KR101935598B1

KR101935598B1 - 체적 고정 구조들과 결합된 ｒｆ 패치 바이오 센서 기반 글루코스 레벨의 정량적 검출 방법

Info

Publication number: KR101935598B1
Application number: KR1020170059645A
Authority: KR
Inventors: 김남영
Original assignee: 광운대학교 산학협력단
Priority date: 2017-05-13
Filing date: 2017-05-13
Publication date: 2019-01-04
Also published as: KR20180124673A

Abstract

체적 고정 구조들과 결합된 RF 패치 바이오 센서를 기반 글루코스 레벨의 정량적 검출 방법이 개시된다. 상기 방법은 RF 주파수 변동에 기초하여 당뇨병 환자의 개인의 글루코스 레벨의 상태(individual’s state of glucose levels)를 적시에 모니터링하기 위해 체적 고정 구조(volume-fixed structure)와 RF 패치 바이오 센서의 특성화 개념이 제시되었다. 후면 슬롯(0.53 μL)과 전면 탱크(0.70 μL) 구조로 개별적으로 통합된 2가지 타입의 패치 바이오 센서는 테스트 글루코스 샘플의 액체 상태, 모양 및 두께의 간섭을 제외하고 정확하고 효율적으로 검출하기 위해 개발되었다. 25 mg/dL에서 1000 mg/dL 범위의 다양한 농도에서 시험 분석 물질로써의 글루코스는 개별적으로 체적 고정 구조에 떨어뜨리며, 무선 주파수 패치의 전자기장과 효과적으로 상호 작용하여 공진 주파수와 크기를 민감하게 변화시킨다. 제안된 두 가지 유형의 패치 바이오 센서가 글루코스 레벨의 검출이 가능하다는 것을 증명하는 반사 계수의 측정은 프로브 스테이션(probe station)에서 수행되며, 두 가지 바이오 센서는 모두 1mg/dL 당 1.13MHz 및 1.97MHz까지 높은 감도(high sensitivity)를 나타내며, 1초 미만의 짧은 응답 시간(short response time)과 26.54mg/dL 및 15.22 mg/dL의 낮은 검출 한계를 보였다.

Description

체적 고정 구조들과 결합된 ＲＦ 패치 바이오 센서 기반 글루코스 레벨의 정량적 검출 방법{Quantitative Detection method of Glucose Level Based on RF Patch Biosensor Combined with Volume-fixed Structures}

본 발명은 당뇨병의 포도당 수치를 측정하는 체적 고정 구조들(volume-fixed structures)과 결합된 RF 패치 바이오 센서를 기반 글루코스 레벨(glucose level, 포도당 수치)의 정량적 검출 방법에 관한 것이다.

수성 포도당 용액(Aqueous glucose solutions)은 다양한 화학 및 생물 시스템에서 많은 생물 의학 과정에서 기본적인 역할을 한다. 물에서 글루코스 농도를 민감하게 감지하면 생의학적 특성을 연구하는데 유용한 도구가 될 수 있다[1-3]. 일반적으로 diabetes라고 불리는 당뇨병(diabetes mellitus)은 췌장의 베타 세포에 의해 생성된 불충분한 인슐린(insulin)의 결과로 정상 범위를 벗어난 혈당 수치(blood glucose level)의 변동을 특징으로 하는 대사 장애(metabolic disorder)에 의해 발생하는 질병이다. 인슐린에 적절하게 반응하는데 저항력이 있다. 조기 예방과 치료를 위해 당뇨병이 의심되는 사람의 글루코스 레벨(포도당 수치, glucose level)을 모니터링하는 것이 특히 의미가 있다[4-7].

최근, 이중 분자 결합(biomolecular binding), DNA 센싱[9], 인간 세포 유전 분광학(human cell dielectric spectroscopy)과 같은 다양한 생물 의학 응용[10], 스트레스 바이오 마커 특성화(stress biomarker characterization)[11]와 같은 RF(Radio Frequency) 기술에 기반의 바이오 센서의 설계에 대한 관심이 증가하고 있다. 마이크로 웨이브 전자기장과 테스트중인 샘플의 농도 또는 물리적 특성 간의 상호 작용을 기반으로, RF 바이오 센서 메커니즘은 등가 인덕턴스 및 커패시턴스(equivalent inductance and capacitance), 중심 주파수 또는 S-파라미터의 크기 변화를 통해 조사될 수 있다. 또한, RF 바이오 센서는 제조하기 쉽고 반응 속도가 빠르며, 선택도가 높고 선형성이 우수하기 때문에 중재자가 없는 포도당 검출(mediator-free glucose detection)을 위해 제3 세대 글루코스 바이오 센서를 구현하기 위한 경쟁적이고 유망한 후보 기술로 고려될 수 있다[12]. 이러한 특성 외에도 시험 시료의 유동성, 모양 및 두께에 의해 야기되는 측정 공차의 간섭을 방지하기 위해 고정 시험 영역, 안정된 형상, 정량화되고 최소화 된 시험 시료의 양으로 정확하고 효율적인 검출이 고려되어야 한다[13-16]. 바이오 센서의 RF 성능은 글루코스 샘플(포도당 샘플)의 유효 유전 상수(effective dielectric constant of the glucose sample)와 밀접하게 관련되어 있기 때문에 테스트 대상 시료의 두께와 부피에 따라 심각한 영향을 받게 된다. 따라서, 양적인 검출은 매우 중요하며, 각각의 개별 테스트 동안 샘플은 이전의 측정 조건과 동일하게 두께가 고정되고, 부피가 고정되며, 위치가 고정된 상태로 안정되어야 한다.

이 연구에서, 우리는 체적 고정 구조(volume-fixed structure)와 결합된 RF 패치 바이오 센서를 기반으로 글루코스 레벨(포도당 수치, glucose level)의 정확하고 정량적인 검출을 제안하였다. 두 종류의 RF 바이오 센서가 제안되었는데, 하나는 후면 슬롯 구조가 0.53 μL(2.5 mm x 2.0 mm x 0.106 mm)의 체적을 가지며, 다른 하나는 전면 탱크 구조가 0.70 μL(2 mm x 3.3 mm × 0.106 mm)이다. 1μL 미만의 시험 시료가 필요하므로 최소한으로 비 침습적인 검출(non-invasive detection)이 가능하다. 그리고, 글루코스의 농도가 다르기 때문에 다른 유효 유전 상수가 생성될 수 있기 때문에 패치의 전자기장이 간섭받을 수 있으며 25mg/dL~ 1000 mg/dL 범위의 다양한 글루코스 농도(glucose concentrations)에 대해 얻은 공진 주파수(resonant frequency)와 반사 계수(reflection coefficient)의 크기가 변화는 포도당 수치(glucose levels)의 검출을 위해 효율적으로 특성화된다. 또한, 패치 바이오 센서의 감도(sensitivity of patch biosensor)를 높이기 위해 백 슬롯(back slot)과 전면 탱크(front-side tank)는 패치(patch)가 테스트 글루코스 샘플(testing glucose sample)에 완전히 덮여 전자기가 완전히 상호 작용할 수 있도록 전체 패치보다 크게 구성된다. 또한, 테스트 글루코스가 체적 고정 구조(volume-fixed structures)로 떨어지자마자 밀접한 접촉으로 인해 1초 미만의 빠른 응답 시간을 얻을 수 있다. 제안된 바이오 센서의 우수한 재사용성(reusability)은 각각의 개별 포도당 샘플에 대해 3회 측정에 의해 검증된다. 결과적으로, 2가지 타입의 패치 바이오 센서(patch biosensor)의 최종 측정은 테스트 글루코스에서 1 mg/dL의 변화, 검출 한계 26.54 mg/dL 및 15.22 mg/dL 및 콤팩트 사이즈로 1.13 MHz 및 1.97 MHz의 감도를 나타낸다. 총 부피는 각각 2.5 mm × 2.5 mm × 0.4 mm 및 2.6 mm × 3.5 mm × 0.5 mm이다. 따라서, 제안된 RF 방법론은 포도당 감지(glucose sensing) 분야에서 우수한 증분 단계를 만드는데 적용 가능하고 유용할 것이다.

삭제

J. Wang, "Glucose biosensors: 40 years of advances and challenges", Electroanalysis, vol. 13, no. 12, pp. 983-988, Feb. 2001. N. Y. Kim, R. Dhakal, K. K. Adhikari, C. Wang, and E. S. Kim, "A reusable robust Rf biosensor using microwave resonator by integrated passive device technology for quantitative detection of glucose level", Biosensors and Bioelectronics, vol. 67, pp. 687-693, May. 2015. T. Yilmaz, R. Foster, and P. Wang, "Towards accurate dielectric property retrieval of biological tissues for blood glucose monitoring," IEEE Trans. Microw. Theory Techn., vol. 62, no. 12, pp. 3193-3204, Dec. 2014. M. Aloraefy, T. J. Pfefer, J. C. Ramella-Roman, and K. E. Sapsford, "In vitro evaluation of fluorescence glucose biosensor response", Seonsors, vol. 14, pp. 12127-12148, Jul. 2014. F. Ricci, D. Moscone, C. S. Tuta, G. Palleschi, A. Amine, A. Poscia, F. Valgimigli, and D. 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종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 체적 고정 구조(volume-fixed structure)와 결합된 RF 패치 바이오 센서를 기반으로 글루코스 레벨(포도당 레벨)의 정확하고 정량적인 검출하는 두 종류의 RF 바이오 센서를 제안하며, 하나는 후면 슬롯 구조가 0.53 μL(2.5 mm x 2.0 mm x 0.106 mm)의 볼륨을 가지며, 다른 하나는 전면 탱크 구조가 0.70 μL(2 mm x 3.3 mm × 0.106 mm)이며, 1μL 미만의 시험 시료가 필요하므로 최소한의 비 침습적인 검출(non-invasive detection)이 가능하고, 글루코스의 농도가 다르기 때문에 다른 유효 유전 상수가 생성될 수 있기 때문에 패치의 전자기장이 간섭받을 수 있으며 25mg/dL~ 1000 mg/dL 범위의 다양한 글루코스 농도(glucose concentrations)에 대해 얻은 공진 주파수(resonant frequency)와 반사 계수(reflection coefficient)의 크기가 변화하는 포도당 수치(glucose levels)의 검출하는, 체적 고정 구조들과 결합된 RF 패치 바이오 센서를 기반 글루코스 레벨의 정량적 검출 방법을 제공한다.

본 발명의 목적을 달성하기 위해, 체적 고정 구조들과 결합된 RF 패치 바이오 센서를 기반 글루코스 레벨의 정량적 검출 방법은 (a) 웨이퍼 세정 공정 후에, 기판 상에 SiO₂ 패시베이션 층이 저압 화학 기상 증착(LPCVD)에 의해 증착(SiO₂ deposition)하는 단계; (b) 기판과 후속 전기 도금된 Cu/Au 금속 사이의 금속 부착을 개선하기 위해 Ti/Au는 시드 금속으로 스퍼터링(Ti/Au Seed Metal sputtering)되는 단계; (c) 포토 레지스트(PR)를 사용하여 Cu/Au 금속의 구조를 형성하는 단계; (d) 상기 Cu/Au 금속을 전기 도금하여 패치 바이오 센서의 패턴을 형성하는 단계; (e) 형성된 포토 레지스트(PR)를 리프트 오프(lift-off) 기계에서 아세톤 용액을 사용하여 PR을 제거하는 단계; (f) 상기 시드 금속을 제거하여 단락 문제를 방지할 수 있도록 Ar에서 유도 결합 플라즈마 에칭 기(inductively coupling plasma etcher)와 반응성 이온 식각(reactive ion etching, RIE) 공정을 사용하여 친수성 처리(hydrophilic treatment)에 의해 후면 슬롯(backside slot)을 갖는 RF 패치 바이오 센서를 형성하는 단계; 및 (g) 상기 친수성 처리 후에, SU-8 코팅하고, 좌측부와 우측부에 각각 SU-8을 형성하여 전면 탱크(front-side tank)를 갖는 RF 패치 바이오 센서를 제조하는 단계;를 포함하며,

상기 RF 패치 바이오 센서는 글루코스 농도의 무선 주파수(RF)를 검출하기 위해 프로브 스테이션(probe station)이 사용되며, 공진 주파수 변화 및 S₁₁ 크기 변화를 측정하며, 상기 RF 패치 바이오 센서의 주파수 응답은 10~25 GHz의 주파수 범위에서 측정된다.

상기 단계 (a)에서 상기 기판은 400 μm의 실리콘 기판을 사용하며, 상기 SiO₂ 패시베이션 층은 200 nm의 두께를 갖는 SiO₂ 패시베이션 층을 형성한다.

상기 단계 (b)에서, 상기 Ti/Au는 20/80 nm의 두께를 갖는다.

상기 단계 (c)에서, 상기 Cu/Au 금속은 두께가 4.5/0.5㎛ 인 것을 특징으로 한다.

상기 후면 슬롯(backside slot) 구조를 형성하기 위해 Bosch deep RIE가 샘플 패치에 적용되어 슬롯 구조가 완성되며, 250 sccm의 SF6, 압력이 4.5 x 10-2 mbar, 코일 전력이 2700 W, 바이어스 전력이 35 W, 척 온도(chuck temperature)가 -10℃인 조건에서 에칭 프로세스(etching process)에 실리콘 딥 에칭 장치를 사용하였으며,

패시베이션 프로세스의 경우 C₄F₄ 80sccm, 압력 2.8 × 10-12mbar, 코일 전력 1800W이 적용되었으며, 이러한 조건에서 패시베이션 공정의 64 cycles이 11 분 동안 10 μm/min의 에칭 속도와 50:1(실리콘:PR) 이상의 높은 선택성으로 진행되었으며,

최종적으로, 친수성 처리(hydrophilic treatment)를 하여 시험된 샘플이 슬롯 표면을 부드럽고 균등하게 덮을 수 있도록 하였으며, 샘플 웨이퍼는 RCA-1 용액(NH₃ : H₂O₂ : H₂O, 70 ℃)과 DI water에서, 세정 프로세스에 따라 30 sccm의 가스 유량(gas flow rate), 150W의 RF power와 기판 전극에서의 바이어스 전압을 125-280 V 사이에서 변화시킨 후, 100mTorr을 가진 RIE를 사용하여 Ar에서 30초 동안 노광(exposed)하는 것을 특징으로 한다.

샘플 패치를 기반으로 한 상기 전면 탱크 구조를 구성하기 위해 SU-8 2100이 네거티브 포토레지스트(negative photoresist)가 선택되어 안정된 탱크 구조를 형성하며, 먼저, 상기 친수성 처리가 수행된 후, 음이온 SU-8 2100 PR의 코팅 전에 N₂H₂/O₂ 플라즈마 표면 처리가 적용되고, 100℃의 온도와 300rpm의 회전 속도(spin speed)에서 10 rpm/s의 가속도로 120초 동안 코팅된 SU-8 2100에 대해 우수한 밀도(density)와 거칠기(roughness)를 얻을 수 있으며, 그후 소프트 베이크(65℃, 5 UV 조사(240 mJ/cm²), 노광 후 베이크(95℃, 5분), 현상(SU-8 현상액, 30분), DI 세척 및 하드 베이킹(150℃, 20분)을 수행함으로써 최종적으로 SU-8 전면 탱크(SU-8 front-side tank) 구조가 종횡비(high aspect ratio)와 높이(height) 및 폭(width)의 예상 치수로 제조되며,

길이(length), 폭(width) 및 기판 높이(substrate height)의 고정 값을 갖는 주어진 RF 패치 바이오 센서에 대해, 상기 RF 패치 바이오 센서의 공진 주파수는 유효 유전 상수 ε_reff에 비례한다.

상기 전면 탱크는 길이와 너비가 3.3 mm x 2.0 mm이고 높이가 106μm 인 것을 특징으로 한다.

상기 글루코스 농도의 무선 주파수(RF) 검출은 RF 패치 바이오 센서의 공진 주파수 및 신호의 진폭에서의 변화(RF 응답)을 측정하기 위해, 프로브 스테이션(probe station)이 사용되며, 글루코스 램플을 mLINE 피펫(mLINE pipette: 0.1-3μL)을 사용하여 상기 후면 슬롯과 상기 전면 탱크에 각각 직접 놓으며, 상기 피펫은 정확히 0.53μL와 0.70μL로 정확하게 설정되며, 상기 mLINE 피펫을 사용한 글루코스 샘플을 상기 후면 슬롯과 상기 전면 탱크에 떨어뜨린 후에 평평한 표면을 관찰한다.

삭제

상기 글루코스 샘플의 측정 온도와 상대 습도는 각각 22.1 ~ 22.6℃ 및 14.1 ~ 14.3 % 범위 인 것을 특징으로 한다.

상기 글루코스 샘플의 RF 측정 후 상기 후면 슬롯과 상기 전면 탱크를 인산염 완충 식염수(phosphate-buffered saline, PBS)를 먼저 휑군 다음, 탈 이온수(DI water)를 사용하여 여러 번 세척하여 다음 샘플을 측정하기 전에 글루코스 샘플을 제거하여 상기 RF 패치 바이오 센서를 재사용한다.

상기 RF 패치 바이오 센서는 후면 슬롯(0.53 μL) 및 전면 탱크(0.70 μL) 구조 인 체적 고정 구조(volume-fixed structures)와 별도로 결합되어 글루코스 레벨(glucose level)을 정밀하고 비 침습적인 검출(a precise and minimally non-invasive detection of glucose level)이 25mg/dL ~ 1000 mg/dL의 넓은 범위에서 검출한다.

본 발명에 따른 체적 고정 구조들과 결합된 RF 패치 바이오 센서를 기반 글루코스 레벨의 정량적 검출 방법은 RF 주파수 변동에 기초하여 당뇨병 환자의 개인의 글루코스 레벨의 상태(individual’s state of glucose levels)를 적시에 모니터링하기 위해 체적 고정 구조(volume-fixed structure)와 RF 패치 바이오 센서(radiofrequency patch biosensor combined with volume-fixed structure)의 특성화에 대한 개념이 제시되었다. 후면 슬롯(backside slot)(0.53 μL)과 전면 탱크(front-side tank)(0.70 μL) 구조로 개별적으로 통합된 2가지 타입의 패치 바이오 센서는 테스트 글루코스 샘플(포도당 샘플)의 액체 상태, 모양 및 두께의 간섭을 제외하고 정확하고 효율적으로 검출하기 위해 개발되었다. 25 mg/dL에서 1000 mg/dL 범위의 다양한 농도에서 시험 분석 물질로써의 글루코스(glucose)는 개별적으로 체적 고정 구조(volume-fixed structures)에 떨어 뜨리고 무선 주파수 패치의 전자기장과 효과적으로 상호 작용하여 공진 주파수와 크기를 민감하게 변화시킨다. 제안된 두 가지 유형의 패치 바이오 센서가 글루코스 레벨의 검출이 가능하다는 것을 증명하는 반사 계수의 측정은 프로브 스테이션(probe station)에서 수행되며, 이 두 가지 바이오 센서는 모두 1mg/dL 당 1.13MHz 및 1.97MHz까지 높은 감도(high sensitivity)를 나타내며, 1초 미만의 짧은 응답 시간(short response time)과 26.54mg/dL 및 15.22 mg/dL의 낮은 검출 한계를 보였다.

제안된 RF 패치 바이오 센서의 우수한 재사용성(resuability)은 각 개별 글루코스 샘플에 대해 3회 측정을 통해 검증되었다. 회귀 분석 결과, 후면 슬롯과 전면 탱크 구조를 갖는 바이오 센서의 공진 주파수에서의 이동(shift in resonance frequency)과 글루코스 농도(glucose concentrations) 사이의 0.90 및 0.96의 양호한 선형 상관관계 뿐만 아니라 S₁₁ 크기의 이동(shift in S₁₁ magnitude)을 가진 글루코스 농도 사이의 0.95와 0.88의 양호한 선형 상관관계가 나타났다. 결과적으로 이 접근법은 글루코스 용액(포도당 용액)의 수준(level of glucose solution)을 구별하기 위해 적용될 수 있으며, 당뇨병 환자의 글루코스 레벨(포도당 수치)의 조기 발견을 위한 잠재적인 후보 기술로 여겨진다.

도 1은 제안된 다층을 갖는 패치 바이오 센서의 횡단면도이다.
도 2는 (a) 플로우 차트 및 (b) 패치 바이오 센서의 상세한 제조 개요의 횡단면도이다.
도 3은 후면 슬롯과 전면 탱크를 갖는 제안된 패치 바이오 센서의 구조: (a) 후면 슬롯을 갖는 패치 바이오 센서 이미지, (a-i) 후면 슬롯, (a-ii) 슬롯의 우측 상단 부분, (a-iii) 슬롯의 좌측 하단 부분, (a-iv) 슬롯의 좌측 하단 부분의 깊이 측정; (b-ii), 패치의 하부, (b-iii) 탱크의 두께 측정 및 (b-iv) 패치 금속의 두께 측정을 나타낸 도면이다.
도 4는 패치 바이오 센서의 S-파라미터 측정을 위한 스킴 : (a) 테스트중인 패치 바이오 센서, (b) 제작된 베어 웨이퍼, (c) 프로브 스테이션, (d) 글루코스 샘플, PBS 및 DI water 및 mLINE 피펫(mLINE pipets)과 팁을 나타낸 사진이다.
도 5는 패치 바이오 센서의 전기적 특성 분석 : 다양한 조건에서 공진 주파수의 변화, (a) 후면 슬롯 구조 및 (b) 전면 탱크 구조; 25 mg/dL에서 1000 mg/dL까지 다양한 농도의 DI 워터 글루코스 샘플에 대한 반사 계수(reflection coefficient, S₁₁) 크기의 공진 주파수에서 이동. (c) 후면 슬롯 구조 및 (d) 전면 탱크 구조를 나타낸 도면이다.
도 6은 패치 바이오 센서의 전기적 특성 분석 : error bars를 가진 공진 주파수의 평균값을 포함한 선형 공진 주파수, (a) 후면 슬롯 구조 (R² = 0.9047) 및 (b) 전면 탱크 구조 (R² = 0.96823); (c) 후면 슬롯 구조 (R² = 0.95284) 및 (d) 전면 탱크 구조 (R² = 0.88535)의 S₁₁ 크기의 평균값을 포함하여 선형적으로 맞추어진 S11 크기를 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 발명의 구성 및 동작을 상세하게 설명한다.

주파수 변동에 기초하여 개인의 글루코스 레벨(포도당 수치)의 상태(individual’s state of glucose levels)를 적시에 모니터링하기 위해 체적 고정 구조(volume-fixed structure)와 결합된 RF 패치 바이오 센서(radiofrequency patch biosensor combined with volume-fixed structure)의 특성화에 대한 개념이 제시된다. 후면 슬롯(backside slot)(0.53 μL)과 전면 탱크(front-side tank)(0.70 μL) 구조로 개별적으로 통합된 2가지 타입의 패치 바이오 센서는 테스트 글루코스 샘플(포도당 샘플)의 액체 상태, 모양 및 두께의 간섭을 제외하고 정확하고 효율적으로 검출하기 위해 개발되었다. 25 mg/dL에서 1000 mg/dL 범위의 다양한 농도에서 시험 분석 물질로써의 글루코스(glucose, 포도당)는 개별적으로 체적 고정 구조(volume-fixed structures)에 떨어 뜨리고 무선 주파수 패치의 전자기장과 효과적으로 상호 작용하여 공진 주파수와 크기를 민감하게 변화시킨다. 제안된 두 가지 유형의 패치 바이오 센서가 글루코스 레벨의 검출에 가능하다는 것을 증명하는 반사 계수의 측정은 프로브 스테이션(probe station)에서 수행되며, 이 두 가지 바이오 센서는 모두 1mg/dL 당 1.13MHz 및 1.97MHz까지 높은 감도(high sensitivity)를 나타내며, 1초 미만의 짧은 응답 시간(short response time)과 26.54mg/dL 및 15.22 mg/dL의 낮은 검출 한계를 보인다. 제안된 RF 패치 바이오 센서(이하, '패치'로 칭함)의 우수한 재사용성(resuability)은 각 개별 글루코스 샘플에 대해 3회 측정을 통해 검증된다. 회귀 분석 결과, 후면 슬롯과 전면 탱크 구조를 갖는 바이오 센서의 공진 주파수에서의 이동(shift in resonance frequency)과 글루코스 농도(glucose concentrations) 사이의 0.90 및 0.96의 양호한 선형 상관관계 뿐만 아니라 S₁₁ 크기의 이동(shift in S₁₁ magnitude)을 가진 글루코스 농도 사이의 0.95와 0.88의 양호한 선형 상관관계가 나타났다. 결과적으로 이 접근법은 글루코스 용액(포도당 용액)의 수준(level of glucose solution)을 구별하기 위해 적용될 수 있으며, 당뇨병 환자의 글루코스 레벨(포도당 수치)의 조기 발견을 위한 잠재적인 후보 기술로 여겨진다.

II. 방법 및 재료

(a) 패치 바이오센서의 동작 메커니즘

패치(Patch)는 낮은 프로파일, 경량 및 낮은 제조 비용뿐만 아니라 글루코스 샘플이 패치 표면과 접촉할 때 민감한 반응으로 인해 바이오 센서 어플리케이션에 대한 매력적인 후보 기술이다[17-18]. 감지 원리는 전자기 경계 조건(electromagnetic boundary conditions)의 변화 동안 무선 주파수 패치(radiofrequency patch)에 민감한 주파수 응답의 변화(variation of frequency response)를 감지하는 것이다. 설계된 패치 크기와 공진 파장 사이의 균형을 고려해야 하며, 바이오 센싱 디바이스의 개발 동향은 크기가 작고, 비 침습적(non-invasive)이며, 표본 처리를 위한 정량 구조(quantitative structure for sample handling)와 통합되어 있으므로 가장 널리 사용되는 구성인 사각형 패치(rectangular patch)를 선택하고, 글루코스 샘플의 소비를 최소화하려는 Ku-band에서의 바이오 센서 응용을 위해 CPW(coplanar waveguide)에 의해 제공되는 전송-라인 모델(transmission-line models)을 사용하여 분석하기 쉽다. 패치의 크기는 길이(length)와 너비(width)에 따라 유한한데, 패치(patch)의 가장자리(edge)에서의 필드는 프린징(fringing)을 겪는다. 그러므로, 프린지 효과(fringing effects)를 고려하면, 지배적인 TM₀₁₀ 모드에서 제안된 패치의 공진 주파수(f_TM010)는 다음과 같이 추론할 수 있다.

여기서, c는 자유 공간에서의 빛의 속도, Leff 및 ε_reff는 패치에 대한 유효 길이 및 dielectric constant, L은 패치의 길이(length of patch), ΔL은 프린징 효과(frindging effect)에 의해 패치(patch)를 따라 연장된 길이 이다. 그리고, 길이의 정규화된 확장(normalized extension)를 위한 매우 일반적이고 실제적인 근사 관계가 적용되고 [19]와 같이 주어진다.

여기서, W는 패치의 폭, h는 기판의 높이이다. 식 (1) - (3)에 기초하여, 지배적인 TM₀₁₀ 모드에서의 공진 주파수(f_TM010)는,

길이(length), 폭(width) 및 기판 높이(substrate height)의 고정 값을 갖는 주어진 패치에 대해, 제안된 패치의 공진 주파수는 유효 유전 상수 ε_reff에 비례한다.

(b) 패치 바이오 센서의 유전율 분석(Permittivity analysis)

글루코스의 유전율(permitivity)은 농도에 의존하기 때문에 글루코스의 농도에 따라 다른 전기적 현상이 나타난다. 그러므로, 포도당 농도에 따른 유전율의 변화는 패치의 ε_reff의 불일치를 초래하고[20], 패치 바이오 센서의 공진 주파수에 영향을 미친다. 이 작업에서는 후면 슬롯과 전면 탱크가 각각 글루코스 시료를 잡고 정량 검출을 통해 글루코스 센서를 얻는데 적용된다. 공기, 마이크로 스트립 패턴, 실리콘 기판 및 글루코스 층(glucose layer)으로 구성된 다층 구조로 볼 수 있다. 두 개 이상의 유전체 계면(dielectric interface)을 갖는 다층 마이크로 스트립 전송 라인의 준 정적 분석(quasistatic analysis of multilayer microstrip transmission lines)을 위해 변형 방법이 가장 단순한 것으로 밝혀졌다[21].

도 1은 제안된 다층을 갖는 패치 바이오 센서의 단면도이다.

2-층 개방형 마이크로 스트립 메커니즘에 해당하는 후면 슬롯 구조를 갖는 패치 센서의 경우, h₃ = 0, h₄ = ∞, 여기서 εr₁, h₁ 및 εr₂, h₂는 각각 글루코스 층 및 실리콘 기판의 유전 상수 및 두께를 나타내고, 유효 유전 상수(effective dielectric constant)는,

실드된 마이크로 스트립 메커니즘에 대응하는 전면 탱크 구조를 갖는 패치 센서의 경우, h₂ = h₃ = 0, 여기서 εr₁, h₁ 및 εr₄, h₄는 각각 실리콘 기판 및 글루코스 층의 유전 상수 및 두께이고, 유효 유전 상수는,

여기서, Q는 스트립 도체의 전체 전하를 나타내며, β는 푸리에 변환 변수이고 ε₀는 자유 공간 유전율입니다. 두 종류의 유전체층을 갖는 마이크로 스트립의 단위 길이에 대한 커패시턴스는 C로 표시되고, 커패시턴스 Ca는 모든 유전체층이 공기로 대체될 때 결정된다. 제안된 두 가지 타입의 패치 바이오 센서의 경우, Q의 값, 실리콘 기판의 유전 상수 및 두께가 고정되어 있기 때문에 유효 유전 상수는 주로 포도당 층의 두께와 유전 상수에 의해 결정된다고 추론할 수 있다.

III. 디바이스 개념 및 제조

RF 패치 바이오 센서의 제조 방법의 순서도는 도 2(a) 및 도 2 (b)에 각각 도시되었다. 높은 에칭 선택성에 의해 실리콘 기판(400 ㎛)을 사용하였다.

단계1: 실리콘 기판(400 ㎛)이 6인치 실리콘 웨이퍼 세정 공정 후에, 실리콘 기판(400 ㎛) 상에 200 nm의 두께를 갖는 SiO₂ 패시베이션 층(SiO₂ passivation layer)이 저압 화학 기상 증착(low pressure chemical vapor deposition, LPCVD)에 의해 증착(SiO₂ deposition)되어, 실리콘 베어 웨이퍼(silicon bare wafer)의 표면의 결함(defaults) 및 거칠기(roughness) 문제를 극복하는 평평한 표면을 만든다.

단계 2: 기판과 후속 전기 도금된 Cu/Au 금속 사이의 금속 부착을 개선하기 위해 20/80 nm의 두께를 갖는 Ti/Au는 시드 금속으로 스퍼터링(Ti/Au Seed Metal sputtering)된다.

단계 3: 포토 레지스터(photo resistor, PR)를 사용하여 Cu/Au 금속의 구조를 형성한다(define).

단계 4: 두께 4.5/0.5㎛의 Cu/Au 금속을 전기 도금(metal electroplating)하여 패치 바이오 센서의 패턴(pattern)을 형성한다. 여기서, 상대적으로 우수한 전도성, 쉬운 납땜 성, 고속 동작 및 순수한 금층(pure gold layer)에 비해 저렴한 비용 때문에 두꺼운 구리 층(copper layer)이 적용된다.

단계 5: 형성된 포토 레지스트(PR)를 리프트 오프(lift-off) 기계에서 아세톤 용액을 사용하여 PR을 제거한다(photo resist strip-off).

단계 6: 원치 않는 시드 금속(seed metal)을 제거하여 단락 문제를 방지할 수 있도록 Ar에서 유도 결합 플라즈마 에칭 기(inductively coupling plasma etcher)와 반응성 이온 식각(reactive ion etching, RIE) 공정을 채택하여 친수성 처리(hydrophilic treatment)에 의해 후면 슬롯(backside slot)을 갖는 패치 바이오 센서를 형성하며; 및 상기 친수성 처리 후에, SU-8 코팅하고, 좌측부와 우측부에 각각 SU-8을 형성하여 전면 탱크(front-side tank)를 갖는 패치 바이오 센서를 제조한다.

지금까지 샘플 패치로 표시된 패치의 기본 구조가 완료되었으며, 후면 슬롯 및 전면 탱크의 제조 하였다.

도 2는 (a) 플로우 차트 및 (b) 패치 바이오 센서의 상세한 제조 개요의 횡단면도이다.

후면 슬롯(backside slot) 구조를 형성하기 위해 Bosch deep RIE가 샘플 패치에 적용되어 슬롯 구조가 완성된다. 250 sccm의 SF6, 압력이 4.5 x 10^-2 mbar, 코일 전력이 2700 W, 바이어스 전력이 35 W, 척 온도(chuck temperature)가 -10℃인 조건에서 보쉬 에칭 프로세스(Bosch etching process)에 실리콘 딥 에칭 장치 AMS 200을 사용하였다.

보쉬 패시베이션 프로세스의 경우 C₄F₄ 80sccm, 압력 2.8 × 10^-12mbar, 코일 전력 1800W가 구현되었다. 이러한 조건에서 Bosch 공정의 64 cycles이 11분 동안 10 ㎛/min의 에칭 속도(etching rate)와 50:1(실리콘:PR) 이상의 높은 선택성으로 진행되었다. 최종적으로, 친수성 처리(hydrophilic treatment)를 하여 시험된 샘플이 슬롯 표면을 부드럽고 균등하게 덮을 수 있도록 하였다. 그러므로, 샘플 웨이퍼는 RCA-1 용액(NH₃ : H₂O₂ : H₂O, 70 ℃)과 DI water에서, 세정 프로세스에 따라 30 sccm의 가스 유량(gas flow rate), 150W의 RF power와 기판 전극에서의 바이어스 전압을 125 ~280V 사이에서 변화시킨 후, 100 mTorr을 가진 반응성 이온 식각(RIE)을 사용하여 Ar에서 약 30초 동안 노광(exposed)하였다[22].

샘플 패치를 기반으로 한 전면 탱크 구조를 구성하기 위해 SU-8 2100이 네거티브 포토레지스트(negative photoresist)로 선택되어 안정된 탱크 구조를 형성한다. 먼저, 상기 친수성 처리가 수행된 후, 음이온 SU-8 2100 PR의 코팅 전에 N₂H₂/O₂ 플라즈마 표면 처리가 적용된다. 100℃의 온도와 300rpm의 회전 속도(spin speed)에서 10 rpm/s의 가속도로 120초 동안 코팅된 SU-8 2100에 대해 우수한 밀도(density)와 거칠기(roughness)를 얻을 수 있다. 그후 소프트 베이크(65℃, 5 UV 조사(240 mJ/cm²), 노광 후 베이크(95℃, 5분), 현상(SU-8 현상액, 30분), DI 세척 및 하드 베이킹(150℃, 20분)을 수행함으로써 최종적으로 SU-8 전면 탱크(SU-8 front-side tank) 구조가 종횡비(high aspect ratio)와 높이(height) 및 폭(width)의 예상 치수로 달성될 수 있다.

도 3 (a)와 (b)는 후면 슬롯과 전면 탱크가 있는 제안된 RF 패치 바이오 센서의 구조를 각각 나타낸다. 현미경 이미지는 후면 슬롯용 도 3(a-i), (a-ii) 및 도(a-iii), 전면 탱크 용 도 3(b-i) 및 (b-ii)에 도시된 바와 같이, 바이오 센서의 주요 부분을 정확하게 보여준다. 그리고 Alpha-Step IQ는 위에서 언급한 주요 부품에서 웨이퍼 표면의 깊이와 두께를 정확하게 감지하기 위해 적용된다. 길이와 너비가 2.5 mm × 2.0 mm, 약 106μm의 깊이를 갖는 후면 슬롯이 각각 도 3 (a-1) 및 도 3 (a-iv)와 같이 얻어진다. 그리고, 길이와 너비가 3.3 mm x 2.0 mm이고 높이가 약 106μm인 전면 탱크는 도 3 (b), (b-iii) 및 (b-iv)에 도시된 바와 같이, 각각 5 μm Cu/Au 금속을 얻을 수 있다. 도 3 (a-iv) 및 (b-iv)에서 수평선의 약간의 변동은 친수성 처리(hydrophilic treatment)에 의해 야기된 후면 슬롯 및 전면 금속의 거친 표면에 기인한다.

도 3은 후면 슬롯과 전면 탱크를 갖는 제안된 패치 바이오 센서의 구조: (a) 후면 슬롯을 갖는 패치 바이오 센서 이미지, (a-i) 후면 슬롯, (a-ii) 슬롯의 우측 상단 부분, (a-iii) (a-iv) 슬롯의 좌측 하단 부분의 깊이 측정; (b-ii), 패치의 하부, (b-iii) 탱크의 두께 측정 및 (b-iv) 패치 금속의 두께 측정을 나타낸 도면이다.

IV. 결과

(a) 샘플 프레젠테이션 및 RF 검출 방법

탈 이온수(deionized water: Merck Millipore, Billerica, MA, USA)와 D-글루코스 분말(D-glucose powder: Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA)의 혼합물로 구성된 D-포도당 수용액(D-glucose aqueous solution)의 샘플들은 다음 9개의 다른 농도들을 준비된다: 25, 50, 100, 200, 300, 400, 500, 600 및 1000 mg/dL.

글루코스 농도의 무선 주파수(RF) 검출은 패치 바이오 센서의 공진 개념을 기반으로 하며, 이는 공진 주파수 및 신호의 진폭에서의 적절한 변화를 일으킨다. 따라서, 패치 바이오 센서의 RF 응답 측정을 수행하기 위해, 도 4에 도시된 바와 같이 프로브 스테이션(probe station)이 사용된다. 글루코스 램플(포도당 샘플, glucose sample)을 mLINE 피펫(mLINE pipette: 0.1-3μL, Sartorius, Gottingen, Germany)을 사용하여 후면 슬롯과 전면 탱크에 각각 직접 놓는다. 피펫은 정확히 0.53μL와 0.70μL로 정확하게 설정되며, 글루코스 샘플을 후면 슬롯과 전면 탱크에 떨어뜨린 후에 평평한 표면을 관찰할 수 있으며, 이는 제안된 체적 고정 개념의 체적 사양을 검증한다. 그 다음 테스트의 경우, 비싼 mLINE 피펫(mLINE pipette) 대신 의료용 주사기와 같은 일반 피펫을 사용할 수 있다. 주파수 응답은 10~25 GHz의 주파수 범위에서 측정된다. 그리고, 일정한 온도와 습도에서 샘플을 유지하기 위해 모든 샘플을 테스트 전에 실온과 습도로 평형을 유지한다. 이 평형의 효과를 측정하기 위해 각각의 개별 시료의 온도는 각 특정 시료에 대한 RF 측정 직전에 열전쌍 프로브(thermocouple probe)로 측정된다[23]. 개별 시료의 측정 온도와 상대 습도는 각각 22.1 ~ 22.6℃ 및 14.1 ~ 14.3 % 범위였다.

샘플의 RF 측정 후 후면 슬롯과 전면 탱크를 인산염 완충 식염수(phosphate-buffered saline, PBS)를 먼저 사용한 다음, 탈 이온수(DI water)를 사용하여 여러 번 세척하여 다음 샘플을 측정하기 전에 글루코스 샘플을 제거한다.

도 4는 패치 바이오 센서의 S-파라미터 측정을 위한 스킴 : (a) 테스트중인 패치 바이오 센서, (b) 제작된 베어 웨이퍼, (c) 프로브 스테이션, (d) 글루코스 샘플, PBS 및 DI water 및 mLINE 피펫(mLINE pipets)과 팁들을 나타낸 사진이다.

(b) 디바이스들의 RF 응답

DI water와 PBS 용액으로 측정한 bare patch와 patch의 반사 계수(reflection coefficients)를 도 5(a) 및 5(b)에 도시된 바와 같이 후면 슬롯과 전면 탱크가 있는 패치 바이오 센서를 나타낸 것이다. 상기 각각의 조건에 대해, 패치의 공진 주파수는 21.09 GHz 및 17.25 GHz의 공진 주파수를 갖는 베어 패치(bare patch)로부터 아래쪽으로 시프트된다(downward shift). Di water(탈 이온수)는 가장 낮은 점도(the lowest viscosity)를 가지므로 중심 주파수의 최대 하향 이동을 생성한다[24]. 그후, 25 mg/dL에서 최대 1000 mg/dL 범위의 다양한 글루코스 농도로 실험을 수행한다. 유효 유전 상수(effective dielectric constant)의 변화에 의해 농도가 증가하는 추세에서 베어 패치가 글루코스(포도당)로 채워지면, 진폭이 감소함에 따라 공명 피크가 상승한다.

도 5 (c) 및 5 (d)에 도시된 바와 같이, 공진 주파수에서 허용할 수 있는 시프트(tolerable shift in resonance frequency)를 가진, 각각 글루코스 용액(포도당 용액)으로 채워진 패치(patch)의 공진 주파수는 18.84에서 19.82GHz 사이 및 13.09에서 15.23GHz까지의 범위에서 변한다. 그리고, 2.25 GHz와 4.16 GHz의 최대 시프트는 베어 패치(bare patch)와 비교하여 25 mg/dL의 최저 포도당 수치에서 생성된다. 회귀 분석은 도 6(a) 및 도 6(b)에 도시된 바와 같이, 글루코스 농도와 중심 주파수의 시프트 사이에 개별적으로 양호한 선형 상관관계(linear correlation)를 나타내며, 도 6(c) 및 도 6(d)에 도시된 바와 같이, S₁₁의 크기를 시프트시키며, 선형 회귀 방정식(linear regression equations)은 다음과 같이 표현된다.

후면 슬롯(backside slot)을 가진 패치 바이오 센서의 경우,

y₁ [GHz] = 0.00113 × x [mg/dL] + 18.91961, 공진 주파수용, 및
선형 상관관계 R² = 0.9047,

삭제

y₂ [dB] = 0.00143 × x [mg/dL] - 13.15258, S₁₁의 크기용, 및
선형 상관관계 R² = 0.95284;

삭제

전면 탱크(front-side tank)를 가진 패치 바이오 센서의 경우,

y₁ [GHz] = 0.00197 × x [mg / dL] + 13.33439, 공진 주파수용 및
선형 상관관계 R² = 0.96823,

삭제

y₂ [dB] = -0.0019 × x [mg / dL] - 12.17175, S₁₁의 크기용 및
선형 상관관계 R² = 0.88535이다.

삭제

여기서, y₁ 및 y₂는 S₁₁의 공진 주파수 및 크기를 나타내고, x는 글루코스 용액의 농도(concentration of glucose solution)를 각각 나타낸다. 분석은 공진 식별 접근법(resonance identification approach)이 글루코스 레벨(glucose level, 포도당 수치)의 검출에 적용될 수 있음을 나타낸다. 분리된 2 가지 타입의 RF 패치 바이오 센서에 대해 직접 비례 및 반비례가 관찰되는 도 6(c)와 도 6(d)는 점 선의 비율 차이가 있다. 이러한 현상은 주로 패치(patch)의 특성 임피던스 매칭에 기인한다. 반사 계수(reflection coefficient)의 크기는 유효 유전 상수(effective dielectric constant)의 변화 때문에 패치(patch)의 특성 임피던스가 50 Ω에 도달하게 된다. 제안된 두 가지 유형의 RF 패치 바이오 센서의 경우 글루코스 농도가 25mg/dL에서 1000mg/dL 범위에 있는 한 유효 유전 상수는 감소하고, 슬롯 구조를 갖는 패치의 임피던스는 50Ω에 도달하며 탱크 구조가 있는 패치는 50Ω에서 떨어져 있다.

도 5는 패치 바이오 센서의 전기적 특성 분석 : 다양한 조건에서 공진 주파수의 변화, (a) 후면 슬롯 구조 및 (b) 전면 탱크 구조; 25 mg/dL에서 1000 mg/dL까지 다양한 농도의 DI 워터 글루코스 샘플에 대한 반사 계수(reflection coefficient, S₁₁) 크기의 공진 주파수에서 이동. (c) 후면 슬롯 구조 및 (d) 전면 탱크 구조를 나타낸 도면이다.

도 6은 패치 바이오 센서의 전기적 특성 분석 : error bars를 가진 공진 주파수의 평균값을 포함한 선형 공진 주파수, (a) 후면 슬롯 구조 (R² = 0.9047) 및 (b) 전면 탱크 구조 (R² = 0.96823); (c) 후면 슬롯 구조 (R² = 0.95284) 및 (d) 전면 탱크 구조 (R² = 0.88535)의 S₁₁ 크기의 평균값을 포함하여 선형적으로 맞추어진 S11 크기를 나타낸 도면이다.

표 S1, S2 (보충 섹션) 및 표 S3 및 S4 (보충 섹션)는 후면 슬롯 및 전면 탱크가있는 패치 바이오 센서에 대해 각각 다른 농도의 글루코스 용액(포도당 용액)으로 공진 주파수 변화 및 S₁₁ 크기 변화를 요약하였다. 탐지 한계(limit of detection, LOD)로 알려진 이 장치의 감지 제한은 각각 26.54 mg/dL 및 15.22 mg/dL로 계산된다. 검량선(calibration curves)의 특성과 패치 바이오 센서의 상대 표준 편차(relative standard deviation, RSD)가 1 % 미만인 주파수 편이에서 얻은 데이터는 특정 농도에 대한 공진 주파수의 작은 확산(a small spread of the resonance frequencies)을 나타낸다. 성능 기반의 비교 분석은 표 1에 요약되어 있는데, 상대적으로 높은 LOD가 계산되더라도 감도(sensitivity)는 다른 결과와 비교할 때 상당히 뛰어나고 응답 시간(response time)은 다른 것보다 상당히 우수하다. 가장 중요한 것은 고가의 피펫을 사용하지 않고도 정량 검출이 가능하며, 제안된 방법이 시험 포도당 샘플(testing glucose sample)의 유동성, 모양 및 두께 및 공진기 표면(resonator surface) 상의 고정되지 않은 위치(non-fixed position)에서 야기된 측정 편차를 피할 수 있으며, 당뇨병 환자의 포도당 수치(glucose level)의 조기 발견을 위한 잠재적인 후보 기술로 고려된다.

(c) 재사용성(Reusability) 및 실시간 식별 능력

바이오 센서의 재사용성은 글루코스 용액 사용 전후의 공진 주파수를 측정하는 것을 특징으로 한다. 글루코스(glucose)의 각 농도에 대한 3가지 실험 세트가 실험의 각 반복 루프에 대한 공진 주파수를 관찰하기 위해 수행된다. 전체 글루코스 샘플에 대해 총 54 개의 실험을 테스트하고 테이블 S1(보충 섹션)과 같이 산포도로 나타냈다. 측정 프로세스의 긴 반복에 대한 장치 응답 저하는 없습니다. 관측된 데이터는 실험의 상이한 세트에 대한 농도들 사이에서 공진 주파수의 중복이 없음을 보여준다. 이 관찰은 제안된 장치가 PBS 및 DI water로 헹굼으로써 초기 사용 후에 여러 번 재사용 될 수 있음을 입증하였다. 헹굼 후의 각 실험 세트의 2 가지 유형의 바이오 센서의 노출된 베어 공진 주파수(bare resonance frequency)는 21.09GHz와 17.25GHz에서 각각 얻어졌으며 제안된 바이오 센서 시스템의 안정성과 재사용 가능성을 확인했다. 장치의 감도(sensitivity)는 최종 출력에 필요한 시간에 반영된다. 제안된 바이오 센서의 효과를 분석하기 위해 글루코스 용액을 전면 탱크에 떨어 뜨린 후의 반응 시간을 측정한다. 프로브 스테이션(probe station)의 화면에서 주파수 응답을 얻을 수 있기까지는 1 초 이상 걸리지 않는다. 이는 제안된 바이오 센서에 대한 포도당 수치(glucose level)의 향상된 실시간 식별을 보여준다. 후면 슬롯을 가진 바이오 센서의 경우, 프로브 스테이션에서 RF 응답 측정 중에 포도당 시료를 후면 슬롯에 넣기가 어려운 측정 과정 때문에 실시간 특성이 테스트되지 않는다.

현재 환경 습도의 탐지 및 제어는 산업 및 농산물 생산, 기상학, 환경 보호, 국방, 과학 연구, 항공 우주 등의 분야에서 매우 중요하다. 그러므로, 연구 개발 습도 센서는 재료, 전자 및 센서 분야의 핵심 기술에 대한 종합적인 연구이다. 고정밀, 고감도, 저습도의 히스테리시스 특성 및 높은 검출 거리를 갖는 고성능 습도 센서를 제작하여 생산하기 위해 최근 여러 가지 신소재 및 첨단 기술이 제시되어 왔으며, 최근 검증된 종합 성능 지수 최종 제품의 불균형 한 자산 문제가 여전히 남아 있다. 이를 고려하여 본 제안은 기능성 세라믹 재료(functional ceramic materials), 고분자 재료(polymer materials) 및 금속 첨가물(metal additives)을 원료로 체계적으로 수행하고, 습도 센서는 이후의 치료 계획을 위해 상온 에어러졸 증착 기술(room temperature aerosol deposition technology)을 기반으로 다양한 대기 어닐링(atmospheres annealing), 표면 나노 기술(surface nano-technology) 및 유도 결합형 플라즈마 에칭 기술(inductively coupled plasma etching technology)을 사용하여 처리된다.

또한, 복합 재료 모델링(composite materials modelling)을 위한 Hashin-Shtrikman 경계 복합 재료 유전 상수 모델링(Hashin-Shtrikman boundary composite material dielectric constant modelling)을 기반으로 나노 압입 기술(nano-indentation technology)의 밀도 정량화를 통해 최종적으로 고성능의 우수한 습도 센서를 구현하고 체계적이고 완전한 연구 프로그램을 실현하였다. 이 제안의 예상 된 성과는 고성능 습도 센서의 개발을 위한 토대를 마련할 뿐만 아니라 새로운 복합 재료 연구에 대한 이론적 기초를 제공할 것이다. 또한, 이 연구는 상온 에어러졸 증착(room temperature aerosol deposition), 후속 최적화 공정(subsequent optimization process), 치밀화 정량화(densification quantification), 복합 재료 모델링(composite material modelling) 등에서 복합 재료 제조에 대한 참조 표준을 제공할 것이다. 이 연구는 습도 센서의 적용 외에도 유망하며 기대되는 것이다. 차세대 나노 스프레이 기술(nano-spray technology), 첨단 집적회로 부품 제작, 가스 센서 연구 및 과학 및 기술 분야의 많은 다른 첨단 분야에 적용된다.

V. 결론

이 연구는 코 플레너 도파관(coplanar waveguide)에 의해 공급된 직사각형 패치(rectangular patch)로 구성된 매개체가 없는 재사용이 가능한 RF 기반 글루코스 바이오 센서(mediator-free and reusable RF-based glucose biosensor)를 제시했다. 또한, 후면 슬롯(0.53 μL) 및 전면 탱크(0.70 μL) 구조 인 체적 고정 구조(volume-fixed structures)와 별도로 결합되어 글루코스 레벨(glucose level)을 정밀하고 최소한 비 침습적인 검출(a precise and minimally non-invasive detection of glucose level)이 25mg/dL ~ 1000 mg/dL의 넓은 범위에서 검출할 수 있다. 제안된 두 가지 유형의 바이오 센서는 모두 1 초 미만의 신속한 반응 시간을 보여 주며, 낮은 검출 한계 인 26.54 mg/dL과 15.22 mg/dL뿐 아니라 1 mg/dL 당 1.13 MHz와 1.97 MHz의 높은 선택성을 나타낸다. 제안된 바이오 센서는 당뇨병 환자의 포도당 수준의 조기 발견을 위한 잠재적인 경쟁력있는 후보 기술로 사용될 수 있다.

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.

RIE: 반응성 이온 에칭(reactive ion etching)
LPCVD: 저압 화학 기상 증착(low pressure chemical vapor deposition)

Claims

(a) 웨이퍼 세정 공정 후에, 기판 상에 SiO₂ 패시베이션 층이 저압 화학 기상 증착(LPCVD)에 의해 증착(SiO₂ deposition)하는 단계;
(b) 상기 기판과 후속 전기 도금된 Cu/Au 금속 사이의 금속 부착을 개선하기 위해 Ti/Au는 시드 금속으로 스퍼터링(Ti/Au Seed Metal sputtering)되는 단계;
(c) 포토 레지스트(PR)를 사용하여 Cu/Au 금속의 구조를 형성하는 단계;
(d) 상기 Cu/Au 금속을 전기 도금하여 패치 바이오 센서의 패턴을 형성하는 단계;
(e) 형성된 포토 레지스트(PR)를 리프트 오프(lift-off) 기계에서 아세톤 용액을 사용하여 PR을 제거하는 단계;
(f) 상기 시드 금속을 제거하여 단락 문제를 방지할 수 있도록 Ar에서 유도 결합 플라즈마 에칭 기(inductively coupling plasma etcher)와 반응성 이온 식각(reactive ion etching, RIE) 공정을 사용하여 친수성 처리(hydrophilic treatment)에 의해 후면 슬롯(backside slot)을 갖는 RF 패치 바이오 센서를 형성하는 단계; 및
(g) 상기 친수성 처리 후에, SU-8 코팅하고, 좌측부와 우측부에 각각 SU-8을 형성하여 전면 탱크(front-side tank)를 갖는 RF 패치 바이오 센서를 제조하는 단계;를 포함하며,
상기 RF 패치 바이오 센서는 글루코스 농도의 무선 주파수(RF)를 검출하기 위해 프로브 스테이션(probe station)이 사용되며, 공진주파수 변화 및 S₁₁ 크기 변화를 측정하며, 상기 RF 패치 바이오 센서의 주파수 응답은 10~25 GHz의 주파수 범위에서 측정되는, 체적 고정 구조들과 결합된 RF 패치 바이오 센서를 기반 글루코스 레벨의 정량적 검출 방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 (a)에서 상기 기판은 400 ㎛의 실리콘 기판을 사용하며, 상기 SiO₂ 패시베이션 층은 200 nm의 두께를 갖는 SiO₂ 패시베이션 층을 형성하는, 체적 고정 구조들과 결합된 RF 패치 바이오 센서를 기반 글루코스 레벨의 정량적 검출 방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 (b)에서, 상기 Ti/Au는 20/80 nm의 두께를 갖는, 체적 고정 구조들과 결합된 RF 패치 바이오 센서를 기반 글루코스 레벨의 정량적 검출 방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 (c)에서, 상기 Cu/Au 금속은 두께가 4.5/0.5 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 체적 고정 구조들과 결합된 RF 패치 바이오 센서를 기반 글루코스 레벨의 정량적 검출 방법.
제1항에 있어서,
상기 후면 슬롯(backside slot) 구조를 형성하기 위해 Bosch deep RIE가 샘플 패치에 적용되어 슬롯 구조가 완성되며, 250 sccm의 SF6, 압력이 4.5 x 10^-2 mbar, 코일 전력이 2700 W, 바이어스 전력이 35 W, 척 온도(chuck temperature)가 -10℃인 조건에서 에칭 프로세스(etching process)에 실리콘 딥 에칭 장치를 사용하였으며,
패시베이션 프로세스의 경우 C₄F₄ 80sccm, 압력 2.8 × 10^-12mbar, 코일 전력 1800W이 적용되었으며, 이러한 조건에서 패시베이션 공정의 64 cycles이 11 분 동안 10 μm/min의 에칭 속도와 50:1(실리콘:PR) 이상의 선택성으로 진행되었으며,
최종적으로, 친수성 처리(hydrophilic treatment)를 하여 시험된 샘플이 슬롯 표면을 부드럽고 균등하게 덮을 수 있도록 하였으며, 샘플 웨이퍼는 RCA-1 용액(NH₃ : H₂O₂ : H₂O, 70 ℃)과 DI water에서, 세정 프로세스에 따라 30 sccm의 가스 유량(gas flow rate), 150W의 RF power와 기판 전극에서의 바이어스 전압을 125 ~ 280 V 사이에서 변화시킨 후, 100 mTorr을 가진 반응성 이온 식각(RIE)을 사용하여 Ar에서 30초 동안 노광(exposed)하는, 체적 고정 구조들과 결합된 RF 패치 바이오 센서를 기반 글루코스 레벨의 정량적 검출 방법.
제1항에 있어서,
샘플 패치를 기반으로 전면 탱크 구조를 구성하기 위해 SU-8 2100이 네거티브 포토레지스트(negative photoresist)가 선택되어 안정된 탱크 구조를 형성하며, 먼저, 친수성 처리가 수행된 후, 음이온 SU-8 2100 PR의 코팅 전에 N₂H₂/O₂ 플라즈마 표면 처리가 적용되고, 100℃의 온도와 300rpm의 회전 속도(spin speed)에서 10 rpm/s의 가속도로 120초 동안 코팅된 SU-8 2100에 대해 우수한 밀도(density)와 거칠기(roughness)를 얻을 수 있으며, 그후 소프트 베이크(65℃, 5 UV 조사(240 mJ/cm²), 노광 후 베이크(95℃, 5분), 현상(SU-8 현상액, 30분), DI 세척 및 하드 베이킹(150℃, 20분)을 수행함으로써 최종적으로 SU-8 전면 탱크(SU-8 front-side tank) 구조가 종횡비(high aspect ratio)와 높이(height) 및 폭(width)의 예상 치수로 제조되며,
길이(length), 폭(width) 및 기판 높이(substrate height)의 고정 값을 갖는 주어진 RF 패치 바이오 센서에 대해, 상기 RF 패치 바이오 센서의 공진 주파수는 유효 유전 상수 ε_reff에 비례하는, 체적 고정 구조들과 결합된 RF 패치 바이오 센서를 기반 글루코스 레벨의 정량적 검출 방법.
제1항에 있어서,
상기 전면 탱크는 길이와 너비가 3.3 mm x 2.0 mm이고 높이가 106μm 인 것을 특징으로 하는 체적 고정 구조들과 결합된 RF 패치 바이오 센서를 기반 글루코스 레벨의 정량적 검출 방법.
제1항에 있어서,
상기 글루코스 농도의 무선 주파수(RF) 검출은 상기 RF 패치 바이오 센서의 공진 주파수 및 신호의 진폭에서의 변화를 측정하기 위해, 프로브 스테이션(probe station)이 사용되며, 글루코스 램플을 mLINE 피펫(mLINE pipette: 0.1-3μL)을 사용하여 상기 후면 슬롯과 상기 전면 탱크에 각각 직접 놓으며, 상기 피펫은 정확히 0.53μL와 0.70μL로 정확하게 설정되며, 상기 mLINE 피펫을 사용한 글루코스 샘플을 상기 후면 슬롯과 상기 전면 탱크에 떨어뜨린 후에 평평한 표면을 관찰하는, 체적 고정 구조들과 결합된 RF 패치 바이오 센서를 기반 글루코스 레벨의 정량적 검출 방법.
삭제
제8항에 있어서,
상기 글루코스 샘플의 측정 온도와 상대 습도는 각각 22.1 ~ 22.6℃ 및 14.1 ~ 14.3 % 범위 인 것을 특징으로 하는, 체적 고정 구조들과 결합된 RF 패치 바이오 센서를 기반 글루코스 레벨의 정량적 검출 방법.
제8항에 있어서,
상기 글루코스 샘플의 RF 측정 후 상기 후면 슬롯과 상기 전면 탱크를 인산염 완충 식염수(phosphate-buffered saline, PBS)를 먼저 휑군 다음, 탈 이온수(DI water)를 사용하여 여러 번 세척하여 다음 샘플을 측정하기 전에 이전 글루코스 샘플을 제거하여 상기 RF 패치 바이오 센서를 재사용하는, 체적 고정 구조들과 결합된 RF 패치 바이오 센서를 기반 글루코스 레벨의 정량적 검출 방법.
제8항에 있어서,
상기 RF 패치 바이오 센서는 후면 슬롯(0.53 μL) 및 전면 탱크(0.70 μL) 구조 인 체적 고정 구조(volume-fixed structures)와 별도로 결합되어 글루코스 레벨(glucose level)을 정밀하고 비 침습적인 검출(a precise and minimally non-invasive detection of glucose level)이 25mg/dL ~ 1000 mg/dL의 넓은 범위에서 검출하는, 체적 고정 구조들과 결합된 RF 패치 바이오 센서를 기반 글루코스 레벨의 정량적 검출 방법.