KR20220112327A - 센서 장치, 및 이를 포함하는 모바일 기기 - Google Patents

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KR20220112327A
KR20220112327A KR1020210015316A KR20210015316A KR20220112327A KR 20220112327 A KR20220112327 A KR 20220112327A KR 1020210015316 A KR1020210015316 A KR 1020210015316A KR 20210015316 A KR20210015316 A KR 20210015316A KR 20220112327 A KR20220112327 A KR 20220112327A
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정성진
엄용
유승재
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삼성전자주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 센서 장치는, 빛에 반응하여 전류 신호들을 생성하는 복수의 포토 다이오드들을 갖는 센서 어레이, 상기 전류 신호들을 인코딩하여 복수의 아날로그 신호들을 생성하고, 상기 복수의 아날로그 신호들을 순차적으로 출력하는 인코더, 상기 인코더로부터 수신한 상기 복수의 아날로그 신호들을 신호처리하여 디지털 신호들을 생성하는 신호 처리 모듈, 및 상기 신호 처리 모듈로부터 수신한 상기 디지털 신호들을 디코딩하여 상기 전류 신호들에 대응하는 복수의 데이터 신호들을 생성하는 디코더를 포함한다.

Description

센서 장치, 및 이를 포함하는 모바일 기기{SENSOR MODULE, AND MOBILE DEVICE INCLUDING THE SAME}
본 발명은 센서 장치, 및 이를 포함하는 모바일 기기에 관한 것이다.
최근 들어 웨어러블 디바이스는 물론, 다양한 모바일 기기 등에 생체 정보를 수집하여 사용자에게 유용한 서비스들을 제공할 수 있는 바이오 센서 등의 센서 장치가 탑재되는 추세이다. 생체 정보를 수집하기 위한 센서 장치는 빛에 반응하여 전하를 생성하는 포토 다이오드들을 포함할 수 있으며, 포토 다이오드들이 생성한 전하를 신호 처리하여 생체 정보를 판단할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 과제 중 하나는, 복수의 포토 다이오드들이 생성한 전류 신호들을 인코딩하여 하나의 신호 처리 모듈이 신호처리하고, 신호 처리 모듈의 출력을 전류 신호들에 대응하는 데이터 신호들로 디코딩함으로써, 노이즈 특성을 개선할 수 있는 센서 장치, 및 이를 포함하는 모바일 기기를 제공하고자 하는 데에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 센서 장치는, 빛에 반응하여 전류 신호들을 생성하는 복수의 포토 다이오드들을 갖는 센서 어레이, 상기 전류 신호들을 인코딩하여 복수의 아날로그 신호들을 생성하고, 상기 복수의 아날로그 신호들을 순차적으로 출력하는 인코더, 상기 인코더로부터 수신한 상기 복수의 아날로그 신호들을 신호처리하여 디지털 신호들을 생성하는 신호 처리 모듈, 및 상기 신호 처리 모듈로부터 수신한 상기 디지털 신호들을 디코딩하여 상기 전류 신호들에 대응하는 복수의 데이터 신호들을 생성하는 디코더를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 센서 장치는, 빛에 반응하여 전류 신호들을 생성하는 복수의 포토 다이오드들, 상기 포토 다이오드들과 복수의 아날로그 채널들을 통해 연결되며, 소정의 직교 코드에 따라 동작하는 곱셈기 및 가산기를 포함하고, 상기 전류 신호들을 인코딩한 복수의 아날로그 신호들을 하나의 입력 채널을 통해 순차적으로 출력하는 인코더, 상기 입력 채널에 연결되는 입력단을 포함하며, 출력단을 통해 상기 아날로그 신호들에 대응하는 복수의 디지털 신호들을 연속적으로 출력하는 신호 처리 모듈, 상기 출력단에 연결되며, 상기 직교 코드에 대응하는 직교 행렬의 역행렬에 따라 상기 디지털 신호들을 디코딩한 복수의 데이터 신호들을 복수의 디지털 채널들을 통해 각각 출력하는 디코더, 및 상기 데이터 신호들을 이용하여 상기 전류 신호들에 대응하는 정보를 생성하는 프로세서를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 모바일 기기는, 기판, 상기 기판의 제1면에 실장되며 객체로부터 입사하는 빛에 반응하여 전류 신호들을 생성하는 복수의 포토 다이오드들, 상기 제1면 또는 상기 제1면과 마주보는 상기 기판의 제2면에 실장되며, 상기 전류 신호들을 복수의 데이터 신호들로 변환하는 신호 처리 장치, 및 상기 데이터 신호들을 이용하여 생체 정보를 획득하는 프로세서를 포함하며, 상기 신호 처리 장치는, 복수의 입력 채널들을 통해 수신한 상기 전류 신호들을 이용하여 생성한 복수의 아날로그 신호들을 순차적으로 복수의 디지털 신호들로 변환하고, 상기 디지털 신호들을 이용하여 상기 데이터 신호들을 생성한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수의 포토 다이오드들이 출력하는 전류 신호들을 인코딩하여 하나의 신호 처리 모듈에 입력하며, 신호 처리 모듈이 출력하는 신호를 디코딩하여 전류 신호들에 대응하는 데이터 신호들을 생성할 수 있다. 따라서, 전류 신호를 데이터 신호로 변환하는 과정에서 데이터 신호에 반영되는 노이즈를 감소시켜 신호 대 잡음비 등의 노이즈 특성을 개선할 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모바일 기기를 간단하게 나타낸 도면들이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 장치를 간단하게 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 장치를 간단하게 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 모바일 기기를 간단하게 나타낸 블록도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 장치를 간단하게 나타낸 블록도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 장치에 포함되는 신호 처리 모듈을 간단하게 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 장치를 간단하게 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 장치의 동작을 설명하기 위해 제공되는 타이밍 다이어그램이다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 장치의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 장치의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 장치의 동작을 설명하기 위해 제공되는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 장치를 간단하게 나타낸 도면이다.
도 15 내지 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 장치를 설명하기 위한 비교예이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 모바일 기기를 간단하게 나타낸 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 다음과 같이 설명한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모바일 기기를 간단하게 나타낸 도면들이다.
먼저 도 1을 참조하면, 모바일 기기(10)는 시계 타입의 웨어러블 장치로 구현될 수 있다. 모바일 기기(10)는 본체(11), 및 사용자 신체, 예를 들어 팔목에 모바일 기기(10)를 고정하는 고정부인 스트랩(12) 등을 포함할 수 있다. 본체(11)의 전면에는 화면을 출력하는 디스플레이가 마련되며, 시간 정보, 수신 메시지 정보 등을 포함하는 다양한 애플리케이션 화면이 표시될 수 있다. 실시예들에 따라, 본체(11)의 전면과 측면 중 적어도 하나에는 사용자의 입력을 수신하고 이를 처리하는 입력 장치(13)가 마련될 수 있다. 입력 장치(13)는 기계식 키, 터치 패널 등을 포함할 수 있다.
사용자의 신체와 마주하는 본체(11)의 후면에는 센서 장치(14)가 배치될 수 있다. 센서 장치(14)는 스트랩(12) 등에 의해 본체(11)가 고정되는 사용자의 신체, 예를 들어 사용자 팔목 등으로 빛을 방출하는 광원과, 사용자로부터 반사되는 빛에 반응하여 전류 신호를 생성하는 적어도 하나의 포토 다이오드, 및 전류 신호를 처리하는 신호 처리 모듈 등을 포함할 수 있다. 일례로, 모바일 기기(10)는 센서 장치(14)가 출력하는 데이터 신호를 이용하여 사용자의 심박수, 혈중 산소포화도, 혈압 등과 같은 생체 정보를 판단할 수 있다.
다음으로 도 2를 참조하면, 모바일 기기(20)는 이어(ear) 웨어러블 장치로도 구현될 수 있다. 도 2를 참조하면, 모바일 기기(20)는 사용자 신체에 고정되는 고정부인 이어 스트랩(21)을 포함하며, 사용자는 이어 스트랩(21)을 귓바퀴에 걸어 모바일 기기(20)를 착용할 수 있다. 사용자가 모바일 기기(20)를 착용한 상태에서, 본체는 사용자의 외이도(external auditory meatus)에 삽입될 수 있다.
모바일 기기(20)의 본체 또는 이어 스트랩(21) 등에는 센서 장치가 탑재될 수 있다. 일례로, 센서 장치는 사용자의 피부와 접촉하는 이어 스트랩(21)에 구비되어 사용자 신체로 빛을 출력하고, 사용자 신체로부터 반사된 빛을 감지하여 디지털 신호를 출력할 수 있다. 모바일 기기(20)는 디지털 신호를 이용하여 사용자의 생체 정보를 판단하고, 생체 정보를 이용하는 다양한 애플리케이션을 제공할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 장치를 간단하게 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 장치(30)는 사용자 신체(40)에 근접한 형태로 동작하며, 발광부(31)와 센서 어레이(32)를 포함할 수 있다. 센서 어레이(32)는 복수의 센싱 소자들(33)을 포함하며, 일례로 복수의 센싱 소자들 각각은 포토 다이오드를 포함할 수 있다. 일례로, 센서 장치(30)는 복수의 포토 다이오드들을 포함하는 멀티 채널 광 센서로서, PPG(Photoplethysmography) 센서 또는 스펙트로미터일 수 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 발광부(31)는 사용자 신체(40)를 향해 빛을 방출할 수 있다. 발광부(31)는 적어도 하나의 광원을 포함하며, 실시예들에 따라 광원은 특정 파장 대역의 빛을 방출할 수 있다. 일례로, 광원이 방출하는 빛의 파장 대역은, 센서 장치(30)를 이용하여 판단하고자 하는 생체 정보에 따라 달라질 수 있다.
예를 들어, 사용자 신체(40)로부터 심박수를 판단하고자 하는 경우, 녹색 파장 대역의 빛을 출력하는 광원이 발광부(31)에 포함될 수 있다. 다른 예시에서, 사용자 신체(40)로부터 혈중 산소포화도를 판단하고자 하는 경우, 적색 파장 대역 및 적외선 파장 대역의 빛을 출력하는 광원들이 발광부(31)에 포함될 수 있다. 서로 다른 파장 대역의 빛을 방출하는 복수의 광원들로 발광부(31)를 구성할 수 있으며, 판단하고자 하는 생체 정보에 따라 광원들 중 적어도 하나를 동작시키며 센서 어레이(32)로부터 신호를 획득할 수 있다.
일 실시예에서 센서 어레이(32)는 매트릭스 형태로 배치되는 복수의 센싱 소자들(33)을 포함할 수 있다. 다만 실시예들에 따라, 센싱 소자들(33)의 배치 형태는 다양하게 변형될 수 있다. 센싱 소자들(33) 각각은 포토 다이오드를 포함하며, 포토 다이오드는 빛에 반응하여 전류 신호를 생성할 수 있다. 센서 장치(30)에 포함되는 신호 처리 모듈은 전류 신호를 처리하여 디지털 신호를 생성하며, 센서 장치(30)가 탑재된 모바일 기기의 프로세서가 디지털 신호를 이용하여 생체 정보를 판단할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 장치의 센서 어레이(50)는 필터 레이어(51)와 포토 다이오드 레이어(52)를 포함할 수 있다. 필터 레이어(51)는 복수의 컬러 필터들을 포함하고, 포토 다이오드 레이어(52)는 복수의 포토 다이오드들을 포함할 수 있다.
발광부가 방출하고 사용자 신체, 예를 들어 신체 내부의 혈관 등으로부터 반사된 빛은 도 4에 도시한 제1 그래프(60)와 같이 모든 파장 대역에서 나타날 수 있다. 다만, 앞서 설명한 바와 같이 센서 장치를 이용하여 판단하고자 하는 생체 정보의 종류에 따라, 특정 파장 대역의 빛을 선택적으로 이용할 수 있으며, 이를 위해 센서 어레이(50)가 필터 레이어(51)를 포함할 수 있다. 필터 레이어(51)는, 제2 그래프(70)와 같이 특정 파장 대역의 빛을 선택적으로 투과시켜 포토 다이오드 레이어(52)로 전달할 수 있다. 따라서, 도 4에 도시한 일 실시예에 따른 센서 어레이(50)를 포함하는 센서 장치는, 멀티 파장 PPG 센서로 동작할 수 있다.
따라서 센서 장치의 감도를 개선할 수 있으며, 모든 파장 대역의 빛을 방출하는 광원으로 발광부를 구성하고, 필터 레이어(51)를 통해 선택적으로 필요한 파장 대역의 빛을 포토 다이오드에 입사시킴으로써, 하나의 광원으로 다양한 생체 정보를 판단할 수 있는 센서 장치를 구현할 수도 있다. 이를 위해, 복수의 컬러 필터들 중 적어도 일부는 서로 다른 파장 대역의 빛을 통과시킬 수 있다.
일례로, 복수의 컬러 필터들 중 제1 컬러 필터(51A)는, 녹색 파장 대역의 빛만을 통과시킬 수 있다. 제1 컬러 필터(51A)는 적외선 차단 필터, 및 녹색 파장 대역의 빛만을 통과시키는 녹색 컬러 필터가 적층된 구조를 가질 수 있다. 따라서, 발광부의 광원이 방출하고 혈관 등에서 반사된 빛 중에서 녹색 파장 대역의 빛만이 제1 컬러 필터(51A) 하부의 제1 포토 다이오드(52A)에 입사할 수 있다. 센서 장치가 탑재된 모바일 기기의 프로세서는, 제1 포토 다이오드(52A)가 출력하는 전류 신호를 이용하여, 사용자의 심박수, 맥박 등을 판단할 수 있다.
한편, 복수의 컬러 필터들 중 제2 컬러 필터(51B)는 적색 파장 대역의 빛만을 통과시킬 수 있으며, 제3 컬러 필터(51C)는 적외선 파장 대역의 빛만을 통과시킬 수 있다. 따라서, 발광부의 광원이 방출하고 혈관 등에서 반사된 빛 중에서 적색 파장 대역의 빛이 제2 컬러 필터(51B) 하부의 제2 포토 다이오드(52B)에 입사하고, 적외선 파장 대역의 빛이 제3 컬러 필터(51C) 하부의 제3 포토 다이오드(52C)에 입사할 수 있다. 센서 장치가 탑재된 모바일 기기의 프로세서는, 제2 포토 다이오드(52B) 및 제3 포토 다이오드(52C)가 출력하는 전류 신호를 이용하여, 사용자의 혈중 산소포화도를 판단할 수 있다.
다양한 생체 정보를 하나의 센서 장치로 판단하기 위해, 도 4를 참조하여 설명한 바와 같이 필터 레이어(51)와 포토 다이오드 레이어(52)로 센서 어레이(50)를 구성할 수 있다. 도 4에 도시한 일 실시예에 따른 센서 어레이(50)가 출력하는 전류 신호를 처리하여 원하는 생체 정보를 판단하기 위해, 포토 다이오드 레이어(52)에 포함되는 포토 다이오드들이 전류 신호를 처리하는 신호 처리 모듈과 복수의 채널들을 통해 연결될 수 있다. 신호 처리 모듈은 복수의 채널들을 통해 수신하는 전류 신호를 독립적으로 처리하여 디지털 신호를 생성하도록 구성될 수 있으나, 이 경우 신호 처리 모듈이 차지하는 면적 및 신호 처리 모듈의 소모 전력 등이 증가할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는, 하나의 신호 처리 모듈로 센서 어레이(50)가 생성하는 전류 신호들을 처리할 수 있는 센서 장치를 제안한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 장치는 신호 처리 모듈의 입력단과 센서 어레이(50) 사이에 연결되는 인코더 및 신호 처리 모듈의 출력단에 연결되는 디코더를 포함할 수 있다. 인코더는 복수의 채널들을 통해 수신한 전류 신호들을 인코딩하여 아날로그 신호들을 생성하고, 아날로그 신호들을 순차적으로 신호 처리 모듈에 입력할 수 있다. 신호 처리 모듈이 아날로그 신호들을 순차적으로 처리하여 디지털 신호들을 출력하면, 디코더는 디지털 신호들을 이용하여 복수의 채널들에 대응하는 데이터 신호들을 생성할 수 있다. 따라서, 하나의 신호 처리 모듈로 복수의 채널들을 통해 수신하는 전류 신호들을 처리할 수 있으며, 센서 장치의 면적 및 소모 전력 등을 감소시킬 수 있다. 또한, 신호 처리 모듈이 전류 신호를 데이터 신호로 변환하는 과정에서 발생하는 노이즈의 영향을 줄일 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 장치를 간단하게 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 장치(100)는 기판(101), 기판(101)의 제1면에 실장되는 광원(110), 광원(110)과 함께 제1면에 실장되는 복수의 포토 다이오드들(120), 및 신호 처리 장치(130) 등을 포함할 수 있다. 실시예들에 따라 신호 처리 장치(130)는 기판(101)의 제1면과 마주보는 제2면에 실장될 수도 있다. 기판(101)은 커넥터(140)를 포함할 수 있으며, 커넥터(140)를 통해 센서 장치(100)가 탑재되는 모바일 기기의 프로세서와 센서 장치(100)가 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
도 5에 도시한 일 실시예에서, 포토 다이오드들(120)은 광원(110)의 주변에 분산 배치될 수 있다. 다만, 이는 하나의 실시예일 뿐이며, 포토 다이오드들(120)의 개수 및 위치는 다양하게 변형될 수 있다. 한편, 앞서 설명한 바와 같이, 포토 다이오드들(120)의 상부에는 특정 파장 대역의 빛을 선택적으로 투과시키는 컬러 필터가 더 배치될 수도 있다.
도 5를 참조하면 센서 장치(100)가 4개의 포토 다이오드들(120)을 포함하며, 신호 처리 장치(130)는 4개의 채널들을 통해 포토 다이오드들(120)로부터 전류 신호들을 수신할 수 있다. 신호 처리 장치(130)는 4개의 채널들을 통해 전류 신호들을 수신하는 인코더, 인코더가 출력하는 아날로그 신호들을 순차적으로 처리하여 디지털 신호들을 출력하는 신호 처리 모듈, 및 신호 처리 모듈이 출력하는 디지털 신호들을 이용하여 4개의 채널들에 대응하는 데이터 신호들을 복원하는 디코더 등을 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 모바일 기기를 간단하게 나타낸 블록도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 모바일 기기(200)는 센서 장치(210) 및 프로세서(220)를 포함할 수 있다. 프로세서(220)는 모바일 기기(200)의 동작 전반을 제어하는 반도체 장치로서, 센서 장치(210)의 동작을 제어하고, 센서 장치(210)가 출력하는 디지털 신호를 이용하여 객체(OBJ)와 관련된 정보를 판단할 수 있다. 일례로, 객체(OBJ)가 사람의 신체인 경우, 프로세서는 심박수, 혈중 산소포화도, 혈압 등의 정보를 판단하고, 그에 기반한 다양한 애플리케이션을 실행할 수 있다.
센서 장치(210)는 광원(211), 광원 드라이버(212), 센서 어레이(213), 신호 처리 장치(214) 등을 포함할 수 있다. 광원(211)은 광원 드라이버(212)가 출력하는 광 제어 신호에 응답하여 객체(OBJ)를 향해 빛을 방출할 수 있다. 일례로, 광원 드라이버(212)가 광원(211)에 출력하는 광 제어 신호는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호일 수 있다. 따라서, 광원(211)은 센서 장치(210)가 활성화되어 동작하는 동안 온/오프를 반복할 수 있다.
센서 어레이(213)는 복수의 포토 다이오드들(PD)을 포함하며, 실시예에 따라 포토 다이오드들(PD)로 소정 파장 대역의 빛을 선택적으로 입사시키는 컬러 필터를 더 포함할 수도 있다. 포토 다이오드들(PD)은 광원(211)이 방출하고 객체(OBJ)에서 반사된 빛에 반응하여 전류 신호들을 생성할 수 있다. 다만 실시예들에 따라 광원(211)이 생략될 수 있으며, 이 경우 포토 다이오드들(PD)은 객체(OBJ) 등에서 입사한 빛에 반응하여 전류 신호들을 생성할 수 있다.
신호 처리 장치(214)는 전류 신호들을 디지털 신호들로 변환하여 프로세서(220)로 출력할 수 있다. 센서 장치(210)가 활성화되어 동작하는 동안, 광원(211)이 소정의 주파수로 온/오프를 반복할 수 있으므로, 신호 처리 장치(214)는 광원 드라이버(212)와 동기화되어 광원(211)이 턴-온되는 시간 동안 포토 다이오드들(PD)로부터 전류 신호들을 획득할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 장치를 간단하게 나타낸 블록도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 장치(300)는 복수의 포토 다이오드들(PD1-PD4), 신호 처리 모듈(310), 인코더(320) 및 디코더(330) 등을 포함할 수 있다. 포토 다이오드들(PD1-PD4)은 외부에서 입사하는 빛에 반응하여 전류 신호들(I1-I4)을 생성할 수 있다. 일례로 포토 다이오드들(PD1-PD4)은 별도의 광원에서 방출되어 객체에서 반사된 빛에 반응하여 전류 신호들(I1-I4)을 생성할 수 있으며, 객체는 사용자의 신체 일부일 수 있다. 전류 신호들(I1-I4)은 복수의 아날로그 채널들(ACH1-ACH4)을 통해 인코더(320)에 입력될 수 있다.
인코더(320)는 아날로그 채널들(ACH1-ACH4)을 통해 포토 다이오드들(PD1-PD4)과 연결되고, 하나의 입력 채널(ICH)을 통해 신호 처리 모듈(310)의 입력단에 연결될 수 있다. 인코더(320)는 전류 신호들(I1-I4)을 인코딩하여 아날로그 신호들을 생성하며, 입력 채널(ICH)을 통해 아날로그 신호들을 순차적으로 신호 처리 모듈(310)에 입력할 수 있다. 따라서, 신호 처리 모듈(310)은 입력 채널(ICH)을 통해 아날로그 신호들을 순차적으로 수신할 수 있다. 인코더(320)에 의해 인코딩된 아날로그 신호들 각각은, 전류 신호들(I1-I4)을 성분으로 구성된 신호일 수 있으며, 소정의 직교 코드에 따라 전류 신호들(I1-I4)을 인코딩한 신호일 수 있다.
신호 처리 모듈(310)은 순차적으로 입력받은 아날로그 신호들을 신호처리하여 디지털 신호들을 생성할 수 있다. 일례로, 인코더(320)는 4개의 전류 신호들(I1-I4)을 이용하여 4개의 아날로그 신호들을 생성할 수 있으며, 신호 처리 모듈(310)은 4개의 아날로그 신호들을 디지털 도메인으로 변환하여 4개의 디지털 신호들을 출력할 수 있다. 신호 처리 모듈(310)은 출력단에 연결된 하나의 출력 채널(OCH)을 통해 디코더(330)로 4개의 디지털 신호들을 순차적으로 출력할 수 있다.
디코더(330)는 디지털 신호들을 이용하여 데이터 신호들(DATA1-DATA4)을 생성할 수 있다. 데이터 신호들(DATA1-DATA4)은, 복수의 디지털 채널들(DCH1-DCH4)을 통해 각각 출력되며, 전류 신호들(I1-I4)을 디지털 도메인으로 각각 변환한 신호일 수 있다. 예를 들어, 제1 데이터 신호(DATA1)는 제1 전류 신호(I1)를 디지털 도메인으로 변환한 신호일 수 있으며, 제2 데이터 신호(DATA2)는 제2 전류 신호(I2)를 디지털 도메인으로 변환한 신호일 수 있다.
디코더(330)는, 인코더(320)가 전류 신호들(I1-I4)을 인코딩하여 아날로그 신호들을 생성하는 데에 이용한 직교 코드를 참조하여 데이터 신호들(DATA1-DATA4)을 생성할 수 있다. 일례로, 디코더(330)는 직교 코드에 대응하는 직교 행렬의 역행렬을 이용하여 디지털 신호들로부터 데이터 신호들(DATA1-DATA4)을 복원할 수 있다.
신호 처리 모듈(310)은 아날로그-프론트 엔드(Analog-Front End) 모듈일 수 있다. 신호 처리 모듈(310)은 전류 신호들(I1-I4)로부터 생성된 아날로그 신호들을 전압으로 변환하는 전류-전압 컨버터, 아날로그 신호들을 증폭하는 증폭기, 및 아날로그-디지털 컨버터(Analog-to-Digital Converter, ADC) 등을 포함할 수 있다. 이하, 도 8을 참조하여 더욱 자세히 설명하기로 한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 장치에 포함되는 신호 처리 모듈을 간단하게 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리 모듈(310)은 전류-전압 컨버터(311), 증폭기(312), 및 아날로그-디지털 컨버터(313) 등을 포함할 수 있다. 전류-전압 컨버터(311)는 입력 채널(ICH)을 통해 순차적으로 수신하는 아날로그 신호들을 전압으로 변환하는 회로이며, 일례로 연산 증폭기와 피드백 저항 등을 포함할 수 있다. 전류-전압 컨버터(311)의 출력은 증폭기(312)로 전달되며, 증폭기(312)는 프로그래머블 이득 증폭기(Programmable Gain Amplifier)를 포함할 수 있다.
아날로그-디지털 컨버터(313)는 증폭기(312)가 출력하는 신호를 디지털 도메인으로 변환하여 디지털 신호를 생성하고, 출력 채널(OCH)로 내보낼 수 있다. 신호 처리 모듈(310)의 동작에서, 신호 처리 모듈(310)의 입력단에 연결되는 인코더에 의해 아날로그 신호들이 순차적으로 입력되며, 아날로그-디지털 컨버터(313)는 아날로그 신호들에 대응하는 디지털 신호들을 순차적으로 출력할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 장치를 간단하게 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 장치(400)는 신호 처리 모듈(410), 인코더(420) 및 디코더(430) 등을 포함할 수 있다. 인코더(420)는 복수의 포토 다이오드들(PD1-PD4)과 연결되며, 전류 신호들(I1-I4)을 인코딩하여 아날로그 신호들(AIN)을 생성할 수 있다. 아날로그 신호들(AIN)은 순차적으로 신호 처리 모듈(410)에 입력될 수 있다.
신호 처리 모듈(410)은 아날로그 신호들(AIN)을 디지털 변환하여 디지털 신호들(DOUT)을 생성할 수 있다. 디지털 신호들(DOUT)은 디코더(430)에 입력되며, 디코더(430)는 디지털 신호들(DOUT)을 이용하여 데이터 신호들(DATA1-DATA4)을 생성할 수 있다. 일례로, 데이터 신호들(DATA1-DATA4)은 포토 다이오드들(PD1-PD4)이 생성하는 전류 신호들(I1-I4)에 각각 대응할 수 있다.
도 9에 도시한 일 실시예에서, 인코더(420)는 복수의 곱셈기들(421-424)과 가산기(425)를 포함할 수 있다. 곱셈기들(421-424)은 인코딩 계수들(ENC1-ENC4)을 각각 입력받으며, 전류 신호들(I1-I4)에 인코딩 계수들(ENC1-ENC4)을 곱하여 출력할 수 있다. 인코딩 계수들(ENC1-ENC4)은 0이 아닐 수 있다. 가산기(425)는 인코딩 계수들(ENC1-ENC4)과 전류 신호들(I1-I4)의 곱셈 신호들을 합산하여 아날로그 신호들(AIN)을 생성할 수 있다. 인코딩 계수들(ENC1-ENC4)은 인코더(420)가 전류 신호들(I1-I4)을 인코딩하여 아날로그 신호들(AIN)을 생성하는 데에 이용하는 직교 코드에 의해 결정될 수 있다.
일례로, 복수의 포토 다이오드들(PD1-PD4)이 전류 신호들(I1-I4)을 출력하는 동안, 인코딩 계수들(ENC1-ENC4)의 값이 변할 수 있다. 포토 다이오드들(PD1-PD4)의 개수가 4개인 경우, 인코더(420)는 전류 신호들(I1-I4)을 출력되는 시간을 4개의 단위 시간들로 구분하고, 단위 시간들에서 인코딩 계수들(ENC1-ENC4) 중 적어도 하나를 서로 다른 값으로 설정할 수 있다. 인코딩 계수들(ENC1-ENC4)과 그에 따른 인코더(420)의 동작에 대해서는 도 10을 참조하여 후술하기로 한다.
다시 도 9를 참조하면, 디코더(430)는 복수의 곱셈기들(431-434)과 복수의 누산기들(435-438)을 포함할 수 있다. 일례로, 데이터 신호들(DATA1-DATA4)을 출력하는 디지털 채널들 각각에, 곱셈기들(431-434) 중 하나와 누산기들(435-438) 중 하나가 할당될 수 있다.
곱셈기들(431-434)은 디코딩 계수들(DEC1-DEC4)을 각각 입력받으며, 순차적으로 출력되는 디지털 신호들(DOUT) 각각에 디코딩 계수들(DEC1-DEC4)을 곱할 수 있다. 누산기들(435-438)은 디코딩 계수들(DEC1-DEC4)을 곱한 디지털 신호들(DOUT)을 순차적으로 누적 합산하여 데이터 신호들(DATA1-DATA4)을 생성할 수 있다. 디코딩 계수들(DEC1-DEC4)은 인코더(420)가 이용하는 직교 코드의 역행렬에 의해 결정될 수 있다. 일 실시예에서, 디코딩 계수들(DEC1-DEC4) 각각의 절대값은, 인코딩 계수들(ENC1-ENC4) 각각의 절대값보다 작을 수 있다.
이하, 도 10, 도 11a 및 도 11b를 함께 참조하여 센서 장치(400)의 동작을 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 장치의 동작을 설명하기 위해 제공되는 타이밍 다이어그램이다. 도 11a 및 도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 장치의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다.
먼저 도 10을 참조하면, 광 제어 신호에 의해 광원이 턴-온되는 발광 시간(TON) 동안, 포토 다이오드들(PD1-PD4)이 전류 신호들(I1-I4)을 출력할 수 있다. 센서 장치(400)는 발광 시간(TON)을 복수의 단위 시간들(T1-T4)로 구분할 수 있으며, 인코더(420)는 단위 시간들(T1-T4) 각각에서 인코딩 계수들(ENC1-ENC4)을 조절하며 아날로그 신호들(AIN)을 생성할 수 있다.
일례로, 제1 단위 시간(T1) 동안, 인코딩 계수들(ENC1-ENC4)을 [+1, -1, -1, -1]로 결정될 수 있다. 따라서, 제1 단위 시간(T1) 동안 신호 처리 모듈(410)에 입력되는 제1 아날로그 신호(AIN1)는 [I1-I2-I3-I4]로 결정될 수 있다. 다음의 제2 단위 시간(T2) 동안 인코딩 계수들(ENC1-ENC4)은 [-1, +1, -1, -1]로 결정되며, 신호 처리 모듈(410)은 [-I1+I2-I3-I4]로 정의되는 제2 아날로그 신호(AIN2)를 입력받을 수 있다. 유사하게, 제3 단위 시간(T3) 동안 신호 처리 모듈(410)에 입력되는 제3 아날로그 신호(AIN3)는 [-I1-I2+I3-I4]로, 제4 단위 시간(T4) 동안 신호 처리 모듈(410)에 입력되는 제4 아날로그 신호(AIN4)는 [-I1-I2-I3+I4]로 표현될 수 있다.
신호 처리 모듈(410)은 제1 내지 제4 아날로그 신호들(AIN1-AIN4)을 순차적으로 디지털 도메인으로 변환하여 제1 내지 제4 디지털 신호들(DOUT1-DOUT4)을 출력할 수 있다. 신호 처리 모듈(410)이 제1 내지 제4 아날로그 신호들(AIN1-AIN4) 각각을 디지털 도메인으로 변환하는 데에 소요되는 시간에 의해, 제1 내지 제4 디지털 신호들(DOUT1-DOUT4)의 출력 타이밍이 도 10에 도시한 바와 같이 결정될 수 있다. 다만, 제1 내지 제4 아날로그 신호들(AIN1-AIN4)의 입력 시간과 제1 내지 제4 디지털 신호들(DOUT1-DOUT4)의 출력 시간의 차이인 지연 시간은, 신호 처리 모듈(410)의 구성에 따라 다양하게 변형될 수 있다.
인코더(420)가 전류 신호들(I1-I4)을 인코딩하여 아날로그 신호들(AIN)을 생성하는 데에 이용하는 인코딩 코드는 직교 코드에 기초하여 생성되는 코드일 수 있으며, 직교 행렬로 표현될 수 있다. 일례로, 도 10을 참조하여 설명한 일 실시예에서, 인코딩 코드는 아래의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다. 인코딩 코드의 행들은 단위 시간들(T1-T4)에 각각 대응하며, 열들은 인코딩 계수들(ENC1-ENC4)에 각각 대응할 수 있다. 수학식 1에 도시한 바와 같이, 인코딩 계수들(ENC1-ENC4)은 0이 아닐 수 있다.
Figure pat00001
앞서 설명한 바와 같이, 디코더(430)가 디지털 신호들(DOUT)로부터 데이터 신호들(DATA1-DATA4)을 복원하는 데에 이용하는 디코딩 계수들(DEC1-DEC4)은, 직교 행렬의 역행렬로 표현되는 디코딩 코드에 의해 결정될 수 있다. 일례로, 수학식 1에 표현된 인코딩 코드에 대응하는 디코딩 코드는, 아래의 수학식 2와 같이 표현될 수 있다. 디코딩 코드에서 열들은 디코딩 계수들(DEC1-DEC4)에 각각 대응할 수 있다. 수학식 1과 수학식 2에 도시한 바와 같이, 디코딩 계수들(DEC1-DEC4) 각각의 절대값은, 인코딩 계수들(ENC1-ENC4) 각각의 절대값보다 작을 수 있다.
Figure pat00002
이하, 도 11a 및 도 11b를 참조하여, 인코더(420)와 디코더(430)의 동작을 더욱 상세히 설명하기로 한다.
먼저 도 11a는 인코더(420)의 동작을 설명하기 위한 도면일 수 있다. 도 11a를 참조하면, 포토 다이오드들(PD1-PD4)이 생성하는 전류 신호들(I1-I4)이 행렬로 표현되며, 인코딩 코드와 전류 신호들(I1-I4)의 연산 결과로 제1 내지 제4 아날로그 신호들(AIN1-AIN4)이 생성될 수 있다. 제1 내지 제4 아날로그 신호들(AIN1-AIN4)은 순차적으로 신호 처리 모듈(410)에 입력되고, 신호 처리 모듈(410)은 제1 내지 제4 아날로그 신호들(AIN1-AIN4) 각각을 디지털로 변환하여 제1 내지 제4 디지털 신호들(DOUT1-DOUT4)을 순차적으로 출력할 수 있다.
일 실시예에서, 신호 처리 모듈(410)이 제1 내지 제4 아날로그 신호들(AIN1-AIN4)을 디지털로 변환하는 동작 중에 노이즈가 발생할 수 있다. 따라서, 제1 내지 제4 디지털 신호들(DOUT1-DOUT4) 각각은 소정의 노이즈 성분(VN)을 포함할 수 있다. 도 11a에 도시한 일 실시예에서는 제1 내지 제4 디지털 신호들(DOUT1-DOUT4) 각각이 같은 크기의 노이즈 성분(VN)을 포함하는 것으로 도시하였으나, 실시예들에 따라 제1 내지 제4 디지털 신호들(DOUT1-DOUT4) 중 적어도 일부에서 노이즈 성분(VN)의 크기가 다르게 나타날 수도 있다.
다음으로 도 11b는, 디코더(430)의 동작을 설명하기 위한 도면일 수 있다. 도 11b를 참조하면, 디코더(430)의 동작은 디코딩 코드로 표현될 수 있다. 우선, 신호 처리 모듈(410)이 제1 디지털 신호(DOUT1)를 출력하는 동안, 디지털 계수들(DEC1-DEC4)은 [+1/4, -1/4, -1/4, -1/4]로 정의될 수 있다. 따라서, 제1 누산기(435)에는 +1/4*DOUT1이 입력되며, 제2 내지 제4 누산기들(436-438)에는 -1/4*DOUT1이 각각 입력될 수 있다.
다음으로 신호 처리 모듈(410)이 제2 디지털 신호(DOUT2)를 출력하는 동안, 디지털 계수들(DEC1-DEC4)은 [-1/4, +1/4, -1/4, -1/4]로 결정될 수 있다. 따라서, 제2 누산기(436)에는 +1/4*DOUT2가 입력되며, 제1, 제3 및 제4 누산기들(435, 437, 438)에는 -1/4*DOUT2가 각각 입력될 수 있다. 신호 처리 모듈(410)이 제3 디지털 신호(DOUT3)를 출력하는 동안 디지털 계수들(DEC1-DEC4)은 [-1/4, -1/4, +1/4, -1/4]로 결정되며, 제3 누산기(437)에는 +1/4*DOUT3이 입력되며, 제1, 제2 및 제4 누산기들(435, 436, 438)에는 -1/4*DOUT3이 각각 입력될 수 있다. 마지막으로, 신호 처리 모듈(410)이 제4 디지털 신호(DOUT4)를 출력하는 동안 디지털 계수들(DEC1-DEC4)은 [-1/4, -1/4, -1/4, +1/4]로 결정되며, 제4 누산기(438)에는 +1/4*DOUT4가 입력되며, 제1 내지 제3 누산기들(435-437)에는 -1/4*DOUT4가 각각 입력될 수 있다.
신호 처리 모듈(410)이 제4 디지털 신호(DOUT4)까지 출력한 후, 누산기들(435-438) 각각에 누적 합산된 신호들은 아래의 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00003
Figure pat00004
Figure pat00005
Figure pat00006
신호 처리 모듈(410)이 출력하는 디지털 신호들(DOUT1-DOUT4)은 노이즈 성분(VN)을 포함하며, 도 11a를 참조하여 설명한 바와 같이 정의될 수 있다. 수학식 3에 도 11a를 참조하여 설명한 디지털 신호들(DOUT1-DOUT4)을 적용하면, 누산기들(435-438)이 출력하는 데이터 신호들(DATA1-DATA4)은 도 11b에 도시한 바와 같이 정의될 수 있다. 다시 말해, 데이터 신호들(DATA1-DATA4) 각각은 전류 신호들(I1-I4) 각각을 디지털 도메인으로 변환한 데이터와, 디코더(430)의 동작에 의해 에버리징되어 감소한 노이즈 성분(0.5VN)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는, 신호 처리 모듈(410)의 입력단과 출력단에 각각 인코더(420)와 디코더(430)를 연결하며, 인코더(420)는 복수의 아날로그 채널들을 통해 수신한 전류 신호들(I1-I4)을 인코딩한 아날로그 신호들(AIN)을 순차적으로 신호 처리 모듈(410)에 입력할 수 있다. 신호 처리 모듈(410)은 아날로그 신호들(AIN)을 디지털 신호들(DOUT)로 변환하여 순차적으로 디코더(430)에 출력하며, 이 과정에서 소정의 노이즈 성분(VN)이 디지털 신호들(DOUT) 각각에 반영될 수 있다. 디코더(430)가 디지털 신호들(DOUT)을 이용하여 전류 신호들(I1-I4)에 대응하는 데이터 신호들(DATA1-DATA4)을 복원하는 과정에서 노이즈 성분(VN)이 상쇄 및/또는 감소될 수 있다. 따라서, 신호 대 잡음비 특성이 우수한 센서 장치(400)를 구현할 수 있다.
인코더(420)와 디코더(430)의 동작을 위한 인코딩 코드 및 디코딩 코드의 구성은, 도 10, 도 11a 및 도 11b를 참조하여 설명한 바와 같이 한정되지 않는다. 인코딩 코드와 디코딩 코드를 정의하는 인코딩 계수들(ENC1-ENC4)과 디코딩 계수들(DEC1-DEC4)은, 직교 코드의 특징을 만족시키는 조건에서 자유롭게 선택될 수 있다. 한편, 인코딩 코드와 디코딩 코드를 표현하는 행렬의 크기는, 신호 처리 모듈(410)에 연결되는 센싱 소자들, 예를 들어 포토 다이오드들(PD1-PD4)의 개수에 따라 결정될 수 있다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 장치의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다.
도 12a 및 도 12b에 도시한 일 실시예에서, 센서 장치는 8개의 센싱 소자들을 포함할 수 있다. 따라서, 도 12a에 도시한 바와 같이, 인코딩 코드는 8 x 8 행렬로 표현될 수 있다. 도 12a에 도시한 일 실시예서, 인코딩 코드의 대각 성분들은 모두 +1이며, 나머지 성분들은 모두 -1일 수 있다. 다만 이는 하나의 실시예일 뿐이며, 직교 코드의 특징을 만족시키는 조건에서 인코딩 코드의 성분들은 다양하게 변형될 수 있다.
센서 장치는 광원이 발광하는 발광 시간을 8개의 단위 시간들(T1-T8)로 구분할 수 있다. 단위 시간들(T1-T8) 각각에서 인코딩 계수들(ENC1-ENC8) 중 적어도 일부가 서로 다른 값을 가질 수 있으며, 신호 처리 모듈은 발광 시간 동안 인코더가 생성하는 8개의 아날로그 신호들(AIN1-AIN8)을 순차적으로 입력받을 수 있다.
도 12b는 디코더의 동작을 설명하기 위한 도면일 수 있다. 도 12b를 참조하면, 디코딩 코드는 인코딩 코드의 역행렬로서, 8 x 8 행렬로 표현될 수 있다. 디코딩 코드에 의해, 신호 처리 모듈이 아날로그 신호들(AIN1-AIN8) 각각을 디지털로 변환한 디지털 신호들(DOUT1-DOUT8)이 데이터 신호들(DATA1-DATA8)로 복원될 수 있다. 일례로, 데이터 신호들(DATA1-DATA8) 각각은 전류 신호들(I1-I8) 각각을 디지털 도메인으로 변환한 데이터와, 디코더에 의해 에버리징되어 감소한 노이즈 성분(0.75VN)을 포함할 수 있다.
따라서, 인코더 및 디코더를 적용하지 않은 경우에 비해 센서 장치의 노이즈 특성을 개선할 수 있다. 또한 하나의 신호 처리 모듈로 복수의 센싱 소자들이 출력하는 전류 신호들을 처리할 수 있으므로, 센서 장치의 집적도를 높이고 소모 전력을 낮출 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 장치의 동작을 설명하기 위해 제공되는 그래프이다.
도 13은 센서 장치에 포함되는 포토 다이오드들의 개수가 증가함에 따라 센서 장치의 신호 대 잡음비(SNR)가 증가할 수 있다. 일례로, 신호 처리 모듈이 하나의 포토 다이오드가 생성하는 전류 신호를 이용하여 데이터 신호를 생성하는 경우의 신호 대 잡음비에 비해, 4개의 포토 다이오드들이 생성하는 전류 신호를 이용하는 경우의 신호 대 잡음비는 약 6dB 정도 개선될 수 있다. 또한, 8개의 포토 다이오드들이 생성하는 전류 신호를 이용하여 데이터 신호를 생성하는 경우, 약 9dB 정도로 신호 대 잡음비가 개선될 수 있다.
결과적으로, 광원이 방출하고 사용자 신체 등에서 반사된 빛에 반응하여 전류 신호를 생성하는 포토 다이오드들의 개수를 증가시킴으로써 신호 대 잡음비를 개선하고 센서 장치의 성능을 개선할 수 있다. 다만, 포토 다이오드들의 개수가 증가함에 따라, 신호 처리 모듈과 포토 다이오드들을 연결하는 채널들의 개수가 함께 증가하며, 신호 처리 모듈의 소모 전력 및 신호 처리 모듈이 차지하는 회로 면적이 증가할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는, 인코더와 디코더를 신호 처리 모듈의 입력단과 출력단에 각각 연결함으로써 상기와 같은 문제를 해결할 수 있다. 포토 다이오드들이 생성하는 전류 신호들은 인코더에 의해 아날로그 신호들로 인코딩되어 순차적으로 신호 처리 모듈에 입력되며, 신호 처리 모듈은 순차적으로 디지털 신호들을 출력할 수 있다. 디코더는 순차적으로 출력되는 디지털 신호들을 이용하여 데이터 신호들을 복원할 수 있다. 따라서, 하나의 신호 처리 모듈만으로 복수의 채널들에 연결된 포토 다이오드들의 전류 신호들을 처리할 수 있으므로, 센서 장치의 소모 전력과 회로 면적을 줄이고, 센서 장치의 생산 단가 역시 낮출 수 있다.
다만 실시예들에 따라, 센서 장치가 둘 이상의 신호 처리 모듈을 포함할 수도 있다. 예를 들어, N개의 채널들을 통해 N개의 포토 다이오드들이 연결되는 경우, N/2 개씩 포토 다이오드들을 구분하여 2개의 신호 처리 모듈에 분산 연결할 수도 있다. 이 경우, 신호 처리 모듈들 각각에 연결되는 포토 다이오들의 개수와 그에 따라 신호 처리 모듈들 각각이 처리해야 하는 전류 신호들의 개수를 줄임으로써 센서 장치의 동작 속도를 개선할 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 장치를 간단하게 나타낸 도면이다.
도 14에 도시한 일 실시예에서, 센서 장치(500)는 복수의 포토 다이오드들(PD1-PD4), 신호 처리 모듈(510), 인코더(520) 및 디코더(530) 등을 포함할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이 포토 다이오드들(PD1-PD4)의 개수는 다양하게 변형될 수 있다.
인코더(520)는 복수의 스위치들(SW1, SW2)을 포함하며, 포토 다이오드들(PD1-PD4) 각각은 한 쌍의 스위치들(SW1, SW2)에 연결될 수 있다. 한 쌍의 스위치들(SW1, SW2)의 온/오프는 인코딩 계수들(ENC1-ENC4)에 의해 결정될 수 있다. 일례로, 한 쌍의 스위치들(SW1, SW2)은 동시에 턴-온되지 않을 수 있다. 예를 들어, 한 쌍의 스위치들(SW1, SW2) 중에서 제1 스위치(SW1)가 턴-온되면 제2 스위치(SW2)가 턴-오프되고, 제2 스위치(SW2)가 턴-온되면 제1 스위치(SW1)가 턴-오프될 수 있다.
도 14에 도시한 일 실시예에서, 신호 처리 모듈(510)은 포지티브 입력단(511)과 네거티브 입력단(512)을 통해 차동 신호 방식으로 아날로그 신호들을 입력받을 수 있다. 제1 스위치(SW1)는 포지티브 입력단(511)에 연결되고, 제2 스위치(SW2)는 네거티브 입력단(512)에 연결될 수 있다. 인코더(520)의 동작은, 앞서 도 10 및 도 11a를 참조하여 설명한 바와 유사할 수 있다.
예를 들어, 제1 단위 시간 동안 제1 인코딩 계수(ENC1)에 의해 제1 포토 다이오드(PD1)에 연결된 제1 스위치(SW1)가 턴-온되고, 제2 내지 제4 인코딩 계수들(ENC2-ENC4)에 의해 제2 내지 제4 포토 다이오드들(PD2-PD4)에 연결된 제2 스위치(SW2)가 턴-온될 수 있다. 따라서, 제1 단위 시간 동안 신호 처리 모듈(510)에 입력되는 아날로그 신호(AIN)는 [I1-I2-I3-I4]로 정의될 수 있다. 유사하게, 제2 단위 시간에는 제2 포토 다이오드(PD2)에 연결된 제2 스위치(SW2)가 턴-온되고, 제1, 제3, 제4 포토 다이오드들(PD1, PD3, PD4)에 연결된 제1 스위치(SW1)가 턴-온될 수 있다. 따라서, 앞서 도 10 및 도 11a를 참조하여 설명한 바와 유사하게, 인코더(520)가 동작할 수 있다. 디코더(530)의 동작 역시, 앞서 도 11b를 참조하여 설명한 바와 유사할 수 있다.
도 15 내지 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 장치를 설명하기 위한 비교예이다.
비교예에 따른 센서 장치(600)를 도시한 도 15를 참조하면, 신호 처리 모듈(610)은 아날로그 신호(AIN)를 디지털 신호(DOUT)로 변환할 수 있다. 신호 처리 모듈(610)의 입력단에는 복수의 포토 다이오드들(PD1-PD4)이 복수의 스위치들(SW1-SW4)을 통해 연결될 수 있다.
도 16은 센서 장치(600)의 동작을 설명하기 위한 타이밍 다이어그램이다. 도 16을 참조하면, 제1 내지 제4 시간들(T1-T4) 각각에서 제1 내지 제4 스위치들(SW1-SW4)이 순차적으로 턴-온될 수 있다. 따라서, 제1 내지 제4 전류 신호들(I1-I4)이 순차적으로 신호 처리 모듈(610)에 입력되며, 신호 처리 모듈(610)은 제1 내지 제4 전류 신호들(I1-I4)에 대응하는 디지털 신호들(DOUT1-DOUT4)을 순차적으로 출력할 수 있다.
센서 장치(600)의 동작은, 도 17에 도시한 행렬로 표현될 수 있다. 도 17을 참조하면, 대각 성분들이 모두 1이고, 나머지 성분들은 모두 0인 행렬로 제1 내지 제4 시간들(T1-T4) 동안 제1 내지 제4 스위치들(SW1-SW4)의 동작이 표현될 수 있다. 제1 시간(T1) 동안 제1 스위치(SW1)만이 턴-온되어 제1 전류 신호(I1)가 신호 처리 모듈(610)에 입력되고, 신호 처리 모듈(610)은 제1 전류 신호(I1)를 디지털 변환하여 제1 디지털 신호(DOUT1)를 생성할 수 있다. 제2 내지 제4 시간들(T2-T4) 각각에서도 위와 유사한 동작이 실행될 수 있다.
따라서, 제1 내지 제4 디지털 신호들(DOUT1-DOUT4)에는 신호 처리 모듈(610)의 동작에서 발생하는 노이즈 성분(VN)이 그대로 반영될 수 있다. 본원과 달리 신호 처리 모듈(610)의 입력단과 출력단에 인코더 및 디코더가 연결되지 않는 비교예에서는, 신호 처리 모듈(610)의 동작에서 발생하는 노이즈 성분(VN)이 에버리징되어 감소하는 효과를 기대할 수 없다. 비교예와 마찬가지로 4개의 포토 다이오드들(PD1-PD4)을 포함하는 본 발명의 일 실시예를 설명한 도 11a 및 도 11b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서는 노이즈 성분(VN)이 디코더에서 에버리징되어 비교예와 대비할 때 절반으로 감소할 수 있다. 따라서, 신호 대 잡음비가 우수하고 노이즈 특성이 개선된 센서 장치를 구현할 수 있다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 모바일 기기를 간단하게 나타낸 블록도이다.
도 18을 참조하면, 모바일 기기(1000)는 카메라(1100), 디스플레이(1200), 오디오 처리부(1300), 모뎀(1400), DRAM(1500a, 1500b), 플래시 메모리 장치(1600a, 1600b), 입출력 장치(1700a, 1700b), 센서 장치(1800), 및 어플리케이션 프로세서(Application Processor, 이하 "AP")(1900)를 포함할 수 있다.
모바일 기기(1000)는 랩탑(laptop) 컴퓨터, 휴대용 단말기, 스마트폰, 태블릿 PC, 웨어러블 기기, 헬스케어 기기, 또는 IoT(Internet-of-Things) 기기로 구현될 수 있다. 또한, 모바일 기기(1000)는 서버, 또는 개인용 컴퓨터로 구현될 수도 있다.
모바일 기기(1000)에 포함되는 다양한 구성 요소들은 소정의 클럭에 동기화되어 동작할 수 있다. 예를 들어, 디스플레이(1200)는 미리 정해진 주사율에 따라 화면을 표시할 수 있으며, DRAM(1500a, 1500b)과 플래시 메모리 장치(1600a, 1600b)도 미리 정해진 속도로 데이터를 저장하고 읽어오거나, 외부의 다른 장치들과 주고받기 위해 소정의 클럭에 따라 동작할 수 있다. 입출력 장치(1700a, 1700b), 및 어플리케이션 프로세서(1900) 역시 소정의 클럭에 따라 동작할 수 있다.
카메라(1100)는 사용자의 제어에 따라 정지 영상 또는 동영상을 촬영할 수 있다. 모바일 기기(1000)는 카메라(1100)로 촬영한 정지 영상/동영상을 이용하여 특정 정보를 획득하거나, 정지 영상/동영상을 문자 등과 같은 다른 형태의 데이터로 변환하여 저장할 수 있다. 카메라(1100)는 서로 다른 화각이나 조리개 값 등을 갖는 복수의 카메라들을 포함할 수 있다. 또한, 카메라(1100)는 피사체를 촬영하여 실제 이미지를 생성하는 카메라 외에, 피사체 및/또는 배경의 깊이 정보를 이용하여 깊이 이미지를 생성하는 카메라를 더 포함할 수 있다.
디스플레이(1200)는 터치스크린 기능을 제공하여 모바일 기기(1000)의 입력장치로도 사용될 수 있다. 또한, 디스플레이(1200)는 지문 센서 등과 일체로 제공되어 모바일 기기(1000)의 보안 기능을 제공할 수도 있다. 오디오 처리부(1300)는 플래시 메모리 장치(1600a, 1600b)에 저장된 오디오 데이터나 모뎀(1400) 또는 입출력 장치(1700a, 1700b) 등을 통해 외부에서 수신한 컨텐츠에 포함되는 오디오 데이터를 처리할 수 있다.
모뎀(1400)은 유/무선데이터 송수신을 위하여 신호를 변조하여 송신하는 한편, 외부로부터 수신한 신호를 복조하여 원래 신호를 복구할 수 있다. 입출력 장치(1700a, 1700b)는 디지털 입출력을 제공하는 장치로서, 외부의 기록 매체와 연결 가능한 포트(port), 터치 스크린이나 기계식 버튼 키 등과 같은 입력 장치, 햅틱 등의 방식으로 진동을 출력할 수 있는 출력 장치 등을 포함할 수 있다.
센서 장치(1800)는 외부로부터 다양한 정보를 수집하는 복수의 센서들을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 센서 장치(1800)는 빛의 밝기를 감지하는 조도 센서, 모바일 기기(1000)의 움직임을 감지하는 자이로 센서, 모바일 기기(1000)에 접촉 및/또는 근접한 사용자 신체로부터 생체 정보를 획득하기 위한 멀티 채널 광 센서 등을 포함할 수 있다. 일례로, 멀티 채널 광 센서는 PPG(Photoplethysmography) 센서 및/또는 스펙트로미터 등을 포함할 수 있다.
센서 장치(1800)에 포함되는 멀티 채널 광 센서는 광원과 센서 어레이, 및 센서 어레이가 생성하는 신호를 처리하는 신호 처리 모듈 등을 포함할 수 있다. 일례로, 멀티 채널 광 센서는 앞서 도 3 내지 도 14를 참조하여 설명한 실시예들에 따라 구현될 수 있다. AP(1900)는 멀티 채널 광 센서가 출력하는 데이터 신호들을 이용하여, 사용자 신체에 관한 생체 정보, 예를 들어 맥박, 심박수, 혈중 산소포화도, 혈압 등을 측정하고, 그에 맞는 애플리케이션을 실행할 수 있다.
AP(1900)는 모바일 기기(1000)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 구체적으로, AP(1900)는 플래시 메모리 장치(1600a, 1600b)에 저장된 컨텐츠의 일부가 화면에 표시되도록 디스플레이(1200)를 제어할 수 있다. 또한, AP(1900)는 입출력 장치(1700a, 1700b) 등을 통해 사용자 입력이 수신되면, 사용자 입력에 대응하는 제어 동작을 수행할 수 있다.
일 실시예에서, AP(1900)는 AI 데이터 연산을 위한 전용 회로인 Accelerator 블록(1920)을 포함할 수도 있다. 또는, 실시예들에 따라, 별도의 Accelerator 칩이 AP(1900)와 분리되어 제공될 수도 있으며, Accelerator 블록(1920) 또는 Accelerator 칩에는 DRAM(1500b)이 추가로 연결될 수 있다. Accelerator 블록(1920)은 AP(1900)의 특정 기능을 전문적으로 수행하는 기능 블록으로서, 그래픽 데이터 처리를 전문적으로 수행하는 기능블럭인 GPU(Graphics Processing Unit), AI 계산과 인퍼런스(Inference)를 전문적으로 수행하기 위한 블럭인 NPU(Neural Processing Unit), 데이터 전송을 전문적으로 하는 블록인 DPU(Data Processing Unit) 등을 포함할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
10, 20, 200: 모바일 기기
40, 100, 210, 300, 400, 500: 센서 장치
310, 410, 510: 신호 처리 모듈
320, 420, 520: 인코더
330, 430, 530: 디코더

Claims (20)

  1. 빛에 반응하여 전류 신호들을 생성하는 복수의 포토 다이오드들을 갖는 센서 어레이;
    상기 전류 신호들을 인코딩하여 복수의 아날로그 신호들을 생성하고, 상기 복수의 아날로그 신호들을 순차적으로 출력하는 인코더;
    상기 인코더로부터 수신한 상기 복수의 아날로그 신호들을 신호처리하여 디지털 신호들을 생성하는 신호 처리 모듈; 및
    상기 신호 처리 모듈로부터 수신한 상기 디지털 신호들을 디코딩하여 상기 전류 신호들에 대응하는 복수의 데이터 신호들을 생성하는 디코더; 를 포함하는 센서 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 데이터 신호들은 심박수, 혈중 산호포화도, 및 혈압 중 적어도 하나를 생성하기 위한 생체 정보를 포함하는 센서 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 센서 어레이는, 신체의 혈관에서 반사된 빛에 반응하여 상기 전류 신호들을 생성하는 센서 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 인코더는 소정의 직교 코드에 따라 상기 전류 신호들을 인코딩하여 상기 아날로그 신호들을 생성하며,
    상기 디코더는 상기 직교 코드의 역행렬에 따라 상기 디지털 신호들을 디코딩하여 상기 데이터 신호들을 생성하는 센서 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 포토 다이오드들의 개수는 N개(N은 2 이상의 자연수)이며, 상기 직교 코드는 N x N 행렬로 정의되는 센서 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 인코더는 상기 복수의 포토 다이오드들과 상기 신호 처리 모듈의 입력단 사이에 연결되며, 상기 아날로그 신호들 각각에 소정의 계수를 곱하는 곱셈기들을 포함하는 센서 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 신호 처리 모듈은 포지티브 입력단 및 네거티브 입력단을 포함하며,
    상기 인코더는 상기 복수의 포토 다이오드들과 상기 포지티브 입력단 사이에 연결되는 복수의 포지티브 스위치들, 및 상기 복수의 포토 다이오드들과 상기 네거티브 입력단 사이에 연결되는 복수의 네거티브 스위치들을 포함하는 센서 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 포토 다이오드들 중 하나에 연결된 상기 포지티브 스위치가 턴-온되면, 상기 복수의 포토 다이오드들 중 나머지에 연결된 상기 네거티브 스위치들이 턴-온되는 센서 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 포토 다이오드들이 상기 아날로그 신호들을 출력하는 동안, 상기 복수의 포지티브 스위치들이 순차적으로 턴-온되는 센서 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    빛을 방출하는 발광부; 를 더 포함하고,
    상기 발광부가 턴-온되는 발광 시간은 복수의 단위 시간들을 포함하며,
    상기 인코더는, 상기 복수의 단위 시간들 각각에서 상기 전류 신호들 중 적어도 일부에 서로 다른 계수를 곱하고 합산하여 상기 아날로그 신호들을 순차적으로 생성하는 센서 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 단위 시간들 각각의 길이는, 상기 신호 처리 모듈이 상기 아날로그 신호들 각각을 디지털 도메인으로 변환하는 시간에 대응하는 센서 장치.
  12. 빛에 반응하여 전류 신호들을 생성하는 복수의 포토 다이오드들;
    상기 포토 다이오드들과 복수의 아날로그 채널들을 통해 연결되며, 소정의 직교 코드에 따라 동작하는 곱셈기 및 가산기를 포함하고, 상기 전류 신호들을 인코딩한 복수의 아날로그 신호들을 하나의 입력 채널을 통해 순차적으로 출력하는 인코더;
    상기 입력 채널에 연결되는 입력단을 포함하며, 출력단을 통해 상기 아날로그 신호들에 대응하는 복수의 디지털 신호들을 연속적으로 출력하는 신호 처리 모듈;
    상기 출력단에 연결되며, 상기 직교 코드에 대응하는 직교 행렬의 역행렬에 따라 상기 디지털 신호들을 디코딩한 복수의 데이터 신호들을 복수의 디지털 채널들을 통해 각각 출력하는 디코더; 및
    상기 데이터 신호들을 이용하여 상기 전류 신호들에 대응하는 정보를 생성하는 프로세서; 를 포함하는 센서 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 인코더는, 상기 전류 신호들에 상기 직교 코드로부터 결정되는 인코딩 계수들을 곱하고 합산하여 상기 아날로그 신호들을 생성하는 센서 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 계수들 각각은 0이 아닌 센서 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 계수들 중 하나는 1이고, 상기 계수들 중 나머지는 -1인 센서 장치.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 디코더는, 상기 디지털 신호들에 상기 직교 코드로부터 결정되는 디코딩 계수들을 곱하고 합산하여 상기 데이터 신호들을 생성하는 센서 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 디코딩 계수들 각각의 절대값은, 상기 인코딩 계수들 각각의 절대값보다 작은 센서 장치.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 인코더는, 상기 아날로그 채널들 각각에 연결되는 곱셈기(multiplier), 및 상기 입력 채널에 연결되는 가산기(adder)를 포함하는 센서 장치.
  19. 제12항에 있어서,
    상기 디코더는 상기 디지털 채널들 각각에 연결되는 가산기와 감산기(subtractor), 및 누산기(accumulator)를 포함하는 센서 장치.
  20. 기판;
    상기 기판의 제1면에 실장되며 객체로부터 입사하는 빛에 반응하여 전류 신호들을 생성하는 복수의 포토 다이오드들;
    상기 제1면 또는 상기 제1면과 마주보는 상기 기판의 제2면에 실장되며, 상기 전류 신호들을 복수의 데이터 신호들로 변환하는 신호 처리 장치; 및
    상기 데이터 신호들을 이용하여 생체 정보를 획득하는 프로세서; 를 포함하며,
    상기 신호 처리 장치는, 복수의 입력 채널들을 통해 수신한 상기 전류 신호들을 이용하여 생성한 복수의 아날로그 신호들을 순차적으로 복수의 디지털 신호들로 변환하고, 상기 디지털 신호들을 이용하여 상기 데이터 신호들을 생성하는 모바일 기기.

KR1020210015316A 2021-02-03 2021-02-03 센서 장치, 및 이를 포함하는 모바일 기기 KR20220112327A (ko)

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