する際にも有効に利用することができる。

第４絶縁層３０６の上に形成される配線３０７は、ゲート電極３０４と同じ層で形成される配線層と交差して設けることが可能であり、多層配線構造を形成している。第４絶縁層３０６と同様に層間絶縁膜を積層して、その層上に配線を形成することで多層配線構造を形成することができる。配線はチタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）の積層構造、モリブデン（Ｍｏ）とアルミニウム（Ａｌ）との積層構造など、アルミニウム（Ａｌ）のような低抵抗材料と、チタン（Ｔｉ）やモリブデン（Ｍｏ）などの高融点金属材料を用いたバリアメタルとの組み合わせで形成することが好ましい。

アンテナ１０２は第６絶縁層３０９の上に形成することもできる。アンテナ１０２はアルミニウム、銅、銀を含む金属材料で形成する。例えば、銅又は銀のペースト状組成物を、スクリーン印刷、オフセット印刷、インクジェット方式の印刷法でアンテナ１０２形成することができる。また、スパッタリングなどでアルミニウム膜を形成し、エッチング加工によりアンテナ１０２を形成しても良い。その他、電解メッキ法、無電解メッキ法を用いてアンテナ１０２を形成しても良い。

図５は基板３００、素子形成層３１０及びアンテナ１０２を積層した無線チップ１００若しくは無線チップ１２０の一構成例を斜視図で示している。素子形成層３１０は、図４（Ａ）で示す第１絶縁層３０１、半導体層３０２、第２絶縁層３０３、ゲート電極３０４、第３絶縁層３０５、第４絶縁層３０６、第５絶縁層３０８、第６絶縁層及び配線３０７が含まれている。アンテナ１０２はＴＦＴで形成される回路と接続している。アンテナ１０２の上には、さらに無機絶縁材料又は有機絶縁材料により保護膜が形成されていても良い。このように、素子形成層３１０とアンテナ１０２を一体形成することのにより無線チップの小型化を図ることができる。無線チップ１００若しくは無線チップ１２０には、センサ部１０６が設けられている。センサ部１０６の構成は、光導入窓や静電容量を測定するための電極が設けられ、それが露出した状態にしてあっても良い。

図４（Ｂ）は、ボトムゲート型のＴＦＴを適用する一例を示している。基板３００の上に、ゲート電極３０４、ゲート絶縁層として機能する第２絶縁層３０３、半導体層３０２、保護層として機能する第３絶縁層３０５、層間絶縁層として機能する第４絶縁層３０６が設けられている。半導体層３０２のゲート電極３０４とは反対側、すなわちバックゲート側にはチャネル保護層３１１が設けられている。さらにその上層には、保護層として機能する第５絶縁層３０８を形成しても良い。配線３０７は、第３絶縁層３０５の層上若しくは第４絶縁層３０６の層上に形成することができる。

このようなＴＦＴは、プラスチックなどを素材として形成される可撓性基板に設けることもできる。図６は可撓性基板３１２上にＴＦＴを設けた態様を示している。ＴＦＴは可撓性基板上に直接形成することも可能であるが、好ましくは他の基板上に形成したＴＦＴを当該可撓性基板上に転置する。図６の態様では、可撓性基板３１２と第１絶縁層３０１との間に、剥離保護層３１５が設けられ、接着層３１８で固着されている。

可撓性基板３１２としては、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリエーテルサルフォン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリイミドなどのプラスチック材料を用いることができる。これらのプラスチック材料の比重は、ポリエチレンテレフタレートが１．４０ｇ／ｃｍ^３であり、ポリカーボネートが１．２０ｇ／ｃｍ^３であるように、概ね１．０〜１．５ｇ／ｃｍ^３の範囲にあり、ガラスの２．５２ｇ／ｃｍ^３に比べて小さいことが特徴である。すなわち、これらのプラスチック材料を用いることで、無線チップ及びそれを装着した無線チップの軽量化を図ることができる。また、無線チップ及びそれを装着した無線チップの耐衝撃性を向上させることができる。

集積回路部１０１又は集積回路部１２１を可撓性基板３１２の上に形成する工程の一例を図７に示す。まず、図７（Ａ）に示すように、第１基板３１３の上に剥離層３１４と剥離保護層３１５を形成する。第１基板３１３は後の剥離工程に耐えうる剛性を有していれば良く、ガラス基板、石英基板、セラミック基板、シリコン基板、金属基板又はステンレス基板などを用いることができる。剥離層３１４と剥離保護層３１５は、熱処理工程によって膜の内部応力が変化して、物理的に分離可能となる組み合わせが適用される。

この組み合わせとしては、剥離層３１４を金属材料で形成し、剥離保護層３１５を酸化物材料で形成するものがある。剥離層３１４はタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｄ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）から選ばれた一種、又はこれらの元素を主成分とする合金材料、若しくは化合物材料で形成すれば良い。この剥離層３１４はスパッタリング法などにより厚さが１０ｎｍ〜２００ｎｍ、好ましくは５０ｎｍ〜７５ｎｍとなるように形成する。剥離保護層３１５は、酸化シリコン又は酸窒化シリコンで形成すると良く、膜厚は剥離層３１４の２倍以上あることが望ましい。

剥離層３１４の組成は製造工程の温度条件に合わせて適宜設計すれば良い。例えば、タングステン（Ｗ）とモリブデン（Ｍｏ）の合金の場合、モリブデンの含有量を増加させることで、剥離可能な温度は低温側にシフトする。剥離層３１４をタングステン（Ｗ）で形成して、剥離保護層３１５との界面で剥離を確実に行うためには、４００℃以上の温度での加熱処理が必要であり、ＴＦＴの製造工程にその温度での熱処理を含ませることにより併用することができる。

その後、図７（Ｂ）に示すように剥離保護層３１５の上に素子形成層３１０を形成する。素子形成層３１０は、図６で示す第１絶縁層３０１、半導体層３０２、第２絶縁層３０３、ゲート電極３０４、第３絶縁層３０５、第４絶縁層３０６、第５絶縁層３０８及び配線３０７が含まれる。これらの層を用いてＴＦＴを形成し、図１及び図２で示すような各機能回路部を構成している。含まれる素子はＴＦＴの他に、容量素子、誘導素子及び抵抗素子などが含まれても良い。

図７（Ｃ）に示すように、素子形成層３１０の上に接着層３１６を形成し第２基板３１７を固着する。第２基板３１７は第１基板３１３よりも剛性の高い基板を用いることが好ましい。接着層３１６としては、剥離可能な接着剤であり、例えば、紫外線により剥離する紫外線剥離型粘着剤、熱による剥離する熱剥離型粘着剤、水溶性接着剤や両面粘着テープなどを用いることができる。

第１基板３１３から素子形成層３１０を剥離するには、第１基板３１３及び／又は第２基板３１７に力を加える。図８（Ａ）に示すように、剥離層３１４と剥離保護層３１５の界面若しくはその近傍で剥離が起こる。そして、第１基板３１３から素子形成層３１０が剥離されることとなる。剥離は、注視して見ると、剥離層３１４を形成する金属の表面に形成された極めて薄い金属酸化物層が劈開することで成されている。金属酸化物は、剥離保護層３１５を酸化物材料で形成し、さらに好ましくはその後に４００℃以上の熱処理を行うことで形成されたものと推測される。

また、素子形成層３１０を第１基板３１３から剥離するには、上記の方法に限定されない。例えば、基板を機械的に研磨して除去しても良い。また、化学的にエッチングしても良い。機械的研磨と化学的なエッチングを組み合わせて剥離を行うこともできる。

その他、剥離層３１４をシリコンで形成し、剥離保護層３１５を酸化シリコンで形成し、剥離層３１４を選択的にエッチングすることで素子形成層３１０を剥離することができる。この場合には、素子形成層３１０に剥離層３１４まで達する貫通孔を開けておき、フッ素系のエッチングガスを用いて剥離層３１４を選択的にエッチングする。好ましくは、エッチングガスとしてＣｌＦ_３を用いると良い。ＣｌＦ_３は酸化シリコンや窒化シリコンを殆どエッチングせず、シリコンを選択的にエッチングできるので、素子形成層３１０を基板３１３から容易に剥離することができる。

この剥離工程の後、図８（Ｂ）に示すように、剥離保護層３１５側に接着層３１８を形成し、可撓性基板３１２を固着する。接着層３１８としては、紫外線硬化樹脂、具体的にはエポキシ樹脂系接着剤や樹脂添加剤等の接着材又は両面粘着テープなどを用いることができる。可撓性基板３１２は、すでに素子形成工程が終わっているので、プロセス温度に制約されず、上述したように、さまざまなプラスチック材料の基板を用いることができる。

最後に、図８（Ｃ）に示すように、第２基板３１７を除去する工程を行う。接着層３１８が光異性化する材料であれば、紫外線を照射して粘着性を低下させて剥離を行うことができる。また、水溶性の材料で形成されていれば水洗を行えば良い。接着層３１８の種類に合わせてこのような処理を複合化させても良い。

以上の様にして、可撓性基板３１２の上にＴＦＴで回路が形成された無線チップを形成することができる。素子形成層３１０の上層にはアンテナ１０２を形成することもできる。すなわち、図５において、基板３００を可撓性基板３１２と置き換えることができる。

集積回路部１０１若しくは集積回路部１２１に備えられるセンサ部１０６は、素子形成層３１０の中に作ることができる。センサ部１０６は、センサ１０８とセンサ回路１０９を含んでいる。

図９はセンサ部１０６の一例を示している。このセンサ部１０６は温度を検知するセンサである。センサ１０８はＴＦＴを用いた複数段のリングオシレータ１５０で形成されている。これは、リングオシレータ１５０の発振周波数が温度に依存して変化することを利用したものである。ＴＦＴのしきい値電圧は、温度の上昇に伴って低下する。しきい値電圧の低下によりオン電流が増加する。リングオシレータ１５０は、ＴＦＴのオン電流が大きい程、発振周波数が高くなるという特性を持っている。この特性を利用して、リングオシレータ１５０を温度センサとして利用することができる。リングオシレータ１５０の発振周波数は、センサ回路１０９のパルスカウンタ１５１で計測することが可能である。パルスカウンタ１５１の信号は、そのまま、若しくはレベルシフトして演算処理回路部１０３に出力すれば良い。

図１０（Ａ）は周囲の明るさ、若しくは光照射の有無を検知するセンサの一例を示している。センサ１０８は、フォトダイオード、フォトトランジスタなどで形成されている。センサ回路１０９は、センサ駆動回路１５２、検出回路１５３及びＡ／Ｄ変換回路１５４を含んでいる。

図１０（Ｂ）は検出回路１５３を説明する回路図である。リセット用ＴＦＴ１５５を導通状態にするとセンサ１０８には逆バイアス電圧が印加される。ここで、センサ１０８のマイナス側端子の電位が電源電圧の電位まで充電される動作を「リセット」と呼ぶ。その後、リセット用ＴＦＴ１５５を非導通状態にする。そのとき、センサ１０８の起電力により、時間が経過するに従い電位状態が変化する。すなわち、電源電圧の電位まで充電されていたセンサ１０８のマイナス側端子の電位が、光電変換によって発生した電荷によって除々に低下する。ある一定時間を経過した後、バイアス用ＴＦＴ１５７を導通状態とすると、増幅用ＴＦＴ１５６を通って出力側に信号が出力される。この場合、増幅用ＴＦＴ１５６とバイアス用ＴＦＴ１５７は所謂ソースフォロワ回路として動作する。

図１０（Ｂ）ではソースフォロワ回路をｎチャネル型ＴＦＴで形成した例で示されているが、勿論、ｐチャネル型ＴＦＴでも形成することができる。増幅側電源線１５８には電源電圧Ｖｄｄが加えられている。バイアス側電源線１５９は基準電位０ボルトが与えられている。増幅用ＴＦＴ１５６のドレイン側端子は増幅側電源線に接続され、ソース側端子はバイアス用ＴＦＴ１５７のドレイン端子に接続されている。バイアス用ＴＦＴ１５７のソース側端子はバイアス側電源線１５９に接続されている。バイアス用ＴＦＴ１５７のゲート端子にはバイアス電圧Ｖbが印加され、このＴＦＴにはバイアス電流Ｉbが流れる。バイアス用ＴＦＴ１５７は基本的には定電流源として動作する。増幅用ＴＦＴ１５６のゲート端子には入力電圧Ｖinが加えられ、ソース端子が出力端子となる。このソースフォロワ回路の入出力関係は、Ｖout＝Ｖin−Ｖbとなる。この出力電圧ＶoutはＡ／Ｄ変換回路１５４によりデジタル信号に変換する。デジタル信号は演算処理回路部１０３に出力する。

図１１はセンサ１０８に静電容量を検出する素子を設けた一例を示している。静電容量を検出する素子は、一対の電極を備えている。電極間に液体又は気体など検知する対象物が充填されるようになっている。この一対の電極間の、静電容量の変化を検知することで、例えば容器に密封された内容物の状態を判断する。また、一対の電極間にポリイミド、アクリルその他吸湿性の誘電体を介在させて、電気抵抗の微小な変化を読み取ることにより湿度の変化を検知することもできる。

センサ回路１０９は、以下に示す構成となっている。発振回路１６０は測定基準信号を生成し、センサ１０８の電極にその信号を入力する。このときの電圧は電圧検出回路１６１にも入力される。電圧検出回路１６１により検出された基準信号は、変換回路１６３で実効値を示す電圧信号に変換される。センサ１０８の電極間に流れる電流は、電流検出回路１６２により検出する。電流検出回路１６２により検出された信号は、変換回路１６４により実効値を示す電流信号に変換される。演算回路１６６は、変換回路１６３の出力である電圧信号と、変換回路１６４の出力である電流信号を演算処理してインピーダンス若しくはアドミタンスなどの電気パラメータを算出する。また、電圧検出回路１６１の出力と電流検出回路１６２の出力は、位相比較回路１６５に入力される。位相比較回路１６５はこの両者の信号の位相差を、演算回路１６７に出力する。演算回路１６７は、演算回路１６６と位相比較回路１６５の出力信号を用いて静電容量を算出する。そして、その信号を演算処理回路部１０３に出力する。

以上の様に、センサ、メモリ及びアンテナを備えた無線チップは、さまざまな用途に適用することができる。図１２は密封された容器４００の中に内容物と共に無線チップ１００が入った状態を示している。無線チップ１００は容器４００の内壁に固定されていても良いし、内容物の中に遊離させておいても良い。内容物の温度を検知するには、図９で示すようなセンサが付いた無線チップ１００を用いる。内容物が液体又は気体の場合には、図１１で示すようなセンサが付いた無線チップ１００を用いる。そして、静電容量の変化を利用して、その内容物の状態を判定する情報を得ることができる。データ管理装置４０１に付属するリーダ／ライタの付いたヘッド４０２を、この容器４００に近接させることにより、無線チップ１００を動作させて内容物の状態を検知する。その情報はデータ管理装置４０１の表示部４０３に表示させる。また、無線チップ１００に記録されているデータを読み出して、保存状態の履歴を知ることができる。無線チップ１００には、その物品の個体情報を記録しておくことで、内容物が何であるか識別することもできる。

図１３はデータ管理装置４０１と無線チップ１００との動作を説明するフローチャートである。データ管理装置４０１は、センサ起動信号、データ読み出し信号、データ書き込み信号などの制御信号を送信する。その制御信号を無線チップ１００が受信する。無線チップ１００は、演算処理回路で制御信号を識別する。そして、センサ部１０６を動作させてデータの測定及び記録を行う動作、メモリ部に記録されているデータを読み出す動作、メモリ部にデータを書き込む動作の中からどの動作を行うか判定する。データの測定及び記録を行う動作は、センサ回路を動作させ、センサの信号を読み取り、センサ回路を介して二値化を行い、メモリ部に記録させる作業を行う。データを書き込む動作では、データ管理装置４０１から送信されたデータをメモリ部１０４に書き込みを行う。メモリ部に記録されているデータを読み出す動作では、メモリ部１０４のデータを読み出し、それをデータ管理装置４０１に送信する動作を行う。回路の動作に必要な電力は、信号の送信と同時に、若しくは随時行うものとする。

図１４は容器４０４の中に入っている無線チップ１００との通信を、情報端末４０５を使って行う態様を示している。容器４０４はペットボトルのようなプラスチック製のものや、ガラス製のものを用いることができる。無線チップ１００は容器４０４の内側に固着するか、内容物の中に遊離させておく。或いは、図１５に示すように、容器４０４に装着されるラベル４０７に無線チップ１００を取り付けても良い。無線チップ１００は、ラベル４０７の印刷面とは反対側に設けることが望ましい。また、図６で示した可撓性基板をラベルとして用いることで、無線チップ１００と一体化することもできる。すなわち、ＴＦＴで機能回路を形成することで、ラベル４０７と一体化する薄型の無線チップ１００を得ることができる。情報端末４０５は、携帯型の電話機や、コンピュータなどである。通信機能を持ち、記録媒体や表示部を備えていると良い。

図１４では、情報端末４０５として、携帯型の電話機で無線チップ１００と通信を行う態様を例示している。この情報端末４０５の操作により、無線チップ１００を動作させて内容物の状態を検知する。その情報は情報端末４０５の表示部４０６に表示させる。また、無線チップ１００に記録されているデータを読み出して、その商品の履歴を知ることができる。例えば、直射日光に当たるところに放置されて、高温になり内容物が変質したものでないか判別することができる。無線チップ１００には、その物品の個体情報を記録しておくことで、内容物が何であるか識別することもできる。

また、情報端末４０５をインターネットなどの情報ネットワークに接続することで、無線チップ１００から得られた情報と、ネットワークを介して取得した情報とを組み合わせて、より詳しい情報を得ることができる。例えば、無線チップ１００から得られた商品の出荷後の履歴情報と、ネットワークを介して取得した製造元の情報とを参照して、その商品が何時どのように流通してきたのかを知ることができる。

図１６は、梱包体４０８に設けた第１の無線チップ４０９と、梱包体４０８に収納された容器４０４に第２の無線チップ４１０を設けた態様を示している。第１の無線チップ４０９は図１で示す構成を備えている。第２の無線チップ４１０は図２で示す構成を備えている。第１の無線チップ４０９は、リーダ／ライタ装置４１１と通信を行う。リーダ／ライタ装置４１１から制御信号を受けた第１の無線チップ４０９は、第２の無線チップ４１０と通信を行う。第１の無線チップ４０９と、第２の無線チップ４１０とは近距離で配置する。すなわち、容器４０４とその梱包体４０８との位置関係に相当する。第１の無線チップ４０９と第２の無線チップ４１０とを近距離に配置すると、第２の無線チップ４１０の通信回路部やアンテナは、感度の低いもので済む。従って、第２の無線チップ４１０は通信機能を簡便化し、アンテナも小型して近距離のみの通信を行いメモリ機能も省略して小型化することができる。第２の無線チップ４１０の好適な態様としては、図５で示したように、集積回路部とアンテナを同じ基板上に一体形成するものがある。これにより、容器４０４に内包させる第２の無線チップ４１０を小型化することができる。その結果、商品の外観を損ねることがない。

このような形態は、特に商品の流通過程で活用することができる。例えば、トラックなどの輸送車両の荷台にリーダ／ライタ装置４１１を備え、第２の無線チップ４１０を設けた容器４０４を、第１の無線チップ４０９を設けた梱包体４０８に入れて輸送するときに適用することができる。このような場合、積み荷の内容を把握するのに有効である。また、積み荷に関して、品質変化がないかを即時に調べることができる。また、倉庫にリーダ／ライタ装置４１１を備え、第２の無線チップ４１０を設けた容器４０４を、第１の無線チップ４０９を設けた梱包体４０８に入れて保管するときに有用である。このような場合、リーダ／ライタ装置４１１はコンピュータ４１２で制御する。コンピュータ４１２は、インターネットなどのネットワークに接続可能としておくことで、遠隔地からリーダ／ライタ装置４１１を操作して、梱包体４０８の中の情報を取得することができる。

以上のように、本実施の形態によれば、容器内にセンサ機能の付いた無線チップを配置させることにより、商品の流通履歴や、内容物の状態を知ることができる。また、容器の内部の状態を、当該容器を開放することなく知ることができる。さらに無線チップの情報を読み取る端末をネットワーク接続すれば、より詳しい情報を得ることができる。

また、本実施の形態で示すセンサ機能の付いた無線チップは、商品の流通履歴や、内容物の状態を検知することができ、様々なビジネスの場で有効に活用することができる。以下、図１７を参照してその一態様を説明する。

図１７は、清涼飲料や酒類などの商品が充填された容器をメーカーから販売店等に配布する際の管理システムを示している。この容器は、メーカーから小売店又は飲食物を提供する店舗等に内容物と共に貸与されるものである。容器の利用形態としては、内容物が空になると回収して再利用するリサイクル容器として扱うこともできる。

当該容器５０２からその内容物を供出する供給装置５０１は、店舗等５００に配置されている。供給装置５０１には、容器５０２から内容物を取り出すための供給管５０３、それに接続する供給口５０４が備えられている。供給管５０３には、内容物の供出を制御するために、第１のバルブ５０５及び第２のバルブ５０６が途中に設けられている。容器５０２には、無線チップ５０９が備え付けられており、供給装置５０１には無線チップと無線通信を行う信号処理装置５０７が設けられている。信号処理装置５０７は、電話回線やインターネット等の通信ネットワーク５１２を利用して、商品を供給するメーカーの管理センター５１１のサーバー５１３と通信可能な状態で使用される。

容器５０２の内側又は外側には、無線チップ５０９が設けられている。無線チップ５０９には、容器５０２に内容物が充填された年月日、製造元、内容物等の情報が記録されている。また、無線チップ５０９には、温度センサ、湿度センサ、光センサなどが付けられていて、容器５０２若しくは容器５０２の内容物の温度変化や、容器５０２が置かれた環境の経時変化が適時記録されている。そのために、無線チップ５０９はバッテリーを内蔵していても良い。バッテリーを設けることにより、無線チップ５０９が内蔵するプログラムに応じて自発的に動作することが可能となる。

容器５０２を供給装置５０１に接続すると、信号処理装置５０７が、容器５０２に付されている無線チップ５０９に格納されている情報を読み取る。そして、信号処理装置５０７は、無線チップ５０９から読み取った情報を、通信ネットワーク５１２を介して管理センター５１１のサーバー５１３に送信する。サーバー５１３は、出荷品データ５１４、使用済品データ５１５を記録したデータベースを持っている。そして、通信ネットワーク５１２を介して受信した、無線チップ５０９の情報を当該データベースのデータと照合する作業を行う。すなわち、管理センター５１１では、出荷品データ５１４、使用済品データ５１５の情報を活用して、市中に供与されている自社商品の使用期限、賞味期限や、製造元等の情報を収集して、その商品を消費者に提供しても良いかを判定する。また、供給装置５０１と容器５０２の整合性を判断し、競合他社の商品が混在していないか、また、偽造品が混入していないか監視をすることができる。

管理センター５１１では、判定の結果その商品を消費者に提供しても良いと判断された場合には、その許可情報を、通信ネットワーク５１２を介して、供給装置５０１の信号処理装置５０７に与える。その場合には、供給装置５０１の制御部５０８に信号が送られ、それによって第１のバルブ５０５が開状態となる。第２のバルブ５０６は手動バルブであり、容器５０２から内容物を取り出して小分けするときに適宜開閉動作を行う。

一方、判定の結果その商品を消費者に提供してはいけないと判断された場合には、その許可情報を、通信ネットワーク５１２を介して、供給装置５０１の信号処理装置５０７に与える。その場合には、第１のバルブ５０５は動作せず、商品を消費者に提供することができないこととなる。例えば、その品の賞味期限が過ぎていたり、その商品の保存環境が許容範囲以外であったり、その容器が真正品でないと判断されたようなときは、この場合に該当する。

このようなシステムにより、メーカーが直接、小売店又は飲食物を提供する店舗等における自社商品の消費量を把握することができる。それにより、商品の発送管理を有効に行うことが可能であり、小売店又は飲食物を提供する店舗等での注文を簡略化することができる。

なお、図１７では、飲食物について例示したが、本発明に係る管理システムはこれに限定されず、温泉水、洗剤、液状肥料、家畜の飼料、揮発油、生活用水等の液体、プロパンガス、天然ガス、水素ガス、酸素ガス、窒素ガス等の気体、ペースト、アイスクリーム、スープ等のゲル状の流動体などさまざまな商品の流通に適用することができる。

本発明に係る無線チップの構成を示す図である。本発明に係る無線チップの構成を示す図である。本発明に係るリーダ／ライタモジュールの構成を示す図である。本発明に係る無線チップを構成するＴＦＴの構造を説明する図である。本発明に係る無線チップの一構成例を示す斜視図である。本発明に係る無線チップを構成するＴＦＴの構造を説明する図である。無線チップを可撓性基板に形成する工程の一例を説明する図である。無線チップを可撓性基板に形成する工程の一例を説明する図である。センサ部の構成を説明するブロック図である。センサ部の構成を説明する、（Ａ）ブロック図と、（Ｂ）回路図である。センサ部の構成を説明するブロック図である。密封された容器の中に内容物と共に無線チップが入った状態を示す図である。データ管理装置と無線チップとの動作を説明するフローチャートである。容器の中に入っている無線チップとの通信を情報端末を使って行う態様を示す図である。容器のラベルに無線チップを装着した状態を示す図である。梱包体に設けた第１の無線チップと、梱包体に収納された容器に無線チップを設けた態様を示す図である。本発明のセンサ機能のついた無線チップの応用例を示した図である。

符号の説明

１００無線チップ
１０１集積回路部
１０２アンテナ
１０３演算処理回路部
１０４メモリ部
１０５通信回路部
１０６センサ部
１０７電源回路部
１０８センサ
１０９センサ回路
１１０第１メモリ部
１１１第２メモリ部
１１２復調回路
１１３変調回路
１２０無線チップ
１２１集積回路部
１２２メモリ部
１５０リングオシレータ
１５１パルスカウンタ
１５２センサ駆動回路
１５３検出回路
１５４Ａ／Ｄ変換回路
１５５リセット用ＴＦＴ
１５６増幅用ＴＦＴ
１５７バイアス用ＴＦＴ
１５８増幅側電源線
１５９バイアス側電源線
１６０発振回路
１６１電圧検出回路
１６２電流検出回路
１６３変換回路
１６４変換回路
１６５位相比較回路
１６６演算回路
１６７演算回路
２００リーダ／ライタモジュール
２０１アンテナ
２０２通信回路部
２０３発振器
２０４復調回路
２０５変調回路
２０６演算処理回路部
２０７外部インターフェイス部
２０８暗号化／複合化回路部
２０９メモリ部
２１０電源回路部
３００基板
３０１第１絶縁層
３０２半導体層
３０３第２絶縁層
３０４ゲート電極
３０５第３絶縁層
３０６第４絶縁層
３０７配線
３０８第５絶縁層
３０９第６絶縁層
３１０素子形成層
３１１チャネル保護層
３１２可撓性基板
３１３第１基板
３１４剥離層
３１５剥離保護層
３１６接着層
３１７第２基板
３１８接着層
４００容器
４０１データ管理装置
４０２ヘッド
４０３表示部
４０４容器
４０５情報端末
４０６表示部
４０７ラベル
４０８梱包体
４０９第１の無線チップ
４１０第２の無線チップ
４１１リーダ／ライタ装置
４１２コンピュータ

Claims

梱包体に設けられた、メモリ部、第１のセンサ部及び第１のアンテナを備える第１の無線チップと、
前記梱包体に収納された容器に設けられた、第２のセンサ部及び第２のアンテナを備える第２の無線チップと、
前記第１の無線チップと通信を行うリーダ／ライタ装置と、を備え、
前記リーダ／ライタ装置から信号を受けた前記第１の無線チップは、前記第２の無線チップと通信を行うことを特徴とする物品管理システム。
梱包体に設けられた、メモリ部、第１のセンサ部及び第１のアンテナを備える第１の無線チップと、
前記梱包体に収納された容器に設けられた、第２のセンサ部及び第２のアンテナを備える第２の無線チップと、
前記第１の無線チップと通信を行うリーダ／ライタ装置と、を備え、
前記リーダ／ライタ装置から信号を受けた前記第１の無線チップは、前記第２の無線チップと通信を行い、前記第２のセンサ部で検知した情報を取得することを特徴とする物品管理システム。
請求項１又は請求項２において、
前記第２の無線チップは、前記第２のアンテナと集積回路部とが同一基板上に一体形成されていることを特徴とする物品管理システム。
請求項１乃至請求項３のいずれか一おいて、
前記第１のセンサ部又は前記第２のセンサ部は、温度、湿度、照度又は静電容量の少なくとも一を検出することを特徴とする物品管理システム。
請求項１乃至請求項３のいずれか一おいて、
前記第１のセンサ部又は前記第２のセンサ部は、薄膜トランジスタを用いた複数段のリングオシレータを有することを特徴とする物品管理システム。
請求項５において、
前記薄膜トランジスタのオン電流が増加すると、前記リングオシレータの発信周波数が高くなり、
前記第１のセンサ部又は前記第２のセンサ部が有するパルスカウンタで、前記リングオシレータの発信周波数は計測され、
前記計測されたパルスカウンタの信号は、前記第１の無線チップ又は前記第２の無線チップが有する演算処理回路に出力されることを特徴とする物品管理システム。
請求項１乃至請求項３のいずれか一おいて、
前記第１のセンサ部又は前記第２のセンサ部は、フォトダイオード又はフォトトランジスタを有することを特徴とする物品管理システム。
請求項７において、
前記第１のセンサ部又は前記第２のセンサ部は、前記フォトダイオード又は前記フォトトランジスタに電気的に接続された薄膜トランジスタと、
前記フォトダイオード又は前記フォトトランジスタから信号を出力するためのソースフォロワとを有することを特徴とする物品管理システム。
請求項１乃至請求項３のいずれか一おいて、
前記第１のセンサ部又は前記第２のセンサ部は、静電容量を検知する素子を有し、
前記素子は一対の電極と、前記一対の電極間の誘電体とを有することを特徴とする物品管理システム。
請求項１乃至請求項９のいずれか一において、
前記第１の無線チップは、電源回路部を有し、
前記リーダ／ライタ装置から供給される電磁波を受信して、必要な電力を前記電源回路部で発生させることを特徴とする物品管理システム。