KR20160093583A - Water Quality Sensor Using Positive Feedback - Google Patents

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KR20160093583A
KR20160093583A KR1020160092234A KR20160092234A KR20160093583A KR 20160093583 A KR20160093583 A KR 20160093583A KR 1020160092234 A KR1020160092234 A KR 1020160092234A KR 20160092234 A KR20160092234 A KR 20160092234A KR 20160093583 A KR20160093583 A KR 20160093583A
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최성욱
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Abstract

The purpose of the present invention is to provide a sensing system which can detect a substance at high sensitivity. According to an embodiment of the present invention, a sensing system comprises: an optical actuator applying an optical stimulus to a substance to be detected; a photodetector outputting an electrical signal which has a snapback form corresponding to an optical reaction formed according to the concentration of the optically stimulated substance to be detected; an amplifier amplifying the electrical signal outputted by the photodetector, and applying the amplified electrical signal to the optical actuator by positive feedback; and a detection part receiving the electrical signal to detect the substance to be detected.

Description

포지티브 피드백을 이용한 수질 센서{Water Quality Sensor Using Positive Feedback}[0001] The present invention relates to a water quality sensor using positive feedback,

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

종래 액츄에이터(actuator)와 센서(sensor)를 사용하는 수질 센싱 시스템은 액츄에이터에서 발생하는 입력 신호의 크기를 일정하게 유지하여, 센서는 액추에이터에 의하여 형성되는 매질의 변화를 검출하였다. 종래 기술에 의한 센싱 시스템은 액츄에이터, 매질 및 센서를 단일단으로 형성하거나, 또는 보다 안정적인 구성을 위하여 네거티브 피드백(negative feedback) 형태로 센싱 시스템을 형성하였다.Conventionally, a water sensing system using an actuator and a sensor maintains a constant magnitude of an input signal generated in an actuator, and a sensor detects a change in a medium formed by an actuator. The sensing system according to the prior art forms an actuator, a medium and a sensor as a single end, or a sensing system in the form of a negative feedback for a more stable configuration.

일 예로, 탁도 센서의 경우 농도를 측정하고자 하는 물질을 포함하는 매질에 액츄에이터가 일정한 광을 조사하면, 센서는 매질을 투과한 광을 센싱하고, 광을 전기적 신호로 변환하여 매질에 포함된 물질의 농도를 측정하였다.For example, in the case of a turbidity sensor, when an actuator irradiates a certain amount of light to a medium containing a substance to be measured, the sensor senses the light transmitted through the medium, converts the light into an electrical signal, .

종래의 센싱 시스템은 제한된 검출한계(LOD, Limit Of Detection)를 가진다. 일 예로, 수질 센서로 사용하는 경우에 센싱 시스템의 검출한계 특성이 낮아가 높아 물에 검출하고자 하는 물질이 검출한계 이하로 미량 포함된 경우에도 해당 물질이 포함되지 않은 것으로 파악할 수 밖에 없었다.Conventional sensing systems have a limited detection limit (LOD). For example, when the sensor is used as a water quality sensor, the detection limit characteristic of the sensing system is low. Therefore, even if the amount of the substance to be detected in water is below the detection limit, it can not be determined that the substance is not included.

본 발명은 상술한 종래 기술에 의한 센싱 시스템의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 보다 향상된 검출 한계 특성을 가져서 보다 미량의 물질이 포함되어도 보다 높은 민감도로 검출할 수 있는 센싱 시스템을 제공하는 것이 본 발명의 목적 중 하나이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems of the prior art sensing system, and it is an object of the present invention to provide a sensing system having a higher detection limit characteristic, It is one of the purposes.

본 실시예에 따른 센싱 시스템은, 검출 물질에 광학적 자극을 인가하는 광학적 액츄에이터(optical actuator)와, 광학적 자극이 인가된 검출 물질의 농도에 따라 형성되는 광학적 반응에 상응하여 스냅백(snapback) 형태를 가지는 전기적 신호를 출력하는 광 검출기(photo-detector)와, 광 검출기가 출력하는 전기적 신호를 증폭하고, 증폭된 전기적 신호를 광학적 액츄에이터에 포지티브 피드백(positive feedback)하여 인가하는 증폭기(amplifier) 및 전기적 신호를 인가받아 검출 물질을 검출하는 검출부를 포함한다.The sensing system according to the present embodiment includes an optical actuator for applying an optical stimulus to a detection material and a snapback type corresponding to an optical response formed according to the concentration of the detection substance to which the optical stimulus is applied An amplifier for amplifying an electrical signal output from the photodetector and applying an amplified electrical signal to the optical actuator by positively feedbacking the amplified electrical signal, And a detection unit for detecting the detection substance.

본 실시예에 의한 센싱 시스템에 의하면 종래의 센서로 검출할 수 없었던 정도로 낮은 농도의 검출 대상 물질을 검출할 수 있다는 장점이 제공된다. According to the sensing system of the present embodiment, it is possible to detect a detection target substance of a low concentration that can not be detected by a conventional sensor.

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

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.The description of the present invention is merely an example for structural or functional explanation, and the scope of the present invention should not be construed as being limited by the embodiments described in the text. That is, the embodiments are to be construed as being variously embodied and having various forms, so that the scope of the present invention should be understood to include equivalents capable of realizing technical ideas.

한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.Meanwhile, the meaning of the terms described in the present application should be understood as follows.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.It should be understood that the singular " include "or" have "are to be construed as including a stated feature, number, step, operation, component, It is to be understood that the combination is intended to specify that it is present and not to preclude the presence or addition of one or more other features, numbers, steps, operations, components, parts or combinations thereof.

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.The drawings referred to for explaining embodiments of the present disclosure are exaggerated in size, height, thickness, and the like intentionally for convenience of explanation and understanding, and are not enlarged or reduced in proportion. In addition, any of the components shown in the drawings may be intentionally reduced, and other components may be intentionally enlarged.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 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.All terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs, unless otherwise defined. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted to be consistent with the meanings in the context of the relevant art and can not be construed as having ideal or overly formal meaning unless explicitly defined in the present application .

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 의한 센싱 시스템의 개요를 도시한 블록도(block diagram)이며, 도 2는 본 발명의 실시예에 의한 센싱 시스템의 회로도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 의한 센싱 시스템은 광학적 액추에이터(optical actuator, 100)를 포함한다. 광학적 액추에이터는 바이어스(bias)를 인가받아 검출물질을 포함하는 매질(200)에 광학적 자극을 인가한다. 이하에서는 자외광, 가시광, 적외광 및 레이저 광을 제공하는 액추에이터를 광학적 액추에이터라고 정의하며, 음파(sonic wave), 초음파(supersonic wave), 자기장(magnetic field), 전기장(electric field) 및 방사능(radioactivity) 등의 비광학적 자극을 인가하는 액추에이터를 비광학적 액추에이터(non-optical actuator)라고 정의한다. 일 예로, 광학적 액추에이터는 바이어스를 인가받아 광을 제공하는 발광 다이오드(LED, Light Emitting Diode), 레이저 다이오드(LD, Laser Diode) 등으로 구현할 수 있다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a block diagram showing an outline of a sensing system according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a circuit diagram of a sensing system according to an embodiment of the present invention. Referring to FIGS. 1 and 2, the sensing system according to the present embodiment includes an optical actuator 100. The optical actuator applies a bias and applies an optical stimulus to the medium 200 containing the detection substance. Hereinafter, an actuator that provides ultraviolet light, visible light, infrared light, and laser light is defined as an optical actuator, and includes a sonic wave, a supersonic wave, a magnetic field, an electric field, and a radioactivity ) Is defined as a non-optical actuator. The non-optical actuator is a non-optical actuator. For example, the optical actuator may be implemented by a light emitting diode (LED), a laser diode (LD), or the like, which receives a bias and provides light.

발광 다이오드는 가시광, 자외광 또는 적외광 파장 대역의 광을 조사할 수 있으며, 레이저 다이오드는 270nm 내지 3330nm 대역 중 특정 대역을 가지는 레이저 광을 조사할 수 있다. 센싱 시스템으로 검출하고자 하는 물질의 특성에 따라 적합한 대역을 가지는 광을 조사하도록 광학적 액추에이터를 구비하는 것이 바람직하다.The light emitting diode may emit visible light, ultraviolet light, or infrared light in the wavelength band of infrared light, and the laser diode may emit laser light having a specific band in the range of 270 nm to 3330 nm. It is preferable that the optical system is provided with a sensing system so as to irradiate light having a suitable band according to characteristics of a substance to be detected.

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

광 검출기(photo detector, 300)는 매질(200)에 광학적 자극이 인가되어 발생하는 광학적 반응을 검출하여 전기적 신호로 출력한다. 일 예로, 광학적 액추에 이터가 인가하는 광학적 자극에 대하여 검출 대상 물질이 생성하는 매질을 투과한 광, 매질에 반사된 광, 매질에 산란된 광 또는 광학적 자극에 의하여 매질이 형성하는 형광 중 어느 하나 이상을 검출하여 전기적 신호를 출력한다. 매질(200)에 포함된 검출물질의 농도에 따라 광학적 반응이 달라질 수 있으며, 그에 따라 광 검출기가 제공하는 전기적 신호도 달라질 수 있다. 일 실시예로, 포토 다이오드(photo diode)로 광검출기를 구현할 수 있으며, 포토 다이오드는 매질이 발생하는 광학적 반응으로 인한 광의 변화를 검출하고, 그에 상응하는 전류를 제공한다.The photo detector 300 detects an optical response generated by applying an optical stimulus to the medium 200 and outputs the detected optical response as an electrical signal. For example, the optical stimuli applied to the optical stimuli may include light transmitted through a medium generated by a detection target material, light reflected by the medium, light scattered in the medium, or fluorescence formed by the medium by optical stimulation And outputs an electrical signal. The optical response may vary depending on the concentration of the detection substance contained in the medium 200, and thus the electrical signal provided by the photodetector may be varied. In one embodiment, a photodiode may be implemented with a photodiode, which detects a change in light due to an optical reaction in which the medium is generated and provides a corresponding current.

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

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

도 2에서, 광 검출기(300)가 제공하는 전류(ipd)는 증폭기(400)에 의하여 전압 신호(vpd)로 변환된다. 전압 신호(vpd)는 음전위를 가지므로, 기준 전위가 연결된 광학적 액추에이터(100)의 일단의 전위에 비하여 증폭기(400)와 연결된 타단의 전위가 더 낮아진다. 따라서, 증폭기의 전압(vpd)이 증가함에 따라 광학적 액추에이터(100)에 인가되는 바이어스는 커지므로 더 큰 광학적 자극을 인가하고, 그에 따라 매질(200)은 인가된 광학적 자극에 대하여 광학적으로 반응하며, 광학적 반응을 검출한 광 검출기(300)는 더 큰 전류(ipd)를 제공한다. 즉, 본 실시예에 의한 센싱 시스템은 포지티브 피드백 경로로 구성되어 있음을 알 수 있다. 2, the current ipd provided by the photodetector 300 is converted by the amplifier 400 into a voltage signal vpd. Since the voltage signal vpd has a negative potential, the potential at the other end connected to the amplifier 400 becomes lower than the potential at one end of the optical actuator 100 to which the reference potential is connected. Thus, as the voltage vpd of the amplifier increases, the bias applied to the optical actuator 100 increases, thus applying a larger optical stimulus, whereby the medium 200 is optically responsive to the applied optical stimulus, The photodetector 300 detecting the optical response provides a larger current ipd. That is, it can be seen that the sensing system according to the present embodiment is constituted by a positive feedback path.

검출부(500)는 광 검출기(300)가 출력한 전기적 신호를 제공받아 전기적 신호를 분석하여 매질(200) 내에 포함된 검출 대상 물질의 농도를 검출한다. 일 실시예로, 검출부(500)는 리드-아웃 회로를 구비하여 광 검출기가 제공하는 전기적 신호(OUTPUT)를 분석하여 검출 대상 물질의 농도를 검출한다.The detection unit 500 receives the electrical signal output from the photodetector 300 and analyzes the electrical signal to detect the concentration of the detection target substance contained in the medium 200. In one embodiment, the detector 500 includes a lead-out circuit to analyze the electrical signal OUTPUT provided by the photodetector to detect the concentration of the substance to be detected.

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

도 1 내지 도 3을 참조하여 광 검출기에 제공되는 바이어스 전류를 0에서 증가시키면서 광 검출기 양단의 전압의 변화를 설명하도록 한다. 광 검출기(300)에 제공되는 바이어스 전류(ipd)를 증가시키면 광 검출기 양단에 형성되는 전압(vpd)도 그에 상응하여 증가하며, 아직 광 액추에이터(100)는 턴 온(turn on)되지 않는다. 1 to 3, the change in the voltage across the photodetector will be described while increasing the bias current provided to the photodetector from zero. When the bias current ipd provided to the photodetector 300 is increased, the voltage vpd formed across the photodetector increases correspondingly, and the optical actuator 100 is not yet turned on.

광 검출기에 인가되는 전류가 증가함에 따라 증폭기가 광 액추에이터에 턴 온 전압 이상의 전압을 인가하여 광 액추에이터를 턴 온 시킨다. 턴 온된 광 액추에이터는 매질(200)에 광학적 자극을 인가하며, 매질이 광학적 반응으로 광을 제공하는 경우에, 광 검출기는 이러한 광을 검출하여 전류로 변화하여 출력한다. 광 액추에이터가 턴 온되는 시점에서, 광 검출기가 일정한 전류를 흘리기 위해서는 광학적 반응에 의하여 매질이 발광하는 광에 의한 전류 보상하기 위해 광 검출기 양단의 전압이 줄어들어야 한다. 따라서 전압은 감소하는 방향으로 이동한다. 즉, 전원이 광 검출기에 인가하는 전류값을 증가시켜도 광 검출기 양단에 인가되는 전압은 오히려 감소하는 음 저항(negative resistance)의 특징을 가진다. As the current applied to the photodetector increases, the amplifier applies a voltage higher than the turn-on voltage to the optical actuator to turn on the optical actuator. The turned on optical actuator applies an optical stimulus to the medium 200, and when the medium provides light in an optical response, the photodetector detects this light and changes it to current and outputs it. At the time when the optical actuator is turned on, the voltage across the photodetector must be reduced to compensate for the current due to the light emitted by the medium due to the optical reaction, in order for the photodetector to pass a constant current. Therefore, the voltage moves in the decreasing direction. That is, even if the current value applied to the photodetector by the power source is increased, the voltage applied across the photodetector is characterized by a negative resistance which is rather reduced.

이와 같이 광 검출기로 인가되는 전류가 증가함에 따라 광 검출기 양단 전압이 감소하는 현상을 스냅백 현상이라 하고, 스냅백 현상이 일어나는 시작점을 스냅백 포인트(SB point), 스냅백 현상에 의하여 전류가 증가하여도 전압이 감소하는 구간을 스냅백 구간이라고 한다. The phenomenon that the voltage across the photodetector decreases as the current applied to the photodetector increases is referred to as snapback phenomenon, and the starting point of the snapback phenomenon is referred to as a snapback point (SB point) The section where the voltage decreases is called the snapback section.

광 검출기의 바이어스 전류를 더욱 증가시키면 광 검출기 양단의 전압이 0에 근접하는 정도로 감소한다. 이때를 포화 포인트(SAT point, saturation point)이라 하고, 포화 포인트 이후를 포화 구간이라 한다. When the bias current of the photodetector is further increased, the voltage across the photodetector decreases to the near zero. This time is called a saturation point (SAT point), and after saturation point is called a saturation point.

포화는 광 검출기의 바이어스 전류가 증가함에 따라 포지티브 피드백에 의하여 결과적으로 더 큰 광학적 자극을 받은 매질이 더 많은 광학적 반응에 의한 광을 광 검출기에 제공하는데, 광 검출기는 증가한 광에 의하여 형성되는 전류를 보상하기 위하여 그 양단 전압을 감소시켜야 하기 때문에 발생하는 것으로 파악되며, 계속적으로 바이어스 전류를 증가시킴에 따라 광 검출기 양단의 전압은 이 지점 부근에서 유지 되고, 전류를 올려도 전압의 변화가 거의 없다. 다만, 도 3에서 도시된 바와 같이 전압이 수 V 정도로 상승할 수 있으나, 광 검출기 양단 전압을 대략 100V 정도로 확장하여 도시한 도 4를 참조하면, 포화 구간에서 전류 변화량에 대한 전압 변화는 미미한 것을 확인할 수 있다.Saturation provides the photodetector with light due to the more optical response of the medium that has undergone a larger optical stimulus as a result of positive feedback as the photodetector's bias current increases, And the voltage across the photodetector is maintained near this point as the bias current is continuously increased, and there is almost no change in the voltage even when the current is increased. However, as shown in FIG. 4, when the voltage across the photodetector is extended to about 100 V, the voltage change with respect to the amount of current change in the saturation region is insignificant .

또한, 도 3에서 점선으로 도시된 곡선은 포지티브 피드백 경로없이 개방 루프로 신호 경로가 이루어진 상태에서 얻어진 전류-전압 특성 곡선이다. 점선으로 도시된 곡선과 대비하여 보면, 광학적 액추에이터, 매질, 광 검출기 및 증폭기가 포지티브 피드백 하도록 연결되어 있어 스냅백 특성을 보이는 것을 확인할 수 있다.In addition, the curve shown by the dotted line in FIG. 3 is a current-voltage characteristic curve obtained in a state in which the signal path is performed in an open loop without a positive feedback path. In contrast to the curve shown by the dashed line, the optical actuator, the medium, the photodetector and the amplifier are connected so as to provide positive feedback, thereby showing a snapback characteristic.

도 4는 스냅백 구간에서 검출 대상 물질의 농도별 전류-전압 특성의 측정 결과를 도시한 도면으로, 탈이온수(DeIonized water, DI)에 검출 대상 물질인 BSA를 각각 1ng, 10ng, ..., 1mg을 첨가한 매질에 대하여 본 실시예에 의한 센싱 시스템으로 검출하여 얻은 전류-전압 곡선이다. 도시된 바와 같이, 광 검출기에 대략 2.1?A 내지 2.15?A의 전류를 인가하면 스냅백 현상이 발생하고, 2.17?A 내지 2.21?A의 전류에서 대략 0V의 전압으로 포화되는 것을 확인할 수 있다. FIG. 4 is a graph showing the results of measurement of the current-voltage characteristic for each concentration of the detection target material in the snapback section. In FIG. 4, BSA, which is a detection target material, is added to deionized water (DI) Voltage curve obtained by detecting with a sensing system according to the present embodiment for a medium to which 1 mg is added. As shown, when a current of about 2.1? A to 2.15? A is applied to the photodetector, a snapback phenomenon occurs and it can be confirmed that the current is saturated at a voltage of about 0 V at a current of 2.17? A to 2.21? A.

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

구현예 및 실험결과Implementation examples and experimental results

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

물 속의 단백질 검출 가능성을 테스트하기 위하여 10pM에서 100uM까지의 서로 다른 농도를 가지는 BSA를 측정하였다. 종래 기술에 따른 센서로 측정한 결과값은 도 5a와 같으며, 본 실시예로 측정한 결과 값은 도 5b와 같다. 위에서 설명한 바와 같이 포지티브 피드백에 의하여 스냅백 현상이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 위 측정 결과를 토대로 BSA 검출 능력을 정리하면 도 5c과 같다. 도 5c에서 도시된 바와 같이, 본 실시예에 의한 센싱 시스템에 의하면 종래 기술에 의한 센서로 측정할 수 없었던 10~ 103pM 농도를 가지는 BSA 단백질을 측정할 수 있음을 확인할 수 있다.BSA with different concentrations ranging from 10 pM to 100 uM was measured to test the probability of protein detection in water. The results of the measurement with the sensor according to the related art are shown in FIG. 5A, and the measured values according to the present embodiment are shown in FIG. 5B. As described above, it is confirmed that the snapback phenomenon occurs due to the positive feedback. The BSA detection ability based on the above measurement results is summarized in FIG. 5C. As shown in FIG. 5C, the sensing system according to the present embodiment can measure the BSA protein having a concentration of 10 to 103 pM, which could not be measured by the conventional sensor.

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

NAD+ + 환원 물질 (2e- + 2H+ ) NADH + H+ + 산화물질NAD + + reducing material (2e- + 2H +) NADH + H + + oxidizing substance

따라서 NADH의 존재 여부를 측정하면 물 속의 미생물이 존재하는지 확인할 수 있다. NADH는 뉴클레오타이드가 기본 골격이기 때문에 흡수 극대파장이 260nm로 DNA와 같다. 340nm의 파장은 NADH만이 잘 흡수하기 때문에, 탈수조효소의 활성도를 340nm LED를 사용하여 측정할 수 있다. 본 실험예에서는 NADH를 270, 280, 340nm LED를 사용하여 측정하였고, 각각 파장에 대한 전류-전압 특성은 각각 도 6a, 6b 및 6c와 같다. 또한, 위 측정 결과를 토대로 NADH측정 능력을 정리하면 도 6d와 같다. 도 6d에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 의한 센싱 시스템을 이용하면 10nM까지의 NADH를 측정할 수 있음을 확인하였다.Therefore, by measuring the presence of NADH, it is possible to confirm the presence of microorganisms in water. Since NADH is the basic skeleton of the nucleotide, the maximum absorption wavelength is 260 nm and the DNA is the same. Since the wavelength of 340 nm is absorbed well by NADH, the activity of dehydrated coenzyme can be measured using a 340 nm LED. In this experimental example, NADH was measured using 270, 280, and 340 nm LEDs, and the current-voltage characteristics with respect to wavelengths are shown in FIGS. 6A, 6B, and 6C, respectively. In addition, the ability of measuring NADH based on the above measurement results is summarized in FIG. 6d. As shown in FIG. 6D, it was confirmed that NADH up to 10 nM can be measured using the sensing system according to the present embodiment.

수중 독성 물질 중 하나인 그라핀 산화물(Graphene Oxide)의 농도를 측정하였으며, 그 측정 결과에 대한 전류-전압 특성 곡선은 도 7과 같다. 도 7에서 확인할 수 있는 바와 같이 4ng/ml 농도까지 검출이 가능함을 알 수 있으며, 종래의 기술에 의한 스펙트로미터(spectrometer)를 사용하면 수 ug/ml대의 농도를 측정할 수 있는 바, 본 실시예에 의한 센싱 시스템의 성능이 우월함을 확인할 수 있다.The concentration of graphene oxide (Graphene Oxide), which is one of the toxic substances in water, was measured. The current-voltage characteristic curve for the measurement result is shown in FIG. As can be seen from FIG. 7, it can be seen that detection up to a concentration of 4 ng / ml is possible, and the concentration of several μg / ml can be measured using a conventional spectrometer, It is confirmed that the performance of the sensing system is superior.

물 속 부유물을 검출할 수 있는지 확인하기 위하여 880nm, 405nm, 280nm 적외선 LED를 각각 사용하여 탁도(turbidity)를 측정하였다. 도 8a, 도 8b 및 도 8c는 각 파장별 스냅백 구간을 확대하여 도시한 도면이며, 도 8d는 본 발명의 실시예에 따른 센싱 시스템을 이용한 측정 한계를 도시한 도면이다. 도 8a에 도시된 바와 같이 880nm 파장대에서 가장 정밀하고 낮은 농도까지 측정을 할 수 있음을 확인할 수 있다. 위의 측정 결과를 토대로 검출 한계를 검토하면 도 8d에 도시된 바와 같이 0.01NTU까지 검출할 수 있는 것을 확인할 수 있다.Turbidity was measured using 880nm, 405nm, and 280nm infrared LEDs, respectively, in order to determine whether the suspended matter in the water could be detected. FIGS. 8A, 8B, and 8C are enlarged snap-back sections for respective wavelengths, and FIG. 8D is a diagram illustrating measurement limits using a sensing system according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 8A, it can be confirmed that the measurement can be performed at the 880 nm wavelength range to the most accurate and low concentration. When the detection limit is examined based on the above measurement results, it can be confirmed that 0.01 NTU can be detected as shown in FIG. 8D.

본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 실시를 위한 실시예로, 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of illustration, It will be appreciated that other embodiments are possible. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the appended claims.

100: 광학적 액츄에이터 200: 검출 대상 물질을 포함한 매질
300: 광 검출기 400: 증폭기
500: 검출부100: Optical actuator 200: Medium containing a substance to be detected
300: photodetector 400: amplifier
500:

Claims (11)

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