KR102515754B1 - Material sensing electronic circuit system and wearable device including the same - Google Patents

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Abstract

물질감지 전자회로 시스템은 센서회로, 증폭회로, 제1 아날로그디지털 변환회로, 및 제어회로를 포함한다. 상기 센서회로는 입력전극, 출력전극, 제어전극, 및 채널층을 포함하는 트랜지스터를 포함하고, 상기 채널층은 그래핀을 포함한다. 상기 증폭회로는 상기 센서회로에서 전류를 수신하고, 상기 전류를 증폭한다. 상기 제1 아날로그디지털 변환회로는 상기 증폭회로에서 수신한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변경한다. 상기 제어회로는 상기 제1 아날로그디지털 변환회로에서 상기 디지털 신호를 수신하며, 상기 디지털 신호를 캘리브레이션 하기 위해 피드백 신호를 생성한다. 상기 제어회로는 상기 디지털 신호의 변화를 측정하며, 상기 제어회로는 상기 디지털 신호의 상기 변화에 근거하여 상기 채널층에 접촉하는 물질의 종류를 판단한다.The material sensing electronic circuit system includes a sensor circuit, an amplifier circuit, a first analog-to-digital conversion circuit, and a control circuit. The sensor circuit includes a transistor including an input electrode, an output electrode, a control electrode, and a channel layer, and the channel layer includes graphene. The amplifier circuit receives current from the sensor circuit and amplifies the current. The first analog-to-digital conversion circuit converts the analog signal received by the amplifier circuit into a digital signal. The control circuit receives the digital signal from the first analog-to-digital conversion circuit and generates a feedback signal to calibrate the digital signal. The control circuit measures a change in the digital signal, and the control circuit determines the type of material contacting the channel layer based on the change in the digital signal.

Description

물질감지 전자회로 시스템 및 이를 포함하는 웨어러블 디바이스{MATERIAL SENSING ELECTRONIC CIRCUIT SYSTEM AND WEARABLE DEVICE INCLUDING THE SAME}Material sensing electronic circuit system and wearable device including the same

본 발명은 물질감지 전자회로 시스템 및 이를 포함하는 웨어러블 디바이스에 대한 것으로, 구체적으로 그래핀(graphene) 기반 FET(field effect transistor)을 포함하는 물질감지 전자회로 시스템 및 웨어러블 디바이스에 대한 것이다.The present invention relates to a material sensing electronic circuit system and a wearable device including the same, and more specifically, to a material sensing electronic circuit system including a graphene-based field effect transistor (FET) and a wearable device.

환경대기 중 휘발성유기화합물(volatile organic components, VOC)은 대부분　ppb　수준의 낮은 농도로 존재하지만,　환경관리 측면에서 이들 물질의 중요성은 매우 크다. VOCs　중 반응성이　강한 물질들은 지표면 오존생성 및 광화학 스모그 발생의 전구물질로 작용하며,　반응성이 낮은 물질들은 대기 중에 오랫동안 존재하여 성층권의 오존층 파괴와 지구온난화에 관여하기도 한다.　특히 벤젠과 같이 역치가 없는 발암성 물질에 대한 상시관측과 관리의 필요성은 더욱 강조되고 있다.　Most of the volatile organic components (VOCs) in the environmental atmosphere exist in low concentrations of 　ppb　 level, but 　the importance of these substances in terms of environmental management is very great. Among VOCs, highly reactive substances act as precursors for ground surface ozone generation and photochemical smog generation, and low-reactive substances exist in the atmosphere for a long time and are involved in stratospheric ozone layer destruction and global warming. In particular, the need for constant monitoring and management of carcinogenic substances without a threshold, such as benzene, is being emphasized.

유해성　VOCs(hazardous VOCs, HVOCs)에는 벤젠, 뷰타디엔과 같은 발암성 물질이 다수 포함되어 있어 위해성 평가 측면에서 이들 물질의 농도수준과 농도변화 추세를 파악하는 것은 매우 중요한 과제이다.　환경대기 중　VOCs　측정은 여러 가지 방법이 있으나, 현재 많이 사용되는 방법으로는　GC/FID(flame ionization detector)　분석법, GC/PID(photoionization detector)　분석법, 및 GC/MS(mass spectroscopy)　분석법 등이 있다.Hazardous VOCs (hazardous VOCs, HVOCs) contain many carcinogenic substances such as benzene and butadiene, so it is a very important task to identify the concentration level and concentration change trend of these substances in terms of risk assessment. There are many methods for measuring VOCs in the environmental atmosphere, but the currently widely used methods include the “GC/FID (flame ionization detector)” analysis method, the GC/PID (photoionization detector) “analysis method, and the GC/MS (mass spectroscopy)” analysis method. .

한편, 최근 그래핀 기반 FET(G-fet)이 개발되고 있으나, 이를 전자회로 시스템에 실장시키는 것에 대해서는 신뢰도 문제 등에 의해 활발히 적용되지 않고 있다.Meanwhile, although a graphene-based FET (G-fet) has been recently developed, mounting it in an electronic circuit system has not been actively applied due to reliability problems and the like.

본 발명은 최근 그래핀 기반 FET(G-fet)을 이용하여 화학가스 또는 생체분자 등과 같은 물질을 감지할 수 있는 물질감지 전자회로 시스템 및 웨어러블 디바이스를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a material sensing electronic circuit system and a wearable device capable of sensing materials such as chemical gases or biomolecules using a recent graphene-based FET (G-fet).

본 발명의 일 실시예에 따른 물질감지 전자회로 시스템은 센서회로, 증폭회로, 제1 아날로그디지털 변환회로, 및 제어회로를 포함할 수 있다. 상기 센서회로는 입력전극, 출력전극, 제어전극, 및 채널층을 포함하는 트랜지스터를 포함하고, 상기 채널층은 그래핀을 포함할 수 있다. 상기 증폭회로는 상기 센서회로에서 전류를 수신하고, 상기 전류를 증폭할 수 있다. 상기 제1 아날로그디지털 변환회로는 상기 증폭회로에서 수신한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변경할 수 있다. 상기 제어회로는 상기 제1 아날로그디지털 변환회로에서 상기 디지털 신호를 수신하며, 상기 디지털 신호를 캘리브레이션 하기 위해 피드백 신호를 생성할 수 있다. A material sensing electronic circuit system according to an embodiment of the present invention may include a sensor circuit, an amplifier circuit, a first analog-to-digital conversion circuit, and a control circuit. The sensor circuit includes a transistor including an input electrode, an output electrode, a control electrode, and a channel layer, and the channel layer may include graphene. The amplifier circuit may receive current from the sensor circuit and amplify the current. The first analog-to-digital conversion circuit may convert the analog signal received by the amplifier circuit into a digital signal. The control circuit may receive the digital signal from the first analog-to-digital conversion circuit and generate a feedback signal to calibrate the digital signal.

상기 제어회로는 상기 디지털 신호의 변화를 측정할 수 있다. 상기 디지털 신호의 단위 시간당 변화량이 제1 값인 경우, 상기 제어회로는 상기 채널층에 제1 물질이 결합되었다고 판단할 수 있다. 상기 디지털 신호의 상기 단위 시간당 변화량이 상기 제1 값과 다른 제2 값인 경우, 상기 제어회로는 상기 채널층에 상기 제1 물질과 다른 제2 물질이 결합되었다고 판단할 수 있다.The control circuit may measure a change in the digital signal. When the change amount per unit time of the digital signal is a first value, the control circuit may determine that a first material is coupled to the channel layer. When the change amount per unit time of the digital signal is a second value different from the first value, the control circuit may determine that a second material different from the first material is combined with the channel layer.

본 발명의 일 실시예에 따른 물질감지 전자회로 시스템은 주변환경측정센서를 더 포함할 수 있다. 상기 제어회로는 상기 주변환경측정센서에서 측정한 온도값 및 습도값 중 적어도 어느 하나를 고려하여 상기 피드백 신호의 값을 결정할 수 있다.A material sensing electronic circuit system according to an embodiment of the present invention may further include an ambient environment measurement sensor. The control circuit may determine the value of the feedback signal in consideration of at least one of a temperature value and a humidity value measured by the ambient environment measuring sensor.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 증폭회로는 전류 적분기, 제1 증폭기, 로우패스필터, 및 제2 증폭기를 포함할 수 있다. 상기 전류 적분기는 상기 센서회로에서 상기 전류를 수신하여 전압값으로 출력할 수 있다. 상기 제1 증폭기는 상기 전류 적분기의 출력을 수신하고, 수신된 신호 중 일부를 샘플링하고, 상기 샘플링 신호의 레벨을 소정의 시간동안 유지할 수 있다. 상기 로우패스필터는 상기 제1 증폭기의 출력을 수신하고, 수신된 신호 중 고주파부분을 제거할 수 있다. 상기 제2 증폭기는 상기 로우패스필터의 출력을 수신하고, 수신된 신호를 증폭시킬 수 있다.In one embodiment of the present invention, the amplifier circuit may include a current integrator, a first amplifier, a low pass filter, and a second amplifier. The current integrator may receive the current from the sensor circuit and output it as a voltage value. The first amplifier may receive an output of the current integrator, sample a portion of the received signal, and maintain the level of the sampling signal for a predetermined time. The low pass filter may receive the output of the first amplifier and remove a high frequency part from the received signal. The second amplifier may receive the output of the low pass filter and amplify the received signal.

본 발명의 일 실시예에 따른 물질감지 전자회로 시스템은 상기 제어회로의 상기 피드백 신호를 수신하는 제2 아날로그디지털 변환회로를 더 포함할 수 있다. 상기 제2 아날로그디지털 변환회로의 출력은 상기 제1 증폭기에 제공될 수 있다.A material sensing electronic circuit system according to an embodiment of the present invention may further include a second analog-to-digital conversion circuit receiving the feedback signal of the control circuit. An output of the second analog-to-digital conversion circuit may be provided to the first amplifier.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 제어회로는 상기 피드백 신호를 상기 로우패스필터에 제공할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the control circuit may provide the feedback signal to the low pass filter.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 제어회로는 상기 피드백 신호를 상기 제2 증폭기에 제공할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the control circuit may provide the feedback signal to the second amplifier.

본 발명의 일 실시예에 따른 물질감지 전자회로 시스템은 센서회로, 증폭회로, 제1 아날로그디지털 변환회로, 및 제어회로를 포함할 수 있다. 상기 센서회로는 입력전극, 출력전극, 제어전극, 및 채널층을 포함하는 트랜지스터를 포함하고, 상기 채널층은 그래핀을 포함할 수 있다. 상기 증폭회로는 상기 센서회로에서 전류를 수신하고, 상기 전류를 증폭할 수 있다. 상기 제1 아날로그디지털 변환회로는 상기 증폭회로에서 수신한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변경할 수 있다. 상기 제어회로는 상기 제1 아날로그디지털 변환회로에서 상기 디지털 신호를 수신하며, 상기 디지털 신호를 캘리브레이션 하기 위해 피드백 신호를 생성할 수 있다. 상기 제어회로는 상기 디지털 신호의 변화를 측정하며, 상기 제어회로는 상기 디지털 신호의 상기 변화에 근거하여 상기 채널층에 접촉하는 물질의 종류를 판단할 수 있다.A material sensing electronic circuit system according to an embodiment of the present invention may include a sensor circuit, an amplifier circuit, a first analog-to-digital conversion circuit, and a control circuit. The sensor circuit includes a transistor including an input electrode, an output electrode, a control electrode, and a channel layer, and the channel layer may include graphene. The amplifier circuit may receive current from the sensor circuit and amplify the current. The first analog-to-digital conversion circuit may convert the analog signal received by the amplifier circuit into a digital signal. The control circuit may receive the digital signal from the first analog-to-digital conversion circuit and generate a feedback signal to calibrate the digital signal. The control circuit measures a change in the digital signal, and the control circuit can determine the type of material contacting the channel layer based on the change in the digital signal.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 디지털 신호의 상기 변화는 단위 시간당 상기 디지털 신호값의 변화량일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the change of the digital signal may be a change amount of the digital signal value per unit time.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 디지털 신호의 상기 변화는 단위 시간당 상기 디지털 신호값의 변화량에 대한 변화율일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the change of the digital signal may be a change rate of the change amount of the digital signal value per unit time.

본 발명의 일 실시예에 따른 웨어러블 디바이스는 하우징 및 물질감지 전자회로 시스템을 포함할 수 있다. 상기 물질감지 전자회로 시스템은 상기 하우징에 실장될 수 있다. A wearable device according to an embodiment of the present invention may include a housing and a material sensing electronic circuit system. The material sensing electronic circuit system may be mounted on the housing.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 높은 정확도로 화학가스 또는 생체분자를 감지할 수 있는 물질감지 전자회로 시스템 및 웨어러블 디바이스를 제공할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, it is possible to provide a substance sensing electronic circuit system and a wearable device capable of detecting chemical gases or biomolecules with high accuracy.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 그래핀 기반 FET(G-fet)의 공정편차에 따른 낮은 신뢰도를 보완할 수 있는 물질감지 전자회로 시스템 및 웨어러블 디바이스를 제공할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, it is possible to provide a material sensing electronic circuit system and a wearable device capable of compensating for low reliability due to process variation of a graphene-based FET (G-fet).

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 물질감지 전자회로 시스템을 예시적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 기반 FET을 예시적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 물질감지 전자회로 시스템을 예시적으로 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 물질감지 전자회로 시스템을 예시적으로 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 웨어러블 디바이스를 착용한 사용자를 예시적으로 도시한 것이다.1 illustrates a material sensing electronic circuit system according to an exemplary embodiment of the present invention.
2 exemplarily illustrates a graphene-based FET according to an embodiment of the present invention.
3 illustrates a material sensing electronic circuit system according to an exemplary embodiment of the present invention.
4 exemplarily illustrates a material sensing electronic circuit system according to an embodiment of the present invention.
5 illustrates a user wearing a wearable device according to an embodiment of the present invention by way of example.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

도면들에 있어서, 구성요소들의 비율 및 치수는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. "및/또는"은 연관된 구성들이 정의할 수 있는 하나 이상의 조합을 모두 포함한다.In the drawings, proportions and dimensions of components are exaggerated for effective description of technical content. “And/or” includes any combination of one or more that the associated elements may define.

"포함하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 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.The term "includes" is intended to indicate that there are features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but one or more other features, numbers, steps, operations, or configurations. It should be understood that it does not preclude the possibility of the presence or addition of elements, parts or combinations thereof.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 물질감지 전자회로 시스템(MSC)을 예시적으로 도시한 것이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 트랜지스터(TR)를 예시적으로 도시한 것이다.1 illustrates a material sensing electronic circuit system (MSC) according to an exemplary embodiment of the present invention. 2 exemplarily illustrates a transistor TR according to an embodiment of the present invention.

전자회로 시스템(MSC)은 센서회로(SC), 증폭회로(AMC), 제1 아날로그디지털 변환회로(ADC1), 주변환경측정센서(ESC), 제어회로(CC), 및 제2 아날로그디지털 변환회로(ADC2)를 포함할 수 있다.The electronic circuit system (MSC) includes a sensor circuit (SC), an amplifier circuit (AMC), a first analog-to-digital conversion circuit (ADC1), an ambient environment measurement sensor (ESC), a control circuit (CC), and a second analog-to-digital conversion circuit. (ADC2).

센서회로(SC)는 외부의 화학가스 또는 생체분자를 감지하기 위한 부분일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 센서회로(SC)는 하우징(미도시) 내부에 배치될 수 있으며, 하우징(미도시)을 통해 유입된 화학가스 또는 생체분자를 감지할 수 있다.The sensor circuit SC may be a part for sensing external chemical gas or biomolecules. In one embodiment of the present invention, the sensor circuit (SC) may be disposed inside the housing (not shown), and can detect chemical gases or biomolecules introduced through the housing (not shown).

센서회로(SC)는 트랜지스터(TR), 바이어스 전압 제공회로(BVC), 및 멀티플렉서(MUX)를 포함할 수 있다.The sensor circuit SC may include a transistor TR, a bias voltage providing circuit BVC, and a multiplexer MUX.

도 2를 참조하면, 트랜지스터(TR)는 입력전극(IE), 출력전극(OE), 제어전극(CE), 및 채널층(CL)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2 , the transistor TR may include an input electrode IE, an output electrode OE, a control electrode CE, and a channel layer CL.

입력전극(IE) 및 출력전극(OE) 중 어느 하나는 소스전극이고 다른 하나는 드레인전극이며, 제어전극(CE)은 게이트전극 일 수 있다.One of the input electrode IE and the output electrode OE may be a source electrode and the other may be a drain electrode, and the control electrode CE may be a gate electrode.

채널층(CL)은 그래핀(graphene)을 포함할 수 있다. 그래핀(graphene)은 외부의 화학가스 또는 생체분자와 접촉할 수 있다. 그래핀이 화학가스 또는 생체분자와 접촉하는 경우, 그래핀이 가지는 저항값이 변할 수 있다.The channel layer CL may include graphene. Graphene can come into contact with external chemical gases or biomolecules. When graphene is in contact with a chemical gas or biomolecule, the resistance value of graphene may change.

제어전극(CE) 및 채널층(CL) 사이에는 절연층(ISL)이 배치될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 절연층(ISL)은 이산화규소를 포함할 수 있다.An insulating layer ISL may be disposed between the control electrode CE and the channel layer CL. In one embodiment of the present invention, the insulating layer ISL may include silicon dioxide.

본 발명의 일 실시예에서, 트랜지스터(TR)는 그래핀(graphene) 기반 FET(field effect transistor, G-fet) 일 수 있으며, 트랜지스터(TR)가 가지는 구조는 도 2에 개시된 구조에 한정되지 않는다.In one embodiment of the present invention, the transistor TR may be a graphene-based field effect transistor (FET), and the structure of the transistor TR is not limited to the structure shown in FIG. 2 .

본 발명의 일 실시예에서, 트랜지스터(TR)는 복수개로 제공될 수 있으나, 편의상 도 1에서는 1개의 트랜지스터(TR)만 도시하였다.In one embodiment of the present invention, a plurality of transistors TR may be provided, but for convenience, only one transistor TR is shown in FIG. 1 .

바이어스 전압 제공회로(BVC)는 트랜지스터(TR)의 제어전극(CE)에 일정한 바이어스 전압을 제공할 수 있다. The bias voltage providing circuit BVC may provide a constant bias voltage to the control electrode CE of the transistor TR.

멀티플렉서(MUX)는 트랜지스터(TR)가 복수개가 존재할 때, 복수의 트랜지스터들(TR) 중 전류를 감지할 특정 트랜지스터(TR)를 선택할 수 있다. When there are a plurality of transistors TR, the multiplexer MUX may select a specific transistor TR to sense current from among the plurality of transistors TR.

증폭회로(AMC)는 센서회로(SC)에서 전류를 수신하여 증폭할 수 있다. The amplifier circuit AMC may receive and amplify the current from the sensor circuit SC.

본 발명의 일 실시예에서, 증폭회로(AMC)는 전류 적분기(CI), 제1 증폭기(AMP1), 로우패스필터(LPF), 및 제2 증폭기(AMP2)를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the amplifier circuit AMC may include a current integrator CI, a first amplifier AMP1, a low pass filter LPF, and a second amplifier AMP2.

전류 적분기(CI)는 상기 센서회로에서 전류를 수신하여 전압값으로 출력할 수 있다. 전류 적분기(CI)는 수신한 전류를 클럭 신호(CLK)에 연동하여 전압값으로 변동함으로써, 전력소모량을 낮추고, 감지 정확성을 높일 수 있다.The current integrator CI may receive current from the sensor circuit and output it as a voltage value. The current integrator CI changes the received current into a voltage value in association with the clock signal CLK, thereby reducing power consumption and increasing sensing accuracy.

제1 증폭기는 전류 적분기(CI)의 출력을 수신하여 수신된 신호 중 안정된 값을 샘플링하고, 클럭 신호(CLK)에 따라서 샘플링한 신호의 레벨을 소정의 시간동안 유지할 수 있다. 즉, 제1 증폭기는 sample-hold amplifier 일 수 있다.The first amplifier may receive the output of the current integrator (CI), sample a stable value among the received signals, and maintain the level of the sampled signal for a predetermined time according to the clock signal (CLK). That is, the first amplifier may be a sample-hold amplifier.

로우패스필터(LPF)는 제1 증폭기(AMP1)의 출력을 수신하고, 수신된 신호 중 고주파 부분을 제거할 수 있다. 즉, 로우패스필터(LPF)는 제1 증폭기(AMP1)의 출력의 노이즈를 제거하여, 센싱의 정확도를 향상시킬 수 있다.The low pass filter LPF may receive the output of the first amplifier AMP1 and remove a high frequency part from the received signal. That is, the low-pass filter (LPF) can improve the accuracy of sensing by removing the noise of the output of the first amplifier (AMP1).

제2 증폭기(AMP2)는 로우패스필터(LPF)의 출력을 수신하고, 수신된 신호를 증폭시킬 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 제2 증폭기(AMP2)의 증폭배율은 0.1배 내지 100배 일 수 있으며, 이에 따라 센싱범위를 확장하여 센싱의 정확도를 향상시킬 수 있다.The second amplifier AMP2 may receive the output of the low pass filter LPF and amplify the received signal. In one embodiment of the present invention, the amplification factor of the second amplifier AMP2 may be 0.1 to 100 times, and accordingly, sensing accuracy may be improved by extending a sensing range.

제1 아날로그디지털 변환회로(ADC1)는 상기 증폭회로에서 수신한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변경할 수 있다. The first analog-to-digital conversion circuit ADC1 may convert the analog signal received from the amplifier circuit into a digital signal.

본 발명의 일 실시예에서, 제1 아날로그디지털 변환회로(ADC1)은 SAR Type(축차비교형)의 Analog to Digital Converter로, 아날로그 신호를 디지털 신호(이진코드)로 변환하여, 이를 제어회로(CC)에 제공할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the first analog-to-digital conversion circuit (ADC1) is a SAR type (sequential comparison type) analog to digital converter, converts an analog signal into a digital signal (binary code), and converts it into a control circuit (CC ) can be provided.

전류 적분기(CI), 제1 증폭기(AMP1), 로우패스필터(LPF), 제2 증폭기(AMP2), 및 제1 아날로그디지털 변환회로(ADC1)는 전원부(PW)로부터 전력을 제공받을 수 있다. 전원부(PW)는 외부로부터 받은 전력이 가지는 레벨을 조절하고, 조절한 전력을 전류 적분기(CI), 제1 증폭기(AMP1), 로우패스필터(LPF), 제2 증폭기(AMP2), 및 제1 아날로그디지털 변환회로(ADC1)에 제공할 수 있다.The current integrator CI, the first amplifier AMP1, the low pass filter LPF, the second amplifier AMP2, and the first analog-to-digital conversion circuit ADC1 may receive power from the power supply unit PW. The power supply unit (PW) adjusts the level of the power received from the outside, and converts the adjusted power to the current integrator (CI), the first amplifier (AMP1), the low pass filter (LPF), the second amplifier (AMP2), and the first It can be provided to the analog-to-digital conversion circuit (ADC1).

전류 적분기(CI), 제1 증폭기(AMP1), 로우패스필터(LPF), 제2 증폭기(AMP2), 및 제1 아날로그디지털 변환회로(ADC1)는 바이어스 생성부(BG)로부터 바이어스 전압을 제공받을 수 있다. 바이어스 생성부(BG)는 각 회로의 기준입력전압, 공통입력전압(Vcom), 또는 제어전압 등을 생성할 수 있다.The current integrator (CI), the first amplifier (AMP1), the low pass filter (LPF), the second amplifier (AMP2), and the first analog-to-digital conversion circuit (ADC1) receive a bias voltage from the bias generator (BG). can The bias generator BG may generate a reference input voltage, a common input voltage Vcom, or a control voltage of each circuit.

전류 적분기(CI), 제1 증폭기(AMP1), 로우패스필터(LPF), 제2 증폭기(AMP2), 및 제1 아날로그디지털 변환회로(ADC1)는 클럭 생성부(CG)로부터 클럭 신호(CLK)를 제공받을 수 있다. 클럭 생성부(CG)는 외부의 오실레이터에서 기준 클럭 신호를 수신하고, 가변 가능한 동작 클럭 신호를 발생시켜서, 전류 적분기(CI), 제1 증폭기(AMP1), 로우패스필터(LPF), 제2 증폭기(AMP2), 및 제1 아날로그디지털 변환회로(ADC1)에 제공할 수 있다.The current integrator (CI), the first amplifier (AMP1), the low pass filter (LPF), the second amplifier (AMP2), and the first analog-to-digital conversion circuit (ADC1) generate the clock signal (CLK) from the clock generator (CG). can be provided. The clock generation unit (CG) receives a reference clock signal from an external oscillator and generates a variable operating clock signal to generate a current integrator (CI), a first amplifier (AMP1), a low pass filter (LPF), and a second amplifier. (AMP2), and the first analog-to-digital conversion circuit (ADC1).

주변환경측정센서(ESC)는 온도 센서 및 습도 센서 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 주변환경측정센서(ESC)는 주변의 온도 및 습도 중 적어도 어느 하나를 측정하여, 측정한 데이터 신호를 제어회로(CC)에 제공할 수 있다.The environmental measurement sensor (ESC) may include at least one of a temperature sensor and a humidity sensor. The ambient environment measurement sensor (ESC) may measure at least one of ambient temperature and humidity and provide a measured data signal to the control circuit (CC).

제어회로(CC)는 제1 아날로그디지털 변환회로(ADC1)에서 수신한 디지털 신호 및 주변환경측정센서(ESC)에서 수신한 데이터 신호를 이용하여, 제1 아날로그디지털 변환회로(ADC1)에서 출력하는 디지털 신호를 캘리브레이션 하기 위한 피드백 신호를 생성할 수 있다. 이와 같이, 피드백 신호를 통한 캘리브레이션을 진행하여, 그래핀 기반 FET(G-fet)의 공정편차에 따른 낮은 신뢰도를 보완할 수 있다.The control circuit (CC) uses the digital signal received from the first analog-to-digital conversion circuit (ADC1) and the data signal received from the surrounding environment measurement sensor (ESC) to output digital signals from the first analog-to-digital conversion circuit (ADC1). A feedback signal for calibrating the signal may be generated. In this way, by performing calibration through the feedback signal, low reliability due to process deviation of the graphene-based FET (G-fet) can be compensated for.

제2 아날로그디지털 변환회로(ADC2)는 제어회로(CC)에서 피드백 신호를 수신하여, 수신한 아날로그 형태의 피드백 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 이와 같이 변환된 디지털 신호는 제1 증폭기(AMP1)에 제공될 수 있다.The second analog-to-digital conversion circuit ADC2 may receive a feedback signal from the control circuit CC and convert the received analog feedback signal into a digital signal. The digital signal converted in this way may be provided to the first amplifier AMP1.

제어회로(CC)는 제1 아날로그디지털 변환회로(ADC1)에서 출력되는 디지털 신호의 변화를 측정하며, 이에 근거하여 트랜지스터(TR)의 채널층(CL)에 접촉하는 물질의 종류를 판단할 수 있다.The control circuit (CC) measures the change in the digital signal output from the first analog-to-digital conversion circuit (ADC1), and based on this, the type of material contacting the channel layer (CL) of the transistor (TR) can be determined. .

본 발명의 일 실시예에서, 상기 디지털 신호의 변화는 단위 시간당 상기 디지털 신호값의 변화량일 수 있다. 이 경우, 단위 시간당 상기 디지털 신호값의 변화량이 제1 값인 경우, 제어회로(CC)는 채널층(CL)에 제1 물질이 결합되었다고 판단할 수 있다. 그리고, 단위 시간당 상기 디지털 신호값의 변화량이 제1값과 다른 제2 값인 경우, 제어회로(CC)는 채널층(CL)에 제1 물질과 다른 제2 물질이 결합되었다고 판단할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the change of the digital signal may be a change amount of the digital signal value per unit time. In this case, when the change amount of the digital signal value per unit time is the first value, the control circuit CC may determine that the first material is coupled to the channel layer CL. Also, when the change amount of the digital signal value per unit time is a second value different from the first value, the control circuit CC may determine that a second material different from the first material is coupled to the channel layer CL.

이를 그래프 관점에서 살펴보면, X축을 시간, Y축을 제1 아날로그디지털 변환회로(ADC1)에서 출력되는 디지털 신호값이라 할 때, 상기 디지털 신호의 변화는 그래프의 기울기 값에 해당할 수 있다. 이 경우, 그래프의 기울기 값이 제1 값인 경우, 제어회로(CC)는 채널층(CL)에 제1 물질이 결합되었다고 판단할 수 있다. 그리고, 그래프의 기울기 값이 제1값과 다른 제2 값인 경우, 제어회로(CC)는 채널층(CL)에 제1 물질과 다른 제2 물질이 결합되었다고 판단할 수 있다.Looking at this from a graph point of view, when the X-axis is time and the Y-axis is the digital signal value output from the first analog-to-digital conversion circuit (ADC1), the change in the digital signal may correspond to the slope value of the graph. In this case, when the slope of the graph is the first value, the control circuit CC may determine that the first material is coupled to the channel layer CL. Also, when the slope value of the graph is a second value different from the first value, the control circuit CC may determine that a second material different from the first material is coupled to the channel layer CL.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 디지털 신호의 변화는 단위 시간당 상기 디지털 신호값의 변화량에 대한 변화율일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the change of the digital signal may be a change rate of the change amount of the digital signal value per unit time.

이를 그래프 관점에서 살펴보면, X축을 시간, Y축을 제1 아날로그디지털 변환회로(ADC1)에서 출력되는 디지털 신호값이라 할 때, 상기 디지털 신호의 변화는 그래프의 기울기 값의 변화율일 수 있다. 즉, 상기 디지털 신호의 변화는 상기 디지털 신호값의 변화량에 대한 가속도값에 해당할 수 있다.Looking at this from a graph point of view, when the X-axis is time and the Y-axis is the digital signal value output from the first analog-to-digital conversion circuit (ADC1), the change in the digital signal may be the change rate of the slope value of the graph. That is, the change of the digital signal may correspond to an acceleration value for the change amount of the digital signal value.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 물질감지 전자회로 시스템(MSC-1)을 예시적으로 도시한 것이다.3 illustrates a material sensing electronic circuit system (MSC-1) according to an exemplary embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에서, 물질감지 전자회로 시스템(MSC-1)의 제어회로(CC)는 피드백 신호를 로우패스필터(LPF)에 제공할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the control circuit (CC) of the material sensing electronic circuit system (MSC-1) may provide a feedback signal to the low pass filter (LPF).

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 물질감지 전자회로 시스템(MSC-2)을 예시적으로 도시한 것이다.4 illustrates a material sensing electronic circuit system (MSC-2) according to an exemplary embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에서, 물질감지 전자회로 시스템(MSC-2)의 제어회로(CC)는 피드백 신호를 제2 증폭기(AMP2)에 제공할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the control circuit (CC) of the material sensing electronic circuit system (MSC-2) may provide a feedback signal to the second amplifier (AMP2).

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 웨어러블 디바이스(WD1, WD2, WD3)를 착용한 사용자를 예시적으로 도시한 것이다.5 illustrates a user wearing wearable devices WD1, WD2, and WD3 according to an embodiment of the present invention.

도 5에서는 웨어러블 디바이스(WD1, WD2, WD3)의 예시로, 스마트 안경(WD1), 스마트 시계(WD2), 및 스마트 벨트(WD3)를 도시하였으나, 이에 제한되지 않는다.5 illustrates smart glasses WD1, a smart watch WD2, and a smart belt WD3 as examples of the wearable devices WD1, WD2, and WD3, but are not limited thereto.

웨어러블 디바이스(WD1, WD2, WD3)는 하우징 및 상기 하우징에 실장된 전자회로 시스템(MSC, MSC-1, MSC-2)를 포함할 수 있다.The wearable devices WD1, WD2, and WD3 may include housings and electronic circuit systems MSC, MSC-1, and MSC-2 mounted on the housings.

실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 또한 본 발명에 개시된 실시 예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니고, 하기의 특허 청구의 범위 및 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.Although described with reference to the examples, those skilled in the art can understand that the present invention can be variously modified and changed without departing from the spirit and scope of the present invention described in the claims below. There will be. In addition, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical idea of the present invention, and all technical ideas within the scope of the following claims and their equivalents should be construed as being included in the scope of the present invention. .

MSC: 물질감지 전자회로 시스템
SC: 센서회로
AMC: 증폭회로
ADC1: 제1 아날로그디지털 변환회로
CC: 제어회로
ESC: 주변환경측정센서
ADC2: 제2 아날로그디지털 변화회로
CI: 전류 적분기
AMP1: 제1 증폭기
LPF: 로우패스필터
AMP2: 제2 증폭기MSC: Substance Detection Electronic Circuit System
SC: sensor circuit
AMC: amplifier circuit
ADC1: first analog-to-digital conversion circuit
CC: control circuit
ESC: Surrounding environment measurement sensor
ADC2: 2nd analog-to-digital conversion circuit
CI: current integrator
AMP1: first amplifier
LPF: low pass filter
AMP2: second amplifier

Claims (15)

입력전극, 출력전극, 제어전극, 및 채널층을 포함하는 트랜지스터를 포함하고, 상기 채널층은 그래핀을 포함하는 센서회로;
상기 센서회로에서 전류를 수신하고, 상기 전류를 증폭하는 증폭회로;
상기 증폭회로에서 수신한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변경하는 제1 아날로그디지털 변환회로; 및
상기 제1 아날로그디지털 변환회로에서 상기 디지털 신호를 수신하며, 상기 디지털 신호를 캘리브레이션 하기 위해 피드백 신호를 생성하는 제어회로를 포함하고,
상기 제어회로는 상기 디지털 신호의 변화를 측정하며,
상기 디지털 신호의 단위 시간당 변화량이 제1 값인 경우, 상기 제어회로는 상기 채널층에 제1 물질이 결합되었다고 판단하고,
상기 디지털 신호의 상기 단위 시간당 변화량이 상기 제1 값과 다른 제2 값인 경우, 상기 제어회로는 상기 채널층에 상기 제1 물질과 다른 제2 물질이 결합되었다고 판단하는 물질감지 전자회로 시스템.a sensor circuit including a transistor including an input electrode, an output electrode, a control electrode, and a channel layer, wherein the channel layer includes graphene;
an amplification circuit that receives current from the sensor circuit and amplifies the current;
a first analog-to-digital conversion circuit for converting the analog signal received by the amplifier circuit into a digital signal; and
A control circuit receiving the digital signal from the first analog-to-digital conversion circuit and generating a feedback signal to calibrate the digital signal;
The control circuit measures the change of the digital signal,
When the change amount per unit time of the digital signal is a first value, the control circuit determines that a first material is coupled to the channel layer;
When the change amount of the digital signal per unit time is a second value different from the first value, the control circuit determines that a second material different from the first material is coupled to the channel layer. 제1 항에 있어서,
주변환경측정센서를 더 포함하며,
상기 제어회로는 상기 주변환경측정센서에서 측정한 온도값 및 습도값 중 적어도 어느 하나를 고려하여 상기 피드백 신호의 값을 결정하는 물질감지 전자회로 시스템.According to claim 1,
Further comprising a sensor for measuring the surrounding environment,
The control circuit determines the value of the feedback signal in consideration of at least one of a temperature value and a humidity value measured by the ambient environment measurement sensor. 제1 항에 있어서,
상기 증폭회로는,
상기 센서회로에서 상기 전류를 수신하여 전압값으로 출력하는 전류 적분기;
상기 전류 적분기의 출력을 수신하고, 수신된 신호 중 일부를 샘플링하고, 상기 샘플링 신호의 레벨을 소정의 시간동안 유지하는 제1 증폭기;
상기 제1 증폭기의 출력을 수신하고, 수신된 신호 중 고주파부분을 제거하는 로우패스필터; 및
상기 로우패스필터의 출력을 수신하고, 수신된 신호를 증폭시키는 제2 증폭기를 포함하는 물질감지 전자회로 시스템.According to claim 1,
The amplifier circuit,
a current integrator receiving the current from the sensor circuit and outputting it as a voltage value;
a first amplifier that receives the output of the current integrator, samples a portion of the received signal, and maintains the level of the sampling signal for a predetermined time;
a low pass filter which receives the output of the first amplifier and removes a high frequency part of the received signal; and
and a second amplifier for receiving the output of the low pass filter and amplifying the received signal. 제3 항에 있어서,
상기 제어회로의 상기 피드백 신호를 수신하는 제2 아날로그디지털 변환회로를 더 포함하고,
상기 제2 아날로그디지털 변환회로의 출력은 상기 제1 증폭기에 제공되는 물질감지 전자회로 시스템.According to claim 3,
Further comprising a second analog-to-digital conversion circuit for receiving the feedback signal of the control circuit,
An output of the second analog-to-digital conversion circuit is provided to the first amplifier. 제3 항에 있어서,
상기 제어회로는 상기 피드백 신호를 상기 로우패스필터에 제공하는 물질감지 전자회로 시스템.According to claim 3,
The control circuit provides the feedback signal to the low pass filter. 제3 항에 있어서,
상기 제어회로는 상기 피드백 신호를 상기 제2 증폭기에 제공하는 물질감지 전자회로 시스템.According to claim 3,
The control circuit provides the feedback signal to the second amplifier. 입력전극, 출력전극, 제어전극, 및 채널층을 포함하는 트랜지스터를 포함하고, 상기 채널층은 그래핀을 포함하는 센서회로;
상기 센서회로에서 전류를 수신하고, 상기 전류를 증폭하는 증폭회로;
상기 증폭회로에서 수신한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변경하는 제1 아날로그디지털 변환회로; 및
상기 제1 아날로그디지털 변환회로에서 상기 디지털 신호를 수신하며, 상기 디지털 신호를 캘리브레이션 하기 위해 피드백 신호를 생성하는 제어회로를 포함하고,
상기 제어회로는 상기 디지털 신호의 변화를 측정하며,
상기 제어회로는 상기 디지털 신호의 상기 변화에 근거하여 상기 채널층에 접촉하는 물질의 종류를 판단하는 물질감지 전자회로 시스템.a sensor circuit including a transistor including an input electrode, an output electrode, a control electrode, and a channel layer, wherein the channel layer includes graphene;
an amplification circuit that receives current from the sensor circuit and amplifies the current;
a first analog-to-digital conversion circuit for converting the analog signal received by the amplifier circuit into a digital signal; and
A control circuit receiving the digital signal from the first analog-to-digital conversion circuit and generating a feedback signal to calibrate the digital signal;
The control circuit measures the change of the digital signal,
The control circuit determines the type of material contacting the channel layer based on the change of the digital signal. 제7 항에 있어서,
상기 디지털 신호의 상기 변화는 단위 시간당 상기 디지털 신호값의 변화량인 물질감지 전자회로 시스템.According to claim 7,
The change of the digital signal is a change amount of the digital signal value per unit time. 제7 항에 있어서,
상기 디지털 신호의 상기 변화는 단위 시간당 상기 디지털 신호값의 변화량에 대한 변화율인 물질감지 전자회로 시스템.According to claim 7,
The change of the digital signal is a rate of change relative to the amount of change of the digital signal value per unit time. 제7 항에 있어서,
주변환경측정센서를 더 포함하며,
상기 제어회로는 상기 주변환경측정센서에서 측정한 온도값 및 습도값 중 적어도 어느 하나를 고려하여 상기 피드백 신호의 값을 결정하는 물질감지 전자회로 시스템.According to claim 7,
Further comprising a sensor for measuring the surrounding environment,
The control circuit determines the value of the feedback signal in consideration of at least one of a temperature value and a humidity value measured by the ambient environment measurement sensor. 제10 항에 있어서,
상기 증폭회로는,
상기 센서회로에서 상기 전류를 수신하여 전압값으로 출력하는 전류 적분기;
상기 전류 적분기의 출력을 수신하고, 수신된 신호 중 일부를 샘플링하고, 상기 샘플링 신호의 레벨을 소정의 시간동안 유지하는 제1 증폭기;
상기 제1 증폭기의 출력을 수신하고, 수신된 신호 중 고주파부분을 제거하는 로우패스필터; 및
상기 로우패스필터의 출력을 수신하고, 수신된 신호를 증폭시키는 제2 증폭기를 포함하는 물질감지 전자회로 시스템.According to claim 10,
The amplifier circuit,
a current integrator receiving the current from the sensor circuit and outputting it as a voltage value;
a first amplifier that receives the output of the current integrator, samples a portion of the received signal, and maintains the level of the sampling signal for a predetermined time;
a low pass filter which receives the output of the first amplifier and removes a high frequency part of the received signal; and
and a second amplifier for receiving the output of the low pass filter and amplifying the received signal. 제11 항에 있어서,
상기 제어회로의 상기 피드백 신호를 수신하는 제2 아날로그디지털 변환회로를 더 포함하고,
상기 제2 아날로그디지털 변환회로의 출력은 상기 제1 증폭기에 제공되는 물질감지 전자회로 시스템.According to claim 11,
Further comprising a second analog-to-digital conversion circuit for receiving the feedback signal of the control circuit,
An output of the second analog-to-digital conversion circuit is provided to the first amplifier. 제11 항에 있어서,
상기 제어회로는 상기 피드백 신호를 상기 로우패스필터에 제공하는 물질감지 전자회로 시스템.According to claim 11,
The control circuit provides the feedback signal to the low pass filter. 제11 항에 있어서,
상기 제어회로는 상기 피드백 신호를 상기 제2 증폭기에 제공하는 물질감지 전자회로 시스템.According to claim 11,
The control circuit provides the feedback signal to the second amplifier. 하우징; 및
상기 하우징에 실장된 물질감지 전자회로 시스템을 포함하고, 상기 물질감지 전자회로 시스템은,
입력전극, 출력전극, 제어전극, 및 채널층을 포함하는 트랜지스터를 포함하고, 상기 채널층은 그래핀을 포함하는 센서회로;
상기 센서회로에서 전류를 수신하여 증폭하는 증폭회로;
상기 증폭회로에서 수신한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변경하는 제1 아날로그디지털 변환회로; 및
상기 제1 아날로그디지털 변환회로에서 상기 디지털 신호를 수신하며, 상기 디지털 신호를 캘리브레이션 하기 위해 피드백 신호를 상기 증폭회로에 제공하는 제어회로를 포함하고,
상기 제어회로는 상기 디지털 신호의 변화를 측정하며,
상기 제어회로는 상기 디지털 신호의 상기 변화에 근거하여 상기 채널층에 접촉하는 물질의 종류를 판단하는 웨어러블 디바이스.housing; and
and a material sensing electronic circuit system mounted on the housing, wherein the material sensing electronic circuit system comprises:
a sensor circuit including a transistor including an input electrode, an output electrode, a control electrode, and a channel layer, wherein the channel layer includes graphene;
an amplifier circuit receiving and amplifying the current from the sensor circuit;
a first analog-to-digital conversion circuit for converting the analog signal received by the amplifier circuit into a digital signal; and
A control circuit receiving the digital signal from the first analog-to-digital conversion circuit and providing a feedback signal to the amplifier circuit to calibrate the digital signal;
The control circuit measures the change of the digital signal,
Wherein the control circuit determines the type of material contacting the channel layer based on the change of the digital signal.
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