KR20190041622A - 바이오센서 장치 및 바이오센서 장치의 동작 방법 - Google Patents

바이오센서 장치 및 바이오센서 장치의 동작 방법 Download PDF

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KR20190041622A
KR20190041622A KR1020170133061A KR20170133061A KR20190041622A KR 20190041622 A KR20190041622 A KR 20190041622A KR 1020170133061 A KR1020170133061 A KR 1020170133061A KR 20170133061 A KR20170133061 A KR 20170133061A KR 20190041622 A KR20190041622 A KR 20190041622A
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Abstract

바이오센서 장치 및 방법이 개시된다. 바이오센서 장치는 측정 대상의 생체신호를 감지하고, 상기 생체신호와 연관되어 발생하는 서로 다른 제1 전류와 제2 전류를 출력하는 바이오센서와, 상기 제1 전류와 연관된 제1 전압과, 상기 제2 전류와 연관된 제2 전압 간 차이에 기초하여, 펄스 전압을 생성하는 차동전류 시간간격 변환부와, 상기 펄스 전압을 디지털 신호로 변환하여 출력하는 디지털 출력부를 포함할 수 있다.

Description

바이오센서 장치 및 바이오센서 장치의 동작 방법{BIOSENSOR APPARATUS AND METHOD FOR OPERATING BIOSENSOR APPARATUS}
본 발명은 바이오센서에 의해, 측정 대상으로부터 감지된 생체신호를 차동전류 시간간격 변환부를 이용하여, 펄스 전압으로 생성하고, 상기 생성된 펄스 전압을 디지털 신호로 변환하여 출력하는 기술에 관한 것이다.
과학 및 통신 기술의 발전에 따라, 바이오센서를 이용한 생체신호 처리 기술이 다양한 분야에서 활용되고 있다.
상기 바이오센서로서 예컨대, 반도체 소자 FET(Field Effect Transistor)가 사용되고 있으며, 그 중에서도 ISFET(Ion Sensitive Field Effect Transistor)가 많이 사용되고 있다.
이러한 바이오센서는 감지한 생체신호를 정확하고, 효율적으로 처리할 수 있는 고성능, 고효율의 인터페이스가 필요하다.
또한, 바이오센서는 아날로그 출력 방식으로, 생체신호에 대한 전압, 전류를 그대로 직접 출력 함으로써, 아날로그 디지털 변환을 수행하는 인터페이스가 필요하다.
본 발명은 바이오센서에 의해, 측정 대상으로부터 감지된 생체신호에 관한 전류를 차동전류 시간간격 변환부를 이용하여, 펄스 전압으로 생성하고, 상기 생성한 펄스 전압을 디지털 신호로 변환하여 출력 함으로써, 고성능, 고효율로 생체신호를 처리하는 바이오센서 장치를 제공할 수 있으며, 추가적인 AD 컨버터(Analog-to-Digital Converter) 없이, 직접 타 장치(예컨대, 마이크로프로세서)에, 생체신호를 전달하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 이루기 위한, 바이오센서 장치는 측정 대상의 생체신호를 감지하고, 상기 생체신호와 연관되어 발생하는 서로 다른 제1 전류와 제2 전류를 출력하는 바이오센서와, 상기 제1 전류와 연관된 제1 전압과, 상기 제2 전류와 연관된 제2 전압 간 차이에 기초하여, 펄스 전압을 생성하는 차동전류 시간간격 변환부와, 상기 펄스 전압을 디지털 신호로 변환하여 출력하는 디지털 출력부를 포함할 수 있다.
상기의 목적을 이루기 위한, 바이오센서 장치의 동작 방법은 바이오센서에서, 측정 대상의 생체신호를 감지하고, 상기 생체신호와 연관되어 발생하는 서로 다른 제1 전류와 제2 전류를 출력하는 단계와, 차동전류 시간간격 변환부에서, 상기 제1 전류와 연관된 제1 전압과, 상기 제2 전류와 연관된 제2 전압 간 차이에 기초하여, 펄스 전압을 생성하는 단계와, 디지털 출력부에서, 상기 펄스 전압을 디지털 신호로 변환하여 출력하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 바이오센서에 의해, 측정 대상으로부터 감지된 생체신호에 관한 전류를 차동전류 시간간격 변환부를 이용하여, 펄스 전압으로 생성하고, 상기 생성한 펄스 전압을 디지털 신호로 변환하여 출력 함으로써, 고성능, 고효율로 생체신호를 처리하는 바이오센서 장치를 제공할 수 있으며, 추가적인 AD 컨버터 없이, 직접 타 장치(예컨대, 마이크로프로세서)에, 생체신호를 전달할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 바이오센서 장치를 포함하는 네트워크의 일례를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 바이오센서 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 바이오센서 장치의 일례를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 바이오센서 장치의 다른 일례를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 바이오센서 장치의 구성에 대한 일례를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 바이오센서 장치 내 바이오센서에서의 REF, REFET 및 ISFET의 등가회로에 대한 일례를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 바이오센서 장치 내 바이오센서에서의 REFET 및 ISFET의 등가회로에 대한 일례를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 바이오센서 장치의 구성에 대한 다른 일례를 도시한 도면이다. 도 9는 도 8의 바이오센서 장치 내 각 구성에서 출력하는 전압의 일례를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 바이오센서 장치 내 전류제어 슈미트 트리거의 회로도를 도시한 도면이다.
도 11은 도 10의 전류제어 슈미트 트리거에서 출력하는 출력 전압에 대한 특성을 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 바이오센서 장치 내 OTA의 회로 구성에 대한 일례를 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 바이오센서 장치 내 비교기의 회로 구성에 대한 일례를 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 바이오센서 장치 내 OTA 및 비교기에서 각각 출력되는 파형의 일례를 도시한 도면이다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 바이오센서 장치에서의 신호 출력방식을 기존의 신호 출력방식과 비교하여 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 바이오센서 장치의 동작 방법을 나타내는 흐름도이다.
이하, 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 바이오센서 장치를 포함하는 네트워크의 일례를 도시하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 네트워크(100)는 측정 대상(101), 바이오센서 장치(103) 및 원격 서버(105)를 포함할 수 있다.
측정 대상(101)은 예컨대, 생물일 수 있다.
바이오센서 장치(103)는 측정 대상(101)의 생체신호(예컨대, 혈당, 산성도, 포도당 등에 관한 신호)를 감지하고, 상기 생체신호와 연관된 전류를 이용하여, 펄스 전압을 생성할 수 있다. 또한, 바이오센서 장치(103)는 상기 펄스 전압을 디지털 신호로 변환하고, 측정 대상(101)에 대한 바이오 데이터로서, 원격 서버(105)(또는, 통신 단말)에 전송할 수 있다.
원격 서버(105)는 바이오센서 장치(103)로부터 측정 대상(101)에 대한 바이오 데이터를 수신하고, 상기 바이오 데이터를 이용하여, 측정 대상(101)의 상태(예컨대, 환경 오염, 발병 상태)를 분석할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 바이오센서 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 바이오센서 장치(200)는 바이오센서(201), 차동전류 시간간격 변환부(203) 및 디지털 출력부(213)를 포함할 수 있다. 또한, 바이오센서 장치(200)는 무선통신(예컨대, 블루투스)을 지원하는 통신기능 모듈을 더 포함할 수 있다.
바이오센서(201)는 측정 대상의 생체신호를 감지하고, 상기 생체신호와 연관되어 발생하는 서로 다른 제1 전류와 제2 전류를 출력할 수 있다. 여기서, 바이오센서(201)는 상기 측정 대상에 기초하여 상기 제1 전류를 상이하게 출력하는 ISFET(Ion Sensitive Field Effect Transistor) 및 상기 측정 대상과 무관하게 상기 제2 전류를 일정하게 유지하여 출력하는 REFET(Reference Electrode Field Effect Transistor)를 포함할 수 있다.
차동전류 시간간격 변환부(203)는 상기 제1 전류와 연관된 제1 전압과, 상기 제2 전류와 연관된 제2 전압 간 차이에 기초하여, 펄스 전압을 생성할 수 있다. 구체적으로, 차동전류 시간간격 변환부(203)는 램프전압 발생기(205), 제1 전류제어 슈미트 트리거(207), 제2 전류제어 슈미트 트리거(209) 및 차동기(211)를 포함할 수 있다.
램프전압 발생기(205)는 임의의 전압값(예컨대, '0V')에서, 시간의 흐름에 따라, 전압값이 증가하는 발생 전압을 발생하되, 설정된 주기 마다 상기 증가한 전압값을 상기 임의의 전압값으로 감소시키거나, 또는 설정된 조건이 만족되는 경우, 상기 증가한 전압값을 상기 임의의 전압값으로 감소시킬 수 있다.
제1 전류제어 슈미트 트리거(207)는 상기 제1 전압과 램프전압 발생기(205)에 의해, 발생된 발생 전압 간의 제1 차이 전압을 추출하여, 출력할 수 있다. 여기서, 제1 전류제어 슈미트 트리거(207)는 OTA(Operational Trans conductance Amplifier) 및 비교기를 포함할 수 있다.
OTA는 상기 제1 전류에 기초하여, 상기 제1 전압을 출력할 수 있다.
또한, 비교기는 상기 제1 전압과 상기 발생 전압 간의 차이를 추출하고, 상기 추출된 차이에 관한 전압을 상기 제1 차이 전압으로 출력할 수 있다.
제1 전류제어 슈미트 트리거(207)는 전압값이 증가하는 상기 발생 전압이, 제1 전류제어 슈미트 트리거에서 지정한 문턱전압을 초과하면, 제1 시간 동안 특정 전압값으로 유지되던 상기 제1 차이 전압을 상기 임의의 전압값으로 감소시킬 수 있다. 여기서, 제1 전류제어 슈미트 트리거는 상기 문턱전압값을 바이오센서(201)로부터 수신된 제1 전류에 따라, 지정할 수 있다.
제2 전류제어 슈미트 트리거(209)는 상기 제2 전압과 상기 발생 전압 간의 제2 차이 전압을 추출하여, 출력할 수 있다. 여기서, 제2 전류제어 슈미트 트리거(209)는 OTA 및 비교기를 포함할 수 있다.
OTA는 상기 제2 전류에 기초하여, 상기 제2 전압을 출력할 수 있다.
또한, 비교기는 상기 제2 전압과 상기 발생 전압 간의 차이를 추출하고, 상기 추출된 차이에 관한 전압을 상기 제2 차이 전압으로 출력할 수 있다.
제2 전류제어 슈미트 트리거(209)는 전압값이 증가하는 상기 발생 전압이, 상기 제2 전류제어 슈미트 트리거(209)에서 지정한 문턱전압을 초과하면, 제2 시간 동안 특정 전압값으로 유지되던 상기 제2 차이 전압을 상기 임의의 전압값으로 감소시킬 수 있다. 여기서, 제2 전류제어 슈미트 트리거는 상기 문턱전압값을 바이오센서(201)로부터 수신된 제2 전류에 따라, 지정할 수 있다. 이때, 제1 전류제어 슈미트 트리거(207)에서 지정한 문턱전압은 제2 전류제어 슈미트 트리거에서 지정한 문턱전압 보다 클 수 있다.
차동기(211)는 제1 전류제어 슈미트 트리거(207)에서 출력된 제1 차이 전압과 제2 전류제어 슈미트 트리거(209)에서 출력된 제2 차이 전압을 비교하고, 상기 비교 결과에 기초하여, 상기 펄스 전압을 생성할 수 있다. 이때, 차동기(211)는 상기 제1 시간 동안 특정 전압값으로 유지되던 상기 제1 차이 전압에서, 상기 제2 시간 동안 상기 특정 전압값으로 유지되던 상기 제2 차이 전압을 차감한 결과를, 상기 펄스 전압으로서, 생성할 수 있다.
또한, 다른 일례로서, 차동기(211)는 제1 전류제어 슈미트 트리거(207)에서 출력된 제1 차이 전압과 제2 전류제어 슈미트 트리거(209)에서 출력된 제2 차이 전압을 비교하고, 상기 비교 결과, 전압값이 일치하는 시간 동안, 최소 전압값(예컨대, '0V')유지하고, 전압값이 일치하지 않는 시간 동안, 특정 전압값으로 유지하는 펄스를, 상기 펄스 전압으로 생성할 수 있다.
디지털 출력부(213)는 상기 펄스 전압을 디지털 신호로 변환하여 출력할 수 있다. 이때, 디지털 출력부(213)는 상기 펄스 전압의 펄스 폭(또는, 펄스의 개수)을 카운팅(counting)하여, 디지털 신호로 변환할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 바이오센서 장치의 일례를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 바이오센서 장치(300)는 예컨대, ISFET 바이오센서(301) 및 센서 인터페이스(303)를 포함할 수 있다.
ISFET 바이오센서(301)는 측정 대상의 생체신호를 감지하고, 상기 생체신호와 연관된 전류를 생성하여, 센서 인터페이스(303)에 전달할 수 있다.
센서 인터페이스(303)는 예컨대, 차동전류 시간간격 변환부 및 디지털 출력부를 포함할 수 있으며, ISFET 바이오센서(301)로부터 수신된 전류를 이용하여, 펄스 전압을 생성하고, 펄스 전압을 디지털 신호로 변환하여, 통신기능 모듈에 전달할 수 있다.
또한, 바이오센서 장치(300)는 도 4에 도시된 바와 같이, 복수의 측정 대상 각각에 대해, 생체신호를 감지하여, 생체신호와 연관된 전류를 생성할 수 있으며, 멀티플렉서를 통해, 각 생체신호와 연관된 전류를 센서 인터페이스에 전달할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 바이오센서 장치의 구성에 대한 일례를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 바이오센서 장치(500)는 BiCMOS(Bipolar Complementary Metal Oxide Semiconductor)기술을 적용하여, 저전압(예컨대, 3.3 V 이하) 및 고효율(예컨대, 95% 이상)의 집적회로(IC)로 설계할 수 있다.
바이오센서 장치(500)는 시스템온칩(System On Chip)으로 구성되어, 예컨대, 한 개의 전류 생성형 바이오센서(501)와 두 개의 전류제어 슈미트 트리거회로(503, 505), 한 개의 램프전압 발생기(507), 한 개의 디지털 차동기(509)를 포함할 수 있다.
여기서, 전류 생성형 바이오센서(501)는 반도체소자인 ISFET와 생체기능성막을 결합한 소자로서, 집적회로 공정기술을 활용하여 제조되므로 소형화, 규격화 및 양산화가 가능할 뿐만 아니라, 센서 인터페이스 회로를 함께, 집적회로로 제조하기에 매우 유리하다.
구체적으로, 전류 생성형 바이오센서(501)는 측정 대상에 따라, 값이 변하는 전류 생성형 ISFET와 측정 대상과 무관하게, 일정 값을 유지하는 기준 REFET로 구성될 수 있다.
전류 생성형 바이오센서(501)는 칩 밖(Off Chip)에 위치하는 대상물이 효소와 반응하여, 전기 화학법을 통해 생성된 전자를, 기준 셀(REF)을 통해, 수신할 수 있다. 기준 셀에 수신된 상기 전자는 REFET와 ISFET로 각각 이동되며, 각각에 대한 등가회로는 도 6 및 도 7과 같다.
도 6을 참조하면, 전기화학법을 통해 생성된 전자는 기준 셀(REF)로 이동하고, 이때의 전류 ΔI는 ISFET으로 이동한다.
도 7을 참조하면, REFET과 ISFET에 걸리는 전압 편차는 OTA를 통해, 측정될 수 있다. 여기서, OTA에 의해, 측정되는 출력전압은 [수학식 1]과 같다.
Figure pat00001
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 바이오센서 장치의 구성에 대한 다른 일례를 도시한 도면이다. 도 9는 도 8의 바이오센서 장치 내 각 구성에서 출력하는 전압의 일례를 도시한 도면이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 바이오센서 장치(800)는 바이오센서(801) 및 차동전류 시간간격 변환부(803)를 포함할 수 있다. 여기서, 바이오센서 장치(800)는 디지털 출력부(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다.
바이오센서(801)는 측정 대상의 생체신호를 감지하고, 상기 생체신호와 연관되어 발생하는 서로 다른 제1 전류(I1)(831-1)와 제2 전류(I2)(831-2)를 출력할 수 있다. 여기서, 바이오센서(801)는 상기 측정 대상에 기초하여 제1 전류(831-1)를 상이하게 출력하는 ISFET 및 상기 측정 대상과 무관하게 상기 제2 전류(831-2)를 일정하게 유지하여 출력하는 REFET를 포함할 수 있다.
차동전류 시간간격 변환부(803)는 램프전압 발생기(805), 제1 전류제어 슈미트 트리거(809), 제2 전류제어 슈미트 트리거(815) 및 차동기(821)를 포함할 수 있다.
램프전압 발생기(805)는 발생 전압으로서, 예컨대, 적분 전압을 발생할 수 있다. 먼저, 바이오센서 장치(800)는 램프전압 발생기(805)에 연결된 스위치(807)를 온(on)시키고, 타이밍 커패시터(C)의 전하량을 방전시켜, 제1,2 전류제어 슈미트 트리거(809, 815)에 제공되는 발생 전압을 '0V'으로 만들 수 있다. 이후, 바이오센서 장치(800)는 스위치(807)를 오프(off)시킬 수 있다.
램프전압 발생기(805)는 스위치(807)가 오프 됨에 따라, 임의의 전압값(예컨대, '0V')에서, 시간의 흐름에 따라, 전압값이 증가하는 발생 전압(VINT)(833-1, 833-2)을 발생할 수 있으며, 설정된 조건이 만족 됨에 따라, 스위치(807)가 온(on)되면, 상기 증가한 전압값을 상기 임의의 전압값으로 감소시킬 수 있다.
제1 전류제어 슈미트 트리거(809)는 제1 전류(831-1)와 연관된 제1 전압(837-1)과 램프전압 발생기(805)에 의해, 발생된 발생 전압(833-1) 간의 제1 차이 전압(VSMT1)(835-1)을 추출하여, 출력할 수 있다. 여기서, 제1 전류제어 슈미트 트리거(809)는 OTA(811) 및 비교기(813)를 포함할 수 있다.
OTA(811)는 제1 전류(831-1)에 기초하여, 제1 전압(837-1)을 출력할 수 있다.
또한, 비교기(813)는 제1 전압(837-1)과 발생 전압(833-1) 간의 차이를 추출하고, 상기 추출된 차이에 관한 전압을, 제1 차이 전압(VSMT1)(835-1)으로 출력할 수 있다. 이때, 비교기(813)는 제1 차이 전압(835-1)을 OTA(811)에 전달할 수 있다. 또한, OTA(811)는 비교기(813)로부터 수신된 제1 차이 전압(835-1)을, 바이오센서(801)로부터 입력되는 제1 전류(831-1)에 비례하여 증폭시키고, 상기 증폭된 전압을, 발생 전압(833-1)의 비교 대상으로서, 비교기(813)에 전달할 수 있다.
제1 전류제어 슈미트 트리거(809)는 전압값이 증가하는 발생 전압(833-1)이, 제1 전류제어 슈미트 트리거(809)에서 지정한 문턱전압(VTH1)을 초과하면, 제1 시간(T1)(901) 동안 특정 전압값으로 유지되던 상기 제1 차이 전압을 상기 임의의 전압값으로 감소시킬 수 있다(907). 제1 전류제어 슈미트 트리거(809)에서 지정한 문턱전압은 제2 전류제어 슈미트 트리거(815)에서 지정한 문턱전압 보다 클 수 있다.
상기 제1 시간(T1)은 [수학식 2]에 의해, 나타낼 수 있다.
Figure pat00002
여기서, IR은 정전류원을 의미하고, C는 적분 커패시터 용량을 의미한다. 또한, VTH1는 제1 전류제어 슈미트 트리거(809)에서의 문턱전압을 의미한다.
제2 전류제어 슈미트 트리거(815)는 제1 전류(831-2)와 연관된 제2 전압(837-2)과 발생 전압(833-2) 간의 제2 차이 전압(VSMT2)(835-2)을 추출하여, 출력할 수 있다. 여기서, 제2 전류제어 슈미트 트리거(815)는 OTA(817) 및 비교기(819)를 포함할 수 있다.
OTA(817)는 제2 전류(831-2)에 기초하여, 제2 전압(837-2)을 출력할 수 있다.
또한, 비교기(819)는 제2 전압(837-2)과 발생 전압(833-2) 간의 차이를 추출하고, 상기 추출된 차이에 관한 전압을 제2 차이 전압(VSMT2)(835-2)으로 출력할 수 있다. 이때, 비교기(819)는 제2 차이 전압(835-2)을 OTA(817)에 전달할 수 있다. 또한, OTA(817)는 비교기(819)로부터 수신된 제2 차이 전압(835-2)을, 바이오센서(801)로부터 입력되는 제2 전류(831-2)에 비례하여 증폭시키고, 상기 증폭된 전압을, 발생 전압(833-2)의 비교 대상으로서, 비교기(819)에 전달할 수 있다.
제2 전류제어 슈미트 트리거(815)는 전압값이 증가하는 발생 전압(833-2)이, 제2 전류제어 슈미트 트리거(815)에서 지정한 문턱전압(VTH2)을 초과하면, 제2 시간(T2)(903) 동안 특정 전압값으로 유지되던 상기 제2 차이 전압을 상기 임의의 전압값으로 감소시킬 수 있다(909).
상기 제2 시간(T2)은 [수학식 3]에 의해, 나타낼 수 있다.
Figure pat00003
여기서, IR은 정전류원을 의미하고, C는 적분 커패시터 용량을 의미한다. 또한, VTH2는 제2 전류제어 슈미트 트리거(815)에서의 문턱전압을 의미한다.
차동기(821)는 제1 전류제어 슈미트 트리거(809)에서 출력된 제1 차이 전압(835-1)과 제2 전류제어 슈미트 트리거(815)에서 출력된 제2 차이 전압(835-2)을 비교하고, 상기 비교 결과에 기초하여, 펄스 전압(VOUT)(839)을 생성할 수 있다.
이때, 차동기(821)는 제1 전류제어 슈미트 트리거(809)에서 출력된 제1 차이 전압(835-1)과 제2 전류제어 슈미트 트리거(815)에서 출력된 제2 차이 전압(835-2)을 비교하고, 상기 비교 결과, 전압값이 일치하는 시간 동안(903), 최소 전압값(예컨대, '0V')유지하고, 전압값이 일치하지 않는 시간 동안(905), 최대 전압값(예컨대, '1V')으로 유지하는 펄스(911)를, 펄스 전압(839)으로 생성할 수 있다.
차동기(821)는 예컨대, 입력되는 2개의 값이 일치하지 않을 경우, 높은 상태의 값을 출력하는 Exclusive OR 게이트(823)로 구성될 수 있으며, 제1 차이 전압(835-1)과 제2 차이 전압(835-2)에 대해, Exclusive OR 논리를 적용한 결과값으로서, 시간 간격(ΔT) 동안 특정 전압값을 유지하는 펄스 전압(839)을 생성하여, 출력할 수 있다.
여기서, 시간 간격(ΔT)은 [수학식 4]에 의해, 나타낼 수 있다.
Figure pat00004
여기서, IR은 정전류원을 의미하고, C는 적분 커패시터 용량을 의미한다.
결과적으로, 차동기(821)는 바이오센서(801)의 출력 전류 변화에 비례하는 등가적인 출력 펄스를 생성하여 출력할 수 있다.
또한, 차동기(821)는 스위치 제어부를 더 포함할 수 있다. 여기서, 스위치 제어부는 입력되는 2개의 값이 모두 낮은 상태의 값일 경우, 높은 상태의 값을 출력하는 NOR 게이트(825)로 구성될 수 있다. 여기서, NOR 게이트(825)는 제1 전류제어 슈미트 트리거(809)에서 출력된 제1 차이 전압(835-1)과 제2 전류제어 슈미트 트리거(815)에서 출력된 제2 차이 전압(835-2)에 대해, NOR 논리를 적용하고, 그 결과값(841)을 램프전압 발생기(205)에 연결된, 스위치(807)에 제공할 수 있다.
예컨대, NOR 게이트(825)는 제1 차이 전압(835-1)과 제2 차이 전압(835-2)이 모두 '0V'일 때, '1V'의 결과값을 출력하여, 스위치(807)를 온시킴으로써, 시간의 흐름에 따라 전압값이 증가하여 발생하는 상기 발생 전압을, '0V'로 감소시킬 수 있다.
디지털 출력부는 펄스 전압(839) 내 시간 간격(ΔT)(905)에 해당하는 펄스 폭을 클럭으로 카운팅하여, 디지털 신호로 쉽게 변환시킬 수 있다. 상기 변환의 변환감도는 [수학식 5]에 의해, 나타낼 수 있으며, R1 저항을 조절함에 따라 쉽게 조절
Figure pat00005
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 바이오센서 장치 내 전류제어 슈미트 트리거의 회로도를 도시한 도면이고, 도 11은 도 10의 전류제어 슈미트 트리거에서 출력하는 출력 전압에 대한 특성을 도시한 도면이다. 또한, 도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 바이오센서 장치 내 OTA의 회로 구성에 대한 일례를 도시한 도면이다.
도 10을 참조하면, 전류제어 슈미트 트리거(1000)는 OTA(1001) 및 비교기(1003)를 포함할 수 있다.
OTA(1001)는 예컨대, 바이오센서로부터 입력된 전류(I1 또는 I2)에 기초하여, 전압(V1 또는 V2)을 출력할 수 있다.
비교기(1003)는 램프전압 발생기에서 발생한 발생 전압(VINT)과 OTA(1001)에서 출력된 전압을 입력받고, 상기 발생 전압(VINT)과 상기 입력된 전압 간의 차이를 추출하여, 상기 차이에 관한 전압을 차이 전압으로서 출력할 수 있다.
한편, OTA(1001)는 비교기(1003)에서 출력되는 전압을 수신할 수 있으며, 상기 수신된 전압을 상기 바이오센서로부터 입력된 전류에 비례하여 증폭시키고, 상기 증폭된 전압을, 상기 발생 전압과의 비교 대상으로서, 비교기(1003)에 제공할 수 있다.
상기 바이오센서로부터 입력된 전류(I1 또는 I2)는 전류제어 슈미트 트리거(1000)의 문턱 전압을 제어할 수 있다.
또한, 전류제어 슈미트 트리거(1000)의 전달 특성은 도 11에 도시된 바와 같다. 이때, 전류제어 슈미트 트리거(1000)에서의 문턱전압은 [수학식 6]에 의해, 나타낼 수 있다.
Figure pat00006
여기서, VTL은 전류제어 슈미트 트리거의 낮은 문턱전압을 의미하고, VTH1 , VTH2는 전류제어 슈미트 트리거의 높은 문턱전압을 의미한다.
이때, 각 문턱전압 VTH1, VTH2는 각 전류I1,I2에 비례한다.
한편, 제1 전류제어 슈미트 트리거에서 지정한 문턱전압(VTH1)은 도 11에 도시된 바와 같이, 제2 전류제어 슈미트 트리거에서 지정한 문턱전압(VTH2) 보다 클 수 있다.
또한, OTA(1001)는 도 12와 같이, 회로가 구성될 수 있다. 이때, OTA(1001)는 트랜스 컨덕턴스(trans conductance)를 크게 하고, 전류 구동능력 및 미세전류 감지능력을 높이기 위해 바이어스 입력단자 Q0, Q1과 차동 입력단자 Q2, Q3에 양극성 접합 트랜지스터(BJT: Bipolar Junction Transistor) 소자를 사용할 수 있다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 바이오센서 장치 내 비교기의 회로 구성에 대한 일례를 도시한 도면이다.
도 13을 참조하면, 비교기는 바이오센서의 동작속도를 고려하여, 예컨대, 소모 전력을 3mW 이하로, 동작주파수를 500 kHz 이상으로 동작하도록 구성될 수 있다.
비교기는 바이어스 회로, 입력 차동 단 및 인버터로 구성될 수 있다. 이때, 비교기의 출력은 PWM(pulse width modulation) 측 디지털 차동기를 제어해 주는 역할을 한다.
바이어스 회로는 OTA와 동일할 수 있다.
또한, 인버터 회로의 소자 파라미터(parameter)를 조정하여, 부하에 높은 저항을 공급하고, 증폭을 증가시킬 수 있다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 바이오센서 장치 내 OTA 및 비교기에서 각각 출력되는 파형의 일례를 도시한 도면이다.
도 14를 참조하면, OTA의 출력 파형(A)은 높은 컨던턴스 값을 가지는 BJT(바이어스 입력 단, 차동 증폭단의 BJT)로 인해, MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect transistor)을 이용할 때 보다 빠른 응답신호(약 50㎲)를 가질 수 있다.
비교기의 출력 파형(B)은 OTA의 출력 파형(A)이, 과도응답을 통과할 때 까지, 디지털 온(on), 오프(off) 신호를 반복할 수 있다. 비교기의 출력 파형(B)은 약 52㎲ 까지 오프 시간의 폭이 비교적 큰 값을 가지고 있으나, 52㎲ 이후 안정된 OTA의 출력 파형(A)이 유지되면, 오프 시간의 폭이 훨씬 좁아질 수 있다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 바이오센서 장치에서의 신호 출력방식을 기존의 신호 출력방식과 비교하여 설명하기 위한 도면이다.
도 15를 참조하면, 본 발명의 바이오센서 장치는 연산 증폭기를 이용하여, 센서의 출력 전류를 전압으로 변환한 후 출력하는 전압 출력 방식 및 센서의 출력 전류를 증폭하거나 그대로 출력하는 전류 출력 방식과 달리, 센서의 출력 전류에 비례하는 펄스 전압으로 출력할 수 있다.
또한, 본 발명의 바이오센서 장치는 온도 보상 회로 및 ADC 컨버터를 필요로하는 전압 출력 방식 및 전류 출력 방식과 달리, 온도 보상 회로 및 ADC 컨버터를 필요로 하지 않는다.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 바이오센서 장치의 동작 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 16을 참조하면, 단계(1601)에서, 바이오센서 장치 내 바이오센서는 측정 대상의 생체신호를 감지하고, 상기 생체신호와 연관되어 발생하는 서로 다른 제1 전류와 제2 전류를 출력할 수 있다. 여기서, 바이오센서는 상기 측정 대상에 기초하여 상기 제1 전류를 상이하게 출력하는 ISFET 및 상기 측정 대상과 무관하게 상기 제2 전류를 일정하게 유지하여 출력하는 REFET를 포함할 수 있다.
단계(1603)에서, 바이오센서 장치 내 차동전류 시간간격 변환부는 상기 제1 전류와 연관된 제1 전압과, 상기 제2 전류와 연관된 제2 전압 간 차이에 기초하여, 펄스 전압을 생성할 수 있다.
구체적으로, 차동전류 시간간격 변환부는 제1 전류제어 슈미트 트리거를 통해, 상기 제1 전압과 램프전압 발생기에 의해, 발생된 발생 전압 간의 제1 차이 전압을 추출하여, 출력할 수 있다. 여기서, 제1 전류제어 슈미트 트리거는 OTA 및 비교기를 포함할 수 있다. 또한, 램프전압 발생기는 임의의 전압값에서, 시간의 흐름에 따라, 전압값이 증가하는 발생 전압을 발생하되, 설정된 주기 마다 상기 증가한 전압값을 상기 임의의 전압값으로 감소시킬 수 있다.
차동전류 시간간격 변환부는 제2 전류제어 슈미트 트리거를 통해, 상기 제2 전압과 상기 발생 전압 간의 제2 차이 전압을 추출하여, 출력할 수 있다. 여기서, 제2 전류제어 슈미트 트리거는 OTA 및 비교기를 포함할 수 있다.
한편, 제1 전류제어 슈미트 트리거는 전압값이 증가하는 상기 발생 전압이, 제1 전류제어 슈미트 트리거에서 지정한 문턱전압을 초과하면, 제1 시간 동안 특정 전압값으로 유지되던 상기 제1 차이 전압을 상기 임의의 전압값으로 감소시킬 수 있다.
또한, 제2 전류제어 슈미트 트리거는 전압값이 증가하는 상기 발생 전압이, 상기 제2 전류제어 슈미트 트리거에서 지정한 문턱전압을 초과하면, 제2 시간 동안 특정 전압값으로 유지되던 상기 제2 차이 전압을 상기 임의의 전압값으로 감소시킬 수 있다. 이때, 제2 전류제어 슈미트 트리거에서 지정한 문턱전압은 제1 전류제어 슈미트 트리거에서 지정한 문턱전압 보다 작을 수 있다.
차동전류 시간간격 변환부는 차동기를 통해, 상기 제1 전류제어 슈미트 트리거에서 출력된 제1 차이 전압과 상기 제2 전류제어 슈미트 트리거에서 출력된 제2 차이 전압을 비교하고, 상기 비교 결과에 기초하여, 상기 펄스 전압을 생성할 수 있다. 이때, 차동기는 상기 제1 시간 동안 특정 전압값으로 유지되던 상기 제1 차이 전압에서, 상기 제2 시간 동안 상기 특정 전압값으로 유지되던 상기 제2 차이 전압을 차감한 결과를, 상기 펄스 전압으로서, 생성할 수 있다.
단계(1605)에서, 바이오센서 장치 내 디지털 출력부는 상기 펄스 전압을 디지털 신호로 변환하여 출력할 수 있다. 이때, 디지털 출력부는 상기 펄스 전압의 펄스 폭을 카운팅하여, 디지털 신호로 변환할 수 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 저장되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 저장 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광저장 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
200: 바이오센서 장치 201: 바이오센서
203: 차동전류 시간간격 변환부 205: 램프전압 발생기
207: 제1 전류제어 슈미트 트리거 209: 제2 전류제어 슈미트 트리거
211: 차동기 213: 디지털 출력부

Claims (10)

  1. 측정 대상의 생체신호를 감지하고, 상기 생체신호와 연관되어 발생하는 서로 다른 제1 전류와 제2 전류를 출력하는 바이오센서;
    상기 제1 전류와 연관된 제1 전압과, 상기 제2 전류와 연관된 제2 전압 간 차이에 기초하여, 펄스 전압을 생성하는 차동전류 시간간격 변환부; 및
    상기 펄스 전압을 디지털 신호로 변환하여 출력하는 디지털 출력부
    를 포함하는 바이오센서 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 바이오센서는,
    상기 측정 대상에 기초하여 상기 제1 전류를 상이하게 출력하는 ISFET(Ion Sensitive Field Effect Transistor); 및
    상기 측정 대상과 무관하게 상기 제2 전류를 일정하게 유지하여 출력하는 REFET(Reference Electrode Field Effect Transistor)
    를 포함하는 바이오센서 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 차동전류 시간간격 변환부는,
    상기 제1 전압과 램프전압 발생기에 의해, 발생된 발생 전압 간의 제1 차이 전압을 추출하여, 출력하는 제1 전류제어 슈미트 트리거;
    상기 제2 전압과 상기 발생 전압 간의 제2 차이 전압을 추출하여, 출력하는 제2 전류제어 슈미트 트리거; 및
    상기 제1 전류제어 슈미트 트리거에서 출력된 제1 차이 전압과 상기 제2 전류제어 슈미트 트리거에서 출력된 제2 차이 전압을 비교하고, 상기 비교 결과에 기초하여, 상기 펄스 전압을 생성하는 차동기
    를 포함하는 바이오센서 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    제1 전류제어 슈미트 트리거는,
    상기 제1 전류에 기초하여, 상기 제1 전압을 출력하는 OTA(Operational Trans conductance Amplifier); 및
    상기 제1 전압과 상기 발생 전압 간의 차이를 추출하고, 상기 추출된 차이에 관한 전압을 상기 제1 차이 전압으로 출력하는 비교기
    를 포함하는 바이오센서 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 램프전압 발생기는,
    임의의 전압값에서, 시간의 흐름에 따라, 전압값이 증가하는 발생 전압을 발생하되, 설정된 주기 마다 상기 증가한 전압값을 상기 임의의 전압값으로 감소시키는
    바이오센서 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 전류제어 슈미트 트리거는,
    전압값이 증가하는 상기 발생 전압이, 상기 제1 전류제어 슈미트 트리거에서 지정한 문턱전압을 초과하면, 제1 시간 동안 특정 전압값으로 유지되던 상기 제1 차이 전압을 상기 임의의 전압값으로 감소시키고,
    상기 제2 전류제어 슈미트 트리거는,
    전압값이 증가하는 상기 발생 전압이, 상기 제2 전류제어 슈미트 트리거에서 지정한 문턱전압을 초과하면, 제2 시간 동안 특정 전압값으로 유지되던 상기 제2 차이 전압을 상기 임의의 전압값으로 감소시키되,
    상기 제1 전류제어 슈미트 트리거에서 지정한 문턱전압은, 상기 제2 전류제어 슈미트 트리거에서 지정한 문턱전압 보다 큰
    바이오센서 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 차동기는,
    상기 제1 시간 동안 특정 전압값으로 유지되던 상기 제1 차이 전압에서, 상기 제2 시간 동안 상기 특정 전압값으로 유지되던 상기 제2 차이 전압을 차감한 결과를, 상기 펄스 전압으로서, 생성하는
    바이오센서 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 디지털 출력부는,
    상기 펄스 전압의 펄스 폭을 카운팅(counting)하여, 디지털 신호로 변환하는
    바이오센서 장치.
  9. 바이오센서에서, 측정 대상의 생체신호를 감지하고, 상기 생체신호와 연관되어 발생하는 서로 다른 제1 전류와 제2 전류를 출력하는 단계;
    차동전류 시간간격 변환부에서, 상기 제1 전류와 연관된 제1 전압과, 상기 제2 전류와 연관된 제2 전압 간 차이에 기초하여, 펄스 전압을 생성하는 단계; 및
    디지털 출력부에서, 상기 펄스 전압을 디지털 신호로 변환하여 출력하는 단계
    를 포함하는 바이오센서 장치의 동작 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 펄스 전압을 생성하는 단계는,
    제1 전류제어 슈미트 트리거에서, 상기 제1 전압과 램프전압 발생기에 의해, 발생된 발생 전압 간의 제1 차이 전압을 추출하여, 출력하는 단계;
    제2 전류제어 슈미트 트리거에서, 상기 제2 전압과 상기 발생 전압 간의 제2 차이 전압을 추출하여, 출력하는 단계; 및
    차동기에서, 상기 제1 전류제어 슈미트 트리거에서 출력된 제1 차이 전압과 상기 제2 전류제어 슈미트 트리거에서 출력된 제2 차이 전압을 비교하고, 상기 비교 결과에 기초하여, 상기 펄스 전압을 생성하는 단계
    를 포함하는 바이오센서 장치의 동작 방법.
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