KR102623577B1 - Two terminal variable resistance memory device based Bio-transducer and method of operating the same - Google Patents

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이종원
권윤아
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한국과학기술원
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Abstract

본 발명의 일 관점에 따른 2단자 가변 저항 메모리 소자 기반의 바이오 트랜스듀서는, 게이트 단자, 드레인 단자 및 소오스 단자를 포함하고, 바이오 물질의 양 또는 농도 변화에 따른 포텐셜을 게이트 단자로 입력받고 상기 포텐셜에 따라서 상기 드레인 단자로부터 상기 소오스 단자로 흐르는 전류가 달라지는, 바이오 입력 트랜지스터와, 상기 바이오 입력 트랜지스터의 소오스 단자에 연결되고, 인가되는 전압에 따라서 저항값이 스위칭되는 2단자 가변 저항 메모리 소자와, 상기 바이오 입력 트랜지스터의 상기 소오스 단자 또는 상기 2단자 가변 저항 메모리 소자에 연결되는 출력 저항을 포함하고, 상기 출력 저항의 일단에 출력 단자가 연결되고, 상기 출력 단자는 읽기 동작 시 상기 2단자 가변 저항 메모리 소자의 저항값에 따른 2진 디지털값을 출력할 수 있다.A bio-transducer based on a two-terminal variable resistance memory element according to one aspect of the present invention includes a gate terminal, a drain terminal, and a source terminal, and receives a potential according to a change in the amount or concentration of a bio material through the gate terminal and receives the potential a bio-input transistor whose current flowing from the drain terminal to the source terminal varies depending on the bio-input transistor, a two-terminal variable resistance memory element connected to the source terminal of the bio-input transistor and whose resistance value is switched according to the applied voltage, and It includes an output resistor connected to the source terminal of a bio-input transistor or the two-terminal variable resistance memory element, wherein an output terminal is connected to one end of the output resistor, and the output terminal is connected to the two-terminal variable resistance memory element during a read operation. A binary digital value can be output according to the resistance value.

Description

2단자 가변 저항 메모리 소자 기반의 바이오 트랜스듀서 및 그 동작 방법{Two terminal variable resistance memory device based Bio-transducer and method of operating the same}Two terminal variable resistance memory device based bio-transducer and method of operating the same}

본 발명은 전자 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 바이오 마커를 감지할 수 있는 2단자 가변 저항 메모리 소자 기반의 바이오 트랜스듀서 및 그 동작 방법에 관한 것이다.The present invention relates to electronic devices, and more specifically, to a bio-transducer based on a two-terminal variable resistance memory element capable of detecting a biomarker and a method of operating the same.

최근 바이러스, 박테리아, 인플루엔자와 같은 바이오 마커를 감지하기 위한 전기화학적 바이오 센서 또는 바이오 트랜스듀서가 연구되고 있다. 이러한 바이오 센서 또는 바이오 트랜스듀서를 이용하여 바이오 마커의 존재 여부 또는 그 양을 감지하여, 질병 진단이 가능해진다. 이하에서 바이오 트랜스듀서는 바이오 센서를 포함하는 개념으로 사용된다.Recently, electrochemical biosensors or biotransducers are being studied to detect biomarkers such as viruses, bacteria, and influenza. By using these biosensors or biotransducers to detect the presence or amount of biomarkers, disease diagnosis becomes possible. Hereinafter, biotransducer is used as a concept including biosensor.

종래 바이오 트랜스듀서는 대부분 아날로그형의 출력 파형을 제공할 수 있다. 하지만, 디지털 진단을 위하여 디지털 신호가 필요하므로, 바이오 트랜스듀서의 아날로그 출력을 디지털 출력으로 변경하는 부가 작업 또는 부가 장치가 필요하다. 예를 들어, 아날로그 출력 파형에 추가적인 소프트웨어 처리를 수행하거나 또는 바이오 트랜스듀서 뒷단에 신호를 서로 비교할 수 있는 하드웨어를 부가하여 아날로그 출력을 디지털 출력으로 변경할 수 있다.Most conventional bio transducers can provide analog output waveforms. However, since digital signals are required for digital diagnosis, additional work or additional devices are needed to change the analog output of the bio transducer to digital output. For example, analog output can be changed to digital output by performing additional software processing on the analog output waveform or by adding hardware that can compare signals at the back of the bio transducer.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 디지털 출력이 가능한 바이오 트랜스듀서 및 그 동작 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.The present invention is intended to solve the above-mentioned problems and aims to provide a bio-transducer capable of digital output and a method of operating the same. However, these tasks are illustrative and do not limit the scope of the present invention.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따른 2단자 가변 저항 메모리 소자 기반의 바이오 트랜스듀서는, 게이트 단자, 드레인 단자 및 소오스 단자를 포함하고, 바이오 물질의 양 또는 농도 변화에 따른 포텐셜을 게이트 단자로 입력받고 상기 포텐셜에 따라서 상기 드레인 단자로부터 상기 소오스 단자로 흐르는 전류가 달라지는, 바이오 입력 트랜지스터와, 상기 바이오 입력 트랜지스터의 소오스 단자에 연결되고, 인가되는 전압에 따라서 저항값이 스위칭되는 2단자 가변 저항 메모리 소자와, 상기 바이오 입력 트랜지스터의 상기 소오스 단자 또는 상기 2단자 가변 저항 메모리 소자에 연결되는 출력 저항을 포함하고, 상기 출력 저항의 일단에 출력 단자가 연결되고, 상기 출력 단자는 읽기 동작 시 상기 2단자 가변 저항 메모리 소자의 저항값에 따른 2진 디지털값을 출력할 수 있다.A bio-transducer based on a two-terminal variable resistance memory element according to an aspect of the present invention for solving the above problems includes a gate terminal, a drain terminal, and a source terminal, and generates a gate potential according to a change in the amount or concentration of the bio material. A bio-input transistor that receives input from a terminal and changes the current flowing from the drain terminal to the source terminal according to the potential, and a two-terminal variable connected to the source terminal of the bio-input transistor and whose resistance value is switched according to the applied voltage. It includes a resistive memory element and an output resistor connected to the source terminal of the bio-input transistor or the two-terminal variable resistor memory element, wherein an output terminal is connected to one end of the output resistor, and the output terminal is connected to the output resistor during a read operation. A binary digital value can be output according to the resistance value of the two-terminal variable resistance memory element.

상기 2단자 가변 저항 메모리 소자 기반의 바이오 트랜스듀서에 따르면, 상기 바이오 입력 트랜지스터의 상기 소오스 단자에 상기 2단자 가변 저항 메모리 소자와 병렬적으로 연결되는 보조 트랜지스터를 더 포함할 수 있다.According to the bio-transducer based on the two-terminal variable resistance memory element, the source terminal of the bio-input transistor may further include an auxiliary transistor connected in parallel with the two-terminal variable resistance memory element.

상기 2단자 가변 저항 메모리 소자 기반의 바이오 트랜스듀서에 따르면, 상기 보조 트랜지스터는 입력 전압에 따라서 온-저항 레벨이 달라질 수 있다.According to the bio-transducer based on the two-terminal variable resistance memory device, the on-resistance level of the auxiliary transistor may vary depending on the input voltage.

상기 2단자 가변 저항 메모리 소자 기반의 바이오 트랜스듀서에 따르면, 상기 2단자 가변 저항 메모리 소자와 상기 출력 저항은 직렬 연결되고, 상기 출력 단자는 상기 2단자 가변 저항 메모리 소자와 상기 출력 저항 사이에 연결될 수 있다.According to the bio-transducer based on the two-terminal variable resistance memory element, the two-terminal variable resistance memory element and the output resistor may be connected in series, and the output terminal may be connected between the two-terminal variable resistance memory element and the output resistor. there is.

상기 2단자 가변 저항 메모리 소자 기반의 바이오 트랜스듀서에 따르면, 센싱 동작 시 상기 출력 단자는 접지되고, 읽기 동작 시, 상기 바이오 입력 트랜지스터의 상기 소오스 단자와 상기 2단자 가변 저항 메모리 소자 사이의 읽기 단자에 읽기 전압이 인가될 수 있다.According to the bio-transducer based on the two-terminal variable resistance memory element, during a sensing operation, the output terminal is grounded, and during a read operation, the output terminal is connected to the read terminal between the source terminal of the bio-input transistor and the two-terminal variable resistance memory element. A read voltage may be applied.

상기 2단자 가변 저항 메모리 소자 기반의 바이오 트랜스듀서에 따르면, 상기 2단자 가변 저항 메모리 소자와 상기 출력 저항은 상기 바이오 입력 트랜지스터의 상기 소오스 단자에 병렬적으로 연결되고, 상기 출력 단자는 상기 2단자 가변 저항 메모리 소자의 일단과 상기 출력 저항의 일단 사이에 연결될 수 있다.According to the bio-transducer based on the two-terminal variable resistance memory element, the two-terminal variable resistance memory element and the output resistor are connected in parallel to the source terminal of the bio-input transistor, and the output terminal is the two-terminal variable resistor. It may be connected between one end of the resistive memory element and one end of the output resistor.

상기 2단자 가변 저항 메모리 소자 기반의 바이오 트랜스듀서에 따르면, 센싱 동작 시 상기 출력 노드 반대편의 상기 2단자 가변 저항 메모리 소자의 타단은 접지되고, 읽기 동작 시 상기 2단자 가변 저항 메모리 소자의 타단에는 읽기 전압이 인가될 수 있다.According to the bio-transducer based on the two-terminal variable resistance memory element, during a sensing operation, the other end of the two-terminal variable resistance memory element opposite the output node is grounded, and during a read operation, the other end of the two-terminal variable resistance memory element is grounded. Voltage may be applied.

상기 2단자 가변 저항 메모리 소자 기반의 바이오 트랜스듀서에 따르면, 상기 바이오 입력 트랜지스터의 드레인 단자에는 동작 전압이 인가될 수 있다.According to the bio-transducer based on the two-terminal variable resistance memory element, an operating voltage may be applied to the drain terminal of the bio-input transistor.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 관점에 따른 2단자 가변 저항 메모리 소자 기반의 바이오 트랜스듀서의 동작 방법은, 전술한 2단자 가변 저항 메모리 소자 기반의 바이오 트랜스듀서를 이용한 것으로서, 상기 바이오 입력 트랜지스터의 상기 게이트 단자로 바이오 물질의 양 또는 농도 변화에 따른 포텐셜을 입력하여 상기 바이오 입력 트랜지스터를 통한 전류를 변화시키고, 상기 포텐셜에 따라서 상기 2단자 가변 저항 메모리 소자의 저항값을 스위칭하는 센싱 단계와, 상기 2단자 가변 저항 메모리 소자에 연결된 읽기 단자에 읽기 전압을 인가하고, 상기 출력 단자를 통해서 상기 2단자 가변 저항 메모리 소자의 저항값에 따른 2진 디지털값을 출력하는 읽기 단계를 포함한다.A method of operating a bio-transducer based on a two-terminal variable resistance memory element according to another aspect of the present invention for solving the above problem uses the bio-transducer based on the two-terminal variable resistance memory element described above, wherein the bio-input transistor A sensing step of changing the current through the bio-input transistor by inputting a potential according to the change in the amount or concentration of the bio material to the gate terminal of and switching the resistance value of the two-terminal variable resistance memory element according to the potential; A read step of applying a read voltage to a read terminal connected to the two-terminal variable resistance memory element and outputting a binary digital value according to the resistance value of the two-terminal variable resistance memory element through the output terminal.

상기 2단자 가변 저항 메모리 소자 기반의 바이오 트랜스듀서의 동작 방법에 따르면, 상기 2단자 가변 저항 메모리 소자와 상기 출력 저항은 직렬 연결되고, 상기 출력 단자는 상기 2단자 가변 저항 메모리 소자와 상기 출력 저항 사이에 연결되고, 상기 읽기 단계 시, 상기 읽기 전압은 상기 바이오 입력 트랜지스터의 상기 소오스 단자와 상기 2단자 가변 저항 메모리 소자 사이의 상기 읽기 단자에 인가될 수 있다.According to the operating method of the bio-transducer based on the two-terminal variable resistance memory element, the two-terminal variable resistance memory element and the output resistor are connected in series, and the output terminal is between the two-terminal variable resistance memory element and the output resistor. It is connected to, and during the read step, the read voltage may be applied to the read terminal between the source terminal of the bio-input transistor and the two-terminal variable resistance memory element.

상기 2단자 가변 저항 메모리 소자 기반의 바이오 트랜스듀서의 동작 방법에 따르면, 상기 2단자 가변 저항 메모리 소자와 상기 출력 저항은 상기 바이오 입력 트랜지스터의 상기 소오스 단자에 병렬적으로 연결되고, 상기 출력 단자는 상기 2단자 가변 저항 메모리 소자의 일단과 상기 출력 저항의 일단 사이에 연결되고, 상기 센싱 단계에서, 상기 출력 단자 반대편의 상기 2단자 가변 저항 메모리 소자의 타단은 접지되고, 상기 읽기 단계에서, 상기 2단자 가변 저항 메모리 소자의 타단에는 읽기 전압이 인가될 수 있다.According to the operating method of the bio-transducer based on the two-terminal variable resistance memory element, the two-terminal variable resistance memory element and the output resistor are connected in parallel to the source terminal of the bio-input transistor, and the output terminal is connected to the source terminal of the bio-input transistor. It is connected between one end of the two-terminal variable resistance memory element and one end of the output resistor, and in the sensing step, the other end of the two-terminal variable resistance memory element opposite the output terminal is grounded, and in the reading step, the second terminal A read voltage may be applied to the other end of the variable resistance memory element.

상기 2단자 가변 저항 메모리 소자 기반의 바이오 트랜스듀서의 동작 방법에 따르면, 상기 센싱 단계에서, 상기 바이오 입력 트랜지스터의 드레인 단자에는 동작 전압이 인가될 수 있다.According to the operating method of the bio-transducer based on the two-terminal variable resistance memory element, in the sensing step, an operating voltage may be applied to the drain terminal of the bio-input transistor.

상기 2단자 가변 저항 메모리 소자 기반의 바이오 트랜스듀서의 동작 방법에 따르면, 상기 읽기 단계에서, 상기 바이오 입력 트랜지스터는 턴-오프될 수 있다.According to the method of operating the bio-transducer based on the two-terminal variable resistance memory element, in the read step, the bio-input transistor may be turned off.

상기 2단자 가변 저항 메모리 소자 기반의 바이오 트랜스듀서의 동작 방법에 따르면, 상기 바이오 입력 트랜지스터의 상기 소오스 단자에 상기 2단자 가변 저항 메모리 소자와 병렬적으로 보조 트랜지스터가 더 연결되고, 상기 센싱 단계에서 상기 보조 트랜지스터는 턴-온되고, 상기 읽기 단계에서 상기 보조 트랜지스터는 턴-오프될 수 있다.According to the method of operating the bio-transducer based on the two-terminal variable resistance memory element, an auxiliary transistor is further connected to the source terminal of the bio-input transistor in parallel with the two-terminal variable resistance memory element, and in the sensing step, the The auxiliary transistor may be turned on, and in the read step, the auxiliary transistor may be turned off.

상기 2단자 가변 저항 메모리 소자 기반의 바이오 트랜스듀서의 동작 방법에 따르면, 상기 바이오 트랜스듀서는 상기 바이오 입력 트랜지스터의 상기 소오스 단자에 상기 2단자 가변 저항 메모리 소자와 병렬적으로 연결되는 보조 트랜지스터를 더 포함하고, 상기 센싱 단계는, 상기 바이오 입력 트랜지스터의 드레인 단자에 인가되는 동작 전압 또는 상기 보조 트랜지스터의 게이트 단자에 인가되는 제어 전압을 조절하여 상기 2단자 가변 저항 메모리 소자의 일단에 걸리는 전압을 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.According to the operating method of the bio-transducer based on the two-terminal variable resistance memory element, the bio-transducer further includes an auxiliary transistor connected to the source terminal of the bio-input transistor in parallel with the two-terminal variable resistance memory element. In the sensing step, the voltage applied to one end of the two-terminal variable resistance memory element is adjusted by adjusting the operating voltage applied to the drain terminal of the bio-input transistor or the control voltage applied to the gate terminal of the auxiliary transistor. It may further include.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 트랜스듀서 및 그 동작 방법에 의하면 디지털 출력값을 바로 얻을 수 있어서 아날로그 신호를 디지털 신호로 변경하기 위한 부가 소프트웨어 처리나 부가 하드웨어 장착이 생략될 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.According to the bio-transducer and its operating method according to an embodiment of the present invention as described above, a digital output value can be immediately obtained, so additional software processing or installation of additional hardware to change an analog signal to a digital signal can be omitted. . Of course, the scope of the present invention is not limited by this effect.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 2단자 가변 저항 메모리 소자 기반의 바이오 트랜스듀서를 보여주는 개략적인 회로도이다.
도 2는 도 1의 바이오 트랜스듀서에 이용되는 2단자 가변 저항 메모리 소자의 동작 특성을 보여주는 그래프이다.
도 3은 도 1의 바이오 트랜스듀서의 입력에 따른 동작 특성을 보여주는 그래프이다.
도 4는 도 1의 바이오 트랜스듀서의 동작을 보여주는 타임 차트이다.
도 5는 도 1의 바이오 트랜스듀서의 센싱 동작을 보여주는 회로도이다.
도 6은 도 1의 바이오 트랜스듀서의 읽기 동작을 보여주는 회로도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 2단자 가변 저항 메모리 소자 기반의 바이오 트랜스듀서를 보여주는 개략적인 회로도이다.
도 8은 도 7의 바이오 트랜스듀서의 동작을 보여주는 타임 차트이다.
도 9는 도 7의 바이오 트랜스듀서의 센싱 동작을 보여주는 회로도이다.
도 10은 도 7의 바이오 트랜스듀서의 읽기 동작을 보여주는 회로도이다.Figure 1 is a schematic circuit diagram showing a bio-transducer based on a two-terminal variable resistance memory element according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing the operating characteristics of a two-terminal variable resistance memory element used in the bio transducer of FIG. 1.
FIG. 3 is a graph showing operation characteristics according to input of the bio-transducer of FIG. 1.
FIG. 4 is a time chart showing the operation of the bio-transducer of FIG. 1.
FIG. 5 is a circuit diagram showing the sensing operation of the bio-transducer of FIG. 1.
FIG. 6 is a circuit diagram showing the read operation of the bio-transducer of FIG. 1.
Figure 7 is a schematic circuit diagram showing a bio-transducer based on a two-terminal variable resistance memory element according to another embodiment of the present invention.
Figure 8 is a time chart showing the operation of the bio-transducer of Figure 7.
FIG. 9 is a circuit diagram showing the sensing operation of the bio-transducer of FIG. 7.
FIG. 10 is a circuit diagram showing the read operation of the bio-transducer of FIG. 7.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, various preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.

본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.The embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art, and the following examples may be modified into various other forms, and the scope of the present invention is as follows. It is not limited to the examples. Rather, these embodiments are provided to make the present disclosure more faithful and complete and to fully convey the spirit of the present invention to those skilled in the art. Additionally, the thickness and size of each layer in the drawings are exaggerated for convenience and clarity of explanation. Accordingly, embodiments of the present invention should not be construed as being limited to the specific shape of the area shown in this specification, but should include, for example, changes in shape resulting from manufacturing.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 2단자 가변 저항 메모리 소자 기반의 바이오 트랜스듀서(100)를 보여주는 개략적인 회로도이다.Figure 1 is a schematic circuit diagram showing a bio-transducer 100 based on a two-terminal variable resistance memory element according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 바이오 트랜스듀서(100)는 바이오 입력 트랜지스터(TR1), 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM) 및 출력 저항(RO)을 포함할 수 있다. 바이오 트랜스듀서(100)는 바이오 물질의 양 또는 농도 변화를 감지하여 2진 디지털값을 출력할 수 있는 소자로, 바이오 센서로 불릴 수도 있다. Referring to FIG. 1 , the bio transducer 100 may include a bio input transistor (TR1), a two-terminal variable resistance memory element (R M ), and an output resistance (R O ). The bio transducer 100 is a device that can detect changes in the amount or concentration of bio materials and output binary digital values, and may also be called a bio sensor.

보다 구체적으로 보면, 바이오 입력 트랜지스터(TR1)는 게이트 단자(G), 드레인 단자(D) 및 소오스 단자(S)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 바이오 입력 트랜지스터(TR1)는 전계효과 트랜지스터(field effect transistor, FET)일 수 있다. 예를 들어, 바이오 입력 트랜지스터(TR1)는 물질의 양 또는 농도 변화에 따른 포텐셜(VGP)을 게이트 단자(G)로 입력받고 포텐셜(VGP)에 따라서 드레인 단자(D)로부터 소오스 단자(S)로 흐르는 전류(도 5의 IDS)가 달라지는 소자일 수 있다.More specifically, the bio-input transistor TR1 may include a gate terminal (G), a drain terminal (D), and a source terminal (S). For example, the bio-input transistor TR1 may be a field effect transistor (FET). For example, the bio-input transistor (TR1) receives the potential (V GP ) according to the change in the amount or concentration of the material to the gate terminal (G), and connects the source terminal (S) from the drain terminal (D) according to the potential (V GP ). ) may be a device in which the current flowing (I DS in FIG. 5) varies.

일부 실시예들에서, 바이오 입력 트랜지스터(TR1)의 게이트 단자(G)와 연결되는 입력부가 바이오 물질이 들어 있는 액체를 통과하도록 배치되고, 이 입력부에 기준 전압(VREF)이 인가될 수 있다. 이후, 게이트 단자(G)로 입력되는 포텐셜(VGP)은 바이오 물질의 양 또는 농도에 따라서 달라질 수 있다. 바이오 입력 트랜지스터(TR1)의 드레인 단자(D)에는 동작 전압(VD)이 인가될 수 있다.In some embodiments, an input portion connected to the gate terminal (G) of the bio input transistor (TR1) is disposed to pass a liquid containing a bio material, and a reference voltage (V REF ) may be applied to this input portion. Thereafter, the potential (V GP ) input to the gate terminal (G) may vary depending on the amount or concentration of the biomaterial. An operating voltage (V D ) may be applied to the drain terminal (D) of the bio-input transistor (TR1).

2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)는 인가되는 전압에 따라서 저항값이 스위칭되는 소자일 수 있다. 예를 들어, 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)는 바이오 입력 트랜지스터(TR1)의 소오스 단자(S)에 연결되고, 인가되는 전압에 따라서 저항값이 스위칭될 수 있다. 예를 들어, 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)는 가변 저항 특성을 갖는 금속 산화물을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)는 멤리스터(memristor)로 불릴 수도 있다.The two-terminal variable resistance memory element R M may be an element whose resistance value is switched depending on the applied voltage. For example, the two-terminal variable resistance memory element R M is connected to the source terminal S of the bio-input transistor TR1, and the resistance value can be switched according to the applied voltage. For example, the two-terminal variable resistance memory element R M may include a metal oxide having variable resistance characteristics. In some embodiments, the two-terminal variable resistance memory element R M may also be called a memristor.

도 2에 도시된 바와 같이, 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)는 인가되는 전압(VM)에 따라서 그 저항값이 가변될 수 있다. 예를 들어, 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)는 인가되는 전압(VM)이 셋 전압(VSET) 이상이되면 고저항 상태(HRS)에서 저저항 상태(LRS)로 스위칭될 수 있다. 이러한 저항 변화는 리셋되기 전까지 유지될 수 있다. 따라서, 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)는 저저항 상태(LRS)로 스위칭된 후에는 리셋되기 전까지 저저항 상태(LRS)를 유지할 수 있다. As shown in FIG. 2 , the resistance value of the two-terminal variable resistance memory element R M may vary depending on the applied voltage V M . For example, the two-terminal variable resistance memory element R M may be switched from the high resistance state (HRS) to the low resistance state (LRS) when the applied voltage (V M ) is greater than or equal to the set voltage (V SET ). This change in resistance can be maintained until reset. Therefore, after the two-terminal variable resistance memory element R M is switched to the low resistance state (LRS), it can maintain the low resistance state (LRS) until reset.

출력 저항(RO)은 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)에 연결될 수 있다. 예를 들어, 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)와 출력 저항(RO)은 직렬 연결될 수 있다. 보다 구체적으로 보면, 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)의 일단이 바이오 입력 트랜지스터(TR1)의 소오스 단자(S)에 연결되고, 출력 저항(RO)의 일단은 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)의 타단에 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)와 직렬 연결될 수 있고, 출력 저항(RO)의 타단은 접지될 수 있다. The output resistance (R O ) may be connected to a two-terminal variable resistance memory element (R M ). For example, a two-terminal variable resistance memory element (R M ) and an output resistance (R O ) may be connected in series. More specifically, one end of the two-terminal variable resistance memory element (R M ) is connected to the source terminal (S) of the bio-input transistor (TR1), and one end of the output resistance (R O ) is connected to the two-terminal variable resistance memory element ( The other end of R M ) may be connected in series with a two-terminal variable resistance memory element (R M ), and the other end of the output resistor (R O ) may be grounded.

읽기 단자(n1)는 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)에 연결될 수 있다. 예를 들어, 읽기 단자(n1)는 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)의 일단, 또는 바이오 입력 트랜지스터(TR1)의 소오스 단자(S)와 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM) 사이에 연결될 수 있다. 보다 구체적으로 보면, 읽기 단자(n1)는 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)의 일단과 바이오 입력 트랜지스터(TR1)의 소오스 단자(S) 사이를 연결하는 연결부의 일부분을 지칭할 수 있다. The read terminal (n1) may be connected to a two-terminal variable resistance memory element (R M ). For example, the read terminal (n1) is connected to one end of the two-terminal variable resistance memory element (R M ), or between the source terminal (S) of the bio-input transistor (TR1) and the two-terminal variable resistance memory element (R M ). You can. More specifically, the read terminal (n1) may refer to a portion of the connection between one end of the two-terminal variable resistance memory element (R M ) and the source terminal (S) of the bio-input transistor (TR1).

읽기 단자(n1)에는 바이오 트랜스듀서(100)의 동작에 따라서 입력 전압(VH1)이 인가될 수 있다. 예를 들어, 읽기 단자(n1)에는 읽기 전압(VR)이 인가되거나 또는 플로팅(floating)될 수 있다. 예를 들어, 바이오 트랜스듀서(100)의 읽기 동작 시 읽기 단자(n1)에 읽기 전압(VR)이 인가될 수 있고, 그 외 동작, 예컨대 센싱 동작 시에는 읽기 단자(n1)는 플로팅 될 수 있다.An input voltage (V H1 ) may be applied to the read terminal (n1) according to the operation of the bio-transducer 100. For example, a read voltage ( VR ) may be applied to the read terminal (n1) or may be floating. For example, during a read operation of the bio-transducer 100, a read voltage (V R ) may be applied to the read terminal (n1), and during other operations, such as a sensing operation, the read terminal (n1) may be floating. there is.

출력 단자(n2)는 출력 저항(RO)에 연결될 수 있다. 예를 들어, 출력 단자(n2)는 출력 저항(RO)의 일단 또는 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)의 타단에 연결될 수 있다. 보다 구체적으로 보면, 출력 단자(n2)는 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)와 출력 저항(RO) 사이에 연결될 수 있다. 예를 들어, 출력 단자(n2)는 출력 저항(RO)의 일단과 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)의 타단을 연결하는 연결부에 연결될 수 있다. The output terminal (n2) may be connected to the output resistance ( RO ). For example, the output terminal (n2) may be connected to one end of the output resistor (R O ) or the other end of the two-terminal variable resistance memory element (R M ). More specifically, the output terminal (n2) may be connected between the two-terminal variable resistance memory element (R M ) and the output resistance (R O ). For example, the output terminal (n2) may be connected to a connection portion connecting one end of the output resistor (R O ) and the other end of the two-terminal variable resistance memory element (R M ).

출력 단자(n2)는 바이오 트랜스듀서(100)의 센싱 동작 시 접지되고, 읽기 동작 시 출력값(VOUT1)을 출력할 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 출력 단자(n2)는 읽기 동작 시 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)의 저항값에 따른 2진 디지털값을 출력할 수 있다. 즉, 바이오마커의 양 또는 농도에 따라서 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)의 저항값이 스위칭되고, 그에 따라서 출력 단자(n2)를 통해서 출력되는 출력값(VOUT1)은 디지털값이 될 수 있다.The output terminal (n2) is grounded during a sensing operation of the bio-transducer 100, and can output an output value (V OUT1 ) during a read operation. For example, as shown in FIG. 3, the output terminal n2 may output a binary digital value according to the resistance value of the two-terminal variable resistance memory element R M during a read operation. That is, the resistance value of the two-terminal variable resistance memory element (R M ) is switched depending on the amount or concentration of the biomarker, and accordingly, the output value (V OUT1 ) output through the output terminal (n2) can be a digital value. .

선택적으로, 보조 트랜지스터(TR2)는 바이오 입력 트랜지스터(TR1)의 소오스 단자(S)에 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)와 병렬적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 보조 트랜지스터(TR2)는 게이트 단자(G), 드레인 단자(D) 및 소오스 단자(S)를 포함할 수 있고, 전계효과 트랜지스터(field effect transistor, FET)일 수 있다. Optionally, the auxiliary transistor TR2 may be connected in parallel with the two-terminal variable resistance memory element R M to the source terminal S of the bio-input transistor TR1. For example, the auxiliary transistor TR2 may include a gate terminal (G), a drain terminal (D), and a source terminal (S), and may be a field effect transistor (FET).

보다 구체적으로 보면, 보조 트랜지스터(TR2)의 드레인 단자(D)가 바이오 입력 트랜지스터(TR1)의 소오스 단자(S)에 연결될 수 있다. 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)는 보조 트랜지스터(TR2)의 드레인 단자(D)가 바이오 입력 트랜지스터(TR1)의 소오스 단자(S) 사이에 연결될 수 있다. More specifically, the drain terminal (D) of the auxiliary transistor (TR2) may be connected to the source terminal (S) of the bio-input transistor (TR1). The two-terminal variable resistance memory element R M may be connected between the drain terminal D of the auxiliary transistor TR2 and the source terminal S of the bio-input transistor TR1.

보조 트랜지스터(TR2)는 게이트 단자(G)로 제어 전압(VGS)를 인가받을 수 있다. 이에 따라, 보조 트랜지스터(TR2)는 제어 전압(VGS)을 통해서 온/오프 스위칭될 수 있고, 나아가 제어 전압(VGS)의 미세 조정을 통해서 온-저항 레벨이 달라질 수 있다. 따라서, 바이오 트랜스듀서(100)의 센싱 동작 시 보조 트랜지스터(TR2)의 온-저항 레벨을 조절하여, 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)에 흐르는 전류값을 보조적으로 조절할 수도 있다.The auxiliary transistor (TR2) can receive the control voltage (V GS ) through the gate terminal (G). Accordingly, the auxiliary transistor TR2 may be switched on/off through the control voltage V GS , and further, the on-resistance level may vary through fine adjustment of the control voltage V GS . Accordingly, during the sensing operation of the bio-transducer 100, the on-resistance level of the auxiliary transistor TR2 may be adjusted to auxiliarily control the current value flowing through the two-terminal variable resistance memory element R M .

이하에서는 바이오 트랜스듀서(100)의 동작에 대해서 보다 구체적으로 설명한다.Below, the operation of the bio-transducer 100 will be described in more detail.

도 4는 도 1의 바이오 트랜스듀서의 동작을 보여주는 타임 차트이고, 도 5는 도 1의 바이오 트랜스듀서의 센싱 동작을 보여주는 회로도이고, 도 6은 도 1의 바이오 트랜스듀서의 읽기 동작을 보여주는 회로도이다.FIG. 4 is a time chart showing the operation of the bio-transducer of FIG. 1, FIG. 5 is a circuit diagram showing the sensing operation of the bio-transducer of FIG. 1, and FIG. 6 is a circuit diagram showing the reading operation of the bio-transducer of FIG. 1. .

도 4 내지 도 6을 같이 참조하면, 바이오 트랜스듀서(100)의 동작 방법은 바이오 입력 트랜지스터(TR1)의 게이트 단자(G)로 바이오 물질의 양 또는 농도 변화에 따른 포텐셜(VGP)을 입력하여 바이오 입력 트랜지스터(TR1)를 통한 전류(IDS)를 변화시키고, 이 포텐셜(VGP)에 따라서 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)의 저항값을 스위칭하는 센싱 단계(sensing step)와, 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)에 연결된 읽기 단자(n1)에 읽기 전압(VR)을 인가하고, 출력 단자(n2)를 통해서 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)의 저항값에 따른 2진 디지털값을 출력하는 읽기 단계(reading step)를 포함할 수 있다. Referring to FIGS. 4 to 6 , the operating method of the bio transducer 100 is to input the potential (V GP ) according to the change in the amount or concentration of the bio material to the gate terminal (G) of the bio input transistor (TR1). A sensing step that changes the current (I DS ) through the bio-input transistor (TR1) and switches the resistance value of the two-terminal variable resistance memory element (R M ) according to this potential (V GP ); 2 A read voltage (V R ) is applied to the read terminal (n1) connected to the terminal variable resistance memory element (R M ), and 2 according to the resistance value of the two-terminal variable resistance memory element (R M ) through the output terminal (n2). It may include a reading step that outputs a true digital value.

보다 구체적으로 보면, 읽기 단자(n1)는 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)의 일단에 연결되거나 또는 바이오 입력 트랜지스터(TR1)의 소오스 단자(S)와 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)를 연결하는 연결부에 연결될 수 있다. 따라서, 읽기 전압(VR)은 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)의 일단에 인가되거나 또는 바이오 입력 트랜지스터(TR1)의 소오스 단자(S)와 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM) 사이에 인가될 수 있다.More specifically, the read terminal (n1) is connected to one end of the two-terminal variable resistance memory element (R M ) or is connected to the source terminal (S) of the bio-input transistor (TR1) and the two-terminal variable resistance memory element (R M ). It can be connected to a connection that connects. Therefore, the read voltage (V R ) is applied to one end of the two-terminal variable resistance memory element (R M ) or between the source terminal (S) of the bio-input transistor (TR1) and the two-terminal variable resistance memory element (R M ). may be approved.

센싱 단계에서, 입력부로 인가되는 기준 전압(VREF)이 하이 레벨이고, 보조 트랜지스터(TR2)의 입력 전압(VGS)이 하이 레벨이고, 바이오 입력 트랜지스터(TR1)의 드레인 단자(D)로 입력되는 동작 전압(VD)이 하이 레벨이고, 바이오 물질, 예컨대 병원균의 양 또는 농도가 점차 증가하고, 출력 단자(n2)는 접지될 수 있다. 이에 따라, 바이오 입력 트랜지스터(TR1)의 게이트 단자(G)로 입력되는 포텐셜(VGP)이 점차 증가하고, 바이오 입력 트랜지스터(TR1)를 통해서 흐르는 전류(IDS)가 증가하고, 보조 트랜지스터(TR2)는 턴-온 될 수 있다. 이 때, 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)에 걸리는 전압(VH1)이 증가하고 일정 이상이 되면, 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)의 저항이 고저항 상태(HRS)에서 저저항 상태(LRS)로 스위칭될 수 있다. In the sensing stage, the reference voltage (V REF ) applied to the input unit is high level, the input voltage (V GS ) of the auxiliary transistor (TR2) is high level, and is input to the drain terminal (D) of the bio-input transistor (TR1). The operating voltage V D is at a high level, the amount or concentration of biomaterials, such as pathogens, gradually increases, and the output terminal n2 may be grounded. Accordingly, the potential (V GP ) input to the gate terminal (G) of the bio-input transistor (TR1) gradually increases, the current (I DS ) flowing through the bio-input transistor (TR1) increases, and the auxiliary transistor (TR2) increases. ) can be turned on. At this time, when the voltage (V H1 ) applied to the two-terminal variable resistance memory element (R M ) increases and exceeds a certain level, the resistance of the two-terminal variable resistance memory element (R M ) changes from a high resistance state (HRS) to a low resistance state. Can be switched to state (LRS).

읽기 단계에서, 입력부로 인가되는 기준 전압(VREF)이 로우 레벨이고, 보조 트랜지스터(TR2)의 입력 전압(VGS)이 로우 레벨이고, 바이오 입력 트랜지스터(TR1)의 드레인 단자(D)로 입력되는 동작 전압(VD)이 로우 레벨이고, 읽기 단자(n1)로 읽기 전압(VR)이 인가될 수 있다.In the read stage, the reference voltage (V REF ) applied to the input unit is low level, the input voltage (V GS ) of the auxiliary transistor (TR2) is low level, and is input to the drain terminal (D) of the bio input transistor (TR1). The operating voltage (V D ) is at a low level, and the read voltage ( VR ) can be applied to the read terminal (n1).

이에 따라, 읽기 단계에서 바이오 입력 트랜지스터(TR1) 및 보조 트랜지스터(TR2)는 모두 턴-오프되고, 읽기 단자(n1)로부터 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM) 및 출력 저항(RO)을 거쳐서 접지부로 전류가 흐를 수 있다. 이 경우, 출력 단자(n2)는 출력값(VOUT1)으로 출력 저항(RO)에 걸리는 전압을 출력할 수 있다. Accordingly, in the read stage, both the bio-input transistor (TR1) and the auxiliary transistor (TR2) are turned off, and from the read terminal (n1) through the two-terminal variable resistance memory element (R M ) and the output resistance (R O ) Current may flow to the ground. In this case, the output terminal (n2) can output the voltage applied to the output resistance (R O ) as the output value (V OUT1 ).

2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)가 고저항 상태(HRS)인 경우 출력값(VOUT1)은 로우 레벨일 수 있고, 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)가 저저항 상태(LRS)로 스위칭되어 있는 경우 출력값(VOUT1)은 하이 레벨일 수 있다. 따라서, 출력 단자(n2)는 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)의 저항 상태에 따라서 로우 레벨 또는 하이 레벨의 2진 디지털값을 출력값(VOUT1)으로 출력할 수 있다. When the two-terminal variable resistance memory element (R M ) is in the high resistance state (HRS), the output value (V OUT1 ) may be at a low level, and the two-terminal variable resistance memory element (R M ) switches to the low resistance state (LRS). If so, the output value (V OUT1 ) may be at a high level. Accordingly, the output terminal (n2) can output a low level or high level binary digital value as the output value (V OUT1 ) depending on the resistance state of the two-terminal variable resistance memory element (R M ).

이러한 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)의 저항 상태는 바이오 물질, 예컨대 병원균의 양 또는 농도의 특정 레벨 이하인지 이상인지에 따라서 달라질 수 있다. 따라서, 바이오 트랜스듀서(100)를 이용하면, 바이오 물질, 예컨대 병원균의 양 또는 농도가 특정 레벨 이하인지 이상인지를 바로 알 수 있다.The resistance state of this two-terminal variable resistance memory element R M may vary depending on whether the amount or concentration of biomaterials, such as pathogens, is below or above a certain level. Therefore, by using the bio transducer 100, it is possible to immediately determine whether the amount or concentration of biomaterials, such as pathogens, is below or above a certain level.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 2단자 가변 저항 메모리 소자 기반의 바이오 트랜스듀서(100a)를 보여주는 개략적인 회로도이다. 바이오 트랜스듀서(100a)는 도 1의 바이오 트랜스듀서(100)에서 일부 구성의 배치를 변경한 것이고, 따라서 실시예들은 서로 참조될 수 있는 바 실시예들에서 중복된 설명은 생략된다.Figure 7 is a schematic circuit diagram showing a bio-transducer 100a based on a two-terminal variable resistance memory device according to another embodiment of the present invention. The bio-transducer 100a is a modified arrangement of some components of the bio-transducer 100 of FIG. 1, and therefore, the embodiments may be referred to each other, so duplicate descriptions in the embodiments will be omitted.

도 7을 참조하면, 바이오 트랜스듀서(100a)는 바이오 트랜스듀서(100)와 마찬가지로 바이오 입력 트랜지스터(TR1), 보조 트랜지스터(TR2), 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM) 및 출력 저항(RO)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 7, the bio-transducer 100a, like the bio-transducer 100, includes a bio-input transistor (TR1), an auxiliary transistor (TR2), a two-terminal variable resistance memory element (R M ), and an output resistance (R O ) may include.

다만, 바이오 트랜스듀서(100)에서 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM) 및 출력 저항(RO)은 바이오 입력 트랜지스터(TR1)의 소오스 단자(S)에 직렬적으로 연결된 반면, 바이오 트랜스듀서(100a)에서 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM) 및 출력 저항(RO)은 바이오 입력 트랜지스터(TR1)의 소오스 단자(S)에 병렬적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)의 일단 및 출력 저항(RO)의 일단이 바이오 입력 트랜지스터(TR1)의 소오스 단자(S)에 병렬적으로 연결될 수 있다. 출력 저항(RO)의 타단은 접지되고, 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)의 타단은 읽기 단자(n1)에 연결될 수 있다.However, in the bio-transducer 100, the two-terminal variable resistance memory element (R M ) and the output resistance (R O ) are connected in series to the source terminal (S) of the bio-input transistor (TR1), while the bio-transducer ( In 100a), the two-terminal variable resistance memory element (R M ) and the output resistance (R O ) may be connected in parallel to the source terminal (S) of the bio-input transistor (TR1). For example, one end of the two-terminal variable resistance memory element R M and one end of the output resistor R O may be connected in parallel to the source terminal S of the bio-input transistor TR1. The other end of the output resistor (R O ) may be grounded, and the other end of the two-terminal variable resistance memory element (R M ) may be connected to the read terminal (n1).

읽기 단자(n1), 즉 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)의 타단에는 동작 전압(VSS)이 인가될 수 있다. 예를 들어, 바이오 트랜스듀서(100a)의 동작에 따라서 동작 전압(VSS)은 접지 전압이거나 또는 읽기 전압(VR)일 수 있다. 예를 들어, 바이오 트랜스듀서(100a)의 센싱 동작 시, 읽기 단자(n1), 즉 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)의 타단은 접지되고, 바이오 트랜스듀서(100a)의 읽기 동작 시 읽기 단자(n1), 즉 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)의 타단에는 읽기 전압(VR)이 인가될 수 있다.An operating voltage (V SS ) may be applied to the read terminal (n1), that is, the other terminal of the two-terminal variable resistance memory element (R M ). For example, depending on the operation of the bio-transducer 100a, the operating voltage (V SS ) may be a ground voltage or a read voltage ( VR ). For example, during the sensing operation of the bio-transducer (100a), the read terminal (n1), that is, the other terminal of the two-terminal variable resistance memory element (R M ) is grounded, and during the read operation of the bio-transducer (100a), the read terminal (n1) is grounded. (n1), that is, the read voltage (V R ) may be applied to the other terminal of the two-terminal variable resistance memory element (R M ).

출력 단자(n2)는 출력 저항(RO)의 일단에 연결될 수 있다. 예를 들어, 출력 단자(n2)는 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)의 일단과 출력 저항(RO)의 일단 사이에 연결될 수 있다. 일부 실시예에서, 출력 단자(n2)는 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)의 일단에 연결된 제 1 출력 단자(n2-1)과 출력 저항(RO)의 일단에 연결된 제 2 출력 단자(n2-2)를 포함할 수 있다. 다만, 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)와 출력 저항(RO)의 연결이 차단되지 않는 이상, 제 1 출력 단자(n2-1)와 제 2 출력 단자(n2-2)는 도선으로 연결되어 있어서 동일한 전압을 출력할 수 있으므로 구분하지 않고 출력 단자(n2)를 대변할 수도 있다.The output terminal (n2) may be connected to one end of the output resistor (R O ). For example, the output terminal (n2) may be connected between one end of the two-terminal variable resistance memory element (R M ) and one end of the output resistor (R O ). In some embodiments, the output terminal (n2) is a first output terminal (n2-1) connected to one end of the two-terminal variable resistance memory element (R M ) and a second output terminal (n2-1) connected to one end of the output resistor (R O ) n2-2) may be included. However, unless the connection between the two-terminal variable resistance memory element (R M ) and the output resistance (R O ) is interrupted, the first output terminal (n2-1) and the second output terminal (n2-2) are connected with a conductive wire. Since the same voltage can be output, it can also represent the output terminal (n2) without distinction.

도 1의 바이오 트랜스듀서(100)에서 읽기 단자(n1)는 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)의 일단에 연결되는 반면, 도 7의 바이오 트랜스듀서(100a)에서 읽기 단자(n1)는 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)의 타단에 연결될 수 있다. 따라서, 바이오 트랜스듀서(100)가 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)의 양의 전압 구간에서 동작하는 것으로 이해하는 경우, 바이오 트랜스듀서(100a)는 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)의 음의 전압 구간에서 동작하는 것으로 이해될 수도 있다.In the bio-transducer 100 of FIG. 1, the read terminal (n1) is connected to one end of the two-terminal variable resistance memory element (R M ), while in the bio-transducer 100a of FIG. 7, the read terminal (n1) is connected to 2 terminals. The terminal may be connected to the other end of the variable resistance memory element (R M ). Therefore, if the bio-transducer 100 is understood to operate in the positive voltage section of the two-terminal variable resistance memory element (R M ), the bio-transducer (100a) is operated in the positive voltage section of the two-terminal variable resistance memory element (R M ). It may be understood as operating in a negative voltage section.

이하에서는 바이오 트랜스듀서(100a)의 동작에 대해서 보다 구체적으로 설명한다.Below, the operation of the bio-transducer 100a will be described in more detail.

도 8은 도 7의 바이오 트랜스듀서(100a)의 동작을 보여주는 타임 차트이고, 도 9는 도 7의 바이오 트랜스듀서(100a)의 센싱 동작을 보여주는 회로도이고, 도 10은 도 7의 바이오 트랜스듀서(100a)의 읽기 동작을 보여주는 회로도이다.FIG. 8 is a time chart showing the operation of the bio-transducer 100a of FIG. 7, FIG. 9 is a circuit diagram showing the sensing operation of the bio-transducer 100a of FIG. 7, and FIG. 10 is a time chart showing the operation of the bio-transducer 100a of FIG. 7. This is a circuit diagram showing the read operation of 100a).

도 8 내지 도 10을 참조하면, 바이오 트랜스듀서(100a)의 동작 방법은 바이오 트랜스듀서(100)와 마찬가지로 센싱 단계(sensing step)와, 읽기 단계(reading step)를 포함할 수 있다. Referring to FIGS. 8 to 10 , the operating method of the bio-transducer 100a may include a sensing step and a reading step, similar to the bio-transducer 100.

바이오 트랜스듀서(100a)에 있어서, 센싱 단계에서 출력 단자(n2)의 반대편의 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)의 타단은 접지되고, 읽기 단계에서 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)의 타단의 읽기 단자(n1)에는 읽기 전압(VR)이 인가될 수 있다.In the bio-transducer 100a, in the sensing stage, the other end of the two-terminal variable resistance memory element (R M ) opposite the output terminal (n2) is grounded, and in the reading stage, the other end of the two-terminal variable resistance memory element (R M ) is grounded. A read voltage (V R ) may be applied to the read terminal (n1) of the other end.

보다 구체적으로 보면, 센싱 단계에서, 입력부로 인가되는 기준 전압(VREF)이 하이 레벨이고, 보조 트랜지스터(TR2)의 입력 전압(VGS)이 하이 레벨이고, 바이오 입력 트랜지스터(TR1)의 드레인 단자(D)로 입력되는 동작 전압(VD)이 하이 레벨이고, 바이오 물질의 양 또는 농도가 점차 증가할 수 있다. 이에 따라, 바이오 입력 트랜지스터(TR1)의 게이트 단자(G)로 입력되는 포텐셜(VGP)이 점차 증가하고, 바이오 입력 트랜지스터(TR1)를 통해서 흐르는 전류(IDS)가 증가하고, 보조 트랜지스터(TR2)는 턴-온될 수 있다. 이 때, 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)에 걸리는 전압(VOUT2-1)이 증가하고 일정 이상이 되면, 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)의 저항이 고저항 상태(HRS)에서 저저항 상태(LRS)로 스위칭될 수 있다. More specifically, in the sensing stage, the reference voltage (V REF ) applied to the input unit is at a high level, the input voltage (V GS ) of the auxiliary transistor (TR2) is at a high level, and the drain terminal of the bio-input transistor (TR1) is at a high level. The operating voltage (V D ) input to (D) is at a high level, and the amount or concentration of biomaterial can gradually increase. Accordingly, the potential (V GP ) input to the gate terminal (G) of the bio-input transistor (TR1) gradually increases, the current (I DS ) flowing through the bio-input transistor (TR1) increases, and the auxiliary transistor (TR2) increases. ) can be turned on. At this time, when the voltage (V OUT2-1 ) applied to the two-terminal variable resistance memory element (R M ) increases and exceeds a certain level, the resistance of the two-terminal variable resistance memory element (R M ) decreases from the high resistance state (HRS). Can be switched to low resistance state (LRS).

읽기 단계에서, 입력부로 인가되는 기준 전압(VREF)이 로우 레벨이고, 보조 트랜지스터(TR2)의 입력 전압(VGS)이 로우 레벨이고, 바이오 입력 트랜지스터(TR1)의 드레인 단자(D)로 입력되는 동작 전압(VD)이 로우 레벨이고, 읽기 단자(n1)로 읽기 전압(VR)이 인가될 수 있다.In the read stage, the reference voltage (V REF ) applied to the input unit is low level, the input voltage (V GS ) of the auxiliary transistor (TR2) is low level, and is input to the drain terminal (D) of the bio input transistor (TR1). The operating voltage (V D ) is at a low level, and the read voltage ( VR ) can be applied to the read terminal (n1).

이에 따라, 읽기 단계에서 바이오 입력 트랜지스터(TR1) 및 보조 트랜지스터(TR2)는 모두 턴-오프되고, 읽기 단자(n1)로부터 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM) 및 출력 저항(RO)을 거쳐서 접지부로 전류가 흐를 수 있다. 이 경우, 출력 단자(n2), 예컨대 제 2 출력 단자(n2-1)는 출력값(VOUT2-2)으로 출력 저항(RO)에 걸리는 전압을 출력할 수 있다.Accordingly, in the read stage, both the bio-input transistor (TR1) and the auxiliary transistor (TR2) are turned off, and from the read terminal (n1) through the two-terminal variable resistance memory element (R M ) and the output resistance (R O ) Current may flow to the ground. In this case, the output terminal (n2), for example, the second output terminal (n2-1), may output the voltage applied to the output resistance (R O ) as the output value (V OUT2-2 ).

전술한 바이오 트랜스듀서들(100, 100a)에 따르면, 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)의 저항 상태는 바이오 물질, 예컨대 병원균의 양 또는 농도가 특정 레벨 이하인지 이상인지에 따라서 달라질 수 있고, 이에 따라 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)의 저항이 저저항 상태(LRS)와 고저항 상태(HRS) 사이에서 스위칭될 수 있다. 다만, 바이오 트랜스듀서들(100, 100a)에서, 생명체가 감염되었다고 간주할 만한 바이오 물질, 예컨대 병원균의 양 또는 농도에 대한 임계값(C1)의 전압과 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)의 셋전압(VSET)이 일치하지 않을 수 있다. According to the bio-transducers 100 and 100a described above, the resistance state of the two-terminal variable resistance memory element R M may vary depending on whether the amount or concentration of biomaterials, such as pathogens, is below or above a certain level, Accordingly, the resistance of the two-terminal variable resistance memory element ( RM ) can be switched between a low resistance state (LRS) and a high resistance state (HRS). However, in the bio-transducers 100 and 100a, the voltage of the threshold C1 for the amount or concentration of biomaterials, such as pathogens, that can be considered infected with living organisms and the two-terminal variable resistance memory element R M The set voltage (V SET ) may not match.

따라서, 바이오 트랜스듀서들(100, 100a)의 센싱 단계는, 바이오 입력 트랜지스터(TR1)의 드레인 단자(D)에 인가되는 동작 전압(VD) 또는 보조 트랜지스터(TR2)의 게이트 단자(G)에 인가되는 제어 전압(VGS)을 조절하여 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)의 일단에 걸리는 전압(VH1, VOUT2-1)을 조절하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어 전압(VGS)이 증가하면 보조 트랜지스터(TR2)의 온저항(Rc)이 감소하고, 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)의 일단에 걸리는 전압(VH1, VOUT2-1)이 감소될 수 있고, 반대로 제어 전압(VGS)이 감소하면 보조 트랜지스터(TR2)의 온저항(Rc)이 증가하고, 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)의 일단에 걸리는 전압(VH1, VOUT2-1)이 증가될 수 있다. 한편, 동작 전압(VD)이 증가하면 보조 트랜지스터(TR2)의 온저항(Rc)이 증가하고, 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)의 일단에 걸리는 전압(VH1, VOUT2-1)이 증가할 수 있고, 반대로 동작 전압(VD)이 감소하면 보조 트랜지스터(TR2)의 온저항(Rc)이 감소하고, 2단자 가변 저항 메모리 소자(RM)의 일단에 걸리는 전압(VH1, VOUT2-1)이 감소될 수 있다.Accordingly, the sensing step of the bio transducers (100, 100a) is performed by applying the operating voltage (V D ) to the drain terminal (D) of the bio input transistor (TR1) or the gate terminal (G) of the auxiliary transistor (TR2). It may include adjusting the voltage (V H1 , V OUT2-1 ) applied to one end of the two-terminal variable resistance memory element (R M ) by adjusting the applied control voltage (V GS ). For example, when the control voltage (V GS ) increases, the on-resistance (Rc) of the auxiliary transistor (TR2) decreases, and the voltage applied to one end of the two-terminal variable resistance memory element (R M ) (V H1 , V OUT2- 1 ) can be reduced, and conversely, when the control voltage ( VGS ) decreases, the on-resistance (Rc) of the auxiliary transistor (TR2) increases, and the voltage (V) applied to one end of the two-terminal variable resistance memory element (R M ) H1 , V OUT2-1 ) can be increased. Meanwhile, as the operating voltage (V D ) increases, the on-resistance (Rc) of the auxiliary transistor (TR2) increases, and the voltage (V H1 , V OUT2-1 ) applied to one end of the two-terminal variable resistance memory element (R M ) may increase, and conversely, when the operating voltage (V D ) decreases, the on-resistance (Rc) of the auxiliary transistor (TR2) decreases, and the voltage applied to one end of the two-terminal variable resistance memory element (R M ) (V H1 , V OUT2-1 ) can be reduced.

따라서, 바이오 트랜스듀서들(100, 100a)를 이용하면, 바이오 물질, 예컨대 병원균의 양 또는 농도가 특정 레벨, 예컨대 임계 농도 이하인지 이상인지를 2진 디지털 출력값으로 바로 알 수 있어서, 아날로그 신호를 디지털 신호로 변경하기 위한 부가 소프트웨어 처리나 부가 하드웨어 장착이 생략될 수 있다.Therefore, by using the bio transducers 100 and 100a, it is possible to immediately know whether the amount or concentration of biomaterials, such as pathogens, is below or above a certain level, such as a critical concentration, through a binary digital output value, converting the analog signal into a digital output. Additional software processing or installation of additional hardware to change it into a signal can be omitted.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.The present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, but these are merely exemplary, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, the true scope of technical protection of the present invention should be determined by the technical spirit of the attached patent claims.

100, 100a: 바이오 트랜스듀서
TR1: 바이오 입력 트랜지스터
TR2: 보조 트랜지스터
RM: 2단자 가변 저항 메모리 소자
RO: 출력 저항100, 100a: bio transducer
TR1: bio input transistor
TR2: Auxiliary transistor
R M : 2-terminal variable resistance memory element
R O : output resistance

Claims (15)

게이트 단자, 드레인 단자 및 소오스 단자를 포함하고, 바이오 물질의 양 또는 농도 변화에 따른 포텐셜을 게이트 단자로 입력받고 상기 포텐셜에 따라서 상기 드레인 단자로부터 상기 소오스 단자로 흐르는 전류가 달라지는, 바이오 입력 트랜지스터;
상기 바이오 입력 트랜지스터의 상기 소오스 단자에 연결되고, 인가되는 전압에 따라서 저항값이 스위칭되는 2단자 가변 저항 메모리 소자; 및
상기 바이오 입력 트랜지스터의 상기 소오스 단자 또는 상기 2단자 가변 저항 메모리 소자에 연결되는 출력 저항을 포함하고,
상기 출력 저항의 일단에 출력 단자가 연결되고, 상기 출력 단자는 읽기 동작 시 상기 2단자 가변 저항 메모리 소자의 저항값에 따른 2진 디지털값을 출력할 수 있는,
2단자 가변 저항 메모리 소자 기반의 바이오 트랜스듀서.A bio-input transistor, which includes a gate terminal, a drain terminal, and a source terminal, and receives a potential according to a change in the amount or concentration of a bio material through the gate terminal and changes a current flowing from the drain terminal to the source terminal according to the potential;
a two-terminal variable resistance memory element connected to the source terminal of the bio-input transistor and having a resistance value switched according to an applied voltage; and
Includes an output resistor connected to the source terminal of the bio-input transistor or the two-terminal variable resistance memory element,
An output terminal is connected to one end of the output resistor, and the output terminal is capable of outputting a binary digital value according to the resistance value of the two-terminal variable resistance memory element during a read operation.
Bio-transducer based on a two-terminal variable resistance memory element. 제 1 항에 있어서,
상기 바이오 입력 트랜지스터의 상기 소오스 단자에 상기 2단자 가변 저항 메모리 소자와 병렬적으로 연결되는 보조 트랜지스터를 더 포함하는, 2단자 가변 저항 메모리 소자 기반의 바이오 트랜스듀서.According to claim 1,
A bio-transducer based on a two-terminal variable resistance memory device, further comprising an auxiliary transistor connected to the source terminal of the bio-input transistor in parallel with the two-terminal variable resistance memory device. 제 2 항에 있어서,
상기 보조 트랜지스터는 제어 전압에 따라서 온-저항 레벨이 달라지는,
2단자 가변 저항 메모리 소자 기반의 바이오 트랜스듀서.According to claim 2,
The auxiliary transistor has an on-resistance level that varies depending on the control voltage.
Bio-transducer based on a two-terminal variable resistance memory element. 제 1 항에 있어서,
상기 2단자 가변 저항 메모리 소자와 상기 출력 저항은 직렬 연결되고,
상기 출력 단자는 상기 2단자 가변 저항 메모리 소자와 상기 출력 저항 사이에 연결되는,
2단자 가변 저항 메모리 소자 기반의 바이오 트랜스듀서.According to claim 1,
The two-terminal variable resistance memory element and the output resistor are connected in series,
The output terminal is connected between the two-terminal variable resistance memory element and the output resistor,
Bio-transducer based on a two-terminal variable resistance memory element. 제 4 항에 있어서,
센싱 동작 시, 상기 출력 단자는 접지되고,
읽기 동작 시, 상기 바이오 입력 트랜지스터의 상기 소오스 단자와 상기 2단자 가변 저항 메모리 소자 사이의 읽기 단자에 읽기 전압이 인가될 수 있는, 2단자 가변 저항 메모리 소자 기반의 바이오 트랜스듀서.According to claim 4,
During sensing operation, the output terminal is grounded,
A bio-transducer based on a two-terminal variable resistance memory element, wherein a read voltage can be applied to a read terminal between the source terminal of the bio-input transistor and the two-terminal variable resistance memory element during a read operation. 제 1 항에 있어서,
상기 2단자 가변 저항 메모리 소자와 상기 출력 저항은 상기 바이오 입력 트랜지스터의 상기 소오스 단자에 병렬적으로 연결되고,
상기 출력 단자는 상기 2단자 가변 저항 메모리 소자의 일단과 상기 출력 저항의 일단 사이에 연결되는,
2단자 가변 저항 메모리 소자 기반의 바이오 트랜스듀서.According to claim 1,
The two-terminal variable resistance memory element and the output resistor are connected in parallel to the source terminal of the bio-input transistor,
The output terminal is connected between one end of the two-terminal variable resistance memory element and one end of the output resistor,
Bio-transducer based on a two-terminal variable resistance memory element. 제 6 항에 있어서,
센싱 동작 시 상기 출력 단자 반대편의 상기 2단자 가변 저항 메모리 소자의 타단은 접지되고,
읽기 동작 시 상기 2단자 가변 저항 메모리 소자의 타단에는 읽기 전압이 인가될 수 있는, 2단자 가변 저항 메모리 소자 기반의 바이오 트랜스듀서.According to claim 6,
During a sensing operation, the other terminal of the two-terminal variable resistance memory element opposite the output terminal is grounded,
A bio-transducer based on a two-terminal variable resistance memory element in which a read voltage can be applied to the other end of the two-terminal variable resistance memory element during a read operation. 제 1 항에 있어서,
상기 바이오 입력 트랜지스터의 드레인 단자에는 동작 전압이 인가되는, 2단자 가변 저항 메모리 소자 기반의 바이오 트랜스듀서.According to claim 1,
A bio-transducer based on a two-terminal variable resistance memory element in which an operating voltage is applied to the drain terminal of the bio-input transistor. 제 1 항의 2단자 가변 저항 메모리 소자 기반의 바이오 트랜스듀서를 이용한 것으로서,
상기 바이오 입력 트랜지스터의 상기 게이트 단자로 바이오 물질의 양 또는 농도 변화에 따른 포텐셜을 입력하여 상기 바이오 입력 트랜지스터를 통한 전류를 변화시키고, 상기 포텐셜에 따라서 상기 2단자 가변 저항 메모리 소자의 저항값을 스위칭하는 센싱 단계; 및
상기 2단자 가변 저항 메모리 소자에 연결된 읽기 단자에 읽기 전압을 인가하고, 상기 출력 단자를 통해서 상기 2단자 가변 저항 메모리 소자의 저항값에 따른 2진 디지털값을 출력하는 읽기 단계를 포함하는,
2단자 가변 저항 메모리 소자 기반의 바이오 트랜스듀서의 동작 방법.Using a bio-transducer based on the two-terminal variable resistance memory element of claim 1,
Inputting a potential according to a change in the amount or concentration of a bio material to the gate terminal of the bio-input transistor to change the current through the bio-input transistor, and switching the resistance value of the two-terminal variable resistance memory element according to the potential. Sensing step; and
Comprising a read step of applying a read voltage to a read terminal connected to the two-terminal variable resistance memory element and outputting a binary digital value according to the resistance value of the two-terminal variable resistance memory element through the output terminal,
How to operate a bio-transducer based on a two-terminal variable resistance memory element. 제 9 항에 있어서,
상기 2단자 가변 저항 메모리 소자와 상기 출력 저항은 직렬 연결되고,
상기 출력 단자는 상기 2단자 가변 저항 메모리 소자와 상기 출력 저항 사이에 연결되고,
상기 읽기 단계 시, 상기 읽기 전압은 상기 바이오 입력 트랜지스터의 상기 소오스 단자와 상기 2단자 가변 저항 메모리 소자 사이의 상기 읽기 단자에 인가되는,
2단자 가변 저항 메모리 소자 기반의 바이오 트랜스듀서의 동작 방법.According to clause 9,
The two-terminal variable resistance memory element and the output resistor are connected in series,
The output terminal is connected between the two-terminal variable resistance memory element and the output resistor,
During the read step, the read voltage is applied to the read terminal between the source terminal of the bio-input transistor and the two-terminal variable resistance memory element.
How to operate a bio-transducer based on a two-terminal variable resistance memory element. 제 9 항에 있어서,
상기 2단자 가변 저항 메모리 소자와 상기 출력 저항은 상기 바이오 입력 트랜지스터의 상기 소오스 단자에 병렬적으로 연결되고,
상기 출력 단자는 상기 2단자 가변 저항 메모리 소자의 일단과 상기 출력 저항의 일단 사이에 연결되고,
상기 센싱 단계에서, 상기 출력 단자 반대편의 상기 2단자 가변 저항 메모리 소자의 타단은 접지되고,
상기 읽기 단계에서, 상기 2단자 가변 저항 메모리 소자의 타단에는 읽기 전압이 인가되는,
2단자 가변 저항 메모리 소자 기반의 바이오 트랜스듀서의 동작 방법.According to clause 9,
The two-terminal variable resistance memory element and the output resistor are connected in parallel to the source terminal of the bio-input transistor,
The output terminal is connected between one end of the two-terminal variable resistance memory element and one end of the output resistor,
In the sensing step, the other end of the two-terminal variable resistance memory element opposite the output terminal is grounded,
In the read step, a read voltage is applied to the other end of the two-terminal variable resistance memory element,
How to operate a bio-transducer based on a two-terminal variable resistance memory element. 제 9 항에 있어서,
상기 센싱 단계에서, 상기 바이오 입력 트랜지스터의 드레인 단자에는 동작 전압이 인가되는
2단자 가변 저항 메모리 소자 기반의 바이오 트랜스듀서의 동작 방법.According to clause 9,
In the sensing step, an operating voltage is applied to the drain terminal of the bio-input transistor.
How to operate a bio-transducer based on a two-terminal variable resistance memory element. 제 9 항에 있어서,
상기 읽기 단계에서, 상기 바이오 입력 트랜지스터는 턴-오프되는, 2단자 가변 저항 메모리 소자 기반의 바이오 트랜스듀서의 동작 방법.According to clause 9,
In the read step, the bio input transistor is turned off. A method of operating a bio transducer based on a two-terminal variable resistance memory element. 제 9 항에 있어서,
상기 바이오 입력 트랜지스터의 상기 소오스 단자에 상기 2단자 가변 저항 메모리 소자와 병렬적으로 보조 트랜지스터가 더 연결되고,
상기 센싱 단계에서 상기 보조 트랜지스터는 턴-온되고,
상기 읽기 단계에서 상기 보조 트랜지스터는 턴-오프되는,
2단자 가변 저항 메모리 소자 기반의 바이오 트랜스듀서의 동작 방법.According to clause 9,
An auxiliary transistor is further connected to the source terminal of the bio-input transistor in parallel with the two-terminal variable resistance memory element,
In the sensing step, the auxiliary transistor is turned on,
In the read step, the auxiliary transistor is turned off,
How to operate a bio-transducer based on a two-terminal variable resistance memory element. 제 9 항에 있어서,
상기 바이오 트랜스듀서는 상기 바이오 입력 트랜지스터의 상기 소오스 단자에 상기 2단자 가변 저항 메모리 소자와 병렬적으로 연결되는 보조 트랜지스터를 더 포함하고,
상기 센싱 단계는, 상기 바이오 입력 트랜지스터의 드레인 단자에 인가되는 동작 전압 또는 상기 보조 트랜지스터의 게이트 단자에 인가되는 제어 전압을 조절하여 상기 2단자 가변 저항 메모리 소자의 일단에 걸리는 전압을 조절하는 단계를 더 포함하는, 2단자 가변 저항 메모리 소자 기반의 바이오 트랜스듀서의 동작 방법.
According to clause 9,
The bio transducer further includes an auxiliary transistor connected to the source terminal of the bio input transistor in parallel with the two-terminal variable resistance memory element,
The sensing step further includes adjusting the voltage applied to one end of the two-terminal variable resistance memory element by adjusting the operating voltage applied to the drain terminal of the bio-input transistor or the control voltage applied to the gate terminal of the auxiliary transistor. A method of operating a bio-transducer based on a two-terminal variable resistance memory device, including:
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