KR101638811B1 - 발진 방식을 이용한 표면탄성파 센서 시스템 및 이를 이용한 검출방법 - Google Patents

발진 방식을 이용한 표면탄성파 센서 시스템 및 이를 이용한 검출방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 표면탄성파 센서 시스템에 관한 것으로서, 복수개의 표면탄성파 소자의 입, 출력단에 각각 멀티플렉서를 연결하여 하나의 피드백 루프를 통해 연결함으로써 하나의 발진채널을 구성한다. 이러한 표면탄성파 센서 시스템은 오실레이터 간의 편차에 의한 오류를 방지할 수 있어 민감도 및 재현성을 향상시킬 수 있다.

Description

발진 방식을 이용한 표면탄성파 센서 시스템 및 이를 이용한 검출방법 {Surface Acoustic Wave Sensor System Using Oscillation Method and Sensing Method Using the Same}
본 발명은 표면탄성파 센서 시스템에 관한 것으로서, 발진방식을 이용한 표면탄성파 센서 시스템 및 이러한 센서 시스템을 이용하여 타겟물질을 검출하는 검출방법에 관한 것이다.
표면탄성파(Surface Acoustic Wave; 이하 'SAW'라 함)란 전자파가 아니라 외부의 열적, 기계적, 전기적 힘에 의한 입자들의 운동으로부터 발생하는 기계적인 파동으로서, 진동에너지의 대부분이 매질의 표면에 집중된다. SAW 센서는 이러한 SAW를 이용하여 기체상에 존재하는 특정 물질을 검출하거나 바이오센서와 같이 용액 내에 존재하는 특정 타겟 물질을 검출하는 장치이다.
일반적으로 SAW 센서는 압전 물질(piezoelectric material)로 이루어진 기판 상에 형성되고, 센서 표면에는 검출대상인 타겟 물질과 특이적으로 결합하는 수용체(receptor)가 부착된다. 타겟 물질을 포함하는 시료를 SAW 센서에 흘려 보내면 타겟 물질과 수용체간의 물리적, 화학적, 전기적 반응에 의해 파동의 변화가 발생하고, 이를 측정하여 타겟 물질의 정성, 정량 분석을 하게 된다.
바이오 센서의 경우, 단백질, 항체, 항원, DNA, RNA, 박테리아, 동물세포, 바이러스, 조직 등의 생분자 및 이에 의해 발생된 독소 등이 센서 표면상에 특이적으로 결합하여 센서의 표면 질량이 변화하고, 이에 따른 센서에서의 신호 변화를 통해 타겟 물질의 양을 진단하거나 모니터링을 할 수 있다.
SAW 센서에서 파동의 변화를 측정하는 방식은 다음 두 가지가 있다. 하나는 SAW 소자에서 나온 출력신호를 다시 SAW 소자의 입력신호로 인가하여 SAW 소자의 파동 변화를 보는 발진(oscillation) 방식이고, 다른 하나는 외부에서 특정 주파수를 만들어 SAW 소자의 입력 IDT(Inter-digital Transducer) 전극으로 인가하고 각각의 주파수에 따른 출력신호를 플롯(plot)하여 변화를 측정하는 방식이다. 일반적으로 발진 방식은 SAW의 변화에 의한 신호 변동이 더 크고 안정하게 나타나 민감도가 더 좋은 것으로 알려져 있다.
본 발명은 발진방식을 이용한 SAW 센서 시스템에 있어서, 하나의 발진채널을 이용하여 복수개의 표면탄성파 소자에 선택적으로 신호를 인가하여 SAW 소자를 발진시키고 발생된 신호의 변화를 한 채널의 검출장치로 감지하는 SAW 센서 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 표면탄성파 센서 시스템은 복수개의 SAW 소자, 제 1 멀티플렉서, 제 2 멀티플렉서, 채널 제어장치, 피드백 루프 회로, 검출장치를 포함하여 구성된다.
상기 제 1 멀티플렉서는 상기 복수개의 표면탄성파 소자의 입력단에 연결되고, 상기 제 2 멀티플렉서는 상기 복수개의 표면탄성파 소자의 출력단에 연결된다.
상기 피드백 루프 회로는 상기 제 1 멀티플렉서 및 상기 제 2 멀티플렉서 사이에 연결되며, 상기 제 1 멀티플렉서를 통해 상기 복수개의 표면탄성파 소자에 전기적 발진신호를 전달하고 상기 복수개의 표면탄성파 소자로부터 발생된 전기적 신호를 상기 제 2 멀티플렉서를 통해 재차 제 1 멀티플렉서에 전달한다.
상기 채널 제어장치는 제1 포트를 통해 상기 제 1 멀티플렉서에 연결되고 제2 포트를 통해 상기 제 2 멀티플렉서에 연결되며, 상기 제1 포트와 상기 제2 포트를 통해 상기 제 1 멀티플렉서와 상기 제 2 멀티플렉서에 동일한 채널선택 신호를 선택적으로 인가한다.
상기 검출장치는 상기 피드백 루프 회로에 연결되며 상기 복수개의 표면탄성파 소자로부터 발생된 전기적 신호를 상기 제 2 멀티플렉서를 통해 순차적으로 검출한다.
이러한 표면탄성파 센서 시스템은, 상기 복수개의 표면탄성파 소자의 입력단과 상기 제 1 멀티플렉서 사이 및 상기 복수개의 표면탄성파 소자의 출력단과 상기 제 2 멀티플렉서 사이에 각각 연결되는 복수개의 커패시터를 더 포함할 수 있다.
상기 피드백 루프 회로는 상기 제 2 멀티플렉서를 통해 전달된 전기적 신호를 증폭하는 증폭기를 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 피드백 루프 회로는 상기 제 2 멀티플렉서와 상기 증폭기 사이에 연결되는 감쇠기를 더 포함할 수 있고, 상기 증폭기와 상기 제 1 멀티플렉서 사이에 연결되는 저역통과 필터를 더 포함할 수 있다.
상기 채널 제어장치와 상기 검출장치는 하나의 집적회로에 구현될 수 있다. 상기 복수개의 표면탄성파 소자는 압전성 기판 상에 형성될 수 있다. 상기 복수개의 표면탄성파 소자 각각은, 상기 압전성 기판 상에 형성된 한 쌍의 IDT(Inter-Digital Transducer) 전극과, 상기 IDT 전극을 덮도록 상기 압전성 기판 상에 형성되어 검출 대상물질과 결합하는 수용체를 구비할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면 상기 표면탄성파 센서 시스템을 이용한 타겟물질의 검출방법을 제공한다.
일 예에 따른 검출방법은 하기 단계들을 포함한다.
임의의 표면탄성파 소자를 선택하여 채널 제어장치로부터 채널선택 신호를 제 1 멀티플렉서 및 제 2 멀티플렉서에 입력하는 단계;
제 1 멀티플렉서를 통해 선택된 표면탄성파 소자의 입력부에 기준 주파수를 입력하는 단계;
선택된 표면탄성파 소자의 출력부로부터 출력 주파수를 제 2 멀티플렉서를 통해 피드백 루프 회로로 전달하는 단계;
피드백 루프 회로로 전달된 출력 주파수와 기준 주파수와 비교하여 변화를 검출장치에서 검출하여 타겟물질을 검출하는 단계.
본 발명의 예시들에 따른 SAW 센서 시스템은 두 개의 멀티플렉서를 복수개의 SAW 소자에 각각 연결하고 피드백 루프 회로를 통한 하나의 발진채널을 통해 발진회로로 구성함으로써 오실레이터 간의 편차에 의한 오류를 근본적으로 방지할 수 있어 민감도 및 재현성을 향상시킬 수 있다.
또한, 피드백 루프 회로에 의한 증폭 방식을 사용하므로 민감도를 더욱 향상시킬 수 있고, 복수개의 SAW 소자를 이용하여 복수개의 타겟 물질을 한번에 검출할 수 있다.
또한, 제 1 멀티플렉서 및 제 2 멀티플렉서와 SAW 소자 사이에 커패시터를 형성하는 경우 제 1 멀티플렉서 및 제 2 멀티플렉서에 가해지는 직류 전류가 SAW 소자에 전달되지 않아 시료 용액의 전기분해가 일어나지 않는다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명한다. 본 발명의 이점들과 특징들 및 이를 수행하는 방법들은 하기 실시예들에 대한 상세한 설명 및 첨부된 도면들을 참조함으로써 더욱 용이하게 이해될 수 있을 것이다. 그러나 본 발명은 많은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 여기서 언급한 실시예들로만 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용된 용어의 정의는 하기와 같다.
용어 '멀티플렉서(multiplexer)'는 신호들의 분리기 및/또는 결합기로 사용될 수 있는 멀티-포트(multi-port) 주파수의존 장치를 의미하고, 멀티플렉서, 디멀티플렉서(demultiplexer) 또는 멀티플렉서와 디멀티플렉서 양 기능을 모두 수행할 수 있는 임의의 디바이스를 모두 포함한다.
용어 '타겟 물질'은 검출하고자 하는 대상물질로서 SAW 소자 내 수용체에 의해 인식되는 분자를 의미한다. 여기서, 수용체는 항원-항체의 결합 등과 같이 타겟물질과 특이적으로 결합할 수 있다.
용어 '생물학적 시료'는 타겟 물질을 포함할 수 있는 임의의 물질을 칭할 수 있다. 생물학적 시료는 혈액 또는 그것의 임의의 구성 요소(플라즈마, 혈청 등), 생리혈, 점액, 땀, 눈물, 소변, 대소변, 타액, 가래, 정액, 뇌척수액, 생식기 분비물, 위세척액, 심막 또는 복막액이나 세척액, 인두 스와브(throat swab), 흉막 세척액, 이구(ear wax), 머리카락, 피부 세포, 손톱, 점막, 양막액, 질액이나 신체로부터의 임의의 액체, 척수액, 사람의 호흡, 신체 냄새를 함유하는 가스 샘플, 고창(flatulence)이나 다른 가스, 임의의 생물학적 조직이나 물질, 또는 그것들의 추출물이나 현탁액일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
달리 규정되어 있지 않는 한, 본 명세서에서 이용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해할 수 있는 것과 동일한 의미를 지닌다.
먼저, 본 발명의 SAW 센서 시스템에 사용되는 단위 SAW 소자에 대하여 도 1을 참조하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 SAW 센서 시스템의 단위 SAW 소자를 나타내는 평면도이다.
SAW 소자(10)는 압전성 기판(20)과 그 위에 형성된 한 쌍의 IDT(Inter- Digital Transducer; 이하 'IDT'라 함) 전극(30a, 30b)을 포함한다. 압전성 기판(20)은 기계적 신호를 인가하면 전기적 특성이 변화하거나(압전 효과), 전기적 신호를 인가하면 기계적 신호가 생기는(역압전 효과) 재료로 이루어진다. 예를 들어, 니오브산 리튬(예; LiNbO3), 탄탈산 리튬(예; LiTaO3), 사붕소산 리튬(Li2B4O7), 티탄산바륨(BaTiO3), PbZrO3, PbTiO3, PZT, ZnO, GaAs, 석영(Quartz), 니오브산염 등을 들 수 있다.
한 쌍의 IDT 전극(30a, 30b)에서 하나의 IDT 전극(30a)은 인가된 전기적 신호에 의해 표면탄성파를 발생시키며, 이 전극(30a)을 '입력 IDT' 또는 '송신기(transmitter)'라고 한다. 이때 발생한 표면탄성파는 기판(20)의 표면을 따라 적절한 주파수로 팽창과 압축을 하면서 다른 하나의 IDT 전극(30b)에 전달되고 역압전 효과에 의해 전기적 신호로 변환된다. 이 두 번째 IDT 전극(30b)을 '출력 IDT' 또는 '수신기(receiver)'라고 한다.
각각의 IDT 전극(30a, 30b)은 바형(bar type) 전극(31)과 이로부터 연장된 빗살 형태의 핑거(finger) 전극(32)으로 이루어진다. 이러한 IDT 전극(30a, 30b)은 일반적으로 알루미늄, 알루미늄 합금, 동합금, 금 등의 박막 금속으로 형성된다. IDT 전극(30a, 30b)에는 산화물 박막(도시되지 않음)이 인위적 또는 자연적으로 형성될 수 있고, 산화물 박막의 표면에는 소수성 박막(도시되지 않음)이 형성될 수 있다.
본 발명의 SAW 소자(10)는 수용체(40)를 더 포함할 수 있다. 수용체(40)는 압전성 기판(20) 상에 IDT 전극(30a, 30b)을 덮도록 형성되며, 타겟 물질과 특이적 으로 결합한다. 전기적 신호를 입력 IDT 전극(30a)에 인가하면 기계적인 파동을 만들어지고, 이 파동은 수용체(40)와 타겟 물질의 특이적 결합에 따른 물리적, 화학적, 전기적 반응에 의해 변화된다. 즉, 출력 IDT 전극(30b)에서 발생하는 신호의 중심 주파수, 위상, 크기 등이 달라지게 되고, 이러한 신호 변화를 관찰함으로써 타겟 물질의 결합을 감지할 수 있으며, 나아가 타겟 물질을 정성적, 정량적으로 분석할 수 있다.
이어서, 상술한 단위 SAW 소자를 어레이(array) 형태로 구비하는 본 발명의 SAW 센서 시스템에 대하여 도 2를 참조하여 설명한다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 SAW 센서 시스템의 구성을 나타내는 개략도이다.
SAW 센서 시스템(100)은 복수개의 단위 SAW 소자로 구성된 SAW 소자 어레이(110)를 포함한다. 예를 들어, 도 1에 도시된 SAW 소자(10)가 8개 모여 도 2의 SAW 소자 어레이(110)를 구성할 수 있다.
SAW 센서 시스템(100)은 제 1 멀티플렉서(multiplexer; 121)와 제 2 멀티플렉서(122)를 포함한다. 제 1 멀티플렉서(121)와 제 2 멀티플렉서(122)는 SAW 소자 어레이(110)의 입, 출력단에 각각 연결된다. 즉, SAW 소자 어레이(110)의 입력단에는 제 1 멀티플렉서(121)가 연결되고, SAW 소자 어레이(110)의 출력단에는 제 2 멀티플렉서(122)가 연결된다.
SAW 센서 시스템(100)은 제 1 멀티플렉서(121)와 제 2 멀티플렉서(122) 사이에 연결된 피드백 루프 회로(feedback loop circuit; 130)를 더 포함한다. 피드백 루프 회로(130)는 제 1 멀티플렉서(121)를 통해 SAW 소자 어레이(110)에 전기적 발 진신호를 전달하고, SAW 소자 어레이(110)로부터 발생되고 제 2 멀티플렉서(122)를 통해 전달되는 전기적 신호를 제 1 멀티플렉서(121)에 다시 전달한다. 즉, SAW 소자 어레이(110)와 제 1 멀티플렉서(121)와 제 2 멀티플렉서(122) 및 피드백 루프 회로(130)가 하나의 발진 채널을 구성한다. 이와 달리, 복수개의 SAW 소자들에 각각 대응하는 복수 개의 발진 채널을 형성하고, 이를 검출기와 연결한 경우에는 SAW 소자 간의 편차뿐 아니라 오실레이터 간의 편차와 검출기 채널 간의 편차에 의해 오류가 발생할 수 있다. 오실레이터 간의 편차는 각각의 SAW 소자상에 반응이 일어나지 않는 상태에서도 주파수의 편차를 발생시켜 오류 데이터를 생성할 수 있다. 이에 따라, SAW 센서의 민감도 및 재현성에 심각한 오류를 일으켜 센서의 신뢰성에 심각한 문제를 초래할 수 있다.
본 발명의 예시에 따르면 복수개의 SAW 소자가 집적된 어레이(110)를 2개의 멀티플렉서(121, 122)를 통해 하나의 피드백 루프 회로(130)로 연결함으로써 오실레이터 간의 편차가 발생하는 것을 근본적으로 방지할 수 있다.
피드백 루프 회로(130)는 제 2 멀티플렉서(122)를 통해 전달된 전기적 신호를 증폭하는 증폭기(131)를 포함할 수 있다. 또한, 피드백 루프 회로(130)는 제 2 멀티플렉서(122)와 증폭기(131) 사이에 연결된 감쇠기(도시되지 않음), 증폭기(131)와 제 1 멀티플렉서(121) 사이에 연결된 저역통과 필터(도시되지 않음)를 더 포함할 수도 있다.
SAW 센서 시스템(100)은 채널 제어장치(channel controller; 140)와 검출장치(detector; 150)를 더 포함한다. 이들 채널 제어장치(140) 및 검출장치(150)는 하나의 집적회로(170)에 구현될 수 있다. 채널 제어장치(140)는 제1 포트(141)를 통해 제 1 멀티플렉서(121)에 연결되고 제2 포트(142)를 통해 제 2 멀티플렉서(122)에 연결되며, 제1 포트(141)와 제2 포트(142)를 통해 제 1 멀티플렉서(121)와 제 2 멀티플렉서(122)에 동일한 채널선택 신호를 인가한다. 이에 따라, SAW 소자 어레이(110)를 구성하는 복수개의 SAW 소자들 중 소망하는 소자를 선택할 수 있다.
검출장치(150)는 피드백 루프 회로(130)에 연결되어 있어서, 복수개의 SAW 소자로부터 발생되고 제 2 멀티플렉서(122)를 통해 전달된 신호를 검출한다. 제 1 멀티플럭서(121)와 제 2 멀티플렉서(122)에 신호를 주어 채널을 순차적으로 변경할 때, 채널 제어장치(140)는 SAW 소자로부터 나온 신호 값의 주소를 정함으로써 SAW 소자 간의 신호가 바뀌지 않도록 하여 각 채널의 신호를 저장할 수 있다. 경우에 따라서는, 검출장치(150)와 채널 제어장치(140)가 하나의 집적회로(170)이 아닌 별도의 칩으로 구성될 수도 있다.
하나의 예에서, SAW 센서 시스템(100)은 복수개의 커패시터(capacitor; 160)를 더 포함할 수 있다. 커패시터(160)는 SAW 소자 어레이(110)의 입력단과 제 1 멀티플렉서(121) 사이, 및 SAW 소자 어레이(110)의 출력단과 제 2 멀티플렉서(122) 사이에 각각 연결된다. 제 1 멀티플렉서(121)와 제 2 멀티플렉서(122)를 구동하기 위해서는 직류 신호를 인가해야 하는데, SAW 소자 어레이(110)에 타겟 물질이 포함된 시료가 용액 형태인 경우 IDT 전극 상에서 용액의 전기분해가 일어날 수 있다. 이에, SAW 소자 어레이(110)와 제 1 멀티플렉서(121), SAW 소자 어레이(110)와 제 2 멀티플렉서(122) 사이에 커패시터(160)를 형성하면 제 1 멀티플렉서(121)와 제 2 멀티플렉서(122)의 구동 시에도 SAW 소자 어레이(110)에는 직류 전류가 흐르지 않도록 할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 SAW 센서 시스템(100)은 복수개의 SAW 소자로 이루어진 SAW 소자 어레이(110)를 이용함으로써 복수개의 타겟 물질을 한번에 검출할 수 있다. 또한, 제 1 멀티플렉서(121)와 제 2 멀티플렉서(122)를 이용하여 하나의 발진 채널과 하나의 검출장치(150)만을 SAW 소자 어레이(110)와 연결하여 구성함으로써 발진채널 간의 편차 및 검출장치(150) 채널 간의 편차에 의한 오류를 근본적으로 방지할 수 있어 민감도 및 재현성을 향상시킬 수 있다. 더욱이, 본 발명의 SAW 센서 시스템(100)은 피드백 루프에 의한 증폭 방식을 사용하므로 민감도를 더욱 향상시킬 수 있다.
다음으로, 본 발명의 예시에 따른 SAW 센서 시스템을 이용하여 시료로부터 타겟물질을 검출하는 검출방법을 예시적으로 설명한다.
일 예에 따르면, 검출방법은 하기 단계들을 포함한다.
a. 임의의 표면탄성파 소자를 선택하여 채널 제어장치로부터 채널선택 신호를 제 1 멀티플렉서 및 제 2 멀티플렉서에 입력하는 단계;
b. 제 1 멀티플렉서를 통해 선택된 표면탄성파 소자의 입력부에 기준 주파수를 입력하는 단계;
c. 선택된 표면탄성파 소자의 출력부로부터 출력 주파수를 제 2 멀티플렉서 를 통해 피드백 루프 회로로 전달하는 단계;
d. 피드백 루프 회로로 전달된 출력 주파수와 기준 주파수와 비교하여 변화를 검출장치에서 검출하여 타겟물질을 검출하는 단계.
이러한 방법에 따르면, SAW 소자 간의 편차를 최소화하면서 시료 내에 포함된 다양한 타겟물질을 효과적으로 검출할 수 있다.
예를 들어, 시료에 N개의 타겟물질이 포함되어 있는 경우, 각각 타겟물질과 결합될 수 있는 수용체가 결합되어 있는 N 개의 표면탄성파 소자를 포함하는 어레이를 형성한다.
제1 표면탄성파 소자에서의 타겟물질의 반응 여부를 관찰하기 위해 채널 제어장치로부터 제1 표면탄성파 소자로의 채널선택 신호를 제 1 멀티플렉서 및 제 2 멀티플렉서에 입력한다. 제 1 멀티플렉서를 통해 제 1 표면탄성파 소자의 입력부에 기준 주파수를 입력하고, 타겟물질이 수용체와 결합한 경우 주파수가 변경되어 제 1 표면탄성파 소자의 출력부로부터 변경된 주파수가 출력된다. 출력 주파수는 제 2 멀티플렉서를 통해 피드백 루프 회로로 전달된다. 이에, 검출장치를 이용하여 출력 주파수를 검출하고 기준 주파수에 대비하여 주파수 변화를 검출한다. 채널 제어장치에서 채널선택 신호를 변경하여 이러한 과정을 반복함으로써, 하나의 시료로부터 N개의 타겟물질의 존부를 파악할 수 있다.
상기 기준 주파수는 타겟물질이 존재하지 않을 때의 주파수일 수 있다. 상기 시료는 생물학적 시료일 수 있고, 상기 시료 내 타겟물질과 수용체의 반응에 의해 수용체의 질량, 압력, 밀도, 점도 등이 변화되는 것을 검출할 수 있다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
도 2에서와 같이, 8개의 SAW 단위소자(A1~A8)가 집적된 어레이를 제 1, 2 멀티플렉서와 연결한 후, 이들과 연결된 하나의 피드백 루프 회로를 통해 하나의 발진채널을 갖는 SAW 센서 시스템을 구성하였다.
[비교예 1]
도 3에서와 같이, 4개의 SAW 단위소자(B1~B4) 각각에 대하여 별개의 피드백 루프 회로를 형성하여 4개의 발진채널을 갖는 SAW 센서 시스템을 구성하였다.
[실험예 1]
실시예 1 및 비교예 1의 SAW 센서 시스템에 아무런 스트레스 (stress) 가 없는 상태로 각각 PBS(Phosphate Buffer saline) 용액을 흘려보내고, 신호 변화(signal drift)를 측정하여 주파수 안정도를 조사하였다. 그 결과를 도 4 및 5에 나타내었다.
실시예 1의 경우 8개의 SAW 소자(A1~A8)를 각각 2초 간격으로 측정하여 하나 의 사이클이 16초이며, 비교예 1의 경우 4개의 SAW 소자(B1~B4) 를 사용하여 측정하였다. SAW 신호간 편차가 없을수록 주파수 안정도가 우수한 것으로, 하기 표 1 및 도 4에 나타난 바와 같이, 본 발명의 결과가 훨씬 우수함을 알 수 있다.
[표 1]
Figure 112009068337077-pat00001
[실험예 2]
실시예 1 (A1~A5) 및 비교예 1(B1~B4)의 SAW 센서 시스템에, PBS 용액 상에서 500 ㎕/min, 1000 ㎕/min, 1500 ㎕/min의 시료 흐름을 주어 압력 구배에 의해 변화된 주파수가 다시 정상 상태로 회복하는 정도를 측정하였다. 압력 구배에 의한 주파수 변화 및 정상 주파수 회복 결과를 도 6 및 7에 나타내었다. 또한, 평균표준편차를 산출하여 하기 표 2에 나타내었다.
이들 도면을 참조하면, SAW 신호간 편차가 없을수록 정상회복 편차가 없는 것으로, 하기 표 2 및 도 6에 나타난 바와 같이 실시예 1에서의 결과가 훨씬 우수함을 알 수 있다.
[표 2]
Figure 112009068337077-pat00002
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 SAW 센서 시스템의 단위 SAW 소자를 나타내는 평면도이다;
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 SAW 센서 시스템의 구성을 나타내는 개략도이다;
도 3은 비교예 1에 따른 SAW 센서 시스템의 구성을 나타내는 개략도이다;
도 4 는 실험예 1에서 실시예 1에 따른 SAW 센서의 주파수 안정도 실험예의 결과 그래프이다;
도 5는 실험예 1에서 비교예 1에 따른 SAW 센서의 주파수 안정도 실험예의 결과 그래프이다;
도 6은 실험예 2에서 실시예 1에 따른 SAW 센서의 압력 구배에 의한 주파수 변화 및 정상 주파수 회복 실험의 결과 그래프이다;
도 7은 실험예 2에서 비교예 1에 따른 SAW 센서의 압력 구배에 의한 주파수 변화 및 정상 주파수 회복 비교 실험예의 결과 그래프이다.
<도면의 주요 부호에 대한 설명>
10: SAW 소자 20: 압전성 기판
30a, 30b: IDT 전극 40: 수용체
100: SAW 센서 시스템 110: SAW 소자 어레이
121: 제 1 멀티플렉서 122: 제 2 멀티플렉서
130: 피드백 루프 회로 131: 증폭기
140: 채널 제어장치 150: 검출장치
160: 커패시터 170: 집적회로

Claims (13)

  1. 복수개의 표면탄성파 소자;
    상기 복수개의 표면탄성파 소자의 입력단에 연결되는 제1 멀티플렉서;
    상기 복수개의 표면탄성파 소자의 출력단에 연결되는 제2 멀티플렉서;
    상기 제1 멀티플렉서 및 상기 제2 멀티플렉서 사이에 연결되어 있는 피드백 루프 회로;
    상기 제1 멀티플렉서에 연결된 제 1 포트 및 상기 제2 멀티플렉서에 연결된 제 2 포트를 포함하며 채널선택 신호를 입력하는 채널 제어장치; 및
    상기 피드백 루프 회로에 연결되어 전기적 신호를 검출하는 검출장치;
    를 포함하는 표면탄성파 센서 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 채널 제어장치는 상기 제1 포트와 상기 제2 포트를 통해 상기 제 1 멀티플렉서와 상기 제 2 멀티플렉서에 동일한 채널선택 신호를 인가하는, 표면탄성파 센서 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 피드백 루프 회로는, 상기 제 1 멀티플렉서를 통해 상기 복수개의 표면탄성파 소자에 선택적으로 전기적 발진신호를 전달하고 상기 복수개의 표면탄성파 소자로부터 발생된 전기적 신호를 상기 제 2 멀티플렉서를 통해 상기 제 1 멀티플렉서에 전달하는, 표면탄성파 센서 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수개의 표면탄성파 소자의 입력단과 상기 제 1 멀티플렉서 사이 및 상기 복수개의 표면탄성파 소자의 출력단과 상기 제 2 멀티플렉서 사이에 각각 연결되는 복수개의 커패시터;
    를 더 포함하는, 표면탄성파 센서 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 피드백 루프 회로는 상기 제 2 멀티플렉서를 통해 전달된 전기적 신호를 증폭하는 증폭기를 포함하는, 표면탄성파 센서 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 피드백 루프 회로는 상기 제 2 멀티플렉서와 상기 증폭기 사이에 연결되는 감쇠기를 더 포함하는, 표면탄성파 센서 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 피드백 루프 회로는 상기 증폭기와 상기 제 1 멀티플렉서 사이에 연결되는 저역통과 필터를 더 포함하는, 표면탄성파 센서 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 채널 제어장치와 상기 검출장치는 하나의 집적회로에 구현되는, 표면탄성파 센서 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수개의 표면탄성파 소자는 하나의 베이스 기판 상에 형성되는, 표면탄성파 센서 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 복수개의 표면탄성파 소자 각각은, 압전성 기판 상에 형성된 한 쌍의 IDT(Inter-Digital Transducer) 전극과, 상기 IDT 전극을 덮도록 상기 압전성 기판 상에 형성되어 검출 대상물질과 결합하는 수용체를 구비하는, 표면탄성파 센서 시스템.
  11. 하기 단계들을 포함하는 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 표면탄성파 센서 시스템을 이용하여 시료로부터 타겟물질을 검출하는 검출방법:
    임의의 표면탄성파 소자를 선택하여 채널 제어장치로부터 채널선택 신호를 제 1 멀티플렉서 및 제 2 멀티플렉서에 입력하는 단계;
    제 1 멀티플렉서를 통해 선택된 표면탄성파 소자의 입력부에 기준 주파수를 입력하는 단계;
    선택된 표면탄성파 소자의 출력부로부터 출력 주파수를 제 2 멀티플렉서를 통해 피드백 루프 회로로 전달하는 단계;
    피드백 루프 회로로 전달된 출력 주파수와 기준 주파수와 비교하여 변화를 검출장치에서 검출하여 타겟물질을 검출하는 단계.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 기준 주파수는 타겟물질이 존재하지 않을 때의 주파수인, 검출방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 시료는 생물학적 시료인 검출방법.
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101711204B1 (ko) * 2010-10-29 2017-03-13 삼성전자주식회사 단일입력 다중출력 표면탄성파 디바이스
US9717455B2 (en) 2015-03-31 2017-08-01 Empire Technology Development Llc Portable flow meter for low volume applications
US9980672B2 (en) 2015-07-16 2018-05-29 Empire Technology Development Llc Single-chambered sweat rate monitoring sensor

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4932255A (en) * 1988-12-16 1990-06-12 Johnson Service Company Flow sensing using surface acoustic waves
US5235235A (en) * 1991-05-24 1993-08-10 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Multiple-frequency acoustic wave devices for chemical sensing and materials characterization in both gas and liquid phase
US5488866A (en) * 1994-04-11 1996-02-06 Tektronix, Inc. Time-interleaved method for efficient operation of an acoustic wave sensor array
US5763283A (en) * 1994-10-12 1998-06-09 Sandia Corporation Method and apparatus for phase for and amplitude detection
US6321588B1 (en) * 1998-09-11 2001-11-27 Femtometrics, Inc. Chemical sensor array
US6477479B1 (en) * 1998-12-11 2002-11-05 Symyx Technologies Sensor array for rapid materials characterization
US6839636B1 (en) * 1999-06-17 2005-01-04 Smiths Detection-Pasadena, Inc. Multiple sensing system and device

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