CN107003268B - 与传感器一起使用的控制电路以及包括该控制电路的测量系统 - Google Patents

Abstract

一种与四端传感器(例如葡萄糖传感器)一起使用的控制电路。葡萄糖传感器是一种体积产品，通常其制造商希望尽可能地廉价。这可导致围绕传感器的有源电池的可变阻抗。通常，传感器具有第一和第二驱动端子以及第一和第二测量端子，以便有助于克服阻抗问题。控制电路被配置为用激励信号驱动第一和第二驱动端子中的至少一个，以及控制激励信号，使得第一和第二测量端子之间的电压差在目标电压范围内。为了允许控制电路使用各种测量单元类型，控制电路还包括用于调节一个或两个驱动端子处的电压或用于调节从一个或两个测量端子接收的电压的电压电平移位器。

Description

与传感器一起使用的控制电路以及包括该控制电路的测量 系统

相关申请

本申请涉及于2014年1月17日提交为美国专利申请No.14/158,416、共同待决的申请“Control Circuit for Use With a Four Terminal Sensor，and Measurement SystemIncluding Such a Control Circuit”，作为2012年9月25日提交的美国专利申请序列号13/626,630的分申请，现已发行为美国专利No.8,659,349。

技术领域

本公开涉及一种与传感器一起使用的控制电路，其中伏特电流特性响应于测量而改变；传感器和控制电路的组合；以及当与传感器一起使用时提高测量系统的精度的方法。传感器可以例如是诸如葡萄糖传感器的生物传感器。传感器可以是激励和测量端子彼此分离的传感器。这种传感器的一个例子是四端子传感器。

发明内容

根据本公开的第一方面，提供了一种与传感器一起使用的控制电路。传感器可以具有第一和第二驱动端子以及第一和第二测量端子。控制电路被布置成用激励信号驱动第一和第二驱动端子中的至少一个，并且控制激励信号，使得在第一测量端子和第二测量端子在目标电压范围内。控制电路还包括一个或多个电压电平移位器，用于调整一个或两个驱动端子处的电压，或用于调节从一个或两个测量端子接收的电压。

因此，可以使用具有广泛传感器的控制电路。控制电路可以包括用于衰减第一和第二测量端子之间的电压差，DC或AC或两者的一个或多个衰减器。衰减器可以包括电平转换功能。此外，还可以使控制电路与一定范围的输入电压一起使用。这在控制电路可以用于一系列产品中是有利的。例如，如果将控制电路设置在葡萄糖传感器中，那么一些传感器产品可以被设计用于对致密性进行估价的市场，因此可以限制电池尺寸或可用电压，以便产品设计者满足产品所需的尺寸或形式。产品的其他版本可能设计用于较少时尚意识的市场，但电池更换或成本之间长时间是主要因素。在这种情况下，产品可能被设计为使用更庞大和更便宜的电池。这可能意味着对于该设备项目，电池或电池提供的电压可不同。

控制电路可已经被优化为以相对较低的电压(例如约1V)工作，以便最大限度地延长使用寿命或使用给定的电池类型。例如，NiCd和NiMH电池每个电池产生约1.2V，每个电池的锂离子电池约为3.6V，而碱性电池的端电压可以在1.6V至1V之间，具体取决于它们的排放。

尽管在绝对值上，这些变化只是伏特的分数，按百分比表示它们是大的变化，并且可以显着影响控制电路的内部电压。

有利地，可以提供驱动器电路，并且可以具有与提供给控制电路的其它部分的电源电压不同的电源电压。这可以用于在电池供电时降低功耗。

有利地，控制电路具有用于接受差分参考电压的第一和第二参考电压输入端子。差分参考电压设置第一和第二测量端子之间的电压差的目标电压。

传感器可以包括两个、三个、四个或更多个端子。对于具有两个或三个端子的传感器，分别在驱动端子和测量端子上的两个或一个在物理节点处共享。传感器最好是四端传感器。

有利地，四端子传感器包括其阻抗随着化学，酶或生物材料的浓度变化而变化的负载。或者，负载的阻抗可以作为反应的函数而变化。已知可以生产用于电检测生物参数的传感器。广泛使用的这种电可读生物传感器的实例包括用于治疗糖尿病的血糖测量条。

根据本公开的第二方面，提供了一种与四端子传感器组合的构成本发明第一方面的实施例的控制电路。

附图说明

现在将通过非限制性示例来描述本公开的实施例，参考附图，其中：

图1是已知测量电路的电路图；

图2是已知电流测量电路的电路图；

图3是另一已知电流测量电路的电路图；

图4是表示可以在电化学分析中应用于合适的测量池的激发信号的曲线图；

图5是电化学葡萄糖测量单元的电流相对于时间的理想化演化的曲线图；

图6是血糖测试传感器的阻抗与频率的曲线图；

图7是测量电路的另一实施例的示意图；

图8是根据本公开的教导的另一实施例的示意图；

图9示出了用于互连测量单元和电流测量电路的变型；

图10是另一实施例的示意图，其包括用于在工作输入范围内维护控制器的输入的装置；

图11是允许用单极驱动信号激励的电化学电池增加的电流测量灵敏度的修改示意图；

图12是允许通过双极性驱动信号通电的电化学电池增加的电流测量灵敏度的修改示意图。

具体实施方式

图1是由标号为4的控制电路和指定为8的电流测量电路组合的由四端子传感器(通常标示为2)组成的测量电路的电路图。这种布置在US 8,659,349中进行了描述。四端子传感器2包括其阻抗根据被测量的函数而变化的负载10。因此，例如，负载10可以是用于生物测量的电池，其阻抗作为分析物浓度的函数而变化。分析物可以例如是血糖。电池可以附接到衬底并且连接到衬底上的端子，使得电池10可以被电激励，并且电流流过被监测的电池。作为该测量的一部分，期望以高精度知道电池10上的电压以及通过其的电流。然而，与单元10的连接可能受到制造变化的影响，并且可能表现出阻抗，实际上阻抗的变化，这将影响压测量精度。为了克服这种阻抗问题，电池被提供为四端子传感器的一部分。四端子传感器包括名义上连接到电池的一端的第一驱动端子20和名义上连接到电池的相对端的第二驱动端子22。由电阻器24表示的阻抗可以存在于第一驱动端子20和电池单元10的第一端之间。该第一阻抗24可以是故意的，或者它可以简单地是电池10的特性和与其形成的连接的函数，并且因此可以被认为是寄生分量。类似地，第二电阻26可以存在于电池单元10的第二侧和第二驱动端子22之间的路径中。四端子传感器通过使第一和第二测量端子30和32连接到第二电阻26和26来克服这些电阻24和26的问题。电池10的第一和第二端。这些连接也可以分别表现出由电阻器34和36表示的故意或寄生阻抗。尽管这里已经使用了“终端”一词，但是应该理解，它可以被术语“节点”所取代。

发生在第一测量端子30和第二测量端子32处的单元输出电压将准确地表示电池10上的电压差，如果没有电流或基本上没有电流被连接到第一测量端子30和第二测量端子30的测量电路所采用，这种条件可以通过使用高阻抗前端的运算放大器实现所有目的和目的。这种高阻抗前端通常使用绝缘栅场效应晶体管作为输入装置。因此，这些电路基本上没有从测量终端中抽出电流。

US 8,659,349中的控制电路6被示意性地表示为运算放大器。这是基本正确的，因为尽管它具有第一至第四输入端41至44，但是其在图1所示的闭环内的动作是驱动其输出节点50处的电压，以便最小化发生电压之间的电压差之和在输入端41处相对于在输入端42出现的电压以及在信号输入端44发生的信号之间的电压差相对于在参考电压输入端43出现的信号而言，这些差值可由运算放大器形成，即运算放大器输入端41和42处的信号以及输入端43和44之间的信号之间的差值，然后这些差值中的每一个可以作为另一运算放大器的输入。

为了控制电池10两端的电压，电流必须流过电池，例如从第一驱动端子20流到第二驱动端子22。作为电池响应的生物材料的测量的一部分，有必要知道通过电池的电流的大小。为此，提供了电流测量电路8。在图1所示的示例中，测量电路8已经位于第二驱动端子22和小信号地60之间。然而，电流测量电路8也可以设置在控制电路的输出节点50之间的反馈环路中6和四端子传感器2的第一驱动节点20。本领域技术人员可以在某种程度上自由地进行这种选择，这在某种程度上取决于他发现最方便实施的当前测量技术或电路。

电压基准52可以被布置成产生DC电压脉冲，在这种情况下，期望测量电流相对于时间的演变。然而，为了检查和校准目的，也可能期望电压基准52产生变化的信号，例如交替的正弦波，在这种情况下，测量电路8需要了解正弦曲线的相位信号，使得可以测量电流的幅度和相位变化，例如以推断单元10的复阻抗。复阻抗可以通过比较第一和第二测量之间的电压差的幅度和相位来确定具有通过传感器的电流的大小和相位的端子。

因此，也可以在开环模式中产生激励信号，并测量所得到的电流和电压。

图2示意性地示出了第一电流测量电路，其包括串联设置在第二驱动节点22和小信号地60之间的检测电阻器70。电阻器70两端产生的电压可以由模数转换器80测量。模数转换器80可以根据电路设计者所要求的速度和精度要求，以任何合适的转换器技术实现，例如∑-Δ，逐次逼近或闪存技术。

图3示出了图2的变型，其中电流检测电阻器被放置在运算放大器90的反馈回路中，运算放大器90的反相输入端连接到第二驱动端子22，其同相输入端连接到小信号地60。这种配置可能是有利的，因为这意味着借助于形成虚地的放大器90来保持第二驱动端子22处的电压基本上恒定，并且可以选择电阻器70的阻抗以便产生更大的输出电压范围在放大器90的输出端。再次，输出电压可以被模数转换器80数字化。

负载10可以例如是电子测量的电化学条，其中葡萄糖条是常见的例子。在图4中示出了用于这种条带的安培计测量协议。在安培计测量期间，在时间T₀跨越条带施加DC电压并保持恒定直到时间T₁。时间T₁和T₀之间的差异大致为1秒，电压的大小可能在500mV左右。在测量协议期间，跨单元的电流基本上变化，如图5所示。因此，电流快速上升到初始值I₀并衰减到值I₁。弯曲的形状是一个cottrellian曲线(它遵循Cottrell方程式)，其形状基本上随

变化。参数K的值随分析物浓度的变化而变化。然而，K的值也可以作为其他参数的函数而变化，常见的一个是温度，但是它也可以在存在污染物的情况下变化。在Cottrell方程的一个更复杂的形式中，K的值随着被测物种的扩散系数的平方根而变化，而作为温度函数的扩散系数是理想的。因此，需要进行一些校正测量在主要测试之前或之后，推断可用于修改K值的因素，例如，葡萄糖测试变得更准确。

现场工作人员观察到，这些错误来源中的一些，如温度和一些干扰化学物质可以通过测量电池10的复阻抗来推断。因此，例如，已经观察到葡萄糖测量电池如图6所示的阻抗相对于频率的变化具有转动如本领域技术人员已知的，可以使用转折点的位置来导出校正因子，例如用于测量温度。因此，测量作为频率的函数的阻抗使得可以推导出电池10的温度。预期这种方法可以扩展到响应于各自分析物的许多生物传感器。

US 8,659,349公开了对控制电路的修改，使得其能够在运算放大器中使用更高的增益来实现更高的精度，同时保持反馈回路的稳定性。

为了完整性，图7示出了图1所示的电路的变型，其中提供了两个控制电路。上控制电路120从第一参考电压发生器122接收第一参考电压并控制第一测量端30处的电压以匹配由第一参考电压发生器122提供的参考电压。第二控制电路130接收第二参考电压来自第二参考电压发生器132的电压并且将第二测量端子32处的电压控制为等于来自第二参考电压发生器132的电压。因此，传感器的上肢和下肢以双端方式被驱动到相应的电压。电流测量电阻70可以插入任一个控制回路中(根据定义，每个控制回路中的电流必须相同)，并且电阻70上出现的电压可以由差分输入模数转换器80数字化。

在使用中，传感器10的制造可能存在竞争性或商业价格压力。这可能导致传感器或传感器制造过程的改变，导致电阻器的阻抗变化，如电阻器24、26、34和36在图1中所示。电阻的降低通常不是问题，因为电池10将更接近于理想电池。然而，更可能的是，如果传感器单元10以较低成本制造，则阻抗的阻抗和/或可变性将增加。对于制造大量葡萄糖监测电池的企业，制造成本的降低非常适度，可能产生大量的额外收入。

更高的阻抗可能需要使用较大的驱动信号来将电池10上的电压设置为期望的值。然而，增加的阻抗26也可能导致电压在操作期间被偏移，使得其可能不再落入处理电路的期望输入范围，例如处理电池输出端子处的电压的运算放大器。当测量细胞对分析物或样品的响应时，以及当通过测量细胞10的复阻抗来校准或校正结果时，可能发生这种情况。

通常，诸如葡萄糖监测器(或其他监测器)的装置可以作为便携式显示器提供。消费者希望这种设备紧凑，轻便，并具有长的电池寿命。延长电池寿命通常与降低电路中的工作电压相关联，而处理具有较大阻抗或更多可变阻抗的测量单元通常需要增加工作电压。因此，期望提供可以可靠地处理具有增加的内阻或其他寄生阻抗的传感器的输出的电路。

在监控电路的变化中，可以减少控制电路6处的电源电压余量。这可能是由于增加的传感器阻抗将电池从电池移动到更接近电源轨之一。传感器内增加的阻抗可以以不同的方式表现出来。例如，如果在某些未来的制造过程中，与其它电阻器相比，第二电阻的值增加，那么节点30和32处的电压都向上漂移，这可能将输入端41和44的电压从控制电路在输入相关偏移或线性方面提供最佳性能的方案。类似地，与第二电阻器26相比，第一电阻器24的电阻的增加将倾向于在开环系统中将节点30和32处的电压推向地面，或者需要对节点20的更大的驱动电压。

在节点30和32处的电压由反馈回路控制的布置中，与第二驱动端子22相比，电阻器24和26的任何增加增加了需要施加到第一驱动端子20的驱动电压。如果以固定或预定的电压分布来驱动传感器2，则电阻的增加用来衰减信号，因为电流被提供给电池。这可能是一些细胞设计而不是其他设计的。控制电路可以包括由电流镜驱动的差分输入级(例如长尾对)，因此当输入电压不如此靠近输入电压的电源轨寻求降低电压余量要求时，控制电路将工作最佳电流镜或控制电路6内的有效负载，使得它们停止正常工作。这反过来可能意味着在电池供电的设备中，控制电路6、120、130可以具有相对窄的输入电压范围，其中其工作正常，并且可变或增加的电池阻抗24和26可以采取节点30和32处的电压在控制电路6、120或130的理想工作范围之外。例如，信号43和44的输入级可以由电路设计者调整为以信号32的预期输入范围为中心，这可能是非常接近0V值，而与输入41和42相关的电路可能被设计为以不同的较高电压为中心，或者至少应对较高的峰值。

图8示出了对图1的布置的修改。在广泛术语第一和第二衰减器中，缓冲器或增益级200和210被插入在第一和第二输出节点30和32之间，以及控制器6的其余部分。此外，衰减器，缓冲器或增益级可参考第一参考电压Vref1以提供电平转换操作。第一参考电压Vref1可以被设置为基本上控制器6的输入电压范围的中点。可以看出，可变增益放大器可以允许提供大于等于或小于单位的增益。为了简单起见，将假设提供衰减器。

因此，如果第一输出端30处的电压为V30并且第二输出端的电压为V32，第一衰减器形成输出电压

VA1＝(V30-Vref1)a1

其中a1是衰减因子。

第二衰减器的工作方式相同。

VA2＝(V32-Vref1)a1

衰减系数a1可以是固定的，也可以是可变的。例如，多个电阻器可以与电(或机械)控制的开关相关联，以将衰减因子设置为期望值，以正确地操作电路6。

类似地，第二参考电压Vref2可以是可变的，使得电流测量电路可以正常工作和/或移动四端子传感器2的输出端30和32处的电压。

在使用中，也可能需要添加DC偏移，使得电路中的所有电压相对于本地参考(例如为电子电路供电的电池的-ve端子)具有相同的极性，即使AC信号被施加到传感器2内的单元10，以测量单元10的复阻抗。

这可以通过提供单独的驱动器电路220来驱动传感器2的第一驱动端子20来实现。驱动器电路220可以在与控制器6的其余部分不同的电压范围下操作，以便能够驱动传感器2具有较大的阻抗。如果需要或期望的话，由DC-DC升压转换器形成驱动器电路220的电源，以便增加电池的电源电压。用于产生增加的电压的基于电感器的升压转换器和基于电容器的电荷泵是本领域技术人员已知的。或者，驱动器电路可以由电池电压供电，并且电路的其他部分可以从降压转换器接收降低的电压，或者电路的所有部分可以接收相同的电源电压，但是每个部件可以被设计或优化为执行具体任务。DC偏移可以由驱动器电路220加到来自控制器6的交流电压中。DC偏移可以表示为可以是固定的或可以是可变的的Vref3，例如可以由DAC 230响应来提供Vref3到系统控制器240的控制字。Vref3可以受到增益。类似地，Vref4可由DAC 342通过其自身的DAC(未示出)响应于系统控制器350如Vref1提供。控制器240还可以监视衰减器200和210中的一个或两个的输出电压，以便调整参考电压Vref1和/或Vref2和/或Vref3以优化控制器6的性能。类似地，系统控制器也可以改变衰减器200和210的衰减因子a1。

迄今为止，电池单元10和电流测量电路8被描述为通过串联连接进行电流流动通信。这不一定是这种情况，因为如图9中示意性所示，通过电池的电流可以通过电流镜传送到电流测量电路。由晶体管270和272形成的电流镜减少了余量要求通过使电流测量电路放置在电源轨之间。晶体管270和272已经被示为FET，但是可以是双极晶体管。类似地，在驱动器的输出级中流动的电流可以由电流镜反射。

图10示出了图8的电路的实现的示例，并且使用如关于图3描述的电流测量电路。然而，衰减器200和210已经以略微不同的方式实现，并且输入之一控制器6现在与Vref1相连。

第一和第二衰减器现在耦合。来自第二输出节点32的电压被提供给用作缓冲器和电压跟随器的差分放大器400。第二输出节点连接到差分放大器400的非反相输入，放大器的输出端连接到放大器400的反相输入端。两个电阻器402和404串联连接在放大器的输出端400和Vref1。电阻器402和404形成分压器，使得电阻器之间的节点处的电压并且连接到第二差分放大器410的非反相输入端是

其中R402是电阻器402的值，R404是电阻器404的值，V32是传感器2的第二输出端32处的电压。如果R402＝R404，则信号电压被衰减到其原始值的一半值。如果R402和R404非常大，则可以省略放大器400。

传感器的第一输出30也可以被提供给缓冲器，并且缓冲器的输出可以被提供给围绕另外的差分放大器构建的衰减器和电平移位器。然而，假设内部电阻R34与电阻器412相比非常小，也可以避免形成第二缓冲器，如图10所示。输出端30通过电阻412连接到放大器410的反相输入端。反馈电阻器414连接在输出端30和反相输入端之间。这形成了增益为-R414/R412的反相放大器。因此，如果电阻器412是电阻器414的尺寸的两倍，则将获得0.5的增益，由此匹配由电阻器402和404提供的衰减。如果电阻器412和414与内部电阻34相比较大，那么就会发生很小的增益或衰减误差。然而，即使不是这种情况，电路仍将充分发挥作用。

还可以看出，在没有缓冲器的情况下，一些电流将在内部电阻器24中流到形成在放大器410的反相端处的虚拟地球。

然而，该电流由驱动电路提供，并且基本上不影响电池单元10中的电流的估计，因为电阻器34布置成接收电池单元10的“高边”处的标称电压。

第二放大器410的输出被提供给控制器6的第一输入端。控制器6可以包括本领域技术人员已知的“斩波放大器”配置。控制器的第二个输入与V_REF1相连。

如图10所示，电流测量可以由由差分放大器90和电阻70组成的跨阻抗放大器来执行。电阻器两端的电压可以由ADC 80转换成数字值。增益可以由中间放大器430。

ADC可能是如图所示的差分ADC，或者它可能是单端的，因为放大器的反相输入端的电压应该是稳定的，并且已知为与非反相输入端的电压相匹配，反相输入又与V_REF1相关。

跨导放大器可以如图11所示进行修改。图11电路的电路省略了衰减器(虽然它们可能被包括在内)，并且允许实现增加的电流测量分辨率。另一电阻器440连接在诸如0V或负电源轨之一的低阻抗节点和放大器90的反相输入端之间。这形成围绕运算放大器90的增益级配置。

当激发信号为双极时，可以采用类似的技术。然而，现在额外的电阻需要根据激励信号的极性交替连接到V_REF1或接地。用于这样做的电路在图12中示出，其中电阻器440已经被相应的开关SW1和SW2相关联的电阻器440a和440b代替。可以使用电阻器440a和开关SW1将放大器90的反相输入端连接到地，而电阻器440b和开关SW2可用于将反相输入端连接到VREF1或适当的一些其他电压。开关以反相运行。

因此，可以提供电平移位器、衰减器和驱动电路，以将输入电压缩放和移位到合适的工作范围，以允许处理电路处理较宽范围的输入电压。

这里提出的权利要求是以单一依赖格式编写的，以适合在美国专利商标局备案。然而，为了在经常使用多个从属权利要求的其他司法管辖区中使用，除非在技术上显然不可行，否则每个从属权利要求将被假定为依赖于共享相同的独立权利要求的所有先前的从属权利要求。

Claims (15)

1.一种与传感器一起使用的控制电路，所述控制电路包括：

用于传感器的第一和第二驱动端子；

用于传感器的第一和第二测量端子；以及

第一放大器，被配置用于基于来自所述第一和第二测量端子的信号输出激励信号；

其中所述控制电路被配置用于用所述激励信号驱动第一和第二驱动端子中的至少一个，并控制所述激励信号，以使得第一测量端子和第二测量端子之间的电压差在目标电压范围内，并且

其中所述控制电路还包括电压电平移位器，所述电压电平移位器在所述第一和第二测量端子中的一测量端子与所述第一和第二驱动端子中的一驱动端子之间，所述电压电平移位器被配置用于调节从对应的测量端子接收的电压，以及用于提供在所述第一放大器的期望操作范围内的对应的驱动端子的电压偏置。

2.根据权利要求1所述的控制电路，其中，所述控制电路包括衰减器，其被配置用于衰减从所述对应的测量端子接收的电压以及输出衰减的电压到所述第一放大器。

3.根据权利要求2所述的控制电路，其中，所述衰减器被配置用于对从所述对应的测量端子接收的电压施加偏移。

4.根据权利要求2所述的控制电路，其中，所述衰减器的衰减因子是可调节的。

5.根据权利要求1所述的控制电路，还包括驱动器电路，所述驱动器电路从控制器接收不同的电源电压。

6.根据权利要求1所述的控制电路，还包括驱动器电路，被布置为接收第一偏移电压，并且将第一偏移电压加到激励信号上。

7.根据权利要求6所述的控制电路，其中，所述第一偏移电压是可调节的。

8.根据权利要求1所述的控制电路，还包括电流测量电路，其被配置用于接收通过所述传感器的电流和第二偏移电压，以及促使用于所述传感器的所述第二驱动端子向第二偏移电压。

9.如权利要求8的控制电路，还包括：相位检测器，用于检测在通过所述传感器的电流和所述传感器处的电压之间的相位差。

10.根据权利要求8所述的控制电路，还包括以虚地配置的第二放大器，并且其中所述第二放大器被配置用于在非反相输入端接收所述第二偏移电压。

11.根据权利要求10所述的控制电路，还包括连接在所述第二放大器的反相输入端和另一电压之间的电阻。

12.根据权利要求11所述的控制电路，其中所述另一电压是局部0V电源。

13.根据权利要求11所述的控制电路，其中，所述另一电压是能够根据驱动信号的极性在第一和第二电压之间调节的。

14.根据权利要求1所述的控制电路，其结合四端子传感器，所述四端子传感器具有响应被测量对象而变化的阻抗，其中所述被测量对象是生物样品，或所述被测量对象是血糖水平。

15.根据权利要求1所述的控制电路，其结合用于测量生物样本参数的四端子传感器，其中以多个频率进行多个阻抗测量，以确定用于生物参数测量中的校正因子。

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