KR20120006086A - 집적화된 안테나를 포함하는 인쇄 회로 장치 및 집적화된 인쇄 회로 보드 안테나를 포함하는 이식 가능한 센서 처리 시스템 - Google Patents

집적화된 안테나를 포함하는 인쇄 회로 장치 및 집적화된 인쇄 회로 보드 안테나를 포함하는 이식 가능한 센서 처리 시스템 Download PDF

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KR20120006086A
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주니어 아더 이. 콜빈
존 에스. 게릭
폴 에스. 제웩
제프리 씨. 레쇼
벤자민 엠. 맥레오드
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센서즈 포 메드슨 앤드 사이언스 인코포레이티드
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Abstract

유도성 전력 및 데이터 전송 어플리케이션에 관련되어 사용되는 인쇄 회로 장치는 실질적으로 페라이트 물질을 이용하여 형성되고, 서브스트레이트 주위에 형성된 유도성 코일 도체가 전력 및 데이터 전송 기능 모두를 위한 전자기적 특성을 향상시킴으로써 개별 페라이트 코어 와이어-감김 코일이 회로 장치에 연결될 필요성을 없애준다.

Description

집적화된 안테나를 포함하는 인쇄 회로 장치 및 집적화된 인쇄 회로 보드 안테나를 포함하는 이식 가능한 센서 처리 시스템{Printed circuit device with integrated antenna and implantable sensor processing system with integrated printed circuit board antenna}
본 출원은 2003년 4월 15일에 출원된 미국 임시 특허 출원 번호 제 60/462,695호에 대한 우선권을 주장한다.
본 발명은 일반적으로 무선 데이터 송신 및 무선 데이터 송신 장치들의 유도성 전력 공급(inductive powering)을 위한 전자 장치들 및 방법들에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 예를 들어 인체와 같은 매체의 특정한 특징 파라미터(characteristic parameter)를 검출 및 측정하기 위한 이식 가능한(implantable) 장치들 및 방법들에 관한 것이다.
미국 특허 번호 제 5,517,313호는 그 개시된 내용이 본 명세서에 참조되어 통합되는데, 형광성 지시기 분자-포함 매트릭스(앞으로 "형광성 매트릭스" 라고 한다), 고역 통과 필터, 및 광검출기의 계층화된 어레이(layered array)를 포함하는 형광성 센싱 장치를 설명한다. 이러한 장치에서, 바람직하게는 발광 다이오드(LED)인 광원은 적어도 지시기 물질 내에 부분적으로 위치됨으로써, 광원으로부터의 입사광이 지시기 분자들로 하여금 형광을 발하도록 한다. 고역 통과 필터는 광원으로부터 산란된 입사광은 필터링하면서, 방출광이 광검출기에 도달하도록 한다. 소정의 애널라이트(analyte)가 형광성 매트릭스에 침투함으로써 존재하는 애널라이트의 양에 비례하여 지시기 물질의 형광성 속성을 변화시킨다. 그러면, 형광성 방출광이 광검출기에 의하여 검출 및 측정됨으로써, 관심 대상인 환경 내에 존재하는 애널라이트의 양 및 농도에 대한 측정 방법을 제공한다.
미국 특허 번호 제 5,517,313호에 개시된 타입의 센서 장치의 바람직한 어플리케이션 중 하나는 해당 장치를 신체(body)에 피하 주사 방식(subcutaneous) 또는 정맥 주사 방식(intravenous) 또는 다른 방식으로 이식함으로써, 원하는 어느 시점에서나 즉시 애널라이트의 측정을 가능하게 하는 것이다. 예를 들어, 최면 상태인 환자의 혈중 산소 농도를 측정하거나, 당뇨병 환자들의 혈중 당의 농도를 측정하는데 바람직하다.
신체 내에 이식되는 센서 장치에 대한 크기 및 접근성(accessibility)에 대한 제한 사항들 때문에, 상업적 장치를 생산하는데 관련된 수많은 문제점들이 존재하며, 여기서 센서 장치를 소형화 해야 한다는 필연적인 명제는 장치의 신뢰성, 생산 비용 효과성, 및 성능에 대한 문제점들을 야기한다. 예를 들어, 해당 센싱 장치에 데이터 송신 회로 및/또는 파워 서플라이를 탑재하면 신체 내에 이식되어야 하는 센싱 장치의 요구 크기가 증가된다.
데이터 송신 회로 및 내부 파워 서플라이가 필요 없이 신체 내에 이식될 수 있는 센서로부터의 출력 신호들을 처리하기 위한 처리 시스템은 미국 특허 번호 제 6,400,974호에 개시되는데, 해당 특허 명세서는 본 명세서에 참조되어 통합된다. 미국 특허 번호 제 6,400,974호는 해당 처리 회로로부터 방출된 유도적으로 결합된 RF 에너지를 통하여 센서에 전력을 공급하는 처리 회로를 교시한다. 이러한 처리 회로는 해당 처리 회로 상의 부하의 변동을 통하여 이식된 센서로부터의 데이터 송신을 수신한다. 이와 같은 RF 에너지 결합 및 데이터 전달 동작들은 두 개의 코일들을 제공함으로써 달성되는데, 이 코일들은 이식된 센서 장치 내의 소형 코일 및 외장 처리 회로에 연결된 대형 코일이다.
*본 발명에 따른 소형 코일의 가능한 일 실시예는 인쇄 회로 기판(PCB, printed circuit board)에 부착된 개별(discrete) 페라이트 코어를 가지는 전선-감김(wire-wound) 코일을 사용하는 것이다. 이러한 실시예들은 적합하게 동작하기는 하지만, 개선이 이루어질 수 있다.
예를 들어, 개별 전선-감김 코일을 페라이트 코어를 인쇄 회로 기판(PCB)에 부착하는 것은 어려운 작업일 수 있으며 신뢰성에 문제가 발생함으로써 생산 수율이 저하될 수 있다.
둘째로, 제조 업자들로부터의 각 전선-감김 코일은 생산 오차(manufacturing tolerances) 때문에 그 특성에 있어 다소 상이함으로, 연결된 안테나의 동작 주파수와 적합하게 정합 되도록 하기 위하여 개인적으로 각 센서 장치를 튜닝해야할 필요성이 있을 수 있다.
이에 더불어, 전선-감김 코일의 물리적 구조는 센서 장치의 입체적 형성 내부에 상당한 양의 보이드 공간(void space)을 생성하고, 이 공간은 전자 회로에 중합체를 이용한 케이싱 작업을 할 때 버블(bubble)이 발생함으로써 장치가 동작하지 않을 수 있다.
또 다른 문제점은 전선-감김 코일 페라이트 코어를 인쇄 회로 기판(PCB)과 축 정렬을 해야 한다는 것이다. 인쇄 회로 기판(PCB)에 부착될 코일 상에 제공되는 굴곡을 가지는 전선 테더(tether) 리드들의 정렬 동작은 필요하거나 이식 어플리케이션들에 요구되는 것보다 센서 패키지의 방사형 크기(radial size)가 더 크게 되도록 할 수 있다.
최종적으로, 개별 전선-감김 코일의 치수는 센서 장치 패키지의 전체 치수에 제한을 가하기 때문에 이식 어플리케이션을 위한 장치의 크기를 줄이는 것이 언제나 필요하다.
전술된 문제점들을 참조할 때, 개선된 이식 가능 센서 장치를 제공하는 것이 당업계에 필요하다.
본 발명의 제1 측면에 따르면, 인쇄 회로 장치는 실질적으로 페라이트 물질로 이루어진 서브스트레이트(substrate)를 포함하는데, 상기 서브스트레이트는 상부 및 하부 표면들(top and bottom surfaces), 상기 상부 및 하부 표면들의 큰 크기(major dimension)를 따라 상기 상부 및 하부 표면들 간에 위치한 제1 및 제2 측면 표면들(side surfaces), 및 상기 상부 및 하부 표면들의 작은 크기(minor dimension)를 따라 상기 상부 및 하부 표면들 간에 위치한 제1 및 제2 말단 표면들(end surfaces)을 포함하고, 상기 서브스트레이트의 주 표면(main surface)에 탑재된 적어도 하나의 성분(component)(집적 회로(IC) 칩이거나, 개별 아날로그 성분이거나, 또는 주문자 생산형(ASIC) 칩일 수 있다) 및 상기 서브스트레이트 상에 형성되며 코일 패턴으로 상기 주 표면들 및 측면 표면들 중 하나 상에 연장되는 도체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 형광성 센서 장치(fluorescence sensor device)가 개시되는데, 형광성 센서 장치는 매체와 상호 작용하는 형광성 지시기(fluorescent indicator) 내에 빛을 조사(introducing)하기 위한 광원, 조사된 빛에 응답하여 상기 형광성 지시기에 의하여 방출된 빛을 검출하고, 상기 검출된 광에 비례하는 신호를 발생하기 위한 광검출기, 외부 파워 서플라이로부터의 전기 파워를 수신하고, 외부 처리 장치로 상기 신호를 통신하기 위한 코일 및 실질적으로 페라이트 물질로 형성되는 서브스트레이트를 포함하며, 상기 형광성 지시기의 응답은 상기 매체 내의 애널라이트의 존재 및 양에 따라서 변화하고, 상기 광원 및 상기 광검출기는 상기 서브스트레이트에 탑재되고, 상기 코일은 상기 서브스트레이트의 제1 섹션 상에 형성되어, 코일이 상기 서브스트레이트의 대항 표면들 주위에 연장되도록 하는 형광성 센서 장치가 개시된다.
본 발명은 일반적으로 무선 데이터 송신 및 무선 데이터 송신 장치들의 유도성 전력 공급(inductive powering)을 위한 전자 장치들 및 방법들에 적용될 수 있다.
특히, 본 발명은 예를 들어 인체와 같은 매체의 특정한 특징 파라미터(characteristic parameter)를 검출 및 측정하기 위한 이식 가능한(implantable) 장치들 및 방법들에 적용될 수 있다.
본 발명은 본 발명의 바람직한 실시예에 때하여 후속하는 상세한 설명 및 첨부 도면과 관련하여 완전하게 이해될 것이며 실시예 및 첨부 도면은 예시적인 목적으로만 제공된 것이며 본 발명을 한정하는 것이 아님이 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 센서 장치 회로 기판의 평면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 센서 장치 회로의 측면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 센서 장치 회로의 저면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 센서 장치 회로 기판의 부분적 측면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 센서 장치 회로 기판을 내장하는 센서 장치의 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 형광성-기반 이식 가능 센서의 개념적인 단면도이다.
도 7은 센서의 웨이브 가이드 특성을 예시하는, 도 6에 도시된 형광성-기반 센서의 개념적 도면이다.
도 8은 센서의 보디 내부의 내부 반사 및 센서/피부 인터페이스 계층의 바람직한 구성을 예시하는, 도 6에 원으로 표시된 부분의 상세도이다.
도 9는 본 발명의 다른 측면에 따른 저역-통과 필터로서 사용되는 페라이트 비드(ferrite bead)의 개념도이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 센서 장치 회로 기판의 평면도이다. 도 2 및 도 3은 센서 장치 회로의 측면도 및 저면도를 각각 나타낸다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 센서 장치 회로 기판(100)은 실질적으로 페라이트 물질로 만들어진 서브스트레이트(101)를 포함한다. 서브스트레이트(101)는 주 상부 및 하부 표면들(101a, 101b), 상부 및 하부 표면들의 짧은 치수를 따라 연장된 말단 표면들(101e, 101f), 및 상부 및 하부 표면들의 긴 치수를 따라서 연장된 측면 표면들(101c, 101d)을 포함한다. 바람직하게는, 서브스트레이트(101)는 코일부(110) 및 집적 회로(IC)부(112)로 구성된다. 집적 회로(IC)부(112)는 다양한 회로 성분들(103)을 포함하는데, 회로 성분들(103)은 인쇄 도체 와이어링 패턴(printed conductor wiring pattern)(105)에 의하여 상호 연결되는 IC 칩, 아날로그 성분들, 발광 다이오드(LED) 칩들(104)들일 수 있으며, 발광 다이오드(LED) 칩들로는 상이한 발광 다이오드(LED)들이 사용됨으로써 상이한 측정 동작을 구현할 수도 있고, 인쇄 도체 와이어링 패턴의 임의의 패턴이 예시적 목적으로 도 1에 도시된다.
본 발명의 회로 장치는 바람직한 실시예에 관련하여 회로 "기판(board)"인 것으로 설명되지만, 회로 장치는 그 형상 및 구성에 있어 특정 사항에 제한되는 것이 아니다. 다른 실시예들에 따르면, 페라이트 회로 장치는 적어도 하나의 실질적으로 평탄한 표면 및 만곡된 형태의 측면 표면들을 가지는데, 바람직하게는 평탄한 표면 상에는 전자 회로 성분들이 부착되고, 측면 표면들은 상부 및 하부 표면들을 둘러싼다. 예를 들어, 페라이트 회로 장치는 실질적으로 타원형 또는 곡면을 가지는 실질적으로 평탄한 표면을 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 페라이트 회로 장치는 실질적으로 평탄한 상부 표면 및 만곡된 하부 표면들을 가질 수 있는데, 이것은 예를 들면, 축구공의 절반 모양 또는 2/3 모양과 유사할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예들에서, 페라이트 코어는 막대-형상일 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 페라이트 코어는 실질적으로 평탄한 표면들이 존재 하지 않도록 형성된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예는 서브스트레이트의 제1 섹션 상에 코일부를 가지고, IC 섹션이 서브스트레이트의 제2 섹션일 수 있는데, 본 발명은 이러한 구성에 한정되는 것이 아니다. 예를 들어, 본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 회로 성분들은 코일의 상부에 탑재될 수 있고, 그 결과 센서의 두께는 증가되지만 길이는 짧아진다. 더 나아가, 도 6에 도시된 센서는 전장 코일(full length coil)을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에서, 페라이트 서브스트레이트의 금속화(metallized)되거나 측면 이외의 회로 성분들이 탑재될 표면들은 상업적으로 구입 가능한 광택제(glazing compound)를 이용하여 사전 코팅되는데, 이 부분은 고온으로 가열되어 이와 같은 금속화 및/또는 성분 부착 과정에 불활성인 표면 영역을 형성할 수 있다. 코일이 부착되는 서브스트레이트의 표면들 모두는 해당 광택제를 이용하여 사전 코팅될 수 있고, 또는 이들 중 일부만이 코팅되고 나머지는 코팅되지 않을 수도 있으며, 또는 이러한 표면들 중 어느 것도 사전 코팅되지 않을 수 있다. 바람직한 페라이트 물질 포물레이션(formulation)의 일 실시예는, 카운티스 C-48(Countis C-48)이다. 하지만, 특정 응용 분야에 최적화되는 특수 페라이트 포물레이션이 당업자에 의하여 개발될 수도 있다. 본 명세서에서는, "실질적으로 페라이트 물질인"이라는 용어는 이러한 포물레이션 모두를 포괄하는 개념으로 사용되었다.
이식 가능한 센서 어플리케이션용 페라이트 서브스트레이트의 두께는 대략 10 mil 내지 약 250 mil 이며, 장치의 소형화 및 전력 송신 특성을 고려할 때 바람직하게는 대략 20 mil 내지 100 mil 이고, 더욱 바람직하게는 대략 30 mil(0.030인치)이다. 만일 페라이트 코어가 실질적으로 막대-형상이거나, 다른 곡선 형상의 표면이라면, 막대-형상 또는 곡선 표면의 지름은 대략 10 mil 내지 250 mil 이고, 바람직하게는 20 mil 내지 100 mil 이며, 가장 바람직하게는 약 30 mil 이다. 마찬가지로, 다른 어플리케이션을 최적화 하고 크기, 주파수 및 전력 레벨들을 고려할 때, 당업자들에 의하여 다른 두께를 가지는 페라이트 코어가 사용될 수도 있다.
코일부(110)는 연장 코일(106)을 포함하는데, 연장 코일(106)은 바람직하게는 페라이트 서브스트레이트 주위에 말단-포장(edge wrapped)된다. 연장 코일(106)은 모든 적합한 전기적 도체 물질을 이용하여 제조될 수 있는데, 이러한 물질의 예를 들면, 구리, 금, 은, 또는 합금 등이 있다. 또한, 연장 코일(106)이 인쇄 와이어링 패턴(105)에 사용된 것과 동일한 물질로 제조되는 것도 가능하다. 도 3에 도시된 바와 같이, 연장 코일(106)의 말단부들은 페라이트 서브스트레이트 상에 형성된 금속화 콘택트(metallization contact, 107)들에 직접 연결될 수 있는데, 금속화 콘택트(107)는 인쇄 와이어링 패턴(105)에 연결된다. 바람직하게는, 도체 코일 물질은 말단-포장 기술을 이용함으로써 페라이트 서브스트레이트(101) 상에 형성된다. 그러나, 당업계에 공지된 다른 형성 기술도 사용될 수 있다. 물론, 도 1에 도시된 코일이 주 표면들 및 측면 표면들 주위에 포장(wrapped)되는 것으로 예시되었지만, 코일 패턴을 주 표면들 중 단 하나 상에만 연장하거나, 또는 측면 표면들 주위에만 연장되도록 설치함으로써 동일한 효과를 얻을 수도 있다.
인쇄 회로 장치의 전체를 페라이트 물질로부터 제조함으로써, 단일의 균일한 서브스트레이트가 제공되고, 따라서 표준화된 인쇄 회로 제조 기법들을 이용하여 센서 장치 제조 작업이 수행될 수 있도록 허용한다. (또는, 유전체 박층(thin layer)이 코팅을 위하여 페라이트에 적용될 수 있다). 표준 세라믹 서브스트레이트를 이용하는 모든 가능한 제조 기술들이 페라이트 서브스트레이트에 사용될 수 있는데, 이 기술들에는 후막(thick-film) 및 박막(thin-film) 인쇄 저항 및 커패시터, 와이어 본딩, 표면 실장 기술(SMT, surface mount technology), 플립-치핑(flip-chipping), 및 칩-온-보드(chip-on-board) 등이 포함된다.
추가적으로, 페라이트 코어 와이어-감김 코일(wire-wound coil)에 사용되는 와이어 부착 작업은 생략될 수도 있다. 예를 들어, 감겨진 코일 도체(106)는 표준화된 금속화 연속 표면 라우팅 기술(metallization continuous surface routing technique)을 이용하여 회로의 잔여부에 연결될 수도 있다. 자동화될 이러한 기술들의 장점은 높은 수준의 재생산성 및 물리적 특성의 균일성을 보장하고 제조 단계의 비용 효과를 향상시키는데, 이러한 물리적 특성에는 신뢰성이 포함되고, 신뢰성은 이식 가능한 어플리케이션에 매우 중요한 것이다.
더 나아가, 페라이트 물질을 이용하여 인쇄 회로 기판 전체를 형성함으로써, 페라이트의 길이는 실질적으로 개별 페라이트 코어 감김 코일에 비하여 증가될 수 있다. 예를 들어, 페라이트의 길이는 개별 페라이트 코어 감김 코일에 비하여 다섯 배 까지 증가될 수 있다. 페라이트의 길이가 증가되면 개별 페라이트 코어 와이어-감김 코일의 경우에 비교할 때 외부 처리 유닛(미도시, 미국 특허 번호 제 6,400,974호 참조)으로부터의 전기 전력을 효과적으로 전력 전달하는데 있어서 그 효율성이 현저히 증가되도록 한다.
페라이트 서브스트레이트를 사용함으로써 얻어지는 추가적인 장점은 노이즈 억제 기능이다. 페라이트 서브스트레이트 내에 형성된 홀 또는 비아를 관통하여 도체를 유도하면 도 9에 도시된 바와 유사한 방식으로 고-주파수 에너지를 댐핑(damp)하도록 작용하는데, 도 9에서 페라이트 비드(901)는 회로 와이어(902) 주위의 저역-통과 필터로서 사용된다. 페라이트 비드를 관통하여 회로 와이어를 전달하면 와이어(902)를 통한 전류 전달 성분의 고주파 성분에 댐핑 현상을 야기한다. 이와 반대로, 이러한 댐핑 현상이 필요하지 않은 경우에는, 코일을 페라이트 서브스트레이트의 외부에 유지시키는 것이 중요하다.
다른 회로 성분들의 노이즈의 효과를 감소시키기 위하여 페라이트 물질 서브스트레이트를 유용하게 사용하는 것이, 도 6에 도시된 바와 같이 형광성 지시기 분자들(fluorescent indicator molecules)의 형광성에 기반하여 동작하는 센서(10)의 일 실시예를 참조하여 예시된다. 센서(10)는 센서 보디(12), 센서 보디(12)의 외부 표면 상에 코팅된 매트릭스 계층(14)으로서 형광성 지시기 분자(16)가 전체에 분포된 매트릭스 계층(14), 발광 다이오드(LED), 광검출 요소(20)를 포함하는데, 발광 다이오드(LED)는 소정 파장의 방사선 또는 지시기 분자들과 상호 작용하는 파장들의 범위에 해당하는 방사선을 방출하고, 즉, 형광성-기반 센서의 경우 지시기 분자(16)로 하여금 빛을 발하도록 야기하는 소정 파장 또는 파장들의 범위의 방사선을 방출하고, 광검출 요소(20)는 예를 들어 형광성-기반 센서의 경우에 형광성 지시기 분자(16)에 의하여 방출되는 형광 빛에 예민하게 반응함으로써 해당 형광 빛에 응답하여 형광성 지시기 분자(16)들의 형광성 레벨을 지시하는 신호가 발생되도록 한다. 더 나아가, 센서(10)는 전자 회로를 포함하는 모듈 또는 하우징(66), 및 온도를 나타내는 온도 센서(64)를 포함한다.
광검출 요소(20)의 검출 정밀도를 최대화하기 위하여, 광검출 요소(20)의 검출 표면에 입사되는 주변 광의 효과가 최소화되어야 한다. 이러한 목적을 달성하기 위한 한 가지 방법은 발광 다이오드(LED)를 고주파 여기 신호(excitation signal)를 이용하여 구동함으로써, 광검출 요소(20)에 대한 주변 광의 효과들을 상쇄하는 것이다. 그러나, 발광 다이오드(LED)를 구동하기 위하여 사용되는 고주파 신호는 불필요한 온-보드 노이즈(on-board noise)를 부가할 수 있으며, 이것은 회로의 잔여 부분을 설계하는데 있어서 반드시 고려해야 하는 것이다.
바람직하기 않은 온-보드 전기 노이즈는 다른 잡음원으로부터도 발생될 수 있다. 고강도의 고주파 자기장에 의하여 여기되는 코일(106)을 가지는 센서(10)는 고주파 자기장에 의하여 둘러싸이고 고주파 자기장이 센서(10)내로 침투(permeated)될 수 있다. 이러한 고주파 신호는 예를 들어 센서(10)의 발광 다이오드(LED)(18)와 같은 회로의 다양한 부분들에 바람직하지 않은 온-보드 전기 노이즈를 부가할 수 있으며, 이러한 노이즈는 전체 장비의 동작에 악 영향을 미칠 수 있다.
본 발명에 따라 인쇄 회로 기판(PCB)으로서 사용되는 페라이트 서브스트레이트를 이용함으로써, 고주파 노이즈가 다른 회로 성분들에 비치는 악영향은 실질적으로 감소될 수 있는데, 이러한 목적은 예를 들어 리드 와이어(lead wire)를 "비아" 로서 페라이트 서브스트레이트를 관통하여 라우팅 함으로써 달성될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 측면에서 비아(401)가 페라이트 서브스트레이트(101)를 관통하여 형성된다. 발광 다이오드(LED)(104)는 서브스트레이트(101)의 일 측면 상에 탑재되고 구동 회로(405)는 서브스트레이트(101)의 반대 측면 상에 탑재될 수 있다. 구동 회로(405)로 부터의 구동 신호 도체(403)는 비아(401)를 통하여 발광 다이오드(LED)(104)로 라우팅 됨으로써 고주파 노이즈가 발광 다이오드(LED) 구동부에 미치는 효과를 감소시킨다. 페라이트 서브스트레이트는 노이즈를 필터링하기에 필요한 만큼 하나 이상의 비아를 포함하도록 구성될 수 있다. 회로 성분으로부터의 리드 와이어는 노이즈를 필터링하기에 필요한 만큼 하나 또는 그 이상의 비아를 관통하여 라우팅될 수 있다. 하나 이상의 회로 성분들로부터의 리드 와이어들은 동일한 하나 또는 그 이상의 비아를 관통하거나 서로 상이한 비아를 관통하여 라우팅될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 광 검출기를 페라이트 서브스트레이트의 하부 표면으로서 발광 다이오드(LED)가 탑재되어 있는 표면의 반대쪽 표면으로 이동시킴으로써, 광 검출기에 주변광이 미치는 바람직하지 않은 효과들이 감소되고, 광 검출기의 가시장(field of view)이 증가될 수 있다. 이것은 도 5에 도시된다.
설명을 위하여, 도 7에 도시된 바와 같이, 방사선(예를 들어, 빛)은 방사선 소스(radiation source, 18)로부터 방출되고, 이러한 방사선의 적어도 일부가 센서 보디(12)의 표면에서 내부적으로 반사되어(즉, 위치 22에서 반사되어), 센서 보디(12) 내부 전체에서 이리 저리 "튕겨진다(bouncing)".
센서 보디(12)의 인터페이스 및 주변 매체로부터 방사된 광이 표면상이 코팅된(직접 표면에 코팅되거나 매트릭스 내부에 포함될 수 있다) 지시기 분자들과 상호 작용할 수 있다는 것이 발견되었는데, 예를 들어, 표면 상에 코팅된 형광성 지시기 분자들에 발광하도록 여기할 수 있다. 또한, 반사되기엔 너무 작은 각도로(인터페이스에 수직인 방향으로부터 측정된 각도) 인터페이스에 입사된 빛은 인터페이스를 따라서 진행하고 역시 형광성 지시기 분자들이 발광하도록 야기한다. 광(또는 다른 방사선) 및 인터페이스 간의 상호 작용의 다른 모드들도 센서의 구성 및 센서의 어플리케이션을 위한 구성에 기반하여 유용한 것으로 발견되었다. 이와 같은 다른 모드들에는 소멸성 여기(evanescent excitation) 및 표면 플라즈몬 공명 타입 여기(surface plasmon resonance type excitation)가 포함된다.
도 8에 예시된 바와 같이, 형광성 지시기 분자(16)로부터 방출된 광의 적어도 일부가 영역 30에 예시된 바와 같이, 직접적으로 또는 매트릭스 계층(14)의 최외곽(센서 보디(12)로부터) 표면에서 반사된 이후에 센서 보디(12)에 입사된다. 이와 같이 입사되는 형광성 빛(fluorescent light, 28)은 방사선 소스(18)에 의하여 방출된 방사선의 경우와 극히 유사하게 센서 보디(12) 내부를 통하여 진행되고, 방사선 소스에 의하여 방출된 방사선의 경우에서와 유사하게 이들 중 일부는 센서 보디 및 주변 매체 간의 인터페이스를 가격하는데, 이 때 반사되기에는 너무 작은 각도로 입사되므로 센서 보드 외부로 역 전달(pass back)된다.
도 6에 도시된 우선한 센서 실시예에서는, 광학적 필터(34)는 광검출 요소(20)의 광-검출 표면 상에 제공되는 것이 바람직한데, 이러한 광-검출 표면은 광 검출 물질을 이용하여 제조된다. 광학적 필터(34)는 종래 기술에서 공지된 바와 같이 방사선 소스(18)에 의하여 발생된 방사선 중 광검출 요소(20)의 광 검출 표면에 입사되는 주는 양을 없애거나 실질적으로 감소시킨다. 동시에, 광학적 필터(34)는 형광성 지시기 분자들에 의하여 방출된 형광 빛으로 하여금 자신을 통과하여 광검출 요소(20)의 광 검출 영역을 가격하도록 허용한다. 그러면 방사선 소스(18)로부터의 입사 방사선에 따르는 속성을 가지는 광 검출기 신호의 노이즈가 현저히 감소된다.
종래 기술에 의한 백색 세라믹 서브스트레이트 대신에 페라이트 서브스트레이트를 이용함으로써, 흑색 페라이트 물질은 종래 기술에 의한 백색 세라믹 회로 보드 서브스트레이트보다 백색보다 더 많은 입사광을 흡수하고 더 적은 입사광을 산란시킨다는 점에 있어서 추가적인 중요 잇점을 확보할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 센서 장치(501)는 페라이트 인쇄 회로 기판(PCB)(101) 및 센서 보디(503) 내에 케이싱된 관련 회로 성분들을 포함한다. 선택적으로 제공되는 ASIC 제어기(505) 및 IC와 같은 관련된 다른 성분들(507)이 발광 다이오드(LED)(104) 및 광 다이오드(511a, 511b)들과 함께 페라이트 서브스트레이트 상에 탑재된다. 동작 하는 동안에, 광 다이오드(511a)는 방출된 형광성 신호를 측정하는데 사용되고, 광 다이오드(511b)는 기준 신호를 측정하는데 사용된다. 다른 실시예에서, 광 다이오드(511b)는 상이한 파장을 가지는 개별 지시기 신호를 측정하거나, 동일한 센서 내에서 2개의 상이한 애널라이트들을 측정하도록 물리적으로 배치되는 상이한 지시기들과 함께 동작한다. 제1 및 제2 광학적 에폭시 필터들(509a, 509b)들은 서브스트레이트에 홀을 형성하고 형성된 홀에 에폭시 필터 물질을 채워 넣음으로써 형성된다. 또는, 정밀도가 향상된 글래스 필터(glass filter)들이 홀에 부착될 수도 있다.
광학적 필터들(509a, 509b)의 직접 하부에 위치된 페라이트 서브스트레이트의 하부 표면에 광 다이오드(511a, 511b)들을 탑재함으로써, 광 다이오드(511a, 511b)들은 산란된 발광 다이오드(LED) 및 형광성 지시기 매트릭스 이와의 다른 소스들로부터의 주변광에 덜 민감해지고, 이에 부수하여, 페라이트 서브스트레이트의 상부 표면은 입사광의 많은 영을 반사하지 않게 되는데, 이것은 종래 기술에 의한 백색 세라믹 회로 보드 서브스트레이트의 경우와는 반대되는 것이다. 추가적으로, 광 다이오드(511a, 511b)를 인쇄 회로 기판(PCB) 서브스트레이트의 상부 표면으로부터 하부 표면으로 재배치함으로써, 지시기 매트릭스로부터의 광들의 더 커다란 입사각으로 광 검출기 표면에 입사될 수 있다. 그러므로, 광 검출기 신호를 생성하는데 더 많은 신호 광들이 사용될 수 있으므로, 정량적 측정의 정밀도를 더욱 향상시킬 수 있다. 이러한 구성은 광학적 필터가 서브스트레이트 내부에 배치되도록 허용함으로써 장치의 소형화를 더욱 개선하고, 서브스트레이트의 두께 이외에 추가적인 공간을 차지하지 않을 수 있게 된다.
센서 보디(503)는 광학적 웨이브 가이드로서 동작하게 될, 광학적으로 투과성을 가지는 적합한 중합체 물질(유기물 또는 무기물인 물질)로부터 형성되는 것이 바람직하다. 바람직한 물질들은 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리히드록시프로필메타크릴레이트(polyhydroxypropylmethacrylate) 등과 같은 아크릴 중합체(acrylic polymer)들이거나 Lexan 이라는 상표명으로 판매중인 폴리카르보네이트(polycarbonates)들이다. 이러한 물질은 방사선 소스(104)에 의하여 발생된 방사선(예를 들어 발광 다이오드(LED)가 방사선 소스로서 사용되는 실시예들에서는 적합한 파장을 가지는 광) 및 형광성-기반 실시예들에서는 지시기 분자들에 의하여 방출되는 형광 빛으로 하여금 해당 물질을 통하여 전달되도록 허용한다.
도 6에 더욱 상세히 예시된 바와 같이, 센서(10)는 센서 보디의 외장 표면 및 매트릭스 계층(14) 사이의 센서 보디(12)의 말단부들 상에 형성된 반사성 코팅들(reflective coatings, 32)을 포함함으로써 방사선 및/또는 형광성 지시기 분자들에 의하여 방출되는 광의 내부 반사 성질을 최대화하거나 향상시킨다. 예를 들어, 반사성 코팅들은 페인트(paint)로부터 형성되거나 금속화된 물질로부터 형성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르는 센서(10)가 특별한 용도로 개발되는 어플리케이션은(비록 해당 센서가 적합하게 적용될 수 있는 유일한 어플리케이션은 아니지만) 인체 내의 다양한 생물학적 애널라이트들을 측정하는 분야인데, 이러한 애널라이트들의 예를 들면 글루코스, 산소, 유독성 물질(toxins), 조제약(pharmaceutic) 또는 다른 약재들, 바이오분자들(biomolecules), 호르몬들 및 다른 신진 대사(metabolic) 애널라이트들이 포함된다. 매트릭스 계층(14) 및 형광성 지시기 분자(16)들의 특이 합성물(specific composition)은 센서가 검출하려 하는 특정 애널라이트 및/또는 해당 센서가 애널라이트를 검출하기 위하여 사용되는 지점(즉, 혈액 내부 또는 피하 조직과 같은 지점)에 따라서 변경될 수 있다. 그러나, 두 가지 바람직한 특징들은, 매트릭스 계층(14)이 애널라이트를 향하여 해당 지시기 분자들이 노출되기를 용이하게 하여야 한다는 점 및 지시기 분자들의 광학적 특징들(예를 들어 형광성 지시기 분자들의 형광성의 레벨과 같은 특징)이 해당 지시기 분자들이 노출된 특정 애널라이트의 농도에 대한 함수여야 한다는 점이다.
예의 경우에서와 같이 인체에서 용이하게 사용되도록 하기 위하여, 센서(10)는 부드럽고, 직사각형 또는 곡면을 가지는 형상으로 형성되는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 센서(10)는 빈(bean) 또는 약제 젤라틴 캡슐의 크기 및 형상과 대략적으로 비슷한 크기 및 형상을 가지는 것이 좋으며, 즉, 대략 길이 L 은 약 300 내지 500 마이크론에서 0.5 인치이고, 깊이 D는 대략 300 마이크론 내지 약 0.3 인치를 가지고 일반적으로 부드럽고 곡면을 가지는 표면을 가질 것이 바람직하다. 물론, 장치는 사용되는 물질 및 장치의 사용 용도에 따라서 더 커지거나 작아질 수 있다. 이러한 구성은 센서(10)로 하여금 신체의 필수적인 동작을 방해하거나 또는 극심한 통증 및 불편함을 동반하지 않은 채 인체에 이식 가능하도록 하고, 즉, 피부 또는 피부 내피 내에 이식(장기 또는 혈관 내부에 이식될 수도 있다)되도록 할 수 있다.
*더 나아가, 인체(또는 다른 동물들의 신체) 내에 이식된 모든 임플란트들이 해당 임플란트(implant)가 삽입된 장기 내에서 어느 정도의 "외부 장기 반응(foreign body response)"를 야기할 수 있다는 점이 이해될 것인데, 이것은 해당 임플란트가 자극을 제공한다는 사실에 기인한 것일 뿐이고, 이러한 현상은 "생체에 적합한(biocompatible)" 물질로 구성된 임플란트의 경우에도 동일하게 나타난다. 인체 내에 이식된 센서(10)의 경우, "외부 장기 반응"은 피부에 딱지(fibrotic encapsulation)가 발생하는 것이며, 즉, 피부에 흉터가 생기는 것이다. 글루코스는 본 발명에 따르는 센서들이 검출할 것으로 기대되는 우선적인 애널라이트인데, 이것은 이와 같은 딱지에 의하여 방해되는 확산(diffusion) 또는 전달의 정도를 가진다. 심지어 매우 작은 분자 산소(O2)도 이와 같은 딱지에 의하여 방해되는 자신의 확산 또는 전달 정도를 가진다. 이것은 딱지(즉 피부의 흉터)를 구성하는 세포들이 원래 매우 조밀할 수 있다는 점 또는 일반적인 피부와는 상이한 신진 대사 특징을 가진다는 점에 기인하는 것이다.
지시기 분자들을 생물학적 애널라이트에 노출시키는데 있어서 발생되는 이와 같은 방해 또는 지연 현상을 극복하기 위하여 두 가지 우선적인 접근법들이 구상된다. 첫 번째 접근법에 따르면(아마도 가장 간단한 해결책일 것이다), 센서/피부 인터페이스 계층이 거의 피부 딱지를 야기하지 않거나 용이할 수 있는 정도의 딱지만을 야기하는 물질로부터 생성되는 것인데, 이러한 센서/피부 인터페이스 계층은 센서 보디(12)의 표면 상에 존재하거나 및/또는 지시기 분자들이 센서 보디의 표면에 직접적으로 고정되는 경우에는 해당 지시기 분자들 상에 존재하거나, 해당 지시기 분자들이 내부에 포함된 매트릭스 계층(14)의 표면 상에 존재한다. 이와 같은 특성을 가지는 것으로 문헌에 설명된 물질들의 두 가지 예를 들면 W.L. Gore 사에 의하여 제공되는 상표명 Preclude Periocardial Membrane 및 케네디 저술의 "Tailoring Polymers for Biological Uses", Chemtech, february 1994, pp.24-31 에 설명된 바와 같이 친수성 물질과 공유 결합한 폴리이소부틸렌(polyisobutylene) 등이다.
또는, 특별한 생체 적응성을 가지는 물질들로 구성되는 수 개의 계층들을 포함하는 센서/피부 인터페이스 계층이 센서 상에 제공될 수도 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 센서/피부 인터페이스 계층(36)은 세 개의 하부 계층들(36a, 36b, 36c)을 포함할 수 있다. 하부 계층(36a)은 피부의 내부 성장을 촉진하는 계층인데 모세관(37)이 내부에 관통하도록 허용하고 심지어 섬유질 세포들(39)(피부 흉터)이 그 위에 적층되는 생체 적응성 물질로부터 제조되는 것이 바람직하다. 최근 수년간 사용되고 있는 Gore-Tex® Vascular Graft 물질(ePTFE), Dacron® (PET) Vascular Graft 물질, 및 고밀도의 폴리에틸렌으로부터 생산되는 MEDPOR Biomaterial(POREX Surgical 사에 의하여 제공된다) 들이, 기본 구성, 기공 크기(pore size) 및 기공 구조가 피부 내피 계층으로 피부 및 혈관(vascular)이 내부 성장하도록 촉진하는 물질들의 예시이다.
반면에, 하부 계층(36b)은 피부의 내부 성장(ingrowth)을 방지하기 위하여 피부 내부 성장 하부계층(36a)의 기공 크기보다 훨씬 작은 기공 크기(5마이크로미터보다 더 작은)를 가지는 생체 적응성을 가지는 계층인 것이 바람직하다. 하부 계층(36b)의 제조 원료가 되는 현재 사용가능한 바람직한 물질은 W.L. Gore 사에 의하여 생산되는 Preclude Periocardial Membrane(이전에는 GORE-TEX Surgical Membrane 이라고 불렸다)인데, 이것은 확장된 폴리테트라-플루오로에데틸렌(polytetra-fluoroethylene, ePTFE)을 포함한다.
제3 하부 계층(36c)은 분자 시브(molecular sieve)로서 동작하는데, 즉, 제3 하부 계층(36c)은 관심 대상인 하나 또는 그 이상의 애널라이트가 제3 하부 계층(36c)을 통과하여 지시기 분자들(센서 보디(12) 상에 직접 코팅되거나 매트릭스 계층(14) 내에 고정된)로 전달되도록 허용하는 반면에 이뮤노글로불린(immunoglobulin), 단백질, 및 글리코프로틴(glycoprotein)과 같은 분자들은 제거하는 분자량 차단 기능(molecular weight cut-off function)을 제공한다. 다양한 공지된 셀룰로스-타입의 멤브레인들이 이와 같은 분자량 차단 계층(36c)으로서 사용될 수 있는데, 이러한 멤브레인의 예를 들면 신장 투석 필터링 카트리지(kidney dialysis filtration cartridges)에 사용되는 종류가 있다.
인식될 수 있는 바와 같이, 도 6에 도시된 센서는 독립적이며(self-contained) 어떠한 전기적 리드들도 전력을 센서로 전달하기 위하거나(예를 들어 소스(18)를 구동시키기 위한 전력을 공급하기 위하거나) 센서로부터의 신호들을 송신하기 위하여 센서 보디 내로 연장되거나 센서 보디로부터 연장될 수 없다. 도 2에 예시된 전자 장치들 전부는 도 6에 도시된 바와 같이 모듈(66) 내에 하우징될 수 있다.
인식될 수 있는 바와 같이, 도 6 내지 도 8에 도시된 형광성-기반 실시예들은 개시된 발명이 적용될 수 있는 예시에 불과하다. 본 발명은, 예를 들어 미국 특허 출원 번호 제 09/383,148호로서 1999년 8월 28일에 출원되고 본 명세서에 참조되어 통합되는 특허 출원의 명세서에 개시된 바와 같은 흡수율-기반 센서(absorbance-based sensor) 또는 굴절률-기반 센서(refractive-index-based sensor)와 다수 개의 어플리케이션에도 적용될 수 있다.
그러므로, 본 명세서에서 설명된 본 발명에 대하여, 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위에서 당업자들이 다양하게 실시예를 변형할 수 있다는 점은 명백하다. 예를 들어, 본 발명이 이식된 센서 장치를 참조하여 설명되었으나, 본 발명의 기술적 사상은 온-보드 데이터 또는 신호 전력 전달 기능을 이용한 무선 통신 기능을 가지는 인쇄 회로 기판에도 적용될 수 있다. 이와 같은 변형 모두는 다음과 같은 청구의 범위에 의하여 포섭되는 것으로 의도된다.

Claims (14)

  1. 인쇄 회로 장치에 있어서,
    실질적으로 페라이트 물질로 이루어진 서브스트레이트(substrate)로서, 상기 서브스트레이트는 상부 및 하부 표면들(top and bottom surfaces), 상기 상부 및 하부 표면들의 긴 치수(long dimension)를 따라 상기 상부 및 하부 표면들 간에 위치한 제1 및 제2 측면 표면들(side surfaces), 및 상기 상부 및 하부 표면들의 짧은 치수(short dimension)를 따라 상기 상부 및 하부 표면들 간에 위치한 제1 및 제2 말단 표면들(end surfaces)을 포함하는 서브스트레이트;
    상기 서브스트레이트의 주 표면(main surface)에 탑재된 적어도 하나의 회로 성분(circuit component); 및
    상기 서브스트레이트 상에 형성되며 코일 패턴으로 상기 주 표면들 및 측면 표면들 중 하나 상에 연장되는 도체;를 포함하고,
    상기 인쇄 회로 장치는, 생존한 조직(living organism)의 신체(body) 내의 정량적 애널라이트(analyte) 측정 동작을 수행하는 이식 가능한 센서 장치(implantable sensor device)의 성분이고,
    상기 적어도 하나의 회로 성분은, 발광 다이오드(LED) 및 상기 발광 다이오드(LED)용 리드(lead)를 포함하는 것을 특징으로 하는 인쇄 회로 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발광 다이오드(LED)용 상기 리드는 구동 리드인 것을 특징으로 하는 인쇄 회로 장치.
  3. 인쇄 회로 장치에 있어서,
    실질적으로 페라이트 물질로 이루어진 서브스트레이트(substrate)로서, 상기 서브스트레이트는 상부 및 하부 표면들(top and bottom surfaces), 상기 상부 및 하부 표면들의 긴 치수(long dimension)를 따라 상기 상부 및 하부 표면들 간에 위치한 제1 및 제2 측면 표면들(side surfaces), 및 상기 상부 및 하부 표면들의 짧은 치수(short dimension)를 따라 상기 상부 및 하부 표면들 간에 위치한 제1 및 제2 말단 표면들(end surfaces)을 포함하는 서브스트레이트;
    상기 서브스트레이트의 주 표면(main surface)에 탑재된 적어도 하나의 회로 성분(circuit component); 및
    상기 서브스트레이트 상에 형성되며 코일 패턴으로 상기 주 표면들 및 측면 표면들 중 하나 상에 연장되는 도체;를 포함하고,
    상기 인쇄 회로 장치는, 생존한 조직(living organism)의 신체(body) 내의 정량적 애널라이트(analyte) 측정 동작을 수행하는 이식 가능한 센서 장치(implantable sensor device)의 성분이고,
    상기 적어도 하나의 회로 성분은 발광 다이오드(LED)를 포함하며,
    상기 인쇄 회로 장치는 적어도 하나의 광검출기(photodetector)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인쇄 회로 장치.
  4. 형광성 센서 장치(fluorescence sensor device)에 있어서,
    매체와 상호 작용하는 형광성 지시기(fluorescent indicator) 내에 빛을 조사(introducing)하기 위한 광원;
    조사된 빛에 응답하여 상기 형광성 지시기에 의하여 방출된 빛을 검출하고, 검출된 광에 비례하는 신호를 발생하기 위한 광검출기;
    외부 파워 서플라이로부터의 전기 파워를 수신하고, 외부 처리 장치로 상기 신호를 통신하기 위한 코일 및
    실질적으로 페라이트 물질로 형성되는 서브스트레이트를 포함하며,
    상기 형광성 지시기의 응답은 상기 매체 내의 애널라이트의 존재 여부 및 양에 따라서 변화하고,
    상기 광원 및 상기 광검출기는 상기 서브스트레이트에 탑재되고,
    상기 코일은 상기 서브스트레이트 상에 형성되어 상기 페라이트 물질이 상기 코일의 유도 특성을 증가시키는 것을 특징으로 하는 형광성 센서 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 광원 및 상기 광검출기는 상기 서브스트레이트의 제1 섹션(section)에 탑재되고,
    상기 코일은 상기 서브스트레이트의 제2 섹션 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 형광성 센서 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 코일은 상기 서브스트레이트의 대향하는 표면들 주위에 연장되는 것을 특징으로 하는 형광성 센서 장치.
  7. 제4항에 있어서, 상기 광원은,
    상기 서브스트레이트 내에 형성된 비아를 관통하여 라우팅되는 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 형광성 센서 장치.
  8. 제4항에 있어서, 상기 코일은,
    상기 서브스트레이트 주위에 말단-포장(edge wrapped)되는 것을 특징으로 하는 형광성 센서 장치.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 코일은 외부 장치로의 데이터 신호들의 통신을 위하여 사용되는 것을 특징으로 하는 형광성 센서 장치.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 코일은 외부 파워 서플라이로부터의 전기 파워의 유도성 수신(inductive reception)을 위하여 사용되는 것을 특징으로 하는 형광성 센서 장치.
  11. 제4항에 있어서,
    상기 형광성 센서 장치는 생존한 조직의 신체 내의 정량적 애널라이트 측정 동작을 수행하는 이식 가능한 센서 장치인 것을 특징으로 하는 형광성 센서 장치.
  12. 제4항에 있어서,
    상기 형광성 센서 장치는 생존한 조직의 신체 내의 정성적 애널라이트 측정 동작을 수행하는 이식 가능한 센서 장치인 것을 특징으로 하는 형광성 센서 장치.
  13. 제4항에 있어서,
    상기 광원은 발광 다이오드(LED)를 포함하고,
    상기 서브스트레이트는 적어도 하나의 광검출기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 형광성 센서 장치.
  14. 제4항에 있어서,
    회로 성분을 위한 소정 도체의 라우팅을 위하여 상기 서브스트레이트 내에 형성된 비아를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 형광성 센서 장치.
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