KR20230118349A - 전자기 기반 삽입형 센서 - Google Patents

전자기 기반 삽입형 센서 Download PDF

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KR20230118349A
KR20230118349A KR1020220014819A KR20220014819A KR20230118349A KR 20230118349 A KR20230118349 A KR 20230118349A KR 1020220014819 A KR1020220014819 A KR 1020220014819A KR 20220014819 A KR20220014819 A KR 20220014819A KR 20230118349 A KR20230118349 A KR 20230118349A
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허영미
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Abstract

전자기 기반 삽입형 센서를 개시한다. 일실시예에 따른 센서는 판 형상의 유전체, 상기 유전체의 일면의 적어도 일부에 형성된 격자 구조의 제1 금속 패턴 및 상기 제1 금속 패턴과 이격하여 상기 유전체의 일면의 적어도 일부에 형성된 격자 구조의 제2 금속 패턴을 포함하고, 상기 유전체는 기판의 적어도 일부를 감싸도록 플렉서블한 재질로 구현되는 것을 특징으로 할 수 있다.

Description

전자기 기반 삽입형 센서{ELECTROMAGNETIC BASED IMPLANTABLE SENSOR}
아래의 설명은 전자기 기반 삽입형 센서에 관한 것이다.
전자기(Electromagnetic, EM) 기반 유전율 감지 바이오센서는 이미 신체의 종양 및 악성 조직 감지에 효과적인 것으로 입증되었으며, 생체 내 다양한 장기 및 생체 조직의 유전 특성은 넓은 EM 스펙트럼에 걸쳐 미리 특성화되었다.
전자기 기반 센서 개발에 있어 지난 몇 년 동안 글루코스 감지 및 측정에 대한 관심이 높아졌다. 이 방법은 혈액 또는 간질액의 글루코스 농도 변화에 따른 유전율 변화의 특성화를 기반으로 할 수 있다. 일반적으로 글루코스 변화에 따른 유전율의 변화가 EM 센서의 공진 주파수 변화에 반영된다.
바이오 센서로서의 전자기 공진기는 글루코스 변화로 인한 혈액 및 간질액(ISF)의 유전율 변화를 감지할 수 있다. 센서 기준 공진은 또한 그것이 내장된 바이오 환경에 따라 달라질 수 있다. 혈당 측정을 위한 EM 기반 센서는 이미 시도되었으며 고무적인 결과가 다양한 문헌에 보고되어 있다.
[선행기술문헌번호]
한국등록특허 제10-2185556호
기판의 적어도 일부를 감싸도록 플렉서블한 재질로 구현된 판 형상의 유전체와 이러한 판 형상의 유전체의 일면에 형성된 격자 구조의 금속 패턴을 이용한 센서를 통해 인체나 동물의 내부에 삽입된 센서가 회전하더라도 안정적으로 생체 정보를 수집할 수 있는 센서를 제공한다.
판 형상의 유전체; 상기 유전체의 일면의 적어도 일부에 형성된 격자 구조의 제1 금속 패턴; 및 상기 제1 금속 패턴과 이격하여 상기 유전체의 일면의 적어도 일부에 형성된 격자 구조의 제2 금속 패턴을 포함하고, 상기 유전체는 기판의 적어도 일부를 감싸도록 플렉서블한 재질로 구현되는 것을 특징으로 하는 센서를 제공한다.
일측에 따르면, 상기 제1 금속 패턴의 격자 구조 및 상기 제2 금속 패턴의 격자 구조는 사각형 격자 무늬가 기설정된 각도로 회전한 형상을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 기설정된 각도는 45도를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 센서는 FPCB(Flexible Printed Circuit Board)의 형태로 제작되어 제1 포트 및 제2 포트를 포함하는 상기 기판; 상기 제1 금속 패턴 및 상기 제1 포트를 연결하는 제1 급전선; 및 상기 제2 금속 패턴 및 상기 제2 포트를 연결하는 제2 급전선을 더 포함할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 제1 급전선 및 상기 제2 급전선의 길이는 0.5mm 이하인 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 센서는 상기 유전체가 적어도 일부를 감싸고 있는 기판을 내부에 포함하도록 구현된 바이오 글라스를 더 포함할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 기판이 포함된 바이오 글라스의 내부는 에폭시로 채워지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 유전체를 구현하는 플렉서블한 재질은 폴리이미드(Polyimide, PI) 재질을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 유전체는 일측에 볼록한 돌출부 형상을 포함하고, 타측에 상기 기판을 감싼 후 상기 볼록한 돌출부 형상을 고정하기 위한 오목한 홈 형상을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 제1 금속 패턴 및 상기 제2 금속 패턴은 구리 금속 패턴을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
기판의 적어도 일부를 감싸도록 플렉서블한 재질로 구현된 판 형상의 유전체와 이러한 판 형상의 유전체의 일면에 형성된 격자 구조의 금속 패턴을 이용한 센서를 통해 인체나 동물의 내부에 삽입된 센서가 회전하더라도 안정적으로 생체 정보를 수집할 수 있다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 센서의 예를 도시한 도면들이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 실제로 제작된 센서 형상의 예를 나타낸 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 발진기의 예를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 발진기의 동작 원리의 예를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 센서의 전기장 분포의 예를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 센서의 전기장 분포 시물레이션의 예를 도시한 도면이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 센서 모델의 치수의 예를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 팬텀 모델 데이터의 예를 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 있어서, 새롭게 도입된 평가 지표 S와 U를 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 있어서, 제1 금속 패턴 및 제2 금속 패턴의 격자 구조를 나타낸 도면이다.
도 14 내지 도 17은 격자 구조의 설계에 따른 변화를 나타낸 그래프들이다.
도 18은 본 발명의 일실시예에 따른 센서에 대해 시뮬레이션된 C값의 변화를 나타낸 그래프이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 청구범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 청구범위에 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 문맥상 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, 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, 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 실시예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성 요소는, 다른 실시예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시예에 기재한 설명은 다른 실시예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
전자기(Electromagnetic, EM) 기반 공진기의 장점은 다양한 모양과 크기로 설계할 수 있고 다양한 작동 주파수 대역에 맞게 조정할 수 있으며 EM 침투 깊이와 감도에 최적화할 수 있다는 것이다. 글루코스와 같은 분석물 수준을 나타내는 EM 센서의 측정 가능한 파라미터는 반사기반(S11) 또는 전송기반(S21)일 수 있으며 "크기 및 위상" 특성을 모두 고려할 수 있다. 신체 외부로부터의 비침습적 분석물 측정은 피부층에서 신호의 높은 반사율, 신호의 낮은 침투 깊이로 인해 몇 가지 문제가 있다. 이것은 생체 조직과의 EM 상호 작용을 제한하고 감도를 낮춘다. 또한, 체외(피부)에 비해 체내 온도가 안정적이다. 온도 변화는 유전율 변화에도 영향을 미친다. 따라서 임플란트 형 EM 센서는 분석물 수준을 감지하는 데 더 안정적이고 더 민감하다.
체내 생체 센서(in-body bio sensor)는 침습형 생체 센서, 삽입형 생체 센서, 이식형 생체 센서라고도 나타낼 수 있다. 체내 생체 센서는 전자기파를 이용하여 대상 피분석물(target analyte)을 센싱하는 센서일 수 있다. 예를 들어, 체내 생체 센서는 대상 피분석물과 연관된 생체 정보를 측정할 수 있다. 이하, 대상 피분석물은 생체(living body)와 연관된 물질(material)로서, 생체 물질 또는 분석물(analyte)이라고도 나타낼 수 있다. 참고로, 본 명세서에서 대상 피분석물은 주로 혈당으로 설명하였으나, 이로 한정하는 것은 아니다. 생체 정보는 대상자의 생체 성분과 관련된 정보로서, 예를 들어, 피분석물의 농도, 수치 등을 포함할 수 있다. 피분석물이 혈당인 경우, 생체 정보는 혈당 수치를 포함할 수 있다.
체내 생체 센서는 상술한 생체 성분과 연관된 생체 파라미터(이하, '파라미터')를 측정하고, 측정된 파라미터로부터 생체 정보를 결정할 수 있다. 본 명세서에서 파라미터는 생체 센서를 해석하기 위해 사용되는 회로망 파라미터(circuit network parameter)를 나타낼 수 있고, 아래에서는 설명의 편의를 위해 주로 산란 파라미터(scattering parameter)를 예로 들어 설명하나 이로 한정하는 것은 아니다. 파라미터로서 예를 들어, 어드미턴스 파라미터, 임피던스 파라미터, 하이브리드 파라미터, 및 전송 파라미터 등이 사용될 수도 있다. 산란 파라미터의 경우 투과계수 및 반사계수가 사용될 수 있다. 참고로, 상술한 산란 파라미터로부터 산출되는 공진 주파수는 대상 피분석물의 농도와 관련될 수 있고, 생체 센서는 투과계수 및/또는 반사계수의 변화를 감지함으로써 혈당을 예측할 수 있다.
체내 생체 센서는 공진기 조립체(resonator assembly)(예를 들어, 안테나)를 포함할 수 있다. 이하, 공진기 조립체는 안테나인 예시를 주로 설명한다. 안테나의 공진 주파수는 하기 수학식 1과 같이 커패시턴스 성분 및 인덕턴스 성분으로 표현될 수 있다.
[수학식 1]
상술한 수학식 1에서 f는 전자기파를 이용한 생체 센서에 포함된 안테나의 공진 주파수, L은 안테나의 인덕턴스, C는 안테나의 커패시턴스를 나타낼 수 있다. 안테나의 커패시턴스 C는 아래 수학식 2와 같이 상대 유전율(relative dielectric constant) 에 비례할 수 있다.
[수학식 2]
안테나의 상대 유전율 은 주변의 대상 피분석물의 농도에 의해 영향을 받을 수 있다. 예를 들어, 전자기파가 임의의 유전율을 가지는 물질을 통과하는 경우, 전파 반사 및 산란으로 인해 투과된 전자기파에서 진폭과 위상의 변화가 발생할 수 있다. 생체 센서 주변에 존재하는 대상 피분석물의 농도에 따라 전자기파의 반사 정도 및/또는 산란 정도가 달라지므로, 상대 유전율 도 달라질 수 있다. 이는 안테나를 포함하는 생체 센서에 의해 방사된 전자기파에 의한 주변 장(fringing field)로 인해, 생체 센서와 대상 피분석물 간에 생체 커패시턴스가 형성되는 것으로 해석될 수 있다. 대상 피분석물의 농도 변화에 따라 안테나의 상대 유전율 이 변하므로, 안테나의 공진 주파수도 함께 변화한다. 다시 말해, 대상 피분석물의 농도는 공진 주파수에 대응할 수 있다.
일 실시예에 따른, 체내 생체 센서는 주파수를 스윕하면서 전자기파를 방사하고, 방사된 전자기파에 따른 산란 파라미터를 측정할 수 있다. 체내 생체 센서는 측정된 산란 파라미터로부터 공진 주파수를 결정하며, 결정된 공진 주파수에 대응하는 혈당 수치를 추정할 수 있다. 체내 생체 센서는 피하층에 삽입될 수 있고, 혈관으로부터 간질액으로 확산된 혈당을 예측할 수 있다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 센서의 예를 도시한 도면들이다.
도 1에 나타난 바와 같이 센서 모델(100)은 판 형상의 유전체(110)와 유전체(110)의 일면의 적어도 일부에 형성된 격자 구조의 제1 금속 패턴(120) 및 제1 금속 패턴(120)과 이격하여 유전체(110)의 일면의 적어도 일부에 형성된 격자 구조의 제2 금속 패턴(130)을 포함할 수 있다. 또한, 유전체(110)에는 제1 급전선(141) 및 제2 급전선(142)이 더 형성될 수 있다.
제1 금속 패턴(120)과 제2 금속 패턴(130)은 사각형 격자 무늬가 기설정된 각도로 회전한 형상의 격자 구조를 포함할 수 있다. 이때, 기설정된 각도는 도 1의 실시예에서는 45도이지만 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 제1 금속 패턴(120)과 제2 금속 패턴(130)의 격자 구조는 센서 모델(100)이 도 2에 나타난 기판(200)에 잘 말릴 수 있도록, 그리고 센서의 C값을 조정하기 위한 구조로 설계되었다.
한편, 유전체(110)는 도 2에 나타난 기판(200)의 적어도 일부를 감싸도록 플렉서블한 재질로 구현될 수 있다. 이때, 유전체(110)는 기판(200)을 감싸도록 말렸을 때, 일정한 형상을 유지할 수 있도록, 도 1의 제1 점선박스(151) 및 제2 점선박스(152)에서와 같이 일측에 볼록한 돌출부 형상을 포함할 수 있으며, 제3 점선박스(161) 및 제4 점선박스(162)에서와 같이 타측에 기판(200)을 감싼 후 볼록한 돌출부 형상을 고정하기 위한 오목한 홈 형상을 포함할 수 있다. 본 실시예에서는 두 개의 볼록한 돌출부 형상과 두 개의 오목한 홈 형상을 나타내고 있으나, 하나 또는 셋 이상의 볼록한 돌출부 형상 및 오목한 홈 형상이 구현되어 활용될 수도 있다.
또한, 기판(200)은 FPCB(Flexible Printed Circuit Board)의 형태로 제작될 수 있으며, 도 2에 도시된 바와 같이 제1 포트(210) 및 제2 포트(220)를 포함할 수 있다. 이때, 제1 급전선(141)은 제1 금속 패턴(120)과 제1 포트(210)는 연결할 수 있으며, 제2 급전선(142)은 제2 금속 패턴(130)과 제2 포트(220)를 연결할 수 있다. 다시 말해, 제1 금속 패턴(120)과 제2 금속 패턴(130)이 제1 급전선(141) 및 제2 급전선(143)을 통해 기판(200)과 전기적으로 연결될 수 있으며, 기판(200)에 형성된 회로(230)는 제1 포트(210) 및 제2 포트(220)를 통해 제1 금속 패턴(120)과 제2 금속 패턴(130)과 전기적 신호를 송수신할 수 있게 된다.
도 3은 센서 모델(100)이 기판(200)의 적어도 일부를 감싼 상태로 바이오 글라스(300) 내부에 포함된 예를 나타내고 있다. 다시 말해, 유전체(110)가 기판(200)의 적어도 일부를 감싼 형태로 고정된 후, 기판(200)이 바이오 글라스(300) 내부에 포함될 수 있다. 이때, 바이오 글라스(300)의 내부는 에폭시로 채워져 바이오 글라스 내부(300)에서의 기판(200)의 움직임을 막을 수 있다.
이처럼, 일실시예들에 따른 센서는 바이오 글라스(300) 내부에 회로 모델(센서 모델(100) 및 기판(200))을 넣은 후 에폭시로 채워 고정한 형태를 가질 수 있으며, 제1 금속 패턴(120)과 제2 금속 패턴(130)의 격자 구조를 통해 C(Capacitance)와 S(Sensitivity) 값을 최적화할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 실제로 제작된 센서 형상의 예를 나타낸 이미지이다. 도 4는 두 개의 서로 이격된 격자 구조의 구리 패턴이 두께 0.05mm의 폴리이미드(Polyimide, PI) 재질의 유전체상에 형성된 상태로 FPCB 기판에 연결된 센서 형상을 나타내는 이미지와 유전체가 FPCB 기판에 말린 상태로 바이오 글라스 내부에 삽입된 모습을 나타내는 이미지를 각각 나타내고 있다.
기판(200)이 포함하는 회로(230)는 발진기(oscillator)에 기반할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 발진기의 예를 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 발진기의 동작 원리의 예를 도시한 도면이다. 발진기(500)는 RF 회로의 소스로써, 주기함수를 발생시킬 수 있으며, DC 신호를 바탕으로 AC 신호를 생성할 수 있다. 발진기는 주파수 선택을 위한 공진기(Resonator)와 신호 증폭 발진 회로의 두 파트로 구성될 수 있으며, AC 신호를 생성하는 역할을 할 수 있다. 다시 말해, 발진기의 핵심은 피드백(Feedback) 루프와 공진기 구조일 수 있다. 공진기 구조는 LC 회로일 수도 있으며, RC 형태의 위상 시프터(Phase Shifter)일 수도 있다. 그러나 공통적으로 커패시터가 포함될 수 있다. 다시 말해, RC 발진기와 LC 발진기 구조에 공통적으로 커패시터가 포함될 수 있으며, 커패시턴스 C는 내부의 유전율에 따라서 값이 바뀔 수 있다. 본 실시예에 따른 센서는 이러한 커패시터 소자를 센서화시켜 체내의 생체 정보(일례로, 혈당)의 변화를 추적할 수 있다.
예를 들어, 발진기와 연결된 센서(안테나)는 다음의 과정을 거쳐서 혈당을 예측할 수 있다.
1. 발진기를 포함한 PLL(Phase Lock Loop)에서 주파수별 신호 생성.
2. 주파수별 신호를 안테나에 각각 인가.
3. 주파수별 안테나 특성을 측정.
4. 측정 데이터 바탕으로 혈당 예측
그러나 발진기의 공진기(LC 공진기 또는 RC 공진기)를 센서화 시킨다면, 전체 시스템에서 안테나와 다른 구성요소들을 제외할 수 있으며, 다음과 같은 과정을 거쳐서 혈당을 예측할 수 있다.
1. 공진기의 특성에 따라 발진기에서 하나의 주파수 신호 발생. (공진기가 센서이기에 다른 환경에서 특성이 바뀜)
2. 생성된 신호의 주파수 파악을 통해 혈당 예측.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 센서의 전기장 분포의 예를 도시한 도면이다. 본 실시예에 따른 센서는 금속 패턴들(일례로, 제1 금속 패턴(120) 및 제2 금속 패턴(130)) 사이에 존재하는 전자기 필드가 바이오 글라스(300)를 넘어, 지방, 근육과 같은 생체조직을 통과하게 되며, 생체조직의 유전율 값의 변화에 따라 C값이 달라지게 된다. 이때, 유전율 값은 체내의 혈당 농도의 변화에 따라 달라지며, 이 변화량이 C값을 통하여 측정될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 센서의 전기장 분포 시물레이션의 예를 도시한 도면이다. 도 8은 신체조직 내에 삽입된 센서의 신체조직 내에서 시뮬레이션된 전기장 분포를 나타내고 있다. 이때, 도 8의 시뮬레이션 결과에서는 센서에 의해 지방 층을 향하여 전기장이 분포되는 것을 확인할 수 있다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 센서 모델의 치수의 예를 도시한 도면이다. 도 9 및 도 10의 실시예에 따른 센서 모델의 치수는 하나의 예시일 뿐, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 팬텀 모델 데이터의 예를 도시한 도면이고, 도 12는 본 발명의 일실시예에 있어서, 새롭게 도입된 평가 지표 S와 U를 나타낸 도면이다.
시뮬레이션은 바이오 글라스(300)를 통해 체내에 삽입된 센서의 환경을 그대로 모사하여 진행하였으며, 혈중 포도당의 농도에 따라 지방층이 가장 유전율이 많이 변화하며, 이를 반영한 평가지표 S를 도입하였다. 시스템 상에 존재하는 Cp(기생 커패시턴스)값 대비 높은 C(유전율 변화에 따른 C 변화량)값을 확보하기 위하여 S(Sensitivity) 지표가 도입되었다. C 0는 센서가 생체 모델에 삽입되었을 때 갖는 최소의 C값을 의미할 수 있으며, 이는 생체 모델의 지방층(혈당 변화에 의해 유전율 변화가 가장 큰 조직)의 유전율이 4일 때의 값을 나타낸다. ΔC는 C 0대비 얼만큼 C값이 변하는 지를 나타낸 변수일 수 있으며, 이 값은 지방층의 유전율이 6일 때(혈당 변화에 의해 유전율이 높아진 상황)와 유전율이 4일 때의 C값의 차이로 계산될 수 있다. 이상적으로, 센서의 성능이 좋다는 것은 C값이 높다는 것을 의미할 수 있으나, 실제 환경에서는 센서의 C값 외에도, 회로 시스템 상에 존재하는 기생 커패시턴스 Cp값이 존재하여 센서의 C값에 더해지게 된다. 이렇게 회로 보드에 의한 기생 커패시턴스를 고려하면서도 높은 C값을 갖는 센서를 설계하기 위해, S(sensitivity) 지표가 도입되었으며, 이는 C값을 (C 0 + Cp)로 나눈 값으로 계산될 수 있다.
또한 바이오 글라스가 원통형이기 때문에 삽입된 센서는 체내에서 180도로 회전할 가능성이 존재한다. 이에 따라, 센서는 모든 회전 방향에 대해 동일한 성능을 커버할 수 있어야 하며, 이러한 커버를 확인하는 지표 U(uniformity)가 도입되었다. 지표 U는 센서를 180도 돌려가면서 각 회전시킨 각도별로 S값의 최소값과 최대값을 파악하여, 최소값 대비 최대값이 얼마나 되는지 나타내는 지표일 수 있다. U값이 1에 근접할수록 센서는 전 방향을 고르게 커버하고 있다는 의미이며, 0에 가까울수록 한쪽 방향으로만 동작한다는 것을 의미할 수 있다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 있어서, 제1 금속 패턴 및 제2 금속 패턴의 격자 구조를 나타낸 도면이며, 도 14 내지 도 17은 격자 구조의 설계에 따른 변화를 나타낸 그래프들이다.
도 14 및 도 15의 그래프들은 도 13에 나타난 격자 구조의 치수 중 my와 mx의 영향을 분석한 자료로서 도 14의 그래프는 my와 mx에 따른 S값을, 도 15의 그래프는 my와 mx에 따른 C 0값을 각각 나타내고 있다. 격자 구조에서 마름모의 크기는 mx × my이기 때문에, 도 14 및 도 15의 그래프들에서 마름모의 크기가 커질수록 오른쪽 위에, 마름모의 크기가 작을수록 왼쪽 아래에 값이 나타나게 된다. 이때, 도 15의 그래프에서는 등고선 상에서 오른쪽 위의 부분이 C 0값이 낮으며, S값이 높음을 나타내고 있다. 센서에서는 S값이 높을수록 성능이 좋다고 판단할 수 있기 때문에 큰 마름모를 갖는 격자 구조를 선택하는 것이 좋은 방법이나, C 0값이 설계 요구 조건인 1pF를 만족하지 못하며, 이에 따라 C 0값을 증가시킬 방안이 요구되었다.
도 16의 그래프는 격자 구조의 치수 중 변수 gap에 대해 나타내고 있으며, gap 값을 줄어들수록 C 0값이 늘어나는 것을 볼 수 있다. 따라서, 변수 gap을 통해 큰 마름모를 갖는 격자 구조에 따라 높은 S값을 유지하면서도 C 0값이 1pF 이상을 갖는 센서를 설계할 수 있다.
도 17의 그래프는 yn과 U값 및 C 0값간의 관계를 나타내고 있다. 도 17의 그래프에서는 yn이 0.5mm가 되면 U값이 최대값인 1이 됨을 나타내고 있다. 안정적인 센서 삽입을 위해서는 yn이 클수록 좋지만, yn이 커질수록 C 0값이 감소하기 때문에 급전부의 길이는 U값이 최대값인 1이 되는 0.5mm로 결정하였다.
도 18은 본 발명의 일실시예에 따른 센서에 대해 시뮬레이션된 C값의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 18의 그래프는 시뮬레이션된 C값의 변화를 나타내고 있으며, 120kHz에서 0.261pF, 500MHz까지 약 1.7fF 정도 C 값이 변하는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 기판의 적어도 일부를 감싸도록 플렉서블한 재질로 구현된 판 형상의 유전체와 이러한 판 형상의 유전체의 일면에 형성된 격자 구조의 금속 패턴을 이용한 센서를 통해 인체나 동물의 내부에 삽입된 센서가 회전하더라도 안정적으로 생체 정보를 수집할 수 있다.
이상에서 설명된 시스템 또는 장치는 하드웨어 구성요소, 또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 어플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 매체는 컴퓨터로 실행 가능한 프로그램을 계속 저장하거나, 실행 또는 다운로드를 위해 임시 저장하는 것일 수도 있다. 또한, 매체는 단일 또는 수개 하드웨어가 결합된 형태의 다양한 기록수단 또는 저장수단일 수 있는데, 어떤 컴퓨터 시스템에 직접 접속되는 매체에 한정되지 않고, 네트워크 상에 분산 존재하는 것일 수도 있다. 매체의 예시로는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM 및 DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical medium), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등을 포함하여 프로그램 명령어가 저장되도록 구성된 것이 있을 수 있다. 또한, 다른 매체의 예시로, 애플리케이션을 유통하는 앱 스토어나 기타 다양한 소프트웨어를 공급 내지 유통하는 사이트, 서버 등에서 관리하는 기록매체 내지 저장매체도 들 수 있다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 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 청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.

Claims (10)

  1. 판 형상의 유전체;
    상기 유전체의 일면의 적어도 일부에 형성된 격자 구조의 제1 금속 패턴; 및
    상기 제1 금속 패턴과 이격하여 상기 유전체의 일면의 적어도 일부에 형성된 격자 구조의 제2 금속 패턴
    을 포함하고,
    상기 유전체는 기판의 적어도 일부를 감싸도록 플렉서블한 재질로 구현되는 것을 특징으로 하는 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속 패턴의 격자 구조 및 상기 제2 금속 패턴의 격자 구조는 사각형 격자 무늬가 기설정된 각도로 회전한 형상을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기설정된 각도는 45도를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    FPCB(Flexible Printed Circuit Board)의 형태로 제작되어 제1 포트 및 제2 포트를 포함하는 상기 기판;
    상기 제1 금속 패턴 및 상기 제1 포트를 연결하는 제1 급전선; 및
    상기 제2 금속 패턴 및 상기 제2 포트를 연결하는 제2 급전선
    을 더 포함하는 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 급전선 및 상기 제2 급전선의 길이는 0.5mm 이하인 것을 특징으로 하는 센서.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 유전체가 적어도 일부를 감싸고 있는 기판을 내부에 포함하도록 구현된 바이오 글라스
    를 더 포함하는 센서.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 기판이 포함된 바이오 글라스의 내부는 에폭시로 채워지는 것을 특징으로 하는 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 유전체를 구현하는 플렉서블한 재질은 폴리이미드(Polyimide, PI) 재질을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 유전체는 일측에 볼록한 돌출부 형상을 포함하고, 타측에 상기 기판을 감싼 후 상기 볼록한 돌출부 형상을 고정하기 위한 오목한 홈 형상을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속 패턴 및 상기 제2 금속 패턴은 구리 금속 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
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