KR20210035322A - 나노재료 기반 가스 센서의 어레이를 측정하기 위해 아날로그 전단부를 제어하고 최적화하여 데이터를 패턴 인식 알고리즘에 공급하는 디지털 후단부 - Google Patents

나노재료 기반 가스 센서의 어레이를 측정하기 위해 아날로그 전단부를 제어하고 최적화하여 데이터를 패턴 인식 알고리즘에 공급하는 디지털 후단부 Download PDF

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KR20210035322A
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resistance
circuit
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KR1020217008358A
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앨버트 첸
프라빈 필라이
순딥 알. 도쉬
헝 치아 쑤
마이클 프랭크
알렉세이 바르가노프
모아젬 호사인
헤르베 램버트
Original Assignee
에어노스 인코포레이티드
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Abstract

통합된 패턴 인식 알고리즘에 데이터를 제공하기 위해 나노재료 기반 가스 센서의 어레이의 전력 전달, 측정 및 데이터 수집을 최적화하기 위해 아날로그 전단부를 제어하기 위한 마이크로제어기 기반 디지털 후단부.

Description

나노재료 기반 가스 센서의 어레이를 측정하기 위해 아날로그 전단부를 제어하고 최적화하여 데이터를 패턴 인식 알고리즘에 공급하는 디지털 후단부
본 명세서에서의 실시형태는 나노 가스 감지 시스템을 위한 디지털 후단부(digital back end)에 관한 것이고, 특히 아날로그 전단부(analog front end)를 제어하고, 아날로그 후단부로부터의 신호를 최적화하고 처리하기 위한 디지털 후단부에 관한 것이다.
종래의 디지털 가스 센서 시스템은 전형적으로 단일 금속 산화물 센서에 전력을 공급하고 측정한다. 디지털 가스 센서는 전형적으로, 그들의 샘플링 방법론에서 정적이며 일반적으로, 이것은 고정된 간격으로 전압을 디지털 값으로 변환하기 위한 ADC를 샘플링하는 것을 수반한다. 이어서, 이 값은 전형적으로 선형 적합 모델을 통해 가스 농도로 다시 변환된다.
시판되는 가스 센서는 사용하기 번거롭고 비용이 많이 들며 성능(예컨대, 정확도, 선택성, 최저 검출 한도 등)이 제한될 수 있다. 게다가, 다른 주요 단점은 상이한 유형의 가스를 동시에 검출할 수 없는 것, 개별적인 가스의 절대 농도를 측정할 수 없는 것, 빈번한 재교정을 위한 요구조건, 착용 가능한 디바이스와 같은 소형 폼 팩터 시스템으로의 통합과 호환 가능하지 않는 크기, 가열과 같은 전력 소모 기술에 대한 의존 또는 매우 대량의 제조에 상당히 적합하지 않은 기술에 대한 의존을 포함할 수 있다.
다수의 가스를 동시에 정확하게 검출하는 능력, 종종 십억분율(PPB) 감도는 점점 더 많은 산업뿐만 아니라, 가정 및 도시 대기 오염 문제를 해결하는 것을 목표로 하는 대기질 모니터링 계획의 전 세계 확장에 대해 중요해지고 있다.
주변 공기에서 고도로 세분화된 가스 정보의 수집을 지원하는 낮은 검출 한도(PPB)가 가능한 센서의 광범위한 배치를 위해 요구된 핵심 기본 속성을 전달하는 나노 가스 센서 아키텍처가 본 명세서에서 설명된다.
하나의 양태에 따르면, 센서 시스템은 복수의 감지 요소를 포함하는 센서 어레이로서, 복수의 감지 요소의 각각은 하이브리드 나노구조 및 복수의 가스 중 적어도 하나를 구체적으로 타깃으로 하는 분자 제형으로 구성된 증착된 혼합물로 기능화되고, 복수의 감지 요소의 각각은 저항 및 커패시턴스를 포함하고, 적어도 하나의 저항 및 커패시턴스는 가스 화학 화합물과 상호 작용할 때 변경되는, 상기 센서 어레이; 센서 어레이와 결합되고 저항 또는 커패시턴스의 변화를 검출하고 이를 나타내는 아날로그 신호를 생성하며, 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하도록 구성된 아날로그 전단부로서, 아날로그 대 디지털(ADC)을 포함하는, 상기 아날로그 전단부; 온도 및 습도 센서; 및 아날로그 전단부와 결합되고 아날로그 전단부를 제어하도록 구성된 디지털 후단부를 포함하고, 디지털 후단부는 알고리즘, 모델 및 명령어를 포함하는 메모리, 메모리와 결합된 마이크로제어기를 포함하고, 명령어는, 마이크로제어기로 하여금, 복수의 센서 채널의 각각에 대한 이득을 산출, 저장 및 설정하는 것으로서, 각각의 채널은 ADC에 의한 변환 이전에 감지 요소와 연관되는, 상기 이득을 산출, 저장 및 설정함으로써, 그리고 다양한 오버샘플링 인자를 통해 신호 대 잡음 비를 증가시킴으로써 아날로그 신호를 동적으로 최적화시키게 하도록 구성된다.
이들 및 다른 특징, 양태, 및 실시형태는 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용"이라는 제목의 부문에서 하기에 설명된다.
특징, 양태 및 실시형태는 첨부된 도면과 결부하여 설명되며, 여기서:
도 1은 가스 센서를 구성하기 위한 기본 원리를 도시한 도면;
도 2는 일 실시형태에 따른 하이브리드 나노구조 가스 검출 요소의 물리적 구현의 사시도;
도 3은 가스 센서 어레이의 일 실시형태를 도시하는 도면;
도 4는 일 실시형태에 따라 도 3의 하이브리드 나노구조 가스 검출 어레이를 통합하는 하이브리드 나노구조 가스 센서 시스템의 블록도;
도 5는 도 4의 하이브리드 나노구조 가스 센서 시스템을 통한 가스 정보의 흐름을 보여주는 차트;
도 6은 도 4의 하이브리드 나노구조 가스 센서 시스템의 PCB 실시형태 주위에 구축된 예시적인 착용 가능한 제품의 분해도;
도 7은 본 명세서에서 설명된 다양한 실시형태와 관련하여 사용될 수 있는 예시적인 유선 또는 무선 시스템을 도시하는 블록도;
도 8은 일 실시형태에 따라 도 3 및 도 4의 센서 칩에 포함된 도 3의 센서 어레이에서 복제될 수 있는 예시적인 단일 채널을 도시하는 도면;
도 9 및 도 10은 32개의 채널을 포함하는 도 3의 완전한 센서 칩에 대한 예시적인 실시형태를 도시하는 도면;
도 11 및 도 12는 20개의 채널을 포함하는 완전한 센서 칩에 대한 또 다른 예시적인 실시형태를 도시하는 도면;
도 13은 도 5 내지 도 7에서 설명된 어느 일 실시형태를 구현하는 완전한 웨이퍼의 예시를 도시한 도면;
도 14는 하나의 예시적인 실시형태에 따라 도 4의 시스템에 포함될 수 있는 파킹 회로(parking circuit)를 도시하는 도면;
도 15는 일 실시형태에 따라 도 4의 시스템에 포함될 수 있는 예시적인 측정 회로를 도시하는 도면;
도 16은 일 실시형태에 따라 도 15의 회로에 포함될 수 있는 예시적인 멀티플렉서 구현의 도면;
도 17은 예시적인 파킹 회로 및 복수의 센서와 결합된 예시적인 측정 회로를 도시하는 도면;
도 18은 도 15의 전류 미러 대신에 사용될 수 있는 OP-AMP 회로를 도시하는 도면;
도 19는 도 15의 측정 회로의 전류 미러의 출력을 도 4의 시스템에 포함된 ADC로 전송될 수 있는 아날로그 신호로 변환하기 위한 회로를 도시하는 도면;
도 20은 일 실시형태에 따라 도 4의 시스템의 디지털 후단부의 특정 구성요소를 도시하는 도면;
도 21은 일 실시형태에 따라 도 4의 디지털 후단부 시스템에서 구현될 수 있는 동적 오버샘플링 레이트의 예시적인 플롯 및 이를 도시하는 그래프;
도 22는 일 실시형태에 따라 도 4의 디지털 후단부 시스템에서 구현될 수 있는 최적화된 대 최적화되지 않은 안정화 시간의 예시적인 플롯 및 이를 도시하는 그래프; 및
도 23은 일 실시형태에 따라 도 4의 디지털 후단부 시스템에서 구현될 수 있는 듀티 사이클, 및 신호에 걸친 동적 샘플링 레이트의 예시적인 플롯 및 이를 도시하는 그래프;
도 24는 감지 요소의 전극에 증착되고 어닐링된 일 실시형태에 따라 고민감성 재료의 다양한 배율에서의 SEM 현미경 사진의 이미지를 도시한 도면;
도 25는 실온에서 5-10-20 백만분율(PPM)의 일산화탄소(CO) 노출 및 도 8의 재료를 갖는 감지 요소에 대한 35% 상대 습도(RH)에 대한 실시간 감지 응답의 플롯을 보여주는 그래프;
도 26은 실온에서 25-50-1000 백만분율(PPM)의 일산화탄소(CO) 노출 및 도 8의 재료를 갖는 감지 요소에 대한 35% 상대 습도(RH)에 대한 실시간 감지 응답의 플롯을 보여주는 그래프;
도 27은 실온에서 50-100-200 백만분율(PPM)의 일산화탄소(CO) 노출 및 도 8의 재료를 갖는 감지 요소에 대한 35% 상대 습도(RH)에 대한 실시간 감지 응답의 플롯을 보여주는 그래프;
도 28은 일 실시형태에 따라 예시적인 단일 채널(102)을 도시하는 도면;
도 29는 칩에 와이어 결합된 캐리어의 상용 온도 및 습도 센서에 의해 측정된 바와 같이 45%, 50% 및 60% 상대 습도(RH) 및 실온에서의 공기의 범프에 대한 실시간 감지 응답을 표시하는 그래프;
도 30은 전극에 증착된 습도에 민감한 중합체 재료의 SEM 현미경 사진을 보여주는 이미지를 도시한 도면;
도 31은 전극에 증착된 습도에 민감한 중합체 재료에 대한 45%, 50% 및 60% 상대 습도(RH) 및 실온에서의 공기의 범프를 보여주는 도면.
도 32는 전극에 증착되고 어닐링된 고습도 민감성 AerN2S 재료의 SEM 현미경 사진을 보여주는 도면.
도 33은 전극에 증착 및 어닐링된 고습도 민감성 AerN2S 재료에 대한 45%, 50% 및 60% 상대 습도(RH) 및 실온에서의 공기의 범프를 보여주는 도면.
도 34는 일 실시형태에 따라 지수 평균 저역 통과 필터를 사용한 고주파 잡음의 필터링 아웃을 도시하는 그래프; 및
도 35는 일 실시형태에 따라 변화하는 가스 농도에 대한 과도 물질 응답에 대한 안정화된 저항값을 예측하기 위한 예시적인 공정을 도시하는 도면.
하이브리드 나노구조 가스 감지 시스템에 대한 실시형태가 본 명세서에서 설명된다. 본 발명 및 이의 다양한 특징과 유리한 상세는 첨부된 도면에서 설명되고/되거나 도시되고 다음에 상세히 설명되는 비제한적인 실시형태 및 예를 참조하여 더 완전하게 설명된다. 도면에 도시된 특징이 반드시 일정한 비율로 그려지는 것은 아니며, 본 명세서에서 명시적으로 언급하지 않더라도, 숙련자가 인식할 바와 같이 일 실시형태의 특징이 다른 실시형태와 함께 이용될 수 있음에 유의해야 한다. 잘 알려진 구성요소 및 처리 기술의 설명은 본 발명의 실시형태를 불필요하게 모호하게 하지 않게 하기 위해 생략될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 예는 단지, 본 발명이 실행될 수 있는 방식의 이해를 용이하게 하고 당업자가 본 발명의 실시형태를 실행하는 것을 더 가능하게 하도록 의도된다. 그에 따라, 본 명세서의 예 및 실시형태는 본 발명의 범위를 제한하는 것으로서 해석되어서는 안된다. 게다가, 유사한 참조 부호가 도면의 몇몇 뷰에 걸쳐 유사한 부분을 표현함에 유의한다.
본 명세서에서 설명된 하이브리드 나노구조 가스 감지 시스템에 구현된 아키텍처는 다양한 주변 공기의 혼합물에서 가스 분석물질의 존재를 선택적으로 식별하는 기본 요구조건을 성취하지만, 이것은 또한 매우 작은 폼 팩터(모바일 및 착용 가능한 애플리케이션을 위한 것을 포함함)와 크기 및 전력 면에서 호환 가능하기 위해, IoT 애플리케이션에 용이하게 통합하기 위해 그리고 자체 교정하기 위해 동시에 다수의 가스를 식별하도록 설계되고, 따라서 애플리케이션 및/또는 서비스 제공 업체가 정규적인 재교정의 부담 및 비용에서 벗어난다.
도 1은 성공적인 가스 센서(100)를 위한 기본 구성요소를 설명한다. 알 수 있는 바와 같이, 이러한 센서는 기판(106) 위에 민감성 층(104)을 증착시킴으로써 생성되는 감지 요소(102)를 포함한다. 이어서, 감지 요소(102)는 감지 요소(102)의 하나 이상의 전기적 속성을 변경하는 가스 화학 화합물(108)과 상호 작용할 수 있다. 전기적 속성의 변화는 특별히 설계된 신호 처리 전자 장치(112)를 통해 센서 원시 신호(110)를 공급함으로써 검출될 수 있다. 결과적인 응답 신호(114)는 직접적으로 또는 패턴 인식 기술의 적용을 통해 측정되고 정량화될 수 있다.
본 명세서에서 설명된 실시형태는 6개의 기본 요소를 포함한다. 첫 번째는 기본 센서 요소 또는 감지 채널이고, 이는 신뢰 가능한 대량 제조에 적합한 기판에 구축된 구조적 구성요소를 현탁액에 하이브리드 나노 구조를 포함하는 증착된 전해질과 조합한다. 전해질의 제형은 특정한 가스 또는 가스의 계열에 특수하다. 실리콘 기판(106) 및 구조적 구성요소는 MEMS 제조 공정을 사용하여 구축될 수 있다. 구조적 구성요소는 본질적으로, 2개의 전극 사이의 미완성 전기 회로이다. 전해질의 증착은 전기 회로를 완성하고, 바이어스되고 가스 분석물질에 노출될 때, 회로의 전기적 특성 중 하나 이상에 대한 변화가 가스를 검출하고 측정하기 위해 사용된다.
다음은 본 명세서에서 설명된 것과 같은, 나노 가스 센서 아키텍처에 통합될 수 있고 주변 공기에서 매우 세분화된 가스 정보의 수집을 지원하는 낮은 검출 한도(PPB)가 가능한 센서의 광범위한 배치를 위해 요구된 핵심 기본 속성을 전달하는 매우 민감한 나노 핵이 있는 구조를 만들기 위한 공정을 개요한다. 후속적으로, 광범위한 적용에 걸쳐 혁신적인 제품을 가능하게 할 가스 정보로부터 진정으로 실행 가능한 통찰력이 얻어질 수 있다.
기본 센서 요소 또는 감지 채널(102)은 신뢰 가능한 대용량 제조를 위해 적합한 기판(104)에 구축된 구조적 구성요소를 현탁액에 하이브리드 나노 구조(208)를 포함하는 증착된 제형(108)과 조합한다. 제형(108)은 가스 또는 가스의 계열에 특수하다. 상기 설명된 바와 같이, 실리콘 기판(104)이 사용될 수 있고 구조적 구성요소는 MEMS 제조 공정을 사용하여 구축될 수 있다. 구조적 구성요소는 본 명세서에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 본질적으로 2개의 전극 사이의 미완성 전기 회로이다. 제형(108)의 증착은 전기 회로를 완성하고, 바이어스되고 가스 분석물질에 노출될 때, 회로의 전기적 특성 중 하나 이상에 대한 변화가 가스를 검출하고 측정하기 위해 사용된다.
하이브리드 나노구조 가스 센서는 주변 공기의 다수의 가스를 동시에 검출하고 그들의 절대 농도를 보고하기 위해 필요한 모든 기능을 제공할 수 있다. 하이브리드 나노구조 센서 어레이(305)(도 3의 설명 참조)의 감지 능력은 항상 "온"인 반면에, 가스 검출 및 측정 알고리즘은 센서가 사용하기 전에 어떠한 특수한 교정 단계도 요구하지 않고 이의 동작 수명을 통해 자체 교정을 유지하는 것을 가능하게 한다.
감지 요소(102)의 설계는 공통적으로 사용된 몇몇 증착 기술과 호환 가능하지만, 대량 제조 환경에서 원하는 품질 및 재현성을 성취하기 위해 특별히 맞춤화된 장비 및 독점 기술을 요구한다. 따라서, 감지 요소(102)는 피코리터량의 나노재료의 효율적인 증착을 지원하도록 및 다중 가스 센서의 설계를 가능하게 하기 위해 어레이로의 다수의 요소의 통합을 용이하도록 하기에 설명된 바와 같이, 특별히 패턴화될 수 있다.
특정한 가스를 완전하고 선택적으로 식별하기 위해 하나 이상의 분자 제형(108)이 필요할 수 있다. 각각이 고유한 제형(108)으로 "프로그래밍"될 수 있는 다수의 감지 요소(102)를 센서 어레이(305)로 조합하는 것은 동시에 다수의 가스를 검출하고 측정하는데 필요한 유연성을 제공한다. 이것은 또한, 하기에 상세하게 설명되는, 중요한 인자인 예를 들면, 습도를 측정하는 것과 같은 풍부한 기능 옵션이 센서 칩에서 직접적으로 임의의 가스 센서 설계에서 고려되는 것을 가능하게 한다(결국 수증기는 단지 또 다른 가스이다). 또 다른 예는 가스의 존재에 대해 매우 빠르게 반응할 수 있는 제형(108)의 동일한 가스 또는 가스의 계열에 대한 조합이고, 느리게 작용하는 또 다른 제형은 정확한 농도 측정을 위해 사용될 수 있다; 이것은 위험 물질의 존재에 대한 매우 빠른 경고가 요구되지만 실제 정확한 농도 측정이 동시에 필요하지 않을 수 있는 적용(예컨대, 산업 비상 상황에서의 최초 대응자)에서 중요할 것이다.
도 24는 감지 요소(102)의 전극에 증착되고 어닐링된 일 실시형태에 따라 고민감성 재료(702)의 다양한 배율에서의 SEM 현미경 사진의 이미지이다. 높은 표면적 나노재료는 공기 중 환경 오염 물질을 감지하기 위해 원자적으로 분산된 금속 촉매로 기능화된다. 증착된 재료의 제형은, 또한 매우 민감한 감지 표면의 역할을 하면서 특정 저항 범위 내에서 회로를 연결하기 위해 서로 맞물린 핑거(1202)(도 12 참조) 사이의 갭을 연결한다.
도 25는 실온 및 35% 상대 습도(RH)에서 5-10-20 백만분율(PPM)의 일산화탄소(CO) 노출에 대한 실시간 감지 응답의 플롯을 보여주는 그래프이다. 초기 15분 공기 노출 후에, 감지 요소(102)의 응답 저항은 각각 5분 및 10분 간격으로 온 및 오프 CO 노출에 따라 시간에 대해 표시된다. 저항 변화를 초기 저항으로 나눈 값(ΔR/R)은 전극(1202)에 증착된 이 재료에 대해 5ppm CO 노출에서 3% 초과이다.
도 26은 실온 및 35% 상대 습도(RH)에서 25-50-100 십억분율(PPB) 이산화질소(NO2) 노출에 대한 실시간 감지 응답의 플롯을 보여주는 그래프이다. 초기 15분 공기 노출 후에, 감지 요소(102)의 응답 저항은 각각 5분 및 10분 간격으로 온 및 오프 NO2 노출에 따라 시간에 대해 표시된다. 저항 변화를 초기 저항으로 나눈 값(ΔR/R)은 전극(1202)에 증착된 이 재료에 대해 25 ppb NO2 노출에서 20% 초과이다.
도 27은 실온 및 35% 상대 습도(RH)에서 50-100-200 십억분율(PPB) 오존(O3) 노출에 대한 실시간 감지 응답의 플롯을 보여주는 그래프이다. 초기 15분 공기 노출 후에, 감지 요소(102)의 응답 저항은 각각 5분 및 10분 간격으로 온 및 오프 O3 노출에 따라 시간에 대해 표시된다. 저항 변화를 초기 저항으로 나눈 값(ΔR/R)은 전극(1202)에 증착된 이 재료에 대해 50 ppb O3 노출에서 3500% 초과이다.
다단계 합성 공정을 통해 본 명세서에서 설명된 실시형태에 따라, 도 8에 도시된 것과 같은 고민감성 재료의 대량 생산이 가능해진다. 첫째, 고표면적 나노재료(탄소 나노튜브, 다이칼코게나이드, 그래핀, 금속 유기 프레임워크, 금속 산화물 등)는 또 다른 기능화를 위해 수성 또는 유기 용매에 분산된 고표면적 나노재료 기판을 얻기 위해 다양한 습식 화학 방법(산 염기, 열수, 마이크로파, 광자, 역류, 초음파 등)을 통해 확보되거나 합성된다. 둘째, 원자적으로 분산된 금속 촉매는 다양한 습식 화학 방법을 통해 기판에 핵이 형성된다. 셋째, 나노 핵이 있는 금속 촉매는 다양한 습식 화학 방법을 통해 기판에서 성장된다.
이어서, 합성된 재료는 초저 체적의 자동화된 압전 구동, 비접촉 분배 시스템을 사용하여 전극(1202)에 증착되는 제형을 만들기 위해 하나 또는 다수의 첨가제와 함께 용액에서 준비된다. 증착된 재료는 환원, 불활성 또는 산화성 대기 내에서 최대 설정된 최대값까지 램프 레이트 온도(ramp rate temperature)로 어닐링되고 실온으로 냉각된다.
도 28은 일 실시형태에 따라 예시적인 단일 채널(102)을 도시하는 도면이다. 각각의 채널(102)은 전극(1202) 및 우물(well)(1204)로 구성된다. 전극(1202)은 Si/SiO2 기판(도시 생략)의 상단에 있다. 특정 실시형태에서, 기판의 재료는 실리콘(Si)으로 만들어지지만, 기판의 선택은 Si로 제한되지 않는다. 유리, 산화 알루미늄, 폴리이미드 연질 막, 인쇄 회로 기판(PCB), 및 다양한 종이 지지대와 같은 다른 재료는 실시형태에 의존하여 선택될 수 있다. 기판에 포함된 유전층(도시 생략)은 이산화규소(SiO2)로 만들어질 수 있지만, 다시 재료의 선택은 SiO2로 제한되지 않는다; 또 다른 옵션은 예를 들면, 실리콘 질화물(Si3N4)일 수 있다.
특정 실시형태에서, 유전체 SiO2 층의 두께는 300㎚이지만, 다음의 특정값: 200, 220, 230, 240, 250, 300, 350, 400, 450 및 500㎚를 포함하는 약 200에서부터 500㎚까지의 범위일 수 있다. 특정 실시형태에서 기판의 두께는 500㎛이지만 다음의 특정값: 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600, 650, 700 및 750㎛를 포함하는 약 250에서부터 750㎛까지의 범위일 수 있다. 특정 실시형태에서 단일 채널의 폭은 200㎛이지만 다음의 특정값: 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550 및 600㎛를 포함하는 약 100에서부터 600㎛까지의 범위일 수 있다.
도 29는 칩(305)에 와이어 결합된 캐리어의 상용 온도 및 습도 센서에 의해 측정된 바와 같이 45%, 50% 및 60% 상대 습도(RH) 및 실온에서 공기의 범프에 대한 실시간 감지 응답을 표시하는 그래프이다. 초기 15분 공기 노출 후에, 센서 응답 저항은 각각 5분 및 10분 간격으로 증가된 상대 습도 노출의 온/오프 범프에 따라 시간에 대해 표시된다.
도 30은 전극(1202)에 증착된 습도 민감성 중합체 재료(3002)의 다양한 배율에서의 SEM 현미경 사진을 보여주는 이미지이다. 증착된 중합체 재료(1402)는 또한 습도에 민감한 감지 표면의 역할을 하면서 특정 저항 범위 내에서 회로를 연결하기 위해 전극(1202)의 맞물린 핑거 사이의 갭을 연결한다.
도 31은 전극(1202)에 증착된 습도에 민감한 중합체 재료(1402)에 의해 측정된 바와 같이 45%, 50% 및 60% 상대 습도(RH) 및 실온에서 공기의 범프에 대한 실시간 감지 응답을 표시하는 그래프이다. 실온 및 40% RH에서 초기 15분 공기 노출 후에, 센서 응답 저항은 각각 5분 및 10분 간격으로 증가된 상대 습도 노출의 온 및 오프 범프에 따라 시간에 대해 표시된다. 저항 변화를 초기 저항으로 나눈 값(ΔR/R)은 40%에서부터 45% RH까지의 5% RH 변화에 응답하여 10% 초과이다.
도 32는 전극(1202)에 증착되고 어닐링된 고습도 민감성 재료(1602)의 다양한 배율에서의 SEM 현미경 사진을 보여주는 이미지이다. 증착된 재료(1602)은 또한 고습도 민감성 감지 표면의 역할을 하면서 특정 저항 범위 내에서 회로를 연결하기 위해 전극(1202)의 맞물린 핑거 사이의 갭을 연결한다.
도 33은 전극(1202)에 증착되고 어닐링된 고습도 민감성 재료(1602)에 의해 측정된 바와 같이 45%, 50% 및 60% 상대 습도(RH) 및 실온에서 공기의 범프에 대한 실시간 감지 응답을 표시하는 그래프이다. 실온 및 40% RH에서 초기 15분 공기 노출 후에, 센서 응답 저항은 각각 5분 간격과 10분 간격으로 증가된 상대 습도 노출의 온 및 오프 범프에 따라 시간에 대해 표시된다. 저항 변화를 초기 저항으로 나눈 값(ΔR/R)은 40%에서부터 45% RH까지의 5% RH 변화에 응답하여 100% 초과이다.
제2 요소는 데이터 획득 전자 장치(112)와 인터페이스하도록 구체적으로 설계되고 최적화된 어레이 구조로의 다수의 감지 채널의 배열이다. 패턴 인식 알고리즘의 사용과 조합된 어레이 구조는 선택성과 같은 이러한 중요한 기능을 용이하게 하기 위해 다른 감지 채널을 사용하면서 특정 가스 또는 가스의 계열에 대해 어레이의 개별적인 감지 채널 중 하나 이상을 맞춤화함으로써 단일 센서로 다수의 가스를 동시에 검출하는 것을 가능하게 한다.
도 2는 하나의 예시적인 실시형태에 따른 하이브리드 나노구조 물리적 감지 요소(102)의 개념도이다. 감지 요소(102)의 나머지가 구성되는 기판(106)에 대해 상이한 재료가 사용될 수 있다. 그러나, 상당한 대량 제조의 관점에서, 실리콘 기술, 구체적으로 MEMS 기술이 바람직할 수 있고, 이는 구축되는 센서 칩의 정교화에 기초하여 공정의 복잡성을 조절하기 위한 예컨대, 또 다른 혁신을 지원하거나 특별한 제품 요구를 해결하기 위한 유연성을 갖는 고객이 정의한 일련의 제조 단계에 필요한 토대를 제공한다. 실리콘 기술은 또한, 가스 검출 기술의 요구에 맞게 맞춤화될 수 있는 자동화된 테스트 장비의 다수의 소스 및 시간이 입증된 테스트 방법에 대한 액세스를 제공한다.
감지 요소(102)는 2개의 전극(202) 사이의 불완전하거나 "개방된" 전기 회로로 만들어지며, 이어서, 하이브리드 나노구조(208)를 갖는 분자 제형 전해질(204)을 현탁액에 침착시킴으로써 완성되거나 "폐쇄"된다. 공정은 몇몇 공통적으로 사용된 증착 기술과 호환 가능하지만 대량 제조 환경에서 원하는 품질 및 재현성을 성취하기 위해 특별히 맞춤화된 장비 및 독점 기술을 요구한다. 특정 실시형태에서, 감지 요소(102)는 피코리터량의 나노재료의 효율적인 증착을 지원하고 다중 가스 센서의 설계를 가능하게 하기 위해 어레이로의 다수의 요소의 통합을 용이하게 하도록 특별히 패턴화될 수 있다.
이어서, 전극(202)은 시스템의 나머지 부분에 신호(110)를 전달하기 위해 결합 패드(206)에 결합될 수 있다.
특정한 가스를 완전하고 선택적으로 식별하기 위해 하나 이상의 분자 제형이 필요할 수 있다. 각각이 고유한 제형으로 "프로그래밍"될 수 있는 다수의 감지 요소(102)를 센서 어레이로 조합하는 것은 동시에 다수의 가스를 검출하고 측정하기 위해 필요한 유연성을 제공한다. 이것은 또한, 중요한 인자인, 예를 들면, 습도를 측정하는 것과 같은 풍부한 기능 옵션이 센서 칩에서 직접적으로 임의의 가스 센서 설계에서 고려되는 것을 가능하게 한다(결국 수증기는 단지 또 다른 가스이다). 또 다른 예는 가스의 존재에 대해 매우 빠르게 반응할 수 있는 제형의 동일한 가스 또는 가스의 계열에 대한 조합이고, 더 느리게 작용하는 또 다른 제형은 정확한 농도 측정을 위해 사용될 수 있다; 이것은 위험 물질의 존재에 대한 매우 빠른 경고가 요구되지만 실제 정확한 농도 측정이 동시에 필요하지 않을 수 있는 적용(예컨대, 산업 비상 상황에서의 최초 대응자)에서 중요할 것이다.
도 3은 분자 제형(204)이 증착될 수 있는 감지 채널의 구조를 구축하기 위해 실리콘 기판(302)이 MEMS 제조 공정과 함께 사용되는 다중채널, 가스 센서 어레이(305)의 바람직한 실시형태를 도시한다. 예시 목적을 위해, 개별적인 센서 다이(304)의 크기는 실제로 성취 가능한 것보다 훨씬 큰 것으로서 도시되고; 단일 8" 웨이퍼(300)는 전형적으로, 수천개의 다중 가스 가능 센서 칩을 산출할 것이다. 감지 요소(102)의 어레이(305)는 단일 다이(304)에 구현되고 각각의 웨이퍼(300)는 수천개의 다이 또는 칩(304)을 산출한다. 이어서, 각각의 감지 요소(102)는 그 위에 특정 분자 제형(204)을 증착시킴으로써 기능화될 수 있다.
따라서, MEMS 제조 후에, 각각의 감지 요소(102)의 제작을 완료하기 위해 부가적인 단계가 요구된다. 먼저, 분자 제형(204)이 특수화된 장비를 사용하여 증착되고 경화된다. 이것은 웨이퍼 레벨에서 발생하며 장비는 모듈 및 제작 공정을 정확히 복사하는 방식으로 복제함으로써 제조 시설의 출력의 확장을 허용하기 위해 모듈식 방식으로 설계된다. 제조 단계의 완료 후에, 웨이퍼(300)는 감지 요소(102)에 대한 손상을 방지하기 위해 클린 다이싱 기술을 사용하여 싱귤레이팅(singulating)되어야 한다. 이러한 기술의 일례는 스텔스 다이싱(Stealth dicing)이다.
채널(102)은 2개의 주요 요소; 전극 및 우물로 구성된다. 제형(204)이 증착되고 있는 전극은 하이브리드 나노재료(208)가 2개의 인접한 전극 사이에 브리지를 생성할 때까지 개방된 회로를 형성한다. 우물은 전극을 둘러싸는 벽이다. 우물은 제형 증착 공정 동안 재료의 오버플로우를 방지한다. 우물은 2개의 섹션("상단" 및 "하단")에서 형성된다. 완전한 채널(102)은 따라서, 고정된 수의 전극 세그먼트와 상단 및 하단 전극 외부의 2개의 별개의 벽으로 구성된다. 칩에 32개의 채널이 있다고 가정하면, 총 3,300개의 칩이 완전한 8 인치 웨이퍼를 형성한다.
도 8은 일 실시형태에 따라 예시적인 단일 채널(102)을 도시하는 도면이다. 각각의 채널(102)은 전극(802) 및 우물(804)로 구성된다. 전극(802)은 Si/SiO2 기판(302)(도 8에 도시되지 않음)의 상단에 있다. 특정 실시형태에서, 기판(302)의 재료는 실리콘(Si)으로 만들어지지만, 기판의 선택은 Si로 제한되지 않는다. 유리, 산화 알루미늄, 폴리이미드 연질 막, 인쇄 회로 기판(PCB), 및 다양한 종이 지지대와 같은 다른 재료가 실시형태에 의존하여 선택될 수 있다. 기판에 포함된 유전층(도시 생략)은 이산화규소(SiO2)로 만들어질 수 있지만, 다시 재료의 선택은 SiO2로 제한되지 않는다; 예를 들면, 또 다른 옵션은 실리콘 질화물(Si3N4)일 수 있다.
특정 실시형태에서, 유전체 SiO2 층의 두께는 300㎚이지만, 다음의 특정값: 200, 220, 230, 240, 250, 300, 350, 400, 450 및 500㎚를 포함하는 약 200에서부터 500㎚까지의 범위일 수 있다. 기판(302)의 두께는 500㎛이지만 다음의 특정값: 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600, 650, 700 및 750㎛를 포함하는 약 250에서부터 750㎛까지의 범위일 수 있다. 단일 채널(102)의 폭은 200㎛이지만 다음의 특정값: 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550 및 600㎛를 포함하는 약 100에서부터 600㎛까지의 범위일 수 있다.
특정 실시형태에서, 전극(802)은 백금(Pt) 및 티타늄(Ti) 층을 사용하여 구축되지만 재료의 선택은 크롬(Cr) 및 금(Au)과 같은 다른 금속을 포함할 수 있다. 특정 실시형태에서, Pt/Ti 층의 총 두께는 300㎚이지만, 다음의 특정값: 200, 250, 300, 350, 400㎚를 포함하는 약 200에서부터 400㎚까지의 범위일 수 있다. 특정 실시형태에서, 전극(802)의 형상은 도시된 바와 같이 원형이다. 이 특정 형상은 다음의 이유로 선택되었다: 1) 균일한 증착 형태의 생성, 2) 최적의 센서 성능을 위해 전극 내에 재료 제형의 유지, 3) 증착된 제형의 오버플로우의 방지, 및 4) 증착된 제형의 빠른 건조 보장; 그러나, 본 명세서에서 설명된 실시형태와 결부하여 다른 형상이 사용될 수 있음이 이해될 것이다.
특정 실시형태에서, 전극의 폭은 5㎛이지만 다음의 특정값: 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 및 10㎛를 포함하는 3에서부터 10㎛까지의 범위일 수 있다. 특정 실시형태에서, 전극쌍당 코일의 수는 7이지만 7에서부터 14까지의 범위일 수 있다.
특정 실시형태에서, 우물(804)은 전극(802) 주위에 전체 우물(804)을 생성하기 위해 조합하는 2개의 섹션을 갖는 상단 및 하단 섹션을 갖는다. 우물을 위한 재료는 Si3N4일 수 있지만 다른 재료(예컨대, SiO2와 Si3N4의 조합)가 또한 사용될 수 있다. 특정 실시형태에서, 우물(804)은 1) 전극(802) 위에 제형을 한정하고, 2) 인접한 채널로부터 교차 오염을 방지하며, 3) 체적 증착 장비를 위한 정렬 키를 제공하도록 설계된다.
전극(802) 사이의 갭(806)은 감지 제형(204)이 증착될 필요가 있는 곳이다. 증착된 제형(204)은 전기 회로를 완성하기 위해 필요한 연결부를 생성하고 궁극적으로 다양한 적용에서 가스 분석물질에 대한 민감성 층이 된다. 제형(204)이 증착되지 않은 경우 회로는 개방된다. 특정 실시형태에서, 갭의 크기는 3㎛이지만, 갭 크기는 다음 특정값: 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5, 5.5, 6, 6.5, 7, 7.5, 8, 8.5, 9, 9.5 및 10㎛를 포함하는 약 2.5에서부터 10㎛까지의 범위일 수 있다.
도 9 및 도 10은 32개의 채널을 포함하는 완전한 센서 칩(304)에 대한 예시적인 실시형태를 도시하는 도면이다. 특정 실시형태에서, 각각의 칩(304)은 2.7㎜×2.7㎜이고 신호 잡음을 감소시키고 칩 오작동의 가능성을 감소시키기 위해 중복성을 생성하기 위한 4개의 별개의 공통 접지(902)를 갖는다. 정렬 키 1(904)은 웨이퍼 다이싱(다이스 싱귤레이션) 동안 정렬을 위해 사용된다. 정렬 키 2(906)는 대량 제조를 위해 웨이퍼 내 정밀 정렬을 위한 특수 표시이다. 정렬 키 1 및 2 둘 모두를 조합함으로써, 매우 정밀한 체적 증착이 성취될 수 있다.
특정 실시형태에서, 각각의 칩(304)은 온 칩 회로를 오프 칩 전자 장치에 연결하기 위해 개별적인 채널(102)을 와이어 결합하기 위한 32개의 결합 패드(908)를 갖는다. 모든 채널(102)은 가스 감지 목적을 위한 개별적인 센서일 수 있다. 도 10에 도시된 바와 같이, 특정 실시형태에서, 각각의 패드(908)는 0.1㎜×0.1㎜이고 2개의 결합 패드(908) 사이의 간격은 0.075㎜이다. 게다가, 도시된 바와 같이, 전체 칩(304) 영역은 약 2.7×2.7㎜일 수 있고, 각각의 채널(102)의 직경은 대략 .225㎜일 수 있다. 여전히 게다가, 도 9 및 도 10의 예가 32개의 채널을 가진 칩(305)을 보여주지만, 8, 16, 20, 24, 32, 36 또는 40개의 채널로 다양한 구현이 가능하여 2㎜×2㎜에서부터 5㎜×5㎜까지의 다양한 칩 영역을 산출한다.
증착된 제형(204)의 수는 타깃 적용에 의존하여 달라질 수 있다. 32개의 채널을 갖는 특정 실시형태에서, 32개와 같이 많은 상이한 제형(204)이 증착될 수 있지만; 이는 1과 32 사이의 임의의 수일 수 있다. 중앙 간, 각각의 채널(102) 사이의 간격은 다양한 요구조건 및 적용에 맞도록 조정될 수 있다. 특정 실시형태에서, 간격은 600㎛이지만 400에서부터 800㎛까지의 범위일 수 있다.
도 11 및 도 12는 20개의 채널(102)을 포함하는 완전한 센서 칩(304)에 대한 또 다른 예시적인 실시형태를 도시하는 도면이다. 다양한 적용에 적응하기 위해, 상이한 수의 채널(102)이 사용될 수 있다. 이 특정한 실시형태에서, 각각의 채널(102)은 도 9 및 도 10에서 설명된 32-채널 실시형태에서보다 크다(400㎛). 공기질 모니터링 또는 누출 검출과 같은 특정 적용에 대해, 목표를 성취하고 유용한 정보를 검색하기 위해, 각각의 채널(102)에서 증착된 민감성 재료(204)의 체적은 나노-리터 이상일 필요가 있을 수 있다. 게다가, 가정 내 환경 모니터링과 같은 특정의 특수한 적용에서, 정확한 측정을 위해 깨끗한 신호를 얻기 위해 더 큰 채널 크기가 중요하다.
도 11 및 도 12의 실시형태에서, 칩(304)의 영역은 3㎜×3㎜이다. 각각의 칩(304)은 신호 판독을 위해 20개의 개별적인 결합 패드(1108)를 갖는다. 각각의 패드는 0.1㎜×0.1㎜이고 2개의 결합 패드(1108) 사이의 간격은 패드(1108)의 위치에 의존하여 각각 0.1㎜ 및 0.37㎜이다. 정렬 키 1(1104) 및 2(1106)는 동일한 칩 정렬 목적을 제공하고 정확한 체적 증착을 위한 수단을 제공한다.
도 13은 도 9 내지 도 11에서 설명된 어느 일 실시형태를 구현하는 완전한 웨이퍼(300)의 예시이다. 3㎜×3㎜의 칩 영역을 가진, 8인치 웨이퍼는 대략 3,300개의 칩으로 구성된다. 각각의 칩(304) 사이의 간격은 최적의 다이싱 동작을 위해 설정된다. 웨이퍼(300)당 칩(304)의 양은 또한, 높은 웨이퍼 처리 수율을 지원하도록 계산되었다.
제3 요소는 하기에 더 상세하게 설명된 센서 어레이(305)의 전기적 특성의 변화를 검출하고, 신호 조정을 제공하며 센서 요소(102)로부터의 아날로그 신호를 데이터 획득 시스템에 의해 사용 가능한 디지털 형태로 변환하는 전자 트랜스듀서이다. 트랜스듀서는 감지 채널(102)의 어레이 및 2개의 기능 모드: 파킹 및 측정에 바이어싱을 제공하는 저전압 아날로그 회로일 수 있다. 감지 채널(102)은 측정 모드가 아닐 때 또는 주어진 적용에 대해 전혀 사용되지/활성화되지 않을 때 파킹 모드에 있다. 회로는 선형 동작 영역에서 감지 채널(102)을 유지하고, 전력 소비를 최적화하고, 파킹 또는 측정 모드에서 채널(102)의 임의의 조합을 가능하게 하며 모드 사이의 원활한 전환을 제공하도록 설계된다.
도 14 내지 도 19는 다중-채널 가스 센서 어레이(305)를 바이어싱하기 위한 저전력 회로를 도시한다. 설명된 회로는 2개의 메인 블록으로 구성된다. 센서(102)가 측정되지 않는 제1 블록은 "파킹 회로"로서 언급된다. 다른 하나는 센서(102)가 측정되고 있을 때 사용되며 "측정 회로"로서 언급된다. 관심 있는 전기적 특성은 정적 저항 및 차동 저항 둘 모두이다. 감지 요소(102)는 이 경우에, 나노재료(208)에 의해 기능화된 센서(102)의 부분을 언급한다. 센서 채널은 감지 요소(102), 기판, 및 감지 요소(102) 사이의 연결부를 기판에 제공하는 다른 하드웨어이다.
도 14는 하나의 예시적인 실시형태에 따른 파킹 회로(1400)를 도시하는 도면이다. 파킹 회로(1400)는 측정되는 것을 대기하면서 조정을 위해 N개의 센서(102)의 연결을 허용한다. 파킹 회로(1400)는 정전압원(1402), OP AMP(1404) 및 각각의 센서(102)를 독립적으로 연결/분리하기 위한 SPST(Single Pole Single Throw) 스위치(1406)로 구성된다.
전압 기준(1402)은 버퍼 증폭기를 사용하여 조정된 정밀 1V 기준일 수 있다. 기준 전압은 2.5V 미만의 임의의 것일 수 있다. 다양한 감지 요소와의 최대 호환성을 위해 특정 실시형태에 대해 1V가 선택된다. 이것은 센서(102)를 선형 영역 내에 유지할 뿐만 아니라, 전체 전력 소비를 감소시킨다. 1V는 또한, 마이크로제어기 회로의 디지털 로직 레벨과 결부하여 사용할 때 합리적인 측정의 범위를 제공한다.
게다가, 각각의 센서(102)에 대한 전류는 감지 요소(102)에 대한 손상을 방지하기 위해 1㎃로 제한될 수 있다. 간단한 직렬 저항기는 전류를 제한하는 비용 효율적인 수단으로서 사용될 수 있다. 이것은 전체 회로 또는 시스템을 단락으로부터 더 보호한다.
SPST 스위치(1406)는 센서(102)를 전압 기준(1402)에 개별적으로 연결하거나 그로부터 분리하는 수단을 제공한다. 이것은 시스템이 활성 센서(102)의 서브세트를 동적으로 제어하는 것을 허용하여, 전체 전력 소비를 조절한다. 센서(102)가 특정 저항값 아래로 떨어지면, 이것은 수용 가능한 한도 아래로 전류 소비를 유지하도록 비활성화될 수 있다. 부가적으로, 동일한 센서 칩(304) 구성이 다수의 애플리케이션에서 사용될 수 있으며, 단지 센서 채널(102)의 서브 세트로 하여금 선택적으로 활성화되게 한다. 또한, 특정 채널(102)이 기능하지 않거나 "파손된" 것으로 식별되는 경우, 이것은 애플리케이션에 의해 분리되고 무시될 수 있다.
도 15는 일 실시형태에 따라 도 4의 시스템에 포함될 수 있는 예시적인 측정 회로(1500)를 도시하는 도면이다. 이 예에서 측정 회로(1500)는 멀티플렉서(1502), 전류 미러(1504), 전류 대 전압 스테이지(1506), 및 이득 스테이지(1508)로 구성된다. 측정 회로의 출력은 시스템(400)의 요소(404) 내의 ADC(1510)로 전송될 수 있다. 단일 감지 요소(102) 또는 감지 요소의 세트를 분리하는 별개의 측정 회로는 센서(102) 사이의 크로스토크(cross-talk)를 최소화하는 것을 허용한다. 관심 있는 센서(102)는 측정될 때 자체 기준 전압에 연결되어, 파킹된 센서(102)의 과도 현상이 공급된 전압이나 잡음에 영향을 주는 것을 방지한다.
도 16은 일 실시형태에 따라 예시적인 멀티플렉서(1502) 구현인 경우의 도면이다. 멀티플렉서(1502)는 N개의 채널(102) 중 1개를 선택하는 것을 허용한다. 특정 실시형태에서, 멀티플렉서(1502)는 SPST 스위치로서 구현될 수 있다. 병렬로 다수의 저항을 조합하는 것은 관심 있는 센서 채널(들)(102)에 대한 오프셋 전류로서 작용할 수 있다. 예를 들면, 10㏀ 센서를 1㏁ 센서와 조합하는 것은 0.001㎃를 제공할 1㏁ 센서만 측정하는 것에 비해 0.101㎃ 전류를 생성한다.
더 낮은 농도에서 하나가 포화되어 안정기에 대한 저항을 야기하는 동일한 가스를 위해 사용되는 2개의 감지 요소(102)를 취한다. 센서 요소('1')가 100ppb에서 안정기에 도달하고, 센서 요소('2')가 단지 100ppb에서 응답을 나타내기 시작하고 1000ppb에서 안정기를 나타내기 시작하면, 이들 둘 모두는 0ppb로부터 1000ppb까지의 범위의 전체를 커버하기 위해 동시에 연결하고 측정될 수 있다. 0 내지 100ppb로부터, 센서('2')는 단지 오프셋으로서의 역할을 하고 센서('1')는 저항 변화를 보여준다. 100ppb에서부터 1000ppb까지, 센서('1')는 단지 오프셋으로서의 역할을 하는 반면 센서('2')는 저항 변화를 보여준다.
다수의 채널(102)의 경우에, 1㏁ 저항기와 함께 10㏀의 오프셋을 사용하는 것은 저항값이 둘 중 더 작은 값에 더 가까운 센서 채널(102)로부터 스위칭하는 경우 안정화 시간을 감소시킬 수 있다. 이것은 전체 전류가 대략 동일한 크기가 되는 것을 허용하여, 안정화 시간을 감소시킨다.
회로는 또한, 불확실성 및 잡음을 동시에 소거하면서, 다수의 센서(102)에 대한 전류 가산기의 역할을 할 수 있다. 1㏁의 다수의 센서(102)가 연결되는 경우, 0.001㎃의 변화를 측정하는 대신에, N*0.001㎃의 측정치가 된다. 시스템에 의해 도입된 백색 잡음은 또한, 개선의 sqrt(N) 인자를 제공하는 이 신호를 평균화함으로써 소거될 수 있다. 이것은 또한, 유사한 속성을 갖는 다수의 감지 요소(102)가 존재하는 경우 측정 시간을 가속화하는 수단의 역할을 할 수 있다.
도 17은 복수의 센서(102)와 결합된 예시적인 측정 회로(1500) 및 예시적인 파킹 회로(1400)를 도시하는 도면이다. 멀티플렉서 회로(1502) 및 파킹 회로(1400)와의 연결부는 차단 전 접속 동작(make-before-break operation)하는 것을 허용한다. 단일 채널(102)은 측정(1500) 및 파킹 회로(1400) 둘 모두에 동시에 연결될 수 있다. 이어서, 센서 채널(102)은 측정 회로(1500)에 연결되는 동안 파킹 회로(1400)로부터 분리된다. 그들이 둘 모두 동일한 전압 또는 전위에 있기 때문에, 이것은 센서 채널 및 감지 요소(102)에 대한 과도 부하를 최소화하는 것을 허용한다.
도 18은 도 15의 전류 미러(1504) 대신에 사용될 수 있는 OP-AMP 회로(1800)를 도시하는 도면이다. 전류 미러는 정전압원을 생성하는 한 가지 방법이지만, OP-AMP를 갖는 유사한 회로가 활용될 수 있다. 이득 스테이지는 별개의 프로그래밍 가능한 이득 증폭기로서 구현되지만 원하는 경우 현재 미러 설계와 통합될 수 있다. 통합된 이득의 일례는 1:1, 1:2, 1:4, 1:8 등과 같지만 이들로 제한되지 않는 상이한 미러링 비를 갖는 전류 미러일 수 있다.
전류 미러의 이 구현에서, 감지 요소(102)에 인가된 전압이 또한 1V이지만, 다시 파킹 회로(1400)와 동일한 속성을 갖는다. 이것은 감지 요소(102)에 대한 손상을 방지하기 위해 2.5V 미만이어야 하며 전류가 제한되어야 한다.
도 19는 전류 미러(1504)의 출력을 ADC(1510)로 전송될 수 있는 아날로그 신호로 변환하기 위한 회로를 도시한 도면이다. 전류 미러(1504)의 출력은 전류를 ADC(1510)로 측정하기 위한 전압으로 변환하기 위해 저항기(Rn)에 연결된다. 저항 네트워크(1902)에는 출력의 SPST 스위치(도시 생략)에 연결된 8개의 상이한 저항기(Rn)가 존재한다. 네트워크(1902)의 각각의 저항기(Rn)는 가능한 매칭 저항기의 수를 증가시키기 위해 병렬로 연결될 수 있다. 센서(102)의 저항과 동일한 값이거나 더 큰 저항이 이상적이어서, 출력 전압이 적어도 1V가 되는 것을 허용한다. 네트워크(1902)의 출력 저항기(Rn)는 측정을 위한 전압을 최대화하도록 선택된다. ADC(1510) 및 센서(102)의 알려진 저항 범위에 대한 기준에 의존하여 다양한 저항값이 만들어질 수 있다.
센서에 걸친 전류(Is)는 미러로의 전류(Iin)와 동일하며, 이는 센서에 걸친 전압(Vs)을 센서의 저항(Rs)으로 나눈 값에 의해 산출된다: Iin=Is=Vs/Rs.
전류 출력은 전류 미러 이득 비(G1)에 의해 설정된다: Iout=G1*Vs/Rs.
ADC(1510)의 입력에서 원하는 전압은 기준에 의존한다. ADC(1510)에 대한 타깃 임계치는 전형적으로, 센서에 대한 부가적인 헤드룸을 변경하는 것을 허용하면서 신호를 최대화하기 위해 70% 내지 90% 내에 있다. 따라서:
Vadc*ADC임계치=Rvs*Iout 또는 Rvs=[(Vadc*ADC임계치)/(G1*Vs)]*Rs이다.
예를 들면, 센서(102)는 1V의 전압을 갖고, ADC(1510)는 2.5V의 기준을 가지며, 전류 미러(1504)는 1:1 비를 제공하고, 이어서:
Rvs@70%=1.75*Rs 및 Rvs@90%=2.25*Rs이다.
이 예에서, 17.8㏀s로부터 5㏁s까지의 범위의 네트워크(1902)에는 8개의 기하학적으로 간격을 둔 저항기(Rn)가 존재하지만, 감지 요소(102)가 저항값과 관련하여 균일하게 간격을 두지 않으면 값이 비대칭적으로 간격을 둘 수 있다. 이 전체 저항기 블록은 전류를 전압으로 변환하는 일 대안적인 수단으로서 트랜스임피던스 증폭기(TIA)로 교체될 수 있다.
부가적으로, 네트워크(1904)에는 SPST 스위치(도시 생략)에 연결된 8개의 저항기(Rn)를 갖는 OP-AMP(1508)로 구성된 2차 이득 스테이지가 존재한다. 초기 전압 선택 저항기에서와 같이 동일한 아이디어가 본 명세서에서의 이득에 적용될 수 있다. 일부 구현에서, 전류 대 전압 변환에 비대칭 간격을 두고, 2차 이득에 대칭 간격을 두는 것이 이상적일 수 있다. 하나는 감지 요소(102)의 저항 범위에 특정하고, 하나는 전체 이득에 대해 일반적이다. 이것은 전체 이득 구성요소(G)를 G1 및 G2의 2개의 구성요소로 분할한다:
Rvs=[(Vadc*ADC임계치)/(G1*G2*Vs)]*Rs
여기서 이득의 목적은 ADC(1510)에 최대 입력을 제공하는 것이다. 이 경우에, 2.5V 기준이 사용되며 회로는 신호의 포화를 회피하기 위해 감지 요소의 저항의 변경을 위한 충분한 공간을 여전히 유지하면서 가능한 한 2.5V에 가깝게 제공하려고 시도한다. SAR ADC(1510)는 잡음의 오버샘플링 및 감소, 및 이전 회로 스테이지에서 오류 스택 업을 허용하기 위해 사용될 수 있다.
각각의 샘플에서 도입되는 오류 스택 업의 잠재적 소스는 전압 기준 오류, 입력으로부터 출력으로의 전류 미러 전송, OP-AMP(1508) 잡음 이득, 열 결합 등을 포함하지만 이로 제한되지 않는다.
도 5는 하기에 더 상세히 설명된 시스템(400)과 같은 완전한 나노 가스 센서 시스템을 통한 기본적인 정보의 흐름을 보여준다. 센서 어레이(305)가 이의 환경에서 가스 분석물질(108)의 혼합물에 노출될 때, 단계(502)에서, 센서 요소(102), 또는 감지 채널에 증착된 물질의 민감성 층(104)은 그들의 제형(202)에 따라, 혼합물에서 특정 구성요소 가스의 존재에 반응한다. 반응은 단계(504)에서 전자 장치 서브 시스템의 트랜스듀서에 의해 캡처되고, 이어서, 단계(506)에서 서브 시스템(MCU)에서 프로그래밍된 패턴 인식 시스템에 의해 분석되는 감지 채널(102)의 전기적 특성에 변화를 야기한다. 출력은 검출되는 가스의 농도의 절대값이다. 이어서, 이것은 단계(508)에서 시간 또는 지리적 위치와 같은 다른 바람직한 메타 데이터와 조합되어 디지털 기록이 된다. 이 디지털 기록(또는 이의 일부)은 선택적으로 단계(510)에서 로컬로 디스플레이될 수 있다(예를 들면, 센서가 전화기와 쌍을 이루는 착용 가능한 애플리케이션의 경우에, 데이터는 전화기에서 실행되는 특별히 기록된 모바일 애플리케이션에 의해 더 조작되고 디스플레이될 수 있다). 더 중요한 것은, 데이터가 단계(512)에서 애플리케이션에 의존하는 메커니즘을 통해 클라우드 데이터 플랫폼에 업로드되며, 여기서 데이터는 단계(514)에서 정규화되고 단계(516)에서 다양한 애플리케이션을 통해 액세스될 수 있다.
제4 요소는 MCU 기반 데이터 획득 및 측정 엔진, 또는 디지털 후단부이고, 이는 또한 센서가 내장되는 더 큰 시스템에 및 그로부터, 암호화를 통해 필요한 경우 전체 센서 시스템 관리 및 통신과 같은 부가적인 기능을 제공한다. 디지털 후단부는 마이크로제어기, 집적 회로, 및 데이터 획득 최적화 알고리즘으로 구성된다. 디지털 후단부는 아날로그 전단부에 대한 제어기의 역할을 한다. 각각의 채널에 대한 바이어싱 및 이득 설정은 디지털 후단부에 의해 최적화된다. 이것은 전력 소비, 샘플링 시간, 샘플링 기간, 및 신호 대 잡음 비를 포함하지만 이들로 제한되지 않는다.
도 20은 일 실시형태에 따라 디지털 후단부(406)의 특정 구성요소를 도시하는 도면이다. 시스템(400)의 특정 실시형태에서, 부가적인 온도 및 습도 센서(2002)뿐만 아니라, 기압계, UV 및 가시 광선 센서(2004) 등과 같은 다른 센서가 부가될 수 있다. 이는 I2C, SPI, UART 등과 같은 디지털 인터페이스를 통해 MCU(2000)에 연결된다. 어레이(305)로부터의 센서 데이터는 본 명세서에서 설명된 바와 같이 패턴 인식 알고리즘에 대한 입력 중 하나로서 사용된다.
아날로그 전단부(404)는 디지털 후단부(406)에 의해 제어되고 저장될 이득 설정의 범위를 제공한다. 초기 교정 단계는 아날로그 기준의 70% 내지 90% 사이에서 ADC(1510)의 채움(fill)을 최대화하려고 시도한다. 채움 값은 ADC(1510)의 적분 비선형성(integral non-linearity: INL) 또는 차동 비선형성(differential non-linearity: DNL)에 의존하여 변경될 수 있다. 이것은 반복 검색, 선형 방식으로의 이득 증가, 이득 설정의 범위를 통한 바이너리 검색, 또는 직접 산출일 수 있다. 각각의 센서 채널(102)은 이 공정을 거치고 선택된 이득 설정이 메모리에 저장된다. 각각의 측정 후에, 이득 설정은 다음 주기를 위해 업데이트된다.
외부 센서(2002 내지 2006)의 측정은 위상 지연을 최소화하기 위해 나노 가스 센서(102)의 측정과 동기화된다. 예를 들면, 습도 센서가 변환을 행하고 결과를 제공하는데 25㎳가 걸린다면, 나노 가스 센서의 측정이 완료되기 25㎳ 전에 변환이 시작될 것이다.
도 21에서 도시된 바와 같이, 데이터의 오버샘플링은 반복된 ADC 판독치를 취하고 평균화함으로써 얻어질 수 있다. 이 오버샘플링 레이트는 각각의 채널(102) 사이의 레이턴시(latency)를 최소화하도록 조정된다. 센서 채널(102)의 저항 범위에 의존하여, 오버샘플링 인자가 증가될 수 있다.
채널(102)이 샘플링되는 순서는 데이터 획득 시간을 감소하기 위해 최적화될 수 있다. 센서(102)는 전압 또는 저항에 의해 오름차순 또는 내림차순으로 측정될 수 있다. 이것은 연속 채널 사이의 델타를 최소화하고, 그에 의해 도 22의 그래프에 도시된 바와 같이 각각의 채널 사이에 요구된 안정화 시간을 감소시킨다.
디지털 시스템은 또한, 관심 없는 센서 채널(102)을 비활성화한다. 이것은 이상치(outlier)이거나, 손상되었거나 그렇지 않으면 반응이 없는 것으로 결정되는 채널(102)을 포함한다. 이상치는 센서 채널(102)의 예상된 저항 범위에 기초하여 결정된다. 부가적으로, 센서 칩(304)이 동일한 재료의 다수의 채널(102)을 포함하는 경우, 평균 응답 곡선으로부터의 편차가 이상치를 식별하기 위해 사용될 수 있다.
손상된 센서(102)는 단락 또는 개방 회로일 수 있다. 어느 하나의 경우에, 저항은 너무 낮거나 너무 높고 채널(102)을 통해 반복할 때 회로로부터 분리되고 무시될 수 있다. 큰 저항에 대한 차단 임계치는 애플리케이션의 하한 검출 한도(LDL), 감지 요소(102)의 감도 및 ADC(1510)의 유효 분해능에 의존한다. 감지 요소(102)의 감도가 가스의 ppb당 특정 퍼센티지인 것으로 알려진 경우, 임계치는 다음으로 산출될 수 있고, 여기서 SnR은 원하는 신호 대 잡음 비이다.
[V바이어스/(LDL*R감도)]*이득>SnR*[(ADC분해능)/Varef]
도 23에 도시된 바와 같이, 샘플링 레이트는 검출 시간 및 애플리케이션에 의존하여 동적으로 변조될 수 있다. 동적 변조는 디지털 후단부(406)의 듀티 사이클을 감소시키는 것을 허용하여, 전체 전력 소비를 감소시킨다. 가스 농도가 빠르게 변하지 않을 것으로 예상되는 상황에서, 샘플링 레이트가 감소될 수 있다. 부가적으로, 센서의 원하는 응답 시간에 의존하여, 샘플링 레이트가 감소되거나 증가될 수 있다.
임의의 주어진 애플리케이션에 대해, 샘플링 레이트가 일정할 필요는 없다. 이것은 센서의 전기적 속성의 변화가 검출됨에 따라 증가될 수 있다. 예를 들면, 샘플링 레이트가 초당 1개의 샘플로 상대적으로 느린 검출 기간이 존재할 수 있다. 저항 변화가 주어진 임계치를 초과할 때, 이것은 초당 5개의 샘플로 증가될 수 있다.
제3 및 제4 요소는 함께 작동하도록 및 별개의 구성요소로서 구현된 감지 채널(305)의 어레이와 함께 작동하기 위해 구체적으로 조정된 완전한 전자 서브 시스템을 형성하도록 설계된다. 트랜스듀서(404)는 MCU(406)에서 실행되고 가스 검출 및 측정 알고리즘(들)을 구현하는 패턴 인식 시스템을 위한 최적의 A/D 변환을 제공하도록 구성 가능한 펌웨어이다.
전자 서브 시스템(402)은 타깃 사용 모델 및 기술/비용 트레이드 오프에 의존하여 다양한 기술로 구현하기에 적합하다. PCB 구현은 동일한 핵심 전자 장치를 사용하여 다수의 폼 팩터 및 애플리케이션을 지원하기 위해 관련 제품군(예컨대, 상이한 통신 인터페이스 사용함)의 신속한 턴 어라운드(turn-around) 및 감소를 가능하게 할 것이다. 크기 및 전력/성능 트레이드 오프가 중요할 때, 전자 서브 시스템(402)은 시스템 온 칩(System On a Chip: SoC)으로서 구현되며, 이어서, 이는 감지 채널(305)의 어레이를 시스템 인 패키지(System In a Package: SIP)로 운반하는 MEMS 칩과 함께 통합될 수 있다.
이어서, 센서 다이(304)는 하이브리드 나노구조 가스 센서(400)를 완성하기 위해 센서의 전자 서브 시스템과 조립되어야 하고 이에 대한 기능 블록도가 도 4에 도시된다.
전자 서브 시스템은 PCB로서 또는 SoC로 구현될 수 있다. PCB 경로를 따를 경우, 센서 다이(304)는 PCB 어셈블리(PCBA) 단계가 완료된 후에 전자 서브 시스템(402) 보드에 와이어 결합될 수 있거나, 센서 다이(304) 자체가 SMT 패키지에 개별적으로 조립된 경우, PCBA의 일부로서 보드에 납땜될 수 있다. SoC 경로를 따를 경우, 전자 서브 시스템(402)의 SoC 다이와 함께 센서 다이는 적층되고 함께 단일 패키지(시스템 인 패키지)로 조립될 수 있거나 각각이 가능하게 개별적인 패키지로 조립될 수 있다.
자체 패키지로 조립되거나 SIP로 조립된 센서 칩(304)은 주변 공기에 노출되어야 한다. 따라서, 패키지 덮개는 센서 위에 충분한 크기의 구멍을 포함해야 한다.
테스팅은 센서 제조 공정의 다양한 지점에서 발생한다.
센서 기능화(분자 제형(204)의 증착) 후에, 센서 칩(304)에 대한 우발적 손상을 방지하기 위해 나머지 제품 제조 흐름에 대해 특정 취급 예방 조치를 따라야한다(예컨대, 선택 및 배치 도구가 감지 요소의 표면과 접촉해서는 안된다).
제5 요소는 가스 검출 및 측정 알고리즘이다. 알고리즘은 하이브리드 나노구조 센서 어레이의 다변량 출력을 판독하고 이것을 알고리즘 내부에서 처리함으로써 타깃 가스 농도를 예측하기 위한 방법을 구현한다. 알고리즘은 센서 신호를 실시간으로 분석하고 타깃 가스의 농도에 대한 추정된 값을 출력한다. 알고리즘 개발은 센서 어레이의 감지 채널에 증착된 재료에 특정한 모델에 기초한다. 이 모델은 실험실의 풍부한 양의 데이터(타깃 가스의 다수의 농도, 가스의 조합, 다양한 온도값, 상대 습도 및 다른 환경 파라미터)의 수집에 기초하여 트레이닝된다. 정교한지도 모델링 기술은 타깃 가스 농도의 실제값과 예측값 사이에서 최상의 가능한 일치를 얻기 위해 사용된다. 배포 이전에, 모델 성능을 최적화하고 센서 검증을 완료하기 위해 광범위한 실험실 및 현장 테스팅이 수행된다.
특정 실시형태에서, 알고리즘은 효율적인 메모리 관리 및 빠른 처리 속도를 보장하기 위해 지수 평균 저역 통과 필터링을 사용할 수 있다. 도 34는 지수 평균 저역 통과 필터를 사용한 고주파수 잡음의 필터링을 도시하는 그래프이다. 고주파수 구성요소는 플롯(802)으로서 묘사되고, 필터링된 신호는 라인(804)으로서 표시된다.
도 35는 변화하는 가스 농도에 대한 과도 재료 응답에 대한 안정된 저항값 추정치의 계산을 도시하는 도면이다. 먼저, 단계(3502)에서, 각각의 채널에 대한 저항 레이트가 계산된다. 이어서, 각각의 채널에 대한 저항 레이트의 값은 지수 평균 저역 통과 필터의 부산물로서 취해지고 재료 시간 상수를 곱하여 단계(3504)에서 과도 저항을 평가한다. 시간 상수는 타깃 가스에 대한 재료 응답의 측정된 속성이다. 이어서, 과도 저항과 전류 저항값의 합인 안정된 저항 추정치가 단계(3506)에서 결정된다.
따라서, 특정 실시형태에서, 타깃 가스를 선택적으로 검출하고 농도값을 측정하기 위한 방법은 매 80, 120, 160 또는 200 밀리초마다 샘플링된 나노하이브리드 가스 센서의 8, 16, 32, 64 또는 128개의 채널의 저항값을 처리하는 단계 및 도 8에 도시된 지수 평균 저역 통과 필터를 사용하여 고주파수 잡음을 필터링 아웃하는 단계를 포함한다. 이 다음에, 센서 응답 변화의 레이트 계산; 및 온도 센서 채널을 포함하는 다른 센서 채널과 관련하여 센서 응답을 평가하는 것과 같은 신호 처리이 이어진다.
도 9에 도시된 바와 같이, 이어서, 안정된 센서 저항값을 예측하는 것은 센서 출력값이 가스 농도값의 변화에 이어서 전환될 때 알고리즘 입력값을 추정하기 위해 사용될 수 있다. 이것은 센서 재료와 변화하는 가스 사이의 상호 작용에서 평형에 도달하기 위해 오랜 시간을 대기할 필요 없이 타깃 가스 농도 예측을 가속화하기 위해 행해진다.
이어서, 가스 모델은 모델 계수를 통해 재료 세그먼트의 저항 변화를 타깃 가스 농도와 관련시키기 위해 사용될 수 있다. 센서 반응과 타깃 가스 농도의 변화 사이의 관계는 다음 방정식에 의해 설명된다:
Figure pct00001
Rj 0은 노출 직전의 재료(j)에 대한 채널 저항으로서 정의되며, Rj는 노출 직후의 저항으로서 정의된다. 합은 알고리즘 입력에 기여하는 다양한 재료(j)의 모든 채널에 걸쳐 취해진다.
Ci 0은 노출 직전의 타깃 가스(i) 농도로서 정의되고, Ci는 노출 직후의 타깃 가스(i) 농도로서 정의된다. 모든 타깃 가스(i)에 대해, 각각의 재료(j) 채널은 특정 재료 가스 계수값(αi j)을 포함한다.
이어서, 나노하이브리드 가스 센서 채널로부터의 사전 처리된 신호는 각각이 센서 채널에 증착된 특정 재료를 표현하는 세그먼트로 그룹화될 수 있다. 단일 타깃 가스 모델을 관여시키는데 다수의 세그먼트가 사용될 수 있다. NO2, CO, O3, CH2O, CH4 등과 같은 가스에 대한 농도값을 예측하는 알고리즘에서 다수의 모델이 동시에 실행되었다.
센서의 반응은 대기에서 다수의 가스 성분에 대한 노출뿐만 아니라, 습도, 온도, 압력 및 공기 흐름과 같은 다양한 환경 인자에 대한 센서의 반응의 결과이다. 알고리즘은 과도하게 구속된 모델링 방정식의 시스템을 통해 이 교차 감도 복잡성을 해결한다. 환경 인자를 고려하는 보상 계수는 i. 습도 보상 계수; ii 온도 보상 계수; 및 iii 압력 및 공기 흐름 보상 계수이다.
방정식의 시스템에 대한 최적의 해결책은 타깃 가스에 대한 농도값을 포함하는 알고리즘의 출력이다.
특정 실시형태에서, 하이브리드 나노구조 가스 센서로부터의 다중-채널 시계열 신호를 사용하여 널 기준 기준선을 추적하기 위한 방법은 나노하이브리드 가스 센서의 다수의 채널의 저항값을 취하는 단계 및 이를 알려진 농도의 기여 가스를 갖는 주변 대기에서 벤치마킹된 기준 저항값에 대해 비교하는 단계를 포함한다. 이어서, 벤치마킹된 값으로부터의 편차는, 타깃 가스 농도에 대한 시작값을 조정하기 위해 사용될 수 있다. 조정 공정은 온도, 습도 및 나노하이브리드 가스 센서의 다수의 채널로부터의 입력을 사용한다.
처음 5개의 요소는 함께 하이브리드 나노구조 가스 센서(400)를 구성하고 동시에 주변 공기에서 다수의 가스(108)를 검출하기 위해 및 그들의 절대 농도를 보고하기 위해 필요한 모든 기능을 제공한다. 하이브리드 나노구조 센서 어레이(305)의 감지 능력은 항상 "온"이고 가스 검출 및 측정 알고리즘은 센서(400)가 사용하기 전에 어떠한 특별한 교정 단계도 요구하지 않고 그의 동작 수명을 통해 자체 교정을 유지하는 것을 가능하게 한다.
제6 요소는 사실상 무제한 수의 애플리케이션의 일부로서 배치된 사실상 무제한 수의 센서(400)가 글로벌 데이터베이스에서 호스팅되는 것을 허용하는 클라우드 데이터 플랫폼이고 여기서 빅 데이터 기술은 실행 가능한 통찰력을 추론하도록 정보를 분석, 질의 및 시각화하기 위해 사용될 수 있다. 클라우드 기반 환경의 사용은 개별적인 테넌트(tenant)의 권한에 의존하여 데이터가 분할, 구성, 보호 및 액세스될 수 있는 방법을 맞춤화하기 위해 모든 필요한 유연성을 제공한다.
클라우드 데이터 플랫폼은 클라우드 애플리케이션이 데이터 세트에서 동작하는 것을 허용함으로써 시스템에 또 다른 층의 정교함을 제공한다. 예를 들면, 동일한 부근에 위치되는 센서(400)는 전형적으로, 일관된 가스값을 보고하여, 잘못된 결과가 식별되고 센서의 네트워크의 하나의 노드의 가능한 오작동이 조사되는 것을 허용한다.
다수의 연결된 디바이스(IoT - 사물 인터넷)에 의한 고도로 세분화된 가스 정보의 지속적인 수집은 대량의 수집된 데이터(빅 데이터 분석, 인공 지능)로부터 실행 가능한 통찰력을 생성하기 위해 모니터링을 넘어 중요하다.
하기에 몇몇 적용 예가 강조된다.
실시예 1. 우리는 매일 20,000번의 호흡을 하고 우리가 호흡하는 공기는 우리의 건강에 영향을 미친다 - 과학은 이미 이것에 대해 명백하지만 - 우리는 우리가 호흡하는 공기에 무엇이 있는지 거의 알지 못한다. 의미있는 조치를 취하기 위해, 소비자, 과학자, 공무원 및 사업주는 개인, 지역 및 세분화된 레벨에서 공기 오염을 측정할 수 있는 능력이 필요하며, 이는, 본 발명 이전에, 상기 언급한 상용 가스 센서의 한계로 인해 불가능했다.
증가하는 증거는 화석 연료로 인한 공기 오염과 같은 공통적인 환경 독소에 대한 태아기 및 초기 생활 노출이 발달하는 인간의 뇌에 지속적인 손상을 야기할 수 있음을 제안한다. 이 영향은 뇌의 구조적 및 기능적 아키텍처의 대부분이 이 초기 발달 기간 동안에 확립되기 때문에 매우 취약한 태아, 아기 및 유아에서 특히 두드러진다. 건강한 뇌 발달에 대한 이 장애는 유아기 및 아동기 후반기에 다양한인지, 정서, 및 거동 문제를 야기할 수 있다.
본 명세서에서 설명된 센서 기술은 연구자가 임산부가 환경 공기 오염에 노출되고 그 결과 뇌 발달에 미치는 영향에 관해 매우 상세하고 정확한 데이터를 수집하는 것을 허용한다. 이 기술의 가용성은 전 세계의 신생아 및 아동 건강을 개선하기 위해 광범위한 결과를 가져올 분야의 현재 방법 및 노력에 대한 심오한 발전을 표현할 것이다.
더 일반적으로, 개인 공기 모니터링 및 지역 실내 및 실외 모니터링은 과학 연구, 의료 개입, 개인 예방 조치, 옹호 등에 대한 돌파구가 될 것이다.
본 명세서에서 설명된 센서 기술은 미래의 스마트 시티를 위해 개발중인 광범위한 스마트 시스템에 완전한 처리 및 가스 결과를 전달할 수 있다. 이 센서는 IoT 디바이스에 플러그 앤 플레이 통합을 위해 설계되고 소형 폼 팩터는 LED 조명으로부터 스마트 미터까지, 독립형 모니터링 스테이션까지, 비고정 디바이스(드론, 공용 차량, 웨어러블(wearable), 전화 등)까지의 다수의 디바이스와 호환 가능하다.
실시예 2. 본 명세서에서 설명된 센서 기술은 연결된 냉장고와 같은 스마트 기기에 사용될 수 있으며, 이는 고객이 음식의 신선도를 모니터링하고, 부패 및 유해한 살충제 잔류물의 존재를 검출하는데 도움이 될 것이다. 본 발명의 동시 다중 가스 감지 능력은 특정 식품의 상태와 관련된 가스 패턴을 인식할 수 있는 센서를 가능하게 할 것이다.
실시예 3: 본 명세서에서 설명된 센서(400)의 네트워크 또는 그리드는 기업이 정기적인 동작 동안(예컨대, 누출 동안) 또는 자연 또는 인간이 만들어낸 재난의 경우 현장을 모니터링하는 것을 허용하기 위해 석유 화학 단지 및 정유소와 같은 산업 영역에 통합될 수 있다. 센서는 또한, 접근하기 어렵거나 잠재적으로 위험한 영역에서 데이터 수집을 위해 드론에 설치될 수 있다. 착용 가능한 컴퓨터 및 고정 및 모바일 네트워크에 배치될 기술의 능력은 넓은 영역에 걸쳐 개인 보호 및 세분화된 데이터 둘 모두를 제공하고, 예방 조치가 적시에 수행될 수 있도록 시설의 일정한 모니터링을 허용하고, 긴급한 의사 결정이 필요할 때 중요한 시간을 절약하며 근로자 및 응급 요원을 보호하기 위해 귀중한 정보를 제공할 것이다.
동일한 기술은 공공 안전 및 국토 안보를 담당하는 최초 대응자와 공무원의 손에 강력한 새로운 도구를 배치할 수 있다.
도 6은 센서(400)가 소형 PCB로서 구현된 예시적인 제품(600), 이 경우에는 배터리로 구동되는 착용 가능한 디바이스를 보여준다. 센서 기술은 그 자체를 임의의 수의 IoT 디바이스에 통합한다. 센서는 기능하기 위해 공기흐름의 능동적 생성이 필요로 하지 않지만, 센서의 표면의 민감성 층(104)은 주변 공기에 노출되고 동시에 먼지 및 유체로부터 합리적인 양의 보호를 제공받아야 한다. 이것은 일반적으로, 센서(400)가 스플래시 및 먼지 보호를 제공하기 위해 사용되는 얇은 멤브레인(PTFE, 0.5um 메쉬)을 사용하여 천공된 차폐(예컨대, 인클로저의 뚜껑) 뒤에 있음을 보장하는 공기 인터페이스를 설계함으로써 성취된다. 실외 애플리케이션은 내후성 요구조건을 충족하기 위해 더 복잡한 공기 인터페이스의 설계를 요구할 수 있다.
도 7은 본 명세서에서 설명된 다양한 실시형태와 관련하여 사용될 수 있는 예시적인 유선 또는 무선 시스템(550)을 도시하는 블록도이다. 예를 들면, 시스템(550)은 상기 설명된 플랫폼, 디바이스 또는 공정 중 하나 이상으로서 또는 이와 결부하여 사용될 수 있으며, 센서(400), 대응하는 후단부 또는 클라우드 서버(들)와 같은 디바이스, 및/또는 본 명세서에서 설명된 다른 디바이스의 구성요소를 표현할 수 있다. 시스템(550)은 서버 또는 임의의 종래의 개인용 컴퓨터, 또는 유선 또는 무선 데이터 통신이 가능한 임의의 다른 프로세서 활성 디바이스일 수 있다. 당업자에게 명백할 바와 같이, 다른 컴퓨터 시스템 및/또는 아키텍처가 또한 사용될 수 있다.
시스템(550)은 바람직하게는 프로세서(560)와 같은 하나 이상의 프로세서를 포함한다. 입력/출력을 관리하기 위한 보조 프로세서, 부동 소수점 수학 연산을 수행하는 보조 프로세서, 신호 처리 알고리즘(예컨대, 디지털 신호 프로세서)의 빠른 실행을 위해 적합한 아키텍처를 가지는 특수 목적 마이크로프로세서, 메인 처리 시스템에 종속된 슬레이브 프로세서(예컨대, 후단부 프로세서), 부가적인 마이크로프로세서 또는 이중 또는 다수의 프로세서 시스템을 위한 제어기, 또는 보조 프로세서와 같은 부가적인 프로세서가 제공될 수 있다. 이러한 보조 프로세서는 별개의 프로세서일 수 있거나 프로세서(560)와 통합될 수 있다. 시스템(550)과 함께 사용될 수 있는 프로세서의 예는 제한 없이, Pentium® 프로세서, Core i7® 프로세서, 및 Xeon® 프로세서를 포함하며, 그들 모두는 캘리포니아 산타 클라라 소재의 인텔사로부터 이용 가능하다. 시스템(400)에서 사용될 수 있는 예시적인 프로세서는 ARM 계열의 프로세서 및 새로운 오픈 소스 RISC V 프로세서 아키텍처를 포함한다.
프로세서(560)는 바람직하게는 통신 버스(555)에 연결된다. 통신 버스(555)는 시스템(550)의 다른 주변 구성요소와 저장 장치 사이의 정보 전송을 용이하게 하기 위한 데이터 채널을 포함할 수 있다. 통신 버스(555)는 데이터 버스, 주소 버스 및 제어 버스(도시 생략)를 포함하는 프로세서(560)와 통신하기 위해 사용된 신호의 세트를 더 제공할 수 있다. 통신 버스(555)는 예를 들면, 업계 표준 아키텍처(industry standard architecture: ISA), 확장된 업계 표준 아키텍처(EISA), 마이크로 채널 아키텍처(MCA), 주변 구성요소 상호 연결부(PCI) 로컬 버스, 또는 IEEE 488 범용 인터페이스 버스(GPIB), IEEE 696/S-100 등을 포함하는 전기 전자 기술자 협회(IEEE)에 의해 널리 알려진 표준과 호환되는 버스 아키텍처와 같은 임의의 표준 또는 비 표준 버스 아키텍처를 포함할 수 있다.
시스템(550)은 바람직하게는 메인 메모리(565)를 포함하고 또한, 2차 메모리(570)를 포함할 수 있다. 메인 메모리(565)는 상기 논의된 기능 및/또는 모듈 중 하나 이상과 같은, 프로세서(560)에서 실행되는 프로그램에 대한 명령어 및 데이터의 저장을 제공한다. 메모리에 저장되고 프로세서(560)에 의해 실행된 프로그램이 제한 없이, C/C++, 자바, 자바스크립트, 펄, 비주얼 베이직, .NET 등을 포함하는 임의의 적합한 언어에 따라 기록되고/되거나 컴파일링될 수 있음을 이해해야 한다. 메인 메모리(565)는 전형적으로, 동적 랜덤 액세스 메모리(DRAM) 및/또는 정적 랜덤 액세스 메모리(SRAM)와 같은 반도체 기반 메모리이다. 다른 반도체 기반 메모리 유형은 예를 들면, 판독 전용 메모리(ROM)를 포함하는, 동기식 동적 랜덤 액세스 메모리(SDRAM), 램버스 동적 랜덤 액세스 메모리(RDRAM), 강유전성 랜덤 액세스 메모리(FRAM) 등을 포함한다.
2차 메모리(570)는 선택적으로, 내부 메모리(575) 및/또는 탈착 가능한 매체(580) 예를 들면, 플로피 디스크 드라이브, 자기 테이프 드라이브, 컴팩트 디스크(CD) 드라이브, 디지털 다기능 디스크(DVD) 드라이브, 다른 광학 드라이브, 플래시 메모리 드라이브 등을 포함할 수 있다. 탈착 가능한 매체(580)는 잘 알려진 방식으로 판독되고/되거나 기록된다. 탈착 가능한 저장 매체(580)는 예를 들면, 플로피 디스크, 자기 테이프, CD, DVD, SD 카드 등일 수 있다.
탈착 가능한 저장 매체(580)는 컴퓨터 실행 가능한 코드(즉, 소프트웨어) 및/또는 데이터가 거기에 저장된 비 일시적 컴퓨터 판독 가능한 매체이다. 탈착 가능한 저장 매체(580)에 저장된 컴퓨터 소프트웨어 또는 데이터는 프로세서(560)에 의한 실행을 위해 시스템(550)으로 판독된다.
대안적인 실시형태에서, 2차 메모리(570)는 컴퓨터 프로그램 또는 다른 데이터 또는 명령어가 시스템(550)에 로드되는 것을 허용하기 위한 다른 유사한 수단을 포함할 수 있다. 이러한 수단은 예를 들면, 외부 저장 매체(595) 및 인터페이스(590)를 포함할 수 있다. 외부 저장 매체(595)의 예는 외부 하드 디스크 드라이브 또는 외부 광학 드라이브, 또는 및 외부 광 자기 드라이브를 포함할 수 있다.
2차 메모리(570)의 다른 예는 프로그래밍 가능한 판독 전용 메모리(PROM), 소거 가능한 프로그래밍 가능한 판독 전용 메모리(EPROM), 전기적으로 소거 가능한 판독 전용 메모리(EEPROM), 또는 플래시 메모리(EEPROM과 유사한 블록 지향 메모리)와 같은 반도체 기반 메모리를 포함할 수 있다. 또한, 소프트웨어 및 데이터가 외부 매체(595)로부터 시스템(550)으로 전송되는 것을 허용하는 임의의 다른 탈착 가능한 저장 매체(580) 및 통신 인터페이스(590)가 포함된다.
시스템(550)은 통신 인터페이스(590)를 포함할 수 있다. 통신 인터페이스(590)는 소프트웨어 및 데이터가 시스템(550)과 외부 디바이스(예컨대, 프린터), 네트워크, 또는 정보원 사이에서 전송되는 것을 허용한다. 예를 들면, 컴퓨터 소프트웨어 또는 실행 가능한 코드는 통신 인터페이스(590)를 통해 네트워크 서버로부터 시스템(550)으로 전송될 수 있다. 통신 인터페이스(590)의 예는 내장된 네트워크 어댑터, 네트워크 인터페이스 카드(NIC), 개인용 컴퓨터 메모리 카드 국제 협회(PCMCIA) 네트워크 카드, 카드 버스 네트워크 어댑터, 무선 네트워크 어댑터, 범용 직렬 버스(USB) 네트워크 어댑터, 모뎀, 네트워크 인터페이스 카드(NIC), 무선 데이터 카드, 통신 포트, 적외선 인터페이스, IEEE 1394 파이어-와이어, 또는 네트워크 또는 또 다른 컴퓨팅 디바이스와 시스템(550)을 인터페이스할 수 있는 임의의 다른 디바이스를 포함한다.
통신 인터페이스(590)는 바람직하게는 이더넷 IEEE 802 표준, 섬유 채널, 디지털 가입자 회선(DSL), 비동기 디지털 가입자 회선(ADSL), 프레임 릴레이, 비동기 전송 모드(ATM), 통합된 디지털 서비스 네트워크(ISDN), 개인 통신 서비스(PCS), 전송 제어 프로토콜/인터넷 프로토콜(TCP/IP), 직렬 회선 인터넷 프로토콜/지점 대 지점 프로토콜(SLIP/PPP) 등과 같은, 산업상 널리 알려진 프로토콜 표준을 구현하지만, 또한 맞춤화되거나 비 표준 인터페이스 프로토콜을 또한 구현할 수 있다.
통신 인터페이스(590)를 통해 전송된 소프트웨어 및 데이터는 일반적으로, 전기 통신 신호(605)의 형태이다. 이 신호(605)는 바람직하게는 통신 채널(600)을 통해 통신 인터페이스(590)에 제공된다. 일 실시형태에서, 통신 채널(600)은 유선 또는 무선 네트워크, 또는 임의의 다양한 다른 통신 링크일 수 있다. 통신 채널(600)은 신호(605)를 전달하고 몇 가지 예를 들자면, 유선 또는 케이블, 광섬유, 종래의 전화선, 휴대폰 링크, 무선 데이터 통신 링크, 무선 주파수("RF") 링크, 또는 적외선 링크를 포함하는 다양한 유선 또는 무선 통신 수단을 사용하여 구현될 수 있다.
컴퓨터 실행 가능한 코드(즉, 컴퓨터 프로그램 또는 소프트웨어)는 메인 메모리(565) 및/또는 2차 메모리(570)에 저장된다. 컴퓨터 프로그램은 또한, 통신 인터페이스(590)를 통해 수신되고 메인 메모리(565) 및/또는 2차 메모리(570)에 저장될 수 있다. 이러한 컴퓨터 프로그램은 실행될 때, 시스템(550)이 상기 설명된 바와 같이 본 발명의 다양한 기능을 수행하는 것을 가능하게 한다.
이 설명에서, 용어 "컴퓨터 판독 가능한 매체"는 컴퓨터 실행 가능한 코드(예컨대, 소프트웨어 및 컴퓨터 프로그램)를 시스템(550)에 제공하기 위해 사용된 임의의 비 일시적 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체를 언급하기 위해 사용된다. 이 매체의 예는 메인 메모리(565), 2차 메모리(570)(내부 메모리(575), 탈착 가능한 매체(580) 및 외부 저장 매체(595)를 포함함), 및 통신 인터페이스(590)와 통신 가능하게 결합된 임의의 주변 디바이스(네트워크 정보 서버 또는 다른 네트워크 디바이스를 포함함)를 포함한다. 이 비 일시적 컴퓨터 판독 가능한 매체는 실행 가능한 코드, 프로그래밍 명령어, 및 소프트웨어를 시스템(550)에 제공하기 위한 수단이다.
소프트웨어를 사용하여 구현되는 일 실시형태에서, 소프트웨어는 컴퓨터 판독 가능한 매체에 저장되고 탈착 가능한 매체(580), I/O 인터페이스(585), 또는 통신 인터페이스(590)를 통해 시스템(550)에 로드될 수 있다. 이러한 실시형태에서, 소프트웨어는 전기 통신 신호(605)의 형태로 시스템(550)으로 로드된다. 프로세서(560)에 의해 실행될 때 소프트웨어는 바람직하게는 프로세서(560)로 하여금 본 명세서에서 이전에 설명된 독창적인 특징 및 기능을 수행하게 한다.
일 실시형태에서, I/O 인터페이스(585)는 시스템(550)의 하나 이상의 구성요소와 하나 이상의 입력 및/또는 출력 디바이스 사이에 인터페이스를 제공한다. 예시적인 입력 디바이스는 제한 없이, 키보드, 터치 스크린 또는 다른 터치 감지 디바이스, 생체 인식 감지 디바이스, 컴퓨터 마우스, 트랙볼, 펜 기반 포인팅 디바이스 등을 포함한다. 출력 디바이스의 예는 제한 없이, 음극선관(CRT), 플라즈마 디스플레이, 발광 다이오드(LED) 디스플레이, 액정 디스플레이(LCD), 프린터, 진공 형광 디스플레이(VFD), 표면 전도 전자 방출기 디스플레이(SED), 전계 방출 디스플레이(FED) 등을 포함한다.
시스템(550)은 또한, 음성을 통한 및 데이터 네트워크를 통한 무선 통신을 용이하게 하는 선택적 무선 통신 구성요소를 포함한다. 무선 통신 구성요소는 안테나 시스템(610), 무선 시스템(615) 및 기저대역 시스템(620)을 포함한다. 시스템(550)에서, 무선 주파수(RF) 신호는 무선 시스템(615)의 관리 하에 안테나 시스템(610)에 의해 무선으로 송신되고 수신된다.
일 실시형태에서, 안테나 시스템(610)은 송신 및 수신 신호 경로를 안테나 시스템(610)에 제공하기 위해 스위칭 기능을 수행하는 하나 이상의 안테나 및 하나 이상의 멀티플렉서(도시 생략)를 포함할 수 있다. 수신 경로에서, 수신된 RF 신호는 멀티플렉서로부터 수신된 RF 신호를 증폭하고 증폭된 신호를 무선 시스템(615)으로 전송하는 저잡음 증폭기(도시 생략)에 결합될 수 있다.
대안적인 실시형태에서, 무선 시스템(615)은 다양한 주파수를 통해 통신하도록 구성되는 하나 이상의 라디오를 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 무선 시스템(615)은 하나의 집적 회로(IC)에서 복조기(도시 생략) 및 변조기(도시 생략)를 조합할 수 있다. 복조기 및 변조기는 또한, 별개의 구성요소일 수 있다. 인입 경로에서, 복조기는 무선 시스템(615)으로부터 기저대역 시스템(620)으로 전송되는 기저대역 수신 오디오 신호를 남기는 RF 캐리어 신호를 제거한다.
수신된 신호가 오디오 정보를 포함하면, 기저대역 시스템(620)은 신호를 디코딩하고 아날로그 신호로 변환한다. 이어서, 신호가 증폭되어 스피커로 전송된다. 기저대역 시스템(620)은 또한, 마이크로폰으로부터 아날로그 오디오 신호를 수신한다. 이 아날로그 오디오 신호는 디지털 신호로 변환되고 기저대역 시스템(620)에 의해 인코딩된다. 기저대역 시스템(620)은 또한, 송신을 위해 디지털 신호를 코딩하고 무선 시스템(615)의 변조기 부분으로 라우팅되는 기저대역 송신 오디오 신호를 생성한다. 변조기는 기저대역 송신 오디오 신호를 안테나 시스템으로 라우팅되고 전력 증폭기(도시 생략)를 통과할 수 있는 RF 송신 신호를 생성하는 RF 캐리어 신호와 혼합한다. 전력 증폭기는 RF 송신 신호를 증폭하고 신호가 송신을 위해 안테나 포트로 스위칭되는 안테나 시스템(610)으로 라우팅한다.
기저대역 시스템(620)은 또한, 프로세서(560)와 통신 가능하게 결합된다. 중앙 처리 장치(560)는 데이터 저장 영역(565 및 570)에 액세스한다. 중앙 처리 장치(560)는 바람직하게는 메모리(565) 또는 2차 메모리(570)에 저장될 수 있는 명령어(즉, 컴퓨터 프로그램 또는 소프트웨어)를 실행하도록 구성된다. 컴퓨터 프로그램은 또한, 기저대역 프로세서(610)로부터 수신되고 데이터 저장 영역(565)에 또는 2차 메모리(570)에 저장되거나, 수신 시에 실행될 수 있다. 이러한 컴퓨터 프로그램은 실행될 때, 시스템(550)이 이전에 설명된 바와 같이 본 발명의 다양한 기능을 수행하는 것을 가능하게 한다. 예를 들면, 데이터 저장 영역(565)은 다양한 소프트웨어 모듈(도시 생략)을 포함할 수 있다.
다양한 실시형태는 또한 예를 들면, 주문형 반도체(ASIC) 또는 필드 프로그래밍 가능한 게이트 어레이(FPGA)와 같은 구성요소를 사용하여 주로 하드웨어로 구현될 수 있다. 본 명세서에서 설명된 기능을 수행할 수 있는 하드웨어 상태 기계의 구현은 또한, 관련된 분야의 숙련자에게 명백할 것이다. 다양한 실시형태는 또한, 하드웨어 및 소프트웨어 둘 모두의 조합을 사용하여 구현될 수 있다.
또한, 당업자는 상기 설명된 도면 및 본 명세서에 개시된 실시형태와 관련하여 설명된 다양한 예시적인 논리 블록, 모듈, 회로, 및 방법 단계가 종종 전자 하드웨어, 컴퓨터 소프트웨어, 또는 둘 모두의 조합으로서 구현될 수 있음을 인식할 것이다. 하드웨어 및 소프트웨어의 이 상호 교환성을 명확하게 도시하기 위해, 다양한 예시적인 구성요소, 블록, 모듈, 회로, 및 단계가 일반적으로, 그들의 기능 측면에서 상기 설명되었다. 이러한 기능이 하드웨어 또는 소프트웨어로서 구현되는지의 여부는 전체 시스템에 부과된 특정 애플리케이션 및 설계 제약에 의존한다. 숙련자는 각각의 특정한 애플리케이션에 대해 다양한 방식으로 설명된 기능을 구현할 수 있지만, 이러한 구현 결정은 본 발명의 범위를 벗어나는 것을 야기하는 것으로서 해석되어서는 안된다. 게다가, 모듈, 블록, 회로 또는 단계 내의 기능의 집단화는 설명을 용이하게 하기 위한 것이다. 특정 기능 또는 단계는 본 발명에서 벗어나지 않고 하나의 모듈, 블록 또는 회로로부터 또 다른 것으로 이동될 수 있다.
게다가, 본 명세서에 개시된 실시형태와 관련하여 설명된 다양한 예시적인 논리 블록, 모듈, 기능, 및 방법은 범용 프로세서, 디지털 신호 프로세서(DSP), ASIC, FPGA 또는 다른 프로그래밍 가능한 논리 디바이스, 이산 게이트 또는 트랜지스터 로직, 이산 하드웨어 구성요소, 또는 본 명세서에서 설명된 기능을 수행하도록 설계된 이의 임의의 조합으로 구현되거나 수행될 수 있다. 범용 프로세서는 마이크로프로세서일 수 있지만, 대안으로, 프로세서는 임의의 프로세서, 제어기, 마이크로제어기, 또는 상태 기계일 수 있다. 프로세서는 또한, 컴퓨팅 디바이스의 조합 예를 들면, DSP와 마이크로프로세서의 조합, 복수의 마이크로프로세서, DSP 코어와 결부된 하나 이상의 마이크로프로세서, 또는 임의의 다른 이러한 구성으로서 구현될 수 있다.
부가적으로, 본 명세서에 개시된 실시형태와 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계는 하드웨어로, 프로세서에 의해 실행된 소프트웨어 모듈로, 또는 이 둘의 조합으로 직접적으로 구현될 수 있다. 소프트웨어 모듈은 RAM 메모리, 플래시 메모리, ROM 메모리, EPROM 메모리, EEPROM 메모리, 레지스터, 하드 디스크, 탈착 가능한 디스크, CD-ROM, 또는 네트워크 저장 매체를 포함하는 임의의 다른 형태의 저장 매체에 상주할 수 있다. 예시적인 저장 매체는 프로세서에 결합될 수 있고, 이러한 프로세서는 저장 매체로부터 정보를 판독하고 저장 매체에 정보를 기록할 수 있다. 대안으로, 저장 매체는 프로세서에 내장될 수 있다. 프로세서 및 저장 매체는 또한, ASIC에 상주할 수 있다.
본 명세서에서 설명된 소프트웨어 구성요소 중 임의의 것은 다양한 형태를 취할 수 있다. 예를 들면, 구성요소는 독립형 소프트웨어 패키지일 수 있거나, 더 큰 소프트웨어 제품에서 "도구"로서 통합된 소프트웨어 패키지일 수 있다. 이것은 네트워크 예를 들면, 웹 사이트로부터 독립형 제품으로서 또는 기존 소프트웨어 애플리케이션에 설치하기 위한 추가 기능 패키지로서 다운로드 가능할 수 있다. 이것은 또한, 클라이언트 서버 소프트웨어 애플리케이션으로서, 웹에서 사용 가능한 소프트웨어 애플리케이션으로서 그리고/또는 모바일 애플리케이션으로 이용 가능할 수 있다.
특정 실시형태가 상기 설명되었지만, 설명된 실시형태는 단지 예에 의한 것이라는 것이 이해될 것이다. 그에 따라, 본 명세서에서 설명된 시스템 및 방법은 설명된 실시형태에 기초하여 제한되지 않아야 한다. 오히려, 본 명세서에서 설명된 시스템 및 방법은 단지, 상기 설명 및 첨부된 도면과 결부하여 취해질 때 이어지는 청구항에 비추어 제한되어야 한다.

Claims (78)

  1. 센서 시스템으로서,
    복수의 감지 요소를 포함하는 센서 어레이로서, 상기 복수의 감지 요소의 각각은 하이브리드 나노구조 및 복수의 가스 중 적어도 하나를 구체적으로 타깃팅하는 분자 제형으로 구성된 증착된 혼합물로 기능화되고, 상기 복수의 감지 요소의 각각은 저항 및 커패시턴스를 포함하고, 적어도 하나의 저항 및 커패시턴스는 가스 화학 화합물과 상호 작용할 때 변경되는, 상기 센서 어레이;
    상기 센서 어레이와 결합되고 상기 저항 또는 커패시턴스의 변화를 검출하고 상기 변화를 나타내는 아날로그 신호를 생성하며, 상기 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하도록 구성된 아날로그 전단부(analog front end)로서, 아날로그 대 디지털(ADC);
    아날로그 대 디지털(ADC),
    파킹 회로(parking circuit) 및
    측정 회로를 포함하는, 상기 아날로그 전단부; 및
    상기 아날로그 전단부와 결합되고 상기 아날로그 전단부를 제어하도록 구성된 디지털 후단부(digital back end)로서, 알고리즘, 모델 및 명령어를 포함하는 메모리를 포함하는, 상기 디지털 후단부.
    온도 및 습도 센서; 및
    상기 아날로그 전단부와 결합되고 상기 아날로그 전단부를 제어하도록 구성된 디지털 후단부를 포함하되, 상기 디지털 후단부는,
    알고리즘, 모델 및 명령어를 포함하는 메모리,
    상기 메모리와 결합된 마이크로제어기를 포함하고, 상기 명령어는 상기 마이크로제어기로 하여금,
    복수의 센서 채널의 각각에 대한 이득을 산출, 저장 및 설정하는 것으로서, 각각의 채널은 상기 ADC에 의한 변환 이전에 감지 요소와 연관되는, 상기 이득을 산출, 저장 및 설정함으로써, 그리고
    다양한 오버샘플링 인자를 통해 신호 대 잡음 비를 증가시킴으로써
    상기 아날로그 신호를 동적으로 최적화시키게 하도록 구성되는, 센서 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 명령어는 상기 마이크로제어기로 하여금 상기 감지 요소와의 위상 변이를 최소화하기 위해 상기 온도 및 습도 센서의 측정 시간을 동기화하게 하도록 더 구성되는, 센서 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 온도 및 습도 센서에 더하여 복수의 외부 신호를 더 포함하되, 상기 명령어는 상기 마이크로제어기로 하여금 상기 감지 요소와의 위상 변이를 최소화하기 위해 상기 온도 및 습도 센서와 상기 복수의 외부 센서의 측정 시간을 동기화하게 하도록 더 구성되는, 센서 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 복수의 외부 센서는 기압계, UV/가시광 센서 및/또는 가속도계 중 적어도 하나를 포함하는, 센서 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 명령어는 상기 마이크로제어기로 하여금 저항의 증가 또는 감소 순서로 감지 요소를 측정함으로써 안정화 시간을 감소시키게 하도록 더 구성되는, 센서 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 명령어는 상기 마이크로제어기로 하여금 기능하지 않거나 관심이 없는 감지 요소를 선택적으로 검출하고/하거나 비활성화시키게 하도록 더 구성되는, 센서 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 명령어는 상기 마이크로제어기로 하여금 절대 저항에 기초하여 이상치(outlier)로서 거동하는 감지 요소를 선택적으로 검출하고/하거나 비활성화시키게 하도록 더 구성되는, 센서 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 명령어는 상기 마이크로제어기로 하여금 신호 패턴에 기초하여 이상치로서 거동하는 감지 요소를 선택적으로 검출하고/하거나 비활성화시키게 하도록 더 구성되는, 센서 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 명령어는 상기 마이크로제어기로 하여금 연관된 애플리케이션의 요구된 분해능에 기초하여, 저항에 대한 차단 임계치를 초과하는 감지 요소를 선택적으로 검출하고/하거나 비활성화시키게 하도록 더 구성되는, 센서 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 명령어는 상기 마이크로제어기로 하여금 상기 복수의 감지 요소의 각각과 연관된 상기 디지털 또는 아날로그 신호의 변화의 레이트에 기초하여 샘플링 레이트를 변경함으로써 전력 소비를 최적화시키게 하도록 더 구성되는, 센서 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 명령어는 상기 마이크로제어기로 하여금 연관된 애플리케이션의 요구된 응답 시간에 기초하여 샘플링 레이트를 변경함으로써 전력 소비를 최적화시키게 하도록 더 구성되는, 센서 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 상기 명령어는 상기 마이크로제어기로 하여금 연관된 애플리케이션의 분해능 요구조건에 기초하여 샘플링 레이트를 변경함으로써 전력 소비를 최적화시키게 하도록 더 구성되는, 센서 시스템.
  13. 복수의 감지 요소를 포함하는 센서 어레이로서,
    상기 복수의 감지 요소의 각각은 하이브리드 나노구조 및 복수의 가스 중 적어도 하나를 구체적으로 타깃팅하는 분자 제형으로 구성된 증착된 혼합물로 기능화되고, 상기 복수의 감지 요소의 각각은 저항 및 커패시턴스를 포함하고, 적어도 하나의 저항 및 커패시턴스는 가스 화학 화합물과 상호 작용할 때 변경되고; 상기 증착된 혼합물은 원자적으로 분산된 금속 촉매로 기능화되는 고표면적 나노재료의 매우 민감한 나노 핵이 있는 구조를 포함하는, 센서 어레이.
  14. 제13항에 있어서, 상기 복수의 감지 요소의 각각은 회로를 형성하고 일관된 기준선 전기 파라미터를 야기할, 피코리터 내지 마이크로리터량의 나노재료의 효율적인 증착을 지원하도록 패턴화되는 복수의 전극 및 우물(well)을 포함하는, 센서 어레이.
  15. 제13항에 있어서, 각각의 감지 요소는 재료 증착을 위한 최적화된 타깃 구조를 제공하기 위해 상단 및 하단에 우물 섹션을 갖는 원형의 서로 맞물린 전극 설계를 포함하는, 센서 어레이.
  16. 제14항에 있어서, 상기 복수의 전극은 서로 맞물린 핑거를 갖는 채널을 형성하고; 상기 증착된 혼합물은, 또한 매우 민감한 감지 표면의 역할을 하면서 저항 범위 내에서 상기 회로를 연결하기 위해 상기 서로 맞물린 핑거 사이의 갭을 연결하는, 센서 어레이.
  17. 제13항에 있어서, 상기 나노재료는 탄소 나노튜브, 다이칼코게나이드, 그래핀, 금속 유기 프레임워크 및 금속 산화물 중 적어도 하나를 포함하는, 센서 어레이.
  18. 고표면적 나노재료를 포함하는 고민감성 혼합물을 생성하기 위한 공정으로서,
    또 다른 기능화를 위해 수성 또는 유기 용매에 분산된 고표면적 나노재료 기판을 얻기 위한 습식 화학 방법;
    습식 화학 방법을 통해 원자적으로 분산된 금속 촉매를 상기 기판에 핵 형성시키는 단계; 및
    습식 화학 방법을 통해 나노 핵이 있는 금속 촉매를 상기 기판에 성장시키는 단계
    를 포함하는, 고민감성 혼합물을 생성하기 위한 공정.
  19. 제18항에 있어서, 상기 습식 화학 방법은 다음의 산 염기, 열수, 마이크로파, 광자, 역류 및 초음파 중 적어도 하나를 포함하는, 고민감성 혼합물을 생성하기 위한 공정.
  20. 제19항에 있어서, 제형을 만들기 위해 상기 혼합물을 하나 또는 다수의 첨가제와 함께 용액에 넣는 것을 더 포함하는, 고민감성 혼합물을 생성하기 위한 공정.
  21. 하이브리드 나노구조 및 분자 제형으로 구성된 혼합물을 감지 요소의 전극에 증착시키기 위한 방법으로서,
    상기 혼합물을 증착시키기 위해 초저 체적의 자동화된 피에조 구동식 비접촉 분배 시스템을 사용하는 단계; 환원, 불활성 또는 산화성 대기 내에서 최대 설정된 최대값까지 램프 레이트 온도로 상기 증착된 혼합물을 어닐링하는 단계; 및 상기 어닐링된 혼합물을 실온으로 냉각시키는 단계를 포함하는, 혼합물을 감지 요소의 전극에 증착시키기 위한 방법.
  22. 복수의 감지 요소를 포함하는 센서 어레이로서,
    상기 복수의 감지 요소의 각각은 하이브리드 나노구조 및 복수의 가스 중 적어도 하나를 구체적으로 타깃팅하는 분자 제형으로 구성된 증착된 혼합물로 기능화되고, 상기 복수의 감지 요소의 각각은 저항 및 커패시턴스를 포함하고, 적어도 하나의 저항 및 커패시턴스는 가스 화학 화합물과 상호 작용할 때 변경되고; 상기 증착된 혼합물은 원자적으로 분산된 금속 촉매로 기능화되는 고표면적 나노재료의 매우 민감한 나노 핵이 있는 구조를 포함하고; 상기 나노 핵이 있는 구조는 상대 습도(RH)의 변화가 발생할 때 큰 저항 변화로 실시간으로 반응하는, 센서 어레이.
  23. 제22항에 있어서, 상기 복수의 감지 요소의 각각은 회로를 형성하고 일관된 기준선 전기 파라미터를 야기할, 피코리터 내지 마이크로리터량의 나노재료의 효율적인 증착을 지원하도록 패턴화되는 복수의 전극 및 우물을 포함하는, 센서 어레이.
  24. 제2항에 있어서, 각각의 감지 요소는 재료 증착을 위한 최적화된 타깃 구조를 제공하기 위해 상단 및 하단에 우물 섹션을 갖는 원형의 서로 맞물린 전극 설계를 포함하는, 센서 어레이.
  25. 제23항에 있어서, 상기 복수의 전극은 서로 맞물린 핑거를 갖는 채널을 형성하고; 상기 증착된 혼합물은, 또한 매우 민감한 감지 표면의 역할을 하면서 저항 범위 내에서 상기 회로를 연결하기 위해 상기 서로 맞물린 핑거 사이의 갭을 연결하는, 센서 어레이.
  26. 제22항에 있어서, 상기 나노재료는 탄소 나노튜브, 다이칼코게나이드, 그래핀, 금속 유기 프레임워크 및 금속 산화물 중 적어도 하나를 포함하는, 센서 어레이.
  27. 센서 시스템으로서,
    복수의 감지 요소를 포함하는 센서 어레이를 포함하되, 상기 복수의 감지 요소의 각각은 하이브리드 나노구조 및 복수의 가스 중 적어도 하나를 구체적으로 타깃팅하는 분자 제형으로 구성된 증착된 혼합물로 기능화되고, 상기 복수의 감지 요소의 각각은 저항 및 커패시턴스를 포함하고, 적어도 하나의 저항 및 커패시턴스는 가스 화학 화합물과 상호 작용할 때 변경되고, 상기 복수의 감지 요소의 각각은 회로를 형성하고 일관된 기준선 전기 파라미터를 야기할, 피코리터 내지 마이크로리터량의 나노재료의 효율적인 증착을 지원하도록 패턴화되는 복수의 전극 및 우물을 포함하는, 센서 시스템.
  28. 제27항에 있어서, 상기 회로는 하이브리드 나노재료의 제형이 상기 감지 요소에 증착될 때까지 개방되는, 센서 시스템.
  29. 제27항에 있어서, 상기 복수의 감지 요소는 상기 센서 어레이를 형성하기 위해 상이한 재료로 형성될 수 있는, 센서 시스템.
  30. 제28항에 있어서, 상기 센서 어레이는 대략 1개 내지 32개의 상이한 제형으로 형성되는, 센서 시스템.
  31. 제28항에 있어서, 상기 복수의 감지 요소의 각각에 증착된 제형의 양은 약 500 피코리터 내지 10 나노-리터의 범위일 수 있는, 센서 시스템.
  32. 제27항에 있어서, 상기 복수의 전극 사이의 간격은 다수의 감지 요소의 동시 증착을 허용하도록 구성되는, 센서 시스템.
  33. 제27항에 있어서, 각각의 감지 요소는 재료 증착을 위한 최적화된 타깃 구조를 제공하기 위해 상단 및 하단에 우물 섹션을 갖는 원형의 서로 맞물린 전극 설계를 포함하는, 센서 시스템.
  34. 제33항에 있어서, 상기 원형의 서로 맞물린 전극은 현탁액 내의 증착된 하이브리드 나노재료를 원하는 영역 내로 한정하는, 센서 시스템.
  35. 제33항에 있어서, 상기 복수의 전극을 둘러싸는 상기 우물은 상기 증착된 재료의 오버플로우를 방지하는, 센서 시스템.
  36. 제33항에 있어서, 원형의 서로 맞물린 전극과 우물의 조합은 교차 오염을 방지하는, 센서 시스템.
  37. 제27항에 있어서, 상기 각각의 센서 어레이는 정밀한 대량 제조를 위한 기준을 제공하는 복수의 정렬 키를 포함하는, 센서 시스템.
  38. 제37항에 있어서, 상기 복수의 정렬 키 중 하나의 정렬 키는 각각의 단일 칩이 수율을 증가시키기 위해 정확하게 다이싱되는 것을 보장하는 정밀 다이싱을 위한 것인, 센서 시스템.
  39. 제37항에 있어서, 상기 복수의 정렬 키 중 하나의 정렬 키는 상기 하이브리드 나노구조물 제형의 증착 동안 각각의 단일 칩을 정확하게 위치시키기 위한 가이드인, 센서 시스템.
  40. 제27항에 있어서, 상기 복수의 전극은 감지 애플리케이션을 위한 최소한의 잡음 방해로 안정된 환경을 제공하기 위해 Pt/Ti 전극 구조를 사용하는, 센서 시스템.
  41. 제40항에 있어서, 상기 Pt/Ti 전극 구조는 생물학적 감지 적용을 가능하게 하는, 센서 시스템.
  42. 제40항에 있어서, 상기 Pt/Ti 전극 구조는 부식성 가스 감지 환경에서도 안정적인 신호를 제공하는, 센서 시스템.
  43. 제27항에 있어서, 상기 Pt/Ti 전극 구조의 Pt/Ti 전극 층의 두께는 약 300㎚인, 센서 시스템.
  44. 센서 회로로서, IC 또는 MEMS를 위한 실리콘 웨이퍼, 인쇄 회로 기판, 연성 폴리이미드 막, 또는 심지어 종이를 포함하지만, 이들로 제한되지 않는 다수의 기판 재료 및 제조 기술과 장비와 호환 가능한, 센서 회로.
  45. 타깃 가스의 선택적 검출 및 농도값을 측정하기 위한 방법으로서,
    80, 120, 160 또는 200 밀리초마다 샘플링된 나노하이브리드 가스 센서의 8, 16, 32, 64 또는 128개의 채널의 저항값을 취하는 단계;
    지수 평균 저역 통과 필터를 사용하여 고주파수 잡음을 필터링 아웃하는 단계;
    센서 응답 변화의 레이트를 계산하는 단계; 및
    상기 온도 센서를 포함하는 다른 센서 채널에 대한 센서 응답을 평가하는 단계를 포함하는, 방법.
  46. 제45항에 있어서, 센서 출력값이 가스 농도값의 변화에 이어서 달라질 때 알고리즘 입력값을 추정하기 위해 안정된 센서 저항값을 예측하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  47. 제46항에 있어서, 모델 계수를 통해 물질 세그먼트의 저항의 변화를 타깃 가스 농도와 관련시키는 가스 모델을 사용하는 단계를 더 포함하되, 센서 응답과 타깃 가스 농도의 변화 사이의 관계는 하기 방정식에 의해 설명되는, 방법:
    Figure pct00002

    식 중, Rj 0은 노출 직전 재료(j)에 대한 채널 저항으로서 정의되고, Rj는 상기 노출 직후 저항으로서 정의되고, 합은 알고리즘 입력에 기여하는 다양한 재료(j)의 모든 채널에 걸쳐 취해지고; 그리고
    Ci 0는 상기 노출 직전의 타깃 가스(i) 농도로서 정의되고, Ci는 노출 직후의 상기 타깃 가스(i) 농도로서 정의되며, 모든 타깃 가스(i)에 대해 각각의 재료(j) 채널은 특정 재료 가스 계수값(αj i)을 포함한다.
  48. 제45항에 있어서, 나노하이브리드 가스 센서 채널로부터의 사전 처리된 신호는 각각이 센서 채널에 증착된 특정 물질을 표현하는 세그먼트로 그룹화되고, 다수의 세그먼트는 단일 타깃 가스 모델을 관여시키는데 사용되는, 방법.
  49. 제48항에 있어서, 다수의 모델은 NO2, SO2, CO, CO2, O3, CH2O, CH4, NH3, N20, 아세톤 및 에탄올과 같은 유기 화합물, 및 다양한 탄화수소 중 적어도 하나를 포함하는 가스에 대한 농도값을 예측하는 알고리즘에서 동시에 실행되는, 방법.
  50. 제45항에 있어서, 센서의 반응은 대기에서 다수의 가스 성분에 대한 노출뿐만 아니라, 습도, 온도, 압력 및 공기 흐름과 같은 다양한 환경 인자에 대한 상기 센서의 반응의 결과이고, 상기 방법은 모델링 방정식의 과도하게 구속된 시스템을 통해 교차 감도 복잡성을 해결하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  51. 제50항에 있어서, 환경 인자를 설명하는 보상 계수는 습도 보상 계수, 온도 보상 계수, 압력 및 공기 흐름 보상 계수의 조합인, 방법.
  52. 복수의 감지 요소를 포함하는 센서 어레이로서,
    상기 복수의 감지 요소의 각각은 하이브리드 나노구조 및 복수의 가스 중 적어도 하나를 구체적으로 타깃팅하는 분자 제형으로 구성된 증착된 혼합물로 기능화되고, 상기 복수의 감지 요소의 각각은 저항 및 커패시턴스를 포함하고, 적어도 하나의 저항 및 커패시턴스는 가스 화학 화합물과 상호 작용할 때 변경되는, 센서 어레이.
  53. 제52항에 있어서, 저항 또는 커패시턴스의 변화는 측정되고, 정량화되며, 가스의 식별 및 농도 측정을 위해 더 처리될 수 있는, 센서 어레이.
  54. 제53항에 있어서, 상기 복수의 센서 요소는 감지 채널의 어레이를 형성하고, 각각의 감지 채널은 서명을 생성하고, 상기 처리는 패턴 인식 알고리즘을 사용하여 상기 서명을 처리하는 것을 포함하며, 동시에 다수의 가스의 검출을 가능하게 할 것인, 센서 어레이.
  55. 제54항에 있어서, 상기 채널 중 적어도 하나는 습도를 측정하는, 센서 어레이.
  56. 제52항에 있어서, 상기 복수의 감지 요소의 각각은 상기 하이브리드 나노구조 및 분자 제형이 드롭 캐스팅 또는 전기 화학적 증착을 사용하여 증착될 수 있도록 설계되는, 센서 어레이.
  57. 제52항에 있어서, 상기 복수의 감지 요소의 각각은 MEMS 기판을 포함하는, 센서 어레이.
  58. 센서 시스템으로서,
    복수의 감지 요소를 포함하는 센서 어레이로서, 상기 복수의 감지 요소의 각각은 하이브리드 나노구조 및 복수의 가스 중 적어도 하나를 구체적으로 타깃팅하는 분자 제형으로 구성된 증착된 혼합물로 기능화되고, 상기 복수의 감지 요소의 각각은 저항 및 커패시턴스를 포함하고, 적어도 하나의 저항 및 커패시턴스는 가스 화학 화합물과 상호 작용할 때 변경되는, 상기 센서 어레이;
    다중-채널 가스 센서 어레이의 복수의 감지 요소의 각각의 커패시턴스, 저항 또는 둘 모두에 대한 변화를 검출하고 상기 변화를 나타내는 아날로그 신호를 생성하도록 구성된 트랜스듀서;
    상기 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하도록 구성된 아날로그 신호 조정 및 아날로그 대 디지털 변환 회로;
    가스 검출 및 측정 알고리즘을 구현하는 패턴 인식 시스템을 사용하여 상기 디지털 신호를 처리하도록 구성된 저전력 프로세서 회로
    를 포함하는, 센서 시스템.
  59. 제58항에 있어서, 상기 저전력 처리 회로와 결합된 메모리를 더 포함하되, 상기 메모리는 특정 분자 제형으로 맞춤화된 감지 요소의 거동을 정확하게 반영하는 모델을 조합하는 알고리즘, 및 상기 처리 회로로 하여금 상기 알고리즘 및 모델에 기초하여 원시 센서 출력을 가스 농도 판독치로 변환하는 패턴 인식 기술을 수행하게 하는 명령어를 저장하도록 구성되는, 센서 시스템.
  60. 제58항에 있어서, 상기 복수의 감지 요소의 각각은 상기 하이브리드 나노구조 및 분자 제형이 드롭 캐스팅 또는 전기 화학적 증착을 사용하여 증착될 수 있도록 설계되는, 센서 시스템.
  61. 제58항에 있어서, 상기 복수의 감지 요소의 각각은 MEMS 기판을 포함하는, 센서 시스템.
  62. 센서 시스템으로서,
    복수의 감지 요소를 포함하는 센서 어레이로서, 상기 복수의 감지 요소의 각각은 하이브리드 나노구조 및 복수의 가스 중 적어도 하나를 구체적으로 타깃팅하는 분자 제형으로 구성된 증착된 혼합물로 기능화되고, 상기 복수의 감지 요소의 각각은 저항 및 커패시턴스를 포함하고, 적어도 하나의 저항 및 커패시턴스는 가스 화학 화합물과 상호 작용할 때 변경되는, 상기 센서 어레이;
    상기 센서 어레이와 결합되고 상기 저항 또는 커패시턴스의 변화를 검출하고 상기 변화를 나타내는 아날로그 신호를 생성하고, 상기 복수의 감지 요소와 연관된 복수의 감지 채널의 각각에 전력을 공급하며, 상기 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하도록 구성된 아날로그 전단부로서,
    아날로그 대 디지털(ADC),
    파킹 회로, 및
    측정 회로를 포함하는, 상기 아날로그 전단부; 및
    상기 아날로그 전단부와 결합되고 상기 아날로그 전단부를 제어하도록 구성된 디지털 후단부로서, 알고리즘, 모델 및 명령어를 포함하는 메모리를 포함하는, 상기 디지털 후단부
    를 포함하는, 센서 시스템.
  63. 제62항에 있어서, 상기 명령어는, 상기 프로세서로 하여금,
    복수의 센서 채널의 각각에 대한 이득을 산출, 저장 및 설정하는 것으로서, 각각의 채널은 상기 ADC에 의한 변환 이전에 감지 요소와 연관되는, 상기 이득을 산출, 저장 및 설정함으로써, 그리고
    다양한 오버샘플링 인자를 통해 신호 대 잡음 비를 증가시킴으로써
    상기 아날로그 신호를 동적으로 최적화시키게 하도록 구성되는, 센서 시스템.
  64. 제62항에 있어서, 상기 아날로그 전단부는 상기 복수의 감지 요소의 각각에 대한 자체 발열 효과를 최소화하고; 선형 영역에서 상기 복수의 감지 요소의 각각의 동작을 유지하고; 상기 복수의 감지 요소의 각각에 대한 전력 소비를 최소화하고; 상기 복수의 감지 요소의 각각에 대한 단락을 방지하는 것 중 적어도 하나를 행하도록 더 구성되는, 센서 시스템.
  65. 제62항에 있어서, 상기 아날로그 전단부는 나노재료 기반 센서에 걸쳐 정전압을 인가하도록 더 구성되는, 센서 시스템.
  66. 제62항에 있어서, 상기 파킹 회로는 임의의 수의 연결된 감지 채널에 동시에 정전압을 제공하고, 각각의 개별적인 센서 채널을 통해 전류를 제한하도록 구성되는, 센서 시스템.
  67. 제66항에 있어서, 상기 파킹 회로는 복수의 스위치를 포함하고, 상기 파킹 회로는 상기 복수의 스위치를 통해 임의의 개별적인 감지 채널을 연결하거나 분리하도록 구성되는, 센서 시스템.
  68. 제66항에 있어서, 상기 정전압은 약 1V인, 센서 시스템.
  69. 제66항에 있어서, 상기 전류는 약 1㎃로 제한되는, 센서 시스템.
  70. 제62항에 있어서, 상기 측정 회로는 상기 복수의 감지 채널 중 적어도 일부에 동시에 정전압을 제공하고 상기 복수의 감지 채널의 각각을 통해 총 전류를 제한하도록 구성되는, 센서 시스템.
  71. 제70항에 있어서, 상기 정전압은 약 1V인, 센서 시스템.
  72. 제9항에 있어서, 상기 전류는 약 1㎃로 제한되는, 센서 시스템.
  73. 제70항에 있어서, 상기 측정 회로는 상기 복수의 감지 채널 중 임의의 것을 연결하거나 분리하고 채널을 스위칭할 때 상기 회로에 대한 안정화 시간을 최소화하고; 잡음에 덜 가깝고, 기준에 더 가까운 더 큰 진폭을 생성하기 위해 상기 복수의 감지 채널의 감지 채널과 연관된 전체 신호에 오프셋을 부가하고; 측정하기 더 쉬운 더 큰 진폭의 신호를 생성하기 위해 상기 복수의 감지 채널의 다수의 감지 채널로부터의 신호를 부가하고; 그리고 단일 측정에서 감지 특성을 조합하기 위해 상기 복수의 감지 채널의 다수의 감지 채널로부터의 상기 신호를 부가하도록 구성된 복수의 스위치 또는 멀티플렉서를 포함하는, 센서 시스템.
  74. 제62항에 있어서, 이득 스테이지 및 데이터 획득 스테이지로부터뿐만 아니라, 상기 파킹 회로에 연결된 상기 복수의 감지 채널의 감지 채널로부터 측정되고 있는 상기 복수의 감지 채널의 감지 채널을 분리하도록 더 구성되는, 측정 회로.
  75. 제62항에 있어서, 하나 이상의 이득 스테이지를 더 포함하되, 상기 하나 이상의 이득 스테이지 각각은,
    전류 미러로서, 이득은 다양한 미러링 비로 상기 전류 미러에서 구현되는, 상기 전류 미러;
    상기 전류를 전압으로 변환하도록 구성된 트랜스임피던스 증폭기;
    상기 전류를 전압으로 변환하여, 전압에 대한 전류의 변환에 이득을 적용하기 위한 선택 가능한 저항의 세트; 및
    OPAMP를 포함하는 2차 이득 스테이지를 포함하는, 측정 회로.
  76. 제75항에 있어서, 선택 가능한 이득 설정의 간격은 상기 복수의 감지 요소의 각각의 범위에 대해 미리 선택되고 최적화되는, 센서 시스템.
  77. 제76항에 있어서, 상기 선택 가능한 이득 설정의 간격은 기하학적으로 이격되는, 센서 시스템.
  78. 제62항에 있어서, 상기 감지 요소가 상기 파킹 회로로부터 상기 측정 회로로 또는 그 반대로 스위칭될 때 감지 요소에 대한 과도 부하를 최소화하도록 구성된 차단 전 접속 회로(make before break circuit)를 더 포함하는, 센서 시스템.
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