KR100798361B1 - 감지기둥을 갖는 미세질량 측정 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 감지기둥을 갖는 미세질량 측정 센서에 관한 것으로서, 감지기둥을 갖는 멤브레인 구조를 이용하여, 부착되는 물질에 의한 강성변화에 따른 공진주파수의 변화를 측정함으로써, 측정된 공진주파수의 변화량을 물질의 질량으로 정확하게 환산할 수 있도록 하는데 특징적인 목적이 있다.
이러한 특징적인 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 소정 반경(a)과 두께(h)를 갖는 판 형상의 멤브레인; 기둥형상으로 소정 길이(H)를 갖으며 연장되되, 그 일면은 멤브레인의 중앙부에 부착되며 타면은 측정물질이 부착되는 감지기둥; 및 멤브레인의 소정 위치에 증착되는 압전체; 를 포함한다.
미세질량, 감지기둥, 멤브레인
Description
도 1a 는 본 발명의 일실시예에 따른 감지기둥을 갖는 미세질량 측정 센서의 측면도 및 저면도.
도 1b 는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 감지기둥을 갖는 미세질량 측정 센서의 측면도.
도 1c 는 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 감지기둥을 갖는 미세질량 측정 센서의 측면도.
도 2 는 본 발명에 따른 감지기둥이 없는 센서의 민감도를 측정하기 위해 나타낸 일예시도.
도 3 은 영률변화에 따른 센서의 공진주파수 변화율을 측정하기 위한 해석모델을 나타내는 일예시도.
도 4 는 본 발명에 따른 감지기둥의 반경에 대한 분리계수와의 관계 그래프.
도 5 는 본 발명에 따른 감지기둥의 길이에 대한 분리계수와의 관계 그래프.
도 6 은 본 발명에 따른 멤브레인이 첫 번째 모드로 진동할 경우 나타나는 응력 분포 그래프.
도 7 은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 보호막층이 형성된 모습을 나타내는 일예시도.
도 8 은 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 멤브레인에 덮개부가 안착된 모습을 나타내는 일예시도.
도 9 는 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 다수개의 멤브레인이 배열되어 있는 모습을 나타내는 센서의 저면도.
** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **
100: 미세질량 측정 센서 110: 멤브레인
120: 감지기둥 130: 압전체
140: 보호막층 150: 덮개부
160: 친수막층
본 발명은 미세질량 측정 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 감지기둥(Sensing pole)을 갖는 멤브레인 구조를 이용하여, 부착되는 단백질 또는 유전자와 같은 미세물질의 질량을 정확히 측정할 수 있는, 감지기둥을 갖는 미세질량 측정 센서에 관한 것이다.
주지된 바와 같이, 질량 마이크로-밸런싱(Mass micro-balancing) 기법은 미세 구조물의 공진주파수가 구조물의 질량 증가로 인해 변화한 것을 측정하고, 변화된 공진주파수로부터 증가된 질량을 알아내는 방법이다.
질량 마이크로-밸런싱 기법을 이용하여 미세 질량을 측정하는 대표적인 방법으로 QCM(Quartz Crystal Mass microbalancing)이 있다. QCM에서의 공진주파수 변화와 질량 증가 사이의 관계는 Sauerbrey에 의해 체계적으로 정립되었으며, 이 이론에 따르면 공진주파수는 질량이 증가함에 따라 선형적으로 감소된다.
QCM은 주로 박막 형태의 피검체에서 단위 면적당 분포하는 질량을 측정하는데 이용되며, 수정진동자의 전단 모드(Shear mode)의 변화를 통해 증가된 질량을 측정한다. QCM은 전기적 신호의 입출력이 쉽고 민감도가 뛰어난 장점을 갖고 있으나, 수정진동자 표면에 질량이 고르게 분포되어야 하며, 수정진동자는 마이크로머시닝 공정(micromachining)이 어려우므로 센서를 초소형으로 제작하기 어려운 단점이 있다.
질량 마이크로-밸런싱(Mass micro-balancing) 기법을 이용한 미세 질량 측정용 센서의 구조는 대부분 외팔보 형태로서, 이와 같은 형태의 센서는 구조적인 문제로 인하여 약한 충격에도 센서가 파손될 위험이 크며 외팔보 형상을 만들기 위한 식각작업이 필요하기 때문에 식각이 어려운 유리와 같은 재료를 이용하기가 어렵다. 또한 외팔보에서 측정물질이 부착되는 면과 동일한 면에 PZT와 전극이 존재하므로 패키징(packaging)을 이용하여 센서를 물속에서 사용가능하도록 하는 것이 어렵다.
한편, 미세질량 측정용으로 사용된 멤브레인 형태의 센서에 관해서는, 미국특허 US2006/0123910(발명의 명칭: Apparatus and method for measuring the mass of a substance)(이하, '선행특허') 외에 다수 출원 및 등록되어 있다.
선행특허에 따른 멤브레인 형태의 센서는 그 출원 명세서에 기재된 바와 같이, 부착된 물질에 의한 센서의 질량 변화 외에 강성 변화 등을 무시하였으므로 측정된 데이터를 신뢰할 수 없는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 제 1 목적은, 감지기둥을 갖는 멤브레인 구조를 이용하여, 부착되는 물질에 의한 강성변화에 따른 공진주파수의 변화를 측정함으로써, 측정된 공진주파수의 변화량을 물질의 질량으로 정확하게 환산할 수 있도록 함에 있다.
또한 본 발명의 제 2 목적은, 멤브레인의 상부면 및 압전체 증착면을 보호하는 보호막층 또는 멤브레인 상부면에 안착되는 덮개부를 형성함으로써 용액 내에서 사용할 수 있도록 함에 있다.
그리고 본 발명의 제 3 목적은, 다수개의 멤브레인을 배열함으로써 한 번의 측정으로 다양한 물질의 질량 측정을 할 수 있도록 함에 있다.
본 발명은 감지기둥을 갖는 미세질량 측정 센서에 관한 것으로서, 소정 반 경(a)과 두께(h)를 갖는 판 형상의 멤브레인; 기둥형상으로 소정 길이(H)를 갖으며 연장되되, 그 일면은 멤브레인의 중앙부에 부착되며 타면은 측정물질이 부착되는 감지기둥; 및 상기 멤브레인의 소정 위치에 증착되는 압전체; 를 포함한다.
구체적으로, 상기 감지기둥은, 상기 멤브레인의 상면중앙부 또는 하면중앙부에 부착되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 압전체는, 응력이 가장 큰 위치에 증착되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 미세질량 측정 센서의 민감도(S)는, 상기 멤브레인의 반경(a)에 반비례하며, 상기 감지기둥의 길이(H)에 반비례하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 멤브레인은, 원형 판 또는 다각형 판 형상이며, 상기 감지기둥은, 원기둥 또는 다각기둥 형상인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 멤브레인 및 감지기둥은, 플라스틱, 유리, 실리콘, 폴리실리콘, 실리콘 질화물(Silicon Nitride), Oxide, Sapphire 중 어느 하나의 재질로서 단층구조로 형성되거나, 둘 이상의 재질로서 복층구조로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 감지기둥을 갖는 미세질량 측정 센서는, 멤브레인의 상면 및 압전체 증착면을 보호하는 보호막층; 및 멤브레인의 상면에 안착되는 덮개부; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 감지기둥을 갖는 미세질량 측정 센서는, 감지기둥이 있는 면에 친수막층; 이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 감지기둥은, 측정물질과의 접합면에 금이 증착되어 있는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 감지기둥을 갖는 미세질량 측정 센서의 구조에 관한 설명에 앞서, 별도로 도시하지는 않았으나 미세질량 측정 센서(100)는, 미세질량 측정 센서를 능동적으로 자가 진동하게 함과 아울러 공진주파수를 측정하는 발진회로와 연결되어 있는 바, 질량 마이크로-밸런싱 기법을 통해 미세질량 측정 센서의 가진과 공진주파수 및 공진주파수의 변화량을 측정하는 것이라 이해하는 것이 바람직하다.
도 1a 는 본 발명의 일실시예에 따른 감지기둥을 갖는 미세질량 측정 센서(100)(이하, '센서')에 관한 측면도 및 저면도로서, 도시된 바와 같이, 원형 판 형상으로서 소정 반경(a)과 두께(h)를 갖는 멤브레인(110)과, 원기둥 형상으로 소정 길이(H)를 갖으며 연장되되, 그 상부면은 멤브레인(110)의 하면중앙부에 부착되며, 하부면은 측정물질(P)이 부착되는 감지기둥(120), 그리고 멤브레인(110)의 소정 위치에 증착되는 압전체(130)로 이루어진다.
본 실시예에서, 감지기둥이 멤브레인의 하면중앙부에 부착되는 것으로 설정하겠으나 본 발명이 그 위치에 한정되지 않는 바, 도 1b 에 도시된 바와 같이 멤브레인의 상면중앙부에 부착될 수 있다. 또한 측정물질(P)은 감지기둥의 하부면에 부착되는 것으로 설정하겠으나, 도 1c 에 도시된 바와 같이 감지기둥의 측면부에 부착될 수 있다.
상기 감지기둥(120)은 측정물질과의 접합면을 금으로 증착(depostion)하여 티올(Thiol)계 유기물의 자기조립 분자박막(self assembled monolayer)을 형성함으로써, 항체(antibody)를 고정시키고 항원-항체 반응을 이용한 특정 항원물 질(antigen)을 검출하고 그 질량을 측정하는데 사용된다.
상기 압전체(130)는 발진회로로부터 증폭된 첫 번째 공진주파수에 따른 멤브레인의 응력분포를 바탕으로 응력이 가장 큰 위치에 증착된다.
상술한 구조는 이하에서 서술하는 센서의 특성을 통해 더욱 명확해질 것이다. 도 2 는 감지기둥이 없으며 멤브레인의 측면이 고정된 경우의 센서의 민감도(Sensitivity)를 측정하기 위한 일예시도로서, 측면이 모두 고정(clamped)된 멤브레인의 경우 첫 번째 공진주파수는 다음의 [수식 1]과 같이 나타낸다.
[수식 1]
여기서, E는 멤브레인의 영률(Young's modulus), h는 멤브레인의 두께, a는 멤브레인의 반지름, ρ는 멤브레인의 밀도, ν는 멤브레인의 포아송비(Poisson's ratio)이다.
또한 멤브레인의 등가 강성(Equivalent Stiffness)은 다음의 [수식 2]로 나타낸다.
[수식 2]
그리고, 멤브레인의 등가 질량(Equivalent Mass)은 [수식 1]과 [수식 2]로부 터 다음과 같은 [수식 3]으로 계산된다.
[수식 3]
이때, 멤브레인의 질량 변화에 대한 첫 번째 공진주파수의 변화의 민감도(S)는 [수식 1]과 [수식 3]으로부터 다음과 같은 [수식 4]로 계산된다.
[수식 4]
[수식 4]로부터 다음과 같은 비례식을 얻을 수 있다.
[수식 5]
정리하면, [수식 4]와 [수식 5]로부터 멤브레인형 센서의 민감도(S)는 멤브레인의 반지름의 네제곱에 반비례하며, 멤브레인의 두께와 센서의 민감도는 무관하다는 것을 알 수 있다.
즉, 멤브레인의 면적이 작을수록 센서의 민감도가 증가하며, 센서의 민감도를 증가시키기 위해서는 영률이 크고 밀도가 작은 물질을 이용해서 멤브레인을 제작해야한다.
한편, 질량 마이크로-밸런싱(Mass micro-balancing) 기법을 이용하여 미세 질량의 크기를 정확하게 측정하기 위해서는 센서에 부착된 물질의 질량에 의해서만 센서의 공진주파수가 변화해야 한다. 동일한 물질을 동일한 양으로 부착하더라도 부착상태에 따라 물질의 영률이 변하여서 센서의 공진주파수가 변할 수 있는 바, 센서에 부착된 물질의 영률이 변화해도 공진주파수가 변화하는 것을 최소화 할 수 있어야 부착된 미세한 질량의 크기를 정확하게 측정할 수 있다.
도 3 은 부착된 물질의 영률(Young's modulus)변화에 따른 센서(100)의 공진주파수 변화율을 측정하기 위한 일예시도로서, 센서의 첫 번째 공진 주파수의 변화를 상용 유한요소해석 프로그램인 Comsol Multiphysics 3.2 를 이용하여 계산하였고 그 결과는 아래의 [표 1]에 나타낸 바와 같다.
| 감지기둥의 길이, H(μm) | 부착 물질의 영률 변화에 따른 센서의 첫 번째 공진주파수 변화율(Hz/GPa) |
| 0 | 1167.741935 |
| 5 | 9.677419 |
| 100 | 3.225806 |
[표 1]을 살피면, 감지기둥이 있는 경우(5μm 또는 100μm), 센서의 첫 번째 공진주파수 변화율의 크기는, 감지기둥이 없는 경우(0μm)의 100분의 1 이하로 매우 작게 나타났다.
즉, 감지기둥이 있는 경우의 첫 번째 공진주파수는, 부착된 물질의 영률의 변화에 따라 큰 변화가 없으므로 센서의 첫 번째 공진주파수의 변화는 오직 부착된 물질의 질량변화에 대해서만 변화함을 알 수 있다. 따라서, 부착된 물질의 종류에 관계없이 그 질량을 정확하게 측정할 수 있다.
한편, 감지기둥의 크기는 센서의 분리계수(separation factor)와 민감도(S) 에 의하여 결정된다. 여기서, 센서의 분리계수를 센서의 첫 번째 공진주파수와 두 번째 공진주파수의 차(감지기둥이 짧은 경우) 또는 세 번째 공진 주파수와 두 번째 공진 주파수의 차(감지기둥이 긴 경우)로 정의하도록 한다.
도 4 및 도 5 는 감지기둥의 크기를 결정하는데 필요한 높이 비(Aspect Ratio)(H/R) 및 분리계수(separation factor)와의 관계 그래프로서, 상기 도 3 에 도시된 바와 같이 한 변의 길이가 120μm이며, 두께가 3μm인 육각 판 형상의 멤브레인에서, 감지기둥의 반경(R)이 고정된 경우에 높이 비와 분리계수와의 관계 그래프(도4)와, 감지기둥의 길이(H)가 고정된 경우에 높이 비와 분리계수와의 관계 그래프(도5)이다.
상기 도 4 및 도 5 를 통해 살펴보면, 측정하고자 하는 모드의 공진주파수 변화를 정확하게 측정하기 위해서는 분리계수(separation factor)가 크게 되도록 감지기둥의 높이 비(aspect ratio)(H/R)를 정해야함을 알 수 있다. 또한, 감지기둥의 길이가 길수록 센서의 등가질량(equivalent mass)이 증가하므로 [수식 4]에 의하여 센서의 민감도(S)가 감소하게 됨을 알 수 있다.
부연하면, 분리계수가 크도록 감지기둥의 높이 비를 유지하면서, 감지기둥의 길이를 짧게 하고, 밀도가 낮은 물질로 감지기둥을 제작하여 등가질량을 감소시킴으로써 센서의 민감도를 증가시킬 수 있다.
따라서, 멤브레인 및 감지기둥의 재료로서 실리콘, 폴리실리콘 외에도 밀도가 낮고 상대적으로 영률이 큰 플라스틱 등의 고분자 물질을 사용함으로써 공정이 쉽고 높은 민감도를 갖는 센서를 제작할 수 있다. 또한, 멤브레인 및 감지기둥의 재료로서 전기적인 절연을 목적으로 Oxide를 사용할 수 있으며, 이 외에도 센서의 Q인자(Quality Factor)가 높은 비정질(amorphous) 또는 단결정 물질인 유리, 질화물(Silicon Nitride), Sapphire를 이용하여 센서를 제작할 수 있다. 상기 멤브레인 및 감지기둥은 상술한 재료를 이용한 단층구조 또는 두 가지 이상의 재료를 사용하여 복층구조로 형성할 수 있다.
도 6 은 소정 반경(25μm)과 두께(3μm)를 갖으며 측면이 고정되어 있는 원형 판 형상의 멤브레인이 첫 번째 모드로 진동할 경우 응력 분포를 나타낸 그래프로서, 도시된 바와 같이 멤브레인의 중심 부근이나 가장자리가 응력이 큰 것으로 나타나는 바, 이 영역에 압전체를 증착(deposition)해야 한다.
도 7 내지 도 9 는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 센서(100)의 구성도로서, 도 7 에 도시된 바와 같이, 멤브레인의 상면 및 압전체 증착면을 보호하는 보호막층(Passivation layer)(140)을 형성하거나, 도 8 에 도시된 바와 같이 멤브레인(110)의 상면에 안착되는 덮개부(Packaging)(150)를 형성한다. 이때, 상기 센서에서 감지기둥이 있는 면을 실리콘 산화물 등의 친수성(hydrophilic)물질을 도포하여 친수막층(160)을 형성함으로써, 물 또는 용액 내에서도 센서를 사용할 수 있도록 한다.
도 9 는 다수개의 멤브레인이 배열되어 있는 모습을 나타내는 감지기둥을 갖는 미세질량 측정 센서(100)의 저면도로서, 도시된 바와 같이 MEMS 기술을 이용하여 멤브레인의 크기를 초소형화함으로써 다수개의 멤브레인이 배열된 센서를 제작할 수 있다.
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 감지기둥을 갖는 멤브레인 구조를 이용하여, 부착되는 물질에 의한 강성변화에 따른 공진주파수의 변화를 측정함으로써, 물질의 종류에 관계없이 측정된 공진주파수의 변화량을 질량으로 정확하게 환산할 수 있는 효과가 있다.
그리고, 본 발명에 따르면, 보호막 또는 덮개부를 이용하여 센서를 용액 내에서 사용할 수 있으며, 다수개로 배열된 센서를 통해 한 번의 측정으로 다양한 물질의 질량 측정이 가능한 효과도 있다.
Claims (12)
- 소정 반경(a)과 두께(h)를 갖는 판 형상의 멤브레인;기둥형상으로 소정 길이(H)를 갖으며 연장되되, 그 일면은 멤브레인의 중앙부에 부착되며 타면은 측정물질이 부착되는 감지기둥; 및상기 멤브레인의 소정 위치에 증착되는 압전체; 를 포함하는 감지기둥을 갖는 미세질량 측정 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 감지기둥은, 상기 멤브레인의 상면중앙부 또는 하면중앙부에 부착되는 것을 특징으로 하는 감지기둥을 갖는 미세질량 측정 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 압전체는, 응력이 가장 큰 위치에 증착되는 것을 특징으로 하는 감지기둥을 갖는 미세질량 측정 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 미세질량 측정 센서의 민감도(S)는, 상기 멤브레인의 반경(a)에 반비례하는 것을 특징으로 하는 감지기둥을 갖는 미세질량 측정 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 미세질량 측정 센서의 민감도(S)는, 상기 감지기둥의 길이(H)에 반비례하는 것을 특징으로 하는 감지기둥을 갖는 미세질량 측정 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 멤브레인은, 원형 판 또는 다각형 판 형상인 것을 특징으로 하는 감지기둥을 갖는 미세질량 측정 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 감지기둥은, 원기둥 또는 다각기둥 형상인 것을 특징으로 하는 감지기둥을 갖는 미세질량 측정 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 멤브레인 및 감지기둥은, 플라스틱, 유리, 실리콘, 폴리실리콘, 실리콘 질화물(Silicon Nitride), Oxide, Sapphire 중 어느 하나의 재질로서 단층구조로 형성되거나, 둘 이상의 재질로서 복층구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 감지기둥을 갖는 미세질량 측정 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 감지기둥을 갖는 미세질량 측정 센서는, 멤브레인의 상면 및 압전체 증착면을 보호하는 보호막층; 을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 감지기둥을 갖는 미세질량 측정 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 감지기둥을 갖는 미세질량 측정 센서는, 멤브레인의 상면에 안착되는 덮개부; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 감지기둥을 갖는 미세질량 측정 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 감지기둥을 갖는 미세질량 측정 센서는, 감지기둥이 있는 면에 친수막층; 이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 감지기둥을 갖는 미세질량 측정 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 감지기둥은, 측정물질과의 접합면에 금이 증착되어 있는 것을 특징으로 하는 감지기둥을 갖는 미세질량 측정 센서.
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Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| KR20020035836A (ko) * | 1999-07-16 | 2002-05-15 | 가와사키 마사히로 | 나노미터 오더의 기계 진동자, 그 제조방법, 및 이를이용한 측정장치 |
| KR20030033486A (ko) * | 2001-10-23 | 2003-05-01 | 삼성전자주식회사 | 전단응력 측정을 이용한 생분자들간의 결합 여부 검출 방법 |
| US20070023621A1 (en) | 2005-07-27 | 2007-02-01 | Blick Robert H | Nanoelectromechanical and Microelectromechanical Sensors and Analyzers |
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2007
- 2007-02-01 KR KR1020070010463A patent/KR100798361B1/ko not_active IP Right Cessation
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