[논문]MEMS 기술기반 전극을 이용한 심전도의 단일지점 검침

김홍래; 김용호; 김용준

문제 정의

따라서, 2전극법에서는 간섭 전압을 제거하지 못함으로써 이에 의해 심전도가 왜곡될 가능성이 크다. 이러한 2전극법에서의 간섭전압 제거의 한계점을 해결하기 위해 본 논문에서는 Fig.2와 같은 바깥 쪽의 고리형 전극과 안쪽의 바(bar)형 전극으로 구성된 2전극형 심전도 센서를 제안하였다.[4] 바깥 쪽의 고리형 전극은 심장으로부터 퍼지는 모든 방향의 신호들을 검출하기 위해 제작되었다.
이에 본 논문에서는 기존의 2전극법의 문제점인 간섭신호를 제거하는 능력을 보완한 소형 MEMS 기술 기반 2전극형 심전도 센서를 제안한다. 제안된 ECG 센서는 2전극형임에도 불구하고, 3전극법과 유사한 성능을 보였다.

제안 방법

다음으로 패턴된 Ti/Cu 금속층 위에 알루미늄을 증착한 후 deionized water와 인산을 1:1로 섞은 용액을 사용하여 알루미늄을 센서의 전체적인 모양대로 에칭하였다. 그 후, 센서의 전체적인 형상을 얻기 위해 100% O₂ 가스를 이용하여 polyimide를 pattern 모양대로 에칭 하였고 남은 알루미늄을 제거하였다. 마지막으로, BOE(Buffered Oxide Etchant)를 이용하여 SiO₂ 희생층을 제거하여 센서를 웨이퍼로부터 분리하는 etch-release 공정이 수행되었다.
먼저, 실리콘 웨이퍼 위에 폴리이미드를 1000rpm의 속도로 스핀코팅 한 후, 오븐에 넣어 60℃에서 4시간 250℃에서 3시간에 걸쳐 경화시켰다. 그 후, 스퍼터를 사용하여 전극을 위한 300Å의 Ti(Titanium)과 2㎛의 Cu(copper) 금속층을 증착시켰다. 증착된 Ti/Cu 금속층을 패터닝 하기 위해 photolithography 공정이 수행되었다.
[4] 바깥 쪽의 고리형 전극은 심장으로부터 퍼지는 모든 방향의 신호들을 검출하기 위해 제작되었다. 두 개의 전극 사이의 거리는 MEMS 공정을 이용하여 200㎛정도로 매우 가깝게 설계하였다. 이는 두 개의 전극이 피부의 거의 같은 지점에 부착됨으로써 두 지점의 피부의 임피던스 값이 거의 같고, 또한 이로 인하여 두 전극-피부간 임피던스 차이(z₂-z₁) 값이 매우 작다는 것을 의미한다.
그 후, 센서의 전체적인 형상을 얻기 위해 100% O₂ 가스를 이용하여 polyimide를 pattern 모양대로 에칭 하였고 남은 알루미늄을 제거하였다. 마지막으로, BOE(Buffered Oxide Etchant)를 이용하여 SiO₂ 희생층을 제거하여 센서를 웨이퍼로부터 분리하는 etch-release 공정이 수행되었다.
제작된 ECG 센서는 심장 부근에 부착하였고 3개의 사용전극들은 12유도법중 Lead II방식을 따라 전극들을 부착하여 동시에 심전도를 측정하여 결과를 비교하였다. 심전도는 ECG 100C(Biopac systems Inc, USA)에 의해 증폭되었으며 MP150WS(Biopac system Inc, USA)를 통하여 기록되었다.
제작된 ECG센서를 심장부근에 부착하여 측정한 후 센서를 팔목에 부착하여 추가적인 실험을 해보았다. 결과는 Fig.
그 후, 스퍼터를 사용하여 전극을 위한 300Å의 Ti(Titanium)과 2㎛의 Cu(copper) 금속층을 증착시켰다. 증착된 Ti/Cu 금속층을 패터닝 하기 위해 photolithography 공정이 수행되었다. Ti 금속층의 습식 에칭을 위해 deionized water에 희석된 불산(HF) 용액이 사용되었으며, Cu금속층의 에칭을 위해 인산, 아세트산, 질산이 2: 3: 1로 섞인 용액이 사용되었다.

대상 데이터

Ti 금속층의 습식 에칭을 위해 deionized water에 희석된 불산(HF) 용액이 사용되었으며, Cu금속층의 에칭을 위해 인산, 아세트산, 질산이 2: 3: 1로 섞인 용액이 사용되었다.
제안된 ECG 센서는 MEMS 공정 기술을 이용하여 실리콘웨이퍼 위에 제작되었다. 먼저, 실리콘 웨이퍼 위에 폴리이미드를 1000rpm의 속도로 스핀코팅 한 후, 오븐에 넣어 60℃에서 4시간 250℃에서 3시간에 걸쳐 경화시켰다.

데이터처리

측정된 두 신호는 상당히 비슷한 경향성을 보였다. 두 신호의 경향성이 얼마나 일치하는지를 확인하기 위하여 correlation값을 계산해보았다. 결과는 0.

성능/효과

두 신호의 경향성이 얼마나 일치하는지를 확인하기 위하여 correlation값을 계산해보았다. 결과는 0.977로 제안된 ECG 센서로부터 얻은 심전도와 상용전극들로부터 얻은 심전도의 경향성은 상당히 유사하다는 것을 알 수 있었다. 또한, Fig.
977로 제안된 ECG 센서로부터 얻은 심전도와 상용전극들로부터 얻은 심전도의 경향성은 상당히 유사하다는 것을 알 수 있었다. 또한, Fig.3을 통해 알 수 있듯이, 심전도의 P파와 QRS complex, T파가 다른 파형이나 간섭신호로부터 잘 구분되었다.
이에 본 논문에서는 기존의 2전극법의 문제점인 간섭신호를 제거하는 능력을 보완한 소형 MEMS 기술 기반 2전극형 심전도 센서를 제안한다. 제안된 ECG 센서는 2전극형임에도 불구하고, 3전극법과 유사한 성능을 보였다. 또한, 두 개의 전극이 하나의 기판 위에 제작되어 신체의 한 지점에만 센서를 부착하여 심전도를 측정할 수 있어 기존의 2전극형 심전도 센서와 비교할 때 편의성 측면에서도 장점을 보인다.

후속연구

4와 같으며 심장으로부터 멀리 떨어진 지점에 부착한 만큼 신호의 크기가 상당히 약해져 노이즈에 의한 영향을 많이 받는 것을 알 수 있다. 그러나 추가적인 신호처리 작업을 거친다면 심전도의 피크 값을 검출하여 심박수를 측정하는 용도로 사용될 수 있을 것이라 판단된다.

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