KR20130109470A - 광학 바이오센서 - Google Patents

Abstract

광학 바이오센서가 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 광학 바이오 센서는 제1 광신호를 수신하여 바이오 물질의 농도를 감지하고, 감지된 상기 바이오 물질의 농도에 상응하여 복수의 채널 중 적어도 하나의 채널을 통하여 제2 광신호를 출력하는 센싱부 및 상기 센싱부와 동일한 반도체 기판에 형성되고, 상기 제2 광신호를 검출하여 전기적 신호로 변환하여 출력하는 검출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

광학 바이오센서 {Optical Biosensor}

본 발명은 바이오센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 실리콘 포토닉스 기술을 기반으로 한 집적화된 광학 바이오센서에 관한 것이다.

바이오센서는 액체 또는 기체 상태에 있는 유기물질이나 무기물질의 농도를 측정하는 소자이다. 바이오센서에는 압전기반 바이오 센서, 광학 바이오센서, 전기화학 바이오센서 등이 있다. 이중 광학 바이오센서는 생물학적 요소가 탐지대상 물질과 상호 작용해 바이오물질의 농도를 광학적 현상으로 측정한다. 광학 바이오센서를 포함하는 바이오 센싱 시스템은 광원, 바이오센서 칩, 분광계를 포함한다. 광원으로부터 나온 빛이 격자 결합기를 통해 바이오센서 칩으로 입사되고, 바이오센서 칩을 통과한 빛이 다시 결합기를 통해 분광계로 입사되어, 분광계에서 빛의 파장을 분석하여 바이오센서 칩에서 센싱한 바이오 물질의 농도를 측정한다.

본 발명은 실리콘 포토닉스 기술을 기반으로 광학 바이오 센싱에 필요한 구성요소들을 하나의 칩 상에 집적함으로써 소형화, 저전력화, 휴대화에 적합한 광학 바이오센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 광학 바이오 센서는 제1 광신호를 수신하여 바이오 물질의 농도를 감지하고, 감지된 상기 바이오 물질의 농도에 상응하여 복수의 채널 중 적어도 하나의 채널을 통하여 제2 광신호를 출력하는 센싱부 및 상기 센싱부와 동일한 반도체 기판에 형성되고, 상기 제2 광신호를 검출하여 전기적 신호로 변환하여 출력하는 검출부를 포함한다.

일부 실시예에 있어서, 상기 광학 바이오센서는, 센싱부 및 상기 검출부와 동일한 반도체 기판에 형성되거나 또는 상기 동일한 반도체 기판상에 패키징되고, 상기 센싱부에 상기 제1 광신호를 제공하는 광원을 더 포함할 수 있다.

일부 실시예에 있어서, 상기 검출부는, 상기 복수의 채널 각각에 대응되는 복수의 포토디텍터를 포함하고, 상기 복수의 포토디텍터 각각은 상기 복수의 채널 중 대응되는 채널을 통하여 인가된 상기 제2 광신호를 상기 전기적 신호로 변환할 수 있다.

일부 실시예에 있어서, 상기 제2 광신호는, 상기 제1 광신호의 파장 성분 중, 상기 바이오 물질의 농도에 상응한 공진 파장을 추출하거나 또는 상기 공진 파장을 소실시킨 광신호일 수 있다.

일부 실시예에 있어서, 상기 센싱부는, 상기 제1 광신호의 파장 중, 상기 바이오 물질의 농도에 상응한 공진 파장을 추출하거나 또는 상기 공진 파장을 소실시켜 감지 광신호로서 제공하는 센서 및 상기 감지 광신호를 파장별로 분배한 상기 제2 광신호로를 출력하는 파장 분배기를 포함할 수 있다.

일부 실시예에 있어서, 상기 센서는, 상기 광원으로부터 상기 제1 광신호를 인가받는 제1 광도파로(light waveguide), 상기 제1 광도파로와의 간극을 통하여 상기 제1 광신호의 파장 중 상기 공진 파장을 추출하는 링 공진기(Ring Resonator) 및 상기 링 공진기와의 간극을 통하여 상기 공진 파장을 인가받아 상기 감지 광신호로서 제공하는 제2 광도파로를 포함할 수 있다.

일부 실시예에 있어서, 상기 파장 분배기는, 배열 도파로 격자를 포함할 수 있다.

일부 실시예에 있어서, 상기 센서는, 상기 제1 광신호를 수신하여 상기 공진 파장이 소실된 광신호를 상기 감지 광신호로서 제공하는 제1 광도파로 및 상기 제1 광도파로와의 간극을 통하여 상기 제1 광신호의 파장 중 상기 공진 파장을 소실시키는 링 공진기를 포함할 수 있다.

일부 실시예에 있어서, 상기 센싱부는, 상기 제1 광신호를 인가받는 제1 광도파로(light waveguide), 상기 바이오 물질의 농도에 따라 변하는 서로 다른 공진 파장을 갖고, 상기 공진 파장이 상기 제1 광신호의 파장과 동일할 때 상기 제1 광도파로로부터 상기 제1 광신호를 인가받는 복수의 링 공진기 및 상기 복수의 링 공진기에 각각 대응되는 복수의 제2 광도파로를 포함할 수 있다.

일부 실시예에 있어서, 상기 복수의 링 공진기 중 상기 공진 파장이 상기 제1 광신호의 파장과 동일한 하나의 링 공진기가 상기 제1 광도파로로부터 상기 제1 광신호를 인가받아, 대응되는 제2 광도파로를 통하여 상기 제2 광신호로서 출력할 수 있다.

일부 실시예에 있어서, 상기 센싱부는, 반도체 기판상에 형성되는 실리콘 도파로(Waveguide)를 포함할 수 있다.

일부 실시예에 있어서, 상기 바이오 물질은, DNA 또는 단백질을 포함할 수 있다.

일부 실시예에 있어서, 상기 광학 바이오센서는, 상기 검출부으로부터 출력된 상기 전기적 신호를 기초로 상기 바이오 물질의 농도를 결정하는 신호 처리부를 더 포함할 수 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시 예에 따른 바이오 센싱 시스템은, 광학 바이오 물질이 유입될 수 있는 유로(Fluidic Channel) 및 개구부가 상기 유로와 맞닿아 있고, 광학적 특성을 기반으로 상기 유로에 유입된 바이오 물질의 농도를 센싱하여 전기적 신호로 출력하는 바이오센서 칩을 포함하고, 상기 바이오센서 칩은, 바이오 물질의 농도를 센싱하여 광신호로 출력하는 센싱부 및 상기 센싱부에서 출력된 광신호를 전기적 신호로 변환하는 검출부가 하나의 기판상에 집적된다.

일부 실시 예에 있어서, 상기 바이오 센싱 시스템은, 광원 및 상기 전기적 신호를 분석하여 상기 바이오 물질의 농도를 결정하는 신호 처리부 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 광학 바이오센서는, 광학적으로 바이오 물질을 센싱하여 전기적 신호로 변환하여 출력한다. 따라서, 광원, 센싱 회로를 포함한 센싱부 및 검출부가 하나의 칩상에 집적될 수 있다.

본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 광학 바이오센서의 블록도이다.
도 2a는 광도파로의 일 예이다.
도 2b는 반도체 기판상에 형성되는 실리콘 도파로의 일 예이다.
도 3은 도 1의 광학 바이오센서의 일 예를 나타낸 회로도이다.
도 4a 내지 도 4c는 도 3의 센서의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 5a 내지 도 5c는 도 3의 센서에서 바이오 물질의 농도에 따른 공진 파장의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 3의 광학 바이오센서의 센서부의 동작에 따른 광신호들의 파장을 나타낸 도면이다.
도 7은 도 1의 광학 바이오센서의 다른 예를 나타낸 회로도이다.
도 8은 도 1의 광학 바이오센서의 다른 예를 나타낸 회로도이다.
도 9는 도 8의 광학 바이오센서의 센서부의 동작에 따른 광신호들의 파장을 나타낸 도면이다.
도 10은 도 1의 광학 바이오센서의 다른 예를 나타낸 회로도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 광학 바이오센서의 블록도이다.
도 12는 도 11의 신호처리부의 일 예를 나타낸 블록도이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 바이오 센싱 시스템을 나타낸 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명의 실시 예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나 축소하여 도시한 것이다.

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 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 광학 바이오센서의 블록도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 광학 바이오센서(100)는 광원(10), 센싱부(20) 및 검출부(30)를 포함한다. 센싱부(20)와 검출부(30)는 동일한 반도체 기판상에 형성될 수 있다. 광원(10)은 센싱부(20)와 검출부(30)가 형성된 반도체 기판에 함께 형성되거나 또는 상기 반도체 기판 상에 패키징될 수 있다.

광원(10)은 제1 광신호(L1)를 센싱부(20)에 제공한다.

센싱부(20)는 상기 제1 광신호(L1)를 수신하여 바이오 물질의 농도를 감지하고, 감지된 바이오 물질의 농도에 상응하여 복수의 채널 중 적어도 하나의 채널을 통하여 제2 광신호(sensed optical signal)(L2)를 출력한다.

검출부(30)는 센싱부(20)로부터 복수의 채널 중 적어도 하나의 채널을 통하여 출력된 제2 광신호(L2)를 검출하여 전기적 신호로 변환하여 출력한다.

일반적인 광학 바이오센서의 경우 광학적 특성을 이용하여 바이오 물질의 농도를 감지한 광신호의 파장을 분석하여 바이오 물질의 농도를 판단하므로, 파장을 분석하기 위한 분광계와 같은 장치가 필요하고, 광학 바이오센서와 분광계를 연결하기 위한 정렬작업이 필요하여 시스템이 복잡해지고 비용이 증가한다. 그러나, 본 발명의 실시 예에 따른 광학 바이오센서(100)는 광학적 특성을 이용하여 바이오 물질의 농도를 감지하고 그 결과를 전기적 신호로 변환하므로 전기적 신호의 변화를 분석하여 바이오 물질의 농도를 판단할 수 있다. 따라서, 분광계와 같은 부피가 큰 장치가 필요하지 않고 바이오 센서와 분광계를 연결하기 위한 정렬작업이 필요하지 않아 바이오 센싱 시스템의 휴대화 소형화 저전력화에 적당하다.

상술한 도 1의 광학 바이오센서(100)는 실리콘 포토닉스 기술을 기반으로 반도체 기판상에 형성된다. 특히, 센서부(20)는 광신호(L1, L2)를 전송하기 위한 광도파로(optical waveguide)를 포함할 수 있는데, 상기 광도파로는 반도체 기판상에 형성되는 도파로(waveguide)일 수 있다. 이하, 도 2a 및 도 2b를 참조하여 반도체 기판상에 형성되는 도파로에 대하여 자세하게 설명하기로 한다.

도 2a는 광도파로의 일 예이고, 도 2b는 반도체 기판상에 형성된 실리콘 도파로의 일 예이다. 도 2a를 참조하면, 광도파로는 광신호가 전파되는 코어(CORE)와 코어(CORE)를 둘러싸고 있는 클래딩(CLD)을 포함한다. 코어(CORE)의 굴절률(n1)은 클래딩(CLD)의 굴절률(n2)보다 높다. 따라서, 광신호가 임계값 이상의 각도(θt)로 코어(CORE)로 입사되면, 전반사(Total Reflection)에의하여 광신호가 외부로 방사되지 않고 구속된 상태로 코어(CORE)를 따라 진행될 수 있다.

도 2b는 반도체 기판상에 형성된 실리콘 도파로를 도시한 도면이다. 도 2b를 참조하면, 반도체 기판(SUB)상에 하부 클래딩층(LCLD)이 형성되고, 그 위에 코어층(CORE)이 형성된 후 코어층(CORE)을 둘러싸는 상부 클래딩층(UCLD)이 형성될 수 있다. 그러나, 이는 일 예일뿐 클래딩층이 코어층을 둘러싸는 형상으로 생성될 수 있다면 각각의 층이 형성되는 순서 및 각 층의 형상은 다양할 수 있다.

코어층(CORE)은 실리콘(Silicon, Si)으로 형성되고, 하부 클래딩층(LCLD) 및 상부 클래딩층(UCLD)은 옥사이드(Oxide, Ox)로 형성될 수 있다. 실리콘(Si)의 굴절률은 대략 3.5이고, 옥사이드(Ox)의 굴절률은 대략 1.4이므로 코어층(CORE)의 굴절률이 클래딩층(UCLD, LCLD)의 굴절률보다 높다. 따라서, 광신호가 코어층(CORE)으로 입사되고, 입사각이 임계각 이상의 각도일 경우 코어층(CORE)과 클래딩층(LCLD, UCLD)의 경계에서 전반사 현상이 일어나 코어층(CLD)을 따라 광신호가 전파될 수 있다.

다른 예로, 상부 클래딩층(UCLD)이 패시베이션층일 경우, 상부 클래딩층(UCLD)은 실리콘 나이트라이드(Silicon Nitride, SiN) 또는 폴리이미드(Polyimid, Pi) 등으로 형성될 수 있다. 실리콘 나이트라이드(SiN)의 굴절률은 대략 2.0이고 폴리이미드(Pi)의 굴절률은 대략 1.7이다. 코어층(CORE)보다 굴절률이 낮으므로 도파로의 조건에 부합한다.

그러나, 상술한 물질들은 반도체 기판상에 광도파로를 형성할 수 있는 물질의 일 예일뿐 이에 제한되는 것은 아니다. 광도파로는 굴절률이 다른 다양한 물질로 형성될 수 있으며 원하는 광도파로의 특성에 따라 코어층(CORE)과 클래딩층(ULCD, LCLD)을 형성하는 물질을 선택하여 제작할 수 있다.

도 3은 도 1의 광학 바이오센서의 일 예를 나타낸 회로도이다.

도 3을 참조하면, 광학 바이오센서(100a)는 광원(10a), 센싱부(20a) 및 검출부(3a)를 포함한다.

광원(10a)은 일정한 범위의 파장성분을 포함하는 제1 광신호(L1)를 발생한다. 제1 광신호(L1)는 수십 nano meter 범위의 파장 성분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광원은(10a)은 ASE(Amplified Spontaneous Emission), 또는 Super Luminiscent LED(Light Emitting Diode)일 수 있다.

센싱부(20a)는 광원(10a)으로부터 제1 광신호(L1)를 수신하고, 센싱하고자 하는 바이오 물질의 농도에 따라 파장의 성분이 변하는 제2 광신호(L2)를 생성하여 출력한다. 이때 제2 광신호(L2)는 파장별로 분리되어 복수의 채널들(CH0~CHn) 중 대응되는 적어도 하나의 채널을 통하여 출력된다.

센싱부(20a)는 센서(21a) 및 파장 분배기(22a)를 포함할 수 있다. 센서(21a)는 제1 광신호(L1)를 수신하고, 바이오 물질의 농도에 상응하여 감지 광신호(Ls)를 생성하여 제공한다. 이때, 감지 광신호(Ls)는 제1 광신호(L1)에서 특정 파장이 소실된 광신호 또는 특정 파장만이 추출된 광신호일 수 있다.

파장 분배기(22a)는 감지 광신호(Ls)를 파장별로 분배하여 제2 광신호(L2)를 생성한다. 그리고 서로 다른 파장의 광신호를 전송하는 복수의 채널(CH0~CHn) 중 제2 광신호(L2)의 파장에 대응되는 적어도 하나의 채널을 통해 출력한다. 예를 들어, 제2 광신호(L2)의 파장이 λ2 일경우, 제2 광신호(L2)는 복수의 채널(CH0~CHn)중 파장 λ2 에 대응되는 채널2(CH2)를 통하여 출력될 수 있다. 또는, 제2 광신호(L2)가 여러 파장, 예를 들어 파장 λ0, λ2, λ3 이 포함된 광신호일 경우, 제2 광신호(L2)는 채널0(CH0), 채널2(CH2) 및 채널3(CH3)을 통해 출력될 수 있다. 이와 같이, 제2 광신호(L2)는 복수의 채널(CH0~CHn) 중 적어도 하나의 채널을 통해 출력될 수 있다.

검출부(30)는, 상기 복수의 채널(CH0~CHn) 중 적어도 하나의 채널을 통하여 수신된 파장별 광신호(λ0~λn) 각각을 전기적 신호로 검출한다. 검출부(30)는 복수의 채널(CH0~CHn)에 대응되는 복수의 포토디텍터(PD0~PDn)를 포함할 수 있다. 복수의 포토디텍터(PD0~PDn)는 각각 대응되는 채널을 통하여 수신된 광신호를 포톤의 양에따라 전기적 신호로 변환한다.

예를 들어, 채널 1(CH1)을 통하여 파장 λ1의 광신호가 인가된 경우, 포토디텍터 1(PD1)은 파장 λ1의 광신호를 포톤의 양에 따라 전기적 신호로 변환하여 출력한다. 포토디텍터 1(PD1) 이외의 다른 포토디텍터들(PD0, PD2~PDn)에는 인가된 광신호가 없으므로 출력되는 전기적 신호가 없거나 또는 매우 미약할 것이다.

또 다른 예로, 채널 2(CH2)내지 채널 5(CH5)를 통하여 파장 λ2의 광신호 내지 파장 λ5의 광신호가 인가된 경우, 포토디텍터 2(PD2) 내지 포토디텍터 5(PD5)는 각각 대응되는 파장 신호를 전기적 신호로 변환하여 출력한다. 다른 포토디텍터(PD0, PD1, PD6~PDn)는 전기적 신호를 출력하지 않거나 또는 매우 미약한 정도의 전기적 신호를 출력할 것이다.

센싱부(20)로부터 수신된 제2 광신호(L2)의 파장별 성분(λ0~λn) 각각이 대응되는 포토디텍터에서 전기적 신호로 변환되어 출력되므로, 어떤 포토디텍터에서 전기적 신호가 검출되었는지 분석하면 바이오 물질의 농도를 파악할 수 있다.

계속하여 도 3을 참조하여, 센서(21a)와 파장 분배기(22a)에 대하여 구체적으로 살펴보기로 한다.

센서(21a)는 제1 광도파로(PWG1), 링 공진기(RR) 및 제2 광도파로(PWG2)를 포함할 수 있다. 제1 광도파로(PWG1), 링 공진기(RR) 및 제2 광도파로(PWG2)는 도 2b를 참조하여 설명한 반도체 기판상에 형성된 광도파로일 수 있다. 제1 광도파로(PWG1) 및 제2 광도파로(PWG2)는 직선 광도파로이고, 링 공진기(RR)는 원형, 혹은 레이스 트랙 형태의 광도파로일 수 있다. 제1 광도파로(PWG1), 제2 광도파로(PWG2) 및 링 공진기(RR)는 일정한 간극을 두고 위치한다. 광원(10a)으로부터 인가되어 전반사에 의하여 제1 광도파로(PWG1)를 진행하는 제1 광신호(L1)의 파장 중 링 공진기(RR)의 공진 조건에 부합하는 파장, 다시 말해 공진 파장(λr)이 링 공진기(RR)로 전이된다. 그 후, 공진 파장(λr)은 링 공진기(RR)를 통해 전파되다가 제2 광도파로(PWG2)로 전이되어 감지 광신호(Ls)로서 출력된다. 따라서, 센서(21a)에서 생성되어 출력된 감지 광신호(Ls)는 제1 광신호(L1)중 공진 파장(λr)이 추출된 광신호이다. 이때 공진 파장(λr)은 센서(21a)에 의하여 센싱되는 바이오 물질의 농도에 따라 변화될 수 있다. 따라서, 감지 광신호(Ls)의 파장 성분이 변화될 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 도 4a 내지 도 5c를 참조하여 후술하기로 한다.

도 3에 도시된 바와 같이 파장 분배기(22a)는 배열 도파로 격자(Arrayed Waveguide Grating)일 수 있다. 배열 도파로 격자는 서로 다른 파장의 광신호를 파장에 따라 분리하는 기능을 갖는 일종의 필터이다. 그러나, 이는 일 예일뿐 파장 분배기(22a)가 배열 도파로 격자로 제한되는 것은 아니다. 배열 도파로 격자와 같이 인가되는 신호를 파장에 따라 분리하는 기능을 하는 회로 또는 반도체 소자 등이 파장 분배기(22a)로 사용될 수 있다.

파장 분배기(22a)는 자유 전파 영역인 두개의 슬랩 도파로(Islab, Oslab) 및 슬랩 도파로를 연결하는 도파로 배열(Arrayed Waveguides, ARWG)을 포함한다. 슬랩 도파로(Islab, Oslab)와 도파로 배열(ARWG)은 각각 렌즈와 격자의 역할을 한다. 도파로 배열의 인접한 두 도파로 간에는 일정한 경로 차이가 존재한다. 입사된 감지 광신호(Ls)는 입력 슬랩 도파로(Islab)에서 분산되어 도파로 배열(ARWG)로 입력된다. 인접한 도파로 간에 일정한 경로차를 갖는 도파로 배열(ARWG)을 통해 전파된 각 신호들은 출력단 슬랩 도파로(Oslab)에서 보강 간섭을 일으키며 각 파장별로 위치를 달리하여 초점이 맺힌다. 출력 도파로, 다시 말해 채널들(CH0~CHn)은 각각 파장별로 초점이 맺히는 위치에 연결된다. 이에 따라, 각 채널(CH0~CHn)별로 서로 다른 파장의 광신호가 출력된다.

감지 광신호(Ls)는 파장 분배기(22a)로 입사되어 파장별로(λ0~λn) 분리되어 제2 광신호(L2)로서 출력된다. 복수의 채널(CH0~CHn) 중 대응되는 채널들을 통하여 파장별로 출력될 수 있다. 이때, 상술한 바와 같이, 감지 광신호(Ls)는 특정한 공진 파장(λr)으로 이루어진 광신호이므로 제2 광신호(L2)역시 상기 공진 파장(λr)으로 이루어진 광신호이다. 그러므로, 제2 광신호(L2)는 복수의 채널들 중(CH0~CHn) 공진 파장(λr)에 대응되는 채널을 통해 출력될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 광학 바이오센서는 센싱부(20a)에서 생성된 감지 광신호(Ls)를 파장별로 분배하여 제2 광신호(L2)로서 출력하고, 검출부(30a)에서 제2 광신호(L2)의 파장별 성분(λ0~λn)을 검출하여 전기적 신호로 출력한다. 따라서, 분광기 등과 같은 광신호의 파장 분석을 위한 기계장치 없이 전기적 신호의 변화를 분석하여 바이오물질의 농도를 정량적으로 분석할 수 있다.

이하, 센서(21a)의 구조 및 동작을 도 4a 내지 도 5c를 참조하여 자세하게 설명하기로 한다.

도 4a 내지 도 4c는 도 3의 센서(21a)의 구조를 설명하기 위한 도면이다. 도 5a내지 도 5c는 도 3의 센서(21a)에서의 바이오 물질의 농도에 따른 공진 파장의 변화를 설명하기 위한 도면이다.

도 4a를 참조하면, 센서(21a)의 링 공진기(RR) 상부에는 외부 물질, 예를 들어 센싱하고자 하는 바이오 물질과의 접촉을 위한 개구부(OP)가 형성된다. 반도체 기판상에 반도체 소자나 회로등이 형성된 후에는 상기 반도체 소자를 외부 물질로부터 보호하기 위한 패시베이션층이 형성될 수 있는데, 상기 링 공진기(RR)의 상부에 패시베이션 물질을 도포하지 않음으로써 개구부(OP)를 형성할 수 있다. 바이오 물질을 포함한 유체 또는 기체는, 센서(21a)의 외부에 외치하고 상기 개구부(OP)와 맞닿아 있는, 유로(Fluidic Channel, FLCH)를 통하여 유입되고, 개구부(OP)를 통하여 링 공진기(RR)와 접촉될 수 있다.

도 4b 및 도 4c는 도 4a에서 A-A'선에 따른 단면도를 나타낸 도면이다. 도 4b 및 도 4c를 참조하면, 직선 도파로의 코어(CORE1) 및 링 공진기의 코어(CORE2)는 동일한 레이어에 형성되어 수평하게 위치할 수 있다(도 4b). 또는, 상이한 레이어에 형성되어 서로 수직하여 위치할 수 있다(도 4c). 링 공진기의 코어(CORE2) 상부는 패시베이션(PSV)이 도포되지 않아 개구부(OP)가 형성되어 있다.

링 공진기의 코어(CORE2) 표면에는 측정하고자 하는 바이오 물질에 따른 수용체(Ab, PDNA)가 고정되어 있다. 수용체는 생물학적 또는 물리화학적 방법으로 링 공진기의 코어(CORE2)의 표면에 고정될 수 있다. 수용체는 농도를 검출하고자 하는 바이오 물질에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 수용체는 단백질 항원(Ab) 또는 프로브 DNA(PDNA)일 수 있다. 수용체(Ab, PDNA)에 바이오 물질(Ag, TDNA)이 결합되면 링 공진기 코어(CORE2)의 유효 굴절률이 변화된다. 링 공진기의 공진 파장(λr)은 코어(CORE2)의 유효 굴절률에 따라 변화될 수 있다. 공진 파장(λr)의 수학식은 다음과 같다.

여기서, neff는 유효 굴절률이고, R은 링 공진기의 반경을 나타내며, m은 정수이다. 수학식 1을 참조하면, 공진 파장은 유효 굴절률에 비례한다. 따라서, 유효 굴절률이 증가되거나 감소되면 이에 따라 링 공진기의 공진 파장(λr)또한 증가되거나 감소된다. 예를 들어, 수용체(Ag, PDNA)와 바이오 물질(Ab, TDNA)이 결합하기 전 링 공진기의 유효 굴절률이 n0이고 공진 파장(λr)이 λ0 일 경우, 수용체와 바이오 물질이 결합되면, 링 공진기의 유효 굴절률은 n1, n2, n3, ...로 증가하고 , 공진 파장(λr)은 λ0, λ2, λ3, ...으로 변화될 수 있다. 수용체(Ag, PDNA)와 바이오 물질(Ag, TDNA)의 결합 정도는 바이오 물질의(Ab, TDNA)의 농도에 따라 달라지므로 결국, 공진 파장(λr)은 바이오 물질의 농도에 따라 달라질 수 있다.

다음으로, 도 5a 내지 도 5c를 참조하여 도 2의 센서(21a)의 동작을 설명하기로 한다. 농도를 측정하고자 하는 바이오 물질은 DNA인 경우를 예를 들어 설명하기로 한다. 도 5a는 프로브 DNA(PDNA)와 타겟 DNA(TDNA)의 결합 전 상태를 나타내고 도 5b는 프로브 DNA(PDNA)와 타겟 DNA(TDNA)의 결합 후 상태를 나타낸다. 도 5c는 도 5a 및 도 5b의 출력 광신호(L2)의 파장을 도시하고 있다.

도 5a 및 도 5b를 참조하면, 제1 광도파로(PWG1)에 일정 대역폭의 파장(?λ)을 가지는 제1 광신호(L1)가 입사되면 제1 광신호(L1)는 제1 광도파로(PWG1)를 따라서 진행한다. 이때 제1 광도파로(PWG1)와 링 공진기(RR)와의 간극(d1)을 통하여 상기 일정 대역폭의 파장(?λ) 중 공진 파장(λr)이 링 공진기(RR)로 전이된다. 그리고, 링 공진기와 제2 도파로(PWG2)와의 간극(d2)을 통하여 공진파장(λr)이 다시 제2 도파로(PWG2)로 전이되어 감지 광신호(Ls)로서 출력된다.

도 5a에 도시된 바와같이 프로브 DNA(PDNA)와 타겟 DNA(TDNA)의 결합이 없는 경우의 공진 파장(λr)은 λr0이다. 이때, 상술한 바와같이 프로브 DNA(PDNA)와 타겟 DNA(TDNA)의 결합 정도에 따라 링 공진기(RR)의 굴절률이 변화하고 이에 따라 공진 파장(λr)도 변화한다. 따라서 도2(b)에 도시된 바와같이 프로브 DNA(PDNA)와 타겟 DNA(TDNA)가 결합하면 공진 파장(λr)은 λr1으로 변화된다. 이에 따라, 도 5c에 도시된 바와 같이, 감지 광신호(Ls)의 파장(λr)은 결합 전 λr0에서 결합 후 λr1으로 변하게 된다.

도 6은 도 3의 광학 바이오센서(100a)의 센서부(20a)의 동작에 따른 광신호들의 파장을 나타내는 도면이다. 설명의 편의를 위하여, 링 공진기(RR)의 공진 파장이 λ1인 경우를 가정한다.

센서(21a)의 제1 광도파로(PWG1)로 제1 광신호(L1)가 입사된다. 제1 광신호(L1)는 일정한 범위의 파장(?λ)을 갖는 광신호이다. 링 공진기(RR)의 공진 파장이 λ1이므로, 제1 광신호(L1)의 파장 범위(?λ) 중 λ1 파장이 추출되어 제2 도파로(PWG2)를 통하여 감지 광신호(Ls)로서 출력된다.

감지 광신호(Ls)는 배열 도파로 격자(22a)로 인가되고, 파장별로 분리되어 제2 광신호(L2)로 생성된다. 그리고 제2 광신호(L2)는 복수개의 채널(CH0~CHn) 중 대응되는 채널을 통하여 파장별로 출력된다. 이때, 감지 광신호(Ls)는 λ1 파장으로만 이루어졌으므로, 제2 광신호(L2)역시 λ1 파장만을 포함하고, λ1 파장에 대응되는 채널 1(CH1)을 통하여 출력된다.

만약, 센싱하고자 하는 바이오 물질의 농도가 더 높아져서 링 공진기(RR)의 공진 파장이 λ2로 변한다면, 제2 광신호(L2)의 파장은 λ2가 되고, 채널 2(CH2)를 통하여 출력될 것이다.

도 7은 도 1의 광학 바이오센서의 다른 예를 나타낸 회로도이다.

도 7을 참조하면, 광학 바이오센서는 광원(10a), 센서부(20b) 및 검출부(30a)를 포함한다. 광원(10a) 및 검출부(30a)는 도 3과 동일한바 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

센서부(20b)는 센서(21b) 및 파장 분배기(22a)를 포함한다. 파장 분배기(22a)는 도 3과 동일한 바 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

센서(21b)는 제1 광신호(L1)를 수신하여 바이오 물질의 농도에 따라 파장이변화는 제2 광신호(L2)를 생성하여 제공한다. 센서(21b)는 제1 광도파로(PWG1), 공동 공진기(CVRES) 및 제2 광도파로(PWG2)를 포함한다.

제1 광도파로(PWG1)는 광원(10a)으로부터 제1 광신호(L1)를 수신한다. 공동 공진기(CVRES)는 제1 광신호(L1)의 파장 중 공진 파장만 감지 광신호(Ls)로서 제2 광도파로(PWG2)로 출력한다. 제2 광도파로(PWG2)는 감지 광신호(Ls)를 파장 분배기(22a)로 전송한다.

도 7을 참조하면, 공동 공진기(CVRES)는 두개의 브레그 반사부(Distributed Bragg Reflector, DBR)(DBR1, DBR2) 및 공동(CAV)을 포함할 수 있다. 브레그 반사부(DBR1, DBR2)는 광신호(L1)의 여러 파장 중 특정 파장을 반사한다. 이에 따라, 두개의 브레그 반사부(DBR1, DBR2) 및 공동(CAV)이 결합하여 공진기로 동작한다. 그리고 공진 조건에 부합하는 공진 파장만이 감지 광신호(Ls)로 생성되어 출력된다.

공동(CAV)의 상부에는 개구부가 형성되어 있다. 공동(CAV)의 상부에 측정하고자 하는 바이오 물질에 대응되는 수용체가 부착되고, 상기 수용체가 바이오 물질과 결합되면, 결합정도에 따라, 다시 말해 바이오 물질의 농도에 따라 공동 공진기(CVRES)의 유효 굴절률이 변화될 수 있다. 따라서, 바이오 물질의 농도에 따라 공진 파장이 변화되어, 감지 광신호(Ls)의 파장 성분이 변화하게 된다.

도 7의 광학 바이오센서(100b)와 도 3의 광학 바이오센서(100a)를 비교하면, 감지 광신호(Ls)를 생성하는 센서(21b)에 포함되는 공진기의 구조적 차이만이 있을뿐 센서(21b) 및 다른 블록들(10, 22a, 30)의 동작 및 신호 특성은 동일하다.

도 8은 도 1의 광학 바이오센서의 또 다른 예를 나타낸 회로도이다.

도 8을 참조하면, 광학 바이오센서(100c)는 광원(10a), 센서부(20c) 및 검출부(3a)를 포함한다. 광원(10a) 및 검출부(30a)는 도 3과 동일한바 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

센서부(20c)는 센서(21c) 및 파장 분배기(22a)를 포함한다. 센서(21c)는 제1 광도파로(PWG1) 및 링 공진기(RR)를 포함한다. 제1 광도파로(PWG1) 와 링 공진기(RR)는 일정한 간극을 두고 위치한다. 도시되지는 않았지만 링 공진기(RR)의 상부에는 도 4a와 유사하게 개구부가 형성되어 있다. 링 공진기(RR)의 코어 표면에 농도를 측정하고자 하는 바이오 물질에 대응되는 수용체가 부착되고, 수용체와 바이오 물질이 결합하면, 결합정도에 따라 링 공진기의 공진 파장이 변화된다.

광원(10a)으로부터 제1 광도파로(PWG1)로 입사된 제1 광신호(L1)는 제1 광도파로(PWG1)를 따라 진행한다. 이때, 제1 광신호(L1)의 파장 중 링 공진기(RR)의 공진 조건에 부합하는 파장, 다시 말해 공진 파장이 링 공진기(RR)로 전이된다. 따라서, 제1 광신호(L1)의 파장 중 공진 파장이 소실된, 감지 광신호(Ls)가 생성되어 제1 광도파로(PWG1)을 통하여 출력될 수 있다. 이때, 링 공진기의 공진 파장은 바이오 물질의 농도에 따라 변화한다. 따라서 감지 광신호(Ls)의 파장도 바이오 물질의 농도에 따라 변화한다.

파장 분배기(22a)는 인가된 감지 광신호(Ls)를 파장별로 분배한 제2 광신호(L2)를 생성하고, 제2 광신호(L2)를 서로 다른 파장을 전송하는 복수의 채널들(CH0~CHn)을 통하여 출력한다. 제2 광신호(L2)가 여러 파장, 예를 들어 파장 λ0, λ2, λ3 이 포함된 광신호일 경우, 제2 광신호(L2)는 채널0(CH0), 채널2(CH2) 및 채널3(CH3)을 통해 출력될 수 있다. 파장 분배기(22a)는 도 3과 동일한바 자세한 설명은 생략하기로 한다.

검출부(30)의 복수의 포토디텍터(PD0~PDn)는 각각에서 수신한 광신호를 전기적 신호로 변환한다. 바이오 물질의 농도에 따라 제2 광신호(L2)에 포함된 파장이 변화하므로 복수의 포토디텍터(PD0~PDn)에서 검출되는 전기적 신호도 변화할 것이다. 따라서, 검출부(30)에서 검출되는 전기적 신호를 분석하여 바이오 물질의 농도를 판단할 수 있다.

도 9는 도 8의 광학 바이오센서(100c)의 센서부(20c)의 동작에 따른 광신호들의 파장을 나타내는 도면이다. 설명의 편의를 위하여, 링 공진기(RR)의 공진 파장을 λ1이라고 가정하기로 한다.

센서(21c)의 제1 광도파로(PWG1)로 제1 광신호(L1)가 입사된다. 제1 광신호(L1)는 일정한 범위의 파장(?λ)을 갖는 광신호이다. 제1 광신호(L1)가 링 공진기(RR)의 측면을 지나갈 때 간극을 통하여 공진 파장 λ1이 링 공진기(RR)로 전이되어 소실된다. 제1 광신호(L1)의 파장(Δλ) 중 파장 λ1이 소실된 광신호는 계속하여 제1 도파로(PWG1)을 진행하여 감지 광신호(Ls)로서 출력된다.

감지 광신호(Ls)는 파장 분배기(22a)로 인가되어 파장별로 분배되어 제2 광신호(L2)로 생성된다. 그리고 제2 광신호(L2)는 파장별로 대응되는 채널(CH0~CHn)을 통하여 출력된다. 제2 광신호(L2)는 파장 λ1이 소실된 광신호이므로 채널 1(CH1)에서는 λ1 파장의 광신호가 출력되지 않거나, 또는 세기가 미약하게 출력될 것이다.

도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 바이오센서를 나타낸 회로도이다. 도 10을 참조하면, 광학 바이오센서(100d)는 광원(10d), 센서부(20d) 및 검출부(30d)를 포함할 수 있다.

광원(10d)은 단일 파장을 포함하는 제1 광신호(L1)를 발생한다. 광원(10d)은 레이저 다이오드를 포함한 광 발생장치일 수 있다. 그러나 이에 제한되는 것은 아니다. 단일 파장을 발생하는 광 발생 소자 또는 회로 등이 사용될 수 있다.

센서부(20d)는 제1 광도파로(PWG1), 복수의 링 공진기(RR0~RRn) 및 이에 대응되는 복수의 제2 광도파로(PWG2_1~PWG2_n)를 포함할 수 있다. 복수의 링 공진기(RR0~RRn)는 제1 광도파로(PWG1)의 양 측면에 간극을 가지고 위치한다. 복수의 제2 광도파로(PWG2_1~PWG2_n)는 각각 대응되는 링 공진기(RR0~RRn)의 측면에 간극을 가지고 위치한다. 이러한 구조를 '링 필터 어레이'라고 명칭할 수 있다.

복수의 링 공진기(RR0~RRn)의 공진 파장은 서로 다르다. 복수의 링 공진기(RR0~RRn)는 바이오 물질의 농도에 따라 변화되는 공진 파장의 범위를 고려하여 설계될 수 있다. 단파장의 제1 광신호(L1)가 제1 도파로(PWG1)으로 입사되어 진행하다가 복수의 링 공진기(RR0~RRn) 중 공진 파장이 상기 제1 광신호(L1)의 파장과 동일한 링 공진기로 전이된다. 그리고 다시 대응되는 제2 도파로로 전이되어 제2 광신호(L2)로서 특정 채널을 통하여 출력된다.

복수의 링 공진기(RR0~RRn) 상부에는 도 4a에 도시된 바와 같이 개구부가 형성되어 있다. 개구부를 통해 복수의 링 공진기(RR0~RRn)의 코어 표면에 농도를 측정하고자 하는 바이오 물질에 대응되는 수용체가 부착될 수 있다. 또한 바이오 물질을 포함하는 유체 혹은 기체는 개구부를 통해 링 공진기(RR0~RRn)와 접촉할 수 있다. 수용체와 바이오 물질이 결합하면 복수의 링 공진기(RR0~RRn)의 유효 굴절률이 변화될 수 있다. 수학식 1을 참조하면, 링 공진기의 공진 파장은 유효 굴절률에 비례한다. 따라서, 링 공진기의 유효 굴절률이 변화하면 각각의 링 공진기의 공진 파장이 변화된다. 그러므로, 바이오 물질의 농도에 따라 단파장의 제1 광신호(L1)가 제1 도파로(PWG1)로부터 전이되는 링 공진기 및 제2 도파로가 달라지고, 결국 출력되는 채널이 달라진다.

검출부(30d)는 각 채널에 대응되는 복수의 포토디텍터(PD0~PDn)를 포함하고, 복수의 포토디텍터(PD0~PDn) 각각은 대응되는 채널을 통하여 인가된 광신호를 검출하여 전기적 신호로 변환하여 출력한다. 따라서, 어떤 포토디텍터에서 전기적 신호가 출력되었는지를 분석하여 바이오 물질의 농도를 파악할 수 있다.

이하, 도 10의 바이오 센서(100d)의 동작을 제1 광신호의 파장이 λ1인 경우를 예를 들어 설명하기로 한다. 바이오 물질이 인가되기 전, 다시 말해 링 공진기(RR0~RRn) 코어 외부에 수용체만 부착되어 있는 상태의 유효 굴절률이 n0이고, 각각의 링 공진기(RR0~RRn)의 공진 파장이 λ0, λ1, ... ,λn일 경우, 바이오 물질과 수용체가 결합되어 링 공진기의 유효 굴절률이 n1으로 변화되면, 링 공진기(RR0~RRn)의 공진 파장은 λ1, λ2, ... ,λn+1로 변화될 수 있다.

제1 광신호(L1)의 파장이 λ1이므로, 바이오 물질과 수용체의 결합전에는 제1 광신호(L1)는 제 1 도파로(PWG1)를 진행하다가 두번째 공진기1(RR1) 및 제2 도파로(PWG2_1)로 전이되어 채널 1(CH1)을 통해 제2 광신호(L2)로서 출력되고, 검출부(30d)의 포토디텍터 1(PD1)에서 전기적 신호가 출력될 수 있다. 그러나, 바이오 물질과 수용체의 결합으로 링 공진기들의 공진 파장이 상술한 바와 같이 변화되면, 제1 광신호(L1)는 첫번째 링 공진기(RR0) 및 제2 도파로(PWG2_0)로 전이되어 채널 0(CH0)을 통해 제2 광신호(L2)로서 출력된다. 이에 따라, 검출부(30d)의 포토디텍터 0(PD0)에서 전기적 신호가 출력될 수 있다. 따라서, 어떤 포토디텍터에서 전기적 신호가 출력되었는지를 파악하여 바이오 물질의 농도를 판단할 수 있다.

도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광학 바이오센서의 블록도이다.

도 11을 참조하면, 광학 바이오센서(100')는 광원(10), 센싱부(20), 검출부(30) 및 신호처리부(40)를 포함할 수 있다. 상기 광원(10), 센싱부(20), 검출부(30) 및 신호처리부(40)는 하나의 반도체 기판에 형성(On-chip integrated)될 수 있다.

광학 바이오센서(100')는 도 1의 광학 바이오센서(100)에 신호처리부(40)를 더 포함한다. 따라서, 광원(10), 센싱부(20), 검출부(30)는 도 1과 동일한바 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.

신호처리부(40)는 검출부(30)에서 출력된 전기적 신호(Selec)를 수신하여 바이오 물질의 농도를 판단한다. 신호처리부(40)는 바이오 물질들의 농도에 따른 전기적 신호를 미리 데이터로 저장하였다가, 특정 바이오 물질의 농도를 측정할 때 이를 이용하여 센싱된 바이오 물질의 농도를 판단할 수 있다. 또는, 센싱부(20)에 포함된 공진기의 특성 및 수용체와 바이오 물질의 결합 전 후의 전기적 신호(Selec)의 변화를 기초로, 바이오 물질의 농도를 계산하여 판단할 수 있다. 이외에도 다양한 방법으로 전기적 신호(Selec)를 기초로 바이오 물질의 농도를 판단할 수 있다.

도 12는 도 11의 신호처리부(40)의 일 예를 나타내는 블록도이다.

도 12를 참조하면 신호처리부(40)는 신호처리회로(41) 및 데이터베이스(42)를 포함할 수 있다. 신호처리회로(41)는 입력된 전기적 신호(Selec)를 기초로 바이오 물질의 농도를 판단한다. 데이터베이스(42)는 바이오 물질들의 농도에 따른 전기적 신호의 데이터를 저장한 블록이다. 데이터베이스(42)에는 다양한 바이오 물질들에 대한 데이터가 저장될 수 있다.

예를 들어, 신호처리회로(41)에 전기적 신호(Selec)가 입력되면, 신호처리회로(41)는 바이오 물질의 종류에 대한 정보 및 상기 전기적 신호(Selec)의 데이터를 데이터베이스(42)에 전송하고, 바이오 물질의 농도값을 요청할 수 있다. 또는 데이터베이스(42)에 특정 바이오물질에 대한 데이터를 요청하고, 데이터베이스(42)로부터 전송된 데이터와 입력된 전기적 신호(Selec)의 데이터를 기초로 바이오물질의 농도를 판단할 수 있다.

도 13은 본 발명의 실시예에 따른 바이오 센싱 시스템을 나타낸 블록도이다.

도 13을 참조하면, 바이오 센싱 시스템(1300)은 바이오센서 칩(1310), 유로(Fluidic Channel)(1320) 및 신호 처리부(1330)를 포함할 수 있다.

바이오센서 칩(1310)은 광학적 특성을 이용하여 바이오 물질의 농도를 센싱하여 전기적 신호로 출력한다. 도 13의 바이오 센싱 시스템(1300)에 포함된 바이오센서 칩(1310)은 도 1 의 광학 바이오센서일 수 있다. 따라서, 바이오센서 칩(1310) 자체에서 광신호를 생성하여 바이오 물질의 농도를 센싱하고 그 결과를 전기적 신호로 출력하므로 별도의 광원이나, 분광기등이 필요하지 않다. 따라서, 바이오 센싱 시스템의 소형화, 저전력화, 휴대화에 적합하다.

유로(1320)는 바이오 물질이 유입되어 흐를 수 있는 통로이다. 유로(1320)는 바이오센서 칩(1320)의 상부, 특히 센서부의 개구부가 위치하는 곳에 정렬된다. 유로(1320)를 통하여 바이오 물질을 포함하는 유체 혹은 기체가 유입되면 개구부를 통하여 상기 바이오 물질이 바이오센서 칩과 접촉될 수 있다. 유로(1320)는 미세유로(Micro Fluidic Channel)일 수 있으며, 마이크로 플루이딕 칩(Micro Fluidic Chip)에 형성된 유로일 수도 있다. 또한, 도 13에서 유로(1320)는 직선 형태로 도시되었지만 유로(1320)의 형태는 다양할 수 있다.

신호 처리부(1330)는 바이오센서 칩(1310)에서 출력된 전기적 신호를 기초로 바이오 물질의 농도를 판단한다. 컴퓨터 등과 같은 기존에 사용하던 프로세싱 시스템에 위치하면서 연결단자 및 연결선을 통해 바이오센서 칩(1310)에서 출력된 전기적 신호를 수신할 수 있다. 또는 독립적인 바이오센서 시스템 장치에 상기 바이오센서 칩(1310) 및 유로(1320)와 함께 장착될 수도 있다.

이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시 예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

100, 100a, 100b, 100c, 100d, 100': 광학 바이오센서
10, 10a, 10b: 광원
20, 20a, 20b, 20c, 20d: 센싱부
30, 30a, 30d: 검출부
21a, 21b, 21c: 센서
22a: 파장 분배기

Claims (10)

1. 제1 광신호를 수신하여 바이오 물질의 농도를 감지하고, 감지된 상기 바이오 물질의 농도에 상응하여 복수의 채널 중 적어도 하나의 채널을 통하여 제2 광신호를 출력하는 센싱부; 및
   상기 센싱부와 동일한 반도체 기판에 형성되고, 상기 제2 광신호를 검출하여 전기적 신호로 변환하여 출력하는 검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 바이오센서.
2. 제1 항에 있어서, 상기 광학 바이오센서는,
   상기 센싱부 및 상기 검출부와 동일한 반도체 기판에 형성되거나 또는 상기 동일한 반도체 기판상에 패키징되고, 상기 센싱부에 상기 제1 광신호를 제공하는 광원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 바이오센서.
3. 제1 항에 있어서, 상기 검출부는,
   상기 복수의 채널 각각에 대응되는 복수의 포토디텍터를 포함하고,
   상기 복수의 포토디텍터 각각은 상기 복수의 채널 중 대응되는 채널을 통하여 인가된 상기 제2 광신호를 상기 전기적 신호로 변환하는 것을 특징으로 하는 광학 바이오센서.
4. 제1 항에 있어서, 상기 제2 광신호는,
   상기 제1 광신호의 파장 성분 중, 상기 바이오 물질의 농도에 상응한 공진 파장을 추출하거나 또는 상기 공진 파장을 소실시킨 광신호인 것을 특징으로 하는 광학 바이오센서.
5. 제1 항에 있어서, 상기 센싱부는,
   상기 제1 광신호의 파장 중, 상기 바이오 물질의 농도에 상응한 공진 파장을 추출하거나 또는 상기 공진 파장을 소실시켜 감지 광신호로서 제공하는 센서; 및
   상기 감지 광신호를 파장별로 분배한 상기 제2 광신호를 출력하는 파장 분배기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 바이오센서.
6. 제5 항에 있어서, 상기 센서는,
   상기 광원으로부터 상기 제1 광신호를 인가받는 제1 광도파로(light waveguide);
   상기 제1 광도파로와의 간극을 통하여 상기 제1 광신호의 파장 중 상기 공진 파장을 추출하는 링 공진기(Ring Resonator); 및
   상기 링 공진기와의 간극을 통하여 상기 공진 파장을 인가받아 상기 감지 광신호로서 제공하는 제2 광도파로를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 바이오센서.
7. 제5 항에 있어서, 상기 파장 분배기는,
   배열 도파로 격자를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 바이오센서.
8. 제5 항에 있어서, 상기 센서는,
   상기 제1 광신호를 수신하여 상기 공진 파장이 소실된 광신호를 상기 감지 광신호로서 제공하는 제1 광도파로; 및
   상기 제1 광도파로와의 간극을 통하여 상기 제1 광신호의 파장 중 상기 공진 파장을 소실시키는 링 공진기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 바이오센서.
9. 제1 항에 있어서, 상기 센싱부는,
   상기 제1 광신호를 인가받는 제1 광도파로(light waveguide);
   상기 바이오 물질의 농도에 따라 변하는 서로 다른 공진 파장을 갖고, 상기 공진 파장이 상기 제1 광신호의 파장과 동일할 때 상기 제1 광도파로로부터 상기 제1 광신호를 인가받는 복수의 링 공진기; 및
   상기 복수의 링 공진기에 각각 대응되는 복수의 제2 광도파로를 포함하고, 상기 복수의 링 공진기 중 상기 공진 파장이 상기 제1 광신호의 파장과 동일한 하나의 링 공진기가 상기 제1 광도파로로부터 상기 제1 광신호를 인가받아, 대응되는 제2 광도파로를 통하여 상기 제2 광신호로서 출력하는 것을 특징으로 하는 광학 바이오센서.
10. 제1 항에 있어서, 상기 센싱부는,
    반도체 기판상에 형성되는 실리콘 도파로(Waveguide)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 바이오센서.

Images