KR101447114B1 - 접촉힘 센서 패키지 - Google Patents

Abstract

개시된 접촉힘 센서 패키지는 접촉힘(contact force)에 의해 변형하는 외팔보(cantilever beam)와, 이 외팔보의 변형 정도에 따른 전기 신호를 생성하는 변형 감지 요소를 구비한 기판층, 및 외팔보를 보호하기 위하여 기판층의 일측면에 부착되는 탄성층을 구비한다. 탄성층은 외팔보의 자유단부에만 부착되고, 자유단부의 주변에는 부착되지 않는다.

Description

접촉힘 센서 패키지{Contact force sensor package}

주로 혈압 측정을 위하여 인체에 접촉되어 맥파(sphygmus wave)를 감지하는 접촉힘 센서 패키지가 개시된다.

건강에 대한 지속적인 관심 증가에 따라 다양한 종류의 혈압 측정 장치가 개발되고 있다. 혈압 측정 방식에는 청진(Korotkoff sounds) 방식, 오실로메트릭(oscillometric) 방식, 및 토노메트릭(tonometric) 방식 등이 있다. 청진 방식은 전형적인 압력 측정 방식으로, 동맥혈이 지나는 신체 부위에 충분한 압력을 가해 혈액의 흐름을 차단한 후 감압하는 과정에서, 처음으로 맥박 소리가 들리는 순간의 압력을 수축기 혈압(systolic pressure)으로 측정하고, 맥박 소리가 사라지는 순간의 압력을 이완기 혈압(diastolic pressure)으로 측정하는 방법이다.

오실로메트릭 방식과 토노메트릭 방식은 디지털화된 혈압 측정 장치에 적용되는 방식이다. 오실로메트릭 방식은 청진 방식과 마찬가지로 동맥의 혈류가 차단되도록 동맥혈이 지나는 신체 부위를 충분히 가압한 후 일정 속도로 감압하는 과정, 또는 상기 신체 부위를 일정 속도로 증압되게 가압하는 과정에서 발생하는 맥파를 감지하여 수축기 혈압과 이완기 혈압을 측정한다. 맥파의 진폭이 최대인 순간 과 비교하여 일정 수준인 때의 압력을 수축기 혈압 또는 이완기 혈압으로 측정할 수도 있고, 상기 맥파 진폭의 변화율이 급격히 변화되는 때의 압력을 수축기 혈압 또는 이완기 혈압으로 측정할 수도 있다. 가압 후 일정 속도로 감압하는 과정에서는 상기 맥파의 진폭이 최대인 순간보다 앞서서 수축기 혈압이 측정되고, 상기 맥파의 진폭이 최대인 순간보다 나중에 이완기 혈압이 측정된다. 이와 반대로, 일정 속도로 증압하는 과정에서는 상기 맥파의 진폭이 최대인 순간보다 나중에 수축기 혈압이 측정되고, 상기 맥파의 진폭이 최대인 순간보다 앞서서 이완기 혈압이 측정된다. 토노메트릭 방식은 동맥의 혈류를 완전히 차단하지 않는 크기의 일정 압력을 신체 부위에 가하고, 이때 발생되는 맥파의 크기 및 형태를 이용하여 연속적으로 혈압을 측정할 수 있는 방식이다.

토노메트릭 방식으로 혈압을 측정하기 위하여 피부에 접촉시켜 동맥의 진동을 감지하는 접촉힘 센서 패키지가 필요하다. 접촉힘 센서 패키지는 맥파의 진동을 감지하는 요소와, 피부에 직접 접촉되어 상기 진동을 감지하는 요소에 맥파를 전달하는 탄성체층을 구비한다. 이 탄성체층은 상기 진동 감지 요소를 손상으로부터 보호하고, 피부 트러블의 발생을 억제하기 위한 것이지만, 이로 인해 맥파 감지의 민감도가 저하될 수 있다.

맥파 감지의 민감도가 향상되도록 탄성체층이 개선된 접촉힘 센서 패키지가 개시된다.

접촉힘(contact force)에 의해 변형하는 외팔보(cantilever beam)와, 상기 외팔보의 변형 정도에 따른 전기 신호를 생성하는 변형 감지 요소를 구비한 기판층; 및, 상기 외팔보를 보호하기 위하여 상기 기판층의 일측면에 부착되는 탄성층;을 구비하되, 상기 탄성층은 상기 외팔보의 자유단부에만 부착되고, 상기 자유단부의 주변에는 부착되지 않은 접촉힘 센서 패키지가 개시된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탄성층은, 상기 자유단부에 부착되는 제1 결합부와, 상기 자유단부의 주변에 부착되지 않도록 상기 제1 결합부 주변에 상기 제1 결합부와 단차지게 형성된 캐비티(cavity)를 구비할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탄성층은, 상기 캐비티 주변에 상기 제1 결합부와 같은 높이로 형성되어 상기 기판층에 부착되는 제2 결합부를 더 구비할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탄성층은 실리콘 수지(silicone) 또는 PDMS(polydimethylsiloxane)를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 변형 감지 요소는 상기 외팔보의 고정단부(fixed end portion)에 형성된 압저항층(piezoresistor layer)를 포함할 수 있 다.

본 발명의 실시예에 따른 접촉힘 센서 패키지는 탄성층이 외팔보의 자유단부에만 부착되어 탄성층을 통한 접촉힘의 전달이 외팔보의 자유단부에 집중된다. 이로 인해 접촉힘에 의한 외팔보의 변형 정도가 커지며, 따라서 접촉힘 감지의 민감도가 향상될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 접촉힘 센서 패키지를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉힘 센서 패키지를 도시한 종단면도이고, 도 2는 도 1의 접촉힘 센서 패키지가 접촉힘에 의해 변형된 모습을 도시한 종단면도이다.

도 1을 참조하면, 손목(10)에 장착하는 휴대용 혈압측정계(미도시)에 구비되는 접촉힘 센서 패키지(100)는 요골 동맥(5)이 통과하는 손목(10)에 접촉하여 맥파(sphygmus wave)를 감지한다. 상기 접촉힘 센서 패키지(100)는 기판층(101)과, 상기 기판층(101)에 부착되고 혈압 측정시에 접촉힘(contact force)의 발생원(source)인 피검자의 피부에 접촉되는 탄성층(120)을 구비한다. 상기 탄성층(120)은 실리콘 수지(silicone) 또는 PDMS(polydimethylsiloxane)로 이루어진 필름(film)을 기판층(101)에 부착하여 형성할 수 있다.

상기 기판층(101)의 소재는 실리콘(Si)을 포함할 수 있다. 상기 기판층(101) 은 접촉힘(contact force)에 의해 변형하는 외팔보(cantilever beam, 105)와, 상기 외팔보(105)의 변형 정도에 따른 전기 신호를 생성하는 변형 감지 요소(110)를 구비한다. 상기 탄성층(120)은 상기 외팔보(105)가 형성된 기판층(101)의 일측면에 부착되어 불의의 외부 충격으로부터 상기 외팔보(105)와 변형 감지 요소(110)를 보호한다. 상기 외팔보(105) 및 변형 감지요소(110)를 구비한 기판층(101)은 MEMS(Micro Electro Mechanical System)를 제조하는 과정을 적용하여 형성할 수 있다.

상기 외팔보(105)는 고정단부(fixed end portion, 106)와 자유단부(free end portion, 107)을 구비한다. 상기 변형 감지 요소(110)는 상기 외팔보(105)의 고정단부(106)에 형성되며, 압저항층(piezoresistor layer)을 포함할 수 있다. 상기 기판층(101)은 상기 외팔보(105)를 형성하기 위하여, 그리고 상기 외팔보(105)가 탄성적으로 굽어질 수 있는 공간을 제공하기 위하여 기판층 캐비티(115)를 구비한다. 상기 기판층 캐비티(115)는 상기 기판층(105)을 부분적으로 식각하여 형성할 수 있다.

탄성층(120)을 통하여 외팔보(105)에 전달되는 접촉힘에 의하여 상기 외팔보(105)가 진동하면 상기 압저항층의 전기 저항값이 상기 외팔보(105)의 변형 정도에 따라 변화하게 된다. 따라서, 상기 압저항층에 기지(旣知)의 전류를 인가하여 전압 변화를 감지하거나, 기지의 전압을 인가하여 전류 변화를 감지함으로써 피검자의 맥파를 측정할 수 있다. 이상에서 변형 감지 요소(110)는 압저항층을 가진 예에 대해서만 설명하였으나 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 상기 변형 감지 요 소는 외팔보(105)의 변형에 따라 변화되는 압전하(piezoelectricity) 또는 정전용량(capacitance)의 변화를 감지하는 구성을 구비할 수도 있다.

상기 탄성층(120)의접촉면(130)을 요골 동맥(5)이 지나가는 손목(10)에 접촉시키면 상기 요골 동맥(5)으로부터 맥파가 접촉힘의 형태로 탄성층(120)으로 전달되고, 그 맥파가 외팔보(105)로 전달된다. 상기 외팔보(105)의 변형 정도가 클수록 접촉힘 센서 패키지(100)의 맥파 감지 민감도는 향상된다. 접촉힘이 탄성층(120)을 통과하여 상기 외팔보(105)에 집중될 수 있도록 상기 탄성층(120)은 외팔보(105)의 자유단부(107)에만 부착되고, 상기 자유단부(107)의 주변에는 부착되지 않는다.

구체적으로 상기 탄성층(120)은, 상기 자유단부(107)에 부착되는 제1 결합부(122)와, 상기 자유단부(107)의 주변에 부착되지 않도록 상기 제1 결합부(122) 주변에 상기 제1 결합부(122)와 단차지게 형성된 탄성층 캐비티(126)와, 상기 탄성층 캐비티(126) 주변에 상기 제1 결합부(122)와 같은 높이로 형성되어 상기 기판층(101)에 부착되는 제2 결합부(124)를 구비한다. 상기 제1 결합부(122) 및 탄성층 캐비티(126)는 외팔보(105)의 접촉힘 감지 민감도를 향상시키기 위한 것이며, 상기 제2 결합부(124)는 기판층(101)에 대한 탄성층(120)의 부착력을 강화하기 위한 것이다. 상기 탄성층의 캐비티(126)는 몰딩 기법에 의하여 부분적으로 형성할 수 있다.

도 2를 참조하면, 접촉힘 센서 패키지(100)의 탄성층(120)으로 접촉힘(F)이 가해지면, 탄성층(120) 및 외팔보(105)가 이점쇄선으로 도시된 변형되지 않은 상태로부터 실선으로 도시된 변형된 상태로 변형된다. 상기 탄성층 캐비티(126)의 존재 로 인해 접촉힘(F)에 의해 탄성층 캐비티(126) 자체도 크게 변형됨과 동시에 외팔보(107)도 크게 변형될 수 있음이 그림을 통해 나타나 있다.

발명자는, 만약 탄성층 캐비티(126)가 없는 탄성층이 기판층(101)에 부착된다면 접촉힘(F)으로 인한 응력(stress)이 외팔보(105)에 효과적으로 전달되지 못하여 외팔보(105)의 변형 정도가 작아지게 될 것임을 FEM(Finite Element Method) 시뮬레이션을 통해 확인할 수 있었다.

이상에서 첨부된 도면을 참조하여 설명된 본 발명의 실시예들은 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉힘 센서 패키지를 도시한 종단면도이다.

도 2는 도 1의 접촉힘 센서 패키지가 접촉힘에 의해 변형된 모습을 도시한 종단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 ...접촉힘 센서 패키지 101 ...기판층

105 ...외팔보 110 ...변형 감지 요소

115 ...기판층 캐비티 120 ...탄성층

122 ...제1 결합부 124 ...제2 결합부

126 ...탄성층 캐비티 130 ...접촉면

Claims (5)

1. 접촉힘(contact force)에 의해 변형하는 외팔보(cantilever beam)와, 상기 외팔보의 변형 정도에 따른 전기 신호를 생성하는 변형 감지 요소를 구비한 기판층; 및, 상기 외팔보를 보호하기 위하여 상기 기판층의 일측면에 부착되는 탄성층;을 구비하되,

   상기 탄성층은 상기 외팔보의 자유단부에만 부착되고, 상기 자유단부의 주변에는 부착되지 않은 접촉힘 센서 패키지.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 탄성층은, 상기 자유단부에 부착되는 제1 결합부와, 상기 자유단부의 주변에 부착되지 않도록 상기 제1 결합부 주변에 상기 제1 결합부와 단차지게 형성된 캐비티(cavity)를 구비한 접촉힘 센서 패키지.
3. 제2 항에 있어서,

   상기 탄성층은, 상기 캐비티 주변에 상기 제1 결합부와 같은 높이로 형성되어 상기 기판층에 부착되는 제2 결합부를 더 구비한 접촉힘 센서 패키지.
4. 제1 항에 있어서,

   상기 탄성층은 실리콘 수지(silicone) 또는 PDMS(polydimethylsiloxane)를 포함하는 접촉힘 센서 패키지.
5. 제1 항에 있어서,

   상기 변형 감지 요소는 상기 외팔보의 고정단부(fixed end portion)에 형성된 압저항층(piezoresistor layer)를 포함하는 접촉힘 센서 패키지.

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