KR101588523B1 - 생체 물질 감지 바이오 센서 및 이를 제조하는 방법 - Google Patents

생체 물질 감지 바이오 센서 및 이를 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

생체 물질 감지 바이오 센서는 적어도 하나의 트렌치(trench)가 식각된 기판; 상기 적어도 하나의 트렌치 각각의 둘레를 따라 형성되는 산화막; 상기 산화막 상에 상기 적어도 하나의 트렌치를 매립하도록 배치되는 매몰형 탐지 전극; 상기 기판의 전면에 형성되는 유전막; 상기 매몰형 탐지 전극의 위치에 기초하여 상기 유전막에 생성된 적어도 하나의 센싱 영역 상에 고정되어, 생체 물질을 센싱하는 반응 물질; 및 상기 적어도 하나의 센싱 영역을 통과하도록 생성되는 적어도 하나의 유체관을 포함하고, 상기 적어도 하나의 유체관은 상기 매몰형 탐지 전극과 평행한 적어도 하나의 부분을 포함하도록 생성된다.

Description

생체 물질 감지 바이오 센서 및 이를 제조하는 방법{BIO SENSOR FOR DETECTING BIOMATERIAL AND MANUFACTUING METHOD THEREOF}
본 발명은 생체 물질 감지 바이오 센서 및 이를 제조하는 방법에 관한 것으로, 구체적으로, 매몰형 탐지 전극이 매립된 기판 상에 유체관이 형성되어, 생체 물질을 감지하는 바이오 센서에 대한 기술이다.
기존의 생체 물질 감지 바이오 센서는 생체 물질의 크기에 따라 생체 물질을 계수한다. 예를 들어, 한국등록특허 제10-0573621호를 살펴보면, 생체 물질 중 특정 세포만을 통과시키는 미세격자 패턴을 바이오 센서가 포함함으로써, 바이오 센서가 미세격자 패턴보다 작은 크기를 갖는 특정 세포를 계수할 수 있다.
그러나, 기존의 바이오 센서는 생체 물질 내에 비슷한 크기의 세포들이 존재하는 경우, 비슷한 크기의 세포들 중 특정 세포만을 계수하기 힘든 문제점이 있다. 또한, 비슷한 크기의 세포들 중 특정 세포만을 계수하기 위해서는, 추가적인 화학 반응을 반드시 수행해야 하는 단점이 있다.
이에, 본 명세서에서는 매몰형 탐지 전극과 기판 사이의 커패시턴스(capacitance) 변화를 측정하여, 생체 물질을 감지하는 바이오 센서 및 이를 제조하는 방법에 대한 기술을 제안한다.
본 발명의 실시예들은 매몰형 탐지 전극과 기판 사이의 커패시턴스 변화를 측정하여 생체 물질을 감지하는 바이오 센서 및 이를 제조하는 방법을 제공한다.
특히, 본 발명의 실시예들은 유입되는 생체 물질의 유입 속도를 조절하도록 생성되는 적어도 하나의 유체관을 포함하는 생체 물질 감지 바이오 센서 및 이를 제조하는 방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예들은 매몰형 탐지 전극을 포함함으로써, 적어도 하나의 유체관을 통하여 유입되는 생체 물질에 의해 전극이 부식되지 않는 생체 물질 감지 바이오 센서 및 이를 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 생체 물질 감지 바이오 센서는 적어도 하나의 트렌치(trench)가 식각된 기판; 상기 적어도 하나의 트렌치 각각의 둘레를 따라 형성되는 산화막; 상기 산화막 상에 상기 적어도 하나의 트렌치를 매립하도록 배치되는 매몰형 탐지 전극; 상기 기판의 전면에 형성되는 유전막; 상기 매몰형 탐지 전극의 위치에 기초하여 상기 유전막에 생성된 적어도 하나의 센싱 영역 상에 고정되어, 생체 물질을 센싱하는 반응 물질; 및 상기 적어도 하나의 센싱 영역을 통과하도록 생성되는 적어도 하나의 유체관을 포함하고, 상기 적어도 하나의 유체관은 상기 매몰형 탐지 전극과 평행한 적어도 하나의 부분을 포함하도록 생성된다.
상기 적어도 하나의 유체관은 상기 적어도 하나의 유체관에 유입되는 상기 생체 물질의 유입 속도를 조절하기 위한 적어도 하나의 굴절 부분을 포함하도록 생성될 수 있다.
상기 적어도 하나의 센싱 영역은 상기 유전막에 복수 개가 포함되는 경우, 지그재그로 배치될 수 있다.
상기 적어도 하나의 유체관은 복수 개가 포함되는 경우, 병렬 형태로 생성될 수 있다.
상기 기판, 상기 매몰형 탐지 전극 및 상기 기판과 상기 매몰형 탐지 전극 사이에 개재된 상기 산화막은 상기 생체 물질과 상기 반응 물질 사이의 전기화학적 반응을 감지하기 위한, 기준 커패시턴스(capacitance)를 형성하고, 상기 기판, 상기 매몰형 탐지 전극 및 상기 유전막 중 상기 매몰형 탐지 전극과 맞닿는 상기 적어도 하나의 센싱 영역은 상기 전기화학적 반응을 감지하기 위한, 센싱 커패시턴스를 형성할 수 있다.
상기 매몰형 탐지 전극이 복수 개인 경우, 상기 복수 개의 매몰형 탐지 전극 중 선택된 두 개의 매몰형 탐지 전극 및 상기 유전막 중 상기 두 개의 매몰형 탐지 전극과 맞닿는 상기 적어도 하나의 센싱 영역은 상기 전기화학적 반응을 감지하기 위한, 센싱 커패시턴스를 형성할 수 있다.
상기 산화막은
Figure 112014049908706-pat00001
또는
Figure 112014049908706-pat00002
중 적어도 어느 하나로 형성되고, 상기 유전막은
Figure 112014049908706-pat00003
,
Figure 112014049908706-pat00004
,
Figure 112014049908706-pat00005
,
Figure 112014049908706-pat00006
,
Figure 112014049908706-pat00007
,
Figure 112014049908706-pat00008
,
Figure 112014049908706-pat00009
,
Figure 112014049908706-pat00010
,
Figure 112014049908706-pat00011
,
Figure 112014049908706-pat00012
,
Figure 112014049908706-pat00013
,
Figure 112014049908706-pat00014
, 또는
Figure 112014049908706-pat00015
중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 생체 물질 감지 바이오 센서 제조 방법은 기판에 적어도 하나의 트렌치(trench)를 식각하는 단계; 상기 적어도 하나의 트렌치 각각의 둘레를 따라 산화막을 형성하는 단계; 상기 산화막 상에 상기 적어도 하나의 트렌치를 매립하도록 매몰형 탐지 전극을 배치하는 단계; 상기 기판의 전면에 유전막을 형성하는 단계; 상기 매몰형 탐지 전극의 위치에 기초하여 상기 유전막에 생성된 적어도 하나의 센싱 영역 상에 생체 물질을 센싱하는 반응 물질을 고정하는 단계; 및 상기 적어도 하나의 센싱 영역을 통과하고, 상기 매몰형 탐지 전극과 평행한 적어도 하나의 부분을 포함하도록 적어도 하나의 유체관을 생성하는 단계를 포함한다.
상기 적어도 하나의 유체관을 생성하는 단계는 상기 적어도 하나의 유체관에 유입되는 상기 생체 물질의 유입 속도를 조절하기 위한 적어도 하나의 굴절 부분을 포함하도록 상기 적어도 하나의 유체관을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 반응 물질을 고정하는 단계는 상기 유전막에 상기 적어도 하나의 센싱 영역이 복수 개가 포함되는 경우, 상기 적어도 하나의 센싱 영역을 지그재그로 배치하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 유체관을 생성하는 단계는 복수 개가 포함되는 경우, 상기 적어도 하나의 유체관을 병렬 형태로 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 반응 물질을 고정하는 단계는 상기 유전막의 전면에 상기 반응 물질을 고정하는 단계; 및 상기 적어도 하나의 센싱 영역의 위치에 기초하여 상기 유전막의 전면에 고정된 상기 반응 물질 중 적어도 일부를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 유체관을 생성하는 단계는 상기 적어도 하나의 유체관이 음각으로 식각된 폴리머(polymer)층을 상기 유전막이 형성된 상기 기판에 부착하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 매몰형 탐지 전극과 기판 사이의 커패시턴스(capacitance) 변화를 측정하여 생체 물질을 감지하는 바이오 센서 및 이를 제조하는 방법을 제공할 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예들은 유입되는 생체 물질의 유입 속도를 조절하도록 생성되는 적어도 하나의 유체관을 포함하는 생체 물질 감지 바이오 센서 및 이를 제조하는 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들은 매몰형 탐지 전극을 포함함으로써, 적어도 하나의 유체관을 통하여 유입되는 생체 물질에 의해 전극이 부식되지 않는 생체 물질 감지 바이오 센서 및 이를 제조하는 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 생체 물질 감지 바이오 센서를 나타낸 측면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 생체 물질 감지 바이오 센서를 나타낸 상면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 생체 물질 감지 바이오 센서에서 기준 커패시턴스 및 센싱 커패시턴스를 나타낸 개념도이다.
도 4는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 생체 물질 감지 바이오 센서를 나타낸 상면도이다.
도 5a 내지 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 생체 물질 감지 바이오 센서 제조 방법을 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 생체 물질 감지 바이오 센서를 나타낸 측면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 생체 물질 감지 바이오 센서는 적어도 하나의 트렌치(111)가 식각된 기판(110), 적어도 하나의 트렌치(111) 각각의 둘레를 따라 형성되는 산화막(120), 산화막(120) 상에 적어도 하나의 트렌치(111)를 매립하도록 배치되는 매몰형 탐지 전극(130), 기판(110)의 전면에 형성되는 유전막(140), 반응 물질(141) 및 반응 물질(141)과 센싱되는(감지 대상이 되는) 생체 물질이 유입되는 적어도 하나의 유체관(150)을 포함한다.
여기서, 기판(110)은 실리콘 기판으로서, p형 실리콘 기판일 수 있다. 그러나, 이에 제한되거나 한정되지 않고, 다양한 재료로 형성될 수 있다.
이와 같은 기판(110)에 식각되는 적어도 하나의 트렌치(111)는 기판(110) 상에 일정 간격을 두고 복수 개 형성될 수 있다. 이 때, 적어도 하나의 트렌치(111)의 깊이는 수 μm일 수 있다. 또한, 적어도 하나의 트렌치(111)가 복수 개 형성된 경우, 적어도 하나의 트렌치(111) 사이의 간격은 5μm-50μm일 수 있다.
산화막(120)은 저유전율을 가지는 유전 물질로 적어도 하나의 트렌치(111) 각각의 둘레를 따라 형성될 수 있다. 예를 들어, 산화막(120)은 0-6의 유전 상수를 갖는 유전 물질로 형성될 수 있다. 더 구체적인 예를 들면, 산화막(120)은
Figure 112014049908706-pat00016
또는
Figure 112014049908706-pat00017
중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.
이 때, 산화막(120)은 자체 커패시턴스를 무시할 수 있도록 미리 설정된 두께보다 두껍게 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 산화막(120)은 1μm-5μm의 두께로 형성될 수 있다.
매몰형 탐지 전극(130)은 적어도 하나의 트렌치(111) 각각의 내부에 매립된다(매몰형 탐지 전극(130)과 적어도 하나의 트렌치(111) 사이에는 산화막(120)이 개재됨). 이 때, 매몰형 탐지 전극(130)은 금속 또는 합금의 도전성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 매몰형 탐지 전극(130)은 Al, Ag, Au, Cu 또는 W 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다. 이와 같이, 매몰형 탐지 전극(130)이 도전성 물질로 형성되기 때문에, 매몰형 탐지 전극(130)은 전압이 인가되는 경우, 프린징 효과(fringing effect)에 의해 근방의 기판(110)에 프린징 필드가 형성될 수 있다. 따라서, 전압이 인가된 매몰형 탐지 전극(130)은 생체 물질과의 접촉으로부터 자유롭기 때문에, 도전성을 가지는 다양한 물질로 형성될 수 있다. 매몰형 탐지 전극(130)은 전압을 인가하는 외부 전원과 패드를 통하여 연결될 수 있다.
유전막(140)은 기판(110)의 전면에 형성되어, 매몰형 탐지 전극(130)을 매립시킬 수 있다. 이 때, 유전막(140)은 산화막(120)보다 고유전율을 가지는 유전 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 유전막(140)은 10 이상의 유전 상수를 갖는 유전 물질로 형성될 수 있다. 더 구체적인 예를 들면, 유전막(140)은
Figure 112014049908706-pat00018
,
Figure 112014049908706-pat00019
,
Figure 112014049908706-pat00020
,
Figure 112014049908706-pat00021
,
Figure 112014049908706-pat00022
,
Figure 112014049908706-pat00023
,
Figure 112014049908706-pat00024
,
Figure 112014049908706-pat00025
,
Figure 112014049908706-pat00026
,
Figure 112014049908706-pat00027
,
Figure 112014049908706-pat00028
,
Figure 112014049908706-pat00029
또는
Figure 112014049908706-pat00030
중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.
또한, 유전막(140)은 커패시턴스를 극대화하기 위하여, 미리 설정된 두께보다 얇은 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 유전막(140)은 1nm-50nm의 두께로 형성될 수 있다.
반응 물질(141)은 유전막(140)에 생성된 적어도 하나의 센싱 영역 상에 고정되어 생체 물질을 센싱한다. 이 때, 반응 물질(141)은 생체 물질 중 특정 물질만을 센싱할 수 있다. 예를 들어, 반응 물질(141)은 생체 물질에 포함되는 특정 세포와 결합하는 항체일 수 있다. 더 구체적인 예를 들면, 반응 물질(141)은 생체 물질에 포함되는 암 세포와 결합하는 항체일 수 있다.
또한, 반응 물질(141)이 패턴을 가짐으로써, 반응 물질(141)의 하부에 위치하는 적어도 하나의 센싱 영역은 노출될 수 있다. 이 때, 적어도 하나의 센싱 영역 중 반응 물질(141)이 고정된 부분을 제외한 부분의 면적이 센싱 커패시턴스의 변화 비율에 영향을 미치기 때문에, 반응 물질(141)은 센싱 커패시턴스의 변화 비율을 고려하여 패턴을 가지면서 적어도 하나의 센싱 영역에 고정될 수 있다.
여기서, 적어도 하나의 센싱 영역은 유전막(140) 상에 반응 물질(141)이 고정되는 영역으로서, 매몰형 탐지 전극(130)의 위치에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 센싱 영역은 유전막(140) 중 매몰형 탐지 전극(130)에 대해 수직 방향으로 상부에 위치하는 영역으로 결정될 수 있다.
적어도 하나의 유체관(150)은 적어도 하나의 센싱 영역을 통과하도록 생성된다. 예를 들어, 적어도 하나의 유체관(150)은 미리 설정된 패턴이 음각된 폴리머(polymer)층(160)을 유전막(140)이 형성된 기판(110)에 부착함으로써, 형성될 수 있다. 이 때, 미리 설정된 패턴은 적어도 하나의 유체관(150)의 형태에 따라 변경될 수 있다.
특히, 본 발명의 일실시예에 따른 적어도 하나의 유체관(150)은 유입되는 생체 물질의 유입 속도를 조절하기 위하여, 매몰형 탐지 전극(130)과 평행한 적어도 하나의 부분을 포함하도록 형성될 수 있고, 적어도 하나의 굴절 부분을 포함하도록 형성될 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 도 2를 참조하여 기재하기로 한다.
이 때, 적어도 하나의 유체관(150)과 매몰형 탐지 전극(130) 사이에는 유전막(140) 중 적어도 하나의 센싱 영역이 개재되기 때문에, 매몰형 탐지 전극(130)은 적어도 하나의 유체관(150)에 유입되는 생체 물질과 직접적인 접촉이 없으므로, 부식될 위험이 적다.
이와 같은 구조를 갖는 생체 물질 감지 바이오 센서는 매몰형 탐지 전극(130)과 기판(110) 사이의 커패시턴스 변화를 측정하여 생체 물질을 감지할 수 있다. 구체적으로, 생체 물질 감지 바이오 센서는 기판(110), 매몰형 탐지 전극(130) 및 산화막(120)으로 생체 물질과 반응 물질(141) 사이의 전기화학적 반응을 감지하기 위한 기준 커패시턴스를 형성하고, 기판(110), 매몰형 탐지 전극(130) 및 적어도 하나의 센싱 영역으로 생체 물질과 반응 물질(141) 사이의 전기화학적 반응을 감지하기 위한 센싱 커패시턴스를 형성할 수 있다. 따라서, 생체 물질 감지 바이오 센서는 기준 커패시턴스를 센싱 커패시턴스를 이용하여 생체 물질을 감지할 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 도 3을 참조하여 기재하기로 한다.
도 2는 도 1에 도시된 생체 물질 감지 바이오 센서를 나타낸 상면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 생체 물질 감지 바이오 센서에는 적어도 하나의 트렌치가 복수 개 형성될 수 있다. 따라서, 매몰형 탐지 전극(210) 역시 복수 개의 적어도 하나의 트렌치 각각에 대응하도록 복수 개가 배치될 수 있다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 적어도 하나의 트렌치가 복수인 경우에만 제한되거나 한정되지 않고, 적어도 하나의 트렌치가 한 개인 경우에도 마찬가지로 적용된다(적어도 하나의 트렌치가 한 개인 경우, 매몰형 탐지 전극(210) 역시 한 개만 배치될 수 있음).
반응 물질이 고정되는 적어도 하나의 센싱 영역(220)은 매몰형 탐지 전극(210)에 대해 수직 방향으로 상부에 위치하는 영역에 생성될 수 있다(도면에는 적어도 하나의 센싱 영역(220)이 유전막 중 매몰형 탐지 전극(220)에 대해 수직 방향으로 상부에 위치하는 영역에 생성되는 것을 보다 명확히 나타내기 위하여, 매몰형 탐지 전극(210) 위를 덮는 유전막을 도시하지 않음). 따라서, 적어도 하나의 센싱 영역(220)은 매몰형 탐지 전극(210)의 개수에 대응하도록 형성될 수 있다. 또한, 적어도 하나의 센싱 영역(220)은 한 개의 매몰형 탐지 전극(210)에 대해 복수 개가 형성될 수도 있다. 예를 들어, 제1 센싱 영역(221)은 제1 매몰형 탐지 전극(211)에 대해 두 개의 영역으로 나누어 생성될 수도 있다. 이에 대한 상세한 설명은 도 4를 참조하여 기재하기로 한다.
적어도 하나의 센싱 영역(220)은 유전막에 복수 개가 포함되는 경우, 서로 지그재그로 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 매몰형 탐지 전극(211)에 대응하는 제1 센싱 영역(221), 제2 매몰형 탐지 전극(212)에 대응하는 제2 센싱 영역(222) 및 제3 매몰형 탐지 전극(213)에 대응하는 제3 센싱 영역(223)은 서로 지그재그로 배치될 수 있다. 따라서, 지그재그로 배치된 복수 개의 적어도 하나의 센싱 영역(220)을 통과하도록 적어도 하나의 유체관(230)이 형성되기 때문에, 적어도 하나의 유체관(230)의 구조 역시 평면상 요철 형태를 가질 수 있다.
적어도 하나의 유체관(230)은 적어도 하나의 센싱 영역(220)을 통과하도록 생성된다. 따라서, 적어도 하나의 유체관(230)에 유입되는 생체 물질은 적어도 하나의 센싱 영역(220)에 고정된 반응 물질과 반응하여, 전기화학적 반응을 발생시킬 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따른 생체 물질 감지 바이오 센서는 이와 같이 발생된 전기화학적 반응에 의한 커패시턴스 변화에 기초하여, 생체 물질을 감지할 수 있다.
여기서, 본 발명의 일실시예에 따른 적어도 하나의 유체관(230)은 유입되는 생체 물질의 유입 속도를 조절하기 위하여, 매몰형 탐지 전극(210)과 평행한 적어도 하나의 부분(231)을 포함하도록 형성된다. 또한, 적어도 하나의 유체관(230)은 적어도 하나의 굴절 부분(232)을 포함하도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 유체관(230)은 매몰형 탐지 전극(210)과 평행한 적어도 하나의 부분(231) 및 적어도 하나의 굴절 부분(232)을 포함하도록 ‘ㄱ’자 형태가 반복되는 구조로 형성될 수 있다. 그러나, 적어도 하나의 유체관(230)은 이러한 구조에 제한되거나 한정되지 않고, 매몰형 탐지 전극(210)과 평행한 적어도 하나의 부분(231)을 포함하거나, 적어도 하나의 굴절 부분(232)을 포함하는 다양한 형태의 구조로 형성될 수 있다.
따라서, 적어도 하나의 유체관(230)에 유입되는 생체 물질의 진입 속도가 조절될 수 있고, 주변 노이즈가 억제되어 생체 물질의 감지 정확도가 개선될 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 유체관(230)으로 유입되는 생체 물질의 유입 속도는 생체 물질이 매몰형 탐지 전극(210)과 평행한 적어도 하나의 부분(231)을 지나고, 적어도 하나의 굴절 부분(232)을 지나면서 낮춰질 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 생체 물질 감지 바이오 센서에서 기준 커패시턴스 및 센싱 커패시턴스를 나타낸 개념도이다.
도 3을 참조하면, 생체 물질 감지 바이오 센서는 매몰형 탐지 전극(310)에 기준 전압이 인가됨에 응답하여, (a)와 같이, 기판(320), 매몰형 탐지 전극(310) 및 산화막(330)으로 기준 커패시턴스를 형성할 수 있다. 이 때, 매몰형 탐지 전극(310) 주위에는 프린징 효과에 의해 프린징 필드가 형성될 수 있다. 여기서, 산화막(330)이 저유전율의 두께가 두껍기 때문에, 기준 커패시턴스는 ‘0’에 가까운 값을 나타낼 수 있다.
생체 물질(341)이 적어도 하나의 유체관(340)에 유입되어, 유전막(350) 중 적어도 하나의 센싱 영역(351)에 고정된 반응 물질과 센싱되면, 생체 물질 감지 바이오 센서는 (b)와 같이, 기판(320), 매몰형 탐지 전극(310) 및 적어도 하나의 센싱 영역(351)으로 센싱 커패시턴스를 형성할 수 있다.
이 때, 생체 물질 감지 바이오 센서는 매몰형 탐지 전극(310)이 복수 개인 경우, 복수 개의 매몰형 탐지 전극(310) 중 선택된 두 개의 매몰형 탐지 전극(311, 312) 및 유전막(350) 중 선택된 두 개의 매몰형 탐지 전극(311, 312)과 맞닿는 적어도 하나의 센싱 영역(351)으로 센싱 커패시턴스를 형성할 수도 있다.
따라서, 생체 물질 감지 바이오 센서는 기준 커패시턴스와 센싱 커패시턴스를 이용하여, 생체 물질(341)을 감지할 수 있다. 구체적으로, 생체 물질 감지 바이오 센서는 기준 커패시턴스로부터 센싱 커패시턴스가 변화하는 정도를 측정하여, 생체 물질(341)을 계수할 수 있다. 예를 들어, 센싱 커패시턴스는 적어도 하나의 센싱 영역(351)이 노출된 영역에서 우수하기 때문에, 반응 물질에 생체 물질(341) 중 특정 물질이 포획되어 적어도 하나의 센싱 영역(351)이 차폐되면, 변화가 발생할 수 있다. 이와 같이 변화하는 센싱 커패시턴스의 정도가 기준 커패시턴스와 비교됨으로써, 생체 물질(341)의 계수가 수행될 수 있다.
또한, 생체 물질 감지 바이오 센서는 적어도 하나의 센싱 영역(351)에 고정된 반응 물질을 이용하여, 생체 물질(341) 중 반응 물질에 반응하는 특정 물질만을 포획할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 생체 물질 감지 바이오 센서를 나타낸 상면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 일실시예에 따른 생체 물질 감지 바이오 센서에는 복수 개의 적어도 하나의 유체관(410, 420)이 포함될 수 있다. 이러한 경우, 매몰형 탐지 전극(430)에 복수 개의 적어도 하나의 센싱 영역(440)이 생성될 수 있다. 따라서, 제1 유체관(410)은 매몰형 탐지 전극(430)의 제1 센싱 영역(441)을 통과하도록 생성될 수 있고, 제2 유체관(420)은 매몰형 탐지 전극(430)의 제2 센싱 영역(442)을 통과하도록 생성될 수 있다. 이 때, 복수 개의 적어도 하나의 유체관(410, 420)은 병렬 형태로 생성될 수 있다.
병렬 형태로 생성된 복수 개의 적어도 하나의 유체관(410, 420) 역시, 위에서 상술한 바와 같이, 유입되는 생체 물질의 유입 속도를 조절하기 위하여, 매몰형 탐지 전극(430)과 평행한 적어도 하나의 부분(411, 421)을 포함하도록 형성될 수 있다. 또한, 적어도 하나의 유체관(410, 420) 각각은 적어도 하나의 굴절 부분(412, 422)을 포함하도록 형성될 수 있다.
따라서, 병렬 형태로 생성된 복수 개의 적어도 하나의 유체관(410, 420)에 유입되는 생체 물질의 진입 속도가 조절될 수 있고, 주변 노이즈가 억제되어 생체 물질의 감지 정확도가 개선될 수 있다.
도 5a 내지 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 생체 물질 감지 바이오 센서 제조 방법을 나타낸 도면이다.
도 5a를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 생체 물질 감지 바이오 센서 제조 시스템은 기판(510)에 적어도 하나의 트렌치(511)를 식각한다. 여기서, 기판(510)은 실리콘 기판으로서, p형 실리콘 기판일 수 있다. 그러나, 이에 제한되거나 한정되지 않고, 다양한 재료로 형성될 수 있다. 이 때, 적어도 하나의 트렌치(511)는 수 μm 깊이로 형성될 수 있다. 또한, 적어도 하나의 트렌치(511)가 복수 개 형성되는 경우, 적어도 하나의 트렌치(511) 사이의 간격이 5μm-50μm를 유지하도록 형성될 수 있다.
이어서, 생체 물질 감지 바이오 센서 제조 시스템은 적어도 하나의 트렌치(511) 각각의 둘레를 따라 산화막(520)을 형성한다. 이 때, 산화막(520)은 0-6의 유전 상수를 갖는 유전 물질로,
Figure 112014049908706-pat00031
또는
Figure 112014049908706-pat00032
중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다. 또한, 산화막(520)은 자체 커패시턴스를 무시할 수 있도록 1μm-5μm의 두께로 형성될 수 있다.
여기서, 산화막(520)은 스퍼터링법(sputtering), 전자빔 증착법(e-beam evaporation), 열증착법(Thermal evaporation), 펄스레이저 증착법(Pulsed Laser Deposition) 또는 플라즈마 강화 화학 기상 증착법(Plasma Enhanced Chemcal Vapor Deposition) 등의 통상의 증착법이 이용되어 적어도 하나의 트렌치(511) 각각의 둘레를 따라 증착될 수 있다.
그 다음, 생체 물질 감지 바이오 센서 제조 시스템은 산화막(520) 상에 적어도 하나의 트렌치(511)를 매립하도록 매몰형 탐지 전극(530)을 배치한다. 이 때, 매몰형 탐지 전극(530)은 Al, Ag, Au, Cu 또는 W 등의 속 또는 합금의 도전성 물질로 형성될 수 있다.
여기서, 매몰형 탐지 전극(530)은 스퍼터링법 또는 열증착법 등의 통상의 증착법이 이용되어 산화막(520) 상에 증착될 수 있다.
그 다음, 생체 물질 감지 바이오 센서 제조 시스템은 기판(510)의 전면에 유전막(540)을 형성한다. 이 때, 유전막(540)은 10 이상의 유전 상수를 갖는 고유전율을 가지는
Figure 112014049908706-pat00033
,
Figure 112014049908706-pat00034
,
Figure 112014049908706-pat00035
,
Figure 112014049908706-pat00036
,
Figure 112014049908706-pat00037
,
Figure 112014049908706-pat00038
,
Figure 112014049908706-pat00039
,
Figure 112014049908706-pat00040
,
Figure 112014049908706-pat00041
,
Figure 112014049908706-pat00042
,
Figure 112014049908706-pat00043
,
Figure 112014049908706-pat00044
또는
Figure 112014049908706-pat00045
와 같은 유전 물질로 형성될 수 있다. 또한, 유전막(540)은 커패시턴스를 극대화하기 위하여, 1nm-50nm의 두께로 형성될 수 있다.
여기서, 유전막(540)은 원자층 증착법(atomic layer deposition), 스퍼터링법(sputtering) 또는 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition) 등 통상의 증착법이 이용되어 기판(510)의 전면에 증착될 수 있다.
도 5b를 참조하면, 생체 물질 감지 바이오 센서 제조 시스템은 매몰형 탐지 전극(530)의 위치에 기초하여 유전막(540)에 생성된 적어도 하나의 센싱 영역(541) 상에 생체 물질 중 센싱하고자 하는 대상이 되는 특정 물질을 포획하는 반응 물질을 고정한다. 이 때, 생체 물질 감지 바이오 센서 제조 시스템은 반응 물질이 고정되는 적어도 하나의 센싱 영역(541)을 매몰형 탐지 전극(530)에 대해 수직 방향으로 상부에 위치하는 영역 중 하나로 결정하고, 결정된 적어도 하나의 센싱 영역(541)의 위치에 기초하여 반응 물질을 고정할 수 있다. 여기서, 유전막(540)에 적어도 하나의 센싱 영역(541)이 복수 개가 포함되는 경우, 생체 물질 감지 바이오 센서 제조 시스템은 적어도 하나의 센싱 영역(541)을 지그재그로 배치할 수 있다.
구체적으로, 생체 물질 감지 바이오 센서 제조 시스템은 유전막(540) 전면에 반응 물질을 고정한 후, 적어도 하나의 센싱 영역(541)의 위치에 기초하여, 유전막(540) 전면에 고정된 반응 물질 중 적어도 일부(542)를 제거함으로써, 적어도 하나의 센싱 영역(541) 상에 반응 물질을 고정할 수 있다. 이 때, 생체 물질 감지 바이오 센서 제조 시스템은 적어도 하나의 유체관(550)을 생성하는 과정에서 사용되는 폴리머층(551)을 유전막(540)에 접촉시켰다 분리하는 방식으로 유전막(540) 전면에 고정된 반응 물질 중 적어도 일부(542)를 제거하여, 적어도 하나의 센싱 영역(541)에만 반응 물질이 고정되게 할 수 있다.
또한, 도면에는 도시하지 않았지만, 반응 물질은 나노 템플레이트(nano template)를 통해 유전막(540) 상에 고정될 수 있다. 나노 템플레이트는 블록 공중합체의 자기 조립을 이용하여 기판(510) 상에 형성될 수 있다. 이후, 나노 템플레이트가 형성된 기판(510)을 반응 물질이 함유된 용액 내에 배치하여, 원하는 영역에 반응 물질을 선택적으로 부착할 수도 있다.
그 후, 생체 물질 감지 바이오 센서 제조 시스템은 적어도 하나의 센싱 영역(541)을 통과하고, 매몰형 탐지 전극(530)과 평행한 적어도 하나의 부분을 포함하도록 적어도 하나의 유체관(550)을 생성한다.
이 때, 생체 물질 감지 바이오 센서 제조 시스템은 적어도 하나의 유체관(550)이 음각된 폴리머층(551)을 유전막(540)이 형성된 기판(510)에 부착함으로써, 적어도 하나의 유체관(550)을 생성할 수 있다.
특히, 생체 물질 감지 바이오 센서 제조 시스템은 적어도 하나의 유체관(550)에 유입되는 생체 물질의 유입 속도를 조절하기 위한 적어도 하나의 굴절 부분을 포함하도록 적어도 하나의 유체관(550)을 생성할 수 있다.
또한, 생체 물질 감지 바이오 센서 제조 시스템은 복수 개의 적어도 하나의 유체관(550)을 병렬 형태로 형성할 수도 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (13)

  1. 복수의 트렌치(trench)들이 식각된 기판;
    상기 복수의 트렌치들 각각의 둘레를 따라 형성되는 산화막;
    상기 산화막 상에 상기 복수의 트렌치들을 매립하도록 배치되는 복수의 매몰형 탐지 전극들;
    상기 기판의 전면에 형성되는 유전막;
    상기 복수의 매몰형 탐지 전극들 각각의 위치에 기초하여 상기 유전막에 생성된 적어도 하나의 센싱 영역 상에 고정되어, 생체 물질을 센싱하는 반응 물질; 및
    상기 복수의 매몰형 탐지 전극들을 가로질러서 상기 적어도 하나의 센싱 영역을 통과하도록 생성되는 적어도 하나의 유체관
    을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 유체관은
    상기 복수의 매몰형 탐지 전극들과 평행한 적어도 하나의 부분-상기 복수의 매몰형 탐지 전극들과 평행한 적어도 하나의 부분은 상기 적어도 하나의 센싱 영역에 대응하는 상기 적어도 하나의 유체관의 부분 이전에 형성됨-을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 센싱 영역에 대응하는 상기 적어도 하나의 유체관의 부분은 상기 복수의 매몰형 탐지 전극들과 수직을 이루는, 생체 물질 감지 바이오 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 유체관은
    상기 적어도 하나의 유체관에 유입되는 상기 생체 물질의 유입 속도를 조절하기 위한 적어도 하나의 굴절 부분을 포함하도록 생성되는 생체 물질 감지 바이오 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 센싱 영역은
    상기 유전막에 복수 개가 포함되는 경우, 지그재그로 배치되는 생체 물질 감지 바이오 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 유체관은
    복수 개가 포함되는 경우, 병렬 형태로 생성되는 생체 물질 감지 바이오 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기판, 상기 복수의 매몰형 탐지 전극들 및 상기 기판과 상기 복수의 매몰형 탐지 전극들 사이에 개재된 상기 산화막은
    상기 생체 물질과 상기 반응 물질 사이의 전기화학적 반응을 감지하기 위한, 기준 커패시턴스(capacitance)를 형성하고,
    상기 기판, 상기 복수의 매몰형 탐지 전극들 및 상기 유전막 중 상기 복수의 매몰형 탐지 전극들과 맞닿는 상기 적어도 하나의 센싱 영역은
    상기 전기화학적 반응을 감지하기 위한, 센싱 커패시턴스를 형성하는 생체 물질 감지 바이오 센서.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 산화막은
    Figure 112014049908706-pat00046
    또는
    Figure 112014049908706-pat00047
    중 적어도 어느 하나로 형성되고,
    상기 유전막은
    Figure 112014049908706-pat00048
    ,
    Figure 112014049908706-pat00049
    ,
    Figure 112014049908706-pat00050
    ,
    Figure 112014049908706-pat00051
    ,
    Figure 112014049908706-pat00052
    ,
    Figure 112014049908706-pat00053
    ,
    Figure 112014049908706-pat00054
    ,
    Figure 112014049908706-pat00055
    ,
    Figure 112014049908706-pat00056
    ,
    Figure 112014049908706-pat00057
    ,
    Figure 112014049908706-pat00058
    ,
    Figure 112014049908706-pat00059
    , 또는
    Figure 112014049908706-pat00060
    중 적어도 어느 하나로 형성되는 생체 물질 감지 바이오 센서.
  8. 기판에 복수의 트렌치(trench)들을 식각하는 단계;
    상기 복수의 트렌치들 각각의 둘레를 따라 산화막을 형성하는 단계;
    상기 산화막 상에 상기 복수의 트렌치들을 매립하도록 복수의 매몰형 탐지 전극들을 배치하는 단계;
    상기 기판의 전면에 유전막을 형성하는 단계;
    상기 복수의 매몰형 탐지 전극들 각각의 위치에 기초하여 상기 유전막에 생성된 적어도 하나의 센싱 영역 상에 생체 물질을 센싱하는 반응 물질을 고정하는 단계; 및
    상기 복수의 매몰형 탐지 전극들을 가로질러서 상기 적어도 하나의 센싱 영역을 통과하도록 적어도 하나의 유체관을 생성하는 단계
    를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 유체관은
    상기 복수의 매몰형 탐지 전극들과 평행한 적어도 하나의 부분-상기 복수의 매몰형 탐지 전극들과 평행한 적어도 하나의 부분은 상기 적어도 하나의 센싱 영역에 대응하는 상기 적어도 하나의 유체관의 부분 이전에 형성됨-을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 센싱 영역에 대응하는 상기 적어도 하나의 유체관의 부분은 상기 복수의 매몰형 탐지 전극들과 수직을 이루는, 생체 물질 감지 바이오 센서 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 유체관을 생성하는 단계는
    상기 적어도 하나의 유체관에 유입되는 상기 생체 물질의 유입 속도를 조절하기 위한 적어도 하나의 굴절 부분을 포함하도록 상기 적어도 하나의 유체관을 생성하는 단계
    를 포함하는 생체 물질 감지 바이오 센서 제조 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 반응 물질을 고정하는 단계는
    상기 유전막에 상기 적어도 하나의 센싱 영역이 복수 개가 포함되는 경우, 상기 적어도 하나의 센싱 영역을 지그재그로 배치하는 단계
    를 포함하는 생체 물질 감지 바이오 센서 제조 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 유체관을 생성하는 단계는
    복수 개가 포함되는 경우, 상기 적어도 하나의 유체관을 병렬 형태로 생성하는 단계
    를 포함하는 생체 물질 감지 바이오 센서 제조 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 반응 물질을 고정하는 단계는
    상기 유전막의 전면에 상기 반응 물질을 고정하는 단계; 및
    상기 적어도 하나의 센싱 영역의 위치에 기초하여 상기 유전막의 전면에 고정된 상기 반응 물질 중 적어도 일부를 제거하는 단계
    를 포함하는 생체 물질 감지 바이오 센서 제조 방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 유체관을 생성하는 단계는
    상기 적어도 하나의 유체관이 음각으로 식각된 폴리머(polymer)층을 상기 유전막이 형성된 상기 기판에 부착하는 단계
    를 포함하는 생체 물질 감지 바이오 센서 제조 방법.
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