WO2017200287A1 - Condenser-type membrane sensor measurement device and method, which use mechanical resonance property of membrane - Google Patents

Condenser-type membrane sensor measurement device and method, which use mechanical resonance property of membrane Download PDF

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WO2017200287A1
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signal
frequency
membrane sensor
mechanical resonance
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PCT/KR2017/005101
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박주성
박영주
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박주성
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Definitions

  • the present invention relates to a measuring device and method for condenser type membrane sensor using the mechanical resonance characteristics of the membrane, the AC signal (AC voltage or current) near the mechanical resonance frequency of the sensing electrode in the membrane sensor for detecting the change in capacitor capacity
  • the present invention relates to a method and apparatus for increasing the detection accuracy of a membrane sensor by maximizing the displacement of the sensing electrode by applying a direct current voltage).
  • Membrane-based sensors are currently used in many industries.
  • the membrane sensor may measure a minute change in mass of the sensing electrode and a pressure change applied to the sensing electrode, and thus may be used to detect whether a highly explosive gas or an extreme gas leaks.
  • a disease can be diagnosed by applying an antigen or a substance that reacts to a specific protein on a sensing electrode and reacting a sample taken from humans or animals to observe the mass of the sensing electrode or the pressure change applied to the sensing electrode.
  • the membrane sensor can be classified into two types using the piezoelectric effect and the change in capacitor capacity.
  • the piezoelectric effect of changing the resistance according to the pressure applied to the sensing electrode is used.
  • the piezoelectric material is coated on the membrane sensor sensing electrode and the pressure or mass change applied to the sensing electrode is converted into a resistance change.
  • a membrane sensor sensing electrode is configured by a Wheatstone bridge, and then a resistance change is measured by applying a DC voltage.
  • Another method is to change the AC voltage frequency applied to the membrane sensor sensing electrode and use the phenomenon that the displacement of the piezoelectric element increases when the AC voltage frequency reaches the mechanical resonance frequency of the sensing electrode.
  • the first method of measuring the pressure or mass applied to the sensing electrode is to measure the displacement of the sensing electrode using a laser
  • the second method is the oscillation according to the displacement of the sensing electrode. There is a way to measure the change in frequency.
  • the third method changes the weak AC voltage frequency applied to the condenser-type membrane sensor so that when the AC voltage frequency coincides with the mechanical resonance frequency of the membrane sensor, the voltage applied to the sensing electrode changes by 180 degrees and the voltage drops.
  • the prior art of the present invention has been filed and registered a "micro-mass measuring sensor having a sensing column" of the patent registration number "10-0798361",
  • the fine mass measuring sensor having a sensing column is a predetermined radius (a) and A plate-shaped membrane having a thickness (h), a columnar shape having a predetermined length (H) and extending, one side of which is attached to the central portion of the membrane and the other side of the sensing column to which the measurement material is attached, and the predetermined portion of the membrane Piezoelectric material deposited in position.
  • a capacitor is made by attaching conductor electrodes to both sides of a dielectric, and the capacity of the capacitor can be summarized by Equation 1, where Is the dielectric constant of the dielectric, A is the area of the electrode, and d is the spacing between the electrodes.
  • the condenser-type membrane sensor 1 has a structure in which the fixed electrode 3 is fixed to the bottom of the membrane sensor 1 and the sensing electrode 9 attached to the dielectric electrode 7 moves. .
  • the condenser type membrane sensor 1 may fix the dielectric electrode 7 and move the sensing electrode 9 as shown in FIG. 2.
  • Equation 2 the capacitance between the sensing electrode 9 and the fixed electrode 3 may be summarized by Equation 2 when two capacitors are connected in series.
  • Equation 2 Is the capacity of the dielectric, Is the capacity of air or vacuum , Can be cleaned up as
  • the dielectric constant of the dielectric is much larger than that of air and the thickness of the dielectric is small
  • the relationship between the sensing electrode 9 and the fixed electrode 3 is determined by the dielectric constant of air.
  • the condenser type membrane sensor 1 which measures the mass in micrograms or picograms or the pressure in mbars, detects the movement of the sensing electrode 9. Use air or vacuum to make it easier.
  • the condenser type membrane sensor 1 when a material reacting with a specific material is applied to the sensing electrode 9, the specific material reacts with the sensing electrode 9 so that the mass of the sensing electrode 9 is increased or decreased. do.
  • the mass of the sensing electrode 9 changes in response to the gas.
  • the condenser type membrane sensor 1 can diagnose diseases, detect toxic or special gases.
  • the pressure is measured by using the phenomenon that the capacitor capacity of the condenser type membrane sensor 1 changes as the position of the sensing electrode 9 is changed by the pressure. can do.
  • Equation 3 above ' 'Is the coefficient according to the shape of the sensing electrode,' t 'is the thickness of the material attached to the sensing electrode (9),' d 'is the radius when the sensing electrode 9 is spherical and the length of one side when the square And " 'Means density of the material attached to the sensing electrode 9.
  • the Young's modulus is an elastic modulus representing the relationship between the deformation occurring in the object and the pressure applied to the sensing electrode 9. Therefore, when the mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9 mounted on the condenser type membrane sensor is investigated, The pressure applied to the sensing electrode 9 can be measured.
  • the poisson ratio is a constant determined by the material of the sensing electrode 9.
  • the mechanical resonance frequency is the density of the sensing electrode 9 ( It is inversely proportional to).
  • the change in mass may be measured by changing the mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9.
  • the quality factor (Q-factor), which is one of the important parameters of the membrane sensor 1, can be expressed as Equation (4).
  • Equation 4 f 0 is the mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9 represented by Equation 3
  • m is the mass of the sensing electrode
  • the mass of the sensing electrode 9 can be measured by using a quality factor (Q-factor) of the membrane sensor 9.
  • the capacitor capacitance of the sensing electrode 9 of the membrane sensor 1 is much smaller than the other parasitic capacitances of the membrane sensor 1, so the mechanical resonance frequency and the Q-factor of the sensing electrode 9 The change cannot be easily measured.
  • the present invention provides a method and apparatus for improving the sensitivity and precision of the condenser type membrane sensor for measuring the mass or pressure by using the mechanical resonance characteristics of the sensing electrode mounted on the membrane sensor to solve the above problems.
  • the condenser type membrane sensor for measuring the mass or pressure by using the mechanical resonance characteristics of the sensing electrode mounted on the membrane sensor to solve the above problems.
  • the fundamental principle of the means for achieving the above object is to apply the AC signal having a mechanical resonance frequency to the sensing electrode 9 of the membrane sensor 1 by using the principle that the sensing electrode 9 vibrates greatly,
  • the frequency of the alternating current signal AC voltage or current
  • the frequency of the alternating current signal is set near the mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9 to increase the vibration of the sensing electrode 9.
  • the capacitance change of the sensing electrode 9 is not large so that the signal from the membrane sensor 1 becomes small, but the sensing electrode 9 When the frequency of the AC signal applied to the vicinity of the mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9, the signal output from the sensor is increased.
  • the present invention includes a microprocessor and an analog signal generator, while varying the frequency of an AC signal of a predetermined magnitude or more, based on the magnitude of an AC signal output from the sensing electrode 9 by being applied to the membrane sensor 1 or
  • the Q-factor is used to measure the mass change of the sensing electrode 9 or the pressure applied to the sensing electrode 9.
  • the measuring device for condenser type membrane sensor using the mechanical resonance characteristic of the membrane inputs an AC signal and a DC signal while varying the frequency and the magnitude of the condenser type membrane sensor 1, respectively.
  • the membrane for measuring the mass change or pressure of the sensing electrode 9 by obtaining the mechanical resonance frequency or the Q-factor of the sensing electrode from the frequency spectrum of the signal output from the sensing electrode 9 corresponding to
  • the magnitude of the AC signal is a magnitude capable of detecting a change in capacitance due to vibration of the sensing electrode 9 as compared with a parasitic capacitance generated by the structure and physical characteristics of the membrane sensor 1, and thus the mechanical resonance frequency.
  • the excitation AC signal is applied to the membrane sensor 1, it is characterized in that the signal of the mechanical resonant frequency is output the largest from the sensing electrode (9).
  • the frequency spectrum of the signal coming from the sensing electrode (9) while varying the frequency at a specific magnitude of the signal when the AC signal and the DC voltage, the magnitude and frequency of each of the capacitor type member sensor is input to It is characterized in that it is calculated from the average value of the signal obtained by measuring times.
  • the apparatus according to the present invention is characterized in that the AC signal and the direct current of different frequency and magnitude are applied to the condenser-type membrane sensor 1 whose capacitor capacity varies depending on the position of the sensing electrode 9 which is moved relative to the stationary fixed electrode 3.
  • the capacitance of the sensing electrode 9 is changed by a specific material reacting with the sensing material applied to the sensing electrode 9 so that the capacitor capacity is changed, or the capacitor capacity is increased by the pressure applied to the sensing electrode 9.
  • a signal measuring unit 25 for converting an analog signal output from the membrane sensor 1 into a digital value and increasing data throughput
  • the signal supply means 23 is controlled to adjust the frequency and magnitude of the AC signal output from the signal supply means 23, and when the DC component is included, adjust the voltage level of the DC component to be mixed with the AC signal. Adjust the frequency spectrum using the digital value output from the signal measuring unit 25, and generate a frequency spectrum representing the output intensity for each frequency, and detect the difference from a mechanical resonance frequency or a Q-factor difference obtained from the frequency spectrum. Control and signal processing means 27 for measuring the change in mass of the sensing electrode 9 or the pressure applied to the sensing electrode 9 due to the reaction between the sensing material applied to the electrode 9 and the specific material.
  • the signal supply means 23 includes an AC voltage generator 29 (PLL: Phase Locked Loop) for varying and outputting an AC voltage frequency according to the control signal of the control and signal processing means 27,
  • PLL Phase Locked Loop
  • Mixer unit 33 for mixing the AC voltage of the AC voltage generator 29 and the DC voltage of the regulator 31 to supply to the capacitor membrane sensor (1),
  • a voltage current selection switch 37 which selects either the voltage output from the mixer 33 or the current output from the transconductance amplifier 35 and supplies it as an AC signal to the condenser-type membrane sensor 1;
  • It consists of an amplifier 41 for amplifying the AC voltage output from the AC voltage generator 29 to the mixer 33,
  • the signal measuring unit 25 is an A / D converter 43 for converting an analog signal output from the condenser membrane sensor 1 into a digital signal and outputting digital data in parallel;
  • the control and signal processing means 27 controls the signal supply means 23 to adjust the frequency and magnitude of the AC signal output from the signal supply means 23 and to adjust the DC signal level mixed with the AC signal, and the signal Control the measuring unit 25 to control the conversion accuracy and data processing speed when converting an analog signal into a digital signal, the sensing electrode 9 by using the digital data from the signal measuring unit 25 through the communication interface 51
  • the sensing material applied to the sensing electrode 9 of the condenser type membrane sensor 1 reacts with a specific material, the resonance frequency or Q-factor of the sensing electrode 9 and the sensing
  • the mass change or reduction of the sensing electrode 9 is performed by using the resonance frequency or the Q-factor change value of the sensing electrode 9.
  • Processor 47 to calculate the pressure applied to the electrode 9;
  • a communication interface 51 for sending data to the display unit 53 or the PC 49.
  • a signal including an AC signal and a DC component having a different frequency and magnitude is supplied to the contact node of the parasitic components R ps and C ps of the sensing electrode 9 and the sensing electrode 9, and the condenser type membrane sensor
  • the output signal of (1) is output from the contact node of the fixed electrode 3 and the sensing electrode 9, or
  • the condenser type membrane sensor 1 attaches the fixed electrode 3 of one of the two condenser type membrane sensors 1 to the sensing electrode 9 of the other membrane sensor 1.
  • the sensing electrode 9 of the one membrane sensor 1 is attached to the fixed electrode 3 of the other membrane sensor 1,
  • the alternating current signal is inputted to a pair of sensing electrodes 9 and fixed electrodes 3 which are attached to each other, and an output signal is measured from the pair of sensing electrodes 9 and fixed electrodes 3 which are stuck to each other. .
  • a signal including an AC signal and a DC component having a different frequency and magnitude is input to the condenser type membrane sensor 1, and the AC signal and DC
  • the mechanical resonance frequency or the Q-factor of the sensing electrode is obtained from the frequency spectrum of the signal output from the membrane sensor 1 in response to the signal including the component, and the mass change of the sensing electrode 9 or
  • the mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9 obtained is a phase among a plurality of frequencies for resonating the sensing electrode 9. Characterized in that the mechanical resonance frequency common to each of the AC signal size.
  • the magnitude of the AC signal is a magnitude capable of detecting a change in capacitance due to vibration of the sensing electrode 9 compared to a parasitic capacitance generated by the structure and physical characteristics of the membrane sensor 1 and having the mechanical resonance frequency.
  • the AC signal is applied to the membrane sensor 1, it is assumed that the signal of the mechanical resonance frequency is the largest output from the sensing electrode 9.
  • the measuring method according to the present invention uses various alternating currents to measure the change in mass of the sensing electrode 9 or the pressure applied to the sensing electrode 9 due to the reaction between the sensing material applied to the sensing electrode 9 and a specific material.
  • the AC signal having the mechanical resonance frequency and the mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9 which are common in the signal magnitude is applied to the membrane sensor 1, the signal of the mechanical resonance frequency is sensed from the sensing electrode 9.
  • the detection which is common to various AC signal sizes, to measure the change in mass of the sensing electrode 9 and the pressure applied to the sensing electrode 9 due to the reaction between the sensing material applied to the sensing electrode 9 and a specific material.
  • the magnitude of the AC signal which causes the signal of the mechanical resonance frequency to be output the largest from the sensing electrode 9 when an AC signal having the mechanical resonance frequency of the electrode 9 and the mechanical resonance frequency is applied to the membrane sensor 1.
  • the measuring device and method for a condenser type membrane sensor using the mechanical resonance frequency firstly, by applying a sufficiently large AC signal to the sensing electrode (9) having a mechanical resonance frequency of the sensing electrode (9) As the displacement of (9) increases, the capacitance change increases, so that the signal output from the sensing electrode 9 also increases, so that the mass change of the sensing electrode 9 or the pressure applied to the sensing electrode 9 than the static method. Can be measured more precisely.
  • the parasitic condenser effect of the membrane sensor 1 can be greatly reduced, so that the mass change of the sensing electrode 9 or the pressure applied to the sensing electrode 9 can be measured more precisely.
  • the AC signal frequency is inputted to the membrane sensor 1 and the signal intensity output from the sensing electrode 9 can be analyzed at that frequency.
  • the frequency characteristic of the sensing electrode 9 can be analyzed.
  • the mechanical resonance frequency and the Q-factor of the sensing electrode 9 can be obtained from the frequency spectrum of the sensing electrode 9 of the membrane sensor, it is detected from the mechanical resonance frequency or the Q-factor.
  • the mass change of the electrode and the pressure applied to the sensing electrode can be precisely measured.
  • the mass change of the sensing electrode 9 is measured to determine whether the disease is infected. Since it can be determined, the scanning step essential for the existing biochip disease diagnosis process can be omitted.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a membrane sensor in which a sensing electrode in contact with a dielectric is moved;
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a membrane sensor in which a sensing electrode composed of only a conductor moves;
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a measurement method of a condenser type membrane sensor according to the present invention
  • FIG. 7 is a diagram illustrating vibration characteristics of a sensing electrode according to the frequency and magnitude of an AC signal input to a condenser type membrane sensor
  • FIG. 8 is a flowchart of a method of finding a mechanical resonance frequency of the sensing electrode and an amplitude of an AC signal to sufficiently vibrate the sensing electrode;
  • FIG. 9 is a flowchart of a method of finding a frequency at which a sensing electrode of the membrane sensor starts mechanical resonance and a method of changing an AC signal frequency in order to increase the accuracy of the apparatus;
  • Figure 13 connects two membrane sensors, connecting the sensing electrode of one membrane sensor to the fixed electrode of the other membrane sensor and the fixed electrode of one membrane sensor to the sensing electrode of the other membrane sensor. To measure the output signal.
  • the measuring device for condenser type membrane sensor using the mechanical resonance characteristic of the membrane inputs an AC signal and a DC signal while varying the frequency and the size of the condenser type membrane sensor 1, and inputs the AC signal and the DC signal.
  • the mechanical resonance frequency of the sensing electrode is obtained from the frequency spectrum of the sensing electrode 9 of the membrane sensor 1, and the mass change of the sensing electrode 9 or the sensing electrode 9 at a predetermined magnitude of the input signal.
  • the change in mass or the pressure of the sensing electrode 9 is measured from the difference in the mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9 or the difference in the Q-factor according to the change in pressure.
  • the magnitude of the AC signal is a magnitude capable of detecting a change in capacitance due to vibration of the sensing electrode 9 compared to the parasitic capacitance generated by the structure and physical characteristics of the membrane sensor 1 from the membrane sensor. It is assumed that the output signal is the largest output.
  • the frequency spectrum measures the signal from the sensing electrode 9 several times while changing the frequency at a specific magnitude of the signal when the AC signal and the DC voltage of which the magnitude and the frequency are respectively changed are input to the condenser type member sensor. The average value of the obtained signal is calculated.
  • the mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9 selects a frequency that is common in each magnitude of the AC signal among a plurality of frequencies for resonating the sensing electrode 9.
  • the Q-factor of the sensing electrode 9 is to be.
  • f 0 is the mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9
  • m is the mass of the sensing electrode 9
  • the measuring device for the condenser type membrane sensor using the mechanical resonance characteristics of the membrane has a capacitor capacity according to the position of the sensing electrode (9) moving relative to the stationary fixed electrode (3) as shown in FIG.
  • the signal measuring unit 25 converts the analog signal outputted from the digital signal into a digital value and increases the data throughput, and controls the signal supply means 23 to the signal supply means 23. Adjust the frequency and magnitude of the AC signal output from the, adjust the voltage level of the DC component to be mixed with the AC signal when the DC component is included, and uses the digital value output from the signal measuring unit 25 A frequency spectrum representing an output intensity for each frequency, and a reaction between a specific material and a sensing material applied to the sensing electrode 9 from a resonance frequency difference or a Q-factor difference obtained from the frequency spectrum. Control and signal processing means 27 for measuring the mass change of the sensing electrode 9 or the pressure applied to the sensing electrode 9.
  • the signal supply means 23 includes an AC voltage generator 29 (PLL: Phase Locked Loop) for varying and outputting an AC voltage frequency according to the control signal of the control and signal processing means 27, and a regulator for generating a DC voltage. (31) includes a mixer 33 for mixing the AC voltage of the AC voltage generator 29 with the DC voltage of the regulator 31 and supplying the condenser-type membrane sensor 1.
  • PLL Phase Locked Loop
  • the signal supply means 23 is a transconductance amplifier 35 for converting the alternating voltage and the direct current voltage mixed by the mixer unit 33 into an amplified current, and the voltage output from the mixer unit 33 It further includes a voltage current selection switch 37 which selects any one of the currents output from the transconductance amplifier 35 and supplies it to the condenser-type membrane sensor 1 as an AC signal.
  • the signal supply means 23 further includes an amplifier 41 which amplifies the AC voltage output from the AC voltage generator 29 and transmits the amplified voltage to the mixer 33.
  • the signal measuring unit 25 is an A / D converter 43 for converting an analog signal output from the condenser membrane sensor 1 into a digital signal and outputting digital data, and by the A / D converter 43.
  • the data manipulator and the buffer 45 may be configured to store and organize the converted digital values to increase data throughput.
  • the A / D converter 43 uses a parallel A / D converter that outputs output data in parallel to increase the conversion speed.
  • the control and signal processing means 27 controls the signal supply means 23 to adjust the frequency and magnitude of the AC signal output from the signal supply means 23 and to adjust the DC signal level mixed with the AC signal, and the signal Control the measuring unit 25 to control the conversion accuracy and data processing speed when converting an analog signal into a digital signal, the sensing electrode 9 by using the digital data from the signal measuring unit 25 through the communication interface 51
  • the sensing material applied to the sensing electrode 9 of the condenser type membrane sensor 1 reacts with a specific material, the resonance frequency or Q-factor of the sensing electrode 9 and the sensing
  • the mass change or reduction of the sensing electrode 9 is performed by using the resonance frequency or the Q-factor change value of the sensing electrode 9.
  • the measuring method for the condenser-type membrane sensor using the mechanical resonance characteristics of the membrane according to the present invention is a sensing electrode (9) having an intensity capable of vibrating the sensing electrode (9) in the condenser-type membrane (membrane) sensor (1)
  • the change of mass of the sensing electrode 9 due to the reaction between the sensing material applied to the sensing electrode 9 and the specific material by increasing the mechanical displacement of the sensing electrode 9 by applying an AC signal and a DC signal of a mechanical resonance frequency of The pressure applied to the sensing electrode 9 is precisely measured.
  • Rm 11 is a series resistance of the sensing electrode 9
  • Cm 13 is a capacitance of the sensing electrode 9
  • Rps 15 is a parasitic resistance from the sensing electrode 9 to ground.
  • Cps 17 is the parasitic capacitance from the sensing electrode 9 to the ground
  • Rpf 19 is the parasitic resistance from the fixed electrode 3 to the ground
  • Cpf 21 is the ground at the fixed electrode 3. Up to parasitic capacity.
  • the capacitance change of the sensing electrode 9 ( ) Is much smaller than the parasitic capacitances such as Cps (17) and Cpf (21), so it is difficult to measure very small mass or low pressure in a static way when measuring very small mass changes or low pressure.
  • the frequency of the measuring AC signal for measuring the capacitor capacitance of the condenser type membrane sensor 1 matches the mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9, the displacement of the sensing electrode 9 becomes large and the sensing electrode 9 is increased.
  • the change in the capacitor capacity (Cm (13)) of the can also be increased to reduce the influence of parasitic capacitance such as Cps (17) and Cpf (21).
  • the measurement method for the condenser-type membrane sensor using the mechanical resonance characteristics of the membrane according to the present invention using the principle that the displacement of the membrane is large when the AC signal is matched to the mechanical resonance frequency of the membrane and a predetermined size is applied to the membrane.
  • the sensing material applied to the sensing electrode 9 is a specific material.
  • the change in the mass of the sensing electrode is measured using a change in the mechanical resonance frequency or the Q-factor of the sensing electrode 9 according to the presence or absence of the reaction, or the pressure applied to the sensing electrode 9 is measured.
  • the measurement method for the condenser type membrane sensor using the mechanical resonance characteristics of the membrane inputs a signal containing an AC signal and a DC component having a different frequency and magnitude into the capacitor type membrane sensor (1), and the AC signal and the DC component
  • the mechanical resonance frequency of the sensing electrode is obtained from the frequency spectrum of the sensing electrode 9 of the membrane sensor 1 in response to the included signal, and the sensing electrode (at a predetermined magnitude of the signal including the AC signal and the DC component) is measured.
  • the mass change or the pressure of the sensing electrode 9 is measured from the difference in the mechanical resonance frequency or the difference in the Q-factor according to the mass change of 9) or the pressure applied to the sensing electrode 9.
  • the mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9 is assumed to be common in each magnitude of the AC signal among a plurality of frequencies for resonating the sensing electrode 9.
  • the predetermined magnitude of the AC signal is a magnitude capable of detecting a change in capacitance due to vibration of the sensing electrode 9 compared to a parasitic capacitance generated by the structure and physical characteristics of the membrane sensor 1.
  • the Q-factor of the sensing electrode 9 is to be.
  • f 0 is the mechanical resonance frequency of the sensing electrode
  • m is the mass of the sensing electrode
  • the measurement method may be performed by changing the mass of the sensing electrode 9 or the pressure applied to the sensing electrode 9 due to the reaction between the sensing material applied to the sensing electrode 9 and a specific material.
  • the mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9 and the AC signal having the mechanical resonance frequency are measured from the sensing electrode 9 when the AC sensor is applied to the membrane sensor 1 for measurement.
  • the sensing electrode 9 of the condenser-type membrane sensor 1 since the sensing electrode 9 of the condenser-type membrane sensor 1 resonates at various frequencies, when an AC signal having a sufficient magnitude is applied to the sensing electrode 9, as shown in FIG. Will cause mechanical vibrations of different magnitudes.
  • the magnitude of the AC signal is a magnitude capable of detecting a change in capacitance due to vibration of the sensing electrode 9 compared to the parasitic capacitance generated by the structure and physical characteristics of the membrane sensor 1 and having the mechanical resonance frequency.
  • the AC signal is applied to the membrane sensor 1, it is assumed that the signal of the mechanical resonance frequency is the largest output from the sensing electrode 9.
  • the detection which is common to various AC signal sizes, to measure the change in mass of the sensing electrode 9 and the pressure applied to the sensing electrode 9 due to the reaction between the sensing material applied to the sensing electrode 9 and a specific material.
  • the magnitude of the AC signal which causes the signal of the mechanical resonance frequency to be output the largest from the sensing electrode 9 when an AC signal having the mechanical resonance frequency of the electrode 9 and the mechanical resonance frequency is applied to the membrane sensor 1.
  • Finding step (S1) is the step of changing the frequency of the signal supplied to the membrane sensor 1, the step of changing the magnitude of the signal at each frequency, the signal simultaneously changing the frequency and magnitude to the membrane sensor (1) Comparing and storing the signal output from the sensing electrode 9 or the fixed electrode 3 when applied, the frequency among the various frequencies that resonate the sensing electrode 9 Finding the mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9 which is common in the magnitude of the signal having the same size at the same time, and in the magnitude of the AC signal having the mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9, the output signal of the membrane sensor is the largest. Finding the magnitude of the AC signal.
  • the detection which is common to various AC signal sizes, to measure the change in mass of the sensing electrode 9 or the pressure applied to the sensing electrode 9 due to the reaction between the sensing material applied to the sensing electrode 9 and a specific material.
  • the magnitude of the AC signal which causes the signal of the mechanical resonance frequency to be output the largest from the sensing electrode 9 when an AC signal having the mechanical resonance frequency of the electrode 9 and the mechanical resonance frequency is applied to the membrane sensor 1.
  • Finding step (S1) can be described in more detail with reference to FIG.
  • the DC signal is added to the AC signal and applied to the membrane sensor 1, and then the signal output from the sensing electrode 9 of the membrane sensor 1 is measured while changing the frequency of the AC signal (S3).
  • the average value is larger than the specified value, that is, when the mechanical resonance is started, finding the mechanical resonance starting frequency by a bisection method, and changing the frequency supplied to the membrane sensor 1 at the mechanical resonance starting point finely.
  • Finding a mechanical resonance frequency and a Q-factor by obtaining a frequency spectrum based on the signal output from the membrane sensor 1 (S4) is a frequency spectrum of the sensing electrode (9) using Equation 5 Configuring, finding a mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9 in which the signal of the highest magnitude appears in the frequency spectrum, and calculating a performance coefficient of the sensing electrode 9 using Equation 6 in the frequency spectrum. It is composed.
  • Equation (5) The term increases to the mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9 when it is assumed that the frequency is increased, but since the vibration of the sensing electrode 9 decreases after the mechanical resonance frequency, the output signal peaks at the mechanical resonance frequency. The spectrum can be obtained.
  • the Q-factor represented by Equation 6 is defined in the frequency spectrum as follows. Is the mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9 Denotes a frequency band 1/2 of the peak power centered on the mechanical resonance frequency representing the peak power.
  • the detection due to the reaction between the specific material and the sensing material applied to the sensing electrode 9 Determining the change in the mass of the electrode 9 or the pressure applied to the sensing electrode 9 (S5) is a change in the Q-factor of the sensing electrode 9 and a formula. Mass change of the sensing electrode 9 due to the reaction between the sensing material applied to the sensing electrode 9 and a specific material using Measure
  • the mass change of the sensing electrode 9 ( Variation of Mechanical Resonance Frequency According to ) Can be expressed as shown in Equation-7.
  • Equation-8 By performing some mathematical manipulation using Equation-7, Equation-8 can be obtained.
  • Equation 7 Is the area of the electrode, Is the mass of the sensing electrode 9, Is the mechanical resonant frequency of the sensing electrode 9.
  • Equation (8) shows a change in mass of the sensing electrode 9 when the sensing material applied to the sensing electrode 9 reacts with a specific material.
  • Variation of Mechanical Resonance Frequency According to Where the mechanical resonant frequency ( ) Is known in the above method, so the change in mechanical resonance frequency ( ), The mass change of the sensing electrode 9 according to the reaction of the sensing material and the specific material applied to the sensing electrode 9 ) Can be obtained.
  • Equation 3 Is the coefficient according to the shape of the sensing electrode, 'Is the thickness of the material attached to the sensing electrode 9,' d 'is the radius when the sensing electrode (9) is spherical, the length of one side when the square,' 'Means density of the material attached to the sensing electrode 9.
  • the above ' Is the Young's modulus of the sensing electrode 9, Is the Poisson's ratio of the electrode, Is the mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9.
  • the Young's modulus is an elastic modulus representing the relationship between the deformation occurring in the object and the pressure applied to the sensing electrode 9, so it is detected by using the mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9 mounted on the condenser type membrane sensor. The pressure applied to the electrode 9 can be measured.
  • Equation 4 The Q-factor of the membrane structure is expressed as in Equation 4.
  • the density of the membrane in (4) It is represented as Where m is the mass of the sensing electrode, t is the thickness of the sensing electrode, and A is the area of the sensing electrode. density( ) And substituting Equation 3, which represents the mechanical resonance frequency, into Equation 4, differentiate the performance coefficient Q by mass, and then obtain Equation 9.
  • Equation 9 Is the change in Q-factor, Is the change in mass of the sensing electrode, Is the mass of the sensing electrode.
  • Equation 4 f 0 is a mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9 represented by Equation 3, which is represented by Equation 3, where m is the mass of the sensing electrode, Is the coefficient of damping factor of the sensing electrode 9.
  • the mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9 included in Equation 4, which represents the Q-factor of the membrane electrode, includes Young's modulus. Since it is an elastic modulus representing the relationship between the deformation occurring and the pressure applied to the sensing electrode 9, the Q-factor of the sensing electrode 9 mounted on the condenser-type membrane sensor is applied to the sensing electrode 9. The pressure can be measured.
  • Equation 3 'k g ' is a coefficient according to the shape of the sensing electrode, 't' is the thickness of the material attached to the sensing electrode 9, 'd' is a case where the sensing electrode 9 is spherical Radius and square, the length of one side, 'Means density of the material attached to the sensing electrode 9.
  • step S1 When the AC signal of the magnitude obtained in step S1 is applied to the condenser-type membrane sensor 1 and the voltage of the sensing electrode 9 or the fixed electrode 3 is measured while changing the frequency, the frequency characteristics as shown in FIG. 10 are shown.
  • the signal amplitude does not change in the frequency region where the mechanical resonance of the condenser type membrane sensor 1 does not occur, whereas the sensing electrode 9 does not change in the frequency region where the mechanical resonance of the sensing electrode 9 occurs.
  • the larger the displacement of the larger the change in the capacitance of the capacitor of the sensing electrode 9 and the greater the variation of the voltage output from the membrane sensor 1.
  • the frequency of the AC signal output from the signal supply means 23 is greatly changed in the frequency region where mechanical resonance does not occur, that is, in the region where the signal variation output from the sensing electrode 9 of the membrane sensor 1 is small.
  • a / D conversion of the signal output from the sensing electrode 9 of the condenser type membrane sensor 1 is performed.
  • the frequency of the AC signal output from the signal supply means 23 is changed finely to condenser type.
  • the signal output from the membrane sensor 1 is A / D converted.
  • the frequency change of the AC signal output from the signal supply means 23 is increased to increase the A / D. Convert.
  • the AC signal and the DC signal having the mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9 are parasitic components of the sensing electrode 9 and the sensing electrode. And And the output signal of the condenser type membrane sensor 1 may be output from the fixed node 3 and the contact node of the sensing electrode.
  • the input signal of the condenser type membrane sensor 1 is supplied to the contact node of the fixed electrode 3 and the sensing electrode 9 as shown in FIG. 12, and the output signal of the condenser type membrane sensor 1 is provided. Is a parasitic component of the sensing electrode 9 and the sensing electrode 9 And ) Can be output to a contact node.
  • two membrane sensors 1 are attached, and the fixed electrode 3 of one membrane sensor 1 is replaced by the sensing electrode 9 of the other membrane sensor 1. And attach the sensing electrode 9 of one membrane sensor 1 to the fixed electrode 3 of the other membrane sensor 1, and then attach a pair of sensing electrodes 9 and the fixed electrode which are stuck together.
  • An alternating current signal may be input to (3), and the output signal may be measured from another pair of sensing electrodes 9 and fixed electrodes 3.
  • the measuring apparatus and method for condenser type membrane sensor using the mechanical resonance characteristic of the membrane according to the present invention firstly, by applying a sufficiently large AC signal to the sensing electrode 9 having a mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9 As the displacement of the sensing electrode 9 increases, the change in capacitance increases, so that the signal output from the sensing electrode 9 also increases, so that the mass change of the sensing electrode 9 or the sensing electrode 9 does not affect the static method.
  • the pressure applied can be measured more precisely.
  • the parasitic condenser effect of the membrane sensor 1 can be greatly reduced, so that the mass change of the sensing electrode 9 or the pressure applied to the sensing electrode 9 can be measured more precisely.
  • the signal intensity output from the sensing electrode 9 of the membrane sensor 1 can be analyzed at the same time as the AC signal frequency is inputted to the membrane sensor 1 in one measuring device. Therefore, the frequency characteristics of the sensing electrode 9 can be analyzed without an expensive spectral device.
  • the mechanical resonance frequency and the Q-factor of the sensing electrode 9 can be obtained from the frequency spectrum of the sensing electrode 9 of the membrane sensor, it is detected from the mechanical resonance frequency or the Q-factor.
  • the mass change of the electrode and the pressure applied to the sensing electrode can be precisely measured.
  • the mechanical vibration of the sensing electrode 9 embedded in the membrane sensor 1 increases.
  • the sensitivity of the membrane sensor 1 can be increased by activating the reaction between the sensing electrode 9 and the specific material.
  • the mass change of the sensing electrode 9 is measured to determine whether the disease is infected.
  • the scan step necessary for the existing biochip disease diagnosis process can be omitted.

Abstract

The present invention relates to a condenser-type membrane sensor measurement device and method, which use a mechanical resonance property of a membrane and, to a device and a method for applying, to a membrane sensor for sensing a condenser capacity change, an alternating current signal (alternating current voltage or current) and a direct current signal near a mechanical resonance frequency of a sensing electrode so as to maximize displacement of the sensing electrode, thereby increasing the measurement precision of a condenser-type membrane sensor.

Description

멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 장치 및 방법Measuring Apparatus and Method for Condenser Membrane Sensor Using Mechanical Resonance Characteristics of Membrane
본 발명은 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 컨덴서 용량 변화를 감지하는 멤브레인(Membrane) 센서에 감지전극의 기계적 공진주파수 근처의 교류 신호(교류 전압이나 전류)와 직류 전압을 인가하여 감지전극의 변위를 극대화시켜 멤브레인 센서의 감지 정밀도를 높이는 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a measuring device and method for condenser type membrane sensor using the mechanical resonance characteristics of the membrane, the AC signal (AC voltage or current) near the mechanical resonance frequency of the sensing electrode in the membrane sensor for detecting the change in capacitor capacity The present invention relates to a method and apparatus for increasing the detection accuracy of a membrane sensor by maximizing the displacement of the sensing electrode by applying a direct current voltage).
현재 멤브레인을 이용한 센서는 여러 산업 분야에 적용된다.Membrane-based sensors are currently used in many industries.
특히, 유독 가스 누출 탐지를 위한 압력 센서와 질병 진단을 위한 바이오 센서에 멤브레인 센서를 이용하려는 시도가 활발하다.In particular, attempts have been made to use membrane sensors in pressure sensors for detecting toxic gas leaks and biosensors for diagnosing diseases.
상기 멤브레인 센서는 감지전극의 미세한 질량 변화와 감지전극에 가해진 압력 변화를 측정할 수 있어 폭발성이 강한 가스와 극독한 기체의 누출 여부를 탐지하는데, 사용될 수 있다.The membrane sensor may measure a minute change in mass of the sensing electrode and a pressure change applied to the sensing electrode, and thus may be used to detect whether a highly explosive gas or an extreme gas leaks.
의학계에서는 형광체를 이용한 기존 질병 검사 방법의 여러 단점들을 보완하고자 멤브레인 센서의 감지전극의 미세한 질량 변화를 이용하여 무표지(label-free) 질병 검사를 위한 노력이 활발하게 진행되고 있다.In the medical community, efforts to label-free disease inspection using active mass change of the sensing electrode of the membrane sensor have been actively conducted to compensate for the disadvantages of the conventional disease inspection method using phosphors.
항원이나 특정 단백질에 반응하는 물질을 감지전극 위에 도포 시키고 인체나 동물들로부터 채취한 검체(specimen)를 반응시켜 감지전극의 질량이나 감지전극에 가해진 압력 변화를 관찰함으로써 질병을 진단할 수 있다.A disease can be diagnosed by applying an antigen or a substance that reacts to a specific protein on a sensing electrode and reacting a sample taken from humans or animals to observe the mass of the sensing electrode or the pressure change applied to the sensing electrode.
일반적으로 멤브레인 센서는 크게 압전 효과와 컨덴서 용량 변화를 이용하는 2종으로 구분할 수 있다.In general, the membrane sensor can be classified into two types using the piezoelectric effect and the change in capacitor capacity.
상기 압전 효과를 이용하는 경우에는 감지전극에 가해진 압력에 따라 저항이 변화되는 압전효과를 이용하는 것으로, 압전 물질을 멤브레인 센서 감지전극에 도포해두고 감지전극에 가해진 압력이나 질량 변화를 저항 변화로 변환한다.In the case of using the piezoelectric effect, the piezoelectric effect of changing the resistance according to the pressure applied to the sensing electrode is used. The piezoelectric material is coated on the membrane sensor sensing electrode and the pressure or mass change applied to the sensing electrode is converted into a resistance change.
압전 효과에 의한 저항 변화를 측정하는 방법으로는 멤브레인 센서 감지전극을 휘스톤 브리지로 구성한 다음, 직류 전압을 인가하여 저항 변화를 측정하는 방법이 있다.As a method of measuring the resistance change due to the piezoelectric effect, a membrane sensor sensing electrode is configured by a Wheatstone bridge, and then a resistance change is measured by applying a DC voltage.
또 다른 방법으로 멤브레인 센서 감지전극에 인가되는 교류 전압 주파수를 변화시켜 상기 교류 전압 주파수가 감지전극의 기계적 공진 주파수에 이르면 압전 소자의 변위가 커지는 현상을 이용하는 방법이 있다.(US2015/0143911 A1)Another method is to change the AC voltage frequency applied to the membrane sensor sensing electrode and use the phenomenon that the displacement of the piezoelectric element increases when the AC voltage frequency reaches the mechanical resonance frequency of the sensing electrode. (US2015 / 0143911 A1)
한편, 컨덴서형 멤브레인 센서에 있어 감지전극에 가해진 압력이나 질량을 측정하는 첫 번째 방법으로는 감지전극의 변위를 레이저를 이용하여 측정하는 방법이 있고, 두 번째 방법으로는 감지전극의 변위에 따른 발진 주파수의 변화를 측정하는 방법이 있다.On the other hand, in the condenser type membrane sensor, the first method of measuring the pressure or mass applied to the sensing electrode is to measure the displacement of the sensing electrode using a laser, and the second method is the oscillation according to the displacement of the sensing electrode. There is a way to measure the change in frequency.
또한, 세 번째 방법으로는 컨덴서형 멤브레인 센서에 인가되는 약한 교류 전압 주파수를 변화시켜 교류 전압 주파수가 멤브레인 센서의 기계적 공진 주파수와 일치할 때 감지전극에 걸리는 전압의 위상이 180도 바뀌면서 전압이 뚝 떨어지는 현상(voltage bump) 특성을 이용하여 질량 변화를 측정하는 방법이 있다.(US9,032,797 B2)In addition, the third method changes the weak AC voltage frequency applied to the condenser-type membrane sensor so that when the AC voltage frequency coincides with the mechanical resonance frequency of the membrane sensor, the voltage applied to the sensing electrode changes by 180 degrees and the voltage drops. There is a method of measuring mass change using voltage bump characteristics (US9,032,797 B2).
한편, 본 발명의 선행 기술로는 특허등록번호 "10-0798361"호의 "감지 기둥을 갖는 미세 질량 측정 센서"가 출원되어 등록되었는데, 상기 감지 기둥을 갖는 미세 질량 측정 센서는 소정 반경(a)과 두께(h)를 갖는 판 형상의 멤브레인과, 기둥 형상으로 소정 길이(H)를 갖으며 연장되되, 그 일면은 멤브레인의 중앙부에 부착되며 타면은 측정 물질이 부착되는 감지 기둥, 및 상기 멤브레인의 소정 위치에 증착되는 압전 물질을 포함한다.On the other hand, the prior art of the present invention has been filed and registered a "micro-mass measuring sensor having a sensing column" of the patent registration number "10-0798361", the fine mass measuring sensor having a sensing column is a predetermined radius (a) and A plate-shaped membrane having a thickness (h), a columnar shape having a predetermined length (H) and extending, one side of which is attached to the central portion of the membrane and the other side of the sensing column to which the measurement material is attached, and the predetermined portion of the membrane Piezoelectric material deposited in position.
일반적으로, 컨덴서(Condenser)는 유전체 양측에 도체 전극을 붙여 만들고 컨덴서의 용량은 수학식 1로 정리할 수 있는데, 여기서
Figure PCTKR2017005101-appb-I000001
는 유전체의 유전율이고, A는 전극의 면적이며, d는 전극 간의 간격이다.
In general, a capacitor is made by attaching conductor electrodes to both sides of a dielectric, and the capacity of the capacitor can be summarized by Equation 1, where
Figure PCTKR2017005101-appb-I000001
Is the dielectric constant of the dielectric, A is the area of the electrode, and d is the spacing between the electrodes.
Figure PCTKR2017005101-appb-M000001
Figure PCTKR2017005101-appb-M000001
상기 컨덴서형 멤브레인 센서(1)는 도면 1에 도시한 바와 같이, 고정전극(3)이 멤브레인 센서(1)의 밑바닥에 고정되고 유전체 전극(7)에 부착된 감지전극(9)이 움직이는 구조이다.As shown in FIG. 1, the condenser-type membrane sensor 1 has a structure in which the fixed electrode 3 is fixed to the bottom of the membrane sensor 1 and the sensing electrode 9 attached to the dielectric electrode 7 moves. .
또한, 상기 컨덴서형 멤브레인 센서(1)는 도면 2에 도시한 바와 같이, 유전체 전극(7)을 고정시키고 감지전극(9)을 움직이게 할 수 있다.In addition, the condenser type membrane sensor 1 may fix the dielectric electrode 7 and move the sensing electrode 9 as shown in FIG. 2.
이와 같은 경우 감지전극(9)과 고정전극(3) 사이의 용량은 2개의 컨덴서가 직렬 연결된 경우로 수학식 2로 정리할 수 있다.In this case, the capacitance between the sensing electrode 9 and the fixed electrode 3 may be summarized by Equation 2 when two capacitors are connected in series.
Figure PCTKR2017005101-appb-M000002
Figure PCTKR2017005101-appb-M000002
상기 수학식 2에서
Figure PCTKR2017005101-appb-I000002
은 유전체의 용량이고,
Figure PCTKR2017005101-appb-I000003
는 공기나 진공의 용량으로서
Figure PCTKR2017005101-appb-I000004
,
Figure PCTKR2017005101-appb-I000005
로 정리될 수 있다.
In Equation 2
Figure PCTKR2017005101-appb-I000002
Is the capacity of the dielectric,
Figure PCTKR2017005101-appb-I000003
Is the capacity of air or vacuum
Figure PCTKR2017005101-appb-I000004
,
Figure PCTKR2017005101-appb-I000005
Can be cleaned up as
여기서
Figure PCTKR2017005101-appb-I000006
은 유전체 막의 두께,
Figure PCTKR2017005101-appb-I000007
은 유전체의 유전율,
Figure PCTKR2017005101-appb-I000008
는 공기의 유전율,
Figure PCTKR2017005101-appb-I000009
는 공기의 두께이다.
here
Figure PCTKR2017005101-appb-I000006
Is the thickness of the dielectric film,
Figure PCTKR2017005101-appb-I000007
Is the dielectric constant of the dielectric,
Figure PCTKR2017005101-appb-I000008
Is the permittivity of air,
Figure PCTKR2017005101-appb-I000009
Is the thickness of the air.
이때, 유전체의 유전율이 공기보다 훨씬 크고 유전체의 두께가 작으므로
Figure PCTKR2017005101-appb-I000010
인 관계가 성립되어 감지전극(9)과 고정전극(3) 사이의 용량은 공기의 유전율(
Figure PCTKR2017005101-appb-I000011
)과 간격(
Figure PCTKR2017005101-appb-I000012
)에 의해 결정된다.
In this case, the dielectric constant of the dielectric is much larger than that of air and the thickness of the dielectric is small
Figure PCTKR2017005101-appb-I000010
The relationship between the sensing electrode 9 and the fixed electrode 3 is determined by the dielectric constant of air.
Figure PCTKR2017005101-appb-I000011
) And spacing (
Figure PCTKR2017005101-appb-I000012
Is determined by
일반적으로, 마이크로그램(u-gram)이나 피코그램(pico-gram) 단위의 질량을 측정하거나 수(mbar) 단위의 압력을 측정하는 컨덴서형 멤브레인 센서(1)는 감지전극(9)의 움직임을 용이하게 하도록 공기나 진공을 이용한다.In general, the condenser type membrane sensor 1, which measures the mass in micrograms or picograms or the pressure in mbars, detects the movement of the sensing electrode 9. Use air or vacuum to make it easier.
컨덴서형 멤브레인 센서(1)에 있어 상기 감지전극(9)에 특정 물질과 반응하는 물질을 도포하면, 특정 물질이 감지전극(9)과 반응을 일으켜 감지전극(9)의 질량이 증가하거나 감소하게 된다.In the condenser type membrane sensor 1, when a material reacting with a specific material is applied to the sensing electrode 9, the specific material reacts with the sensing electrode 9 so that the mass of the sensing electrode 9 is increased or decreased. do.
이때, 상기 감지전극(9)의 질량이 증가되면 감지전극(9)이 하강하여 감지전극(9)과 고정전극(3) 사이의 간격이 줄어들어 컨덴서형 멤브레인 센서(1)의 컨덴서 용량이 증가 된다.At this time, when the mass of the sensing electrode 9 is increased, the sensing electrode 9 descends and the gap between the sensing electrode 9 and the fixed electrode 3 decreases, thereby increasing the capacitor capacity of the condenser type membrane sensor 1. .
반대로, 질량이 감소하는 경우에는 용량이 감소하게 된다.In contrast, when the mass is reduced, the capacity is reduced.
이러한 경우에는 컨덴서형 멤브레인 센서(1)의 컨덴서 용량 변화를 측정하면 감지전극(9)의 질량 변화를 측정할 수 있다.In this case, by measuring the change in the capacitor capacity of the condenser-type membrane sensor 1, it is possible to measure the change in mass of the sensing electrode (9).
감지전극에 특정한 질병의 검체와 잘 반응하는 물질을 도포해두고 그 질병을 가진 사람의 검체(specimen)를 반응시키면 감지전극(9)의 질량이 변화되어 질병 감염 여부를 알 수 있다. Applying a substance that reacts well with a specific disease sample on the sensing electrode and reacting a specimen of the person with the disease changes the mass of the sensing electrode 9 to determine whether the disease is infected.
감지전극(9)에 특수 가스와 잘 반응하는 물질을 도포해두면 그 가스와 반응하여 감지전극(9)의 질량이 변하게 된다.When a material that reacts well with a special gas is applied to the sensing electrode 9, the mass of the sensing electrode 9 changes in response to the gas.
이 개념을 이용하면 컨덴서형 멤브레인 센서(1)로 질병을 진단하거나 유독하거나 특수한 가스를 감지할 수 있다.Using this concept, the condenser type membrane sensor 1 can diagnose diseases, detect toxic or special gases.
또한, 컨덴서형 멤브레인 센서(1)를 이용한 압력 센서의 경우에는 압력에 의하여 감지전극(9)의 위치가 변하게 됨에 따라 컨덴서형 멤브레인 센서(1)의 컨덴서 용량이 변화되는 현상을 이용하여 압력을 측정할 수 있다.In addition, in the case of the pressure sensor using the condenser type membrane sensor 1, the pressure is measured by using the phenomenon that the capacitor capacity of the condenser type membrane sensor 1 changes as the position of the sensing electrode 9 is changed by the pressure. can do.
좀 더 정량적으로 해석해보면, 컨덴서형 멤브레인 센서(1)의 기계적 공진 주파수는 수학식 3으로 정리할 수 있다.In a more quantitative analysis, the mechanical resonance frequency of the condenser membrane sensor 1 can be summarized by Equation 3.
Figure PCTKR2017005101-appb-M000003
Figure PCTKR2017005101-appb-M000003
상기 수학식 3에서 '
Figure PCTKR2017005101-appb-I000013
'는 감지전극의 모양에 따른 계수, 't'는 감지전극(9)에 부착된 물질의 두께이고, 'd'는 감지전극(9)이 구형인 경우는 반경이고 정사각형인 경우 한쪽 면의 길이 이며, '
Figure PCTKR2017005101-appb-I000014
'는 감지전극(9)에 부착된 물질의 밀도(density)를 의미한다.
In Equation 3 above '
Figure PCTKR2017005101-appb-I000013
'Is the coefficient according to the shape of the sensing electrode,' t 'is the thickness of the material attached to the sensing electrode (9),' d 'is the radius when the sensing electrode 9 is spherical and the length of one side when the square And "
Figure PCTKR2017005101-appb-I000014
'Means density of the material attached to the sensing electrode 9.
또한, '
Figure PCTKR2017005101-appb-I000015
'은 감지전극(9)의 영의 계수(Young's modulus)이고, 'E'는 전극의 포아손 비율(Poisson's ratio)을 나타낸다.
Also, '
Figure PCTKR2017005101-appb-I000015
'Is the Young's modulus of the sensing electrode 9, and' E 'is the Poisson's ratio of the electrode.
상기 영의 계수(Young's modulus)는 물체에서 일어나는 변형과 감지전극(9)에 가해진 압력 사이의 관계를 나타내는 탄성 계수이므로 컨덴서형 멤브레인 센서에 장착된 감지전극(9)의 기계적 공진주파수 변화를 조사하면 감지전극(9)에 가해지는 압력을 측정할 수 있다.The Young's modulus is an elastic modulus representing the relationship between the deformation occurring in the object and the pressure applied to the sensing electrode 9. Therefore, when the mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9 mounted on the condenser type membrane sensor is investigated, The pressure applied to the sensing electrode 9 can be measured.
상기 포아손 비율은 감지전극(9)의 물질에 따라 결정되는 상수이다.The poisson ratio is a constant determined by the material of the sensing electrode 9.
상기 수학식 3에서 기계적 공진주파수는 감지전극(9)의 밀도(
Figure PCTKR2017005101-appb-I000016
)에 반비례함을 알 수 있다.
In Equation 3, the mechanical resonance frequency is the density of the sensing electrode 9 (
Figure PCTKR2017005101-appb-I000016
It is inversely proportional to).
상기 감지전극 센서(9)의 밀도는 감지전극(9)의 질량에 비례하므로 감지전극(9)의 기계적 공진주파수 변화를 통해 질량 변화를 측정할 수 있다.Since the density of the sensing electrode sensor 9 is proportional to the mass of the sensing electrode 9, the change in mass may be measured by changing the mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9.
멤브레인 센서(1)의 중요한 파라미터의 하나인 품질 계수(Q-factor)는 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.The quality factor (Q-factor), which is one of the important parameters of the membrane sensor 1, can be expressed as Equation (4).
Figure PCTKR2017005101-appb-M000004
Figure PCTKR2017005101-appb-M000004
상기 수학식 4에서 f0는 수학식 3에서 표시된 감지전극(9)의 기계적 공진주파수, m은 감지전극의 질량,
Figure PCTKR2017005101-appb-I000017
는 감지전극(9)의 감쇄계수(coefficient of damping factor)이다. 상기 수학식 4에서 보면 멤브레인 센서(9)의 품질 계수(Q-factor)를 이용하면 감지전극(9)의 질량을 측정할 수 있다.
In Equation 4, f 0 is the mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9 represented by Equation 3, m is the mass of the sensing electrode,
Figure PCTKR2017005101-appb-I000017
Is the coefficient of damping factor of the sensing electrode 9. In Equation 4, the mass of the sensing electrode 9 can be measured by using a quality factor (Q-factor) of the membrane sensor 9.
그러나 일반적으로 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)의 켄덴서 용량은 멤브레인 센서(1)가 가지고 있는 다른 기생용량보다 훨씬 작기 때문에 감지전극(9)의 기계적 공진주파수와 성능계수(Q-factor)변화를 쉽게 측정할 수 없다.However, in general, the capacitor capacitance of the sensing electrode 9 of the membrane sensor 1 is much smaller than the other parasitic capacitances of the membrane sensor 1, so the mechanical resonance frequency and the Q-factor of the sensing electrode 9 The change cannot be easily measured.
이에 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 멤브레인 센서에 장착된 감지전극의 기계적 공진 특성을 이용하여 질량이나 압력을 측정하는 컨덴서형 멤브레인 센서의 감도와 정밀도를 높일 수 있는 방법과 장치를 제공하는데 본 발명의 목적이 있다.Accordingly, the present invention provides a method and apparatus for improving the sensitivity and precision of the condenser type membrane sensor for measuring the mass or pressure by using the mechanical resonance characteristics of the sensing electrode mounted on the membrane sensor to solve the above problems. There is a purpose.
상기 목적을 달성하기 위한 수단의 근본원리는 멤브레인센서(1)의 감지전극(9)에 기계적 공진주파수를 가진 교류신호를 가하면 감지전극(9)이 크게 진동하는 원리를 이용하여, 상기 멤브레인 센서(1)에서 감지전극(9)의 용량변화를 측정하기 위해서 반드시 필요한 교류신호(교류전압이나 전류)의 주파수를 감지전극(9)의 기계적 공진주파수 근처로 하여 감지전극(9)의 진동을 크게 하는 것이다. 진동이 커짐으로써 감지전극(9)과 고정전극(3)간의 간격 즉 공기층 간격(도 1, 2의 d2)의 변화가 커지게 되어 감지전극(9)의 컨덴서 용량변화가 커지게 된다.The fundamental principle of the means for achieving the above object is to apply the AC signal having a mechanical resonance frequency to the sensing electrode 9 of the membrane sensor 1 by using the principle that the sensing electrode 9 vibrates greatly, In 1), the frequency of the alternating current signal (AC voltage or current), which is necessary for measuring the change in capacitance of the sensing electrode 9, is set near the mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9 to increase the vibration of the sensing electrode 9. will be. As the vibration increases, a change in the distance between the sensing electrode 9 and the fixed electrode 3, that is, the air gap (d2 in FIGS. 1 and 2) becomes large, resulting in a large change in the capacitor capacity of the sensing electrode 9.
상기 감지전극(9)에 가해주는 교류신호의 주파수가 기계적 공진주파수를 벗어나는 경우에는 감지전극(9)의 용량변화가 크지 않아 멤브레인 센서(1)로부터 나오는 신호가 작아지게 되나, 감지전극(9)에 가해주는 교류 신호의 주파수가 감지전극(9)의 기계적 공진주파수에 근처이면 센서로부터 출력되는 신호가 커지게 된다.When the frequency of the AC signal applied to the sensing electrode 9 is out of the mechanical resonance frequency, the capacitance change of the sensing electrode 9 is not large so that the signal from the membrane sensor 1 becomes small, but the sensing electrode 9 When the frequency of the AC signal applied to the vicinity of the mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9, the signal output from the sensor is increased.
본 발명은 마이크로프로세서와 아날로그 신호 발생부를 포함하여 일정 크기 이상의 교류신호의 주파수를 변화시켜 가면서 멤브레인 센서(1)에 인가하여 감지전극(9)으로부터 출력되는 교류신호의 크기를 바탕으로 기계적 공진주파수 또는 성능계수(Q-factor)를 찾아 감지전극(9)의 질량변화나 감지전극(9)에 가해진 압력을 측정하는 수단으로 사용한다.The present invention includes a microprocessor and an analog signal generator, while varying the frequency of an AC signal of a predetermined magnitude or more, based on the magnitude of an AC signal output from the sensing electrode 9 by being applied to the membrane sensor 1 or The Q-factor is used to measure the mass change of the sensing electrode 9 or the pressure applied to the sensing electrode 9.
본 발명에 따른 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 장치는 컨덴서형 멤브레인 센서(1)에 주파수와 크기를 각각 변화시키면서 교류신호와 직류신호 입력하고, 상기 입력한 교류신호와 직류신호에 대응하여 상기 감지전극(9)으로부터 출력되는 신호의 주파수 스펙트럼으로부터 상기 감지전극의 기계적 공진주파수 또는 성능계수(Q-factor)를 구해서, 상기 감지전극(9)의 질량 변화 또는 압력을 측정하는 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 장치로서, 상기 장치의 주파수 스펙트럼으로부터 얻어지는 상기 감지전극(9)의 기계적 공진주파수는 상기 감지전극(9)을 공진시키는 다수의 주파수 중에서 상기 각 교류신호의 크기에서 공통적으로 나타나는 기계적 공진주파수인 것을 특징으로 한다.The measuring device for condenser type membrane sensor using the mechanical resonance characteristic of the membrane according to the present invention inputs an AC signal and a DC signal while varying the frequency and the magnitude of the condenser type membrane sensor 1, respectively. The membrane for measuring the mass change or pressure of the sensing electrode 9 by obtaining the mechanical resonance frequency or the Q-factor of the sensing electrode from the frequency spectrum of the signal output from the sensing electrode 9 corresponding to A measuring device for condenser type membrane sensor using the mechanical resonance characteristic of the sensor, wherein the mechanical resonant frequency of the sensing electrode 9 obtained from the frequency spectrum of the device is the AC signal among a plurality of frequencies resonating the sensing electrode 9. Characterized in that the mechanical resonant frequency common to the size of .
또한 상기 교류신호의 크기는 상기 멤브레인 센서(1)의 구조 및 물리적 특성에 의하여 생성되는 기생 용량에 비해 상기 감지전극(9)의 진동에 따른 용량 변화를 감지할 수 있는 크기로서 상기 기계적 공진주파수를 가진 교류신호를 상기 멤브레인 센서(1)에 인가했을 때 감지전극(9)으로부터 상기 기계적 공진주파수의 신호를 가장 크게 출력시키는 것을 특징으로 한다.In addition, the magnitude of the AC signal is a magnitude capable of detecting a change in capacitance due to vibration of the sensing electrode 9 as compared with a parasitic capacitance generated by the structure and physical characteristics of the membrane sensor 1, and thus the mechanical resonance frequency. When the excitation AC signal is applied to the membrane sensor 1, it is characterized in that the signal of the mechanical resonant frequency is output the largest from the sensing electrode (9).
또한, 상기 주파수 스펙트럼은 상기 컨덴서형 멤버레인 센서에 크기와 주파수를 각각 변화시킨 교류신호와 직류전압을 입력하였을 때 신호의 특정 크기에서 주파수를 변화시켜 가면서 상기 감지전극(9)으로부터 나오는 신호를 여러 번 측정하여 얻은 신호의 평균값으로부터 산출되는 것을 특징으로 한다.In addition, the frequency spectrum of the signal coming from the sensing electrode (9) while varying the frequency at a specific magnitude of the signal when the AC signal and the DC voltage, the magnitude and frequency of each of the capacitor type member sensor is input to It is characterized in that it is calculated from the average value of the signal obtained by measuring times.
본 발명에 따른 상기 장치는 정지된 고정전극(3)에 대하여 상대적으로 움직이는 감지전극(9)의 위치에 따라 컨덴서 용량이 변화하는 컨덴서형 멤브레인 센서(1)에 주파수와 크기가 다른 교류신호와 직류 성분이 포함된 신호를 공급하는 신호공급수단(23)과; The apparatus according to the present invention is characterized in that the AC signal and the direct current of different frequency and magnitude are applied to the condenser-type membrane sensor 1 whose capacitor capacity varies depending on the position of the sensing electrode 9 which is moved relative to the stationary fixed electrode 3. A signal supply means 23 for supplying a signal containing a component;
상기 감지전극(9)에 도포된 감지물질과 반응하는 특정 물질에 의해 상기 감지전극(9)의 질량이 변화하여 컨덴서 용량이 변하거나, 상기 감지전극(9)에 가해지는 압력에 의하여 컨덴서 용량이 변화되는 컨덴서형 멤브레인 센서(1);The capacitance of the sensing electrode 9 is changed by a specific material reacting with the sensing material applied to the sensing electrode 9 so that the capacitor capacity is changed, or the capacitor capacity is increased by the pressure applied to the sensing electrode 9. A condenser type membrane sensor 1 to be changed;
상기 멤브레인 센서(1)로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지털 값으로 변환하고 데이터 처리량을 높이는 신호 측정부(25);A signal measuring unit 25 for converting an analog signal output from the membrane sensor 1 into a digital value and increasing data throughput;
상기 신호공급수단(23)을 제어하여 상기 신호공급수단(23)으로부터 출력되는 상기 교류신호의 주파수와 크기를 조정하고, 상기 직류 성분이 포함되는 경우 교류신호와 혼합될 상기 직류 성분의 전압 레벨을 조정하며, 상기 신호 측정부(25)로부터 출력된 디지털 값을 이용하여 주파수별 출력 세기를 나타내는 주파수 스펙트럼을 구성하고, 상기 주파수 스펙트럼으로부터 구해진 기계적 공진주파수 또는 성능계수(Q-factor) 차이로부터 상기 감지전극(9)에 도포된 감지 물질과 특정 물질과의 반응으로 인한 감지전극(9)의 질량변화 또는 감지전극(9)에 가해진 압력을 측정하는 제어 및 신호처리 수단(27)을 포함한다.The signal supply means 23 is controlled to adjust the frequency and magnitude of the AC signal output from the signal supply means 23, and when the DC component is included, adjust the voltage level of the DC component to be mixed with the AC signal. Adjust the frequency spectrum using the digital value output from the signal measuring unit 25, and generate a frequency spectrum representing the output intensity for each frequency, and detect the difference from a mechanical resonance frequency or a Q-factor difference obtained from the frequency spectrum. Control and signal processing means 27 for measuring the change in mass of the sensing electrode 9 or the pressure applied to the sensing electrode 9 due to the reaction between the sensing material applied to the electrode 9 and the specific material.
상기 신호공급수단(23)은 상기 제어 및 신호 처리 수단(27)의 제어 신호에 따라 교류 전압 주파수를 가변시켜 출력하는 교류 전압 발생기(29)(PLL: Phase Locked Loop)와, The signal supply means 23 includes an AC voltage generator 29 (PLL: Phase Locked Loop) for varying and outputting an AC voltage frequency according to the control signal of the control and signal processing means 27,
직류 전압을 발생하는 레귤레이터(31)(Regulator), Regulator (31) for generating a DC voltage,
상기 교류 전압 발생기(29)의 교류 전압과 레귤레이터(31)의 직류 전압을 혼합하여 컨덴서형 멤브레인 센서(1)에 공급하는 믹서부(33), Mixer unit 33 for mixing the AC voltage of the AC voltage generator 29 and the DC voltage of the regulator 31 to supply to the capacitor membrane sensor (1),
상기 믹서부(33)에 의해 혼합된 교류 전압과 직류 전압을 증폭된 전류로 변환하는 트랜스컨덕턴스 증폭기(35), A transconductance amplifier 35 for converting the AC voltage and DC voltage mixed by the mixer 33 into an amplified current,
상기 믹서부(33)로부터 출력된 전압이나 트랜스컨덕턴스 증폭기(35)로부터 출력된 전류 중 어느 하나를 선택하여 컨덴서형 멤브레인 센서(1)에 교류신호로서 공급하는 전압 전류 선택 스위치(37),A voltage current selection switch 37 which selects either the voltage output from the mixer 33 or the current output from the transconductance amplifier 35 and supplies it as an AC signal to the condenser-type membrane sensor 1;
상기 교류 전압 발생기(29)로부터 출력되는 교류 전압을 증폭시켜 믹서부(33)로 전달하는 증폭부(41)로 이루어지고,It consists of an amplifier 41 for amplifying the AC voltage output from the AC voltage generator 29 to the mixer 33,
상기 신호 측정부(25)는 컨덴서형 멤브레인 센서(1)로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 디지털 데이터를 병렬로 출력하는 A/D 변환기(43)와,The signal measuring unit 25 is an A / D converter 43 for converting an analog signal output from the condenser membrane sensor 1 into a digital signal and outputting digital data in parallel;
상기 A/D 변환기(43)에 의해 변환된 디지털 값을 저장 및 정리하여 데이터 처리량을 높이는 데이터 매니퓰레이터 및 버퍼(45)를 포함하며,A data manipulator and a buffer 45 for storing and arranging digital values converted by the A / D converter 43 to increase data throughput,
상기 제어 및 신호 처리 수단(27)은 신호공급수단(23)을 제어하여 신호 공급 수단(23)으로부터 출력되는 교류 신호의 주파수와 크기를 조정하고 교류 신호에 혼합되는 직류 신호 레벨을 조정하며, 신호 측정부(25)를 제어하여 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시 변환 정밀도 및 데이터 처리 속도를 제어하고, 통신 인터페이스(51)를 통해 신호 측정부(25)로부터 나오는 디지털 데이터를 이용하여 감지전극(9)의 주파수 스펙트럼을 구성하고 상기 컨덴서형 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)에 도포된 감지 물질이 특정 물질과 반응하였을 때 감지전극(9)의 공진 주파수 또는 성능계수(Q-factor)와 감지전극(9)에 도포된 감지 물질이 특정 물질과 반응하지 않았을 때 감지전극(9)의 공진 주파수 또는 성능계수(Q-factor) 변화 값을 이용하여 감지전극(9)의 질량변화나 감지전극(9)에 가해진 압력을 계산하는 프로세서(47);The control and signal processing means 27 controls the signal supply means 23 to adjust the frequency and magnitude of the AC signal output from the signal supply means 23 and to adjust the DC signal level mixed with the AC signal, and the signal Control the measuring unit 25 to control the conversion accuracy and data processing speed when converting an analog signal into a digital signal, the sensing electrode 9 by using the digital data from the signal measuring unit 25 through the communication interface 51 When the sensing material applied to the sensing electrode 9 of the condenser type membrane sensor 1 reacts with a specific material, the resonance frequency or Q-factor of the sensing electrode 9 and the sensing When the sensing material applied to the electrode 9 does not react with a specific material, the mass change or reduction of the sensing electrode 9 is performed by using the resonance frequency or the Q-factor change value of the sensing electrode 9. Processor 47 to calculate the pressure applied to the electrode 9;
계산된 질량변화나 압력을 표시하는 표시부(53); A display unit 53 for displaying the calculated mass change or pressure;
및 상기 표시부(53)나 PC(49)로 데이터를 보내기 위한 통신 인터페이스(51)를 포함한다.And a communication interface 51 for sending data to the display unit 53 or the PC 49.
또한, 주파수와 크기가 다른 교류신호와 직류 성분이 포함된 신호는 감지전극(9)과 감지전극(9)의 기생성분(Rps 및 Cps)의 접점 노드에 공급되고, 상기 컨덴서형 멤브레인 센서(1)의 출력 신호는 고정전극(3)과 감지전극(9)의 접점 노드로부터 출력되거나,In addition, a signal including an AC signal and a DC component having a different frequency and magnitude is supplied to the contact node of the parasitic components R ps and C ps of the sensing electrode 9 and the sensing electrode 9, and the condenser type membrane sensor The output signal of (1) is output from the contact node of the fixed electrode 3 and the sensing electrode 9, or
고정전극(3)과 감지전극(9)의 접점 노드에 공급되고 상기 컨덴서형 멤브레인 센서(1)의 출력 신호는 감지전극(9)과 감지전극(9)의 기생성분(Rps 및 Cps)의 접점 노드로 출력되고,It is supplied to the contact node of the fixed electrode 3 and the sensing electrode 9 and the output signal of the condenser type membrane sensor 1 is parasitic components R ps and C ps of the sensing electrode 9 and the sensing electrode 9. Is output to the contact node of,
상기 컨덴서형 멤브레인 센서(1)는 2개의 컨덴서형 멤브레인 센서(1) 중 어느 1개의 멤브레인 센서(1)의 고정전극(3)을 다른 1개의 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)에 붙이고 상기 어느 1개의 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)을 상기 다른 1개의 멤브레인 센서(1)의 고정전극(3)에 붙여서 구성되고,The condenser type membrane sensor 1 attaches the fixed electrode 3 of one of the two condenser type membrane sensors 1 to the sensing electrode 9 of the other membrane sensor 1. The sensing electrode 9 of the one membrane sensor 1 is attached to the fixed electrode 3 of the other membrane sensor 1,
서로 맞붙은 어느 한 쌍의 감지전극(9)과 고정전극(3)에 상기 교류신호를 입력하고 서로 맞붙은 다른 한 쌍의 감지전극(9)과 고정전극(3)으로부터 출력 신호를 측정하기도 한다.The alternating current signal is inputted to a pair of sensing electrodes 9 and fixed electrodes 3 which are attached to each other, and an output signal is measured from the pair of sensing electrodes 9 and fixed electrodes 3 which are stuck to each other. .
본 발명에 따른 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 방법은 컨덴서형 멤브레인 센서(1)에 주파수와 크기가 다른 교류신호와 직류 성분이 포함된 신호를 입력하고, 상기 교류신호와 직류 성분이 포함된 신호에 대응하여 상기 멤브레인 센서(1)로부터 출력되는 신호의 주파수 스펙트럼으로부터 상기 감지전극의 기계적 공진주파수 또는 성능계수(Q-factor)를 구해서, 상기 감지전극(9)의 질량 변화 또는 감지전극에 가해진 압력 변화에 따른 기계적 공진주파수 또는 성능계수(Q-factor) 차이로부터 상기 감지전극(9)의 질량변화 또는 감지전극(9)에 가해지는 압력을 측정하는 방법으로서, 상기 주파수 스펙트럼으로부터 얻어지는 상기 감지전극(9)의 기계적 공진주파수는 상기 감지전극(9)을 공진시키는 다수의 주파수 중에서 상기 교류신호의 각 크기에서 공통적으로 나타나는 기계적 공진주파수인 것을 특징으로 한다.In the measuring method for condenser type membrane sensor using the mechanical resonance characteristic of the membrane according to the present invention, a signal including an AC signal and a DC component having a different frequency and magnitude is input to the condenser type membrane sensor 1, and the AC signal and DC The mechanical resonance frequency or the Q-factor of the sensing electrode is obtained from the frequency spectrum of the signal output from the membrane sensor 1 in response to the signal including the component, and the mass change of the sensing electrode 9 or A method of measuring the mass change of the sensing electrode 9 or the pressure applied to the sensing electrode 9 from the mechanical resonance frequency or the Q-factor difference according to the pressure change applied to the sensing electrode, The mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9 obtained is a phase among a plurality of frequencies for resonating the sensing electrode 9. Characterized in that the mechanical resonance frequency common to each of the AC signal size.
상기 교류신호의 크기를 상기 멤브레인 센서(1)의 구조 및 물리적 특성에 의하여 생성되는 기생 용량에 비해 상기 감지전극(9)의 진동에 따른 용량 변화를 감지할 수 있는 크기로서 상기 기계적공진주파수를 가진 교류신호를 상기 멤브레인 센서(1)에 인가했을 때 감지전극(9)으로부터 상기 기계적 공진주파수의 신호를 가장 크게 출력시키는 것으로 한다.The magnitude of the AC signal is a magnitude capable of detecting a change in capacitance due to vibration of the sensing electrode 9 compared to a parasitic capacitance generated by the structure and physical characteristics of the membrane sensor 1 and having the mechanical resonance frequency. When the AC signal is applied to the membrane sensor 1, it is assumed that the signal of the mechanical resonance frequency is the largest output from the sensing electrode 9.
본 발명에 따른 상기 측정 방법은 상기 감지전극(9)에 도포된 감지 물질과 특정 물질과의 반응으로 인한 감지전극(9)의 질량변화 또는 감지전극(9)에 가해진 압력을 측정하기 위해 여러 교류신호 크기에서 공통적으로 나타나는 상기 감지전극(9)의 기계적 공진 주파수와 상기 기계적 공진주파수를 가진 교류신호를 상기 멤브레인 센서(1)에 인가했을 때 감지전극(9)으로부터 상기 기계적 공진주파수의 신호를 가장 크게 출력되게 하는 교류신호의 크기를 찾는 단계(S1)와, 상기 감지 전극(9)이 특정 물질과 반응하면서 감지 전극(9)에서 발생하는 기포(bubble)나 반응을 방해하는 물질을 제거하기 위해 상기 감지 전극의 기계적 공진 특성을 이용하여 감지전극을 진동시키는 단계(S2), 상기 교류신호에 직류 신호를 더해서 멤브레인 센서(1)에 인가한 다음 교류 신호의 주파수를 변화시켜 가면서 멤브레인 센서(1)의 감지 전극(9)로부터 출력되는 신호를 측정하는 단계(S3), 상기 멤브레인 센서(1)로부터 출력되는 신호를 바탕으로 주파수 스펙트럼을 구하여 기계적 공진주파수 또는 성능계수(Q-factor)를 찾는 단계(S4), 상기 기계적 공진주파수 또는 성능계수(Q-factor)의 변화와 멤브레인 센서(1)의 구조와 물리적 특성을 고려하여 상기 감지전극(9)에 도포된 감지 물질과 특정 물질과의 반응으로 인한 감지전극(9)의 질량변화 또는 감지전극(9)에 가해진 압력을 결정하는 단계(S5)를 포함한다.The measuring method according to the present invention uses various alternating currents to measure the change in mass of the sensing electrode 9 or the pressure applied to the sensing electrode 9 due to the reaction between the sensing material applied to the sensing electrode 9 and a specific material. When the AC signal having the mechanical resonance frequency and the mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9 which are common in the signal magnitude is applied to the membrane sensor 1, the signal of the mechanical resonance frequency is sensed from the sensing electrode 9. In order to find the magnitude of the AC signal to be large output (S1), and to remove the bubble (bubble) generated in the sensing electrode (9) or the material that interferes with the reaction while the sensing electrode 9 reacts with a specific material Vibrating the sensing electrode by using the mechanical resonance characteristics of the sensing electrode (S2), by adding a direct current signal to the AC signal applied to the membrane sensor (1) and then the AC signal Measuring the signal output from the sensing electrode 9 of the membrane sensor 1 while changing the frequency of (S3), to obtain a frequency spectrum based on the signal output from the membrane sensor 1 to obtain a mechanical resonance frequency or Finding the Q-factor (S4), applying to the sensing electrode 9 in consideration of the change in the mechanical resonance frequency or Q-factor and the structure and physical properties of the membrane sensor (1) And determining the mass change of the sensing electrode 9 or the pressure applied to the sensing electrode 9 due to the reaction between the sensed material and the specific material (S5).
상기 감지전극(9)에 도포된 감지 물질과 특정 물질과의 반응으로 인한 감지전극(9)의 질량변화, 감지전극(9)에 가해진 압력을 측정하기 위하여 여러 교류신호 크기에서 공통적으로 나타나는 상기 감지전극(9)의 기계적 공진 주파수와 상기 기계적공진주파수를 가진 교류신호를 상기 멤브레인 센서(1)에 인가했을 때 감지전극(9)으로부터 상기 기계적 공진주파수의 신호를 가장 크게 출력되게 하는 교류신호의 크기를 찾는 단계(S1)는, The detection, which is common to various AC signal sizes, to measure the change in mass of the sensing electrode 9 and the pressure applied to the sensing electrode 9 due to the reaction between the sensing material applied to the sensing electrode 9 and a specific material. The magnitude of the AC signal which causes the signal of the mechanical resonance frequency to be output the largest from the sensing electrode 9 when an AC signal having the mechanical resonance frequency of the electrode 9 and the mechanical resonance frequency is applied to the membrane sensor 1. Finding step (S1),
멤브레인 센서(1)에 공급되는 신호의 주파수를 변화시키는 단계, Varying the frequency of the signal supplied to the membrane sensor 1,
각 주파수에서 신호의 크기를 변화시키는 단계,Varying the magnitude of the signal at each frequency,
주파수와 크기를 동시에 변화시킨 신호를 멤브레인 센서(1)에 인가했을 때 감지전극(9)이나 고정전극(3)으로부터 출력되는 신호를 비교하고 저장하는 단계,Comparing and storing a signal output from the sensing electrode 9 or the fixed electrode 3 when a signal having a frequency and magnitude simultaneously applied to the membrane sensor 1,
감지전극(9)을 공진시키는 여러 주파수 중에서 주파수와 크기를 동시에 변화시킨 신호 크기에서 공통적으로 나타나는 감지전극(9)의 기계적 공진주파수를 찾는 단계,Finding a mechanical resonant frequency of the sensing electrode 9 which is common in the magnitude of the signal simultaneously changing the frequency and magnitude among several frequencies for resonating the sensing electrode 9,
및 상기 감지전극(9)의 기계적 공진 주파수를 갖는 교류신호의 크기에서 멤브레인 센서(1)의 출력 신호가 가장 큰 교류신호의 크기를 찾는 단계를 포함하고,And finding the magnitude of the AC signal having the largest output signal of the membrane sensor 1 in the magnitude of the AC signal having the mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9,
상기 교류신호에 직류 신호를 더해서 멤브레인 센서(1)에 인가한 다음 교류 신호의 주파수를 변화시켜 가면서 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)으로부터 출력되는 신호를 측정하는 단계(S3)는, In step S3 of measuring the signal output from the sensing electrode 9 of the membrane sensor 1 by applying a DC signal to the membrane sensor 1 and then applying it to the membrane sensor 1 by changing the frequency of the AC signal,
직류신호와 교류신호의 주파수를 변화시켜가면서 멤브레인 센서(1)에 공급하고 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)으로부터 출력되는 신호를 여러 번 측정하여 평균값을 구하는 단계,Supplying to the membrane sensor 1 while varying the frequency of the DC signal and the AC signal, and measuring the signal output from the sensing electrode 9 of the membrane sensor 1 several times to obtain an average value,
평균값을 지정한 값과 비교하는 단계, Comparing the average value to the specified value,
평균값이 지정한 값보다 클 경우, 즉 기계적 공진이 시작된 경우 이분법 방식(bisection method)으로 기계적 공진 시작주파수를 찾는 단계, Finding a mechanical resonance starting frequency by a bisection method when the average value is larger than a specified value, i.e., when mechanical resonance is started,
및 기계적 공진 시작점에서 멤브레인 센서(1)에 공급되는 주파수를 세밀하게 변화시키면서 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)으로부터 출력되는 신호의 평균값을 구하여 지정한 값과 비교하는 단계를 포함한다.And calculating the average value of the signal output from the sensing electrode 9 of the membrane sensor 1 and comparing it with a specified value while finely changing the frequency supplied to the membrane sensor 1 at the mechanical resonance start point.
본 발명에 따른 기계적 공진주파수를 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 장치 및 방법은 첫 번째로, 감지전극(9)의 기계적 공진주파수를 가지면서 충분히 큰 교류신호를 감지전극(9)에 인가함으로써 감지전극(9)의 변위가 커짐에 따라 용량 변화가 커져 감지전극(9)으로부터 출력되는 신호도 커지게 되어 정적(static)인 방법보다 감지전극(9)의 질량변화나 감지전극(9)에 가해진 압력을 보다 정밀하게 측정할 수 있다.The measuring device and method for a condenser type membrane sensor using the mechanical resonance frequency according to the present invention firstly, by applying a sufficiently large AC signal to the sensing electrode (9) having a mechanical resonance frequency of the sensing electrode (9) As the displacement of (9) increases, the capacitance change increases, so that the signal output from the sensing electrode 9 also increases, so that the mass change of the sensing electrode 9 or the pressure applied to the sensing electrode 9 than the static method. Can be measured more precisely.
두 번째로, 감지전극(9)의 기계적 공진주파수를 가지면서 충분히 큰 교류신호를 감지전극(9)에 인가함으로써 멤브레인 센서(1)의 기생 컨덴서는 움직이지 않고 감지전극(9)만 크게 움직이게 되어 멤브레인 센서(1)의 기생 컨덴서 효과를 획기적으로 줄일 수 있어 감지전극(9)의 질량 변화나 감지전극(9)에 가해진 압력을 보다 정밀하게 측정할 수 있다.Second, by applying a sufficiently large alternating current signal to the sensing electrode 9 while having a mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9, only the sensing electrode 9 is moved largely without moving the parasitic capacitor of the membrane sensor 1. The parasitic condenser effect of the membrane sensor 1 can be greatly reduced, so that the mass change of the sensing electrode 9 or the pressure applied to the sensing electrode 9 can be measured more precisely.
세 번째로, 하나의 측정 장치에서 멤브레인 센서(1)에 교류신호 주파수를 변화시켜 입력함과 동시에 그 주파수에 대한 감지전극(9)으로부터 출력되는 신호 세기를 분석할 수 있기 때문에 고가의 스펙트럼 장치 없이 감지전극(9)의 주파수 특성을 분석할 수 있다.Third, in one measuring device, the AC signal frequency is inputted to the membrane sensor 1 and the signal intensity output from the sensing electrode 9 can be analyzed at that frequency. The frequency characteristic of the sensing electrode 9 can be analyzed.
네 번째로, 멤브레인 센서의 감지전극(9)의 주파수 스펙트럼으로부터 감지전극(9)의 기계적 공진주파수와 성능계수(Q-factor)를 구할 수 있으므로 기계적 공진주파수 또는 성능계수(Q-factor)로부터 감지전극의 질량변화와 감지전극에 가해진 압력을 정밀하게 측정할 수 있다.Fourth, since the mechanical resonance frequency and the Q-factor of the sensing electrode 9 can be obtained from the frequency spectrum of the sensing electrode 9 of the membrane sensor, it is detected from the mechanical resonance frequency or the Q-factor. The mass change of the electrode and the pressure applied to the sensing electrode can be precisely measured.
다섯 번째로, 상기 멤브레인 센서(1)에 감지전극(9)의 기계적 공진주파수와 일치하는 교류신호를 인가하였을 때 멤브레인 센서(1)에 내장된 감지전극(9)의 기계적 진동이 커지는 현상을 이용하여 감지전극(9)이 특정물질과 반응하면서 발생되는 버블(bubble)과 반응을 방해하는 물질을 제거함으로써 감지전극(9)과 특정물질의 반응을 활성화하여 멤브레인 센서(1)의 감도를 높일 수 있다.Fifth, when an AC signal matching the mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9 is applied to the membrane sensor 1, the mechanical vibration of the sensing electrode 9 embedded in the membrane sensor 1 increases. By removing the bubbles generated by the sensing electrode 9 reacting with the specific material and the substances that interfere with the reaction, the sensitivity of the membrane sensor 1 can be increased by activating the reaction between the sensing electrode 9 and the specific material. have.
여섯 번째로, 본 발명에 따르면 감지전극(9)에 특정질병을 감지하는 물질(marker)를 도포해둔 상태에서 환자의 검체를 반응시킨 후, 감지전극(9)의 질량변화를 측정하여 질병감염 여부를 판단 할 수 있으므로, 기존 바이오칩 질병진단 과정에 필수적인 스캔단계를 생략할 수 있다.Sixthly, according to the present invention, after reacting a sample of a patient in a state in which a marker for detecting a specific disease is applied to the sensing electrode 9, the mass change of the sensing electrode 9 is measured to determine whether the disease is infected. Since it can be determined, the scanning step essential for the existing biochip disease diagnosis process can be omitted.
일곱 번째로, 2개의 멤브레인 센서(1)를 서로 반대로 연결하여 상기 방법으로 측정하면 센서로부터 나오는 전압이 커져서 감지전극(9)에서의 질량 변화나 감지전극(9)에 가해지는 압력을 정밀하게 측정할 수 있다.Seventh, when the two membrane sensors 1 are connected to each other in the opposite manner and measured by the above method, the voltage from the sensor increases, so that the mass change at the sensing electrode 9 or the pressure applied to the sensing electrode 9 can be precisely measured. can do.
도면 1은 유전체와 접촉된 감지전극이 움직이는 멤브레인 센서의 단면도,1 is a cross-sectional view of a membrane sensor in which a sensing electrode in contact with a dielectric is moved;
도면 2는 도체만으로 구성된 감지전극이 움직이는 멤브레인 센서의 단면도,2 is a cross-sectional view of a membrane sensor in which a sensing electrode composed of only a conductor moves;
도면 3은 본 발명의 전체 블록도,3 is a block diagram of the present invention;
도면 4는 컨덴서형 멤브레인 센서의 전기적 등가 회로,4 is an electrical equivalent circuit of a condenser type membrane sensor,
도면 5는 컨덴서형 멤브레인 센서의 기계적 공진 특성을 도시한 도면,5 is a view showing the mechanical resonance characteristics of the condenser type membrane sensor,
도면 6은 본 발명에 의한 컨덴서형 멤브레인 센서의 측정 방식에 대한 흐름도,6 is a flowchart illustrating a measurement method of a condenser type membrane sensor according to the present invention;
도면 7은 컨덴서형 멤브레인 센서에 입력되는 교류 신호의 주파수와 크기에 따른 감지전극의 진동 특성을 도시한 도면,7 is a diagram illustrating vibration characteristics of a sensing electrode according to the frequency and magnitude of an AC signal input to a condenser type membrane sensor;
도면 8은 상기 감지전극의 기계적 공진주파수와 감지전극을 충분히 진동시킬 교류신호의 크기를 찾는 방법의 흐름도,8 is a flowchart of a method of finding a mechanical resonance frequency of the sensing electrode and an amplitude of an AC signal to sufficiently vibrate the sensing electrode;
도면 9는 상기 멤브레인 센서의 감지전극이 기계적 공진을 시작하는 주파수를 찾는 방법과 장치의 정밀도를 높이기 위하여 교류신호의 주파수를 변화시키는 방법의 흐름도,9 is a flowchart of a method of finding a frequency at which a sensing electrode of the membrane sensor starts mechanical resonance and a method of changing an AC signal frequency in order to increase the accuracy of the apparatus;
도면 10은 일정 크기 이상의 교류 신호를 컨덴서형 멤브레인 센서에 인가한 후 주파수를 변화시켰을 때 감지전극의 진동특성,10 is a vibration characteristic of the sensing electrode when the frequency is changed after applying an AC signal of a predetermined size or more to the condenser type membrane sensor,
도면 11은 상기 교류신호 및 직류 신호가 감지전극(9)과 감지전극(9)의 기생성분(
Figure PCTKR2017005101-appb-I000018
Figure PCTKR2017005101-appb-I000019
)의 접점 노드에 공급되고, 출력 신호는 고정전극(3)과 감지전극의 접점 노드로부터 출력하는 측정 방법,
11 shows that the AC signal and the DC signal are parasitic components of the sensing electrode 9 and the sensing electrode 9.
Figure PCTKR2017005101-appb-I000018
And
Figure PCTKR2017005101-appb-I000019
Measuring method, which is supplied to the contact node of the sensor and outputs an output signal from the contact node of the fixed electrode
도면 12는 상기 교류신호 및 직류 신호가 컨덴서형 멤브레인 센서(1)의 고정전극(3)과 감지전극의 접점 노드에 공급되고, 상기 컨덴서형 멤브레인 센서(1)의 출력 신호는 감지전극(9)과 감지전극(9)의 기생성분(
Figure PCTKR2017005101-appb-I000020
Figure PCTKR2017005101-appb-I000021
)의 접점 노드로 출력하는 측정 방법,
12 shows that the AC signal and the DC signal are supplied to the fixed electrode 3 of the condenser type membrane sensor 1 and the contact node of the sensing electrode, and the output signal of the condenser type membrane sensor 1 is the sensing electrode 9. And parasitic components of the sensing electrode 9
Figure PCTKR2017005101-appb-I000020
And
Figure PCTKR2017005101-appb-I000021
Measuring method to output to contact node of
도면 13은 2개의 멤브레인 센서를 연결하되, 어느 1개의 멤브레인 센서의 감지전극을 다른 1개의 멤브레인 센서의 고정 전극에 연결하고 어느 1개의 멤브레인 센서의 고정 전극을 다른 1개의 멤브레인 센서의 감지전극에 연결하여 출력 신호를 측정하는 방법.Figure 13 connects two membrane sensors, connecting the sensing electrode of one membrane sensor to the fixed electrode of the other membrane sensor and the fixed electrode of one membrane sensor to the sensing electrode of the other membrane sensor. To measure the output signal.
*부호의 설명** Description of the sign *
1. 컨덴서형 멤브레인 센서 3. 고정 전극1. Condenser type membrane sensor 3. Fixed electrode
9. 감지전극 11. Rm9. Detection electrode 11. Rm
13. Cm 15. Rps13.Cm 15.Rps
17. Cps 19. Rpf17.Cps 19.Rpf
21. Cpf 23. 신호 공급 수단 21.Cpf 23. Signal supply means
25. 신호 측정부 27. 제어 및 신호처리 수단25. Signal measuring unit 27. Control and signal processing means
29. 교류 신호 발생기 31. 레귤레이터29. AC Signal Generator 31. Regulator
33. 믹서부 35. 트랜스컨덕턱스 증폭기33. Mixer Section 35. Transconductance Amplifier
37. 전압 전류 선택 스위치 41. 증폭부37. Voltage current selection switch 41. Amplifier
43. A/D 변환부 43. A / D Converter
45. 데이터 매니퓰레이터 및 버퍼 47. 프로세서45. Data Manipulators and Buffers 47. Processors
49. PC 51. 통신 인터페이스49.PC 51.Communication Interface
53. 표시부53. Display
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 자세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the present invention.
본 발명에 따른 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 장치는 컨덴서형 멤브레인 센서(1)에 주파수와 크기를 각각 변화시키면서 교류신호와 직류신호를 입력하고, 상기 교류신호와 직류신호에 대응하여 상기 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)의 주파수 스펙트럼으로부터 상기 감지전극의 기계적 공진주파수를 구해서, 상기 입력한 신호의 소정 크기에서 상기 감지전극(9)의 질량 변화 또는 감지전극(9)에 가해진 압력 변화에 따른 상기 감지전극(9)의 기계적 공진주파수의 차이 또는 성능계수(Q-factor)의 차이로부터 상기 감지전극(9)의 질량 변화 또는 압력을 측정한다.The measuring device for condenser type membrane sensor using the mechanical resonance characteristic of the membrane according to the present invention inputs an AC signal and a DC signal while varying the frequency and the size of the condenser type membrane sensor 1, and inputs the AC signal and the DC signal. Correspondingly, the mechanical resonance frequency of the sensing electrode is obtained from the frequency spectrum of the sensing electrode 9 of the membrane sensor 1, and the mass change of the sensing electrode 9 or the sensing electrode 9 at a predetermined magnitude of the input signal. The change in mass or the pressure of the sensing electrode 9 is measured from the difference in the mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9 or the difference in the Q-factor according to the change in pressure.
이때, 상기 교류신호의 크기는 상기 멤브레인 센서(1)의 구조 및 물리적 특성에 의하여 생성되는 기생 용량에 비해 상기 감지전극(9)의 진동에 따른 용량 변화를 감지할 수 있는 크기로서 상기 멤브레인 센서로부터 출력되는 신호를 가장 크게 출력시키는 것으로 한다.At this time, the magnitude of the AC signal is a magnitude capable of detecting a change in capacitance due to vibration of the sensing electrode 9 compared to the parasitic capacitance generated by the structure and physical characteristics of the membrane sensor 1 from the membrane sensor. It is assumed that the output signal is the largest output.
상기 주파수 스펙트럼은 상기 컨덴서형 멤버레인 센서에 크기와 주파수를 각각 변화시킨 교류신호와 직류전압을 입력하였을 때 신호의 특정 크기에서 주파수를 변화시켜 가면서 상기 감지전극(9)으로부터 나오는 신호를 여러 번 측정하여 얻은 신호의 평균값으로부터 산출된다.The frequency spectrum measures the signal from the sensing electrode 9 several times while changing the frequency at a specific magnitude of the signal when the AC signal and the DC voltage of which the magnitude and the frequency are respectively changed are input to the condenser type member sensor. The average value of the obtained signal is calculated.
상기 감지전극(9)의 기계적 공진주파수는 상기 감지전극(9)을 공진 시키는 다수의 주파수 중에서 상기 교류신호의 각 크기에서 공통적으로 나타나는 주파수를 선택한다.The mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9 selects a frequency that is common in each magnitude of the AC signal among a plurality of frequencies for resonating the sensing electrode 9.
상기 감지전극(9)의 성능계수(Q-factor)는
Figure PCTKR2017005101-appb-I000022
이다.
The Q-factor of the sensing electrode 9 is
Figure PCTKR2017005101-appb-I000022
to be.
여기서, f0는 감지전극(9)의 기계적 공진주파수이고, m은 감지전극(9)의 질량이며,
Figure PCTKR2017005101-appb-I000023
는 감지전극(9)의 감쇄계수(coefficient of damping factor)이다.
Here, f 0 is the mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9, m is the mass of the sensing electrode 9,
Figure PCTKR2017005101-appb-I000023
Is the coefficient of damping factor of the sensing electrode 9.
또한, 상기 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 장치는 도면 3에 도시한 바와 같이, 정지된 고정 전극(3)에 대하여 상대적으로 움직이는 감지전극(9)의 위치에 따라 컨덴서 용량이 변화하는 컨덴서형 멤브레인 센서(1)에 주파수와 크기가 다른 교류신호와 직류 성분이 포함된 신호를 공급하는 신호공급수단(23)과, 상기 감지전극(9)에 도포된 감지물질과 반응하는 특정 물질에 의해 상기 감지전극(9)의 질량이 변화하여 컨덴서 용량이 변하거나, 상기 감지전극(9)에 가해지는 압력에 의하여 컨덴서 용량이 변화되는 컨덴서형 멤브레인 센서(1), 상기 멤브레인 센서(1)로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지털 값으로 변환하고 데이터 처리량을 높이는 신호 측정부(25), 상기 신호공급수단(23)을 제어하여 상기 신호공급수단(23)으로부터 출력되는 상기 교류신호의 주파수와 크기를 조정하고, 상기 직류 성분이 포함되는 경우 교류신호와 혼합될 상기 직류 성분의 전압 레벨을 조정하며, 상기 신호 측정부(25)로부터 출력된 디지털 값을 이용하여 주파수별 출력 세기를 나타내는 주파수 스펙트럼을 구성하고, 상기 주파수 스펙트럼으로부터 구해진 공진주파수 차이 또는 성능계수(Q-factor) 차이로부터 상기 감지전극(9)에 도포된 감지 물질과 특정 물질과의 반응으로 인한 감지전극(9)의 질량변화 또는 감지전극(9)에 가해진 압력을 측정하는 제어 및 신호처리 수단(27)을 포함한다.In addition, the measuring device for the condenser type membrane sensor using the mechanical resonance characteristics of the membrane has a capacitor capacity according to the position of the sensing electrode (9) moving relative to the stationary fixed electrode (3) as shown in FIG. A signal supply means 23 for supplying a changing capacitor type membrane sensor 1 with a signal including an AC signal and a DC component having a different frequency and size, and a specific material reacting with a sensing material applied to the sensing electrode 9. Capacitive membrane sensor 1 and the membrane sensor 1 in which the capacitance of the sensing electrode 9 is changed by a material and thus the capacitor capacitance is changed, or the capacitor capacitance is changed by the pressure applied to the sensing electrode 9. The signal measuring unit 25 converts the analog signal outputted from the digital signal into a digital value and increases the data throughput, and controls the signal supply means 23 to the signal supply means 23. Adjust the frequency and magnitude of the AC signal output from the, adjust the voltage level of the DC component to be mixed with the AC signal when the DC component is included, and uses the digital value output from the signal measuring unit 25 A frequency spectrum representing an output intensity for each frequency, and a reaction between a specific material and a sensing material applied to the sensing electrode 9 from a resonance frequency difference or a Q-factor difference obtained from the frequency spectrum. Control and signal processing means 27 for measuring the mass change of the sensing electrode 9 or the pressure applied to the sensing electrode 9.
상기 신호 공급 수단(23)은 제어 및 신호 처리 수단(27)의 제어 신호에 따라 교류 전압 주파수를 가변시켜 출력하는 교류 전압 발생기(29)(PLL: Phase Locked Loop)와, 직류 전압을 발생하는 레귤레이터(31)(Regulator), 상기 교류 전압 발생기(29)의 교류 전압과 레귤레이터(31)의 직류 전압을 혼합하여 컨덴서형 멤브레인 센서(1)에 공급하는 믹서부(33)를 포함한다.The signal supply means 23 includes an AC voltage generator 29 (PLL: Phase Locked Loop) for varying and outputting an AC voltage frequency according to the control signal of the control and signal processing means 27, and a regulator for generating a DC voltage. (31) includes a mixer 33 for mixing the AC voltage of the AC voltage generator 29 with the DC voltage of the regulator 31 and supplying the condenser-type membrane sensor 1.
또한, 상기 신호 공급 수단(23)은 믹서부(33)에 의해 혼합된 교류 전압과 직류 전압을 증폭된 전류로 변환하는 트랜스컨덕턴스 증폭기(35)와, 상기 믹서부(33)로부터 출력된 전압이나 트랜스컨덕턴스 증폭기(35)로부터 출력된 전류 중 어느 하나를 선택하여 컨덴서형 멤브레인 센서(1)에 교류 신호로서 공급하는 전압 전류 선택 스위치(37)를 더 포함한다.In addition, the signal supply means 23 is a transconductance amplifier 35 for converting the alternating voltage and the direct current voltage mixed by the mixer unit 33 into an amplified current, and the voltage output from the mixer unit 33 It further includes a voltage current selection switch 37 which selects any one of the currents output from the transconductance amplifier 35 and supplies it to the condenser-type membrane sensor 1 as an AC signal.
또, 상기 신호 공급 수단(23)은 교류 전압 발생기(29)로부터 출력되는 교류 전압을 증폭시켜 믹서부(33)로 전달하는 증폭부(41)를 더 포함한다.In addition, the signal supply means 23 further includes an amplifier 41 which amplifies the AC voltage output from the AC voltage generator 29 and transmits the amplified voltage to the mixer 33.
상기 신호 측정부(25)는 컨덴서형 멤브레인 센서(1)로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 디지털 데이터를 출력하는 A/D 변환기(43)와, 상기 A/D 변환기(43)에 의해 변환된 디지털 값을 저장 및 정리하여 데이터 처리량을 높이는 데이터 매니퓰레이터 및 버퍼(45)로 이루어질 수 있다.The signal measuring unit 25 is an A / D converter 43 for converting an analog signal output from the condenser membrane sensor 1 into a digital signal and outputting digital data, and by the A / D converter 43. The data manipulator and the buffer 45 may be configured to store and organize the converted digital values to increase data throughput.
상기 A/D 변환기(43)는 변환 속도를 높이기 위해 출력 데이터를 병렬로 출력하는 병렬 A/D 변환기를 이용한다.The A / D converter 43 uses a parallel A / D converter that outputs output data in parallel to increase the conversion speed.
상기 제어 및 신호 처리 수단(27)은 신호공급수단(23)을 제어하여 신호 공급 수단(23)으로부터 출력되는 교류 신호의 주파수와 크기를 조정하고 교류 신호에 혼합되는 직류 신호 레벨을 조정하며, 신호 측정부(25)를 제어하여 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시 변환 정밀도 및 데이터 처리 속도를 제어하고, 통신 인터페이스(51)를 통해 신호 측정부(25)로부터 나오는 디지털 데이터를 이용하여 감지전극(9)의 주파수 스펙트럼을 구성하고 상기 컨덴서형 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)에 도포된 감지 물질이 특정 물질과 반응하였을 때 감지전극(9)의 공진 주파수 또는 성능계수(Q-factor)와 감지전극(9)에 도포된 감지 물질이 특정 물질과 반응하지 않았을 때 감지전극(9)의 공진 주파수 또는 성능계수(Q-factor) 변화 값을 이용하여 감지전극(9)의 질량변화나 감지전극(9)에 가해진 압력을 계산하는 프로세서(47)와, 계산된 질량변화나 압력을 표시하는 표시부(53), 및 상기 표시부(53)나 PC(49)로 데이터를 보내기 위한 통신 인터페이스(51)를 포함한다.The control and signal processing means 27 controls the signal supply means 23 to adjust the frequency and magnitude of the AC signal output from the signal supply means 23 and to adjust the DC signal level mixed with the AC signal, and the signal Control the measuring unit 25 to control the conversion accuracy and data processing speed when converting an analog signal into a digital signal, the sensing electrode 9 by using the digital data from the signal measuring unit 25 through the communication interface 51 When the sensing material applied to the sensing electrode 9 of the condenser type membrane sensor 1 reacts with a specific material, the resonance frequency or Q-factor of the sensing electrode 9 and the sensing When the sensing material applied to the electrode 9 does not react with a specific material, the mass change or reduction of the sensing electrode 9 is performed by using the resonance frequency or the Q-factor change value of the sensing electrode 9. A processor 47 for calculating the pressure applied to the electrode 9, a display unit 53 for displaying the calculated mass change or pressure, and a communication interface 51 for sending data to the display unit 53 or the PC 49. ).
한편, 본 발명에 따른 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 방법은 컨덴서형 멤브레인(membrane) 센서(1)에 감지전극(9)을 진동시킬 수 있는 세기를 가지는 감지전극(9)의 기계적 공진주파수의 교류신호와 직류신호를 인가함으로써 감지전극(9)의 기계적 변위를 크게 하여 감지전극(9)에 도포된 감지 물질과 특정 물질의 반응으로 인한 감지전극(9)의 질량변화 또는 감지전극(9)에 가해진 압력을 정밀하게 측정한다.On the other hand, the measuring method for the condenser-type membrane sensor using the mechanical resonance characteristics of the membrane according to the present invention is a sensing electrode (9) having an intensity capable of vibrating the sensing electrode (9) in the condenser-type membrane (membrane) sensor (1) The change of mass of the sensing electrode 9 due to the reaction between the sensing material applied to the sensing electrode 9 and the specific material by increasing the mechanical displacement of the sensing electrode 9 by applying an AC signal and a DC signal of a mechanical resonance frequency of The pressure applied to the sensing electrode 9 is precisely measured.
상기 컨덴서형 멤브레인(membrane) 센서를 회로적으로 모델링(Modeling)하면 도면 4와 같다.Modeling the condenser-type membrane sensor (circuit) sensor (membrane) as shown in Figure 4 (modeling).
도면 4에서 Rm(11)은 감지전극(9)의 직렬 저항이고, Cm(13)은 감지전극(9)의 용량이며, Rps(15)는 감지전극(9)에서 그라운드까지의 기생 저항이다.In FIG. 4, Rm 11 is a series resistance of the sensing electrode 9, Cm 13 is a capacitance of the sensing electrode 9, and Rps 15 is a parasitic resistance from the sensing electrode 9 to ground.
또한, Cps(17)는 감지전극(9)에서 그라운드까지의 기생 용량이고, Rpf(19)는 고정 전극(3)에서 그라운드까지의 기생 저항이며, Cpf(21)는 고정 전극(3)에서 그라운드까지의 기생 용량이다.In addition, Cps 17 is the parasitic capacitance from the sensing electrode 9 to the ground, Rpf 19 is the parasitic resistance from the fixed electrode 3 to the ground, and Cpf 21 is the ground at the fixed electrode 3. Up to parasitic capacity.
일반적으로, 감지전극(9)의 용량변화(
Figure PCTKR2017005101-appb-I000024
)는 상기 Cps(17)와 Cpf(21) 같은 기생 용량보다 훨씬 작으므로 극소량의 질량변화나 낮은 압력을 측정할 때 정적(static)인 방법으로 극소량의 질량이나 낮은 압력을 측정하기 어렵다.
In general, the capacitance change of the sensing electrode 9 (
Figure PCTKR2017005101-appb-I000024
) Is much smaller than the parasitic capacitances such as Cps (17) and Cpf (21), so it is difficult to measure very small mass or low pressure in a static way when measuring very small mass changes or low pressure.
한편, 레이저 바이브로메터(Laser Vibrometer)를 이용하여 주파수에 따른 컨덴서형 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)의 변위를 측정해보면 도면 5와 같다. 도면 5에서 기계적 공진주파수 근처에서 감지전극(9)의 변위가 커지는 것을 알 수 있다. On the other hand, using a laser vibrometer (Laser Vibrometer) to measure the displacement of the sensing electrode 9 of the capacitor-type membrane sensor (1) according to the frequency as shown in Figure 5. It can be seen from FIG. 5 that the displacement of the sensing electrode 9 increases near the mechanical resonance frequency.
따라서 컨덴서형 멤브레인 센서(1)의 컨덴서 용량을 측정하기 위한 측정용 교류 신호의 주파수를 상기 감지전극(9)의 기계적 공진주파수에 일치시키면, 감지전극(9)의 변위가 커지고 감지전극(9)의 컨덴서 용량(Cm(13)) 변화도 커지게 되어 Cps(17)와 Cpf(21)와 같은 기생 용량의 영향을 줄일 수 있다.Therefore, if the frequency of the measuring AC signal for measuring the capacitor capacitance of the condenser type membrane sensor 1 matches the mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9, the displacement of the sensing electrode 9 becomes large and the sensing electrode 9 is increased. The change in the capacitor capacity (Cm (13)) of the can also be increased to reduce the influence of parasitic capacitance such as Cps (17) and Cpf (21).
한편, 본 발명에 따른 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 방법은 멤브레인에 상기 멤브레인의 기계적 공진주파수와 일치하고 일정크기 이상의 교류신호를 인가하면 멤브레인의 변위가 크다는 원리를 이용하여 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)을 충분히 진동시킬 수 있는 크기의 기계적 공진주파수를 가진 교류신호를 상기 멤브레인 센서(1)에 인가 한 후, 감지전극(9)에 도포된 감지 물질이 특정 물질과의 반응 유무에 따른 감지전극(9)의 기계적 공진주파수 또는 성능계수(Q-factor)의 변화를 이용하여 감지전극의 질량변화를 측정하거나, 감지 전극(9)에 가해진 압력을 측정한다.On the other hand, the measurement method for the condenser-type membrane sensor using the mechanical resonance characteristics of the membrane according to the present invention using the principle that the displacement of the membrane is large when the AC signal is matched to the mechanical resonance frequency of the membrane and a predetermined size is applied to the membrane. After applying an alternating current signal having a mechanical resonance frequency of sufficient magnitude to vibrate the sensing electrode 9 of the sensor 1 to the membrane sensor 1, the sensing material applied to the sensing electrode 9 is a specific material. The change in the mass of the sensing electrode is measured using a change in the mechanical resonance frequency or the Q-factor of the sensing electrode 9 according to the presence or absence of the reaction, or the pressure applied to the sensing electrode 9 is measured.
한편, 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 방법은 컨덴서형 멤브레인 센서(1)에 주파수와 크기가 다른 교류신호와 직류 성분이 포함된 신호를 입력하고, 상기 교류신호와 직류 성분이 포함된 신호에 대응하여 상기 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)의 주파수 스펙트럼으로부터 상기 감지전극의 기계적 공진주파수를 구해서, 상기 교류신호와 직류 성분이 포함된 신호의 소정 크기에서 상기 감지전극(9)의 질량 변화 또는 감지전극(9)에 가해진 압력 변화에 따른 상기 기계적 공진주파수의 차이 또는 성능계수(Q-factor)의 차이로부터 상기 감지전극(9)의 질량 변화 또는 압력을 측정한다.On the other hand, the measurement method for the condenser type membrane sensor using the mechanical resonance characteristics of the membrane inputs a signal containing an AC signal and a DC component having a different frequency and magnitude into the capacitor type membrane sensor (1), and the AC signal and the DC component The mechanical resonance frequency of the sensing electrode is obtained from the frequency spectrum of the sensing electrode 9 of the membrane sensor 1 in response to the included signal, and the sensing electrode (at a predetermined magnitude of the signal including the AC signal and the DC component) is measured. The mass change or the pressure of the sensing electrode 9 is measured from the difference in the mechanical resonance frequency or the difference in the Q-factor according to the mass change of 9) or the pressure applied to the sensing electrode 9.
상기 감지전극(9)의 기계적 공진주파수는 상기 감지전극(9)을 공진시키는 다수의 주파수 중에서 상기 교류신호의 각 크기에서 공통적으로 나타나는 것으로 한다.The mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9 is assumed to be common in each magnitude of the AC signal among a plurality of frequencies for resonating the sensing electrode 9.
이때, 상기 교류신호의 소정 크기는 상기 멤브레인 센서(1)의 구조 및 물리적 특성에 의하여 생성되는 기생 용량에 비해 상기 감지전극(9)의 진동에 따른 용량 변화를 감지할 수 있는 크기로서 상기 멤브레인 센서로부터 출력되는 신호를 가장 크게 출력시키는 것이다. In this case, the predetermined magnitude of the AC signal is a magnitude capable of detecting a change in capacitance due to vibration of the sensing electrode 9 compared to a parasitic capacitance generated by the structure and physical characteristics of the membrane sensor 1. The signal output from the largest output.
또한, 상기 감지전극(9)의 성능계수(Q-factor)는
Figure PCTKR2017005101-appb-I000025
이다.
In addition, the Q-factor of the sensing electrode 9 is
Figure PCTKR2017005101-appb-I000025
to be.
여기서, f0는 감지전극의 기계적 공진주파수이고, m은 감지전극의 질량이며,
Figure PCTKR2017005101-appb-I000026
는 감지전극(9)의 감쇄계수(coefficient of damping factor)이다.
Here, f 0 is the mechanical resonance frequency of the sensing electrode, m is the mass of the sensing electrode,
Figure PCTKR2017005101-appb-I000026
Is the coefficient of damping factor of the sensing electrode 9.
또한, 상기 측정 방법은 도면 6에 도시한 바와 같이, 감지전극(9)에 도포된 감지 물질과 특정 물질과의 반응으로 인한 감지전극(9)의 질량변화 또는 감지전극(9)에 가해진 압력을 측정하기 위하여 여러 교류신호 크기에서 공통적으로 나타는 상기 감지전극(9)의 기계적 공진 주파수와 상기 기계적 공진주파수를 가진 교류신호를 상기 멤브레인 센서(1)에 인가했을 때 감지전극(9)으로부터 상기 기계적 공진주파수의 신호를 가장 크게 출력되게 하는 교류신호의 크기를 찾는 단계(S1)와, 상기 감지전극(9)이 특정 물질과 반응하면서 발생하는 기포(bubble)나 반응을 방해하는 물질을 제거하기 위해 상기 감지 전극(9)의 기계적 공진 특성을 이용하여 감지전극(9)을 진동시키는 단계(S2), 상기 교류신호에 직류 신호를 더해서 멤브레인 센서(1)에 인가한 다음 교류 신호의 주파수를 변화시켜 가면서 멤브레인 센서(1)의 감지 전극(9)으로부터 출력되는 신호를 측정하는 단계(S3), 상기 멤브레인 센서(1)로부터 출력되는 신호를 바탕으로 주파수 스펙트럼을 구하여 기계적 공진주파수 또는 성능계수(Q-factor)를 찾는 단계(S4), 및 상기 기계적 공진주파수 또는 성능계수(Q-factor)의 변화와 멤브레인 센서(1)의 구조와 물리적 특성을 고려하여 상기 감지전극(9)에 도포된 감지 물질과 특정 물질과의 반응으로 인한 감지전극(9)의 질량변화 또는 감지전극(9)에 가해진 압력을 결정하는 단계(S5)를 포함한다.In addition, as shown in FIG. 6, the measurement method may be performed by changing the mass of the sensing electrode 9 or the pressure applied to the sensing electrode 9 due to the reaction between the sensing material applied to the sensing electrode 9 and a specific material. The mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9 and the AC signal having the mechanical resonance frequency, which are common to various AC signal sizes, are measured from the sensing electrode 9 when the AC sensor is applied to the membrane sensor 1 for measurement. In order to find the magnitude of the alternating signal (S1) which causes the signal of the resonant frequency to be output the largest (S1), and to remove the bubble (bubble) or the material that interferes with the reaction when the sensing electrode (9) reacts with a specific material Vibrating the sensing electrode 9 by using the mechanical resonance characteristics of the sensing electrode (9) (S2), a direct current signal is added to the alternating current signal and applied to the membrane sensor (1) and then the alternating current signal Measuring the signal output from the sensing electrode 9 of the membrane sensor 1 while varying the frequency (S3), obtain a frequency spectrum based on the signal output from the membrane sensor 1 to obtain a mechanical resonance frequency or performance Finding the Q factor (S4), the change in the mechanical resonant frequency or performance factor (Q-factor) and the structure and physical properties of the membrane sensor 1 is applied to the sensing electrode 9 in consideration of And determining the mass change of the sensing electrode 9 or the pressure applied to the sensing electrode 9 due to the reaction between the sensed material and the specific material (S5).
한편, 상기 컨덴서형 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)이나 고정 전극(3)에 교류 신호를 인가하면 기계적인 진동이 일어날 수 있으나 교류 신호의 크기가 작으면 원하는 수준까지 진동하지 않을 수 있다.On the other hand, when an AC signal is applied to the sensing electrode 9 or the fixed electrode 3 of the condenser-type membrane sensor 1, mechanical vibration may occur, but when the magnitude of the AC signal is small, it may not vibrate to a desired level. .
또한, 상기 컨덴서형 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)은 여러 주파수에서 공진을 하므로 상기 감지전극(9)에 충분한 크기의 교류신호를 인가할 경우 도면 7에 도시한 바와 같이, 다양한 공진 주파수에서 여러 크기로 기계적 진동을 하게 된다.In addition, since the sensing electrode 9 of the condenser-type membrane sensor 1 resonates at various frequencies, when an AC signal having a sufficient magnitude is applied to the sensing electrode 9, as shown in FIG. Will cause mechanical vibrations of different magnitudes.
상기 감지전극(9)의 공진 주파수를 이용하여 감지전극(9)에 감지 물질과 특정 물질과의 반응으로 인한 감지전극(9)의 질량변화 또는 감지전극(9)에 가해진 압력을 측정하기 위해서는 여러 전압에서 공통적으로 나타나는 공진 주파수(common resonance frequency)를 이용해야 측정의 신뢰성을 높인다.In order to measure the change in the mass of the sensing electrode 9 or the pressure applied to the sensing electrode 9 due to the reaction between the sensing material and the specific material on the sensing electrode 9 by using the resonance frequency of the sensing electrode 9, The reliability of the measurement should be increased by using the common resonance frequency that is common in voltage.
상기 교류신호의 크기는 상기 멤브레인 센서(1)의 구조 및 물리적 특성에 의하여 생성되는 기생 용량에 비해 상기 감지전극(9)의 진동에 따른 용량 변화를 감지할 수 있는 크기로서 상기 기계적 공진주파수를 가진 교류신호를 상기 멤브레인 센서(1)에 인가했을 때 감지전극(9)으로부터 상기 기계적 공진주파수의 신호를 가장 크게 출력시키는 것으로 한다.The magnitude of the AC signal is a magnitude capable of detecting a change in capacitance due to vibration of the sensing electrode 9 compared to the parasitic capacitance generated by the structure and physical characteristics of the membrane sensor 1 and having the mechanical resonance frequency. When the AC signal is applied to the membrane sensor 1, it is assumed that the signal of the mechanical resonance frequency is the largest output from the sensing electrode 9.
상기 감지전극(9)에 도포된 감지 물질과 특정 물질과의 반응으로 인한 감지전극(9)의 질량변화, 감지전극(9)에 가해진 압력을 측정하기 위하여 여러 교류신호 크기에서 공통적으로 나타나는 상기 감지전극(9)의 기계적 공진 주파수와 상기 기계적공진주파수를 가진 교류신호를 상기 멤브레인 센서(1)에 인가했을 때 감지전극(9)으로부터 상기 기계적 공진주파수의 신호를 가장 크게 출력되게 하는 교류신호의 크기를 찾는 단계(S1)는 멤브레인 센서(1)에 공급되는 신호의 주파수를 변화시키는 단계와, 각 주파수에서 신호의 크기를 변화시키는 단계, 주파수와 크기를 동시에 변화시킨 신호를 멤브레인 센서(1)에 인가했을 때 감지전극(9)이나 고정전극(3)으로부터 출력되는 신호를 비교하고 저장하는 단계, 감지전극(9)을 공진시키는 여러 주파수 중에서 주파수와 크기를 동시에 변화시킨 신호 크기에서 공통적으로 나타나는 감지전극(9)의 기계적 공진주파수를 찾는 단계, 및 상기 감지전극(9)의 기계적 공진 주파수를 갖는 교류신호의 크기에서 멤브레인 센서의 출력 신호가 가장 큰 교류신호의 크기를 찾는 단계를 포함한다. The detection, which is common to various AC signal sizes, to measure the change in mass of the sensing electrode 9 and the pressure applied to the sensing electrode 9 due to the reaction between the sensing material applied to the sensing electrode 9 and a specific material. The magnitude of the AC signal which causes the signal of the mechanical resonance frequency to be output the largest from the sensing electrode 9 when an AC signal having the mechanical resonance frequency of the electrode 9 and the mechanical resonance frequency is applied to the membrane sensor 1. Finding step (S1) is the step of changing the frequency of the signal supplied to the membrane sensor 1, the step of changing the magnitude of the signal at each frequency, the signal simultaneously changing the frequency and magnitude to the membrane sensor (1) Comparing and storing the signal output from the sensing electrode 9 or the fixed electrode 3 when applied, the frequency among the various frequencies that resonate the sensing electrode 9 Finding the mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9 which is common in the magnitude of the signal having the same size at the same time, and in the magnitude of the AC signal having the mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9, the output signal of the membrane sensor is the largest. Finding the magnitude of the AC signal.
상기 감지전극(9)에 도포된 감지 물질과 특정 물질과의 반응으로 인한 감지전극(9)의 질량변화 또는 감지전극(9)에 가해진 압력을 측정하기 위하여 여러 교류신호 크기에서 공통적으로 나타나는 상기 감지전극(9)의 기계적 공진 주파수와 상기 기계적 공진주파수를 가진 교류신호를 상기 멤브레인 센서(1)에 인가했을 때 감지전극(9)으로부터 상기 기계적 공진주파수의 신호를 가장 크게 출력되게 하는 교류신호의 크기를 찾는 단계(S1)는 도면 8을 통해 보다 구체적으로 설명될 수 있다.The detection, which is common to various AC signal sizes, to measure the change in mass of the sensing electrode 9 or the pressure applied to the sensing electrode 9 due to the reaction between the sensing material applied to the sensing electrode 9 and a specific material. The magnitude of the AC signal which causes the signal of the mechanical resonance frequency to be output the largest from the sensing electrode 9 when an AC signal having the mechanical resonance frequency of the electrode 9 and the mechanical resonance frequency is applied to the membrane sensor 1. Finding step (S1) can be described in more detail with reference to FIG.
상기 교류 신호에 직류 신호를 더해서 멤브레인 센서(1)에 인가한 다음 교류 신호의 주파수를 변화시켜 가면서 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)으로부터 출력되는 신호를 측정하는 단계(S3)는 직류 신호와 교류 신호의 주파수를 변화시켜가면서 멤브레인 센서(1)에 공급하고 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)으로부터 출력되는 신호를 여러 번 측정하여 평균값을 구하는 단계, 평균값을 지정한 값과 비교하는 단계, 평균값이 지정한 값보다 클 경우, 즉 기계적 공진이 시작된 경우 이분법 방식(bisection method)으로 기계적 공진 시작주파수를 찾는 단계, 및 기계적 공진 시작점에서 멤브레인 센서(1)에 공급되는 주파수를 세밀하게 변화시키면서 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)으로부터 출력되는 신호의 평균값을 구하여 지정한 값과 비교하는 단계로 구성된다. The DC signal is added to the AC signal and applied to the membrane sensor 1, and then the signal output from the sensing electrode 9 of the membrane sensor 1 is measured while changing the frequency of the AC signal (S3). Supplying to the membrane sensor 1 while varying the frequency of the AC signal and measuring the signal output from the sensing electrode 9 of the membrane sensor 1 several times to obtain an average value, and comparing the average value with a specified value. When the average value is larger than the specified value, that is, when the mechanical resonance is started, finding the mechanical resonance starting frequency by a bisection method, and changing the frequency supplied to the membrane sensor 1 at the mechanical resonance starting point finely. Comprising a step of obtaining the average value of the signal output from the sensing electrode (9) of the sensor 1 and comparing it with the specified value.
상기 교류신호에 직류 신호를 더해서 멤브레인 센서(1)에 인가한 다음 교류 신호의 주파수를 변화시켜 가면서 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)으로부터 출력되는 신호를 측정하는 단계(S3)는 도면 9를 통해 보다 구체적으로 설명될 수 있다. Step S3 of measuring the signal output from the sensing electrode 9 of the membrane sensor 1 while applying the DC signal to the membrane sensor 1 by applying the AC signal to the membrane sensor 1 and then changing the frequency of the AC signal is shown in FIG. 9. It may be described in more detail through.
상기 멤브레인 센서(1)로부터 출력되는 신호를 바탕으로 주파수 스펙트럼을 구하여 기계적 공진주파수와 성능계수(Q-factor)를 찾는 단계(S4)는 수학식 5를 이용하여 감지전극(9)의 주파수 스펙트럼을 구성하는 단계, 상기 주파수 스펙트럼에서 최고 크기의 신호가 나타나는 감지전극(9)의 기계적 공진주파수를 찾는 단계, 및 상기 주파수 스펙트럼에서 수학식 6을 이용하여 감지전극(9)의 성능계수를 구하는 단계로 구성 된다.Finding a mechanical resonance frequency and a Q-factor by obtaining a frequency spectrum based on the signal output from the membrane sensor 1 (S4) is a frequency spectrum of the sensing electrode (9) using Equation 5 Configuring, finding a mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9 in which the signal of the highest magnitude appears in the frequency spectrum, and calculating a performance coefficient of the sensing electrode 9 using Equation 6 in the frequency spectrum. It is composed.
Figure PCTKR2017005101-appb-M000005
Figure PCTKR2017005101-appb-M000005
상기
Figure PCTKR2017005101-appb-I000027
는 주파수 스펙트럼의 시작 주파수이고,
Figure PCTKR2017005101-appb-I000028
는 주파수 스펙트럼의 종료 주파수이며,
Figure PCTKR2017005101-appb-I000029
는 교류 신호의 주파수 변화 폭이고,
Figure PCTKR2017005101-appb-I000030
는 멤브레인 센서(1)로부터 출력되는 신호의 피크 값이다.
remind
Figure PCTKR2017005101-appb-I000027
Is the starting frequency of the frequency spectrum,
Figure PCTKR2017005101-appb-I000028
Is the end frequency of the frequency spectrum,
Figure PCTKR2017005101-appb-I000029
Is the width of the frequency change of the AC signal,
Figure PCTKR2017005101-appb-I000030
Is the peak value of the signal output from the membrane sensor 1.
수학식 5에서
Figure PCTKR2017005101-appb-I000031
항은 주파수를 증가시킨다고 가정했을 때 감지전극(9)의 기계적 공진주파수까지는 증가하지만, 기계적 공진주파수 이후부터는 감지전극(9)의 진동이 줄어들어 감소하기 때문에 기계적 공진주파수에서 출력 신호가 피크가 되는 주파수 스펙트럼을 구할 수 있다.
In equation (5)
Figure PCTKR2017005101-appb-I000031
The term increases to the mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9 when it is assumed that the frequency is increased, but since the vibration of the sensing electrode 9 decreases after the mechanical resonance frequency, the output signal peaks at the mechanical resonance frequency. The spectrum can be obtained.
Figure PCTKR2017005101-appb-M000006
Figure PCTKR2017005101-appb-M000006
상기 수학식 6으로 표시되는 성능계수(Q-factor)는 주파수 스펙트럼에서 다음과 같이 정의된다.
Figure PCTKR2017005101-appb-I000032
는 상기 감지전극(9)의 기계적 공진주파수 이고
Figure PCTKR2017005101-appb-I000033
는 피크 파워를 나타내는 기계적 공진주파수를 중심으로 피크 파워의 1/2되는 주파수 대역을 의미한다.
The Q-factor represented by Equation 6 is defined in the frequency spectrum as follows.
Figure PCTKR2017005101-appb-I000032
Is the mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9
Figure PCTKR2017005101-appb-I000033
Denotes a frequency band 1/2 of the peak power centered on the mechanical resonance frequency representing the peak power.
상기 기계적 공진주파수 또는 성능계수(Q-factor)의 변화와 멤브레인 센서(1)의 구조와 물리적 특성을 고려하여 상기 감지전극(9)에 도포된 감지 물질과 특정 물질과의 반응으로 인한 감지전극(9)의 질량변화 또는 감지전극(9)에 가해진 압력을 결정하는 단계(S5)는 감지전극(9)의 기계적 공진주파수 변화(
Figure PCTKR2017005101-appb-I000034
)와 수식
Figure PCTKR2017005101-appb-I000035
를 이용하여 상기 감지전극(9)에 도포된 감지 물질과 특정 물질과의 반응으로 인한 감지전극(9)의 질량변화(
Figure PCTKR2017005101-appb-I000036
)을 측정한다.
A sensing electrode due to a reaction between a sensing material applied to the sensing electrode 9 and a specific material in consideration of the change in the mechanical resonance frequency or Q-factor and the structure and physical characteristics of the membrane sensor 1) Determining the mass change of the 9 or the pressure applied to the sensing electrode 9 (S5) is a change in the mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9 (
Figure PCTKR2017005101-appb-I000034
) And the formula
Figure PCTKR2017005101-appb-I000035
Mass change of the sensing electrode 9 due to the reaction between the sensing material and the specific material applied to the sensing electrode 9 using
Figure PCTKR2017005101-appb-I000036
Measure
또한, 상기 기계적 공진주파수 또는 성능계수(Q-factor)의 변화와 멤브레인 센서(1)의 구조와 물리적 특성을 고려하여 상기 감지전극(9)에 도포된 감지 물질과 특정 물질과의 반응으로 인한 감지전극(9)의 질량변화 또는 감지전극(9)에 가해진 압력을 결정하는 단계(S5)는 상기 감지전극(9)의 성능계수(Q-factor)의 변화와 수식
Figure PCTKR2017005101-appb-I000037
을 이용하여 상기 감지전극(9)에 도포된 감지 물질과 특정 물질과의 반응으로 인한 감지전극(9)의 질량변화(
Figure PCTKR2017005101-appb-I000038
)을 측정한다.
In addition, in consideration of the change in the mechanical resonance frequency or Q-factor and the structure and physical properties of the membrane sensor 1, the detection due to the reaction between the specific material and the sensing material applied to the sensing electrode 9 Determining the change in the mass of the electrode 9 or the pressure applied to the sensing electrode 9 (S5) is a change in the Q-factor of the sensing electrode 9 and a formula.
Figure PCTKR2017005101-appb-I000037
Mass change of the sensing electrode 9 due to the reaction between the sensing material applied to the sensing electrode 9 and a specific material using
Figure PCTKR2017005101-appb-I000038
Measure
멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)을 질량-스프링 시스템이라고 가정하고 감지전극(9)의 질량변화(
Figure PCTKR2017005101-appb-I000039
)에 따른 기계적 공진주파수의 변화(
Figure PCTKR2017005101-appb-I000040
)의 관계를 수학식-7와 같이 나타낼 수 있다.
Assuming that the sensing electrode 9 of the membrane sensor 1 is a mass-spring system, the mass change of the sensing electrode 9 (
Figure PCTKR2017005101-appb-I000039
Variation of Mechanical Resonance Frequency According to
Figure PCTKR2017005101-appb-I000040
) Can be expressed as shown in Equation-7.
수학식-7을 이용하여 약간의 수식적인 조작을 하면 수학식-8을 얻을 수 있다.By performing some mathematical manipulation using Equation-7, Equation-8 can be obtained.
Figure PCTKR2017005101-appb-M000007
Figure PCTKR2017005101-appb-M000007
상기 수학식 7에서
Figure PCTKR2017005101-appb-I000041
는 전극의 면적이고,
Figure PCTKR2017005101-appb-I000042
은 감지전극(9)의 질량이며,
Figure PCTKR2017005101-appb-I000043
는 감지전극(9)의 기계적 공진주파수이다.
In Equation 7
Figure PCTKR2017005101-appb-I000041
Is the area of the electrode,
Figure PCTKR2017005101-appb-I000042
Is the mass of the sensing electrode 9,
Figure PCTKR2017005101-appb-I000043
Is the mechanical resonant frequency of the sensing electrode 9.
또한,
Figure PCTKR2017005101-appb-I000044
은 멤브레인 센서(1)의 밀도이고,
Figure PCTKR2017005101-appb-I000045
는 멤브레인 센서(1)의 두께이다.
Also,
Figure PCTKR2017005101-appb-I000044
Is the density of the membrane sensor 1,
Figure PCTKR2017005101-appb-I000045
Is the thickness of the membrane sensor 1.
Figure PCTKR2017005101-appb-M000008
Figure PCTKR2017005101-appb-M000008
상기 수학식 8은 감지전극(9)에 도포된 감지 물질이 특정 물질과 반응했을 때 감지전극(9)의 질량 변화(
Figure PCTKR2017005101-appb-I000046
)에 따른 기계적 공진주파수의 변화(
Figure PCTKR2017005101-appb-I000047
)를 나타내는 수식으로, 기계적 공진주파수(
Figure PCTKR2017005101-appb-I000048
)는 상기 방법에서 알 수 있으므로 기계적 공진주파수의 변화(
Figure PCTKR2017005101-appb-I000049
)만 알면 감지전극(9)에 도포된 감지 물질과 특정물질의 반응에 따른 감지전극(9)의 질량변화(
Figure PCTKR2017005101-appb-I000050
)을 구할 수 있다.
Equation (8) shows a change in mass of the sensing electrode 9 when the sensing material applied to the sensing electrode 9 reacts with a specific material.
Figure PCTKR2017005101-appb-I000046
Variation of Mechanical Resonance Frequency According to
Figure PCTKR2017005101-appb-I000047
Where the mechanical resonant frequency (
Figure PCTKR2017005101-appb-I000048
) Is known in the above method, so the change in mechanical resonance frequency (
Figure PCTKR2017005101-appb-I000049
), The mass change of the sensing electrode 9 according to the reaction of the sensing material and the specific material applied to the sensing electrode 9
Figure PCTKR2017005101-appb-I000050
) Can be obtained.
상기 수학식 3에서 상기 '
Figure PCTKR2017005101-appb-I000051
'는 감지전극의 모양에 따른 계수, '
Figure PCTKR2017005101-appb-I000052
'는 감지전극(9)에 부착된 물질의 두께이고, 'd'는 감지전극(9)이 구형인 경우는 반경이고 정사각형인 경우 한쪽 면의 길이 이며, '
Figure PCTKR2017005101-appb-I000053
'는 감지전극(9)에 부착된 물질의 밀도(Density)를 의미한다.
In Equation 3,
Figure PCTKR2017005101-appb-I000051
Is the coefficient according to the shape of the sensing electrode,
Figure PCTKR2017005101-appb-I000052
'Is the thickness of the material attached to the sensing electrode 9,' d 'is the radius when the sensing electrode (9) is spherical, the length of one side when the square,'
Figure PCTKR2017005101-appb-I000053
'Means density of the material attached to the sensing electrode 9.
또한, 상기 '
Figure PCTKR2017005101-appb-I000054
'는 감지전극(9)의 영의 계수(Young's modulus)이고,
Figure PCTKR2017005101-appb-I000055
는 전극의 포아손 비율(Poisson's ratio)이며,
Figure PCTKR2017005101-appb-I000056
는 감지 전극(9)의 기계적 공진 주파수이다.
Also, the above '
Figure PCTKR2017005101-appb-I000054
Is the Young's modulus of the sensing electrode 9,
Figure PCTKR2017005101-appb-I000055
Is the Poisson's ratio of the electrode,
Figure PCTKR2017005101-appb-I000056
Is the mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9.
상기 영의 계수(Young's modulus)는 물체에서 일어나는 변형과 감지전극(9)에 가해진 압력 사이의 관계를 나타내는 탄성 계수이므로 컨덴서형 멤브레인 센서에 장착된 감지전극(9)의 기계적 공진주파수를 이용하면 감지전극(9)에 가해지는 압력을 측정할 수 있다.The Young's modulus is an elastic modulus representing the relationship between the deformation occurring in the object and the pressure applied to the sensing electrode 9, so it is detected by using the mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9 mounted on the condenser type membrane sensor. The pressure applied to the electrode 9 can be measured.
멤브레인 구조의 성능계수(Q-factor)는 수학식 4와 같이 표시된다. 수학식 4에서 멤브레인의 밀도(
Figure PCTKR2017005101-appb-I000057
)는
Figure PCTKR2017005101-appb-I000058
와 같이 나타낸다. 여기서 m은 감지전극의 질량, t는 감지전극의 두께, A는 감지전극의 면적을 의미한다. 밀도(
Figure PCTKR2017005101-appb-I000059
)를 나타내는 식
Figure PCTKR2017005101-appb-I000060
와 기계적공진주파수를 나타내는 수학식 3을 수학식 4에 대입하여 성능계수(Q)를 질량으로 미분하여 정리하면 수학식 9를 얻는다.
The Q-factor of the membrane structure is expressed as in Equation 4. The density of the membrane in (4)
Figure PCTKR2017005101-appb-I000057
)
Figure PCTKR2017005101-appb-I000058
It is represented as Where m is the mass of the sensing electrode, t is the thickness of the sensing electrode, and A is the area of the sensing electrode. density(
Figure PCTKR2017005101-appb-I000059
)
Figure PCTKR2017005101-appb-I000060
And substituting Equation 3, which represents the mechanical resonance frequency, into Equation 4, differentiate the performance coefficient Q by mass, and then obtain Equation 9.
Figure PCTKR2017005101-appb-M000009
Figure PCTKR2017005101-appb-M000009
상기 수학식 9에서
Figure PCTKR2017005101-appb-I000061
는 성능계수(Q-factor)의 변화,
Figure PCTKR2017005101-appb-I000062
은 감지전극의 질량변화,
Figure PCTKR2017005101-appb-I000063
은 감지전극의 질량이다.
In Equation 9
Figure PCTKR2017005101-appb-I000061
Is the change in Q-factor,
Figure PCTKR2017005101-appb-I000062
Is the change in mass of the sensing electrode,
Figure PCTKR2017005101-appb-I000063
Is the mass of the sensing electrode.
상기 수학식 4에서 f0는 수학식 3에서 표시된 감지전극(9)의 기계적 공진주파수로 수학식 3으로 표시되며, m은 감지전극의 질량,
Figure PCTKR2017005101-appb-I000064
는 감지전극(9)의 감쇄계수(coefficient of damping factor)이다.
In Equation 4, f 0 is a mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9 represented by Equation 3, which is represented by Equation 3, where m is the mass of the sensing electrode,
Figure PCTKR2017005101-appb-I000064
Is the coefficient of damping factor of the sensing electrode 9.
멤브레인 전극의 성능계수(Q-factor)를 나타내는 수학식 4에 포함된 감지전극(9)의 기계적 공진주파수는 영의 계수(Young's modulus)를 포함하고 있는데, 영의 계수(Young's modulus)는 물체에서 일어나는 변형과 감지전극(9)에 가해진 압력 사이의 관계를 나타내는 탄성 계수이므로 컨덴서형 멤브레인 센서에 장착된 감지전극(9)의 품질 계수(Q-factor)를 이용하면 감지전극(9)에 가해지는 압력을 측정할 수 있다.The mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9 included in Equation 4, which represents the Q-factor of the membrane electrode, includes Young's modulus. Since it is an elastic modulus representing the relationship between the deformation occurring and the pressure applied to the sensing electrode 9, the Q-factor of the sensing electrode 9 mounted on the condenser-type membrane sensor is applied to the sensing electrode 9. The pressure can be measured.
상기 수학식 3에서 상기 'kg'는 감지전극의 모양에 따른 계수, 't'는 감지전극(9)에 부착된 물질의 두께이고, 'd'는 감지전극(9)이 구형인 경우는 반경이고 정사각형인 경우 한쪽 면의 길이 이며, '
Figure PCTKR2017005101-appb-I000065
'는 감지전극(9)에 부착된 물질의 밀도(Density)를 의미한다.
In Equation 3, 'k g ' is a coefficient according to the shape of the sensing electrode, 't' is the thickness of the material attached to the sensing electrode 9, 'd' is a case where the sensing electrode 9 is spherical Radius and square, the length of one side,
Figure PCTKR2017005101-appb-I000065
'Means density of the material attached to the sensing electrode 9.
또한, '
Figure PCTKR2017005101-appb-I000066
'은 감지전극(9)의 영의 계수(Young's modulus)이고, 'E'는 전극의 포아손 비율(Poisson's ratio)을 나타낸다.
Also, '
Figure PCTKR2017005101-appb-I000066
'Is the Young's modulus of the sensing electrode 9, and' E 'is the Poisson's ratio of the electrode.
상기 컨덴서형 멤브레인 센서(1)에 S1 단계에서 얻은 크기의 교류신호를 인가한 다음 주파수를 변화시키면서 감지전극(9)이나 고정전극(3)의 전압을 측정하면 도면 10과 같은 주파수 특성을 보인다.When the AC signal of the magnitude obtained in step S1 is applied to the condenser-type membrane sensor 1 and the voltage of the sensing electrode 9 or the fixed electrode 3 is measured while changing the frequency, the frequency characteristics as shown in FIG. 10 are shown.
도면 10에 도시한 바와 같이, 컨덴서형 멤브레인 센서(1)의 기계적 공진이 일어나지 않는 주파수 영역에서는 신호 크기가 변동이 없는 반면, 감지전극(9)의 기계적 공진이 일어나는 주파수 영역에서는 감지전극(9)의 변위가 커짐에 따라 감지전극(9)의 컨덴서 용량 변화가 커져 멤브레인 센서(1)로부터 출력되는 전압의 변동이 커진다.As shown in FIG. 10, the signal amplitude does not change in the frequency region where the mechanical resonance of the condenser type membrane sensor 1 does not occur, whereas the sensing electrode 9 does not change in the frequency region where the mechanical resonance of the sensing electrode 9 occurs. The larger the displacement of, the larger the change in the capacitance of the capacitor of the sensing electrode 9 and the greater the variation of the voltage output from the membrane sensor 1.
이러한 특성을 이용하여 기계적 공진이 일어나지 않는 주파수 영역, 즉 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)으로부터 출력되는 신호 변동이 작은 영역에서는 신호공급수단(23)으로부터 출력되는 교류신호의 주파수를 크게 변화시켜 컨덴서형 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)으로부터 출력되는 신호를 A/D 변환한다.By using this characteristic, the frequency of the AC signal output from the signal supply means 23 is greatly changed in the frequency region where mechanical resonance does not occur, that is, in the region where the signal variation output from the sensing electrode 9 of the membrane sensor 1 is small. A / D conversion of the signal output from the sensing electrode 9 of the condenser type membrane sensor 1 is performed.
반면, 기계적 공진이 일어나는 주파수 영역, 즉 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)으로부터 출력되는 신호 변동이 큰 영역에서는 신호공급수단(23)으로부터 출력되는 교류신호의 주파수를 세밀하게 변화시켜 컨덴서형 멤브레인 센서(1)로부터 출력되는 신호를 A/D 변환한다.On the other hand, in the frequency region where mechanical resonance occurs, that is, in the region where the signal fluctuation output from the sensing electrode 9 of the membrane sensor 1 is large, the frequency of the AC signal output from the signal supply means 23 is changed finely to condenser type. The signal output from the membrane sensor 1 is A / D converted.
또한, 컨덴서형 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)으로부터 출력되는 신호가 작은 영역 즉 기계적 공진을 벗어나는 주파수 영역에서는 신호공급수단(23)으로부터 출력되는 교류신호의 주파수 변화를 크게 하여 A/D 변환한다.In addition, in the region where the signal output from the sensing electrode 9 of the condenser-type membrane sensor 1 is small, that is, in the frequency region deviating from mechanical resonance, the frequency change of the AC signal output from the signal supply means 23 is increased to increase the A / D. Convert.
상기 감지전극(9)의 기계적 공진주파수를 갖는 교류신호 및 직류 신호는 도면 11에 도시한 바와 같이, 감지전극(9)과 감지전극의 기생성분(
Figure PCTKR2017005101-appb-I000067
Figure PCTKR2017005101-appb-I000068
)의 접점 노드에 공급되고 상기 컨덴서형 멤브레인 센서(1)의 출력 신호는 고정전극(3)과 감지전극의 접점 노드로부터 출력될 수 있다.
As shown in FIG. 11, the AC signal and the DC signal having the mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9 are parasitic components of the sensing electrode 9 and the sensing electrode.
Figure PCTKR2017005101-appb-I000067
And
Figure PCTKR2017005101-appb-I000068
And the output signal of the condenser type membrane sensor 1 may be output from the fixed node 3 and the contact node of the sensing electrode.
또한, 상기 컨덴서형 멤브레인 센서(1)의 입력 신호는 도면 12에 도시한 바와 같이, 고정전극(3)과 감지전극(9)의 접점 노드에 공급되고 상기 컨덴서형 멤브레인 센서(1)의 출력 신호는 감지전극(9)과 감지전극(9)의 기생성분(
Figure PCTKR2017005101-appb-I000069
Figure PCTKR2017005101-appb-I000070
)의 접점 노드로 출력될 수 있다.
In addition, the input signal of the condenser type membrane sensor 1 is supplied to the contact node of the fixed electrode 3 and the sensing electrode 9 as shown in FIG. 12, and the output signal of the condenser type membrane sensor 1 is provided. Is a parasitic component of the sensing electrode 9 and the sensing electrode 9
Figure PCTKR2017005101-appb-I000069
And
Figure PCTKR2017005101-appb-I000070
) Can be output to a contact node.
또, 도면 13에 도시한 바와 같이, 멤브레인 센서(1) 2개를 붙이되, 어느 1개의 멤브레인 센서(1)의 고정전극(3)을 다른 1개의 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)에 붙이고 어느 1개의 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)을 다른 1개의 멤브레인 센서(1)의 고정전극(3)에 붙인 다음, 서로 맞붙은 어느 한 쌍의 감지전극(9)과 고정전극(3)에 교류신호를 입력하고, 서로 맞붙은 다른 한 쌍의 감지전극(9)과 고정전극(3)으로부터 출력 신호를 측정할 수도 있다.As shown in FIG. 13, two membrane sensors 1 are attached, and the fixed electrode 3 of one membrane sensor 1 is replaced by the sensing electrode 9 of the other membrane sensor 1. And attach the sensing electrode 9 of one membrane sensor 1 to the fixed electrode 3 of the other membrane sensor 1, and then attach a pair of sensing electrodes 9 and the fixed electrode which are stuck together. An alternating current signal may be input to (3), and the output signal may be measured from another pair of sensing electrodes 9 and fixed electrodes 3.
본 발명에 따른 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 장치 및 방법은 첫 번째로, 감지전극(9)의 기계적 공진주파수를 가지면서 충분히 큰 교류신호를 감지전극(9)에 인가함으로써 감지전극(9)의 변위가 커짐에 따라 용량 변화가 커져 감지전극(9)으로부터 출력되는 신호도 커지게 되어 정적(static)인 방법보다 감지전극(9)의 질량변화나 감지전극(9)에 가해진 압력을 보다 정밀하게 측정할 수 있다.The measuring apparatus and method for condenser type membrane sensor using the mechanical resonance characteristic of the membrane according to the present invention firstly, by applying a sufficiently large AC signal to the sensing electrode 9 having a mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9 As the displacement of the sensing electrode 9 increases, the change in capacitance increases, so that the signal output from the sensing electrode 9 also increases, so that the mass change of the sensing electrode 9 or the sensing electrode 9 does not affect the static method. The pressure applied can be measured more precisely.
두 번째로, 감지전극(9)의 기계적 공진주파수를 가지면서 충분히 큰 교류신호를 감지전극(9)에 인가함으로써 멤브레인 센서(1)의 기생 컨덴서는 움직이지 않고 감지전극(9)만 크게 움직이게 되어 멤브레인 센서(1)의 기생 컨덴서 효과를 획기적으로 줄일 수 있어 감지전극(9)의 질량 변화나 감지전극(9)에 가해진 압력을 보다 정밀하게 측정할 수 있다.Second, by applying a sufficiently large alternating current signal to the sensing electrode 9 while having a mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9, only the sensing electrode 9 is moved largely without moving the parasitic capacitor of the membrane sensor 1. The parasitic condenser effect of the membrane sensor 1 can be greatly reduced, so that the mass change of the sensing electrode 9 or the pressure applied to the sensing electrode 9 can be measured more precisely.
세 번째로, 하나의 측정 장치에서 멤브레인 센서(1)에 교류신호 주파수를 변화시켜 입력함과 동시에 그 주파수에 대한 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)으로부터 출력되는 신호 세기를 분석할 수 있기 때문에 고가의 스펙트럼 장치 없이 감지전극(9)의 주파수 특성을 분석할 수 있다.Third, the signal intensity output from the sensing electrode 9 of the membrane sensor 1 can be analyzed at the same time as the AC signal frequency is inputted to the membrane sensor 1 in one measuring device. Therefore, the frequency characteristics of the sensing electrode 9 can be analyzed without an expensive spectral device.
네 번째로, 멤브레인 센서의 감지전극(9)의 주파수 스펙트럼으로부터 감지전극(9)의 기계적 공진주파수와 성능계수(Q-factor)를 구할 수 있으므로 기계적 공진주파수 또는 성능계수(Q-factor)로부터 감지전극의 질량변화와 감지전극에 가해진 압력을 정밀하게 측정할 수 있다.Fourth, since the mechanical resonance frequency and the Q-factor of the sensing electrode 9 can be obtained from the frequency spectrum of the sensing electrode 9 of the membrane sensor, it is detected from the mechanical resonance frequency or the Q-factor. The mass change of the electrode and the pressure applied to the sensing electrode can be precisely measured.
다섯 번째로, 상기 멤브레인 센서(1)에 감지전극(9)의 기계적 공진주파수와 일치하는 교류신호를 인가하였을 때 멤브레인 센서(1)에 내장된 감지전극(9)의 기계적 진동이 커지는 현상을 이용하여 감지전극(9)이 특정물질과 반응하면서 발생되는 버블(bubble)이나 반을 방해하는 물질을 제거함으로써 감지전극(9)과 특정물질의 반응을 활성화하여 멤브레인 센서(1)의 감도를 높일 수 있다.Fifth, when an AC signal matching the mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9 is applied to the membrane sensor 1, the mechanical vibration of the sensing electrode 9 embedded in the membrane sensor 1 increases. By removing the material that interferes with the bubble or half generated by the sensing electrode 9 reacting with the specific material, the sensitivity of the membrane sensor 1 can be increased by activating the reaction between the sensing electrode 9 and the specific material. have.
여섯 번째로, 본 발명에 따르면 감지전극(9)에 특정질병을 감지하는 물질(marker)를 도포해둔 상태에서 환자의 검체를 반응시킨 후, 감지전극(9)의 질량변화를 측정하여 질병 감염 여부를 판단 할 수 있으므로, 기존 바이오칩 질병진단 과정에 필수적인 스캔 단계를 생략할 수 있다.Sixthly, according to the present invention, after reacting a sample of a patient in a state in which a marker for detecting a specific disease is applied to the sensing electrode 9, the mass change of the sensing electrode 9 is measured to determine whether the disease is infected. As a result, the scan step necessary for the existing biochip disease diagnosis process can be omitted.
일곱 번째로, 2개의 멤브레인 센서(1)를 서로 반대로 연결하였다. 상기 방법으로 측정하면 센서로부터 나오는 전압이 커져서 감지전극(9)에서의 질량 변화나 감지전극(9)에 가해지는 압력을 정밀하게 측정할 수 있다.Seventhly, two membrane sensors 1 were connected to each other oppositely. When the measurement is made in the above manner, the voltage from the sensor increases, so that the mass change in the sensing electrode 9 and the pressure applied to the sensing electrode 9 can be accurately measured.

Claims (18)

  1. 컨덴서형 멤브레인 센서(1)에 주파수와 크기를 각각 변화시키면서 교류신호와 직류신호를 입력하고, 상기 교류신호와 직류신호에 대응하여 상기 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)의 주파수 스펙트럼으로부터 상기 감지전극의 기계적 공진주파수를 구해서, 상기 입력한 신호의 소정 크기에서 상기 감지전극(9)의 질량 변화 또는 감지전극(9)에 가해진 압력 변화에 따른 상기 감지전극(9)의 기계적 공진주파수의 차이 또는 성능계수(Q-factor)의 차이로부터 상기 감지전극(9)의 질량 변화 또는 압력을 측정하고,An AC signal and a DC signal are input to the condenser type membrane sensor 1 while varying the frequency and the magnitude, respectively, and in response to the AC signal and the DC signal, the frequency spectrum of the sensing electrode 9 of the membrane sensor 1 The mechanical resonance frequency of the sensing electrode is obtained, and the difference in the mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9 according to the change in the mass of the sensing electrode 9 or the pressure applied to the sensing electrode 9 at a predetermined magnitude of the input signal. Alternatively, the mass change or the pressure of the sensing electrode 9 is measured from the difference in the Q-factor,
    상기 교류신호의 크기는 상기 멤브레인 센서(1)의 구조 및 물리적 특성에 의하여 생성되는 기생 용량에 비해 상기 감지전극(9)의 진동에 따른 용량 변화를 감지할 수 있는 크기로서 상기 멤브레인 센서로부터 출력되는 신호를 가장 크게 출력시키는 것이며,The magnitude of the AC signal is a magnitude capable of detecting a change in capacitance due to vibration of the sensing electrode 9 as compared with the parasitic capacitance generated by the structure and physical characteristics of the membrane sensor 1 and is output from the membrane sensor. To output the largest signal,
    상기 주파수 스펙트럼은 상기 컨덴서형 멤버레인 센서에 크기와 주파수를 각각 변화시킨 교류신호와 직류전압을 입력하였을 때 신호의 특정 크기에서 주파수를 변화시켜 가면서 상기 감지전극(9)으로부터 나오는 신호를 여러 번 측정하여 얻은 신호의 평균값으로부터 산출되는 것을 특징으로 하는 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 장치.The frequency spectrum measures the signal from the sensing electrode 9 several times while changing the frequency at a specific magnitude of the signal when the AC signal and the DC voltage of which the magnitude and the frequency are respectively changed are input to the condenser type member sensor. Measuring device for condenser type membrane sensor using the mechanical resonance characteristics of the membrane, characterized in that it is calculated from the average value of the signal obtained by.
  2. 제1 항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 감지전극(9)의 기계적 공진주파수는 상기 감지전극(9)을 공진시키는 다수의 주파수 중에서 상기 교류신호의 각 크기에서 공통적으로 나타나는 주파수를 선택하는 것을 특징으로 하는 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 장치.The mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9 selects a frequency that is common to each magnitude of the AC signal among a plurality of frequencies for resonating the sensing electrode 9. Measuring device for type membrane sensor.
  3. 제1 항에 있어서, The method of claim 1,
    상기 감지전극(9)의 성능계수(Q-factor)는
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000071
    인 것을 특징으로 하는 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 장치.
    The Q-factor of the sensing electrode 9 is
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000071
    Measuring device for condenser type membrane sensor using the mechanical resonance characteristics of the membrane.
    여기서,here,
    f0는 감지전극(9)의 기계적 공진주파수,f 0 is the mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9,
    m은 감지전극(9)의 질량,m is the mass of the sensing electrode 9,
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000072
    는 감지전극(9)의 감쇄계수(coefficient of damping factor)
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000072
    Is the coefficient of damping factor of the sensing electrode 9
  4. 정지된 고정전극(3)에 대하여 상대적으로 움직이는 감지전극(9)의 위치에 따라 컨덴서 용량이 변화하는 컨덴서형 멤브레인 센서(1)에 주파수와 크기가 다른 교류신호와 직류 성분이 포함된 신호를 공급하는 신호공급수단(23)과; Supplying a signal including an AC signal and a DC component having a different frequency and magnitude to the condenser type membrane sensor 1 whose capacitor capacity varies depending on the position of the sensing electrode 9 that moves relative to the stationary fixed electrode 3. A signal supply means 23 for performing;
    상기 감지전극(9)에 도포된 감지물질과 반응하는 특정 물질에 의해 상기 감지전극(9)의 질량이 변화하여 컨덴서 용량이 변하거나, 상기 감지전극(9)에 가해지는 압력에 의하여 컨덴서 용량이 변화되는 컨덴서형 멤브레인 센서(1);The capacitance of the sensing electrode 9 is changed by a specific material reacting with the sensing material applied to the sensing electrode 9 so that the capacitor capacity is changed, or the capacitor capacity is increased by the pressure applied to the sensing electrode 9. A condenser type membrane sensor 1 to be changed;
    상기 멤브레인 센서(1)로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지털 값으로 변환하고 데이터 처리량을 높이는 신호 측정부(25);A signal measuring unit 25 for converting an analog signal output from the membrane sensor 1 into a digital value and increasing data throughput;
    상기 신호공급수단(23)을 제어하여 상기 신호공급수단(23)으로부터 출력되는 상기 교류신호의 주파수와 크기를 조정하고, 상기 직류 성분이 포함되는 경우 교류신호와 혼합될 상기 직류 성분의 전압 레벨을 조정하며, 상기 신호 측정부(25)로부터 출력된 디지털 값을 이용하여 주파수별 출력 세기를 나타내는 주파수 스펙트럼을 구성하고, 상기 주파수 스펙트럼으로부터 구해진 공진주파수 차이 또는 성능계수(Q-factor) 차이로부터 상기 감지전극(9)에 도포된 감지 물질과 특정 물질과의 반응으로 인한 감지전극(9)의 질량변화 또는 감지전극(9)에 가해진 압력을 측정하는 제어 및 신호처리 수단(27)으로 이루어지고,The signal supply means 23 is controlled to adjust the frequency and magnitude of the AC signal output from the signal supply means 23, and when the DC component is included, adjust the voltage level of the DC component to be mixed with the AC signal. Adjust the frequency spectrum using the digital value output from the signal measuring unit 25, and generate a frequency spectrum representing the output intensity for each frequency, and detect the difference from a resonance frequency difference or a Q-factor difference obtained from the frequency spectrum. Control and signal processing means 27 for measuring the mass change of the sensing electrode 9 or the pressure applied to the sensing electrode 9 due to the reaction between the sensing material applied to the electrode 9 and a specific material;
    상기 주파수 스펙트럼은 상기 컨덴서형 멤버레인 센서에 크기와 주파수를 각각 변화시킨 교류신호와 직류전압을 입력하였을 때 신호의 특정 크기에서 주파수를 변화시켜 가면서 상기 감지전극(9)으로부터 나오는 신호를 여러 번 측정하여 얻은 신호의 평균값으로부터 산출되는 것을 특징으로 하는 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 장치.The frequency spectrum measures the signal from the sensing electrode 9 several times while changing the frequency at a specific magnitude of the signal when the AC signal and the DC voltage of which the magnitude and the frequency are respectively changed are input to the condenser type member sensor. Measuring device for condenser type membrane sensor using the mechanical resonance characteristics of the membrane, characterized in that it is calculated from the average value of the signal obtained by.
  5. 제4 항에 있어서, The method of claim 4, wherein
    상기 신호공급수단(23)은 상기 제어 및 신호 처리 수단(27)의 제어 신호에 따라 교류 전압 주파수를 가변시켜 출력하는 교류 전압 발생기(29)(PLL: Phase Locked Loop)와, The signal supply means 23 includes an AC voltage generator 29 (PLL: Phase Locked Loop) for varying and outputting an AC voltage frequency according to the control signal of the control and signal processing means 27,
    직류 전압을 발생하는 레귤레이터(31)(Regulator), Regulator (31) for generating a DC voltage,
    상기 교류 전압 발생기(29)의 교류 전압과 레귤레이터(31)의 직류 전압을 혼합하여 컨덴서형 멤브레인 센서(1)에 공급하는 믹서부(33),Mixer unit 33 for mixing the AC voltage of the AC voltage generator 29 and the DC voltage of the regulator 31 to supply to the capacitor membrane sensor (1),
    상기 믹서부(33)에 의해 혼합된 교류 전압과 직류 전압을 증폭된 전류로 변환하는 트랜스컨덕턴스 증폭기(35), A transconductance amplifier 35 for converting the AC voltage and DC voltage mixed by the mixer 33 into an amplified current,
    상기 믹서부(33)로부터 출력된 전압이나 트랜스컨덕턴스 증폭기(35)로부터 출력된 전류 중 어느 하나를 선택하여 컨덴서형 멤브레인 센서(1)에 교류신호로서 공급하는 전압 전류 선택 스위치(37),A voltage current selection switch 37 which selects either the voltage output from the mixer 33 or the current output from the transconductance amplifier 35 and supplies it as an AC signal to the condenser-type membrane sensor 1;
    상기 교류 전압 발생기(29)로부터 출력되는 교류 전압을 증폭시켜 믹서부(33)로 전달하는 증폭부(41)로 이루어진 것을 특징으로 하는 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 장치.Measuring device for the condenser-type membrane sensor using the mechanical resonance characteristics of the membrane, characterized in that consisting of amplification unit 41 for amplifying the alternating voltage output from the alternating voltage generator 29 to the mixer 33.
  6. 제4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein
    상기 신호 측정부(25)는 컨덴서형 멤브레인 센서(1)로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 디지털 데이터를 병렬로 출력하는 A/D 변환기(43)와,The signal measuring unit 25 is an A / D converter 43 for converting an analog signal output from the condenser membrane sensor 1 into a digital signal and outputting digital data in parallel;
    상기 A/D 변환기(43)에 의해 변환된 디지털 값을 저장 및 정리하여 데이터 처리량을 높이는 데이터 매니퓰레이터 및 버퍼(45)를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 장치.Measurement for condenser type membrane sensor using the mechanical resonance characteristics of the membrane, characterized in that it comprises a data manipulator and a buffer 45 for storing and arranging the digital value converted by the A / D converter 43 to increase the data throughput Device.
  7. 제4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein
    상기 제어 및 신호 처리 수단(27)은 신호공급수단(23)을 제어하여 신호 공급 수단(23)으로부터 출력되는 교류 신호의 주파수와 크기를 조정하고 교류 신호에 혼합되는 직류 신호 레벨을 조정하며, 신호 측정부(25)를 제어하여 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시 변환 정밀도 및 데이터 처리 속도를 제어하고, 통신 인터페이스(51)를 통해 신호 측정부(25)로부터 나오는 디지털 데이터를 이용하여 감지전극(9)의 주파수 스펙트럼을 구성하고 상기 컨덴서형 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)에 도포된 감지 물질이 특정 물질과 반응하였을 때 감지전극(9)의 공진 주파수 또는 성능계수(Q-factor)와 감지전극(9)에 도포된 감지 물질이 특정 물질과 반응하지 않았을 때 감지전극(9)의 공진 주파수 또는 성능계수(Q-factor) 변화 값을 이용하여 감지전극(9)의 질량변화나 감지전극(9)에 가해진 압력을 계산하는 프로세서(47);The control and signal processing means 27 controls the signal supply means 23 to adjust the frequency and magnitude of the AC signal output from the signal supply means 23 and to adjust the DC signal level mixed with the AC signal, and the signal Control the measuring unit 25 to control the conversion accuracy and data processing speed when converting an analog signal into a digital signal, the sensing electrode 9 by using the digital data from the signal measuring unit 25 through the communication interface 51 When the sensing material applied to the sensing electrode 9 of the condenser type membrane sensor 1 reacts with a specific material, the resonance frequency or Q-factor of the sensing electrode 9 and the sensing When the sensing material applied to the electrode 9 does not react with a specific material, the mass change or reduction of the sensing electrode 9 is performed by using the resonance frequency or the Q-factor change value of the sensing electrode 9. Processor 47 to calculate the pressure applied to the electrode 9;
    계산된 질량변화나 압력을 표시하는 표시부(53); A display unit 53 for displaying the calculated mass change or pressure;
    및 상기 표시부(53)나 PC(49)로 데이터를 보내기 위한 통신 인터페이스(51)를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 장치.And a communication interface (51) for sending data to the display unit (53) or the PC (49).
  8. 제4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein
    주파수와 크기가 다른 교류신호와 직류 성분이 포함된 신호는 감지전극(9)과 감지전극(9)의 기생성분(Rps 및 Cps)의 접점 노드에 공급되고, 상기 컨덴서형 멤브레인 센서(1)의 출력 신호는 고정전극(3)과 감지전극(9)의 접점 노드로부터 출력되거나,A signal including an AC signal and a DC component having a different frequency and magnitude is supplied to the contact node between the sensing electrode 9 and the parasitic components R ps and C ps of the sensing electrode 9, and the condenser type membrane sensor 1 Output signal is output from the contact node of the fixed electrode (3) and the sensing electrode (9),
    고정전극(3)과 감지전극(9)의 접점 노드에 공급되고 상기 컨덴서형 멤브레인 센서(1)의 출력 신호는 감지전극(9)과 감지전극(9)의 기생성분(Rps 및 Cps)의 접점 노드로 출력되는 것을 특징으로 하는 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 장치.It is supplied to the contact node of the fixed electrode 3 and the sensing electrode 9 and the output signal of the condenser type membrane sensor 1 is parasitic components R ps and C ps of the sensing electrode 9 and the sensing electrode 9. Measuring device for condenser type membrane sensor using the mechanical resonance characteristics of the membrane, characterized in that output to the contact node.
  9. 제4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein
    상기 컨덴서형 멤브레인 센서(1)는 2개의 컨덴서형 멤브레인 센서(1) 중 어느 1개의 멤브레인 센서(1)의 고정전극(3)을 다른 1개의 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)에 붙이고 상기 어느 1개의 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)을 상기 다른 1개의 멤브레인 센서(1)의 고정전극(3)에 붙여서 구성되고,The condenser type membrane sensor 1 attaches the fixed electrode 3 of one of the two condenser type membrane sensors 1 to the sensing electrode 9 of the other membrane sensor 1. The sensing electrode 9 of the one membrane sensor 1 is attached to the fixed electrode 3 of the other membrane sensor 1,
    서로 맞붙은 어느 한 쌍의 감지전극(9)과 고정전극(3)에 상기 교류신호를 입력하고 서로 맞붙은 다른 한 쌍의 감지전극(9)과 고정전극(3)으로부터 출력 신호를 측정하는 것을 특징으로 하는 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 장치.Inputting the alternating current signal to any pair of sensing electrodes 9 and fixed electrodes 3 adjoining each other and measuring the output signal from the other pair of sensing electrodes 9 and fixed electrodes 3 adjoining each other Measuring device for condenser type membrane sensor using the mechanical resonance characteristics of the membrane.
  10. 컨덴서형 멤브레인 센서(1)에 주파수와 크기가 다른 교류신호와 직류 성분이 포함된 신호를 입력하고, 상기 교류신호와 직류 성분이 포함된 신호에 대응하여 상기 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)의 주파수 스펙트럼으로부터 상기 감지전극(9)의 기계적 공진주파수를 구해서, 상기 교류신호와 직류 성분이 포함된 신호의 소정 크기에서 상기 감지전극(9)의 질량 변화 또는 감지전극(9)에 가해진 압력 변화에 따른 상기 기계적 공진주파수의 차이 또는 성능계수(Q-factor)의 차이로부터 상기 감지전극(9)의 질량 변화 또는 압력을 측정하고,A signal including an AC signal and a DC component having a different frequency and magnitude is input to the capacitor-type membrane sensor 1, and the sensing electrode 9 of the membrane sensor 1 is corresponding to the signal including the AC signal and the DC component. The mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9 is obtained from the frequency spectrum of Δ, and the mass change of the sensing electrode 9 or the pressure applied to the sensing electrode 9 at a predetermined magnitude of the signal including the AC signal and the DC component. The mass change or pressure of the sensing electrode 9 is measured from the difference of the mechanical resonance frequency or the difference of the Q-factor according to the change,
    상기 교류신호의 상기 소정 크기는 상기 멤브레인 센서(1)의 구조 및 물리적 특성에 의하여 생성되는 기생 용량에 비해 상기 감지전극(9)의 진동에 따른 용량 변화를 감지할 수 있는 크기로서 상기 멤브레인 센서로부터 출력되는 신호를 가장 크게 출력시키는 것으로,The predetermined magnitude of the AC signal is a magnitude capable of detecting a change in capacitance due to vibration of the sensing electrode 9 compared to a parasitic capacitance generated by the structure and physical characteristics of the membrane sensor 1. By outputting the largest output signal,
    상기 주파수 스펙트럼은 상기 컨덴서형 멤버레인 센서에 크기와 주파수를 각각 변화시킨 교류신호와 직류전압을 입력하였을 때 신호의 특정 크기에서 주파수를 변화시켜 가면서 상기 감지전극(9)으로부터 나오는 신호를 여러 번 측정하여 얻은 신호의 평균값으로부터 산출되는 것을 특징으로 하는 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 방법.The frequency spectrum measures the signal from the sensing electrode 9 several times while changing the frequency at a specific magnitude of the signal when the AC signal and the DC voltage of which the magnitude and the frequency are respectively changed are input to the condenser type member sensor. Measuring method for condenser type membrane sensor using the mechanical resonance characteristics of the membrane, characterized in that it is calculated from the average value of the signal obtained by.
  11. 제10 항에 있어서, The method of claim 10,
    상기 감지전극(9)의 상기 기계적 공진주파수는 상기 감지전극(9)을 공진시키는 다수의 주파수 중에서 상기 교류신호의 각 크기에서 공통적으로 나타나는 것으로 하는 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 방법.The mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9 is measured for the condenser-type membrane sensor using the mechanical resonance characteristic of the membrane, which is common to each magnitude of the AC signal among a plurality of frequencies for resonating the sensing electrode 9. Way.
  12. 제10 항에 있어서, The method of claim 10,
    상기 감지전극(9)의 성능계수(Q-factor)는
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000073
    인 것을 특징으로 하는 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 방법.
    The Q-factor of the sensing electrode 9 is
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000073
    Measuring method for condenser type membrane sensor using the mechanical resonance characteristics of the membrane.
    여기서, here,
    f0는 감지전극(9)의 기계적 공진주파수,f 0 is the mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9,
    m은 감지전극(9)의 질량,m is the mass of the sensing electrode 9,
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000074
    는 감지전극(9)의 감쇄계수(coefficient of damping factor)
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000074
    Is the coefficient of damping factor of the sensing electrode 9
  13. 제10 항 내지 제12 항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 10 to 12,
    상기 측정 방법은 상기 감지전극(9)에 도포된 감지 물질과 특정 물질과의 반응으로 인한 감지전극(9)의 질량변화 또는 감지전극(9)에 가해진 압력을 측정하기 위하여 여러 교류신호 크기에서 공통적으로 나타나는 상기 감지전극(9)의 기계적 공진 주파수와 상기 기계적 공진주파수를 가진 교류신호를 상기 멤브레인 센서(1)에 인가했을 때 감지전극(9)으로부터 상기 기계적 공진주파수의 신호를 가장 크게 출력되게 하는 교류신호의 크기를 찾는 단계(S1)와,The measuring method is common in various AC signal sizes in order to measure the change in mass of the sensing electrode 9 or the pressure applied to the sensing electrode 9 due to the reaction between the sensing material applied to the sensing electrode 9 and a specific material. When the AC signal having the mechanical resonance frequency and the mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9 to the membrane sensor 1 is applied to cause the signal of the mechanical resonance frequency to be the largest output from the sensing electrode 9 Finding the magnitude of the AC signal (S1),
    상기 감지 전극(9)이 특정 물질과 반응하면서 감지 전극(9)에서 발생하는 기포(bubble)나 반응을 방해하는 물질을 제거하기 위해 상기 감지 전극(9)의 기계적 공진 특성을 이용하여 감지전극(9)을 진동시키는 단계(S2),In order to remove bubbles generated from the sensing electrode 9 or a material that interferes with the reaction while the sensing electrode 9 reacts with a specific material, the sensing electrode 9 may be formed using a mechanical resonance characteristic of the sensing electrode 9. 9) vibrating (S2),
    상기 교류신호에 직류 신호를 더해서 멤브레인 센서(1)에 인가한 다음 교류 신호의 주파수를 변화시켜 가면서 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)으로부터 출력되는 신호를 측정하는 단계(S3),Measuring the signal output from the sensing electrode 9 of the membrane sensor 1 while applying a DC signal to the AC signal and applying the DC signal to the membrane sensor 1 and then changing the frequency of the AC signal (S3),
    상기 멤브레인 센서(1)로부터 출력되는 신호를 바탕으로 주파수 스펙트럼을 구하여 기계적 공진주파수 또는 성능계수(Q-factor)를 찾는 단계(S4),Finding a mechanical resonance frequency or a Q-factor by obtaining a frequency spectrum based on the signal output from the membrane sensor 1 (S4),
    상기 기계적 공진주파수 또는 성능계수(Q-factor)의 변화와 멤브레인 센서(1)의 구조와 물리적 특성을 고려하여 상기 감지전극(9)에 도포된 감지 물질과 특정 물질과의 반응으로 인한 감지전극(9)의 질량변화 또는 감지전극(9)에 가해진 압력을 결정하는 단계(S5)를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 방법.A sensing electrode due to a reaction between a sensing material applied to the sensing electrode 9 and a specific material in consideration of the change in the mechanical resonance frequency or Q-factor and the structure and physical characteristics of the membrane sensor 1) A method for measuring condenser type membrane sensors using a mechanical resonance characteristic of the membrane, characterized in that it comprises the step (S5) of determining the change in mass or the pressure applied to the sensing electrode (9).
  14. 제13 항에 있어서,The method of claim 13,
    상기 감지전극(9)에 도포된 감지 물질과 특정 물질과의 반응으로 인한 감지전극(9)의 질량변화, 감지전극(9)에 가해진 압력을 측정하기 위하여 여러 교류신호 크기에서 공통적으로 나타나는 상기 감지전극(9)의 기계적 공진 주파수와 상기 기계적공진주파수를 가진 교류신호를 상기 멤브레인 센서(1)에 인가했을 때 감지전극(9)으로부터 상기 기계적 공진주파수의 신호를 가장 크게 출력되게 하는 교류신호의 크기를 찾는 단계(S1)는, The detection, which is common to various AC signal sizes, to measure the change in mass of the sensing electrode 9 and the pressure applied to the sensing electrode 9 due to the reaction between the sensing material applied to the sensing electrode 9 and a specific material. The magnitude of the AC signal which causes the signal of the mechanical resonance frequency to be output the largest from the sensing electrode 9 when an AC signal having the mechanical resonance frequency of the electrode 9 and the mechanical resonance frequency is applied to the membrane sensor 1. Finding step (S1),
    멤브레인 센서(1)에 공급되는 신호의 주파수를 변화시키는 단계, Varying the frequency of the signal supplied to the membrane sensor 1,
    각 주파수에서 신호의 크기를 변화시키는 단계,Varying the magnitude of the signal at each frequency,
    주파수와 크기를 동시에 변화시킨 신호를 멤브레인 센서(1)에 인가했을 때 감지전극(9)이나 고정전극(3)으로부터 출력되는 신호를 비교하고 저장하는 단계,Comparing and storing a signal output from the sensing electrode 9 or the fixed electrode 3 when a signal having a frequency and magnitude simultaneously applied to the membrane sensor 1,
    감지전극(9)을 공진시키는 여러 주파수 중에서 주파수와 크기를 동시에 변화시킨 신호 크기에서 공통적으로 나타나는 감지전극(9)의 기계적 공진주파수를 찾는 단계,Finding a mechanical resonant frequency of the sensing electrode 9 which is common in the magnitude of the signal simultaneously changing the frequency and magnitude among several frequencies for resonating the sensing electrode 9,
    및 상기 감지전극(9)의 기계적 공진 주파수를 갖는 교류신호의 크기에서 멤브레인 센서(1)의 출력 신호가 가장 큰 교류신호의 크기를 찾는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 방법.And finding the magnitude of the AC signal having the largest output signal of the membrane sensor 1 in the magnitude of the AC signal having the mechanical resonant frequency of the sensing electrode 9 using the mechanical resonance characteristic of the membrane. Measurement method for condenser type membrane sensor.
  15. 제13 항에 있어서,The method of claim 13,
    상기 교류신호에 직류 신호를 더해서 멤브레인 센서(1)에 인가한 다음 교류 신호의 주파수를 변화시켜 가면서 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)으로부터 출력되는 신호를 측정하는 단계(S3)는, In step S3 of measuring the signal output from the sensing electrode 9 of the membrane sensor 1 by applying a DC signal to the membrane sensor 1 and then applying it to the membrane sensor 1 by changing the frequency of the AC signal,
    직류신호와 교류신호의 주파수를 변화시켜가면서 멤브레인 센서(1)에 공급하고 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)으로부터 출력되는 신호를 여러 번 측정하여 평균값을 구하는 단계,Supplying to the membrane sensor 1 while varying the frequency of the DC signal and the AC signal, and measuring the signal output from the sensing electrode 9 of the membrane sensor 1 several times to obtain an average value,
    평균값을 지정한 값과 비교하는 단계, Comparing the average value to the specified value,
    평균값이 지정한 값보다 클 경우, 즉 기계적 공진이 시작된 경우 이분법 방식(bisection method)으로 기계적 공진 시작주파수를 찾는 단계, Finding a mechanical resonance starting frequency by a bisection method when the average value is larger than a specified value, i.e., when mechanical resonance is started,
    및 기계적 공진 시작점에서 멤브레인 센서(1)에 공급되는 주파수를 세밀하게 변화시키면서 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)으로부터 출력되는 신호의 평균값을 구하여 지정한 값과 비교하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 방법.And obtaining a mean value of the signal output from the sensing electrode 9 of the membrane sensor 1 and comparing the specified value with a minute change in the frequency supplied to the membrane sensor 1 at the mechanical resonance start point. Measuring method for condenser type membrane sensor using the mechanical resonance characteristics of the membrane.
  16. 제13 항에 있어서,The method of claim 13,
    상기 멤브레인 센서(1)의 감지전극(9)으로부터 출력되는 신호를 바탕으로 주파수 스펙트럼을 구하여 기계적 공진주파수 또는 성능계수(Q-factor)를 찾는 단계(S4)는,The step (S4) of finding a mechanical resonance frequency or a Q-factor by obtaining a frequency spectrum based on a signal output from the sensing electrode 9 of the membrane sensor 1,
    수식
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000075
    을 이용하여 상기 감지전극(9)의 상기 주파수 스펙트럼을 구성하는 단계와,
    Equation
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000075
    Configuring the frequency spectrum of the sensing electrode 9 by using;
    상기 주파수 스펙트럼에서 최고 크기의 신호가 나타나는 감지전극(9)의 기계적 공진주파수를 찾는 단계를 포함하거나,Finding a mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9 in which the signal of the highest magnitude appears in the frequency spectrum, or
    상기 주파수 스펙트럼에서 수식
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000076
    을 이용하여 감지전극(9)의 성능계수를 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 방법.
    Formula in the frequency spectrum
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000076
    Measuring method for the condenser-type membrane sensor using the mechanical resonance characteristics of the membrane, characterized in that it comprises the step of obtaining the performance coefficient of the sensing electrode (9).
    여기서, here,
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000077
    : 주파수 스펙트럼의 시작 주파수,
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000077
    Is the starting frequency of the frequency spectrum,
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000078
    : 주파수 스펙트럼의 종료 주파수,
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000078
    : End frequency of the frequency spectrum,
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000079
    : 교류 신호의 주파수 변화폭,
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000079
    Is the frequency change of the AC signal,
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000080
    : 멤브레인 센서(1)로부터 출력되는 신호의 피크값,
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000080
    : Peak value of the signal output from the membrane sensor 1,
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000081
    : 상기 감지전극(9)의 기계적 공진주파수,
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000081
    : Mechanical resonance frequency of the sensing electrode (9),
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000082
    : 피크 파워를 나타내는 기계적 공진주파수를 중심으로 피크 파워의 1/2되는 주파수 대역
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000082
    : Frequency band that is 1/2 of peak power centered on the mechanical resonance frequency representing peak power
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000083
    : 감지전극(9)의 성능 계수
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000083
    : Coefficient of performance of the sensing electrode 9
  17. 제13 항에 있어서, The method of claim 13,
    상기 기계적 공진주파수 또는 성능계수(Q-factor)의 변화와 멤브레인 센서(1)의 구조와 물리적 특성을 고려하여 상기 감지전극(9)에 도포된 감지 물질과 특정 물질과의 반응으로 인한 감지전극(9)의 질량변화 또는 감지전극(9)에 가해진 압력을 결정하는 단계(S5)는, A sensing electrode due to a reaction between a sensing material applied to the sensing electrode 9 and a specific material in consideration of the change in the mechanical resonance frequency or Q-factor and the structure and physical characteristics of the membrane sensor 1) Determining the mass change of the 9) or the pressure applied to the sensing electrode (9) (S5),
    감지전극의 기계적 공진주파수 변화(
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000084
    )와 수식
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000085
    를 이용하여 상기 감지전극(9)에 도포된 감지 물질과 특정 물질과의 반응으로 인한 감지전극의 질량변화(
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000086
    )을 측정하거나,
    Change of Mechanical Resonance Frequency of Sensing Electrode (
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000084
    ) And the formula
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000085
    Mass change of the sensing electrode due to the reaction between the sensing material and the specific material applied to the sensing electrode 9 using
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000086
    ) Or
    감지전극의 성능계수(Q-factor)의 변화와 수식
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000087
    을 이용하여 상기 감지전극(9)에 도포된 감지 물질과 특정 물질과의 반응으로 인한 감지전극의 질량변화(
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000088
    )을 측정하는 것을 특징으로 하는 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 방법.
    Changes and equations of Q-factor of sensing electrode
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000087
    Mass change of the sensing electrode due to the reaction between the sensing material and the specific material applied to the sensing electrode 9 using
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000088
    Measurement method for condenser type membrane sensor using the mechanical resonance characteristics of the membrane, characterized in that the measurement.
    여기서,here,
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000089
    : 감지전극(9)의 공진 주파수,
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000089
    : Resonant frequency of the sensing electrode 9,
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000090
    : 감지전극(9)의 질량,
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000090
    : The mass of the sensing electrode 9,
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000091
    : 감지전극(9)에 도포된 감지물질과 반응한 특정 물질의 질량,
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000091
    : Mass of a specific material reacted with a sensing material applied to the sensing electrode 9,
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000092
    : 특정 물질이 감지전극(9)에 도포된 감지 물질과 반응했을 때 감지전극(9)의 기계적 공진 주파수의 변화
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000092
    : Change in the mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9 when a specific material reacts with the sensing material applied to the sensing electrode 9
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000093
    : 특정 물질이 감지전극(9)에 도포된 감지 물질과 반응했을 때 감지전극(9)의 성능계수(Q-factor)의 변화
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000093
    : Change in Q-factor of the sensing electrode 9 when a specific material reacts with the sensing material applied to the sensing electrode 9
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000094
    : 감지전극(9)의 성능계수(Q-factor)
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000094
    : Q-factor of the sensing electrode 9
  18. 제13 항에 있어서, The method of claim 13,
    상기 기계적 공진주파수 또는 성능계수(Q-factor)의 변화와 멤브레인 센서(1)의 구조와 물리적 특성을 고려하여 상기 감지전극(9)에 도포된 감지 물질과 특정 물질과의 반응으로 인한 감지전극(9)의 질량변화 또는 감지전극(9)에 가해진 압력을 결정하는 단계(S5)는, A sensing electrode due to a reaction between a sensing material applied to the sensing electrode 9 and a specific material in consideration of the change in the mechanical resonance frequency or Q-factor and the structure and physical characteristics of the membrane sensor 1) Determining the mass change of the 9) or the pressure applied to the sensing electrode (9) (S5),
    수식
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000095
    을 이용하여 상기 감지전극(9)에 걸리는 압력을 측정하거나,
    Equation
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000095
    Using to measure the pressure applied to the sensing electrode (9),
    수식
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000096
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000097
    을 이용하여 압력을 측정하는 것을 특징으로 하는 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 방법.
    Equation
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000096
    Wow
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000097
    Measuring method for condenser type membrane sensor using the mechanical resonance characteristics of the membrane, characterized in that for measuring the pressure by using a.
    여기서,here,
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000098
    : 감지전극의 모양에 따른 계수,
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000098
    : Coefficient according to shape of sensing electrode,
    t : 감지전극(9)에 부착된 물질의 두께이고,t is the thickness of the material attached to the sensing electrode 9,
    d : 감지전극(9)이 구형인 경우는 반경이고 정사각형인 경우 한쪽 면의 길이,d is the radius when the sensing electrode 9 is spherical and the length of one side when the square is square,
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000099
    : 감지전극(9)에 부착된 물질의 밀도(Density),
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000099
    : Density of the material attached to the sensing electrode 9,
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000100
    : 감지전극(9)의 영의 계수(Young's modulus),
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000100
    : Young's modulus of the sensing electrode 9,
    E : 전극의 포아손 비율(Poisson's ratio), E: Poisson's ratio of the electrode,
    f0: 감지전극(9)의 기계적 공진주파수,f 0: mechanical resonance frequency of the sensing electrode 9,
    m : 감지전극의 질량,  m is the mass of the sensing electrode,
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000101
    : 감지전극(9)의 감쇄계수(coefficient of damping factor)
    Figure PCTKR2017005101-appb-I000101
    : Coefficient of damping factor of the sensing electrode 9
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