KR100845717B1 - 초소형 마이크로 브리지 질량 센서를 이용한 인체바이오마커 센서 및 모듈 - Google Patents

초소형 마이크로 브리지 질량 센서를 이용한 인체바이오마커 센서 및 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 인체의 신진대사 과정에서 배출되며 다양한 질병들을 간접적으로 진단하는데 유용한 인체 바이오마커들을 감지할 수 있는 초소형 마이크로 브리지 질량 센서를 이용한 인체 바이오마커 센서 및 모듈에 관한 것이다.
본 발명에서의 압전 마이크로 브리지는 하나의 브리지 구조 지지판 위에 두 개의 압전 구동을 위한 압전 캐패시터가 대칭적으로 분리되어 집적되기 때문에 소자의 총 질량을 줄여 감도를 향상시킬 수 있으며, 다층 박막 구조의 공진자의 제작 시 층간 잔류 응력을 분산하여 외형적 변형을 최소화할 수 있고 따라서, 높은 기계적 품질 계수의 공진주파수를 나타내며 대기, 수질 등 여러 측정 환경에서도 물질 감지를 위한 공진주파수 분해능을 확보할 수 있다. 본 발명의 압전 마이크로 브리지 공진자 감지소자는 기존의 유사한 유효 감지 면적을 갖는 마이크로 칸티레버 구조의 공진자에 비해 매우 높은 공진주파수 값과 그에 따른 보다 우수한 감도 특성을 가지고 있다.

Description

초소형 마이크로 브리지 질량 센서를 이용한 인체 바이오마커 센서 및 모듈{BIOMAKER SENSOR AND MODULE USING MICRO BRIDGE MASS SENSOR}
도 1은 본 발명에 따른 초소형 압전 마이크로 브리지를 이용한 인체 바이오마커 센서의 구성도이다.
도 2는 도 1의 초소형 압전 마이크로 브리지를 이용한 인체 바이오마커 센서 어레이를 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 초소형 압전 마이크로 브리지를 이용한 인체 바이오마커 센서 모듈에 대한 블록 다이어그램이다.
도 4는 본 발명에 따른 초소형 압전 마이크로 브리지를 이용한 인체 바이오마커 센서의 제조 방법을 나타내는 공정도이다.
도 5는 도 4의 공정도에 도시된 각 층의 구성 요소에 대한 설명을 나타낸다.
도 6은 본 발명에 따른 초소형 압전 마이크로 브리지를 이용한 인체 바이오마커 센서의 표면에 인간의 호흡시 발생하는 대표적인 VOC(휘발성 유기화합물질: volatile organic compound)인 일차 알콜류 등의 증기(vapor)에 민감한 감지특성을 나타내는 폴리메틸메트아크릴레이트(polymethylmetacrylate: PMMA) 재료를 적용해 감지 대상 물질을 감지한 그래프를 도시한다.
도 7은 메탄올 및 에탄올 각각의 농도에 따른 마이크로 브리지 공진자의 기 본 공진주파수 감소 패턴을 도시한다.
*도면의 주요부분에 대한 부호설명*
100: 감지층 110: 압전 구동층
120: 지지층 130: 상부 전극
140: 하부 전극 150: 절연층
160: 전극 라인
본 발명은 인체의 신진대사 과정에서 배출되며 다양한 질병들을 간접적으로 진단하는데 유용한 인체 바이오마커들을 감지할 수 있는 정밀 질량 센서의 제조에 관한 것이므로, 특히 초소형 마이크로 브리지 질량 센서를 이용한 인체 바이오마커 센서 및 모듈에 관한 것이다.
현대의 과학 기술 개발은 인간 삶의 질적 향상에 그 초점을 두고 있다. 특히 의학 분야에 있어서 질병의 치료뿐만 아니라 질병의 치료에 앞서 질병을 미리 예측하거나 조기에 진단하는 등 인간 수명에 직접적인 영향을 줄 수 있는 각종 문제들을 효율적으로 제어하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 연구 동향의 예로 인체에서 일어나는 생화학적 변화를 간접적으로 진단하기 위한 인체 바이오마커 (biomarker)들의 종류 및 특성에 관한 연구, 그리고 이를 검출하기 위한 감지 기술에 관한 연구를 들 수 있다. 인체 바이오마커는 인체의 호흡 및 소화와 같은 신진대사 과정에서 배출되는 가스 또는 액상의 매질 내에 존재하며, 배출되는 물질들의 농도 및 종류가 특정 질병을 가진 사람의 경우 특정 질병과 관련하여 정상인의 기준치에 비해 많은 차이를 보일 수 있다. 따라서 인체의 신진대사과정에서 배출되는 다양한 물질의 농도 및 종류를 우수한 감도를 갖는 센서를 이용하여 체외에서 간접적으로 분석하므로써 많은 시간 및 비용의 소요 없이 인체 내 질병의 존재 여부를 확인하는 것이 가능하다. 또한, 질병의 진단 이외에 인체에서 배출되는 바이오마커들은 인간이 살아가는 환경에 많은 영향을 받으므로 거주 환경 개선을 위해 필요한 정보를 수집하는 것이 가능하다.
인체 바이오마커 및 유해 공해물질은 대기 및 호흡 시 배출되는 가스에 희박하게 혼합되어 있기 때문에 이를 기존의 분석법으로 분석하기 위해서는 시료의 추출, 농축 및 분석을 위해 고비용, 대규모 분석 장치 및 샘플 전 처리에 많은 시간이 소요되는 등의 많은 단점을 극복해야만 한다. 시료의 추출 및 농축과 같은 샘플 전 처리 과정 없이 실시간으로 대상 물질을 분석하기 위해서는 분석에 사용되는 센서 소자의 감도가 단 분자 수준의 질량을 감지할 수 있어야 한다.
인체의 호흡에서 발생하는 인체 질병 진단을 위한 바이오마커 및 환경 유해 물질 등과 같은 VOC 형태의 대상 물질을 분석할 수 있는 주된 수단으로 가스 크로마토그래피(gas chromatography) 와 질량 분석계(mass spectrometry) 등의 분석기술이 사용되어왔다(Lung cancer identification by the analysis of breath by means of an array of non-selective gas sensors, Biosensors & Bioelectronics, Vol. 18, 1209 (2003)). 이러한 종래 분석 기술에서는 매우 희박한 농도로 존재하 는 대상 물질을 감지하기 위한 방법으로 감지 대상물질이 쉽게 흡착될 수 있는 재료를 이용해 대상 물질을 수집하고 이를 분석 장비의 검출 농도 범위에 이르도록 농축한 후 분석을 시행한다. 가스 크로마토그래프의 내부에는 측정 대상 가스에 적합한 분리제를 넣은 가늘고 긴 칼럼이 설치되어있다. 측정 시에는 우선 분리제와 친화력이 없는 가스를 칼럼에 흐르게 한다. 여기에 측정하려는 가스를 순간적으로 약간 투입한다. 측정 대상 가스의 각 성분은 분리제에 의해 일시적으로 흡착되는데 캐리어 가스에 의해 바로 분리된다(탈착). 가스의 각 성분은 칼럼 내에서 흡착과 탈착을 반복하여 캐리어가스에 밀려 칼럼 밖으로 배출된다. 이 과정에서 분리제와의 친화력이 약한 성분은 바로 유출되고 친화력이 강한 성분은 늦게 유출된다. 그 결과 칼럼 출구에서는 각 성분의 가스와 캐리어가스 두 가지 성분의 기체가 존재하게 되며, 이 농도를 검출기로 측정하면 측정 대상 가스 각 성분의 농도를 구할 수 있는데, 농도 검출을 위해 열전도도 검출기, 수소염 이온화 검출기, 염과광도 검출기, 전자 포획 검출기, 질량분석계 등과 같은 다양한 형태의 검출기가 병행 사용된다. 인체의 호흡 시 배출되는 VOC (volatile organic compound) 물질을 가스 크로마토그래프로 분석하는 경우, 그 출력은 연속적이 아니며, 시료를 투입한 후에 출력을 얻을 때까지 어느 정도의 시간을 필요로 하기 때문에, 물질의 실시간 검출이 어렵다. 또한, 분석 시스템의 규모가 크기 때문에 휴대가 간편한 집적화된 모듈 형태로의 제조이 불가하다.
기존에 보고되고 있는 중력화학 센서는 일반적으로 압전 재료인 쿼츠 크리스탈(quartz crystal)을 주된 재료로 사용하며 쿼츠 크리스탈 또는 기타 압전 재료 위에 다양한 형태의 전극을 형성함에 따라 QCM(quartz crystal microbalance), SAW(surface acoustic wave), APM(acoustic plate mode), FPW(flexural plate mode) 그리고 TSM(thickness-shear mode) 등으로 분류되고 있다. 이러한 쿼츠 크리스탈을 이용한 중력화학 센서는 전극 및 감지층 물질이 형성된 쿼츠 크리스탈, 공진주파수 대역의 구동을 위한 오실레이터(oscillator) 그리고 감지 신호로 주로 사용되는 소자의 공진주파수의 변화를 측정하기 위한 계측 장비로 구성되며, 감지 대상 물질의 흡착에 따른 소자의 공진 주파수 변화를 감지 원리로 사용한다. 미국특허 USP 6,360,585(Method and apparatus for determining chemical properties, 2002년 3월 26일)에는 쿼츠 크리스탈을 이용한 센서가 개시되어 있다. 상기 종래 기술에 따른 쿼츠 크리스탈을 이용한 센서는 소자 표면에 감지 대상 물질에 적합한 다양한 종류의 감지층의 형성이 비교적 용이하며 빠른 응답 속도 그리고 간단한 제조 공정 등의 장점을 가지고 있다. 그러나 쿼츠 크리스탈을 이용한 센서는 구성 재료 및 제조 기술 측면에 있어서 초소형 센서를 제조하는데 적합하지 않다는 단점을 지니고 있으며, 매우 낮은 농도의 분석 대상 물질을 실시간 감지하는데 필요한 충분한 감도를 가지고 있지 않다.
기존 원자힘현미경(atomic force microscopy:AFM)에 사용되는 신호처리 원리를 기반으로 하며, 실리콘 (Si) 및 질화 실리콘 (SiNx) 등의 재료로 이루어진 마이크로 또는 나노 크기의 칸티레버를 이용한 정밀 질량 감지 센서가 보고되고 있다(Attogram detection using nano-electro- mechanical oscillators,Journal of applied physics, Vol. 95, No. 7, 3694 (2004)). 이러한 센서 에서는 일반적인 공진자 감지소자의 경우와 마찬가지로 감지 대상 물질의 감지를 위해 마이크로 칸티레버 표면에 감지 대상 물질을 감지할 수 있는 감지층을 형성한다. 감지 대상물질이 감지 물질이 형성된 칸티레버에 흡착되게 되면, 마이크로 칸티레버의 물리적 변화를 야기한다. 대표적인 물리적 변화는 칸티레버의 공진주파수 변화나 표면 응력 상태의 변화에 의한 기계적 변형을 예로 들 수 있으며, 칸티레버의 물리적 변화를 감지하기 위해, 레이저(laser) 및 감광성 검출기(photo sensitive detector) 등으로 구성된 비교적 큰 규모의 광학적 분석 장비를 이용해 트랜스듀서로부터의 신호의 변화를 분석한다. AFM 기술을 기반으로 하는 센서의 경우, 센서에 있어 트랜스듀서에 해당하는 칸티레버는 기존 MEMS 공정을 이용하여 대량 생산이 용이하고, 나노 크기의 칸티레버를 제조하여 단 분자 수준에 이르는 감도 특성을 얻은 결과가 보고되어 있지만, 트랜스듀서의 응답 신호를 얻기 위해 집적화하기 어려운 대규모 광학적 측정 장비에 의존해야 한다. 따라서 쿼츠 크리스탈을 이용한 중력화학 센서와 마찬가지로 감지 대상물질의 감지에서 분석에 이르는 모든 과정이 집적된 초소형 센서 모듈의 제조가 어려운 실정이다.
금속 산화물 반도체 재료를 이용한 반도체 센서나 전도성 고분자를 이용한 센서는 두 전극 사이에 감지 대상 물질을 흡착할 수 있는 금속 산화물 반도체 또는 전도성 고분자 재료 부분이 형성되어 있는 구조를 지니고 있으며, 금속 산화물 반도체 재료 또는 전도성 고분자 재료 자체가 감지 물질로 사용된다. 즉 감지 대상 물질이 흡착될 경우 금속 산화물 반도체 재료 및 전도성 고분자 재료와 흡착된 물질과의 상호 작용에 의해 두 전극 사이의 저항 또는 전도도의 변화가 일어나며, 이 러한 변화를 센서의 감지 신호로 사용한다. 금속 산화물 반도체 센서 및 전도성 고분자 센서는 쿼츠 크리스탈을 이용한 중력화학 센서에 비해 비교적 느린 응답 속도를 나타내며, 반도전성 및 전도성을 나타내는 재료 자체를 감지층으로 사용하므로 다양한 종류의 감지 대상물질에 적합한 반도전성 및 전도성 재료의 종류에 제한이 있다.
압전 구동 요소가 집적된 자가 구동형 마이크로 칸티레버 구조의 공진자 감지 소자와 이를 이용한 화학 센서가 보고되었다. 압전 구동 요소가 집적된 마이크로 칸티레버 공진자는 특정 주파수 범위의 교류 전계 인가에 의해 공진자 소자의 공진주파수로 구동되며, 이때 집적된 압전 구동요소에 의해 공진자 소자는 공진주파수 부근에서 큰 변화 폭을 갖는 다양한 전기적 신호를 출력하게 된다. 따라서 기존 실리콘 또는 질화 실리콘 재료만으로 이루어진 마이크로 칸티레버 공진자의 공진주파수를 탐색하기 위해 레이저 및 광학적 측정 시스템을 사용하는 것과 달리 압전 공진자 소자로부터 공진주파수 부근에서 출력되는 뚜렷한 전기적 신호의 변화를 분석하여 공진주파수 분석이 가능하다. 압전 마이크로 칸티레버 공진자의 표면에는 유해 가스 또는 생화학 물질 등의 감지 대상 물질을 감지하기 위한 물질 감지층이 형성되어 있으며, 감지 대상물질의 흡착에 의한 공진자 표면의 질량의 증가량은 공진자의 공진주파수 변화량으로 출력되어 대상 물질의 감지 여부를 확인할 수 있다. 압전 마이크로 칸티레버 공진자를 이용한 자가 구동형 화학 센서는 감지 대상물질에 대한 주 감지 신호인 공진주파수 변화를 공진자로부터의 전기적 출력 신호를 이용하여 분석하기 때문에 초소형 센서 시스템의 구현을 위해 적합한 형태를 갖고 있으며, 우수한 감도를 나타내는 것으로 보고되고 있다(Self-excited piezoelectric microcantilever for gas detection, Microelectronic engineering, Vol. 69, 37 (2003)). 그러나 분자 수준으로 존재하는 극미량의 감지 대상물질을 감지하기 위해서는 보다 우수한 감도 특성이 요구된다. 한편, 공진주파수 변화를 주 감지 신호로 사용하는 마이크로 칸티레버 공진자 감지소자의 감도 특성을 향상시키기 위해서는 기본 공진주파수 값의 향상이 필요하다. 칸티레버 구조 공진자의 경우, 기본 공진주파수 값의 향상을 위해 보다 작은 크기로 소자를 제조해야 한다. 그러나 압전 구동요소가 집적되지 않는 간단한 구조의 실리콘 또는 질화 실리콘 재료만으로 이루어진 칸티레버에 비해 제조가 매우 어렵다. 또한, 기본 공진주파수의 향상을 위해 소자의 크기를 크게 줄일 경우, 감지소자에 있어서 중요한 요소인 유효 감지 면적이 줄어드는 단점이 있다. 그리고 마이크로 칸티레버 구조는 지지판의 한 부분만이 고정되어 있는 불안정한 구조이기 때문에 공진자 소자의 제조 및 센서 시스템으로의 집적이 어렵다. 뿐만 아니라 감지 대상물질 감지를 위해 구조물 표면에 형성해야 하는 물질 감지층의 형성 방법 또한 어렵게 된다. 특히 다층 박막 구조인 공진자 구조를 제조하는데 있어 층간 잔류 응력에 의해 제조 후 휨 등의 소자의 외형적 변형이 크게 나타날 수 있다. 이러한 소자의 외형적 변형은 실제 응용을 위한 공진자 소자의 공진주파수 특성을 크게 감소시킨다.
앞서 설명한 바와 같이, 실리콘(silicon) 및 질화 실리콘(silicon nitride) 칸티레버와 같은 기존 원자힘현미경(atomic force microscopy: AFM)의 측정 원리를 기반으로 하며 단 분자 수준의 질량을 감지할 수 있는 나노 크기의 칸티레버 또는 브리지와 같은 정밀 중력화학 센서들이 보고되고 있으나, 이러한 소자의 공진주파수 변화 또는 기계적 변위의 변화와 같은 응답 신호를 얻기 위해 주로 광학적인 측정 장비에 의존해야하며, 초소형 센서 시스템의 제조에 적용하기 어렵다는 단점이 있다.
따라서, 본 발명은 종래 기술이 가지고 있는 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 낮은 농도에서도 물질의 실시간 검출이 용이하고 휴대가 간편한 초소형 마이크로 브리지 질량 센서를 이용한 인체 바이오마커 센서 및 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전체 구조를 안정화시켜 층간 잔류 응력에 의한 소자의 외형적 변형은 감소시켜 측정의 정밀도를 높이는 초소형 마이크로 브리지 질량 센서를 이용한 인체 바이오마커 센서 및 모듈을 제공하는 것이다.
이와 같은 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 초소형 마이크로 브리지 질량 센서를 이용한 인체 바이오마커 센서에서 압전 마이크로 브리지는 하나의 브리지 구조 지지판 위에 두 개의 압전 구동을 위한 압전 캐패시터가 대칭적으로 분리되어 집적되는 구조를 가지도록 하여 압전 캐패시터가 소자의 전체를 덮고있는 간단한 일반적인 구조에 비해 소자의 총질량을 줄임으로써 그 감도를 향상시키고,다층 박막 구조의 공진자의 제조시 층간 잔류 응력을 분산하여 외형적 변형을 최소화할 수 있고, 따라서 높은 기계적 품질 계수의 공진주파수를 나타내며 대기, 수질 등 여러 측정 환경에서도 물질 감지를 위한 공진주파수 분해능을 확보할 수 있도록 하였다. 또한, 본 발명에서의 센서 모듈에서는 다양한 바이오마커 물질에 대한 정밀한 분석을 위해 여러 종류의 감지물질 층이 형성된 복수개의 압전 마이크로 브리지가 배열되어 각각의 감지 물질 및 감지 대상 물질에 따른 복수개의 감지 신호를 생성할 수 있도록 하고 집적된 신호 생성 및 분석 회로를 통해 특정 감지 대상 물질에 대한 감지 패턴을 출력하여 기 확보된 데이타 베이스의 자료와 대조함으로써 감지 결과를 판독하도록 하였다.
본 발명에서의 압전 마이크로 브리지 공진자는 유사한 평면 크기의 칸티레버 공진자에 비해 기본 공진주파수 값이 10배 정도 높으며, 다이아프램 공진자에 비해 다소 낮은 기본 공진주파수 값을 갖는다. 그러나 소자의 유효 감지 면적을 고려하여 동일한 질량이 소자 표면에 인가될 경우, 가장 높은 공진주파수 변화 폭(Hz/g)을 갖는 등 보다 우수한 감도 특성을 나타내며, 또한 공진주파수 및 감도 특성 향상을 위해 소자의 크기를 크게 줄일 필요가 없어 대상 물질의 감지에 필요한 충분한 유효 감지면적을 확보할 수 있기 때문에 실제 센서 시스템으로의 응용에 있어서 더욱 적합하다. 그리고 칸티레버 및 브리지 구조를 갖는 공진자는, 소자의 총 질량이 작을수록 소자의 질량 감도가 증가하며, 또한 기본 공진주파수 값이 클수록 그 감도가 증가한다. 소자의 기본 공진주파수는 소자의 크기를 줄여 증가시킬 수 있지만, 소자의 크기가 축소됨에 따라 감지 면적이 작아지게 된다. 따라서, 이러한 마이크로 브리지, 특히 본 발명에서와 같은 압전 구동을 위한 압전 캐패시터가 하나의 지지판 상부에 두 개로 분리되어 형성되는 구조를 갖는 압전 마이크로 브리지 공진자를 이용하면, 지지판 물질에 비해 상대적으로 밀도가 높은 압전 캐패시터 재료가 지지판 전체를 덮고 있는 구조에 비해 유효 감지 면적은 동일하지만 소자의 총 질량은 줄어들게 되어 그 감도가 증가하게 된다. 한편, 본 발명에서와 같은 구동부의 양쪽이 고정되어있는 구조는 기존의 압전 칸티레버 및 실리콘 또는 질화 실리콘와 같이 구동부의 한쪽만이 고정되어있는 공진자 구조에서 문제시되었던, 제조 시 다층 막간 잔류 응력에 의한 휨 현상, 센서 시스템으로의 집적에 불리한 취약한 구조 그리고 감지 대상물질 감지를 위한 물질 감지층 형성의 어려움 등의 다양한 문제들을 해결할 수 있다. 그리고 본 발명에서의 마이크로 브리지 구조의 공진자가 갖는 다른 장점으로 공진자 감지 소자의 응용 분야의 폭이 매우 넓다는 특징이 있다. 일반적으로 공진자의 작동 환경 즉, 센서 시스템의 측정 환경을 고려하면, 기존의 칸티레버 구조 또는 이와 유사한 공진자 구조는 대기 환경 중에서는 소자의 구동에 큰 문제가 없으나 매질의 밀도가 매우 높은 액상과 같은 환경에서 작동될 경우, 주 감지 신호로 사용되는 공진주파수 특성 피크(peak)의 품질 계수(Qm )가 급격히 낮아지기 때문에 적용이 매우 어렵다는 단점이 있다. 그러나 본 발명에서의 마이크로 브리지 구조의 공진자를 이용할 경우, 칸티레버 구조에 비해 밀도가 높은 매질에서도 공진주파수 특성을 더욱 잘 유지할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 초소형 마이크로 브리지 질량 센서를 이용한 인체 바이오마커 센서는 실리콘 기판 상부에 고정된 질화 실리콘 막 마이크로 브리지; 상기 질화 실리콘 막 마이크로 브리지 상부에 형성된 산화 실리콘 막; 상기 산화 실리콘 막의 상부에 두 개로 분리되어 소정의 크기로 형성된 하부 전극; 상기 두 개로 분리된 하부 전극 상부에 압전 구동을 위해 형성된 두 개의 압전 구동층; 상기 하부 전극 상부 및 상기 압전 구동층 일부 영역 상부에 상하부 전극 간 절연을 위해 형성된 절연층; 상기 절연층의 상부 및 상기 두 개의 압전 구동층의 상부에 형성된 두 개의 상부 전극 및 상기 상부 전극과 하부 전극에 소자의 구동을 위해 전계를 인가하기 위해 형성된 전극 라인; 상기 형성된 초소형 압전 마이크로 브리지 소자 표면에 극미량의 감지 대상물질을 감지하기 위해 형성된 물질 감지층을 포함하는 것이 특징이다.
또한, 본 발명의 초소형 압전 마이크로 브리지를 이용한 인체 바이오마커 센서 제조 방법은 실리콘 기판 상부에 질화 실리콘 막 및 산화 실리콘 막으로 이루어진 지지층을 형성하는 단계; 상기 산화 실리콘 막 상부에 하부 전극을 증착하는 단계; 상기 증착된 하부 전극 위에 졸-겔 스핀코팅법(sol-gel spin coating) 압전 박막을 증착하는 단계; 상기 증착된 압전 박막의 일부를 제거하여 상기 하부 전극 위에 두 개로 분리되어 배열된 소정 크기의 압전 구동층을 형성하는 단계; 상기 두 개로 분리되어 배열된 압전 구동층 보다 큰 크기의 두개로 배열된 하부 전극을 형성하기 위해 하부전극의 일부를 제거하는 단계; 상기 좌우 대칭 형으로 두 개로 배열되어 형성된 하부 전극 상부 및 상기 압전 구동층 일부 영역 상부에 상하부 전극 간 절연을 위한 절연층을 형성하는 단계; 상기 절연층의 상부 및 상기 두 개로 배열된 압전 구동층의 상부에 상부 전극을 형성하는 단계; 상기 질화 실리콘 막의 일부를 제거하는 단계; 상기 (h) 단계로 노출된 실리콘 기판을 식각하는 단계; 상기 실리콘이 식각된 소자의 상부 질화 실리콘 막의 일부를 제거하여 브리지 구조를 형성하는 단계; 및 감지 대상물질을 감지하기 위한 감지층을 형성하는 단계를 포함하는 것이 특징이다.
본 발명의 상기 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용 효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조로 아래의 상세한 설명에 의해 더욱 명확하게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 초소형 압전 마이크로 브리지를 이용한 인체 바이오마커 센서 모듈의 감지부를 나타내는 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 압전 마이크로 브리지를 이용한 미세 화학 센서에서 감지 대상 물질을 감지하는 감지부에 해당되는 압전 마이크로 브리지의 표면에는 대상 물질을 감지하기 위한 감지층(100)이 형성되어 있다. 상기 압전 마이크로 브리지에는 압전 구동을 위한 박막 재료로 대표적인 Pb(Zr,Ti)O3(티탄-지르콘산납, 이하 PZT) 또는 질화 알루미늄(AlN) 및 산화 아연(ZnO)등의 압전 물질을 재료로 사용할 수 있다. 상기 감지층(100)은 벤젠류 물질을 감지하는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane: PDMS) 또는 알콜류 물질을 감지하는 폴리메틸메트아크릴레이트(polymethylmetacrylate)를 사용한다.
본 발명에 의한 초소형 압전 마이크로 브리지를 이용한 인체 바이오마커 센서는 질화 실리콘 막 브리지가 실리콘 기판(170) 상부에 형성되고, 산화 실리콘 막이 상기 질화 실리콘 막 브리지 상부에 형성된다.
상기 압전 마이크로 브리지는 크게 지지판 위에 두 개로 분리되어 형성되는 구동층 커패시터와 상기 구동층 커패시터를 지지하는 지지층(120)으로 구성되어 있다. 상기 구동층 커패시터는 두 개로 분리되어 배열되는 각각의 상부 전극(130)과 하부 전극(140) 사이에 적층된 압전 구동층(110)으로 이루어진다. 상기 지지층(120)은 질화 실리콘 막을 포함한다. 상기 상부 전극(130)과 하부 전극(140) 사이에는 전극 간의 절연을 위한 절연층(150)이 위치하고, 상기 상부 전극(130)과 하부 전극(140)에 소자의 구동을 위해 전계를 인가하기 위한 전극 라인(160)이 길게 이어져 있다. 상기 절연층(150)은 감광성 폴리이미드(Polyimide)와 같은 패터닝이 가능한 물질을 사용하여 포토 리소그래피(photo lithography)으로 형성한다.
이와 같이, 하부 전극(140)은 산화 실리콘 막이 형성된 지지층(120)의 상부에 두 개로 분리되어 소정의 크기로 형성되며, 두 개로 분리된 하부 전극(140) 상부에 두 개의 압전 구동층(110)이 형성된다. 절연층(150)은 상기 하부 전극(140) 상부와 압전 구동층(110) 일부 영역 상부에서 상하부 전극 간 절연을 위해 형성되고, 상부 전극(130)은 상기 절연층(150)의 상부 및 두 개로 분리된 압전 구동층(110)의 상부에 형성된다.
압전 구동 요소가 형성된 구동부는 이로부터 길게 연장된 전극 라인(160)에 의해 구동 전압 인가를 위한 전극 패드에 연결된다. 인체 바이오마커 등 특정 감지 물질을 감지하기 위한 물질 감지층(100)은 압전 구동 캐패시터가 형성된 구동층(110)의 상부에 형성되고 이를 이용하여 감지 대상물질을 흡착 및 감지한다.
본 발명에서의 압전 구동소자의 기본 공진주파수 값은 소자의 길이의 제곱에 반비례하여 그 크기가 증가하며, 소자의 크기를 줄여 높은 공진주파수 값을 확보할 경우보다 우수한 감도 특성을 얻을 수 있다. 본 발명에서의 센서로 분석하고자 하는 인체 바이오마커 물질은 분석 환경에서 극미량으로 존재하므로, 이를 실시간으로 검출하기 위해서는 센서의 높은 감도 특성이 요구된다. 따라서 본 발명에 따른 초소형 압전 마이크로 브리지를 이용한 인체 바이오마커 센서는 수십 마이크론 정도의 길이를 갖도록 제조되는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명에 따른 초소형 압전 마이크로 브리지를 이용한 인체 바이오마커 센서를 어레이 형태로 구성한 것을 도시한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 기준 신호를 출력하는 기준 인체 바이오마커 센서 R 뿐만 아니라 다양한 물질 감지층 및 그에 따른 다양한 감지 패턴으로부터 다양한 감지 대상 물질을 감지할 수 있도록 어레이 형태로 초소형 센서(1 ~ 3)를 제조함으로써 다양한 분석 대상 물질에 대한 정확한 통계학적 데이터를 얻을 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 초소형 압전 마이크로 브리지를 이용한 인체 바이오 마커 센서 시스템 모듈의 동작에 대한 블록 다이어그램으로서, 압전 마이크로 브리지를 이용해 정밀 질량 센서 시스템 모듈을 제조할 경우에 필요한 구성 요소를 표시한 것이다. 감지층(100)이 형성된 압전 마이크로 브리지는 회로 상에 구현된 오실레이터 및 주파수 카운터를 이용해 주파수 탐색을 함으로써 소자의 공진주파수 값을 측정하고, 소자를 측정 환경에 노출 후 구동소자의 감지층(100)에 인체 바이오마커 등의 감지 대상물질의 흡착에 의해 변화된 공진주파수를 다시 측정하여 감지 대상 물질의 존재 여부를 판단하게 된다.
압전 구동소자의 기본 공진주파수 및 공진주파수의 변화는 복소 임피던스 등과 같은 전기적 신호의 변화로 나타나며, 이는 센서 모듈에 내장된 임피던스 분석기(Impedance Analyzer)에 의해 측정된다. 여기서, 측정된 신호는 디스플레이 장치로 유선 또는 무선 통신하여 여러 종류의 물질 감지층이 적용된 복수개의 압전 마이크로 브리지 센서들로부터 여러 가지 감지 신호를 동시에 모니터링할 수 있다. 상기 디스플레이 장치는 PDA(Personal Digital Assistants), 모니터 또는 휴대폰과 같은 장치를 모두 포함한다.
도 4는 본 발명에 따른 초소형 압전 마이크로 브리지를 이용한 인체 바이오마커 센서의 제조 방법을 나타내는 공정도이다. 도 5는 공정도에 도시된 각 층에 대한 설명이다. 도 4 및 5에 도시된 바와 같이, 센서의 감지부인 압전 마이크로 브리지의 제조 방법은 주 재료중 하나인 실리콘 기판 위에 구동소자의 지지층으로 사용되는 질화 실리콘 막을 형성하는 것부터 시작된다.
압전 마이크로 브리지는 주로 박막 형태의 지지층, 전극 그리고 구동층 재료 등으로 이루어지기 때문에, 박막에 있어 문제될 수 있는 잔류 응력 문제를 해결해야 한다. 각 박막의 잔류 응력은 때에 따라서 최종 구동소자에 있어 외형적으로 원하지 않는 변형을 가져올 수 있고, 성능 면에서 큰 저하를 가져올 수 있다. 지지층(120)인 질화 실리콘 막은 잔류 응력을 최소화할 수 있는 박막 형성 방법인 저압 화학기상 증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition : LPCVD)법을 이용하여 형성하는 것이 바람직하다. 하부 전극 및 압전 구동 재료의 형성시 발생할 수 있는 잔류 응력을 완충하기 위해 지지층(120)인 질화 실리콘 막 위에 산화 실리콘 막(180)을 형성한다. 압전 구동 재료의 구동을 위한 전극 재료는 백금(Pt)을 사용할 수 있으며, 상기 백금을 형성하기 전에 기판과의 접합력을 향상하기 위해 접합층(190)을 얇게 증착할 수 있다(도 4a). 상기 접합층(190)으로는 탄탈륨(Ta) 또는 티타늄(Ti)이 바람직하다. 다음에 하부전극(140)이 증착되며, 이렇게 증착된 하부 전극(140) 위에 구동층 재료인 PZT 박막(110)을 졸-겔 스핀코팅법(sol-gel spin coating)을 이용하여 증착한다(도 4b).
PZT 구동층 박막(110)이 형성된 후 포토 리소그래피(Photo Lithography)을 이용하여 구동층 재료인 PZT의 불필요한 부분을 식각하기 위해 남겨야 할 부분에 감광제(Photo Resist)로 패터닝(Patterning)하여 보호한 후 식각한다. PZT 박막(110)의 식각 공정 후에는 좌우 대칭형으로 두 개로 분리되어 배열된 필요한 부분만 남게 된다(도 4c). PZT 박막의 식각은 유도결합 플라즈마(Inductively Coupled Plasma : ICP)와 같은 고밀도 플라즈마 식각 장비를 이용하여 건식 식각한다. 식각 후 보호막으로 사용된 감광제를 제거하며, 마찬가지로 두 개로 분리된 구동층 커패시터의 하부 전극 모양을 감광제로 패터닝하고 고밀도 플라즈마 식각 장비를 이용하여 건식 식각한다.
하부 전극의 모양이 형성된 후에는 상하부 전극 간 절연을 위해 절연층(150)을 형성한다(도 4d). 상기 절연층(150)의 재료는 포토 리소그래피로 그 모양을 형성할 수 있도록 감광성 고분자 수지를 이용하는 것이 바람직하다. 상하부 전극 간 절연층(150)을 형성한 후에는 두 개로 배열된 구동층 커패시터의 상부 전극을 형성하기 위해 전극의 모양을 포토 리소그래피로 형성한 후 전극 재료인 백금을 증착한다(도 4e).
얇은 멤브레인(membrane) 형태로 부유되는 마이크로 브리지 구조에서는 실리콘의 불필요한 부분을 제거해야 한다. 지지층 위에 구동층 커패시터를 형성한 다음에 인가된 전계에 따라 자유롭게 움직일 수 있도록, 실리콘 하부 기판의 불필요한 부분을 제거하는 것이다. 불필요한 실리콘을 제거하기 위해서는 표면미세가공기술(surface micromachining) 또는 벌크미세가공기술(bulk micromachining)을 이용할 수 있다. 벌크미세가공기술(bulk micromachining)을 이용하여 기판 뒷면으로부터 습식 식각 방법으로 실리콘을 제거할 경우, 이를 위한 마스크를 형성해 주어야하며, 이미 형성되어 있는 하부 질화 실리콘 막이 우수한 마스크로 사용된다. 따라서 실리콘 기판의 결정학적 방향과 습식 식각 용액의 식각 특성을 고려하여 식각을 위해 노출될 실리콘 기판 표면의 기하학적 형태를 정의하고 포토 리소그래피를 이용하여 패턴을 형성한 후 반응성 이온 식각 (RIE: reactive ion etching)법으로 실리콘 기판 표면 노출을 위해 기판 하부 표면에 형성된 질화 실리콘 막을 제거하는 것이 바람직하다(도 4f).
다음으로, 질화 실리콘 막의 식각으로 노출된 실리콘 기판 부분을 KOH 등의 비등방성 습식 식각 용액을 이용하여 식각한다(도 4g). 또한, 실리콘의 식각은 바람직하게 습식 식각법이 이용되지만, 고밀도 플라즈마를 이용한 건식 식각으로도 가능하다. 실리콘의 식각 후에는 최종 소자의 모양을 형성하기 위해 상부 질화 실리콘 막의 불필요한 부분을 반응성 이온 식각법으로 제거하여 완성한다(도 4h). 한편, 표면미세가공기술(surface micromachining)을 이용하여 압전 구동 요소가 형성되는 기판의 상부로부터 실리콘을 식각하여 움직임이 자유로운 부유된 구조를 형성할 수 있다. 이를 위해 브리지 형상을 갖도록 감광제로 패턴을 형성한 후 불필요한 상부 질화 실리콘 막을 반응성 이온 식각으로 제거하고(도 4h), 연속적으로 감광제 패턴을 마스크로 하여 XeF2 와 같은 실리콘 기판재료에 대해 등방성 식각 특성을 나타내는 식각 가스를 이용하여 상부 표면으로부터 실리콘을 제거함으로써 소자를 완성한다.
감지부에 사용되는 압전 구동 소자의 기본적인 제조가 완료되면, 감지 대상물질을 감지하기 위한 감지층(100)이 형성된다(도 4i). 상기 감지층(100)의 재료는 각종 인체 바이오마커들에 민감한 반응을 보이는 재료이며 감지소자에 적용하기 위해 액상의 시료를 딥 코팅(dip coating) 또는 스핀 코팅 하거나 잉크젯 프린팅을 이용한 감지막 패턴 형성 또는 화학 기상 증착법 (CVD) 등의 방법으로 형성할 수 있다. 압전 구동 소자를 액상 내에서 사용하기 위해서는 필요에 따라 전기적 절연을 유지하기 위해 구동 소자 상부 표면에 절연 물질을 코팅한 후 감지막을 다시 형성하여 사용할 수 있다.
압전 마이크로 브리지 및 감지층 재료로 이루어진 감지부의 제조가 완료되면, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 감지층의 공진주파수 대역의 구동을 위한 오실레이터, 오실레이터의 공진주파수를 측정하는 주파수 카운터 그리고 디스플레이 등으로 이루어지는 센서 모듈에 감지부가 장착된다.
도 6과 도 7은 본 발명에 따른 초소형 압전 마이크로 브리지를 이용한 인체 바이오마커 센서의 표면에 인간의 호흡시 발생하는 대표적인 VOC 인 일차 알콜류 등의 증기(vapor)에 민감한 감지특성을 나타내는 폴리메틸메트아크릴레이트(polymethylmetacrylate: PMMA) 재료를 적용해 감지 대상 물질을 감지한 실시 예이다.
본 발명에서의 센서의 감지 원리에 따라, 메탄올 증기가 본 발명의 마이크로 브리지의 감지층(100)에 흡착되게 되면, 마이크로 브리지 센서 표면의 질량이 증가하게 되고, 이에 따라 마이크로 브리지의 공진주파수가 낮은 주파수로 변화하게 되는데, 이러한 주파수 하강이 도 6에 명확하게 도시되어 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 메탄올 증기의 농도가 증가할수록 감지층(100)에 흡착되는 메탄올 증기의 질량이 증가하여 공진 주파수가 낮아진다. 따라서, 이러한 공진주파수에 따라 메탄올의 농도를 검출할 수 있다.
도 7은 이러한 공진주파수 변화를 메탄올/에탄올의 농도와 주파수의 함수로 나타낸 것이다. 도 7에서 메탄올 또는 에탄올의 농도가 증가할수록 공진 주파수가 감소하며, 그 기울기는 센서의 감도를 의미한다.
이와 같이 구성된 본 발명에서의 질화 실리콘 막 및 산화 실리콘 막으로 이루어진 하나의 지지판(120) 위에 두 개의 압전 구동 요소(110)가 적층되는 마이크로 브리지 구조는 지지판 물질에 비해 상대적으로 밀도가 높은 압전 캐패시터 재료가 지지판 전체를 덮지 않도록 하여 유효 감지 면적을 확보함과 동시에 소자의 총 질량을 줄여 그 감도가 증가시키며, 또한, 복잡한 층간 잔류 응력 분포를 갖는 다층 막 구조의 압전 구동 소자의 제조에 있어서 잔류 응력에 의한 소자의 원치 않는 외형적 변형을 최소화할 수 있도록 설계된 구조이다. 지지판, 전극 층 그리고 압전 구동 막 등과 같은 구성 요소들 사이에 잔류 응력에 의한 소자의 외형적 변형이 존재한다면, 감지 대상 물질의 흡착에 의한 공진주파수 변화를 주 감지 원리로 사용하는 본 발명에서와 같은 감지 소자에 있어서 기계적 품질 계수와 같은 공진주파수 특성을 크게 감소시킨다. 하지만, 본 발명에서의 하나의 지지판 위에 압전 구동 요소가 좌우 대칭형으로 두 개로 분리되어 형성되는 구조는 압전 구동막 및 전극 요소의 적층 시 마이크로 브리지 구조에 집중되는 잔류 응력을 분산시켜 마이크로 브리지 구조의 외형적 변형을 최소화시킨다. 따라서 공진주파수 특성에 있어서 높은 기계적 품질 계수를 확보할 수 있다. 이러한 높은 기계적 품질 계수의 공진주파수는 실제 응용에 있어서 감지 대상 물질의 흡착에 의한 미세한 공진주파수 변화를 높은 분해능으로 분석할 수 있음을 의미한다. 또한, 공진주파수의 높은 품질 계수는 압전 공진자의 센서 응용에 있어서 품질계수가 급격히 낮아지게 되는 밀도가 높은 매질 내에서 측정이 이루어질 경우 물질 감지가 가능한 주파수 분해능을 제공한다.
본 발명에 대해 상기 실시예를 참고하여 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
본 발명은 질량 증가에 따른 공진주파수 변화를 감지 원리로 사용하는 질량 감지 소자에 있어서 유사한 크기의 유효 감지 면적을 갖는 소자를 고려할 때 높은 기본 공진주파수 및 높은 질량 감도(Hz/g)를 나타낸다. 또한, 본 발명의 브리지 구조는 양쪽이 고정되어 있기 때문에 소자의 제조 공정 및 제조된 소자를 이용한 센서 시스템의 구현에 있어서 더욱 높은 안정성을 갖는다. 따라서 본 발명은 본 발명은 펨토그램 이내 분자 수준의 극미량 분석 대상 물질들의 다양한 흡·탈착 과정에 있어서 민감한 감지 및 검출이 가능하고, 동시에 초소형 센서 모듈의 구현을 위해 집적된 회로 상에서 감지 신호 처리가 가능하다는 효과를 탁월한 효과를 가진다.

Claims (14)

  1. 초소형 마이크로 브리지 질량 센서를 이용한 인체 바이오마커 센서에 있어서,
    기판 상에 형성된 지지층;
    상기 지지층 상부에 두 개로 분리되어 소정의 크기로 형성된 하부 전극;
    상기 두 개로 분리되어 배열된 하부 전극 상부에 압전 구동을 위해 형성된 두 개의 압전 구동층;
    상기 두 개로 배열된 하부 전극 상부 및 상기 압전 구동층 일부 영역 상부에 상하부 전극간 절연을 위해 형성된 절연층;
    상기 두 개로 배열된 압전 구동층의 상부에 형성된 상부 전극;
    상기 상부 전극과 하부 전극에 소자의 구동을 위한 전계를 인가하기 위해 형성된 전극 라인;
    상기 상부 전극 상부에 형성되며 감지 대상 물질을 감지하는 감지층;
    을 포함하는 초소형 마이크로 브리지 질량 센서를 이용한 인체 바이오마커 센서.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 지지층은 실리콘 기판 상부에 형성된 질화 실리콘 막 브리지; 및 상기 질화 실리콘 막 브리지 상부에 형성된 산화 실리콘 막을 포함하는 것을 특징으로 하는 초소형 마이크로 브리지 질량 센서를 이용한 바이오마커 센서.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 압전 구동층은 상기 지지층 상부에 좌우 대칭으로 분리되어 형성되는 것을 특징으로 하는 초소형 마이크로 브리지 질량 센서를 이용한 인체 바이오마커 센서.
  4. 제 1 또는 2항에 있어서, 상기 하부 전극과 상기 지지층 사이에 접합력을 향상하기 위한 접합층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초소형 마이크로 브리지 질량 센서를 이용한 인체 바이오마커 센서.
  5. 제 4에 있어서, 상기 접합층은 탄탈륨 또는 티타늄임을 특징으로 하는 초소형 마이크로 브리지 질량 센서를 이용한 인체 바이오마커 센서.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 감지층은 벤젠류 물질을 감지하는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane: PDMS) 또는 알콜류 물질을 감지하는 폴리메틸메트아크릴레이트(polymethylmetacrylate)임을 특징으로 하는 초소형 마이크로 브리지 질량 센서를 이용한 인체 바이오마커 센서.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 감지층은 인체의 신진대사 과정에서 발생하는 다양한 바이오마커 물질을 감지할 수 있는 여러 종류의 감지물질을 적용할 수 있는 것을 특징으로 하는 초소형 마이크로 브리지 질량 센서를 이용한 인체 바이오마커 센서.
  8. 제 1항에 따른 바이오마커 센서;
    상기 바이오마커 센서의 감지층의 공진주파수 대역의 구동을 위한 오실레이터;
    상기 오실레이터의 공진주파수를 측정하는 주파수 카운터; 및
    상기 감지층으로부터 감지된 신호를 모니터링하기 위한 디스플레이 장치를 포함하는 초소형 마이크로 브리지 질량 센서를 이용한 인체 바이오마커 센서 모듈.
  9. 초소형 마이크로 브리지 질량 센서를 이용한 인체 바이오마커 센서 제조 방법에 있어서,
    (a) 실리콘 기판 상부에 질화 실리콘 막 및 산화 실리콘 막으로 이루어진 지지층을 형성하는 단계;
    (b) 상기 산화 실리콘 막 상부에 하부 전극을 증착하는 단계;
    (c) 상기 증착된 하부 전극 위에 졸-겔 스핀코팅법(sol-gel spin coating)으로 압전 박막을 증착하는 단계;
    (d) 상기 증착된 압전 박막의 일부를 제거하여 상기 하부 전극 위에 좌우 대칭형으로 두 개로 분리되어 배열된 소정 크기의 압전 구동층을 형성하는 단계;
    (e) 상기 두 개로 분리되어 배열된 압전 구동층 보다 큰 크기의 두 개로 배열된 하부 전극을 형성하기 위해 하부전극의 일부를 제거하는 단계;
    (f) 상기 두 개로 배열된 하부 전극 상부 및 상기 압전 구동층 일부 영역 상부에 상하부 전극 간 절연을 위한 절연층을 형성하는 단계;
    (g) 상기 절연층의 상부 및 상기 두 개로 배열된 압전 구동층의 상부에 상부 전극을 형성하는 단계;
    (h) 상기 질화 실리콘 막의 일부를 제거하는 단계;
    (i) 상기 (h) 단계로 노출된 실리콘 기판을 식각하는 단계;
    (j) 상기 실리콘이 식각된 소자의 상부 질화 실리콘 막의 일부를 제거하여 브리지 구조를 형성하는 단계; 및
    (k) 감지 대상물질을 감지하기 위한 감지층을 형성하는 단계를 포함하는 초소형 마이크로 브리지 질량 센서를 이용한 인체 바이오마커 센서 제조 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 단계(a)는 실리콘 기판 상부 및 하부에 상부 및 하부 질화 실리콘 막을 증착하는 단계; 및 상기 질화 실리콘 막 상부에 산화 실리콘 막을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초소형 마이크로 브리지 질량 센서를 이용한 인체 바이오마커 센서 제조 방법.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 단계(k)는 고분자 물질을 포함한 용액을 이용해 소자 위에 스핀 코팅, 딥 코팅 또는 잉크젯 헤드를 이용한 코팅 방법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 초소형 마이크로 브리지 질량 센서를 이용한 인체 바이오마커 센서 제조 방법.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 단계(i)는 KOH를 이용한 습식 식각 또는 고밀도 플라즈마를 이용하는 건식 식각을 사용하는 것을 특징으로 하는 초소형 마이크로 브리지 질량 센서를 이용한 인체 바이오마커 센서 제조 방법.
  13. 제 9항에 있어서,
    상기 단계(b)의 하부 전극을 형성하기 전에 접합력을 향상하기 위한 접합층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초소형 마이크로 브리지 질량 센서를 이용한 인체 바이오마커 센서 제조 방법.
  14. 삭제
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KR102063318B1 (ko) * 2013-10-10 2020-01-07 재단법인대구경북과학기술원 초음파 프로브의 유연성 어레이 및 그의 제조 방법
KR102006651B1 (ko) 2017-06-12 2019-08-02 한국표준과학연구원 나노역학적 바이오센서 및 이의 제조방법

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20050095964A (ko) * 2004-03-29 2005-10-05 학교법인 성균관대학 마이크로 압전 구동소자를 이용한 미세 화학 센서용감지소자 및 제조방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20050095964A (ko) * 2004-03-29 2005-10-05 학교법인 성균관대학 마이크로 압전 구동소자를 이용한 미세 화학 센서용감지소자 및 제조방법

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8802568B2 (en) 2012-09-27 2014-08-12 Sensirion Ag Method for manufacturing chemical sensor with multiple sensor cells
US9508823B2 (en) 2012-09-27 2016-11-29 Sensirion Ag Chemical sensor with multiple sensor cells
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