KR101096533B1

KR101096533B1 - 생체용 무선 유량센서 구조물 및 유량센서 제조방법

Info

Publication number: KR101096533B1
Application number: KR1020100015126A
Authority: KR
Inventors: 이동원; 한창용
Original assignee: 전남대학교산학협력단
Priority date: 2010-02-19
Filing date: 2010-02-19
Publication date: 2011-12-20
Also published as: KR20110095579A

Abstract

본 발명은 생체용 무선 유량센서 구조물 및 생체용 무선 유량센서 제조방법에 관한 것으로서, 혈관과 같은 생체 내에서 사용하기 위해 망사 그물 형태의 절연체막과, 그 내부에 구비된 용량형 압력 센서로 구성된 무선 유량센서 구조물 및 유량센서 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 생체용 무선 유량센서 구조물에 관한 것으로서, 그 내부 양측단에 유량센서가 형성되어 있는 복수개의 절연체막; 상기 절연체막 양측면에 소정 간격으로 형성된 복수개의 금속선으로서, 상기 절연체막들을 연결해주는 연결부재; 를 포함하되, 상기 유량센서는, 혈관 벽 고정 시 그 양측단의 압력을 측정하고, 그 압력의 차로서, 혈관 내부에 흐르는 혈류량을 파악하는 것을 특징으로 한다.

Description

생체용 무선 유량센서 구조물 및 유량센서 제조방법{BIOCOMPATIBLE WIRELESS FLOW SENSOR STRUCTURE AND METHOD FOR MANUFACTURING BIOCOMPATIBLE WIRELESS FLOW SENSOR}

본 발명은 생체용 무선 유량센서 구조물 및 유량센서 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 혈관과 같은 생체 내에서 사용하기 위해 망사 그물 형태의 절연체막과, 그 내부에 구비된 용량형 압력 센서로 구성된 무선 유량센서 구조물 및 유량센서 제조방법에 관한 것이다.

혈류/혈압의 실시간으로 모니터링은, 스텐트 시술 이후에 흔히 발생되는 혈관 내부에 재협착으로 인한 순환기 계통의 이상을 관 내 흐르는 혈류/혈압의 변화를 실시간으로 감지함으로써, 병의 발생을 빠르게 파악/처리하여 환자의 수술에 대한 신뢰성을 확보할 수 있으며, 환자의 생명을 확실하게 보호할 수 있다는 장점이 있다.

하지만, 기존 실리콘 기반의 마이크로 머시닝 공정을 통해 제작된 센서를 생체의 혈관 내부에 넣어서 실시간으로 감지한다는 것은 큰 위험성을 지니고 있다.

즉, 사용된 재료의 생체 친화적 특성이 우선적으로 요구되며, 제작된 센서의 디자인도 혈관 내벽을 훼손하지 않아야 하기 때문에 유연한 재료의 특성 또한 요구된다. 이러한 조건을 만족하는 재료는 생체적합성 특성을 지닌 SU-8, PDMS, 폴리이미드 등 고분자 계열의 재료가 그 대상이 될 수 있으나, 폴리이미드, PDMS의 경우는 포토 공정이 불가하여 제작 공정이 비교적 복잡해 질 수 있다.

하지만, SU-8의 경우는 포토 공정이 가능하여 제작이 간단할 수 있으며, 안정적인 재료의 특성으로 인해 부식, 침식 등의 위험이 적어 제작할 센서에 적합하며, 이러한 SU-8을 기반으로 하는 정전 용량형 압력센서를 마이크로 머시닝 기술을 기반으로 하여 소자를 제작하고,이를 외부 안테나 및 RF 신호를 이용하여 이를 파악할 수 있는 새로운 고분자 기반의 압력센서로서의 설계가 절실하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 혈관과 같은 생체 내에서 사용하기 위해 망사 그물 형태의 절연체막과, 그 내부에 구비된 용량형 압력 센서로 구성된 무선 유량센서 구조물 및 유량센서 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 생체용 무선 유량센서 구조물에 관한 것으로서, 그 내부 양측단에 유량센서가 형성되어 있는 복수개의 절연체막; 상기 절연체막 양측면에 소정 간격으로 형성된 복수개의 금속선으로서, 상기 절연체막들을 연결해주는 연결부재; 를 포함하되, 상기 유량센서는, 혈관 벽 고정 시 그 양측단의 압력을 측정하고, 그 압력의 차로서, 혈관 내부에 흐르는 혈류량을 파악하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 디바이스를 생체 적합성 재료인 SU-8 폴리머를 이용함으로써 생체 내부에서 사용할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따르면, 유량센서의 혈관 벽 고정 시, 압력을 측정함으로써 혈관 내부에 흐르는 혈류량을 파악할 수 있는 효과도 있다.

그리고 본 발명에 따르면, 기존의 실리콘 기반의 센서보다 패키징 공정이 보다 간편하며, 다른 시스템과도 유동성 있게 집적화할 수 있는 효과도 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 생체용 무선 유량센서 구조물에 관한 구성도
도 2 는 본 발명에 따른 유량센서에 관한 사시도 및 A-A' 단면도.
도 3 은 본 발명에 따른 유량센서 제조방법에 관한 흐름도.

본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 생체용 무선 유량센서 구조물 및 유량센서 제조방법에 관하여 도 1 내지 도 3 을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 본 발명에 따른 생체용 무선 유량센서 구조물에 관한 구성도로서, 전체적으로 절연체막(100)과, 상기 절연체막(100)을 서로 연결해주는 연결부재(200)를 포함하여 이루어진다.

절연체막(100)은 도 1 에 도시된 바와 같이 망사 그물형태의 절연체로서, 그 내부 양측단에는 유량센서(110)가 형성되어 있다.

여기서, 유량센서(110)는 압력센서로서 혈관 벽 고정 시, 양측단의 압력을 측정한다. 따라서, 그 압력의 차로서, 혈관 내부에 흐르는 혈류량을 파악할 수 있다.

본 실시예에서, 망사 그물형태의 절연체막(100)을 생체 적합성 재료인 SU-8 폴리머로 설정하겠으며, 그 개수를 6개로 설정하겠으나, 본 발명이 이에 한정되지 않는다.

연결부재(200)는 복수개의 절연체막(100) 양측면에 소정 간격으로 형성된 복수개의 금속선으로서, 상기 절연체막(100)들을 연결해준다. 이때, 연결부재(200)는 수축 및 팽창될 수 있는 탄성력을 가진다.

본 실시예에서, 상기 연결부재(200)의 재질을 구리(Cu)로 설정하였으나, 본 발명이 이에 한정되지 않는 바, 백금(Pt), 다양한 형상기억합금 등으로 다양하게 설정가능하다.

도 2 는 본 발명에 따른 유량센서(110)에 관한 사시도 및 A-A' 단면도이다.

도 2 에 도시된 바와 같이 유량센서(110)는 전체적으로, 실리콘 웨이퍼 상부에 형성된 SU-8 폴리머 재질의 절연체막(111)과, 상기 절연체막(111) 상부에 형성된 커패시터 하부전극(112)과, 상기 절연체막(111)의 상부에 형성된 인덕터 코일(113)과, 유리 웨이퍼의 상부에 형성되며, 가운데 홀 구조를 가지는 SU-8 폴리머 재질의 절연체막(114)과, 상기 절연체막(114)의 홀 구조에 채워진 구리층(115)과, 상기 절연막(114) 및 구리층(115)의 상부에 형성된 커패시터 상부전극(116)과, 상기 커패시터 하부전극(112) 상부에 도포된 PDMS(117)를 포함한다.

여기서, 인덕터 코일(113)은 구리와 같은 금속으로 구성된 평면 코일로서, 도시된 바와 같이 커패시터 하부전극(112)을 제외한 영역을 감싸는 형태로 형성되어 있다. 즉, 커패시터 하부전극(112)이 위치된 유량센서(110)의 중심부를 에두르는 형태로서 형성되어 있다.

또한, 상기 커패시터 하부전극(112)과 커패시터 상부전극(116) 사이에 PDMS(117)를 위치시키고, 베이킹 및 본딩 공정을 통해 상기 PDMS(117)가 커패시터 하부전극(112) 및 커패시터 상부전극(116)을 코팅되도록 함으로써, 커패시터 하부전극(112) 및 커패시터 상부전극(116)이 서로 전기적으로 접촉되지 않도록 한다.

여기서, 도 2 에 도시된 바와 같은 유량센서에 관한 제조방법을 간단히 살피면 다음과 같다. 먼저, 실리콘 웨이퍼 상부에 SU-8 폴리머 재질의 절연체막을 형성하고, 상기 절연체막 상부에 커패시터 하부전극을 형성한다.

이때, 커패시터 하부전극과 인덕터 코일을 형성하기 위한 금속층을 동시에 형성하고, 그 후에 하부전극 부분을 제외한 금속층 부분에만 도금이 되도록 하기 위하여, 커패시터 하부전극 부분을 AZ 4620 감광제로 코팅한다.

이후, 상기 SU-8 폴리머 재질의 절연체막의 상부에 인덕터 코일을 형성한다.

뒤이어, 유리 웨이퍼 상부에 SU-8 폴리머 재질의 절연체막을 형성하고, 상기 절연체막 상부에 커패시터 상부전극을 형성하고, 상기 커패시터 하부전극 상부에 PDMS를 도포한다. 그리고, 상기 커패시터 하부전극 및 커패시터 상부전극 사이에 PDMS가 위치하도록 베이킹 및 본딩한다.

한편, 상기 인덕터 코일(113)과 커패시터 하부전극(112) 및 상부전극(115)은, 패시브(passive) RFID 시스템과 유사한 방식으로 작동된다.

구체적으로, 인덕터 코일은 외부 안테나로부터 발생된 신호(전압과 주파수)를 받아 인덕티브 커플링되어 전압을 발생시킨다. 이와 같이 발생되는 전압은 소자 구동을 위한 전력으로 사용된다.

또한, 커패시터 전극은 생체 내부 압력의 영향을 받아 금속 패드 사이가 가까워짐에 따라 변화하는 커패시턴스(capacitance)를 이용하여 소자에 인가된 압력을 파악할 수 있는 원리이다.

즉, 외부 RF 신호를 인가받은 인덕터 코일(113)은 전압을 생성하며, 커패시터 전극은 변화하는 커패시턴스(capacitance)를 이용하여 소자에 인가된 압력을 파악할 수 있다. 이러한 인덕터 코일(114)과 커패시터 하부전극(112) 및 상부전극(115)을 통해 유량센서(110)는 배터리 없이도 동작 가능하다.

이하에서는, 본 발명에 따른 생체용 무선 유량센서의 전체적인 제조방법에 관하여 도 3 을 참조하여 설명하도록 한다.

- 아랫면 디바이스 형성 -

[S1] 잔류물 제거.

piranha & RCA-1 % RCA-2 클리닝 공정을 진행하여 실리콘 웨이퍼에 잔류하는 잔류물을 제거한다(S1).

[S2] Al 증착.

실리콘 웨이퍼의 앞면에 소자 제작 후 분리하기 위한 희생층으로서, thermal evaporator를 이용하여 Al 200nm를 웨이퍼 표면에 고르게 증착시킨다.

[S3] SU-8 층 형성.

실리콘 웨이퍼를 스핀 코터에 진공으로 고정시키고, 웨이퍼 위에 SU-8 을 사용하여 150μm에 맞는 단계별 rpm으로 설정하여 SU-8 층을 형성한다.

[S4] 커패시터 하부전극과 인덕터 형성을 위한 금속층(Au) 증착 및 금속층 패터닝.

구리 전해도금을 통해 인덕터 코일을 제작하기 위해서는 구리가 증착될 부분에 전극이 필요하다. 이를 위해 AZ 4620(AZ 5214) 감광제를 이용하여 포토리소 그래피 공정을 수행한 후, e-beam evaporator를 이용하여 크롬/금(Cr/Au)을 15nm/35nm로 증착시키고, lift off 공정을 이용하여 금속층을 패터닝함으로써, 커패시터 하부전극 및 구리 증착을 위한 전극을 형성한다.

[S5] 인덕터 코일 형성.

커패시터 하부전극을 AZ 4620 감광제로 30μm로 코팅한 후에, 구리 전해도금 방법을 이용하여, 상기 [S4] 단계에서 형성한 전극 상부에 30μm의 폭을 가지는 인덕터 코일을 형성한다.

[S6] SU-8 층 형성 및 PR 제거.

외부 유체환경과 접촉을 방지하며, 윗면 디바이스와 본딩하기 위하여, 구리 전해도금된 디바이스에 30μm의 두께를 가지는 SU-8 층을 형성하고, 아세톤을 이용하여 남아있는 PR을 제거한다.

- 윗면 디바이스 형성 -

[S7] 잔류물 제거.

piranha & RCA-1 % RCA-2 클리닝 공정을 진행하여 유리 웨이퍼에 잔류하는 잔류물을 제거한다.

[S8] Al 증착.

유리 웨이퍼의 앞면에 소자 제작 후 분리하기 위한 희생층으로서, thermal evaporator를 이용하여 Al 200nm를 웨이퍼 표면에 고르게 증착시킨다.

[S9] SU-8 층 형성.

유리 웨이퍼 위에 2μm의 두께로 SU-8 층을 형성한다.

[S10] 커패시터 상부전극 형성.

AZ 5214 감광제를 이용하여 포토리소 그래피 공정을 수행한 후, e-beam evaporator를 이용하여 크롬/금(Cr/Au)을 15nm/35nm로 증착시키고, lift off 공정을 이용하여 금속층을 패터닝함으로써, 커패시터 상부전극을 형성한다.

[S11] SU-8 층 형성.

상기 [S10] 단계를 통해 형성된 커패시터 상부전극의 상부와 상기 [S9] 단계를 통해 형성한 SU-8 층의 상부에 각각 SU-8 층을 30μm의 두께로 형성한다. 이때, 각각 형성된 SU-8 층 사이에 홀 구조가 형성될 수 있다.

[S12] 구리층 형성(구리 전해도금을 이용하여 SU-8 지지부 중간에 형성).

상기 [S11] 단계를 통해 형성된 SU-8 상부 구조물이 서로 벌어지지 않도록 붙잡아 주며, 상기 [S10] 단계를 통해 형성한 커패시터 상부 전극과 하기의 [S13] 과정에 형성될 금속라인을 연결해 주기 위해 구리 전해 도금을 이용하여 SU-8 구조물 중간에 구리층을 30μm의 두께로 형성한다.

[S13] 금속라인 형성.

상기 [S11] 단계를 통해 형성된 SU-8 층 및 [S12] 단계를 통해 형성된 구리층의 상부에, 스퍼터 또는 evaporator 공정을 이용하여 금속라인을 형성한다.

이러한 금속라인은, 상기 [S10] 단계를 통해 형성된 커패시터 상부전극과 전기적으로 연결시키기 위한 것이다.

- 윗면 및 아랫면 디바이스 베이킹-

[S14] PDMS 도포.

커패시터 하부전극 및 커패시터 상부전극이 서로 접촉되는 것을 방지하기 위하여, 커패시터 하부전극 상부에 PDMS를 도포한다.

[S15] 윗면 및 아랫면 디바이스 베이킹.

PDMS가 상기 아랫면 디바이스의 커패시터 하부전극 및 윗면 커패시터 상부전극의 중간에 위치하도록 베이킹 및 본딩하고, BHF(Buffered Hydrofluoric acid) 용액을 이용하여 희생층으로 쓰인 Al 을 제거한다.

이때, 아랫면 디바이스와 윗면 디바이스를 본딩하기 위해서는 양쪽 소자를 정확하게 정렬해야만 한다. 따라서, 유리 기판 위에 PR을 이용하여 정렬 마크(align mark)를 패터닝하고, xy 스테이지와 현미경을 이용하여 실리콘 위에 형성된 정렬 마크(align mark)와 정렬하게 된다.

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.

100: 절연막 200: 연결부재
110: 유량센서 111: 절연체막
112: 커패시터 하부전극 113: 인덕터 코일
114: 절연체막 115: 구리층
116: 커패시터 상부전극 117: PDMS

Claims

생체용 무선 유량센서 구조물에 있어서,
그 내부에 유량센서(110)가 형성되어 있는 직사각형 형상의 복수개의 절연체막(100); 및
직사각형 절연체막(100)의 길이방향의 양측단에 소정 간격으로 형성된 금속선으로서, 또 다른 절연체막(100)과 상호 연결시키는 연결부재(200); 를 포함하되,
상기 유량센서(110)는,
혈관 벽 고정 시, 고정된 위치의 압력을 측정하고, 그 압력의 차로서, 혈관 내부에 흐르는 혈류량을 파악하는 것을 특징으로 하는 생체용 무선 유량센서 구조물.
제 1 항에 있어서,
상기 절연체막(100)은,
망사 그물형태로서, SU-8 폴리머 재질인 것을 특징으로 하는 생체용 무선 유량센서 구조물.
제 1 항에 있어서,
상기 연결부재(200)는,
수축 및 팽창될 수 있는 탄성력을 가지는 것을 특징으로 하는 생체용 무선 유량센서 구조물.
제 1 항에 있어서,
상기 연결부재(200)는,
구리(Cu), 백금(Pt) 중 어느 하나의 재질이거나, 형상기억합금 재질인 것을 특징으로 하는 생체용 무선 유량센서 구조물.
제 1 항에 있어서,
상기 유량센서(110)는,
SU-8 폴리머 재질의 절연체막(111)과, 상기 절연체막(111) 상부에 형성된 커패시터 하부전극(112)과, 상기 절연체막(111)의 상부에 형성된 인덕터 코일(113)과,
가운데 홀 구조를 가지는 SU-8 폴리머 재질의 절연체막(114)과, 상기 절연체막(114)의 홀 구조에 채워진 구리층(115)과, 상기 절연체막(114) 및 구리층(115)의 상부에 형성된 커패시터 상부전극(116)과, 상기 커패시터 하부전극(112) 상부에 도포된 PDMS(117)를 포함하며,
상기 커패시터 하부전극(112) 및 커패시터 상부전극(116) 간의 전기적 접촉을 방지하기 위하여, 베이킹 및 본딩 공정을 통해 상기 PDMS(117)가 커패시터 하부전극(112) 및 커패시터 상부전극(116) 사이에 코팅되는 것을 특징으로 하는 생체용 무선 유량센서 구조물.
제 5 항에 있어서,
상기 인덕터 코일(113)은,
금속으로 구성된 평면 코일로서, 상기 커패시터 하부전극(112)을 제외한 영역을 감싸는 형태로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 생체용 무선 유량센서 구조물.
제 5 항에 있어서,
상기 인덕터 코일(113)은 외부로부터 RF 신호를 인가받아 전압을 생성하며, 상기 커패시터 하부전극 및 상부전극(112,116)은 변화하는 커패시턴스를 이용하여 인가된 압력을 파악하는 것을 특징으로 하는 생체용 무선 유량센서 구조물.
생체용 무선 유량센서 제조방법에 있어서,
(a) 실리콘 웨이퍼를 스핀 코터에 진공으로 고정시키고, 웨이퍼 위에 SU-8 층을 형성하는 단계;
(b) 포토리소 그래피 공정을 수행한 후, e-beam evaporator를 이용하여 크롬/금(Cr/Au)을 증착시키고, lift off 공정을 이용하여 금속층을 패터닝함으로써, 커패시터 하부전극 및 구리증착을 위한 전극을 형성하는 단계;
(c) 상기 커패시터 하부전극을 감광제로 코팅한 후, 구리 전해도금 방법을 이용하여, 상기 (b) 단계에서 형성한 전극 상부에 소정 폭을 가지는 인덕터 코일을 형성하는 단계;
(d) 구리 전해도금된 디바이스에 소정의 두께를 가지는 SU-8 층을 형성하고, PR을 제거하는 단계;
(e) 유리 웨이퍼 위에 소정 두께로 SU-8 층을 형성하는 단계;
(f) 포토리소 그래피 공정을 수행한 후, e-beam evaporator를 이용하여 크롬/금(Cr/Au)을 증착시키고, lift off 공정을 이용하여 금속층을 패터닝함으로써, 커패시터 상부전극을 형성하는 단계;
(g) 상기 (f) 단계를 통해 형성된 커패시터 상부전극의 상부와, 상기 (e) 단계를 통해 형성한 SU-8 층의 상부에 각각 SU-8 층을 소정 두께로 형성함으로써 두 개의 SU-8 층 사이에 홀 구조를 형성하는 단계;
(h) 상기 (g) 단계를 통해 형성된 두 SU-8 층의 홀 구조에 구리층을 형성하는 단계;
(i) 상기 (g) 단계를 통해 형성된 SU-8 층 및 상기 (h) 단계를 통해 형성된 구리층의 상부에, 스퍼터 또는 evaporator 공정을 이용하여 금속라인을 형성하는 단계;
(j) 상기 커패시터 하부전극 상부에 PDMS를 도포하는 단계; 및
(k) 상기 PDMS가 상기 커패시터 하부전극 및 상부전극의 사이에 위치하도록 베이킹 및 본딩하고, BHF(Buffered Hydrofluoric acid) 용액을 이용하여 희생층으로 쓰인 Al을 제거하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체용 무선 유량센서 제조방법.