With the advent of the IoT era, various kinds of sensors are being used everywhere. Especially, researches on physiological sensors that can detect biological signals in real time in everyday life are drawing attention as people’s interest in health increases. Physiological sensors can measure various bio-signals including vital signs that are fundamental elements of life, such as pulse, respiration, body temperature, and blood pressure. In particular, pulse rate and blood pressure measurements are essential to monitor a person’s health condition regardless of the type of disease. Although various studies have been conducted to measure pulse or blood pressure in wearable form, there are still issues to implement wearable physiological sensors, such as bulky volume, inconvenience to wear, low accuracy, etc. Piezoelectric sensors can be considered as a promising candidate due to its high sensitivity and low power consumption. However, most of the conventional piezoelectric materials were used in bulk form, making them difficult to apply as wearable or implantable sensors. In this dissertation, physiological signal measurement was conducted with wearable or implantable piezoelectric sensors by making piezoelectric materials into thin film.
In chapter 2, a feedback system is developed using a heart rate sensor to enable ventricular assist device (VAD) used by heart failure patients to have automatic blood flow controllability. The heart rate sensor should be located inside the human body because the sensors located outside the human body may fail or malfunction due to the external environment. In order to use piezoelectric sensor for implantation to human body, lead-free piezoelectric materials must be used. However, lead-free piezoelectric materials have a significant decrease in piezoelectric properties. We compensated for the insufficient piezoelectric properties by using single crystal piezoelectric materials having perovskite structure. A flexible piezoelectric sensor was fabricated using single crystal barium titanate zirconate (BTZ), and a microcontroller unit (MCU) that can determine the heart rate was designed. In addition, the MCU plays a role of controlling the motor speed by changing the voltage applied to the motor according to the counted heart rate. When the input frequency applied to the sensor was changed, we confirmed that the voltage applied to the motor was successfully changed through MCU. Finally, it was
confirmed that the blood flow was automatically controlled according to the heart rate by conducting an in vitro experiment with sheep blood.
In chapter 3, continuous and noninvasive blood pressure (CNBP) monitoring system is implemented using wearable piezoelectric sensors. With a conventional piezoelectric sensor, it was difficult to obtain a clear pulse waveform to estimate blood pressure. In this dissertation, it was possible to obtain precise pulse waveforms enough to estimate blood pressure by greatly increasing the signal-to-noise (SNR) ratio by shielding external noise, optimizing the substrate thickness, and improving the contact force with skin. Based on the characteristics that the piezoelectric sensor has high linearity in the range of human blood pressure, a transfer function that can covert the pulse wave into blood pressure was developed. The accuracy evaluation of the piezoelectric blood pressure sensor was conducted through a FDA-approved sphygmomanometer, and it was confirmed that it met the international standard for noninvasive blood pressure measurement for adult male subjects. Finally, we demonstrated a CNBP monitoring with wearable piezoelectric sphygmomanometer by designing a wireless communication circuit and prototype.
In chapter 4, an energy extraction enhancement circuit (EEEC) for a flexible piezoelectric device is proposed to improve output characteristics. Instead of using a conventional impedance-matching approach, energy extraction is significantly enhanced by minimizing the capacitive load seen by flexible PZT device. The proposed EEEC also maximizes output voltage with extremely low static power consumption. The flexible PZT device with total thickness of 170 µm is used, which gives enough flexibility for attachment on clothes or human skin. The result with the proposed EEEC increases energy extraction up to 495% than that of conventional FBR.
IoT 시대가 도래함에 따라, 도처에서 다양한 종류의 센서가 사용되고 있다. 특히 사람들의 건강에 대한 관심이 급증하면서, 일상 생활에서 실시간으로 생체 신호를 측정할 수 있는 생체신호측정센서에 대한 연구가 주목받고 있다. 생체신호측정센서는 맥박, 호흡, 체온, 혈압과 같은 생명체의 기본적인 활력징후를 포함하여 다양한 생체 신호를 측정할 수 있다. 그 중에서도 맥박 및 혈압 측정은 질병의 종류와 무관하게 개인의 건강 상태를 측정하는데 필수적이다. 맥박과 혈압을 웨어러블한 형태로 측정하기 위해서 다양한 연구들이 진행되었지만, 아직까지 웨어러블 생체신호측정센서를 구현하기에는 큰 부피와 불편한 착용감, 낮은 정확도 등의 다양한 이슈가 남아있다. 압전 센서는 높은 민감도와 낮은 소비전력 등의 이점으로 웨어러블 생체신호측정센서의 유망한 후보로 꼽힐 수 있다. 그러나 대부분의 기존 압전 물질은 부피가 큰 형태로 사용되어 왔고, 이는 웨어러블이나 생체 삽입형 센서로 사용하는데 어려움이 있었다. 본 학위 논문에서는 압전 물질을 박막 형태로 제작함으로써 웨어러블하거나 생체 삽입이 가능한 압전 센서를 이용하여 생체신호측정에 대한 연구를 진행하였다.
두 번째 장에서는 심부전 환자들이 사용하는 의료기기 'VAD'에 심박 센서를 이용해서 자동으로 혈류량 조절이 가능하도록 피드백 시스템을 개발하였다. 이때 심박 센서는 체외에 위치할 경우 외부 환경에 의해 고장이나 오작동을 일으킬 우려가 있으므로, 체내에 부착되어야 한다. 압전 센서를 체내에 삽입하기 위해서는 납이 포함되지 않은 무연 압전 물질을 사용하는 것이 필수적이다. 그러나 무연 압전 물질은 압전 특성이 크게 떨어진다는 문제점을 가지고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 압전 특성이 뛰어난 페로브스카이트 구조를 갖는 단결정 압전 물질을 이용하였다. 유연한 압전 센서는 무연 단결정 BTZ를 이용해서 제작되었으며, 센서의 신호를 이용해 심박수를 계산하도록 마이크로컨트롤러(microcontroller unit)를 설계하였다. 또한 마이크로컨트롤러는 계산된 심박수에 따라 모터에 인가하는 전압을 조절함으로써 모터의 속도를 조절하는 역할을 한다. 센서에 가해지는 입력 신호의 주파수가 변화됨에 따라, 마이크로컨트롤러를 통해 모터에 인가되는 전압이 변화하는 것을 확인하였다. 마지막으로 양의 피를 이용한 in vitro 실험을 수행함으로써 심박수에 따라 혈류량이 자동으로 변환되는 것을 확인할 수 있었다.
세 번째 장에서는 웨어러블 압전 센서를 이용해서 지속적이고 비침습적인 혈압 관측 시스템을 구현하였다. 기존의 압전 센서로는 혈압을 유추할 만큼 명확한 맥박 파형을 획득하기 어려웠다. 본 학위 논문에서는 외부 노이즈를 차단하고, 기판 두께를 최적화하며 피부와 소자 간 접촉력을 향상시킴으로써 신호대 잡음비가 크게 향상된 압전 센서를 제작하였다. 이를 통해 혈압 유추가 가능한 매우 정밀한 맥박 파형을 획득할 수 있었다. 제작된 센서가 사람의 혈압 구간에서 높은 선형 출력 특성을 나타낸다는 특징을 기반으로, 맥박 파형을 혈압으로 변환할 수 있는 전달 함수를 개발하였다. 성인 남성 피실험자를 대상으로 FDA의 승인을 받은 혈압계와 비교하여 정확도 평가를 진행하였으며, 그 결과 비침습 혈압계에 대한 국제 표준을 만족하는 것을 확인하였다. 마지막으로 무선 통신 회로와 프로토타입을 제작함으로써 웨어러블한 압전 혈압계를 이용하여 연속적이고 비침습적인 혈압 관측이 가능함을 입증하였다.
네 번째 장에서는 유연 압전 소자의 출력 특성을 향상시키기 위해 에너지 추출 향상 회로를 제작하였다. 기존의 임피던스 매칭법을 이용한 방식 대신, PZT에 인가되는 용량성 부하(capacitive load)를 최소화함으로써 에너지 추출 특성을 크게 향상시켰다. 또한 제작된 회로는 매우 작은 정전 소모 전력(static power consumption)으로 출력 전압을 최대화 시켰다. 유연한 PZT 소자는 사람의 피부나 옷에 부착하기에 충분한 유연성을 확보할 수 있도록 전체 두께를 170 µm로 제작하였다. 제작된 회로는 기존의 정류회로에 비해 에너지 추출을 495%까지 증가시켰다.
