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문제 정의
- 코일센서는 온칩이 가능한 Hall센서와 자기저항 센서보다 감도가 높으며, 최대 1pT 까지 측정할 수 있다. 본 논문은 코일센서의 장점을 사용해서 생체자기신호를 측정하기 위한 고인덕턴스 코일센서를 구현하였다.
제안 방법
- HPF는 인체와 주변기기에서 발생하는 낮은 주파수 소음을 제거하기 위해서 설계되며, 설계한 GM-C필터는 transconductance값을 최소화하기 위해서 Low gm OTA를 사용하였다. Low gm OTA는 전류 감쇄회로와 전압 전류컨버터 회로를 사용해서 구현하였으며, 그림 4과 같이 회로를 구현하였다.
- MMG를 측정하기 위해서 센서의 대역폭을 100∼5kHz와 감도도 3.25fT/μV로 설계되었다.
- 고인덕턴스 코일센서 및 IA 성능은 reference coil에서 자기장을 생성하여 검증환경을 구현하였다. Narda사의 EHP-50C 자기장 및 자기장 필드 분석기를 사용해서 reference coil에서 생성된 자기장 데이터를 측정하였으며, 동일한 조건에서 자기센서칩 감도를 측정하였다. 측정한 자기센서칩의 감도는 3.
- TSMC 0.18μm CMOS 기술의 5 metal layer는 중에서 주로 3 metal layer를 사용해서 고인덕턴스 코일센서을 구현하였으며, 평면 코일은 1,020 코일 턴수와 Q-factor는 0.12의 고인덕턴스 코일센서를 구현하였다.
- 고인덕턴스 코일센서 및 IA 성능은 reference coil에서 자기장을 생성하여 검증환경을 구현하였다. Narda사의 EHP-50C 자기장 및 자기장 필드 분석기를 사용해서 reference coil에서 생성된 자기장 데이터를 측정하였으며, 동일한 조건에서 자기센서칩 감도를 측정하였다.
- 고인덕턴스 코일센서와 IA를 4×4 mm2 크기 MPW칩으로 구현하였다.
- IA와 가공 센서의 칩 마이크로 사진을 그림 5에서 확인할 수 있다. 고인덕턴스 코일센서의 Q-factor, 저항, 커페시턴스의 값을 LRC meter를 사용해서 측정하였으며, 표 4에 정리하였다. 고인덕턴스 코일센서와 IA를 4×4 mm2 크기 MPW칩으로 구현하였다.
- 고인덕턴스 코일센서의 자기장 시뮬레이션 툴을 사용해서 적합한 구조를 설계하였다. 그림 1은 고인덕턴스 코일센서의 자기장의 Q-factor 시뮬레이션 결과이며, high pass filter (HPF)특성인 것을 확인할 수 있었다.
- OTA의 출력값(V1)의 DC 전압이 감소하게 되고, IA의 출력인 Vout의 DC 전압도 감소하게 됨으로 인해 output DC 오프셋 전압이 증가하게 된다. 본 논문은 이를 보완하기 위해서 CMFB를 LPF와 함께 구현하였으며, CMFB 회로를 사용하여서 output DC 오프셋 전압을 줄여주게 된다. CMFB회로로는 Vout과 VREF의 DC전압차를 감지해서 M29와 M28에 흐르는 드레인 전류를 조절하게 되고, M의 증가로 인한 output DC 오프셋 전압을 상쇄시킨다.
- 그리고 출력 전압에 DC 오프셋 전압이 포함되게 되면 입력-출력 관계는 식(2)과 같이 정의된다. 본 논문은 출력부분에서 발생하는 DC 오프셋 전압을 제거하기 위해서 CMFB회로를 current feedback 회로 부분에서 설계하였으며, 그림 3은 제안하는 고인덕턴스 코일센서와 IA의 회로도를 나타냈다.
- 생체자기신호 측정을 위한 고인덕턴스 코일센서가 집적화된 자기센서칩을 제안한다. 고인덕턴스 코일센서및 IA를 통합한 MPW칩은 0.
- 자기센서칩의 잡음에 대한 영향을 확인하기 위해 진폭이 0.41mV이고 주파수가 1kHz인 고인덕턴스 코일에서 생성된 입력신호를 IA에 인가해서 출력신호의 주파수 특성을 측정하였다. 자기센서칩에서 출력신호는 515mVrms가 잡음은 6.
- 자기센서칩의 주파수별 이득을 측정을 통해서 고인덕턴스 코일센서와 IA를 통합한 이득을 확인 하였다. 고인덕턴스 코일센서는 HPF로 동작함으로 자기센서칩의 저주파수부분의 차단 주파수는 100Hz가 되고, 고주파수 쪽은 IA에 의해서 5kHz가 된 것을 확인할 수 있다.
- 제안된 논문에서는 의료용 계측기기 및 휴대용 기기에서 사용할 수 있는 생체자기신호처리를 위한 모듈의 반도체 융합과 측정된 생체자기신호를 분석을 위한 고인덕턴스 코일센서와 자기장 잡음을 제거하기 위한 Instrumentation Amplifier (IA)를 온칩화 하였다. 이는 현재 생체자기 측정에 사용되는 고가의 SQUID센서를 대체하고, 높은 입력 임피던스와 110dB 이상의 CMRR을 가지는 고감도 센서 및 amplifier와 MMG신호를 측정이 가능한 주파수 대역을 가지는 필터를 반도체 공정으로 설계함으로써 고인덕턴스 코일센서의 성능이 향상되었다.
- 로 구성된다. 제안하는 IA는 차동 입력모드를 가지는 current balancing기술을 사용하였다.[6] 그림 2는 IA의 개념적인 블럭도를 나타냈다.
- 낮은 flicker noise을 구현하기 위해서 PMOS 입력 트랜지스터가 사용된다. 주변에서 발생하는 잡음을 줄이기 위해 IA의 BPF(Band pass filter)의 대역을 (0.2-5kHz)를 사용하였다. LPF는 커패시터(Cs)와 저항 (Rs)를 병열로 연결해서 구현된다.
- 코일센서는 크기에 따라 측정가능 범위가 결정되며, 고인덕턴스 코일센서의 크기가 3.3x3.3mm2인 것을 고려할 때 2∼30mm까지 최대한 근접해서 측정하였다.
- 코일의 회로도로 센터텝과 출력을 차동모드로 사용하였으며, 고인덕턴스 코일센서의 저항 값의 증가로 인해 발생하는 Johnson noise[4∼5]를 감쇄시킨다.
성능/효과
- 2dB/dec로 급격히 감소하는 특성을 보였다. 100Hz이상의 주파수 영역은 7.13dB/dec로 완만하게 감소하는 데이터를 얻었으며, 차단주파수는 100Hz 가진 것을 확인할 수 있다. 전자기장 시뮬레이션 툴을 사용해서 고인덕턴스 코일센서의 차단주파수를 MPW 칩 제작 전에 확인할 수 있다.
- 그림 1은 고인덕턴스 코일센서의 자기장의 Q-factor 시뮬레이션 결과이며, high pass filter (HPF)특성인 것을 확인할 수 있었다. Q-factor 시뮬레이션에서 얻은 특성은 100Hz이하의 저주파수 영역은 31.2dB/dec로 급격히 감소하는 특성을 보였다. 100Hz이상의 주파수 영역은 7.
- 결과적으로 표준 반도체 기술을 사용해서 고인덕턴스 코일센서와 IA를 통합한 회로를 성공적으로 온칩으로 통합할 수 있었다. 그리고 액체질소 온도에서 동작하는 SQUID센서를 일부분 대체 가능할 뿐만 아니라, 통합 센서 및 휴대용이 편리하게 사용할 필요가 있는 실생활에서 적용이 가능한 의료시스템에 사용될 수 있다.
- 현재 생체자기신호는 심장(Magnetocardiography, MCG), 뇌(Magnetoencephalogram, MEG), 근육 (Magnetomyogram, MMG), 그리고 중추신경 (Magnetoneurography, MNG) 등 다양한 인체 부위에서 연구가 진행되고 있다. 단일 신경신호의 생체자기신호를 측정하면 1kHz신호에 근접하며, 특정 장기(뇌, 심장, 눈 등)의 신호를 측정할 시에는 저주파수로 근접하는 특성을 보였다. 근육(심장, 눈, 팔/다리, 등) 운동에 발생하는 생체자기는 자기장 강도가 강했으며, 신경(뇌, 척추)으로만 발생하는 생체자기는 약한 자기장 강도를 가지고 있다.
- 본 논문서 제안하는 자기센서칩는 고인덕턴스 코일과 IA를 효과적으로 통합함으로써 생체자기신호를 측정가능하게 되었다. MMG를 측정하기 위해서 센서의 대역폭을 100∼5kHz와 감도도 3.
- 전자기장 시뮬레이션 툴을 사용해서 고인덕턴스 코일센서의 차단주파수를 MPW 칩 제작 전에 확인할 수 있다. 센서출력 곡선은 내경과 외경의 비율에서 센서의 차단 주파수를 조절할 수 있었으며, 표 2에서 내경의 비중이 증가함에 따라서 차단 주파수가 감소한 것을 자기장 시뮬레이션에서 확인할 수 있다.
- 제안된 논문에서는 의료용 계측기기 및 휴대용 기기에서 사용할 수 있는 생체자기신호처리를 위한 모듈의 반도체 융합과 측정된 생체자기신호를 분석을 위한 고인덕턴스 코일센서와 자기장 잡음을 제거하기 위한 Instrumentation Amplifier (IA)를 온칩화 하였다. 이는 현재 생체자기 측정에 사용되는 고가의 SQUID센서를 대체하고, 높은 입력 임피던스와 110dB 이상의 CMRR을 가지는 고감도 센서 및 amplifier와 MMG신호를 측정이 가능한 주파수 대역을 가지는 필터를 반도체 공정으로 설계함으로써 고인덕턴스 코일센서의 성능이 향상되었다.
- 제안하는 IA는 상대적으로 높은 CMRR와 작은 오프셋 전압을 가지고 있으며, input reference noise와 소모 전류가 다른 IA에 비해서 낮다. 칩 면적은 대형이지만 HPF의 매우 낮은 cut-off frequency를 구현하기 위해서 용량이 큰 커패시턴스가 사용하게 되며, 커패시턴스의 영역을 제외하면 계측 증폭기의 크기는 0.
- 1\textrm{fT}/\sqrt{Hz}\) @500Hz가 된다. 제안하는 생체자기신호 측정 시스템은 SQUID 센서와 비교해서 감도가 떨어지나 MMG나 MNG를 측정하기 적합한 대역폭과 감도를 가지는 것을 표 7에서 확인할 수 있었다.
- 중간 대역 이득 측정결과는 65dB이었으며, CMRR은 117.5dB의 이득을 얻을 수 있었다. 입력 공통 모드 범위(ICMR)은 0.
후속연구
- 결과적으로 표준 반도체 기술을 사용해서 고인덕턴스 코일센서와 IA를 통합한 회로를 성공적으로 온칩으로 통합할 수 있었다. 그리고 액체질소 온도에서 동작하는 SQUID센서를 일부분 대체 가능할 뿐만 아니라, 통합 센서 및 휴대용이 편리하게 사용할 필요가 있는 실생활에서 적용이 가능한 의료시스템에 사용될 수 있다.
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