KR101324218B1 - 산소 및 과산화수소 기반의 전기화학 당뇨센서를 위한 정전압분극장치 - Google Patents

산소 및 과산화수소 기반의 전기화학 당뇨센서를 위한 정전압분극장치 Download PDF

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Abstract

정전압분극장치에서 안정도를 높이고 다중 증폭기를 사용하는 것보다 전력소모를 줄이며, 바이오센서전극의 극성에 관계없이 전류를 모두 측정할 수 있도록 장치를 구성하여 동작범위를 GND에서 VDD까지 함으로써 넓은 출력범위를 가지는 산소 및 과산화수소 기반의 전기화학 당뇨센서를 위한 정전압분극장치가 개시된다. 본 발명에 따른 정전압분극장치는 다중 바이오센서전극의 전류를 단일 회로에서 감지함으로써 회로의 응용력이 뛰어나고 두 개의 칩을 사용하는 것보다 전력, 가격을 낮출 수 있는 경쟁력이 있다. 또한 정전압분극장치에서 여러 개의 증폭기를 사용하지 않고 안정도가 우수한 증폭기 하나만을 채택함으로써 회로의 안전성을 최대한 증진시킨다.

Description

산소 및 과산화수소 기반의 전기화학 당뇨센서를 위한 정전압분극장치{Potentiostat for Ｏ₂ and Ｈ₂Ｏ₂ Based Electrochemical Glucose Sensor}
본 발명은 혈당량 측정 장치의 핵심 기술요소인 바이오센서전극의 전류를 안정되게 흐르게 하고 그 전류를 측정할 수 있는 정전압분극장치를 증폭기를 이용하여 구성함으로서 안정도를 높이고 다중 증폭기를 사용하는 것보다 전력소모를 줄이며, 바이오센서전극의 극성에 관계없이 전류를 모두 측정할 수 있도록 장치를 구성하여 동작범위를 GND에서 VDD까지 함으로써 넓은 출력범위를 가지는 산소 및 과산화수소 기반의 전기화학 당뇨센서를 위한 정전압분극장치에 관한 것이다.
일반적으로, 정전압분극장치란 바이오센서전극의 전류를 안정되게 흐르게 하고 그 전류를 측정할 수 있는 전기적 접속 장치이다. 전기화학의 감지 원리를 이용하는 변환기는 많은 중요한 반응중인 화학물질을 감지할 수 있다. 또한, 이 변환기는 생체의학 장치, 환경 변화 감시, 연구 조사 등에 이용된다. 액체 분석물질의 연구에 대한 일반적인 전기화학적 변환기는 전류측정기법(amperometric)의 센서가 대부분이다. 이러한 변환기들의 전기적 접속 장치가 바로 정전압분극장치이다.
종래의 정전압분극장치들은 정확성과 감지 한계를 개선한 정전압분극장치, 생물학 배열 응용을 위한 단일 칩 쪽으로 집적된 다중 정전압분극장치, 그리고 혼합신호 기능성에 집적된 정전압분극장치등이 연구되었다. 최근에 휴대용 생물의학기기가 발전하면서 저전력 및 단순한 회로의 특성을 가지면서 감도의 정확성과 한계 레벨을 개선한 정전압분극장치에 대한 연구가 집중되고 있다.
전류-전압변환증폭기(trans-impedance amplifier: TIA)를 이용한 정전압분극장치는 도 1에서 보는 바와 같이 그 구조가 간단하다. 첫 번째의 증폭기에서 입력 DC전압 Vin은 기준전극(RE)에 일정한 전압을 인가한다. 이 때, 작업전극과 기준전극 사이의 전압이 Vcell로 정의되어 작업전극에서 산화/환원 반응이 일어난다. 이에 따라, 작업전극의 반응에 의하여 전류가 발생하게 되고, 이 전류는 전류-전압변환증폭기에 전달된다. 결국, 최종적인 출력은 작업전극에서 발생한 전류(IF)와 전류-전압변환증폭기에 부궤환으로 연결된 저항 RF의 곱에 의하여 정의되고, 정전압분극장치 이후에 아날로그-디지털 변환기의 입력 범위에 따라 RF는 조정된다.
전류-전압변환증폭기를 이용한 정전압분극장치는 그 구조가 매우 간단한 장점을 가지고 있고, 또한, RF를 높은 값으로 대체함으로써 전기화학적 센서전극에서 발생하는 전류가 매우 작을 때에도 측정가능한 장점이 있다. 또한, 전체 시스템이 증폭기로 구성되어 있기 때문에 PCB나 IC 설계 두 부분에 모두 용이하다.
반면에, 작업전극이 실제로 접지되어 있는 것이 아니기 때문에, 작업전극을 통해서 유도된 노이즈는 부궤환 경로의 RF를 통해서 매우 크게 증폭될 수 있으며, 산소 기반의 바이오센서전극과 과산화수소 기반의 바이오센서전극이 반대의 극성 전압에 의해서 활성화되기 때문에 두 가지 경우의 전류를 모두 측정하기에는 단일 전원 공급으로는 구현하기 힘든 구조를 가지고 있다.
정전압분극장치의 저 전력화, 저 가격화, 저 전압화의 특성이 요구됨에 따라 집적화에 유리하도록 전류거울 기반의 정전압분극장치가 개발되었다. 전류거울 기반의 정전압분극장치는 도 2에 보는 바와 같이 출력단에서 전류-주파수 변환기를 연결하여 측정하는 방법을 이용한다. 전류거울 기반의 정전압분극장치는 바이오센서전극에 의해 전류가 발생하는 경로를 증폭기와 복사된 전류의 경로 사이에 형성한다. Vin으로 인가되는 전압은 Vcell의 전압이 되어 기준전극과 작업전극의 전위를 일정하게 고정시켜 준다. 이때, 작업전극에서 산화/환원반응의 정도에 따라 전류의 발생량이 달라지고, 이 전류는 IM2로 복사되어 출력단의 저항 RF에 의해 전압으로 측정된다. 이 회로에서는 전류를 복사하여 사용하기 때문에 IM1과 IM2의 전류가 같아야 한다. 실제로는, MOSFET에서 채널길이변조가 있기 때문에 IM1과 IM2는 각 소자의 Drain 전압에 따라 전류가 조금씩 차이가 생긴다. 따라서 설계자는 이러한 특성을 고려할뿐더러, 소자의 불일치(mismatch) 또한 고려하여야 한다.
전류거울 기반의 정전압분극장치는 기존의 다른 정전압 분극장치에 비하여 능동 소자의 수가 적기 때문에 전류의 소모를 절반이하로 줄일 수 있고 작업전극이 실제 접지되어있기 때문에 작업전극으로 인한 노이즈 영향을 줄일 수 있다. 또한, RF의 값을 증가시키게 되면 매우 작은 전류까지 측정할 수 있게 된다.
전류거울 기반의 정전압분극장치의 문제점은 다음의 세 가지로 나타나는데, 첫 번째는 채널길이변조에 따른 전류의 차이이다. CMOS 공정의 스케일이 작아지면서 sub-㎂의 전류도 때론 회로에 영향을 줄 수도 있다. 두 번째는 센서전극의 전류가 발생하는 경로가 공통소스 증폭기로 동작할 수 있다는 점이다. 센서전극을 포함하는 부궤환 회로이기 때문에 회로에 증폭기가 추가되면 안정성에 문제를 야기할 수도 있기 때문에 전류거울 기반의 정전압분극장치는 설계할 경우 안정성이 고려된 증폭기를 설계하거나 주파수 보상 경로를 추가로 설계해야 할 것이다. 세 번째는 산소 전극 기반의 바이오센서 혹은 과산화수소 전극 기반의 바이오센서의 전기화학적 반응을 감지하는 데에는 기준전극과 작업전극의 전위 극성이 달라지게 되는 데 두 가지 경우의 전류를 모두 측정하기 위하여 단일 칩으로는 구현하기 힘든 구조를 가지고 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 증폭기 하나만으로 정전압분극장치를 형성하여 안정도를 높이고 다중 증폭기를 사용하는 것보다 전력소모를 줄이는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 산소 기반의 바이오센서전극과 과산화수소 기반의 바이오센서전극이 반대의 극성 전압에 의해서 활성화되는데 본 발명은 두 가지 경우의 전류를 단일 전원 공급을 통하여 모두 측정할 수 있는 구조를 제공하여 단일칩으로 정전압분극장치를 구성할 수 있다.
또한, 바이오센서전극의 극성에 관계없이 전류를 모두 측정할 수 있기 때문에 다중 바이오센서전극의 전류를 측정할 수 있고 동작범위를 GND에서 VDD까지 함으로써 넓은 출력범위를 가지는 정전압분극장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 수행하기 위한 본 발명은,
산소 또는 과산화수소기반의 바이오센서의 출력 전류를 감지하는 바이오 센서부;
바이오 센서부와 접속되어 산소 기반 또는 과산화수소 기반의 바이오 센서에서 출력되는 작업전극의 작업전압(Vcm)과 기준전압(Vin)의 비교신호를 출력시키기 위한 비교부;
바이오 센서부와 접속되어 산소 기반 또는 과산화수소 기반의 바이오 센서의 기준전극에서 출력되는 신호를 증폭시키기 위한 증폭부; 및
비교부 및 증폭부의 출력 신호에 따라 각기 극성이 다른 산소 기반 또는 과산화수소 기반의 바이오 센서의 동작에 대응되는 출력 전류에 따라 선택적으로 온/오프되어 산소 기반 또는 과산화수소 기반의 바이오 센서의 동작에 따른 전기적 신호를 출력시키기 위한 출력부를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 비교부 및 증폭부의 반전(-)단자에는 입력되는 기준 전압(Vin)은 바이오 센서부가 산소 기반의 바이오센서일 경우에는 작업전압(Vcm)과 기준전압(Vin)의 전위차를 -0.6V가 되도록 조정하고, 과산화수소 기반의 바이오센서일 경우에는 작업전압(Vcm)과 기준전압(Vin)의 전위차를 +0.7V가 되도록 조정하는 것이다.
본 발명에 따른 정전압분극장치는 증폭기 하나만으로 정전압분극장치를 구성하여 안정도를 높이고, 다중 증폭기를 사용하는 것보다 전력소모를 줄이는 효과가 있다. 이에 따라, 저전력 설계와 안정적인 회로 구성의 장점을 가지고 있으며 선택적인 바이오센서전극 전류의 측정에 따라 출력범위가 영향을 받지 않으므로 넓은 선형 출력범위를 가지는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 정전압분극장치는 다중 바이오센서전극의 전류를 단일 회로에서 감지함으로써 회로의 응용력이 뛰어나고 두 개의 칩을 사용하는 것보다 전력, 가격을 낮출 수 있는 경쟁력이 있다. 또한 정전압분극장치에서 여러 개의 증폭기를 사용하지 않고 안정도가 우수한 증폭기 하나만을 채택함으로써 회로의 안전성을 최대한 증진시킨다.
도 1은 종래의 전류-전압변환증폭기를 이용한 정전압분극장치를 설명하기 위한 회로도이다.
도 2는 종래의 전류거울 기반의 정전압분극장치를 설명하기 위한 회로도이다.
도 3은 본 발명에 따른 정전압분극장치의 구조 및 동작을 설명하기 위한 회로도이다.
도 4는 본 발명에 따른 정전압분극장치의 선형입력 및 출력범위를 확인할 수 있는 실험 결과를 보여주는 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 정전압분극장치의 반도체 칩으로 구현하기 위한 하나의 실시예로써 반도체 레이아웃을 보여주는 도면이다.
도 6은 도 5에서 구현된 반도체 칩의 작업전극 변화에 따른 출력전류와의 관계를 보여주는 그래프이다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 정전압분극장치의 구조 및 동작을 설명하기 위한 회로도이다.
본 발명에서는 서로 다른 극성을 가지는 산소기반의 바이오센서전극과 과산화수소기반의 바이오센서전극의 전류를 단일 회로에서 감지 혹은 측정할 수 있는 정전압분극장치를 구성한다. 본 발명에 따른 정전압분극장치는 도 3에서 보는 바와 같이 산소 또는 과산화수소기반의 바이오센서의 전류를 감지하는 바이오 센서부(100), 바이오 센서부(100)와 접속되어 산소 기반 또는 과산화수소 기반의 바이오 센서의 종류에 따라 작업전극과 기준전극의 비교신호를 출력시키기 위한 비교부(200), 바이오 센서부(100)의 출력 신호를 증폭시키기 위한 증폭부(300) 및 비교부(200) 및 증폭부(300)의 출력단에 접속되고 산소 기반의 바이오 센서의 출력 전류 또는 과산화수소 기반의 바이오 센서의 출력 전류에 따라 선택적인 동작을 수행하여 산소 기반 또는 과산화수소 기반의 출력전류를 선택적으로 출력시키기 위한 출력부(400)로 구성되어 측정하고자 하는 바이오센서전극의 전류를 선택적으로 감지 혹은 측정할 수 있도록 구성된다.
도 3을 참조하면 산소 기반 또는 과산화수소 기반의 정전압분극장치에서 바이오 센서부(100)는 보조 전극(CE), 센서 기준 전극(RE) 및 작업전압(Vcm)을 입력받는 작업 전극(WE)을 포함한다. 작업 전극(WE)은 전위를 제어하며, 전류를 측정하기 위한 전극으로써 비교부(200)의 비반전(+)입력 단자에 접속된다. 센서 기준 전극(RE)은 작동 전극(WE)의 기준이 되는 전극으로 증폭부(300)의 비반전(+)입력 단자에 접속된다.
비교부(200) 및 증폭부(300)의 반전(-)단자에는 기준 전압(Vin)이 입력되도록 구성되며, 비교부(200) 및 증폭부(300)의 출력측에는 비교부(200) 및 증폭부(300)의 출력신호에 따라 산소기반의 바이오센서전극과 과산화수소기반의 바이오센서전극의 전류를 선택적으로 출력시키기 위한 스위칭 역할을 수행하는 출력부(400)가 형성된다.
출력부(400)는 제 3 PMOS 트랜지스터(MP3)와 제 4 PMOS 트랜지스터(MP4) 및 제 1 NMOS 트랜지스터(MN1)와 제 2 NMOS 트랜지스터(MN2)의 게이트로 비교부(200)의 출력을 입력되도록 형성되며, 제 1 PMOS 트랜지스터(MP1)와 제 2 PMOS 트랜지스터(MP2) 및 제 3 NMOS 트랜지스터(MN3)와 제 4 NMOS 트랜지스터(MN4)의 게이트로 증폭부(300)의 출력이 입력되도록 형성된다.
1 PMOS 트랜지스터(MP1)와 제 2 PMOS 트랜지스터(MP2)의 소스는 구동전압(VDD)와 연결되고, 드레인은 제 3 PMOS 트랜지스터(MP3)와 제 4 PMOS 트랜지스터(MP4)의 소스와 연결된다. 제 3 PMOS 트랜지스터(MP3)의 드레인은 제 1 NMOS 트랜지스터(MN1)의 드레인과 연결되고 제 4 PMOS 트랜지스터(MP4)의 드레인에서 산소기반 바이오센서의 출력 전류가 출력되는 출력단자(500)가 형성된다.
제 1 NMOS 트랜지스터(MN1)와 제 2 NMOS 트랜지스터(MN2)의 소스단은 제 3 NMOS 트랜지스터(MN3)와 제 4 NMOS 트랜지스터(MN4)의 드레인과 연결되며, 제 3 NMOS 트랜지스터(MN3)와 제 4 NMOS 트랜지스터(MN4)의 소스는 접지된다.
제 2 NMOS 트랜지스터(MN2)의 드레인은 구동전압(VDD)에 각각 드레인이 연결되고, 게이트단이 서로 접속된 제 5 PMOS 트랜지스터(MP5)와 제 6 PMOS 트랜지스터(MP6)의 게이트단과 제 5 PMOS 트랜지스터(MP5)의 드레인과 접속된다. 제 6 PMOS 트랜지스터(MP6)의 드레인은 출력저항(Rm)을 통하여 접지되고 제 6 PMOS 트랜지스터(MP6)의 드레인과 출력저항(Rm)사이에서 과산화 수소 기반 바이오 센서의 출력전류가 출력되는 출력단자(500)가 형성된다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 전류 거울 기반의 정전압분극장치는 산소 기반의 바이오센서전극(Vcell = -0.6V)에 의한 전류와 과산화수소 기반의 바이오센서전극(Vcell = 0.7V)에 의한 전류를 모두 감지할 수 있도록 종래의 전류 거울 기반의 정전압분극장치와 차별화된다.
도 3에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 정전압분극장치는 우선 바이오 센서부(100)에 입력되는 작업전압(Vcm)을
Figure 112011095486648-pat00001
(=1.65V)로 설정함으로써 동작된다.
산소 기반의 바이오센서전극에 의한 전류를 측정하기 위해서는 작업전극의 작업전압(Vcm)과 기준전압(Vin)의 전위차를 <식 1>과 같이 -0.6V가 되도록 비교부(200) 및 증폭부(300)의 반전(-)단자에는 입력되는 기준 전압(Vin)을 조정한다.
Figure 112011095486648-pat00002
<식 1>
이때, Vcm(1.65V)의 전압은 작업전극의 전압이 되고 Vin(2.25V)은 기준전압이 된다. 비교부(200)에는 작업전극의 작업전압(Vcm)과 기준전압(Vin)의 값이 입력된다. 기준전압(Vin)이 작업전극의 작업전압(Vcm)보다 크기 때문에 비교부(200)의 출력은 로우(0V)값이 되고, 이 출력은 출력부(400)의 제 3 PMOS 트랜지스터(MP3)와 제 4 PMOS 트랜지스터(MP4) 및 제 1 NMOS 트랜지스터(MN1)와 제 2 NMOS 트랜지스터(MN2)의 게이트로 인가된다.
따라서, 제 3 PMOS 트랜지스터(MP3)와 제 4 PMOS 트랜지스터(MP4)는 턴 온 동작되고, 제 1 NMOS 트랜지스터(MN1)와 제 2 NMOS 트랜지스터(MN2)는 턴 오프 동작된다. 제 1 NMOS 트랜지스터(MN1)와 제 2 NMOS 트랜지스터(MN2)는 턴 오프 동작되므로, 제 3 NMOS 트랜지스터(MN3)와 제 4 NMOS 트랜지스터(MN4)는 역시 턴 오프 동작된다.
바이오 센서부(100)에서 발생된 전류는 제 1 NMOS 트랜지스터(MN1)의 드레인 전류가 되고 이 전류가 제 2 NMOS 트랜지스터(MN2)의 드레인 전류로 복사되게 된다. 이렇게 복사된 산소기반의 바이오센서의 전류 I1 은 출력단자(500)의 출력저항(Rm)에 의해 전압으로 변환되어 출력된다.
그리고, 과산화수소 기반의 바이오센서전극에 의한 전류를 측정하기 위해서는 작업전극의 작업전압(Vcm)과 기준전압(Vin)의 전위차를 <식 2>와 같이 +0.7V가 되도록 비교부(200) 및 증폭부(300)의 반전(-)단자에는 입력되는 기준 전압((Vin(950mV))을 조정한다.
Figure 112011095486648-pat00003
<식2>
산소 기반의 바이오센서전극과 유사하게, +0.7V의 전위차는 과산화수소 기반의 바이오센서전극에서 작업전극이 화학 반응을 발생하게 하는 데에 충분한 전위이다. 비교부(200)에는 작업전극의 작업전압(Vcm)과 기준전압(Vin)의 값이 입력된다. 기준전압(Vin)이 작업전극의 작업전압(Vcm)보다 작기 때문에 비교부(200)의 출력은 하이(VDD)값이되고, 이 출력은 출력부(400)의 제 3 PMOS 트랜지스터(MP3)와 제 4 PMOS 트랜지스터(MP4) 및 제 1 NMOS 트랜지스터(MN1)와 제 2 NMOS 트랜지스터(MN2)의 게이트로 인가된다.
따라서, 제 3 PMOS 트랜지스터(MP3)와 제 4 PMOS 트랜지스터(MP4)는 턴 오프동작되고, 제 1 NMOS 트랜지스터(MN1)와 제 2 NMOS 트랜지스터(MN2)는 턴 온동작된다. 제 3 PMOS 트랜지스터(MP3)와 제 4 PMOS 트랜지스터(MP4)는 턴 오프 동작되므로, 바이오 센서부(100)에서 발생된 전류는 제 3 NMOS 트랜지스터(MN3)드레인 전류가 되고 이 전류는 제 4 NMOS 트랜지스터(MN4)의 드레인 전류로 복사된다.
이렇게 복사된 전류 I2는 다시 제 5 PMOS 트랜지스터(MP5)와 제 6 PMOS 트랜지스터(MP6)의 전류 복사 회로를 통해 출력저항 쪽으로 흐르게 되며, 이렇게 복사된 과산화수소기반의 바이오센서의 전류 I2는 출력단자(500)의 출력저항(Rm)에 의해 전압으로 변환되어 출력된다.
따라서, 본 발명에 따른 정전압분극장치는 바이오센서 종류(산소 또는 과산화수소)에 따라 기준전압(Vin)전압을 바꾸어 가면서 선택적으로 측정할 수 있는 구조로 되어 있다. 즉, 기준전압(Vin)에 따라 스위치 역할을 하는 출력부(400)의 제 3 PMOS 트랜지스터(MP3)와 제 4 PMOS 트랜지스터(MP4) 및 제 1 NMOS 트랜지스터(MN1)와 제 2 NMOS 트랜지스터(MN2)들을 선택적으로 턴 온 턴 오프 시킴으로써 두 가지 모드로 동작하게 된다.
도 3에서 본 발명에 따른 정전압 분극장치에서 출력단(300)의 출력은 전류를 측정하는 것보다 전압을 측정하는 것이 용이하다. 출력단(300)에 출력저항(Rm)을 접지와 연결함으로써 출력전압을 측정할 수 있으며, 최종 출력전압은 Vout = IFㅧRM으로 표현된다. 출력단(300)에 출력저항(Rm)은 정전압분극장치의 외부에서 연결하도록 하여 바이오센서전극(100)의 화학반응에 따른 전류 정도에 따라 외부에서 변화를 줄 수도 있다.
도 4는 본 발명에 따른 정전압분극장치의 선형입력 및 출력범위를 확인할 수 있는 모의실험 결과이다.
본 발명에 따른 정전압분극장치는 산소 기반 및 과산화수소 기반의 바이오센서전극(100)에 대한 전류를 측정할 수 있도록 형성된다. 도 4에서 보는 바와 같이 작업전극의 작업전압(Vcm)이
Figure 112011095486648-pat00004
으로 설정하고, 입력 DC를 GND부터 VDD까지 변화를 줄 경우 선형 입력범위 내에서 두 센서전극의 동작에 대한 결과를 모두 얻을 수 있다. 도 4에서 왼쪽부분의 음의 기울기를 가지는 부분이 과산화수소 기반의 바이오센서전극에 대한 전압 및 전류가 측정이 될 때이고 오른쪽 양의 기울기를 가지는 부분은 산소 기반의 바이오센서전극에 대한 전압 및 전류가 측정이 될 때이다.
본 발명에 따른 정전압분극장치는 도 5에서 보는 바와 같이 하나의 반도체 칩(chip)로 구현이 가능한 데, 구현된 반도체 칩을 측정하기 위해서 3전극 시스템에서 글루코스(glucose)용액의 농도를 변화시켜가며 출력전류의 변화를 관찰하였다.
출력 전류의 변화를 관찰한 결과는 도 6에서 보는 바와 같이, 글루코스(glucose)용액의 농도를 변화시키면 산화/환원반응의 정도가 달라지는 데 도 6에서는 바이오 센서전극의 전압(Vcell)을 0.7V로 고정하고 작업전극의 저항(RWE)를 3.5∼7.5㏁까지 가변하여 실험을 수행하였다. 실험 결과 글루코스(glucose)용액의 농도를 0∼40mM로 변화하였을 때 발생하는 전류가 약 100∼200㎁임을 확인하였다. 실험결과에서 출력전류가 수 백 ㎁일 때 회로의 동작을 검증할 수 있으며, 본 발명에 따른 정전압분극장치의 반도체 회로는 선형적으로 변화함을 확인할 수 있다.
본 발명에 따른 정전압분극장치의 특성을 <표 1>에서 보는 바와 같이 증폭부의 이득과 전체 시스템의 입출력 범위를 각 바이오센서전극에 따라 정리하였다. <표1>에서 바이오센서부(100)의 작업전압(Vcm)의 범위는 산소 및 과산화수소 기반의 바이오센서전극의 출력전압(Vcell)이 각각 -0.6V와 +0.7V인 것을 고려하여 두 바이오센서전극 모두를 측정할 수 있는 바이오센서부(100)의 작업전압(Vcm)의 최소값과 최대값을 설정한 것이다.
본 발명에 따른 정전압분극장치의 특성

파라메터(parameters)
수치(value)
단위(unit)

공정		 0.13㎛ CMOS thick oxide process _

공급전압
3.3
V

소모전류
148
㎂

증폭부 open loop gain
68
dB

증폭기 CMRR
81.6
dB

Vcm 범위
1.2~2.3
V

선형입력범위
 H2O2 기반 바이오센서전극
0.47∼1.65
V
O2 기반 바이오센서전극
1.70∼2.90
V
RF=100㏀ 일 때 출력전류 범위
0~12
㎂
출력전압 범위
0~2.4
V
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니며 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당업자에 의해 그 개량이나 변형이 가능하다.

Claims (5)

  1. 산소 또는 과산화수소기반의 바이오센서의 출력 전류를 감지하는 바이오 센서부(100);
    상기 바이오 센서부(100)와 접속되어 산소 기반 또는 과산화수소 기반의 바이오 센서에서 출력되는 작업전극의 작업전압(Vcm)과 기준전압(Vin)의 비교신호를 출력시키기 위한 비교부(200);
    상기 바이오 센서부(100)와 접속되어 산소 기반 또는 과산화수소 기반의 바이오 센서의 기준전극에서 출력되는 신호를 증폭시키기 위한 증폭부(300); 및
    상기 비교부(200) 및 증폭부(300)의 출력 신호에 따라 각기 극성이 다른 상기 산소 기반 또는 과산화수소 기반의 바이오 센서의 동작에 대응되는 출력 전류에 따라 선택적으로 온/오프되어 산소 기반 또는 과산화수소 기반의 바이오 센서의 동작에 따른 전기적 신호를 출력시키기 위한 출력부(400)를 포함하며,
    상기 출력부(400)는,
    제 3 PMOS 트랜지스터(MP3)와 제 4 PMOS 트랜지스터(MP4) 및 제 1 NMOS 트랜지스터(MN1)와 제 2 NMOS 트랜지스터(MN2)의 게이트로 비교부(200)의 출력을 입력되도록 형성되며, 제 1 PMOS 트랜지스터(MP1)와 제 2 PMOS 트랜지스터(MP2) 및 제 3 NMOS 트랜지스터(MN3)와 제 4 NMOS 트랜지스터(MN4)의 게이트로 증폭부(300)의 출력이 입력되도록 형성되고,
    1 PMOS 트랜지스터(MP1)와 제 2 PMOS 트랜지스터(MP2)의 소스는 구동전압(VDD)와 연결되고, 드레인은 제 3 PMOS 트랜지스터(MP3)와 제 4 PMOS 트랜지스터(MP4)의 소스와 연결되며, 제 3 PMOS 트랜지스터(MP3)의 드레인은 제 1 NMOS 트랜지스터(MN1)의 드레인과 연결되고 제 4 PMOS 트랜지스터(MP4)의 드레인에서 산소기반 바이오센서의 출력 전류가 출력되는 출력단자(500)가 형성되며,
    제 1 NMOS 트랜지스터(MN1)와 제 2 NMOS 트랜지스터(MN2)의 소스단은 제 3 NMOS 트랜지스터(MN3)와 제 4 NMOS 트랜지스터(MN4)의 드레인과 연결되며, 제 3 NMOS 트랜지스터(MN3)와 제 4 NMOS 트랜지스터(MN4)의 소스는 접지되며,
    제 2 NMOS 트랜지스터(MN2)의 드레인은 구동전압(VDD)에 각각 드레인이 연결되고, 게이트단이 서로 접속된 제 5 PMOS 트랜지스터(MP5)와 제 6 PMOS 트랜지스터(MP6)의 게이트단과 제 5 PMOS 트랜지스터(MP5)의 드레인과 각각 접속되고, 제 6 PMOS 트랜지스터(MP6)의 드레인단에서 과산화 수소 기반 바이오센서의 출력 전류가 출력되는 출력단자(500)가 형성되는 산소 및 과산화수소 기반의 전기화학 당뇨센서를 위한 정전압분극장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 비교부(200) 및 증폭부(300)의 반전(-)단자에는 입력되는 기준 전압(Vin)은 상기 바이오 센서부(100)가 산소 기반의 바이오센서일 경우에는 상기 작업전압(Vcm)과 기준전압(Vin)의 전위차를 -0.6V가 되도록 조정하는 것을 특징으로 하는 산소 및 과산화수소 기반의 전기화학 당뇨센서를 위한 정전압분극장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 비교부(200) 및 증폭부(300)의 반전(-)단자에는 입력되는 기준 전압(Vin)은 상기 바이오 센서부(100)가 과산화수소 기반의 바이오센서일 경우에는 상기 작업전압(Vcm)과 기준전압(Vin)의 전위차를 +0.7V가 되도록 조정하는 것을 특징으로 하는 산소 및 과산화수소 기반의 전기화학 당뇨센서를 위한 정전압분극장치.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 출력부(400)의 제 6 PMOS 트랜지스터(MP6)의 드레인단에 전류를 전압으로 변환시키기 위한 출력저항(Rm)이 형성되며, 상기 제 6 PMOS 트랜지스터(MP6)의 드레인과 상기 출력저항(Rm)사이에서 출력단자(500)가 형성됨을 특징으로 하는 산소 및 과산화수소 기반의 전기화학 당뇨센서를 위한 정전압분극장치.
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KR20100093878A (ko) * 2009-02-17 2010-08-26 서경대학교 산학협력단 차동 차이 증폭부를 이용한 정전압 분극 회로

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Title
오석재, ‘산소 및 과산화수소 기반의 전기화학 당뇨센서를 위한 정전압분극장치의 설계’, 충북대학교 대학원 공학석사학위논문, 2011.02.28.*
오석재, '산소 및 과산화수소 기반의 전기화학 당뇨센서를 위한 정전압분극장치의 설계', 충북대학교 대학원 공학석사학위논문, 2011.02.28. *

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