[논문]패치형 압력센서를 이용한 휴대용 실시간 무선 맥박 측정 시스템 개발

박재순; 최상동; 조성환; 정연호

문제 정의

본 연구에서는 실시간으로 맥박측정을 위한 폴리머 기판 압력 센서를 제작, 전기적 기계적 특성평가 및 실시간 맥박 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 동작한다.

제안 방법

동시에, 검출부에서 대략적인 공진 주파수가 발생하는 지점의 대역을 찾는다. 그리고 보다 높은 정밀도를 위해 공진이 발생한 주파수 대역 근처를 다시금 tracking 한다. 이때 검출된 주파수는 맥박에 따른 센서의 공진 주파수의 변화를 발생시킨다.
또한 센서의 민감도를 고려하여 두께 200μm의 폴리이미드 기판위에 가로 4cm, 세로 3cm크기의 커패시터 전극과 권선 폭 60μm, 권선 간격 40μm의 8turn의 코일을 설계하였다.
반도체 공정을 통해 제작된 센서의 전기적 및 기계적 특성평가를 위해 특성 측정 시스템을 제작하였다. 자체 제작한 특성 평가 시스템은 초정밀 압력 조절기 (CPC3000, Mensor)와 센서의 공진주파수를 측정하기 위한 Network analyzer (HP8753E, Hewlett Packard), 여러개의 센서를 스위칭 하여 측정하기 위한 Switch module(PXle-1082, NI) 및 인가된 압력을 일정하게 유지하기 위한 진공 Chamber (자체제작)로 구성하였다.
하지만 사람의 혈압 및 맥박은 측정 장소 및 시간, 심지어 측정 전 식단에도 영향을 받기 때문에 일상에서 실시간으로 환자가 의식하지 않는 상태에서 측정이 이루어지지 않는다면 측정값의 신뢰도가 현저히 떨어진다. 본 연구에서는 심장의 운동에 의한 인체 요골 동맥의 기계적 변화를 반도체 공정을 통해 제작된 압력센서를 이용하여 압력 변화를 주파수의 형태로 변환하였고, 이를 마이크로프로세서를 이용한 측정시스템을 통해 측정하여 수치화 한 후 LCD 디스플레이를 통해 나타내었다.
센서는 DC Sputter를 이용한 금속박막 증착, 포토리소그래피, 전기도금, 식각 순의 반도체 공정을 통해 제작하였다. 이를 통해 제작된 2개의 기판은 광학용 접착필름인 OCA film을 이용하여 adhesive bonding되어 커패시터 전극 간 Air-gap을 형성하여 L-C공진회로로 구성된 압력센서를 제작하였다.
센서의 특성평가는 압력을 1mmHg씩 변화하여 센서의 공진주파수 변화를 보는 민감도(Sensitivity), 압력 증가구간과 감소구간의 공진주파수의 차이를 확인하는 히스테리시스(hysteresis) 및 온도에 따른 공진주파수 변화에 대한 평가로 이루어졌다. 평가 결과 센서는 30kHz/mmHg의 민감도를 보였고, 히스테리시스 특성은 나타나지 않았으며, 온도의 증감에 따른 공진주파수의 변화를 보였으나 사람의 손목에 부착되어 항온으로 유지가 가능한 패치형 압력센서의 특성상 기계적 특성변화 없이 동작이 가능할 것으로 보인다.
신호 발생부에서는 PLL 제어를 통하여 90-100MHz 의 발진 주파수를 발생한다. 신호 검출부에서는 MEMS 기술이 적용된 센서와 inductive coupling을 이용하여 코일 안테나로 검출된 신호를 전달받으며, 신호 처리부에서는 MCU를 이용하여 수신된 신호를 처리하여, 사용자가 쉽게 확인할 수 있게 파형 또는 수치를 표시해준다. 그리고 인터페이스부는 LCD 출력 장치, 통신 포트 및 전원 연결 부 등으로 구성된다.
센서는 DC Sputter를 이용한 금속박막 증착, 포토리소그래피, 전기도금, 식각 순의 반도체 공정을 통해 제작하였다. 이를 통해 제작된 2개의 기판은 광학용 접착필름인 OCA film을 이용하여 adhesive bonding되어 커패시터 전극 간 Air-gap을 형성하여 L-C공진회로로 구성된 압력센서를 제작하였다. 센서는 기계적 압력이 가해질 때 상하부 기판사이의 Air-gap의 변화가 생기며, 이 변화로 인해 공진주파수가 변화하게 된다.
반도체 공정을 통해 제작된 센서의 전기적 및 기계적 특성평가를 위해 특성 측정 시스템을 제작하였다. 자체 제작한 특성 평가 시스템은 초정밀 압력 조절기 (CPC3000, Mensor)와 센서의 공진주파수를 측정하기 위한 Network analyzer (HP8753E, Hewlett Packard), 여러개의 센서를 스위칭 하여 측정하기 위한 Switch module(PXle-1082, NI) 및 인가된 압력을 일정하게 유지하기 위한 진공 Chamber (자체제작)로 구성하였다.

대상 데이터

실험에서 사용된 PLL소자는 아날로그디바이스 사의 ADF4001BRU을, VCO는 LSV0095HCS를 사용했으며, MCU는 Atmel 사의 Atmega128을 사용하였다.
요골동맥 위에 부착되는 센서는 손목 움직임에 의한 동잡음 및 부착 시 활동성을 고려하여 반도체 공정인 MEMS 공정을 통해 직경 1cm의 크기로 제작되었다. 또한 센서의 민감도를 고려하여 두께 200μm의 폴리이미드 기판위에 가로 4cm, 세로 3cm크기의 커패시터 전극과 권선 폭 60μm, 권선 간격 40μm의 8turn의 코일을 설계하였다.

성능/효과

또한 최소 30kHz/mmHg 이상의 민감도를 가지며, Hysteresis 특성이 존재하지 않으며, 압력 증감 구간에서 선형적으로 동작함을 확인하였다. 또한 민감도 및 히스테리시스 특성으로 확인한 정밀도는 1mmHg 미만이며, 시스템의 온도가 26℃에서 36.5℃로 상승할 때 5개 샘플 센서의 주파수는 같은 기울기로 증가함을 볼 수 있었고, 항온(36.5℃)으로 유지될 때 센서의 주파수는 변화하지 않음을 확인하였다.
035인 음의 기울기 값을 나타내었다. 또한 최소 30kHz/mmHg 이상의 민감도를 가지며, Hysteresis 특성이 존재하지 않으며, 압력 증감 구간에서 선형적으로 동작함을 확인하였다. 또한 민감도 및 히스테리시스 특성으로 확인한 정밀도는 1mmHg 미만이며, 시스템의 온도가 26℃에서 36.
아래에는 맥박을 측정하는 실험 환경을 보여주고 있다. 실제 측정에서 실시간으로 맥박을 추적하여 변화 값을 출력하는 것을 확인하였고, 또한 오실로 스코프 화면에서 그 측정 파형이 출력되는 것을 확인하였다. 출력된 오실로스코프의 파형은 아래와 같이 실제 정상적인 맥파와 거의 유사한 형태를 보여주고 있다.
센서의 특성평가는 압력을 1mmHg씩 변화하여 센서의 공진주파수 변화를 보는 민감도(Sensitivity), 압력 증가구간과 감소구간의 공진주파수의 차이를 확인하는 히스테리시스(hysteresis) 및 온도에 따른 공진주파수 변화에 대한 평가로 이루어졌다. 평가 결과 센서는 30kHz/mmHg의 민감도를 보였고, 히스테리시스 특성은 나타나지 않았으며, 온도의 증감에 따른 공진주파수의 변화를 보였으나 사람의 손목에 부착되어 항온으로 유지가 가능한 패치형 압력센서의 특성상 기계적 특성변화 없이 동작이 가능할 것으로 보인다.

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