KR102479327B1 - Apparatus and method for measuring a temperature of cell - Google Patents
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Abstract
세포 온도 측정 장치 및 방법이 개시된다. 본 개시의 일 실시 예에 따른 세포 온도 측정 장치는, 복수의 말단부를 포함하고, 이상 홀 효과(Anomalous Hall Effect, AHE) 특성을 갖는 홀 소자와, 말단부 중 한 쌍의 제 1 말단부에 전기적으로 연결되어 홀 소자에 전류를 인가하는 전류 인가부와, 홀 소자에 인가된 전류 방향과 수직한 방향으로 외부 자기장을 인가하는 자기장 인가부와, 말단부 중 한 쌍의 제 2 말단부에 연결되어 홀 소자의 홀 전압을 측정하는 신호 분석부와, 홀 전압과 온도의 관계 특성을 포함하는 온도 테이블, 홀 소자에 인가된 전류 및 외부 자기장에 기초하여 홀 소자와 직접적 또는 간접적으로 열전도 연결된 대상체의 온도를 산출하는 제어부를 포함할 수 있다.An apparatus and method for measuring cell temperature are disclosed. An apparatus for measuring cell temperature according to an embodiment of the present disclosure includes a plurality of end portions and is electrically connected to a Hall element having an Anomalous Hall Effect (AHE) characteristic and a pair of first end portions among the end portions. A current applying unit for applying current to the Hall element, a magnetic field applying unit for applying an external magnetic field in a direction perpendicular to the direction of the current applied to the Hall element, and a pair of end parts connected to the second end part of the end part to form a hole of the Hall element. A signal analysis unit that measures voltage, a temperature table including characteristics of the relationship between Hall voltage and temperature, and a control unit that calculates the temperature of an object directly or indirectly thermally connected to the Hall element based on the current applied to the Hall element and an external magnetic field. can include
Description
본 개시는 온도에 대한 자성 특성을 이용하여 세포의 온도를 측정할 수 있도록 하는 세포 온도 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.The present disclosure relates to a cell temperature measuring device and method for measuring the temperature of a cell using magnetic properties of temperature.
온도는 다양한 산업 공정과 과학 연구에 필수적인 기본 매개 변수로서, 이를 측정하기 위한 다양한 방법이 알려져 있다.Temperature is a fundamental parameter essential for various industrial processes and scientific research, and various methods for measuring it are known.
기존의 전통적인 수은 온도계부터 물체의 정확한 온도를 측정하기 위하여 여러 가지 방법이 고안되어 왔다. 예를 들어, 바이메탈 방식의 서모커플(thermocouple), 적외선을 이용한 비접촉식 온도계, 적외선과 이에 반응하는 이미지 센서를 결합한 열화상 카메라 온도계, 라만 분광 현상을 이용한 온도계, 마이크로 니들 온도계, 형광 물질의 적외선 이미징 온도계, 액정의 상변화 온도계 그리고 AFM(Atomic Force Microscopy)을 응용한 주사 탐침 온도계 등 많은 기술로 보다 더 정확한 온도를 측정하기 위한 노력이 계속되고 있다. 그러나 이러한 온도 측정 기기들은 측정 온도, 면적, 측정 온도 범위 등의 제약과 장비의 거대화 같은 문제점들이 각각 단점으로 지적되고 있으며 응용에 대한 제한으로 작용하고 있다. Various methods have been devised to accurately measure the temperature of an object from the conventional mercury thermometer. For example, a bimetallic thermocouple, a non-contact thermometer using infrared rays, a thermal imaging camera thermometer that combines infrared rays and an image sensor that reacts to them, a thermometer using Raman spectroscopy, a microneedle thermometer, and an infrared imaging thermometer for fluorescent materials. Efforts are being made to measure temperature more accurately with many technologies, such as , liquid crystal phase change thermometers, and scanning probe thermometers using AFM (Atomic Force Microscopy). However, these temperature measuring devices are pointed out as disadvantages, such as restrictions on measurement temperature, area, measurement temperature range, etc., and enlarging equipment, respectively, and are acting as limitations on application.
특히, 무수한 화학 반응이 생체 내 생명 현상의 유지에 관여하고 있으며, 온도는 반응의 진행 여부를 결정하는 매우 중요한 인자 중 하나이다. 더욱이, 선행기술 1(등록특허 10-1797817)에 개시된 바와 같이, 의료용 고집중 초음파 치료기술 및 온열 치료기술 등이 최근 개발됨에 따라 생체 내 국소적인 부위, 예를 들면 단일 세포 수준과 같은 나노 스케일의 온도 변화를 모니터링하는 기술에 대한 관심이 증폭되고 있다.In particular, countless chemical reactions are involved in maintaining life phenomena in vivo, and temperature is one of the very important factors determining whether or not the reaction proceeds. Moreover, as disclosed in Prior Art 1 (Registered Patent No. 10-1797817), with the recent development of medical high-intensity ultrasound treatment technology and thermal treatment technology, local sites in vivo, for example, nanoscale, such as single cell level Interest in technology for monitoring temperature changes is growing.
세포의 온도를 측정하는 분야에 있어서, 형광 물질을 이용한 기술이 대부분 적용되어 사용되고 있지만 분해능의 한계와 형광 물질의 지속 시간에 대한 제한 등 많은 문제점을 갖고 있다. 또한, 오염에 민감한 바이오 실험의 특성상 한번 측정된 센서는 재사용이 어려우므로 고가의 센서를 매 측정 시 교체하여야 하는 문제가 존재한다.In the field of measuring cell temperature, most of the technologies using fluorescent materials are applied and used, but they have many problems, such as limitations in resolution and limitations on the duration of fluorescent materials. In addition, since it is difficult to reuse a sensor that is measured once due to the characteristics of a bio experiment that is sensitive to contamination, there is a problem in that an expensive sensor must be replaced for each measurement.
그리고 적외선 열영상을 통한 방식은 세포의 온도에 따라 방출되는 적외선을 직접적으로 측정하는 방식으로 적외선 이미지 센서 등을 이용하여 열영상을 얻는다. 그러나, 이러한 적외선 열영상을 통한 방식은 측정대상보다 주변환경에 의한 영향을 크게 받기 때문에 대상체의 정확한 온도측정이 어려우며, 이때, 사용되는 적외선 이미지 센서는 대개 감도가 떨어져 측정 데이터의 정확도가 떨어진다는 문제점이 존재한다.In addition, the infrared thermal imaging method directly measures infrared rays emitted according to the temperature of cells, and obtains a thermal image using an infrared image sensor or the like. However, since the method through infrared thermal imaging is more affected by the surrounding environment than the measurement object, it is difficult to accurately measure the temperature of the object. this exists
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.The foregoing background art is technical information that the inventor possessed for derivation of the present invention or acquired during the derivation process of the present invention, and cannot necessarily be said to be known art disclosed to the general public prior to filing the present invention.
본 개시의 실시 예의 일 과제는, 비정상 홀 효과(Anomalous Hall Effect, AHE)에 기반한 온도에 대한 자성 특성을 이용하여 극미량의 실험체만으로도 세포의 온도를 효율적으로 측정할 수 있도록 하는데 있다.An object of an embodiment of the present disclosure is to efficiently measure the temperature of a cell using a temperature-dependent magnetic characteristic based on the Anomalous Hall Effect (AHE) with only a very small amount of a test object.
본 개시의 실시 예의 일 과제는, 홀 소자의 큐리 온도를 감소시키고 홀 소자와 열전도 연결된 세포에 의한 온도 변화량을 홀 전압 변화로 측정하여, 홀 소자에 올라가는 세포의 온도를 직접적으로 측정할 수 있도록 하는데 있다.An object of an embodiment of the present disclosure is to reduce the Curie temperature of the Hall element and measure the temperature change amount by the cell connected to the Hall element and heat conduction with the Hall voltage change, so that the temperature of the cell going up to the Hall element can be directly measured. there is.
본 개시의 실시 예의 일 과제는, 홀 소자 자체의 온도 상승을 방지하여, 세포의 온도를 안정적으로 정확하고 정밀하게 측정할 수 있도록 하는데 있다.An object of an embodiment of the present disclosure is to prevent a temperature rise of the Hall element itself, so that the temperature of a cell can be measured stably, accurately and precisely.
본 개시의 실시 예의 일 과제는, 홀 소자를 리소그래피를 이용한 패턴으로 형성하여, 나노 또는 마이크로 크기의 초소형 온도계의 제작이 가능하도록 하는데 있다.An object of an embodiment of the present disclosure is to form a Hall element in a pattern using lithography, so that a nano- or micro-sized subminiature thermometer can be manufactured.
본 개시의 실시예의 목적은 이상에서 언급한 과제에 한정되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시 예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 알 수 있을 것이다.The purpose of the embodiments of the present disclosure is not limited to the above-mentioned tasks, and other objects and advantages of the present invention not mentioned above can be understood by the following description and will be more clearly understood by the embodiments of the present invention. will be. It will also be seen that the objects and advantages of the present invention may be realized by means of the instrumentalities and combinations indicated in the claims.
본 개시의 일 실시 예에 따른 세포 온도 측정 장치는, 비정상 홀 효과(Anomalous Hall Effect, AHE)에 기반한 온도에 대한 자성 특성을 이용하여 단일 세포의 마이크로 측정을 수행할 수 있다.An apparatus for measuring cell temperature according to an embodiment of the present disclosure may perform micro-measurement of a single cell using magnetic characteristics for temperature based on the Anomalous Hall Effect (AHE).
구체적으로 본 개시의 일 실시 예에 따른 세포 온도 측정 장치는, 복수의 말단부를 포함하고, 이상 홀 효과 특성을 갖는 홀 소자와, 말단부 중 한 쌍의 제 1 말단부에 전기적으로 연결되어 홀 소자에 전류를 인가하는 전류 인가부와, 홀 소자에 인가된 전류 방향과 수직한 방향으로 외부 자기장을 인가하는 자기장 인가부와, 말단부 중 한 쌍의 제 2 말단부에 연결되어 홀 소자의 홀 전압을 측정하는 신호 분석부와, 홀 전압과 온도의 관계 특성을 포함하는 온도 테이블, 홀 소자에 인가된 전류 및 외부 자기장에 기초하여 홀 소자와 직접적 또는 간접적으로 열전도 연결된 대상체의 온도를 산출하는 제어부를 포함할 수 있다.Specifically, the device for measuring cell temperature according to an embodiment of the present disclosure includes a plurality of end portions and electrically connects a Hall element having an abnormal Hall effect characteristic and a pair of first end portions among the end portions to generate current to the Hall element. A signal for measuring the Hall voltage of the Hall element connected to a current supply unit for applying a voltage, a magnetic field application unit for applying an external magnetic field in a direction perpendicular to the direction of the current applied to the Hall element, and a pair of second end parts among the end parts It may include an analyzer, a temperature table including a relationship between Hall voltage and temperature, and a control unit that calculates the temperature of an object directly or indirectly thermally connected to the Hall element based on the current applied to the Hall element and the external magnetic field. .
본 개시의 일 실시 예에 따른 세포 온도 측정 장치를 통하여, 홀 소자의 큐리 온도를 감소시키고 홀 소자와 열전도 연결된 세포에 의한 온도 변화량을 홀 전압 변화로 측정함으로써, 홀 소자에 올라가는 세포의 온도를 직접적으로 측정할 수 있도록 하여 측정 결과의 정확도를 향상시킬 수 있다.Through the cell temperature measuring device according to an embodiment of the present disclosure, the temperature of the cell rising to the Hall element can be measured directly by reducing the Curie temperature of the Hall element and measuring the amount of temperature change by the cell connected to the Hall element and heat conduction by the Hall voltage change. It is possible to improve the accuracy of the measurement result by allowing it to be measured.
이 외에도, 본 발명의 구현하기 위한 다른 방법, 다른 시스템 및 상기 방법을 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 저장된 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체가 더 제공될 수 있다.In addition to this, another method for implementing the present invention, another system, and a computer-readable recording medium storing a computer program for executing the method may be further provided.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.Other aspects, features and advantages other than those described above will become apparent from the following drawings, claims and detailed description of the invention.
본 개시의 실시 예에 의하면, 비정상 홀 효과(Anomalous Hall Effect, AHE)에 기반한 온도에 대한 자성 특성을 이용하여 세포의 온도를 정밀하게 측정할 수 있도록 함으로써, 세포 온도 측정 장치의 성능 및 신뢰도를 향상 시킬 수 있다.According to an embodiment of the present disclosure, the performance and reliability of a cell temperature measurement device can be improved by enabling the temperature of a cell to be accurately measured using the magnetic characteristics for temperature based on the Anomalous Hall Effect (AHE) can make it
또한, 홀 소자의 큐리 온도를 감소시키고 홀 소자와 열전도 연결된 세포에 의한 온도 변화량을 홀 전압 변화로 측정하여, 홀 소자에 올라가는 세포의 온도를 직접적으로 측정할 수 있도록 함으로써, 안정적이고 정확한 온도 측정이 가능하도록 할 수 있다.In addition, by reducing the Curie temperature of the Hall element and measuring the amount of temperature change by the cells connected to the Hall element and heat conduction with the change in Hall voltage, the temperature of the cell going up to the Hall element can be directly measured, so that stable and accurate temperature measurement is possible. can make it possible.
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또한, 홀 소자의 판독 전류를 감소시키거나 전자석의 냉각 기능을 통해 홀 소자 자체의 온도 상승을 방지함으로써, 홀 소자의 고장을 예방할 수 있으며, 세포 온도 측정 장치의 안정성을 향상시킬 수 있다.In addition, by reducing the read current of the Hall element or preventing the temperature rise of the Hall element itself through the cooling function of the electromagnet, failure of the Hall element can be prevented and stability of the cell temperature measuring device can be improved.
또한, 홀 소자를 리소그래피를 이용한 패턴으로 형성하여, 나노 또는 마이크로 크기의 초소형 온도계의 제작이 가능하도록 함으로써, 소형화(portable)에 따른 세포 온도 측정 장치의 산업 이용 가능성을 향상시킬 수 있다.In addition, by forming a Hall element in a pattern using lithography, it is possible to manufacture a nano- or micro-sized subminiature thermometer, thereby improving the industrial applicability of the portable cell temperature measuring device.
또한, 세포와 열전도 연결되어 세포 내부의 생물학적 활동에 의한 세포 온도 변화를 직접 측정할 수 있도록 함으로써, 단일 세포의 온도 측정 정확도를 향상시킬 수 있다.In addition, the temperature measurement accuracy of a single cell can be improved by being connected to the cell by heat conduction so that the cell temperature change due to the biological activity inside the cell can be directly measured.
또한, 세포 온도 측정 장치의 전체 구성을 방수 가능하고, 세포의 독성에 의한 보호가 가능하도록 형성함으로써, 세포 온도 측정 장치의 제품 만족도 및 신뢰도를 향상시킬 수 있다.In addition, product satisfaction and reliability of the cell temperature measuring device may be improved by forming the entire structure of the cell temperature measuring device to be waterproof and to protect cells from toxicity.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to those mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.
도 1(a) 및 도 1(b)는 본 개시의 일 실시 예에 따른 큐리 온도와 포화 자화 값이 온도의 함수임을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 이상 홀 효과와 자기장 및 온도의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 3(a) 및 도 3(b)는 본 개시의 일 실시 예에 따른 자성합금에 대한 이상 홀 효과와 온도를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 개시의 일 실시 예에 따른 세포 온도 측정 장치를 개략적으로 나타낸 예시도이다.
도 5는 본 개시의 일 실시 예에 따른 홀 소자와 대상체의 열전도 연결을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 개시의 일 실시 예에 따른 세포 온도 측정 장치를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 7은 본 개시의 일 실시 예에 따른 세포 온도 측정 장치의 개략적인 구조를 포함하는 블록도이다.
도 8은 본 개시의 일 실시 예에 따른 세포 온도 측정 장치의 온도 측정부의 개략적인 구조를 나타낸 블록도이다.
도 9는 본 개시의 일 실시 예에 따른 세포 온도 측정 장치의 개략적인 구조를 나타낸 예시도이다.
도 10은 본 개시의 일 실시 예에 따른 세포 온도 측정 장치의 신호 분석 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 개시의 일 실시 예에 따른 세포 온도 측정 장치의 신호 분석 결과를 나타낸 예시도이다.
도 12는 본 개시의 일 실시 예에 따른 세포 온도 측정 장치의 온도 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.1(a) and 1(b) are views for explaining that a Curie temperature and a saturation magnetization value are functions of temperature according to an embodiment of the present disclosure.
2 is a diagram for explaining a relationship between the ideal Hall effect, a magnetic field, and temperature according to an exemplary embodiment of the present disclosure.
3(a) and 3(b) are diagrams for explaining the ideal Hall effect and temperature for a magnetic alloy according to an embodiment of the present disclosure.
4 is an exemplary diagram schematically illustrating a cell temperature measuring device according to an embodiment of the present disclosure.
5 is a diagram for explaining a heat conduction connection between a Hall element and an object according to an embodiment of the present disclosure.
6 is a schematic block diagram of an apparatus for measuring cell temperature according to an embodiment of the present disclosure.
7 is a block diagram including a schematic structure of a cell temperature measuring device according to an embodiment of the present disclosure.
8 is a block diagram showing a schematic structure of a temperature measuring unit of a cell temperature measuring device according to an embodiment of the present disclosure.
9 is an exemplary view showing a schematic structure of a cell temperature measuring device according to an embodiment of the present disclosure.
10 is a diagram for explaining a signal analysis result of a cell temperature measuring device according to an embodiment of the present disclosure.
11 is an exemplary view showing a signal analysis result of a cell temperature measuring device according to an embodiment of the present disclosure.
12 is a flowchart illustrating a temperature measurement method of a cell temperature measurement device according to an embodiment of the present disclosure.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 설명되는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다.Advantages and features of the present invention, and methods for achieving them will become clear with reference to the detailed description of embodiments in conjunction with the accompanying drawings.
그러나 본 발명은 아래에서 제시되는 실시 예들로 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 아래에 제시되는 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.However, it should be understood that the present invention is not limited to the embodiments presented below, but may be implemented in a variety of different forms, and includes all conversions, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. . The embodiments presented below are provided to complete the disclosure of the present invention and to fully inform those skilled in the art of the scope of the invention to which the present invention belongs. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of related known technologies may obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.Terms used in this application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this application, the terms include or have are intended to designate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but one or more other features, numbers, or steps However, it should be understood that it does not preclude the possibility of existence or addition of operations, components, parts, or combinations thereof. Terms such as first and second may be used to describe various components, but components should not be limited by the terms. These terms are only used for the purpose of distinguishing one component from another.
이하, 본 발명에 따른 실시 예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description with reference to the accompanying drawings, the same or corresponding components are assigned the same reference numerals, and overlapping descriptions thereof are omitted. I'm going to do it.
도 1(a) 및 도 1(b)는 본 개시의 일 실시 예에 따른 큐리 온도와 포화 자화 값이 온도의 함수임을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 이상 홀 효과와 자기장 및 온도의 관계를 설명하기 위한 도면이며, 도 3(a) 및 도 3(b)는 본 개시의 일 실시 예에 따른 자성합금에 대한 이상 홀 효과와 온도를 설명하기 위한 도면이다.1(a) and 1(b) are diagrams for explaining that the Curie temperature and the saturation magnetization value are functions of temperature according to an embodiment of the present disclosure, and FIG. 2 is a two-dimensional hole according to an embodiment of the present disclosure. 3(a) and 3(b) are diagrams for explaining the extraordinary Hall effect and temperature for a magnetic alloy according to an embodiment of the present disclosure.
먼저 본 실시 예는, 자성 재료가 갖는 특성 중에 하나인 큐리 온도(curie temperature)와 포화 자화 값이 온도의 함수임을 이용하여 온도를 측정하고자 하는 대상체의 온도를 측정하는 것에 관한 것이다. 본 실시 예에서는, 세포를 대상체의 실시 예로 하여 세포의 온도를 측정할 수 있는 것으로 설명하고 있으나, 이에 한정되지 않고 실시 예에 따라 다른 대상체의 온도 측정이 가능할 수 있다.First, this embodiment relates to measuring the temperature of an object whose temperature is to be measured using that a Curie temperature, which is one of the characteristics of a magnetic material, and a saturation magnetization value are a function of temperature. In this embodiment, it is described that the temperature of a cell can be measured using a cell as an example of an object, but the temperature of another object may be measured according to embodiments without being limited thereto.
도 1(a)에 도시된 바와 같이, 세로축은 자성 재료의 포화 자화의 세기를 나타내고, 가로축은 해당 자성 재료의 온도와 큐리 온도(Tc)의 비율을 나타내는 것으로, 세로축의 1은 자성 재료의 자화가 최대인 상태, 가로축의 1은 자성 재료의 큐리 온도를 의미할 수 있다. 즉 도 1(a)을 참조하면, 자성 재료는 큐리 온도에 가까워질수록 포화 자화 값이 급격하게 줄어들게 되고 큐리 온도 이상에서는 자화를 잃게 되는 특성임을 알 수 있다.As shown in FIG. 1(a), the vertical axis represents the intensity of saturation magnetization of the magnetic material, the horizontal axis represents the ratio between the temperature of the magnetic material and the Curie temperature (Tc), and 1 on the vertical axis represents the magnetization of the magnetic material. When is maximum, 1 on the abscissa axis may mean the Curie temperature of the magnetic material. That is, referring to FIG. 1(a), it can be seen that the saturation magnetization value of a magnetic material rapidly decreases as it approaches the Curie temperature, and magnetization is lost above the Curie temperature.
여기서 큐리 온도는, 퀴리온도 또는 퀴리점(Curie Point)이라고도 하며, 강자성(Ferromagnetism) 상태가 상자성(paramagnetism) 상태로 상전이 할 때의 온도를 의미한다. 즉 강자성체(paramagnetic substance)는 일정한 온도 이상으로 가열하면 자석으로서의 성질을 잃고 상자성체(paramagnetic substance)가 되며, 큐리 온도보다 높은 온도에서, 강자성체에서는 자화가 소실되어 상자성 상태가 되는 것이다. 큐리 온도에서는 일반적으로 큰 비열이 나타나며, 압력과는 거의 관계가 없다. 다시 말해, 강자성체는 큐리 온도 0 K에서 자화가 최대이고, 모든 스핀이 정렬할 수 있는 상황이 존재하지만, 온도가 계속 올라감에 따라 더욱 많은 평행 정렬이 열 운동에 의해 무질서하게 되어, 큐리 온도 바로 아래에서는 정렬이 급격하게 깨어지고 큐리 온도 이상에서는 정렬이 모두 사라진다.Here, the Curie temperature is also referred to as the Curie temperature or the Curie point, and means the temperature when the phase transitions from a ferromagnetism state to a paramagnetism state. That is, when a paramagnetic substance is heated above a certain temperature, it loses its properties as a magnet and becomes a paramagnetic substance. At the Curie temperature, a large specific heat usually appears and has little to do with pressure. In other words, a ferromagnet has a maximum magnetization at a Curie temperature of 0 K, and there exists a situation where all spins can align, but as the temperature continues to rise, more and more parallel alignments become disordered by thermal motion, just below the Curie temperature. At , the alignment is rapidly broken, and above the Curie temperature, the alignment disappears altogether.
일반적으로 자철석의 큐리 온도는 575℃, 적철석은 675℃, 순수한 철은 770℃, 니켈은 358℃, 코발트는 1131℃와 같이, 큐리 온도가 매우 높다. 본 실시 예는, 자성 재료의 강자성 상태가 유지되는 큐리 온도 이하에서, 세포의 온도를 측정하기 위한 것으로, 세포의 온도인 상온까지 큐리 온도를 감소시켜야 할 필요가 있다.In general, the Curie temperature of magnetite is 575 °C, hematite is 675 °C, pure iron is 770 °C, nickel is 358 °C, and cobalt is 1131 °C. In this embodiment, the temperature of the cell is measured below the Curie temperature at which the ferromagnetic state of the magnetic material is maintained, and the Curie temperature needs to be reduced to room temperature, which is the temperature of the cell.
도 1(b)는 특히 자성 재료의 두께 감소에 따른 큐리 온도를 나타내는 도면으로, 도 1(b)에 도시된 바와 같이, 자성 재료(예컨대, 코발트(Co))를 매우 얇은 박막(예컨대, 두께 0.6 nm)으로 만든 경우, 약 400 K까지 큐리 온도를 감소시킬 수 있음을 알 수 있다.1 (b) is a diagram showing the Curie temperature according to the decrease in the thickness of a magnetic material, in particular, as shown in FIG. 0.6 nm), it can be seen that the Curie temperature can be reduced to about 400 K.
다만 본 실시 예에서는, 세포의 온도를 측정해야 하므로, 세포의 온도인 상온까지 큐리 온도를 더욱 더 감소시켜야 할 필요가 있다. 이에 본 실시 예에서는, 순수 자성 재료(예컨대, Co)에 일반 금속(예컨대, Cu)을 첨가한 자성 합금을 이용하여 큐리 온도를 약 300 K까지 감소시킬 수 있다. 보다 구체적인 설명은 후술하도록 한다.However, in this embodiment, since the temperature of the cell needs to be measured, it is necessary to further reduce the Curie temperature to room temperature, which is the temperature of the cell. Accordingly, in this embodiment, the Curie temperature can be reduced to about 300 K by using a magnetic alloy in which a common metal (eg, Cu) is added to a pure magnetic material (eg, Co). A more detailed description will be given later.
본 실시 예에서는, 강자성체에서 발현되는 이상 홀 효과(Anomalous Hall effect)의 크기가 강자성체의 자화량에 비례함을 기반으로 하여, 강자성체의 자화량이 온도의 함수이므로 이상 홀 효과의 크기가 온도의 함수임을 이용하여, 온도를 측정하고자 하는 대상체(즉, 세포)의 온도를 측정할 수 있다. 즉 본 실시 예에서는, 자성 재료, 즉 강자성체를 포함하여 이루어진 소자를 통해 세포의 온도를 측정하는 것에 관한 것으로, 이러한 소자를 이하 홀 소자(도 7의 110)라고 통칭하도록 한다.In this embodiment, based on the fact that the magnitude of the anomalous Hall effect expressed in a ferromagnetic material is proportional to the magnetization amount of the ferromagnetic material, since the magnetization amount of the ferromagnetic material is a function of temperature, the magnitude of the anomalous Hall effect is a function of temperature The temperature of an object (ie, a cell) whose temperature is to be measured can be measured using the temperature sensor. That is, the present embodiment relates to measuring the temperature of a cell through an element made of a magnetic material, that is, a ferromagnetic material, and such an element will be collectively referred to as a Hall element (110 in FIG. 7 ).
본 실시 예에서는, 기판/백금(Pt)/Co/Pt로 구성된 홀 소자(110)의 샘플을 이용하여 온도 별 외부 자기장에 따른 이상 홀 효과를 측정하였다. 도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 이상 홀 효과와 자기장 및 온도의 관계를 설명하기 위한 도면이다. 이러한 도 2를 참조하면, 예컨대 홀 소자(110)의 강자성 레이어(Co)가 0.4 nm 두께일 때, 이상 홀 효과의 크기와 외부 자기장의 크기, 그리고 온도의 관계를 확인할 수 있다.In this embodiment, the hall effect according to the external magnetic field for each temperature was measured using a sample of the
여기서, 강자성체는 외부에서 강한 자기장을 걸어주었을 때 그 자기장의 방향으로 강하게 자화된 뒤 외부 자기장이 사라져도 자화가 남아 있는 물질을 의미하며, 외부 자기장이 없어도 전자가 자체 스핀에 따라 전기장의 수직 방향으로 휘어져 움직이는 현상을 의미한다. 일반적으로 도체 및 반도체 물질에 전류를 흘려준 상태에서 외부에서 자기장이 가해질 경우, 로렌츠 힘(Lorentz force)을 받아 전자가 휘면서 물질 경계면에 전하가 쌓이게 되며, 이를 홀 효과라 한다. 즉, 비정상 홀 효과는 강자성 물질에서 발생하는 현상으로, 전도 전자는 스핀궤도 결함(spin orbit coupling)에 의해 스핀-의존적 산란(Spin-dependent scattering)이 발생하게 되고, 이때, 전자들의 스핀 상태에 따라 산란 방향이 달라져서 한 쪽에는 스핀 업이 반대쪽에는 스핀 다운이 많이 쌓여 홀 효과가 발생하게 된다.Here, a ferromagnetic material means a material that is strongly magnetized in the direction of the magnetic field when a strong magnetic field is applied from the outside and remains magnetized even when the external magnetic field disappears. means motion. In general, when a magnetic field is applied from the outside in a state in which a current flows through a conductor or semiconductor material, electrons are bent by the Lorentz force and charges are accumulated at the material interface, which is called the Hall effect. That is, the abnormal Hall effect is a phenomenon that occurs in ferromagnetic materials, and conduction electrons undergo spin-dependent scattering by spin orbit coupling, and at this time, depending on the spin state of electrons The direction of scattering is different, so spin-up on one side and spin-down on the other side accumulate, resulting in the Hall effect.
한편, 본 실시 예에서는, 도 3(a)에 도시된 바와 같이, 기판/Pt/CoCu/Pt로 구성된 홀 소자(110)의 샘플을 이용하여 이상 홀 효과와 온도를 측정하였다. 도 3(a)를 참조하면, 예컨대 홀 소자(110)의 강자성 레이어()가 0.4 nm 두께일 때, 강자성 레이어의 합금 조성 비율에 따라 큐리 온도가 달라질 수 있음을 알 수 있다. 본 실시 예에서는, 합금 조성 비율이, 예컨대 일 때, 세포의 온도 범위에서의 온도의 변화가 다양하므로 이러한 조성 비율이 적용될 수 있다. 여기서 세포의 온도 범위는 도 3(a)의 그래프에서 기울기가 급격하게 달라지는 변곡점으로부터의 일정 범위일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉 본 실시 예에서, 홀 소자(110)는 세포의 온도 범위 중 최대값 이상의 큐리 온도를 가질 수 있으며, 이러한 큐리 온도에 해당하는 비율로 합금이 조성될 수 있다. 예컨대 본 실시 예에서, 홀 소자(110)는 300 K 내지 450 K의 큐리 온도를 가질 수 있다.Meanwhile, in this embodiment, as shown in FIG. 3(a), the abnormal Hall effect and temperature were measured using a sample of the
또한 본 실시 예에서는, 도 3(b)에 도시된 바와 같이, Ta/Pt/Co/Pt 또는 Ta/Pt//Pt로 구성된 홀 소자(110)의 샘플을 이용하여 온도 변화에 따른 이상 홀 효과의 비율을 측정하였다. 도 3(b)를 참조하면, 순수 Co 일 때보다 일 때, 온도 변화에 따른 이상 홀 효과의 비율, 즉 홀 저항의 변화가 커서 세포의 온도를 측정하기 용이함을 알 수 있다.Also, in this embodiment, as shown in FIG. 3(b), Ta/Pt/Co/Pt or Ta/Pt/ The ratio of the abnormal Hall effect according to the temperature change was measured using a sample of the
한편, 본 실시 예에서는, 코발트와 구리의 자성 합금뿐만 아니라, 수직 자기 이방성을 갖는 다른 강자성 물질로 대체함으로써 세포 온도의 원하는 측정 범위를 설정할 수 있다.Meanwhile, in the present embodiment, a desired measurement range of the cell temperature can be set by replacing the magnetic alloy of cobalt and copper with another ferromagnetic material having perpendicular magnetic anisotropy.
도 4는 본 개시의 일 실시 예에 따른 세포 온도 측정 장치를 개략적으로 나타낸 예시도이고, 도 5는 본 개시의 일 실시 예에 따른 홀 소자와 대상체의 열전도 연결을 설명하기 위한 도면이다.4 is an exemplary view schematically illustrating a cell temperature measuring device according to an embodiment of the present disclosure, and FIG. 5 is a diagram for explaining heat conduction connection between a Hall element and an object according to an embodiment of the present disclosure.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시 예는, 홀 소자(110) 위에 세포(또는 배양액, 혈액 등)가 위치하도록 하여, 홀 소자(110)의 홀 전압을 기반으로, 홀 소자(110)와 직접적 또는 간접적으로 열전도 연결된 세포의 온도를 산출하는 것에 관한 것이다. 이때 홀 소자(110)의 구조는 다양한 형태로 구현 가능할 수 있으나, 본 실시 예에서는 십자형으로 구현될 수 있다. As shown in FIG. 4, in this embodiment, cells (or culture medium, blood, etc.) are placed on the
도 4에서는 홀 소자(110)의 십자형의 구조를 설명하기 위해 두께가 있는 막대 형태로 도시하고 있으나, 후술하는 도 8에 도시된 바와 같이, 얇은 반도체 조각이 기판 위에 부착되거나 또는 도포된 형태로 구현됨이 바람직할 것이다. 즉 본 실시 예에서, 홀 소자(110)는 홀 계수와 이동도가 크고 두께가 얇은 박편(薄片)일 수 있으며 십자형 구조로 형성되어 얇게 제작하기 보다 용이할 수 있다.In FIG. 4, the
본 실시 예에서는, 도 5에 도시된 바와 같이, 기판, 백금 및 실리콘 산화물로 이루어진 샘플 위에 액체에 담긴 세포가 놓여져 있을 때, 시간이 흐름에 따라 변하는 열 흐름(Heat flow)을 시뮬레이션 하였다. 이때 세포의 초기 온도는 312.5 K, 액체의 초기 온도는 310 K, 기판의 초기 온도는 300 K로 설정되었으며, 시뮬레이션 결과 100μs 이후 기판의 표면의 온도는 306.43 K로 출력되었다. 즉 도 5를 참조하면, 홀 소자(110) 위에 놓인 세포의 온도에 따라 홀 소자(110)의 온도가 변함을 알 수 있다. 이때 열용량이 큰 쪽에 열 평형이 맞추어지므로 홀 소자(110)의 크기를 세포에 비해 많이 줄일수록 정확한 온도 측정이 가능할 것이다. 즉 본 실시 예에서는 홀 소자(110)의 너비를 수십 nm 단위까지 감소시킬 수 있다.In this embodiment, as shown in FIG. 5 , when cells immersed in a liquid are placed on a sample made of a substrate, platinum, and silicon oxide, heat flow that changes over time is simulated. At this time, the initial temperature of the cell was set to 312.5 K, the initial temperature of the liquid to 310 K, and the initial temperature of the substrate to 300 K. As a result of the simulation, the temperature of the substrate surface after 100 μs was output as 306.43 K. That is, referring to FIG. 5 , it can be seen that the temperature of the
한편, 본 실시 예에서, 홀 소자(110)는 이상 홀 효과(Anomalous Hall Effect, AHE) 특성을 갖는 것으로, 기판(substrate) 상에 형성된 십자형의 형상을 가지고, 십자형의 각 말단 중 서로 대향하는 한 쌍을 통해 전류를 인가하고, 나머지 서로 대향하는 한 쌍을 통해 전압을 측정하도록 구성될 수 있다. 이때, 홀 소자(110)에 인가되는 전류와 수직한 방향으로 자속을 통과시킴으로써 로렌쯔 힘(Lorentz Force)에 의해 전하가 옆으로 편향되어 전류가 인가되는 한 쌍의 말단 이외의 나머지 말단에 전압이 발생하게 된다. 홀 소자(110)마다 공정상 이유로 온도 특성에 작은 변동(variation)이 있을 수 있으나, 홀 소자(110)의 온도 특성 자체는 변하지 않기 때문에 홀 소자(110)의 온도 특성을 이용해, 세포와 열전도 연결된 홀 소자(110)의 온도 측정을 통해 세포의 온도를 알 수 있다.On the other hand, in this embodiment, the
본 실시 예에서, 홀 소자(110)는 복수의 레이어들을 포함할 수 있으며, 복수의 레이어들은 비자성을 갖는 제 1 레이어, 상기 제 1 레이어 상측에 형성되고, 자기장 인가부(도 6의 300)로부터 인가되는 자기장에 의해 이상 홀 효과가 발생되는 강자성을 갖는 제 2 레이어 및 상기 제 2 레이어 상측에 형성되고 비자성을 갖는 제 3 레이어를 포함할 수 있다.In this embodiment, the
또한 홀 소자(110)의 복수의 레이어들은 기판 상에 형성될 수 있으며, 따라서 기판도 홀 소자(110)에 포함된다고 볼 수 있다.In addition, a plurality of layers of the
기판 상부에는 제 1 레이어가 형성될 수 있다. 제 1 레이어는 다결정 상태일 수 있으며, 제 2 레이어와의 계면에서 응력을 유발할 수 있다. 또한 제 1 레이어는 제 2 레이어와의 계면에서의 자기적 상호작용에 의해 제 2 레이어의 계면 부위에 수직 자기 이방성을 유도할 수 있다. 예컨대, 제 1 레이어는 Pt 또는 Pd 등의 heavy metal 일 수 있다.A first layer may be formed on the substrate. The first layer may be in a polycrystalline state and may induce stress at an interface with the second layer. In addition, the first layer may induce perpendicular magnetic anisotropy at the interface portion of the second layer by magnetic interaction at the interface with the second layer. For example, the first layer may be a heavy metal such as Pt or Pd.
또한 본 실시 예에서, 기판과 제 1 레이어 사이에는, 제 1 레이어의 형성을 용이하게 하기 위한 버퍼 레이어가 구비될 수도 있다. 즉, 절연성 재질의 기판 상에 직접 제 1 레이어를 형성하는 경우, 제 1 레이어는 일정한 격자 상수를 가지지 못하거나 결정립을 형성하지 못해 다결정 구조가 형성되지 않을 수 있다. 따라서 버퍼 레이어의 형성을 통해 제 1 레이어는 다결정 상태로 용이하게 형성될 수 있다. 예컨대 버퍼 레이어는 Ta, Ru 또는 Ti 일 수 있다.Also, in this embodiment, a buffer layer for facilitating formation of the first layer may be provided between the substrate and the first layer. That is, when the first layer is directly formed on a substrate made of an insulating material, a polycrystalline structure may not be formed because the first layer does not have a constant lattice constant or does not form crystal grains. Therefore, through the formation of the buffer layer, the first layer can be easily formed in a polycrystalline state. For example, the buffer layer may be Ta, Ru or Ti.
제 2 레이어는 강자성 레이어로서, 제 1 레이어 또는 제 3 레이어와 접하는 계면에서 유도된 수직 자기 이방성에 의해 계면에 수직한 방향으로 자화 용이축을 가질 수 있다. 이때 제 2 레이어 내의 벌크 영역에서는 수직 자기 이방성과 수평 자기 이방성이 혼재된 상태일 수 있다. 즉, 수직 자화 및 수평 자화가 혼재되고, 수직과 수평의 중간 영역의 자화도 나타날 수 있다. 다만, 제 2 레이어의 하부 영역 및 상부 영역은 제 1 레이어와 제 3 레이어와 인접하거나 접하며, 접하는 영역 부근에서는 수직 자기 이방성이 우세하게 나타난다. 계면에서 나타나는 강한 수직 자기 이방성은 벌크 영역에 까지 스핀 궤도 상호작용을 유발할 수 있다.The second layer is a ferromagnetic layer, and may have an easy axis of magnetization in a direction perpendicular to the interface due to perpendicular magnetic anisotropy induced at an interface in contact with the first layer or the third layer. In this case, in the bulk region in the second layer, vertical magnetic anisotropy and horizontal magnetic anisotropy may be mixed. That is, vertical magnetization and horizontal magnetization may be mixed, and magnetization in an intermediate region between vertical and horizontal may also appear. However, the lower region and the upper region of the second layer are adjacent to or in contact with the first layer and the third layer, and perpendicular magnetic anisotropy is predominant in the vicinity of the contact region. The strong perpendicular magnetic anisotropy at the interface can induce spin-orbit interaction up to the bulk region.
스핀 궤도 상호작용에 의해 제 2 레이어는 수직 자화가 자화 용이축으로 설정될 수 있다. 따라서, 제 2 레이어에 수직한 방향으로 자계가 인가되는 경우, 수직 방향이 자화 용이축이 되므로 제 2 레이어는 인가되는 자계의 세기에 비례하여 수직 자기 이방성이 강화되고, 이는 홀 전압으로 나타날 수 있다.The perpendicular magnetization of the second layer may be set to the easy axis of magnetization by the spin-orbit interaction. Accordingly, when a magnetic field is applied in a direction perpendicular to the second layer, since the vertical direction becomes an easy magnetization axis, the perpendicular magnetic anisotropy of the second layer is enhanced in proportion to the strength of the applied magnetic field, which may appear as a Hall voltage. .
본 실시 예에서, 제 2 레이어의 두께는 0.4 nm 내지 1.0 nm 일 수 있으며, Co, Fe, Ni, CoFe 및 CoNi 중 어느 하나와 Cu, Ti, Al 및 Ru 중 어느 하나가 합금으로 결합된 것일 수 있다. 예컨대, 본 실시 예에서 제 2 레이어는 CoCu를 포함할 수 있다.In this embodiment, the thickness of the second layer may be 0.4 nm to 1.0 nm, and any one of Co, Fe, Ni, CoFe, and CoNi and any one of Cu, Ti, Al, and Ru may be combined as an alloy. there is. For example, in this embodiment, the second layer may include CoCu.
즉 제 2 레이어는 적어도 2 가지의 금속이 결합되어 수직 자기 이방성을 갖는 강자성체 자성합금을 포함할 수 있으며, 제 2 레이어의 자성합금의 조성 비율에 따라, 홀 소자(110)는 서로 다른 큐리 온도를 가질 수 있다. That is, the second layer may include a ferromagnetic magnetic alloy having perpendicular magnetic anisotropy by combining at least two metals, and the
제 2 레이어는 수직 자기 이방성을 위해 0.4 nm 내지 1.0 nm의 두께로 구성될 수 있다. 이는 제 2 레이어의 두께가 0.4 nm 미만이면, 제 2 레이어가 균일한 막질로 형성되지 못하고, 제 1 레이어 상에서 아일랜드 형태로 형성되는 문제가 발생할 수 있고, 제 2 레이어의 두께가 1.0 nm를 상회하면 제 2 레이어의 수직 자기 이방성을 확보할 수 없을 수 있기 때문이다.The second layer may have a thickness of 0.4 nm to 1.0 nm for perpendicular magnetic anisotropy. This means that if the thickness of the second layer is less than 0.4 nm, the second layer may not be formed as a uniform film and may form an island shape on the first layer, and if the thickness of the second layer exceeds 1.0 nm, a problem may occur. This is because the perpendicular magnetic anisotropy of the second layer may not be secured.
홀 소자(110)에 전류를 흘려주면 제 1 레이어에서 스핀 궤도 결합이 발생될 수 있다. 스핀 궤도 결합에 의해 동일한 스핀을 가진 스핀 전자들은 특정의 방향에 응집될 수 있다. 또한 제 1 레이어 상부에 형성된 제 2 레이어에서는 강자성체의 자화에 회전력이 가해질 수 있다. 이를 스핀 궤도 토크라 지칭할 수 있다. 즉, 제 2 레이어에서는 스핀 궤도 토크에 의해 전류가 인가되는 방향의 영향을 받아 특정 방향으로 자화가 정렬되는 현상이 발생할 수 있다.When a current flows through the
또한 제 2 레이어의 표면과 평행한 방향이면서 인가되는 전류와 수직한 방향으로 자계가 인가되면, 제 2 레이어에서 점진적인 자화의 반전이 유도될 수 있으며, 펄스 전류의 인가 횟수에 따라 자구벽이 이동될 수 있다. 자구벽의 이동에 의해 수직 자기 이방성을 가지는 제 2 레이어의 강자성층의 영역은 확대되며, 이는 홀 소자(110)에서 이상 홀 효과를 증가시키고, 홀 전압을 발생시킨다. 홀 소자(110)의 십자형 구조의 교차 영역에서 자화 반전에 따른 자구벽의 이동 현상이 일어나면, 홀 전압은 자구벽의 이동 현상에 따라 증가 또는 감소될 수 있다.In addition, when a magnetic field is applied in a direction parallel to the surface of the second layer and perpendicular to the applied current, gradual reversal of magnetization may be induced in the second layer, and the magnetic domain walls may be moved according to the number of times the pulse current is applied. can The area of the ferromagnetic layer of the second layer having perpendicular magnetic anisotropy is enlarged by the movement of the magnetic domain wall, which increases the extraordinary Hall effect and generates a Hall voltage in the
제 2 레이어 상부에는 제 3 레이어가 형성될 수 있다. 예컨대, 제 3 레이어는 Pt 또는 Pd 등의 heavy metal 일 수 있다. 제 3 레이어는 하부의 제 2 레이어의 계면에 수직 자기 이방성을 유도할 수 있다. 유도된 수직 자기 이방성에 의해 제 2 레이어의 자화 용이축은 수직방향으로 결정될 수 있다. 제 3 레이어는 자기 대칭성의 확보를 위해 제 1 레이어와 동일 재질로 구성될 수 있다. 또한 제 3 레이어의 두께는 제 1 레이어의 두께와 동일할 수 있다. 이를 통해 자기 대칭성이 확보되고, 제 2 레이어의 벌크 영역에서의 자화 용이축들이 대칭적으로 설정될 수 있으며, 제조되는 홀 소자(110)의 출력 전압인 홀 전압의 오프 셋이 최소화될 수 있다.A third layer may be formed on the second layer. For example, the third layer may be a heavy metal such as Pt or Pd. The third layer may induce perpendicular magnetic anisotropy to the interface of the second layer below. An easy axis of magnetization of the second layer may be determined in a vertical direction by the induced perpendicular magnetic anisotropy. The third layer may be made of the same material as the first layer in order to secure self-symmetry. Also, the thickness of the third layer may be the same as that of the first layer. Through this, magnetic symmetry can be secured, axes of easy magnetization in the bulk region of the second layer can be symmetrically set, and an offset of a Hall voltage, which is an output voltage of the
한편, 홀 소자(110)의 복수의 레이어들은 스퍼터링(sputtering), 분자빔증착(MBE), 유기금속화학증착법(MOCVD) 또는 전기도금 방법을 이용하여 형성될 수 있으며, 기판에 감광물질을 도포하고 마스크(mask)를 이용하여 노광 및 현상하는 리소그래피(lithography)를 통해 패터닝 하여 형성될 수 있다.Meanwhile, the plurality of layers of the
도 6은 본 개시의 일 실시 예에 따른 세포 온도 측정 장치를 개략적으로 나타낸 블록도이고, 도 7은 본 개시의 일 실시 예에 따른 세포 온도 측정 장치의 개략적인 구조를 포함하는 블록도이며, 도 8은 본 개시의 일 실시 예에 따른 세포 온도 측정 장치의 온도 측정부의 개략적인 구조를 나타낸 블록도이고, 도 9는 본 개시의 일 실시 예에 따른 세포 온도 측정 장치의 개략적인 구조를 나타낸 예시도이며, 도 10은 본 개시의 일 실시 예에 따른 세포 온도 측정 장치의 신호 분석 결과를 설명하기 위한 도면이고, 도 11은 본 개시의 일 실시 예에 따른 세포 온도 측정 장치의 신호 분석 결과를 나타낸 예시도이다.6 is a schematic block diagram of a cell temperature measuring device according to an embodiment of the present disclosure, and FIG. 7 is a block diagram including a schematic structure of the cell temperature measuring device according to an embodiment of the present disclosure. 8 is a block diagram showing a schematic structure of a temperature measuring unit of a cell temperature measuring device according to an embodiment of the present disclosure, and FIG. 9 is an exemplary diagram showing a schematic structure of a cell temperature measuring device according to an embodiment of the present disclosure. 10 is a diagram for explaining a signal analysis result of a cell temperature measuring device according to an embodiment of the present disclosure, and FIG. 11 is an example showing a signal analysis result of a cell temperature measuring device according to an embodiment of the present disclosure. It is also
본 실시 예에서는, 상술한 홀 소자(110)의 특징을 이용하여 세포의 온도를 측정할 수 있으며, 이러한 홀 소자(110)를 통한 세포 온도 측정 장치(1)를 보다 구체적으로 살펴보도록 한다.In this embodiment, cell temperature can be measured using the above-described characteristics of the
도 6에 도시된 바와 같이, 세포 온도 측정 장치(1)는 온도 측정부(100), 전류 인가부(200), 자기장 인가부(300), 신호 분석부(400) 및 제어부(500)를 포함할 수 있다.As shown in FIG. 6 , the cell
또한 도 7에 도시된 도면을 참조하면, 세포 온도 측정 장치(1)에서, 온도 측정부(100)는 홀 소자(110), 전극 패드(120) 및 마이크로 웰 플레이트(130)를 포함할 수 있으며, 자기장 인가부(300)는 전자석부(310) 및 전원 공급부(320)를 포함할 수 있다.Referring also to the drawing shown in FIG. 7 , in the cell
온도 측정부(100)는 세포의 온도를 측정하기 위한 것으로, 세포가 놓여지며, 홀 소자(110)의 상부에 위치하는 마이크로 웰 플레이트(130)와, 이상 홀 효과 특성을 갖는 홀 소자(110)와, 상기 홀 소자(110)에 전기적으로 연결되어, 홀 소자(110)에 전류가 인가되거나 홀 소자(110)의 전압이 측정될 수 있도록 하는 전극 패드(120)를 포함할 수 있다. 본 실시 예에서, 홀 소자(110)는 마이크로 웰 플레이트(130) 하부 측에 부착될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 본 실시 예에서는, 마이크로 웰 플레이트(130)와 홀 소자(110)의 중심 측이 맞닿는 위치에 홀(hole)이 구비되어 세포와 홀 소자(110)가 직접적으로 열전도 연결되도록 구현될 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The
홀 소자(110)는 도 7에 도시된 바와 같이, 복수의 말단부를 포함하는 십자형 구조일 수 있다. 그러나 본 실시 예에서, 홀 소자(110)는, 구체적으로 도 8에 도시된 바와 같이, 기판에 리소그래피로 패터닝되어, 동일한 폭을 갖는 2 개의 선형 홀 바(Hall bar)가 교차 지점에서 서로 교차하는 구조이고, 복수의 말단부는 2 개의 홀 바의 각 말단에 위치하고, 복수의 말단부의 적어도 일부는 교차 지점으로부터 멀어질수록 폭이 넓어지는 형태일 수 있다. 이러한 홀 소자(110)의 선형 홀 바가 교차하는 교차 지점에서는 수직 자기 이방성의 변화에 따른 홀 전압이 생성될 수 있다. 그리고 복수의 말단부는 연꼴 형태일 수 있으며, 선형 홀 바와 복수의 말단부의 재질은 동일하게 형성될 수 있다.As shown in FIG. 7 , the
여기서, 기판은 사각형이고, 홀 소자(110)의 복수의 말단부 및 복수의 전극 패드(120)는 기판의 모서리에 위치할 수 있다. 또한 기판은 절연성 재질임이 바람직하며, 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물, 유리 등을 포함할 수 있다. 이외 기판은 후 공정의 진행에서도 물성이 크게 변하지 않는 절연성 재질이라면 어느 것이나 사용 가능할 수 있다.Here, the substrate has a rectangular shape, and the plurality of end portions of the
한편 도 8은 온도 측정부(100)에 대한 마스크 디자인의 예시도로서, 본 실시 예에서, 온도 측정부(100)는 선형 홀 바의 너비는 5 um, 말단부까지의 전체 홀 소자(110)의 길이는 20 mm, 각 전극 패드의 크기는 2.9 mm X 2.9 mm, water hole의 크기는 지름 5 mm, 기판의 크기는 18 mm로 구현될 수 있다. 다만 상기의 수치들은 한정되지 않으며 실시 예에 따라 변경될 수 있다.Meanwhile, FIG. 8 is an exemplary view of a mask design for the
전극 패드(120)는 홀 소자(110)의 각 말단부에 각각 전기적으로 연결되도록 구성될 수 있으며, 제 1 전극 패드(121), 제 2 전극 패드(122), 제 3 전극 패드(123) 및 제 4 전극 패드(124)를 포함할 수 있다.The
즉, 전극 패드(120)는 홀 소자(110)에 교류 전류를 입력하고 전류이동 경로를 제공하는 한 쌍의 전류단자(121, 123)를 포함하며, 자기장 변화에 대한 센서의 출력 신호인 교류 전압을 측정하기 위한 한 쌍의 전압단자(122, 124)를 포함하여 구성될 수 있다. 한 쌍의 전류단자(121, 123)는 두 전류단자가 서로 대향하도록 구비되며, 한 쌍의 전압단자(122, 124) 또한 두 전압 단자가 서로 대향하도록 구비될 수 있다. That is, the
따라서 전류단자(121, 123)는 외부의 전류소스(예컨대, 전류 인가부)와 연결되어 홀 소자(110)에 전류를 입력하고 전압단자(122, 124)는 외부의 전압 측정 장치(예컨대, 신호 분석부)와 연결되어 두 전압 단자 간의 전위차를 출력할 수 있다.Therefore, the
본 실시 예에서, 전극 패드(120)는 홀 소자(110)의 각 말단부를 덮는 형태 또는 홀 소자(110)의 일부 레이어에 물리적으로 신장된 형태 등 그 형태가 한정되지 않고 홀 소자(110)에 접하여 전기적으로 연결된 별도의 금속으로 구현될 수 있으며, 접촉 저항 및 면 저항의 최소화 측면에서, 비저항이 작은 비자성 금속 재료인 것이 바람직할 수 있다. 또한 실시 예에 따라서, 전극 패드(120)는 홀 소자(110)의 생산 단계에서 함께 형성될 수도 있으나, 세포 온도를 측정하고자 하는 경우에만 접촉되도록 할 수 있다.In this embodiment, the shape of the
즉 본 실시 예에서, 온도 측정부(100)는 홀 소자(110)의 이상 홀 효과 특성에 기반하여, 초기 온도 대비 세포의 온도가 상승하면 홀 전압이 감소할 수 있으며, 온도 측정부(100)에서는 이러한 홀 전압의 변화가 측정될 수 있다. That is, in the present embodiment, the
또한 홀 소자(110)는 도 8에 도시된 바와 같이, 홀 소자(110)의 적어도 일부 또는 전부를 보호하는 보호 레이어(Passivation layer)를 포함할 수 있다. 이러한 보호 레이어는 홀 소자(110)의 방수 처리 및 세포의 독성 방지를 위한 것으로, 및 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.Also, as shown in FIG. 8 , the
전류 인가부(200)는 홀 소자(110)의 말단부 중 한 쌍의 제 1 말단부에 전기적으로 연결되어 홀 소자(110)에 전류를 인가할 수 있다. 여기서 제 1 말단부는 상술하는 전극 패드(120) 중 제 1 전극 패드(121)와 제 3 전극 패드(123)에 대응하는 위치의 말단부일 수 있다. 본 실시 예에서는 제 3 전극 패드(123)에 대응하는 위치의 말단부에 전류가 인가되어, 제 1 전극 패드(121)에 대응하는 위치의 말단부를 향할 수 있다. The current applying
이에, 제 2 전극 패드(122) 및 제 4 전극 패드(124)에 대응하는 위치의 말단부 사이에서 홀 전압이 발생될 수 있다. 또한, 인가된 전류에 의해 홀 소자(110)에서는 스핀 궤도 결합이 발생되며, 스핀 궤도 결합에 의해 자화 토크가 발생되고, 이는 스핀 궤도 토크를 일으킬 수 있다. 그리고 스핀 궤도 토크에 의해 홀 소자(110)의 자구벽이 제 1 전극 패드(121)에 대응하는 위치의 말단부 방향으로 이동할 수 있다. 다만, 인가되는 전류 만으로 자구벽의 이동이 원활하지 못할 수 있어, 자구벽의 이동을 강화하기 위해 홀 소자(110)의 표면과 평행하고, 수직인 방향으로 외부 자계(예컨대, 자기장 인가부)가 인가될 수 있다. 외부 자계의 인가에 의해 홀 소자(110) 내에서 자구벽의 이동이 강화될 수 있다.Accordingly, a Hall voltage may be generated between the end portions corresponding to the
즉 자기장 인가부(300)는 홀 소자(110)에 인가된 전류 방향과 수직한 방향으로 외부 자기장을 인가할 수 있다. 이러한 자기장 인가부(300)는 도 9에 도시된 바와 같이, 전류가 인가되는 코일을 포함하는 전자석부(310) 및 코일을 냉각하는 냉각부(330)를 포함할 수 있다. 따라서 본 실시 예에서, 전자석부(310)는 방수 가능한 재질로 구현될 수 있다.That is, the magnetic
또한 자기장 인가부(300)는 전원 공급부(320)를 포함할 수 있으며, 전원 공급부(320)는 전자석부(310)의 전류공급용 전원공급장치일 수 있다. 본 실시 예에서는, 제어부(500)에 의해 제어될 수 있으나 이에 한정되지 않고 별도로 구비될 수 있다.In addition, the magnetic
한편, 자구벽의 이동은 십자형의 홀 소자(110)에서 제 3 전극 패드(123)에 대응하는 위치의 말단부와 제 1 전극 패드(121)에 대응하는 위치의 말단부 사이에만 발생될 수 있다. 즉, 자구벽이 다른 한 쌍의 말단부를 향해 이동되지 않는다. 이는 인가되는 전류가 제 3 전극 패드(123)에 대응하는 위치의 말단부와 제 1 전극 패드(121)에 대응하는 위치의 말단부 사이를 흐르는데 기인한 것일 수 있다. 즉, 홀 소자(110)를 흐르는 전류에 의해 스핀 궤도 토크가 발생되는 영역은 막대 형태의 제 3 전극 패드(123)에 대응하는 위치의 말단부와 제 1 전극 패드(121)에 대응하는 위치의 말단부가 차지하는 영역이며, 특히, 교차 지점에서 일어나는 자화의 반전에 따른 자구벽의 이동은 홀 전압의 변화에 큰 영향을 미칠 수 있다. 또한, 외부 자계의 인가에 따라 강화되는 자구벽의 이동에 의해 이상 홀 효과는 심화되고, 홀 전압은 증가할 수 있다.Meanwhile, the movement of the magnetic domain wall can occur only between the distal end corresponding to the
홀 소자(110) 내에서 특정 방향의 자화는 외부 자기장과 같은 역할을 수행할 수 있다. 제 3 전극 패드(123)에 대응하는 위치의 말단부와 제 1 전극 패드(121)에 대응하는 위치의 말단부 사이를 흐르는 전자들은 업 스핀과 다운 스핀이 동일한 비율로 형성된 상태이나, 홀 소자(110) 내를 흐를 경우, 업 스핀과 다운 스핀은 홀 소자(110)의 자기 모멘트에 영향을 받으며, 이에 따라 업 스핀을 가지는 전자와 다운 스핀을 가지는 전자가 십자형 구조의 홀 소자(110)에서 측면에 해당하는 제 2 전극 패드(122)에 대응하는 위치의 말단부와 제 4 전극 패드(124)에 대응하는 위치의 말단부에 편향될 수 있다. Magnetization in a specific direction within the
또한 홀 소자(110)의 제 3 전극 패드(123)에 대응하는 위치의 말단부와 제 1 전극 패드(121)에 대응하는 위치의 말단부 사이를 이동하는 스핀 전자는 강자성체인 불순물(스핀 궤도 결합이 있는 물질)과 충돌하는 경우, 산란(skew scattering)이 발생되고, 전자의 스핀 방향에 따라 산란의 방향은 다르게 나타날 수 있다. 만일 홀 소자(110)가 수직 자기 이방성을 가지지 않고 랜덤한 자기 모멘트를 가진다면 스핀 전자의 산란도 무작위로 발생되어 홀 전압이 생성되지 않는다. 그러나, 홀 소자(110)가 자구벽의 이동을 통해 수직 자기 이방성을 가지는 경우, 불순물 자체가 강자성체이므로 스핀 의존 산란(spin dependent scattering)에 의해 전자의 스핀에 따른 산란의 정도는 달라지며, 제 2 전극 패드(122)에 대응하는 위치의 말단부와 제 4 전극 패드(124)에 대응하는 위치의 말단부로 이동하는 전자의 양이 달라지고 홀 전압을 발생시킨다. 이를 통해 이상 홀 효과를 얻을 수 있다.In addition, spin electrons moving between the end portion corresponding to the
즉 신호 분석부(400)는 복수의 말단부 중 한 쌍의 제 2 말단부에 연결되어 홀 소자(110)의 홀 전압을 측정할 수 있다. 제 2 말단부는 제 2 전극 패드(122)에 대응하는 위치의 말단부와 제 4 전극 패드(124)에 대응하는 위치의 말단부를 나타낼 수 있다.That is, the
신호 분석부(400)는 제 2 말단부에 연결되어 홀 소자(110)의 홀 전압을 측정하는 락인 앰프(Lock-in Amplifier)를 포함할 수 있다. 즉 본 실시 예에서는, 락인 앰프를 통해 지정된 참조 신호에 관련된 신호의 진폭과 위상을 측정할 수 있으며, 세포 온도에 따른 홀 전압을 정밀하게 측정할 수 있다. 또한 본 실시 예에서는, 락인 앰프로부터 공급받은 참조 신호에 동기화하여 자기장 인가부(300)의 전류가 인가되는 코일에 교류 전류가 공급되도록 할 수 있다. 따라서 본 실시 예에서는, 측정 결과의 잡음 대비 신호 비율(SNR, signal-to-noise ratio)을 높일 수 있다.The
한편 본 실시 예에서는, 판독 전류가 크면 줄 발열 등의 문제로 홀 소자(110) 자체의 온도가 상승할 수 있으므로, 판독 전류를 감소시킬 필요가 있다.On the other hand, in this embodiment, if the read current is large, the temperature of the
제어부(500)는 홀 전압과 온도의 관계 특성을 포함하는 온도 테이블, 홀 소자(110)에 인가된 전류 및 외부 자기장에 기초하여 홀 소자(110)와 직접적 또는 간접적으로 열전도 연결된 세포의 온도를 산출할 수 있다. 즉 제어부(500)는 세포가 홀 소자(110)에 열전도 연결되기 전과 세포가 홀 소자(110)에 열전도 연결된 이후의 홀 전압의 변화에 기초하여 세포의 온도를 산출할 수 있다.The
이때, 본 실시 예에서, 홀 전압의 변화는 세포와 열 전도에 의해 연결된 홀 소자(110)의 자화값 변화에 기반할 수 있다. 또한 온도 테이블은, 홀 소자(110)의 자화값과 큐리 온도의 반비례 특성 및 홀 소자(110)의 홀 전압과 자화값의 비례 특성에 기반하여 설정될 수 있으며, 메모리(미도시)에 저장될 수 있다.In this case, in this embodiment, the change in Hall voltage may be based on the change in magnetization value of the
다시 말해, 제어부(500)는 홀 전압에 근거한 세포의 온도를 수식에 의하여 산출하거나, 홀 전압에 근거한 세포의 온도를 수치테이블화 하여 비교함으로써 산출할 수 있다.In other words, the
도 10에 도시된 바와 같이, 본 실시 예에서는 홀 소자(110)의 스택(stack)이 Ta/Pt/Co/Pt 일 때, 홀 소자(110)의 온도 차이에 따른 홀 전압을 측정하였다. 즉 본 실시 예에서는, 홀 소자(110)의 온도 상승에 따라 홀 전압 차이가 감소함을 알 수 있으며, 홀 소자(110)의 온도에 따른 홀 전압이 온도 테이블로서 저장될 수 있다. 따라서, 제어부(500)는 이를 기초로 하여 세포의 온도를 산출할 수 있는 것이다.As shown in FIG. 10 , in this embodiment, when the stack of the
또한, 도 11은 락인 앰프를 통해 출력되는 결과를 나타내는 것으로, 본 실시 예에서는, 홀 소자(110)의 스택이 Ta(3)/Pt(5)/Co(0.6)/Pt(5) 일 때의 홀 전압을 측정하였다. 또한 본 실시 예에서, 도 11은 주파수가 0.1 Hz이고, 전자석에 인가되는 최대 전류가 4 A이며, 판독 전류가 0.1 mA 일 때의 홀 전압 측정 결과를 나타낸 것이다.11 shows the results output through the lock-in amplifier. In this embodiment, when the stack of
즉 본 실시 예에서, 제어부(500)는 도 11에 도시된 바와 같은 설정 사항들에 기반하여, 홀 전압 측정 결과를 통해 세포 온도를 산출할 수 있다.That is, in the present embodiment, the
도 12는 본 개시의 일 실시 예에 따른 세포 온도 측정 장치의 온도 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.12 is a flowchart illustrating a temperature measurement method of a cell temperature measurement device according to an embodiment of the present disclosure.
도 12에 도시된 바와 같이, S10단계에서, 세포 온도 측정 장치(1)는 홀 소자(110)의 복수의 말단부 중 한 쌍의 제 1 말단부에 전류를 인가한다.As shown in FIG. 12 , in step S10 , the cell
본 실시 예에서, 세포 온도 측정 장치(1)는 세포가 놓여지며, 홀 소자(110)의 상부에 위치하는 마이크로 웰 플레이트(130)와, 이상 홀 효과 특성을 갖는 홀 소자(110)와, 상기 홀 소자(110)에 전기적으로 연결되어, 홀 소자(110)에 전류가 인가되거나 홀 소자(110)의 전압이 측정될 수 있도록 하는 전극 패드(120)를 포함할 수 있다.In this embodiment, the cell
이때, 홀 소자(110)는 복수의 말단부를 포함하는 십자형 구조일 수 있으며, 구체적으로는 동일한 폭을 갖는 2 개의 선형 홀 바(Hall bar)가 교차 지점에서 서로 교차하는 구조이고, 복수의 말단부는 2 개의 홀 바의 각 말단에 위치하고, 복수의 말단부의 적어도 일부는 교차 지점으로부터 멀어질수록 폭이 넓어지는 형태일 수 있다. At this time, the
또한 전극 패드(120)는 홀 소자(110)의 각 말단부에 각각 전기적으로 연결되도록 구성될 수 있으며, 제 1 전극 패드(121), 제 2 전극 패드(122), 제 3 전극 패드(123) 및 제 4 전극 패드(124)를 포함할 수 있다.In addition, the
즉 세포 온도 측정 장치(1)는 전극 패드(120)를 통해 홀 소자(110)의 말단부 중 한 쌍의 제 1 말단부에 전기적으로 연결되어 홀 소자(110)에 전류를 인가할 수 있다. 여기서 제 1 말단부는 상술하는 전극 패드(120) 중 제 1 전극 패드(121)와 제 3 전극 패드(123)에 대응하는 위치의 말단부일 수 있다.That is, the cell
그리고 S20단계에서, 세포 온도 측정 장치(1)는 홀 소자(110)에 인가된 전류 방향과 수직한 방향으로 외부 자기장을 인가한다.In step S20, the cell
본 실시 예에서는, 외부 자기장을 인가하기 위해, 전류가 인가되는 코일을 포함하는 전자석부(310)와 코일을 냉각하는 냉각부(330)를 포함할 수 있다. 본 실시 예에서는, 자기장 인가 시 전자석부(310)에서 열이 발생할 수 있기 때문에, 냉각부(330)를 이용하여 전자석부(310)를 냉각시킴으로써, 발열에 의한 고장 등을 방지할 수 있다.In this embodiment, in order to apply an external magnetic field, an
S30단계에서, 세포 온도 측정 장치(1)는 홀 소자(110)의 말단부 중 한 쌍의 제 2 말단부에서 홀 소자(110)의 홀 전압을 측정한다.In step S30, the cell
본 실시 예에서, 세포 온도 측정 장치(1)는 홀 소자(110)에 인가된 전류 방향과 수직한 방향으로 외부 자기장이 인가되면 발생하는 이상 홀 효과에 기반하여, 선형 홀 바의 교차 지점에 놓여지는 세포의 온도를 측정하는 것으로서, 홀 소자(110)의 선형 홀 바가 교차하는 교차 지점에서는 수직 자기 이방성의 변화에 따른 홀 전압이 생성될 수 있다.In this embodiment, the cell
따라서, 세포 온도 측정 장치(1)는 전극 패드(120)를 통해 복수의 말단부 중 한 쌍의 제 2 말단부에 연결되어 홀 소자의 홀 전압을 측정할 수 있다. 여기서 제 2 말단부는 제 2 전극 패드(122)에 대응하는 위치의 말단부와 제 4 전극 패드(124)에 대응하는 위치의 말단부를 나타낼 수 있다.Accordingly, the cell
S40단계에서, 세포 온도 측정 장치(1)는 홀 전압과 온도의 관계 특성을 포함하는 온도 테이블, 홀 소자(110)에 인가된 전류 및 외부 자기장에 기초하여 홀 소자(110)와 직접적 또는 간접적으로 열전도 연결된 세포의 온도를 산출한다. In step S40, the cell
즉 세포 온도 측정 장치(1)는 세포가 홀 소자(110)에 열전도 연결되기 전과 세포가 홀 소자(110)에 열전도 연결된 이후의 홀 전압의 변화에 기초하여 세포의 온도를 산출할 수 있다.That is, the cell
이때, 본 실시 예에서, 홀 전압의 변화는 세포와 열 전도에 의해 연결된 홀 소자(110)의 자화값 변화에 기반할 수 있다. 또한 온도 테이블은, 홀 소자(110)의 자화값과 큐리 온도의 반비례 특성 및 홀 소자(110)의 홀 전압과 자화값의 비례 특성에 기반하여 설정될 수 있으며, 메모리(미도시)에 저장될 수 있다.In this case, in this embodiment, the change in Hall voltage may be based on the change in magnetization value of the
이상 설명된 본 발명에 따른 실시 예는 컴퓨터 상에서 다양한 구성요소를 통하여 실행될 수 있는 컴퓨터 프로그램의 형태로 구현될 수 있으며, 이와 같은 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터로 판독 가능한 매체에 기록될 수 있다. 이때, 매체는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM 및 DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical medium), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은, 프로그램 명령어를 저장하고 실행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치를 포함할 수 있다.Embodiments according to the present invention described above may be implemented in the form of a computer program that can be executed on a computer through various components, and such a computer program may be recorded on a computer-readable medium. At this time, the medium is a magnetic medium such as a hard disk, a floppy disk and a magnetic tape, an optical recording medium such as a CD-ROM and a DVD, a magneto-optical medium such as a floptical disk, and a ROM hardware devices specially configured to store and execute program instructions, such as RAM, flash memory, and the like.
한편, 상기 컴퓨터 프로그램은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것이거나 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 예에는, 컴파일러에 의하여 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용하여 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함될 수 있다.Meanwhile, the computer program may be specially designed and configured for the present invention, or may be known and usable to those skilled in the art of computer software. An example of a computer program may include not only machine language code generated by a compiler but also high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like.
본 발명의 명세서(특히 특허청구범위에서)에서 "상기"의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 또한, 본 발명에서 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 적용한 발명을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 발명의 상세한 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다. In the specification of the present invention (particularly in the claims), the use of the term "above" and similar indicating terms may correspond to both singular and plural. In addition, when a range is described in the present invention, it includes an invention in which individual values belonging to the range are applied (unless there is a description to the contrary), and each individual value constituting the range is described in the detailed description of the invention Same as
본 발명에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 본 발명에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 본 발명을 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 당업자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 특허청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.The steps constituting the method according to the present invention may be performed in any suitable order unless an order is explicitly stated or stated to the contrary. The present invention is not necessarily limited according to the order of description of the steps. The use of all examples or exemplary terms (eg, etc.) in the present invention is simply to explain the present invention in detail, and the scope of the present invention is limited due to the examples or exemplary terms unless limited by the claims. it is not going to be In addition, those skilled in the art can appreciate that various modifications, combinations and changes can be made according to design conditions and factors within the scope of the appended claims or equivalents thereof.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 또는 이로부터 등가적으로 변경된 모든 범위는 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Therefore, the spirit of the present invention should not be limited to the above-described embodiments and should not be determined, and all scopes equivalent to or equivalently changed from the claims as well as the claims described below are within the scope of the spirit of the present invention. will be said to belong to
1 : 세포 온도 측정 장치
100 : 온도 측정부 110 : 홀 소자
120 : 전극 패드 121 - 124 : 제 1 4 전극 패드
130 : 마이크로 웰 플레이트 200 : 전류 인가부
300 : 자기장 인가부 310 : 전자석부
320 : 전원 공급부 330 : 냉각부
400 : 신호 분석부 500 : 제어부1: Cell temperature measurement device
100: temperature measuring unit 110: Hall element
120: electrode pads 121 - 124: first fourth electrode pad
130: microwell plate 200: current applying unit
300: magnetic field application unit 310: electromagnet unit
320: power supply unit 330: cooling unit
400: signal analysis unit 500: control unit
Claims (20)
복수의 말단부를 포함하고, 이상 홀 효과(Anomalous Hall Effect, AHE) 특성을 갖는 홀 소자;
상기 말단부 중 한 쌍의 제 1 말단부에 전기적으로 연결되어 상기 홀 소자에 전류를 인가하는 전류 인가부;
상기 홀 소자에 인가된 전류 방향과 수직한 방향으로 외부 자기장을 인가하는 자기장 인가부;
상기 말단부 중 한 쌍의 제 2 말단부에 연결되어 상기 홀 소자의 홀 전압을 측정하는 신호 분석부; 및
홀 전압과 온도의 관계 특성을 포함하는 온도 테이블, 상기 홀 소자에 인가된 상기 전류 및 상기 외부 자기장에 기초하여 상기 홀 소자와 직접적 또는 간접적으로 열전도 연결된 세포의 온도를 산출하는 제어부를 포함하되,
상기 세포 온도 측정 장치는, 상기 홀 소자의 상부에 마이크로 웰 플레이트가 구비되어, 상기 마이크로 웰 플레이트에 상기 세포가 놓여지고, 상기 마이크로 웰 플레이트와 상기 홀 소자의 중심 측이 맞닿는 위치에 구비된 홀을 기반으로 상기 세포와 상기 홀 소자가 열전도 연결되도록 구현되고,
상기 제어부는 상기 세포의 상기 마이크로 웰 플레이트를 통한 상기 홀 소자와 열 전도에 의해 변화된 온도 변화에 의한 상기 홀 전압의 변화에 기반하여 상기 세포의 온도를 산출하는,
세포 온도 측정 장치.
As a cell temperature measurement device,
a Hall element including a plurality of end portions and having an anomalous Hall Effect (AHE) characteristic;
a current supply unit electrically connected to a pair of first end portions among the end portions to apply a current to the Hall element;
a magnetic field application unit for applying an external magnetic field in a direction perpendicular to the direction of the current applied to the Hall element;
a signal analyzer connected to a pair of second end portions among the end portions to measure a Hall voltage of the Hall device; and
A control unit for calculating the temperature of a cell directly or indirectly connected to the Hall element by heat conduction based on a temperature table including a relationship between Hall voltage and temperature, the current applied to the Hall element, and the external magnetic field,
In the cell temperature measuring device, a microwell plate is provided above the hall element, the cells are placed on the microwell plate, and a hole provided at a position where the microwell plate and the center side of the hall element contact each other Based on this, the cell and the Hall element are implemented to be thermally conductively connected,
The controller calculates the temperature of the cell based on a change in the Hall voltage due to a change in temperature caused by heat conduction with the Hall element through the micro-well plate of the cell,
Cell temperature measurement device.
상기 홀 소자는,
동일한 폭을 갖는 2 개의 선형 홀 바(Hall bar)가 교차 지점에서 서로 교차하는 구조이고,
상기 복수의 말단부는 상기 2 개의 홀 바의 각 말단에 위치하고, 상기 복수의 말단부의 적어도 일부는 상기 교차 지점으로부터 멀어질수록 점진적으로 폭이 넓어지는 연꼴 형태이며,
상기 홀 소자는,
Co, Fe, Ni, CoFe 및 CoNi 중 어느 하나와 Cu, Ti, Al 및 Ru 중 어느 하나가 합금으로 결합되어 수직 자기 이방성을 갖는 강자성체 자성합금을 포함하고, 상기 자성합금의 조성 비율에 따라 300 K 내지 450 K의 온도 범위에서 큐리 온도를 가지는,
세포 온도 측정 장치.
According to claim 1,
The Hall element,
It is a structure in which two linear Hall bars having the same width cross each other at the intersection,
The plurality of end portions are located at each end of the two hall bars, and at least a portion of the plurality of end portions has a kite-shaped shape gradually widening as the distance from the intersection point increases,
The Hall element,
It includes a ferromagnetic magnetic alloy having perpendicular magnetic anisotropy in which any one of Co, Fe, Ni, CoFe and CoNi and any one of Cu, Ti, Al and Ru are combined into an alloy, and 300 K according to the composition ratio of the magnetic alloy. having a Curie temperature in the temperature range of from 450 K to
Cell temperature measurement device.
상기 홀 소자가 리소그래피로 패터닝된 기판; 및
상기 복수의 말단부와 각각 전기적으로 연결되는 복수의 전극 패드를 더 포함하는,
세포 온도 측정 장치.
According to claim 2,
a substrate on which the Hall element is lithographically patterned; and
Further comprising a plurality of electrode pads electrically connected to the plurality of end portions, respectively,
Cell temperature measurement device.
상기 기판은 사각형이고, 상기 복수의 말단부 및 상기 복수의 전극 패드는 상기 기판의 모서리에 위치하는,
세포 온도 측정 장치.
According to claim 3,
The substrate is rectangular, and the plurality of end portions and the plurality of electrode pads are located at corners of the substrate,
Cell temperature measurement device.
상기 제어부는,
상기 세포가 상기 홀 소자에 열적으로 접촉되어 열전도 연결되기 전과 상기 세포가 상기 홀 소자에 열전도 연결된 이후의 상기 홀 소자의 온도 변화로 인한 홀 전압의 변화에 기초하여 상기 세포의 온도를 산출하는,
세포 온도 측정 장치.
According to claim 1,
The control unit,
Calculating the temperature of the cell based on a change in Hall voltage due to a temperature change of the Hall element before the cell is thermally conductively connected to the Hall element and after the cell is thermally conductively connected to the Hall element,
Cell temperature measurement device.
상기 홀 전압의 변화는,
상기 세포와 열 전도에 의해 상기 홀 소자의 온도 변화와 이에 의한 홀 소자의 자화값 변화에 기반하는,
세포 온도 측정 장치.
According to claim 5,
The change in the Hall voltage is
Based on the change in the temperature of the Hall element and the change in the magnetization value of the Hall element due to the heat conduction with the cell,
Cell temperature measurement device.
상기 온도 테이블은,
상기 홀 소자의 자화값과 큐리 온도(curie temperature)의 반비례 특성 및 상기 홀 소자의 홀 전압과 자화값의 비례 특성에 기반하여 설정되는,
세포 온도 측정 장치.
According to claim 1,
The temperature table is
Set based on the inverse proportional characteristic of the magnetization value and Curie temperature of the Hall element and the proportional characteristic of the Hall voltage and magnetization value of the Hall element,
Cell temperature measurement device.
상기 홀 소자는,
복수의 레이어들을 포함하고,
상기 복수의 레이어들은,
비자성을 갖는 제 1 레이어;
상기 제 1 레이어 상측에 형성되고, 상기 자기장 인가부로부터 인가되는 자기장에 의해 이상 홀 효과가 발생되는 강자성을 갖는 제 2 레이어; 및
상기 제 2 레이어 상측에 형성되고 비자성을 갖는 제 3 레이어를 포함하는,
세포 온도 측정 장치.
According to claim 1,
The Hall element,
Including a plurality of layers,
The plurality of layers,
a first layer that is non-magnetic;
a second layer formed on the first layer and having ferromagnetism in which an extraordinary Hall effect is generated by a magnetic field applied from the magnetic field applying unit; and
A third layer formed on the second layer and having a non-magnetic,
Cell temperature measurement device.
상기 제 2 레이어는,
상기 제 1 레이어 또는 상기 제 3 레이어와 접하는 계면에서 유도된 수직 자기 이방성에 의해 계면에 수직한 방향으로 자화 용이축을 가지는,
세포 온도 측정 장치.
According to claim 8,
The second layer,
Having an easy axis of magnetization in a direction perpendicular to the interface by perpendicular magnetic anisotropy induced at the interface in contact with the first layer or the third layer,
Cell temperature measurement device.
상기 제 2 레이어의 두께는,
0.4 nm 내지 1.0 nm인,
세포 온도 측정 장치.
According to claim 8,
The thickness of the second layer,
0.4 nm to 1.0 nm,
Cell temperature measurement device.
상기 제 1 레이어 및 상기 제 3 레이어의 소재는 동일한,
세포 온도 측정 장치.
According to claim 8,
The material of the first layer and the third layer are the same,
Cell temperature measurement device.
상기 제 2 레이어는,
Co, Fe, Ni, CoFe 및 CoNi 중 어느 하나와 Cu, Ti, Al 및 Ru 중 어느 하나가 합금으로 결합된,
세포 온도 측정 장치.
According to claim 8,
The second layer,
Any one of Co, Fe, Ni, CoFe and CoNi and any one of Cu, Ti, Al and Ru are combined into an alloy,
Cell temperature measurement device.
상기 홀 소자는,
상기 홀 소자의 적어도 일부 또는 전부를 보호하는 보호 레이어를 더 포함하는,
세포 온도 측정 장치.
According to claim 8,
The Hall element,
Further comprising a protective layer that protects at least some or all of the Hall elements,
Cell temperature measurement device.
상기 보호 레이어는,
및 중 적어도 하나를 포함하는,
세포 온도 측정 장치.
According to claim 13,
The protective layer,
and including at least one of
Cell temperature measurement device.
상기 홀 소자는,
상기 세포의 온도 범위 중 최대값 이상의 큐리 온도를 갖는,
세포 온도 측정 장치.
According to claim 2,
The Hall element,
Having a Curie temperature greater than or equal to the maximum value in the temperature range of the cell,
Cell temperature measurement device.
상기 신호 분석부는 상기 제 2 말단부에 연결되어 상기 홀 소자의 홀 전압을 측정하는 락인 앰프(Lock-in Amplifier)를 포함하고,
상기 자기장 인가부는 전류가 인가되는 코일을 포함하고,
상기 락인 앰프로부터 공급받은 참조 신호에 동기화하여 상기 코일에 교류 전류를 공급하는,
세포 온도 측정 장치.
According to claim 1,
The signal analysis unit includes a lock-in amplifier connected to the second end and measuring a Hall voltage of the Hall element,
The magnetic field applying unit includes a coil to which current is applied,
Supplying an alternating current to the coil in synchronization with the reference signal supplied from the lock-in amplifier,
Cell temperature measurement device.
상기 자기장 인가부는,
전류가 인가되는 코일을 포함하는 전자석부; 및
상기 코일을 냉각하는 냉각부를 포함하는,
세포 온도 측정 장치.
According to claim 1,
The magnetic field applying unit,
an electromagnet unit including a coil to which current is applied; and
Including a cooling unit for cooling the coil,
Cell temperature measurement device.
상기 말단부 중 한 쌍의 제 1 말단부에 상기 홀 소자에 전류를 인가하는 단계;
상기 홀 소자에 인가된 전류 방향과 수직한 방향으로 외부 자기장을 인가하는 단계;
상기 말단부 중 한 쌍의 제 2 말단부에서 상기 홀 소자의 홀 전압을 측정하는 단계; 및
홀 전압과 온도의 관계 특성을 포함하는 온도 테이블, 상기 홀 소자에 인가된 상기 전류 및 상기 외부 자기장에 기초하여 상기 홀 소자와 직접적 또는 간접적으로 열전도 연결된 세포의 온도를 산출하는 단계를 포함하되,
상기 세포 온도 측정 장치는, 상기 홀 소자의 상부에 마이크로 웰 플레이트가 구비되어, 상기 마이크로 웰 플레이트에 상기 세포가 놓여지고, 상기 마이크로 웰 플레이트와 상기 홀 소자의 중심 측이 맞닿는 위치에 구비된 홀을 기반으로 상기 세포와 상기 홀 소자가 열전도 연결되도록 구현되고,
상기 세포의 온도를 산출하는 단계는,
상기 세포의 상기 마이크로 웰 플레이트를 통한 상기 홀 소자와 열 전도에 의해 변화된 홀 소자의 온도 변화에 의존하는 상기 홀 전압에 기반하여 상기 세포의 온도를 산출하는 단계를 포함하는,
세포 온도 측정 방법.A temperature measurement method of a cell temperature measuring device including a Hall element including a plurality of end portions and having an anomalous Hall Effect (AHE) characteristic, comprising:
applying a current to the Hall element to a pair of first end portions among the end portions;
applying an external magnetic field in a direction perpendicular to the direction of the current applied to the Hall element;
measuring a Hall voltage of the Hall element at a pair of second end portions among the end portions; and
Calculating the temperature of a cell directly or indirectly thermally connected to the Hall element based on a temperature table including a relationship between Hall voltage and temperature, the current applied to the Hall element, and the external magnetic field;
In the cell temperature measuring device, a microwell plate is provided above the hall element, the cells are placed on the microwell plate, and a hole provided at a position where the microwell plate and the center side of the hall element contact each other Based on this, the cell and the Hall element are implemented to be thermally conductively connected,
Calculating the temperature of the cell,
Calculating the temperature of the cell based on the Hall voltage dependent on the temperature change of the Hall element and the Hall element changed by heat conduction through the micro-well plate of the cell,
How to measure cell temperature.
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