WO2023204432A1 - 바이오 센서 카트리지 및 그를 포함하는 바이오 센서 시스템 - Google Patents

바이오 센서 카트리지 및 그를 포함하는 바이오 센서 시스템 Download PDF

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WO2023204432A1
WO2023204432A1 PCT/KR2023/002765 KR2023002765W WO2023204432A1 WO 2023204432 A1 WO2023204432 A1 WO 2023204432A1 KR 2023002765 W KR2023002765 W KR 2023002765W WO 2023204432 A1 WO2023204432 A1 WO 2023204432A1
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WO
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sensor chip
biosensor
cartridge
biosensor cartridge
circuit board
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PCT/KR2023/002765
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Inventor
임경택
이영래
최태규
김창석
공경호
김경화
김영환
김성근
여인관
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엘지전자 주식회사
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Definitions

  • This embodiment relates to a biosensor system including a biosensor cartridge including a biosensor and a biosensor trigger.
  • 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.
  • test sample is composed of liquid and induces a reaction between it and the sensor chip
  • the test sample flows into an area other than the reaction area of the sensor chip, it may contact other parts of the electrode and cause a short circuit. there is a problem.
  • This embodiment provides a biosensor cartridge including a sensor chip, and the first task is to provide an optimal structure of a receiving portion for inserting a test sample into the cartridge.
  • the second task of this embodiment is to provide a biosensor cartridge that can induce effective reaction results even with a small amount of test sample by applying a super-hydrophobic structure to the surface of the sample receiving portion of the cartridge.
  • the third task of this embodiment is to provide an optimal structure of the structure of the receiving part and the super water-repellent pattern by controlling the angle of the superhydrophobic pattern of the receiving part.
  • This embodiment includes a circuit board including a connection terminal configured to be electrically connected to an external diagnostic device;
  • a sensor chip that detects a target material from the applied analysis sample and transmits an electrical signal generated by arranging a reactive material that specifically reacts with the target material to the connection terminal of the circuit board; It includes a housing that accommodates the circuit board and the sensor chip and surrounds the circuit board and the sensor chip so that the connection terminals are exposed, is recessed from the upper surface of the housing to accommodate the analysis sample, and has a sensor area of the sensor chip.
  • a biosensor cartridge is provided, wherein an accommodating part that opens is formed, and the accommodating part is formed with a pattern structure that lowers surface energy.
  • the accommodating part of the housing has an inclined area whose diameter gradually decreases from the upper surface, and an end of the accommodating part may have an opening to open the sensor area of the sensor chip therein.
  • the inclined area of the receiving portion may have a plurality of ring-shaped pattern grooves having different diameters centered around an opening at an end of the receiving portion.
  • the plurality of pattern grooves may have a first width, have a predetermined distance, and may be arranged to be spaced apart from neighboring pattern grooves.
  • the first width may satisfy 1.5 to 4.5 times the predetermined separation distance.
  • the first width may be 100 to 250 ⁇ m, and the predetermined separation distance may be 80 to 160 ⁇ m.
  • the depth of the pattern groove can range from 25 ⁇ m to 55 ⁇ m.
  • the pattern structure formed in the inclined area may meet a micrometer size.
  • the pattern groove includes a bottom surface recessed from the inclined area and a side surface extending from the bottom surface, and the side surface may be inclined at an angle of 90 degrees or more with respect to the bottom surface.
  • the side surface of the pattern groove may be formed perpendicular to the plane of the sensor area of the sensor chip.
  • the receiving unit may further include a vertical area below the inclined area, close to the sensor area, and extending perpendicular to the inclined area.
  • the receiving portion may further include a coating layer that lowers surface energy on the superhydrophobic pattern structure.
  • the super water-repellent pattern structure may be formed by injection molding at the same time as the housing.
  • the coating layer is a fluorine-based polymer and may include one of PFA fluorine-based acrylate, methacrylate, and PFPE (perfluoro polyether).
  • the coating layer may be coated to a thickness smaller than the depth of the pattern groove.
  • the sensor area is spaced apart from a substrate, a channel area in which at least one channel is formed on the substrate, a source electrode and a drain electrode that overlap both ends of each channel and are formed to be spaced apart from each other, and the source electrode and the drain electrode, , a gate electrode that applies a bias voltage to the analysis sample, and a passivation layer that covers the entire sensor area and opens only the channel region and an upper part of the gate electrode.
  • the housing includes an upper housing in which the receiving portion is formed and a lower housing opposing the upper housing, and the upper housing and the lower housing can be integrated by fusion while accommodating the sensor chip and the circuit board. .
  • the receiving portion protrudes upward from the upper surface of the housing and may further include a guard accommodating the sample.
  • the receiving portion may further include a guide groove that surrounds the guard on the upper surface of the housing and is recessed to accommodate the sample flowing from the guard.
  • this embodiment includes a biosensor cartridge having a connection terminal exposed on one side that outputs an electrical detection signal generated according to the target material in the applied sample; And an integrated type that includes an insertion hole on the front side into which the connection terminal of the biosensor cartridge is inserted, and reads the presence or absence of the target material by analyzing the detection signal from the biosensor cartridge through the insertion hole and displays it on the display area. diagnostic equipment;
  • the biosensor cartridge includes a sensor chip including a sensor area that reacts with the target material, a circuit board connected to the sensor chip and having the connection terminal formed at one end, and the circuit board and the sensor therein.
  • a biosensor system having a structure includes a housing that covers the chip and has a receiving portion formed on the upper surface to open a portion of the sensor chip to receive the sample, and the receiving portion has a super water-repellent pattern to transfer the sample to the opened portion of the sensor chip.
  • a biosensor system having a structure is provided.
  • the sample is collected in the sensor area without remaining on the receiving part surface, so that a sufficient response can be induced even with a small amount of test sample.
  • the superhydrophobic effect can be maximized by providing an optimal structure of the receiving portion structure and the superhydrophobic pattern.
  • 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 Figure 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'.
  • Figure 8 is an enlarged view of A in Figure 6.
  • Figure 9 is a cross-sectional view of the biosensor cartridge of Figure 8 cut along line III-III'.
  • Figure 10 is an enlarged view of B of Figure 9.
  • FIG 11 shows another application example of the biosensor cartridge of Figure 10.
  • Figures 12a to 12c are diagrams showing the contact angle of a solution according to a fine pattern.
  • Figure 13 is an exploded perspective view of another example of the biosensor cartridge of Figure 1.
  • Figure 14 is a cross-sectional view of the biosensor cartridge of Figure 13 taken along line IV-IV'.
  • Figure 15 is a top view of an example of a sensor chip applicable to the biosensor cartridge of Figures 1 to 14.
  • Figure 16 is a cross-sectional view of the sensor chip of Figure 15 taken along line V-V'.
  • FIGS. 17A and 17B are schematic diagrams showing responses according to target materials of the sensor chip of FIG. 115.
  • Figure 18 is a graph showing the change in output current of the sensor chip according to Figures 17a and 17b.
  • Figure 19 is a flow chart showing the manufacturing process of the biosensor cartridge of Figure 5.
  • Figure 20 is a diagram showing a combination of a biosensor cartridge and a biosensor diagnostic device in the biosensor system of Figure 1.
  • 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, smart phone, or tablet equipped with an application.
  • 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 connection terminal 153 is disposed on one side of the biosensor cartridge 100.
  • 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 includes a display area 2551 and a cartridge insertion module 2911 where the display module 295 is placed in response to the area division of the front panel 291 (e.g., overlapping divisions in the front and rear directions). It is divided into a corresponding cartridge area 2552, 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 fix these 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 12.
  • 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'.
  • FIG. 8 is an enlarged view of A of FIG. 6
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of the biosensor cartridge of FIG. 8 cut along line III-III'
  • FIG. 10 is an enlarged view of B of FIG. 9
  • FIG. 11 is a Another application example of the biosensor cartridge of 10 is shown
  • FIGS. 12A to 12C are diagrams showing the contact angle of the solution according to the micropattern.
  • 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) may emerge from another coupling protrusion 128 (eg, a corner coupling protrusion 128).
  • another coupling protrusion 128 eg, a corner coupling protrusion 128, Alternatively, 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 substrate 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 the position, and a sensor chip 500 is placed on one side thereof.
  • a plurality of sensor protrusions 126 are formed that define the chip area 125 where ) is disposed.
  • 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 allocated, 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 connection 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 part 119 is formed with an inclined surface 116 such that the diameter w1 of the opening on the upper surface is larger than the diameter w2 of the opening at the end of the receiving part 119.
  • the diameter (w2) of the opening at the end of the receiving portion 119 may be 3 mm to 6 mm, preferably 3.8 to 4.5 mm, more preferably 4 mm to 4.3 mm, but is not limited thereto and may be used in the cartridge (100) ) can be applied in various ways depending on the overall size of the sensor chip 500 and the size of the sensor chip 500.
  • the first inclination angle ⁇ 1 of the inclined surface 116 - the angle of the inclined surface 116 with respect to the horizontal direction (x-axis) in which the sensor chip 500 is placed when viewed from the cross section in FIG. 7 - may be uniform. , Alternatively, it may have an inflection point (Q).
  • the outermost area 116a closest to the sensor area 540 may become vertical and change into a cylindrical passage.
  • the inclined surface 116 has an inclined area 116b formed at a first inclination angle ⁇ 1, and from the inclined area 116b to the lower part of the inclined area 116b after the inflection point Q. It extends and includes an outermost area 116a perpendicular to the horizontal direction (x-axis).
  • a concave groove is formed whose depth is the height from the upper surface of the upper housing 110 to the sensor area 540, and the sample is collected in the groove and stored below. A reaction is induced with the sensing material in the sensor area 540.
  • the receiving part 119 further includes a guard 114 to prevent the sample in the receiving part 119 from flowing to the outside, as shown in FIGS. 5A to 9.
  • the guard 114 may be formed in a cylindrical shape, surrounds the opening of the upper surface 111 of the upper housing 110, and is formed to protrude upward (y-axis) from the upper surface 111.
  • the diameter w1 of the guard 114 may be the same as the diameter of the opening of the upper surface 111.
  • a guard groove 113 of a predetermined depth is formed on the upper surface 111 of the upper housing 110 and surrounds the receiving portion 119.
  • the guard groove 113 is designed to prevent the sample overflowing from the receiving portion 119 from flowing out of the housing 110 and is formed to be concavely recessed from the upper surface 111 to a predetermined depth h2.
  • the depth h2 of the guard groove 113 may be formed to satisfy 1/3 to 1/2 of the top thickness of the upper housing 110.
  • 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 FIG. 6.
  • the height h1 of the guard 114 may be greater than the depth h2 of the guard groove 113, and may have a height equal to or smaller than the overall thickness of the housings 110 and 120.
  • the receiving portion 119 which contacts the sample and the sensor area 540, has a primarily concave cup shape to accommodate the sample and provide a space for the target material of the sample and the sensing material of the sensor area 540 to react with each other. do.
  • the receiving part 119 forms a guard 114 surrounding the opening of the upper surface 111 to secondarily receive the overflowing sample, thereby securing the amount of the sample and preventing the risk of the sample being exposed to the outside. there is.
  • a guard groove 113 is formed around the third guard 114 to accommodate the sample when it overflows the guard 114 or flows outside the guard 114, thereby preventing samples that may contain hazardous substances from being exposed to the outside. Exposure can be prevented.
  • the test can be safely performed by modifying the shape of the receiving portion 119 for accommodating the sample in the upper housing 110.
  • 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.
  • 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 inclined surface 116 of the receiving portion 119 includes an inclined area 116b inclined at a first inclination angle ⁇ 1
  • a plurality of inclined areas 116b are included in the inclined area 116b.
  • a super water-repellent pattern structure 171 is formed.
  • the super water-repellent pattern structure 171 is a structure for lowering the surface energy of the inclined area 116b.
  • the super water-repellent pattern structure 171 includes a plurality of pattern grooves (G) forming a concentric circle around the lower opening of the receiving portion 119, as shown in Figure 10, and a protrusion (C) between the pattern grooves (G), , the pattern grooves (G) and protrusions (C) are formed by successively crossing each other to form the super water-repellent pattern structure 171.
  • the side surface (Gw) of the pattern groove (G) ) forms the side (Gw) of the protrusion (C).
  • the continuous pattern structure 171 may be formed entirely along the inclined surface 116 of the inclined area 116b.
  • Each pattern groove G has a ring shape, and the ring shapes of the plurality of pattern grooves G are formed along the circumference of a circle with the same center and different radii, so that they do not overlap each other.
  • the contact angle of the pattern groove (G) with the sample liquid changes depending on the width (W6) of the pattern groove (G), the separation distance (W5) between the pattern grooves (G), that is, the width of the pattern protrusion (C). It can be.
  • This state is defined as the Wenzel state, hydrophilicity, or surface wetness.
  • the Cassier-Baxter state that is, hydrophobicity. Or it is defined as water repellency.
  • the contact angle formed by the liquid droplets flowing on the surface with the surface meets 100 degrees or more, and the surface flows without getting wet. Additionally, it has superhydrophobicity when the contact angle is 120 degrees or more.
  • the inclined area 116b of the receiving portion 119 is formed with a pattern structure 171 for maintaining superhydrophobicity, and the pattern structure 171 for maintaining the superhydrophobicity is formed in the pattern groove (G).
  • the width W6, the separation distance W5 between the pattern grooves G, that is, the width of the pattern protrusion C can be controlled and maintained.
  • the pattern structure 171 for superhydrophobicity is the pattern groove (G) It can be implemented by controlling the width (W6) and separation distance (W5).
  • the depth h3 of the pattern groove G satisfies the above value considering the receiving volume of the entire receiving portion 119.
  • the width W6 of the pattern groove G may be 1.5 to 4.5 times the width W5 of the pattern protrusion C.
  • the width (W6) of the pattern groove (G) satisfies 100 to 250 ⁇ m
  • the width (W5) of the pattern protrusion (C), that is, the spacing distance between the pattern grooves (G) is 80 to 160 ⁇ m. ⁇ m can be met.
  • process costs can be reduced, damage to the pattern due to laser processing can be reduced, and defects can be reduced by ensuring a sufficient separation distance between the pattern projections C.
  • a plurality of ring-shaped pattern grooves G formed in the inclined area 116b are formed continuously to have superhydrophobicity, and the sample touching the inclined area 116b is sent to the sensor area 540 below. It sheds.
  • the bottom surface (Gb) of the pattern groove (G) of the pattern structure 171 having superhydrophobicity is inclined at the first inclination angle ( ⁇ 1), which is the same as the inclination angle of the inclined surface 116, and a plurality of pattern grooves (
  • the inclination angle of the bottom surface (Gb) of G) may be the same.
  • the side surface (Gw) of the pattern groove (G) may be formed perpendicular ( ⁇ 2) to the horizontal plane, that is, the plane (X-axis) on which the sensor chip 500 is placed. Accordingly, the angle ⁇ 3 between the pattern groove G and the bottom surface Gb has a first inclination angle of 90+.
  • the side surface (Gw) of the pattern groove (G) is inclined with respect to the bottom surface (Gb) at an angle ( ⁇ 3) greater than 90 degrees, thereby separately controlling the separation angle from the mold during the injection process of forming the pattern. It can be separated in the up and down directions without having to do anything.
  • the vertical pattern structure 171 with respect to the horizontal surface allows the sample to fall and be accommodated vertically in the same manner, thereby minimizing the impact energy when falling.
  • the upper surface of the pattern projection (C) may be inclined at the same angle as the bottom surface (Gb) of the pattern groove (G).
  • the inclined surface 116 may further include a super water-repellent coating surface 170.
  • the super water-repellent coating surface 170 may be formed only on the inclined surface 116, but otherwise, it may be formed on the entire receiving portion 119, that is, the inclined surface 116, the protrusion C, and the protrusion groove G. You can.
  • the super water-repellent coating surface 170 can be formed by conformal coating a fluorine-based material to a uniform thickness.
  • Such a super water-repellent coating surface 170 may be formed to have a fourth thickness d4, and the thickness may range from several tens of nm to several ⁇ m.
  • the thickness of the coating surface 170 is significantly lower than the height of the protrusion, so it does not offset the super water-repellent pattern structure 171.
  • the biosensor cartridge of this embodiment forms a superhydrophobic pattern structure 171 on the inclined surface 116 of the receiving portion 119, so that the external 700 is formed on the inclined surface 116 having the first inclination angle ⁇ 1.
  • the sample 600 falls and settles on the inclined surface 116, even if a part of the sample 600 falls on the inclined surface 116, it is not absorbed into the inclined surface 116 due to the low surface energy of the inclined surface 116 and has a high contact angle. flows down.
  • the pattern structure 171 that lowers the surface energy flows directly downward without absorption in the inclined surface 116, so that all samples ( 600) is collected in the central sensor area 540.
  • the sample 600 is collected in the lower sensor area 540 without being absorbed by other structures, thereby reducing the amount of sample 600 input.
  • the risk of the sample 600 flowing to the outside can be significantly reduced.
  • the rear surface of the upper housing 110 may include an inclined portion to form an inclined surface 116 of the receiving portion 119.
  • the sensor area 540 of the sensor chip 500 is exposed upwardly through the sensor opening 115 of the circuit board 150, and the accommodating part is aligned with the exposed sensor area 540.
  • the lower opening of 119 is aligned.
  • the area of the receiving portion 119 closest to the sensor area 540 is called the distal end, and the furthest area from the sensor area 540 opposite the distal end is called the opening or outermost area.
  • the distal end has a diameter W2 that is smaller than the diameter W1 of the opening.
  • 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.
  • This biosensor cartridge 100 can be changed to the configuration shown in FIGS. 13 and 14.
  • the biosensor cartridge 100 according to the second embodiment may be configured as shown in FIGS. 13 and 14.
  • FIG. 13 is an exploded perspective view of another example of the biosensor cartridge 100 of FIG. 1, and FIG. 14 is a cross-sectional view of the biosensor cartridge 100 of FIG. 13 taken along the line 3-3'.
  • the biosensor cartridge 100 of FIGS. 13 and 14 has the same configuration of the lower housing 120, sensor chip 500, and circuit board 150 as the biosensor cartridge 100 of FIGS. 6 and 7, and the upper Since the attachment configuration of the housing 110 and the lower housing 120 is also the same as that in FIG. 10, description thereof will be omitted.
  • the biosensor cartridge 100 of the second embodiment may have a receiving portion 119 formed differently from that of the first embodiment.
  • the biosensor cartridge 100 includes a receiving portion 119 for accommodating a sample in the upper housing 110 and guiding it to the sensor area of the sensor chip 500 at the bottom. ) is formed.
  • 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 concave from the upper surface. It is depressed to form a cone-shaped passage, or channel, whose diameter becomes narrower as it approaches the sensor area 540.
  • the accommodating part 119 is formed with an inclined surface 118 such that the diameter W1 of the opening on the upper surface is larger than the diameter of the opening W2 at the end of the accommodating part 119.
  • the receiving part 119 is expanded so that the diameter W1 of the opening on the upper surface is wider than the area of the sensor chip 500, so that the diameter W1 of the opening on the upper surface and the diameter of the opening at the end of the receiving part 119 ( The difference in W2) is very large. Accordingly, the receiving volume can be maintained while the angle of the receiving portion 119 satisfies 50 degrees or less.
  • the diameter W1 of the opening on the upper surface may be 2 to 3 times the diameter W2 of the opening at the end of the receiving portion 119.
  • the diameter of the opening on the upper surface (W1) and the diameter of the opening at the end of the receiving part 119 (W2) The larger the difference, the larger the accommodating volume of the accommodating part 119, so that a larger amount of sample can be accommodated.
  • the inclination angle of the inclined surface 118 - When viewed from the cross section in FIG. 15, the angle of the inclined surface with respect to the horizontal direction in which the sensor chip 500 is placed may be uniform, but may otherwise have an inflection point.
  • a concave groove is formed whose depth is the height from the upper surface of the upper housing 110 to the channel area, and the sample is collected in the groove to be stored in the sensor area below ( 540) A reaction is induced with the sensing material.
  • the biosensor cartridge 100 accommodates the biosensor chip 500 inside the housings 110 and 120, and includes a circuit board ( 150) is provided to accommodate.
  • bio sensor chip 500 of this embodiment will be described with reference to FIGS. 15 to 18.
  • FIG. 15 is a top view of an example of the sensor chip 500 applicable to FIGS. 6 to 13, and FIG. 16 is a cross-sectional view of the sensor chip 500 of FIG. 15 cut along *?*-*?*', and FIG. 17A and 17B are schematic diagrams showing the response of the sensor chip 500 of FIG. 15 according to the target material, and FIG. 18 is a graph showing the change in output current of the sensor chip 500 according to FIGS. 16A and 16B.
  • 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.
  • channels 533 may be spaced at any angle.
  • One channel 533 may be patterned into a specific shape and may be made of a semiconductor material, but alternatively, it may be made of a highly reactive graphene-based material that is a highly conductive material.
  • 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. 15, 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. 17 .
  • 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 source electrode 535S is electrically connected to the source pad 511S
  • the drain electrode 535D is electrically connected to the drain pad 511D
  • the gate electrode 535G is connected to the gate pad 511G. do.
  • 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. 19.
  • Manufacturing the sensor chip 500 is a process for manufacturing the sensor chip 500 of FIGS. 15 and 16, 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. 15, 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.
  • 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 in FIG. 14, and the sensor chip 500 is functionalized (S120).
  • 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.
  • the inspection of the sensor chip 500 is performed by injecting the sensor chip 500 into an inspection equipment and connecting the inspection equipment to the exposed pad 511 to read the alignment and electrical signals of the pad 511 to determine resistance. Measure.
  • 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.
  • the circuit board 150 is made by cutting and perforating a base member, which is the base material of the circuit board 150, according to the design of the circuit board 150, forming a circuit pattern on one side of the base member, and forming the circuit pattern on one side of the base member.
  • the circuit board 150 is completed by attaching the reinforcement plate 159 to the other side of the circuit board 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 (S140).
  • 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 each be manufactured in separate molds to perform the molding process.
  • the mold when molding the upper housing 110, the mold includes the receiving portion 119 of the upper housing 110.
  • the super-hydrophobic pattern structure 171 can be formed by one-time injection without a separate process such as laser ablation, and in addition, the super-hydrophobic coating surface ( 170) can be formed.
  • 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 (S150).
  • the biosensor cartridge 100 accommodating the graphene-based multi-channel sensor chip 500 manufactured in this way is connected to the cartridge terminal in the insertion hole 2914 of the insertion module 2911 of the diagnostic device of FIG. 2, as shown in FIG. 20. (153) is inserted to authenticate the sensor cartridge 100 and diagnose the sample.
  • FIG. 20 is a diagram illustrating a combination of the biosensor cartridge 100 and the biosensor diagnostic device 200 in the biosensor system of FIG. 1 .
  • the connection terminal 153 of the biosensor cartridge 100 is connected. It is inserted into the insertion hole 2914 of the cartridge insertion module 2911 of the biosensor diagnostic device 200.
  • the sample may be body fluid such as saliva or sweat, or blood.
  • connection terminal 153 is inserted into the insertion hole 2914 of a type matching the type of the connection terminal 153.
  • Insertion of the cartridge connection terminal 153 can be performed in the same way as insertion of a USB memory, as the cartridge connection terminal 153 is similar to a USB terminal.
  • the receiving portion 119 which accommodates the sample to be tested, is located outside the diagnostic device 200, and only the connection terminal 153 enters the diagnostic device 200 through the insertion hole 2914 and transmits an electrical signal. Deliver.
  • the rear 129 of the lower housing 120 of the cartridge 100 faces the front panel 291, and the QR label 160 attached to the rear 129 of the lower housing 120 is located on the front panel. Aligned with the QR opening 293 of 291, the QR reading module 271 is turned on so that the camera reads the QR code of the QR label 160 on the rear 129 of the cartridge 100 on the QR opening 293. .
  • the calculation unit 250 decodes the QR information and extracts sensor information stored as QR information.
  • the sensor information may include the type of sensor chip 500, linker information, sensing material information, product ID, substrate ID, manufacturer information, manufacturing date, assembly date, inspection date, manufacturing number, etc.
  • the calculation unit 250 may perform authentication of the biosensor cartridge 100 with at least one cloud server 400 connectable through the wireless communication module 261.
  • correction data is downloaded from the cloud server 400 (S60), and the cartridge insertion module 2911 is driven to operate the sensor control unit 240 and the signal conversion amplifier 210. And the detection signal of the cartridge connection terminal 153 is read from the filtering unit 220.
  • the gate voltage and source voltage are transmitted to the cartridge 100 through the sensor control unit 260, and the drain current that varies accordingly is read from the signal conversion amplifier 210.
  • the drain current value read in this way is amplified, noise removed, digitized, and transmitted to the calculation unit 250.
  • the calculation unit 250 downloads the correction data for the corresponding cartridge from the cloud server 400 after authentication, and upgrades the algorithm accordingly to apply the optimized algorithm for the accumulated results of the same type of cartridge to the analysis. there is.
  • the calculation unit 250 reads the detection signal by performing an upgraded algorithm and transmits the result to the display module 295 for visualization (S70).
  • the corresponding reading result can be transmitted to the cloud server 400 and the connected user terminal 300 so that an alarm can be sent to the user from the designated user terminal 300.
  • biosensor cartridge 100 in which an error occurred before testing is performed. A classification process is required.
  • the biosensor system of this embodiment can confirm errors including risks to the current type of biosensor cartridge 100 through this authentication process.
  • 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 외부의 진단기기와 전기적으로 연결 가능하도록 구성되는 접속단자를 포함하는 회로기판; 적용된 분석 시료로부터 타겟 물질을 감지하고, 상기 타겟 물질과 특이 반응하는 반응 물질이 배치되어 발생된 전기적인 신호를 상기 회로기판의 상기 접속단자로 전송하는 센서칩; 상기 회로기판과 상기 센서칩을 수용하며 상기 접속단자가 노출되도록 상기회로기판과 상기 센서칩을 둘러싸는 하우징을 포함하며, 상기 하우징의 상면으로부터 함몰되어 상기 분석 시료를 수용하며 상기 센서칩의 센서 영역을 개방하는 수용부가 형성되며, 상기 수용부는 표면 에너지를 낮추는 패턴구조가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 바이오 센서 카트리지를 제공한다. 따라서, 카트리지에 검사 시료를 투입하는 최적의 수용부의 구조를 제공하여 검사 시료가 외부로 흘러들어가는 것을 최소화할 수 있어, 내부 소자 및 외부 단자를 보호할 수 있으며, 진단기기와 결합 시에 진단 기기로 시료가 투습하는 것을 방지할 수 있다.

Description

바이오 센서 카트리지 및 그를 포함하는 바이오 센서 시스템
본 실시예는 바이오 센서를 포함하는 바이오 센서 카트리지 및 바이오 센서 트리지를 포함하는 바이오 센서 시스템에 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.
또한, 검사 시료가 액체로 구성되어 이와 센서칩의 반응을 유도하는 바이오 센서칩의 경우, 상기 검사 시료가 센서칩의 반응 영역 이외의 영역으로 흘러들어가게 되면 전극의 다른 부분과 접촉하여 쇼트가 발생하는 문제가 있다.
이를 위해 검사 시료를 수용하는 구조적인 변형이 요구되나, 검사 시료를 수용 영역에 정확하게 투입할 것을 일반 사용자에게 기대하기 어렵고, 검사 시료를 위한 수용 영역의 면적을 넓게 적용하는 것은 카트리지 자체의 면적의 확대를 유발하여 비용 및 휴대 용이성이 저해된다.
[선행기술문헌]
한국공개특허공보 제2010-0136159호 (공개일 : 2010.12.28.)
한국공개특허공보 제2020-0144550호 (공개일 : 2020.12.29.)
본 실시예는 센서칩을 포함하는 바이오 센서 카트리지를 제공하며, 카트리지에 검사 시료를 투입하는 최적의 수용부의 구조를 제공하는 데 제1 과제가 있다.
본 실시예의 제2 과제는 카트리지의 시료 수용부의 표면에 초발수 구조를 적용함으로써 적은 양의 검사 시료에 의하여도 유효한 반응 결과를 유도할 수 바이오 센서 카트리지를 제공하는 것이다.
본 실시예의 제3 과제는 수용부의 초발수 패턴의 각도를 제어함으로써 수용부의 구조와 초발수 패턴의 최적 구조를 제공하는 것이다.
본 실시예는 외부의 진단기기와 전기적으로 연결 가능하도록 구성되는 접속단자를 포함하는 회로기판; 적용된 분석 시료로부터 타겟 물질을 감지하고, 상기 타겟 물질과 특이 반응하는 반응 물질이 배치되어 발생된 전기적인 신호를 상기 회로기판의 상기 접속단자로 전송하는 센서칩; 상기 회로기판과 상기 센서칩을 수용하며 상기 접속단자가 노출되도록 상기회로기판과 상기 센서칩을 둘러싸는 하우징을 포함하며, 상기 하우징의 상면으로부터 함몰되어 상기 분석 시료를 수용하며 상기 센서칩의 센서 영역을 개방하는 수용부가 형성되며, 상기 수용부는 표면 에너지를 낮추는 패턴구조가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 바이오 센서 카트리지를 제공한다.
상기 하우징의 상기 수용부는 상면으로부터 직경이 점차적으로 감소하는 경사 영역을 가지며, 상기 수용부의 단부는 내부의 상기 센서칩의 상기 센서 영역을 개방하도록 개구를 가질 수 있다.
상기 수용부의 경사 영역은 상기 수용부의 단부의 개구를 중심으로 서로 다른 직경을 가지는 링 형상의 복수의 패턴홈이 형성될 수 있다.
상기 복수의 패턴홈은 제1 폭을 가지고, 소정의 이격 거리를 가지며 이웃한 패턴홈과 이격되어 배치될 수 있다.
제1 폭은 상기 소정의 이격 거리의 1.5배 내지 4.5배를 충족할 수 있다.
제1 폭이 100 내지 250 μm이고, 상기 소정의 이격 거리는 80 내지 160 μm 을 충족할 수 있다.
상기 패턴홈의 깊이는 25 μm 내지 55μm 을 충족할 수 있다.
상기 경사 영역에 형성되는 상기 패턴구조는 마이크로미터 사이즈를 충족할 수 있다.
상기 패턴홈은 상기 경사 영역으로부터 함몰되는 바닥면 및 상기 바닥면으로부터 연장되는 측면을 포함하며, 상기 측면은 상기 바닥면에 대하여 90도 이상의 각도로 기울어져 있을 수 있다.
상기 패턴홈의 상기 측면은 상기 센서칩의 상기 센서 영역의 평면에 대하여 수직하게 형성될 수 있다.
상기 수용부는 상기 경사 영역 하부로 상기 센서 영역과 근접하여 상기 경사영역과 연장되어 수직하게 형성되는 수직 영역을 더 포함할 수 있다.
상기 수용부는 상기 초발수 패턴구조 위에 표면 에너지를 낮추는 코팅층을 더 포함할 수 있다.
상기 초발수 패턴구조는 상기 하우징과 동시에 사출되어 형성될 수 있다.
상기 코팅층은 불소계 고분자로, PFA 불소계 아크릴레이트, 메타크릴레이트, PFPE(perfluoro polyether) 중 하나를 포함할 수 있다.
상기 코팅층은 패턴홈의 깊이보다 작은 두께로 코팅될 수 있다.
상기 센서 영역은 기판, 상기 기판 위에 상기 채널이 적어도 하나 형성되어 있는 채널 영역, 각각의 상기 채널의 양 단과 중첩하며 서로 이격하여 형성되어 있는 소스 전극 및 드레인 전극, 상기 소스 전극 및 드레인 전극과 이격되며, 상기 분석 시료에 바이어스 전압을 인가하는 게이트 전극, 및 상기 센서 영역 전체를 커버하며 상기 채널 영역과 상기 게이트 전극의 상부만을 개방하는 패시베이션층을 포함할 수 있다.
상기 하우징은 상기 수용부가 형성되어 있는 상부 하우징 및 상기 상부 하우징에 대향하는 하부 하우징을 포함하며, 상기 상부 하우징 및 상기 하부 하우징은 상기 센서칩 및 상기 회로 기판을 수용한 상태로 융착되어 일체화될 수 있다.
상기 수용부는 상기 하우징의 상면으로부터 상방으로 돌출되며 상기 시료를 수용하는 가드를 더 포함할 수 있다.
상기 수용부는 상기 하우징의 상면에서 상기 가드를 둘러싸며 함몰되어 상기 가드로부터 흐르는 상기 시료를 수용하는 가이드 홈을 더 포함할 수 있다.
한편, 본 실시예는 적용된 시료 내의 타겟 물질에 따라 생성되는 전기적인 감지 신호를 출력하는 접속단자가 일측에 노출되어 있는 바이오 센서 카트리지; 및 상기 바이오 센서 카트리지의 상기 접속단자가 인입되는 삽입홀을 전면에 포함하며, 상기 삽입홀로부터 상기 바이오 센서 카트리지로부터의 상기 감지 신호를 분석하여 상기 타겟 물질의 유무를 판독하여 디스플레이 영역에 표시하는 일체형의 진단기기; 를 포함하며, 상기 바이오 센서 카트리지는 상기 타겟 물질과 반응하는 센서 영역을 포함하는 센서칩, 상기 센서칩과 연결되며 상기 접속단자가 일단에 형성되어 있는 회로기판, 그리고 내부에 상기 회로기판과 상기 센서칩을 수용하도록 커버하며, 상면에 상기 센서칩의 일부를 개방하여 상기 시료를 수용하는 수용부가 형성되어 있는 하우징을 포함하고, 상기 수용부는 상기 시료를 개방된 상기 센서칩의 일부로 전달하도록 초발수패턴구조를 가지는 바이오 센서 시스템을 제공한다.
상기 해결 수단을 통하여, 카트리지에 검사 시료를 투입하는 최적의 수용부의 구조를 제공하여 검사 시료가 외부로 흘러들어가는 것을 최소화할 수 있어, 내부 소자 및 외부 단자를 보호할 수 있으며, 진단기기와 결합 시에 진단 기기로 시료가 투습하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 카트리지의 시료 수용부의 표면에 초발수 구조를 적용하여 수용부 면에 잔재하지 않고, 시료가 센서 영역으로 집합되어 검사 시료의 양을 적게 투입하여도 충분한 반응을 유도할 수 있다.
그리고, 수용부의 초발수 패턴의 각도를 제어함으로써 수용부의 구조와 초발수 패턴의 최적 구조를 제공하여 초발수 효과를 극대화할 수 있다.
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 A를 확대한 것이다.
도 9는 도 8의 바이오 센서 카트리지를 Ⅲ-Ⅲ'으로 절단한 단면도이다.
도 10은 도 9의 B를 확대한 것이다.
도 11은 도 10의 바이오 센서 카트리지의 다른 적용예를 도시한 것이다.
도 12a 내지 도 12c는 미세패턴에 따른 용액의 접촉각을 나타내는 도면이다.
도 13은 도 1의 바이오 센서 카트리지의 다른 예에 대한 분해 사시도이다.
도 14는 도 13의 바이오 센서 카트리지를 Ⅳ-Ⅳ'으로 절단한 단면도이다.
도 15는 도 1 내지 도 14의 바이오 센서 카트리지에 적용가능한 센서칩의 일 예의 상면도이다.
도 16은 도 15의 센서칩을 Ⅴ-Ⅴ'으로 절단한 단면도이다.
도 17a 및 도 17b는 도 115의 센서칩의 타겟 물질에 따른 반응을 나타내는 도식도이다.
도 18은 도 17a 및 도 17b에 의한 센서칩의 출력 전류 변화를 나타내는 그래프이다.
도 19은 도 5의 바이오 센서 카트리지의 제조 공정을 나타내는 순서도이다.
도 20은 도 1의 바이오 센서 시스템에서 바이오 센서 카트리지가 바이오 센서 진단기기와 결합되는 결합도이다.
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 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 접속단자(153)는 상기 바이오센서 카트리지(100)의 일측에 배치된다. 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 12를 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. 이때, 도 8은 도 6의 A를 확대한 것이고, 도 9는 도 8의 바이오 센서 카트리지를 Ⅲ-Ⅲ'으로 절단한 단면도이고, 도 10은 도 9의 B를 확대한 것이며, 도 11은 도 10의 바이오 센서 카트리지의 다른 적용예를 도시한 것이고, 도 12a 내지 도 12c는 미세패턴에 따른 용액의 접촉각을 나타내는 도면이다.
도 5a 내지 도 12를 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 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. 연결 부재(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.
이하에서는 도 8 내지 도 12를 참고하여 상부 하우징(110)의 수용부(119)에 대하여 상세히 설명한다.
상기 수용부(119)는 상면의 개구의 직경(w1)이 수용부(119) 끝단의 개구의 직경(w2)보다 크도록 경사면(116)을 가지며 형성된다.
수용부(119) 끝단의 개구의 직경(w2)은 3mm 내지 6mm일 수 있으나, 바람직하게는 3.8 내지 4.5mm, 더욱 바람직하게는 4mm 내지 4.3mm를 충족할 수 있으나, 이에 한정되지 않고 카트리지(100)의 전체 크기 및 센서칩(500)의 크기에 따라 다양하게 적용 가능하다.
이때, 경사면(116)의 제1 경사각(θ1)- 도 7에서의 단면에서 볼 때, 센서칩(500)이 놓이는 수평 방향(x축)에 대한 경사면(116)의 각도-은 균일할 수 있으나, 이와 달리 변곡점(Q)을 가질 수도 있다.
즉, 센서 영역(540)에 근접할수록 제1 경사각(θ1)이 커지면서 센서 영역(540)에 가장 근접한 최외각 영역(116a)에서는 수직을 이루어 원통형태의 통로로 변경될 수 있다.
즉, 도 10과 같이 경사면(116)이 제1 경사각(θ1)으로 이루어진 경사 영역(116b)을 가지고, 상기 경사 영역(116b)의 하부로 상기 변곡점(Q) 이후에는 상기 경사 영역(116b)으로부터 연장되며 수평 방향(x축)에 대하여 수직한 최외각 영역(116a)을 포함한다.
이와 같이 수용부(119)가 경사면(116)을 가짐으로써 상부 하우징(110)의 상면으로부터 센서 영역(540)에 이르는 높이를 깊이로 가지는 오목한 홈이 형성되며, 상기 홈에 시료가 포집되어 아래의 센서 영역(540)의 감지 물질과 반응이 유도된다.
한편, 상기 수용부(119)는 도 5a 내지 도 9와 같이 수용부(119)의 시료가 외부로 흐르는 것을 방지하기 위한 방지하기 위한 가드(114)를 더 포함한다. 상기 가드(114)는 원통형으로 형성될 수 있으며, 상기 상부 하우징(110)의 상면(111)의 개구를 둘러싸며 상면(111)으로부터 위로(y축으로) 돌출되도록 형성된다.
따라서, 상기 가드(114)의 직경(w1)은 상기 상면(111)의 개구의 직경과 동일할 수 있다.
상기 상부 하우징(110)의 상면(111)에는 상기 수용부(119)를 둘러싸며 소정 깊이의 가드홈(113)이 형성되어 있다. 상기 가드홈(113)은 상기 수용부(119)로부터 흘러넘치는 시료가 하우징(110) 외부로 흐르는 것을 방지하기 위한 것으로 상면(111)으로부터 소정 깊이(h2)만큼 오목하게 함몰되도록 형성된다.
상기 가드홈(113)의 깊이(h2)는 상기 상부 하우징(110)의 상면 두께에 대하여 1/3 내지 1/2를 충족하도록 형성될 수 있다.
상기 가드홈(113)은 가드(114)의 형상과 동일하게 원형으로 형성될 수 있으나, 도 6과 같이 상기 가드(114)로부터 최소 거리(d2) 이상을 가지는 사각형의 형상으로 형성될 수 있다.
상기 가드(114)의 높이(h1)는 상기 가드홈(113)의 깊이(h2)보다 클 수 있으며, 상기 하우징(110, 120)의 전체 두께와 같거나 작은 높이를 가질 수 있다.
이와 같이 시료와 센서 영역(540)이 맞닿는 수용부(119)는 1차로 오목한 컵 형상을 가지게 되어 시료를 수용하고 시료의 타겟 물질과 센서 영역(540)의 감지 물질이 서로 반응할 공간을 제공하게 된다. 또한, 상기 수용부(119)는 상면(111)의 개구를 둘러싸는 가드(114)를 형성하여 넘치는 시료를 2차로 수용함으로써 시료의 양을 확보하고, 외부로 시료가 노출되는 위험을 방지할 수 있다.
또한, 3차로 가드(114) 주변에 가드 홈(113)을 형성하여 시료가 가드(114)를 넘치거나 가드(114) 외부로 흐르는 경우 이를 수용함으로써 위험 물질이 함유되어 있을 수 있는 시료가 외부에 노출되는 것을 방지할 수 있다.
이와 같이, 상부 하우징(110)에 시료를 수용하기 위한 수용부(119)의 형상을 변형함으로써 안전하게 검사를 진행할 수 있다.
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.
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 있도록 수용부(119)에 초발수 패턴구조(171)가 적용되어 있다.
구체적으로 도 10 및 도 11을 참고하면, 상기 수용부(119)의 경사면(116)이 제1 경사각(θ1)으로 기울어진 경사 영역(116b)을 포함할 때, 상기 경사 영역(116b)에 복수의 초발수 패턴구조(171)가 형성되어 있다.
상기 초발수 패턴구조(171)는 경사 영역(116b)의 표면 에너지를 낮추기 위한 구조물이다.
경사면(116)의 표면 에너지가 낮을수록 표면에의 물 접촉각이 커져 시료의 부착량이 적어진다.
적은 양의 검사 시료가 경사면(116)에 주입되는 경우, 상기 경사면(116)의 낮은 표면 에너지에 의해 경사면(116)에 고정되지 않고 아래로 흐르도록 유도한다.
초발수 패턴구조(171)는 도 10과 같이 상기 수용부(119)의 하부 개구를 중심으로 동심원을 이루는 복수의 패턴홈(G)과 상기 패턴홈(G) 사이의 돌기(C)를 포함하며, 상기 패턴홈(G)과 돌기(C)가 연속적으로 교차하여 형성되어 상기 초발수 패턴구조(171)를 이룬다.
즉, 상기 패턴홈(G)의 바닥면(Gb)과 상기 바닥면(Gb)의 양 옆의 측면(Gw)이 상기 패턴홈(G)을 이룰 때, 상기 패턴홈(G)의 측면(Gw)이 상기 돌기(C)의 측면(Gw)을 이룬다.
이와 같이 연속된 패턴구조(171)는 경사 영역(116b)의 경사면(116)을 따라 전체적으로 형성되어 있을 수 있다.
각각의 패턴홈(G)은 링 형상(Ring shape)을 가지며, 복수의 패턴홈(G)의 상기 링 형상이 동일한 중심을 가지며 서로 다른 반경을 가지는 원의 원주를 따라 형성되어 서로 중첩되지 않는다.
이와 같은 패턴홈(G)은 패턴홈(G)의 폭(W6), 패턴홈(G) 사이의 이격거리(W5), 즉 패턴돌기(C)의 폭에 따라 시료인 액체와의 접촉각이 변경될 수 있다.
도 12a와 같이, 표면의 표면 에너지가 높을수록 표면을 흐르는 액체는 표면에 부착되어 흐르지 않고 정지하며, 액적의 구 형상을 유지하지 못한다. 이와 같은 상태를 Wenzel 상태, 친수성 또는 표면의 젖음으로 정의하며, 그와 반대로 도 12b와 같이 액적이 구 형상을 유지하면서 액체와 표면의 접촉각(θa)이 100도 이상인 경우 Cassier-Baxter 상태, 즉 소수성 또는 발수성으로 정의한다.
따라서, 표면 에너지가 매우 낮아 표면이 발수성을 가질 때, 표면을 흐르는 액체의 액적이 표면과 이루는 접촉각이 100도 이상을 충족하며, 표면이 젖지 않고 흐르게 된다. 또한, 접촉각이 120도 이상일 때 초발수성을 갖는다.
실시예에 따른 수용부(119)의 경사 영역(116b)은 초발수성을 갖기 위한 패턴구조(171)가 형성되어 있으며, 상기 초발수성을 유지하기 위한 패턴구조(171)는 패턴홈(G)의 폭(W6), 패턴홈(G) 사이의 이격거리(W5), 즉 패턴돌기(C)의 폭을 제어하여 유지할 수 있다.
구체적으로, 상기 패턴홈(G)의 깊이(h3)가 25 μm 내지 55μm, 바람직하게는 30 μm 내지 50 μm로 고정되어 있을 때, 상기 초발수성을 위한 패턴구조(171)는 패턴홈(G)의 폭(W6)과 이격거리(W5)를 제어하는 것으로 구현될 수 있다.
패턴홈(G)의 깊이(h3)는 전체 수용부(119)의 수용 체적을 고려하여 상기 수치 내를 충족한다.
상기 패턴홈(G)의 폭(W6)은 상기 패턴돌기(C)의 폭(W5)의 1.5배 내지 4.5배일 수 있다.
바람직하게는 이때, 상기 패턴홈(G)의 폭(W6)은 100 내지 250 μm를 충족하며, 상기 패턴돌기(C)의 폭(W5), 즉 상기 패턴홈(G)의 이격 거리는 80 내지 160 μm 을 충족할 수 있다.
이와 같이, 미토콘 단위의 패턴을 형성함으로써, 충분한 초발수 효과를 구현할 수 있으며, 나노 패턴보다 큰 사이즈의 패턴을 형성함으로써 레이저 가공으로 진행하지 않고, 상부 하우징(110)의 사출 공정 시에 금형으로 함께 형성 가능하다.
따라서, 공정 비용이 절감되고, 레이저 가공에 따른 패턴의 손상을 줄일 수 있으며, 패턴돌기(C)와 패턴돌기(C) 사이에 충분한 이격 거리가 보장되어 불량을 줄일 수 있다.
이와 같이, 상기 경사 영역(116b)에 형성되는 링 형상의 복수의 패턴홈(G)이 연속적으로 형성되어 초발수성을 가지며, 상기 경사 영역(116b)에 닿는 시료를 아래의 센서 영역(540)으로 흘린다.
이때, 상기 초발수성을 가지는 패턴구조(171)의 패턴홈(G)의 바닥면(Gb)은 상기 경사면(116)의 경사각과 동일한 제1 경사각(θ1)으로 기울어져 있으며, 복수의 패턴홈(G)의 바닥면(Gb)의 경사각은 동일할 수 있다.
또한, 상기 패턴홈(G)의 측면(Gw)은 수평면, 즉 센서칩(500)이 놓여지는 평면(X축)에 대하여 수직(θ2)하게 형성될 수 있다. 따라서, 상기 패턴홈(G)과 상기 바닥면(Gb) 사이의 각도(θ3)는 90+제1 경사각을 가진다.
이와 같이 패턴홈(G)의 측면(Gw)이 90도보다 큰 각도(θ3)로 상기 바닥면(Gb)에 대하여 기울어짐으로써 상기 패턴을 형성하는 사출 공정 시에 금형과의 분리 각도를 별도로 제어하지 않고 상하 방향으로 분리 가능하다.
또한, 이와 같은 수평면에 대한 수직 패턴구조(171)는 시료가 이와 동일하게 수직하게 낙하하여 수용되므로 낙하 시의 충돌 에너지를 최소로 할 수 있다.
이때, 패턴돌기(C)의 상면은 패턴홈(G)의 바닥면(Gb)과 동일한 각도로 경사질 수 있다.
한편, 도 11과 같이 경사면(116)에 초발수코팅면(170)을 더 포함할 수 있다.
상기 초발수코팅면(170)은 상기 경사면(116)에만 형성될 수 있으나, 이와 달리 수용부(119) 전체, 즉, 경사면(116), 돌기(C), 돌기홈(G) 전체에 형성될 수 있다.
상기 초발수코팅면(170)은 불소계 재료를 균일한 두께로 컨포멀 코팅하여 형성할수 있다. 불소계 재료는 불소계 고분자 H2C=CHCO2(CH2)xCyFz인 PFA 불소계 아크릴레이트 또는 메타크릴레이트, 또는 PFPE(perfluoro polyether)를 포함할 수 있다.
이와 같은 초발수코팅면(170)은 제4 두께(d4)를 갖도록 형성될 수 있으며, 상기 두께는 수십nm 내지 수 μm 를 충족할 수 있다.
즉, 이와 같은 코팅면(170)의 두께는 돌기의 높이보다 현저하게 낮게 형성됨으로써 초발수 패턴구조(171)를 상쇄하지 않는다.
도 12c와 같이 본 실시예의 바이오 센서 카트리지는 수용부(119)의 경사면(116)에 초발수성 패턴구조(171)를 형성함으로써, 제1 경사각(θ1)을 가지는 경사면(116)에 외부(700)로부터 시료(600)가 낙하하여 안착되는 경우, 상기 경사면(116)에 시료(600)의 일부가 낙하하여도 경사면(116)의 낮은 표면 에너지에 의해 경사면(116)에 흡수되지 않고 높은 접촉각을 가지며 아래로 흐른다.
즉, 경사면(116)의 제1 경사각(θ1)에 의해 하방으로 흐르는 구조에 더하여 표면 에너지를 낮추는 패턴구조(171)에 의해 경사면(116)에 흡수 없이 바로 하방으로 흐르게 되어 빠른 시간 내에 모든 시료(600)가 중앙의 센서 영역(540)에 포집된다.
따라서, 적은 양의 시료(600)를 투입하더라도 다른 구조체에 흡수됨 없이 모두 하부의 센서 영역(540)으로 시료(600)가 포집됨으로써 시료(600)의 투입 량을 줄일 수 있으며, 시료(600)의 양이 줄어 시료(600)가 외부로 흐를 위험을 현저히 줄일 수 있다.
한편, 상부 하우징(110)의 배면은 상기 수용부(119)의 경사면(116)이 형성되도록 경사진 부분을 포함할 수 있다.
따라서, 도 9와 같이 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 말단부라고 하고, 센서 영역(540)에서 말단부에 대향하는 가장 먼 영역을 개구 또는 최외곽 영역이라고 한다. 말단부는 개구의 직경 W1보다 작은 직경 W2를 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.
이와 같은 바이오 센서 카트리지(100)는 도 13 및 도 14와 같은 구성으로 변경 가능하다.
제2 실시예에 따른 바이오 센서 카트리지(100)는 도 13 및 도 14와 같이 구성될 수 있다.
도 13는 도 1의 바이오 센서 카트리지(100)의 다른 예에 대한 분해 사시도이고, 도 14는 도 13의 바이오 센서 카트리지(100)를 ₃-₃'으로 절단한 단면도이다.
도 13 및 도 14의 바이오 센서 카트리지(100)는 하부 하우징(120), 센서칩(500) 및 회로 기판(150)의 구성은 도 6 및 도 7의 바이오 센서 카트리지(100)와 동일하고, 상부 하우징(110)과 하부 하우징(120)의 부착 구성 역시 도 10과 동일하므로 이에 대한 설명은 생략한다.
상기 제2 실시예의 바이오 센서 카트리지(100)는 수용부(119)가 제1 실시예와 상이하게 형성될 수 있다.
도 13 및 도 14를 참고하면, 제2 실시예에 따른 바이오 센서 카트리지(100)는 상부 하우징(110)에 시료를 수용하여 하부의 센서칩(500)의 센서 영역까지 유도하기 위한 수용부(119)가 형성되어 있다.
구체적으로, 상기 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 상면으로부터 오목하게 함몰되어 센서 영역(540)에 다다를수록 직경이 좁아지는 원뿔형태의 통로, 즉 채널을 형성한다.
따라서, 상기 수용부(119)는 상면의 개구의 직경(W1)이 수용부(119) 끝단의 개구(W2)의 직경보다 크도록 경사면(118)을 가지며 형성된다.
상기 수용부(119)는 상면의 개구의 직경(W1)이 센서칩(500)의 면적보다 넓도록 확장되어 있어 상기 상면의 개구의 직경(W1)과 수용부(119) 끝단의 개구의 직경(W2)의 차가 매우 크다. 따라서, 상기 수용부(119)의 각도가 50도 이하를 충족하면서도 수용 체적을 유지할 수 있다.
일 예로, 상면의 개구의 직경(W1)은 수용부(119) 끝단의 개구의 직경(W2)의 2 내지 3배를 충족할 수 있다.
상면의 개구의 직경(W1)과 수용부(119) 끝단의 개구의 직경(W2)의 차가 클수록 수용부(119)의 수용 부피가 커짐으로써 많은 양의 시료를 수용할 수 있다.
이때, 경사면(118)의 경사각- 도 15에서의 단면에서 볼 때, 센서칩(500)이 놓이는 수평 방향에 대한 경사면의 각도는 균일할 수 있으나, 이와 달리 변곡점을 가질 수도 있다.
즉, 센서 영역(540)에 근접할수록 경사각이 커지면서 센서 영역에 가장 근접한 최외각 영역에서는 수직을 이루어 원통형태의 통로로 변경될 수 있다.
이와 같이 수용부(119)가 경사면(118)을 가짐으로써 상부 하우징(110)의 상면으로부터 채널 영역에 이르는 높이를 깊이로 가지는 오목한 홈이 형성되며, 상기 홈에 시료가 포집되어 아래의 센서 영역(540)의 감지 물질과 반응이 유도된다.
이와 같이 바이오 센서 카트리지(100)는 하우징(110, 120) 내부에 바이오 센서칩(500)을 수용하고, 상기 센서칩(500)의 감지 정보를 외부 진단기기(200)로 전달하기 위한 회로 기판(150)을 수용하도록 제공된다.
앞서 설명한 도 8 내지 도 12c의 초발수성 패턴 구조 역시 도 13 및 도 14의 경사면(118)에 적용되어 있으며, 그에 대한 설명은 동일하므로 생략한다.
이하에서는 도 15 내지 도 18을 참고하여 본 실시예의 바이오 센서칩(500)에 대하여 설명한다.
도 15는 도 6 내지 도 13에 적용가능한 센서칩(500)의 일 예의 상면도이고, 도 16는 도 15의 센서칩(500)을 *?*-*?*'으로 절단한 단면도이고, 도 17a 및 도 17b는 도 15의 센서칩(500)의 타겟 물질에 따른 반응을 나타내는 도식도이며, 도 18은 도 16a 및 도 16b에 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 15 및 도 16을 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 15와 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 17a와 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 17a 및 도 17b를 참고하면 센서칩(500)의 반응에 따른 전기적 감지 신호를 설명할 수 있다.
도 17a와 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 17과 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 17b와 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 17b와 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 15에서는 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. 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 15에서는 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 19과 같은 공정을 통해 제조된다.
이하에서는 도 19을 참고하여, 본 명세서의 그래핀 기반 멀티 채널 센서칩(500)을 제조하는 방법을 설명한다.
도 19를 참고하면, 먼저 반도체 웨이퍼 위에 센서칩(500) 제조를 위한 센서칩(500) 패터닝을 수행한다(S100).
센서칩(500) 제조는 도 15 및 도 16의 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 15와 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.
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(S110).
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 14의 센서칩(500)으로 정의되며, 상기 센서칩(500)의 기능화를 수행한다(S120).
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(S130).
상기 센서칩(500)의 검사는 상기 센서칩(500)을 검사 장비에 주입하고 노출되어 있는 패드(511)에 검사 장비를 접속하여 상기 패드(511)의 얼라인 및 전기적 신호를 읽어들여 저항을 측정한다.
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 형성하고, 상기 회로 기판(150)의 타측에 보강판(159)을 부착하여 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(S140).
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 있으며, 이때, 상부 하우징(110)의 몰딩 시 상기 금형에는 상부 하우징(110)의 수용부(119) 경사면에 초발수 패턴 구조(171)를 함께 형성하도록 제조될 수 있다.
이와 같이, 폴리 카보네이트 등의 수지물을 상기 금형에 주입한 후 상기 금형을 상하 방향으로 제거하면 경사면(116)에 초발수 패턴구조(171)가 형성되어 있는 상부 하우징(110)이 제조된다.
따라서, 별도의 레이저 어블레이션 등의 공정 없이 한번의 사출에 의해 초발수 패턴구조(171)가 형성될 수 있으며, 추가적으로 상기 상부 하우징(110)의 수용부(119)에 선택적으로 초발수코팅면(170)을 형성할 수 있다.
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(S150).
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(S160). 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 도 20와 같이 도 2의 진단기기의 삽입 모듈(2911)의 삽입홀(2914)에 카트리지의 접합 단자(153)가 삽입되어 센서 카트리지(100)의 인증과 시료에 대한 진단을 진행한다.
도 20은 도 1의 바이오 센서 시스템에서 바이오 센서 카트리지(100)가 바이오 센서 진단기기(200)와 결합되는 결합도이다.
도 20과 같이, 본 실시예에 따른 바이오 센서 시스템 내에서 상기 바이오 센서 카트리지(100)의 수용부(119)에 검체 대상인 시료가 수용되면, 상기 바이오 센서 카트리지(100)의 접속단자(153)를 바이오 센서 진단기기(200)의 카트리지 삽입 모듈(2911)의 삽입홀(2914)에 인입한다.
상기 시료는 앞서 설명한 바와 같이, 타액, 땀 등의 체액이나 혈액 등일 수 있다.
삽입홀(2914)이 복수개 배치되어 있는 경우, 상기 접속단자(153)의 타입과 매칭되는 타입의 삽입홀(2914)에 상기 접속단자(153)가 인입된다.
이와 같은 카트리지 접속단자(153)의 인입은 카트리지 접속단자(153)가 usb 단자와 유사한 바, usb 메모리 삽입과 동일하게 진행될 수 있다.
이와 같이 바이오 센서 카트리지(100)와 상기 바이오 센서 진단기기(200)가 분석을 위해 결합되면, 도 20과 같은 상태가 유지된다.
즉, 검사 대상인 시료가 수용된 수용부(119)는 진단기기(200)의 외부에 위치하고, 접속단자(153)만이 삽입홀(2914)을 통해 진단기기(200) 내로 진입되어 있는 상태에서 전기적 신호를 전달한다.
상기 카트리지(100)의 하부 하우징(120)의 후면(129)이 상기 전면 패널(291)에 대향하며, 상기 하부 하우징(120)의 후면(129)에 부착되어 있는 QR 라벨(160)이 전면 패널(291)의 QR 개구부(293)와 정렬하며, QR 리딩 모듈(271)이 턴온되어 카메라가 QR 개구부(293) 상의 카트리지(100) 후면(129)의 QR 라벨(160)의 QR 코드를 읽어들인다.
상기 연산부(250)는 QR 정보를 복호화하여 QR 정보로 저장되어 있는 센서 정보를 추출한다. 이때, 센서 정보는 센서칩(500) 종류, 링커 정보, 감지 물질 정보, 제품 ID , 기판 ID, 제조사 정보, 제조 일자, 조립 일자, 검사 일자, 제조 번호 등을 포함할 수 있다.
연산부(250)는 무선통신모듈(261)을 통해 연결가능한 적어도 하나의 클라우드 서버(400)로 상기 바이오 센서 카트리지(100)의 인증을 수행할 수 있다.
상기 바이오 센서 카트리지(100)가 정품인 경우, 상기 클라우드 서버(400)로부터 보정 데이터를 다운로드하고(S60), 카트리지 삽입 모듈(2911)을 구동하여 센서 제어부(240), 신호변환증폭부(210) 및 여과부(220)로부터 카트리지 접속단자(153)의 감지 신호를 읽어들인다.
이때, 센서 제어부(260)를 통해 카트리지(100)로 게이트 전압과 소스 전압을 전송하고, 그에 따라 가변되는 드레인 전류를 신호변환증폭부(210)에서 읽어들인다.
이와 같이 읽어들인 드레인 전류 값은 증폭하고 노이즈 제거한 후, 디지털화하여 연산부(250)로 전달된다.
상기 전송된 디지털화된 감지 신호인 드레인 전류 값을 저장되어 있는 알고리즘을 실행하여 해당 감지 신호를 해독함으로써 현재 카트리지(100)에 수용되어 있는 시료 내에 타겟 물질이 존재하는지 여부를 판독한다.
이때, 연산부(250)는 정품 인증 후 클라우드 서버(400)로부터 해당 카트리지에 대한 보정 데이터를 다운로드하고, 그에 따라 해당 알고리즘을 업그레이드함으로써 누적된 동종의 카트리지 결과에 대한 최적화된 알고리즘을 분석에 적용할 수 있다.
연산부(250)는 업그레이드된 알고리즘을 수행하여 감지 신호를 판독하고 그 결과를 디스플레이 모듈(295)로 전달하여 시각화한다(S70).
또한, 해당 판독 결과를 클라우드 서버(400)에 전송하고, 연결되어 있는 사용자 단말(300)에 전송하여 지정된 사용자 단말(300)로부터 사용자에게 알람할 수 있도록 동작할 수 있다.
바이오 센서는 가품인지 여부를 확인하기 용이하지 않고, 진품이라 할지라도 센서의 오류가 제조 및 판매 이후에 누적된 검사 데이터로부터 발견되는 경우가 많아 검사 진행 이전에 오류가 발생한 바이오 센서 카트리지(100)를 분류하는 과정이 요구된다.
본 실시예의 바이오 센서 시스템은 이와 같은 인증 절차를 통해 현재 해당 종류의 바이오 센서 카트리지(100)에 대한 위험을 포함하는 오류에 대한 확인을 수행할 수 있다.
또한, 카트리지(100) 삽입과 동시에 정품 인증이 수행됨으로써, 별도의 QR 리더기를 활용하여 인증을 수행한 후, 정품 인증된 카트리지를 진단기기(200)에 적용하여 진단을 하는 2 단계의 동작이 하나의 동작으로 융합될 수 있다. 따라서, 사용자의 편의성이 증대되며, 카트리지의 정품 인증과 카트리지의 진단이 거의 동시에 이루어지고, 카트리지가 삽입된 상태에서 진행되므로 해당 카트리지의 진단 결과와 카트리지의 정보가 혼합되지 않고, 명확하게 매칭될 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
110: 상부 하우징
120: 하부 하우징
150: 회로 기판
140: 연결 부재
171: 초발수 패턴구조

Claims (20)

  1. 외부의 진단기기와 전기적으로 연결 가능하도록 구성되는 접속단자를 포함하는 회로기판;
    적용된 분석 시료로부터 타겟 물질을 감지하고, 상기 타겟 물질과 특이 반응하는 반응 물질이 배치되어 발생된 전기적인 신호를 상기 회로기판의 상기 접속단자로 전송하는 센서칩;
    상기 회로기판과 상기 센서칩을 수용하며 상기 접속단자가 노출시키는 하우징
    을 포함하며,
    상기 하우징는 수용부를 가지는 상면을 포함하고, 상기 수용부는 경사면을 포함하고, 상기 센서칩의 센서 영역을 개방하고, 상기 분석 시료를 수용하며,
    상기 수용부의 상기 경사면에는 상기 분석 시료의 표면 에너지를 낮추는 패턴구조가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 바이오 센서 카트리지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하우징의 상기 수용부의 직경은 상기 하우징의 상기 상면으로부터 점차적으로 감소하고, 상기 수용부의 단부는 내부의 상기 센서칩의 상기 센서 영역을 개방하도록 개구를 가지는 것을 특징으로 하는 바이오 센서 카트리지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 패턴구조는 서로 다른 직경을 가지는 링 형상의 복수의 패턴홈을 포함하고,
    상기 수용부의 개구는 상기 수용부의 중심에 형성되는 바이오 센서 카트리지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 패턴홈의 각각은 제1 폭을 가지고, 상기 복수의 패턴홈은 소정의 이격 거리를 가지며 이웃한 패턴홈과 이격되어 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 바이오 센서 카트리지.
  5. 제4항에 있어서,
    제1 폭은 상기 소정의 이격 거리의 1.5배 내지 4.5배를 충족하는 것을 특징으로 하는 바이오 센서 카트리지.
  6. 제5항에 있어서,
    제1 폭이 100 내지 250 μm이고, 상기 소정의 이격 거리는 80 내지 160 μm 을 충족하는 것을 특징으로 하는 바이오 센서 카트리지.
  7. 제4항에 있어서,
    각각의 상기 패턴홈의 깊이는 25 μm 내지 55μm 을 충족하는 것을 특징으로 하는 바이오 센서 카트리지.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 경사면에 형성되는 상기 패턴구조는 마이크로미터 사이즈를 충족하는 특징으로 하는 바이오 센서 카트리지.
  9. 제4항에 있어서,
    각각의 상기 패턴홈은 바닥면 및 상기 바닥면으로부터 연장되는 측면을 포함하며,
    상기 패턴홈 각각에 대하여 측면은 상기 바닥면에 대하여 90도 이상의 각도로 기울어져 있는 것을 특징으로 하는 바이오 센서 카트리지.
  10. 제9항에 있어서,
    각각의 상기 패턴홈의 상기 측면은 상기 센서칩의 상기 센서 영역의 평면에 대하여 수직하게 형성되는 것을 특징으로 하는 바이오 센서 카트리지.
  11. 제4항에 있어서,
    상기 수용부는 상기 하우징의 상면으로부터 멀어지는 방향으로 상기 경사면으로부터 연장되는 수직면을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 센서 카트리지.
  12. 제4항에 있어서,
    상기 수용부는 상기 패턴구조 위에 표면 에너지를 낮추는 코팅층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 센서 카트리지.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 패턴구조는 상기 하우징과 동시에 사출되어 형성되는 것을 특징으로 하는 바이오 센서 카트리지.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 코팅층은 불소계 고분자로, PFA 불소계 아크릴레이트, 메타크릴레이트, PFPE(perfluoro polyether) 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 센서 카트리지.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 코팅층은 패턴홈의 깊이보다 작은 두께로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 바이오 센서 카트리지.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 센서 영역은
    기판,
    상기 기판 위에 상기 채널이 적어도 하나 형성되어 있는 채널 영역,
    상기 적어도 하나의 채널과 중첩되는 소스 전극,
    상기 적어도 하나의 채널과 중첩되고, 상기 소스 전극과 이격하여 형성되어 있는 드레인 전극,
    상기 소스 전극 및 드레인 전극과 이격되며, 상기 분석 시료에 바이어스 전압을 인가하는 게이트 전극, 및
    상기 센서 영역을 커버하며 상기 채널 영역과 상기 게이트 전극의 상부만을 개방하는 패시베이션층
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 센서 카트리지.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 하우징은 상기 수용부가 형성되어 있는 상부 하우징 및 상기 상부 하우징에 대향하는 하부 하우징을 포함하며,
    상기 상부 하우징 및 상기 하부 하우징은 상기 센서칩 및 상기 회로 기판을 수용한 상태로 융착되어 일체화되는 것을 특징으로 하는 바이오 센서 카트리지.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 수용부는 상기 하우징의 상면으로부터 상방으로 돌출되며 상기 시료를 수용하는 가드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 센서 카트리지.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 수용부는 상기 하우징의 상면에서 상기 가드를 둘러싸며 함몰되어 상기 가드로부터 흐르는 상기 시료를 수용하는 가이드 홈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 센서 카트리지.
  20. 적용된 시료 내의 타겟 물질에 따라 생성되는 전기적인 감지 신호를 출력하는 접속단자가 일측에 노출되어 있는 바이오 센서 카트리지; 및
    디스플레이 장치 및 상기 바이오 센서 카트리지의 상기 접속단자가 인입되는 삽입홀을 전면에 포함하며, 상기 삽입홀로부터 상기 바이오 센서 카트리지로부터의 상기 감지 신호를 분석하여 상기 타겟 물질의 유무를 판독하여 상기 디스플레이 장치에 표시하는 일체형의 진단기기;
    를 포함하며,
    상기 바이오 센서 카트리지는
    상기 타겟 물질과 반응하는 센서 영역을 포함하는 센서칩, 상기 센서칩과 연결되며 상기 접속단자가 일단에 형성되어 있는 회로기판, 그리고 내부에 상기 회로기판과 상기 센서칩을 수용하도록 커버하며, 상면에 상기 센서칩의 일부를 개방하여 상기 시료를 수용하는 수용부가 형성되어 있는 하우징을 포함하고,
    상기 수용부는 상기 시료를 개방된 상기 센서칩의 일부로 전달하도록 패턴구조를 가지는 바이오 센서 시스템.
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