KR101282026B1 - 표면 탄성파 센서 및 표면 탄성파를 이용한 센싱 방법 - Google Patents

표면 탄성파 센서 및 표면 탄성파를 이용한 센싱 방법 Download PDF

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Abstract

의사 임의 시퀀스(Pseudo Random Sequence)를 사용하여 미리 설정된 주파수 대역의 제1 신호를 생성하는 제1 신호 생성기; 미리 설정된 주파수를 갖는 제2신호를 생성하는 제2 신호 생성기; 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호를 혼합하여, 상기 제2 신호의 주파수를 중심 주파수로 하여 상기 제1 신호의 주파수 대역의 혼합 신호를 생성하는 신호 혼합기; 상기 혼합 신호를 사용하여 표면 탄성파(Surface Acoustic Wave)를 생성하며, 표면 탄성파가 미리 설정된 거리만큼 진행한 후 표면 탄성파를 신호로 변환하여 출력하는 파동 발생기; 및 상기 파동 발생기로부터 출력되는 신호의 변화를 검출하여 상기 파동 발생기에 결합된 물질을 감지하는 신호 검출기를 포함하는 표면 탄성파 센서가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 탄성파 센서 및 표면 탄성파를 이용한 센싱 방법을 사용하여, 의사 임의 시퀀스를 사용하여 생성된 광대역 신호를 SAW 소자의 중심 주파수에 해당하는 단일 주파수 신호와 혼합하여 SAW 소자에 인가함으로써, SAW 센서의 분해능을 향상시키고 SAW 센서에 결합된 물질을 정성적 및 정량적으로 분석할 수 있는 이점이 있다.
Figure R1020070103528
표면 탄성파, SAW, 센서

Description

표면 탄성파 센서 및 표면 탄성파를 이용한 센싱 방법{SURFACE ACOUSTIC WAVE SENSOR AND SENSING METHOD USING SURFACE ACOUSTIC WAVE}
본 발명은 표면 탄성파 센서(Surface Acoustic Wave; SAW) 및 표면 탄성파를 이용한 센싱 방법에 관한 것으로, 상세하게는 의사 임의 시퀀스(Pseudo Random Sequence)를 사용하여 생성된 광대역(wide band) 신호를 SAW 소자의 중심 주파수에 해당하는 단일 주파수 신호와 혼합하여 SAW 소자에 인가하고, SAW 소자 표면에 물질이 결합됨에 따라 발생하는 출력 신호의 변화를 통하여 물질을 감지하는 표면 탄성파 센서 및 표면 탄성파를 이용한 센싱 방법에 관한 것이다.
압전 재료(piezoelectric material)를 이용한 표면 탄성파(Surface Acoustic Wave; SAW) 센서에서, 입력 전극에 RF 신호를 인가하면 표면 탄성파가 생성된다. 만약 센서 표면에 대상 물질이 결합하면 센서의 표면 질량이 변화하고, 표면 탄성파에 대상 물질의 무게에 의해 파동의 변화가 발생한다. 표면 탄성파는 출력 전극에서 다시 전기 신호로 변환되어 출력된다. 이때 SAW 센서는 대상 물질로 인하여 발생하는 출력 신호 변화를 측정함으로써 센서에 결합된 물질을 감지하게 된다.
SAW 센서의 전극에 표면 탄성파 발생을 위한 신호를 인가하는 기술의 일 예 로, SAW 센서에서 출력된 출력 신호를 다시 SAW 센서의 입력 신호로 인가하는 발진(oscillation)에 의한 방법이 있다. 이 경우 입력 전극과 출력 전극의 간격이 좁아야 하며, 복수 개의 SAW 센서가 사용되는 경우에는 센서 각각을 독립적으로 발진시켜야 한다. 다른 방법으로, 회로망 분석기(Network Analyzer)를 사용하여 SAW 센서 외부에서 소정의 주파수를 가지는 신호를 생성하여 SAW 센서에 인가하는 방법이 있다. 이 경우 회로망 분석기에 의하여 인가되는 신호는 수 kHz 이상의 주파수 간격을 갖게 된다.
본 발명은 의사 임의 시퀀스(Pseudo Random Sequence)를 사용하여 표면 탄성파(Surface Acoustic Wave; SAW) 소자의 중심 주파수를 기준으로 넓은 주파수 대역을 가지는 신호를 생성하여 SAW 소자에 인가함으로써, 분해능이 향상된 표면 탄성파 센서 및 표면 탄성파를 이용한 센싱 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 탄성파 센서는, 의사 임의 시퀀스(Pseudo Random Sequence)를 사용하여 미리 설정된 주파수 대역의 제1 신호를 생성하는 제1 신호 생성기; 미리 설정된 주파수를 갖는 제2신호를 생성하는 제2 신호 생성기; 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호를 혼합하여, 상기 제2 신호의 주파수를 중심 주파수로 하여 상기 제1 신호의 주파수 대역의 혼합 신호를 생성하는 신호 혼합기; 상기 혼합 신호를 사용하여 표면 탄성파(Surface Acoustic Wave)를 생성하며, 표면 탄성파가 미리 설정된 거리만큼 진행한 후 표면 탄성파를 신호로 변환하여 출력하는 파동 발생기; 및 상기 파동 발생기로부터 출력되는 신호의 변화를 검출하여 상기 파동 발생기에 결합된 물질을 감지하는 신호 검출기를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표면 탄성파를 이용한 센싱 방법은, 의사 임의 시퀀스(Pseudo Random Sequence)를 사용하여 미리 설정된 주파수 대역의 제1 신호를 생성하는 단계; 미리 설정된 주파수를 갖는 제2신호를 생성하는 단계; 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호를 혼합하여, 상기 제2 신호의 주파수를 중심 주파수로 하여 상기 제1 신호의 주파수 대역의 혼합 신호를 생성하는 단계; 파동 발생기에서 상기 혼합 신호를 사용하여 표면 탄성파(Surface Acoustic Wave)를 생성하며, 표면 탄성파가 미리 설정된 거리만큼 진행한 후 표면 탄성파를 신호로 변환하여 출력하는 단계; 및 상기 파동 발생기로부터 출력되는 신호의 변화를 검출하여 상기 파동 발생기에 결합된 물질을 감지하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 살펴본다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 탄성파(Surface Acoustic Wave; SAW) 센서의 구성을 도시한 블록도이다. 도 1을 참조하면, 상기 실시예에 따른 SAW 센서는 제1 및 제2 신호 생성기(10, 20) 신호 혼합기(30), 파동 발생기(40) 및 신호 검출기(50)를 포함하여 구성된다.
제1 신호 생성기(10)는 광대역(wide band) 주파수의 제1 신호를 생성하기 위한 장치이다. 도 1을 참조하면, 제1 신호 생성기(10)는 신호 생성부(11) 및 디지털 필터부(12)를 포함하여 구성된다. 신호 생성부(11)는 의사 임의 시퀀스 발생기(Pseudo Random Sequence Generator)를 사용하여 디지털 신호인 제1 신호를 생성한다. 디지털 필터부(12)는 신호 생성부(11)에 의하여 생성된 제1 신호로부터 목적하는 주파수 대역 이외에 존재하는 잡음 신호를 제거한다.
도 1에 도시된 실시예에서, SAW 센서는 제1 신호 생성기(10)에 연결된 신호 변환기(13) 및 아날로그 필터(14)를 포함한다. 신호 변환기(13)는 제1 신호 생성기(10)에 의하여 생성된 디지털 신호인 제1 신호를 SAW 소자에 인가할 수 있는 아 날로그 신호로 변환한다. 또한, 아날로그 필터(14)는 신호 변환기(13)에서 출력된 아날로그 신호로부터 목적하는 주파수 대역 이외에 존재하는 잡음 신호를 제거한다. 잡음 신호의 제거를 위하여 대역 통과 필터 또는 저역 통과 필터 등과 같은 다양한 종류의 필터를 아날로그 필터(14)로 사용할 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에서 아날로그 필터(14)는 SAW 소자를 사용한 SAW 필터로 구성될 수도 있다.
제 2 신호 생성기(20)는, 파동 발생기(40)의 중심 주파수(center frequency)에 해당하는 단일 주파수를 가지는 제2 신호를 생성한다. 즉, 제2 신호의 주파수는 파동 발생기(40)에 아무런 물질이 결합되지 않은 경우 파동 발생기(40)의 출력 신호가 가장 큰 크기를 가지는 주파수에 해당한다.
신호 혼합기(30)는 제1 신호 생성기(10)에 의하여 생성되어 아날로그 변환 및 잡음 신호 제거가 완료된 제1 신호를 제2 신호 생성기(20)에 의하여 생성된 제2 신호와 혼합한다. 혼합 결과, 제2 신호의 주파수를 중심 주파수로 하며 제1 신호의 주파수 대역을 갖는 혼합 신호가 생성된다. 제1 신호의 주파수가 파동 발생기(40)에서 출력되는 신호의 주파수 영역을 벗어나는 경우, 출력 신호를 검출함으로써 대상 물질을 분석하는 것이 불가능하다. 따라서, 파동 발생기(40)의 중심 주파수를 주파수로 갖는 제2 신호를 사용하여 파동 발생기(40)에 인가되는 신호의 주파수가 원하는 대역에 위치하도록 조절한다.
예컨대, 제2 신호의 주파수가 200MHz 이며, 제1 신호의 대역폭이 20MHz 인 경우를 가정한다. 이 경우, 신호 혼합기(30)는 제1 신호 및 제2 신호를 혼합하여 200MHz의 주파수를 중심 주파수로 하여 20MHz의 대역폭을 갖는 혼합 신호를 생성한 다.
신호 혼합기(30)에 의하여 생성된 혼합 신호는 표면 탄성파의 발생을 위하여 파동 발생기(40)에 인가된다. 본 발명의 일 실시예에서는, 신호 혼합기(30)에 의하여 생성된 혼합 신호를 파동 발생기(40)에 인가하기에 적합한 크기로 증폭하기 위한 신호 증폭기(31)를 신호 혼합기(30)에 연결하여 사용하는 것도 가능하다.
파동 발생기(40)에서는 신호 증폭기(31)로부터 전달된 혼합 신호를 사용하여 표면 탄성파를 생성하는 SAW 소자이다. 도 1에서는 하나의 파동 발생기(40)를 포함하는 SAW 센서를 도시하였으나, 본 발명의 다른 실시예에서 SAW 센서는 복수 개의 파동 발생기(40)를 포함하여 구성될 수도 있다. 발생된 표면 탄성파는 파동 발생기(40)의 표면을 따라 진행하며, 파동 발생기(40)에 결합된 물질에 따라 주파수, 위상 및 신호 크기 등이 변화한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파동 발생기(40)의 보다 세부적인 구성을 도시한 개략도이다. 도 2를 참조하면, 파동 발생기(40)는 입력부(41), 출력부(42) 및 반응부(43)를 포함하여 구성된다. 본 발명의 일 실시예에서, 입력부(41) 및 출력부(42)는 인터 디지털 트랜스듀서(Inter Digital Transducer; IDT)로 구성될 수도 있다. 입력부(41)는 신호 혼합기(30)로부터 인가된 전기 신호를 기계적 파동인 표면 탄성파로 변환한다. 표면 탄성파는 반응부(43)를 통과하여 출력부(42) 방향으로 전파된다. 반응부(43)는 분석 대상 물질이 결합되기 위한 영역으로서, 반응부(43)에 결합된 물질에 따라 반응부(43) 상을 진행하는 표면 탄성파의 특성이 변화한다. 반응부(43)를 통과한 표면 탄성파는 출력부(42)로 전달되며, 출력부(42)는 표면 탄성파를 전기 신호로 변환하여 출력한다.
신호 검출기(50)는 파동 발생기(40)에서 출력된 신호를 검출하고, 검출된 신호를 통하여 파동 발생기(40)의 반응부(43)에 결합된 물질을 감지한다. 예컨대, 파동 발생기(40)의 반응부(43)에 반응 물질이 결합되면 파동 발생기(40)의 출력 신호의 중심 주파수, 위상 또는 신호 크기 등이 달라지게 된다. 신호 검출기(50)는 이를 통하여 파동 발생기(40)에 물질이 결합되었음을 감지할 수 있으며, 나아가 대상 물질을 정성적 및 정량적으로 분석할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 탄성파를 이용한 센싱 방법의 각 단계를 도시한 순서도이다. 도 1 및 도 3을 참조하면, 상기 실시예에 따른 표면 탄성파를 이용한 센싱 방법은 제1 신호 생성기(10)에서 의사 임의 시퀀스(Pseudo Random Sequence)를 사용하여 디지털 신호인 제1 신호를 생성하는 것으로 시작된다(S1). 제1 신호는 소정의 주파수 대역을 갖는 신호로서, 제1 신호 생성기(10)의 신호 생성부(11)에 의하여 생성된다. 도 3에 도시된 실시예에서, 신호 생성부(11)에 의하여 생성된 신호는 디지털 필터부(12)에 의하여 필터링 되어, 잡음 신호 부분이 제거된다(S2).
신호 생성부(11)는 의사 잡음 시퀀스를 이용하여 디지털 신호를 생성하므로, 이를 SAW 소자에 인가하기 위해서는 제1 신호를 아날로그 신호로 변환하는 과정이 요구된다. 이에 따라, 제1 신호 생성부(11)에 연결된 신호 변환기(13)는 제1 신호 를 아날로그 신호로 변환한다(S3). 다음으로, 아날로그 필터(14)는 신호 변환기(13)에 의하여 변환된 아날로그 신호에서 잡음 신호 부분을 제거한다(S4).
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 생성된 각 신호의 파형을 도시한 그래프이다. 도 4의 (a)는 신호 변환기(13)에 의하여 아날로그 변환이 완료된 제1 신호의 파형을 도시한다. 도시되는 바와 같이, 제1 신호는 소정의 대역폭(W)에 걸쳐 일정한 크기를 가지지만, 일정 부분 잡음 신호(100)를 갖는다. 도 4의 (b)는 아날로그 필터(14)에 의하여 잡음 신호가 제거된 제1 신호를 도시한다. 도시되는 바와 같이, 제1 신호로부터 대역폭(W) 밖에 존재하였던 잡음 신호가 제거되었다.
전술한 제1 신호의 생성과정과 병행하여, 제2 신호 생성기(20)는 파동 발생기(40)의 중심 주파수에 해당하는 단일 주파수 신호인 제2 신호를 생성한다(S5). 도 4의 (c)는 제2 신호 생성기(20)에 의하여 생성된 제2 신호의 파형을 도시한다. 도시되는 바와 같이, 제2 신호는 파동 발생기(40)의 중심 주파수인 fc를 주파수로 갖는 신호이다.
제1 신호 및 제2 신호가 생성되면, 다음으로 신호 혼합기(30)에서 제1 신호 및 제2 신호를 혼합하여 혼합 신호를 생성한다(S6). 도 4의 (d)는 신호 혼합기(30)에서 생성된 혼합 신호의 파형을 도시한다. 도시되는 바와 같이, 혼합 신호는 제2 신호의 주파수 fc를 중심 주파수로 하여 제1 신호의 대역폭(W)을 갖는 신호이다.
본 발명의 일 실시예에서, 신호 혼합기(30)에 의하여 생성된 혼합 신호의 크기를 신호 증폭기(31)에 의하여 증폭할 수도 있다(S7). 이 경우, 신호 증폭기(31)는 혼합 신호의 크기를 SAW 소자인 파동 발생기(40)에 인가되기에 적절한 크기로 증폭한다.
크기가 증폭된 혼합 신호는 파동 발생기(40)에 입력되며, 파동 발생기(40)는 입력된 혼합 신호를 사용하여 표면 탄성파를 생성한다(S8). 도 2를 참조하여 전술한 바와 같이, 파동 발생기(40)는 입력부(41)을 통하여 전기 신호인 혼합 신호를 표면 탄성파로 전환한다. 이때, 표면 탄성파가 반응부(43) 상을 진행하면서 결합된 물질의 특성에 따라 표면 탄성파의 특성이 변화하게 된다. 반응부(43)을 통과한 표면 탄성파는 출력부(42)에서 다시 전기 신호로 전환되어 출력된다.
신호 검출기(50)는 파동 발생기(40)로부터 출력된 신호를 검출하고 이를 입력 신호와 비교함으로써 파동 발생기(40)의 반응부(43)에 물질이 결합되었음을 감지한다(S9). 또한, 신호 검출기(50)는 파동 발생기(40)로부터 출력된 신호의 중심 주파수, 위상 및 신호 크기 등의 변화를 분석함으로써 대상 물질을 정량적 및 정성적으로 분석할 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 탄성파 센서에서 측정된 실험 결과를 도시한 그래프이다. 도 5a는 파동 발생기(40)에 아무런 물질이 결합되지 않았을 경우 파동 발생기(40)로부터 출력되는 신호의 파형을 도시한다. 반면, 도 5b는 파동 발생기(40)에 반응 물질이 결합된 경우 출력되는 신호의 파형을 도시한다. 도 5a 및 도 5b 에 도시되는 바와 같이, 반응 물질의 결합에 따라 출력 신호의 중심 주파수 및 주파수에 따른 신호 크기가 변화하였다. 신호 검출기(50)는 이를 통하여 파동 발생기(40)에 물질이 결합되었음을 감지하고, 나아가 결합된 물질 의 질량, 압력, 밀도 및 점성도(viscosity) 등을 분석할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 탄성파 센서 및 표면 탄성파를 이용한 센싱 방법을 사용하여, 의사 임의 시퀀스를 사용하여 생성된 광대역 신호를 SAW 소자의 중심 주파수에 해당하는 단일 주파수 신호와 혼합하여 SAW 소자에 인가함으로써, SAW 센서의 분해능을 향상시키고 센서에 결합된 물질을 정성적 및 정량적으로 분석할 수 있는 이점이 있다.
이상 본 발명의 특정 실시예를 도시하고 설명하였으나, 본 발명의 기술사상은 첨부된 도면과 상기한 설명내용에 한정하지 않으며 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 변형이 가능함은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 사실이며, 이러한 형태의 변형은, 본 발명의 정신에 위배되지 않는 범위 내에서 본 발명의 특허청구범위에 속한다고 볼 것이다.　
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 탄성파 센서의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 표면 탄성파 센서에 포함되는 파동 발생기를 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 탄성파를 이용한 센싱 방법의 각 단계를 도시한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 탄성파 센서에서 생성되는 각 신호 파형을 도시한 그래프이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 탄성파 센서에 물질이 결합되기 전의 출력 신호 파형을 도시한 그래프이다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 탄성파 센서에 물질이 결합된 후의 출력 신호 파형을 도시한 그래프이다.

Claims (8)

  1. 의사 임의 시퀀스(Pseudo Random Sequence)를 사용하여 미리 설정된 주파수 대역의 제1 신호를 생성하는 제1 신호 생성기;
    미리 설정된 주파수를 갖는 제2신호를 생성하는 제2 신호 생성기;
    상기 제1 신호 및 상기 제2 신호를 혼합하여, 상기 제2 신호의 주파수를 중심 주파수로 하여 상기 제1 신호의 주파수 대역의 혼합 신호를 생성하는 신호 혼합기;
    상기 혼합 신호를 사용하여 표면 탄성파(Surface Acoustic Wave)를 생성하며, 표면 탄성파가 미리 설정된 거리만큼 진행한 후 표면 탄성파를 신호로 변환하여 출력하는 파동 발생기; 및
    상기 파동 발생기로부터 출력되는 신호의 변화를 검출하여 상기 파동 발생기에 결합된 물질을 감지하는 신호 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 탄성파 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 파동 발생기는,
    상기 혼합 신호를 사용하여 표면 탄성파를 발생시키는 입력부;
    분석 대상 물질과 결합 가능하며, 표면 탄성파를 전파하는 반응부; 및
    상기 반응부를 통과한 표면 탄성파를 신호로 변환하여 출력하는 출력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 탄성파 센서.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 출력부는 상기 반응부에 결합된 물질에 따라 상이한 신호를 출력하며,
    상기 제2 신호의 주파수는 상기 반응부에 물질이 결합되지 않은 경우 상기 출력부에 의해 출력되는 신호의 중심 주파수인 것을 특징으로 하는 표면 탄성파 센서.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 입력부 및 상기 출력부는, 인터 디지털 트랜스듀서(Inter Digital Transducer)인 것을 특징으로 하는 표면 탄성파 센서.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 신호 검출기는,
    상기 파동 발생기로부터 출력되는 신호의 변화를 검출하여 상기 파동 발생기에 결합된 물질의 질량, 압력, 밀도 또는 점성도(viscosity) 중 어느 하나 또는 2 이상을 분석하는 것을 특징으로 하는 표면 탄성파 센서.
  6. 의사 임의 시퀀스(Pseudo Random Sequence)를 사용하여 미리 설정된 주파수 대역의 제1 신호를 생성하는 단계;
    미리 설정된 주파수를 갖는 제2신호를 생성하는 단계;
    상기 제1 신호 및 상기 제2 신호를 혼합하여, 상기 제2 신호의 주파수를 중심 주파수로 하여 상기 제1 신호의 주파수 대역의 혼합 신호를 생성하는 단계;
    파동 발생기에서 상기 혼합 신호를 사용하여 표면 탄성파(Surface Acoustic Wave)를 생성하며, 표면 탄성파가 미리 설정된 거리만큼 진행한 후 표면 탄성파를 신호로 변환하여 출력하는 단계; 및
    상기 파동 발생기로부터 출력되는 신호의 변화를 검출하여 상기 파동 발생기에 결합된 물질을 감지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 탄성파를 이용한 센싱 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 표면 탄성파를 신호로 변환하여 출력하는 단계는,
    상기 파동 발생기에 결합된 물질에 따라 상이한 신호를 출력하는 단계를 포함하며,
    상기 제2 신호의 주파수는 상기 파동 발생기에 물질이 결합되지 않은 경우 상기 상이한 신호를 출력하는 단계에서 출력되는 신호의 중심 주파수인 것을 특징으로 하는 표면 탄성파를 이용한 센싱 방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 파동 발생기로부터 출력되는 신호의 변화를 검출하여 상기 파동 발생기에 결합된 물질의 질량, 압력, 밀도 또는 점성도(viscosity) 중 하나 또는 2 이상을 분석하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 탄성파를 이용한 센싱 방법.
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