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문제 정의
- 이를 위해 본 논문에서는 소리음이나 진동 측정이 아닌 혈관에 전달되는 기계적 압력을 감지하는 초소형 압력센서를 제작, 센서와 측정부 사이의 자기적 결합 (inductive coupling)을 통한 telemetry 방식을 이용하여 맥박 및 혈압 값을 측정하고자 한다. 반도체 공정인 MEMS 기술을 이용하여 초소형 압력센서를 제작하였고 제작된 센서의 전기적, 기계적 특성을 고찰하고자 한다.
- 본 논문에서는 실시간으로 맥박 및 혈압 측정을 위한 폴리머 기판 압력센서를 제작, 전기적 기계적 특성 평가 및 실시간 맥박 측정과 혈압 측정의 타당성을 분석하였다. 센서는 폴리이미드 필름 위에 MEMS 기술을 이용하여 형성된 캐패시터와 나선형 인덕터로 구성되었으며 서로 마주보는 캐패시터는 인덕터와 상호 연결되어 LC 공진 기능을 위한 센서로 작동한다.
- 이를 압력의 변위로 나타내면 압력은 1,118∼1,182 mmHg로 최대 최저 혈압의 비는 64 mmHg로 나타났다. 본 실험은 혈압 측정을 가능성을 보이기 위한 모의실험이다. 실험값의 유효성을 판단하기 위해서는 상시 동일한 측정 환경이 될 수 있도록 요골 동맥 상단에 상시 동일한 압력을 줄 수 있는 휴대용 측정 장치를 시계형 혹은 밴드형으로 부착한 후 다수의 혈압 측정이 이루어져야 할 것으로 본다.
제안 방법
- 1∼2초 사이의 일정한 최대 혹은 최저 공진 주파수가 변화되는 시간적 차이를 1분 동안에 일어날 횟수로 변환하여 1분 동안의 맥박수로 나타낼 수 있도록 프로그램화하였다.
- 센서의 공정은 다음과 같다. Polyimide film을 반도체 공정이 가능한 6인치 웨이퍼 크기로 레이저 가공하여 이를 포토리소그래피 및 금속증착이 가능하도록 유리 기판 위에 접착성 필름 (DFR film)을 이용, 접합한 후 이를 acetone, methanol, DI water 등의 순서로 클리닝하였다. 세정된 상, 하부 고분자 기판에 DC sputtering을 이용하여 Ti/Cu (20/300 nm) 박막을 증착하였다.
- 센서의 온도 특성을 알아보기 위해 그림 8(a)와 같이 온도에 따른 센서의 공진파수 변화를 측정하기 위한 시스템을 구성하였다. 공기 흐름에 따른 각 센서 주변의 온도 변화를 동일 시 하기 위해 유리그릇을 이용, 센서를 보호하여 동일한 온도가 각 센서들에 전달되도록 하였다. 또한 항온인 인체에서의 온도 변화에 따른 주파수 변화를 보기 위해 5일 간 36.
- 금속 박막이 증착된 웨이퍼에 spin coater를 이용하여 30 μm 두께의 photoresist (THB-126N, JSR)를 도포하였다.
- 실시간 맥박 측정을 위해 휴대용 맥박 측정 시스템을 개발하였고, 이를 이용하여 1분 동안의 맥박 측정을 실시하였다. 또한 실시간 혈압 측정의 가능성을 보이기 위해 혈압 측정 시스템을 디자인 하였고 모의 혈관 및 인체 요골 동맥에서 혈압 측정 실험을 실시하였다. 모의 혈관 시스템을 이용한 주파수 측정 실험에서는 92.
- 그림 11(a)는 모의 혈관 시스템을 이용한 혈압 측정을 나타내고 있다. 모의 혈관 시스템은 연동 펌프를 이용하여 모의 혈관 내의 임의의 압력 값이 형성되도록 구성하였다. 모의 혈관 외벽에 그림과 같이 센서를 기계적으로 연결한 후 그림 11(b)와 같이 network analyzer를 이용하여 센서 공진 주파수의 변화를 실시간으로 모니터하도록 구성하였다.
- 본 연구에서는 미세 압력 변화 구간을 700∼900 mmHg으로 선택, 압력과 주파수 관계가 선형성을 갖도록 센서를 설계하였다.
- 설계된 인덕터 코일에 10 cm × 10 cm × 12 cm 크기의 air box를 radiation boundary로 지정하였고 전기적 접지를 위해 air box의 최하단을 perfect E boundary로 설정하였다.
- Network analyzer와 정밀 압력조절기는 GPIB 통신을 이용하여 컴퓨터와 연결되었고 랩뷰 (Labview) 프로그램을 이용하여 정확한 압력인가와 결과 값을 excel 데이터화시켜 실험의 효율성 및 정확성을 높였다. 센서 특성은 직선성 (linearity)과 온도 변화에 따른 주파수 변화, hysteresis 등을 측정하였다.
- 센서는 두께가 200 μm인 두 장의 폴리이미드필름 (상, 하부 기판) 위에 제작되었으며 반도체 공정인 surface micromachining과 식각 (etching), 포토리소그래피 (photolithography) 등에 의해 이루어졌다.
- 인간의 최저, 최고 혈압 변화량과 절대 기압 차를 고려한 압력 범위인 700∼900 mmHg 구간 내에서 5 mmHg 간격으로 압력을 상승시키며 각 단계의 센서 공진 주파수를 측정한 데이터 값이다. 센서는 주파수 측정 시 센서의 기계적 안정화를 위해 각 단계마다 5분 간 dwelling time을 프로그램화하였다. 압력이 증가할 경우 센서 membrane에 인가되는 압력도 증가하게 되고 membrane의 변위에 의해 센서의 캐패시턴스 값이 증가하게 된다.
- 센서의 인덕터 및 캐패시터의 구조를 결정하기 위해 HFSS (high frequency structure simulator)를 이용하여 전기적 특성을 구하였다. 그림 3(a)는 인덕터 코일의 HFSS 시뮬레이션 모델링을 나타낸다.
- 5 kHz/mmHg 민감도와 2 mmHg이하의 정밀도를 보였다. 실시간 맥박 측정을 위해 휴대용 맥박 측정 시스템을 개발하였고, 이를 이용하여 1분 동안의 맥박 측정을 실시하였다. 또한 실시간 혈압 측정의 가능성을 보이기 위해 혈압 측정 시스템을 디자인 하였고 모의 혈관 및 인체 요골 동맥에서 혈압 측정 실험을 실시하였다.
- 앞서 언급된 센서 성능 평가 시스템의 동작을 랩뷰 프로그래밍 하여 700∼900 mmHg의 구간에서 10 mmHg의 단계로 압력을 증가시킨 후 동일한 압력 구간에서 같은 크기로 압력을 감소시키며 각 단계마다 주파수 값을 측정하였다.
- 따라서 장소와 시간에 구애를 받지 않고 측정이 가능한 실시간 혈압 측정 시스템이 개발되어져야 한다. 이를 위해 본 논문에서는 소리음이나 진동 측정이 아닌 혈관에 전달되는 기계적 압력을 감지하는 초소형 압력센서를 제작, 센서와 측정부 사이의 자기적 결합 (inductive coupling)을 통한 telemetry 방식을 이용하여 맥박 및 혈압 값을 측정하고자 한다. 반도체 공정인 MEMS 기술을 이용하여 초소형 압력센서를 제작하였고 제작된 센서의 전기적, 기계적 특성을 고찰하고자 한다.
- 센서는 요골 동맥 위라는 한정된 인체 장기 사이즈에 맞춰 설계되어져야 한다. 이를 위해 센서의 크기는 제한적으로 설계되어 센서 부착 시 불편함이 없도록 경동맥 사이즈보다 조금 큰 직경 10 ㎜, 두께 0.45㎜로 최소한의 크기를 갖도록 설계하였다. 그림 1은 설계된 센서 구조를 보이고 있다.
- 이후 포토리소그래피에 의해 형성된 코일 및 전극 패턴에 구리 도금을 활용하여 20 μm 두께의 코일 및 전극을 생성하였다. 이후 photoresist stripper (STR-1000, JSR)를 사용하여 포토레지스터를 제거하고 금속 식각액을 이용하여 seed layer를 제거, 최종 코일 및 전극을 형성하였다.
- 이후 포토리소그래피에 의해 형성된 코일 및 전극 패턴에 구리 도금을 활용하여 20 μm 두께의 코일 및 전극을 생성하였다.
- 제작된 폴리머 압력센서의 전기적 및 기계적 특성평가를 위해 특성 측정 시스템을 제작하였다. 측정 시스템은 세 가지로 구성되었는데 압력을 정밀하게 조절하는 초정밀 압력 조절기 (CPC3000, Mensor)와 인가된 압력이 일정하게 유지되도록 진공 및 가압이 가능한 chamber, 압력 변화에 따른 공진주파수 측정을 위한 Network analyzer (HP8753E, Hewlett Packard)로 구성되었다.
- 제작된 폴리머 압력센서의 전기적 및 기계적 특성평가를 위해 특성 측정 시스템을 제작하였다. 측정 시스템은 세 가지로 구성되었는데 압력을 정밀하게 조절하는 초정밀 압력 조절기 (CPC3000, Mensor)와 인가된 압력이 일정하게 유지되도록 진공 및 가압이 가능한 chamber, 압력 변화에 따른 공진주파수 측정을 위한 Network analyzer (HP8753E, Hewlett Packard)로 구성되었다.
대상 데이터
- 두 웨이퍼 기판에 형성된 코일들은 접합 및 패키징을 위해 연구실에서 자체 제작한 bonding machine과 adhesive film (50 μm)을 이용하여 5 μm 이하의 정밀도에서 bonding되었다. 마지막으로 접합된 센서를 레이저로 커팅하여 직경 10 mm, 두께 0.45 mm인 원형의 센서를 제작하였다. 그림 5(c)는 제작된 압력센서를 나타내고 있다.
- Polyimide film을 반도체 공정이 가능한 6인치 웨이퍼 크기로 레이저 가공하여 이를 포토리소그래피 및 금속증착이 가능하도록 유리 기판 위에 접착성 필름 (DFR film)을 이용, 접합한 후 이를 acetone, methanol, DI water 등의 순서로 클리닝하였다. 세정된 상, 하부 고분자 기판에 DC sputtering을 이용하여 Ti/Cu (20/300 nm) 박막을 증착하였다. 이 금속 박막은 인덕터 코일 및 캐패시터 전극을 형성할 때 전기 도금을 이용하는데 이때 도금 수용액과 전기적 연결이 이루어지기 위해 사용되어진다.
- 센서는 DC sputtering시 발생하는 높은 온도 환경에서 사용할 수 있을 만큼 내열성이 우수하고 포토리소그래피 및 식각 공정에 사용하는 solvent에도 견딜 수 있으며 인체 직접 접촉에 따른 피부 손상을 피하기 위해 인체 호환성을 갖는 폴리머 기판 (polyimide film)에 제조하였다 [14].
- 코일의 모델링은 나선형으로 8.5턴, 직경은 9.1 mm, 두께는 20 μm로 10 cm × 10 cm 크기와 200 μm 두께의 폴리이미드 (εr= 3.5) 기판 위에 설계되었다.
이론/모형
- 공진 주파수의 변화는 무선 측정이 가능한 자계유도결합 (inductive coupling) 방식의 telemetry 기술을 이용하여 외부의 안테나 혹은 판독 시스템에 의해 해석된다 [11-13]. 외부 판독 시스템은 지속적인 주파수 변화를 갖는 에너지를 코일형 안테나를 통해 방출하게 되고 센서 내의 코일과 외부 안테나 코일 사이에는 자속이 형성된다.
성능/효과
- 그림 6은 제작된 측정 시스템을 보여주고 있다. Network analyzer와 정밀 압력조절기는 GPIB 통신을 이용하여 컴퓨터와 연결되었고 랩뷰 (Labview) 프로그램을 이용하여 정확한 압력인가와 결과 값을 excel 데이터화시켜 실험의 효율성 및 정확성을 높였다. 센서 특성은 직선성 (linearity)과 온도 변화에 따른 주파수 변화, hysteresis 등을 측정하였다.
- 센서는 압력이 증가할 때 주파수가 감소하는 결과를 보였고, 압력이 상승하거나 하강할 때 같은 압력에서는 동일한 주파수 값을 보였다. 결론적으로, 센서의 hysteresis 특성은 거의 존재하지 않았으며 760 mmHg에서 센서는 145.5 kHz/mmHg 민감도와 2 mmHg 이하의 정밀도를 보였다.
- 모의 혈관 시스템을 이용한 주파수 측정 실험에서는 92.5∼95.4 MHz의 범위에서 센서가 동작되었고, 압력 값을 공진 주파수 변화로 환산한 결과 713∼803 mmHg인 최고-최저 압력 변화가 90 mmHg로 나타났다.
- 각 압력 값의 인가 후 2분의 dwelling time을 유지하였다. 센서는 압력이 증가할 때 주파수가 감소하는 결과를 보였고, 압력이 상승하거나 하강할 때 같은 압력에서는 동일한 주파수 값을 보였다. 결론적으로, 센서의 hysteresis 특성은 거의 존재하지 않았으며 760 mmHg에서 센서는 145.
- 시스템의 온도가 26℃에서 36.5℃까지 상승할 때 주파수도 비슷한 경향으로 상승하는 모습을 보였으며 인체의 온도 (36.5℃)로 시스템이 유지 되었을 때는 다섯 개의 센서에 대한 주파수가 108∼112 MHz의 일정한 주파수를 나타내었다.
- 실제 혈관 위에 센서를 접촉하여 주파수를 측정한 실험에서는 80.2∼82.3 MHz의 범위를 나타냈으며 마찬가지로 압력 값으로 환산한 결과, 압력은 1118∼1182 mmHg 범위를 나타내었고 최고-최저 혈압의 비가 64 mmHg로 나타났다.
- 이때 센서의 공진 주파수는 92.5∼95.4 MHz의 범위에서 동작되었고 이를 미리 측정된 센서의 압력 변화에 따른 공진 주파수 변화로 환산하여 나타내면 압력의 변화는 713∼803 mmHg의 범위, 즉 최고-최저 압력 변화는 90 mmHg로 나타났다.
- 5℃)이 센서에 인가되었을 때는 센서 주파수가 일정한 주파수를 나타내었다. 일정한 압력 범위에서 센서에 동일한 크기의 상승, 하강의 압력을 인가할 경우 센서의 주파수는 동일한 값을 나타내었고, 이는 센서의 hysteresis 특성이 우수함을 보여준다. 또한 제작된 센서는 145.
- 제작된 시스템을 이용하여 1분 동안 인체의 맥박 변화량을 측정한 결과, 56∼63회 구간에서 실시간으로 맥박이 변화함을 볼 수 있었다.
후속연구
- 본 실험은 혈압 측정을 가능성을 보이기 위한 모의실험이다. 실험값의 유효성을 판단하기 위해서는 상시 동일한 측정 환경이 될 수 있도록 요골 동맥 상단에 상시 동일한 압력을 줄 수 있는 휴대용 측정 장치를 시계형 혹은 밴드형으로 부착한 후 다수의 혈압 측정이 이루어져야 할 것으로 본다.
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