WO2019054773A1 - Sensor having enhanced detection capability - Google Patents

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WO2019054773A1
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이상돈
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Definitions

  • the sensor according to the present embodiment has an advantage that it has an extended detection limit compared to the prior art.
  • FIG. 1 is a block diagram showing an outline of a sensor according to the present embodiment.
  • the resistance value of the resistor 230 connected in parallel with the light receiving element PD can be adjusted according to the substance to be detected and its concentration in the sensing system according to the present embodiment.
  • the resistance value of the resistor 230 connected in parallel with the light-receiving element PD can be adjusted so that the equivalent resistance value of the light-receiving element PD is included within the measurement range of the measuring instrument for measuring the equivalent resistance value .
  • the medium in which the plurality of light providing portions 100a, 100b, ..., 100n provide optical stimuli includes one medium including the target, a plurality of mediums including the same target, different concentrations of the same target A plurality of media including one target, a plurality of media comprising different targets, one medium containing different targets, or a plurality of media including different targets.
  • the senor may comprise a plurality of detectors.
  • the sensor may include a plurality of detectors capable of detecting an optical response and a non-optical response, respectively, with respect to the provided stimulus.
  • the sensor may include a plurality of detectors for detecting the reaction in the infrared light band, the reaction in the visible light band, and the reaction in the ultraviolet light band, respectively, with respect to the provided stimulus.

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Abstract

A sensor according to the present embodiment comprises: a light provision unit comprising a light-emitting device for providing an optical stimulus, and a first controllable power source for providing driving power to the light-emitting device; a light detection unit comprising a light-receiving device for detecting an optical response to the optical stimulus and then outputting same as an electric signal, and a second controllable power source for providing driving power to the light-receiving device; and a control unit for controlling the driving powers provided by the first controllable power source and the second controllable power source.

Description

향상된 검출 능력을 가지는 센서Sensors with improved detection capability
본 기술은 센서에 관련된다.The technology relates to sensors.
센서는 검출하고자 하는 타겟의 유무, 농도를 검출한다. 일반적인 센서는 검출 한계(LOD, limit of detection) 내의 타겟을 검출하며, 검출 한계치를 벗어나면 검출하지 못하는 것이 일반적이다. The sensor detects the presence or concentration of the target to be detected. Typical sensors detect targets within the limit of detection (LOD), and are generally not detectable beyond the limits of detection.
타겟을 검출할 수 있는 검출 영역을 확장시키기 위하여 여러 노력이 있었다. 특히 검출 한계를 확장시키기 위하여 포지티브 피드백을 이용하는 구성등이 개발되어 왔다. 이러한 기술에 의하면 타겟을 검출할 수 있는 영역이 비약적으로 증가하나, 포지티브 피드백 구성을 가지는 연산 증폭기(OP-AMP)가 직접 LED를 구동하므로 높은 전압에서도 안정적으로 동작하고, 전압 구동 능력이 향상된 고가의 연산 증폭기를 사용하여야 하며, 그로부터 소모되는 전력이 증가한다. Various efforts have been made to extend the detection region in which the target can be detected. In particular, a configuration using positive feedback to extend the detection limit has been developed. According to this technique, the area where the target can be detected increases dramatically. However, since an operational amplifier (OP-AMP) having a positive feedback structure drives the LED directly, it operates stably even at a high voltage, An operational amplifier must be used, and the power consumed therefrom is increased.
본 실시예는 상기한 점을 해소하기 위한 것이다. 즉, 본 실시예로 해결하고자 하는 과제는 비교적 낮은 가격의 소자를 사용하며, 전력 소모량을 감소시키되, 검출 한계가 증대된 센서를 제공하는 것이다.The present embodiment is for solving the above-mentioned problem. That is, a problem to be solved by the present embodiment is to provide a sensor that uses a relatively low price device, reduces power consumption, and increases the detection limit.
본 실시예에 의한 센서는 자극을 제공하는 액추에이터(actuator)와, 액추에이터에 구동 전력를 제공하는 제1 제어 전원(first controllable power source)을 포함하는 자극 제공부와, 자극에 대한 반응을 검출하여 전기 신호로 출력하는 검출 소자와, 검출 소자에 구동 전력을 제공하는 제2 제어 전원(second controllable power source)을 포함하는 검출부 및 디지털 코드(code)에 상응하여 제1 제어 전원 및 제2 제어 전원이 제공하는 구동 전력을 제어하는 제어부를 포함한다.The sensor according to the present embodiment includes an actuator that provides a stimulus, a stimulus providing unit that includes a first controllable power source that provides a driving power to the actuator, and a controller that detects a response to the stimulus, And a second controllable power source for providing driving power to the detecting element, and a first control power supply and a second control power supply corresponding to a digital code, And a control unit for controlling the driving power.
본 실시예에 따른 센서에 의하면 종래 기술에 비하여 확장된 검출한도를 가진다는 장점이 제공된다.The sensor according to the present embodiment has an advantage that it has an extended detection limit compared to the prior art.
도 1은 본 실시예에 의한 센서의 개요를 도시한 블록도이다. 1 is a block diagram showing an outline of a sensor according to the present embodiment.
도 2는 광학적 자극을 제공하며, 광학적 반응을 검출하는 센서의 개요를 도시한 블록도이다. 2 is a block diagram illustrating an overview of a sensor that provides optical stimulation and detects an optical response.
도 3(a) 및 도 3(b)는 검출부의 개요를 도시한 블록도이다. Fig. 3 (a) and Fig. 3 (b) are block diagrams showing the outline of the detection unit.
도 4(a) 및 도 4(b)는 제어부의 개요를 도시한 블록도이다. 4 (a) and 4 (b) are block diagrams showing the outline of the control unit.
도 5는 다른 실시예에 의한 센서의 개요를 도시한 블록도이다. 5 is a block diagram showing an outline of a sensor according to another embodiment.
도 6(a), 도 6(b)는 센서의 수광 소자의 전류-전압 곡선을 개요적으로 도시한 도면이다.Figs. 6 (a) and 6 (b) schematically show the current-voltage curve of the light-receiving element of the sensor. Fig.
도 7(a)는 센서 동작의 다른 실시예에 의한 수광 소자의 전류-전압 곡선을 개요적으로 도시한 도면이고, 도 7(b)는 본 실시예에 따른 센서로 매질 내에 포함된 타겟 물질의 농도를 검출하는 것을 예시한 도면이다. 7 (a) is a view schematically showing a current-voltage curve of a light-receiving element according to another embodiment of the sensor operation, and Fig. 7 (b) And detecting the concentration. Fig.
도 8은 본 실시예에 의한 센서를 통하여 광학적 반응을 측정한 결과를 예시한 도면이다.FIG. 8 is a diagram illustrating the result of measuring the optical response through the sensor according to the present embodiment.
도 9는 1nM의 BSA에 대한 광학적 반응과 탈이온수에 대한 광학적 반응의 비율을 도시한 도면이다. Figure 9 is a plot showing the optical response to 1 nM BSA and the ratio of optical response to deionized water.
도 10은 음의 저항 영역이 형성되지 않는 센서의 실시예로 타겟을 검출한 결과를 도시한 도면이다. 10 is a diagram showing a result of detection of a target as an embodiment of a sensor in which a negative resistance region is not formed.
본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The description of the present invention is merely an example for structural or functional explanation, and the scope of the present invention should not be construed as being limited by the embodiments described in the text. That is, the embodiments are to be construed as being variously embodied and having various forms, so that the scope of the present invention should be understood to include equivalents capable of realizing technical ideas.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.Meanwhile, the meaning of the terms described in the present application should be understood as follows.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.It should be understood that the singular " include " or " have " are to be construed as including a stated feature, number, step, operation, component, It is to be understood that the combination is intended to specify that it is present and not to preclude the presence or addition of one or more other features, numbers, steps, operations, components, parts or combinations thereof.
본 개시의 실시예들을 설명하기 위하여 참조되는 도면은 설명의 편의 및 이해의 용이를 위하여 의도적으로 크기, 높이, 두께 등이 과장되어 표현되어 있으며, 비율에 따라 확대 또는 축소된 것이 아니다. 또한, 도면에 도시된 어느 구성요소는 의도적으로 축소되어 표현하고, 다른 구성요소는 의도적으로 확대되어 표현될 수 있다.The drawings referred to for explaining embodiments of the present disclosure are exaggerated in size, height, thickness, and the like intentionally for convenience of explanation and understanding, and are not enlarged or reduced in proportion. In addition, any of the components shown in the drawings may be intentionally reduced, and other components may be intentionally enlarged.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.All terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs, unless otherwise defined. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted to be consistent with the meanings in the context of the relevant art and can not be construed as having ideal or overly formal meaning unless explicitly defined in the present application .
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 실시예에 의한 센서(1)를 설명한다. 도 1은 실시예에 의한 센서의 개요를 도시한 블록도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 의한 센서는(1) 매질에 자극(stimulus)을 제공하는 액추에이터(actuator, act)와, 액추에이터(act)에 구동 전력를 제공하는 제1 제어 전원(first controllable power source, 110)을 포함하는 자극 제공부(stimulation source unit, 100)와, 자극에 대한 반응을 검출하는 검출 소자(detection device, det)와, 검출 소자(det)에 구동 전력을 제공하는 제2 제어 전원(second controllable power source, 210)을 포함하는 검출부(detection unit, 200) 및 제1 제어 전원(110) 및 제2 제어 전원(210) 중 어느 하나가 제공하는 전력을 제어하는 제어부(300)를 포함한다.Hereinafter, the sensor 1 according to the present embodiment will be described with reference to the accompanying drawings. 1 is a block diagram showing an outline of a sensor according to an embodiment. Referring to FIG. 1, a sensor according to an embodiment of the present invention includes: (1) an actuator for providing a stimulus to a medium; a first controllable power source for providing a driving power to the actuator; a detection device (det) for detecting a response to a stimulus, a second control for providing driving power to the detection element (det), and a control unit A detection unit 200 including a second controllable power source 210 and a control unit 300 for controlling power provided by either the first control power source 110 or the second control power source 210 .
액추에이터(act)는 제1 제어 전원(110)으로부터 구동 전력 제공받아 타겟을 포함하는 매질(M)에 자극을 제공할 수 있다. 일 실시예로, 액추에이터(act)는 광학적 액추에이터 일 수 있으며, 광학적 액추에이터는 구동 전력을 제공받아 검출 타겟을 포함하는 매질(M)에 광학적 자극을 인가한다. 이하에서는 자외광, 가시광, 적외광 및 레이저 광 중 어느 하나를 제공하는 액추에이터를 광학적 액추에이터라고 정의한다. 일 예로, 광학적 액추에이터는 바이어스를 인가받아 광을 제공하는 발광 다이오드(LED, Light Emitting Diode), 레이저 다이오드(LD, Laser Diode) 등으로 구현될 수 있다.The actuator act may be supplied with driving power from the first control power source 110 to provide a stimulus to the medium M containing the target. In one embodiment, the actuator act may be an optical actuator, and the optical actuator is provided with drive power to apply an optical stimulus to the medium M containing the detection target. Hereinafter, an actuator that provides any one of ultraviolet light, visible light, infrared light, and laser light is defined as an optical actuator. For example, the optical actuator may be implemented by a light emitting diode (LED), a laser diode (LD), or the like, which receives a bias and provides light.
발광 다이오드(LED)는 가시광, 자외광 또는 적외광 파장 대역의 광을 조사할 수 있으며, 레이저 다이오드는 270nm 내지 3330nm 대역 중 특정 대역을 가지는 레이저 광을 조사할 수 있다. 센싱 시스템으로 검출하고자 하는 물질의 특성에 따라 적합한 대역을 가지는 광을 조사하도록 광학적 액추에이터를 구비하는 것이 바람직하다.The light emitting diode (LED) can emit visible light, ultraviolet light, or infrared light in a wavelength band, and the laser diode can emit laser light having a specific band in the range of 270 nm to 3330 nm. It is preferable that the optical system is provided with a sensing system so as to irradiate light having a suitable band according to characteristics of a substance to be detected.
다른 실시예로, 액추에이터(act)는 음파(sonic wave), 초음파(ultrasonic wave), RF(radio frequency), 방사선(radiation), 자기장(magnetic field) 및 전기장(electric field) 등의 비광학적 자극을 인가할 수 있으며, 비광학적 액추에이터는 바이어스를 인가받아 검출물질을 포함하는 매질(200)에 비광학적 자극을 인가한다. 이하에서는 음파(sonic wave), 초음파(ultrasonic wave), RF(radio frequency), 방사선(radiation), 자기장(magnetic field) 및 전기장(electric field) 중 어느 하나를 제공하는 액추에이터를 비광학적 액추에이터라고 정의한다. 비광학적 액추에이터는 음파, 초음파, RF, 방사선, 자기장 또는 전기장 등의 비광학적 자극을 인가할 수 있는 장치로 구현할 수 있다. In another embodiment, the actuator may include a non-optical stimulus such as a sonic wave, an ultrasonic wave, a radio frequency (RF), a radiation, a magnetic field, and an electric field And the non-optical actuator applies a non-optical stimulus to the medium 200 containing the detection substance by being biased. Hereinafter, an actuator that provides any one of a sonic wave, an ultrasonic wave, a radio frequency (RF), a radiation, a magnetic field, and an electric field is defined as a non-optical actuator . Non-optical actuators can be implemented with devices capable of applying non-optical stimuli such as sonic waves, ultrasound, RF, radiation, magnetic fields or electric fields.
광학적 액추에이터는 광학적 자극을 인가하며, 비광학적 액추에이터는 비광학적 자극을 인가할 따름으로, 각각의 액추에이터는 바이어스를 인가받아 그에 상응하는 정도의 자극을 제공하는 공통된 기능을 수행한다. The optical actuator applies an optical stimulus and the non-optical actuator applies a non-optical stimulus so that each actuator performs a common function of being biased and providing a corresponding degree of stimulus.
검출부(200)는 제2 제어 전원(210)과, 제2 제어 전원(210)으로부터 구동 전력을 제공받고, 자극에 대한 매질(M)의 반응을 검출하는 검출 소자(detection device, det)를 포함한다. 일 실시예로, 검출 소자(det)는 매질(M)의 광학적 반응을 검출하여 전기적 신호로 출력하는 광검출 소자일 수 있다. 일 예로, 검출 소자는 포토 다이오드(photo diode), 포토 트랜지스터 및 PMT(PhotoMultiplier Tube) 일 수 있으며, 제2 제어 전원(210)으로부터 구동 전력을 제공받고, 매질의 광학적 반응을 검출하여 상응하는 전기적 신호로 출력한다. The detection unit 200 includes a second control power source 210 and a detection device det that receives drive power from the second control power source 210 and detects a reaction of the medium M with respect to a stimulus do. In one embodiment, the detecting element det may be a photodetecting element for detecting the optical response of the medium M and outputting it as an electrical signal. For example, the sensing element may be a photodiode, a phototransistor, and a PMT (PhotoMultiplier Tube), is supplied with driving power from a second control power supply 210, detects the optical response of the medium and generates a corresponding electrical signal .
다른 실시예로, 검출 소자(det)는 매질의 비광학적 반응을 검출하여 전기적 신호를 출력하는 비광학적 검출 소자일 수 있다. 일 예로 비광학적 검출 소자는 매질(M)에 제공된 음파, 초음파에 대한 매질 및 타겟의 물리적 변화를 검출하는 센서일 수 있으며, 매질(M)에 제공된 전기장, 자기장에 대하여 매질 및 타겟 중 어느 하나의 전기적, 자기적, 물리적 변화를 검출하는 센서 일수 있다. 또한, 일 예로 비광학적 검출 소자는 매질(M)에 제공된 방사선에 대한 매질 및 타겟의 물리적 변화, 방사선의 투과도 등을 검출하는 센서일 수 있다.In another embodiment, the detecting element det may be a non-optical detecting element which detects the non-optical response of the medium and outputs an electrical signal. As an example, the non-optical detecting element may be a sensor for detecting a sound wave provided to the medium M, a medium for the ultrasonic wave and a physical change of the target, and an electric field provided to the medium M, It may be a sensor that detects electrical, magnetic, or physical changes. In addition, for example, the non-optical detecting element may be a sensor for detecting the medium for the radiation applied to the medium M and the physical change of the target, the transmittance of the radiation, and the like.
이하에서는 설명의 편의를 위하여 도 2로 예시된 것과 같이 광학적 액추에이터로 매질(M)에 광학적 자극을 인가하며, 검출부(200)는 광학적 자극에 대한 광학적 반응을 검출하는 실시예를 위주로 설명한다. 다만, 이것은 매질에 비광학적 자극인 방사능을 제공하여 광학적 반응을 검출하거나, 매질에 비광학적 자극인 전기장을 제공하여 비광학적 반응인 전기장 감쇄율을 검출하는 등의 실시예를 배제하는 것이 아니다. 단순히 용이한 설명을 위한 것으로, 본 발명에 의한 권리범위를 한정하고자 하는 것이 아니다. Hereinafter, for convenience of explanation, an optical stimulus is applied to the medium M by an optical actuator as illustrated in FIG. 2, and the detection unit 200 mainly focuses on an embodiment for detecting an optical response to an optical stimulus. However, this does not exclude embodiments such as detecting an optical reaction by providing radioactivity as a non-optical stimulus to the medium, or detecting an electric field decay rate as a non-optical reaction by providing an electric field as a non-optical stimulus to the medium. And is not intended to limit the scope of the invention in any way.
도 2를 참조하면, 발광 소자(LED)는 제1 제어 전원(110)으로부터 바이어스 전류가 제공되어 매질(M)에 광학적 자극을 제공하며, 광학적 자극의 크기(intensity)는 제공된 바이어스 전류에 상응할 수 있다. 또한, 발광 소자(LED)는 문턱값(threshold value)을 가질 수 있으며, 문턱값 아래의 전압 혹은 전류가 제공되면 광학적 자극을 제공하지 않을 수 있다. 다른 예로, 발광 소자는 270nm 내지 3330nm 대역 중 특정 대역을 가지는 레이저 광을 조사할 수 있다.Referring to FIG. 2, a light emitting device (LED) is provided with a bias current from a first control power supply 110 to provide an optical stimulus to the medium M, and the intensity of the optical stimulus corresponds to the provided bias current . Also, the light emitting device (LED) may have a threshold value and may not provide an optical stimulus if a voltage or current below the threshold is provided. As another example, the light emitting element can irradiate laser light having a specific band in the 270 nm to 3330 nm band.
광학적 자극은 검출 타겟에 제공된다. 타겟은 일 예로, 매질(M)에 포함될 수 있다. 타겟에 광학적 자극이 제공되면 타겟은 광학적으로 반응한다. 일 예로, 광학적 반응은 흡광, 축광, 산란, 반사 및 투광 중 어느 하나 이상일 수 있다. 광학적 반응의 일 예로, BSA(Bovine Serum Albumin)는 270~280nm의 광을 흡수하는 특징을 가진다. 따라서 BSA를 포함하는 매질에 275nm 파장을 가지는 레이저를 조사하면 BSA는 인가된 광학적 자극에 대하여 인가된 광을 흡수하는 광학적 반응을 한다. The optical stimulus is provided to the detection target. The target may be included in the medium M as an example. When the target is provided with an optical stimulus, the target is optically responsive. In one example, the optical reaction may be any one or more of light absorption, phosphorescence, scattering, reflection, and floodlighting. As an example of the optical reaction, BSA (Bovine Serum Albumin) has a characteristic of absorbing light of 270 to 280 nm. Therefore, when a laser beam having a wavelength of 275 nm is irradiated to a medium containing BSA, the BSA performs an optical reaction to absorb the applied light to the applied optical stimulus.
다만, 이는 단순히 설명을 위한 예일 따름으로, 검출물질과 검출물질에 인가하는 광학적 자극 및 검출물질에 따라 발생하는 광학적 자극에 대한 광학적 반응은 상이할 수 있다. However, this is merely an example for explanation, and optical responses to optical stimuli generated depending on the detection substance and the detection substance and the optical stimulus to be applied to the detection substance may be different.
수광 소자(PD)는 광학적 반응을 검출하여 상응하는 전기적 신호로 출력한다. 일 실시예로, 수광 소자(PD)는 구동 전력을 제공하는 제2 제어 전원(210)로부터 바이어스 전류를 제공받을 수 있다. The light receiving element PD detects the optical response and outputs it as a corresponding electrical signal. In one embodiment, the light receiving element PD may be provided with a bias current from a second control power supply 210 that provides drive power.
본 실시예에 의한 센서는 발광 소자(LED), 수광 소자(PD)에 제공되는 바이어스 전류를 변화(sweep)시키면서 매질이 제공하는 광학적 반응을 검출한다. 후술할 바와 같이, 바이어스 전류가 변화함에 따라 광 검출기(300)는 음의 저항 특성을 가질 수 있다.The sensor according to this embodiment detects the optical response provided by the medium while sweeping the bias current provided to the light emitting element (LED) and the light receiving element (PD). As will be described later, the photodetector 300 may have a negative resistance characteristic as the bias current changes.
센서는 수광 소자(PD)와 병렬로 연결된 전압 클램핑 소자(220)를 더 포함할 수 있다. 역방향으로 바이어스되어 구동되는 포토 다이오드의 특성상 항복 전압(breakdown voltage) 인근에서 동작하여야 포토 다이오드(PD)로부터 충분히 큰 전류를 얻을 수 있다. 그러나, 역방향 바이어스에 의한 항복 현상이 발생할 수 있어 포토 다이오드 동작의 신뢰성에 문제가 있을 수 있다.The sensor may further include a voltage clamping element 220 connected in parallel with the light receiving element PD. Due to the characteristics of the photodiode driven in the reverse direction, it is necessary to operate near the breakdown voltage so that a sufficiently large current can be obtained from the photodiode PD. However, yielding due to reverse bias may occur, which may cause a problem in the reliability of the photodiode operation.
수광 소자(PD)에 제공되는 역방향 전압이 낮으면서도 충분히 큰 전류를 제공하기 위하여 수광 소자에 인가되는 전압 값이 목적하는 전압 이상으로 증가하는 것을 막아 클램핑하는 전압 클램핑 소자(220)를 포토 다이오드에 병렬로 연결한다. 전압 클램핑 소자는 양단에 제공되는 전압값이 미리 정하여진 클램핑 전압값 이상으로 상승하는 것을 막는다. 따라서, 미리 정하여진 클램핑 전압을 가지는 전압 클램핑 소자를 포토 다이오드에 병렬로 연결하여 포토 다이오드의 신뢰성이 문제될 정도로 역방향 전압이 인가되는 것을 방지할 수 있다.The voltage clamping element 220 for clamping the voltage value applied to the light receiving element by preventing the voltage value applied to the light receiving element from increasing beyond the target voltage is provided in parallel to the photodiode PD to provide a sufficiently large current, . The voltage clamping element prevents the voltage value provided at both ends from rising above a predetermined clamping voltage value. Therefore, a voltage clamping element having a predetermined clamping voltage can be connected to the photodiode in parallel to prevent reverse voltage from being applied to the photodiode so that the reliability of the photodiode becomes problematic.
일 실시예로, 전압 클램핑 소자는 도 3(a)로 예시된 것과 같이 제너 항복(Zener breakdown) 현상을 이용하는 제너 다이오드로 구현될 수 있다. 제너 항복 전압 이상의 전압이 제너 다이오드에 역방향으로 인가되면 제너 항복 현상이 일어나 역방향 전류가 차단되지 못하고 전류가 흐르고, 전압이 클램핑되어 제너 다이오드 양단에 제너 항복 전압 이상의 전압이 인가되는 것을 막을 수 있다. 따라서, 포토 다이오드와 병렬로 제너 다이오드를 연결하면 포토 다이오드의 신뢰성이 문제되는 전압 이상으로 전압을 인가하지 않고도 충분한 전류를 제공할 수 있다는 장점이 제공된다. In one embodiment, the voltage clamping element may be implemented as a zener diode utilizing the zener breakdown phenomenon as illustrated in Figure 3 (a). When a voltage equal to or higher than the Zener breakdown voltage is applied to the Zener diode, the Zener breakdown phenomenon occurs and the reverse current can not be blocked. Therefore, current flows and the voltage is clamped to prevent a voltage exceeding the Zener breakdown voltage from being applied across the Zener diode. Thus, connecting the zener diode in parallel with the photodiode provides the advantage that the reliability of the photodiode can provide sufficient current without applying a voltage above the problematic voltage.
센서는 도 3(b)로 예시된 것과 같이 수광 소자(PD)와 병렬로 연결된 저항(230)을 더 포함할 수 있다. 일 예로, 타겟의 광학적 반응을 검출하여 수광 소자 양단 전압이 0~수십V로 변화할 때, 전류값은 대략 수십 nA의 변화하며, 해당 구간 동안에서의 평균 저항값은 대략 수~수십 GΩ으로 연산된다. The sensor may further include a resistor 230 connected in parallel with the light receiving element PD as illustrated in Fig. 3 (b). For example, when the optical response of the target is detected and the voltage across the light receiving element changes from 0 to several tens V, the current value changes by approximately several tens nA, and the average resistance value during the corresponding period is approximately several to several tens of GΩ do.
어느 한 저항의 저항값이 다른 저항의 저항값에 비하여 큰 두 저항을 병렬로 연결하면 병렬로 연결된 저항들의 등가 저항값은 두 저항 중 더 작은 저항값으로 근사된다. 따라서, 큰 저항값을 가지는 수광 소자(PD)와 그보다 작은 저항값을 저항을 병렬로 연결하면 병렬로 연결된 회로의 등가 저항값은 낮은 저항값으로 근사될 수 있으며, 고가의 측정 장비를 이용하지 않고 용이하게 측정할 수 있는 영역으로 등가저항을 형성할 수 있다. If the resistance of one resistor is larger than the resistance of other resistors, the equivalent resistance value of the resistors connected in parallel is approximated to the smaller resistance value of the two resistors. Therefore, the equivalent resistance value of the light receiving element PD having a large resistance value and the resistance value smaller than the resistance value can be approximated to a low resistance value by connecting the resistors in parallel, without using an expensive measuring device An equivalent resistance can be formed as an area that can be easily measured.
일 실시예로, 수광 소자(PD)와 병렬로 연결되는 저항(230)의 저항값은 본 실시예에 따른 센싱 시스템으로 검출하고자 하는 물질 및 그 농도에 따라 조절될 수 있다. 다른 예로, 수광 소자(PD)와 병렬로 연결되는 저항(230)의 저항값은 수광 소자(PD)의 등가 저항값이 상기 등가 저항값을 측정하는 측정 장비의 측정 범위 내에 포함되도록 조절될 수 있다. In one embodiment, the resistance value of the resistor 230 connected in parallel with the light receiving element PD can be adjusted according to the substance to be detected and its concentration in the sensing system according to the present embodiment. As another example, the resistance value of the resistor 230 connected in parallel with the light-receiving element PD can be adjusted so that the equivalent resistance value of the light-receiving element PD is included within the measurement range of the measuring instrument for measuring the equivalent resistance value .
도 4(a) 및 도 4(b)는 제어부(300)의 실시예를 도시한 개요도이다. 도 4(a)로 예시된 실시예에서, 제어부(300)는 디지털-아날로그 변환기(310)를 포함한다. 디지털-아날로그 변환기(310)는 센서 외부에서 디지털 코드(code)를 제공받고, 상응하는 제어 전압(Vcon1, Vcon2)를 제공하여 제1 제어 전원(110) 및 제2 제어 전원(210)을 제어한다. 도 4(b)로 예시된 실시예에서, 제어부(300)는 코드(code)를 저장하는 메모리(320)를 더 포함한다. 디지털 아날로그 변환기(310)는 메모리(320)로부터 디지털 코드(code)를 제공받고, 코드에 상응하는 제어 전압(Vcon1, Vcon2)를 제공하여 제1 제어 전원(110) 및 제2 제어 전원(210)을 제어한다. 4 (a) and 4 (b) are schematic diagrams showing an embodiment of the control unit 300. As shown in FIG. In the embodiment illustrated by FIG. 4 (a), the control unit 300 includes a digital-to-analog converter 310. The digital-to-analog converter 310 receives the digital code from the outside of the sensor and provides the corresponding control voltages Vcon1 and Vcon2 to control the first control power supply 110 and the second control power supply 210 . In the embodiment illustrated by Fig. 4 (b), the control unit 300 further includes a memory 320 for storing codes. The digital-to-analog converter 310 receives the digital code from the memory 320 and provides the control voltages Vcon1 and Vcon2 corresponding to the codes to generate the first control power 110 and the second control power 210, .
일 실시예로, 제어부(300)는 도 4로 도시된 바와 같이 디지털 아날로그 변환기(310)를 포함할 수 있다. 디지털 아날로그 변환기(310)는 외부에서 제어 코드(code)를 제공받아, 상응하는 제어 전압(Vcon1, Vcon2)를 형성한다. 형성된 제어 전압(Vcon1, Vcon2)는 제1 제어 전원(110) 및 제2 제어 전원(210)에 제공된다. 도시되지 않았지만, 디지털 아날로그 변환기(310)는 복수의 광제공부들(100a, 100b, ..., 100n)에 제어 전압을 제공할 수 있다.In one embodiment, the controller 300 may include a digital-to-analog converter 310 as shown in FIG. The digital-to-analog converter 310 receives a control code from the outside to form corresponding control voltages Vcon1 and Vcon2. The formed control voltages Vcon1 and Vcon2 are provided to the first control power supply 110 and the second control power supply 210. [ Although not shown, the digital-to-analog converter 310 may provide a control voltage to the plurality of photodetectors 100a, 100b, ..., 100n.
제어부(300)는 외부에서 제공된 디지털 코드(code)에 따라 제1 제어 전원(110) 및 제2 전원(210)이 제공하는 바이어스 전류의 값이 스윕(sweep)하도록 제1 제어 전원(110) 및 제2 제어 전원(210)에 제공되는 제어 전압(Vcon1, Vcon2)를 제공한다. 일 예로, 제어부(300)가 제공하는 제어 전압(Vcon1)과 제어 전압(Vcon2)는 발광 소자(LED)와 수광 소자(PD)에 제공되는 바이어스 전류가 함께 증가하도록 제1 제어 전원(110)과 제2 제어 전원(210)에 제공된다. The control unit 300 controls the first control power 110 and the second control power to sweep the value of the bias current provided by the first control power source 110 and the second power source 210 according to an externally provided digital code, And provides the control voltages Vcon1 and Vcon2 provided to the second control power supply 210. [ For example, the control voltage Vcon1 and the control voltage Vcon2 provided by the controller 300 may be controlled by the first control power source 110 and the second control power source 110 so that the bias currents supplied to the light emitting element LED and the light receiving element PD are increased, And is supplied to the second control power supply 210.
일 예로, 제어부(300)는 제1 제어 전원(110)이 발광 다이오드(LED)에 제공하는 전류가 선형적으로 증가하고, 제2 제어 전원(210)이 수광 소자(PD)에 제공하는 전류가 선형적으로 증가하거나 비선형적으로 증가하도록 제어 전압(Vcon1)과 제어 전압(Vcon2)을 제공한다. For example, when the current supplied from the first control power supply 110 to the light emitting diode (LED) linearly increases and the second control power supply 210 supplies the current to the light receiving element PD The control voltage Vcon1 and the control voltage Vcon2 are provided so as to increase linearly or nonlinearly.
다른 예로, 제어부(300)는 제1 제어 전원(110)이 발광 다이오드(LED)에 제공하는 전류가 비선형적으로 증가하고, 제2 제어 전원(210)이 수광 소자(PD)에 제공하는 전류가 선형적으로 증가하거나, 비선형적으로 증가하도록 제어 전압(Vcon1)과 제어 전압(Vcon2)을 제공한다.As another example, the control unit 300 determines that the current supplied to the light emitting diode (LED) by the first control power supply 110 increases in a non-linear manner and the current supplied to the light receiving element PD by the second control power supply 210 The control voltage Vcon1 and the control voltage Vcon2 are provided so as to increase linearly or nonlinearly.
제1 제어 전원(110)이 발광 다이오드(LED)에 제공하는 전류, 제2 제어 전원(210)이 수광 소자(PD)에 제공하는 전류가 증가하는 경우를 예시하였으나, 반대로 제1 제어 전원(110)이 발광 다이오드(LED)에 제공하는 전류, 제2 제어 전원(210)이 수광 소자(PD)에 제공하는 전류가 증가하는 경우에도 유사하게 적용될 수 있다. The current supplied to the light emitting diode LED by the first control power supply 110 and the current supplied by the second control power supply 210 to the light receiving element PD are increased. May be similarly applied to the case where the current supplied to the light emitting diode (LED) and the current supplied to the light receiving element PD by the second control power supply 210 increase.
도 2 및 도 4로 예시된 실시예에서, 제1 제어 전원(110) 및 제2 제어 전원(210)은 제어 전류원(controllable current source)으로 도시되어 있으나, 이는 일 실시예일 따름이며, 제1 제어 전원(110) 및 제2 제어 전원(210)은 제어 전압원(controllable voltage source)일 수 있다. 2 and 4, the first control power supply 110 and the second control power supply 210 are shown as a controllable current source, but this is only one embodiment, The power source 110 and the second control power source 210 may be a controllable voltage source.
도 5는 본 실시예에 의한 센서(2)의 개요를 도시한 블록도이다. 도 5를 참조하면, 센서(2)는 복수의 광 제공부들(100a, 100b, ..., 100n)을 포함할 수 있다. 일 실시예로, 복수의 광 제공부들(100a, 100b, ..., 100n)은 서로 다른 광학적 자극을 제공할 수 있다. 일 예로, 광제공부 100a는 자외선 자극을 제공할 수 있으며, 광제공부 100b는 청색 대역의 광학적 자극을 제공할 수 있고, 광제공부 100n은 적색 대역의 광학적 자극을 제공할 수 있다. 복수의 광 제공부들(100a, 100b, ..., 100n)이 광학적 자극을 제공하는 매질은 타겟을 포함하는 하나의 매질, 동일한 타겟을 포함하는 복수의 매질들, 서로 다른 농도의 동일한 타겟을 포함하는 복수의 매질들, 서로 다른 타겟들을 포함하는 하나의 매질 또는 서로 다른 타겟을 포함하는 복수의 매질들일 수 있다. 5 is a block diagram showing the outline of the sensor 2 according to the present embodiment. Referring to FIG. 5, the sensor 2 may include a plurality of light providing units 100a, 100b, ..., 100n. In one embodiment, the plurality of light providing portions 100a, 100b, ..., 100n may provide different optical stimuli. In one example, the photodetector 100a may provide an ultraviolet stimulus, the photodetector 100b may provide an optical stimulus in the blue band, and the photodetector 100n may provide an optical stimulus in the red band. The medium in which the plurality of light providing portions 100a, 100b, ..., 100n provide optical stimuli includes one medium including the target, a plurality of mediums including the same target, different concentrations of the same target A plurality of media including one target, a plurality of media comprising different targets, one medium containing different targets, or a plurality of media including different targets.
다른 실시예로, 복수의 광 제공부들(100a, 100b, ..., 100n)은 서로 다른 매질에 광학적 자극을 제공할 수 있다. 일 예로, 광제공부 100a는 타겟이 제1 농도로 포함된 매질(Ma)에 광학적 자극을 제공할 수 있으며, 광제공부 100b는 타겟이 제2 농도로 포함된 매질(Mb)에 광학적 자극을 제공할 수 있으며, 광제공부 100n는 타겟이 제3 농도로 포함된 매질(Mn)에 광학적 자극을 제공할 수 있다.In another embodiment, the plurality of light providing portions 100a, 100b, ..., 100n may provide optical stimuli to different media. In one example, the photodetector 100a may provide an optical stimulus to the medium Ma in which the target is contained at the first concentration, and the photodetector 100b may provide an optical stimulus to the medium Mb in which the target is contained at the second concentration And the photodetector 100n may provide an optical stimulus to the medium (Mn) in which the target is contained at the third concentration.
도시되지 않은 다른 실시예에 의하면, 센서는 하나 이상의 광 제공부들과 하나 이상의 비광학적 액추에이터를 포함하여 자극을 제공할 수 있으며, 센서는 하나 이상의 광학적 검출 소자와 하나 이상의 비광학적 검출 소자를 이용하여 자극에 대한 매질의 반응을 검출할 수 있다.According to another embodiment, which is not shown, the sensor may include one or more light-providing portions and one or more non-optical actuators to provide a stimulus, wherein the sensor is configured to detect stimulation using one or more optical sensing elements and one or more non- Can be detected.
도시되지 않은 또 다른 실시예에 의하면, 센서는 복수의 검출부를 포함할 수 있다. 일 예로, 센서는 제공된 자극에 대하여 광학적 반응과 비광학적 반응을 각각 검출할 수 있는 복수의 검출부들을 포함할 수 있다. 다른 예로, 센서는 제공된 자극에 대하여 적외광 대역에서의 반응, 가시 광선 대역에서의 반응 및 자외광 대역에서의 반응을 각각 검출하는 복수의 검출부들을 포함할 수 있다.According to yet another embodiment not shown, the sensor may comprise a plurality of detectors. In one example, the sensor may include a plurality of detectors capable of detecting an optical response and a non-optical response, respectively, with respect to the provided stimulus. As another example, the sensor may include a plurality of detectors for detecting the reaction in the infrared light band, the reaction in the visible light band, and the reaction in the ultraviolet light band, respectively, with respect to the provided stimulus.
제2 제어 전원(110)이 검출 소자(det) 제공하는 바이어스의 증가율에 비하여 제1 제어 전원(110)이 액추에이터(act)에 제공하는 바이어스의 증가율이 작은 경우에, 검출 소자는 음의 저항 특성을 가진다. 제1 제어 전원(110)이 액추에이터(act)에 제공하는 바이어스의 증가율이 점차 증가함에 따라 음의 저항 특성은 나타나지 않을 수 있다. When the rate of increase of the bias provided by the first control power supply 110 to the actuator act is smaller than the rate of increase of the bias provided by the second control power supply 110 by the detecting element det, . The negative resistance characteristic may not appear as the rate of increase of the bias supplied to the actuator act by the first control power supply 110 gradually increases.
또한, 매질에 포함된 타겟의 특징, 농도 및 광학적 성질 혹은 비광학적 성질에 따라 음의 저항 특성이 나타나거나 나타나지 않을 수 있다. 일 예로, 검출 소자의 전류-전압 특성이 음의 저항 특성을 나타내도록 검출 소자(det) 및 액추에이터(act)에 바이어스가 제공되도록 설정된 경우에도 매질의 특징, 농도 및 광학적 성질에 따라 음의 저항 특성이 나타나지 않을 수 있다. 또한, 검출 소자의 전류-전압 특성이 음의 저항 특성을 나타내지 않도록 검출 소자(det) 및 액추에이터(act)에 바이어스가 제공되도록 설정된 경우에도 매질의 특징, 농도 및 광학적 성질에 따라 음의 저항 특성이 나타날 수 있다. In addition, negative resistance characteristics may or may not appear depending on the characteristics, concentration and optical or non-optical properties of the target contained in the medium. For example, even when the bias is provided to the detecting element det and the actuator act so that the current-voltage characteristic of the detecting element exhibits a negative resistance characteristic, the negative resistance characteristic May not appear. Further, even when the bias is provided to the detecting element det and the actuator act so that the current-voltage characteristic of the detecting element does not exhibit the negative resistance characteristic, negative resistance characteristic is obtained depending on the characteristic, concentration and optical property of the medium .
일 예로, 매질에 포함된 타겟의 광학적 성질은 분산, 흡광, 산란, 축광등의 성질일 수 있다.For example, the optical properties of the target included in the medium may be such as dispersion, absorption, scattering, and phosphorescence.
도 6(a), 도 6(b)는 센서 동작의 일 실시예에 따른 수광 소자의 전류-전압 곡선을 개요적으로 도시한 도면이다. 도 6(a) 및 도 6(b)를 참조하여 본 실시예에 의한 센서 동작을 설명한다. 도 6(a) 및 도 6(b)로 예시된 실시예에서, 수광 소자(PD)는 포토 다이오드(photodiode)이고, 발광 소자(LED)는 발광 다이오드이다. 6 (a) and 6 (b) are diagrams schematically showing a current-voltage curve of a light-receiving element according to an embodiment of the sensor operation. The sensor operation according to this embodiment will be described with reference to Figs. 6 (a) and 6 (b). 6A and 6B, the light receiving element PD is a photodiode, and the light emitting element (LED) is a light emitting diode.
도 6(a)를 참조하면, 제1 제어 전원(110)이 발광 소자(LED)에 제공하는 바이어스 전류가 발광 소자(LED)의 문턱 값에 이르지 않아 턴 오프된 상태에서, 제2 제어 전원(210)이 수광 소자(PD)에 제공하는 바이어스 전류에 의한 역전압(reverse bias)가 증가함에 따라 수광 소자의 역방향 포화 전류가 증가한다. 이는 종래 수광 소자(PD)의 전류-전압 특성에 상응한다.6A, in a state where the bias current provided by the first control power supply 110 to the light emitting element (LED) does not reach the threshold value of the light emitting element (LED) and is turned off, the second control power supply The reverse saturation current of the light receiving element increases as the reverse bias by the bias current provided to the light receiving element PD increases. This corresponds to the current-voltage characteristic of the conventional light receiving element PD.
제1 제어 전원(110)에 의하여 발광 소자(LED)에 제공되는 전압이 증가하여 발광 소자(LED)인 문턱 전압을 넘어서면 발광 소자(LED)는 턴 온되어 타겟을 포함하는 매질(M)에 광학적 자극을 제공한다. 타겟은 광학적 자극을 제공받아 광학적으로 반응하며, 수광 소자(PD)는 광학적 반응을 검출하여 전류의 형태로 제공한다. When the voltage supplied to the light emitting element (LED) is increased by the first control power supply 110 to exceed the threshold voltage which is the light emitting element (LED), the light emitting element (LED) is turned on, Provides optical stimulation. The target is optically reacted by receiving an optical stimulus, and the light-receiving element (PD) detects the optical reaction and provides it in the form of current.
수광 소자(PD)를 통하여 흐르는 전류의 성분에는 역방향 포화 전류 성분 뿐만 아니라 광학적 자극에 의한 전류 성분이 더 포함되므로, 역방향 포화 전류를 형성하기 위한 전압은 감소하여 수광 소자(PD)의 전류-전압 특성과 전압 차이(Vdiff)를 형성한다.Since the component of the current flowing through the light receiving element PD includes not only the inverse saturation current component but also the current component due to the optical stimulus, the voltage for forming the reverse saturation current decreases, And a voltage difference Vdiff.
나아가, 발광 소자(LED)에 제공되는 바이어스 전류가 점차 증가하면, 발광 소자가 제공하는 광학적 자극의 강도(intensity)가 증가하여 수광 소자가 광학적 반응을 검출하여 출력하는 전류 성분도 증가하여야 한다. 이를 보상하기 위해 광 검출기 양단의 전압이 점차 감소하여야 한다. 따라서 수광 소자(PD) 양단의 전압(Vpd)은 감소하는 방향으로 이동한다. 결과적으로, 발광 소자(LED)가 턴 온 된 시점(S) 이후, 수광 소자(PD)는 음의 저항(negative resistance) 특성을 보인다. Further, when the bias current provided to the light emitting device (LED) gradually increases, the intensity of the optical stimulus provided by the light emitting device increases, so that the current component that the light receiving device detects and outputs the optical reaction must also increase. To compensate for this, the voltage across the photodetector must gradually decrease. Therefore, the voltage Vpd across the light receiving element PD is shifted in the decreasing direction. As a result, after the point S at which the light emitting element LED is turned on, the light receiving element PD exhibits a negative resistance characteristic.
도 6(b)는 본 실시예에 의한 센서로 서로 다른 농도로 포함된 타겟을 검출한 경우에, 수광 소자(PD)의 전류 전압 곡선을 도시한 도면이다. 도 6(b)를 참조하면, 센서에 포함된 발광 소자(LED의 턴 온 시점(S) 이전까지는 종래의 수광 소자와 동일한 전류 전압 관계를 보인다. 그러나, 발광 소자(LED가 턴 온된 시점(S) 이후, 타겟에 광학적 자극이 제공되면, 타겟의 농도에 따라 광학적 반응의 크기, 반응의 강도가 달리 형성된다. 따라서, 수광 소자(210)는 광학적 반응에 상응하여 서로 다른 전류-전압 곡선을 생성한다.6 (b) is a graph showing the current-voltage curve of the light-receiving element PD when a target according to the present embodiment is detected at different concentrations. 6 (b), the current-voltage relationship is the same as that of the conventional light-receiving element until the turn-on time S of the LED is included in the sensor. However, The light receiving element 210 may generate different current-voltage curves corresponding to the optical response, and may generate different current-voltage curves corresponding to the optical response. do.
따라서, 발광 소자(LED)가 턴 온 된 시점 이후, 매질에 포함된 타겟의 농도에 따라 수광 소자(PD)에 동일한 전류가 흐른다고 하더라도 양단의 전압(Vpd)이 상이할 수 있으며, 이를 검출하여 타겟의 농도를 파악할 수 있다. 다른 예로, 수광 소자(PD) 양단의 전압(Vpd)이 동일한 경우에도 수광 소자(PD)를 통하여 흐르는 전류는 상이할 수 있으며, 이를 검출하여 타겟의 농도를 파악할 수 있다. 또 다른 예로, 수광 소자(PD)에서 음의 저항 특성이 시작되는 전류값과 전압값을 검출하여 타겟의 농도를 파악할 수 있다.Therefore, even if the same current flows in the light receiving element PD according to the concentration of the target included in the medium after the light emitting element LED is turned on, the voltage Vpd at both ends may be different, The concentration of the target can be grasped. As another example, even when the voltage Vpd across the light receiving element PD is the same, the current flowing through the light receiving element PD may be different, and the concentration of the target can be detected by detecting the current. As another example, the concentration of the target can be determined by detecting the current value and the voltage value at which the negative resistance characteristic starts in the light-receiving element PD.
도 7(a)는 센서 동작의 다른 실시예에 의한 수광 소자의 전류-전압 곡선을 개요적으로 도시한 도면이다. 도 7(a) 및 도 7(b)로 예시된 실시예에서, 수광 소자(PD)는 포토 다이오드(photodiode)이고, 발광 소자(LED)는 발광 다이오드이다. 최초 동작시 액추에이터의 문턱값보다 큰 전압이 공급되는 경우와 같이 발광 소자가 켜지는 경우에는 음의 저항 영역이 형성되지 않을 수 있다. 7A is a diagram schematically showing a current-voltage curve of a light-receiving element according to another embodiment of the sensor operation. 7A and 7B, the light receiving element PD is a photodiode, and the light emitting element (LED) is a light emitting diode. A negative resistance region may not be formed when the light emitting element is turned on, such as when a voltage higher than the threshold value of the actuator is supplied during the initial operation.
수광 소자(PD)의 전류 전압 곡선은 도 7(a)와 같은 형태를 가질 수 있다. 일 예로, dark로 표시된 경우는 수광 소자로 광학적 반응이 전혀 전달되지 않은 경우를 나타내며, 이러한 경우 수광 소자(PD)에 흐르는 전류(Ipd)는 양단의 전압(Vpd)에 대한 역방향 포화 전류 성분이다. air로 표시된 경우는, 매질이 없는 상태로 수광 소자가 매질없이 발광 소자가 제공한 광학적 자극을 전부 검출한 경우를 나타내며, 음의 저항을 나내는 것을 확인할 수 있다. 수광 소자가 타겟을 포함하는 매질의 광학적 반응을 검출하는 경우에는 도 7(a)에서 dark와 air 사이의 점선으로 도시된 검출 영역(detection range) 내에서 전류-전압 관계가 형성되며, 이를 검출할 수 있다.The current-voltage curve of the light-receiving element PD may have a form as shown in Fig. 7 (a). In this case, the current Ipd flowing in the light receiving element PD is a component of the inverse saturated current component with respect to the voltage Vpd at both ends of the light receiving element PD. In the case of air, it indicates that the light-receiving element detects all of the optical stimuli provided by the light-emitting element without a medium in the absence of a medium. When the light receiving element detects the optical response of the medium containing the target, a current-voltage relationship is formed in the detection range shown by the dotted line between dark and air in Fig. 7 (a) .
도 7(b)는 본 실시예에 따른 센서로 매질 내에 포함된 타겟 물질의 농도를 검출하는 것을 예시한 도면이다. 도 7(b)를 참조하면, 광학적 반응은 매질의 농도에 따라 서로 다를 수 있으며, 수광 소자가 이를 검출하여 출력한 전기적 신호도 도 7(b)에 도시된 것과 같이 서로 다르다. 본 실시예에 의한 센서를 이용하여 타겟의 농도 및/또는 농도를 검출하는 경우에는 도시된 것과 같이 수광 소자에 동일한 전류(Itest)를 제공한 후, 수광 소자의 양단에 형성된 전압(Va, Vb, Vc)를 검출하여 타겟의 농도를 파악할 수 있다. 도시되지 않은 다른 실시예에 의하면 수광 소자에 동일한 전압을 제공하고, 후, 수광 소자가 출력하는 전류를 검출하여 타겟의 농도를 파악할 수 있다.Fig. 7 (b) is a diagram illustrating detection of the concentration of a target substance contained in the medium with the sensor according to the present embodiment. Referring to FIG. 7 (b), the optical response may be different depending on the concentration of the medium, and the electrical signals that the light receiving element detects and outputs are different from each other as shown in FIG. 7 (b). In the case of detecting the concentration and / or concentration of the target using the sensor according to the present embodiment, after the same current Itest is provided to the light receiving element as shown in the figure, the voltages Va, Vb, Vc) can be detected and the concentration of the target can be grasped. According to another embodiment not shown, it is possible to provide the same voltage to the light-receiving element, and then detect the current output by the light-receiving element to determine the concentration of the target.
도 7(a) 및 도 7(b)로 예시된 실시예에 의하여도 높은 민감도로 타겟을 검출할 수 있다. 일 예로, 검출 소자에 제공되는 바이어스가 고정된 채로, 광학적 반응을 검출하는 경우에는 광학적 반응을 검출한 전류 만큼 dark로 표시되는 전류-전압 선도가 평행이동하는 것에 불과하다. 그러나, 본 실시예에 의하면 검출 소자에 제공되는 바이어스가 변화하여 검출 영역(detection range) 내에서 전류-전압의 기울기가 변화하므로 작은 광학적 반응에도 출력이 민감하게 변화한다. 따라서, 본 실시예에 의하여도 높은 민감도로 타겟을 검출할 수 있다는 장점이 제공된다. The target can be detected with high sensitivity even by the embodiment illustrated by Figs. 7 (a) and 7 (b). For example, when the optical reaction is detected while the bias provided to the detecting element is fixed, the current-voltage line indicated by dark by the current detected by the optical reaction is merely a parallel movement. However, according to this embodiment, since the bias provided to the detecting element changes and the slope of the current-voltage changes within the detection range, the output sensitively changes even in a small optical response. Therefore, the present embodiment provides an advantage that the target can be detected with high sensitivity.
즉, 종래 기술에 의한 센서는 음의 저항을 나타내지 않는 경우에는 dark 상태에서의 dark 상태와 유사한 기울기를 가지는 전류 전압 관계를 형성하며, 광이 검출 소자에 제공됨에 따라 해당 기울기를 가지는 전류 전압 관계 선도는 기울기를 유지한채 전압축 및/또는 전류축을 따라 평행 이동한다. 따라서, 광이 제공되어 형성되는 전류-전압 좌표쌍 값의 변화가 크지 않다.That is, when the conventional sensor does not show a negative resistance, it forms a current-voltage relationship having a slope similar to that of the dark state in the dark state, and as the light is provided to the detecting element, Moves in parallel along the entire compression and / or current axis while maintaining the slope. Therefore, the change of the current-voltage coordinate pair value formed by providing the light is not large.
그러나, 본 실시예에 의하면 검출 소자 및 액추에이터에 제공되는 바이어스가 변화하므로, 도 7(a)에서 detection range로 도시된 영역내에서 전류 전압 관계의 기울기가 변화한다. 타겟을 동일한 농도로 포함하는 매질이라 하더라도 검출 소자에서는 전기적 반응이 크게 형성되므로, 보다 민감하게 타겟을 검출할 수 있으며, 타겟 검출 한도를 확장시킬 수 있다.However, according to this embodiment, since the bias provided to the detecting element and the actuator changes, the slope of the current-voltage relationship changes in the region shown by the detection range in Fig. 7 (a). Even in the case of a medium containing the same concentration of the target, since the electrical reaction is largely formed in the detecting element, the target can be detected more sensitively and the target detection limit can be extended.
실험예Experimental Example
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 실시예에 의한 센서의 실험예를 설명한다. 도 8은 본 실시예에 의한 센서를 통하여 광학적 반응을 측정한 결과로, 발광 소자가 턴 온되지 않아 수광 소자가 광학적 반응을 전혀 검출하지 못하는 암흑 상태(dark), 탈이온수(DIW, Deionized Water) 및 10nM의 BSA(Bovine Serum Albumin)에 대한 광학적 반응을 측정한 실험 결과이다. Hereinafter, an experimental example of the sensor according to the present embodiment will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 8 is a graph showing the result of measuring the optical response through the sensor according to the present embodiment. In FIG. 8, the dark state, the DIW, and the Deionized Water, in which the light emitting element is not turned on, And 10 nM of BSA (Bovine Serum Albumin).
도 8을 참조하면, 암흑 상태에서는 발광 소자(LED)가 턴 온 되지 않는다. 따라서, 수광 소자(PD)에서는 광학적 반응이 검출되지 않고, 음의 저항 특성이 나타나지 않는 것을 확인할 수 있다. (Vpd가 4000mV에서 포화되는 것은 본 실험에서 사용되는 디지털-아날로그 변환기의 입력 다이내믹 레인지에 기인하는 것이다.)Referring to FIG. 8, in the dark state, the light emitting device (LED) is not turned on. Therefore, it can be confirmed that no optical reaction is detected in the light receiving element PD, and no negative resistance characteristic appears. (The saturation of Vpd at 4000mV is due to the input dynamic range of the digital-to-analog converter used in this experiment.)
그러나, 발광 소자가 동작하는 상태에서는 탈이온수를 측정한 경우와, 타겟으로 10nM의 BSA를 측정한 경우 모두 대략 600mV의 Vpd가 제공되는 시점 이후에 음의 저항 영역이 나타났다. 수광 소자에 입력으로 동일한 전압을 제공하여도 10nM의 BSA를 타겟으로 측정한 경우에는 탈이온수를 측정한 경우에 비하여 낮은 전류를 출력하였다.However, in the state in which the light emitting device was in operation, a negative resistance region appeared after the point when Vpd of about 600 mV was provided both in the case of measuring the deionized water and the case of measuring 10 nM of BSA in the target. When the same voltage was applied to the light receiving element as an input, when the measurement was performed with 10 nM BSA as a target, a lower current was outputted than when deionized water was measured.
도 9는 1nM의 BSA에 대한 광학적 반응과 탈이온수에 대한 광학적 반응의 비율을 도시한 도면이다. 도 9를 참조하면, 본 실시예를 통하여 검출한 1nM의 BSA에 대한 광학적 반응과 탈이온 수에 대한 광학적 반응의 비율은 대략 0.9980에 근사하는 것으로 나타났다. 따라서, 본 실시예의 센서에 의하면 탈이온수와 1nM 농도의 BSA를 충분히 판별할 수 있었다.Figure 9 is a plot showing the optical response to 1 nM BSA and the ratio of optical response to deionized water. Referring to FIG. 9, the ratio of the optical response to deionized water and the optical response to 1 nM of BSA detected through the present example was approximately 0.9980. Therefore, according to the sensor of this embodiment, deionized water and 1 nM concentration BSA could be sufficiently discriminated.
본 실시예에 의한 센서는 1nM 농도의 타겟을 검출할 수 있으며, 종래의 센서들이 가지는 100nM~50nM의 최저 검출 한도에 비하여 더 낮은 검출한도를 가지므로 성능 향상이 있는 것을 확인할 수 있다.The sensor according to the present embodiment can detect a target having a concentration of 1 nM and has a lower detection limit compared to the lowest detection limit of 100 nM to 50 nM of conventional sensors.
도 10은 음의 저항 영역이 형성되지 않는 센서의 실시예로 타겟을 검출한 결과를 도시한 도면이다. 도 10에서, dark는 수광 소자가 광학적 반응을 전혀 검출하지 못한 경우의 수광 소자의 전류-전압 관계를 도시하며(Vpd가 4000mV 에서 포화되는 것은 본 실험에서 사용되는 디지털-아날로그 변환기의 입력 다이내믹 레인지에 기인하는 것이다), air로 표시된 경우는, 수광 소자가 매질없이 발광 소자가 제공한 광학적 자극을 전부 검출한 경우를 나타낸다.10 is a diagram showing a result of detection of a target as an embodiment of a sensor in which a negative resistance region is not formed. In Fig. 10, dark shows the current-voltage relationship of the light-receiving element when the light-receiving element fails to detect an optical reaction at all (the saturation at Vpd of 4000 mV corresponds to the input dynamic range of the digital- ). In the case of air, the light-receiving element detects all the optical stimuli provided by the light-emitting element without a medium.
test는 본 실시예에 따른 센서로 100μM 농도의 페놀을 검출할 때의 전류 전압 관계이다. 검출 영역 내의 타겟을 검출할 때, 수광 소자의 전류-전압 관계는 대략 선형에 근사하며, 전류-전압 관계를 통하여 타겟의 농도를 검출할 수 있다.test is the current-voltage relationship when detecting a phenol concentration of 100 mu M with the sensor according to this embodiment. When detecting a target in the detection region, the current-voltage relationship of the light-receiving element is approximately linear, and the concentration of the target can be detected through the current-voltage relationship.
본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 실시를 위한 실시예로, 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of illustration, It will be appreciated that other embodiments are possible. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the appended claims.
상기에 기재되어 있음.Described above.

Claims (20)

  1. 센서로, 상기 센서는:Sensor, said sensor comprising:
    자극을 제공하는 액추에이터(actuator)와, 상기 액추에이터에 구동 전력를 제공하는 제1 제어 전원(first controllable power source)을 포함하는 자극 제공부;An actuator for providing a stimulus, and a first controllable power source for providing driving power to the actuator;
    상기 자극에 대한 반응을 검출하여 전기 신호로 출력하는 검출 소자와, 상기 검출 소자에 구동 전력을 제공하는 제2 제어 전원(second controllable power source)을 포함하는 검출부 및A detecting element including a detecting element for detecting a response to the stimulation and outputting it as an electric signal, and a second controllable power source for providing driving power to the detecting element;
    디지털 코드(code)에 상응하여 상기 제1 제어 전원 및 상기 제2 제어 전원이 제공하는 상기 구동 전력을 제어하는 제어부를 포함하는 센서.And a control unit for controlling the driving power provided by the first control power source and the second control power source in accordance with a digital code.
  2. 제1항에 있어서, The method according to claim 1,
    상기 액추에이터는 광학적 자극을 제공하는 광학적 액추에이터인 센서.Wherein the actuator is an optical actuator that provides an optical stimulus.
  3. 제2항에 있어서, 3. The method of claim 2,
    상기 광학적 자극은 적외선, 가시광선, 자외선, 레이저를 포함하는 그룹에서 선택된 어느 하나 이상인 센서.Wherein the optical stimulus is at least one selected from the group consisting of infrared, visible, ultraviolet, and laser.
  4. 제1항에 있어서, The method according to claim 1,
    상기 액추에이터는 비광학적 자극을 제공하는 비광학적 액추에이터인 센서.Wherein the actuator is a non-optical actuator that provides a non-optical stimulus.
  5. 제2항에 있어서, 3. The method of claim 2,
    상기 비광학적 자극은 음파, 초음파, RF(radio frequency), 방사선(radiation), 자기장(magnetic field) 및 전기장(electric field)을 포함하는 그룹에서 선택된 어느 하나 이상인 센서.Wherein the non-optical stimulus is any one or more selected from the group consisting of sound waves, ultrasonic waves, radio frequency (RF), radiation, magnetic fields and electric fields.
  6. 제1항에 있어서, The method according to claim 1,
    상기 자극에 대한 상기 반응은 광학적 반응으로, The reaction to the stimulus is an optical reaction,
    상기 검출 소자는 상기 광학적 반응을 검출하는 광학적 검출 소자인 센서.Wherein the detecting element is an optical detecting element for detecting the optical reaction.
  7. 제6항에 있어서, The method according to claim 6,
    상기 광학적 검출 소자는,The optical detecting element includes:
    포토 다이오드, 포토 트랜지스터 및 PMT(PhotoMultiplier Tube)을 포함하는 그룹에서 선택된 어느 하나인 센서.A photodiode, a phototransistor, and a PMT (PhotoMultiplier Tube).
  8. 제6항에 있어서, The method according to claim 6,
    상기 광학적 반응은 투광, 흡광, 산란 및 형광 중 어느 하나를 포함하는 센서.Wherein the optical response comprises any one of light emission, absorption, scattering and fluorescence.
  9. 제1항에 있어서, The method according to claim 1,
    상기 자극에 대한 상기 반응은 비광학적 반응으로, The reaction to the stimulus is a non-optical reaction,
    상기 검출 소자는 상기 비광학적 반응을 검출하는 비광학적 검출 소자인 센서.Wherein the detecting element is a non-optical detecting element for detecting the non-optical reaction.
  10. 제1항에 있어서, The method according to claim 1,
    상기 자극은 검출 대상인 타겟(target)에 제공되고,The stimulus is provided to a target to be detected,
    상기 반응은 상기 자극에 대한 상기 타겟의 반응인 센서.Wherein the response is a response of the target to the stimulus.
  11. 제1항에 있어서, The method according to claim 1,
    상기 제1 제어 전원은 상기 액추에이터에 바이어스 전류를 제공하고, The first control power supply providing a bias current to the actuator,
    상기 제2 제어 전원은 상기 검출 소자에 바이어스 전류를 제공하며,The second control power supply providing a bias current to the sensing element,
    상기 제어부는 상기 제1 제어 전원이 제공하는 상기 바이어스 전류와, 상기 제2 제어 전원이 제공하는 상기 바이어스 전류를 제어하는 센서.Wherein the control unit controls the bias current provided by the first control power supply and the bias current provided by the second control power supply.
  12. 제1항에 있어서, The method according to claim 1,
    상기 제어부는 상기 코드에 상응하는 전기적 신호를 형성하는 디지털-아날로그 변환기를 포함하는 센서.Wherein the controller comprises a digital-to-analog converter for forming an electrical signal corresponding to the code.
  13. 제12항에 있어서, 13. The method of claim 12,
    상기 제어부는 상기 코드를 저장하는 메모리를 더 포함하는 센서.Wherein the controller further comprises a memory for storing the code.
  14. 제1항에 있어서, The method according to claim 1,
    상기 센서는 복수의 자극 제공부를 포함하는 센서.Wherein the sensor comprises a plurality of stimulus providing portions.
  15. 제1항에 있어서, The method according to claim 1,
    상기 센서는 복수의 검출부를 포함하는 센서.Wherein the sensor comprises a plurality of detectors.
  16. 제1항에 있어서, The method according to claim 1,
    상기 센서는, The sensor includes:
    상기 검출 소자의 전류 및 전압으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나 이상을 검출하여 타겟을 검출하는 센서.And a current and a voltage of the detecting element to detect a target.
  17. 제1항에 있어서, The method according to claim 1,
    상기 센서는 The sensor
    상기 검출 소자가 음의 저항 특성을 가질 때, 상기 검출 소자의 전류 및 전압으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나 이상을 검출하여 타겟을 검출하는 센서. And when the detection element has a negative resistance characteristic, detects at least one selected from the group consisting of a current and a voltage of the detection element to detect the target.
  18. 제1항에 있어서, The method according to claim 1,
    상기 센서는 The sensor
    상기 검출 소자가 음의 저항 특성을 가지지 않을 때, 상기 검출 소자가 출력하는 전류 및 전압 중에서 선택된 어느 하나 이상을 검출하여 타겟을 검출하는 센서. And a sensor for detecting at least one selected from a current and a voltage output by the detecting element when the detecting element does not have a negative resistance characteristic.
  19. 제1항에 있어서, The method according to claim 1,
    상기 센서는 The sensor
    상기 검출 소자가 음의 저항 특성을 가지지 않을 때, 상기 검출 소자가 출력하는 전류 및 전압 쌍들은 기울기를 가지는 선도를 이루되,When the detecting element does not have a negative resistance characteristic, the current and voltage pairs output by the detecting element form a slope-based line,
    상기 기울기는 타겟의 농도 및 유무에 따라 변화하는 센서.Wherein the gradient varies depending on the concentration and presence or absence of the target.
  20. 제1항에 있어서, The method according to claim 1,
    상기 센서는 상기 액추에이터(actuator)와, 상기 검출 소자에 제공되는 구동 전력을 제어하여 상기 검출 소자가 출력하는 전기적 신호가 음의 저항 특성을 가지거나, 양의 저항 특성을 가지도록 제어 가능한 센서.Wherein the sensor is capable of controlling the actuator to control the driving power provided to the detecting element so that the electrical signal output from the detecting element has a negative resistance characteristic or a positive resistance characteristic.
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