KR20140112866A

KR20140112866A - 광 바이오센서 및 바이오 센싱 시스템

Info

Publication number: KR20140112866A
Application number: KR1020130027496A
Authority: KR
Inventors: 이광현; 홍석용
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2013-03-14
Filing date: 2013-03-14
Publication date: 2014-09-24
Also published as: US9448181B2; US20140263948A1; KR102074945B1

Abstract

광 바이오센서가 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 광 바이오 센서는 입력 광 신호를 수신하고, 바이오 물질을 센싱하여 감지 광 신호를 생성하는 바이오 센싱부, 상기 감지 광 신호를 전기 신호로 변환하여 검출 신호로서 출력하는 검출부 및 상기 검출 신호에 기초하여 상기 감지 광 신호의 파장 특성이 변화되도록 제어하는 피드백 신호를 출력하는 피드백 회로를 포함하고, 상기 피드백 신호에 응답하여 상기 입력 광 신호의 파장 또는 상기 바이오 센싱부의 공진 파장이 변화될 수 있다.

Description

광 바이오센서 및 바이오 센싱 시스템{Biophotonic sensor and bio sensing system}

본 발명은 바이오센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 실리콘 포토닉스 기술을 기반으로 한 집적화된 광 바이오 센서 및 바이오 센싱 시스템에 관한 것이다.

바이오센서는 액체 또는 기체 상태에 있는 유기물질이나 무기물질의 농도를 측정하는 소자이다. 바이오센서에는 압전기반 바이오 센서, 광 바이오센서, 전기화학 바이오센서등이 있다. 이중 광 바이오센서는 생물학적 요소가 탐지대상 물질과 상호 작용해 바이오물질의 농도를 광학적 현상으로 측정한다. 광바이오 센서는 생채분자에 의해 변화하는 공진 파장의 변화를 감지하고 그 변화량을 측정하여 타겟 물질의 존재 유무와 양을 측정한다.

본 발명의 기술적 사상이 해결하려는 과제는 구성 요소들을 집적화시킴으로써 작은 사이즈로 구현되어 휴대가 용이한 광 바이오센서를 제공하는 데에 있다.

또한, 본 발명의 기술적 사상이 해결하려는 다른 과제는 구성 요소들을 집적화시킴으로써 작은 사이즈로 구현되어 휴대가 용이한 광 바이오 센서를 포함하는 바이오 센싱 시스템을 제공하는 데에 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 광 바이오 센서는, 입력 광 신호를 수신하고, 바이오 물질을 센싱하여 감지 광 신호를 생성하는 바이오 센싱부; 상기 감지 광 신호를 전기 신호로 변환하여 검출 신호로서 출력하는 검출부; 및 상기 검출 신호에 기초하여 상기 감지 광 신호의 파장 특성이 변화되도록 제어하는 피드백 신호를 출력하는 피드백 회로;를 포함하고, 상기 피드백 신호에 응답하여 상기 입력 광 신호의 파장 또는 상기 바이오 센싱부의 공진 파장이 변화된다.

일 실시예에 있어서, 상기 피드백 신호는, 상기 바이오 물질의 농도에 따른 상기 공진 파장의 변화량에 대응하여 변화할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 피드백 신호는, 상기 공진 파장이 상기 입력 광 신호의 파장과 동일해지도록 상기 바이오 센싱부를 제어하는 전압 또는 전류 신호일 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 바이오 센싱부는, 상기 입력 광 신호의 파장 성분에서 상기 공진 파장을 추출하는 공진기; 및 상기 피드백 신호에 응답하여, 상기 공진기의 공진 파장을 변화시키는 위상 천이기를 포함할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 바이오 센싱부는, 상기 입력 광 신호를 수신하는 광 도파로; 상기 광 도파로와의 간극을 통하여 상기 입력 광 신호의 파장에서 상기 공진 파장을 소실시킴으로써 상기 감지 광 신호를 생성하는 링 공진기; 및 상기 피드백 신호에 응답하여 상기 링 공진기의 공진 파장을 변화시키는 위상 천이기를 포함할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 바이오 센싱부는, 상기 입력 광 신호를 수신하는 제1 도파로; 상기 제1 도파로와의 간극을 통하여 상기 입력 광 신호의 파장에서 상기 공진 파장을 갖는 광 신호를 추출하는 링 공진기; 상기 피드백 신호에 응답하여 상기 링 공진기의 공진 파장을 변화시키는 위상 천이기; 및 상기 링 공진기와의 간극을 통하여 인가된 상기 공진 파장을 갖는 광 신호를 상기 감지 광 신호로서 출력하는 제2 도파로를 포함할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 바이오 센싱부는, 상기 입력 광 신호를 수신하는 제1 도파로; 상기 입력 광 신호의 파장에서 상기 공진 파장만을 추출하여, 상기 감지 광 신호로서 제공하는 공동 공진기; 및 상기 감지 광 신호를 수신하는 제2 도파로를 포함할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 입력 광 신호를 제공하는 광원을 더 포함할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 피드백 신호는, 상기 입력 광 신호의 파장과 상기 공진 파장이 동일해지도록 상기 광원을 제어하는 전압 또는 전류 신호일 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 광원, 상기 상기 바이오 센싱부, 상기 검출부 및 상기 피드백 회로는 동일한 반도체 기판 상에 형성되거나 또는 패키징될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 피드백 신호의 값을 기초로 상기 바이오 물질의 농도에 따른 상기 바이오 센싱부의 공진 파장의 변화량을 산출하는 신호 처리부를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 신호 처리부는, 상기 바이오 센싱부에 프로부 물질이 부착되었을 때 및 상기 프로부 물질에 상기 바이오 물질이 결합되었을 때의 상기 피드백 신호의 값의 차이를 기초로 상기 공진 파장의 변화량을 계산할 수 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 바이오 센싱 시스템은, 입력 광 신호를 기초로 바이오 물질을 센싱하여 전기적 신호로서 출력하는 바이오센서 칩; 및 상기 전기적 신호를 분석하여 바이오 물질의 농도를 산출하는 신호 처리부를 포함하고, 상기 바이오 센서 칩은, 입력 광 신호를 수신하고, 바이오 물질의 농도에 따라 변화되는 파장을 가지는 감지 광 신호를 생성하는 바이오 센싱부; 상기 감지 광 신호를 전기 신호로 변환하여 검출신호로서 력하는 검출부; 및 상기 검출 신호에 기초하여 상기 감지 광 신호의 파장 특성이 변화되도록 제어하는 피드백 신호를 출력하는 피드백 회로;를 포함하고, 상기 피드백 신호에 응답하여 상기 입력 광 신호의 파장 또는 상기 바이오 센싱부의 공진 파장이 변화될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 바이오 센싱부는, 상기 입력 광 신호의 파장 성분으로부터 상기 바이오 물질의 농도에 따라 변하는 상기 공진 파장을 추출하는 공진기를 구비하고, 상기 신호 처리부는, 상기 바이오 센서 칩으로부터 제공된 상기 피드백 신호를 이용하여 상기 공진 파장의 변화량을 산출할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 바이오 센싱 시스템은, 상기 입력 광 신호를 제공하는 광원을 더 포함하고, 상기 광원은 상기 바이오 센서 칩이 형성된 기판에 집적될 수 있다.

본 발명에 따른 광 바이오 센서는, 광학적으로 바이오 물질을 센싱하되, 그 결과를 전기적 신호를 이용하여 판별할 수 있다. 따라서, 광 바이오 센서의 구성요소들이 하나의 칩상에 집적될 수 있어, 소형화가 가능하며, 휴대성이 증진될 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 광 바이오센서를 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1의 광 바이오 센서의 일 예를 나타낸다.
도 3a 및 도 3b는 도 2의 광 도파로의 예들을 나타낸다.
도 4a 및 4b는 도 2의 A-A' 선에 따른 단면도들로서, 도 4a는 표적 물질이 DNA인 경우를 나타내고, 도 4b는 표적 물질이 항체인 경우를 나타낸다.
도 5a 내지 도 5d는 도 2의 광 바이오 센서의 동작을 설명하기위한 도면들로서, 5a 및 도 5b는 링 공진기 표면에 프로브 물질이 부착된 상태를 광 스펙트럼 변화를 나타내고, 도 5c 및 도 5d는 프로브 물질과 표적 물질이 결합된 상태 및 이 때의 광 스펙트럼 변화를 나타낸다.
도 6은 도 1의 광 바이오 센서의 다른 예를 나타낸다.
도 7은 도 1의 광 바이오센서의 다른 예를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광 바이오 센서를 나타내는 블록도이다.
도 9는 도 8의 광 바이오 센서의 일 예를 나타낸다.
도 10a 내지 도 10d은 도 9의 광 바이오 센서의 동작을 상세하게 설명하기위한 도면으로서, 도 10a 및 도 10b는 링 공진기의 표면에 프로브 물질이 부착된 상태 및 이때의 광 스펙트럼 변화를 나타내고, 도 10c 및 도 10d는 프로브 물질과 표적 물질이 결합된 상태 및 이 때의 광 스펙트럼 변화를 나타낸다.
도 10은 도 1의 광 바이오센서의 다른 예를 나타낸 회로도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 광 바이오센서의 블록도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 바이오 물질의 농도 산출 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 바이오 센싱 시스템을 나타낸 블록도이다.

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 있는바, 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 광 바이오센서를 나타내는 블록도이다.

도 1을 참조하면, 광 바이오센서(100)는 바이오 센싱부(20), 검출부(30) 및 피드백 회로(40)를 포함할 수 있다. 또한, 광 바이오 센서(100)는 광원(10)을 더 포함할 수도 있다.

광 바이오 센서(100)는 바이오 물질들의 상호 작용, 구체적으로, 표적(target)물질(예를 들어, 표적 DNA 또는 항원)과 프로브(probe) 물질(예를 들어, 프로브 DNA 또는 항체)의 결합에 따른 광학적 현상을 기초로 하여 바이오 물질의 존재 유무 또는 농도를 측정할 수 있다.

광원(10)은 입력 광 신호(Lin)를 생성하고, 생성된 입력 광 신호(Lin)를 바이오 센싱부(20)에 제공할 수 있다. 바이오 센싱부(20)는 입력 광 신호(Lin)를 수신하고, 바이오 물질의 농도에 따라 변화되는 파장을 가지는 감지 광 신호(Ls)를 생성할 수 있다. 구체적으로, 감지 광 신호(Ls)는 입력 광 신호(Lin)의 파장 성분에서, 바이오 물질의 농도에 따라 변화되는 공진 파장이 추출된 광 신호이거나 또는 공진 파장이 소실된 광 신호일 수 있다.

검출부(30)는 감지 광 신호(Ls)를 수신하고, 감지 광 신호(Ls)를 전기적 신호로 변환하여 검출 신호(Iout)로서 출력할 수 있다. 검출 신호(Iout)는 전압 신호 또는 전류 신호일 수 있다.

피드백 회로(40)는 검출 신호(Iout)에 기초하여, 감지 광 신호(Ls)의 파장 특성이 변화되도록 제어하는 피드백 신호(If)를 출력할 수 있다. 피드백 신호(If)는 전압 신호 또는 전류 신호일 수 있다. 피드백 신호(If)는 바이오 센싱부(20)로 제공되고, 피드백 신호(If)에 응답하여 감지 광 신호(Ls)의 파장 특성이 변화될 수 있다.

이때, 피드백 신호(If)는 바이오 센싱부(20)의 공진 파장이 입력 광 신호(Lin)의 파장과 같아지도록 제어하기 위한 신호일 수 있다. 이를 위해, 피드백 회로(40)는 피드백 신호(If)에 따른 검출 신호(Iout)의 변화를 모니터링 하여, 최종적으로, 검출 신호(Iout)의 세기가 최소 또는 최대가 되도록 조절하는 피드백 신호(If)를 출력할 수 있다. 예를 들어, 감지 광 신호(Ls)가 입력 광 신호(Lin)의 파장 성분에서, 공진 파장 성분이 소실된 광 신호일 경우, 공진 파장이 입력 광 신호(Lin)의 파장과 같아지면 검출 신호(Iout)의 세기가 최소일 수 있다. 또한, 감지 광 신호(Ls)가 입력 광 신호(Lin)의 파장 성분에서, 공진 파정 성분이 추출된 광 신호일 경우, 공진 파장이 입력 광 신호(Lin)의 파장과 같아지면 검출 신호(Iout)의 세기가 최대일 수 있다. 이와 같이, 검출 신호(Iout)의 세기를 기초로 공진 파장과 입력 광 신호(Lin)의 파장이 동일해지도록 제어하는 피드백 신호(If)를 출력할 수 있다.

한편, 광 바이오 센서(100)는 피드백 신호(If)를 측정하여, 바이오 물질의 농도에 따른 공진 파장의 변화를 분석할 수 있다. 바이오 센싱부(20)의 공진 파장은 피드백 회로(40)의 동작에 따른 피드백에 의하여 입력 광 신호(Lin)의 파장과 동일하게 유지될 수 있다. 이때, 공진 파장이 입력 광 신호(Lin)의 파장과 동일하게 유지되도록 제어하는 피드백 신호(If)의 값은, 바이오 물질의 농도에 따라서 달라질 수 있다. 이러한 특성을 이용하여, 프로브 물질만이 존재하는 상태 및 프로브 물질에 표적 물질이 결합한 상태에서의 피드백 신호(If)의 값을 각각 측정하고, 측정된 값을 기초로 공진 파장의 변화량 및 바이오 물질의 농도를 산출할 수 있다. 광 바이오 센서(100)의 구체적인 동작과 바이오 물질의 농도 산출 방법에 대해서는 도 2 내지 도 5d를 참조하여 상세하게 후술하기로 한다.

일 실시예에서, 바이오 센싱부(20), 검출부(30) 및 피드백 회로(40)는 동일한 기판상에 형성되거나 패키징될 수 있다. 다른 실시예에서, 광원(10), 바이오 센싱부(20), 검출부(30) 및 피드백 회로(40)는 동일한 기판 상에 형성되거나 패키징될 수 있다.

일반적인 광 바이오 센서는 광학적 특성을 이용하여 바이오 물질을 감지한 광 신호의 파장을 분석하여 바이오 물질의 농도를 판단하므로, 파장을 분석하기 위한 분광계와 같은 장치가 필요하다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 광 바이오 센서(100)는 바이오 물질을 감지한 감지 광 신호의 파장을 직접적으로 분석하는 것이 아니라, 바이오 센서의 공진 파장이 입력 광 신호의 파장과 동일해 지도록 조절하는 피드백 신호를 기초로 바이오 물질의 농도에 따른 공진 파장의 변화를 분석할 수 있다. 피드백 신호를 바이오 센싱부로 제공하면서, 바이오 센싱부에 부착된 프로부 물질에 표적 물질이 결합되기 전 후의 피드백 신호의 값을 측정하고, 측정된 값들을 기초로 공진 파장의 변화량을 산출할 수 있다. 이에 따라, 분광계와 같은 별도의 장비를 이용하지 않고 광 바이오 센서(100)를 구현할 수 있으므로, 광 바이오 센서(100)를 소형화할 수 있고, 이로써, 광 바이오 센서(100)를 휴대용 기기 등과 연동시킬 수 있다.

도 2는 도 1의 광 바이오 센서의 일 예(100a)를 상세하게 나타낸다.

도 2를 참조하면, 광 바이오 센서(100a)는 광원(10a), 바이오 센싱부(20a), 검출부(30a) 및 피드백 회로(40a)를 포함할 수 있다. 이하에서는, 광 바이오 센서(100a)의 구성 요소들에 대하여 상술하기로 한다.

광원(10a)은 입력 광 신호(Lin)를 생성하고, 생성된 입력 광 신호(Lin)를 바이오 센싱부(20a)에 제공할 수 있다. 입력 광 신호(Lin)는 중심 파장을 기초로 일정 범위의 파장 성분을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 광원(10a)은 ASE(Amplified Spontaneous Emission), 초 발광 LED(Super Luminescent LED)일 수 있다. 다른 실시예에서, 광원(10a)은 파장 조절기(미도시) 및 파장 가변 광원(미도시)을 포함할 수 있는데, 파장 가변 광원은 예를 들어, DFD(Distributed Feedback Laser Diode) 일 수 있다.

바이오 센싱부(20a)는 입력 광 신호(Lin)로부터 바이오 물질의 존재 유무 또는 농도에 따라 변화되는 파장을 가지는 감지 광 신호(Ls)를 생성할 수 있다. 구체적으로, 감지 광 신호(Ls)는 입력 광 신호(Lin)의 파장 성분에서, 바이오 물질의 농도에 상응하는 공진 파장(λr)이 추출된 광 신호일 수 있다.

바이오 센싱부(20a)는 광 도파로(PWG), 링 공진기(RR) 및 링 공진기(RR)의 일부에 배치되어 있는 위상 천이기(PS)를 포함할 수 있다. 도시되지는 않았으나, 광 도파로(PWG) 및 링 공진기(RR)의 상부에는 유로가 위치할 수 있다. 유로는 바이오 물질이 유입되는 통로가 될 수 있다.

광 도파로(PWG)는 광 신호(Lin, Ls)가 전송되는 통로로서, 입력 광 신호(Lin)를 수신하고, 감지 광 신호(Ls)를 출력할 수 있다.

링 공진기(RR)는 광 도파로(PWG)와 소정의 간극(d1)을 두고 위치할 수 있다. 링 공진기(RR)는 원형 또는 레이스 트랙 형태의 일종의 광 도파로일 수 있다. 링 공진기(RR)의 공진 파장은 링 공진기(RR)의 반사율을 변화시키는 바이오 물질의 농도에 따라서 변화될 수 있다. 링 공진기(RR)는 광 도파로(PWG)와의 간극(d1)을 통하여 상기 입력 광 신호(Lin)의 파장 성분에서 공진 파장(λr) 성분을 소실시킴으로써 감지 광 신호(Ls)를 생성할 수 있다. 그리고 생성된 감지 광 신호(Ls)를 광 도파로(PWG)에 제공할 수 있다. 광 도파로(PWG)와 링 공진기(RR)에 대한 상세한 설명은 도 3a내지 4b를 참조하여 후술하기로 한다.

한편, 링 공진기(RR)의 일부에는 위상 천이기(PS)가 배치될 수 있다. 위상 천이기(PS)는 외부로부터의 전기적 신호에 응답하여 링 공진기(RR)의 공진 파장을 변화시킬수 있다. 예를 들어, 전기적 신호, 예컨대 전류 신호 또는 전압 신호에 응답하여 공진기 내부의 저항값을 변화시키거나 반사율을 변화시켜 링 공진기(RR)의 공진 파장(λr)을 변화시킬 수 있다.

검출부(30a)는 감지 광 신호(Ls)를 수신하고, 감지 광 신호(Ls)를 전기적 신호로 변환하여 검출 신호(Iout)로서 출력할 수 있다. 검출부(30a)는 감지 광 신호(Ls)를 전기적 신호로 변환하기 위하여, 하나 이상의 광 검출 소자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 광 검출 소자는 포토 다이오드, 포토 트랜지스터, CCD 이미지 센서, CMOS 이미지 센서 또는 TOF(Time of Flight) 센서 등을 포함할 수 있다.

피드백 회로(40a)는 검출 신호(Iout)를 수신하고, 이를 기초로 피드백 신호(If)를 출력할 수 있다. 피드백 신호(If)는 바이오 센싱부(20)의 위상 천이기(PS)에 인가되어 링 공진기(RR)의 공진 파장을 변화시킬 수 있다. 이때, 피드백 신호(If)는 검출 신호(Iout)의 세기가 최소가 되도록 변화될 수 있다. 즉, 링 공진기(RR)의 공진 파장이 입력 광 신호(Lin)의 파장과 동일해지도록 제어할 수 있다. 이를 위해, 피드백 회로(40a)는 검출 신호(Iout)를 모니터링 하면서, 검출 신호(Iout)의 세기가 최소가 될 때까지 피드백 신호(If)의 값을 변화시켜가며 출력할 수 있다. 검출 신호(Iout)의 세기가 최소일때의 피드백 신호(If)가 최종적으로 유지될 수 있다.

광 바이오 센서(100a)의 전체적인 동작을 설명하면 다음과 같다. 일정 대역폭(Δλ)과 파장(λi)을 가지는 입력 광 신호(Lin)가 도파로(PWG)로 입사되면, 입력 광 신호(Lin)는 도파로(PWG)를 따라 진행한다. 이때, 도파로(PWG)와 링 공진기(RR) 사이의 소정의 간극(d1)을 통해 공진 파장(λr)이 링 공진기(RR)로 전이된다. 그리고, 입력 광 신호(Lin)의 파장 성분 중에서 공진 파장(λr) 성분이 소실된 감지 광 신호(Lin)가 출력된다.

감지 광 신호(Ls)는 검출부(30a)로 인가되어, 전기적 신호인 검출 신호(Iout)로서 출력된다. 피드백 회로(40a)는 검출 신호(Iout)에 기초하여 피드백 신호(If)를 출력한다. 피드백 신호(If)는 위상 천이기(PS)에 인가되어, 링 공진기(RR)의 공진 파장(λr)이 입력 광 신호(Lin)의 파장(λi)과 같아지도록 공진 파장(λr)을 변화시킬 수 있다.

도 3a 및 3b는 도 2의 바이오 센싱부(20a)에 포함되는 광 도파로의 예들(PWG', PWG")을 나타낸다.

광 바이오 센서(100)는 실리콘 포토닉스 기술을 기반으로 반도체 기판상에 형성될 수 있다. 특히, 바이오 센싱부(20a)는 광신호(Lin, Ls)를 전송하기 위한 광도파로(Optical Waveguide)를 포함할 수 있는데, 광도파로는 반도체 기판상에 형성되는 도파로(Waveguide)일 수 있다.

도 3a를 참조하면, 광 도파로(PWG')는 광 신호가 전파되는 코어(CORE) 및 코어(CORE)를 둘러싸고 있는 클래딩(CLD)을 포함할 수 있다. 코어(CORE)의 굴절률(n1)은 클래딩(CLD)의 굴절률(n2)보다 높다. 따라서, 광 신호가 임계값 이상의 각도(θt)로 코어(CORE)에 입사되면, 전반사(total reflection)에 의해 광 신호는 외부로 방사되지 않고 구속된 상태로 코어(CORE)를 따라 진행될 수 있다.

도 3b를 참조하면, 광 도파로(PWG")는 반도체 기판(SUB) 상에 형성되는 실리콘 도파로로 구현될 수 있다. 반도체 기판(SUB) 상에 하부 클래딩층(LCLD)이 형성되고, 하부 클래딩층(LCLD)의 상부에 코어층(CORE)이 형성되고, 코어층(CORE)을 둘러싸는 상부 클래딩층(UCLD)이 형성될 수 있다. 그러나, 이는 본 발명의 일 실시예에 불과하며, 광 도파로(PWG")의 구성, 다시 말해, 각 층이 형성되는 순서 및 각 층의 형상은 다양하게 변경될 수 있다.

코어층(CORE)은 실리콘(Si) 또는 실리콘 기반의 화합물(예를 들어, 실리콘 나이트라이드(SiN))을 포함할 수 있고, 하부 클래딩층(LCLD) 및 상부 클래딩층(UCLD)은 옥사이드(Oxide, Ox)를 포함할 수 있다. 실리콘(Si)의 굴절률은 대략 3.5이고, 옥사이드(Ox)의 굴절률은 대략 1.4이므로, 코어층(CORE)의 굴절률이 클래딩층들(LCLD, UCLD)의 굴절률보다 높다. 따라서, 광 신호가 임계값 이상의 각도로 코어층(CORE)에 입사되면, 코어층(CORE)과 클래딩층들(LCLD, UCLD)의 경계에서 전반사가 일어나 광 신호는 코어층(CORE)을 따라 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 4a 및 4b는 도 2의 A-A' 선에 따른 단면도들로서, 도 4a는 표적 물질이 DNA인 경우를 나타내고, 도 4b는 표적 물질이 항체인 경우를 나타낸다.

우선 도 4a를 참조하면, 광 도파로(PWG)의 코어층(CORE1) 및 링 공진기(RR)의 코어층(CORE0)은 동일한 레이어에 형성되어 수평하게 위치할 수 있다. 이때, 링 공진기(RR)는 광 도파로(PWG)와 수평 방향으로 소정의 간극을 두고 위치할 수 있다. 광 도파로(PWG)의 상부에는 패시베이션층(PSV)이 형성될 수 있다. 그러나, 링 공진기(RR)과 프로브 물질의 결합을 용이하게 하기 위하여, 링 공진기(RR)의 상부에는 패시베이션층(PSV)이 형성되지 않고 개구부(OP)가 형성되거나, 또는 패시베이션층(PSV)이 매우 얇게 형성될 수 있다.

도 4b를 참조하면, 광 도파로들(PWG)의 코어층(CORE1)은 하부 레이어(예를 들어, 하부 클래딩층(LCLD)의 내부)에 형성되고, 링 공진기(RR)의 코어층(CORE0)은 상부 레이어(예를 들어, 하부 클래딩층(LCLD)의 상부))에 형성될 수 있다. 이와 같이, 광 도파로(PWG)의 코어층(CORE1) 및 링 공진기(RR)의 코어층(CORE0)은 서로 다른 레이어들 상에 형성되어 수직으로 위치할 수 있다. 이때, 링 공진기(RR)는 광 도파로(PWG)와 수직 방향으로 소정의 간극을 두고 위치할 수 있다.

도 4a 및 4b를 참조하면, 링 공진기(RR)의 코어층(CORE0)의 표면에는 측정하고자 하는 바이오 물질, 다시 말해, 표적 물질에 따른 프로브 물질이 고정되어 있다. 프로브 물질은 생물학적 또는 물리화학적 방법으로 링 공진기(RR)의 코어층(CORE0)의 표면에 고정될 수 있다. 도 4a의 예에서, 표적 물질은 DNA(TDNA)이고, 이에 따른 프로브 물질은 프로브 DNA(PDNA)이다. 도 4b의 예에서, 표적 물질은 항원(Ag)이고, 이에 따른 프로브 물질은 항체(Ab)이다.

프로브 물질(Ab, PDAN)에 표적 물질, 즉, 바이오 물질(Ag, TDNA)이 결합되면, 링 공진기(RR)의 코어(CORE0)의 유효 굴절률이 변화되고, 링 공진기(RR)의 공진 파장(λr)은 코어(CORE0)의 유효 굴절률에 따라 변화될 수 있다. 공진 파장(λr)은 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, neff는 유효 굴절률이고, R은 링 공진기(RR)의 반경을 나타내며, m은 정수이다. 수학식 1을 참조하면, 공진 파장(λr)은 유효 굴절률(neff)에 비례한다. 그러므로, 유효 굴절률(neff)이 증가하거나 감소하면, 이에 따라 링 공진기(RR)의 공진 파장(λr)도 증가하거나 감소한다.

예를 들어, 프로브 물질(Ag, PDNA)과 바이오 물질(Ab, TDNA)이 결합하기 전 링 공진기(RR)의 유효 굴절률이 n0이고 공진 파장(λr)이 λ0 일 경우, 프로브 물질과 바이오 물질이 결합되면, 링 공진기의 유효 굴절률은 n1, n2, n3, ...로 증가하고 , 공진 파장(λr)은 λ0, λ2, λ3, ...으로 변화될 수 있다. 프로브 물질(Ag, PDNA)과 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.

이하, 도 5a 내지 도 5d를 참조하여, 도 2의 광 바이오 센서(100a)의 동작을 상세하게 설명하기로 한다.

도 5a 및 도 5b는 링 공진기(RR)의 표면에 프로브 물질이 부착된 상태 및 이때의 광 스펙트럼 변화를 나타내고, 도 5c 및 도 5d는 프로브 물질과 표적 물질이 결합된 상태 및 이 때의 광 스펙트럼 변화를 나타낸다.

도 5a 및 도 5c를 참조하면, 링 공진기(RR)의 표면에는 프로브 물질이 부착될 수 있다. 일 예로서 프로브 물질은 항체(Ab)일 수 있다. 이후, 바이오 센싱부(20a)에 표적 물질이 유입되어, 프로브 물질과 결합할 수 있다. 표적 물질은 항원(Ag)일 수 있다. 이하, 도 5a에 도시된 바와 같이 링 공진기(RR)의 표면에 프로브 물질이 부착된 상태를 기준 상태라고 하고, 도 5c에 도시된 바와 같이, 프로브 물질에 표적 물질이 결합된 상태를 센싱 상태라고 하기로 한다.

도 4a 및 도 4b를 참조하여 설명한 바와 같이, 기준 상태와 센싱 상태에서의 링 공진기의 공진 파장은 서로 다르다. 그러므로, 공진 파장이 입력 광 신호(Lin)의 파장과 동일해지도록 제어하기 위하여, 위상 천이기(PS)에 인가되는 피드백 신호의 값은, 기준 상태와 센싱 상태에서 서로 다를 수 있다. 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 기준 상태에서 피드백 신호가 인가되기 전의 링 공진기(RR)의 공진 파장은 λr0이고, 공진 파장을 입력 광 신호(Lin)의 파장인 λi로 변화시키기 위하여 위상 천이기(PS)에 인가되는 피드백 신호는 If0이다. 또한, 도 5c 및 도 5d를 참조하면, 센싱 상태에서 피드백 신호가 인가되기 전의 공진 파장은 λr1이고, 공진 파장을 입력 광 신호의 공진 파장인 λi로 변화 시키기 위하여 위상 천이기(PS)에 인가되는 피드백 신호는 If1이다. 이때, 도 5d에 도시된 바와 같이, 기준 상태의 공진 파장 λr0이 센싱 상태의 공진 파장 λr1보다 입력 광 신호(Lin)의 파장에 더 가까울 수 있다. 이에 따라 센싱 상태의 피드백 신호 If1은 기준 상태의 피드백 신호 If0보다 더 클 수 있다. 이때, 피드백 신호의 차이(ΔIf)는 공진 파장의 차이에 비례할 수 있다. 그러므로, 피드백 신호의 차이로부터 공진 파장의 변화량을 산출할 수 있다.

도 6은 도 1의 광 바이오 센서(100)의 다른 예를 나타낸 회로도이다.

도 6을 참조하면, 광 바이오 센서(100b)는 광원(10b), 바이오 센싱부(20b), 검출부(30b) 및 피드백 회로(40b)를 포함할 수 있다. 광원(10b), 검출부(30b) 및 피드백 회로(40b)는 도 2와 유사한바, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

본 실시예의 바이오 센싱부(20b)는 제1 광 도파로(PWG1), 링 공진기(RR), 위상 천이기(PS) 및 제2 광 도파로(PW2)를 포함할 수 있다. 도시되지 않았지만, 제1 광 도파로(PWG1), 링 공진기(RR) 및 제2 광 도파로(PWG2)의 상부에는 유로(FLCH)가 위치할 수 있다. 유로(FLCH)를 통해 유입된 바이오 물질이 링 공진기(RR)의 공진 파장을 변화시킬수 있다. 한편, 제1 및 제2 광 도파로들(PWG1, PWG2)은 직선 광 도파로일 수 있고, 링 공진기(RR0)는 원형 또는 레이스 트랙 형태의 광 도파로일 수 있다. 링 공진기(RR)으 일부에는 위상 천이기(PS)가 배치될 수 있다.

링 공진기(RR)는 제1 광 도파로(PWG1)와 제1 간극(d1)을 두고 위치할 수 있으며, 링 공진기(RR)는 제2 광 도파로(PWG2)와 는 제2 간극(d2)을 두고 위치할 수 있다. 일 실시예에서, 링 공진기(RR)는 제1 광 도파로(PWG1)와 수평으로 제1 간극(d1)을 두고 위치하고, 제2 광 도파로(PWG2)와 수평으로 제2 간극(d2)을 두고 위치할 수 있다. 다른 실시예에서, 링 공진기(RR0)는 제1 광 도파로(PWG1)와 수직으로 제1 간극(d1)을 두고 위치하고, 제2 광 도파로(PWG)와 수직으로 제2 간극(d2)을 두고 위치할 수도 있다.

광원(10b)으로부터 인가되어 전반사에 의해 제1 광 도파로(PWG1)를 진행하는 입력 광 신호(Lin)의 파장에서 링 공진기(RR)의 공진 조건에 부합하는 파장, 다시 말해, 공진 파장(λr)이 링 공진기(RR)로 전이된다. 이어서, 공진 파장(λr)은 링 공진기(RR)를 통해 전파되다가 제2 광 도파로(PWG2)로 전이되어 감지 광 신호(Ls)로서 출력된다. 그러므로, 바이오 센싱부(20b)에서 생성된 감지 광 신호(Ls)는 입력 광 신호(Lin)에서 공진 파장(λr)이 추출된 광 신호이다.

한편, 위상 천이기(PS)에 전기적 신호가 인가되면, 링 공진기(RR)의 공진 파장(λr)이 변화될 수 있다. 위상 천이기(PS)는 피드백 회로(40b)로부터의 피드백 신호(If)에 응답하여 동작할 수 있다.

검출부(30b)가 감지 광 신호(Ls)를 전기적 신호로 변환하여 검출 신호(Iout)로서 출력하면, 피드백 회로(40b)는 검출 신호(Iout)를 기초로 피드백 신호(If)를 출력한다. 피드백 신호는(If)는 전압 신호 또는 전기 신호일 수 있다. 피드백 신호(If)는 위상 천이기(PS)에 인가되어 링 공진기(RR)의 공진 파장(λr)을 변화시킬 수 있다. 이때, 피드백 신호(If)는 공진 파장(λr)이 입력 광 신호(Lin)의 파장(λi)과 동일해지도록 제어할 수 있다. 본 실시예에서, 감지 광 신호(Ls)는 입력 광 신호(Lin)으로부터 공진 파장이 추출된 광 신호인바, 공진 파장과 입력 광 신호의 파장이 동일할때, 검출 신호(Iout)의 세기가 최대가 될 수 있다. 따라서, 피드백 회로(40b)는 검출 신호(Iout)를 모니터링 하면서, 검출 신호(Iout)의 세기가 최대가 될 때까지 피드백 신호(If)를 변화시켜 출력할 수 있다. 그리고 검출 신호(Iout)의 세기가 최대일때의 피드백 신호(If)가 최종적으로 출력될 수 있다.

도 7은 도 1의 광 바이오 센서(100)의 다른 예를 나타낸 회로도이다.

도 7을 참조하면, 광 바이오 센서(100)는 광원(10c), 바이오 센싱부(20c), 검출부(30c) 및 피드백 회로(40c)를 포함할 수 있다. 광원(10c), 검출부(30c) 및 피드백 회로(40c)는 도 2와 유사한바, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

바이오 센싱부(20c)는 입력 광 신호(Lin)로부터 바이오 물질의 존재 유무 또는 농도에 따라 변화되는 파장을 가지는 감지 광 신호(Ls)를 생성할 수 있다. 구체적으로, 감지 광 신호(Ls)는 입력 광 신호(Lin)의 파장 성분에서, 바이오 물질의 농도에 상응하는 공진 파장이 추출된 광 신호일 수 있다.

본 실시예에서, 바이오 센싱부(20c)는 제1 광 도파로(PWG1), 공동 공진기(CVRES), 위상 천이기(PS) 및 제2 광 도파로(PWG2)를 포함할 수 있다. 이때, 공동 공진기(CVRES)는 입력 광 신호(Lin)의 파장에서 공진 파장만을 추출하여, 감지 광 신호(Ls)로서 제2 광 도파로(PWG2)에 제공할 수 있다. 위상 천이기(PS)는 공동 공진기(CAV)의 일부에 배치되고, 인가되는 전기적 신호에 응답하여 공동 공진기(CAV)의 공진 파장을 변화시킬 수 있다.

공동 공진기(CVRES)는 두 개의 브레그 반사부들(Distributed Bragg Reflectors)(DBR1, DBR2) 및 공동(CAV)을 포함할 수 있다. 브레그 반사부들(DBR1, DBR2)은 입력 광 신호(Lin)의 파장에서 특정 파장을 반사한다. 이에 따라, 두 개의 브레그 반사부들(DBR1, DBR2) 및 공동(CAV)이 결합하여 공진기로 동작할 수 있다. 이로써, 공진 조건에 부합하는 공진 파장만이 감지 광 신호(Ls)로 생성되어 제2 광 도파로(PWG2)로 출력된다.

공동(CAV)의 상부에 측정하고자 하는 표적 물질에 대응되는 프로브 물질이 부착되고, 프로브 물질이 표적 물질과 결합되면, 결합 정도에 따라, 다시 말해, 표적 물질의 농도에 따라 공동 공진기(CVRES)의 유효 굴절률이 변화할 수 있다. 따라서, 표적 물질의 농도에 따라 공진 파장이 변화되어, 감지 광 신호(Ls)의 파장 성분이 변화하게 된다.

검출부(30c)는 감지 광 신호(LS)를 전기적 신호로 변환하여 검출 신호(Iout)로서 출력하고, 피드백 회로(40c)는 검출 신호(Iout)에 기초하여 피드백 신호(If)를 출력할 수 있다. 피드백 신호(If)는 위상 천이기(PS)에 인가되어, 공동 공진기(CVRES)의 공진 파장을 변화시킬 수 있다. 이 후의 광 바이오 센서(100c)의 동작은 도 6과 유사한바, 자세한 설명은 생략하기로 한다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 바이오 센서를 나타낸 블록도이다. 도 8을 참조하면, 광 바이오 센서(100')는 광원(10'), 바이오 센싱부(20'), 검출부(30') 및 피드백 회로(40')를 포함할 수 있다.

광원(10')은 입력 광 신호(Lin)를 생성하고, 생성된 입력 광 신호(Lin)를 바이오 센싱부(20')에 제공할 수 있다. 바이오 센싱부(20')는 입력 광 신호(Lin)를 수신하고, 바이오 물질의 농도에 따라 변화되는 파장을 가지는 감지 광 신호(Ls)를 생성할 수 있다. 구체적으로, 감지 광 신호(Ls)는 입력 광 신호(Lin)의 파장 성분에서, 바이오 물질의 농도에 따라 변화되는 공진 파장이 추출된 광 신호이거나 또는 공진 파장이 소실된 광 신호일 수 있다.

검출부(30')는 감지 광 신호(Ls)를 수신하고, 감지 광 신호(Ls)를 전기적 신호로 변환하여 검출 신호(Iout)로서 출력할 수 있다.

피드백 회로(40')는 검출 신호(Iout)에 기초하여, 입력 광 신호(Lin)의 파장 특성이 변화되도록 제어하는 피드백 신호(If)를 출력할 수 있다. 입력 광 신호(Lin)의 파장 특성이 변화되므로 감지 광 신호(Ls)의 파장 특성 또한 변화될 수 있다. 피드백 신호(If)는 광원(10')으로 제공되고, 피드백 신호(If)에 응답하여 감지 광 신호(Ls)의 파장 특성이 변화될 수 있다.

이때, 피드백 신호(If)는 입력 광 신호(Lin)의 파장이 바이오 센싱부(20)의 공진 파장과 같아지도록 제어하는 신호일 수 있다. 광원(10')은 피드백 신호(If)에 응답하여 바이오 센싱부(20)의 공진 파장과 파장이 같은 입력 광 신호(Lin)를 생성하여 출력할 수 있다. 입력 광 신호(Lin)의 파장과 바이오 센싱부(20)의 공진 파장이 같아지면, 검출 신호(Iout)의 세기는 최소 또는 최대가 될 수 있다. 따라서, 피드백 회로(40)는 피드백 신호(If)의 변화에 따른 검출 신호(Iout)의 변화를 모니터링 하여, 최종적으로, 검출 신호(Iout)의 세기가 최소 또는 최대가 되도록 광원(10')의 파장을 변화시키는 피드백 신호(If)를 광원(10')으로 출력할 수 있다.

한편, 광 바이오 센서(100')는 피드백 신호(If)를 측정하여, 바이오 물질의 농도에 따른 공진 파장의 변화를 분석할 수 있다. 입력 광 신호(Lin)의 파장은 피드백 회로(40)의 동작에 의하여 바이오 센싱부(20)의 공진 파장과 동일하도록 유지될 수 있는데, 바이오 물질의 농도에 따라 공진 파장이 다르므로, 입력 광 신호(Lin)의 파장을 공진 파장과 동일하게 유지되도록 제어하는 피드백 신호(If)의 값은 바이오 물질의 농도에 따라 다를 수 있다. 이러한 특성을 이용하여, 프로브 물질만이 존재하는 상태 및 프로브 물질에 표적 물질이 결합한 상태에서의 피드백 신호(If)의 값을 각각 측정하고, 측정된 값을 기초로 공진 파장의 변화량 및 바이오 물질의 농도를 산출할 수 있다.

도 9는 도 8의 광 바이오 센서의 일 예(100d)를 상세하게 나타내는 도면이다.

도 9를 참조하면, 광 바이오 센서(100d)는 광원(10b), 바이오 센싱부(20b), 검출부(30b) 및 피드백 회로(40b)를 포함할 수 있다. 광 바이오 센서(100d)의 구성 요소는 도 2의 광 바이오 센서(100a)와 유사하다, 다만, 바이오 센싱부(20b)의 구성 및 피드백 회로(40d)의 동작에 있어서 차이가 있다. 이하에서는, 도 2의 광 바이오 센서(100a)와의 차이점을 중심으로 상술하기로 한다.

도 2의 광 바이오 센서(100a)는 피드백 신호(If)를 위상 천이기(PS)에 제공하여, 링 공진기(RR)의 공진 파장을 변화시킴으로써, 링 공진기의 공진 파장과 입력 과 신호의 파장을 동일하게 유지하였다. 그러나, 본 실시예의 광 바이오 센서(100a)는 검출 신호(Iout)를 기초로, 생성되는 피드백 신호(If)를 광원(10d)에 제공하여, 입력 광 신호(Lin)의 파장이 공진 파장(λr)과 동일해지도록 제어한다.

입력 광 신호(Lin)의 파장이 변하면, 공진 파장(λr )이 동일하여도, 감지 광 신호(Ls)의 파장 성분이 변하게 된다. 이에 따라 검출 신호(Iout)의 세기도 변하게 된다. 입력 광 신호(Lin)의 파장이 공진 파장 (λr) 과 동일해질 때, 검출 신호(Iout)의 세기가 최소가 될 수 있으므로, 피드백 회로(40d)는 검출 신호(Iout)를 모니터링 하면서, 검출 신호(Iout)의 세기가 최소가 될 때까지, 피드백 신호(If)를 변화시켜가며 출력할 수 있다. 검출 신호(Iout)의 세기가 최소일때의 신호가 최종적으로 피드백 신호(If)로서 유지될 수 있다.

한편, 도 6 및 도 7의 바이오 센싱부(20b, 20c)에서, 위상 천이기(PS)를 제외한 나머지 구성을, 본 실시예에 적용될 수 있음은 통상의 기술자에게 자명하다 할 것이다.

이하, 도 10a 내지 도 10d를 참조하여, 도 9의 광 바이오 센서(100d)의 동작을 상세하게 설명하기로 한다.

도 10a 및 도 10b는 링 공진기(RR)의 표면에 프로브 물질이 부착된 상태 및 이때의 광 스펙트럼 변화를 나타내고, 도 10c 및 도 10d는 프로브 물질과 표적 물질이 결합된 상태 및 이 때의 광 스펙트럼 변화를 나타낸다. 이때, 프로브 물질은 항체(Ab)이고 표적 물질은 항원(Ag)인 경우를 예를 들어 설명하기로 한다. 이하, 도 10a에 도시된 바와 같이 링 공진기(RR)의 표면에 프로브 물질이 부착된 상태를 기준 상태라고 하고, 도 10c에 도시된 바와 같이, 프로브 물질에 표적 물질이 결합된 상태를 센싱 상태라고 하기로 한다.

앞서 설명한 바와 같이, 프로브 물질에 표적 물질이 결합하면 링 공진기(RR)의 유효 굴절률이 변화하여 공진 파장이 달라지게 된다. 따라서, 기준 상태와 센싱 상태에서의 링 공진기의 공진 파장이 달라질 수 있다.

그러므로, 입력 광 신호(Lin)의 파장이 링 공진기(RR)의 공진 파장과 동일해지도록 제어하기 위하여, 광원(10d)에 인가되는 피드백 신호의 값은, 각 상태마다 다를 수 있다. 도 10a 및 도 10b를 참조하면, 기준 상태에서의 공진 파장은 λr0이고, 입력 광 신호(Lin)의 파장(λi)을 공진 파장(λr0)으로 변화시키기 위하여 광원(10d)에 인가되는 피드백 신호는 If0이다. 또한, 도 10c 및 도 10d를 참조하면, 센싱 상태의 공진 파장은 λr1이고, 입력 광 신호(Lin)의 파장(λi)을 공진 파장인 (λr1)으로 변화시키기 위하여 광원(10d)에 인가되는 피드백 신호는 If1이다. 이때, 도 10d에 도시된 바와 같이, 기준 상태의 공진 파장 λr0이 센싱 상태의 공진 파장 λr1보다 입력 광 신호(Lin)의 파장에 더 가까울 수 있다. 이에 따라 센싱 상태의 피드백 신호 If1은 기준 상태의 피드백 신호 If0보다 더 클 수 있다. 이때, 피드백 신호의 차이(ΔI1f)는 공진 파장의 변화량(λr1-λr0)에 비례할 수 있다. 그러므로, 피드백 신호의 차이로부터 공진 파장의 변화량을 유추할 수 있다.

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

도 11을 참조하면, 광 바이오센서(100")는 광원(10), 바이오 센싱부(20), 검출부(30), 피드백 회로(40) 및 신호처리부(50)를 포함할 수 있다. 상기 광원(10), 센싱부(20), 검출부(30), 피드백 회로(40) 및 신호처리부(50)는 하나의 반도체 기판에 형성(On-chip integrated)될 수 있다.

광 바이오센서(100")는 도 1 의 광 바이오센서(100)에 신호처리부(50)를 더 포함한다. 따라서, 광원(10), 바이오 센싱부(20), 검출부(30) 및 피드백 회로(40)는 도 1과 동일한바 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.

신호 처리부(50)는 피드백 회로(40)로부터 출력되는 피드백 신호(If)를 기초로 바이오 물질의 농도에 따른 바이오 센싱부(20)의 공진 파장의 변화량을 산출할 수 있다. 신호 처리부(50)는 바이오 센싱부(20)에 프로브 물질이 부착되었을 때 피드백 신호(If)를 수신하고, 프로브 물질에 타겟 물질이 결합되었을 때 피드백 신호(If)를 수신하여, 상기 피드백 신호의 값의 차이를 기초로 상기 공진 파장의 변화량을 계산할 수 있다. 또한, 신호 처리부(50)는 공진 파장의 변화량에 기초하여 바이오 물질의 농도를 산출할 수도 있다. 신호처리부(50)는 바이오 물질들의 농도에 따른 공진 파장의 변화량을 미리 데이터로 저장하였다가, 특정 바이오 물질의 농도를 측정할 때 이를 이용하여 바이오 물질의 농도를 판단할 수 있다. 또는, 바이오 센싱부(20)에 포함된 공진기의 특성 및 프로브 물질과 바이오 물질의 결합 전 후의 공진 파장의 변화를 기초로, 바이오 물질의 농도를 계산하여 판단할 수 있다. 이외에도 다양한 방법으로 전기적 신호를 기초로 바이오 물질의 농도를 판단할 수 있다.

도 12는 본 발명의 실시예에 따른 바이오 물질의 농도 산출 방법을 나타낸 흐름도이다.

도 1 내지 도 11을 참조하여 설명한, 다양한 실시예들에 따른 광 바이오 센서(100, 100＇, 100")를 이용하여, 바이오 물질의 농도를 산출할 수 있다.

도 12를 참조하면, 공진기에 프로브 물질이 고정된 상태에서 기준 피드백 신호를 측정한다(S10). 광 바이오 센서는 피드백 회로(도 1의 40)를 구비하고 있으며, 피드백 회로는 검출 신호를 기초로 피드백 신호를 출력한다. 피드백 신호는 공진기의 공진 파장을 변화시키기 위하여 공진기에 부착된 위상 천이기에 인가되거나 또는 입력 광 신호의 파장을 변화시키기 위하여 광원에 인가될 수 있다. 이에 따라 공진 파장과 입력 광 신호의 파장이 동일해져, 검출 신호의 세기가 최소 또는 최대일 때의 피드백 신호를 기준 피드백 신호로 측정할 수 있다.

다음으로, 프로브 물질에 표적 물질이 결합된 상태의 센싱 피드백 신호를 측정한다(S20). 상술한 바와 같이 공진 파장과 입력 광 신호의 파장이 동일해져, 검출 신호의 세기가 최소 또는 최대일 때의 피드백 신호를 센싱 피드백 신호로 측정할 수 있다. 프로브 물질에 표적 물질이 결합되기 전과 후의 공진기의 공진 파장은 다를 수 있다. 그러므로, 기준 피드백 신호와 센싱 피드백 신호는 다를수 있다.

측정된 기준 피드백 신호와 센싱 피드백 신호의 차이로부터 공진 파장의 변화량을 산출한다(S30). 피드백 신호의 값의 차이는 공진 파장의 변화량에 비례할 수 있다. 그러므로, 기준 피드백 신호와 센싱 피드백 신호의 차이로부터 공진 파장의 변화량을 산출할 수 있다.

공진 파장의 변화량으로부터 바이오 물질의 농도를 산출한다(S40). 바이오 물질들의 농도에 따른 공진 파장의 변화량을 미리 데이터로 저장하였다가, 특정 바이오 물질의 농도를 측정할 때 이를 이용하여 바이오 물질의 농도를 판단할 수 있다. 또는, 공진기의 특성 및 프로브 물질과 바이오 물질의 결합 전 후의 공진 파장의 변화를 기초로, 바이오 물질의 농도를 계산하는 등 다양한 방법으로 바이오 물질의 농도를 산출할 수 있다.

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

도 13을 참조하면, 바이오 센싱 시스템(1000)은 바이오센서 칩(100), 유로(Fluidic Channel)(200) 및 신호 처리부(300)를 포함할 수 있다.

바이오센서 칩(100)은 광학적 특성을 이용하여 바이오 물질의 농도를 센싱하여 전기적 신호로 출력한다. 바이오센서 칩(100)은 도 1, 도 8 및 도 11의 광 바이오 센서일 수 있다. 따라서, 바이오 물질을 센싱하여 이를 전기적 신호로 출력하고, 바이오센서 칩(100) 내에서 광신호를 생성하여 바이오 물질을 센싱할 수도 있다. 이에 따라 별도의 광원이나, 분광기등이 필요하지 않아, 바이오 센싱 시스템의 소형화, 저전력화, 휴대화에 적합하다.

유로(200)는 바이오 물질이 유입되어 흐를 수 있는 통로이다. 유로(200)는 바이오센서 칩(100)의 상부, 특히 바이오 센싱부가 위치하는 곳에 정렬될 수 있다. 유로(200)를 통하여 바이오 물질을 포함하는 유체 혹은 기체가 유입되면 상기 바이오 물질이 바이오센서 칩과 접촉될 수 있다. 유로(200)는 미세유로(Micro Fluidic Channel)일 수 있으며, 마이크로 플루이딕 칩(Micro Fluidic Chip)에 형성된 유로일 수도 있다. 도면에서 유로(200)는 직선 형태로 도시되었지만, 이는 일 예일뿐이고, 유로(200)의 형태는 다양할 수 있다.

신호 처리부(300)는 바이오센서 칩(100)에서 출력된 전기적 신호를 기초로 바이오 물질의 농도를 판단할 수 있다. 컴퓨터 등과 같은 기존에 사용하던 프로세싱 시스템에 위치하면서 연결단자 및 연결선을 통해 바이오센서 칩(100)에서 출력된 전기적 신호를 수신할 수 있다. 또는 독립적인 바이오센서 시스템 장치에 상기 바이오센서 칩(100) 및 유로(200)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', 100＂: 광 바이오 센서
10, 10a, 10b, 10c, 10d, 10': 광원
20, 20a, 20b, 20c, 20d, 20': 바이오 센싱부
30, 30a, 30b, 30d, 30': 검출부
40, 40a, 40b, 40c, 40d, 40': 피드백 회로
50: 신호 처리부

Claims

입력 광 신호를 수신하고, 바이오 물질을 센싱하여 감지 광 신호를 생성하는 바이오 센싱부;
상기 감지 광 신호를 전기 신호로 변환하여 검출 신호로서 출력하는 검출부; 및
상기 검출 신호에 기초하여 상기 감지 광 신호의 파장 특성이 변화되도록 제어하는 피드백 신호를 출력하는 피드백 회로;를 포함하고,
상기 피드백 신호에 응답하여 상기 입력 광 신호의 파장 또는 상기 바이오 센싱부의 공진 파장이 변화되는 것을 특징으로 하는 광 바이오 센서.
제1 항에 있어서, 상기 피드백 신호는,
상기 바이오 물질의 농도에 따른 상기 공진 파장의 변화량에 대응하여 변화하는 것을 특징으로 하는 광 바이오 센서.
제1 항에 있어서, 상기 피드백 신호는,
상기 공진 파장이 상기 입력 광 신호의 파장과 동일해지도록 상기 바이오 센싱부를 제어하는 전압 또는 전류 신호인 것을 특징으로 하는 광 바이오 센서.
제1항에 있어서, 상기 바이오 센싱부는,
상기 입력 광 신호의 파장 성분에서 상기 공진 파장을 추출하는 공진기; 및
상기 피드백 신호에 응답하여, 상기 공진기의 공진 파장을 변화시키는 위상 천이기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 바이오 센서.
제1 항에 있어서, 상기 바이오 센싱부는,
상기 입력 광 신호를 수신하는 광 도파로;
상기 광 도파로와의 간극을 통하여 상기 입력 광 신호의 파장에서 상기 공진 파장을 소실시킴으로써 상기 감지 광 신호를 생성하는 링 공진기; 및
상기 피드백 신호에 응답하여 상기 링 공진기의 공진 파장을 변화시키는 위상 천이기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 바이오 센서.
제1항에 있어서,
상기 입력 광 신호를 제공하는 광원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 바이오 센서.
제6 항에 있어서, 상기 피드백 신호는,
상기 입력 광 신호의 파장과 상기 공진 파장이 동일해지도록 상기 광원을 제어하는 전압 또는 전류 신호인 것을 특징으로 하는 광 바이오 센서.
제 6항에 있어서,
상기 광원, 상기 상기 바이오 센싱부, 상기 검출부 및 상기 피드백 회로는 동일한 반도체 기판 상에 형성되거나 또는 패키징되는 것을 특징으로 하는 광 바이오 센서.
제1 항에 있어서,
상기 피드백 신호의 값을 기초로 상기 바이오 물질의 농도에 따른 상기 바이오 센싱부의 공진 파장의 변화량을 산출하는 신호 처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 바이오 센서.
제9 항에 있어서, 상기 신호 처리부는,
상기 바이오 센싱부에 프로부 물질이 부착되었을 때 및 상기 프로부 물질에 상기 바이오 물질이 결합되었을 때의 상기 피드백 신호의 값의 차이를 기초로 상기 공진 파장의 변화량을 계산하는 것을 특징으로 하는 광 바이오 센서.