KR101053655B1 - Cantilever sensor and manufacturing method thereof, biomaterial sensing device using same and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 캔틸레버에 흡착된 생체물질을 정확히 정량적으로 분석할 수 있는 캔틸레버 센서 및 그 제조방법 그리고 이를 이용한 생체물질 감지장치 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 생체물질 감지장치는 일정 거리 이격되어 배치되는 캔틸레버 센서와 기준 전극체의 조합으로 이루어지며, 상기 캔틸레버 센서는 전단부와 후단부로 구분되며, 상기 기준 전극체와 대향되는 캔틸레버 센서의 전단부에는 하부전극, 절연막 및 상부전극이 순차적으로 적층된 정전용량 측정용 전극체가 구비되고, 상기 캔틸레버 센서의 후단부는 하부전극, 압전막 및 상부전극이 순차적으로 적층된 구조를 구비되며, 상기 기준 전극체는 기준 하부전극, 절연막 및 기준 상부전극이 순차적으로 적층된 구조를 포함하여 이루어지며, 상기 정전용량 측정용 전극체의 상부전극은 상기 압전막과 전기적으로 단선된 것을 특징으로 한다. The present invention relates to a cantilever sensor capable of accurately and quantitatively analyzing a biomaterial adsorbed on a cantilever, a method for manufacturing the same, and an apparatus for detecting the biomaterial using the same, and a method for manufacturing the biomaterial according to the present invention. The cantilever sensor is divided into a front end part and a rear end part, and the lower electrode, the insulating film, and the upper electrode are sequentially formed at the front end of the cantilever sensor facing the reference electrode body. A stacked capacitance measuring electrode body is provided, and a rear end portion of the cantilever sensor has a structure in which a lower electrode, a piezoelectric film, and an upper electrode are sequentially stacked. The reference electrode body includes a reference lower electrode, an insulating film, and a reference upper electrode. Including a sequentially stacked structure, the capacitance measuring electrode The upper electrode is characterized in that the break in the piezoelectric layer and electrically.
캔틸레버, 전기적측정, 생체물질, 정전용량 Cantilever, electrical measurement, biomaterials, capacitance
Description
본 발명은 캔틸레버 센서 및 그 제조방법 그리고 이를 이용한 생체물질 감지장치 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 캔틸레버에 흡착된 생체물질을 정확히 정량적으로 분석할 수 있는 캔틸레버 센서 및 그 제조방법 그리고 이를 이용한 생체물질 감지장치 및 그 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a cantilever sensor, a method for manufacturing the same, and a biomaterial sensing device using the same, and a method for manufacturing the same, and more particularly, a cantilever sensor and a method for manufacturing the same, which can accurately and quantitatively analyze a biological material adsorbed on the cantilever, and It relates to a biological material detection apparatus and a method of manufacturing the same.
최근, 물리적인 현상이나 화학적 반응의 감지를 위하여 MEMS(Micro electro mechanical system) 공정을 통해 제조된 캔틸레버(cantilever)를 기반으로 하는 센서들의 개발에 많은 연구들이 활발하게 진행되고 있다. Recently, many studies have been actively conducted on the development of cantilever-based sensors manufactured through a micro electro mechanical system (MEMS) process to detect physical phenomena or chemical reactions.
현재 연구되고 있는 캔틸레버를 이용한 센서들은 크게 공진주파수 변화를 이용하는 방식과 캔틸레버 표면 변화에 의한 정적인 휨(static deflection)을 광학계를 이용하여 측정하는 방식으로 구분된다. The cantilever-based sensors currently being studied are largely classified into a method using a change in resonant frequency and a method of measuring static deflection due to a change in the surface of the cantilever by using an optical system.
공진주파수 변화를 이용한 마이크로 캔틸레버 센서에 관한 연구를 살펴보면, Thundat 등은 Applied Physics Letters 80, 2219-2221 (2002)에서 공진주파수 측정을 통해 마이크로 캔틸레버 표면에 나트륨 이온(Na+)의 흡착에 의한 스프링 상수(spring constant) 변화를 측정 가능함을 보였고, IBM의 스위스 츄리히 연구소를 비롯한 몇몇 연구자들에 의하여 공진주파수 측정 방법을 통해 공기 중의 특정 가스의 감지가 가능함을 보고한 바 있다. 구체적인 예로, 미국 특허등록번호 US 5,719,324는 화학물질의 캔틸레버 상에서의 반응을 이용한 캔틸레버 센서에 관한 발명을 개시하고 있는데, 타겟 화학물질의 분석을 위해 공진주파수의 변화를 이용하는 것을 특징으로 하고 있다. 또 다른 예로, US 6,212,939 및 US 6,289,717은 실리콘 캔틸레버에 있어서의 흡착에 의한 화학적 센서 및 캔틸레버 상에서의 감지하고자 하는 물질의 바인딩 파트너(binding partner)를 결합시킨 후 감지하는 센서에 관한 발명을 개시하고 있다. 그러나, 공진주파수 변화를 이용하는 방식은 점도 변화에 따른 공진주파수의 변화 등으로 인해 실험적 오차가 크며 댐핑(damping)으로 인한 낮은 감도(sensitivity)를 감수해야 하는 문제점이 있다. In the study of the microcantilever sensor using the resonant frequency variation, Thundat et al. (Spring constants by adsorption of sodium ions (Na + ) on the surface of the microcantilever by measuring the resonant frequency in Applied Physics Letters 80, 2219-2221 (2002)). The spring constant has been shown to be measurable, and several researchers, including IBM's Swiss Zurich Institute, have reported that it is possible to detect specific gases in the air using the resonant frequency measurement method. As a specific example, US Patent No. US 5,719,324 discloses a cantilever sensor using a reaction on a cantilever of a chemical, characterized by using a change in resonant frequency for analysis of a target chemical. As another example, US Pat. No. 6,212,939 and US Pat. No. 6,289,717 disclose an invention relating to a sensor that detects after combining a chemical sensor by adsorption on a silicon cantilever and a binding partner of the substance to be detected on the cantilever. However, the method using the change of the resonance frequency has a problem in that the experimental error is large due to the change in the resonance frequency due to the change in viscosity and the low sensitivity due to damping is required.
다음으로, 캔틸레버의 정적인 휨을 광학계를 이용하여 측정하는 방식의 경우, Nature Biotechnology 19, 856-860 (2001)과 Science 288, 316-318 (2000)에 마이크로 캔틸레버 표면에서 발생하는 생물학적 반응에 의한 단백질 및 유전자의 감지방법이 소개되어 있다. 이와 같은 정적인 휨에 의한 센싱 방법은 레이저와 같은 광원을 캔틸레버 표면에 조사하여 위치인식 다이오드(sensing position diode) 로 집광시킴으로써 단백질 또는 유전자의 존재 여부를 파악하는 방식으로 진행된다. Next, in the case of measuring the static deflection of the cantilever by using an optical system, the protein by biological reaction occurring on the surface of the microcantilever in Nature Biotechnology 19, 856-860 (2001) and Science 288, 316-318 (2000). And gene detection methods are introduced. The sensing method by the static bending is conducted by detecting the presence of a protein or gene by irradiating a cantilever surface with a light source such as a laser and condensing with a sensing position diode.
그러나, 광원을 이용하여 캔틸레버의 변형을 측정하는 방식은 광학계 설치를 위한 일정 공간이 요구됨에 따라, 소형화 및 고집적화를 이루는데 그 한계가 있다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 캔틸레버의 변형을 측정하는 방법으로 전기적 측정 방식이 제안된 바 있다. 구체적으로, 생체물질의 흡착에 의해 캔틸레버가 변형되면 그 변형이 원래 상태로 복원되도록 캔틸레버에 구비된 압전막에 전기적 신호를 가하고, 이 때 압전막에 인가된 전기적 힘을 측정하여 흡착된 생체물질을 정량적으로 측정하는 방식이다. However, the method of measuring the deformation of the cantilever by using a light source has a limitation in achieving miniaturization and high integration as a certain space is required for installing the optical system. In order to solve this problem, an electrical measurement method has been proposed as a method of measuring the deformation of the cantilever. Specifically, when the cantilever is deformed by adsorption of the biomaterial, an electrical signal is applied to the piezoelectric film provided in the cantilever so that the deformation is restored to its original state, and at this time, the electric force applied to the piezoelectric film is measured to measure the adsorbed biomaterial. It is a quantitative measure.
본 발명은 캔틸레버의 변형에 대한 전기적 측정에 관한 것으로서, 구체적으로 캔틸레버에 흡착된 생체물질을 정확히 정량적으로 분석할 수 있는 캔틸레버 센서 및 그 제조방법 그리고 이를 이용한 생체물질 감지장치 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다. The present invention relates to an electrical measurement of the deformation of the cantilever, and more particularly, to provide a cantilever sensor and a method for manufacturing the same, and a method for detecting the biomaterial using the same, and a method for manufacturing the same. The purpose is.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 캔틸레버 센서는 기준 전극체에 대향되어 구비되는 캔틸레버 센서에 있어서, 상기 캔틸레버 센서는 전단부와 후단부로 구분되며, 상기 기준 전극체와 대향되는 캔틸레버 센서의 전단부에는 하부전극, 절연막 및 상부전극이 순차적으로 적층된 정전용량 측정용 전극체가 구비되고, 상기 캔틸레버 센서의 후단부에는 하부전극, 압전막 및 상부전극이 순차적으로 적층된 구조가 구비되며, 상기 정전용량 측정용 전극체의 상부전극은 상기 압전막과 전기적으로 단선된 것을 특징으로 한다. The cantilever sensor according to the present invention for achieving the above object is a cantilever sensor provided to face the reference electrode body, the cantilever sensor is divided into a front end and a rear end, the front end of the cantilever sensor facing the reference electrode body The lower electrode, the insulating film and the upper electrode is provided with a capacitance measuring electrode body sequentially stacked, the rear end of the cantilever sensor is provided with a structure in which the lower electrode, the piezoelectric film and the upper electrode is sequentially stacked, The upper electrode of the electrode body for capacitance measurement is electrically disconnected from the piezoelectric film.
본 발명에 따른 생체물질 감지장치는 일정 거리 이격되어 배치되는 캔틸레버 센서와 기준 전극체의 조합으로 이루어지며, 상기 캔틸레버 센서는 전단부와 후단부로 구분되며, 상기 기준 전극체와 대향되는 캔틸레버 센서의 전단부에는 하부전극, 절연막 및 상부전극이 순차적으로 적층된 정전용량 측정용 전극체가 구비되고, 상기 캔틸레버 센서의 후단부는 하부전극, 압전막 및 상부전극이 순차적으로 적층 된 구조를 구비되며, 상기 기준 전극체는 기준 하부전극, 절연막 및 기준 상부전극이 순차적으로 적층된 구조를 포함하여 이루어지며, 상기 정전용량 측정용 전극체의 상부전극은 상기 압전막과 전기적으로 단선된 것을 특징으로 한다. The biomaterial sensing device according to the present invention comprises a combination of a cantilever sensor and a reference electrode body spaced apart from each other by a predetermined distance, and the cantilever sensor is divided into a front end portion and a rear end portion, and the front end of the cantilever sensor facing the reference electrode body. The lower electrode, the insulating film and the upper electrode is provided with a capacitance measurement electrode body sequentially stacked, the rear end of the cantilever sensor has a structure in which the lower electrode, the piezoelectric film and the upper electrode is sequentially stacked, the reference electrode The sieve includes a structure in which the reference lower electrode, the insulating film, and the reference upper electrode are sequentially stacked, and the upper electrode of the capacitance measuring electrode body is electrically disconnected from the piezoelectric film.
상기 정전용량 측정용 전극체의 하부전극, 절연막, 상부전극은 각각 상기 기준 전극체의 기준 하부전극, 절연막, 기준 상부전극과 대향되는 위치에 구비될 수 있다. 또한, 상기 캔틸레버 센서의 하부전극의 배면 상에 지지 플레이트가 더 구비되며, 상기 지지 플레이트의 배면 또는 보호막 상에는 분자인식층이 더 구비될 수 있다. 이 때, 상기 분자인식층은 상기 감지막과 상기 감지막 상에 구비되어 생체물질을 포집하는 역할을 하는 단원자층으로 구성될 수 있다. The lower electrode, the insulating film, and the upper electrode of the capacitance measuring electrode body may be provided at positions opposite to the reference lower electrode, the insulating film, and the reference upper electrode of the reference electrode body, respectively. In addition, a support plate may be further provided on the rear surface of the lower electrode of the cantilever sensor, and a molecular recognition layer may be further provided on the rear surface or the protective film of the support plate. In this case, the molecular recognition layer may be composed of a monoatomic layer provided on the sensing layer and the sensing layer to collect a biological material.
또한, 상기 캔틸레버 센서 후단부의 상부전극 및 정전용량 측정용 전극체의 상부전극을 포함한 전면 상에 보호막이 더 구비될 수 있다. In addition, a protective film may be further provided on the front surface including the upper electrode of the rear end of the cantilever sensor and the upper electrode of the electrode body for capacitance measurement.
본 발명에 따른 캔틸레버 센서의 제조방법은 기준 전극체에 대향되어 구비되는 캔틸레버 센서의 제조방법에 있어서, 상기 기판 전면 상에 지지 플레이트를 적층하는 단계와, 상기 지지 플레이트 전면 상에 하부전극 및 압전막을 순차적으로 적층하여 형성하는 단계와, 상기 기판 전면 상에 절연막을 적층하고 선택적으로 패터닝하는 단계와, 상기 기판 전면 상에 상부전극 물질을 적층하고 선택적으로 패터닝하여, 상기 기준 전극체에 대향되는 방향의 캔틸레버 센서의 전단부에는 하부전극, 절연막 및 상부전극이 순차적으로 적층된 정전용량 측정용 전극체 구조를 완성하고, 캔틸레버 센서의 후단부에는 하부전극, 압전막 및 상부전극이 순차적으로 적층된 구조를 완성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. In the method for manufacturing a cantilever sensor according to the present invention, the method for manufacturing a cantilever sensor provided opposite to a reference electrode body includes: laminating a support plate on the front surface of the substrate; Laminating and forming sequentially, laminating and selectively patterning an insulating film on the front surface of the substrate, and laminating and selectively patterning an upper electrode material on the front surface of the substrate, the opposite direction of the reference electrode body The electrode body for capacitance measurement in which the lower electrode, the insulating film and the upper electrode are sequentially stacked on the front end of the cantilever sensor is completed, and the lower electrode, the piezoelectric film and the upper electrode are sequentially stacked on the rear end of the cantilever sensor. Characterized in that it comprises a step of completing.
본 발명에 따른 생체물질 감지장치의 제조방법은 캔틸레버 센서 영역과 기준 전극체 영역이 구분된 기판을 준비하는 단계와, 상기 기판 전면 상에 지지 플레이트를 적층하는 단계와, 상기 지지 플레이트 전면 상에 하부전극 물질 및 압전막 물질을 순차적으로 적층하는 단계와, 상기 캔틸레버 센서 영역의 하부전극 물질 및 압전막 물질을 선택적으로 패터닝하여 하부전극 및 압전막을 형성하고, 상기 기준 전극체 영역의 압전막 물질을 제거하여 기준 하부전극을 형성하는 단계와, 상기 기판 전면 상에 절연막을 적층하고 선택적으로 패터닝하는 단계와, 상기 기판 전면 상에 상부전극 물질을 적층하고 선택적으로 패터닝하여 상기 캔틸레버 센서 영역의 전단부에는 하부전극, 절연막 및 상부전극이 순차적으로 적층된 정전용량 측정용 전극체 구조를 완성하고, 상기 캔틸레버 센서의 후단부에는 하부전극, 압전막 및 상부전극이 순차적으로 적층된 구조를 완성함과 함께, 상기 기준 전극체 영역에는 기준 하부전극, 절연막 및 기준 상부전극이 순차적으로 적층된 기준 전극체 구조를 완성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. A method of manufacturing a biomaterial sensing apparatus according to the present invention includes preparing a substrate in which a cantilever sensor region and a reference electrode body region are separated, stacking a support plate on the front surface of the substrate, and lowering the surface on the support plate front surface. Sequentially stacking an electrode material and a piezoelectric film material, selectively patterning a lower electrode material and a piezoelectric film material of the cantilever sensor region to form a lower electrode and a piezoelectric film, and removing the piezoelectric film material of the reference electrode body region Forming a reference lower electrode, stacking and selectively patterning an insulating film on the front surface of the substrate, and stacking and selectively patterning an upper electrode material on the front surface of the substrate to form a lower portion at the front end of the cantilever sensor region. The structure of the electrode body for capacitance measurement, in which electrodes, insulating films, and upper electrodes are sequentially stacked The lower electrode, the piezoelectric film, and the upper electrode are sequentially stacked on the rear end of the cantilever sensor, and the reference lower electrode, the insulating film, and the reference upper electrode are sequentially stacked on the reference electrode body region. Comprising the step of completing the structure of the reference electrode body.
상기 상부전극 물질의 패터닝시 상기 정전용량 측정용 전극체의 상부전극과 상기 압전막이 단락되지 않도록 패터닝한다. 또한, 상기 정전용량 측정용 전극체 및 기준 전극체의 완성 후, 상기 기판 전면 상에 보호막을 적층하는 단계를 더 포함할 수 있다. When the upper electrode material is patterned, the upper electrode of the capacitance measuring electrode body and the piezoelectric film are patterned so as not to be shorted. The method may further include stacking a protective film on the entire surface of the substrate after completion of the capacitance measuring electrode body and the reference electrode body.
이와 함께, 상기 보호막의 적층 후, 상기 기판을 캔틸레버 센서 영역과 기준 전극체 영역으로 분리하는 단계와, 각 영역의 기판을 식각, 제거하는 단계 및 상기 캔틸레버 센서 영역의 지지 플레이트의 배면 상에 또는 보호막 상에 분자인식층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. In addition, after the protective layer is laminated, separating the substrate into a cantilever sensor region and a reference electrode body region, etching and removing the substrate of each region, and a backing layer or a protective film on the support plate of the cantilever sensor region. The method may further include forming a molecular recognition layer on the substrate.
본 발명에 따른 캔틸레버 센서 및 그 제조방법 그리고 이를 이용한 생체물질 감지장치 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다. The cantilever sensor according to the present invention, a manufacturing method thereof, and a biomaterial sensing device using the same and a manufacturing method thereof have the following effects.
캔틸레버 센서에 정전용량 측정용 전극체를 구비시키고 그에 대향되는 위치에 기준 전극체를 구비시킴으로써 기준 정전용량값과 측정된 정전용량값의 대비를 통해 캔틸레버 센서에 흡착된 생체물질을 정량적으로 정확히 측정할 수 있게 된다.By providing an electrode body for capacitance measurement in the cantilever sensor and providing a reference electrode body in a position opposite thereto, the biomaterial adsorbed to the cantilever sensor can be measured quantitatively and accurately by comparing the measured capacitance value with the reference capacitance value. It becomes possible.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 캔틸레버 센서 및 그 제조방법 그리고 이를 이용한 생체물질 감지장치 및 그 제조방법을 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체물질 감지장치의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체물질 감지장치의 분리 사시도이며, 도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체물질 감지장치의 평면도이며, 도 3b는 도 3a의 A-A`선에 따른 측단면도이다. Hereinafter, a cantilever sensor according to an embodiment of the present invention, a manufacturing method thereof, a biomaterial sensing device using the same, and a manufacturing method thereof will be described in detail with reference to the accompanying drawings. 1 is a perspective view of a biomaterial sensing device according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is an exploded perspective view of a biomaterial sensing device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a plan view of the biomaterial sensing device, and FIG. 3B is a side cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 3A.
본 발명의 일 실시예에 따른 생체물질 감지장치는, 크게 캔틸레버 센서(110)와 기준 전극체(120)의 조합으로 이루어진다. 상기 캔틸레버 센서(110)는 생체물질의 흡착에 의한 물리적 변형 및 전기적 신호 인가에 따른 복원이 가능한 것이며, 상기 기준 전극체(120)는 상기 캔틸레버 센서(110)와 일정 거리 이격된 위치에 구 비되어 상기 캔틸레버 센서(110)의 복원시 복원위치의 기준 역할을 하는 것이다. The biomaterial sensing apparatus according to the exemplary embodiment of the present invention is largely composed of a combination of the
상기 캔틸레버 센서(110)는 세부적으로 분자인식층(114), 지지 플레이트(102), 하부전극(111), 압전막(112) 및 상부전극(113a)이 순차적으로 적층된 구조로 이루어진다. 상기 분자인식층(114)은 생체물질을 포집하는 역할을 하며, 상기 지지 플레이트(102)는 그 상부에 구비되는 하부전극(111), 압전막(112) 및 상부전극(113a) 등으로 구성되는 캔틸레버 센서 구조물을 지지하는 역할을 하며, 상기 압전막(112)의 상부 및 하부에 각각 구비되는 상부전극(113a)과 하부전극(111)은 상기 압전막(112)에 외부의 전기적 신호를 인가하는 역할을 하며, 상기 압전막(112)은 상기 상부전극(113a) 및 하부전극(111)을 통해 인가되는 전기적 신호에 대응하여 기계적으로 변형되는 역할을 한다. 여기서, 상기 분자인식층(114)이 상기 지지 플레이트의 배면 상에 구비되는 것을 기술하였으나, 후술하는 보호막(104) 상에 구비될 수도 있다. The
또한, 상기 기준 전극체(120)에 대향하는 상기 캔틸레버 센서(110)의 전단을 기준으로 상기 캔틸레버 센서(110)의 구조를 살펴보면, 분자인식층(114), 지지 플레이트(102), 하부전극(111), 절연막(103), 상부전극(113b) 및 보호막(104)이 순차적으로 적층된 구조는 갖는다. 이 때, 상기 하부전극(111), 절연막(103) 및 상부전극(113b)으로 이루어진 구조체(이하, 설명의 편의상 '정전용량 측정용 전극체(M)'라 칭함)는 상기 캔틸레버 센서(110)와 기준 전극체(120) 사이의 정전용량(C) 산출을 위해 구비되는 것이다. 여기서, 상기 캔틸레버 센서(110)와 기준 전극체(120) 사이의 정전용량 산출에 대해서는 후술하기로 한다. In addition, referring to the structure of the
한편, 상기 기준 전극체(120)는 상기 캔틸레버 센서(110)와 일정 거리 이격된 위치에 구비되며 세부적으로 지지 플레이트(102), 기준 하부전극(121), 절연막(103), 기준 상부전극(123) 및 보호막(104)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다. Meanwhile, the
상기 기준 하부전극(121), 절연막(103), 기준 상부전극(123) 각각은 상기 정전용량 측정용 전극체(M)를 구성하는 하부전극(111), 절연막(103), 상부전극(113a)에 대향되는 위치에 구비되는 것이 바람직하다. 이는 정전용량 측정용 전극체(M)와 기준 전극체(120) 사이의 정확한 정전용량 산출을 하기 위함이다. Each of the reference
구체적으로, 정전용량(C)은 아래의 식 1에서 알 수 있듯이 도체와 도체 사이의 거리(d)가 최소가 되는 지점에서 그 값(C)이 최대로 나타난다. 따라서, 도체와 도체 사이의 거리(d)가 최소가 되기 위해서는 상기 정전용량 측정용 전극체(M)와 기준 전극체(120) 사이의 거리 즉, 상기 하부전극(111)과 기준 하부전극(121) 사이의 거리 그리고 상기 정전용량 측정용 전극체(M)의 상부전극(113b)과 기준 상부전극(123) 사이의 거리가 최소화되어야 하며, 이를 위해서는 상기 하부전극(111)과 기준 하부전극(121) 그리고 상기 상부전극(113b)과 기준 상부전극(123)은 서로 대향되는 위치에 구비되어야 한다. Specifically, as can be seen in Equation 1 below, the capacitance C is maximized at the point where the distance d between the conductor is the minimum. Therefore, in order to minimize the distance d between the conductor and the conductor, the distance between the capacitance measuring electrode body M and the
[식 1][Equation 1]
C = ε·S/dC = εS / d
여기서, C는 정전용량, d는 정전용량 측정용 전극체(M)의 상부전극(113b)과 기준전극체(120)의 기준 상부전극(123) 사이의 거리, ε는 정전용량 측정용 전극체(M)의 상부전극(113b)과 기준전극체(120)의 기준 상부전극(123) 사이에 개재된 유전체의 유전율, S는 정전용량 측정용 전극체(M)의 상부전극(113b)의 단면적이다.Here, C is the capacitance, d is the distance between the
이상, 본 발명의 일 실시예에 따른 생체물질 감지장치의 구성을 설명하였는데, 이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체물질 감지장치의 동작을 설명하면 다음과 같다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체물질 감지장치의 동작을 설명하기 위한 순서도이다. The configuration of the biomaterial sensing device according to an embodiment of the present invention has been described above. Hereinafter, the operation of the biomaterial sensing device according to an embodiment of the present invention having such a configuration will be described. 4 is a flow chart for explaining the operation of the biological material detection apparatus according to an embodiment of the present invention.
먼저, 캔틸레버 센서(110)와 기준 전극체(120)를 대향시키고 상기 캔틸레버 센서(110)에 생체물질을 포집시키지 않은 상태에서 상기 캔틸레버 센서(110)와 기준 전극체(120) 사이의 기준 정전용량값을 측정한다(S301). 그런 다음, 상기 분자인식층(114)에 생체물질을 흡착시킨다(S302). 이에 따라, 상기 캔틸레버 센서(110)는 흡착된 생체물질의 무게만큼 아래를 향하여 휘게 된다(S303). First, the reference capacitance between the
이와 같은 상태에서, 상기 캔틸레버 센서(110)의 상부전극(113a) 및 하부전극(111)에 전원을 인가하게 되면 상기 상부전극(113a)과 하부전극(111) 사이에 개재된 압전막(112)은 해당 전기적 신호에 대응하여 기계적으로 변형하게 된다(S304). 즉, 아래로 휘어진 압전막(112)은 상기 상부전극(113a)과 하부전극(111)으로부터 인가되는 전기적 신호에 의해 서서히 위로 펴지게 된다. 이 때, 상기 캔틸레버 센서(110)와 기준 전극체(120) 사이의 정전용량을 체크하고, 해당 측정된 정전용량값이 기준 정전용량값과 동일한지 여부를 체크한다(S305)(S306). In this state, when power is applied to the
측정된 정전용량값과 기준 정전용량값이 동일하지 않다면 휘어진 캔틸레버 센서(110)가 완전히 복원되지 않음을 의미하며, 이에 보다 큰 전원을 상기 압전막(112)에 인가해야 하며, 이와 같은 과정을 통해 측정된 정전용량값과 기준 정전용량값이 동일하게 되면 이는 생체물질 흡착에 의해 휘어진 캔틸레버 센서(110)가 완전히 복원되었음을 의미한다. 또한, 복원된 시점에 상기 상부전극(113a) 및 하부전극(111)에 인가된 전원값을 통해 캔틸레버 센서(110)에 포집된 생체물질을 정량적으로 측정할 수 있게 된다(S307). If the measured capacitance value and the reference capacitance value are not the same, it means that the
이상, 본 발명의 일 실시예에 따른 생체물질 감지장치의 구성 및 동작을 살펴보았다. 이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 생체물질 감지장치의 제조방법을 설명하기로 한다. 도 5a 내지 도 5f는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체물질 감지장치의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다. In the above, the configuration and operation of the biological material sensing apparatus according to an embodiment of the present invention have been described. Hereinafter, a method of manufacturing a biomaterial sensing apparatus according to an embodiment of the present invention will be described. 5A to 5F are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a biomaterial sensing apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention.
먼저, 도 5a에 도시한 바와 같이 캔틸레버 센서(110) 영역과 기준 전극체(120) 영역이 정의된 기판(101)을 준비하고, 상기 기판(101) 상에 지지 플레이트 물질(102), 하부전극 물질(111) 및 압전막 물질(112)을 순차적으로 적층한다. 이 때, 상기 기판(101)으로는 실리콘 기판을 이용할 수 있고, 상기 지지 플레이트 물질로는 실리콘 질화막 또는 실리콘 산화막을 이용할 수 있으며, 상기 하부전극 물질은 백금(Pt) 등으로 구성할 수 있다. 또한, 상기 압전막 물질로는 PZT(Pb [ZrxTi1-x]O3 0<x<1) 계열 또는 ZnO 등의 압전성이 우수한 물질을 이용할 수 있다. First, as shown in FIG. 5A, a
이와 같은 상태에서, 도 5b에 도시한 바와 같이 상기 캔틸레버 센서 영역의 경우, 상기 압전막 물질을 선택적으로 패터닝하여 압전막 형성영역에만 압전막(112)이 구비되도록 하고 이어, 상기 하부전극 물질 역시 필요영역에 따라 선택적으로 패터닝하여 하부전극(111)을 형성한다. 반면, 상기 기준 전극체 영역의 경우, 상기 하부전극(111) 상에 적층된 압전막(112) 전체를 식각하여 제거한다. In this state, as shown in FIG. 5B, in the case of the cantilever sensor region, the piezoelectric film material may be selectively patterned so that the
그런 다음, 도 5c에 도시한 바와 같이 상기 압전막(112)을 포함한 기판(101) 전면 상에 절연막(103)을 적층한다. 이어, 상기 캔틸레버 센서 영역의 경우, 상기 절연막(103)을 선택적으로 패터닝하여 상기 하부전극(111) 또는 지지 플레이트(102) 상에만 상기 절연막(103)이 위치되도록 하고, 상기 기준 전극체 영역의 경우 별도의 식각 공정을 적용하지 않거나 적절한 크기로 패터닝한다. Then, as illustrated in FIG. 5C, an insulating
상기 캔틸레버 센서 영역에 있어서, 상기 절연막(103)은 정전용량 측정용 전극체(M)의 상부전극(113b)과 하부전극(111) 사이의 전기적 단락, 상기 압전막(112)과 상기 정전용량 측정용 전극체(M)의 상부전극(113b) 사이의 전기적 단락을 방지하는 역할을 한다. 또한, 상기 기준 전극체 영역의 경우 상기 절연막(103)은 기준 상부전극(123)과 기준 하부전극(121) 사이의 전기적 단락을 방지하는 역할을 한다. In the cantilever sensor region, the insulating
이와 같은 상태에서, 도 5d에 도시한 바와 같이 기판(101) 전면 상에 상부전극 물질을 적층한 다음 선택적으로 패터닝하여, 캔틸레버 센서 영역의 후단쪽에는 하부전극(111), 압전막(112), 상부전극(113a)이 순차적으로 적층된 구조를 형성하고, 캔틸레버 센서 영역의 전단쪽에는 하부전극(111), 절연막(103), 상부전극(113b)으로 이루어지는 정전용량 측정용 전극체(M) 구조를 완성한다. 이 때, 전술한 바와 같이, 상기 압전막(112)과 상기 정전용량 측정용 전극체(M)의 상부전극(113b)은 전기적으로 단락된 상태를 이룬다. 또한, 상부전극(113a)의 적층을 통해 상기 기준 전극체 영역에는 기준 하부전극(121), 절연막(103), 기준 상부전극(123)으로 이루어지는 기준 전극체 구조(R)가 완성된다. 여기서, 상기 상부전극 물질은 상기 하부전극(111)과 마찬가지로 백금(Pt) 등으로 구성할 수 있다. In this state, as shown in FIG. 5D, the upper electrode material is stacked on the entire surface of the
상기 정전용량 측정용 전극체(M) 및 기준 전극체 구조(R)가 완성된 상태에서, 도 5e에 도시한 바와 같이 기판(101) 전면 상에 보호막(104)을 적층한다. 상기 보호막(104)은 보호막(104) 이하에 구비되는 제반 구조물을 외부 환경으로부터 보호하는 역할을 한다. In the state where the capacitance measuring electrode body M and the reference electrode body structure R are completed, the
다음으로, 도 5f에 도시한 바와 같이 상기 기판(101)을 캔틸레버 센서 영역과 기준 전극체 영역으로 분리하고, 각 영역의 기판(101)을 식각, 제거한다. 그런 다음, 캔틸레버 센서 영역의 지지 플레이트(102)의 배면 상에 또는 상기 보호막(104) 상에 분자인식층(114)을 형성하면 본 발명의 일 실시예에 따른 생체물질 감지장치의 제조방법은 완료된다. 여기서, 상기 분자인식층(114)은 금(Au)과 같은 도전성 재질의 감지막과 상기 감지막 상에 구비되어 생체물질을 실질적으로 포집하는 역할을 하는 단원자층(Self Assembled Monolayer)으로 구성될 수 있다. Next, as shown in FIG. 5F, the
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체물질 감지장치의 사시도.1 is a perspective view of a biomaterial sensing apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체물질 감지장치의 분리 사시도.Figure 2 is an exploded perspective view of the biological material detection apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체물질 감지장치의 평면도.Figure 3a is a plan view of a biomaterial sensing apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 3b는 도 2a의 A-A`선에 따른 측단면도. Figure 3b is a side cross-sectional view taken along the line AA 'of Figure 2a.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체물질 감지장치의 동작을 설명하기 위한 순서도. Figure 4 is a flow chart for explaining the operation of the biological material detection apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 5a 내지 도 5f는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체물질 감지장치의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도. 5A to 5F are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a biomaterial sensing apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 설명>Description of the main parts of the drawing
101 : 기판 102 : 지지 플레이트101
103 : 절연막 104 : 보호막103: insulating film 104: protective film
110 : 캔틸레버 센서 111 : 하부전극110: cantilever sensor 111: lower electrode
112 : 압전막 113a : 상부전극112:
113b : 정전용량 측정용 전극체의 상부전극113b: upper electrode of the electrode body for capacitance measurement
114 : 분자인식층114: molecular recognition layer
120 : 기준 전극체 121 : 기준 하부전극120: reference electrode body 121: reference lower electrode
123 : 기준 상부전극123: reference upper electrode
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US9709561B2 (en) | 2014-05-13 | 2017-07-18 | Korea University Research And Business Foundation | Multisensing platform having a nanoporous metal layer on a cantilever sensor |
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KR100613398B1 (en) | 2003-11-25 | 2006-08-17 | 한국과학기술연구원 | Element detecting system using cantilever, method for fabrication of the same system and method for detecting micro element using the same system |
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2008
- 2008-11-11 KR KR1020080111411A patent/KR101053655B1/en not_active IP Right Cessation
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