KR101760511B1 - 환경 센서 신호 검출 회로, 바이오 센서 신호 검출 회로 및 이들을 포함하는 이종 센서 인터페이스 - Google Patents

환경 센서 신호 검출 회로, 바이오 센서 신호 검출 회로 및 이들을 포함하는 이종 센서 인터페이스 Download PDF

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Abstract

본 실시예에 의한 이종 센서 인터페이스는 검출 대상인 타겟에 대한 거친 검출(rough detection)을 수행하는 제1 검출부와 거친 검출의 결과보다 높은 해상도로 타겟에 대한 검출을 수행하는 제2 검출부를 포함하는 환경 센서 신호 검출 회로 및 바이오 센서와 연결되어 바이오 센서가 출력한 신호를 제공받는 바이오 센서 신호 검출회로로, 프로그래머블 이득 증폭기(programmable gain amp)와, 차단 주파수를 제어할 수 있는 프로그래머블 필터(programmable filter)를 포함하며 바이오 센서가 검출한 신호에 따라 이득과 차단 주파수를 재구성할 수 있다.

Description

환경 센서 신호 검출 회로, 바이오 센서 신호 검출 회로 및 이들을 포함하는 이종 센서 인터페이스{Environmental Sensor Signal Detection Circuit, Bio Sensor Signal Detection Circuit And Heterogeneous Sensor Interface}
본 발명은 환경 센서 신호 검출 회로, 바이오 센서 신호 검출 회로 인터페이스 및 이들을 포함하는 이종 센서 인터페이스에 관한 것이다.
다양한 센서들을 이용하여 통합된 의료 및 환경 모니터링 서비스를 지원하고자 하는 경우에, 하나의 센서당 하나의 칩을 이용하여 센서 별 인터페이스를 구현하였다.
종래 기술과 같이 복수의 센서에 대한 인터페이스를 구현하기 위하여는 센서 수만큼 인터페이스 칩이 필요하므로 전체 시스템이 복잡해지고 구현 비용이 비싸진다. 본 실시예는 휴대가 가능하고, 간이하며, 낮은 비용으로 제작할 수 있는 인터페이스 시스템을 제공하는 것이 주된 목적 중 하나이다.
본 실시예에 의한 환경 센서 신호 검출 회로는: 환경 센서와 연결되어 구동 전압이 분할된 전압을 제공하는 제1 검출부로, 제1 검출부는 분할 전압은 환경 센서의 검출 결과에 상응하는 전압을 제공하며, 환경 센서가 제공한 신호에 대하여 상관 이중 샘플링(CDS, Corelated Double Sampling)을 수행하여 타겟에 대하여 제1 검출부에 비하여 높은 해상도의 검출 결과를 제공하는 제2 검출부를 포함하되, 제1 검출부와 제2 검출부에 의한 검출 구성이 재구성 가능하다.
본 실시예에 의한 바이오 센서 신호 검출 회로는: 프로그래머블 이득 증폭기(programmable gain amp)와, 차단 주파수를 제어할 수 있는 프로그래머블 필터(programmable filter)를 포함하며, 바이오 센서가 검출한 신호에 따라 이득과 차단 주파수를 재구성할 수 있다.
본 실시예에 의한 이종 센서 인터페이스는 검출 대상인 타겟에 대한 거친 검출(rough detection)을 수행하는 제1 검출부와 거친 검출의 결과보다 높은 해상도로 타겟에 대한 검출을 수행하는 제2 검출부를 포함하는 환경 센서 신호 검출 회로 및 바이오 센서와 연결되어 바이오 센서가 출력한 신호를 제공받는 바이오 센서 신호 검출회로로, 프로그래머블 이득 증폭기(programmable gain amp)와, 차단 주파수를 제어할 수 있는 프로그래머블 필터(programmable filter)를 포함하며 바이오 센서가 검출한 신호에 따라 이득과 차단 주파수를 재구성할 수 있다.
본 실시예에 의하면 복수의 센서에 대한 인터페이스에 대하여 환경 센서 신호 검출 회로와 바이오 센서 신호 검출 회로를 두어 인터페이스를 수행할 수 있어 저비용으로 복수의 센서에 대한 인터페이스를 제작할 수 있다는 장점이 제공된다.
도 1은 본 실시예에 의한 이종 센서 인터페이스(10)의 개요도이다.
도 2는 본 실시예에 의한 환경 센서 신호 검출 회로(100)의 블록도이다.
도 3(a)는 저항형 센서에서 상관 이중 샘플링 동작을 설명하는 도면이다. 도 3(b)는 용량성 센서에 대한 상관 이중 샘플링 동작을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 실시예에 의한 바이오 센서 검출 회로의 개요를 도시한 블록도이다.
도 5(a)와 도 5(b)는 각각 칩으로 구현된 환경 센서 신호 검출 회로, 바이오 센서 신호 검출 회로의 현미경 사진이다.
도 6은 저항 및 용량 성 센서의 적용 범위가 각각 0.8 kΩ - 930 kΩ 및 0.4 pF - 15 pF 인 저항 - 디지털 변환 (RDC) 및 커패시턴스 - 디지털 변환 (CDC)의 측정 특성을 도시한다.
도 7은 의료 애플리케이션에서의 유효성을 확인하기 위해 차동 전압 모드를 ECG 측정 모드로 설정하고 단일 종단 형 모드를 PPG 측정 모드로 설정하고 차동 전류 모드를 생체 임피던스 측정 모드로 설정한 후, 측정한 파형을 도시한 도면이다.
도 8은 본 실시예에 의한 환경 센서 신호 검출 회로(100), 바이오 센서 신호 검출 회로(200) 및 이종 센서 인터페이스 칩셋을 이용하여 차량 내 대기 품질 및 운전자 건강 관리 모니터링 시스템을 구현한 예를 도시한 도면이다.
본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "상부에" 또는 "위에"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소의 바로 위에 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "접촉하여" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "개재하여"와 "바로 ~개재하여", "~사이에"와 "바로 ~ 사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
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.
각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
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. 또한, 도면에 도시된 어느 구성요소는 의도적으로 축소되어 표현하고, 다른 구성요소는 의도적으로 확대되어 표현될 수 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 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.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 실시예를 설명한다.
센서는 검출하고자 하는 대상인 타겟에 따라 다양한 형태로 분류할 수 있으나, 검출 결과에 상응하는 결과를 제공하는 방식에 따라 전압, 전류, 저항성 및 용량성의 네 가지 유형으로 분류할 수 있다. 가스 센서, 온도 센서, 습도 센서 등의 환경 정보를 검출하는 환경 센서는 대부분 저항성 또는 용량성이며, 생체 활동에 의한 정보를 검출하는 바이오 센서는 일반적으로 전압 또는 전류를 기반으로 센싱을 수행한다.
도 1은 본 실시예에 의한 이종 센서 인터페이스(10)의 개요도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 의한 이종 센서 인터페이스(10)는 저항성 및 용량형 센서 유형을 위한 환경 센서 신호 검출 회로(100)와 전압 및 전류 입력에 대한 바이오 센서 신호 검출 회로(200)를 포함한다. 이종 센서 인터페이스(10)는 출력을 디지털 데이터로 변환하여 전송하고, 교정 및 계산을 포함한 신호 처리는 사용자가 휴대한 단말에 의하여 수행된다.
일 실시예로, 센서 판독 회로는 환경 센서 신호 검출 회로(100) 및 바이오 센서 신호 검출 회로(200)의 두 칩으로 통합되어 있으며 각 동종 응용 프로그램에서 별도로 사용할 수 있다. 도시된 실시예에서, 바이오 센서 신호 검출 회로(200)에 대한 아날로그 - 디지털 변환은 듀얼 모드 데이터 변환기를 포함하는 환경 센서 신호 검출 회로(100)에 의해 수행된다. 도시되지 않은 다른 실시예에서, 환경 센서 신호 검출 회로(100)에 대한 아날로그 - 디지털 변환은 바이오 센서 신호 검출 회로(200)에 의해 수행된다.
도시된 실시예에서, 센서 신호는 디지털 데이터로 변환되고, 블루투스(Bluetooth)를 사용하는 무선 연결 모듈을 통해 스마트 폰으로 직접 데이터를 전송된다. 다만, 이는 실시예일 따름으로, 지그비(zigbee), 와이파이(wi-fi) 등의 무선 통신 프로토콜을 이용하여 전송될 수 있다.
무선으로 전송된 데이터는 사용자가 휴대한 스마트 폰, 태블릿 pc 등의 휴대 단말에서 후처리(post processing) 되고 사용자에게 표시된다. 이 모바일 멀티 센서 모니터링 시스템은 센서 모듈의 하드웨어 구성을 최소화하고 신호 보정 및 분석에 대한 대부분의 부담을 스마트 폰으로 이전한다. 결과적으로 센서 모듈 자체는 저비용으로 구현 될 수 있으며 전력 소비를 줄임으로써 배터리 사용 시간을 극대화할 수 있다.
제안된 모바일 시스템에서 센서의 기능적 요구 사항이 각각의 응용 분야에 따라 다양하기 때문에 다양한 센서 유형을 지원할 필요가 있다. 이와 같이 환경 센서 신호 검출 회로(100) 및 바이오 센서 신호 검출 회로(200)는 다양한 센서를 효과적으로 수용하기 위해 재구성 가능한 구조로 제안된다.
환경 센서 신호 검출 회로(100)는 저전력 및 고해상도의 듀얼 모드 동작을 구현하여 광범위한 환경 센서를 지원할 수 있다. 응용 시스템이 정량 측정 대신에 간단한 검출 기능을 필요로 할 때, 저전력 모드는 절전 판독 회로만을 이용하도록 활성화된다. 시스템이 정확한 감지 결과를 요구하면 고해상도 모드는 실시간 정량 측정을 제공한다.
바이오 센서 신호 검출 회로(200)은 다양한 신호 레벨과 주파수 범위를 지닌 의료 애플리케이션을 위해 앰프 이득 및 필터 대역폭을 프로그래밍 가능하게 하고 다양한 생리적 신호 조건을 처리하기 위해 별도의 프론트 엔드 단계를 구현하도록 구성된다.
센서 인터페이스의 또 다른 중요한 설계 요소는 잡음 내성이다. 본 실시예에서, 센서 인터페이스는 바이오 센서 및 환경 센서에 대한 다양한 측정 조건을 고려하여 다양한 애플리케이션 별 노이즈 필터링 방법을 채택한다.
바이오 센서 신호 검출 회로(200)는 바이오 센서 신호 검출 회로(200)는 초퍼 안정화 (Chopper Stabilization, CHS) 방법을 채택하여 전원 노이즈를 포함한 저주파 노이즈를 제거하며, 저주파수 잡음을 피하기 위해 스위치 기반 변조 및 복조를 사용한다. 이러한 방법은 인체와의 직접적인 접촉에 의존하는 측정이 일반적으로 수행되는 헬스 케어 애플리케이션의 경우 장점을 제공한다.
본 실시예에 의한 환경 센서 신호 검출 회로(100)는 저항형 센서 및 용량형 센서를 모두 지원할 수 있도록 듀얼 모드 및 상관 이중 샘플링(CDS, Correlated Double Sampling) 방법으로 동작한다. 듀얼 모드 구성은 다음과 같이 동작할 수 있다. 일 예로, 실시간 모니터링 중에 중간 해상도 성능을 갖춘 저전력 모드가 대기 전력 소비를 최소화하는 데 사용된다. 일부 대상이 감지되거나 정확한 측정이 요청되면 시스템 작동이 고해상도 성능을 제공하는 고해상도 모드로 변경된다. 상기한 듀얼 모드 방식은 용량형 센서 및 저항형 센서를 모두 지원하여 면적 및 전력 소비를 최소화할 수 있다.
도 2는 본 실시예에 의한 환경 센서 신호 검출 회로(100)의 블록도이다. 도2를 참조하면, 환경 센서 신호 검출 회로(100)의 고해상도 모드는 재구성 가능한 CDS 구조를 가지며, 저항형 센서 및 용량형 센서를 모두 지원한다. 환경 센서 신호 검출 회로(100)에 대한 재구성 가능한 구조는 두 가지 작동 모드와 두 개의 센서 유형을 지원한다. 도 2에서, 저전력 모드 블록(120) 및 고해상도 모드 블록(140)은 서로 다른 색으로 표시되며 각 동작 모드는 전환 가능한 회로를 통해 저항 및 용량형 센서 유형을 모두 지원하도록 구성된다.
동작 모드의 관점에서 저전력 작동 모드는 개념적으로 저항성 또는 용량성 구성 요소로 전압을 분주하는 것에 기반하고, 고해상도 모드는 상관 이중 샘플링(CDS) 기능을 연속 근사 아날로그 - 디지털 변환기(Succesive Approximation ADC)와 결합하는 것에 기반한다.
우선, 저전력 모드 블록(120) 동작을 다음과 같이 설명한다. 저항형 센서의 경우 프로그래머블 저항 (R-DAC1)과 직렬 연결되며 전압 분압 전압은 기준 전압 (VREF)과 비교된다. 비교 결과에 따라 프로그래머블 저항(R-DAC1)의 저항값을 조정하여 센서의 저항에 대한 이진 탐색(binary search)을 연속적으로 수행한다. 저전력 모드에서, 용량형 센서는 프로그래머블 커패시터(C-DAC1)와 연결되고, 프로그래머블 커패시터(C-DAC1)은 이진 탐색과, 용량성 전압 디바이더를 구성하기 위해 주기적으로 구동 전원과 접지 전원과 연결되도록 스위칭된다. 저전력 모드에서 동적 비교기에 의하여 저항성 / 용량성 분배기를 제외한 모든 서브 블록은 정적 전류 소모가 없도록 동작한다.
환경 센서 신호 검출 회로(100)의 고해상도 모드에서 동작하는 경우에는 고해상도 모드 블록(140)은 저항형 센서 및 용량형 센서 모두에 사용할 수 있는 재구성 가능한 상관 이중 샘플링(CDS) 기능을 수행한다. 상관 이중 샘플링 기능에 의하여 DC 오프셋 전압 (Voffset)과 저주파수 잡음을 제거할 수 있다.
도 3(a)는 저항형 센서에서 CDS 동작을 설명하는 도면이다. 도 3(a)를 참조하면, 환경 센서 신호 검출 회로(100)는 저항성 CDS 동작을 지원하도록 재구성된다. 저전력 동작 중에 광범위한 저항을 지원하도록 프로그래밍 할 수 있는 저항성 디지털-아날로그 컨버터(R-DAC2)는 저항형 센서(Rsense)와 결합되어 저항 분배기 회로를 구성한다. 전체 동작은 샘플링 I 및 샘플링 II의 두 동작 기간으로 구성된다. 샘플링 I 동안 SW1은 VSS로 전환되고 저항형 센서의 등가 저항인 Rsense를 통과하는 전류는 CDS 증폭기 출력에서 R-DAC2를 통해 VSS로 흐른다. CDS 출력 전압은 다음 수학식 1과 같이 나타난다.
Figure 112016119916086-pat00001
마찬가지로 샘플링 II 동안 SW1은 VDD로 전환되고 현재 전류 방향은 VDD에서 CDS 출력으로 바뀐다. 결과 CDS 출력은 수학식 2와 같이 주어진다.
Figure 112016119916086-pat00002
Sampling I 및 Sampling II의 출력 전압은 연속 근사 ADC의 한 쌍의 용량성 DAC에 해당하는 두 개의 C-DAC3에 의하여 각각 샘플된다. 따라서 연속 근사 아날로그 디지털 변환기(SAR ADC, Successive Approximation ADC)가 아날로그 - 디지털 변환을 시작할 때 이 출력 전압에서 Voffset은 아래 표시된 바와 같이 제거되며, 아래의 수학식 3에서 Rsense를 연산하여 저항성 센서가 검출한 값을 얻을 수 있다.
Figure 112016119916086-pat00003
도 3b는 용량성 센서에 대한 상관 이중 샘플링(CDS) 동작을 예시한 도면이다. 용량성 센서를 이용하는 경우 용량성 DAC (C-DAC2)을 활성화한다. 전체 동작은 4 가지 동작 기간, 즉 프리 차지 I, 샘플링 I, 프리 차지 II 및 샘플링 II를 포함한다. 우선, 프리 차지 I 동안, SW3이 턴 온되어, CS에 충전된 전하를 플러시(flu리)하여 CS를 리셋한다. 샘플링주기 I에서, SW3은 턴 오프되고, SW1은 VDD에서 VSS로 스위칭되고, SW4는 VSS로부터 VDD로 스위칭된다. CDS의 출력 전압은 수학식 4와 같다.
Figure 112016119916086-pat00004
프리 차지 II 동안 CS는 프리 차지 I와 마찬가지로 다시 리셋 된다. 샘플링 II에서 SW3은 꺼지고, SW1은 VSS에서 VDD로 전환되고, SW4는 VDD에서 VSS로 전환되며, 출력 전압은 수학식 5와 같다.
Figure 112016119916086-pat00005
각 샘플링 단계에서 CDS의 출력 전압은 두 개의 C-DAC3으로 샘플링되며, 이를 이용하여 오프셋 전압을 제거한다. 따라서, 아래의 수학식 6에서 Csensor 값을 연산하여 용량성 센서가 검출한 값을 얻을 수 있다.
Figure 112016119916086-pat00006
도 4는 본 실시예에 의한 바이오 센서 검출 회로(200)의 개요를 도시한 블록도이다. 도 4를 참조하면, 다양한 바이오 센서가 출력한 신호에 대응하도록 바이오 센서 신호 검출 회로(200)는 차동 전압, 단일단 전압 및 차동 전류를 위한 3 가지 입력 유형을 가진다. 차동 전압 입력으로부터 심전도(ECG), 뇌파(EEG) 및 근전도 (EMG)를 포함한 다양한 생체 전위를 측정 할 수 있다. 일 예로, 신호 진폭은 대략 uV ~ mV의 영역이고, 주파수 대역폭은 100Hz ~ 10kHz 이다. 따라서 바이오 센서 신호 검출 회로(200)의 차동 전압 입력 경로는 도 4에 도시된 바와 같이 앰프 이득 및 필터 대역폭을 프로그래밍 할 수 있도록 구성된다. 단일단 신호(single ended signal) 입력 경로는 심박수 또는 혈압 측정시 사용될 수 있는 광전자도(PPG)에 대한 별도 경로를 제공할 수 있다.
차동 전류 신호 입력 경로는 체지방이나 신체 조성에 사용되는 생체 임피던스를 측정할 수 있다. 신호가 입력되는 프런트 엔드(front end)는 세 가지 종류가 있을 수 있다. 그러나, 신호들이 처리되는 백 엔드(back end)는 프로그래머블 증폭기(PGA)와 차단 주파수가 프로그래머블한 필터(LPF)를 가지며, 각 경로별로 영역 및 전력 소비를 최소화하기 위해 공유된다. 이러한 방식으로 제안된 바이오 센서 신호 검출 회로(200)은 차동 전압, 단일단 전압 및 차동 전류의 세 가지 측정 모드를 지원하도록 재구성된다.
먼저 En_Diff = 'H'로 활성화되는 차동 전압 측정 모드는 초퍼 안정화(CHS) 기능을 내장한 저잡음 증폭기 (LNA), 프로그래머블 증폭기(PGA), 프로그래머블한 차단 주파수를 가지는 저역 통과 필터(LPF) 및 노치 필터(Notch)를 포함한다. 측정 환경에서 초퍼 및 초퍼 - 스파이크 필터에 의한 초퍼 안정화(CHS, Chopper Stabilize) 기능은 En_Chop = 'H'로 선택적으로 활성화되어 DC 오프셋 및 저주파수 잡음을 제거할 수 있다. 일 실시예로, 노치 필터(Notch)는 50Hz / 60Hz 대역의 전원 노이즈를 차단한다.
단일단 신호 측정 모드는 손가락을 통과하거나 혈액 맥파에 의해 부분적으로 반사되는 LED의 광 신호가 포토 다이오드의 전기 신호로 변환되는 PPG와 같은 단일단 신호를 지원하도록 구성된다. 이 모드는 이전 차동 입력 핀 대신에 별도의 별도 입력 핀을 사용한다. 단일단 형 입력은 저잡음 증폭기(LNA)에서 차동 신호로 변환될 수 있으며, 다른 블록이 유사하게 활용한다.
차동 전류 신호 측정 모드는 흐름 방향이 서로 반대인 2 개의 전류 펄스를 이용한다. 인체를 통과하는 전류 경로는 전류 펄스에 신체 임피던스가 곱해 지도록 차동 전압 펄스를 생성한다. 이어서, 공통 백 엔드 아날로그 블록에서 증폭되고 필터된다.
재구성 가능한 측정 모드를 통해 바이오 센서 신호 검출 회로(200)는 전압 또는 전류 형태의 다양한 바이오 센서의 출력 신호를 지원하도록 구성된다. 바이오 센서 신호 검출 회로(200)은 또한 애플리케이션에 따라 차동 또는 단일단을 유지하면서 면적 및 전력 소비를 최소화하며 듀얼 모드 데이터를 포함한 환경 센서 신호 검출 회로(100)과의 협력을 통해 바이오 센서 신호 검출 회로(200)의 아날로그 - 디지털 변환이 가능하다.
구현예
환경 센서 신호 검출 회로, 바이오 센서 신호 검출 회로 및 이들을 포함하는 이종 센서 인터페이스 설계 및 검증을 위해 0.18μm CMOS 공정으로 제작되었으며, 그 현미경 사진이 도 5로 도시되었다. 환경 센서 신호 검출 회로의 칩 크기는 각각 2.0 x 2.0 mm이고, 바이오 센서 신호 검출 회로의 칩 크기는 1.3 x 1.4 mm이다. 1.8V 전원 공급 장치를 사용하여 환경 센서 신호 검출 회로(100)는 저전력 모드에서 50μA, 고해상도 모드에서 1.6mA를 소모하는 것으로 측정되었다. 도 6은 저항 및 용량 성 센서의 적용 범위가 각각 0.8 kΩ - 930 kΩ 및 0.4 pF - 15 pF 인 저항 - 디지털 변환 (RDC) 및 커패시턴스 - 디지털 변환 (CDC)의 측정 특성을 도시한다. 저항 - 디지털 변환 (RDC) 및 커패시턴스 - 디지털 변환 (CDC)의 해상도는 각각 저전력 모드에서는 9 비트 및 8 비트, 고해상도 모드에서는 최대 15 비트 및 13 비트까지 지원된다.
바이오 센서 신호 검출 회로(200)의 동작 또한 실험적으로 검증되었으며 차동 전압, 단일 종단 전압 및 차동 전류를 갖는 3 가지 측정 모드에서 각각 1.8V 공급 전류에서 3.1mA, 3.1mA 및 3.7mA의 전류 소모가 발생했다.
도 7은 의료 애플리케이션에서의 유효성을 확인하기 위해 차동 전압 모드를 ECG 측정 모드로 설정하고 단일 종단 형 모드를 PPG 측정 모드로 설정하고 차동 전류 모드를 생체 임피던스 측정 모드로 설정한 후, 측정한 파형을 도시한 도면이다. 심전도(ECG) 그래프에서 주기적인 QRS파를 확인할 수 있으며, PPG 신호에서는 심장 박동에 의한 주기적 혈류량 증가를 확인할 수 있다.
적용예
도 8은 본 실시예에 의한 환경 센서 신호 검출 회로(100), 바이오 센서 신호 검출 회로(200) 및 이종 센서 인터페이스 칩셋을 이용하여 차량 내 대기 품질 및 운전자 건강 관리 모니터링 시스템을 구현한 예를 도시한 도면이다. 도 8을 참조하면, 본 실시예에 의한 차량 내 대기 품질 및 운전자 건강 관리 모니터링 시스템은 애프터 마켓 서비스 제공 업체가 차량 내부에 쉽고 비용 효율적으로 설치할 수 있도록 운전석 핸들 커버의 애드 온 (add-on) 형태로 제작되었다.
환경 센서 신호 검출 회로(100)는 차량 내부 대기 조건의 중요한 요소인 온도와 습도를 검출하도록 구현하였으며, 일산화탄소(CO)는 다양한 배기 가스 중에서 대표적인 검출 대상으로 선정하였다. 스티어링 휠에 바이오 센서 신호 검출 회로(200)를 통합하여 핸들을 양 손에 쥘 때 전극과 접촉하도록 하여 신체 임피던스를 쉽게 측정 할 수 있도록 하였다.
심전도(ECG) 신호는 핸들 전극을 사용하여 측정 할 수 있다. ECG 신호는 바이오 센서 신호 검출 회로(200)의 차동 전압 입력을 통해 측정 할 수 있다. 그러나 많은 운전자가 항상 양손을 사용하지 않는 운전 습관이나 일반적인 운전 습관을 고려할 때 양손에서 실시간으로 측정하는 것이 곤란할 수 있다. 다만, 하나의 접촉 만 필요로 하므로 혈류량(PPG) 신호를 사용하여 ECG 측정을 수행하였다.
건강 관리 모니터링을 위한 외부 요소는 신체 임피던스와 심장 박동 측정을 위한 PPG의 상용 부품을 측정하기 위한 한 쌍의 건조 전극을 포함한다. 추가 PPG 보드도 핸들 커버에 맞도록 제작되었습니다. 이 조작을 통해 심박수, 신체 임피던스, CO, 온도 및 습도 측정을 위한 5 개의 실시간 다중 센서 원시 데이터 스트림을 수집 한 다음 무선 연결을 통해 스마트 폰에 전달한다.
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. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
10: 이종 센서 인터페이스 100: 환경 센서 신호 검출 회로
120: 저전력 모드 블록 140: 고해상도 모드 블록
200: 바이오 센서 신호 검출 회로
`

Claims (20)

  1. 환경 센서 신호 검출 회로로, 상기 환경 센서 신호 검출 회로는:
    상기 환경 센서와 연결되어 상기 환경 센서가 검출한 검출 결과에 상응하는 전압을 제공하여 거친 검출(rough detection)을 수행하는 제1 검출부와,
    상기 환경 센서가 제공한 신호에 대하여 상관 이중 샘플링(CDS, Corelated Double Sampling)을 수행하여 타겟에 대하여 상기 제1 검출부에 비하여 높은 해상도의 검출 결과를 제공하는 제2 검출부를 포함하되, 상기 제1 검출부와 제2 검출부에 의한 검출 구성이 재구성 가능한 환경 센서 신호 검출 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 검출부와 연결된 상기 환경 센서는 저항형 센서로,
    상기 제1 검출부는, 상기 저항형 센서와 연결되어 분압된 전압을 제공하는 프로그래머블 저항을 포함하는 환경 센서 신호 검출 회로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 검출부와 연결된 상기 환경 센서는 용량형 센서로,
    상기 제1 검출부는, 상기 용량형 센서와 연결되어 분압된 전압을 제공하는 프로그래머블 커패시터을 포함하는 환경 센서 신호 검출 회로.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 검출부는 상기 상관 이중 샘플링을 수행하여 직류 오프셋 전압과 전원 노이즈를 제거하는 환경 센서 신호 검출 회로.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 검출부는, 검출 결과에 상응하는 전압을 저장하는 복수의 샘플링 커패시터를 더 포함하는 환경 센서 신호 검출 회로.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 검출부와 연결된 센서는 저항형 센서로, 상기 제2 검출부는,
    상기 저항형 센서에 대하여 제1 전압을 제공하여 상기 저항형 센서의 검출 결과를 샘플하고,
    상기 저항형 센서에 대하여 제2 전압을 제공하여 상기 저항형 센서의 검출 결과를 샘플하여 상관 이중 샘플링을 수행하는 환경 센서 신호 검출 회로.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 검출부와 연결된 센서는 용량형 센서로, 상기 제2 검출부는,
    상기 용량형 센서에 대하여 제1 전압을 제공하여 상기 용량형 센서를 프리 차지(precharge)하여 상기 용량형 센서의 검출 결과를 샘플하고,
    상기 용량형 센서에 대하여 제2 전압을 제공하여 상기 용량형 센서를 프리 차지(precharge)하여 상기 용량형 센서의 검출 결과를 샘플하는 상관 이중 샘플링을 수행하는 환경 센서 신호 검출 회로.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 환경 센서 신호 검출 회로는, 상기 제1 검출부의 검출 결과와 상기 제2 검출부의 검출 결과를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기(ADC, Analog Digital Converter)를 더 포함하는 환경 센서 신호 검출 회로.
  9. 바이오 센서 신호 검출 회로로, 상기 바이오 센서 신호 검출 회로는:
    프로그래머블 이득 증폭기(programmable gain amp)와,
    차단 주파수를 제어할 수 있는 프로그래머블 필터(programmable filter)를 포함하며,
    상기 바이오 센서가 검출한 신호에 따라 상기 이득과 상기 차단 주파수를 재구성할 수 있으며,
    상기 바이오 센서 신호 검출 회로는
    차동 전압 신호, 단일단 신호 및 차동 전류 신호를 제공받고, 제공된 신호에 따라 재구성되고,
    상기 차동 전압 신호, 상기 단일단 신호가 제공되면, 상기 바이오 센서 신호 검출 회로는 입력 신호가
    저잡음 증폭기와,
    상기 저잡음 증폭기의 입력에 연결된 입력 초핑 회로와,
    상기 저잡음 증폭기의 출력에 연결된 출력 초핑 회로 및
    상기 입력 초핑 회로 및 상기 출력 초핑 회로에 의하여 형성된 초퍼 스파이크를 제거하는 필터를 포함하는 신호 처리 경로를 거치도록 재구성되는 바이오 센서 신호 검출 회로.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제9항에 있어서,
    상기 차동 전류 신호가 제공되면, 상기 바이오 센서는 입력 신호가
    상기 프로그래머블 이득 증폭기와,
    상기 프로그래머블 필터를 포함하는 신호 처리 경로를 거치도록 재구성되는 바이오 센서 신호 검출 회로.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 차동 전압 신호는 심전도(ECG) 신호, 뇌파(EEG) 신호, 근전도(EMG) 신호 중 어느 하나이고,
    상기 차동 전류 신호는 체지방에 상응하는 신호이며,
    상기 단일단 신호는 혈류량(PPG) 신호를 포함하는 신호 중 하나인 바이오 센서 신호 검출 회로.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 바이오 센서 신호 검출 회로는,
    전원 노이즈를 제거하는 노치 필터(notch filter)를 더 포함하는 바이오 센서 신호 검출 회로.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 바이오 센서 신호 검출 회로는,
    상기 바이오 센서가 검출한 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환기를 더 포함하는 바이오 센서 신호 검출 회로.
  16. 검출 대상인 타겟에 대한 거친 검출(rough detection)을 수행하는 제1 검출부와 상기 거친 검출의 결과보다 높은 해상도로 상기 타겟에 대한 검출을 수행하는 제2 검출부를 포함하는 환경 센서 신호 검출 회로 및
    바이오 센서와 연결되어 상기 바이오 센서가 출력한 신호를 제공받는 바이오 센서 신호 검출회로로, 프로그래머블 이득 증폭기(programmable gain amp)와, 차단 주파수를 제어할 수 있는 프로그래머블 필터(programmable filter)를 포함하며 상기 바이오 센서가 검출한 신호에 따라 상기 이득과 상기 차단 주파수를 재구성할 수 있으며,
    상기 바이오 센서 신호 검출 회로는
    차동 전압 신호, 단일단 신호 및 차동 전류 신호를 제공받고, 제공된 신호에 따라 재구성되고,
    상기 차동 전압 신호, 상기 단일단 신호가 제공되면, 상기 바이오 센서 신호 검출 회로는 입력 신호가
    저잡음 증폭기와,
    상기 저잡음 증폭기의 입력에 연결된 입력 초핑 회로와,
    상기 저잡음 증폭기의 출력에 연결된 출력 초핑 회로 및
    상기 입력 초핑 회로 및 상기 출력 초핑 회로에 의하여 형성된 초퍼 스파이크를 제거하는 필터를 포함하는 신호 처리 경로를 거치도록 재구성되는 이종 센서 인터페이스.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 환경 센서 신호 검출 회로는,
    실시간 모니터링시 상기 거친 검출을 수행하여 전력 소모를 절감하는 이종 센서 인터페이스.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 이종 센서 인터페이스는
    상기 환경 센서 신호 검출 회로가 출력한 신호와, 바이오 센서 신호 검출 회로가 출력한 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환기 및
    디지털로 변환된 신호를 미리 정해진 통신 플로토콜을 이용하여 외부에 제공하는 통신부를 포함하는 이종 센서 인터페이스.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 통신부는,
    상기 디지털로 변환된 신호를 무선으로 외부에 제공하는 무선 통신 모듈인 이종 센서 인터페이스.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 이종 센서 인터페이스는 차량(vehicle) 내에 위치하여,
    상기 차량 내의 환경 정보 및 차량 탑승자의 생체 정보를 제공받는 이종 센서 인터페이스.
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