본 논문에서는 실시간 안압모니터링을 위한 안압 센서와 안압에 따른 안압 센서의 공진 주파수를 검출 할 수 있는 외부 코일을 설계 및 구현 하였다. 안압 센서는 3-D EM시뮬레이션을 통하여 설계 하였고, MEMS 기반 기술로 구현 되었다. 측정 결과로서, 안압 센서의 공진 주파수는 외부 코일의 공진 주파수에 비하여 낮아야 하며, 안압 센서의 공진 주파수가 외부 코일의 공진 주파수에 근접 하게 위치 할 때, 위상 변화량이 높아짐을 확인 하였다. 또한, 안압 센서는 외부 코일과의 거리에 따라 최대위상 변화가 발생하는 지점이 불변하여야 하는데, 설계된 안압 센서는 외부 코일과의 거리가 변화 할 때, 최대위상 변화량 자체는 변화 하지만, 최대위상 변화가 발생하는 지점이 동일함을 확인 하였다.
본 논문에서는 실시간 안압 모니터링을 위한 안압 센서와 안압에 따른 안압 센서의 공진 주파수를 검출 할 수 있는 외부 코일을 설계 및 구현 하였다. 안압 센서는 3-D EM 시뮬레이션을 통하여 설계 하였고, MEMS 기반 기술로 구현 되었다. 측정 결과로서, 안압 센서의 공진 주파수는 외부 코일의 공진 주파수에 비하여 낮아야 하며, 안압 센서의 공진 주파수가 외부 코일의 공진 주파수에 근접 하게 위치 할 때, 위상 변화량이 높아짐을 확인 하였다. 또한, 안압 센서는 외부 코일과의 거리에 따라 최대위상 변화가 발생하는 지점이 불변하여야 하는데, 설계된 안압 센서는 외부 코일과의 거리가 변화 할 때, 최대위상 변화량 자체는 변화 하지만, 최대위상 변화가 발생하는 지점이 동일함을 확인 하였다.
Interaocular pressure (IOP) sensor and external coil to detect the resonance frequency of the IOP sensor are designed and implemented using MEMS technology. The IOP sensor is designed using 3-D electromagnetic (EM) simulation. The resonance frequency of IOP sensor needs to be lower than that of the ...
Interaocular pressure (IOP) sensor and external coil to detect the resonance frequency of the IOP sensor are designed and implemented using MEMS technology. The IOP sensor is designed using 3-D electromagnetic (EM) simulation. The resonance frequency of IOP sensor needs to be lower than that of the external coil. Additionally, the resonance frequency of the IOP sensor needs to be located near the resonance frequency of the coil to get the sufficient amplitude of phase variation. The frequency where the phase peak appears must be constant according to the distance between the IOP sensor and the external coil. From the measurement results, we demonstrated that the designed IOP sensor has the same resonance frequency with various distances between the IOP sensor and the coil.
Interaocular pressure (IOP) sensor and external coil to detect the resonance frequency of the IOP sensor are designed and implemented using MEMS technology. The IOP sensor is designed using 3-D electromagnetic (EM) simulation. The resonance frequency of IOP sensor needs to be lower than that of the external coil. Additionally, the resonance frequency of the IOP sensor needs to be located near the resonance frequency of the coil to get the sufficient amplitude of phase variation. The frequency where the phase peak appears must be constant according to the distance between the IOP sensor and the external coil. From the measurement results, we demonstrated that the designed IOP sensor has the same resonance frequency with various distances between the IOP sensor and the coil.
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문제 정의
본 논문에서는 실시간 안압 모니터링을 위한 안압 센서와 안압에 따른 안압 센서의 공진 주파수를 검출 할 수 있는 외부 코일을 설계 및 구현 하였다. 안압 센서는 3-D EM Simulation 을 통하여 설계 하였고, MEMS 기반 기술로 구현 되었다.
따라서, 외부코일은 안압 센서의 공진 주파수의 변화를 잘 검출 할 수 있어야 하므로, 외부 코일의 자체 공진 주파수와 안압 센서의 공진 주파수 사이의 관계를 정립할 필요가 있다. 본 논문에서는 안압 센서의 공진 주파수가 외부 코일의 공진 주파수 보다 낮은 값을 가지도록 설계 하였는데, 이는, 안압 센서의 공진 주파수가 외부 코일의 공진 주파수보다 높게 형성 될 경우, 외부 측정 환경, 즉 외부 공기 중의 임피던스 변화에 따라 외부 코일에서 검출되는 안압 센서의 공진 주파수 값이 매우 민감하게 요동치는 문제점이 있기 때문이다. 또한, 안압 센서의 공진 주파수는 외부 코일의 공진 주파수 보다 낮은 값을 가지되, 외부 코일의 공진 주파수와 가까울 때, 위상의 변화량 및 임피던스 크기의 변화량이 크게 발생하여 향후 외부 리더기에서 신호를 검출 하는데 용이 함을 실험적으로 확인 하였다.
본 논문에서의 안압 센서는 외부 코일을 통하여 안압 센서의 공진 주파수 변화를 검출 하는 시스템이다. 따라서, 외부코일은 안압 센서의 공진 주파수의 변화를 잘 검출 할 수 있어야 하므로, 외부 코일의 자체 공진 주파수와 안압 센서의 공진 주파수 사이의 관계를 정립할 필요가 있다.
이에 본 논문에서는 무 접촉 방식으로 안압을 검출하기 위한 안압 센서의 설계 및 구현에 대하여 기술한다. II장에서는 본 논문에서 설계된 안압 센서가 실제 적용될 시스템 및 이의 동작 원리에 대하여 설명한다.
제안 방법
또한 Quality-factor의 향상을 위하여 인덕터를 구성하는 금속선의 두께는 10μm 로 하였으며, 외부 코일과의 원활한 인덕티브 커플링을 위하여 센서의 인덕턴스는 약 3μH 이상이 되도록 인덕터의 감은 수와 지름을 설계하였다.
본 논문에서 기술할 안압 센서는 인덕터와 커패시터의 병렬연결로 구성 되어 있다. 이러한 병렬 인덕터와 커패시터는 안구 내에 삽입 되어 안압의 미세한 변화에 따라 커패시턴스 혹은 인덕턴스가 변화 할 수 있도록 설계 되었다.
본 논문에서 설계된 안압 모니터링 시스템에 적용될 안압 센서는 인덕터로 구성 되어 있다. II장에서 언급 한 바와 같이 안압 센서는 공진 주파수를 가져야 하므로 구현된 인덕터 외에 이와 병렬로 연결 되는 커패시터가 존재해야 한다.
실제 인체에 삽입을 하기 위한 안압 센서의 적정한 크기는 3 mm X 3 mm 이하가 되어야 하지만, 아직은 무선 안압 센서가 연구 단계이기 때문에, 안압 센서의 크기에 따른 특성을 파악하기 위하여 안압 센서의 크기를 5 mm X 5 mm로 제작 하여 그 특성을 살펴보았다.
본 논문에서는 실시간 안압 모니터링을 위한 안압 센서와 안압에 따른 안압 센서의 공진 주파수를 검출 할 수 있는 외부 코일을 설계 및 구현 하였다. 안압 센서는 3-D EM Simulation 을 통하여 설계 하였고, MEMS 기반 기술로 구현 되었다. 측정 결과로서, 안압 센서의 공진 주파수는 외부 코일의 공진 주파수에 비하여 낮아야 하며, 안압 센서의 공진 주파수가 외부 코일의 공진 주파수에 근접 하게 위치 할 때, 최대위상 변화량이 높아짐을 확인 하였다.
또한 Quality-factor의 향상을 위하여 인덕터를 구성하는 금속선의 두께는 10μm 로 하였으며, 외부 코일과의 원활한 인덕티브 커플링을 위하여 센서의 인덕턴스는 약 3μH 이상이 되도록 인덕터의 감은 수와 지름을 설계하였다. 이때, 일반적으로 RF 분야에서 잘 알려져 있는 바와 같이 인덕터의 구성이 원형일 때 면적 대비 인덕턴스 및 Quality-factor가 가장 높게 나오지만, 본 안압 센서는 그 특성상 사각형으로 구현 되어야 하며, 이로 인하여 안압 센서 면적의 효율적인 활용을 위하여 사각형 모양의 인덕터로 구현 하였다.
그림 4는 실제 구현된 안압 센서의 사진을 보이고 있다. 이러한 안압 센서는 3-D EM 시뮬레이터를 통하여 최적화 되었으며, MEMS 기술을 이용하여 실제 구현 되었다. 구현된 안압 센서의 전체 크기는 5 mm X 5 mm 이며, 두께는 0.
이러한 외부 코일과 안압 센서 사이의 관계를 알기 위하여 우선적으로 3-D EM 시뮬레이션을 통하여 대략적인 외부 코일의 크기 및 감은수를 결정 하였다. 그림 5는 실제 제작된 외부 코일을 이용하여 안압 센서의 공진 주파수를 검출 하는 측정 셋업의 일부를 보이고 있다.
이에 본 논문에서 설계한 안압 센서는 금속 층을 단층으로 형성 하여 인덕터를 구현 하였으며, 앞서 언급한 병렬 커패시터는 이미 구현된 인덕터의 기생 커패시턴스를 통하여 확보 하였다.
안압센서가 병렬 인덕터와 커패시터로 구성 되어 있기 때문에 자체적으로 공진 주파수를 가지게 되고, 안압이 변화 하여 안압 센서의 커패시턴스 혹은 인덕턴스가 변화 할 경우 그에 따라 안압 센서의 공진 주파수 또한 변화 하게 된다. 이와 같이 안압의 변화에 따라 안압 센서의 공진주파수 변화를 안구 외부에 위치하고 있는 외부 코일에 의하여 검출함으로서, 결과적으로 안압의 미세한 변화를 감지 할 수 있도록 설계 되었다.
대상 데이터
이러한 안압 센서는 3-D EM 시뮬레이터를 통하여 최적화 되었으며, MEMS 기술을 이용하여 실제 구현 되었다. 구현된 안압 센서의 전체 크기는 5 mm X 5 mm 이며, 두께는 0.5 mm 이다. 또한 Quality-factor의 향상을 위하여 인덕터를 구성하는 금속선의 두께는 10μm 로 하였으며, 외부 코일과의 원활한 인덕티브 커플링을 위하여 센서의 인덕턴스는 약 3μH 이상이 되도록 인덕터의 감은 수와 지름을 설계하였다.
성능/효과
측정 결과에서와 같이 외부 코일의 공진 주파수는 대략적으로 60 MHz 근방에서 발생하고 있다. 결과 그래프에서 알 수 있듯이, 안압 센서의 공진 주파수가 외부 코일의 공진 주파수에 근접 해 갈수록 위상의 크기 변화량이 크게 형성됨을 알 수 있다. 본 논문에서는 최대위상의 크기 변화량을 Delta Phase로 정의 하였다.
그래프에 의한 측정 결과에서 알 수 있듯이, 안압 센서와 외부 코일간의 거리가 멀어짐에 따라 최대 위상 변화량 자체는 감소하지만, 최대위상 변화가 발생하는 공진 주파수는 항상 일정함을 알 수 있다.
측정 결과로서, 안압 센서의 공진 주파수는 외부 코일의 공진 주파수에 비하여 낮아야 하며, 안압 센서의 공진 주파수가 외부 코일의 공진 주파수에 근접 하게 위치 할 때, 최대위상 변화량이 높아짐을 확인 하였다. 또한, 안압 센서는 외부 코일과의 거리에 따라 최대위상 변화가 발생하는 지점이 불변하여야 하는데, 설계된 안압 센서는 외부 코일과의 거리가 변화 할 때, 최대 위상변화량 자체는 변화 하지만, 최대위상 변화가 발생하는 지점을 동일한 값을 가짐을 확인 하였다.
본 논문에서는 안압 센서의 공진 주파수가 외부 코일의 공진 주파수 보다 낮은 값을 가지도록 설계 하였는데, 이는, 안압 센서의 공진 주파수가 외부 코일의 공진 주파수보다 높게 형성 될 경우, 외부 측정 환경, 즉 외부 공기 중의 임피던스 변화에 따라 외부 코일에서 검출되는 안압 센서의 공진 주파수 값이 매우 민감하게 요동치는 문제점이 있기 때문이다. 또한, 안압 센서의 공진 주파수는 외부 코일의 공진 주파수 보다 낮은 값을 가지되, 외부 코일의 공진 주파수와 가까울 때, 위상의 변화량 및 임피던스 크기의 변화량이 크게 발생하여 향후 외부 리더기에서 신호를 검출 하는데 용이 함을 실험적으로 확인 하였다.
안압 센서는 3-D EM Simulation 을 통하여 설계 하였고, MEMS 기반 기술로 구현 되었다. 측정 결과로서, 안압 센서의 공진 주파수는 외부 코일의 공진 주파수에 비하여 낮아야 하며, 안압 센서의 공진 주파수가 외부 코일의 공진 주파수에 근접 하게 위치 할 때, 최대위상 변화량이 높아짐을 확인 하였다. 또한, 안압 센서는 외부 코일과의 거리에 따라 최대위상 변화가 발생하는 지점이 불변하여야 하는데, 설계된 안압 센서는 외부 코일과의 거리가 변화 할 때, 최대 위상변화량 자체는 변화 하지만, 최대위상 변화가 발생하는 지점을 동일한 값을 가짐을 확인 하였다.
표 1은 인덕터의 감은 수, 인덕터를 구성하고 있는 금속선의 폭 및 금속 선 간의 간격을 조절 하면서 안압 센서의 인덕턴스와 커패시턴스를 추출한 결과를 보이고 있다. 표에서와 같이 안압 센서는 동일한 금속선 폭 및 간격을 유지 했을 때, 감은 수가 높을수록 인덕턴스 및 기생 커패시턴스가 증가함을 알 수 있다. 31-turn의 경우 4.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
비접촉식 생체 신호 검출을 위한 레이더 기술의 응용 분야로 무엇이 있는가?
이에, 고주파 기술 분야 역시 건강관리(Health-Care) 관련 응용 분야에 적극 접목 되고 있다. 고주파 회로의 경우는 비접촉식 생체 신호 검출을 위한 레이더 기술에 접목 되고 있으며, 그 대표적인 응용 분야는 심장 박동 검출, 혈압 검출 및 피부암 검출 등으로 그 범위를 넓혀 가고 있다. 뿐만 아니라, 혈관계 질환 치료를 위한 마이크로 로봇을 생체에 삽입 하는 기술도 활발하게 연구 되고 있는데, 이때 생체 내에 위치한 마이크로 로봇과 무선으로 통신하기 위한 고주파 회로 및 시스템 기술에 대한 연구도 활발하게 이루어지고 있다.
고주파 회로 및 시스템 분야 외에 생체 신호 검출 분야에 적극 활용되는 것은 무엇인가?
이러한 고주파 회로 및 시스템 분야 외에 수동 소자 역시 생체 신호 검출 분야에 적극 활용 되고 있는데, 그한 예가 안압 센서이다[1-4]. 일반적으로 녹내장의 경우, 환자가 자각 증상을 느끼는 시점은 이미 치료 시기가 너무 늦어버리는 경우가 많다.
실시간 안압 모니터링을 위해 MEMS 기반의 센서를 설계한 결과는 무엇인가?
안압 센서는 3-D EM Simulation 을 통하여 설계 하였고, MEMS 기반 기술로 구현 되었다. 측정 결과로서, 안압 센서의 공진 주파수는 외부 코일의 공진 주파수에 비하여 낮아야 하며, 안압 센서의 공진 주파수가 외부 코일의 공진 주파수에 근접 하게 위치 할 때, 최대위상 변화량이 높아짐을 확인 하였다. 또한, 안압 센서는 외부 코일과의 거리에 따라 최대위상 변화가 발생하는 지점이 불변하여야 하는데, 설계된 안압 센서는 외부 코일과의 거리가 변화 할 때, 최대 위상변화량 자체는 변화 하지만, 최대위상 변화가 발생하는 지점을 동일한 값을 가짐을 확인 하였다.
참고문헌 (4)
Santiago Lizon-Martinez, et. al., "Design of a System for Continuous Intraocular Pressure Monitoring," IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 54, No. 4, August 2005.
Antonio Baldi, Woohyek Choi, Babak Ziaie, "A Self-Resonant Frequency-Modulated Micromachined Passive Pressure Transensor," IEEE Sensors Journal, vol. 3, no. 6, December 2003.
Po-Jui Chen, Damien C. Rodger, Saloomeh Saati, Mark S. Hymayun, Yu-Chong Tai, "Microfabricated Implantable Parylene-Based Wireless Passive Intraocular Pressure Sensors," Journal of Miroelectromechanical Systems, vol. 17, no. 6, December 2008.
Po-Jui Chen, Damien C. Rodger, Rajat Agrawal, Saloomeh Saati, Ellis Meng, Rohit Varma, Mark S. Hymayun, Yu-Chong Tai, "Implantable Micromechanical Parylene-Based Pressure Sensors for Unpowered Intraocular Pressure Sensing," Journal of Micromechanics and Microengineering, 17, 2007.
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