KR100545017B1 - 박막형 액간 접촉부가 구비된 소형 화학센서 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 측정용액의 이온의 농도나 기타 측정 대상물질의 기준을 형성하여 안정적인 측정을 가능케 하는 액간 접촉부가 구비된 박막형 액간 접촉부가 구비된 화학센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 상하로 개방된 홀이 구비된 실리콘 구조물; 상기 홀의 내벽에 형성된 기준전극; 상기 기준전극의 상단에 와이어 본딩되어 외부로 인출된 전선; 상기 홀 하부를 막도록 실리콘 구조물의 하부면에 접착된 다공성 유리막; 상기 홀 상부를 밀봉하도록 실리콘 구조물의 상부면에 접착된 밀봉층; 및 상기 홀 내부에 충진된 기준용액을 포함하여 구성된 화학센서 및 이의 제조를 위한 방법에 관한 것이다.

화학센서, 실리콘 구조물, 액간 접촉부, 다공성 유리막

Description

박막형 액간 접촉부가 구비된 소형 화학센서 및 그 제조방법{CHEMICAL SENSOR WITH THIN FILM FOR LIQUID JUNCTION AND ITS METHOD}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 화학센서의 단면 구성도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

1 : 실리콘 구조물 2 : 기준전극

3 : 액간 접촉부 4 : 기준용액

5 : 밀봉층 6 : 전선

본 발명은 소형의 화학센서를 이용하여 측정 대상용액의 이온의 농도나 기타 측정 대상물질의 기준을 형성하여 안정적인 측정을 가능케 하는 액간 접촉부 형성에 관한 것이다.

일반적인 화학센서의 경우, 측정용액과 기준용액과의 전기 도통의 역할을 수행하도록 염다리가 보편적으로 사용되며, 염다리로 사용되는 다공성 물질의 액간 접촉부는 기준용액과 측정용액과의 농도 차이에 의하여 누수나 확산에 의한 기준용액의 변화가 일어나게 된다. 이러한 액간 접촉부의 기준용액 포함 3차원 용량은 그 용량이 커서 기준용액이 누수나 확산이 있더라도 기준용액의 변화가 크지 않으므로 기준 전위의 변화를 일으키지 않는다.

그러나 반도체 공정으로 제작되는 화학센서들은 그 크기가 수 밀리미터(㎜)에서 수 마이크로미터(㎛) 크기로 축소화되면서 3차원의 용기로 형성된 액간 접촉부가 그 용량이 밀리미터나 마이크로 용량의 기준용액을 포함하고 있어 조금의 용액 변화에도 박막형 기준전극을 사용하고 있는 액간 접촉부의 기준전극과의 반응에서 기준용액과의 전위 변동을 크게 일으킬 수 있다.

특히 반도체형 ISFET(Ion Sensitive Field Effect Transistor) 등을 사용하는 화학 감지 센서에서는 기준전극을 측정용액에 노출시키기 위하여 백금(Pt) 등을 사용하고 있으나, 측정용액의 농도에 따라 기준전위가 변화하여 일정한 기준전위를 확보하지 못해 측정의 신뢰성을 크게 떨어뜨리게 된다는 문제점이 있었다.

상기의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 소형의 화학센서를 구성하는 기준전극의 안정성 향상을 위해서 기존의 염다리(Salt Bridge)와 같은 역할을 하는 다공성의 유리막으로 된 박막을 액간 접촉부로서 사용하여 기준전극의 시간에 따른 전위 변동을 최소화하여 측정의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 박막형 액간 접촉부가 구비된 소형 화학센서 및 그 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 박막형 액간 접촉부가 구비된 화학센서는, 기준용액과 측정용액이 접촉되는 액간 접촉부가 구비되는 화학센서에 있어서, 상하로 개방된 홀이 구비된 실리콘 구조물; 상기 홀의 내벽에 형성된 기준전극; 상기 기준전극의 상단에 와이어 본딩되어 외부로 인출된 전선; 상기 홀 하부를 막도록 실리콘 구조물의 하부면에 접착된 다공성 유리막; 상기 홀 상부를 밀봉하도록 실리콘 구조물의 상부면에 접착된 밀봉층; 및 상기 홀 내부에 충진된 기준용액을 포함하여 구성된다.

또한 본 발명에 의한 박막형 액간 접촉부가 구비된 화학센서의 제조방법은, 기준용액과 측정용액이 접촉되는 액간 접촉부가 형성된 화학센서의 제조방법에 있어서, 실리콘 기판을 식각하여 홀을 형성하는 단계; 상 홀 내벽에 염화은(AgCl)층을 형성하는 단계; 상기 염화은층의 상단을 와이어 본딩하여 전선을 외부로 인출하는 단계; 상기 홀 하부를 막도록 다공성 유리막을 접착하여 액간 접촉부를 형성하는 단계; 상기 홀 내부로 하이드로 겔을 충진하는 단계; 및 상기 충진된 홀의 상부를 밀봉하도록 에폭시층을 형성하는 단계를 포함하여 구성된다.

이하에서는 먼저 본 발명의 일실시예에 따른 화학센서의 구조를 도 1의 단면 구성도를 참조하여 설명한다.

본 발명에 의한 화학센서의 본체 역할을 하는 실리콘 구조물(1)은 상하로 개방된 홀이 구비되며, 홀의 내벽에는 기준전극(2)이 형성된다.

상기 기준전극(2)의 상단에는 와이어 본딩되어 외부로 인출된 전선(6)이 구비되며, 실리콘 구조물(1)의 하부면에는 액간 접촉부(3)로서 다공성 유리막이 접착되어 홀의 하부가 밀폐되며, 실리콘 구조물(1)의 상부면에는 밀봉층(5)이 접착되어 홀의 상부가 밀봉되며, 상기 홀 내부는 기준용액으로 충진된다. 이때, 상기 기준전극은 염화은(AgCl)층으로 구성되고, 기준용액은 포화 염화칼륨(KCl)용액 또는 하이드로 겔로 구성된다.

이때, 상기 다공성 유리막의 두께는 200㎛ ~ 400㎛인 것이 바람직한데, 이는 400㎛을 초과하는 경우에는 실리콘 구조물(1)의 크기에 비하여 기준전극(2)의 두께가 너무 커 증착상의 어려움이 있으며, 200㎛ 미만인 경우 시간에 따른 전위 변동이 너무 커지기 때문이다.

이하에서는 도 1을 참고하여 본 발명에 의한 화학센서의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.

먼저, 실리콘 기판을 일정 크기의 패턴으로 형상화하기 위하여, 실리콘 이방성 식각 용액으로 실리콘 기판의 밑면까지 개방이 될 때까지 식각하여 홀을 형성된 실리콘 구조물(1)을 제조한다. 이때 홀의 형상은 상광하협으로 하는 것이 바람직한데, 이는 후술하는 기준전극(2)의 증착공정을 용이하게 하기 위한 것이다.

다음으로, 실리콘 구조물(1)에 형성된 홀 내벽에 은(Ag)을 진공 증착하고 염화 처리를 수행하여 염화은(AgCl)의 기준전극(2)을 완성한다.

다음으로, 홀 내벽에 형성된 기준전극(2)의 상단을 와이어 본딩하여 전선(6)을 외부로 인출한다.

다음으로, 실리콘 구조물(1)의 하부면에 액간 접촉부(3)로서의 다공성 유리막을 상온의 에폭시로 접착함으로써 홀의 하부를 막는다.

다음으로, 액간 접촉부(3)로 하부가 막힌 홀 내부로 기준용액(4)인 하이드로 겔을 충진한다.

마지막으로, 기준용액(4)이 충진된 실리콘 구조물(1)의 상부면에 에폭시층(5)을 형성시켜 홀 전체를 밀봉시킴으로써 완성한다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도 1을 참조하여 설명한다.

먼저, 실리콘 구조물(1)의 상부를 반도체 공정을 이용하여 패턴을 형성하고 식각을 한 다음, 실리콘 구조물(1)의 하부면이 개방될 때까지 식각을 수행하여 홀을 형성한다. 이때 실리콘 구조물(1)은 그 하부면에 대하여 경사지게 형성함으로써 홀의 형상을 상광하협(상부는 넓게 하부는 상대적으로 좁게)으로 형성한다. 이때 기준전극(2)으로 사용될 은(Ag)의 증착이 용이하도록 상기 경사각은 50 ~ 60°가 되도록 식각하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 55°로 한다.

식각 후 은(Ag)을 두께 5000Å으로 증착하고, 염화 처리하여 기준전극(2)인 염화은(Ag)을 표면에 형성한다. 그 후 외부에 전선을 연결하는 방법으로서 와이어 본딩을 수행하여 전선(6)을 연결한다.

다음에 밑면의 개방된 부분에 액간 접촉부(3)인 다공성 유리막을 에폭시로 접착한다. 그 다음 식각된 홀 내부에 기준용액(4)인 하이드로 겔을 채우고 최종적으로 에폭시로 그 상부를 밀봉하여 밀봉층(5)을 형성함으로써 화학센서의 제조를 완료한다.

하기의 표 1은 본 발명에 따라 완성된 액간 접촉부를 시험하기 위해서 다공성 유리막의 두께가 각각 500㎛, 400㎛, 300㎛, 200㎛ 및 100㎛인 경우에 대하여, 시간에 따른 전위 변동을 나타낸 것으로, 이때 외부 측정용액은 염화기가 없는 초 순수를 사용하였으며, 다공성 유리막의 다공율은 22%인 것을 사용하였고, 두께 조절을 위하여 미세 폴리싱(연마)하였다.

다공성 유리막의 두께에 따른 전위 변동

다공성 유리막 두께(㎛)	1Hr	2Hr	3Hr	4Hr	5Hr	6Hr
500	0.1	0.5	1.3	3.2	3.5	3.8
400	0.3	1.2	1.5	2.6	3.2	4.0
300	1.2	3.5	2.2	4.2	4.2	4.6
200	1.6	1.3	3.0	4.0	4.6	4.9
100	1.4	2.9	3.2	4.2	6.0	8.2

표 1에 의하면, 전위 변동은 다공성 유리막의 두께가 두꺼울수록 시간에 따른 변동이 감소함을 관찰할 수 있다.

일반적으로, 시간에 따른 전위 변동은 작으면 작을수록 이상적이나 대략 5mV/일 이내에 해당되면 센서로서의 역할을 충분히 수행할 수 있게 된다. 위 실시예에 의하면 다공성 유리막의 두께가 500㎛에서 가장 안정된 전위 변동을 관찰할 수 있었지만 이는 실리콘 구조물(1)의 크기에 비하여 두께가 상대적으로 너무 커 제작상의 문제가 있으며, 다공성 유리막의 두께가 100㎛ 이하인 경우 그 두께가 너무 얇아 전위 변동이 상대적으로 커 화학센서로 사용하기 부적합하였다. 따라서 본 발명의 액간 접촉부(3)를 구성하는 다공성 유리막은 200㎛ ~ 400㎛의 두께로 하는 것이 바람직하다.

이상과 같이 구성된 본 발명에 의한 소형 화학센서는 화학센서들에 사용하는 것이 필수적인 액간 접촉부의 기준전극의 전위 변동을 최소화함으로써 미세한 전위 변동으로부터 발생될 수 있는 센서의 오차를 최소화할 수 있게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 형태에 관해 설명하였으나, 이는 단지 예시적인 것이며 본 발명의 기술적 사상의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이며, 본 발명에 개시된 내 용과 동일한 기능을 하는 한 균등 수단으로 볼 수 있음이 자명하므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시 형태에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 박막형 액간 접촉부가 구비된 화학센서 및 그 제조방법을 사용하면, 실리콘 구조물에 다공성 유리막으로 형성된 액간 접촉부를 구비하여 기준전위를 일정하게 유지할 수 있으며, 전기적으로 안정적인 도통의 역할을 수행할 수 있을 뿐만 아니라 얇은 박막으로 인한 전위 변동을 최소화할 수 있어 화학센서의 수명 향상을 도모할 수 있는 효과가 있게 된다.

Claims (4)

1. 기준용액과 측정용액이 접촉되는 액간 접촉부가 구비되는 화학센서에 있어서,

   상하로 개방된 홀이 구비된 실리콘 구조물; 상기 홀의 내벽에 형성된 기준전극; 상기 기준전극의 상단에 와이어 본딩되어 외부로 인출된 전선; 상기 홀 하부를 막도록 실리콘 구조물의 하부면에 접착된 두께 200㎛ ~ 400㎛의 다공성 유리막; 상기 홀 상부를 밀봉하도록 실리콘 구조물의 상부면에 접착된 밀봉층; 및 상기 홀 내부에 충진된 기준용액을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 박막형 액간 접촉부가 구비된 소형 화학센서.
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