KR20200044796A - 센서를 유체 재료와 인터페이스하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
표면 음향파-기반 센서에 사용하기 위한 다양한 액체 셀이 개시되어 있다. 센서는 기판, 적어도 하나의 센서 부재 및 적어도 한 쌍의 전기 부품을 포함할 수 있다. 전기 부품들은 센서 부재의 대향 단부들에 위치될 수 있다. 액체 셀은 전기 부품 쌍의 적어도 일부를 덮도록 구성되는 상부 층을 포함할 수 있다. 액체 셀은 또한 유체 채널을 포함할 수 있다. 유체 채널은 액체 매체를 수용하도록 구성될 수 있고, 전기 부품 쌍의 임의의 것과 교차하지 않도록 배치된다. 액체 셀은 또한 복수의 공기 포켓을 형성하도록 구성되는 복수의 주변 벽을 포함할 수 있다. 복수의 공기 포켓 각각은 액체 매체가 적어도 하나의 센서 부재와 접촉하는 것을 방지하기 위해 가상의 비-물리적인 벽을 형성하도록 구성된다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2017년 7월 7일자로 출원된 미국 가출원 번호 제62/529,945호를 우선권으로 주장하며, 전체 내용은 참조로 본원 명세서에 포함된다.
본 발명은 유체 시스템을 개발하기 위한 구조 및 방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는, 본 발명은 전기 누출을 제한 및/또는 방지하는 액체 매체에서 생화학적/생의학적 또는 진단 분석용 센서를 갖는 유체 시스템에 관한 것이다.
표면 음향파(Surface Acoustic Wave)("SAW") 기반 센서는 액체 매체에서 다양한 유형의 생화학적 분석을 측정하는데 사용될 수 있다. SAW 센서는 압전 기판, 입력 상호 디지털 변환기(input interdigitated transducer)("IDT") 및 출력 상호 디지털 변환기를 포함할 수 있다. 생화학적 또는 생의학적 분석을 위해 SAW 센서를 사용할 때, 액체가 센서 부재에 도입된다. 불행하게도, SAW 센서의 전기 부품(예를 들어, IDT)와의 액체 접촉은 센서 및/또는 센서 판독에 바람직하지 않은 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 예를 들어, 센서 응답의 임의의 손실 및/또는 왜곡을 제한하면서 전기 누출을 방지하기 위해, 대응하는 영역(예를 들어, 전기 부재 및 액체 매체) 사이의 원하지 않는 상호 작용을 방지하는 유체 시스템을 개발하는 것이 시급하다.
일 양태에서, 본 발명은 센서를 제공하되, 상기 센서는, 기판; 적어도 하나의 센서 유닛으로, 적어도 하나의 센서 유닛은 센서 부재, 적어도 하나의 센서 부재의 대향 단부들에 위치되는 전기 부품 쌍 및 기판 상에 배치되며 전기 부품 쌍 및 센서 부재의 적어도 일부를 둘러싸도록 구성되는 적어도 하나의 주변 벽을 포함하는, 적어도 하나의 센서 유닛; 및 적어도 하나의 주변 벽 위에 배치되는 상부 층을 포함함에 따라 각각의 전기 부품 위에 공기 포켓을 생성한다.
실시예에서, 센서는 SAW 센서 또는 BAW 센서일 수 있다.
실시예에서, 센서는 센서 부재의 일부 위에 유체 채널을 또한 포함할 수 있고, 유체 채널은 액체 매체를 수용하도록 구성된다.
실시예에서, 기판은 압전 재료일 수 있다.
실시예에서, 센서 부재는 적어도 하나의 분석물을 포획하도록 구성된 변형된 기판 표면을 포함할 수 있다.
실시예에서, 전기 부품 쌍은 상호 디지털 변환기를 포함할 수 있다.
실시예에서, 전기 부품 쌍 중 하나는 반사기를 포함할 수 있다.
실시예에서, 전기 부품 쌍 중 하나는 적어도 하나의 상호 디지털 변환기를 포함할 수 있다.
실시예에서, 센서 부재 및 전기 부품 쌍은 축선을 따라 정렬될 수 있다.
실시예에서, 액체 매체는 유체 채널의 제1 단부의 입구를 통해 유체 채널로 진입하고, 유체 채널의 제2 단부의 출구를 통해 유체 채널을 빠져나오도록 구성될 수 있다.
실시예에서, 적어도 하나의 주변 벽은 플라스틱 시트, 양면 테이프, 사출 성형 재료 및 개스킷 중 어느 하나로 형성된다.
실시예에서, 전기 부품 위의 공기 포켓의 두께는 대략 0.1 μm 내지 대략 1 mm일 수 있다.
일 양태에서, 본 발명은 센서 상의 유체 매체로부터 전기 부품을 격리하는 방법을 제공하며, 상기 방법은, 기판 상에 전기 부품을 둘러싸는 적어도 하나의 주변 벽을 제공하는 단계; 및 전기 부품 위에 공기 포켓을 형성하도록 주변 벽의 상부에 상부 층을 제공하는 단계를 포함한다.
실시예에서, 가상 벽은 액체 매체와 공기 포켓의 인터페이스에 형성되며, 액체 매체와 공기 포켓 사이의 압력 차이에 의해 획정된다.
실시예에서, 가상 벽은 압력 차이가 0보다 클 때 생성되고 유지되도록 구성될 수 있다.
생화학적 분석을 위해 센서 부재를 도입된 액체 매체와 인터페이스하는 액체 셀이 개시되어 있다. 액체 셀은 공기 포켓을 사용하여 음향파 경로 및 센서 부재를 격리시키도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 공기 포켓은 물리적인 벽을 사용하지 않고 생성된다. 일부 실시예들에서, 비-물리적인 벽은 공기-액체 가상 벽이다.
일부 실시예들에서, 기판, 적어도 하나의 센서 유닛 및 상부 층을 포함하는 센서가 개시되어 있다. 일부 실시예들에서, 각각의 센서 유닛은, 센서 부재, 하나의 센서 부재의 대향 단부들에 위치된 전기 부품 쌍, 및 기판 상에 배치되고 전기 부품 쌍 및 센서 부재의 적어도 일부를 둘러싸도록 구성되는 적어도 하나의 주변 벽을 포함한다. 일부 실시예들에서, 상부 층은 적어도 하나의 주변 벽 위에 배치됨에 따라, 각각의 전기 부품 위에 공기 포켓을 생성한다.
다른 실시예들에서, 센서는 사운드 음향파(Sound Acoustic Wave)(SAW) 센서이다. 다른 실시예들에서, 센서는 벌크 음향파(Bulk Acoustic Wave)(BAW) 센서이다. 다른 실시예들에서, 센서는 센서 부재의 일부 위에 유체 채널을 또한 포함하며, 유체 채널은 액체 매체를 수용하도록 구성된다. 다른 실시예들에서, 기판은 압전 재료를 포함한다. 다른 실시예들에서, 센서 부재는 적어도 하나의 분석물을 포획하도록 구성된 변형된 기판 표면을 포함한다. 다른 실시예들에서, 전기 부품 쌍 중 하나는 상호 디지털 변환기를 포함한다. 다른 실시예들에서, 전기 부품 쌍 중 하나는 반사기를 포함한다. 다른 실시예들에서, 적어도 한 쌍의 전기 부품 중 하나는 적어도 하나의 상호 디지털 변환기를 포함한다. 다른 실시예들에서, 센서 부재 및 전기 부품 쌍은 축선을 따라 정렬된다. 다른 실시예들에서, 액체 매체는 유체 채널의 제1 단부의 입구를 통해 유체 채널로 진입하고, 유체 채널의 제2 단부의 출구를 통해 유체 채널을 빠져나오도록 구성된다. 다른 실시예들에서, 적어도 하나의 주변 벽은 플라스틱 시트, 양면 테이프, 사출 성형 재료 및 개스킷 중 어느 하나로 형성된다. 다른 실시예들에서, 전기 부품 위의 공기 포켓의 두께는 대략 0.1 μm 내지 대략 1 mm이다.
일부 실시예들에서, 센서 상의 유체 매체로부터 전기 부품을 격리시키는 방법이 개시되어 있다. 일부 실시예들에서, 상기 방법은 기판 상에 적어도 하나의 주변 벽을 제공하는 단계를 포함하며, 적어도 하나의 주변 벽은 전기 부품들을 둘러싼다. 일부 실시예들에서, 상기 방법은 전기 부품 위에 공기 포켓을 생성하도록 주변 벽의 상부에 상부 층을 제공하는 단계를 포함한다.
다른 실시예들에서, 상기 방법은 액체 매체와 공기 포켓의 인터페이스에 형성되며, 액체 매체와 공기 포켓 사이의 압력 차이에 의해 획정되는 가상 벽을 포함한다. 다른 실시예들에서, 가상 벽은 압력 차이가 0보다 클 때 생성되고 유지되도록 구성된다.
"상부", "하부", "수평", "수직", "종방향", "측면" 및 "단부"와 같은 본원 명세서에 사용된 배향의 용어는 도시된 실시예의 맥락에서 사용된다. 그러나, 본 발명은 예시된 배향으로 제한되지 않아야 한다. 실제로, 다른 배향이 가능하며 본 발명의 범위 내에 있다. 직경 또는 반경과 같이, 본원 명세서에 사용된 원형과 관련된 용어는 완전한 원형 구조를 요구하는 것이 아니라, 좌우로부터 측정될 수 있는 단면적을 갖는 임의의 적합한 구조에 적용되어야 한다. 일반적으로, "원형" 또는 "원통형" 또는 "반-원형" 또는 "반-원통형" 또는 임의의 관련 또는 유사한 용어와 같이, 형상과 관련된 용어는 원 또는 실린더 또는 기타 구조의 수학적 정의를 엄격하게 준수할 필요는 없지만, 근사치에 가까운 구조를 포함할 수 있다.
달리 언급되지 않거나 사용된 문맥 내에서 달리 이해되지 않는 한, "할 수 있는(can)", "할 수 있는(could)", "할 수 있는(might)" 또는 "할 수 있는(may)"과 같은 조건부 언어는 일반적으로 특정 실시예들, 특정 구성, 부재 및/또는 단계를 포함하거나 포함하지 않는 것을 전달하도록 의도된다. 따라서, 이러한 조건부 언어는 일반적으로 구성, 부재 및/또는 단계가 어떤 방식으로든 하나 이상의 실시예에 요구된다는 것을 암시하도록 의도되지 않는다.
달리 구체적으로 언급되지 않는 한, "X, Y 및 Z 중 적어도 하나"라는 문구와 같은 결합 언어는 일반적으로 항목, 용어 등이 X, Y 또는 Z일 수 있다는 것을 전달하기 위해 사용되는 문맥으로 이해된다. 따라서, 이러한 결합 언어는 일반적으로 특정 실시예들이 X 중 적어도 하나, Y 중 적어도 하나 및 Z 중 적어도 하나의 존재를 필요로 함을 의미하지는 않는다.
본원 명세서에 사용된 "대략(approximately)", "약(about)" 및 "실질적으로"라는 용어는 여전히 소망하는 기능을 수행하거나 소망하는 결과를 달성하는 언급된 양에 가까운 양을 나타낸다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 문맥이 지시할 수 있는 바와 같이, "대략", "약" 및 "실질적으로"라는 용어는 언급된 양의 10% 이하 내에 있는 양을 지칭할 수 있다. 본원 명세서에 사용된 용어 "일반적으로"는 특정 값, 양 또는 특성을 주로 포함하거나 이러한 경향이 있는 값, 양 또는 특성을 나타낸다. 예로서, 특정 실시예들에서, 문맥이 지시할 수 있는 바와 같이, "일반적으로 평행한"이라는 용어는 정확히 평행한 것으로부터 20도 이하만큼 이격된 것을 지칭할 수 있다.
달리 명시되지 않는 한, "a" 또는 "an"과 같은 관사는 일반적으로 하나 이상의 설명된 항목을 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 따라서, "~로 구성되는 장치"등의 어구는 하나 또는 그 이상의 인용된 장치를 포함하도록 의도된다. 이러한 하나 이상의 인용된 장치는 또한 언급된 설명을 수행하도록 집합적으로 구성될 수 있다. 예를 들어, "설명 A, B 및 C를 수행하도록 구성된 프로세서"는 설명 B 및 C를 수행하도록 구성된 제2 프로세서와 함께 작동하는, 설명 A를 수행하도록 구성된 제1 프로세서를 포함할 수 있다.
"포함하는(comprising)", "포함하는(including)", "갖는(having)" 등의 용어는 동의어이며, 총괄하여 개방형 방식으로 사용되며, 추가 부재, 구성, 행위, 작동 등을 배제하지 않는다. 마찬가지로, "일부", "특정한" 등의 용어는 동의어이며 개방형 방식으로 사용된다. 또한, "또는"이라는 용어는 포괄적인 의미로 사용되므로(그리고 배타적인 의미로 사용되지 않음), 예를 들어, 부재 목록을 연결하기 위해 사용될 때 "또는"이라는 용어는 목록에서 하나, 일부 또는 전부의 부재를 의미한다.
본원 명세서에 제공된 범위는 범위 내의 모든 값에 대한 약칭인 것으로 이해된다. 예를 들어, 1 내지 50의 범위는 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49 또는 50으로 이루어진 그룹으로부터의 임의의 수, 수의 조합 또는 서브-범위를 포함하는 것으로 이해되고, 물론 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8 및 1.9와 같이 위에서 언급된 정수들 사이의 모든 중간 10 진수 값을 포함한다. 서브-범위와 관련하여, 범위의 어느 하나의 끝점으로부터 연장되는 "중첩된 서브-범위"가 구체적으로 고려된다. 예를 들어, 1 내지 50의 예시적인 범위의 중첩된 서브-범위는 한 방향으로 1 내지 10, 1 내지 20, 1 내지 30, 및 1 내지 40을 포함하거나 또는 반대 방향으로 50 내지 40, 50 내지 30, 50 내지 20 및 50 내지 10을 포함할 수 있다.
전체적으로, 청구 범위의 언어는 청구 범위에 사용된 언어에 기초하여 광범위하게 해석되어야 한다. 청구 범위의 언어는 본원 명세서에서 예시되고 기술되거나 또는 출원의 추진 동안에 논의되는 비-배타적인 실시예들 및 예들에 제한되지 않아야 한다.
다양한 실시예들이 예시적인 목적을 위해 첨부 도면에 도시되어 있으며, 실시예들의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 또한, 상이한 개시된 실시예들의 다양한 구성이 조합되어 본 발명의 일부인 추가 실시예들을 형성할 수 있다.
도 1a는 유체와 전기 부품 사이의 원하지 않는 상호 작용을 방지하기 위해 센서 부재 및 전기 부품들이 절연체(예를 들어, 비부식성 실리콘 고무, 이산화규소 층, 공기 캐비티)로 덮인 종래 기술 센서의 평면도이다.
도 1b는 유체와 전기 부품들 사이의 원하지 않는 상호 작용을 방지하기 위해 센서 부재 주위에 액체 셀을 밀봉함으로써 센서 부재 및 전기 부품들이 분리되는 다른 종래 기술의 센서의 평면도이다.
도 2a는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 입력 및 출력 상호 디지털 변환기 쌍을 포함하는 액체 셀의 평면도이다.
도 2b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 입력 상호 디지털 변환기 및 반사기 쌍을 포함하는 도 2a의 액체 셀의 평면도이다.
도 3a 및 도 3b는 예를 들어, 도 2a 및 도 2b에 도시된 액체 셀의 예시적인 실시예에서 가상 벽 및 가상 벽에 가해지는 압력의 개략적인 도면이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 상호 디지털 변환기 및/또는 반사기 및 공기 포켓의 위치를 도시하는 액체 셀의 단면도이다.
도 5a 및 도 5b는 공기 포켓이 예를 들어, 양면 테이프(예를 들어, 도 5a) 또는 개스킷(예를 들어, 도 5b)을 사용하여 형성될 수 있는 도 4의 액체 셀의 예시적인 실시예의 단면도이다.
도 6a 및 도 6b는 액체 셀에 형성된 유체 채널이 다양한 형상 및/또는 경로를 갖도록 상부 층에 의해 획정될 수 있는 본 발명에 따른 액체 셀의 예시적인 실시예의 평면도이다.
도 7은 양면 테이프에 의해 생성된 공기 포켓을 갖는 표면 음향파 장치를 형성하는 본 발명에 따른 액체 셀의 예시적인 실시예의 사진이다.
도 1b는 유체와 전기 부품들 사이의 원하지 않는 상호 작용을 방지하기 위해 센서 부재 주위에 액체 셀을 밀봉함으로써 센서 부재 및 전기 부품들이 분리되는 다른 종래 기술의 센서의 평면도이다.
도 2a는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 입력 및 출력 상호 디지털 변환기 쌍을 포함하는 액체 셀의 평면도이다.
도 2b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 입력 상호 디지털 변환기 및 반사기 쌍을 포함하는 도 2a의 액체 셀의 평면도이다.
도 3a 및 도 3b는 예를 들어, 도 2a 및 도 2b에 도시된 액체 셀의 예시적인 실시예에서 가상 벽 및 가상 벽에 가해지는 압력의 개략적인 도면이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 상호 디지털 변환기 및/또는 반사기 및 공기 포켓의 위치를 도시하는 액체 셀의 단면도이다.
도 5a 및 도 5b는 공기 포켓이 예를 들어, 양면 테이프(예를 들어, 도 5a) 또는 개스킷(예를 들어, 도 5b)을 사용하여 형성될 수 있는 도 4의 액체 셀의 예시적인 실시예의 단면도이다.
도 6a 및 도 6b는 액체 셀에 형성된 유체 채널이 다양한 형상 및/또는 경로를 갖도록 상부 층에 의해 획정될 수 있는 본 발명에 따른 액체 셀의 예시적인 실시예의 평면도이다.
도 7은 양면 테이프에 의해 생성된 공기 포켓을 갖는 표면 음향파 장치를 형성하는 본 발명에 따른 액체 셀의 예시적인 실시예의 사진이다.
본 발명은 적어도 부분적으로, 하나 이상의 가상 벽(예를 들어, 공기-액체 가상 벽)이 액체 셀(들)에 통합될 수 있고, 사운드 음향파("SAW") 응답을 크게 변경/분열시키지 않으면서 액체(예를 들어, 화학적 샘플, 생물학적 샘플 등)가 SAW 센서 전기 부재 또는 상호 디지털 변환기("IDT") 또는 반사기와 인터페이스하는 것을 가능하게 하는 발견에 기초한다. 예를 들어, 액체 셀은 음향파 경로 상의 공기 포켓에 의해 전기 부재들(예를 들어, IDT 및/또는 반사기)로부터 액체를 격리시킬 수 있다. 종래의 센서와 달리, 음향파 경로에는 물리적인 벽이 없다.
하나 이상의 소망하는 개선을 달성하도록 사용될 수 있는 다양한 예를 설명하기 위해 다양한 액체 셀 어셈블리 및 제조 방법이 개시되어 있다. 설명을 위해, 특히, 액체 매체를 사용하는 생화학적 분석에 대한 특정 실시예들이 개시되어 있다. 그러나, 본원 명세서의 기술은 다른 상황에서도 사용될 수 있다. 실제로, 설명된 실시예들은 단지 예일 뿐이며, 제시된 일반적인 개시 및 본 발명의 다양한 양태 및 구성을 제한하려는 것이 아니다. 본원 명세서에 기술된 일반적인 원리는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 본원 명세서에 논의된 것 이외의 실시예들 및 응용에 적용될 수 있다. 본 개시는 본원 명세서에 개시되거나 제안된 원리 및 구성과 일치하는 가장 넓은 범위에 따라야 한다.
개요
표면 음향파("SAW") 기반 센서는 액체 매체에서 다양한 유형의 생화학적 감지 및 분석을 수행하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 전단 수평 SAW 센서("SH-SAW"), 유도 SH-SAW 센서(러브파 장치라고도 함) 및 도파관이 없는 SAW 센서를 포함하는 다양한 SAW 장치가 개발되었다.
도 1a 및 도 1b는 각각 종래 기술 센서(1) 및 종래 기술 센서(5)를 도시한다. 종래 기술 센서는 압전 기판(도시되지 않음), 기판의 표면의 일 측면에 있는 입력 상호 디지털 변환기("IDT")(40a), 기판의 표면의 다른 측면에 있는 출력 IDT(40b), 및 IDT들에 전기 신호를 제공하는 전기 접점(60)을 포함할 수 있다. 표면 음향파가 전파될 입력 및 출력 IDT(40a 및 40b) 사이의 공간은 지연-선으로 알려져 있다. 센서 부재(30)는 지연-선을 따라 압전 기판의 표면에 위치된다.
입력 IDT(40a)는 전기 신호를 음향 기계파로 변환한다. 상기 음향 기계파는 압전 기판의 표면을 가로질러 전파되도록 구성된다. 음향파가 출력 IDT(40b)에 도달하면, 음향파는 전기 신호로 다시 변환된다. 지연-선에서 물리적(예컨대, 온도) 또는 화학적(예컨대, 질량 또는 점도) 변화가 발생하면, 이는 음향파 전파에 영향을 줄 수 있다. 음향파 전파의 변화는 예를 들어 진폭, 위상, 주파수 및/또는 시간-지연의 관점에서 입력 및 출력 전기 신호의 변동을 검출함으로써 측정될 수 있다.
액체 매체에서 생화학적 분석을 위해 SAW 센서를 사용할 때 발생하는 문제는 신뢰할 수 있는 유체 시스템의 개발이다. 임의의 전기 누출을 방지하기 위해 액체 매체로부터 IDT들이 올바르게 밀봉되거나 격리되어야 한다. 유체로부터 IDT와 전기 접점을 격리하기 위한 여러 가지 접근 방식이 개발되었다. 도 1a는 종래 기술 센서(1)가 플로우 셀(20), 센서 부재(30) 및 전기 접점(60)을 포함하는 접근법을 도시한다. 종래 기술 센서(1)의 전기 접점(60) 및 입력 IDT(40a) 및 출력 IDT(40b)는 절연체(50)로 덮여있다. 절연체(50)는 비부식성 실리콘 고무, 이산화규소 층 또는 공기 캐비티와 같은 다양한 재료로 제조될 수 있다. 종래 기술 센서(1)는 액체가 센서(1)를 통해 유동할 수 있도록 입구(10) 및 출구(12)를 갖는 상부 층(70)을 포함할 수 있다. 유체가 센서 부재(30) 상으로 도입될 때, 절연체(50)는 유체와 전기 접점(60)/IDT(40a, 40b) 사이의 물리적 장벽으로서 기능한다.
도 1b는 액체 매체와 전기 부재들 사이의 상호 작용을 제한하기 위한 다른 접근법을 도시한다. 도 1b의 종래 기술 센서(5)에서, 플로우 셀(20)은 센서 부재(30) 위에 유체 채널을 생성하도록 압전 기판의 상부에 배치된다. 플로우 셀(20)은 IDT 및 센서 부재를 분리하는 벽을 가지며, 일반적으로 고무 실을 사용하여 기판에 밀봉된다. 유체는 플로우 셀(20)의 상부 층(70)의 입구(10) 내로 도입되고, 입력 IDT(40a)와 출력 IDT(40b) 사이의 영역에 한정된다. 플로우 셀(20)은 액체가 IDT(40a 및 40b) 및 전기 접점(60)에 노출되지 않고 센서 부재(30)와 접촉하는 것을 가능하게 한다. 이어서, 유체는 플로우 셀(20)의 상부 층(70)에 위치된 출구(12)로부터 제거될 수 있다.
전술한 예들(예를 들어, 종래 기술 센서(1) 및 종래 기술 센서(5))에서, 두 센서는 IDT와 센서 부재 사이에 물리적인 벽을 갖는다. 불리하게도, 벽이 장치 표면에 눌려지면, 음향파가 방해되거나 교란되어 센서 응답의 전체 손실 및 왜곡이 상당히 증가될 수 있다. 따라서, 이들 SAW-기반 장치의 능력을 최대화하기 위해, 센서 부재를 가로질러 전파되는 음향 신호가 음향 신호에 의해 방해받지 않는 것을 보장하면서 액체 매체로부터 전기 부재들을 보호하는 구조로 센서가 설계되어야 한다.
센서 응답을 크게 방해하지 않으면서 액체가 SAW 센서 부재와 인터페이스할 수 있게 하는 액체 셀의 실시예들이 본원 명세서에 개시되어 있다. 액체 셀은 공기 포켓으로 음향파 경로 및 전기 부재들(예를 들어, IDT들 및/또는 반사기)을 격리시킨다. 일부 실시예들에서, 이들 공기 포켓은 공기-액체 가상 벽을 사용함으로써 생성된다. 종래의 센서와 달리, 음향파 경로를 따르는 물리적인 벽이 없다.
도 2a 및 도 2b는 액체 셀(100) 인터페이스를 갖는 SAW 센서의 2개의 예시적인 실시예를 도시한다. 이하에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 액체 셀(100)은 센서 기판(182) 상에 배치된 주변 벽(180)을 갖는 밀봉 부재(210a 및 210b)를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 센서 기판은 압전 또는 금속 도파관이다. 액체 셀(100)의 주변 벽(180)은 음향파 경로 및 전기 부재들(예를 들어, 140a 및 140b와 같은 IDT들 및 반사기(190))을 모두 둘러쌀 수 있다. 상부 플레이트는 입구(110) 및 출구(112) 주변 벽(210a 및 210b)을 갖는 육각형 패턴화된 영역 위에 위치하도록 구성될 수 있고, 액체 재료가 액체 셀(100) 내로 도입되거나 액체 셀(100)로부터 제거될 수 있도록 적어도 하나의 개구를 제공한다. 개구들(110 및 112)은 임의의 형상일 수 있으며, 센서 부재(130) 바로 위 또는 센서 부재(130)의 측면에 위치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 전기 부재들(예를 들어, IDT들 및 반사기) 사이의 전체 영역은 액체 재료가 도입될 때 공기로 캡핑된다. 이하에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 개시된 액체 셀(100)의 구성은 액체 샘플이 개구로부터 액체 셀(100) 내로 도입될 때 압력이 발생되도록 하여 감지 영역 내로 도입된 액체로부터 전기 부재들(예를 들어, IDT들 및 반사기)을 격리시킬 수 있는 공기-액체 가상 벽이 형성된다.
액체 셀 개요
도 2a 및 도 2b는 액체 셀(100)의 2개의 실시예들의 평면도이다. 도 2a 및 도 2b에서 액체 셀(100 및 105)의 두 실시예에서 각각 도시된 바와 같이, 액체 셀(100) 및 액체 셀(105)은 센서의 베이스로서 기능하고 복수의 부재(예컨대, 센서 부재, 전기 부재 등)를 지지하는 장치 기판(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 장치 기판은 압전 재료를 포함한다.
장치 기판의 표면에는 복수의 부재가 제공될 수 있다. 예를 들어, 도 2a 및 도 2b에 각각 도시된 바와 같이, 액체 셀(100) 및 액체 셀(105)은 기판(111)의 표면(도 2a의 빗금친 영역 참조) 상에 제공된 복수의 센서 부재(120 및 130)를 포함할 수 있다. 도 2a에 도시된 센서는 각각의 센서 부재(130)의 대향 측면 상에 있는 입력 변환기(140a)와 출력 변환기(140b), 및 입력 변환기(140a)와 출력 변환기(140b)에 결합된 전기 접점(160)을 포함한다.
도 2b에 도시된 센서는 각각의 센서 부재(130)의 일 측면에 있는 입력 변환기(140a) 및 센서 부재(130)의 다른 측면에 있는 반사기(190)를 포함한다. 변환기는 전기 접점(160)에 결합된다. 전기 접점(160)은 전기 신호를 음파로 변환하도록 구성된 입력 변환기(140a) 및 출력 변환기(140b)에 전기 신호를 전달하도록 구성된다. 액체 셀(100) 및 액체 셀(105)이 2개의 센서 부재(130)로 도시되어 있지만, 개시된 액체 셀은 임의의 수의 센서 부재(130)(예를 들어, 1개, 2개, 3개, 4개, 5개 등)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 센서 부재(130)는 장치 기판의 표면에서 센터링될 수 있다. 일부 실시예들에서, 센서 부재(130)는 중심을 벗어난 구성을 가질 수 있다. 센서 부재(130)는 음파 전파의 경로를 따라 제공된다.
위에서 논의된 바와 같이, 센서 부재(130)는 입력 변환기(140a)로부터 출력 변환기(140b)로 신호를 전파하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 센서 부재(130)는 표면-음향파-기반 센서이다. 센서 부재(130)는 1 mm 내지 20 mm 사이의 길이를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 센서 부재(130)는 1 mm 미만, 1 mm - 2 mm, 2 mm - 3 mm, 3 mm - 4 mm, 4 mm - 5 mm, 5 mm - 6 mm, 6 mm - 7 mm, 7 mm - 8 mm, 8 mm - 9 mm, 9 mm - 10 mm, 10 mm - 11 mm, 11 mm - 12 mm, 12 mm - 13 mm , 13 mm - 14 mm, 14 mm - 15 mm, 15 mm - 16 mm, 16 mm - 17 mm, 17 mm - 18 mm, 18 mm - 19 mm, 19 mm - 20 mm 사이, 또는 20 mm를 초과하는 길이를 가질 수 있다. 일부 예들에서, 센서 부재(130)는 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm, 6 mm, 7 mm, 8 mm, 9 mm, 10 mm, 11 mm, 12 mm, 13 mm, 14 mm, 15 mm, 16 mm, 17 mm, 18 mm, 19 mm 또는 20 mm의 길이를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 센서 부재(130)는 생물학적 또는 화학적 층에 포함될 수 있다. 일부 예들에서, 생물학적 또는 화학적 층은 생체 재료 및/또는 화학적 검출을 제공하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 센서 부재(130)는 벌크 음향파 ("BAW") 센서이다. BAW 센서는 2개의 전극 사이에 샌드위치된 하나 이상의 압전 재료로 구성된 장치이다. 전극은 압전 재료 상에 대안적인 전기적인 필드를 인가하여 BAW 파를 생성할 수 있는 약간의 응력을 생성한다. 일부 예들에서, BAW 센서는 높고 낮은 음향 임피던스를 갖는 층(예를 들어, 브래그(Bragg) 반사기)을 포함하고, 이들 층은 현수된다. 액체 또는 가스용 BAW 센서는 BAW 센서의 표면과 상호 작용하는 모든 것이 공진 주파수를 변경한다는 점에서 작동한다. 공진 주파수를 추적 및 디코딩함으로써(예를 들어, 주파수 또는 위상을 측정함으로써), 센서의 표면에 부착된 입자의 질량 로딩 및 점도가 측정될 수 있다. 일부 예들에서, BAW 센서는 예를 들어, ALN, PZT, 석영, LiNbO3, 랑가사이트 등과 같은 재료를 포함하는 압전 기판을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, BAW 센서는 금, 알루미늄, 구리 등과 같은 재료를 포함하는 전극을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, BAW 센서는 높은 또는 낮은 음향 임피던스 재료를 포함하는 브래그 반사기를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, BAW 센서는 분석물과 상호 작용하기 위한 층을 포함할 수 있다. 상기 층은 생물 활성 층일 수 있고, 항체 또는 항원을 포함할 수 있으며, 가스에 민감할 수 있고, 팔라듐 등을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, BAW 센서는 음향파를 전파하도록 구성된 임의의 재료를 포함할 수 있다.
복수의 입력 변환기(140a) 및 출력 변환기(140b) 옆으로 돌아보면, 일부 예들에서, 한 쌍의 입력 변환기(140a) 및 출력 변환기(140b)는 센서 부재(130)와 동일한 축선을 따라 정렬된다. 일부 실시예들에서, 입력 변환기(140a)는 센서 부재(130)의 일 측면에 제공되며, 반사기(190)는 센서 부재(130)의 대향 측면에 제공된다(예를 들어, 도 2b 참조). 음파는 입력 변환기(140a)로부터 센서 부재(130)를 가로질러 반사기(190)를 향해 이동하고, 변환기(140a)로 다시 반사되어 분석을 위해 전기 신호로 다시 변환된다.
일부 실시예들에서, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 전기 부재 쌍(예를 들어, 입력 변환기(140a) 및 출력 변환기(140b)) 중 적어도 하나는 전기 접점(160)에 인접하게 배치될 수 있다. 도 2a에 도시된 예시적인 실시예에 도시된 바와 같이, 전기 부재 쌍은 입력 변환기(140a) 및 출력 변환기(140b) 쌍일 수 있다. 도 2a의 2개의 전기 부재는 입력 변환기(140a) 및 출력 변환기(140b)이므로, 입력 변환기(140a)와 출력 변환기(140b) 모두는 전기 접점(160)에 인접하게 배치된다. 도 2b에 도시된 예시적인 실시예에서, 전기 부재 쌍 중 하나는 입력 변환기(140a)이고 전기 부재 쌍 중 다른 것은 반사기(190)이다. 도 2b에 도시된 예에서, 전기 접점(160)은 입력 변환기(140a)에 전력을 제공하기 위해 입력 변환기(140a)에 인접하게 배치된다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 상부 층(170)(예를 들어, Li2TaO3 결정 영역/구역)은 액체 매체가 센서 부재 바로 위에 삽입될 수 있도록 센서 부재(130)의 중심 위에 위치된 브레이크(break)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 상부 층(170)은 입구 또는 출구를 포함하지 않는다. 일부 실시예들에서, 상부 층(170)은 액체 매체가 유체 채널(120)을 통해 유동하게 하도록 구성된 입구(110) 및 출구(112)를 포함한다. 이하에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 액체 매체가 유체 채널(120) 내로 도입될 때 액체 매체가 전기 부재들과 접촉하는 것을 방지하는 공기-액체 가상 벽이 형성될 수 있다. 일부 예들에서, 형성된 공기-액체 가상 벽은 매우 얇을 수 있고, 약 200 ㎛ 이상일 수 있다. 일부 실시예들에서, 플로우 셀(100) 및 플로우 셀(105)은 장치 기판(도시되지 않음), 전기 부재들(예를 들어, (예컨대, 플로우 셀(100)에 도시된) 한 쌍의 입력 변환기(140a) 및 출력 변환기(140b) 또는 (예컨대, 플로우 셀(105)에 도시된) 입력 변환기(140a) 및 반사기(190)), 및 센서 부재(130)의 적어도 일부 위에 배치된 상부 층(170)을 포함할 수 있다.
상부 층(170)은 폴리카보네이트, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리염화비닐, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리메틸 메타 크릴레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌 등과 같은 플라스틱 재료로 구성 될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상부 층(170)은 유리, 석영 등과 같은 재료로 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상부 층(170)은 0.1 mm 내지 2 cm 사이의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 상부 층(170)은 0.1 mm 미만, 0.1 mm 내지 0.2 mm, 0.2 mm - 0.4 mm, 0.4 mm - 0.6 mm, 0.6 mm - 0.8 mm, 0.8 mm - 1.0 mm, 1.0 mm - 1.2 mm, 1.2 mm - 1.4 mm, 1.4 mm - 1.6 mm, 1.6 mm - 1.8 mm, 1.8 mm - 2.0 mm 사이 또는 2.0 mm를 초과하는 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 상부 층은 0.1 mm, 0.2 mm, 0.3 mm, 0.4 mm, 0.5 mm, 0.6 mm, 0.7 mm, 0.8 mm, 0.9 mm, 1.0 mm, 1.1 mm, 1.2 mm, 1.3 mm, 1.4 mm, 1.5 mm, 1.6 mm, 1.7 mm, 1.8 mm, 1.9 mm 또는 2.0 mm 중 어느 하나일 수 있다. 일부 실시예들에서, 상부 층(170)은 사출 성형될 수 있다.
일부 예들에서, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 플로우 셀(100)은 분석을 위해 유체 매체를 수용하도록 구성된 유체 채널(120)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 유체 채널(120)은 복수의 전기 부재 및 센서 부재(130)와 평행하지 않다. 다른 실시예들(도시되지 않음)에서, 유체 채널(120)은 상부 층(170)의 개구로부터 형성되어서, 유체 채널(120)(예를 들어, 상부 층(170)의 브레이크)이 100의 복수의 센서 부재(130)의 일부를 노출시킨다. 일부 실시예들에서, 유체 채널(120)은 2mm의 폭 또는 10mm의 길이를 가질 수 있다. 일부 예들에서, 유체 채널(120)은 플로우 셀(100)의 감지 영역을 획정하도록 구성된다.
플로우 셀(100 및/또는 105) 내로 액체 매체를 도입하기 위해, 플로우 셀(100 및/또는 105)은 입구(110) 및 출구(112)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 입구(110) 및 출구(112)는 상부 층(170)에 형성될 수 있다. 입구(110) 및 출구(112)는 복수의 센서 부재(130)의 일부 위로 연장되는 유체 채널(120)의 대향 단부에 위치될 수 있다.
액체 셀(100) 및 액체 셀(105)은 공기 포켓(182)을 형성하도록 주변 벽(180)을 포함할 수 있어서, 복수의 전기 부재(예를 들어, 플로우 셀(100)에 배치된 바와 같이, 입력 변환기(140a) 및 출력 변환기(140b) 쌍 또는 플로우 셀(105)에 배치된 바와 같이, 입력 변환기(140a) 및 반사기(190))와 액체 매체 사이에 공기-액체 가상 벽이 형성되고, 액체 매체는 전기 부재들(예를 들어, 플로우 셀(100)에 배치된 바와 같이, 입력 변환기(140a) 및 출력 변환기(140b) 쌍 또는 플로우 셀(105)에 배치된 바와 같이, 한 쌍의 입력 변환기(140a) 및 반사기(190))과 접촉하지 않는다. 공기-액체 가상 벽의 형성에 관한 논의는 아래에 더 상세하게 제공된다.
주변 벽(180)은 다양한 구성을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 액체 셀(100 및/또는 105)은 각각의 전기 부재(160)의 외부를 따라 그리고 각각의 전기 부재(160) 사이로 이어지는 복수의 평행한 주변 벽(180)을 포함할 수 있다. 액체 셀(105)은 또한 수직하는 주변 벽(180)이 복수의 평행한 주변 벽(180) 각각에 연결되도록 전기 부재(160)의 일부를 가로질러 연장되는 수직하는 주변 벽(180)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 주변 벽(180)은 1㎛ 내지 1mm 사이의 두께를 갖는다. 일부 실시예들에서, 주변 벽(180)의 두께는 1 μm 미만, 1 μm - 50 μm, 50 μm - 100 μm, 100 μm - 150 μm, 150 μm - 200 μm, 200 μm - 250 μm, 250 μm - 300 μm, 300 μm - 350 μm, 350 μm - 400 μm, 400 μm - 450 μm, 450 μm - 500 μm, 500 μm - 550 μm, 550 μm - 600 μm, 600 μm - 650 μm, 650 μm - 700 μm, 700 μm - 750 μm, 750 μm - 800 μm, 800 μm - 850 μm, 850 μm - 900 μm, 900 μm - 950 μm, 950 μm - 1 mm 사이 또는 1 mm를 초과한다. 일부 예들에서, 주변 벽(180)의 두께는 1 μm, 50 μm, 100 μm, 150 μm, 200 μm, 250 μm, 300 μm, 350 μm, 400 μm, 450 μm, 500 μm, 550 μm, 600 μm, 650 μm, 700 μm, 750 μm, 800 μm, 850 μm, 900 μm, 950 μm 또는 1 mm이다. 일부 실시예들에서, 주변 벽(180)의 두께는 포토-패턴 가능 재료(예를 들어, 포토 레지스트), 양면 테이프, 3-D 인쇄 재료 등을 사용하여 제조될 수 있다.
가상 벽 개요
전술한 바와 같이, 개시된 액체 셀은 액체 매체가 전기 부재들과 접촉하는 것을 방지하기 위해 공기-액체 가상 벽을 포함할 수 있다. 도 3a 및 도 3b는 공기-액체 가상 벽(184)을 형성하기 위해 인가된 다양한 압력을 도시한다. 도 3a는 2개의 가상 벽(184) 사이의 유체 채널(120)을 도시하고, 도 3b는 142 및 170의 물리적인 벽 사이에 형성된 가상 벽(184)의 단면 및 다양하게 인가된 압력을 도시한다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 공기-액체 가상 벽(184)을 형성하기 위해 다수의 압력이 액체 셀 내에 인가된다. 다양한 압력은, 예컨대,
Patm = 유체 입구로부터 인가된 대기압,
Pw = 채널 영역에서 액체의 질량 중량, 이는 매우 작으며 일반적으로 미세 유체 채널의 액체에 대해서는 무시할 수 있음,
Pf = 유체 채널과 출구 사이의 압력 차이,
Pg = 공기 챔버 내의 공기압, 및
Ps = 액체-공기 인터페이스를 가로질러 발생하는 표면 압력을 포함한다.
전술한 압력을 고려하여, 가상 벽(184)은 임계 압력(ΔPc)을 사용하여 결정된다. 임계 압력(ΔPc)은 가상 벽의 공기 측(Pg + Ps)과 액체 측(Patm + Pw + Pf) 사이의 압력 차이 식 [1]로 정의된다.
식 [1] t.Pc = (Pg + Ps) - (Patm + Pw + Pf)
공기압(Pg)은 이상 기체 법칙을 사용하여 계산될 수 있다. 밀봉된 공기 챔버(V1의 본래 체적으로 공기-액체 가상 벽에 의해 생성됨)가 압축되면, 챔버의 체적이 감소하고 평형(V2)에 도달한다. 밀봉된 챔버 내부의 평형 공기압(Pg)은 이하의 식 [2]를 사용하여 계산될 수 있다.
식 [2] Pg = Patm (V1/V2 - 1)
V1 = 밀봉된 챔버 내부의 본래의 공기량,
V2 = 밀봉된 챔버 내부에 포획된 압축 공기량.
일부 실시예들에서, 초기에, 대기압(Patm)의 공기는 가상 벽에 의해 한정된 알려진 체적(V1)의 밀봉된 챔버 내에 포함된다. 액체 압력이 가상 벽에 가해질 때, 일부 액체가 밀봉된 챔버 내로 강제되고, 이에 따라, 내부 공기를 압축하여 Pg의 평형 압력에 도달한다. 일부 예들에서, 챔버가 둘러싸는 주변 벽에 임의의 개구를 갖는 경우 평형 압력은 0이다.
액체가 가상 벽을 통해 펌핑될 때, 액체 압력(Pf)이 가상 벽에 인가되며, 이는 하겐-포아젤(Hagen-Poiseuille) 유동 식 [3]을 사용하여 근사화될 수 있다.
식 [3] Pf = 72·μ·Q·L/(AH2), w >> H인 얕은 채널의 경우
Q = 체적 유량,
H = 액체 채널의 깊이,
w = 액체 채널의 폭,
L = 가상 벽과 출구 사이의 거리,
μ = 액체 점도,
A = 채널의 단면적.
체적 유량(Q) 및 연결 채널의 치수를 조정함으로써, 액체 압력이 제어될 수 있다.
액체-공기 인터페이스를 가로질러 발생하는 표면 압력(Ps)은 식 [4]로 얻어질 수 있다.
식 [4] Ps = 2·σ·sin(θ - 0.5π)/H
σ = 액체-공기 표면 장력 계수,
θ = 재료의 표면 특성에 따라 전진(θ > 90°) 또는 후퇴(θ < 90°) 될 수 있는 정적 접촉각. 표면 압력은 재료의 표면 특성에 따라 양 또는 음일 수 있다. 후퇴 접촉각(θ)을 갖는 친수성 재료의 경우, 표면 압력은 음이고, 소수성 재료(θ > 90°)의 경우 표면 압력은 양이다.
임계 압력(t.Pc)을 0보다 크게 유지함으로써 가상 벽이 생성되고 유지될 수 있다. 도 4는 전기 부재들(예를 들어, 입력 변환기(140a) 및 출력 변환기(140b) 및/또는 입력 변환기(140a) 및 반사기(190)의 플로우 셀(105) 장치) 및 공기 포켓(182)의 위치를 도시하는 액체 셀(100)의 단면도이다. 도시된 바와 같이, 액체 셀(100)은 센서 부재(130)의 양 측면에 전기 부재(160) 쌍을 구비한 센서 부재(130)를 갖는 하부 장치 기판(102)을 갖는다. 일부 예들에서, 센서 부재(130)의 제1 측면은 입력 변환기(140a)를 가지며, 센서 부재(130)의 제2 측면은 출력 변환기(140b) 또는 반사기(190)를 가질 수 있다. 전술한 바와 같이, 주변 벽(180)은 전기 부재(160) 쌍의 일부와 결합될 수 있고, 전기 부재들(160)의 적어도 일부 및 전기 부재(160) 쌍에 인접한 센서 부재(130)의 임의의 단부의 일부 위에 배치될 수 있다. 공기 포켓 및 공기-액체 가상 벽을 형성하기 위해, 상부 층(170)이 장치 기판(102), 복수의 센서 부재(130) 및 복수의 전기 부재(160) 위에 배치된다. 일부 실시예들에서, 각각의 공기 포켓(182)은 전기 부재(160) 쌍 각각의 표면의 적어도 일부를 덮도록 구성된다. 공기 포켓(182)은 전기 부재(160) 쌍이 유체 채널(120) 내의 액체 매체와 접촉하는 것을 차단하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 주변 벽(180)은 상부 층(170)의 표면에 부착된다.
가상 벽 실시예들
공기-액체 가상 벽은 다양한 방식으로 생성될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 공기-액체 가상 벽은 한정된 챔버를 형성함으로써 생성된다. 일부 실시예들에서, 상부 층은 소수성 또는 친수성 표면일 수 있다. 일부 예들에서, 가상 벽은 밀봉되지 않은 챔버를 형성함으로써 생성된다. 일부 예들에서, 상부 층은 소수성 표면을 가질 수 있다.
전술한 바와 같이, 가상 벽을 형성하기 위해: t.Pc = (Pg + Ps) - (Patm + Pw + Pf), 가상 벽은 t.Pc> 0에서 생성된다. 친수성 표면이 형성되는 실시예들에서, Ps는 음이다. 소수성 표면이 형성된 예들에서, Ps는 양이다.
도 2b에서의 것(예를 들어, 밀봉되지 않은 챔버)과 유사한 실시예에서, Pg는 0일 수 있다. 도 2b의 액체 셀(100)의 표면은 소수성 또는 친수성일 수 있다. 일부 실시예들에서, 도 2b의 액체 셀(100)은 바람직하게는 소수성이다.
도 2a에서의 것(예를 들어, 밀봉된 챔버)과 유사한 실시예에서, Pg는 0보다 클 수 있다. 도 2a의 액체 셀(100)의 표면은 소수성 또는 친수성일 수 있다. 일부 실시예들에서, 도 2a의 액체 셀(100)은 바람직하게는 소수성이다.
가상 벽을 형성하기 위한 공기 포켓은 다양한 방법을 사용하여 생성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 공기 포켓은 양면 테이프, 개스킷(예를 들어, 폴리디메틸실록산, 실리콘), 포토-리소그래피(예를 들어, SU-8, 또는 포토 레지스트 또는 포토-패턴 가능 재료), 사출 성형(예를 들어, 폴리카보네이트, PMMA) 등을 사용하여 형성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 가상 벽은 액체 셀의 기판과 상부 층 사이에 형성된다. 일부 예들에서, 상부 층과 하부 층 사이의 갭은 1㎛ 내지 1mm이다. 일부 실시예들에서, 형성된 갭은 1 μm 미만, 1 μm - 50 μm, 50 μm - 100 μm, 100 μm - 150 μm, 150 μm - 200 μm, 200 μm - 250 μm, 250 μm - 300 μm, 300 μm - 350 μm, 350 μm - 400 μm, 400 μm - 450 μm, 450 μm - 500 μm, 500 μm - 550 μm, 550 μm - 600 μm, 600 μm - 650 μm, 650 μm - 700 μm, 700 μm - 750 μm, 750 μm - 800 μm, 800 μm - 850 μm, 850 μm - 900 μm, 900 μm - 950 μm, 950 μm - 1 mm 사이 또는 1 mm를 초과한다. 일부 예들에서, 형성된 갭은 1 μm, 50 μm, 100 μm, 150 μm, 200 μm, 250 μm, 300 μm, 350 μm, 400 μm, 450 μm, 500 μm, 550 μm, 600 μm, 650 μm, 700 μm, 750 μm, 800 μm, 850 μm, 900 μm, 950 μm 또는 1 mm이다.
이하에서 기술되는 액체 셀(200, 300, 400, 500, 600)은 많은 점에서 액체 셀(100)과 유사하거나 동일하다. 따라서, 액체 셀(100)의 구성 요소를 식별하기 위해 사용된 숫자는 액체 셀(100)의 유사한 특징을 식별하기 위해 100 배만큼 증가된다. 상기 번호 지정 규칙은 일반적으로 나머지 도면에 적용된다. 본원 명세서의 임의의 실시예에 개시된 임의의 구성 요소 또는 단계는 임의의 다른 실시예들에서 사용될 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 상이한 방법을 사용하여 형성된 공기 포켓을 갖는 액체 셀의 단면도이다. 전술한 플로우 셀(100, 105)과 유사하게, 도 5a의 플로우 셀(200)을 살펴보면, 플로우 셀(200)은 센서 부재(230), 복수의 전기 접점(260)에 인접한 복수의 전기 부재(예를 들어, 입력 변환기(240a) 및 출력 변환기(240b) 또는 반사기(도시되지 않음))를 구비한 장치 기판(202)을 갖는다. 공기 포켓(282)은 테이프(286)(예를 들어, 양면 테이프) 및 플라스틱 시트(280)를 사용하여 형성될 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 테이프(286)는 제1 측면에서 복수의 전기 부재(260)에 부착되고, 제2 측면에서 플라스틱 시트(280)에 부착된다. 전술한 바와 같이, 플라스틱 시트(280)는 한 쌍의 입력 변환기(240a) 및 출력 변환기(240b)의 일부 및 센서 부재(230)의 일부 위에 배치된다. 일부 실시예들에서, 플라스틱 시트(280)는 상부 층(270)의 하부 측면에 부착될 수 있다.
액체 셀(100, 105)과 유사하게, 도 5b의 액체 셀(300)은 센서 부재(330), 복수의 전기 접점(360)에 인접한 복수의 전기 부재(예를 들어, 입력 변환기(340a) 및 출력 변환기(340b) 또는 반사기(도시되지 않음))를 구비한 장치 기판(302)을 갖는다. 공기 포켓(382)은 개스킷(380)을 사용하여 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 개스킷(380)은 전기 접점(360)의 복수의 표면 및 상부 층(370)의 하부 측면에 부착된다. 전술한 바와 같이, 개스킷(380)은 입력 변환기(340a) 및 출력 변환기(340b)의 일부 및 센서 부재(330)의 일부 위에 배치된다.
일부 실시예들에서, 공기 포켓이 더욱 소수성이 되도록 액체 셀에 표면 처리가 적용될 수 있다. 일부 예들에서, 표면 처리는 기판 재료 표면 상에 소수성 재료의 얇은 층을 코팅 또는 화학적으로 그라프팅(grafting)함으로써 적용된다. 공기 포켓은 임의의 형상, 크기 또는 치수를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 공기 포켓은 0.1 ㎛ 내지 1 mm 범위의 두께를 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 공기 포켓 및/또는 유체 채널의 구조는 자체-정의될 수 있다. 일부 실시예들에서, 유체 채널의 형상은 변할 수 있다. 일부 예들에서, 유체 채널(420)의 형상은 상부 층(470)의 구조에 의해 획정될 수 있다. 예를 들어, 상부 층은 공기-액체 접합부의 표면 장력을 제공한다. 다양한 유체 채널의 예가 도 6a 및 도 6b에 도시되어 있다. 먼저 도 6a를 살펴보면, 액체 셀(400)은 센서 부재(430)의 양 측면에 전기 부재 쌍을 구비한 센서 부재(430)를 갖는다. 예를 들어, 액체 셀(400)은 제1 단부에 입력 변환기(440a) 및 제2 단부에 반사기(490)를 포함할 수 있다. 입력 변환기(440a)에 전력을 공급하기 위해 전기 접점(460)은 입력 변환기(440a)에 인접하게 위치될 수 있다. 주변 벽(480)은 공기 포켓(482)을 형성하도록 구성된다. 전술한 바와 같이, 상부 층(470)은 전기 부재(460) 및 센서 부재(430) 위에 배치된다. 도시된 바와 같이, 유체 채널(420)은 입구(410)와 출구(412) 사이에 형성된다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 유체 채널(420)은 각진 측면 및 만곡된 측면을 갖는다.
도 6b의 액체 셀(500)은 자체-정의된 유체 채널의 다른 예를 도시한다. 액체 셀(500)은 센서 부재(530)의 양 측면에 전기 부재 쌍을 구비한 센서 부재(530)를 갖는다. 예를 들어, 액체 셀(500)은 제1 단부에 입력 변환기(540a) 및 제2 단부에 반사기(590)를 포함한다. 변환기(540a)에 전력을 공급하기 위해 전기 접점(560)은 입력 변환기(540a)에 인접하게 위치될 수 있다. 주변 벽(580)은 공기 포켓(582)을 형성하도록 구성된다. 전술한 바와 같이, 상부 층(570)은 전기 부재(560) 및 센서 부재(530) 위에 배치된다. 도시된 바와 같이, 유체 채널(520)은 입구(510)와 출구(512) 사이에 형성된다. 도 6b에 도시된 바와 같이, 유체 채널(520)은 2개의 계단형 각진 측면을 갖는다.
예
도 7은 본 발명에 따른 양면 테이프에 의해 생성된 공기 포켓을 갖는 표면 음향파("SAW") 장치(예를 들어, 액체 셀(600))의 예를 도시한다. 도 7의 액체 셀(600)은 유체 채널(620), 복수의 전기 부재(예를 들어, 입력 변환기(640a) 및 반사기(690)), 복수의 공기 포켓(682), 및 리더를 센서에 접촉시키는 센서의 접촉 패드(660)를 포함한다.
SAW 장치는 두께가 500 μm이고 직경이 100 mm인 36° y-컷, x-전파 리튬 탄탈레이트(LiTaO3) 웨이퍼에서 표준 포토 리소그래피 기술을 사용하여 제조되었다. 웨이퍼는 먼저 배럴 애셔(barrel asher)에서 세정된 후 1 vol(부피) % 불산(HF)에 침지될 수 있다. 이어서, 포토 레지스트가 웨이퍼 상에 도포되고, 포토 리소그라피 공정, 이어서 티타늄(10 nm) / 알루미늄(70 nm) 금속화 및 리프트오프 공정으로 패터닝되어서 상호 디지털 변환기, 알루미늄 도파관 및 반사기가 생성된다. 그런 다음, 웨이퍼는 개별 다이로 절단될 수 있다.
도 7에 도시된 SAW 장치에서, 공기 포켓은 감압성 양면 테이프를 사용하여 공간(두께 125 μm, 접착제 리서치, Cat. # 90445)으로서 생성되었다. 공기-포켓 영역은 레이저로 절단되었다. 그런 다음, 테이프는 250 μm 두께의 플라스틱 시트와 접착된다. 접촉 패드 및 유체 채널의 개구 영역은 레이저 절단되었다. 마지막으로, 플라스틱 시트는 SAW 장치와 결합되었다.
요약
액체 셀이 특정 실시예들 및 예들(예를 들어, 생화학적 분석)과 관련하여 개시되었지만, 본 발명은 구체적으로 개시된 실시예들을 넘어 다른 대안적인 실시예들 및/또는 실시예들의 용도 및 그것의 변형 및 등가물로 확장된다. 예를 들어, 개시된 커버 중 임의의 것은 인간 눈물 내의 염 농도를 측정하기 위해 건조한 안구 검출에, 혈액, 소변, 코 샘플(nasal swab), 질 샘플(vaginal swab) 등과 같은 생물학적 샘플 내의 바이러스, 박테리아, 단백질, 항체, 항원, DNA, RNA의 양을 측정하기 위해 인간 및 동물 질병 진단에 사용될 수 있다. 개시된 실시예들의 다양한 구성 및 양태는 컨베이어의 다양한 모드를 형성하기 위해 서로 조합되거나 대체될 수 있다. 본 발명의 범위는 본원 명세서에 설명된 특정 개시된 실시예들에 의해 제한되지 않아야 한다.
별도의 구현 예들과 관련하여 본 발명에서 설명된 특정 구성은 단일 구현 예로 조합하여 구현될 수도 있다. 반대로, 단일 구현 예의 문맥에서 설명된 다양한 구성들은 또한 다수의 구현 예에서 개별적으로 또는 임의의 적합한 하위 조합으로 구현될 수 있다. 구성들이 특정 조합으로 작용하는 것으로 위에서 설명될 수 있지만, 청구된 조합으로부터의 하나 이상의 구성은 일부 경우에 조합에서 제외될 수 있고, 조합은 임의의 하위 조합 또는 임의의 하위 조합의 변형으로서 청구될 수 있다.
또한, 동작들이 도면들에 도시되거나 본원 명세서에서 특정 순서로 기술될 수 있지만, 이러한 동작들은 도시된 특정 순서로 또는 순차적인 순서로 수행될 필요는 없으며, 모든 동작들이 바람직한 결과를 달성하기 위해 수행될 필요는 없다. 도시되거나 설명되지 않은 다른 동작들이 예시적인 방법 및 프로세스에 통합될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 추가 동작이 설명된 동작들 중 어느 것 전에, 후에, 동시에 또는 그 사이에서 수행될 수 있다. 또한, 동작들은 다른 구현 예들에서 재배열되거나 재정렬될 수 있다. 또한, 전술한 구현 예들에서 다양한 시스템 부품의 분리는 모든 구현 예들에서 이러한 분리를 요구하는 것으로 이해되어서는 안되며, 설명된 부품 및 시스템이 일반적으로 단일 제품에 함께 통합되거나 또는 다수의 제품으로 패키지되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 다른 구현 예들이 본 발명의 범위 내에 있다.
일부 실시예들은 첨부 도면과 관련하여 설명되었다. 도면들은 축척대로 표시 및/또는 도시되었지만, 이러한 축척은 도시된 것 이외의 치수 및 비율이 고려되고 본 발명의 범위 내에 있기 때문에 제한해서는 안된다. 거리, 각도 등은 단지 예시적인 것이며 도시된 장치의 실제 치수 및 레이아웃과 반드시 정확한 관계를 갖는 것은 아니다. 부품들은 추가, 제거 및/또는 재배열될 수 있다. 또한, 다양한 실시예들과 관련하여 임의의 특정 구성, 양태, 방법, 속성, 특성, 품질, 속성, 부재 등의 본원 명세서의 개시가 본원 명세서에 제시된 다른 모든 실시예들에서 사용될 수 있다. 또한, 본원 명세서에 설명된 임의의 방법은 언급된 단계를 수행하기에 적합한 임의의 장치를 사용하여 실시될 수 있다.
요약하면, 최첨단 어셈블리의 다양한 실시예들 및 예들이 개시되었다. 어셈블리가 이들 실시예 및 예와 관련하여 개시되었지만, 본 발명은 구체적으로 개시된 실시예들을 넘어 다른 대안적인 실시예들 및/또는 실시예들의 용도, 실시예들의 특정 변형 및 등가물로 확장된다. 본 발명은 개시된 실시예들의 다양한 구성들 및 양태들이 서로 결합되거나 대체될 수 있음을 명백히 고려한다. 따라서, 본 발명의 범위는 전술한 특정 개시된 실시예들에 의해 제한되지 않아야 하고, 다음의 청구 범위의 공정한 판독에 의해서만 결정되어야 한다.
Claims (16)
- 센서로,
기판;
적어도 하나의 센서 유닛으로, 상기 적어도 하나의 센서 유닛은, 센서 부재; 적어도 하나의 센서 부재의 대향 단부들에 위치되는 전기 부품 쌍; 및 상기 기판 상에 배치되고, 전기 부품 쌍 및 센서 부재의 적어도 일부를 둘러싸도록 구성되는 적어도 하나의 주변 벽을 포함하는, 적어도 하나의 센서 유닛; 및
적어도 하나의 주변 벽 위에 배치됨에 따라, 각각의 전기 부품 위에 공기 포켓을 생성하는 상부 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서. - 제1항에 있어서,
상기 센서는 SAW 센서인 것을 특징으로 하는 센서. - 제1항에 있어서,
상기 센서는 BAW 센서인 것을 특징으로 하는 센서. - 제1항에 있어서,
센서 부재의 일부 위에 유체 채널을 또한 포함하며, 상기 유체 채널은 액체 매체를 수용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 센서. - 제1항에 있어서,
상기 기판은 압전 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서. - 제1항에 있어서,
상기 센서 부재는 적어도 하나의 분석물을 포획하도록 구성되는 변형된 기판 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서. - 제1항에 있어서,
전기 부품 쌍 중 하나는 상호 디지털 변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서. - 제1항에 있어서,
전기 부품 쌍 중 하나는 반사기를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서. - 제1항에 있어서,
적어도 한 쌍의 전기 부품 중 하나는 적어도 하나의 상호 디지털 변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서. - 제1항에 있어서,
상기 센서 부재 및 전기 부품 쌍은 축선을 따라 정렬되는 것을 특징으로 하는 센서. - 제1항에 있어서,
액체 매체는 유체 채널의 제1 단부의 입구를 통해 유체 채널로 진입하고, 유체 채널의 제2 단부의 출구를 통해 유체 채널을 빠져나오도록 구성되는 것을 특징으로 하는 센서. - 제1항에 있어서,
적어도 하나의 주변 벽은 플라스틱 시트, 양면 테이프, 사출 성형 재료 및 개스킷 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 센서. - 제1항에 있어서,
전기 부품 위의 공기 포켓의 두께는 대략 0.1 μm 내지 대략 1 mm인 것을 특징으로 하는 센서. - 센서 상의 유체 매체로부터 전기 부품을 격리하는 방법으로,
상기 방법은,
기판 상에 전기 부품들을 둘러싸는 적어도 하나의 주변 벽을 제공하는 단계; 및
전기 부품 위에 공기 포켓을 생성하도록 주변 벽의 상부에 상부 층을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 부품 격리 방법. - 제14항에 있어서,
액체 매체와 공기 포켓의 인터페이스에 가상 벽이 형성되며, 상기 가상 벽은 액체 매체와 공기 포켓 사이의 압력 차이에 의해 획정되는 것을 특징으로 하는 전기 부품 격리 방법. - 제15항에 있어서,
상기 가상 벽은 압력 차이가 0보다 클 때 생성되고 유지되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 부품 격리 방법.
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