KR101717099B1 - 광학센서모듈 및 그 제조방법 - Google Patents

광학센서모듈 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

광학센서모듈은, 리더시스템(Reader System)과 탈착가능하도록 결합되며, 반응용기, 및 상기 반응용기에서 발생되는 형광을 감지하는 광학센서모듈이 내장되어 상기 리더시스템의 제어에 따라 상기 반응용기 내에 배치된 시료의 유전물질을 증폭하는 피씨알 모듈(PCR Module)에 사용된다. 상기 광학센서모듈은 베이스기판; 도전성 물질을 포함하고 길게 연장되어 전류의 흐름에 따라 열을 발생시키는 복수개의 온도조절라인들과, 상기 온도조절라인들의 단부에 연결되어 상기 온도조절라인들 사이의 저항을 디지털신호로 출력하는 저항센서를 포함하고, 상기 베이스기판에 일체로 형성되는 온도조절부; 및 상기 베이스기판 내에 배치되고 인접하는 상기 온도조절라인들 사이로 노출되는 복수개의 광학센서들이 매트릭스 형상으로 배열되는 광학센서어레이를 포함한다.

Description

광학센서모듈 및 그 제조방법{PHOTOSENSOR MODULE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 광학센서모듈 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 온도조절부와 일체로 형성되어 온도조절이 가능한 광학센서모듈 및 그 제조방법에 관한 것이다.
유전자 증폭기술은 분자진단에 있어서 필수적인 과정으로서 시료 내 미량의 디옥시리보핵산(Deoxyribonucleic Acid; DNA) 또는 리보핵산(Ribonucleic Acid; RNA)의 특정 염기서열을 반복적으로 복제하여 증폭하는 기술이다. 그 중 중합효소 연쇄반응 (Polymerase chain reaction; PCR)은 대표적인 유전자 증폭 기술로서 DNA 변성단계(denaturation), 프라이머(Primer) 결합단계(annealing), DNA 복제단계(extension)의 3단계로 구성되어 있으며 각 단계는 시료의 온도에 의존되어 있으므로 시료의 온도를 반복적으로 변하게 함으로서 DNA를 증폭 할 수 있다.
실시간 피씨알(Real-time PCR)은 증폭과정에 있는 시료의 증폭상태를 실시간으로 모니터링 할 수 있는 방법으로서, DNA가 복제량에 따라 변하는 형광의 강도를 측정하여 DNA 의 정량분석을 가능하게 한다. 종래의 실시간 피씨알 기기는 통상적으로 열전소자와 시료가 담겨있는 튜브에 열을 전달하는 열전달 블록과 튜브 내부의 시료에 여기광을 조사하는 광원부, 그리고 시료에서 발생되는 형광을 수광하기 위한 수광부로 구성되어 있다.
현재 통용되는 테이블 탑 형태의 실시간 피씨알 기기는 전체 부피 중에서 약 80%에 시료의 형광을 감지하기 위한 광학파트가 차지하고 있다. 이로 인하여 이동성이 거의 없어서, 현장 진단은 거의 불가능하며 기기 가격이 매우 고가이다. 또한 이사, 기기재배치 등으로 인한 이동과정에서, 오차가 발생하기 때문에 재정렬, 보정 등에 많은 시간이 소요된다.
또한 다양한 시약을 셋팅하는 과정에서 많은 시간이 소요되며 오염가능성이 높다. 더욱이 시스템의 크기가 워낙 크기 때문에, 대부분 자체적으로 독립된 시스템으로 구성되어 외부와의 정보교류가 어렵다.
더욱이 시료를 가열하거나 냉각하는 구성이 복잡하고 열효율 및 열전도도가 낮아서, 즉시 가열 또는 냉각하는 것이 어렵다.
본 발명의 목적은 온도조절부와 일체로 형성되어 온도조절이 가능한 광학센서모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 광학센서모듈의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 광학센서모듈은, 리더시스템(Reader System)과 탈착가능하도록 결합되며, 반응용기, 및 상기 반응용기에서 발생되는 형광을 감지하는 광학센서모듈이 내장되어 상기 리더시스템의 제어에 따라 상기 반응용기 내에 배치된 시료의 유전물질을 증폭하는 피씨알 모듈(PCR Module)에 사용된다. 상기 광학센서모듈은 베이스기판; 도전성 물질을 포함하고 길게 연장되어 전류의 흐름에 따라 열을 발생시키는 복수개의 온도조절라인들과, 상기 온도조절라인들의 단부에 연결되어 상기 온도조절라인들 사이의 저항을 디지털신호로 출력하는 저항센서를 포함하고, 상기 베이스기판에 일체로 형성되는 온도조절부; 및 상기 베이스기판 내에 배치되고 인접하는 상기 온도조절라인들 사이로 노출되는 복수개의 광학센서들이 매트릭스 형상으로 배열되는 광학센서어레이를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 온도조절부는 상기 베이스기판 내에 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 온도조절부는 상기 베이스기판의 표면 상에 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 온도조절부는 복수개의 온도조절라인들과 손가락형상(Finger Type)을 갖도록 결합되는 연결부를 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 광학센서모듈의 제조방법에 있어서, 광학센서모듈은 리더시스템(Reader System)과 탈착가능하도록 결합되며, 반응용기, 및 상기 반응용기에서 발생되는 형광을 감지하는 광학센서모듈이 내장되어 상기 리더시스템의 제어에 따라 상기 반응용기 내에 배치된 시료의 유전물질을 증폭하는 피씨알 모듈(PCR Module)에 사용된다. 상기 광학센서모듈의 제조방법에 있어서, 먼저 실리콘기판을 준비한다. 이어서, 상기 실리콘기판 상에 복수개의 광학센서들을 매트릭스 형상으로 배열하여 광학센서어레이를 형성한다. 이후에, 상기 실리콘기판 상에 길게 연장되어 전류의 흐름에 따라 열을 발생시키는 복수개의 온도조절라인들을 형성한다. 계속해서, 상기 온도조절라인들의 단부에 연결되어 상기 온도조절라인들 사이의 저항을 디지털신호로 출력하는 저항센서를 형성한다.
일 실시예에서, 복수개의 온도조절라인들과 손가락형상(Finger Type)을 갖도록 결합되는 연결부를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 광학파트가 피씨알모듈에 내장되고, 피씨알모듈은 탈착가능한 모듈형태로 제작되어 리더시스템의 크기가 대폭 감소한다. 또한 피씨알모듈 및 리더시스템의 크기가 획기적으로 감소하고 제조비용이 감소한다.
또한 리더시스템을 이동시키더라도, 기기재배치로 인한 재정렬, 보정 등이 불필요하기 때문에, 이동성이 획기적으로 향상되어 현장검사가 가능하다. 특히, 전염병검사, 재난현장의 신원확인 등 긴급상황 발생시 즉시투입이 가능하여 피해를 줄이는데 기여할 수 있다.
또한 피씨알모듈에 시약이 내장된 상태로 출시되기 때문에, 시약을 셋팅하기 위한 별도의 절차가 불필요하여 오염가능성이 획기적으로 저하되고 검사준비를 위한 별도의 절차가 필요하지 않다.
또한 광학센서에 온도조절부가 내장되어 온도조절에 걸리는 시간이 절약되어 검사의 정확도가 향상된다.
또한 동일한 반도체공정을 이용하여 광학센서어레이와 온도조절부를 동시에 형성하여, 제조공정이 단순해지고 제조비용이 감소하며, 감지오류가 감소한다.
또한 온도조절부 및 보조온도조절부를 이용하여 반응용기의 온도를 급격히 올리거나 내리는 것이 가능하여 피씨알검사의 정확도가 향상된다.
또한 좁은 폭을 갖는 복수개의 온도조절라인들이 손가락형상으로 서로 엇가리도록 배열되어 저항이 증가된다. 또한, 각 연결부에 복수개의 온도조절라인들이 병렬로 연결되므로, 일부 온도조절라인이 식각불량으로 인하여 단선이 발생하더라도 나머지 온도조절라인들을 통하여 온도를 조절하는 것이 가능하다.
또한 외곽부에 배치된 제1 온도조절라인의 폭이 중앙부에 배치된 제2 온도조절라인의 폭보다 좁아서, 외곽부에 더 많은 열을 발생시킨다. 또한 중앙부보다 외곽부에 열손실이 많으므로, 제1 온도조절라인의 폭이 제2 온도조절라인의 폭보다 좁으면, 외곽부의 열손실을 보상하여 반응용기를 균일하게 가열할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 피씨알모듈용 리더시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 피씨알모듈용 리더시스템을 나타내는 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 광학센서모듈을 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학센서모듈을 나타내는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광학센서모듈을 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광학센서모듈을 나타내는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학센서모듈을 나타내는 평면도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학센서모듈을 나타내는 평면도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광학센서모듈을 나타내는 평면도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광학센서모듈을 나타내는 평면도이다.
도 11은 도 7에 도시된 저항센서를 나타내는 블록도이다.
도 12는 도 11에 도시된 저항센서를 나타내는 회로도이다.
도 13 내지 도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학센서모듈의 제조방법을 나타내는 단면도들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 피씨알모듈용 리더시스템 및 이를 이용한 검사방법을 자세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 피씨알모듈용 리더시스템을 나타내는 블록도이고, 도 2는 도 1에 도시된 피씨알모듈용 리더시스템을 나타내는 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 피씨알모듈용 리더시스템(100)은 피씨알모듈(PCR Module; 200))과 탈착가능하도록 결합되어 피씨알모듈(200)을 구동한다. 도 2에는 하나의 피씨알모듈(200)이 리더시스템(100)과 결합하는 것이 도시되어 있으나, 당업자라면, 하나의 리더시스템(100)에 복수개의 피씨알모듈(200)이 동시에 결합될 수 있도록 변형될 수 있음을 이해할 것이다.
리더시스템(200)은 중앙정보처리부(110), 메모리(120), 인터페이스(130), 및 온도제어모듈(1900)을 포함한다.
중앙정보처리부(110)는 메모리(120)에 저장된 구동데이터를 독출하여 온도제어모듈(150) 및 피씨알모듈(200)을 구동하고, 피씨알모듈(200)로부터 광센싱정보, 온도정보 등을 인가받아 실시간으로 메모리(120)에 저장한다. 중앙정보처리부(110)는 피씨알모듈(200)로부터 인가받은 광센싱정보, 온도정보 등을 이용하여 유전자 증폭량을 실시간으로 계산하여 유전자증폭량 정보를 생성한다. 중앙정보처리부(110)는 유전자증폭량 정보를 실시간으로 메모리(120)에 저장하고 인터페이스(130)로 전송한다.
피씨알모듈(200)은 제어인터페이스(210), 광원구동부(220), 광원(230), 반응용기(240), 온도센서(250), 및 광학센서모듈(1000)을 포함한다. 예를 들어 피씨알모듈(200)은 고유의 시료를 갖는 교체형 모듈로서, 1회용으로 사용된 후 폐기될 수 있다.
제어인터페이스(210)는 리더시스템(100)으로부터 온도조절신호를 인가받아 광학센서모듈(1000)에 전송하고, 광원구동신호를 생성하여 광원구동부(220)에 인가한다. 또한 제어인터페이스(210)는 광학센서모듈(1000)에서 생성된 광센싱신호 및 온도신호를 인가받아 리더시스템(100)으로 전송한다.
광원구동부(220)는 제어인터페이스(210)로부터 인가받은 광원구동신호를 이용하여 광원(230)을 구동한다. 광원(230)에서 생성된 광을 이용하여 반응용기(240) 내의 시료를 검사한다. 본 실시예에서 광원(230)을 배치하는 이유는, 외부광에 의한 노이즈를 최소화하여 외부광의 휘도변화로 인한 광학센서모듈(1000)의 오류를 줄이기 위함이다.
반응용기(240)는 시료를 수납하고 시료 내에 포함된 유전물질을 증폭한다. 본 실시예에서, 반응용기(240)는 하나의 수납공간만을 포함하거나 둘 이상의 수납공간들을 포함할 수도 있다. 반응용기(240)가 둘 이상의 수납공간들을 포함하는 경우, 하나의 시료 또는 복수개의 시료를 동시에 검사하는 것이 가능하다.
반응용기(240)는 실리콘, 플라스틱 등 다양한 물질을 포함할 수 있다.
온도센서(250)는 반응용기(240)에 인접하게 배치되어, 반응용기(240) 내에 배치된 시료의 온도를 측정한다. 온도센서(250)에 의해 측정된 시료의 온도는 온도신호로 변경되어 제어인터페이스(210)로 인가된다.
도 3은 도 1에 도시된 광학센서모듈을 나타내는 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 광학센서모듈(1000)은 베이스기판(1010), 패드(1020), 온도조절부(1100), 및 광학센서어레이(1700)를 포함한다.
베이스기판(1010)은 실리콘, 사파이어, 실리콘카바이트, 게르마늄, 유리, 합성수지 등 다양한 물질을 포함할 수 있다.
광학센서어레이(1700)는 베이스기판(1010) 내에 어레이 형상으로 배열되는 복수개의 광학센서들을 포함한다. 본 실시예에서, 광학센서어레이(1700)는 반도체공정을 통하여 실리콘기판 상에 형성되는 복수개의 포토다이오드들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 실리콘기판(도 13의 1001)에 불순물의 종류를 변경하면서 도핑하여 P형반도체층, N형반도체층, 등을 형성하여 상기 포토다이오드들을 형성할 수 있다.
광원(230)에서 발생된 광이 반응용기(240)로 조사되면, 반응용기(240) 내의 시료에 포함된 형광물질이 여기되어 광을 생성한다. 광학센서어레이(1700)는 시료에서 발생된 광을 실시간으로 감지한다.
온도조절부(1100)는 베이스기판(1010) 내에 배치되어 입력받은 전력을 이용하여 반응용기(240)의 온도를 조절한다. 본 실시예에서, 온도조절부(1100)는 제어인터페이스(210)로부터 온도제어신호를 인가받아, 반응용기(240)의 온도를 특정온도로 유지시키거나, 가열 또는 냉각시킨다. 예를 들어, 온도조절부(1100)는 저항성 히팅라인, 열전소자, 냉각기, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
본 실시예에서, 온도센서(250)와 반응용기(240)의 사이 및 온도조절부(1100)와 반응용기(240)의 사이에는 열전도도가 높은 물질이 배치되어 열이 원활히 전도될 수 있다. 예를 들어, 온도센서(250)와 반응용기(240)의 사이 및 온도조절부(1100)와 반응용기(240)의 사이에는 실리콘, 유리, 금속, 금속화합물, 합성수지, 등의 다양한 물질이 포함될 수 있다.
본 실시예에서, 온도조절부(1100)는 광학센서어레이(1700)와 다른 층에 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 온도조절부(1100)는 광학센서어레이(1700)와 동일한 층으로부터 형성될 수도 있다.
본 실시예에서 광원(230), 온도센서(250), 광학센서모듈(1000), 및 반응용기(240)의 배열은 다양한 조합을 가질 수 있다.
다른 실시예에서, 온도조절부(1100)는 리더시스템(100)의 온도제어모듈(1900) 내에 배치될 수도 있다.
상기와 같은 본 실시예에 따르면, 동일한 반도체공정을 이용하여 광학센서어레이(1700) 및 온도조절부(1100)를 형성하여, 제조공정이 단순해지고 제조비용이 감소하며, 감지오류가 감소한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학센서모듈을 나타내는 단면도이다. 본 실시예에서, 온도조절부를 제외한 나머지 구성요소들은 도 3에 도시된 실시예와 동일하므로 동일한 구성요소들에 대한 중복되는 설명은 생략한다.
도 1, 도 2, 및 도 4를 참조하면, 광학센서모듈(1000)은 베이스기판(1010), 패드(1020), 온도조절부(1101), 및 광학센서어레이(1700)를 포함한다.
온도조절부(1101)는 베이스기판(1010)의 상부면 상에 배치되어 입력받은 전력을 이용하여 반응용기(240)의 온도를 조절한다.
온도조절부(1101)는 반응용기(240)에 직접 또는 밀접하게 접촉하여 반응용기(240)의 온도를 급격히 변경시킬 수 있다.
본 실시예에서, 광학센서어레이(1700), 패드(1020)는 베이스기판(1010) 상의 반도체공정을 통하여 생성될 수 있다. 온도조절부(1101)는 후속공정을 통하여 베이스기판(1010)의 상면 상에 형성된다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학센서모듈을 나타내는 단면도이다. 본 실시예에서, 온도조절부를 제외한 나머지 구성요소들은 도 3에 도시된 실시예와 동일하므로 동일한 구성요소들에 대한 중복되는 설명은 생략한다.
도 1, 도 2, 및 도 5를 참조하면, 광학센서모듈(1000)은 베이스기판(1010), 패드(1020), 온도조절부(1102), 및 광학센서어레이(1700)를 포함한다.
온도조절부(1102)는 베이스기판(1010)의 하부면 상에 배치되어 입력받은 전력을 이용하여 반응용기(240)의 온도를 조절한다.
본 실시예에서, 온도조절부(1101)와 반응용기(240)의 사이에는 베이스기판(1010)과 광학센서어레이(1700)가 배치된다. 베이스기판(1010)과 광학센서어레이(1700)는 열전도율이 높은 실리콘, 도핑된 반도에, 금속 등을 포함하여, 온도조절부(1101)에서 생성된 열이 반응용기(240)에 전달된다.
본 실시예에서, 광학센서어레이(1700), 패드(1020)는 베이스기판(1010) 상의 반도체공정을 통하여 생성될 수 있다. 온도조절부(1102)는 후속공정을 통하여 베이스기판(1010)의 하면 상에 형성된다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광학센서모듈을 나타내는 단면도이다. 본 실시예에서, 온도조절부를 제외한 나머지 구성요소들은 도 3에 도시된 실시예와 동일하므로 동일한 구성요소들에 대한 중복되는 설명은 생략한다.
도 1, 도 2, 및 도 6을 참조하면, 광학센서모듈(1000)은 베이스기판(1010), 패드(1020), 온도조절부(1100), 보조온도조절부(1102), 및 광학센서어레이(1700)를 포함한다.
온도조절부(1100)는 베이스기판(1010)의 내에 배치되어 입력받은 전력을 이용하여 반응용기(240)의 온도를 조절한다.
온도센서(250)와 반응용기(240)의 사이 및 온도조절부(1100)와 반응용기(240)의 사이에는 열전도도가 높은 물질이 배치되어 열이 원활히 전도될 수 있다. 예를 들어, 온도센서(250)와 반응용기(240)의 사이 및 온도조절부(1100)와 반응용기(240)의 사이에는 실리콘, 유리, 금속, 금속화합물, 합성수지, 등의 다양한 물질이 포함될 수 있다.
본 실시예에서, 온도조절부(1100)는 광학센서어레이(1700)와 다른 층에 형성되고, 동일한 챔버(도시되지 않음) 내에서 인-시츄(In-Situ)로 형성될 수 있다.
보조온도조절부(1102)는 베이스기판(1010)의 하부면 상에 배치되어 입력받은 전력을 이용하여 반응용기(240)의 온도를 조절한다.
본 실시예에서, 보조온도조절부(1102)와 반응용기(240)의 사이에는 베이스기판(1010), 광학센서어레이(1700), 및 온도조절부(1100)가 배치된다. 베이스기판(1010), 광학센서어레이(1700), 및 온도조절부(1100)는 열전도율이 높은 실리콘, 도핑된 반도에, 금속 등을 포함하여, 보조온도조절부(1102)에서 생성된 열이 반응용기(240)에 전달된다.
본 실시예에서, 광학센서어레이(1700), 패드(1020), 및 온도조절부(1100)는 베이스기판(1010) 상의 반도체공정을 통하여 생성될 수 있다. 보조온도조절부(1102)는 후속공정을 통하여 베이스기판(1010)의 하면 상에 형성된다.
상기와 같은 본 실시예에 따르면, 온도조절부(1100) 및 보조온도조절부(1102)를 이용하여 반응용기(240)의 온도를 급격히 올리거나 내리는 것이 가능하여 피씨알검사의 정확도가 향상된다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학센서모듈을 나타내는 평면도이다.
도 1 내지 도 3, 및 도 7을 참조하면, 온도조절부(1100)는 온도조절라인(1110), 연결부(1120), 및 저항센서(1150)를 포함한다.
본 실시예에서, 온도조절라인(1110)은 서로 평행하게 배열되고, 연결부(1120)는 인접하는 온도조절라인들(1110)을 서로 엇갈리게 연결한다.
온도조절라인(1110)과 연결부(1120)는 사행형상(Serpentine Shape)을 갖도록 배열되어, 온도조절부(1100)의 저항을 증가시킨다.
온도조절라인(1110)은 금속, 도전성 금속산화물, 투명한 도전성 물질, 도전성 다이아몬드, 도핑된 실리콘, 등 다양한 재질을 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 온도조절라인(1110)은 반도체공정으로 베이스기판(1010)에 형성되는 도전패턴들을 포함할 수 있다.
온도조절라인(1110)과 연결부(1120)는 동일한 층으로부터 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 온도조절라인(1110)과 연결부(1120)가 서로 다른 층으로부터 형성되고, 콘택홀(도시되지 않음)을 통하여 연결될 수도 있다.
본 실시예에서, 온도조절라인(1110)과 연결부(1120)가 사행형상으로 배열되어 온도조절부(1100)의 저항이 증가한다. 온도조절부(1100)의 저항은 온도조절라인(1110)과 연결부(1120)에 의해 형성된 패턴의 길이, 온도조절라인(1110)의 두께와 폭, 연결부(1120)의 두께와 폭, 등 다양한 요인들의 영향을 받는다. 이 중에서 온도조절라인(1110)과 연결부(1120)에 의해 형성된 패턴의 길이는 최초디자인의 영향을 받기 때문에 큰 변화가 없다. 그러나, 온도조절라인(1110)의 두께와 폭, 연결부(1120)의 두께와 폭 등은 반도체공정 상의 식각조건에 따라 오차가 발생할 수 있으며, 오랜 사용으로 인하여 온도조절라인(1110)이 베이스기판(1010)의 실리콘, 외부로부터 유입된 산소 등과 반응하여 저항값이 변할 수도 있다. 예를 들어, 온도조절부(1100)의 저항은 ±50%의 오차가 발생할 수 있다. 온도조절부(1100)의 저항에 오차가 있는 경우 반응용기(240)의 온도를 정확하게 제어하기 어렵다.
본 실시예에서, 온도조절부(1100)는 저항센서(1150)를 포함하여, 오차를 보정한다. 저항센서(1150)에 대해서는 후술될 도 11 및 도 12에서 상술한다.
광학센서어레이(1700)는 인접하는 온도조절라인들(1110) 사이로 노출되어, 반응용기(240)의 시료에서 발생된 광(또는 형광)을 감지한다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학센서모듈을 나타내는 평면도이다. 본 실시예에서, 온도조절라인을 제외한 나머지 구성요소들은 도 7에 도시된 실시예와 동일하므로, 동일한 구성요소들에 대한 중복되는 설명은 생략한다.
도 1 내지 도 3, 및 도 8을 참조하면, 온도조절부는 온도조절라인(1210), 연결부(1220), 및 저항센서(1250)를 포함한다.
본 실시예에서, 온도조절라인(1210)은 서로 평행하게 배열되고, 연결부(1220)는 인접하는 온도조절라인들(1210)을 서로 엇갈리게 연결한다.
본 실시예에서, 온도조절라인(1210)과 연결부(1220)는 손가락형상(Finger Type)을 갖도록 배열되어, 온도조절부의 저항을 증가시킨다.
각 연결부(1220)에는 복수개의 온도조절라인들(1210)이 손가락형상으로 서로 엇갈리도록 연결된다. 예를 들어, 각 연결부(1220)에는 4개의 온도조절라인들(1210)이 손가락 형상으로 연결되고 다시 4개의 온도조절라인들(1210)이 손가락 형상으로 엇갈리도록 연결되어, 모두 8개의 온도조절라인들(1210)이 하나의 연결부(1220)에 연결된다.
본 실시예에서, 온도조절라인들(1210)은 4개씩 한 묶음으로 연결부(1220)에 병렬로 연결되고, 각 묶음은 연결부(1220)를 통하여 사행형상(Serpentine Shape)으로 직렬연결된다. 각 연결부(1220)에 연결되는 온도조절라인들(1210)의 갯수는 피씨알모듈(200)의 디자인에 따라 변경될 수 있다.
상기와 같은 본 실시예에 따르면, 좁은 폭을 갖는 복수개의 온도조절라인들(1210)이 손가락형상으로 서로 엇가리도록 배열되어 저항이 증가된다. 또한, 복수개의 온도조절라인들(1210)이 병렬로 연결되므로, 일부 온도조절라인(1210)이 식각불량으로 인하여 단선이 발생하더라도 나머지 온도조절라인들(1210)을 통하여 온도를 조절하는 것이 가능하다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광학센서모듈을 나타내는 평면도이다. 본 실시예에서, 온도조절라인을 제외한 나머지 구성요소들은 도 7에 도시된 실시예와 동일하므로, 동일한 구성요소들에 대한 중복되는 설명은 생략한다.
도 1 내지 도 3, 및 도 9를 참조하면, 온도조절부는 제1 온도조절라인(1310), 제2 온도조절라인(1312), 연결부(1320), 및 저항센서(1350)를 포함한다.
제1 온도조절라인(1310)는 베이스기판(1010)의 외곽부(OA)에 배치되고, 제2 온도조절라인(1312)은 베이스기판(1010)의 중앙부(CA)에 배치된다. 제1 온도조절라인(1310)의 폭은 제2 온도조절라인(1312)의 폭보다 좁다.
온도조절라인들(1310, 1312)은 서로 평행하게 배열되고, 연결부(1320)는 인접하는 온도조절라인들(1310, 1312)을 서로 엇갈리게 연결한다. 온도조절라인들(1310, 1312)과 연결부(1320)는 손가락형상(Finger Type)을 갖도록 배열되어, 온도조절부의 저항을 증가시킨다.
각 연결부(1320)에는 복수개의 온도조절라인들(1310, 1312)이 손가락형상으로 서로 엇갈리도록 연결되되, 각 연결부(1320)에 연결된 제1 온도조절라인들(1310)의 갯수는 제2 온도조절라인들(1312)의 갯수보다 많다.
예를 들어, 외곽부(OA)에 배치된 연결부(1320)에는 4개의 제1 온도조절라인들(1310)이 손가락 형상으로 연결되고, 중앙부(CA)에 배치된 연결부(1320)에는 2개의 제2 온도조절라인들(1312)이 손가락 형상으로 연결된다.
본 실시예에서, 온도조절라인들(1310, 1312)은 4개씩 또는 2개씩 한 묶음으로 연결부(1320)에 병렬로 연결되고, 각 묶음은 연결부(1320)를 통하여 사행형상(Serpentine Shape)으로 직렬연결된다. 각 연결부(1320)에 연결되는 온도조절라인들(1310, 1312)의 갯수는 피씨알모듈(200)의 디자인에 따라 변경될 수 있다.
상기와 같은 본 실시예에 따르면, 외곽부(OA)에 배치된 제1 온도조절라인(1310)의 폭이 중앙부(CA)에 배치된 제2 온도조절라인(1312)의 폭보다 좁아서, 외곽부(OA)에 더 많은 열을 발생시킨다.
중앙부(CA)보다 외곽부(OA)에 열손실이 많으므로, 제1 온도조절라인(1310)의 폭이 제2 온도조절라인(1312)의 폭보다 좁으면, 외곽부(OA)의 열손실을 보상하여 반응용기(240)를 균일하게 가열할 수 있다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광학센서모듈을 나타내는 평면도이다. 본 실시예에서, 온도조절라인을 제외한 나머지 구성요소들은 도 7에 도시된 실시예와 동일하므로, 동일한 구성요소들에 대한 중복되는 설명은 생략한다.
도 1 내지 도 3, 및 도 10을 참조하면, 온도조절부는 제1 온도조절라인(1410), 제2 온도조절라인(1412), 제3 온도조절라인(1414), 제1연결부(1420), 제2 연결부(1422), 및 저항센서(1450)를 포함한다.
제1 온도조절라인(1410)는 베이스기판(1010)의 외곽부(OA)에 배치되고, 제2 온도조절라인(1412)은 베이스기판(1010)의 중앙부(CA) 중에서 바깥쪽으로 배치되며, 제3 온도조절라인(1414)은 베이스기판(1010)의 중앙부(CA) 중에서 가운데 쪽으로 배치된다.
본 실시예에서, 제1 온도조절라인(1410)과 제2 온도조절라인(1412)은 동일한 폭을 가지며, 제3 온도조절라인(1412)의 폭보다 좁다.
온도조절라인들(1410, 1412, 1414)은 서로 평행하게 배열된다.
제1 연결부(1420)에는 제1 온도조절라인들(1410) 및 제2 온도조절라인들(1412)이 서로 엇갈리게 연결된다. 제2 연결부(1422)에는 제2 온도조절라인들(1412)과 제3 온도조절라인(1414)이 서로 마주보도록 연결된다.
제1 온도조절라인들(1410)과 제2 온도조절라인들(1412)은 제1 연결부(1420)와 손가락형상(Finger Type)을 갖도록 배열되어, 온도조절부의 저항을 증가시킨다.
각 제2 연결부(1422)에는 복수개의 제2 온도조절라인들(1412)이 손가락형상(Finger Type)을 갖도록 연결되고, 제3 온도조절라인(1414)은 복수개의 제2 온도조절라인들(1412)에 대응되도록 각 제2 연결부(1422)에 연결된다.
단위면적당 분포갯수를 비교하면, 외곽부(OA) 및 중앙부(CA)의 바깥쪽에 배치된 제1 온도조절라인들(1410) 및 제2 온도조절라인들(1412)의 밀도는 중앙부(CA)의 가운데 쪽에 배치된 제3 온도조절라인들(1414)의 밀도보다 높다.
상기와 같은 본 실시예에 따르면, 외곽부(OA) 및 중앙부(CA)의 바깥쪽의 열손실을 보상하여 반응용기(240)를 균일하게 가열할 수 있다.
도 11은 도 7에 도시된 저항센서를 나타내는 블록도이고, 도 12는 도 11에 도시된 저항센서를 나타내는 회로도이다.
도 1, 도 2, 도 7, 도 11, 및 도 12를 참조하면, 저항센서(1150)는 패드(1020) 및 온도조절라인(1110)에 연결되고, 전류입력부(1152) 및 저항신호생성회로(1154)를 포함한다. 본 실시예에서, 저항센서(1150)는 스위칭 트랜지스터들(1156a, 1156b)을 더 포함할 수 있다.
저항센서(1150)는 온도조절라인(1110)의 양단의 저항을 측정하여 상기 저항에 대응되는 디지털신호를 출력한다.
저항센서(1150)에 의해 출력된 저항값을 이용하여, 온도조절라인(1110)에 인가되는 전압이 기설정된 발열량에 대응되도록 보정한다.
본 실시예에서, 저항신호생성회로(1154)는 측정된 저항값에 대응되는 디지털신호를 생성한다. 예를 들어, 저항신호생성회로(1154)는 아날로그디지털 컨버터(Analog-Digital Converter; ADC)를 포함하고, 10bit의 디지털신호를 생성할 수 있다.
본 실시예에서, 저항센서(1150)의 스위칭트랜지스터들(1156a, 1156b)이 턴온되어 전류입력부(1152)로부터 정전류가 인가된다. 정전류는 온도조절라인(1110)으로 인가되며 온도조절라인(1110) 및 연결부(1120)의 저항에 의해 전압차가 발생한다. 저항신호생성회로(1154)는 전압차를 이용하여 저항값을 측정하고, 측정된 저항값에 대응되는 디지털신호를 생성하여 출력한다.
상기 디지털신호를 이용하여 온도조절라인(1110)에 인가될 전압을 보정한다.
상기와 같은 본 실시예에 따르면, 저항센서(1150)를 이용하여 온도조절라인(1110)의 저항을 측정하여, 온도조절라인(1110)에 인가되는 전압을 보정한다.
도 13 내지 도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학센서모듈의 제조방법을 나타내는 단면도들이다.
도 13을 참조하면, 실리콘기판(1001)을 준비한다. 다른 실시예에서, 실리콘기판(1001) 대신에 게르마늄기판, 유리기판, 실리콘카바이트기판 등 다양한 재질의 기판이 사용될 수도 있다.
도 14는 도 13에 도시된 실리콘 기판에 광학센서어레이를 형성하는 단계를 나타내는 단면도이다.
도 14를 참조하면, 실리콘기판(1001) 상에 불순물을 도핑하여 매트릭스 형상으로 배열된 복수개의 포토다이오드들을 포함하는 광학센서어레이(1700)를 형성한다. 예를 들어, 실리콘기판(1001)에 불순물의 종류를 변경하면서 도핑하여 P형반도체층, N형반도체층, 등을 형성하여 복수개의 포토다이오드들을 포함하는 광학센서어레이(1700)를 형성할 수 있다.
도 15는 도 14에 도시된 광학센서어레이 상에 실리콘층을 형성하는 단계를 나타내는 단면도이다.
도 15를 참조하면, 광학센서어레이(1700)가 형성된 실리콘기판(도 14의 1001) 상에 실리콘층을 형성하여, 실리콘기판(1002)의 두께를 증가시키고 광학센서어레이(1700)를 커버한다. 예를 들어, 상기 실리콘층은 증착공정을 통하여 형성될 수 있다.
도 16은 도 15에 도시된 실리콘기판 상에 온도조절부를 형성하는 단계를 나타내는 단면도이다.
도 7 및 도 16을 참조하면, 실리콘기판(1002) 상에 금속층을 형성하고, 사진식각공정을 통하여 상기 금속층을 패터닝하여 온도조절라인(1110), 연결부(1120) 등을 포함하는 온도조절부(1100)를 형성한다. 이때, 저항센서(1150)를 함께 형성할 수도 있다. 다른 실시예에서, 저항센서(1150)는 도 14에 도시된 광학센서어레이(1700)와 함께 형성될 수도 있다.
도 17은 도 16에 도시된 온도조절부 상에 실리콘층을 형성하는 단계를 나타내는 단면도이다.
도 17을 참조하면, 온도조절부(1100)가 형성된 실리콘기판(도 16의 1002) 상에 실리콘층을 형성하여, 베이스기판(1010)을 형성하고 온도조절부(1100)를 커버한다.
도 18은 도 17에 도시된 베이스기판 상에 패드를 형성하는 단계를 나타내는 단면도이다.
도 18을 참조하면, 베이스기판(1010)의 일부를 패터닝하여 콘택홀을 형성하고, 상기 콘택홀 내에 패드(1020)를 형성한다.
상기와 같은 본 실시예에서, 온도조절부(1100)는 베이스기판(1010) 내에 배치된다. 다른 실시예에서, 도 15에 도시된 단계까지 수행된 후에 도 18의 패드를 형성하고 이후에 실리콘기판(1002)을 베이스기판으로 하여, 베이스기판의 상면 또는 하면 상에 온도조절부(도 4의 1101, 도 5의 1102)를 형성할 수도 있다.
상기의 실시예들에서는 온도조절라인들이 직선방향으로 연장되고 온도조절라인들의 단부에 연결부가 배치된다. 다른 실시예에서, 온도조절라인들이 나선형상, 곡선형상, 달팽이 형상 등 다양한 형상을 가질 수도 있다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 광학파트가 피씨알모듈에 내장되고, 피씨알모듈은 탈착가능한 모듈형태로 제작되어 리더시스템의 크기가 대폭 감소한다. 또한 피씨알모듈 및 리더시스템의 크기가 획기적으로 감소하고 제조비용이 감소한다.
또한 리더시스템을 이동시키더라도, 기기재배치로 인한 재정렬, 보정 등이 불필요하기 때문에, 이동성이 획기적으로 향상되어 현장검사가 가능하다. 특히, 전염병검사, 재난현장의 신원확인 등 긴급상황 발생시 즉시투입이 가능하여 피해를 줄이는데 기여할 수 있다.
또한 피씨알모듈에 시약이 내장된 상태로 출시되기 때문에, 시약을 셋팅하기 위한 별도의 절차가 불필요하여 오염가능성이 획기적으로 저하되고 검사준비를 위한 별도의 절차가 필요하지 않다.
또한 광학센서에 온도조절부가 내장되어 온도조절에 걸리는 시간이 절약되어 검사의 정확도가 향상된다.
또한 동일한 반도체공정을 이용하여 광학센서어레이와 온도조절부를 동시에 형성하여, 제조공정이 단순해지고 제조비용이 감소하며, 감지오류가 감소한다.
또한 온도조절부 및 보조온도조절부를 이용하여 반응용기의 온도를 급격히 올리거나 내리는 것이 가능하여 피씨알검사의 정확도가 향상된다.
또한 좁은 폭을 갖는 복수개의 온도조절라인들이 손가락형상으로 서로 엇가리도록 배열되어 저항이 증가된다. 또한, 각 연결부에 복수개의 온도조절라인들이 병렬로 연결되므로, 일부 온도조절라인이 식각불량으로 인하여 단선이 발생하더라도 나머지 온도조절라인들을 통하여 온도를 조절하는 것이 가능하다.
또한 외곽부에 배치된 제1 온도조절라인의 폭이 중앙부에 배치된 제2 온도조절라인의 폭보다 좁아서, 외곽부에 더 많은 열을 발생시킨다. 또한 중앙부보다 외곽부에 열손실이 많으므로, 제1 온도조절라인의 폭이 제2 온도조절라인의 폭보다 좁으면, 외곽부의 열손실을 보상하여 반응용기를 균일하게 가열할 수 있다.
본 발명은 유전물질을 증폭하여 검사하는 연구용, 재난방지용, 의료용, 축산용, 애완동물치료용 장치 등에 사용될 수 있는 산업상 이용가능성을 갖는다.
100 : 리더 시스템(Reader System) 110 : 중앙정보처리부
120 : 메모리, 구동데이터 130 : 인터페이스
200 : 피씨알모듈(PCR Module) 210 : 제어인터페이스
220 : 광원구동부 230 : 광원
240 : 반응용기 260 : 온도센서
1000 : 온도제어모듈 1010 : 베이스기판
1020 : 패드 1100 : 온도조절부
1110 : 온도조절라인 1120 : 연결부
1150 : 저항센서 1152 : 전류입력부
1154 : 저항신호생성회로 1700 : 광학센서어레이
2000 : 온도제어부

Claims (6)

  1. 리더시스템(Reader System)과 탈착가능하도록 결합되며, 반응용기, 및 상기 반응용기에서 발생되는 형광을 감지하는 광학센서모듈이 내장되어 상기 리더시스템의 제어에 따라 상기 반응용기 내에 배치된 시료의 유전물질을 증폭하는 피씨알 모듈(PCR Module)에 사용되는 상기 광학센서모듈에 있어서,
    베이스기판;
    도전성 물질을 포함하고 길게 연장되어 전류의 흐름에 따라 열을 발생시키는 복수개의 온도조절라인들과, 상기 온도조절라인들의 단부에 연결되어 상기 온도조절라인들 사이의 저항을 디지털신호로 출력하는 저항센서를 포함하고, 상기 베이스기판에 일체로 형성되는 온도조절부; 및
    상기 베이스기판 내에 배치되고 인접하는 상기 온도조절라인들 사이로 노출되는 복수개의 광학센서들이 매트릭스 형상으로 배열되는 광학센서어레이를 포함하되,
    상기 온도조절부는 복수개의 온도조절라인들과 손가락형상(Finger Type)을 갖도록 결합되는 복수개의 연결부들을 더 포함하고,
    상기 온도조절라인들은 서로 평행하게 배열되고 상기 연결부는 인접하는 온도조절라인들을 서로 엇갈리도록 연결하며,
    상기 온도조절라인들은 소정의 개수를 한 묶음으로 상기 연결부에 병렬로 연결되고, 각 묶음은 상기 연결부를 통하여 사행형상으로 직렬연결되며,
    상기 온도조절라인들의 일부는 상기 베이스기판의 외곽부에 배치되며 상기 온도조절라인들의 나머지는 상기 베이스기판의 중앙부에 배치되고 상기 외곽부에 배치되는 온도조절라인들보다 넓은 폭을 가지며,
    상기 외곽부에 배치되고 하나의 연결부에 연결되는 온도조절라인들의 개수는 상기 중앙부에 배치되고 하나의 연결부에 연결되는 온도조절라인들의 개수보다 많되,
    상기 저항센서는
    정전류를 인가하는 전류입력부;
    전압차를 이용하여 상기 저항을 측정하고 상기 측정된 저항에 대응되는 상기 디지털신호를 생성하는 저항신호생성회로;
    상기 전류입력부, 상기 온도조절라인들 중의 하나, 및 상기 저항신호생성회로의 일단부에 전기적으로 연결되어, 턴온되는 경우 상기 전류입력부에서 출력된 상기 정전류를 인가받아 상기 온도조절라인들 중의 하나 및 상기 저항신호생성회로에 인가하는 제1 스위칭 트랜지스터; 및
    상기 온도조절라인들 중의 다른 하나 및 상기 저항신호생성회로의 타단부에 전기적으로 연결되어, 턴온되는 경우 접지되어 상기 전압차를 생성하는 제2 스위칭 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학센서모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 온도조절부는 상기 베이스기판 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 광학센서모듈.
  3. 제1항에 있어서, 상기 온도조절부는 상기 베이스기판의 표면 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 광학센서모듈.
  4. 제1항에 있어서, 상기 연결부들은 상기 베이스기판의 외곽부에 배치되는 복수개의 제1 연결부들 및 상기 베이스기판의 중앙부에 배치되는 복수개의 제2 연결부들을 포함하고,
    상기 온도조절라인들은 상기 외곽부에 배치되는 복수의 제1 온도조절라인들, 상기 중앙부 중에서 바깥쪽으로 배치되는 복수의 제2 온도조절라인들, 및 상기 중앙부 중에서 가운데 쪽으로 배치되는 복수의 제3 온도조절라인들을 포함하며,
    상기 제1 연결부에는 상기 제1 온도조절라인들 및 상기 제2 온도조절라인들이 서로 엇갈리게 연결되고, 상기 제2 연결부에는 상기 제2 온도조절라인들과 상기 제3 온도조절라인들이 서로 마주보도록 연결되며,
    상기 외곽부 및 상기 중앙부의 바깥쪽에 배치된 상기 제1 온도조절라인들 및 상기 제2 온도조절라인들의 밀도는 상기 중앙부의 가운데 쪽에 배치된 상기 제3 온도조절라인들의 밀도보다 높은 것을 특징으로 하는 광학센서모듈.
  5. 리더시스템(Reader System)과 탈착가능하도록 결합되며, 반응용기, 및 상기 반응용기에서 발생되는 형광을 감지하는 광학센서모듈이 내장되어 상기 리더시스템의 제어에 따라 상기 반응용기 내에 배치된 시료의 유전물질을 증폭하는 피씨알 모듈(PCR Module)에 사용되는 상기 광학센서모듈의 제조방법에 있어서,
    실리콘기판을 준비하는 단계;
    상기 실리콘기판 상에 복수개의 광학센서들을 매트릭스 형상으로 배열하여 광학센서어레이를 형성하는 단계;
    상기 실리콘기판 상에 길게 연장되어 전류의 흐름에 따라 열을 발생시키는 복수개의 온도조절라인들을 형성하는 단계; 및
    상기 온도조절라인들의 단부에 연결되어 상기 온도조절라인들 사이의 저항을 디지털신호로 출력하는 저항센서를 형성하는 단계를 포함하되,
    복수개의 온도조절라인들과 손가락형상(Finger Type)을 갖도록 결합되는 연결부를 형성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 온도조절라인들은 서로 평행하게 배열되고 상기 연결부는 인접하는 온도조절라인들을 서로 엇갈리도록 연결하며,
    상기 온도조절라인들은 소정의 개수를 한 묶음으로 상기 연결부에 병렬로 연결되고, 각 묶음은 상기 연결부를 통하여 사행형상으로 직렬연결되며,
    상기 온도조절라인들의 일부는 상기 실리콘기판의 외곽부에 배치되며 상기 온도조절라인들의 나머지는 상기 실리콘기판의 중앙부에 배치되고 상기 외곽부에 배치되는 온도조절라인들보다 넓은 폭을 가지며,
    상기 외곽부에 배치되고 하나의 연결부에 연결되는 온도조절라인들의 개수는 상기 중앙부에 배치되고 하나의 연결부에 연결되는 온도조절라인들의 개수보다 많되,
    상기 저항센서는
    정전류를 인가하는 전류입력부;
    전압차를 이용하여 상기 저항을 측정하고 상기 측정된 저항에 대응되는 상기 디지털신호를 생성하는 저항신호생성회로;
    상기 전류입력부, 상기 온도조절라인들 중의 하나, 및 상기 저항신호생성회로의 일단부에 전기적으로 연결되어, 턴온되는 경우 상기 전류입력부에서 출력된 상기 정전류를 인가받아 상기 온도조절라인들 중의 하나 및 상기 저항신호생성회로에 인가하는 제1 스위칭 트랜지스터; 및
    상기 온도조절라인들 중의 다른 하나 및 상기 저항신호생성회로의 타단부에 전기적으로 연결되어, 턴온되는 경우 접지되어 상기 전압차를 생성하는 제2 스위칭 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학센서모듈의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 연결부들은 상기 실리콘기판의 외곽부에 배치되는 복수개의 제1 연결부들 및 상기 실리콘기판의 중앙부에 배치되는 복수개의 제2 연결부들을 포함하고,
    상기 온도조절라인들은 상기 외곽부에 배치되는 복수의 제1 온도조절라인들, 상기 중앙부 중에서 바깥쪽으로 배치되는 복수의 제2 온도조절라인들, 및 상기 중앙부 중에서 가운데 쪽으로 배치되는 복수의 제3 온도조절라인들을 포함하며,
    상기 제1 연결부에는 상기 제1 온도조절라인들 및 상기 제2 온도조절라인들이 서로 엇갈리게 연결되고, 상기 제2 연결부에는 상기 제2 온도조절라인들과 상기 제3 온도조절라인들이 서로 마주보도록 연결되며,
    상기 외곽부 및 상기 중앙부의 바깥쪽에 배치된 상기 제1 온도조절라인들 및 상기 제2 온도조절라인들의 밀도는 상기 중앙부의 가운데 쪽에 배치된 상기 제3 온도조절라인들의 밀도보다 높은 것을 특징으로 하는 광학센서모듈의 제조방법.
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