KR101911437B1 - Ｓａｗ 배열 센서 - Google Patents
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Abstract
SAW 센서들 사이의 간섭(cross-talk)을 제거함으로써 감도가 향상된 SAW 배열 센서를 개시한다. 개시된 SAW 배열 센서는 적어도 하나의 입력 IDT와 상기 적어도 하나의 입력 IDT의 양측에 각각 배치된 적어도 2개의 출력 IDT, 및 상기 적어도 하나의 입력 IDT와 상기 적어도 2개의 출력 IDT 사이에 각각 형성된 적어도 2개의 지연선 구간을 포함하며, 상기 적어도 2개의 지연선 구간의 길이가 서로 다르다. 따라서, 개시된 실시예에 따르면, 입력 IDT로부터 한쪽 출력 IDT로 직접 수신되는 신호와 반대측 출력 IDT로부터 반사되어 한쪽 출력 IDT로 수신되는 신호 사이에 시간차가 생기기 때문에, 반사파에 의한 간섭을 최소화할 수 있다.
Description
개시된 실시예들은 SAW(surface acoustic wave) 배열 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 SAW 센서들 사이의 간섭(cross-talk)을 제거함으로써 감도가 향상된 SAW 배열 센서에 관한 것이다.
SAW 센서는 표면 탄성파(surface acoustic wave; SAW)를 이용하여 시료 내에 특정 표적 물질이 존재하는지 여부를 분석하기 위한 장치이다. 표면 탄성파는 매질의 표면을 따라 진행하는 기계적인 파동으로서, 외부의 열적, 기계적, 전기적 힘에 의해 매질 내의 입자들이 진동함으로써 발생하며, 진동 에너지의 대부분은 매질의 표면에 집중된다. 이러한 표면 탄성파의 매질 내에서의 진행은 매질의 물성에 의해 영향을 받는데, SAW 센서는 매질의 물성 변화에 의한 표면 탄성파의 변화(예를 들어, 표면 탄성파의 세기, 위상 또는 중심 파장의 변화)를 감지하는 방식으로 표적 물질을 분석할 수 있다.
예를 들어, SAW 센서는 압전 물질로 이루어진 기판, 상기 기판에 전기적 자극을 주어 표면 탄성파를 발생시키기 위한 입력 IDT(interdigital transducer), 및 표면 탄성파를 수신하기 위한 출력 IDT를 포함할 수 있다. 여기서, 표면 탄성파가 진행하는 입력 IDT와 출력 IDT 사이의 구간을 통상적으로 지연선 구간(delay line)이라고 부른다. 기판 상에서 표면 탄성파가 진행하는 경로, 예를 들어 지연선 구간 내에는 소망하는 특정 표적 물질과 특이적인 결합을 갖는 수용체(receptor)가 배치될 수 있다.
이러한 구조의 SAW 센서에서 표면 탄성파가 발생하는 동안, 표적 물질을 포함하는 시료를 SAW 센서에 흘려 보내면, 표적 물질이 수용체와 결합하게 되면서 출력 IDT에서 수신되는 표면 탄성파의 세기, 위상 또는 중심 파장 등이 변화하게 된다. 따라서, 표면 탄성파의 변화를 감지함으로써 시료 내의 표적 물질의 존재 여부 및 그 함량을 정확하게 측정할 수 있다.
한편, 하나의 기판 위에 다수의 SAW 센서들을 배열시킴으로써 SAW 배열 센서를 구성할 수도 있다. SAW 배열 센서(SAW array sensor)를 사용하면, 다양한 종류의 수용체들을 기판 위에 배치하여 시료 내의 다양한 성분들을 한번에 분석할 수 있다. 이러한 SAW 배열 센서에 있어서, 인접하는 지연선 구간에서 발생하는 반사파 등에 의한 간섭(cross-talk)을 억제하는 동시에, SAW 배열 센서의 크기를 소형화하는 것이 유리하다.
SAW 센서들 사이의 간섭(cross-talk)을 제거함으로써 감도가 향상된 SAW 배열 센서를 제공한다.
본 발명의 일 유형에 따른 SAW 배열 센서는, 입력 IDT; 상기 입력 IDT의 양측에 각각 배치된 제 1 및 제 2 출력 IDT; 상기 입력 IDT와 상기 제 1 출력 IDT 사이의 제 1 지연선 구간; 및 상기 입력 IDT와 상기 제 2 출력 IDT 사이의 제 2 지연선 구간;을 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 지연선 구간은 서로 다른 길이를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 입력 IDT, 제 1 및 제 2 출력 IDT, 및 제 1 및 제 2 지연선 구간은 표면 탄성파의 진행 방향을 따라 동일 선상에 배열될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 1 및 제 2 지연선 구간 내에는 시료 내의 표적 물질과 특이적인 결합을 갖는 수용체가 각각 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 SAW 배열 센서는 하나의 압전성 기판 상에 배열된 다수의 SAW 센서부들을 포함하며, 상기 다수의 SAW 센서부는 표면 탄성파의 진행 방향을 따라 동일 선상에 배치되어 있는 상기 입력 IDT, 제 1 및 제 2 출력 IDT, 및 제 1 및 제 2 지연선 구간을 각각 포함할 수 있다.
상기 다수의 SAW 센서부들은 표면 탄성파의 진행 방향에 수직한 방향을 따라 배열될 수 있다.
상기 다수의 SAW 센서부들의 제 1 및 제 2 지연선 구간 내에는 시료 내의 표적 물질과 특이적인 결합을 갖는 수용체가 각각 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 인접한 SAW 센서부들에서 상기 제 1 지연선 구간들의 길이와 제 2 지연선 구간들의 길이가 서로 바뀌도록 구성될 수도 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 유형에 따른 SAW 배열 센서는, 마주하여 배치된 제 1 및 제 2 입력 IDT; 상기 제 1 입력 IDT의 측면에 인접하여 배치된 제 1 출력 IDT; 상기 제 2 입력 IDT의 측면에 인접하여 배치된 제 2 출력 IDT; 상기 제 1 입력 IDT와 상기 제 1 출력 IDT 사이의 제 1 지연선 구간; 및 상기 제 2 입력 IDT와 상기 제 2 출력 IDT 사이의 제 2 지연선 구간;을 포함하며, 상기 제 1 입력 IDT에서 발생한 표면 탄성파와 상기 제 2 입력 IDT에서 발생한 표면 탄성파가 상기 제 1 입력 IDT와 제 2 입력 IDT 사이에서 상쇄되도록, 상기 제 1 입력 IDT에서 발생한 표면 탄성파와 상기 제 2 입력 IDT에서 발생한 표면 탄성파는 서로 180도의 위상차를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 제 1 입력 IDT와 제 2 입력 IDT는 서로 선대칭 관계에 있도록 배치될 수 있으며, 이 경우 제 1 입력 IDT와 제 2 입력 IDT의 같은 쪽에 있는 전극에 동일한 극성의 전압이 인가될 수 있다.
다른 실시예에서, 제 1 입력 IDT와 제 2 입력 IDT는 서로 회전대칭 관계에 있도록 배치될 수 있으며, 이 경우 제 1 입력 IDT와 제 2 입력 IDT의 같은 쪽에 있는 전극에 반대 극성의 전압이 인가될 수 있다.
또한, 상기 제 1 및 제 2 지연선 구간은 서로 다른 길이를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 1 및 제 2 지연선 구간 내에는 시료 내의 표적 물질과 특이적인 결합을 갖는 수용체가 각각 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 1 및 제 2 입력 IDT, 제 1 및 제 2 출력 IDT, 및 제 1 및 제 2 지연선 구간은 표면 탄성파의 진행 방향을 따라 동일 선상에 배열될 수 있다.
또한, 상기 SAW 배열 센서는 하나의 압전성 기판 상에 배열된 다수의 SAW 센서부들을 포함하며, 상기 다수의 SAW 센서부는 표면 탄성파의 진행 방향을 따라 동일 선상에 배치되어 있는 상기 제 1 및 제 2 입력 IDT, 제 1 및 제 2 출력 IDT, 및 제 1 및 제 2 지연선 구간을 각각 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 1 및 제 2 입력 IDT들 사이의 거리, 상기 제 1 지연선 구간의 길이, 및 상기 제 2 지연선 구간의 길이가 모두 서로 다를 수 있다.
개시된 실시예들에 따르면, SAW 배열 센서는 적어도 하나의 입력 IDT와 상기 적어도 하나의 입력 IDT의 양측에 각각 배치된 적어도 2개의 출력 IDT, 및 상기 적어도 하나의 입력 IDT와 상기 적어도 2개의 출력 IDT 사이에 각각 형성된 적어도 2개의 지연선 구간을 포함하는데, 여기서 상기 적어도 2개의 지연선 구간의 길이가 서로 다르다. 따라서, 입력 IDT로부터 한쪽 출력 IDT로 직접 수신되는 신호와 반대측 출력 IDT로부터 반사되어 한쪽 출력 IDT로 수신되는 신호 사이에 시간차가 생기기 때문에, 반사파에 의한 간섭을 최소화할 수 있다. 이렇게 반사파에 의한 간섭을 억제할 수 있기 때문에, 동일 선상에 2개 이상의 입력 및 출력 IDT 및 2개 이상의 지연선 구간을 마련할 수 있어서 SAW 배열 센서의 크기를 소형화할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 SAW 배열 센서의 원리를 설명하기 위한 개략적인 평면도이다.
도 2는 인접 지연선 구간에서 반사파가 발생하지 않을 경우에 출력 IDT에 도달하는 신호를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 3은 두 지연선 구간의 길이가 같을 때, 인접 지연선 구간에서 반사파가 발생할 경우에 출력 IDT에 도달하는 신호를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 SAW 배열 센서의 개략적인 평면도이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 SAW 배열 센서의 개략적인 평면도이다.
도 6a 및 6b는 도 5에 도시된 입력 IDT의 전극 구조를 예시적으로 보이는 개략적인 평면도이다.
도 7은 도 4에 도시된 SAW 배열 센서의 동작 특성을 확인하기 위한 배치를 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 8은 도 7에 도시된 배치에 따른 SAW 배열 센서의 동작 특성을 보이는 그래프이다.
도 9는 도 5에 도시된 SAW 배열 센서의 동작 특성을 확인하기 위한 배치를 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 10은 도 9에 도시된 배치에 따른 SAW 배열 센서의 동작 특성을 보이는 그래프이다.
도 2는 인접 지연선 구간에서 반사파가 발생하지 않을 경우에 출력 IDT에 도달하는 신호를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 3은 두 지연선 구간의 길이가 같을 때, 인접 지연선 구간에서 반사파가 발생할 경우에 출력 IDT에 도달하는 신호를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 SAW 배열 센서의 개략적인 평면도이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 SAW 배열 센서의 개략적인 평면도이다.
도 6a 및 6b는 도 5에 도시된 입력 IDT의 전극 구조를 예시적으로 보이는 개략적인 평면도이다.
도 7은 도 4에 도시된 SAW 배열 센서의 동작 특성을 확인하기 위한 배치를 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 8은 도 7에 도시된 배치에 따른 SAW 배열 센서의 동작 특성을 보이는 그래프이다.
도 9는 도 5에 도시된 SAW 배열 센서의 동작 특성을 확인하기 위한 배치를 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 10은 도 9에 도시된 배치에 따른 SAW 배열 센서의 동작 특성을 보이는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, SAW 배열 센서에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 또한 이하에서 설명하는 층 구조에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 SAW 배열 센서의 원리를 설명하기 위한 개략적인 평면도이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 SAW 배열 센서는 압전성 기판(10) 위에 배치된 입력 IDT(11), 제 1 출력 IDT(12) 및 제 2 출력 IDT(13)를 포함할 수 있다. 상기 입력 IDT(11), 제 1 출력 IDT(12) 및 제 2 출력 IDT(13)는 가늘게 돌출된 다수의 핑거들이 서로 깎지 낀 형태로 결합되어 있는 두 개의 전극을 갖는다. 입력 IDT(11)의 두 전극에 전압을 인가하면, 전기적 자극에 의해 압전성 기판(10)이 진동하게 되면서 표면 탄성파가 발생하는데, 이렇게 발생하는 표면 탄성파의 파장은 입력 IDT(11)의 핑거 피치에 의해 결정될 수 있으며, 표면 탄성파의 파동 개수는 입력 IDT(11)의 핑거 개수에 비례할 수 있다. 입력 IDT(11)에서 발생하는 표면 탄성파는 압전성 기판(10)의 표면을 따라 입력 IDT(11)의 양방향으로(즉, 도면에서 입력 IDT(11)의 좌우측 방향으로) 진행하게 된다.
입력 IDT(11)와 제 1 출력 IDT(12) 사이의 구간은 제 1 지연선 구간(14)으로서, 표면 탄성파는 제 1 지연선 구간(14)을 통해 제 1 출력 IDT(12)에 도달하게 된다. 또한, 입력 IDT(11)와 제 2 출력 IDT(13) 사이의 구간은 제 2 지연선 구간(15)으로서, 표면 탄성파는 제 2 지연선 구간(15)을 통해 제 2 출력 IDT(13)에 도달하게 된다. 따라서, 도 1에 도시된 바와 같이, 입력 IDT(11), 제 1 및 제 2 출력 IDT(12, 13), 및 제 1 및 제 2 지연선 구간(14, 15)은 표면 탄성파의 진행 방향을 따라 동일 선상에 배열된다. 이러한 제 1 지연선 구간(14)과 제 2 지연선 구간(15) 내에는 시료 내의 표적 물질과 특이적인 결합을 갖는 수용체(미도시)가 각각 배치될 수 있다.
위와 같은 구조에서, 입력 IDT(11)의 좌측으로 진행하는 표면 탄성파는 제 1 지연선 구간(14)을 통과하는 동안 제 1 지연선 구간(14)에 배치된 수용체에 결합되는 표적 물질의 양에 따라 세기, 위상, 중심 파장 등이 변화하게 된다. 이와 마찬가지로, 입력 IDT(11)의 우측으로 진행하는 표면 탄성파는 제 2 지연선 구간(15)을 통과하는 동안 제 2 지연선 구간(15)에 배치된 수용체에 결합되는 표적 물질의 양에 따라 세기, 위상, 중심 파장 등이 변화하게 된다. 따라서, 본 실시예에 따른 SAW 배열 센서는 2개의 독립적인 표적 물질의 분석을 동시에 수행할 수 있으므로, SAW 배열 센서의 소형화가 가능하다.
그런데, 입력 IDT(11), 제 1 및 제 2 출력 IDT(12, 13), 및 제 1 및 제 2 지연선 구간(14, 15)이 표면 탄성파의 진행 방향을 따라 동일 선상에 배열되어 있기 때문에, 입력 IDT(11)의 우측으로 진행하는 표면 탄성파가 제 2 출력 IDT(13)에서 반사된 후 제 1 출력 IDT(12)에 도달하면서 신호의 간섭(cross-talk)이 발생할 가능성이 있다. 마찬가지로, 입력 IDT(11)의 좌측으로 진행하는 표면 탄성파가 제 1 출력 IDT(12)에서 반사된 후 제 2 출력 IDT(13)에 도달하면서 신호의 간섭이 발생할 가능성이 있다. 이렇게 인접하는 두 지연선 구간(14, 15)에서 발생하는 반사파에 의한 간섭은 정확한 분석을 방해할 수 있다.
예를 들어, 제 1 출력 IDT(12)에 도달하는 표면 탄성파는, 입력 IDT(11)로부터 직접 오는 표면 탄성파, 제 1 출력 IDT(12)에 의해 반사된 후 입력 IDT(11)에서 다시 반사되어 오는 표면 탄성파(도 1에서 '①'로 표시되어 있으며, 이러한 표면 탄성파를 특히 TTE(triple transient echo)라고 부른다), 제 1 출력 IDT(12)와 입력 IDT(11) 사이에서 3회 이상 반사된 후 오는 표면 탄성파 등과 함께, 제 2 출력 IDT(13)에 의해 반사되어 오는 표면 탄성파(도 1에서 '②'로 표시)를 포함할 수 있다. 제 2 출력 IDT(13)에서 반사된 후 제 1 출력 IDT(12)에 도달하는 표면 탄성파는, 특히 제 1 지연선 구간(14)의 길이(d1)와 제 2 지연선 구간(15)의 길이(d2)가 같은 경우에 TTE 신호와 간섭할 가능성이 크다.
도 2는 제 2 지연선 구간(15)에서 반사파가 발생하지 않을 경우에 제 1 출력 IDT(12)에 도달하는 신호를 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 2의 그래프에서 세로축은 dB로 표시되는 삽입 손실(IL)을 나타내며, 가로축은 시간을 나타낸다. 도 2의 그래프를 참조하면, 입력 IDT(11)로부터 직접 오는 표면 탄성파에 의해 첫 번째 피크가 발생하며, 제 1 출력 IDT(12)에 의해 반사된 후 입력 IDT(11)에서 다시 반사되어 오는 TTE 신호에 의해 두 번째 피크가 발생한다. 제 1 출력 IDT(12)에 도달할 때까지 TTE 신호는 수용체가 배치된 제 1 지연선 구간(14)을 3회 통과하기 때문에, TTE 신호는 제 1 지연선 구간(14)을 한번만 통과하는 첫 번째 피크에 비해 변화가 크다. 한편 제 1 지연선 구간(14)을 5회 통과하는 세 번째 피크는 TTE 신호보다 변화가 더 크지만 세기가 너무 작다. 이러한 이유로, 시료 내의 표적 물질을 분석하기 위한 신호로서 TTE 신호를 이용한다.
도 3은 두 지연선 구간(14, 15)의 길이가 같을 때, 제 2 지연선 구간(15)에서 반사파가 발생할 경우에 제 1 출력 IDT(12)에 도달하는 신호를 예시적으로 보이는 그래프이다. 제 2 출력 IDT(13)에서 반사된 표면 탄성파는 제 1 출력 IDT(12)에 도달할 때까지의 경로 길이가 TTE 신호와 거의 같다. 따라서, 도 3의 그래프에 표시된 바와 같이, 제 2 출력 IDT(13)에서 반사된 '②'로 표시된 표면 탄성파는 TTE 신호와 거의 비슷한 시간에 제 1 출력 IDT(12)에 도달할 수 있다. 이로 인하여, 제 2 출력 IDT(13)에서 반사된 신호와 TTE 신호를 구분할 수 없어서 정확한 분석이 어려워질 수 있다.
따라서, 제 2 출력 IDT(13)에서 반사된 신호에 의해 발생하는 간섭을 제거하거나 최소화하기 위하여, 본 실시예에서는 제 1 지연선 구간(14)의 길이(d1)와 제 2 지연선 구간(15)의 길이(d2)를 서로 다르게 설계한다. 시료의 분석에 있어서 관심 있는 것은 TTE 신호이므로, 제 2 출력 IDT(13)에서 반사된 신호가 TTE 신호보다 충분히 먼저 또는 늦게 제 1 출력 IDT(12)에 도달하거나, 또는 제 1 출력 IDT(12)에서 반사된 신호가 TTE 신호보다 충분히 먼저 또는 늦게 제 2 출력 IDT(13)에 도달하여, TTE 신호를 식별할 수 있으면 된다.
도 4는 상술한 원리를 적용한 다른 실시예에 따른 SAW 배열 센서(100)의 개략적인 평면도를 도시한다. 도 4를 참조하면, SAW 배열 센서(100)는 하나의 압전성 기판(10) 위에 배열된 다수의 SAW 센서부(110, 120)를 포함할 수 있다. 도 4에는 편의상 2개의 SAW 센서부(110, 120)만이 도시되어 있으나, 3개 이상의 SAW 센서부가 배열될 수도 있다. 이러한 다수의 SAW 센서부(110, 120)들은 예를 들어 표면 탄성파의 진행 방향에 수직한 방향을 따라 배열될 수 있다.
각각의 SAW 센서부(110, 120)는 도 1에 도시된 SAW 배열 센서와 동일한 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 제 1 SAW 센서부(110)는 입력 IDT(111), 상기 입력 IDT(111)의 양측에 각각 배치된 제 1 및 제 2 출력 IDT(112, 113), 입력 IDT(111)와 제 1 출력 IDT(112) 사이의 제 1 지연선 구간(114), 및 입력 IDT(111)와 제 2 출력 IDT(113) 사이의 제 2 지연선 구간(115)을 포함할 수 있다. 여기서, 제 1 지연선 구간(114)의 길이(D1)와 제 2 지연선 구간(115)은 길이(D2)는 서로 다르게 된다. 상술한 바와 같이, 상기 입력 IDT(111), 제 1 및 제 2 출력 IDT(112, 113), 및 제 1 및 제 2 지연선 구간(114, 115)은 표면 탄성파의 진행 방향을 따라 동일 선상에 배열된다. 또한, 제 1 지연선 구간(114)과 제 2 지연선 구간(115) 내에는 시료 내의 표적 물질과 특이적인 결합을 갖는 수용체(미도시)가 각각 배치될 수 있다.
마찬가지로, 제 2 SAW 센서부(120)는 입력 IDT(121), 상기 입력 IDT(121)의 양측에 각각 배치된 제 1 및 제 2 출력 IDT(122, 123), 입력 IDT(121)와 제 1 출력 IDT(122) 사이의 제 1 지연선 구간(124), 및 입력 IDT(121)와 제 2 출력 IDT(123) 사이의 제 2 지연선 구간(125)을 포함할 수 있다. 여기서, 제 1 지연선 구간(124)의2 길이(D2)와 제 2 지연선 구간(125)은 길이(D1)는 서로 다르게 된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제 1 SAW 센서부(110)에서 제 1 지연선 구간(114)과 제 2 지연선 구간(115)의 길이는 각각 D1과 D2이고, 제 2 SAW 센서부(120)에서 제 1 지연선 구간(124)과 제 2 지연선 구간(125)의 길이는 각각 D2와 D1이다. 즉, 인접한 SAW 센서부(110, 120)들에서 제 1 지연선 구간(114, 124)들의 길이와 제 2 지연선 구간(115, 125)들의 길이가 서로 바뀌도록 구성될 수 있다. 그러나, 이는 단지 한 예일뿐이며 모든 제 1 지연선 구간(114, 124)들의 길이가 서로 같고, 모든 제 2 지연선 구간(115, 125)들의 길이가 서로 같도록 구성될 수도 있다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 SAW 배열 센서(200)의 개략적인 평면도를 도시하고 있다. 도 5를 참조하면, SAW 배열 센서(200)는 하나의 압전성 기판(10) 위에 배열된 다수의 SAW 센서부(210, 220)를 포함할 수 있다. 도 5에는 편의상 2개의 SAW 센서부(210, 220)만이 도시되어 있으나, 3개 이상의 SAW 센서부가 배열될 수도 있다. 이러한 다수의 SAW 센서부(210, 220)들은 예를 들어 표면 탄성파의 진행 방향에 수직한 방향을 따라 배열될 수 있다.
각각의 SAW 센서부(210, 220)들은 2개의 입력 IDT(211, 212, 221, 222)들과 2개의 출력 출력 IDT(213, 214, 223, 224)들을 각각 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 SAW 센서부(210)는 마주하여 배치된 제 1 및 제 2 입력 IDT(211, 212), 제 1 입력 IDT(211)의 측면에 인접하여 배치된 제 1 출력 IDT(213), 제 2 입력 IDT(212)의 측면에 인접하여 배치된 제 2 출력 IDT(214), 상기 제 1 입력 IDT(211)와 제 1 출력 IDT(213) 사이의 제 1 지연선 구간(215), 및 상기 제 2 입력 IDT(212)와 제 2 출력 IDT(214) 사이의 제 2 지연선 구간(216)을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제 1 및 제 2 입력 IDT(211, 212), 제 1 및 제 2 출력 IDT(213, 214), 및 제 1 및 제 2 지연선 구간(215, 216)은 표면 탄성파의 진행 방향을 따라 동일 선상에 배열될 수 있다. 이와 마찬가지로, 제 2 SAW 센서부(220)는 마주하여 배치된 제 1 및 제 2 입력 IDT(221, 222), 상기 제 1 입력 IDT(221)의 측면에 인접하여 배치된 제 1 출력 IDT(223), 제 2 입력 IDT(222)의 측면에 인접하여 배치된 제 2 출력 IDT(224), 제 1 입력 IDT(221)와 제 1 출력 IDT(223) 사이의 제 1 지연선 구간(225), 및 제 2 입력 IDT(212)와 제 2 출력 IDT(214) 사이의 제 2 지연선 구간(226)을 포함할 수 있다.
본 실시예의 경우, 각각의 SAW 센서부(210, 220)마다 2개의 입력 IDT(211, 212, 221, 222)가 배치되어 있다. 예를 들어 제 1 SAW 센서부(210)에 대해 설명하자면, 제 1 입력 IDT(211)에서 발생하여 제 1 지연선 구간(215)을 지나 제 1 출력 IDT(213)에 도달하는 표면 탄성파와 제 1 입력 IDT(211)에서 발생하여 제 2 입력 IDT(212)와 제 2 지연선 구간(216)을 지나 제 2 출력 IDT(214)에서 반사된 후 제 1 출력 IDT(213)에 도달하는 표면 탄성파 사이에 간섭이 발생할 수 있다. 또한, 제 1 입력 IDT(211)에서 발생하여 제 2 입력 IDT(212)와 제 2 지연선 구간(216)을 지나 제 2 출력 IDT(214)에 도달하는 표면 탄성파와 제 2 입력 IDT(212)에서 발생하여 제 2 출력 IDT(214)에 도달하는 표면 탄성파 사이에도 간섭이 발생할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 이러한 간섭을 방지하기 위하여 제 1 입력 IDT(211)에서 발생한 표면 탄성파와 제 2 입력 IDT(212)에서 발생한 표면 탄성파가 제 1 입력 IDT(211)와 제 2 입력 IDT(212) 사이의 공간에서 상쇄되도록 한다. 예를 들어, 제 1 입력 IDT(211)에서 발생한 표면 탄성파와 제 2 입력 IDT(212)에서 발생한 표면 탄성파가 서로 180도의 위상차를 갖도록, 제 1 및 제 2 입력 IDT(211, 212)를 구성할 수 있다. 그러면, 제 1 및 제 2 입력 IDT(211, 212)에서 각각 발생한 표면 탄성파가 제 2 및 제 1 출력 IDT(214, 213)로 전달되기 전에 두 입력 IDT(211, 212) 사이의 구간에서 서로 상쇄되어 소멸될 수 있다. 그 결과, 제 1 입력 IDT(211)에서 발생한 표면 탄성파는 제 1 출력 IDT(213)에만 도달하게 되고, 제 2 입력 IDT(212)에서 발생한 표면 탄성파는 제 2 출력 IDT(214)에만 도달하게 될 수 있다. 이러한 구성에서 두 입력 IDT(211, 212)에서 발생한 표면 탄성파가 정확하게 상쇄될 수 있도록, 제 1 입력 IDT(211)와 제 2 입력 IDT(212)는 동시에 ON/OFF 된다.
입력 IDT(211, 212)에서 발생하는 표면 탄성파의 위상은 입력 IDT(211, 212)의 핑거들의 배치 관계 및 인가되는 전압의 극성에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 도 6a를 참조하면, 제 1 입력 IDT(211)와 제 2 입력 IDT(212)는 서로 선대칭 관계에 있도록 배치될 수 있다. 즉, 도면에서 볼 때, 제 1 및 제 2 입력 IDT(211, 212)의 우측 전극에 있는 핑거가 선두에 배치될 수 있다. 도시되지는 않았지만, 제 1 및 제 2 입력 IDT(211, 212)의 좌측 전극에 있는 핑거가 선두에 배치되는 것도 가능하다. 이 경우에, 제 1 입력 IDT(211)와 제 2 입력 IDT(212)의 같은 쪽에 있는 전극에 동일한 극성의 전압이 인가되면, 서로 180도의 위상차를 갖는 표면 탄성파가 제 1 입력 IDT(211)와 제 2 입력 IDT(212)에서 각각 발생할 수 있다. 예컨대, 도 6a에는 제 1 입력 IDT(211)와 제 2 입력 IDT(212)의 우측 전극에 (+) 전압이 인가되고, 좌측 전극에 (-) 전압이 인가되는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 반대로 제 1 입력 IDT(211)와 제 2 입력 IDT(212)의 우측 전극에 (-) 전압이 인가되고, 좌측 전극에 (+) 전압이 인가될 수도 있다.
또한, 도 6b를 참조하면, 제 1 입력 IDT(211)와 제 2 입력 IDT(212)는 서로 회전대칭 관계에 있도록 배치될 수 있다. 예컨대, 도 6b에 도시된 바와 같이, 제 1 입력 IDT(211)의 우측 전극에 있는 핑거가 선두에 배치되고 제 2 입력 IDT(212)의 좌측 전극에 있는 핑거가 선두에 배치될 수 있다. 반대로, 제 1 입력 IDT(211)의 좌측 전극에 있는 핑거가 선두에 배치되고 제 2 입력 IDT(212)의 우측 전극에 있는 핑거가 선두에 배치될 수도 있다. 이 경우, 상기 제 1 입력 IDT(211)와 제 2 입력 IDT(212)의 같은 쪽에 있는 전극에 반대 극성의 전압이 인가되면, 서로 180도의 위상차를 갖는 표면 탄성파가 제 1 입력 IDT(211)와 제 2 입력 IDT(212)에서 각각 발생할 수 있다. 예컨대, 도 6b에는 제 1 입력 IDT(211)의 우측 전극에 (+) 전압이 인가되고, 제 2 입력 IDT(212)의 우측 전극에 (-) 전압이 인가되는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 이와 반대로 제 1 입력 IDT(211)의 우측 전극에 (-) 전압이 인가되고, 제 2 입력 IDT(212)의 우측 전극에 (+) 전압이 인가될 수도 있다.
한편, 제 1 입력 IDT(211)와 제 2 입력 IDT(212) 중에서 어느 하나만이 ON되는 경우를 대비하여, 도 1 및 도 4에 도시된 실시예와 마찬가지로, 제 1 지연선 구간(215)과 제 2 지연선 구간(216)의 길이가 서로 다르도록 구성할 수 있다. 도 5를 참조하면, 제 1 입력 IDT(221)와 제 2 입력 IDT(222) 사이의 거리는 d이며, 제 1 입력 IDT(221)와 제 1 출력 IDT(223) 사이의 제 1 지연선 구간(225)의 길이는 D2이고, 제 2 입력 IDT(222)와 제 2 출력 IDT(224) 사이의 제 2 지연선 구간(226)의 길이는 D1이다. 이렇게, 입력 IDT(221, 222)들 사이의 거리, 제 1 지연선 구간(225)의 길이, 및 제 2 지연선 구간(226)의 길이를 모두 다르게 함으로써, 원하지 않는 반사파에 의한 간섭을 최소화하는 것이 가능하다. 이 경우, 제 1 입력 IDT(211)와 제 2 입력 IDT(212)가 동시에 ON된 경우에도, 상쇄되지 않고 남은 잔여 표면 탄성파의 반사에 의한 영향을 최소화할 수 있다. 또한, 도 4의 실시예와 마찬가지로, 인접한 SAW 센서부(210, 220)들에서 제 1 지연선 구간(215, 225)들의 길이와 제 2 지연선 구간(216, 226)들의 길이가 서로 바뀌도록 구성될 수 있다.
도 7 내지 도 10은 상술한 SAW 배열 센서(100, 200)의 동작 특성을 예시적으로 설명하기 위한 도면이다. 도 7은 도 4에 도시된 SAW 배열 센서(100)의 동작 특성을 확인하기 위한 배치를 개략적으로 보이는 평면도이며, 도 8은 도 7에 도시된 배치에 따른 SAW 배열 센서(100)의 동작 특성을 보이는 그래프이다. 또한, 도 9는 도 5에 도시된 SAW 배열 센서(200)의 동작 특성을 확인하기 위한 배치를 개략적으로 보이는 평면도이며, 도 10은 도 9에 도시된 배치에 따른 SAW 배열 센서(200)의 동작 특성을 보이는 그래프이다.
도 7을 참조하면, 입력 IDT(111)와 제 1 출력 IDT(112) 사이에 네트워크 분석기(network analyzer)를 연결하여, 입력 IDT(111)로부터 제 1 출력 IDT(112)에 도달하는 표면 탄성파의 삽입 손실을 측정한다. 예컨대, 제 2 출력 IDT(112)에서의 반사파에 의한 영향을 확인하기 위하여, 먼저 입력 IDT(111)와 제 2 출력 IDT(113) 사이의 제 2 지연선 구간(115)에 아무것도 놓지 않고 삽입 손실을 측정한 다음, 제 2 지연선 구간(115)에 소정의 질량을 갖는 물체를 올려 놓고 입력 IDT(111)과 제 1 출력 IDT(122) 사이의 삽입 손실을 측정하였다. 도 8은 그 결과를 보이는 그래프이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 제 2 지연선 구간(115)에서 질량이 증가하기 전과 후에 두 번째 피크인 TTE 신호의 변화가 없다. 따라서, 제 2 지연선 구간(115)을 통과하는 반사파에 의한 간섭을 효과적으로 제거함으로써, 제 2 지연선 구간(115)에서의 변화가 제 1 지연선 구간(114)에서의 변화를 측정하는데 영향을 주지 않는다는 것을 알 수 있다.
또한, 도 9를 참조하면, 제 1 입력 IDT(211)와 제 1 출력 IDT(213) 사이에 네트워크 분석기(network analyzer)를 연결하여, 제 1 입력 IDT(211)로부터 제 1 출력 IDT(213)에 도달하는 표면 탄성파의 삽입 손실을 측정한다. 여기서, 제 2 입력 IDT(212) 및 제 2 지연선 구간(216)을 지나는 표면 탄성파에 의한 영향을 확인하기 위하여, 먼저 제 2 지연선 구간(216)에 아무것도 놓지 않고 삽입 손실을 측정한 다음, 제 2 지연선 구간(216)에 소정의 질량을 갖는 물체를 올려 놓고 제 1 입력 IDT(211)과 제 1 출력 IDT(213) 사이의 삽입 손실을 측정하였다. 도 10은 그 결과를 보이는 그래프이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 이 경우에도 역시 제 2 지연선 구간(216)에서 질량이 증가하기 전과 후에 두 번째 피크인 TTE 신호의 변화가 거의 없다. 따라서, 제 2 입력 IDT(212)에서 발생한 표면 탄성파 또는 제 2 지연선 구간(216)을 통과하는 반사파에 의한 간섭을 효과적으로 제거함으로써, 제 2 지연선 구간(216)에서의 변화가 제 1 지연선 구간(215)에서의 변화를 측정하는데 영향을 주지 않는다는 것을 알 수 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 SAW 배열 센서에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
10.....기판
11, 111, 121, 211, 212, 221, 222.....입력 IDT
12, 13, 112, 113, 122, 123, 213, 214, 223, 224.....출력 IDT
14, 15, 114, 115, 124, 125, 215, 216, 225, 226.....지연선 구간
100, 200.....SAW 배열 센서
110, 120, 210, 220.....SAW 센서부
11, 111, 121, 211, 212, 221, 222.....입력 IDT
12, 13, 112, 113, 122, 123, 213, 214, 223, 224.....출력 IDT
14, 15, 114, 115, 124, 125, 215, 216, 225, 226.....지연선 구간
100, 200.....SAW 배열 센서
110, 120, 210, 220.....SAW 센서부
Claims (19)
- 입력 IDT;
상기 입력 IDT의 양측에 각각 배치된 제 1 및 제 2 출력 IDT;
상기 입력 IDT와 상기 제 1 출력 IDT 사이의 제 1 지연선 구간; 및
상기 입력 IDT와 상기 제 2 출력 IDT 사이의 제 2 지연선 구간;을 포함하며,
상기 제 1 및 제 2 지연선 구간은 서로 다른 길이를 갖고,
상기 입력 IDT, 제 1 및 제 2 출력 IDT, 및 제 1 및 제 2 지연선 구간은 표면 탄성파의 진행 방향을 따라 동일 선상에 배열되어 있으며,
상기 제 1 출력 IDT는, 상기 입력 IDT로부터의 표면 탄성파가 상기 제 1 출력 IDT에 의해 반사 된 후 상기 입력 IDT에서 반사된 다음 다시 상기 제 1 출력 IDT에 도달하는 신호를 측정하도록 구성되는 SAW 배열 센서. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 지연선 구간 내에는 시료 내의 표적 물질과 특이적인 결합을 갖는 수용체가 각각 배치되어 있는 SAW 배열 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 SAW 배열 센서는 하나의 압전성 기판 상에 배열된 다수의 SAW 센서부들을 포함하며,
상기 다수의 SAW 센서부는 표면 탄성파의 진행 방향을 따라 동일 선상에 배치되어 있는 상기 입력 IDT, 제 1 및 제 2 출력 IDT, 및 제 1 및 제 2 지연선 구간을 각각 포함하는 SAW 배열 센서. - 제 4 항에 있어서,
상기 다수의 SAW 센서부들은 표면 탄성파의 진행 방향에 수직한 방향을 따라 배열되어 있는 SAW 배열 센서. - 제 4 항에 있어서,
상기 다수의 SAW 센서부들의 제 1 및 제 2 지연선 구간 내에는 시료 내의 표적 물질과 특이적인 결합을 갖는 수용체가 각각 배치되어 있는 SAW 배열 센서. - 제 4 항에 있어서,
인접한 SAW 센서부들에서 상기 제 1 지연선 구간들의 길이와 제 2 지연선 구간들의 길이가 서로 바뀌도록 구성된 SAW 배열 센서. - 마주하여 배치된 제 1 및 제 2 입력 IDT;
상기 제 1 입력 IDT의 측면에 인접하여 배치된 제 1 출력 IDT;
상기 제 2 입력 IDT의 측면에 인접하여 배치된 제 2 출력 IDT;
상기 제 1 입력 IDT와 상기 제 1 출력 IDT 사이의 제 1 지연선 구간; 및
상기 제 2 입력 IDT와 상기 제 2 출력 IDT 사이의 제 2 지연선 구간;을 포함하며,
상기 제 1 입력 IDT에서 발생한 표면 탄성파와 상기 제 2 입력 IDT에서 발생한 표면 탄성파가 상기 제 1 입력 IDT와 제 2 입력 IDT 사이에서 상쇄되도록, 상기 제 1 입력 IDT에서 발생한 표면 탄성파와 상기 제 2 입력 IDT에서 발생한 표면 탄성파는 서로 180도의 위상차를 가지며,
상기 제 1 및 제 2 입력 IDT, 제 1 및 제 2 출력 IDT, 및 제 1 및 제 2 지연선 구간은 표면 탄성파의 진행 방향을 따라 동일 선상에 배열되어 있으며,
상기 제 1 출력 IDT는, 상기 제 1 입력 IDT로부터의 표면 탄성파가 상기 제 1 출력 IDT에 의해 반사 된 후 상기 제 1 입력 IDT에서 반사된 다음 다시 상기 제 1 출력 IDT에 도달하는 신호를 측정하도록 구성되는 SAW 배열 센서. - 제 8 항에 있어서,
제 1 입력 IDT와 제 2 입력 IDT는 서로 선대칭 관계에 있도록 배치되어 있으며, 제 1 입력 IDT와 제 2 입력 IDT의 같은 쪽에 있는 전극에 동일한 극성의 전압이 인가되는 SAW 배열 센서. - 제 8 항에 있어서,
제 1 입력 IDT와 제 2 입력 IDT는 서로 회전대칭 관계에 있도록 배치되어 있으며, 제 1 입력 IDT와 제 2 입력 IDT의 같은 쪽에 있는 전극에 반대 극성의 전압이 인가되는 SAW 배열 센서. - 제 8 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 지연선 구간은 서로 다른 길이를 갖는 SAW 배열 센서. - 제 8 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 지연선 구간 내에는 시료 내의 표적 물질과 특이적인 결합을 갖는 수용체가 각각 배치되어 있는 SAW 배열 센서. - 삭제
- 제 8 항에 있어서,
상기 SAW 배열 센서는 하나의 압전성 기판 상에 배열된 다수의 SAW 센서부들을 포함하며,
상기 다수의 SAW 센서부는 표면 탄성파의 진행 방향을 따라 동일 선상에 배치되어 있는 상기 제 1 및 제 2 입력 IDT, 제 1 및 제 2 출력 IDT, 및 제 1 및 제 2 지연선 구간을 각각 포함하는 SAW 배열 센서. - 제 14 항에 있어서,
상기 다수의 SAW 센서부들은 표면 탄성파의 진행 방향에 수직한 방향을 따라 배열되어 있는 SAW 배열 센서. - 제 14 항에 있어서,
상기 다수의 SAW 센서부들의 제 1 및 제 2 지연선 구간 내에는 시료 내의 표적 물질과 특이적인 결합을 갖는 수용체가 각각 배치되어 있는 SAW 배열 센서. - 제 14 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 지연선 구간은 서로 다른 길이를 갖는 SAW 배열 센서. - 제 14 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 입력 IDT들 사이의 거리, 상기 제 1 지연선 구간의 길이, 및 상기 제 2 지연선 구간의 길이가 모두 서로 다른 SAW 배열 센서. - 제 17 항 또는 제 18 항에 있어서,
인접한 SAW 센서부들에서 상기 제 1 지연선 구간들의 길이와 제 2 지연선 구간들의 길이가 서로 바뀌도록 구성된 SAW 배열 센서.
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