KR20130006217A - 표면탄성파 센서 시스템 및 다중울림파를 이용한 측정 방법 - Google Patents

표면탄성파 센서 시스템 및 다중울림파를 이용한 측정 방법 Download PDF

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Abstract

표면탄성파 센서 시스템 및 다중울림파를 이용한 측정 방법이 제공된다. 상기 다중울림파를 이용한 측정 방법에 따르면, 표면탄성파 센서의 민감도 향상을 통한 지연선의 길이를 줄일 수 있고, 이로 인해 센서의 집적도가 향상될 수 있으므로, 표면탄성파 센서의 제조 원가가 크게 절감될 수 있다.

Description

표면탄성파 센서 시스템 및 다중울림파를 이용한 측정 방법{SURFACE ACOUSTIC WAVE SENSOR SYSTEM AND MEASUREMENT METHOD USING MULTIPLE-TRANSIT-ECHO WAVE}
높은 민감도 및 집적도를 갖는 표면탄성파 센서 시스템, 및 다중울림파를 이용한 측정 방법에 관한 것이다.
표면탄성파(Surface Acoustic Wave, SAW) 센서는 기저 및 표면 센싱 기술과 SAW를 이용하여 측정 대상물로부터 물리량이나 화학량의 절대치나 변화, 소리, 빛, 전파의 강도를 검출하거나 측정하여 전기 신호로 변환하는 기능을 갖춘 소자 또는 장치를 의미한다.
SAW 센서는 측정 대상물의 종류에 따라 단백질, Deoxyribonucleic acid (DNA), 바이러스, 박테리아, 세포, 및 조직 등을 감지하는 바이오센서, 유독가스 또는 인화성가스 등을 감지하는 가스센서, 온도를 감지하는 온도센서, 압력을 감지하는 압력센서, 및 습도를 감지하는 습도센서 등과 같은 산업 여러 분야에 사용될 수 있다.
높은 민감도 및 집적도를 갖는 표면탄성파 센서 시스템 및 다중울림파를 이용한 측정 방법을 제공하고자 한다.
일 측면에 따르면, 표면탄성파 센서로 전기 신호를 인가하는 신호생성부; 상기 신호생성부에 연결되어 있으며, 상기 전기 신호를 표면탄성파로 변환하고, 상기 표면탄성파로 측정 대상물을 센싱한 후, 상기 측정 대상물에 대응되어 출력된 표면탄성파를 전기 신호로 변환하는 표면탄성파 센서; 및 상기 표면탄성파 센서의 일측에 연결되어 있으며, 다중울림파를 타임 게이팅하여 전기 신호의 변화를 검출하는 신호측정부를 포함하는 표면탄성파 센서 시스템이 개시된다.
상기 표면탄성파 센서는 압전성 기판 및 상기 압전성 기판 상의 일측에 형성되며 전기 신호를 표면탄성파로 변환하는 입력부를 포함할 수 있다.
상기 표면탄성파 센서는 상기 압전성 기판 상에 형성되며 표면탄성파가 입력되면 측정 대상물을 센싱하기 위하여 이에 대응되는 표면탄성파를 출력하는 센싱부 및 상기 압전성 기판 상의 일측에 형성되며 상기 대응되는 표면탄성파를 전기 신호로 변환하는 출력부를 더욱 포함할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 전기 신호를 표면탄성파로 변환하는 단계; 상기 표면탄성파가 측정 대상물을 센싱하는 단계; 상기 센싱된 측정 대상물에 대응되는 표면탄성파를 출력하는 단계; 상기 대응되는 표면탄성파를 전기 신호로 변환하는 단계; 및 다중울림파를 타임 게이팅하여 전기 신호의 변화를 검출하는 단계를 포함하는 다중울림파를 이용한 측정 방법이 개시된다.
상기 다중울림파를 이용한 측정 방법은 측정 대상물을 감지하는 단계를 더욱 포함할 수 있다.
상기 다중울림파를 이용한 측정 방법에 따르면, 표면탄성파 센서의 민감도가 향상되고, 표면탄성파 센서의 고집적화가 가능하므로, 표면탄성파 센서의 제조 원가를 크게 절감할 수 있다.
도 1은 표면탄성파 센서의 개념도를 나타낸다.
도 2는 표면탄성파 센서의 단면도를 나타낸다.
도 3은 표면탄성파의 타임 도메인을 나타내는 그래프이다.
도 4는 글리세롤 농도에 따른 중심파 및 삼중울림파의 위상(phase) 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는 글리세롤 농도에 따른 중심파 및 삼중울림파의 세기(amplitude) 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6은 Troponin I 농도에 따른 중심파 및 삼중울림파 위상 변화를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 이점들과 특징들 및 이를 수행하는 방법들이 하기 실시예들에 대한 상세한 설명 및 첨부된 도면들을 참조함으로써 더욱 용이하게 이해될 수 있을 것이다. 그러나, 본 발명은 많은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 여기서 언급한 실시예들로만 한정되어 구성되는 것은 아니다.
<표면탄성파(Surface Acoustic Wave)>
본 명세서에서 사용된 용어 "표면탄성파"는 전자파가 아니고, 외부의 열적, 기계적, 전기적 힘에 의한 입자들의 운동으로부터 발생하는 기계적 파동을 의미한다. 진동에너지가 탄성체의 표면에 집중되는 파로 지진이 지면을 통해 전파하는 것과 같이 탄성파가 고체의 표면을 통해 전달된다.
기본적으로 매질을 통해 전파하는 파(wave)는 3개의 성분으로 나누어지는데, 파의 진행 방향이 입자변위와 평행한 방향으로 진행하는 종파(longitudinal wave), 파의 진행방향과 수직한 입자변위 운동을 하는 횡파(transversal wave), 및 종파와 횡파의 벡터의 합으로 발생하는 표면파(surface wave)를 포함한다.
일반적으로 수직 변위성분과 수평 변위성분은 물질표면의 한 파장의 길이 내에서 90% 이상 소멸하며 에너지의 대부분이 표면 내 한 파장 이내에 집중되어 있다. 따라서, 표면탄성파를 Transversal Wave 또는 Rayleigh Wave라고도 한다.
표면탄성파는 형태에 따라 종파(SH-SAW: Shear Horizontal Surface Acoustic Wave)와 횡파(STW: Surface Traverse Wave)로 나뉘며, 사용 목적에 따라 굴곡 플레이트파(Flexural Plate wave), 러브파(Love wave), 표면 스키밍 버크파(Surface Skimming Bulk Wave), 램파(Lamb wave)로 나뉜다. 이 중에서, 램파는 주로 기체를 센싱하기 위해 사용되며, 러브파는 주로 액체를 센싱하기 위해 사용된다.
<표면탄성파 센서 시스템>
일 측면에 따르면, 다중울림파를 이용하는 것에 의해 높은 민감도 및 집적도를 갖는 표면탄성파 센서 시스템이 제공된다. 상기 표면탄성파 센서 시스템은 신호생성부, 상기 신호생성부에 연결된 표면탄성파 센서, 및 상기 표면탄성파 센서에 연결된 신호측정부를 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어 "민감도(sensitivity)"는 센서에서 측정 대상물에 대한 출력 신호의 변화 정도를 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어 "집적도(integration)"는 하나의 기판 상의 표면탄성파 센서의 수를 의미한다.
상기 구현예에 따르면, 다중울림파를 이용하는 것에 의해, 표면탄성파 센서 시스템의 민감도와 집적도가 향상될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어 "신호생성부"는 표면탄성파 센서로 전기 신호를 인가하는 영역을 의미한다.
상기 신호생성부는 표면탄성파 센서에서 출력된 출력 신호를 다시 표면탄성파 센서의 입력 신호로 인가하는 발진(oscillation)에 의한 방법을 사용할 수 있다. 복수 개의 표면탄성파 센서를 사용하는 경우에는 센서 각각을 독립적으로 발진시킬 수 있다. 또한 회로망 분석기(Network Analyzer)를 사용하여 표면탄성파 센서 외부에서 소정의 주파수를 가지는 신호를 생성하여 표면탄성파 센서에 인가할 수도 있다.
본 명세서에서 사용된 용어 "표면탄성파 센서"는 표면탄성파를 이용하여 측정 대상물의 존재 여부 또는 물성 등을 센싱하는 장치를 의미한다.
표면탄성파 센서는 전기 신호를 표면탄성파로 변환하고, 상기 표면탄성파로 측정 대상물을 센싱한 후, 상기 측정 대상물에 대응되어 출력된 표면탄성파를 전기 신호로 변환할 수 있다.
상기 표면탄성파 센서는 압전성 기판 및 입력부를 포함할 수 있다. 상기 표면탄성파 센서의 개념도를 도 1 및 2에 나타내었다.
본 명세서에서 사용된 용어 "압전성 기판(100)"은 압전성 물질로 이루어진 기판은 의미한다.
압전성 물질은 기계적 신호의 인가시 전기적 특성이 변화되거나(압전효과), 전기적 신호의 인가시 기계적 신호가 생기는(역압전효과) 재료로서, 금속산화물, 절연체 물질을 포함할 수 있다.
상기 압전성 물질의 일 예는 니오브산 리튬("LiNbO3"), 탄탈산 리튬("LiTaO3"), 리튬 테트라보레이트("Li2B4O7"), 티탄산 바륨("BaTiO3"), 지르코늄 납("PbZrO3"), 티탄산 납("PbTiO3"), 지르코늄 티탄산 납("PZT"), 산화아연("ZnO"), 갈륨 비소("GaAs"), 석영(Quartz), 니오브산염, 베르리나이트, 토파즈, 전기석계(tourmaline group) 물질, 니오브산 칼륨, 텅스텐산 나트륨, Ba2NaNb5O5, 및 Pb2KNb5O15와 같은 금속산화물을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 압전성 물질은 압전성 중합체 또는 하나 이상의 압전성 중합체를 포함하는 공중합체 또는 혼합물을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 압전성 중합체는 폴리비닐리덴 플로라이드일 수 있고, 폴리비닐리덴 플르오로라이드의 공중합체 및 혼합물이 또한 사용될 수 있다. 상기 공중합체는 블록 공중합체, 교대 블록 공중합체, 랜덤 공중합체, 랜덤 블록 공중합체, 그래프트 공중합체, 스타 블록 공중합체 또는 이의 하나 이상의 조합을 포함할 수 있다. 폴리비닐리덴 플루오로라이드와 공중합될 수 있는 공중합체는 플로트리플루오로에틸렌, 플로테트라플루오로에틸렌, 폴리아크릴아미드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 플리아크릴산, 폴리-(N-이소프로필아크릴아미드, 폴리아세탈, 폴리올레틴, 폴리아크릭, 폴리카보네이트, 폴리스틸렌, 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리아미드이미드, 폴리아크릴레이트, 폴리아크릴설폰, 폴리에테르설폰, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리비닐 클로라이드, 폴리술폰, 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리테르타플루오로에틸렌, 폴리에테르케톤, 폴리프탈라이드, 폴리아세탈, 폴리안하이드레이드, 폴리비닐 에테르, 폴리비닐 티오에테르, 폴리비닐 알코올, 폴리비닐 케톤, 폴리비닐 할라이드, 폴리비닐 니트릴, 폴리비닐 에스테르, 폴리설포네이트, 폴리설파이드, 폴리티오에스테르, 폴리설폰, 폴리설폰아미드, 폴리오레아, 폴리포스파젠, 폴리실라잔, 또는 이들의 조합들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있다. 상기 공중합체는 전기적으로 절연성인 중합체를 포함할 수 있고, 고유 도전성 중합체 또는 각 중합체에 전기적으로 도전성인 필러를 첨가하는 것에 의해 전기적으로 도전성이 부여될 수도 있다.
또한, 상기 압전성 물질은 다른 압전성 중합체와 혼합된 중합체를 포함하는 복합물을 포함할 수 있다. 상기 압전성 중합체는 압전성 복합물을 형성하기 위한 압전성을 나타내는 필러를 포함할 수 있다. 예를 들면, 압전성 필러는 니오브산 리튬("LiNbO3"), 탄탈산 리튬("LiTaO3"), 리튬 테트라보레이트("Li2B4O7"), 티탄산 바륨("BaTiO3"), 지르코늄 납("PbZrO3"), 티탄산 납("PbTiO3"), 지르코늄 티탄산 납("PZT"), 산화아연("ZnO"), 갈륨 비소("GaAs"), 석영(Quartz), 니오브산염, 베르리나이트, 토파즈, 전기석계(tourmaline group) 물질, 니오브산 칼륨, 텅스텐산 나트륨, Ba2NaNb5O5, 및 Pb2KNb5O15 또는 이들의 조합들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 실시예에서, 36°YX LiTaO3(LT) 기판이 사용될 수도 있다.
본 명세서에서 사용된 용어 "입력부(200)"는 압전성 기판 상의 일측에 형성되며, 신호생성부로부터 인가된 전기 신호를 기계 신호인 표면탄성파로 변환하는 영역을 의미한다.
입력부(200)는 인터 디지털 트랜스듀서(IDT: Inter Digital Transducer)로 구현될 수 있으며, 입력부의 일 단에는 신호생성부(미도시)로부터 전기 신호를 인가 받기 위한 전극 패드(미도시)가 포함될 수 있다.
상기 입력부(200)는 압전성 기판(100) 상에 기설정된 형태로 금속 물질을 패터닝하는 것에 의해 형성될 수 있다. 금속 물질은 알루미늄 합금, 동합금, 금 등의 박막 금속을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 금속 물질이 대기 또는 습기에 노출되었을 때 부식되는 것을 방지하기 위해, 필요에 따라 금속 물질 표면에 산화 방지막 등의 보호층을 형성할 수 있다.
예를 들면, 상기 금속 물질은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지고, 산화 알루미늄 박막이 표면에 형성된 구조일 수 있다. 상기 알루미늄 합금은 Al을 주성분으로 하고, Ti, Si, Cr, W, Fe, Ni, Co, Pb, Nb, Ta, Zn, V중 1종 이상을 포함할 수 있다. 상기 산화 알루미늄 박막은 인위적으로 형성시킨 것이거나 자연적으로 발생된 산화 알루미늄(Native Aluminium oxide)일 수 있다.
또한, 상기 금속물질은 용액 내에서 작동될 수 있으므로 절연막을 형성할 수 있으며, 절연막은 IDT 전극의 절연뿐만 아니라 러브파를 생성시킬 경우 웨이브 가이드층(wave guide layer)으로도 이용될 수 있다. 절연막 및 웨이브 가이드층의 재료로는 실리콘 산화막 (SiO2), 실리콘 질화막 (SixNy), 산화 아연막 (ZnO), 패럴린 (parylene), 폴리메틸메타크릴레이트 (poly methyl methcrylate, PMMA) 등의 각종 폴리머, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들면, 실리콘 산화막 1종을 이용하는 것과 산화 아연막에 실리콘 산화막을 코팅하여 2종이 이용될 수 있다.
상기 표면탄성파 센서는 센싱부 및 출력부를 더욱 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어 "센싱부"는 압전성 기판 상에 형성되며, 입력부로부터 표면탄성파가 입력되면, 측정 대상물을 센싱하기 위하여 측정 대상물에 대응되는 표면탄성파를 출력할 수 있는 영역을 의미한다.
센싱부는 입력부와 출력부 사이의 지연선(delay line)으로 구현될 수 있으며, 막 또는 셀의 형태일 수 있다.
상기 센싱부의 표면에 측정 대상물이 결합되면, 압력, 회전력, 충격, 장력, 중력, 질량, 증발, 생화학, 온도, 습도, 결빙, 점도, 변위, 유동, 감광, 광각, 가속, 마모, 오염 등이 영향으로 인해, 입력부로부터 입력된 표면탄성파로부터 주파수, 위상(phase), 세기(amplitude), 또는 클럭(clock) 수가 상이한 표면탄성파가 생성된다.
상기 측정 대상물은 단백질, DNA, 바이러스, 박테리아, 세포, 조직, 가스, 온도, 압력, 습도 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용된 용어 "출력부(300)"는 압전성 기판 상의 일측에 형성되며, 센싱부로부터 출력되는 표면탄성파를 받아 들여 해석하기 위하여, 기계적인 신호를 전기적인 신호로 변환할 수 있는 영역을 의미한다. 일반적으로, 출력부는 센싱부를 기준으로 입력부와 서로 마주보는 형태로 배치 될 수 있다.
출력부는 입력부와 동일한 (참조, 도 1 및 2) 또는 변형된 (미도시) 형태를 가질 수 있으며, 출력부의 일 단에는 신호측정부로 신호를 출력하기 위한 전극 패드(미도시)를 포함할 수 있다.
상기 출력부는 압전성 기판 상에 기설정된 형태로 금속 물질을 패터닝하는 것에 의해 형성될 수 있으며, 금속 물질은 상기 입력부 부분에서 정의된 바와 같다.
상기 구현예에서, 표면탄성파 센서는 측정 대상물에 따라 단백질, DNA, 바이러스, 박테리아, 세포, 및 조직 등을 감지하는 바이오센서, 유독가스 또는 인화성가스 등을 감지하는 가스센서, 온도를 감지하는 온도센서, 압력을 감지하는 압력센서, 및 습도를 감지하는 습도센서 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용된 용어 "신호측정부"는 다중울림파를 타임 게이팅하여, 전기 신호의 변화를 측정할 수 있는 영역을 의미하는 것으로, 출력부에서 변환된 신호를 검출한다. 또한, 상기 신호측정부는 검출된 신호를 통하여 센싱부에 결합된 측정 대상물을 감지할 수도 있다.
예를 들면, 센싱부에 측정 대상물이 결합되면, 출력부에서 전기 신호의 주파수, 위상, 세기 및 클럭 수 등이 달라지게 된다. 신호측정부는 이를 통하여 센싱부에 물질이 결합되어 있음을 감지할 수 있으며, 나아가 측정 대상물을 정성적 및 정량적으로 분석할 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어 "다중울림파(multi-transit-echo wave)"는 입력부(200) 에서 나온 표면탄성파가 출력부(300) 와 입력부(200) 사이에서 반사되는 것에 의해 형성된 파(wave)를 의미한다. 상기 다중울림파는 입력부와 출력부를 구현하는 인터 디지털 트랜스듀서(Inter Digital Transducer, IDT)의 금속 박막이 임피던스와 부하하중의 불연속성을 발생시켜IDT의 각 핑거(finger)에서 표면 탄성파를 반사시키는 경우 발생될 수도 있다.
상기 다중울림파는 삼중울림파(triple-transit-echo wave), 오중울림파(quintuple-transit-echo wave)등을 포함할 수 있다.
상기 구현예에서, 삼중울림파(500)는 입력부에서 나온 표면탄성파가 출력부(300) 에서 입력부(200) 로 반사되고 다시 입력부(200)에 의해 출력부(300)로 반사된 후 출력부(300) 에 도달하는 것으로서, 중심파(400) 다음에 출력부(300)에 도달한다. 도 1 에 도시한 바와 같이, 삼중울림파(500)는 센싱부를 3번 통과 하므로 센싱부를 1번 통과 하는 중심파(400)에 비해 매질의 영향을 3배 받으며, 중심파의 지연시간에 비해 3배의 지연시간을 갖을 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어 "타임 게이팅(time gating)"은 발생된 파 중에서 일정 시간 간격에 존재하는 특정 파를 선택하여 측정하는 방법을 의미한다. 상기 구현예에 따르면, 전기 신호의 변화는 중심파(400) 외의 다중울림파, 예를 들면 삼중울림파(500), 오중울림파 등을 타임 게이팅하는 것에 의해 측정될 수 있다.
다중울림파를 출력 신호에 사용하는 경우, 중심파를 출력 신호에 사용하는 경우에 비해, 표면에 접한 매질의 영향이 증가되므로 표면탄성파 센서의 민감도가 더욱 향상될 수 있다. 또한, 출력 신호는 표면탄성파가 진행하는 지연선의 길이에 비례하므로, 다중울림파를 타임 게이팅하는 경우, 중심파를 타임 게이팅하는 경우에 비해, 동일한 출력신호를 더욱 짧은 지연선의 길이로 구현할 수 있다.
일 실시예에서, 삼중울림파를 타임 게이팅하여 측정하였다.
상기 구현예에서, 신호측정부로서 네트워크 분석기(Network analyzer), 벡터 전압계(vector voltmeter), 주파수 계수기(frequency counter), 위상 검출기, 및 오실로스코프 등과 같은 장비가 이용될 수 있다.
일 실시예에서, 네트워크 분석기을 사용하여 삼중울림파를 타임 게이팅하였다.
<다중울림파를 이용한 측정 방법>
다른 측면에 따르면, 다중울림파를 이용한 측정 방법이 제공된다. 상기 방법은 전기 신호를 표면탄성파로 변환하는 단계; 상기 표면탄성파가 측정 대상물을 센싱하는 단계; 상기 센싱된 측정 대상물에 대응되는 표면탄성파를 출력하는 단계; 상기 대응되는 표면탄성파를 다시 전기 신호로 변환하는 단계; 및 다중울림파 부분을 타임 게이팅 하여 전기 신호의 변화를 검출하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 상기 측정 방법은 측정 대상물을 감지하는 단계를 더욱 포함할 수도 있다.
우선, 전기 신호는 입력부, 예를 들면 입력 IDT를 거쳐 기계적인 신호인 표면탄성파로 변환된다.
이 표면탄성파는 센싱부가 측정 대상물과 결합하는 것에 의해 물리적, 화학적, 전기적 반응이 변환 될 수 있다. 일 예로, 표면탄성파의 출력 신호의 주파수, 위상, 세기 및 클럭 수 등이 달라질 수 있다.
상기 변화된 표면탄성파는 출력부, 예를 들면 출력 IDT를 거쳐 다시 전기 신호로 변화하게 된다. 측정 대상물이 결합하여 센싱부의 중량 등이 변화되면, 입력 IDT에 의해 여진되는 표면탄성파의 전단 속도가 변화될 수 있다.
그 다음, 다중울림파를 타임 게이팅 하여 전기 신호의 주파수, 위상, 세기, 및 클럭 수 변화를 측정한다. 이에 의해 측정 대상물의 압력, 회전력, 충격, 장력, 중력, 질량, 증발, 생화학, 온도, 습도, 결빙, 점도, 변위, 유동, 감광. 광각, 가속, 마모, 오염 등의 물성을 정밀하게 검출할 수 있다. 나아가 측정 대상물을 정성적 및 정량적으로 분석할 수도 있다.
다중울림파를 출력신호에 사용하여 측정하는 경우, 중심파를 사용하는 경우 보다 표면탄성파 센서의 민감도가 더욱 향상될 수 있다.
예를 들면, 이론적으로 삼중울림파는 중심파에 비해 표면에 접한 매질의 영향이 3배 증가하므로, 표면탄성파 센서의 민감도가 3배 향상될 수 있고, 오중울림파는 중심파에 비해 표면에 접한 매질의 영향이 5배 증가하므로, 표면탄성파 센서의 민감도가 5배 향상될 수 있으나, 이에 구속되는 것은아니다.
또한, 다중울림파를 사용하여 측정하는 경우 동일 민감도 성능을 위해 중심파를 사용하는 경우 보다 출력 신호를 더욱 짧은 지연선의 길이로 구현할 수 있다.
예를 들면, 삼중울림파는 중심파에 비해 지연선의 길이를 약 1/3로 줄일 수 있으며, 오중울림파는 중심파에 비해 지연선의 길이를 약 1/5로 줄일 수 있다.
상기 구현예에 따르면, 동일한 크기의 기판 위에 더욱 많은 수의 센서를 집적할 수 있으므로, 이는 표면탄성파 센서의 제조 원가를 크게 절감할 수 있음을 의미한다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 다양한 실시예를 제시한다. 하기 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명의 보호범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1] 표면탄성파의 타임 도메인 측정
신호생성기에서 400MHz 주파수를 갖는 전기 신호를 도 1 및 2에 도시한 바와 같은 표면탄성파 센서에 인가한 후, 출력된 표면탄성파의 타임 도메인을 측정하였다. 그 결과를 도 3에 나타내었다.
도 3을 참고하면, RF 피드-쓰루(feed-through)(600), 중심파(400), 삼중울림파(500), 및 오중울림파(700) 순으로 타임 도메인 상의 순차적인 피크(peak)가 나타났다.
이로부터, 삼중울림파는 중심파에 비해 파의 진행거리가 3배이므로, 인접매질에서 3배의 영향을 받은 신호를 출력하고, 그리고 오중울림파는 중심파에 비해 파의 진행거리가 5배이므로, 인접 매질에서 5배의 영향을 받은 신호를 출력함을 알 수 있다.
[실시예 2] 글리세롤 농도에 따른 중심파 및 삼중울림파의 위상 변화
36°YX LiTaO3(LT) 기판에 구현된 표면탄성파 센서에 측정 대상물로서 증류수에 희석한 글리세롤(glycerol)을 사용하여 네트워크 분석기(Network analyzer, Agilent 사, 8753ES)로 글리세롤의 농도에 따른 위상의 변화를 측정하였다. 그 결과를 표 1 및 도 4에 나타내었다.
글리세롤 (wt%) 0 2 4 6 8 10
중심파 0 -55.5 -56 -57.2 -57.8 -58.3
삼중울림파 0 -159.8 -160.9 -162.5 -164.6 -166.7
단위: degree
표 1 및 도 4를 참고하면, 글리세롤 농도에 따른 중심파(400)로 측정한 위상의 변화는 함수 -0.3236x-55.181 (여기서, x는 글리세롤의 농도이다)로 표현될 수 있으며, 글리세롤 농도에 따른 삼중울림파(500)로 측정한 위상의 변화는 -0.8443x-157.89 (여기서, x는 상기 정의한 바와 같다)로 표현될 수 있다.
이로부터, 삼중울림파를 이용하여 글리세롤의 위상의 변화을 측정하는 경우, 중심파로 측정하는 경우에 비해 약 3배의 민감도가 향상되었음을 알 수 있다.
[실시예 3] 글리세롤 농도에 따른 중심파 및 삼중울림파의 세기 변화
실시예 2에서와 동일한 방법을 사용하여, 글리세롤의 농도에 따른 표면 탄성파 세기(amplitude)의 변화를 측정하였다. 그 결과를 표 2 및 도 5에 나타내었다.
글리세롤 (wt%) 0 2 4 6 8 10
중심파 0 -5.3 -5.4 -5.5 -5.6 -5.7
삼중울림파 0 -40.5 -41.0 -41.5 -42.0 -42.3
단위: dB
표 2 및 도 5를 참고하면, 글리세롤 농도에 따른 중심파(400)로 측정한 위상의 변화는 함수 -0.0627x-5.1054로 (여기서, x는 글리세롤의 농도를 나타낸다) 표현될 수 있으며, 글리세롤 농도에 따른 삼중울림파(500)로 측정한 위상의 변화는 -0.1438x-40.794로 (여기서, x는 상기 정의한 바와 같다) 표현될 수 있다.
이로부터, 삼중울림파를 이용하여 글리세롤의 세기의 변화를 측정하는 경우, 중심파로 측정하는 경우에 비해 약 3배의 민감도가 향상되었음을 알 수 있다.
[실시예 4] Troponin I의 농도에 따른 표면파 및 삼중울림파의 위상 변화
실시예 2에서와 동일한 방법을 사용하여, 혈청(serum)내 Troponin(트로포닌) I의 농도에 따른 표면 탄성파 위상 변화를 측정하였다. 그 결과를 표 3 및 도 6에 나타내었다.
Troponin I (ng/mL) 0.1 1 10
중심파 0.5 5.3 21.4
삼중울림파 12.6 25.7 78.6
단위: degree
표 3 및 도 6을 참고하면, 삼중울림파(500)를 이용하여 측정한 Troponin I 위상의 변화가 중심파(400)를 이용해 측정한 경우에 비해 약 3배 이상 증가되었음을 알 수 있다.
상기 실시예의 결과로부터, 다중울림파를 이용하는 경우 중심파를 이용하는 경우에 비해 표면탄성파 센서의 민감도가 향상되고, 더욱 짧은 지연선 길이로도 같은 민감도를 갖는 센서의 설계가 가능하므로, 센서의 제조 원가가 크게 절감될 수 있음을 알 수 있다.
이상 특정 실시예를 도시하고 설명하였으나, 본 발명의 기술사상은 첨부된 도면과 상기한 설명 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능함은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 사실이며, 이러한 형태의 변형은 본 발명의 정신에 위배되지 않는 범위 내에서 본 발명의 특허청구범위에 속한다고 볼 것이다.

Claims (20)

  1. 표면탄성파 센서로 전기 신호를 인가하는 신호생성부;
    상기 신호생성부에 연결되어 있으며, 상기 전기 신호를 표면탄성파로 변환하고, 상기 표면탄성파로 측정 대상물을 센싱한 후, 상기 측정 대상물에 대응되어 출력된 표면탄성파를 전기 신호로 변환하는 표면탄성파 센서; 및
    상기 표면탄성파 센서의 일측에 연결되어 있으며, 다중울림파를 타임 게이팅하여 전기 신호의 변화를 검출하는 신호측정부를 포함하는 표면탄성파 센서 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 표면탄성파 센서는:
    압전성 기판, 및
    상기 압전성 기판 상의 일측에 형성되며 전기 신호를 표면탄성파로 변환하는 입력부를 포함하는 것인, 표면탄성파 센서 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 표면탄성파 센서는:
    상기 압전성 기판 상에 형성되며 표면탄성파가 입력되면 측정 대상물을 센싱하기 위하여 이에 대응되는 표면탄성파를 출력하는 센싱부; 및
    상기 압전성 기판 상의 일측에 형성되며 상기 대응되는 표면탄성파를 다시 전기 신호로 변환하는 출력부를 더욱 포함하는 것인, 표면탄성파 센서 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 압전성 기판 상에 산화 방지막을 포함하는 것인, 표면탄성파 센서 시스템.
  5. 제2항에 있어서, 상기 압전성 기판 상에 절연막을 포함하는 것인, 표면탄성파 센서 시스템.
  6. 제2항에 있어서, 상기 입력부 및 상기 출력부 중 적어도 하나는 인터 디지털 트랜스듀서(Inter Digital Transducer)인 것인, 표면탄성파 센서 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 표면탄성파는 굴곡 플레이트파(Flexural Plate wave), 러브파(Love wave), 표면 스키밍 버크파(Surface Skimming Bulk Wave) 및 램파(Lamb wave)로부터 선택되는 것인, 표면탄성파 센서 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 측정 대상물은 단백질, DNA, 바이러스, 박테리아, 세포, 조직, 가스, 온도, 압력 및 습도로부터 선택되는 하나 이상의 것인, 표면탄성파 센서 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 표면탄성파 센서는 바이오센서, 가스센서, 온도센서, 압력센서 및 습도센서로부터 선택되는 것인, 표면탄성파 센서 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 다중울림파는 삼중울림파(triple-transit-echo wave) 또는 오중울림파(quintuple-transit-echo wave)인 것인, 표면탄성파 센서 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 신호측정부는 전기 신호의 주파수의 변화, 위상의 변화, 세기의 변화 및 클럭 수의 변화로부터 선택되는 하나 이상의 변화를 검출하는 것인, 표면탄성파 센서 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 상기 신호측정부는 측정 대상물의 압력, 회전력, 충격, 장력, 중력, 질량, 증발, 생화학, 온도, 습도, 결빙, 점도, 변위, 유동, 감광. 광각, 가속, 마모 및 오염으로부터 선택되는 하나 이상을 감지하는 것을 더욱 포함하는 것인, 표면탄성파 센서 시스템.
  13. 전기 신호를 표면탄성파로 변환하는 단계;
    상기 표면탄성파가 측정 대상물을 센싱하는 단계;
    상기 센싱된 측정 대상물에 대응되는 표면탄성파를 출력하는 단계;
    상기 대응되는 표면탄성파를 전기 신호로 변환하는 단계; 및
    다중울림파를 타임 게이팅하여 전기 신호의 변화를 검출하는 단계를 포함하는 다중울림파를 이용한 측정 방법
  14. 제13항에 있어서, 상기 표면탄성파는 굴곡 플레이트파(Flexural Plate wave), 러브파(Love wave), 표면 스키밍 버크파(Surface Skimming Bulk Wave) 및 램파(Lamb wave)로부터 선택되는 것인, 다중울림파를 이용한 측정 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 측정 대상물은 단백질, DNA, 바이러스, 박테리아, 세포, 조직, 가스, 온도, 압력 및 습도로부터 선택되는 하나 이상의 것인, 다중울림파를 이용한 측정 방법.
  16. 제13항에 있어서, 상기 다중울림파는 삼중울림파(triple-transit-echo wave) 또는 오중울림파(quintuple-transit-echo wave)인 것인, 다중울림파를 이용한 측정 방법.
  17. 제13항에 있어서, 상기 전기 신호의 변화는 주파수의 변화, 위상의 변화, 세기의 변화 및 클럭 수의 변화로부터 선택되는 하나 이상인 것인, 다중울림파를 이용한 측정 방법.
  18. 제13항에 있어서, 측정 대상물을 감지하는 단계를 더욱 포함하는 것인, 다중울림파를 이용한 측정 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 측정 대상물을 감지하는 단계는 측정 대상물의 압력, 회전력, 충격, 장력, 중력, 질량, 증발, 생화학, 온도, 습도, 결빙, 점도, 변위, 유동, 감광, 광각, 가속, 마모 및 오염으로부터 선택되는 하나 이상을 감지하는 것인, 다중울림파를 이용한 측정 방법.
  20. 제13항에 있어서, 다중울림파를 이용한 측정은 중심파를 이용하는 경우에 비해 민감도가 향상되는, 다중울림파를 이용한 측정 방법.
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