KR101624638B1 - Nano-wire resonator having side gate - Google Patents

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Abstract

측면 게이트를 구비하는 나노와이어 공진기를 개시한다. 개시된 나노와이어 공진기에 따르면, 나노와이어 진동부를 압전 재료로 구성하거나 또는 일반적인 나노와이어에 압전 재료를 코팅하고, 상기 진동부의 양측에 측면 게이트를 더 배치함으로써, 진동부의 강성도를 증가시킬 수 있다. 진동부의 강성도가 증가하게 되면, 진동부의 공진 주파수가 더욱 증가하게 되어 나노와이어 공진기의 Q 팩터가 증가될 수 있다. 따라서, 개시된 나노와이어 공진기는 진동부에 흡착된 물질의 질량을 더욱 높은 측정 정밀도로 측정 가능하게 할 수 있다.A nanowire resonator having a side gate is disclosed. According to the disclosed nanowire resonator, the stiffness of the vibrating portion can be increased by constructing the nanowire vibrating portion with a piezoelectric material or by coating a general nanowire with a piezoelectric material, and further arranging side gates on both sides of the vibrating portion. When the stiffness of the vibrating part is increased, the resonance frequency of the vibrating part is further increased, and the Q factor of the nanowire resonator can be increased. Thus, the disclosed nanowire resonator can make the mass of material adsorbed on the vibrating portion measurable with higher measurement accuracy.

Description

측면 게이트를 구비하는 나노와이어 공진기{Nano-wire resonator having side gate}[0001] The present invention relates to a nanowire resonator having a side gate,

측면 게이트를 구비하는 나노와이어 공진기를 개시한다. 더욱 상세하게는, 나노와이어 공진기에서, 진동부의 양측에 측면 게이트를 배치함으로써 진동부의 공진 주파수를 증가시켜 Q 팩터를 증가시키는 기술을 개시한다.A nanowire resonator having a side gate is disclosed. More specifically, in a nanowire resonator, a technique of increasing a Q factor by increasing a resonance frequency of a vibrating portion by arranging side gates on both sides of the vibrating portion is disclosed.

나노 센서는 나노 규모의 구조물을 이용하여 매우 미세한 양의 측정을 가능하게 한다. 현재, 나노 센서의 종류는 측정하고자 하는 대상에 따라 무게 센서, 압력 센서 또는 휨 센서 등과 같은 물리량 센서, 열 센서, 광학 센서, 전자기 센서, 방사선 센서, 생분자 센서, 가스/액체 센서 등이 있다. 이들 중에서 가스/액체 센서가 근래에 가장 큰 시장을 형성할 것으로 예측되며, 이어서 물리량 센서, 광학센서, 전자기 센서, 생분자 센서, 방사선 센서 등의 수요가 증가할 것으로 예상되고 있다. 이러한 나노 센서는, 예를 들어, 탄소 나노튜브 , 반도체 나노와이어, 스핀트로닉스(spintronics), 분자 소자, 플라스틱 전자 소자(plastic electronics), 나노점(nanodot), 양자점(quantum dot) 또는 나노전기기계시스템(NEMS; nano electro mechanical system) 등을 이용하여 구성될 수 있다. 그 밖에도 전기적 방식의 나노센서인 나노 전계효과 트랜지스터(nano-FET), 레이저 및 광학 시스템을 이용하여 신호를 얻어내는 MEMS(micro electro mechanical system) 또는 NEMS 캔틸레버 센서도 제안되고 있다. 또한, 캔틸레버 위에 MOSFET(금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터, metal oxide semiconductor field-effect transistor)을 결합시키거나 금 나노박막을 결합시켜 전기 전도도의 변화를 측정하는 나노 센서도 존재한다.Nanosensors enable very small quantities of measurement using nanoscale structures. At present, the types of nanosensors include physical sensors such as weight sensors, pressure sensors, and flexural sensors, heat sensors, optical sensors, electromagnetic sensors, radiation sensors, biomolecular sensors, and gas / liquid sensors depending on the object to be measured. Among them, gas / liquid sensors are expected to form the largest market in recent years, and it is expected that the demand of physical quantity sensors, optical sensors, electromagnetic sensors, biomolecule sensors, radiation sensors and the like will increase. Such a nanosensor can be, for example, a carbon nanotube, a semiconductor nanowire, a spintronics, a molecular device, a plastic electronics, a nanodot, a quantum dot, A nano electro mechanical system (NEMS), or the like. In addition, a micro electro mechanical system (MEMS) or a NEMS cantilever sensor for obtaining a signal by using a nano-field effect transistor (nano-FET), a laser and an optical system, which is an electrical nanosensor, has been proposed. There is also a nanosensor that couples a MOSFET (metal oxide semiconductor field-effect transistor) on a cantilever or bonds a gold nanotube to measure the change in electrical conductivity.

예를 들어, 질량 분석기(mass spectrometer) 등에서 분자 단위의 무게를 측정하는데 사용될 수 있는 물리량 센서 중에는, 나노와이어 공진기가 있다. 나노와이어 공진기는 소스와 게이트 사이에 나노와이어로 이루어진 진동부가 현가되어 있는 구조를 갖는다. 이러한 구조에서 소스에 고주파의 교류 전류를 인가하면 나노와이어 진동부가 진동하게 되는데, 이때 나노와이어 진동부의 표면에 어떠한 물질이 흡착되면 나노와이어 진동부의 공진 주파수가 변하게 된다. 따라서 나노와이어 진동부의 공진 주파수 변화를 감지하여 나노와이어 진동부의 표면에 흡착된 물질의 질량을 측정하는 것이 가능하다. 이러한 나노와이어 공진기에서, 측정 해상도 및 감도를 높이기 위한 다양한 기술이 제안되고 있다. 나노와이어 공진기의 측정 감도를 높이기 위해서는 나노와이어 공진기의 Q 팩터를 증가시킬 필요가 있다.For example, among physical quantity sensors that can be used to measure molecular weight in a mass spectrometer or the like, there is a nanowire resonator. The nanowire resonator has a structure in which a vibrating portion composed of nanowires is suspended between a source and a gate. In this structure, when a high frequency alternating current is applied to the source, the nanowire vibrating portion vibrates. At this time, when a substance is adsorbed on the surface of the nanowire vibrating portion, the resonant frequency of the nanowire vibrating portion is changed. Therefore, it is possible to measure the mass of the substance adsorbed on the surface of the nanowire vibrating part by sensing the resonance frequency change of the nanowire vibrating part. In such a nanowire resonator, various techniques for increasing measurement resolution and sensitivity have been proposed. In order to increase the measurement sensitivity of the nanowire resonator, it is necessary to increase the Q factor of the nanowire resonator.

Q 팩터가 증가된 나노와이어 공진기를 제공한다.And provides a nanowire resonator with increased Q factor.

본 발명의 일 측면에 따른 나노와이어 공진기는, 기판; 상기 기판의 상면 위에서 서로 대향하여 각각 배치된 소스와 드레인; 상기 소스와 드레인 사이에 진동 가능하게 현가되어 있는 진동부; 및 상기 진동부의 양측면에 각각 대향하여 배치된 제 1 및 제 2 측면 게이트를 포함할 수 있다.A nanowire resonator according to one aspect of the present invention includes: a substrate; A source and a drain arranged opposite to each other on the upper surface of the substrate; A vibrating part vibratably suspended between the source and the drain; And first and second side gates disposed on opposite sides of the vibrating portion, respectively.

여기서, 상기 진동부는 압전 재료로 이루어진 압전 나노와이어일 수 있다.Here, the vibrating part may be a piezoelectric nanowire made of a piezoelectric material.

또한, 나노와이어 공진기는, 상기 소스, 드레인 및 측면 게이트와 상기 기판 사이를 전기적으로 절연시키도록 상기 기판의 상부 표면 위에 배치된 절연층을 더 포함할 수 있다.The nanowire resonator may further include an insulating layer disposed over the upper surface of the substrate to electrically isolate the source, drain, and side gates from the substrate.

예를 들어, 상기 기판은 후방 게이트의 역할을 하도록 전도성 재료로 이루어질 수 있다.For example, the substrate may be made of a conductive material to serve as a back gate.

또한, 나노와이어 공진기는, 외부의 구동 전원으로부터 공급되는 전류를 상기 소스로 전달하기 위하여 상기 소스에 연결된 제 1 전극 패드, 및 상기 진동부에서 발생하는 진동 신호를 외부의 분석 회로에 전달하기 위하여 상기 드레인에 연결된 제 2 전극 패드를 더 포함할 수 있다.The nanowire resonator may further include a first electrode pad connected to the source for transmitting a current supplied from an external driving power source to the source and a second electrode pad connected to the source for transmitting the vibration signal generated in the vibrating unit to an external analysis circuit. And a second electrode pad connected to the drain.

예를 드렁, 상기 제 1 전극 패드는 상기 기판과 상기 소스 사이에 배치되며, 상기 제 2 전극 패드는 상기 기판과 상기 드레인 사이에 배치될 수 있다.For example, the first electrode pad may be disposed between the substrate and the source, and the second electrode pad may be disposed between the substrate and the drain.

상기 진동부의 압전 재료는, 예컨대, ZnO 또는 ZnS를 포함할 수 있다.The piezoelectric material of the oscillating portion may include, for example, ZnO or ZnS.

이러한 구조에서, 상기 제 1 측면 게이트와 제 2 측면 게이트에 동일한 극성의 전압이 인가될 수 있다.In this structure, voltages of the same polarity may be applied to the first side gate and the second side gate.

한편, 본 발명의 다른 측면에 따른 나노와이어 공진기는, 기판; 상기 기판의 상면 위에서 서로 대향하여 각각 배치된 소스와 드레인; 상기 소스와 드레인 사이에 진동 가능하게 현가되어 있는 진동부; 및 상기 진동부의 양측면에 각각 대향하여 배치된 다수의 측면 게이트를 포함할 수 있으며, 여기서 상기 진동부는 나노와이어 및 상기 나노와이어를 둘러싸는 압전 코팅층을 포함할 수 있으며, 상기 다수의 측면 게이트들은 상기 진동부의 양측면에서 상기 진동부의 양단부 부근에 각각 배치될 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a nanowire resonator comprising: a substrate; A source and a drain arranged opposite to each other on the upper surface of the substrate; A vibrating part vibratably suspended between the source and the drain; And a plurality of side gates disposed opposite each other on opposite sides of the vibrating portion, wherein the vibrating portion may include a nanowire and a piezoelectric coating layer surrounding the nanowire, And can be disposed in the vicinity of both ends of the vibrating part on both sides of the part.

예를 들어, 상기 나노와이어는 SiN로 이루어질 수 있으며, 상기 압전 코팅층은 PLZT로 이루어질 수 있다.For example, the nanowire may be made of SiN, and the piezoelectric coating layer may be made of PLZT.

또한, 상기 다수의 측면 게이트들은 상기 진동부의 일측 단부의 양측면에서 서로 대향하여 배치된 제 1 및 제 3 측면 게이트와 상기 진동부의 타측 단부의 양측면에서 서로 대향하여 배치된 제 2 및 제 4 측면 게이트를 포함할 수 있다.The plurality of side gates may include first and third side gates disposed on opposite sides of one side of the vibrating portion and second and fourth side gates disposed opposite to each other on both sides of the other end of the vibrating portion, .

이러한 구조에서, 상기 제 1 측면 게이트와 제 3 측면 게이트에 서로 반대 극성의 전압이 인가되고, 상기 제 2 측면 게이트와 제 4 측면 게이트에 서로 반대 극성의 전압이 인가될 수 있다.In this structure, voltages of opposite polarities may be applied to the first side gate and the third side gate, and voltages of opposite polarities may be applied to the second side gate and the fourth side gate.

개시된 나노와이어 공진기에 따르면, 나노와이어 진동부를 압전 재료로 구성하거나 또는 일반적인 나노와이어에 압전 재료를 코팅하고, 상기 진동부의 양측에 측면 게이트를 더 배치함으로써, 진동부의 강성도(stiffness)를 증가시킬 수 있다. 진동부의 강성도가 증가하게 되면, 진동부의 공진 주파수가 더욱 증가하게 되어 나노와이어 공진기의 Q 팩터가 증가될 수 있다. 따라서, 개시된 나노와이어 공진기는 진동부에 흡착된 물질의 질량을 더욱 높은 측정 정밀도로 측정 가능하게 할 수 있다.According to the disclosed nanowire resonator, the stiffness of the vibrating portion can be increased by constructing the nanowire vibrating portion with a piezoelectric material or by coating a piezoelectric material on a general nanowire, and further arranging side gates on both sides of the vibrating portion . When the stiffness of the vibrating part is increased, the resonance frequency of the vibrating part is further increased, and the Q factor of the nanowire resonator can be increased. Thus, the disclosed nanowire resonator can make the mass of material adsorbed on the vibrating portion measurable with higher measurement accuracy.

도 1은 본 발명의 일 예에 따른 나노와이어 공진기의 개략적인 구조를 나타내는 평면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 나노와이어 공진기의 A-A' 라인에 따른 단면도를 도시한다.
도 3은 도 1에 도시된 나노와이어 공진기의 동작을 설명하는 평면도이다.
도 4a 및 도 4b는 도 1에 도시된 나노와이어 공진기의 Q 팩터 증가를 설명한다.
도 5는 본 발명의 다른 예에 따른 나노와이어 공진기의 개략적인 구조를 나타내는 평면도이다.
도 6은 도 5에 도시된 나노와이어 공진기의 동작을 설명하는 평면도이다.1 is a plan view showing a schematic structure of a nanowire resonator according to an example of the present invention.
2 shows a cross-sectional view along line AA 'of the nanowire resonator shown in FIG.
3 is a plan view illustrating the operation of the nanowire resonator shown in FIG.
4A and 4B illustrate the Q factor increase of the nanowire resonator shown in FIG.
5 is a plan view showing a schematic structure of a nanowire resonator according to another example of the present invention.
6 is a plan view illustrating the operation of the nanowire resonator shown in FIG.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 측면 게이트를 구비하는 나노와이어 공진기에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.Hereinafter, a nanowire resonator having a side gate will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following drawings, like reference numerals refer to like elements, and the size of each element in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of explanation.

도 1은 본 발명의 일 예에 따른 나노와이어 공진기(10)의 개략적인 구조를 나타내는 평면도이다. 도 1을 참조하면, 나노와이어 공진기(10)는 절연층(12) 위에 서로 대향하여 각각 배치된 소스(15)와 드레인(16), 상기 소스(15)와 드레인(16) 사이에 진동 가능하게 현가되어 있는 진동부(17), 및 상기 진동부(17)의 양측면에 각각 대향하여 배치된 측면 게이트(18a,18b)를 포함할 수 있다. 도 1의 평면도에서는 보이지 않지만, 절연층(12)의 아래에는 기판(11)이 더 배치될 수 있다. 또한, 상기 소스(15)에는 외부의 구동 전원으로부터 공급되는 전류를 소스(15)로 전달하기 위한 제 1 전극 패드(13)가 연결될 수 있다. 마찬가지로, 상기 드레인(16)에는 진동부(17)에서 발생하는 진동 신호를 외부의 분석 회로에 전달하기 위한 제 2 전극 패드(14)가 연결될 수 있다. 또한, 상기 진동부(17)의 양단부는 소스(15)와 드레인(16)의 상부 표면 위에 고정되거나, 또는 소스(15)와 드레인(16)의 서로 대향하는 양 측면에 고정되도록 배치될 수 있다. 이러한 진동부(17)는, 예를 들어 ZnO이나 ZnS와 같은 압전 재료로 이루어진 나노와이어일 수 있다. 즉, 진동부(17)는 압전 특성을 갖는 압전 나노와이어일 수 있다.1 is a plan view showing a schematic structure of a nanowire resonator 10 according to an example of the present invention. 1, a nanowire resonator 10 includes a source 15 and a drain 16 disposed oppositely to each other on an insulating layer 12, a vibrator 16 between the source 15 and the drain 16, And a side gate 18a and a side gate 18b disposed on opposite sides of the vibrating portion 17, respectively. Although not shown in the plan view of Fig. 1, the substrate 11 may be further disposed under the insulating layer 12. [ In addition, the source 15 may be connected to a first electrode pad 13 for transmitting a current supplied from an external driving power source to the source 15. Similarly, the drain 16 may be connected to a second electrode pad 14 for transmitting a vibration signal generated in the vibration unit 17 to an external analysis circuit. Both ends of the vibration portion 17 may be fixed on the upper surface of the source 15 and the drain 16 or may be arranged to be fixed on both sides of the source 15 and the drain 16 opposite to each other . The vibrating portion 17 may be a nanowire made of a piezoelectric material such as ZnO or ZnS. That is, the vibration section 17 may be a piezoelectric nanowire having piezoelectric characteristics.

도 2는 도 1에 도시된 나노와이어 공진기(10)의 A-A' 라인에 따른 단면도를 도시하고 있다. 도 2를 참조하면, 나노와이어 공진기(10)는 기판(11), 기판(11) 위에 배치된 절연층(12), 절연층(12)의 상면 위에 각각 대향하도록 배치된 제 1 전극 패드(13)와 제 2 전극 패드(14), 제 1 전극 패드(13) 위에 배치된 소스(15), 제 2 전극 패드(14) 위에 배치된 드레인(16), 및 소스(15)와 드레인(16) 사이에 걸쳐 현가된 진동부(17)를 포함할 수 있다. 도 2의 단면도에서는, 진동부(17)의 양측면에 각각 배치된 측면 게이트(18a,18b)가 보이지 않는다.FIG. 2 shows a cross-sectional view along line A-A 'of the nanowire resonator 10 shown in FIG. 2, the nanowire resonator 10 includes a substrate 11, an insulating layer 12 disposed on the substrate 11, a first electrode pad 13 (not shown) disposed on the upper surface of the insulating layer 12, And a drain 16 disposed on the second electrode pad 14 and a source 15 and a drain 16 disposed on the first electrode pad 13 and the second electrode pad 14, And a vibrating portion 17 suspended between the two vibrating portions. In the sectional view of Fig. 2, the side gates 18a and 18b disposed on both side surfaces of the vibration portion 17 are not seen.

여기서, 기판(11)은 예를 들어 실리콘(Si)과 같은 도전성 기판일 수 있으며, 소스(15)에 인가되는 교류 전류의 주파수와는 상이한 주파수를 갖는 다른 교류 전류가 인가되는 후방 게이트(back gate)의 역할을 할 수 있다. 절연층(12)은 예를 들어 SiO2와 같은 실리콘 산화물 또는 다른 절연성 유전체 재료로 이루어질 수 있다. 절연층(12)은 소스(15), 드레인 및 측면 게이트(18a,18b)와 기판(11) 사이를 전기적으로 절연시키는 역할을 한다. 또한, 도 2에는 절연층(12)과 소스(15) 사이에 제 1 전극 패드(13)가 배치되고 절연층(12)과 드레인(16) 사이에 제 2 전극 패드(14)가 배치되는 것으로 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 절연층(12) 위에 소스(15)와 드레인(16)이 직접 배치되는 것도 가능하다. 이 경우, 제 1 전극 패드(13)는 절연층(12) 위에서 소스(15)의 일측과 전기적으로 연결되도록 배치될 수 있다. 마찬가지로, 이 경우에 제 2 전극 패드(14)는 절연층(12) 위에서 드레인(16)의 일측과 전기적으로 연결되도록 배치될 수 있다. 또한, 도 2에는 진동부(17)의 양단부가 소스(15)와 드레인(16)의 상부 표면에 배치된 것으로 도시되어 있지만, 위에서 설명한 바와 같이, 소스(15)와 드레인(16)의 서로 대향하는 두 측면에 고정되도록 진동부(17)를 형성하는 것도 가능하다.Here, the substrate 11 may be a conductive substrate such as, for example, silicon (Si), and may be a back gate to which a different alternating current having a frequency different from the frequency of the alternating current applied to the source 15 is applied. ) Can play a role. Insulating layer 12 may, for example, be formed of silicon oxide or other insulating dielectric material such as SiO 2. The insulating layer 12 serves to electrically isolate the source 15, the drain, and the side gates 18a, 18b from the substrate 11. 2 shows that the first electrode pad 13 is disposed between the insulating layer 12 and the source 15 and the second electrode pad 14 is disposed between the insulating layer 12 and the drain 16 However, the present invention is not limited thereto. For example, it is also possible that the source 15 and the drain 16 are disposed directly on the insulating layer 12. In this case, the first electrode pad 13 may be disposed so as to be electrically connected to one side of the source 15 on the insulating layer 12. Likewise, in this case, the second electrode pad 14 may be arranged to be electrically connected to one side of the drain 16 above the insulating layer 12. 2 shows that both ends of the vibrating portion 17 are disposed on the upper surface of the source 15 and the drain 16 but the source 15 and the drain 16 are opposed to each other It is also possible to form the vibration portion 17 so as to be fixed to the two side surfaces.

상술한 나노와이어 공진기(10)의 구성에서, 도시되지 않은 구동부를 통해 소스(15)에 제 1 주파수(w)를 갖는 교류 전류를 인가하면, 압전 나노와이어로 이루어진 진동부(17)가 수축/팽창을 반복하면서 빠르게 진동하게 된다. 이때, 진동부(17)의 표면에 어떤 물질이 흡착되면 전체적인 질량 변화로 인해 진동부(17)의 공진 주파수가 변하게 된다. 이러한 진동부(17)의 공진 주파수 변화를 감지하면 상기 진동부(17)에 흡착된 물질의 질량을 분석하는 것이 가능하다. 진동부(17)의 공진 주파수 변화는, 드레인(16)에 연결된 외부의 분석 회로(도시되지 않음)가 드레인(16)으로부터 제공되는 진동 신호의 변화를 감지함으로써 알 수 있다. 이때, 공진 주파수 변화를 더욱 정확하게 측정하기 위하여 후방 게이트의 역할을 하는 기판(11)에 상기 제 1 주파수(w)와는 약간 다른 제 2 주파수(w+Δw)를 갖는 교류 전류를 인가할 수도 있다. 그러나, 본 발명에서 기판(11)이 후방 게이트의 역할을 하는 것은 선택적인 구성이다. 예를 들어, 기판(11)은 게이트의 역할을 하지 않고 단순히 절연성 기판으로서 역할만을 할 수도 있다. 이 경우, 기판(11)은 절연성 재료로 이루어질 수 있으며, 기판(11) 위의 절연층(12)은 생략될 수도 있다. 이러한 구동 교류 전류의 인가 및 진동 신호의 분석 방법은 당업자에게 이미 알려져 있으므로 더 상세한 설명을 생략한다. When the alternating current having the first frequency (w) is applied to the source 15 through the driving unit (not shown) in the above-described structure of the nanowire resonator 10, the vibrating unit 17 composed of the piezoelectric nanowire is shrunk / It rapidly vibrates while repeating expansion. At this time, if a substance is adsorbed on the surface of the vibration part 17, the resonance frequency of the vibration part 17 is changed due to a change in the mass of the whole part. When the resonance frequency change of the vibration unit 17 is sensed, it is possible to analyze the mass of the substance adsorbed to the vibration unit 17. The resonance frequency change of the vibration section 17 can be detected by detecting an external analysis circuit (not shown) connected to the drain 16 by detecting a change in the vibration signal provided from the drain 16. At this time, an alternating current having a second frequency (w +? W) slightly different from the first frequency (w) may be applied to the substrate 11 serving as a back gate in order to more accurately measure the resonance frequency change. However, in the present invention, it is an optional configuration that the substrate 11 serves as a back gate. For example, the substrate 11 does not serve as a gate but may simply serve as an insulating substrate. In this case, the substrate 11 may be made of an insulating material, and the insulating layer 12 on the substrate 11 may be omitted. The application of the driving AC current and the method of analyzing the vibration signal are already known to those skilled in the art and will not be described in detail.

한편, 본 발명의 일 예에 따른 나노와이어 공진기(10)는 Q 팩터를 증대시켜 나노와이어 공진기(10)의 정밀도를 더욱 향상시키기 위하여, 진동부(17)의 양측면에 각각 대향하여 배치된 측면 게이트(18a,18b)를 이용할 수 있다. 도 3은 이러한 측면 게이트(18a,18b)를 이용한 나노와이어 공진기(10)의 동작을 설명하기 위한 평면도이다. 도 3을 참조하면, 압전 나노와이어로 이루어진 진동부(17)의 양측에 배치된 제 1 측면 게이트(18a)와 제 2 측면 게이트(18b)에 각각 동일한 극성의 전압을 인가할 수 있다. 예를 들어, 제 1 측면 게이트(18a)와 제 2 측면 게이트(18b)에 동일한 양(+)의 전압을 인가할 수 있다. 도 1 및 도 3에는 진동부(17)의 양측에 각각 하나씩의 측면 게이트(18a,18b)가 도시되어 있으나, 예를 들어 일정한 간격으로 배열된 다수의 측면 게이트들의 어레이가 진동부(17)의 양측에 각각 배치될 수도 있다.The nanowire resonator 10 according to an exemplary embodiment of the present invention includes a plurality of nanowire resonators 10 disposed on opposite sides of the vibrating unit 17 for increasing the Q factor and further improving the precision of the nanowire resonator 10, (18a, 18b) can be used. 3 is a plan view for explaining the operation of the nanowire resonator 10 using the side gates 18a and 18b. Referring to FIG. 3, voltages of the same polarity may be applied to the first side gate 18a and the second side gate 18b, which are disposed on both sides of the vibrating portion 17 made of the piezoelectric nanowire. For example, the same positive voltage may be applied to the first side gate 18a and the second side gate 18b. 1 and 3 show one side gate 18a and one side gate 18b on both sides of the vibrating part 17, but an array of a plurality of side gates arranged at regular intervals, for example, They may be disposed on both sides.

그러면, 일반적인 압전 소자의 역압전 효과(inverse piezoelectric effect)에 따라, 도 3에 도시된 바와 같이, 압전 나노와이어로 이루어진 진동부(17)가 폭 방향으로 팽창하게 된다. 이렇게 진동부(17)의 폭이 증가하게 되면 진동부(17)에 작용하는 장력(tension)이 증가하게 되며, 그 결과 상기 진동부(17)의 강성도도 역시 증가하게 되어 진동부(17)의 공진 주파수가 높아지게 된다. 더욱이, 진동부(17)의 폭이 증가하게 되면서 제 1 및 제 2 측면 게이트(18a,18b)와 가까워지게 되면 쿨롱 상호작용(Coulomb interaction)에 의해 진동부(17)의 장력이 더욱 증가하게 된다.Then, according to the inverse piezoelectric effect of a general piezoelectric element, as shown in Fig. 3, the vibration portion 17 made of the piezoelectric nanowire expands in the width direction. As the width of the vibrating part 17 increases, the tension acting on the vibrating part 17 increases, and as a result, the stiffness of the vibrating part 17 also increases, The resonance frequency becomes high. Further, as the width of the vibrating portion 17 is increased, when the first and second side gates 18a and 18b are brought closer to each other, the tension of the vibrating portion 17 is further increased by the Coulomb interaction .

이에 따라, 나노와이어 공진기(10)의 Q 팩터를 증대시켜 더욱 정밀한 측정이 가능해진다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 측면 게이트(18a,18b)에 양의 전압을 인가하기 전에는, 진동부(17)가 도 4a에 도시된 것과 같은 주파수 특성을 보이기 때문에, 물질의 흡착에 의해 진동부(17)의 공진 주파수가 변화하더라도, 물질의 질량이 작으면 그 변화가 뚜렷하게 나타나지 않을 수 있다. 반면, 상기 제 1 및 제 2 측면 게이트(18a,18b)에 양의 전압을 인가하면, 진동부(17)가 도 4b에 도시된 것과 같은 매우 뾰족한 주파수 특성을 보이기 때문에, Q 팩터가 증가하여 약간의 질량 변화로도 공진 주파수의 변화가 상대적으로 커지게 될 수 있다. 따라서, 개시된 나노와이어 공진기(10)는 진동부(17)에 흡착된 물질의 질량을 더욱 높은 측정 정밀도로 측정 가능하게 할 수 있다.As a result, the Q factor of the nanowire resonator 10 can be increased to enable more precise measurement. For example, before the positive voltage is applied to the first and second side gates 18a and 18b, since the vibration portion 17 exhibits the frequency characteristic as shown in Fig. 4A, Even if the resonance frequency of the earthen portion 17 changes, if the mass of the substance is small, the change may not be apparent. On the other hand, when a positive voltage is applied to the first and second side gates 18a and 18b, since the vibrating portion 17 exhibits a very sharp frequency characteristic as shown in Fig. 4B, the Q factor increases to slightly The change in the resonance frequency can be relatively large even with a change in mass. Thus, the disclosed nanowire resonator 10 can make mass of material adsorbed to the vibrating section 17 measurable with higher measurement precision.

도 5는 본 발명의 다른 예에 따른 나노와이어 공진기(20)의 개략적인 구조를 나타내는 평면도이다. 도 5를 참조하면, 나노와이어 공진기(20)는 절연층(12) 위에 서로 대향하여 각각 배치된 소스(15)와 드레인(16), 상기 소스(15)와 드레인(16) 사이에 진동 가능하게 현가되어 있는 진동부(21), 및 상기 진동부(21)의 양측면에 각각 대향하여 배치된 다수의 측면 게이트(19a~19d)들을 포함할 수 있다. 도 5의 평면도에서는 보이지 않지만, 절연층(12)의 아래에는 기판(11)이 더 배치될 수 있다. 또한, 소스(15)에는 외부의 구동 전원으로부터 공급되는 전류를 소스(15)로 전달하기 위한 제 1 전극 패드(13)가 연결될 수 있다. 마찬가지로, 드레인(16)에는 진동부(17)에서 발생하는 진동 신호를 외부의 분석 회로에 전달하기 위한 제 2 전극 패드(14)가 연결될 수 있다. 도 5에 도시된 나노와이어 공진기(20)에서 상기 기판(11), 절연층(12), 제 1 및 제 2 전극 패드(13,14), 소스(15) 및 드레인(16)의 단면 구성은 도 2를 참조하여 위에서 설명한 것과 동일할 수 있으며, 그들의 역할 또한 위에서 이미 설명한 것과 동일할 수 있다.5 is a plan view showing a schematic structure of a nanowire resonator 20 according to another example of the present invention. 5, the nanowire resonator 20 includes a source 15 and a drain 16 disposed oppositely to each other on an insulating layer 12, a source 16 and a drain 16 disposed between the source 15 and the drain 16, And a plurality of side gates 19a to 19d disposed opposite to both sides of the vibrating portion 21. The vibrating portion 21 may include a plurality of side gates 19a to 19d. Although not shown in the plan view of Fig. 5, the substrate 11 may be further disposed under the insulating layer 12. [ In addition, the source 15 may be connected to a first electrode pad 13 for transmitting a current supplied from an external driving power source to the source 15. Similarly, the drain 16 may be connected to a second electrode pad 14 for transmitting a vibration signal generated in the vibration unit 17 to an external analysis circuit. In the nanowire resonator 20 shown in FIG. 5, the sectional configuration of the substrate 11, the insulating layer 12, the first and second electrode pads 13 and 14, the source 15 and the drain 16 is May be the same as described above with reference to FIG. 2, and their role may also be the same as described above.

다시 도 5를 참조하면, 도 5에 도시된 나노와이어 공진기(20)의 예에서 진동부(21)는 나노와이어(21a)와 이를 둘러싸는 압전 코팅층(21b)을 포함하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 나노와이어(21a)는 압전 효과를 갖지 않는 일반적인 나노와이어로서, SiN와 같은 유전체로 이루어지거나 또는 금속이나 반도체 재료로 이루어질 수도 있다. 나노와이어(21a)의 외부 표면을 둘러싸는 압전 코팅층(21b)은 나노 입자(nano particle)의 형태로 상기 나노와이어(21a)에 코팅될 수 있는 압전 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 압전 코팅층(21b)으로서 PLZT(Piezoelectric Lead Lanthanum Zirconate Titanate)를 사용할 수 있다.Referring again to FIG. 5, in the example of the nanowire resonator 20 shown in FIG. 5, the vibrating portion 21 may be configured to include a nanowire 21a and a piezoelectric coating layer 21b surrounding the nanowire 21a. For example, the nanowire 21a may be a general nanowire having no piezoelectric effect, made of a dielectric such as SiN, or made of a metal or a semiconductor material. The piezoelectric coating layer 21b surrounding the outer surface of the nanowire 21a may be made of a piezoelectric material that can be coated on the nanowire 21a in the form of nano particles. For example, PLZT (Piezoelectric Lead Lanthanum Zirconate Titanate) may be used as the piezoelectric coating layer 21b.

한편, 다수의 측면 게이트(19a~19d)들은 상기 진동부(21)의 양측면에서 진동부(21)의 양단부에 가깝게 각각 배치될 수 있다. 따라서, 진동부(21)의 중심부 부근에는 측면 게이트(19a~19d)들이 배치되지 않는다. 예를 들어, 진동부(21)의 좌측 단부의 양측면에서 제 1 및 제 3 측면 게이트(19a,19c)가 대향하여 배치될 수 있으며, 진동부(21)의 우측 단부의 양측면에서 제 2 및 제 4 측면 게이트(19b,19d)가 대향하여 배치될 수 있다. 도 5에는 진동부(21)의 한쪽 측면에서 진동부(21)의 양단부에 각각 제 1 및 제 2 측면 게이트(19a,19b)가 하나씩 배치되고, 진동부(21)의 반대쪽 측면에서 진동부(21)의 양단부에 각각 제 3 및 제 4 측면 게이트(19c,19d)가 하나씩 배치되어, 총 4개의 측면 게이트(19a~19d)들이 배치되는 것으로 도시되어 있다. 그러나 실시예에 따라서는, 더욱 많은 수의 측면 게이트들이 배치되는 것도 가능하다. 예를 들어, 진동부(21)의 각 측면에서 진동부(21)의 양단부에 각각 2개씩, 총 8개의 측면 게이트들이 배치될 수도 있다.On the other hand, the plurality of side gates 19a to 19d may be arranged close to both ends of the vibrating portion 21 on both sides of the vibrating portion 21, respectively. Therefore, the side gates 19a to 19d are not disposed near the center portion of the vibration portion 21. [ For example, the first and third side gates 19a and 19c may be disposed opposite to each other on both sides of the left end of the vibrating portion 21, and the second and third side gates 19a and 19c may be disposed on both sides of the right end of the vibrating portion 21. [ Four side gates 19b and 19d may be arranged opposite to each other. 5 shows that first and second side gates 19a and 19b are disposed at both ends of the vibrating portion 21 on one side of the vibrating portion 21 and one vibrating portion 21 and the first and second side gates 19c, 19d are disposed one on top of the other, so that a total of four side gates 19a to 19d are arranged. However, depending on the embodiment, it is also possible that a larger number of side gates are arranged. For example, a total of eight side gates may be disposed on each side of the vibrating portion 21, two at each end of the vibrating portion 21, for example.

이러한 구조에서, 도 6에 도시된 바와 같이, 진동부(21)의 양측면에 배치된 측면 게이트(19a~19d)들에 각각 반대 극성의 전압을 인가할 수 있다. 예를 들어, 진동부(21)의 한쪽 측면에 배치된 제 1 및 제 2 측면 게이트(19a,19b)에 양의 전압을 인가하고, 반대쪽 측면에 배치된 제 3 및 제 4 측면 게이트(19c,19d)에 음의 전압을 인가할 수 있다. 그러면, 진동부(21)의 양단부에서 상기 진동부(21)를 거의 수직으로 가로지르는 전기장(E)이 형성된다. 예컨대, 진동부(21)의 좌측 단부에서 제 1 측면 게이트(19a)로부터 제 3 측면 게이트(19c)를 향해 전기장(E)이 형성될 수 있으며, 진동부(21)의 우측 단부에서 제 2 측면 게이트(19b)로부터 제 4 측면 게이트(19d)를 향해 전기장(E)이 형성될 수 있다. 여기서, 진동부(21)를 수직으로 가로지르는 전기장(E)이 형성되기만 하면, 전기장(E)의 방향은 실질적으로 중요하지 않다. 예를 들어, 제 1 측면 게이트(19a)에 양의 전압이 인가되고 제 3 측면 게이트(19c)에 음의 전압이 인가되는 반면, 제 2 측면 게이트(19b)에는 음의 전압이 인가되고 제 4 측면 게이트(19d)에는 양의 전압이 인가되는 것도 가능하다. 즉, 진동부(21)의 양단부에서 서로 대향하고 있는 두 측면 게이트들에 서로 반대되는 극성의 전압이 인가되기만 하면 된다.In such a structure, as shown in Fig. 6, voltages of opposite polarities may be applied to the side gates 19a to 19d disposed on both sides of the vibrating portion 21, respectively. For example, a positive voltage is applied to the first and second side gates 19a and 19b disposed on one side of the vibrating portion 21, and the third and fourth side gates 19c and 19c disposed on the opposite side, 19d. Then, an electric field E is formed at both ends of the vibrating portion 21 so as to substantially perpendicularly cross the vibrating portion 21. For example, an electric field E may be formed from the first side gate 19a to the third side gate 19c at the left end of the vibration portion 21, and the electric field E may be formed at the right end of the vibration portion 21, An electric field E may be formed from the gate 19b toward the fourth side gate 19d. Here, the direction of the electric field E is not substantially important, as long as an electric field E is formed perpendicularly across the vibrating portion 21. For example, a positive voltage is applied to the first side gate 19a and a negative voltage is applied to the third side gate 19c, while a negative voltage is applied to the second side gate 19b, It is also possible that a positive voltage is applied to the side gate 19d. That is, only voltages of opposite polarities need to be applied to the two side gates opposed to each other at the opposite ends of the vibrating unit 21.

이렇게, 진동부(21)의 양단부에서 서로 대향하고 있는 두 측면 게이트들에 반대 극성의 전압이 인가되면, 도 6에 도시된 바와 같이, 나노와이어(21a)를 둘러싸고 있는 압전 코팅층(21b)의 양단부가 수축될 수 있다. 도 6에서, 점선으로 표시된 것은 전기장이 인가되지 않았을 때 압전 코팅층(21b)이 수축되지 않은 상태를 나타낸다. 압전 코팅층(21b)의 양단부가 수축되면, 클램핑(clamping) 효과에 따라 진동부(21)에서 실질적으로 진동하는 부분의 길이가 짧아지게 된다. 즉, 도 6을 참조하면, 진동하는 부분의 길이는 d1에서 d2로 짧아질 수 있다. 진동부(21)에서 실질적으로 진동하는 부분이 짧아지게 되면, 진동하는 부분에서의 장력이 증가하게 되며, 그 결과 진동하는 부분의 강성도도 역시 증가하게 된다. 따라서, 진동부(21)의 공진 주파수가 높아지게 되어, 도 4b에 나타낸 바와 같이 나노와이어 공진기(20)의 Q 팩터가 증대될 수 있다. 그러면, 진동부(21)의 약간의 질량 변화로도 공진 주파수의 변화가 상대적으로 커지게 될 수 있다. 따라서, 나노와이어 공진기(20)는 진동부(21)에 흡착된 물질의 질량을 더욱 높은 측정 정밀도로 측정할 수 있다.When voltages of opposite polarities are applied to the two side gates opposed to each other at the opposite ends of the vibrating portion 21, as shown in Fig. 6, both ends of the piezoelectric coating layer 21b surrounding the nanowire 21a Can be contracted. In Fig. 6, the dotted lines indicate that the piezoelectric coating layer 21b is not contracted when no electric field is applied. When both end portions of the piezoelectric coating layer 21b are contracted, the length of the substantially oscillating portion in the vibration portion 21 is shortened due to the clamping effect. That is, referring to FIG. 6, the length of the vibrating portion may be shortened from d 1 to d 2 . If the vibrating portion in the vibrating portion 21 is shortened, the tension in the vibrating portion is increased, and as a result, the stiffness of the vibrating portion is also increased. Therefore, the resonance frequency of the vibration section 21 becomes high, and the Q factor of the nanowire resonator 20 can be increased as shown in FIG. 4B. Then, even a slight change in the mass of the vibrating portion 21 can cause a relatively large change in the resonance frequency. Accordingly, the nanowire resonator 20 can measure the mass of the substance adsorbed to the vibrating section 21 with a higher measurement accuracy.

지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 측면 게이트를 구비하는 나노와이어 공진기에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.Up to now, an exemplary embodiment of a nanowire resonator having a side gate has been described and shown in the accompanying drawings to assist in understanding the present invention. It should be understood, however, that such embodiments are merely illustrative of the present invention and not limiting thereof. And it is to be understood that the invention is not limited to the details shown and described. Since various other modifications may occur to those of ordinary skill in the art.

10, 20...나노와이어 공진기 11.......기판
12.......절연층 13, 14...전극 패드
15.......소스 16.......드레인
17, 21...진동부
18a, 18b, 19a, 19b, 19c, 19d.....측면 게이트
21a......나노와이어 21b......압전 코팅층10, 20 ... nanowire resonator 11 ... substrate
12: Insulating layer 13, 14: Electrode pad
15: source 16: drain
17, 21 ... Jin Dong
18a, 18b, 19a, 19b, 19c, 19d.
21a ...... Nanowire 21b ...... Piezoelectric coating layer

Claims (11)

후방 게이트의 역할을 하도록 전도성 재료로 이루어지는 기판;
상기 기판의 상면 위에서 서로 대향하여 각각 배치된 소스와 드레인;
상기 소스와 드레인 사이에 진동 가능하게 현가되어 있는 진동부;
상기 진동부의 양측면에 각각 대향하여 배치된 제 1 및 제 2 측면 게이트; 및
상기 소스, 드레인 및 측면 게이트와 상기 기판 사이를 전기적으로 절연시키도록 상기 기판의 상부 표면 위에 배치된 절연층;을 포함하며,
상기 진동부는 압전 재료로 이루어진 하나의 압전 나노와이어를 포함하고,
역압전 효과에 따라 상기 진동부에 작용하는 장력을 증가시키도록 상기 제 1 및 제 2 측면 게이트에 동일한 전압이 인가되는 공진기.A substrate made of a conductive material to serve as a back gate;
A source and a drain arranged opposite to each other on the upper surface of the substrate;
A vibrating part vibratably suspended between the source and the drain;
First and second side gates disposed opposite to opposite sides of the vibrating portion; And
And an insulating layer disposed over the upper surface of the substrate to electrically isolate the source, drain, and side gates from the substrate,
Wherein the vibrating part includes one piezoelectric nanowire made of a piezoelectric material,
Wherein the same voltage is applied to the first and second side gates so as to increase a tension acting on the vibrating part according to an inverse piezoelectric effect. 삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
외부의 구동 전원으로부터 공급되는 전류를 상기 소스로 전달하기 위하여 상기 소스에 연결된 제 1 전극 패드, 및 상기 진동부에서 발생하는 진동 신호를 외부의 분석 회로에 전달하기 위하여 상기 드레인에 연결된 제 2 전극 패드를 더 포함하는 나노와이어 공진기.The method according to claim 1,
A first electrode pad connected to the source for transmitting a current supplied from an external driving power source to the source and a second electrode pad connected to the drain for transmitting a vibration signal generated in the vibration unit to an external analysis circuit, Further comprising a nanowire resonator. 제 4 항에 있어서,
상기 제 1 전극 패드는 상기 기판과 상기 소스 사이에 배치되며, 상기 제 2 전극 패드는 상기 기판과 상기 드레인 사이에 배치되는 나노와이어 공진기.5. The method of claim 4,
Wherein the first electrode pad is disposed between the substrate and the source and the second electrode pad is disposed between the substrate and the drain. 제 1 항에 있어서,
상기 진동부의 압전 재료는 ZnO 또는 ZnS를 포함하는 나노와이어 공진기.The method according to claim 1,
Wherein the piezoelectric material of the vibrating part comprises ZnO or ZnS. 삭제delete 후방 게이트의 역할을 하도록 전도성 재료로 이루어지는 기판;
상기 기판의 상면 위에서 서로 대향하여 각각 배치된 소스와 드레인;
상기 소스와 드레인 사이에 진동 가능하게 현가되어 있는 진동부;
상기 진동부의 양측면에 각각 대향하여 배치된 다수의 측면 게이트; 및
상기 소스, 드레인 및 측면 게이트와 상기 기판 사이를 전기적으로 절연시키도록 상기 기판의 상부 표면 위에 배치된 절연층;을 포함하며,
상기 진동부는 압전 효과를 갖지 않는 나노와이어 및 상기 나노와이어를 둘러싸는 압전 코팅층을 포함하고,
상기 다수의 측면 게이트들은 상기 진동부의 양측면에서 상기 진동부의 양단부 부근에 각각 배치되며,
상기 나노와이어를 둘러싸고 있는 상기 압전 코팅층의 양단부가 수축되도록, 상기 진동부의 양단부에서 상기 진동부를 중심으로 서로 대향하고 있는 2개의 측면 게이트에 서로 반대 극성의 전압이 인가되는 나노와이어 공진기.A substrate made of a conductive material to serve as a back gate;
A source and a drain arranged opposite to each other on the upper surface of the substrate;
A vibrating part vibratably suspended between the source and the drain;
A plurality of side gates disposed opposite to opposite sides of the vibrating portion; And
And an insulating layer disposed over the upper surface of the substrate to electrically isolate the source, drain, and side gates from the substrate,
Wherein the vibrating portion includes a nanowire having no piezoelectric effect and a piezoelectric coating layer surrounding the nanowire,
Wherein the plurality of side gates are disposed on both sides of the vibrating portion in the vicinity of both ends of the vibrating portion,
Wherein a voltage of opposite polarity is applied to two side gates which are opposite to each other at both ends of the vibrating portion about the vibrating portion so that both ends of the piezoelectric coating layer surrounding the nanowire are shrunk. 제 8 항에 있어서,
상기 나노와이어는 SiN로 이루어지며, 상기 압전 코팅층은 PLZT로 이루어지는 나노와이어 공진기.9. The method of claim 8,
Wherein the nanowire is made of SiN, and the piezoelectric coating layer is made of PLZT. 제 8 항에 있어서,
상기 다수의 측면 게이트들은 상기 진동부의 일측 단부의 양측면에서 서로 대향하여 배치된 제 1 및 제 3 측면 게이트와 상기 진동부의 타측 단부의 양측면에서 서로 대향하여 배치된 제 2 및 제 4 측면 게이트를 포함하는 나노와이어 공진기.9. The method of claim 8,
The plurality of side gates include first and third side gates disposed on opposite sides of one side end of the vibrating portion and second and fourth side gates disposed opposite to each other on opposite sides of the other end of the vibrating portion Nanowire resonator. 제 10 항에 있어서,
상기 제 1 측면 게이트와 제 3 측면 게이트에 서로 반대 극성의 전압이 인가되며, 상기 제 2 측면 게이트와 제 4 측면 게이트에 서로 반대 극성의 전압이 인가되는 나노와이어 공진기.11. The method of claim 10,
Wherein voltages of opposite polarities are applied to the first side gate and the third side gate, and voltages of opposite polarities are applied to the second side gate and the fourth side gate.
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