KR20160113064A - 포지티브 피드백을 이용한 센싱 시스템 - Google Patents

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KR20160113064A
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Abstract

본 실시예에 의한 센싱 시스템은 검출 물질에 자극을 인가하는 액츄에이터(actuator)와, 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)와, 전기적 신호를 인가받아 검출 물질을 검출하는 검출부 및 광 검출기와 병렬로 연결되어 광 검출기 양단의 전압이 미리 정하여진 전압값을 벗어나지 않도록 클램핑하는 전압 클램핑 소자를 포함한다.

Description

포지티브 피드백을 이용한 센싱 시스템{Sensing System Using Positive Feedback}
본 발명은 포지티브 피드백을 이용한 센싱 시스템에 관한 것이다.
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.
일 예로, 탁도 센서의 경우 농도를 측정하고자 하는 물질을 포함하는 매질에 액츄에이터가 일정한 광을 조사하면, 센서는 매질을 투과한 광을 센싱하고, 전기적 신호로 변환하여 매질에 포함된 물질의 농도를 측정하였다.
종래의 센싱 시스템은 제한된 검출한계(LOD, Limit Of Detection)를 가진다. 일 예로, 수질 센서로 사용하는 경우에 센싱 시스템의 검출한계 특성이 낮아 검출하고자 하는 물질이 검출한계 이하로 미량 포함된 경우에도 해당 물질이 포함되지 않은 것으로 파악할 수 밖에 없었다.
본 출원인은 포지티브 피드백을 이용하여 상술한 종래 기술의 문제점을 해결할 수 있도록 향상된 검출한계를 가지는 센싱 시스템을 출원하였다. 그러나 상기 출원된 발명은 역방향 바이어스 상태에서 동작하는 광 검출 소자를 사용하며, 광 검출 소자를 구동하기 위해 역방향 항복 전압 이상의 전압을 인가하여야 한다. 따라서 광 검출 소자는 역방향 항복 전압 이상의 전압이 인가된 상태에서 동작하므로 역방향 전압에 의하여 소자가 파괴되는 등 신뢰성의 문제가 대두될 수 있다.
또한, 상기 출원된 발명은 광 검출기가 제공하는 전류와 양단 전압에 의한 등가 저항을 측정하여 매질의 농도 등을 측정할 수 있으나, 상기 등가 저항은 기가 옴(GΩ) 대역 이상의 음의 저항(negative resistance)값을 가질 수 있다. 따라서, 기가 옴 대역 이상의 저항값을 측정할 수 있는 고가의 고정밀 측정기가 요구된다.
본 실시예는 상술한 문제점을 해소하기 위한 것으로, 보다 향상된 검출 한계 특성을 가져서 보다 미량의 물질이 포함되어도 보다 높은 민감도로 검출할 수 있으며, 보다 낮은 전압에서 동작하되 충분한 전류를 공급할 수 있는 센싱 시스템을 제공하는 것이 본 실시예의 목표 중 하나이다. 나아가, 고가의 장비를 이용하여 측정할 필요 없이 낮은 저항값을 가지는 센싱 시스템을 제공하는 것이 본 실시예의 목표 중 하나이다.
본 실시예에 의한 센싱 시스템은 검출 물질에 자극을 인가하는 액츄에이터(actuator)와, 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)와, 전기적 신호를 인가받아 검출 물질을 검출하는 검출부 및 광 검출기와 병렬로 연결되어 광 검출기 양단의 전압이 미리 정하여진 전압값을 벗어나지 않도록 클램핑하는 전압 클램핑 소자를 포함한다.
본 실시예에 의한 센싱 시스템에 의하면 종래의 센서로 검출할 수 없었던 정도로 낮은 농도의 검출 대상 물질을 검출할 수 있다는 장점이 제공되며, 광 검출기로부터 충분한 전류를 제공받기 위하여 과도한 역방향 전압을 인가할 필요가 없어 신뢰성 있는 광 검출기의 동작을 얻을 수 있다는 장점이 제공된다. 나아가 고가의 장비를 이용하지 않고도 측정할 수 있다는 장점이 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 센싱 시스템의 개요를 도시한 블록도(block diagram)이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 센싱 시스템의 개요적 회로도이다.
도 3(a)는 광학적 액추에이터로 발광 다이오드를 이용한 예를 도시한 도면이고, 도 3(b)는 초음파 액추에이터로 비광학적 액추에이터를 구현한 예를 도시한 도면이다.
도 4(a)는 제너 다이오드로 전압 클램핑 소자를 구현한 예를 도시한 도면이고, 도 4(b)는 제너 다이오드의 전류 전압 특성 곡선이다.
도 5는 본 실시예에 의한 센싱 시스템으로 검출 물질인 BSA(Bovine Serum Albumin)을 검출할 때 광 검출기가 출력하는 전기적 신호의 개요를 도시하는 전류-전압 특성 곡선이다.
도 6은 스냅백 구간에서 검출 대상 물질의 농도별 전류-전압 특성의 측정 결과를 도시한 도면이다.
도 7(a)는 광 검출기와 병렬로 저항 R을 연결한 것을 도시한 예시적 도면이다. 도 7(b) 및 도 7(c)는 광 검출기와 병렬로 연결되는 저항을 구현한 예를 도시한 도면이다.
도 8은 300MΩ저항과 제너 항복 전압이 7V인 제너 다이오드를 전압 클램핑 소자로 이용하여 포토 다이오드, 저항 및 전압 클램핑 소자를 병렬로 연결하여 전압-전류 특성을 측정한 결과를 도시한 도면이다.
본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
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.
본 개시의 실시예들을 설명하기 위하여 참조되는 도면은 설명의 편의 및 이해의 용이를 위하여 의도적으로 크기, 높이, 두께 등이 과장되어 표현되어 있으며, 비율에 따라 확대 또는 축소된 것이 아니다. 또한, 도면에 도시된 어느 구성요소는 의도적으로 축소되어 표현하고, 다른 구성요소는 의도적으로 확대되어 표현될 수 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
이하에서는 첨부된 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 개요적 회로도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 의한 센싱 시스템은 액추에이터(actuator, 100)를 포함한다. 본 실시예에 있어서는 액추에이터가 형성하는 자극에 따라 액추에이터를 크게 두가지의 종류로 나눌수 있다. 첫째로, 바이어스(bias)를 인가받아 광학적 자극을 인가하는 광학적 액추에이터가 있을 수 있다. 광학적 액추에이터는 일 예로, 자외광, 가시광, 적외광 및 레이저 광을 제공할 수 있다. 둘째로, 바이어스를 인가받아 매질(200)에 비광학적 자극을 제공하는 비광학적 액추에이터가 있다. 비광학적 액추에이터는 일 예로, 음파(sonic wave), 초음파(supersonic wave), 자기장(magnetic field), 전기장(electric field) 및 방사능(radioactivity) 등의 비광학적 자극을 인가한다.
일 예로, 광학적 액추에이터는 바이어스를 인가받아 광을 제공하는 발광 다이오드(LED, Light Emitting Diode), 레이저 다이오드(LD, Laser Diode) 등으로 구현할 수 있다. 도 3(a)는 광학적 액추에이터로 발광 다이오드(110)를 이용한 예를 도시한다. 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.
비광학적 액추에이터는 바이어스를 인가받아 초음파를 제공하는 초음파 액추에이터, 자기장을 제공하는 자기 액추에이터, 전기장을 제공하는 전기적 액추에이터 및 방사능을 제공하는 방사능 액추에이터 등으로 구현할 수 있다. 도 3(b)는 초음파 액추에이터(120)로 비광학적 액추에이터를 구현한 예를 도시한다. 초음파 액추에이터(120)는 드라이버(122) 및 피에조-일렉트릭 변환기(piezo-electric transducer, 124)를 포함한다. 드라이버(122)는 양단의 전압차이에 대응하는 진폭을 가지는 교류 신호를 피에조-일렉트릭 변환기(124)에 제공하고, 피에조-일렉트릭 변환기(124)는 제공받은 교류 신호의 진폭에 상응하는 세기를 가지는 초음파를 매질에 제공한다.
광학적 액추에이터는 광학적 자극을 인가하며, 비광학적 액추에이터는 비광학적 자극을 인가할 따름으로, 각각의 액추에이터는 바이어스를 제공받아 그에 상응하는 정도의 자극을 제공하는 공통된 기능을 수행한다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여 광학적 액추에이터로 광학적 자극을 인가하는 실시예를 위주로 설명한다. 다만, 이것은 설명의 편의를 위한 것으로, 본 발명의 권리범위를 한정하도록 해석되어서는 아니될 것이다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 매질(200)은 본 실시예에 의한 센싱 시스템으로 검출하고자 하는 검출 대상 물질을 포함한다. 검출 대상 물질은 액추에이터로부터 자극을 인가받아 광학적 반응을 형성한다. 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.
광 검출기(photo detector, 300)는 매질(200)에 자극이 인가되어 발생하는 광학적 반응을 검출하여 전기적 신호로 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 광 검출기를 구현할 수 있으며, 포토 다이오드는 매질이 발생하는 광학적 반응으로 인한 광의 변화를 검출하고, 그에 상응하는 전류를 제공한다.
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.
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.
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. 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.
일 실시예로, 광 검출기(300)는 포토 다이오드(photo diode)로 구현될 수 있다. 포토 다이오드에서 출력되는 전류가 증폭기에 의하여 전압 신호로 변환 및 증폭되어 광학적 액추에이터(100)를 구동하므로 증폭기(400)가 광학적 액추에이터(100)가 켜질 수 있는 적정 전압 이상을 출력하기 위하여는 포토 다이오드가 제공하는 전류가 충분히 커야 한다.
역방향으로 바이어스되어 구동되는 포토 다이오드의 특성상 항복 전압(breakdown voltage) 인근에서 동작하여야 포토 다이오드로부터 충분히 큰 전류를 얻을 수 있다. 그러나, 역방향 바이어스에 의한 항복 현상이 발생할 수 있어 포토 다이오드 동작의 신뢰성에 문제가 있을 수 있다.
포토 다이오드에 제공되는 역방향 전압이 낮으면서도 충분히 큰 전류를 증폭기(400)로 제공하여야 하기 위하여 포토 다이오드에 인가되는 전압 값이 목적하는 전압 이상으로 증가하는 것을 막아 클램핑하는 전압 클램핑 소자(310)를 포토 다이오드에 병렬로 연결한다. 전압 클램핑 소자(310)는 양단에 제공되는 전압값이 미리 정하여진 클램핑 전압값 이상으로 상승하는 것을 막는다. 따라서, 미리 정하여진 클램핑 전압을 가지는 전압 클램핑 소자를 포토 다이오드에 병렬로 연결하여 포토 다이오드의 신뢰성이 문제될 정도로 역방향 전압이 인가되는 것을 방지할 수 있다.
일 실시예로, 도 4(a)에 도시된 바와 같이 전압 클램핑 소자는 제너 항복(Zener breakdown) 현상을 이용하는 제너 다이오드(312)로 구현될 수 있다. 제너 항복 전압(Vz, 도 4(b)참조) 이상의 전압이 제너 다이오드에 역방향으로 인가되면 제너 항복 현상이 일어나 역방향 전류가 차단되지 못하고 전류가 흐르고, 전압이 클램핑되어 제너 다이오드 양단에 제너 항복 전압 이상의 전압이 인가되는 것을 막을 수 있다.
또한, 도 4(b)를 참조하면, 포토 다이오드가 동작하는 전압이 제너 항복 이 발생하도록 설정하면 증폭기(400)에 의하여 변환되어 액추에이터(100)를 구동할 수 있는 전압을 형성하기에 충분한 전류를 흘릴 수 있다. 따라서, 포토 다이오드와 병렬로 제너 다이오드(312)를 연결하면 포토 다이오드의 신뢰성이 문제되는 전압 이상으로 전압을 인가하지 않고도 충분한 전류를 제공할 수 있다는 장점이 제공된다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 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.
도 5는 본 실시예에 의한 센싱 시스템으로 검출 물질인 BSA(Bovine Serum Albumin)을 검출할 때 광 검출기(300)가 출력하는 전기적 신호의 개요를 도시하는 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.
도 1, 도 2 및 도 5를 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.
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 전류를 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. 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.
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. 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 3에는 전압이 수 V 정도로 상승할 수 있는 것으로 도시되었으나, 광 검출기 양단에 대략 100V 전압을 인가한 상태에서 전류-전압 특성을 도시한 도 5를 참조하면, 포화 구간에서 전류 변화량에 대한 전압 변화는 미미한 것을 확인할 수 있다.
도 5에서 점선으로 도시된 곡선은 포지티브 피드백 경로 없이 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.
도 6은 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 2.1μA 내지 2.15μA의 전류를 인가하면 스냅백 현상이 발생하고, 2.17μA 내지 2.21μA의 전류에서 대략 0V의 전압으로 포화되는 것을 확인할 수 있다.
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 2.15μA로 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 2.18μA로 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. 다른 예로, 스냅백 포인트 이후 포화 포인트까지의 어느 두 점을 선정하고, 전류를 변화시키면서 양 단의 전압 변화를 검출함으로써 저항값을 연산하여 검출 대상 물질의 농도를 측정할 수 있다.
일 실시예로, 도 5에서 BSA 100ug이 첨가된 경우에 광 검출기 양단 전압이 대략 55V에서 0으로 감소하는 동안 전류는 2.15μA에서 2.18μA까지 0.03μA가 상승하였다. 해당 구간 동안에서의 평균 저항값은 대략 1.833 GΩ으로 연산된다. 도 5로 도시된 전류-전압 곡선에서 광 검출기의 저항값은 기가 옴 대역 이상의 저항값을 가진다.
도 7(a)는 광 검출기와 병렬로 저항 R을 연결한 것을 도시한 예시적 도면이다. 저항 R1,R-2를 병렬로 연결하는 경우에 등가 저항값(Req)은 아래의 수학식 1과 같이 연산된다.
Figure pat00001
저항 R1과 R2 중 R1과 R2 사이에서 R1>>R2인 관계가 있는 경우에 등가 저항값(Req)은 아래의 수학식 2와 같이 근사될 수 있다.
Figure pat00002
어느 한 저항의 저항값이 다른 저항의 저항값에 비하여 큰 두 저항을 병렬로 연결하면 병렬로 연결된 저항들의 등가 저항값은 두 저항 중 더 작은 저항값으로 근사된다. 따라서, 큰 저항값을 가지는 광 검출기와 그보다 작은 저항값을 저항을 광 검출기와 병렬로 연결하면 병렬로 연결된 회로의 등가 저항값은 낮은 저항값으로 근사될 수 있으며, 고가의 측정 장비를 이용하지 않고 용이하게 측정할 수 있는 영역으로 등가저항을 형성할 수 있다.
일 실시예로, 광 검출기(300)와 병렬로 연결되는 저항(320)의 저항값은 본 실시예에 따른 센싱 시스템으로 검출하고자 하는 물질 및 그 농도에 따라 조절될 수 있다. 다른 예로, 광 검출기(300)와 병렬로 연결되는 저항(320)의 저항값은 광 검출기(300)와 저항(320)의 등가 저항값이 상기 등가 저항값을 측정하는 측정 장비의 측정 범위 내에 포함되도록 조절될 수 있다.
일 실시예로, 광 검출기(300)와 병렬로 연결되는 저항(320)의 저항값은 제어되어 가변될 수 있다. 일 예로, 도 7(b)에 도시된 바와 같이 광 검출기(300)와 병렬로 연결되는 저항(320)은 전기적 또는 수동으로 제어되는 가변 저항(320VR)일 수 있다. 다른 예로, 광 검출기(300)와 병렬로 연결되는 저항(320)은 도 7(c)에 도시된 바와 같이 복수의 저항들(320a, 320b, ..., 320n)과 복수의 저항들의 연결을 제어하는 스위치들(SWa, SWb, ..., SWn)을 포함하며, 스위치의 도통 제어를 통하여 목적하는 저항값을 가지도록 제어될 수 있다. 일 예로, 상기 수학식 1에 따르면 R1과 R2가 동일한 저항값을 가지면 등가 저항(Req)값은 R1/2이다. 나아가, 동일한 저항값 R을 가지는 저항 n개를 병렬로 연결하면 등가 저항(Req)값은 R/n이다. 따라서, 스위치들(SWa, SWb, ..., SWn)로 저항값을 알고 있는 복수의 저항들(320a, 320b, ..., 320n)의 연결을 제어하여 광 검출기(300)와 병렬로 연결되는 저항의 등가 저항값을 형성할 수 있다.
구현예 및 실험결과
이하에서는, 본 발명의 실시예에 의한 센싱 시스템의 구현예를 이용하여 검출 대상 물질을 검출한 결과를 설명하도록 한다. 도 8은 300MΩ 저항과 제너 항복 전압이 7V인 제너 다이오드를 전압 클램핑 소자로 이용하여 포토 다이오드, 저항 및 전압 클램핑 소자를 병렬로 연결하여 전압-전류 특성을 측정한 결과이다.
검은선으로 도시된 종래의 시스템에서는 포토 다이오드에 약 1.48uA의 전류를 제공하여 포토 다이오드 양단에 80V 전압이 형성되면서 스냅백이 발생하였다. 이에 반하여 적색으로 도시된 본 구현예에서는 약 1.70uA의 전류를 제공하여 포토 다이오드 양단에 제너 항복 전압인 7V 전압이 형성되면서 스냅백이 발생한 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 실시예에 의하면 종래 기술과 같이 포토 다이오드 항복 전압에 가깝거나 항복 전압을 초과하는 전압을 제공할 필요가 없으며, 더 낮은 전압을 제공하여 종래 기술에 비하여 더 큰 전류를 얻을 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
종래의 시스템에서 스냅백 포인트는 1.33uA, 80V이고, 포화 포인트는 1.47uA, 1.42V이다. 스냅백 포인트에서 포화 포인트 까지 스냅백 구간 동안 평균 저항값은 -561MΩ으로 연산된다. 본 실시예에서 스냅백 포인트는 7V, 1.72uA이고, 포화 포인트는 0V, 1.76uA이다. 스냅백 포인트에서 포화 포인트까지 스냅백 구간 동안 평균 저항값은 -175MΩ으로 연산된다. 따라서, 본 실시예에 의하면 종래 기술에서 등가 저항값의 1/3 수준으로 등가 저항값을 감소시킬 수 있다는 장점이 제공되는 것을 확인할 수 있다.
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.
100: 액츄에이터 200: 검출 대상 물질을 포함한 매질
300: 광 검출기 400: 증폭기
500: 검출부

Claims (5)

  1. 검출 물질에 자극을 인가하는 액츄에이터(actuator);
    상기 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);
    상기 전기적 신호를 인가받아 상기 검출 물질을 검출하는 검출부; 및
    상기 광 검출기와 병렬로 연결되어 상기 광 검출기 양단의 전압이 미리 정하여진 전압값을 벗어나지 않도록 클램핑하는 전압 클램핑 소자를 포함하며,
    상기 전기적 신호는 상기 포지티브 피드백에 의하여 스냅백(snapback) 형태를 가지는 센싱 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센싱 시스템은 상기 광 검출기에 바이어스 전류를 인가하는 전원을 더 포함하는 센싱 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 광 검출기는 광 다이오드(photo-diode)를 포함하는 센싱 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전압 클램핑 소자는 제너 다이오드(Zener diode)로, 상기 미리 정하여진 값은 상기 제너 다이오드의 제너 항복 전압값인 센싱 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 센싱 시스템은
    상기 광 검출기와 병렬로 연결된 저항을 더 포함하는 센싱 시스템.
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