KR102291699B1 - Compact biochemical on-chip sensor based on variable filter and photodetector, and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

다양한 실시예들은 가변 필터와 광 검출기가 온-칩으로 결합된 초소형 바이오 센서 및 그의 제조 방법을 제공할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 초소형 바이오 센서는, 광 검출기, 및 광 검출기 상에 결합되고, 인가되는 전압에 따라 다른 공진 주파수를 투과시키는 가변 필터를 포함하며, 가변 필터는, 복수 개의 금속 패드들, 및 금속 패드들의 사이에 형성되는 그래핀 공진 패턴을 포함할 수 있다.Various embodiments may provide a micro-miniature biosensor in which a variable filter and a photodetector are combined on-chip and a method of manufacturing the same. According to various embodiments, the micro biosensor includes a photodetector, and a variable filter coupled to the photodetector and transmitting different resonant frequencies according to an applied voltage, the variable filter comprising: a plurality of metal pads; and a graphene resonance pattern formed between the metal pads.

Description

가변 필터와 광 검출기가 온-칩으로 결합된 초소형 바이오 센서 및 그의 제조 방법{COMPACT BIOCHEMICAL ON-CHIP SENSOR BASED ON VARIABLE FILTER AND PHOTODETECTOR, AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}COMPACT BIOCHEMICAL ON-CHIP SENSOR BASED ON VARIABLE FILTER AND PHOTODETECTOR, AND MANUFACTURING METHOD THEREOF

다양한 실시예들은 가변 필터와 광 검출기가 온-칩으로 결합된 초소형 바이오 센서 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.Various embodiments relate to an ultra-small biosensor in which a variable filter and a photodetector are combined on-chip and a method for manufacturing the same.

기존의 분광 및 광 검출 시스템은 넓은 대역의 정보를 한 소자내에서 얻기 위해 광을 투과시키는 필터구조에 다양한 공진 구조를 병렬적으로 설계하여 배열 형태로 제작된다. 하지만, 그런 구조의 경우 광대역의 파장 정보를 얻기 위해서는 소자의 크기가 거대해 질 수 밖에 없다. 이는, 픽셀 하나 당 미리 정해진 협소대역의 파장 대역의 파장 정보 만을 획득하기 때문에, 광대역의 파장 정보를 얻기 위해서는 소자가 많은 수의 픽셀들로 이루어져야 한다. 이로 인해, 소자의 소형화가 어렵다. Existing spectroscopic and photodetection systems are manufactured in an array form by designing various resonant structures in parallel to a filter structure that transmits light in order to obtain information of a wide band within one device. However, in the case of such a structure, in order to obtain broadband wavelength information, the size of the device is inevitably large. In this case, since only wavelength information of a predetermined narrow wavelength band is acquired per pixel, the device must be composed of a large number of pixels in order to obtain broadband wavelength information. For this reason, it is difficult to downsize an element.

다양한 실시예들은, 배열 형태의 광학 필터가 아닌 전압에 의한 가변 필터를 사용하여 광학 소자의 크기를 더욱 작게 만드는 기술을 제안할 것이다.Various embodiments will propose a technique for making the size of an optical element smaller by using a voltage-based variable filter instead of an array-type optical filter.

다양한 실시예들에 따른 바이오 센서는, 광 검출기, 및 상기 광 검출기 상에 결합되고, 인가되는 전압에 따라 다른 공진 주파수를 투과시키는 가변 필터를 포함하며, 상기 가변 필터는, 복수 개의 금속 패드들, 및 상기 금속 패드들의 사이에 형성되는 그래핀 공진 패턴을 포함할 수 있다. A biosensor according to various embodiments includes a photodetector, and a variable filter coupled to the photodetector and transmitting different resonant frequencies according to an applied voltage, the variable filter comprising: a plurality of metal pads; and a graphene resonance pattern formed between the metal pads.

다양한 실시예들에 따른 바이오 센서의 제조 방법은, 광 검출기를 제공하는 단계, 및 상기 광 검출기 상에 가변 필터를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 가변 필터는, 복수 개의 금속 패드들, 및 상기 금속 패드들의 사이에 형성되는 그래핀 공진 패턴을 포함할 수 있다.A method of manufacturing a biosensor according to various embodiments includes providing a photodetector, and forming a variable filter on the photodetector, wherein the variable filter includes a plurality of metal pads, and the metal It may include a graphene resonance pattern formed between the pads.

다양한 실시예들에 따르면, 가변 필터가 그래핀 공진 패턴을 포함함에 따라, 광학 소자, 즉 바이오 센서가 다양한 파장 대역들의 정보를 획득할 수 있다. 즉 가변적인 광학 특성을 갖는 가변 필터가 구현될 수 있다. 이를 통해, 그래핀 공진 패턴이 인가되는 전압에 따라 공진 주파수를 변경함으로써, 가변 필터가 인가되는 전압에 따라 다른 파장 대역의 정보를 획득할 수 있다. 이에 따라, 적은 수의 픽셀들로도 광대역의 파장 정보를 획득할 수 있으며, 높은 스펙트럼 해상도를 구현할 수 있다. 광학 소자의 소형화가 가능하다. According to various embodiments, as the tunable filter includes the graphene resonance pattern, the optical element, ie, the biosensor, may acquire information of various wavelength bands. That is, a variable filter having variable optical characteristics may be implemented. Through this, by changing the resonance frequency according to the voltage applied to the graphene resonance pattern, it is possible to acquire information of different wavelength bands according to the voltage to which the variable filter is applied. Accordingly, even with a small number of pixels, broadband wavelength information can be obtained, and high spectral resolution can be realized. It is possible to miniaturize the optical element.

도 1은 다양한 실시예들에 적용되는 가변 필터를 도시하는 도면이다.
도 2 및 도 3은 도 1의 가변 필터의 특성을 설명하기 위한 도면들이다.
도 4는 다양한 실시예들에 따른 바이오 센서를 도시하는 도면이다.
도 5 및 도 6은 도 4의 바이오 센서의 특성을 설명하기 위한 도면들이다.
도 7은 다양한 실시예들에 따른 바이오 센서의 제조 방법을 도시하는 도면들이다.
도 8은 다양한 실시예들에 따른 바이오 센서의 동작을 설명하기 위한 도면들이다. 1 is a diagram illustrating a variable filter applied to various embodiments.
2 and 3 are diagrams for explaining the characteristics of the variable filter of FIG. 1 .
4 is a diagram illustrating a biosensor according to various embodiments of the present disclosure;
5 and 6 are diagrams for explaining the characteristics of the biosensor of FIG. 4 .
7 is a diagram illustrating a method of manufacturing a biosensor according to various embodiments.
8 is a diagram for describing an operation of a biosensor according to various embodiments of the present disclosure;

전 세계적으로 의료기술이 발달하고 전체적인 고령화에 따라 건강분야에 대한 관심은 지대해지고 있다. 그 중에서도 현재 의료 최신 기술로 사람이 느끼지 못하는 초소형 진단 소자에 대한 수요가 급증하고 있다. 실제로 첨단기술을 선도하는 독일과 미국의 의료용 소자의 시장 규모를 보면 나날이 증가하는 것을 알 수 있다. 더군다나 현재 광학 기반의 초소형 의료용 센서는 첨단 기술에 해당한다. 그리고, 고령화가 지속되는 세계적인 현상에 비추어 볼때 의료용 센서 시장의 지속성 또한 무척 좋다. 하지만 광학기반의 센서 소자, 특히 그래핀 공진 기반의 중적외선 영역대의 소자를 이용한 센서들에 대한 연구는 몹시 미미한 수준이다.With the development of medical technology around the world and the overall aging of the population, interest in the health field is increasing. Among them, the demand for ultra-small diagnostic devices that cannot be felt by humans is rapidly increasing due to the latest medical technology. In fact, if you look at the market size of medical devices in Germany and the United States, which are leading advanced technologies, you can see that they are increasing day by day. Furthermore, the current optical-based microscopic medical sensors are state-of-the-art. Also, in light of the global phenomenon of the aging population, the continuity of the medical sensor market is also very good. However, research on optical-based sensor devices, particularly those using graphene resonance-based mid-infrared range devices, is very insignificant.

이하, 본 문서의 다양한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. Hereinafter, various embodiments of the present document will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1은 다양한 실시예들에 적용되는 가변 필터(100)를 도시하는 도면이다. 도 2 및 도 3은 도 1의 가변 필터(100)의 특성을 설명하기 위한 도면들이다. 1 is a diagram illustrating a variable filter 100 applied to various embodiments. 2 and 3 are diagrams for explaining the characteristics of the variable filter 100 of FIG. 1 .

도 1을 참조하면, 다양한 실시예들에 적용되는 가변 필터(100)는 금속층(110), 기판(120), 복수 개의 금속 패드(130)들 또는 그래핀 공진 패턴(140) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 기판(120)의 일 면에 금속 패드(130)들과 그래핀 공진 패턴(140)이 마련되고, 기판(120)의 타 면에 금속층(110)이 마련될 수 있다. 금속층(110)과 금속 패드(130)들은 금속 물질, 예컨대 금(Au)으로 이루어질 수 있다. 기판(120)은 유전체 물질, 예컨대 이산화규소(SiO2)로 이루어질 수 있다. 그래핀 공진 패턴(140)은 그래핀(graphene)으로 이루어질 수 있다. 금속 패드(130)들은 상호로부터 이격되며, 이를 통해 금속 패드(130)들의 사이에 갭(gap)(135)들을 두고 배열될 수 있다. 그래핀 공진 패턴(140)은 금속 패드(130)들의 주변 영역들에 배치될 수 있다. 이 때 그래핀 공진 패턴(140)은 금속 패드(130)들의 사이, 즉 갭(135)들에 배치될 수 있다. Referring to FIG. 1 , a variable filter 100 applied to various embodiments includes at least one of a metal layer 110 , a substrate 120 , a plurality of metal pads 130 , or a graphene resonance pattern 140 . may include The metal pads 130 and the graphene resonance pattern 140 may be provided on one surface of the substrate 120 , and the metal layer 110 may be provided on the other surface of the substrate 120 . The metal layer 110 and the metal pads 130 may be formed of a metal material, for example, gold (Au). The substrate 120 may be made of a dielectric material, for example, silicon dioxide (SiO 2 ). The graphene resonance pattern 140 may be made of graphene. The metal pads 130 are spaced apart from each other, and through this, gaps 135 may be arranged between the metal pads 130 . The graphene resonance pattern 140 may be disposed in peripheral regions of the metal pads 130 . In this case, the graphene resonance pattern 140 may be disposed between the metal pads 130 , that is, in the gaps 135 .

가변 필터(100)에서, 그래핀 공진 패턴(140)은 플라즈몬 공진 주파수(Plasmon resonance frequency)에서, 도 2에 도시된 바와 같은 전기장(electric field; E-field) 분포를 나타낸다. 그리고, 그래핀 공진 패턴(140)은 인가되는 전압에 따라, 공진 주파수를 변경시킬 수 있다. 즉 가변 필터(100)에 인가되는 전압이 변경되면, 그래핀 공진 패턴(140)이 인가되는 전압에 대응하여, 공진 주파수를 변경시키고, 이를 통해 플라즈몬 공진 파장이 이동할 수 있다. 여기서, 그래핀에 전압이 인가되면, 그래핀의 캐리어 농도에 변화가 발생될 수 있다. 캐리어 농도의 변화에 대응하여, 그래핀의 전기전도도가 변하고, 이로 인해 그래핀과 외부 빛과의 상호 작용되는 정도가 변할 수 있다. 이에 따라, 그래핀에서의 흡수율이 증가 또는 감소하게 되고, 외부 빛과 공진을 이루는 주파수 대역이 변할 수 있다. 이론적으로, 전기전도도와 그래핀의 굴절률 사이에 밀접한 관련이 있으며, 그래핀의 물질 값이 변함에 따라, 그래핀 내에서의 파장이 변화하여 공진 주파수가 이동할 수 있다. 일 예로, 인가되는 전압이 클수록, 도 3에 도시된 바와 같이 플라즈몬 공진 파장이 높은 주파수 대역으로 이동할 수 있다. 이에 따라, 가변 필터(100)는 그래핀 공진 패턴(140)을 포함함으로써, 인가되는 전압에 따라 다른 공진 주파수를 투과시키도록 구현될 수 있다. In the tunable filter 100 , the graphene resonance pattern 140 exhibits an electric field (E-field) distribution as shown in FIG. 2 at a plasmon resonance frequency. In addition, the graphene resonance pattern 140 may change a resonance frequency according to an applied voltage. That is, when the voltage applied to the tunable filter 100 is changed, the resonant frequency is changed in response to the voltage applied to the graphene resonance pattern 140 , and thus the plasmon resonance wavelength may be moved. Here, when a voltage is applied to the graphene, a change in the carrier concentration of the graphene may occur. Corresponding to the change in carrier concentration, the electrical conductivity of graphene changes, which may change the degree of interaction between graphene and external light. Accordingly, the absorption rate in graphene may increase or decrease, and the frequency band forming resonance with external light may change. Theoretically, there is a close relationship between electrical conductivity and the refractive index of graphene, and as the material value of graphene changes, the wavelength in graphene changes and the resonance frequency may shift. For example, as the applied voltage increases, as shown in FIG. 3 , the plasmon resonance wavelength may move to a higher frequency band. Accordingly, the variable filter 100 may include the graphene resonance pattern 140 to transmit different resonance frequencies according to an applied voltage.

도 4는 다양한 실시예들에 따른 바이오 센서(400)를 도시하는 도면이다. 도 5 및 도 6은 도 4의 바이오 센서(400)의 특성을 설명하기 위한 도면들이다. 4 is a diagram illustrating a biosensor 400 according to various embodiments. 5 and 6 are diagrams for explaining the characteristics of the biosensor 400 of FIG. 4 .

도 4를 참조하면, 다양한 실시예들에 따른 바이오 센서(400)는 광 검출기(410) 및 가변 필터(420)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 4 , the biosensor 400 according to various embodiments may include a photodetector 410 and a variable filter 420 .

광 검출기(410)는 가변 필터(420)에 의해 투과된 공진 주파수를 기반으로, 광 신호를 검출할 수 있다. 이 때 광 검출기(410)는 기판(도 7의 710) 및 검출부(도 7의 720)를 포함할 수 있다. 기판(710)은 검출부(720)를 지지할 수 있다. 일 예로, 기판(710)은 P-도핑된 실리콘(P-doped Si; P-Si)을 포함할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 검출부(720)는 기판(710) 상에 적층되고, 가변 필터(420)를 지지할 수 있다. 일 예로, 검출부(720)는 질화 알루미늄(AlN)을 포함할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 그리고, 검출부(720)가 실질적으로 가변 필터(420)에 의해 투과된 공진 주파수를 기반으로, 광 신호를 검출할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 광 검출기(410)는 초전(pyroelectric) 방식으로 동작하도록 구현될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 광 검출기(410)는 복사(bolometer) 방식 또는 서모파일(thermopile) 방식 중 어느 하나로 동작하도록 구현될 수 있다. The photodetector 410 may detect an optical signal based on the resonance frequency transmitted by the variable filter 420 . In this case, the photodetector 410 may include a substrate ( 710 in FIG. 7 ) and a detector ( 720 in FIG. 7 ). The substrate 710 may support the detector 720 . For example, the substrate 710 may include P-doped Si (P-Si), but is not limited thereto. The detector 720 may be stacked on the substrate 710 and support the variable filter 420 . For example, the detector 720 may include aluminum nitride (AlN), but is not limited thereto. In addition, the detector 720 may detect the optical signal based on the resonance frequency substantially transmitted by the variable filter 420 . According to an embodiment, the photodetector 410 may be implemented to operate in a pyroelectric manner. According to another embodiment, the photodetector 410 may be implemented to operate in either a bolometer method or a thermopile method.

가변 필터(420)는 광 검출기(410) 상에 온-칩(on-chip)으로 결합될 수 있다. 그리고, 가변 필터(420)는 인가되는 전압에 따라 다른 공진 주파수를 투과시킬 수 있다. 가변 필터(420)는 복수 개의 금속 패드(430)들과 그래핀 공진 패턴(440)을 포함할 수 있다. 금속 패드(430)들은 상호로부터 이격되며, 이를 통해 금속 패드(430)들의 사이에 갭들을 두고 배열될 수 있다. 금속 패드(430)들은 금속 물질, 예컨대 금(Au)으로 이루어질 수 있다. 금속 패드(430)들은 음자-폴라리톤의(phonon-polaritonic) 특성 또는 메탈릭 스캐터(metallic scatter)의 특성을 갖도록 구현될 수 있다. 그래핀 공진 패턴(440)은 금속 패드(430)들의 주변 영역들에 배치될 수 있다. 이 때 그래핀 공진 패턴(440)은 금속 패드(430)들의 사이, 즉 갭들에 배치될 수 있다. 그래핀 공진 패턴(440)은 그래핀으로 이루어질 수 있다. The tunable filter 420 may be coupled on-chip on the photo detector 410 . In addition, the variable filter 420 may transmit different resonant frequencies according to the applied voltage. The variable filter 420 may include a plurality of metal pads 430 and a graphene resonance pattern 440 . The metal pads 430 are spaced apart from each other, and through this, the metal pads 430 may be arranged with gaps between the metal pads 430 . The metal pads 430 may be made of a metal material, for example, gold (Au). The metal pads 430 may be implemented to have a phonon-polaritonic characteristic or a metallic scatter characteristic. The graphene resonance pattern 440 may be disposed in peripheral regions of the metal pads 430 . In this case, the graphene resonance pattern 440 may be disposed between the metal pads 430 , that is, in the gaps. The graphene resonance pattern 440 may be made of graphene.

가변 필터(420)에서, 그래핀 공진 패턴(440)은 인가되는 전압에 따라, 공진 주파수를 변경시킬 수 있다. 즉 가변 필터(420)에 인가되는 전압이 변경되면, 그래핀 공진 패턴(440)이 인가되는 전압에 대응하여, 공진 주파수를 변경시키고, 이를 통해 플라즈몬 공진 파장이 이동할 수 있다. 일 예로, 인가되는 전압이 클수록, 도 5에 도시된 바와 같이 플라즈몬 공진 파장이 높은 주파수 대역으로 이동할 수 있다. 이에 따라, 가변 필터(420)는 그래핀 공진 패턴(440)을 포함함으로써, 인가되는 전압에 따라 다른 공진 주파수를 투과시키도록 구현될 수 있다. 이를 기반으로, 광 검출기(410), 도 6에 도시된 바와 같이 전압 신호를 검출하고, 전압 신호를 주파수 신호로 변환할 수 있다. 그리고, 광 검출기(410)가 주파수 신호로부터 광 신호를 검출할 수 있다. In the variable filter 420 , the graphene resonance pattern 440 may change a resonance frequency according to an applied voltage. That is, when the voltage applied to the tunable filter 420 is changed, the resonant frequency is changed in response to the voltage applied to the graphene resonance pattern 440 , and thus the plasmon resonance wavelength may be moved. For example, as the applied voltage increases, as shown in FIG. 5 , the plasmon resonance wavelength may move to a higher frequency band. Accordingly, the variable filter 420 may include the graphene resonance pattern 440 to transmit different resonance frequencies according to an applied voltage. Based on this, the photodetector 410 may detect a voltage signal as shown in FIG. 6 and convert the voltage signal into a frequency signal. In addition, the photodetector 410 may detect an optical signal from the frequency signal.

다양한 실시예들에 따르면, 바이오 센서(400)는 중적외선 영역대의 빛을 사용하여 광범위하게 분자의 진동모드들을 탐지할 수 있을 것이다. 이 때 공진 구조의 중첩으로 신호의 세기가 증대되어, 바이오 센서(400)의 민감도를 증대 시킬 수 있는 부가적인 효과도 존재할 수 있다.According to various embodiments, the biosensor 400 may detect a wide range of vibration modes of molecules using light in the mid-infrared region. In this case, an additional effect of increasing the sensitivity of the biosensor 400 by increasing the signal strength due to the overlapping of the resonance structures may also exist.

도 7은 다양한 실시예들에 따른 바이오 센서(400)의 제조 방법을 도시하는 도면들이다. 7 is a diagram illustrating a method of manufacturing the biosensor 400 according to various embodiments.

도 7을 참조하면, 광 검출기(410)가 제공되고, 이 후 광 검출기(410) 상에 가변 필터(420)가 형성되며, 이를 통해 바이오 센서(400)가 제조될 수 있다. 광 검출기(410)와 가변 필터(420)는 온-칩(on-chip)으로 결합될 수 있다. 이 때 광 검출기(410)는 기판(710) 및 검출부(720)를 포함할 수 있다. 이에 대해, 보다 상세하게 후술될 것이다. Referring to FIG. 7 , a photodetector 410 is provided, and then a variable filter 420 is formed on the photodetector 410 , through which the biosensor 400 may be manufactured. The photodetector 410 and the variable filter 420 may be coupled on-chip. In this case, the photodetector 410 may include a substrate 710 and a detector 720 . This will be described later in more detail.

먼저, 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 기판(710)이 준비될 수 있다. 일 예로, 기판(710)은 P-도핑된 실리콘(P-Si)을 포함할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 이 후, 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 기판(710) 상에 검출부(720)가 적층될 수 있다. 이 때 검출부(720)는 증착 방식, 예컨대 스퍼터링(sputtering) 증착 방식으로, 기판(710) 상에 형성될 수 있다. 일 예로, 검출부(720)는 질화 알루미늄(AlN)을 포함할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 이를 통해, 광 검출기(410)가 제공될 수 있다. First, as shown in FIG. 7A , a substrate 710 may be prepared. For example, the substrate 710 may include P-doped silicon (P-Si), but is not limited thereto. Thereafter, as shown in (b) of FIG. 7 , a detector 720 may be stacked on the substrate 710 . In this case, the detection unit 720 may be formed on the substrate 710 by a deposition method, for example, a sputtering deposition method. For example, the detector 720 may include aluminum nitride (AlN), but is not limited thereto. Through this, the photo detector 410 may be provided.

다음으로, 도 7의 (c)에 도시된 바와 같이, 광 검출기(410)의 표면 상에 그래핀(730)이 전사될 수 있다. 이 때 검출부(720)의 일 면에 기판(710)이 마련되어 있고, 검출부(720)의 타 면에 그래핀(730)이 전사될 수 있다. 이 후, 도 7의 (d)에 도시된 바와 같이, 광 검출기(410)의 표면에서 그래핀(730)이 패터닝됨에 따라, 그래핀 공진 패턴(440)이 형성될 수 있다. 이 때 전자 빔(electronic beam; E-beam)을 이용하여 그래핀(730)이 식각 가공(lithography)됨에 따라, 광 검출기(410)의 표면 상에 그래핀 공진 패턴(440)이 형성될 수 있다. Next, as shown in (c) of FIG. 7 , graphene 730 may be transferred onto the surface of the photodetector 410 . In this case, the substrate 710 is provided on one surface of the detection unit 720 , and graphene 730 may be transferred to the other surface of the detection unit 720 . Thereafter, as illustrated in (d) of FIG. 7 , as the graphene 730 is patterned on the surface of the photodetector 410 , a graphene resonance pattern 440 may be formed. At this time, as the graphene 730 is etched using an electron beam (E-beam), a graphene resonance pattern 440 may be formed on the surface of the photodetector 410 . .

이 후 도시되지는 않았으나, 금속 패턴(430)들이 광 검출기(410)의 표면 상에 실장될 수 있다. 즉 금속 패턴(430)들이 광 검출기(410)의 표면 상에 그래핀 공진 패턴(440)과 함께 배치될 수 있다. 금속 패드(430)들은 음자-폴라리톤의 특성 또는 메탈릭 스캐터의 특성을 갖도록 구현될 수 있다. 금속 패드(430)들은 금속 물질, 예컨대 금(Au)으로 이루어질 수 있다. After that, although not shown, the metal patterns 430 may be mounted on the surface of the photodetector 410 . That is, the metal patterns 430 may be disposed on the surface of the photodetector 410 together with the graphene resonance pattern 440 . The metal pads 430 may be implemented to have a phonon-polariton characteristic or a metallic scatter characteristic. The metal pads 430 may be made of a metal material, for example, gold (Au).

도 8은 다양한 실시예들에 따른 바이오 센서(400)의 동작을 설명하기 위한 도면들이다. 8 is a diagram for explaining an operation of the biosensor 400 according to various embodiments.

도 8을 참조하면, 가변 필터(420)가 인가되는 전압에 따라 다른 공진 주파수를 투과시키고, 이를 통해 광 검출기(410)가 가변 필터(420)에 의해 투과된 공진 주파수를 기반으로, 광 신호를 검출할 수 있다. 구체적으로, 가변 필터(420)에서, 도 8의 (a)에 도시된 바와 같이 금속 패드(430)들이 외부 광을 흡수할 수 있다. 이 후, 가변 필터(420)에서, 도 8의 (b)에 도시된 바와 같이 그래핀 공진 패턴(440)이 외부 광에 따른 온도 구배를 발생시킬 수 있다. 즉 그래핀 공진 패턴(440)은 금속 패드(430)들 사이에서의 열 전달을 통해, 온도 구배를 발생시킬 수 있다. 이 때 그래핀 공진 패턴(440)은 인가되는 전압에 따라, 공진 주파수를 변경시킬 수 있다. 즉 가변 필터(420)에 인가되는 전압이 변경되면, 그래핀 공진 패턴(440)이 인가되는 전압에 대응하여, 공진 주파수를 변경시키고, 이를 통해 플라즈몬 공진 파장이 이동할 수 있다. 이를 기반으로, 광 검출기(410)는, 도 8의 (c)에 도시된 바와 같이 광 신호를 검출할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 광 검출기(410)는 온도 분포를 기반으로, 초전(pyroelectric) 효과에 의한 정전용량 변화를 예측할 수 있다. 그리고, 광 검출기(410)는 전압 신호를 주파수 신호로 변환하고, 주파수 신호로부터 광 신호를 검출할 수 있다. Referring to FIG. 8 , the variable filter 420 transmits different resonant frequencies according to the applied voltage, and through this, the photodetector 410 transmits the optical signal based on the resonant frequency transmitted by the variable filter 420 . can be detected. Specifically, in the variable filter 420 , as shown in FIG. 8A , the metal pads 430 may absorb external light. Thereafter, in the variable filter 420 , as shown in FIG. 8B , the graphene resonance pattern 440 may generate a temperature gradient according to external light. That is, the graphene resonance pattern 440 may generate a temperature gradient through heat transfer between the metal pads 430 . At this time, the graphene resonance pattern 440 may change the resonance frequency according to the applied voltage. That is, when the voltage applied to the tunable filter 420 is changed, the resonant frequency is changed in response to the voltage applied to the graphene resonance pattern 440 , and thus the plasmon resonance wavelength may be moved. Based on this, the photodetector 410 may detect an optical signal as shown in (c) of FIG. 8 . According to an embodiment, the photodetector 410 may predict a change in capacitance due to a pyroelectric effect based on a temperature distribution. In addition, the photodetector 410 may convert a voltage signal into a frequency signal and detect an optical signal from the frequency signal.

다양한 실시예들에 따르면, 가변 필터(420)가 그래핀 공진 패턴(440)을 포함함에 따라, 광학 소자, 즉 바이오 센서(400)가 다양한 파장 대역들의 정보를 획득할 수 있다. 즉 가변적인 광학 특성을 갖는 가변 필터(420)가 구현될 수 있다. 이를 통해, 그래핀 공진 패턴(440)이 인가되는 전압에 따라 공진 주파수를 변경함으로써, 바이오 센서(400)가 인가되는 전압에 따라 다른 파장 대역의 정보를 획득할 수 있다. 이에 따라, 적은 수의 픽셀들로도 광대역의 파장 정보를 획득할 수 있으며, 높은 스펙트럼 해상도를 구현할 수 있다. 광학 소자, 즉 바이오 센서(400)의 소형화가 가능하다. According to various embodiments, as the tunable filter 420 includes the graphene resonance pattern 440 , the optical element, that is, the biosensor 400 may acquire information of various wavelength bands. That is, the variable filter 420 having variable optical characteristics may be implemented. Through this, by changing the resonance frequency according to the voltage applied to the graphene resonance pattern 440 , information of a different wavelength band may be acquired according to the voltage applied to the biosensor 400 . Accordingly, even with a small number of pixels, broadband wavelength information can be obtained, and high spectral resolution can be realized. It is possible to miniaturize the optical element, that is, the biosensor 400 .

다양한 실시예들에 따르면, 바이오 센서(400)는 의료, 바이오 및 화학 분야에서 광범위하게 적용될 수 있다. 예를 들면, 바이오 센서(400)는 의료 과학기술 분야에서 요구하는 초소형 진단 소자로 이용될 수 있다. 그리고, 가변 필터(420)는 의료용 초소형 진단 소자 뿐만 아니라 다양한 광학 소자들, 예컨대 광 스위치, 광학 변조기 등에도 이용될 수 있다. 아울러, 바이오 센서(400)의 제조 방법 역시 광범위하게 이용될 수 있다. According to various embodiments, the biosensor 400 may be widely applied in medical, bio, and chemical fields. For example, the biosensor 400 may be used as a miniature diagnostic device required in the field of medical science and technology. In addition, the variable filter 420 may be used not only for a medical microdiagnostic device, but also for various optical devices, for example, an optical switch, an optical modulator, and the like. In addition, a method of manufacturing the biosensor 400 may also be widely used.

다양한 실시예들에 따른 바이오 센서(400)는, 광 검출기(410), 및 광 검출기(410) 상에 결합되고, 인가되는 전압에 따라 다른 공진 주파수를 투과시키는 가변 필터(420)를 포함할 수 있다. The biosensor 400 according to various embodiments may include a photodetector 410 and a variable filter 420 coupled to the photodetector 410 and transmitting different resonant frequencies according to an applied voltage. have.

다양한 실시예들에 따르면, 가변 필터(420)는, 복수 개의 금속 패드(430)들, 및 금속 패드(430)들의 사이에 형성되는 그래핀 공진 패턴(440)을 포함할 수 있다. According to various embodiments, the variable filter 420 may include a plurality of metal pads 430 and a graphene resonance pattern 440 formed between the metal pads 430 .

다양한 실시예들에 따르면, 그래핀 공진 패턴(440)은, 인가되는 전압에 따라, 공진 주파수를 변경시킬 수 있다. According to various embodiments, the graphene resonance pattern 440 may change a resonance frequency according to an applied voltage.

다양한 실시예들에 따르면, 광 검출기(410)는, 기판(710), 및 기판(710) 상에 적층되고, 금속 패드(430)들과 그래핀 공진 패턴(440)을 지지하는 검출부(720)를 포함할 수 있다. According to various embodiments, the photodetector 410 includes a substrate 710 and a detector 720 that is stacked on the substrate 710 and supports the metal pads 430 and the graphene resonance pattern 440 . may include.

다양한 실시예들에 따른 바이오 센서(400)의 제조 방법은, 광 검출기(410)를 제공하는 단계, 및 광 검출기(410) 상에 가변 필터(420)를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. A method of manufacturing the biosensor 400 according to various embodiments may include providing a photodetector 410 , and forming a variable filter 420 on the photodetector 410 .

다양한 실시예들에 따르면, 가변 필터(420)는, 복수 개의 금속 패드(430)들, 및 금속 패드(430)들의 사이에 형성되는 그래핀 공진 패턴(440)을 포함할 수 있다. According to various embodiments, the variable filter 420 may include a plurality of metal pads 430 and a graphene resonance pattern 440 formed between the metal pads 430 .

다양한 실시예들에 따르면, 그래핀 공진 패턴(440)은, 인가되는 전압에 따라, 공진 주파수를 변경시킬 수 있다. According to various embodiments, the graphene resonance pattern 440 may change a resonance frequency according to an applied voltage.

다양한 실시예들에 따르면, 가변 필터(420)를 형성하는 단계는, 광 검출기(410)의 표면에 그래핀(730)을 전사하는 단계, 및 전자 빔을 이용하여 그래핀(730)을 가공하여, 광 검출기(410)의 표면에 그래핀 공진 패턴(440)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. According to various embodiments, the forming of the tunable filter 420 includes transferring the graphene 730 to the surface of the photodetector 410 and processing the graphene 730 using an electron beam. , forming a graphene resonance pattern 440 on the surface of the photodetector 410 .

다양한 실시예들에 따르면, 광 검출기(410)를 제공하는 단계는, 기판(710)을 준비하는 단계, 및 기판(710) 상에 검출부(720)를 적층시키는 단계를 포함하고, 이를 통해 금속 패드(430)들과 그래핀 공진 패턴(440)이 검출부(720) 상에 형성될 수 있다. According to various embodiments, providing the photodetector 410 includes preparing a substrate 710 , and laminating a detector 720 on the substrate 710 , through which the metal pad 430 and the graphene resonance pattern 440 may be formed on the detection unit 720 .

다양한 실시예들에 따르면, 검출부(720)는, 질화 알루미늄(AlN)을 포함할 수 있다. According to various embodiments, the detector 720 may include aluminum nitride (AlN).

다양한 실시예들에 따르면, 기판(710)은, P-도핑된 실리콘(P-Si)을 포함할 수 있다. According to various embodiments, the substrate 710 may include P-doped silicon (P-Si).

본 문서의 다양한 실시예들 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시 예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성 요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 본 문서에서, "A 또는 B", "A 및/또는 B 중 적어도 하나", "A, B 또는 C" 또는 "A, B 및/또는 C 중 적어도 하나" 등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. "제 1", "제 2", "첫째" 또는 "둘째" 등의 표현들은 해당 구성 요소들을, 순서 또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성 요소를 다른 구성 요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성 요소들을 한정하지 않는다. 어떤(예: 제 1) 구성 요소가 다른(예: 제 2) 구성 요소에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성 요소가 상기 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성 요소(예: 제 3 구성 요소)를 통하여 연결될 수 있다.It should be understood that the various embodiments of this document and the terms used therein are not intended to limit the technology described in this document to a specific embodiment, and include various modifications, equivalents, and/or substitutions of the embodiments. In connection with the description of the drawings, like reference numerals may be used for like components. The singular expression may include the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In this document, expressions such as “A or B”, “at least one of A and/or B”, “A, B or C” or “at least one of A, B and/or C” refer to all of the items listed together. Possible combinations may be included. Expressions such as “first”, “second”, “first” or “second” can modify the corresponding components regardless of order or importance, and are only used to distinguish one component from another. It does not limit the corresponding components. When an (eg, first) component is referred to as being “connected (functionally or communicatively)” or “connected” to another (eg, second) component, that component is It may be directly connected to the component, or may be connected through another component (eg, a third component).

다양한 실시예들에 따르면, 기술한 구성 요소들의 각각의 구성 요소(예: 모듈 또는 프로그램)는 단수 또는 복수의 개체를 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 전술한 해당 구성 요소들 중 하나 이상의 구성 요소들 또는 동작들이 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 구성 요소들 또는 동작들이 추가될 수 있다. 대체적으로 또는 추가적으로, 복수의 구성 요소들(예: 모듈 또는 프로그램)은 하나의 구성 요소로 통합될 수 있다. 이런 경우, 통합된 구성 요소는 복수의 구성 요소들 각각의 구성 요소의 하나 이상의 기능들을 통합 이전에 복수의 구성 요소들 중 해당 구성 요소에 의해 수행되는 것과 동일 또는 유사하게 수행할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 모듈, 프로그램 또는 다른 구성 요소에 의해 수행되는 동작들은 순차적으로, 병렬적으로, 반복적으로, 또는 휴리스틱하게 실행되거나, 동작들 중 하나 이상이 다른 순서로 실행되거나, 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 동작들이 추가될 수 있다. According to various embodiments, each component (eg, a module or a program) of the described components may include a singular or a plurality of entities. According to various embodiments, one or more components or operations among the above-described corresponding components may be omitted, or one or more other components or operations may be added. Alternatively or additionally, a plurality of components (eg, a module or a program) may be integrated into one component. In this case, the integrated component may perform one or more functions of each component of the plurality of components identically or similarly to those performed by the corresponding component among the plurality of components prior to integration. According to various embodiments, operations performed by a module, program, or other component are executed sequentially, in parallel, repeatedly, or heuristically, or one or more of the operations are executed in a different order, omitted, or , or one or more other operations may be added.

Claims (10)

바이오 센서에 있어서,
광 검출기; 및
상기 광 검출기 상에 결합되고, 인가되는 전압에 따라 다른 공진 주파수를 투과시키는 가변 필터를 포함하고,
상기 광 검출기는,
기판; 및
상기 기판 상에 적층되고, 상기 가변 필터를 지지하는 검출부를 포함하고,
상기 가변 필터는,
상기 검출부의 일 면에 형성되고, 상호로부터 이격되어 배열되는 복수 개의 금속 패드들; 및
상기 검출부의 일 면에 형성되고, 상기 금속 패드들의 사이에 형성되는 갭들에 배치되는 그래핀 공진 패턴을 포함하는 바이오 센서.
In the biosensor,
photo detector; and
A variable filter coupled to the photodetector and transmitting a different resonant frequency according to an applied voltage,
The photodetector is
Board; and
and a detection unit laminated on the substrate and supporting the variable filter,
The variable filter is
a plurality of metal pads formed on one surface of the detection unit and arranged to be spaced apart from each other; and
and a graphene resonance pattern formed on one surface of the detection unit and disposed in gaps formed between the metal pads.
 제 1 항에 있어서, 상기 그래핀 공진 패턴은,
상기 인가되는 전압에 따라, 상기 공진 주파수를 변경시키는 바이오 센서.
According to claim 1, wherein the graphene resonance pattern,
A biosensor configured to change the resonance frequency according to the applied voltage.
 삭제delete 제 1 항에 있어서, 상기 검출부는,
질화 알루미늄(AlN)을 포함하는 바이오 센서.
According to claim 1, wherein the detection unit,
A biosensor comprising aluminum nitride (AlN).
 바이오 센서의 제조 방법에 있어서,
광 검출기를 제공하는 단계; 및
상기 광 검출기 상에, 인가되는 전압에 따라 다른 공진 주파수를 투과시키는 가변 필터를 형성하는 단계를 포함하고,
상기 광 검출기는,
기판; 및
상기 기판 상에 적층되고, 상기 가변 필터를 지지하는 검출부를 포함하고,
상기 가변 필터는,
상기 검출부의 일 면에 형성되고, 상호로부터 이격되어 배열되는 복수 개의 금속 패드들; 및
상기 검출부의 일 면에 형성되고, 상기 금속 패드들의 사이에 형성되는 갭들에 배치되는 그래핀 공진 패턴을 포함하는 제조 방법.
In the manufacturing method of a biosensor,
providing a photodetector; and
Forming a variable filter that transmits a different resonant frequency according to an applied voltage on the photodetector,
The photodetector is
Board; and
and a detection unit laminated on the substrate and supporting the variable filter,
The variable filter is
a plurality of metal pads formed on one surface of the detection unit and arranged to be spaced apart from each other; and
and a graphene resonance pattern formed on one surface of the detection unit and disposed in gaps formed between the metal pads.
 제 5 항에 있어서, 상기 그래핀 공진 패턴은,
상기 인가되는 전압에 따라, 상기 공진 주파수를 변경시키는 제조 방법.
According to claim 5, wherein the graphene resonance pattern,
A manufacturing method of changing the resonance frequency according to the applied voltage.
 제 5 항에 있어서, 상기 가변 필터를 형성하는 단계는,
상기 광 검출기의 표면에 그래핀을 전사하는 단계; 및
전자 빔을 이용하여 상기 그래핀을 가공하여, 상기 광 검출기의 표면에 상기 그래핀 공진 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 제조 방법.
The method of claim 5, wherein the forming of the variable filter comprises:
transferring graphene to the surface of the photodetector; and
and processing the graphene using an electron beam to form the graphene resonance pattern on a surface of the photodetector.
 삭제delete 제 5 항에 있어서, 상기 검출부는,
질화 알루미늄(AlN)을 포함하는 제조 방법.
The method of claim 5, wherein the detection unit,
A manufacturing method comprising aluminum nitride (AlN).
 제 5 항에 있어서, 상기 기판은,
P-도핑된 실리콘을 포함하는 제조 방법.
According to claim 5, wherein the substrate,
A method of manufacturing comprising P-doped silicon.
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