KR102378779B1 - 생체 센싱을 위한 공진기 조립체 및 전자기파를 이용한 바이오 센서 - Google Patents

생체 센싱을 위한 공진기 조립체 및 전자기파를 이용한 바이오 센서 Download PDF

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Abstract

일 실시예에 따른 전자기파를 이용한 바이오 센서는 공진기 조립체, 전력 공급부, 및 프로세서를 포함할 수 있다. 공진기 조립체는 급전 영역의 외곽을 따라 배치되어 상기 급전 영역으로 전력을 피딩 가능한 적어도 하나의 급전선 및 상기 급전 영역 내에 패턴을 따라 배치되고, 용량성 결합을 통해 상기 급전선으로부터 전력을 수신 가능한 패턴 도선을 포함할 수 있다. 전력 공급부는 상기 공진기 조립체로 전력을 공급할 수 있다. 프로세서는 상기 전력의 주파수가 스윕(sweep)되는 동안, 상기 공진기 조립체의 주변에 존재하는 대상 피분석물의 농도에 대응하는 생체 데이터로서, 상기 공진기 조립체의 공진 주파수와 연관된 파라미터를 획득할 수 있다.

Description

생체 센싱을 위한 공진기 조립체 및 전자기파를 이용한 바이오 센서{RESONATOR ASSEMBLY FOR BIO SENSING AND BIO SENSOR USING ELECTROMAGNETIC WAVE}
이하, 생체 센싱을 위한 공진기 조립체 및 전자기파를 이용한 바이오 센서가 제공된다.
최근 현대인들은 식생활습관 서구화로 인해 당뇨병, 고지혈증, 혈전환자 등 소위 성인 질환으로 고통받는 사람들이 늘고 있다. 이러한 성인 질환의 경중 여부를 알 수 있는 간단한 방법은 혈액 내의 생체 성분 측정이다. 생체 성분 측정은 혈당, 빈혈, 혈액응고 등 혈중에 포함된 여러 가지 성분의 양을 알 수 있어 특정 성분의 수치가 정상 영역에 있는지, 비정상 영역에 있는지 일반인도 병원에 가지 않고 쉽게 이상 여부의 판단이 가능하다는 장점이 있다.
생체 성분 측정의 손쉬운 방법 중 하나는 손가락 끝에서 채혈한 혈액을 테스트 스트립에 주입 후 전기화학적 혹은 광도법을 이용하여 출력신호를 정량 분석하는 것인데, 이러한 방법은 측정기에서 해당 성분량이 디스플레이될 수 있으므로 전문지식이 없는 일반인에게 적합하다.
바이오 센서는 스마트 기기와 결합되어 사용될 수도 있는데, 바이오 센서에 의해 센싱되는 데이터의 오류 여부를 정확하게 판별하는 기술이 요구된다.
일 실시예에 따른 바이오 센서는 전자기파를 이용하여 피분석물의 농도를 센싱할 수 있다.
일 실시예에 따른 바이오 센서는 메타표면을 이용하여 피분석물의 농도를 센싱할 수 있다.
일 실시예에 따른 바이오 센서는 상대 유전율을 이용하여 피분석물의 농도를 센싱할 수 있다.
일 실시예에 따른 공진기 조립체(resonator assembly)는 일면에서 급전 영역의 외곽을 따라 배치되어 상기 급전 영역으로 전력을 피딩 가능한 적어도 하나의 급전선(feeding line); 및 상기 일면에서 상기 급전 영역 내에 패턴을 따라 배치되고, 용량성 결합을 통해 상기 급전선으로부터 전력을 수신 가능한 패턴 도선(pattern wire)를 포함할 수 있다.
상기 공진기 조립체의 공진 주파수는, 상기 공진기 조립체의 주변에 존재하는 대상 피분석물(target analyte)의 농도에 따라 달라질 수 있다.
공진기 조립체는 상기 일면을 따라 상기 급전 영역 내에 배치되는 폐루프 도선(closed-loop wire)을 더 포함하고, 상기 패턴 도선은, 상기 폐루프 도선에 의해 정의되는 내부 영역에 배치되며, 상기 폐루프 도선을 경유하여 상기 급전선과 용량성 결합을 형성할 수 있다.
상기 폐루프 도선에서 상기 급전선의 일부에 인접한 파트는, 상기 급전선의 일부와 같은 형태로 평행하게 이격되어 배치될 수 있다.
상기 폐루프 도선은, 다각형 및 원형(circular shape) 중 한 형태일 수 있다.
상기 패턴 도선은, 상기 일면에서 상기 적어도 하나의 급전선(feeding line)과 인접하게 배치되어 용량성 결합(capacitive coupling)을 형성하는 제1 결합 부분(first coupling portion); 상기 일면에서 상기 급전선, 폐루프 도선, 및 추가 패턴 도선 중 적어도 하나와 인접하게 배치되어 용량성 결합을 형성하는 제2 결합 부분; 및 상기 일면에서 상기 제1 결합 부분 및 상기 제2 결합 부분을 패턴을 따라 연결하는 연결 부분(connecting portion)을 포함할 수 있다.
상기 연결 부분은, 상기 제1 결합 부분 및 상기 제2 결합 부분을 가로지르는 가상의 선을 기준으로 서로 반대편에 배치되는 제1 파트(first part) 및 제2 파트(second part)를 포함할 수 있다.
상기 제1 파트 및 상기 제2 파트는 상기 제1 결합 부분으로부터 상기 제2 결합 부분까지 교대로 배치될 수 있다.
상기 제1 파트 및 상기 제2 파트는 상기 일면 상에서 점대칭 형상을 가질 수 있다.
상기 연결 부분은, 사인파 형태(sinusoidal shape), 톱니 형태(sawtooth shape), 장방 형태(rectangular shape), 삼각 형태(triangular shape) 중 한 형태의 패턴을 따라 배치될 수 있다.
공진기 조립체는 상기 패턴 도선 및 상기 급전선 중 적어도 하나와 용량성 결합을 형성 가능하게 상기 일면에 배치되는 하나 이상의 추가 패턴 도선을 더 포함할 수 있다.
공진기 조립체는 상기 패턴 도선 및 상기 하나 이상의 추가 패턴 도선은 메타표면(meta surface, MTS)을 형성할 수 있다.
상기 패턴 도선 및 상기 하나 이상의 추가 패턴 도선은, 서로 동일한 형태의 패턴으로 배치될 수 있다.
공진기 조립체는 상기 일면에서 상기 패턴 도선 및 상기 하나 이상의 추가 패턴 도선의 각각을 개별적으로 둘러싸는 복수의 폐루프 도선들을 더 포할 수 있다.
상기 하나 이상의 추가 패턴 도선은, 상기 패턴 도선을 기준으로 일축을 따라 이격되어 배치될 수 있다.
상기 일면은, 원통형 지지 부재(cylindrical support member)의 측면(side)을 따라 배치되는 곡면일 수 있다.
상기 적어도 하나의 급전선은, 상기 일면에 배치되고, 양단에 다른 소자와 연결되는 포트를 포함하는 제1 급전선; 및 상기 일면에서 상기 제1 급전선으로부터 이격되어 배치되고, 양단에 다른 소자와 연결되는 포트를 포함하는 제2 급전선을 포함하고, 상기 급전 영역은, 상기 제1 급전선 및 상기 제2 급전선 사이의 영역일 수 있다.
상기 적어도 하나의 급전선은, 전력을 수신하는 포트를 포함하는 단일 급전선으로 구성되고, 상기 급전 영역은, 상기 단일 급전선에 의해 둘러싸이는 영역일 수 있다.
일 실시예에 따른 전자기파를 이용한 바이오 센서는 급전 영역의 외곽을 따라 배치되어 상기 급전 영역으로 전력을 피딩 가능한 적어도 하나의 급전선 및 상기 급전 영역 내에 패턴을 따라 배치되고, 용량성 결합을 통해 상기 급전선으로부터 전력을 수신 가능한 패턴 도선을 포함하는 공진기 조립체; 상기 공진기 조립체로 전력을 공급하는 전력 공급부; 및 상기 전력의 주파수가 스윕(sweep)되는 동안, 상기 공진기 조립체의 주변에 존재하는 대상 피분석물의 농도에 대응하는 생체 데이터로서, 상기 공진기 조립체의 공진 주파수와 연관된 파라미터를 획득하는 프로세서를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 바이오 센서는 전자기파를 이용함으로써 사용자의 고통 없이 비침습적으로 피분석물을 센싱할 수 있다.
일 실시예에 따른 바이오 센서는 메타표면을 이용하여 피분석물에 대해 높은 감도로 정확하게 농도를 센싱할 수 있다.
일 실시예에 따른 바이오 센서는, 피분석물의 농도에 상대 유전율이 대응하므로, 공진 주파수를 산출함으로써 낮은 연산 복잡도로 피분석물의 농도를 결정할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 전자기파를 이용한 바이오 센싱 시스템을 도시한다.
도 2, 도 3a 및 도 3b는 일 실시예에 따른 전자기파를 이용한 바이오 센서를 위한 공진기 조립체를 도시한다.
도 4 내지 도 6은 일 실시예에 따른 패턴 도선의 예시들을 도시한다.
도 7 내지 도 12는 일 실시예에 따른 공진기 조립체의 추가적인 예시들을 도시한다.
도 13은 일 실시예에 따른 전자기파를 이용한 바이오 센서의 2포트 예시를 도시한다.
도 14는 일 실시예에 따른 전자기파를 이용한 바이오 센서의 1포트 예시를 도시한다.
도 15 내지 도 17은 일 실시예에 따른 전자기파를 이용한 바이오 센서의 산란 파라미터 및 대상 피분석물 농도 간의 관계를 설명한다.
도 18은 일 실시예에 따른 전자기파를 이용한 바이오 센서의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 19는 일 실시예에 따른 전자기파를 이용한 바이오 센서의 예시적인 어플리케이션을 도시한다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 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.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 전자기파를 이용한 바이오 센싱 시스템을 도시한다.
일 실시예에 따른 전자기파를 이용한 바이오 센싱 시스템(100)은 바이오 센서(110) 및 외부 장치(120)를 포함할 수 있다.
바이오 센서(110)는 전자기파를 이용하여 대상 피분석물(target analyte)(193)을 센싱하는 센서일 수 있다. 대상 피분석물(193)은 생체(living body)와 연관된 물질(material)로서, 생체 물질(analyte)이라고도 나타낼 수 있다. 참고로, 본 명세서에서 대상 피분석물(193)은 주로 혈당으로 설명하였으나, 이로 한정하는 것은 아니다.
바이오 센서(110)는 피부(191) 아래의 피하층(192)에 삽입 및/또는 이식(implanted)될 수 있다. 피하에 이식된 바이오 센서(110)는 혈관(194) 및 피하층(192)에 존재하는 대상 피분석물(193)을 전자기파를 이용하여 모니터링할 수 있다. 예를 들어, 바이오 센서(110)는 후술하는 공진기 조립체의 공진 주파수와 연관된 파라미터를 측정할 수 있다. 본 명세서에서 파라미터는 바이오 센서를 해석하기 위해 사용되는 회로망 파라미터(circuit network parameter)를 나타낼 수 있고, 아래에서는 설명의 편의를 위해 주로 산란 파라미터를 예로 들어 설명하나 이로 한정하는 것은 아니다. 파라미터로서 예를 들어, 어드미턴스 파라미터, 임피던스 파라미터, 하이브리드 파라미터, 및 전송 파라미터 등이 사용될 수도 있다. 공진기 조립체의 공진 주파수는, 공진기 조립체의 주변에 존재하는 대상 피분석물(193)의 농도에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 공진 주파수는 하기 수학식 1과 같이 공진기 조립체의 커패시턴스 및 인덕턴스로 표현될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112020045299072-pat00001
상술한 수학식 1에서 f는 공진기 조립체의 공진 주파수, L은 공진기 조립체의 인덕턴스, C는 공진기 조립체의 커패시턴스를 나타낼 수 있다. 공진기 조립체의 커패시턴스 C는 아래 수학식 2와 같이 상대 유전율(relative dielectric constant)
Figure 112020045299072-pat00002
에 비례할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112020045299072-pat00003
공진기 조립체의 상대 유전율은 주변의 대상 피분석물(193)의 농도에 의해 영향을 받을 수 있다. 대상 피분석물(193)의 농도 변화에 따라 공진기 조립체의 상대 유전율이 변하므로, 공진기 조립체의 공진 주파수도 함께 변화한다. 따라서, 일 실시예에 따른 전자기파를 이용한 바이오 센싱 시스템(100)은 바이오 센서(110)의 공진기 조립체의 공진 주파수에 기초하여 대상 피분석물(193)의 농도를 결정할 수 있다.
참고로, 일 실시예에 따른 공진기 조립체는 대상 피분석물(193)의 센싱을 위해 설계될 수 있다. 예를 들어, 도 2 및 도 3a에서 후술하는 구조의 공진기 조립체는, 대상 피분석물(193)의 농도 변화에 따라 변화하는 공진 주파수에 대해 상대적으로 높은 Q 팩터(Q-factor)를 가질 수 있다. 다시 말해, 대상 피분석물(193)의 농도 변화에 따른 공진 주파수 변화 범위 내에서, 공진기 조립체의 산란 파라미터(scattering parameter)(이하, 'S 파라미터')에 대응하는 주파수 응답 특성(frequency response characteristic)이 상대적으로 뾰족(sharp)한 곡선을 나타낼 수 있다. 공진기 조립체는 대상 피분석물(193)의 농도 변화에 따른 상대 유전율 변화에 대해 높은 민감도를 나타낼 수 있다. 따라서, 일 실시예에 따른 바이오 센서(110)는 공진기 조립체의 공진 주파수를 정확하게 결정할 수 있고, 더 나아가 공진 주파수에 대응하는 대상 피분석물(193)의 농도도 정확하게 추정할 수 있다.
예를 들어, 대상 피분석물(193)이 혈당(glucose)인 경우 공진기 조립체는 아래 표 1과 같은 상세(specification)를 가지도록 설계될 수 있다. 다만, 이는 순전히 예시적인 것으로서, 이로 한정하는 것은 아니다.
파라미터 최소값 전형적인 값 최대값 단위 대상 물질/
대상 범위
동작 주파수 대역
(Operating frequency Band)		 2.0 2.45 3.0 GHz 혈당
공진 피크 (Resonant peak)(S11)(Typical) -30 dB 혈당
유전율에 대한 감도(Sensitivity) 4 MHz @ per100㎎/㎗
MARD (Mean Absolute Relative Deviation) 8.5 %
일 실시예에 따른 전자기파를 이용한 바이오 센서(110)는 외부 장치(120)와 무선으로 통신을 수립할 수 있다. 바이오 센서(110)는 대상 피분석물(193)의 농도에 대응하는 생체 데이터를 획득 및 수집할 수 있고, 생체 데이터를 외부 장치(120)로 전송할 수 있다. 생체 데이터는 대상 피분석물(193)의 농도 및/또는 양과 관련된 데이터로서, 예를 들어, 상술한 바와 같이 공진기 조립체의 공진 주파수와 연관된 파라미터일 수 있다. 다만, 이로 한정하는 것은 아니고, 생체 데이터는 피분석물의 농도에 대응하는 공진 주파수, 공진 주파수를 산출하기 위한 산란 파라미터, 및 산란 파라미터에 대응하는 주파수 응답 특성 등을 포함할 수도 있다. 바이오 센서(110)는 무선 통신을 통해 외부 장치(120)로 생체 데이터를 전송할 수 있다. 더 나아가, 바이오 센서(110)는 외부 장치(120)로부터 전력을 무선으로 공급 받을 수 있다. 바이오 센서(110)는 무선 전송된 전력을 이용하여 생체 데이터를 모니터링할 수 있다.도 2, 도 3a 및 도 3b는 일 실시예에 따른 전자기파를 이용한 바이오 센서를 위한 공진기 조립체를 도시한다.
도 2는 예시적인 공진기 조립체(210)를 도시한다.
일 실시예에 따른 공진기 조립체(210)는 급전선(211)(feeding line), 폐루프 도선(213)(closed loop wire), 및 패턴 도선(212)(pattern wire)을 포함할 수 있다.
급전선(211)은 일면(250)에서 급전 영역의 외곽을 따라 배치되어 급전 영역으로 전력을 피딩 가능한 도선(conducting wire)을 나타낼 수 있다. 일면(250)에서 급전선(211) 내부의 영역을 급전 영역이라고 나타낼 수 있다. 공진기 조립체(210)는 적어도 하나의 급전선(211)을 포함할 수 있고, 도 2는 공진기 조립체(210)가 2개의 급전선(211)들을 포함하는 예시를 도시한다. 급전선(211)들이 2개인 경우, 급전선(211)들 사이의 영역이 급전 영역일 수 있다. 도 2에서는 두 급전선(211)들이 각각 상측에 제1 포트(291), 하측에 제2 포트(292)를 가지는 2 포트 구조가 도시되었다. 다만, 이로 한정하는 것은 아니고, 1 포트 구조의 예시는 하기 도 14에서 설명한다.
폐루프 도선(213)은 일면(250)을 따라 급전 영역 내에 배치될 수 있다. 폐루프 도선(213)에 의해 정의되는 내부 영역 내에 후술하는 패턴 도선(212)이 배치될 수 있다. 폐루프 도선(213)은, 다각형(예를 들어, 사각형(rectangular shape)) 및 원형(circular shape) 중 한 형태일 수 있다. 도 2에서는 사각형인 예시를 설명한다. 폐루프 도선(213)은 급전선(211)과 용량성 결합을 형성하고, 급전선(211)으로부터 전력을 급전받을 수 있다. 폐루프 도선(213)에서 급전선(211)의 일부에 인접한 파트(213a, 213b)는, 급전선(211)의 일부와 같은 형태로 평행하게 이격되어 배치될 수 있다. 폐루프 도선(213)은 소형화된 폼 팩터 내에서도 임피던스 매칭을 제공할 수 있다. 따라서 폐루프 도선(213)이 없는 경우에 목표 공진 주파수(예를 들어, 대상 피분석물에 대응하는 공진 주파수)를 달성하기 위해 요구되는 면적보다, 폐루프 도선(213)을 갖는 공진기 조립체(210)는 보다 적은 면적으로 목표 공진 주파수를 나타낼 수 있다.
패턴 도선(212)은 일면(250)에서 급전 영역 내에 패턴을 따라 배치되고, 용량성 결합을 통해 급전선(211)으로부터 전력을 수신 가능한 도선을 나타낼 수 있다. 패턴 도선(212)은 패턴에 따른 인덕턴스 성분을 나타낼 수 있다. 패턴 도선(212)은 급전선(211)과 용량성 결합을 형성할 수 있다. 예를 들어, 패턴 도선(212)의 파트들(212a, 212b)은 각각 급전선(211)에서 인접한 파트들(211a, 211b)와 용량성 결합을 형성할 수 있다. 또한, 패턴 도선(212)은 폐루프 도선(213)을 경유하여 급전선(211)과 용량성 결합을 형성할 수 있다. 예를 들어, 패턴 도선(212)의 파트들(212a, 212b)는 각각 폐루프 도선(213)에서 인접한 파트들(213a, 213b)과 용량성 결합을 형성할 수 있다. 패턴 도선(212)의 다양한 형태는 하기 도 4 내지 도 6에서 설명한다.
참고로, 도 2에 도시된 예시적인 공진기 조립체(210) 구조는 높이 h=26mm, 폭 w=14mm로 설계될 수 있으나, 이로 한정하지는 않는다. 또한, 도 2에 도시된 공진기 조립체(210)가 배치되는 일면(250)이 평면으로 도시되었으나, 이로 한정하는 것은 아니다. 아래 도 3a에서는 공진기 조립체(210)가 곡면에 배치되는 예시를 설명한다.
도 3a 및 도 3b는 공진기 조립체가 배치되는 일면이 곡면으로서 원통의 측면을 따라 배치되는 예시를 설명한다.
도 3a에 도시된 공진기 조립체(310)는 도 2에 도시된 공진기 조립체(210)와 동일한 구조이고, 곡면(350)을 따라 배치될 수 있다. 공진기 조립체(310)의 표면전류분포(390)도 함께 도시된다. 표면전류분포(390)의 단위는 A/m로 표시된다. 공진기 조립체(310) 및 표면전류분포(390)에서, 공진기 조립체(310)의 길이축이 y축으로 도시되었다. 원통형 구조에서도 공진기 조립체(310)는 주변의 대상 피분석물의 농도에 대해 높은 감도로 공진 주파수가 변화할 수 있다. 도 3a에 도시된 원통형 공진기 조립체(310)의 높이 h=26mm, 원통의 직경 d=3.96mm로서 도 2에 도시된 평면형 공진기 조립체(210)보다 작은 폼 팩터(form factor)를 가질 수 있다.
도 3b는 도 3a에 도시된 공진기 조립체(310)에서 각 도선 간의 간격에 따른 공진 주파수 변화 및 Q 팩터(Q-factor) 변화를 도시한다.
공진기 조립체(310)는, 패턴 도선에서 반복되어 나타나는 패턴 및 폐루프 도선에 의해, 임피던스 성분(예를 들어, 저항 성분 및 커패시턴스 성분)을 가질 수 있고, 임피던스 성분에 따라 공진주파수가 결정될 수 있다. 또한, 공진기 조립체(310)가 복수의 폐루프 도선 중 임의의 한 폐루프 도선이 하나 이상의 폐루프 도선을 포함할 경우, 다중공진 현상이 발생할 수 있다.
패턴 도선 및 폐루프 도선의 간격에 의해 커패시턴스가 증가 또는 감소할 수 있고, 각 도선의 두께, 폭, 높이, 및 길이 등에 의해 저항이 증가 또는 감소할 수 있다. 커패시턴스 및 저항에 따라 공진기 조립체(310)의 Q 팩터도 결정될 수 있다. 아래에서는 도선 간 간격에 따른 커패시턴스 변화 및 그에 따른 공진 주파수 변화를 설명한다.
일 실시예에 따르면, 공진기 조립체(310)의 커패시턴스는 각 도선 간의 간격에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 곡면(350)을 따라 배치된 공진기 조립체(310)에서, 제1 급전선 중 길이 방향(예를 들어, y축 방향)에 대응하는 부분 및 제2 급전선 중 길이 방향에 대응하는 부분 간의 간격(303)(이하, '급전선 간 간격')에 따라 공진기 조립체(310)의 커패시턴스가 달라질 수 있다. 급전선 간 간격(303)이 감소하면, 공진기 조립체(310)의 커패시턴스가 증가할 수 있다. 따라서 수학식 1에 따라 급전선 간 간격(303)의 감소에 의해, 공진기 조립체(310)의 공진 주파수가 낮아지고, Q 팩터는 높아질 수 있다. 다시 말해, 공진기 조립체(310)의 공진 주파수에서의 주파수 응답 특성이 뾰족(sharp)해질 수 있다. 예시적으로 도 3b에서는 급전선 간 간격(303)이 제1 간격인 경우의 주파수 응답 특성에 따른 제1 공진 지점(393a), 제2 간격인 경우의 주파수 응답 특성에 따른 제2 공진 지점(393b), 및 제3 간격인 경우의 주파수 응답 특성에 따른 제3 공진 지점(393c)을 도시한다. 제3 간격은 제2 간격보다 좁고, 제2 간격은 제1 간격보다 좁을 수 있다. 제3 공진 지점(393c)의 공진 주파수는 제2 공진 지점(393b)의 공진 주파수보다 낮고, 제2 공진 지점(393b)의 공진 주파수는 제1 공진 지점(393a)의 공진 주파수보다 낮을 수 있다. 더 나아가, 제1 공진 지점(393a)으로부터 제3 공진 지점(393c)까지 각 공진 지점에서 감쇄 정도가 증가하는 바, 간격 감소에 의해 Q 팩터가 증가하는 것이 도시된다. 반대로, 급전선 간 간격(303)의 증가에 의해, 공진기 조립체(310)의 공진 주파수가 증가하고, Q 팩터는 낮아질 수 있다.
도 3b에서는 주로 급전선 간 간격에 따른 공진 주파수 및 Q 팩터 변화를 설명하였으나, 다른 도선 간 간격에 의해서도 공진 주파수 및 Q 팩터가 달라질 수 있다. 예를 들어, 패턴 도선 및 폐루프 도선 간의 간격(301)과 급전선 및 폐루프 도선 간의 간격(302)에 의해서도 공진 주파수 및 Q 팩터가 달라질 수 있다. 감소된 간격들(301, 302, 303)을 갖는 공진기 조립체(310)는 감소된 공진 주파수 및 증가된 Q 팩터를 나타낼 수 있다. 반대로, 증가된 간격들(301, 302, 303)을 갖는 공진기 조립체(310)는 증가된 공진 주파수 및 감소된 Q 팩터를 나타낼 수 있다.
아울러, 도 3a에 도시된 원통형 공진기 조립체(310)의 도선 간 간격에 따른 공진 주파수 변화를 설명하였으나, 이로 한정하는 것은 아니고, 도 2에 도시된 공진기 조립체(210)에서도 원통형 공진기 조립체(310)와 유사하게 도선 간 간격에 따라 공진 주파수가 변화할 수 있다.
도 4 내지 도 6은 일 실시예에 따른 패턴 도선의 예시들을 도시한다.
도 4는 사인파 형태의 패턴을 갖는 패턴 도선(420)을 설명한다.
패턴 도선(420)은 제1 결합 부분(421)(first coupling portion), 제2 결합 부분(422)(second coupling portion), 및 연결 부분(423)(connecting portion)을 포함할 수 있다.
제1 결합 부분(421) 및 제2 결합 부분(422)은 패턴 도선(420)에서 다른 도선과 용량성 결합을 형성하는 부분을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 제1 결합 부분(421)은 일면에서 적어도 하나의 급전선(feeding line)과 인접하게 배치되어 용량성 결합(capacitive coupling)을 형성할 수 있다. 제2 결합 부분(422)은 일면에서 급전선, 폐루프 도선, 및 추가 패턴 도선 중 적어도 하나와 인접하게 배치되어 용량성 결합을 형성할 수 있다. 추가 패턴 도선은 기본 패턴 도선에 더하여 추가로 배치되는 패턴 도선으로서, 하기 도 9 내지 도 11에서 설명한다. 추가 패턴 도선의 제1 결합 부분 및 제2 결합 부분은 다른 패턴 도선과 용량성 결합을 형성할 수도 있다.
예를 들어, 제1 결합 부분(421)은, 급전선에서 제1 결합 부분(421)에 인접한 파트의 형상과 동일한 형상을 가지고, 인접한 파트로부터 평행하게 이격될 수 있다. 다른 예를 들어, 제1 결합 부분(421)은, 패턴 도선이 폐루프 도선 내의 영역에 배치되는 경우, 폐루프 도선에서 제1 결합 부분(421)에 인접한 파트의 형상과 동일한 형상을 가지고, 인접한 파트로부터 평행하게 이격될 수 있다. 제2 결합 부분(422)은, 급전선, 폐루프 도선, 및 추가 패턴 도선 중 인접하게 배치된 도선에서 제2 결합 부분(422)에 인접한 파트의 형상과 동일한 형상을 가지고, 인접한 파트로부터 평행하게 이격될 수 있다.
연결 부분(423)은 일면에서 제1 결합 부분(421) 및 제2 결합 부분(422)을 패턴을 따라 연결할 수 있다. 예를 들어, 연결 부분(423)은, 제1 결합 부분(421) 및 제2 결합 부분(422)을 가로지르는 가상의 선(490)을 기준으로 서로 반대편에 배치되는 제1 파트(first part)(491) 및 제2 파트(second part)(492)를 포함할 수 있다. 제1 파트(491) 및 제2 파트(492)는 제1 결합 부분(421)으로부터 제2 결합 부분(422)까지 교대로 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 파트(491) 및 제2 파트(492)는 일면 상에서 점대칭 형상을 가질 수 있다. 도 4에 도시된 패턴 도선(420)은 사인파 형태로서 제1 파트(491) 및 제2 파트(492)는 곡선부를 포함할 수 있다. 연결 부분(423)의 패턴에 따라 공진기 조립체는 인덕턴스 성분을 가질 수 있다. 이 때, 연결 부분(423)은 급전선, 폐루프 도선, 및 다른 패턴 도선과의 용량성 결합이 방지되도록, 급전선, 폐루프 도선, 및 다른 패턴 도선으로부터 이격될 수 있다.
연결 부분(423)의 패턴을 도 4에 도시된 바로 한정하는 것은 아니고, 연결 부분(423)은 사인파 형태(sinusoidal shape), 톱니 형태(sawtooth shape), 장방 형태(rectangular shape), 삼각 형태(triangular shape) 중 한 형태의 패턴을 따라 배치될 수 있다.
도 5는 삼각 형태의 패턴을 따르는 패턴 도선을 설명한다.
패턴 도선(520)의 제1 결합 부분(521), 제2 결합 부분(522), 가상의 선(590)은 도 4와 동일하므로 설명을 생략한다. 삼각 형태의 패턴을 따르는 패턴 도선(520)은 가상의 선(590)과 교차하는 직선부들(591, 592)을 포함할 수 있다.
도 6은 장방 형태의 패턴을 따르는 패턴 도선을 설명한다.
패턴 도선(620)의 제1 결합 부분(621), 제2 결합 부분(622), 가상의 선(690)은 도 4와 동일하므로 설명을 생략한다. 장방 형태의 패턴을 따르는 패턴 도선(620)은 가상의 선(690)과 평행하면서 가상의 선(690)을 기준으로 서로 반대편에 배치되는 직선부들(691, 692)을 포함할 수 있다.
도 7 내지 도 12는 일 실시예에 따른 공진기 조립체의 추가적인 예시들을 도시한다.
도 7은 폐루프 도선이 없는 공진기 조립체의 예시를 설명한다.
일 실시예에 따른 공진기 조립체(700)는 폐루프 도선 없이 급전선 및 패턴 도선(720)을 포함할 수 있다. 도 7에서 2개의 급전선들(711, 712)은 급전 영역(719)을 정의할 수 있고, 2개의 급전선들(711, 712)의 각각은 급전 영역(719)의 외곽의 적어도 일부를 따라 배치될 수 있다.
패턴 도선(720)의 결합 부분들(721, 722)은 급전선과 용량성 결합을 형성할 수 있다. 예를 들어, 패턴 도선(720)의 제1 결합 부분(721)은 제1 급전선(711)의 파트(711a)와 용량성 결합을 형성하고, 패턴 도선(720)의 제2 결합 부분(722)은 제2 급전선(712)의 파트(712a)와 용량성 결합을 형성할 수 있다. 참고로, 도 7에서 제1 급전선(711)과 제2 급전선(712)으로 분리된 2포트 예시를 설명하였으나, 이로 한정하는 것은 아니고 제1 급전선(711) 및 제2 급전선(712) 대신 단일 급전선으로 구현될 수도 있다.
도 8은 다르게 정렬된 패턴 도선 및 하나 이상의 폐루프 도선을 포함하는 공진기 조립체를 설명한다.
일 실시예에 따른 공진기 조립체(800)에서 패턴 도선(820)은 급전선에 대해 다양하게 정렬될 수 있다. 예를 들어, 도 1 내지 도 7에서 패턴 도선(820)의 결합 부분들은 급전선의 포트들 사이의 도선에 인접하게 배치되었으나, 도 8에 도시된 패턴 도선(820)의 결합 부분들은 급전선의 포트들에 인접하게 배치될 수 있다.
또한, 공진기 조립체(800)는 하나 이상의 폐루프 도선을 포함할 수 있다. 예를 들어, 급전선들(811, 812)에 의해 정의되는 급전 영역 내에 복수의 폐루프 도선이 배치될 수 있다. 복수의 폐루프 도선들(831, 832) 중 적어도 한 폐루프 도선은 다른 폐루프 도선에 의해 정의되는 내부 영역에 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 8에서 제1 폐루프 도선(831)은 일면에서 급전 영역 내에 배치되고, 제2 폐루프 도선(832)은 제1 폐루프 도선(831)에 의해 정의되는 내부 영역에 배치될 수 있다. 패턴 도선(820)은 제2 폐루프 도선(832)에 의해 정의되는 내부 영역에 배치될 수 있다.
일 실시예에 따르면 공진기 조립체는 추가 패턴 도선을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 추가 패턴 도선은 패턴 도선 및 급전선 중 적어도 하나와 용량성 결합을 형성 가능하게 일면에 배치될 수 있다.
도 9는 추가 패턴 도선(922)이 급전선과 용량성 결합을 형성 가능하게 배치된 예시를 설명한다. 공진기 조립체(900)는 기본 패턴 도선(921)에 더하여 추가 패턴 도선(922)을 더 포함할 수 있다. 공진기 조립체(900)는 급전선들(910)에 의해 정의되는 급전 영역 내에 배치되는 폐루프 도선(930)을 포함할 수 있다. 폐루프 도선(930)에 의해 정의되는 영역 내에 기본 패턴 도선(921) 및 추가 패턴 도선(922)이 배치될 수 있다. 추가 패턴 도선(922) 및 기본 패턴 도선(921)은 서로 병렬적으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 추가 패턴 도선(922)은, 기본 패턴 도선(921)의 제1 결합 부분 및 제2 결합 부분을 가로지르는 제1 축(901)에 수직하는 제2 축(902)을 따라, 기본 패턴 도선(921)으로부터 이격되어 배치될 수 있다. 아울러, 도 9에서 추가 패턴 도선(922)은 1개만 도시되었으나, 이로 한정하는 것은 아니고, 하나 이상의 추가 패턴 도선(922)이 급전 영역 내에 배치될 수 있다.
도 10은 다른 패턴 도선과 용량성 결합을 이루는 추가 패턴 도선의 예시를 설명한다. 예를 들어, 제2 패턴 도선(1022)은 일면에서 제2 축(1002)을 따라 제1 패턴 도선(1021)으로부터 이격되어 배치될 수 있다. 제3 패턴 도선(1023)은 일면에서 제1 축(1001)을 따라 제1 패턴 도선(1021)으로부터 이격되어 배치될 수 있다. 제4 패턴 도선(1024)은 제1 축(1001)을 따라 제2 패턴 도선(1022)으로부터 이격되어 배치될 수 있다. 제1 패턴 도선(1021) 및 제3 패턴 도선(1023)은 직접 또는 다른 추가 패턴 도선을 경유하여 용량성 결합을 형성할 수 있다. 제2 패턴 도선(1022) 및 제4 패턴 도선(1024)은 직접 또는 다른 추가 패턴 도선을 경유하여 용량성 결합을 형성할 수 있다. 도 10에서는 4개의 패턴 도선만 도시되었으나, 이로 한정하는 것은 아니다. 제1 축(1001)을 따라 n개의 패턴 도선들이 이격되어 배치되고, 제2 축(1002)을 따라 m개의 패턴 도선들이 이격되어 배치될 수 있다. 따라서, 공진기 조립체(1000)는 nХm개의 패턴 도선들을 포함할 수 있다. 여기서, n, m은 1이상의 정수일 수 있다.
아울러, 도 10은 급전선(1010)에 의해 정의되는 영역 내에 단일 폐루프 도선(1030)만 도시되었으나, 이로 한정하는 것은 아니다. 공진기 조립체(1000)는 급전 영역 내에 하나 또는 복수의 폐루프 도선을 포함할 수 있고, 각 폐루프 도선은 내부에 하나 또는 복수의 패턴 도선을 포함할 수 있다. 아래 도 10은 복수의 폐루프 도선들(1131, 1132, 1133, 1134) 각각이 단일 패턴 도선을 포함하는 예시를 설명한다.
도 11은 도 10에 도시된 구조에서, 개별 패턴 도선을 감싸는 폐루프 도선들(1131, 1132, 1133, 1134)을 포함하는 예시적인 구조를 설명한다. 일 실시예에 따르면 공진기 조립체(1100)는 급전선(1110)에 의해 정의되는 급전 영역 내에 복수의 폐루프 도선들(1131, 1132, 1133, 1134)을 포함할 수 있다. 복수의 폐루프 도선들(1131, 1132, 1133, 1134)은 일면에서 패턴 도선(1121) 및 하나 이상의 추가 패턴 도선(1122, 1123, 1124)의 각각을 개별적으로 둘러쌀 수 있다.
도 10 및 도 11에서 패턴 도선 및 하나 이상의 추가 패턴 도선은, 서로 동일한 형태의 패턴으로 배치될 수 있다. 이 때, 패턴 도선 및 하나 이상의 추가 패턴 도선은 메타표면(meta surface, MTS)을 형성할 수 있다.
앞에서는 사각형의 급전 영역을 주로 설명하였으나, 이로 한정하는 것은 아니다.
도 12는 원형의 급전 영역을 갖는 공진기 조립체(1200)를 설명한다. 급전선들(1211, 1212)은 원형의 급전 영역의 외곽을 따라 배치될 수 있다. 폐루프 도선(1230)은 급전 영역의 형태에 맞춰 원형으로 구성될 수 있다. 패턴 도선(1220)은 원형의 급전 영역 내에 배치될 수 있다. 이 때, 패턴 도선(1220)의 결합 부분들은 급전선들(1211, 1212) 및 폐루프 도선(1230)의 형태에 대해 평행하게 이격될 수 있고, 원주의 일부인 형태로 구성될 수 있다.
도 13은 일 실시예에 따른 전자기파를 이용한 바이오 센서의 2포트 예시를 도시한다.
일 실시예에 따른 공진기 조립체(1310)는 2포트로 구현될 수 있다. 예를 들어, 제1 급전선은 일면에 배치되고, 양단에 다른 소자와 연결되는 포트를 포함할 수 있다. 제2 급전선은 일면에서 제1 급전선으로부터 이격되어 배치되고, 양단에 다른 소자와 연결되는 포트를 포함할 수 있다. 급전 영역은, 제1 급전선 및 제2 급전선 사이의 영역일 수 있다.
일 실시예에 따른 바이오 센서(1300)는 2포트로 구현된 공진기 조립체(1310)를 이용하여 생체 데이터를 센싱할 수 있다.
측정부(1330)는 공진기 조립체(1310)에 주파수를 갖는 신호를 인가하면서, 공진기 조립체(1310)의 주파수 응답 특성을 측정할 수 있다. 예를 들어, 측정부(1330)는 발진 주파수를 조절 가능한 발진 회로 및 공진기 조립체(1310)에 입출력되는 전압, 전류, 전력, 및 신호 파형 등을 검출하는 신호 검출 회로를 포함할 수 있다. 다만, 측정부(1330)의 회로 구성을 상술한 바로 한정하는 것은 아니고, 설계에 따라 달라질 수 있다.
일 실시예에 따르면 바이오 센서(1300)의 측정부(1330)는 공진기 조립체(1310)에 인가되는 전력의 주파수를 스윕(sweep)할 수 있다. 측정부(1330)는 미리 결정된 대상 주파수 범위(target frequency range) 내에서 주파수를 변경함으로써, 전력의 주파수를 스윕할 수 있다. 측정부(1330)는 대상 주파수 범위의 하한(lower limit)로부터 상한(upper limit)까지 전력 주파수를 순차적으로 증가시키거나, 대상 주파수 범위의 상한으로부터 하한까지 전력 주파수를 순차적으로 감소시킬 수 있다. 피분석물이 혈당인 경우, 대상 주파수 범위는, 예를 들어, 2.54 GHz를 포함하는 범위로서, 2GHz부터 3.6GHz 까지의 범위일 수 있다. 다만, 이로 한정하는 것은 아니고, 5.8GHz를 포함하는 범위일 수도 있다. 대상 주파수 범위는 피분석물의 종류에 따라 다르게 설정될 수도 있다. 다만, 이는 예시적인 것으로서, 주파수 스윕을 이로 한정하는 것은 아니고, 다양한 방식이 사용될 수 있다.
바이오 센서(1300)의 측정부(1330)는, 공진기 조립체(1310)에 인가되는 전력의 주파수가 스윕되는 동안, 공진기 조립체(1310)의 주파수 특성과 관련된 정보(예를 들어, 주파수 응답 특성 및 공진 주파수 등)를 측정할 수 있다. 예를 들어, 측정부(1330)는 전압 센서로서 공진기 조립체(1310)의 제1 포트로 입출력되는 전압(V1 +, V1 -) 및 제2 포트로 입출력되는 전압(V2 +, V2 -)을 측정할 수 있다. 바이오 센서(1300)의 프로세서(미도시됨)는 제1 포트 및 제2 포트로 입출력되는 전압에 기초하여 산란 파라미터를 결정할 수 있다. 프로세서(미도시됨)은 주파수 스윕 동안 산란 파라미터를 수집하고, 수집된 산란 파라미터에 기초하여 공진기 조립체(1310)의 공진 주파수를 결정할 수 있다. 산란 파라미터는 예를 들어 1번 포트에서 입력된 전압 및 출력된 전압의 비를 나타내는 S11 파라미터 및 1번 포트에서 입력된 전압 및 2번 포트에서 출력된 전압의 비를 나타내는 S21 파라미터 등을 포함할 수 있다. 산란 파라미터에 대응하는 응답 특성은 하기 도 15 및 도 16에서 설명한다.
앞서 설명한 바와 같이, 혈관(1394)의 혈액에 포함된 피분석물(1393)의 농도에 따라, 피하층(1392)에서 공진기 조립체(1310)와 연관된 상대 유전율이 변화할 수 있다. 따라서 바이오 센서(1300)는 산란 파라미터에 기초하여 공진 주파수를 결정함으로써 피분석물의 농도를 추정할 수 있다. 다만, 이로 한정하는 것은 아니고, 바이오 센서(1300)는 주파수 스윕 동안 산란 파라미터만 생체 데이터로서 수집하고, 수집된 산란 파라미터를 외부 장치로 전송할 수도 있다. 이 때, 외부 장치는 수신된 산란 파라미터에 기초하여 공진 주파수를 결정하고, 공진 주파수에 대응하는 피분석물의 농도를 결정할 수 있다.
도 14는 일 실시예에 따른 전자기파를 이용한 바이오 센서의 1포트 예시를 도시한다.
일 실시예에 따른 공진기 조립체(1410)는 1포트로 구현될 수 있다. 예를 들어, 공진기 조립체(1410)에서 적어도 하나의 급전선은, 전력을 수신하는 포트를 포함하는 단일 급전선으로 구성될 수 있다. 이 때, 급전 영역은, 단일 급전선에 의해 둘러싸이는 영역일 수 있다.
프로세서는, 측정부(1430)로부터 공진기 조립체(1410)로 인가되는 전력의 주파수가 스윕되는 동안, 측정부(1430)는 1포트로 구현된 공진기 조립체(1410)에 대해 제1 포트로 입출력되는 전압을 측정할 수 있다. 프로세서는 1포트로 입출력되는 전압에 기초하여 S11 파라미터를 산출할 수 있다. 프로세서는 측정부(1430)로부터 주파수 스윕 동안 S11 파라미터에 대응하는 주파수 응답 특성을 획득할 수 있다. 프로세서는 주파수 응답 특성에 기초하여 공진기 조립체(1410)의 공진 주파수를 결정할 수 있다. 바이오 센서(1400)는 산란 파라미터, 산란 파라미터에 대응하는 주파수 응답 특성, 공진 주파수, 공진 주파수에 대응하는 피분석물 농도 중 적어도 하나를 생체 데이터로서 외부 장치로 출력할 수 있다.
도 15 내지 도 17은 일 실시예에 따른 전자기파를 이용한 바이오 센서의 산란 파라미터 및 대상 피분석물 농도 간의 관계를 설명한다.
도 15는 상대 유전율 별 S11 파라미터의 주파수 응답 특성 곡선(1500)을 나타낼 수 있다. 주파수 응답 특성 곡선(1500)의 세로 축은 반사 손실로서 단위는 dB이고, 가로 축은 주파수로서 단위는 GHz이다. 주파수 응답 특성 곡선(1500)에서 반사 손실(return loss)이 최소가 되는 주파수가 공진 주파수일 수 있다. 예를 들어, 바이오 센서가 산란 파라미터 중 S11 파라미터를 모니터링하는 경우, 바이오 센서는 대상 주파수 범위 내에서 S11 파라미터가 최소인 주파수를 검색하고, 검색된 주파수를 공진 주파수로 결정할 수 있다.
도 16은 S21 파라미터의 주파수 응답 특성(1600)을 나타낼 수 있다. 주파수 응답 특성(1600)에서 세로 축은 산란 파라미터의 세기(magnitude)로서 단위는 dB이고, 가로 축은 주파수로서 단위는 GHz이다. 주파수 응답 특성(1600)에서는 최대 세기를 나타내는 주파수가 공진 주파수일 수 있다. 예를 들어, 바이오 센서가 산란 파라미터 중 S21 파라미터를 모니터링하는 경우, 바이오 센서는 대상 주파수 범위 내에서 S21 파라미터가 최대인 주파수를 검색하고, 검색된 주파수를 공진 주파수로 결정할 수 있다.
도 17은 상대 유전율 변화에 따른 공진 주파수 변화를 도시한 그래프(1700)이다. 그래프(1700)에서 세로 축은 S11 파라미터로서 단위는 dB이고, 가로 축은 주파수로서 단위는 GHz이다. 그래프(1700)는 혈당 값 별로 주파수 변화에 따른 S11 파라미터의 곡선을 포함할 수 있다. 혈당 값이 100mg/dL, 150mg/dL, 200mg/dL, 및 300mg/dL로 증가할수록, S11 파라미터가 최소 값인 공진 주파수가 증가하는 것이 도시된다. 혈당 농도 별로 공진 조립체의 공진 주파수가 미리 산출되어 매핑될 수 있다. 혈당 농도 및 공진 주파수 간의 관계는 매핑 테이블(예를 들어, 룩업테이블(lookup table, LUT))에 저장될 수 있다. 바이오 센서는 공진 주파수에 대응하는 피분석물 농도를 룩업테이블로부터 결정할 수도 있다.
도 18은 일 실시예에 따른 전자기파를 이용한 바이오 센서의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다.
일 실시예에 따른 전자기파를 이용한 바이오 센서(1800)는 공진기 조립체(1810), 프로세서(1820), 전력 공급부(1830), 통신부(1840), 및 측정부(1850)를 포함할 수 있다.
공진기 조립체(1810)는 급전 영역의 외곽을 따라 배치되어 급전 영역으로 전력을 피딩 가능한 적어도 하나의 급전선 및 급전 영역 내에 패턴을 따라 배치되고, 용량성 결합을 통해 급전선으로부터 전력을 수신 가능한 패턴 도선을 포함할 수 있다. 공진기 조립체(1810)는 도 2 내지 도 12에서 상술하였으므로 자세한 설명을 생략한다.
프로세서(1820)는, 공진기 조립체(1810)로 공급되는 전력의 주파수가 스윕(sweep)되는 동안, 공진기 조립체(1810)의 주변에 존재하는 대상 피분석물의 농도에 대응하는 생체 데이터로서, 공진기 조립체(1810)의 공진 주파수와 연관된 파라미터를 획득할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(1820)는 측정부(1850)에 의해 공진기 조립체(1810)로 공급되는 신호의 주파수가 대상 주파수 범위 내에서 스윕되는 동안, 개별 주파수에 대해 산란 파라미터를 수집할 수 있다. 프로세서(1820)는 수집된 산란 파라미터에 기초하여 공진 주파수를 결정할 수 있다. 프로세서(1820)는 공진 주파수로부터 피분석물의 농도를 결정할 수 있다.
전력 공급부(1830)는 프로세서(1820), 통신부(1840), 및 측정부(1850)로 전력을 공급할 수 있다. 전력 공급부(1830)는 외부 장치로부터 무선으로 전력을 수신하여 바이오 센서(1800) 내 각 소자로 전력을 공급할 수도 있다. 전력 공급부(1830)는 예를 들어 배터리를 포함할 수 있고, 외부 장치로부터 수신된 전력을 배터리에 충전할 수 있다. 전력 공급부(1830)는 배터리에 충전된 전력을 이용하여 측정부(1850)를 통해 공진기 조립체(1810) 등에 전력을 공급할 수도 있다.
통신부(1840)는 생체 데이터를 외부 장치로 전송하고, 외부 장치로부터 정보를 수신할 수도 있다. 예를 들어, 통신부(1840)는 외부 장치와 무선 통신을 수립할 수 있다. 생체 데이터는 산란 파라미터, 공진 주파수, 및 피분석물의 농도 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
측정부(1850)는 공진기 조립체(1810)에 공급되는 신호의 주파수를 대상 주파수 범위 내에서 스윕하고, 주파수 스윕 동안 공진기 조립체(1810)의 파라미터와 관련된 정보를 측정할 수 있다. 예를 들어, 측정부(1850)는 공진기 조립체(1810)의 전기적 데이터(electrical data)를 측정할 수 있다. 측정부(1850)는 공진기 조립체(1810)의 포트에 대한 전압을 측정하는 전압 센서를 포함할 수 있다. 측정부(1850)는 프로세서(1820)의 제어에 따라 주파수를 스윕할 수 있고, 예를 들어, 프로세서(1820)에 의해 결정된 스윕 주파수 간격으로 대상 주파수 범위 내에서 스윕되는 주파수로 신호를 공진기 조립체(1810)에 제공할 수 있다. 다만, 이로 한정하는 것은 아니고, 측정부(1850)는 프로세서(1820) 없이도 자체적인 발진 회로 구조에 따라 주파수를 스윕할 수도 있다.
도 19는 일 실시예에 따른 전자기파를 이용한 바이오 센서의 예시적인 어플리케이션을 도시한다.
일 실시예에 따른 급전선(1911), 폐루프 도선(1913), 및 패턴 도선(1912)은 일면 상에 배치될 수 있다. 일면 상에 배치된 공진기 조립체(1910)는 곡면을 감싸도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 공진기 조립체(1901)가 배치되는 일면은, 원통형 지지 부재(cylindrical support member)(1940)의 측면(side)을 따라 배치되는 곡면일 수 있다.
원통형 공진기 조립체(1900)의 단면(AA')은 단면도(1990)와 같이 도시될 수 있다. 단면도(1990)를 참조하면, 원통형 지지 부재(1930)에 의해 공진기 조립체(1910)가 지지될 수 있다. 공진기 조립체(1910)의 외면은 생체 적합 소재에 의해 패키징될 수 있다. 생체 적합 소재는 예를 들어, PMMA(Poly Methyl Methacrylate) 소재일 수 있으나, 이로 한정하는 것은 아니다. 원통형 지지 부재(1930)의 내부 공간은 시스템온칩(System On Chip)을 수용할 수 있다. 시스템온칩(1920)은 도 18에서 상술한 프로세서(1820), 전력 공급부(1830), 통신부(1840), 및 측정부(1850)가 구현된 단일 칩을 나타낼 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것으로서, 이로 한정하는 것은 아니고, 시스템온칩(1920)은 프로세서(1820), 전력 공급부(1830), 통신부(1840), 및 측정부(1850) 중 적어도 하나가 통합되어 구현된 칩일 수도 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.
1800: 바이오 센서
1810: 공진기 조립체
1820: 프로세서
1830: 전력 공급부
1840: 통신부
1850: 측정부

Claims (19)

  1. 공진기 조립체(resonator assembly)에 있어서,
    일면에서 급전 영역의 외곽을 따라 패턴 도선을 둘러싸도록 배치되어 상기 급전 영역 내의 상기 패턴 도선으로 전력을 피딩 가능한 적어도 하나의 급전선(feeding line); 및
    상기 일면에서 상기 급전 영역 내에 패턴을 따라 배치되고, 용량성 결합을 통해 상기 급전선으로부터 전력을 수신 가능한 패턴 도선(pattern wire)
    를 포함하고,
    상기 급전 영역은 상기 적어도 하나의 급전선으로 둘러 쌓인 내부의 영역을 포함하는,
    공진기 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공진기 조립체의 공진 주파수는, 상기 공진기 조립체의 주변에 존재하는 대상 피분석물(target analyte)의 농도에 따라 달라지는,
    공진기 조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 일면을 따라 상기 급전 영역 내에 배치되는 폐루프 도선(closed-loop wire)
    를 더 포함하고,
    상기 패턴 도선은,
    상기 폐루프 도선에 의해 정의되는 내부 영역에 배치되며, 상기 폐루프 도선을 경유하여 상기 급전선과 용량성 결합을 형성하는,
    공진기 조립체.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 폐루프 도선에서 상기 급전선의 일부에 인접한 파트는, 상기 급전선의 일부와 같은 형태로 평행하게 이격되어 배치되는,
    공진기 조립체.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 폐루프 도선은,
    다각형 및 원형(circular shape) 중 한 형태인,
    공진기 조립체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 패턴 도선은,
    상기 일면에서 상기 적어도 하나의 급전선(feeding line)과 인접하게 배치되어 용량성 결합(capacitive coupling)을 형성하는 제1 결합 부분(first coupling portion);
    상기 일면에서 상기 급전선, 폐루프 도선, 및 추가 패턴 도선 중 적어도 하나와 인접하게 배치되어 용량성 결합을 형성하는 제2 결합 부분; 및
    상기 일면에서 상기 제1 결합 부분 및 상기 제2 결합 부분을 패턴을 따라 연결하는 연결 부분(connecting portion)
    을 포함하는 공진기 조립체.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 연결 부분은,
    상기 제1 결합 부분 및 상기 제2 결합 부분을 가로지르는 가상의 선을 기준으로 서로 반대편에 배치되는 제1 파트(first part) 및 제2 파트(second part)
    를 포함하는 공진기 조립체.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 파트 및 상기 제2 파트는 상기 제1 결합 부분으로부터 상기 제2 결합 부분까지 교대로 배치되는,
    공진기 조립체.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1 파트 및 상기 제2 파트는 상기 일면 상에서 점대칭 형상을 갖는,
    공진기 조립체.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 연결 부분은,
    사인파 형태(sinusoidal shape), 톱니 형태(sawtooth shape), 장방 형태(rectangular shape), 삼각 형태(triangular shape) 중 한 형태의 패턴을 따라 배치되는,
    공진기 조립체.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 패턴 도선 및 상기 급전선 중 적어도 하나와 용량성 결합을 형성 가능하게 상기 일면에 배치되는 하나 이상의 추가 패턴 도선
    을 더 포함하는 공진기 조립체.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 패턴 도선 및 상기 하나 이상의 추가 패턴 도선은 메타표면(meta surface, MTS)을 형성하는,
    공진기 조립체.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 패턴 도선 및 상기 하나 이상의 추가 패턴 도선은,
    서로 동일한 형태의 패턴으로 배치되는,
    공진기 조립체.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 일면에서 상기 패턴 도선 및 상기 하나 이상의 추가 패턴 도선의 각각을 개별적으로 둘러싸는 복수의 폐루프 도선들
    을 더 포함하는 공진기 조립체.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 하나 이상의 추가 패턴 도선은,
    상기 패턴 도선을 기준으로 일축을 따라 이격되어 배치되는,
    공진기 조립체.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 일면은,
    원통형 지지 부재(cylindrical support member)의 측면(side)을 따라 배치되는 곡면인,
    공진기 조립체.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 급전선은,
    상기 일면에 배치되고, 양단에 다른 소자와 연결되는 포트를 포함하는 제1 급전선; 및
    상기 일면에서 상기 제1 급전선으로부터 이격되어 배치되고, 양단에 다른 소자와 연결되는 포트를 포함하는 제2 급전선
    을 포함하고,
    상기 급전 영역은,
    상기 제1 급전선 및 상기 제2 급전선 사이의 영역인,
    공진기 조립체.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 급전선은,
    전력을 수신하는 포트를 포함하는 단일 급전선으로 구성되고,
    상기 급전 영역은,
    상기 단일 급전선에 의해 둘러싸이는 영역인,
    공진기 조립체.
  19. 전자기파를 이용한 바이오 센서에 있어서,
    급전 영역의 외곽을 따라 패턴 도선을 둘러싸도록 배치되어 상기 급전 영역 내의 상기 패턴 도선으로 전력을 피딩 가능한 적어도 하나의 급전선 및 상기 급전 영역 내에 패턴을 따라 배치되고, 용량성 결합을 통해 상기 급전선으로부터 전력을 수신 가능한 상기 패턴 도선을 포함하는 공진기 조립체;
    상기 공진기 조립체로 전력을 공급하는 전력 공급부; 및
    상기 전력의 주파수가 스윕(sweep)되는 동안, 상기 공진기 조립체의 주변에 존재하는 대상 피분석물의 농도에 대응하는 생체 데이터로서, 상기 공진기 조립체의 공진 주파수와 연관된 파라미터를 획득하는 프로세서
    를 포함하고,
    상기 급전 영역은 상기 적어도 하나의 급전선으로 둘러 쌓인 내부의 영역을 포함하는,
    전자기파를 이용한 바이오 센서.
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