KR101621231B1 - 니켈 측온저항센서를 포함하는 측온장치 - Google Patents

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김덕수
최교상
양희준
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채지성
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Abstract

니켈 측온저항센서를 포함하는 측온장치가 개시된다. 족부와 접촉되고, 족부의 온도변화에 따른 니켈(nikel)의 저항변화에 대한 저항값을 측정하는 센서부 및 측정된 저항값을 이용하여 족부의 온도를 산출하는 제어부를 포함한다.

Description

니켈 측온저항센서를 포함하는 측온장치{Temperature-measurement device comprising the nickel temperature measurement resistor sensor}
본 발명은 측온장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 니켈 측온저항센서를 포함하는 측온장치에 관한 것이다.
최근 당뇨병 환자 수가 기하급수적으로 급증하는 추세이다. 국제당뇨병연맹(IDF)은 전 세계 2억 3,000만 명이 당뇨병을 앓고 있다고 추산하고 있고, 세계보건기구는 당뇨병 환자가 2025년에 지금보다 50% 가량 더 늘어나며, 2030년까지 현재보다 2배 이상 증가할 것으로 보고하였다.
우리나라에서도 당뇨병에 대한 위험이 화두되고 있으며, 70년대에는 우리나라 국민의 1.5% 정도만이 이 병에 걸린 것으로 추정되었으나, 최근에는 그 비율이 10%를 넘어섰다. 대한당뇨병학회의 보고서에 따르면, 현재 국내 성인 10명 중 3명은 현존하거나 잠재적인 당뇨병 환자이고, 2050년 당뇨병환자는 지금보다 약 2배 증가한 591만명에 달할 것이라는 연구결과가 나왔다.
당뇨병은 전신에 문제를 일으키는 병으로서, 특히 신경이나 혈관, 면역계에 이상을 초래하여 수많은 합병증을 불러온다. 통계를 살펴보면 우리나라 국민의 사망원인 중 4위가 당뇨병인데 사실 당뇨병으로 이한 사망보다는, 당뇨병에 의한 합병증으로 인하여 사망하는 것이며 그 중 족부궤양이 전체의 약 1/3을 차지한다.
당뇨병에 의한 족부궤양은 발 부위에 난 상처가 쉽게 아물지 않아 궤양으로 발전하는 형태의 질병으로, 기본적으로 말초 신경병증 및 혈관질환을 가지는 당뇨병 환자에게 나타나는 질병이다. 즉, 신경장애로 인해 감각신경이 손상되어 상처발생빈도가 높아지고, 혈관질환으로 인해 피부로 가는 혈류가 감소하여 조그마한 상처가 발생해도 치유되지 않으므로 족부궤양의 주요 위험 인자라고 할 수 있다.
당뇨병 환자에게 족부궤양이 한번 발생하면 발생하지 않는 환자보다 치명률이 2배 이상 높고, 하지절단의 가능성도 10 내지 15배 높다. 또한 당뇨병으로 인한 족부궤양은 다른 원인으로 인한 족부궤양보다 발생률이 17배 높고, 이로 인한 하지절단의 결과를 초래한다. 대부분의 당뇨병 환자들은 초기에 족부궤양의 발생을 지각하지 못하고, 상당 부분 진행된 다음에야 병에 걸린 것을 알 수 있다.
만일 조기에 족부궤양을 발견하고, 치료를 받을 수 있다면 족부궤양 및 이로 인한 하지절단을 약 50% 이상 방지할 수 있기 때문에, 당뇨병으로 인한 합병증의 하나인 족부궤양의 초기 진단은 매우 중요한 사안으로 인정되는 실정이다.
하지만 현재 온도 측정을 이용한 당뇨병 족부궤양 진단기술들은 적외선 센서를 이용한 방식이 주된 진단기술로 응답속도가 빠르고, 대략적인 온도 변화 측정이 가능하나 장비의 소형화가 어렵고 휴대가 용이하지 않으며, 실시간 측정이 어렵다. 또한 분해능이 낮고 민감도가 떨어지므로, 당뇨병 환자의 미세한 온도 변화 측정이 불리한 문제점이 야기되고 있다.
한국 등록특허공보 제10-0228146호는 전기절연성 기재 및 전기한 기재상에 형성된 백금막이 구비된 측온저항체 소자의 저항온도계수의 조정방법 및 측온저항체 소자의 제조방법을 제공한다.
한국 공개특허공보 특1998-054438호는 측온소자의 전체저항값을 3부분으로 분리하여 제조함으로써, 용이하고 정확하게 영점조정이 가능하게 하는 측온소자 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 온도변화에 따른 금속의 저항변화를 이용하는 니켈 측온저항센서를 포함하는 측온장치를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 분해능 및 민감도가 뛰어나고 초소형화가 가능한 니켈 측온저항센서를 포함하는 측온장치를 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적을 해결하기 위해,
본 발명에 따른 니켈 측온저항센서를 포함하는 측온장치는,
족부와 접촉되고, 상기 족부의 온도변화에 따른 니켈의 저항변화에 대한 저항값을 측정하는 센서부 및 상기 측정된 저항값을 이용하여 상기 족부의 온도를 산출하는 제어부를 포함한다.
상기 센서부는, 유연한 성질을 가지고, 복수의 홈이 형성되는 폴리머 기판, 상기 복수의 홈에 상기 니켈이 증착되고, 상기 증착된 니켈로부터 상기 저항값을 측정하는 니켈 측온저항체, 상기 족부의 열감지 속도를 증가시켜 열전달을 하는 열전달 매개체 및 굴곡을 이루며, 상기 니켈 측온저항체와 상기 열전달 매개체 사이에 형성되는 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 폴리머 기판은, 폴리이미드, 폴리디메틸시록산 및 패릴린 중 어느 하나의 고분자 복합체인 것을 특징으로 한다.
상기 니켈 측온저항체는, 상기 족부의 온도가 4 내지 5℃ 차이로 발생되는 저항값을 측정하는 것을 특징으로 한다.
상기 열전달 매개체는, 알루미나, 질화실리콘 및 질화알루미늄 중 어느 하나의 세라믹 금속 물질인 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는, 상기 저항값이 기 설정된 저항값과 동일하면, 상기 기 설정된 저항값에 수렴되는 온도를 상기 족부의 온도로 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 니켈 측온저항센서를 포함하는 측온장치은 온도변화에 따른 금속의 저항변화를 이용할 수 있다.
또한 분해능 및 민감도가 뛰어나고 초소형화가 가능할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 측온장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서부를 설명하기 위한 예시도이다.
도 3 내지 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서부의 제조방법을 설명하기 위한 예시도이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서부의 성능비교를 설명하기 위한 그래프이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 당업자에게 자명하거나 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 측온장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 측온장치(1)는 족부의 온도변화에 따른 금속의 저항변화를 이용한다. 측온장치(1)는 분해능 및 민감도가 뛰어나고 초소형화가 가능하다. 측온장치(1)는 센서부(110), 제어부(120), 출력부(130) 및 저장부(140)를 포함한다.
센서부(110)는 족부와 접촉되고, 상기 족부의 온도변화에 따른 니켈(nikel)의 저항변화에 대한 저항값을 측정한다. 센서부(110)는 족부의 곡면에 대응이 되도록 유연한 성질을 가지는 물질로 형성된다. 센서부(110)는 전극이 굴곡을 이루며 형성되어 있어서 보다 용이하게 족부의 온도변화를 측정할 수 있다. 즉, 센서부(110)는 니켈 측온저항센서이다.
제어부(120)는 센서부(110)에서 측정된 저항값을 온도로 변환한다. 즉, 제어부(120)는 상기 측정된 저항값이 기 설정된 저항값과 동일할 경우, 상기 기 설정된 저항값에 수렴되는 온도를 산출한다. 상기 산출된 온도는 족부의 온도이다.
제어부(120)는 센서부(110)로부터 측정된 저항값을 유선 또는 무선으로 전송받을 수 있다. 특히, 무선으로 전송받을 경우, 센서부(110) 및 제어부(120)는 통신모듈을 더 구비할 수 있다.
출력부(130)는 제어부(120)에서 산출된 온도를 출력한다. 출력부(130)는 상기 산출된 온도를 실시간으로 출력하여 온도변화를 확인해준다. 출력부(130)는 LED, 액정, 프로젝터 등일 수 있다.
저장부(140)는 센서부(110)에서 측정된 저항값이 저장된다. 저장부(140)는 제어부(120)에서 산출된 족부의 온도가 저장된다. 특히, 저장부(140)는 상기 기 설정된 저항값에 수렴되는 온도가 저장된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서부를 설명하기 위한 예시도이다. 도 2(a)는 센서부를 도시한 사시도이고, 도 2(b)는 센서부를 도시한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 센서부(110)는 폴리머 기판(210), 니켈 측온저항체(220), 전극(230) 및 열전달 매개체(240)를 포함한다.
폴리머 기판(210)은 폴리머(polymer)로 형성되어 유연한 성질을 가진다. 폴리머 기판(210)은 상기 유연한 성질을 이용하여 족부 곡면에 접촉되는 면이 넓게 접촉시켜 족부의 온도측정이 유리하다. 폴리머 기판(210)은 복수의 홈이 형성되어 후술되는 니켈 측온저항체(220), 전극(230) 및 열전달 매개체(240)가 형성된다.
즉, 폴리머 기판(210)은 상기 니켈 측온저항체(220)가 외부환경과의 접촉을 차단시켜 센서의 부식 및 온도 측정 에러 확률을 제거한다. 폴리머 기판(210)은 폴리이미드(polyimide), 폴리디메틸시록산(polydimethylsiloxane) 및 패릴린(para-xylylene) 중 어느 하나의 고분자 복합체를 포함할 수 있다.
상기 폴리이미드는 이미드 결합을 가진 합성 고분자로써, 250℃까지 사용할 수 있고, 내열성이 뛰어나며, 저온에서 고온까지 특성의 변화가 적다. 또한 내충격성, 치안정성, 전기적 절연특성 및 내마찰성이 좋은 특징을 가진다.
상기 폴리디메틸시록산은 실리콘을 포함하는 합성 고분로써, 탄성온도 범위가 약 -30 내지 250℃이고, 더 낮은 온도에서는 결정화가 진행된다. 또한 폴리디메틸시록산은 높은 광투과성, 다양한 액체 및 증기에 대한 침투성, 낮은 표면에너지, 비활성, 유연성, 윤활성, 소수성, 이형성과 같은 특징을 가진다.　
상기 패릴린은 진공중에서 일종의 화학기상증착 (Chemical Vaporation Deposition, CVD) 공정에 의하여 형성되는 고분자이고, 진공상태에서 희박해진 가스에 노출된 표면에 형성되는 열가소성 중합체이다. 패릴린은 탁월한 내수 및 내화학성, 낮은 유전상수 및 탁월한 전기적 절연특성, 높은 광투과도, 생체 친화성, 모재의 형상에 관계없이 균일한 두께의 코팅막을 형성하는 특징을 가진다.
즉, 폴리머 기판(210)은 플렉시블(flexible)하고, 기 설정된 강도를 포함하고 있으며, 전기적 절연이 뛰어나다.
니켈 측온저항체(220)는 니켈을 포함한다. 여기서, 상기 니켈은 종래에 사용되던 백금보다 민감도가 약 2배가 우수하다. 니켈 측온저항체(220)는 저항변화를 측정하고, 상기 저항변화에 대한 저항값을 측정한다.
니켈 측온저항체(220)는 폴리머 기판(210)의 홈에 증착이 된다. 상기 증착은 화학기상증착 또는 물리기상증착(Physical Vapor Deposition, PVD) 공정에 의해 수행될 수 있다. 니켈 측온저항체(220)는 가로가 3 내지 3.5㎜, 세로가 2 내지 2.5㎜, 두께가 0.3 내지 0.4㎛ 로 증착이되며, 바람직하게는 가로 3㎜, 세로 2㎜, 두께 0.35㎛로 증착이 된다. 니켈 측온저항체(220)는 족부의 온도가 4 내지 5℃ 차이로 발생되는 저항값을 측정한다.
전극(230)은 전류를 유입 또는 유출을 시킨다. 전극(230)의 일단은 양(+)극에 연결되고, 타단은 음(-)극에 연결된다. 전극(230)은 니켈 측온저항체(220)와 열전달 매개체(240) 사이에 형성된다. 전극(230)의 전체가 이루는 형상은 굴곡을 이루며 형성된다 상기 굴곡으로 인하여 족부의 온도변화를 보다 용이하게 측정할 수 있다. 상기 굴곡은 지그재그로 형성될 수 있다. 전극(230)은 금, 은, 구리, 알루미늄 등과 같은 전도체 금속일 수 있다.
상기 전도체 금속은 화학기상증착 또는 물리기상증착 공정에 의해 수행될 수 있다. 또한 전극(230)은 0.3 내지 0.4㎛의 두께로 증착되며, 바람직하게는 0.35㎛로 증착이 된다.
열전달 매개체(240)는 전극(230)의 상측에 형성되어 족부의 열전달을 용이하게 한다. 열전달 매개체(240)는 폴리머 기판(210)의 열전달율이 굉장히 낮다는 단점을 보완해준다. 따라서, 열전달 매개체(240)는 족부의 열감지 속도를 증가시켜 빠르고 정확한 응답을 한다. 열전달 매개체(240)는 절연성이 좋고, 외부환경 및 충격에 강하며, 열전달 성질이 뛰어난 세라믹 금속 물질인 알루미나(Al2O3), 질화실리콘(Si3N4) 및 질화알루미늄(AlN) 중 어느 하나일 수 있다.
열전달 매개체(240)는 폴리머 기판(210)의 홈에 증착이 된다. 상기 증착은 화학기상증착 또는 물리기상증착 공정에 의해 수행될 수 있다. 열전달 매개체(240)는 0.5 내지 0.8㎛의 두께로 증착되며, 바람직하게는 0.65㎛로 증착이 된다.
도 3 내지 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서부의 제조방법을 설명하기 위한 예시도이다.
도 3 내지 도 14를 참조하면, 센서부(210)는 하기 방법에 따라 제조될 수 있다.
제1 단계는 실리콘 웨이퍼(10)에 폴리머(20)를 코팅한다. 제1 단계는 폴리머(20)을 15㎛로 스핀코팅을 한다. 폴리머(20)는 폴리이미드, 폴리디메틸시록산 및 패릴린 중 어느 하나의 고분자 복합체일 수 있다.
제2 단계는 폴리머(20)의 상측에 포토레지스트(30)을 코팅한 후, 패터닝을 한다. 제2 단계는 포토레지스트(30)을 10㎛로 스핀코팅을 한 다음, 마스크를 이용한 노광을 한다. 제2 단계는 노광된 부분을 디벨로퍼를 이용하여 패터닝을 한다. 이 때, 제2 단계가 완료된 후, 노광이 되지 않은 포토레지스트(35)만 남게 된다.
제3 단계는 니켈을 증착한다. 제3 단계는 니켈을 패터닝된 부분과 패터닝이 안된 부분을 전부 증착을 한다. 제3 단계는 니켈을 물리 기상 증착(PVD)을 이용하여 0.3 내지 0.4㎛로 증착을 하며, 바람직하게는 0.35㎛로 증착한다.
제4 단계는 리프트 오프(lift-off) 공정을 통하여 포토레지스트(35)를 제거한다. 따라서, 제4 단계가 완료된 후, 패터닝된 니켈(40)만 남게된다.
제5 단계는 폴리머(50)를 스핀코딩한다. 제5 단계는 전체적으로 1㎛로 폴리머(50)를 코딩한다.
제6 단계는 제2 단계와 같은 방법으로 패터닝을 한다. 상기 패터닝된 부분은 세라믹 금속이 형성되는 형상의 패터닝일 수 있다.
제7 단계는 패터닝된 부분을 식각을 한다. 제7 단계는 플라즈마를 이용하는 드라이 에칭(dry etching) 또는 화학약품을 사용하는 웨트 에칭(wet etching)으로 식각을 수행할 수 있다.
제8 단계는 세라믹 금속(60)을 증착한다. 제13 단계는 패터닝된 부분과 패터닝이 안된 부분을 전부 증착을 한다. 제13 단계는 세라믹 금속을 물리 기상 증착을 이용하여 0.6 내지 0.7㎛로 증착을 하며, 바람직하게는 0.65㎛로 증착한다.
제9 단계는 리프트 오프(lift-off) 공정을 통하여 포토레지스트(35)를 제거한다.
제10 단계는 실리콘 웨이퍼(10)를 제거하여 센서부(110)의 제조를 완료한다.
(실험 예: 본 발명과 종래기술의 성능비교)
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서부의 성능비교를 설명하기 위한 그래프이다.
도 15를 참조하면, 본 발명의 니켈 측온저항체(220)에서 사용되는 니켈을 포함하여 종래에 사용되는 동, 백금의 온도에 따른 전기저항의 변화비율을 측정하였다.
그래프에 도시된 바와 같이, 니켈은 동 및 백금에 비해 온도의 변화에 따라 전기저항의 변화도 변화하였다. 즉, 니켈은 동 및 백금보다 그래프의 기울기가 가파르게 상승한다.
따라서, 니켈 측온저항체(220)는 종래기술보다 온도변화에 대한 민감도가 뛰어나다는 것을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
1: 측온장치
10: 몰드
110: 센서부
120: 제어부
130: 출력부
140: 저장부
210: 폴리머 기판
220: 니켈 측온저항체
230: 전극
240: 열전달 매개체

Claims (6)

  1. 폴리머 기판;
    상기 폴리머 기판의 복수의 홈에 증착되는 니켈 측온저항체;
    상기 니켈 측온저항체 상부에 증착되는 열전달 매개체; 및
    상기 니켈 측온저항체와 상기 열전달 매개체 사이에 형성되는 전극을 포함하는 센서부를 포함하고, 상기 열전달 매개체는 알루미나(Al2O3), 질화실리콘(Si3N4) 및 질화알루미늄(AlN) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 니켈 측온저항센서를 포함하는 측온장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 측온장치는 상기 니켈 측온저항체가 측정한 저항값을 온도로 변환하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 니켈 측온저항센서를 포함하는 측온장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 폴리머 기판은,
    폴리이미드(polyimide), 폴리디메틸시록산(polydimethylsiloxane) 및 패릴린(para-xylylene) 중 어느 하나의 고분자 복합체인 것을 특징으로 하는 니켈 측온저항센서를 포함하는 측온장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 니켈 측온저항체는,
    족부의 온도가 4 내지 5℃ 차이로 발생되는 저항값을 측정하는 것을 특징으로 하는 니켈 측온저항센서를 포함하는 측온장치.
  5. 삭제
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 저항값이 기 설정된 저항값과 동일하면, 상기 기 설정된 저항값에 수렴되는 온도를 족부의 온도로 산출하는 것을 특징으로 하는 니켈 측온저항센서를 포함하는 측온장치.
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KR1020150021404A KR101621231B1 (ko) 2015-02-12 2015-02-12 니켈 측온저항센서를 포함하는 측온장치

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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007212302A (ja) * 2006-02-09 2007-08-23 Semiconductor Energy Lab Co Ltd 温度センサ素子、温度センサ、半導体装置および表示装置
US20080089383A1 (en) * 2003-06-06 2008-04-17 Chang Liu Microfabricated temperature sensor
KR20110126649A (ko) * 2009-02-06 2011-11-23 헤래우스 센서 테크놀로지 게엠베하 비전도성 이산화지르코늄을 포함하는 저항 온도계
KR20130005785A (ko) * 2011-07-07 2013-01-16 주식회사 마린디지텍 측온 저항체를 이용한 온도 측정 장치 및 그 방법

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