WO2020256282A1 - 생체 센싱을 위한 공진기 조립체 및 전자기파를 이용한 바이오 센서 - Google Patents

생체 센싱을 위한 공진기 조립체 및 전자기파를 이용한 바이오 센서 Download PDF

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WO2020256282A1
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돈 변프랭클린
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울산과학기술원
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Definitions

  • a resonator assembly for sensing a living body and a biosensor using electromagnetic waves are provided.
  • a simple method to determine the severity of these adult diseases is to measure the biological components in the blood.
  • the measurement of biological components can determine the amount of various components in the blood, such as blood sugar, anemia, and blood clotting, so it is easy to determine whether the level of a specific component is in a normal or abnormal area without going to the hospital. There is an advantage that it is possible.
  • One of the easiest ways to measure biological components is to inject blood collected from a fingertip into a test strip and then quantitatively analyze the output signal using an electrochemical or photometric method. This method can display the amount of the corresponding component in a measuring instrument. It is suitable for ordinary people who do not have.
  • the biosensor may be used in combination with a smart device, and a technology that accurately determines whether data sensed by the biosensor is in error is required.
  • the biosensor according to an embodiment may sense the concentration of an analyte using electromagnetic waves.
  • the biosensor according to an embodiment may sense a concentration of an analyte using a meta surface.
  • the biosensor according to an embodiment may sense a concentration of an analyte using a relative permittivity.
  • a resonator assembly includes at least one feeding line disposed along an outer periphery of a feeding area on one surface to feed electric power to the feeding area; And a pattern wire disposed along a pattern in the feeding area on the one side and capable of receiving electric power from the feeding line through brave coupling.
  • the resonant frequency of the resonator assembly may vary depending on the concentration of a target analyte existing around the resonator assembly.
  • the resonator assembly further includes a closed-loop wire disposed in the feeding area along the one surface, and the patterned wire is disposed in an inner region defined by the closed-loop wire, and the closed-loop wire It is possible to form a capacitive coupling with the feed line via via.
  • Parts of the closed loop conductor adjacent to a part of the power supply line may be spaced apart in parallel in the same shape as the part of the power supply line.
  • the closed loop conductor may have one of a polygonal shape and a circular shape.
  • the patterned conductor may include a first coupling portion disposed adjacent to the at least one feeding line on the one surface to form a capacitive coupling; A second coupling portion disposed adjacent to at least one of the feed line, the closed loop wire, and the additional pattern wire on the one side to form a capacitive coupling; And a connecting portion connecting the first coupling portion and the second coupling portion in a pattern on the one surface.
  • connection portion may include a first part and a second part disposed opposite to each other based on a virtual line crossing the first and second coupling parts. .
  • the first part and the second part may be alternately disposed from the first coupling portion to the second coupling portion.
  • the first part and the second part may have a point symmetric shape on the one surface.
  • connection portion may be arranged in a pattern of one of a sinusoidal shape, a sawtooth shape, a rectangular shape, and a triangular shape.
  • the resonator assembly may further include one or more additional pattern conductors disposed on the one surface so as to form a capacitive coupling with at least one of the pattern conductor and the feed line.
  • the patterned lead and the at least one additional patterned lead may form a meta surface (MTS).
  • MTS meta surface
  • the pattern lead and the at least one additional pattern lead may be arranged in a pattern having the same shape.
  • the resonator assembly may further include a plurality of closed loop conductors individually surrounding each of the pattern conductor and the one or more additional pattern conductors on the one surface.
  • the one or more additional pattern conductors may be disposed to be spaced apart along an axis based on the pattern conductor.
  • the one surface may be a curved surface disposed along a side of a cylindrical support member.
  • the at least one feed line may include: a first feed line disposed on the one surface and including ports connected to other elements at both ends; And a second feed line disposed spaced apart from the first feed line on the one side and including ports connected to other elements at both ends, wherein the feed region is an area between the first feed line and the second feed line.
  • the at least one feed line may be composed of a single feed line including a port for receiving power, and the feed region may be an area surrounded by the single feed line.
  • the biosensor using an electromagnetic wave is disposed along the outer periphery of the feeding area to feed power to the feeding area, and is disposed along a pattern in the feeding area.
  • a resonator assembly including a patterned lead wire capable of receiving power;
  • a processor that obtains a parameter associated with a resonant frequency of the resonator assembly as biometric data corresponding to a concentration of a target analyte existing around the resonator assembly while the frequency of the power is swept. have.
  • the biosensor according to an embodiment may sense an analyte non-invasively without pain of a user by using electromagnetic waves.
  • the biosensor according to an embodiment may accurately sense the concentration of the analyte with high sensitivity using the meta-surface.
  • the concentration of the analyte can be determined with low computational complexity by calculating the resonance frequency.
  • FIG. 1 shows a biosensing system using electromagnetic waves according to an embodiment.
  • 3A, and 3B illustrate a resonator assembly for a biosensor using electromagnetic waves according to an exemplary embodiment.
  • 4 to 6 illustrate examples of patterned wires according to an embodiment.
  • FIG. 7 to 12 show additional examples of a resonator assembly according to an embodiment.
  • FIG. 13 illustrates an example of a 2-port biosensor using electromagnetic waves according to an embodiment.
  • FIG. 14 shows an example of one port of a biosensor using electromagnetic waves according to an embodiment.
  • 15 to 17 illustrate a relationship between a scattering parameter of a biosensor using an electromagnetic wave and a target analyte concentration according to an embodiment.
  • FIG. 18 is a block diagram showing a schematic configuration of a biosensor using electromagnetic waves according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 19 shows an exemplary application of a biosensor using electromagnetic waves according to an embodiment.
  • first, second, A, B, (a) and (b) may be used. These terms are only used to distinguish the component from other components, and the nature, order, or order of the component is not limited by the term.
  • FIG. 1 shows a biosensing system using electromagnetic waves according to an embodiment.
  • the biosensing system 100 using electromagnetic waves may include a biosensor 110 and an external device 120.
  • the biosensor 110 may be a sensor that senses a target analyte 193 using electromagnetic waves.
  • the target analyte 193 is a material related to a living body, and may also be referred to as a biological material.
  • the target analyte 193 is mainly described as blood sugar, but is not limited thereto.
  • the biosensor 110 may be inserted and/or implanted into the subcutaneous layer 192 under the skin 191.
  • the biosensor 110 implanted under the skin may monitor the blood vessel 194 and the target analyte 193 present in the subcutaneous layer 192 using electromagnetic waves.
  • the biosensor 110 may measure a parameter associated with a resonance frequency of a resonator assembly to be described later.
  • the parameter may represent a circuit network parameter used to analyze the biosensor.
  • a scattering parameter is mainly described as an example, but is not limited thereto.
  • an admittance parameter, an impedance parameter, a hybrid parameter, and a transmission parameter may be used.
  • the resonant frequency of the resonator assembly may vary depending on the concentration of the target analyte 193 present around the resonator assembly.
  • the resonant frequency may be expressed as capacitance and inductance of the resonator assembly as shown in Equation 1 below.
  • Equation 1 described above f may be a resonant frequency of the resonator assembly
  • L may be an inductance of the resonator assembly
  • C may be a capacitance of the resonator assembly.
  • the capacitance C of the resonator assembly is a relative dielectric constant as shown in Equation 2 below. Can be proportional to
  • the relative permittivity of the resonator assembly may be affected by the concentration of the target analyte 193 in the vicinity. Since the relative dielectric constant of the resonator assembly changes according to the change in the concentration of the target analyte 193, the resonant frequency of the resonator assembly also changes. Accordingly, the biosensing system 100 using electromagnetic waves according to an exemplary embodiment may determine the concentration of the target analyte 193 based on the resonance frequency of the resonator assembly of the biosensor 110.
  • the resonator assembly may be designed for sensing the target analyte 193.
  • a resonator assembly having a structure to be described later in FIGS. 2 and 3A may have a relatively high Q-factor for a resonance frequency that changes according to a change in concentration of the target analyte 193.
  • a frequency response characteristic corresponding to a scattering parameter (hereinafter,'S parameter') of the resonator assembly within a range of a resonant frequency change according to a change in concentration of the target analyte 193 This relatively sharp curve can be shown.
  • the resonator assembly may exhibit high sensitivity to a change in relative permittivity according to a change in concentration of the target analyte 193. Accordingly, the biosensor 110 according to an exemplary embodiment can accurately determine the resonant frequency of the resonator assembly, and further accurately estimate the concentration of the target analyte 193 corresponding to the resonant frequency.
  • the resonator assembly may be designed to have specifications as shown in Table 1 below. However, this is purely exemplary and is not limited thereto.
  • the biosensor 110 using electromagnetic waves may establish wireless communication with the external device 120.
  • the biosensor 110 may acquire and collect biometric data corresponding to the concentration of the target analyte 193, and transmit the biometric data to the external device 120.
  • the biometric data is data related to the concentration and/or amount of the target analyte 193, and may be, for example, a parameter related to the resonance frequency of the resonator assembly as described above.
  • the present invention is not limited thereto, and the biometric data may include a resonant frequency corresponding to the concentration of an analyte, a scattering parameter for calculating the resonant frequency, and a frequency response characteristic corresponding to the scattering parameter.
  • the biosensor 110 may transmit biometric data to the external device 120 through wireless communication. Furthermore, the biosensor 110 may wirelessly receive power from the external device 120. The biosensor 110 may monitor biometric data using wirelessly transmitted power.
  • FIGS. 2, 3A, and 3B illustrate a resonator assembly for a biosensor using electromagnetic waves according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 2 shows an exemplary resonator assembly 210.
  • the resonator assembly 210 may include a feeding line 211, a closed loop wire 213, and a pattern wire 212.
  • the power supply line 211 may represent a conducting wire that is disposed along the periphery of the power supply region on one surface 250 to feed power to the power supply region. On one surface 250, an area inside the feed line 211 may be referred to as a feed area.
  • the resonator assembly 210 may include at least one feed line 211, and FIG. 2 shows an example in which the resonator assembly 210 includes two feed lines 211. When there are two feed lines 211, an area between the feed lines 211 may be a feed area.
  • FIG. 2 a two-port structure in which the two feed lines 211 have a first port 291 on an upper side and a second port 292 on a lower side is illustrated. However, it is not limited thereto, and an example of a 1-port structure will be described in FIG. 14 below.
  • the closed loop conductor 213 may be disposed in the power supply area along one surface 250.
  • a pattern conductor 212 to be described later may be disposed in an inner region defined by the closed loop conductor 213.
  • the closed loop conducting wire 213 may have one of a polygonal shape (eg, a rectangular shape) and a circular shape. In FIG. 2, an example of a square is described.
  • the closed loop conducting wire 213 may form a capacitive coupling with the power supply line 211 and receive power from the power supply line 211.
  • Parts 213a and 213b adjacent to a part of the power supply line 211 in the closed loop conductor 213 may be spaced apart in parallel in the same shape as a part of the power supply line 211 and may be disposed.
  • the closed loop conductor 213 can provide impedance matching even within a miniaturized form factor. Therefore, when there is no closed loop conductor 213, the resonator assembly 210 having the closed loop conductor 213 is greater than the area required to achieve the target resonance frequency (for example, the resonance frequency corresponding to the target analyte). ) May represent the target resonance frequency with a smaller area.
  • the patterned conductor 212 may be disposed along a pattern in the power supply area on one surface 250 and may represent a conductor capable of receiving power from the power supply line 211 through a flexible coupling.
  • the pattern conductor 212 may represent an inductance component according to a pattern.
  • the pattern conductor 212 may form a capacitive coupling with the feed line 211.
  • the parts 212a and 212b of the pattern conductor 212 may form a capacitive coupling with the parts 211a and 211b adjacent to the power supply line 211, respectively.
  • the patterned conductor 212 may form a capacitive coupling with the power supply line 211 via the closed loop conductor 213.
  • the parts 212a and 212b of the pattern conductor 212 may form a capacitive coupling with the adjacent parts 213a and 213b of the closed loop conductor 213, respectively.
  • Various shapes of the pattern conductor 212 will be described with reference to FIGS. 4 to 6 below.
  • the one surface 250 on which the resonator assembly 210 shown in FIG. 2 is disposed is illustrated in a plan view, it is not limited thereto. In FIG. 3A below, an example in which the resonator assembly 210 is disposed on a curved surface will be described.
  • 3A and 3B illustrate an example in which one surface on which the resonator assembly is disposed is a curved surface and is disposed along the side of the cylinder.
  • the resonator assembly 310 shown in FIG. 3A has the same structure as the resonator assembly 210 shown in FIG. 2 and may be disposed along the curved surface 350.
  • the surface current distribution 390 of the resonator assembly 310 is also shown.
  • the unit of the surface current distribution 390 is expressed in A/m.
  • the length axis of the resonator assembly 310 is shown as the y axis.
  • the resonator assembly 310 may change the resonance frequency with high sensitivity to the concentration of the target analyte around it.
  • FIG. 3B illustrates a change in a resonance frequency and a change in a Q-factor according to a spacing between each conductor in the resonator assembly 310 illustrated in FIG. 3A.
  • the resonator assembly 310 may have an impedance component (for example, a resistance component and a capacitance component) by a pattern and a closed loop conductor repeatedly appearing in the pattern conductors, and a resonant frequency may be determined according to the impedance component.
  • an impedance component for example, a resistance component and a capacitance component
  • a resonant frequency may be determined according to the impedance component.
  • the resonator assembly 310 includes one or more closed loop conductors among a plurality of closed loop conductors, a multiple resonance phenomenon may occur.
  • the capacitance may increase or decrease due to the spacing between the patterned wire and the closed loop wire, and the resistance may increase or decrease depending on the thickness, width, height, and length of each conductive wire.
  • the Q factor of the resonator assembly 310 may also be determined according to the capacitance and resistance. In the following, a change in capacitance according to a spacing between conductors and a change in a resonant frequency accordingly will be described.
  • the capacitance of the resonator assembly 310 may vary according to the spacing between the respective conductors. For example, in the resonator assembly 310 disposed along the curved surface 350, between a portion corresponding to the length direction (eg, y-axis direction) of the first feed line and a portion corresponding to the length direction of the second feed line The capacitance of the resonator assembly 310 may vary according to the spacing 303 (hereinafter,'the spacing between feed lines'). When the spacing 303 between the feed lines decreases, the capacitance of the resonator assembly 310 may increase.
  • the resonance frequency of the resonator assembly 310 may be lowered and the Q factor may be increased.
  • the frequency response characteristic at the resonant frequency of the resonator assembly 310 may be sharp.
  • a first resonance point 393a according to a frequency response characteristic when the distance 303 between feed lines is a first interval
  • a second resonance point 393b according to a frequency response characteristic when the second interval
  • a third resonance point 393c according to the frequency response characteristic in the case of the third interval.
  • the third interval may be narrower than the second interval
  • the second interval may be narrower than the first interval.
  • the resonant frequency of the third resonant point 393c may be lower than the resonant frequency of the second resonant point 393b, and the resonant frequency of the second resonant point 393b may be lower than the resonant frequency of the first resonant point 393a. Furthermore, it is shown that the attenuation degree increases at each resonance point from the first resonance point 393a to the third resonance point 393c, and the Q factor increases by decreasing the spacing. Conversely, due to an increase in the spacing 303 between the feed lines, the resonant frequency of the resonator assembly 310 may increase and the Q factor may be lowered.
  • the resonance frequency and the Q factor may also vary depending on the spacing between the other conductive lines.
  • the resonance frequency and the Q factor may also vary depending on the spacing 301 between the patterned conductors and the closed loop conductors, and the spacing 302 between the feeder and closed loop conductors.
  • the resonator assembly 310 with reduced spacings 301, 302, 303 may exhibit a reduced resonant frequency and increased Q factor.
  • a resonator assembly 310 having increased spacings 301, 302, 303 may exhibit an increased resonant frequency and a reduced Q factor.
  • the resonant frequency change according to the spacing between conductors of the cylindrical resonator assembly 310 illustrated in FIG. 3A has been described, but the present invention is not limited thereto, and the cylindrical resonator assembly 310 and the resonator assembly 210 illustrated in FIG. Similarly, the resonant frequency may change according to the spacing between conductors.
  • 4 to 6 illustrate examples of patterned wires according to an embodiment.
  • FIG. 4 illustrates a patterned conductor 420 having a sine wave pattern.
  • the patterned lead wire 420 may include a first coupling portion 421, a second coupling portion 422, and a connecting portion 423.
  • the first coupling portion 421 and the second coupling portion 422 may represent portions of the pattern conductor 420 that form capacitive coupling with other conductors.
  • the first coupling portion 421 may be disposed adjacent to at least one feeding line on one surface to form a capacitive coupling.
  • the second coupling portion 422 may be disposed adjacent to at least one of a power supply line, a closed loop conductor, and an additional pattern conductor on one surface to form a capacitive coupling.
  • the additional pattern conductors are pattern conductors that are additionally arranged in addition to the basic pattern conductors, and will be described in FIGS. 9 to 11 below.
  • the first coupling portion and the second coupling portion of the additional pattern conductor may form a capacitive coupling with another pattern conductor.
  • the first coupling portion 421 may have the same shape as the shape of a part adjacent to the first coupling portion 421 in the feed line, and may be parallelly spaced apart from the adjacent part.
  • the first coupling portion 421 has the same shape as the shape of a part adjacent to the first coupling portion 421 in the closed loop conductor when the pattern conductor is disposed in an area within the closed loop conductor, It can be spaced parallel from the part.
  • the second coupling portion 422 has the same shape as the shape of a part adjacent to the second coupling portion 422 in a conductive line disposed adjacent among the feed line, closed loop conductor, and additional pattern conductor, and is spaced parallel from the adjacent part. Can be.
  • connection portion 423 may connect the first coupling portion 421 and the second coupling portion 422 along a pattern on one surface.
  • the connection portion 423 is a first part disposed opposite to each other based on an imaginary line 490 crossing the first coupling portion 421 and the second coupling portion 422 (491) and a second part (492) may be included.
  • the first part 491 and the second part 492 may be alternately disposed from the first coupling portion 421 to the second coupling portion 422.
  • the first part 491 and the second part 492 may have a point symmetric shape on one surface.
  • the pattern conductor 420 illustrated in FIG. 4 is a sine wave shape, and the first part 491 and the second part 492 may include a curved part.
  • the resonator assembly may have an inductance component according to the pattern of the connection portion 423.
  • the connection portion 423 may be spaced apart from the feed line, the closed loop conductor, and other pattern conductors so as to prevent capacitive coupling with the power supply line, the closed loop conductor, and other pattern conductors.
  • connection portion 423 is not limited to that shown in FIG. 4, and the connection portion 423 has a sinusoidal shape, a sawtooth shape, a rectangular shape, and a triangular shape. shape) can be arranged according to the pattern of one shape.
  • FIG. 5 illustrates patterned wires following a triangular pattern.
  • the first coupling portion 521, the second coupling portion 522, and the imaginary line 590 of the pattern conductor 520 are the same as those of FIG. 4, and thus descriptions thereof will be omitted.
  • the pattern conductor 520 following the triangular pattern may include straight portions 591 and 592 intersecting the virtual line 590.
  • FIG. 6 illustrates patterned wires following a rectangular pattern.
  • the first coupling portion 621, the second coupling portion 622, and the imaginary line 690 of the patterned wire 620 are the same as those of FIG. 4 and thus a description thereof will be omitted.
  • the patterned wire 620 following the rectangular pattern may include straight portions 691 and 692 that are parallel to the virtual line 690 and disposed opposite to each other with respect to the virtual line 690.
  • FIG. 7 to 12 show additional examples of a resonator assembly according to an embodiment.
  • FIG. 7 illustrates an example of a resonator assembly without a closed loop conductor.
  • the resonator assembly 700 may include a feed line and a pattern lead 720 without a closed loop lead.
  • two feed lines 711 and 712 may define a feed area 719, and each of the two feed lines 711 and 712 may be disposed along at least a part of an outer periphery of the feed area 719. I can.
  • the coupling portions 721 and 722 of the patterned wire 720 may form a capacitive coupling with the feed line.
  • the first coupling portion 721 of the pattern conductor line 720 forms a capacitive coupling with the part 711a of the first feed line 711
  • the second coupling portion 722 of the pattern conductor line 720 Silver may form a capacitive coupling with the part 712a of the second feed line 712.
  • the example of the two ports separated by the first feed line 711 and the second feed line 712 has been described in FIG. 7, but is not limited thereto, and a single feed line instead of the first feed line 711 and the second feed line 712 It can also be implemented as
  • FIG. 8 illustrates a resonator assembly comprising differently aligned patterned leads and one or more closed loop leads.
  • the patterned conductor lines 820 may be variously aligned with respect to the feed line.
  • the coupling portions of the pattern conductor 820 are disposed adjacent to the conductor wires between ports of the power supply line, but the coupling portions of the pattern conductor wire 820 shown in FIG. 8 are ports of the feed line. Can be placed adjacent to.
  • the resonator assembly 800 may include one or more closed loop conductors.
  • a plurality of closed loop conductors may be disposed in a power supply area defined by the power supply lines 811 and 812.
  • At least one of the plurality of closed loop conductors 831 and 832 may be disposed in an inner region defined by another closed loop conductor.
  • the first closed loop conductor 831 is disposed in the power supply area on one side
  • the second closed loop conductor 832 is disposed in the inner area defined by the first closed loop conductor 831.
  • the pattern conductor 820 may be disposed in an inner region defined by the second closed loop conductor 832.
  • the resonator assembly may further include an additional patterned conductor.
  • one or more additional patterned wires may be disposed on one surface so as to form a capacitive coupling with at least one of the patterned wires and the feed wires.
  • the resonator assembly 900 may further include an additional patterned lead 922 in addition to the basic patterned lead 921.
  • the resonator assembly 900 may include a closed loop conducting wire 930 disposed in a power supply area defined by the power supply lines 910.
  • the basic pattern conductor 921 and the additional pattern conductor 922 may be disposed in an area defined by the closed loop conductor 930.
  • the additional pattern conductor 922 and the basic pattern conductor 921 may be disposed in parallel with each other.
  • the additional pattern conductor 922 is, along the second axis 902 perpendicular to the first axis 901 crossing the first and second coupling portions of the basic pattern conductor 921 It may be arranged to be spaced apart from the pattern conductor 921.
  • the additional pattern conductor 922 is illustrated in FIG. 9, it is not limited thereto, and one or more additional pattern conductors 922 may be disposed in the power supply area.
  • FIG. 10 illustrates an example of an additional patterned lead that is capacitively coupled with another patterned lead.
  • the second pattern conductor 1022 may be disposed to be spaced apart from the first pattern conductor 1021 along the second axis 1002 on one surface.
  • the third pattern conductor 1023 may be disposed to be spaced apart from the first pattern conductor 1021 along the first axis 1001 on one surface.
  • the fourth pattern conductor 1024 may be disposed along the first axis 1001 to be spaced apart from the second pattern conductor 1022.
  • the first patterned lead 1021 and the third patterned lead 1023 may form a capacitive coupling either directly or via another additional patterned lead.
  • the second patterned lead 1022 and the fourth patterned lead 1024 may form a capacitive coupling either directly or via another additional patterned lead.
  • FIG. 10 only four patterned wires are shown, but the present invention is not limited thereto.
  • the n pattern conductors may be spaced apart from each other along the first axis 1001, and m pattern conductors may be spaced apart from each other along the second axis 1002.
  • the resonator assembly 1000 may include n ⁇ m patterned conductors.
  • n and m may be integers of 1 or more.
  • each closed loop conductor 1030 is illustrated in a region defined by the power supply line 1010, but is not limited thereto.
  • the resonator assembly 1000 may include one or a plurality of closed loop conductors in the power supply region, and each closed loop conductor may include one or a plurality of pattern conductors therein. 10 illustrates an example in which each of the plurality of closed loop conductors 1131, 1132, 1133, and 1134 includes a single pattern conductor.
  • FIG. 11 illustrates an exemplary structure including closed loop conductors 1131, 1132, 1133, and 1134 surrounding individual pattern conductors in the structure shown in FIG. 10.
  • the resonator assembly 1100 may include a plurality of closed loop conductors 1131, 1132, 1133, and 1134 in a power supply area defined by the power supply line 1110.
  • the plurality of closed loop conductors 1131, 1132, 1133, and 1134 may individually surround each of the pattern conductor 1121 and one or more additional pattern conductors 1122, 1123, 1124 on one surface.
  • the pattern conductor and one or more additional pattern conductors may be arranged in the same pattern.
  • the patterned lead wires and one or more additional patterned lead wires may form a meta surface (MTS).
  • the rectangular feeding area has been mainly described, but is not limited thereto.
  • the feed lines 1211 and 1212 may be disposed along the periphery of the circular feed area.
  • the closed loop conductor 1230 may be formed in a circular shape according to the shape of the power supply area.
  • the patterned conductor 1220 may be disposed in a circular power supply area. In this case, the coupling portions of the pattern conductor 1220 may be spaced apart in parallel with respect to the shape of the feed lines 1211 and 1212 and the closed loop conductor 1230, and may be formed in a shape that is a part of the circumference.
  • FIG. 13 illustrates an example of a 2-port biosensor using electromagnetic waves according to an embodiment.
  • the resonator assembly 1310 may be implemented with two ports.
  • the first feed line may be disposed on one surface and include ports connected to other elements at both ends.
  • the second feed line is disposed to be spaced apart from the first feed line on one side, and may include ports connected to other elements at both ends.
  • the feeding area may be an area between the first feeding line and the second feeding line.
  • the biosensor 1300 may sense biometric data by using the resonator assembly 1310 implemented as a 2-port.
  • the measurement unit 1330 may measure a frequency response characteristic of the resonator assembly 1310 while applying a signal having a frequency to the resonator assembly 1310.
  • the measurement unit 1330 may include an oscillation circuit capable of adjusting an oscillation frequency and a signal detection circuit that detects voltage, current, power, and signal waveforms input/output to the resonator assembly 1310.
  • the circuit configuration of the measurement unit 1330 is not limited as described above, and may vary according to design.
  • the measuring unit 1330 of the biosensor 1300 may sweep a frequency of power applied to the resonator assembly 1310.
  • the measurement unit 1330 may sweep the frequency of power by changing the frequency within a predetermined target frequency range.
  • the measurement unit 1330 may sequentially increase the power frequency from the lower limit to the upper limit of the target frequency range, or may sequentially decrease the power frequency from the upper limit to the lower limit of the target frequency range.
  • the target frequency range is, for example, a range including 2.54 GHz, and may range from 2 GHz to 3.6 GHz. However, it is not limited thereto, and may be a range including 5.8GHz.
  • the target frequency range may be set differently according to the type of analyte. However, this is exemplary, and the frequency sweep is not limited thereto, and various methods may be used.
  • the measurement unit 1330 of the biosensor 1300 includes information related to the frequency characteristics of the resonator assembly 1310 while the frequency of the power applied to the resonator assembly 1310 is swept (for example, frequency response characteristics and resonance Frequency, etc.) can be measured.
  • the measurement unit 1330 is a voltage sensor resonator assembly 1310.
  • the voltage to be input to the first port of (V 1 +, V 1 -) and the second voltage input port (V 2 +, V 2 - ) Can be measured.
  • the processor (not shown) of the biosensor 1300 may determine a scattering parameter based on voltages input/output through the first port and the second port.
  • the processor may collect the scattering parameters during the frequency sweep and determine the resonant frequency of the resonator assembly 1310 based on the collected scattering parameters.
  • the scattering parameters include, for example, an S 11 parameter representing the ratio of the input voltage and the output voltage at port 1, and the S 21 parameter representing the ratio of the voltage input at port 1 and the voltage output at port 2. can do. Response characteristics corresponding to the scattering parameters will be described in FIGS. 15 and 16 below.
  • the biosensor 1300 may estimate the concentration of the analyte by determining the resonance frequency based on the scattering parameter.
  • the biosensor 1300 may collect only the scattering parameters as biometric data during the frequency sweep and transmit the collected scattering parameters to an external device.
  • the external device may determine a resonant frequency based on the received scattering parameter and determine a concentration of an analyte corresponding to the resonant frequency.
  • FIG. 14 shows an example of one port of a biosensor using electromagnetic waves according to an embodiment.
  • the resonator assembly 1410 may be implemented as a single port.
  • at least one feed line in the resonator assembly 1410 may be configured as a single feed line including a port for receiving power.
  • the power supply region may be a region surrounded by a single power supply line.
  • the processor while the frequency of the power applied from the measurement unit 1430 to the resonator assembly 1410 is sweeping, the measurement unit 1430 is a voltage input/output to the first port for the resonator assembly 1410 implemented as a single port. Can be measured.
  • the processor may calculate the S 11 parameter based on the voltage input/output through one port.
  • the processor may obtain a frequency response characteristic corresponding to the S 11 parameter during the frequency sweep from the measurement unit 1430.
  • the processor may determine the resonant frequency of the resonator assembly 1410 based on the frequency response characteristic.
  • the biosensor 1400 may output at least one of a scattering parameter, a frequency response characteristic corresponding to the scattering parameter, a resonance frequency, and an analyte concentration corresponding to the resonance frequency as biometric data to an external device.
  • 15 to 17 illustrate a relationship between a scattering parameter of a biosensor using an electromagnetic wave and a target analyte concentration according to an embodiment.
  • a frequency response characteristic curve 1500 of the S 11 parameter for each relative permittivity may show a frequency response characteristic curve 1500 of the S 11 parameter for each relative permittivity.
  • the vertical axis of the frequency response characteristic curve 1500 is a return loss in dB, and the horizontal axis is a frequency and the unit is GHz.
  • a frequency at which a return loss is minimized may be a resonance frequency.
  • the biosensor may search for a frequency in which the S 11 parameter is the minimum within the target frequency range, and may determine the searched frequency as the resonance frequency.
  • a frequency representing the maximum intensity may be a resonance frequency.
  • the biosensor may search for a frequency in which the S 21 parameter is the maximum within the target frequency range, and determine the searched frequency as the resonance frequency.
  • the graph 1700 is a graph 1700 showing a change in resonant frequency according to a change in relative permittivity.
  • the vertical axis is an S 11 parameter and the unit is dB
  • the horizontal axis is the frequency and the unit is GHz.
  • the graph 1700 may include a curve of an S11 parameter according to a frequency change for each blood glucose value. It is shown that as the blood glucose value increases to 100 mg/dL, 150 mg/dL, 200 mg/dL, and 300 mg/dL, the resonance frequency at which the S 11 parameter is the minimum value increases.
  • the resonance frequency of the resonance assembly for each blood sugar concentration may be calculated and mapped in advance.
  • the relationship between the blood sugar concentration and the resonance frequency may be stored in a mapping table (eg, a lookup table (LUT)).
  • the biosensor may determine an analyte concentration corresponding to the resonance frequency from the lookup table.
  • FIG. 18 is a block diagram showing a schematic configuration of a biosensor using electromagnetic waves according to an exemplary embodiment.
  • the biosensor 1800 using electromagnetic waves may include a resonator assembly 1810, a processor 1820, a power supply unit 1830, a communication unit 1840, and a measurement unit 1850.
  • the resonator assembly 1810 includes at least one feeder line disposed along the outer periphery of the feeder area to feed power to the feeder area, and a patterned conductor disposed along a pattern in the feeder area and capable of receiving power from the feeder line through brazing coupling. can do. Since the resonator assembly 1810 has been described above with reference to FIGS. 2 to 12, a detailed description thereof will be omitted.
  • the processor 1820 is biometric data corresponding to the concentration of the target analyte existing around the resonator assembly 1810 while the frequency of the power supplied to the resonator assembly 1810 is swept, and the resonator assembly ( 1810), a parameter associated with the resonant frequency may be obtained.
  • the processor 1820 may collect scattering parameters for individual frequencies while the frequency of the signal supplied to the resonator assembly 1810 by the measurement unit 1850 is swept within a target frequency range.
  • the processor 1820 may determine a resonant frequency based on the collected scattering parameters.
  • the processor 1820 may determine the concentration of the analyte from the resonance frequency.
  • the power supply unit 1830 may supply power to the processor 1820, the communication unit 1840, and the measurement unit 1850.
  • the power supply unit 1830 may wirelessly receive power from an external device and supply power to each element in the biosensor 1800.
  • the power supply unit 1830 may include, for example, a battery, and may charge the battery with power received from an external device.
  • the power supply unit 1830 may supply power to the resonator assembly 1810 or the like through the measurement unit 1850 by using electric power charged in the battery.
  • the communication unit 1840 may transmit biometric data to an external device and may receive information from the external device.
  • the communication unit 1840 may establish wireless communication with an external device.
  • the biometric data may include at least one of a scattering parameter, a resonance frequency, and a concentration of an analyte.
  • the measurement unit 1850 may sweep a frequency of a signal supplied to the resonator assembly 1810 within a target frequency range, and measure information related to a parameter of the resonator assembly 1810 during the frequency sweep.
  • the measurement unit 1850 may measure electrical data of the resonator assembly 1810.
  • the measurement unit 1850 may include a voltage sensor that measures a voltage across a port of the resonator assembly 1810.
  • the measurement unit 1850 may sweep the frequency under the control of the processor 1820, for example, the signal at a frequency that is swept within the target frequency range at the sweep frequency interval determined by the processor 1820 resonator assembly ( 1810) can be provided.
  • the present invention is not limited thereto, and the measurement unit 1850 may sweep the frequency according to its own oscillation circuit structure without the processor 1820.
  • FIG. 19 shows an exemplary application of a biosensor using electromagnetic waves according to an embodiment.
  • the feed line 1911, the closed loop lead wire 1913, and the pattern lead wire 1912 may be disposed on one surface.
  • the resonator assembly 1910 disposed on one surface may be configured to surround a curved surface.
  • one surface on which the resonator assembly 1901 is disposed may be a curved surface disposed along a side of a cylindrical support member 1940.
  • the cross-section AA' of the cylindrical resonator assembly 1900 may be shown as a cross-sectional view 1990.
  • the resonator assembly 1910 may be supported by a cylindrical support member 1930.
  • the outer surface of the resonator assembly 1910 may be packaged by a biocompatible material.
  • the biocompatible material may be, for example, a PMMA (Poly Methyl Methacrylate) material, but is not limited thereto.
  • the inner space of the cylindrical support member 1930 may accommodate a system on chip.
  • the system-on-chip 1920 may represent a single chip in which the processor 1820, the power supply unit 1830, the communication unit 1840, and the measurement unit 1850 described above in FIG. 18 are implemented. However, this is illustrative and not limited thereto, and the system-on-chip 1920 is a chip implemented by integrating at least one of the processor 1820, the power supply 1830, the communication unit 1840, and the measurement unit 1850 May be.

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Abstract

일 실시예에 따른 전자기파를 이용한 바이오 센서는 공진기 조립체, 전력 공급부, 및 프로세서를 포함할 수 있다. 공진기 조립체는 급전 영역의 외곽을 따라 배치되어 상기 급전 영역으로 전력을 피딩 가능한 적어도 하나의 급전선 및 상기 급전 영역 내에 패턴을 따라 배치되고, 용랑성 결합을 통해 상기 급전선으로부터 전력을 수신 가능한 패턴 도선을 포함할 수 있다. 전력 공급부는 상기 공진기 조립체로 전력을 공급할 수 있다. 프로세서는 상기 전력의 주파수가 스윕(sweep)되는 동안, 상기 공진기 조립체의 주변에 존재하는 대상 피분석물의 농도에 대응하는 생체 데이터로서, 상기 공진기 조립체의 공진 주파수와 연관된 파라미터를 획득할 수 있다.

Description

생체 센싱을 위한 공진기 조립체 및 전자기파를 이용한 바이오 센서
이하, 생체 센싱을 위한 공진기 조립체 및 전자기파를 이용한 바이오 센서가 제공된다.
최근 현대인들은 식생활습관 서구화로 인해 당뇨병, 고지혈증, 혈전환자 등 소위 성인 질환으로 고통받는 사람들이 늘고 있다. 이러한 성인 질환의 경중 여부를 알 수 있는 간단한 방법은 혈액 내의 생체 성분 측정이다. 생체 성분 측정은 혈당, 빈혈, 혈액응고 등 혈중에 포함된 여러 가지 성분의 양을 알 수 있어 특정 성분의 수치가 정상 영역에 있는지, 비정상 영역에 있는지 일반인도 병원에 가지 않고 쉽게 이상 여부의 판단이 가능하다는 장점이 있다.
생체 성분 측정의 손쉬운 방법 중 하나는 손가락 끝에서 채혈한 혈액을 테스트 스트립에 주입 후 전기화학적 혹은 광도법을 이용하여 출력신호를 정량 분석하는 것인데, 이러한 방법은 측정기에서 해당 성분량이 디스플레이될 수 있으므로 전문지식이 없는 일반인에게 적합하다.
바이오 센서는 스마트 기기와 결합되어 사용될 수도 있는데, 바이오 센서에 의해 센싱되는 데이터의 오류 여부를 정확하게 판별하는 기술이 요구된다.
일 실시예에 따른 바이오 센서는 전자기파를 이용하여 피분석물의 농도를 센싱할 수 있다.
일 실시예에 따른 바이오 센서는 메타표면을 이용하여 피분석물의 농도를 센싱할 수 있다.
일 실시예에 따른 바이오 센서는 상대 유전율을 이용하여 피분석물의 농도를 센싱할 수 있다.
일 실시예에 따른 공진기 조립체(resonator assembly)는 일면에서 급전 영역의 외곽을 따라 배치되어 상기 급전 영역으로 전력을 피딩 가능한 적어도 하나의 급전선(feeding line); 및 상기 일면에서 상기 급전 영역 내에 패턴을 따라 배치되고, 용랑성 결합을 통해 상기 급전선으로부터 전력을 수신 가능한 패턴 도선(pattern wire)를 포함할 수 있다.
상기 공진기 조립체의 공진 주파수는, 상기 공진기 조립체의 주변에 존재하는 대상 피분석물(target analyte)의 농도에 따라 달라질 수 있다.
공진기 조립체는 상기 일면을 따라 상기 급전 영역 내에 배치되는 폐루프 도선(closed-loop wire)을 더 포함하고, 상기 패턴 도선은, 상기 폐루프 도선에 의해 정의되는 내부 영역에 배치되며, 상기 폐루프 도선을 경유하여 상기 급전선과 용량성 결합을 형성할 수 있다.
상기 폐루프 도선에서 상기 급전선의 일부에 인접한 파트는, 상기 급전선의 일부와 같은 형태로 평행하게 이격되어 배치될 수 있다.
상기 폐루프 도선은, 다각형 및 원형(circular shape) 중 한 형태일 수 있다.
상기 패턴 도선은, 상기 일면에서 상기 적어도 하나의 급전선(feeding line)과 인접하게 배치되어 용량성 결합(capacitive coupling)을 형성하는 제1 결합 부분(first coupling portion); 상기 일면에서 상기 급전선, 폐루프 도선, 및 추가 패턴 도선 중 적어도 하나와 인접하게 배치되어 용량성 결합을 형성하는 제2 결합 부분; 및 상기 일면에서 상기 제1 결합 부분 및 상기 제2 결합 부분을 패턴을 따라 연결하는 연결 부분(connecting portion)을 포함할 수 있다.
상기 연결 부분은, 상기 제1 결합 부분 및 상기 제2 결합 부분을 가로지르는 가상의 선을 기준으로 서로 반대편에 배치되는 제1 파트(first part) 및 제2 파트(second part)를 포함할 수 있다.
상기 제1 파트 및 상기 제2 파트는 상기 제1 결합 부분으로부터 상기 제2 결합 부분까지 교대로 배치될 수 있다.
상기 제1 파트 및 상기 제2 파트는 상기 일면 상에서 점대칭 형상을 가질 수 있다.
상기 연결 부분은, 사인파 형태(sinusoidal shape), 톱니 형태(sawtooth shape), 장방 형태(rectangular shape), 삼각 형태(triangular shape) 중 한 형태의 패턴을 따라 배치될 수 있다.
공진기 조립체는 상기 패턴 도선 및 상기 급전선 중 적어도 하나와 용량성 결합을 형성 가능하게 상기 일면에 배치되는 하나 이상의 추가 패턴 도선을 더 포함할 수 있다.
공진기 조립체는 상기 패턴 도선 및 상기 하나 이상의 추가 패턴 도선은 메타표면(meta surface, MTS)을 형성할 수 있다.
상기 패턴 도선 및 상기 하나 이상의 추가 패턴 도선은, 서로 동일한 형태의 패턴으로 배치될 수 있다.
공진기 조립체는 상기 일면에서 상기 패턴 도선 및 상기 하나 이상의 추가 패턴 도선의 각각을 개별적으로 둘러싸는 복수의 폐루프 도선들을 더 포할 수 있다.
상기 하나 이상의 추가 패턴 도선은, 상기 패턴 도선을 기준으로 일축을 따라 이격되어 배치될 수 있다.
상기 일면은, 원통형 지지 부재(cylindrical support member)의 측면(side)을 따라 배치되는 곡면일 수 있다.
상기 적어도 하나의 급전선은, 상기 일면에 배치되고, 양단에 다른 소자와 연결되는 포트를 포함하는 제1 급전선; 및 상기 일면에서 상기 제1 급전선으로부터 이격되어 배치되고, 양단에 다른 소자와 연결되는 포트를 포함하는 제2 급전선을 포함하고, 상기 급전 영역은, 상기 제1 급전선 및 상기 제2 급전선 사이의 영역일 수 있다.
상기 적어도 하나의 급전선은, 전력을 수신하는 포트를 포함하는 단일 급전선으로 구성되고, 상기 급전 영역은, 상기 단일 급전선에 의해 둘러싸이는 영역일 수 있다.
일 실시예에 따른 전자기파를 이용한 바이오 센서는 급전 영역의 외곽을 따라 배치되어 상기 급전 영역으로 전력을 피딩 가능한 적어도 하나의 급전선 및 상기 급전 영역 내에 패턴을 따라 배치되고, 용랑성 결합을 통해 상기 급전선으로부터 전력을 수신 가능한 패턴 도선을 포함하는 공진기 조립체; 상기 공진기 조립체로 전력을 공급하는 전력 공급부; 및 상기 전력의 주파수가 스윕(sweep)되는 동안, 상기 공진기 조립체의 주변에 존재하는 대상 피분석물의 농도에 대응하는 생체 데이터로서, 상기 공진기 조립체의 공진 주파수와 연관된 파라미터를 획득하는 프로세서를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 바이오 센서는 전자기파를 이용함으로써 사용자의 고통 없이 비침습적으로 피분석물을 센싱할 수 있다.
일 실시예에 따른 바이오 센서는 메타표면을 이용하여 피분석물에 대해 높은 감도로 정확하게 농도를 센싱할 수 있다.
일 실시예에 따른 바이오 센서는, 피분석물의 농도에 상대 유전율이 대응하므로, 공진 주파수를 산출함으로써 낮은 연산 복잡도로 피분석물의 농도를 결정할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 전자기파를 이용한 바이오 센싱 시스템을 도시한다.
도 2, 도 3a 및 도 3b는 일 실시예에 따른 전자기파를 이용한 바이오 센서를 위한 공진기 조립체를 도시한다.
도 4 내지 도 6은 일 실시예에 따른 패턴 도선의 예시들을 도시한다.
도 7 내지 도 12는 일 실시예에 따른 공진기 조립체의 추가적인 예시들을 도시한다.
도 13은 일 실시예에 따른 전자기파를 이용한 바이오 센서의 2포트 예시를 도시한다.
도 14는 일 실시예에 따른 전자기파를 이용한 바이오 센서의 1포트 예시를 도시한다.
도 15 내지 도 17은 일 실시예에 따른 전자기파를 이용한 바이오 센서의 산란 파라미터 및 대상 피분석물 농도 간의 관계를 설명한다.
도 18은 일 실시예에 따른 전자기파를 이용한 바이오 센서의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 19는 일 실시예에 따른 전자기파를 이용한 바이오 센서의 예시적인 어플리케이션을 도시한다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 전자기파를 이용한 바이오 센싱 시스템을 도시한다.
일 실시예에 따른 전자기파를 이용한 바이오 센싱 시스템(100)은 바이오 센서(110) 및 외부 장치(120)를 포함할 수 있다.
바이오 센서(110)는 전자기파를 이용하여 대상 피분석물(target analyte)(193)을 센싱하는 센서일 수 있다. 대상 피분석물(193)은 생체(living body)와 연관된 물질(material)로서, 생체 물질(analyte)이라고도 나타낼 수 있다. 참고로, 본 명세서에서 대상 피분석물(193)은 주로 혈당으로 설명하였으나, 이로 한정하는 것은 아니다.
바이오 센서(110)는 피부(191) 아래의 피하층(192)에 삽입 및/또는 이식(implanted)될 수 있다. 피하에 이식된 바이오 센서(110)는 혈관(194) 및 피하층(192)에 존재하는 대상 피분석물(193)을 전자기파를 이용하여 모니터링할 수 있다. 예를 들어, 바이오 센서(110)는 후술하는 공진기 조립체의 공진 주파수와 연관된 파라미터를 측정할 수 있다. 본 명세서에서 파라미터는 바이오 센서를 해석하기 위해 사용되는 회로망 파라미터(circuit network parameter)를 나타낼 수 있고, 아래에서는 설명의 편의를 위해 주로 산란 파라미터를 예로 들어 설명하나 이로 한정하는 것은 아니다. 파라미터로서 예를 들어, 어드미턴스 파라미터, 임피던스 파라미터, 하이브리드 파라미터, 및 전송 파라미터 등이 사용될 수도 있다. 공진기 조립체의 공진 주파수는, 공진기 조립체의 주변에 존재하는 대상 피분석물(193)의 농도에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 공진 주파수는 하기 수학식 1과 같이 공진기 조립체의 커패시턴스 및 인덕턴스로 표현될 수 있다.
[수학식 1]
Figure PCTKR2020006304-appb-img-000001
상술한 수학식 1에서 f는 공진기 조립체의 공진 주파수, L은 공진기 조립체의 인덕턴스, C는 공진기 조립체의 커패시턴스를 나타낼 수 있다. 공진기 조립체의 커패시턴스 C는 아래 수학식 2와 같이 상대 유전율(relative dielectric constant)
Figure PCTKR2020006304-appb-img-000002
에 비례할 수 있다.
[수학식 2]
Figure PCTKR2020006304-appb-img-000003
공진기 조립체의 상대 유전율은 주변의 대상 피분석물(193)의 농도에 의해 영향을 받을 수 있다. 대상 피분석물(193)의 농도 변화에 따라 공진기 조립체의 상대 유전율이 변하므로, 공진기 조립체의 공진 주파수도 함께 변화한다. 따라서, 일 실시예에 따른 전자기파를 이용한 바이오 센싱 시스템(100)은 바이오 센서(110)의 공진기 조립체의 공진 주파수에 기초하여 대상 피분석물(193)의 농도를 결정할 수 있다.
참고로, 일 실시예에 따른 공진기 조립체는 대상 피분석물(193)의 센싱을 위해 설계될 수 있다. 예를 들어, 도 2 및 도 3a에서 후술하는 구조의 공진기 조립체는, 대상 피분석물(193)의 농도 변화에 따라 변화하는 공진 주파수에 대해 상대적으로 높은 Q 팩터(Q-factor)를 가질 수 있다. 다시 말해, 대상 피분석물(193)의 농도 변화에 따른 공진 주파수 변화 범위 내에서, 공진기 조립체의 산란 파라미터(scattering parameter)(이하, 'S 파라미터')에 대응하는 주파수 응답 특성(frequency response characteristic)이 상대적으로 뾰족(sharp)한 곡선을 나타낼 수 있다. 공진기 조립체는 대상 피분석물(193)의 농도 변화에 따른 상대 유전율 변화에 대해 높은 민감도를 나타낼 수 있다. 따라서, 일 실시예에 따른 바이오 센서(110)는 공진기 조립체의 공진 주파수를 정확하게 결정할 수 있고, 더 나아가 공진 주파수에 대응하는 대상 피분석물(193)의 농도도 정확하게 추정할 수 있다.
예를 들어, 대상 피분석물(193)이 혈당(glucose)인 경우 공진기 조립체는 아래 표 1과 같은 상세(specification)를 가지도록 설계될 수 있다. 다만, 이는 순전히 예시적인 것으로서, 이로 한정하는 것은 아니다.
파라미터 최소값 전형적인 값 최대값 단위 대상 물질/ 대상 범위
동작 주파수 대역(Operating frequency Band) 2.0 2.45 3.0 GHz 혈당
공진 피크 (Resonant peak)(S11)(Typical) -30 dB 혈당
유전율에 대한 감도(Sensitivity) 4 MHz @ per100㎎/㎗
MARD (Mean Absolute Relative Deviation) 8.5 %
일 실시예에 따른 전자기파를 이용한 바이오 센서(110)는 외부 장치(120)와 무선으로 통신을 수립할 수 있다. 바이오 센서(110)는 대상 피분석물(193)의 농도에 대응하는 생체 데이터를 획득 및 수집할 수 있고, 생체 데이터를 외부 장치(120)로 전송할 수 있다. 생체 데이터는 대상 피분석물(193)의 농도 및/또는 양과 관련된 데이터로서, 예를 들어, 상술한 바와 같이 공진기 조립체의 공진 주파수와 연관된 파라미터일 수 있다. 다만, 이로 한정하는 것은 아니고, 생체 데이터는 피분석물의 농도에 대응하는 공진 주파수, 공진 주파수를 산출하기 위한 산란 파라미터, 및 산란 파라미터에 대응하는 주파수 응답 특성 등을 포함할 수도 있다. 바이오 센서(110)는 무선 통신을 통해 외부 장치(120)로 생체 데이터를 전송할 수 있다. 더 나아가, 바이오 센서(110)는 외부 장치(120)로부터 전력을 무선으로 공급 받을 수 있다. 바이오 센서(110)는 무선 전송된 전력을 이용하여 생체 데이터를 모니터링할 수 있다.도 2, 도 3a 및 도 3b는 일 실시예에 따른 전자기파를 이용한 바이오 센서를 위한 공진기 조립체를 도시한다.
도 2는 예시적인 공진기 조립체(210)를 도시한다.
일 실시예에 따른 공진기 조립체(210)는 급전선(211)(feeding line), 폐루프 도선(213)(closed loop wire), 및 패턴 도선(212)(pattern wire)을 포함할 수 있다.
급전선(211)은 일면(250)에서 급전 영역의 외곽을 따라 배치되어 급전 영역으로 전력을 피딩 가능한 도선(conducting wire)을 나타낼 수 있다. 일면(250)에서 급전선(211) 내부의 영역을 급전 영역이라고 나타낼 수 있다. 공진기 조립체(210)는 적어도 하나의 급전선(211)을 포함할 수 있고, 도 2는 공진기 조립체(210)가 2개의 급전선(211)들을 포함하는 예시를 도시한다. 급전선(211)들이 2개인 경우, 급전선(211)들 사이의 영역이 급전 영역일 수 있다. 도 2에서는 두 급전선(211)들이 각각 상측에 제1 포트(291), 하측에 제2 포트(292)를 가지는 2 포트 구조가 도시되었다. 다만, 이로 한정하는 것은 아니고, 1 포트 구조의 예시는 하기 도 14에서 설명한다.
폐루프 도선(213)은 일면(250)을 따라 급전 영역 내에 배치될 수 있다. 폐루프 도선(213)에 의해 정의되는 내부 영역 내에 후술하는 패턴 도선(212)이 배치될 수 있다. 폐루프 도선(213)은, 다각형(예를 들어, 사각형(rectangular shape)) 및 원형(circular shape) 중 한 형태일 수 있다. 도 2에서는 사각형인 예시를 설명한다. 폐루프 도선(213)은 급전선(211)과 용량성 결합을 형성하고, 급전선(211)으로부터 전력을 급전받을 수 있다. 폐루프 도선(213)에서 급전선(211)의 일부에 인접한 파트(213a, 213b)는, 급전선(211)의 일부와 같은 형태로 평행하게 이격되어 배치될 수 있다. 폐루프 도선(213)은 소형화된 폼 팩터 내에서도 임피던스 매칭을 제공할 수 있다. 따라서 폐루프 도선(213)이 없는 경우에 목표 공진 주파수(예를 들어, 대상 피분석물에 대응하는 공진 주파수)를 달성하기 위해 요구되는 면적보다, 폐루프 도선(213)을 갖는 공진기 조립체(210)는 보다 적은 면적으로 목표 공진 주파수를 나타낼 수 있다.
패턴 도선(212)은 일면(250)에서 급전 영역 내에 패턴을 따라 배치되고, 용랑성 결합을 통해 급전선(211)으로부터 전력을 수신 가능한 도선을 나타낼 수 있다. 패턴 도선(212)은 패턴에 따른 인덕턴스 성분을 나타낼 수 있다. 패턴 도선(212)은 급전선(211)과 용량성 결합을 형성할 수 있다. 예를 들어, 패턴 도선(212)의 파트들(212a, 212b)은 각각 급전선(211)에서 인접한 파트들(211a, 211b)와 용량성 결합을 형성할 수 있다. 또한, 패턴 도선(212)은 폐루프 도선(213)을 경유하여 급전선(211)과 용량성 결합을 형성할 수 있다. 예를 들어, 패턴 도선(212)의 파트들(212a, 212b)는 각각 폐루프 도선(213)에서 인접한 파트들(213a, 213b)과 용량성 결합을 형성할 수 있다. 패턴 도선(212)의 다양한 형태는 하기 도 4 내지 도 6에서 설명한다.
참고로, 도 2에 도시된 예시적인 공진기 조립체(210) 구조는 높이 h=26mm, 폭 w=14mm로 설계될 수 있으나, 이로 한정하지는 않는다. 또한, 도 2에 도시된 공진기 조립체(210)가 배치되는 일면(250)이 평면으로 도시되었으나, 이로 한정하는 것은 아니다. 아래 도 3a에서는 공진기 조립체(210)가 곡면에 배치되는 예시를 설명한다.
도 3a 및 도 3b는 공진기 조립체가 배치되는 일면이 곡면으로서 원통의 측면을 따라 배치되는 예시를 설명한다.
도 3a에 도시된 공진기 조립체(310)는 도 2에 도시된 공진기 조립체(210)와 동일한 구조이고, 곡면(350)을 따라 배치될 수 있다. 공진기 조립체(310)의 표면전류분포(390)도 함께 도시된다. 표면전류분포(390)의 단위는 A/m로 표시된다. 공진기 조립체(310) 및 표면전류분포(390)에서, 공진기 조립체(310)의 길이축이 y축으로 도시되었다. 원통형 구조에서도 공진기 조립체(310)는 주변의 대상 피분석물의 농도에 대해 높은 감도로 공진 주파수가 변화할 수 있다. 도 3a에 도시된 원통형 공진기 조립체(310)의 높이 h=26mm, 원통의 직경 d=3.96mm로서 도 2에 도시된 평면형 공진기 조립체(210)보다 작은 폼 팩터(form factor)를 가질 수 있다.
도 3b는 도 3a에 도시된 공진기 조립체(310)에서 각 도선 간의 간격에 따른 공진 주파수 변화 및 Q 팩터(Q-factor) 변화를 도시한다.
공진기 조립체(310)는, 패턴 도선에서 반복되어 나타나는 패턴 및 폐루프 도선에 의해, 임피던스 성분(예를 들어, 저항 성분 및 커패시턴스 성분)을 가질 수 있고, 임피던스 성분에 따라 공진주파수가 결정될 수 있다. 또한, 공진기 조립체(310)가 복수의 폐루프 도선 중 임의의 한 폐루프 도선이 하나 이상의 폐루프 도선을 포함할 경우, 다중공진 현상이 발생할 수 있다.
패턴 도선 및 폐루프 도선의 간격에 의해 커패시턴스가 증가 또는 감소할 수 있고, 각 도선의 두께, 폭, 높이, 및 길이 등에 의해 저항이 증가 또는 감소할 수 있다. 커패시턴스 및 저항에 따라 공진기 조립체(310)의 Q 팩터도 결정될 수 있다. 아래에서는 도선 간 간격에 따른 커패시턴스 변화 및 그에 따른 공진 주파수 변화를 설명한다.
일 실시예에 따르면, 공진기 조립체(310)의 커패시턴스는 각 도선 간의 간격에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 곡면(350)을 따라 배치된 공진기 조립체(310)에서, 제1 급전선 중 길이 방향(예를 들어, y축 방향)에 대응하는 부분 및 제2 급전선 중 길이 방향에 대응하는 부분 간의 간격(303)(이하, '급전선 간 간격')에 따라 공진기 조립체(310)의 커패시턴스가 달라질 수 있다. 급전선 간 간격(303)이 감소하면, 공진기 조립체(310)의 커패시턴스가 증가할 수 있다. 따라서 수학식 1에 따라 급전선 간 간격(303)의 감소에 의해, 공진기 조립체(310)의 공진 주파수가 낮아지고, Q 팩터는 높아질 수 있다. 다시 말해, 공진기 조립체(310)의 공진 주파수에서의 주파수 응답 특성이 뾰족(sharp)해질 수 있다. 예시적으로 도 3b에서는 급전선 간 간격(303)이 제1 간격인 경우의 주파수 응답 특성에 따른 제1 공진 지점(393a), 제2 간격인 경우의 주파수 응답 특성에 따른 제2 공진 지점(393b), 및 제3 간격인 경우의 주파수 응답 특성에 따른 제3 공진 지점(393c)을 도시한다. 제3 간격은 제2 간격보다 좁고, 제2 간격은 제1 간격보다 좁을 수 있다. 제3 공진 지점(393c)의 공진 주파수는 제2 공진 지점(393b)의 공진 주파수보다 낮고, 제2 공진 지점(393b)의 공진 주파수는 제1 공진 지점(393a)의 공진 주파수보다 낮을 수 있다. 더 나아가, 제1 공진 지점(393a)으로부터 제3 공진 지점(393c)까지 각 공진 지점에서 감쇄 정도가 증가하는 바, 간격 감소에 의해 Q 팩터가 증가하는 것이 도시된다. 반대로, 급전선 간 간격(303)의 증가에 의해, 공진기 조립체(310)의 공진 주파수가 증가하고, Q 팩터는 낮아질 수 있다.
도 3b에서는 주로 급전선 간 간격에 따른 공진 주파수 및 Q 팩터 변화를 설명하였으나, 다른 도선 간 간격에 의해서도 공진 주파수 및 Q 팩터가 달라질 수 있다. 예를 들어, 패턴 도선 및 폐루프 도선 간의 간격(301)과 급전선 및 폐루프 도선 간의 간격(302)에 의해서도 공진 주파수 및 Q 팩터가 달라질 수 있다. 감소된 간격들(301, 302, 303)을 갖는 공진기 조립체(310)는 감소된 공진 주파수 및 증가된 Q 팩터를 나타낼 수 있다. 반대로, 증가된 간격들(301, 302, 303)을 갖는 공진기 조립체(310)는 증가된 공진 주파수 및 감소된 Q 팩터를 나타낼 수 있다.
아울러, 도 3a에 도시된 원통형 공진기 조립체(310)의 도선 간 간격에 따른 공진 주파수 변화를 설명하였으나, 이로 한정하는 것은 아니고, 도 2에 도시된 공진기 조립체(210)에서도 원통형 공진기 조립체(310)와 유사하게 도선 간 간격에 따라 공진 주파수가 변화할 수 있다.
도 4 내지 도 6은 일 실시예에 따른 패턴 도선의 예시들을 도시한다.
도 4는 사인파 형태의 패턴을 갖는 패턴 도선(420)을 설명한다.
패턴 도선(420)은 제1 결합 부분(421)(first coupling portion), 제2 결합 부분(422)(second coupling portion), 및 연결 부분(423)(connecting portion)을 포함할 수 있다.
제1 결합 부분(421) 및 제2 결합 부분(422)은 패턴 도선(420)에서 다른 도선과 용량성 결합을 형성하는 부분을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 제1 결합 부분(421)은 일면에서 적어도 하나의 급전선(feeding line)과 인접하게 배치되어 용량성 결합(capacitive coupling)을 형성할 수 있다. 제2 결합 부분(422)은 일면에서 급전선, 폐루프 도선, 및 추가 패턴 도선 중 적어도 하나와 인접하게 배치되어 용량성 결합을 형성할 수 있다. 추가 패턴 도선은 기본 패턴 도선에 더하여 추가로 배치되는 패턴 도선으로서, 하기 도 9 내지 도 11에서 설명한다. 추가 패턴 도선의 제1 결합 부분 및 제2 결합 부분은 다른 패턴 도선과 용량성 결합을 형성할 수도 있다.
예를 들어, 제1 결합 부분(421)은, 급전선에서 제1 결합 부분(421)에 인접한 파트의 형상과 동일한 형상을 가지고, 인접한 파트로부터 평행하게 이격될 수 있다. 다른 예를 들어, 제1 결합 부분(421)은, 패턴 도선이 폐루프 도선 내의 영역에 배치되는 경우, 폐루프 도선에서 제1 결합 부분(421)에 인접한 파트의 형상과 동일한 형상을 가지고, 인접한 파트로부터 평행하게 이격될 수 있다. 제2 결합 부분(422)은, 급전선, 폐루프 도선, 및 추가 패턴 도선 중 인접하게 배치된 도선에서 제2 결합 부분(422)에 인접한 파트의 형상과 동일한 형상을 가지고, 인접한 파트로부터 평행하게 이격될 수 있다.
연결 부분(423)은 일면에서 제1 결합 부분(421) 및 제2 결합 부분(422)을 패턴을 따라 연결할 수 있다. 예를 들어, 연결 부분(423)은, 제1 결합 부분(421) 및 제2 결합 부분(422)을 가로지르는 가상의 선(490)을 기준으로 서로 반대편에 배치되는 제1 파트(first part)(491) 및 제2 파트(second part)(492)를 포함할 수 있다. 제1 파트(491) 및 제2 파트(492)는 제1 결합 부분(421)으로부터 제2 결합 부분(422)까지 교대로 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 파트(491) 및 제2 파트(492)는 일면 상에서 점대칭 형상을 가질 수 있다. 도 4에 도시된 패턴 도선(420)은 사인파 형태로서 제1 파트(491) 및 제2 파트(492)는 곡선부를 포함할 수 있다. 연결 부분(423)의 패턴에 따라 공진기 조립체는 인덕턴스 성분을 가질 수 있다. 이 때, 연결 부분(423)은 급전선, 폐루프 도선, 및 다른 패턴 도선과의 용량성 결합이 방지되도록, 급전선, 폐루프 도선, 및 다른 패턴 도선으로부터 이격될 수 있다.
연결 부분(423)의 패턴을 도 4에 도시된 바로 한정하는 것은 아니고, 연결 부분(423)은 사인파 형태(sinusoidal shape), 톱니 형태(sawtooth shape), 장방 형태(rectangular shape), 삼각 형태(triangular shape) 중 한 형태의 패턴을 따라 배치될 수 있다.
도 5는 삼각 형태의 패턴을 따르는 패턴 도선을 설명한다.
패턴 도선(520)의 제1 결합 부분(521), 제2 결합 부분(522), 가상의 선(590)은 도 4와 동일하므로 설명을 생략한다. 삼각 형태의 패턴을 따르는 패턴 도선(520)은 가상의 선(590)과 교차하는 직선부들(591, 592)을 포함할 수 있다.
도 6은 장방 형태의 패턴을 따르는 패턴 도선을 설명한다.
패턴 도선(620)의 제1 결합 부분(621), 제2 결합 부분(622), 가상의 선(690)은 도 4와 동일하므로 설명을 생략한다. 장방 형태의 패턴을 따르는 패턴 도선(620)은 가상의 선(690)과 평행하면서 가상의 선(690)을 기준으로 서로 반대편에 배치되는 직선부들(691, 692)을 포함할 수 있다.
도 7 내지 도 12는 일 실시예에 따른 공진기 조립체의 추가적인 예시들을 도시한다.
도 7은 폐루프 도선이 없는 공진기 조립체의 예시를 설명한다.
일 실시예에 따른 공진기 조립체(700)는 폐루프 도선 없이 급전선 및 패턴 도선(720)을 포함할 수 있다. 도 7에서 2개의 급전선들(711, 712)은 급전 영역(719)을 정의할 수 있고, 2개의 급전선들(711, 712)의 각각은 급전 영역(719)의 외곽의 적어도 일부를 따라 배치될 수 있다.
패턴 도선(720)의 결합 부분들(721, 722)은 급전선과 용량성 결합을 형성할 수 있다. 예를 들어, 패턴 도선(720)의 제1 결합 부분(721)은 제1 급전선(711)의 파트(711a)와 용량성 결합을 형성하고, 패턴 도선(720)의 제2 결합 부분(722)은 제2 급전선(712)의 파트(712a)와 용량성 결합을 형성할 수 있다. 참고로, 도 7에서 제1 급전선(711)과 제2 급전선(712)으로 분리된 2포트 예시를 설명하였으나, 이로 한정하는 것은 아니고 제1 급전선(711) 및 제2 급전선(712) 대신 단일 급전선으로 구현될 수도 있다.
도 8은 다르게 정렬된 패턴 도선 및 하나 이상의 폐루프 도선을 포함하는 공진기 조립체를 설명한다.
일 실시예에 따른 공진기 조립체(800)에서 패턴 도선(820)은 급전선에 대해 다양하게 정렬될 수 있다. 예를 들어, 도 1 내지 도 7에서 패턴 도선(820)의 결합 부분들은 급전선의 포트들 사이의 도선에 인접하게 배치되었으나, 도 8에 도시된 패턴 도선(820)의 결합 부분들은 급전선의 포트들에 인접하게 배치될 수 있다.
또한, 공진기 조립체(800)는 하나 이상의 폐루프 도선을 포함할 수 있다. 예를 들어, 급전선들(811, 812)에 의해 정의되는 급전 영역 내에 복수의 폐루프 도선이 배치될 수 있다. 복수의 폐루프 도선들(831, 832) 중 적어도 한 폐루프 도선은 다른 폐루프 도선에 의해 정의되는 내부 영역에 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 8에서 제1 폐루프 도선(831)은 일면에서 급전 영역 내에 배치되고, 제2 폐루프 도선(832)은 제1 폐루프 도선(831)에 의해 정의되는 내부 영역에 배치될 수 있다. 패턴 도선(820)은 제2 폐루프 도선(832)에 의해 정의되는 내부 영역에 배치될 수 있다.
일 실시예에 따르면 공진기 조립체는 추가 패턴 도선을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 추가 패턴 도선은 패턴 도선 및 급전선 중 적어도 하나와 용량성 결합을 형성 가능하게 일면에 배치될 수 있다.
도 9는 추가 패턴 도선(922)이 급전선과 용량성 결합을 형성 가능하게 배치된 예시를 설명한다. 공진기 조립체(900)는 기본 패턴 도선(921)에 더하여 추가 패턴 도선(922)을 더 포함할 수 있다. 공진기 조립체(900)는 급전선들(910)에 의해 정의되는 급전 영역 내에 배치되는 폐루프 도선(930)을 포함할 수 있다. 폐루프 도선(930)에 의해 정의되는 영역 내에 기본 패턴 도선(921) 및 추가 패턴 도선(922)이 배치될 수 있다. 추가 패턴 도선(922) 및 기본 패턴 도선(921)은 서로 병렬적으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 추가 패턴 도선(922)은, 기본 패턴 도선(921)의 제1 결합 부분 및 제2 결합 부분을 가로지르는 제1 축(901)에 수직하는 제2 축(902)을 따라, 기본 패턴 도선(921)으로부터 이격되어 배치될 수 있다. 아울러, 도 9에서 추가 패턴 도선(922)은 1개만 도시되었으나, 이로 한정하는 것은 아니고, 하나 이상의 추가 패턴 도선(922)이 급전 영역 내에 배치될 수 있다.
도 10은 다른 패턴 도선과 용량성 결합을 이루는 추가 패턴 도선의 예시를 설명한다. 예를 들어, 제2 패턴 도선(1022)은 일면에서 제2 축(1002)을 따라 제1 패턴 도선(1021)으로부터 이격되어 배치될 수 있다. 제3 패턴 도선(1023)은 일면에서 제1 축(1001)을 따라 제1 패턴 도선(1021)으로부터 이격되어 배치될 수 있다. 제4 패턴 도선(1024)은 제1 축(1001)을 따라 제2 패턴 도선(1022)으로부터 이격되어 배치될 수 있다. 제1 패턴 도선(1021) 및 제3 패턴 도선(1023)은 직접 또는 다른 추가 패턴 도선을 경유하여 용량성 결합을 형성할 수 있다. 제2 패턴 도선(1022) 및 제4 패턴 도선(1024)은 직접 또는 다른 추가 패턴 도선을 경유하여 용량성 결합을 형성할 수 있다. 도 10에서는 4개의 패턴 도선만 도시되었으나, 이로 한정하는 것은 아니다. 제1 축(1001)을 따라 n개의 패턴 도선들이 이격되어 배치되고, 제2 축(1002)을 따라 m개의 패턴 도선들이 이격되어 배치될 수 있다. 따라서, 공진기 조립체(1000)는 nХm개의 패턴 도선들을 포함할 수 있다. 여기서, n, m은 1이상의 정수일 수 있다.
아울러, 도 10은 급전선(1010)에 의해 정의되는 영역 내에 단일 폐루프 도선(1030)만 도시되었으나, 이로 한정하는 것은 아니다. 공진기 조립체(1000)는 급전 영역 내에 하나 또는 복수의 폐루프 도선을 포함할 수 있고, 각 폐루프 도선은 내부에 하나 또는 복수의 패턴 도선을 포함할 수 있다. 아래 도 10은 복수의 폐루프 도선들(1131, 1132, 1133, 1134) 각각이 단일 패턴 도선을 포함하는 예시를 설명한다.
도 11은 도 10에 도시된 구조에서, 개별 패턴 도선을 감싸는 폐루프 도선들(1131, 1132, 1133, 1134)을 포함하는 예시적인 구조를 설명한다. 일 실시예에 따르면 공진기 조립체(1100)는 급전선(1110)에 의해 정의되는 급전 영역 내에 복수의 폐루프 도선들(1131, 1132, 1133, 1134)을 포함할 수 있다. 복수의 폐루프 도선들(1131, 1132, 1133, 1134)은 일면에서 패턴 도선(1121) 및 하나 이상의 추가 패턴 도선(1122, 1123, 1124)의 각각을 개별적으로 둘러쌀 수 있다.
도 10 및 도 11에서 패턴 도선 및 하나 이상의 추가 패턴 도선은, 서로 동일한 형태의 패턴으로 배치될 수 있다. 이 때, 패턴 도선 및 하나 이상의 추가 패턴 도선은 메타표면(meta surface, MTS)을 형성할 수 있다.
앞에서는 사각형의 급전 영역을 주로 설명하였으나, 이로 한정하는 것은 아니다.
도 12는 원형의 급전 영역을 갖는 공진기 조립체(1200)를 설명한다. 급전선들(1211, 1212)은 원형의 급전 영역의 외곽을 따라 배치될 수 있다. 폐루프 도선(1230)은 급전 영역의 형태에 맞춰 원형으로 구성될 수 있다. 패턴 도선(1220)은 원형의 급전 영역 내에 배치될 수 있다. 이 때, 패턴 도선(1220)의 결합 부분들은 급전선들(1211, 1212) 및 폐루프 도선(1230)의 형태에 대해 평행하게 이격될 수 있고, 원주의 일부인 형태로 구성될 수 있다.
도 13은 일 실시예에 따른 전자기파를 이용한 바이오 센서의 2포트 예시를 도시한다.
일 실시예에 따른 공진기 조립체(1310)는 2포트로 구현될 수 있다. 예를 들어, 제1 급전선은 일면에 배치되고, 양단에 다른 소자와 연결되는 포트를 포함할 수 있다. 제2 급전선은 일면에서 제1 급전선으로부터 이격되어 배치되고, 양단에 다른 소자와 연결되는 포트를 포함할 수 있다. 급전 영역은, 제1 급전선 및 제2 급전선 사이의 영역일 수 있다.
일 실시예에 따른 바이오 센서(1300)는 2포트로 구현된 공진기 조립체(1310)를 이용하여 생체 데이터를 센싱할 수 있다.
측정부(1330)는 공진기 조립체(1310)에 주파수를 갖는 신호를 인가하면서, 공진기 조립체(1310)의 주파수 응답 특성을 측정할 수 있다. 예를 들어, 측정부(1330)는 발진 주파수를 조절 가능한 발진 회로 및 공진기 조립체(1310)에 입출력되는 전압, 전류, 전력, 및 신호 파형 등을 검출하는 신호 검출 회로를 포함할 수 있다. 다만, 측정부(1330)의 회로 구성을 상술한 바로 한정하는 것은 아니고, 설계에 따라 달라질 수 있다.
일 실시예에 따르면 바이오 센서(1300)의 측정부(1330)는 공진기 조립체(1310)에 인가되는 전력의 주파수를 스윕(sweep)할 수 있다. 측정부(1330)는 미리 결정된 대상 주파수 범위(target frequency range) 내에서 주파수를 변경함으로써, 전력의 주파수를 스윕할 수 있다. 측정부(1330)는 대상 주파수 범위의 하한(lower limit)로부터 상한(upper limit)까지 전력 주파수를 순차적으로 증가시키거나, 대상 주파수 범위의 상한으로부터 하한까지 전력 주파수를 순차적으로 감소시킬 수 있다. 피분석물이 혈당인 경우, 대상 주파수 범위는, 예를 들어, 2.54 GHz를 포함하는 범위로서, 2GHz부터 3.6GHz 까지의 범위일 수 있다. 다만, 이로 한정하는 것은 아니고, 5.8GHz를 포함하는 범위일 수도 있다. 대상 주파수 범위는 피분석물의 종류에 따라 다르게 설정될 수도 있다. 다만, 이는 예시적인 것으로서, 주파수 스윕을 이로 한정하는 것은 아니고, 다양한 방식이 사용될 수 있다.
바이오 센서(1300)의 측정부(1330)는, 공진기 조립체(1310)에 인가되는 전력의 주파수가 스윕되는 동안, 공진기 조립체(1310)의 주파수 특성과 관련된 정보(예를 들어, 주파수 응답 특성 및 공진 주파수 등)를 측정할 수 있다. 예를 들어, 측정부(1330)는 전압 센서로서 공진기 조립체(1310)의 제1 포트로 입출력되는 전압(V 1 +, V 1 -) 및 제2 포트로 입출력되는 전압(V 2 +, V 2 -)을 측정할 수 있다. 바이오 센서(1300)의 프로세서(미도시됨)는 제1 포트 및 제2 포트로 입출력되는 전압에 기초하여 산란 파라미터를 결정할 수 있다. 프로세서(미도시됨)은 주파수 스윕 동안 산란 파라미터를 수집하고, 수집된 산란 파라미터에 기초하여 공진기 조립체(1310)의 공진 주파수를 결정할 수 있다. 산란 파라미터는 예를 들어 1번 포트에서 입력된 전압 및 출력된 전압의 비를 나타내는 S 11 파라미터 및 1번 포트에서 입력된 전압 및 2번 포트에서 출력된 전압의 비를 나타내는 S 21 파라미터 등을 포함할 수 있다. 산란 파라미터에 대응하는 응답 특성은 하기 도 15 및 도 16에서 설명한다.
앞서 설명한 바와 같이, 혈관(1394)의 혈액에 포함된 피분석물(1393)의 농도에 따라, 피하층(1392)에서 공진기 조립체(1310)와 연관된 상대 유전율이 변화할 수 있다. 따라서 바이오 센서(1300)는 산란 파라미터에 기초하여 공진 주파수를 결정함으로써 피분석물의 농도를 추정할 수 있다. 다만, 이로 한정하는 것은 아니고, 바이오 센서(1300)는 주파수 스윕 동안 산란 파라미터만 생체 데이터로서 수집하고, 수집된 산란 파라미터를 외부 장치로 전송할 수도 있다. 이 때, 외부 장치는 수신된 산란 파라미터에 기초하여 공진 주파수를 결정하고, 공진 주파수에 대응하는 피분석물의 농도를 결정할 수 있다.
도 14는 일 실시예에 따른 전자기파를 이용한 바이오 센서의 1포트 예시를 도시한다.
일 실시예에 따른 공진기 조립체(1410)는 1포트로 구현될 수 있다. 예를 들어, 공진기 조립체(1410)에서 적어도 하나의 급전선은, 전력을 수신하는 포트를 포함하는 단일 급전선으로 구성될 수 있다. 이 때, 급전 영역은, 단일 급전선에 의해 둘러싸이는 영역일 수 있다.
프로세서는, 측정부(1430)로부터 공진기 조립체(1410)로 인가되는 전력의 주파수가 스윕되는 동안, 측정부(1430)는 1포트로 구현된 공진기 조립체(1410)에 대해 제1 포트로 입출력되는 전압을 측정할 수 있다. 프로세서는 1포트로 입출력되는 전압에 기초하여 S 11 파라미터를 산출할 수 있다. 프로세서는 측정부(1430)로부터 주파수 스윕 동안 S 11 파라미터에 대응하는 주파수 응답 특성을 획득할 수 있다. 프로세서는 주파수 응답 특성에 기초하여 공진기 조립체(1410)의 공진 주파수를 결정할 수 있다. 바이오 센서(1400)는 산란 파라미터, 산란 파라미터에 대응하는 주파수 응답 특성, 공진 주파수, 공진 주파수에 대응하는 피분석물 농도 중 적어도 하나를 생체 데이터로서 외부 장치로 출력할 수 있다.
도 15 내지 도 17은 일 실시예에 따른 전자기파를 이용한 바이오 센서의 산란 파라미터 및 대상 피분석물 농도 간의 관계를 설명한다.
도 15는 상대 유전율 별 S 11 파라미터의 주파수 응답 특성 곡선(1500)을 나타낼 수 있다. 주파수 응답 특성 곡선(1500)의 세로 축은 반사 손실로서 단위는 dB이고, 가로 축은 주파수로서 단위는 GHz이다. 주파수 응답 특성 곡선(1500)에서 반사 손실(return loss)이 최소가 되는 주파수가 공진 주파수일 수 있다. 예를 들어, 바이오 센서가 산란 파라미터 중 S 11 파라미터를 모니터링하는 경우, 바이오 센서는 대상 주파수 범위 내에서 S 11 파라미터가 최소인 주파수를 검색하고, 검색된 주파수를 공진 주파수로 결정할 수 있다.
도 16은 S 21 파라미터의 주파수 응답 특성(1600)을 나타낼 수 있다. 주파수 응답 특성(1600)에서 세로 축은 산란 파라미터의 세기(magnitude)로서 단위는 dB이고, 가로 축은 주파수로서 단위는 GHz이다. 주파수 응답 특성(1600)에서는 최대 세기를 나타내는 주파수가 공진 주파수일 수 있다. 예를 들어, 바이오 센서가 산란 파라미터 중 S 21 파라미터를 모니터링하는 경우, 바이오 센서는 대상 주파수 범위 내에서 S 21 파라미터가 최대인 주파수를 검색하고, 검색된 주파수를 공진 주파수로 결정할 수 있다.
도 17은 상대 유전율 변화에 따른 공진 주파수 변화를 도시한 그래프(1700)이다. 그래프(1700)에서 세로 축은 S 11 파라미터로서 단위는 dB이고, 가로 축은 주파수로서 단위는 GHz이다. 그래프(1700)는 혈당 값 별로 주파수 변화에 따른 S11 파라미터의 곡선을 포함할 수 있다. 혈당 값이 100mg/dL, 150mg/dL, 200mg/dL, 및 300mg/dL로 증가할수록, S 11 파라미터가 최소 값인 공진 주파수가 증가하는 것이 도시된다. 혈당 농도 별로 공진 조립체의 공진 주파수가 미리 산출되어 매핑될 수 있다. 혈당 농도 및 공진 주파수 간의 관계는 매핑 테이블(예를 들어, 룩업테이블(lookup table, LUT))에 저장될 수 있다. 바이오 센서는 공진 주파수에 대응하는 피분석물 농도를 룩업테이블로부터 결정할 수도 있다.
도 18은 일 실시예에 따른 전자기파를 이용한 바이오 센서의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다.
일 실시예에 따른 전자기파를 이용한 바이오 센서(1800)는 공진기 조립체(1810), 프로세서(1820), 전력 공급부(1830), 통신부(1840), 및 측정부(1850)를 포함할 수 있다.
공진기 조립체(1810)는 급전 영역의 외곽을 따라 배치되어 급전 영역으로 전력을 피딩 가능한 적어도 하나의 급전선 및 급전 영역 내에 패턴을 따라 배치되고, 용랑성 결합을 통해 급전선으로부터 전력을 수신 가능한 패턴 도선을 포함할 수 있다. 공진기 조립체(1810)는 도 2 내지 도 12에서 상술하였으므로 자세한 설명을 생략한다.
프로세서(1820)는, 공진기 조립체(1810)로 공급되는 전력의 주파수가 스윕(sweep)되는 동안, 공진기 조립체(1810)의 주변에 존재하는 대상 피분석물의 농도에 대응하는 생체 데이터로서, 공진기 조립체(1810)의 공진 주파수와 연관된 파라미터를 획득할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(1820)는 측정부(1850)에 의해 공진기 조립체(1810)로 공급되는 신호의 주파수가 대상 주파수 범위 내에서 스윕되는 동안, 개별 주파수에 대해 산란 파라미터를 수집할 수 있다. 프로세서(1820)는 수집된 산란 파라미터에 기초하여 공진 주파수를 결정할 수 있다. 프로세서(1820)는 공진 주파수로부터 피분석물의 농도를 결정할 수 있다.
전력 공급부(1830)는 프로세서(1820), 통신부(1840), 및 측정부(1850)로 전력을 공급할 수 있다. 전력 공급부(1830)는 외부 장치로부터 무선으로 전력을 수신하여 바이오 센서(1800) 내 각 소자로 전력을 공급할 수도 있다. 전력 공급부(1830)는 예를 들어 배터리를 포함할 수 있고, 외부 장치로부터 수신된 전력을 배터리에 충전할 수 있다. 전력 공급부(1830)는 배터리에 충전된 전력을 이용하여 측정부(1850)를 통해 공진기 조립체(1810) 등에 전력을 공급할 수도 있다.
통신부(1840)는 생체 데이터를 외부 장치로 전송하고, 외부 장치로부터 정보를 수신할 수도 있다. 예를 들어, 통신부(1840)는 외부 장치와 무선 통신을 수립할 수 있다. 생체 데이터는 산란 파라미터, 공진 주파수, 및 피분석물의 농도 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
측정부(1850)는 공진기 조립체(1810)에 공급되는 신호의 주파수를 대상 주파수 범위 내에서 스윕하고, 주파수 스윕 동안 공진기 조립체(1810)의 파라미터와 관련된 정보를 측정할 수 있다. 예를 들어, 측정부(1850)는 공진기 조립체(1810)의 전기적 데이터(electrical data)를 측정할 수 있다. 측정부(1850)는 공진기 조립체(1810)의 포트에 대한 전압을 측정하는 전압 센서를 포함할 수 있다. 측정부(1850)는 프로세서(1820)의 제어에 따라 주파수를 스윕할 수 있고, 예를 들어, 프로세서(1820)에 의해 결정된 스윕 주파수 간격으로 대상 주파수 범위 내에서 스윕되는 주파수로 신호를 공진기 조립체(1810)에 제공할 수 있다. 다만, 이로 한정하는 것은 아니고, 측정부(1850)는 프로세서(1820) 없이도 자체적인 발진 회로 구조에 따라 주파수를 스윕할 수도 있다.
도 19는 일 실시예에 따른 전자기파를 이용한 바이오 센서의 예시적인 어플리케이션을 도시한다.
일 실시예에 따른 급전선(1911), 폐루프 도선(1913), 및 패턴 도선(1912)은 일면 상에 배치될 수 있다. 일면 상에 배치된 공진기 조립체(1910)는 곡면을 감싸도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 공진기 조립체(1901)가 배치되는 일면은, 원통형 지지 부재(cylindrical support member)(1940)의 측면(side)을 따라 배치되는 곡면일 수 있다.
원통형 공진기 조립체(1900)의 단면(AA')은 단면도(1990)와 같이 도시될 수 있다. 단면도(1990)를 참조하면, 원통형 지지 부재(1930)에 의해 공진기 조립체(1910)가 지지될 수 있다. 공진기 조립체(1910)의 외면은 생체 적합 소재에 의해 패키징될 수 있다. 생체 적합 소재는 예를 들어, PMMA(Poly Methyl Methacrylate) 소재일 수 있으나, 이로 한정하는 것은 아니다. 원통형 지지 부재(1930)의 내부 공간은 시스템온칩(System On Chip)을 수용할 수 있다. 시스템온칩(1920)은 도 18에서 상술한 프로세서(1820), 전력 공급부(1830), 통신부(1840), 및 측정부(1850)가 구현된 단일 칩을 나타낼 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것으로서, 이로 한정하는 것은 아니고, 시스템온칩(1920)은 프로세서(1820), 전력 공급부(1830), 통신부(1840), 및 측정부(1850) 중 적어도 하나가 통합되어 구현된 칩일 수도 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.

Claims (19)

  1. 공진기 조립체(resonator assembly)에 있어서,
    일면에서 급전 영역의 외곽을 따라 배치되어 상기 급전 영역으로 전력을 피딩 가능한 적어도 하나의 급전선(feeding line); 및
    상기 일면에서 상기 급전 영역 내에 패턴을 따라 배치되고, 용랑성 결합을 통해 상기 급전선으로부터 전력을 수신 가능한 패턴 도선(pattern wire)
    를 포함하는 공진기 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공진기 조립체의 공진 주파수는, 상기 공진기 조립체의 주변에 존재하는 대상 피분석물(target analyte)의 농도에 따라 달라지는,
    공진기 조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 일면을 따라 상기 급전 영역 내에 배치되는 폐루프 도선(closed-loop wire)
    를 더 포함하고,
    상기 패턴 도선은,
    상기 폐루프 도선에 의해 정의되는 내부 영역에 배치되며, 상기 폐루프 도선을 경유하여 상기 급전선과 용량성 결합을 형성하는,
    공진기 조립체.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 폐루프 도선에서 상기 급전선의 일부에 인접한 파트는, 상기 급전선의 일부와 같은 형태로 평행하게 이격되어 배치되는,
    공진기 조립체.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 폐루프 도선은,
    다각형 및 원형(circular shape) 중 한 형태인,
    공진기 조립체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 패턴 도선은,
    상기 일면에서 상기 적어도 하나의 급전선(feeding line)과 인접하게 배치되어 용량성 결합(capacitive coupling)을 형성하는 제1 결합 부분(first coupling portion);
    상기 일면에서 상기 급전선, 폐루프 도선, 및 추가 패턴 도선 중 적어도 하나와 인접하게 배치되어 용량성 결합을 형성하는 제2 결합 부분; 및
    상기 일면에서 상기 제1 결합 부분 및 상기 제2 결합 부분을 패턴을 따라 연결하는 연결 부분(connecting portion)
    을 포함하는 공진기 조립체.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 연결 부분은,
    상기 제1 결합 부분 및 상기 제2 결합 부분을 가로지르는 가상의 선을 기준으로 서로 반대편에 배치되는 제1 파트(first part) 및 제2 파트(second part)
    를 포함하는 공진기 조립체.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 파트 및 상기 제2 파트는 상기 제1 결합 부분으로부터 상기 제2 결합 부분까지 교대로 배치되는,
    공진기 조립체.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제1 파트 및 상기 제2 파트는 상기 일면 상에서 점대칭 형상을 갖는,
    공진기 조립체.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 연결 부분은,
    사인파 형태(sinusoidal shape), 톱니 형태(sawtooth shape), 장방 형태(rectangular shape), 삼각 형태(triangular shape) 중 한 형태의 패턴을 따라 배치되는,
    공진기 조립체.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 패턴 도선 및 상기 급전선 중 적어도 하나와 용량성 결합을 형성 가능하게 상기 일면에 배치되는 하나 이상의 추가 패턴 도선
    을 더 포함하는 공진기 조립체.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 패턴 도선 및 상기 하나 이상의 추가 패턴 도선은 메타표면(meta surface, MTS)을 형성하는,
    공진기 조립체.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 패턴 도선 및 상기 하나 이상의 추가 패턴 도선은,
    서로 동일한 형태의 패턴으로 배치되는,
    공진기 조립체.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 일면에서 상기 패턴 도선 및 상기 하나 이상의 추가 패턴 도선의 각각을 개별적으로 둘러싸는 복수의 폐루프 도선들
    을 더 포함하는 공진기 조립체.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 하나 이상의 추가 패턴 도선은,
    상기 패턴 도선을 기준으로 일축을 따라 이격되어 배치되는,
    공진기 조립체.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 일면은,
    원통형 지지 부재(cylindrical support member)의 측면(side)을 따라 배치되는 곡면인,
    공진기 조립체.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 급전선은,
    상기 일면에 배치되고, 양단에 다른 소자와 연결되는 포트를 포함하는 제1 급전선; 및
    상기 일면에서 상기 제1 급전선으로부터 이격되어 배치되고, 양단에 다른 소자와 연결되는 포트를 포함하는 제2 급전선
    을 포함하고,
    상기 급전 영역은,
    상기 제1 급전선 및 상기 제2 급전선 사이의 영역인,
    공진기 조립체.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 급전선은,
    전력을 수신하는 포트를 포함하는 단일 급전선으로 구성되고,
    상기 급전 영역은,
    상기 단일 급전선에 의해 둘러싸이는 영역인,
    공진기 조립체.
  19. 전자기파를 이용한 바이오 센서에 있어서,
    급전 영역의 외곽을 따라 배치되어 상기 급전 영역으로 전력을 피딩 가능한 적어도 하나의 급전선 및 상기 급전 영역 내에 패턴을 따라 배치되고, 용랑성 결합을 통해 상기 급전선으로부터 전력을 수신 가능한 패턴 도선을 포함하는 공진기 조립체;
    상기 공진기 조립체로 전력을 공급하는 전력 공급부; 및
    상기 전력의 주파수가 스윕(sweep)되는 동안, 상기 공진기 조립체의 주변에 존재하는 대상 피분석물의 농도에 대응하는 생체 데이터로서, 상기 공진기 조립체의 공진 주파수와 연관된 파라미터를 획득하는 프로세서
    를 포함하는 전자기파를 이용한 바이오 센서.
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