KR20130062625A - 싱크함수를 이용한 신호 측정 장치 및 방법 - Google Patents

싱크함수를 이용한 신호 측정 장치 및 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20130062625A
KR20130062625A KR1020110129002A KR20110129002A KR20130062625A KR 20130062625 A KR20130062625 A KR 20130062625A KR 1020110129002 A KR1020110129002 A KR 1020110129002A KR 20110129002 A KR20110129002 A KR 20110129002A KR 20130062625 A KR20130062625 A KR 20130062625A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
signal
surface acoustic
acoustic wave
wave sensor
sensor
Prior art date
Application number
KR1020110129002A
Other languages
English (en)
Inventor
이열호
최윤석
이수석
이우창
Original Assignee
삼성전자주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전자주식회사 filed Critical 삼성전자주식회사
Priority to KR1020110129002A priority Critical patent/KR20130062625A/ko
Priority to US13/570,966 priority patent/US20130139599A1/en
Publication of KR20130062625A publication Critical patent/KR20130062625A/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/44—Processing the detected response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/02—Analysing fluids
    • G01N29/022—Fluid sensors based on microsensors, e.g. quartz crystal-microbalance [QCM], surface acoustic wave [SAW] devices, tuning forks, cantilevers, flexural plate wave [FPW] devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/34—Generating the ultrasonic, sonic or infrasonic waves, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
    • G01N29/341—Generating the ultrasonic, sonic or infrasonic waves, e.g. electronic circuits specially adapted therefor with time characteristics
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/36—Detecting the response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
    • G01N29/42—Detecting the response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor by frequency filtering or by tuning to resonant frequency
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/44—Processing the detected response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
    • G01N29/46—Processing the detected response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor by spectral analysis, e.g. Fourier analysis or wavelet analysis
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/483—Physical analysis of biological material
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/04—Wave modes and trajectories
    • G01N2291/042—Wave modes
    • G01N2291/0423—Surface waves, e.g. Rayleigh waves, Love waves

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Urology & Nephrology (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

싱크함수를 이용한 신호 측정 장치, 상기 신호 측정 장치를 포함하는 표면탄성파 센서 시스템, 및 싱크함수를 이용한 측정 방법이 개시된다. 상기 싱크함수를 이용한 신호 측정 장치는 표면탄성파 센서로부터의 출력 신호를 높은 정밀도 및 안정도로 측정할 수 있다.

Description

싱크함수를 이용한 신호 측정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING SIGNAL USING SINC FUNCTION}
높은 정밀도 및 측정 안정도를 갖는 싱크함수를 이용한 신호 측정 장치, 상기 신호 측정 장치를 포함하는 표면탄성파 센서 시스템, 및 싱크함수를 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, DNA(Deoxyribonucleic acid), 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.
싱크함수를 이용하여 한번에 또는 동시에 전 대역을 소인함으로써 높은 정밀도 및 측정 안정도를 갖는 신호 측정 장치를 제공하고자 한다.
일 측면에 따르면, 싱크함수를 이용한 표면탄성파 센서로의 입력 신호 전달부 및 표면탄성파 센서로부터 얻어진 출력 신호 수신부을 포함하는, 싱크함수를 이용한 표면탄성파 센서의 신호 측정 장치가 개시된다.
상기 입력 신호 전달부는 싱크함수 발생기, DAC(Digital to Analog Converter)를 포함할 수 있다. 상기 입력 신호 전달부는 변조기, 여파기, 및 선택적으로 증폭기를 더욱 포함할 수 있다.
상기 출력 신호 수신부는 ADC(Analog to Digital Converter) 및 신호 분석기를 포함할 수 있다. 상기 출력 신호 수신부는 여파기, 복조기, 및 선택적으로 증폭기를 더욱 포함할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 싱크함수를 이용한 표면탄성파 센서로의 입력 신호 전달부, 표면탄성파 센서, 및 표면탄성파 센서로부터 얻어진 출력 신호 수신부를 포함하는 표면탄성파 센서 시스템이 개시된다.
상기 표면탄성파 센서는 압전성 기판, 입력부, 센싱부 및 출력부를 포함할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 제1 싱크 신호를 생성하는 단계; 상기 제1 싱크 신호를 특정한 주파수 구간 (frequency bandwidth)의 제1 전기 신호로 변환하는 단계; 상기 변환된 제1 전기 신호를 SAW 센서에 입력하는 단계; 상기 SAW 센서로부터의 제1 표면탄성파 신호가 측정 대상물을 센싱하는 단계; 상기 센싱된 측정 대상물에 대응되는 제2 표면탄성파 신호를 출력하는 단계; 상기 제2 표면탄성파 신호를 제2 전기 신호로 변환하는 단계; 상기 제2 전기 신호를 제2 싱크 신호로 변환하는 단계; 및 상기 제1 싱크 신호 및 제2 싱크 신호를 비교하는 단계를 포함하는 싱크함수를 이용한 측정 방법이 개시된다.
상기 싱크함수를 이용한 측정 방법에 따르면, 종래의 네트워크 분석기를 이용하는 경우 보다 정밀도 및 측정 안정도가 더욱 향상될 수 있다.
도 1은 네트워크 분석기(network analyzer)의 측정 원리를 나타낸다.
도 2는 싱크함수(sinc function)의 원리를 나타낸다.
도 3은 싱크함수의 원리를 나타낸다.
도 4는 싱크함수를 이용한 측정 장치의 개략도를 나타낸다.
도 5은 일 실시예에 따른 싱크함수를 이용한 측정 장치를 나타낸다.
도 6은 도 5의 측정 장치를 이용하여 위상 정밀도를 측정한 결과를 나타낸다.
도 7은 도 6의 그래프를 확대한 확대도를 나타낸다.
도 8은 네트워크 분석기를 이용하여 위상 정밀도를 측정한 결과를 나타낸다.
도 9는 도 8의 그래프를 확대한 확대도를 나타낸다.
본 명세서에 달리 정의되어 않는 한, 사용된 모든 기술 및 과학 용어는 당업계에 통상의 기술자가 통상적으로 이해하는 바와 같은 의미를 가진다. 본 명세서에 포함되는 용어를 포함하는 다양한 과학적 사전이 잘 알려져 있고, 당업계에서 이용가능하다. 비록 본 명세서에 설명된 것과 유사 또는 등가인 임의의 방법 및 물질이 본원의 실행 또는 시험에 사용되는 것으로 발견되나, 몇몇 방법 및 물질이 설명되어 있다. 당업자가 사용하는 맥락에 따라, 다양하게 사용될 수 있기 때문에, 특정 방법학, 프로토콜 및 시약으로 본 발명을 제한하는 것으로 이해되어서는 안된다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 단수형은 문맥이 명확하게 달리 지시하지 않으면 복수의 대상을 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 달리 언급되지 않는 한, "또는"은 "및/또는"을 의미한다. 더욱이, 용어 "포함하는" 뿐만 아니라, 다른 형태, 예를 들어, "가지는", "이루어지는" 및 "구성되는"은 제한적이지 않다.
수치 범위는 상기 범위에 정의된 수치를 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 최대의 수치 제한은 낮은 수치 제한이 명확히 쓰여져 있는 것처럼 모든 더 낮은 수치 제한을 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 최소의 수치 제한은 더 높은 수치 제한이 명확히 쓰여져 있는 것처럼 모든 더 높은 수치 제한을 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 수치 제한은 더 좁은 수치 제한이 명확히 씌여져 있는 것처럼, 더 넓은 수치 범위 내의 더 좋은 모든 수치 범위를 포함할 것이다.
본 명세서에 제공된 제목은 다양한 면 또는 전체적으로 명세서의 참조로서, 하기의 구현예를 제한하는 것으로 이해되어서는 안된다.
통상적으로, 표면탄성파 센서의 전송 특성은 네트워크 분석기(Network Analyzer)라는 범용 계측 장비를 통해 분석되고 있다. 네트워크 분석기란 전기적 네트워크의 네트워크 파라미터를 측정하는 기구로서, 하나의 기계 안에 주파수원 (Frequency source)과 스펙트럼 분석기(Spectrum analyzer)를 포함하고, 입력과 출력의 주파수 신호 분포 결과를 서로 비교하는 것에 의해 S 파라미터(Scattering parameter)를 측정할 수 있다. 상기 네트워크 분석기의 측정 원리를 도 1에 나타내었다.
도 1을 참고하면, 네트워크 분석기는 특정 주파수 밴드(f i~f f) 내에서의 각 주파수 포인트에 해당되는 사인(sine) 신호를 표면탄성파 센서에 입력하고, 표면탄성파로부터 출력된 시간영역 특성 신호를 푸리에 변환을 통해 주파수 영역으로 변환한 후, 변환된 주파수 영역에서 중심주파수 (f c)의 변화와 그에 따른 위상을 관찰한다.
그러나, 네트워크 분석기는 측정 대역의 신호를 소인(sweeping) 하는 동안, 신호 전송 특성의 변화 및 속도의 변화가 없는 상태에서만 정확한 측정이 가능하다. 표면탄성파 센서에서는 생화학적 반응에 의한 음향 매질(acoustic medium)의 특성이 시간에 따라 변화하게 되고, 소인 하는 동안 각 주파수 포인트에서 입출력 신호의 시간 차이가 발생하게 되므로, 측정 오차가 발생하는 문제가 있다.
따라서, 싱크함수를 이용하여 한번에 또는 동시에 전 대역을 소인함으로써 높은 정밀도 및 측정 안정도를 갖는 신호 측정 장치를 제공하고자 한다.
본 명세서에서 사용된, 용어 "싱크함수(sinc function)"는 사인함수와 그 변수의 비로 나타내어지는 함수로서, 하기와 같이 정의된다:
Figure pat00001
상기 싱크함수의 원리를 도 2 및 도 3에 나타내었다.
도 2 및 도 3을 참고하면, 싱크함수는 특정 주파수 밴드 내에서 사용하고자 하는 주파수 성분을 동조(modulation) 시키고, 음향 매질의 특성이 시간에 따라 변하더라도 동일한 입출력 신호가 측정될 수 있다. 따라서, 소인 소요 시간이 필요 없는 동일한 시간 대의 각 주파수 포인트의 입출력이 가능한 것이다.
본 명세서에서 사용된, 용어 "입력 신호 전달부"는 싱크함수를 이용하여 입력 신호를 발생하고, 상기 발생된 입력 신호를 증폭하거나 여과하는 것에 의해 표면탄성파 센서에 전달할 수 있는 장치를 의미한다. 상기 입력 신호 전달부는 싱크함수 발생기, DAC(Digital to Analog Converter), 변조기 및 출력 신호 여파기를 포함할 수 있다.
상기 "싱크함수 발생기(sinc function generator)"는 디지털 신호인 싱크 신호를 생성하기 위한 장치이다.
상기 "DAC(Digital to Analog Converter)"는 상기 싱크함수 발생기에서 생성된 디지털 신호인 싱크 신호를 표면탄성파 센서에 인가할 수 있는 아날로그 신호인 전기 신호로 변환하기 위한 장치이다.
상기 "변조기(modulator)"는 DAC에 의해 변환된 아날로그 신호를 표면탄성파 센서의 동작 주파수 대역으로 주파수 천이를 하기 위한 장치이다.
상기 "출력 신호 여파기(output signal filter)"는 목적하는 주파수 대역 이외에 존재하는 잡음 신호를 제거하는 장치를 의미한다. 잡음 신호를 제거하기 위하여 대역 통과 필터 또는 저역 통과 필터 등과 같은 다양한 종류의 필터를 여파기로 사용할 수 있다.
상기 입력 신호 전달부는 상기 변조기에 의해 주파수 천이된 아날로그 신호를 표면탄성파 센서에 인가하기에 적합한 크기로 증폭하기 위한 "출력 신호 증폭기(output signal amplifier)"를 더욱 포함할 수도 있다.
본 명세서에서 사용된, 용어 "출력 신호 수신부"는 표면탄성파 센서를 통과한 신호를 증폭하거나 여과하는 것에 의해 표면탄성파 센서에 결합된 물질을 분석할 수 있는 장치를 의미한다. 상기 출력 신호 수신부는 입력 신호 여파기, 복조기, ADC(Analog to Digital Converter), 및 신호분석기를 포함할 수 있다.
상기 "입력 신호 여파기(input signal filter)"는 신호 분석기에 요구되는 신호 이외에 존재하는 잡음 신호를 제거하는 장치를 의미한다. 잡음 신호를 제거하기 위하여 대역 통과 필터 또는 저역 통과 필터 등과 같은 다양한 종류의 필터를 여파기로 사용할 수 있다.
상기 "복조기(demodulator)"는 변조된 아날로그 신호를 원래의 신호로 되돌리기 위한 장치이다.
상기 "ADC(Analog to Digital Converter)"는 상기 표면탄성파 센서로부터 출력된 아날로그 신호인 전기 신호를 디지털 신호인 싱크 신호로 변환하기 위한 장치이다.
상기 "신호 분석기(signal detector)"는 표면탄성파 센서로부터 출력된 신호를 검출하고 이를 입력 신호와 비교하는 것에 의해 표면탄성파 센서 내 결합 물질을 감지하는 장치를 의미한다. 상기 신호 분석기는 표면탄성파 센서로부터 출력된 신호와 싱크함수 발생기로부터 생성된 신호의 주파수, 위상 및 신호 크기 등의 변화를 분석하는 것에 의해 대상 물질을 정량적 및 정성적으로 분석할 수 있다.
상기 출력 신호 수신부는 표면탄성파 센서로부터 출력된 신호를 신호 분석기에서 검출하기에 적합한 크기로 증폭하기 위한 "입력 신호 증폭기(input signal amplifier)"를 더욱 포함할 수도 있다.
다른 구현예에 따르면, 싱크함수를 이용한 표면탄성파 센서 시스템이 개시된다.
본 명세서에서 사용된 용어 "표면탄성파 센서"는 표면탄성파를 이용하여 측정 대상물의 존재 여부 또는 물성 등을 센싱하는 장치를 의미한다. 상기 "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. 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.
상기 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, 입력부, 센싱부 및 출력부를 포함할 수 있다.
상기 "압전성 기판(piezoelectric substrate)"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 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 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.
상기 "입력부(inputting part)"는 압전성 기판 상의 일측에 형성되며, 전기 신호를 기계 신호인 표면탄성파로 변환하는 영역을 의미한다. 상기 입력부는 인터 디지털 트랜스듀서(IDT: Inter Digital Transducer)로 구현될 수 있다. 상기 입력부는 압전성 기판상에 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 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 실리콘 산화막 1종을 이용하는 것과 산화 아연막에 실리콘 산화막을 코팅하여 2종이 이용될 수 있다.
상기 "센싱부(sensing part)"는 압전성 기판 상에 형성되며, 입력부로부터 표면탄성파가 입력되면, 측정 대상물을 센싱하기 위하여 측정 대상물에 대응되는 표면탄성파를 출력할 수 있는 영역을 의미한다.
상기 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) 또는 에너지 (또는 에너지 손실) 크기(amplitude)가 상이한 표면탄성파가 생성된다.
상기 측정 대상물은 단백질, DNA, 바이러스, 박테리아, 세포, 조직, 가스, 온도, 압력, 습도 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 "출력부(outputting part)"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 또는 변형된 형태를 가질 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 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.
상기 구현예에 따르면, 상기 표면탄성파 센서 시스템은 싱크함수를 이용한 표면탄성파 센서로의 입력 신호 전달부, 표면탄성파 센서, 및 표면탄성파 센서로부터 얻어진 출력 신호 수신부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 표면탄성파 센서 시스템은 싱크함수 발생기, DAC(Digital to Analog Converter), 표면탄성파 센서, ADC(Analog to Digital Converter) 및 신호분석기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 표면탄성파 센서 시스템은 싱크함수 발생기, DAC(Digital to Analog Converter), 변조기, 출력 신호 여파기, 표면탄성파 센서, 입력 신호 여파기, 복조기, ADC(Analog to Digital Converter) 및 신호분석기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 표면탄성파 센서 시스템은 DAC(Digital to Analog Converter), 변조기, 출력 신호 여파기, 출력 신호 증폭기, 표면탄성파 센서, 입력 신호 여파기, 입력 신호 증폭기, 복조기, ADC(Analog to Digital Converter) 및 신호분석기를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 싱크함수를 이용한 표면탄성파 센서의 신호 측정 장치의 일 구현예를 도 4에 나타내었다.
도 4를 참고하면, 싱크함수 발생기(10)에 의해 생성된 디지털 신호인 싱크 신호는 DAC에 의해 아날로그 신호인 전기 신호로 변환되고, 상기 변환된 전기 신호는 변조기(20)에 의해 표면탄성파 센서의 동작주파수 대역으로 주파수 천이된다. 천이된 아날로그 신호는 출력 신호 증폭기(30)에 의해 증폭되고, 출력 신호 여파기(40)에 의해 잡음 신호가 제거된 후, 표면탄성파 센서(50)에 입력된다.
표면탄성파 센서(50)의 입력부에서 전기 신호는 표면탄성파 신호로 전환되고, 상기 표면탄성파 신호가 센싱부를 진행하면서 결합된 측정 대상물에 따라 특성이 변화된다. 센싱부를 통과한 표면탄성파 신호는 출력부에서 다시 아날로그 신호인 전기 신호로 전환되어 출력된다.
출력된 전기 신호는 입력 신호 여파기(60)에 의해 잡음 신호가 제거되고, 입력 신호 증폭기(70)에 의해 증폭된다. 그 다음, 복조기(80)에 의해 변조된 아날로그 신호를 원래의 아날로그 신호로 되돌리고, DAC에 의해 디지털 신호인 싱크 신호로 변환된 후, 신호 분석기(90)에 의해 분석되는 것이다.
다른 측면에 따르면, 제1 싱크 신호를 생성하는 단계; 상기 제1 싱크 신호를 특정한 주파수 구간의 제1 전기 신호로 변환하는 단계; 상기 변환된 제1 전기 신호를 SAW 센서에 입력하는 단계; 상기 SAW 센서로부터의 제1 표면탄성파 신호가 측정 대상물을 센싱하는 단계; 상기 센싱된 측정 대상물에 대응되는 제2 표면탄성파 신호를 출력하는 단계; 상기 제2 표면탄성파 신호를 제2 전기 신호로 변환하는 단계; 상기 제2 전기 신호를 제2 싱크 신호로 변환하는 단계; 및 상기 제1 싱크 신호 및 제2 싱크 신호를 비교하는 단계를 포함하는 싱크함수를 이용한 측정 방법이 개시된다.
우선, 싱크함수 발생기(10)에 의해 생성된 디지털 신호인 제1 싱크 신호는 DAC에 의해 특정한 주파수 구간의 아날로그 신호인 제1 전기 신호로 변환된다.
상기 변환된 제1 전기 신호가 표면탄성파 센서(50)의 입력부, 예를 들면 입력 IDT를 거쳐 기계적인 신호인 제1 표면탄성파 신호로 변환된다. 상기 제1 표면탄성파 신호는 센싱부가 측정 대상물과 결합하는 것에 의해 물리적, 화학적, 전기적 반응이 변환 될 수 있다. 일 예로, 표면탄성파의 출력 신호의 주파수, 위상, 또는 에너지 크기 등이 달라질 수 있다.
상기 변화된 제2 표면탄성파는 출력부, 예를 들면 출력 IDT를 거쳐 아날로그 신호인 제2 전기 신호로 변화하게 된다. 상기 변환된 제2 전기 신호는 DAC를 거쳐 다시 디지털 신호인 제2 싱크 신호로 변환되고, 상기 제1 싱크 신호 및 제2 싱크 신호의 주파수, 위상 및 세기 등을 비교하는 것에 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.
상기 구현예에 따른 싱크함수를 이용하여 표면탄성파 센서의 신호를 측정하는 경우, 종래의 네트워크 분석기를 이용하는 경우 보다 정밀도 및 측정 안정도가 더욱 향상될 수 있다. 예를 들면, 싱크함수를 이용하여 측정하는 경우 정밀도 및 측정 안정도가 5배 이상 증가할 수 있다.
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]
싱크함수를 이용한 측정 장치를 도 5에 나타낸 바와 같이 구현하였다. 상기 측정 장치는 디지털 신호 처리 장치, DAC, 변조기, 증폭기, ADC로 이루어져 있다.
싱크함수 발생기 및 신호 분석기를 포함하는 디지털 신호처리장치부(Digital Signal Processor, 100)는 FPGA와 CPU로 설계하였다. 상기 디지털 신호처리장치부(100)에서 설계한 싱크 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환해 주는 DAC(200)는 16BIT에 800MSPS 이상의 성능을 가진 제품을 사용하였다(제품명: AD9788BSVZ, 제조사: Analog Devices, Inc.).
상기 변환된 아날로그 신호를 주파수 변조기(300)을 통해 표면탄성파 센서의 동작주파수 대역(예: 400MHz, 200MHz)으로 천이하였다. 주파수 천이된 싱크신호를 증폭기 및 여파기로 구성된 대역 증폭기(400)를 통하여 대역 이외의 잡음이 제거된 신호로 출력하였다.
표면탄성파 센서 내의 측정 대상물(급성심근경색증 마커(marker): Troponin, Mioglobin, CK-MB)을 통과한 전기 신호에서 증폭기와 저주파 통과 여파기로 이루어진 대역 증폭기(600)를 사용하여 측정 주파수 이외의 잡음을 제거하였다. 상기 아날로그 신호인 전기신호를 14BIT에 150MSPS의 성능 이상의 제품(제품명: AD9640BCPZ-105, 제조사: Analog Devices, Inc.)을 사용하는 ADC(700)에 의해 싱크 디지털 신호로 변환하였다.
상기 변환된 싱크 디지털 신호를 디지털 신호처리장치부에 전달한 후, 전달된 싱크 디지털 신호와 처음 발생된 싱크 디지털 신호를 분석하여 표면탄성파 센서의 전송 특성을 측정하였다.
그 결과를 도 6 및 도 7에 나타내었다.
[비교예 1]
네트워크 분석기를 이용하여 표면탄성파 센서의 전송 특성을 측정하였다. 그 결과를 도 8 및 도 9에 나타내었다.
상기 도 6 내지 9로부터 알 수 있듯이, 네트워크 분석기를 이용하여 표면탄성파 센서로부터 출력된 신호를 분석하는 경우, 위상의 정밀도는 약 3도를 나타내었으며(도 6 및 7), 상기 구현예에 따른 싱크함수를 이용한 신호 측정 장치를 이용한 경우, 위상의 정밀도는 약 0.2도를 나타내었다(도 8 및 9).
상기 실시예의 결과로부터, 싱크함수를 이용한 신호 측정 장치를 이용하는 경우 네트워크 분석기를 이용하는 경우에 비해 표면탄성파 센서로부터의 출력 신호의 측정 오차가 줄어들고 높은 정밀도 및 측정 안정도를 갖는 센서의 설계가 가능함을 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. 싱크함수를 이용한 표면탄성파 센서로의 입력 신호 전달부; 및
    상기 표면탄성파 센서로부터 얻어진 출력 신호 수신부를 포함하는,
    싱크함수를 이용한 표면탄성파 센서의 신호 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 입력 신호 전달부는 싱크함수 발생기 및 DAC (Digital to Analog Converter)를 포함하는 것인, 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 입력 신호 전달부는 변조기 및 여파기를 더욱 포함하는 것인, 측정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 입력 신호 전달부는 증폭기를 더욱 포함하는 것인, 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 출력 신호 수신부는 ADC (Analog to Digital Converter) 및 신호 분석기를 포함하는 것인, 측정 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 출력 신호 수신부는 여파기 및 복조기를 더욱 포함하는 것인, 측정 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 출력 신호 수신부는 증폭기를 더욱 포함하는 것인, 측정 장치.
  8. 싱크함수를 이용한 표면탄성파 센서로의 입력 신호 전달부;
    표면탄성파 센서; 및
    표면탄성파 센서로부터 얻어진 출력 신호 수신부를 포함하는, 표면탄성파 센서 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 입력 신호 전달부는 싱크함수 발생기, DAC (Digital to Analog Converter), 변조기, 증폭기 및 여파기를 포함하는 것인, 표면탄성파 센서 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 출력 신호 수신부는 여파기, 증폭기, 복조기, ADC (Analog to Digital Converter) 및 신호 분석기를 포함하는 것인, 표면탄성파 센서 시스템.
  11. 제8항에 있어서, 상기 표면탄성파 센서는:
    압전성 기판,
    제1 전기 신호를 제1 표면탄성파 신호로 변환하는 입력부,
    제1 표면탄성파 신호가 입력되면 측정 대상물을 센싱하기 위하여 이에 대응되는 제2 표면탄성파 신호를 출력하는 센싱부; 및
    상기 제2 표면탄성파 신호를 제2 전기 신호로 변환하는 출력부를 포함하는 것인, 표면탄성파 센서 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 입력부 및 상기 출력부 중 적어도 하나는 인터 디지털 트랜스듀서(Inter Digital Transducer)인 것인, 표면탄성파 센서 시스템.
  13. 제11항에 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.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 측정 대상물은 단백질, DNA, 바이러스, 박테리아, 세포, 조직, 가스, 온도, 압력 및 습도로부터 선택되는 하나 이상의 것인, 표면탄성파 센서 시스템.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 표면탄성파 센서는 바이오센서, 가스센서, 온도센서, 압력센서 및 습도센서로부터 선택되는 것인, 표면탄성파 센서 시스템.
  16. 제8항에 있어서,
    상기 출력 신호 수신부는 표면탄성파로부터의 출력 신호의 주파수 변화, 위상 변화 또는 세기의 변화를 검출하는 것인, 표면탄성파 센서 시스템.
  17. 제1 싱크 신호를 생성하는 단계;
    상기 제1 싱크 신호를 특정한 주파수 구간 (frequency bandwidth)의 제1 전기 신호로 변환하는 단계;
    상기 변환된 제1 전기 신호를 표면탄성파 센서에 입력하는 단계;
    상기 표면탄성파 센서로부터의 제1 표면탄성파 신호가 측정 대상물을 센싱하는 단계;
    상기 센싱된 측정 대상물에 대응되는 제2 표면탄성파 신호를 출력하는 단계;
    상기 제2 표면탄성파 신호를 제2 전기 신호로 변환하는 단계;
    상기 제2 전기 신호를 제2 싱크 신호로 변환하는 단계; 및
    상기 제1 싱크 신호 및 제2 싱크 신호를 비교하는 단계를 포함하는 싱크함수를 이용한 측정 방법.
  18. 제17항에 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, 측정 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 측정 대상물은 단백질, DNA, 바이러스, 박테리아, 세포, 조직, 가스, 온도, 압력 및 습도로부터 선택되는 하나 이상의 것인, 측정 방법.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 제1 싱크 신호와 제2 싱크 신호를 비교하는 단계는 제1 싱크와 제2 싱크 신호의 주파수 변화, 위상 변화 또는 에너지 크기의 변화를 비교하는 것인 측정 방법.
KR1020110129002A 2011-12-05 2011-12-05 싱크함수를 이용한 신호 측정 장치 및 방법 KR20130062625A (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110129002A KR20130062625A (ko) 2011-12-05 2011-12-05 싱크함수를 이용한 신호 측정 장치 및 방법
US13/570,966 US20130139599A1 (en) 2011-12-05 2012-08-09 Apparatus and method for measuring signal using sinc function

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110129002A KR20130062625A (ko) 2011-12-05 2011-12-05 싱크함수를 이용한 신호 측정 장치 및 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20130062625A true KR20130062625A (ko) 2013-06-13

Family

ID=48523030

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020110129002A KR20130062625A (ko) 2011-12-05 2011-12-05 싱크함수를 이용한 신호 측정 장치 및 방법

Country Status (2)

Country Link
US (1) US20130139599A1 (ko)
KR (1) KR20130062625A (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9768888B2 (en) * 2013-10-31 2017-09-19 King Abdullah University Of Science And Technology Integrated passive and wireless sensor
CN103776907B (zh) * 2014-01-03 2016-05-18 浙江大学 基于sinc插值的超声相控阵接收信号精延时方法

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3878477A (en) * 1974-01-08 1975-04-15 Hewlett Packard Co Acoustic surface wave oscillator force-sensing devices
US5233298A (en) * 1992-02-20 1993-08-03 General Electric Company Quantitative measurement of blood flow at multiple positions using comb excitation and fourier velocity encoding
US10573093B2 (en) * 1995-06-07 2020-02-25 Automotive Technologies International, Inc. Vehicle computer design and use techniques for receiving navigation software
DE19646747C1 (de) * 1996-11-01 1998-08-13 Nanotron Ges Fuer Mikrotechnik Verfahren zur drahtlosen Übertragung einer einem Signal aufgeprägten Nachricht
WO2002007309A2 (en) * 2000-07-13 2002-01-24 Rutgers, The State University Of New Jersey Integrated tunable surface acoustic wave technology and sensors provided thereby
US20040072208A1 (en) * 2002-05-23 2004-04-15 Peter Warthoe Surface acoustic wave sensors and method for detecting target analytes
US20030003587A1 (en) * 2002-06-28 2003-01-02 Murray George M Molecularly imprinted polymer based sensors for the detection of narcotics
US8047077B2 (en) * 2009-03-16 2011-11-01 Samsung Electronics Co., Ltd. Surface acoustic wave sensor and sensing method using surface acoustic wave
US8960004B2 (en) * 2010-09-29 2015-02-24 The George Washington University Synchronous one-pole surface acoustic wave resonator

Also Published As

Publication number Publication date
US20130139599A1 (en) 2013-06-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101655302B1 (ko) 표면 탄성파 센서 시스템
KR101776089B1 (ko) 표면탄성파 센서 시스템 및 다중울림파를 이용한 측정 방법
EP2447713B1 (en) Single-input multi-output surface acoustic wave device
TWI427290B (zh) 一種氣體偵測裝置及其方法
CN111781271B (zh) 一种柔性声表面波气体传感器及其制备方法
US20130130362A1 (en) Power spectral density chemical and biological sensor
CN109506808B (zh) 一种具有单调和线性输出特性的saw温度传感器及其设计方法
JP2020526776A (ja) 遅延線コーディングを有する多重化表面弾性波センサ
CN102305827A (zh) 基于扫频技术的乐甫波传感器测试系统及测试方法
SE541055C2 (en) A surface acoustic wave resonant sensor
Aslam et al. Advances in the surface acoustic wave sensors for industrial applications: Potentials, challenges, and future directions: A review
Caliendo Theoretical investigation of Lamb wave A0 mode in thin SiC/AlN membranes for sensing application in liquid media
KR20130062625A (ko) 싱크함수를 이용한 신호 측정 장치 및 방법
Lec et al. Acoustic wave biosensors
KR100698439B1 (ko) 휘발성 물질 감지용 표면탄성파 가스센서
WO2009145385A1 (en) Resonance characteristic measurement apparatus of cantilever structure and measurement method thereof
Chang et al. Analysis of the phase transition of polymer blends using quartz crystal analyser
Mishra et al. Sensitivity of a surface acoustic wave based gas sensor: Design and simulation
Cai et al. A high sensitivity wireless mass-loading surface acoustic wave DNA biosensor
RU2533692C1 (ru) Мультисенсорная акустическая решетка для аналитических приборов "электронный нос" и "электронный язык"
Tran et al. Encapsulated Aluminum Nitride SAW devices for liquid sensing applications
WO2021028827A1 (en) Gas sensor with capacitive micromachined ultrasonic transducer structure and functional polymer layer
JP4504106B2 (ja) 表面弾性波素子による測定方法
Plata et al. Characterization and analytical validation of a microcantilever-based sensor for the determination of total carbonate in soil samples
Joo et al. Polymer film SAW sensors for chemical agent detection

Legal Events

Date Code Title Description
WITN Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid