KR101836364B1 - Frequency Detection Chemical Sensor by Reacting Chemical Material - Google Patents

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KR101836364B1
KR101836364B1 KR1020160140141A KR20160140141A KR101836364B1 KR 101836364 B1 KR101836364 B1 KR 101836364B1 KR 1020160140141 A KR1020160140141 A KR 1020160140141A KR 20160140141 A KR20160140141 A KR 20160140141A KR 101836364 B1 KR101836364 B1 KR 101836364B1
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임성준
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중앙대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a frequency detection chemical sensor by a chemical material reaction. The frequency detection chemical sensor can identify a type of chemical materials through a varied frequency output by an electronic reaction between an electronic wave transferred from the outside and a chemical material injected into a fluid injection channel, thereby having excellent sensitivity, and being reusable even if the chemical sensor is small and has a small amount of chemical materials.

Description

화학 물질 반응에 의한 주파수 감지 화학 센서{Frequency Detection Chemical Sensor by Reacting Chemical Material}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a frequency sensitive chemical sensor,

본 발명은 화학 물질 반응에 의한 주파수 감지 화학 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 외부로부터 전달되는 전자파가 유체 주입 채널에 주입된 화학 물질과 전자적 반응을 하여 출력되는 가변된 주파수를 통해 화학 물질의 종류를 감지할 수 있는 화학 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a frequency-sensitive chemical sensor by a chemical reaction, and more particularly, to a frequency-sensitive chemical sensor by a chemical reaction in which an electromagnetic wave transmitted from the outside electronically reacts with a chemical substance injected into a fluid- To a chemical sensor.

유체 상태의 화학 물질은 다양한 산업 분야에서 소비되고 있다. 화학 물질의 상당수는 건강과 인체에 안전하지 않고 심하면 사망에 원인이 될 수 있다. 따라서, 많은 응용 분야에서 사용되는 화학 물질의 정확한 정략 또는 검출이 매우 중요하다. 이를 위해 화학 센서는 광범위한 산업 응용 분야에서 다양한 화학 물질을 검출하기 위해서 사용되고 있다. 종래의 화학 센서는 밸브 또는 튜브를 채우기 위해 많은 양의 화학 물질을 필요로 했고 대부분은 전혀 사용되지 않아 낭비되거나, 버려지게 된다.Fluid chemicals are consumed in a variety of industries. A large number of chemicals are unsafe for health and the human body and can cause severe death. Therefore, accurate selection or detection of chemicals used in many applications is very important. To this end, chemical sensors have been used to detect a variety of chemicals in a wide range of industrial applications. Conventional chemical sensors require large quantities of chemicals to fill a valve or tube, and most of them are not used at all and are wasted or discarded.

이러한 화학 물질의 낭비 문제를 개선하기 위해서 적은 양의 액체 물질을 사용하면서도 우수한 감지 능력을 나타낼 수 있는 시스템의 도입이 시급해지고 있다.In order to solve the problem of waste of such chemicals, introduction of a system capable of exhibiting excellent detection ability while using a small amount of liquid material is urgently required.

대한민국 등록특허공보 제10-1378477호Korean Patent Publication No. 10-1378477

본 발명의 화학 센서에 있어서, 상기한 문제점을 해결하고자, 외부로부터 전달되는 전자파의 주파수를 측정하는 주파수 측정 금속 패턴과 대응되는 유체 주입 채널을 형성하여 화학 물질을 주입하고, 상기 화학 물질과 전자적 반응에 의해 가변된 주파수를 통해 화학 물질의 종류를 알아낼 수 있다. 본 발명에 따른 화학 센서는 화학 물질의 나노 리터의 양으로도 우수한 민감도는 나타낼 수 있고 이를 통해 저렴한 제작 단가, 간단한 구조, 우수한 민감도 및 소형화를 이뤘다.In order to solve the above-described problem, the chemical sensor of the present invention is characterized in that a fluid injection channel corresponding to a frequency measurement metal pattern for measuring the frequency of an electromagnetic wave transmitted from the outside is formed to inject a chemical substance, The type of chemical substance can be determined through a variable frequency. The chemical sensor according to the present invention can exhibit excellent sensitivity even in the amount of nanoliter of chemical substance, thereby achieving an inexpensive production cost, simple structure, excellent sensitivity and miniaturization.

따라서 본 발명의 목적은 주파수의 변화량을 증가시켜 적은 양의 화학 물질로도 우수한 민감도를 갖는 화학 센서를 제공하는 것이다.It is therefore an object of the present invention to provide a chemical sensor having an increased sensitivity to a small amount of chemical substance by increasing the frequency variation.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 기술적 사상에 의한 화학 물질 반응에 의한 주파수 감지 화학 센서는, 전자파 통과 금속패턴 및 상기 전자파 통과 금속패턴을 통해 전달되는 전자파의 주파수를 측정하는 주파수 측정 금속 패턴이 형성된 제 1기판 및 상기 제 1기판과 동일한 구조를 가지는 제 2기판, 측정 대상 화학 물질이 주입되는 유체 주입 채널이 포함되고 상기 제 1기판 및 제 2기판 보다 넓은 면적으로 상기 두 기판 사이에 형성되는 화학 물질 주입 패턴을 포함하고, 상기 주파수 측정 금속 패턴은 측정 대상이 되는 화학 물질과의 전자적 반응에 의해 가변되는 주파수를 측정하는 것을 특징으로 하는 화학 물질 반응에 의한 주파수 감지 화학 센서에 관한 것이다.In order to achieve the above object, a frequency sensitive chemical sensor according to the technical idea of the present invention is a sensor for detecting a frequency of a chemical reaction, comprising: an electromagnetic wave passing metal pattern; and a frequency measuring metal pattern for measuring a frequency of an electromagnetic wave transmitted through the electromagnetic wave passing metal pattern A second substrate having the same structure as that of the first substrate, a fluid injection channel through which a chemical substance to be measured is injected, and formed between the two substrates in a wider area than the first substrate and the second substrate Wherein the frequency measuring metal pattern measures a frequency that is variable by an electronic reaction with a chemical substance to be measured. The present invention also relates to a frequency sensitive chemical sensor based on a chemical reaction.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 주파수 측정 금속 패턴은 중앙 영역에서 전기장의 세기가 가장 강한 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the frequency measuring metal pattern may have the strongest electric field intensity in the central region.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 유체 주입 채널은 상기 주파수 측정 금속 패턴의 중앙 영역에 위치할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the fluid injection channel may be located in a central region of the frequency measuring metal pattern.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 유체 주입 채널의 양 끝단에는 화학 물질을 주입하는 주입구가 상기 제 1기판 및 제 2기판의 바깥 영역에 형성되고, 화학 물질 주입 패턴의 수직 방향으로 개방되게 형성될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, at both ends of the fluid injection channel, an injection port for injecting a chemical substance is formed in an outer region of the first substrate and the second substrate, and is formed to be opened in the vertical direction of the chemical substance injection pattern .

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 유체 주입 채널은 알파벳 이(E)와 유사한 굴곡진 형상을 가질 수 있다.In one embodiment of the present invention, the fluid injection channel may have a curved shape similar to the alphabet (E).

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 유체 주입 채널 및 화학 물질 주입 패턴은 폴리디메틸실록산(PDMS)으로 이루어질 수 있다.In one embodiment of the present invention, the fluid injection channel and the chemical injection pattern may be made of polydimethylsiloxane (PDMS).

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제 1기판 및 제 2기판과, 상기 기판들 사이에 형성되는 상기 유체 주입 채널을 갖는 화학 물질 주입 패턴은, 접착 필름을 통하여 합착될 수 있다.
In one embodiment of the present invention, the chemical injection pattern having the fluid injection channel formed between the first substrate and the second substrate and between the substrates may be bonded together through an adhesive film.

다른 한편으로, 본 발명은On the other hand,

화학 물질의 주파수를 감지하기 위한 화학 센서 시스템에 있어서, A chemical sensor system for sensing the frequency of a chemical substance,

일정한 전자파를 발생시키는 전자파 발진부,An electromagnetic wave oscillating unit for generating a constant electromagnetic wave,

상기 전자파 발진부로부터 발생된 전자파가 상기 화학 센서의 유체 주입 채널에 주입된 화학 물질과 전자적 반응을 하여 출력되는 가변된 주파수를 수신하는 주파수 수신부,A frequency receiver for receiving electromagnetic waves generated from the electromagnetic wave oscillating unit and receiving a variable frequency that is output by electronically reacting with a chemical injected into a fluid injection channel of the chemical sensor,

상기 주파수 수신부로 수신된 주파수를 디지털 변환하는 디지털 변환부,A digital converter for digitally converting the frequency received by the frequency receiver,

상기 디지털 변환된 주파수를 데이터 저장부에 저장된 주파수 데이터와 비교하는 판단부 및A determination unit for comparing the digitally converted frequency with frequency data stored in a data storage unit;

상기 판단부에서 판단된 결과를 표시하는 표시부를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 물질 반응에 의한 주파수 감지 화학 센서 시스템에 관한 것이다.And a display unit for displaying a result of the determination by the determination unit.

본 발명에 의한 화학 물질 반응에 의한 주파수 감지 화학 센서는, 외부로부터 전달되는 전자파가 유체 주입 채널에 주입된 화학 물질과 전자적 반응을 하여 출력되는 가변된 주파수를 통해 화학 물질의 종류를 알아낼 수 있다. 또한 적은 양의 화학 물질로도 주파수의 변화량을 증가시켜 우수한 민감도를 나타낼 수 있다.The frequency-sensitive chemical sensor based on the chemical reaction according to the present invention can detect the kind of chemical substance through a variable frequency outputted by electromagnetic reaction with the chemical substance injected into the fluid injection channel from the electromagnetic wave transmitted from the outside. In addition, a small amount of chemical substance can increase the amount of change in frequency, thereby exhibiting excellent sensitivity.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 제 1 기판을 도시한 그림이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 화학 물질 주입 패턴을 도시한 그림이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 화학 물질 반응에 의한 주파수 감지 화학 센서를 도시한 그림이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 주파수 측정 금속 패턴 내부의 전기장(E-field)을 도시한 그림이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 화학 물질 반응에 의한 주파수 감지 화학 센서 구조를 도시한 그림이다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 화학 물질 반응에 의한 주파수 감지 화학 센서의 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 미세 유체 채널의 에탄올, 증류수, 빈 공간의 모의 측정된 반사 계수를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시형태에 따른 화학 센서를 통해 측정된 각 화학 물질들의 반사 계수를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따른 화학 물질 반응에 의한 주파수 감지 화학 센서의 민감도를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시형태에 따른 화학 물질 반응에 의한 주파수 감지 화학 센서 시스템의 순서도를 나타낸 그림이다.
1 is a view showing a first substrate according to an embodiment of the present invention.
2 is a view showing a chemical injection pattern according to an embodiment of the present invention.
3 is a view showing a frequency sensing chemical sensor by a chemical reaction according to an embodiment of the present invention.
4 is a view showing an electric field (E-field) inside a frequency measuring metal pattern according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating a frequency sensing chemical sensor structure by a chemical reaction according to an embodiment of the present invention. FIG.
6 is a photograph of a frequency sensitive chemical sensor by a chemical reaction according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a graph showing simulated measured reflection coefficients of ethanol, distilled water, and voids of a microfluidic channel according to an embodiment of the present invention. FIG.
8 is a graph showing the reflection coefficient of each chemical substance measured through a chemical sensor according to an embodiment of the present invention.
9 is a graph showing sensitivity of a frequency sensitive chemical sensor by a chemical reaction according to an embodiment of the present invention.
10 is a flowchart illustrating a frequency-sensitive chemical sensor system by a chemical reaction according to an embodiment of the present invention.

첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 의한 화학 물질 반응에 의한 주파수 감지 화학 센서에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나, 개략적인 구성을 이해하기 위하여 실제보다 축소하여 도시한 것이다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A frequency-sensitive chemical sensor according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The present invention is capable of various modifications and various forms, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. It is to be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular forms disclosed, but on the contrary, is intended to cover all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. Like reference numerals are used for like elements in describing each drawing. In the accompanying drawings, the dimensions of the structures are enlarged to illustrate the present invention, and are actually shown in a smaller scale than the actual dimensions in order to understand the schematic structure.

또한, 제1 및 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Also, the terms first and second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component. On the other hand, unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Do not.

본 발명의 실시예에 의한 화학 물질 반응에 의한 주파수 감지 화학 센서는, 외부로부터 전달되는 전자파가 유체 주입 채널에 주입된 화학 물질과 전자적 반응을 하여 출력되는 가변된 주파수를 통해 화학 물질의 종류를 알아낼 수 있도록 구성된다.In the frequency-sensitive chemical sensor according to an embodiment of the present invention, electromagnetic waves transmitted from outside are electronically reacted with a chemical substance injected into a fluid injection channel, and the kind of a chemical substance is detected through a variable frequency .

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 제 1 기판을 도시한 그림이다. 도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 화학 물질 주입 패턴을 도시한 그림이다. 도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 화학 물질 반응에 의한 주파수 감지 화학 센서를 도시한 그림이다. 도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 주파수 측정 금속 패턴 내부의 전기장(E-field)을 도시한 그림이다. 도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 화학 물질 반응에 의한 주파수 감지 화학 센서 구조를 도시한 그림이다. 도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 화학 물질 반응에 의한 주파수 감지 화학 센서의 사진이다.1 is a view showing a first substrate according to an embodiment of the present invention. 2 is a view showing a chemical injection pattern according to an embodiment of the present invention. 3 is a view showing a frequency sensing chemical sensor by a chemical reaction according to an embodiment of the present invention. 4 is a view showing an electric field (E-field) inside a frequency measuring metal pattern according to an embodiment of the present invention. FIG. 5 is a diagram illustrating a frequency sensing chemical sensor structure by a chemical reaction according to an embodiment of the present invention. FIG. 6 is a photograph of a frequency sensitive chemical sensor by a chemical reaction according to an embodiment of the present invention.

도 1 내지 도 5를 참조로, 본 발명의 일 실시형태에 따른 화학 물질 반응에 의한 주파수 감지 화학 센서(1)는 주파수 측정 금속 패턴(120)이 포함된 제 1기판(100) 및 제 1기판과 동일하게 형성된 제 2기판(300)과, 화학 물질 주입 패턴(200)을 포함한다.1 to 5, a chemical reaction-based frequency-sensitive chemical sensor 1 according to an embodiment of the present invention includes a first substrate 100 including a frequency-measuring metal pattern 120, A second substrate 300 formed in the same manner as the first substrate 300, and a chemical injection pattern 200.

상기 주파수 측정 금속 패턴(120)은 기판 상에 형성되는 전자파 통과 금속 패턴(130)을 통하여 전달되는 전자파의 주파수를 측정하기 위해 형성된다.The frequency measuring metal pattern 120 is formed to measure the frequency of an electromagnetic wave transmitted through the electromagnetic wave passing metal pattern 130 formed on the substrate.

다음으로, 유체 주입 채널 (220)은 전자파 통과 금속 패턴(130)을 통하여 전달되는 전자파의 주파수가 유체 주입 채널(220)에 주입된 화학 물질과의 전자적 반응에 의해 주파수가 정밀하게 가변될 수 있도록 상기 주파수 측정 금속 패턴(120)에 중앙에 대응되는 위치에 형성된다.Next, the fluid injection channel 220 is formed so that the frequency of the electromagnetic wave transmitted through the electromagnetic wave passing metal pattern 130 can be precisely varied by the electronic reaction with the chemical material injected into the fluid injection channel 220 And is formed at a position corresponding to the center of the frequency measuring metal pattern 120.

이를 위해 상기 화학 물질 주입 패턴(200)에 형성되는 유체 주입 채널(220)은 상기 주파수 측정 금속 패턴(120)의 중앙 내부에 대응되는 부위에서 알파벳 ‘E'와 유사한 형태를 갖고 배치되는 것을 포함한다. 이때 알파벳 ‘E’형태와 상기 주파수 금속 패턴(120)의 중앙 내부에 대응되는 부위에 배치시키는 것은 상기 주파수 측정 금속 패턴(120) 내부의 전기장(E-field)이 가장 센 영역에서 빈 공간을 방지하고, 유체 흐름과 공간의 효율성을 고려했을 때 바람직한 형태와 위치이기 때문이다. 전기장이 가장 센 영역에 위치시키는 경우 민감도가 더 향상될 수 있으므로 보다 더 정확한 측정 및 감지가 가능하다.
To this end, the fluid injection channel 220 formed in the chemical injection pattern 200 is arranged in a shape similar to the alphabet 'E' at a portion corresponding to the center of the frequency measurement metal pattern 120 . At this time, disposing the shape of the alphabet 'E' and the area corresponding to the center of the frequency metal pattern 120 prevents the empty space in the area where the electric field (E-field) inside the frequency measuring metal pattern 120 is the strongest And is the preferred form and location when considering fluid flow and space efficiency. Sensitivity can be further improved if the electric field is located in the highest area, allowing more accurate measurement and detection.

상기 제 1기판(100) 및 제 2기판(300)의 종류는 특별히 제한되지 않으나, 유전상수가 2.33이고 두께가 0.79mm인 Rogers /Duroid 5870이 유전 손실이 적기 때문에 바람직하다.
The types of the first substrate 100 and the second substrate 300 are not particularly limited, but Rogers / Duroid 5870 having a dielectric constant of 2.33 and a thickness of 0.79 mm is preferable because of a low dielectric loss.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 유체 주입 채널(220)에 주입된 화학 물질과 외부로부터 전달되는 전자파간에 프링징 필드(Fringing Field)의 교란이 일어남으로써 주파수가 가변될 수 있다.
In one embodiment of the present invention, the frequency can be varied by disturbing a fringing field between a chemical injected into the fluid injection channel 220 and an electromagnetic wave transmitted from the outside.

도 3과 도 5와 도 6을 참조로, 상기 제 1기판(100)과 제 2기판(300) 사이에 화학 물질 주입 패턴(200)이 사이에 형성된다. 상기 제 1기판(100) 과 2 기판(300) 및 화학 물질 주입 패턴(200)은 접착 필름을 사용하여 합착된다. 상기 접착 필름으로는 종류가 제한되지 않으나, ARcare®92561 가 바람직하다. 모든 층을 합착한 이후에 상기 제 1기판(100)과 2 기판(300)의 비아는 드릴을 이용하여 구성되며 상기 비아는 납땜을 하여 조립된다. 이때 화학 물질 주입 패턴(200)은 상기 두 기판(100, 300)보다 넓은 면적으로 형성되며, 화학 물질 주입 패턴(200) 및 유체 주입 채널(220)은 폴리디메틸실록산(PDMS)으로 형성되는 것을 포함한다. 상기 화학 물질 주입 패턴(200) 및 유체 주입 채널(220)은 폴리디메틸실록산을 레이저 식각기를 이용하여 에칭함으로써 형성할 수 있다.
Referring to FIGS. 3, 5 and 6, a chemical injection pattern 200 is formed between the first substrate 100 and the second substrate 300. The first substrate 100, the second substrate 300, and the chemical injection pattern 200 are bonded together using an adhesive film. The kind of the adhesive film is not limited, but ARcare? 92561 is preferable. After all the layers are bonded, the vias of the first substrate 100 and the second substrate 300 are formed using a drill, and the vias are assembled by soldering. In this case, the chemical injection pattern 200 is formed to have a larger area than the two substrates 100 and 300, and the chemical injection pattern 200 and the fluid injection channel 220 are formed of polydimethylsiloxane (PDMS) do. The chemical injection pattern 200 and the fluid injection channel 220 may be formed by etching polydimethylsiloxane using a laser etcher.

폴리디메틸실록산은 높은 탄성과 낮은 모듈러스와 낮은 표면 에너지, 낮은 유전상수(2.67)와 고 유전정접(0.0375)을 갖는다. 유체 주입 채널(220)이 폴리디메틸실록산에 형성되고 상기 제 1기판(100)과 제 2기판(300) 사이에 형성됨에 따라 높은 주파수 이동 기능을 달성한다. 따라서, 주파수 측정 금속 패턴(120) 내부에 유체 주입 채널(220)이 위치하여 미량의 화학 물질로도 공진 주파수가 가변된다.
Polydimethylsiloxane has high elasticity, low modulus and low surface energy, low dielectric constant (2.67) and high dielectric loss tangent (0.0375). The fluid injection channel 220 is formed on the polydimethylsiloxane and is formed between the first substrate 100 and the second substrate 300 to achieve a high frequency transfer function. Therefore, the fluid injection channel 220 is located in the frequency measuring metal pattern 120, and the resonance frequency is varied by a very small amount of chemical substance.

상기 화학 물질 주입 패턴(200)의 두께는 1mm가 바람직하고, 상기 유체 주입 채널(220)의 넓이 및 깊이는 0.5mm가 바람직하다.The thickness of the chemical injection pattern 200 is preferably 1 mm, and the width and depth of the fluid injection channel 220 are preferably 0.5 mm.

넓이 및 깊이가 상기 범위를 만족하지 않는 경우, 레이저 식각기로 식각하는 과정에서 어려움이 발생하거나 화학 물질의 흐름이 원활하지 않을 수 있다. 또한 상기 유체 주입 채널(220)을 레이저식각기를 이용하므로 최소 공정 가능한 수치가 0.5mm이지만, 반드시 0.5mm가 될 필요는 없으며 향후 공정 기술에 따라 더 좁게 식각이 되는 것을 포함한다.
If the width and depth do not meet the above range, difficulties may arise in the process of etching with a laser etcher or the flow of chemicals may not be smooth. Also, since the fluid injection channel 220 uses a laser etcher, the minimum processable value is 0.5 mm, but it does not necessarily have to be 0.5 mm and includes etching that is narrower according to future process technology.

유체 주입 채널(220)은 나노 리터의 화학 물질의 양으로부터 측정 데이터를 수집하기에 편리한 환경을 제공한다. 이것은 RF 회로의 공진 주파수를 전환하여 나노 리터의 화학 물질의 분사에 의해 감지될 수 있다는 것을 의미한다.
The fluid injection channel 220 provides a convenient environment for collecting measurement data from the amount of nanoliter chemicals. This means that by switching the resonant frequency of the RF circuit, it can be detected by the injection of a nanometer of chemical.

본 발명의 일 실시형태에서, 기판 상에 형성되는 전자파 통과 금속 패턴(130) 및 주파수 측정 금속 패턴(120)으로 구성되는 안테나로는 기판 집적형 도파관 (substrate-integrated-waveguide, SIW) 안테나를 사용함으로써 낮은 손실, 높은 Q값, 그리고 가벼운 무게로 화학 센서를 제조할 수도 있다.In an embodiment of the present invention, a substrate-integrated-waveguide (SIW) antenna is used as the antenna including the electromagnetic-wave passing metal pattern 130 and the frequency-measuring metal pattern 120 formed on the substrate The chemical sensor can be fabricated with low loss, high Q value, and light weight.

본 발명의 일 실시형태에 따른 유체 주입 채널(220)의 양 끝단에는 화학 물질을 주입하는 주입구(225)가 화학 물질 주입 패턴(200)의 상측 방향으로 개방되게 형성될 수 있다.An injection port 225 for injecting a chemical may be formed at both ends of the fluid injection channel 220 according to an embodiment of the present invention so as to open upward in the chemical injection pattern 200.

또한 상기 유체 주입 채널(140)은 알파벳 'E'형상 외에도, 알파벳 'W' 또는 'M' 와 유사한 굴곡진 관 형상으로 주파수 측정 금속 패턴(120) 내부의 빈 공간을 줄이고, 유체 흐름과 공간의 효율성에 따라 배치될 수 있다.
In addition to the alphabet 'E' shape, the fluid injection channel 140 also reduces the void space within the frequency measurement metal pattern 120 in the shape of a curved tube similar to the alphabet 'W' or 'M' Can be placed according to efficiency.

도 10은 본 발명의 일 실시형태에 따른 화학 물질 반응에 의한 주파수 감지 화학 센서 시스템의 순서도를 나타낸 그림이다. 도 10을 참조로, 본 발명의 일 실시형태에 따른 화학 물질 반응에 의한 주파수 감지 화학 센서 시스템(400)은10 is a flowchart illustrating a frequency-sensitive chemical sensor system by a chemical reaction according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 10, a chemical reaction-based frequency sensitive chemical sensor system 400 according to an embodiment of the present invention includes:

화학 물질의 종류를 감지하기 위한 화학 센서 시스템에 있어서,1. A chemical sensor system for sensing a chemical species,

일정한 전자파를 발생시키는 전자파 발진부(410);An electromagnetic wave oscillating unit 410 for generating a constant electromagnetic wave;

상기 전자파 발진부(410)로부터 발생된 전자파가 본 발명의 일 실시형태에 따른 화학 센서의 유체 주입 채널에 주입된 화학 물질과 전자적 반응을 하여 출력되는 가변된 주파수를 수신하는 주파수 수신부(420);A frequency receiver 420 for receiving electromagnetic waves generated from the electromagnetic wave oscillating unit 410 and receiving a variable frequency that is generated by electronically reacting with a chemical injected into a fluid injection channel of a chemical sensor according to an embodiment of the present invention;

상기 주파수 수신부(420)로 수신된 주파수를 디지털 변환하는 디지털 변환부(430);A digital converter 430 for digitally converting the frequency received by the frequency receiver 420;

상기 디지털 변환된 주파수를 데이터 저장부(440)에 저장된 주파수 데이터와 비교하는 판단부(450); 및A determination unit 450 for comparing the digitally converted frequency with the frequency data stored in the data storage unit 440; And

상기 판단부에서 판단된 결과를 표시하는 표시부(460)를 포함한다.
And a display unit 460 for displaying the determination result of the determination unit.

이하, 실시예에 의해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오직 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 국한되지 않는다는 것은 당업자에게 있어서 자명하다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It is to be understood by those skilled in the art that these embodiments are for illustrative purpose only and that the scope of the present invention is not limited to these embodiments.

화학 물질의 종류 감지Detecting the type of chemical

본 발명의 주파수 감지 화학 센서를 이용하여 미량의 화학물질이 주입되더라도 정밀하게 화학 물질의 종류를 감지할 수 있음을 확인하기 위해 유체 주입 채널(220)의 주입구(225)에 증류수(DI-Water) 및 에탄올(Ethanol)을 주입하여 반사 계수(Reflection Coefficient)를 측정하였다.
(DI-Water) is injected into the injection port 225 of the fluid injection channel 220 in order to confirm that the kind of chemical can be precisely detected even if a trace amount of chemical is injected using the frequency sensing chemical sensor of the present invention. And ethanol (Ethanol) were injected to measure the reflection coefficient.

도 7에 도시된 바와 같이, 주파수(Frequency) 12.0GHz ~ 20.0GHz 범위에서, 화학 물질을 주입하지 않은 경우(Empty)에는 17.08GHz, 증류수를 주입한 경우(DI-Water)에는 14.95GHz, 에탄올을 주입한 경우(Ethanol)에는 15.56GHz의 반사 계수(Reflection Coefficient)의 시뮬레이션(Simulation) 결과 값을 나타냈다.As shown in FIG. 7, in the frequency range of 12.0 GHz to 20.0 GHz, 17.08 GHz was set for Empty, 14.95 GHz for DI-Water, In the case of injected (Ethanol), the simulation result of the reflection coefficient of 15.56 GHz was shown.

도 8에 도시된 바와 같이, 주파수(Frequency) 13.0GHz ~ 20.0GHz 범위로 상기 증류수와 에탄올을 포함하는 7 종류의 화학 물질 및 주입하지 않은 경우(Empty) 각각에 따른 반사 계수(Reflection Coefficient)의 측정(Measurement) 결과 값을 나타냈다. 각 화학 물질은 다른 유전 상수를 가지므로, 다른 공진 주파수를 나타냈다.As shown in FIG. 8, the measurement of the reflection coefficient according to each of seven kinds of chemicals including distilled water and ethanol and Empty in the frequency range of 13.0 GHz to 20.0 GHz (Measurement) results. Each chemical had a different dielectric constant and therefore showed different resonant frequencies.

도 9에 도시된 바와 같이, 측정된 데이터로부터 계산된 센서의 민감도를 나타냈다. 유전상수 민감도는 기울기에 의해 정의된다.
As shown in FIG. 9, the sensitivity of the sensor calculated from the measured data is shown. The dielectric constant sensitivity is defined by the slope.

시뮬레이션 결과 값과 측정 결과 값이 상당 부분 유사했으며, 화학 물질에 따라서 주파수와 반사 계수가 다르게 측정 가능한 것을 알 수 있었으며, 이를 통해 신뢰성을 확보할 수 있었다.
Simulation result and measurement result were similar to each other, and it was found that frequency and reflection coefficient can be measured differently according to chemical substance, and reliability was secured.

이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술한 바, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현 예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아님은 명백하다. 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations may be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention. Do. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 특허청구범위와 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.Accordingly, the actual scope of the invention is defined by the appended claims and their equivalents.

1 : 화학 물질 반응에 의한 주파수 감지 화학 센서
100 : 제 1기판
120 : 주파수 측정 금속 패턴
130 : 전자파 통과 금속 패턴
200 : 화학 물질 주입 패턴
220 : 유체 주입 채널
225 : 주입구
300 : 제 2기판
400 : 화학 물질 반응에 의한 주파수 감지 화학 센서 시스템
410 : 전자파 발진부
420 : 주파수 수신부
430 : 디지털 변환부
440 : 데이터 저장부
450 : 판단부
460 : 표시부
1: Frequency Sensing Chemical Sensor by Chemical Reaction
100: first substrate
120: Frequency measurement metal pattern
130: electromagnetic wave passing metal pattern
200: chemical injection pattern
220: fluid injection channel
225: inlet
300: second substrate
400: Frequency Sensing Chemical Sensor System by Chemical Reaction
410: electromagnetic wave oscillation portion
420: frequency receiver
430: Digital conversion unit
440: Data storage unit
450:
460:

Claims (8)

전자파 통과 금속패턴 및 상기 전자파 통과 금속패턴을 통해 전달되는 전자파의 주파수를 측정하는 주파수 측정 금속 패턴이 형성된 제 1기판;
상기 제 1기판과 동일한 구조를 가지는 제 2기판; 및
측정 대상 화학 물질이 주입되는 유체 주입 채널이 포함되고 상기 제 1기판 및 제 2기판 보다 넓은 면적으로 상기 두 기판 사이에 형성되는 화학 물질 주입 패턴을 포함하고,
상기 유체 주입 채널은 상기 주파수 측정 금속 패턴 내부 중앙 영역에 위치하고,
상기 주파수 측정 금속 패턴은 측정 대상이 되는 화학 물질과의 전자적 반응에 의해 가변되는 주파수를 측정하는 것을 특징으로 하는 화학 물질 반응에 의한 주파수 감지 화학 센서.
A first substrate on which a frequency measuring metal pattern for measuring a frequency of an electromagnetic wave passing metal pattern and an electromagnetic wave transmitted through the electromagnetic wave passing metal pattern is formed;
A second substrate having the same structure as the first substrate; And
A chemical injection pattern including a fluid injection channel into which a chemical to be measured is injected and formed between the two substrates in a wider area than the first substrate and the second substrate,
Wherein the fluid injection channel is located in a central region within the frequency measuring metal pattern,
Wherein the frequency measuring metal pattern measures a frequency that is varied by an electronic reaction with a chemical substance to be measured.
삭제delete 삭제delete 제 1항에 있어서, 상기 유체 주입 채널의 양 끝단에는 화학 물질을 주입하는 주입구가 상기 제 1기판 및 제 2기판의 바깥 영역에 형성되고, 화학 물질 주입 패턴의 수직 방향으로 개방되게 형성되는 것을 특징으로 하는 화학 물질 반응에 의한 주파수 감지 화학 센서.[2] The apparatus of claim 1, wherein an injection port for injecting a chemical substance is formed at both ends of the fluid injection channel at an outer region of the first substrate and the second substrate, Frequency Sensing Chemical Sensor by Chemical Reaction. 제 1항에 있어서, 상기 유체 주입 채널은 알파벳 이(E)와 유사한 굴곡진 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 화학 물질 반응에 의한 주파수 감지 화학 센서.The chemical sensor according to claim 1, wherein the fluid injection channel has a curved shape similar to the alphabet (E). 제 1항에 있어서, 상기 유체 주입 채널 및 화학 물질 주입 패턴은 폴리디메틸실록산(PDMS)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 화학 물질 반응에 의한 주파수 감지 화학 센서.The chemical sensor according to claim 1, wherein the fluid injection channel and the chemical injection pattern comprise polydimethylsiloxane (PDMS). 제 1항에 있어서, 상기 제 1기판 및 제 2기판과, 상기 기판들 사이에 형성되는 상기 유체 주입 채널을 갖는 화학 물질 주입 패턴은, 접착 필름을 통하여 합착되는 것을 특징으로 하는 화학 물질 반응에 의한 주파수 감지 화학 센서.The method of claim 1, wherein the first and second substrates and the chemical injection pattern having the fluid injection channel formed between the substrates are bonded together through an adhesive film. Frequency Sensing Chemical Sensor. 화학 물질의 주파수를 감지하기 위한 화학 센서 시스템에 있어서,
일정한 전자파를 발생시키는 전자파 발진부;
상기 전자파 발진부로부터 발생된 전자파가 제 1항에 따른 화학 센서의 유체 주입 채널에 주입된 화학 물질과 전자적 반응을 하여 출력되는 가변된 주파수를 수신하는 주파수 수신부;
상기 주파수 수신부로 수신된 주파수를 디지털 변환하는 디지털 변환부;
상기 디지털 변환된 주파수를 데이터 저장부에 저장된 주파수 데이터와 비교하는 판단부; 및
상기 판단부에서 판단된 결과를 표시하는 표시부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 물질 반응에 의한 주파수 감지 화학 센서 시스템.
A chemical sensor system for sensing the frequency of a chemical substance,
An electromagnetic wave oscillating unit for generating a constant electromagnetic wave;
A frequency receiver for receiving an electromagnetic wave generated from the electromagnetic wave oscillating unit and receiving a variable frequency which is output by electronically reacting with a chemical injected into a fluid injection channel of the chemical sensor according to the first aspect;
A digital converter for digitally converting the frequency received by the frequency receiver;
A determination unit for comparing the digitally converted frequency with frequency data stored in a data storage unit; And
And a display unit for displaying a result of the determination by the determination unit.
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