KR102607288B1 - 도파관 향상 피분석물 검출 장치 - Google Patents

도파관 향상 피분석물 검출 장치 Download PDF

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Abstract

본 개시는 도파관에 광학적으로 커플링되는 광자 회로를 포함하는 광자 회로 기판 상에 위치되는 광학 도파관을 갖는 광자 집적 칩을 제공한다. 마이크로유체 채널은 실리콘 기판 내에 있으며 광자 회로 기판에 부착된다. 마이크로유체 채널은, 그 측면 및 가장 바깥쪽 표면이 마이크로유체 채널 안으로 연장되도록 광학 도파관 위에 배치된다. 마이크로유체 채널은 광학 도파관의 길이를 따라 연장되며, 나노입자는 마이크로유체 채널 내에 위치되는 광학 도파관 상에 또는 그 광학 도파관에 인접하게 위치된다.

Description

도파관 향상 피분석물 검출 장치
관련된 출원에 대한 교차 참조
본 출원은, 본 발명과 함께 일반적으로 양도되고 참조에 의해 본원에 통합되는, 발명의 명칭이 "WAVEGUIDE ENHANCE ANALYTE DETECTION"인 2020년 3월 22일자로 출원된 미국 가출원 일련 번호 제62/993,033호; 및 발명의 명칭이 "ENHANCED WAVEGUIDE WITH MICROFLUIDIC PUMP"인 2020년 7월 25일자로 출원된 미국 가출원 일련 번호 제63/056,580호의 이익을 주장한다.
발명의 기술 분야
본 발명은 피분석물 병원체, 예컨대 바이러스 또는 박테리아, 또는 약물, 또는 암세포를 비롯한, 피분석물의 신속한 검출 또는 존재를 위한 광 광학 디바이스(photo optical device)에 관한 것이다.
COVID-19(코비드 19)와 같은 신종 바이러스의 갑작스러운 발병으로, 감염 가능성이 있는 개인의 신속한 검출에 대한 긴급한 필요성이 발생하게 되었다. 가장 최근의 COVID-19 바이러스와 같은 팬데믹은 새롭고 진화하는 생물학적 위협에 대한 테스팅 기술 대응과 관련되는 수많은 문제점을 두드러지게 하였다. 현재의 테스팅 기술은 현재의 공급 부족에 직면할 뿐만 아니라, 그들은 결과를 신속하게 획득하고 보고하기 위한 수단도 또한 제공하지 못한다. 예를 들면, 현재의 테스팅 기술은 바이러스의 존재를 확인하는 데 수 일을 필요로 한다. 또한, 피검자(subject)가 충분한 시간 동안 감염되지 않은 경우, 테스트는 위음성(false negative)을 나타낼 수도 있고, 그에 의해, 자신도 모르게 일반 대중에 대한 노출을 야기할 수도 있다. 현재의 테스팅 기술은 돌연변이를 신속하게 식별하고 추적하는 능력도 또한 부족하다. 게다가, 지연된 보고 시간은, 정부 당국으로 하여금, 적절한 정책을 형성하고 구현함에 있어서 중요할 수 있는 현재의 데이터가 부족하게 한다.
따라서, 당업계에서 긴급하게 요구되는 것은, 잠재적으로 감염된 피검자에서 병원체의 존재를 정확하고 신속하게 결정 및 보고할 수 있는 신속 응답 테스팅 기술(rapid response testing technology)이다.
종래 기술의 상기에서 논의된 결함을 해결하기 위해, 본 개시는, 인간 병원체, 예컨대 바이러스 또는 박테리아뿐만 아니라, 약물 또는 암세포를 비롯한, 피분석물의 검출에서 직접적이고, 신속하며, 증가된 감도를 갖는 정확한 측정 및 검출을 제공하는 고유하고, 광학 기반의 검출 기술을 제공한다. covid-19 바이러스가 계속 확산됨에 따라, 이 기술은, 수용 불가능할 정도로 낮은 민감도 레벨 및 현재의 생물검정(bioassay)의 잘못된 결과와 단일의 플랫폼을 사용한 더 넓은 범위의 감염원(infectious agent)의 더욱 신속하고 민감한 검출에 대한 싹트기 시작한 필요성 사이의 갭을 메우는 데 중요하다.
본원에서 제시되는 바와 같은 실시형태는, 신속한 바이러스 검출, 식별, 및 보고 솔루션을 제공하기 위한 소형의 표면 향상 라만 분광법(surface-enhanced Raman Spectroscopy; SERS) 기반의 시스템을 구현하기 위해 마이크로유체 및 적층 가공(additive manufacturing)을 갖는 광자 프로세싱 솔루션을 제공한다. 이들 실시형태는, 임의의 의료 시설, 공중 보건, 및 응급 의료 요원 유닛(first-responder unit)에 대한 배치를 허용할 디바이스 획득 비용으로 임의의 특정한 병원체의 존재에 대한 고도로 정확하고, 거의 실시간의 스크리닝 및 보고를 제공한다. SERS 상호 작용으로부터의 라만 스펙트럼은 Michelson(마이켈슨) 간섭계와 커플링되는 검출기를 사용하여 검출된다. 본원에서 개시되는 실시형태는 다음의 것을 제공한다: 감염의 실시간 원격 검출 및 모니터링; 감염원의 신속한 동시적 식별, 오염된 유체에 대한 담당자의 노출 또는 운송을 제한하는 제어되고 격리된 테스트 프로토콜; 테스트 스트립으로부터 테스트 피검자로부터 격리되는 직원으로의 데이터의 무선 송신; 거의 즉각적인 테스트 결과; 노후화될 수 있는 시약 또는 샘플의 2차 프로세싱을 필요로 하지 않는 테스트의 구현; 저비용이며, 제조하기 쉽고, 빠르게 배치 가능하고 최소한의 트레이닝으로 동작되는 테스트 컴포넌트; 및 바이러스 검출을 넘어서는 확장된 적용.
전술한 것은, 기술 분야의 숙련된 자가 후속하는 상세한 설명을 더 잘 이해할 수도 있도록 피쳐를 개략적으로 나타내었다. 청구범위의 대상(subject)을 형성할 수 있는 추가적인 피쳐가 이하에서 설명될 것이다. 기술 분야의 숙련된 자는, 본원에서 개시되는 동일한 목적을 실행하기 위한 다른 구조물을 설계 또는 수정하기 위한 기초로서, 개시된 개념 및 특정한 예를 용이하게 사용할 수 있다는 것을 인식해야 한다. 기술 분야의 숙련된 자는 또한, 그러한 등가의 구성이 본 개시의 취지 및 범위로부터 벗어나지 않는다는 것을 인식해야 한다.
본 발명의 더욱 완전한 이해를 위해, 이제, 첨부의 도면과 연계하여 취해지는 다음의 설명에 대한 참조가 이루어지는데, 첨부의 도면에서:
도 1a 및 도 1b는 본 개시에 의해 제공되는 바와 같은 테스트 스트립의 하나의 실시형태의 사시도(perspective view)를 예시한다;
도 2는 테스트 스트립 상에 위치되는 테스트 칩의 부분 단면도를 예시한다;
도 3a 내지 도 3i는 테스트 칩의 광자 집적 회로를 제조하기 위해 사용될 수 있는 프로세스의 하나의 실시형태의 다양한 중간 단계를 예시한다;
도 4a 내지 도 4h는 테스트 칩의 마이크로유체 채널을 제조하기 위해 사용될 수 있는 프로세스의 하나의 실시형태의 다양한 중간 단계를 예시한다;
도 5a 및 도 5b는 마이크로유체 채널에 유체 흐름 가능하게(fluidly) 커플링될 수도 있는 마이크로유체 펌프의 실시형태를 예시한다;
도 6은 테스트 칩의 하나의 실시형태의 블록도 레이아웃을 예시한다;
도 7은 테스트 칩 내에서의 다양한 컴포넌트의 통합을 나타내는 실시형태의 일반적인 블록도 레이아웃을 예시한다;
도 8은 간섭계 및 안정화된 광학적 소스(optical source)의 실시형태를 예시한다;
도 9는 도파관과의 간섭계 및 안정화된 광학적 소스의 협력적 커플링의 개략적인 레이아웃을 예시한다; 그리고
도 10은, 일반적으로 도 1에서 예시되는 바와 같이, 테스트 칩을 제조하기 위해 사용될 수 있는 소정의 방법 단계의 하나의 실시형태의 플로우차트를 예시한다.
인간 바이러스의 실시간 검출 및 특성 묘사뿐만 아니라, 다른 생화학적 및 비생화학적 분석을 제공하는 시스템에 대한 절실한 필요성이 존재한다. 현재, 병원체, 예컨대 covid-19인 코로나바이러스(Coronavirus)는, 긴 사이클의 잠복기, 초기 무증상 전파, 공기 전파, 및 그것의 고도의 전염성 본질의 조합에 기인하여, 성공적인 봉쇄 없이 확산되었다. 테스트 검출 성능의 간단하고, 신속하며, 효율적인 지점의 결여는, 감염된 사람이 격리(quarantine)로부터 조기에 이행하는 것 또는 그들이 증상을 보일 때까지 격리를 완전히 놓치는 것을 허용하였다. 추가적으로, 다른 생화학적 및 비생화학적 분석도 종종 빠른 결과를 역시 요구한다. 본 개시에서 제시되는 다양한 실시형태는 이들 현재의 긴급한 필요성을 다룬다.
도 1a는 소형의 치수를 갖는 테스트 스트립(110)의 실시형태의 사시도이다. 예를 들면, 하나의 실시형태에서, 테스트 스트립은 0.5 mm 두께, 4.0 mm 폭 및 50.0 mm 길이이다. 그러나, 테스트 스트립(110)은 단지 이들 치수로 제한되지는 않으며, 다른 실시형태에서, 테스트 스트립(110)은, 상이한 설계가 요구할 수도 있는 바와 같은 상이한 치수를 가질 수도 있다. 심지어 그것의 소형의 사이즈를 고려하면, 테스트 스트립(110)의 길이는 그 길이를 따라, 더 많은 간섭계 데이터, 예컨대 라만 분광법(Raman Spectroscopy) 데이터가 수집되는 것을 허용하여, 더욱 정확한 결과로 이어지는 상대적으로 큰 샘플링 채널화 영역을 제공한다. 테스트 스트립(110)은, 테스트 스트립의 대향하는 단부 상에서 위치되는 스트립 라벨(120)과 함께, 하나의 단부 상에 위치되는, 하기에서 더욱 상세하게 논의되는 테스트 칩(115), 예컨대 집적 광자 칩을 포함한다.
도 1b는, 도 1b에서 일반적으로 예시되는 바와 같이, 테스트 스트립(110)의 대향하는 단부 상에서 형성되는 유체 배출 포트(130a 및 135a)와 함께, 상단과 저부 필름(130과 135) 사이에서 각각 위치되는, 데이터 송신을 위한 트레이스를 그 상에서 갖는, 인쇄 회로 보드와 같은 스페이서(125)를 도시하는 도 1a의 실시형태의 분해도이다. 스페이서(125)는 테스트 칩(115)으로 연장되는 테스트 스트립(110)의 길이를 통해 유체 통로(125a)를 형성하는 컷아웃 영역을 갖는다. 또한, 테스트 칩(115)이 위치되는 단부에 인접한 테스트 스트립(110)의 단부는, 일반적으로 도시되는 바와 같이, 상단 및 저부 필름(130 및 135) 둘 모두에서 형성되는 유체 입력 포트(140)를 포함한다. 유체 입력 포트(140)는 유체 통로(125a)로부터의 테스트 유체가 분석을 위해 테스트 칩(115)에 진입하는 것을 허용한다. 하나의 양태에서, 테스트 스트립(110)은 마일라(mylar) 또는 다른 폴리머 필름 상에서 패키징될 수도 있고 비용을 감소시키고 유연성을 증가시키기 위해 사용될 수 있는 적층 가공 및 레이저 컷팅을 활용할 수 있다. 그러한 경우, 마일라의 2 개의 롤이 잉크젯 인쇄된 스페이서 재료 주위에 가열 압착된다(hot pressed). USB 전기 인터커넥트 라인이, 라벨이 그러한 것처럼, 표면 상에 인쇄된다. 하기에서 논의되는 바와 같이, 테스트 스트립(110)에 대한 전원에 전기적 커플링을 제공하기 위해, 배터리 또는 전기 리드가 또한 제공된다.
도 2는, 도 1a 및 도 1b에서 일반적으로 도시되는 바와 같은, 테스트 칩(115)의 실시형태의 부분 단면도를 예시한다. 예시된 실시형태에서, 테스트 칩(115)은 광자 집적 회로(photonic integrated circuit; PIC) 기판(210) 상에 위치되는 도파관(205)을 포함한다. PIC 기판(210)은 실리콘 기판 상의 공지된 재료, 예컨대 실리콘 이산화물로 구성될 수도 있고, 실리콘 이산화물 층 내에서 형성되는 하나 이상의 인터커넥트된 금속 레벨(210a, 210b)을 포함한다. 이들 피쳐는 공지된 리소그래피 및 퇴적 프로세스를 사용하여 제조될 수도 있다. 하나의 실시형태에서, PIC(210)의 금속 레벨(210a, 210b) 중 하나는, 도파관(205)의 길이 중 적어도 일부를 따라 유전 영동 필드(dielectrophoretic field)를 제공하기 위해 사용될 수 있는 백킹 전극(backing electrode; 215)을 포함할 수도 있다. 그러나, 다른 실시형태에서, 백킹 전극(215)은 옵션 사항이며, 따라서, 소정의 실시형태에서는 존재하지 않을 수도 있다. 하나의 실시형태에서, 도파관(205)은, 공지된 리소그래피 및 퇴적 프로세스를 사용하여 퇴적 및 에칭될 수 있는 실리콘 질화물(silicon nitride) 재료로 구성될 수도 있다. 실리콘 질화물이 예로서 주어지지만, 그러나, 다른 타입의 도파관, 예컨대 갈륨 비화물(Gallium Arsenide), 알루미늄 갈륨 비화물(Aluminum Gallium Arsenide), 실리콘, 알루미늄 산화물(Aluminum Oxide), 실리콘 산질화물(Silicon Oxy-Nitride), 도핑된 실리콘 이산화물(티타늄, 리튬, 인, 붕소, 등등), 또는 이들의 조합이 사용될 수도 있다. PIC 기판(210), 금속 레벨(210a, 210b), 및 도파관(205)은, 하기에서 논의되는 다른 컴포넌트와 함께, 고유의 광자 집적 회로를 형성한다.
은, 금, 구리, 또는 이들의 조합과 같은 나노입자(220)는 도파관(205) 상에서 또는(여기에서 그리고 청구범위에서 사용되는 바와 같은 "또는"은 접속 및 이접 형태인 "및/또는"을 포함함) 그것에 인접하게 위치된다. 하나의 실시형태에서, 나노입자(220)의 농도는, 도파관(205)의 외부 표면(205b) 상에서 보다, 도파관(205)의 측면(side surface; 205a) 상에서 또는 측면에 인접하여 더 클 수도 있다. 나노입자(220)는 도파관(205)의 길이의 센서 부분을 따라 연장된다. 센서 부분은 도파관(205)의 전체 길이 또는 그것의 일부만을 따라 연장될 수도 있다. 하나의 실시형태에서, 도파관(205)은 클래딩된 부분 및 클래딩되지 않은 부분을 가지는데, 여기서 클래딩되지 않은 부분은 센서 부분(들)으로서 기능한다. 그러한 실시형태에서, 나노입자(220)는 클래딩되지 않은 부분 상에 위치되고, 반면, 다른 실시형태에서, 도파관(205)의 전체 길이는 클래딩될 수도 있고 나노입자는 도파관(205)의 클래딩 상에 퇴적될 수도 있다.
나노입자(220)는, 나노입자가 전하 전달 또는 플라즈몬 공명을 형성하는 것을 돕는다는 점에서 테스트 유체 또는 피분석물에 관련되기 때문에, 개선된 데이터 수집을 제공한다. 금속이 구체적으로 언급되지만, 나노 스케일로 퇴적 또는 형성될 수 있는 다른 고도로 전도성인 재료도 또한 사용될 수도 있다. 사용을 위해 고려된 반도체 재료는, 실리콘 탄화물, 탄소, 또는 갈륨 질화물과 같은 좁은 밴드갭 재료뿐만 아니라 게르마늄, 납 셀렌화물(lead selenide), 납 텔루르화물(lead telluride), 갈륨 안티몬화물(Gallium Antimonide), 갈륨 비화물, 인듐 인화물(Indium Phosphide)과 같은 더 좁은 밴드갭 재료를 포함한다. 추가적으로, 나노구조물 거동이 고유의 이점을 가질 수도 있는 여러 가지 진화하는 반도체, 예컨대 칼코기나이드 몰리브덴 이황화물(chalcoginide molybdenum disulfide; MoS2)이 존재한다.
제2 실리콘 기판(225)은 도파관(205)이 위치되는 측 상에서 PIC 기판(210)에 본딩된다. 제2 실리콘 기판(225)은 그 내부에서 형성되는 마이크로유체 채널(230)을 가지며, 하나의 실시형태에서, 도파관(205)의 길이의 적어도 일부를 따라 유전 영동 필드를 제공하기 위해 백킹 전극과 연계하여 작동하는 옵션 사항의 구동 전극(235)을 포함한다. 구동 전극(235)을 형성하기 위해 공지된 제조 리소그래피 프로세스가 사용될 수도 있다. 마이크로유체 채널(230)은, 일반적으로 도시되는 바와 같이, 도파관(205)의 측면(205a) 및 가장 바깥쪽 표면(205b)이 마이크로유체 채널(225) 안으로 연장되도록 도파관(205)을 캡슐화한다. 마이크로유체 채널(230)은 테스트 유체 또는 피분석물이 배치될 수도 있는 채널을 제공한다.
백킹 전극(215) 및 구동 전극(235)이 존재하는 실시형태에서, 그들은 나노구조물 표면으로 병원체와 같은 타겟 분자의 제어된 전이를 촉진하도록 추가적인 필드를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 예시된 실시형태에서 확인되는 바와 같이, 구동 전극(235)은 실리콘 기판(225) 내에 그리고 마이크로유체 채널(230)에 인접하게 위치되며, 백킹 전극은, 일반적으로 도시되는 바와 같이, 도파관(205)에 인접하게 그리고 PIC 기판(210) 내에서 위치된다. 이들 전극은, 타겟 피분석물을 나노입자 측정 표면으로 구동하기 위한 유전 영동(dielectrophoretic; DEP) 힘을 마이크로유체 채널 내에서 생성하기 위한 고주파(3-5 MHz) 전압을 전극에 인가하도록 사용될 수 있다.
DEP는, 특정한 질량 및 사이즈의 생체 분자를, 소멸 유도 프로브 빔(evanescently guided probe beam)과 상호 작용할 타겟 피분석물의 양을 극적으로 향상시키는 측정 표면으로 유도하기 위해 사용될 수도 있다. DEP 힘은 전도성 입자 및 비전도성 입자 둘 모두에 인가될 수 있고 직류(direct current; DC) 또는 교류(alternating current; AC) 필드 중 어느 하나를 사용하는 것에 의해 생성될 수 있다. 유전 영동 힘은 바이러스의 고도로 정확한 분류를 달성한다. DEP 힘은 불균일한 전기장의 존재 하에서 부유 입자에 대해 가해지는 힘이다. 힘의 크기 및 방향은 전기장 강도, 입자 반경, 입자 및 부유 유체의 유전율뿐만 아니라, 입자 및 부유 유체의 전도도에 관련된다. DEP는 타겟 바이러스에 대한 제어 가능한, 선택적인, 그리고 정확한 조작을 제공한다.
공지되어 있는 바와 같이, DEP는 생체 분자의 쌍극자와 전기장의 공간적 구배의 상호 작용에 기인하는 불균일한 전기장에서의 입자의 움직임이다. 생체 분자 쌍극자는 주로 두 가지 현상으로부터 비롯된다. 1) 원자의 방위 및 구성에 기인하는 영구 쌍극자, 2) 입자의 표면 상에서 전하의 재분배를 유도하는 외부 전기장의 인가로부터 유래하는 유도 쌍극자.
생체 분자의 거동은, 인터페이스에서 전하를 생성하는 재료의 능력의 척도인 그것의 분극성(polarizability)에 의해 설명될 수 있다. 그것의 분극성은 전기장에 반응하는 재료의 능력의 척도인데, 이것은 세 가지 기본 메커니즘, 즉, (i) 전자 분극, (ii) 원자 분극 및 (iii) 방위 분극을 갖는다.
계면 분극성(interfacial polarizability)은, 그것이 10 kHz 내지 100 MHz의 동작 주파수 내에서 입자 상의 유도된 쌍극자의 기원이기 때문에, 제한된다. 입자의 분극성이 매질의 것보다 더 높은 경우, 입자 측에서 더 많은 전하가 축적될 것이다. 매질의 분극성이 입자의 것보다 더 높은 경우, 매질 측에서 더 많은 전하가 축적될 것이다. 전하의 이 불균일한 분포는, 인가된 전기장과 정렬되는 입자를 가로질러 유도된 쌍극자로 이어지는, 입자의 어느 한 쪽 상에서 전하 밀도에서의 차이를 의미한다. 입자-매질 시스템이 불균일한 전기장에 놓이면, 입자는 각각의 단부에서 상이한 힘을 느낀다. 양쪽 단부에서 힘에서의 차이는 입자와 매질의 분극성에 따라 어느 방향으로든 알짜 힘을 생성한다.
교류 유전 영동(AC-DEP)의 인가를 위한 일반적인 관행은 마이크로채널 네트워크 내부에 임베딩되는 금속 전극의 어레이이다. 대부분의 경우, 이들 내부 전극은, 디바이스 내에서 제조되는 평면(2-D) 전극이다(즉, 전극의 높이가 대략 수백 나노미터임). AC-DEP는 줄(Joule) 가열을 방지하는 낮은 동작 전압에 기인하여 유리하다. 또한, 더 낮은 인가된 전압은 전기장을 생성하는 데 필요한 회로부(circuitry)를 단순화시켜, AC-DEP 집중 시스템(AC-DEP focused system)을 집적 회로와 호환 가능하게 만들고 배터리로 구동되는 핸드헬드식 디바이스에 대해 적합하게 만든다.
따라서, DEP는 바이러스 검출 기술을 향상시켜, 측정 표면 상에 퇴적되는 선택적 바이러스 피분석물의 양을 향상시키거나 또는 풍부하게 한다. 대안적으로, 다른 실시형태는, 동일한 테스트 구조물 내에서 다수의 피분석물의 선택적, 동시적, 특성 묘사 및 식별을 허용하도록 생체 분자를 사이즈 및 구조별로 분리하기 위해, 가변 주파수 및 위상 선택적 유전 영동을 활용할 수도 있다.
도 3a 내지 도 3i는 테스트 칩(115)의 복수의 도파관(205)을 제조하기 위해 사용될 수 있는 프로세스의 하나의 실시형태의 중간 구조물(300)의 부분 단면도를 예시한다. 도 3a는 실리콘 이산화물 층(310)이 성장된 실리콘 기판(305)을 예시한다. 또한, 실리콘 질화물 층(315) 및 실리콘 질화물 층(315) 상에 위치되는 패턴화된 포토레지스트 층(320)이 확인된다. 공지된 프로세스 및 재료는, 이하에서 논의되는 바와 같이, 예시된 중간 구조물을 형성하기 위해 사용될 수도 있다. 하나의 실시형태에서, 실리콘 기판(305)은 P 타입 도펀트로 도핑되는 200 mm 실리콘 웨이퍼일 수도 있다. 실시형태에 따라, 도펀트 농도 및 두께는 변할 수도 있다. 하나의 실시형태에서, 실리콘 이산화물 층(310)은 2000 nm의 두께까지 형성될 수도 있다. 도파관을 형성하기 위해 나중에 패턴화될 실리콘 질화물(315) 층의 두께도 또한 변할 수도 있다. 소정의 실시형태에서, 두께는 약 100 nm로부터 약 200 nm까지의 범위에 이를 수도 있다. 하나의 실시형태에서, 설계 요건에 따라 변할 수도 있는 간격을 갖는 도파관을 생성하기 위해 실리콘 질화물 층(315)의 마스킹되지 않은 부분을 에칭하기 위해 건식 에칭이 사용될 수도 있다. 예를 들면, 하나의 실시형태에서, 에칭된 도파관 사이의 간격은 약 300 nm일 수도 있다.
도 3b는 복수의 도파관(315a)을 형성하기 위해 실리콘 질화물(315)을 패턴화하는 것에 후속하는, 도 3a에서 도시되는 디바이스의 중간 실시형태를 예시한다. 하나의 실시형태에서, 공지된 건식 에칭이 도파관(315a)을 형성하기 위해 사용될 수도 있다. 도파관(315a) 중 하나의 확대도(315b)에서 도시되는 바와 같이, 건식 에칭은 도파관의 에지로 하여금 약 0°에서부터 약 4°까지 테이퍼 형상으로 되게(taper) 할 수도 있다. 도파관(315a)의 테이퍼 형상의 에지는 전하 전달 또는 플라즈몬 공명(plasmonic resonance)을 추가로 형성하는 것을 돕는다. 건식 에칭에 후속하여, 스트립 레지스트 및 웨이퍼 세정 프로세스와 같은 공지된 프로세스를 사용하여 나머지 포토레지스트(320)가 도파관(315a)으로부터 제거된다. 몇몇 실시형태에서, 도파관(315a)은 도파관의 문의(interrogation) 또는 데이터 수집 길이를 증가시키기 위해 다양한 사행형 기하학적 형상 설계(serpentine geometric design)로 패턴화될 수도 있다. 예를 들면, 도 3c는, 도파관(315a)이 직사각형의 접힌 구성(315c), 또는 원형 구성(315d)으로 패턴화될 수도 있는 몇몇 예를 예시한다. 이들은 단지 몇몇 예에 불과하며, 다른 기하학적 설계도 또한 본 개시의 범위 내에 있다. 추가적으로, 포토레지스트의 패턴화 동안, 에칭된 패싯 표면(etched facet surface; 330) 근처에서, 도 3d에서 확인되는 바와 같이, 테이퍼 형상의 영역(325)을 형성하기 위해 동일한 레티클이 사용될 수 있다. 이 좁아진 테이퍼 형상의 영역(325)은 도파관의 출력 단부 근처에서 개선된 모달(modal) 및 광학적 송신을 제공한다. 하나의 실시형태에서, 도 3d에서 확인되는 바와 같이, 실리콘 질화물 도파관(315)의 단부에서 광학 패싯 표면(330)을 정의하기 위해 깊은 에칭이 행해질 수도 있다. 이 옵션 사항의 에칭은 기저의 실리콘 산화물을 관통하고, 그 다음, 실리콘 안으로 2-3 미크론을 에칭하기 위해 행해질 것이다. 그러한 실시형태에서, 매끄러운 산화물 표면을 획득하기 위해 후속하는 습식 세정이 필요로 될 수도 있다.
도 3e는, 나머지 포토레지스트(320)의 제거 및 후속하는 습식 에칭 프로세스를 위한 에칭 제어를 제공하는 질화물 에칭 정지부(335)의 퇴적에 후속하는 도 3b의 디바이스를 예시한다. 질화물 에칭 정지부(335)를 퇴적하기 위해 공지된 퇴적 프로세스가 사용될 수도 있고 약 20 nm에서부터 약 30 nm까지의 범위에 이르는 두께로 퇴적될 수도 있다. 질화물 에칭 정지부(335)는, 하기에서 도시되는 바와 같이, 도파관의 센서 부분을 노출시키기 위해 사용되는 습식 에칭에 대한 에칭 제어를 제공한다. 질화물 에칭 정지부(335)는, 하기에서 도시되는 바와 같이, 도파관의 센서 부분을 노출시키기 위해 사용되는 습식 에칭에 대한 에칭 제어를 제공한다. 하나의 실시형태에서, 질화물 에칭 정지부(335)는 도파관(315a) 상에 남아 있고 도파관 전달 용량을 확장시키도록 기능하는데, 이것은 피분석물로부터의 데이터 수집을 추가로 향상시킨다.
도 3f는 공지된 퇴적 프로세스를 사용한 실리콘 산화물 층(340)의 퇴적 이후의 도 3e의 중간 디바이스를 예시한다. 실리콘 이산화물 층(340)의 두께는 변할 수도 있지만, 그러나, 하나의 실시형태에서, 두께는 약 2 미크론일 수도 있다. 또한, 실리콘 산화물 층(340)은, 하기에서 논의되는 바와 같이, 도파관(315a)의 적어도 일부에 대한 클래딩 층으로서 기능한다.
도 3g는 포토레지스트(345)에 센서 개구(350)를 형성하기 위한 포토레지스트(345)의 퇴적 및 패턴화한 이후의 도 3f의 중간 디바이스를 예시한다. 센서 개구(350)는 도파관의 부분으로부터 실리콘 산화물을 제거할 후속하는 에칭에 대해 실리콘 산화물(340)의 영역을 노출시켜, 대상 피분석물로부터 데이터를 수집하기 위해 나노입자가 퇴적되어 사용될 클래딩되지 않은 도파관(315a)을 초래한다. 그 다음, 타겟으로 된 도파관 위의 실리콘 산화물 클래딩을 제거하기 위해 공지된 기본 습식 산화물 에칭이 행해질 수도 있는데, 이것은, 도 3h에서 확인되는 바와 같이, 중간 구조물을 초래한다. 도 3h에서 도시되는 바와 같이, 도파관(315a)의 일부는 실리콘 이산화물(340)에 의해 클래딩된 상태로 유지되고, 한편, 다른 부분은 클래딩되지 않는다. 이들 클래딩되지 않은 부분은 대상 피분석물에 관한 데이터를 수집하기 위해 사용되는 센서 영역으로서 기능한다.
도 3i는 노출된 도파관(315a) 상에서의 나노구조물(345)의 형성 이후의, 도 3h에서 확인되는 바와 같은 중간 구조물을 예시한다. 몇몇 실시형태에서, 나노구조물(345)은 약 140 nm 내지 300 nm 피치 상에서 약 70 nm에서부터 약 100 nm까지의 범위에 이르는 직경을 가질 수도 있다. 그러나, 디바이스의 성능을 최적화하기 위해 다른 범위 및 피치가 사용될 수 있다. 나노구조물(345)을 퇴적하기 위해 상이한 퇴적 프로세스가 사용될 수도 있다. 예를 들면, 하나의 실시형태에서, 나노구조물(345)은 잉크젯 퇴적 프로세스를 사용하여 퇴적될 수도 있다. 다른 실시형태에서, 나노구조물(345)은 금속 퇴적 리프트오프와 함께 심자외선(deep ultraviolet; DUV) 포토리소그래피 또는 전자 빔 리소그래피를 사용하여 퇴적될 수도 있다. 그러한 실시형태에서, 리프트오프 구조물의 두께는, 평균 직경에 따라, 약 40 nm에서부터 약 80 nm까지의 범위에 이를 수도 있다.
도 4a 내지 도 4h는, 광자 집적 회로 및 도파관(205)이 상부에 형성되는 웨이퍼에 본딩되는 웨이퍼의 상기에서 언급된 마이크로유체 채널(230)을 제조하기 위한 프로세스 흐름의 하나의 실시형태의 중간 구조물(400)의 부분 단면도를 예시한다. 일단 함께 본딩되면, 마이크로유체 채널(230)은 도 2에서 확인되는 바와 같이 도파관(들)의 측면 및 가장 바깥쪽 표면 주위에서 밀봉된 유체 채널을 형성한다. 하나의 실시형태에서, 마이크로유체 채널(230)은, 하기에서 논의되는 바와 같이, 얕은 에칭된 구조물 및 더 깊은 에칭된 구조물의 두 가지 레벨을 포함한다. 얕은 에칭은 횡방향 모세관 흐름(lateral capillary flow)을 지원하고, 한편, 더 깊은 에칭 구조물은 사후 후면 연마(post back-side grind) 동안 노출되는 배출(vent) 및 공급 포트(feed port)를 제공한다.
도 4a는, 하나의 실시형태에서, 공지된 P 타입 도펀트로 도핑되며, 그 농도 및 확산 깊이가 최적화된 설계 요건에 따라 변할 수도 있는 200 mm 실리콘 웨이퍼일 수도 있는 웨이퍼(405)를 예시한다. 산화 성장 또는 퇴적 프로세스와 같은 공지된 프로세스를 사용하여 실리콘 웨이퍼(405) 위에 패드 산화물(410)이 형성된다. 실리콘 산화물 층(410)의 두께는 물결 형상일 수도 있다. 예를 들면, 두께는 습식 에칭 조건 하에서 약 100 nm 또는 30 nm 내지 50 nm일 수도 있다. 실리콘 질화물 층(415)은 산화물 층(410) 위에서 형성되고, 소정의 실시형태에서, 그 두께는 약 300 nm일 수도 있다. 실리콘 질화물 층(415)은 얕은 트렌치 에칭을 위한 하드 마스크 피쳐이다. 산화물 층(410)은 후속하는 단계에서 실리콘 질화물(415) 층의 격리된 제거를 제공한다.
도 4b는 패턴화된 포토레지스트(420)를 초래하는 공지된 포토레지스트 퇴적, 현상, 및 스트립 프로세스에 후속하는 도 4a의 중간 디바이스를 예시한다. 패턴화된 포토레지스트(420)는 후속하여 에칭될 트렌치 영역(425)을 노출시킨다.
도 4c는 얕은 트렌치(430)를 형성하는 습식 또는 건식 에칭 중 어느 하나일 수도 있는 공지된 하드 마스크 에칭 프로세스에 후속하는 도 4b의 중간 디바이스를 예시한다. 에칭 깊이는 변할 수도 있지만, 그러나 소정의 실시형태에서, 에칭 깊이는 3 내지 6 미크론일 수도 있다. 확인되는 바와 같이, 에칭은 산화물 층(410) 및 실리콘 질화물 층(415)의 일부를 언더컷한다. 패턴화된 포토레지스트(420)는, 도시되지만, 에칭이 행해지기 이전에 제거될 수도 있다. 에칭 이후, 실리콘 질화물 층(415) 및 산화물 층(410)은 공지된 스트립 및 세정 프로세스를 사용하여 제거되어, 도 4d의 중간 디바이스를 초래한다.
도 4e는 더 깊은 트렌치를 형성하기 위해 사용될 얕은 트렌치(430) 내에서의 포토레지스트 층(435)의 퇴적 및 패턴화에 후속하는 도 4d의 중간 디바이스를 예시한다. 하나의 실시형태에서, 깊은 트렌치(440)를 약 200 미크론의 깊이로 에칭하여, 도 4f에서 도시되는 중간 구조물을 초래하기 위해, BOSCH 에칭 프로세스와 같은 깊은 반응성 이온 에칭 프로세스가 사용될 수도 있다. 에칭에 후속하여, 공지된 스트립 레지스트 애쉬 프로세스(strip resist ash process)가 행해지고, 세정 프로세스가 후속되어, 얕은 트렌치(430) 및 깊은 트렌치(440)를 포함하는 도 4g에서 도시되는 중간 구조물을 초래한다.
도 4h는, 포토레지스트의 제거 및, 하나의 실시형태에서, 디바이스 성능을 최적화하기 위해 다른 두께가 사용될 수도 있지만, 약 75 nm에서부터 약 100 nm까지의 범위에 이르는 두께로 성장될 수도 있는 산화물 층(445)의 형성에 후속하는 도 4g의 중간 디바이스를 예시한다. 상기에서 언급되는 바와 같이, 구동 전극이 존재하는 그들 실시형태에서, 전극이 트렌치의 저부에서 퇴적될 수도 있거나, 또는 깊은 트렌치(440)의 저부의 노출된 실리콘에서 고도로 전도성인 영역을 형성하기 위해 주입이 수행될 수도 있다.
도 4h에서 도시되는 중간 구조물의 세정에 후속하여, 얕은 트렌치(430) 및 깊은 트렌치(440)가 내부에서 형성되는 실리콘 웨이퍼(405)는 뒤집어지고(flipped) 광자 기판(photonic substrate)에 본딩되어, 도 2에서 도시되는 일반적인 구조물을 초래한다.
하나의 실시형태에서, 마이크로유체 채널(230)은 단지 두 개의 예시적인 실시형태인 마이크로유체 펌프(500, 505)에 유체 흐름 가능하게 커플링될 수도 있다. 도 5a 및 도 5b는 몇몇 실시형태의 예를 도시하지만, 그러나, 마이크로유체 펌프(500, 505)는, 도 5a 및 도 5b에 의해 일반적으로 예시되는 바와 같이, 임의의 수의 사행형 구성으로 설계될 수도 있다. 도 5a 및 도 5b에서 도시되는 바와 같이, 향상된/수정된 도파관(510, 515) 및 그들의 관련된 마이크로유체 채널(520, 525) 및 마이크로유체 펌프(530, 535)는, 특정한 애플리케이션을 위해 각각의 도파관(510, 515)의 길이를 최적화하기 위해 사용될 수 있는 여러 가지 기하학적 구성을 가질 수도 있다. 그러나, 설계 파라미터에 따라, 몇몇 실시형태에서, 마이크로유체 채널(520, 525)은 관련된 마이크로유체 펌프를 갖지 않을 수도 있다. 예를 들면, 설계 파라미터가 그렇게 요구되는 경우, 향상된/수정된 도파관(510, 515) 및 마이크로유체 채널의 길이는 마이크로유체 펌프를 필요로 하지 않을 정도로 충분히 짧을 수도 있다. 설계 파라미터가 요구되는 다른 실시형태에서, 향상된/수정된 도파관(510, 515) 및 관련된 마이크로유체 채널(520, 525)은, 각각, 도 5a 및 도 5b에서 확인되는 바와 같이 더 길 수도 있거나 또는 더 복잡할 수도 있다. 그러한 실시형태에서, 마이크로유체 펌프(530, 535)가 존재한다. 피분석물은 유체 입력 포트(540, 545)를 통해 마이크로유체 채널(520, 525) 안으로 도입된다. 마이크로유체 펌프(530, 535)는, 존재하는 경우, 테스트 샘플로부터 최대 데이터가 획득될 수 있도록 마이크로유체 채널을 통해 그리고 도파관 위로 유체를 끌어올리는 것을 돕기 위해 모세관 원리로 동작할 수 있다. 그러나, 다른 실시형태에서, 마이크로유체 펌프(530, 535)는 마이크로유체 채널을 통해 테스트 유체를 펌핑하도록 기계적으로 구동될 수도 있다. 예를 들면, 마이크로유체 펌프는 마이크로유체 채널을 통해 테스트 유체를 이동시키기 위해 사용될 수 있는 압전 재료를 포함할 수도 있다. 마이크로유체 채널(530, 535)의 길이 및 기하학적 형상 구성은 변할 수도 있고 설계 파라미터 및 시스템 요건에 의존할 것이다. 예시된 실시형태에서, 마이크로유체 채널(520, 525) 및 마이크로유체 펌프(530, 535)는 일반적인 사행형 구성을 가지지만, 그러나 방금 언급된 바와 같이, 다른 기하학적 형상 구성이 본 개시의 범위 내에 있다. 이들 접힌 타입의 경로는, 디바이스를 컴팩트한 형태를 위해 예외적으로 작게 유지하면서, 디바이스의 데이터 수집 길이를 증가시키기 위해 사용될 수 있다. 마이크로유체 채널을 제조하기 위해 공지된 포토리소그래피 프로세스 및 재료가 사용될 수도 있다.
도 6은 테스트 칩(115)의 하나의 실시형태의 일반적인 블록도 레이아웃을 예시한다. 이 실시형태는 신호 추출을 위한 간섭계 및 안정화된 광학적 소스, 하기에서 논의되는 바와 같이, 구성 관리 회로, 디지털 프로세서 코어, 메모리, USB 데이터 인터페이스, 전원, 및 데이터의 빠르고 쉬운 송신을 위한 공지된 무선 인터페이스를 포함하는 광자 튜닝 및 제어 회로(600)를 포함한다. 피분석물은 입력 포트(615)를 통해 마이크로유체 채널(605)에 진입한다. 유체가 마이크로유체 채널(605)을 통해 이동함에 따라, 도파관에 있는 광의 소멸 장(evanescent field), 나노입자, 및 유체에 있는 피분석물 사이의 상호 작용에 의해 정량적 또는 정성적 데이터가 생성된다. 상기에서 논의되는 바와 같이, 유체는 마이크로유체 채널을 통해 이동하고 배출 포트(620)를 통해 빠져나와 테스트 스트립의 유체 채널 안으로 다시 들어간다. 따라서, 본 개시는 신속한 결과와 함께 정확한 유체 분석을 제공하는 마이크로 사이즈의 광자 집적 회로를 제시한다.
도 7은 도파관 향상 피분석물 검출 장치의 하나의 실시형태의 일반적인 개략적 구성을 예시한다. 이 실시형태에서, 광자 집적은, 병원체 또는 다른 생화학적 또는 비생화학적 물질의 신속한 검출 및 식별을 제공하기 위한 소형의 라만 분광법 기반의 시스템을 신속하게 구현하기 위해 마이크로유체 및 적층 가공과 결합된다.
상기에서 언급되는 바와 같이, 본 개시의 하나의 실시형태는 라만 분광법을 사용하지만, 다른 유사한 타입의 분광계가 또한 사용될 수도 있다. 라만 분광법은, 입사 레이저 광이 샘플로부터 비탄성적으로 산란되고 그것의 특징적인 분자 진동의 에너지에 의해 주파수에서 시프트되는 공지된 기술이다. 라만 스펙트럼은 조사된(probed) 물질의 화학 구조물에 대한 높은 정보 콘텐츠를 제공하는데, 이것은 바이러스 및 박테리아 식별, 불법 약물, 의약품 및 약물 제조 모니터링/유효성 확인 또는 암세포 검출 및 식별에 대해 이 방법을 이상적인 도구로 만든다. 그러나, 종래의 시스템에서 행해지는 바와 같이, 타겟으로 된 대상 재료를 포함하는 표면 상의 단일의 지점에 라만 빔을 집속시키는 것과는 달리, 본 개시의 실시형태는 도파관 또는 도파관들의 길이를 따라 데이터를 수집하는 구조물을 제공하고, 그에 의해, 데이터의 양과 정확도를 크게 향상시킨다.
테스트 피분석물 또는 유체는 테스트 하에 있는 피분석물의 제한을 제공하는 마이크로유체 채널에 주입된다. 이 제한은 피분석물과 프로브 빔의 최대 중첩을 보장한다. 게다가, 그것은 마이크로유체 채널의 벽을 따라 나노구조물과 분자의 친밀하고 강력한 상호 작용을 제공하는데, 이것은 향상된 라만 신호 강도를 제공한다.
신호 강도를 개선하기 위한 표면 향상 라만 분광법(Surface-enhanced Raman spectroscopy; SERS)의 적용은 라만 분광법의 수정이다. 그것은 박테리아 또는 바이러스와 같은 생체 분자를 식별하기 위한 매우 유능한 접근법으로서 입증되었다. 그것은 소정의 분자가 적절한 금속 나노구조물, 일반적으로 귀금속, 예컨대 은, 금, 또는 구리 근처에 흡착되거나 또는 배치될 때 소정의 분자의 라만 산란 신호의 향상에 기초한다. SERS 접근법은 1014-1015만큼 큰 향상 계수를 산출할 수 있어서, 최신의 테스트 세트 또는 검출 패널에서 사용되는 형광 유기 염료 또는 다른 시약의 것들보다 더 큰 라만 산란 단면으로 이어진다는 것이 밝혀졌다.
본 개시자의 실시형태는, 테스트 칩(115)의 광자 집적 회로의 일부를 형성하는 안정화된 광학적 소스, 및, 마이켈슨 간섭계와 같은 간섭계의 실시형태를 개략적으로 예시하는 도 8에서 일반적으로 도시되는 바와 같이, 마이켈슨 간섭계와 같은 간섭계와 커플링되는 검출기를 사용하여 SERS 상호 작용으로부터 라만 스펙트럼을 검출한다. 이 고유의 접근법은 시간 도메인에서 변조되는 주파수 종속 정보를, 분광계의 한쪽 암에서의 위상 전파 길이 변동의 함수로서 포함하는 인터페로그램(interferogram)을 생성한다. 그 다음, 샘플에서 존재하는 바이러스를 검출하고 식별하기 위해 사용되는 상세한 라만 스펙트럼을 추출하기 위해 시스템은 푸리에 변환을 수행할 것이다.
광자 집적 회로 푸리에 변환(Fourier-transform; FT) 분광계는, 간섭을 통해 시간 도메인에서 방사선을 변조하는 것에 의해 자신의 출력 스펙트럼을 생성하는데, 이것은 그 다음 푸리에 변환을 겪는다. 병원체의 검출 및 식별은, 반도체 제조 및 패키징 기술을 활용하는 것에 의해, 예시된 테스트 칩과 같은 상대적으로 작은 영역으로 6 개의 엘리먼트를 통합하는 능력에 의해 보증된다. 이들은 다음의 것을 포함한다: 1) 제어 가능한 라만 프로브를 제공하기 위한 안정화된 협대역 광학적 소스; 2) 도파관 외부로 이동하는 모달 에너지와 라만 산란의 광자 향상을 제공하는 금속 나노구조물의 제어된 중첩을 제공하는 소멸적으로 커플링된 저굴절률 콘트라스트 도파관; 3) 병원체의 특성 묘사를 위한 제어된 표면 영역을 제공하는 도파관 사이에서의 그리고 그 도파관 상에서의 나노구조물의 형성; 4) 금속 나노구조물 표면에서 타겟 병원체의 제어된 농축을 허용하는 전극의 통합; 5) 도파관 및 농축 구조물에 대해 샘플 볼륨을 제한하기 위한 마이크로유체 구조물의 통합; 6) 소형 푸리에 변환 분광계를 통합하는 능력.
위상 변조 암(phase modulated arm)을 따라 전파하는 신호와, 비 위상 변조 암(non-phase modulated arm) 사이의 간섭은, 위상에서의 변동이 진폭 변화를 야기하는 커플러에 반영된다. 이러한 기록된 시간 기반의 진폭 정보가 구동 전압 또는 변조된 암에서의 결과적으로 나타나는 유효 경로 길이 변동에 대해 기록되는 경우, 그것은 인터페로그램인 I(xeff)로서 칭해진다. 이 인터페로그램은 변조된 방사선 신호를, 간섭계의 두 암 사이의 유효 경로 길이에서의 변화의 함수로서 표현한다. 간섭계 광자 회로에서, 아날로그 신호는 인코딩된 라만 스펙트럼의 파장 또는 파수(wave number) 정보를 인코딩하는 광검출기에서 기록된다. 그 다음, 라만 스펙트럼을 복구하기 위해 인터페로그램에 대해 푸리에 변환 루틴이 수행된다. 이 시스템의 이점은 광자 집적 회로, 안정화된 광학적 소스이다. 하나의 실시형태에서, 외부 공동에 대해 안정화되고 브래그(Bragg) 미러 및 위상 튜너로 구성되는 초기 이득 분포를 정의하기 위해 공진 공동(resonant cavity)이 사용된다. 이 접근법은, 공진 이득 스테이지의 주입 잠금을 위해 재주입되고 있는 신호의 위상 및 주파수 성분(frequency content)에 대한 제어를 허용한다.
하나의 실시형태의 동작에서, 테스트 유체는 입력 포트를 통해 마이크로유체 채널 안으로 배치된다. 그 다음, 안정화된 광학적 소스가 마이크로유체 채널의 적어도 부분 길이를 따라 형성되는 도파관 내에서 안내된다. 채널 및 광학 도파관이 상대적으로 긴 영역, 및 도파관 주위의 또는 도파관 사이의 소멸 유도 영역이 더 많은 수의 타겟 피분석물과 상호 작용할 것이기 때문에, 상호 작용의 합산을 통해 증가가 획득될 수 있고, 그에 의해, 테스트의 정확도를 향상시킬 수 있다. 센서 영역의 단부에서, 광학 신호는, 그 다음, 대상 분자 또는 병원체와 관련되는 전자기 스펙트럼의 특정한 부분에 걸쳐 광의 속성을 측정하는 통합 분광계(integrated spectrometer)에 입력된다. 이들 분광계는, 공진기 커플링 검출기로부터 마하-젠더(Mach-Zehnder) 및 마이켈슨 간섭계와 같은 스캔된 구조물에 이르기까지, 광범위한 통합 구조물의 형태를 취할 수도 있다. 도시되는 접근법은 통합 마이켈슨 간섭계의 사용을 상세하게 설명하는데, 그에 의하면, 기준 암의 고정된 길이에 대비한, 하나의 암에서의 위상 유도 전파 변동은 간섭 패턴 인터페로그램을 도입하는데, 이것은, 그 다음, 내부 또는 외부 프로세서로 송신된다. 그 다음, 이것은, 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform; FFT)을 통해, 스펙트럼으로 변환되는데, 그 스펙트럼으로부터, 고유의 피크 포지션, 폭, 및 형상으로 구성되는 고유의 지문이 비교기에 의해 프로세싱되어, 최종 데이터 세트를 획득할 수 있다. 최종 데이터 세트는, 시각적 신호 또는 영숫자 판독치와 같은 검출 가능한 포맷으로 송신될 수 있다.
도 9는, 하나의 실시형태에서, 간섭계 및 안정화된 광학적 소스가, 약 3 mm와 약 4 mm 사이의 유체 입력 및 배출 포트를 비롯한 전체 길이를 가질 수도 있으며 선폭 소스가 약 0.5 mW에서부터 약 5 mW까지의 범위에 이르는 도파관에 광학적으로 커플링되는 방법을 개략적으로 예시한다.
도 10은 테스트 칩을 제조하기 위해 사용될 수 있는 일반적인 제조 프로세스 흐름의 실시형태를 예시한다.
테스트 스트립 검출 및 식별 시스템의 다양한 실시형태의 고유의 이점은 바이러스 재료를 포함하는 용액을 마이크로채널로 제한하는 능력을 포함한다. 이 제한은 프로브 광 빔과 타겟 재료 사이의 향상된 상호 작용을 제공한다. 본원의 실시형태는 임의의 다른 접근법에 비해 감도에서 10의 수 승배 향상을 갖는 소형 분석 시스템을 제공하는데, 예를 들면, 마이크로 채널의 벽을 따르는 금속 나노 구조물의 적용으로부터 유래하는 신호 감도에서의 10의 14 내지 15 승배 증가가 가능한 것으로 여겨진다. 마이크로채널 내의 나노입자의 다수의 표면과의 강제된 상호 작용은 전체 상호 작용 길이 및 누적된 신호 강도를 증가시킨다. 본원의 실시형태에 의해 제공되는 다른 이점은 라만 스펙트럼의 저비용 생성, 커플링, 송신, 프로세싱 및 검출, 채널 내에서의 국소화된 금속 나노구조물의 형성 및 광자 집적 회로와의 그들의 통합을 지원하기 위한 마이크로채널 통합 기술의 적용, 및 마이크로채널로의 프로브 광 빔의 주입을 제어하기 위한 지지 엘리먼트를 포함한다. 이 시스템은 마이크로채널을 통한 제어된 방식의 프로브 빔의 안내 및 프로세싱 및 스펙트럼 추출을 위해 다시 광자 회로로의 프로브 빔의 재커플링을 허용한다. 본원의 실시형태는, 추가적인 사람을 위험에 빠뜨리지 않으면서 격리된 실시간의 단일 지점 테스팅을 허용하기 위해 이용 가능한 차량으로의 센서의 패키징을 또한 제공한다.
본원에서 개시되는 실시형태는 다음의 것을 포함한다:
하나의 실시형태에서 광자 집적 칩(photonic integrated chip)이 개시된다. 이 실시형태에서, 광자 집적 칩은 광자 회로를 포함하는 광자 회로 기판 상에 위치되는 광학 도파관을 포함한다. 광학 도파관은 광자 회로에 광학적으로 커플링된다. 마이크로유체 채널은 실리콘 기판 내에 있고 광자 회로 기판에 전기적으로 광학적으로 커플링되는데, 여기서 마이크로유체 채널은 광학 도파관 위에 배치된다. 광학 도파관의 측면 및 가장 바깥쪽 표면은 마이크로유체 채널 안으로 연장된다. 마이크로유체 채널은 광학 도파관의 길이를 따라 연장된다. 광학 도파관 상에 또는 광학 도파관에 인접하게 위치되는 나노입자는 마이크로유체 채널 내에 위치된다.
다른 실시형태는 테스트 스트립에 관한 것이다. 이 실시형태는 광자 집적 칩을 포함한다. 광자 집적 칩은 광자 회로를 포함하는 광자 회로 기판 상에 위치되는 광학 도파관을 포함한다. 광학 도파관은 광자 회로에 광학적으로 커플링된다. 마이크로유체 채널은 실리콘 기판 내에 있고 광자 회로 기판에 부착되는데, 여기서 마이크로유체 채널은 광학 도파관 위에 배치된다. 광학 도파관의 측면 및 가장 바깥쪽 표면은 마이크로유체 채널 안으로 연장되고, 마이크로유체 채널은 광학 도파관의 길이를 따라 연장된다. 광학 도파관 상에 또는 광학 도파관에 인접하게 위치되는 나노입자는 마이크로유체 채널 내에 위치된다. 집적 광자 칩은 유체 수집 스트립 상에 그리고 그 단부 중 하나에 인접하게 위치된다. 유체 수집 스트립은 내부에서 형성되는 유체 채널 및 유체 채널에 유체 흐름 가능하게 연결되는 유체 입력 포트를 갖는다. 유체 입력 포트는 유체 수집 스트립의 대향 단부에 인접하게 위치되며, 배출 포트는, 유체 채널로부터 집적 광자 칩의 마이크로유체 채널 안으로의 유체의 흐름을 허용하도록 집적 광자 칩의 유체 입력 포트에 유체 흐름 가능하게 연결된다.
엘리먼트 1: 구동 전극 및 백킹 전극을 더 포함하되, 구동 전극은 실리콘 기판 내에 있고 구동 전극은 광자 회로 기판 내에 있으며, 광학 도파관은 광학 도파관 위에 배치되는 백킹 전극과 구동 전극 사이에서 위치된다.
엘리먼트 2: 광자 집적 회로는 광자 튜닝 및 제어 회로, 구성 관리 회로, 디지털 프로세서 코어, 메모리 회로, 디지털 인터페이스, 및 블루투스(Bluetooth) 인터페이스를 포함한다.
엘리먼트 3: 마이크로유체 채널의 대향 단부 상에 위치되는 유체 배출 포트 및 유체 입력 포트를 더 포함하되, 마이크로유체 채널은 유체 입력 포트와 유체 배출 포트 사이에서 유체 경로를 형성한다.
엘리먼트 4: 광학 안정기 및 입력 신호에 대한 변조된 경로 길이 및 위상 변조된 출력 신호에 대한 고정된 경로 길이를 포함하는 간섭계를 더 포함한다.
엘리먼트 5: 광학 안정기는 광학 이득 회로, 및 브래그 미러에 커플링되는 위상 변조 광학 회로를 포함한다.
엘리먼트 6: 나노입자의 농도가 가장 바깥쪽 표면 상에서 보다 측면 상에서 또는 측면에 인접하여 더 크다.
엘리먼트 7: 도파관의 일부는 클래딩되지 않고, 나노입자는 클래딩되지 않은 도파관 상에 있거나 또는 클래딩되지 않은 도파관에 인접하게 있다.
엘리먼트 8: 도파관은 사행형 구성을 갖는다.
엘리먼트 9: 마이크로유체 채널에 유체 흐름 가능하게 연결되는 마이크로유체 펌프를 더 포함한다.
엘리먼트 10: 집적 광자 칩은 구동 전극 및 백킹 전극을 더 포함하되, 구동 전극은 실리콘 기판 내에 있고 구동 전극은 광자 회로 기판 내에 있으며, 광학 도파관은 광학 도파관 위에 배치되는 백킹 전극과 구동 전극 사이에서 위치된다.
엘리먼트 11: 광자 집적 회로는 광자 튜닝 및 제어 회로, 구성 관리 회로, 디지털 프로세서 코어, 메모리 회로, 디지털 인터페이스, 및 블루투스 인터페이스를 포함한다.
엘리먼트 12: 광학 안정기 및 입력 신호에 대한 변조된 경로 길이 및 위상 변조된 출력 신호에 대한 고정된 경로 길이를 포함하는 간섭계를 더 포함한다.
엘리먼트 13: 광학 안정기는 광학 이득 회로, 및 브래그 미러에 광학적으로 커플링되는 위상 변조 회로를 포함한다.
엘리먼트 14: 나노입자의 농도가 가장 바깥쪽 표면 상에서 보다 측면 상에서 또는 측면에 인접하여 더 크다.
엘리먼트 15: 도파관의 일부는 클래딩되지 않고, 나노입자는 클래딩되지 않은 도파관 상에서 또는 클래딩되지 않은 도파관에 인접하게 위치된다.
엘리먼트 16: 도파관은 사행형 구성을 갖는다.
엘리먼트 17: 도파관의 일부는 클래딩되지 않고, 나노입자는 클래딩되지 않은 도파관 상에서 또는 클래딩되지 않은 도파관에 인접하게 위치된다.
엘리먼트 18: 유체 수집 스트립은 집적 광자 칩이 위치되는 상단 필름, 저부 필름, 및 스페이서 필름을 포함하되, 상단 및 저부 필름 및 공간 필름은 함께 부착되어 유체 채널을 형성한다.
본 발명이 상세하게 설명되었지만, 기술 분야의 숙련된 자는, 그들이 가장 넓은 형태의 본 발명의 취지 및 범위로부터 벗어나지 않으면서, 본원에서 다양한 변경예, 대체예, 및 수정예를 만들 수 있다는 것을 이해해야 한다.

Claims (20)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 테스트 스트립으로서,
    광자 집적 칩 - 상기 광자 집적 칩은,
    광자 회로 기판 상에 위치되는 광학 도파관;
    광을 상기 광학 도파관에 입사시키기 위해 상기 광학 도파관에 광학적으로 커플링된 레이저를 포함하는 광자 회로;
    상기 광학 도파관으로부터 상기 광을 받기 위해 상기 광학 도파관에 광학적으로 커플링된 간섭계; 및
    상기 간섭계로부터 상기 광을 받기 위해 위치하는 광검출기
    를 포함함 - ;
    상기 광학 도파관의 측면 및 가장 바깥쪽 표면이 마이크로유체 채널 안으로 연장되도록, 실리콘 기판 내에 위치되며 상기 광자 회로 기판에 부착되고 상기 광학 도파관 위에 배치되는 상기 마이크로유체 채널 - 상기 마이크로유체 채널은 상기 광학 도파관의 길이를 따라 연장되고, 상기 마이크로유체 채널은 상기 마이크로유체 채널의 대향 단부 상에 위치되는 유체 배출 포트 및 유체 입력 포트를 구비하고, 상기 마이크로유체 채널은 상기 유체 입력 포트와 상기 유체 배출 포트 사이에서 유체 경로를 형성함 - ;
    상기 마이크로유체 채널 내에서 상기 광학 도파관 상에 또는 상기 광학 도파관에 인접하게 위치되는 나노입자; 및
    유체 수집 스트립 - 상기 광자 집적 칩은 상기 유체 수집 스트립의 단부에 인접하게 그 상에서 위치되고, 상기 유체 수집 스트립은 내부에서 형성되는 유체 채널을 가지며, 상기 유체 수집 스트립은 상기 유체 채널에 유체 흐름 가능하게 연결되며 상기 유체 수집 스트립으로 유체를 받기 위해 상기 유체 수집 스트립의 대향 단부에 인접하게 위치되는 제1 입력 포트, 상기 유체 채널에 유체 흐름 가능하게 연결되며 상기 광자 집적 칩에 인접하게 위치하여, 상기 유체가 제2 입력 포트를 거쳐 상기 광자 집적 칩 상에 위치하는 제3 입력 포트를 거쳐 상기 광자 집적 칩으로 흐르도록 하고, 상기 광자 집적 칩의 출구 포트를 거쳐 상기 광자 집적 칩의 밖으로 흐르도록 하는 상기 제2 입력 포트, 및 상기 광자 집적 칩의 상기 출구 포트에 유체 흐름 가능하게 연결되는 배출 포트를 가짐 - 을 포함하는, 테스트 스트립.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 광자 집적 회로는 광자 튜닝 및 제어 회로, 디지털 프로세서 코어, 메모리 회로, 디지털 인터페이스, 및 무선 인터페이스를 포함하는, 테스트 스트립.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 나노입자의 농도가 상기 가장 바깥쪽 표면 상에서 보다 상기 측면 상에서 더 큰, 테스트 스트립.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 유체 수집 스트립은 상기 광자 집적 칩이 위치되는 상단 필름, 저부 필름, 및 스페이서 필름을 포함하되, 상기 상단 및 저부 필름 및 상기 스페이서 필름은 함께 부착되어 상기 유체 채널을 형성하는, 테스트 스트립.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 광자 집적 칩은 구동 전극 및 백킹 전극을 더 포함하되, 상기 구동 전극은 상기 실리콘 기판 내에 있고 상기 구동 전극은 상기 광자 회로 기판 내에 있으며, 상기 광학 도파관은 상기 광학 도파관 위에 배치되는 상기 백킹 전극과 상기 구동 전극 사이에서 위치되는, 테스트 스트립.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 간섭계는 입력 신호에 대한 변조된 경로 길이 및 위상 변조된 출력 신호에 대한 고정된 경로 길이를 포함하는, 테스트 스트립.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 간섭계는 광학 이득 회로, 및 브래그 미러에 광학적으로 커플링되는 위상 변조 회로를 포함하는, 테스트 스트립.
  14. 제7항에 있어서,
    상기 도파관의 일부는 클래딩되지 않고, 상기 나노입자는 상기 클래딩되지 않은 도파관 상에서 또는 상기 클래딩되지 않은 도파관에 인접하게 위치되는, 테스트 스트립.
  15. 제7항에 있어서,
    상기 도파관은 사행형 구성을 갖는, 테스트 스트립.
  16. 제7항에 있어서,
    상기 마이크로유체 채널에 유체 흐름 가능하게 연결되는 마이크로유체 펌프를 더 포함하는, 테스트 스트립.
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