KR20180019500A - 생물감지기 - Google Patents

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KR20180019500A
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페이얀 카오
위룬 리유
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선전 제노리비전 테크놀로지 컴퍼니, 리미티드
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Abstract

본 명세서에서 개시되는 것은 장치(200)이며, 이러한 장치(200)는, 탐침기들(257)을 갖도록 구성된 복수의 위치들(256)(여기서, 복수의 위치들(256)에는 탐침기들(257)이 부착되어 있고, 탐침기들(257)과 피분석물 간의 상호작용은 신호(258)를 발생시킴); 복수의 시준기들(295)을 포함하는 광학 시스템(285); 그리고 신호(258)를 검출하도록 구성된 복수의 픽셀들(270)을 포함하는 감지기(251)를 포함하고, 만약 광의 전파 방향이 시준기들(295)의 광축으로부터 벗어난 편차가 임계치보다 크다면 시준기들(295)은 광이 통과하는 것을 본질적으로 막도록 구성된다.

Description

생물감지기
본 명세서에서의 개시내용은 생물감지기(biosensor)들에 관한 것이며, 특히 광학적 검출에 근거하는 생물감지기들에 관한 것이다.
생물감지기는 생물학적 처리(biological process)와 관련된 피분석물(analyte)을 검출하기 위한 분석 디바이스(analytical device)이다. 예를 들어, 피분석물은 DNA, 단백질(protein), 대사산물(metabolite), 혹은 심지어 살아있는 유기체(living organism)(예를 들어, 박테리아, 바이러스)일 수 있다.
생물감지기는 일반적으로 피분석물과 상호작용하는 탐침기(probe)를 갖는다. 탐침기는 피분석물을 구속(bind) 혹은 인식(recognize)하도록 설계될 수 있다. 탐침기의 예들은 항체(antibody)들, 앱타머(aptamer)들, DNA들, RNA들, 항원(antigen)들, 등을 포함할 수 있다. 탐침기와 피분석물 간의 상호작용은 하나 이상의 검출가능한 사건(event)을 일으킬 수 있다. 예를 들어, 검출가능한 사건은, 화학종(chemical species) 혹은 입자(particle)의 방출, 화학적 반응(chemical reaction), 발광(luminescence)(예를 들어, 화학발광(chemiluminescence), 생물발광(bioluminescence), 전기화학발광(electrochemiluminescence), 전기발광(electroluminescence), 광발광(photoluminescence), 형광(fluorescence), 인광(phosphorescence)), 물리적 속성(예를 들어, 라만 산란(Raman scattering), 컬러(color)) 혹은 화학적 속성(예를 들어, 반응성(reactivity), 반응 속도(reaction rate))에서의 변화일 수 있다.
생물감지기는 상호작용의 결과로서 일어나는 검출가능한 사건을 검출할 수 있는 검출기를 가질 수 있다. 검출기는 검출가능한 사건을 더 용이하게 측정 및 정량화될 수 있는 또 하나의 다른 신호(예를 들어, 영상(image), 전기적 신호)로 변환할 수 있다. 검출기는 검출가능한 사건으로부터 데이터를 획득하는 것 그리고 이러한 데이터를 처리하는 것을 수행하는 회로를 포함할 수 있다.
생물감지기의 한 가지 유형은 마이크로배열(microarray)이다. 마이크로배열은 고체 기판(예를 들어, 유리 슬라이드(glass slide), 실리콘 웨이퍼(silicon wafer)) 상의 2-차원 배열일 수 있다. 이러한 배열은 상이한 위치들에서 상이한 분석(assay)들을 할 수 있다. 상이한 위치들에서의 분석들은 독립적으로 제어 혹은 측정될 수 있고, 이에 따라 하나 혹은 다수의 피분석물들의 다중적 병렬 감지(multiplexed and parallel sensing)가 가능하게 된다. 마이크로배열은 진단 분석(diagnosis assays)의 소형화(miniaturizing)에 유용할 수 있다. 예를 들어, 마이크로배열은 정교한 장비 없이 현장에서 생물학적 표본(biological sample)들을 검출하는데 사용될 수 있거나, 또는 진료기관 혹은 병원 내에 있지 않은 환자에 의해 자신의 생리적 증상들을 모니터링하기 위해 사용될 수 있다.
본 명세서에서 개시되는 것은 장치이고, 이러한 장치는, 탐침기들을 갖도록 구성된 복수의 위치들(여기서, 복수의 위치들에는 탐침기들이 부착되어 있고, 탐침기들과 피분석물 간의 상호작용은 신호를 발생시킴); 복수의 시준기(collimator)들을 포함하는 광학 시스템(optical system); 그리고 신호를 검출하도록 구성된 복수의 픽셀(pixel)들을 포함하는 감지기를 포함하고, 만약 광(light)의 전파 방향(propagation direction)이 시준기들의 광축(optical axis)으로부터 벗어난 편차(deviation)가 임계치보다 크다면 시준기들은 광이 통과하는 것을 본질적으로 막도록 구성된다.
일 실시예에 따르면, 감지기는 제어 회로를 포함하고, 제어 회로는, 픽셀들을 제어하도록 구성되고, 또는 픽셀들로부터 데이터를 획득하도록 구성되고, 또는 픽셀들로부터의 데이터를 처리하도록 구성된다.
일 실시예에 따르면, 픽셀들은 픽셀들 각각이 복수의 위치들 중 하나 이상의 위치에 광학적으로 결합되도록 정렬된다.
일 실시예에 따르면, 픽셀들은 시준기들에 의해 복수의 위치들에 광학적으로 결합된다.
일 실시예에 따르면, 신호는 발광이다.
일 실시예에 따르면, 신호는 여기 방사선(excitation radiation)의 여기(excitation) 하에서 발생된다.
일 실시예에 따르면, 광학 시스템은 또한 필터(filter)를 포함하고, 필터는 여기 방사선의 적어도 일부를 차단(block)하도록 구성된다.
일 실시예에 따르면, 필터는 이색성 필터(dichroic filter)다.
일 실시예에 따르면, 광학 시스템은 또한 투과 층(transmissive layer)을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 광학 시스템은 또한 복수의 마이크로렌즈(microlens)를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 임계치는 10°이다.
일 실시예에 따르면, 시준기들은 메타-물질(meta-material) 혹은 광결정(photonic crystal)을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 시준기들은 복수의 픽셀들 중 이웃하는 픽셀들 간의 광학적 상호-간섭(optical cross-talk)을 제거하도록 구성된다.
일 실시예에 따르면, 시준기들 중 적어도 하나는 중심부(core)와, 그리고 중심부를 둘러싸는 측벽(sidewall)을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 신호는 여기 방사선의 여기 하에서 발생되고, 중심부는 여기 방사선의 전파 방향에 상관없이 여기 방사선이 통과하는 것을 본질적으로 막는 물질이다.
일 실시예에 따르면, 신호는 여기 방사선의 여기 하에서 발생되고, 중심부는 이색성 필터를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 중심부는 신호가 본질적으로 흡수됨이 없이 통과할 수 있도록 한다.
일 실시예에 따르면, 중심부는 빈 공간(void space)이다.
일 실시예에 따르면, 측벽은 측벽에 도달하는 신호의 일부를 감쇠시킨다.
일 실시예에 따르면, 측벽은 임의의 질감(texture)을 갖고 있다.
일 실시예에 따르면, 장치는 또한 픽셀들로부터의 데이터를 라우팅(routing)하도록 구성된 재배선 층(redistribution layer)을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 필터는 메타-물질 혹은 광결정을 포함한다.
도 1a는 마이크로배열을 포함하는 시스템을 도식적으로 보여준다.
도 1b는 마이크로배열에 검출기 능력이 통합된 시스템을 도식적으로 보여준다.
도 2a는 일 실시예에 따른, 시스템을 도식적으로 보여준다.
도 2b는 일 실시예에 따른, 시스템을 도식적으로 보여준다.
도 2c는 일 실시예에 따른, 시스템이 (노출된 표면 상에 직접적으로 제조될 수 있는) 마이크로렌즈를 포함할 수 있는 것, 그리고 마이크로렌즈에 탐침기들이 부착될 수 있는 것을 도식적으로 보여준다.
도 2d는 일 실시예에 따른, 마이크로렌즈가 패시베이션 층(passivation layer) 내에 제조될 수 있는 것을 도식적으로 보여준다.
도 2e는 일 실시예에 따른, 마이크로렌즈가 시준기들 내에 제조될 수 있는 것을 도식적으로 보여준다.
도 3a는 일 실시예에 따른, 시준기를 도식적으로 보여준다.
도 3b는 일 실시예에 따른, 시준기를 도식적으로 보여준다.
도 3c는 일 실시예에 따른, 시준기를 도식적으로 보여준다.
도 3d는 일 실시예에 따른, 시준기를 도식적으로 보여준다.
도 3e는 일 실시예에 따른, 필터 및 투과 층이 모두 생략된 시스템을 도식적으로 보여준다.
도 3f 및 도 3g 각각은 일 실시예에 따른, 광학 시스템이 배열 형태로 정렬된 복수의 시준기들을 가질 수 있는 것을 도식적으로 보여준다.
도 4는 일 실시예에 따른, 광학 시스템이 마이크로유체 시스템(microfluidic system)을 가질 수 있는 것을 도식적으로 보여준다.
도 5a는 일 실시예에 따른, 마이크로배열 내의 감지기가 신호 전달 층(signal transfer layer)을 가질 수 있는 것, 그리고 마이크로배열 내의 광학 시스템이 재배선 층을 가질 수 있는 것을 도식적으로 보여준다.
도 5b는 도 5a에서의 감지기를 위에서 본 상면도를 도식적으로 보여준다.
도 5c는 도 5a에서의 광학 시스템을 밑에서 본 밑면도를 도식적으로 보여준다.
도 6a는 일 실시예에 따른, 마이크로배열 내의 감지기가 재배선 층을 가질 수 있는 것, 그리고 마이크로배열 내의 광학 시스템이 신호 전달 층을 가질 수 있는 것을 도식적으로 보여준다.
도 6b는 일 실시예에 따른, 도 6a에서의 감지기를 위에서 본 상면도를 도식적으로 보여준다.
도 6c는 일 실시예에 따른, 도 6a에서의 광학 시스템을 밑에서 본 밑면도를 도식적으로 보여준다.
도 6d는 일 실시예에 따른, 도 6a에서의 감지기를 위에서 본 상면도를 도식적으로 보여준다.
도 6e는 도 6d에서 보여지는 비아(via)들에 연결되도록 배치되는 본딩 패드(bonding pad)들의 위치들을 예시하기 위한 도 6a에서의 광학 시스템을 밑에서 본 밑면도를 도식적으로 보여준다.
도 6f는 일 실시예에 따른, 도 6a에서의 감지기를 위에서 본 상면도를 도식적으로 보여준다.
도 6g는 도 6f에서 보여지는 비아에 연결되도록 배치되는 본딩 패드의 위치들을 예시하기 위한 도 6a에서의 광학 시스템을 밑에서 본 밑면도를 도식적으로 보여준다.
도 7은 일 실시예에 따른, 마이크로배열 내의 센서가 재배선 층을 가질 수 있는 것을 도식적으로 보여주며, 여기서 재배선 층은 재배선 층 내의 전송 라인(transmission line)들을 재배선 층의 맞은편 상에 있는 본딩 패드들에 전기적으로 연결하도록 구성된 비아들(예컨대, 실리콘-관통 비아(Through-Silicon Via, TSV)들)을 가지고 있다.
도 1a는 마이크로배열(105)을 포함하는 시스템(100)을 도식적으로 보여준다. 시스템(100)은 영상 감지기(image sensor)(101), 광학 시스템(102), 및/또는 여기 방사선 방출원(excitation source)(109)을 가질 수 있다. 영상 감지기(101)는 마이크로배열(105)의 상이한 위치들(106)에서 광학적 속성(예를 들어, 컬러, 강도)을 측정하도록 구성될 수 있다. 이러한 위치들(106)에는 다양한 탐침기들(107)이 부착될 수 있다. 탐침기들(107)은 피분석물과 상호작용할 수 있고, 이러한 상호작용은 영상 감지기(101)에 의해 검출가능한 신호들(108)을 발생시킬 수 있다. 이러한 신호들(108)의 발생은 여기 방사선 방출원(109)(예를 들어, 레이저, UV 광, 등)에 의한 여기를 필요로 할 수 있다. 시스템(100)의 영상 감지기(101) 및 광학 시스템(102)은 부피가 큰 경향이 있고, 혹은 부서지기 쉬운 경향이 있으며, 혹은 가격이 높은 경향이 있고, 그리고 하나의 위치를 그 이웃하는 위치들과 구분하는데 충분히 높은 공간 해상도를 갖지 않을 수 있다.
도 1b는 마이크로배열(155)에 검출기 능력이 통합된 시스템(150)을 도식적으로 보여준다. 마이크로배열(155)은 복수의 위치들(156)을 가질 수 있으며, 이러한 위치들(156)에는 다양한 탐침기들(157)이 부착되어 있다. 탐침기들(157)은 다양한 피분석물들과 상호작용할 수 있고, 이러한 상호작용은 마이크로배열(155)에 통합된 감지기(151)에 의해 검출가능한 신호들(108)을 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 피분석물들은 형광단이 붙어 있는 핵산(fluorophore-labeled nucleic acid) 혹은 단백질 단편(protein fragment)들이고, 탐침기들은 올리고뉴클레오티드(oligonucleotide)들 혹은 항체들이다. (탐침기들에 의해 포획(capture)되는) 형광단이 붙어 있는 피분석물들을 갖는 위치들은 포획되는 피분석물들 상의 형광단들로부터의 형광을 검출함으로써 식별될 수 있다. 감지기(151)는 신호들(158)(예를 들어, 컬러, 강도)을 검출하도록 구성된 복수의 픽셀들(170)을 가질 수 있다. 픽셀들(170)은 제어 회로(171)를 가질 수 있고, 제어 회로(171)는, 픽셀들(170)을 제어하도록 구성되고, 또는 픽셀들(170)로부터 데이터를 획득하도록 구성되고, 그리고/또는 픽셀들(170)로부터의 데이터를 처리하도록 구성된다. 픽셀들(170)은 각각의 픽셀(170)이 복수의 위치들(156) 중 하나의 위치에 광학적으로 결합되도록 정렬될 수 있다. 하지만, 하나의 위치(156)에서 발생된 신호들(158)은 그 위치(156)에 광학적으로 결합된 픽셀(170)에 전체가 도달하지 못할 수 있다. 신호들(158) 중 일부 신호(172)는 해당 위치(156)에 광학적으로 결합된 픽셀(170)에 도달할 수 있지만, 또 다른 일부 신호(173)는 이웃하는 픽셀들로 산란될 수 있고("광학적 상호-간섭") 그리고/또는 모든 픽셀들로부터 벗어나며 산란될 수 있다. 신호들(158)의 발생은 여기 방사선(161)(예를 들어, 레이저, UV 광, 등)을 필요로 할 수 있다. 여기 방사선(161) 중 일부 여기 방사선(162)은 산란됨이 없이 복수의 위치들(156)을 통과할 수 있다. 여기 방사선(161) 중 일부 여기 방사선(163)은 픽셀들(170) 중 일부 픽셀들로 산란될 수 있거나, 혹은 모든 픽셀(170)로부터 벗어나며 산란될 수 있다. 일부 여기 방사선(162)은 필터(190)에 의해 픽셀들(170)에 도달하는 것이 차단될 수 있다. 필터(190)는 투과 층(191) 아래에 혹은 위에 배치될 수 있다. 하지만, 필터(190)는 입사 방향에 민감할 수 있고, 일부 여기 방사선(162)과 일부 여기 방사선(163)이 동일한 파장을 가지고 있음에도 불구하고 일부 여기 방사선(163)은 차단하지 않을 수 있다. 만약 일부 여기 방사선(163)이 픽셀(170)에 도달하면, 이러한 일부 여기 방사선(163)은 신호들(158)을 무색(overshadow)하게 할 수 있다.
도 2a는 일 실시예에 따른, 시스템(200)을 도식적으로 보여준다. 시스템(200)은 통합된 감지기(251) 및 광학 시스템(285)을 포함하는 마이크로배열(255)을 포함한다. 마이크로배열(255)은 복수의 위치들(256)을 가질 수 있으며, 이러한 위치들(256)에는 다양한 탐침기들(257)이 부착되어 있다. 탐침기들(257)은 다양한 피분석물들과 상호작용할 수 있고, 이러한 상호작용은 감지기(251)에 의해 검출가능한 신호들(258)을 발생시킬 수 있다. 감지기(251)는 신호들(258)(예를 들어, 컬러, 강도)을 검출하도록 구성된 복수의 픽셀들(270)을 가질 수 있다. 픽셀들(270)은 제어 회로(271)를 가질 수 있고, 제어 회로(271)는, 픽셀들(270)을 제어하도록 구성되고, 또는 픽셀들(270)로부터 데이터를 획득하도록 구성되고, 그리고/또는 픽셀들(270)로부터의 데이터를 처리하도록 구성된다. 픽셀들(270)은 각각의 픽셀(270)이 복수의 위치들(256) 중 하나 이상의 위치에 광학적으로 결합되도록 정렬될 수 있다. 광학 시스템(285)은 투과 층(191) 아래에 혹은 위에 배치되는 필터(290)를 포함할 수 있다(도 2b는 필터(291)가 투과 층(191) 아래에 있는 예를 보여줌). 광학 시스템(285)은 픽셀들(270)을 복수의 위치들(256)에 광학적으로 결합시키도록 구성된 복수의 시준기들(295)을 포함할 수 있다. 필터(290) 및 투과 층(291)이 시준기들(295)과 동일한 기판 상에 제조될 필요는 없을 수 있다. 대신, 필터(290) 및 투과 층(291)은 제조되어 시준기들(295)에 본딩될 수 있다.
일 실시예에서, 투과 층(291)은 산화물(oxide) 혹은 질화물(nitride)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 투과 층(291)은 유리를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 필터(920)는 이색성 필터(이것은 또한 간섭 필터(interference filter)로 알려지기도 함)일 수 있다. 필터(290)는 (임계치보다 낮은 주파수를 통과시키는) 저역-통과 필터(low-pass filter) 혹은 대역-통과 필터(band-pass filter)일 수 있다. 필터(290)는 메타-물질 혹은 광결정을 포함할 수 있다. 메타-물질은 종종 메타-물질이 영향을 미치도록 설계된 광의 파장보다 작은 미세한 크기 혹은 더 작은 크기를 갖는 반복적인 패턴들로 정렬되는 구성요소 물질들을 갖고 있다. 반복되는 패턴들의 구조 및 구성요소 물질들의 속성들은 메타-물질의 속성들을 맞춤제작(tailor)하기 위해 선택될 수 있다. 예를 들어, 메타-물질은 메타-물질이 차단하게 될 선택된 주파수 혹은 주파수들(예를 들어, 사용자에게 해로움을 줄 수 있는 특정 레이저 주파수들)을 제외한 모든 주파수들에서 광학적 투명성(optical transparency)을 제공할 수 있다. 광결정은 특정 주파수 범위의 광이 전파되는 것을 금지시키는 밴드 갭(band gap)을 갖는 주기적 유전체 구조(periodic dielectric structure)다. 필터(290)는 상이한 굴절률을 갖는 물질들로 된 복수의 얇은 층들을 가질 수 있고, 이러한 물질들의 얇은 층들을 번갈아(alternately) 증착시킴으로써 제조될 수 있다. 필터(290)는 흡수성 필터(absorptive filter)일 수 있지만, 효과를 발휘하기에 충분한 두께를 갖게 된다.
일 실시예에서, 투과 층(291)은 실리콘 산화물(silicon oxide) 혹은 실리콘 질화물(silicon nitride)과 같은 절연 물질일 수 있다. 일 실시예에서, 투과 층(291)은 생략될 수도 있다. 일 실시예에서, 광학 시스템(285)은 도 2c에서 보여지는 바와 같이 복수의 위치들(256)에 배치되는 복수의 마이크로렌즈(292)를 가질 수 있다. 마이크로렌즈(292)는 복수의 위치들(256)의 노출된 표면 상에 직접적으로 제조될 수 있고, 탐침기들(257)이 마이크로렌즈(292)에 부착될 수 있다. 대안적으로, 마이크로렌즈(292)는 도 2d에서 보여지는 바와 같이 패시베이션 층(291) 내에 제조될 수 있다. 또한 대안적으로, 마이크로렌즈(292)는 도 2e에서 보여지는 바와 같이 시준기들(295) 내에 제조될 수 있다. 마이크로렌즈(292)는 복수의 위치들(256)에서 발생되는 광을 시준기들(295)로 집속시키도록 구성될 수 있다. 마이크로렌즈(292)는 복수의 위치들(256)로부터의 발광 중 더 많은 부분을 복수의 위치들(256)에 결합된 픽셀들로 지향(direct)시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 마이크로렌즈(292)는 일부 신호(273)가 발생된 위치(256)에 결합된 픽셀에 도달하지 못했을 그러한 일부 신호(273)를 포획할 수 있다.
일 실시예에서, 필터(290), (만약 존재한다면) 투과 층(291), (만약 존재한다면) 마이크로렌즈(292), 및 시준기(295)는 동일한 기판 상에 통합될 수 있다.
일 실시예에서, 만약 광의 전파 방향이 시준기(295)의 광축으로부터 벗어난 편차가 임계치(예를 들어, 10°, 5°, 또는 1°)보다 크다면 시준기(295)는 광이 통과하는 것을 본질적으로 막도록(예를 들어, 광의 90%, 99%, 혹은 99.9%보다 많은 부분이 통과하는 것을 막도록) 구성될 수 있다. 신호들(258) 중 일부 신호(272)는 해당하는 위치(156)에 광학적으로 결합된 픽셀(270)를 향해 전파될 수 있지만, 또 하나의 다른 일부 신호(273)는 이웃하는 픽셀들을 향해 산란될 수 있고("광학적 상호-간섭"), 그리고/또는 모든 픽셀들(270)로부터 벗어나며 산란될 수 있다. 시준기(295)는 일부 신호(273)가 시준기(295)를 통과하는 것을 본질적으로 막음으로써 광학적 상호-간섭을 본질적으로 제거하도록 구성될 수 있다. 신호들(258)의 발생은 여기 방사선(161)(예를 들어, 레이저, UV 광, 등)을 필요로 할 수 있다. 여기 방사선(161) 중 일부 여기 방사선(162)은 산란됨이 없이 복수의 위치들(256)을 통과할 수 있다. 여기 방사선(261) 중 일부 여기 방사선(263)은 픽셀들(270) 중 일부 픽셀들을 향해 다른 방향으로 산란될 수 있거나, 혹은 모든 픽셀(270)로부터 벗어나며 산란될 수 있다. 일부 여기 방사선(162)은 필터(290)에 의해 픽셀들(270)에 도달하는 것이 차단될 수 있다. 필터(290)는 입사 방향에 민감할 수 있고, 그리고 일부 여기 방사선(262)과 일부 여기 방사선(163)이 동일한 파장을 가지고 있음에도 불구하고 일부 여기 방사선(263)은 차단하지 않을 수 있다. 시준기들(295)은, 전파 방향에 상관없이 여기 방사선이 통과하는 것을 본질적으로 막도록 구성될 수 있거나, 혹은 일부 여기 방사선(161)의 전파 방향으로부터 벗어나며 산란되는 일부 여기 방사선(263)이 통과하는 것을 본질적으로 막도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 시준기들(295) 각각은 복수의 위치들(256) 중 하나의 위치로부터 그 하나의 위치에 광학적으로 결합된 픽셀(270)까지 연장된다.
일 실시예에서, 시준기(295)는 측벽(297)에 의해 둘러싸인 중심부(296)를 가질 수 있다.
도 3a에서 도식적으로 보여지는 실시예에서, 중심부(296)는 여기 방사선(261)의 전파 방향에 상관없이 여기 방사선(261)이 통과하는 것을 본질적으로 막는(예를 들어, 여기 방사선(261)의 90%, 99%, 혹은 99.9%보다 많은 부분이 통과하는 것을 막는) 물질일 수 있다. 예를 들어, 중심부(296)는 여기 방사선(261)을 감쇠시키는(흡수하는) 물질일 수 있다. 중심부(296)는 신호들(258)이 본질적으로 흡수됨이 없이 통과하게 할 수 있다. 이러한 실시예에서, 필터(290)는 생략될 수 있다.
도 3b에서 도식적으로 보여지는 실시예에서, 중심부(296)는, 만약 여기 방사선(261) 중 일부 여기 방사선(예를 들어, 일부 여기 방사선(272))의 전파 방향이 시준기(295)의 광축으로부터 벗어난 편차가 임계치(예를 들어, 10°, 5°, 또는 1°)보다 작다면, 여기 방사선(161) 중 그 일부 여기 방사선이 통과하는 것을 본질적으로 막는(예를 들어, 여기 방사선(161) 중 그 일부 여기 방사선의 90%, 99%, 혹은 99.9%보다 많은 부분이 통과하는 것을 막는) 구조(299)를 가질 수 있다. 예를 들어, 이러한 구조(299)는 이색성 필터, 메타-물질 혹은 광결정을 가질 수 있다. 중심부(296)는 신호들(258)이 본질적으로 흡수됨이 없이(즉, 신호들(258)의 10%보다 적은 부분이 흡수되며) 통과하게 할 수 있다. 이러한 실시예에서, 필터(290)는 생략될 수 있다.
도 3c에서 도식적으로 보여지는 실시예에서, 시준기(295)의 측벽(297)은 여기 방사선을 감쇠시킬(흡수할) 수 있다. 여기 방사선(261) 중 일부 여기 방사선(263)은 필터(290)를 통과할 수 있고 시준기(295)에 들어갈 수 있지만, 픽셀들(270)에 도달할 수 있기 전에 측벽(297)에 도달할 가능성이 있다. 여기 방사선을 감쇠시킬(흡수할) 수 있는 측벽(297)은 진로를 벗어난 여기 방사선(stray excitation radiation)이 픽셀들(270)에 도달하는 것을 본질적으로 막을 것이다. 일 실시예에서, 중심부(296)는 빈 공간일 수 있다. 다시 말해, 측벽(297)은 빈 공간을 둘러싼다.
일 실시예에서, 측벽(297)은 측벽에 도달하는 신호(258) 중 임의의 일부 신호를 감소시킬(흡수할) 수 있고, 이것은 광학적 상호-간섭을 본질적으로 막을 것이다.
도 3d에서 도식적으로 보여지는 실시예에서, 측벽(297)은 임의의 질감을 갖고 있다. 예를 들어, 측벽(297)과 중심부(296)(이것은 빈 공간일 수 있음) 사이의 계면(interface)(298)은 임의의 질감을 가질 수 있다. 임의의 질감을 갖고 있는 측벽(297)은 이러한 측벽(297)에 입사하는 광을 더 감쇠시키도록 도울 수 있다.
도 3e에서 도식적으로 보여지는 실시예에서, 필터(290)와 투과 층(291)은 모두 생략될 수 있다. 시준기들(295)은 노출된 상부 표면(294)을 가질 수 있다. 상부 표면(294)은 그 이웃하는 표면과는 다른 물질로 이루어 질 수 있고, 이에 따라 상부 표면(294)의 기능(functionalization)이 용이하게 될 수 있다. 탐침기들(257)은 상부 표면(294)에 선택적으로 직접 부착될 수 있다.
도 3f 및 도 3g에서 도식적으로 보여지는 실시예에서, 광학 시스템(285)은 배열 형태로 정렬된 복수의 시준기들(295)을 가질 수 있다. 예를 들어, 광학 시스템(285)은 각각의 픽셀(270)에 대한 전용 시준기들(295)을 가질 수 있다. 예를 들어, 광학 시스템(285)은 픽셀들(270)의 그룹에 의해 공유되는 시준기(295)를 가질 수 있다. 시준기(295)는 원형, 사각형, 및 다각형과 같은 임의의 적절한 단면 형상을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 시준기들(295)은 (예를 들어, 깊은 반응성 이온 에칭(deep Reactive Ion Etching)(깊은 RIE), 레이저 드릴링(laser drilling)에 의해) 기판 안으로 구멍(hole)들을 에칭함으로써 제조될 수 있다. 측벽(297)은 이러한 구멍들의 측벽 상에 임의의 물질을 증착시킴으로써 제조될 수 있다. 중심부(296)는 이러한 구멍들을 충전(filling)시킴으로써 제조될 수 있다. 시준기들(295)을 제조할 때 평탄화(planarization)가 또한 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 필터(290)는 생략될 수 있거나, 혹은 필터(290)의 기능은 시준기들(295)에 통합될 수 있다.
도 4에서의 도식적 실시예에서, 광학 시스템(285)은 복수의 위치들(256)로부터 그리고 복수의 위치들(256)로 피분석물 및 반응 생성물과 같은 반응물들을 전달하기 위한 마이크로유체 시스템을 가질 수 있다. 마이크로유체 시스템은 웰(wells), 저장소(reservoirs), 채널(channels), 밸브(valves) 혹은 다른 구성요소들을 가질 수 있다. 마이크로유체 시스템은 또한 가열기(heaters), 냉각기(coolers)(예를 들어, 펠티에 디바이스(Peltier device)), 혹은 온도 감지기(temperature sensors)를 가질 수 있다. 가열기들, 냉각기들 혹은 온도 감지기들은 광학 시스템(285) 내에 위치할 수 있거나 시준기들(295) 내에 혹은 위에 위치할 수 있다. 가열기들, 냉각기들 혹은 온도 감지기들은 감지기(251) 내에 혹은 위에 위치할 수 있다. 시스템(200)은 다양한 분석들을 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 시스템(200)은 중합효소 연쇄 반응(Polymerase Chain Reaction)(예를 들어, 정량적 실시간 PCR(qPCR))을 실행하는데 사용될 수 있다. 실시간 중합효소 연쇄 반응(실시간 PCR)은 반응이 진행됨에 따라 증폭된 DNA를 검출한다. 이것은 반응의 생성물이 마지막에 검출되는 종래의 PCR과는 대조적이다. 한 가지 실시간 PCR 기법은, 임의의 서열(sequence)에 특정된 서열-특정 탐침기(sequence-specific probe)들로서 그 상보적 서열을 가진 탐침기와의 혼성화(hybridization) 이후에만 형광을 일으키는 형광단이 붙어 있는 그러한 서열-특정 탐침기들을 사용하는데, 이것은 세포 혹은 조직 내의 전령 RNA(messenger RNA, mRNA) 및 비-번역 RNA(non-coding RNA)를 정량화하는데 사용될 수 있다.
광학 시스템(285)과 감지기(251)는 별개의 기판들에서 제조될 수 있고, 플립-칩 본딩(flip-chip bonding), 웨이퍼-대-웨이퍼 직접 본딩(wafer-to-wafer direct bonding), 혹은 접착(gluing)과 같은 적절한 기법을 사용하여 함께 본딩될 수 있다.
도 5a에서 도식적으로 보여지는 실시예에서, 감지기(251)는 신호 전달 층(252)을 갖는다. 신호 전달 층(252)은 복수의 비아들(510)을 가질 수 있다. 신호 전달 층(252)은 비아들(510) 둘레에 전기적으로 절연성인 물질들(예를 들어, 실리콘 산화물)을 가질 수 있다. 광학 시스템(285)은 전송 라인들(520) 및 비아들(530)을 갖는 재배선 층(289)을 가질 수 있다. 전송 라인들(520)은 비아들(530)을 본딩 패드(540)에 연결한다. 감지기(251)와 광학 시스템(285)이 본딩될 때, 비아들(510)과 비아들(530)이 전기적으로 연결된다. 도 5a에서 보여지는 이러한 구성은 본딩 패드들(540)이 탐침기들(257)로부터 떨어져 배치될 수 있게 한다.
도 5b는 픽셀들(270) 및 제어 회로(271)에 대한 비아들(510)의 위치를 예시하기 위해 도 5a에서의 감지기(251)를 위에서 본 상면도를 보여준다. 픽셀들(270) 및 제어 회로(271)는 점선들로 보여지는데, 왜냐하면 이들은 이와 같이 위에서 보면 직접적으로 볼 수 없기 때문이다. 도 5c는 전송 라인들(520)에 대한 비아들(530)의 위치를 예시하기 위해 도 5a에서의 광학 시스템(285)을 밑에서 본 밑면도를 보여준다(전송 라인들(520)은 점선들로 보여지는데, 왜냐하면 이들은 이와 같이 밑에서 보면 직접적으로 볼 수 없기 때문임).
도 6a에서 도식적으로 보여지는 실시예에서, 감지기(251)는 재배선 층(629)을 갖는다. 재배선 층(629)은 복수의 비아들(610) 및 복수의 전송 라인들(620)을 가질 수 있다. 재배선 층(629)은 비아들(610) 및 전송 라인들(620) 둘레에 전기적으로 절연성인 물질들(예를 들어, 실리콘 산화물)을 가질 수 있다. 비아들(610)은 제어 회로(271)를 전송 라인들(620)에 전기적으로 연결한다. 광학 시스템(285)은 본딩 패드들(640)을 갖는 층(619)을 가질 수 있다. 재배선 층(629)은 또한, 감지기(251)와 광학 시스템(285)이 본딩될 때, 전송 라인들(620)을 본딩 패드들(640)에 전기적으로 연결하는 비아들(630)을 가질 수 있다. 본딩 패드들(640)은 층(619) 내에 매립된 와이어(wire)에 의해 연결되는 두 개의 부분들을 가질 수 있다. 도 6a에서 보여지는 이러한 구성은 본딩 패드들(640)이 탐침기들(257)로부터 떨어져 배치될 수 있게 한다.
도 6b는 일 실시예에 따른, 픽셀들(270) 및 제어 회로(271)에 대한 비아들(610), 비아들(630) 및 전송 라인들(620)의 위치를 예시하기 위해 도 6a에서의 감지기(251)를 위에서 본 상면도를 보여준다. 픽셀들(270), 제어 회로(271) 및 전송 라인들(620)은 점선들로 보여지는데, 왜냐하면 이들은 이와 같이 위에서 보면 직접적으로 볼 수 없기 때문이다. 도 6c는 도 6b에서 보여지는 비아들(630)에 연결되도록 배치되는 본딩 패드들(640)의 위치를 예시하기 위해 도 6a에서의 광학 시스템(285)을 밑에서 본 밑면도를 보여준다. 본딩 패드들(640)은 층(619) 내에 매립된 와이어에 의해 연결되는 두 개의 부분들을 가질 수 있다.
도 6d는 일 실시예에 따른, 픽셀들(270) 및 제어 회로(271)에 대한 비아들(610), 비아들(630) 및 전송 라인들(620)의 위치를 예시하기 위해 도 6a에서의 감지기(251)를 위에서 본 상면도를 보여준다. 픽셀들(270), 제어 회로(271) 및 전송 라인들(620)은 점선들로 보여지는데, 왜냐하면 이들은 이와 같이 위에서 보면 직접적으로 볼 수 없기 때문이다. 픽셀들(270)은 열(column) 단위로 판독될 수 있다. 예를 들어, 하나의 픽셀(270)로부터의 신호는 그 픽셀(270)과 관련된 제어 회로(271) 내의 레지스터(register)에 저장될 수 있고, 이러한 신호는 하나의 열로부터 다음 열로 연속적으로 이동(shift)될 수 있고, 궁극적으로 비아들(630)을 통해 다른 처리 회로(processing circuitry)로 이동될 수 있다. 도 6e는 도 6d에서 보여지는 비아들(630)에 연결되도록 배치되는 본딩 패드들(640)의 위치를 예시하기 위해 도 6a에서의 광학 시스템(285)을 밑에서 본 밑면도를 보여준다. 본딩 패드들(640)은 층(619) 내에 매립된 와이어에 의해 연결되는 두 개의 부분들을 가질 수 있다.
도 6f는 일 실시예에 따른, 픽셀들(270) 및 제어 회로(271)에 대한 비아들(610), 비아(630) 및 전송 라인들(620)의 위치를 예시하기 위해 도 6a에서의 감지기(251)를 위에서 본 상면도를 보여준다. 픽셀들(270), 제어 회로(271) 및 전송 라인들(620)은 점선들로 보여지는데, 왜냐하면 이들은 이와 같이 위에서 보면 직접적으로 볼 수 없기 때문이다. 픽셀들(270)은 픽셀 단위로 판독될 수 있다. 예를 들어, 하나의 픽셀(270)로부터의 신호는 그 픽셀(270)과 관련된 제어 회로(271) 내의 레지스터에 저장될 수 있고, 이러한 신호는 하나의 픽셀로부터 다음 픽셀로 연속적으로 이동될 수 있고, 궁극적으로 비아(630)를 통해 다른 처리 회로로 이동될 수 있다. 도 6g는 도 6f에서 보여지는 비아(630)에 연결되도록 배치되는 본딩 패드(640)의 위치를 예시하기 위해 도 6a에서의 광학 시스템(285)을 밑에서 본 밑면도를 보여준다. 본딩 패드들(640)은 층(619) 내에 매립된 와이어에 의해 연결되는 두 개의 부분들을 가질 수 있다.
도 7에서 도식적으로 보여지는 실시예에서, 감지기(251)는 재배선 층(729)을 갖는다. 재배선 층(729)은 복수의 비아들(710) 및 복수의 전송 라인들(720)을 가질 수 있다. 재배선 층(729)은 비아들(710) 및 전송 라인들(720) 둘레에 전기적으로 절연성인 물질들(예를 들어, 실리콘 산화물)을 가질 수 있다. 비아들(710)은 제어 회로(271)를 전송 라인들(720)에 전기적으로 연결한다. 재배선 층(729)은 또한, 전송 라인들(720)을 재배선 층(729)의 맞은편 상에 있는 본딩 패드들(740)에 전기적으로 연결하는 비아들(730)(예를 들어, 실리콘-관통 비아(TSV))을 가질 수 있다. 도 7에서 보여지는 이러한 구성은 본딩 패드들(740)이 탐침기들(257)로부터 떨어져 배치될 수 있게 한다.
다양한 실시형태들 및 실시예들이 본 명세서에서 설명되었지만, 다른 실시형태들 및 실시예들이 본 발명의 기술분야에서 숙련된 자들에게는 명백하게 될 것이다. 본 명세서에서 개시되는 다양한 실시형태들 및 실시예들은 예시적 목적으로 제공되는 것이지 한정의 의미로 의도된 것이 아니며 본 발명의 진정한 범위 및 사상은 아래의 청구항들에 의해 제시된다.

Claims (22)

  1. 장치로서, 상기 장치는,
    탐침기(probe)들을 갖도록 되어 있는 복수의 위치(location)들과, 여기서 상기 복수의 위치들에는 상기 탐침기들이 부착되어 있고, 상기 탐침기들과 피분석물(analyte) 간의 상호작용은 신호를 발생시키며;
    복수의 시준기(collimator)들을 포함하는 광학 시스템(optical system)과; 그리고
    상기 신호를 검출하도록 되어 있는 복수의 픽셀(pixel)들을 포함하는 감지기(sensor)를 포함하고,
    만약 광(light)의 전파 방향(propagation direction)이 상기 시준기들의 광축(optical axis)으로부터 벗어난 편차(deviation)가 임계치보다 크다면, 상기 시준기들은 상기 광이 통과하는 것을 본질적으로 막도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 감지기는 제어 회로를 포함하고, 상기 제어 회로는, 상기 픽셀들을 제어하도록 되어 있고, 또는 상기 픽셀들로부터 데이터를 획득하도록 되어 있고, 또는 상기 픽셀들로부터의 데이터를 처리하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 픽셀들은 상기 픽셀들 각각이 상기 위치들 중 하나 이상의 위치에 광학적으로 결합되도록 정렬되는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 픽셀들은 상기 시준기들에 의해 상기 위치들에 광학적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 신호는 발광(luminescence)인 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 신호는 여기 방사선(excitation radiation)의 여기(excitation) 하에서 발생되는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 광학 시스템은 또한 필터(filter)를 포함하고,
    상기 필터는 상기 여기 방사선의 적어도 일부를 차단(block)하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 필터는 이색성 필터(dichroic filter)인 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 광학 시스템은 또한 투과 층(transmissive layer)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 광학 시스템은 또한 복수의 마이크로렌즈(microlens)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 시준기들은 메타-물질(meta-material) 혹은 광결정(photonic crystal)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 시준기들은 상기 복수의 픽셀들 중 이웃하는 픽셀들 간의 광학적 상호-간섭(optical cross-talk)을 제거하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 시준기들 중 적어도 하나는 중심부(core)와, 그리고 상기 중심부를 둘러싸는 측벽(sidewall)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 신호는 여기 방사선의 여기 하에서 발생되고,
    상기 중심부는 상기 여기 방사선의 전파 방향에 상관없이 상기 여기 방사선이 통과하는 것을 본질적으로 막는 물질인 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 신호는 여기 방사선의 여기 하에서 발생되고,
    상기 중심부는 이색성 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 중심부는 상기 신호가 본질적으로 흡수됨이 없이 통과할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 중심부는 빈 공간(void space)인 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 측벽은 상기 측벽에 도달하는 상기 신호의 일부를 감쇠시키는 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 측벽은 임의의 질감(texture)을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 제7항에 있어서,
    상기 필터는 메타-물질 혹은 광결정을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 픽셀들은 배열(array) 형태로 정렬되고, 그리고 열(column) 단위로 판독되도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 픽셀들은 배열 형태로 정렬되고, 그리고 픽셀 단위로 판독되도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
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