KR101663289B1 - Water quality sensor based on the positive feedback - Google Patents

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Abstract

본 실시예에 따른 센싱 시스템은, 검출 물질에 광학적 자극을 인가하는 광학적 액츄에이터(optical actuator)와, 광학적 자극이 인가된 검출 물질의 농도에 따라 형성되는 광학적 반응에 상응하여 스냅백(snapback) 형태를 가지는 전기적 신호를 출력하는 광 검출기(photo-detector)와, 광 검출기가 출력하는 전기적 신호를 증폭하고, 증폭된 전기적 신호를 광학적 액츄에이터에 포지티브 피드백(positive feedback)하여 인가하는 증폭기(amplifier) 및 전기적 신호를 인가받아 검출 물질을 검출하는 검출부를 포함한다. Sensing system according to this embodiment, the optical actuators (optical actuator) for applying an optical stimulus with the detection material, the snapback (snapback) form in correspondence to the optical response which is formed according to the concentration of the detected substance is an optical stimulus applied with the photo detector (photo-detector), and amplifies the electric signal by the photo-detector output and the positive feedback of the amplified electrical signals to optical actuators (positive feedback) by applying an amplifier (amplifier), and electrical signal and outputting the electrical signal and it applies the received comprises a detector for detecting the detection substance.

Description

포지티브 피드백을 이용한 수질 센서{Water Quality Sensor Using Positive Feedback} Water quality sensor based on the positive feedback {Water Quality Sensor Using Positive Feedback}

본 발명은 포지티브 피드백을 이용한 수질 센서에 관한 것이다. The present invention relates to a water quality sensor based on positive feedback.

종래 액츄에이터(actuator)와 센서(sensor)를 사용하는 수질 센싱 시스템은 액츄에이터에서 발생하는 입력 신호의 크기를 일정하게 유지하여, 센서는 액추에이터에 의하여 형성되는 매질의 변화를 검출하였다. Water sensing system using a conventional actuator (actuator) and the sensor (sensor) is to maintain a constant amplitude of the input signal generated by the actuator, the sensor was detecting a change in the medium formed by the actuator. 종래 기술에 의한 센싱 시스템은 액츄에이터, 매질 및 센서를 단일단으로 형성하거나, 또는 보다 안정적인 구성을 위하여 네거티브 피드백(negative feedback) 형태로 센싱 시스템을 형성하였다. Sensing system according to the prior art techniques to form a negative feedback sensing system in the form (negative feedback) in order to form the one end to the actuator, the sensor and the medium, or a more stable configuration.

일 예로, 탁도 센서의 경우 농도를 측정하고자 하는 물질을 포함하는 매질에 액츄에이터가 일정한 광을 조사하면, 센서는 매질을 투과한 광을 센싱하고, 광을 전기적 신호로 변환하여 매질에 포함된 물질의 농도를 측정하였다. For example, the materials contained in the irradiated with the actuator constant light in a medium containing the substance to be measured in the case of turbidity sensors concentration, the sensor sensing the light passing through the medium, and converts the light into an electric signal medium the density was measured.

종래의 센싱 시스템은 제한된 검출한계(LOD, Limit Of Detection)를 가진다. Conventional sensing system has a restricted limit of detection (LOD, Limit Of Detection). 일 예로, 수질 센서로 사용하는 경우에 센싱 시스템의 검출한계 특성이 낮아가 높아 물에 검출하고자 하는 물질이 검출한계 이하로 미량 포함된 경우에도 해당 물질이 포함되지 않은 것으로 파악할 수 밖에 없었다. For example, even if the material which the detection limit of the characteristics of the sensing system in the case of using water as a sensor to detect the water contains a very small amount increases the lower the detection limit or less would have to determine that does not contain the substance.

본 발명은 상술한 종래 기술에 의한 센싱 시스템의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 보다 향상된 검출 한계 특성을 가져서 보다 미량의 물질이 포함되어도 보다 높은 민감도로 검출할 수 있는 센싱 시스템을 제공하는 것이 본 발명의 목적 중 하나이다. That the present invention is to provide a sensing system capable of detecting with higher sensitivity even more contains a small amount of material gajyeoseo to, improved detection limit characteristics as to overcome the problems of the sensing system according to the above-described prior art of the present invention one of the objectives.

본 실시예에 따른 센싱 시스템은, 검출 물질에 광학적 자극을 인가하는 광학적 액츄에이터(optical actuator)와, 광학적 자극이 인가된 검출 물질의 농도에 따라 형성되는 광학적 반응에 상응하여 스냅백(snapback) 형태를 가지는 전기적 신호를 출력하는 광 검출기(photo-detector)와, 광 검출기가 출력하는 전기적 신호를 증폭하고, 증폭된 전기적 신호를 광학적 액츄에이터에 포지티브 피드백(positive feedback)하여 인가하는 증폭기(amplifier) 및 전기적 신호를 인가받아 검출 물질을 검출하는 검출부를 포함한다. Sensing system according to this embodiment is provided with optical actuator (optical actuator) for applying an optical stimulus with the detection material, the snapback (snapback) form in correspondence to the optical response which is formed according to the concentration of the detected substance is an optical stimulus applied with the photo detector (photo-detector), and amplifies the electric signal by the photo-detector output and the positive feedback of the amplified electrical signals to optical actuators (positive feedback) by applying an amplifier (amplifier), and electrical signal and outputting the electrical signal and it applies the received comprises a detector for detecting the detection substance.

본 실시예에 의한 센싱 시스템에 의하면 종래의 센서로 검출할 수 없었던 정도로 낮은 농도의 검출 대상 물질을 검출할 수 있다는 장점이 제공된다. The advantage of being able to detect a target substance in a low concentration, so according to the sensing system according to the present embodiment which can not be detected by conventional sensor.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 센싱 시스템의 개요를 도시한 블록도(block diagram)이다. 1 is a block diagram showing an outline of a sensing system according to an embodiment of the present invention (block diagram).
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 센싱 시스템의 회로도이다. 2 is a circuit diagram of a sensing system according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 실시예에 의한 센싱 시스템으로 검출 물질인 BSA(Bovine Serum Albumin)을 검출할 때 광 검출기가 출력하는 전기적 신호의 전류-전압 특성 곡선이다. A voltage characteristic curve - Fig. 3 is a current of the electrical signal output by the photodetector to detect the BSA (Bovine Serum Albumin) as the detection material sensing system according to the present embodiment.
도 4는 스냅백 구간에서 검출 대상 물질의 농도별 전류-전압 특성의 측정 결과를 도시한 도면이다. 4 is a specific current density of the target substance in the snapback region - a diagram showing the measurement result of the voltage characteristic.
도 5a는 종래 기술에 따른 센서로 측정한 BSA 측정의 결과값을 도시한 도면이고, 도 5b는 본 실시예로 측정한 BSA 측정의 결과값을 도시한도면이다. Figure 5a is a diagram showing the result of measurement measured by the sensor BSA according to the prior art, Figure 5b is a view showing the result of a measurement BSA measured in this embodiment. 도 5c는 본 실시예에 의한 센싱 시스템의 BSA 검출 능력을 정리한 도면이다. Figure 5c is a view summarizing the BSA detection capability of the sensing system according to the present embodiment.
도 6a 내지 도 6c는 270, 280, 340nm LED를 사용하여 NADH를 측정한 전류-전압 특성곡선이며, 도 6d는 본 실시예에 의한 센싱 시스템의 NADH측정 능력을 도시한 도면이다. Figure 6a to Figure 6c 270 and 280, using a 340nm LED current measuring NADH - a voltage characteristic curve, Figure 6d is a diagram showing the NADH measured the ability of the sensing system according to the present embodiment.
도 7은 그라핀 산화물(Graphene Oxide)의 농도를 측정한 결과에 대한 전류-전압 특성 곡선이다. 7 is a current to the results of the measurement of the concentration of graphene oxide (Graphene Oxide) - a voltage characteristic curve.
도 8a 내지 도 8c는 880nm, 405nm, 280nm 적외선 LED를 각각 사용하여 탁도(turbidity)를 측정하여 얻은 전류-전압 곡선이며, 도 8d는 본 발명의 실시예에 따른 센싱 시스템을 이용한 측정 한계를 도시한 도면이다. Figures 8a through 8c are 880nm, 405nm, 280nm infrared LED each current obtained by measuring the turbidity (turbidity) by using - a voltage curve, Fig. 8d is shown the detection limit using the sensing system according to an embodiment of the present invention diagram.

본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. Description of the present invention is only an example for the structure to the functional description, the scope of the present invention is not to be construed as limited by the embodiments described in the text. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. That is, the embodiment so that various modifications may be possible and have a variety of forms and the scope of the invention should be understood to include equivalents for realizing the technical concept.

한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다. On the other hand, the meaning of terms that are described in this application are to be understood as follows.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. Terms such as expression of a singular "comprise" should be understood to include plural forms as well, unless the context clearly indicates otherwise, and or "gajida" is a feature staking, numbers, steps, operations, elements, parts or combinations thereof geotyiji combining intended to specify the existence, the one or more other characteristics or the presence or addition of numbers, steps, operations, elements, parts or combinations thereof and are not intended to preclude.

본 개시의 실시예들을 설명하기 위하여 참조되는 도면은 설명의 편의 및 이해의 용이를 위하여 의도적으로 크기, 높이, 두께 등이 과장되어 표현되어 있으며, 비율에 따라 확대 또는 축소된 것이 아니다. Figures referenced to describe the embodiments of the present disclosure is for the ease of understanding and convenience of description is intentionally exaggerated expression is the size, height, and thickness, and not to an increased or reduced in accordance with the ratio. 또한, 도면에 도시된 어느 구성요소는 의도적으로 축소되어 표현하고, 다른 구성요소는 의도적으로 확대되어 표현될 수 있다. Further, any elements shown in the drawings is intended to represent is reduced, the other components can be expressed is intentionally enlarged.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. All terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the invention pertains unless defined otherwise. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다. Such terms as those defined in a generally used dictionary are to be interpreted as consistent with the meaning in the context of the relevant art, or ideally, unless expressly defined in this application can not be interpreted as having an overly formal sense .

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. The following describes the embodiments of the invention with reference to the accompanying drawings. 도 1은 본 발명의 실시예에 의한 센싱 시스템의 개요를 도시한 블록도(block diagram)이며, 도 2는 본 발명의 실시예에 의한 센싱 시스템의 회로도이다. 1 is a block diagram of an embodiment (block diagram) showing a brief description of the sensing system according to the present invention, Figure 2 is a circuit diagram of a sensing system according to an embodiment of the present invention. 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 의한 센싱 시스템은 광학적 액추에이터(optical actuator, 100)를 포함한다. 1 and 2, a sensing system according to the present embodiment includes optical actuator (optical actuator, 100). 광학적 액추에이터는 바이어스(bias)를 인가받아 검출물질을 포함하는 매질(200)에 광학적 자극을 인가한다. Optical actuator to apply the optical stimulus to the medium 200, including the substance detected receive applying a bias (bias). 이하에서는 자외광, 가시광, 적외광 및 레이저 광을 제공하는 액추에이터를 광학적 액추에이터라고 정의하며, 음파(sonic wave), 초음파(supersonic wave), 자기장(magnetic field), 전기장(electric field) 및 방사능(radioactivity) 등의 비광학적 자극을 인가하는 액추에이터를 비광학적 액추에이터(non-optical actuator)라고 정의한다. Or less in the ultraviolet light, and an actuator to provide a visible light, infrared light and laser light is defined as optical actuators, sound waves (sonic wave), ultrasonic (supersonic wave), a magnetic field (magnetic field), electric field (electric field) and radioactivity (radioactivity ) an actuator for applying a non-optical stimulation, such as is defined as non-optical actuator (non-optical actuator). 일 예로, 광학적 액추에이터는 바이어스를 인가받아 광을 제공하는 발광 다이오드(LED, Light Emitting Diode), 레이저 다이오드(LD, Laser Diode) 등으로 구현할 수 있다. For example, optical actuator may be implemented as a light-emitting configured to receive applying a bias providing a light diode (LED, Light Emitting Diode), a laser diode (LD, Laser Diode).

발광 다이오드는 가시광, 자외광 또는 적외광 파장 대역의 광을 조사할 수 있으며, 레이저 다이오드는 270nm 내지 3330nm 대역 중 특정 대역을 가지는 레이저 광을 조사할 수 있다. A light emitting diode may be irradiated with visible light, ultraviolet light or infrared-light wavelength of the laser diode can be irradiated with laser light having a specific band of 270nm to 3330nm range. 센싱 시스템으로 검출하고자 하는 물질의 특성에 따라 적합한 대역을 가지는 광을 조사하도록 광학적 액추에이터를 구비하는 것이 바람직하다. Preferably it includes an optical actuator to irradiate light having a suitable range depending on the nature of the substance to be detected by the sensing system.

매질(200)은 본 실시예에 의한 센싱 시스템으로 검출하고자 하는 검출 대상 물질을 포함한다. The medium 200 includes a detection target substance to be detected in the sensing system according to the present embodiment. 검출 대상 물질은 광학적 액추에이터로부터 광학적 자극을 인가받아 광학적 반응을 형성한다. The substance to be detected forms the optical response is received from the optical stimulation optical actuator. 광학적 자극에 대하여 검출 대상 물질이 생성하는 광학적 반응은 일 예로, 광학적 자극에 의한 광이 매질을 투과한 광이거나, 매질에 반사된 광이거나, 매질에 산란된 광이거나 또는 광학적 자극에 의하여 형성된 형광일 수 있다. An example optical response of the target substance generated for the optical stimulus is one, or the light passed through the light to the medium by optical stimulation, or reflected on a medium light, or scattered in a medium light or fluorescent one formed by the optical stimulation can. 이러한 광학적 반응의 일 예로, BSA(Bovine Serum Albumin)는 270~280nm의 광을 흡수하는 특징을 가진다. Such an example of optical response, BSA (Bovine Serum Albumin) has a characteristic of absorbing light of 270 ~ 280nm. 따라서 BSA를 포함하는 매질에 275nm 파장을 가지는 레이저를 조사하면 BSA는 인가된 광학적 자극에 대하여 인가된 광을 흡수하는 광학적 반응을 한다. Therefore, when a laser beam having a wavelength of 275nm in a medium containing BSA BSA is the optical response which absorbs the light is applied with respect to the applied optical stimulus. 다만, 이는 단순히 설명을 위한 예일 따름으로, 검출물질과 검출물질에 인가하는 광학적 자극 및 검출물질에 따라 발생하는 광학적 자극에 대한 광학적 반응은 상이할 수 있다. However, this by following examples merely for the purpose of description, the optical response to the optical stimulus arising from the optical stimulation and the detection material to be applied to the detection material to the detection material may be different.

광 검출기(photo detector, 300)는 매질(200)에 광학적 자극이 인가되어 발생하는 광학적 반응을 검출하여 전기적 신호로 출력한다. The photo detector (photo detector, 300), and outputs the detected optical response generated is applied to the optical stimulus to the medium 200 into an electric signal. 일 예로, 광학적 액추에 이터가 인가하는 광학적 자극에 대하여 검출 대상 물질이 생성하는 매질을 투과한 광, 매질에 반사된 광, 매질에 산란된 광 또는 광학적 자극에 의하여 매질이 형성하는 형광 중 어느 하나 이상을 검출하여 전기적 신호를 출력한다. For example, any of the fluorescence of the medium formed by the optical actuator light data is applied passing through the detection medium to the target material is generated for the optical stimulus, the light reflected on the medium, the light or optical stimulation scattering in the medium one detect an abnormality, and outputs an electrical signal. 매질(200)에 포함된 검출물질의 농도에 따라 광학적 반응이 달라질 수 있으며, 그에 따라 광 검출기가 제공하는 전기적 신호도 달라질 수 있다. Depending on the concentration of the detected substance contained in the medium 200 can vary the optical response, and also may vary the electrical signal to an optical detector provided accordingly. 일 실시예로, 포토 다이오드(photo diode)로 광검출기를 구현할 수 있으며, 포토 다이오드는 매질이 발생하는 광학적 반응으로 인한 광의 변화를 검출하고, 그에 상응하는 전류를 제공한다. In one embodiment, it is possible to implement an optical detector with a photo diode (photo diode), a photodiode provides the detection of the light changes due to the optical reaction to occur medium, and the current corresponding thereto.

일 실시예로, 광 검출기(300)는 바이어스 전류를 제공하는 전원(PD bias)로부터 구동 전류(ipd)를 제공받을 수 있으며, 본 실시예에 의한 센싱 시스템은 전원(PD bias)이 제공하는 구동 전류를 변화(sweep)시키면서 매질이 제공하는 광학적 반응을 검출한다. In one embodiment, the photo detector 300 can be provided with a drive current (ipd) from the power supply (PD bias) to provide a bias current, and a sensing system according to this embodiment is provided with drive provided by the power supply (PD bias) varying (sweep) a current detect the optical response of the medium is provided. 후술할 바와 같이, 구동 전류가 변화함에 따라 광 검출기(300)는 스냅백 형태를 가지는 전기적 신호를 출력한다. As it will be described later, as the drive current changes the optical detector 300 outputs an electrical signal having a snapback mode.

증폭기(400)는 광 검출기가 제공한 전기적 신호를 증폭하여 출력하며, 증폭된 전기적 신호는 액추에이터의 바이어스(bias)와 부가되어 액추에이터로 피드백된다. Amplifier 400 amplifies and outputs the electric signal provided by the photodetector, and the amplified electric signal is added to the bias (bias) of the actuator is fed back to the actuator. 따라서, 액추에이터(100), 매질(200), 광 검출기(300) 및 증폭기(400)는 포지티브 피드백 경로(positive feedback path)를 형성한다. Therefore, the actuator 100, the medium 200, the optical detector 300 and the amplifier 400 forms a positive feedback path (positive feedback path). 일 실시예로, 증폭기(400)는 포토 다이오드가 제공한 전류를 전압 신호 형태로 변환하는 전류-전압 컨버터(iv converter)로 구현할 수 있으며, 전류-전압 컨버터 회로의 출력 전압은 광학적 액추에이터의 바이어스(ACT bias)와 함께 포지티브 피드백된다. In one embodiment, amplifier 400 is a photodiode, the current to convert a current into a voltage signal form provided - can be implemented in the voltage converter (iv converter), the current-output voltage of the voltage converter circuit, the bias of the optical actuator ( is positive feedback with a bias ACT).

도 2에서, 광 검출기(300)가 제공하는 전류(ipd)는 증폭기(400)에 의하여 전압 신호(vpd)로 변환된다. 2, the current (ipd) provided by the photodetector 300 is converted into a voltage signal (vpd) by the amplifier 400. 전압 신호(vpd)는 음전위를 가지므로, 기준 전위가 연결된 광학적 액추에이터(100)의 일단의 전위에 비하여 증폭기(400)와 연결된 타단의 전위가 더 낮아진다. Voltage signal (vpd) will therefore have a negative potential, the potential of the other terminal connected to the amplifier 400 further decreases as compared with the potential of one end of the optical actuator 100 is connected to a reference potential. 따라서, 증폭기의 전압(vpd)이 증가함에 따라 광학적 액추에이터(100)에 인가되는 바이어스는 커지므로 더 큰 광학적 자극을 인가하고, 그에 따라 매질(200)은 인가된 광학적 자극에 대하여 광학적으로 반응하며, 광학적 반응을 검출한 광 검출기(300)는 더 큰 전류(ipd)를 제공한다. Thus, applying a greater optical stimulation, because the bias is larger is applied to the optical actuator 100 as the voltage (vpd) of the amplifier increases, and the optical response by the medium (200) with respect to the applied optical stimulus accordingly, the photo detector 300 detecting the optical response provides a greater current (ipd). 즉, 본 실시예에 의한 센싱 시스템은 포지티브 피드백 경로로 구성되어 있음을 알 수 있다. That is, the sensing system according to this embodiment it can be seen that consists of a positive feedback path.

검출부(500)는 광 검출기(300)가 출력한 전기적 신호를 제공받아 전기적 신호를 분석하여 매질(200) 내에 포함된 검출 대상 물질의 농도를 검출한다. Detector 500 receives an electric signal provided by the photodetector 300 output by analyzing the electrical signals to detect the concentration of the target substance contained in the medium (200). 일 실시예로, 검출부(500)는 리드-아웃 회로를 구비하여 광 검출기가 제공하는 전기적 신호(OUTPUT)를 분석하여 검출 대상 물질의 농도를 검출한다. In one embodiment, the detection unit 500 is the lead-analyzes the electrical signal (OUTPUT) which is provided with a photodetector out circuit detects the concentration of the target substance.

도 3은 본 실시예에 의한 센싱 시스템으로 검출 물질인 BSA(Bovine Serum Albumin)을 검출할 때 광 검출기(300)가 출력하는 전기적 신호의 전류-전압 특성 곡선이다. A voltage characteristic curve - Fig. 3 is a current of the electrical signal output from the photodetector 300 to detect the BSA (Bovine Serum Albumin) as the detection material sensing system according to the present embodiment. 수직축은 도 1 및 도 2의 광 검출기(300)에 인가되는 바이어스 전류(PD bias, ipd)의 값이며, 수평축은 광 검출기(300) 양단에 형성되는 전압값(vpd)이다. The vertical axis is the value of the bias current (PD bias, ipd) is applied to the photodetector 300 of FIG. 1 and 2, the horizontal axis is the voltage value (vpd) formed on both ends of the optical detector 300.

도 1 내지 도 3을 참조하여 광 검출기에 제공되는 바이어스 전류를 0에서 증가시키면서 광 검출기 양단의 전압의 변화를 설명하도록 한다. 1 to 3 will be so while increasing the bias current provided to the photodetector 0 explaining voltage changes in both ends of the photo-detector. 광 검출기(300)에 제공되는 바이어스 전류(ipd)를 증가시키면 광 검출기 양단에 형성되는 전압(vpd)도 그에 상응하여 증가하며, 아직 광 액추에이터(100)는 턴 온(turn on)되지 않는다. Increasing the bias current (ipd) provided in the photo detector 300 voltage (vpd) formed on both ends of the optical detector also increases correspondingly, does not yet light actuator 100 is turned on (turn on).

광 검출기에 인가되는 전류가 증가함에 따라 증폭기가 광 액추에이터에 턴 온 전압 이상의 전압을 인가하여 광 액추에이터를 턴 온 시킨다. An optical actuator turns on the amplifier applying a voltage turn-on voltage or more to the light actuator, as the current applied to the photo-detector increases. 턴 온된 광 액추에이터는 매질(200)에 광학적 자극을 인가하며, 매질이 광학적 반응으로 광을 제공하는 경우에, 광 검출기는 이러한 광을 검출하여 전류로 변화하여 출력한다. Light is turned on the actuator and applying a stimulus to the optical medium (200), if the medium is provided with a light optical response, the photodetector outputs to detect such changes in the optical current. 광 액추에이터가 턴 온되는 시점에서, 광 검출기가 일정한 전류를 흘리기 위해서는 광학적 반응에 의하여 매질이 발광하는 광에 의한 전류 보상하기 위해 광 검출기 양단의 전압이 줄어들어야 한다. At the time of the optical actuator it is turned on, in order to flow a constant current to the photodetector the voltage across the photo detector must decrease in order to compensate for current due to light emission by the medium in the optical response. 따라서 전압은 감소하는 방향으로 이동한다. Therefore, the voltage shifts to the decrease direction. 즉, 전원이 광 검출기에 인가하는 전류값을 증가시켜도 광 검출기 양단에 인가되는 전압은 오히려 감소하는 음 저항(negative resistance)의 특징을 가진다. That is, the voltage across the photo-detector even when the power is increased the current value to be applied to the photodetector has the characteristics of a negative resistance (negative resistance) that decreased.

이와 같이 광 검출기로 인가되는 전류가 증가함에 따라 광 검출기 양단 전압이 감소하는 현상을 스냅백 현상이라 하고, 스냅백 현상이 일어나는 시작점을 스냅백 포인트(SB point), 스냅백 현상에 의하여 전류가 증가하여도 전압이 감소하는 구간을 스냅백 구간이라고 한다. As thus the current is increased as the back of a phenomenon that decreases across the photodetector voltage snap developer according applied to the photodetector, and the starting point with a snap back phenomenon occurs snapback point (SB point), the current is increased by a snap back phenomenon to a degree intervals at which the voltage decreases is referred to as the snapback region.

광 검출기의 바이어스 전류를 더욱 증가시키면 광 검출기 양단의 전압이 0에 근접하는 정도로 감소한다. When further increasing the bias current of the photo-detector decreases so that the voltage across the photo detector close to zero. 이때를 포화 포인트(SAT point, saturation point)이라 하고, 포화 포인트 이후를 포화 구간이라 한다. It referred to as the saturation point (SAT point, saturation point) for this time, and is referred to as the saturation region since the saturation point.

포화는 광 검출기의 바이어스 전류가 증가함에 따라 포지티브 피드백에 의하여 결과적으로 더 큰 광학적 자극을 받은 매질이 더 많은 광학적 반응에 의한 광을 광 검출기에 제공하는데, 광 검출기는 증가한 광에 의하여 형성되는 전류를 보상하기 위하여 그 양단 전압을 감소시켜야 하기 때문에 발생하는 것으로 파악되며, 계속적으로 바이어스 전류를 증가시킴에 따라 광 검출기 양단의 전압은 이 지점 부근에서 유지 되고, 전류를 올려도 전압의 변화가 거의 없다. Saturation is to provide a light by consequently bigger the received optical stimulation medium many optical reaction by a positive feedback, as the bias current of the photo detector increases to the light detector, the light detector is a current formed by the increase in light is found to be reduced due to the both-end voltage in order to compensate, in accordance with the continuously Sikkim to increase the bias current, the voltage across the photo detector is maintained at about this point, Raising the current is little change in the voltage. 다만, 도 3에서 도시된 바와 같이 전압이 수 V 정도로 상승할 수 있으나, 광 검출기 양단 전압을 대략 100V 정도로 확장하여 도시한 도 4를 참조하면, 포화 구간에서 전류 변화량에 대한 전압 변화는 미미한 것을 확인할 수 있다. However, when 3 can the voltage, as shown in V can increase, but enough, can expand the light detector across the voltage to approximately 100V, see Figure 4 showing, confirmed that the slight in a saturation range the voltage change of the current amount of change can.

또한, 도 3에서 점선으로 도시된 곡선은 포지티브 피드백 경로없이 개방 루프로 신호 경로가 이루어진 상태에서 얻어진 전류-전압 특성 곡선이다. Further, in the Figure 3 by a broken line curve shown it is obtained by the current made to the open loop signal path, without a positive feedback path conditions - a voltage characteristic curve. 점선으로 도시된 곡선과 대비하여 보면, 광학적 액추에이터, 매질, 광 검출기 및 증폭기가 포지티브 피드백 하도록 연결되어 있어 스냅백 특성을 보이는 것을 확인할 수 있다. In contrast with that shown by the dotted line curves, which is connected an optical actuator, medium, light detector and amplifier to the positive feedback it can be confirmed that exhibit snapback characteristics.

도 4는 스냅백 구간에서 검출 대상 물질의 농도별 전류-전압 특성의 측정 결과를 도시한 도면으로, 탈이온수(DeIonized water, DI)에 검출 대상 물질인 BSA를 각각 1ng, 10ng, ..., 1mg을 첨가한 매질에 대하여 본 실시예에 의한 센싱 시스템으로 검출하여 얻은 전류-전압 곡선이다. 4 is a specific current density of the target substance in the snapback region - a diagram showing the results of measurement of voltage characteristics, de-ionized water (DeIonized water, DI) of the target substance each 1ng, 10ng, BSA in ..., current obtained by detecting by a sensing system according to the present embodiment with respect to the medium by the addition of 1mg - a voltage curve. 도시된 바와 같이, 광 검출기에 대략 2.1?A 내지 2.15?A의 전류를 인가하면 스냅백 현상이 발생하고, 2.17?A 내지 2.21?A의 전류에서 대략 0V의 전압으로 포화되는 것을 확인할 수 있다. As shown, it can be seen that approximately 2.1? A to 2.15? Which is applied a current of A with a snap back phenomenon occurs, and saturation in a substantially voltage of 0V at a current of 2.17? A to 2.21? A to the photodetector.

검출 대상 물질의 농도에 따라 스냅백 구간에서의 전류 전압 특성이 변화하는 것을 알 수 있다. It can be seen that the current-voltage characteristic in the snapback region changes according to the concentration of the target substance. 따라서, 검출부(500)는 광 검출기 바이어스 전류를 고정하고 광 검출기 양단 전압을 읽거나, 광 검출기 양단 전압을 고정한 후, 광 검출기 바이어스 전류의 값을 읽어서 검출 대상 물질의 농도를 파악할 수 있다. Thus, the detector 500 may determine the concentration of the substance to be detected to secure the photodetector bias current, and reads the voltage across the photo detector, or, after fixing the voltage across the photo detector, by reading the value of the photo-detector bias current. 일 예로, 검출부는 광 검출기 바이어스 전류를 2.15?A로 고정한 후, 광 검출기 양단의 전압이 66V로 읽히면 검출 대상 물질의 농도를 1ng으로 파악할 수 있다. For example, detection may determine the concentration of the photo-detector were fixed bias current to 2.15? A, both ends of the photo detector voltage is read as a target substance himyeon 66V to 1ng. 다른 예로, 검출부는 광 검출기 양단 전압을 40V로 고정한 후, 광 검출기 바이어스 전류가 2.18?A로 읽히면 검출 대상 물질의 농도를 100ng으로 파악할 수 있다. As another example, the detector may determine the concentration of the both ends were fixed photodetector voltage to 40V, the photodetector bias current is read as a target substance himyeon 2.18? A with 100ng. 또한, 스냅백 구간을 지나 포화 포인트에서의 전류, 전압값을 측정하여 검출 대상 물질의 농도를 측정할 수도 있다. In addition, through the snapback region may measure the current, the concentration of the substance to be detected by the voltage value measured at the saturation point.

구현예 및 실험결과 Embodiments and test results

이하에서는, 본 발명의 실시예에 의한 센싱 시스템의 구현예와 구현예를 이용하여 검출 대상 물질을 검출한 결과를 설명하도록 한다. In the following, by using the embodiments and the embodiments of the sensing system according to an embodiment of the present invention will be described the results of detecting a target substance. 도 2는 본 실시예에 의한 센싱 시스템 구현예의 회로도로, 광 검출기(300)에 바이어스 전류를 인가하는 전원은 애질런트사(Agilent)의 모델 4156이며, 광 검출기로는 어드밴스드 포토닉스(Advanced Photonix) 사의 자외선 증강 포토 다이오드(UV Enhanced Silicon Photodiode) 모델 100-13-23-222를 사용하였고, 연산 증폭기는 버브라운(Burr Brown)사의 고전압 고전류용 연산 증폭기 OPA544를 사용하였다. Figure 2 is a circuit diagram sensing system implemented according to the present embodiment, the power source for applying a bias current to the optical detector 300 is the model 4156 from Agilent Inc. (Agilent), the ultraviolet's Advanced Photonics (Advanced Photonix) a photodetector enhancing photodiode was used (UV enhanced Silicon photodiode) 100-13-23-222 model, an operational amplifier was used as a burr-Brown (burr Brown)'s operational amplifier OPA544 for high voltage high current. 증폭기에 포한된 피드백 저항은 6.1Mohm 이다. A feedback resistor to the amplifier is pohan 6.1Mohm. 광 액추에이터는 측정하고자 하는 검출 대상 물질별로 상이한 파장의 광을 방출하는 LED를 사용하였다. Optical actuator for LED emitting a different wavelength of light by the target substance to be measured were used.

물 속의 단백질 검출 가능성을 테스트하기 위하여 10pM에서 100uM까지의 서로 다른 농도를 가지는 BSA를 측정하였다. In order to test the possibility of protein detected in the water was measured BSA having a different concentration of from 10pM to 100uM. 종래 기술에 따른 센서로 측정한 결과값은 도 5a와 같으며, 본 실시예로 측정한 결과 값은 도 5b와 같다. The same as Fig. The result is measured by a sensor in accordance with the prior art 5a, the result measured in the present embodiment is shown in Figure 5b. 위에서 설명한 바와 같이 포지티브 피드백에 의하여 스냅백 현상이 발생하는 것을 확인할 수 있다. As described above, it can be confirmed that a snap back phenomenon generated by the positive feedback. 또한, 위 측정 결과를 토대로 BSA 검출 능력을 정리하면 도 5c과 같다. Further, based on the above measurement results shown in Figure 5c In summary BSA detectability. 도 5c에서 도시된 바와 같이, 본 실시예에 의한 센싱 시스템에 의하면 종래 기술에 의한 센서로 측정할 수 없었던 10~ 103pM 농도를 가지는 BSA 단백질을 측정할 수 있음을 확인할 수 있다. As shown in Figure 5c, according to the sensing system according to the present embodiment it can be confirmed that it is possible to measure the BSA protein having a 10 ~ 103pM concentration could not be measured with the sensor according to the prior art.

수중 미생물의 존재를 검출하기 위하여 NADH의 농도를 측정하였다. The concentration of NADH was measured to detect the presence of microorganisms in water. Nicotinamide Adenine Dinucleotide (NAD)는 세포에서 발견되는 중요한 조효소로, NADH는 NAD의 환원 형태이고, 세포 대사 과정에서 아래와 같은 반응 식을 따라 발생하는 물질이다. Nicotinamide Adenine Dinucleotide (NAD) is a major cofactor found in cells, NADH is a substance that occurs in accordance with the reaction formula shown below at a reduced form of NAD, cell metabolism.

NAD+ + 환원 물질 (2e- + 2H+ ) NADH + H+ + 산화물질 NAD + + reducing substances (2e- + 2H +) NADH + H + + antioxidants

따라서 NADH의 존재 여부를 측정하면 물 속의 미생물이 존재하는지 확인할 수 있다. Thus, by measuring the presence of NADH can confirm that the micro-organisms present in the water. NADH는 뉴클레오타이드가 기본 골격이기 때문에 흡수 극대파장이 260nm로 DNA와 같다. NADH is as DNA nucleotides in the peak absorption wavelength because the basic skeleton 260nm. 340nm의 파장은 NADH만이 잘 흡수하기 때문에, 탈수조효소의 활성도를 340nm LED를 사용하여 측정할 수 있다. Because of the 340nm wavelength is absorbed well only NADH, the activity of the dehydrated crude enzyme can be measured by using an 340nm LED. 본 실험예에서는 NADH를 270, 280, 340nm LED를 사용하여 측정하였고, 각각 파장에 대한 전류-전압 특성은 각각 도 6a, 6b 및 6c와 같다. In this experiment the NADH was measured by using 270, 280, 340nm LED, current for each of the wavelength-voltage characteristics shown in Fig. 6a, 6b and 6c, respectively. 또한, 위 측정 결과를 토대로 NADH측정 능력을 정리하면 도 6d와 같다. Also, same as FIG. 6d In summary NADH measurement capability based on the above measurement results. 도 6d에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 의한 센싱 시스템을 이용하면 10nM까지의 NADH를 측정할 수 있음을 확인하였다. As shown in Figure 6d, it was confirmed that when NADH can be measured up to 10nM using a sensing system according to the present embodiment.

수중 독성 물질 중 하나인 그라핀 산화물(Graphene Oxide)의 농도를 측정하였으며, 그 측정 결과에 대한 전류-전압 특성 곡선은 도 7과 같다. We measured the concentrations of aquatic toxicity graphene oxide (Graphene Oxide), one of the materials, the measured current of the result-voltage characteristic curve is shown in Fig. 도 7에서 확인할 수 있는 바와 같이 4ng/ml 농도까지 검출이 가능함을 알 수 있으며, 종래의 기술에 의한 스펙트로미터(spectrometer)를 사용하면 수 ug/ml대의 농도를 측정할 수 있는 바, 본 실시예에 의한 센싱 시스템의 성능이 우월함을 확인할 수 있다. Shows the detection is possible to 4ng / ml concentration As can be seen in Figure 7 and, using a spectrometer (spectrometer) by the conventional techniques can bars to measure ug / ml single concentration, the present embodiment the performance of the sensing system can be confirmed by the superiority.

물 속 부유물을 검출할 수 있는지 확인하기 위하여 880nm, 405nm, 280nm 적외선 LED를 각각 사용하여 탁도(turbidity)를 측정하였다. In order to ensure that the suspended matter in the water can be detected using 880nm, 405nm, 280nm infrared LED, respectively it was measured for turbidity (turbidity). 도 8a, 도 8b 및 도 8c는 각 파장별 스냅백 구간을 확대하여 도시한 도면이며, 도 8d는 본 발명의 실시예에 따른 센싱 시스템을 이용한 측정 한계를 도시한 도면이다. Figure 8a, 8b and 8c is a diagram illustrating, on an enlarged scale, the respective wavelengths by the snapback region, Figure 8d is a diagram illustrating the detection limit using the sensing system according to an embodiment of the present invention. 도 8a에 도시된 바와 같이 880nm 파장대에서 가장 정밀하고 낮은 농도까지 측정을 할 수 있음을 확인할 수 있다. As shown in Figure 8a can be seen that the measurement at 880nm wavelength range to the most precise and lower density. 위의 측정 결과를 토대로 검출 한계를 검토하면 도 8d에 도시된 바와 같이 0.01NTU까지 검출할 수 있는 것을 확인할 수 있다. If on the basis of the measurement results of the above study it can be confirmed that the detection limit can be detected by the 0.01NTU as shown in Figure 8d.

본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 실시를 위한 실시예로, 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. Been described in the embodiment shown in the figures to aid understanding of the present invention by reference, it is just as examples for the embodiment, as exemplary, and, if those of ordinary skill in the art from which the various modifications and equivalent it will be understood that it is the other embodiments are possible. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다. Therefore, the true technical protection scope of the invention as defined by the appended claims.

100: 광학적 액츄에이터 200: 검출 대상 물질을 포함한 매질 100: a medium containing the substance to be detected: an optical actuator 200
300: 광 검출기 400: 증폭기 300: optical detector 400: amplifier
500: 검출부 500: detector

Claims (11)

  1. 센싱 시스템에 있어서, In the sensing system,
    검출 물질에 광학적 자극을 인가하는 광학적 액츄에이터(optical actuator); Optical actuator for applying an optical stimulus to the detection substance (optical actuator);
    상기 광학적 자극이 인가된 상기 검출 물질의 농도에 따라 형성되는 광학적 반응에 상응하여 전기적 신호를 출력하는 광 검출기(photo-detector); The photo detector (photo-detector) for outputting an electric signal corresponding to the optical response which is formed according to the concentration of the detected substance of which the optical stimulus is applied;
    상기 광 검출기가 출력하는 상기 전기적 신호를 증폭하고, 증폭된 상기 전기적 신호를 상기 광학적 액츄에이터에 포지티브 피드백(positive feedback)하여 인가하는 증폭기(amplifier); The optical detector and amplifies the electrical signal and outputting the amplified electrical signal positive feedback to the optical actuator (positive feedback) amplifier (amplifier) ​​to be applied to; And
    상기 전기적 신호를 인가받아 상기 검출 물질을 검출하는 검출부를 포함하며, Receiving applying the electrical signal comprises a detector for detecting the detection substance,
    상기 전기적 신호는 상기 포지티브 피드백 구성에 의하여 스냅백(snapback) 형태를 가지는 신호인 센싱 시스템. It said electrical signal is a signal sensing system having a snapback (snapback) form by the positive feedback configuration.
  2. 제1항에 있어서, According to claim 1,
    상기 센싱 시스템은 상기 광 검출기에 바이어스 전류를 인가하는 전원을 더 포함하는 센싱 시스템. The sensing system is sensing system further comprises a power source for applying a bias current to said light detector.
  3. 제1항에 있어서, According to claim 1,
    상기 광학적 액츄에이터는 발광 다이오드(LED, Light Emitting Diode), 레이저 다이오드(LD, Laser Diode) 중 어느 하나를 포함하는 센싱 시스템. The actuator is a light emitting diode optically sensing any one of the system including (LED, Light Emitting Diode), a laser diode (LD, Laser Diode).
  4. 제1항에 있어서, According to claim 1,
    상기 광 검출기는 광 다이오드(photo-diode)를 포함하는 센싱 시스템. The photo detector is the sensing system which includes a photodiode (photo-diode).
  5. 제1항에 있어서, According to claim 1,
    상기 광 검출기는 상기 광학적 액츄에이터가 인가한 광학적 자극이 검출 물질에 조사되어 형성된 반사광, 투과광, 산란광 및 형광 중 어느 하나 이상을 검출하여 그에 상응하는 전기적 신호를 출력하는 센싱 시스템. The photo detector is the sensing system to detect the optical actuator is applied to the optical stimulus is irradiated on the detection material formed reflected light, transmitted light, any one or more of the scattered light, and fluorescence output an electrical signal corresponding thereto.
  6. 제1항에 있어서, According to claim 1,
    상기 증폭기는 전류 신호를 인가받아 그에 상응하는 전압 신호로 변환하여 출력하는 전류-전압 변환 증폭기인 센싱 시스템. The amplifier receives a current is applied to the corresponding signal is converted into a voltage signal for the output current to it - a sensing system voltage conversion amplifiers.
  7. 제1항에 있어서, According to claim 1,
    상기 스냅백 형태를 가지는 전기적 신호는, The electrical signal with the snap-back mode,
    스냅백 포인트(snapback point)으로부터 광 검출기 양단 전압이 증가함에 따라 전기적 신호가 감소하는 스냅백 구간과, 광 검출기 양단 전압이 증가함에 따라 전기적 신호가 증가하는 정상 구간을 포함하며, 스냅백 구간과 정상 구간은 회복 포인트(recovery point)를 거쳐 연결되는 센싱 시스템. Snap-back point (snapback point) from and including the top section in which the electrical signal increases as the snapback region, which is an electrical signal decreases as the optical detector across the voltage is increased, a light detector both-end voltage is increased, the snap-back section and the top interval the sensing system is connected via a recovery point (recovery point).
  8. 제7항에 있어서, The method of claim 7,
    상기 검출기는, The detector,
    상기 스냅백 구간에서 상기 광 검출기에 일정한 전류가 제공될 때 상기 광 검출기의 양단 전압을 검출하여 상기 검출 물질의 농도를 검출하는 센싱 시스템. In the snapback region sensing system for detecting the concentration of the substance detected by detecting the voltage across the photo detector when a constant current is provided to the photo detector.
  9. 제7항에 있어서, The method of claim 7,
    상기 검출기는, The detector,
    상기 스냅백 구간에서 상기 광 검출기에 일정한 전압이 제공될 때 광 검출기로 흐르는 전류를 검출하여 상기 검출 물질의 농도를 검출하는 센싱 시스템. In the snapback region sensing system for detecting the concentration of the substance detected by detecting the current flowing to the light detector when a constant voltage is provided to the photo detector.
  10. 제7항에 있어서, The method of claim 7,
    상기 검출기는, The detector,
    상기 회복 포인트에서의 전류, 전압값을 검출하여 상기 검출 물질의 농도를 검출하는 센싱 시스템. A sensing system for detecting the concentration of the substance detected by detecting the current, the voltage value at the recovery point.
  11. 제7항에 있어서, The method of claim 7,
    상기 검출기는, The detector,
    상기 정상 구간의 전류, 전압의 비를 검출하여 상기 검출 물질의 농도를 검출하는 센싱 시스템. A sensing system for detecting the concentration of the substance detected by detecting the current, the voltage ratio of the normal interval.
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