[논문]혈압 측정을 위한 외팔보형 접촉힘 센서 어레이

이병렬; 정진우; 전국진

doi:10.5369/jsst.2012.21.2.121

[국내논문] 혈압 측정을 위한 외팔보형 접촉힘 센서 어레이
A Cantilever Type Contact Force Sensor Array for Blood Pressure Measurement 원문보기

Journal of sensor science and technology = 센서학회지, v.21 no.2, 2012년, pp.121 - 126

이병렬 (한국기술교육대학교 메카트로닉스공학부) , 정진우 (서울대학교 전기컴퓨터공학부) , 전국진 (서울대학교 전기컴퓨터공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Piezoresistive type contact force sensor array is fabricated by (111) Silicon bulk micromachining for continuous blood pressure monitoring. Length and width of the unit sensor structure is $200{\mu}m$ and $190{\mu}m$, respectively. The gap between sensing elements is only $10{\mu}m$. To achieve wafer level packaging, the sensor structure is capped by PDMS soft cap using wafer molding and bonding process with $10{\mu}m$ alignment precision. The resistance change over contact force was measured to verify the feasibility of the proposed sensor scheme. The maximum measurement range and resolution is 900 mm Hg and 0.57 mm Hg, respectively.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 연속 혈압 모니터링을 위한 외팔보형 접촉힘 센서 어레이 구조를 제안하였다. 제안된 방식에서 외팔보형 구조로 센서의 간격을 최소화 할 수 있고 PDMS를 이용한 기판 단위 진공 실장 공정이 가능하기 때문에 소형 전자식 혈압계 구현이 가능하다고 판단된다.
그러나 이 경우 높은 감도를 유지하면서 센서의 간격을 줄이기 위해선 압력에 반응하는 박막의 두께를 얇게 가져가야 하는데 이는 제조 공정의 균일성 측면에서 매우 어려운 부분이다. 이 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 (111) 결정면 실리콘을 이용한 외팔보형 어레이 구조를 제안하였다. 센서의 크기와 감도를 결정하는 초소형 외팔보 구조는 건식 식각으로 두께를 제어하고 하부 층은 이방성 습식 식각으로 제거함으로서 구현할 수 있다.

제안 방법

기판 단위 패키징까지 마친 센서의 특성 평가를 위해 먼저 상용 게이지로 힘을 가하면서 저항 변화를 측정하였다. 실험은 전동식 스테이지를 이용하여 변형을 가한 상태에서 진행하였으며 Fig.
본 논문에서는 이러한 장점을 활용할 수 있도록 (111) 결정면을 갖는 단결정 실리콘 웨이퍼를 이용한 어레이형 압저항 센서 구조와 공정 설계, 그리고 패키징 구조와 기판 단위 실장 공정을 설계하였다.
본 연구에서는 PDMS(polydimethylsiloxane) 재질의 구조물로 기판 단위 패키징을 구현함으로써 저가의 공정으로 일괄 제조와 패키징을 동시에 구현하였다.
3은 접촉힘 센서 어레이를 구성하는 하나의 외팔보 구조를 보인 것이다. 설계한 외팔보 구조는 폭 190 ㎛, 간격10 ㎛ 로 다수의 센서를 배열해서 혈압 측정의 정확도를 높이고자 하였다. 외팔보 구조의 지지 영역 부근에 압저항을 배치하였고 구조물 하부층의 습식식각을 용이하게 하기 위해 일정한 주기로 식각 홀(etch hole)을 형성하였다.
기판 단위 패키징까지 마친 센서의 특성 평가를 위해 먼저 상용 게이지로 힘을 가하면서 저항 변화를 측정하였다. 실험은 전동식 스테이지를 이용하여 변형을 가한 상태에서 진행하였으며 Fig. 10에 보인 바와 같은 선형적인 저항 변화 특성을 확인할 수 있었다. 측정을 통해 확인된 저항 변화 감도는 약 4.
앞에서 설명한 센서 구조 설계와 공정 설계 그리고 패키징 공정설계에 따라 접촉힘 검출 방식의 혈압센서를 제작하였다. 실험에 사용한 센서는 4인치 n형 (111) 실리콘 웨이퍼를 사용했으며 개별 소자의 크기는 폭 4 ㎜, 길이 5 ㎜ 로 내부에 외팔보형 센서가 14개 배치되어 있다.
설계한 외팔보 구조는 폭 190 ㎛, 간격10 ㎛ 로 다수의 센서를 배열해서 혈압 측정의 정확도를 높이고자 하였다. 외팔보 구조의 지지 영역 부근에 압저항을 배치하였고 구조물 하부층의 습식식각을 용이하게 하기 위해 일정한 주기로 식각 홀(etch hole)을 형성하였다.
센서 웨이퍼와 PDMS 층의 기판 단위 접합은 플라즈마로 표면 활성화 후 신속히 접합해야 하므로 일반적인 광학식 정렬 과정을 거치기 어렵다. 이를 극복하기 위해 정렬과 가압이 짧은 시간 내에 시작될 수 있도록 기구적인 장치를 구성하였으며, 이 장치로 정렬 오차를 10 ㎛ 이내로 유지할 수 있었다.
또한 제조 과정 혹은 사용 중에 과다한 변형이나 외부 환경에 의한 파손을 방지하기 위해 웨이퍼 전면을 기판 단위로 패키징할 필요가 있다. 이를 위해 본 논문에서는 PDMS(polydimethylsiloxane) 재질의 구조물을 사용하여 접합하는 방식을 사용하였다. Fig.

대상 데이터

또한 외팔보에 힘을 전달하는 기둥의 형상에서 단면비를 크게 가져갈수록 기계적인 취약성이 커져서 제작이 어렵게 된다. 따라서 필러의 폭은 외팔보의 구조와 공정이 허용하는 한 키우는 것이 좋은데 본 실험에서는 폭 100 ㎛인사각 기둥 구조를 사용하였다.
앞에서 설명한 센서 구조 설계와 공정 설계 그리고 패키징 공정설계에 따라 접촉힘 검출 방식의 혈압센서를 제작하였다. 실험에 사용한 센서는 4인치 n형 (111) 실리콘 웨이퍼를 사용했으며 개별 소자의 크기는 폭 4 ㎜, 길이 5 ㎜ 로 내부에 외팔보형 센서가 14개 배치되어 있다. 각각의 외팔보 구조는 폭 190 ㎛ 에 길이 200 ㎛, 두께 5 ㎛ 그리고 희생층 깊이는 30 ㎛ 이다.
만일 온도를 높이면 경화시간은 줄지만 PDMS 층의 열변형으로 센서 웨이퍼와 접합시 정렬 오차가 증가한다. 실험에 사용한 재료는 다우코닝(Dow Corning)사의 Sylgard 184로 CTE 값은 310[ppm/K]인 물질로 경화는 50 ℃에서 10시간 동안 진행하였다.

성능/효과

PDMS는 기계적 물성과 화학적 안정성이 우수할 뿐 아니라 몰딩(molding) 공정을 통해 다양한 형상으로 제조가 쉽다는 장점이 있다[7]. 본 논문에서 제안하는 PDMS 패키징 구조가 가져야 할 특성으로는 동맥 혈압을 외팔보 구조에 손실 없이 전달하면서 전체를 보호할 수 있어야 한다. 따라서 PDMS 보호층의 두께와 기둥(pillar)의 치수가 중요한 설계 변수가 된다.
본 논문에서는 연속 혈압 모니터링을 위한 외팔보형 접촉힘 센서 어레이 구조를 제안하였다. 제안된 방식에서 외팔보형 구조로 센서의 간격을 최소화 할 수 있고 PDMS를 이용한 기판 단위 진공 실장 공정이 가능하기 때문에 소형 전자식 혈압계 구현이 가능하다고 판단된다.
제안된 방식의 센서는 압저항 변화를 이용하도록 구성되어 있으며 저항 변화 측정 결과 일정 범위의 압력에 대해 충분한 선형성을 확인할 수 있었다. 브릿지 회로를 이용한 혈압 측정 시험에서 감도는 6 ㎷/㎜Hg, 분해능은 0.
2는 본 논문에서 제안하는 혈압 측정용 접촉힘 센서 어레이의 개념도를 보인 것이다. 즉 기존의 방식에서 센서 하나가 한 지점의 압력만 검출하지만, 제안하는 방식에는 반도체 미세가공 기술로 외팔보 어레이를 좁은 간격으로 배치함으로써 작은 영역의 접촉 힘을 여러 센서로 동시에 측정할 수 있다.
FPCB에 조립한 혈압 센서를 디지털 푸시풀 게이지 장비 Aikoh RX-1으로 압력을 가하면서 측정하면 압력에 대한 출력 전압 변화를 관측할 수 있다. 측정된 출력 감도는 약 6㎷/㎜Hg 이고, 입력이 없을 때의 바이어스(bias) 변화량은 1.7 ㎷로 관측되었는데, 바이어스 변동으로부터 계산한 분해능은 약 0.57㎜Hg 에 해당하였다. 한편 최대 입력 범위는 900 ㎜Hg 까지 측정이 가능하였다.
10에 보인 바와 같은 선형적인 저항 변화 특성을 확인할 수 있었다. 측정을 통해 확인된 저항 변화 감도는 약 4.5 %/N 인데 특히 0.2 N 이하의 작은 입력에 대해선 감도가 낮을 뿐 아니라 감도 자체의 변동도 크게 관측되었다. 이는 PDMS 물질의 특성에 의해 일정 임계치 이하의 힘에 대해선 외팔보에 안정적으로 변형을 전달하지 못하기 때문으로 판단된다.
한편 최대 입력 범위는 900 ㎜Hg 까지 측정이 가능하였다. 혈압 센서로 사용하기 위한 분해능은 1 ㎜Hg 미만,최대 측정 범위는 300 ㎜Hg 이상이므로 제작된 접촉힘 센서로 혈압 측정이 가능함을 알 수 있다. Fig.
여기서 개별 소자를 보호하기 위해 접합된 PDMS 영역은 폭 1,340 ㎛, 길이 3,740 ㎛ 두께는 300 ㎛ 이다. 혈압은 PDMS의 기둥을 통해 외팔보에 전달되므로 이들의 정렬도 중요한데 사진에서 보인 바와 같이 정렬오차는 10 ㎛미만으로 충분한 정밀도를 얻을 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	혈관 내부 압력을 비침습적으로 연속 모니터링 하기 위한 수단으로 어떤 방법을 사용하는가?	혈관 내부 압력을 비침습적으로 연속 모니터링 하기 위한 수단으로 압력 센서 어레이를 이용한 검출 방법이 시도되어 왔다[1]. 이는 손목 부위 요골 위에 위치한 동맥 혈관이 평평해지도록 외부에서 압력을 가한 상태에서 혈압에 따라 달라지는 압력 변화를 외부 센서 어레이로 검출하는 방식이다.
	검출의 정확성을 높이기 위해 센서 어레이의 폭을 줄이는 것이 중요한 이유는?	이는 손목 부위 요골 위에 위치한 동맥 혈관이 평평해지도록 외부에서 압력을 가한 상태에서 혈압에 따라 달라지는 압력 변화를 외부 센서 어레이로 검출하는 방식이다. 따라서 압력 센서의 위치에 따라 출력 특성이 달라질 수 있으므로 검출의 정확성을 높이기 위해 센서 어레이의 폭을 줄이는 것이 중요하다[2].
	압력 센서 어레이를 이용한 검출 방법의 원리는?	혈관 내부 압력을 비침습적으로 연속 모니터링 하기 위한 수단으로 압력 센서 어레이를 이용한 검출 방법이 시도되어 왔다[1]. 이는 손목 부위 요골 위에 위치한 동맥 혈관이 평평해지도록 외부에서 압력을 가한 상태에서 혈압에 따라 달라지는 압력 변화를 외부 센서 어레이로 검출하는 방식이다. 따라서 압력 센서의 위치에 따라 출력 특성이 달라질 수 있으므로 검출의 정확성을 높이기 위해 센서 어레이의 폭을 줄이는 것이 중요하다[2].

참고문헌 (7)

Jong-Ho Kim, Jeong-Il Lee, Hyo-Jik Lee, Yon-Kyu Park, Min-Seok Kim, and Dae-Im Kang, "Design of flexible tactile sensor based on three-component force and its fabrication", Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on Robotics and Automation Barcelona, Spain, pp. 2578-2581, Apr. 2005.
K. Matthys and P. Verdonck, "Development and modeling of arterial applanation tonometry: A review", Technology and Health Care 10, pp. 65-76, 2002.
US Patent 4,987,900, Apparatus for positioning transducer for blood pressure monitor.
S. Lee, S. Park, and D. Cho, "The surface/bulk micromachining(SBM) process: A new method for fabricating released MEMS in single crystal silicon", J. Microelectromech. Syst., vol. 8, no.4, pp. 409-416.
D. Kwak, J. Kim, S. Park, H. Ko, and D. Cho, "Why is (111) silicon a better mechanical material for MEMS: torsion case", 2003 ASME Int. Mech. Eng. Congress (IMECE 2003), Washington D.C., USA, Nov. pp. 15-21, 2003.
S. D. Senturia, Microsystem Design, Springer.
Byung-Ho Jo, Linda M. Van Lerberghe, Kathleen M. Motsegood, and David J. Beebe, "Three-dimensional micro-channel fabrication in polydimethylsiloxane (PDMS) elastomer", Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 9, no. 1, pp. 76-81, Mar 2000.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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