KR20100103537A

KR20100103537A - 비-접촉 생체 전위 감지기

Info

Publication number: KR20100103537A
Application number: KR1020107014199A
Authority: KR
Inventors: 토마스 제이. 슐리반; 거트 카우웬버그스; 스테판 알. 디스
Original assignee: 더 리전츠 오브 더 유니버시티 오브 캘리포니아
Priority date: 2007-11-28
Filing date: 2008-11-26
Publication date: 2010-09-27
Also published as: EP2214555B1; EP2214555A4; WO2009070776A1; JP5450436B2; CN101902958B; EP2214555A1; JP2011504793A; CA2706956C; US20110043225A1; CA2706956A1; US8694084B2; AU2008329623B2; AU2008329623A1; CN101902958A

Abstract

감지판, 증폭기 및 스위칭 회로를 포함한 전기 용량 감지 시스템은 개시된다. 감지판은 센체면에 전기 용량적으로 커플링된다. 신체면 상의 전위의 변화는, 감지판의 전위의 변화를 일으키는 전계를 발생시킨다. 감지판은 전계로부터 입력 신호를 발생시키는 전계에 위치한 감지 노드를 포함한다. 감지판은 신체면에 접촉되지 않는다. 증폭기는 입력 포트에서 입력 신호를 수신하고, 출력 포트에서 출력 신호를 발생시키기 위해 입력 신호를 증폭시킨다. 스위칭 회로는 입력 포트 및 기준 전압에 연결된다. 스위칭 회로는, 감지 노드에서 전압을 리셋시키기 위해, 감지 노드부터 기준 전압까지 분로 경로를 비-연속적으로 닫는다.

Description

비-접촉 생체 전위 감지기{NON-CONTACT BIOPOTENTIAL SENSOR}

본 발명은, 신체면에 직접 접촉되지 않고 신체에 의해 발생된 전기 전압 신호를 계측하기 위해, 저-노이즈(low-noise)를 가지는 비-접촉 전기 용량 감지 시스템에 관한 것이다.

관련 출원

본 출원은, 본원에서 참조로서 전체 내용이 병합되는 명칭이 "비-접촉 생체 전위 감지기"라는, 2007년 11월 28일에 출원된 미국 가출원 특허 제60/990,629호의 이익을 주장한다.

뇌파도(Electroencephalogram, EEG) 및 심전도(electrocardiogram)(ECG 또는 EKG) 감지기들은, 기관 내에 있는 세포 활동성의 결과로서, 뇌 및 심장 각각으로부터 발산되는 전계의 시간에 따른 변화 크기(time-varying magnitude)를 계측한다. 이러한 전위를 계측하는, 현재 이용되는 감지기들은 피부와 전기적으로 직접 접촉되는 것을 필요로 하는데, 이는 감지기와 피부 사이의 도전성 젤을 사용함으로써, 또는 피부를 문질름으로써, 이루어질 수 있다. 젤이 접촉 목적에 있어 우수하지만, 잠재적인 결점들이 여러 있다. 우선, 256 개의 감지기들을 사용하는 EEG 캡들(caps) 내에 젤을 적용시키는데 1 시간이 소요될 수 있다. 게다가, 젤은 털을 통하여 퍼질 수 있어서, 감지기들 사이에서 단락될 수 있고, 시간이 경과됨에 따라서 건조되기 때문에, 기록을 오래 동안 하는데 있어 매우 어렵다. ECG 감지기들은, 털이 없는 부착 영역, 즉, 면도된 부착 영역, 나아가 접촉을 우수하게 하기 위해 살짝 문지른 피부 영역을 필요로 하는 접착제를 통하여 피부에 종종 부착된다. 테스트가 완료되면, 감지기를 제거하는데, 이는 가장 불쾌하며 일반적으로 상당히 고통스럽다.

젤을 요구하지 않는 감지기를 사용하기 위한 시도가 많이 있었지만, 이들은 여전히 피부와의 접촉이 건조되는 것에 의존한다. 일반적으로, 이들 접근법은 털이 없는 신체 영역에 한정된다. 예를 들면, 미국 공개 특허 2007/0048707에서 개시된 ICAP^TM 릴리즈 미터 시스템(Release Meter System)은 ICAP 테크놀로지스(Technologies)로부터 구입가능한 소비자용 제품으로서, 이는 탄성적인 헤드밴드( headband)에 의해 사용자의 이마에 전극을 유지시키기 위해 압착되어 조정된다. 리카타 등(Licata, et al.)의 미국 특허 제6,510,333호에 개시된 하이브리드 접근법(hybrid approach)은, 젤의 직접적인 적용에 대한 필요성을 없애지만, 도전성 액체 또는 젤로 채워진 연성적인 탄성 강모들을 사용함으로써, 여전하게도 상기 젤의 도전 속성에 의존한다. 강모 패드들이 제조하기에 상대적으로 비용이 높다는 것도 단점이다.

초기에, 비-접촉 생체 전위 감지기들은 얼마 동안은 성공적이였다. 프란스(Prance) 및 그의 동료들은 저주파수에서 저-노이즈 동작(low-noise operation)을 할 수 있게 하는 저 입력-바이어스 전류 증폭기들(low input-bias current amplifiers)을 사용하여 왔다(R. J. Prance, A. Debray, T. D. Clark, H. Prance, M. Nock, C. J. Harland, 및 A. J. Clippingdale, "An ultra-low-noise electrical-potential probe for human-body scanning", Measurement Science and Technology, vol. 11, pgs. 291-297, 2000; 및 C. J. Harland, T. D. Clark 및 R. J. Prance, "Electric potential probes - new directions in the remote sensing of the human body", Measurement Science and Technology, vol. 13, pgs. 163-169, 2002. 참조). 상기와 같은 전기 용량적으로 커플링된(coupled) 전기 감지기들의 결점은, 기생 전하가 감지기 드리프트(drift) 및 입력 바이어스 오프셋 전류로 인해 축전된다는 것이다. 이 드리프트를 방해하는 일반적인 수단은 분로 저항기(shunting resistor)와 접지된 신호에 대한 도전성 경로를 포함한다. 상기와 같은 설계에 대한 문제점은 높은 값을 가지는 저항기에 있다는 것인데, 상기 저항기는 과잉 양의 열 노이즈(thermal noise)를 제공하고, 신호를 더럽히게 한다. 크룹카(Krupka)의 미국 특허 제7,088,175호는 증폭기의 입력 노드에서 전압을 연속적으로 안정화시키는 피드백 회로를 기술한다. 그러나, 상기와 같은 회로들은 노이즈가 들어갈 수도 있고, 상대적으로 높은 전력을 요구하기도 한다.

이에 따라서, 피부와 함께 접촉될 필요가 없고, 털이 없는 신체 영역을 제한하지도 않고, 나아가 드리프트, 및 종래 기술의 비-접촉 감지기들의 노이즈 문제점을 막는, 젤이 없는 비-접촉 감지기가 필요하다.

본 발명은 비-접촉 감지판을 제공하는 전기 용량 생체감지기 시스템 및 방법을 포함하고, 상기 비-접촉 감지판은 피부 표면과 접촉될 필요성을 제거시키고, 전기 용량 커플링에 의해 동작하고, 그리고 털, 의류 또는 다른 피부 외피를 통하여 전계를 측정할 수 있다. 종래 기술의 드리프트 및 노이즈 문제점은, 리셋 회로(reset circuit)를 사용하여, 증폭기의 입력 노드를 때때로 재설정함으로써 해결된다. 리셋 타이밍 및 구간은 드리프트의 방향 및 레벨 등의 감지기 내에서 소정의 조건들에 따라 또는 증폭기 입력에서의 전압이 특정 임계치를 초과할 경우에 따라 달라질 것이다.

일 실시예에서, 독창적인 전기 용량 감지 시스템은 감지판, 증폭기, 집합적으로 "기본적인 전기 용량 감지기" 및 스위칭 회로를 포함한다. 감지판은 인체 피부와 같은 신체면에, 털, 의류 또는 다른 피부 외피와 같은 개재 물질(intervening material)을 통하거나 직접 전기 용량적으로 커플링된다. 신체면 상의 전위의 변화는, 감지판의 전위의 변화를 일으키는 전계를 발생시킨다. 감지판은 전계로부터 입력 신호를 발생시키는 전계에 위치한 감지 노드를 포함한다. 감지판은 신체면에 접촉되지 않는다. 증폭기는 입력 포트 및 출력 포트를 포함하고, 입력 신호를 증폭시키기 위해 구성된다. 증폭기는 입력 포트에서 입력 신호를 수신하고, 출력 포트에서 출력 신호를 발생시키기 위해 입력 신호를 증폭시킨다. 출력 신호는 검출된 신호의 시각적인 표시를 발생시키기 위해 프린터 또는 컴퓨터 모니터 등의 판독 장치와 통신한다. 출력 신호는 추가적으로 시각 및/또는 처리를 위해 즉각적인 표시일 수 있거나, 또는 이 대신에 저장 및 다음 전송을 위한 메모리 장치와 통신될 수 있다. 기생 전하의 생성을 피하기 위해서, 스위칭 회로는 증폭기 및 기준 전압(reference voltage)의 입력 포트에 연결된다. 스위칭 회로는 감지 노드에서 전압을 리셋시키기 위해 감지 노드부터 기준 전압까지 분로 경로를 비-연속적으로 닫는다.

또 다른 실시예에서, 증폭기의 입력 노드에서 기생 전하의 생성은, 스위칭 회로 및 단위 이득 증폭기(unity gain amplifier)를, 전기 용량 감지기 회로의 기본적인 전기 용량 감지기에 추가시킴으로써 방지된다. 스위칭 회로는 증폭기 및 기준 전압의 입력 포트에 연결된다. 스위칭 회로는 복수의 캐패시터들을 포함하는 적어도 하나의 스위칭 장치 및 리셋 회로를 포함한다. 상기 캐패시터들은 활성 전압을 발생시키기 위해 구성되어, 적어도 하나의 스위칭 장치를 턴 온(turn on)시키거나 활성화시킨다. 스위칭 회로는 입력 포트 및 기준 전압에 연결되고, 상기 스위칭 회로는, 적어도 하나의 스위칭 장치가 턴 온될 시에, 감지 노드로부터 기준 전압까지 분로 경로를 비-연속적으로 닫도록 구성되어, 감지 노드를 리셋시킨다. 단위 이득 증폭기는 제 1 입력 포트 및 제 1 출력 포트를 포함한다. 제 1 입력 포트는 증폭기의 입력 포트에 커플링되고, 제 1 출력 포트에서 제 1 출력 전압을 발생시키도록 구성된다. 단위 이득 증폭기는 하나 이상의 저항기들에 커플링되고, 이때, 하나 이상의 저항기들은, 적어도 하나의 스위칭 장치가 오프될 시에, 복수의 캐패시터들을 제 1 출력 전압으로 잡아당기기 위해(pull) 구성된다.

본 발명의 다른 특징 및 이점은 다음의 상세한 설명 및 첨부된 도면을 검토한 후에 기술 분야의 당업자에게 있어 더 쉽게 명확해질 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 인체의 표면 상에 전위를 기록하는 일 실시예의 전기 용량 감지 시스템를 도시한다.
도 2는 스위칭 회로를 포함하여, 도 1의 대안적인 실시예의 전기 용량 감지 시스템을 도시한다.
도 3은 다수의 스위칭 장치들을 포함하여, 도 1의 제 2 대안적인 실시예의 전기 용량 감지 시스템을 도시한다.
도 4는 다수의 스위칭 장치들, 및 증폭기의 시프트된(shifted) 출력 레벨을 수신하는 2 차 증폭기를 포함하여, 도 1의 제 3 대안적인 실시예의 전기 용량 감지 시스템을 도시한다.
도 5A 및 5B는 입력 신호 이득(input signal gain)에 관해서 신체면과 감지판과 사이에서 이격 거리의 효과를 제시하는 그래프이다.
도 6A 및 도 6B는 입력 참조 노이즈(input referred noise)에 관한 감지기 이격 거리의 효과의 그래프들이다.
도 7은 스칼프(scalp)의 2 개의 위치로부터 계측된 입력 신호의 전력 스펙트럼 밀도(power spectral density)의 그래프이다.
도 8은 독창적인 생체감지기를 사용한 T-셔츠(T-shirt)를 통하여 얻어진 전형적인 ECG 계측을 제시하는 전위 대 시간의 그래프이다.
도 9는 실시예에 따른 전기 용량 감지 시스템을 사용하여, 전계를 계측하는 방법을 제시한다.

인체의 표면 상에 전위를 기록하는 장치가 기술된다. 다음 설명은 예를 들면 특정 시스템들, 구성요소들, 방법들 등과 같은 수많은 특정 항목을 앞으로 제시하여, 본 발명의 몇몇 실시예들을 확실하게 이해시킨다. 그러나, 적어도 본 발명의 몇몇 실시예들은 이러한 특정 항목 없이 실행될 수 있다는 것은 기술 분야의 당업자에게 있어서 명백할 것이다. 다른 예들에서, 잘 알려진 구성요소들 또는 방법들은 본 발명의 불필요한 애매성을 피하도록 상세하게 기술되지 않거나, 또는 간단한 블럭도의 형태로 나타낸다. 이로써, 앞으로 제시될 특정 항목은 단지 일례이다. 특별한 실행은 이러한 일례의 항목으로부터 변화될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 및 권리 범위 내에서 여전하게 고려될 수 있다.

도 1은 인체의 표면 상에 전위를 기록하는 일 실시예의 전기 용량 감지 시스템을 도시한다. 전기 용량 감지 시스템(10)은 신체면(15)에 전기 용량적으로 커플링되는 감지판(40), 입력 포트(25) 및 출력 포트(35)를 가진 증폭기(30)를 포함한다. 전기 용량 감지 시스템(10)은 예를 들면, 저-노이즈, 비-접촉 EEG/ECG 감지기로서 실행될 수 있다. 입력 포트(25)는 고 임피던스 양의 입력(positive input) 및 저 임피던스 음의 입력(negative input)을 포함한다. 감지판(40)은 신체면(15)에 근접하게 유지될 수 있다. 예를 들면, 감지기는 EEG의 경우에 대해 캡(cap)의 표면 주위에서 분포된 복수의 감지기 중 하나일 수 있다. 감지판(40)은 감지 캐패시터의 제 1 판으로서 기능하기 위해 구성된다. 신체면(15)은 감지 캐패시터의 다른 "판"으로서 기능하고, 상기 감지 캐패시터의 유전체는 감지판(40)과 신체면(15) 사이에서 매개물(medium)을 포함한다. 유전체의 몇 예들은 공기, 털, 의류 등을 포함한다. 신체면(15)에서 전위의 변화는, 감지판(40) 상의 전위의 변화를 일으키는 전계를 발생시킨다. 감지판(40)은 증폭기(30)의 입력 포트(25)로 입력 신호를 발생시키는 전계에 위치한 감지 노드(12)를 포함한다. 감지판(40)은 신체면(15)과 접촉되지 않는다. 증폭기(30)는 입력 포트를 통해 입력 신호를 수신하고, 상기 입력 신호를 증폭시키고, 증폭된 신호를 출력 포트(35)로 출력한다. 증폭기(30)의 입력 포트(25)는 고 임피던스 입력 및 저 임피던스 입력을 포함할 수 있다. 증폭기(30)는 전압 증폭기 또는 계측 증폭기(instrumentation amplifier)일 수 있다. 일 실시예에서, 감지판(40)은 판독용 증폭기(30)의 고-임피던스 입력에 연결된다. 증폭기 입력 바이어스 전류는 증폭기(30)의 입력 포트(25)에 존재한다. 증폭기(30)의 입력 바이어스 전류는 매우 작지만, 그러나, 이를 방치하면(if left unattended) 공급 레일들(supply rails) 중 하나를 향해 증폭기(30)의 고-임피던스 양의 입력 노드를 구동시킬 것이다. 공급 레일들 중 하나를 향해 증폭기(30)의 고-임피던스 양의 입력 노드를 구동시키는 것을 방지하기 위해서, 하나 이상의 스위칭 장치들을 포함하는 리셋 또는 스위칭 회로가 사용된다.

일 실시예에서, 전기 용량 감지 시스템(10)은, 때때로 감지 노드(12)로부터 접지(또는 다른 기준) 전위까지 분로 경로를 간단하게 닫기 위해서, 스위칭 장치들을 사용함으로써, 분로 경로(shunting path)를 비-연속적으로 닫는 스위칭 회로를 통합시킨다. 이 원리를 실행하는 간단한 회로의 예는, 스위칭 회로를 포함하여, 도 1의 전기 용량 감지 시스템의 일 실시예를 제시하는 도 2에서 도시된다. 도 2의 전기 용량 감지 시스템(100)은 신체면(15)에 전기 용량적으로 커플링하는 감지판(40), 입력 포트(25) 및 출력 포트(35)를 가지는 증폭기(30), 제 1 입력 포트(45) 및 제 1 출력 포트(55)를 가지는 제 2 증폭기(50), 스위칭 장치(95), 캐패시터들(60 및 75) 및 저항기들(65 및 70)을 포함한다. 전기 용량 감지 시스템(100)은 저-노이즈를 가지는 비-접촉 EEG/ECG 감지기로서 실행될 수 있다. 전기 용량 감지 시스템(10)과 유사하게, 증폭기(30)는 상기 증폭기(30)의 입력 포트(25)에서 수신된 입력 신호를 증폭시키기 위해 사용된다. 제 2 증폭기(50)는 증폭기(30)의 입력 포트(25)에 커플링된 제 1 입력 포트를 포함한다. 제 2 증폭기(50), 예를 들면, 단위 이득 증폭기는 증폭기(30)의 입력 포트(25)에서 전압의 복사(copy)를 출력하기 위해 구성된다. 이로써, 제 2 증폭기(50)는 입력 포트(25)에서 전압의 복사를 형성하기 위해 단위 이득으로 설정된다.

증폭기(30)의 입력 바이어스 전류는 매우 작지만, 그러나 이를 방치하면 공급 레일들 중 하나를 향해 증폭기의 고-임피던스 양의 입력 노드를 구동시킬 것이다. 스위칭 장치(95)를 포함하는 리셋 회로 또는 스위칭 회로는 입력 바이어스 전류의 효과를 감소시키기 위해 사용된다. 스위칭 장치(95)는 컬렉터 단자(90), 베이스 단자(80) 및 이미터 단자(85)를 가지는 트랜지스터일 수 있다. 스위칭 장치(95), 캐패시터들(60 및 75) 및 저항기들(65 및 70)은 스위칭 회로 상에 통합될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 스위칭 회로는 증폭기(30)의 입력 포트 및 기준 전압에 연결된다. 기준 전압은 접지일 수 있다. 스위칭 회로는 감지 노드(12)를 리셋하기 위해 감지 노드(12)로부터 기준 전압까지 분로 경로를 비-연속적으로 닫는다. 감지 노드(12)를 리셋하는 것은 감지 노드(12)에서 전압을 리셋하는 것을 포함한다. 이로써, 감지 노드(12)는 감지 노드(12)를 단락시키기 위해 닫힌 스위칭 장치(예를 들면, 트랜지스터 또는 릴레이(relay))에 의해, 공지된 기준 전압으로 때때로 리셋된다. 일 실시예에서, 기준 전압은 증폭기(30)의 입력 공통-모드 전압 범위(input common-mode voltage range)에 포함된 전압의 범위 내에 있다. 일 실시예에서, 스위칭 장치(95)의 스위치를 닫기 위해서, 입력 캐패시터(60)(C1)는 기준 전압에 연결되는 한편, 입력 캐패시터(75)(C2)는 스위칭 장치(95)(S1)를 턴 온시킬 수 있는 전압에 연결된다. 짧은 시간이 지난 후에, 캐패시터(60)(C1) 및 캐패시터(75)(C2)는 이러한 전압들로부터 연결이 해제되어, 스위치를 열고 스위칭 장치(95)를 연결 해제시킨다. 스위칭 장치(95)가 연결 해제될 시, 저항기들(65(R1) 및 70(R2))은 증폭기(50)(B)의 출력 포트(55)에서 생성되는 전압으로 캐패시터들(60(C1) 및 75(C2))을 풀 업(pulling up)하는 효과를 가진다. 이 풀-업 방법은, 감지 노드(12) 상에서, 스위칭 장치(95)에 의해 생성되는 전류 노이즈를 최소화시킨다.

일반적으로, 감지 노드(12)를 리셋 또는 분로시키기 위해 사용된 스위칭은 서로 다른 많은 방식으로 일어날 수 있다. 도 3은 사용될 수 있는 대안적인 회로를 도시한다. 도 3은 다수의 스위칭 장치들을 포함하여, 도 1의 일 실시예의 전기 용량 감지 시스템을 도시한다. 도 3은 상기의 도 1 및 도 2를 참조하여 기술될 것이다. 도 3의 전기 용량 감지 시스템(200)은 신체면(15)에 전기 용량적으로 커플링되는 감지판(40), 입력 포트(25) 및 출력 포트(35)를 가지는 증폭기(30), 제 2 스위칭 장치(105)에 커플링되는 제 1 스위칭 장치(130), 캐패시터들(110, 115, 120 및 125)을 포함한다. 전기 용량 감지 시스템(10)과 유사하게, 증폭기(30)는 증폭기(30)의 입력 포트(25)에서 수신된 입력 신호를 증폭시키기 위해, 그리고 증폭된 신호를 디스플레이 또는 나아가 프로세싱을 위해 출력 포트(35)에서 출력시키기 위해 사용된다. 일 실시예에서, 캐패시터들(110 및 115)은 제 2 스위칭 장치(105)로 입력을 제공하고, 그리고 캐패시터들(120 및 125)은 제 1 스위칭 장치(130)로 입력을 제공한다.

일 실시예에서, 제 1 및 제 2 스위칭 장치들(130(S1) 및 105(S2))은 전계 효과 트랜지스터들(MOSFET)일 수 있다. 스위칭 장치들(130(S1) 및 105(S2))은 입력 캐패시터들(110, 115, 120 및 125)을 제어시킴으로써 온 및 오프로 스위치될 수 있다. 일 실시예에서, 스위칭은 부분적으로 감지 노드(12)를 리셋시킨다. 이로써, 스위칭은 감지 노드를 접지(또는 기준 전압) 전위에 완전하게 리셋시키지는 않고, 오히려, 접지(또는 기준 전압)를 향하여 감지 노드 전압을 소량만큼 이동시킨다. 스위칭 장치들(130(S1) 및 105(S2))이 턴 온되지 않는 한편(OFF 상태), 스위칭 장치들(130(S1) 및 105(S2))은, 저항기들(65 및 70)에 관한 도 2에 도시된 바와 같이, 풀-업(pull-up) 또는 풀-다운(pull-down) 저항기들로 바이어스될 수 있다. 일 실시예에서, 스위칭 장치들(130(S1) 및 105(S2))은 차례로(one at a time) 주기적으로 턴 온된다. 다른 실시예들에서, 입력 캐패시터들(125(C1) 및 110(C4))은 기준 전압에 연결되는 한편, 입력 캐패시터들(120(C2) 및 115(C3))은 스위칭 장치들(95)(S1)을 턴 온시킬 수 있는 전압에 연결된다. 입력 캐패시터들(125(C1) 및 110(C4))에서 기준 전압은 전력 공급 전압일 수 있거나, 또는 증폭기(30)의 입력 공통-모드 전압 범위에 포함된 전위 범위 내에 있는, 또는 증폭기(30)의 공통 모드 범위(CMR)의 중간 근처에 있는 다른 공급 전압일 수 있다. 스위칭 장치들(130 (S1) 및 105(S2))이 활성화되거나 턴 온되는 시간 구간(duration) 및/또는 시퀀스(sequence)는 감지 노드(12) 상에서 전압 드리프트(voltage drift)의 방향 및 양에 대하여 변화될 수 있다. 예를 들면, 감지 노드(12)에서의 전압이 주어진 기준값을 초과할 시에, 스위칭 장치(130)(S1)는 더 긴 구간 동안 활성화될 수 있고, 그리고/또는 스위칭 장치(105)(S2)는 이와 다르게 더 짧은 구간 동안 활성화될 수 있다. 반대로, 감지 노드(12)에서의 전압이 주어진 기준값 아래로 이를 시에, 스위칭 장치(130)(S1)는 더 짧은 구간 동안 활성화될 수 있고, 그리고/또는 스위칭 장치(105)(S2)는 더 긴 구간 동안 활성화될 수 있다. 이와 유사한 설계는, 감지 노드(12)에서의 전압이 기준 레벨을 초과할 시에, 바람직하게 스위칭 장치(130(S1))를 닫기 위해서, 바람직하게는 다른 방식으로 스위칭 장치(105(S2))를 닫기 위해서, 스위치 활성 구간보다는 오히려 시퀀스를 조정할 것이다. 다른 실시예들에서, 개별적인 제어기 회로 또는 제어 모듈은, 예를 들면, 스위치형 전력 조절기 및 델타 전환 회로 설계에서 사용되는 펄스-폭 변조기(PWM) 및 델타-시그마 변조기(DSM) 회로와 유사한 스위칭의 구간, 펄스 구간 및/또는 시퀀스를 판별한다.

도 4는 다수의 스위칭 장치들, 및 제 1 증폭기의 시프트된 출력 레벨을 수신하는 제 2 증폭기를 포함하여, 도 1의 일 실시예의 전기 용량 감지 시스템을 도시한다. 도 4는 전압, 전기 용량 및 저항값들의 예와 같은 특정 항목들을 포함한 전기 용량 감지 시스템(300)의 특정 예이다. 특별한 실행은 이러한 대표적인 항목으로부터 변화될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 및 권리 범위 내에서도 여전하게 고려될 수 있다. 도 4의 전기 용량 감지 시스템(300)은 신체면(15)에 전기 용량적으로 커플링되는 감지판(40), 제 1 증폭기(30), 2 차 증폭기(150), 스위칭 장치들(135 및 140), 캐패시터들(C1 (41.9 나노 패러드(㎋)) 내지 C5(10 마이크로 패러드(㎌)), 저항기들(R1(38 킬로 옴) 내지 R8(20 킬로 옴), 공급 전압((175)(1.5 볼트) 및 (185)(1.5 볼트)) 및 리셋 기준 전압(170 및 180), 및 캐패시터(C5) 및 저항기(R8)에 의해 형성된 레벨-시프터(level-shifter)를 포함한다.

신체면(15)(피부) 상의 신호는 금속판, 예를 들면, 도 1, 2 및 3에 도시된 감지판(40)에 전기 용량적으로 커플링된다. 감지판(40)은 감지판(40)의 전기 절연용 숄더 마스크(solder mask)로 덮인 인쇄 회로 기판(PCB)의 하부에서, 또는 전체 전기 용량 감지 시스템(300)에서 통합될 수 있다. 신호의 제 1 증폭은 제 1 증폭기(30)에 의해 이루어진다. 일 실시예에서, 제 1 증폭기(30)는 이득이 50으로 구성된 계측 증폭기이다. 전기 용량 감지 시스템(10)과 유사하게, 증폭기(30)는 증폭기(30)의 입력 포트(25)에서 수신된 입력 신호를 증폭시키기 위해 사용된다. 입력 포트는 음의 증폭기 입력(160) 및 양의 증폭기 입력(165)을 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 계측 증폭기(30)는 3 펨토암페어(fA)(전형적임)의 저 입력 바이어스 전류 및 (헤르츠(Hz))^-2(전형적임)에 걸친 0.1 fA의 입력 전류 노이즈를 가질 수 있다.

전기 용량 감지 시스템(300)은 또한, 이득이 1인 양의 증폭기 입력(165)을 따르는 가드 핀 출력(guard pin output) 또는 가드 출력(190)을 통합시킨 가드 회로(guard circuit)를 특징으로 한다. 가드 출력(190)과 통합되는 가드 회로의 실행은 도 2의 단위 이득 증폭기(50)의 실행과 유사하다. 일 실시예에서, 전기 용량 감지 시스템(300)은 양의 증폭기 입력(165) 주위에서 가드 링(guard ring)을 유지시키기 위해 양의 가드(예를 들면, 양의 가드 출력(190))를 실행시킨다. 양의 가드는 감지판(40)에 연관된 차폐 금속판(195)을 구동시키기 위해 사용될 수도 있고, 이때 상기 차폐 금속판(195)은 신체면(15) 이외의 소스들(sources)로부터 전계 픽업(electric field pick up)을 감소시키기 위해 구성된다(예를 들면, 스칼프). 차폐 금속판(195)은, 감지판(40) 상에서, 인쇄 회로 기판(PCB) 상의 금속의 내부 층으로서 실행될 수 있다. 가드 출력(190)와 통합되는 가드 회로가 증폭기(30)의 입력 포트(25)에서 전압을 이중화시키기 위해 활성적으로 구동되기 때문에, 신호 이득의 기생 전기 용량 분할을 방지한다.

상술된 바와 같이, 리셋 또는 스위칭 회로는, 증폭기의 입력 바이어스 전류가 증폭기(30)의 공급 레일들 중 하나를 향해 양의 증폭기 입력(165)을 구동시키지 못하도록 사용될 수 있다. 스위칭 또는 리셋 회로는 스위칭 장치들(135 및 140), 저항기들(R5(60 킬로 옴) 및 R6(20 킬로 옴)) 및 리셋 기준 전압(170 및 180)을 포함할 수 있다. 스위칭 장치들(135 및 140)(예를 들면, 트랜지스터들)은, 예를 들면, 입력 포트(25)의 전압이 증폭기(30)의 입력 공통-모드 전압 범위에 포함된 전압 범위 내에 있을 시에, 리셋 기준 전압(170 및 180)을 포함한 외부 회로에 의해 턴 온된다. 트랜지스터들(135 및 140)이 오프되거나 구동되지 않을 시에, 예를 들면 트랜지스터들(135 및 140)의 베이스 및 이미터 노드들은 가드 출력(190)에 의해 풀 업된다. 가드 출력(190)에 의해 트랜지스터들(135 및 140)의 베이스 및 이미터 노드들을 풀 업시키는 것은 트랜지스터들(135 및 140)로부터 누설 전류(및 특히 결과적인 전류 노이즈)를 감소시키기 위해 행해진다. 음의 증폭기 입력(160)은, 저항기(R4)(80 킬로-옴) 및 캐패시터(C4)(100 마이크로 패러드)로 구성된 피드백 루프(feedback loop)를 이용하여, 천천히 변화되는 양의 입력을 추적하기 위해(track) 구현될 수 있다. 이 루프는 1 Hz 이하의 주파수의 입력 신호를 컷 오프하기 위한(cut off) 역할도 한다.

출력 포트(35)에서, 계측 증폭기(30)의 출력은 레벨-시프트화되고, 2 차 증폭기(150)로 전송된다. 2 차 증폭기(150)는 동작 증폭기일 수 있다. 레벨-시프터(level-shifter)는 캐패시터(C5) 및 저항기(R8)에 의해 형성된다. 이는 증폭기 출력 포트(35)의 저 주파수 전압을 전압(Vref)(1.5V)으로 대체시키는 공통 하이-패스 필터(common high-pass filter)이다. 출력 포트(35)의 보다 높은 주파수 성분들은 영향을 미치지 않는 레벨-시프터를 통해 나아간다. 이 2 차 증폭기(150)는, 예를 들면, 이득이 20으로 구성될 수 있다. 2 차 증폭기(150)는 제 2 출력 포트(6), 및 제 2 음의 입력(3) 및 제 2 양의 입력(2)을 가지는 제 2 입력 포트를 포함한다. 상기 제 2 양의 입력(2)은 계측 증폭기의 레벨 시프트화된 출력을 수신하기 위해 구성된다. 캐패시터(C2)(100 마이크로 패러드)는 제 2 음의 입력(3)에서 실행되어, 예를 들면, 1 Hz 이하의 주파수의 입력 신호를 추가로 컷 오프 하기 위해서 제로(zero)가 C2에 의해 1 Hz에서 삽입된다. 2 개의 극들(poles)은 R1(38 킬로 옴)과 반응하는 C1(41.9 나노 패러드), 및 R3(10.5 킬로 옴)와 반응하는 C3(150 나노 패러드)에 의해 100 Hz에서 실행된다. 캐패시터들 및 저항기들의 이 결합은 1 Hz와 100 Hz 사이의 밴드 패스 필터(bandpass filter) 특성을 고려할 수 있다. 극들 및 제로는 필터를 실행하는 입력 신호를 나타내는 전달 함수의 속성이다. 일 실시예에서, 아날로그 대 디지털 컨버터(145)는, 예를 들면, 인터페이스를 통해 2 차 증폭기(150)에 커플링된다. 아날로그 대 디지털 컨버터(145)는 2 차 증폭기(150) 상에서 실행되는 밴드 패스 필터에 의해 필터링되는 2 차 증폭기 출력 신호를 수신한다. 아날로그 대 디지털 컨버터(145)는, 예를 들면, 2 차 증폭기 출력 신호를 디지털 비트의 스트림(stream)으로 전환시키는 18 비트 아날로그 대 디지털 컨버터이다. 인터페이스는 하나 이상의 전기 용량 감지 시스템들에서 와이서 수를 감소시키기 위해 다른 아날로그 대 디지털 컨버터들(145)과 선택적으로 데이지 체인이 될 수 있다(daisy chained). 아날로그 대 디지털 컨버터의 출력은, 장치 특성에 대해서, 모니터 상을 표시하는 컴퓨터 등의 사용자 인터페이스에 관한 데이터 획득 카드에 연결되거나, 또는 예를 들면, 계측 장치의 인쇄 기록을 생성하기 위한 프린터에 연결된다.

다른 실시예에서, 증폭기(30)에 필요한 전체 전류는 + 5 볼트(V) 및 - 5 V 전력 공급(의 공급 레일)으로부터의 1 ma이다. 2 차 증폭기(150) 및 아날로그 대 디지털 컨버터(145)는 단일단(single ended)을 사용하여 3V를 공급하고, 총 전류의 160 마이크로 암페어를 필요로 할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 전기 용량 감지 시스템(300)의 총 전력은 10.5 밀리와트이고, 이는 100 개의 전기 용량 감지 시스템들이 배터리 팩(battery pack)으로 1 시간 동안 운영할 수 있다는 것을 의미한다.

상술된 예와 아울러, 중요한 감지 노드(12)를 리셋하는 스위칭 회로를 실행하기 위한 많은 다른 방식들이 있다. 예를 들면, 스위치 그 자체들은 트랜지스터들(바이폴라(bipolar), MOSFET, JFET, MESFET, 등), 릴레이들(전통적인 릴레이들 및 마이크로-기계적인(MEMS) 릴레이들, 기계적인 스위치들, 전자 스위치들 등을 포함)일 수 있다. 단지 하나의 스위칭 장치가 있을 수 있거나, 여러 개의 스위칭 장치들이 있을 수 있다. 기준 전압은 증폭기 CMR의 중간, 공급 전압, 또는 다른 값들로 설정될 수 있다. 기준 전압 그 자체는 최적의 값을 검색하는 피드백 루프에 의해 변화될 수 있다. 스위칭은, 입력 전압, 또는 감지 노드(12)에서의 전압이 CMR의 한계에 근접하거나 또는 일정한 간격에 근접하다고 간주될 시에, 실행될 수 있다. 어느 경우에서나, 스위칭 장치들이 활성화될 시, 그리고 활성화 동안에, 제어기는 상기 스위칭 장치들이 활성화되는 것을 판별하기 위해 사용될 수 있다. 대안적으로, 인간 제어기(human controller)는 감지 노드(12)가 리셋될 때를 판별할 수 있다.

대표적인 실시예에서, 전기 용량 감지기는 서로 적층된 2 개의 맞춤형(custom) 인쇄 회로 기판들(PCB들)로부터 구성된다. 원형으로 되어 있고, 미국 다임(U.S. dime)(~18 ㎜) 정도의 크기를 가지는 상부 PCB는 2 차 증폭기(150), 아날로그 대 디지털 컨버터(145) 및 여러 수동 부품들(예를 들면 저항기들(R1, R2, R3) 및 캐패시터들(C1, C2, C3))을 포함한다. 또한 원형으로 되어 있고, 미국 쿼터(U.S. quarter)(~30 ㎜)의 크기를 가지는 하부 PCB는 감지판(15), 차폐판(195), 계측 증폭기(155) 및 스위칭 장치들(135 및 140)(예를 들면, 트랜지스터들)을 포함한다. 일 실시예에서, PCB의 하부 층은 숄더 마스크로 덮인 모든 금속이다. 대안적인 실시예에서, 상부 PCB 상의 개별적인 구성요소 모두 또는 그 일부는 하부 PCB의 상위 상에서 직접 실장될 수 있는 하나 이상의 집적 회로들로 통합될 수 있다.

도 5A 및 5B는 입력 신호 이득에 관해서 신체면과 감지판과 사이에서 이격 거리의 효과를 제시하는 대표적인 결과물이다. 도 5A 및 도 5B는 도 1, 2, 3 및 4를 참조하여 제시된다. 도 5A는 주파수 범위 상에 걸친 입력 신호의 계측된 이득을 제시한다. 입력 신호는 감지 노드(12)에 의해 발생되고, 증폭기(30 또는 155)의 입력 포트(25)에서 수신된 신호이다. 도 4를 참조하여 제시된 바와 같이, 1 Hz 내지 100 Hz 사이에서의 필터링의 밴드 패스 특성은 도 5A에서 분명해진다. 1 Hz 컷 오프는 보다 경사질 수 있는데, 이는, 계측 증폭기(155)의 피드백 루프, 2 차 증폭기(150) 피드백의 캐패시터(C2), 및 캐패시터(C5) 및 저항기(R8)에 의해 형성된 레벨-시프터에서 일어나서 작용된 3 개의 제로가 있기 때문이다. 도 4를 참조하여 상술된 2 개의 극들은 100 Hz의 주파수에서 작동한다.

일 실시예에서, 감지 노드(12)에 의해 발생된 입력, 예를 들면, EEG 입력은 캐패시터를 통하여 전기 용량 감지 시스템(300) 내로 커플링된 전압원으로서 설계될 수 있다. 전기 용량은 스칼프와 같은 신체면(15)과 감지판(40) 사이의 거리에 의해 분할된 감지판(40)의 영역으로서 계산될 수 있다. 계측 증폭기(155)의 양의 증폭기 입력(165) 상에 기생 전기 용량이 있기 때문에, 전기 용량 전압 분할기는 입력 신호 강도를 감소시키는 양의 증폭기 입력(165)에서 형성될 수 있다. 도 5B는, 예를 들면, 신호 발생기, 신체면과 감지판(40) 사이에서 3 개의 서로 다른 거리에 대한 이득을 제시한다. 거리가 증가되면, 입력 커플링 전기 용량은 감소되고, 이때가 회로의 전체 이득이 된다. 0.2 ㎜의 거리에서, 이득은 869이고, 1.6 ㎜의 거리에서는 539이고, 3.2 ㎜에서는 391이다. 활성 차폐부(195)가 수동 접지 차폐부로 대체될 시에, 거리로 이득을 감소시키는 것은 보다 현저하게 커진다. 활성 차폐부(195)를 이용하면, 전기 용량 감지 시스템(300)(예를 들면, EEG/ECG 감지기)은 넓은 이격 범위에 걸쳐 동작할 수 있고, 이때, 감지판(40)과 신체면(15) 사이에서 전형적인 털 및 의류와 마주치게 된다.

도 6A 및 도 6B는 입력 참조 노이즈에 관한 감지기 이격 거리의 효과를 제시한 샘플 결과물들이다. 도 6A 및 도 6B는 도 1, 2, 3 및 4을 참조하여 제시된다. EEG 감지기 설계, 예를 들면 전기 용량 감지 시스템(300)은 매우 작은 노이즈를 가진 증폭기 회로를 필요로 한다. 계측된 입력 신호는 수십 마이크로 볼트 피크 대 피크(peak-to-peak) 만큼 낮아질 수 있어서, 이 이하의 노이즈 레벨이 바람직하다. 몇몇 실시예들에서, 아날로그 대 디지털 컨버터(145)는 노이즈의 주요한 소스는 아닌데, 그 이유는 상기 아날로그 대 디지털 컨버터가 이미 큰 이득(예를 들면, 증폭기(155)에서 50의 이득 및 2 차 증폭기(150)에서 20의 이득)을 보인 신호를 전환하고, 18 비트 레벨로 전환되었기 때문이다. 2 차 증폭기(150)는 노이즈가 크게 나타나지 않는데, 그 이유는 상기 2 차 증폭기가 증폭기(155)로부터 초기 이득이 50이 된 후에 나타나기 때문이다. 일 실시예에서, 1부터 100 Hz까지의 주파수 밴드에서 증폭기(155)의 계산된 RTI(referred-to-input) 전압 노이즈는 약 0.66 마이크로 볼트 제곱 평균(root mean square)(μVrms)이다. 계측 증폭기(155)의 RTI 전류 노이즈는 매우 작지만, 양의 증폭기 입력(165)에서 나타난 전기 용량에 의해 합쳐지게 된다. 감지판(40)과 신체면(15) 사이의 0.2 ㎜의 거리를 가정하면, 이 전류 노이즈는 약 1 μVrms로 전환된다. 일 실시예에서, 전기 용량 감지 시스템(300)은 카드 핀 출력, 가드 출력(190) 및 가드 입력(미도시)을 통합시킨 회로를 특징으로 한다. 이상적으로, 상기 가드 입력은 스위칭 장치들(135 및 140)의 단자들을 동일한 전압으로 유지시키고, 그들의 누출 노이즈 전류가 거의 제로에 가깝게 유지시킨다. 저항기(R4)는 크지만, 열 노이즈를 생성하고, 이때 상기 열 노이즈가 증폭기(155) 상에서 실행되는 피드백 루프에 의해 감소되기 때문에 중요한 요인은 아니다. 이로써, 예상된 전체 RTI 전압 노이즈는 2.0 μVrms 미만이다.

주파수의 함수로서 계측된 노이즈 밀도는 도 6A에서 도시된다. 입력 신호를 발생시키는 감지판(40)은 접지되어 있고, 스펙트럼 밀도 평가는, 감지판(40)과 신체면 사이인 0.2 ㎜, 1.6 ㎜ 및 3.2 ㎜의 거리에 대해, 증폭기(150)의 출력 포트에서 계측된다. 이는 1.88 μVrms의 노이즈로 계측된다. 그 후, 증폭기(150)의 출력 포트에서 계측된 노이즈는 도 5A에서 계측된 2 개의 증폭기들의 중간 대역 이득(midband gain)에 의해 분할된다(예를 들면, 794 또는 58 dB). 이 RTI에 대한 노이즈의 처리는, 관심이 되는 입력 신호의 크기와 노이즈의 크기를 비교하기 위해 행해지게 된다. 관심이 되는 주파수 범위(1-100 Hz)에서 총 노이즈는, 이 범위에 속한 도 6A에서 제시된 노이즈 내용물(noise content)을 합침으로써, 얻어질 수 있다. 도 6B는 3 개의 거리에 대한 이 같은 계산의 결과물들을 제시한다. 도 6B는 회로에서 다양한 소자들로부터 얻어진 노이즈를 측정하여 이론적으로 계산된 노이즈도 제시한다. 감지판(40)과 신체면(15) 사이인 0.2 ㎜의 거리에 대해서, 계측된 총 노이지는 1.88 μVrms이다. 감지판(40)과 신체면(15) 사이의 이격 거라가 증가되면, 커플링 전기 용량은 감소된다. 그 후, 전류 노이즈는 더 큰 전압 노이즈 값에 합쳐지게 된다.

그 후, 전류 노이즈는 더 큰 전압 노이즈 값에 합쳐진다. 도 6B는 도 6A의 이득 계측을 위해 사용된 3 개의 동일한 거리에서, 계측과 함께 이론적으로 계산된 노이즈를 제시한다. 입력 참조 rms 노이즈(input-referred rms noise)는 3 개의 이격 거리에 대해서 1-lOOHz 주파수 대역에 걸쳐 계측되고, 그리고 이론적으로 예측된 노이즈와 비교된다. 이론상의 곡선은 증폭기(155)의 전류 및 전압 입력 참조 노이즈에 대하여, 그리고 증폭기(155)의 입력 포트(25)에서 전기 용량 분할에 대하여 계산된다.

도 7은 본 발명에 따라서 구성된 견본의 테스트 동안 테스트 대상자의 머리의 2 개의 위치로부터 계측된 입력 신호의 전력 스펙트럼 밀도의 그래프이다. 일 실시예에서, 감지판들(40)은, 예를 들면, 헤드밴드를 사용하여 대상자의 머리에 압착된다. 제 1 감지판(40)은 머리의 후면(머리 위에 있음)에 위치되는 반면, 제 2 감지판은 기준으로서 사용된 귀 뒤에 위치된다. 2 개의 감지기들 사이에서의 전압차는, 대상자가 눈을 12 초 동안 감은 후, 다시 동일 시간 동안 눈을 뜸으로써, 기록된다. 이러한 시간의 두 블럭들로부터의 데이터의 전력 스펙터럼 밀도는 도 7에서 제시된다. 10 Hz 주위에서 주파의 알파 밴드(alpha band)의 전력 증가는, 눈을 감을 시에 분명하게 나타날 수 있고, 이때, 예를 들면 EEG 실험에서 일반적으로 관찰된다.

도 8은 본 발명에 따라 구성된 감지기들을 사용한 대상자의 T-셔츠를 통하여 계측된 샘플 ECG 전압의 기록이다. 그래프는 심장 가까이에 위치된 2 개의 감지판들(40) 사이에서 전위차를 제시한다. 감지판들 중 하나는 심장 영역 상에서 가슴 상위에 위치되고, 제 2 감지판은 기준으로서 사용되기 위해 상기 가슴의 측 상에 위치된다. 양쪽 감지판들(40)은 대상자의 T-셔츠 외부에 위치된다. 도 8은 4 초동안 기록한 것이고, 이는 모니터 및 프린터 중 하나 또는 그 모두에서 표시될 수 있다.

도 9는 실시예에 따른 전기 용량 감지 시스템을 사용하여, 전계 신체면을 계측하는 방법 중 일 예를 제시한다. 상기 방법은 도 2, 3 및 4의 전기 용량 감지 시스템(100, 200 또는 300)에서 실행될 수 있다. 블럭(400)에서, 감지판(40)을 신체면(15)에 전기 용량적으로 커플링하여, 처리가 시작된다. 신체면(15) 상에서 전위의 변화는, 감지판(40)의 전위의 변화를 일으키는 전계를 발생시킨다. 감지판(40)은 신체면(15)과 접촉되지 않는다. 블럭(405)에서, 입력 신호는 감지판(40)에 연관된 감지 노드(12)에서 발생된다. 발생된 입력 신호는 감지 노드(12)가 전계에 위치한 감지판(40)의 전위의 변화에 기초한다. 그 후, 처리는 입력 신호가 입력 포트 및 출력 포트를 가지는 증폭기에 의해 증폭되는 블럭(410)으로 이어진다. 증폭기는 입력 포트에서 입력 신호를 수신하고, 출력 포트에서 출력 신호를 발생시키기 위해 구성되고, 이때 상기 출력 포트에서의 출력 신호는 입력 신호의 증폭에 기초한다. 마지막으로, 블럭(415)에서, 분로 경로는, 스위칭 회로를 이용하여, 입력 포트에 연결된 감지 노드를 리셋시키기 위해 비-연속적으로 닫히고, 상기 스위칭 회로는 입력 포트 및 기준 전압에 연결된다.

상술된 시스템 및 방법은, 뇌-컴퓨터 인터페이스의 사용에 있어서, 뇌에 의해 발생된 뇌파(electroencephalographic, EEG) 신호의 계측을 위해 사용될 수 있다. 시스템 및 방법 또한, 심장을 모니터하기 위해 심전도(electrocardiography, ECG)에서 사용될 수 있고, 근육 활성도를 기록하기 위해, 근전도(electromyograph, EMG)에서 사용될 수 있다. 대부분의 다른 EEG/ECG/EMG 감지기 설계와는 달리, 상술된 전기 용량 감지 시스템 및 방법은 사실상 전기 용량성으로 이루어져 있기 때문에, 나아가 피부와 같은 신체면에 물리적인 또는 오믹 접촉을 필요로 하지 않는다. 대부분의 현존하는 감지기들은 도전성 젤의 적용 및/또는 피부 연마제(abrasive skin preparation)에 의해 피부에 전기 접촉을 필요로 하지만, 이들 모두는 본 발명에서 회피된다.

전기 용량 감지 시스템 및 방법은 의료 진단 설비, 신경 보철물(neuroprostheses), 생체피드백(biofeedback), 뇌영상(neuroimaging), 뇌-컴퓨터 인터페이스들 및 서로 작용하는 컴퓨터 게임들 등의 EEG 캡들(caps)에서 실행될 수 있다. 전기 용량 감지 시스템 및 방법은 컴퓨터 게임 소프트웨어에 대한 EEG 감지기 인터페이스들에서 사용될 수 있고, 전자 제품 제조에서 생성되는 정전기 감시 등의 산업 적용에 있어서도 사용될 수 있다.

여기에서 상술된 실시예들은 상기 특징을 이루면서, 감지 노드(12)에 가능한 한 작은 노이즈가 제공된다. 스위칭 장치들이 활성화되는 짧은 시간 동안만 노이즈가 제공된다. 또한, 스위치 동작은 높은 저항 값을 현저하게 낮은 저항 값으로 대체하는 것을 가능케 하여, 이로써, 활성화되는 동안에, 낮은 열 노이즈 스펙트럼 밀도를 제공한다.

여기에서 기술된 다양한 실시예들은 스위칭 회로를 가진 증폭기의 중요한 입력 포트에서 원하지 않는 전류에 대적하는 수단을 제공하고, 상기 스위칭 회로는 감지 노드를 때때로 리셋시키거나 분로화시킨다. 상술된 바와 같이, 본 발명의 회로의 스위칭 속성은, 회로 노이즈가 저 전력 회로의 중요한 감지 노드 내로 적게 주입되는 이점을 제공한다.

기술 분야의 당업자라면, 본원에서 기술된 실시예들 및 상술된 도면과 관련하여 기술되는 다양한 실례의 모듈들 및 방법 단계들이 종종 전자 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어 또는 이들의 조합으로 실행될 수 있다는 것을 인지할 것이다. 명확하게 설명하기 위해서, 하드웨어 및 소프트웨어의 이 같은 상호 교환성, 다양한 실례의 모듈들 및 방법 단계들은 그들의 기능성으로 일반적으로 상기에서 기술되어왔다. 상기와 같은 기능성의 실행 여부는, 하드웨어 또는 소프트웨어가 특정 적용 및 전체 시스템 상에 부과된 설계 제한에 따라 달라진다. 당업자는 각각의 특별한 적용에 대해 다양한 방식으로 기술된 기능성을 실행시킬 수 있지만, 상기와 같은 실행 판별은 본 발명의 권리 범위로부터 이탈된 것으로 해석되지 않아야 한다. 게다가, 모듈 또는 단계 내에 있는 기능 군은 설명을 쉽게 하기 위한 것이다. 특정 기능은 본 발명의 벗어남 없이 일측 모듈 또는 단계에서 타측 모듈 또는 단계로 이동될 수 있다.

게다가, 본원에서 개시된 실시예들과 관련하여 기술된 다양한 실례의 모듈들 및 방법 단계들은, 범용 프로세서(general purpose processor), 디지털 신호 프로세서("DSP"), 응용 주문형 집적 회로("ASIC"), 필드 프로그램가능한 게이트 어레이("FPGA") 또는 프로그램가능한 다른 논리 장치, 이산 게이트 또는 트랜지스터 로직, 이산적인 하드웨어 구성요소들, 또는 본원에서 기술된 기능을 실행하기 위해 설계될 이들의 조합 등의 하드웨어로 실행되거나 이행될 수 있다. 범용 프로세서는 하드웨어이고, 마이크로프로세서일 수 있지만, 대안적으로 상기 프로세서는 임의의 하드웨어 프로세서 또는 제어기, 마이크로제어기일 수 있다. 프로세서는 연산 장치들의 조합, 예를 들면, DSP 및 마이크로프로세서, 복수의 마이크로프로세서, DSP 코어, 또는 상기와 같은 다른 구성과 관련된 하나 이상의 마이크로프로세서의 조합으로서 실행될 수도 있다.

추가적으로, 본원에서 개시된 실시예들과 관련하여 기술된 방법 또는 알고리즘의 단계들은 하드웨어에서, 프로세서에 의해 실행된 소프트웨어 모듈에서, 또는 이들 2 개의 조합으로 직접 구현될 수 있다. 소프트웨어 모듈은 RAM 메모리, 플래시 메모리(flash memory), ROM 메모리, EPROM 메모리, EEPROM 메모리, 레지스터들(registers), 하드 디스크, 제거가능한 디스크, CD-ROM, 또는 네트워크 저장 매체를 포함한 다른 형태의 저장 매체를 포함한 판독가능한 매체 상에 접근가능한 제어기 또는 컴퓨터에 존재할 수 있다. 일례의 저장 매체는 프로세서에 연결될 수 있어서, 상기 프로세서는 기입 정보로부터 저장 매체로 정보를 판독할 수 있다. 대안적으로, 저장 매체는 프로세서에 집적화될 수 있다. 프로세서 및 저장 매체는 또한 ASIC에 존재할 수도 있다.

개시된 실시예들의 상기 설명은 기술 분야의 당업자가 본 발명을 만들거나 사용할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 기술 분야의 당업자에게 쉽게 명확해질 것이고, 본원에서 기술된 일반적인 원리는 본 발명의 기술 사상 또는 권리 범위로부터 벗어남 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 이로써, 본원에서 나타난 설명 및 도면이 본 발명의 일례의 실시예들이고, 나아가 본 발명에 의해 폭 넓게 고려되는 당면 과제를 나타낸다는 것을 이해하여야 한다. 본 발명의 기술 사상이 다른 실시예들을 포함한다는 것, 그리고 이에 따라 본 발명의 권리 범위가 첨부된 청구항 이외에 어떠한 것에도 제한되지 않는다는 것을 더 이해하여야 한다.

참조문

배경 기술 정보를 제공하는 다음 참조문의 개시는 참조로서 본원에 통합된다.

[1] J. C. Chiou, Li-Wei Ko, Chin-Teng Lin, Chao-Ting Hong, Tzyy-Ping Jung, "Using Novel MEMS EEG Sensors in Detecting Drowsiness Application," IEEE Biomedical Circuits and Systems Conference, 2006.

[2] A. Lopez and P. C. Richardson, "Capacitive electrocardiographic and bioelectric electrodes", IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol. 16, pg. 99, 1969.

[3] T. Matsuo, K. Iinuma, and M. Esashi, "A barium-titanate-ceramics capacitive-type EEG electrode", IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol. 188, pgs 299-300.

[4] R. J. Prance, A. Debray, T. D. Clark, H. Prance, M. Nock, C. J. Harland, and A. J. Clippingdale, "An ultra-low-noise electrical-potential probe for human-body scanning", Measurement Science and Technology, vol. 11, pgs. 291-297, 2000.

[5] C. J. Harland, T. D. Clark and R. J. Prance, "Electric potential probes-new directions in the remote sensing of the human-body", Measurement Science and Technology, vol. 13, pgs. 163-169, 2002.

[6] R. Matthews, N. J. McDonald, I. Fridman, P, Hervieux, and T. Nielsen, "The invisible electrode-zero prep time, ultra low capacitive sensing. In Proceedings of the 11 ^th International Conference on Human - Computer Interaction, July 22-27 2005.

[7] C. Park, P. H. Chou, Y. Bai, R. Matthews, and A. Hibbs, "An ultra-wearable, wireless, low power ECG monitoring system", IEEE Biomedical Circuits and Systems Conference, 2006.

[8] J. Errera and H. S. Sack, "Dielectric properties of animal fibers"

[9] T. Sullivan, S. Deiss, T.P. Jung, and G. Cauwenberghs, "A Low-Noise, Low-Power EEG Acquisition Node for Scalable Brain-Machine Interfaces", In Proceedings of the SPIE Conference on Bioengineered and Bioinspired Systems III, May 2-4 2007.

Claims

신체면에 전기 용량적으로 커플링되는 감지판(상기 신체면에서 전위의 변화는, 상기 감지판의 전위의 변화를 일으키는 전계를 발생시키고, 상기 감지판은 상기 전계로부터 입력 신호를 발생시키는 전계에 위치한 감지 노드를 포함하고, 상기 감지판은 개재 재료(intervening material)에 의해 상기 신체면으로부터 이격됨);
상기 입력 신호를 증폭시키기 위해 구성된 증폭기(상기 증폭기는 입력 포트 및 출력 포트를 가지고, 상기 증폭기는 상기 입력 포트에서 상기 입력 신호를 수신하기 위해, 그리고 상기 출력 포트에서 증폭된 출력 신호를 발생시키기 위해 구성됨); 및
상기 입력 포트 및 기준 전압에 연결된 스위칭 회로(상기 스위칭 회로는 상기 감지 노드로부터 상기 기준 전압까지 분로 경로(shunting path)를 비-연속적으로 닫도록 구성되어, 상기 입력 포트에 연결된 감지 노드를 리셋시킴)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 계측용 감지기.
제 1 항에 있어서,
상기 기준 전압은 접지인 것을 특징으로 하는 전계 계측용 감지기.
제 1 항에 있어서,
상기 기준 전압은 상기 증폭기의 입력 공통-모드 전압 범위(input common-mode voltage range)에 포함된 전압 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 전계 계측용 감지기.
제 1 항에 있어서,
상기 스위칭 회로는 적어도 하나의 스위칭 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 계측용 감지기.
제 4 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 스위칭 장치는 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 전계 계측용 감지기.
제 1 항에 있어서,
상기 증폭기의 입력 포트에 커플링되는 제 1 입력 포트를 가지는 단위 이득 증폭기를 더 포함하고,
상기 단위 이득 증폭기는 상기 증폭기의 입력 포트에서 전압의 복사(copy)를 출력하기 위해 구성된 것을 특징으로 하는 전계 계측용 감지기.
제 4 항에 있어서,
상기 스위칭 회로는 복수의 캐패시터들을 더 포함하고,
상기 복수의 캐패시터들 중 적어도 제 1 캐패시터는 상기 기준 전압에 연결되고,
상기 복수의 캐패시터들 중 적어도 제 2 캐패시터는, 상기 적어도 하나의 스위칭 장치를 턴 온할 수 있는 활성 전압(activation voltage)에 연결되는 것을 특징으로 하는 전계 계측용 감지기.
제 4 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 스위칭 장치는, 상기 적어도 하나의 스위칭 장치에 활성 전압을 발생시키기 위해 구성된 복수의 캐패시터들의 입력들을 제어함으로써, 턴 온 및 오프되는 것을 특징으로 하는 전계 계측용 감지기.
제 7 항에 있어서,
제 1 입력 포트 및 제 1 출력 포트를 가지는 단위 이득 증폭기를 더 포함하고,
상기 제 1 입력 포트는 상기 증폭기의 입력 포트에 커플링되고,
상기 단위 이득 증폭기는 상기 제 1 출력 포트에서 제 1 출력 전압을 발생시키기 위해 구성되고,
상기 제 1 출력 전압은 상기 증폭기의 입력 포트에서 전압의 복사이고,
상기 단위 이득 증폭기는 하나 이상의 저항기들에 커플링되고,
상기 하나 이상의 저항기들은, 상기 적어도 하나의 스위칭 장치가 오프될 시에, 상기 복수의 캐패시터들을 상기 제 1 출력 전압으로 잡아당기기 위해(pull) 구성되는 것을 특징으로 하는 전계 계측용 감지기.
제 1 항에 있어서,
상기 증폭기의 입력 포트는 고 임피던스 입력 및 저 임피던스 입력을 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 계측용 감지기.
제 1 항에 있어서,
상기 감지 노드는 상기 증폭기의 고 임피던스 입력에 커플링되는 것을 특징으로 하는 전계 계측용 감지기.
제 1 항에 있어서,
상기 신체면은 인체 표면인 것을 특징으로 하는 전계 계측용 감지기.
제 1 항에 있어서,
상기 감지판과 상기 신체면 사이에서, 감지 캐패시터의 유전체는 상기 개재 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 계측용 감지기.
제 13 항에 있어서,
상기 유전체는 공기, 털 및 의류 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 계측용 감지기.
제 1 항에 있어서,
상기 증폭기는 전압 증폭기인 것을 특징으로 하는 전계 계측용 감지기.
제 15 항에 있어서,
상기 감지판은 상기 전압 증폭기의 고 임피던스 입력에 연결되는 것을 특징으로 하는 전계 계측용 감지기.
제 1 항에 있어서,
상기 감지판은 감지 캐패시터의 제 1 판으로서 기능하기 위해 구성되고, 상기 신체면은 상기 감지 캐패시터의 제 2 판으로서 기능하는 것을 특징으로 하는 전계 계측용 감지기.
제 1 항에 있어서,
적어도 하나의 스위칭 장치를 턴 온 및 턴 오프하는 스위칭 회로에 커플링되는 적어도 하나의 리셋 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 계측용 감지기.
제 4 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 스위칭 장치는 제 1 스위칭 장치 및 제 2 스위칭 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 계측용 감지기.
제 19 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 스위칭 장치의 스위칭은 상기 감지 노드를 부분적으로 리셋시킨는 것을 특징으로 하는 전계 계측용 감지기.
제 20 항에 있어서,
상기 감지 노드의 부분적인 리셋은, 기준 전압을 향한 양만큼, 감지 노드에서 전압을 변화시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 계측용 감지기.
제 20 항에 있어서,
상기 제 1 스위칭 장치 및 상기 제 2 스위칭 장치는 차례로(one at a time) 주기적으로 활성화되는 것을 특징으로 하는 전계 계측용 감지기.
제 22 항에 있어서,
상기 제 1 스위칭 장치 및 상기 제 2 스위칭 장치가 활성화되는 시간 구간에는 상기 감지 노드 상의 전압 드리프트의 방향 및 양에 기초한 것을 특징으로 하는 전계 계측용 감지기.
제 22 항에 있어서,
상기 제 1 스위칭 장치 및 상기 제 2 스위칭 장치가 활성화되는 시퀀스는 상기 감지 노드 상의 전압 드리프트의 방향 및 양에 기초한 것을 특징으로 하는 전계 계측용 감지기.
제 22 항에 있어서,
제어 모듈은 스위칭의 주기, 펄스 구간 및 시퀀스 중 하나를 제어하는 것을 특징으로 하는 전계 계측용 감지기.
제 1 항에 있어서,
상기 기준 전압은, 상기 기준 전압을 최적화시키기 위해 구성된 피드백 루프에 의해 변화되는 것을 특징으로 하는 전계 계측용 감지기.
제 4 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 스위칭 장치는, 상기 입력 신호 상의 전압이 상기 증폭기의 입력 공통-모드 전압 범위에 포함된 전압 범위의 한계에 접근할 시에, 활성화되는 것을 특징으로 하는 전계 계측용 감지기.
제 1 항에 있어서,
이득 1을 가지는 양의 입력 및 음의 입력을 가진 입력 포트를 따르기 위해 구성된 가드 출력을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 계측용 감지기.
제 28 항에 있어서,
상기 가드 출력은 상기 양의 입력 주위에서 가드 링(guard ring)을 유지시키기 위해 구성되는 것을 특징으로 하는 전계 계측용 감지기.
제 28 항에 있어서,
상기 가드 출력은 상기 감지판에 연관된 차폐 금속판을 구동시키기 위해 구성되어, 상기 신체면 이외의 소스들(sources)로부터 전계 픽업(electric field pick up)을 감소시키는 것을 특징으로 하는 전계 계측용 감지기.
제 7 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 스위칭 장치가 오프될 시에, 상기 적어도 하나의 스위칭 장치의 베이스 및 이미터 노드를 풀 업(pull up)시키기 위해 구성된 가드 출력을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 계측용 감지기.
신체면에 전기 용량적으로 커플링되는 감지판(상기 신체면 상의 전위의 변화는, 상기 감지판의 전위의 변화를 일으키는 전계를 발생시키고, 상기 감지판은 상기 전계로부터 신호를 발생시키는 전계에 위치한 감지 노드를 포함하고, 상기 감지판은 개재 재료에 의해 상기 신체면으로부터 이격됨);
입력 신호를 증폭시키기 위해 구성된 증폭기(상기 증폭기는 입력 포트 및 출력 포트를 가지고, 상기 증폭기는 상기 입력 포트에서 상기 입력 신호를 수신하기 위해, 그리고 상기 출력 포트에서 증폭된 출력 신호를 발생시키기 위해 구성됨);
적어도 하나의 스위칭 장치를 포함하는 스위칭 회로 및 복수의 캐패시터들을 포함하는 리셋 회로(상기 복수의 캐패시터들은, 상기 적어도 하나의 스위칭 장치를 턴 온 또는 활성화시키기 위해, 상기 적어도 하나의 스위칭 장치에 활성 전압을 발생시키기 위해 구성되고, 상기 스위칭 회로는 상기 입력 포트 및 기준 전압에 연결되고, 상기 스위칭 회로는, 상기 적어도 하나의 스위칭 장치가 턴 온될 시에, 상기 감지 노드부터 상기 기준 전압까지 분로 경로를 비-연속적으로 닫게 하여, 상기 입력 포트에 연결된 감지 노드를 리셋시킴); 및
제 1 입력 포트 및 제 1 출력 포트를 가지는 단위 이득 증폭기(상기 제 1 입력 포트는 상기 증폭기의 입력 포트에 연결되고, 상기 단위 이득 증폭기는 상기 제 1 출력 포트에서 제 1 출력 전압을 발생시키기 위해 구성되고, 상기 단위 이득 증폭기는 하나 이상의 저항기들에 커플링되고, 상기 하나 이상의 저항기들은, 상기 적어도 하나의 스위칭 장치가 오프될 시에, 상기 복수의 캐패시터들을 상기 제 1 출력 전압으로 잡아당기기 위해 구성됨)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 계측용 감지기.
제 32 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 스위칭 장치가 턴 온 되기 위해, 상기 복수의 캐패시터들 중 적어도 제 1 캐패시터는 상기 기준 전압에 연결되고, 상기 복수의 캐패시터들 중 적어도 제 2 캐패시터는 상기 적어도 하나의 스위칭 장치를 턴 온할 수 있는 전압에 연결되는 것을 특징으로 하는 전계 계측용 감지기.
제 32 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 스위칭 장치를 턴 온하는 것은 상기 적어도 하나의 스위칭 장치의 스위치를 닫는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 계측용 감지기.
제 34 항에 있어서,
상기 스위치는, 상기 감지 노드를 상기 기준 전압으로 단락시키기 위해, 닫히는 것을 특징으로 하는 전계 계측용 감지기.
제 32 항에 있어서,
상기 기준 전압은 접지인 것을 특징으로 하는 전계 계측용 감지기.
제 32 항에 있어서,
상기 감지판은 감지 캐패시터의 제 1 판으로서 기능하기 위해 구성되고, 상기 신체면은 상기 감지 캐패시터의 제 2 판으로서 기능하는 것을 특징으로 하는 전계 계측용 감지기.
제 32 항에 있어서,
상기 제 1 출력 전압은 상기 증폭기의 입력 포트에서 전압의 복사인 것을 특징으로 하는 전계 계측용 감지기.