KR100820120B1

KR100820120B1 - Ｌｏｖｅ 파를 이용한 유체 점도 측정용 표면 탄성파 센서

Info

Publication number: KR100820120B1
Application number: KR1020060137473A
Authority: KR
Inventors: 김기복
Original assignee: 한국표준과학연구원
Priority date: 2006-12-29
Filing date: 2006-12-29
Publication date: 2008-04-07

Abstract

본 발명은 LOVE 파를 이용한 유체 점도 측정용 표면 탄성파 센서에 관한 것으로서, 압전 기판 위에 신호 입/출력, 표면파 생성 및 수신을 위한 이중 패턴 구조의 IDT를 형성하고, 그 상측으로 웨이브가이드 층을 적층 형성하며, 상기 웨이브가이드 층 상면에 입/출력 IDT 사이의 유체 통로를 형성하기 위한 통로부를 설치하여 구성하되, 상기 웨이브가이드 층을 기판과의 횡파 속도 차이를 크게 할 수 있는 에폭시 계열의 SU-8을 사용하여 형성하고, IDT 및 웨이브가이드 층의 형상을 최적화함으로써, 측정 감도가 크게 향상되는 유체 점도 측정용 표면 탄성파 센서에 관한 것이다.

LOVE파, 유체, 점도, 표면탄성파, 센서, IDT, 웨이브가이드, 감도향상

Description

ＬＯＶＥ 파를 이용한 유체 점도 측정용 표면 탄성파 센서{Surface acoustic wave sensor for viscosity measurement of Liquid using LOVE wave}

도 1은 LOVE 파를 설명하기 위한 도면,

도 2는 압전기판 및 웨이브가이드 층 구조에서 표면파의 전파방향을 나타낸 도면,

도 3은 분산 방정식을 이용하여 웨이브가이드 층의 두께에 따른 LOVE 파의 위상속도 변화를 나타낸 분산 곡선,

도 4는 도 3의 분산 곡선을 이용하여 계산된 질량 감도를 나타낸 도면,

도 5는 본 발명에 따른 유체 점도 측정용 표면 탄성파 센서의 이용상태도,

도 6은 본 발명에 따른 유체 점도 측정용 표면 탄성파 센서의 사시도,

도 7은 본 발명에 따른 유체 점도 측정용 표면 탄성파 센서에서 압전기판, IDT, 웨이브가이드 층을 포함하여 구성되는 센서 본체의 사시도,

도 8은 본 발명에 따른 유체 점도 측정용 표면 탄성파 센서에서 센서 본체의 IDT 패턴 구조를 도시한 평면도,

도 9는 본 발명에 따른 유체 점도 측정용 표면 탄성파 센서에서 센서 본체의 단면도,

도 10은 본 발명에 따른 유체 점도 측정용 표면 탄성파 센서에서 센서 본체가 고정되는 센서 지그의 사시도,

도 11과 도 12는 부하가 없는 상태에서 측정된 77MHz와 155MHz LOVE 파 센서의 파형을 나타낸 도면,

도 13은 77MHz와 155MHz LOVE 파 센서에서 실시간으로 측정된 위상값을 나타낸 도면,

도 14는 증류수와 글리세롤의 무게비에 따른 위상값 변화를 나타낸 도면,

도 15는

에 따른 위상값 변화를 나타낸 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 표면 탄성파 센서 110 : 센서 본체

111 : 압전기판 112 : 입력 IDT

113 : 출력 IDT 114 : 웨이브가이드 층

115 : 통로부 116 : 통로

120 : 센서 지그

본 발명은 LOVE 파를 이용한 유체 점도 측정용 표면 탄성파 센서에 관한 것 으로서, 더욱 상세하게는 압전 기판 위에 신호 입/출력, 표면파 생성 및 수신을 위한 이중 패턴 구조의 IDT를 형성하고, 그 상측으로 웨이브가이드 층을 적층 형성하며, 상기 웨이브가이드 층 상면에 입/출력 IDT 사이의 유체 통로를 형성하기 위한 통로부를 설치하여 구성하되, 상기 웨이브가이드 층을 기판과의 횡파 속도 차이를 크게 할 수 있는 에폭시 계열의 SU-8을 사용하여 형성하고, IDT 및 웨이브가이드 층의 형상을 최적화함으로써, 측정 감도가 크게 향상되는 유체 점도 측정용 표면 탄성파 센서에 관한 것이다.

점도는 유체의 유동적 성질을 지배하는 중요한 물리량이다.

이러한 유체의 점도를 측정하는 점도계는 식품, 약품, 석유제품, 잉크, 각종 폴리머 등 다양한 분야에서 이용되고 있으며, 산업분야에서 이용되는 점도계는 측정 원리에 따라 세관식, 회전식, 낙체식, 진동식 등이 있다.

이러한 점도계 중에서 점도가 낮은 저점도 유체를 정확히 측정하기 위하여 모세관 점도계나 세이볼트(saybolt) 점도계가 이용되고 있으나, 측정시간이 오래 걸리고 실험방법이 복잡한 단점이 있다.

표면 탄성파(Surface Acoustic Wave, SAW)는 초기에 SAW 필터로 이용되었으며, 표면 탄성파 작동 원리를 센서에 적용하여 습도나 가스 등을 검출하는 센서에 이용되었다.

표면 탄성파를 이용한 SAW 센서는 입력 IDT(InterDigital Transducer)에서 발생된 표면파가 감지층을 지나 출력 IDT로 전달될 때 감지층에서 발생한 하중 변화가 감지층을 지나는 표면파의 삽입손실이나 주파수를 변화시키는 원리를 이용한 다.

SAW 센서는 크기가 작고 측정 방법이 간단하며 측정 감도가 높아 정확하고 세분화된 측정이 가능한 장점이 있다.

최근 이러한 표면 탄성파의 원리를 이용하여 저점성 유체의 점도나 밀도를 측정하는 연구가 진행되고 있으며, 액상에 존재하는 소량의 단백질이나 세균 등을 검출해 내는 기술의 필요성에 의해 SAM(Self-Assembled Monolayer)나 LB(Langmuir-Blodget Method) 등의 유기박막 제조 기술 등과 함께 바이오센서 분야에서 다양한 연구가 수행되고 있다.

이러한 SAW 센서 중에서 LOVE 파 센서는 압전기판 위에 유전성(dielectric) 물질을 입혀 웨이브가이드 층(waveguide layer)을 따라 이동하는 표면파를 생성시킨다.

여기서, 도 1을 참조하여 LOVE 파에 대해 간단히 설명하면, LOVE 파는 반무한 평면과 웨이브가이드 층 사이에서 발생하는 것으로, 자유표면에서 SH(Shear Horizontal) 파의 다중 반사에 의한 간섭에 의해 발생하는 표면파의 한 종류이며, 입자의 운동은 표면에 평행하고 진행방향에 수직이다.

또한 LOVE 파는 지질학에서 지진에 대한 연구 중에 나온 개념으로, 특수한 경우에 발생하는 표면파이며, 두껍고 밀도가 높아 초음파 속도가 빠른 어떤 층 위에 밀도가 작아 초음파 속도가 느린 얇은 층이 있는 경우 두 층의 경계면에 SH 파가 입사되면 입사된 SH 파는 다른 종류의 파로 변화하지 않고 SH 파 형태로 입사되어 상부의 밀도가 작고 얇은 층을 따라 이동하게 되는데, 이와 같은 경우에 발생한 파를 LOVE 파라고 한다.

LOVE 파 센서는 고주파에서 작동하는 전단파를 이용하는 센서로, 표면 퍼터베이션(perturbation) 효과를 이용하여 높은 측정 감도를 갖는다.

LOVE 파 센서와 관련된 연구로서, G. Kovacs 등, Jakoby 등과 Teston 등은 액상에서 작동하는 바이오센서 제작을 위해 SiO₂를 웨이브가이드 층으로 한 LOVE 파 센서를 제작하고, 물-글리세롤을 무게비로 배합한 점성용액을 이용하여 점도 차이에 따른 삽입손실과 주파수 변화를 측정하였다.

또한 Herrmann 등은 SiO₂를 웨이브가이드 층으로 구성한 두 개의 LOVE 파 센서를 제작하고, 이 중에 하나의 센서는 SiO₂ 표면에 일정한 간격의 홈을 판 뒤 홈을 내지 않은 센서와 비교하여 점성 용액의 밀도 차이에 의한 위상 변화를 측정하였다.

McHale 등은 LOVE 파 센서의 감도를 최대로 할 수 있는 웨이브가이드 층의 두께를 수치 해석적으로 계산하였으며, Gizeli 등은 웨이브가이드 층을 PMMA나 Novolac과 같은 재료로 제작하여 센서의 감도를 향상시키고 SAM 기술을 적용한 바이오센서를 제작하였다.

한편, LOVE 파 센서는 웨이브를 발생시키는 IDT가 점성 용액과 직접 접촉하지 않으므로 점성 용액에 의한 손실이 상대적으로 적으며, LOVE 파의 특성상 IDT에서 발생한 에너지가 웨이브가이드 층을 따라서 전달되므로 웨이브가이드 층과 접촉해 있는 액체의 상태 변화에 민감하게 반응한다.

종래의 LOVE 파 센서는 웨이브가이드 층으로 대부분 SiO₂를 사용하였는데, 특히 LOVE 파 센서는 기판(substrate)의 재료와 웨이브가이드 층 재료 사이의 속도 차이가 클수록 감도가 커진다.

그러나, 알려진 바와 같이 SiO₂의 횡파 속도는 약 2850m/s이며, 이는 통상적으로 기판으로 사용되는 수정(quartz)의 횡파 속도 5100m/s와 비교할 때 속도 차이가 그리 크지 않으므로, 종래 센서의 경우에는 측정 감도가 그리 높지 못하다는 문제가 있었다.

이와 같이 종래의 센서는 측정 감도 면에서 미흡한 점이 있었는 바, 측정 감도를 보다 향상시킨 센서의 개발이 절실한 실정이다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 압전 기판 위에 신호 입/출력, 표면파 생성 및 수신을 위한 이중 패턴 구조의 IDT를 형성하고, 그 상측으로 웨이브가이드 층을 적층 형성하며, 상기 웨이브가이드 층 상면에 입/출력 IDT 사이의 유체 통로를 형성하기 위한 통로부를 설치하여 구성하되, 상기 웨이브가이드 층을 기판과의 횡파 속도 차이를 크게 할 수 있는 에폭시 계열의 SU-8을 사용하여 형성하고, IDT 및 웨이브가이드 층의 형상을 최적화함으로써, 측정 감도가 크게 향상되는 유체 점도 측정용 표면 탄성파 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, LOVE 파를 이용하여 유체 점도를 측정하기 위한 표면 탄성파 센서에 있어서, 압전기판과; 상기 압전기판의 상면에 상호 간 소정 거리를 두어 양측으로 형성되는 입력 IDT 및 출력 IDT와; 상기 입력 IDT 및 출력 IDT를 커버하는 형태로 상기 압전기판의 상면에 적층 형성되는 웨이브가이드 층과; 상기 웨이브가이드 층의 상측에 설치되어 입력 IDT와 출력 IDT 사이를 연결하는 유체 통로를 상기 웨이브가이드 층 표면에 형성하는 통로부와; 상기 압전기판 및 입/출력 IDT, 웨이브가이드 층, 통로부로 구성되는 센서 본체가 고정되는 부분이면서, 상기 각 입/출력 IDT에 전기 신호의 입출력이 가능하도록 접속되는 커넥터를 구비한 센서 지그;를 포함하여 구성되되, 상기 웨이브가이드 층이 SU-8을 재질로 하여 구성된 것을 특징으로 하는 LOVE 파를 이용한 유체 점도 측정용 표면 탄성파 센서를 제공한다.

바람직하게는, 상기 웨이브가이드 층의 두께가 3.6㎛인 것을 특징으로 한다.

또한 바람직하게는, 상기 웨이브가이드 층의 두께가 1.8㎛인 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 입/출력 IDT는 두 개씩의 핑거가 교차된 이중 구조 IDT 패턴으로 구성되어 핑거 폭과 핑거 간의 간격이 파장(λ)의 1/8로 되어 있되, 핑거 오버랩이 3.5mm, 핑거 쌍수가 20쌍, 입력 IDT와 출력 IDT 간의 거리가 6mm인 것을 특징 으로 한다.

또한 상기 입/출력 IDT는 두 개씩의 핑거가 교차된 이중 구조 IDT 패턴으로 구성되어 핑거 폭과 핑거 간의 간격이 파장(λ)의 1/8로 되어 있되, 핑거 오버랩이 2mm, 핑거 쌍수가 20쌍, 입력 IDT와 출력 IDT 간의 거리가 4mm인 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 통로부에 의해 형성된 유체 통로의 높이가 0.2mm인 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 통로부는 그 저면에 웨이브가이드 층 표면과 유체 통로를 형성하는 홈이 형성되어 있으면서 상기 홈 일단 위치에 인렛 호스를 통해 점성 유체가 유입되는 유입구가 관통 형성되고 상기 홈 타단 위치에 아울렛 호스를 통해 점성 유체가 배출되는 배출구가 관통 형성된 구조로 되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 발명자는 유체 점도 측정용 표면 탄성파 센서로서 77MHz와 155MHz LOVE 파 센서를 설계 제작하였으며, 제작된 센서의 작동 특성을 알기 위해 점도가 다른 점성 유체를 이용한 실험을 통해 제작된 센서를 비교 분석하였다.

본 발명의 센서에서는 웨이브가이드 층의 재료로 에폭시(epoxy) 수지 계열의 SU-8가 사용되는데, SU-8는 횡파 속도가 약 1100m/s로서 SiO₂(약 2850m/s)에 비해 매우 낮기 때문에 기판의 횡파 속도(수정의 횡파 속도 5100m/s)와의 차이를 크게 할 수 있으므로 센서의 측정 감도를 크게 향상시킬 수 있게 된다.

이와 더불어 SU-8은 일반 반도체 제작 공정의 사진 공정에서 사용되는 현상 용액과 같이 패턴 형성이 가능하며, 시너(thinner)를 배합하여 특정 두께로 제작하는 것도 가능하다.

우선, 본 발명에 따른 LOVE 파 센서의 설명에 앞서 LOVE 파 센서의 이론적 배경에 대해 설명하면 다음과 같다.

1. 질량 감도(mass sensitivity)

LOVE 파는 등방성 반무한체(semi-infinite half-space material) 위에 상대적으로 강성이 약하고 종파 속도가 작은 이질층(waveguide layer)이 존재하는 경우에 발생한다. 이러한 LOVE 파를 해석하기 위해 도 2와 같이 두께 w인 등방성 압전기판(밀도 ρ_s, Lame 상수 λ_s와 μ_s) 위에 두께 d인 웨이브가이드 층(밀도 ρ_l, Lame 상수 λ_l와 μ_l)을 갖는 구조를 가정한다. 이때, 파의 진행방향은 x₁방향이고 변위는 x₂방향으로 발생한다. LOVE 파에 의해 발생하는 압전기판의 변위(u_s)와 웨이브가이드 층의 변위(u_l)는 파동 방정식의 해를 이용하여 아래와 같이 구할 수 있다[1. McHale, G., Newton, M. and Martin, F. J., 2002, Layer guided shear horizontally polarized acoustic plate modes, Appl. Phys, 91(9), 5735-5744.; 2. McHale, G., Newton, M. and Martin, F. J., 2002, Theorical mass sensitivity of Love wave and layer guided acoustic plate mode sensors, Appl. Phys. 91(12), 9701-9710.; 3. McHale, G., Martin, F. and Newton, M. J., 2002, Mass sensitivity of acoustic wave devices from group and phase velocity measurement, Appl. Phys. 92(6), 3368-3373.; 4. McHale, G., 2003, Generalized concept of shear horizontal acoustic plate mode Love wave sensors, Meas. Sci. Technol. 14, 1847-1853.].

(1)

(2)

여기서, ω는 각 주파수(angular frequency)를, k₁은 웨이브 벡터(wave vector(=

)를, v는 용액의 위상속도(phase velocity of the solution)를 나타내고, A_l, B_l, C_s 및 D_s는 상수(constant), l과 s는 가이드웨이브 층과 기판을 나타내는 하첨자(subscript for waveguide layer and substrate)이다.

그리고, 웨이브 벡터 T_s와 T_l은 다음과 같이 주어진다.

(3)

(4)

경계면에서의 변위와 응력에 관한 경계 조건을 이용하여 다음과 같은 분산 방정식(dispersion equation)을 구할 수 있다.

(5)

LOVE 파는 웨이브 벡터 T_s가 실수이고 압전기판의 전단 속도(

)가 웨이브가이드 층의 전단 속도(

)보다 빠르고 압전기판의 두께가 w→∞일 때 발생한다. 도 3은 식(5)의 분산 방정식을 이용하여 웨이브가이드 층의 두께에 따른 LOVE 파의 위상속도(phase velocity) 변화를 나타낸 분산 곡선(dispersion curve)이다. 이때 중심 주파수(f₀)는 77MHz와 155MHz이고, 압전기판의 두께는 700㎛, 위상속도는 v_s=5100m/s, 밀도는 ρ_s=2655kg/㎥이며, 웨이브가이드 층의 위상속도는 v_l=1100m/s, 밀도는 ρ_l=1000kg/m³이다. LOVE 파 센서의 질량 감도(S_m, mass sensitivity)는 상기 식(5)의 분산 방정식을 이용하여 다음의 식(6)과 같이 구해진다.

(6)

여기서,

은 웨이브가이드 층에서의 질량 변화(change of mass at waveguide layer)이고,

는 웨이브가이드 층에서의 위상속도 변화(change of phase velocity at waveguide layer)이며, z은 웨이브가이드 층 두께와 특정 작동 주파수에서 웨이브가이드 층을 지나는 웨이브 파장 간의 비(normalized thickness)(=d/λ_l)이고, v₀은 질량 하중이 가해지지 않은 웨이브가이드 층에서의 위상속도(phase velocity at waveguide layer without mass loading)이다.

도 4는 도 3의 분산 곡선을 이용하여 계산된 질량 감도를 나타낸다. 분산 방정식을 이용한 수치해석의 결과에 따르면 센서의 감도는 웨이브가이드 층의 두께가 λ_l/4일 때 가장 높고 중심 주파수의 크기에 비례하는 것으로 나타났다.

2. 유체의 점도 측정

전단파(shear wave)는 이상적인 유체(ideal liquid)와는 상호작용을 하지 않으나 점성 유체와는 상호작용을 한다. LOVE 파는 전단파의 한 종류이므로 가이드웨이브 층에 접촉해 있는 유체는 가이드웨이브 층의 진동에 반응하게 된다. 이때, 음파의 유효 침투 깊이(effective liquid thickness)는 다음과 같이 계산된다[Gizeli E., 2000, Study of the sensitivity of the acoustic waveguide sensor, Anal. Chem. 72, 5967-5972.].

(7)

여기서,μ는 유체의 점성을, ρ는 유체의 밀도를, ω는 각 주파수(angular frequency)를 각각 나타낸다.

작동 주파수가 155MHz일 때 순수(pure water)에서 음파의 유효 침투 깊이는 44nm로 계산된다.

웨이브 가이드 층 표면에 유체의 점성 부하가 가해지면 점성 결합에 따라 표면 임피던스가 변화하게 되고, 음파의 전파 상수(propagation constant,

)가 변화하게 된다. 뉴톤 유체와 같은 저점도 유체에서 전파 상수의 실수부와 허수부는

와 같이 표현할 수 있다. 이러한 변화는 분산 이론을 이용하여 해석할 수 있으며, 전파 상수의 변화는 다음과 같이 표현할 수 있다[1.Kovacs, G., Vellekoop, M. J., Haueis, R., Lubking, G. W. and Venema, A., 1994, A Love wave sensor for (Bio)chemical sensing in liquids, Sens. Actuators, 43, 38-43.; 2.Jakoby, B. and Michael, M. J. Sens., 1998, Viscosity sensing using a Love-wave device, Sens. Actuators, 68, 275-281.; 3.Teston, F., Feuillard, G., Tessier, L. P., Tran, H. H. and Lethiecq, M. J., 2000, Analysis of the coupling between shear horizontal plate waves and liquids, appl. Phys. 15, 689-694.].

(8)

의 실수부는 감쇠를 나타내고, 허수부는 파수(wavenumber)의 변화를 나타낸다. 전파 상수의 변화는 주파수의 변화와 전달 손실을 이용해 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(9)

(10)

여기서, v_g는 군 속도(group velocity)(m/s)를, v는 위상속도(phase velocity)(m/s)를, S는 센서 감도를 나타내고, f는 작동 주파수를, L은 전파 경로 길이(length of popagation path of wave)를,

는 위상(wave phase in degree)(°),

는 삽입손실을 나타낸다.

유체의 점도 및 밀도 변화는 위상 변화 및 삽입손실 변화로 표현할 수 있다.

상기 식(9)에서 v_g/v항은 주파수 변화에 따른 전파 상수의 변화와 관계가 있고, 또한 주파수 변화는 위상 변화로도 표현할 수 있으며, 주파수와 위상 변화는

에 대해 선형적으로 감소하는 것으로 나타났다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 유체 점도 측정용 표면 탄성파 센서에 대해 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 5는 본 발명에 따른 유체 점도 측정용 표면 탄성파 센서의 이용상태도이고, 도 6은 본 발명에 따른 유체 점도 측정용 표면 탄성파 센서의 사시도이다.

또한 첨부한 도 7은 본 발명에 따른 유체 점도 측정용 표면 탄성파 센서에서 압전기판, IDT, 웨이브가이드 층을 포함하여 구성되는 센서 본체의 사시도이고, 도 8은 본 발명에 따른 유체 점도 측정용 표면 탄성파 센서에서 센서 본체의 IDT 패턴 구조를 도시한 평면도이며, 도 9는 본 발명에 따른 유체 점도 측정용 표면 탄성파 센서에서 센서 본체의 단면도이다.

그리고, 첨부한 도 10은 본 발명에 따른 유체 점도 측정용 표면 탄성파 센서에서 센서 본체가 고정되는 센서 지그의 사시도이다.

여기서, 도 5는 본 발명의 표면 탄성파 센서를 포함하여 구성되는 유체 점도 측정 장치의 전체 구성을 도시한 것으로, 도시된 바와 같이 유체 점도 측정 장치는 표면 탄성파 센서(100), 회로망 분석기(200), 그리고 컴퓨터(300)로 구성된다.

이러한 구성에서, LOVE 파를 이용한 유체 점도 측정용 표면 탄성파 센서(LOVE 파 센서)(100)의 입력 IDT(Interdigital Transducer)(112)와 출력 IDT(113)에는 센서 지그(120)에 구비된 커넥터(124,125)를 통해 회로망 분석기(vector network analyzer)(200)의 케이블(211,212)이 연결된다(도 5 ~ 도 7 참조).

그리고, 상기 분석기(200)는 USB/GPIB 인터페이스를 통해 컴퓨터(notebook computer)(300)와 연결된다.

상기 분석기(200)는 센서(100)의 커넥터(124)에 연결된 케이블(211)을 통하여 센서의 입력 IDT(112)로 소정 주파수의 교류 신호를 인가하게 되는데, 이에 센서에서는 입력 IDT(112)에서 웨이브가이드 층(114)을 따라 이동하게 되는 표면파가 생성되고, 이 표면파는 반대편의 출력 IDT(113)로 전달되게 된다.

상기와 같이 입력 IDT(112)에서 생성된 표면파가 감지층을 지나 출력 IDT(113)로 전달되면 센서(100)의 출력 IDT(113)로부터는 점도 차이에 따른 주파수 응답 신호가 출력되며, 출력 IDT(113)로부터 출력되는 신호는 센서(100)의 커넥터(125)에 연결된 케이블(212)을 통해 분석기(200)로 입력되게 된다.

또한 상기와 같이 표면파가 감지층을 지나게 되면서 점도 차이에 따른 위상 변화가 발생하는데, 상기 컴퓨터(300)는 분석기(200)에서 출력되는 측정 데이터로부터 특정 중심 주파수에서의 위상값을 측정하게 된다.

또한 상기 컴퓨터(300)는 분석기(200)의 신호에서 측정된 위상값 변화를 실시간으로 디스플레이하게 되며, 이와 더블어 측정된 신호를 토대로 유체의 점성값을 산출 및 저장, 디스플레이하게 된다.

한편, 본 발명의 표면 탄성파 센서(100)는 압전기판(111) 및 입/출력 IDT(112,113), 웨이브가이드 층(114), 상기 입/출력 IDT(112,113) 사이의 유체 통로(116)를 형성하는 통로부(115)를 포함하여 구성되는 센서 본체(110)와, 상기 센서 본체(110)가 탑재되는 부분이면서 센서 본체의 입/출력 IDT(112,113)에 접속되도록 설치되는 커넥터(124,125)를 구비한 센서 지그(120)를 포함하여 구성된다.

도 7 및 도 8은 센서 본체(110)를 도시한 도면으로 통로부(도 9의 도면부호 15임)는 도시하지 않았으며, 도 9에서 도면부호 119a는 통로부(115) 내 유체 통로(116)로 점성 유체를 공급하기 위한 인렛 호스를, 도면부호 119b는 통로부(115) 내 유체 통로(116)로부터 점성 유체가 배출되도록 하기 위한 아울렛 호스를 나타낸다.

상기 표면 탄성파 센서(100)에서 센서 본체(110)의 구성을 좀더 상세히 살펴보면, 압전기판(111)의 상면에 입력 IDT(112)와 출력 IDT(113)가 상호 간 소정 거리를 두어 양측으로 형성되고, 상기 입력 IDT(112)와 출력 IDT(113)를 덮을 수 있도록 압전기판(111)의 상면에 웨이브가이드 층(114)이 적층된다.

상기와 같이 구성된 센서 본체(110)는 센서 지그(120) 위에 탑재되어 고정되는데, 상기 센서 지그(120)는 도 10에 나타낸 바와 같이 하측의 지그 플레이트(알루미늄 재질 등 사용)(121)와, 상기 지그 플레이트(121) 위에 부착되는 PCB 기판(122)을 포함하여 구성될 수 있다.

상기 센서 지그(120)의 양단부에는 도 10에 나타낸 바와 같이 전기 신호의 입/출력이 가능하도록 입/출력 IDT(112,113)에 연결되는 커넥터(124,125)가 설치되며, 상기 각 커넥터(124,125)에는 분석기(200)의 케이블(도 5의 도면부호 211,212임)이 연결된다.

도 6과 도 10에서 도면부호 124는 입력 IDT(112)에 접속되는 커넥터를, 도면부호 125는 출력 IDT(113)에 접속되는 커넥터를 나타내며, 각 커넥터(124,125)는 케이블(211,212)을 통해 분석기(200)와 연결된다.

상기 센서 지그(120)의 각 커넥터(124,125)는 PCB 기판(122)의 전극 단자(123)를 통해 PCB 기판 위로 탑재된 센서 본체(110)의 해당 IDT(112,113)와 전기적으로 연결되며, 센서 본체(110)의 각 IDT(112,113)에서 외부 연결된 단자와 PCB 기판(122)의 전극 단자(123)가 도체수단으로 연결되어, 센서 지그(120) 위에 센서 본체(110)가 탑재된 상태에서, 각 커넥터(124,125)가 센서 본체(110)의 해당 IDT(112,113)와 전기적으로 접속되어진다.

이하, 본 발명에 따른 점도 측정용 센서의 구성을 설명함에 있어서, 중심 주파수 77MHz, 155MHz를 사용 주파수로 하는 센서의 실시예를 들어 설명하기로 한다.

본 발명의 발명자는 사용 주파수를 77MHz와 155MHz로 하는 센서를 제작하였 으며, 압전기판(111)은 0.7mm 두께의 42.75°ST-컷(cut) 수정 기판을 사용하였다.

상기 압전기판(111)은 절단면이 Y 측에 42.5˚이고 파의 진행방향이 Z축 방향인 수정 기판으로, 이는 하기 표 1에 나타낸 바와 같이 전기기계 결합계수가 0.1 ~ 0.17로 매우 낮으나 TCD(Temperature Coefficient of Delay)가 0으로 매우 안정적인 특성을 가진다.

그리고, 상기 압전기판(111) 위에 형성되는 입력 IDT(112)와 출력 IDT(113)는 동일한 구조로 되어 있는데, 각 IDT(112,113)는 도 8에 나타낸 바와 같이 다수의 핑거(112a,113a)로 이루어진 패턴 구조로 되어 있으며, 상기 IDT를 구성하는 패턴 구조는 다음과 같은 반도체 제조 공정을 통해 형성된다.

우선, 압전기판(111) 위에 소정 두께의 금속층을 증착시킨 뒤, 금속층 위에 포토레지스트(PR)를 도포하고, 이후 사진식각(potholithography) 공정을 통해 일부 포토레지스트를 제거시킨 포토레지스트 패턴(PR 패턴)을 형성한다.

이어 건식 식각을 실시하여 노출된 금속층을 선택적으로 식각 처리함으로써 압전기판 위에서 제거한 뒤, 마지막으로 남아있는 포토레지스트를 제거하여 IDT 패턴을 압전기판 위에 형성시키게 된다.

본 발명자는 77MHz 및 155MHz 센서의 IDT를 형성하기 위해 압전기판 위에 Cr과 Au를 각각 20nm와 100nm의 두께로 DC 스퍼터(sputter)(A-tech system, Korea)를 이용해 차례로 증착시킨 후 IDT 패턴 마스크(PKL, Korea)와 포토레지스트(AZ1512 PR)을 사용하여 Cr/Au가 증착된 압전기판 위에 포토레지스트 패턴을 형성하였으며, 상기 포토레지스트 패턴을 건식 에칭장비(dry echer)(A-tech system, Korea)를 이용해 IDT 패턴으로 제작하였다.

도 8을 참조하여 IDT 패턴 구조에 대해 설명하면, 본 발명에서 IDT 패턴으로는 두 개씩의 핑거(112a,113a)가 교차된 이중 구조 IDT(double IDT) 패턴을 형성하며, 이때 IDT(112,113)의 창폭, 즉 핑거 오버랩(finger overlap)은 77MHz의 센서에서는 3.5mm로, 155MHz의 센서에서는 2mm가 되도록 형성한다.

그리고, IDT(112,113)의 쌍수(finger pairs)는 두 개의 핑거(112a,113a)가 교차된 구간을 한 쌍으로 할 때(도 8에서 λ로 표시된 구간을 한 쌍으로 함) 총 20쌍으로 형성하며, 입력 IDT(112)와 출력 IDT(113) 사이의 거리(도 8에서 L로 표시함)는 77MHz의 센서에서는 6mm로, 155MHz에서는 4mm로 한다.

상기와 같이 이루어진 이중 IDT 구조는 각 핑거(전극)(112a,113a)의 폭과 핑거 간의 간격이 λ/8(λ:파장)로 되어 있으며, 같은 주파수에서 한 개씩의 핑거가 교차된 단일 IDT(single IDT) 구조에 비해 2배나 폭이 좁은 전극으로 인해 제작상의 어려움은 있으나 TTE이 상쇄 간섭에 의해 억제되는 장점을 가진다.

상기와 같이 압전기판(111) 위에 입/출력 IDT(112,113)가 형성되면 그 상측으로 웨이브가이드 층(114)을 형성하게 된다.

본 발명에 따른 센서에서 웨이브가이드 층의 재료로는 종래에 사용되었던 SiO₂ 대신에 SU-8이 사용된다.

이와 같이 본 발명의 센서에서는 웨이브가이드 층의 재료로 SU-8가 사용되는데, SU-8는 횡파 속도가 약 1100m/s로서 종래 재료인 SiO₂(약 2850m/s)에 비해 매우 낮기 때문에 압전기판의 횡파 속도(수정의 횡파 속도 5100m/s)와의 차이를 크게 할 수 있으므로 센서의 측정 감도를 크게 향상시킬 수 있게 된다.

또한 상기 SU-8은 에폭시 수지 계열의 제품으로 일반 포토레지스트 용액과 같이 패턴 형성이 가능하며, 다른 물질과 결합력이 뛰어날 뿐만 아니라 시너(thinner)를 배합하여 두께 조절이 가능한 장점이 있다.

본 발명의 발명자는 77MHz 및 155MHz의 센서 제작시에 웨이브가이드 층을 형성하기 위하여 포토레지스트 용액으로 사용되는 MicroChem 사의 SU-8 용액을 IDT가 형성된 압전기판 상면에 회전 도포한 뒤 경화시키는 방식으로 형성하였는데, 스핀 코팅기(spin coater)(A-tech system, Korea)를 이용하여 형성하였다.

이때, 웨이브가이드 층(114)의 두께는 식(5)에 의해 구해지는데, 77MHz 센서에서는 약 3.6㎛이고, 155MHz 센서에서는 약 1.8㎛로 하였으며, 기판(111) 위에 코팅된 웨이브가이드 층(114)의 두께는 표면 프로파일러(surface profiler)(Veeco, USA)를 이용하여 두께를 측정하였다.

상기한 제작 공정이 끝나면 기판(수정)은 다이싱 소우(dicing saw)(AM Tech., Korea)를 이용하여 적절한 크기로 절단하며, 이후 웨이브가이드 층(114) 상면에 점성 측정 대상이 되는 유체가 센서의 감지층 표면을 통과할 수 있도록 통로를 형성하기 위한 통로부(115)를 설치하여 센서 본체를 완성한다.

그리고, 상기와 같이 완성된 센서 본체(110)를 센서 지그(120) 위에 탑재시킨 뒤 각 IDT(112,113)의 외부 연결 단자를 커넥터(124,125)가 연결된 PCB 기판(122)의 전극 단자(123)와 연결하게 된다.

상기 통로부(115)는 센서의 감지층에 주어지는 점성 용액의 양을 일정하게 하면서 센서의 감지층에 유체가 통과할 수 있는 통로(116)를 형성하는 것으로, 예컨대 센서의 감지층 표면에서 점성 유체가 통과할 수 있는 0.2mm 높이(웨이브가이드 층 표면으로부터의 높임)의 통로(116)를 형성하는 통로부(115)를 아크릴로 제작하여 설치한다.

상기 통로부(115)는 저면에 웨이브가이드 층(114)의 표면과 함께 통로(116)를 형성하게 되는 0.2mm 깊이의 홈(116a)이 형성되어 있으면서 상기 홈(116a)의 일단 위치에는 인렛 호스(119a)를 통해 점성 유체가 유입되는 유입구(117)가 관통 형성되고 상기 홈(116a)의 타단 위치에는 아울렛 호스(119b)를 통해 점성 유체가 배출되는 배출구(118)가 관통 형성된 구조로 되어 있는 바, 통로부(116) 저면이 웨이브가이드 층(114) 상면에 밀착된 상태일 때 상기 홈(116a)은 웨이브가이드 층(114) 상면에서 입력 IDT(112)와 출력 IDT(113) 사이의 통로를 형성하게 된다.

이때, 상기 인렛 호스(119a)를 통해 유입되는 점성 유체는 유입구(117), 통로(116), 배출구(118)의 순으로 이어지는 통로부(115)의 내부 경로를 통과한 뒤 아울렛 호스(119b)를 통해 배출되어진다.

상기한 공정을 통해 완성된 센서(100)는 분석기(HP8750, Hewlett Packard, USA)(200)와 연결하여 유체 점도 측정 장치를 구성하게 되는데, 분석기(200)는 USB/GPIB interface(82357A, Agilent, USA)를 통해 노트북 컴퓨터(300)와 연결된다.

이렇게 구성된 유체 점도 측정 장치에서 점도 차이에 따른 위상 변화는 S 파라미터 중 S₂₁ 파라미터를 측정하게 되며, 측정된 데이터를 토대로 VEE pro(Agilent, USA) 프로그램을 통해 특정 주파수에서 위상값을 실시간으로 측정하게 된다.

한편, 본 발명의 발명자는 상기와 같이 구성된 점도 측정 장치를 이용하여 점도 측정 실험을 실시하였는 바, 첨부한 도 11과 도 12는 부하가 없는 상태에서 측정된 77MHz와 155MHz LOVE 파 센서의 파형을 나타낸다.

점도 실험에 사용된 용액은 점도에서 1차 표준으로 사용되고 있는 20℃ 증류수를 기준으로 증류수와 글리세롤을 무게비로 배합하여 0% ~ 40%의 수용액으로 제작된 용액을 사용하였으며, 각 점성 용액의 밀도와 점도는 하기 표 2와 같다.

용액의 점도 변화를 측정하는 실험에서 감지층 표면에서 0.2mm 높이의 점성 유체 통로를 형성하는 아크릴 재질의 통로부(115)를 설치하였다.

실험 방법은, 우선 공기 중에서 LOVE 파 센서의 위상 신호를 안정화시킨 뒤, 점성 용액을 통로부(115)의 인렛 호스부(119a)에 공급하여 센서의 감지층을 점성 용액으로 채우고, 이어 변화된 위상 신호가 충분히 안정화되도록 기다린다.

이후 위상 신호가 안정되면 감지층에 점성 용액이 남지 않도록 완전히 제거하고 위상 신호를 안정화시킨다.

점성 용액의 농도별로 위와 같은 실험을 순서대로 반복하여 실시한다.

이러한 방식으로 증류수와 글리세롤의 무게비로 제작된 점성 용액의 점도 변화를 측정하기 위해 분석기의 S₂₁ 신호를 측정하여 중심 주파수인 77MHz와 155MHz에서 위상 변화를 측정하였다.

도 13은 77MHz와 155MHz LOVE 파 센서에서 실시간으로 측정된 위상값을 나타내고, 도 14는 증류수와 글리세롤의 무게비에 따른 위상값 변화를 나타내며, 도 15는

에 따른 위상값 변화를 나타낸다. 점성 용액은 식(9)에서 표현된 것과 같이

에 비례하여 위상이 변화하였으며, 측정된 두 개의 센서에서 모두 결정 계수가 0.98 이상으로 높게 나타났다.

측정된 데이터를 이용해 제작된 센서의 실제 측정 감도를 계산한 결과, 77MHz 센서의 감도(S_p)는 3.56×10^-8㎡s/㎏, 질량 감도(S_pm)는 2.74㎡/㎏으로 계산 되었고, 155MHz 센서의 감도(S_p)는 1.12×10^-7㎡s/㎏, 질량 감도(S_pm)는 17.24㎡/㎏으로 계산되었다.

이와 같이 LOVE 파 센서의 중심 주파수가 증가함에 따라 센서의 감도도 크게 증가하는 것으로 나타났다.

이와 같이 하여, 본 발명에서는 반도체 제조 공정을 이용하여 77MHz와 155MHz LOVE 파 센서를 제작할 수 있으며, 웨이브가이드 층은 최적 감도를 갖도록 하기 위한 시뮬레이션 결과에 따라 77MHz 센서에서는 3.6㎛, 155MHz 센서에서는 1.8㎛ 두께로 형성된다.

그리고, 본 발명에서는 웨이브가이드 층의 재료로서 패턴 형성이 가능하면서 시너(thinner)를 이용해 두께 조절이 가능한 에폭시 계열의 SU-8 포토 레지스트 용액이 사용되고, 감지층에 공급되는 유체의 양을 일정하게 하기 위해 0.2mm 높이의 통로를 형성할 수 있는 통로부가 설치된다.

본 발명의 발명자는 제작된 두 개의 LOVE 파 센서에서 물과 글리세롤을 무게비로 배합한 점성 용액을 이용하여 점도 변화에 따른 위상 변화를 측정하였으며, 측정 결과에 따르면 위상은

에 비례하여 선형적으로 증가하는 것으로 나타났다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 LOVE 파를 이용한 유체 점도 측 정용 표면 탄성파 센서에 의하면, 압전 기판 위에 신호 입/출력, 표면파 생성 및 수신을 위한 이중 패턴 구조의 IDT를 형성하고, 그 상측으로 웨이브가이드 층을 적층 형성하며, 상기 웨이브가이드 층 상면에 입/출력 IDT 사이의 유체 통로를 형성하기 위한 통로부를 설치하여 구성하되, 상기 웨이브가이드 층을 기판과의 횡파 속도 차이를 크게 할 수 있는 에폭시 계열의 SU-8을 사용하여 형성하고, IDT 및 웨이브가이드 층의 형상을 최적화함으로써, 센서의 측정 감도가 크게 향상되는 효과가 있다.

Claims

LOVE 파를 이용하여 유체 점도를 측정하기 위한 표면 탄성파 센서에 있어서,

압전기판과;

상기 압전기판의 상면에 상호 간 소정 거리를 두어 양측으로 형성되는 입력 IDT 및 출력 IDT와;

상기 입력 IDT 및 출력 IDT를 커버하는 형태로 상기 압전기판의 상면에 적층 형성되는 웨이브가이드 층과;

상기 웨이브가이드 층의 상측에 설치되어 입력 IDT와 출력 IDT 사이를 연결하는 유체 통로를 상기 웨이브가이드 층 표면에 형성하는 통로부와;

상기 압전기판 및 입/출력 IDT, 웨이브가이드 층, 통로부로 구성되는 센서 본체가 고정되는 부분이면서, 상기 각 입/출력 IDT에 전기 신호의 입출력이 가능하도록 접속되는 커넥터를 구비한 센서 지그;

를 포함하여 구성되되, 상기 웨이브가이드 층이 SU-8을 재질로 하여 구성된 것을 특징으로 하는 LOVE 파를 이용한 유체 점도 측정용 표면 탄성파 센서.
청구항 1에 있어서,

상기 웨이브가이드 층의 두께가 3.6㎛인 것을 특징으로 하는 LOVE 파를 이용한 유체 점도 측정용 표면 탄성파 센서.
청구항 1에 있어서,

상기 웨이브가이드 층의 두께가 1.8㎛인 것을 특징으로 하는 LOVE 파를 이용한 유체 점도 측정용 표면 탄성파 센서.
청구항 1에 있어서,

상기 입/출력 IDT는 두 개씩의 핑거가 교차된 이중 구조 IDT 패턴으로 구성되어 핑거 폭과 핑거 간의 간격이 파장(λ)의 1/8로 되어 있되, 핑거 오버랩이 3.5mm, 핑거 쌍수가 20쌍, 입력 IDT와 출력 IDT 간의 거리가 6mm인 것을 특징으로 하는 LOVE 파를 이용한 유체 점도 측정용 표면 탄성파 센서.
청구항 1에 있어서,

상기 입/출력 IDT는 두 개씩의 핑거가 교차된 이중 구조 IDT 패턴으로 구성되어 핑거 폭과 핑거 간의 간격이 파장(λ)의 1/8로 되어 있되, 핑거 오버랩이 2mm, 핑거 쌍수가 20쌍, 입력 IDT와 출력 IDT 간의 거리가 4mm인 것을 특징으로 하는 LOVE 파를 이용한 유체 점도 측정용 표면 탄성파 센서.
청구항 1에 있어서,

상기 통로부에 의해 형성된 유체 통로의 높이가 0.2mm인 것을 특징으로 하는 LOVE 파를 이용한 유체 점도 측정용 표면 탄성파 센서.
청구항 1 또는 청구항 6에 있어서,

상기 통로부는 그 저면에 웨이브가이드 층 표면과 유체 통로를 형성하는 홈이 형성되어 있으면서 상기 홈 일단 위치에 인렛 호스를 통해 점성 유체가 유입되는 유입구가 관통 형성되고 상기 홈 타단 위치에 아울렛 호스를 통해 점성 유체가 배출되는 배출구가 관통 형성된 구조로 되어 있는 것을 특징으로 하는 LOVE 파를 이용한 유체 점도 측정용 표면 탄성파 센서.