KR100217882B1 - Manufacturing method of isfet type dissolved carbon dioxide sensor - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체소자 제조공정을 통하여 제조되는 전계효과 트랜지스터 pH센서에 관한 것으로, 특히 pH센서를 이용하여 수용액이나 혈액중의 용존 이산화탄소 분압을 측정하기 위한 전계효과 트랜지스터형 용존 이산화탄소 분압센서의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 특징은 실리콘기판(1), 소스영역(2), 드레인영역(3), 산화실리콘층(4), 질화실리콘 pH감지층(5), 알루미늄 금속전극(6), 기준전극(7), 수화젤막(8)및 가스투과막(9)으로 구성된 FET형 이산화탄소 센서에서 광 중합형 감광성 고분자를 사용하여 수화젤막과 기체투과막을 형성할 때, 감광용액에 산소감쇄제를 넣어줌으로써 산소에 의한 중합금지 작용을 방지시켜 이들이 이중막 구조를 갖도록 하고, 상기 수화젤막은 친수성이 큰 아크릴아미드와 패턴형성 특성이 우수한 하이드록시에틸 메타크릴레이트(HEMA)을 동시에 사용하여 형성한다는데 있다. 본 발명에 의해 제조되는 이산화탄소 분압센서는 기존의 마일러 필름의 사용으로 인한 감지막에의 핀홀 발생문제 및 불규칙 표면 발생문제 및 불규칙 표면 발생문제를 해결할 수 있고 또한 감지막의 두께 조절도 용이한 장점이 있게 된다.The present invention relates to a field effect transistor pH sensor manufactured through a semiconductor device manufacturing process, and more particularly to a method for manufacturing a field effect transistor type dissolved carbon dioxide partial pressure sensor for measuring the dissolved carbon dioxide partial pressure in an aqueous solution or blood using a pH sensor. It is about. Features of the present invention include a silicon substrate 1, a source region 2, a drain region 3, a silicon oxide layer 4, a silicon nitride pH sensing layer 5, an aluminum metal electrode 6, a reference electrode 7 ), The FET type carbon dioxide sensor composed of the hydrogel film 8 and the gas permeable membrane 9 forms a hydrogel film and a gas permeable membrane by using a photopolymerizable photosensitive polymer. It is to prevent the polymerization by the action so that they have a double-membrane structure, the hydrogel film is formed by using a hydrophilic acrylamide and hydroxyethyl methacrylate (HEMA) excellent in patterning properties at the same time. The carbon dioxide partial pressure sensor manufactured by the present invention can solve the problem of pinhole generation and irregular surface generation and irregular surface generation in the sensing film due to the use of the conventional mylar film, and also has the advantage of easy adjustment of the thickness of the sensing film. Will be.

Description

전계효과 트랜지스터형 용존 이산화탄소 센서의 제조방법Method for manufacturing field effect transistor type dissolved carbon dioxide sensor

본 발명은 반도체소자 제조공정을 통하여 제조되는 전계효과 트랜지스터 pH센서에 관한 것으로, 특히 pH센서를 이용하여 수용액이나 혈액중의 용존 이산화탄소 분압을 측정하기 위한 고품질의 전계효과 트랜지스터형 용존 이산화탄소 분압센서의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a field effect transistor pH sensor manufactured through a semiconductor device manufacturing process, and in particular to manufacturing a high quality field effect transistor type dissolved carbon dioxide partial pressure sensor for measuring dissolved carbon dioxide partial pressure in aqueous solution or blood using a pH sensor. It is about a method.

일반적으로 수용액이나 혈액중의 용존 이산화탄소 분압(pCO2)의 측정은 의료진단분야, 화학분석분야 또는 환경측정분야 등에 적용되고 있다. 특히 pCO2센서를 이용한 혈액중의 용존 이산화탄소 분압측정은 폐의 환기상태나 폐포의 가스 교환능력 또는 체조직내로 수송된 혈액가스의 양을 판정할 수 있어 의료분야에서 매우 중요한 부분을 차지하고 있다.In general, the measurement of the dissolved carbon dioxide partial pressure (pCO 2 ) in aqueous solution or blood is applied to medical diagnosis, chemical analysis or environmental measurement. In particular, the measurement of the dissolved carbon dioxide partial pressure in the blood using the pCO 2 sensor is a very important part in the medical field because it can determine the lung ventilation, alveolar gas exchange capacity or the amount of blood gas transported into body tissues.

지금까지 사용되어 오고 있는 혈액가스 분석기는 그 장치가 고가일 뿐만 아니라 혈액가스 분석을 위해 많은 양의 혈액시료를 필요로 한다는 문제와 이 혈액 시료를 장시간 전처리해야 한다는 문제점이 있다.The blood gas analyzers that have been used up to now are not only expensive, but also require a large amount of blood samples for blood gas analysis, and have a problem of pretreating the blood samples for a long time.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 FET형 센서와 같이 반도체 기술이나 미세가공 기술을 이용하여 pCO2센서를 소형화 및 집적화 하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 쯔카다(K. Tsukada)와 쉘터(W. Schelter) 등은 FET형 센서의 질화실리콘(Si3N4) 게이트 위에 Ag/AgCl 전극을 형성하고 폴리이미드(polyimide)를 사용하여 마이크로 풀(micro-pool)을 형성한 다음, 젤 상태의 전해질과 기체 투과막을 형성하여 마이크로 이산화탄소 분압센서를 제작하는 기술을 제안한 바 있다. 그리고 아르퀸트(Ph. Arpuint )와 반 덴 베르그(A. Van den Berg)등은 이와 같은 마이크로 이산화탄소 분압센서 제작시 사진식각법(photolithography)를 사용하여 수화젤 및 기체 투과막을 형성한 것을 보고하고 있다[K. Tsukada, Y. Miyahara, Y. Shibta and H. Miyagi, Anintegated chemical sensor with multiple ion and gas sensors, Sensors and Actuators B, 291-295(1990). W. Schelter, W. Gumbrecht and B. Montag, Combination of amperometic and potentiometric sensor principles for on-line blood monitering, Sensors and Actuators B, 6, 91-95(1992). Ph. Arquint, A. van den Berg, B. H. van der Schoot and N. F. de Rooij, Sensors and Actuators B, 340-344(1993)].In order to solve this problem, studies are being actively conducted to miniaturize and integrate pCO 2 sensors using semiconductor technology or microfabrication technology such as FET type sensors. Tsukada and W. Schelter formed Ag / AgCl electrodes on silicon nitride (Si3N4) gates of FET-type sensors, and used polyimide to create micro-pools. After forming, a technique of manufacturing a micro carbon dioxide partial pressure sensor has been proposed by forming a gel electrolyte and a gas permeable membrane. In addition, Ph. Arpuint and A. Van den Berg have reported the formation of hydrogels and gas permeation membranes using photolithography in the fabrication of such micro carbon dioxide partial pressure sensors. [K. Tsukada, Y. Miyahara, Y. Shibta and H. Miyagi, Anintegated chemical sensor with multiple ion and gas sensors, Sensors and Actuators B, 291-295 (1990). W. Schelter, W. Gumbrecht and B. Montag, Combination of amperometic and potentiometric sensor principles for on-line blood monitering, Sensors and Actuators B, 6, 91-95 (1992). Ph. Arquint, A. van den Berg, BH van der Schoot and NF de Rooij, Sensors and Actuators B, 340-344 (1993).

제1도는 감이온 전계효과 트랜지스터 pH 센서를 이용한 pCO2센서의 단면구조를 나타낸 것으로, 상기 pCO2센서는 실리콘기판(1)과 소스영역(2), 드레인영역(3), 산화실리콘(SiO2)pH감지층(5), 알루미늄 금속전극(6), 기준전극(NiCr/Ag/AgCl)(7), 수화젤막(8), 가스투과막(9) 및 pH 감지게이트(10)로 구성되고 있음을 보이고 있다.1 shows a cross-sectional structure of a pCO 2 sensor using a ion ion field effect transistor pH sensor. The pCO 2 sensor includes a silicon substrate 1, a source region 2, a drain region 3, and silicon oxide (SiO 2). It consists of pH sensing layer (5), aluminum metal electrode (6), reference electrode (NiCr / Ag / AgCl) (7), hydration gel film (8), gas permeation film (9) and pH sensing gate (10). Is showing.

여기에서 pCO2센서용 수화젤막은 광가교형 또는 공중합형 감광성 고분자 재료를 사진식각법을 통하여 형성할 수 있게 되는데, 먼저 광가교형 감광성 고분자 용액을 사용한 사진식각공정에 의한 용존 이산화탄소 센서의 수화젤막형성 과정을 보면 다음과 같다.Here, the hydrogel film for the pCO 2 sensor can form a photocrosslinked or copolymerized photosensitive polymer material through photolithography. First, a hydrogel film of the dissolved carbon dioxide sensor by a photolithography process using a photocrosslinked photosensitive polymer solution. The formation process is as follows.

폴리(비닐 피롤리돈-코-비닐 아세테이트) 1.5g과 가교제인 4,4'-디아지도스틸벤-2,2'-디술포닉 악시드 디소듐 살트 0.1g을 용매인 물 3.5g에 용해하고 이 용액에 NaHCO30.042g과 NaCl 0.029g을 내부 전해질로 가하여 수화젤막 형성을 위한 감광액을 제조한다. 이렇게 제조된 감광액을 제1도에 보인 Ag/AgCl 전극이 형성된 pH센서 위에 회전도포하고 UV광원에 노광 및 현상하는 공정을 통하여 수화젤막을 형성한다.1.5 g of poly (vinyl pyrrolidone-co-vinyl acetate) and 0.1 g of the crosslinking agent 4,4'-diazidostilbene-2,2'-disulfonic acid disodium salt were dissolved in 3.5 g of a solvent of water. To this solution, 0.042 g of NaHCO 3 and 0.029 g of NaCl were added as an internal electrolyte to prepare a photoresist for forming a hydrogel film. The hydrated gel film is formed through the process of rotating the photoresist prepared as described above on the pH sensor having the Ag / AgCl electrode shown in FIG. 1 and exposing and developing the UV light source.

이때의 수화질막은 3㎛이하로만 형성될뿐 그 이상의 두께를 가진 수화젤막을 얻기는 어려운 것으로 관찰되었다. 이는 노광시 수화젤막의 윗부분에서 먼저 가교반응이 일어나므로 용매가 포함되어 있는 밑 부분까지 UV광의 침투가 어려운 것에 기인하는 것으로 판단되었으며, 이에 따라 광가교형 감광성 고분자 용액은 사진식각법에 위한 수화젤막의 형성재료로서 부적합한 것임을 알 수 있었다.At this time, it was observed that the hydrated film was formed only below 3 μm, and it was difficult to obtain a hydrated gel film having a thickness greater than that. This is because the crosslinking reaction occurs first in the upper part of the hydrogel film during exposure, and it is determined that UV light is difficult to penetrate to the lower part containing the solvent. Accordingly, the photocrosslinkable photosensitive polymer solution is a hydrogel for photolithography. It was found that the film was not suitable as a material for forming a film.

다음은 광중합형 감광성 고분자를 이용하여 사진식각법으로 이산화탄소 분압센서용 수화젤막(8)을 형성하는 과정을 설명한다. 먼저 2-하이드록시에틸 메타크릴레이트(2-hydroxyethyl methacylyate ; 이하 HEMA라 함) 혹은 아크릴아미드와 같이 친수성이 큰 단량체를 물 및 에틸렌 글리콜과 같은 용매에 녹이고 여기에 광 개시제를 더하여 감광성 고분자 용액을 제조한다. 이때의 감광액은 HEMA 2.875g, 광개시제인 2,2-디메톡시-2-페닐-아세토폰(DMPA) 0.1g, 가교제인 N,N'-메틸렌 비스아크릴아미드(MBAA) 0.05g, 점증제인 폴리 비닐 필로리돈(PVP), 용매인 물 및 에틸렌 글리콜(EG) 각각 3.0g과 1.9g과 0.1M NaHCO3, NaCl염으로 제조한다.Next, a process of forming the hydrogel gel film 8 for the carbon dioxide partial pressure sensor by photolithography using a photopolymerizable photosensitive polymer will be described. First, a hydrophilic monomer such as 2-hydroxyethyl methacylyate (hereinafter referred to as HEMA) or acrylamide is dissolved in a solvent such as water and ethylene glycol, and a photoinitiator is added thereto to prepare a photosensitive polymer solution. do. The photoresist at this time was 2.875 g of HEMA, 0.1 g of 2,2-dimethoxy-2-phenyl-acetophone (DMPA) as a photoinitiator, 0.05 g of N, N'-methylene bisacrylamide (MBAA) as a crosslinking agent, and polyvinyl as a thickener. It is prepared with 3.0 g, 1.9 g, 0.1 M NaHCO 3 and NaCl salts of pilolidone (PVP), solvent water and ethylene glycol (EG), respectively.

이후 상기의 감광성 고분자 용액을 Ag/AgCl 기준전극을 형성하고 있는 감이온 전계효과 트랜지스터 pH센서(pH-ISFET)위에 회전 도포하여 박막을 형성하고 공기 중의 산소와의 접촉을 차단하기 위하여 폴리에스터필름(이하 Mylar필름이라함)으로 박막위를 덮은다음 마스크를 놓고 자외선 광원에 노광한다. 이를 구체적으로 살펴보면, 사진식각공정은 회전도포 속도 1500rpm(25초)의 조건에서 위 감광액 약 50mg을 떨어뜨려 박막을 형성한 다음 마일러 필름을 덮어 공기 중의 산소와의 접촉을 차단한 상태에서 노광(120초)하고 에탄올을 용매제로 사용하여 현상(40초)하여 수화젤막을 제조한다.Thereafter, the photosensitive polymer solution is spun onto a photosensitive field effect transistor pH sensor (pH-ISFET) forming an Ag / AgCl reference electrode to form a thin film and to prevent contact with oxygen in the air. The film is covered with a Mylar film), and a mask is placed thereon and exposed to an ultraviolet light source. Specifically, the photolithography process forms a thin film by dropping about 50 mg of the upper photoresist at a rotational coating speed of 1500 rpm (25 seconds), and then exposes the mylar film to block exposure to oxygen in the air. 120 seconds) and develop (40 seconds) using ethanol as a solvent to prepare a hydrogel gel film.

광중합형 감광액을 사용한 수화젤막의 사진식각 공정에서는 공기중의 산소가 중합금지 작용을 일으키므로 산소 차단막으로 마일러 필름을 사용했을 때만 수화젤막의 패턴이 형성되었다. 이를 제2도에서 나타내고 있다. 그리고 패턴이 얻어진 경우라도 제2도의 감지막 패턴도에서 나타나는 것처럼 경계면이 뚜렷하지 못하였다.In the photolithography process of the hydrogel film using the photopolymerized photosensitive liquid, oxygen in the air causes the polymerization inhibitory action, and thus the pattern of the hydrogel film was formed only when the mylar film was used as the oxygen barrier film. This is shown in FIG. And even when the pattern was obtained, the interface was not clear as shown in the sensing film pattern diagram of FIG.

또한 사진식각 공정에서 노광 후 현상을 위해서는 마일러 필름을 벗겨 내어야 하는데, 이 과정에서 수화젤막의 표면상태가 아주 불규칙하게 되며 두께 조절에도 문제가 발생되게 된다. 수화젤막을 형성시킨 후 광학 현미경을 통하여 조사해 보면 제3도에서 알 수 있는 것처럼 감지막 표면에 수많은 미세한 핀 홀이 존재하고 있음이 관찰되는데, 이것은 마일러 필름을 덮은 후에도 눈에 보이지 않는 소량의 산소가 존재하는 부분에서 중합이 진행되지 않아 현상시 씻겨 나간 것으로 판명되었다.In addition, in the photolithography process, the mylar film must be peeled off for the post-exposure development. In this process, the surface state of the hydrogel film becomes very irregular and the thickness control problem occurs. After forming the hydrogel film and inspecting it through an optical microscope, as shown in FIG. 3, a large number of fine pinholes exist on the surface of the sensing film, which is invisible even after covering the mylar film. It was found that the polymerization did not proceed in the presence of the rinsed off during development.

그러므로 이러한 감지막을 사용한 pH센서는 용존 이산화탄소 분압측정시 측정수용액이 가스투과막을 통과하여 내부의 수화젤막까지 도달함으로써 피측정용액중의 수소이온 감응을 일으키는 원인이 되기도 한다.Therefore, the pH sensor using such a sensing membrane may cause hydrogen ion sensitivity in the solution under measurement when the measured aqueous solution passes through the gas permeation membrane and reaches the internal hydrogel film during the measurement of the dissolved carbon dioxide partial pressure.

한편 사진식각법에 의한 pCO2센서의 기체투과막 형성공정에서도 마찬가지로 공기 중의 산소와의 접촉을 막기 위하여 마일러 필름을 회전도포한 감광액 고분자 박막위에 덮은 다음 마스크를 얹고 UV광원에 노광하는 방법을 취하고 있다. 이와 같이 사진식각공정중에 마일러 필름을 사용하는 이유는 공기중의 산소가 수화젤막 또는 기체투과막을 형성하기 위해 회전도포한 박막의 감광성 고분자층과 접촉하면 산소의 중합금지 작용에 의해 광중합 혹은 광가교 반응이 장해를 받아 형성하고자 하는 수화젤막 혹은 기체 투과막이 미세 패턴이 얻어지지 않기 때문이다.On the other hand, in the gas permeation film forming process of the pCO 2 sensor by photolithography method, in order to prevent contact with oxygen in the air, the mylar film is covered on the photosensitive liquid polymer thin film, which is rotated, and then put on a mask and exposed to a UV light source. have. The reason why the mylar film is used during the photolithography process is that photopolymerization or photocrosslinking is caused by oxygen polymerization inhibition when oxygen in the air comes into contact with the photosensitive polymer layer of the rotary coated thin film to form a hydrogel or gas permeable membrane. This is because the hydrogel film or gas permeable film to be formed due to the reaction is not obtained with a fine pattern.

그러나 상기와 같은 종래의 사진식각법에 의한 pCO2센서의 제조에 있어서 수화젤 막등이 공기중의 산소와의 접촉을 피하기 위하여 마일러 필름을 이용하는 데에는 다음의 두가지의 문제점이 발생한다.However, in the manufacture of the pCO 2 sensor by the conventional photolithography method as described above, the following two problems occur when the hydrogel film or the like uses the mylar film to avoid contact with oxygen in the air.

그 하나는 수화젤막 혹은 기체투과막의 형성을 위해 박막으로 도포된 감광액 위에 마일러 필름을 덮고 마스크를 통한 UV광원에의 노광 후 현상을 위해 마일러 필름을 떼 내어야 하는 데, 이때 광중합한 고분자 표면과 마일러 필름 사이의 부착현상때문에 표면상태의 굴곡이 심한 수화젤막 혹은 기체 투과막이 얻어지게 되고 나아가 심한 경우에는 핀 홀이 발생하므로 이산화탄소 분압센서 소자가 불량으로 제조되거나 센서소자의 수명이 짧아지게 된다는 점이다.One is to cover the mylar film on the photosensitive liquid coated with a thin film to form a hydrogel film or a gas permeable membrane, and to remove the mylar film for development after exposure to a UV light source through a mask. Due to the adhesion between the mylar films, a hydrogel film or gas permeable membrane with a high degree of surface curvature is obtained, and in addition, pinholes are generated in severe cases, so that the carbon dioxide partial pressure sensor element is manufactured poorly or the lifetime of the sensor element is shortened. to be.

다른 하나는 사진식각법에 의한 FET형 용존 이산화탄소 분압센서의 제조공정에는 수화젤막 혹은 기체투과막의 형성을 위해 감광액 도포후 마일러 필름을 덮고 노광한 후에 상기 마일러 필름을 떼어내고 나서 현상을 하는 공정이 수반되는데, 이러한 공정은 통상의 반도체소자 양산 제조공정에 적용할 수 있는 공정이 아니므로 이산화탄소 분압센서의 양산화에 적합하지 않다는 점이다.On the other hand, in the manufacturing process of the FET type dissolved carbon dioxide partial pressure sensor by photolithography, a process is performed after removing the mylar film after covering the mylar film after exposing the photoresist to form a hydrogel film or a gas permeable film and exposing it. This is accompanied by the fact that such a process is not applicable to the general semiconductor device mass production process, and therefore is not suitable for mass production of a carbon dioxide partial pressure sensor.

본 발명의 목적은 상기한 종래기술에서의 문제점을 해결하기 위한 것으로 사진식각법에 의한 반도체 제조기술을 통하여 FET형 이산화탄소 분압센서의 양산을 가능하게 하며 센서제품의 수율향상 및 신뢰성을 높일 수 있는 전계효과 트랜지스터형 용존 이산화탄소 센서의 제조방법을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to solve the problems in the prior art as described above through the semiconductor manufacturing technology by the photolithography method to enable the mass production of FET-type carbon dioxide partial pressure sensor and to improve the yield and reliability of sensor products electric field The present invention provides a method for manufacturing an effect transistor-type dissolved carbon dioxide sensor.

본 발명의 특징은 FET형 용존 이산화탄소 센서의 제조시 Ag/AgCl 기준전극 위에 수화젤 및 기체투과막을 형성하기 위해 광중합형 감광성 고분자 용액을 박막으로 도포할 때 이들이 공기중의 산소와 접촉하여도 충분한 중합금지 효과를 얻을 수 있도록 산소 감쇄제를 상기 감광성 고분자용액에 첨가하여줌으로써, 마일러 필름을 사용하지 않고서도 사진식각술을 이용하여 수화젤막 및 기체투과막의 2중막구조를 갖는 전계효과 트랜지스터형 용존 이산화탄소 센서의 제조방법을 제공하는데 있다.A feature of the present invention is that when the FET-type dissolved carbon dioxide sensor is coated with a thin film of a photopolymerizable photosensitive polymer solution to form a hydrogel and a gas permeable membrane on an Ag / AgCl reference electrode, the polymerization is sufficient even if they come into contact with oxygen in the air. By adding an oxygen reducing agent to the photosensitive polymer solution so as to obtain an inhibitory effect, the field effect transistor-type dissolved carbon dioxide having a double layer structure of a hydrogel film and a gas permeable film using photolithography without using a mylar film It is to provide a method of manufacturing a sensor.

제1도는 전계효과 트랜지스터형 용존 이산화탄소 분압센서의 단면구조도이다.1 is a cross-sectional structure diagram of a field effect transistor type dissolved carbon dioxide partial pressure sensor.

제2도는 종래의 방법에 따른 FET형 용존 이산화탄소 분압센서의 제조시 폴리에스터 필름을 사용하여 형성한 때의 감지막의 표면도이다.2 is a surface view of a sensing film when formed using a polyester film in the manufacture of a FET-type dissolved carbon dioxide partial pressure sensor according to a conventional method.

제3도는 종래의 방법에 따라 제조된 FET형 용존 이산화탄소 분압센서의 감지막의 표면상태 측정 그래프이다.3 is a graph illustrating a surface state measurement of a sensing film of a FET-type dissolved carbon dioxide partial pressure sensor manufactured according to a conventional method.

제4도는 본 발명에 의해 형성된 수화젤막의 표면도이다.4 is a surface view of a hydrogel film formed by the present invention.

제5도는 본 발명에 따라 제조된 이산화탄소 분압센서의 ID-VD특성 그래프이다.5 is a graph of I D -V D characteristics of the carbon dioxide partial pressure sensor manufactured according to the present invention.

제6도는 본 발명에 따른 이산화탄소 분압센서 제조시 CO2농도를 달리 했을때의 감지특성 그래프이다.Figure 6 is a graph of the detection characteristics when the CO 2 concentration is different when manufacturing the carbon dioxide partial pressure sensor according to the present invention.

제7도는 본 발명에 따라 제조된 이산화탄소 분압센서의 측정용액중의 수소이온농도변화에 따른 응답시간 특성그래프이다.7 is a response time characteristic graph according to the hydrogen ion concentration change in the measurement solution of the carbon dioxide partial pressure sensor prepared according to the present invention.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings

1 : 실리콘 기판 2 : 소스영역1 silicon substrate 2 source region

3 : 드레인영역 4 : 산화실리콘(SiO2)층3: drain region 4: silicon oxide (SiO 2 ) layer

5 : 질화실리콘(Ph감지)층 6 : 알루미늄 금속전극5: silicon nitride (Ph sensing) layer 6: aluminum metal electrode

7 : 기준전극(NiCr/Ag/AgCl) 8 : 수화젤막7: reference electrode (NiCr / Ag / AgCl) 8: hydrogel film

9 : 기체투과막9: gas permeable membrane

이하 본 발명을 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described.

감이온 전계효과 트랜지스터 pH센서를 이용한 용존 이산화탄소 분압센서는 제1도에서 참고되는 바와 같이, 실리콘기판(1), 소스영역(2), 드레인영역(3), 산화실리콘(SiO2)층(4), 질화실리콘(Si3N4) pH감지층(5), 알루미늄 금속전극(6), 기준전극(7), 수화젤 막(8) 및 기체투과막으로(9)으로 구성되고 있다.The dissolved carbon dioxide partial pressure sensor using the ion-sensing field effect transistor pH sensor is a silicon substrate (1), a source region (2), a drain region (3), a silicon oxide (SiO2) layer (4), as shown in FIG. And a silicon nitride (Si 3 N 4) pH sensing layer 5, an aluminum metal electrode 6, a reference electrode 7, a hydrogel film 8 and a gas permeable film 9.

이러한 분압센서의 수화젤막(8) 형성시 산소의 중합금지 작용을 방지하기 위해 N,N,N',N'-테트라메틸 에틸렌디아민(TED)을 산소 감쇄제(O2quencher)로 사용하여 감광액을 사용하였다.In order to prevent the polymerization of oxygen during the formation of the hydrogel film 8 of the partial pressure sensor, N, N, N ', N'-tetramethyl ethylenediamine (TED) is used as an oxygen reducing agent (O 2 quencher). Was used.

상기 감광액의 조제는 먼저 HEMA 2.875g, 광개시제인 DMPA 0.1g, 가교제인 MBAA 0.05g, 점증제인 PVP 0.1g 및 용매인 물/ EG 각각 3.0g/1.9g과 0.1M 탄산수소나트륨, 염솨나트륨염을 섞어 감광액을 제조한 후 여기에 산소 감쇄제인 TED 0.6g를 첨가한 다음 충분히 교반하여 최종 감광액을 제조하였다.To prepare the photoresist, HEMA 2.875g, DMPA 0.1g as photoinitiator, MBAA 0.05g as crosslinker, PVP 0.1g as thickener and 3.0g / 1.9g as solvent / water / EG respectively, 0.1M sodium bicarbonate, sodium salt salt After mixing to prepare a photoresist, 0.6 g of TED, which is an oxygen reducing agent, was added thereto, followed by sufficiently stirring to prepare a final photoresist.

제4도는 이렇게 제조된 감광액을 사용하여 마일러 필름을 사용하지 않고 회전도포 속도 1500rpm(25초), 노광 240초, 현상 에탄올(10초)의 조건으로 사진식각공정을 수행한 때의 수화젤막의 도면이다.4 shows the hydrogel film when the photolithography process was performed using the photoresist thus prepared under conditions of a rotational application speed of 1500 rpm (25 seconds), exposure 240 seconds, and developing ethanol (10 seconds). Drawing.

이와 같은 조건하에 수화젤 막을 사진식각법으로 형성한 다음 UV-올리고머 2.95g, THF 2.5g, DMPA 0.15g 및 TED 0.3g으로 구성된 기체 투과막형성용 감광액을 사용하여 회전도포 속도 1000rpm(25초), 노광 210초, 현상톨루엔(10초)의 사진식각공정 조건으로 기체투과막을 형성하였다.Under these conditions, the hydrogel film was formed by photolithography, and then the rotational coating speed was 1000 rpm (25 seconds) using a gas permeable membrane-forming photosensitive solution consisting of 2.95 g of UV-oligomer, 2.5 g of THF, 0.15 g of DMPA, and 0.3 g of TED. A gas permeable film was formed under a photoetch process condition of 210 seconds of exposure and 10 seconds of developing toluene.

제5도는 이상의 사진식각공정에 따라 제조된 이산화탄소 분압센서의 ID-VD특성을 나타낸 것으로 수화젤이 내부전해질로 작용함을 보여 주고 있다. 그러나 이와 같이 제조된 FET형 이산화탄소 분압센서의 이산화탄소 농도를 달리한 실제 측정실험에서 감도는 32mV/decade로 비교적 낮게 나타났다. 이는 수화젤막의 수분 함량이 부족한 것에 기인한 것으로 파악되었다.5 shows the I D -V D characteristics of the carbon dioxide partial pressure sensor manufactured according to the above-described photolithography process, and shows that the hydrogel acts as an internal electrolyte. However, the sensitivity of the FET type CO2 partial pressure sensor manufactured in this way was relatively low at 32mV / decade. This was attributed to the lack of water content of the hydrogel film.

이렇게 HEMA를 주성분으로 한 감광액을 사용하여 수화젤막을 형성할 경우 수화젤막 내부의 수분 함량이 부족한 문제점을 보완하기 위해 친수성이 더 강한 아크릴아미드를 포함한 제2의 감광액을 제조하여 그의 사진식각 공정의 성질을 조사하였다.Thus, when forming a hydrogel film using a HEMA-based photoresist, a second photoresist containing hydrophilic acrylamide was prepared to compensate for the lack of water content in the hydrogel film. Was investigated.

상기 제2의 감광액 제조는 아크릴아미드 2.0g, 광개시제인 리보플라빈-5-포스페이트 0.05g, 가교제인 MBAA 0.25g, 점증제인 PVP 0.15g, 산소감쇄제인 TED 0.5g, 용매인 물/글리세린 각각 1.5g/1.5과 0.1M NaHCO3NaCl염으로 구성하였다.The second photoresist was prepared by acrylamide 2.0g, riboflavin-5-phosphate 0.05g photoinitiator, MBAA 0.25g crosslinking agent, PVP 0.15g thickener, 0.5g TED oxygen scavenger, and water / glycerine 1.5g / It consisted of 1.5 and 0.1 M NaHCO 3 NaCl salt.

다음 스핀 코우터(spin coater)에 의한 도포, 노광(UV), 현상(물)등의 사진식각 공정 조건을 바꾸어 가면서 실험해 본 결과 노광후 막의 수축 및 현상시 표면의 유실이 심하게 나타났다. 따라서 아크릴 아미드를 주성분으로 하는 감광액을 이용한 수화젤막의 사진식각은 어려운 것으로 판단되었다.Next, the experiment was performed while changing the photolithography process conditions such as coating, exposure (UV), and development (water) by a spin coater, and the surface loss was severe during shrinkage and development of the film after exposure. Therefore, it was judged that the photo etching of the hydrogel film using the photosensitive liquid containing acrylamide as a main component was difficult.

상기의 광중합형 단량체로서 아크릴아미드 혹은 HEMA를 단독 주성분으로 한 감광액을 사용하여 수화젤막을 형성하는 경우 사진식각공정 혹은 제조된 센서의 수화젤막 내부의 수분함량 부족의 문제점을 보완하기 위해 HEMA와 아크릴아미드를 동시에 포함하는 제3의 감광액을 사용한 사진식각법을 조사하였다.In the case of forming a hydrogel film using a photosensitive liquid containing acrylamide or HEMA as a main component as the photopolymerizable monomer, HEMA and acrylamide are used to compensate for the problem of lack of moisture in the photogel process or the inside of the hydrogel film of the manufactured sensor. Photolithography using a third photosensitive solution containing at the same time was investigated.

제3의 감광액 제조는 HEMA 2.875g, 아크릴아미드 0.5g, 광개시제인 DMPA 0.1g, 가교제인 MBAA 0.5g, 점증제인 PVP 0.1g, 산소감쇄제인 TED 0.6g 및 용매인 물/에틸렌 글리콜 각각 3.0g/1.9g 그리고 0.1M NaHCO3NaCl염으로 구성하였다.The third photoresist was prepared by HEMA 2.875g, acrylamide 0.5g, photoinitiator DMPA 0.1g, crosslinking agent MBAA 0.5g, thickener PVP 0.1g, oxygen damper TED 0.6g and solvent water / ethylene glycol 3.0g / 1.9 g and 0.1 M NaHCO 3 NaCl salt.

그리고 사진식각공정은 회전도포속도 1000rpm(25초), 노광(210초), 현상 에탄올, 물(10초)의 조건으로 수행하였다. 여기에서 매우 정밀한 수화젤막 패턴이 얻어짐을 알 수 있었다. 따라서 이 조건으로 수화젤막을 만들고 그 위에 기체 투과막을 형성하는 것으로 pCO2센서를 제조할 수 있게 되었다.The photolithography process was performed under conditions of a rotational coating speed of 1000 rpm (25 seconds), exposure (210 seconds), developing ethanol, and water (10 seconds). It was found that a very precise hydrogel film pattern was obtained here. Therefore, pCO 2 sensor can be manufactured by making a hydrogel film under these conditions and forming a gas permeable membrane thereon.

제6도는 본 발명 용존 이산화탄소 분압센서의 이산화탄소의 농도변화에 따른 감지곡선을 나타낸 것으로 이산화탄소 농도 10-3mol/1~100mol/l 범위에서 직선상을 나타내었고 감도는 53mV/decade로 용존 이산화탄소센서로 작동하게 됨을 나타내고 있다.Figure 6 shows the detection curve according to the change of carbon dioxide concentration of the dissolved carbon dioxide partial pressure sensor of the present invention showed a linear phase in the range of carbon dioxide concentration 10 -3 mol / 1 ~ 10 0 mol / l and the sensitivity is 53mV / decade dissolved carbon dioxide It is supposed to work as a sensor.

제7도는 참고적으로 본 발명 센서에 의한 측정용액중의(H+)의 농도변화에 다른 응답시간 곡선을 나타내고 있다.7 shows a response time curve different from the concentration change of (H + ) in the measurement solution by the sensor of the present invention.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 이전에 보고된 전계효과 트랜지스터형 센서의 감지막 형성시 마일러 필름을 사용함으로써 그의 흡탈착시에 발생되는 문제점인 막표면의 핀 홀 발생문제외에 막 두께조절에 제한이 따르게 된다는 문제점을 산소감쇄제를 포함하는 감광액을 제조하여 사용함으로써 해결하였을 뿐 아니라 기존의 센서 제조시에 사용되어 왔던 마일러 필름의 사용을 배제할 수 있게됨에 따른 일관된 반도체 공정을 통하여 용존 이산화탄소의 분압센서를 제작할 수 있게 되므로 고품질의 센서제품을 대량생산할 수 있게 되는 특유의 효과가 나타나게 된다.As described above, the present invention is limited to the film thickness control in addition to the problem of pinhole generation on the surface of the film, which is a problem that occurs during the adsorption and desorption by using a mylar film when the sensing film is formed in the field effect transistor type sensor previously reported. This problem has been solved by preparing and using a photosensitive liquid containing an oxygen reducing agent, and it is possible to eliminate the use of the mylar film that has been used in the conventional sensor manufacturing. Since the partial pressure sensor can be manufactured, the unique effect of mass production of high-quality sensor products is exhibited.

Claims (3)

실리콘기판(1), 소스영역(2), 드레인영역(3), 산화실리콘pH감지층(5), 알루미늄 금속전극(6), 기준전극(7), 수화젤막(8) 및 가스투과막(9)으로 구성된 FET형 이산화탄소 분압센서의 제조방법에 있어서, 광중합형 고분자를 이용하여 사진식각법으로 이산화탄소 센서용 수화젤막 및 기체투과막을 형성할 때 산소에 의한 중합금지 작용을 회피시키기 위해 N,N,N',N'-테트라메틸 에틸렌디아민(TED)을 산소감쇄제로 사용하여 2중구조의 감지막을 형성시키는 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터형 용존 이산화탄소 센서의 제조방법.Silicon substrate 1, source region 2, drain region 3, silicon oxide pH sensing layer 5, aluminum metal electrode 6, reference electrode 7, hydration gel film 8 and gas permeable film ( 9) A method of manufacturing a FET type carbon dioxide partial pressure sensor composed of 9), in order to avoid the polymerization inhibitory effect by oxygen when forming a hydrogel film and a gas permeable membrane for a carbon dioxide sensor by photolithography using a photopolymerizable polymer. A method of manufacturing a field effect transistor-type dissolved carbon dioxide sensor, comprising forming a double-layered sensing film using, N ', N'-tetramethyl ethylenediamine (TED) as an oxygen scavenger. 제1항에 있어서, 상기 수화젤막은 HEMA와 아크릴아미드 단량체, 광개시제인 DMPA, 가교제인 MBAA, 점증제인 PVP 및 용매인 물/에틸렌 글리콜과 NaHCO3, NaC l염의 조성을 가지는 광중합형 감광용액을 제조한 후 여기에 산소 중합금지 작용 방지를 위한 TED를 넣어 제조한 감광액을 사진식각공정에 사용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터형 용존 이산화탄소 센서의 제조방법.The method of claim 1, wherein the hydrogel film is prepared with a photopolymerized photosensitive solution having a composition of HEMA and acrylamide monomer, DMPA as a photoinitiator, MBAA as a crosslinking agent, PVP as a thickener and water / ethylene glycol as a solvent, and NaHCO 3 , NaC 1 salt. Thereafter, a photoresist prepared by putting TED for preventing an oxygen polymerization inhibiting action is formed in a photolithography process to form a field effect transistor-type dissolved carbon dioxide sensor. 제1항에 있어서, 상기 기체투과막은 UV-올리고머, 광개시제인 DMPA, 용매인 THF 조성의 광중합형 감광용액을 제조한 후 여기에 산소 중합금지 작용 방지를 위한 TED를 넣어 제조한 감광액을 사용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터형 용존 이산화탄소 센서의 제조방법.The method of claim 1, wherein the gas permeable membrane is formed using a photoresist prepared by preparing a UV-oligomer, a photoinitiator DMPA, a photopolymerizable photosensitive solution having a THF composition of solvent, and adding TED therein to prevent oxygen polymerization inhibition. Method for producing a field effect transistor type dissolved carbon dioxide sensor, characterized in that.
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