High-Sensitivity Microstrip Patch Sensor Antenna for Detecting Concentration of Ethanol-Water Solution in Microliter Volume

마이크로리터 부피의 에탄올 수용액 농도 검출을 위한 고감도 마이크로스트립 패치 센서 안테나

Abstract

In this paper, a microstrip patch sensor antenna (MPSA) for detecting the concentration of an ethanol-water solution in a microliter volume is proposed. A rectangular slot was added at the radiating edge of the patch to increase the sensitivity to the relative permittivity change. To improve a low input resistance caused by placing an ethanol-water solution, which is a polar liquid with high dielectric constant and high loss tangent, on the patch, a quarter-wave impedance transformer was added between the 50-ohm feedline and the patch, and the MPSA was fabricated on a 0.76 mm-thick RF-35 substrate. A cylindrical container was made of acryl, and 15 microliters of the ethanol-water solution was tested from 0% to 100% of ethanol concentration at 20% intervals. Experiment results show that the resonant frequency increased from 1.947 GHz to 2.509 GHz when the ethanol concentration of the ethanol-water solution was increased from 0% to 100%, demonstrating the performance as a concentration detecting sensor.

본 논문에서는 마이크로리터 부피의 에탄올 수용액 농도를 검출하기 위한 마이크로스트립 패치 센서 안테나를 제안하였다. 비유전율 변화에 대한 감도를 높이기 위해 패치의 방사 모서리에 직사각형 슬롯을 추가하였다. 높은 비유전율과 높은 손실 탄젠트를 가지는 극성 액체인 에탄올 수용액을 패치에 놓으면 발생하는 낮은 입력 저항을 개선하기 위해 1/4 파장 임피던스 변환기를 50 오옴 급전선과 패치 사이에 추가하여 0.76 mm 두께의 RF-35 기판에 안테나를 제작하였다. 원통형 용기를 아크릴로 제작하여 15 마이크로리터 부피의 에탄올 수용액을 에탄올 농도 0% ~ 100%까지 20% 농도 간격으로 만들어 실험하였다. 실험 결과, 에탄올 수용액의 에탄올 농도가 0%에서 100%로 증가할 때 공진 주파수가 1.947 GHz에서 2.509 GHz로 증가하여 농도검출 센서로서의 성능을 입증하였다.

Ⅰ. 서론

물질의 특성(material characterization)은 과학, 공학 및 산업의 다양한 분야에서 오랫동안 광범위하게 연구되었다. 일반적으로 물질의 전자기적 특성은 전기 유전율, 전기 전도도 및 투자율로 구분될 수 있다[1]. 세 가지 전자기 변수 중에서 물질의 비유전율(relative permittivity) 또는 유전 상수(dielectric constant)는 전기장이 인가될 때 분극(polarization) 현상에 의한 물질의 응답을 특성화하는 데 사용된다. 물질은 그 상태에 따라 고체, 액체, 기체의 세 단계로 나눌 수 있다[2]. 액체 물질은 일정한 부피를 가지면서 형태가 고정되어 있지 않기 때문에 비유전율이 고체 물질보다 온도, 압력, 습도, 오염 물질과 같은 요인에 더 민감하다[3]. 또한, 액체 물질의 측정은 액체를 담을 용기가 필요해서 더 어렵다.

액체 물질은 극성(polar) 또는 비극성(non-polar)으로 분류할 수 있다[4]. 극성 액체는 영구 쌍극자 모멘트(dipole moment)를 갖는 분자로 구성되는 반면 비극성 액체는 쌍극자 모멘트가 0인 분자로 구성된다. 극성 액체는 분자의 영구 쌍극자 때문에 마이크로파 주파수에서 10 ~ 100 범위의 높은 비유전율을 가지며, 손실 탄젠트(loss tangent)도 마이크로파 주파수에서 0.1 ~ 1 범위로 유전 손실이 높다. 이것은 교류 전기장이 인가될 때 분자 배향(molecular orientation)의 완화로 인해 발생한다. 비유전율과 손실 탄젠트 모두 주파수에 따라 크게 변화한다. 극성 액체의 예로는 아세톤, 에탄올, 포름산, 글리세롤, 메탄올, 물 등이 있다[5]. 한편, 비극성 액체의 비유전율과 손실 탄젠트는 각각 2 ~ 3, 0.001 미만으로 상대적으로 낮다. 비극성 액체에는 벤젠, 클로로포름, 톨루엔 등이 있다[5].

액체 물질의 전기적 특성을 찾기 위해 평면 전송 선로에 설계된 분할 링 공진기, 상보 분할 링 공진기, 상보 나선형 공진기 등의 다양한 종류의 마이크로파 공진기가 광범위하게 연구되었다[6]. 한편, 공진 안테나도 공진기로 간주할 수 있으므로 안테나를 이용한 마이크로파 센서도 액체 물질의 비유전율 측정에 사용되고 있다[7]. 다양한 공진형 안테나 구조 중에서 마이크로스트립 패치 안테나는 소형, 저비용 및 손쉬운 제작과 같은 장점으로 인해 감지 응용 분야에 널리 사용되었다. 센서로 사용된 최초의 마이크로스트립 패치 안테나는 원형 패치 위에 놓인 플라스틱 비커 내부의 슬러지(sludge) 샘플의 수분 함량을 측정하기 위한 동축 급전 원형 패치 안테나이다[8]. 슬러지 샘플은 하수 처리장에서 수집되었으며, 상대 유전율 및 수분 함량을 결정하기 위해 기본 모드의 공진 주파수의 변화를 사용하였다. 사이클로헥산, 펜탄-1-올, 부탄-1-올, 에탄올 및 물과 같은 액체의 유전율 측정을 위해 동축 급전 직사각형 마이크로스트립 패치 안테나가 제안되었다[9]. 패치는 피시험 액체에 묻혀 있는 것으로 간주하고, 매립된 마이크로스트립 전송선로에 대한 방정식을 사용하여 유효 유전율을 계산하였다. Hevea 고무 라텍스가 있는 액체 샘플 홀더를 패치 위에 놓았을 때 수분 함량이 직사각형 마이크로스트립 패치 안테나의 공진 주파수 변화에 미치는 영향이 연구되었다[10]. 윤활유의 수분 함량을 모니터링하기 위해 패치와 접지면 사이의 기판에 에칭된 미세 유체 채널과 통합된 슬롯 장착형 마이크로스트립 패치 안테나가 도입되었다[11]. 그러나 기존의 연구는 많은 양의 액체 샘플이 필요하고 미세 유체 채널은 구조가 복잡하고 제작이 힘든 단점이 있어, 소량으로 쉽게 측정할 수 있는 구조에 대한 연구가 필요하다.

본 논문에서는 극소량의 에탄올 수용액의 농도를 검출하기 위한 마이크로스트립 패치 센서 안테나를 제안하였다. 패치의 방사 모서리에 직사각형 슬롯을 추가하여 비유전율 변화에 대한 감도를 높였다[12]. 극성 액체인 에탄올과 물은 높은 비유전율과 높은 손실 탄젠트를 가진다. 따라서 에탄올 수용액을 패치에 놓으면 이로 인해 입력 저항이 낮아지고 임피던스 정합이 나빠져 공진 주파수를 판별하기 힘들다. 이를 개선하기 위해 1/4 파장 임피던스 변환기를 50 오옴(Ω) 급전선과 패치 사이에 추가하여 0.76 mm 두께의 RF-35 기판에 안테나를 제작하였다. 15 마이크로리터(μl) 부피의 에탄올 수용액을 담을 수 있는 원통형 용기를 아크릴로 제작하여 에탄올 수용액을 에탄올 농도 0% ~ 100%까지 20% 농도 간격으로 만들어 실험하였다. 에탄올 농도 변화에 따른 에탄올 수용액의 비유전율과 손실탄젠트를 조사하고 이를 이용하여 상용 전자파 해석 소프트웨어인 CST사의 Studio Suite를 이용하여 설계된 안테나의 공진 주파수 변화를 시뮬레이션하여 측정 결과와 비교하였다.

Ⅱ. 극성 액체 센싱을 위해 임피던스 변환기가 추가된 고감도 패치 센서 안테나 설계

그림 1은 제안된 임피던스 변환기와 직사각형 슬롯이 추가된 마이크로스트립 패치 안테나와 임피던스 변환기가 없이 직사각형 슬롯만 추가된 기존의 마이크로스트립 패치 안테나의 구조를 나타내고 있다. 먼저 2.5 GHz에서 공진하는 직사각형 슬롯이 패치의 방사 모서리에 추가된 마이크로스트립 패치 안테나를 그림 1(c)와 같이 설계하였다. 액체 용기는 전기장 분포가 가장 큰 직사각형 슬롯의 중심에 배치하였다[12].

그림 1. 안테나 구조: (a) 임피던스 변환기가 추가된 마이크로스트립 패치 안테나, (b) 액체 용기가 결합된 안테나 전체 구조, (c) 임피던스 변환기가 없는 기존 안테나

Fig. 1. Geometries of antennas: (a) microstrip patch antenna appended with an impedance transformer (b) whole structure of the antenna combined with a liquid container, and (c) conventional patch antenna without an impedance transformer.

속이 빈 원통형 액체 용기는 아크릴(εr = 2.56)로 제작되었으며, 측정된 내경, 외경, 높이는 각각 2.93 mm, 3.55 mm, 2.76 mm이다. 따라서 액체 용기의 내부 부피는 약 18.6 μl이다. 손실 탄젠트가 높은 극성 액체를 용기에 넣으면 패치의 입력 저항이 낮아져 50 Ω 급전선과의 임피던스 정합이 나빠진다. 이를 해결하기 위해 패치와 50 Ω 급전선 사이에 1/4 파장 임피던스 변환기를 추가하였다[13]. 기존의 안테나와 임피던스 변환기가 추가된 안테나의 설계 변수값들은 표 1에 나타나 있다.

표 1. 기존 안테나와 제안된 안테나의 최종 설계변수

Table 1. Final design parameters of the conventional and proposed antennas.

표 2에는 2.5 GHz, 25 ℃에서 에탄올 농도에 따른 에탄올 수용액의 비유전율과 손실 탄젠트가 나타나 있다[14]. 에탄올 농도가 0%일 때는 물의 비유전율과 손실 탄젠트이며, 에탄올 농도 100%일 때는 에탄올의 비유전율과 손실 탄젠트이다. 에탄올의 비유전율이 물 보다 1/10 정도 작으나 손실 탄젠트는 7.5배 정도 큰 것을 알 수 있다. 따라서 에탄올 농도가 증가할수록 비유전율은 감소하고, 손실 탄젠트는 증가한다.

표 2. 2.5 GHz, 25 ℃에서 에탄올 농도에 따른 에탄올 수용액의 비유전율과 손실 탄젠트

Table 2. Relative permittivity and loss tangent of ethanol-water solution according to ethanol concentration at 2.5 GHz and 25 ℃.

그림 2는 표 2의 에탄올 농도에 따른 에탄올 수용액의 비유전율과 손실 탄젠트를 이용하여 임피던스 변환기가 없는 기존의 마이크로스트립 패치 안테나의 슬롯 중심에 액체 용기를 두고 그 안에 에탄올 수용액을 담았을 때 안테나의 입력 반사 계수와 입력 저항의 변화이다. 그림 2(a)와 2(b)는 각각 0 ~ –30 dB와 0 ~ –2 dB 범위에서 입력 반사 계수를 나타냈고, 그림 2(c)와 2(d)는 각각 0 ~ 60 Ω과 0 ~ 6 Ω 범위에서 입력 저항을 나타내었다. 용기 안에 액체가 없을 때(air), 공진 주파수는 2.486 GHz이고 임피던스 정합이 잘되어 입력 반사 계수가 –25.54 dB이며 입력 저항이 47.78 Ω이다. 에탄올 농도가 100%일 때, 공진 주파수는 2.406 GHz로 낮은 주파수로 이동하고 높은 손실 탄젠트로 인해 입력 반사 계수는 –1.04 dB로 커지고 입력 저항은 3.19 Ω으로 작다. 에탄올 농도가 80%일 때, 공진 주파수는 2.286 GHz로 더 낮은 주파수로 이동하고 입력 반사 계수는 –0.63 dB이고 입력 저항은 1.82 Ω이다.

그림 2. 에탄올 수용액의 에탄올 농도 변화에 따른 기존 안테나의 입력 반사계수와 입력 저항 변화: (a) 입력 반사계수(0 ~ -30 dB), (b) 입력 반사계수(0 ~ -2 dB), (c) 입력 저항(0 ~ 60 Ω), (d) 입력 저항(0 ~ 6 Ω)

Fig. 2. Variations in input reflection coefficient and input resistance of the conventional antenna according to changes in ethanol concentration of ethanol-water solution: (a) input reflection coefficient(0 ~ -30 dB), (b) input reflection coefficient(0 ~ -2 dB), (c) input resistance(0 ~ 60 Ω), and (d) input resistance(0 ~ 6 Ω).

에탄올 농도가 60%일 때, 공진 주파수는 2.162 GHz이고 입력 반사 계수는 –0.56 dB이고 입력 저항은 1.65 Ω이다. 에탄올 농도가 40%일 때, 공진 주파수는 2.048 GHz이고 입력 반사 계수는 –0.56 dB이고 입력 저항은 1.76 Ω이다. 에탄올 농도가 20%일 때, 공진 주파수는 1.928 GHz이고 입력 반사 계수는 –0.66 dB이고 입력 저항은 2.35 Ω이다. 에탄올 농도가 0%일 때, 공진 주파수는 1.854 GHz이고 입력 반사 계수는 –0.99 dB이고 입력 저항은 3.95 Ω이다. 따라서 에탄올 수용액을 액체 용기 안에 담았을 때 에탄올 수용액의 높은 손실 탄젠트로 인해 임피던스 정합이 나빠져서 안테나의 입력 저항이 낮아지고 입력 반사 계수가 커지는 것을 알 수 있다.

에탄올 수용액을 액체 용기 안에 담았을 때 발생하는 낮은 입력 저항을 개선하기 위해 50 Ω 급전선과 패치 사이에 1/4 파장 임피던스 변환기를 설계하여 추가하였다. 시뮬레이션을 통해 최종 설계된 임피던스 변환기의 길이와 폭은 각각 l_qt = 18.7 mm, w_qt = 10 mm이다. 그림 3은 임피던스 변환기가 추가된 안테나의 액체 용기에 담긴 에탄올 수용액의 에탄올 농도에 따른 시뮬레이션 입력 반사 계수의 변화이다. 용기 안에 액체가 없을 때, 공진 주파수는 2.584 GHz로 약간 높은 주파수로 이동하였고 임피던스 정합이 나빠져서 입력 반사 계수가 –1.52 dB이다. 이것은 원래 50 Ω 급전선과 임피던스 정합이 잘 되었던 것이 임피던스 변환기의 추가로 인해 나빠졌기 때문이다. 에탄올 농도가 100%일 때, 공진 주파수는 2.494 GHz이고 입력 반사 계수는 –8.60 dB로 낮아졌다. 에탄올 농도가 80%일 때, 공진 주파수는 2.338 GHz이고 입력 반사 계수는 –6.57 dB이다. 에탄올 농도가 60%일 때, 공진 주파수는 2.190 GHz이고 입력 반사 계수는 –8.72 dB이다. 에탄올 농도가 40%일 때, 공진 주파수는 2.066 GHz이고 입력 반사 계수는 –11.16 dB이다. 에탄올 농도가 20%일 때, 공진 주파수는 1.928 GHz이고 입력 반사 계수는 –9.88 dB이다. 에탄올 농도가 0%일 때, 공진 주파수는 1.840 GHz이고 입력 반사 계수는 –11.50 dB이다. 따라서 임피던스 변환기가 없을 때와 비교할 때 임피던스 정합이 개선되어 입력 반사 계수가 –6.57 dB 이하로 낮아져서 공진 주파수를 구별하기 좋아졌다.

그림 3. 제안된 임피던스 변환기가 추가된 안테나의 에탄올 수용액의 에탄올 농도 변화에 따른 입력 반사 계수 변화

Fig. 3. Variations in input reflection coefficient for the proposed antenna with the impedance transformer according to changes in ethanol concentration of ethanol-water solution.

Ⅲ. 제작 및 실험 결과

RF-35 기판(ε_r = 3.5, h = 0.76 mm, tan δ = 0.0018)에 제작된 임피던스 변환기가 추가된 마이크로스트립 패치 안테나의 사진이 그림 4에 나타나 있다. 그림 5는 에탄올 수용액의 에탄올 농도 변화에 따른 안테나의 입력 반사 계수 측정을 위한 setup의 사진이 나타나 있다. 안테나의 입력 반사 계수 측정을 위해 Tektronix사 TTR506A 벡터 네트워크 분석기와 노트북을 사용하였다. 에탄올 수용액을 액체 용기에 담기 위해 Eppendorf사 마이크로 피펫(#3120000.038, 2 ~ 20 μl)을 사용하였고, 액체의 양은 액체 용기 부피보다 조금 적은 15 μl를 사용하였다.

그림 4. 제작된 임피던스 변환기가 추가된 안테나 사진

Fig. 4. Photograph of fabricated antenna with impedance transformer.

그림 5. 측정 setup 사진

Fig. 5. Photograph of measurement setup.

그림 6은 에탄올 수용액의 에탄올 농도에 따른 임피던스 변환기가 추가된 안테나의 측정된 입력 반사 계수이다. 용기 안에 액체가 없을 때, 공진 주파수는 2.587 GHz이고 입력 반사 계수는 –4.02 dB이다. 에탄올 농도가 100%일 때, 공진 주파수는 2.509 GHz이고 입력 반사 계수는 –11.05 dB이다. 에탄올 농도가 80%일 때, 공진 주파수는 2.389 GHz이고 입력 반사 계수는 –7.41 dB이다. 에탄올 농도가 60%일 때, 공진 주파수는 2.220 GHz이고 입력 반사 계수는 –9.23 dB이다. 에탄올 농도가 40%일 때, 공진 주파수는 2.102 GHz이고 입력 반사 계수는 –12.97 dB이다.

그림 6. 제작된 임피던스 변환기가 추가된 안테나의 에탄올 수용액의 에탄올 농도 변화에 따른 측정된 입력 반사 계수

Fig. 6. Measured input reflection coefficient for the fabricated antenna with the impedance transformer according to changes in ethanol concentration of ethanol-water solution.

에탄올 농도가 20%일 때, 공진 주파수는 2.000 GHz이고 입력 반사 계수는 –17.45 dB이다. 에탄올 농도가 0%일 때, 공진 주파수는 1.947 GHz이고 입력 반사 계수는 –27.52 dB이다. 시뮬레이션 결과와 비교할 때, 측정된 입력 반사 계수의 공진 주파수의 이동이 작으나 입력 반사 계수는 더 작게 나왔다. 시뮬레이션 결과와 측정 결과의 차이는 시뮬레이션에 사용한 에탄올 농도별 에탄올 수용액의 비유전율과 손실 탄젠트가 실제 실험에 사용한 것과 다를 수 있고 안테나 제작과 측정 시 발생하는 오차에 의해 발생하는 것으로 판단된다.

Ⅳ. 결론

본 논문에서는 마이크로리터 부피의 극소량 에탄올 수용액을 이용해 수용액 내의 에탄올 농도를 검출하기 위한 고감도 마이크로스트립 패치 센서 안테나를 제안하였다. 먼저 패치의 방사 모서리에 직사각형 슬롯을 추가하여 비유전율 변화에 대한 감도를 높였다. 에탄올 수용액을 패치의 센싱부에 놓으면 높은 손실 탄젠트로 인해 발생하는 낮은 입력 저항을 개선하기 위해 1/4 파장 임피던스 변환기를 50 Ω 급전선과 패치 사이에 추가하여 0.76 mm 두께의 RF-35 기판에 안테나를 제작하였다.

속이 빈 원통형 액체 용기를 아크릴로 제작하여 15 μl의 에탄올 수용액을 에탄올 농도 0% ~ 100%까지 20% 농도 간격으로 만들어 실험하였다. 시뮬레이션 결과, 에탄올 수용액의 에탄올 농도가 0%에서 100%로 증가할 때 입력 반사 계수의 공진 주파수가 1.840 GHz에서 2.494 GHz로 증가하였다. 실험 결과, 공진 주파수가 1.947 GHz에서 2.509 GHz로 증가하여 시뮬레이션 결과보다는 공진 주파수의 이동과 변화가 작지만 이를 이용하여 에탄올 농도를 검출할 수 있음을 확인하였다.

제안된 마이크로스트립 패치 센서 안테나는 극소량의 액체로 에탄올이나 메탄올 농도검출 센서로 사용할 수 있고, 당뇨병 환자를 위한 혈액 내 글루코스나 염분 검출 센서, 윤활유나 식용유의 불순물 검출 센서 등으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.