WO2023204430A1 - 바이오 센서 카트리지 및 그의 검사 장치 - Google Patents

바이오 센서 카트리지 및 그의 검사 장치 Download PDF

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WO2023204430A1
WO2023204430A1 PCT/KR2023/002762 KR2023002762W WO2023204430A1 WO 2023204430 A1 WO2023204430 A1 WO 2023204430A1 KR 2023002762 W KR2023002762 W KR 2023002762W WO 2023204430 A1 WO2023204430 A1 WO 2023204430A1
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sensor chip
probe
circuit board
housing
pad
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PCT/KR2023/002762
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임경택
최태규
김창석
공경호
김경화
김영환
김성근
이영래
여인관
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엘지전자 주식회사
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Definitions

  • This embodiment relates to an inspection device for inspecting a biosensor cartridge including a biosensor and a biosensor chip.
  • a biosensor generates color, electrical, and optical signals that change by a sensing material that is reactive to a specific target material contained in body fluids such as sweat and saliva, and biological materials such as blood or urine, and the selective response of the target material. do. Therefore, the presence of a specific target material can be confirmed using a biosensor.
  • strip-type rapid kits have been widely used, and they perform simple color development (e.g., tests such as dipsticks change color if the result is positive) by determining whether a biotarget substance is present at a certain concentration or higher.
  • a target material is coupled to a channel of a small thin film semiconductor structure, the electrical conductivity of the semiconductor structure is changed by the target material, and the target material is detected through the change in electrical conductivity.
  • the target material combines in the channel, an electrochemical reaction occurs, or when the target material itself has a charge, electrons or holes in the semiconductor structure accumulate due to the electric field effect caused by the combination of the sensing material and the target material.
  • the electrical conductivity changes due to depletion or depletion, it is read as a change in the amount of current.
  • the resistance of the electrode itself and the interface characteristics of the channel where the electrochemical reaction occurs are very important.
  • the electrodes for measuring electrical signals are also manufactured in a dicing unit and are very thin, so the electrodes may be damaged or the channels may be damaged during the process of combining with the measuring equipment for measuring the amount of current. Damage occurs, causing frequent short circuits or contamination.
  • biosensors are provided with a structure that includes a sensor unit that senses a target material and a connection unit for connecting the sensor unit to measurement equipment.
  • the electrode of a conventional biosensor extends from the sensor unit for sensing the target material, extends from the end of the substrate, and may be configured as a connection unit connected to the measurement equipment.
  • a processing device that processes inspection data and a probe that performs inspection are connected wired or wirelessly to each other, and the probe end is manually contacted to the inspection position of the corresponding chip or automatically inspected by loading the chip at a specific location. is progressing.
  • the processing device and probe end of this inspection equipment itself are much larger than the sensor chip, which is the inspection chain, making detailed inspection difficult.
  • the pad is formed on one side and the area other than the reaction area is minimized, so in the case of inspection equipment that performs inspection by reading signals from the pad placed in the minimized area, multiple probe stages are connected to each other at the same time. Simultaneous access to the pad may not be possible.
  • a vacuum socket is disclosed as such a medium.
  • This type of vacuum socket is applied to a semiconductor chip.
  • the semiconductor chip is mounted inside, a separate printed circuit board with a number of pads matching the pad is mounted on the bottom, and the two elements are flip-chip bonded to each other. We provide technology to connect this through a probe.
  • the vacuum socket primarily operates as a means of moving the semiconductor chip.
  • This embodiment provides a biosensor cartridge including a sensor chip, and the first problem is to provide a separate probe device for testing the performance of the sensor chip.
  • the second task of this embodiment is to provide a probe device that allows inspection of the sensor chip with the circuit board itself without requiring a separate circuit board by directly applying the circuit board and sensor chip applied to the biosensor cartridge.
  • the third task of this embodiment is to provide a probe device that can be easily modified when the configuration of the pad changes by implementing the configuration for electrical connection in the shape of a po-go pin.
  • This embodiment is a probe device for inspecting a sensor chip that detects a target material from an applied analysis sample and transmits, through a pad, an electrical signal generated by arranging a reactive material that specifically reacts with the target material,
  • a lower housing that accommodates a circuit board including connection terminals configured to be electrically connected to an inspection device;
  • a middle housing coupled to the lower housing and mounting the sensor chip on the lower housing;
  • a probe module including a probe pin for connecting a pad of the sensor chip and a connection pad of the circuit board; and an upper housing coupled to the middle housing, including a recess that opens the sensor chip, and a guide area that aligns the probe module with the sensor chip and the pad of the circuit board.
  • the middle housing exposes each pad of the circuit board and may include a guide hole through which the probe pin passes.
  • the middle housing may include a chip area that defines the position of the sensor chip so that the pad of the sensor chip and the guide hole are disposed adjacent to each other.
  • the probe pin module may include a support portion simultaneously supporting a plurality of probe pins, and a plurality of probe pins penetrating the support portion and contacting a pad of the sensor chip and a pad of the circuit board, respectively.
  • the length of the probe pin may be adjusted depending on the height of the sensor chip and the circuit board.
  • the support portion may include a plurality of through holes penetrating each probe pin, and the plurality of probe pins may be insulated from each other by the support portion.
  • the probe pin has one end exposed above the support part and the other end exposed below the support part, and can be electrically connected at the other end of the probe pin when connection between the pad of the sensor chip and the connection pad of the circuit board is necessary. there is.
  • the upper housing may be inclined so that the depression receives electrolyte fluid.
  • the guide area of the upper housing may further include a probe pin guide that seats and supports the support portion of the probe pin module.
  • the probe pin guide may be formed to protrude by a predetermined height from the body portion of the upper housing.
  • the probe device is disposed on the probe pin guide and may further include a cover guide housing one end of the probe pin.
  • the lower housing includes a body portion defining an area of the probe device, and may include at least one engaging protrusion protruding from an upper surface of the body portion.
  • the at least one coupling protrusion may penetrate and couple the middle housing and the upper housing at the same time.
  • the lower housing and the middle housing may include a coupling hole coupled to an edge area by a coupling member.
  • the reference resistance of the sensor chip can be measured by inserting the connection terminal of the circuit board into a test equipment with the electrolyte fluid applied to the receiving portion.
  • a probe device with a simplified structure is provided to inspect the performance of the sensor chip itself diced from a single semiconductor wafer, thereby providing meter reading without a large prober. This is possible.
  • FIG. 1 is a diagram showing a biosensor system according to this embodiment.
  • FIG. 2 is a configuration diagram of the biosensor diagnostic device and biosensor cartridge of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a front view of an example of the biosensor diagnostic device of FIG. 1.
  • Figure 4 is an exploded perspective view of the biosensor diagnostic device of Figure 3.
  • FIG. 5A and 5B are top and rear views of an example of the biosensor cartridge of FIG. 1.
  • FIG. 6 is an exploded perspective view of an example of the biosensor cartridge of FIG. 1.
  • Figure 7 is a cross-sectional view of the biosensor cartridge of Figures 5 and 6 taken along lines I-I' and II-II'.
  • FIG. 8 is a top view of an example of a sensor chip applicable to the biosensor cartridge of FIG. 6.
  • Figure 9 is a cross-sectional view of the sensor chip of Figure 8 cut along line III-III'.
  • FIGS. 10A and 10B are schematic diagrams showing responses according to target materials of the sensor chip of FIG. 8.
  • Figure 11 is a graph showing the change in output current of the sensor chip according to Figures 10a and 10b.
  • FIG. 12 is a flowchart showing the manufacturing process of the biosensor cartridge of FIG. 5.
  • FIG. 13 is a flowchart showing the error inspection process of the biosensor chip during the manufacturing process of FIG. 12.
  • Figures 14a and 14b are a perspective view and a top view of a probe device for error inspection of a bio sensor chip.
  • Figure 15 is an exploded perspective view showing an example of the probe device of Figures 14a and 14b.
  • Figure 16 is a detailed view of the lower housing of the probe device of Figure 15;
  • Figure 17 is an enlarged view of area A of Figure 16.
  • Figures 18A and 18B are top perspective and rear views of the upper housing of the probe device of Figure 15;
  • Figure 19 is a cross-sectional view taken along line V-V' of the probe device of Figure 14b.
  • Figure 20 is an exploded cross-sectional view of the probe device of Figure 14b taken along line VI-VI'.
  • Figure 21 is a combined cross-sectional view of the probe device of Figure 14b cut along line VI-VI'.
  • Figure 22 shows the shape of the probe pin exposed on the rear view of the upper housing.
  • Figure 23 is a cross-sectional view of the probe device of Figure 14b taken along line VII-VII'.
  • FIG. 24 is an exploded perspective view showing another example of the probe device of FIGS. 14A and 14B.
  • each component is exaggerated, omitted, or schematically shown for convenience and clarity of explanation. Additionally, the size and area of each component do not entirely reflect the actual size or area.
  • target materials are biomaterials representing specific substrates and are interpreted to have the same meaning as analytes or analytes.
  • the target substance may be an antigen.
  • probe materials are biomaterials that specifically bind to a target material, and are interpreted to have the same meaning as a receptor or acceptor.
  • the sensing material may be an antibody.
  • Electrochemical-based biosensors combine the analytical capabilities of electrochemical methods and the specificity of biological recognition. They are substances with biological specificity such as enzymes, antigens, antibodies, biochemical substances, etc., that is, sensing substances. By fixing or containing on the surface of the electrode, the phenomenon of biological recognition of the target material is detected as a change in current or potential.
  • FIG. 1 is a diagram showing a biosensor system according to this embodiment
  • FIG. 2 is a configuration diagram of the biosensor diagnostic device 200 and the biosensor cartridge 100 of FIG. 1.
  • the biosensor system includes a biosensor diagnostic device 200, a plurality of biosensor cartridges 100, and at least one server 400.
  • the biosensor A detection signal is read from the cartridge 100 to determine the presence or absence of a target material.
  • the biosensor diagnostic device 200 is a portable, all-in-one diagnostic device 200 that detects a change in current in response to the presence of a trace amount of target material from the biosensor cartridge 100, diagnoses the disease accordingly, and delivers it to the user. possible.
  • the biosensor diagnostic device 200 can be made portable by integrating each functional block, miniaturizing it, and integrating it into one case.
  • the bio sensor diagnostic device 200 can be moved anywhere, regardless of the presence or absence of an external power source, by mounting a battery 281 therein.
  • the diagnostic device 200 includes a preprocessing process for correcting the detection signal from the biosensor cartridge 100 so that minute signal changes can be read, and includes a function to compensate for the reproducibility and non-uniformity of the sensor.
  • the biosensor diagnostic device 200 reads the QR code placed on the rear of the biosensor cartridge 100 and performs product authentication by receiving environmental information for authentication of the biosensor cartridge 100. It includes a communication module capable of transmitting and receiving signals for product authentication with a QR reader and an external cloud server 400.
  • the biosensor diagnostic device 200 may have a program algorithm or application installed to diagnose a disease by measuring and analyzing the detection signal from the biosensor cartridge 100, and may be installed depending on the type of each biosensor cartridge 100. Depending on the method, different algorithms can be implemented. That is, a plurality of different biosensor cartridges may be used in the biosensor diagnostic device 200, and different algorithms are used for each different biosensor cartridge.
  • the biosensor diagnostic device 200 includes a display unit 290 for directly displaying diagnostic results to the user, and is designed to be directly operated through user interfaces 296, 697, and 674.
  • the biosensor system includes a plurality of biosensor cartridges 100 that are inserted into the biosensor diagnostic device 200 to provide detection signals.
  • Each of the biosensor cartridges 100 is electrically connected to a diagnostic device 200 installed with an algorithm capable of measuring and analyzing the electrical detection signal generated by the biosensor chip 500.
  • the biosensor cartridge 100 may be inserted into the cartridge insertion module 2911 of the integrated biosensor diagnostic device 200 and electrically connected, as shown in FIG. 1 .
  • the biosensor cartridge 100 accommodates a sensor chip 500 corresponding to the biosensor unit 500 in housings 110 and 120, and the housings 110 and 120 include electrode pads of the sensor chip 500 and
  • the circuit board 150 including a circuit pattern extending to the connection terminal 153 that is connected and inserted into the insertion module 2911 of the external bio sensor diagnostic device 200 can be accommodated.
  • the housings 110 and 120 are separated and combined into an upper housing 110 and a lower housing 120, and the upper housing 110 and lower housing 120 accommodate the sensor chip 500 and the circuit board. By being combined and fixed, one biosensor cartridge 100 is formed.
  • the biosensor cartridge 100 has a connection terminal 153 exposed to the outside at one end for physical and electrical connection with the biosensor diagnostic device 200, and a solution for receiving the specimen is provided on the surface of the upper housing 110.
  • a receiving portion 119 is formed.
  • the solution receiving part 119 exposes a portion of the sensor chip 500 inside, and when a specimen is received into the solution receiving part 119, the sensor chip 500 is stored according to the antigen-antibody reaction of the sensor chip 500. As the charge concentration of the channel varies, the current flowing through the electrode of the sensor chip 500 varies. The changed current is read by the diagnostic device 200 through the connection terminal 153.
  • the channel can be implemented using various materials, and in particular, the channel can be implemented using graphene.
  • alternative materials such as silicon, silicon carbide, germanium, aluminum nitride, indium, gallium nitride, and gallium arsenide may be used in the channels of sensor chip 500.
  • biosensor cartridge 100 The detailed configuration of the biosensor cartridge 100 will be described in detail later.
  • the biosensor system may include at least one server 400.
  • the server 400 may be a manufacturer server 400, and the server 400 may include a processor capable of processing programs.
  • the functions of the server 400 may be performed by the manufacturer's central computer (cloud).
  • the server 400 may be operated by the manufacturer of the biosensor cartridge 100 and the diagnostic device 200.
  • the server 400 may be installed in a building and store status information about devices in the building or store content required for home appliances in the building.
  • the server 400 may store firmware information and diagnostic information for the diagnostic device 200, and transmit authentication information for the biosensor cartridge 100 requested from the diagnostic device 200.
  • the server 400 in the bio sensor system may be one of the manufacturer's plural cloud servers 400, and a plurality of cloud servers 400 are simultaneously included and can be connected to one bio sensor diagnostic device 200. It may be provided within a sensor system.
  • the biosensor diagnostic device 200 matches the rankings for the multiple cloud servers 400 and sequentially selects the best one. Authentication requests can be sent starting from the ranking. At this time, if a response signal is not received from the priority server 400, an authentication request may be sent to the next priority server 400.
  • the server 400 may perform authentication for the biosensor cartridge 100 and provide the authentication result to the biosensor diagnostic device 200.
  • the server 400 can provide calibration data and update data for products with the corresponding ID, and can transmit them to the communicating biosensor diagnostic device 200.
  • the server 400 can also create and distribute an upgraded version of the analysis program for each biosensor cartridge 100.
  • the server 400 may receive history information about the manufacturer's manufacturing date, manufacturing conditions, sensor type, test results, etc. of the biosensor cartridge 100 from a separate manufacturer's manufacturing server.
  • the server 400 can periodically generate and distribute upgraded versions of programs that receive and accumulate diagnostic result values for the corresponding product, perform machine learning on them, and provide them to each analysis device 200.
  • the biosensor system of this embodiment may further include a plurality of user terminals 300, but is not limited thereto.
  • the biosensor diagnostic device 200 or the cloud server 400 may transmit data about the diagnosis result to the communicating user terminal 300.
  • a dedicated application for the user terminal 300 can be provided from the manufacturer server 400, and various processing of diagnostic data is possible by storing and executing the application on the user terminal 300.
  • data can be processed to accumulate and display periodic test results, and the processed results can be provided to the user terminal 300 through an application. Accordingly, the user terminal 300 may be able to determine the prognosis and expected treatment time for the disease.
  • the user terminal 300 may be, for example, a laptop equipped with an application, a smart phone, a tablet, or a smart watch.
  • the user terminal 300 can communicate directly with the diagnostic device 200 or the server 400 through a network, and the diagnostic device 200 and the server 400 can also communicate directly through the network.
  • the network can apply wireless communication technologies such as IEEE 802.11 WLAN, IEEE 802.15 WPAN, UWB, Wi-Fi, Zigbee, Z-wave, Blue-Tooth, etc., and each device must apply at least one communication technology. It may include a wireless communication unit 260 (user terminal 300 and diagnostic device 200).
  • the wireless communication unit 260 may vary depending on the communication method of other devices (user terminal 300 and diagnostic device 200) or the server 400 with which it wishes to communicate.
  • the biosensor system reads the detection signal by inserting the connection terminal 153 of the biosensor cartridge 100 containing the specimen into the portable integrated biosensor diagnostic device 200 and electrically connecting it.
  • the functional configuration of the biosensor diagnostic device 200 for reading the detection signal is shown in FIG. 2.
  • the biosensor diagnostic device 200 includes a plurality of function modules.
  • Each function module may be individually packaged and accommodated in the case of one biosensor diagnostic device 200, and a plurality of function modules may be packaged as one module and accommodated in the case 201, 202. there is.
  • the biosensor diagnostic device 200 includes a signal conversion amplification unit 210, a signal filtering unit 220, a signal processing unit, an arithmetic unit 250, a wireless wireless communication unit 260, a power unit 280, a display unit 290, and a QR unit. It includes a reader unit 270 and a sensor control unit 240.
  • the signal conversion amplification unit 210 first receives the detection signal transmitted from the biosensor cartridge 100, and converts and amplifies the current value of the detection signal so that it can be read by the biosensor diagnostic device 200.
  • the signal conversion amplifier 210 may form an analog circuit including a resistor that generates a voltage drop according to the changed current value, which is a detection signal transmitted from the biosensor cartridge 100, and receives such a voltage drop. It may further include an amplifier circuit that amplifies this.
  • the amplified signal is transmitted to the signal filtering unit 220 to remove noise and then transmitted to the signal processing unit 230.
  • the signal processing unit 230 can convert the amplified analog detection value from which noise has been removed into a digital value for diagnostic calculation, and may include an analog-digital converter (ADC) for this purpose.
  • ADC analog-digital converter
  • the signal conversion amplification unit 210, the signal filtering unit 220, and the signal processing unit 230 can all be implemented with a single integrated circuit chip.
  • Such an integrated circuit chip may correspond to the cartridge insertion module 211 in FIG. 3.
  • the sensor control unit 240 can provide a reference voltage whose level is varied under the control of the calculation unit 250 to the connection terminal 153 of the connected biosensor cartridge 100, and the biosensor cartridge 100 is a sensor.
  • a reference voltage with a variable level is received from the control unit 240, and a current value changed by the variable resistance value of the channel flows to the connection terminal 153.
  • the sensor control unit 240 can be mounted within the integrated circuit chip as a voltage level conversion circuit.
  • the biosensor diagnostic device 200 includes an operation unit 250 for controlling the operation of the diagnostic device 200 and reading the received digitized detection value.
  • Control of the diagnostic device 200 may include a separate controller, but by executing a program stored in one controller, it is possible to simultaneously read whether the detection value is detected and control the operation of the entire diagnostic device.
  • the calculation unit 250 can be implemented as a separate integrated circuit chip and can be mounted within the main board 255.
  • the calculation unit 250 can read the presence or absence of a target material for the detection value according to the reading program, process the result, and provide it to the display unit 290. Additionally, such reading results can be transmitted to the cloud server 400 and the user terminal 300 through the wireless communication unit 260.
  • the calculation unit 250 can also control the operation of the diagnostic device 200 for reading. As an example, when the connection terminal 153 of the biosensor cartridge 100 is inserted into the cartridge insertion module 211, the calculation unit 250 detects the insertion and sends a QR reading command to the QR reader unit 270. Can be transmitted.
  • the QR reader unit 270 performs an operation to read the QR code attached to the rear of the cartridge 100 inserted into the cartridge insertion module 211 and transmits the information back to the calculation unit 250.
  • the calculation unit 250 receives QR information and accordingly requests authentication to the cloud server 400.
  • authentication information is received from the cloud server 400
  • the biosensor cartridge 100 is authenticated. Reading is performed, and the reading result is processed by matching it with the authentication result of the biosensor cartridge 100.
  • the calculation unit 250 simultaneously performs the module operation of the diagnostic device 200 and the execution of the reading program to minimize the time difference in result matching (for example, by minimizing the time to determine whether the biosensor cartridge 100 is genuine). Errors can be reduced.
  • the calculation unit 250 is a data storage unit (not shown) and may be composed of a memory card, a library file for diagnosis of biomaterials, and an embedded system board equipped with a signal processing device.
  • a memory card capable of storing output signal data is inserted into the embedded system board, and the memory card stores the system OS, driving program, and library files for analysis.
  • signal processing for concentration analysis of biomaterials is calculated through comparative analysis with library files in the CPU of the embedded system board, and the analysis results are saved back to the memory card.
  • the wireless communication unit 260 can be mounted together on such an embedded system board, but is not limited to this.
  • the biosensor diagnostic device 200 is a user interface and includes a display unit 290.
  • the display unit 290 includes a liquid crystal display device, a touch panel, etc., and the analysis results detected by creating a program considering user convenience. Displays .
  • the terminal 297, dial 296, button 294, etc. turn on/off the operation of the biosensor diagnostic device 200, and are connected to the calculation unit 250 to control the calculation unit 250 according to user commands. there is. That is, as a user's command is input in the interfaces 297, 296, and 294, the diagnosis of the biosensor cartridge 100 can be started. During the diagnosis process, the display unit 290 indicates the progress, and after the diagnosis is completed, the diagnosis is performed. Shows the results.
  • the bio sensor diagnostic device 200 includes a separate power supply unit 280 that can apply power to a plurality of modules, and the power supply unit 280 includes a battery 281. Accordingly, power to the internal module can be supplied from the battery 281 by charging an external power source, and thus the device 200 can be carried. Battery 281 may be charged by an external power source, such as alternating current AC power available from a utility.
  • FIG. 3 is a front view of an example of the biosensor diagnostic device 200 of FIG. 1, and FIG. 4 is an exploded perspective view of the biosensor diagnostic device 200 of FIG. 3.
  • the bio sensor diagnostic device 200 is provided as a portable integrated device.
  • integrated may include all states in which the diagnostic device 200 is recognized as a single device in terms of movement, placement, and use.
  • integrated may mean located together inside the same case and integrated by the same case, or it may mean fixed by fitting or attaching to the same member and integrated by the same member.
  • those connected by a separate output cable, etc. may not be considered integrated.
  • the integrated biosensor diagnostic device 200 includes a separate inner cover 205 within the cases 201 and 202, and a plurality of modules accommodated within the receiving portion 208 of the inner cover 205.
  • a front panel 291 is disposed and covers the front of the inner cover 205. At this time, one of the rear case 202 and the inner cover 205 can be omitted.
  • the left side is defined as the front and the right side is defined as the rear along the X-axis where a plurality of modules overlap, and the Y and Z axes perpendicular to the It is defined by the two axes that make up.
  • the cases 201 and 202 of the biosensor diagnostic device 200 include a front case 201 and a rear case 202.
  • the rear case 202 has a receiving portion 203 inside and is formed to have a bottom surface and a side surface.
  • the receiving portion 203 accommodates at least the inner cover 205, the main board 255, and the front panel 291.
  • the receiving portion 203 can accommodate all parts of the diagnostic device 200 except the front case 201.
  • the front case 201 and the rear case 202 may be arranged with their sides in contact with each other to face the receiving portion 203.
  • the receiving portion 203 formed by the front case 201 and the rear case 202 changes from an open space to a closed space as the front case 201 is opened and closed.
  • An external case can be further formed to accommodate the front case 201 and the rear case 202 at the same time.
  • the external case can be formed in a box type as shown in Figure 3, and a handle is formed for easy carrying, or it can be tilted at a predetermined angle.
  • a field bed on which the diagnostic device 200 can be placed may be formed.
  • the bottom surfaces of the front case 201 and the rear case 202 have the same size and define the total area of the biosensor diagnostic device 200.
  • the bottom surface may be formed in various shapes, and the shape may be square as shown in FIG. 4, but is not limited to this and may be circular, oval, diamond, etc.
  • the area is a portable size.
  • one side can meet 30 cm or less, but it is not limited to this and can be further miniaturized.
  • the height of the side forming the receiving part 203 of the rear case 202 may be greater than the height of the side of the front case 201, and the inner cover 205 is located within the receiving part 203 of the rear case 202. is formed.
  • the inner cover 205 has the same shape as the rear case 202 so that it can be inserted into the receiving portion 203 of the rear case 202, and its bottom may have a smaller area than the rear case 202, but the inner cover 205 has the same shape as the rear case 202. It can be fitted so that the space between the side and bottom of the case 202 and the side and bottom of the inner cover 205 is minimized. Additionally, the inner cover 205 is integrated with the rear case 202, so either one can be omitted.
  • the inner cover 205 functions as a substantially integrated cover, and if the cases 201 and 202 are damaged, the inner cover 205 can be replaced by separating it from the cases 201 and 202.
  • a plurality of modules are accommodated in the receiving portion 203 of the inner cover 205.
  • Supports 2081 and 2082 may be formed on the bottom surface of the inner cover 205 to support the modules while defining the positions of each module, and the supports 2081 and 2082 may vary depending on the arrangement of the internal modules. It is possible to design A plurality of supports (2081, 2082) may be provided.
  • the main board 255 is accommodated in the receiving portion 208 of the inner cover 205.
  • the main board 255 may have internal modules electrically connected to perform a plurality of functions, and as shown in FIG. 4, there is a display module 295 forming the display unit 290 toward the front of the main board 255.
  • a cartridge insertion module 2911 in which the signal conversion amplifier 210 and the sensor control unit 240 are integrated may be disposed.
  • a control switch 254 for the user interface of the front panel 291 may be disposed on the front.
  • An arithmetic module 251 and a communication module 261 that control the operation of the control device and read detection signals according to a program may be placed on the rear of the main board 255.
  • a QR reading module 271 may be placed on the rear of the main board 255.
  • a battery 281 is disposed to supply power to the main board 255 and each function module, and the battery 281 may be disposed close to the bottom of the inner cover 205.
  • the front panel 291 includes a reference plane exposed to the front of the biosensor diagnostic device 200, as shown in FIG. 3.
  • the front panel 291 includes a first opening 292 for exposing the display module 295 that is disposed on the back of the front panel 291 and displays an image on the front.
  • the first opening 292 may be covered with a transparent film, but is not limited thereto, and the display unit 290 of the display module 295 may be directly exposed.
  • buttons, dials, and terminals 294, 296, 297, etc. for a user interface can be placed around the first opening 291.
  • the plurality of buttons, dials, and terminals 294, 296, and 297 can be adjusted into various shapes depending on design.
  • a control dial 2941 may be disposed below the first opening 292, and a plurality of terminals and dials 296 and 297 may be disposed on the left side of the first opening 292 to provide user convenience. You can receive operation commands directly from.
  • the cartridge insertion module 2911 may be disposed to the left of the first opening 292 of the front panel 291 and to the left of the reference surface.
  • a cartridge insertion module 2911 is disposed on the right side of the first opening 292 and on the right side of the reference plane in the front panel 291.
  • the cartridge insertion module 2911 protrudes from the reference plane to the front and includes a terminal portion for electrical connection by inserting the connection terminal 153 of the cartridge in the Z-axis direction.
  • a terminal portion is formed on the side of the insertion module 2911, and the terminal portion may include at least one insertion hole 2914.
  • the insertion hole 2914 can be implemented in various ways depending on the shape of the connection terminal 153 of the cartridge, and the connection terminal 153 of the cartridge is a USB type such as SD card chip type, USB-A, or USB-C type. , or when formed as a pin (PIN) type, it can be formed so that the electrode of the connection terminal 153 can be read correspondingly.
  • a USB type such as SD card chip type, USB-A, or USB-C type.
  • PIN pin
  • the plurality of insertion holes 2914 are arranged side by side along the X-axis direction on the side of the insertion module 2911. can be placed.
  • a second opening 293 is disposed at the bottom of the insertion module 2911 to expose the QR reading module 271.
  • the second opening 293 is formed at the rear of the housing 101 of the cartridge 100 and in the It is formed at a position aligned with .
  • the second opening 293 may be covered with a transparent film, and the second opening 293 may have a square shape, but its area may be smaller than that of the first opening 292. Additionally, the second opening 293 may have any shape corresponding to the shape of the QR reading module 271 or the QR area 2553.
  • the second opening 293 functions as a passage for the QR reading module 271 placed at the rear to read the QR code of the cartridge 100 placed at the front, and is located between the QR reading module 271 and the cartridge 100.
  • a light guide portion 2912 is formed that protrudes from the back of the front panel 291 and forms a side wall of the second opening 293.
  • the light guide unit 2912 maintains the distance between the QR reading module 271 and functions as a light for photographing the QR reading module 271. That is, the light guide part 2912 may include a light guide plate formed on the side wall of the second opening 293.
  • a main board 255 on which each module is mounted is disposed on the back of the front panel 291, and the main board 255 may also have a shape similar to the bottom surface of the inner cover 205.
  • the main board 255 has a display area 2551 and a cartridge insertion module 2911 where the display module 295 is arranged in response to the division of the front panel 291 (e.g., division overlapping in the front and rear directions). It is divided into a cartridge area 2552 corresponding to a QR area 2553 corresponding to the second opening 293, and a control area 254 corresponding to buttons and dials for the user interface.
  • the main board 255 is a circuit board with circuits patterned on the front and back sides, and connection terminals or connectors for electrical connection are arranged in each area.
  • Each functional module is physically fixed in a defined area and can be integrated on the main board 255 by connecting the connection terminals and connectors of the board and the connection terminals or connectors of each module.
  • the cartridge area 2552 of the main board 255 corresponding to the cartridge insertion module 2911 is a terminal in which the signal conversion amplification unit 210, the filtering unit 220, and the sensor control unit 240 are integrated.
  • the module 241 is mounted.
  • the terminal module 241 may be connected to the terminal module 241 and an insertion hole module 211 into which the connection terminal 153 of the cartridge is inserted by a flexible printed circuit board (FPCB) 2111. It can be implemented as a component.
  • FPCB flexible printed circuit board
  • the display module 295 may be an LCD or LED panel module placed in the display area 2551, and the main board 255 may be connected to the operation module 251 on the back of the main board 255 and the battery 281.
  • a terminal opening 2951 may be formed.
  • the calculation unit 250 and the communication module 261 can also be connected to the main board 255 through a connector at the rear of the main board 255, but their arrangement on the main board 255 is not limited to this.
  • a QR reading module 271 is placed on the rear of the main board 255 to read the QR code through the QR opening 2554 formed in the QR area 2553, and the QR reading module 271 is also placed on a flexible printed circuit board (FPCB). ) is electrically connected to the main board 255 through (2711) and receives power and control signals. That is, the QR reading module 271 includes the FPCB 2711 and can electrically connect the QR reading module 271 to the main board 255.
  • FPCB flexible printed circuit board
  • a side frame 209 is formed to arrange and secure such modules.
  • the side frame 209 fixes the inner cover 205 and the front panel 291, and the inner cover 205 has a screw hole 2061 (or a plurality of screw holes (or a plurality of screw holes) extending from one end 206 of the side). It is fixed to the side frame 209 through 2061)).
  • the side frame 209 is formed with a plurality of screw holes 2091 that overlap the screw holes 2061 of the inner cover 205.
  • a fastener such as a screw or bolt penetrates the screw hole 2091 of the side frame 209 and is fixed to the screw hole 2061 of the inner cover 205.
  • Each module is fixed at a specific position on the main board 255 through a plurality of other fixing parts, and the main board 255 has a plurality of fixing protrusions 2081 and 2082 protruding from the bottom surface of the inner cover 205. and the front panel 291 by combining screws and screw holes.
  • each module and component arranged between them is fixed and does not shake during movement and the electrical connection is maintained.
  • front panel 291 and the inner cover 205 are fixed together and integrated through the screw holes and screws of the side frame 209.
  • Each component is fixed and assembled using screw holes and screws, making disassembly and reassembly easy.
  • the front case 201, rear case 202, inner cover 205, and front panel 291 may be made of resin such as polycarbonate or plastic for portability.
  • Such a biosensor diagnostic device 200 is provided to the user with the front panel 291 exposed in a form that has a space for accommodating a plurality of modules inside as shown in FIG. 3, and can be utilized by applying various external cases.
  • the reference plane of the front panel 291 provided to the user is provided with the screen of the display module 295, and various buttons and dials for the user interface are provided, especially the power button and a plurality of controls. Buttons and USB terminals can be provided.
  • a cartridge insertion module 2911 is provided on one side of the display module 295 to diagnose the biosensor cartridge 100 by inserting the connection terminal 153 into the insertion hole 2914 parallel to the reference plane of the panel 291. This is possible.
  • biosensor cartridge 100 applied to this embodiment will be described with reference to FIGS. 5 to 7.
  • FIGS. 5A and 5B are top and rear views of an example of the biosensor cartridge 100 of FIG. 1
  • FIG. 6 is an exploded perspective view of an example of the biosensor cartridge 100 of FIG. 1
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the biosensor cartridge 100 of FIGS. 5 and 6 cut along lines I-I' and II-II'.
  • the biosensor cartridge 100 accommodates a sensor chip 500 that generates an electrical detection signal depending on the target material, and transmits the detection signal to an external diagnostic device ( It has a structure including a connection terminal 153 that can be transmitted to 200).
  • the biosensor cartridge 100 is formed of a bar type housing 110, 120, and a partial surface of the circuit board 150 is visible from the cross section of the side of the housing 110, 120 ( 151) protrudes, and a connection terminal 153 is formed on a portion of the protruding surface 151 of the circuit board 150 to be inserted into an external diagnostic device 200 and transmit the detection signal.
  • a receiving portion 119 for receiving a sample is formed on the upper surface 111 of the housings 110 and 120, and a QR label 160 may be attached to the lower surface of the housings 110 and 120.
  • connection terminals 153 that protrude and are exposed from the side of the housings 110 and 120 are arranged in the same direction as the lower surfaces of the housings 110 and 120 and are not exposed when the cartridge 100 is viewed from the top. Accordingly, the risk of the sample flowing beyond the receiving portion 119 reaching the connection terminal 153 can be reduced.
  • the biosensor cartridge 100 includes housings 110 and 120, a sensor chip 500, and a circuit board 150.
  • the circuit board 150 is also formed in a bar type, and a connection terminal 153 is formed at one end so that the connection terminal 153 of the circuit board 150 is exposed to the outside of the housings 110 and 120. It forms the overall shape of the cartridge 100.
  • the housings 110 and 120 include a lower housing 120 and an upper housing 110.
  • the lower housing 120 includes a bottom surface 121 of a bar type (for example, a flat surface or a flat rectangular surface) and a side surface 122 surrounding the bottom surface 121. .
  • the bottom surface 121 includes a plurality of coupling protrusions 127 and 128 protruding toward the upper housing 110, and the coupling protrusions 127 and 128 are fitted into the coupling groove of the upper housing 110.
  • the upper and lower parts of the housings 110 and 120 are combined and integrated.
  • the lower housing 120 may include four engaging protrusions 128 located at the corners of the lower housing 120, which correspond to the grooves of the upper housing 110 located at the corners of the upper housing 110. are combined.
  • a coupling protrusion 127 eg, a substrate protrusion
  • another coupling protrusion 128 eg, a corner coupling protrusion 128,.
  • four or more coupling protrusions 127 may be formed, and the coupling protrusions may be arranged at equal intervals along the circumference of the lower housing 120.
  • a board protrusion 127 is formed on the bottom surface 121 of the lower housing 120 to fix the circuit board 150 toward the upper housing 110 and define its position, and on one side of the upper housing 110 ) On one side facing the sensor chip 500, a plurality of sensor protrusions 126 defining the chip area 125 are formed.
  • the sensor protrusion 126 is arranged to correspond to the size of the sensor chip 500 to define the chip area 125 where the sensor chip 500 is placed, and the sensor chip 500 can be fitted. It is formed with a certain amount of elasticity. However, since the sensor protrusion 126 does not perform electrical connection to the sensor chip 500, it can be implemented in various forms, and may be formed in a rail structure for sliding coupling in addition to fitting coupling.
  • a sensor chip 500 is disposed in the chip area 125.
  • the sensor chip 500 is a semiconductor-based biosensor, which has a sensor area 540 that reacts according to the target material in the sample through contact with the sample and a detection signal generated according to the sensor area 540 on a circuit board ( It is divided into a pad area 510 for transmission to 150).
  • the pad area 510 may be patterned to be placed on one side of the sensor chip 500 as shown in FIG. 6, and thus the electrical connection between the circuit board 150 and the sensor chip 500 is performed in the pad area 510. .
  • the sensor chip 500 may have different sizes depending on the size of the cartridge. For example, it may have a rectangular shape of 8mm*6mm or a square shape of 6mm*6mm.
  • the size of the sensor chip 500 can be implemented in various ways depending on the performance of the sensor chip 500 or the purpose of the sensor chip 500.
  • a circuit board 150 is disposed on the sensor chip 500.
  • the circuit board 150 may be provided as a rigid board, such as a PCB board, and the sensor chip 500 is electrically/physically bonded to the bottom.
  • the circuit board 150 includes a sensor opening 155 for exposing the sensor area 540 of the sensor chip 500, and the opening 155 has a smaller size than the sensor chip 500. Additionally, the opening 155 may have a size corresponding to the sensor area 540 of the sensor chip 500 and has a size that exposes the sensor area 540.
  • the circuit board 150 further includes a protrusion hole 154 through which the substrate protrusion 127 of the lower housing 120 penetrates to secure the circuit board 150, and thus the circuit board 150 and lower housing 120 are fixed.
  • the circuit board 150 is a deposition structure that can be implemented with a plurality of circuit patterns patterned on a base member (not classified by reference numeral, represented by 150 in the drawing) and an insulating layer covering the circuit patterns.
  • the circuit pattern and the insulating layer are formed on the front surface of the base member, and a reinforcement plate (not shown) may be attached to the rear surface of the base member.
  • the back side of the circuit board 150 may be defined as a side facing the lower housing 120, and the front side of the circuit board 150 may be defined as a side facing the upper housing 110.
  • the reinforcement plate By attaching the reinforcement plate to the rear of the circuit board 150 in this way, the required strength when a part of the circuit board 150 is used as a connection terminal 153 inserted into the diagnostic device 200 can be met.
  • the circuit board 150 has a circuit pattern including a plurality of connection pads 158 for connection to the sensor chip 500 on the rear side, and extends from the connection pads 158 to form the connection pads 158. )
  • the circuit pattern for transmitting the detection signal from ) to the external diagnostic device 200 is formed to be connected to the connection terminal 153 on the front.
  • connection terminals 153 of the circuit board 150 may be equal to or greater than the number of pads of the sensor chip 500.
  • connection terminals 153 may be arranged in parallel and spaced apart from each other at one end of the exposed surface 151 of the circuit board 150, that is, at one end of the circuit board 150.
  • the number of connection pads 158 of the circuit board 150 also satisfies three, and the number of connection terminals 153 satisfies three or more.
  • connection terminal 153 further includes terminals that are not electrically connected to each connection pad 158 and can be used as a terminal for ESD blocking, etc.
  • the circuit pattern patterned on the front surface of the circuit board 150 may include eight connection terminals 153, and these connection terminals 153 allow the sensor chip 500 to connect to a plurality of connections.
  • connection terminals 153 When driven in multi-channel to transmit and receive signals by connecting to the pad 511, each channel is connected to the source pad, drain pad, and gate pad of the corresponding sensor chip 500 to transmit and receive signals from each pad.
  • Six terminals 153 can be assigned, and two can be applied as terminals for generating ESD and incoming detection signals.
  • This connection terminal 153 can be formed as an SD card chip type or USB-A type depending on the embodiment, but can also be used as a USB-C type with more terminals as shown in FIG. 1.
  • connection terminal 153 can be implemented as a pin type, and more terminals can be implemented.
  • the number of pads of the connection terminal 153 may increase in proportion to the number of sensing materials applied to the sensor chip 500, that is, the number of source electrodes (or the number of drain electrodes).
  • the circuit board 150 includes a plurality of coupling grooves, and the plurality of coupling grooves are formed so as to be fitted while specifying the position when the upper housing 110 and the lower housing 120 are coupled.
  • the upper housing 110 has a top surface 111 and a back surface that have different structures, as shown in FIG. 6 .
  • the upper housing 110 faces the lower housing 120, is coupled to the lower housing 120, and functions as an upper case that can accommodate the circuit board 150 and the sensor chip 500 therein. Additionally, a receiving portion 119 exposing the sensor area 540 of the sensor chip 500 is formed in the upper housing 110 to accommodate a sample to be tested.
  • the upper housing 110 is formed to have rigidity to firmly support the connecting members 140 by pressing them with a predetermined force.
  • the connecting member 140 may be formed in plural, and may be a conductive tab (e.g., a metal tab) for connecting the connection pad 158 disposed on the circuit board 150 and the pad 511 of the sensor chip 500. You can.
  • the upper housing 110 and the lower housing 120 may be configured to cover the surface of the sensor chip 500 and the circuit board 150 to protect the sensor chip 500 and the circuit board 150 from the outside.
  • the solid coupling of the upper housing 110 and the lower housing 120 can prevent the sample provided to the sensor chip 500 through the receiving portion 119 from leaking into the interior of the housings 110 and 120.
  • connection terminal 153 of the circuit board 150 is formed on one side of the side, for example, in the cross section, so that the connection terminal 153 is connected to the upper housing 110 and the lower housing 120. is exposed in its cross section and is inserted into the insertion hole 2914 of the external diagnostic device 200 as the connection terminal 153 of the cartridge.
  • a receiving portion 119 that exposes the sensor area 540 of the sensor chip 500 and accommodates a sample is formed on the upper surface 111 of the upper housing 110.
  • the receiving portion 119 is a space for accommodating a sample to be tested in a fluid state, for example, a liquid state, and inducing a reaction with the exposed sensor area 540.
  • the receiving portion 119 is provided from the upper surface 111 to the sensor area ( As it approaches 540), it forms a cone-shaped channel whose diameter becomes narrower.
  • the receiving portion 119 of the upper housing 110 accommodates a liquid test sample, and the test sample is randomly introduced into the receiving portion 119, making it difficult to control the input amount.
  • the receiving part 119 may be stored according to the size of the biosensor cartridge 100 and the limit of the receiving volume of the receiving part 119. There is a risk that the test sample may flow into an area beyond the guard 114.
  • the guard 114 is intended to prevent the test sample in the receiving portion 119 from leaking out of the guard 114.
  • the guard 114 may be formed in a cylindrical shape, and surrounds the opening of the upper surface 111 of the upper housing 110 and protrudes upward (y-axis direction) from the upper surface 111.
  • the diameter W1 of the guard 114 may be equal to the diameter of the opening of the upper surface 111.
  • a guard groove 113 of a certain depth is formed on the upper surface 111 of the upper housing 110, surrounding the receiving portion 119.
  • the guard groove 113 prevents the test sample overflowing from the receiving portion 119 from leaking out of the housing 110 and is formed by being recessed from the upper surface 111 to a certain depth.
  • the guard groove 113 may be formed in the same circular shape as the guard 114, but may be formed in a square shape with a minimum distance d2 or more from the guard 114 as shown in FIGS. 1 and 2. .
  • the guard groove 113 includes a vertical wall 112 forming the outer periphery of the guard groove 113.
  • test sample flows to the outside, there is a risk that it may contain dangerous pathogens, which is fatal to the user. Since the sample flowing to the outside is in a liquid state, it cannot be injected into the diagnostic device 200 or touches the connection terminal 153. This may cause damage to electronic devices.
  • the sensor area 540 of the sensor chip 500 is exposed upwardly by the sensor opening 115 of the circuit board 150, and the lower opening of the receiving portion 119 is aligned with the exposed sensor area 540. is sorted.
  • the area of the receiving portion 119 closest to the sensor area 540 is called an end, and the furthest area from the sensor area 540 opposite the end is called an opening or outermost area.
  • the end has a diameter W2 that is smaller than the diameter W1 of the opening/outermost region.
  • the opening 115 of the circuit board 150 is fitted to surround the rear surface of the inclined surface 116 of the receiving portion 119, thereby fixing the positions of the circuit board 150 and the upper housing 110.
  • the rear surface of the inclined surface 116 of the receiving portion 119 is formed to have a vertical step 117 in the area where it meets the opening 115 of the circuit board 150.
  • the rear surface of the inclined surface 116 of the receiving portion 119 forms a portion inclined along the inclined surface 116 at an angle equal to or greater than the inclined angle ⁇ 1 of the inclined surface 116 of the receiving portion 119. , it is inclined at an angle equal to or greater than the inclined surface 116 of the upper surface to form a space combined with the circuit board 150.
  • the portion where the opening 155 of the circuit board 150 is coupled has a cut surface corresponding to the cut surface of the opening 155 of the circuit board 150 for fitting with the opening 155 of the circuit board 150.
  • a step 117 may be formed. Accordingly, the step 117 may be formed perpendicular to the horizontal plane (x-axis on which the sensor chip is placed).
  • the step 117 may have a distance from the side of the opening 155 of the circuit board 150, but is not limited to this and can be fitted.
  • the circuit board 150 When fitted without a separation distance, the circuit board 150 is easily fixed, but a separation distance may be formed for tolerance.
  • the front of the circuit board 150 and the back of the upper housing 110 are combined with a predetermined tolerance distance to prevent distortion of the circuit board 150, and can be applied as a buffer due to errors in the process to reduce the defect rate. there is.
  • connection between the circuit board 150 and the housings 110 and 120 is clear by coupling to the upper and lower housings 110 and 120 through a plurality of coupling grooves and coupling holes. It can be done.
  • the circuit board 150 is primarily fixed by fitting the step 117 on the back of the receiving portion 119 and the sensor opening 115 of the circuit board 150, and the fixing protrusion ( 127) and the fixing hole 154 of the circuit board 150 are combined to be secondarily fixed and the position is specified.
  • a sealing portion 130 may be further formed between the upper housing 110 and the sensor area 540.
  • the sealing portion 130 may be an elastic material and may be formed of rubber, fluoroelastomer, silicone, neoprene, nitrile, polyvinyl chloride (PVC), thermoplastic polyurethane, polytetrafluoroethylene, etc.
  • the sealing portion 130 is formed as a separate element as shown in FIG. 6 and is coupled and compressed together when the housings 110 and 120 are combined to prevent the sample from flowing outside the sensor area 540.
  • the sealing part 130 may have a sealing opening 131 having a diameter (w3) larger than the diameter (w2) of the rear opening of the receiving part 119, as shown in Figure 7, and the rear opening and the sealing opening ( 131) can be arranged to have concentric circles. Accordingly, as shown in FIG. 7, during assembly, the sealing portion 130 is disposed outside the lower opening of the receiving portion 119 to form a concave groove.
  • sealing opening 131 of the sealing part 130 and the opening of the receiving part 119 sealing of the sample can be guaranteed while securing the area of the sensor area 540.
  • the sealing portion 130 may be an elastic closed cell type waterproof pad, but is not limited thereto.
  • connection pads 158 formed on the back of the circuit board 150 are formed in the same number as the pads 511 of the sensor chip 500, and the connection pads 158 of the circuit board 150 and the sensor A connecting member 140 is disposed to electrically and physically connect the pad 511 of the chip 500.
  • the connecting member 140 may be formed separately for each pad 158 and may be formed as a clip-type elastic contact piece. This connecting member 140 may be a C-clip or spring terminal.
  • Each connecting member 140 has a first surface in contact with the pad area 510 of the circuit board 150 and a second surface configured to be elastically deformable by being bent in the longitudinal direction of the first surface from one side of the first surface. May include sides.
  • the first surface is formed to have a predetermined length and contacts the pad area 510 of the circuit board 150, and the second surface contacts the pad 511 of the sensor chip 500 below and is elastically deformed.
  • the circuit board 150 is placed in the lower housing 120 where the sensor chip 500 is placed in a state in which the first surface of the circuit board 150 is in contact with the connection pad 158 through welding or soldering.
  • the upper housing 110 and the lower housing 120 are assembled, upward and downward pressure is applied to the connecting member 140 and the bending portion is elastically deformed.
  • the angle of the second surface is changed to be parallel to the first surface, so that the second surface is in contact with the pad 510 of the sensor chip 500 and is in an energized state. It is maintained, and physical and electrical coupling are achieved simultaneously.
  • the sensing material in the sensor chip 500 is not exposed to the high temperature in the bonding process, causing protein deformation. can be prevented.
  • the characteristics of the sensing material can be maintained by excluding the heating process, and electrical connection between the sensor chip 500 and the circuit board 150 is possible.
  • the rear 129 of the lower housing 120 of the biosensor cartridge 100 that is, the rear 129 of the cartridge 100 exposed to the outside, has a product ID for authenticating the biosensor cartridge 100. and a QR label 160 containing a QR code storing sensor information including a manufacturing serial number, etc. is attached.
  • the rear 129 of the lower housing 120 of the cartridge 100 is aligned with the second opening 293, which is the QR opening. It can be attached to the central area of the rear 129 of the lower housing 120.
  • the QR code may include all sensor information for genuine product authentication. For example, it may include not only the product ID and manufacturing serial number, but also all sensor chip 500 information and cartridge information, and the sensor chip 500
  • the information may include the sensing material activated in the sensor chip 500, the disease to be diagnosed, the manufacturing date of the sensor chip 500, manufacturing location, and manufacturing serial number.
  • the cartridge information may include the assembly date, inspection date, assembly location, and sensor ID of the biosensor cartridge 100.
  • the QR code stored in this way When the QR code stored in this way is inserted into the diagnostic device 200, it can be simultaneously read from the QR reading module 271 of the diagnostic device 200 and a process for product authentication can be performed with the cloud server 400.
  • biosensor cartridge 100 through this authentication process, it is possible to check for errors containing risks to the current type of biosensor cartridge 100.
  • the biosensor cartridge 100 does not include a separate memory chip for storing sensor-specific information for such an authentication process.
  • the size of the circuit board 150 increases, and the size of the housings 110 and 120 increases depending on the size of the circuit board 150.
  • the circuit of the circuit board 150 becomes more complex and the number of pins used in the connection terminal 153 increases, causing problems with miniaturization and cost of the cartridge 100.
  • Such a memory chip can be replaced by attaching a QR label 160 with a QR code printed on the rear of the housing, such as the biosensor cartridge 100 according to this embodiment, and the cartridge 100 and the diagnostic device 200 By combining and reading the QR code almost simultaneously, the time difference between sensor result reading and authentication can be minimized.
  • Such a QR code can be prevented from being arbitrarily attached or detached by attaching a security label 160 such as a VOID label to the rear of the lower housing 120.
  • Such a biosensor cartridge 100 has an upper housing 110 coupled to a circuit board 150 to which a connecting member 140 is attached, with the sensor chip 500 placed in the lower housing 120. ) and pressurized for assembly, the sensor chip 500 and the circuit board 150 are physically and electrically attached and fixed.
  • the attachment of the upper housing 110 and the lower housing 120 is further strengthened by fusing the edge attachment areas of the upper housing 110 and the lower housing 120.
  • Such fusion may be achieved by ultrasonic fusion, but is not limited thereto, and may be achieved through a separate adhesive member.
  • the attachment area of the border formed in this way is continuous at the entire border excluding the opening where the connection terminal 153 protrudes, that is, at the end of the side of the upper housing 110 and the lower housing 120, thereby preventing moisture or foreign substances from the outside. It can prevent penetration inside.
  • bio sensor chip 500 of this embodiment will be described with reference to FIGS. 8 to 11.
  • FIG. 8 is a top view of an example of the sensor chip 500 applicable to FIG. 6,
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of the sensor chip 500 of FIG. 8 taken along line III-III'
  • FIGS. 10A and 10B are a cross-sectional view of the sensor chip 500 of FIG. 8.
  • It is a schematic diagram showing the response of the sensor chip 500 according to the target material
  • FIG. 11 is a graph showing the change in output current of the sensor chip 500 according to FIGS. 10A and 10B.
  • the biosensor chip 500 detects a target material from the analysis sample introduced inside by the receiving portion 119 of the biosensor cartridge 100, and transmits an electrical signal generated in response to the detected target material to the electrode pad. It is transmitted to the pad 158 of the circuit board 150 through 511.
  • the sample may be a biological material, such as body fluids including saliva and sweat, blood, and a solution diluted with serum or plasma.
  • body fluids including saliva and sweat, blood, and a solution diluted with serum or plasma.
  • the bio sensor chip 500 is a semiconductor-based sensor chip 500 and can be manufactured as a bio sensor chip 500 to which graphene is applied.
  • the sensor chip 500 may have various sizes depending on the type of target material, the number of target materials, and the size of the cartridge 100. For example, it may be designed to have a size of 6*6mm or 6*8mm.
  • the bio sensor chip 500 has a square-shaped plane, and a sensor area 540 exposed to the outside through the receiving portion 119 is formed on the front, A pad area 510 spaced apart from the sensor area 540 and connected to the pad 158 of the circuit board 150 through a connecting member 140, and a pad area 510 connecting the sensor area 540 and the pad area 510. It may be divided into a connection portion 530.
  • the sensor area 540 is attached to a sensing material, such as an antigen, an antibody, an enzyme, etc., that detects a target material from a contacted analysis sample and generates an electrical signal by reacting with the target material.
  • a sensing material such as an antigen, an antibody, an enzyme, etc.
  • the external diagnostic device 200 connected to the biosensor 100 can detect the presence or concentration of the target substance by analyzing the electrical signal generated by the biosensor 100.
  • the sensor area 540 includes a transistor structure, and has a structure in which a sensing material is attached to the channel area 550 of the transistor.
  • the sensor area 540 includes a plurality of concentric circular or ring-shaped electrodes 535S, 535D, and 535G, and between the plurality of electrodes 535S, 535D, and 535G, especially the source electrode 535S.
  • a plurality of channel regions 550 are formed between the and drain electrodes 535D.
  • An insulating layer 532 is formed on the semiconductor substrate 530, and the insulating layer 532 may be formed of oxide or nitride.
  • the semiconductor substrate 530 is a silicon substrate
  • the insulating layer 532 may be formed of silicon oxide or silicon nitride, and may be formed by various methods. For example, a silicon oxide layer may be formed on the surface through heat treatment.
  • a plurality of channels 533 are formed on the insulating layer 532 to be spaced apart from each other.
  • the plurality of channels 533 are arranged at a predetermined distance from the center (O) of the circle of the sensor area 540, and the center area is exposed to form the channel area 550.
  • the plurality of channels 533 are arranged to be spaced apart from each other on an imaginary circumference whose radius is a predetermined distance from the center (O) of the circle.
  • the plurality of channels 533 may be arranged to be spaced apart by the same angle. For example, seven channels 533 may be formed as shown in FIG. 15, and each channel 533 may be spaced apart at an angle of 45 degrees. You can.
  • each channel 533 may be spaced apart at an angle of 60 degrees.
  • the channels 533 may be spaced apart at an arbitrary angle.
  • One channel 533 may be patterned into a specific shape and may be made of a semiconductor material, but in contrast, it may be made of graphene, which is a highly reactive material and is highly reactive. It can be formed from materials.
  • the channel 533 includes a region overlapping the source electrode and the drain electrode 535S and 535D, and a channel region 550 exposed to the outside through the receiving portion 119 between the two overlapping regions.
  • the channel region 550 may have a lower resistance in the channel region 550 as the channel 533 is formed in an I-shape to have a narrower width than the overlapping region as shown in FIG. 8, but is not limited to this. It may be formed in a bar type to have the same width from the area to the channel 533.
  • a source electrode 535S having the shape of the smallest circle may be formed on the center O of the sensor area 540.
  • the source electrode 535S may be formed as a circle with the smallest diameter, and is formed to overlap one end of the channel 533, and simultaneously overlaps with a plurality of channels 533 to simultaneously transmit the source voltage to the plurality of channels 533. Deliver.
  • a drain electrode 535D may be formed outside the channel region 550 and spaced apart from the source electrode 535S.
  • the drain electrode 535D may be formed in a ring shape, and is formed along the circumference of an imaginary circle surrounding the channel region 550 and having a larger diameter than the channel region 550.
  • the drain electrode 535D can also simultaneously overlap the plurality of channels 533 and receive current from the plurality of channels 533 at the same time.
  • One end of the drain electrode 535D is cut to form a passage through which the connection portion 521 of the source electrode 535D passes.
  • a gate electrode 535G is formed along the circumference of an imaginary circle with a larger diameter surrounding the drain electrode 535D.
  • the gate electrode 535G has the largest area and may occupy 1/2 to 2/3 of the sensor area 540.
  • the gate electrode 535G is formed to be spaced apart from the source electrode, gate electrodes 535S and 535D, and the channel region 550.
  • the gate electrode 535G also forms a passage so that the connection portion 521 of the drain electrode and the source electrodes 535S and 535D is connected to the pad 511, and one end is cut off. Specifically, the source electrode 535S is electrically connected to the source pad 511S, the drain electrode 535D is electrically connected to the drain pad 511D, and the gate electrode 535G is connected to the gate pad 511G. do.
  • the electrodes 535S, 535D, and 535G of the sensor area 540 designed as shown in FIG. 15 are formed of the same layer.
  • the source electrode, drain electrode, and gate electrodes 535S, 535D, and 535G are all formed of the same layer and formed in one process.
  • an electrode layer may be formed and the corresponding electrode layer may be simultaneously patterned to form a source electrode, a drain electrode, and a gate electrode 535S, 535D, and 535G, respectively.
  • the metal layer may be made of at least one of Ni, Zn, Pd, Ag, Cd, Pt, Ga, In, and Au, but is not limited thereto.
  • a passivation layer 536 is formed on the electrodes 535S, 535D, and 535G.
  • the passivation layer 536 is formed on the entire sensor chip 500 to protect the sensor area 540 and the electrodes 535S, 535D, and 535G.
  • the passivation layer 536 may be formed of a moisture-resistant material, for example, an oxide layer, a nitride layer, or a carbide layer.
  • the passivation layer 536 can be made of polymer resin, but is not limited thereto.
  • the passivation layer 536 exposes only the plurality of channel regions 550, the gate electrode 540, and the plurality of pads 511 within the sensor chip 500 and covers all remaining regions.
  • the gate electrode 535G and the channel area 550 are exposed, so that a reaction can be induced by direct contact with the sample.
  • each pad 511 is exposed in an insulated state and electrically contacts each pad 158 of the circuit board 150 through the upper connection member 140.
  • a sensing material 610 is attached to each exposed channel area 550 and the sensor is activated.
  • the sensing material 610 is a material that specifically reacts to the target material that the sensor wishes to detect. If the target material is an antigen, an antibody may be attached. If the target material is an antibody, an antigen may be attached thereto.
  • a linker material (not shown) may be attached to ensure a smooth connection between the sensing material 610 and the graphene, and the linker material may be attached on the graphene.
  • the process of attaching the sensing material 610 is defined as an activation process.
  • the linker material varies depending on the material forming the channel 533 and the sensing material 610.
  • it may be a nano-sized polymer structure, for example, polyurethane, polydimethylsiloxane, NOA (Norland Optical Adhesives), epoxy, polyethylene terephthalate, polymethyl methacrylate, polyimide, polystyrene, polyethylene naphthalate, polycarbonate, and combinations thereof.
  • linker material may be comprised of a combination of polyurethane and NOA (eg, NOA 68).
  • NOA eg, NOA 68
  • the linker material is not limited to this and may be made of various flexible polymers.
  • the source electrode 535S receives the source voltage and the gate electrode 535G receives the gate voltage due to the voltage applied to each pad 511.
  • the gate electrode 535G is exposed to the receiving portion 119 and comes into contact with a sample provided from the outside to apply a bias voltage to the sample. Therefore, the sample exists in a partially charged state with respect to the voltage of the gate electrode 535G.
  • the drain current (I DS ) read from the drain electrode 535D is as shown in FIG. 11 .
  • the drain current I DS has a first value I1, which is defined as the reference current.
  • the target material 650 and the sensing material 610 react so that the channel 533 is charged with a specific carrier.
  • a depletion state may occur in which charges accumulate in the channel 533.
  • the drain current (I DS ) read from the drain electrode 535D increases and has the second value (I2) of FIG. 18 .
  • the amount of accumulated charge is proportional to the area of the channel 533, so when the number of channels 533 is 1 and the drain current (I DS ) has the second value (I2), the number of channels 533 is If there are two or more, the third value (I3) is greater than the second value (I2). Accordingly, the value of the drain current (I DS ) read from the drain electrode 535D has the effect of being amplified.
  • the plurality of channels 533 are spaced apart from each other, even when one channel 533 is not operating, the presence of the target material can be recognized by causing the drain current (I DS ) to rise and fall in the other channel 533. You can.
  • the graphene channel sensor chip 500 has the effect of amplifying drain current and compensating for malfunctioning channels by having a multi-channel structure with a plurality of channels spaced apart from each other.
  • both the gate electrode 535G and the channel region 550 can be exposed through an opening at the end of the receiving portion 119, which has a circle larger than the circumference of the gate electrode 535G.
  • a plurality of channel regions 550 are formed at the same distance and at the same angle from the center (O) of the sensor region 540 opened by the receiving portion 119, so that the sample comes into uniform contact, and the source and drain
  • the structure can be optimized by forming a shape that surrounds the source and drain electrodes 535S and 535D to place the channel 533 between the electrodes 535S and 535D.
  • each electrode connection part 521 is connected from one end of each electrode 535S, 535D, and 535G to the pad 511, and each electrode connection part 521 is made of the same metal layer as the electrodes 535S, 535D, and 535G. formed so that they do not overlap with each other.
  • the pad 511 is shown as being formed in a line at one end of the sensor chip 500, but the present invention is not limited thereto.
  • the design of the sensor chip 500 can be changed in various ways as long as the transistor with the gate electrode 535G and the plurality of channels 533 exposed is maintained in the receiving portion 119.
  • the position of the pad 511 can also be changed in various ways. However, as the position of the pad 511 changes, the position of the connection pad 158 between the connection member 140 and the circuit board 150 also changes.
  • the biosensor cartridge 100 accommodating the graphene-based multi-channel sensor chip 500 is manufactured through the process shown in FIG. 12.
  • patterning of the sensor chip 500 for manufacturing the sensor chip 500 is performed on a semiconductor wafer (S100).
  • Manufacturing the sensor chip 500 is a process for manufacturing the sensor chip 500 of FIGS. 8 and 9, in which an insulating layer 532 is formed of oxide or nitride on the semiconductor substrate 530.
  • the insulating layer 532 may be formed of silicon oxide or silicon nitride, and may be formed by various methods. For example, a silicon oxide layer may be formed on the surface through heat treatment.
  • a plurality of channels 533 are formed on the insulating layer 532 to be spaced apart from each other.
  • one semiconductor wafer is designed to simultaneously manufacture a plurality of unit sensor chips 500, and channel patterning for manufacturing a plurality of unit sensor chips 500 can be performed.
  • the channel layer is patterned with a plurality of channels 550 designed for each unit sensor chip 500.
  • the plurality of channels 550 are formed of graphene
  • graphene is stacked on the insulating layer and the graphene is patterned to form a plurality of channels spaced apart from each other in the unit sensor chip 500 area. Forms (550).
  • At least one metal layer among Ni, Zn, Pd, Ag, Cd, Pt, Ga, In, and Au is stacked to form the electrodes 535S, 535D, and 535G as shown in FIG. 8, and the metal layer is patterned to form a source.
  • the electrode, drain electrode, and gate electrodes 535S, 535D, and 535G, a pad 511 connected to each electrode, and a connection portion 521 for connecting them are formed simultaneously.
  • a passivation layer 536 is formed on the electrodes 535S, 535D, and 535G, and patterned to expose only the plurality of channel regions 550, the gate electrode 540, and the plurality of pads 511 (S110).
  • the cutting process can be performed by laser scribing, and laser scribing can be performed along with the physical cutting process.
  • a single sensor chip 500 cut into unit sensor chips 500 is defined as the sensor chip 500 of FIG. 8, and the sensor chip 500 is functionalized (S130).
  • the functionalization of the sensor chip 500 is defined as a process of attaching a sensing material that performs a specific reaction to the target material to be detected by each sensor to the exposed channel area of each sensor chip 500.
  • a linker material (not shown) can be attached to ensure a smooth connection between the sensing material 610 and graphene. , a linker material is attached to the graphene, and then a process of attaching the sensing material 610 is performed.
  • the linker material varies depending on the material forming the channel 533 and the sensing material 610.
  • it may be a nano-sized polymer structure, for example, polyurethane, polydimethylsiloxane, NOA (Norland Optical Adhesives), epoxy, polyethylene terephthalate, polymethyl methacrylate, polyimide, polystyrene, polyethylene naphthalate, polycarbonate, and combinations thereof.
  • linker material may be comprised of a combination of polyurethane and NOA (eg, NOA 68).
  • NOA eg, NOA 68
  • the linker material is not limited to this and may be made of various flexible polymers.
  • Error checking of the sensor chip 500 is performed using a probe device according to an embodiment.
  • the circuit board 150 and sensor chip 500 of the manufactured cartridge 100 are placed on the probe device 700, electrically connected using probe pins, and then connected to the connection pad of the circuit board 150.
  • a performance test of the sensor chip 500 can be performed by inserting (158) into the reader part of the test equipment.
  • each sensor chip 500 can be received, and defectiveness can be determined based on whether the basic resistance value falls within a predetermined range.
  • the defective sensor chips are classified and only the sensor chips 500 that have passed the test can be distributed and combined as valid chips.
  • the circuit board 150 can be manufactured through a separate process. As described above, the circuit board 150 is made by cutting and perforating the base member, which is the base material of the circuit board 150, according to the design of the circuit board 150, and forming a circuit pattern on one side of the base member to form a circuit board. Complete (150).
  • connection pad 158 which is part of the circuit pattern, is exposed to the rear.
  • the connecting members 140 are attached to the exposed connection pads 158 according to a predetermined number (S150).
  • Bonding of the pad 158 and the first surface of the connecting member 140 can be done by soldering to simultaneously satisfy electrical and physical attachment. Accordingly, the second surface of the connecting member 140 is maintained at the free end. maintain the status quo.
  • the upper housing 110 and the lower housing 120 can be manufactured through separate processes.
  • the upper housing 110 and the lower housing 120 can be molded using separate molds. In this way, the upper housing 110 is manufactured by injecting a resin such as polycarbonate into the mold and then removing the mold in the vertical direction.
  • a resin such as polycarbonate
  • the sensor chip 500 is placed in the sensor chip 500 area of the lower housing 120 of the cartridge 100, and the upper housing 110 is placed on top of the circuit board 150.
  • the second surface 145 of the connecting member 140 is fixed in a state where it is bonded to the pad 511 of the sensor chip 500 (S160).
  • the biosensor cartridge 100 accommodating the graphene-based multi-channel sensor chip 500 manufactured in this way performs an inspection step for error filtering of the sensor chip as follows.
  • Figure 13 is a flowchart showing the error checking process of the biosensor chip during the manufacturing process of Figure 12
  • Figures 14a and 14b are a perspective view and top view of a probe device for error checking of the biosensor chip
  • Figure 15 is a flowchart showing the error checking process of the biosensor chip. This is an exploded perspective view showing an example of the probe device in FIG. 14B.
  • a probe device 700 for error checking of the bio sensor chip 500 is provided.
  • the probe device 700 mounts one of the sensor chips 500 diced inside, for example, a sample sensor chip 500, and one of the circuit boards 150 disposed on the cartridge 100.
  • the probe pins 756 are aligned to connect the sensor chip 500 and the connection pad 158 of the circuit board 150 to each other.
  • the circuit board 150 and the sensor chip 500 are electrically connected to the probe device 700 by the probe pin 756, and the connection terminal 153 of the circuit board 150 is inserted into the inspection equipment.
  • a reference voltage can be provided to each pad 511 of the sensor chip 500 through the connection terminal 153 of the circuit board 150 and an output current can be read.
  • the base resistance value of the sensor chip 500 can be read, and the operation of the sensor chip 500 can be confirmed by detecting a change in drain current due to the source voltage.
  • the sensor chip 500 If the operation of the sensor chip 500 is confirmed through this inspection, the sensor chip 500 is classified as a valid sensor chip 500 and the cartridge 100 is assembled.
  • Error inspection of the sensor chip 500 using the probe device 700 is performed without physical coupling of the sensor chip 500 and the circuit board 150, so there is no damage to each element and there is no need to manufacture a separate circuit board 150. Instead, error testing can be performed in the same way as diagnosis through a pre-manufactured circuit board 150, thereby reducing manufacturing costs.
  • the probe device 700 of the embodiment will be described with reference to FIGS. 14A to 24.
  • the probe device 700 includes a lower housing 710, a middle housing 720, an upper housing 730, and an upper cover 740, as shown in FIGS. 14A to 15.
  • the lower housing 710 may include a body portion 711 in contact with the middle housing 720 and a recessed portion 715 recessed from the body portion 711 in the downward direction (z-direction).
  • the circuit board 150 may be mounted in the recessed portion 715 while exposing the connection pad 158 to the outside.
  • the middle housing 720 may be disposed on the upper surface of the body portion 711 of the lower housing 710.
  • the middle housing 720 includes a middle body portion 721 that overlaps the body portion of the lower housing 710 and a middle recessed portion 725 recessed downward (z-direction) from the middle body portion 721. can do.
  • a chip area 726 for accommodating the sensor chip 500 is defined on the bottom of the middle depression 725.
  • the chip area 726 can be formed as an open chip opening with an area smaller than the chip area as shown in FIG. 15, but can also be implemented as a fixing protrusion capable of fixing the sensor chip 500.
  • the upper housing 730 includes an upper body portion 731 on the middle body portion 721 to cover the middle housing 720, and the upper body portion 731 is a sensor area of the lower sensor chip 500. It includes an upper depression 735 exposing 540 .
  • a probe pin guide 738 is formed that extends from the recessed portion 735 of the upper housing 730 and protrudes upward.
  • the probe pin guide 738 includes a hole 739 having a step so that the probe pin module 750 can be inserted, and the probe pin module 750 is connected to the pad 511 of the sensor chip 500 and the bottom.
  • the probe pin 756 is guided to connect to the pad 158 of the circuit board 150.
  • An upper cover 740 is disposed on the upper surface of the upper housing 730.
  • the upper cover 740 covers the probe pin module 750 and is a structure to protect the probe pin module 750 from the outside, and includes a cover guide 748 that covers the probe pin guide 738 and a cover guide ( It extends from the lower portion of the upper housing 748 and is implemented as a receiving portion 745 that covers the upper recessed portion 735 of the upper housing 730.
  • the receiving portion 745 is implemented as a concave shape that can accommodate a predetermined sample, and an opening 746 is formed at the bottom of the receiving portion 745 to expose the sensor area of the sensor chip 500. .
  • one probe device 700 is formed by combining a plurality of modules with the sensor chip 500 and the circuit board 150, which are inspection objects, arranged.
  • the lower housing 710 and the middle housing 720 may be joined using a plurality of coupling materials.
  • screw holes 713 and 723 are formed in each corner area, one screw hole 713 in the lower housing 710 and one screw hole 723 in the middle housing 720. ) overlap each other to form common screw holes (713, 723), and one screw member is coupled to the screw holes (713, 723) to simultaneously couple the lower housing (710) and the middle housing (720).
  • the lower housing 710 and the middle housing 720 can be formed by fitting the screw holes 713 and 723 so that they overlap (for example, in the Z direction, which may be vertical or up and down).
  • the upper surface of the body portion 711 of the lower housing 710 may further include at least one coupling protrusion 714 protruding in the upper direction (z direction).
  • the coupling protrusions 714 may include at least three as shown in FIG. 15, and may have more than this number.
  • the coupling protrusions 714 may be arranged to be spaced apart from each other, and the two coupling protrusions 714 disposed at the first end (e.g., rear end) of the lower housing 710 may be disposed at the second end (e.g., rear end) of the lower housing 710. : It can be arranged symmetrically around the third coupling protrusion 714 disposed at the front end.
  • the coupling protrusion 714 may include one coupling protrusion 714 disposed on the front side of the upper surface of the body portion 711 and two coupling protrusions 714 disposed on the rear side. Two engaging protrusions 714 may be formed on both sides of the bottom depression 715.
  • the front coupling protrusions 714 may be disposed at a central distance between the rear coupling protrusions 714.
  • coupling hooks 737 are disposed on both sides of the upper housing 730 to couple the upper housing 730 to the middle housing 720 and the lower housing 710.
  • the coupling hook 737 is rotatably coupled to the side of the body, and can cover and fix the side of the body of the lower housing 710 by rotating about the axis.
  • the upper housing 730 and the upper cover 740 include a coupling hole 749 on the upper surface of the cover guides 748 and 748 of the upper cover 740, and the coupling hole 749 and the upper housing ( It can be coupled through a screw member that simultaneously couples the coupling hole 739 of the probe pin guide 738 of 730).
  • FIG. 16 is a detailed view of the lower housing 710 of the probe device 700 of FIG. 15, and FIG. 17 is an enlarged view of area A of FIG. 16.
  • the lower housing 710 is formed with a body portion 711 that defines the entire area of the probe device 700, as shown in FIG. 15.
  • the body portion 711 is a surface structure extending in the x-axis and y-axis directions, and may have a square shape as shown in FIG. 15, for example.
  • a screw hole 713 for coupling to the upper middle housing 720 may be formed in each corner area of the square.
  • the screw hole 713 may be formed to protrude in the upper direction (z direction) from each corner area, and the protruding screw hole 713 is fitted with the screw hole 723 of the upper middle housing 720. It can be combined with a screw member in its assembled state.
  • the side surface 712 formed along the y-axis may be formed to be recessed so as to be stepped in the center direction.
  • the stepped side 712 may be defined as a hook coupling area for coupling with the hook 737 of the upper housing 730.
  • the recessed portion 715 recessed from the body portion 711 in the downward direction (z-direction) may be formed to be stepped to a predetermined depth from the upper surface of the body portion 711, and the depth of the step is the circuit board. It may be the same as the thickness of (150).
  • the width of the depression 715 may also be the same as the width of the circuit board 150, but the depression 715 may have a width different from that of the circuit board 150.
  • a board protrusion 716 may be formed to protrude from the bottom surface of the depression 715 to engage the coupling hole of the circuit board 150.
  • the substrate protrusion 716 has a height equal to or lower than the top surface of the body portion 711 and does not protrude upward from the top surface of the body portion 711.
  • the back side of the depression 715 is exposed to the outside so that the connection terminal 153 of the circuit board 150 is exposed to the outside. It is open and no side walls are formed.
  • the circuit board 150 is opened through the rear side of the recessed portion 715.
  • the connection terminal 153 is exposed to the outside.
  • a plurality of coupling protrusions 714 protrude from the upper surface of the body portion 711 of the lower housing 710 in the upward direction (z-side direction).
  • the coupling protrusion 714 may include one coupling protrusion 714 disposed on the front side of the upper surface of the body portion 711 and two coupling protrusions 714 disposed on the rear side. Two engaging protrusions 714 may be formed on both sides of the bottom depression 715.
  • the front coupling protrusions 714 may be disposed at a central distance between the rear coupling protrusions 714.
  • Each coupling protrusion 714 may have the same height and, when coupled to the upper housing 730, has sufficient depth to penetrate the coupling hole 734 and be partially exposed to the outside.
  • the coupling protrusion 714 has a height greater than the sum of the thicknesses of the middle housing 720 and the upper housing 730.
  • the middle housing 720 is disposed on the lower housing 710.
  • the middle body portion 721 of the middle housing 720 is disposed on the upper surface of the body portion of the lower housing 710.
  • the middle body portion 721 is a surface structure extending in the x-axis and y-axis directions and has the same shape as the body portion 711 of the lower housing 710 below.
  • the middle body portion 721 may have a square shape.
  • a screw hole 723 for coupling with the upper lower housing 710 may be formed in each corner area of the square.
  • the screw hole 723 may be formed to protrude in the upper direction (z direction) from each corner area, and the protruding screw hole 723 is fitted with the screw hole 713 of the lower housing 710 at the bottom. It can be combined with a screw member in a fixed state.
  • the side surface 722 formed along the y-axis may be formed to be recessed so as to be stepped in the center direction.
  • the stepped side 722 may be defined as a hook coupling area for coupling with the hook 737 of the upper housing 730.
  • It may be formed by recessing downward from the upper surface of the middle body portion 721 centered from the stepped side surface 722, but is not limited to this.
  • the middle recessed portion 725 recessed from the middle body portion 721 in the downward direction (z-direction) may be formed to be stepped to a predetermined depth from the upper surface of the body portion.
  • a chip area 726 for accommodating the sensor chip 500 is defined on the bottom of the middle depression 725.
  • the chip area 726 can be formed as an open chip opening with an area smaller than the chip area, as shown in FIG. 16, but can also be implemented as a fixing protrusion capable of fixing the sensor chip 500.
  • a plurality of pin openings 7251 are formed on the bottom of the middle depression 725 to expose the connection pad 158 area of the lower circuit board 150.
  • the chip opening 726 is formed in the center area to have the same width and length as the sensor chip 500.
  • the separation distance d3 between the sensor chip 500 and the side wall 7261 of the chip opening 726 may be formed to be 0.05 to 0.1 mm or less.
  • each corner area 7263 in the chip opening 726 where the sensor chip 500 is disposed may have a rounded, chamfered shape and may be concave to be more open toward the bottom surface 725.
  • each side wall 7262 of the central area where the sensor chip 500 is disposed includes an expanded opening area that is further open toward the bottom surface 725.
  • the expanded opening area may be formed to have a width d4 of 1 to 3 mm, and such expanded opening areas are formed equally on both sides of the central area where the sensor chip 500 is placed, so that the sensor disposed in the central area When placing or removing the chip 500, the sensor chip 500 can be lifted using tongs or the like while minimizing physical impact such as forcibly holding or shaking the sensor chip 500.
  • the plurality of pin openings 7251 are chip openings (chip openings) of the chip area 726 so as to be close to the sensor chip 500 pad 511 of the sensor chip 500 disposed in the chip area 726, as shown in FIGS. 16 and 17. 726).
  • connection pads 158 of the circuit board 150 are also formed of three, so the pin opening 7251 also connects each connection pad 158. It is formed in three pieces to be exposed, and its position is also formed to be aligned with the connection pad 158 of the circuit board 150, respectively.
  • Each pin opening 7251 may be formed in a circular shape with a predetermined diameter, as shown in FIG. 17, and may be spaced apart at a predetermined distance.
  • the pin openings 7251 may function as guides for each probe pin 756 to pass through and connect to the pad 511 of the circuit board 150 below.
  • the diameter of the pin opening 7251 may be larger than the end diameter of the probe pin 756.
  • the sensor chip 500 When the sensor chip 500 is placed in the central area of the chip opening as shown in Figure 17, it is placed on the lower circuit board 150, and the pad 511 area of the sensor chip 500 is the pin opening 7251. It is placed close to .
  • the three pads 511 in the pad area of the sensor chip 500 may be arranged to form a matrix with the three pin openings 7251.
  • area B in FIG. 17 is defined as a probe area to which the probe pin 756, which will be described later, is connected.
  • connection pads 158 of the circuit board 150 and the pads 511 of the sensor chip 500 vary, the shape of the pin opening 7251 may also vary.
  • the shape and number of the pin openings 7251 are formed to correspond to the number and shape of the connection pads 158 of the circuit board 150.
  • the middle body portion 721 includes a coupling hole 724 in the top and side depressions 727 through which the coupling protrusion 714 of the lower housing 710 penetrates.
  • the coupling holes 724 may be formed in three pieces to correspond to the number and shape of the coupling protrusions 714.
  • the two coupling holes 724 formed on the rear side are the special walls of the side depressions 727, In other words, a step can be formed along the wall.
  • the upper housing 730 is as shown in FIGS. 15 and 18A and 18B.
  • FIGS. 18A and 18B are upper perspective and rear views of the upper cover 740 of the probe device 700 of FIG. 15, and FIG. 19 is a cross-sectional view of the probe device 700 of FIG. 14B taken along line V-V'.
  • the upper housing 730 includes an upper body portion 731 on the middle body portion 721 to cover the middle housing 720, and the upper body portion 731 ) includes an upper recessed portion 735 that exposes the sensor area 540 of the lower sensor chip 500.
  • the upper body portion 731 is a surface structure extending in the x-axis and y-axis directions and has a similar shape to the body portion 711 of the lower housing 710 below.
  • the upper body portion 731 has a rectangular shape, and the corner area is depressed toward the center to open the screw hole 723 of the lower middle body portion 721.
  • a coupling hook 737 for coupling with the middle housing 720 and the lower housing 710 is formed on the side of the upper body portion 731, respectively.
  • the coupling hook 737 rotates around the axis 7374 of the side of the upper body 731 and is integrated with the rear surface of the lower housing 710. The coupling to the coupling hook 737 will be described later.
  • a probe pin guide 738 is formed that extends from the recessed portion 735 of the upper housing 730 and protrudes upward.
  • the probe pin guide 738 includes a hole 739 having a step so that the probe pin module 750 can be inserted, and the probe pin module 750 is connected to the pad 511 of the sensor chip 500 and the bottom.
  • the probe pin 756 is guided to connect to the pad 158 of the circuit board 150.
  • the probe pin guide 738 has a stepped side wall formed so that the support portions 751 (751) span when the probe pin module 750 is inserted, and a hole is formed inside the side wall so that the probe pin 756 penetrates. It is open to (739).
  • a connection hole is formed next to the side wall to connect the upper housing 730 and the upper cover 740.
  • connection holes are formed on the steps on both sides of the hole 739 in the stepped side wall.
  • the upper body portion 731 includes a coupling hole 734 on its upper surface through which the coupling protrusion 714 of the lower housing 710 penetrates.
  • the coupling holes 734 are aligned with the coupling holes 734 of the middle body portion 721, respectively, so that one coupling protrusion 714 is aligned with the coupling holes 734 of the middle body portion 721 and the upper body portion 731. It penetrates and connects at the same time.
  • the coupling holes 734 may be formed in three pieces to correspond to the number and shape of the coupling protrusions 714.
  • the two coupling holes 734 formed on the rear side are located on the side wall of the depression 735, In other words, a step can be formed along the wall.
  • the probe pin module 750 is formed of a plurality of probe pins 756 supported by a support portion 751, as shown in FIG. 15.
  • each probe pin 756 is determined by the support portion 751.
  • a plurality of fixing holes are formed in the support part 751, and each probe pin 756 passes through each fixing hole and is fixed to the support part 751.
  • Each probe pin 756 is formed as a bar type and is formed as a conductive probe.
  • Each of the probe pins 756 is formed to have a variable length depending on the height of the object to be inspected, and may be formed as a spring type, for example.
  • the plurality of probe pins 756 are formed such that one end is exposed downward toward the inspection object and the other end 755 is accommodated in the upper cover 740.
  • the plurality of probe pins 756 can be connected with a wire so that the other ends 755 are electrically connected according to the connection relationship of the inspection object.
  • an upper cover 740 is disposed on the upper surface of the upper housing 730.
  • the upper cover 740 covers the probe pin module 750 and is a structure to protect the probe pin module 750 from the outside, and is a cover guide (738) that covers the probe pin guide 738. 748) and a receiving portion 745 that extends from the lower portion of the cover guide 748 and covers the upper recessed portion 735 of the upper housing 730.
  • the cover guide 748 is placed on the probe pin guide 738, and a hole is formed to accommodate the other end 755, which is the upper part of the probe pin 756.
  • the cover guide 748 includes a coupling hole 749 that penetrates the coupling hole of the probe pin guide 738, and since the coupling holes 749 of the two structures are aligned, they can be connected simultaneously by one connecting member, that is, a screw member. It can be fixed.
  • the front of the cover guide 748 is formed to have a predetermined height and forms the front of the probe device 700. Additionally, a receiving portion 745 is formed below the front of the cover guide 748 to cover the recessed portion 715 of the upper housing 730.
  • the front of the cover guide 748 may form part of the side wall of the receiving portion 745.
  • the receiving portion 745 is implemented in a concave shape that can accommodate a predetermined sample, and an opening 746 for exposing the sensor area 540 of the sensor chip 500 is provided at the bottom of the receiving portion 745. It is formed.
  • one probe device 700 is formed by combining a plurality of modules with the sensor chip 500 and the circuit board 150, which are inspection objects, arranged.
  • the lower housing 710 and the middle housing 720 may be joined through a plurality of coupling materials.
  • screw holes 713 and 723 are formed in each corner area, one screw hole 713 in the lower housing 710 and one screw hole 723 in the middle housing 720. ) overlap each other to form common screw holes (713, 723), and one screw member is coupled to the screw holes (713, 723) to simultaneously couple the lower housing (710) and the middle housing (720).
  • the lower housing 710 and the middle housing 720 can be formed by fitting.
  • the coupling protrusion 714 of the lower housing 710 and the coupling holes 724 and 734 of the middle housing 720 and the upper housing 730 are fitted.
  • the diameter of the coupling hole 734 may be formed so that a predetermined separation distance d5 is formed between the coupling protrusion 714 and the coupling holes 724 and 734.
  • the predetermined separation distance (d5) can be formed to satisfy 0.05 to 0.2 mm.
  • coupling hooks 737 are disposed on both sides of the upper housing 730 for coupling the upper housing 730 with the middle housing 720 and the lower housing 710.
  • FIG. 20 is an exploded cross-sectional view of the probe device 700 of FIG. 14B cut along VI- ⁇ '
  • FIG. 21 is a combined cross-sectional view of the probe device 700 of FIG. 14B cut along VI- ⁇ '.
  • the coupling hook 737 is rotatably coupled to a shaft 7374 on the side of the upper body portion 731 of the upper housing 730, and is connected to the shaft 7374. By rotating it, the side surface of the body of the lower housing 710 can be covered and fixed.
  • the coupling hook 737 is coupled to the shaft and has a hook body 7373 extending in the xy side toward the upper body portion 731, extending upward and downward from the hook body 7373, and
  • the coupling hook 737 includes a hook handle 7371 that is forced to rotate by the axis 7374.
  • the lower part of the hook handle 7371 includes a hook protrusion 7372 protruding inward from the end.
  • the coupling hook 737 rotates about its axis and the hook body 7373 presses the lower spring member, causing the lower portion of the hook handle 7371 to open outward.
  • the hook protrusion 7372 is formed on the lower surface of the combination while returning to the original position by the spring member. It is placed so that it catches.
  • the areas of the body portion 711 of the middle housing 720 and the lower housing 710 have a partial difference, thereby forming a step 719 in the area caught by the coupling hook 737.
  • the hook protrusion 7372 may be coupled to the step 719 to further strengthen the coupling of each structure in addition to the coupling by the coupling protrusion 714 and the coupling hole 734.
  • the lower part of the probe pin 756 is arranged to connect to the pad 511 area of the sensor chip 500 and the connection pad 158 area of the circuit board 150.
  • FIG. 22 shows the shape of the probe pin 756 exposed in the rear view of the upper cover 740
  • FIG. 23 is a cross-sectional view of the probe device 700 of FIG. 14B taken along line VII-*?*'.
  • the pad 511 area of the sensor chip 500 is formed with three pads 511
  • the connection pad 158 area of the circuit board 150 is formed with three corresponding connection pads 158.
  • the first probe pin 7561 and the second probe pin 7562 may be arranged in adjacent rows.
  • the probe pin 756 as shown in FIG. 23 is joined to the pad 511 of the sensor chip 500 and the connection pad 158 of the circuit board 150.
  • the probe pin 756 is formed in a configuration with a variable length.
  • each probe pin 756 is formed in a bar type, it is formed of double layers 752 and 753 that can overlap each other, so that the circuit board to be inspected
  • the connection pad 158 of 150 and the pad 511 of the sensor chip 500 are inserted to overlap by a predetermined distance depending on the height.
  • this probe device 700 it is possible to test the performance of the sensor chip 500 by applying one sample sensor chip 500 and the circuit board 150.
  • the circuit board 150 is seated in the receiving portion 745 of the lower housing 710 so that the substrate coupling portion engages the substrate coupling hole 734 (S141). At this time, the connection terminal 153 of the circuit board 150 is arranged to be exposed to the outside.
  • connection terminal 153 of the board When the connection terminal 153 of the board is exposed to the outside, the connection terminal 153 can be arranged to be exposed backward, unlike FIG. 6 . That is, the circuit board 150 can be placed upside down so that the connection pad 158 for contact with the sensor chip 500 is placed on the front side.
  • connection pads 158 of the circuit board 150 are formed on both sides, the circuit board 150 can be placed on the front side.
  • the lower housing 710 and the middle housing 720 are coupled to fit the screw holes 713 and 723, and then a screw member is fastened to the coupling hole 71 to form a combination (S142).
  • the sensor chip 500 is seated on the exposed middle body portion 721 of the middle housing 720.
  • the sensor chip 500 may be a single diced sensor chip 500 or may be a sensor chip 500 for a sample.
  • the sensor chip 500 is placed in the chip area 725 of the depression 715 so that the pad 511 of the sensor chip 500 is placed at the rear side. At this time, the sensor chip 500 can be placed in the chip area 725 using tweezers, etc., and since all corner areas are chamfered, it can be placed without damaging the sensor chip 500.
  • the probe pin module 750 is mounted on the probe pin guide 738 of the upper housing 730, and then the upper housing 730 and the upper cover 740 are combined (S143).
  • the upper housing 730 and the upper cover 740 can be formed by fastening a screw member to the connection hole 749 formed in the probe cover 748 of the upper cover 740.
  • the probe module 750 is formed inside to expose the lower part of the probe pin 756 on the rear surface of the upper housing 730, as shown in FIG. 22.
  • the assembly of the probe device 700 is completed by combining the assembly of the upper housing 730 and the upper cover 740 with the assembly of the lower housing 710 and the middle housing 720.
  • Fastening of such combinations is performed by applying force to the upper part of the hook handle 7371 of the coupling hook 737 of the upper housing 730 while engaging the coupling protrusion 714 and the coupling hole 734 to fit the hook handle (
  • the lower part of 7371) is formed to spread outward and then returned to its original state so that the hook protrusion 7372 is caught on the back or step of the middle housing 720.
  • the assemblies can be combined more stably, and since there is no change in the thermochemical structure, the two assemblies can be separated by applying force to the hook 737 again.
  • the probe device 700 when the probe device 700 is completed while combining the sensor chip 500 and the circuit board 150 to be inspected, the probe device 700 functions as an intermediate unit and connects the exposed circuit board 150. Inspection can be performed through the connection terminal 153 (S144).
  • a reference solution for example, an electrolyte solution such as water
  • an electrolyte solution such as water
  • the test can be implemented by measuring the reference resistance of the sensor chip 500, and for this purpose, the gate voltage and source voltage are transmitted to the connection pad 158 of the circuit board 150 through the connection terminal 153. and is transmitted to the first probe pin 756 through the second probe pin 756, and transmitted to the pad 511 of the sensor chip 500 by the first probe pin 756.
  • the reference resistance value of the sensor chip 500 can be calculated according to the drain current. .
  • the drain current is not read or is very high, it may be determined that there is an error in the sensor chip 500.
  • the coupling members are unfastened, disassembled into each housing, and the sensor chip 500 and the circuit board 150 are collected. And a process of combining the sensor chip 500 with the biosensor cartridge 100 is performed (S145).
  • FIG. 24 is an exploded perspective view showing another example of the probe device 700 of FIGS. 14A and 14B.
  • the probe device 700 of FIG. 24 has the same configuration as an example of the probe device 700 of FIGS. 14A to 23, but the configuration of the test object is partially different.
  • the circuit board 150 and the sensor chip 590 are disposed in an electrically connected state.
  • connection pad 158 of the circuit board 150 and the pad 511 of the sensor chip 590 are placed in the lower housing 710 in a state of conduction through wire bonding or connection clips.
  • the sensor chip 590 bonded to the circuit board 150 is exposed to the chip opening of the middle housing 720.
  • Such line coupling can prevent inspection errors caused by misalignment of the circuit board 150 and the sensor chip 590.
  • the upper cover 740 can be implemented in the same way as the upper cover 740 described above, but may be composed of only the cover guide 748 without the receiving portion 745 as shown in FIG. 24. In this way, when formed only with the cover guide 748, the recessed portion 715 of the upper housing 730 can function as the receiving portion 745.
  • embodiments described herein may be implemented in a computer-readable medium, for example, using software, hardware, or some combination thereof.
  • embodiments described herein include Application Specific Integrated Circuits (ASIC), Digital Signal Processor (DSP), Digital Signal Processing Device (DSPD), Programmable Logic Device (PLD), and Field Programmable Gate Array (FPGA) processors.
  • ASIC Application Specific Integrated Circuits
  • DSP Digital Signal Processor
  • DSPD Digital Signal Processing Device
  • PLD Programmable Logic Device
  • FPGA Field Programmable Gate Array
  • controller may be implemented within one or more of a controller, microcontroller, microprocessor, other electronic device designed to perform the functions described herein, or optional combinations thereof.
  • these embodiments are implemented by a controller.
  • a controller has sufficient structure because it is a hardware-embedded processor that executes appropriate algorithms (e.g., flowcharts) to perform the described functions.
  • embodiments of procedures and functions may be implemented with separate software modules that perform at least one of the respective functions and operations.
  • Software code can be implemented as a software application written in an appropriate programming language. Additionally, software code can be stored in memory and executed by the controller, making the controller a type of special-purpose controller specifically configured to perform the described functions and algorithms. Accordingly, the components shown in the figures have sufficient structure to implement appropriate algorithms for performing the described functions.
  • the present invention includes various modifications to each embodiment and embodiments discussed herein. According to the present invention, at least one or more features described above in one embodiment or example may be equally applied to other embodiments or examples described above. Features of one or more embodiments or examples described above may be combined with each of the embodiments or examples described above. One or more embodiments or combinations of embodiments, in whole or in part, of the invention are also part of the invention.

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Abstract

본 실시예는 적용된 분석 시료로부터 타겟 물질을 감지하고, 상기 타겟 물질과 특이 반응하는 반응 물질이 배치되어 발생된 전기적인 신호를 패드를 통해 전송하는 센서칩의 검사를 위한 프로브 장치에 있어서, 외부의 검사기기와 전기적으로 연결 가능하도록 구성되는 접속단자를 포함하는 회로기판이 수용되는 하부 하우징; 상기 하부 하우징 위에 상기 하부 하우징과 결합하며 상기 센서칩을 실장하는 미들 하우징; 상기 센서칩의 패드와 상기 회로 기판의 접속 패드를 서로 연결하기 위한 프로브핀을 포함하는 프로브 모듈; 및 상기 미들 하우징 위에 결합되며, 상기 센서칩을 개방하는 함몰부를 포함하고, 상기 프로브 모듈을 상기 센서칩과 상기 회로 기판의 상기 패드 위에 정렬하는 가이드 영역을 포함하는 상부 하우징을 포함한다. 따라서, 센서칩을 포함하는 바이오 센서 카트리지를 제공할 때, 하나의 반도체 웨이퍼에서 다이싱된 센서칩 자체의 성능 검사를 위하여 구조가 단순화된 프로브 장치를 제공하여 대형의 프로버 없이 검침이 가능하다.

Description

바이오 센서 카트리지 및 그의 검사 장치
본 실시예는 바이오 센서를 포함하는 바이오 센서 카트리지 및 바이오 센서 칩을 검사하기 위한 검사 장치에 관한 것이다.
최근 전파력이 높은 질병이 확산됨에 따라 가정이나 병원, 보건소 등의 의료 현장에서 해당 질병에 대한 신속한 진단 및 자가 진단의 필요성이 증가하고 있다.
따라서, 전문지식이나 복잡한 과정이 요구되지 않고 분석 시간이 짧은 면역 분석 플랫폼의 개발이 요구된다.
바이오 센서는 땀 및 타액 등의 체액, 혈액 또는 배뇨와 같은 생체 물질에 포함되어 있는 특정 타겟 물질에 대하여 반응성을 가지는 감지 물질과 상기 타겟 물질의 선택적 반응에 의해 변화하는 칼라, 전기적, 광학적 신호를 발생한다. 따라서, 바이오 센서를 이용하여 특정 타겟 물질의 존재에 대하여 확인가능하다.
종래에는 스트립 방식의 신속 키트가 많이 사용되어 왔으며, 소정 농도 이상의 바이오 타겟 물질이 존재하는지를 판별하여 단순 발색 (예: 딥스틱과 같은 테스트는 결과가 양성이면 색상이 변경됨)을 수행한다.
그러나, 발색으로 타겟 물질을 표지하는 경우, 타겟 물질의 농도에 따라 발색의 전환이 부정확할 수 있으며, 발색 여부를 육안으로 판별하여야 하므로 식별하는 사용자에 따라 정확도가 서로 상이하다.
이를 보완하기 위해 전기적 신호를 발생하는 바이오 센서가 제시되고 있다.
전기적 신호를 발생하는 바이오 센서는 소형 박막 반도체 구조체의 채널에 타겟 물질이 결합되며, 타겟 물질에 의해 반도체 구조체의 전기 전도도가 변화되고, 전기전도도 변화를 통하여 타겟 물질을 검출한다. 즉, 타겟 물질이 채널에서 결합할 때 전기화학적인 반응이 일어나거나, 타겟 물질 자체가 전하를 갖는 경우, 감지 물질과 타겟 물질의 결합으로 인한 전계 효과로 반도체 구조체의 전자 또는 정공이 축적(accumulation)되거나 공핍(depletion)되어 전기전도도가 가변하여 전류량 변화로 읽혀진다. 이러한 전기화학 기반의 바이오 센서는 전극 자체의 저항과 전기 화학 반응이 일어나는 채널의 계면 특성이 매우 중요하다.
한편, 이와 같이 반도체 구조체의 채널을 구비하는 바이오 센서는 전기적 신호를 측정하기 위한 전극 또한 다이싱 단위에서 제작되어 두께가 매우 얇기 때문에, 전류량 측정을 위한 측정 장비와의 결합 과정 중 전극의 손상 또는 채널의 손상이 발생하여 단락 또는 오염이 빈번하게 발생한다.
이를 방지하기 위하여, 종래의 바이오 센서에는 타겟 물질을 센싱하는 센서부와 센서부와 측정 장비와의 연결을 위한 연결부를 포함하는 구조체로 제공된다.
즉, 종래의 바이오 센서의 전극은 타겟 물질을 센싱하기 위한 센서부로부터연장되어 기판의 단부에서 확장되어 측정장비와 연결되는 연결부로 구성될 수 있다.
그러나, 이와 같은 전극이 확장되어 형성되어도 다이싱 단계(예를 들어, 전극 시트를 다이싱하거나 개별 전극으로 절단하는 공정으로, 일 예로 레이저를 사용하여 수행할 수 있음)에서 형성되므로, 센서칩 자체의 크기가 커지게 되며 이는 반도체 웨이퍼가 불필요하게 커지는 문제가 발생하여 칩 수율이 저하된다.
이와 같은 센서칩을 소형화하기 위한 노력이 계속적으로 요구되며, 특히 검사 시료와의 접합 면적은 일정하게 유지하면서 그 이외의 연결부 및 패드부의 형성을 최소화하는 방법이 요구되고 있다.
그러나, 이와 같은 센서칩의 소형화는 검사 장비의 세밀화를 요구한다.
이전의 검사 장비는 검사 데이터를 처리하는 처리 장치와 검사를 진행하는 프로브단이 서로 유무선으로 연결되어 있으며, 상기 프로브단을 수동으로 해당 칩의 검사 위치에 접촉하거나, 특정 위치에 칩을 로딩하여 자동으로 진행하고 있다.
이러한 검사 장비의 처리 장치와 프로브단 자체가 검사체인 센서칩에 비해 매우 크게 형성되어 있어, 세밀한 검사에 어려움이 있다.
또한, 센서칩의 경우, 패드가 일측으로 형성되고, 반응 영역 이외의 면적을 최소화하게 되므로 최소화된 면적에 배치되는 패드로부터 신호를 읽어 검사를 진행하는 검사 장비의 경우, 동시에 여러 프로브단이 각각의 패드에 동시 접속하는 것이 불가능할 수 있다.
이와 같은 문제점을 해소하기 위해 프로브 소켓을 적용하여 칩의 성능 테스트를 수행하는 기술이 개시되어 있다.
한국 공개 특허 10-2017-007582호의 경우, 이와 같은 매개체로서 진공 소켓이 개시되어 있다.
이와 같은 진공 소켓은 반도체칩에 적용되는 것으로서, 내부에 반도체 칩을 실장하고, 하부에 그에 매칭하는 다수의 패드가 형성되어 있는 별도의 인쇄회로기판을 실장하고, 두 소자를 서로 플립칩 접합한 후 프로브를 통해 이를 연결하는 기술을 제공하고 있다.
그러나, 한국 공개 특허 10-2017-007582호의 경우, 검사를 위한 반도체 칩과 인쇄회로기판의 플립칩 본딩에 의해 물리적 결합이 시도되고, 그에 따라 결합되는 반도체 칩은 테스트가 종료된 후 인쇄회로기판과 함께 폐기되어야 한다.
또한, 외부에 배치되는 반도체칩은 결국 테스트 사이트에서 외부의 테스트 장비를 통해 검사가 수행되는 바, 상기 진공 소켓은 반도체칩의 이동 수단으로서 동작하는 것이 주요하다.
[선행기술문헌]
한국공개특허공보 10-2017-007582호 (공개일 : 2017.01.19.)
본 실시예는 센서칩을 포함하는 바이오 센서 카트리지를 제공하며, 센서칩의 성능 검사를 위한 별도의 프로브 장치를 제공하는데 제1 과제가 있다.
본 실시예의 제2 과제는 바이오 센서 카트리지에 적용되는 회로 기판과 센서칩을 직접 적용하여 별도의 회로 기판이 요구되지 않으면서 상기 회로 기판 자체로 센서칩의 검사가 가능한 프로브 장치를 제공하는 것이다.
본 실시예의 제3 과제는 전기적 접속을 위한 구성을 포고핀(po-go pin) 형상으로 구현하여, 패드의 구성이 변화하면 그에 따라 용이하게 변형 가능한 프로브 장치를 제공하는 것이다.
본 실시예는 적용된 분석 시료로부터 타겟 물질을 감지하고, 상기 타겟 물질과 특이 반응하는 반응 물질이 배치되어 발생된 전기적인 신호를 패드를 통해 전송하는 센서칩의 검사를 위한 프로브 장치에 있어서, 외부의 검사기기와 전기적으로 연결 가능하도록 구성되는 접속단자를 포함하는 회로기판이 수용되는 하부 하우징; 상기 하부 하우징 위에 상기 하부 하우징과 결합하며 상기 센서칩을 실장하는 미들 하우징; 상기 센서칩의 패드와 상기 회로 기판의 접속 패드를 서로 연결하기 위한 프로브핀을 포함하는 프로브 모듈; 및 상기 미들 하우징 위에 결합되며, 상기 센서칩을 개방하는 함몰부를 포함하고, 상기 프로브 모듈을 상기 센서칩과 상기 회로 기판의 상기 패드 위에 정렬하는 가이드 영역을 포함하는 상부 하우징을 포함한다.
상기 미들 하우징은 상기 회로 기판의 패드를 각각 노출하며 상기 프로브핀이 관통하는 가이드홀을 포함할 수 있다.
상기 미들 하우징은 상기 센서칩의 패드와 상기 가이드홀이 인접하여 배치되도록 상기 센서칩의 위치를 정의하는 칩 영역을 포함할 수 있다.
상기 프로브핀 모듈은 복수의 프로브핀을 동시에 지지하는 지지부, 상기 지지부를 관통하며 상기 센서칩의 패드와 상기 회로 기판의 패드와 각각 접촉하는 복수의 프로브핀을 포함할 수 있다.
상기 프로브핀은 상기 센서칩 및 상기 회로 기판의 높이에 따라 길이 조절될 수 있다.
상기 지지부는 각각의 프로브핀을 관통하는 복수의 관통홀을 포함하고, 상기복수의 프로브핀은 상기 지지부에 의해 서로 절연될 수 있다.
상기 프로브핀은 상기 지지부 위로 일단이 노출되고, 상기 지지부 아래로 타단이 노출되며, 상기 센서칩의 패드와 상기 회로기판의 접속 패드 중 서로 연결이 필요한 경우, 상기 프로브핀의 타단에서 전기적으로 연결할 수 있다.
상기 상부 하우징은 상기 함몰부가 전해질 유체를 수용하도록 경사를 가질 수 있다.
상기 상부 하우징의 상기 가이드 영역은 상기 프로브핀 모듈의 지지부를 안착하여 지지하는 프로브핀 가이드를 더 포함할 수 있다.
상기 프로브핀 가이드는 상부 하우징의 바디부로부터 소정 높이만큼 돌출되어 형성될 수 있다.
상기 프로브 장치는 상기 프로브핀 가이드 위에 배치되며, 상기 프로브핀의 일단을 하우징하는 커버 가이드를 더 포함할 수 있다.
상기 하부 하우징은 상기 프로브 장치의 면적을 정의하는 바디부를 포함하며, 상기 바디부의 상면으로부터 돌출되는 적어도 하나의 결합돌기를 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 결합돌기는 상기 미들 하우징 및 상기 상부 하우징을 동시에 관통하여 결합할 수 있다.
상기 하부 하우징 및 상기 미들 하우징은 가장자리 영역에 결합부재에 의해 결합되는 결합 홀을 포함할 수 있다.
상기 상부 하우징의 측면에 축회동하도록 결합되며 상기 하부 하우징 또는 상기 미들 하우징의 배면과 걸림되는 결합후크를 포함할 수 있다.
상기 수용부에 상기 전해질 유체가 적용된 상태로 상기 회로 기판의 접속 단자를 검사 장비에 삽입하여 상기 센서칩의 기준 저항을 측정할 수 있다.
상기 해결 수단을 통하여, 센서칩을 포함하는 바이오 센서 카트리지를 제공할 때, 하나의 반도체 웨이퍼에서 다이싱된 센서칩 자체의 성능 검사를 위하여 구조가 단순화된 프로브 장치를 제공하여 대형의 프로버 없이 검침이 가능하다.
또한, 바이오 센서 카트리지에 적용되는 회로 기판과 센서칩을 직접 적용하여 센서칩의 성능을 검사하여 테스트를 위한 별도의 회로 기판을 제조하지 않으므로, 비용 및 시간이 절감된다.
그리고, 프로브 장치에서 회로기판과 센서칩의 전기적 접속을 위한 구성을 포고핀(po-go pin) 형상으로 구현함으로써 센서칩 및 회로기판의 패드의 구성이 변화하면 그에 따라 포고핀의 형상만을 변경하여 적용함으로써 전체 하우징의 변형 없이 변경이 용이하다.
도 1은 본 실시예에 따른 바이오 센서 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 바이오 센서 진단기기와 바이오 센서 카트리지의 구성도이다.
도 3은 도 1의 바이오 센서 진단기기의 일 예에 대한 전면도이다.
도 4는 도 3의 바이오 센서 진단기기의 분해 사시도이다.
도 5a 및 도 5b는 도 1의 바이오 센서 카트리지의 일 예에 대한 상면도 및 배면도이다.
도 6은 도 1의 바이오 센서 카트리지의 일 예에 대한 분해 사시도이다.
도 7은 도 5 및 도 6의 바이오 센서 카트리지를 Ⅰ-Ⅰ' 및 Ⅱ-Ⅱ'으로 절단한 단면도이다.
도 8은 도 6의 바이오 센서 카트리지에 적용가능한 센서칩의 일 예의 상면도이다.
도 9는 도 8의 센서칩을 Ⅲ-Ⅲ'으로 절단한 단면도이다.
도 10a 및 도 10b는 도 8의 센서칩의 타겟 물질에 따른 반응을 나타내는 도식도이다.
도 11은 도 10a 및 도 10b에 의한 센서칩의 출력 전류 변화를 나타내는 그래프이다.
도 12은 도 5의 바이오 센서 카트리지의 제조 공정을 나타내는 순서도이다.
도 13은 도 12의 제조 공정 중 바이오 센서칩의 오류 검사 공정을 나타내는 순서도이다.
도 14a 및 도 14b는 바이오 센서칩의 오류 검사를 위한 프로브 장치의 사시도 및 상면도이다.
도 15는 도 14a 및 도 14b의 프로브 장치의 일 예를 도시한 분해 사시도이다.
도 16은 도 15의 프로브 장치의 하부 하우징의 상세도이다.
도 17은 도 16의 A 영역의 확대도이다.
도 18a 및 도 18b는 도 15의 프로브 장치의 상부 하우징의 상부 사시도 및 배면도이다.
도 19는 도 14b의 프로브 장치를 V-V'로 절단한 단면도이다.
도 20은 도 14b의 프로브 장치를 Ⅵ-Ⅵ'로 절단한 분해 단면도이다.
도 21은 도 14b의 프로브 장치를 Ⅵ-Ⅵ'로 절단한 결합단면도이다.
도 22는 상부 하우징의 배면도에 노출되는 프로브핀의 형상을 나타내는 것이다.
도 23은 도 14b의 프로브 장치를 Ⅶ-Ⅶ'로 절단한 단면도이다.
도 24는 도 14a 및 도 14b의 프로브 장치의 다른 예를 도시한 분해 사시도이다.
이하에서 언급되는 “전(F)/후(R)/좌(Le)/우(Ri)/상(U)/하(D)” 등의 방향을 지칭하는 표현은 도면에 표시된 바에 따라 정의하나, 이는 어디까지나 본 실시예가 명확하게 이해될 수 있도록 설명하기 위한 것이며, 기준을 어디에 두느냐에 따라 각 방향들을 다르게 정의할 수도 있음은 물론이다.
이하에서 언급되는 구성요소 앞에 ‘제1, 제2' 등의 표현이 붙는 용어 사용은, 지칭하는 구성요소의 혼동을 피하기 위한 것일 뿐, 구성요소 들 사이의 순서, 중요도 또는 주종관계 등과는 무관하다. 예를 들면, 제1 구성요소 없이 제2 구성요소만을 포함하는 실시예도 구현 가능하다.
도면에서 각 구성의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기와 면적은 실제크기나 면적을 전적으로 반영하는 것은 아니다.
또한, 본 실시예의 구조를 설명하는 과정에서 언급하는 각도와 방향은 도면에 기재된 것을 기준으로 한다. 명세서에서 구조에 대한 설명에서, 각도에 대한 기준점과 위치관계를 명확히 언급하지 않은 경우, 관련 도면을 참조하도록 한다.
본 명세서에서, 타겟 물질(target materials)은 특정 기질을 나타내는 바이오 물질로서, 분석체 또는 애널라이트(analytes)와 동일한 의미로 해석된다. 본 실시예에서 타겟 물질은 항원(antigen)일 수 있다. 본 명세서에서 감지 물질(probe materials)은 타겟 물질과 특이 결합(specific binding)하는 바이오 물질로서, 수용체(receptor) 또는 억셉터(acceptor)와 동일한 의미로 해석된다. 본 실시예에서 감지 물질은 항체(antibody)일 수 있다.
전기 화학 기반의 바이오 센서는 전기 화학적 방법이 지니는 분석 능력과 생물학적인 인식(biological recognition)의 특이성(specificity)이 결합된 것으로서, 효소, 항원, 항체, 생화학 물질 등에 생물학적 특이성을 지니는 물질, 즉 감지 물질을 전극 표면에 고정시키거나 함유하게 함으로써, 타겟 물질에 대한 생물학적 인식 현상을 전류 혹은 전위 변화로 검출한다.
이하에서는 도 1 및 도 2를 참고하여 본 실시예에 따른 바이오 센서 시스템을 설명한다.
도 1은 본 실시예에 따른 바이오 센서 시스템을 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1의 바이오 센서 진단기기(200)와 바이오 센서 카트리지(100)의 구성도이다.
도 1을 참고하면, 본 실시예에 따른 바이오 센서 시스템은 바이오 센서 진단기기(200), 복수의 바이오 센서 카트리지(100) 및 적어도 하나의 서버(400)를 포함한다.
바이오 센서 진단기기(200)는 복수의 바이오 센서 카트리지(100)가 삽입되면(일 예로, 복수의 바이오센서 카트리지(100)가 바이오센서 진단기기(200)에 동시에 삽입될 수 있음), 상기 바이오 센서 카트리지(100)로부터 감지 신호를 읽어 들여 타겟 물질의 존재 여부를 판독한다.
상기 바이오 센서 진단기기(200)는 휴대가능한 일체형의 진단기기(200)로서, 바이오 센서 카트리지(100)로부터 미량의 타겟 물질의 존재에 대한 전류 변화를 감지하고, 이에 따라 질병을 진단하여 사용자에게 전달 가능하다.
이를 위해 상기 바이오 센서 진단기기(200)는 각각의 기능 블록들을 집적하고, 소형화하여 하나의 케이스 내에 일체화함으로써 휴대가능하도록 제공될 수 있다.
상기 바이오 센서 진단기기(200)는 내부에 배터리(281)를 실장함으로써 외부 전원 유무에 관계없이, 장소에 구애받지 않고 이동 가능하다. 또한, 진단기기(200)는 미세 신호 변화를 판독가능하도록 바이오 센서 카트리지(100)로부터의 감지 신호를 보정하는 전처리 과정을 포함하여 센서의 재현성 및 불균일성을 보완하는 기능을 포함한다.
또한, 상기 바이오 센서 진단기기(200)는 바이오 센서 카트리지(100)의 후면에 배치되어 있는 QR 코드를 읽어 들여 상기 바이오 센서 카트리지(100)의 정품 인증 등을 위한 환경 정보를 수신하여 정품 인증을 수행할 수 있는 QR 리더기 및 외부 클라우드 서버(400)와 정품 인증을 위한 신호를 송수신할 수 있는 통신 모듈을 포함한다.
상기 바이오 센서 진단기기(200)는 바이오 센서 카트리지(100)로부터의 감지 신호를 측정 및 분석하여 질병을 진단하기 위한 프로그램 알고리즘 또는 어플리케이션이 설치되어 있을 수 있으며, 각 바이오 센서 카트리지(100)의 종류에 따라 서로 다른 알고리즘이 실행가능하다. 즉, 바이오센서 진단 기기(200)에는 서로 다른 복수의 바이오센서 카트리지가 사용될 수 있으며, 서로 다른 바이오센서 카트리지마다 서로 다른 알고리즘이 사용된다.
또한, 상기 바이오 센서 진단기기(200)는 진단 결과를 사용자에게 직접적으로 표시하기 위한 표시부(290)를 포함하며, 사용자 인터페이스(296, 697, 674)를 통해 직접 조작 가능하도록 설계되어 있다.
이와 같은 일체형의 바이오 센서 진단기기(200)의 상세 구성에 대하여는 이후에 설명한다.
한편, 바이오 센서 시스템은 상기 바이오 센서 진단기기(200)에 삽입되어 감지 신호를 제공하기 위한 복수의 바이오 센서 카트리지(100)를 포함한다.
각각의 상기 바이오 센서 카트리지(100)는 바이오 센서칩(500)에서 발생된 전기적 감지 신호를 측정 및 분석 가능한 알고리즘이 설치된 진단기기(200)와 전기적으로 연결된다.
구체적으로, 바이오 센서 카트리지(100)는 도1에 도시된 바와 같이 일체형 바이오 센서 진단기기(200)의 카트리지 삽입모듈(2911)에 삽입되어 전기적으로 연결될 수 있다.
바이오 센서 카트리지(100)는 하우징(110, 120) 내에 바이오 센서부(500)로 대응되는 센서칩(500)을 수용하며, 상기 하우징(110, 120)은 상기 센서칩(500)의 전극 패드와 접속하여 외부의 바이오 센서 진단기기(200)의 삽입모듈(2911)에 삽입되는 접속단자(153)까지 연장되는 회로 패턴을 포함하는 회로 기판(150)을 수용할 수 있다.
상기 하우징(110, 120)은 상부 하우징(110) 및 하부 하우징(120)으로 분리결합되며, 상부 하우징(110)과 하부 하우징(120)이 센서칩(500)과 상기 회로기판을 수용한 상태로 결합고정됨으로써 하나의 바이오 센서 카트리지(100)를 구성한다.
상기 바이오 센서 카트리지(100)는 일단에서 외부로 바이오 센서 진단기기(200)와의 물리적 및 전기적 결합을 위한 접속단자(153)가 노출되어 있으며, 상부 하우징(110)의 표면에 검체 시료를 수용하는 용액 수용부(119)가 형성되어 있다.
상기 용액 수용부(119)는 내부의 센서칩(500)의 일부를 노출하며, 상기 용액 수용부(119)로 검체 시료가 수용되면 센서칩(500)의 항원 항체 반응에 따라 센서칩(500)의 채널의 전하 농도가 가변함으로써 센서칩(500)의 전극에 흐르는 전류가 가변한다. 상기 가변된 전류는 접속단자(153)를 통해 진단기기(200)에서 읽혀진다.
이때, 센서칩(500)의 전하이동도를 확보하기 위해 다양한 물질로 채널이 구현 가능하며, 특히 그래핀(Graphene)을 이용한 채널 구현이 가능하다. 그러나, 실리콘, 실리콘 카바이드, 게르마늄, 질화알루미늄, 인듐, 질화갈륨 및 비화갈륨과 같은 대체 물질이 센서 칩(500)의 채널에 사용될 수 있다.
바이오 센서 카트리지(100)의 상세 구성은 이후에 상세히 설명한다.
한편, 바이오 센서 시스템은 적어도 하나의 서버(400)를 포함할 수 있다.
상기 서버(400)는 제조사 서버(400)일 수 있으며, 서버(400)는 프로그램의 처리가 가능한 프로세서를 포함할 수 있다. 서버(400)의 기능은 제조사의 중앙컴퓨터(클라우드)가 수행할 수도 있다.
일 예로, 서버(400)는 바이오 센서 카트리지(100) 및 진단기기(200)의 제조자가 운영하는 서버(400)일 수 있다. 또 다른 예로, 서버(400)는 건물 내에 구비되며, 건물 내 기기들에 대한 상태 정보를 저장하거나, 건물 내 가전 기기에서 요구되는 컨텐츠를 저장하는 서버(400)일 수도 있다.
서버(400)는 진단기기(200)에 대한 펌웨어 정보, 진단 정보를 저장하고, 진단기기(200)로부터 요청되는 바이오 센서 카트리지(100)에 대한 인증 정보를 전송할 수 있다.
바이오 센서 시스템 내의 서버(400)는 제조자의 복수의 클라우드 서버(400) 중 하나일 수 있으며, 복수의 클라우드 서버(400)가 동시 포함되어 하나의 바이오 센서 진단기기(200)에 접속 가능한 상태로 바이오 센서 시스템 내에 제공될 수 있다.
이와 같이 복수의 클라우드 서버(400)가 하나의 바이오 센서 진단기기(200)에 동시 접속 가능한 경우, 바이오 센서 진단기기(200)는 복수의 클라우드 서버(400)에 대하여 순위를 매칭하며, 순차적으로 최선순위부터 인증 요청을 발송할 수 있다. 이때, 선순위 서버(400)로부터 응답 신호가 수신되지 않으면 다음 순위의 서버(400)에 인증 요청을 발송할 수 있다.
상기 서버(400)는 상기 바이오 센서 카트리지(100)에 대한 인증을 수행하고, 인증 결과를 상기 바이오 센서 진단기기(200)로 제공할 수 있다.
또한, 상기 서버(400)는 해당 ID의 제품에 대한 보정 데이터(calibration data) 및 업데이트 데이터를 제공가능하며, 통신하는 바이오 센서 진단기기(200)로 전송 가능하다.
상기 서버(400)는 각 바이오 센서 카트리지(100)에 대하여 분석을 위한 프로그램의 업그레이드 버전 또한 생성 배포 가능하다.
이를 위해, 상기 서버(400)는 제조사의 상기 바이오 센서 카트리지(100) 제조 일자, 제조 조건, 센서 종류, 검사결과 등에 대한 히스토리 정보를 별도의 제조사의 제조 서버로부터 수신할 수 있다.
또한, 서버(400)는 해당 제품에 대한 진단 결과 값을 수신하고 누적하고 이를 머신 러닝하여 각각의 분석기기(200)에 제공하는 프로그램의 업그레이드 버전을 주기적으로 생성 배포 가능하다.
한편, 본 실시예의 바이오 센서 시스템은 복수의 사용자 단말(300)을 더 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
사용자 단말(300)이 시스템에 포함되는 경우, 상기 바이오 센서 진단기기(200) 또는 클라우드 서버(400)는 진단 결과에 대한 데이터를 통신하는 사용자 단말(300)로 전송할 수 있다.
이를 위해 상기 사용자 단말(300)을 위한 전용 어플리케이션이 상기 제조자 서버(400)로부터 제공 가능하며, 상기 사용자 단말(300)에 상기 어플리케이션을 저장 실행함으로써 진단 데이터에 대한 다양한 가공이 가능하다.
일 예로, 사용자가 장기간 동일 질병에 감염되어 있는 경우, 주기적인 검사 결과를 누적하여 표시할 수 있도록 데이터 가공이 가능하며, 상기 가공된 결과를 어플리케이션을 통해 사용자 단말(300)로 제공 가능하다. 따라서, 사용자 단말(300)은 상기 질병에 대한 예후, 예상 치료 시간을 판단 가능할 수 있다.
사용자 단말(300)은 예를 들면, 애플리케이션(application)이 탑재된 랩탑(laptop), 스마트 폰, 태블릿, 스마트 워치 등을 예로 들 수 있다.
사용자 단말(300)은 네트워크를 통해 진단기기(200) 또는 서버(400)와 직접 통신 가능하며, 진단기기(200)와 서버(400) 또한 네트워크를 통해 직접 통신 가능하다.
이때, 네트워크는 예를 들어, IEEE 802.11 WLAN, IEEE 802.15 WPAN, UWB, Wi-Fi, Zigbee, Z-wave, Blue-Tooth 등과 같은 무선 통신 기술을 적용가능하며, 적어도 하나 이상의 통신 기술 적용하도록 각 기기(사용자 단말(300) 및 진단기기(200))의 무선 통신부(260)를 포함할 수 있다.
무선 통신부(260)는 통신하고자 하는 다른 기기(사용자 단말(300) 및 진단기기(200)) 또는 서버(400)의 통신 방식이 무엇인지에 따라 달라질 수 있다.
이와 같이 바이오 센서 시스템은 휴대가능한 일체화된 바이오센서 진단기기(200)에 검체 시료가 수용된 바이오 센서 카트리지(100)의 접속단자(153)를 삽입하여 전기적으로 접속함으로써 감지 신호의 판독이 이루어진다.
감지 신호의 판독을 위한 바이오 센서 진단기기(200)의 기능적 구성은 도 2와 같다.
도 2를 참고하면, 바이오 센서 진단기기(200)는 복수의 기능 모듈을 포함한다.
각각의 기능 모듈은 개별적으로 패키징되어 하나의 바이오 센서 진단기기(200)의 케이스 내에 수용되어 있을 수 있으며, 복수의 기능 모듈이 하나의 모듈로 패키징되어 상기 케이스(201, 202) 내에 수용되어 있을 수 있다.
상기 바이오 센서 진단기기(200)는 신호변환증폭부(210), 신호 여과부(220), 신호처리부, 연산부(250), 무선 무선 통신부(260), 전원부(280), 표시부(290), QR리더부(270), 센서 제어부(240)를 포함한다.
신호변환증폭부(210)는 바이오 센서 카트리지(100)로부터 전송되는 감지 신호를 가장 먼저 수신하고, 그 감지 신호의 전류값을 바이오 센서 진단기기(200)에서 판독 가능하도록 변환하고 증폭한다.
신호변환증폭부(210)는 바이오 센서 카트리지(100)로부터 전송되는 감지 신호인 변화된 전류 값에 따라 전압 강하를 발생하는 저항 등을 포함하는 아날로그 회로가 형성될 수 있으며, 이와 같은 전압 강하를 전달받아 이를 증폭하는 증폭회로를 더 포함할 수 있다.
이와 같이 증폭된 신호는 신호 여과부(220)에 전달되어 노이즈를 제거하고 신호 처리부(230)로 전달된다. 신호 처리부(230)에서는 노이즈가 제거된 증폭된 아날로그 감지 값을 진단 연산을 위한 디지털 값으로 전환할 수 있으며, 이를 위한 ADC(Analog-Digital Converter)를 포함할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 신호변환증폭부(210), 신호 여과부(220) 및 신호 처리부(230)는 모두 하나의 집적회로칩으로 구현 가능하다. 이와 같은 집적회로칩은 도 3에서의 카트리지 삽입모듈(211)로 대응될 수 있다.
센서 제어부(240)는 연산부(250)의 제어에 따라 레벨이 가변된 기준 전압을 연결되어 있는 바이오 센서 카트리지(100)의 접속단자(153)에 제공할 수 있으며, 바이오 센서 카트리지(100)는 센서 제어부(240)로부터 레벨이 가변된 기준 전압을 인가받고 채널의 가변된 저항값에 의해 변경되는 전류값을 접속단자(153)로 흘린다. 상기 집적회로칩 내에 센서 제어부(240)가 전압 레벨 변환 회로로서 함께 실장 가능하다.
한편, 바이오 센서 진단기기(200)는 상기 진단기기(200)의 동작 제어 및 수신되는 디지털화된 감지값에 대한 판독을 수행하기 위한 연산부(250)를 포함한다.
상기 진단기기(200)의 제어는 별도의 컨트롤러를 포함할 수 있으나, 하나의 컨트롤러에서 저장되는 프로그램을 수행하여 감지값에 대한 감지 여부의 판독 및 진단 기기 전체의 동작 제어를 동시 진행 가능하다.
이때, 상기 연산부(250)는 별도의 집적회로칩으로 구현 가능하며, 메인 보드(255) 내에 실장될 수 있다.
상기 연산부(250)는 상기 판독 프로그램에 따라 감지값에 대한 타겟 물질의존재 여부를 판독하고, 그 결과를 가공하여 표시부(290)에 제공 가능하다. 또한, 이와 같은 판독 결과는 무선 통신부(260)를 통해 클라우드 서버(400) 및 사용자 단말(300)에 전송 가능하다.
상기 연산부(250)는 상기 판독을 위한 진단기기(200)의 동작 제어도 수행할 수 있다. 일 예로 상기 연산부(250)는 상기 바이오 센서 카트리지(100)의 접속단자(153)가 상기 카트리지 삽입모듈(211)에 인입되면, 상기 인입을 감지하여 상기 QR리더부(270)로 QR 리딩 명령을 전송할 수 있다.
이에 따라 QR리더부(270)는 카트리지 삽입모듈(211)에 인입되어 있는 카트리지(100)의 후면에 부착된 QR코드를 읽기위한 동작을 수행하고, 그 정보를 연산부(250)로 다시 전송한다.
상기 연산부(250)는 QR 정보를 수신하고, 그에 따라 클라우드 서버(400)에 인증 요청을 수행하고, 상기 클라우드 서버(400)로부터 인증 정보가 수신되면, 정품 인증 후 바이오 센서 카트리지(100)에 대한 판독을 진행하고, 그 판독 결과를 바이오 센서 카트리지(100)의 인증 결과와 매칭하여 가공한다.
따라서, 연산부(250)는 진단 기기(200)의 모듈 동작과 판독 프로그램 실행을 동시 진행하여 결과 매칭의 시간차를 최소화 (예를 들어, 바이오센서 카트리지(100)가 정품인지 판단하는 시간을 최소화)함으로써 오류를 줄일 수 있다.
연산부(250)는 데이터 저장부(도시하지 않음)로서 메모리 카드, 바이오 물질의 진단을 위한 라이브러리 파일, 신호처리 장치를 갖춘 임베디드 시스템 보드로 구성될 수 있다. 예를 들어, 임베디드 시스템 보드에는 출력신호 데이터를 저장할 수 있는 메모리카드가 삽입되며, 메모리카드에는 시스템 OS와, 구동 프로그램, 분석을 위한 라이브러리 파일 등이 저장된다. 또한, 바이오 물질의 농도 분석을 위한 신호 처리는 임베디드 시스템 보드의 CPU에서 라이브러리 파일과 비교 분석을 통해 계산되며, 분석된 결과는 다시 메모리 카드에 저장된다. 또한, 이와 같은 임베디드 시스템 보드 내에 무선 통신부(260)가 함께 실장 가능하나 이에 한정되지 않는다.
상기 바이오 센서 진단기기(200)는 사용자 인터페이스로서, 표시부(290)를 포함하며, 표시부(290)는 액정 표시 장치, 터치 패널 등을 포함하여, 사용자의 편의성을 고려한 프로그램을 제작하여 검출된 분석 결과를 표시한다. 사용자 인터페이스로서, 그 외에 다양한 방식의 단자, 다이얼, 버튼 등을 포함할 수 있다.
단자(297), 다이얼(296), 버튼(294) 등은 바이오 센서 진단기기(200)의 동작을 온/오프하며, 연산부(250)와 연결되어 사용자 명령에 따라 연산부(250)를 제어할 수도 있다. 즉, 인터페이스(297, 296, 294)에서 사용자의 명령이 입력됨에 따라, 바이오 센서 카트리지(100)의 진단이 시작될 수 있으며, 진단 과정 중 표시부(290)에서는 진행 과정을 나타내며, 진단 종료 후에는 진단 결과를 나타낸다.
상기 바이오 센서 진단기기(200)는 복수의 모듈에 전원을 인가할 수 있는 별도의 전원부(280)를 포함하며, 상기 전원부(280)는 배터리(281)를 포함한다. 따라서, 외부 전원을 충전하여 상기 배터리(281)로부터 내부 모듈의 전원을 공급할 수 있으며, 그에 따라 기기(200)의 휴대가 가능하다. 배터리(281)는 유틸리티에서 이용 가능한 교류 AC 전원과 같은 외부 전원에 의해 충전될 수 있다.
이하에서는 도 3 및 도 4를 참고하여, 바이오 센서 진단기기(200)의 일 예에 따른 상세 구조를 설명한다.
도 3은 도 1의 바이오 센서 진단기기(200)의 일 예에 대한 전면도이고, 도 4는 도 3의 바이오 센서 진단기기(200)의 분해 사시도이다.
도 3 및 도 4를 참고하면, 본 실시예에 따른 바이오 센서 진단기기(200)는 휴대가능한 일체화된 장치(potable integrated device)로서 제공된다.
여기서, 일체화되었다고 함은, 본 진단기기(200)의 이동, 배치, 사용에 있어 단일 장치로 인식되는 모든 상태를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일체화되었다고 함은, 동일한 케이스 내부에 함께 위치하여 동일한 케이스에 의하여 일체화되는 것을 의미할 수도 있고, 동일한 부재에 끼워지거나 부착되는 등에 의하여 고정되어 동일한 부재에 의하여 일체화되는 것을 의미할 수도 있고, 동일한 부재의 일부를 구성하도록 동일한 부재에 함께 형성된 것을 의미할 수도 있고, 동일한 부재에 의하여 함께 감싸지거나 고정되는 것을 의미할 수도 있다. 반대로, 별도의 출력 케이블 등에 의하여 연결된 것은 일체화되었다고 보기 힘들 수 있다.
본 실시예에 따른 일체형의 바이오 센서 진단기기(200)는 케이스(201, 202) 내에 별도의 내부 커버(205)를 포함하며, 내부 커버(205)의 수용부(208) 내에 수용되는 복수의 모듈들과 상기 내부 커버(205)의 전면을 덮으며 전면 패널(291)이 배치된다. 이때, 후면 케이스(202)와 내부 커버(205) 중 하나는 생략 가능하다.
도 4의 분해 사시도에서 복수의 모듈이 중첩되는 X축을 따라 왼쪽을 전면으로, 오른쪽을 후면으로 정의하며, X축과 수직한 Y축과 Z축이 사용자에게 제공되는 전면 패널(291)의 기준 평면을 이루는 두 축으로 정의된다.
본 실시예에 따른, 바이오 센서 진단기기(200)의 케이스(201, 202)는 전면 케이스(201) 및 후면 케이스(202)를 포함한다. 상기 후면 케이스(202)는 내부에 수용부(203)를 가지며, 바닥면과 측면을 갖도록 형성된다. 수용부(203)는 적어도 내부 커버(205), 메인 보드(255) 및 전면 패널(291)을 수용한다. 그러나, 수용부(203)는 전면 케이스(201)를 제외한 진단기기(200)의 모든 부품을 수납할 수 있다.
상기 전면 케이스(201)와 후면 케이스(202)가 수용부(203)를 마주하도록 서로 측면을 맞닿으며 배치될 수 있다.
전면 케이스(201)와 후면 케이스(202)가 이루는 수용부(203)는 전면 케이스(201)의 개폐에 따라 개방된 공간에서 폐공간으로 변경된다.
상기 전면 케이스(201)와 후면 케이스(202)를 동시에 수용하는 외부 케이스가 더 형성될 수 있으며, 외부 케이스는 도3과 같이 박스 타입으로 형성 가능하며, 휴대 용이하도록 핸들이 형성되거나, 소정 각도로 상기 진단기기(200)를 배치가능한 밭침대가 형성되어 있을 수 있다.
전면 케이스(201)와 후면 케이스(202)의 바닥면은 서로 동일한 크기를 가지며 바이오 센서 진단기기(200)의 전체 면적을 정의한다.
상기 바닥면은 다양한 형상으로 형성될 수 있으며, 그 형상은 도 4와 같이 사각형일 수 있으나 이에 한정되지 않고, 원형, 타원형, 마름모 등일 수 있다.
한편, 도 4와 같이 바닥면의 형상이 사각형인 경우, 그 면적은 휴대가능한 크기로서, 다각형의 경우, 일 변이 30cm 이하를 충족할 수 있으나, 이에 한정되지 않고 더욱 소형화 가능하다.
상기 후면 케이스(202)의 수용부(203)를 이루는 측면의 높이는 전면 케이스(201)의 측면의 높이보다 더 클 수 있으며, 상기 후면 케이스(202)의 수용부(203) 내에 내부 커버(205)가 형성된다.
내부 커버(205)는 후면 케이스(202)의 수용부(203) 내에 삽입 가능하도록 상기 후면 케이스(202)와 동일한 형상으로서, 그 바닥면이 후면 케이스(202)보다 작은 면적을 가질 수 있으나, 후면 케이스(202)의 측면 및 바닥면과 내부 커버(205)의 측면 및 바닥면 사이에 이격 공간이 최소화할 수 있도록 끼움결합될 수 있다. 또한, 내부 커버(205)는 후면 케이스(202)와 일체화되어 둘 중 하나가 생략 가능하다. 내부 커버(205)가 실질적인 일체화를 이루는 커버로서 기능하며, 케이스(201, 202)가 손상되는 경우, 내부 커버(205)를 케이스(201, 202)와 분리하여 교체 가능하다.
상기 내부 커버(205)의 수용부(203) 내에 복수의 모듈이 수용되어 있다.
상기 내부 커버(205)의 바닥면에 각 모듈의 위치를 정의후면서 모듈을 지지하기 위한 지지체(2081, 2082)가 형성될 수 있으며, 상기 지지체(2081, 2082)는 내부 모듈의 배치에 따라 다양하게 설계 가능하다. 지지체(2081, 2082)는 복수개로 제공될 수 있다.
상기 내부 커버(205)의 수용부(208)에는 메인 보드(255)가 수용된다.
상기 메인 보드(255)는 복수의 기능을 실행하기 위한 내부 모듈들이 전기적으로 연결되어 있을 수 있으며, 도 4와 같이 메인 보드(255)의 전면 방향으로 표시부(290)를 이루는 디스플레이 모듈(295)과 신호변환증폭부(210) 및 센서 제어부(240)가 일체화되어 있는 카트리지 삽입모듈(2911)이 배치되어 있을 수 있다. 또한, 전면에 전면 패널(291)의 사용자 인터페이스의 제어 스위치(254)가 배치되어 있을 수 있다.
상기 메인 보드(255)의 후면으로 본 제어기기의 동작을 제어하고 프로그램에 따라 감지 신호를 판독하는 연산모듈(251) 및 통신 모듈(261)이 배치될 수 있다.
또한, 상기 메인 보드(255)의 후면으로 QR 리딩 모듈(271)이 배치될 수 있다.
이와 같은 메인 보드(255) 및 상기 각 기능 모듈에 전원을 인가하기 위한 배터리(281)가 배치되어 있으며, 상기 배터리(281)는 내부 커버(205)에서 바닥면에 근접하게 배치될 수 있다.
구체적으로, 전면 패널(291)은 도 3과 같이 바이오 센서 진단기기(200)의 전면에 노출되는 기준 평면을 포함한다.
상기 전면 패널(291)은 전면 패널(291)의 뒷면에 배치되어 전면으로 영상을 표시하는 디스플레이 모듈(295)을 노출하기 위한 제1 개구부(292)를 포함한다.
상기 제1 개구부(292)는 투명 필름으로 커버되어 있을 수 있으나 이에 한정되지 않고, 디스플레이 모듈(295)의 표시부(290)가 직접 노출될 수 있다.
상기 제1 개구부(291)의 주변부로 사용자 인터페이스를 위한 복수의 버튼, 다이얼 및 단자(294, 296, 297) 등이 배치가능하다.
상기 복수의 버튼, 다이얼 및 단자(294, 296, 297) 등은 디자인에 따라 다양한 형태로 조절 가능하다. 일 예로, 도 3과 같이 제1 개구부(292) 하부로 제어 다이얼(2941)이 배치되어 있을 수 있으며, 제1 개구부(292) 좌측으로도 복수의 단자 및 다이얼(296, 297)이 배치되어 사용자로부터 직접 동작 명령을 수신할 수 있다. 대안적으로, 카트리지 삽입 모듈(2911)은 전면 패널(291)의 제1 개구부(292)의 좌측 및 기준면의 좌측에 배치될 수 있다.
한편, 전면 패널(291)에서 제1 개구부(292)의 우측, 기준 평면의 우측에 카트리지 삽입 모듈(2911)이 배치되어 있다.
상기 카트리지 삽입 모듈(2911)은 기준 평면에서 전면으로 돌출되어 있으며, Z축 방향으로 카트리지의 접속단자(153)를 삽입하여 전기적으로 연결할 수 있도록 단자부를 포함한다.
따라서, 삽입 모듈(2911)의 측면에 단자부가 형성되어 있으며, 상기 단자부는 적어도 하나의 삽입홀(2914)을 포함할 수 있다.
상기 삽입홀(2914)은 카트리지의 접속단자(153)의 형태에 따라 다양하게 구현 가능하며, 상기 카트리지의 접속단자(153)가 SD 카드칩 타입, USB-A, USB-C 타입 등의 USB 타입, 또는 핀(PIN) 타입으로 형성될 때, 그에 대응하여 상기 접속단자(153)의 전극을 읽어 들일 수 있도록 형성될 수 있다.
또한, 다양한 종류의 접속단자(153)를 읽을 수 있도록 복수의 삽입홀(2914)이 형성될 때, 복수의 삽입홀(2914)은 상기 삽입 모듈(2911)의 측면에서 X 축방향을 따라 나란하게 배치될 수 있다.
상기 삽입 모듈(2911)의 하부에 QR 리딩 모듈(271)을 노출하기 위한 제2 개구부(293)가 배치되어 있다.
상기 제2 개구부(293)는 카트리지의 접속단자(153)가 상기 카트리지 삽입 모듈(2911)의 삽입홀(2914)에 삽입된 상태에서 상기 카트리지(100)의 하우징(101)의 후면과 X축방향으로 정렬하는 위치에 형성된다.
상기 제2 개구부(293)는 투명 필름으로 덮여 있을 수 있으며, 제2 개구부(293)는 사각형을 가질 수 있으나 그 면적은 제1 개구부(292)보다 작을 수 있다. 또한, 제2 개구부(293)는 QR 리딩 모듈(271) 또는 QR 영역(2553)의 형상에 대응되는 임의의 형상을 가질 수 있다.
상기 제2 개구부(293)는 후면에 배치되는 QR 리딩 모듈(271)이 전면에 놓여지는 카트리지(100)의 QR 코드를 읽기 위한 통로로서 기능하며, QR 리딩 모듈(271)과 카트리지(100) 사이의 거리를 유지하기 위해 전면 패널(291)의 후면으로부터 돌출되어 제2 개구부(293)의 측벽을 이루는 광유도부(2912)가 형성되어 있다.
상기 광유도부(2912)는 상기 QR 리딩 모듈(271)의 거리를 유지하는 한편, QR 리딩 모듈(271)의 촬영을 위한 조명으로서 기능할 수 있다. 즉 광유도부(2912)는 제2 개구부(293)의 측벽에 형성되는 도광판을 포함할 수 있다.
상기 전면 패널(291)의 후면으로 각 모듈이 실장되는 메인 보드(255)가 배치되며, 상기 메인 보드(255) 또한 내부 커버(205)의 바닥면과 유사한 형상을 가질 수 있다.
상기 메인 보드(255)는 전면 패널(291)의 영역 분할 (예를 들어, 전후방향으로 중첩되는 분할)에 대응하여 디스플레이 모듈(295)이 배치되는 디스플레이 영역(2551) 및 카트리지 삽입 모듈(2911)과 대응되는 카트리지 영역(2552), 제2 개구부(293)에 대응하는 QR 영역(2553) 및 사용자 인터페이스를 위한 버튼 및 다이얼에 대응하는 제어 영역(254)으로 구획된다.
상기 메인 보드(255)는 전면 및 후면에 회로가 패터닝되어 있는 회로 기판으로서, 각 영역에 전기적 연결을 위한 연결단자 또는 커넥터가 배치되어 있다. 각 기능 모듈은 정의되어 있는 영역에 물리적으로 고정되면서 보드의 연결단자 및 커넥터와 각 모듈의 연결단자 또는 커넥터를 연결후면 메인 보드(255) 상에서 일체화될 수 있다.
도 4와 같이, 카트리지 삽입 모듈(2911)과 대응되는 메인 보드(255)의 카트리지 영역(2552)에는 신호변환증폭부(210), 여과부(220) 및 센서 제어부(240)가 일체화되어 있는 단자모듈(241)이 실장되어 있다. 단자모듈(241)는 연성회로기판(FPCB)(2111)에 의해 카트리지의 접속단자(153)가 삽입되는 삽입홀 모듈(211)과 단자모듈(241)로 연결되어 있을 수 있으며, 이와 달리 하나의 컴포넌트로 구현 가능하다.
또한, 디스플레이 모듈(295)은 디스플레이 영역(2551)에 배치되는 LCD, LED 패널 모듈일 수 있으며, 메인 보드(255) 후면의 연산 모듈(251)과 배터리(281)와의 연결을 위해 메인 보드(255)에 단자개구(2951)가 형성될 수 있다.
상기 연산부(250)와 통신 모듈(261) 또한 메인 보드(255) 후면에서 메인 보드(255)와 커넥터로 연결가능하나 메인 보드(255) 상에서의 배치는 이에 한정되지 않는다.
한편, 메인 보드(255)의 후면에 QR 영역(2553)에 형성된 QR 개구(2554)로 QR 코드를 읽어내는 QR 리딩 모듈(271)이 배치되며, QR 리딩 모듈(271) 역시 연성회로기판(FPCB)(2711)를 통해 메인 보드(255)와 전기적으로 연결되어 전원 및 제어 신호를 인가받는다. 즉, QR 리딩 모듈(271)은 FPCB(2711)를 포함하여 QR 리딩 모듈(271)을 메인 보드(255)에 전기적으로 연결할 수 있다.
이와 같은 모듈들의 배치 및 고정을 위해 측면 프레임(209)이 형성된다. 측면 프레임(209)은 상기 내부 커버(205)와 전면 패널(291)을 고정하고, 내부 커버(205)는측면의 일단부(206)에서 확장된 나사홀(2061) (또는 복수의 나사홀(2061))을 통하여 측면 프레임(209)과 고정된다. 또한, 측면 프레임(209)에는 내측 커버(205)의 나사홀(2061)과 중첩되는 다수의 나사홀(2091)이 형성되어 있다. 측면 프레임(209)의 나사 홀(2091)에는 나사나 볼트 등의 체결구가 관통하여 내부 커버(205)의 나사홀(2061)에 고정된다. 기타 복수의 고정부를 통해 각 모듈이 메인 보드(255)의 특정 위치에서 고정되어 있으며, 메인 보드(255)는 내부 커버(205)의 바닥면으로부터 돌출되어 있는 복수의 고정돌기(2081, 2082) 및 전면 패널(291)과의 사이에서 나사 및 나사홀의 결합으로 물리적으로 고정된다.
메인 보드(255)와 전면 패널(291) 및 내부 커버(205)의 고정에 의해 사이에 배치되어 있는 각 모듈 및 컴포턴트가 고정되어 이동 시에 흔들리지 않고 전기적 연결이 유지된다.
또한, 측면 프레임(209)의 나사홀 및 나사를 통해 전면 패널(291)과 내부 커버(205)가 함께 고정되어 일체화된다. 각 구성 요소의 고정 및 조립이 나사홀 및 나사에 의해 진행되어 분해 및 재조립에 용이하다.
이와 같은 전면 케이스(201) 및 후면 케이스(202), 내부 커버(205) 및 전면 패널(291)은 휴대를 위해 폴리카보네이트 또는 플라스틱과 같은 수지로 형성될 수 있다.
이와 같은 바이오 센서 진단기기(200)는 도 3과 같이 내부에 복수의 모듈을 수용하는 공간을 가진 형태로 전면 패널(291)이 노출되어 사용자에게 제공되며, 다양한 외부 케이스가 적용되어 활용 가능하다.
특히, 도 3과 같이 사용자에게 제공되는 전면 패널(291)의 기준 평면은 디스플레이 모듈(295)의 화면이 제공되고, 사용자 인터페이스를 위한 각종 버튼 및 다이얼이 제공되며, 특히, 전원 버튼, 복수의 제어 버튼 및 USB 단자 등을 제공할 수 있다. 또한 디스플레이 모듈(295)의 일측으로 카트리지 삽입 모듈(2911)이 제공되어 패널(291)의 기준 평면과 평행하게 삽입홀(2914)로 접속단자(153)를 삽입함으로써 바이오 센서 카트리지(100)의 진단이 가능하다.
이하에서는 도 5 내지 도 7을 참고하여 본 실시예에 적용되는 바이오 센서 카트리지(100)를 설명한다.
도 5a 및 도 5b는 도 1의 바이오 센서 카트리지(100)의 일 예에 대한 상면도 및 배면도이고, 도 6은 도 1의 바이오 센서 카트리지(100)의 일 예에 대한 분해 사시도이며, 도 7은 도 5 및 도 6의 바이오 센서 카트리지(100)를 Ⅰ-Ⅰ' 및 Ⅱ-Ⅱ'으로 절단한 단면도이다.
도 5a 내지 도 7을 참고하면, 본 실시예에 따른 바이오 센서 카트리지(100)는 타겟 물질에 따라 전기적인 감지 신호를 발생하는 센서칩(500)을 수용하며, 상기 감지 신호를 외부의 진단기기(200)로 전달가능한 접속단자(153)를 포함하는 구조를 가진다.
구체적으로, 상기 바이오 센서 카트리지(100)는 바 타입(bar type)의 하우징(110, 120)으로 형성되어 있으며, 상기 하우징(110, 120)의 측면의 단면으로부터 회로기판(150)의 일부면(151)이 돌출되어 있으며, 돌출되어 있는 회로기판(150)의 일부면(151)에는 외부의 진단기기(200)로 삽입되어 상기 감지 신호를 전달하는 접속단자(153)가 형성되어 있다.
하우징(110, 120)의 상면(111)에는 시료를 수용하는 수용부(119)가 형성되며, 하우징(110, 120)의 하면에는 QR 라벨(160)이 부착되어 있을 수 있다.
상기 하우징(110, 120)의 측면으로 돌출되어 노출되는 접속단자(153)는 하우징(110, 120)의 하면과 동일한 방향으로 배치되어 카트리지(100)를 상면에서 바라볼 때 노출되지 않는다. 따라서, 수용부(119)를 벗어나 흐르는 시료가 접속단자(153)에 닿는 위험을 감소시킬 수 있다.
바이오 센서 카트리지(100)는 하우징(110, 120), 센서칩(500) 및 회로기판(150)을 포함한다.
회로기판(150) 역시 바 타입(bar type)으로 형성되며, 일단에 접속단자(153)가 형성되어 회로기판(150)의 접속단자(153)가 하우징(110, 120) 외부로 노출되도록 결합됨으로써 카트리지(100) 전체의 형상을 이룬다.
구체적으로, 상기 하우징(110, 120)은 하부 하우징(120) 및 상부 하우징(110)을 포함한다.
상기 하부 하우징(120)은 바 타입(bar type)의 바닥면(121) (일 예로, 평평한 모양의 표면 또는 평평한 직사각형 모양의 표면) 및 바닥면(121)을 둘러싸는 측면(122)을 포함한다. 상기 바닥면(121)은 상부 하우징(110)을 향하여 돌출되어 있는 복수의 결합 돌기(127, 128)를 포함하고 상기 결합 돌기(127, 128)가 상부 하우징(110)의 결합 홈과 끼움 결합함으로써 하우징(110, 120)의 상부와 하부가 결합되어 일체화된다.
하부 하우징(120)은 하부 하우징(120)의 모서리에 위치하는 4개의 결합 돌기(128)를 포함할 수 있으며, 이들은 상부 하우징(110)의 모서리에 위치하는 상부 하우징(110)의 홈에 대응하여 결합된다. 결합 돌기(127)(예를 들어, 기판 돌기)는 다른 결합 돌기(128)(예를 들어, 코너 결합 돌기(128))로부터 나올 수 있다. 또는 결합 돌기(127)는 4개 이상 형성될 수 있으며, 결합 돌기들은 하부 하우징(120)의 둘레를 따라 등간격으로 배치될 수 있다.
상기 하부 하우징(120)의 바닥면(121)에는 상부 하우징(110)을 향하여 상기 회로 기판(150)을 고정하면서 위치를 정의하는 기판 돌기(127)가 형성되어 있으며, 그 일측, 상부 하우징(110)을 바라보는 일측으로 센서칩(500)이 배치되는 칩영역(125)을 정의하는 복수의 센서돌기(126)가 형성되어 있다.
상기 센서돌기(126)는 상기 센서칩(500)이 배치되는 칩영역(125)을 정의하도록 상기 센서칩(500)의 크기에 대응하여 배치되어 있으며, 상기 센서칩(500)이 끼움결합될 수 있도록 소정의 탄성을 가지며 형성된다. 다만, 센서돌기(126)는 센서칩(500)의 전기적 연결을 수행하지 않으므로 다양한 형태로 구현 가능하며, 끼움 결합 이외에도 슬라이딩 결합을 위한 레일 구조로 형성될 수도 있다.
상기 칩영역(125)에 센서칩(500)이 배치된다.
상기 센서칩(500)은 반도체 베이스의 바이오 센서로서, 시료와의 접촉을 통해 시료 내의 타겟 물질에 따라 반응하는 센서 영역(540) 및 상기 센서 영역(540)에 따라 발생하는 감지 신호를 회로 기판(150)으로 전달하기 위한 패드 영역(510)으로 구분된다.
패드 영역(510)은 도 6과 같이 센서칩(500)의 일측에 배치되도록 패터닝될 수 있으며, 그에 따라 회로 기판(150)과 센서칩(500)의 전기적 연결이 패드 영역(510)에서 수행된다.
상기 센서칩(500)은 카트리지의 크기에 따라 서로 다른 크기를 가질 수 있으며, 일 예로 8mm*6mm의 직사각형 형상을 가질 수 있고, 6mm*6mm의 정사각형 형상도 가질 수 있다. 이와 같은 센서칩(500)의 크기는 센서칩(500)의 성능 또는 센서칩(500)의 용도에 따라 다양하게 구현 가능하다.
센서칩(500)의 상세 구조는 뒤에서 상세히 설명한다.
상기 센서칩(500) 상에 회로 기판(150)이 배치된다.
상기 회로 기판(150)은 PCB 기판과 같이 강성 기판으로 제공될 수 있으며, 하부에 센서칩(500)이 전기적/물리적으로 접합된다.
상기 회로 기판(150)은 센서칩(500)의 센서 영역(540)이 노출되기 위한 센서 개구부(155)를 포함하며, 상기 개구부(155)는 센서칩(500)보다 작은 크기를 가진다. 또한 상기 개구부(155)는 상기 센서칩(500)의 센서 영역(540)과 대응되는 크기를 가질 수 있으며, 상기 센서 영역(540)을 노출하는 크기를 가진다.
상기 회로 기판(150)은 상기 하부 하우징(120)의 기판 돌기(127)가 관통되어 상기 회로 기판(150)을 고정할 수 있도록 돌기홀(154)을 더 포함하며, 그에 따라 회로 기판(150)과 하부 하우징(120)이 고정된다.
상기 회로 기판(150)은 그 증착 구조로서 베이스 부재(도면 부호로 분류하지 않음, 도면 상에서 150으로 표현함) 위에 패터닝되어 있는 복수의 회로 패턴 및 상기 회로 패턴을 덮는 절연층으로 구현가능하다.
상기 회로 패턴과 절연층은 상기 베이스 부재의 전면에 형성되어 있으며, 상기 베이스 부재의 후면에는 보강판(도시하지 않음)이 부착되어 있을 수 있다. 상기 회로 기판(150)의 후면은 하부 하우징(120)과 대향하는 면이며, 상기 회로 기판(150)의 전면은 상부 하우징(110)과 대향하는 면으로 정의될 수 있다.
이와 같이 보강판을 회로 기판(150)의 후면에 부착함으로써 상기 회로 기판(150)의 일부가 진단 기기(200)에 삽입되는 접속단자(153)로 활용될 때의 요구 강도를 충족할 수 있다.
상기 회로 기판(150)은 후면에 상기 센서칩(500)과 접속하기 위한 복수의 접속 패드(158)를 포함하는 회로 패턴이 형성되어 있으며, 상기 접속 패드(158)와 연장되어 상기 접속 패드(158)로부터의 감지 신호를 외부 진단 기기(200)로 전달하기 위한 회로 패턴이 전면의 접속단자(153)까지 연결되도록 형성되어 있다.
따라서, 상기 회로 기판(150)의 접속단자(153)의 수효는 센서칩(500)의 패드 수보다 같거나 큰 값을 가질 수 있다.
복수의 접속단자(153)은 회로 기판(150)의 노출면(151)의 일단, 즉 회로기판(150)의 일단에서 서로 이격되며 평행하게 배치되어 있을 수 있다.
일 예로, 상기 센서칩(500)의 패드가 3개인 경우, 회로 기판(150)의 접속 패드(158)의 수효 또한 3개를 충족하고, 접속단자(153)의 수효는 3 이상을 충족한다.
상기 접속단자(153)는 각 접속 패드(158)와 전기적으로 연결되지 않은 상태의 단자들을 더 포함하며 ESD 차단 등을 위한 단자로 활용 가능하다.
도 6과 같이, 회로 기판(150)의 전면에 패터닝 되어 있는 회로 패턴은 8개의 접속단자(153)를 포함할 수 있으며, 이와 같은 접속단자(153)는 상기 센서칩(500)이 복수의 접속 패드(511)와 접속하여 신호를 송수신하도록 멀티 채널로 구동될 때, 상기 각 채널마다 대응하는 센서칩(500)의 소스 패드, 드레인 패드, 게이트 패드와 접속하여 각 패드의 신호를 송수신하기 위한 접속단자(153)로서 6개가 할당 가능하고, 2개는 ESD 및 인입 감지 신호 발생 등을 위한 단자로 적용 가능하다.
이와 같은 접속단자(153)는 실시예에 따라 SD 카드칩 타입, USB-A 타입으로 형성 가능하나, 도 1과 같이 더 많은 단자를 가지는 USB-C 타입으로도 활용 가능하다.
또한, 접속단자(153)는 핀 타입으로 구현 가능하며, 보다 많은 단자를 구현할 수 있다.
이와 같이 접속단자(153)의 패드 수는 센서 칩(500)에 적용되는 감지 물질의 수효, 즉 소스 전극의 수효(또는 드레인 전극의 수효)에 비례하여 증가할 수 있다.
한편, 상기 회로 기판(150)에는 복수의 결합 홈을 포함하며, 이와 같은 복수의 결합 홈은 상부 하우징(110)과 하부 하우징(120)의 결합 시에 위치를 특정하면서 끼움 결합 가능하도록 형성된다
한편, 상부 하우징(110)은 도 6과 같이 상면(111)과 배면이 서로 다른 구조를 가진다.
상부 하우징(110)은 하부 하우징(120)과 대향하며 하부 하우징(120)과 결합하며 내부에 회로 기판(150)과 센서칩(500)을 수용할 수 있는 상부 케이스로서 기능한다. 또한 상부 하우징(110)에 센서칩(500)의 센서 영역(540)을 노출하는 수용부(119)가 형성되어 검사하고자 하는 시료를 수용할 수 있다.
상부 하우징(110)은 연결부재(140)를 소정의 힘으로 가압하여 이들을 견고하게 지지할 수 있는 강성을 갖도록 형성된다. 연결부재(140)는 복수로 형성될 수 있으며, 회로 기판(150)에 배치된 연결 패드(158)와 센서 칩(500)의 패드(511)를 연결하기 위한 도전성 탭(예: 금속 탭)일 수 있다.
상부 하우징(110)과 하부 하우징(120)은 센서칩(500) 및 회로 기판(150)의 표면을 감싸 센서칩(500) 및 회로 기판(150)을 외부로부터 보호하도록 구성될 수 있다. 상부 하우징(110)과 하부 하우징(120)의 견고한 결합에 의해 수용부(119)를 통해 센서칩(500)으로 제공된 시료가 하우징(110, 120)의 내부로 누수되는 것을 방지할 수 있다.
이때, 상부 하우징(110)과 하부 하우징(120)의 결합 시에 단측에 회로 기판(150)의 접속단자(153)를 돌출하는 개구가 측면의 일측, 일 예로 단면에 형성되어 접속단자(153)가 단면으로 노출됨으로써 카트리지의 접속단자(153)로서 외부의 진단 기기(200)의 삽입홀(2914)에 삽입된다.
상부 하우징(110)의 상면(111)에는 센서칩(500)의 센서 영역(540)을 노출하며 시료를 수용하는 수용부(119)가 형성된다. 수용부(119)는 유체 상태, 일 예로 액체 상태의 검사 대상인 시료를 수용하여 노출된 센서 영역(540)과 반응을 유도하기 위한 공간으로서, 수용부(119)는 상면(111)으로부터 센서 영역(540)에 다다를수록 직경이 좁아지는 원뿔 형태의 통로(channel)를 형성한다.
이와 같은 상부 하우징(110)의 수용부(119)는 액체의 검사 시료를 수용하게 되며, 상기 검사 시료는 무작위로 상기 수용부(119)에 투입되어 투입 량을 조절하기 어렵다.
즉, 신속하고 정확한 반응을 위해 많은 양의 검시 시료를 수용부(119)에 투입하는 경우, 바이오 센서 카트리지(100)의 크기 및 수용부(119)의 수용 체적의 한계에 따라 수용부(119)의 가드(114)를 벗어나는 영역으로 검사 시료가 흐를 수 있는 위험이 있다.
가드(114)는 수용부(119)의 검사시료가 가드(114) 외부로 유출되는 것을 방지하기 위한 것이다. 가드(114)는 원통형으로 형성될 수 있으며, 상부 하우징(110)의 상면(111)의 개구부를 감싸면서 상면(111)에서 상방(y축 방향)으로 돌출 형성된다.
따라서, 가드(114)의 직경(W1)은 상면(111)의 개구부의 직경과 동일할 수 있다.
상부 하우징(110)의 상면(111)에는 수용부(119)를 둘러싸면서 일정한 깊이의 가드 홈(113)이 형성되어 있다. 가드 홈(113)은 수용부(119)에서 흘러넘친 검사시료가 하우징(110) 외부로 유출되는 것을 방지하고, 상면(111)으로부터 일정 깊이로 함몰되어 형성된다.
가드 홈(113)은 가드(114)의 형상과 동일한 원형으로 형성될 수 있으나, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 가드(114)로부터 최소거리(d2) 이상을 갖는 사각형으로 형성될 수 있다. 가드 홈(113)은 가드 홈(113)의 외주를 형성하는 수직벽(112)을 포함한다.
이와 같이 검사 시료가 외부로 흐르는 경우, 위험한 병원균을 포함할 수 있는 위험이 있어 사용자에게 치명적이고, 외부로 흐르는 시료가 액체 상태인 바, 진단 기기(200) 내로 주입되거나 접속단자(153)에 닿으면 전자 기기의 파손을 유발할 수 있다.
따라서, 본 실시예는 적은 양의 검사 시료를 투입하더라도 상기 수용부(119)의 하부 개구에 의해 노출되는 센서칩(500)의 센서 영역(540)으로 검사 시료가 모두 포집되어 충분한 반응을 유도할 수 있다.
센서칩(500)의 센서 영역(540)이 회로 기판(150)의 센서개구(115)에 의해 상부로 노출되고, 상기 노출된 센서 영역(540)과 정렬하도록 상기 수용부(119)의 하부 개구가 정렬한다.
수용부(119)에서 센서 영역(540)에 가장 가까운 영역을 단부라고 하고, 센서 영역(540)에서 단부에 대향하는 가장 먼 영역을 개구 또는 최외곽 영역이라고 한다. 단부는 개구/최외부 영역의 직경(W1)보다 작은 직경(W2)를 갖는다.
이때, 상기 회로 기판(150)의 개구(115)가 상기 수용부(119)의 경사면(116)의 배면을 둘러싸도록 끼워짐으로써 회로 기판(150)과 상부 하우징(110)의 위치 고정이 이루어진다.
또한, 이를 위해 상기 수용부(119)의 경사면(116)의 배면은 상기 회로 기판(150)의 개구(115)와 만나는 영역에서 수직하게 단차(117)를 갖도록 형성된다.
즉, 수용부(119)의 경사면(116)의 배면은 상기 수용부(119)의 경사면(116)의 경사각(θ1)과 동일하거나 큰 각도로 상기 경사면(116)을 따라 경사진 부분을 형성하며, 상면의 경사면(116)과 같거나 큰 각도로 기울어져 상기 회로 기판(150)과 결합되는 공간을 형성한다.
이때, 상기 회로 기판(150)의 개구(155)가 결합되는 부분에 상기 회로 기판(150)의 개구(155)와의 끼움 결합을 위해 상기 회로 기판(150)의 개구(155)의 절단면과 대응하는 단차(117)를 형성할 수 있다. 따라서, 상기 단차(117)는 수평면(센서칩이 놓이는 x축)에 대하여 수직하게 형성될 수 있다.
상기 단차(117)는 상기 회로 기판(150)의 개구(155)의 측면과 이격 거리를 가질 수 있으나 이에 한정되지 않고 끼움 결합이 가능하다.
이격 거리 없이 끼움 결합되는 경우 회로 기판(150)의 고정이 용이하나, 공차를 위해 이격 거리가 형성될 수 있다.
또한, 회로 기판(150)의 배면이 하부 하우징(120)에 놓일 때, 상기 상부 하우징(120)의 배면과는 공차를 위한 이격 거리가 보장될 수 있다.
이와 같이, 회로 기판(150)의 전면과 상부 하우징(110)의 배면이 소정 공차 거리를 가지며 결합됨으로써 회로 기판(150)의 뒤틀림이 방지되고, 공정 상의 오류에 의한 버퍼로서 적용되어 불량율을 줄일 수 있다.
또한, 이와 같은 공차를 위한 이격 거리를 포함하더라도, 복수의 결합 홈과 결합 홀에 의해 상부 및 하부 하우징(110, 120)과 결합함으로써 회로 기판(150)과 하우징(110, 120)의 결합이 명확하게 이루어질 수 있다.
따라서, 회로 기판(150)은 상기 수용부(119) 배면의 단차(117)와 상기 회로 기판(150)의 센서 개구(115)가 끼워지면서 1차로 고정되고, 하부 하우징(120)의 고정돌기(127)와 회로 기판(150)의 고정홀(154)이 결합하면서 2차로 고정되어 위치가 특정된다.
한편, 상부 하우징(110)과 상기 센서 영역(540) 사이에 밀봉부(130)가 더 형성될 수 있다. 밀봉부(130)는 탄성체일 수 있으며, 고무, 불소고무, 실리콘, 네오프렌, 니트릴, 폴리염화비닐(PVC), 열가소성 폴리우레탄, 폴리테트라플루오르에틸렌 등으로 형성될 수 있다.
상기 밀봉부(130)는 도 6과 같이 별도의 소자로 형성되어 하우징(110, 120) 결합 시에 함께 결합되고 압착되어 상기 센서 영역(540)의 외부로 시료가 흐르는 것을 방지할 수 있다.
이때, 상기 밀봉부(130)는 도 7과 같이 수용부(119)의 후면 개구의 직경(w2)보다 큰 직경(w3)을 가지는 밀봉개구(131)를 가질 수 있으며, 후면 개구와 밀봉 개구(131)가 동심원을 갖도록 배치될 수 있다. 따라서, 도 7과 같이 조립 시에 밀봉부(130)가 수용부(119)의 하부 개구 바깥으로 배치되어 오목한 홈을 형성한다.
이는 밀봉부(130)의 압착 시에 공차를 둠으로써 밀봉부(130)의 압착에 의해 탄성을 가지는 밀봉부(130)가 센서 영역(540)으로 밀려나가 시료와 접하는 센서 영역(540)을 덮는 위험을 방지하기 위한 것이다.
이와 같이 밀봉부(130)의 밀봉 개구(131)와 수용부(119)의 개구 크기를 조절함으로써 센서 영역(540)의 면적을 확보하면서도 시료의 밀봉을 보장할 수 있다.
한편, 상기 밀봉부(130)는 탄성을 가지는 닫힌 셀 타입(closed cell type)의 방수 패드가 적용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 회로 기판(150)의 후면에 형성되는 접속 패드(158)는 상기 센서칩(500)의 패드(511)와 동일한 수효로 형성되며, 상기 회로 기판(150)의 접속 패드(158)과 센서칩(500)의 패드(511)의 전기적 물리적 연결을 위해 연결부재(140)가 배치되어 있다.
도 6과 같이, 상기 연결부재(140)는 각 패드(158)마다 별도로 형성될 수 있으며, 클립형 탄성 접촉편으로 형성될 수 있다. 이와 같은 연결부재(140)는 C-클립 또는 스프링 단자일 수 있다.
각각의 연결부재(140)는 회로 기판(150)의 패드 영역(510)과 맞닿는 제1면과 상기 제1 면의 일측면으로부터 상기 제1 면의 길이 방향으로 절곡되어 탄성 변형 가능하도록 이루어진 제2면을 포함할 수 있다.
상기 제1 면이 소정 길이를 가지며 형성되어 회로 기판(150)의 패드 영역(510)과 맞닿고, 제2 면이 하부의 센서칩(500)의 패드(511)와 맞닿으며 탄성 변형한다.
이를 위해, 회로 기판(150)의 접속 패드(158)과 제1 면이 용접 또는 솔더링 등을 통해 접해진 상태로 센서칩(500)이 배치된 하부 하우징(120) 내에 회로 기판(150)이 배치되면, 상부 하우징(110)과 하부 하우징(120)의 조립에 의해 상기 연결 부재(140)에 상하로 압력이 가해지면서 벤딩부가 탄성 변형된다.
이때, 제2면의 안쪽에 스프링결합부가 내부로 밀려들어가면서 상기 제2면이 상기 제1면과 평행하도록 각도가 변경되어 제2면이 센서칩(500)의 패드(510)와 접하여 통전 상태를 유지하게 되며, 물리적 결합과 전기적 결합이 동시에 이루어진다.
이와 같이, 센서칩(500)에 별도의 본딩 공정 없이 회로 기판(150)과 전기적 연결을 수행함으로써, 센서칩(500) 내의 감지 물질이 본딩 공정에서의 고온에 노출되지 않아 단백질 변형이 발생하는 문제점을 방지할 수 있다.
즉, 바이오 센서의 특성 상 열에 취약한 감지 물질의 존재 하에서, 가열공정을 배재함으로써 감지 물질의 특성을 유지할 수 있으며, 센서칩(500)과 회로 기판(150)의 전기적 연결이 가능해진다.
한편, 상기 바이오 센서 카트리지(100)의 하부 하우징(120)의 후면(129), 즉 외부로 노출되는 카트리지(100)의 후면(129)에는 상기 바이오 센서 카트리지(100)의 정품 인증을 위한 제품 ID 및 제조 시리얼 번호 등을 포함하는 센서 정보가 저장되어 있는 QR 코드를 포함하는 QR 라벨(160)이 부착되어 있다.
상기 QR코드는 상기 카트리지(100)가 외부의 진단기기(200)와 결합할 때, 상기 카트리지(100)의 하부 하우징(120) 후면(129)이 상기 QR 개구인 제2 개구부(293) 위에 정렬할 수 있도록 상기 하부 하우징(120)의 후면(129) 중앙 영역에 부착될 수 있다.
상기 QR 코드는 정품 인증을 위한 센서 정보를 모두 포함할 수 있으며, 일 예로, 제품 ID 및 제조 시리얼 번호뿐만 아니라 센서칩(500) 정보 및 카트리지 정보를 모두 포함할 수 있고, 센서칩(500)의 정보로는 센서칩(500)에 활성화되어 있는 감지 물질, 진단하고자 하는 질병, 센서칩(500) 제조 일자, 제조 위치, 제조 시리얼 번호를 포함할 수 있다. 또한 카트리지 정보로는 상기 바이오 센서 카트리지(100)의 조립 일자, 검사 일자, 조립 위치 및 센서 ID를 포함할 수 있다.
이와 같이 저장되어 있는 QR 코드는 진단 기기(200)에 삽입 시 동시에 진단 기기(200)의 QR 리딩 모듈(271)로부터 읽어들여 클라우드 서버(400)로 정품 인증을 위한 과정을 진행할 수 있다.
바이오 센서는 가품인지 여부를 확인할 수 없고, 진품이라 할지라도 센서의 오류가 제조 및 판매 이후에 누적된 검사 데이터로부터 발견 또는 확정되는 경우가 많아 검사 진행 이전에 오류가 발생한 바이오 센서 카트리지(100)를 분류하는 과정이 요구된다.
바이오 센서 카트리지(100)의 경우, 이와 같은 인증 절차를 통해 현재 해당 종류의 바이오 센서 카트리지(100)에 대한 위험을 포함하는 오류에 대한 확인을 수행할 수 있다.
본 실시예에 따른 바이오 센서 카트리지(100)는 이와 같은 인증 절차를 위한 센서 고유의 정보를 저장하기 위한 별도의 메모리칩을 포함하지 않는다.
이와 같은 메모리칩이 별도로 포함되는 경우, 회로 기판(150)의 크기가 커지고, 회로 기판(150)의 크기에 따라 하우징(110, 120)의 크기가 커지게 된다. 또한 회로 기판(150)의 회로가 복잡해지며 접속단자(153)에서 사용되는 핀 수가 증가하게 되어 카트리지(100)의 소형화 및 비용에 문제가 발생한다.
본 실시예에 따른 바이오 센서 카트리지(100)와 같이 하우징의 후면에 QR 코드가 인쇄된 QR 라벨(160)을 부착함으로써 이와 같은 메모리칩을 대체할 수 있으며, 카트리지(100)와 진단기기(200)의 결합과 거의 동시에 QR 코드를 읽음으로써 센서 결과 판독과 인증의 시간차를 최소화할 수 있다.
이와 같은 QR 코드는 하부 하우징(120)의 후면에 보이드(VOID) 라벨과 같은 보안 라벨(160)로 부착함으로써 임의로 탈부착하는 것을 방지할 수 있다.
이와 같은 바이오 센서 카트리지(100)는 하부 하우징(120)에 센서칩(500)이 놓여진 상태로 연결 부재(140)가 부착된 회로 기판(150)이 결합된 상부 하우징(110)을 하부 하우징(120)과 조립을 위해 가압됨으로서 센서칩(500)과 회로기판(150)이 물리적으로 전기적으로 부착되면서 고정된다.
이때, 상부 하우징(110)과 하부 하우징(120)의 테두리 부착 영역에 융착을 수행함으로써 상부 하우징(110)과 하부 하우징(120)의 부착을 더욱 강화한다.
이와 같은 융착은 초음파 융착에 의해 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 별도의 접착 부재를 통해 이루어질 수 있다.
이와 같이 형성되는 테두리의 부착 영역은 접속단자(153)가 돌출되는 개방부를 제외한 전체 테두리, 즉 상부 하우징(110)과 하부 하우징(120)의 측면의 끝단에 연속적으로 이루어짐으로써 외부로부터 습기 또는 이물질이 내부로 침투하는 것을 방지할 수 있다.
이하에서는 도 8 내지 도 11을 참고하여 본 실시예의 바이오 센서칩(500)에 대하여 설명한다.
도 8은 도 6에 적용가능한 센서칩(500)의 일 예의 상면도이고, 도 9는 도 8의 센서칩(500)을 Ⅲ-Ⅲ'으로 절단한 단면도이고, 도 10a 및 도 10b는 도 8의 센서칩(500)의 타겟 물질에 따른 반응을 나타내는 도식도이며, 도 11은 도 10a 및 도 10b에 의한 센서칩(500)의 출력 전류 변화를 나타내는 그래프이다.
상기 바이오 센서칩(500)은 바이오 센서 카트리지(100)의 수용부(119)에 의해 내부로 유입된 분석 시료로부터 타겟 물질을 감지하고, 감지된 타겟 물질과 반응하여 발생된 전기적인 신호를 전극 패드(511)를 통해 회로 기판(150)의 패드(158)로 전달한다.
일 예로, 상기 시료는 생체 물질로서 타액, 땀을 포함하는 체액, 혈액, 혈청 또는 혈장에 의해 희석된 용액 등을 의미할 수 있다.
상기 바이오 센서칩(500)은 반도체 기반 센서칩(500)으로서, 그래핀이 적용된 바이오 센서칩(500)으로 제조 가능하다.
상기 센서칩(500)은 타겟 물질의 종류, 타겟 물질의 수효, 상기 카트리지(100)의 크기에 따라 다양한 크기를 가질 수 있으며, 일 예로 6*6mm 또는 6*8mm의 크기로 디자인될 수 있다.
도 8 및 도 9를 참고하면, 본 실시예에 따른 바이오 센서칩(500)은 사각형 형상의 평면을 가지며, 전면에 수용부(119)를 통해 외부로 노출되는 센서 영역(540)이 형성되고, 상기 센서 영역(540)과 이격되어 연결부재(140)를 통해 회로 기판(150)의 패드(158)과 연결되는 패드 영역(510) 및 상기 센서 영역(540)과 패드 영역(510)을 연결하는 연결부(530)로 구획될 수 있다.
상기 센서 영역(540)은 접촉된 분석 시료로부터 타겟 물질을 감지하고, 타겟 물질과 반응하여 전기적인 신호를 발생시키는 감지 물질, 예를 들어 항원, 항체, 효소 등이 부착되어 있다.
센서 영역은 분석 시료와 접촉하게 될 경우, 분석 시료에 포함된 타겟 물질과 상호 반응하여 전기적인 신호를 발생시킨다. 따라서, 바이오 센서(100)와 연결된 외부의 진단기기(200)는 바이오 센서(100)에서 발생되는 전기적인 신호를 분석하여 타겟 물질의 존재 또는 농도 등을 검출할 수 있다.
상기 센서 영역(540)은 트랜지스터 구조를 포함하며, 상기 트랜지스터의 채널 영역(550)에 감지 물질이 부착되어 있는 구조를 가진다.
구체적으로, 상기 센서 영역(540)은 동심원을 이루는 원형 또는 링형의 복수의 전극(535S, 535D, 535G)을 포함하며, 상기 복수의 전극(535S, 535D, 535G) 사이, 특히 소스 전극(535S)과 드레인 전극(535D) 사이에 복수의 채널 영역(550)이 형성되어 있다.
반도체 기판(530) 위에 절연층(532)이 형성되어 있으며, 절연층(532)은 산화물 또는 질화물로 형성될 수 있다. 반도체 기판(530)이 실리콘 기판인 경우, 절연층(532)은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물로 형성될 수 있으며, 다양한 방법으로 형성 가능하다. 일 예로 열처리를 통해 표면에 실리콘 산화물층이 형성될 수 있다.
상기 절연층(532) 위에 복수의 채널(533)이 서로 이격되도록 형성되어 있다.
복수의 채널(533)은 센서 영역(540)의 원의 중심(O)에서 소정 거리만큼 이격되어 배치되어 있으며, 중심 영역이 노출되어 채널 영역(550)을 이룬다.
상기 복수의 채널(533)은 상기 원의 중심(O)에서 소정 거를 반지름으로 하는 가상의 원주 위에 서로 이격되어 배치된다.
상기 복수의 채널(533)은 동일한 각도만큼 이격되어 배치될 수 있으며, 일 예로 도 15와 같이 7개의 채널(533)이 형성되어 있을 수 있으며, 각 채널(533)은 45도 각도로 이격되어 있을 수 있다.
이와 달리 5개의 채널(533)이 배치되어 각 채널(533)이 60도 각도로 이격되어 있을 수 있다. 그러나, 채널(533)은 임의의 각도로 이격될 수 있다.하나의 채널(533)은 특정 형상으로 패터닝될 수 있으며, 반도체 물질로 이루어질 수 있으나, 이와 달리 고전도물질로서 반응성이 매우 빠른 그래핀계 물질로 형성될 수 있다.
상기 채널(533)은 소스 전극과 드레인 전극(535S, 535D)과 중첩되는 영역과 두 중첩되는 영역 사이에 수용부(119)를 통해 외부로 노출되어 있는 채널 영역(550)을 포함한다.
상기 채널 영역(550)은 도 8과 같이 중첩되는 영역보다 좁은 폭을 갖도록 채널(533)이 I자 형태로 형성되어 채널 영역(550)에서 더 낮은 저항을 가질 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 중첩 영역으로부터 채널(533)까지 동일한 폭을 갖도록 바 타입(Bar type)으로 형성될 수 있다.
상기 센서 영역(540)의 원의 중심(O) 위에 가장 작은 원의 형상을 가지는 소스 전극(535S)이 형성될 수 있다. 소스 전극(535S)은 직경이 가장 작은 원으로 형성될 수 있으며, 채널(533)의 일단과 중첩되도록 형성되고, 복수의 채널(533)과 동시에 중첩되어 복수의 채널(533)로 소스 전압을 동시 전달한다.
상기 채널 영역(550)의 외부로 상기 소스 전극(535S)과 이격하여 드레인 전극(535D)이 형성될 수 있다.
상기 드레인 전극(535D)은 링 형상으로 형성될 수 있으며, 채널 영역(550)을 둘러싸며 채널 영역(550)보다 더 큰 직경을 가지는 가상의 원의 원주를 따라 형성된다.
드레인 전극(535D) 또한 복수의 채널(533)과 동시에 중첩되어 복수의 채널(533)로부터 전류를 동시에 전달받을 수 있다.
상기 드레인 전극(535D)의 일단은 절단되어 소스 전극(535D)의 연결부(521)가 지나가는 통로를 형성한다.
상기 드레인 전극(535D)을 둘러싸는 더 큰 직경을 가지는 가상의 원의 원주를 따라 게이트 전극(535G)이 형성된다.
상기 게이트 전극(535G)은 가장 넓은 면적을 가지며 상기 센서 영역(540)의 1/2 내지 2/3 의 면적을 차지할 수 있다. 상기 게이트 전극(535G)은 소스 전극, 게이트 전극(535S, 535D) 및 채널 영역(550)과 이격된 상태로 형성된다.
상기 게이트 전극(535G)도 드레인 전극 및 소스 전극(535S, 535D)의 연결부(521)가 패드(511)와 연결되도록 통로를 형성하며 일 단이 단절되어 있다. 구체적으로, 소스 전극(535S)은 소스 패드(511S)에 전기적으로 연결되고, 드레인 전극(535D)은 드레인 패드(511D)에 전기적으로 연결되며, 게이트 전극(535G)은 게이트 패드(511G)에 연결된다.
도 15와 같이 디자인되어 있는 센서 영역(540)의 전극(535S, 535D, 535G)은 동일 층으로 형성된다.
따라서, 소스 전극, 드레인 전극 및 게이트 전극(535S, 535D, 535G)이 모두 동일 층으로 형성되어 한 공정으로 형성된다.
일 예로, 전극층을 형성하고, 해당 전극층을 동시 패터닝하여 소스 전극, 드레인 전극 및 게이트 전극(535S, 535D, 535G)을 각각 형성할 수 있다.
이와 같이 서로 중첩되지 않는 세 전극(535S, 535D, 535G)을 동시 형성하여 공정 단계를 줄이고 공정 시간 및 비용을 절감할 수 있다.
상기 금속층으로는 Ni, Zn, Pd, Ag, Cd, Pt, Ga, In 및 Au 중 적어도 하나로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 전극(535S, 535D, 535G) 위에 패시베이션층(536)이 형성되어 있다.
상기 패시베이션층(536)은 상기 센서칩(500) 전체에 형성되어 센서 영역(540)과 전극(535S, 535D, 535G)을 보호한다.
상기 패시베이션층(536)은 습기에 강한 물질로 형성될 수 있으며, 일 예로 산화층, 질화층 또는 탄화물층으로 형성될 수 있다.
또한, 패시베이션층(536)은 고분자 수지로 적용 가능하나 이에 한정되지 않는다.
상기 패시베이션층(536)은 센서칩(500) 내에서 복수의 채널 영역(550), 게이트 전극(540), 복수의 패드(511) 만을 노출하며 나머지 영역을 모두 커버한다.
따라서, 패시베이션층(536)에 의해 노출되는 영역은 매우 한정적이다.
특히, 센서 영역(540)에서는 게이트 전극(535G)과 채널 영역(550)만이 노출되어 시료와 직접 접촉함으로써 반응을 유도할 수 있다.
패드 영역(510)에서는 각 패드(511)가 서로 절연된 상태로 노출되어 상부의 연결 부재(140)를 통해 회로 기판(150)의 각 패드(158)와 전기적으로 접촉한다.
이와 같이 노출된 각각의 채널 영역(550)에 도 10a와 같이 감지 물질(610)이 부착되어 센서가 활성화된다.
상기 감지 물질(610)은 상기 센서가 감지하고자 하는 타겟 물질에 특이 반응하는 물질로서, 타겟 물질이 항원인 경우, 항체, 타겟 물질이 항체인 경우 항원이 부착되어 있을 수 있다.
상기 채널(533)이 그래핀으로 형성되어 있는 경우, 감지 물질(610)과 그래핀 사이의 원활한 연결을 위해 링커 물질(도시하지 않음)이 부착되어 있을 수 있으며, 그래핀 위에 링커 물질을 부착한 후 상기 감지 물질(610)을 부착하는 공정을 활성화 공정으로 정의한다.
상기 링커 물질은 채널(533)을 이루는 물질과 감지 물질(610)에 따라 상이하며, 그래핀의 경우, 나노 크기를 가지는 폴리머 구조물일 수 있으며, 일 예로 폴리우레탄, 폴리디메틸실록산, NOA(Norland Optical Adhesives), 에폭시, 폴리에틸렌 테레프타레이트, 폴리메칠메타크릴레이트, 폴리이미드, 폴리스티렌, 폴리에틸렌 나프타레이트, 폴리카보네이트 및 이들의 조합 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
또한, 링커 물질은 폴리우레탄과 NOA(예컨대, NOA 68)의 조합으로 이루어질 수도 있다. 그러나, 링커 물질은 이에 제한되는 것은 아니며, 유연성을 갖는 다양한 고분자로 이루어질 수 있다.
도 10a 및 도 10b를 참고하면 센서칩(500)의 반응에 따른 전기적 감지 신호를 설명할 수 있다.
도 10a와 같이 시료에 타겟 물질이 존재하지 않는 경우, 각 패드(511)에 인가되는 전압에 의해 소스 전극(535S)은 소스 전압을 인가받고, 게이트 전극(535G)은 게이트 전압을 인가받는다.
상기 게이트 전극(535G)은 수용부(119)에 노출되어 외부에서 제공되는 시료와 맞닿음으로써 상기 시료에 바이어스 전압을 인가한다. 따라서, 상기 시료는 게이트 전극(535G)의 전압에 대하여 일부 대전된 상태로 존재한다.
이때, 드레인 전극(535D)로부터 읽어들이는 드레인 전류(IDS)는 도 11과 같다.
즉, 시료(600) 내에 감지 물질(610)과 반응하는 타겟 물질이 없는 경우, 드레인 전류(IDS)는 제1 값(I1)을 가지며, 이는 기준 전류으로 정의된다.
이때, 도 10b와 같이, 시료(600)에 타겟 물질(650)이 존재하는 경우, 타겟 물질(650)과 감지 물질(610)이 반응함으로써 채널(533)이 특정 캐리어로 대전된다. 일 예로, 도 10b와 같이 채널(533)에 전하가 축적되는 공핍 상태가 진행될 수 있다.
이에 따라 드레인 전극(535D)에서 읽히는 드레인 전류(IDS)가 커짐으로써 도 18의 제2 값(I2)을 가진다.
이때, 축적되는 전하의 양은 채널(533)의 면적에 비례하므로 채널(533)의 수효가 1개인 경우, 드레인 전류(IDS)가 제2 값(I2)을 가지면, 채널(533)의 수효가 2개 이상인 경우, 제2 값(I2)보다 더 큰 제3 값(I3)을 갖게 된다. 따라서, 드레인 전극(535D)에서 읽히는 드레인 전류(IDS)의 값이 증폭되는 효과를 가진다.
이때, 복수의 채널(533)이 서로 이격되어 있음으로써 하나의 채널(533)이 동작하지 않는 경우에도 다른 채널(533)에서 드레인 전류(IDS)의 승강을 유발함으로써 타겟 물질의 존재를 인식할 수 있다.
이와 같이, 그래핀 채널 센서칩(500)에서 채널을 서로 이격된 복수의 채널을 가지는 멀티채널 구조를 가짐으로써 드레인 전류를 증폭하고, 오작동하는 채널을 보완할 수 있는 효과를 가진다.
이와 같은 센서칩(500)은 게이트 전극(535G)의 원주보다 큰 원을 가지는 수용부(119)의 끝단 개구에 의해 게이트 전극(535G)과 채널 영역(550)이 모두 노출될 수 있다.
또한, 복수의 채널 영역(550)이 수용부(119)에 의해 개방되는 센서 영역(540)의 중심(O)으로부터 동일한 거리에서 동일한 각도로 이격되어 형성됨으로써 시료가 균일하게 접촉하게 되며, 소스 드레인 전극(535S, 535D) 사이에 채널(533) 배치를 위해 소스 드레인 전극(535S, 535D)을 둘러싸는 형상으로 형성함으로써 구조를 최적화할 수 있다.
도 8에서는 각 전극(535S, 535D, 535G)의 일단으로부터 패드(511)까지 연결되는 전극 연결부(521)를 각각 포함하며 각 전극 연결부(521)는 전극(535S, 535D, 535G)과 동일 금속층으로 형성되므로 서로 중첩되지 않는다.
도 18에서는 패드(511)가 센서칩(500)의 일단에 일렬로 형성되는 것으로 도시하였으나 이에 한정되지 않는다.
센서칩(500)의 설계는 수용부(119) 내에 게이트 전극(535G)과 복수의 채널(533)이 노출되는 트랜지스터를 유지하는한 다양하게 변경 가능하다.
이에 따라 패드(511)의 위치 또한 다양하게 변경 가능하다. 다만 패드(511)의 위치 변화에 따라 연결 부재(140)와 회로 기판(150)의 접속 패드(158)의 위치 또한 변경된다.
이와 같은 그래핀 기반 멀티 채널 센서칩(500)을 수용하는 바이오 센서 카트리지(100)는 도 12와 같은 공정을 통해 제조된다.
이하에서는 도 12를 참고하여, 본 명세서의 그래핀 기반 멀티 채널 센서칩(500)을 제조하는 방법을 설명한다.
도 12를 참고하면, 먼저 반도체 웨이퍼 위에 센서칩(500) 제조를 위한 센서칩(500) 패터닝을 수행한다(S100).
센서칩(500) 제조는 도 8 및 도 9의 센서칩(500)을 제조하기 위한 공정으로서, 반도체 기판(530) 위에 산화물 또는 질화물로 절연층(532)이 형성한다.
반도체 기판(530)이 실리콘 기판인 경우, 절연층(532)은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물로 형성될 수 있으며, 다양한 방법으로 형성 가능하다. 일 예로 열처리를 통해 표면에 실리콘 산화물층이 형성될 수 있다.
상기 절연층(532) 위에 복수의 채널(533)이 서로 이격되도록 형성한다.
이때, 하나의 반도체 웨이퍼는 복수의 단위 센서칩(500)을 동시에 제조할 수 있도록 디자인되어 있으며, 복수의 단위 센서칩(500) 제조를 위한 채널 패터닝을 수행할 수 있다.
상기 각 단위 센서칩(500)마다 디자인되어 있는 복수의 채널(550)로 채널층을 패터닝한다.
일 예로, 상기 복수의 채널(550)이 그래핀으로 형성되는 경우, 그래핀을 상기 절연층 위에 적층한 후 상기 그래핀을 패터닝하여 상기 단위 센서칩(500) 영역에 서로 이격되어 있는 복수의 채널(550)을 형성한다.
다음으로, 도 8과 같은 전극(535S, 535D, 535G) 형상을 위한 Ni, Zn, Pd, Ag, Cd, Pt, Ga, In 및 Au 중 적어도 하나의 금속층을 적층하고, 상기 금속층을 패터닝하여 소스 전극, 드레인 전극 및 게이트 전극(535S, 535D, 535G)과 각 전극과 연결되는 패드(511) 및 이들의 연결을 위한 연결부(521)를 동시 형성한다. 상기 전극(535S, 535D, 535G) 위에 패시베이션층(536)을 형성하고, 복수의 채널 영역(550), 게이트 전극(540), 복수의 패드(511) 만을 노출하도록 패터닝한다(S110).
이와 같이 하나의 반도체 웨이퍼 상에 복수의 단위 센서칩(500)이 생성되면, 상기 복수의 단위 센서칩(500)을 단일 센서칩(500)으로 절단하는 절단 공정을 수행한다(S120).
상기 절단 공정은 레이저 스크라이빙으로 진행 가능하며, 물리적인 절단 공정과 함께 레이저 스크라이빙을 진행할 수 있다.
단위 센서칩(500)으로 절단된 단일의 센서칩(500)이 도 8의 센서칩(500)으로 정의되며, 상기 센서칩(500)의 기능화를 수행한다(S130).
상기 센서칩(500) 기능화는 각 센서칩(500)의 노출되어 있는 채널 영역에 각 센서가 감지하고자 하는 타겟 물질에 특이적 반응을 수행하는 감지 물질을 부착하는 공정으로 정의된다.
상기 센서칩(500) 기능화를 위해, 상기 채널(533)이 그래핀으로 형성되어 있는 경우, 감지 물질(610)과 그래핀 사이의 원활한 연결을 위해 링커 물질(도시하지 않음)이 부착할 수 있으며, 그래핀 위에 링커 물질을 부착한 후 상기 감지 물질(610)을 부착하는 공정을 수행한다.
상기 링커 물질은 채널(533)을 이루는 물질과 감지 물질(610)에 따라 상이하며, 그래핀의 경우, 나노 크기를 가지는 폴리머 구조물일 수 있으며, 일 예로 폴리우레탄, 폴리디메틸실록산, NOA(Norland Optical Adhesives), 에폭시, 폴리에틸렌 테레프타레이트, 폴리메칠메타크릴레이트, 폴리이미드, 폴리스티렌, 폴리에틸렌 나프타레이트, 폴리카보네이트 및 이들의 조합 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
또한, 링커 물질은 폴리우레탄과 NOA(예컨대, NOA 68)의 조합으로 이루어질 수도 있다. 그러나, 링커 물질은 이에 제한되는 것은 아니며, 유연성을 갖는 다양한 고분자로 이루어질 수 있다.
이와 같이 센서칩(500)의 기능화가 종료되면, 상기 센서칩(500)의 검사 공정을 진행한다(S140).
이와 같은 센서칩(500)의 오류 검사는 일 실시예에 따른 프로브 장치를 매개체로 하여 이루어진다.
즉, 제조되어 있는 카트리지(100)의 회로기판(150)과 센서칩(500)을 프로브 장치(700)에 각각 배치하고, 프로브핀을 이용하여 전기적으로 연결한 후 회로기판(150)의 접속 패드(158)를 검사 장비의 리더부에 삽입함으로써 상기 센서칩(500)의 성능 검사를 수행할 수 있다.
이와 같은 센서칩(500)의 성능 검사에 대하여는 이후에 도 13을 참고하여 상세히 설명한다.
이와 같이 디자인에 따라 정확히 패터닝이 진행되어 있는지 물리적 검사 및 전기적으로 연결이 이루어지는지에 대한 기능적 검사를 동시 진행가능하다.
또한, 각 센서칩(500)의 기본 저항 값을 수신하고, 해당 기본 저항 값이 소정 범위 내에 속하는지 여부에 따라 불량 여부를 판단할 수 있다.
이와 같은 오류 검사가 종료되면, 불량 센서칩이 분류되고 검사 통과한 센서칩(500)만이 유효 칩으로 유통 결합 가능하다.
한편, 별도의 공정으로 회로 기판(150)의 제조가 가능하다. 상기 회로 기판(150)은 앞서 설명한 바와 같이 회로 기판(150)의 모재인 베이스 부재를 회로 기판(150)의 디자인에 따라 절삭 및 타공 가공하고, 상기 베이스 부재의 일측에 회로 패턴을 형성하여 회로 기판(150)을 완성한다.
이때, 상기 회로 기판(150)의 일측이 후면으로 배치되며 상기 후면에 상기 회로 패턴의 일부인 접속 패드(158)가 노출되어 있다.
상기 노출되어 있는 접속 패드(158)에 연결부재(140)를 정해진 수효에 따라 각각 부착한다(S150).
이와 같은 패드(158)와 연결부재(140)의 제1면(의 접합은 전기적 물리적 부착을 동시에 충족하도록 솔더링에 의해 진행가능하다. 따라서, 연결부재(140)의 제2면이 자유단으로 유지된 상태를 유지한다.
한편, 별도의 공정으로 상부 하우징(110) 및 하부 하우징(120)의 제조가 가능하다.
상부 하우징(110) 및 하부 하우징(120)은 각각 별도의 금형을 제작하여 몰딩 공정을 수행할 수 있다. 이와 같이, 폴리 카보네이트 등의 수지물을 상기 금형에 주입한 후 상기 금형을 상하 방향으로 제거하면 상부 하우징(110)이 제조된다.
다음으로, 상기 카트리지(100)의 하부 하우징(120)의 센서칩(500) 영역에 상기 센서칩(500)을 배치하고, 그 상부에 회로 기판(150)을 놓은 상태에서 상부 하우징(110)을 가압하여 상기 연결부재(140)의 제2면(145)이 상기 센서칩(500)의 패드(511)와 접합되는 상태로 고정된다(S160).
따라서, 회로 기판(150)과 상기 센서칩(500)의 전기적 연결과 물리적 연결이 동시에 이루어진다.
이와 같은 상태에서 상기 카트리지(100)의 하부 하우징(120)과 상부 하우징(110)의 측면의 끝단을 초음파 융착시켜 일부 수지의 용융을 유도하고 이를 경화함으로써 상기 카트리지(100)의 일체화를 이룬다. 이와 같은 융착에 의해 상부 하우징(110)과 하부 하우징(120)의 물리적인 분리가 불가능한 상태로 제조가 완성된다.
이와 같은 제조 공정을 통해 센서칩(500)의 불량을 1차적으로 필터링한 후 조립을 수행하며, 조립 단계에서 와이어 본딩에 의한 고온의 공정이 적용되지 않아 기능화된 센서칩(500)의 열에 의한 열화가 방지된다.
또한, 센서칩(500)의 와이어 본딩 후 플라스틱 몰딩을 수행하여 소자를 보호하는 공정이 추가되지 않아 고온에 의한 센서칩(500)의 감지 물질의 열화가 방지된다.
이와 같이 제조된 그래핀 기반 멀티 채널 센서칩(500)을 수용하는 바이오 센서 카트리지(100)는 다음과 같이 센서칩의 오류 필터링을 위한 검사 단계를 수행한다.
도 13은 도 12의 제조 공정 중 바이오 센서칩의 오류 검사 공정을 나타내는 순서도이고, 도 14a 및 도 14b는 바이오 센서칩의 오류 검사를 위한 프로브 장치의 사시도 및 상면도이고, 도 15는 도 14a 및 도 14b의 프로브 장치의 일 예를 도시한 분해 사시도이다.
도 14a 내지 도 15를 참고하면, 바이오 센서칩(500)의 오류 검사를 위한 프로브 장치(700)가 제공된다.
상기 프로브 장치(700)는 내부에 다이싱된 센서칩(500) 중 하나, 일 예로 샘플 센서칩(500)을 실장하고, 카트리지(100)에 배치되는 회로기판(150) 중 하나를 실장한 후 센서칩(500)과 회로기판(150)의 접속패드(158)를 서로 연결하도록 프로브핀(756)이 정렬된다.
이와 같이 프로브 장치(700)에 회로기판(150)과 센서칩(500)이 프로브핀(756)에 의해 전기적으로 연결된 상태로 검사 장비에 상기 회로기판(150)의 접속 단자(153)를 삽입함으로써 상기 회로기판(150)의 접속 단자(153)를 통해 센서칩(500)의 각 패드(511)에 기준 전압을 제공하고 출력 전류를 읽어들일 수 있다.
이와 같은, 방법을 통해 상기 센서칩(500)의 베이스 저항값을 읽어낼 수 있으며, 상기 소스 전압에 의한 드레인 전류의 변화를 감지하여 상기 센서칩(500)의 동작 유무를 확인할 수 있다.
이와 같은 검사에 의해 센서칩(500)의 작동이 확인되면 상기 센서칩(500)을 유효 센서칩(500)으로 분류하고 카트리지(100) 조립을 수행한다.
이러한 프로브 장치(700)를 이용한 센서칩(500) 오류 검사는 센서칩(500)과 회로기판(150)의 물리적 결합 없이 진행되어 각각 소자의 훼손이 없고, 별도의 회로기판(150)을 제조하지 않고, 기 제조된 회로기판(150)을 통해 진단과 같은 방식으로 오류 검사를 진행할 수 있어 제조 비용이 절감된다.
구체적으로, 도 14a 내지 도 24를 참고하여 실시예의 프로브 장치(700)를 설명한다.
상기 프로브 장치(700)는 도 14a 내지 도 15와 같이, 하부 하우징(710), 미들 하우징(720), 상부 하우징(730) 및 상부 커버(740)를 포함한다.
상기 하부 하우징(710)은 미들 하우징(720)과 접촉하는 바디부(711) 및 바디부(711)로부터 아래방향(z 방향)으로 리세스된 함몰부(715)를 포함할 수 있다. 함몰부(715)에는 회로기판(150)이 상기 접속패드(158)를 외부로 노출하면서 실장될 수 있다.
하부 하우징(710)의 바디부(711)의 상면 상에는 미들 하우징(720)이 배치될 수 있다.
미들 하우징(720)은 하부 하우징(710)의 바디부와 중첩되는 미들 바디부(721) 및 상기 미들 바디부(721)로부터 아래방향(z 방향)으로 리세스된 미들 함몰부(725)를 포함할 수 있다.
상기 미들 함몰부(725)의 바닥면에는 센서칩(500)을 수용하기 위한 칩 영역(726)이 정의되어 있다. 상기 칩 영역(726)은 도 15와 같이 칩 면적보다 작은 면적을 가지며 개방되어 있는 칩 개구로 형성 가능하나, 센서칩(500)을 고정가능한 상태의 고정 돌기 등으로도 구현 가능하다.
상부 하우징(730)은 미들 하우징(720)을 덮도록 미들 바디부(721) 상에 상부 바디부(731)를 포함하며, 상기 상부 바디부(731)는 하부의 센서칩(500)의 센서 영역(540)을 노출하는 상부 함몰부(735)를 포함한다.
상기 상부 하우징(730)의 함몰부(735)에 연장되어 상부 방향으로 돌출되어 있는 프로브핀 가이드(738)가 형성되어 있다.
상기 프로브핀 가이드(738)는 프로브핀 모듈(750)이 삽입될 수 있도록 단차를 가지는 홀(739)을 포함하며, 상기 프로브핀 모듈(750)을 하부의 센서칩(500) 패드(511) 및 회로기판(150) 패드(158)에 접속하도록 프로브핀(756)을 가이드한다.
상기 상부 하우징(730)의 상면 위에 상부 커버(740)가 배치된다.
상부 커버(740)는 상기 프로브핀 모듈(750)을 덮으며, 외부로부터 상기 프로브핀 모듈(750)을 보호하기 위한 구조로서, 프로브핀 가이드(738)를 덮는 커버 가이드(748) 및 커버 가이드(748)의 하부로부터 연장되며, 상기 상부 하우징(730)의 상부 함몰부(735)를 덮는 수용부(745)로 구현된다.
상기 수용부(745)는 소정의 검체가 수용될 수 있는 오목한 형상으로 구현되며, 상기 수용부(745)의 바닥에 센서칩(500)의 센서 영역을 노출하기 위한 개구부(746)가 형성되어 있다.
이와 같이 복수의 모듈을 검사 대상인 센서칩(500)과 회로기판(150)을 배치한 상태로 결합함으로써, 하나의 프로브 장치(700)가 형성된다.
상기 하부 하우징(710), 미들 하우징(720)의 결합은 복수의 결합재를 통해 이루어질 수 있다. 일 예로, 도 15와 같이, 각 모서리 영역에 나사홀(713, 723)이 형성되어 있으며, 하부 하우징(710)의 하나의 나사홀(713)과 미들 하우징(720)의 하나의 나사홀(723)이 서로 중첩되어 공통의 나사홀(713, 723)을 형성하며, 상기 나사홀(713, 723)에 하나의 나사부재가 결합되어 하부 하우징(710)과 미들 하우징(720)을 동시 결합한다.
이와 달리, 하부 하우징(710)과 미들 하우징(720)은 나사홀들(713, 723)을 중첩하도록 끼움 결합하여 형성 가능하다(예: 수직 방향 또는 상하 방향일 수 있는 Z 방향).
이때, 상기 하부 하우징(710)의 바디부(711)의 상면은 상부 방향(z 방향)으로 돌출되어 있는 적어도 하나의 결합 돌기(714)를 더 포함할 수 있다.
상기 결합 돌기(714)는 도 15와 같이 적어도 3개를 포함할 수 있으며, 이보다 더 많은 수효를 가질 수도 있다. 결합 돌기(714)는 서로 이격되어 배치될 수 있으며, 하부 하우징(710)의 제1단(예: 후단)에 배치된 2개의 결합 돌기(714)는 하부 하우징(710)의 제2단(예: 전단)에 배치된 세번째 결합 돌기(714)를 중심으로 대칭적으로 배치될 수 있다.
상기 결합 돌기(714)는 상기 바디부(711)의 상면에서 앞측에 배치되는 하나의 결합 돌기(714)와 뒤측에 배치되는 두개의 결합 돌기(714)를 포함할 수 있으며, 상기 뒤측에 배치되는 두개의 결합 돌기(714)는 상기 바닥 함몰부(715)의 양측으로 형성될 수 있다.
상기 결합 돌기(714)가 3개 형성되는 경우, 상기 앞측의 결합 돌기(714)는 뒤측의 결합 돌기(714) 사이의 중심 거리에 배치될 수 있다.
따라서, 상기 3개의 결합 돌기(714)에 의한 상부 하우징(730)까지의 결합 시에 힘이 균일하게 인가되어 뒤틀림 없이 결합 상태가 유지 가능하다.
또한 상부 하우징(730)으로부터 미들 하우징(720) 및 하부 하우징(710)과의 결합을 위해 상부 하우징(730)의 양 측면에 결합 후크(737)가 배치되어 있다.
상기 결합 후크(737)는 바디부의 측면에서 회동가능하게 축으로 결합되어 있으며, 상기 축에 대한 회동에 의해 하부 하우징(710)의 바디부의 측면을 덮어 고정할 수 있다.
또한, 상부 하우징(730)과 상부 커버(740)는 상부 커버(740)의 커버 가이드(748)(748)의 상면에 결합홀(749)을 포함하고, 상기 결합홀(749)과 상부 하우징(730)의 프로브핀 가이드(738)의 결합홀(739)을 동시 결합하는 나사 부재를 통해 결합 가능하다.
이하에서는 각 구성에 대하여 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
도 16은 도 15의 프로브 장치(700)의 하부 하우징(710)의 상세도이고, 도 17은 도 16의 A 영역의 확대도이다.
먼저, 하부 하우징(710)은 도 15에 도시된 바와 같이, 상기 프로브 장치(700)의 전체 면적을 정의하는 바디부(711)가 형성된다.
상기 바디부(711)는 x축과 y축 방향으로 확장되는 면구조물로서, 일 예로 도 15와 같이 사각형의 형상을 가질 수 있다.
이때, 사각형의 각 모서리 영역에는 상부의 미들 하우징(720)과의 결합을 위한 나사홀(713)이 형성될 수 있다.
상기 나사홀(713)은 각 모서리 영역에서 상부 방향(z 방향)으로 돌출되어 형성될 수 있으며, 상기 돌출되는 나사홀(713)이 상부의 미들 하우징(720)의 나사홀(723)과 끼움결합된 상태로 나사부재와 결합될 수 있다.
상기 각 모서리 영역 사이의 측면 중 y축을 따라 형성되는 측면(712)은 중심 방향으로 단차지도록 함몰되어 형성될 수 있다.
상기 단차진 측면(712)은 상부 하우징(730)의 후크(737)와 결합하기 위한 후크 결합 영역으로 정의될 수 있다.
이때, 상기 바디부(711)로부터 아래방향(z 방향)으로 리세스된 함몰부(715)는 바디부(711)의 상면으로부터 소정 깊이로 단차지도록 형성될 수 있으며, 상기 단차의 깊이는 회로기판(150)의 두께와 동일할 수 있다.
상기 함몰부(715)의 폭 또한 상기 회로기판(150)의 폭과 동일할 수 있으나, 함몰부(715)는 회로 기판(150)과 다른 폭을 가질 수도 있다.
이때, 상기 회로기판(150)의 결합홀과 결합하도록 기판 돌기(716)가 상기 함몰부(715)의 바닥면으로부터 돌출되어 형성될 수 있다.
상기 기판 돌기(716)는 상기 바디부(711)의 상면과 동일하거나 낮은 높이를 가짐으로서, 상기 바디부(711)의 상면으로부터 위로 돌출되지 않는다.
상기 회로기판(150)의 결합홀과 상기 기판 돌기(716)가 끼움결합될 때, 상기 회로기판(150)의 접속 단자(153)가 외부로 노출되도록 상기 함몰부(715)의 뒷측은 외부로 개방되어 측벽이 형성되지 않는다.
따라서, 하부 하우징(710) 위에 회로기판(150)을 결합한 상태로 미들 하우징(720)과 하부 하우징(710)을 결합하면, 상기 함몰부(715)의 뒷측의 개방을 통해 상기 회로기판(150)의 접속 단자(153)가 외부로 노출된다.
상기 하부 하우징(710)의 바디부(711)의 상면으로부터 상측 방향(z측 방향)으로 돌출되는 복수의 결합 돌기(714)가 돌출되어 있다.
상기 결합 돌기(714)는 상기 바디부(711)의 상면에서 앞측에 배치되는 하나의 결합돌기(714)와 뒷측에 배치되는 두개의 결합돌기(714)를 포함할 수 있으며, 상기 뒷측에 배치되는 두개의 결합돌기(714)는 상기 바닥 함몰부(715)의 양측으로 형성될 수 있다.
상기 결합 돌기(714)가 3개 형성되는 경우, 상기 앞측의 결합 돌기(714)는 뒷측의 결합 돌기(714) 사이의 중심 거리에 배치될 수 있다.
각각의 결합 돌기(714)는 서로 같은 높이를 가질 수 있으며, 상부 하우징(730)까지 결합하는 경우, 결합홀(734)을 관통하여 외부로 일부 노출되도록 충분한 깊이를 가진다.
즉, 상기 결합 돌기(714)는 미들 하우징(720)과 상부 하우징(730)의 두께의 합보다 큰 높이를 가진다.
상기 3개의 결합 돌기(714)에 의한 상부 하우징(730)까지의 결합 시에 힘이 균일하게 인가되어 뒤틀림 없이 결합 상태가 유지 가능하다.
한편, 도 16 및 도 17을 참고하면, 미들 하우징(720)이 상기 하부 하우징(710) 위에 배치된다.
하부 하우징(710)의 바디부의 상면 상에는 미들 하우징(720)의 미들 바디부(721)가 배치된다.
상기 미들 바디부(721)는 x축과 y축 방향으로 확장되는 면구조물로서, 아래의 하부 하우징(710)의 바디부(711)와 같은 형상을 가진다.
상기 미들 바디부(721)는 사각형의 형상을 가질 수 있다.
이때, 사각형의 각 모서리 영역에는 상부의 하부 하우징(710)과의 결합을 위한 나사홀(723)이 형성될 수 있다.
상기 나사홀(723)은 각 모서리 영역에서 상부 방향(z 방향)으로 돌출되어 형성될 수 있으며, 상기 돌출되는 나사홀(723)이 하부의 하부 하우징(710)의 나사홀(713)과 끼움결합된 상태로 나사 부재와 결합될 수 있다.
상기 각 모서리 영역 사이의 측면 중 y축을 따라 형성되는 측면(722)은 중심 방향으로 단차지도록 함몰되어 형성될 수 있다.
상기 단차진 측면(722)은 상부 하우징(730)의 후크(737)와 결합하기 위한 후크 결합 영역으로 정의될 수 있다.
상기 단차진 측면(722)으로부터 중심으로 미들 바디부(721)의 상면으로부터 하방으로 함몰되어 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
상기 미들 바디부(721)로부터 아래방향(z 방향)으로 리세스된 미들 함몰부(725)는 바디부의 상면으로부터 소정 깊이로 단차지도록 형성될 수 있다.
상기 미들 함몰부(725)의 바닥면에는 센서칩(500)을 수용하기 위한 칩 영역(726)이 정의되어 있다. 상기 칩 영역(726)은 도 16과 같이 칩 면적보다 작은 면적을 가지며 개방되어 있는 칩 개구로 형성 가능하나, 센서칩(500)을 고정가능한 상태의 고정 돌기 등으로도 구현가능하다.
상기 미들 함몰부(725)의 바닥면에는 하부의 회로기판(150)의 접속패드(158) 영역을 노출하는 복수의 핀 개구(7251)가 형성되어 있다.
도 17을 참고하면, 상기 칩 개구(726)는 중심 영역에 센서칩(500)과 동일하거나 큰 폭과 길이를 갖도록 형성된다.
이때, 상기 센서칩(500)과 칩 개구(726)의 측벽(7261)까지의 이격 거리(d3)는 0.05 내지 0.1mm 이하를 갖도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 칩 개구(726)에서 상기 센서칩(500)이 배치되는 각 모서리 영역(7263)은 둥글게 모따진 형상으로 바닥면(725)을 향하여 더욱 개방되도록 오목하게 형성될 수 있다.
또한, 상기 센서칩(500)이 배치되는 중앙 영역의 각 측벽(7262)으로는 상기 바닥면(725)을 향하여 더욱 개방되는 확장 개구 영역을 포함한다.
상기 확장 개구 영역은 1 내지 3mm의 폭(d4)을 갖도록 형성될 수 있으며, 이와 같은 확장 개구 영역이 센서칩(500)이 놓이는 중앙 영역의 양 측에 동일하게 형성됨으로써 상기 중앙 영역에 배치되는 센서칩(500)을 배치하거나 제거할 때 센서칩(500)을 무리하게 잡거나 흔드는 등의 물리적인 충격을 최소화하면서 집게 등을 통해 들어올릴 수 있다.
복수의 핀 개구(7251)는 도 16 및 도 17과 같이 칩 영역(726)에 배치되는 센서칩(500)의 센서칩(500) 패드(511)와 근접하도록 칩 영역(726)의 칩 개구(726)의 일측으로 형성된다.
이때, 상기 센서칩(500)의 패드(511)가 3개인 경우, 회로기판(150)의 접속패드(158) 역시 3개로 형성되므로, 상기 핀 개구(7251)도 각각의 접속패드(158)를 노출하도록 3개로 형성되며, 그 위치 역시 상기 회로기판(150)의 접속패드(158)와 각각 정렬하도록 형성된다.
각각의 핀 개구(7251)는 도 17과 같이 소정의 직경을 가지는 원 형상으로 형성될 수 있으며, 소정 거리로 이격되어 형성될 수 있다.
상기 핀 개구(7251)는 프로브핀(756)이 각각 관통되어 하부의 회로기판(150)의 패드(511)와 접속하기 위한 가이드로서 기능할 수 있다.
따라서, 상기 핀 개구(7251)의 직경은 상기 프로브핀(756)의 단부 직경보다 클 수 있다.
도 17과 같이 상기 칩 개구의 중앙 영역에 센서칩(500)이 배치되면, 하부의 회로기판(150) 위에 놓이게 되며, 상기 센서칩(500)은 패드(511) 영역이 상기 핀 개구(7251)와 근접하도록 배치된다.
따라서, 상기 센서칩(500)의 패드 영역의 3개의 패드(511)가 3개의 핀 개구(7251)와 행렬을 이루도록 배치될 수 있다.
이와 같이, 도 17의 B 영역이 후에 설명하는 프로브핀(756)이 접속하는 프로브 영역으로 정의된다.
다만, 상기 회로기판(150)의 접속패드(158) 및 센서칩(500)의 패드(511)의 수효 및 형상이 가변함에 따라 상기 핀 개구(7251)의 형상도 가변 가능하다.
즉, 상기 핀 개구(7251)의 형상 및 수효는 상기 회로기판(150)의 접속패드(158)의 수효 및 형상과 대응하도록 형성된다.
상기 미들 바디부(721)는 상면 및 측면 함몰부(727)에 하부 하우징(710)의 결합 돌기(714)가 관통하는 결합홀(724)을 포함한다. 상기 결합홀(724)은 상기 결합 돌기(714)의 수효 및 형상과 대응하도록 3개로 형성될 수 있으며, 이때, 뒷측에 형성되는 2개의 결합홀(724)은 측면 함몰부(727)의 특벽, 즉 단차지는 벽을 따라 형성 가능하다.
한편, 상부 하우징(730)은 도 15 및 도 18a 및 도 18b에 도시된 바와 같다.
도 18a 및 도 18b는 도 15의 프로브 장치(700)의 상부 커버(740)의 상부 사시도 및 배면도이고, 도 19는 도 14b의 프로브 장치(700)를 V-V'로 절단한 단면도이다.
도 15 및 도 18a 및 도 18b를 참고하면, 상부 하우징(730)은 미들 하우징(720)을 덮도록 미들 바디부(721) 상에 상부 바디부(731)를 포함하며, 상기 상부 바디부(731)는 하부의 센서칩(500)의 센서 영역(540)을 노출하는 상부 함몰부(735)를 포함한다.
상기 상부 바디부(731)는 x축과 y축 방향으로 확장되는 면구조물로서, 아래의 하부 하우징(710)의 바디부(711)와 유사한 형상을 가진다.
상기 상부 바디부(731)는 사각형의 형상에서 모서리 영역이 중앙으로 함몰되어 하부의 미들 바디부(721)의 나사홀(723)을 개방한다.
상부 바디부(731)의 측면에는 미들 하우징(720) 및 하부 하우징(710)과의 결합을 위한 결합 후크(737)가 각각 형성되어 있다.
상기 결합 후크(737)는 상기 상부 바디부(731)의 측면의 축(7374)을 중심으로 회동하면서 하부 하우징(710)의 배면과 결합하여 일체화한다. 상기 결합 후크(737)에 대한 결합은 이후에 설명한다.
상기 상부 하우징(730)의 함몰부(735)에 연장되어 상부 방향으로 돌출되어 있는 프로브핀 가이드(738)가 형성되어 있다.
상기 프로브핀 가이드(738)는 프로브핀 모듈(750)이 삽입될 수 있도록 단차를 가지는 홀(739)을 포함하며, 상기 프로브핀 모듈(750)을 하부의 센서칩(500) 패드(511) 및 회로기판(150) 패드(158)에 접속하도록 프로브핀(756)을 가이드한다.
상기 프로브핀 가이드(738)는 프로브핀 모듈(750)이 삽입될 때, 지지부(751)(751)가 걸쳐지도록 단차진 측벽이 형성되어 있으며, 상기 측벽 내부가 프로브핀(756)이 관통하도록 홀(739)로 개방되어 있다.
상기 측벽의 옆으로 상부 하우징(730)과 상부 커버(740)를 연결하기 위한 연결홀이 형성된다.
상기 연결홀은 단차진 측벽의 홀(739)의 양 측 단차 위에 각각 형성된다.
한편, 상기 상부 바디부(731)는 상면에 하부 하우징(710)의 결합 돌기(714)가 관통하는 결합홀(734)을 포함한다. 상기 결합홀(734)은 미들 바디부(721)의 결합홀(734)과 각각 정렬하여 하나의 결합 돌기(714)가 미들 바디부(721) 및 상부 바디부(731)의 결합홀(734)을 동시에 관통하면서 연결한다.
상기 결합홀(734)은 상기 결합 돌기(714)의 수효 및 형상과 대응하도록 3개로 형성될 수 있으며, 이때, 뒷 측에 형성되는 2개의 결합홀(734)은 함몰부(735)의 측벽, 즉 단차지는 벽을 따라 형성 가능하다.
프로브핀 모듈(750)은 도 15와 같이, 지지부(751)에 의해 지지되는 복수의 프로브핀(756)으로 형성된다.
각각의 프로브핀(756)은 지지부(751)에 의해 위치가 결정된다. 지지부(751)에 복수의 고정홀이 형성되어 있으며, 각 고정홀을 관통하며 각각의 프로브핀(756)이 지지부(751)와 고정된다.
상기 각각의 프로브핀(756)은 바 타입(bar type)으로 형성되며, 전도성 탐침으로 형성된다.
상기 각각의 프로브핀(756)은 검사 대상의 높이에 따라 길이가 가변되도록 형성되며, 일 예로 스프링 타입으로 형성될 수 있다.
복수의 프로브핀(756)은 일단이 검사 대상을 향하여 하방에 노출되고, 타단(755)이 상부 커버(740) 내에 수용되도록 형성된다.
상기 복수의 프로브핀(756)은 검사 대상의 연결 관계에 따라 타단(755)이 전기적으로 연결되도록 와이어로 접속 가능하다.
이와 같은 프로브핀 모듈(750)의 지지부(751)의 각각의 고정홀과 프로브핀(756)을 다양하게 변형함으로써 검사 대상의 패드(511)가 가변할 때, 프로브핀 모듈(750)의 변형만으로 다른 구성 요소를 변형 없이 사용 가능하다.
한편, 상기 상부 하우징(730)의 상면 위에 상부 커버(740)가 배치된다.
상부 커버(740)는 상부 커버(740)는 상기 프로브핀 모듈(750)을 덮으며, 외부로부터 상기 프로브핀 모듈(750)을 보호하기 위한 구조로서, 프로브핀 가이드(738)를 덮는 커버 가이드(748) 및 커버 가이드(748)의 하부로부터 연장되며, 상기 상부 하우징(730)의 상부 함몰부(735)를 덮는 수용부(745)로 구현된다.
커버 가이드(748)는 프로브핀 가이드(738) 위에 놓이며, 상기 프로브핀(756)의 상부인 타단(755)을 수용하도록 홀이 형성되어 있다.
상기 커버 가이드(748)는 프로브핀 가이드(738)의 결합홀과 관통되는 결합홀(749)을 포함하며, 두 구조물의 결합홀(749)이 정렬하므로 하나의 연결부재, 즉 나사부재에 의해 동시 고정 가능하다.
상기 커버 가이드(748)의 전면이 소정 높이를 갖도록 형성되며, 프로브 장치(700)의 전면부를 형성한다. 또한, 상기 커버 가이드(748)의 전면의 하방으로 상기 상부 하우징(730)의 함몰부(715)를 덮도록 수용부(745)가 형성되어 있다.
따라서, 커버 가이드(748)의 전면은 상기 수용부(745)의 측벽의 일부를 구성할 수 있다.
상기 수용부(745)는 소정의 검체가 수용될 수 있는 오목한 형상으로 구현되며, 상기 수용부(745)의 바닥에 센서칩(500)의 센서 영역(540)을 노출하기 위한 개구부(746)가 형성되어 있다.
이와 같이 복수의 모듈을 검사 대상인 센서칩(500)과 회로기판(150)을 배치한 상태로 결합함으로써, 하나의 프로브 장치(700)가 형성된다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 하부 하우징(710), 미들 하우징(720)의 결합은 복수의 결합재를 통해 이루어질 수 있다. 일 예로, 도 15와 같이, 각 모서리 영역에 나사홀(713, 723)이 형성되어 있으며, 하부 하우징(710)의 하나의 나사홀(713)과 미들 하우징(720)의 하나의 나사홀(723)이 서로 중첩되어 공통의 나사홀(713, 723)을 형성하며, 상기 나사홀(713, 723)에 하나의 나사부재가 결합되어 하부 하우징(710)과 미들 하우징(720)을 동시 결합한다. 이와 달리, 하부 하우징(710)과 미들 하우징(720)은 끼움 결합하여 형성 가능하다.
또한 도 19와 같이, 하부 하우징(710)의 결합돌기(714)와 미들 하우징(720) 및 상부 하우징(730)의 결합홀(724, 734)의 끼움 결합이 진행된다. 이때, 상기 결합돌기(714)와 결합홀(724, 734)사이에 소정의 이격 거리(d5)가 형성되도록 결합홀(734)의 직경을 형성할 수 있다.
이는 공차를 위한 것으로서, 상기 소정의 이격 거리(d5)는 0.05 내지 0.2mm를 충족하도록 형성할 수 있다.
이와 같은 돌기 결합 외에도, 상부 하우징(730)으로부터 미들 하우징(720) 및 하부 하우징(710)과의 결합을 위해 상부 하우징(730)의 양 측면에 결합 후크(737)가 배치되어 있다.
도 20은 도 14b의 프로브 장치(700)를 Ⅵ-μ'로 절단한 분해 단면도이고, 도 21은 도 14b의 프로브 장치(700)를 Ⅵ-μ'로 절단한 결합 단면도이다.
도 20 및 도 21을 참고하면, 상기 결합 후크(737)는 상부 하우징(730)의 상부 바디부(731)의 측면에서 회동가능하게 축(7374)으로 결합되어 있으며, 상기 축(7374)에 대한 회동에 의해 하부 하우징(710)의 바디부의 측면을 덮어 고정할 수 있다.
도 20과 같이, 상기 결합 후크(737)는 축에 결합되며, 상부 바디부(731)를 향하여 xy 측면으로 확장되어 있는 후크바디(7373), 상기 후크바디(7373)로부터 상하부로 확장되며, 상기 결합 후크(737)가 축(7374)에 의해 회동하도록 힘을 받는 후크핸들(7371)을 포함한다.
상기 후크핸들(7371)의 하부는 끝단에서 안쪽으로 돌출되는 후크 돌기(7372)를 포함한다.
상기 결합 후크(737)는 후크핸들(7371)에 힘이 가해지면, 축을 중심으로 회전하면서 상기 후크바디(7373)가 하부의 스프링 부재를 눌림하면서 후크핸들(7371)의 하방부가 밖으로 벌어진다. 이 상태에서 도 21과 같이 미들 하우징(720)과 하부 하우징(710)의 결합체를 상부 하우징(730)의 하부에 정렬하면, 스프링부재에 의해 원위치로 복귀하면서 상기 결합체의 하면으로 후크 돌기(7372)가 걸리도록 배치된다.
이때, 도 21과 같이 미들 하우징(720)과 하부 하우징(710)의 바디부(711)의 면적이 일부 차이를 가짐으로써, 상기 결합 후크(737)에 의해 걸림되는 영역에서 단차(719)가 형성될 수 있으며, 상기 단차(719)에 후크 돌기(7372)가 결합되어 결합 돌기(714)와 결합홀(734)에 의한 결합 외에도 각 구조체의 결합을 더욱 공고히 할 수 있다.
이와 같은 결합에 의해 프로브핀(756)의 하부가 센서칩(500)의 패드(511) 영역 및 회로기판(150)의 접속패드(158) 영역에 접속하도록 배치된다.
도 22는 상부 커버(740)의 배면도에 노출되는 프로브핀(756)의 형상을 나타내는 것이고, 도 23은 도 14b의 프로브 장치(700)를 Ⅶ-*?*'로 절단한 단면도이다.
일 예로, 도 22에서는 센서칩(500)의 패드(511) 영역이 3개의 패드(511)로 형성되고, 회로기판(150)의 접속패드(158) 영역이 이와 대응되는 3개의 접속패드(158)로 구현될 때, 센서칩(500)의 패드(511) 영역의 패드(511)와 각각 접하는 일렬로 배치되는 3개의 제1 프로브핀(7561)과 회로기판(150)의접속패드(158) 영역의 3개의 접속패드(158)와 각각 접하는 일렬로 배치된 3개의 제2 프로브핀(7562)이 노출된다.
상기 제1 프로브핀(7561)과 제2 프로브핀(7562)은 서로 이웃한 행으로 배열되어 있을 수 있다.
이와 같이 결합체들의 조립에 의해 도 23과 같은 프로브핀(756)과 센서칩(500)의 패드(511) 및 회로기판(150)의 접속패드(158)의 접합이 이루어진다.
이때, 상기 프로브핀(756)이 길이 가변가능한 구성으로 형성되며, 일 예로 각 프로브핀(756)은 바 타입으로 형성될 때, 서로 중첩 가능한 2중층(752, 753)으로 형성되어 검사 대상인 회로기판(150)의 접속패드(158)와 센서칩(500)의 패드(511)의 높이에 따라 소정 거리만큼 중첩되도록 삽입된다.
따라서, 제1 프로브핀(756)과 제2 프로브핀(756)의 검체 대상의 높이가 서로 상이하더라도 각 프로브핀(756)의 자체 길이 조절에 의해 모든 프로브핀(756)이 검체 대상과 접촉할 수 있다.
이와 같은 프로브 장치(700)에 의해 하나의 샘플 센서칩(500)과 회로기판(150)을 적용하여 상기 센서칩(500)의 성능 검사가 가능하다.
구체적으로, 도 13에서 설명한 바와 같이, 하부 하우징(710)의 수용부(745)에 기판 결합부가 기판 결합홀(734)과 결합하도록 회로기판(150)을 안착한다(S141). 이때, 상기 회로기판(150)의 접속 단자(153)가 외부로 노출되도록 배치한다.
상기 기판의 접속 단자(153)가 외부로 노출될 때, 상기 접속 단자(153)는 도 6과 달리 후방으로 노출되도록 배치가능하다. 즉, 센서칩(500)과 접촉을 위한 접속패드(158)가 전면으로 놓여지도록 회로기판(150)을 뒤집어 배치가능하다.
이와 달리 회로기판(150)의 접속패드(158)가 양면에 형성되는 경우, 회로기판(150)의 전면 배치가 가능하다.
다음으로, 하부 하우징(710)과 미들 하우징(720)의 나사홀(713, 723)을 끼움하도록 결합한 후, 상기 결합홀(71)에 나사부재를 체결하여 결합체를 형성한다(S142).
상기 노출된 미들 하우징(720)의 미들 바디부(721)에 센서칩(500)을 안착시킨다.
상기 센서칩(500)은 다이싱된 하나의 센서칩(500)일 수 있으며, 샘플용 센서칩(500)일 수 있다.
상기 센서칩(500)의 패드(511)가 뒷측에 배치되도록 상기 센서칩(500)을 함몰부(715)의 칩 영역(725)에 배치한다. 이때, 상기 센서칩(500)의 배치는 핀셋 등을 통해 칩 영역(725)에 배치 가능하며 모서리 영역이 모두 모따기 되어 있어 센서칩(500)의 소손 없이 배치 가능하다.
다음으로, 상기 프로브핀 모듈(750)을 상부 하우징(730)의 프로브핀 가이드(738)에 실장한 후, 상기 상부 하우징(730)과 상부 커버(740)를 결합한다(S143).
상기 상부 하우징(730)과 상부 커버(740)는 상부 커버(740)의 프로브 커버(748)에 형성된 연결홀(749)에 나사부재를 체결함으로써 이루어질 수 있다.
상기 상부 하우징(730)과 상부 커버(740)가 결합되면, 내부에 프로브 모듈(750)이 도 22와 같이 상부 하우징(730)의 배면에 프로브핀(756)의 하부를 노출하도록 형성된다.
상기 상부 하우징(730)과 상부 커버(740)의 결합체를 하부 하우징(710)과 미들 하우징(720)의 결합체와 결합하여 프로브 장치(700) 체결을 완료한다.
이와 같은 결합체끼리의 체결은 결합돌기(714)와 결합홀(734)이 끼움결합되도록 결합하면서 상부 하우징(730)의 결합 후크(737)의 후크핸들(7371)의 상부에 힘을 가하여 후크핸들(7371)의 하부가 외부로 벌어지도록 형성한 후 다시 원복하면서 미들 하우징(720)의 배면 또는 단차에 후크 돌기(7372)가 걸림되도록 형성한다.
이와 같이 이중 체결을 통해 더욱 안정적으로 결합체를 결합할 수 있으며, 열화학적 구조 변경이 없으므로 후크(737)에 다시 힘을 가하여 두 결합체를 분리 가능하다.
이와 같이 검사 대상인 센서칩(500)과 회로기판(150)을 결합하면서 프로브 장치(700)의 체결 또한 완료하면, 상기 프로브 장치(700)는 매개 유닛으로 기능하면서, 노출된 회로기판(150)의 접속 단자(153)를 통해 검사를 진행할 수 있다(S144).
즉, 프로브 장치(700)의 수용부(745) 상에 기준 용액, 일 예로 물과 같은 전해질 용액을 주입하여 센서칩(500)의 게이트 전극과 채널을 도통된 상태로, 프로브 장치(700)를 검사 장비에 인입하여 검사를 진행한다.
검사는 일 예로, 상기 센서칩(500)의 기준 저항을 측정하는 것으로 구현 가능하며, 이를 위해 게이트 전압과 소스 전압을 접속단자(153)를 통해 회로기판(150)의 접속패드(158)에 전달되고 제2 프로브핀(756)을 통해 제1 프로브핀(756)에 전달되며, 상기 제1 프로브핀(756)에 의해 센서칩(500)의 패드(511)에 전달된다.
따라서, 상기 센서칩(500)의 게이트 전압 및 소스 전압이 설정되고 그에 따라 센서칩(500)의 드레인 전류를 읽어내면, 상기 드레인 전류에 따라 상기 센서칩(500)의 기준 저항값을 산출 가능하다.
이때, 상기 드레인 전류가 읽혀지지 않거나, 매우 높은 경우 센서칩(500)에 오류가 있는 것으로 판단할 수 있다.
이와 같이 드레인 전류를 읽어 소정 범위 내를 충족하면 상기 값에 의해 기준 저항 값이 산출되고 그에 따라 센서칩(500)의 가동 범위가 결정될 수 있다.
상기 샘플 센서칩(500)이 정상 동작하는 것으로 판단되면 결합 부재들의 체결을 해소하여 각 하우징으로 분해하고, 센서칩(500)과 회로기판(150)의 수거를 진행하며, 상기 회로기판(150) 및 센서칩(500)을 바이오 센서 카트리지(100)와 결합하는 공정을 진행한다(S145).
도 24는 도 14a 및 도 14b의 프로브 장치(700)의 다른 예를 도시한 분해 사시도이다.
도 24의 프로브 장치(700)는 도 14a 내지 도 23의 프로브 장치(700)의 일 예와 다른 구성은 동일하며, 검사 대상의 구성이 일부 상이하다.
즉, 도 24를 참고하면, 회로기판(150)과 센서칩(590)이 전기적으로 도통된 상태로 배치된다.
즉, 회로기판(150)의 접속패드(158)와 센서칩(590)의 패드(511)가 와이어 본딩 또는 연결 클립 등을 통해 도통된 상태로 하부 하우징(710) 내에 놓여진다.
따라서, 미들 하우징(720)의 칩 개구에는 회로기판(150)에 접합된 상태의 센서칩(590)이 노출되도록 결합된다.
이와 같은 선 결합에 의해 회로기판(150)과 센서칩(590)의 오정렬에 의한 검사 오류를 방지할 수 있다.
이때, 상기 상부 커버(740)는 앞서 설명한 상부 커버(740)와 동일하게 구현 가능하나, 도 24와 같이 수용부(745) 없이 커버 가이드(748)만으로 구성될 수도 있다. 이와 같이 커버 가이드(748)만으로 형성되면 상부 하우징(730)의 함몰부(715)가 수용부(745)로서 기능할 수 있다.
본 명세서에 기술된 다양한 실시예는 예를 들어 소프트웨어, 하드웨어 또는 이들의 일부 조합을 사용하여 컴퓨터 판독 가능 매체로 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에 기술된 실시예는 ASIC(Application Specific Integrated Circuits), DSP(Digital Signal Processor), DSPD(Digital Signal Processing Device), PLD(Programmable Logic Device), FPGA (Field Programmable Gate Array) 프로세서, 컨트롤러, 마이크로컨트롤러, 마이크로프로세서, 여기에 설명된 기능을 수행하도록 설계된 기타 전자 장치 또는 이들의 선택적인 조합 중 하나 이상 내에서 구현될 수 있다. 일부 경우에, 이러한 실시예는 컨트롤러에 의해 구현된다. 예를 들어, 컨트롤러는 설명된 기능을 수행하기 위한 적절한 알고리즘(예: 순서도)을 실행하는 하드웨어 내장형 프로세서이므로 충분한 구조를 가지고 있다. 또한, 절차 및 기능 등의 실시예는 각각의 기능 및 동작 중 적어도 하나를 수행하는 별도의 소프트웨어 모듈과 함께 구현될 수 있다. 소프트웨어 코드는 적절한 프로그래밍 언어로 작성된 소프트웨어 애플리케이션으로 구현될 수 있다. 또한 소프트웨어 코드는 메모리에 저장되고 컨트롤러에 의해 실행될 수 있으므로 컨트롤러는 설명된 기능 및 알고리즘을 수행하도록 특별히 구성된 일종의 특수 목적 컨트롤러가 된다. 따라서, 도면에 도시된 컴포넌트는 기술된 기능을 수행하기 위한 적절한 알고리즘을 구현하기에 충분한 구조를 갖는다.
본 발명은 본 명세서에서 논의된 각각의 실시예 및 실시예에 대한 다양한 변형을 포함한다. 본 발명에 따르면, 하나의 실시예 또는 예시에서 상술한 적어도 하나 이상의 특징들은 상술한 다른 실시예 또는 예시에도 동일하게 적용될 수 있다. 전술한 하나 이상의 실시예 또는 예시의 특징은 전술한 실시예 또는 예시 각각에 결합될 수 있다. 본 발명의 하나 이상의 실시예 또는 실시예의 전체 또는 부분 조합도 본 발명의 일부이다.
[부호의 설명]
100: 바이오 센서 카트리지
200: 바이오 센서 진단기기
400: 클라우드 서버
500: 센서칩
150: 회로 기판
700: 프로브 장치
710: 하부 하우징
720: 미들 하우징
730: 상부 하우징
740: 상부 커버
750: 프로브 모듈

Claims (20)

  1. 적용된 분석 시료로부터 타겟 물질을 감지하고, 상기 타겟 물질과 특이 반응하는 반응 물질이 배치되어 발생된 전기적인 신호를 전송하는 센서칩의 검사를 위한 프로브 장치에 있어서,
    외부의 검사기기와 전기적으로 연결 가능하도록 구성되는 접속단자를 포함하는 상기 센서칩의 회로기판이 수용되는 하부 하우징;
    상기 하부 하우징과 결합하며 상기 센서칩을 실장하는 미들 하우징;
    상기 센서칩의 패드와 상기 회로 기판의 접속 패드를 서로 연결하기 위한 프로브핀을 포함하는 프로브 모듈; 및
    상기 미들 하우징 위에 결합되며, 상기 센서칩의 센서 영역을 노출하는 함몰부를 포함하는 가이드 영역을 가지는 상부 하우징
    을 포함하는 프로브 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상부 하우징의 상기 가이드 영역은 상기 프로브 모듈을 상기 센서칩과 상기 회로 기판의 상기 패드 위에 정렬하고,상기 미들 하우징은 상기 회로 기판의 패드를 각각 노출하며 상기 복수의 프로브핀이 관통하는 복수의 가이드홀을 포함하는 프로브 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 미들 하우징은 상기 센서칩의 패드와 상기 가이드홀이 인접하여 배치되도록 상기 센서칩을 수용하는 칩 영역을 포함하는 프로브 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 프로브핀 모듈은
    복수의 프로브핀을 동시에 지지하는 지지부;
    상기 지지부를 관통하며 상기 센서칩의 패드와 상기 회로 기판의 패드와 각각 접촉하는 복수의 프로브핀;을 포함하는 프로브 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 프로브핀은 상기 센서칩 및 상기 회로 기판의 높이에 따라 길이 조절되는 프로브 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 지지부는 각각의 프로브핀이 관통하는 복수의 관통홀을 포함하고, 상기복수의 프로브핀은 상기 지지부에 의해 서로 절연되어 있는 프로브 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기복수의 프로브핀 각각은 상기 지지부 위로 일단이 노출되고, 상기 지지부 아래로 타단이 노출되며, 상기 센서칩의 패드와 상기 회로기판의 접속 패드의 전기적 연결은 상기 프로브핀의 타단에 의해 이루어지는 프로브 장치.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 상부 하우징은 상기 함몰부가 전해질 유체를 수용하도록 경사를 가지는 프로브 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 상부 하우징의 상기 가이드 영역은 상기 프로브핀 모듈의 지지부를 안착하여 지지하는 프로브핀 가이드를 더 포함하는 프로브 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 상부 하우징은 바디부를 포함하고,
    상기 프로브핀 가이드는 상부 하우징의 상기 바디부로부터 소정 높이만큼 돌출되어 형성되는 프로브 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 프로브 장치는 상기 프로브핀 가이드 위에 배치되며, 상기 프로브핀의 일단을 하우징하는 커버 가이드를 더 포함하는 프로브 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 하부 하우징은 상기 미들 하우징과 접하는 바디부를 포함하며, 상기 바디부의 상면으로부터 돌출되는 적어도 하나의 결합돌기를 포함하는 프로브 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 결합돌기는 상기 미들 하우징을 관통하고, 상기 적어도 하나의 결합돌기는 상기 상부 하우징과 결합하는 프로브 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 하부 하우징은 결합홀을 포함하고,
    상기 미들 하우징은 상기 하부 하우징의 결합홀과 중첩하는 결합홀을 포함하고,
    상기 하부 하우징은 상기 하부 하우징과 상기 미들 하우징의 결합홀들을 관통하도록 연장되는 결합부재에 의해 상기 미들 하우징에 고정되는 프로브 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 상부 하우징은 상기 하부 하우징 또는 상기 미들 하우징과 결합하도록 결합후크를 포함하는 프로브 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 프로브 모듈은 상기 수용부에 전해질 유체가 적용된 상태로 상기 회로 기판의 접속 단자를 검사 장비에 삽입하여 상기 센서칩의 기준 저항을 측정하는 프로브 장치.
  17. 적용되는 분석 시료로부터 타겟 물질을 검출하고, 상기 타겟 물질과 특이적으로 반응하는 반응물질을 가지며, 발생된 전기 신호를 패드를 통해 전달하는 센서칩 검사용 프로브 장치에 있어서,
    상기 센서칩의 회로기판을 수용하는 하부 하우징;
    상기 하부 하우징에 결합되고, 함몰부를 가지며, 상기 센서칩이 실장되는 미들 하우징;
    상기 센서칩의 패드와 상기 회로 기판의 연결 패드를 연결하기 위해 서로 전기적으로 연결된 복수의 프로브 핀을 포함하는 프로브 모듈; 및
    결합후크를 포함하고, 상기 결합후크에 의해 상기 미들 하우징 및 상기 하부하우징의 상기 함몰부에 결합되는 상부 하우징;을 포함하는 프로브 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 상부 하우징은 상기 결합후크에 회전 가능하게 연결되는 축을 더 포함하고,
    상기 축의 회전은 상기 결합후크를 상기 미들 하우징의 함몰부에 결합 또는 분리시키는 프로브 장치.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 미들 하우징은 상기 회로 기판의 연결 패드를 노출시키는 복수의 핀 개구부를 포함하고,
    상기 상부 하우징은 상기 프로브 모듈을 지지하는 프로브 핀 가이드를 포함하는 프로브 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 복수의 프로브 핀을 지지하는 복수의 개구부를 포함하는 지지부를 더 포함하고,
    상기 상부 하우징의 프로브 핀 가이드는 단차 측벽을 포함하고,
    상기 지지부는 상기 상부 하우징의 상기 프로브 핀 가이드의 단차 측벽에 배치되는 프로브 장치.
PCT/KR2023/002762 2022-04-19 2023-02-28 바이오 센서 카트리지 및 그의 검사 장치 WO2023204430A1 (ko)

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