KR101842350B1 - 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 장치 및 방법 - Google Patents

멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 컨덴서 용량 변화를 감지하는 멤브레인(membrane) 센서에 감지전극의 기계적 공진 주파수 근처의 교류 신호(교류 전압이나 전류)와 직류 신호를 인가하여 감지전극의 변위를 극대화시켜 컨덴서형 멤브레인 센서의 측정 정밀도를 높이는 장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명에 의한 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 장치는, 멤브레인에 멤브레인의 기계적 공진주파수와 일치하고 일정크기 이상의 교류신호를 인가하면 멤브레인의 변위가 크다는 원리를 이용하여, 멤브레인 센서의 감지전극을 충분히 진동시킬 수 있는 크기의 기계적 공진주파수를 가진 교류신호를 상기 멤브레인 센서에 인가 한 후, 감지전극에 도포된 감지 물질이 특정 물질과의 반응 유무에 따른 감지전극의 기계적 공진주파수 또는 성능계수(Q-factor)의 변화를 이용하여 감지전극의 질량변화를 측정하거나, 감지 전극에 가해진 압력을 측정하는 장치로, 컨덴서형 멤브레인 센서에 감지전극의 기계적 공진주파수를 갖는 교류신호를 공급하거나 직류 성분이 포함된 교류신호를 공급하는 신호공급수단과, 감지물질이 도포된 감지전극에서 감지물질과 검색하려는 물질이 반응함으로써 감지전극의 질량이 변화하여 컨덴서 용량이 변하거나 감지전극에 가해지는 압력에 의하여 컨덴서 용량이 변화되는 컨덴서형 멤브레인 센서, 상기 멤브레인 센서로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지털 값으로 변환하고 데이터 처리량을 높이는 신호 측정부, 상기 신호공급수단을 제어하여 신호공급수단으로부터 출력되는 신호의 주파수와 크기를 조정하고 신호 측정부로부터 출력된 디지털 값을 이용하여 주파수별 신호세기를 표시하는 주파수 스펙트럼을 구성하여 컨덴서형 멤브레인 센서의 감지전극이 특정물질과 반응했을 경우와 반응하지 않았을 때의 기계적 공진주파수 또는 성능계수(Q-factor)변화를 이용하여 감지전극과 반응한 특정 물질의 질량이나, 감지전극에 가해진 압력을 측정하는 제어 및 신호처리 수단으로 이루어진다. 이러한 구성으로 이루어진 본 발명은 감지전극의 질량변화나 감지전극에 가해진 압력을 보다 정밀하게 측정할 수 있고, 멤브레인 센서의 기생 컨덴서 효과를 획기적으로 줄일 수 있으며, 고가의 스펙트럼 장치 없이 멤브레인 센서의 주파수 특성을 분석할 수 있는 효과가 있다.

Description

멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 장치 및 방법{The measurement apparatus for capacitive membrane sensor using mechanical resonance characteristics of membrane and the method thereof}
본 발명은 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 컨덴서 용량 변화를 감지하는 멤브레인(Membrane) 센서에 감지전극의 기계적 공진주파수 근처의 교류 신호(교류 전압이나 전류)와 직류 전압을 인가하여 감지전극의 변위를 극대화시켜 멤브레인 센서의 감지 정밀도를 높이는 방법 및 장치에 관한 것이다.
현재 멤브레인을 이용한 센서는 여러 산업 분야에 적용된다.
특히, 유독 가스 누출 탐지를 위한 압력 센서와 질병 진단을 위한 바이오 센서에 멤브레인 센서를 이용하려는 시도가 활발하다.
상기 멤브레인 센서는 감지전극의 미세한 질량 변화와 감지전극에 가해진 압력 변화를 측정할 수 있어 폭발성이 강한 가스와 극독한 기체의 누출 여부를 탐지하는데, 사용될 수 있다.
의학계에서는 형광체를 이용한 기존 질병 검사 방법의 여러 단점들을 보완하고자 멤브레인 센서의 감지전극의 미세한 질량 변화를 이용하여 무표지(label-free) 질병 검사를 위한 노력이 활발하게 진행되고 있다.
항원이나 특정 단백질에 반응하는 물질을 감지전극 위에 도포 시키고 인체나 동물들로부터 채취한 검체(specimen)를 반응시켜 감지전극의 질량이나 감지전극에 가해진 압력 변화를 관찰함으로써 질병을 진단할 수 있다.
일반적으로 멤브레인 센서는 크게 압전 효과와 컨덴서 용량 변화를 이용하는 2종으로 구분할 수 있다.
상기 압전 효과를 이용하는 경우에는 감지전극에 가해진 압력에 따라 저항이 변화되는 압전효과를 이용하는 것으로, 압전 물질을 멤브레인 센서 감지전극에 도포해두고 감지전극에 가해진 압력이나 질량 변화를 저항 변화로 변환한다.
압전 효과에 의한 저항 변화를 측정하는 방법으로는 멤브레인 센서 감지전극을 휘스톤 브리지로 구성한 다음, 직류 전압을 인가하여 저항 변화를 측정하는 방법이 있다.
또 다른 방법으로 멤브레인 센서 감지전극에 인가되는 교류 전압 주파수를 변화시켜 상기 교류 전압 주파수가 감지전극의 기계적 공진 주파수에 이르면 압전 소자의 변위가 커지는 현상을 이용하는 방법이 있다.(US2015/0143911 A1)
한편, 컨덴서형 멤브레인 센서에 있어 감지전극에 가해진 압력이나 질량을 측정하는 첫 번째 방법으로는 감지전극의 변위를 레이저를 이용하여 측정하는 방법이 있고, 두 번째 방법으로는 감지전극의 변위에 따른 발진 주파수의 변화를 측정하는 방법이 있다.
또한, 세 번째 방법으로는 컨덴서형 멤브레인 센서에 인가되는 약한 교류 전압 주파수를 변화시켜 교류 전압 주파수가 멤브레인 센서의 기계적 공진 주파수와 일치할 때 감지전극에 걸리는 전압의 위상이 180도 바뀌면서 전압이 뚝 떨어지는 현상(voltage bump) 특성을 이용하여 질량 변화를 측정하는 방법이 있다.(US9,032,797 B2)
한편, 본 발명의 선행 기술로는 특허등록번호 "10-0798361"호의 "감지 기둥을 갖는 미세 질량 측정 센서"가 출원되어 등록되었는데, 상기 감지 기둥을 갖는 미세 질량 측정 센서는 소정 반경(a)과 두께(h)를 갖는 판 형상의 멤브레인과, 기둥 형상으로 소정 길이(H)를 갖으며 연장되되, 그 일면은 멤브레인의 중앙부에 부착되며 타면은 측정 물질이 부착되는 감지 기둥, 및 상기 멤브레인의 소정 위치에 증착되는 압전 물질을 포함한다.
대한민국 특허공개번호 10-2004-0067661 (2004.07.30) 대한민국 특허등록번호 10-0798361 (2008.01.28) 대한민국 특허공개번호 10-2011-0100513 (2011.09.14) 미국 특허공개번호 20150143911 (2015.05.28) 미국 특허공개번호 US9,032,797 (2015.5.19)
[1] PZT thin films integration for the realization of a high sensitivity pressure micro-sensor based on a vibrating membrane 2002, Elsevier. [2] Capacitive micro-machined ultrasonic transducer (CMUT) as a chemical sensor for DMMP detection, 2011, Elsevier.
일반적으로, 컨덴서(Condenser)는 유전체 양측에 도체 전극을 붙여 만들고 컨덴서의 용량은 수학식 1로 정리할 수 있는데, 여기서
Figure 112016046861613-pat00001
는 유전체의 유전율이고, A는 전극의 면적이며, d는 전극 간의 간격이다.
Figure 112016046861613-pat00002
상기 컨덴서형 멤브레인 센서(1)는 도면 1에 도시한 바와 같이, 고정전극(3)이 멤브레인 센서(1)의 밑바닥에 고정되고 유전체 전극(7)에 부착된 감지전극(9)이 움직이는 구조이다.
또한, 상기 컨덴서형 멤브레인 센서(1)는 도면 2에 도시한 바와 같이, 유전체 전극(7)을 고정시키고 감지전극(9)을 움직이게 할 수 있다.
이와 같은 경우 감지전극(9)과 고정전극(3) 사이의 용량은 2개의 컨덴서가 직렬 연결된 경우로 수학식 2로 정리할 수 있다.
Figure 112016046861613-pat00003
상기 수학식 2에서
Figure 112016046861613-pat00004
은 유전체의 용량이고,
Figure 112016046861613-pat00005
는 공기나 진공의 용량으로서
Figure 112016046861613-pat00006
,
Figure 112016046861613-pat00007
로 정리될 수 있다.
여기서
Figure 112016046861613-pat00008
은 유전체 막의 두께,
Figure 112016046861613-pat00009
은 유전체의 유전율,
Figure 112016046861613-pat00010
는 공기의 유전율,
Figure 112016046861613-pat00011
는 공기의 두께이다.
이때, 유전체의 유전율이 공기보다 훨씬 크고 유전체의 두께가 작으므로
Figure 112016046861613-pat00012
인 관계가 성립되어 감지전극(9)과 고정전극(3) 사이의 용량은 공기의 유전율(
Figure 112016046861613-pat00013
)과 간격(
Figure 112016046861613-pat00014
)에 의해 결정된다.
일반적으로, 마이크로그램(u-gram)이나 피코그램(pico-gram) 단위의 질량을 측정하거나 수(mbar) 단위의 압력을 측정하는 컨덴서형 멤브레인 센서(1)는 감지전극(9)의 움직임을 용이하게 하도록 공기나 진공을 이용한다.
컨덴서형 멤브레인 센서(1)에 있어 상기 감지전극(9)에 특정 물질과 반응하는 물질을 도포하면, 특정 물질이 감지전극(9)과 반응을 일으켜 감지전극(9)의 질량이 증가하거나 감소하게 된다.
이때, 상기 감지전극(9)의 질량이 증가되면 감지전극(9)이 하강하여 감지전극(9)과 고정전극(3) 사이의 간격이 줄어들어 컨덴서형 멤브레인 센서(1)의 컨덴서 용량이 증가 된다.
반대로, 질량이 감소하는 경우에는 용량이 감소하게 된다.
이러한 경우에는 컨덴서형 멤브레인 센서(1)의 컨덴서 용량 변화를 측정하면 감지전극(9)의 질량 변화를 측정할 수 있다.
감지전극에 특정한 질병의 검체와 잘 반응하는 물질을 도포해두고 그 질병을 가진 사람의 검체(specimen)를 반응시키면 감지전극(9)의 질량이 변화되어 질병 감염 여부를 알 수 있다.
감지전극(9)에 특수 가스와 잘 반응하는 물질을 도포해두면 그 가스와 반응하여 감지전극(9)의 질량이 변하게 된다.
이 개념을 이용하면 컨덴서형 멤브레인 센서(1)로 질병을 진단하거나 유독하거나 특수한 가스를 감지할 수 있다.
또한, 컨덴서형 멤브레인 센서(1)를 이용한 압력 센서의 경우에는 압력에 의하여 감지전극(9)의 위치가 변하게 됨에 따라 컨덴서형 멤브레인 센서(1)의 컨덴서 용량이 변화되는 현상을 이용하여 압력을 측정할 수 있다.
좀 더 정량적으로 해석해보면, 컨덴서형 멤브레인 센서(1)의 기계적 공진 주파수는 수학식 3으로 정리할 수 있다.
Figure 112016046861613-pat00015
상기 수학식 3에서 '
Figure 112016046861613-pat00016
'는 감지전극의 모양에 따른 계수, 't'는 감지전극(9)에 부착된 물질의 두께이고, 'd'는 감지전극(9)이 구형인 경우는 반경이고 정사각형인 경우 한쪽 면의 길이 이며, '
Figure 112016046861613-pat00017
'는 감지전극(9)에 부착된 물질의 밀도(density)를 의미한다.
또한, '
Figure 112016046861613-pat00018
'은 감지전극(9)의 영의 계수(Young's modulus)이고, 'E'는 전극의 포아손 비율(Poisson's ratio)을 나타낸다.
상기 영의 계수(Young's modulus)는 물체에서 일어나는 변형과 감지전극(9)에 가해진 압력 사이의 관계를 나타내는 탄성 계수이므로 컨덴서형 멤브레인 센서에 장착된 감지전극(9)의 기계적 공진주파수 변화를 조사하면 감지전극(9)에 가해지는 압력을 측정할 수 있다.
상기 포아손 비율은 감지전극(9)의 물질에 따라 결정되는 상수이다.
상기 수학식 3에서 기계적 공진주파수는 감지전극(9)의 밀도(
Figure 112016046861613-pat00019
)에 반비례함을 알 수 있다.
상기 감지전극 센서(9)의 밀도는 감지전극(9)의 질량에 비례하므로 감지전극(9)의 기계적 공진주파수 변화를 통해 질량 변화를 측정할 수 있다.
멤브레인 센서(1)의 중요한 파라미터의 하나인 품질 계수(Q-factor)는 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112016046861613-pat00020
상기 수학식 4에서 f0는 수학식 3에서 표시된 감지전극(9)의 기계적 공진주파수, m은 감지전극의 질량,
Figure 112016046861613-pat00021
는 감지전극(9)의 감쇄계수(coefficient of damping factor)이다. 상기 수학식 4에서 보면 멤브레인 센서(9)의 품질 계수(Q-factor)를 이용하면 감지전극(9)의 질량을 측정할 수 있다.
그러나 일반적으로 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)의 켄덴서 용량은 멤브레인 센서(1)가 가지고 있는 다른 기생용량보다 훨씬 작기 때문에 감지전극(9)의 기계적 공진주파수와 성능계수(Q-factor)변화를 쉽게 측정할 수 없다.
이에 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 멤브레인 센서에 장착된 감지전극의 기계적 공진 특성을 이용하여 질량이나 압력을 측정하는 컨덴서형 멤브레인 센서의 감도와 정밀도를 높일 수 있는 방법과 장치를 제공하는데 본 발명의 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 수단의 근본원리는 멤브레인센서(1)의 감지전극(9)에 기계적 공진주파수를 가진 교류신호를 가하면 감지전극(9)이 크게 진동하는 원리를 이용하여, 상기 멤브레인 센서(1)에서 감지전극(9)의 용량변화를 측정하기 위해서 반드시 필요한 교류신호(교류전압이나 전류)의 주파수를 감지전극(9)의 기계적 공진주파수 근처로 하여 감지전극(9)의 진동을 크게 하는 것이다. 진동이 커짐으로써 감지전극(9)과 고정전극(3)간의 간격 즉 공기층 간격(도 1, 2의 d2)의 변화가 커지게 되어 감지전극(9)의 컨덴서 용량변화가 커지게 된다.
상기 감지전극(9)에 가해주는 교류신호의 주파수가 기계적 공진주파수를 벗어나는 경우에는 감지전극(9)의 용량변화가 크지 않아 멤브레인 센서(1)로부터 나오는 신호가 작아지게 되나, 감지전극(9)에 가해주는 교류 신호의 주파수가 감지전극(9)의 기계적 공진주파수에 근처이면 센서로부터 출력되는 신호가 커지게 된다.
본 발명은 마이크로프로세서와 아날로그 신호 발생부를 포함하여 일정 크기 이상의 교류신호의 주파수를 변화시켜 가면서 멤브레인 센서(1)에 인가하여 감지전극(9)으로부터 출력되는 교류신호의 크기를 바탕으로 기계적 공진주파수 또는 성능계수(Q-factor)를 찾아 감지전극(9)의 질량변화나 감지전극(9)에 가해진 압력을 측정하는 수단으로 사용한다.
본 발명에 따른 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 장치는 컨덴서형 멤브레인 센서(1)에 주파수와 크기를 각각 변화시키면서 교류신호와 직류신호 입력하고, 상기 입력한 교류신호와 직류신호에 대응하여 상기 감지전극(9)으로부터 출력되는 신호의 주파수 스펙트럼으로부터 상기 감지전극의 기계적 공진주파수 또는 성능계수(Q-factor)를 구해서, 상기 감지전극(9)의 질량 변화 또는 압력을 측정하는 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 장치로서, 상기 장치의 주파수 스펙트럼으로부터 얻어지는 상기 감지전극(9)의 기계적 공진주파수는 상기 감지전극(9)을 공진시키는 다수의 주파수 중에서 상기 각 교류신호의 크기에서 공통적으로 나타나는 기계적 공진주파수인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 교류신호의 크기는 상기 멤브레인 센서(1)의 구조 및 물리적 특성에 의하여 생성되는 기생 용량에 비해 상기 감지전극(9)의 진동에 따른 용량 변화를 감지할 수 있는 크기로서 상기 기계적 공진주파수를 가진 교류신호를 상기 멤브레인 센서(1)에 인가했을 때 감지전극(9)으로부터 상기 기계적 공진주파수의 신호를 가장 크게 출력시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 주파수 스펙트럼은 상기 컨덴서형 멤버레인 센서에 크기와 주파수를 각각 변화시킨 교류신호와 직류전압을 입력하였을 때 신호의 특정 크기에서 주파수를 변화시켜 가면서 상기 감지전극(9)으로부터 나오는 신호를 여러 번 측정하여 얻은 신호의 평균값으로부터 산출되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 상기 장치는 정지된 고정전극(3)에 대하여 상대적으로 움직이는 감지전극(9)의 위치에 따라 컨덴서 용량이 변화하는 컨덴서형 멤브레인 센서(1)에 주파수와 크기가 다른 교류신호와 직류 성분이 포함된 신호를 공급하는 신호공급수단(23)과;
상기 감지전극(9)에 도포된 감지물질과 반응하는 특정 물질에 의해 상기 감지전극(9)의 질량이 변화하여 컨덴서 용량이 변하거나, 상기 감지전극(9)에 가해지는 압력에 의하여 컨덴서 용량이 변화되는 컨덴서형 멤브레인 센서(1);
상기 멤브레인 센서(1)로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지털 값으로 변환하고 데이터 처리량을 높이는 신호 측정부(25);
상기 신호공급수단(23)을 제어하여 상기 신호공급수단(23)으로부터 출력되는 상기 교류신호의 주파수와 크기를 조정하고, 상기 직류 성분이 포함되는 경우 교류신호와 혼합될 상기 직류 성분의 전압 레벨을 조정하며, 상기 신호 측정부(25)로부터 출력된 디지털 값을 이용하여 주파수별 출력 세기를 나타내는 주파수 스펙트럼을 구성하고, 상기 주파수 스펙트럼으로부터 구해진 기계적 공진주파수 또는 성능계수(Q-factor) 차이로부터 상기 감지전극(9)에 도포된 감지 물질과 특정 물질과의 반응으로 인한 감지전극(9)의 질량변화 또는 감지전극(9)에 가해진 압력을 측정하는 제어 및 신호처리 수단(27)을 포함한다.
상기 신호공급수단(23)은 상기 제어 및 신호 처리 수단(27)의 제어 신호에 따라 교류 전압 주파수를 가변시켜 출력하는 교류 전압 발생기(29)(PLL: Phase Locked Loop)와,
직류 전압을 발생하는 레귤레이터(31)(Regulator),
상기 교류 전압 발생기(29)의 교류 전압과 레귤레이터(31)의 직류 전압을 혼합하여 컨덴서형 멤브레인 센서(1)에 공급하는 믹서부(33),
상기 믹서부(33)에 의해 혼합된 교류 전압과 직류 전압을 증폭된 전류로 변환하는 트랜스컨덕턴스 증폭기(35),
상기 믹서부(33)로부터 출력된 전압이나 트랜스컨덕턴스 증폭기(35)로부터 출력된 전류 중 어느 하나를 선택하여 컨덴서형 멤브레인 센서(1)에 교류신호로서 공급하는 전압 전류 선택 스위치(37),
상기 교류 전압 발생기(29)로부터 출력되는 교류 전압을 증폭시켜 믹서부(33)로 전달하는 증폭부(41)로 이루어지고,
상기 신호 측정부(25)는 컨덴서형 멤브레인 센서(1)로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 디지털 데이터를 병렬로 출력하는 A/D 변환기(43)와,
상기 A/D 변환기(43)에 의해 변환된 디지털 값을 저장 및 정리하여 데이터 처리량을 높이는 데이터 매니퓰레이터 및 버퍼(45)를 포함하며,
상기 제어 및 신호 처리 수단(27)은 신호공급수단(23)을 제어하여 신호 공급 수단(23)으로부터 출력되는 교류 신호의 주파수와 크기를 조정하고 교류 신호에 혼합되는 직류 신호 레벨을 조정하며, 신호 측정부(25)를 제어하여 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시 변환 정밀도 및 데이터 처리 속도를 제어하고, 통신 인터페이스(51)를 통해 신호 측정부(25)로부터 나오는 디지털 데이터를 이용하여 감지전극(9)의 주파수 스펙트럼을 구성하고 상기 컨덴서형 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)에 도포된 감지 물질이 특정 물질과 반응하였을 때 감지전극(9)의 공진 주파수 또는 성능계수(Q-factor)와 감지전극(9)에 도포된 감지 물질이 특정 물질과 반응하지 않았을 때 감지전극(9)의 공진 주파수 또는 성능계수(Q-factor) 변화 값을 이용하여 감지전극(9)의 질량변화나 감지전극(9)에 가해진 압력을 계산하는 프로세서(47);
계산된 질량변화나 압력을 표시하는 표시부(53);
및 상기 표시부(53)나 PC(49)로 데이터를 보내기 위한 통신 인터페이스(51)를 포함한다.
또한, 주파수와 크기가 다른 교류신호와 직류 성분이 포함된 신호는 감지전극(9)과 감지전극(9)의 기생성분(Rps 및 Cps)의 접점 노드에 공급되고, 상기 컨덴서형 멤브레인 센서(1)의 출력 신호는 고정전극(3)과 감지전극(9)의 접점 노드로부터 출력되거나,
고정전극(3)과 감지전극(9)의 접점 노드에 공급되고 상기 컨덴서형 멤브레인 센서(1)의 출력 신호는 감지전극(9)과 감지전극(9)의 기생성분(Rps 및 Cps)의 접점 노드로 출력되고,
상기 컨덴서형 멤브레인 센서(1)는 2개의 컨덴서형 멤브레인 센서(1) 중 어느 1개의 멤브레인 센서(1)의 고정전극(3)을 다른 1개의 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)에 붙이고 상기 어느 1개의 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)을 상기 다른 1개의 멤브레인 센서(1)의 고정전극(3)에 붙여서 구성되고,
서로 맞붙은 어느 한 쌍의 감지전극(9)과 고정전극(3)에 상기 교류신호를 입력하고 서로 맞붙은 다른 한 쌍의 감지전극(9)과 고정전극(3)으로부터 출력 신호를 측정하기도 한다.
본 발명에 따른 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 방법은 컨덴서형 멤브레인 센서(1)에 주파수와 크기가 다른 교류신호와 직류 성분이 포함된 신호를 입력하고, 상기 교류신호와 직류 성분이 포함된 신호에 대응하여 상기 멤브레인 센서(1)로부터 출력되는 신호의 주파수 스펙트럼으로부터 상기 감지전극의 기계적 공진주파수 또는 성능계수(Q-factor)를 구해서, 상기 감지전극(9)의 질량 변화 또는 감지전극에 가해진 압력 변화에 따른 기계적 공진주파수 또는 성능계수(Q-factor) 차이로부터 상기 감지전극(9)의 질량변화 또는 감지전극(9)에 가해지는 압력을 측정하는 방법으로서, 상기 주파수 스펙트럼으로부터 얻어지는 상기 감지전극(9)의 기계적 공진주파수는 상기 감지전극(9)을 공진시키는 다수의 주파수 중에서 상기 교류신호의 각 크기에서 공통적으로 나타나는 기계적 공진주파수인 것을 특징으로 한다.
상기 교류신호의 크기를 상기 멤브레인 센서(1)의 구조 및 물리적 특성에 의하여 생성되는 기생 용량에 비해 상기 감지전극(9)의 진동에 따른 용량 변화를 감지할 수 있는 크기로서 상기 기계적공진주파수를 가진 교류신호를 상기 멤브레인 센서(1)에 인가했을 때 감지전극(9)으로부터 상기 기계적 공진주파수의 신호를 가장 크게 출력시키는 것으로 한다.
본 발명에 따른 상기 측정 방법은 상기 감지전극(9)에 도포된 감지 물질과 특정 물질과의 반응으로 인한 감지전극(9)의 질량변화 또는 감지전극(9)에 가해진 압력을 측정하기 위해 여러 교류신호 크기에서 공통적으로 나타나는 상기 감지전극(9)의 기계적 공진 주파수와 상기 기계적 공진주파수를 가진 교류신호를 상기 멤브레인 센서(1)에 인가했을 때 감지전극(9)으로부터 상기 기계적 공진주파수의 신호를 가장 크게 출력되게 하는 교류신호의 크기를 찾는 단계(S1)와, 상기 감지 전극(9)이 특정 물질과 반응하면서 감지 전극(9)에서 발생하는 기포(bubble)나 반응을 방해하는 물질을 제거하기 위해 상기 감지 전극의 기계적 공진 특성을 이용하여 감지전극을 진동시키는 단계(S2), 상기 기계적 공진 주파수의 신호를 가장 크게 출력되게 하는 교류신호에 직류 신호를 더해서 멤브레인 센서(1)에 인가한 다음 교류 신호의 주파수를 변화시켜 가면서 멤브레인 센서(1)의 감지 전극(9)로부터 출력되는 신호를 측정하는 단계(S3), 상기 멤브레인 센서(1)로부터 출력되는 신호를 바탕으로 주파수 스펙트럼을 구하여 기계적 공진주파수 또는 성능계수(Q-factor)를 찾는 단계(S4), 상기 기계적 공진주파수 또는 성능계수(Q-factor)의 변화와 멤브레인 센서(1)의 구조와 물리적 특성을 고려하여 상기 감지전극(9)에 도포된 감지 물질과 특정 물질과의 반응으로 인한 감지전극(9)의 질량변화 또는 감지전극(9)에 가해진 압력을 결정하는 단계(S5)를 포함한다.
상기 감지전극(9)에 도포된 감지 물질과 특정 물질과의 반응으로 인한 감지전극(9)의 질량변화, 감지전극(9)에 가해진 압력을 측정하기 위하여 여러 교류신호 크기에서 공통적으로 나타나는 상기 감지전극(9)의 기계적 공진 주파수와 상기 기계적공진주파수를 가진 교류신호를 상기 멤브레인 센서(1)에 인가했을 때 감지전극(9)으로부터 상기 기계적 공진주파수의 신호를 가장 크게 출력되게 하는 교류신호의 크기를 찾는 단계(S1)는,
멤브레인 센서(1)에 공급되는 신호의 주파수를 변화시키는 단계,
각 주파수에서 신호의 크기를 변화시키는 단계,
주파수와 크기를 동시에 변화시킨 신호를 멤브레인 센서(1)에 인가했을 때 감지전극(9)이나 고정전극(3)으로부터 출력되는 신호를 비교하고 저장하는 단계,
감지전극(9)을 공진시키는 여러 주파수 중에서 주파수와 크기를 동시에 변화시킨 신호 크기에서 공통적으로 나타나는 감지전극(9)의 기계적 공진주파수를 찾는 단계,
및 상기 감지전극(9)의 기계적 공진 주파수를 갖는 교류신호의 크기에서 멤브레인 센서(1)의 출력 신호가 가장 큰 교류신호의 크기를 찾는 단계를 포함하고,
상기 기계적 공진 주파수의 신호를 가장 크게 출력되게 하는 교류신호에 직류 신호를 더해서 멤브레인 센서(1)에 인가한 다음 교류 신호의 주파수를 변화시켜 가면서 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)으로부터 출력되는 신호를 측정하는 단계(S3)는,
직류신호와 교류신호의 주파수를 변화시켜가면서 멤브레인 센서(1)에 공급하고 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)으로부터 출력되는 신호를 여러 번 측정하여 평균값을 구하는 단계,
평균값을 지정한 값과 비교하는 단계,
평균값이 지정한 값보다 클 경우, 즉 기계적 공진이 시작된 경우 이분법 방식(bisection method)으로 기계적 공진 시작주파수를 찾는 단계,
및 기계적 공진 시작점에서 멤브레인 센서(1)에 공급되는 주파수를 세밀하게 변화시키면서 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)으로부터 출력되는 신호의 평균값을 구하여 지정한 값과 비교하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 기계적 공진주파수를 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 장치 및 방법은 첫 번째로, 감지전극(9)의 기계적 공진주파수를 가지면서 충분히 큰 교류신호를 감지전극(9)에 인가함으로써 감지전극(9)의 변위가 커짐에 따라 용량 변화가 커져 감지전극(9)으로부터 출력되는 신호도 커지게 되어 정적(static)인 방법보다 감지전극(9)의 질량변화나 감지전극(9)에 가해진 압력을 보다 정밀하게 측정할 수 있다.
두 번째로, 감지전극(9)의 기계적 공진주파수를 가지면서 충분히 큰 교류신호를 감지전극(9)에 인가함으로써 멤브레인 센서(1)의 기생 컨덴서는 움직이지 않고 감지전극(9)만 크게 움직이게 되어 멤브레인 센서(1)의 기생 컨덴서 효과를 획기적으로 줄일 수 있어 감지전극(9)의 질량 변화나 감지전극(9)에 가해진 압력을 보다 정밀하게 측정할 수 있다.
세 번째로, 하나의 측정 장치에서 멤브레인 센서(1)에 교류신호 주파수를 변화시켜 입력함과 동시에 그 주파수에 대한 감지전극(9)으로부터 출력되는 신호 세기를 분석할 수 있기 때문에 고가의 스펙트럼 장치 없이 감지전극(9)의 주파수 특성을 분석할 수 있다.
네 번째로, 멤브레인 센서의 감지전극(9)의 주파수 스펙트럼으로부터 감지전극(9)의 기계적 공진주파수와 성능계수(Q-factor)를 구할 수 있으므로 기계적 공진주파수 또는 성능계수(Q-factor)로부터 감지전극의 질량변화와 감지전극에 가해진 압력을 정밀하게 측정할 수 있다.
다섯 번째로, 상기 멤브레인 센서(1)에 감지전극(9)의 기계적 공진주파수와 일치하는 교류신호를 인가하였을 때 멤브레인 센서(1)에 내장된 감지전극(9)의 기계적 진동이 커지는 현상을 이용하여 감지전극(9)이 특정물질과 반응하면서 발생되는 버블(bubble)과 반응을 방해하는 물질을 제거함으로써 감지전극(9)과 특정물질의 반응을 활성화하여 멤브레인 센서(1)의 감도를 높일 수 있다.
여섯 번째로, 본 발명에 따르면 감지전극(9)에 특정질병을 감지하는 물질(marker)를 도포해둔 상태에서 환자의 검체를 반응시킨 후, 감지전극(9)의 질량변화를 측정하여 질병감염 여부를 판단 할 수 있으므로, 기존 바이오칩 질병진단 과정에 필수적인 스캔단계를 생략할 수 있다.
일곱 번째로, 2개의 멤브레인 센서(1)를 서로 반대로 연결하여 상기 방법으로 측정하면 센서로부터 나오는 전압이 커져서 감지전극(9)에서의 질량 변화나 감지전극(9)에 가해지는 압력을 정밀하게 측정할 수 있다.
도면 1은 유전체와 접촉된 감지전극이 움직이는 멤브레인 센서의 단면도,
도면 2는 도체만으로 구성된 감지전극이 움직이는 멤브레인 센서의 단면도,
도면 3은 본 발명의 전체 블록도,
도면 4는 컨덴서형 멤브레인 센서의 전기적 등가 회로,
도면 5는 컨덴서형 멤브레인 센서의 기계적 공진 특성을 도시한 도면,
도면 6은 본 발명에 의한 컨덴서형 멤브레인 센서의 측정 방식에 대한 흐름도,
도면 7은 컨덴서형 멤브레인 센서에 입력되는 교류 신호의 주파수와 크기에 따른 감지전극의 진동 특성을 도시한 도면,
도면 8은 상기 감지전극의 기계적 공진주파수와 감지전극을 충분히 진동시킬 교류신호의 크기를 찾는 방법의 흐름도,
도면 9는 상기 멤브레인 센서의 감지전극이 기계적 공진을 시작하는 주파수를 찾는 방법과 장치의 정밀도를 높이기 위하여 교류신호의 주파수를 변화시키는 방법의 흐름도,
도면 10은 일정 크기 이상의 교류 신호를 컨덴서형 멤브레인 센서에 인가한 후 주파수를 변화시켰을 때 감지전극의 진동특성,
도면 11은 상기 교류신호 및 직류 신호가 감지전극(9)과 감지전극(9)의 기생성분(
Figure 112016046861613-pat00022
및
Figure 112016046861613-pat00023
)의 접점 노드에 공급되고, 출력 신호는 고정전극(3)과 감지전극의 접점 노드로부터 출력하는 측정 방법,
도면 12는 상기 교류신호 및 직류 신호가 컨덴서형 멤브레인 센서(1)의 고정전극(3)과 감지전극의 접점 노드에 공급되고, 상기 컨덴서형 멤브레인 센서(1)의 출력 신호는 감지전극(9)과 감지전극(9)의 기생성분(
Figure 112016046861613-pat00024
및
Figure 112016046861613-pat00025
)의 접점 노드로 출력하는 측정 방법,
도면 13은 2개의 멤브레인 센서를 연결하되, 어느 1개의 멤브레인 센서의 감지전극을 다른 1개의 멤브레인 센서의 고정 전극에 연결하고 어느 1개의 멤브레인 센서의 고정 전극을 다른 1개의 멤브레인 센서의 감지전극에 연결하여 출력 신호를 측정하는 방법.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 자세히 설명한다.
본 발명에 따른 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 장치는 컨덴서형 멤브레인 센서(1)에 주파수와 크기를 각각 변화시키면서 교류신호와 직류신호를 입력하고, 상기 교류신호와 직류신호에 대응하여 상기 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)의 주파수 스펙트럼으로부터 상기 감지전극의 기계적 공진주파수를 구해서, 상기 입력한 신호의 소정 크기에서 상기 감지전극(9)의 질량 변화 또는 감지전극(9)에 가해진 압력 변화에 따른 상기 감지전극(9)의 기계적 공진주파수의 차이 또는 성능계수(Q-factor)의 차이로부터 상기 감지전극(9)의 질량 변화 또는 압력을 측정한다.
이때, 상기 교류신호의 크기는 상기 멤브레인 센서(1)의 구조 및 물리적 특성에 의하여 생성되는 기생 용량에 비해 상기 감지전극(9)의 진동에 따른 용량 변화를 감지할 수 있는 크기로서 상기 멤브레인 센서로부터 출력되는 신호를 가장 크게 출력시키는 것으로 한다.
상기 주파수 스펙트럼은 상기 컨덴서형 멤버레인 센서에 크기와 주파수를 각각 변화시킨 교류신호와 직류전압을 입력하였을 때 신호의 특정 크기에서 주파수를 변화시켜 가면서 상기 감지전극(9)으로부터 나오는 신호를 여러 번 측정하여 얻은 신호의 평균값으로부터 산출된다.
상기 감지전극(9)의 기계적 공진주파수는 상기 감지전극(9)을 공진 시키는 다수의 주파수 중에서 상기 교류신호의 각 크기에서 공통적으로 나타나는 주파수를 선택한다.
상기 감지전극(9)의 성능계수(Q-factor)는
Figure 112016046861613-pat00026
이다.
여기서, f0는 감지전극(9)의 기계적 공진주파수이고, m은 감지전극(9)의 질량이며,
Figure 112016046861613-pat00027
는 감지전극(9)의 감쇄계수(coefficient of damping factor)이다.
또한, 상기 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 장치는 도면 3에 도시한 바와 같이, 정지된 고정 전극(3)에 대하여 상대적으로 움직이는 감지전극(9)의 위치에 따라 컨덴서 용량이 변화하는 컨덴서형 멤브레인 센서(1)에 주파수와 크기가 다른 교류신호와 직류 성분이 포함된 신호를 공급하는 신호공급수단(23)과, 상기 감지전극(9)에 도포된 감지물질과 반응하는 특정 물질에 의해 상기 감지전극(9)의 질량이 변화하여 컨덴서 용량이 변하거나, 상기 감지전극(9)에 가해지는 압력에 의하여 컨덴서 용량이 변화되는 컨덴서형 멤브레인 센서(1), 상기 멤브레인 센서(1)로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지털 값으로 변환하고 데이터 처리량을 높이는 신호 측정부(25), 상기 신호공급수단(23)을 제어하여 상기 신호공급수단(23)으로부터 출력되는 상기 교류신호의 주파수와 크기를 조정하고, 상기 직류 성분이 포함되는 경우 교류신호와 혼합될 상기 직류 성분의 전압 레벨을 조정하며, 상기 신호 측정부(25)로부터 출력된 디지털 값을 이용하여 주파수별 출력 세기를 나타내는 주파수 스펙트럼을 구성하고, 상기 주파수 스펙트럼으로부터 구해진 공진주파수 차이 또는 성능계수(Q-factor) 차이로부터 상기 감지전극(9)에 도포된 감지 물질과 특정 물질과의 반응으로 인한 감지전극(9)의 질량변화 또는 감지전극(9)에 가해진 압력을 측정하는 제어 및 신호처리 수단(27)을 포함한다.
상기 신호 공급 수단(23)은 제어 및 신호 처리 수단(27)의 제어 신호에 따라 교류 전압 주파수를 가변시켜 출력하는 교류 전압 발생기(29)(PLL: Phase Locked Loop)와, 직류 전압을 발생하는 레귤레이터(31)(Regulator), 상기 교류 전압 발생기(29)의 교류 전압과 레귤레이터(31)의 직류 전압을 혼합하여 컨덴서형 멤브레인 센서(1)에 공급하는 믹서부(33)를 포함한다.
또한, 상기 신호 공급 수단(23)은 믹서부(33)에 의해 혼합된 교류 전압과 직류 전압을 증폭된 전류로 변환하는 트랜스컨덕턴스 증폭기(35)와, 상기 믹서부(33)로부터 출력된 전압이나 트랜스컨덕턴스 증폭기(35)로부터 출력된 전류 중 어느 하나를 선택하여 컨덴서형 멤브레인 센서(1)에 교류 신호로서 공급하는 전압 전류 선택 스위치(37)를 더 포함한다.
또, 상기 신호 공급 수단(23)은 교류 전압 발생기(29)로부터 출력되는 교류 전압을 증폭시켜 믹서부(33)로 전달하는 증폭부(41)를 더 포함한다.
상기 신호 측정부(25)는 컨덴서형 멤브레인 센서(1)로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 디지털 데이터를 출력하는 A/D 변환기(43)와, 상기 A/D 변환기(43)에 의해 변환된 디지털 값을 저장 및 정리하여 데이터 처리량을 높이는 데이터 매니퓰레이터 및 버퍼(45)로 이루어질 수 있다.
상기 A/D 변환기(43)는 변환 속도를 높이기 위해 출력 데이터를 병렬로 출력하는 병렬 A/D 변환기를 이용한다.
상기 제어 및 신호 처리 수단(27)은 신호공급수단(23)을 제어하여 신호 공급 수단(23)으로부터 출력되는 교류 신호의 주파수와 크기를 조정하고 교류 신호에 혼합되는 직류 신호 레벨을 조정하며, 신호 측정부(25)를 제어하여 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시 변환 정밀도 및 데이터 처리 속도를 제어하고, 통신 인터페이스(51)를 통해 신호 측정부(25)로부터 나오는 디지털 데이터를 이용하여 감지전극(9)의 주파수 스펙트럼을 구성하고 상기 컨덴서형 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)에 도포된 감지 물질이 특정 물질과 반응하였을 때 감지전극(9)의 공진 주파수 또는 성능계수(Q-factor)와 감지전극(9)에 도포된 감지 물질이 특정 물질과 반응하지 않았을 때 감지전극(9)의 공진 주파수 또는 성능계수(Q-factor) 변화 값을 이용하여 감지전극(9)의 질량변화나 감지전극(9)에 가해진 압력을 계산하는 프로세서(47)와, 계산된 질량변화나 압력을 표시하는 표시부(53), 및 상기 표시부(53)나 PC(49)로 데이터를 보내기 위한 통신 인터페이스(51)를 포함한다.
한편, 본 발명에 따른 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 방법은 컨덴서형 멤브레인(membrane) 센서(1)에 감지전극(9)을 진동시킬 수 있는 세기를 가지는 감지전극(9)의 기계적 공진주파수의 교류신호와 직류신호를 인가함으로써 감지전극(9)의 기계적 변위를 크게 하여 감지전극(9)에 도포된 감지 물질과 특정 물질의 반응으로 인한 감지전극(9)의 질량변화 또는 감지전극(9)에 가해진 압력을 정밀하게 측정한다.
상기 컨덴서형 멤브레인(membrane) 센서를 회로적으로 모델링(Modeling)하면 도면 4와 같다.
도면 4에서 Rm(11)은 감지전극(9)의 직렬 저항이고, Cm(13)은 감지전극(9)의 용량이며, Rps(15)는 감지전극(9)에서 그라운드까지의 기생 저항이다.
또한, Cps(17)는 감지전극(9)에서 그라운드까지의 기생 용량이고, Rpf(19)는 고정 전극(3)에서 그라운드까지의 기생 저항이며, Cpf(21)는 고정 전극(3)에서 그라운드까지의 기생 용량이다.
일반적으로, 감지전극(9)의 용량변화(
Figure 112016046861613-pat00028
)는 상기 Cps(17)와 Cpf(21) 같은 기생 용량보다 훨씬 작으므로 극소량의 질량변화나 낮은 압력을 측정할 때 정적(static)인 방법으로 극소량의 질량이나 낮은 압력을 측정하기 어렵다.
한편, 레이저 바이브로메터(Laser Vibrometer)를 이용하여 주파수에 따른 컨덴서형 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)의 변위를 측정해보면 도면 5와 같다. 도면 5에서 기계적 공진주파수 근처에서 감지전극(9)의 변위가 커지는 것을 알 수 있다.
따라서 컨덴서형 멤브레인 센서(1)의 컨덴서 용량을 측정하기 위한 측정용 교류 신호의 주파수를 상기 감지전극(9)의 기계적 공진주파수에 일치시키면, 감지전극(9)의 변위가 커지고 감지전극(9)의 컨덴서 용량(Cm(13)) 변화도 커지게 되어 Cps(17)와 Cpf(21)와 같은 기생 용량의 영향을 줄일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 방법은 멤브레인에 상기 멤브레인의 기계적 공진주파수와 일치하고 일정크기 이상의 교류신호를 인가하면 멤브레인의 변위가 크다는 원리를 이용하여 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)을 충분히 진동시킬 수 있는 크기의 기계적 공진주파수를 가진 교류신호를 상기 멤브레인 센서(1)에 인가 한 후, 감지전극(9)에 도포된 감지 물질이 특정 물질과의 반응 유무에 따른 감지전극(9)의 기계적 공진주파수 또는 성능계수(Q-factor)의 변화를 이용하여 감지전극의 질량변화를 측정하거나, 감지 전극(9)에 가해진 압력을 측정한다.
한편, 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 방법은 컨덴서형 멤브레인 센서(1)에 주파수와 크기가 다른 교류신호와 직류 성분이 포함된 신호를 입력하고, 상기 교류신호와 직류 성분이 포함된 신호에 대응하여 상기 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)의 주파수 스펙트럼으로부터 상기 감지전극의 기계적 공진주파수를 구해서, 상기 교류신호와 직류 성분이 포함된 신호의 소정 크기에서 상기 감지전극(9)의 질량 변화 또는 감지전극(9)에 가해진 압력 변화에 따른 상기 기계적 공진주파수의 차이 또는 성능계수(Q-factor)의 차이로부터 상기 감지전극(9)의 질량 변화 또는 압력을 측정한다.
상기 감지전극(9)의 기계적 공진주파수는 상기 감지전극(9)을 공진시키는 다수의 주파수 중에서 상기 교류신호의 각 크기에서 공통적으로 나타나는 것으로 한다.
이때, 상기 교류신호의 소정 크기는 상기 멤브레인 센서(1)의 구조 및 물리적 특성에 의하여 생성되는 기생 용량에 비해 상기 감지전극(9)의 진동에 따른 용량 변화를 감지할 수 있는 크기로서 상기 멤브레인 센서로부터 출력되는 신호를 가장 크게 출력시키는 것이다.
또한, 상기 감지전극(9)의 성능계수(Q-factor)는
Figure 112016046861613-pat00029
이다.
여기서, f0는 감지전극의 기계적 공진주파수이고, m은 감지전극의 질량이며,
Figure 112016046861613-pat00030
는 감지전극(9)의 감쇄계수(coefficient of damping factor)이다.
또한, 상기 측정 방법은 도면 6에 도시한 바와 같이, 감지전극(9)에 도포된 감지 물질과 특정 물질과의 반응으로 인한 감지전극(9)의 질량변화 또는 감지전극(9)에 가해진 압력을 측정하기 위하여 여러 교류신호 크기에서 공통적으로 나타는 상기 감지전극(9)의 기계적 공진 주파수와 상기 기계적 공진주파수를 가진 교류신호를 상기 멤브레인 센서(1)에 인가했을 때 감지전극(9)으로부터 상기 기계적 공진주파수의 신호를 가장 크게 출력되게 하는 교류신호의 크기를 찾는 단계(S1)와, 상기 감지전극(9)이 특정 물질과 반응하면서 발생하는 기포(bubble)나 반응을 방해하는 물질을 제거하기 위해 상기 감지 전극(9)의 기계적 공진 특성을 이용하여 감지전극(9)을 진동시키는 단계(S2), 상기 기계적 공진 주파수의 신호를 가장 크게 출력되게 하는 교류신호에 직류 신호를 더해서 멤브레인 센서(1)에 인가한 다음 교류 신호의 주파수를 변화시켜 가면서 멤브레인 센서(1)의 감지 전극(9)으로부터 출력되는 신호를 측정하는 단계(S3), 상기 멤브레인 센서(1)로부터 출력되는 신호를 바탕으로 주파수 스펙트럼을 구하여 기계적 공진주파수 또는 성능계수(Q-factor)를 찾는 단계(S4), 및 상기 기계적 공진주파수 또는 성능계수(Q-factor)의 변화와 멤브레인 센서(1)의 구조와 물리적 특성을 고려하여 상기 감지전극(9)에 도포된 감지 물질과 특정 물질과의 반응으로 인한 감지전극(9)의 질량변화 또는 감지전극(9)에 가해진 압력을 결정하는 단계(S5)를 포함한다.
한편, 상기 컨덴서형 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)이나 고정 전극(3)에 교류 신호를 인가하면 기계적인 진동이 일어날 수 있으나 교류 신호의 크기가 작으면 원하는 수준까지 진동하지 않을 수 있다.
또한, 상기 컨덴서형 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)은 여러 주파수에서 공진을 하므로 상기 감지전극(9)에 충분한 크기의 교류신호를 인가할 경우 도면 7에 도시한 바와 같이, 다양한 공진 주파수에서 여러 크기로 기계적 진동을 하게 된다.
상기 감지전극(9)의 공진 주파수를 이용하여 감지전극(9)에 감지 물질과 특정 물질과의 반응으로 인한 감지전극(9)의 질량변화 또는 감지전극(9)에 가해진 압력을 측정하기 위해서는 여러 전압에서 공통적으로 나타나는 공진 주파수(common resonance frequency)를 이용해야 측정의 신뢰성을 높인다.
상기 교류신호의 크기는 상기 멤브레인 센서(1)의 구조 및 물리적 특성에 의하여 생성되는 기생 용량에 비해 상기 감지전극(9)의 진동에 따른 용량 변화를 감지할 수 있는 크기로서 상기 기계적 공진주파수를 가진 교류신호를 상기 멤브레인 센서(1)에 인가했을 때 감지전극(9)으로부터 상기 기계적 공진주파수의 신호를 가장 크게 출력시키는 것으로 한다.
상기 감지전극(9)에 도포된 감지 물질과 특정 물질과의 반응으로 인한 감지전극(9)의 질량변화, 감지전극(9)에 가해진 압력을 측정하기 위하여 여러 교류신호 크기에서 공통적으로 나타나는 상기 감지전극(9)의 기계적 공진 주파수와 상기 기계적공진주파수를 가진 교류신호를 상기 멤브레인 센서(1)에 인가했을 때 감지전극(9)으로부터 상기 기계적 공진주파수의 신호를 가장 크게 출력되게 하는 교류신호의 크기를 찾는 단계(S1)는 멤브레인 센서(1)에 공급되는 신호의 주파수를 변화시키는 단계와, 각 주파수에서 신호의 크기를 변화시키는 단계, 주파수와 크기를 동시에 변화시킨 신호를 멤브레인 센서(1)에 인가했을 때 감지전극(9)이나 고정전극(3)으로부터 출력되는 신호를 비교하고 저장하는 단계, 감지전극(9)을 공진시키는 여러 주파수 중에서 주파수와 크기를 동시에 변화시킨 신호 크기에서 공통적으로 나타나는 감지전극(9)의 기계적 공진주파수를 찾는 단계, 및 상기 감지전극(9)의 기계적 공진 주파수를 갖는 교류신호의 크기에서 멤브레인 센서의 출력 신호가 가장 큰 교류신호의 크기를 찾는 단계를 포함한다.
상기 감지전극(9)에 도포된 감지 물질과 특정 물질과의 반응으로 인한 감지전극(9)의 질량변화 또는 감지전극(9)에 가해진 압력을 측정하기 위하여 여러 교류신호 크기에서 공통적으로 나타나는 상기 감지전극(9)의 기계적 공진 주파수와 상기 기계적 공진주파수를 가진 교류신호를 상기 멤브레인 센서(1)에 인가했을 때 감지전극(9)으로부터 상기 기계적 공진주파수의 신호를 가장 크게 출력되게 하는 교류신호의 크기를 찾는 단계(S1)는 도면 8을 통해 보다 구체적으로 설명될 수 있다.
상기 기계적 공진 주파수의 신호를 가장 크게 출력되게 하는 교류 신호에 직류 신호를 더해서 멤브레인 센서(1)에 인가한 다음 교류 신호의 주파수를 변화시켜 가면서 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)으로부터 출력되는 신호를 측정하는 단계(S3)는 직류 신호와 교류 신호의 주파수를 변화시켜가면서 멤브레인 센서(1)에 공급하고 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)으로부터 출력되는 신호를 여러 번 측정하여 평균값을 구하는 단계, 평균값을 지정한 값과 비교하는 단계, 평균값이 지정한 값보다 클 경우, 즉 기계적 공진이 시작된 경우 이분법 방식(bisection method)으로 기계적 공진 시작주파수를 찾는 단계, 및 기계적 공진 시작점에서 멤브레인 센서(1)에 공급되는 주파수를 세밀하게 변화시키면서 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)으로부터 출력되는 신호의 평균값을 구하여 지정한 값과 비교하는 단계로 구성된다.
상기 기계적 공진 주파수의 신호를 가장 크게 출력되게 하는 교류신호에 직류 신호를 더해서 멤브레인 센서(1)에 인가한 다음 교류 신호의 주파수를 변화시켜 가면서 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)으로부터 출력되는 신호를 측정하는 단계(S3)는 도면 9를 통해 보다 구체적으로 설명될 수 있다.
상기 멤브레인 센서(1)로부터 출력되는 신호를 바탕으로 주파수 스펙트럼을 구하여 기계적 공진주파수와 성능계수(Q-factor)를 찾는 단계(S4)는 수학식 5를 이용하여 감지전극(9)의 주파수 스펙트럼을 구성하는 단계, 상기 주파수 스펙트럼에서 최고 크기의 신호가 나타나는 감지전극(9)의 기계적 공진주파수를 찾는 단계, 및 상기 주파수 스펙트럼에서 수학식 6을 이용하여 감지전극(9)의 성능계수를 구하는 단계로 구성 된다.
Figure 112016046861613-pat00031
상기
Figure 112016046861613-pat00032
는 주파수 스펙트럼의 시작 주파수이고,
Figure 112016046861613-pat00033
는 주파수 스펙트럼의 종료 주파수이며,
Figure 112016046861613-pat00034
는 교류 신호의 주파수 변화 폭이고,
Figure 112016046861613-pat00035
는 멤브레인 센서(1)로부터 출력되는 신호의 피크 값이다.
수학식 5에서
Figure 112016046861613-pat00036
항은 주파수를 증가시킨다고 가정했을 때 감지전극(9)의 기계적 공진주파수까지는 증가하지만, 기계적 공진주파수 이후부터는 감지전극(9)의 진동이 줄어들어 감소하기 때문에 기계적 공진주파수에서 출력 신호가 피크가 되는 주파수 스펙트럼을 구할 수 있다.
Figure 112016046861613-pat00037
상기 수학식 6으로 표시되는 성능계수(Q-factor)는 주파수 스펙트럼에서 다음과 같이 정의된다.
Figure 112016046861613-pat00038
는 상기 감지전극(9)의 기계적 공진주파수 이고
Figure 112016046861613-pat00039
는 피크 파워를 나타내는 기계적 공진주파수를 중심으로 피크 파워의 1/2되는 주파수 대역을 의미한다.
상기 기계적 공진주파수 또는 성능계수(Q-factor)의 변화와 멤브레인 센서(1)의 구조와 물리적 특성을 고려하여 상기 감지전극(9)에 도포된 감지 물질과 특정 물질과의 반응으로 인한 감지전극(9)의 질량변화 또는 감지전극(9)에 가해진 압력을 결정하는 단계(S5)는 감지전극(9)의 기계적 공진주파수 변화(
Figure 112016046861613-pat00040
)와 수식
Figure 112016046861613-pat00041
를 이용하여 상기 감지전극(9)에 도포된 감지 물질과 특정 물질과의 반응으로 인한 감지전극(9)의 질량변화(
Figure 112016046861613-pat00042
)을 측정한다.
또한, 상기 기계적 공진주파수 또는 성능계수(Q-factor)의 변화와 멤브레인 센서(1)의 구조와 물리적 특성을 고려하여 상기 감지전극(9)에 도포된 감지 물질과 특정 물질과의 반응으로 인한 감지전극(9)의 질량변화 또는 감지전극(9)에 가해진 압력을 결정하는 단계(S5)는 상기 감지전극(9)의 성능계수(Q-factor)의 변화와 수식
Figure 112016046861613-pat00043
을 이용하여 상기 감지전극(9)에 도포된 감지 물질과 특정 물질과의 반응으로 인한 감지전극(9)의 질량변화(
Figure 112016046861613-pat00044
)을 측정한다.
멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)을 질량-스프링 시스템이라고 가정하고 감지전극(9)의 질량변화(
Figure 112016046861613-pat00045
)에 따른 기계적 공진주파수의 변화(
Figure 112016046861613-pat00046
)의 관계를 수학식-7와 같이 나타낼 수 있다.
수학식-7을 이용하여 약간의 수식적인 조작을 하면 수학식-8을 얻을 수 있다.
Figure 112016046861613-pat00047
상기 수학식 7에서
Figure 112016046861613-pat00048
는 전극의 면적이고,
Figure 112016046861613-pat00049
은 감지전극(9)의 질량이며,
Figure 112016046861613-pat00050
는 감지전극(9)의 기계적 공진주파수이다.
또한,
Figure 112016046861613-pat00051
은 멤브레인 센서(1)의 밀도이고,
Figure 112016046861613-pat00052
는 멤브레인 센서(1)의 두께이다.
Figure 112016046861613-pat00053
상기 수학식 8은 감지전극(9)에 도포된 감지 물질이 특정 물질과 반응했을 때 감지전극(9)의 질량 변화(
Figure 112016046861613-pat00054
)에 따른 기계적 공진주파수의 변화(
Figure 112016046861613-pat00055
)를 나타내는 수식으로, 기계적 공진주파수(
Figure 112016046861613-pat00056
)는 상기 방법에서 알 수 있으므로 기계적 공진주파수의 변화(
Figure 112016046861613-pat00057
)만 알면 감지전극(9)에 도포된 감지 물질과 특정물질의 반응에 따른 감지전극(9)의 질량변화(
Figure 112016046861613-pat00058
)을 구할 수 있다.
상기 수학식 3에서 상기 '
Figure 112016046861613-pat00059
'는 감지전극의 모양에 따른 계수, '
Figure 112016046861613-pat00060
'는 감지전극(9)에 부착된 물질의 두께이고, 'd'는 감지전극(9)이 구형인 경우는 반경이고 정사각형인 경우 한쪽 면의 길이 이며, '
Figure 112016046861613-pat00061
'는 감지전극(9)에 부착된 물질의 밀도(Density)를 의미한다.
또한, 상기 '
Figure 112016046861613-pat00062
'는 감지전극(9)의 영의 계수(Young's modulus)이고,
Figure 112016046861613-pat00063
는 전극의 포아손 비율(Poisson's ratio)이며,
Figure 112016046861613-pat00064
는 감지 전극(9)의 기계적 공진 주파수이다.
상기 영의 계수(Young's modulus)는 물체에서 일어나는 변형과 감지전극(9)에 가해진 압력 사이의 관계를 나타내는 탄성 계수이므로 컨덴서형 멤브레인 센서에 장착된 감지전극(9)의 기계적 공진주파수를 이용하면 감지전극(9)에 가해지는 압력을 측정할 수 있다.
멤브레인 구조의 성능계수(Q-factor)는 수학식 4와 같이 표시된다. 수학식 4에서 멤브레인의 밀도(
Figure 112016046861613-pat00065
)는
Figure 112016046861613-pat00066
와 같이 나타낸다. 여기서 m은 감지전극의 질량, t는 감지전극의 두께, A는 감지전극의 면적을 의미한다. 밀도(
Figure 112016046861613-pat00067
)를 나타내는 식
Figure 112016046861613-pat00068
와 기계적공진주파수를 나타내는 수학식 3을 수학식 4에 대입하여 성능계수(Q)를 질량으로 미분하여 정리하면 수학식 9를 얻는다.
Figure 112016046861613-pat00069
상기 수학식 9에서
Figure 112016046861613-pat00070
는 성능계수(Q-factor)의 변화,
Figure 112016046861613-pat00071
은 감지전극의 질량변화,
Figure 112016046861613-pat00072
은 감지전극의 질량이다.
상기 수학식 4에서 f0는 수학식 3에서 표시된 감지전극(9)의 기계적 공진주파수로 수학식 3으로 표시되며, m은 감지전극의 질량,
Figure 112016046861613-pat00073
는 감지전극(9)의 감쇄계수(coefficient of damping factor)이다.
멤브레인 전극의 성능계수(Q-factor)를 나타내는 수학식 4에 포함된 감지전극(9)의 기계적 공진주파수는 영의 계수(Young's modulus)를 포함하고 있는데, 영의 계수(Young's modulus)는 물체에서 일어나는 변형과 감지전극(9)에 가해진 압력 사이의 관계를 나타내는 탄성 계수이므로 컨덴서형 멤브레인 센서에 장착된 감지전극(9)의 품질 계수(Q-factor)를 이용하면 감지전극(9)에 가해지는 압력을 측정할 수 있다.
상기 수학식 3에서 상기 'kg'는 감지전극의 모양에 따른 계수, 't'는 감지전극(9)에 부착된 물질의 두께이고, 'd'는 감지전극(9)이 구형인 경우는 반경이고 정사각형인 경우 한쪽 면의 길이 이며, '
Figure 112016046861613-pat00074
'는 감지전극(9)에 부착된 물질의 밀도(Density)를 의미한다.
또한, '
Figure 112016046861613-pat00075
'은 감지전극(9)의 영의 계수(Young's modulus)이고, 'E'는 전극의 포아손 비율(Poisson's ratio)을 나타낸다.
상기 컨덴서형 멤브레인 센서(1)에 S1 단계에서 얻은 크기의 교류신호를 인가한 다음 주파수를 변화시키면서 감지전극(9)이나 고정전극(3)의 전압을 측정하면 도면 10과 같은 주파수 특성을 보인다.
도면 10에 도시한 바와 같이, 컨덴서형 멤브레인 센서(1)의 기계적 공진이 일어나지 않는 주파수 영역에서는 신호 크기가 변동이 없는 반면, 감지전극(9)의 기계적 공진이 일어나는 주파수 영역에서는 감지전극(9)의 변위가 커짐에 따라 감지전극(9)의 컨덴서 용량 변화가 커져 멤브레인 센서(1)로부터 출력되는 전압의 변동이 커진다.
이러한 특성을 이용하여 기계적 공진이 일어나지 않는 주파수 영역, 즉 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)으로부터 출력되는 신호 변동이 작은 영역에서는 신호공급수단(23)으로부터 출력되는 교류신호의 주파수를 크게 변화시켜 컨덴서형 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)으로부터 출력되는 신호를 A/D 변환한다.
반면, 기계적 공진이 일어나는 주파수 영역, 즉 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)으로부터 출력되는 신호 변동이 큰 영역에서는 신호공급수단(23)으로부터 출력되는 교류신호의 주파수를 세밀하게 변화시켜 컨덴서형 멤브레인 센서(1)로부터 출력되는 신호를 A/D 변환한다.
또한, 컨덴서형 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)으로부터 출력되는 신호가 작은 영역 즉 기계적 공진을 벗어나는 주파수 영역에서는 신호공급수단(23)으로부터 출력되는 교류신호의 주파수 변화를 크게 하여 A/D 변환한다.
상기 감지전극(9)의 기계적 공진주파수를 갖는 교류신호 및 직류 신호는 도면 11에 도시한 바와 같이, 감지전극(9)과 감지전극의 기생성분(
Figure 112016046861613-pat00076
및
Figure 112016046861613-pat00077
)의 접점 노드에 공급되고 상기 컨덴서형 멤브레인 센서(1)의 출력 신호는 고정전극(3)과 감지전극의 접점 노드로부터 출력될 수 있다.
또한, 상기 컨덴서형 멤브레인 센서(1)의 입력 신호는 도면 12에 도시한 바와 같이, 고정전극(3)과 감지전극(9)의 접점 노드에 공급되고 상기 컨덴서형 멤브레인 센서(1)의 출력 신호는 감지전극(9)과 감지전극(9)의 기생성분(
Figure 112016046861613-pat00078
및
Figure 112016046861613-pat00079
)의 접점 노드로 출력될 수 있다.
또, 도면 13에 도시한 바와 같이, 멤브레인 센서(1) 2개를 붙이되, 어느 1개의 멤브레인 센서(1)의 고정전극(3)을 다른 1개의 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)에 붙이고 어느 1개의 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)을 다른 1개의 멤브레인 센서(1)의 고정전극(3)에 붙인 다음, 서로 맞붙은 어느 한 쌍의 감지전극(9)과 고정전극(3)에 교류신호를 입력하고, 서로 맞붙은 다른 한 쌍의 감지전극(9)과 고정전극(3)으로부터 출력 신호를 측정할 수도 있다.
본 발명에 따른 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 장치 및 방법은 첫 번째로, 감지전극(9)의 기계적 공진주파수를 가지면서 충분히 큰 교류신호를 감지전극(9)에 인가함으로써 감지전극(9)의 변위가 커짐에 따라 용량 변화가 커져 감지전극(9)으로부터 출력되는 신호도 커지게 되어 정적(static)인 방법보다 감지전극(9)의 질량변화나 감지전극(9)에 가해진 압력을 보다 정밀하게 측정할 수 있다.
두 번째로, 감지전극(9)의 기계적 공진주파수를 가지면서 충분히 큰 교류신호를 감지전극(9)에 인가함으로써 멤브레인 센서(1)의 기생 컨덴서는 움직이지 않고 감지전극(9)만 크게 움직이게 되어 멤브레인 센서(1)의 기생 컨덴서 효과를 획기적으로 줄일 수 있어 감지전극(9)의 질량 변화나 감지전극(9)에 가해진 압력을 보다 정밀하게 측정할 수 있다.
세 번째로, 하나의 측정 장치에서 멤브레인 센서(1)에 교류신호 주파수를 변화시켜 입력함과 동시에 그 주파수에 대한 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)으로부터 출력되는 신호 세기를 분석할 수 있기 때문에 고가의 스펙트럼 장치 없이 감지전극(9)의 주파수 특성을 분석할 수 있다.
네 번째로, 멤브레인 센서의 감지전극(9)의 주파수 스펙트럼으로부터 감지전극(9)의 기계적 공진주파수와 성능계수(Q-factor)를 구할 수 있으므로 기계적 공진주파수 또는 성능계수(Q-factor)로부터 감지전극의 질량변화와 감지전극에 가해진 압력을 정밀하게 측정할 수 있다.
다섯 번째로, 상기 멤브레인 센서(1)에 감지전극(9)의 기계적 공진주파수와 일치하는 교류신호를 인가하였을 때 멤브레인 센서(1)에 내장된 감지전극(9)의 기계적 진동이 커지는 현상을 이용하여 감지전극(9)이 특정물질과 반응하면서 발생되는 버블(bubble)이나 반을 방해하는 물질을 제거함으로써 감지전극(9)과 특정물질의 반응을 활성화하여 멤브레인 센서(1)의 감도를 높일 수 있다.
여섯 번째로, 본 발명에 따르면 감지전극(9)에 특정질병을 감지하는 물질(marker)를 도포해둔 상태에서 환자의 검체를 반응시킨 후, 감지전극(9)의 질량변화를 측정하여 질병 감염 여부를 판단 할 수 있으므로, 기존 바이오칩 질병진단 과정에 필수적인 스캔 단계를 생략할 수 있다.
일곱 번째로, 2개의 멤브레인 센서(1)를 서로 반대로 연결하였다. 상기 방법으로 측정하면 센서로부터 나오는 전압이 커져서 감지전극(9)에서의 질량 변화나 감지전극(9)에 가해지는 압력을 정밀하게 측정할 수 있다.
1. 컨덴서형 멤브레인 센서 3. 고정 전극
9. 감지전극 11. Rm
13. Cm 15. Rps
17. Cps 19. Rpf
21. Cpf 23. 신호 공급 수단
25. 신호 측정부 27. 제어 및 신호처리 수단
29. 교류 신호 발생기 31. 레귤레이터
33. 믹서부 35. 트랜스컨덕턱스 증폭기
37. 전압 전류 선택 스위치 41. 증폭부
43. A/D 변환부
45. 데이터 매니퓰레이터 및 버퍼 47. 프로세서
49. PC 51. 통신 인터페이스
53. 표시부

Claims (18)

  1. 컨덴서형 멤브레인 센서(1)에 주파수와 크기를 각각 변화시키면서 교류신호와 직류신호를 입력하고, 상기 교류신호와 직류신호에 대응하여 상기 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)의 주파수 스펙트럼으로부터 상기 감지전극의 기계적 공진주파수를 구해서, 상기 입력한 신호의 소정 크기에서 상기 감지전극(9)의 질량 변화 또는 감지전극(9)에 가해진 압력 변화에 따른 상기 감지전극(9)의 기계적 공진주파수의 차이 또는 성능계수(Q-factor)의 차이로부터 상기 감지전극(9)의 질량 변화 또는 압력을 측정하고,
    상기 교류신호의 크기는 상기 멤브레인 센서(1)의 구조 및 물리적 특성에 의하여 생성되는 기생 용량에 비해 상기 감지전극(9)의 진동에 따른 용량 변화를 감지할 수 있는 크기로서 상기 멤브레인 센서로부터 출력되는 신호를 가장 크게 출력시키는 것이며,
    상기 주파수 스펙트럼은 상기 컨덴서형 멤브레인 센서에 크기와 주파수를 각각 변화시킨 교류신호와 직류전압을 입력하였을 때 신호의 특정 크기에서 주파수를 변화시켜 가면서 상기 감지전극(9)으로부터 나오는 신호를 여러 번 측정하여 얻은 신호의 평균값으로부터 산출되는 것을 특징으로 하는 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 감지전극(9)의 기계적 공진주파수는 상기 감지전극(9)을 공진시키는 다수의 주파수 중에서 상기 교류신호의 각 크기에서 공통적으로 나타나는 주파수를 선택하는 것을 특징으로 하는 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 감지전극(9)의 성능계수(Q-factor)는
    Figure 112016046861613-pat00080
    인 것을 특징으로 하는 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 장치.
    여기서,
    f0는 감지전극(9)의 기계적 공진주파수,
    m은 감지전극(9)의 질량,
    Figure 112016046861613-pat00081
    는 감지전극(9)의 감쇄계수(coefficient of damping factor)
  4. 정지된 고정전극(3)에 대하여 상대적으로 움직이는 감지전극(9)의 위치에 따라 컨덴서 용량이 변화하는 컨덴서형 멤브레인 센서(1)에 주파수와 크기가 다른 교류신호와 직류 성분이 포함된 신호를 공급하는 신호공급수단(23)과;
    상기 감지전극(9)에 도포된 감지물질과 반응하는 특정 물질에 의해 상기 감지전극(9)의 질량이 변화하여 컨덴서 용량이 변하거나, 상기 감지전극(9)에 가해지는 압력에 의하여 컨덴서 용량이 변화되는 컨덴서형 멤브레인 센서(1);
    상기 멤브레인 센서(1)로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지털 값으로 변환하고 데이터 처리량을 높이는 신호 측정부(25);
    상기 신호공급수단(23)을 제어하여 상기 신호공급수단(23)으로부터 출력되는 상기 교류신호의 주파수와 크기를 조정하고, 상기 직류 성분이 포함되는 경우 교류신호와 혼합될 상기 직류 성분의 전압 레벨을 조정하며, 상기 신호 측정부(25)로부터 출력된 디지털 값을 이용하여 주파수별 출력 세기를 나타내는 주파수 스펙트럼을 구성하고, 상기 주파수 스펙트럼으로부터 구해진 공진주파수 차이 또는 성능계수(Q-factor) 차이로부터 상기 감지전극(9)에 도포된 감지 물질과 특정 물질과의 반응으로 인한 감지전극(9)의 질량변화 또는 감지전극(9)에 가해진 압력을 측정하는 제어 및 신호처리 수단(27)으로 이루어지고,
    상기 주파수 스펙트럼은 상기 컨덴서형 멤브레인 센서에 크기와 주파수를 각각 변화시킨 교류신호와 직류전압을 입력하였을 때 신호의 특정 크기에서 주파수를 변화시켜 가면서 상기 감지전극(9)으로부터 나오는 신호를 여러 번 측정하여 얻은 신호의 평균값으로부터 산출되는 것을 특징으로 하는 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 신호공급수단(23)은 상기 제어 및 신호 처리 수단(27)의 제어 신호에 따라 교류 전압 주파수를 가변시켜 출력하는 교류 전압 발생기(29)(PLL: Phase Locked Loop)와,
    직류 전압을 발생하는 레귤레이터(31)(Regulator),
    상기 교류 전압 발생기(29)의 교류 전압과 레귤레이터(31)의 직류 전압을 혼합하여 컨덴서형 멤브레인 센서(1)에 공급하는 믹서부(33),
    상기 믹서부(33)에 의해 혼합된 교류 전압과 직류 전압을 증폭된 전류로 변환하는 트랜스컨덕턴스 증폭기(35),
    상기 믹서부(33)로부터 출력된 전압이나 트랜스컨덕턴스 증폭기(35)로부터 출력된 전류 중 어느 하나를 선택하여 컨덴서형 멤브레인 센서(1)에 교류신호로서 공급하는 전압 전류 선택 스위치(37),
    상기 교류 전압 발생기(29)로부터 출력되는 교류 전압을 증폭시켜 믹서부(33)로 전달하는 증폭부(41)로 이루어진 것을 특징으로 하는 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 장치.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 신호 측정부(25)는 컨덴서형 멤브레인 센서(1)로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 디지털 데이터를 병렬로 출력하는 A/D 변환기(43)와,
    상기 A/D 변환기(43)에 의해 변환된 디지털 값을 저장 및 정리하여 데이터 처리량을 높이는 데이터 매니퓰레이터 및 버퍼(45)를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 장치.
  7. 제4 항에 있어서,
    상기 제어 및 신호 처리 수단(27)은 신호공급수단(23)을 제어하여 신호 공급 수단(23)으로부터 출력되는 교류 신호의 주파수와 크기를 조정하고 교류 신호에 혼합되는 직류 신호 레벨을 조정하며, 신호 측정부(25)를 제어하여 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시 변환 정밀도 및 데이터 처리 속도를 제어하고, 통신 인터페이스(51)를 통해 신호 측정부(25)로부터 나오는 디지털 데이터를 이용하여 감지전극(9)의 주파수 스펙트럼을 구성하고 상기 컨덴서형 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)에 도포된 감지 물질이 특정 물질과 반응하였을 때 감지전극(9)의 공진 주파수 또는 성능계수(Q-factor)와 감지전극(9)에 도포된 감지 물질이 특정 물질과 반응하지 않았을 때 감지전극(9)의 공진 주파수 또는 성능계수(Q-factor) 변화 값을 이용하여 감지전극(9)의 질량변화나 감지전극(9)에 가해진 압력을 계산하는 프로세서(47);
    계산된 질량변화나 압력을 표시하는 표시부(53);
    및 상기 표시부(53)나 PC(49)로 데이터를 보내기 위한 통신 인터페이스(51)를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 장치.
  8. 제4 항에 있어서,
    주파수와 크기가 다른 교류신호와 직류 성분이 포함된 신호는 감지전극(9)과 감지전극(9)의 기생성분(Rps 및 Cps)의 접점 노드에 공급되고, 상기 컨덴서형 멤브레인 센서(1)의 출력 신호는 고정전극(3)과 감지전극(9)의 접점 노드로부터 출력되거나,
    고정전극(3)과 감지전극(9)의 접점 노드에 공급되고 상기 컨덴서형 멤브레인 센서(1)의 출력 신호는 감지전극(9)과 감지전극(9)의 기생성분(Rps 및 Cps)의 접점 노드로 출력되는 것을 특징으로 하는 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 장치.
  9. 제4 항에 있어서,
    상기 컨덴서형 멤브레인 센서(1)는 2개의 컨덴서형 멤브레인 센서(1) 중 어느 1개의 멤브레인 센서(1)의 고정전극(3)을 다른 1개의 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)에 붙이고 상기 어느 1개의 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)을 상기 다른 1개의 멤브레인 센서(1)의 고정전극(3)에 붙여서 구성되고,
    서로 맞붙은 어느 한 쌍의 감지전극(9)과 고정전극(3)에 상기 교류신호를 입력하고 서로 맞붙은 다른 한 쌍의 감지전극(9)과 고정전극(3)으로부터 출력 신호를 측정하는 것을 특징으로 하는 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 장치.
  10. 컨덴서형 멤브레인 센서(1)에 주파수와 크기가 다른 교류신호와 직류 성분이 포함된 신호를 입력하고, 상기 교류신호와 직류 성분이 포함된 신호에 대응하여 상기 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)의 주파수 스펙트럼으로부터 상기 감지전극(9)의 기계적 공진주파수를 구해서, 상기 교류신호와 직류 성분이 포함된 신호의 소정 크기에서 상기 감지전극(9)의 질량 변화 또는 감지전극(9)에 가해진 압력 변화에 따른 상기 기계적 공진주파수의 차이 또는 성능계수(Q-factor)의 차이로부터 상기 감지전극(9)의 질량 변화 또는 압력을 측정하고,
    상기 교류신호의 상기 소정 크기는 상기 멤브레인 센서(1)의 구조 및 물리적 특성에 의하여 생성되는 기생 용량에 비해 상기 감지전극(9)의 진동에 따른 용량 변화를 감지할 수 있는 크기로서 상기 멤브레인 센서로부터 출력되는 신호를 가장 크게 출력시키는 것으로,
    상기 주파수 스펙트럼은 상기 컨덴서형 멤브레인 센서에 크기와 주파수를 각각 변화시킨 교류신호와 직류전압을 입력하였을 때 신호의 특정 크기에서 주파수를 변화시켜 가면서 상기 감지전극(9)으로부터 나오는 신호를 여러 번 측정하여 얻은 신호의 평균값으로부터 산출되는 것을 특징으로 하는 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 감지전극(9)의 상기 기계적 공진주파수는 상기 감지전극(9)을 공진시키는 다수의 주파수 중에서 상기 교류신호의 각 크기에서 공통적으로 나타나는 것으로 하는 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 방법.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 감지전극(9)의 성능계수(Q-factor)는
    Figure 112016046861613-pat00082
    인 것을 특징으로 하는 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 방법.
    여기서,
    f0는 감지전극(9)의 기계적 공진주파수,
    m은 감지전극(9)의 질량,
    Figure 112016046861613-pat00083
    는 감지전극(9)의 감쇄계수(coefficient of damping factor)
  13. 제10 항 내지 제12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 측정 방법은 상기 감지전극(9)에 도포된 감지 물질과 특정 물질과의 반응으로 인한 감지전극(9)의 질량변화 또는 감지전극(9)에 가해진 압력을 측정하기 위하여 여러 교류신호 크기에서 공통적으로 나타나는 상기 감지전극(9)의 기계적 공진 주파수와 상기 기계적 공진주파수를 가진 교류신호를 상기 멤브레인 센서(1)에 인가했을 때 감지전극(9)으로부터 상기 기계적 공진주파수의 신호를 가장 크게 출력되게 하는 교류신호의 크기를 찾는 단계(S1)와,
    상기 감지 전극(9)이 특정 물질과 반응하면서 감지 전극(9)에서 발생하는 기포(bubble)나 반응을 방해하는 물질을 제거하기 위해 상기 감지 전극(9)의 기계적 공진 특성을 이용하여 감지전극(9)을 진동시키는 단계(S2),
    상기 기계적 공진 주파수의 신호를 가장 크게 출력되게 하는 교류신호에 직류 신호를 더해서 멤브레인 센서(1)에 인가한 다음 교류 신호의 주파수를 변화시켜 가면서 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)으로부터 출력되는 신호를 측정하는 단계(S3),
    상기 멤브레인 센서(1)로부터 출력되는 신호를 바탕으로 주파수 스펙트럼을 구하여 기계적 공진주파수 또는 성능계수(Q-factor)를 찾는 단계(S4),
    상기 기계적 공진주파수 또는 성능계수(Q-factor)의 변화와 멤브레인 센서(1)의 구조와 물리적 특성을 고려하여 상기 감지전극(9)에 도포된 감지 물질과 특정 물질과의 반응으로 인한 감지전극(9)의 질량변화 또는 감지전극(9)에 가해진 압력을 결정하는 단계(S5)를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 방법.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 감지전극(9)에 도포된 감지 물질과 특정 물질과의 반응으로 인한 감지전극(9)의 질량변화, 감지전극(9)에 가해진 압력을 측정하기 위하여 여러 교류신호 크기에서 공통적으로 나타나는 상기 감지전극(9)의 기계적 공진 주파수와 상기 기계적공진주파수를 가진 교류신호를 상기 멤브레인 센서(1)에 인가했을 때 감지전극(9)으로부터 상기 기계적 공진주파수의 신호를 가장 크게 출력되게 하는 교류신호의 크기를 찾는 단계(S1)는,
    멤브레인 센서(1)에 공급되는 신호의 주파수를 변화시키는 단계,
    각 주파수에서 신호의 크기를 변화시키는 단계,
    주파수와 크기를 동시에 변화시킨 신호를 멤브레인 센서(1)에 인가했을 때 감지전극(9)이나 고정전극(3)으로부터 출력되는 신호를 비교하고 저장하는 단계,
    감지전극(9)을 공진시키는 여러 주파수 중에서 주파수와 크기를 동시에 변화시킨 신호 크기에서 공통적으로 나타나는 감지전극(9)의 기계적 공진주파수를 찾는 단계,
    및 상기 감지전극(9)의 기계적 공진 주파수를 갖는 교류신호의 크기에서 멤브레인 센서(1)의 출력 신호가 가장 큰 교류신호의 크기를 찾는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 방법.
  15. 제13 항에 있어서,
    상기 기계적 공진 주파수의 신호를 가장 크게 출력되게 하는 교류신호에 직류 신호를 더해서 멤브레인 센서(1)에 인가한 다음 교류 신호의 주파수를 변화시켜 가면서 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)으로부터 출력되는 신호를 측정하는 단계(S3)는,
    직류신호와 교류신호의 주파수를 변화시켜가면서 멤브레인 센서(1)에 공급하고 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)으로부터 출력되는 신호를 여러 번 측정하여 평균값을 구하는 단계,
    평균값을 지정한 값과 비교하는 단계,
    평균값이 지정한 값보다 클 경우, 즉 기계적 공진이 시작된 경우 이분법 방식(bisection method)으로 기계적 공진 시작주파수를 찾는 단계,
    및 기계적 공진 시작점에서 멤브레인 센서(1)에 공급되는 주파수를 세밀하게 변화시키면서 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)으로부터 출력되는 신호의 평균값을 구하여 지정한 값과 비교하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 방법.
  16. 제13 항에 있어서,
    상기 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)으로부터 출력되는 신호를 바탕으로 주파수 스펙트럼을 구하여 기계적 공진주파수 또는 성능계수(Q-factor)를 찾는 단계(S4)는,
    수식
    Figure 112016046861613-pat00084
    을 이용하여 상기 감지전극(9)의 상기 주파수 스펙트럼을 구성하는 단계와,
    상기 주파수 스펙트럼에서 최고 크기의 신호가 나타나는 감지전극(9)의 기계적 공진주파수를 찾는 단계를 포함하거나,
    상기 주파수 스펙트럼에서 수식
    Figure 112016046861613-pat00085
    을 이용하여 감지전극(9)의 성능계수를 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 방법.
    여기서,
    Figure 112016046861613-pat00086
    : 주파수 스펙트럼의 시작 주파수,
    Figure 112016046861613-pat00087
    : 주파수 스펙트럼의 종료 주파수,
    Figure 112016046861613-pat00088
    : 교류 신호의 주파수 변화폭,
    Figure 112016046861613-pat00089
    : 멤브레인 센서(1)로부터 출력되는 신호의 피크값,
    Figure 112016046861613-pat00090
    : 상기 감지전극(9)의 기계적 공진주파수,
    Figure 112016046861613-pat00091
    : 피크 파워를 나타내는 기계적 공진주파수를 중심으로 피크 파워의 1/2되는 주파수 대역
    Figure 112016046861613-pat00092
    : 감지전극(9)의 성능 계수
  17. 제13 항에 있어서,
    상기 기계적 공진주파수 또는 성능계수(Q-factor)의 변화와 멤브레인 센서(1)의 구조와 물리적 특성을 고려하여 상기 감지전극(9)에 도포된 감지 물질과 특정 물질과의 반응으로 인한 감지전극(9)의 질량변화 또는 감지전극(9)에 가해진 압력을 결정하는 단계(S5)는,
    감지전극의 기계적 공진주파수 변화(
    Figure 112016046861613-pat00093
    )와 수식
    Figure 112016046861613-pat00094
    를 이용하여 상기 감지전극(9)에 도포된 감지 물질과 특정 물질과의 반응으로 인한 감지전극의 질량변화(
    Figure 112016046861613-pat00095
    )을 측정하거나,
    감지전극의 성능계수(Q-factor)의 변화와 수식
    Figure 112016046861613-pat00096
    을 이용하여 상기 감지전극(9)에 도포된 감지 물질과 특정 물질과의 반응으로 인한 감지전극의 질량변화(
    Figure 112016046861613-pat00097
    )을 측정하는 것을 특징으로 하는 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 방법.
    여기서,
    Figure 112016046861613-pat00098
    : 감지전극(9)의 공진 주파수,
    Figure 112016046861613-pat00099
    : 감지전극(9)의 질량,
    Figure 112016046861613-pat00100
    : 감지전극(9)에 도포된 감지물질과 반응한 특정 물질의 질량,
    Figure 112016046861613-pat00101
    : 특정 물질이 감지전극(9)에 도포된 감지 물질과 반응했을 때 감지전극(9)의 기계적 공진 주파수의 변화
    Figure 112016046861613-pat00102
    : 특정 물질이 감지전극(9)에 도포된 감지 물질과 반응했을 때 감지전극(9)의 성능계수(Q-factor)의 변화
    Figure 112016046861613-pat00103
    : 감지전극(9)의 성능계수(Q-factor)
  18. 제13 항에 있어서,
    상기 기계적 공진주파수 또는 성능계수(Q-factor)의 변화와 멤브레인 센서(1)의 구조와 물리적 특성을 고려하여 상기 감지전극(9)에 도포된 감지 물질과 특정 물질과의 반응으로 인한 감지전극(9)의 질량변화 또는 감지전극(9)에 가해진 압력을 결정하는 단계(S5)는,
    수식
    Figure 112016046861613-pat00104
    을 이용하여 상기 감지전극(9)에 걸리는 압력을 측정하거나,
    수식
    Figure 112016046861613-pat00105
    와
    Figure 112016046861613-pat00106
    을 이용하여 압력을 측정하는 것을 특징으로 하는 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 방법.
    여기서,
    Figure 112016046861613-pat00107
    : 감지전극의 모양에 따른 계수,
    t : 감지전극(9)에 부착된 물질의 두께이고,
    d : 감지전극(9)이 구형인 경우는 반경이고 정사각형인 경우 한쪽 면의 길이,
    Figure 112016046861613-pat00108
    : 감지전극(9)에 부착된 물질의 밀도(Density),
    Figure 112016046861613-pat00109
    : 감지전극(9)의 영의 계수(Young's modulus),
    E : 전극의 포아손 비율(Poisson's ratio),
    f0: 감지전극(9)의 기계적 공진주파수,
    m : 감지전극의 질량,
    Figure 112016046861613-pat00110
    : 감지전극(9)의 감쇄계수(coefficient of damping factor)
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