WO2018062963A2 - 유동 채널을 갖는 렌즈프리 cmos 광 어레이 센서 패키지 모듈의 유체흐름 특성 평가 방법 - Google Patents

유동 채널을 갖는 렌즈프리 cmos 광 어레이 센서 패키지 모듈의 유체흐름 특성 평가 방법 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to semiconductor biosensor technology, and more particularly to a technique for evaluating fluid flow characteristics of a lens-free CMOS light array sensor package module having a fluid system.
  • An object of the present invention is to provide a method for evaluating fluid flow characteristics of a lens-free CMOS optical sensor package module having a flow channel.
  • the present invention for solving the above technical problem is a method for evaluating fluid flow characteristics of a lens-free CMOS optical sensor package module having a flow channel, comprising: measuring a propagation profile and a flow velocity in an initial state flow of a fluid in the flow channel; Calculating a first statistical parameter relating to flow characteristics of the fluid from the measured propagation profile and flow velocity; And comparing the calculated first statistical parameter with a preset reference value and evaluating the quality of the flow channel according to the comparison result.
  • the method may further include obtaining an output value of each pixel in the effective region of the optical sensor in the steady state flow of the fluid; Calculating a second statistical parameter from the output value; And performing flattening correction based on the output value or the second statistical parameter.
  • the evaluation reliability can be increased by performing separate evaluations in the initial state and the steady state of the fluid flow.
  • the propagation profile and flow velocity of the fluid in the initial flow can be used to provide an assessment of the uniformity and safety of the flow channel.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a fluid flow characteristics evaluation system of the optical sensor package module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a cross section of the optical sensor package module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a plan view showing a state in which the optical sensor according to an embodiment of the present invention is viewed from above.
  • 4A to 4C are diagrams illustrating a propagation profile of a fluid in an initial state flow according to an embodiment of the present invention.
  • 5A to 5C are diagrams for describing a method of calculating a flow velocity of a fluid in a global shutter method of an optical sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • 6A to 6C are diagrams for describing a method of calculating a horizontal flow velocity of a fluid in a rolling shutter method of an optical sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIGS. 7A to 7C are diagrams for describing a method of calculating a vertical flow velocity of a fluid in a rolling shutter method of an optical sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating a method of evaluating fluid flow characteristics of an optical sensor package module according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a flowchart illustrating a method of measuring a propagation profile of a fluid according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a flowchart illustrating a method of measuring a flow velocity of a fluid according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the fluid flow characteristic evaluation system of the optical sensor package module includes a cable 300 for data transmission between the measurement device 100 and the computing device 200, and the measurement device 100 and the computing device 200. ) May be included.
  • the measuring device 100 may be an environment in which external light is blocked through the dark room box 110. Referring to the enlarged view of the region A in FIG. 1, the light source 120, the sensor board 130, and the jig 140 may be included in the darkroom box 110. In addition, the optical sensor package module 400 may be electrically connected to the sensor board 130.
  • the computing device 200 may evaluate the fluid flow characteristic of the optical sensor package module 400 based on the measurement data transmitted from the measuring device 100 through the cable 300.
  • the optical sensor package module 400 may include an optical sensor 410, an intermediate layer 420, a fluid system 430, an application light source 440, and a darkroom capsule 450.
  • the optical sensor 410 may refer to a complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) -based optical detector in which detection elements are two-dimensionally arranged and integrated on a chip together with a data processing circuit.
  • CMOS complementary metal-oxide semiconductor
  • the optical sensor 410 does not include an external lens, and of course, does not include a mount structure and a barrel configuration for mounting the external lens. Accordingly, the sensing environment of the optical sensor 410 is generally different from that of the general-purpose image sensor in which the external lens is mounted on the module housing.
  • the intermediate layer 420 may be composed of a plurality of layers bonded to the optical sensor 410, and a reactant layer and light, as well as a layer consisting of a medium composed between the optical sensor 410 and the fluid system 430. It can include all of the physical space passing through it.
  • the fluid system 430 is disposed on the optical sensor 410 and provides a passage through which fluids (eg, buffers and serum, etc.) flow through forced flow or capillary flow.
  • the fluid system 430 may be implemented as a flow channel such as a paper-based membrane strip for biological detection, a gel matrix having pores, or a micro channel. .
  • the applied light source 440 is illustrated in the form of a point light source in FIG. 2, but is not limited thereto and may be implemented as a surface light source structure.
  • the optical sensor 410 includes a pixel array 412 and a pad 414.
  • the pixel array 412 is a set of pixels formed by arranging a plurality of unit pixels 411 on the x-axis and the y-axis, and may form an effective area including a fixed number (m * n) of pixels. .
  • each pixel When the fluid flow in the flow channel reaches the effective area of the pixel array 412, each pixel begins to measure light (eg, a fluorescence signal) generated from a light source material (eg, a fluorescent dye) contained in the fluid.
  • the effective area may mean all or a part of the pixel array 412 as shown in FIG. 3.
  • the flow rate in each column of the pixel array 412 may vary depending on the fixed matrix characteristics of the flow channel (e.g., the size of the pores and the distribution of defects in the gel or paper matrix, etc.) It may affect the distribution of optical signals in the flow direction.
  • Fluid flow can be divided into initial flow and steady flow. For example, when the fluid flow reaches the last column (yn) of the pixel array 412, the light signal sensed by the optical sensor is brought into a stable state with little change, wherein the fluid flow is from the initial flow to the steady state flow. Will change to
  • 4A to 4C are diagrams illustrating a propagation profile of a fluid in an initial state flow according to an embodiment of the present invention.
  • the fluid may flow in a horizontal direction (y-axis) in the flow channel. Due to the fixed matrix nature of the flow channel, the flow of fluid continues to change.
  • a 'fluid flow propagation profile' the two-dimensional view of the fluid flow from above at a particular moment will be referred to as a 'fluid flow propagation profile' or, in short, a 'propagation profile'.
  • the propagation profile, along with the flow velocity of the fluid, can be the key measurement data for evaluating the flow characteristics of the optical sensor package module.
  • the propagation profile and flow rate are factors that can evaluate how uniformly and how stably the fluid can flow in the flow channel.
  • Measurement of the propagation profile is performed via optical signal sensing in the pixel array 412 of the optical sensor 410. For example, in every frame, each pixel of the pixel array 412 senses light generated from the fluorescent material included in the fluid, and converts the detected light into an electrical signal and outputs the light.
  • the output value exceeds a preset threshold, it may be determined that a fluid is present above the pixel.
  • a case in which it is determined that a fluid exists on each pixel as described above is defined as a 'pixel on state', and a case where it is not otherwise defined as a 'pixel off state'.
  • the determination of the pixel on or off state is made at all pixels in the effective area at the same time, and according to the determination result, a propagation profile can be generated by distinguishing the pixel where the fluid is present and the pixel that is not.
  • the propagation profile needs to be measured over the entire duration of the flow channel, so it is preferred to be measured at least in three stages, i.e. at the beginning, intermediate and final stages of the initial flow.
  • the starting phase of the initial state flow can be defined as when the fluid first begins to flow in the flow channel and the fluid flow reaches the effective area of the pixel array 412. For example, as shown in FIG. 4A, when the output values of all the pixels in the first column y1 of the pixel array 412 exceed the set threshold, that is, when the pixels x 2 and y 1 are turned on. Can be determined as the starting step.
  • the final step may be defined as when the fluid flow begins to leave the effective area of the pixel array 412.
  • the final step may be a point in time when at least one pixel output value exceeds a threshold value in the last column y30, that is, when the pixels x 10 and y 30 are turned on. have.
  • An intermediate stage can be defined when the fluid flow is between the starting stage and the final stage.
  • an intermediate step may be performed when all pixels are turned on in any middle column y12 in the effective area or at least one pixel is turned on in column y18. .
  • the fluid flow can be statistically analyzed using the generated propagation profile. That is, a statistical parameter such as a coefficient of variation (CV) representing a ratio of the mean of a boxplot or a standard deviation from a fluid flow propagation profile may be calculated, and the flow characteristics of the fluid may be evaluated based on the calculated parameter. .
  • CV coefficient of variation
  • a boxplot is a visual depiction of a group of statistical numerical data and may include a maximum, minimum, median, mode, average, first and third quartiles, and the like. In addition, the average plus noise may be displayed together.
  • the distance that the fluid flows in the starting stage may be different in each row.
  • the last pixel through which fluid flows in the first row (x1) is located at P (1, 3), so the pixel distance is 3, but in the 17th row (x17), the last pixel is located at P (17, 8).
  • the distance is eight.
  • the distance between fluid flows in each row may be different in the intermediate and final stages, and the propagation profile may be statistically analyzed at each time point through the box plots BP2 and BP3.
  • 5A to 5C are diagrams for describing a method of calculating a flow velocity of a fluid in a global shutter method of an optical sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the optical sensor package module 400 may use a global shutter method, and the fluid flow in the flow channel may proceed in the horizontal direction (ie, the y-axis direction).
  • the global shutter is a method of exposing all pixels simultaneously for a predetermined time as shown in FIG. 5C.
  • the velocity V G _ i of the fluid flowing through the flow channel may be calculated as in Equation 1 below regardless of the flow direction of the fluid.
  • S G _ i and T G _ i represent the moving distance and the moving time of the fluid, respectively, and each unit is [m] and [s]. There is a time interval between the points in time at which the actual fluid passes over the pixels and the flow, but for all pixels the time intervals are the same and can be ignored in the velocity calculation.
  • Q ij may be defined as the position of the last pixel exceeding the threshold in the fluid flow direction in the m-th frame (m> 1), and may mean a pixel corresponding to the j-th column of the i-th row.
  • Q ik may be defined as the position of the last pixel in the n-th frame (n> m) that exceeds the threshold in the direction of the fluid flow. Can mean.
  • P denotes the distance between adjacent pixels in the fluid flow direction, and FPS denotes the number of frames per second as the frame rate.
  • the speed of the last pixel of each row in each frame can be calculated. If the speed is so high that several pixels are skipped in the next frame, the speed of the intermediate pixel can be determined by interpolation.
  • the velocity of the pixels corresponding to the initial stage and the initial stage of the initial state may be inaccurate when the flow is fast, it is preferable to use the intermediate flow in calculating the flow rate of the fluid.
  • the Reynolds number can be used to determine the measurement and reliability of the sample.
  • 6A to 6C are diagrams for describing a method of calculating a horizontal flow velocity of a fluid in a rolling shutter method of an optical sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the optical sensor package module 400 may use a rolling shutter method, and the fluid flow in the flow channel may progress in the horizontal direction (ie, the y-axis direction).
  • the rolling shutter is a method of sequentially exposing each row at a predetermined time interval l as shown in FIG. 6C. For example, after a certain time (l) after the first row x1 starts exposure, the next second row x2 is exposed.
  • the time interval l may be referred to as a line time.
  • the fluid velocity V R -H_i of the horizontal flow may be calculated as in Equation 2 below.
  • S R-H_i and T R-H_i represent the moving distance and the moving time of the fluid, respectively, and each unit is [m] and [s].
  • Q ij may be defined as the position of the last pixel exceeding the threshold in the fluid flow direction in the m-th frame (m> 1), and may mean a pixel corresponding to the j-th column of the i-th row.
  • Q ik may be defined as the position of the last pixel in the n-th frame (n> m) that exceeds the threshold in the direction of the fluid flow. Can mean.
  • P denotes the distance between adjacent pixels in the fluid flow direction, and FPS denotes the number of frames per second as the frame rate.
  • FIGS. 7A to 7C are diagrams for describing a method of calculating a vertical flow velocity of a fluid in a rolling shutter method of an optical sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the optical sensor package module 400 may use a rolling shutter method, and the fluid flow in the flow channel may travel in the vertical direction (ie, the x-axis direction). That is, the advancing direction of the shutter and the flow direction of the fluid may be the same or opposite each other.
  • the rolling shutter may have a predetermined time interval l until one row starts exposure and then another row starts exposure.
  • the time interval l must be taken into account in the flow rate calculation.
  • the fluid velocity V R -V_j of the vertical flow may be calculated by Equation 3 below.
  • S R-V_j and T R-V_j represent the moving distance and the moving time of the fluid, respectively, and each unit is [m] and [s].
  • Q ij may be defined as the position of the last pixel exceeding the threshold in the fluid flow direction in the m-th frame (m> 1), and may mean a pixel corresponding to the i-th row of the j-th column.
  • Q kj may be defined as the position of the last pixel exceeding the threshold in the fluid flow direction in the nth frame (n> m), and means a pixel corresponding to the kth row (k> i) of the jth column. can do.
  • P denotes the distance between adjacent pixels in the fluid flow direction
  • FPS denotes the number of frames per second as the frame rate
  • l denotes the time difference at which exposure starts between adjacent rows.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating a method of evaluating fluid flow characteristics of an optical sensor package module according to an exemplary embodiment of the present disclosure
  • FIG. 9 is a flowchart illustrating a method of measuring a propagation profile of a fluid according to an exemplary embodiment of the present disclosure
  • 10 is a flowchart illustrating a method of measuring a flow velocity of a fluid according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the computing device 200 may first measure the propagation profile and the flow velocity of the fluid in the initial flow of the fluid in the flow channel 430. (S110).
  • the computing device 200 first obtains an output value output from the pixel array 412 of the optical sensor package module 400 (S111).
  • the output value may be a value obtained by detecting light generated from a fluorescent material included in a fluid located on each pixel and converting the light into an electrical signal.
  • the output value may be all pixel output values of the pixel array 412 in a particular frame and may be obtained in at least three frames, for example at the beginning, intermediate and final stages of the initial state flow.
  • the computing device 200 may compare the output value of each pixel with a preset threshold (S112), and determine whether a fluid flow exists on each pixel according to the comparison result (S113).
  • the computing device 200 may determine that the fluid flow exists on the pixel when the output value of each pixel exceeds the threshold. On the contrary, when the output value does not reach the threshold, it may be determined that the fluid flow does not reach the corresponding pixel.
  • the computing device 200 may generate a propagation profile by distinguishing and displaying pixels having an output value exceeding a threshold and pixels that are not.
  • the measurement of the flow velocity of the fluid may be performed based on pixel output values measured in at least two frames.
  • the computing device 200 reads output values of all the pixels in the first frame, and determines the position of the first pixel, which is the last pixel in the pixel on state, in each row of the pixel array (S115).
  • the computing device 200 reads the output values of all the pixels again in the second frame after the first frame, and determines the position of the second pixel, which is the last pixel in the pixel on state, in each row of the pixel array (S116). ).
  • the distance between the two pixels is calculated by using the number of pixels present between the first and second pixels and the pitch distance between the predefined adjacent pixels, The movement distance may be calculated (S117).
  • the movement time of the fluid may be calculated by calculating the time between the first frame and the second frame using the number of frames existing between the first frame and the second frame and the frame rate (fps) (S118).
  • the computing device 200 may calculate the average velocity or the instantaneous velocity of the flow of the fluid in every frame from the movement distance and the movement time of the fluid calculated as described above.
  • the optical sensor 410 may use a global shutter or a rolling shutter in an electronic shutter method.
  • the pixel array 412 may be sequentially exposed in each row, and the flow direction of the fluid may be the same as the exposure direction of the shutter.
  • the line time needs to be further considered in calculating the movement time of the fluid in step S118.
  • the first statistical parameter may be calculated from the measured propagation profile and the flow velocity of the fluid (S120).
  • the first statistical parameter refers to a box plot visually depicting a group of statistical numerical data, or a coefficient of variation indicating a ratio of the mean to the standard deviation.
  • the boxplot for the propagation profile can provide statistical information such as minimum, maximum, median, first quartile, third quartile, etc., with respect to the distance the fluid flows in each row of pixel array 412. .
  • the first statistical parameter When the first statistical parameter is calculated, the first statistical parameter may be compared with a preset reference value, and the quality of the optical sensor package module may be evaluated according to the comparison result (S130).
  • the reference value may be a specific statistical parameter as a standard for product quality assurance set by the manufacturer of the optical sensor package module.
  • a manufacturer may choose only products with a coefficient of variation of less than 10% and exclude products that do not meet this criterion from subsequent evaluations.
  • the manufacturer may base the quality evaluation on the difference between the minimum value and the maximum value on the box plot or the difference between the first and third quartiles. For example, if the difference between the minimum value and the maximum value exceeds the set value, the product may determine that the quality evaluation is not satisfied.
  • the propagation profile may provide a criterion for the uniformity of the fluid flow, and the velocity distribution may provide a criterion for the stability of the fluid flow.
  • the computing device 200 collects the output values of each pixel in every frame and compares the box plot or variation from the collected outputs, unlike the initial flow, which determines whether or not a fluid flow exists on each pixel.
  • Second statistical parameters such as coefficients are calculated (S140 and S150).
  • the second statistical parameter calculated in step S150 may be used for further evaluation of the optical sensor package module 400. For example, some samples may be sampled from one lot and used for the steady state correction of other samples of the same lot after the steady state measurement, or may be understood as the characteristics of the lot.
  • the optical sensor package module may be influenced by the fixed matrix characteristics of the flow channel, so this factor should be considered for the flattening correction of the non-uniform flow system.
  • the flattening correction may be performed using the output value and / or the second statistical parameter of each pixel.
  • a reference pixel for correction may first be determined in the pixel array.
  • the reference pixel may be a pixel having the smallest difference between the first and third quartiles.
  • the representative value should be generated for the smoothing correction at each pixel.
  • the representative value may be an average value, a median value, or a mode value in each pixel.
  • the lookup table for flattening correction of each pixel is filled with a variable or a function that can adjust the representative value of each pixel to the representative value of the reference pixel, and the flattening correction for the flow system may be performed using the lookup table.

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Abstract

본 발명은 유동 채널을 갖는 렌즈프리 CMOS 광 센서 패키지 모듈의 유체 흐름 특성을 평가할 수 있는 방법에 관한 것으로, 상기 유동 채널 내 유체의 초기상태 흐름에서 전파 프로파일 및 유동 속도를 측정하는 단계; 상기 측정된 전파 프로파일 및 유동 속도로부터 상기 유체의 유동 특성에 관한 제1통계 파라미터를 계산하는 단계; 및 상기 계산된 제1통계 파라미터와 미리 설정된 기준 값을 비교하고, 비교 결과에 따라 상기 유동 채널의 품질을 평가하는 단계를 포함한다.

Description

유동 채널을 갖는 렌즈프리 CMOS 광 어레이 센서 패키지 모듈의 유체흐름 특성 평가 방법
본 발명은 반도체 바이오 센서 기술과 관련된 것으로, 특히 유체 시스템을 갖는 렌즈프리 CMOS 광 어레이 센서 패키지 모듈의 유체흐름 특성을 평가하는 기술에 관한 것이다.
최근에는 센서 기술이 발전함에 따라, 외부 광학 렌즈부가 없는 광센서 어레이 각각 그 자체를 측정기기로 응용하는 사례들이 늘어나고 있다. 특히 바이오 광반응 측정기기, 렌즈프리 현미경, 면역크로마토그래피의 광반응 측정을 이용한 체외진단기기, DNA 분석용 멀티플랙싱 기기, 헬스케어용 생체신호 측정기, 이식형 또는 패치형 의료측정기기 등에 사용된다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
공개특허공보 제10-2016-0144692호 (2016.12.19)
공개특허공보 제10-2017-0077472호 (2017.07.06)
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 유동 채널을 갖는 렌즈프리 CMOS 광 센서 패키지 모듈의 유체 흐름 특성을 평가할 수 있는 방법을 제공하는데 있다.
상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명은 유동 채널을 갖는 렌즈프리 CMOS 광 센서 패키지 모듈의 유체 흐름 특성 평가방법으로써, 상기 유동 채널 내 유체의 초기상태 흐름에서 전파 프로파일 및 유동 속도를 측정하는 단계; 상기 측정된 전파 프로파일 및 유동 속도로부터 상기 유체의 유동 특성에 관한 제1통계 파라미터를 계산하는 단계; 및 상기 계산된 제1통계 파라미터와 미리 설정된 기준 값을 비교하고, 비교 결과에 따라 상기 유동 채널의 품질을 평가하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 유체의 정상상태 흐름에서 상기 광 센서의 유효영역에서 각 픽셀의 출력값을 획득하는 단계; 상기 출력값으로부터 제2통계 파라미터를 계산하는 단계; 및 상기 출력값 또는 상기 제2통계 파라미터에 기초하여 평탄화 보정을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 유체 흐름의 초기상태와 정상상태에서 각각 별도의 평가가 이루어짐으로써 평가 신뢰도를 높일 수 있다. 또한, 초기상태 흐름에서 유체의 전파 프로파일과 흐름 속도를 이용하여 유동 채널의 균일성과 안전성에 대한 평가 기준을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 광 센서 패키지 모듈의 유체흐름 특성 평가 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 광 센서 패키지 모듈의 단면을 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 광 센서를 위에서 바라본 모습을 나타내는 평면도이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시 예에 따른 초기상태 흐름에서 유체의 전파 프로파일을 나타내는 도면이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 실시 예에 따른 광 센서의 글로벌 셔터 방식에서 유체의 흐름 속도를 계산하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 실시 예에 따른 광 센서의 롤링 셔터 방식에서 유체의 수평 흐름 속도를 계산하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 실시 예에 따른 광 센서의 롤링 셔터 방식에서 유체의 수직 흐름 속도를 계산하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 광 센서 패키지 모듈의 유체흐름 특성 평가 방법을 나타내는 플로우 차트이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 유체의 전파 프로파일을 측정하는 방법을 나타내는 플로우 차트이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 유체의 흐름 속도를 측정하는 방법을 나타내는 플로우 차트이다.
본 발명에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 실시 예를 도면에 예시하고 본 명세서에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에" 또는 "~에 인접하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 본 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 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 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 나타낸다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 명세서에 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 광 센서 패키지 모듈의 유체흐름 특성 평가 시스템을 나타내는 구성도이다. 도 1을 참조하면, 광 센서 패키지 모듈의 유체흐름 특성 평가 시스템은 측정 장치(100)와 컴퓨팅 장치(200), 그리고 측정 장치(100) 및 컴퓨팅 장치(200) 사이의 데이터 전송을 위한 케이블(300)을 포함할 수 있다.
측정 장치(100)는 암실박스(110)를 통해 외부 잡광의 진입이 막힌 환경일 수 있다. 도 1에서 A영역의 확대도를 참조하면, 암실박스(110) 내부에는 광원(120), 센서 보드(130) 및 지그(140)가 포함될 수 있다. 그리고, 센서 보드(130) 상에는 광 센서 패키지 모듈(400)이 전기적으로 연결될 수 있다.
컴퓨팅 장치(200)는 케이블(300)을 통해 측정장치(100)로부터 전송된 측정데이터에 기초하여 광 센서 패키지 모듈(400)의 유체흐름 특성을 평가할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 광 센서 패키지 모듈의 단면을 나타내는 단면도이다. 도 2를 참조하면, 광 센서 패키지 모듈(400)은 광 센서(410), 중간층(420), 유체 시스템(430), 적용 광원(440) 및 암실 캡슐(450)을 포함할 수 있다.
광 센서(410)는 검출 소자가 2차원적으로 배열되고, 데이터 처리회로와 함께 칩(chip) 상에 집적된 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 기반의 광 검출기를 의미할 수 있다.
특히, 광 센서(410)는 외부렌즈를 구비하고 있지 않으며, 당연히 외부렌즈를 실장하기 위한 마운트 구조와 배럴 구성도 포함하고 있지 않다. 따라서, 광 센서(410)의 감지 환경은 일반적으로 모듈 하우징에 외부 렌즈가 장착된 범용 이미지 센서의 감지 환경과는 다를 수 밖에 없다.
중간층(420)은 광 센서(410) 상에 접합되어 복수의 층으로 구성될 수 있으며, 광 센서(410)와 유체 시스템(430) 사이에 구성되는 매질로 이루어진 층 뿐만 아니라, 반응물질 층 및 광이 통과하는 물리적 공간을 모두 포함할 수 있다.
유체 시스템(430)은 광 센서(410) 상에 배치되며, 강제 흐름이나 모세관 현상을 이용한 흐름 등을 통해 유체(예컨대, 완충액(buffers) 및 혈청(serum) 등)가 흐를 수 있는 통로를 제공한다. 실시 예에 따라, 유체 시스템(430)은 생물학적 검출을 위한 종이 기반의 멤브레인 스트립(membrane strip), 기공을 갖는 겔 메트릭스(gel matrix) 또는 마이크로 채널(micro channel) 등의 유동 채널로 구현될 수 있다.
적용광원(440)은 도 2에서 점광원의 형태로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 면광원 구조로 구현될 수 있음은 물론이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 광 센서를 위에서 바라본 모습을 나타내는 평면도이다. 도 3을 참조하면, 광 센서(410)는 픽셀 어레이(412)와 패드(414)를 포함한다.
픽셀 어레이(412)는 복수의 단위 픽셀(411)들이 x축과 y축 상으로 배열되어 형성된 픽셀의 집합으로, 고정된 수(m*n)의 픽셀들로 구성되는 유효 영역을 형성할 수 있다.
유동 채널 내 유체 흐름이 픽셀 어레이(412)의 유효 영역에 도달하면, 각 픽셀은 유체에 포함된 광원 물질(예컨대, 형광 염료)로부터 발생된 빛(예컨대, 형광 신호)을 측정하기 시작한다. 상기 유효 영역은 도 3에 도시된 바와 같이 픽셀 어레이(412) 전부 또는 그 일부를 의미할 수 있다.
이 경우, 유동 채널의 고정 매트릭스 특성(예컨대, 겔 또는 종이 매트릭스에서의 공극의 크기 및 결함의 분포 등)에 따라 픽셀 어레이(412)의 각 열(column)에서의 유속이 달라질 수 있고, 이는 유체흐름 방향에서 광 신호 분포에 영향을 미칠 수 있다.
유체의 흐름은 크게 초기상태 흐름과 정상상태 흐름으로 구분될 수 있다. 예컨대, 유체 흐름이 픽셀 어레이(412)의 마지막 열(yn)에 도달하게 되면 광 센서에서 감지되는 광 신호가 거의 변하지 않는 안정한 상태에 이르게 되고, 이 때 유체의 흐름은 초기상태 흐름에서 정상상태 흐름으로 바뀌게 된다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시 예에 따른 초기상태 흐름에서 유체의 전파 프로파일을 나타내는 도면이다.
도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 유체는 유동채널 내에서 수평방향(y축)으로 흐를 수 있다. 유동 채널의 고정 매트릭스 특성으로 인해 유체가 흐르는 모습은 계속하여 변화하게 된다.
이하에서, 특정 순간에 유체 흐름을 위에서 바라본 2차원의 모습을 '유체 흐름 전파 프로파일' 또는 줄여서 '전파 프로파일'이라 부르기로 한다.
전파 프로파일은 유체의 유동 속도와 함께 광 센서 패키지 모듈의 유동 특성 평가를 위한 주요 측정 데이터가 될 수 있다. 즉, 전파 프로파일과 유속은 유체가 유동 채널 내에서 얼마나 균일하게 그리고 얼마나 안정적으로 흘러나갈 수 있는지를 평가할 수 있는 요소가 된다.
전파 프로파일의 측정은 광 센서(410)의 픽셀 어레이(412)에서 광 신호 감지를 통해 수행된다. 예컨대, 모든 프레임에서 픽셀 어레이(412)의 각 픽셀은 유체 내의 포함된 형광 물질로부터 발생된 빛을 감지하게 되고, 감지된 빛을 전기적 신호로 변환하여 출력한다.
출력값이 미리 설정된 문턱값을 초과하는 경우, 해당 픽셀의 상부에는 유체가 존재하는 것으로 판단될 수 있다. 참고로, 이와 같이 각 픽셀 상에 유체가 존재하는 것으로 판단된 경우를 '픽셀 온 상태'로 하고, 그렇지 않은 경우를 '픽셀 오프 상태'로 정의한다.
픽셀 온 또는 오프 상태에 관한 판단은 유효 영역 내 모든 픽셀에서 동시에 이루어지며, 판단 결과에 따라 유체가 존재하는 픽셀과 그렇지 않은 픽셀을 구분함으로써 전파 프로파일을 생성할 수 있다.
전파 프로파일은 유동 채널의 전체 구간에 걸쳐 측정될 필요가 있으므로 적어도 3개의 단계, 즉 초기상태 흐름의 시작 단계, 중간 단계 및 최종 단계에서 각각 측정되는 것이 바람직하다.
초기상태 흐름의 시작 단계는 유체가 처음 유동채널 내에 흐르기 시작하여 유체 흐름이 픽셀 어레이(412)의 유효 영역에 도달한 때로 정의될 수 있다. 예컨대, 도 4a에 도시된 바와 같이, 픽셀 어레이(412)의 첫번째 열(y1)에서 모든 픽셀의 출력값이 설정된 문턱값을 초과하는 시점, 즉 픽셀(x2, y1)이 온 상태가 된 때를 시작 단계로 결정할 수 있다.
최종 단계는 유체 흐름이 픽셀 어레이(412)의 유효 영역을 벗어나기 시작할 때로 정의될 수 있다. 예컨대, 도 4c에 도시된 바와 같이, 마지막 열(y30)에서 적어도 하나의 픽셀 출력값이 문턱값을 초과하는 시점, 즉 픽셀(x10, y30)이 온 상태가 된 때를 최종 단계로 할 수 있다.
중간 단계는 유체 흐름이 시작 단계와 최종 단계 사이에 있을 때로 정의될 수 있다. 예컨대, 도 4b에 도시된 바와 같이, 유효 영역 내 중간의 임의 열(y12)에서 모든 픽셀이 온 상태가 되거나 열(y18)에서 적어도 하나의 픽셀이 온 상태가 된 때를 중간 단계로 할 수 있다.
초기상태에서 유체 흐름은 생성된 전파 프로파일을 이용하여 통계적으로 분석될 수 있다. 즉, 유체 흐름 전파 프로파일로부터 박스플롯(boxplot)이나 표준편차의 평균에 대한 비를 나타내는 변동계수(coefficient of variation; C.V) 등의 통계 파라미터를 계산하고, 이를 기초로 유체의 유동 특성을 평가할 수 있다.
박스플롯은 통계적 수치 데이터 그룹을 시각적으로 묘사한 것으로, 최대값, 최소값, 중앙값, 최빈값, 평균값, 제1 및 제3사분위수 등을 포함할 수 있다. 또한 평균에 노이즈를 더한 값이 함께 표시될 수 있다.
도 4a를 참조하면, 시작 단계에서 유체가 흘러간 거리는 각 행에서 서로 다를 수 있다. 예컨대, 제1행(x1)에서 유체가 흘러간 마지막 픽셀은 P(1, 3)에 위치하고 있어 픽셀 거리는 3이 되지만, 제17행(x17)에서는 P(17, 8)에 마지막 픽셀이 위치하고 있어 픽셀 거리는 8이 된다.
박스플롯(BP1)은 이와 같이 시작단계의 전파 프로파일, 즉 각각의 행에서 유체의 이동 거리를 통계적으로 보여주고 있다. 즉, 박스플롯(BP1)은 시작단계에서 유체의 이동 거리와 관련한 최소값(Min=1), 최대값(Max=8), 중앙값(median=6), 제1사분위수(Q1=4), 제3사분위수(Q3=7) 등을 보여줄 수 있다.
도 4b와 도 4c를 참조하면, 중간 단계와 최종 단계에서도 마찬가지로 각 행에서 유체가 흘러간 거리는 서로 다를 수 있으며, 박스플롯(BP2, BP3)을 통해 각 시점에서 전파 프로파일을 통계적으로 분석할 수 있다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 실시 예에 따른 광 센서의 글로벌 셔터 방식에서 유체의 흐름 속도를 계산하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 광 센서 패키지 모듈(400)은 글로벌 셔터 방식을 사용할 수 있으며, 유동 채널 내의 유체 흐름은 수평 방향(즉, y축 방향)으로 진행될 수 있다. 글로벌 셔터는 도 5c에 도시된 바와 같이 모든 픽셀을 일정 시간 동안 동시에 노출시키는 방식이다.
글로벌 셔터 방식에서 유동 채널을 흐르는 유체의 속도(VG _i)는 유체의 흐름 방향과 무관하게 아래의 수학식 1과 같이 계산될 수 있다.
[수학식 1]
Figure PCTKR2017011031-appb-I000001
Figure PCTKR2017011031-appb-I000002
Figure PCTKR2017011031-appb-I000003
여기서, SG _i 와 TG_i는 각각 유체의 이동 거리와 이동 시간을 나타내며, 각각의 단위는 [m] 및 [s]이다. 실제 유체가 픽셀 위를 지나는 시점과 그 흐름을 처리하여 시점 사이의 시간 간격이 있으나, 모든 픽셀에서 그 시간 간격은 동일하므로 속도 계산에 있어 무시될 수 있다.
Qij는 m번째 프레임(m>1)에서 유체흐름 방향으로 문턱값을 초과하는 마지막 픽셀의 위치로 정의될 수 있으며, i번째 행의 j번째 열에 해당하는 픽셀을 의미할 수 있다.
또한, Qik는 n번째 프레임(n>m)에서 유체흐름 방향으로 문턱값을 초과하는 마지막 픽셀의 위치로 정의될 수 있으며, i번째 행의 k번째 열(k>j)에 해당하는 픽셀을 의미할 수 있다. 그리고, p는 유체 흐름 방향으로 인접한 픽셀들 사이의 거리를 의미하며, FPS는 프레임 레이트로써 초당 프레임 수를 나타낸다.
이와 같은 방법을 통해 각 프레임에서 각 행의 마지막 픽셀에 대한 속도를 구할 수 있으며, 속도가 빨라 다음 프레임에 여러 픽셀이 넘어간 경우 중간 픽셀에 대한 속도는 보간법을 통해 결정할 수 있다.
한편, 초기상태의 시작단계와 최종단계에 해당하는 픽셀들의 속도는 그 흐름이 빠를 경우 부정확할 수 있으므로, 유체의 흐름 속도를 계산함에 있어서 중간단계의 흐름을 이용하는 것이 바람직하다.
유체 흐름의 속도가 계산된 뒤에는 레이놀즈(reynolds) 수로 측정과 샘플의 신뢰성을 결정할 수 있다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 실시 예에 따른 광 센서의 롤링 셔터 방식에서 유체의 수평 흐름 속도를 계산하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 내지 도 6c를 참조하면, 광 센서 패키지 모듈(400)은 롤링 셔터 방식을 사용할 수 있으며, 유동 채널 내의 유체 흐름은 수평 방향(즉, y축 방향)으로 진행할 수 있다.
롤링 셔터는 도 6c에 도시된 바와 같이 각각의 행을 일정 시간 간격(l)으로 순차적으로 노출시키는 방식이다. 예컨대, 첫번째 행(x1)이 노출을 시작한 후 일정 시간(l) 후에 다음 두번째 행(x2)을 노출을 시키게 된다. 이때 시간 간격(l)은 라인 시간으로 불릴 수 있다.
다만, 도 6a의 실시 예에서 유체 흐름 방향은 롤링 셔터의 노출 방향과 서로 수직하기 때문에 시간 간격(l)은 유속 계산에 영향을 미치지 않는다.
롤링셔터 방식에서 수평 흐름의 유체 속도(VR-H_i)는 아래의 수학식 2와 같이 계산될 수 있다.
[수학식 2]
Figure PCTKR2017011031-appb-I000004
Figure PCTKR2017011031-appb-I000005
Figure PCTKR2017011031-appb-I000006
여기서, SR-H_i 와 TR-H_i는 각각 유체의 이동 거리와 이동 시간을 나타내며, 각각의 단위는 [m] 및 [s]이다.
Qij는 m번째 프레임(m>1)에서 유체흐름 방향으로 문턱값을 초과하는 마지막 픽셀의 위치로 정의될 수 있으며, i번째 행의 j번째 열에 해당하는 픽셀을 의미할 수 있다.
또한, Qik는 n번째 프레임(n>m)에서 유체흐름 방향으로 문턱값을 초과하는 마지막 픽셀의 위치로 정의될 수 있으며, i번째 행의 k번째 열(k>j)에 해당하는 픽셀을 의미할 수 있다. 그리고, p는 유체 흐름 방향으로 인접한 픽셀들 사이의 거리를 의미하며, FPS는 프레임 레이트로써 초당 프레임 수를 나타낸다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 실시 예에 따른 광 센서의 롤링 셔터 방식에서 유체의 수직 흐름 속도를 계산하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7a 내지 도 7c를 참조하면, 광 센서 패키지 모듈(400)는 롤링 셔터 방식을 사용할 수 있으며, 유동 채널 내의 유체 흐름은 수직 방향(즉, x축 방향)으로 진행할 수 있다. 즉, 셔터의 진행 방향과 유체의 흐름 방향은 동일하거나 서로 반대일 수 있다.
롤링 셔터는 앞서 설명한 바와 같이 하나의 행이 노출을 시작한 후 다음 행이 노출을 시작하기까지 일정한 시간 간격(l)이 존재할 수 있다. 특히, 도 7a의 실시 예에서와 같이 유체 흐름이 롤링 셔터의 노출 방향과 서로 같은 경우, 시간 간격(l)은 유속 계산에서 고려되어야 한다.
롤링셔터 방식에서 수직 흐름의 유체 속도(VR-V_j)는 아래의 수학식 3과 같이 계산될 수 있다.
[수학식 3]
Figure PCTKR2017011031-appb-I000007
Figure PCTKR2017011031-appb-I000008
Figure PCTKR2017011031-appb-I000009
여기서, SR-V_j 와 TR-V_j는 각각 유체의 이동 거리와 이동 시간을 나타내며, 각각의 단위는 [m] 및 [s]이다.
Qij는 m번째 프레임(m>1)에서 유체흐름 방향으로 문턱값을 초과하는 마지막 픽셀의 위치로 정의될 수 있으며, j번째 열의 i번째 행에 해당하는 픽셀을 의미할 수 있다.
또한, Qkj는 n번째 프레임(n>m)에서 유체흐름 방향으로 문턱값을 초과하는 마지막 픽셀의 위치로 정의될 수 있으며, j번째 열의 k번째 행(k>i)에 해당하는 픽셀을 의미할 수 있다.
그리고, p는 유체 흐름 방향으로 인접한 픽셀들 사이의 거리를 의미하며, FPS는 프레임 레이트로써 초당 프레임 수를 나타낸다. 또한, l은 인접한 행들 사이에 노출이 시작되는 시간 차이를 말한다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 광 센서 패키지 모듈의 유체흐름 특성 평가 방법을 나타내는 플로우 차트이고, 도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 유체의 전파 프로파일을 측정하는 방법을 나타내는 플로우 차트이고, 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 유체의 흐름 속도를 측정하는 방법을 나타내는 플로우 차트이다.
도 8을 참조하면, 광 센서 패키지 모듈(400)의 유체흐름 특성 평가를 위해 컴퓨팅 장치(200)는 먼저 유동 채널(430) 내 유체의 초기상태 흐름에서 전파 프로파일과 유체의 흐름 속도 측정할 수 있다(S110).
도 9를 참조하면, 유체의 전파 프로파일을 측정하기 위해 먼저 컴퓨팅 장치(200)는 광 센서 패키지 모듈(400)의 픽셀 어레이(412)에서 출력된 출력값을 획득한다(S111). 상기 출력값은 각 픽셀 상에 위치하는 유체에 포함된 형광물질로부터 발생된 빛을 감지하여 전기적 신호로 변환한 값일 수 있다.
출력값은 특정 프레임에서 픽셀 어레이(412)의 모든 픽셀 출력값일 수 있으며, 적어도 3개의 프레임 예컨대, 초기상태 흐름의 시작 단계, 중간 단계 및 최종 단계에서 얻어질 수 있다.
다음, 컴퓨팅 장치(200)는 각 픽셀의 출력값을 기 설정된 문턱값과 비교하고(S112), 비교 결과에 따라 각 픽셀 상에 유체 흐름이 존재하는지 여부를 판단할 수 있다(S113).
예컨대, 컴퓨팅 장치(200)는 각 픽셀의 출력값이 문턱값을 초과하면 해당 픽셀 상에 유체 흐름이 존재하는 것으로 판단할 수 있다. 반대로, 출력값이 문턱값에 미치지 못하는 경우에는 해당 픽셀 상에 유체 흐름이 도달하지 못한 것으로 판단할 수 있다.
이러한 과정을 통해 컴퓨팅 장치(200)는 문턱값을 초과하는 출력값을 갖는 픽셀들과 그렇지 않은 픽셀을 구별하여 표시함으로써 전파 프로파일을 생성할 수 있다.
도 10을 참조하면, 유체의 흐름 속도의 측정은 적어도 두 개의 프레임에서 측정된 픽셀 출력값에 기초하여 수행될 수 있다.
먼저, 컴퓨팅 장치(200)는 제1프레임에서 모든 픽셀의 출력값을 읽어 들이고, 픽셀 어레이의 각 행에서 픽셀 온 상태에 있는 마지막 픽셀인 제1픽셀의 위치를 결정한다(S115).
이후, 컴퓨팅 장치(200)는 제1프레임 이후의 제2프레임에서 다시 모든 픽셀의 출력값을 읽어들이고, 픽셀 어레이의 각 행에서 픽셀 온 상태에 있는 마지막 픽셀인 제2픽셀의 위치를 결정한다(S116).
제1픽셀과 제2픽셀의 위치가 정해지면, 제1픽셀과 제2픽셀 사이에 존재하는 픽셀의 개수와 미리 정의된 인접한 픽셀 사이의 피치 거리를 이용하여 두 픽셀 간의 거리를 계산함으로써, 유체의 이동거리를 산출할 수 있다(S117).
또한, 제1프레임과 제2프레임 사이에 존재하는 프레임 개수와 프레임 레이트(fps)를 이용하여 제1프레임과 제2프레임 간의 시간을 계산함으로써, 유체의 이동시간을 산출할 수 있다(S118).
컴퓨팅 장치(200)는 위와 같이 산출된 유체의 이동거리와 이동시간으로부터 모든 프레임에서 유체의 흐름의 평균 속도 또는 순간 속도를 계산할 수 있다.
한편, 광 센서(410)는 전자식 셔터 방식으로 글로벌 셔터 또는 롤링 셔터를 이용할 수 있다. 특히, 롤링 셔터에서 픽셀 어레이(412)가 각각의 행 단위로 순차적으로 노출이 되고 유체의 흐름 방향이 셔터의 노출 방향과 같을 수 있다. 이 경우, 단계 S118에서의 유체의 이동시간 계산에 라인 타임이 더 고려될 필요가 있다.
다시 도 8을 참조하면, 초기상태 흐름에서 전파 프로파일과 유체의 흐름 속도가 측정되면, 측정된 전파 프로파일과 유체의 흐름 속도로부터 제1통계 파라미터를 계산할 수 있다(S120). 여기서, 제1통계 파라미터는 통계적 수치 데이터 그룹을 시각적으로 묘사한 박스플롯이나 표준편차에 대한 평균의 비율을 나타내는 변동계수 등을 말한다.
특히, 전파 프로파일에 대한 박스플롯은 픽셀 어레이(412)의 각 행에서 유체가 흘러간 거리에 관한 최소값, 최대값, 중간값, 제1사분위수, 제3사분위수 등의 통계적 정보를 제공할 수 있다.
제1통계 파라미터가 계산되면, 제1통계 파라미터와 미리 설정된 기준값을 비교하고, 비교 결과에 따라 광 센서 패키지 모듈의 품질을 평가할 수 있다(S130). 상기 기준값은 광 센서 패키지 모듈의 제조사가 설정한 제품 품질 보증을 위한 기준으로서 특정한 통계 파라미터일수 있다.
예컨대, 제조사는 변동계수 값이 10% 이하의 제품만을 선택하고, 이 기준을 충족하지 못한 제품은 다음 평가에서 제외시킬 수 있다. 또한, 제조사는 박스플롯 상의 최소값과 최대값의 차이 또는 제1사분위수와 제3사분위수의 차이 등을 품질 평가의 기준으로 할 수 있다. 예컨대, 최소값과 최대값의 차이가 설정된 값을 초과한 경우, 해당 제품은 품질 평가를 만족하지 않은 것으로 결정할 수 있다.
품질 평가 단계에서 전파 프로파일은 유체 흐름의 균일성에 관한 기준을 제공할 수 있으며, 속도 분포는 유체 흐름의 안정성에 대한 기준을 제공할 수 있다.
유체의 초기상태 흐름이 픽셀 어레이(412)의 마지막 열에 도달하면, 유동 채널 내의 유체 흐름은 안정한 상태가 된다. 즉, 픽셀 어레이(412)에서 측정되는 출력값에 거의 변동이 없는데, 이러한 상태의 흐름을 정상상태 흐름이라 부를 수 있다.
정상상태의 흐름에서 컴퓨팅 장치(200)는, 각 픽셀 상에 유체 흐름이 존재하는지 아닌지를 판단하는 초기상태의 흐름과 달리, 모든 프레임에서 각 픽셀의 출력값을 수집하고 수집된 출력값으로부터 박스플롯이나 변동계수 등의 제2통계 파라미터를 계산한다(S140 및 S150).
정상상태에서 유체 흐름은 거시적으로 안정되고 변화가 없는 것으로 보이지만, 미시적으로 보면 각 픽셀의 출력값은 끊임없이 변동하고 있기 때문에 일정 시간동안 전체 픽셀의 광 강도에 대한 지속적인 모니터링이 요구된다.
단계 S150에서 계산된 제2통계 파라미터는 광 센서 패키지 모듈(400)에 대한 추가적인 평가를 위해 이용될 수 있다. 예컨대, 한 로트에서 일부 샘플링하여 정상상태 측정 후 동일 로트의 다른 샘플의 정상상태 보정용으로 사용하거나 로트의 특성으로 파악할 수 있다.
한편, 광 센서 패키지 모듈은 유동 채널의 고정 매트릭스 특성에 의해 영향을 받을 수 있으므로, 이러한 요소가 비균일 유동 시스템의 평탄화 보정을 위해 고려되어야 한다. 평탄화 보정은 각 픽셀의 출력값 및/또는 제2통계 파라미터를 이용하여 수행될 수 있다.
평탄화를 위한 보정을 위해 먼저 픽셀 어레이에서 보정을 위한 기준 픽셀을 결정할 수 있다. 예컨대, 기준 픽셀은 제1사분위수와 제3사분위수의 차이가 가장 작은 픽셀이 될 수 있다.
기준 픽셀이 결정되면 각 픽셀에서 평탄화 보정을 위해 대표값에 관한 룩업 테이블을 생성하여야 한다. 예컨대, 대표값은 각 픽셀에서의 평균값, 중앙값 또는 최빈값 등이 될 수 있다.
각 픽셀의 평탄화 보정을 위한 룩업 테이블은 각 픽셀의 대표값을 기준 픽셀의 대표값으로 조절할 수 있는 변수나 함수로 채워지고, 룩업 테이블을 이용하여 유동 시스템에 대한 평탄화 보정을 수행할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
[부호의 설명]
100 : 측정장치
110 : 암실박스
120 : 광원
130 : 센서보드
140 : 지그
200 : 컴퓨팅 장치
300 : 케이블
400 : 광 센서 패키지 모듈
410 : 광센서
411 : 픽셀 유닛
412 : 픽셀 어레이
414 : 패드
420 : 중간층
430 : 유동 채널
440 : 적용 광원
450 : 암실 캡슐

Claims (13)

  1. 유동 채널을 갖는 렌즈프리 CMOS 광 센서 패키지 모듈의 유체 흐름 특성 평가방법에 있어서,
    상기 유동 채널 내 유체의 초기상태 흐름에서 전파 프로파일 및 유동 속도를 측정하는 단계;
    상기 측정된 전파 프로파일 및 유동 속도로부터 상기 유체의 유동 특성에 관한 제1통계 파라미터를 계산하는 단계; 및
    상기 계산된 제1통계 파라미터와 미리 설정된 기준 값을 비교하고, 비교 결과에 따라 상기 유동 채널의 품질을 평가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 센서 패키지 모듈의 유체 흐름 특성 평가방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전파 프로파일을 측정하는 단계는,
    상기 광 센서 패키지 모듈의 픽셀 어레이에서 출력값을 획득하는 단계;
    상기 출력값을 설정된 문턱값과 비교하는 단계; 및
    상기 비교 결과에 기초하여 각 픽셀 상에 유체 흐름의 존재여부를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 센서 패키지 모듈의 유체 흐름 특성 평가방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전파 프로파일은 상기 초기상태 흐름의 시작 단계, 중간 단계 및 최종 단계에서 각각 측정되는 것을 특징으로 하는 광 센서 패키지 모듈의 유체 흐름 특성 평가방법.
  4. 제3항 있어서,
    상기 시작 단계는 픽셀 어레이의 첫 번째 열에서 모든 픽셀 출력값이 설정된 문턱값을 초과하는 시점인 것을 특징으로 하는 광 센서 패키지 모듈의 유체 흐름 특성 평가방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 최종 단계는 픽셀 어레이의 마지막 열에서 적어도 하나의 픽셀 출력값이 설정된 문턱값을 초과하는 시점인 것을 특징으로 하는 광센서 패키지 모듈의 유체 흐름 특성 평가방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유동 속도를 측정하는 단계는,
    제1프레임의 각 행에서 픽셀 온 상태에 있는 마지막 픽셀인 제1픽셀의 위치를 결정하는 단계;
    상기 제1프레임 이후 제2프레임의 각 행에서 픽셀 온 상태에 있는 마지막 픽셀인 제2픽셀의 위치를 결정하는 단계;
    상기 제1픽셀과 제2픽셀 사이의 거리로부터 유체의 이동거리를 계산하는 단계; 및
    상기 제1프레임과 제2프레임 사이의 시간을 이용하여 유체의 이동시간을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 센서 패키지 모듈의 유체 흐름 특성 평가방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 유동 속도(VG _i)는 아래의 식에 의해 계산되고,
    Figure PCTKR2017011031-appb-I000010
    Figure PCTKR2017011031-appb-I000011
    Figure PCTKR2017011031-appb-I000012
    상기 SG_i 와 TG_i는 각각 유체의 이동 거리와 이동 시간을 나타내며,
    상기 Qij는 m번째 프레임(m>1)에서 유체흐름 방향으로 문턱값을 초과하는 마지막 픽셀의 위치를 나타내고, Qik는 n번째 프레임(n>m)에서 유체흐름 방향으로 문턱값을 초과하는 마지막 픽셀의 위치를 나타내며,
    상기 p는 유체 흐름 방향으로 인접한 픽셀들 사이의 거리이고, 상기 FPS는 초당 프레임 수를 나타내는 것을 특징으로 하는 광 센서 패키지 모듈의 유체 흐름 특성 평가방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 광 센서가 롤링 셔터 방식을 사용하고, 셔터의 노출 방향과 유체의 흐름 방향이 동일하거나 서로 반대될 때,
    상기 유체의 이동시간은 상기 제1프레임과 제2프레임 사이의 시간 이외에 라인 시간을 더 고려하여 계산되는 것을 특징으로 하는 광 센서 패키지 모듈의 유체 흐름 특성 평가방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 유동 속도(VR-V_j)는 아래의 식에 의해 계산되고,
    Figure PCTKR2017011031-appb-I000013
    Figure PCTKR2017011031-appb-I000014
    Figure PCTKR2017011031-appb-I000015
    상기 SR-V_j 와 TR-V_j는 각각 유체의 이동 거리와 이동 시간을 나타내며,
    상기 Qij는 m번째 프레임(m>1)에서 유체흐름 방향으로 문턱값을 초과하는 마지막 픽셀의 위치를 내타내고, 상기 Qkj는 n번째 프레임(n>m)에서 유체흐름 방향으로 문턱값을 초과하는 마지막 픽셀의 위치를 나타내며,
    상기 p는 유체 흐름 방향으로 인접한 픽셀들 사이의 거리이고, 상기 FPS는 초당 프레임 수를 나타내며, 상기 l은 인접한 행들 사이에 노출이 시작되는 시간 차이인 것을 특징으로 하는 광 센서 패키지 모듈의 유체 흐름 특성 평가방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1통계 파라미터는 변동계수 및 박스플롯 중에서 적어도 하나를 포함하고,
    상기 평가하는 단계는 상기 변동계수가 설정된 제1값보다 작거나 상기 박스플롯 상의 최대값 및 최소값 차이가 설정된 제2값보다 작을 때 품질 기준을 만족하는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 광 센서 패키지 모듈의 유체 흐름 특성 평가방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 유체의 정상상태 흐름에서 상기 광 센서의 유효영역에서 각 픽셀의 출력값을 획득하는 단계; 및
    상기 출력값으로부터 제2통계 파라미터를 계산하는 단계를 더 포함하는 광 센서 패키지 모듈의 유체 흐름 특성 평가방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 출력값 또는 상기 제2통계 파라미터에 기초하여 평탄화 보정을 수행하는 단계를 더 포함하는 광 센서 패키지 모듈의 유체 흐름 특성 평가방법.
  13. 유동 채널을 갖는 렌즈프리 CMOS 광 센서 패키지 모듈의 유체 흐름 특성 평가방법에 있어서,
    유체의 정상상태 흐름에서 상기 광 센서의 유효영역에서 각 픽셀의 출력값을 획득하는 단계;
    상기 출력값으로부터 제2통계 파라미터를 계산하는 단계; 및
    상기 출력값 또는 상기 제2통계 파라미터에 기초하여 평탄화 보정을 수행하는 단계를 포함하는 광 센서 패키지 모듈의 유체 흐름 특성 평가방법.
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