JP2012194114A - Chemical sensibility sensor device - Google Patents

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Kenichi Nakatsuka
賢一 中司
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To convert the frequency of sensor signals to a frequency band where the influence of noise decreases, and further to perform bandwidth-limited ΔΣ modulation to reduce the influence of leaking noise from electric light wires thereby to enhance the S/N ratio.SOLUTION: A sensor device comprises a signal processing circuit that processes electric signals from each sensor, a radio circuit that subjects output signals from the signal processing circuit to radio modulation and outputs the modulated signals, and a power supply circuit that receives electromagnetic waves from outside to generate and supply electric power. The signal processing circuit further comprises a circuit that subjects baseband signals, which are electric signals from the sensors, to frequency conversion, and a bandwidth-limited ΔΣ modulator circuit that subjects the frequency-converted signals to A/D conversion. The radio circuit subjects digital signals resulting from the A/D conversion and clock signals used by the bandwidth-limited ΔΣ modulator circuit to quadrature modulation, and transmits the modulated signals as radio signals via an antenna.

Description

本発明は、塩味、甘味、苦味、酸味、旨味等のイオンや化学物質に反応して電位を発生させるセンサからの電気信号を処理して、無線で送信する化学感覚能センサ装置に関する。   The present invention relates to a chemosensory sensor device that processes an electrical signal from a sensor that generates a potential in response to ions and chemical substances such as salty taste, sweet taste, bitter taste, sour taste, and umami taste, and transmits the potential wirelessly.

人間の五感の一つである味覚を測定する味覚センサのような化学感覚能センサが公知技術として知られている。「化学感覚能」とは、水溶液中に溶解、若しくは混在する化学物質が有する性質を受容できる機能を意味する。例えば、水溶性化学物質の溶解した水溶液を味、すなわち塩味、甘味、苦味、酸味、旨味として感知できる機能や、当該水溶液の水素イオン濃度を測定する機能等が該当する。化学感覚能センサは、イオン選択性電極の技術を応用して開発された膜電位計測型のセンサである。すなわち、当該化学感覚能センサは作用電極に生物の生体膜を模した多種類の脂質高分子膜を使用することで、基本味である塩味、甘味、苦味、酸味、旨味に対して様々な膜電位を発生させることができる。   A chemosensory sensor such as a taste sensor that measures a taste that is one of the five human senses is known as a known technique. “Chemical sensory ability” means a function that can accept the properties of a chemical substance dissolved or mixed in an aqueous solution. For example, a function capable of sensing an aqueous solution in which a water-soluble chemical substance is dissolved as a taste, that is, a salty taste, sweet taste, bitter taste, sour taste, umami taste, a function of measuring the hydrogen ion concentration of the aqueous solution, and the like are applicable. The chemosensory sensor is a membrane potential measurement type sensor developed by applying ion selective electrode technology. In other words, the chemosensory sensor uses various types of lipid polymer membranes that mimic biological membranes of living organisms as the working electrode, so that various membranes can be used for the basic tastes of salty taste, sweet taste, bitter taste, sour taste, and umami taste. A potential can be generated.

味覚センサのような化学感覚能センサは公知の技術であるが、従来の味覚センサは大型の装置でデスクトップサイズであった。そのため、まず特許文献1で示されるようなセンサ部分の小型化が図られ、また、測定装置自体も非特許文献1で示される程度まで小型化された。しかし、それでも弁当箱程度の大きさがあり、持ち運びできるものではなかった。   A chemosensory sensor such as a taste sensor is a known technology, but a conventional taste sensor is a large-sized device and has a desktop size. For this reason, the sensor portion as shown in Patent Document 1 is first miniaturized, and the measuring device itself is also downsized to the extent shown in Non-Patent Document 1. However, it was still about the size of a lunch box and was not portable.

また、味センサ部からの電気信号は、低周波数成分が主で、周波数帯域も数百Hz以下といった信号である。このような低周波電気信号を、CMOS集積回路により信号処理する場合、MOSトランジスタのフリッカ雑音(1/f雑音)が、特に味センサ部からの信号を増幅するフロントエンドアンプで問題となる。MOSトランジスタでは周波数に反比例する1/f雑音が支配的になることが知られている。1/f 雑音は、ゲート酸化膜とシリコン基板の境目に出来たエネルギー準位に、キャリアが不規則にトラップされることで発生する。   In addition, the electrical signal from the taste sensor unit is a signal whose main component is a low frequency component and whose frequency band is several hundred Hz or less. When such a low frequency electric signal is processed by a CMOS integrated circuit, flicker noise (1 / f noise) of the MOS transistor becomes a problem particularly in a front-end amplifier that amplifies the signal from the taste sensor unit. It is known that in a MOS transistor, 1 / f noise that is inversely proportional to frequency is dominant. 1 / f noise is generated when carriers are trapped irregularly at the energy level at the boundary between the gate oxide film and the silicon substrate.

図8(A)は、従来技術に基づきフリッカ雑音を低減した信号処理回路の構成を示し、(B)は信号及びアンプ雑音成分を示す図である。また、図9は、その動作を説明するためのスペクトル図である。図8(B)に例示したような信号成分を有する入力信号Vinが、センサから第1の周波数変換回路(ミキサー)に入力される。第1の周波数変換回路(ミキサー)の別の入力には、局部発振(局発)信号VLCが入力される。第1の周波数変換回路(ミキサー)に、周波数fCの局部発振(局発)信号を印加すると、fCの整数倍の周波数領域にセンサ信号(ベースバンド信号)が周波数変換される(図9の(1)参照)。これによって、その出力信号VAは、フリッカ雑音の影響を受けない程度の高い周波数領域にアップコンバージョンされる。 FIG. 8A shows the configuration of a signal processing circuit that reduces flicker noise based on the prior art, and FIG. 8B shows a signal and amplifier noise components. FIG. 9 is a spectrum diagram for explaining the operation. An input signal Vin having a signal component as illustrated in FIG. 8B is input from the sensor to the first frequency conversion circuit (mixer). The local oscillation (local oscillation) signal VLC is input to another input of the first frequency conversion circuit (mixer). When a local oscillation (local oscillation) signal having a frequency f C is applied to the first frequency conversion circuit (mixer), the sensor signal (baseband signal) is frequency converted into a frequency region that is an integral multiple of f C (FIG. 9). (See (1)). As a result, the output signal V A is up-converted to a high frequency region that is not affected by flicker noise.

第1の周波数変換回路の出力信号VAは、アンプの入力に印加され、また、このアンプには、図8(B)に例示したようなアンプ雑音成分を有する雑音信号VUが追加されるものとして図示している。両信号がアンプで増幅されるが、両信号の周波数帯域は、図9の(2)に示すように異なっている。 The output signal V A of the first frequency conversion circuit is applied to the input of the amplifier, and a noise signal V U having an amplifier noise component as illustrated in FIG. 8B is added to the amplifier. It is shown as a thing. Both signals are amplified by an amplifier, but the frequency bands of both signals are different as shown in (2) of FIG.

アンプで増幅された出力信号VBは、局部発振(局発)信号がfCである第2の周波数変換回路(ミキサー)により、再び周波数変換する。これによって、センサ信号は、ベースバンド信号にダウンコーバージョンされる一方、逆に、雑音信号VUは、fCの整数倍の周波数領域にアップコンバージョンされることになる(図9の(3)参照)。元周波数成分を持つ信号VCに戻った後に、センサ信号は、アナログ・デジタル変換回路ADCで、デジタル信号に変換される。その後、無線回路で変調して無線信号として送信する。 The output signal V B amplified by the amplifier is frequency converted again by a second frequency conversion circuit (mixer) whose local oscillation (local oscillation) signal is f C. As a result, the sensor signal is down-converted to a baseband signal, while the noise signal V U is up-converted to a frequency region that is an integral multiple of f C ((3) in FIG. 9). reference). After returning to the signal V C having the original frequency component, the sensor signal is converted into a digital signal by the analog / digital conversion circuit ADC. Then, it modulates with a radio | wireless circuit and transmits as a radio signal.

このように従来技術は周波数変換回路(ミキサー)を2回通過することになり、回路規模が増大し、また、周波数変換回路(ミキサー)でも雑音が発生し、雑音の影響が大きくなる。   In this way, the conventional technique passes through the frequency conversion circuit (mixer) twice, increasing the circuit scale, and also generating noise in the frequency conversion circuit (mixer), increasing the influence of the noise.

特開2007-057459号公報JP 2007-057459

S. Etoh et al., “Fabrication of Taste Sensor Chip and Portable Taste Sensor System” TA6, 2006 International Conference on Microtechnologies in Medicine and Biology, May 2006.S. Etoh et al., “Fabrication of Taste Sensor Chip and Portable Taste Sensor System” TA6, 2006 International Conference on Microtechnologies in Medicine and Biology, May 2006. S. Etoh et al., “Taste Sensor Chip for Portable Taste Sensor System” Sensors and Materials, Vol.20, No.4, pp.151-160, 2008.S. Etoh et al., “Taste Sensor Chip for Portable Taste Sensor System” Sensors and Materials, Vol.20, No.4, pp.151-160, 2008.

そこで、本発明は、小型化するために化学感覚能センサと、それらからの電気信号を処理する信号処理回路とをひとつの半導体基板上に形成し、かつ、外部からの電磁波を受けて電力を生成する回路を有し、無線で動作させる。しかし、無線で情報を伝送するにあたり、消費電力を低減するために送信電力を絞る必要があり、受信側でデータの抽出等の信号処理に負担がかかる。化学感覚能センサは出力インピーダンスが非常に高く電灯線からの漏洩雑音に弱い。また、化学感覚能センサは、低周波に主な信号成分を有しているので、CMOS回路の1/f雑音(フリッカ雑音)の影響が大きく、信号対雑音比(S/N)の確保が問題となる。このため、データ伝送の信頼性が下がったり、消費電力が増大したりすることが問題となる。   Therefore, the present invention forms a chemosensory sensor and a signal processing circuit for processing an electric signal from the sensor on a single semiconductor substrate in order to reduce the size, and receives power from external electromagnetic waves. It has a circuit to generate and operates wirelessly. However, when transmitting information wirelessly, it is necessary to reduce transmission power in order to reduce power consumption, which places a burden on signal processing such as data extraction on the reception side. Chemosensory sensors have very high output impedance and are vulnerable to leakage noise from the power line. In addition, since the sensory sensor has a main signal component at a low frequency, the influence of 1 / f noise (flicker noise) of the CMOS circuit is large, and the signal-to-noise ratio (S / N) can be ensured. It becomes a problem. For this reason, there is a problem that the reliability of data transmission is reduced or the power consumption is increased.

そこで、本発明は、CMOS回路の1/f雑音(フリッカ雑音)の影響を低減するため、1/f雑音の影響が少なくなる周波数帯域までベースバンド信号を周波数変換し、さらに電灯線からの漏洩雑音による影響を低減するために帯域制限ΔΣ変調を行い、S/Nを向上させることを目的としている。   Therefore, in order to reduce the influence of 1 / f noise (flicker noise) of the CMOS circuit, the present invention converts the frequency of the baseband signal to a frequency band where the influence of 1 / f noise is reduced, and further leaks from the power line. The purpose is to improve the S / N by performing band-limited ΔΣ modulation to reduce the influence of noise.

本発明の化学感覚能センサ装置は、イオンや化学物質に反応して電位を発生させる複数個のセンサと、各センサからの電気信号を処理する信号処理回路と、該信号処理回路からの出力信号を無線変調して出力する無線回路と、外部からの電磁波を受けて電力を生成して装置内の各回路に供給する電源回路とを有する。信号処理回路は、センサからの電気信号であるベースバンド信号を周波数変換する回路と、その周波数変換された信号をA/D変換する帯域制限ΔΣ変調回路を備える。無線回路は、A/D変換されたデジタル信号と、帯域制限ΔΣ変調回路に用いたクロック信号を直交変調して、無線信号としてアンテナを介して送信する。   The chemosensory sensor device of the present invention includes a plurality of sensors that generate an electric potential in response to ions or chemical substances, a signal processing circuit that processes an electric signal from each sensor, and an output signal from the signal processing circuit. And a power supply circuit that generates power by receiving electromagnetic waves from the outside and supplies the power to each circuit in the apparatus. The signal processing circuit includes a circuit that converts the frequency of a baseband signal that is an electrical signal from the sensor, and a band-limited ΔΣ modulation circuit that A / D converts the frequency-converted signal. The radio circuit orthogonally modulates the A / D converted digital signal and the clock signal used in the band-limited ΔΣ modulation circuit, and transmits the result as a radio signal via the antenna.

各センサの出力を切換えて、一つの信号を選択するマルチプレクサを備えても良い。このマルチプレクサの出力信号を、周波数変換回路に入力する。或いは、複数個のセンサのそれぞれに対応して、信号処理回路及び無線回路を個々に設けても良い。或いは、複数個のセンサのそれぞれに対応して信号処理回路を設け、かつ、この信号処理回路の信号を切換えるマルチプレクサを備えて、複数の信号処理回路からの信号を切替えて無線回路に出力するよう構成しても良い。帯域制限ΔΣ変調回路は、バンドパスフィルタ型ΔΣ変調回路、或いは高域通過フィルタ型ΔΣ変調回路である。   A multiplexer that switches the output of each sensor and selects one signal may be provided. The output signal of this multiplexer is input to the frequency conversion circuit. Alternatively, a signal processing circuit and a radio circuit may be individually provided for each of the plurality of sensors. Alternatively, a signal processing circuit is provided corresponding to each of the plurality of sensors, and a multiplexer for switching signals of the signal processing circuit is provided, so that signals from the plurality of signal processing circuits are switched and output to the radio circuit. It may be configured. The band-limited ΔΣ modulation circuit is a bandpass filter type ΔΣ modulation circuit or a high-pass filter type ΔΣ modulation circuit.

本発明によれば、データ伝送の信頼性を上げた、低消費電力の無線型小型化学感覚能センサ装置を提供することができる。本発明は、1/f雑音の影響が少なくなる周波数帯域までベースバンド信号を周波数変換し、さらに、帯域制限ΔΣ変調を行なうことにより、CMOS回路の1/f雑音(フリッカ雑音)の影響を低減することができるだけでなく、電灯線からの漏洩雑音による影響を低減して、S/Nを向上させることができる。ここで得られた信号をクロック信号と直交変調することにより、受信側でクロックとデータ抽出(CDR; Clock Data Recovery)を容易にすることができる。   According to the present invention, it is possible to provide a low-power wireless small-sized chemosensory sensor device with improved data transmission reliability. The present invention reduces the influence of 1 / f noise (flicker noise) of a CMOS circuit by frequency-converting a baseband signal to a frequency band where the influence of 1 / f noise is reduced and further performing band-limited ΔΣ modulation. In addition, the S / N can be improved by reducing the influence of leakage noise from the power line. Clock and data extraction (CDR; Clock Data Recovery) can be facilitated on the receiving side by orthogonally modulating the obtained signal with the clock signal.

本発明に基づき構成した化学感覚能センサ装置の第1の例の概略回路図である。It is a schematic circuit diagram of the 1st example of the chemosensory sensor apparatus comprised based on this invention. 本発明に基づき構成した化学感覚能センサ装置の第2の例の概略回路図である。It is a schematic circuit diagram of the 2nd example of the chemosensory sensor apparatus comprised based on this invention. 本発明に基づき構成した化学感覚能センサ装置の第3の例の概略回路図である。It is a schematic circuit diagram of the 3rd example of the chemosensory sensor apparatus comprised based on this invention. (A)は、図1及び図2におけるアンプ部、信号処理回路、及び無線回路のより具体的な回路構成例を示す図であり、(B)は信号及びアンプ雑音成分を示す図である。(A) is a figure which shows the more concrete circuit structural example of the amplifier part in FIG.1 and FIG.2, a signal processing circuit, and a radio | wireless circuit, (B) is a figure which shows a signal and an amplifier noise component. 帯域制限ΔΣ変調器としてバンドパスフィルタ型(BPF)を使用した際の動作を説明するためのスペクトル図である。FIG. 6 is a spectrum diagram for explaining an operation when a bandpass filter type (BPF) is used as a band-limited ΔΣ modulator. 高域通過フィルタ型(HPF)を使用した際の動作を説明するためのスペクトル図である。It is a spectrum figure for demonstrating operation | movement at the time of using a high-pass filter type (HPF). 無線回路における直交変調回路の動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating operation | movement of the orthogonal modulation circuit in a radio | wireless circuit. (A)は、従来技術に基づきフリッカ雑音を低減した信号処理回路の構成を示し、(B)は信号及びアンプ雑音成分を示す図である。(A) shows the configuration of a signal processing circuit in which flicker noise is reduced based on the prior art, and (B) is a diagram showing signals and amplifier noise components. 信号処理回路の動作を説明するためのスペクトル図である。It is a spectrum figure for demonstrating operation | movement of a signal processing circuit.

以下、例示に基づき、本発明を説明する。図1は、本発明に基づき構成した化学感覚能センサ装置の第1の例の概略回路図である。図示のセンサ装置は、塩味、甘味、苦味、酸味、旨味等のイオンや化学物質に反応して参照電極(基準電極、図示しない)との間で電位を発生させる1以上(ここでは、3つとして例示)のセンサ(作用電極)A〜Cと、マルチプレクサと、アンプ部及び信号処理回路からなるアナログフロントエンド回路と、無線回路と、アンテナと、電源回路とから構成されている。電源回路は、アンテナからの電流を整流して本装置内の各回路に必要な電力を供給する。   Hereinafter, the present invention will be described based on examples. FIG. 1 is a schematic circuit diagram of a first example of a chemosensory sensor device constructed according to the present invention. The illustrated sensor device generates one or more potentials (here, three) with reference electrodes (reference electrodes, not shown) in response to ions or chemical substances such as salty taste, sweet taste, bitter taste, sour taste, and umami taste. Sensor (working electrodes) A to C, a multiplexer, an analog front-end circuit including an amplifier unit and a signal processing circuit, a radio circuit, an antenna, and a power supply circuit. The power supply circuit rectifies the current from the antenna and supplies necessary power to each circuit in the apparatus.

各センサA〜Cは、塩味、甘味、苦味、酸味、及び旨味にそれぞれ反応して電位を発生させるものである。このセンサA〜Cは、例えば、特許文献1に開示されたものを使用できる。なお、参照電極(基準電極)は従来の液膜型参照電極の内部液を固相化したものであり、センサA、B、Cは、生物の生体膜を模した多種類の脂質高分子膜を使用した作用電極である。   Each sensor AC generates a potential in response to salty taste, sweet taste, bitter taste, sour taste, and umami taste, respectively. As these sensors A to C, for example, those disclosed in Patent Document 1 can be used. The reference electrode (reference electrode) is obtained by solidifying the internal liquid of a conventional liquid membrane type reference electrode, and the sensors A, B, and C are various types of lipid polymer membranes imitating biological biological membranes. Is a working electrode.

マルチプレクサは、各センサA〜Cの出力を切換えて、一つの信号を選択する回路である。このマルチプレクサの切換えには、タイマ回路(図示しない)を使用するのがよいが、例えば、外部信号を用いて切換えを行ってもよい。このように、マルチプレクサを使用することで、各センサA〜Cからの出力時期をずらすことができるので、各センサA〜Cからの出力を同時に行う場合(図2参照)と比較して、出力の際に必要な電力量を小さくできる。   The multiplexer is a circuit that selects one signal by switching the outputs of the sensors A to C. A timer circuit (not shown) is preferably used for switching the multiplexer, but switching may be performed using an external signal, for example. As described above, since the output timing from each of the sensors A to C can be shifted by using the multiplexer, the output from each of the sensors A to C is compared with the case where the outputs from the sensors A to C are simultaneously performed (see FIG. 2). It is possible to reduce the amount of power required for this.

アナログフロントエンド回路は、アンプ部と、信号処理回路とから構成される。アンプ部は、詳細は後述するように、マルチプレクサを通過した電気信号(ベースバンド信号)を1/f雑音の影響が少なくなる周波数帯域まで周波数変換した後、アンプを用いて増幅する。この増幅信号は、信号処理回路で帯域制限ΔΣ変調器を用いてA/D変換する。その出力は、無線回路及びアンテナを介して無線送信される。   The analog front end circuit includes an amplifier unit and a signal processing circuit. As will be described in detail later, the amplifier unit frequency-converts the electrical signal (baseband signal) that has passed through the multiplexer to a frequency band where the influence of 1 / f noise is reduced, and then amplifies it using the amplifier. This amplified signal is A / D converted by a signal processing circuit using a band-limited ΔΣ modulator. The output is wirelessly transmitted via a wireless circuit and an antenna.

無線回路は、信号処理回路でA/D変換されたデジタル信号を直交変調して、無線信号(無線周波数)とする回路である。なお、前記したマルチプレクサの切換えにタイマ回路を使用した場合、このタイマ回路の切換え信号を、この無線回路を通じ外部に無線出力することが好ましいが、他の無線回路を使用して、外部に無線出力することもできる。   The radio circuit is a circuit that orthogonally modulates the digital signal that has been A / D converted by the signal processing circuit to generate a radio signal (radio frequency). When a timer circuit is used for switching the multiplexer described above, it is preferable to wirelessly output the timer circuit switching signal to the outside through this wireless circuit. You can also

無線回路の出力は、アンテナを介して外部に出力される。また、アンテナは、外来電波を受けて、電源回路に供給する。電波を受けていない間は回路が停止(スリープ状態)しており、回路を起動するために必要な十分なエネルギーを有する電波(キャリア信号のみ、あるいは変調されていても可)を与える。電源回路は、アンテナからの電流(電磁波)を整流して、本装置内の回路(マルチプレクサ、アナログフロントエンド回路、無線回路)に必要な電力を供給する。これによって、基板上に動作用電池を内蔵することなく、必要な電力量を電源回路で賄うことができる。   The output of the radio circuit is output to the outside via the antenna. The antenna receives external radio waves and supplies them to the power supply circuit. While the radio wave is not received, the circuit is stopped (sleep state), and the radio wave having sufficient energy necessary for starting the circuit (only the carrier signal or modulated) is applied. The power supply circuit rectifies the current (electromagnetic wave) from the antenna and supplies necessary power to the circuits (multiplexer, analog front-end circuit, wireless circuit) in the apparatus. As a result, a necessary amount of power can be covered by the power supply circuit without incorporating an operating battery on the substrate.

以上に示したようなセンサA〜Cを除く各回路、即ちマルチプレクサ、アナログフロントエンド回路、無線回路、アンテナ、及び電源回路は、一つの基板(例えば、半導体基板)に組込まれて、樹脂で覆われ、外気に対して密封されている。一方、各センサA〜Cは、隣り合う隣接するセンサの間が樹脂で仕切られ、各センサA〜Cの表面を露出させて上記の基板上に配置されている。   Each circuit excluding the sensors A to C as described above, that is, a multiplexer, an analog front-end circuit, a radio circuit, an antenna, and a power supply circuit are assembled on one substrate (for example, a semiconductor substrate) and covered with resin. It is sealed against the outside air. On the other hand, in each sensor A to C, adjacent adjacent sensors are partitioned by resin, and the surface of each sensor A to C is exposed and arranged on the substrate.

以上のように構成することで、化学感覚能センサ装置を測定対象である水溶液中に浸漬させても、各センサA〜Cの表面のみが水溶液に接触し、基本味である塩味、甘味、苦味、酸味、及び旨味に対して、様々な膜電位を発生させることができる。   By comprising as mentioned above, even if a chemical sensory sensor device is immersed in the aqueous solution which is a measuring object, only the surface of each sensor AC contacts the aqueous solution, and saltiness, sweetness, bitterness which are basic tastes Various membrane potentials can be generated for sourness and umami.

次に、例示の化学感覚能センサ装置を用い、測定対象である水溶液の味を測定する方法について説明する。まず、本装置を水溶液中に浸漬させる。なお、化学感覚能センサ装置を水溶液中に浸漬させる方法としては、持ち運び可能なポータブルタイプの測定装置の先部に化学感覚能センサ装置を取付け、これを水溶液中に浸漬させる方法、また容器の底部に化学感覚能センサ装置を取付け、この容器内に水溶液を供給する方法がある。   Next, a method for measuring the taste of an aqueous solution to be measured using an exemplary chemosensory sensor device will be described. First, the apparatus is immersed in an aqueous solution. In addition, as a method of immersing the chemosensory sensor device in an aqueous solution, a method of attaching the chemosensory sensor device to the tip of a portable measuring device that can be carried and immersing it in an aqueous solution, or the bottom of the container There is a method in which a chemosensory sensor device is attached to the container and an aqueous solution is supplied into the container.

このように、化学感覚能センサ装置を、水溶液中に浸漬させることで、参照電極(基準電極)と、作用電極であるセンサA、B、Cから、膜電位がそれぞれ発生する。なお、各センサA〜Cの膜電位は、マルチプレクサを切換えることで、その一つが選択され、上述のように信号処理された後、無線回路で変調した無線信号は、アンテナを介して、例えば、コンピュータやメモリー等に送信し、記憶させる。   In this manner, by immersing the chemosensory sensor device in an aqueous solution, membrane potentials are generated from the reference electrode (reference electrode) and the sensors A, B, and C that are working electrodes, respectively. Note that one of the membrane potentials of each of the sensors A to C is selected by switching the multiplexer, and after the signal processing is performed as described above, the radio signal modulated by the radio circuit is transmitted via an antenna, for example, Send it to a computer, memory, etc. for storage.

図2は、本発明に基づき構成した化学感覚能センサ装置の第2の例の概略回路図である。本装置は、上述したように、1つの参照電極(基準電極)と、他のセンサとして少なくとも1つの作用電極を備えているが、この第2の例は、複数個のセンサA〜Cのそれぞれに、個別の回路(アンプ部、信号処理回路や無線回路)を対応させた点で、マルチプレクサを設けて、複数のセンサからの信号を切替え処理するよう構成した上述の第1の例とは相違している。   FIG. 2 is a schematic circuit diagram of a second example of the chemosensory sensor device constructed according to the present invention. As described above, this apparatus includes one reference electrode (reference electrode) and at least one working electrode as another sensor. This second example includes a plurality of sensors A to C, respectively. In addition, it is different from the above-described first example in which a multiplexer is provided to perform switching processing of signals from a plurality of sensors in that individual circuits (amplifier unit, signal processing circuit, and radio circuit) are associated. is doing.

図3は、本発明に基づき構成した化学感覚能センサ装置の第3の例の概略回路図である。この第3の例は、複数個のセンサA〜Cのそれぞれに、アンプ部及び信号処理回路を対応させるが、複数の信号処理回路の後段にマルチプレクサを設けて、複数の信号処理回路からの信号を切替えて、無線回路に出力するよう構成した点で、上述の第1の例或いは第2の例とは相違している。   FIG. 3 is a schematic circuit diagram of a third example of the chemosensory sensor device constructed according to the present invention. In the third example, an amplifier unit and a signal processing circuit are associated with each of the plurality of sensors A to C. However, a multiplexer is provided at the subsequent stage of the plurality of signal processing circuits so that signals from the plurality of signal processing circuits are provided. Is different from the first or second example described above in that it is configured to output the signal to the radio circuit.

第2の例或いは第3の例の各回路自体の詳細な構成及びその動作は、第1の例と同じである。以下、説明する。   The detailed configuration and operation of each circuit in the second example or the third example are the same as those in the first example. This will be described below.

図4(A)は、図1及び図2におけるアンプ部、信号処理回路、及び無線回路のより具体的な回路構成例を示す図であり、(B)は信号及びアンプ雑音成分を示す図である。図5は、帯域制限ΔΣ変調器としてバンドパスフィルタ型(BPF)を使用した際の動作を説明するためのスペクトル図であり、図6は、高域通過フィルタ型(HPF)を使用した際の動作を説明するためのスペクトル図である。アンプ部は、周波数変換回路及びアンプから構成される。マルチプレクサを通過した入力信号Vinは、周波数変換回路(ミキサー)を用いて周波数変換した後アンプを用いて増幅する。周波数変換回路を構成するミキサーは、単純なスイッチによるパッシブミキサーでも、アクティブミキサーでも構わない。センサからは、図4(B)に例示したような信号成分を有する入力信号Vinが、直接或いはバッファ(図示省略)を介して周波数変換回路(ミキサー)に入力される。周波数変換回路(ミキサー)の別の入力には、局部発振(局発)信号VLCが入力される。これによって、その出力信号VAは、フリッカ雑音の影響を受けない程度の高い周波数領域にアップコンバージョンされる。ここで、周波数変換回路(ミキサー)に、周波数fLCの局部発振(局発)信号を印加すると、fLCの整数倍の周波数領域にセンサ信号(ベースバンド信号)が周波数変換される(図5の(1)参照)。 4A is a diagram illustrating a more specific circuit configuration example of the amplifier unit, the signal processing circuit, and the wireless circuit in FIGS. 1 and 2, and FIG. 4B is a diagram illustrating a signal and an amplifier noise component. is there. FIG. 5 is a spectrum diagram for explaining the operation when a bandpass filter type (BPF) is used as a band-limited ΔΣ modulator, and FIG. 6 is a diagram when a high-pass filter type (HPF) is used. It is a spectrum figure for demonstrating operation | movement. The amplifier unit includes a frequency conversion circuit and an amplifier. The input signal Vin that has passed through the multiplexer is frequency-converted using a frequency conversion circuit (mixer) and then amplified using an amplifier. The mixer constituting the frequency conversion circuit may be a passive mixer using a simple switch or an active mixer. From the sensor, an input signal Vin having a signal component as illustrated in FIG. 4B is input to a frequency conversion circuit (mixer) directly or via a buffer (not shown). A local oscillation (local oscillation) signal VLC is input to another input of the frequency conversion circuit (mixer). As a result, the output signal V A is up-converted to a high frequency region that is not affected by flicker noise. Here, when a local oscillation (local oscillation) signal having a frequency f LC is applied to the frequency conversion circuit (mixer), the sensor signal (baseband signal) is frequency converted into a frequency region that is an integral multiple of f LC (FIG. 5). (See (1)).

周波数変換回路(ミキサー)からの出力信号VAは、アンプの入力に印加されて、アンプで増幅される。このとき、特に、アンプを構成するMOSトランジスタからはフリッカ雑音(1/f雑音)のような雑音が発生する。図4(B)に例示したようなアンプ雑音成分を有する雑音信号VUが、図4(A)においては、アンプに印加されるものとして図示している。但し、図5の(2)に示すように、アンプ出力信号VBにおいては、上記のようにfLCの整数倍の周波数領域に周波数変換されたセンサ信号と、雑音信号VUの周波数帯域は異なっている。アンプの出力信号VBは、次段の信号処理回路(ADC)でアナログ・デジタル変換される。 An output signal V A from the frequency conversion circuit (mixer) is applied to the input of the amplifier and amplified by the amplifier. At this time, noise such as flicker noise (1 / f noise) is generated particularly from the MOS transistors constituting the amplifier. A noise signal V U having an amplifier noise component as illustrated in FIG. 4B is illustrated as being applied to the amplifier in FIG. 4A. However, as shown in (2) of FIG. 5, in the amplifier output signal V B , the frequency band of the sensor signal and the noise signal V U that have been frequency-converted to a frequency region that is an integral multiple of f LC as described above is Is different. The output signal V B of the amplifier is converted from analog to digital by a signal processing circuit (ADC) at the next stage.

図4に例示の回路においては、図9を参照して説明したような第2の周波数変換回路(ミキサー)を使わずに、帯域制限ΔΣ変調回路によってセンサ信号成分を直接アナログ・デジタル変換することによりデジタル値を得る。このとき、帯域制限ΔΣ変調回路で帯域を制限することで、雑音を含まない必要なセンサ信号成分のみを得ることができる(図5の(3)参照)。このように、従来技術と比較して周波数変換回路(ミキサー)の個数を減らすことができる。ここで、帯域制限ΔΣ変調器とは、ΔΣ変調器の後段にフィルタを配置したものに相当するが、通常は、ΔΣ変調器の回路構成を変えることで、帯域制限フィルタの信号伝達関数(STF; Signal Transfer Function)にしている。本発明においては、この帯域制限フィルタとして、バンドパスフィルタ型(BPF)、或いは高域通過フィルタ型(HPF)を使用することができる。バンドパスフィルタ型(BPF)を用いた際の通過域、及び阻止域は、図5の(3)に示す通りである。また、高域通過フィルタ型(HPF)を用いた際の通過域、及び阻止域は、図6の(3)に示す通りである。   In the circuit illustrated in FIG. 4, the sensor signal component is directly converted from analog to digital by the band-limited ΔΣ modulation circuit without using the second frequency conversion circuit (mixer) as described with reference to FIG. To get the digital value. At this time, by limiting the band with the band limiting ΔΣ modulation circuit, it is possible to obtain only the necessary sensor signal component not including noise (see (3) in FIG. 5). Thus, the number of frequency conversion circuits (mixers) can be reduced as compared with the prior art. Here, the band-limited ΔΣ modulator corresponds to a filter disposed after the ΔΣ modulator, but normally, the signal transfer function (STF) of the band-limited filter is changed by changing the circuit configuration of the ΔΣ modulator. ; Signal Transfer Function). In the present invention, a bandpass filter type (BPF) or a high-pass filter type (HPF) can be used as the band limiting filter. The pass band and the stop band when the band pass filter type (BPF) is used are as shown in (3) of FIG. Further, the pass band and the stop band when the high pass filter type (HPF) is used are as shown in (3) of FIG.

いずれのフィルタ型であっても、帯域制限ΔΣ変調回路からはデジタル1ビットの信号列(ビットストリーム)が出力される。このビットストリームを無線回路で変調して無線信号として送信する。   Regardless of the filter type, the band-limited ΔΣ modulation circuit outputs a digital 1-bit signal string (bit stream). This bit stream is modulated by a radio circuit and transmitted as a radio signal.

図7は、無線回路における直交変調回路の動作を説明するための図である。ビットストリームは、”1”と”0”のデータ列であるため、データ区切り情報が必要であるが、通常の変調、例えば、振幅変調や周波数変調、あるいは位相変調では1つのキャリア信号に対して1つの信号しか変調できず、データ区切り情報を同時に変調することはできない。そこで、本発明では、図示のように、90度位相の違う2つのキャリア信号(正弦波(sin)と余弦波(cos))を使って直交変調する。すなわちデータ信号を正弦波(sin)(或いは余弦波(cos))を使って変調する一方、データ区切り情報となる帯域制限ΔΣ変調回路のクロック信号を余弦波(cos)(或いは正弦波(sin))を使って変調することにより、同時に2つの信号を無線で伝送することが可能となる。クロック信号を同時に送信することにより、受信側でのクロックデータリカバリ(CDR; Clock Data Recovery)のための回路が簡単化されるメリットもある。また、クロック信号が一緒に送信されていることから、送信電力を下げてもビット誤り率(BER; Bit Error Rate)の劣化を防止することが可能となる。逆に言えば、同じビット誤り率BERであれば低消費電力化を図ることができる。
FIG. 7 is a diagram for explaining the operation of the quadrature modulation circuit in the radio circuit. Since the bit stream is a data string of “1” and “0”, data delimiter information is required. However, for normal modulation, for example, amplitude modulation, frequency modulation, or phase modulation, one carrier signal is used. Only one signal can be modulated, and data break information cannot be modulated simultaneously. Therefore, in the present invention, as shown in the figure, quadrature modulation is performed using two carrier signals (sine wave (sin) and cosine wave (cos)) having a phase difference of 90 degrees. In other words, the data signal is modulated using a sine wave (sin) (or cosine wave (cos)), while the clock signal of the band-limited ΔΣ modulation circuit serving as data delimiter information is converted to a cosine wave (cos) (or sine wave (sin)). ) Can be used to simultaneously transmit two signals wirelessly. By simultaneously transmitting clock signals, there is also an advantage that a circuit for clock data recovery (CDR) on the receiving side is simplified. In addition, since the clock signal is transmitted together, it is possible to prevent the deterioration of the bit error rate (BER) even if the transmission power is reduced. In other words, low power consumption can be achieved with the same bit error rate BER.

Claims (6)

イオンや化学物質に反応して電位を発生させる複数個のセンサと、各センサからの電気信号を処理する信号処理回路と、該信号処理回路からの出力信号を無線変調して出力する無線回路と、外部からの電磁波を受けて電力を生成して装置内の各回路に供給する電源回路とを有する化学感覚能センサ装置において、
前記信号処理回路は、前記センサからの電気信号であるベースバンド信号を周波数変換する回路と、その周波数変換された信号をA/D変換する帯域制限ΔΣ変調回路を備え、
前記無線回路は、前記A/D変換されたデジタル信号と、前記帯域制限ΔΣ変調回路に用いたクロック信号を直交変調して、無線信号としてアンテナを介して送信することから成る化学感覚能センサ装置。
A plurality of sensors that generate potentials in response to ions and chemical substances, a signal processing circuit that processes electrical signals from each sensor, and a wireless circuit that wirelessly modulates and outputs an output signal from the signal processing circuit; In the chemosensory sensor device having a power supply circuit that receives electromagnetic waves from the outside and generates power to supply each circuit in the device,
The signal processing circuit includes a circuit that frequency-converts a baseband signal that is an electrical signal from the sensor, and a band-limited ΔΣ modulation circuit that A / D converts the frequency-converted signal,
The radio circuit is a sensory sensory sensor device comprising: orthogonally modulating the A / D converted digital signal and a clock signal used in the band-limited ΔΣ modulation circuit and transmitting the radio signal via an antenna .
各センサの出力を切換えて、一つの信号を選択するマルチプレクサを備え、該マルチプレクサの出力信号を、前記周波数変換回路に入力する請求項1に記載の化学感覚能センサ装置。 The chemosensory sensor device according to claim 1, further comprising a multiplexer that switches an output of each sensor to select one signal, and an output signal of the multiplexer is input to the frequency conversion circuit. 前記複数個のセンサのそれぞれに対応して、信号処理回路及び無線回路を個々に設けた請求項1に記載の化学感覚能センサ装置。 The sensory sensory sensor device according to claim 1, wherein a signal processing circuit and a radio circuit are individually provided for each of the plurality of sensors. 前記複数個のセンサのそれぞれに対応して信号処理回路を設け、かつ、この信号処理回路の信号を切換えるマルチプレクサを備えて、複数の信号処理回路からの信号を切替えて無線回路に出力するよう構成した請求項1に記載の化学感覚能センサ装置。 A signal processing circuit is provided corresponding to each of the plurality of sensors, and a multiplexer for switching signals of the signal processing circuit is provided, and the signals from the plurality of signal processing circuits are switched and output to the radio circuit The chemosensory sensor device according to claim 1. 前記帯域制限ΔΣ変調回路は、バンドパスフィルタ型ΔΣ変調回路である請求項1に記載の化学感覚能センサ装置。 The chemosensory sensor device according to claim 1, wherein the band-limited ΔΣ modulation circuit is a bandpass filter type ΔΣ modulation circuit. 前記帯域制限ΔΣ変調回路は、高域通過フィルタ型ΔΣ変調回路である請求項1に記載の化学感覚能センサ装置。
The chemosensory sensor device according to claim 1, wherein the band-limited ΔΣ modulation circuit is a high-pass filter type ΔΣ modulation circuit.
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KR101717691B1 (en) * 2016-02-23 2017-03-20 주식회사 디씨케이컨설팅 Taste recognition apparatus

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