LC공진을 이용한 원격측정용 압력센서 = (A) Telemetry silicon pressure sensor of LC resonance type

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 뇌압을 측정하기 위한 인체 삽입용 LC공진을 이용한 원격측정 압력센서에 관한 논문이다. 센서는 인덕터와 커패시터로 구성되어있다. 센서의 LC공진 회로는 센서와 외부의 안테나 코일이 자기적으로 연결되어있는 구조이다. 센서에 가해지는 압력은 센서의 커패시턴스를 증가시키고 이 회로의 공진 주파수는 이에 따라 감소한다. 센서는 생체적합성과 뇌압을 장기간 지속적으로 감시하기 위한 고려가 되어있다. LC공진 형태와 같은 경우 센서의 크기가 작아지고, 단순화되어진다. 이러한 형태의 다른 장점은 높은 분해능과 압력과 온도에 대해 넓은 범위의 검출이다. 본 논문에서 센서의 두드러진 특징은 커패시터의 구조이다. 센서내의 코일에서 발생되는 기생 커패시터를 인위적으로 제어함으로써, 구조를 매우 단순화시켰으며, 분해능을 높이는데 초점을 두었다. 기존의 논문과 비교해서 공정을 단순화하였고, 크기를 줄였다. 디자인에 앞서서 박막의 변위와 커패시터의 변화, 공진주파수의 변화를 분석하고, 계산하였다. 뇌압측정에 필요한 압력의 범위는 0 kPa에서 60 kPa이다. 유리기판 위에 전기도금된 구리 코일은 자기인덕턴스를 가지고 있다. 유리기판의 코일과 실리콘기판의 전극판 사이에서 존재하는 커패시턴스는 압력에 따라 변화하는 p+박막에 의존한다. 자기인덕턴스와 커패시터는 센서의 공진주파수를 결정한다. 센서의 전체크기는 7 mm × 6.5 mm이다. 코일과 박막 사이의 거리는 20 ㎛이다. 박막의 두께는 대략 1.5 ㎛이고 크기는 3 mm × 3 mm 이다. 잔류응력의 제거와 감도의 증가를 위해서 박막에는 주름을 넣었다. 구조 설계를 위해 압력에 따른 박막의 변위는 shape function을 사용하여 계산하였다. 공진점에서 센서와 연결된 외부 안테나코일의 임피던스 위상은 급격히 변화하기 때문에 공진점에서의 위상의 이동으로부터 압력을 계산해낼 수 있다. 외부 안테나코일의 공진주파수는 외부 코일과 센서가 커플되면서 변화한다. 임피던스 어날라이져 HP4914A를 사용하여 주파수에 따른 임피던스의 변화를 측정하였다. 공진주파수의 이동은 1.4MHz이다. 계산과 실험의 결과들은 압력의 측정이 실현 가능함을 보여준다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This paper presents an implantable telemetry LC resonance-type pressure sensor to measure the ventricle pressure. The sensor consists of an inductor and a capacitor. The LC resonant circuit consists of the sensor and an external antenna coil which are coupled magnetically. The resonance frequency of the circuit decreases as the applied pressure increases the capacitance of the sensor. The sensor is designed in consideration of the biocompatibility and the long lifetime for continuous monitoring of the ventricle pressure.
In the case of LC resonance type, the sensor is simple and small. Another advantages of this type are the high resolution and the simplicity in the design for the wide range of the pressure and the temperature. We focus on the different structure of the capacitance. The sensor is simple to fabricate and small in comparison with others reported previously. Also, the deflection of the diaphragm, the variation of the capacitance and the resonance frequency are analyzed and calculated. The pressure in the ventricle ranges from 0 to 7 kPa.
The sensor consists of a glass substrate and a Si substrate. The Cu coil The capacitance for self-inductance is electroplated on a glass substrate. The capacitance between the coil and Au plate on the flexible p^(+) diaphragm depends on diaphragm deflection due to the applied pressure. The self-inductance and the capacitance determine the resonance frequency of the sensor. The two substrates are bonded by anodic bonding technology. Total size is 7 ㎜ X 6.5 ㎜. The gap between the coil and the diaphragm is 20 μm. The thickness of the diaphragm is about 4 μm and the size is 3 ㎜ X 3 ㎜. The diaphragm has corrugations to release the residual stress and to increase the sensitivity. The inductance of the sensor coil measured by LCR meter is 3.2 μH.
For the proposed structure the flat and corrugated diaphragm deflections to the applied pressure are calculated with a shape function. The capacitance to the applied pressure is calculated with the deflection data. The capacitances of the flat diaphragm and the corrugated diaphragm are 1.60 pF and 1.87 pF, respectively, for 2 KPa, and 1.70 pF and 2.10 pF, respectively, for 4 KPa. When the pressure is applied to the diaphragm of the sensor, the resonance frequency decreases. Since the phase of the coupled circuit changes abruptly at resonance frequency, the pressure can be calculated from the phase shift at the resonance frequency. The measurement setup is to obtain the frequency characteristics of the inductance of the antenna coupled with the sensor. The resonance frequency of the external coil changes when the external coil is coupled with the sensor. The impedance vs. frequency was measured with the impedance analyzer HP4914A. The frequency shift of the resonance frequency is 1.2 MHz. The calculation and the experimental results show that the pressure detection is feasible.

목차 (Table of Contents)

• 목차 = Ⅲ
• 제1장 서론 = 1
• 제2장 압력 센서의 구조 및 측정 원리 = 4
• 제3장 인덕티브 커플링을 이용한 측정 시뮬레이션 = 7
• 3.1 박막 변위 및 정전용량의 변화 = 7
• 3.2 인덕터브 커플링의 등가회로 구성과 특성 시뮬레이션 = 12
• 제4장 LC공진을 이용한 원격측정 압력센서 제작공정 = 21
• 4.1 상부 기판의 제작공정 = 21
• 4.2 하부 기판의 제작공정 및 센서의 조립 = 23
• 제5장 특성실험 = 26
• 제6장 결과 검토 및 고찰 = 30
• 제7장 결론 = 31
• 참고문헌 = 32
• Abstract = 33
• Appendix A : Process Run Sheet for the sensor = 35
• Appendix B : matlab simulation = 38