KR101888923B1 - Biosensor having RF bandstop filter structure, method for sensing physiological data using an RF biosensor having metal line and sir-bridge structure to sense glusose concentration, and method for manufacturing a biosensor - Google Patents
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Abstract
글루코스 농도를 측정하는 RF 밴드스탑(Bandstop) 필터(Filter) 구조의 바이오센서와 이를 이용한 생체 데이터 센싱 방법, 그리고 금속 라인과 에어브릿지 구조를 갖는 RF 바이오센서 제조 방법이 개시된다. RF 바이오센서는 GHz 대역의 고주파에 적합한 GaAs 기판에 형성된 대칭적으로 배치된 꾸불꾸불한 금속라인과 금속라인의 일부를 가로질러 형성된 에어-브릿지 구조를 포함하며, 혈청, D-글루코스 등의 피측정물질의 농도에 따른 공진 주파수의 변화를 기초로 피측정물질의 농도를 파악한다. RF 바이오센서는 에어-브릿지 구조에 바이오마커인 생체조직(biological medium)이 존재하면 바이오센서의 전기적 특성 인 감쇠 레벨, 공진 주파수가 변화되며, 글루코스의 복소 유전율은 글루코스의 농도에 따라 바이오센서에 서로 다른 전기적 현상이 나타나고, 사람 혈청 내 존재하는 서로 다른 글루코스 농도에 대한 유전율의 변화는 바이오센서의 에어-브릿지의 캐패시턴스(Cβ)의 차이로 나타나며 서로 다른 글루코스 농도에 대한 복소 유전율(complex permittivity)과 에어-브릿지에 의해 나타나는 브릿지 캐패시턴스(Cβ)가 변화되어 그 공진 주파수를 파악하여 혈청 내 글루코스 농도를 측정한다. A band-stop filter structure biosensor for measuring glucose concentration, a biosensor data sensing method using the same, and a method of manufacturing an RF biosensor having a metal line and an air bridge structure are disclosed. The RF biosensor includes a symmetrically arranged serpentine metal line formed on a GaAs substrate suitable for high frequency in the GHz band and an air-bridge structure formed across a part of the metal line, and is used for measurement of serum, D- The concentration of the substance to be measured is determined based on the change of the resonance frequency according to the concentration of the substance. In RF biosensors, the presence of a biological medium, which is a biomarker in an air-bridge structure, changes the attenuation level and the resonance frequency, which are electrical characteristics of the biosensor, and the complex permittivity of glucose varies depending on the concentration of glucose Other electrical phenomena occur and the change in the permittivity to the different glucose concentrations present in human serum appears as the difference in the capacitance of the air-bridge (C β ) of the biosensor and the complex permittivity and the complex permittivity for different glucose concentrations The bridge capacitance (C ? ) Indicated by the air-bridge is changed to measure the glucose concentration in the serum by grasping the resonance frequency.
Description
본 발명은 생체 데이터를 측정하는 RF 바이오센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 사람 혈청 내 존재하는 서로 다른 글루코스 농도에 대한 유전율의 변화는 바이오센서의 에어-브릿지의 캐패시턴스(Cβ)의 차이로 나타나며 서로 다른 글루코스 농도에 대한 복소 유전율(complex permittivity)과 에어-브릿지에 의해 나타나는 브릿지 캐패시턴스(Cβ)가 변화되어 RF 밴드스탑(Bandstop) 필터(Filter) 구조의 공진 주파수를 파악하여 혈청 내 글루코스 농도를 측정하는, 에어-브릿지 구조에 의한 유전율 특성을 이용하여 당뇨병 판단에 사용하는 글루코스 농도와 같은 생체 데이터를 측정하는 RF 바이오센서, 이를 이용한 생체 데이터 측정 방법, 그리고 금속 라인과 에어-브릿지 구조를 갖는 RF 바이오센서의 제조방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE
당뇨병은 인슐린의 분비량이 부족하거나 정상적인 기능이 이루어지지 않아 혈당이 정상 범위를 벗어나는 징후를 일으키는 대사 장애이다. 당뇨병은 실명, 신부전, 심부전, 신경병증 등의 합병증으로 인해 인체 각 조직에 영향을 미칠 가능성이 있는 복합병(complex disease)이다. 세계보건기구(WHO)에 따르면, 당뇨병 환자는 2013년 약 3억4700만 명이며, 이 숫자는 급격히 증가하고 있다고 한다. Diabetes mellitus is a metabolic disorder that causes insufficient secretion of insulin or an abnormal function of the insulin, leading to the sign that the blood sugar is out of the normal range. Diabetes is a complex disease that can affect the tissues of the human body due to complications such as blindness, kidney failure, heart failure, and neuropathy. According to the World Health Organization (WHO), the number of people with diabetes is about 347 million in 2013, and this figure is growing rapidly.
당뇨병의 경우, 혈당치가 정상 공복혈당치 0.89mg/mL를 넘어선 3.5mg/mL까지 증가하므로, 바이오센서를 이용하여 혈당치를 측정하고, 식이요법, 운동 프로그램, 인슐린 주사, 경구약 등과 같은 적절한 수단을 통해 혈당치를 관리할 필요가 있다.In the case of diabetes, the blood glucose level is measured using a biosensor, and blood glucose level is measured through appropriate means such as diet, exercise program, insulin injection, oral medicine, etc., and blood glucose level is increased to 3.5 mg / mL exceeding the normal fasting blood glucose level of 0.89 mg / It is necessary to manage it.
종래 전기화학, 광학, 전자기 분광학 등을 이용하는 다양한 바이오센서가 존재한다. 또한 형질도입 기술(transduction technique)에 의존하는 수많은 글루코스 바이오센서가 보고되고 있다. Various biosensors using electrochemistry, optics, electromagnetic spectroscopy, and the like exist. Numerous glucose biosensors have also been reported that rely on the transduction technique.
당뇨병 치료를 위해 정확한 혈당 농도의 측정은 중요하다. 전기화학적 방법, 메타물질 방법, 효소 산화 방법 등을 이용하는 침습적 당뇨 검출 방법이 종래 존재한다. 효소 산화 방법은 가장 유망한 침습적 기술이기는 하나, 여전히 불안정성 등의 심각한 한계를 가지고 있다. It is important to measure the exact blood glucose concentration for the treatment of diabetes. There has been an invasive method for detecting diabetes using an electrochemical method, a meta-material method, an enzyme oxidation method, or the like. Although the enzyme oxidation method is the most promising invasive technique, it still has serious limitations such as instability.
종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 사람 혈청 내 존재하는 서로 다른 글루코스 농도에 대한 유전율의 변화는 바이오센서의 에어-브릿지의 캐패시턴스(Cβ)의 차이로 나타나며 서로 다른 글루코스 농도에 대한 복소 유전율(complex permittivity)과 에어-브릿지에 의해 나타나는 브릿지 캐패시턴스(Cβ)가 변화되어 그 공진 주파수를 파악하여 혈청 내 글루코스 농도를 측정하는, 에어-브릿지 구조에 의한 유전율 특성을 이용하여 당뇨병 판단에 사용하는 글루코스 농도와 같은 생체 데이터를 측정하며, RF 밴드스탑(Bandstop) 필터(Filter) 구조의 공진기법을 이용하여 신속하고 정확하게 글루코스 농도 등과 같은 생체 데이터를 측정하고 재사용(Re-usable)이 가능한 RF 바이오센서를 제공한다. It is an object of the present invention to overcome the problems of the prior art that the change of the permittivity with respect to the different glucose concentrations present in the human serum is represented by the difference of the capacitance of the air-bridge of the biosensor (C ? ), Bridge capacitance (C β ) caused by complex permittivity and air-bridge is changed to measure the glucose concentration in the blood by measuring the resonance frequency. Using the dielectric constant characteristic of the air-bridge structure, Such as the concentration of glucose used in blood glucose measurement, and biopsy data such as glucose concentration can be quickly and accurately measured using a resonance technique of an RF bandstop filter structure and re-usable RF biosensor is provided.
본 발명의 다른 목적은, RF 바이오센서의 에어-브릿지 구조에 의한 유전율의 변화를 이용하여 글루코스 농도 등의 생체 데이터를 센싱하는 방법을 제공하는 데 있다.It is another object of the present invention to provide a method for sensing biometric data such as glucose concentration using a change in permittivity due to the air-bridge structure of an RF biosensor.
본 발명의 또 다른 목적은, 유전율의 변화를 이용하여 생체 데이터를 측정할 수 있는 금속 라인과 에어-브릿지 구조의 RF 바이오센서를 제조하는 방법을 제공하는 데 있다. It is still another object of the present invention to provide a method of manufacturing an RF biosensor having a metal line and an air-bridge structure capable of measuring biometric data using a change in permittivity.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 글루코스 농도를 측정하는 RF 바이오센서는, 7 GHz 대역의 고주파에 사용되는 GaAs 기판; 상기 GaAs 기판에 형성된 RF 정합을 고려한 스트립 라인구조를 갖는 제1 금속라인; 상기 GaAs 기판에 형성된 RF 정합을 고려한 스트립 라인구조를 갖는 제2 금속라인; 상기 제1 금속라인의 일부와 상기 제2 금속라인의 일부의 위를 가로질러 상기 제1 금속라인과 상기 제2 금속라인을 연결하는 에어-브릿지 구조; 및 상기 제1 금속라인과 상기 제2 금속라인에 공통으로 연결된 입출력포트;를 포함하는 RF 밴드스탑 필터 구조의 RF 바이오 센서를 구비하며,
상기 RF 바이오 센서는 PCB 상에 다이(die)가 형성되고, 그 다이 위에 GaAs 기판이 형성되며, 상기 GaAs 기판 상에 바이오센서 칩(Biosensor chip)을 구비하는 웨이퍼 칩을 구비하는 단계; 100 ㎛ 두께의 SU-8 포토레지스트 유리 웨이퍼(glass wafer)에 패시베이션하는 단계; 좌측과 우측에 금선(gold wire)을 사용하여 와이어 본딩에 의해 제작되고, An RF biosensor for measuring the glucose concentration for achieving the object of the present invention includes a GaAs substrate used for a high frequency of 7 GHz band; A first metal line having a stripline structure considering RF matching formed on the GaAs substrate; A second metal line having a stripline structure considering RF matching formed on the GaAs substrate; An air-bridge structure connecting the first metal line and the second metal line across a portion of the first metal line and a portion of the second metal line; And an input / output port commonly connected to the first metal line and the second metal line, and an RF biosensor of an RF band-stop filter structure,
The RF biosensor includes a wafer chip having a die formed on a PCB, a GaAs substrate formed on the die, and a biosensor chip on the GaAs substrate; Passivation to a 100 micron thick SU-8 photoresist glass wafer; And is manufactured by wire bonding using gold wires on the left and right sides,
상기 RF 바이오센서는 상기 GaAs 기판에 형성된 대칭적으로 배치된 RF 정합을 고려한 스트립 라인구조를 갖는 금속라인과 금속라인의 일부를 가로질러 형성된 에어-브릿지 구조를 포함하며, 혈청, D-글루코스 인 피측정물질의 농도에 따른 밴드스탑 필터(Bandstop filter)의 공진 주파수의 변화를 기초로 피측정물질의 농도를 파악하는 것을 특징으로 한다. The RF biosensor includes a metal line having a stripline structure considering symmetrically arranged RF matching formed on the GaAs substrate and an air-bridge structure formed across a part of the metal line. The RF biosensor includes a serum, D- And the concentration of the substance to be measured is determined on the basis of the change of the resonance frequency of the band-stop filter according to the concentration of the substance to be measured.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한, RF 바이오센서를 이용한 센싱 방법은, GaAs 기판 위에 RF 정합을 고려한 스트립 라인구조를 갖는 금속라인과 에어-브릿지로 구성된 바이오센서를 이용한 센싱 방법에 있어서, GaAs 기판 위에 RF 정합을 고려한 스트립 라인구조를 갖는 금속라인과 에어-브릿지로 구성된 RF 바이오 센서가 제작되는 단계; 기 설정된 주파수 범위 내에 존재하는 서로 다른 복수 개의 무선주파수 신호를 입력받는 단계; 상기 RF 바이오센서의 에어-브릿지에 위치한 피측정물질에 따라 변화하는 RF 바이오센서의 공진주파수가 파악되도록 상기 복수 개의 무선주파수 신호에 대한 반사계수(S11) 또는 투과계수(S21)를 측정하고, 상기 측정된 반사계수 또는 상기 투과계수를 기초로 상기 바이오센서의 공진주파수를 파악하는 단계; 및 상기 공진주파수와 기 설정된 기준주파수 사이의 차이를 기초로 상기 공진주파수 변화를 기초로 상기 피측정물질의 농도를 파악하는 단계를 포함하며,
상기 RF 바이오센서가 제작되는 단계는, (a) 바이오센서 칩이 GaAs 웨이퍼들 상에 IPD 프로세스에 의해 제조되는 단계; (b) 100 ㎛ 두께를 가진 SU-8 포토레지스트는 GaAs 웨이퍼 상에 코팅되어 패시베이션하는 단계; (c) SU-8 포토레지스트는 노광기(stepper)를 사용하여 회로를 패터닝한 Mask에 UV 자외선(UV light)을 통과시켜 노광(exposure) 및 현상(development)에 의해 패턴을 형성하는 단계; (d) 제조된 RF 바이오 센서들은 웨이퍼 절단(wafer dicing)에 의해 분리되며, (e) 각각의 분리된 바이오센서 다이들(biosensor dies)이 만들어지는 단계; 및 (f) 바이오센서 칩들은 와이어 본딩 기술을 사용하여 PCB와 연결되는 단계를 포함하며,
PCB 상에 다이(die)가 형성되고, 그 다이 위에 GaAs 기판이 형성되며, 상기 GaAs 기판 상에 바이오센서 칩을 구비하는 웨이퍼 칩을 구비하고, SU-8 포토레지스트 유리 웨이퍼(glass wafer)에 패시베이션하며, 좌측과 우측에 금선을 사용하여 와이어 본딩에 의해 상기 RF 바이오 센서가 제작되며, According to another aspect of the present invention, there is provided a sensing method using a RF biosensor, the sensing method using a biosensor composed of a metal line and an air-bridge having a stripline structure considering RF matching on a GaAs substrate, Fabricating an RF biosensor comprising a metal line having a stripline structure and an air-bridge in consideration of RF matching; Receiving a plurality of different radio frequency signals existing within a predetermined frequency range; The reflection coefficient S 11 or the transmission coefficient S 21 for the plurality of radio frequency signals is measured so that the resonance frequency of the RF biosensor varies depending on the substance to be measured located on the air-bridge of the RF biosensor Determining a resonance frequency of the biosensor based on the measured reflection coefficient or the transmission coefficient; And determining a concentration of the measured substance based on the resonance frequency change based on a difference between the resonance frequency and a preset reference frequency,
The step of fabricating the RF biosensor includes the steps of: (a) fabricating a biosensor chip on the GaAs wafers by an IPD process; (b) SU-8 photoresist having a thickness of 100 [mu] m is coated on a GaAs wafer and passivated; (c) The SU-8 photoresist is patterned by exposing and developing the UV light to a mask patterned with a circuit using a stepper; (d) the fabricated RF biosensors are separated by wafer dicing; (e) each biosensor die is produced; And (f) the biosensor chips are connected to the PCB using a wire bonding technique,
A wafer chip having a GaAs substrate formed on the die, a biosensor chip on the GaAs substrate, and a passivation layer on an SU-8 photoresist glass wafer. And the RF biosensor is fabricated by wire bonding using gold wires on the left and right sides,
상기 RF 바이오센서는 7 GHz 대역의 고주파에 사용되는 GaAs 기판에 형성된 대칭적으로 배치된 RF 정합을 고려한 스트립 라인구조를 갖는 금속라인과 금속라인의 일부를 가로질러 형성된 에어-브릿지 구조를 포함하며, 혈청, D-글루코스 인 피측정물질의 농도에 따른 공진 주파수의 변화를 기초로 피측정물질의 농도를 파악하는 것을 특징으로 한다.The RF biosensor includes a metal line having a stripline structure and an air-bridge structure formed across a part of the metal line taking into account symmetrically arranged RF matching formed on a GaAs substrate used for a high frequency of 7 GHz band, The concentration of the substance to be measured is determined based on the change of the resonance frequency depending on the concentration of the substance to be measured, which is serum or D-glucose.
본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위한 금속 라인과 에어-브릿지 구조를 갖는 RF 바이오센서의 제조 방법은 7 GHz 대역의 고주파에 사용되는 GaAs 기판 위에 제1 패시베이션층을 형성하는 단계; 상기 제1 패시베이션층 위에, RF 정합을 고려한 스트립 라인구조를 갖는 금속라인을 구성하는 제1 메탈층을 형성하는 단계; 상기 제1 메탈층과 에어-브릿지 사이에 제2 패시베이션층을 형성하는 단계; RF 정합을 고려한 스트립 라인구조를 갖는 금속라인의 일부를 가로지는 에어-브릿지 구조의 형성을 위한 에어-브릿지 포토 프로세서를 수행하는 단계; 및 에어-브릿지 구조를 포함한 제2 메탈층을 형성하는 단계;를 포함한다. According to another aspect of the present invention, there is provided a method of fabricating an RF biosensor having a metal line and an air-bridge structure, the method comprising: forming a first passivation layer on a GaAs substrate used for high- Forming a first metal layer on the first passivation layer, the first metal layer forming a metal line having a stripline structure considering RF matching; Forming a second passivation layer between the first metal layer and the air-bridge; Performing an air-bridge photoprocessor for forming an air-bridge structure traversing a portion of a metal line having a stripline structure taking into account RF matching; And forming a second metal layer including an air-bridge structure.
본 발명에 따르면, RF 바이오 센서는 에어-브릿지 구조에 의한 복소 유전율의 변화를 기초로 글루코스 농도 등의 피측정물질의 농도를 신속하고 정확하게 측정할 수 있다. 또한, 바이오센서를 PBS(phosphate buffer solution) 등으로 세척하여 재사용이 가능하다.According to the present invention, an RF biosensor can quickly and accurately measure the concentration of a substance to be measured, such as glucose concentration, based on a change in complex dielectric constant due to an air-bridge structure. Also, the biosensor can be reused by washing with PBS (phosphate buffer solution) or the like.
도 1은 본 발명에 따른 RF 바이오센서의 일 예를 도시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 RF 바이오센서의 상면의 일 예를 도시한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 RF 바이오센서의 에어-브릿지 부분을 확대 도시한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 RF 바이오센서의 에어-브릿지 구조의 단면을 도시한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 RF 바이오센서의 에어-브릿지에 피측정물질을 떨어뜨린 상태의 일 예를 도시한 도면,
도 6은 본 발명에 따른 RF 바이오센서를 이용하여 생체 데이터를 측정하기 위한 시스템의 일 예를 도시한 도면,
도 7은 본 발명에 따른 RF 바이오센서의 측정 소요 시간에 따른 공진 주파수 변화의 회귀분석 결과를 도시한 도면,
도 8은 본 발명에 따른 RF 바이오센서의 등가회로의 일 예를 도시한 도면,
도 9는 본 발명에 따른 RF 바이오센서의 복소 유전율의 측정 결과를 도시한 일 예,
도 10a 내지 도 10c는 본 발명에 따른 RF 바이오센서의 측정 예를 도시한 도면,
도 11은 본 발명에 따른 RF 바이오센서의 주파수 특성의 일 예를 도시한 도면,
도 12는 본 발명에 따른 RF 바이오센서의 반복 실험 결과의 일 예를 도시한 도면,
도 13은 본 발명에 따른 RF 바이오센서를 이용한 생체 데이터의 센싱 방법의 일 예를 도시한 흐름도, 그리고,
도 14는 본 발명에 따른 RF 바이오센서의 제조 방법의 일 예를 도시한 흐름도이다.
도 15 및 16은 RF 바이오 센서의 제작 과정과 SU8 패키징 공정을 나타낸 도면이다. 1 is a view showing an example of an RF biosensor according to the present invention,
2 is a view showing an example of a top surface of an RF biosensor according to the present invention,
3 is an enlarged view of an air-bridge portion of an RF biosensor according to the present invention,
4 is a cross-sectional view of an air-bridge structure of an RF biosensor according to the present invention,
FIG. 5 is a view showing an example of a state where a measured substance is dropped on an air-bridge of an RF biosensor according to the present invention.
6 is a diagram illustrating an example of a system for measuring biometric data using an RF biosensor according to the present invention.
FIG. 7 is a graph showing a result of a regression analysis of a resonance frequency change according to time required for measurement of an RF biosensor according to the present invention.
8 is a view showing an example of an equivalent circuit of an RF biosensor according to the present invention,
9 is a graph showing an example of a measurement result of a complex dielectric constant of an RF biosensor according to the present invention,
10A to 10C are diagrams showing measurement examples of an RF biosensor according to the present invention,
11 is a view showing an example of frequency characteristics of an RF biosensor according to the present invention,
12 is a view showing an example of a result of repeated experiments of an RF biosensor according to the present invention,
FIG. 13 is a flowchart illustrating an example of a method of sensing biometric data using an RF biosensor according to the present invention,
FIG. 14 is a flowchart illustrating an example of a method of manufacturing an RF biosensor according to the present invention.
15 and 16 are views showing the fabrication process of the RF biosensor and the SU8 packaging process.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 글루코스 농도를 측정하는 RF 바이오센서와 이를 이용한 생체 데이터 센싱 방법, 그리고 금속 라인과 에어-브릿지 구조를 갖는 RF 바이오센서의 제조 방법에 대해 상세하게 설명한다.Hereinafter, an RF biosensor for measuring glucose concentration according to the present invention, a biological data sensing method using the same, and a method for manufacturing an RF biosensor having a metal line and an air-bridge structure will be described in detail with reference to the accompanying drawings .
도 1은 본 발명에 따른 RF 바이오센서의 일 예를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 RF 바이오센서의 상면의 일 예를 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 RF 바이오센서의 에어-브릿지 부분을 확대 도시한 도면이다. FIG. 1 is a view showing an example of an RF biosensor according to the present invention, FIG. 2 is a view showing an example of the top surface of an RF biosensor according to the present invention, and FIG. Bridge portion of the air-fuel ratio sensor.
도 1 내지 도 3을 함께 참조하면, RF 바이오센서(100)는 GaAs 기판(110) 위에 RF 정합을 고려한 스트립 라인구조를 갖는 꾸불꾸불한 금속라인(120)과 에어-브릿지 부분(130), 입출력 포트(140)를 포함한다. 1 to 3, the
RF 정합을 고려한 스트립 라인구조를 갖는 꾸불꾸불한 금속라인(120)은 대칭적으로 배치된 제1 금속라인(122)과 제2 금속라인(124)으로 구성된다. 제1 금속라인(122)과 제2 금속라인(124)은 각각 입출력포트(140)와 연결되는 공통라인과 공통라인으로부터 서로 대칭적으로 배치된 RF 정합을 고려한 스트립 라인구조를 갖는 꾸불꾸불한 라인으로 구성된다. The
예를 들면, 왼쪽의 제1 금속라인(122)은 바깥에서 안쪽으로 반시계 방향으로 사각형 형태로 일정 길이만큼 감긴 후 다시 시계방향으로 일정 길이만큼 감겨있는 형태이다. 오른쪽의 제2 금속라인(124)은 바깥에서 안쪽으로 시계방향으로 사각형 형태로 일정 길이만큼 감긴 후 다시 반시계방향으로 일정 길이만큼 감겨있는 형태이다. 금속라인(120)의 RF 정합을 고려한 스트립 라인구조를 갖는 형태는 도 1에 도시된 예에 반드시 한정되는 것은 아니며, 다양한 형태로 변형 설계가능하다.For example, the
에어-브릿지 구조(130)는 제1 금속라인(122)의 일부와 제2 금속라인(124)의 일부를 가로질러 제1 금속라인(122)과 제2 금속라인(124)을 연결한다. 예를 들면, 도 1과 같이, 각각 바깥에서 안쪽으로 감겨있는 제1 금속라인(122)과 제2 금속라인(124)의 안쪽 끝을 연결하여 에어-브릿지 구조(130)를 형성한다.The air-
입출력포트(140)는 제1 금속라인(122)과 제2 금속라인(124)에 공통으로 연결된다. The input /
RF 바이오센서의 에어-브릿지 구조(130)에 생채 바이오마커인 생체조직(biological medium)이 존재하면 RF 바이오센서의 전기적 특성이 변화하고, 이는 감쇠 레벨, 공진 주파수 등을 변화시킨다. 글루코스의 복소 유전율은 농도에 의존하므로, 글루코스의 농도에 따라 RF 바이오센서(100)에 서로 다른 전기적 공진 현상이 나타난다. 서로 다른 글루코스 농도에 대한 유전율의 변화는 RF 바이오센서(100)의 에어-브릿지의 캐패시턴스(Cb)의 차이로 나타난다. 따라서, 사람 혈청 내 존재하는 서로 다른 글루코스 농도에 대한 복소 유전율(complex permittivity)과 에어-브릿지(130)에 의해 나타나는 브릿지 캐패시턴스(Cb)의 변화를 이용하여 혈청 내 글루코스 농도를 신속하고 정확하게 파악할 수 있다. 예를 들면, RF 바이오센서(100)로부터 구한 각종 파라미터들, 즉, 공진 피크, 피크 감쇠 레벨, 다양한 글루코스 농도에 대한 복소 유전율, 캐패시턴스, 신호 위상 등을 이용하여 사람 혈청에 포함된 글루코스 농도를 효과적으로 모델링하고 측정할 수 있다. When the biological medium, which is a raw biomarker, exists in the air-
도 4는 본 발명에 따른 RF 바이오센서의 에어-브릿지 구조(300)의 단면을 도시한 도면이다.FIG. 4 is a cross-sectional view of an air-
도 4를 참조하면, RF 바이오센서(100)는 제1 메탈층(430)과 제2 메탈층(450)으로 구성된다. 제1 메탈층(430)과 제2 메탈층(450) 아래에는 각각 씨드-메탈층(420, 440)이 위치한다. 기판(400)과 씨드-메탈층(420) 사이에는 제1 패시베이션층(410)이 존재한다. 에어-브릿지는 제2 메탈층(450)으로 구성되며, 에어-브릿지 아래에는 제1 금속라인(122)과 제2 금속라인(124)의 제1 메탈층(432,436)과 입출력포트(140)와 연결된 공통라인의 제1 메탈층(434)이 위치한다. 에어-브릿지 아래에 위치한 제1 메탈층들(432,434,436)은 에어-브릿지의 메탈층(450)과의 단락을 방지하기 위하여 제2 패시베이션층(470)을 포함한다. Referring to FIG. 4, the
도 5는 본 발명에 따른 RF 바이오센서의 에어-브릿지에 피측정물질을 떨어뜨린 상태의 일 예를 도시한 도면이다. 도 5는 설명의 편의를 위하여 도 4에 도시된 에어-브릿지 구조의 아래에 위치한 3개의 메탈층(432,434,436)을 하나로 도시하였다.FIG. 5 is a view showing an example of a state where a measured substance is dropped on an air-bridge of an RF biosensor according to the present invention. Figure 5 shows one of the three
도 5를 참조하면, RF 바이오센서를 pH=7의 PBS(phosphate buffer solution) 용액으로 씻은 경우 Au로 형성된 메탈층 표면은 63.66nm의 RMS(Root Means Square)의 형태학적 구조를 가진다(step1). 글로코스의 일정 농도가 첨부된 혈청을 떨어뜨리고 약 20초 후가 되면, 14.98nm RMS 값을 가진 표면 형태가 된다(Step2). 혈청을 떨어뜨리고 약 40초가 되면 공진 현상을 측정하여 농도를 파악한다(Step3). 그리고 PBS 용액으로 표면을 씻으면 원래 RF바이오센서 표면과 거의 동일한 66.46nm의 RMS 값을 가진 표면 형태가 되어 재사용이 가능하다(step 4).Referring to FIG. 5, when the RF biosensor is washed with a phosphate buffer solution (pH = 7), the surface of the metal layer formed of Au has a morphology of root meal square (RMS) of 63.66 nm (step 1). After a certain concentration of Glucose drops the attached serum and after about 20 seconds, it becomes a surface form with a RMS value of 14.98 nm (Step 2). After the serum is dropped, the resonance phenomenon is measured for about 40 seconds to determine the concentration (Step 3). When the surface is washed with PBS solution, it is possible to reuse the RF surface sensor with the RMS value of 66.46 nm (step 4).
도 6은 본 발명에 따른 RF 바이오센서를 이용하여 생체 데이터를 측정하기 위한 시스템의 일 예를 도시한 도면이다. 6 is a diagram illustrating an example of a system for measuring biometric data using an RF biosensor according to the present invention.
도 6을 참조하면, RF 바이오센서는 분석기(예를 들면, VNA(Vector Network Analyzer))(600)의 알루미늄 박스(610)에 고정되고, RF 바이오센서의 입출력포트는 분석기(600)의 입출력 라인에 각각 연결된다. 6, an RF biosensor is fixed to an
분석기(600)는 피측정물질이 없는 상태의 RF 바이오센서와 피측정물질이 존재하는 상태의 RF 바이오센서에 대해 각각 S-파라미터(예를 들면, 투과계수(S21), 반사계수(S11) 등)를 측정한다. 다양한 농도의 피측정물질(예를 들면, 5㎕의 글루코스 샘플)을 RF 바이오센서에 떨어뜨려 각 농도별 공진 주파수 등의 전자기적 특성을 파악한다. The
도 7은 본 발명에 따른 RF 바이오센서의 측정 소요 시간에 따른 공진 주파수 변화의 회귀분석 결과를 도시한 도면이다.FIG. 7 is a graph showing a result of a regression analysis of a change in resonance frequency according to a time required for measurement of an RF biosensor according to the present invention.
도 7을 참조하면, 글루코스 용액 또는 혈청을 RF 바이오센서에 떨어뜨린 후 대략 40초에서 글루코스 농도에 대한 공진 주파수의 쉬프트(shift)가 120초나 80초 등에서의 공진 주파수 쉬프트보다 더 큼을 보여준다. 이러한 빠른 응답은 본 발명에 따른 RF 바이오센서가 당뇨병 환자들을 위한 현장 진단 테스트를 위해 사용될 수 있음을 나타낸다. Referring to FIG. 7, the shift of the resonance frequency relative to the glucose concentration at about 40 seconds after dropping the glucose solution or serum on the RF biosensor is greater than the resonance frequency shift at 120 seconds, 80 seconds, and so on. This quick response indicates that the RF biosensor according to the present invention can be used for field diagnostic tests for diabetic patients.
도 8은 본 발명에 따른 RF 바이오센서의 등가회로의 일 예를 도시한 도면이다.8 is a view showing an example of an equivalent circuit of an RF biosensor according to the present invention.
도 8을 참조하면, RF 바이오센서의 금속라인은 제1 메탈층과 제2 메탈층으로 구성되고, 에어-브릿지는 제2 메탈층으로 구성된다. 등가회로에서, L1과 L2는 각각 대칭적으로 배치된 제1 및 제2 금속라인의 인덕턴스를 나타내고, Cg는 금속라인과 그라운드 사이의 캐패시턴스를 나타낸다. 그리고 Cb, L은 각각 에어-브릿지에 의해 형성된 캐패시턴스와 인덕턴스를 나타낸다. Z(=50Ω)는 전송라인의 입출력 임피던스를 나타낸다. Referring to FIG. 8, the metal line of the RF biosensor is composed of a first metal layer and a second metal layer, and the air-bridge is composed of a second metal layer. In the equivalent circuit, L 1 and L 2 represent the inductance of the first and second metal lines, respectively, and Cg represents the capacitance between the metal line and the ground. And C b and L represent the capacitance and inductance formed by the air-bridge, respectively. Z (= 50?) Represents the input / output impedance of the transmission line.
서로 다른 농도에 대한 바이오센서의 공진 주파수 변화는 복소 유전율을 변화시키는데, 이러한 유전율은 수용액에 대한 디바이 완화 공정(Debye relaxation process)으로 모델링하여 설명할 수 있다. Changes in the resonance frequency of the biosensor for different concentrations change the complex permittivity, which can be modeled as a Debye relaxation process for aqueous solutions.
복소 비유전율(complex relative permittivity)(εr(ω))에 대한 수용액의 디바이 완화 공정은 고주파수에 대해 비유전율(ε∞), 정적 유전율(static permittivity), 각주파수(ω), 매체의 완화 시간 상수(τ)로 표현된다. 이원 수용액(binary aqueous solution)에 대한 복소 유전율은 각주파수와 mg/dl 단위의 글루코스 용액(κ)의 함수로 표현된다. 친수성 용액의 복소 유전율은 각주파수(ω)의 함수로 다음 수학식과 같이 근사화될 수 있다.The process of demineralizing the aqueous solution with respect to the complex relative permittivity (ε r (ω)) is based on the relative permittivity (ε ∞ ), the static permittivity, the angular frequency (ω) It is expressed as a constant (tau). The complex permittivity for a binary aqueous solution is expressed as a function of the angular frequency and the glucose solution (κ) in mg / dl. The complex dielectric constant of the hydrophilic solution can be approximated as a function of angular frequency ω as follows:
여기서, ε∞(κ) = 5.38 + 30ㅧexp(-3)ㅧ(κ), εs(κ)=80.68 - 0.207ㅧexp(-3)ㅧ(κ), τ(κ)=9.68 + 0.23ㅧexp(-3)ㅧ(κ)(ps)이다.In this case, ε ∞ (κ) = 5.38 + 30 ㅧ exp (-3) ㅧ (κ), ε s (κ) = 80.68 - 0.207 ㅧ exp (-3) ㅧ (κ), τ (κ) = 9.68 + 0.23 ㅧ exp (-3) ㅧ (k) (ps).
수학식 1의 복소 유전율의 크기는 다음 수학식과 같이 복소수로 표현될 수 있다. 실수부는 신호 감쇠에 대응하고, 허수부는 신호의 삽입 위상(insertion phase)에 대응한다. The complex permittivity of Equation (1) can be expressed as a complex number as shown in the following equation. The real part corresponds to the signal attenuation and the imaginary part corresponds to the insertion phase of the signal.
RF 바이오센서의 표면에 아무것도 없는 상태와 다양한 농도의 혈청이 있는 상태에 대한 위상 플롯(phase plot)은 수학식 3으로 파악될 수 있다. RF 바이오센서의 에어-브릿지 캐패시턴스(Cb)의 변화는 수학식 4와 같이 근사화될 수 있다.A phase plot for a state in which there is nothing on the surface of the RF biosensor and a state in which there are various concentrations of serum can be found by the following equation (3). The change of the air-bridge capacitance (C b ) of the RF biosensor can be approximated as shown in Equation (4).
여기서, εr은 RF 바이오센서의 메탈층 사이에 위치한 매체의 유전상수이고, l은 에어-브릿지의 길이, b는 에어-브릿지의 폭, d는 메탈층과 에어브릿지 사이의 공기층(air cavity)의 높이를 나타낸다.Here, ε r is the dielectric constant of the medium located between the metal layer of the RF biosensor, l is the air - the length of the bridge, b is an air-width of the bridge, d is an air layer between the metal layer and the air bridge (air cavity) .
도 9는 본 발명에 따른 RF 바이오센서의 복소 유전율의 측정 결과를 도시한 일 예이다.FIG. 9 shows an example of a measurement result of a complex dielectric constant of an RF biosensor according to the present invention.
도 9a를 참조하면, 다양한 글루코스 농도 레벨에 따른 복소 유전율의 실수부(εr') 및 허수부(εr")의 크기 값이 도시되어 있다. 도 9b를 참조하면 수학적 공식으로 얻은 복소 유전율의 크기가 도시되어 있다.Referring to FIG. 9A, magnitude values of a real part ( r ') and an imaginary part ( r ) of a complex dielectric constant according to various glucose concentration levels are shown. Referring to FIG. 9B, Size is shown.
도 10a 내지 도 10c는 본 발명에 따른 바이오센서의 측정 예를 도시한 도면이다.10A to 10C are diagrams showing measurement examples of the biosensor according to the present invention.
도 10a을 참조하면, 표면에 아무것도 없는 상태, 다양한 농도의 글루코스 샘플을 표면에 떨어뜨린 상태의 RF 바이오센서에 대한 S-파라미터의 측정값이 도시되어 있다. 표면에 아무것도 없는 상태의 RF 바이오센서는 7.37GHz의 공진 주파수를 나타낸다. RF 바이오센서의 공진 주파수는 피측정물질의 농도가 증가함에 따라 하향 쉬프트 됨을 알 수 있다.Referring to FIG. 10A, there is shown a measurement of the S-parameter for an RF biosensor in the state that there is nothing on the surface and glucose samples of various concentrations are dropped on the surface. An RF biosensor with nothing on its surface exhibits a resonant frequency of 7.37 GHz. It can be seen that the resonance frequency of the RF biosensor is shifted downward as the concentration of the substance to be measured increases.
도 10b를 참조하면, 다양한 글루코스 농도에 대해 수학적 분석을 통해 얻은 복소 유전율의 허수부(Image{εr(ω)})와 에어-브릿지의 캐패시턴스가 도시되어 있다. 혈청 내 글루코스 농도 레벨은 수학식 1의 디바이 완화 공정에서 설명한 것과 같이 서로 다른 유전율을 나타낸다. Referring to FIG. 10B, the imaginary part (Image {epsilon r ()) of the complex dielectric constant obtained through a mathematical analysis on various glucose concentrations and the capacitance of the air-bridge are shown. The glucose concentration level in the serum shows different dielectric constants as described in the demarcation process of Equation (1).
수치 시뮬레이션과 분석으로부터, 피측정물질이 없는 경우의 바이오센서의 복소 유전율의 실수부(Real{εr(ω)})는 80.68로 파악된다. 혈청 샘플에 대하여 얻은 측정 데이터는, 245mg/dl, 65mg/dl의 글루코스 농도에 대하여 유전율이 80.73에서 80.69로 미미한 변화를 나타냄을 보여준다. 복소 유전율의 허수부(Image{εr(ω)})는 245mg/dl, 65mg/dl의 글루코스 농도에 대하여 -661.64에서 -710.85로 변화한다. 이러한 허수부의 변화는 마이크로파 신호가 유전율의 변화를 통해 혈청 샘플의 전기적 특성을 변화시킴을 보여준다. From the numerical simulation and analysis, the real part (Real {ε r (ω)}) of the complex permittivity of the biosensor without the substance to be measured is found to be 80.68. The measurement data obtained for the serum samples show that the permittivity changes from 80.73 to 80.69 with respect to the glucose concentration of 245 mg / dl and 65 mg / dl. The imaginary part of the complex dielectric constant (Image {竜r (ω)}) is 245 mg / dl, which changes from -661.64 to -710.85 with respect to the glucose concentration of 65 mg / dl. This change in the imaginary part shows that the microwave signal changes the electrical characteristics of the serum sample by changing the permittivity.
피측정물질이 없는 RF 바이오센서의 유전율 크기는 733.35로 파악된다. 이는 글루코스 농도를 가진 샘플이 존재하는 경우의 RF 바이오센서에 대한 유전율(도 9)보다 크다. 글루코스 농도에 따른 유전율의 변화는 도 10b와 같이 205에서 221pF로 Cb의 의미있는 변화를 만든다. Cb의 획득값은 3.4pF/mg이-1의 해상도를 가지며, 이러한 해상도는 글루코스 농도 레벨에 대한 공진 주파수에 있어 구분할 수 있는 정도의 변화를 보여주기에 충분하다. 도 10c에는 글루코스 농도에 대한 주파수 변화의 회귀분석 결과가 도시되어 있다.The dielectric constant of an RF biosensor without a substance to be measured is 733.35. This is greater than the dielectric constant for the RF biosensor (FIG. 9) in the presence of samples with glucose concentration. The change in the permittivity according to the glucose concentration makes a meaningful change of C b from 205 to 221 pF as shown in FIG. 10B. The obtained value of C b has a resolution of 3.4 pF / mg -1, which is sufficient to show a distinguishable change in the resonance frequency with respect to the glucose concentration level. FIG. 10C shows a regression analysis result of the frequency change with respect to the glucose concentration.
도 11은 본 발명에 따른 RF 바이오센서의 주파수 특성의 일 예를 도시한 도면이다.11 is a diagram illustrating an example of frequency characteristics of an RF biosensor according to the present invention.
도 11을 참조하면, 혈청과 D-글루코스 용액 모두에 대해 바이오센서의 공진 피크는 실온에서 40초의 최소 분석시간 내에 아래방향으로 쉬프트한다. RF 바이오센서는 65mg/dl와 245mg/dl의 글루코스 농도에 대해 각각 7.33과 6.82GHz의 공진 주파수를 나타낸다. RF 바이오센서는 185mg/dl, 65mg/dl의 글루코스 농도에 대하여 진폭 변화와 함께 70MHz와 30MHz의 최대 및 최소 상대적 이동을 보여준다. RF 바이오센서는 글루코스 레벨의 1mg/dl 당 0.61MHz의 해상도를 보이며, 이는 당뇨병 환자들의 혈청 내 글루코스 농도를 정확하게 측정하는데 충분하다. Referring to FIG. 11, the resonance peak of the biosensor for both the serum and the D-glucose solution shifts downward within the minimum analysis time of 40 seconds at room temperature. RF biosensors exhibit resonance frequencies of 7.33 and 6.82 GHz for glucose concentrations of 65 mg / dl and 245 mg / dl, respectively. The RF biosensor shows maximum and minimum relative movements of 70 MHz and 30 MHz with an amplitude change of 185 mg / dl and a glucose concentration of 65 mg / dl. The RF biosensor has a resolution of 0.61 MHz per 1 mg / dl of glucose level, which is sufficient to accurately measure the glucose concentration in serum of diabetic patients.
공진 주파수와 글루코스 농도 사이는 최대 상관계수 0.9979를 가진 양의 선형 상관관계를 가진다. 1% 미만의 RSD(Relative Standard Deviation)을 가진 높은 상관관계는 주파수 쉬프트가 복소 유전율로부터 기인한 특정 변화에 의해 생성됨을 나타낸다. 게다가 D-글루코스 용액으로부터 얻은 결과는 25~250mg/dl 범위의 글루코스 농도 레벨에 대한 훌륭한 검출 능력을 가지는 상관관계 0.9986을 보여주고, 또한 도 10c에 도시된 것과 같이 사람 혈청에 대한 검량선(calibration curve)의 속성을 완벽히 반영한다. The correlation between the resonance frequency and the glucose concentration has a positive linear correlation with a maximum correlation coefficient of 0.9979. A high correlation with less than 1% Relative Standard Deviation (RSD) indicates that the frequency shift is produced by a specific change due to the complex permittivity. In addition, the results from the D-glucose solution show a correlation of 0.9986 with good detection capability for glucose concentration levels ranging from 25 to 250 mg / dl, and also show a calibration curve for human serum, Of the property.
도 11c를 참조하면, RF 바이오센서는 9.69mg/dl의 검출 한도(limit of detection, LOD)와 29.37mg/dl의 한계 용량(limit of quantization, LOQ)을 가진다. LOD는 구분될 수 있는 최소 글루코스 농도와 관련되고, LOQ는 신뢰도를 가지고 측정될 수 있는 최소의 글루코스 농도이다. Referring to FIG. 11C, the RF biosensor has a limit of detection (LOD) of 9.69 mg / dl and a limit of quantization (LOQ) of 29.37 mg / dl. LOD is associated with the minimum glucose concentration that can be distinguished, and LOQ is the minimum glucose concentration that can be measured with confidence.
도 12는 본 발명에 따른 RF 바이오센서의 반복 실험 결과의 일 예를 도시한 도면이다.FIG. 12 is a view showing an example of a result of repeated experiments of an RF biosensor according to the present invention.
도 12를 참조하면, 서로 다른 농도를 가진 10개의 글루코스 샘플에 대해 3차까지 총 30번의 실험을 진행한 결과가 도시되어 있다. 각 실험에서 바이오센서의 공진 특성의 신호 왜곡은 발견되지 않았다. 각 농도에 대해 얻은 데이터는 뚜렷하게 구분되며 공진 주파수의 중첩은 없다. 이러한 특징은 본 발명에 따른 바이오센서의 안정성 및 재사용성을 보장한다. 얻은 결과의 추가적 타당성을 위하여 혈청 사용 전후의 위상 분석(수학식 4)을 수행한 결과, 혈청 없는 경우의 신호 위상은 -83.68이다. 이값은 도 11b와 같이 글루코스 농도가 증가하고 -83.04의 최소값에 이르면서 감소한다. Referring to FIG. 12, a total of 30 experiments were performed on 10 glucose samples having different concentrations up to the third degree. No signal distortion of the resonance characteristics of the biosensor was found in each experiment. The data obtained for each concentration are distinct and there is no superposition of resonance frequencies. This feature ensures the stability and reusability of the biosensor according to the present invention. For further validity of the obtained results, phase analysis before and after serum use (Equation 4) was performed, and the signal phase in the absence of serum was -83.68. This value decreases as the glucose concentration increases and reaches a minimum value of -83.04 as shown in FIG. 11B.
도 13은 본 발명에 따른 RF 바이오센서를 이용한 생체 데이터의 센싱 방법의 일 예를 도시한 흐름도이다.13 is a flowchart illustrating an example of a method of sensing biometric data using an RF biosensor according to the present invention.
도 13을 참조하면, 분석기는 피측정물질이 존재하는 RF 바이오센서에 일정 범위의 무선주파수를 입력한다(S1300). 분석기는 RF 바이오센서의 전기적 특성, 예를 들어 S-파라미터 등을 측정한다(S1310). Referring to FIG. 13, the analyzer inputs a certain range of radio frequency to the RF biosensor in which the measured substance exists (S1300). The analyzer measures the electrical characteristics of the RF biosensor, for example S-parameter, etc. (S1310).
분석기는 RF 바이오센서로부터 구한 각종 전기적 특성을 이용하여 피측정물질의 농도를 파악한다(S1320). 예를 들면, 피측정물질이 혈청인 경우에, RF 바이오센서는 혈청 내 포함된 글루코스 농도에 따라 도 9 내지 도 11에 도시된 것과 같이, 공진 주파수, 공진 피크, 복소 유전율 등 다양한 전기적 특성이 변화한다. 따라서, 분석기는 RF 바이오센서의 S-파라미터를 구하고, S-파라미터로부터 공진 주파수, 복소 유전율, 에어-브릿지 캐패시턴스, 위상 등을 구한 후, 미리 정의된 글루코스 농도와 공진 주파수 등과 같은 각종 전기적 특성 사이의 관계를 이용하여 글루코스 농도를 파악한다. The analyzer measures the concentration of the substance to be measured using various electrical characteristics obtained from the RF bio-sensor (S1320). For example, when the measured substance is a serum, the RF biosensor has various electrical characteristics such as a resonance frequency, a resonance peak, and a complex dielectric constant, as shown in Figs. 9 to 11, depending on the concentration of glucose contained in the serum. do. Therefore, the analyzer obtains the S-parameter of the RF biosensor, obtains the resonance frequency, the complex permittivity, the air-bridge capacitance, the phase, etc. from the S-parameter and then determines the relationship between various electrical characteristics such as the pre- Use the relationship to determine glucose concentration.
도 14는 본 발명에 따른 RF 바이오센서의 제조 방법의 일 예를 도시한 흐름도이다.FIG. 14 is a flowchart illustrating an example of a method of manufacturing an RF biosensor according to the present invention.
도 14를 참조하면, RF 바이오센서는 IPD(integrated passive device) 기술을 이용하여 GaAs 기판 위에 형성될 수 있다. 먼저, 7 GHz 대역의 고주파수에 사용되는 GaAS 기판 상에 제1 패시베이션층을 형성한다(S1400). 예를 들면, 기생 캐패시턴스(parasitic capacitance)와 전도성 기판의 유도부하(inductive loading)를 피하기 위하여, 기판으로 6인치 반절연(semi-insulating) GaAs 웨이퍼(400㎛)가 사용될 수 있다. 제1 패시베이션층은 SiNx로 구성될 수 있으며, PECVD(Plasma enhanced chemical vapor deposition, 플라즈마 화학 기상 증착법) 기법을 통해 2000Å의 두께로 기판상에 증착된다.Referring to FIG. 14, an RF biosensor may be formed on a GaAs substrate using an IPD (Integrated Passive Device) technology. First, a first passivation layer is formed on a GaAs substrate used for a high frequency of 7 GHz band (S1400). For example, a 6-inch semi-insulating GaAs wafer (400 탆) may be used as the substrate to avoid parasitic capacitance and inductive loading of the conductive substrate. The first passivation layer may be composed of SiNx and is deposited on the substrate to a thickness of 2000 A through PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) technique.
제1 패시베이션층에 20/80㎚ 두께의 Ti/Au 씨트메탈층을 스퍼터링(sputtering)에 의해 증착한다(S1410). 꾸불꾸불한 금속라인을 구성하는 제1 메탈층의 형성을 위한 제1 메탈 패터닝 프로세스가 수행된다(S1420). 제1 메탈층은 3.35㎛ 두께로 전기도금된 Cu로 형성될 수 있다.A 20/80 nm thick Ti / Au seed metal layer is deposited on the first passivation layer by sputtering (S1410). A first metal patterning process for forming a first metal layer constituting a corrugated metal line is performed (S1420). The first metal layer may be formed of Cu electroplated to a thickness of 3.35 mu m.
제1 메탈층 형성 후에, 제1 메탈층과 에어-브릿지 사이의 단락을 방지하기 위하여, PECVD를 이용하여 200㎚의 제2 패시베이션층을 제1 메탈층과 에어-브릿지 사이에 증착한다(S1430). 이후, 제1 메탈층에 1000Å 두께의 Ti/Au 씨드 메탈층을 스퍼터링에 의해 증착하고(S1440), 마스크 작업 등의 에어-브릿지 포토 프로세스를 수행한다(S1450). After formation of the first metal layer, a 200 nm second passivation layer is deposited between the first metal layer and the air-bridge using PECVD to prevent shorting between the first metal layer and the air-bridge (S1430) . Thereafter, a Ti / Au seed metal layer having a thickness of 1000 Å is deposited on the first metal layer by sputtering (S1440), and an air-bridge photo process such as masking is performed (S1450).
에어-브릿지 포트 프로세스 후에 Au로 구성된 제2 메탈층과 에어-브릿지 메탈층을 형성을 형성한다(S1460). 그리고 에어-브릿지 마스크를 제거하고 Ti/Au 씨드 메탈의 에칭과정을 수행한다(S1470,S1480). After forming the air-bridge port process, a second metal layer composed of Au and an air-bridge metal layer are formed (S1460). Then, the air-bridge mask is removed and an etching process of Ti / Au seed metal is performed (S1470, S1480).
도 15 및 16은 RF 바이오 센서의 제작 과정과 SU8 패키징 공정의 단면도와 평면도를 나타낸다. 15 and 16 show a cross-sectional view and a plan view of the fabrication process of the RF biosensor and the SU8 packaging process.
(a) 바이오센서 칩이 6 inch GaAs 웨이퍼들 상에 IPD 프로세스에 의해 제조된다. (a) A biosensor chip is fabricated by an IPD process on 6 inch GaAs wafers.
(b) 100 ㎛ 두께를 가진 SU-8 포토레지스트는 GaAs 웨이퍼(GaAS wafer) 상에 코팅되어 패시베이션한다. (b) A SU-8 photoresist with a thickness of 100 μm is coated on a GaAs wafer and passivated.
(c) SU-8 포토레지스트는 노광기(stepper)를 사용하여 회로를 패터닝한 Mask에 UV 자외선(UV light)을 통과시켜 노광(exposure) 및 현상(development)에 의해 패턴을 형성한다.(c) The SU-8 photoresist forms a pattern by exposure and development by passing UV light through a mask patterned with a circuit using a stepper.
(d) 제조된 RF 바이오 센서들은 웨이퍼 절단(wafer dicing)에 의해 분리되며, (e) 각각의 분리된 바이오센서 다이들(biosensor dies)이 만들어진다.(d) the manufactured RF biosensors are separated by wafer dicing, and (e) each separate biosensor die is made.
(f) 바이오센서 칩들은 와이어 본딩(wire-bonding) 기술을 사용하여 PCB와 연결된다. (f) Biosensor chips are connected to the PCB using wire-bonding technology.
PCB 상에 다이(die)가 형성되고, 그 다이 위에 GaAs 기판이 형성되며, 상기 GaAs 기판 상에 바이오센서 칩(Biosensor chip)을 구비하는 웨이퍼 칩을 구비하는 단계; 100 ㎛ 두께의 SU-8 포토레지스트 유리 웨이퍼(glass wafer)에 패시베이션하는 단계; 좌측과 우측에 금선(gold wire)을 사용하여 와이어 본딩(wire bonding)에 의해 RF 바이오 센서를 제작한다. Providing a wafer chip having a die on a PCB, a GaAs substrate formed on the die, and a biosensor chip on the GaAs substrate; Passivation to a 100 micron thick SU-8 photoresist glass wafer; RF biosensors are fabricated by wire bonding using gold wires on the left and right sides.
RF 바이오센서는 GHz 대역의 고주파에 적합한 GaAs 기판에 형성된 대칭적으로 배치된 꾸불꾸불한 금속라인과 금속라인의 일부를 가로질러 형성된 에어-브릿지 구조를 포함하며, 혈청, D-글루코스 등의 피측정물질의 농도에 따른 공진 주파수의 변화를 기초로 피측정물질의 농도를 파악한다. RF 바이오센서는 에어-브릿지 구조에 생체조직(biological medium)이 존재하면 바이오센서의 전기적 특성 인 감쇠 레벨, 공진 주파수가 변화되며, 글루코스의 복소 유전율은 글루코스의 농도에 따라 바이오센서에 서로 다른 전기적 현상이 나타나고, 사람 혈청 내 존재하는 서로 다른 글루코스 농도에 대한 유전율의 변화는 바이오센서의 에어-브릿지의 캐패시턴스(Cβ)의 차이로 나타나며 서로 다른 글루코스 농도에 대한 복소 유전율(complex permittivity)과 에어-브릿지에 의해 나타나는 브릿지 캐패시턴스(Cβ)가 변화되어 그 공진 주파수를 파악하여 혈청 내 글루코스 농도를 측정한다. The RF biosensor includes a symmetrically arranged serpentine metal line formed on a GaAs substrate suitable for high frequency in the GHz band and an air-bridge structure formed across a part of the metal line, and is used for measurement of serum, D- The concentration of the substance to be measured is determined based on the change of the resonance frequency according to the concentration of the substance. The RF biosensor changes the electrical characteristics of the biosensor, such as the attenuation level and the resonant frequency, when the biological medium is present in the air-bridge structure. The complex permittivity of the glucose varies depending on the glucose concentration, And the change in permittivity with respect to the different glucose concentrations present in the human serum is represented by the difference in the capacitance of the air-bridge (C ? ) Of the biosensor, and the complex permittivity and the complex permittivity with respect to different glucose concentrations The bridge capacitance C.sub..beta . Is changed to measure the glucose concentration in the serum by grasping the resonance frequency.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자가 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It will be understood that various modifications and changes may be made without departing from the scope of the present invention.
Claims (12)
상기 GaAs 기판에 형성된 RF 정합을 고려한 스트립 라인구조를 갖는 제1 금속라인;
상기 GaAs 기판에 형성된 RF 정합을 고려한 스트립 라인구조를 갖는 제2 금속라인;
상기 제1 금속라인의 일부와 상기 제2 금속라인의 일부의 위를 가로질러 상기 제1 금속라인과 상기 제2 금속라인을 연결하는 에어-브릿지 구조; 및
상기 제1 금속라인과 상기 제2 금속라인에 공통으로 연결된 입출력포트;를 포함하는 RF 밴드스탑 필터 구조의 RF 바이오센서를 구비하며,
상기 RF 바이오 센서는 PCB 상에 다이(die)가 형성되고, 그 다이 위에 GaAs 기판이 형성되며, 상기 GaAs 기판 상에 바이오센서 칩(Biosensor chip)을 구비하는 웨이퍼 칩을 구비하는 단계; 100 ㎛ 두께의 SU-8 포토레지스트 유리 웨이퍼(glass wafer)에 패시베이션하는 단계; 좌측과 우측에 금선(gold wire)을 사용하여 와이어 본딩에 의해 제작되고,
상기 RF 바이오센서는 상기 GaAs 기판에 형성된 대칭적으로 배치된 RF 정합을 고려한 스트립 라인구조를 갖는 금속라인과 금속라인의 일부를 가로질러 형성된 에어-브릿지 구조를 포함하며, 혈청, D-글루코스 인 피측정물질의 농도에 따른 공진 주파수의 변화를 기초로 피측정물질의 농도를 파악하는, 글루코스 농도를 측정하는 RF 바이오센서.A GaAs substrate used for high frequencies in the 7 GHz band;
A first metal line having a stripline structure considering RF matching formed on the GaAs substrate;
A second metal line having a stripline structure considering RF matching formed on the GaAs substrate;
An air-bridge structure connecting the first metal line and the second metal line across a portion of the first metal line and a portion of the second metal line; And
And an input / output port commonly connected to the first metal line and the second metal line, the RF biostenser having an RF band-stop filter structure,
The RF biosensor includes a wafer chip having a die formed on a PCB, a GaAs substrate formed on the die, and a biosensor chip on the GaAs substrate; Passivation to a 100 micron thick SU-8 photoresist glass wafer; And is manufactured by wire bonding using gold wires on the left and right sides,
The RF biosensor includes a metal line having a stripline structure considering symmetrically arranged RF matching formed on the GaAs substrate and an air-bridge structure formed across a part of the metal line. The RF biosensor includes a serum, D- An RF biosensor measuring glucose concentration, which measures the concentration of a substance to be measured based on a change in resonant frequency depending on the concentration of the substance to be measured.
상기 제1 금속라인과 상기 제2 금속라인은 대칭적으로 배치되는, 글루코스 농도를 측정하는 RF 바이오센서.The method according to claim 1,
Wherein the first metal line and the second metal line are arranged symmetrically.
상기 제1 금속라인은, 반시계 방향으로 바깥에서 안쪽으로 감긴 RF 정합을 고려한 스트립 라인구조를 갖는 형태이고,
상기 제2 금속라인은 시계 방향으로 바깥에서 안쪽으로 감긴 RF 정합을 고려한 스트립 라인구조를 갖는 형태인 것을 특징으로 하는 글루코스 농도를 측정하는 RF 바이오센서.The method according to claim 1,
The first metal line has a stripline structure in consideration of RF matching that is wound from the outside to the inside in a counterclockwise direction,
Wherein the second metal line has a stripline structure in consideration of RF matching that is wound from the outside to the inside in a clockwise direction.
상기 제1 금속라인은, 반시계 방향으로 바깥에서 안쪽으로 일정 길이 동안 감긴 후 시계 방향으로 일정 길이 동안 다시 감긴 꾸불꾸불한 형태이고,
상기 제2 금속라인은, 시계 방향으로 바깥에서 안쪽으로 일정 길이 동안 다시 감긴 후 반시계 방향으로 일정 길이 동안 다시 감긴 RF 정합을 고려한 스트립 라인구조를 갖는 형태인 것을 특징으로 하는 글루코스 농도를 측정하는 RF 바이오센서.The method according to claim 1,
The first metal line may be wound in a counterclockwise direction from the outside to the inside for a predetermined length, then wound in a clockwise direction for a predetermined length,
Wherein the second metal line has a stripline structure in which the RF line is rewound for a predetermined length in a counterclockwise direction after being rewound for a predetermined length from outside to inside in a clockwise direction, Biosensor.
상기 에어-브릿지 구조는 상기 제1 금속라인의 가장 안쪽의 라인과 상기 제2 금속라인의 가장 안쪽의 라인 사이를 연결하는 것을 특징으로 하는 글루코스 농도를 측정하는 RF 바이오센서.5. The method of claim 3 or 4,
Wherein the air-bridge structure connects the innermost line of the first metal line and the innermost line of the second metal line.
상기 RF 바이오센서는 에어-브릿지 구조에 생체조직(biological medium)이 존재하면 바이오센서의 전기적 특성 인 감쇠 레벨, 공진 주파수가 변화되며, 글루코스의 복소 유전율은 글루코스의 농도에 따라 바이오센서에 서로 다른 전기적 현상이 나타나고, 사람 혈청 내 존재하는 서로 다른 글루코스 농도에 대한 유전율의 변화는 바이오센서의 에어-브릿지의 캐패시턴스(Cβ)의 차이로 나타나며 서로 다른 글루코스 농도에 대한 복소 유전율(complex permittivity)과 에어-브릿지에 의해 나타나는 브릿지 캐패시턴스(Cβ)가 변화되어 그 공진 주파수를 파악하여 혈청 내 글루코스 농도를 측정하는 것을 특징으로 하는 글루코스 농도를 측정하는 RF 바이오센서.The method according to claim 1,
When the biological medium exists in the air-bridge structure, the RF biosensor changes the attenuation level and the resonance frequency, which are electrical characteristics of the biosensor, and the complex permittivity of the glucose varies depending on the concentration of glucose, The change in the permittivity to the different glucose concentrations present in the human serum appears as the difference in the capacitance of the air-bridge (C ? ) Of the biosensor, and the complex permittivity and the air- Wherein the bridge capacitance (C ? ) Exhibited by the bridge is changed so as to grasp the resonance frequency and measure the glucose concentration in the serum.
GaAs 기판 위에 RF 정합을 고려한 스트립 라인구조를 갖는 금속라인과 에어-브릿지로 구성된 RF 바이오 센서가 제작되는 단계;
기 설정된 주파수 범위 내에 존재하는 서로 다른 복수 개의 무선주파수 신호를 입력받는 단계;
상기 RF 바이오센서의 에어-브릿지에 위치한 피측정물질에 따라 변화하는 RF 바이오센서의 공진주파수가 파악되도록 상기 복수 개의 무선주파수 신호에 대한 반사계수(S11) 또는 투과계수(S21)를 측정하고, 상기 측정된 반사계수 또는 상기 투과계수를 기초로 상기 RF 바이오센서의 공진주파수를 파악하는 단계; 및
상기 공진주파수와 기 설정된 기준주파수 사이의 차이를 기초로 상기 공진주파수 변화를 기초로 상기 피측정물질의 농도를 파악하는 단계;를 포함하며,
상기 RF 바이오센서가 제작되는 단계는, (a) 바이오센서 칩이 GaAs 웨이퍼들 상에 IPD 프로세스에 의해 제조되는 단계; (b) 100 ㎛ 두께를 가진 SU-8 포토레지스트는 GaAs 웨이퍼 상에 코팅되어 패시베이션하는 단계; (c) SU-8 포토레지스트는 노광기(stepper)를 사용하여 회로를 패터닝한 Mask에 UV 자외선(UV light)을 통과시켜 노광(exposure) 및 현상(development)에 의해 패턴을 형성하는 단계; (d) 제조된 RF 바이오 센서들은 웨이퍼 절단(wafer dicing)에 의해 분리되며, (e) 각각의 분리된 바이오센서 다이들(biosensor dies)이 만들어지는 단계; 및 (f) 바이오센서 칩들은 와이어 본딩 기술을 사용하여 PCB와 연결되는 단계를 포함하며,
PCB 상에 다이(die)가 형성되고, 그 다이 위에 GaAs 기판이 형성되며, 상기 GaAs 기판 상에 바이오센서 칩을 구비하는 웨이퍼 칩을 구비하고, SU-8 포토레지스트 유리 웨이퍼(glass wafer)에 패시베이션하며, 좌측과 우측에 금선을 사용하여 와이어 본딩에 의해 상기 RF 바이오 센서가 제작되며,
상기 RF 바이오센서는 7 GHz 대역의 고주파에 사용되는 GaAs 기판에 형성된 대칭적으로 배치된 꾸불꾸불한 금속라인과 금속라인의 일부를 가로질러 형성된 에어-브릿지 구조를 포함하며, 혈청, D-글루코스 인 피측정물질의 농도에 따른 공진 주파수의 변화를 기초로 피측정물질의 농도를 파악하는, 금속 라인과 에어브릿지 구조를 갖는 RF 바이오센서를 이용한 센싱 방법.A sensing method using an RF biosensor comprising a metal line having a stripline structure considering RF matching on a GaAs substrate and an air-bridge,
Fabricating an RF biosensor comprising a metal line having a stripline structure and an air-bridge on a GaAs substrate in consideration of RF matching;
Receiving a plurality of different radio frequency signals existing within a predetermined frequency range;
The reflection coefficient S 11 or the transmission coefficient S 21 for the plurality of radio frequency signals is measured so that the resonance frequency of the RF biosensor varies depending on the substance to be measured located on the air-bridge of the RF biosensor Determining a resonance frequency of the RF biosensor based on the measured reflection coefficient or the transmission coefficient; And
And determining a concentration of the measured substance based on the resonance frequency change based on a difference between the resonance frequency and a predetermined reference frequency,
The step of fabricating the RF biosensor includes the steps of: (a) fabricating a biosensor chip on the GaAs wafers by an IPD process; (b) SU-8 photoresist having a thickness of 100 [mu] m is coated on a GaAs wafer and passivated; (c) The SU-8 photoresist is patterned by exposing and developing the UV light to a mask patterned with a circuit using a stepper; (d) the fabricated RF biosensors are separated by wafer dicing; (e) each biosensor die is produced; And (f) the biosensor chips are connected to the PCB using a wire bonding technique,
A wafer chip having a GaAs substrate formed on the die, a biosensor chip on the GaAs substrate, and a passivation layer on an SU-8 photoresist glass wafer. And the RF biosensor is fabricated by wire bonding using gold wires on the left and right sides,
The RF biosensor includes a symmetrically arranged serpentine metal line formed on a GaAs substrate used for high frequency in the 7 GHz band and an air-bridge structure formed across a part of the metal line. The RF biosensor includes serum, D-glucose A sensing method using an RF biosensor having a metal line and an air bridge structure that grasps a concentration of a substance to be measured based on a change in resonance frequency depending on a concentration of a substance to be measured.
상기 피측정물질은 글루코스를 포함하는 용액인 것을 특징으로 하는 금속 라인과 에어브릿지 구조를 갖는 RF 바이오센서를 이용한 센싱 방법.9. The method of claim 8,
Wherein the measured substance is a solution containing glucose. The method of sensing using an RF biosensor having a metal line and an air bridge structure.
상기 RF 바이오센서는 에어-브릿지 구조에 생체조직(biological medium)이 존재하면 바이오센서의 전기적 특성 인 감쇠 레벨, 공진 주파수가 변화되며, 글루코스의 복소 유전율은 글루코스의 농도에 따라 바이오센서에 서로 다른 전기적 현상이 나타나고, 사람 혈청 내 존재하는 서로 다른 글루코스 농도에 대한 유전율의 변화는 바이오센서의 에어-브릿지의 캐패시턴스(Cβ)의 차이로 나타나며 서로 다른 글루코스 농도에 대한 복소 유전율(complex permittivity)과 에어-브릿지에 의해 나타나는 브릿지 캐패시턴스(Cβ)가 변화되어 그 공진 주파수를 파악하여 혈청 내 글루코스 농도를 측정하는 것을 특징으로 하는 금속 라인과 에어브릿지 구조를 갖는 RF 바이오센서를 이용한 센싱 방법.9. The method of claim 8,
When the biological medium exists in the air-bridge structure, the RF biosensor changes the attenuation level and the resonance frequency, which are electrical characteristics of the biosensor, and the complex permittivity of the glucose varies depending on the concentration of glucose, The change in the permittivity to the different glucose concentrations present in the human serum appears as the difference in the capacitance of the air-bridge (C ? ) Of the biosensor, and the complex permittivity and the air- Wherein the bridge capacitance (C ? ) Exhibited by the bridge is changed so that the resonance frequency is grasped and the glucose concentration in the serum is measured. A sensing method using an RF biosensor having a metal line and an air bridge structure.
상기 제1 패시베이션층 위에, RF 정합을 고려한 스트립 라인구조를 갖는 금속라인을 구성하는 제1 메탈층을 형성하는 단계;
상기 제1 메탈층과 에어-브릿지 사이에 제2 패시베이션층을 형성하는 단계;
RF 정합을 고려한 스트립 라인구조를 갖는 금속라인의 일부를 가로지는 에어-브릿지 구조의 형성을 위한 에어-브릿지 포토 프로세서를 수행하는 단계; 및
에어-브릿지 구조를 포함한 제2 메탈층을 형성하는 단계;를 포함하는 금속 라인과 에어브릿지 구조를 갖는 RF 바이오센서의 제조 방법.
Forming a first passivation layer on a GaAs substrate used for a high frequency of 7 GHz band;
Forming a first metal layer on the first passivation layer, the first metal layer forming a metal line having a stripline structure considering RF matching;
Forming a second passivation layer between the first metal layer and the air-bridge;
Performing an air-bridge photoprocessor for forming an air-bridge structure traversing a portion of a metal line having a stripline structure taking into account RF matching; And
And forming a second metal layer including an air-bridge structure on the first metal layer.
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