KR101217576B1 - 바이오 센서 및 그의 구동 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 바이오 센서에 대한 것으로서, 이 장치는 소스, 드레인 및 상기 소스와 드레인 사이에 형성되는 채널을 포함하는 기판, 상기 채널 위에 형성되는 게이트 절연막, 상기 소스, 드레인과 각각 연결되어 있는 소스 전극 및 드레인 전극을 포함하는 트랜지스터, 상기 트랜지스터와 내부 공간을 갖도록 상기 트랜지스터를 덮으며, 타겟 분자를 포함하는 샘플 용액을 흘리는 유체관, 상기 유체관의 내벽에 형성되어 있는 기준 전극, 그리고 상기 기준 전극 위에 부착되어 있으며, 상기 타겟 분자와 반응하는 프로브 분자층을 포함한다. 따라서 기준 전극을 유체관 내벽에 형성함으로써, 바이오 소자의 소형화가 가능해지며, 프로브 분자를 기준 전극 위에 형성함으로써 기준 전극과 게이트 절연막 사이의 전위 차에 따른 문턱 전압 변화를 측정함으로 감도 및 반응 속도가 크게 향상될 수 있다.
바이오 센서, 전계 효과 트랜지스터, 기준 전압, 유체관

Description

바이오 센서 및 그의 구동 방법{The bio sensor and the driving method thereof}
본 발명은 바이오 센서에 관한 것이다. 특히 본 발명은 기준 전극을 유체관과 일체시켜 소형화할 수 있는 바이오 센서에 관한 것이다.
전기적인 신호로 바이오 분자를 검출하는 바이오 센서 중 트랜지스터를 포함하는 트랜지스터 기반 바이오 센서는 전기적인 신호의 전환이 빠르고, 집적 회로로 제조가 가능하여 활발히 연구되고 있다.
도 1은 종래 전계 효과 트랜지스터를 사용하여 생물학적 반응을 측정하는 바이오 센서를 도시한 것이다.
도 1을 참고하면, 종래의 전계 효과 트랜지스터 기반 바이오 센서는 기판(100) 위에 소스/드레인(110)이 형성되어 있으며, 소스/드레인(110) 사이에 채널(115)이 형성된다.
채널(115) 상으로 게이트 절연막(120)이 형성되어 있으며, 게이트 절연막(120) 위에 프로브 분자층(160)이 형성되어 있다.
한편, 절연막(130) 위로 소스/드레인(110)과 연결되는 소스/드레인 전 극(140)이 형성되어 있으며, 소스/드레인 전극(140) 위로 소자 절연막(150)이 형성되어 있다.
이와 같이, 게이트 절연막(120) 위의 프로브 분자층(160)이 외부에 노출되어 있으며, 그 위로 샘플 용액(180)이 흐른다.
이때, 샘플 용액(180) 내에 전계 효과 트랜지스터의 게이트 전압(Vgate)을 인가하기 위한 기준 전극(190)이 담겨 있으며, 이와 같은 기준 전극(190)에 의해 게이트 전압(Vgate)이 샘플 용액(180)에 전달되는데, 기준 전극(190)과 샘플 용액(180) 간의 전위 차이는 일정하게 유지된다.
샘플 용액(180) 내의 타겟 분자(170)가 게이트 절연막(120) 위의 프로브 분자층(160)의 프로브 분자와 결합하면, 타겟 분자(170)가 가지고 있는 전하에 의해 게이트 절연막(120) 표면의 전위가 변한다. 이에 따라 게이트 절연막(120) 하부의 채널(115)에 전류를 인가하기 위한 문턱 전압의 값이 변화한다.
이때, 전계 효과 트랜지스터의 문턱 전압 변화를 읽어 반응 여부를 검출하게 되는데, 기준 전극(190)과 샘플 용액(180) 사이에 전위 차가 일정하게 유지되지 않으면 문턱 전압 변화의 신뢰도가 떨어진다.
또한, 기준 전극(190)은 외부에서 샘플 용액(180) 내에 삽입하여야 하므로 전계 효과 트랜지스터가 소형화된다 하여도 기준 전극(190)의 삽입 구조에 의해 바이오 센서의 소형화에 어려움이 있어, 센서의 감도를 증가시키고 측정 시간을 줄이는 데 한계가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 기준 전극의 구조를 변화하여 센서의 소형화를 할 수 있는 바이오 센서를 제공하는 것이다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 바이오 센서는,
소스, 드레인 및 상기 소스와 드레인 사이에 형성되는 채널을 포함하는 기판,
상기 채널 위에 형성되는 게이트 절연막,
상기 소스, 드레인과 각각 연결되어 있는 소스 전극 및 드레인 전극
을 포함하는 트랜지스터,
상기 트랜지스터와 내부 공간을 갖도록 상기 트랜지스터를 덮으며, 타겟 분자를 포함하는 샘플 용액을 흘리는 유체관,
상기 유체관의 내벽에 형성되어 있는 기준 전극, 그리고
상기 기준 전극 위에 부착되어 있으며, 상기 타겟 분자와 반응하는 프로브 분자층
을 포함한다.
실시예로서, 상기 바이오 센서는 상기 프로브 분자와 상기 타겟 분자 사이의 반응에 따라 상기 트랜지스터의 문턱 전압이 가변한다.
상기 기준 전극은
외부로부터 상기 샘플 용액에 가해지는 게이트 전압을 인가받는다.
상기 트랜지스터는
상기 소스 전극 및 드레인 전극 위에 절연막을 더 포함한다.
상기 유체관은
마이크로미터 스케일일 수 있다.
상기 기판은 실리콘 기판일 수 있다.
상기 유체관은
상기 기판의 채널을 덮도록 형성되어 있다.
상기 소스 전극 및 드레인 전극은 상기 유체관의 양 측면에 배치되어 있다.
또한, 상기한 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 바이오 센서의구동 방법은,
유체관 내벽의 기준 전극 위에 프로브 분자층을 부착하는 단계,
게이트 절연막이 노출되어 있는 트랜지스터 위에 상기 유체관을 조립하는 단계,
타겟 분자 없는 유체를 흘려 상기 트랜지스터의 문턱 전압을 측정하는 단계, 그리고
상기 타겟 분자를 포함하는 샘플 용액을 흘려 상기 트랜지스터의 문턱 전압을 측정하는 단계
를 포함한다.
실시예로서, 상기 프로브 분자층을 부착하는 단계는 상기 트랜지스터와 상기 유체관의 조립 후에 진행할 수 있다.
상기 트랜지스터 및 상기 유체관은 마이크로미터 스케일을 충족한다.
실시예로서, 상기 바이오 센서의 상기 프로브 분자와 상기 타겟 분자 사이의 반응에 따른 상기 트랜지스터의 문턱 전압의 변화를 측정할 수 있다.
본 발명에 따르면, 기준 전극을 유체관 내벽에 형성함으로써, 바이오 소자의 소형화가 가능해지며, 프로브 분자를 기준 전극 위에 형성함으로써 기준 전극과 게이트 절연막 사이의 전위 차에 따른 문턱 전압 변화를 측정하므로 감도 및 반응 속도가 크게 향상될 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하에서는 도 2 및 도 3을 참고하여 본 발명에 따른 바이오 센서를 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 바이오 센서를 도시한 것이고, 도 3은 도 2의 바이오 센서의 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참고하면, 본 발명에 따른 바이오 센서는 전계 효과 트랜지스터가 형성되어 있는 기판(200) 및 유체관(250)을 포함한다.
기판(200)은 p 타입 또는 n타입의 실리콘 기판일 수 있으며, p타입 기판인 경우, 기판(200) 내에 n타입 도핑되어 소스/드레인 영역(205)이 형성되어 있다.
소스/드레인 영역(205)의 사이에는 트랜지스터의 채널(207)이 형성되어 있으며, 채널(207) 위에 게이트 절연막(280)이 형성되어 있다.
한편, 소스/드레인 영역(205) 이외의 부분에 절연막(217)이 형성되어 있으며, 절연막(217) 위로 소스/드레인 영역(205)과 연결되는 소스/드레인 전극(215)이 형성되어 있다.
이때, 소스/드레인 전극(215)은 일반적인 도전성을 가지는 금속일 수 있다.
이와 같은 소스/드레인 전극(215) 위에 소스/드레인 전극(215)을 덮는 소자 절연막(210)이 형성되어 있다.
이러한 기판(200) 위의 트랜지스터는 소스/드레인 전극(215) 사이에 가로로 긴 채널(207)을 포함하며, 트랜지스터 옆으로 게이트 전압(Vgate)을 인가하기 위한 게이트 패드(270)가 형성되어 있다.
한편, 유체관(250)은 기판(200) 위에 소스/드레인 전극(215) 사이의 채널(207)과 교차하도록 세로로 긴 형상을 가진다.
유체관(250)은 트랜지스터의 게이트 절연막(280) 위를 덮도록 형성되어 있으며, 내부에 샘플 용액(300)이 흐를 수 있는 공간을 포함한다.
유체관(250) 내벽에는 기준 전극(260)이 적층되어 형성되어 있으며, 기준 전극(260)은 유체관(250) 외부까지 연장되어 기판(200) 위에 형성되어 있는 게이트 패드(270)와 연결되어 외부로부터 게이트 전압(Vgate)을 인가받는다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 바이오 센서는 유체관(250) 내벽에 형성되어 있는 기준 전극(260) 위에 프로브 분자층(320)이 형성되어 있다.
샘플 용액(300) 내의 타깃 분자(310)들이 기준 전극(260) 표면의 프로브 분자층(320)과 결합하면, 타깃 분자(310)의 전하에 의해 기준 전극(260)과 샘플 용액(300) 사이의 전위 차가 변화한다. 따라서, 게이트 전압(Vgate)이 동일하게 인가되더라도, 채널(207)에 실제 인가되는 게이트 전압(Vgate)이 달라진다.
따라서, 프로브 분자층(320)과 결합한 타깃 분자(310)들의 양에 비례하여 외부적으로 측정되는 전계 효과 트랜지스터의 문턱 전압 값이 바뀐다.
이러한 바이오 센서는 기판(200) 위에 전계 효과 트랜지스터를 형성한 후, 기준 전극(260)이 형성된 유체관(250)과 조립한 후 샘플 용액(300)을 유체관(250)의 내부 공간으로 흘리면서 문턱 전압을 측정하여 반응 여부를 검출한다.
이때, 프로브 분자층(320)는 조립 전에 기준 전극(260)에 부착할 수 있으며, 조립 후에 부착도 가능하다.
이와 같이 기준 전극(260)을 유체관(250) 내벽에 형성함으로써 트랜지스터의 마이크로미터 스케일에 따라 유체관(250)도 마이크로미터 스케일로 제작이 가능하여 바이오 소자의 미세화가 가능해진다.
도 4는 본 발명에 따른 바이오 센서의 특성 곡선을 나타낸 것이다.
프로브 분자층이 부착된 상태에서 트랜지스터의 기준 특성 곡선(fref)은 프로브 분자층과 타겟 분자가 반응한 후의 반응 특성 곡선(fr)과 차이 나며, 특히 문턱 전압의 차가 발생한다.
즉, 타겟 분자와 프로브 분자 사이의 반응에 따른 반응 특선 곡선(fr)은 타겟 분자가 없는 샘플 용액을 흘린 상태에서의 트랜지스터의 기준 특성 곡선(fref)에 대하여 문턱 전압이 이동하는 것을 볼 수 있으며, 이러한 문턱 전압의 변화 방향은 기판의 n 또는 p타입 여부에 따라 결정된다.
이러한 문턱 전압의 변화에 의해 반응 여부를 검출할 수 있으며, 또한 유체관의 부피를 마이크로미터 스케일로 줄임으로써 동일한 부피의 샘플 용액 공급 시 용액 내 각각의 타깃 분자들이 프로브 분자층과 만나서 결합할 수 있는 확률이 높아져 센서의 감도 및 반응 속도를 크게 향상 시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
도 1은 종래 전계 효과 트랜지스터를 사용하여 생물학적 반응을 측정하는 바이오 센서를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 바이오 센서를 도시한 것이다.
도 3은 도 2의 바이오 센서의 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 바이오 센서의 특성 곡선을 나타낸 것이다.

Claims (12)

  1. 소스, 드레인 및 상기 소스와 드레인 사이에 형성되는 채널을 포함하는 기판,
    상기 채널 위에 형성되는 게이트 절연막,
    상기 소스, 드레인과 각각 연결되어 있는 소스 전극 및 드레인 전극
    을 포함하는 트랜지스터,
    상기 트랜지스터와 내부 공간을 갖도록 상기 트랜지스터를 덮으며, 타겟 분자를 포함하는 샘플 용액을 흘리는 유체관,
    상기 유체관의 내벽에 형성되어 있는 기준 전극, 그리고
    상기 기준 전극 위에 부착되어 있으며, 상기 타겟 분자와 반응하는 프로브 분자층
    을 포함하는 바이오 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 바이오 센서는 상기 프로브 분자와 상기 타겟 분자 사이의 반응에 따라 상기 트랜지스터의 문턱 전압이 가변하는
    바이오 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기준 전극은
    외부로부터 상기 샘플 용액에 가해지는 게이트 전압을 인가받는
    바이오 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 트랜지스터는
    상기 소스 전극 및 드레인 전극 위에 절연막을
    더 포함하는
    바이오 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유체관은
    마이크로미터 스케일인
    바이오 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘 기판인
    바이오 센서.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 유체관은
    상기 기판의 채널을 덮도록 형성되어 있는
    바이오 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 소스 전극 및 드레인 전극은 상기 유체관의 양 측면에 배치되어 있는
    바이오 센서.
  9. 유체관 내벽의 기준 전극 위에 프로브 분자층을 부착하는 단계,
    게이트 절연막이 노출되어 있는 트랜지스터 위에 상기 유체관을 조립하는 단계,
    타겟 분자 없는 유체를 흘려 상기 트랜지스터의 문턱 전압을 측정하는 단계, 그리고
    상기 타겟 분자를 포함하는 샘플 용액을 흘려 상기 트랜지스터의 문턱 전압을 측정하는 단계
    를 포함하는
    바이오 센서의 구동 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 프로브 분자층을 부착하는 단계는 상기 트랜지스터와 상기 유체관의 조 립 후에 진행하는
    바이오 센서의 구동 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 트랜지스터 및 상기 유체관은 마이크로미터 스케일을 충족하는
    바이오 센서의 구동 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 바이오 센서의 상기 프로브 분자와 상기 타겟 분자 사이의 반응에 따른 상기 트랜지스터의 문턱 전압의 변화를 측정하는
    바이오 센서의 구동 방법.
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