KR910006276B1

KR910006276B1 - 감이온 전계효과 트랜지스터를 이용한 이온농도 측정 회로

Info

Publication number: KR910006276B1
Application number: KR1019890005449A
Authority: KR
Inventors: 손병기
Original assignee: 손병기
Priority date: 1989-04-25
Filing date: 1989-04-25
Publication date: 1991-08-19
Also published as: KR900016755A

Abstract

내용 없음.

Description

감이온 전계효과 트랜지스터를 이용한 이온농도 측정 회로

제1도는 본 발명에 적용되는 감이온 전계효과 트랜지스터의 구조도.

제2도 및 제3도는 본 발명의 실시 회로도.

제4도, 제5도, 제6도 및 제7도는 본 발명에 적용되는 마이크로 프로세서의 기능흐름도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 검출부 2 : 전압레벨조정부

3 : 온도보정 신호 발생부 4 : 온도보정부

5 : 표시부 7 : 측정용액

8 : 감지막 11 : ISFET

12 : MISFET 13 : A/D변환기

14 : 마이크로 프로세서 15 : 메모리

16 : 데코더 17, 18 : 입출력포트

R1-R15 : 저항 A1-A8 : 연산증폭기

RE : 기준전극 SW1-SW3 : 스위치

FF1, FF2 : 플립플롭 SD1-SD4 : 세그멘트데코더

SS1-SS4 : 7-세그멘트

본 발명은 반도체 이온 센서인 감이온 전계효과 트랜지스터(ion sensitive field effect transistor : 이하 ISFET라함)를 이용하여 용액 및 생체내의 각종 이온농도를 측정하기 위한 회로에 관한 것이다.

종래의 이온농도 측정회로에서는 이온선택성 전극(ion selective electrode : ISE)을 이용하여 용액 중의 이온농도를 측정하여 왔으나, 이온선택성 전극은 규격화가 어렵고, 용적이 크며 응답속도가 느려서 연속적으로 변화하는 이온농도를 신속, 정확하게 측정하기 어려울 뿐만 아니라 회로의 구성 및 보정방식이 복잡해지는 등의 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 이와 같은 문제점을 해결하고자 응답속도 빠르고, 보정이 자동으로 이루어지며 생체내에서 현장, 현시적으로 측정할 수 있는 이온농도 측정회로를 제공하기 위한 것이다.

위와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 이온 선택성 전극의 이온감지 기능과 MISFET(metal insulator semiconductor field effect transistor)의 전장효과 원리를 결합한 ISFET를 사용하여 측정용액의 이온농도를 검출하는 검출회로, MISFET를 사용한 온도 보상회로, 비선형 특성을 보상하는 마이크로 프로세서 및 이온농도 값의 디지털 표시회로를 구성하여 응답속도가 빠르고, 보정이 간편하며 측정된 이온농도값이 디지털로 표시되게 하였다.

본 발명의 실시예를 첨부도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

제2도 및 제3도는 용액 또는 생체의 수소이온농도(이하 pH라함)를 측정하기 위한 회로를 나타낸 것으로서, 측정 용액(7)내의 pH에 해당하는 전위차의 변화량을 검출하는 검출부(1), 상기 검출부(1)의 출력 신호의 전압레벨을 조정하는 전압레벨조정부(2), 온도변화에 따른 전압변동을 보정하여 출력하는 온도보정 신호 발생부(3), 상기 전압레벨조정부(2) 및 온도보정 신호 발생부(3)의 출력 신호가 입력되어 상기 검출부(1)의 출력에 대한 온도 보상을 하는 온도보정부(4), 상기 온도보정부(4)의 아날로그 출력신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D변환기(13), 디지털회로를 전체적으로 제어하는 마이크로 프로세서(14)로 읽어들이기위한 입출력포트(17), 상기 마이크로 프로세서(14), 상기 A/D변환기(13)의 출력을 마이크로 프로세서(14)가 읽어들인 데이터를 일시 저장하는 메모리(15), 스위치 상태의 해독 및 표시회로로의 데이터를 전달하는 입출력포트(18), 상기 메모리(15)와 입출력포트(17),(18)의 동작을 지정하는 데코더(16), 그리고 상기 입출력포트(17),(18)를 통해 출력되는 디지털 신호를 숫자로 표시하는 표시부(5)로 구성된다.

본 발명의 실시예에 있어서, 검출부(1)는 ISFET(11)의 소오스(S)에 드레인 전류를 고정하여 주는 정전류원(I1)을 연결하고, 드레인(D)에는 드레인 전압을 고정시켜주기 위한 연산증폭기(A1), 정전류원(I2)을 연결하여 구성하고, 전압레벨조정부(2)는 검출부(1)의 출력인 기준전극(RE)과 ISFET(11)의 소오스(S)간의 전압차가 완충증폭기(A2)를 통해 저항(R3)(R4) 및 제너다이오드(ZD)에 의해 발생된 레벨 쉬프트 전압과 저항(R5-R8) 및 연산증폭기(A3)로 구성된 반전입력부에 인가되어 완충증폭기(A2)의 출력전압과 가변저항(R4)으로 출력되는 레벨 쉬프트전압이 가산후 반전 출력되게 연결하여 구성하며, 온도보정 신호 발생부(3)는 MISFET(12)의 드레인 전류 및 전압을 일정하게 고정시켜주는 정전류원(I3), (I4), 가변저항(R2) 및 연산증폭기(A4)를 상기 MISFET(12)의 소오스(S) 및 드레인(D)에 각각 연결하고, 상기 MISFET(12)의 소오스전압을 완충증폭기(A5)에 인가되게 연결하여 구성하고, 온도보정부(4)는 상기의 전압레벨조정부(2) 및 온도보정 신호 발생부(3)의 출력전압이 저항(R9-R15) 및 연산증폭기(A6), (A7), (A8)로 된 자동증폭기에 각각 인가되게 구성한다.

제1도는 본 발명의 회로에 적용되는 ISFET를 도시한 것으로서, 측정용액(7)의 전위를 정해주는 기준전극(RE)과 ISFET(11)가 측정용액(7)에 담겨지면 측정용액(7)중의 수소이온의 감지막(8)의 계면에서 감지막(8)과 반응하여 전기화학적 계면 전위차를 발생시키게 된다. 따라서, 제2도 및 제3도에서 보는 바와 같이 검출부(1)내의 ISFET(11)의 소오스(S)에 정전류원(I1)을 연결하여 드레인 전류가 일정하게 고정되고, 또한 드레인(D)에 정전류원(I2), 가변저항(R1) 및 부호변환기용 연산증폭기(A1)를 연결하여 드레인(D)과 소오스(S)간의 전압은 일정하게 고정된다. 따라서, 주어진 드레인 전류 및 드레인(D)과 소오스(S)간의 전압에 의해 기준전극(RE) 전압에 대한 소오스전압(VRS)이 결정된다. 상기와 같이 드레인 전류와 드레인(D)과 소오스(S)간의 전압이 고정되어 있으므로 ISFET(11)의 소오스(S)에 나타나는 전압의 변화분(△VRS)은 피측정용액내에서의 pH변화에 의한 감지막(8)의 전기 화학적인 전위의 변화를 나타내게 된다. 이에 따라 ISFET(11)의 소오스전압(VRS)이 전압레벨조정부(2)내의 완충증폭기(A2)를 통해 저항(R3),(R4) 및 제너다이오드(ZD)에 의해 발생되는 레벨 쉬프트전압(V+)과 저항(R5-R8) 및 연산증폭기(A3)로 구성된 반전가산기의 반전입력부에 인가된다. 따라서 반전가산기인 연산증폭기(A3)의 출력전압(VS)은 아래식으로 주어진다.

연산증폭기(A3)의 출력전압(VS)=-(소오스전압(VRS)+레벨 쉬프트전압(V+))

이 전압(VS)의 온도보정부(4)내의 차동증폭기 입력인 연산증폭기(A7)에 인가된다. 한편, 온도보정 신호발생부(3)에서는 MISFET(12)의 게이트(G)에 일정 전압을 인가하고, 상기 검출부(1)와 동일한 방법으로 드레인 전류와 드레인(D), 소오스(S)간의 전압을 일정하게 유지하도록 정전류원(I3)(I4), 저항(R2) 및 연산증폭기(A4)를 상기 MISFET(12)의 드레인(D) 및 소오스(S)에 각각 연결하면, MISFET(12)의 동작 특성에 의한 소오스전압이 출력되고, 이 소오스전압이 완충연산증폭기(A5)를 통해 온도보정부(4)내의 연산증폭기(A6)에 인가된다.

이에 따라 전압레벨조정부(2) 및 온도보정 신호 발생부(3)의 출력전압이 온도보정부(4)내의 연산증폭기 (A6),(A7)를 통해 차동증폭기인 연산증폭기(A8)에 각각 인가되고, 이 연산증폭기(A8)에서는 두 입력전압의 차이를 증폭하여 출력하게 되는데, 이때 검출부(1)에서 측정용액(7)내의 pH가 변하게 되면 용액(7)과 ISFET(11)의 감지막(8) 사이에서 전기화학적인 전위차의 변화에 의해 ISFET의 소오스전압이 변하게 된다.

이러한 소오스전압의 변화가 전압레벨조정부(2)내의 가산기(A3)를 거쳐 온도보정부(4)내의 차동증폭기(A8)의 비반전 입력단자(+)에 인가된다. 그러나, 온도보정 신호 발생부(3)내의 MISFET(12)는 측정용액(7)내의 pH의 변화에 감응하지 못하므로 MISFET(12)의 소오스전압은 일정하게 유지됨으로 차동증폭기(A8)의 출력은 ISFET(11)의 소오스전압의 변화만을 나타내게 된다.

한편, 측정용액(7)의 온도가 변하게 되면 ISFET(11)와 MISFET(12)의 내부전기적 조건이 변하게 되어 두 소자의 소오스전압이 같이 변하게 된다. 이 두 소오스전압의 변화가 차동증폭기(A8)의 반전 및 비반전 입력단자(-)(+)에 각각 인가되고 상기의 두 소오스전압의 온도 의존성이 서로 같기 때문에 차동증폭기(A8)의 출력은 일정하게 유지된다. 따라서, 온도보정부(4)의 출력인 차동증폭기(A8)의 출력은 온도의 변화에 무관하게 일정한 전압을 유지하게 되는 것이다.

그러나, 상기의 ISFET(11)는 각 소자에 따라 수소이온에 감응하는 감도가 다소의 차를 나타내므로 이 다소의 차를 보정할 필요가 있다. 따라서, 제4도에서 보는 바와 같이 측정용액의 pH를 측정하기 전의 초기상태에서 상기의 ISFET(11)를 pH10의 표준용액에 담그고 스위치(SW1)를 누르면 상기와 같이 pH10에 대한 ISFET(11)의 응답(Rec 10)을 A/D변환기(13)에 인가하며, A/D변환기(13)에서 변환된 디지털 신호를 입출력포트(17)를 통해 메모리(15)에 저장하며, 또한 상기와 동일한 방법으로 pH7 및 pH4의 표준용액에 대한 ISFET(11)의 응답(Rec 7),(Rec 4)을 디지털 신호로 변환하여 메모리(15)에 각각 저장한 후 pH10과 pH7에서의 응답 차이에서 ISFET(11)의 알칼리성쪽에 대한 감도(ACS)와 pH7과 pH4에서의 산성쪽에 대한 감도(ALS)를 아래식에 의해 각각 계산하여 메모리(15)에 저장한다.

알칼리성에 대한 pH감도(ALS)=

산성에 대한 pH감도(ACS)=

이와 같은 보정과정이 끝나면 스위치(SW1)를 다시 동작시켜 임의의 측정용액(7)의 pH를 전술한 바와 같이 측정하게 된다.

즉, 측정용액(7)의 pH에 대한 ISFET(11)의 소오스전압을 검출하여 온도보정 신호와 차동증폭하고, 차동증폭된 온도보정부(4)의 출력전압을 디지털 값(MET)으로 변환시켜 입출력포트(17)를 통해 마이크로 프로세서(14)로 읽어들인 후, 제5도에서 보는 바와 같이 pH7의 표준용액에서의 ISFET(11)의 응답(Rec 7)과 비교하여 pH7에 대한 응답(Rec 7)보다 측정용액(7)의 응답치(MET)가 크면 알칼리성으로 판단하여 제7도의 기능(LTS)을 수행하고, pH 7에 대한 응답(Rec 7)의 측정용액(7)의 응답치(MET)보다 크면 산성으로 판단하여 제6도의 기능(MTS)을 수행하며, pH 7에 대한 응답(Rec 7)과 측정용액(7)의 응답치(MET)가 동일한 값이면 이 디지털 신호를 입출력포트(18)를 통해 표시부(5)에 인가하여 7-세그멘트(SS1-SS4)에 ＂7.00＂이 표시되는 것이다.

또한, 선성(MTS) 및 알칼리성(LTS)에 대한 pH값의 처리과정은 제6도 및 제7도에서 보는 바와 같이 측정용액(7)의 응답치(MET)와 pH7의 응답치(Rec7)를 비교한 후 보정과정에서 산출된 산성 및 알칼리성에서의 감도(ACS)(ALS)를 적용하여 pH의 해당값을 계산하고, 이 계산된 pH값을 입출력포트(18)를 통해 일정시간 동안 표시부(5)에 인가하여 7-세그멘트(SS1-SS4)에 측정용액(7)의 pH값이 숫자로 표시되는 것이다.

여기에서, 데코더(16)는 마이크로 프로세서(14)에서 출력되는 제어신호(S1)에 의해 입출력포트(17),(18) 및 메모리(15)를 지정하는 동작제어신호(S2-S4)를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 실시예에서는 수소이온농도를 측정하는 것을 상세히 설명하였으나, 본 발명의 측정회로는 비단수소이온농도 측정에만 국한되는 것이 아니고, ISFET(11) 상의 이온 감지막(8)을 다른 종류의 것으로 대체시킴으로서 K⁺나 Na⁺등과 같은 각종 이온농도 측정에도 적용이 가능하다.

이와 같이 본 발명은 ISFET를 이용하여 용액 및 생체의 각종 이온농도를 측정하여 측정된 이온농도값을 디지털로 표시하게 되고, MISFET를 이용한 온도 보상회로도 온도 변화에 대한 신뢰도를 향상시키게 됨은 물론 ISFET의 각 소자에 따른 감도의 차이를 마이크로 프로세서에 의해 자동으로 보정하게 됨으로써 정확하고 편리하게 이온농도 값을 측정할 수 있는 효과를 갖는다.

Claims

측정용액(7)내의 소정의 농도에 의한 전위차가 발생을 검출하는 검출부(1), 상기 검출부(1)의 출력을 조정하는 전압레벨조정부(2), 온도변화에 따른 보정전압을 출력하는 온도보정 신호 발생부(3), 상기 전압레벨조정부(2) 및 온도보정 신호 발생부(3)의 출력신호가 입력되어 온도 변화에 대한 온도보상을 하고, 상기 측정용액(7)의 이온농도에 대응하는 전위차의 변화량만을 출력하는 온도보정부(4), 상기 온도보정부(4)의 출력인 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D변환기(13), 상기 측정용액(7)의 이온농도 감지소자에 대한 감도의 차이을 보정하고 입출력포트(17),(18) 및 메모리(15)의 작동을 지정하는 데코더(16)을 제어하는 마이크로 프로세서(14), 상기 마이크로 프로세서(14)에 의해 보정된 상기 측정용액(7)의 수소이온농도값을 숫자로 표시하는 표시부(5)로 구성됨을 특징으로 하는 이온 감이온 전계효과 트랜지스터를 이용한 이온농도 측정회로.
제1항에 있어서, 상기 측정용액(7)의 이온농도에 대한 전위차 감지소자를 ISFET(11)로 사용함을 특징으로 하는 이온 감이온 전계효과 트랜지스터를 이용한 이온농도 측정회로.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 측정용액(7)의 수소이온농도 측정에 ISFET(11)를 pH10, pH7 및 pH4의 표준용액에 담그고, 스위치(SW1-SW3)를 순차적으로 동작시켜 상기 마이크로 프로세서(14)가 각 pH에 따른 ISFET(11)의 응답(Rec 10),(Rec 7),(Rec 4)을 메모리(15)에 저장하며, 각 표준용액의 pH의 응답 차이에서 ISFET(11)의 산성감도(ACS)를 각각 계산하여 저장하는 보정과정을 수행한 후 측정용액(7)의 응답치(MET)와 pH7의 응답치(Rec 7)를 비교하여 측정용액(7)의 산성인지 알칼리성인지를 판별하고, 산성이면 산성처리기능(MTS)을 수행하고, 알칼리성이면 알칼리처리기능(LTS)을 수행하도록 함을 특징으로 하는 이온 감이온 전계효과 트랜지스터를 이용한 이온농도 측정회로.
제3항에 있어서, 마이크로 프로세서(14)가 산성처리기능(MTS) 및 알칼리성처리 기능(LTS)을 수행함에 있어서, 측정용액(7)의 응답치(MET)와 pH7의 응답치(Rec 7)를 비교하고, 보정과정에서 산출된 산성 및 알칼리성에서의 감도(ACS),(ALS)를 적용하여 pH의 해당 값을 계산하며, 계산된 pH값을 입출력포트(18)를 통해 일정시간 동안 표시부(5)에 인가하여 pH값을 표시하도록 함을 특징으로 하는 이온 감이온 전계효과 트랜지스터를 이용한 이온농도 측정회로.