KR20150028854A - 신호 커플링 및 직류 차단을 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

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KR20150028854A
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Abstract

전자 장치의 한 스테이지에서 다른 스테이지로, 외부에서 한 스테이지로, 한 스테이지에서 외부로 다른 전자 소자들과 결합된 복수의 대칭적 2중층 캐패시터들의 사용을 통해 저주파수 신호를 커플링하기 위한 회로 구성의 방법 및 클래스가 기재된다. 캐패시터들은 에너지 저장보다는 신호 송신을 위해 사용되는 한편, 직류를 차단한다. 종래적인 캐패시터들 대신에 2중층 캐패시터들의 사용은 훨씬 적은 왜곡으로 신호의 훨씬 넓은 범위의 송신을 가능하게 한다. 이 기술은 특히 생체전자적 자극기를 포함하는 의료 장치에서 사용하기 위해 특히 잘 적용되며, 잉여 장치는 종래의 요소들이 사용될 때 단일 요소의 오류가 있는 동안 허용불가한 수준의 왜곡이 일어날 수 있는 경우 안전을 위해 요구된다.

Description

신호 커플링 및 직류 차단을 위한 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR SIGNAL COUPLING AND DIRECT CURRENT BLOCKING}
본 발명은 신호 커플링(coupling) 방법 및 회로 구성 클래스에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 종래의 막형(film type) 또는 세라믹 모놀리식(ceramic monolithic) 커플링 캐패시터를 대체하는 신호 커플링 방법 및 시스템에 관한 것이며, 그 외에 대칭적 탄소 2중층(double-layer) 캐패시터가 있는 종래의 커플링 회로에 관한 것이다.
캐패시턴스(capcaitance) 현상은 몇세기 동안 알려져 왔다. 초기의 전기 저장 장치인 라이덴병(Leyden jar)은 단순한 캐패시터였다.
가장 단순한 개념적 형태에서, 도 1에 도시된 것과 같은 캐패시터(10)는 전기적으로 비도전성인 공간(14)이 사이에 있는 2개의 도전성 판들(12a, 12b)이 병렬로 설치된 것으로 고려될 수 있다. 만일 S가 각 판의 영역(16)이고, d가 이들 사이의 거리(18)이고, 만일 d가 S의 제곱근보다 훨씬 작다면, 캐패시터(10)의 캐패시턴스 값 C은 다음 식과 같이 주어진다.
C=εS/d
여기서, C는 패럿(farad) 단위이며, 인가된 전압 당 저장된 쿨롬(coulomb)과 같으며, ε는 어떤 물질이 공간(14)을 채우든지 유전체 상수이다. 빈 공간(또는 대체적으로 대부분이 가스)에 대해, 유전체 상수는
Figure pat00001
F/m이다. 다른 물질에 대해 ε는 εR배의 ε0의 곱으로서 편의적으로 표현되고, 여기서 εR는 물질의 무차원의 특성을 갖는다. εR는 통상 테플론(Teflon)과 같은 퍼플루오린화 탄화수소(perfluorinated hydrocarbon)에 대해서는 대략 2이고, 대부분의 플라스틱 및 광물에 대해서는 통상 3 내지 6의 값을 갖고, 알루미늄 산화물에 대해서는 8.8, 탄탈륨 산화물에 대해서는 30, 증류수에 대해서는 80, 및 특히 타이타늄산바륨(barium titanate)의 형태로 처리된 경우 최대 1200의 값의 범위에 있다.
캐패시터(10)와 그 외부 사이의 전기적 연결은 2개의 도전체(20a, 20b)를 통해 이루어지고, 상기 도전체는 각각 도 1a에 도시된 것과 같은 판(12a, 12b)에 연결된다. 결과적으로, 전자적 도면에서 캐패시터는 2개의 판을 나타내는 도 1b의 심볼(22)로 표현되고, 2개 판 사이의 공간 및 도전체가 연결된다. 거의 변함없이, 실제 캐패시터는 상기 요소들에 부가하여 외부 절연 자켓(jacket) 또는 코팅(coating)을 포함하여, 도 1a의 점선(24)으로 지시되는 원하지 않는 전류의 흐름 또는 누설을 방지한다.
단지 주어진 식에서 알 수 있는 바와 같이, 캐패시턴스는 S의 증가, e의 증가, 또는 d의 감소에 의해 증가될 수 있다. 도 2a의 30으로 지시되는 판들 사이의 빈 공간(또는 더 실제적으로 공기)를 사용하는 초기의 캐패시터는 대략 수 pF(10-12F) 내지 수 백 pF의 매우 작은 값의 C를 가졌다. 초고주파수에서의 활용, 또는 수천 볼트에 이르는 전압에서의 활용이 있는 동안, 상기 캐패시터들은 다른 현재의 저전압 전자장치에서 거의 사용되지 않는다.
도 2b에 도시된 것과 같이, 그 이후 세대의 캐패시터는 도전판들이 상당히 근접하여 배치되고, 운모, 왁스를 입힌 종이(waxed paper), 또는 플라스틱으로 된 얇은(통상 10-4 m) 막(32)으로 분리된다. 통상적으로, 판들은 금속 포일(foil)로 이루어지며, 막 및 포일은 소형화를 위해 함께 말린다. 일반적으로 수백 볼트의 감소된 동작 전압에 있을 지라도, S의 증가, d의 감소, 및 ε의 증가가 결합된 결과는 대략 1 nF 내지 수백 nF로 2 내지 3차의 더 큰 크기의 실제 값으로 이루어진다.
강유전체 세라믹의 발전은 대부분 특수 처리된 타이타늄산바륨에 기초하며, 캐패시터로 명시된 모놀리식의 추가 생성을 가능하게 한다. 이러한 "칩(chip)" 캐패시터는 도 2c에 도시된 바와 같이, 단일 세라믹 조각과 함께 가열되어 팔라듐과 같은 금속 및 세라믹(34)의 얇은(대략 10-4 m) 층을 대체하여 구축된다. 실제 소자들이 소형인 한편, 이들은 막형 캐패시터보다 제조하기에 용이하고, 더욱 내구성이 있다. 통상 대략 1200인 세라믹(34)의 매우 높은 값의 εR은 통상 10 내지 30 볼트의 동작 전압으로 수 nF 내지 대략 1 μF(10-6 F)의 실제 값을 산출하는 감소된 S를 필수적으로 상쇄한다. 강유전체 세라믹은 또한 "디스크(disk)" 캐패시터에서 사용될 수 있고, 여기서 세라믹은 이전의 예시의 물질(32)을 대체하며, 더 작은 값의 캐패시턴스를 도출하지만, 더 높은 전압에서 동작할 수 있다.
추가적인 발전은 큰 S 및 매우 작은 d를 갖는 소형 체적으로 큰 캐패시턴스를 허용하는 도 2d에 도시된 것과 같이 전해액 캐패시터였다. 여기서 적어도 하나의 판은 알루미늄 또는 탄탈륨과 같은 금속으로 형성되고, 식각되거나 처리되어 표면적을 최대화하여 전해액(36)과 접촉하여 배치된다. 제어되는 전류 및 전압의 인가에 의해, 산화물(38)의 얇은(10-6 m 등) 층은 표면 상에서 성장하고, 유전체를 형성한다. εR은 적절히 높고(강유전체 세라믹 정도로 높지 않음), d는 기계적으로 구성된 구조에서 가능한 것보다 대략 더 얇은 크기를 갖고, 1 μF(10-6 F) 내지 수백 μF의 캐패시턴스 값은 수 볼트 내지 수백 볼트의 범위의 동작 전압에서 용이하게 달성된다.
전해액 캐패시터의 발전은 경제적으로 달성가능한 상대적으로 큰 캐패시턴스 값을 이루는 것에 의해 전자장치에 대혁신을 일으켰다. 그러나, 전해액은 불리한 면을 갖는데, 내재적으로 일방향성(unidirectional)이거나 양극화(polirize)된다. 이는 제조 공정 및 금속 및 전해액의 화학 반응에서 결과한다. 인가된 전압이 본래대로 산화층을 형성하도록 사용된 것과 동일한 극성을 갖는 한, 캐패시터는 의도한 대로 기능한다. 그러나 만일 전압이 역전되면, 산화층은 고장나고, 캐패시터는 단락 회로에서 기본적으로 일어나는 심한 누설이 있게 된다. 이는 전해액 캐패시터의 사용에 특별한 예방책을 요구하고, 인가된 전압이 항상 동일하고 정확한 극성이 있는 전력 저장과 같은 응용에서의 사용을 제한한다.
도 2e에 도시된 것과 같이, 단지 1개 이상으로 전해액 캐패시터(40)의 양 판들의 처리는 대략 대칭의 특성을 갖는 장치를 도출할 수 있다. 이러한 대칭적 전해액 캐패시터는 예컨대 그래픽 등화기 및 필터와 같은 저 임피던스 오디오 응용에서 신호 처리에 가끔식 사용된다. 그러나 제조의 높은 복잡도 및 이에 결과하는 상대적으로 높은 비용으로 인해, 대칭적 전해액 캐패시터(40)는 종종 다른 것이 그 역할을 할 수 없을 때의 최후의 수단이다. 더 일반적인 접근 방식은 단순히 일렬로 마주하여 동일한 값의 2개의 종래의 극성을 갖는 전해액 캐패시터를 배치하는 것이다. 역 방향에서의 각 캐패시터를 통한 누설은 신속히 공통 지점을 충분히 높은 전압으로 충전하여 추가적인 역 바이어싱(biasing)을 방지하고, 상기 쌍은 각 요소의 1/2 비율의 값을 갖는 단일의 대칭적 캐패시터로서 근사적으로 기능한다.
캐패시터에서의 최신의 발전, 및 이하 기재된 본 발명의 일부분을 형성하는 것은 소위 "울트라캐패시터(ultracapacitor)", "수퍼캐패시터(supercapacitor)", "2중층" 또는 "전기화학적(electrochemical; EC)" 캐패시터이다. 이는 도 2e에 도시된 전해액 캐패시터와 크게 보면 유사하지만, 금속 산화물 층 대신에 탄소 및 다른 금속과 같은 반도체 사이의 임의의 접합이 일어나는 표면 장벽 포텐셜(surface barrier potential) 상의 "유전체"에 의존한다. 2번째 물질이 전해액(36)일 때 도 2f에 도시된 바와 같이, 이 장벽은 하나의 층이 탄소(42)의 이동 전자에 의해 형성되고, 다른 것은 전해액(36)의 이동 전자에 의해 형성되는 소위 "2중층"의 자발적 형성을 통해 일어난다. 2중층을 가로질러 인가된 전압은 별도의 반대되는 충전을 일으키고, 유전체를 형성하는 얇은 빈 구역을 남긴다.
이러한 층이 매우 얇아, 종종 1 nm(10-9 m)보다 작고, 활성화된 탄소 또는 탄소 에어로겔(aerogel)의 본체의 표면적 S가 매우 크기 때문에, 이러한 소자의 실제 캐패시턴스 값은 대략 0.05 F(50000 μF) 내지 수 F의 범위로 분류된다. 단점은 동일한 두께에서 일어나며, 이러한 유형의 단일 캐패시터는 구성 및 유전체를 형성하는 액체에 의존하여 2 내지 3 볼트보다 크지 않은 최대 동작 전압으로 제한된다. 높은 전압을 위해, 다수의 개체들이 연계하여 연결되어야 한다.
초기의 2중층 캐패시터에서 단지 다공성 탄소(42)의 1개의 본체만이 사용되었고, 하나의 와이어가 탄소를 지지하는 금속 판을 통해 연결되었고, 금속에 대해 다른 와이어가 전해액과 직접 접촉하여 특수 처리된 니켈(44)로 정렬될 수 있다. 도 2f에 도시된 것과 같은 이러한 소자는 전해액 캐패시터(도 2e에 도시됨)와 같은 특성을 갖고, 1개 극성에서만 동작하고, 전압이 잘못된 방식으로 인가되는 경우 손상 및 파괴되기 쉽다. 이것의 니켈 함량(44)은 또한 비교적으로 높은 비용이 들게 하고, 유독성 물질의 방출이 일어날 수 있기 때문에 버릴 때 특별한 취급을 요구한다.
그러나 21세기로 온 이후로, 기술상의 진보는 캐패시터를 더욱 단순하고 경제적이 되게 하여, 단지 1개가 아닌 대칭적 2중층 캐패시터(46)의 판들 모두에 탄소를 부착하였다. 이러한 캐패시터는 도 2g에 도시된다. 이에 따른 캐패시터는 대용량 제품에 적합하고, 가격은 급격히 낮아진다. 셀 당 동작 전압은 통상 2 내지 3 볼트이고, 도 2h에 도시된 것과 같은 일련의 적층(48)으로 2개 또는 그 이상의 셀들을 연결하는 것에 의해 더 높은 전압을 이룰 수 있다. 인쇄 회로 기판 설치에 적합한 소형 개체들은 이제 개체 당 대략 1달러만큼 낮은 가격에 상업적으로 이용가능하다. 이러한 일련의 소자들은 ELNA "Dynacap" DX 시리즈이고, 0.047, 0.1, 0.22, 0.33, 및 1.0 F 소자이고, 이들 모두는 5.5 볼트에서 평가된 것이다.
그러나 이러한 탄소-탄소 2중층 캐패시터(48)의 새로운 대칭적 특징이 에너지 저장에 상당한 차질이 있는 사용을 허용한다는 것이 보통 인식되지 않는다. 원인일 수 있는 것은 전해액 캐패시터와 같은 높은 값의 캐패시터의 이전 생산은 거의 배타적으로 일방향성이고, 반대 극성에 의해 쉽게 손상되었다는 점이다. 전기적 2중층은 탄소-전해액 접합으로 가능하게 되기 때문에, 이러한 손상에 영향을 받지 않는다. 만일 어떠한 방식으로 방해가 된다면, 사실상 즉시 재형성할 수 있다. 다공성 탄소로 코팅된 2개의 판을 갖는 현재의 대칭적 2중층 캐패시터(48)에서, 하나의 판은 활성이 되고, 하나의 극성에서 높은 캐패시턴스를 제공하는 한편, 다른 극성에서 본질적으로 단락 회로와 같이 동작하는 한편, 반대 극성에서 역할은 역전된다.
예를 들면, 도 3은 표시된 "순방향" 및 "역방향" 모두에서 통상의 ELNA DX-5R5V473 "Dynacap"(0.047F, 5.5V) 캐패시터에 대해 측정된 자가 방전(self-discharge) 곡선을 도시한다. 각 경우에, 캐패시터(48)는 도 3a의 선(60)에 의해 표시된 5.5V의 평가된 Dynacap 최대 동작 전압보다 훨씬 높은 8.5V로 연결된 전압계가 계측될 때까지 100옴 저항을 통해 9V 알카라인 라디오 배터리에서 충전되었다. 배터리는 이후에 분리되었다. 캐패시터 전압은 증가하는 간격에서 측정되었고, 시간의 로그(logarithm)에 대해 도시되었다. 그리고 평활한 곡선들(62, 64)은 도 3a에 도시된 것과 같이 각각 명목상 "순방향" 및 "역방향" 데이터 지점에 맞추어졌다.
연속된 데이터 지점들 사이의 전압의 변화로부터 내부 누설 전류는 다음의 관계식으로 발견되었고, 전압의 함수로서 로그 대수적으로 도시되었다.
Figure pat00002
도 3b에 도시된 것과 같이, 누설은 지점(70)(평가된 선(60) 위) 부근의 비교적 높은 값에서부터 평가된 전압에서 대략 40 μA까지 강하하고, 4 내지 5 볼트의 범위 상에서 대략 20 μA에서 안정기에 도달한다. 4V 아래에서, 누설은 더 낮은 값(지점(74) 부근)으로 다시 강하한다. 표시된 "순방향" 누설 값(76)과 표시된 "역방향" 값(78) 사이에 차이가 있지만, 이 차이는 평가된 동작 전압 범위를 가로지르는 2개의 인자보다 더 크지 않다.
캐패시터에 대한 하나의 통상적인 응용은 용량성 커플링(capacitive coupling)이다. 특히, 용량성 커플링은 회로 요소들 사이의 캐패시턴스를 사용하여 하나의 회로 요소에서 다른 회로 요소로의 전기 에너지의 전달이다. 용량성 커플링은 통상 결합되는 신호와 직렬로 캐패시터를 배치하는 것에 의해 달성된다. 이러한 캐패시터는 커플링 캐패시터로 불릴 수 있다. 커플링 캐패시터는 2개의 회로를 연결하기 위해 사용되고, 이에 따라 첫번째 회로에서의 교류(AC)만이 다음 회로로 통과되는 한편, 직류(DC)는 차단된다. 이러한 기술은 회로들이 상호연결될 때 각 회로의 DC 바이어스 설정의 변경을 방지하기 위해 사용될 수 있다. 이에 따라 용량성 커플링은 또한 AC 커플링으로서도 알려져 있다.
커플링 캐패시터는 DC 차단 캐패시터로서도 알려질 수 있다. 용량성 커플링은 전기용량적으로 결합된 개체들을 포함하는 시스템의 저주파수 성능을 저하하는 단점을 가지며, 이는 다음 스테이지의 입력 임피던스에 따라 각 커플링 캐패시터가 높은 통과 필터를 형성하고, 각 연속적 필터는 누적된 필터로서 결과하기 때문이다. 이에 따라, 적절한 저주파수 응답을 위해, 커플링 캐패시터는 보통 충분히 높은 캐패시턴스를 가져야 하며, 이에 따라 (관심있는 최저 주파수에서) 리액턴스는 다음 스테이지의 입력 임피던스보다 훨씬 커야 한다. 커플링 캐패시터의 열악한 저주파수 성능은 긴 시간 상수를 갖는 A/C 전기 신호의 전달을 복잡하게 만들 수 있다.
예컨대 본원에 참조로서 그 전체가 통합된 미국 특허 5,217,009, 5,413,596, 6,011,994, 6,321,119, 6,535,767, 7,117,034, 및 미국 특허 출원 공개 제20040267333호에 기재된 생체전자적 자극기와 같은 선행 기술의 장치들은 출력 DC 차단을 위해 서로 맞댄 전해액 캐패시터의 사용을 요구한다. 그러나 실제 크기의 캐패시터를 가지고는, 성공적인 커플링은 임의의 주어진 시간에 작은 불균형 전하 함량을 갖는 신호들에 제한된다. 심지어 비교적 짧은 기간 동안의 상당한 불균형이 있는 캐패시터는 왜곡되게 될 수 있다.
이와 같이, 이 기술 분야에서 매우 양호한 저주파수 성능을 갖는 용량성 커플링 회로에 대한 필요가 있다. 이러한 저주파수 성능은 신호들이 긴 시간 상수 요소를 가질 수 있는 경우 효율적인 신호 전파를 지속할 수 있다. 또한 DC 신호 성분의 전달을 실질적으로 차단하는 한편 허용가능한 저주파수 성능을 유지하기 위한 용량성 커플링에 대한 필요가 존재한다. 또한, 안전의 고려를 위해 일련의 잉여 요소들을 포함하는 용량성 커플링 회로에 대하여, 일부 경우, 특히 의료적 응용에서 필요하다.
회로 구성의 방법 및 클래스는 전자 장치의 한 스테이지에서 다른 스테이지로, 외부에서 한 스테이지로, 또는 한 스테이지에서 외부로 하나 이상의 2중층 캐패시터의 사용을 통해 저주파수 신호를 커플링하는 것이 기재된다. 2중층 캐패시터는 다른 소자들, 즉 저항과 같은 전자 회로 설계에 사용되는 쉽게 이용가능하고 저비용인 전자 소자와 결합될 수 있다.
본 발명의 하나의 중요한 특징은 에너지 저장으로부터 구별되는 것으로서, 신호 송신을 위해 소형이며 경제적인 대칭적 2중층 캐패시터를 사용하는 것이다. 본 발명의 방법은 전자 장치로부터 살아 있는 인간 또는 동물 신체, 기타 생명체, 또는 배양 세포 또는 조직과 같은 생물학적 물질로 신호를 도입하는데 유리할 수 있다. 실제적으로 소형이며 저비용의 장치들 내의 더 높은 값의 캐패시턴스를 제공하는 2중층 캐패시터들의 사용은 훨씬 적은 왜곡이 있는 잠재적으로 훨씬 넓은 범위의 신호들의 송신을 허용하는 한편, 또한 임의의 현저한 직류를 차단할 수 있다.
다른 중요 특징은 2중층 캐패시터들이 접지 또는 다른 고정된 전압 지점에 연결되는 적어도 하나의 단자를 갖는 통상의 2중층 캐패시터들과 달리 유동적인 캐패시터 단자들 모두와 신호 흐름의 경로에서 연결될 수 있다. 이는 전자 장치의 한 스테이지에서 다른 스테이지로, 외부에서 한 스테이지로, 또는 한 스테이지에서 외부로 캐패시터를 통해 신호의 교류 성분의 통과를 가능하게 하는 한편, 임의의 직류 성분을 차단한다. 이러한 특징은 살아 있는 조직에 인가되는 임의의 순직류(net direct current)가 해로운 전해 반응을 야기할 수 있는 생체전자적 자극기 및 유사 의료 장치에서 특히 중요할 수 있다.
본 발명의 다른 중요 특징은 각 장치가 단일 셀 또는 2개 이상의 적층을 포함하는지와 관계없이, 직렬로 연결된 다수의 개별 2중층 캐패시터 소자들의 사용이며, 한편 성공적인 커플링을 위한 적절한 캐패시턴스의 유지이다. 예를 들면, 2개의 소자들은 직렬로 연결될 수 있다.
2중층 캐패시터들의 새로운 대칭은 1F 또는 그 이하의 값에서 특히 2중층 캐패시터들이 자릿수가 더 높은 값들로 인해 예외적으로 확장된 시간들이 있지만 다른 비극성 캐패시터들과 동일한 방법으로 사용될 수 있는 새로운 응용 분야를 열어준다. 예를 들면, 이러한 캐패시터들은 일상적인 임피던스 레벨에서 대략 20 Hz 또는 그 이하의 크기와 같은, 또는 통상 낮은 임피던스가 사용되거나 왜곡이 일부 의료 응용 장치를 위해 최소화되어야할 때 100 Hz 범위의 낮은 오디오 주파수와 같은 예외적으로 저주파수 교류 신호를 결합하도록 사용될 수 있다. 기타 저주파수들은 5-15 Hz 대역뿐만 아니라 0.00056 Hz(매 15분마다 역전되며, 매 30초마다 전체 주기가 있으며, 이러한 신호 생성 기술은 종종 신경 재생성을 위한 "Borgens" 응용으로서 언급됨), 및 0.0001 Hz만큼 낮은 주파수를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 부가적인 저주파수는 1, 1/10, 3/10, 1/100, 3/100, 1/1000, 3/1000, 1/10000, 및 3/10000 Hz를 포함할 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 그러나, 다른 저주파수들이 본 발명의 범위에서 벗어나는 것은 아니다.
캐패시터들은 전자 장치의 한 스테이지에서 다른 스테이지로, 외부에서 한 스테이지로, 또는 한 스테이지에서 외부로 저주파수 교류 신호를 결합할 수 있는 한편, 상기 신호들의 임의의 직류 성분을 여전히 차단할 수 있으며, 특정한 불변하는 극성이 캐패시터를 가로질러 존재해야 하는 것을 보장할 필요가 없다.
특히, 이러한 응용 분야는 전자 장치와 인간 또는 동물 신체, 세포, 조직, 또는 진단, 치료, 성장이나 치료의 가속, 또는 전자생물학 및 전자자극(electrostimulation) 분야의 기타 목적을 위한 배양된 완전한 생명체 사이의 저주파수 신호들의 커플링을 포함하고, 이는 일부 직류 성분을 의도하지 않게 포함할 수 있는 신호들에 대한 연장된 노출로부터의 전해 효과의 위험을 동반하지 않는다.
미국에서 거래되고 있는 몇몇 의료 장치에서, 미국 식약청(Food and Drug Administration)은 안전이 임의의 가능한 단일 요소의 오류와 관계없이 유지될 것을 요구한다. 이러한 요구를 만족하기 위한 단순한 방법은 "3의 법칙(rule of three)"이며, 여기서 임의의 중요 요소는 안전한 동작을 위해 충분한 임의의 2개의 하부구성요소가 남도록 3개로 이루어진다. 직렬로 배치된 3개의 잉여 출력 캐패시터들은 임의의 의료 장치의 안전한 동작을 제공하도록 사용될 수 있는 한편, 여전히 낮은 신호 왜곡을 유지할 수 있다.
대안적으로, 신호들이 요구하는 전압이 충분히 높은 경우, 3개 이상의 개별 소자들은 모두 자신만의 특정 전압 범위내에서 동작하도록 사용될 수도 있을 것이다.
본 발명의 또 다른 중요 특징은 통상의 생물학적 물질의 임피던스에 정합하도록 비교적 낮은 값의 저항들과 함께 2중층 캐패시터들을 사용하는 한편, 7, 16, 36, 120, 150, 500, 1200, 및 1500 초(이는 단지 몇몇예에 불과한 것임)과 같은 긴 시간 상수를 유지하는 것이다. 긴 시간 상수에 대한 기타 값은 대략 10, 30, 100, 300, 1000, 3000, 또는 잠재적으로 10000 초의 길이 중 하나를 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다.
인가된 전압, 또는 저항성 부하에 용량적으로 결합된 전류 계단(step)에 대해, 감쇠 시간(decay time), 또는 신호가 1/e 또는 원래 값의 대략 36.8%로 감소하는 시간은 다음과 같다.
Figure pat00003
여기서, R1, R2, R3 등, 및 C1, C2, C3 등은 모두 직렬로 연결된 저항 및 캐패시턴스이다. 만일 모든 개별 저항 값들이 단일 등가 직렬 저항 Rs로 대체되고, 모든 개별 캐패시턴스가 단일 등가 직렬 캐패시턴스 Cs로 대체된다면, 감쇠 시간은 다음과 같다.
Figure pat00004
이에 따라 소정의 원하는 감쇠 시간을 유지하기 위해 Rs가 감소하는 경우 Cs는 비례적인 크기로 증가해야 한다. 대부분의 생물학적 물질 또는 시스템과 같이 Rs가 작은 경우, 큰 Cs가 안전한 송신을 위해 요구된다. 2중층 캐패시터들의 사용, 특히 잉여하는 "3의 법칙" 구성에서 각 캐패시터의 값이 충분히 높아서 직렬로 다수의 캐패시터들이 연결된 것에 의해 일어나는 손실을 보상하기에 충분한 경우 상기 언급된 긴 시간 상수의 유지를 가능하게 한다.
예를 들면, 결과적인 커플링 회로는 예외적으로 긴 시간 상수(대략 10, 30, 100, 300, 1000, 3000, 또는 잠재적으로 10000 초 길이), 및 큰 전하 이동(대략 0.25 C)의 경제적인 달성을 가능하게 하고, 이에 따라 예컨대 진단, 치료, 또는 성장이나 치료의 가속을 위한 목적으로 생물학적 물질로 저주파수 성분, 특히 20 Hz 이하의 성분을 포함하는 신호들 또는 예외적인 저주파수의 커플링을 가능하게 하는 한편, 신호의 임의의 직류 성분을 차단한다.
이 요약에서 제공되는 용량성 결합 회로에 대한 설명은 단지 설명을 위한 목적을 갖는다. 본 발명의 다양한 측면들은 기재된 실시예들의 이하 상세한 설명, 및 도면 참조와 이하의 청구항의 해석으로부터 더 명확하게 이해되고 파악될 수 있다. 특히, 본 발명의 다른 측면, 시스템, 방법, 특징, 장점, 및 목적은 이하의 도면과 상세한 설명의 검토시 당업자에게 더 명확해질 것이다. 모든 측면, 시스템, 방법, 특징, 장점, 및 목적은 상세한 설명 내에 포함되고, 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 의도되며, 첨부된 도면에 의해 보호되도록 의도된다.
도 1a 및 1b는 종래 기술의 일반적인 캐패시터의 개략도이다.
도 2a 내지 2h는 다양한 여러 기술들을 사용하여 형성된 종래 기술의 캐패시터들의 개략적 단면도들이다.
도 3a 및 3b는 종래의 상업적으로 이용가능한 2중층 캐패시터에서 자가 방전 특성 및 계산된 내부 누설을 도시하는 한 쌍의 그래프들이다.
도 4는 잉여 전해 캐패시터들을 사용하는 종래 기술의 생체전자적 자극기의 출력 부분의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 예시적인 일 실시예에 따른 "3의 법칙"을 따르는 2중층 캐패시터들을 사용하여 재구성된 동일한 출력 부분의 개략도이다.
도 6a 내지 6c는 본 발명의 예시적인 일 실시예에 따른 도 4 및 도 5의 커플링 방법을 사용하여 통상의 생물학적 시스템의 임피던스를 자극하는 표준 시험 부하로 커플링된 파형의 비교이다.
도 7은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 제 1 회로와 제 2 회로 사이의 신호를 커플링하는 2중층 캐패시터를 도시한다.
도 8은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 제 1 회로와 제 2 회로 사이의 신호를 커플링하는 직렬의 3개의 2중층 캐패시터들을 도시한다.
도 9는 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 2중층 캐패시터를 사용하여 2개의 회로들 사이의 교류 전기 신호를 커플링하기 위한 프로세스의 논리적 흐름도이다.
본 발명의 다수의 측면들은 상기 도면을 참조할 때 더 잘 이해될 수 있다. 도면에 도시된 요소들 및 형태들은 비례축척된 것이 아니며, 본 발명의 예시적인 실시예의 원리를 명확하게 설명하도록 배치되면서 강조되어 도시된 것이다. 게다가, 특정 차원은 상기 원리를 시각적으로 전달하는 것을 돕기 위해 과장될 수 있다. 도면에서, 도면 부호는 여러 관점을 통해 유사하거나 대응하지만 필수적으로 동일하지 않은 요소들을 지정한다.
본 발명은 다수의 다른 형태로 구현될 수 있고, 본원에 기재된 실시예에 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 대신에 본원의 실시예들은 본 발명이 빈틈없이 완전하고, 당업자에게 본 발명의 범위를 충분히 전달할 수 있도록 제공된다. 게다가, 모든 본원에 제시된 "예시들" 또는 "예시적인 실시예들"은 비제한적으로 의도되며, 그 중에서도 본 발명의 내용에 의해 뒷받침된다.
본 발명은 전자 장치의 한 스테이지에서 다른 스테이지로, 외부에서 한 스테이지로, 또는 한 스테이지에서 외부로 저주파수 신호를 커플링하기 위한 회로 구성의 방법 및 클래스를 포함하고, 이는 저항과 같은 쉽게 이용가능하고 저비용인 전자 소자와 결합되는 하나 이상의, 바람직하게는 복수의 2중층 캐패시터들의 사용을 통해 이루어진다. 2중층 캐패시터는 유동적인 캐패시터 단자들 모두와 신호 흐름의 경로에서 연결될 수 있으며, 이는 적어도 하나의 단자는 접지 또는 일부 기타 고정된 전압 포텐셜에 연결되는 종래의 2중층 캐패시터의 사용과 대비된다. 본 발명은 특정 강도의 신호 및 파형이 성장 및 치료의 가속과 같은 원하는 응답을 끌어내기 위한 생물학적 물질에 인가되는 생체전자적 자극 분야에서 적용될 수 있다.
종래의 생체전자적 신호 생성 장치를 위한 출력 부분의 예시는 미국 특허 제 6,535,767호에 기재되어 있고, 이는 참조로서 본원에 그 전체가 통합되며, 도 4에 도시된다.
스위치(106)의 위치에 의해 판단되는 것과 같이 저항들(104a, 104b, 104c)의 집단에서 선택되는 하나의 저항과, 저항들(100, 102)이 직렬로 된 3개의 잉여 저항들이 있다. 이 저항들의 값들은 계산되어 만일 저항들 중 임의의 하나가 단락 회로와 같이 오류가 일어난다면, 나머지 2개의 저항, 및 이와 함께 구동기(driver)(108)의 분산된 저항, 및 기타 회로의 저항은 출력 단자들(110)에서 안전한 수준으로 전류를 제한하기에 충분할 것이다. 그러나 저항 단독으로는 직류 신호에서 교류 신호로의 변경을 구별할 수 없으며, 따라서 단자들(110)에서의 신호가 안전한 사용을 위해 또한 요구되는 것과 같이 전하 균형(charge-balanced)(즉, DC 성분을 갖지 않음)인 것을 보장할 수 없다.
다이오드들(103, 105)은 회로 동작에 필수적이지 않지만, 전류가 흐르고 있는 시각적 또는 전자적 표시를 제공한다. 105로서 도면에 도시된 이 다이오드 중 적어도 하나는 LED(light-emitting diode)이고, 이는 예컨대 마이크로프로세서에 전자 입력을 제공하는 광 아이솔레이터(optical isolator)에서 시각적 LED 또는 적외선 LED 중 하나일 수 있다. 대안적으로, 다이오드들(103, 105)은 모두 LED들일 수 있다. 도시된 것과 같은 반평행(antiparallel)(비평행(non-parallel)) 방식으로 배치된 다이오드들이 있는 경우, 이 쌍은 고주파수 신호를 통과할 수 있고, 전류 흐름에 비례하여 광을 방출한다. 이는 배터리가 적절한 동작 전압을 제공하고 있는 것에 대해 동시에 표시를 제공하고, 전력을 제공하는 모든 회로 블럭들이 정확하게 기능하고 있고, 전류가 단자(110)에 연결된 부하에 적절히 흐르고 있는 것을 나타낸다.
또한 도 4에서는 캐패시터들(112a, 112b, 112c, 112d)이 있다. 이들은 각각 2개의 마주하는 쌍을 형성하고, 이에 따라 이들 중 임의의 하나가 오류가 나면, 동일 극성으로 연결된 다른 개체가 출력에서 DC를 차단하기에 충분할 것이며, 이에 따라 안전한 동작을 보장한다.
불행하게도, 캐패시터들이 이러한 방식으로 직렬로 결합될 때 전체 캐패시턴스는 다음과 같다.
Figure pat00005
여기서, C1, C2, C3 등은 직렬로 연결된 개별 캐패시턴스이다. 모든 개체들이 동일한 값을 가질 때, 상기 식은 단순하게 아래와 같이 된다.
Figure pat00006
여기서 N은 개별 개체의 수이고, C는 각각의 값이다. 이러한 방식으로 4개의 선으로 연결된 10 μF 개체들에 대해, 결과적인 직렬 값은 이에 따라 단지 2.5 μF이다. 500옴의 통상의 생물학적 부하와 직렬로 배치된 선이 있는 경우, 결과적인 감쇠 시간 상수는 단지 1.25 ms이고, 인가될 수 있는 신호의 범위 및 주파수가 현격히 제한된다. 더 긴 시간 상수, 및 이에 따른 더 넓은 동작 주파수 범위는 더 큰 값의 캐패시터들을 사용하여 달성될 수 있지만, 증가되는 크기, 양, 비용, 및 무게 등의 결점이 있다.
도 5에서, 도 4의 동일 출력 커플링 부분이 본 발명에 따른 2중층 캐패시터를 사용하여 다시 도시된다. 적어도 3개의 캐패시터들(114a, 114b, 114c)이 사용되고, 이에 따라 "3의 법칙(rule of three)"을 만족한다. 단위 동작 전압이 선택되며, 이에 따라 단락 회로로서 임의의 캐패시터의 실패가 있는 경우 나머지 개체들은 함께 평가된 전압을 초과하지 않고 계속해서 임의의 DC 신호 성분을 안전하게 차단할 것이다. 예를 들면, 9V 최대 인가 신호가 있는 경우, 캐패시터들의 ELNA DX 시리즈와 같은 3개의 5.5V 2중층 캐패시터들이 사용될 수 있고, 이 중 임의의 2개는 안전한 동작을 위해 충분하다.
DX 시리즈에서 최저 값의 소자이며 그 특성이 도 3에 도시된 DX5R5V473을 사용하는 경우, 각 소자는 0.047 F의 캐패시턴스를 갖고, 이에 따라 일련의 3개는 대략 0.0157F(15700 μF)의 직렬 캐패시턴스를 가지며, 또는 도 4의 등가의 일련의 캐패시턴스보다 6000배 이상이다. 다시 500옴의 일련의 통상의 생물학적 부하를 통한 신호의 인가의 경우, 결과적인 시간 상수는 7.83초이다. 더 긴 시간 상수는 동일한 연결에서 또는 표 1에 표시된 것과 같은 10%의 허용 축적(stock) 값인 표준을 갖는 다른 것들로부터 다른 소자들을 사용하여 쉽게 달성가능하다. 예를 들면, 더 긴 시간 상수는 7, 16, 36, 120, 150, 500, 1200, 및 1500 초(표 1 에 도시됨) 중 하나를 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않으며, 이는 몇몇 예시에 불과하다. 긴 시간 상수를 위한 다른 값들은 10, 30, 100, 300, 1000, 3000, 또는 잠재적으로 10000 초 중 하나를 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 따라서, 본 발명에 의해 뒷받침되는 일부 시간 상수들은 10 내지 10000 초 사이의 범위, 및 100과 10000 초 사이와 같은 다른 범위에 있을 수 있다.
이는 생체전자적 자극에서 큰 값이 되도록 입증할 수 있는 대략 20 Hz와 0.0001 Hz 사이와 같은 저주파수 A/C 시그널링의 넓은 새로운 범위로 확장시킬 수 있다. 부가적인 저주파수는 1 Hz, 1/10, 3/10, 1/100, 3/100, 1/1000, 3/1000, 1/10000, 및 3/10000 Hz를 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 그러나, 다른 저주파수들은 본 발명의 범위를 넘어서지 않는다.
표 1 - 캐패시터 값과 관련된 시간 상수
단일 캐패시터 값(F) 직렬의 3개 캐패시터 값(F) 직렬의 500옴과의 시간 상수(초)
0.047 0.0157 7.83
0.10 0.0333 16.7
0.22 0.0733 36.7
0.33 0.110 50
1.0 0.333 150(2.5분)
3.3 1.10 500(8.33분)
10 3.33 1500(25분)
예를 들면, 신경 재성장이 대략 매 15분마다 극성이 역전되는 초저주파수 직사각형파에 의해 자극되는 것이 "Richard Borgens"(Director of Purdue Center for Paralysis Research) 등에 의해 보여졌다. 각각의 10F의 값을 가지며 직렬로 연결된 3중층 캐패시터를 사용하는 것은 허용불가능한 신호 왜곡 없이 500옴의 통상의 생물학적 부하로 신호의 도입을 허용할 수 있지만, 전해 효과의 가능한 손상에 대해 치료된 조직을 노출하지 않는다.
본 발명에 의해 생성되는 저 주파수는 5-15 Hz 대역뿐만 아니라 0.00056 Hz(신경 재생성을 위한 "Borgens" 응용으로서 종종 언급되는 매 15분, 전체 30의 주기의 역전)를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않으며, 0.0001 Hz만큼 낮은 주파수를 갖는다. 부가적인 저주파수는 1 Hz, 1/10, 3/10, 1/100, 3/100, 1/1000, 3/1000, 1/10000, 및 3/10000 Hz를 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 그러나 다른 저주파수들이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는다.
도 6은 본 발명을 구현하는 도 5에서와 도 4의 선행 기술의 출력 부분의 신호 커플링 특성을 도시하고 비교한다. 도 6a의 트레이스(120)는 구동기(108)로부터의 차동 출력 전압을 도시한다. 신호는 등화 펄스(124)가 뒤따르는 짧은 비대칭 펄스들의 열(122)의 형태를 취하고, 열(122) 내의 양 및 음의 극성들에서 소비되는 시간들 사이의 차이와 대략 동일하게 만들어지기 때문에 0(zero)의 순전하(DC 전하가 아님)에 대한 전기적 균형을 회복한다. 그러나 실제 구성요소로는 실패가 일어나지 않는다는 것이나 값의 변경이 이러한 균형에 영향을 줄 것에 대해 보장할 수 없기 때문에 용량성 DC 차단은 여전히 안전을 위해 요구된다. 바람직하게는, 트레이스(120)의 동일한 전압 패턴이 취급되는 생물학적 물질을 가로질러 거의 변경되지 않고 재생성될 수 있다.
선행 기술의 도 6b의 트레이스(126)는 500옴 저항을 가로질러 나타나는 출력 부분에서 신호를 도시하며, 단자들(110) 사이에 배치된 통상의 생물학적 부하를 표현한다. 캐패시터들(112a 내지 112d)의 조합에 의해 도입된 왜곡은 명확하게 열(122)의 길이를 따라 전압 강하의 형태로 보이고, 이는 시간 상에서 강도가 약해지는 양의 펄스를 결과하는 한편, 강도가 강해지는 음의 펄스를 결과한다. 모든 펄스는 또한 그 형상이 현저하게 왜곡되고, 등화 펄스(124)가 또한 현저하게 왜곡된다.
본 발명의 일 실시예의 도 6c의 트레이스(128)는 캐패시터들(122a 내지 122d)이 상술된 것과 같이 3개의 2중층 캐패시터들(124a 내지 124c)로 배치될 때 동일한 신호를 도시한다. 도시될 수 있는 것과 같이, 인가된 전압과 부하를 가로질러 나타나는 전압 사이의 검출가능한 왜곡은 없다.
이제 도 7 및 8을 참조하면, 도 7은 본 발명의 예시적인 일 실시예에 따라 제 1 회로(700a) 및 제 2 회로(700b) 사이의 신호(710)를 커플링하는 2중층 캐패시터(46)를 도시한다. 도전체들(20a, 20b)은 커플링 캐패시터(46)에 제 1 회로(700a)를 상호접속하고, 커플링 캐패시터들에 제 2 회로(700b)를 상호접속하도록 동작한다. 이러한 상호접속은 2중층 캐패시터(46)를 통해 하나의 회로에서 다른 회로로 AC 전기 신호(710)에 대한 도전성 경로를 제공한다.
캐패시터(46)는 제 1 회로(700a)와 제 2 회로(700b) 사이에 결합하는 임의의 신호들(710)의 DC 성분들을 실질적으로 차단할 수 있다. 그러나, 캐패시터(46)는 캐패시터(46)가 제 1 회로(700a)와 제 2 회로(700b) 사이에 결합하도록 동작하는 AC 신호들(710) 내에 포함된 다른 저주파수 에너지의 실질적인 부분을 결합할 수 있다.
2중층 캐패시터는 도시된 것과 같이 예컨대 2면 탄소 수퍼 캐패시터(46)와 같이 대칭적 2중층 특성을 나타내는 임의의 캐패시터를 포함할 수 있다. 대안적으로, 보통 덜 바람직할지라도, 도시된 각 캐패시터는 도 4에 도시된 것과 같은 캐패시터 쌍에 유사한 대면한 구조로 2개의 동일한 비대칭적 수퍼 캐패시터들로 대체될 수 있다. 도 2g와 관련하여 설명된 것과 같이, 상기의 캐패시터는 하나의 층이 탄소(42)의 이동 전자에 의해 형성되고, 다른 층이 전해액(36)의 이동 이온에 의해 형성될 때 원하는 2중층을 달성할 수 있다. 2중층을 가로질러 인가된 정확한 극성의 전압은 떨어져서 반대 전하를 도출하고, 캐패시터의 유전체를 형성하는 얇은 빈 구역을 남긴다. 더 일반적으로, 유전체는 탄소 및 다른 물질과 같은 반도체 사이의 임의의 접합에서 일어나는 표면 장벽 포텐셜에 기초한다.
2중층 캐패시터는 또한 도 2h와 관련하여 도시된 것과 같이 축적된 캐패시터(48)를 포함할 수 있다. 직렬로 배치된 다수의 캐패시터들은 또한 도 8a에 도시된 것과 같이 사용될 수 있다. 도 8a에 도시된 캐패시터들은 도시된 것과 같이 각각 2중 층 캐패시터 개체들(46)일 수 있고, 또는 각각 축적된 캐패시터(48)(도 2h 참조) 당 2개, 3개, 또는 3개 이상의 셀들을 갖는 축적된 2중층 캐패시터 셀들(48)일 수 있다. 일련의, 및/또는 축적된 캐패시터들은 신호 경로에 잉여를 제공할 수 있고, 개별 캐패시터들(46) 중 하나 이상의 불량에서 부하를 보호한다. 이러한 잉여의 예시는 상술된 것과 같은 "3의 법칙"이다.
예시적인 실시예(도시되지 않음)에서, 회로(700a)는 생물학적 물질로 결합된 2중 층 캐패시터 개체(46)에 결합될 수 있다. 생물학적 물질은 살아있는 생명체를 포함할 수 있다. 예를 들면, 살아있는 생명체는 조직, 배양 세포, 살아 있는 인간 신체, 살아있는 인간 외의 동물, 및 기타 살아있는 생명체를 포함할 수 있다.
도 7 및 8에 도시된 캐패시터들이 평행한 판(12a, 12b) 캐패시터들로서 도시되는 한편, 이들은 임의의 다른 구조를 가질 수 있고, 또는 2중층, 수퍼 캐패시터, 또는 울트라캐패시터 효과를 달성하기 위해 선행 기술에서 알려진 전기화학적 구성을 가질 수 있다. 다른 구조의 예시는 포장된(wrapped) 코일, 동심원형(concentric) 판, 축적된 판, 방사상으로 끼워진 판들, 표면 영역을 증가시키기 위해 구성된 또는 처리된 표면이 있는 판들일 수 있다. 캐패시터(46) 내의 물질은 탄소, 규소, 게르마늄, 갈륨 아세나이드, 도핑된 반도체, 이들의 조합, 또는 임의의 기타 반도체; 전해액체, 기체, 전해 겔, 전해 페이스트(paste), 전해 고체, 전해 격자, 또는 임의의 전해 물질; 및 구리, 니켈, 알루미늄, 합금, 임의의 기타 도전체, 금속 산화물, 규소 산화물과 같은 금속 또는 산화물 층, 또는 임의의 합금 또는 이들의 조합을 예시적으로 포함할 수 있다.
이제 도 9를 참조하면, 이 도면은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 2중층 캐패시터를 사용하는 소자와 회로 사이의 AC 전기 신호를 커플링하기 위한 프로세스의 논리적 흐름도(900)를 도시한다. 구성요소는 다른 회로 또는 생물학적 물질을 포함할 수 있다. 이하 언급되는 논리적 흐름도의 모든 기재된 프로세스들 또는 프로세스 흐름의 특정 단계들은 자연히 상기와 같은 기능을 하도록 본 발명을 위해 다른 것에 앞서야 한다. 그러나, 본 발명은 상기의 순서 또는 흐름이 본 발명의 근을 변경하지 않는다면 기재된 단계들의 순서에 제한되지 않는다. 즉, 일부 단계들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 다른 단계들 전에, 후에, 또는 함께 수행될 수 있다.
회로와 구성요소 사이의 AC 전기 신호를 결합하기 위한 2중층 캐패시터들을 사용하는 방법(900)은 단계(910)로 시작할 수 있고, 여기서 제 1 회로(700a)에서의 AC 전기 신호(710)는 제 1 도전체(20a)로 공급된다.
다음으로, 단계(920)에서, AC 전기 신호(710)는 제 1 도전체(20a)를 따라 전파된다. 이러한 도전체는 제 1 회로(700a)와 2중층 커플링 캐패시터(46) 사이의 전기적 연결에 있을 수 있다.
다음으로, 단계(930)에서, AC 전기 신호(710)는 제 1 도전체(700a)에서 2중층 캐패시터(46)로 전도된다. 이 캐패시터(46)는 여기서 커플링 캐패시터로서 사용된다. 2중층 캐패시터(46)는 2중층 캐패시터 특성을 나타내는 단독 캐패시터 셀일 수 있고, 또는 상기 캐패시터들 중 하나 이상의 일련의 연결일 수 있고, 또는 하나 이상의 축적된 캐패시터들(48)일 수 있다. 이러한 2중층 캐패시터들은 또한 수퍼캐패시터 또는 울트라캐패시터로서 알려질 수 있다.
다음으로, 단계(940)에서, AC 전기 신호(710)는 2중층 캐패시터(46)를 통해 커플링된다. 2중층 캐패시터(46)를 통한 AC 전기 신호의 커플링은 AC 전기 신호(710)의 AC 성분의 전파로서 고려될 수 있다.
단계(950)에서, AC 전기 신호(710)의 임의의 DC 성분들은 캐패시터(46)를 통해 결합되어 실질적으로 차단된다. 단계(960)에서, AC 전기 신호는 2중층 캐패시터(46)로부터 제 2 도전체(20b)로 전도된다. 제 2 도전체(20b)는 캐패시터(46)의 제 2 판(12b)와 전기적 연결될 수 있다.
다음으로, 단계(970)에서, AC 전기 신호(710)는 제 2 도전체(20b)를 따라 전파된다. 마지막으로, 단계(980)에서 AC 전기 신호(710)는 생물학적 물질과 같은 요소 또는 도 8의 제 2 회로(700b)와 같은 요소로 제 2 도전체(20b)로부터 전달된다. 그러나 전달된 신호는 단계(910)에서 제공된 원래의 신호와 실질적으로 유사해야 하고, 임의의 DC 성분은 2중층 캐패시터(46)에 의해 실질적으로 차단될 것이다. AC 신호의 전달은 탁월한 저주파수 성능을 나타낼 수 있고, 이에 의하여 긴 시간 상수 성분이 있는 신호들(710)을 전달하는 것에 유리할 수 있다.
예를 들면, 본 발명에 의해 제공되는 긴 시간 상수들은 7, 16, 36, 120, 150, 500, 1200, 및 1500 초 중 하나를 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않으며, 이는 몇몇 예시에 불과하다. 따라서 본 발명에 의해 제공되는 일부 시간 상수들은 5 내지 7200 초 사이의 범위, 및 125와 1200 초 사이와 같은 다른 범위를 가질 수 있다. 본 발명에 의해 제공되는 저주파수 AC 신호들은 대략 20 Hz와 0.0001 Hz 사이와 같은 주파수들이 있는 신호들을 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다.
이러한 2중층 캐패시터(46)를 통한 AC 전기 신호의 커플링 단계는 단일층 캐패시터(30)가 AC 전기 신호(710)의 저주파수 성분을 결합하는 것보다 더 효과적으로 AC 전기 신호(710)의 저주파수 성분을 커플링할 수 있다.
전술된 설명은 본 발명의 원리를 설명하기 위한 목적으로만 고려된다. 다수의 수정 및 변경이 당업자에게 용이하게 일어날 수 있기 때문에, 본 발명은 도시되고 기재된 구성 및 동작에 정확히 일치하는 것으로 제한되도록 의도되지 않으며, 따라서 모든 적합한 수정 및 균등물이 본 발명의 범위 내에 부합하는 것으로 고려될 수 있다. 따라서, 다수의 변경 및 치환이 첨부된 청구항에 의해 정의된 본 발명의 사상 및 범위에서 벗어나지 않고 본원에 기재된 바람직한 실시예에서 이루어질 수 있다는 것이 명백할 것이다. 게다가, 본 발명의 범위는 단지 이하의 청구항에 의해서만 제한된다.

Claims (1)

  1. 커플링(coupling) 회로에 있어서,
    제 1 외부 회로와 전기적 연결된 제 1 도전체;
    제 2 외부 회로와 전기적 연결된 제 2 도전체;
    상기 제 1 도전체 및 상기 제 2 도전체 사이의 2중층(double-layer) 용량성(capacitive) 요소로서, 상기 제 1 외부 회로와 상기 제 2 외부 회로 사이에서 A/C 전기 신호를 커플링(coupling)하는, 상기 2중층 용량성 요소를 포함하고,
    상기 2중층 용량성 요소는 상기 A/C 전기 신호의 직류 성분을 차단하도록 추가적으로 동작가능한 것을 특징으로 하는 커플링 회로.
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