KR20160098016A - 미세 임피던스 변화량 감지를 위한 마이크로스트립, 슬롯 센서 장치 - Google Patents

미세 임피던스 변화량 감지를 위한 마이크로스트립, 슬롯 센서 장치 Download PDF

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KR20160098016A
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최재익
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한국전자통신연구원
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 미세 임피던스 변화량 감지를 위한 마이크로스트립-슬롯 센서 장치는 인체 등가 조직; 및 인체 등가 조직 내의 혈관 상부에 구비되어 미세 임피던스의 변화량을 감지하는 고주파 센서를 포함하고,
상기 고주파 센서는, 상기 인체 등가 조직과 접촉하여 미세 임피던스를 감지하는 센싱부; 상기 센싱부 상부에 구비되는 유전체 기판; 및 상기 유전체 기판 상부에 형성되며 슬롯구조를 포함하는 접지부를 포함할 수 있다.

Description

미세 임피던스 변화량 감지를 위한 마이크로스트립, 슬롯 센서 장치{Microstrip-slot sensor device for probing minute impedance variation}
본 발명은 미세 임피던스 변화량 감지를 위한 마이크로스트립-슬롯 센서 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미세 임피던스 변화량을 효율적으로 감지하기 위한 기술에 관한 것이다.
다양한 산업 응용 분야에서 센서가 사용되고 있다. 이러한 센서의 사용에 있어 임의의 배경 물질 속에 존재하는 작은 이종 물질의 전기적 특성(유전율, 도전율, 투자율 등) 변화를 효율적으로 감지하기 위한 센서 기술이 요구된다.
특히, 인체 혈액내의 미세한 혈당(혈액 글루코스) 변화를 지속적으로 감지하기 위한 의료 기기(장치) 연구 개발에서 매우 중요한 요소 기술이다.
또한 사람마다 인체 등가 조직의 전기적 특성이 서로 다르므로, 임피던스 검출 센서의 동작 주파수 보정을 위한 고주파 재구성 센서 구조가 필요하다.
특허공개번호 JP 2013-165273호
본 발명의 실시예는 인체 혈액내 혈당(글루코스) 농도 변화에 따른 인체에서의 미세한 임피던스 변화량을 검출할 수 있는 마이크로스트립-슬롯 센서 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 미세 임피던스 변화량 감지를 위한 마이크로스트립-슬롯 센서 장치는 인체 등가 조직; 및 인체 등가 조직 내의 혈관 상부에 구비되어 미세 임피던스의 변화량을 감지하는 고주파 센서를 포함하고,
상기 고주파 센서는, 상기 인체 등가 조직과 접촉하여 미세 임피던스를 감지하는 센싱부; 상기 센싱부 상부에 구비되는 유전체 기판; 및 상기 유전체 기판 상부에 형성되며 슬롯구조를 포함하는 접지부를 포함할 수 있다.
본 기술은 인체 혈당 농도 변화에 따른 미세한 임피던스 변화량을 감지함으로써 혈당 변화를 실시간적으로 모니터링할 수 있는 의료 장치 등의 감지결과의 정확도를 증대시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 미세 임피던스 변화량 감지를 위한 마이크로스트립-슬롯 센서 장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 미세 임피던스 변화량 감지를 위한 마이크로스트립-슬롯 센서 장치의 분리 사시도이다.
도 3a은 본 발명의 실시예에 따른 미세 임피던스 변화량 감지를 위한 마이크로스트립-슬롯 센서 장치의 센서의 제 1면(앞면)을 구체적으로 나타낸 사시도이다.
도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 미세 임피던스 변화량 감지를 위한 마이크로스트립-슬롯 센서 장치의 센서의 제 2면(뒷면)을 구체적으로 나타낸 사시도이다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 미세 임피던스 변화량 감지를 위한 마이크로스트립-슬롯 센서 장치의 센서의 제 1면(앞면)의 정면도이다.
도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 미세 임피던스 변화량 감지를 위한 마이크로스트립-슬롯 센서 장치의 센서의 제 2면(뒷면)의 정면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 미세 임피던스 변화량 감지를 위한 마이크로스트립-슬롯 센서 장치의 X-X'로 자른 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 본 발명의 실시예에 따른 미세 임피던스 변화량 감지를 위한 마이크로스트립-슬롯 센서 장치의 Y-Y'로 자른 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 미세 임피던스 변화량 감지를 위한 마이크로스트립-슬롯 센서 장치의 인체 등가조직, 혈관 구조, 및 고주파 센서의 설계 변수값을 나타내는 도면이다.
도 8a는 본 발명의 실시예에 따른 미세 임피던스 변화량 감지를 위한 마이크로스트립-슬롯 센서 장치의 센서의 설계 변수값을 나타내는 제 1면(앞면)의 정면도이다.
도 8b는 본 발명의 실시예에 따른 미세 임피던스 변화량 감지를 위한 마이크로스트립-슬롯 센서 장치의 센서의 설계 변수값을 나타내는 제 2면(뒷면)의 정면도이다.
도 9a는 본 발명의 실시예에 따른 미세 임피던스 변화량 감지를 위한 마이크로스트립-슬롯 센서 장치의 선폭 변수값 Sg이 0mm일 때 입력 반사계수의 진폭을 나타내는 그래프이다.
도 9b는 본 발명의 실시예에 따른 미세 임피던스 변화량 감지를 위한 마이크로스트립-슬롯 센서 장치의 선폭 변수값 Sg이 0mm일 때 입력 반사계수의 위상을 나타내는 그래프이다.
도 10a는 본 발명의 실시예에 따른 미세 임피던스 변화량 감지를 위한 마이크로스트립-슬롯 센서 장치의 선폭 변수값 Sg이 0.3mm일 때 입력 반사계수의 진폭을 나타내는 그래프이다.
도 10b는 본 발명의 실시예에 따른 미세 임피던스 변화량 감지를 위한 마이크로스트립-슬롯 센서 장치의 선폭 변수값 Sg 이 0.3mm일 때 입력 반사계수의 위상을 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세 임피던스 변화량 감지를 위한 마이크로스트립-슬롯 센서 장치의 센서의 제 1면(앞면)의 정면도이다.
도 12a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세 임피던스 변화량 감지를 위한 마이크로스트립-슬롯 센서 장치의 진폭을 나타내는 그래프이다.
도 12b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세 임피던스 변화량 감지를 위한 마이크로스트립-슬롯 센서 장치의 위상을 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예의 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. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 도 1 내지 도 12b를 참조하여, 본 발명의 실시예들을 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 미세 임피던스 변화량 감지를 위한 마이크로스트립-슬롯 센서 장치의 사시도이다.
도 1을 참조하면 본 발명의 실시예에 따른 임피던스 변화량 감지를 위한 마이크로스트립-슬롯 센서 장치는 인체 등가조직(100), 인체 등가조직(100) 내의 내부 혈관(200) 바로 상부에 부착되는 고주파 센서(300)를 구비한다.
인체 등가 조직(100) 및 내부 혈관(200)은 임의의 주파수에서 특정한 유전율 및 도전율 특성을 가진다. 특히, 혈액내 혈당(글루코스) 농도 변화는 특정 주파수에서 유전율 및 도전율 특성 변화를 보인다. 그러나, 혈액내 혈당 변화에 따른 전기적 특성 변화(유전율 및 도전율 변화)는 혈관을 포함하는 전체 인체 등가 조직의 미세한 유효 유전율 및 도전율 변화를 가져온다. 그러므로, 이러한 미세 임피던스 변화량을 검출하기 위해서는 내부 혈관(200) 바로 상부에 고주파의 임피던스 변화 검출용 센서(300)를 부착할 필요가 있다.
고주파 센서(300)는 내부 혈관(200) 내부의 혈액에서 변하는 미세한 혈당 농도 변화를 정밀 검출하기 위하여 혈관 길이 방향으로 부착된다. 또한, 고주파 센서(300)는 비침습 접촉형 고주파 센서의 PCB 패턴 영역은 혈관 직경 및 혈관의 측정 위치를 고려할 경우 5mm의 폭과 40 mm의 길이 이내로 구현될 수 있다. 이때, 고주파 센서(300)의 길이는 측정시 동작 주파수와 관련이 될 수 있으며, 저주파 대역 설계 조건일수록 고주파 센서(300)의 길이는 길어진다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 미세 임피던스 변화량 감지를 위한 마이크로스트립-슬롯 센서 장치의 분리 사시도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 미세 임피던스 변화량 감지를 위한 마이크로스트립-슬롯 센서 장치의 고주파 센서(300)는 제 1면부(310)와 제 2면부(320)를 구비한다. 이후 도 3 내지 도 4b에서 유전체 기판(303)이 제 1면부(310)에 포함되는 것으로 설명하고 있으나, 도 2와 같이 제 1 면부(310), 유전체 기판(303), 센싱부(301)가 적층된 3계층으로 표현할 수도 있다.
도 3a 및 도 4a를 참조하면, 제 1면부(310)는 센싱부(301), 입력 임피던스 정합부(302), 유전체 기판(303)을 포함한다. 도 3a은 본 발명의 실시예에 따른 미세 임피던스 변화량 감지를 위한 마이크로스트립-슬롯 센서 장치의 센서의 제 1면(앞면)을 구체적으로 나타낸 사시도이고, 도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 미세 임피던스 변화량 감지를 위한 마이크로스트립-슬롯 센서 장치의 센서의 제 1면(앞면)의 정면도이다.
센싱부(301)는 인체 등가 조직(100)에 바로 접촉되는 루프 형태로 형성된다.
입력 임피던스 정합부(302)는 입력임피던스를 정합한다.
유전체 기판(303)은 유전물질로 형성되고, 본 발명에서는 유전체 기판(303)이 직사형의 얇은 두께를 가지도록 구성되는 예를 개시하고 있으나 이에 한정되지 않고 그 모양 및 두께는 변경될 수 있다.
도 3b 및 도 4b를 참조하면 제 2면부(320)는 접지부(304), 내부의 슬롯 구조(305) 및 동축 입력 단자(306)로 구성된다. 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 미세 임피던스 변화량 감지를 위한 마이크로스트립-슬롯 센서 장치의 센서의 제 2면(뒷면)을 구체적으로 나타낸 사시도이고, 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 미세 임피던스 변화량 감지를 위한 마이크로스트립-슬롯 센서 장치의 센서의 제 2면(뒷면)의 정면도이다.
접지부(304)는 제 1면의 유전체 기판(303)과 접하는 부분으로 유전체 기판(303)과 동일한 면적 및 모양을 갖도록 구현할 수 있다.
슬롯 구조(305)는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 루프 형태의 센싱부(301)의 바로 맞은 편에 위치하며, 슬롯의 선 폭을 변화시켜 루프 센싱 전송 선로의 특성 임피던스를 변화시킬 수 있다. 광범위 의미에서는 슬롯 구조(305)의 선 폭이 0 mm인 경우에는 접지부(304)가 완전 도체로 구현된다. 이때, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 미세 임피던스 변화량 감지를 위한 마이크로스트립-슬롯 센서 장치의 X-X'로 자른 단면도이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 본 발명의 실시예에 따른 미세 임피던스 변화량 감지를 위한 마이크로스트립-슬롯 센서 장치의 Y-Y'로 자른 단면도이다.
동축 입력 단자(306)는 전원 연결선과 연결된다. 이때, 본 발명의 동축 입력 단자 방식은 마이크로스트립 입력 단자 방식 등 다른 방식으로 변경될 수도 있다.
아래 표 1은 인체 등가 조직(100) 및 내부 혈관(200)의 혈액 농도별 주파수 변화에 따른 전기적 특성값(유전율 및 도전율)을 개시한다. 여기서, 인체 등가 조직(100) 및 내부 혈관(200)의 혈액의 혈당 농도별 전기적 특성 데이터는 인위적으로 등가 제작된 물질의 측정 데이터를 나타낸다.
주파수
[GHz]		 인체 등가 조직(100) 혈액
정상혈당(120 ml/dl)		 혈액
고혈당(180 ml/dl)
유전율(실수) 도전율 유전율(실수) 도전율 유전율(실수) 도전율
0.49 44.85 0.66 63.17 0.81 58.80 0.78
0.78 42.27 0.87 61.62 0.98 56.69 0.97
1.00 40.75 1.03 60.78 1.13 55.57 1.15
1.50 37.71 1.49 58.90 1.59 53.07 1.65
2.01 35.20 2.00 57.30 2.14 50.97 2.26
2.99 30.96 3.06 53.99 3.52 46.70 3.68
4.01 27.22 4.16 50.53 5.22 42.52 5.34
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 미세 임피던스 변화량 감지를 위한 마이크로스트립-슬롯 센서 장치의 인체 등가조직, 혈관 구조, 및 고주파 센서의 설계 변수값을 나타내는 도면이다.
도 8a는 본 발명의 실시예에 따른 미세 임피던스 변화량 감지를 위한 마이크로스트립-슬롯 센서 장치의 센서의 설계 변수값을 나타내는 제 1면(앞면)의 정면도이고, 도 8b는 본 발명의 실시예에 따른 미세 임피던스 변화량 감지를 위한 마이크로스트립-슬롯 센서 장치의 센서의 설계 변수값을 나타내는 제 2면(뒷면)의 정면도이다.
전자장 시뮬레이션을 위한 인체 등가 조직(100), 내부 혈관(200), 및 고주파 센서(300)는 도 7과 와 같은 설계 변수값을 가진다. 이러한 설계 변수값은 아래 표 2와 같다. 단, 인체 등가 조직 및 혈관의 주파수 별 복소 유전율(유전율 및 도전율) 특성 데이터는 표1 에 제시된 값을 사용하기로 한다. 사용된 유전체 기판의 유전율은 9.7(@2 GHz), 유전체 두께는 0.762 mm(30mils) 그리고 동박 두께는 0.018 mm(0.5 oz.)의 전기적 및 물리적 특성을 갖는다.
구조 설계 변수 설계 변수 설명 설계 값 비고
인체 등가 조직 La 높이 40 mm 인체의 팔목 부분 고려
Lb 폭 60 mm
Lc 길이 150 mm
혈관 조직 d1 혈관 직경 3 mm 표피로부터 혈관의 깊이
d2 혈관 깊이 3 mm
고주파 센서 B1 길이 50 mm 유전체 크기로 두께는 유전체 및 동박 두께의 합
B2 폭 14 mm
B3 두께 0.798 mm
W1 선로 폭 0.15 mm 사각 루프 회로, 선로 길이는 선로 중심간 거리
L1 선로 세로 길이 3.15 mm
L2 선로 가로 길이 40.15 mm
WT 선로 폭 0.4 mm 임피던스 정합 회로, LT 는 전체 선로 길이
LT 선로 길이 10.6 mm
Sg 선로 폭 0.3 mm 슬롯 회로, 선로 길이는 선로 중심간 거리
S1 선로 세로 길이 3.15 mm
S2 선로 가로 길이 40.15 mm
본 발명의 실시예에 따른 마이크로스트립-슬롯형 고주파 센서 장치와 구조와 이를 인체 등가 조직 및 혈관 구조에 적용하여 혈당 변화에 대하여 EM 시뮬레이션한 특성 결과는 도 9a 내지 도 10b에 도시한다.
도 9a는 본 발명의 실시예에 따른 미세 임피던스 변화량 감지를 위한 마이크로스트립-슬롯 센서 장치의 선폭 변수값 Sg가 0mm일 때 입력 반사계수의 진폭을 나타내는 그래프이고, 도 9b는 본 발명의 실시예에 따른 미세 임피던스 변화량 감지를 위한 마이크로스트립-슬롯 센서 장치의 가 0mm일 때 입력 반사계수의 위상을 나타내는 그래프이다.
도 10a는 본 발명의 실시예에 따른 미세 임피던스 변화량 감지를 위한 마이크로스트립-슬롯 센서 장치의 선폭 변수값 Sg이 0.3mm일 때 입력 반사계수의 진폭을 나타내는 그래프이고, 도 10b는 본 발명의 실시예에 따른 미세 임피던스 변화량 감지를 위한 마이크로스트립-슬롯 센서 장치의 선폭 변수값 Sg이 0.3mm일 때 입력 반사계수의 위상을 나타내는 그래프이다. 즉, 혈당 변화는 진폭 변화에 따른 주파수 변화를 보여주고, 또한 위상 변화를 보여주므로 주파수 변화 및 위상 변화를 측정하여 활용하면 혈당 검출이 가능하다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세 임피던스 변화량 감지를 위한 마이크로스트립-슬롯 센서 장치의 센서의 제 1면(앞면)의 정면도이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세 임피던스 변화량 감지를 위한 마이크로스트립-슬롯 센서 장치는 스위칭 또는 재구성 기능을 가진다.
이를 위해, 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세 임피던스 변화량 감지를 위한 마이크로스트립-슬롯 센서 장치는 도 1과 같이 인체 등가 조직, 내부 혈관, 고주파 센서를 동일하게 구성한다. 다만, 고주파 센서가 루프 형태의 센싱부(401), 입력 임피던스 정합부(402), 유전체기판(403)의 구성에 스위치(404)를 추가로 구비할 수 있다. 이때 스위치(404)는 루프 형태의 센싱부(402)의 일부분에 직렬로 연결되도록 구현할 수 있고, 스위치 대신에 바랙터(varactor)를 구비할 수도 있다.
이렇게 직렬로 연결된 스위치 또는 바랙터는 전송 선로를 단락 선로(폐루프)로 형성하거나 전송 선로를 개방 선로(개루프)로 형성할 수 있다. 직렬 연결된 스위치는 루프 전송 선로를 완전 단락 또는 개방하는 기능을 한다. 반면에, 직렬 연결된 바랙터(외부 전압 제어로 캐패시던스 값이 변하는 소자)는 등가적으로 루프 전송 선로에 가변 캐패시턴스 소자가 부착되어 있는 것으로 간주될 수 있으며, 외부 전압 제어로 고주파 센서의 가변 특성을 얻을 수 있다.
도 12a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세 임피던스 변화량 감지를 위한 마이크로스트립-슬롯 센서 장치의 진폭을 나타내는 그래프이고, 도 12b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세 임피던스 변화량 감지를 위한 마이크로스트립-슬롯 센서 장치의 위상을 나타내는 그래프이다.
도 12a 및 도 12b를 참조하면, 바랙터 소자값이 각각 100 pF, 1.0 pF, 0.1 pF 로 변할 경우에 재구성 혈당 변화 시뮬레이션 특성을 보여준다. 100 pF, 1.0 pF, 0.1 pF 의 캐패시턴스 값은 1 GHz 주파수에서 각각 -j 1.59 Ω, -j 159 Ω, -j 1590 Ω 에 해당된다. 100 pF 와 0.1 pF 의 바랙터 의 값들은 센싱부(401)의 전송 선로(401)를 단락 선로(폐루프) 형성 및 개방 선로(개루프)를 형성하는 역할을 한다.
이와 같이, 본 발명에 따른 마이크로스트립-슬롯 센서 장치는 인체 혈당 농도 변화에 따른 미세한 임피던스 변화량을 감지하여 혈당 변화를 실시간적으로 모니터링할 수 있는 비침습 혈당 의료 기기 개발을 위한 핵심 요소 기술로 활용할 수 있으며, 또한 일반적인 임피던스 변화 측정 센서로 응용하여 활용할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 인체 등가 조직
200 : 내부 혈관
300 : 고주파 센서
301 : 센싱부
302 : 입력 임피던스 정합부
303 : 유전체 기판
304 : 접지부
305 : 슬롯 구조
306 : 동축 입력 단자

Claims (1)

  1. 인체 등가 조직; 및
    인체 등가 조직 내의 혈관 상부에 구비되어 미세 임피던스의 변화량을 감지하는 고주파 센서를 포함하고,
    상기 고주파 센서는,
    상기 인체 등가 조직과 접촉하여 미세 임피던스를 감지하는 센싱부;
    상기 센싱부 상부에 구비되는 유전체 기판; 및
    상기 유전체 기판 상부에 형성되며 슬롯구조를 포함하는 접지부;
    를 포함하는 미세 임피던스 변화량 감지를 위한 마이크로스트립-슬롯 센서 장치.
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