KR101290279B1

KR101290279B1 - 광학 센서의 사용 수명을 연장시키는 시스템 및 연장시키는방법

Info

Publication number: KR101290279B1
Application number: KR1020067024743A
Authority: KR
Inventors: 아써 얼 쥬니어 콜빈; 제프리 씨. 레쇼; 캐리 알. 로렌즈
Original assignee: 센세오닉스, 인코포레이티드
Priority date: 2004-04-26
Filing date: 2005-04-25
Publication date: 2013-07-26
Also published as: TW200605365A; CN102940496A; TWI371108B; JP2013242331A; EP1756550B1; KR20110050748A; CN102940496B; KR20070017181A; US8502167B2; CA2564572A1; AU2005238963A1; HK1100395A1; US7375347B2; WO2005106435A1; CN1977158A; DK1756550T3; AU2005238963B2; BRPI0509118A; JP2007534967A; MXPA06012341A

Abstract

본 발명은 광삭 센서의 사용 수명을 증가시키는 방법을 제공한다. 하나의 특징에서, 상기 방법은 센서가 분석 대상물에 대하여 주기적으로 데이터를 얻을 때 소정의 연속적인 시간동안 센서의 광원의 듀티 싸이클이 100% 미만이 되도록 광학 센서를 구성하는 단계를 포함한다. 본 발명의 방법에 따른 센서를 작동시킴으로써, 광학 센서의 표지 분자는 물질의 존재 여부 또는 농도에 대한 데이터를 센서가 제공할 필요가 있는 소정의 연속적인 전체 시간동안에 여기되지 않는다. 따라서, 상기 방법은 표지 분자의 사용 수명을 증가시킨다.

광학 센서, 사용 수명

Description

광학 센서의 사용 수명을 연장시키는 시스템 및 연장시키는 방법{Systems and methods for extending the useful life of optical sensors}

본 발명은 광원, 광검출기, 및 물질의 존재에 의해 영향을 받는 광학적 특징을 가진 표지 분자(indicator molecule)를 사용하여 특정 물질의 존재 여부 또는 농도를 탐지하는 센서에 관한 것이다. 이러한 센서들은 본원에서 "광학센서"로 지칭된다. 하나의 특징에서, 본 발명은 광학 센서의 사용 수명을 연장시키는 시스템 및 연장시키는 방법에 관한 것이다.

본원에 편입되는 미국 특허 5,517,313호는 광원(예를 들어, 발광 다이오드 "LED"), 형광 표지 분자, 및 광전자 트랜스듀서(예를 들어, 광다이오드, 광트랜지스터, 광전증폭관, 또는 광검출기)를 구비하는 센싱 장치를 설명한다. 이러한 센싱 장치는 하이-패스 또는 밴드패스 필터를 포함한다. 넓게 말하자면, 본 발명의 기술분야에서, 표지 분자는 특정 물질의 국부적인 존재 여부에 의해 영향을 받는 하나 이상의 광학적 특징을 가지는 분자이다. 본 발명에 편입되는 미국 특허 제6,330,464호는 광학계 센싱 장치를 설명한다.

미국 특허 제5,517,313호에 따른 장치에서, 상기 광원("빛"의 원천으로 알려진)은 광원에 의한 발광(예를 들어, 가시광 또는 다른 전자기파의 파장)은 형광 표 지 분자를 때려주게 되어, 표지 분자가 형광을 발하게 한다. 하이-패스 필터는 상기 표지 분자에 의한 발광이 광전 트랜스듀서에 도달하게 하며, 상기 광원으로부터의 산란된 발광을 필터링하게 된다.

상기 장치에 채용된 상기 표지 분자의 형광 발광은 특정 물질의 국부적인 존재에 의해 조절된다(예를 들어, 감소되거나 증진된다). 예를 들어,오렌지-레드 콤플렉스 트리(4, 7-디페닐-1, 10-페난쓰롤린) 루테늄(II) 과염소(perchlorate)는 국부적인 산소의 존재에 의해 완화되어 진다. 따라서, 이러한 콤플렉스는 산소 센서에서 표지 분자로서 사용될 수 있다. 그 형광 발광성이 다양한 다른 물질에 의해 영향을 받게되는 표지 분자는 널리 알려져 있다. 또한, 빛을 흡수하며, 그 흡수 수준은 특정 물질의 존재 또는 농도에 의해 영향을 받게 되는 표지 분자는 널리 알려져 있다. 예를 들어, 본 발명에 편입되는 미국 특허 제5,512,246호는 설탕과 같은 폴리하이드로옥실 화합물의 국부적인 존재에 의해 완화되는 것을 개시하고 있다.

바람직하게는, 이러한 장치의 광전 트랜스듀서 요소는 입사하는 광의 양의 공지의 함수인 신호를 출력하도록 구성된다. 따라서, 하이-패스 필터는 표지 분자로부터의 빛만이 광감 소자에 도달하는 것으로 허용하기 때문에, 상기 광전 트랜스듀서는 상기 표지 분자로부터 나오는 빛의 양의 함수인 신호를 출력하게 된다. 상기 표지 분자로부터 나오는 빛의 양은 국부적인 물질의 농도의 함수이기 때문에, 광전 트랜스듀서에 의해 출력되는 신호는 국지적인 물질의 농도를 표시하도록 수정된다. 이러한 방식으로, 특정 물질의 존재 여부 또는 농도를 탐지할 수 있게 된다.

전술한 바와 같은 광센서를 상용화하는데 있어서의 특별한 변경사항은 광학적 사용 수명 및/또는 선반(shelf)의 사용 기한을 제공한다. 이러한 센서들에 일반적으로 사용되는 전자 요소는 대부분의 상용적인 제품에 적절한 10년을 넘는 사용 수명을 가진다. 그러나, 이러한 하이브리드 센서(예를 들어 표지 분자)의 화학적 성분은 상용적 사용성면에 있어서의 실용적인 기준에 부합하도록 연장된 사용 수명 제품 안정성을 지지하여야 한다.

광 촉매 산화 작용(광산화 또는 광표백)은 많은 표지 분자에서 발생하는 일반적인 광화학적 반응이다. 이러한 반응에서, 표지 분자는 전자기 에너지의 특정의 입사 파장에 의해 여기될 때, 전자는 여기된 에너지 수준으로 상승된다. 여기 상태에 있는 동안, 상기 분자는 상기 분자의 분자 구조에 산소를 비가역적으로 추가하는 결과는 나타내는 외기 산소와 반응을 하게 될 수 있다. 산화된 제품 종류는 일반적으로 더이상은 형광 발광하지 않게 되고 따라서 더이상 쓸모 없게 된다.

상기 분자가 이러한 "비-기능" 상태에 있게 될 때, 상기 분자는 광표백되는 것으로 언급된다. 이러한 광표백 반응에 대한 일반적인 반감기는 시간에 근접한다. 시간 내에 광표백되는 표지 분자의 예는 안트라센(광-산화된 제품, 안트라퀴논은 형광발광하지 않는다)이다.

측정 가능한 신호로 물질의 존재를 변환하고 인식하는 구성요소로서 형광 발광 표지 분자를 사용하는 센서는 광표백(또는 광산화)에 의해 야기된 신호의 전하와 극단적 손실에 의해 그 사용 수명에 한정된다. 광학 센서의 마이크로일렉트로 닉 요소는 10년을 넘는 사용 수명을 가지지만, 중요한 표지 화학 요소의 반감기는 단지 몇시간 또는 며칠동안 지속될 뿐이다. 구성요소가 작동하는 사용 수명에서의 이러한 비상응성은 상기 표지 화학물의 더욱 짧은 사용 수명으로 제품을 한정하게 된다.

따라서, 이러한 제품을 상용화가능하게 하는 구성요소의 가용 수명의 이러한 극단적인 불일치에 대한 보상의 필요성이 있다.

본 발명은 종래 기술의 문제점이며 위에서 언급된 문제점을 극복하는 시스템 및 방법을 제공한다.

일특징에서, 본 발명은 활성화된 경우에, 연속적인 일정 시간 동안에 X 만큼의 시간(예를 들어, 초, 분, 시간)마다 적어도 한번 일정한 영역 내에 물질의 존재 여부 또는 농도에 관한 데이터를 얻는 광학 센서의 사용 수명을 증가시키는 방법을 제공한다. 이러한 방법은 (a) 상기 광학 센서가 작동하는 시간 동안에 광원의 듀티 싸이클이 0%를 초과하고 100% 미만이 되게 되도록 광학 센서를 구성하는 단계; (b) 상기 영역 내의 위치에 상기 광학 센서를 배치시키는 단계; (c) 상기 단계(b)를 수행한 후에 Z시간동안 광학 센서를 작동시키는 단계로서, 여기서, Z는 0보다 크게 되는 광학 센서를 작동시키는 단계; (d) 상기 광학 센서가 작동시에 Z 시간동안에 광원의 듀티 싸이클이 0%를 초과하고 100% 미만이 되게 되도록 광원을 작동시키는 단계; 및 (e) Z 시간이 경과된 후에 상기 광학 센서를 사용 중지시키는 단계를 포함한다.

전술한 방법에 따른 센서를 작동시킴으로써, 상기 광학 센서의 표지 분자들은 센서가 작동하는 동안의 연속적인 전체 시간동안에 조명되지 않는다. 따라서, 상기 방법은 상기 표지 분자의 사용 수명을 증가시키며, 상기 광학 센서 제품의 사용 수명을 증가시킨다.

본 발명의 다른 실시예에서, 일정 영역 내에 물질의 존재 여부 또는 그 농도에 대한 데이터를 제공하는 광학 센서의 사용 수명을 증가시키는 방법에서, 상기 광학 센서는 (i) 물질의 존재여부에 의해 영향을 받게 되는 광학적 특징을 가지는 표지 분자, (ii) 광원, (iii) 광검출기를 포함하며, 상기 방법은, 일정 영역 내의 위치에 상기 센서를 배치시키는 단계; (b) 상기 센서를 작동시켜서, 작동 상태에 센서를 두게 하는 단계; (c) 단계(b)후에, 일정 주파수 범위 내의 주파수를 구비하며, 일정 진폭 범위 내의 진폭을 구비하는 전자기파를 광원이 출력하도록 광원을 구성하는 단계; (d) 단계(c)후에 몇몇 지점에서 광검출기의 출력으로부터 제 1 측정치를 획득하는 단계; (e) 단계(c)는 행해졌지만 센서는 여전히 작동상태이기 때문에, Y 만큼의 시간이 경과된 후에, 광원은 전자기파를 출력하지 않도록 광원을 구성하거나, 일정 주파수 범위의 최저 주파수보다 작은 주파수를 가지거나 및/또는 일정 진폭 범위의 최소 진폭보다 작은 진폭을 가지는 전자기파를 출력하도록 광원을 구성하는 단계; (f) 단계(c)가 행해졌지만, 상기 센서는 작동 상태에 있기 때문에, X만큼의 시간이 경과된 후에, 일정 주파수 범위 내의 주파수를 구비하며 일정 진폭 범위 내의 진폭을 가지는 전자기파를 상기 광원이 출력하도록 광원을 구성하는 단계로서, 여기서, X 는 0 보다 크며, Y 보다 큰 단계; (g) 단계(f)를 행한 후에, 몇몇 지점에서 광검출기의 출력으로부터 제 2 측정치를 획득하는 단계; (h) 단계(f)가 행해졌지만 상기 센서는 작동사태에 있기 때문에, N만큼의 시간이 경과된 후에, 상기 광원이 전자기파를 출력하지 않도록 상기 광원을 구성하거나, 일정 주파수 범위 내의 최저 주파수보다 작은 주파수를 구비하며 및/또는 일정 진폭 범위 내의 최소 진폭보다 작은 진폭을 가지는 전자기파를 광원이 출력하도록 광원을 구성하는 단계로서, 여기서 N 은 X 보다 작은 단계를 포함한다.

바람직하게는, 전술한 방법에서, Y 및 N 은 X/2 이하이다. 본 발명의 방법에 따른 센서를 작동시킴으로써, 상기 광원은 "꺼짐"으로 되거나 광검출기의 판독들 사이에서 소정의 시간동안 흐릿하게 되며, 따라서, 상기 광학 센서의 표지 분자는 상기 센서가 작동하는 동안 연속적으로 발광하지 않게 되어서 표지 분자의 수명을 연장시키게 된다.

다른 실시예에서, 작동시에 연속적으로 Z 만큼의 시간동안에 적어도 매 한번 X 만큼의 시간으로 영역 내에서 물질의 존재 여부 또는 농도에 대한 데이터를 획득하는 광학 센서의 사용 수명을 증가시키는 방법에서, 상기 광학 센서는 물질의 존재 여부에 의해 영향을 받는 광학적 특징을 가지는 표지 분자 및 상기 표지 분자를 여기시키는 광원을 구비하며, 상기 방법은, 상기 영역 내의 위치에 광학 센서를 배치시키는 단계; 및 Y 가 Z 보다 작으며, Z 만큼의 시간 사이에 Y 만큼의 시간 이하의 전체 시간동안 상기 표지 분자를 여기시키는 단계를 포함한다.

다른 특징에서, 본 발명은 센서의 광원의 듀티 싸이클을 제어하도록 구성된 듀티 싸이클 제어기를 구비하는 광학 센서를 제공한다. 상기 센서가 작동시에 소정의 시간동안 100%로부터 100% 다소 미만의 퍼센트로 광원의 듀티 싸이클을 감소시킴으로써, 상기 표지 분자의 누적 조사 시간은 감소되어, 광산화율을 감소시키며, 따라서,상기 표지 분자의 수명을 증가시킨다.

다른 특징에서, 본 발명은 상기 표지 분자의 온도를 낮추도록 구성된 냉각 시스템을 가지는 광학 센서를 제공한다. 상기 표지 분자의 온도를 낮추는 것은 광산화율을 감소시켜서, 따라서, 상기 표지 분자의 사용 수명을 증가시킨다.

다른 특징에서, 본 발명은 광학 센서의 광원에 대한 최대 듀티 싸이클을 결정하는 방법을 제공한다. 일실시예에서, 상기 방법은, (a) 상기 광학 센서의 광원에 실질적으로 유사하거나 바람직하게는 동일한 광원으로부터 발광되는 빛에 표지 분자를 연속적으로 노출시키는 단계; (b) 상기 표지 분자의 출력 강도를 주기적으로 결정하는 단계; (c) 소정의 양만큼 상기 표지 분자의 출력이 저하되는 시간을 결정하는 단계; (d) 상기 센서에 대한 전체 누적 작동 시간을 결정하는 단계; (e) 상기 단계(d) 에서 결정되는 시간으로 단계(c)에서 결정되는 시간을 나눔으로써 최대 듀티 싸이클을 결정하는 단계를 포함한다.

다른 특징으로서, 본 발명은 광학 센서의 사용 수명을 결정하는 방법을 제공한다. 일실시예에서, 상기 방법은 (a) 상기 광학 센서에서 사용되는 광원과 동일하거나 바람직하게는 실질적으로 유사한, 광원으로부터 방출되는 빛에 표지 분자를 연속적으로 노출시키는 단계; (b) 상기 표지 분자의 출력 강도를 주기적으로 결정하는 단계; (c) 상기 표지의 출력 강도가 소정의 양만큼 저하되는데 소요되는 시간을 결정하는 단계; (d) 상기 광학 센서에 사용되는 광원이 하루에 가해지는 평균 예상 시간을 결정하는 단계; (e) 상기 단계(d)에서 결정되는 시간으로 단계(c)에서 결정되는 시간을 나눔으로써 제품의 사용 수명을 결정하는 단계를 포함한다.

본 발명의 전술한 특징 및 다른 특징과 장점 뿐만 아니라 본 발명의 바람직한 실시예의 구조와 작동은 첨부한 도면을 참조하여 하기에서 설명된다.

명세서의 일부를 형성하며 본원에 편입되는 첨부한 도면은 상세한 설명과 함께 본 발명의 다양한 실시예를 도시하며, 나아가 본 발명의 원리를 설명하며 본 발명을 당업자가 실시할 수 있게 한다. 도면에서, 유사한 도면부호는 기능적으로 유사한 구성요소를 나타낸다. 또한, 도면번호의 최좌측 숫자는 도면 번호가 최초로 나타난 도면을 나타낸다.

도 1은 광학 센서의 일례의 임의의 구성요소를 나타낸다.

도 2는 특정 작동 상태에서 일반적인 표지 분자에 대한 일반적인 신호 저하 플롯을 나타내는 도면이다.

도 3은 예시적인 백그라운드 노이즈 프로파일을 나타낸다.

도 4(a)는 도 2 및 도 3을 오버랩하여 도시한 것이다.

도 4(b)는 시간에 대한 SNR을 플로팅한 도면이다.

도 5는 센서 신호 저하에서의 온도 증가의 효과를 도시하는 도면이다.

도 6은 고정되어 경과된 작동 시간에 대한 온도 대비 센서 SNR을 플로팅한 도면이다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 광학 센서의 임의의 구성요소의 도면이다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 센서의 임의의 구성요소의 도면이다.

도 9는 구동 전류 및 소스 강도 간의 관계를 도시하는 도면이다.

도 10은 본 발명의 다른 실시예에 다른 광학 센서의 임의의 구성요소의 도면이다.

도 11은 시스템의 온도(T) 및 분리 거리(d)가 일정하게 유지되는 소스 구동 전류에 대한 광학 센서 사용 수명을 플로팅한 도면이다.

도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 센서의 임의의 구성요소를 도시하는 도면이다.

도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 과정을 도시하는 흐름도이다.

도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 과정을 도시하는 흐름도이다.

도 15는 본 발명의 일실시예에 따라 작동되는 광학 광원의 듀티 싸이클의 일례를 도시하는 도면이다.

도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 과정을 도시하는 흐름도이다.

도 17은 상기 센서의 광원을 제어하는데 사용되는 회로의 일례를 도시하는 회로 다이아그램이다.

도 18은 듀티 싸이클을 결정하는 과정을 도시하는 흐름도이다.

도 19는 광학 센서의 제품 사용 수명을 결정하는 과정을 도시하는 흐름도이다.

도 1은 물질(101)의 존재 여부 또는 농도를 검출하는 대표적인 일반적 광학 센서(100)의 개략도이다. 센서(100)는 표지 분자(102), 광원(104), 및 광전 트랜스듀서(106)(또는 "광검출기(106)")를 포함한다. 도 1의 도시 내용으로 부터, 상기 표지 분자(102)는 물질이 존재 여부 또는 농도를 측정 가능한 신호(예를 들어, 측정 가능한 광검출기(106)로부터의 전기적 전류 출력(108))로 변환하는 중요 요소이다.

전술한 바와 같이, 광산화 작용으로 인하여, 상기 표지 분자는 센서(100)에서 "가장 약한" 구성요소가 된다. 즉, 광-산화 작용으로 인하여 상기 표지 분자는 센서(100)의 다른 구성요소보다 빨리 저하된다. 광원(104) 및 광검출기(106)와 같은, 주위를 둘러싸고 있는 구성요소들은 일반적으로 10년을 넘는 사용 수명을 구비한다. 그러나, 상기 표지 분자는 몇시간 또는 며칠 동안에 일반적인 작동 상태하에서도 저하될 수 있다. 이러한 것은 일반적인 작동 조건(예를 들어, 일정한 온도, 일정한 조사, 일정한 대기 산화 농도)하에서 일반적인 표지 분자에 대한 일반적인 신호 저하 플롯을 나타내는 도 2에 도시되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 표지 분자로부터 방출된 발광 강도는 짧은 시간에 걸쳐서 현저하게 증가하게 된다.

상기 표지 분자는 가장 약한 연결부이기 때문에, 일반적인 센서의 사용 수명은 몇시간 또는 며칠에 이른다. 그러나, 본 발명은 광학 센서와, 상기 센서의 사용 수명을 연장시키는 방법을 제공한다.

일반적인 광학 센서(예를 들어 센서(100)를 참조할 것)에서, 전자-광학적 구 성요소는 일반적인 거시적 및/또는 미시적-전자 분리 장치이다. 하류 방향 증폭 회로와 함께 상기 센서의 이러한 구성 요소 및 다른 비-화학적 구성요소는 회로 설계에 본질적인 베이스 라인 전자적 노이즈 수준을 구비한다. 이러한 시스템에는 몇가지 백그라운드 광학 노이즈가 존재한다. 이러한 노이즈는 다소 불규칙적이지만, 상당히 일정한 영역에서 유지된다. 도 3은 백그라운드 노이즈 형태를 도시한다.

이러한 일정한 노이즈 백드롭(back drop)에 대하여, 충분히 명확하게 물질의 농도에 대하여 직접적으로 비례하는 신호를 구별하는 것이 가능해야 한다. 평균 노이즈 진폭에 대한 평균 신호 진폭의 비율은 노이즈에 대한 신호 비율(signal to noise ratio: SNR)로 알려져 있다. 주어진 애플리케이션에 대하여 적절한 SNR의 적정 수치는 전체 설계를 관리하는 다른 요인에도 의존하게 된다. 일반적으로, 높은 SNR은 낮은 SNR에 비하여 선호된다. 중요한 것은, 일정 설계에서 얻어지는 SNR 수준은 상기 장치를 사용하여 측정이 이루어지는 정확성과 해상도를 나타낸다는 것이다. 도 4(a)는 도 2 및 도 3 사이에서 걸쳐지는 도면이다.

도 4(a)는 광화학 저하에 기인한 하강 신호와 함께 비교적 일정한 노이즈 백드롭을 도시한다. 이러한 두가지 플롯의 간단한 비율은 시간에 대한 SNR 로서 도 4(b)에 도시되어 있다. 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 상기 SNR은 상기 신호를 손상시키는 광산화작용에 직접 비례하여 손상된다. 하강하는 SNR 곡선을 따라 시간(T)에서의 SNR의 일부 한정된 수치에서, 상기 센서는 불안정하게 되는데, 그 이유는 그것이 해상도와 정확성면에서 더이상 상세한 사항과 일치하지 않기 때문이다. 이 러한 시간(T)은 상기 센서의 사용 수명이 되는데, 이는 상기 시스템 내에 존재하는 표지 분자가 되는 가장 불안정한 요소의 사용 수명에 의해 결정된다.

상기 센서의 SNR의 저하에 영향을 주는 몇가지 인자가 있다. 각각의 인자에 대한 바람직한 범위 또는 설정치는 상기 센서의 작동에 대한 바람직한 포락선(envelope)를 한정하는데 사용될 수 있다. 이러한 포락선은 상기 장치의 사용 수명을 연장시키는 작동 파라미터를 형성한다. 상기 인자는 하기에서 설명될 것이다.

인자 1: 온도.

온도는 상기 표지 분자, 따라서 광학 센서의 사용 수명을 결정하는 기본적이며 직접적 영향 인자이다. 광산화 작용은 다른 것들과 유사한 화학적 반응이므로, 온도의 영향을 설명하는 제 1 주모델은 아레니우스 방정식(Arehenius equation)이다. 온도의 증가는 표지 분자의 신속한 저하를 나타내는 반응의 속도를 증가시킨다. 센서 신호 저하에 대한 온도 증가의 영향은 도 5에 도시된다.

도 5로부터, 온도가 증가할수록, 형광체와 산소간의 광화학적 반응이 증가하게 되며, 따라서, 형광 강도에 기초한 신호 진폭은 비례적으로 감소하게 된다. 도 6은 고정된 경과 작동 시간에서의 온도에 대한 센서 SNR의 플롯을 도시하는 도면이다.

일특징에서, 본 발명은 상기 센서의 설계상에서 주어진 다른 수명에 대한 제약사항에 대한 최적 조건을 제공하는 고정된 수치에서 표지 분자(102)의 온도 또는 센서의 온도를 유지하는 냉각 시스템(702)을 가지는 센서(700: 도 7 참조)를 제공 한다. 예를 들어, 센서(700)가 50 내지 70℉의 온도 범위에서 작동해야 한다는 조건이 있다면, 상기 냉각 시스템(702)은 수명에 대한 최적 온도인 50 - 70℉의 범위 내에서 50℉의 온도를 유지하도록 구성될 수 있다. 상기 장치의 온도에 대한 어떠한 하한이 없는 애플리케이션에서 온도는 마이너스 20℉까지 하강할 수 있다.

일실시예에서, 냉각 시스템(702)은 냉각 반도체 구성요소로서 사용되는 펠티어 유형의 칩(Peltier-type chip)으로 구성되거나 포함한다. 다른 실시예에서, 상기 냉각 시스템(702)은 액체 질소 또는 다른 냉각제로 구성되거나 포함한다.

인자 2: 광원 및 표지 분자간의 이격 거리.

도 8에 도시된 광학 센서(800)와 같은 광학 센서에서, 광속 밀도(luminous flux density)는 표면상이 일지점에서의 단위 영역당 발광량을 나타낸다. 예를 들어, 빛의 단위가 아인스타인이라면(1몰의 광자 또는 광자의 1 아보가드로 수로 정의), 단위 영역당 아인스타인은 유동량에 대한 표현이 된다. 상기 표지 분자(102)의 지점에서의 단위 영역당 광자의 갯수의 밀도는 본원의 목적인 유효 광속 밀도가 된다. 뒤로 돌아가면, 상기 광속 밀도는 발광발산도(Luminous Exitance)(하기 참조) 또는 소스 강도로 보통 불리는 용어와 관련된다. 역제곱 법칙을 통하여, 광자 강도(또는 광속)은 상기 표지 분자(102)가 설치되는 광원(104) 및 표면(802) 사이에서의 이격 거리(d)의 제곱만큼 증가하게 된다.

전체 매트릭스 내에서의 단일 인자 또는 인자들의 세트로서 설명되는 바와 같이, 이격 거리(d)에 대한 하나의 유효하며 실질적이고 바람직한 작동 범위는 0 내지 2.5 센티미터이다. 0 에서의 범위의 최저부분은 상기 표지 분자가 바로 설 치되거나 광원(104)의 표면 내에 설치되는 설계를 나타낸다. 범위(2.5cm)의 먼 쪽 부분은 낮은 수준에서의 유동량을 유지하도록 보다 높은 광자-불안정 형광체에 적합한 설계를 나타낸다. 그러나, 본 발명에 따른 센서는 이러한 특정 범위에 한정되지 않는다.

인자 3: 발광발산도, 소스 강도, 전원 또는 구동 전류

광원의 발광발산도는 발광원(예를 들어 백열, 고체상태, 유기, 무기, LED 또는 임의의 발광원)의 표면에서의 광속 밀도의 측정치이다. 전술한 바와 같은 광속 밀도는 광원으로부터 임의의 거리(d)에서 임의의 표면에 대하여, 실제 또는 가상적으로 정의될 수 있다. 발광발산도는 광원의 표면에서 또는 d=0 인 경우에서의 표면에서의 정의되는 광속이다. 이것은 (d)에서 정의된 광속 밀도로의 광원의 강도에 관한 것이다. 전기적, 또는 전기광학적 광원의 강도는 그러한 광원에 대한 구동 전류와 직접 관련되기 때문에, 상기 광원에 대한 전기적 구동 전류를 통하여 광원 강도를 제어하는 것이 가능하며 실질적이다(그것은 전기적이 아닌 광원이 가능하다는 점에서 중요하다). 이러한 구동 전류와 광원 강도간의 관계는 간단한 사항이며 도 9에 도시되어 있다.

도 9에 도시된 관계는 감축 곡선으로서 알려져 있으며, 광원에 독특한 것이며 광원 제조자들에게도 독특한 것이다. 그러나, 이러한 데이터는 특정 선택 광원에 대한 제조자에게 유용하다. 상기 구동 전류는 상기 광원의 전원을 제어하는 것도 중요한 사항이다. 발광 전원은 일반적으로 와트(또는 다른 단위)로 표시된다. 일실시예에서 사용되는 고체 상태의 전기적 소스는 전류 및 감축 곡선에 따른 마이 크로 와트 내지 밀리 와트 수준에 오게 된다. 상기 광원의 성능 한계치 내에서, 전력은 표준의 가정용 디밍 스위치와 같이 구동 전류를 한정함으로써 제어되고 설정될 수 있다. 이러한 장치는 복잡한 것이 될 수 있지만, 간단한 변환에 의해, 전력은 전술한 바와 같은 광-산화율에 직접 관련될 수 있다.

주어진 거리(d)에서의 광산화율과 구동 전류 간의 전술한 관계에서, 바람직한 구동 전류는 안정적인 광원 출력을 제공하는 최저 가능 구동 전류이다. 발광 다이오드(LED)와 같은 일반적인 고체 상태의 광원에서, 이러한 수치는 현재 0.5mA 정도로 낮다. 이러한 장치들이 보다 효율적으로 되면, 이러한 쓰레스홀드 구동 전압은 감소하게 될 것이다.

광학 센서의 사용 수명에 영향을 미치는 추가적인 인자에 대하여 설명하기 전에, 센서 시스템(1000: 도 10 참조)의 구성 내에서 추가적으로 설명되는 인자(예를 들어, 온도(T), 이격 거리(d), 구동 전류(I 구동))를 설명한다. 도 10의 도시사항은 추가적인 설명 내용과 함께 구성된다.

도 10은 배치된 표지 분자(102)상에 또는 그 내부의 표면(802)에 의해 포위되거나 부분적으로 둘러싸이는 광원(104)을 구비하는 센서 시스템(1000)을 도시한다. 상기 센서 시스템(1000)은 상기 광원(104)에 제공되는 구동 전류(I 구동)를 조절하는데 사용되는 전류 제어기(1014) 및 광원(104)에 전원을 공급하는 파워 서플라이(1012: 예를 들어 배터리 또는 다른 전원)을 추가로 포함한다. 상기 센서(1000)는 냉각 시스템(702)을 포함한다(도 7 참조). 작업자 또는 처리 장치는 전류 제어기(1014)를 이루게 되어, 구동 전류량을 설정하게 된다.

전술한 바와 같이, 상기 구동 전류는 광원 강도를 설정하며, 상기 광원 강도는 거리(d) 및 역제곱 법칙을 통하여 광속 밀도를 설정하며, 상기 광속 밀도는 상기 표지 분자의 광산화율에 직접 비례한다. 따라서, 광원(104)에 제공되는 구동 전류의 조절은 광원 강도를 설정하며, 고정된 거리(d)를 통하여 역제곱 법칙에 의해 결정되며, 광산화율 및 신호 저하율을 설정하는 광속을 형성하게 된다.

도 11은 상기 시스템의 이격 거리(d) 및 온도(T)가 일정하게 유지되는 광원 구동 전류에 대한 센서 시스템(1000)의 사용 수명의 플롯을 도시한다. 도 11은 간단하지만, 광학 센서의 연장된 수명을 달성하기 위한 인자들 중 하나를 명확하게 이해하게 한다.

다양한 경우에서, "d"는 설계상에서 고정된다. 즉, 상기 광학 센서의 애플리케이션은 몇몇 경우에서 작은 범위로 되는 허용 가능한 d의 범위를 결정한다. 예를 들어, 만약 광학 센서가 생체 내부에서 사용되어진다면, 상기 센서의 적절한 크기 및 d는 제한된다. 일단 d가 고정되면, 추가적인 설계 및 최적 작동 파라미터를 제공하도록 본원에서 제공된 다른 인자들(예를 들어 구동 전류)를 평가하는데 이러한 수치를 사용하는 것이 가능하다.

일정한 d는 형광체 표면에서의 광속을 결정한다. d에 의해 한정된 표면에서의 광속 및 전력은 동의어라는 것에 주의할 필요가 있다. 전술한 바와 같이, d가 0 내지 2.5cm로 고정되는 바람직한 범위가 결정되었다. 구동 전류를 설정하기 위한 이러한 정보를 사용하여, 광원을 작동시키게 되는 최저 전류가 되는 쓰레스홀드 수치(도 9 참조)로부터 고체 상태의 광원에 대하여 제조자의 평가 전류량의 거의 2 배의 수치의 범위로 각각의 LED 광원의 전류를 결정한다 . 예를 들어, SiC 또는 GaN 계의 LED에 있어서, 이러한 구동 전류의 범위는 약 0.5 밀리암페어에서 약 40 밀리암페어의 범위가 된다. 다른 실시예에서, 상기 구동 전류는 약 0.8 내지 약 3 밀리암페어, 보다 바람직하게는, 1 내지 2 밀리암페어가 되는 것이 바람직하다. 미래에는, 광원 제조자들이 보다 효율적으로 광원을 제조하기 때문에, 이러한 범위는 변화될 수 있다.

표지 분자를 채용한 센서의 사용 수명에 영향을 주는 2가지 추가적인 인자는 (1) 입력 광원 에너지 및 (2) 듀티 싸이클이다. 각각은 하기에서 설명된다.

인자 4: 입력 광원 에너지(또는 파장)

광자 에너지는 E=hf 의 방정식에 따른 주파수에 관련되는데, 여기서, "E"는 광자의 에너지이며, "h"는 플랭크 상수이며, "f"는 주파수이다. 주파수는 파장에 반비례한다. 따라서, 파장이 짧은 광자는 파장이 긴 광자보다 높은 에너지를 구비한다. 일반적인 형광 여기 작용은 거의 200 nm 내지 거의 500nm 의 파장에서 일어난다(비록 분자와 메커니즘은 근적외선을 통하여 그 이상의 여기 파장으로 알려져 있지만). 형광 흡수 및 발광 스펙트라는 필수적으로 에너지 플롯이어서, 상기 스펙트라는 형광체의 특정 분자 구조 내에서 최대 에너지에 대응하는 최적 흡수 또는 발광 피크 파장에 대하여 대략적으로 가우스 분포를 나타내게 된다. 센서에서 사용되는 대부분의 형광체에서, 상기 광학 파장(또는 일부 경우의 파장)은 표지 분자 자체에 의해 결정된다. 따라서, 센서의 설계자 또는 사용자는 광원의 파장을 선택하는 자유도가 제한되어 있다.

인자 5: 광원의 듀티 싸이클

광원의 파장과는 달리, 광학 센서의 설계시의 다른 에너지 요소이며 전술한 다른 광자 에너지가 되는 상기 광원의 듀티 싸이클은 센서 설계자/사용자의 제어하에 가변적이다. 상기 광원의 듀티 싸이클은 상기 광원이 상기 표지 분자로부터 판독될 필요가 있는 표지 분자를 조명하는 기능을 하는 시간의 비율이다. 전술한 몇몇 최소 듀티 싸이클에서, 필요한 데이터 출력에 대한 광학 센서의 성능은 듀티 싸이클의 변화에 크게 영향받지 않거나 전혀 영향받지 않는다. 따라서, 광학 센서의 설계자/사용자는 상기 광학 센서의 성능에 역으로 영향을 주는 걱정 없이 광원의 듀티 싸이클을 자유롭게 선택할 수 있다. 전술한 바와 같이, 광원의 듀티 싸이클을 낮춤으로써, 표지 분자의 유효 수명, 나아가, 센서의 수명을 현저하게 증가시킬 수 있게 된다.

광학 센서에서, 상기 광원에 의해 방출되는 전체적이며 누적적인 발광 에너지는 표지 분자의 광산화작용의 전체 범위를 구동한다. 달리 표현하면, 빛이 없다면, 광산화작용도 없다. 시간에 대한 누적 전력(표면에서의 광속)은 에너지이다. 발광 에너지의 일반적인 단위는 주울인데, 에너지(주울) = 와트(전력) x 초(second)의 관계이다.

에너지가 광원의 발광에 소모되는 비율인 전력(에너지/시간)은 상기 표지 분자의 광산화작용 속도에 직접 연관된다. 따라서, 보다 높은 전력의 광원은 저전력의 광원보다 더 신속하게 표지 분자를 광탈색시킨다. 전술한 방정식에서 알 수 있듯이, 전력을 제어하는 한가지 방법은 에너지가 시스템으로 입력되는 속도를 제어 하는 것이다. 광학 센서에서, 전력을 제어하는 한가지 방법은 광원의 듀티 싸이클을 제어하는 것이다.

광학 센서에서, 광학 센서가 작동 상태(예를 들어 전력을 소모하는 상태)일 때의 전체 시간동안에 광원이 작동하거나 "켜짐" 상태일 필요가 없다는 것이 발견되었다. 많은 애플리케이션에서, 상기 광학 센서는 하루에 일부 시간동안에 짧은 시간동안에만 작동할 필요가 있다. 예를 들어, 일실시예에서, 광학 센서는 약 7분동안 그리고 하루에 약 5회정도 작동한다. 그러나, 또다른 실시예에서, 광학 센서는 매일 24시간 작동할 필요가 있다(즉 연속적으로 작동하는 경우).

예를 들어, 광학 센서가 작동시에 소정의 시간동안 매초마다 광검출기로부터 판독이 필요하다면, 광학 센서가 작동시에 전체 시간동안 광원이 켜져 있을 필요가 없다. 대신에, 센서의 회로에 따라, 매초마다 1/10의 초에 대하여 광원을 켜기에 충분하다. 이러한 시나리오에서, 상기 센서의 수명에 대한 시스템으로의 누적 에너지 입력은 10배 감소한다. 유사하게, 매초 1/10 초동안 광원이 전력을 공급받으면, 상기 시스템으로의 에너지 입력은 100배 감소한다. 전력은 누적적인 광산화와 직접 연관이 있기 때문에, 100배 에너지 입력을 감소시키는 SNR 저하 및 신호 진폭이 저하는 이러한 단일 인자에 대하여 100배 만큼 장치의 수명을 증가시킨다.

상기 센서가 작동시에 소정의 시간동안 광원의 적절한 듀티 싸이클은 애플레케이션에 특정된다. 하나의 애플리케이션에서, 상기 센서가 작동시에, 상기 광검출기(106)로부터의 판독은 거의 매 2분마다 행해진다. 상기 센서 및 지원 전기 회로(예를 들어, 광검출기(106))는 1/10 초 또는 100 밀리초(milisecond) 동안에 정밀한 판독이 일어날 정도로 충분히 빠르다. 매 2분 간격 중 1/10 초동안에 센서 광원에 전력을 공급하는 것은 120초/0.1초=1200X 의 에너지 감소 요인을 제공한다. 이러한 요인은 형광체의 광산화작용 신호 저하에 대한 연속적인 작동에 대한 센서의 1200배 연장된 사용 수명으로 직접 해석된다.

듀티 싸이클은 정시각의 비율로 종종 표현된다. 이러한 예들은 거의 0.08% 듀티 싸이클이 된다. 다른 제품의 경우, 다른 설계, 다른 표지 분자의 경우, 거의 50% 및 잠재적으로 그 이상의 듀티 싸이클이 유용하다. 낮은 부분에서, 매우 낮은 수준에 대한 비율 퍼센트는 1 X 10 (exp-5)%만큼 낮은것이 유용하다.

본 발명의 다른 실시예에서, 상기 센서는 정시간에 LED의 거의 50 밀리초동안에 거의 매 2분간 켜진다. 이러한 실시예는 글루코스 센서에 유용하다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 센서(1200)를 도시한다. 센서(1200)는 센서(1200)가 듀티 싸이클 제어기(1202) 및 전류 제어기(1014)를 추가로 포함하는 것을 제외하고, 센서(700)와 동일하다. 상기 센서(1200)의 구성요소는 하우징(미도시)내에 둘러싸이는 것이 바람직하다. 상기 표지 분자는 하우징의 표면상에 또는 하우징의 표면에 배치된다.

듀티 싸이클 제어기(1202)는 하드웨어만으로 또는 하드웨어와 소프트웨어를 조합하여 구현된다. 듀티 싸이클 제어기(1202)는 광원(104)의 듀티 싸이클을 제어한다 . 몇몇 실시예에서, 센서(1200)의 사용자는 듀티 싸이클 제어기(1202)를 구현함으로써 광원(104)의 듀티 싸이클을 설정하게 된다. 이러한 실시예에서, 듀티 싸이클 제어기(1202)는 사용자가 제어기를 구성하거나 설정하게 하는 인터페이 스(1204)를 구비한다. 도 17은 광원(104)의 작동을 제어하는데 사용되는 예시적인 회로를 도시하는 회로 다이아그램이다.

도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 과정을 도시하는 흐름도이다. 과정(1300)은 작동시에 z만큼의 연속적인 시간동안 매 X 시간 중 적어도 하나에서 일영역내에서 물질의 존재 여부 또는 농도에 관한 데이터를 얻도록 구성된 광학 센서(예를 들어 센서(1200))의 사용 수명을 증가시키는 과정이다. X 및 Z 는 몇초 내지 몇분 이나 몇시간에 이른다.

과정(1300)은 단계(1302)에서 시작하는데, 광학 센서는 센서의 광원의 듀티 싸이클이 센서가 매 X유닛 시간 중 적어도 한번 데이터를 얻어야할 때 Z시간동안 100% 이하가 되도록 구성된다. 단계(1304)에서, 상기 센서는 상기 영역 내에 위치된다. 단계(1304)는 단계(1302) 전후에 행해진다. 광학 센서의 몇몇 애플리케이션에서, X는 약 1초이며, Z는 약 7분이다. 다른 애플리케이션에서, X는 1초 이상 또는 이하이며, Z는 7분 이상 또는 이하이다. 몇몇 애플리케이션에서, Z만큼의 시간동안의 듀티 싸이클은 50%이하이지만, 다른 애플리케이션에서, 듀티 싸이클은 0.00001% 이하일 수 있다. 단계(1306)에서, 상기 센서는 작동되어 Z만큼이 시간동안 작동 상태에 유지된다. 상기 센서는 외부 전력원으로부터 센서에 전력을 제공함으로써 작동된다.

단계(1308)에서, 센서가 작동시에, Z 만큼의 시간동안에, 광원은 여러번 켜지고 꺼진다. 즉, 광원의 듀티 싸이클은 0 내지 100%가 되도록 작동된다. 일부 실시예에서, 상기 듀티 싸이클은 50%이하이다. 단계(1310)에서, 단계(1306)이 행 해진 후 Z만큼의 시간후에, 상기 센서는 작동 정지된다 다음으로 상기 센서는 소정의 시간(단계(1312))동안 아무것도 하지 않는다. 단계(1312)후에, 상기 과정은 단계(1306)로 복귀된다.

도 14는 특정 영역에서 물질의 존재 여부 또는 농도를 감지하는 것에 대하여, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 과정(1400)을 도시하는 흐름도이다. 과정(1400)는 단계(1402)에서 시작하는데, 여기서 관학 센서는 상기 영역(예를 들어, 생체내에 구현된 영역)내에서 원하는 위치에 배치된다. 단계(1403)에서, 상기 센서는 작동된다. 예를 들어, 상기 센서는 외부 전원으로부터 센서로 전력을 공급함으로써 작동된다.

단계(1404)에서, 센서가 작동된 후에, 센서의 광원은 켜지게 된다(예를 들어, 광원은 최소 발광발산도를 구비하도록 구성된다). 단계(1405)에서, 상기 광원이 켜진후에, 몇몇 지점에서, 상기 광검출기(106)의 출력은 결정되며, 바람직하게는 저장된다. 단계(1404)가 행해진 후에 약 Y 만큼이 시간에 대하여 행해지는 단계(1406)에서, 광원은 꺼지게 된다.

단계(1408)에서, 과정(1400)이 완료되었는지에 따라 종료가 이루어진다. 예를 들어, 과정(1400)은 Z만큼의 시간이 경과된 때에 완료되는데, 그 이유는 단계(1404)가 우선 행해지기 때문이다. 만약 상기 과정이 완료되면, 상기 센서는 작동이 정지된다(단계(1410)). 상기 센서가 작동 정지된 후에, 상기 센서는 그 후의 시간에 다시 작동하게 된다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 상기 센서는 일년동안 매일 5회 작동할 필요가 있다 . 따라서, 이러한 실시예에서, 상기 센서는 작동이 정지된 후에 약 5시간동안 재작동된다.

상기 과정이 완료되면, 단계(1404)는 마지막으로 행해지기 때문에(단계(1412)), 상기 과정은 X만큼의 시간이 경과한 후에 단계(1404)로 복귀한다.

상기 단계(1040-1406)들은 주어진 Z만큼의 시간동안 반복된다(즉, 상기 센서는 작동 정지되기 전에 약 Z만큼의 시간동안 작동한다). 과정(1400)에서, X는 0 보다 크며, Y는 X보다 작고 X는 Z 보다 작은 것이 바람직하다. 몇몇 애플리케이션에서, Y는 X/2 이하이다. 다른 애플리케이션에서, Y는 X/10 이하이다.

Z시간 동안의 광원의 구성은 도 15에 도시된다. 도 15에 도시된 바와 같이, t=0, t=x, t=2x, 등에서, 광원은 Y 시간동안 작동되며, X-Y 시간동안 작동 정지된다. 도 15는 주기적인 기능을 도시하고 있지만, 그 기능은 주기적일 필요가 없으며, Y 또는 X 는 Z 동안 일정할 필요가 없다.

단계(1400)을 행함으로써, 광학 센서의 표지 분자의 사용 수명은 증가되는데, 그 이유는 광학 센서가 작동중인 동안에 광원은 연속적으로 "켜짐" 상태가 아니기 때문이다.

도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따라서, 물질의 존재 여부 또는 농도를 감지하는 과정(1600)을 도시하고 있다. 과정(1600)은 단계(1602)에서 시작되는데 상기 광학 센서는 원하는 위치에 배치된다. 단계(1603)에서, 상기 센서는 작동된다.

단계(1604)에서, 광학 센서의 광원은 임의의 진폭 범위 내의 진폭(예를 들어 강도) 및 임의의 주파수 범위 내의 주파수를 가지는 전자기파를 출력하도록 구성된다. 단계(1605)에서, 상기 광학 센서의 광검출기의 출력으로부터의 측정치는 단 계(1604)가 행해진 후에, 바람직하게는 단계(1606)가 행해지기 전에 정시에 몇몇 지점에서 얻어진다.

단계(1604)가 행해진 때로부터 Y 시간이 경과한 후에 행해지는 단계(1606)에서, 광원은 전자기파를 출력하지 않거나 임의의 주파수 범위 내에 있지 않은 주파수를 구비하거나 임의의 진폭 범위에서 최저 진폭보다 작은 진폭을 가지는 전자기파를 출력하도록 광원이 구성되도록 구성된다. 바람직하게는, 단계(1606)에서 방출되는 파장이 진폭은 임의의 진폭 범위 내에서 최저 진폭보다 작다.

단계(1608)에서, 상기 센서가 충분한 시간동안 작동하는지 여부에 따라 종료가 행해진다. 그렇다면, 상기 센서는 작동이 정지되고(단계(1610)), 그렇지 않다면, 상기 과정은 단계(1606)을 행한 것으로부터 측정된 X시간이 지연된 후에 단계(1604)로 복귀한다. 단계(1610) 후에, 상기 과정은 일정한 시간이 경과한 후에 단계(1603)로 복귀한다.

과정(1400)과 유사하게, 과정(1600)은 단계(1606)에서 광원이 임의의 전자기파를 출력하지 않도록 구성되거나 상당히 작은 진폭 또는 저주파수를 가지는 파장을 출력하도록 구성되는 경우에, 광학 센서의 표지 분자의 사용 수명을 현저하게 증가시킨다.

도 17은 센서의 광원을 제어하는데 사용되는 회로의 일례를 도시하는 회로 다이아그램이다. 이러한 비제한적인 예에서, 레지스터(R1, R2)는 입력핀(5)의 비교기(U1)에 기준 전압을 함께 제공하는 필터 캐패시터(C2)를 구비한 전압 분할기이다. 전력이 우선 회로에 인가되면, 캐패시터(C1)는 방전된다. 비교기(U1)에서, 양의 입력 핀(5)이 음의 입력 핀(6)보다 높으면, 출력핀(7)은 전류 제한 레지스터(R4)를 통하여 광 LED (D1)에 전압을 공급하게 된다. 캐패시터(C1)는 레지스터(R3)를 통하여 인가된 전력 전압을 향하여 충전하게 된다. C1 전압이 기준 전압을 통과할 때, U1 음의 입력 핀(6)은 양의 입력 핀(5)보다 높게 된다. U1 출력 핀(7)은 -v 로 떨어지게 되어 LED(D1)을 끄게 된다.

다른 기준 전압도 사용될 수 있다. 예를 들어, 상용 전압 기준 집적 회로 또는 제너 다이오드가 사용될 수도 있다. 또한, 앰프와 OP 앰프와 같은 다른 장치가 도 17에 도시된 비교 회로 대신에 사용될 수 있다.

광학 센서의 작동에 관하여 전술한 과정에 추가하여, 본 발명은 광원의 원하는 듀티 싸이클을 결정하는 과정과 광학 센서의 사용 수명을 결정하는 과정을 제공하게 된다.

도 18은 광학 센서의 LED에 대한 원하는 듀티 싸이클을 결정하는 과정(1800)을 도시하는 흐름도인데, 상기 LED 는 Y mA 전류로 구동된다. 과정(1800)은 단계(1802)에서 시작되는데, 여기서, 광학 센서에 사용되는 표지 분자가 확인된다. 단계(1804)에서, LED 로부터 발광되는 노출되는 빛이 Y mA의 전류로 구동되면, 원래 출력 강도의 X%로 표지 분자의 출력 강도가 저하되는 시간이 결정되는데, 여기서 Y mA 는 광학 센서가 작동시에 사용되는 구동 전류이다.

단계(1806)에서, 상기 센서에 대한 전체 누적 작동 시간이 결정된다. 예를 들어, 상기 센서가 365일동안 매일 5회씩 7분동안 작동되도록 설계된다면, 이러한 센서의 전체 누적 작동시간은 (7x5x365= 12775분)이 된다. 단계(1808)에서, LED 에 대한 듀티 싸이클은 단계(1806)에서 결정된 시간으로 단계(1804)에서 결정되는 시간을 나눔으로써 결정된다. 따라서, 듀티 싸이클은 센서가 작동시에 소정의 시간동안 LED 가 켜져 있는 시간의 퍼센트이다.

도 19는 광학 센서의 사용 수명을 결정하는 과정(1900)을 도시하는 흐름도인데, 여기서, 상기 센서는 LED를 구비하는데, 켜는 과정이 Y mA 전류에서 구동될 때 상기 LED는 매일 동일한 시간동안 켜져 있게 되며, 센서의 표지 분자의 출력 강도가 원래 출력 강도의 X %로 저하되는 시간으로 사용 수명이 정해진다.

과정(1900)은 단계(1902)에서 시작되는데, 여기서, 광학센서가 사용되는 표지 분자가 확인된다. 단계(1904)에서, LED 로부터 발광되는 연속적으로 노출되는 빛이 Y mA 전류로 구동될 때, 표지 분자의 출력 강돠 원래 출력 강도의 X %로 저하되는 시간이 결정되는데, Y mA 는 광학 센서가 작동될 때 사용되는 구동 전류가 된다.

단계(1906)에서, LED가 매일 켜져있게 되는 전체 시간이 결정된다. 단계(1908)에서, 사용 수명은 단계(1906)에서 결정되는 시간으로써 단계(1904)에서 결정되는 시간을 나눔으로써 결정된다. 예를 들어, 단계(1904)에서 결정되는 시간이 10000분일 경우, LED 는 매일 10분 이하동안 켜져 있으며, 이 경우 상기 센서의 사용 수명은 거의 10000/10 = 1000 일이 된다.

광학 센서에 대한 원하는 듀티 싸이클을 결정하는 과정의 비제한적인 일례는 하기에서 설명된다. 이러한 예에 따르면, 광학 센서는 매일 5회 , 매번 사용시에 7분동안, 365동안(1년) 사용될 필요가 있다. 각각의 사용시에, LED는 매 샘플당 전체 150 ms동안 켜져 있는데, 상기 샘플은 사용하는 동안에 매 두번에 한번씩 발생하게 된다. 상기 LED는 정방형파형에 의해 구동되며 따라서 50%의 듀티 싸이클을 구비한다. 이러한 애플리케이션은 센서가 초기 출력 강도에 비교하여 사용 조건하에서 일년의 기간동안에 원래 출력 강도의 10% 내에서 머무르게 되는 것을 요구한다.

LED 가 켜져 있는 시간의 양은 아래의 예에 따라 계산될 수 있다.

1) 일년에, (연간 365 일) * (매일 5회 사용) = 연간 1825회 사용된다.

2) 각각의 샘플은 1초 간격으로 발생하여, 매분 60개의 샘플이 있다.

3) (매분 60개 샘플) * (매사용시에 7분) = 매사용시에 240개의 샘플이 있다.

4) 전술한 방정식 1 및 3을 사용하여, 센서는 (매 사용시 420개의 샘플) * (매년 1825회 사용) = 매년 766,500 샘플에 대하여 사용된다.

5) 각각의 샘플에서, 상기 센서의 LED 는 150ms 동안 켜져 있다.

6) 방정식 4 및 5에서, (매년 766,500 개의 샘플) * (매 샘플마다 150ms) = 매년 114,975,000ms 의 센서의 LED가 켜져 있는 시간이 얻어진다.

7) 방전식 6에서, 매년 114,975,000 ms = 매년 114,975 초 = 50%의 듀티 싸이클에서 LED가 켜져 있는 시간인 31.94시간으로 변환할 수 있다.

따라서, 이러한 애플리케이션의 조건은 LED 가 50%의 듀티 싸이클로 연속적으로 약 31.94 시간동안 작동할 수 있으며 그 원래 수치의 10% 내에서 센서의 출력 강도가 유지되는 것이다.

이러한 예의 경우, 1mA에서 LED 작동 시간에 대한 센서 출력 강도는 상기 센서 출력 강도가 50%의 듀티 싸이클에서 연속적으로 23시간동안 사용시에 그 원래 수치의 90%로 저하되는 것을 나타낸다. 이러한 특징은 이러한 특정 애프리케이션에 대하여 LED를 켜져 있게 하는 충분한 시간이 아니기 때문에, 듀티 싸이클은 보상을 위하여 변화될 수 있다. 예를 들어, 듀티 싸이클을 25%로 변화시키는 것은 LED가 켜져 있는 시간을 절반으로 만들어 표지의 광탈색량을 감소시킨다. 상기 센서의 사용 수명은 이러한 특정의 예에 있어서, 원래 사용 수명의 두배에 근접하게 된다.

50% 듀티 싸이클은 LED를 구동하는 정방형 파장을 사용하는 것으로부터 나온다 . 파장의 각 싸이클에서, LED구동 신호는 "t" 초 동안 켜져 있으며, 따라서 동일한 "t" 초 동안 껴져있게 되어 "t"동안 스위칭되며, 켜짐과 꺼짐 상태 사이를 전환하게 된다. 절반의 시간동안 켜져 있으며, 절반이 시간동안 껴져 있다. 이러한 비율은 예를 들어 싸이클의 1/4 동안 켜져 있고 싸이클의 3/4 동안 껴져 있는 것으로 변화될 수도 있다. 이 경우, LED가 켜져 있는 시간은 동일한 사용 조건에 대하여 절반으로 되며, 더 오랜 시간동안 작동될 수 있으며, 10% 저하 한도 내에서 머무르게 된다.

이러한 예에서 예시된 임의의 시간이 감소되는 경우, LED의 전체 켜져 있는 시간을 감소시켜서 표지 분자의 강도를 보존함으로써 센서의 사용 수명을 연장시키게 된다. 예를 들어, 장치가 사용되는 매 일년마다의 날 수를 감소시키고, 매일마다의 사용 횟수를 감소시키고, 사용시에 샘플의 갯수를 감소시키고, 샘플에서 LED가 켜져 있는 시간을 감소시키고, LED구동 의 듀티 싸이클을 감소시키는 것은 센서의 사용 수명을 증가시킨다. 간단한 공식은 매년 LED가 켜져 있는 전체 시간을 계산하는데 사용될 수 있다.

연간 LED가 켜져 있는 전체 시간 = (장치가 사용되는 연간 일수) * (매일 사용횟수) * (매사용시의 샘플의 갯수) * (샘플링시에 LED가 켜져 있는 전체 시간) * (LED장치의 듀티 싸이클)이 된다.

본원에서 설명된 광학 센서는 특정 애플리케이션 또는 작동 환경에 한정되지 않는다. 예를 들어, 본 발명에 따른 센서는 사람에게 설치되어 인체에서의 다양한 생물학적 분석대상물(예를 들어, 글루코스, 독소)를 측정하는데 사용될 수 있다.

본 발명의 다양한 실시예와 변형례가 위에서 설명되었으며, 이러한 것들은 실시예를 설명하고자 하는 것이지 한정하는 것이 아니다. 따라서, 본 발명이 범위와 폭은 전술한 실시예에 한정되는 것이 아니며 첨부한 청구범위와 그 등가물에 따라 정해진다.

Claims

작동시에, 영역 내에 물질의 존재 여부 또는 농도에 관한 데이터를 얻도록 구성된 광학 센서의 사용 수명을 연장시키는 방법으로서, 상기 광학 센서는 (i) 상기 물질의 존재 여부에 의해 영향을 받는 광학적 특징을 가지는 표지 분자와 (ii) 상기 표지 분자를 때려 발광하게 하는 광원을 포함하며, 상기 방법은,

(a) 광학 센서가 작동하고 있는 시간동안 상기 광원의 듀티 싸이클이 0% 를 초과하며 100% 미만이 되도록 구성된 상기 광학 센서를 제공하는 단계;

(b) 상기 영역 내의 위치에 광학 센서를 배치시키는 단계;

(c) 단계(b)를 행한 후에 0 보다 큰 Z 시간동안 광학 센서를 작동시키는 단계;

(d) 광학 센서가 작동시에 Z 시간동안 상기 광원의 듀티 싸이클이 0% 를 초과하며 100% 미만이 되도록 광원을 작동시키는 단계;

(e) Z 시간이 경과한 후에 상기 광학 센서를 작동 중지시키는 단계로서, Z 값은 상기 광학 센서를 작동시키기 전에 결정되는, 광학 센서를 작동 중지시키는 단계;

(f) 상기 Z 시간이 지난 후에, 상기 광학 센서의 작동을 중지시킨 때로부터 소정의 제 1 시간이 경과되었는지를 결정하는 단계;

(g) 상기 Z 시간이 지난 후에, 상기 광학 센서의 작동을 중지시킨 때로부터 소정의 제 1 시간이 경과되었는지의 결정에 응답하여 상기 광학 센서를 작동시키는 단계;

(h) 단계(g)를 수행한 후에, 단계(g)를 수행한 때로부터 소정의 제 2 시간이 경과되었는지를 결정하는 단계; 및

(i) 단계(g)를 수행한 때로부터 소정의 제 2 시간이 경과되었는지의 결정에 응답하여 상기 광학 센서의 작동을 중지시키는 단계를 포함하는, 광학 센서의 사용 수명을 증가시키는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 듀티 싸이클은 50% 이하인 것을 특징으로 하는, 광학 센서의 사용 수명을 증가시키는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 듀티 싸이클은 10% 이하인 것을 특징으로 하는, 광학 센서의 사용 수명을 증가시키는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 듀티 싸이클은 1% 이하인 것을 특징으로 하는, 광학 센서의 사용 수명을 증가시키는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 듀티 싸이클은 0.1% 이하인 것을 특징으로 하는, 광학 센서의 사용 수명을 증가시키는 방법.
제 1 항에 있어서,

Z 는 0.5 내지 20분 인 것을 특징으로 하는, 광학 센서의 사용 수명을 증가시키는 방법.
제 1 항에 있어서,

Z는 1 내지 10분 인 것을 특징으로 하는, 광학 센서의 사용 수명을 증가시키는 방법.
제 1 항에 있어서,

Z 는 7분 인 것을 특징으로 하는, 광학 센서의 사용 수명을 증가시키는 방법.
제 1 항에 있어서,

Z는 2분 인 것을 특징으로 하는, 광학 센서의 사용 수명을 증가시키는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 광학 센서는 매 2분마다 200 밀리초 동안 작동하는 것을 특징으로 하는, 광학 센서의 사용 수명을 증가시키는 방법.
제 10 항에 있어서,

상기 광원은 광학 센서가 작동하는 200 밀리초 중 100 밀리초 동안 작동되는 것을 특징으로 하는, 광학 센서의 사용 수명을 증가시키는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 표지 분자는 형광 발광하는 것을 특징으로 하는, 광학 센서의 사용 수명을 증가시키는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 광원은 발광 다이오드(LED)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 광학 센서의 사용 수명을 증가시키는 방법.
제 13 항에 있어서,

LED를 구동하는데 사용되는 구동 전류는 3 mA 이하인 것을 특징으로 하는, 광학 센서의 사용 수명을 증가시키는 방법.
제 14 항에 있어서,

LED를 구동하는데 사용되는 구동 전류는 2 mA 이하인 것을 특징으로 하는, 광학 센서의 사용 수명을 증가시키는 방법.
제 14 항에 있어서,

LED를 구동하는데 사용되는 구동 전류는 1 mA 이하인 것을 특징으로 하는, 광학 센서의 사용 수명을 증가시키는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 센서는 상기 표지 분자의 온도를 감소시키는 냉각 요소를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는, 광학 센서의 사용 수명을 증가시키는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 표지 분자는 빛을 흡수하는 것을 특징으로 하는, 광학 센서의 사용 수명을 증가시키는 방법.
영역 내에 물질의 존재 여부 또는 농도에 관한 데이터를 제공하는 광학 센서의 사용 수명을 연장시키는 방법으로서, 상기 광학 센서는 (i) 상기 물질의 존재 여부에 의해 영향을 받는 광학적 특징을 가지는 표지 분자와 (ii) 상기 표지 분자를 때려 발광하게 하는 광원과 (iii) 상기 표지 분자로부터의 광을 검출하는 광검출기를 포함하며, 상기 방법은,

(a) 상기 영역 내의 위치에 광학 센서를 배치시키는 단계;

(b) 상기 센서를 작동시켜서 상기 센서를 작동상태에 놓이게 하는 단계;

(c) 단계(b)를 행한 후에, 상기 광원이 임의의 주파수 범위의 주파수와 임의의 범위의 진폭을 가지는 전자기파를 출력하도록 구성된 상기 광원을 사용하는 단계;

(d) 단계(c)를 행한 후의 일부 시점에서 상기 광검출기의 출력으로부터 제 1 측정치를 얻는 단계;

(e) 단계(c)가 행해지고 상기 센서가 여전히 작동 상태에 있는 때부터 Y 시간이 경과한 후에, 상기 광원이 전자기파를 출력하지 않도록 구성된 광원을 사용하거나, 상기 광원이 상기 임의의 주파수 범위 중 최저 주파수 보다 작은 주파수 및/또는 상기 임의의 진폭 범위 중 최소 진폭보다 작은 진폭을 구비하는 전자기파를 출력하도록 구성된 광원을 사용하는 단계;

(f) 단계(c)가 행해지고 상기 센서가 작동 상태에 있는 때로부터 X시간이 경과한 후에, 상기 광원이 상기 임의의 주파수 범위 내의 주파수를 구비하며 상기 임의의 진폭 범위 내의 진폭을 구비하는 전자기파를 출력하도록 구성된 광원을 사용하는 단계로서, X 는 0 보다 크며 Y보다도 크게 되는 단계;

(g) 단계(f)를 행한 후의 일부 시점에서 상기 광검출기의 출력으로부터 제 2 측정치를 얻는 단계;

(h) 단계(f) 가 행해지고 상기 센서가 작동 상태에 있는 때로부터 N시간 후에, 상기 광원이 전자기파를 출력하지 않도록 구성된 광원을 사용하거나, 상기 광원이 상기 임의의 주파수 범위 내에서 최저 주파수보다 작은 주파수 및/또는 상기 임의의 진폭 범위 내에서 최소 진폭보다 작은 진폭을 구비하는 전자기파를 출력하도록 구성된 광원을 사용하는 단계로서, N은 X 보다 작은 단계; 및

(i) Z 시간이 경과한 후에 상기 센서를 작동 중지시키는 단계로서, Z는 X 보다 큰, 센서를 작동 중지시키는 단계를 포함하는, 광학 센서의 사용 수명을 증가시키는 방법.
제 19 항에 있어서,

X는 5분 미만인 것을 특징으로 하는, 광학 센서의 사용 수명을 증가시키는 방법.
제 19 항에 있어서,

Y 는 X/2 미만인 것을 특징으로 하는, 광학 센서의 사용 수명을 증가시키는 방법.
제 19 항에 있어서,

Y 는 X/10 미만인 것을 특징으로 하는, 광학 센서의 사용 수명을 증가시키는 방법.
제 19 항에 있어서,

Y 는 1초 미만인 것을 특징으로 하는, 광학 센서의 사용 수명을 증가시키는 방법.
제 19 항에 있어서,

상기 표지 분자는 형광 발광하는 것을 특징으로 하는, 광학 센서의 사용 수명을 증가시키는 방법.
제 19 항에 있어서,

상기 광원은 발광 다이오드(LED)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 광학 센서의 사용 수명을 증가시키는 방법.
제 25 항에 있어서,

단계(b)는 구동 전류로써 LED를 구동하는 단계를 포함하며, 상기 구동 전류는 LED의 쓰레스홀드 구동 전류와 동일한 것을 특징으로 하는, 광학 센서의 사용 수명을 증가시키는 방법.
제 19 항에 있어서,

상기 센서를 작동시키는 단계는 상기 센서에 전력을 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 광학 센서의 사용 수명을 증가시키는 방법.
제 19 항에 있어서,

Y 및 N 은 모두 150 밀리초이며, X 는 1 초 인 것을 특징으로 하는, 광학 센서의 사용 수명을 증가시키는 방법.
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물질의 존재 여부에 의해 영향을 받는 광학적 특징을 가지는 표지 분자;

켜져 있을 때 상기 표지 분자를 조명하는 광원;

상기 표지 분자로부터 발광되는 빛을 수용하는 광전 트랜스듀서; 및

상기 표지 분자의 온도를 감소시키도록 구성된 냉각 요소를 포함하는 광학 센서.
제 41 항에 있어서,

상기 광학 센서가 상기 물질의 존재 여부 또는 농도를 감지하도록 사용되는 사이에 소정의 시간동안 상기 광원을 반복적으로 켜고 끄는 듀티 싸이클 제어기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 센서.
제 42 항에 있어서,

상기 광학 센서가 상기 물질의 존재 여부 또는 농도를 감시하도록 사용되는 동안, 상기 듀티 싸이클 제어기는 X 초마다 Y 초를 초과하지 않는 시간동안 상기 광원을 켜며, X는 Y를 초과하는 것을 특징으로 하는 광학 센서.
제 43 항에 있어서,

Y 는 X/2 이하인 것을 특징으로 하는 광학 센서.
광학 센서의 사용 수명을 증가시키는 방법에 있어서,

상기 광학 센서는 물질의 존재 여부에 의해 영향을 받게 되는 광학 특징을 가지는 표지 분자와, 상기 표지 분자를 여기시키는 광원을 포함하며,

상기 방법은,

감지되어질 영역 내의 위치에 상기 광학 센서를 배치하는 단계;

상기 광학 센서를 작동시키는 단계;

상기 광학 센서를 작동시킨 후에, 소정의 Z 시간인 제1 시간 이내에서 적어도 3개의 구별되는 시간 지점에서, 소정의 Y 시간을 초과하지 않는 시간 동안 상기 표지 분자를 여기시키는 단계로서, Y 는 Z 보다 작으며, 각각의 3개의 시간 지점은 Y를 초과하는 시간에 의해 나머지 2개의 시간적 지점으로부터 각각 분리되어 있는 단계;

상기 Z 시간이 지난 후의 응답으로서, 적어도 W 시간 동안에 상기 표지 분자가 여기되지 않도록 상기 광학 센서를 작동시키는 단계로서, W 는 2Z 보다 큰, 광학 센서를 작동시키는 단계; 및

상기 W의 시간이 지난 후에, Z 시간인 제2 시간 이내에 적어도 3개의 구별되는 시간적 지점에서, Y 시간 이하의 시간동안 상기 표지 분자를 여기시키는 단계로서, Y 는 Z 보다 작으며, 각각의 3개의 시간 지점은 Y를 초과하는 시간에 의해 나머지 2개의 시간적 지점으로부터 각각 분리되어 있는 단계를 포함하는, 광학 센서의 사용 수명을 증가시키는 방법.
제 45 항에 있어서,

Y 는 Z/3 미만인 것을 특징으로 하는, 광학 센서의 사용 수명을 증가시키는 방법.
제 45 항에 있어서,

Y 는 Z/10 미만인 것을 특징으로 하는, 광학 센서의 사용 수명을 증가시키는 방법.
제 45 항에 있어서,

Y 는 Z/100 미만인 것을 특징으로 하는, 광학 센서의 사용 수명을 증가시키는 방법.
제 45 항에 있어서,

상기 영역 내의 위치에 상기 광학 센서를 배치시키는 단계는 인체에 광학 센서를 설치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 광학 센서의 사용 수명을 증 가시키는 방법.
제 49 항에 있어서,

상기 물질은 생물학적 분석 대상물인 것을 특징으로 하는, 광학 센서의 사용 수명을 증가시키는 방법.
제 50 항에 있어서,

상기 분석 대상물은 글루코스인 것을 특징으로 하는, 광학 센서의 사용 수명을 증가시키는 방법.
제 45 항에 있어서 Z 는 10분 미만인 것을 특징으로 하는, 광학 센서의 사용 수명을 증가시키는 방법.
제 52 항에 있어서,

X는 1초인 것을 특징으로 하는, 광학 센서의 사용 수명을 증가시키는 방법.
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작동시에, 연속적인 Z 시간 동안에 적어도 X 시간 마다 적어도 한번씩 영역 내에 물질의 존재 여부 또는 농도에 관한 데이터를 얻는 광학 센서의 사용 수명을 증가시키는 방법으로서, 상기 광학 센서는 물질의 존재에 의해 영향을 받게 되는 광학적 특징을 가지는 표지 분자와, 상기 표지 분자를 여기시키는 광원을 포함하며,

상기 방법은,

상기 영역 내의 위치에 광학 센서를 배치시키는 단계;

Z 시간의 전반기(first half)에 상기 광학 센서를 작동시키는 단계;

각각의 X 시간 동안에 전체적으로 Y 시간 미만의 시간동안 상기 표지 분자를 여기시키는 단계로서, Y 는 X 보다 작은, 표지 분자를 여기시키는 단계;

Z 시간의 후반기(last half)에 상기 광학 센서의 작동을 중지시키는 단계;

시간이 경과한 후에, Z 시간과 동일한 제 2 시간의 전반기에 상기 광학 센서를 작동시키는 단계;

각각의 X 시간 동안에 전체적으로 Y 시간 미만의 시간동안 상기 표지 분자를 여기시키는 단계로서, Y 는 X 보다 작은, 표지 분자를 여기시키는 단계;

Z 시간과 동일한 제 2 시간의 후반기에 상기 광학 센서의 작동을 중지시키는 단계;를 포함하는, 광학 센서의 사용 수명을 증가시키는 방법.
작동시에, 영역 내에 물질의 존재 여부 또는 농도에 관한 데이터를 얻도록 된 광학 센서의 수명을 증가시키는 방법으로서,

상기 광학 센서는,

i) 물질의 존재에 의해 영향을 받게 되는 광학적 특징을 가지는 표지 분자와,

ii) 광원을 포함하며,

상기 방법은,

a) 광학 센서가 작동하는 시간동안 상기 광원의 듀티 싸이클이 0% 초과 100%미만이 되도록 된 광학 센서를 사용하는 단계;

b) 상기 영역 내의 위치에 광학 센서를 배치시키는 단계;

c) 단계 b)를 수행한 후에 0 보다 큰 Z 시간 동안 상기 광학 센서를 작동시키는 단계;

d) 광학 센서가 작동하는 상기 Z 시간동안 상기 광원의 듀티 싸이클이 0% 초과 100% 미만이 되도록 상기 광원을 작동시키는 단계;

e) Z 시간이 지난 후에 상기 광학 센서의 작동을 중지시키는 단계;

f) 단계 e)를 수행하고 시간이 지난 후에, Z 시간 동안 상기 광학 센서를 작동시키고 단계 d) 및 단계 e)를 반복하는 단계;를 포함하는, 광학 센서의 수명을 증가시키는 방법.