JP2019536259A - バイオセンサー - Google Patents

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Abstract

本出願は、バイオセンサーに関し、本発明の一側面によるバイオセンサーは、印刷技法による製造が容易であり、大量生産が可能であり、一つの溶液内で多量の検出因子を個別的/連続的に測定することができる。

Description

関連出願との相互引用
本出願は、2016年11月23日に出願された大韓民国特許出願第10−2016−0156375号に基づく優先権の利益を主張し、該当大韓民国特許出願の文献に開示されたすべての内容は本明細書の一部として組み込まれる。
技術分野
本発明は、バイオセンサーに関する。
バイオ物質を検出するバイオセンサーのうちトランジスターを基盤とするバイオセンサーに対する研究が活発に行われている。
一方、従来のトランジスターを利用して液状の分子を吸着/測定するバイオセンサーは、上部から液体を注いで作り、この溶液上に基準電極であるAg/AgClをつけて用いているが、これは精緻な溶液の定量測定が難しいだけでなく、大量生産型の印刷電極基板に立体型基準電極を作りにくい問題を有する。
本発明は、基準電極層を含んだ薄膜型バイオセンサー素子を印刷技法により容易に製作することができ、大量生産が可能であるバイオセンサーを提供することを、解決しようとする課題とする。
また、本発明は、一つの溶液内で多量の検出因子を個別的/連続的に測定することができるバイオセンサーを提供することを、解決しようとする課題とする。
上述した課題を解決するために、本発明の一側面に係るバイオセンサーは、感知部、及び前記感知部に装着され、その間の空間に流体チャンネルを形成するカバー部材を含む。
前記感知部は、基板と、基板上に設けられたゲート電極と、ゲート電極上に設けられた絶縁層と、絶縁層上に設けられたn−typeチャンネルと、n−typeチャンネル層上に互いに離れて位置するソース電極及びドレイン電極とをそれぞれ形成する第1電極層とを含む。
また、前記感知部は、第1電極層を取り囲むように設けられた第2電極層、及び基板上に位置し、第1電極層と同一の材質で形成された第3電極層を含む。
また、前記感知部は、第3電極層を取り囲むように設けられ、第2電極層と同一の材質で形成され、基準電極を提供する第4電極層を含む。
また、前記カバー部材は、第1電極層のソース電極とドレイン電極との間に露出したn−typeチャンネルと基準電極の一部領域を共に取り囲む内周面を有する。
また、前記カバー部材は、n−typeチャンネルと内周面との間の空間、及び基準電極と内周面との間の空間に流体が進入可能に設けられた流体チャンネルを形成する。
以上で説明したように、本発明の少なくとも一実施例に係るバイオセンサーによると、基準電極層を含んだ薄膜型バイオセンサー素子を印刷技法により容易に製作することができ、大量生産が可能であり、且つ一つの溶液内で多量の検出因子を個別的/連続的に測定することができる。
本発明の一実施例に係るバイオセンサーの概念図である。 図1の線A−A'に沿って切り取った状態の断面図である。 図1の線B−B'に沿って切り取った状態の断面図である。
以下、本発明の一実施例によるバイオセンサーを添付の図面を参照して詳しく説明する。
また、図面符号に関係なく同一であるか対応する構成要素は、同一または類似の参照番号を付与し、これに対する重複説明は省略する。説明の便宜のため、図示された各構成部材のサイズ及び形状は誇張するか縮小することがある。
図1は、本発明の一実施例に係るバイオセンサーの概念図であり、図2は、図1の線A−A'に沿って切り取った状態の断面図であり、図3は、図1の線B−B'に沿って切り取った状態の断面図である。
図2及び図3を参照すると、バイオセンサー100は、感知部、及び前記感知部に装着され、その間の空間に流体チャンネルCを形成するカバー部材190を含む。
前記感知部は、基板110、ゲート電極140、絶縁層150、n−typeチャンネル160、第1電極層170、第2電極層180、第3電極層200及び第4電極層210を含む。
前記第1電極層170は、n−typeチャンネル160上にソース電極120及びドレイン電極130をそれぞれ形成する。
図2を参照すると、第2電極層180は、第1電極層170を取り囲むように設けられる。具体的に、第2電極層180は、第1電極層170であるソース電極120とドレイン電極130をそれぞれ取り囲むように設けられる。
図3を参照すると、バイオセンサー100は、基板110上に位置し、第1電極層170と同一の材質で形成された第3電極層200、及び第3電極層200を取り囲むように設けられ、第2電極層180と同一の材質で形成され、基準電極を提供する第4電極層180を含む。
具体的に、バイオセンサー100は、基板110、基板110上に設けられたゲート電極140、ゲート電極140上に設けられた絶縁層150、及び前記絶縁層150上に設けられたn−typeチャンネル160を含む。
前記基板110としては、ガラス基板やプラスチック基板が用いられ、バイオセンサー100に適用されるものであれば、特に制限されない。
前記ゲート電極140は、金属で形成してもよく、例えば、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、アルミニウム(Al)、チタン/銀(Ti/Au)、金(Ag)、銅(Cu)、及び白金(Pt)で構成されるグループより選択してもよい。
また、前記絶縁層150は、SiO、Al、TiO、ZrO、HfO、またはSiNxなどで形成されてもよい。
本発明で使用可能であるn−typeチャンネル160は、IGZO、ZnO、ZTO、IZO、IHZO、AIN、InN、GaN及びInGaNで構成されるグループより選択されるいずれか一つのn−type物質からなってもよい。
特に、IGZOからなるn−typeチャンネル160が好ましいが、これは、優れた光学透明性、非結晶構造、高い電子移動性を有しており、さらに、IGZOチャンネルは、直接active matrix backplaneとして機能することが可能であるので、別途の集積化工程を省略できる長所がある。
また、バイオセンサー100は、n−typeチャンネル160上に所定間隔で離れて設けられたソース電極120及びドレイン電極130を含む。また、バイオセンサー100は、第1電極層170であるソース電極120及びドレイン電極130をそれぞれ取り囲むように設けられた第2電極層180、及びソース電極120及びドレイン電極130から離れて位置し、第2電極層180と同一の材質で形成され、基準電極を提供する第4電極層210を含む。
前記第1電極層170であるソース電極120及びドレイン電極130は、例えば、それぞれ金属で形成してもよく、例えば、クロム(Cr)、チタン/金(Ti/Au)、モリブデン(Mo)、アルミニウム(Al)、銀(Ag)、銅(Cu)、白金(Pt)及びタングステン(W)で構成されるグループより選択してもよい。
また、バイオセンサー100は、ソース電極120とドレイン電極130との間に露出したn−typeチャンネル層160と基準電極の一部領域を共に取り囲む内周面191を有するカバー部材190を含む。前記カバー部材190は、露出したn−typeチャンネル160と内周面191との間の空間及び第4電極層200である基準電極と内周面191との間の空間に流体(例えば、サンプル溶液)が進入可能に設けられた流体チャンネルCを形成する。前記カバー部材190は、シリコンなどで形成可能であり、例えば、PDMSで形成してもよい。また、流体チャンネルCの内部に露出したn−typeチャンネル160上には捕集部Rが設けられてもよい。
第1電極層170であるソース電極120及びドレイン電極130は、流体チャンネルCの外部に位置する。すなわち、ソース電極120及びドレイン電極130は、直接サンプル溶液と接触しないように設けられる。また、第4電極層200である基準電極は、直接サンプル溶液と接触するように流体チャンネルCの内部に露出する。
一方、第2電極層180と第1電極層170は、互いに異なる材質(例えば、互いに異なる金属材質)で形成されてもよい。また、第2電極層180及び第4電極層210は、例えば、貴金属(noble metal)で形成してもよく、具体的に、金(Au)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、銀(Au)、及びルテニウム(Ru)からなるグループより選択された一つ以上で形成してもよい。
図3を参照すると、ゲート電極140及び絶縁層150は、基板110と第3電極層200との間に順に位置するこができる。また、n−typeチャンネル160は、絶縁層150と第3電極層200との間に順に位置することができる。
これは、製造工程の単純化のためであり、第4電極層210がn−typeチャンネル160上にまたは第3電極層200上に必ず形成される必要はない。すなわち、基準電極を提供する第4電極層210は、基板110上に配置され、一部領域が流体チャンネルCの内に位置するように形成してもよい。
ただし、バイオセンサー100の製造過程を説明すると、第3電極層200と共に第1電極層170であるソース電極120とドレイン電極130を形成する際に、第4電極層210の下部にも第3電極層200を形成することができる。また、第1電極層170と第3電極層200を形成した後、同一のマスク(mask)で第2電極層180と第4電極層210を共に形成してもよい。すなわち、印刷技法を利用して製造工程を簡素化することができる。
TFTにおいてソース電極120とゲート電極140との間に一定の電圧が印加されると、n−typeチャンネル160で伝導チャンネル(conduction channel)が形成され、これを通じて、ソース電極120とドレイン電極130との間に電子が移動することができる。そして、サンプル溶液のターゲットバイオ分子が吸着されて表面のポテンシャル(potential)エネルギーが変わるようになると、n−typeの伝導チャンネル160に流れる電流の量が変わるようになり、結局、このような電流の変化からターゲットバイオ分子の有無または濃度を算出するようになる。
図1を参照すると、バイオセンサー100は、一つの溶液内で多量の検出因子を個別的/連続的に測定可能に設けられてもよい。
そのため、バイオセンサー100は、基板110と、基板110上に第1方向に沿って長く延びるゲート電極140と、ゲート電極140上に設けられた絶縁層150と、絶縁層150上に設けられたn−typeチャンネル160とを含む。
また、前記バイオセンサー100は、n−typeチャンネル160上に第1方向とは異なる第2方向に沿って所定間隔で離れて設けられた第1ソース電極120−1及び第1ドレイン電極130−1と、第1ソース電極120−1と第1ドレイン電極130−1と第1方向に沿って離れて位置し、n−typeチャンネル160上に第2方向に沿って所定間隔で離れて設けられた第2ソース電極120−2及び第2ドレイン電極130−2とをそれぞれ形成する第1電極層170を含む。前記第1方向は、流体チャンネルで流体が流れる方向を示し、第2方向は、ソース電極とドレイン電極の連結線方向を示すことができる。また、第1方向と第2方向は、実質的に直交する方向であってもよい。
図2を参照すると、バイオセンサー100は、第1電極層170であるソース電極120及びドレイン電極130をそれぞれ取り囲むように設けられた第2電極層180を含む。
図3を参照すると、バイオセンサー100は、基板110上に位置し、第1電極層170と同一の材質で形成された第3電極層200を含む。また、前記バイオセンサー100は、第3電極層200上に設けられた第4電極層210を含み、第4電極層210は、第1基準電極及び第2基準電極をそれぞれ提供する。このとき、第1基準電極210−1は、第1ソース/ドレイン電極120−1、130−1と第1感知部とを構成し、第2基準電極210−2は、第2ソース/ドレイン電極120−2、130−2と第2感知部とを構成する。
具体的に、第4電極層210は、第1ソース電極120−1及び第1ドレイン電極130−1と第1方向に沿って離れて位置し、第2電極層180と同一の材質で第3電極層200を取り囲むように形成された第1基準電極210−1、及び第2ソース電極120−2及び第2ドレイン電極130−2と第1方向に沿って離れて位置し、第2電極層180と同一の材質で第3電極層200を取り囲むように形成された第2基準電極を含む。
前記バイオセンサー100において、第1基準電極210−1を反応の基準電位として設定し、第1ソース電極120−1と第1ドレイン電極130−1との間の電流を測定することで、一つのセンサー(第1感知部)の機能を行う。また、第2基準電極210−2を反応の基準電位として設定し、第2ソース電極120−2と第2ドレイン電極130−2との間の電流を測定することで、また他のセンサー(第2感知部)の機能を行う。このような方式で一つの流体チャンネルCに複数の感知部を形成することができる。
また、バイオセンサー100は、カバー部材190を含み、前記カバー部材190は、第1ソース電極120−1と第1ドレイン電極130−1との間に露出したn−typeチャンネルと、第2ソース電極120−2と第2ドレイン電極130−2との間に露出したn−typeチャンネル、及び第1及び第2基準電極のそれぞれの一部領域を共に取り囲む内周面191を有する。また、前記カバー部材190は、露出したn−typeチャンネルと内周面との間の空間と、第1及び第2基準電極と内周面との間の空間に流体が進入可能に設けられた流体チャンネルCを形成する。
上述のように、前記流体チャンネルCは、第1方向に沿って長く形成される。また、第1方向に沿って、第1ソース及びドレイン電極120−1、130−1、第1基準電極210−1、第2ソース及びドレイン電極120−2、130−2、第2基準電極210−2が順に位置する。
第1ソース及び第1ドレイン電極120−1、130−1と第2ソース及び第2ドレイン電極120−2、130−2は、上述のソース電極及びドレイン電極120、130とそれぞれ同一であり、ただし、ゲート電極上で第1方向に沿って形成された位置のみが異なる。また、第1及び第2基準電極210−1、210−2は、上述の基準電極と同一である。
一方、第1感知部と第2感知部は、独立的に駆動可能に設けられる。すなわち、前記バイオセンサー100は、複数の感知部を含んでいてもよく、それぞれの感知部は、独立的に駆動可能に設けられていてもよい。また、バイオセンサー100は、流体チャンネルCにサンプル溶液を流すようになると、流体チャンネルCに沿って複数の感知部が配列された構造を有する。
第1及び第2基準電極210−1、210−2がn−typeチャンネル160上にまたは第3電極層200上に必ず形成される必要はない。すなわち、各々の基準電極210−1、210−2は、基板110上に配置され、一部の領域が流体チャンネルCの内に位置するように形成してもよい。
上述のように、バイオセンサー100の製造過程によると、第1電極層170を形成する際に、該当基準電極200−1、200−2の下部にも第3電極層200が形成されていてもよい。
図3を参照すると、基板110と、ゲート電極140、絶縁層150、n−typeチャンネル160、第3電極層200及び第4電極層210が順に設けられていてもよい。また、第1電極層170と第3電極層200を形成するときに使用した同一のマスク(mask)で、第2電極層180と第4電極層210を同時に形成することができ、このように印刷技法を利用して製造工程を簡素化することができる。
また、本発明の一実施例に係るバイオセンサー100は、N(N>1)個の感知部を含んでいてもよく、例えば、第3ソース電極120−3と第3ドレイン電極130−3及び第3基準電極210−3を含む第3感知部をさらに含んでいてもよい。
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、これは例示的なものに過ぎず、本発明が属する技術の分野における通常の知識を有する当業者であれば、本発明の思想と範囲内で、多様な修正、変更、付加が可能である。このような修正、変更及び付加は、下記の特許請求の範囲に含まれるものと解釈すべきである。
本発明の少なくとも一実施例に係るバイオセンサーによると、基準電極層を含んだ薄膜型バイオセンサー素子を印刷技法により容易に製作することができ、大量生産が可能であり、一つの溶液内で多量の検出因子を個別的/連続的に測定することができる。
[項目1]
基板;
基板上に設けられたゲート電極;
ゲート電極上に設けられた絶縁層;
絶縁層上に設けられたn−typeチャンネル;
n−typeチャンネル上にソース電極及びドレイン電極をそれぞれ形成する第1電極層;
第1電極層を取り囲むように設けられた第2電極層;
基板上に位置し、第1電極層と同一の材質で形成された第3電極層;
第3電極層を取り囲むように設けられ、第2電極層と同一の材質で形成され、基準電極を提供する第4電極層;及び
第1電極層のソース電極とドレイン電極との間に露出したn−typeチャンネルと基準電極の一部領域を共に取り囲む内周面を有し、n−typeチャンネルと内周面との間の空間及び基準電極と内周面との間の空間に流体が進入可能に設けられた流体チャンネルを形成するカバー部材を含む、バイオセンサー。
[項目2]
第1電極層と第2電極層は、互いに異なる材質で形成される、項目1に記載のバイオセンサー。
[項目3]
第2電極層は、金(Au)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、銀(Au)、及びルテニウム(Ru)からなるグループより選択された一つ以上で形成される、項目2に記載のバイオセンサー。
[項目4]
n−typeチャンネルは、IGZO、ZnO、ZTO、IZO、IHZO、AIN、InN、GaN及びInGaNで構成される群より選択されるいずれか一つのn−type物質からなる、項目1から3のいずれか一項に記載のバイオセンサー。
[項目5]
第1電極層であるソース電極及びドレイン電極は、流体チャンネルの外部に位置する、項目1から4のいずれか一項に記載のバイオセンサー。
[項目6]
ゲート電極及び絶縁層は、基板と第3電極層との間に順に位置する、項目1から4のいずれか一項に記載のバイオセンサー。
[項目7]
n−typeチャンネルは、絶縁層と第3電極層との間に位置する、項目6に記載のバイオセンサー。
[項目8]
基板;
基板上に第1方向に沿って長く延びるゲート電極;
ゲート電極上に設けられた絶縁層;
絶縁層上に設けられたn−typeチャンネル;
n−typeチャンネル上に第1方向とは異なる第2方向に沿って離れて設けられた第1ソース電極及び第1ドレイン電極と、第1ソース電極及び第1ドレイン電極と第1方向に沿って離れて位置し、n−typeチャンネル上に第2方向に沿って所定間隔で離れて設けられた第2ソース電極及び第2ドレイン電極と、をそれぞれ形成する第1電極層;
第1電極層を取り囲む第2電極層;
基板上に位置し、第1電極層と同一の材質で形成された第3電極層;
第1ソース電極及び第1ドレイン電極と第1方向に沿って離れて位置し、第2電極層と同一の材質で第3電極層を取り囲むように形成される第1基準電極と、第2ソース電極及び第2ドレイン電極と第1方向に沿って離れて位置し、第2電極層と同一の材質で第3電極層を取り囲むように形成される第2基準電極と、をそれぞれ提供する第4電極層;及び
第1ソース電極と第1ドレイン電極との間に露出したn−typeチャンネルと、第2ソース電極と第2ドレイン電極との間に露出したn−typeチャンネル及び第1及び第2基準電極のそれぞれの一部領域を共に取り囲む内周面を有し、露出したn−typeチャンネルと内周面との間の空間と、第1及び第2基準電極と内周面との間の空間に流体が進入可能に設けられた流体チャンネルを形成するカバー部材を含む、バイオセンサー。
[項目9]
第1ソース電極と第1ドレイン電極及び第1基準電極は、第1感知部を構成するように設けられ、
第2ソース電極と第2ドレイン電極及び第2基準電極は、第2感知部を構成するように設けられる、項目8に記載のバイオセンサー。
[項目10]
第1感知部と第2感知部は、独立的に駆動可能である、項目9に記載のバイオセンサー。
[項目11]
第1電極層と第2電極層は、互いに異なる材質で形成される、項目8から10のいずれか一項に記載のバイオセンサー。
[項目12]
第2電極層は、金(Au)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、銀(Au)及びルテニウム(Ru)からなるグループより選択された一つ以上で形成される、項目11に記載のバイオセンサー。
[項目13]
第1電極層である第1及び第2ソース電極と第1及び第2ドレイン電極は、それぞれ流体チャンネルの外部に位置する、項目8から12のいずれか一項に記載のバイオセンサー。

Claims (13)

  1. 基板;
    基板上に設けられたゲート電極;
    ゲート電極上に設けられた絶縁層;
    絶縁層上に設けられたn−typeチャンネル;
    n−typeチャンネル上にソース電極及びドレイン電極をそれぞれ形成する第1電極層;
    第1電極層を取り囲むように設けられた第2電極層;
    基板上に位置し、第1電極層と同一の材質で形成された第3電極層;
    第3電極層を取り囲むように設けられ、第2電極層と同一の材質で形成され、基準電極を提供する第4電極層;及び
    第1電極層のソース電極とドレイン電極との間に露出したn−typeチャンネルと基準電極の一部領域を共に取り囲む内周面を有し、n−typeチャンネルと内周面との間の空間及び基準電極と内周面との間の空間に流体が進入可能に設けられた流体チャンネルを形成するカバー部材を含む、バイオセンサー。
  2. 第1電極層と第2電極層は、互いに異なる材質で形成される、請求項1に記載のバイオセンサー。
  3. 第2電極層は、金(Au)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、銀(Au)、及びルテニウム(Ru)からなるグループより選択された一つ以上で形成される、請求項2に記載のバイオセンサー。
  4. 前記n−typeチャンネルは、IGZO、ZnO、ZTO、IZO、IHZO、AIN、InN、GaN及びInGaNで構成される群より選択されるいずれか一つのn−type物質からなる、請求項1から3のいずれか一項に記載のバイオセンサー。
  5. 第1電極層であるソース電極及びドレイン電極は、流体チャンネルの外部に位置する、請求項1から4のいずれか一項に記載のバイオセンサー。
  6. ゲート電極及び絶縁層は、基板と第3電極層との間に順に位置する、請求項1から4のいずれか一項に記載のバイオセンサー。
  7. n−typeチャンネルは、絶縁層と第3電極層との間に位置する、請求項6に記載のバイオセンサー。
  8. 基板;
    基板上に第1方向に沿って長く延びるゲート電極;
    ゲート電極上に設けられた絶縁層;
    絶縁層上に設けられたn−typeチャンネル;
    n−typeチャンネル上に第1方向とは異なる第2方向に沿って離れて設けられた第1ソース電極及び第1ドレイン電極と、第1ソース電極及び第1ドレイン電極と第1方向に沿って離れて位置し、n−typeチャンネル上に第2方向に沿って所定間隔で離れて設けられた第2ソース電極及び第2ドレイン電極と、をそれぞれ形成する第1電極層;
    第1電極層を取り囲む第2電極層;
    基板上に位置し、第1電極層と同一の材質で形成された第3電極層;
    第1ソース電極及び第1ドレイン電極と第1方向に沿って離れて位置し、第2電極層と同一の材質で第3電極層を取り囲むように形成される第1基準電極と、第2ソース電極及び第2ドレイン電極と第1方向に沿って離れて位置し、第2電極層と同一の材質で第3電極層を取り囲むように形成される第2基準電極と、をそれぞれ提供する第4電極層;及び
    第1ソース電極と第1ドレイン電極との間に露出したn−typeチャンネルと、第2ソース電極と第2ドレイン電極との間に露出したn−typeチャンネル及び第1及び第2基準電極のそれぞれの一部領域を共に取り囲む内周面を有し、露出したn−typeチャンネルと前記内周面との間の空間と、第1及び第2基準電極と前記内周面との間の空間に流体が進入可能に設けられた流体チャンネルを形成するカバー部材を含む、バイオセンサー。
  9. 第1ソース電極と第1ドレイン電極及び第1基準電極は、第1感知部を構成するように設けられ、
    第2ソース電極と第2ドレイン電極及び第2基準電極は、第2感知部を構成するように設けられる、請求項8に記載のバイオセンサー。
  10. 第1感知部と第2感知部は、独立的に駆動可能である、請求項9に記載のバイオセンサー。
  11. 第1電極層と第2電極層は、互いに異なる材質で形成される、請求項8から10のいずれか一項に記載のバイオセンサー。
  12. 第2電極層は、金(Au)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、銀(Au)及びルテニウム(Ru)からなるグループより選択された一つ以上で形成される、請求項11に記載のバイオセンサー。
  13. 第1電極層である第1及び第2ソース電極と第1及び第2ドレイン電極は、それぞれ流体チャンネルの外部に位置する、請求項8から12のいずれか一項に記載のバイオセンサー。
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