KR20030075359A - Multiplex nucleic acid amplification device using micro electro mechanical system component and method for constructing same - Google Patents

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KR20030075359A
KR20030075359A KR1020020014535A KR20020014535A KR20030075359A KR 20030075359 A KR20030075359 A KR 20030075359A KR 1020020014535 A KR1020020014535 A KR 1020020014535A KR 20020014535 A KR20020014535 A KR 20020014535A KR 20030075359 A KR20030075359 A KR 20030075359A
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이승섭
문상준
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윤재영
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학교법인 포항공과대학교
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Abstract

PURPOSE: A multiplex nucleic acid amplification device using a micro electro mechanical system(MEMS) component and a method for constructing the same device are provided, thereby selectively amplifying various nucleic acids using a small amount of sample. CONSTITUTION: A multiplex nucleic acid amplification device using a micro electro mechanical system(MEMS) component comprises a thin layer-formed board; a micro heater and RTD sensor portion for generating and detecting heat, which is positioned on the board; an electrode portion for forming the electric field, positioned on the heater and sensor portion; a mixed reaction vessel comprising a reaction vessel for covering the electrode portion, and mixing and storing PCR solution, and inlet and outlet ends; and a peltier component positioned under the board.

Description

MEMS 소자를 이용한 선택적 다중핵산 증폭장치 및 그의 제작방법{MULTIPLEX NUCLEIC ACID AMPLIFICATION DEVICE USING MICRO ELECTRO MECHANICAL SYSTEM COMPONENT AND METHOD FOR CONSTRUCTING SAME}Selective multinucleic acid amplification apparatus using MEMS device and manufacturing method thereof {MULTIPLEX NUCLEIC ACID AMPLIFICATION DEVICE USING MICRO ELECTRO MECHANICAL SYSTEM COMPONENT AND METHOD FOR CONSTRUCTING SAME}

본 발명은 MEMS 소자를 이용한 선택적 다중핵산 증폭장치 및 그의 제작방법에 관한 것으로, 구체적으로 중합효소 연쇄반응 (polymerase chain reaction, PCR)에 사용되는 온도 사이클을 제어하기 위해 마이크로히터와 RTD 센서를 하나의 MEMS 소자에 집적화하고 가상의 다중 반응용기 형성을 위한 전극을 포함하는, MEMS 소자를 이용한 선택적 다중핵산 증폭장치 및 그의 제작방법에 관한 것이다.The present invention relates to a selective multinucleic acid amplification apparatus using a MEMS device and a method for manufacturing the same. Specifically, a micro heater and an RTD sensor are used to control a temperature cycle used in a polymerase chain reaction (PCR). The present invention relates to a selective multinucleic acid amplification apparatus using a MEMS device, including an electrode integrated into a MEMS device, and including an electrode for forming a virtual multiple reaction vessel, and a method of manufacturing the same.

일반적으로 핵산의 증폭은 단일핵산 증폭과 다중핵산 증폭으로 나누어진다. 단일핵산의 증폭은 반응용기 (reaction chamber) 내부에서 증폭을 원하는 시료 핵산과 프라이머가 액상 또는 고상의 메트릭스 (matrix)에 각각 용해되거나 고정된다. 이와 같이 고정된 프라이머의 염기서열과 상보적인 염기서열을 갖는 시료의 일부 핵산만이 프라이머와 결합하여 이중가닥 나선구조의 핵산 (ds-DNA: double strand-deoxyribo nucleic acid)을 형성한다. 따라서, 증폭될 핵산의 종류는 프라이머에 따라서 정해지기 때문에 한 가지 프라이머에 대해서 한 가지 핵산만이 증폭된다. 반면, 다중핵산의 증폭은 반응용기 내에 다양한 프라이머의 집단 (set)을 첨가함으로써 목적하는 여러 종류의 다중핵산을 증폭할 수 있다.In general, nucleic acid amplification is divided into mononucleic acid amplification and polynucleic acid amplification. Mononucleic acid amplification is performed by dissolving or immobilizing a sample nucleic acid and a primer to be amplified in a liquid or solid matrix, respectively, in a reaction chamber. Only a portion of the nucleic acid of the sample having a base sequence complementary to the base sequence of the immobilized primer is combined with the primer to form a double stranded-helix nucleic acid (ds-DNA: double strand-deoxyribo nucleic acid). Therefore, since the type of nucleic acid to be amplified is determined according to the primer, only one nucleic acid is amplified for one primer. On the other hand, amplification of polynucleic acid can amplify various kinds of polynucleic acids of interest by adding a set of various primers in a reaction vessel.

지금까지 단일핵산 및 다중핵산을 증폭하기 위하여 마이크로 칩 (micro-chip)에서 전기장에 의한 핵산의 상보적 결합 유도 (Carl F. Edman, et al.,Nucleic Acids Research25:24, 1997), 열에 의한 대장균의 용해 (lysis) 및 다중 PCR 증폭 (amplification) 산물의 전기영동 (electrophoresis on a chip)을 통한 분별 (sizing)(Larry C. Waters, et al,Anal Chem. 70:158-162, 1998), 4가지 DNA 시료에 대한 마이크로 칩에서의 동시적인 PCR (Larry C. Waters, et al.,Anal Chem. 70:5172-5176, 1998), 단일 핵산 다형성 검출 (Patrick N. Gilles, et al.,Nature Biotechnology17, 1999), 다중 반응용기 내에서의 PCR (Hidenori Nagain et al.,Anal. Chem.73(5):1043-1047, 2001), 마이크로 칩상에서의 PCR (Mann A. Shoffner, et al.,Nucleic Acid Research24:2, 1996; Jing Cheng, et al.,Nucleic Acid Research24:2, 1996), 마이크로 칩상에서의 빠른 DNA 증폭 (ThomasM. H. Lee, et al.,Anal. Chem. 72:4242-4247, 2000), 고상 매트릭스에 고정된 DNA의 SDA (strand displacement amplification) 반응을 이용한 다중증폭 (Lorelei Westin, et al.,Nature Biotechnology18:2, 2000), 전기장에 의한 DNA의 상보적 결합 (Carl F. Edman, et al.,Nucleic Acids Research25:24, 1997), 전체 세포의 DNA 다중증폭반응 (Larry C. Waters, et al.,Anal. Chem. 70:158-162, 1998) 등의 기술이 개발되었다.Induced complementary binding of nucleic acids by electric fields in micro-chips to amplify mononuclear and polynucleic acids (Carl F. Edman, et al., Nucleic Acids Research 25:24, 1997), by heat Lysis and sizing through electrophoresis on a chip of multiple PCR amplification products (Larry C. Waters, et al, Anal Chem . 70: 158-162, 1998), Simultaneous PCR on microchips for four DNA samples (Larry C. Waters, et al., Anal Chem . 70: 5172-5176, 1998), single nucleic acid polymorphism detection (Patrick N. Gilles, et al., Nature Biotechnology 17, 1999), PCR in multiple reaction vessels (Hidenori Nagain et al., Anal. Chem. 73 (5): 1043-1047, 2001), PCR on microchips (Mann A. Shoffner, et al. , Nucleic Acid Research 24: 2, 1996; Jing Cheng, et al., Nucleic Acid Research 24: 2, 1996), Rapid DNA Amplification on Microchips (Thomas M. H. Lee, et al., Anal. Chem . 72 : 4242-4247, 2000), multiple amplification using strand displacement amplification (SDA) reaction of DNA immobilized on solid matrix (Lorelei Westin, et al., Nature Biotechnology 18: 2, 2000), complementary binding of DNA by electric field (Carl F. Edman, et al., Nucleic Acids Research 25:24, 1997), DNA multiplexing of whole cells (Larry C. Waters, et al., Anal. Chem . 70: 158-162, 1998).

이러한 기존의 PCR 방법에 의한 시료 핵산의 증폭 및 검사는 40 내지 95℃ 사이의 온도 사이클을 필요로 함으로써 랩 (lab) 수준의 대규모 (macro-scale) 장비를 요구하기 때문에, PCR 반응에 필요한 시료 핵산과 시약이 다량으로 소모된다. 또한, 다중핵산의 증폭을 위한 단일 반응용기 내에서의 PCR은 다중 프라이머들 간의 혼성화로 인하여 PCR 효율이 떨어지게 된다. 이를 보완하기 위해, 전기장을 사용하여 정확하게 상보적으로 결합하지 않는 DNA를 분리하거나 전기장에 의해 상보적인 결합을 유도하는 방법이 개발되었다 (Lorelei Westin, et al.,Nature Biotechnology18:2, 2000). 그러나, 이러한 방법도 고상이나 액상에 고정된 하나의 프라이머를 이용한 단일 반응용기 내에서의 PCR을 수행하는 것으로 다중핵산의 증폭에는 그 한계가 지적되고 있다.The amplification and testing of the sample nucleic acid by the conventional PCR method requires a lab-scale macro-scale equipment by requiring a temperature cycle between 40 and 95 ° C, and thus, the sample nucleic acid required for the PCR reaction. And reagents are consumed in large quantities. In addition, PCR in a single reaction vessel for amplification of the polynucleic acid is deteriorated in PCR efficiency due to hybridization between multiple primers. To compensate for this, a method has been developed that uses electric fields to isolate DNA that does not exactly complementarily bind or induces complementary binding by electric fields (Lorelei Westin, et al., Nature Biotechnology 18: 2, 2000). However, this method also performs PCR in a single reaction vessel using one primer immobilized in a solid phase or liquid phase, and the limitation of amplification of polynucleic acid has been pointed out.

이에 본 발명자들은 여러 종류의 목적 핵산만을 선택적으로 증폭할 수 있는 장치를 개발하기 위하여 예의 연구한 결과, PCR에 사용되는 온도 사이클을 제어하기 위해 마이크로히터와 측온저항체 센서 (resistance thermometer device sensor;RTD sensor)를 하나의 MEMS 소자에 집적화하고 가상의 다중 반응용기 형성을 위한 전극을 포함하여 이로부터 형성된 각각의 반응용기 내에서 다중핵산에 대한 독립적인 PCR을 효율적으로 수행할 수 있는 다중핵산 증폭장치를 개발함으로써 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the present inventors have diligently researched to develop a device capable of selectively amplifying several types of target nucleic acids. As a result, a micro heater and a resistance thermometer device sensor (RTD sensor) are used to control a temperature cycle used for PCR. ), A multi-nucleic acid amplification apparatus that can efficiently perform independent PCR for multi-nucleic acid in each reaction vessel formed from this, including the electrode for the formation of a virtual multiple reaction vessel in a single MEMS device By this, the present invention was completed.

본 발명의 목적은 다중 프라이머에 의한 선택적인 다중핵산의 증폭을 위해 MEMS 소자를 집적시킨 초소형 다중핵산 증폭장치를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide an ultra-small multinucleic acid amplification apparatus incorporating a MEMS device for amplifying selective multinucleic acid by multiple primers.

도 1은 일반적으로 사용되는 PCR의 온도 프로파일 (temperature profile)을 나타낸 것이고, 1 shows a temperature profile of a commonly used PCR,

도 2는 PCR을 이용한 시료 핵산의 증폭과정을 요약하여 나타낸 것이고, Figure 2 shows a summary of the amplification process of the sample nucleic acid using PCR,

도 3은 본 발명의 MEMS 소자를 이용한 선택적 다중핵산 증폭장치에 따른 단일 반응용기 내 전극위치의 평면도를 나타낸 것이고, Figure 3 shows a plan view of the electrode position in a single reaction vessel according to the selective multinucleic acid amplification apparatus using the MEMS device of the present invention,

도 4는 본 발명의 MEMS 소자를 이용한 선택적 다중핵산 증폭장치에서 전기영동방식과 전극분극 전기영동방식에 의해 단일 반응용기를 형성하는 과정을 나타낸 것이고, Figure 4 shows the process of forming a single reaction vessel by the electrophoresis method and electrode polarization electrophoresis method in the selective multinucleic acid amplification apparatus using the MEMS device of the present invention,

도 5는 본 발명의 MEMS 소자를 이용한 선택적 다중핵산 증폭장치에서 외곽전극을 원 형태로 변경하여 다중 반응용기를 형성하는 과정을 나타낸 것이고, 5 illustrates a process of forming a multi-reaction vessel by changing the outer electrode into a circle in the selective multinucleic acid amplification apparatus using the MEMS device of the present invention.

도 6은 본 발명의 MEMS 소자를 이용한 선택적 다중핵산 증폭장치를 이용하여 PCR을 수행하는 기본 원리를 나타낸 것이고, 6 shows the basic principle of performing PCR using the selective multinucleic acid amplification apparatus using the MEMS device of the present invention,

도 7은 본 발명의 MEMS 소자를 이용한 선택적 다중핵산 증폭장치의 단면도를나타낸 것이고, 7 is a cross-sectional view of a selective multinucleic acid amplification apparatus using the MEMS device of the present invention.

도 8은 본 발명의 MEMS 소자를 이용한 선택적 다중핵산 증폭장치에서 전기장의 효율적인 제어를 위한 전극의 모양과 크기를 나타낸 것이고, 8 shows the shape and size of the electrode for efficient control of the electric field in the selective multinucleic acid amplification apparatus using the MEMS device of the present invention,

도 9는 본 발명의 MEMS 소자를 이용한 선택적 다중핵산 증폭장치에서 형성된 단일 반응용기의 크기를 나타낸 것이고, Figure 9 shows the size of a single reaction vessel formed in the selective multinucleic acid amplification apparatus using the MEMS device of the present invention,

도 10은 본 발명의 MEMS 소자를 이용한 선택적 다중핵산 증폭장치에서 PCR에 사용되는 마이크로히터와 RTD (resistance thermometer device) 센서의 구조를 나타낸 것이고, 10 shows the structure of a micro heater and a resistance thermometer device (RTD) sensor used for PCR in a selective multinucleic acid amplification apparatus using the MEMS device of the present invention.

도 11a내지11c는 본 발명의 MEMS 소자를 이용한 선택적 다중핵산 증폭장치를 제작하는 과정을 나타낸 것이다. 11A to 11C illustrate a process of manufacturing a selective multinucleic acid amplification apparatus using the MEMS device of the present invention.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 PCR에 사용되는 온도 사이클을 제어하기 위해 마이크로히터와 RTD 센서를 하나의 MEMS 소자에 집적화하고 가상의 다중 반응용기 형성을 위한 전극을 포함하는, MEMS 소자를 이용한 선택적 다중핵산 증폭장치를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention uses a MEMS device, including an electrode for integrating a micro heater and RTD sensor in one MEMS device and forming a virtual multiple reaction vessel to control the temperature cycle used for PCR Provided is a selective multinucleic acid amplification device.

또한, 본 발명은 상기 MEMS 소자를 이용한 선택적 다중핵산 증폭장치의 제작방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method of manufacturing a selective multinucleic acid amplification apparatus using the MEMS device.

이하, 본 발명을 자세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 PCR에 사용되는 온도 사이클을 제어하기 위해 마이크로히터와 RTD 센서를 하나의 MEMS 소자에 집적화하고 가상의 다중 반응용기 형성을 위한 전극을포함하는, MEMS 소자를 이용한 선택적 다중핵산 증폭장치를 제공한다.The present invention provides a selective multinucleic acid amplification apparatus using a MEMS device, including an electrode for integrating a micro heater and an RTD sensor into a single MEMS device and forming a virtual multiple reaction vessel for controlling a temperature cycle used for PCR. do.

구체적으로, 본 발명의 다중핵산 증폭장치는 박막이 형성된 기판; 기판위에 위치하여 열 발생과 열 검출에 사용되는 마이크로히터 및 RTD 센서부; 상기 히터 및 센서부 위에 위치하며 전기장을 형성하는 전극부; 상기 전극부를 감싸고 PCR 용액의 혼합과 저장을 위한 반응용기와 시료의 유출입구를 포함하는 혼합 반응용기; 및 기판의 하부에 위치한 펠티어 (peltier) 소자로 구성된다.Specifically, the multinucleic acid amplifying apparatus of the present invention comprises a substrate on which a thin film is formed; A micro heater and an RTD sensor unit positioned on the substrate and used for heat generation and heat detection; An electrode unit positioned on the heater and sensor unit to form an electric field; A mixed reaction container surrounding the electrode part and including a reaction container and an outlet of a sample for mixing and storing a PCR solution; And a peltier element located under the substrate.

상기 히터와 센서부는 박막이나 기판으로 고정되어 상부 전극과 절연층을 형성하면서 열 흡수와 열 발생을 검출하며, 전극부는 PCR 용액 분자를 혼합하고 목적 DNA를 밀폐시킬 수 있는 전기장을 형성하게 되고, 이로 인해 상기 혼합 반응용기 내부에 전기장에 의해 제어되는 가상의 다중증폭 반응용기가 형성된다.The heater and the sensor unit are fixed with a thin film or a substrate to form a top electrode and an insulating layer to detect heat absorption and heat generation, and the electrode unit forms an electric field for mixing PCR solution molecules and sealing the target DNA. This results in the formation of a virtual multi-amplification reaction vessel controlled by an electric field inside the mixing reaction vessel.

본 발명의 다중핵산 중폭장치는 전기적으로 음성을 띤 핵산이 직류전기장 속에서는 양극으로 이끌리고 교류전기장 속에서는 분극에 의한 분극전기영동 (dielectrophoresis)이 발생하여 전기장의 세기에 따라서 일정한 공간 속으로 이끌리는 점에 착안하여, 목적하는 핵산을 원하는 공간에 가두는 방식을 사용한다.In the multinucleic acid heavy-weight apparatus of the present invention, an electrically negative nucleic acid is led to a positive electrode in a direct current electric field, and in the alternating electric field, polarization electrophoresis occurs due to polarization, and thus it is led to a constant space according to the intensity of the electric field. Attention is drawn to the method of confining the desired nucleic acid in the desired space.

이와 같은 원리로 제작된 본 발명의 다중핵산 중폭장치는 기판 위에 기본적인 PCR 증폭을 위한 온도 사이클용 마이크로히터를 열원으로 포함하고 동일 평면에 위치한 온도감지 소자인 RTD 센서를 포함한다. 또한 소자 하부에 펠티어 소자를 열 흡수 (heat sink) 장치로 포함하고 있다. 먼저, 마이크로히터는 온도 사이클에 필요한 열원으로서 0 내지 10 V의 전원을 외부에서 인가 받아 코일 형태의 저항선에 의해 25 내지 300℃의 열을 발산하게 된다. 이로부터 생성된 열은 PCR 용액에 전달되어 PCR을 수행하는 에너지원으로 이용된다. 이때, 저항선에 의해 생성된 열은 소자 하부에 설치된 펠티어 열 흡수원에 의해 흡수되거나 자연대류에 의해 공기 중으로 발산되어 소비된다.The multinucleic acid heavy-duty device of the present invention manufactured on the same principle includes an RTD sensor, which is a temperature sensing element located on the same plane, including a microheater for a thermal cycle for basic PCR amplification as a heat source on a substrate. Also included under the device is a Peltier device as a heat sink. First, the microheater is supplied with a power source of 0 to 10V from the outside as a heat source required for the temperature cycle to emit heat of 25 to 300 ℃ by the coil-type resistance wire. The heat generated therefrom is transferred to the PCR solution and used as an energy source for performing PCR. At this time, the heat generated by the resistance wire is absorbed by the Peltier heat absorption source installed in the lower part of the element or is dissipated into the air by natural convection to be consumed.

또한, RTD 센서는 현재 반응용기 내의 온도를 측정하여 정확한 온도 사이클의 형성을 위해 열에 의한 도선의 저항변화를 감지한다. 이와 같이 측정된 온도에 따라 외부에 부착된 제어기 (controller)의 조절에 의해 필요한 에너지를 전압형태로 출력하고 이것을 증폭하여 코일 (coil) 형태의 저항선에 전압을 인가하게 되어 PID (proportion-integration-derivation, 비례-미분-적분) 제어가 이루어진다. 여기서, PID 제어란 오차에 대해 비례하는 값, 즉 비례제어, 미분값, 즉 미분제어, 적분값, 즉 적분제어를 동시에 수행하여 보정값을 출력하는 것으로, 본 발명에서는 정확한 온도를 출력하기 위해 센서로부터 온도값을 읽어들여서 그에 상응하는 히터의 출력값을 제어한다. 자연대류에 의한 열 흡수 및 코일에 의한 열 발생이 PCR을 위한 열 용량에 미치지 못할 경우에는 보조적인 수단으로 하부에 배치된 펠티어 소자에 의해 열 흡수와 열 발생이 병행하여 이루어진다.In addition, the RTD sensor measures the temperature in the current reaction vessel and detects the change in resistance of the lead due to heat to form an accurate temperature cycle. In this way, the required energy is output in the form of voltage by the control of an externally attached controller according to the measured temperature, and amplified to apply a voltage to a coil-type resistance wire, thereby providing PID (proportion-integration-derivation). , Proportional-differential-integral) control. Here, PID control means a value that is proportional to an error, that is, a proportional control, a derivative value, that is, a derivative control, an integral value, that is, integral control, simultaneously outputting a correction value. The temperature value is read from to control the output value of the corresponding heater. When heat absorption by natural convection and heat generation by coils do not reach the heat capacity for PCR, heat absorption and heat generation are performed in parallel by the Peltier element disposed below as an auxiliary means.

다중 반응용기에 의한 다중 PCR을 수행하기 위한 방법으로 전기장에 의한 각 반응용기의 분리와 형성은 최상위층에 위치한 중앙전극과 외곽전극에 의해 이루어지며, 각 용기의 전극은 외부 제어기로부터 받은 전압에 의해 전기장을 형성하게 되고 형성된 전기장은 가상의 전기장벽을 형성하여 각각의 반응용기를 분리하게 된다. 중앙전극은 PCR을 위한 프라이머를 고정하고 전기장 형성과 유체 회전에 의한PCR 용액의 혼합을 위해 사용되며, 외곽전극은 유체의 흐름과 물리적인 벽을 형성하기 위한 반대전극으로 사용된다. PCR 전극 주위에 위치한 바깥전극과 최외곽전극은 PCR 반응시 일어날 수 있는 다른 핵산의 혼입을 방지하고 프라이머가 고정된 중앙전극의 전기장을 제어함으로써 PCR의 효율을 증대시킨다. PCR을 위한 반응용기는 절연층으로 보호된 최상위전극 위에 결합되며 반응에 필요한 유체의 출입구를 포함하고 있다.As a method for performing multiple PCR by multiple reaction vessels, separation and formation of each reaction vessel by an electric field is performed by a center electrode and an outer electrode located in the uppermost layer, and the electrodes of each container are controlled by an electric field received from an external controller. The electric field is formed to form a virtual electric barrier to separate each reaction vessel. The center electrode is used to fix the primer for PCR and to mix the PCR solution by electric field formation and fluid rotation. The outer electrode is used as the counter electrode to form the fluid wall and the physical wall. The outer and outermost electrodes located around the PCR electrode prevent the incorporation of other nucleic acids that may occur during the PCR reaction and increase the efficiency of PCR by controlling the electric field of the central electrode to which the primer is fixed. The reaction vessel for PCR is coupled on top electrode protected by an insulating layer and contains the entrance and exit of the fluid required for the reaction.

종래의 PCR 방법에 의한 증폭과는 달리 본 발명의 다중핵산 중폭장치는 검사하고자 하는 유전자의 일부분으로 이루어진 프라이머 (primer)를 각각 원하는 공간에 선택적으로 고정하기 위하여 전극에 전기장을 가한다. 이와 같이 고정된 프라이머는 시료 내에 존재하는 유전자 중 프라이머의 서열과 상보적인 서열을 갖는 유전자와 혼성화되어 이 유전자만을 선택적으로 증폭한다.Unlike the amplification by the conventional PCR method, the multinucleic acid heavy device of the present invention applies an electric field to an electrode to selectively fix primers, each of which is a part of a gene to be examined, in a desired space. The immobilized primer is hybridized with a gene having a sequence complementary to that of the primer among the genes present in the sample to selectively amplify only this gene.

MEMS 소자를 이용한 기존의 PCR 방법 (Northrup, M. A., et al.,Solid-State Sensors and Actuators1995 andEurosensorsⅨ. Transducers '95. The 8th International Conference1:764-767, 1995)은 하나의 반응용기에서 PCR을 수행하거나 목적하는 단일핵산을 검출하기 위하여 각각 다른 프라이머를 전극에 고정시킨다. 이러한 경우, 개별전극에 각각 다른 염기서열을 갖는 프라이머가 고정되어 있으므로 PCR과 같은 핵산증폭을 시행할 때 각각의 프라이머에 해당되는 증폭 시료의 일부분이 각각의 전극 사이에서 서로 간섭을 일으키게 된다.Conventional PCR methods using MEMS devices (Northrup, MA, et al., Solid-State Sensors and Actuators 1995 and Eurosensors Ⅸ. Transducers '95. The 8th International Conference 1: 764-767, 1995) Each primer is immobilized on the electrode in order to detect the desired mononucleic acid. In this case, since primers having different base sequences are fixed to individual electrodes, a portion of an amplification sample corresponding to each primer causes interference between each electrode when performing nucleic acid amplification such as PCR.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 MEMS 소자는 부분적인 전극에서만 다중 프라이머에 의한 다중 PCR이 일어날 수 있도록 전극 주위에 또 다른 전극을 배열하여 전기장을 형성시키고 이것에 의해 프라이머가 고정된 전극을 다른 전극과 분리시킴으로써 PCR 증폭시 일어날 수 있는 간섭과 서로 다른 유전자끼리의 혼합을 최소화하였다. 그로 인해, 본 발명의 MEMS 소자를 채택한 다중핵산 증폭장치는 전기장벽이 물리적인 벽의 효과를 주는 동시에 PCR에 필요한 생물학적 성분의 혼합과 전기장 형성에 의한 다중핵산의 선택적 증폭을 가능케 하였다.In order to solve this problem, the MEMS device of the present invention forms an electric field by arranging another electrode around the electrode so that multiple PCR by multiple primers may occur only in a partial electrode, thereby changing the electrode to which the primer is fixed. Separation from the electrodes minimizes the interference between PCR and the mixing of different genes. Therefore, the multinucleic acid amplification apparatus employing the MEMS device of the present invention enables the electric barrier to selectively amplify the polynucleic acid by mixing the biological components and electric field formation required for the PCR while at the same time giving the effect of the physical wall.

또한, 본 발명의 MEMS 소자는 중앙전극의 전기장 제어에 의해 프라이머와 시료간의 정확한 상보적 결합을 제어할 뿐만 아니라 소자의 하부에 히터를 배치하여 이를 하부 열원으로 이용함으로써 PCR에 사용되는 에너지를 공급하면서 부가적으로 상보적인 결합을 제어할 수 있다. 더욱이, 본 발명의 MEMS 소자는 기존의 열 공급방식과는 다르게 절연박막 마이크로히터와 펠티어 소자를 동시에 사용하여 보다 정확하고 빠른 온도반응을 실현할 수 있다는 장점을 갖는다.In addition, the MEMS device of the present invention not only controls the exact complementary coupling between the primer and the sample by controlling the electric field of the center electrode, but also supplies energy used for PCR by arranging a heater at the bottom of the device and using it as a lower heat source. In addition, complementary binding can be controlled. Furthermore, unlike the conventional heat supply method, the MEMS device of the present invention has an advantage of using a thin film micro heater and a Peltier device at the same time to realize more accurate and faster temperature response.

본 발명의 MEMS 소자를 이용한 다중핵산 증폭장치는 종래 기술에서 문제점으로 지적되었던 단일 반응용기 내에서 다중 프라이머의 사용으로 인한 낮은 PCR 효율을 개선하고 다중 반응용기를 물리적인 벽으로 형성한 것을 보완한 것으로 각각의 전극을 제어함으로써 물리적인 벽 없이 집적도가 높은 다중 반응용기 내에서의 PCR을 가능케 한 것이다. 또한, 상기 MEMS 소자는 마이크로 단위의 시료와 시약만으로 다종의 목적하는 핵산을 선택적으로 증폭할 수 있어 매우 경제적이다.The multinucleic acid amplification apparatus using the MEMS device of the present invention improves low PCR efficiency due to the use of multiple primers in a single reaction vessel, which has been pointed out as a problem in the prior art, and complements the formation of the multiple reaction vessel as a physical wall. Controlling each electrode enables PCR in highly integrated multiple reaction vessels without physical walls. In addition, the MEMS device is very economical because it can selectively amplify a variety of target nucleic acids only with a sample and a reagent of a micro unit.

또한, 본 발명은 일반적으로 온도 사이클에 필요한 열원으로 펠티어 소자만을 이용한 경우에 열 용량의 제한으로 반응용기의 온도를 제어하기가 어렵다는 단점을 보완하여 열원으로 마이크로히터와 펠티어 소자를 사용하고 반응용기의 냉각은 자연대류와 펠티어 소자에 의해 제어되는 특징을 갖는다.In addition, the present invention generally uses a micro heater and a Peltier element as a heat source by supplementing the disadvantage that it is difficult to control the temperature of the reaction vessel due to the limitation of the heat capacity when only the Peltier element is used as the heat source necessary for the temperature cycle. Cooling is characterized by natural convection and Peltier elements.

본 발명에 따른 MEMS 소자를 이용한 선택적 다중핵산 증폭장치를 이하 도면을 참조하여 상세히 설명한다.The selective multinucleic acid amplification apparatus using the MEMS device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 종래에 일반적으로 사용되고 있는 PCR의 온도 프로파일 (profile)을 나타낸 것이다. Y축은 PCR의 각 단계에서 필요한 온도를 나타내며 X축은 각 단계에 필요한 지속시간을 나타낸다. 본 발명의 다중핵산 증폭장치를 이용한 PCR에서의 온도 프로파일은 기존의 온도 프로파일에서 각 단계마다 필요한 지속시간인 1~3분을 마이크로히터로 대치하여 1~3초로 단축시켰다. 1 shows a temperature profile of a PCR generally used in the related art. The Y axis represents the temperature required for each step of the PCR and the X axis represents the duration required for each step. The temperature profile in the PCR using the multinucleic acid amplification apparatus of the present invention was reduced to 1 to 3 seconds by substituting the microheater for 1 to 3 minutes, which is a necessary time for each step in the existing temperature profile.

도 2는 PCR을 이용하여 시료 핵산을 증폭하는 과정을 나타낸 것이다. 각 단계에서 시료 DNA는 이중가닥 나선구조에서 고온에 의해 단일가닥 나선구조로 변성된 후 상보적인 프라이머와 혼성화되어 증폭, 재분리의 과정을 일련의 순환으로 거치면서 원하는 목적 DNA만이 증폭될 수 있다. Figure 2 shows the process of amplifying the sample nucleic acid using PCR. In each step, the sample DNA is denatured from a double stranded helix to a single stranded helix by high temperature, hybridized with complementary primers, and then amplified and re-separated through a series of cycles, such that only desired DNA can be amplified.

도 3은 본 발명의 MEMS 소자를 이용한 선택적 다중핵산 증폭장치에 따라 형성된 단일 반응용기 내 전극위치의 평면도를 나타낸 것으로, 전체용기는 시료의 유출입구를 포함하는 단일 원 (circle)으로 이루어져 있고 전극부는 확대도에 나타난 바와 같이 바깥전극, 중앙전극 및 외곽전극으로 구성되어 있다. 중앙전극은 프라이머를 고정시키는 곳이며, 외곽전극은 PCR시에 반응용액을 가두어 두고 혼합하기 위해 전기장을 형성하는 곳이다. 또한, 서로 다른 단일 반응용기 사이의 시료 혼입을 방지하기 위해 바깥전극을 설치하거나 4개의 최외각 전극을 설치할 수 있다. Figure 3 shows a plan view of the electrode position in a single reaction vessel formed according to the selective multinucleic acid amplification apparatus using the MEMS device of the present invention, the entire vessel consists of a single circle including the outlet of the sample and the electrode portion As shown in the enlarged view, it is composed of an outer electrode, a center electrode, and an outer electrode. The center electrode is where the primer is fixed, and the outer electrode is where the reaction solution is trapped during PCR to form an electric field for mixing. In addition, in order to prevent sample mixing between different single reaction vessels, an outer electrode or four outermost electrodes may be installed.

도 4는 본 발명의 MEMS 소자를 이용한 선택적 다중핵산 증폭장치에서 단일 반응용기에 대한 전기영동방식과 전극분극 전기영동방식에 의한 용기의 형성과정과 제어흐름을 나타낸 것으로, 이러한 전극제어 방식은 전기영동을 이용한 DNA와 PCR시료의 이동과 혼합과정을 조절한다. 중앙전극과 외곽전극간의 전기장에 의해 음전하 (-)를 띤 생물분자가 이동하게 되고, 외부에서 제어되는 전압이 외곽전극에 순서적으로 인가됨에 따라 원 형태의 전기장이 일정한 주파수를 가지면서 형성된다. 이로 인해 중앙전극 내부의 생물분자가 전기장으로 형성된 가상의 반응용기 내에 갇히게 되고, 외곽전극 주위의 PCR 용액이 혼합되게 된다. 이때, 바깥전극 또는 최외각 전극에 의해 다른 반응용기와의 시료 혼입이 방지된다. Figure 4 shows the formation process and control flow of the vessel by the electrophoresis method and electrode polarization electrophoresis method for a single reaction vessel in the selective multinucleic acid amplification apparatus using the MEMS device of the present invention, the electrode control method is electrophoresis Control the movement and mixing of DNA and PCR samples. The negatively charged (-) biomolecule is moved by the electric field between the center electrode and the outer electrode, and as the externally controlled voltage is sequentially applied to the outer electrode, a circular electric field is formed with a constant frequency. As a result, the biomolecule inside the central electrode is trapped in the virtual reaction vessel formed by the electric field, and the PCR solution around the outer electrode is mixed. At this time, the sample mixing with the other reaction vessel is prevented by the outer electrode or the outermost electrode.

다중 반응용기를 형성하기 위해서는 바깥전극이나 최외각전극을 음극으로 하여 음전하의 DNA를 반발시킴으로써 이들을 중앙전극 방향으로 밀어내게 된다. 이때, 중앙전극에서 생성된 PCR 생성물은 바깥전극이나 최외각전극에 의하여 다른 반응용기로 이동하지 못하게 된다. 만약, 양극과 음극을 일정한 주파수로 바꾸어 주면서 순서대로 외곽전극에 전기장을 가하게 되면 전기분극 전기영동이 일어나 생체분자의 분극량과 용액의 성질에 따라 음전극 또는 양전극의 전기장이 최대 혹은 최소치로 분포된 곳에 모이게 되고 만약 전기장이 최대나 최소치로 분포된 곳이 중앙에 위치하게 되면 생체분자는 중앙전극에 형성된 가상의 반응용기 내에 모이게 된다.In order to form a multiple reaction vessel, the negative electrode is repelled toward the center electrode by repelling negatively charged DNA using the outer electrode or the outermost electrode as a cathode. At this time, the PCR product generated in the central electrode is not moved to another reaction vessel by the outer electrode or the outermost electrode. If the positive and negative electrodes are applied to the outer electrode in sequence while changing the positive and negative poles, electropolarization electrophoresis occurs, where the electric field of the negative or positive electrode is distributed at the maximum or minimum value according to the polarization amount of the biomolecule and the nature of the solution. When the electric field is distributed at the maximum or minimum value, the biomolecules are collected in a virtual reaction vessel formed at the central electrode.

도 5는 본 발명의 다중핵산 증폭장치에서 반응용기 형성을 위하여 외곽전극을 원 형태로 변경하는 경우에 전기장의 인가 순서에 따라 반응용기가 형성되고 음전하의 생체분자가 이동하는 흐름을 나타낸 것이다. FIG. 5 illustrates a flow in which a reaction vessel is formed according to an application sequence of an electric field and a negatively charged biomolecule is moved when the outer electrode is changed into a circle to form a reaction vessel in the multinucleic acid amplification apparatus of the present invention.

도 6은 본 발명의 다중핵산 증폭장치에 따라 형성된 가상의 반응용기 내에서 이루어지는 PCR 반응을 나타낸 것이다. Figure 6 shows a PCR reaction made in a virtual reaction vessel formed according to the multinucleic acid amplification apparatus of the present invention.

도 7은 본 발명에 따라 제작된 MEMS 소자를 이용한 선택적 다중핵산 증폭장치의 단면도를 나타낸 것이고,도 8은 본 발명의 다중핵산 중폭장치에서 단일 반응용기를 형성하기 위한 전기장의 효율적인 제어를 위해 각각 다른 전극의 모양과 크기를 나타낸 것이고,도 9는 본 발명에 따라 형성된 단일 반응용기의 크기를 나타낸 것이다.도 9의 단일 반응용기는 다중 반응용기를 형성하기 위해 상기 단일 반응용기에서 전압을 인가하기 위한 접촉 부위를 제외시킨 후 여러 개 집적화시킬 수 있다. 다중 반응용기에 사용되는 전극의 모양은 단일 반응용기와 다르게 설계할 수 있지만 기본적으로 각각의 반응용기는 다른 반응용기 내 생물학적 분자와의 혼합을 방지하도록 제작된다. Figure 7 shows a cross-sectional view of a selective multinucleic acid amplification device using a MEMS device made in accordance with the present invention, Figure 8 is different for efficient control of the electric field to form a single reaction vessel in the multinucleic acid heavyweight apparatus of the present invention It shows the shape and size of the electrode, Figure 9 shows the size of a single reaction vessel formed in accordance with the present invention. A single reaction vessel of FIG. 9 may be integrated after excluding a contact site for applying a voltage in the single reaction vessel to form a multiple reaction vessel. The shape of the electrode used in the multiple reaction vessel can be designed differently than a single reaction vessel, but basically each reaction vessel is designed to prevent mixing with biological molecules in the other reaction vessel.

도 10은 본 발명의 다중핵산 증폭장치에서 PCR에 사용되는 마이크로히터와 RTD (resistance thermometer device) 센서의 구조를 나타낸 것이고,도 11a내지11c는 본 발명의 다중핵산 증폭장치의 제작공정을 나타낸 것이다. Figure 10 shows the structure of the micro-heater and RTD (resistance thermometer device) sensor used in the PCR in the multinucleic acid amplification device of the present invention, Figure 11a to 11c shows the manufacturing process of the multinucleic acid amplification device of the present invention.

또한, 본 발명은 상기 MEMS 소자를 이용한 선택적 다중핵산 증폭장치의 제작방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method of manufacturing a selective multinucleic acid amplification apparatus using the MEMS device.

본 발명에 따른 다중핵산 증폭장치의 제작방법은The manufacturing method of the multinucleic acid amplification apparatus according to the present invention

1) 기판 표면에 저응력 질화 박막을 형성하는 단계;1) forming a low stress nitride thin film on the substrate surface;

2) 열원과 센서 형상을 형성하기 위하여 질화 박막 위에 금속층을 증착하는 단계;2) depositing a metal layer on the nitride thin film to form a heat source and a sensor shape;

3) 금속층 위에 감광성 폴리머를 회전도포한 후 자외선 마스크로 열원과 센서 형상을 형상식각하여 첫 번째 층을 형성하는 단계;3) forming a first layer by rotationally coating the photosensitive polymer on the metal layer and then etching the shape of the heat source and the sensor with an ultraviolet mask;

4) 첫 번째 층의 열원 및 센서 구조물 위에 제 1 절연층을 형성하는 단계;4) forming a first insulating layer over the heat source and sensor structure of the first layer;

5) 제 1 절연층 위에 최상위전극을 형성하기 위하여 금속층을 증착하는 단계;5) depositing a metal layer to form a top electrode on the first insulating layer;

6) 금속층 위에 감광성 폴리머를 회전도포한 후 자외선 마스크로 최상위전극 형상을 형상식각하여 두 번째 층을 형성하는 단계;6) forming a second layer by rotating the photosensitive polymer on the metal layer and etching the shape of the top electrode with an ultraviolet mask;

7) 단계 6)에서 얻은 기판의 뒷면에 감광성 폴리머를 회전도포한 후 자외선 마스크로 에칭 마스크 형상을 형상식각하는 단계;7) spin-coating a photosensitive polymer on the back surface of the substrate obtained in step 6) and etching the shape of the etching mask with an ultraviolet mask;

8) 실리콘을 식각하고 저응력 질화 박막을 형성한 후 절연 실리콘 산화막을 제거하는 단계;8) etching the silicon and forming a low stress nitride thin film to remove the insulating silicon oxide film;

9) 두 번째 층의 최상위전극의 노출부위와 절연부위 사이에 제 2 절연층을 형성하는 단계;9) forming a second insulating layer between the exposed portion and the insulating portion of the top electrode of the second layer;

10) 최상위전극의 노출부위와 전극패드를 노출시킨 후 열원과 센서의 전극패드 이외의 절연층을 제거하는 단계;10) removing the insulating layer other than the electrode pad of the heat source and the sensor after exposing the exposed portion of the top electrode and the electrode pad;

11) SU-8을 도포하여 시료 유출입구와 반응용기 형상을 갖는 구조물을 제작하는 단계;11) preparing a structure having a sample outlet and a reaction vessel shape by applying SU-8;

12) SU-8 구조물의 표면을 실란화시킨 후 PDMS (polymethylsiloxane)를 부어반응용기 구조물을 얻어 MEMS 소자를 구성하는 단계; 및12) silanizing the surface of the SU-8 structure, and then pouring polymethylsiloxane (PDMS) to obtain a reaction vessel structure to construct a MEMS device; And

13) 상기와 같이 제작된 MEMS 소자에 외부 제어기를 연결하고 하부에 펠티어 소자를 결합하여 전체 다중핵산 증폭장치를 제작하는 단계를 포함한다 (도 11a내지11c참조).13) connecting the external controller to the MEMS device fabricated as described above, and combining the Peltier device at the bottom to fabricate the entire multinucleic acid amplification apparatus (see FIGS. 11A to 11C ).

상기 제작방법을 단계별로 설명하면, 단계 1)에서 기판으로는 실리콘, 유리 또는 폴리카보네이트 (PC, Polycarbonate)의 재질로 이루어진 것을 사용할 수 있으며, 500 내지 550 ㎛ 두께의 실리콘 기판이 바람직하다. 먼저, 기판 표면의 불순물을 제거하고 산화막을 입힌 후 절연성 향상과 박막 형성을 위해 저응력 질화 (low stress nitride) 막을 부가적으로 입혔다 (도 11aA참조). 저응력 질화막은 LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) 증착기기를 사용하여 1 내지 1.5 ㎛ 두께로 도포한다.When the manufacturing method is described step by step, a substrate made of silicon, glass, or polycarbonate (PC, Polycarbonate) may be used as the substrate in step 1), and a silicon substrate having a thickness of 500 to 550 μm is preferable. First, impurities on the surface of the substrate were removed and an oxide film was applied, and then a low stress nitride film was additionally coated to improve insulation and form a thin film (see A of FIG. 11A ). Low stress nitride film is applied to a thickness of 1 to 1.5 ㎛ using a low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) deposition apparatus.

단계 2)는 단계 1)에서 제작된 산화 박막 실리콘 절연층 위에 단일열원과 온도감지 센서 구조물을 형성하기 위하여 금속층을 열 증착하는 단계로서, 본 발명에서는 크롬/금 (Cr/Au) 금속층을 차례로 각각 2000Å 내지 5000Å ㎛ 두께로 증착한다. 크롬은 기판과 금과의 접착성을 향상시키고, 전극으로 사용된 금은 용액의 전기 분해나 산화 환원에 의한 부식을 방지하고 프라이머를 전극에 고정시킬 경우 프라이머의 수식을 용이하게 한다 (도 11aB참조). 크롬 대신에 티타늄 (Ti)이, 금 대신에 백금 (Pt)이 사용될 수 있다.Step 2) is thermally depositing a metal layer to form a single heat source and a temperature sensing sensor structure on the oxide thin film silicon insulating layer fabricated in step 1). In the present invention, the chromium / gold (Cr / Au) metal layers are sequentially It is deposited to a thickness of 2000 GPa to 5000 GPa. Chromium improves adhesion between the substrate and gold, and gold used as an electrode prevents corrosion by electrolysis or redox of a solution and facilitates modification of the primer when the primer is fixed to the electrode ( B of FIG. 11A ) . Reference). Titanium (Ti) may be used instead of chromium and platinum (Pt) may be used instead of gold.

단계 3)에서는 먼저 단계 2)에서 금속층이 증착된 절연층 윗면에 HMDS(hexamethyldisilazane)를 0.2 내지 0.3 ㎛ 두께로 회전도포한다. 여기에 감광성 폴리머 (photoresist)를 1 내지 1.5 ㎛ 두께로 회전도포한 후 자외선 (UV, ultra violet) 마스크로 노광하여 열원과 센서 형상을 형상식각 (patterning) 한다 (도 11aC참조). 이때, 감광성 폴리머로는 AZ5214, AZ94562 또는 AZ9260 (모두 AZ사 제품) 등이 사용될 수 있다.In step 3), HMDS (hexamethyldisilazane) is rotatably coated on the upper surface of the insulating layer on which the metal layer is deposited in step 2) to a thickness of 0.2 to 0.3 μm. The photoresist is spin-coated to a thickness of 1 to 1.5 μm, and then exposed to an ultraviolet (UV) mask to pattern the heat source and the sensor (see C of FIG. 11A ). In this case, AZ5214, AZ94562 or AZ9260 (all manufactured by AZ) may be used as the photosensitive polymer.

단계 4)에서는 상기 단계들에 의해 형성된 첫 번째 층 (layer)의 단일열원 및 온도감지 센서 위에 절연층을 형성하기 위해 SOG (spin-on-glass)를 0.3 내지 0.8 ㎛ 두께로 도포한다 (도 11aD참조).In step 4) spin-on-glass (SOG) is applied to a thickness of 0.3 to 0.8 [mu] m to form an insulating layer on the single heat source and the temperature sensor of the first layer formed by the above steps ( FIG. 11A). See D ).

단계 5)는 절연층 위에 최상위전극을 형성하기 위하여 금속층을 열 증착기를 이용하여 증착하는 단계로서, 단계 2)에서와 같이 크롬/금 금속층을 차례로 증착한다 (도 11E참조).Step 5) is to deposit a chrome / gold metal layer, as shown in a step of depositing a metal layer using an evaporator column to form a top electrode on the insulating layer, step 2) in this order (see E of Fig. 11).

단계 6)에서는 상기 단계에서 금속층이 증착된 기판의 윗면에 HMDS를 0.2 내지 0.3 ㎛ 두께로, 감광성 폴리머를 1 내지 1.5 ㎛ 두께로 회전도포한 후 자외선 마스크로 노광하여 최상위전극 형상을 형상식각한다 (도 11aF참조).In step 6), HMDS is coated on the upper surface of the substrate on which the metal layer is deposited in a thickness of 0.2 to 0.3 μm, and the photosensitive polymer is rotated to a thickness of 1 to 1.5 μm, and the top electrode shape is etched by exposing with a UV mask ( See FIG. 11A F ).

단계 7)에서는 단계 6)의 기판 뒷면에 HMDS를 0.2 내지 0.3 ㎛ 두께로, 감광성 폴리머를 1 내지 1.5 ㎛ 두께로 회전도포한 후 자외선 마스크로 노광하여 뒷면에 에칭 마스크 형상을 형상식각한다 (도 11aG참조).In step 7), HMDS is 0.2-0.3 μm thick and photosensitive polymer is rotated 1-1.5 μm thick on the back side of the substrate in step 6), and then the etching mask shape is etched on the back side by exposing with an ultraviolet mask ( FIG. 11A). G )).

단계 8)에서는 실리콘을 식각하여 저응력 질화 박막을 형성한 후 절연 실리콘 산화막을 제거한다 (도 11aH참조).In step 8), the silicon is etched to form a low stress nitride thin film, and then the insulating silicon oxide film is removed (see H of FIG. 11A ).

단계 9)에서는 두 번째 층의 최상위전극의 노출부위와 절연부위 사이에 절연층을 형성하기 위해 SOG를 0.3 내지 0.8 ㎛ 두께로 도포한다 (도 11bI참조).In step 9), SOG is applied to a thickness of 0.3 to 0.8 mu m to form an insulating layer between the exposed portion and the insulating portion of the top electrode of the second layer (see I in FIG. 11B ).

단계 10)에서는 기판 윗면에 HMDS를 0.2 내지 0.3 ㎛ 두께로, 감광성 폴리머를 1 내지 1.5 ㎛ 두께로 회전도포한 후 자외선 마스크로 노광하여 최상위전극의 노출부위와 전극패드를 노출시킨다 (도 11bJ참조).In step 10), HMDS is 0.2 to 0.3 μm thick and the photosensitive polymer is rotated to 1 to 1.5 μm thick on the upper surface of the substrate, and then exposed by an ultraviolet mask to expose the exposed portion of the top electrode and the electrode pad ( J in FIG. 11B ) . Reference).

단계 11)에서는 SU-8 50 (Nano™SU-8, Micro Chem사)을 90 내지 110 ㎛ 두께로 회전도포한다. 여기에 채널의 시료 유출입구와 원 형태의 반응용기 형상을 만들기 위해 자외선 마스크 노광으로 형상식각하여 SU-8 구조물을 제작한다 (도 11bKL참조). 이와 같이 제작된 SU-8 구조물은 PDMS (polydimethylsiloxane) 형상을 위한 주형으로 PDMS 주형 (mold)의 반대 형상을 갖는다.In step 11) SU-8 50 (Nano ™ SU-8, Micro Chem) is spun onto 90-110 μm thick. Here, the SU-8 structure is fabricated by etching the UV mask to form a sample outlet of the channel and a reaction vessel in a circular shape (see K and L of FIG. 11B ). The SU-8 structure manufactured as described above has the opposite shape of the PDMS mold as a template for the PDMS shape.

단계 12)에서는 먼저 주형으로부터 구조물이 용이하게 떨어지도록 SU-8 구조물의 표면을 실란화 (silanization)시킨다. 이때, 실란화에 사용되는 화합물로 트리클로로(3,3,3 트리플루오로프로필)실란 [Trichloro(3,3,3 Trifluoro propyl)silane]이 바람직하다. PDMS 주형은 디메틸실록산 단량체 (monomer)와 경화제 (curing agent)를 1 : 10으로 혼합하여 만든 PDMS를 SU-8 구조물 주형 위에 부어 제작한다. 이로부터 얻은 PDMS 반응용기 구조물을 SU-8 구조물과 결합하여 완전한 MEMS 소자를 구성할 수 있다. 이때, PDMS 구조물은 실란화 처리에 의해 주형으로부터 깨끗이 떨어지기 때문에 별도의 공정 없이 다시 경화제를 섞은 PDMS를 붓고 열처리하는 공정을 반복하면 쉽게 대량의 채널 구조물을 얻을 수 있다. 만들어진 PDMS 구조물과 SU-8 구조물은 가역적 반응으로 쉽게 결합 (bonding)이 가능할 뿐만 아니라 표면을 산화시켜 비가역적 결합으로 접착할 수 있다 (도 11bM참조).In step 12), the surface of the SU-8 structure is silanized so that the structure is easily separated from the mold. At this time, trichloro (3,3,3 trifluoropropyl) silane] is preferable as the compound used for silanization. PDMS mold is prepared by pouring PDMS made by mixing dimethylsiloxane monomer (monomer) and curing agent (1:10) onto SU-8 structure mold. The PDMS reaction vessel structure obtained from this can be combined with the SU-8 structure to form a complete MEMS device. At this time, since the PDMS structure is removed from the mold by the silanization treatment, it is easy to obtain a large amount of channel structures by repeating the process of pouring and heat-processing the PDMS mixed with the curing agent again without a separate process. The produced PDMS structure and SU-8 structure can be easily bonded by a reversible reaction as well as oxidize the surface and can be bonded by irreversible bonding (see M of FIG. 11B ).

단계 13)에서는 상기와 같이 제작된 MEMS 소자에 외부 제어기 및 상용의 펠티어 소자를 결합하여 전체적인 다중핵산 증폭장치를 제작한다 (도 11cN내지P참조.In step 13), an external controller and a commercial Peltier device are combined with the MEMS device fabricated as described above to manufacture an overall multinucleic acid amplification apparatus (see N to P of FIG. 11C ).

이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples.

단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.However, the following examples are merely to illustrate the invention, but the content of the present invention is not limited to the following examples.

<실시예 1> MEMS 소자를 이용한 다중핵산 중폭장치의 제작<Example 1> Fabrication of multinucleic acid medium width device using MEMS device

(단계 1)(Step 1)

실리콘 기판 (500 ㎛ 두께, <100> 방향, N 타입, LG실트론사)을 황산 (H2SO4)과 과산화수소 (H2O2)의 1:2 (v/v) 희석액으로 120℃에서 40분 동안 세정 (cleaning)하여 오염물질인 금속잔류물과 유기물 (metal/organic)을 제거한 후 산화로에 넣어 1,000℃에서 6시간 동안 탈이온수 (deionized water; DI water)를 이용하여 산화시켜 약 1.2 ㎛의 산화막 (실리콘 산화물, SiO2-Silicon Oxide)을 형성하였다. 산화막을 입힌 후 절연성 향상과 박막을 형성하기 위해 저응력 질화 (low stress nitride) 막을 LPCVD (low pressure chemical vapor deposition) 공정 (이승섭,박사학위논문, U.C. Berkeley, 1995,)으로 4,000 Å을 부가적으로 입혔다 (도 11aA).A silicon substrate (500 μm thick, <100> direction, N-type, LG Siltron) was prepared at 120 ° C. in a 1: 2 (v / v) dilution of sulfuric acid (H 2 SO 4 ) and hydrogen peroxide (H 2 O 2 ). After cleaning for 10 minutes to remove contaminants such as metal residue and metal / organic, put into an oxidation furnace and oxidized with deionized water (DI water) at 1,000 ℃ for 6 hours at about 1.2 ㎛ Oxide film (silicon oxide, SiO 2 -Silicon Oxide) was formed. In order to improve insulation and to form a thin film after oxide coating, a low stress nitride film was additionally added to 4,000 으로 by a low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) process (Lee Seung-Seop, Ph.D. Thesis , UC Berkeley, 1995,). coated (a in Fig. 11a).

(단계 2)(Step 2)

단계 1)에서 제작된 산화 박막 실리콘 절연층 위에 단일열원과 온도감지 센서 구조물을 형성하기 위하여, 크롬/금 (Cr/Au) 금속층을 차례로 열 증착기 (Thermal evaporator, ULVAC: high vacuum coater MH89-4504)를 이용하여 증착하였다. 크롬은 기판과 금과의 접착성을 향상시키기 위해 전류 55~60 A 사이에서 약 2분 동안 1 Å/초의 증착비율로 총 100 Å을 증착하였고, 금은 전류 50~55 A사이에서 약 10~15분 동안 1~1.5 Å/초의 증착비율로 총 1,000 Å을 증착하였다 (도 11aB).In order to form a single heat source and a temperature sensing sensor structure on the oxide thin film silicon insulating layer fabricated in step 1), a chromium / gold (Cr / Au) metal layer is in turn thermal evaporator (ULVAC: high vacuum coater MH89-4504) Was deposited using. In order to improve the adhesion between the substrate and the gold, chromium was deposited in total 100 mA at a deposition rate of 1 mA / sec for about 2 minutes between 55 and 60 A of current, and gold was approximately 10 to 15 between 50 and 55 A of current. A total of 1,000 mW was deposited at a deposition rate of 1-1.5 mW / sec for minutes ( B in FIG. 11A ).

(단계 3)(Step 3)

단계 2)에서 금속층이 증착된 절연층 윗면에 HMDS (hexamethyldisilazane, 기린시약)를 0.3 ㎛ 두께로 회전도포 (250 rpm에서 4초간, 5000 rpm에서 35초간)한 후 90℃에서 100초 동안 소프트베이킹 (soft baking)하였다. 여기에 AZ 5214 감광성 폴리머 (photoresist, 기린시약)를 1.3 ㎛ 두께로 회전도포 (250 rpm에서 4초간, 5000 rpm에서 35초간)한 후 다시 90℃에서 50초 동안 소프트베이킹하였다. 열원과 센서 형상을 형상식각 (patterning)하기 위해 자외선 (UV: Ultra Violet) 마스크로 16 ㎽/㎠ 세기로 15초 동안 자외선 노광하였다. AZ 300 MIF 현상액 (기린시약)에서 1분 동안 현상한 후, 오븐 (oven) 또는 핫플레이트 (hot plate)에서 120℃, 100초간 하드베이킹 (hard baking)하였다. 열원과 센서 형상 외의 크롬/금 금속층을 제거하기 위해 KI (요오드화칼륨) : I2 (요오드) : DI (탈이온수)를 4 g : 1 g : 40 ㎖의 비율로 혼합하여 제조한 금 식각액 (etchant)을 1 ㎛/분의 비율로 처리하여 약 10초 동안 식각하고, 금 형상을 마스크 (mask)로 사용하고 상업용으로 시판되는 크롬-식각액 (Cr-etchant, Cr-7k, (주)제우스)에서 약 5초 정도 식각하여 형상을 제작하였다. 식각된 기판을 TCE (트리클로로에틸렌, trichloroetylene)/아세톤 (aceton)/메틸알콜 (methyl alcohol) 용액 또는 전용 제거제 (stripper, (주)제우스)를 사용하여 각 3분간 세정 (cleaning)하여 유기물인 감광성 폴리머를 제거한 후 질소 (N2)로 건조시켰다 (도 11aC).In step 2), HMDS (hexamethyldisilazane, giraffe reagent) was coated on the upper surface of the insulating layer on which the metal layer was deposited (0.3 seconds at 4 rpm at 250 rpm, 35 seconds at 5000 rpm), and then softbaked at 90 ° C. for 100 seconds. soft baking). The AZ 5214 photosensitive polymer (photoresist, Giraffe reagent) was spun onto a 1.3 μm thickness (4 seconds at 250 rpm, 35 seconds at 5000 rpm) and then softbaked at 90 ° C. for 50 seconds. In order to pattern the heat source and the sensor shape, an ultraviolet (UV: Ultra Violet) mask was exposed to ultraviolet light for 15 seconds at 16 mA / cm 2 intensity. After developing for 1 minute in an AZ 300 MIF developer (giraffe reagent), it was hard baked at 120 ° C. for 100 seconds in an oven or hot plate. A gold etchant prepared by mixing KI (potassium iodide): I2 (iodine): DI (deionized water) in a ratio of 4 g: 1 g: 40 ml to remove the chromium / gold metal layer outside the shape of the heat source and sensor. Was treated at a rate of 1 μm / min for etching for about 10 seconds, and the gold shape was used as a mask and was used in a commercially available chromium-etched solution (Cr-etchant, Cr-7k, Zeus Co., Ltd.). The shape was prepared by etching for 5 seconds. The etched substrate was cleaned for 3 minutes using TCE (trichloroetylene) / aceton / methyl alcohol solution or a dedicated stripper (Zeus Co., Ltd.) for 3 minutes, and the organic photosensitive The polymer was removed and then dried over nitrogen (N 2 ) ( C in FIG. 11A ).

(단계 4)(Step 4)

첫 번째 층 (layer)의 단일열원 및 온도감지 센서 구조물과 이후에 제작되는 최상위전극 사이에 절연층을 형성하기 위해 SOG (spin-on-glass, T-12NEB, Honeywell사)를 도포하였다. SOG는 3,000 rpm/11초, 1,500 rpm/3초 및 3,000 rpm/9초의 회전조건으로 도포하여 약 4,000 Å의 두께를 형성하거나, 이중도포에 의해서 약 1.2 ㎛까지 두꺼운 절연층을 형성할 수도 있다. 도포된 SOG는 경화 (curing)를 위해 2분 동안 소프트베이킹한 후 온도를 250~425℃까지 변화시키면서 약 60분 동안 경화하였다 (도 11aD).Spin-on-glass (T-12NEB, Honeywell, Inc.) was applied to form an insulating layer between the single heat source and temperature sensor structure of the first layer and the top electrode fabricated later. SOG may be applied under rotational conditions of 3,000 rpm / 11 seconds, 1,500 rpm / 3 seconds, and 3,000 rpm / 9 seconds to form a thickness of about 4,000 mm 3, or may form a thick insulating layer up to about 1.2 μm by double coating. The applied SOG was softbaked for 2 minutes for curing and then cured for about 60 minutes with a temperature change of 250-425 ° C. ( D in FIG. 11A ).

(단계 5)(Step 5)

절연층 위에 최상위전극을 형성하기 위하여 크롬/금 금속층을 차례로 열 증착기를 이용하여 증착하였다. 크롬은 기판과 금과의 접착성을 향상시키기 위해 전류 55~60 A 사이에서 약 2분 동안 1 Å/초의 증착비율로 총 100 Å을 증착하였고, 금은 전류 50~55 A 사이에서 약 10~15분 동안 1~1.5 Å/초의 증착비율로 총 1,000 Å을 증착하였다 (도 11aE).In order to form the top electrode on the insulating layer, chromium / gold metal layers were sequentially deposited using a thermal evaporator. In order to improve the adhesion between the substrate and the gold, chromium was deposited in total 100 mA at a deposition rate of 1 mA / sec for about 2 minutes between 55 and 60 A current, and gold was approximately 10 to 15 between 50 and 55 A current. A total of 1,000 mW was deposited at a deposition rate of 1-1.5 mW / sec for minutes ( E in FIG. 11A ).

(단계 6)(Step 6)

단계 5)에서 금속층이 증착된 기판의 윗면에 HMDS를 0.3 ㎛ 두께로 회전도포 (250 rpm에서 4초간, 5000 rpm에서 35초간)한 후 90℃에서 100초 동안 소프트베이킹하였다. 여기에 AZ 5214 감광성 폴리머를 1.3 ㎛ 두께로 회전도포 (250 rpm에서 4초간, 5000 rpm에서 35초간)한 후 다시 90℃에서 50초 동안 소프트베이킹하였다. 중앙전극과 이를 둘러싸며 원형으로 배열된 외곽전극으로 이루어진 최상위전극 형상을 식각하기 위해 자외선 마스크를 이용하여 16 ㎽/㎠ 세기로 15초 동안 자외선 노광하였다. AZ 300 MIF 현상액 (기린시약)에서 1분 동안 현상한 후, 오븐 또는 핫플레이트에서 120℃, 100초간 하드베이킹하였다. 최상위전극 외의 크롬/금 금속층을 제거하기 위해 KI : I2 : DI를 4 g : 1 g : 40 ㎖의 비율로 혼합하여 제조한 금 식각액을 1 ㎛/분의 비율로 처리하여 약 10초 동안 식각하고, 금 형상을 마스크로 사용하고 크롬-식각액 (Cr-7k, (주)제우스)에서 약 5초 정도 식각하여 형상을 제작하였다. 식각된 기판을 TCE/아세톤/메틸알콜 용액 또는 전용 제거제를 사용하여 각 3분간 세정하여 유기물인 감광성 폴리머를 제거한 후 질소로 건조시켰다 (도 11aF).In step 5), HMDS was coated on a top surface of the substrate on which the metal layer was deposited (0.3 seconds at 250 rpm for 4 seconds at 5000 rpm) and then softbaked at 90 ° C. for 100 seconds. Here AZ 5214 photosensitive polymer was spun onto a 1.3 μm thickness (4 seconds at 250 rpm, 35 seconds at 5000 rpm) and then softbaked at 90 ° C. for 50 seconds. In order to etch the shape of the top electrode composed of the center electrode and the outer electrodes arranged in a circular shape, it was exposed to ultraviolet light for 15 seconds using an ultraviolet mask at 16 ㎽ / cm 2 intensity. After developing for 1 minute in AZ 300 MIF developer (giraffe reagent), it was hardbaked at 120 ° C. for 100 seconds in an oven or hotplate. In order to remove the chromium / gold metal layer other than the top electrode, the gold etchant prepared by mixing KI: I2: DI at a ratio of 4 g: 1 g: 40 ml was etched for about 10 seconds by treating at a rate of 1 μm / min. , The gold shape was used as a mask and etched in chromium-etched solution (Cr-7k, Zeus Co., Ltd.) for about 5 seconds to form the shape. The etched substrate was washed for 3 minutes using a TCE / acetone / methyl alcohol solution or a dedicated remover to remove the organic photosensitive polymer and then dried with nitrogen ( F of FIG. 11A ).

(단계 7)(Step 7)

단계 6)의 기판 뒷면에 HMDS를 0.3 ㎛ 두께로 회전도포 (250 rpm에서 4초간, 5000 rpm에서 35초간)한 후 90℃에서 100초 동안 소프트베이킹하였다. 여기에 AZ 9260 감광성 폴리머를 5.7 ㎛ 두께로 회전도포 (4000 rpm에서 45초간)한 후 다시 120℃에서 100초 동안 소프트베이킹하였다. 감광성 폴리머의 고상화를 위해 약 10분 정도 그대로 방치하였다. 저응력 질화 박막의 뒷면에 에칭 마스크 형상을 형상식각하기 위하여 자외선 마스크로 16 ㎽/㎠ 세기로 100초 동안 자외선 노광하였다. AZ 400K 현상액 (기린시약)에서 5분 동안 현상한 후, 오븐 또는 핫플레이트에서 90℃, 30분간 하드베이킹하였다. 뒷면에 식각된 에칭마스크 형상 외의 저응력 질화 보호막을 RIE (reactive ion etching)를 이용하여 제거하였다. RIE를 위한 처리조건은 RF (radio frequency)를 50 W로 50분간 에칭하였다. 에칭 후 BHF (buffed HF) 용액에 5분 동안 넣어 잔류 산화막을 제거하였다. 마스크로 사용된 AZ 9260 (기린시약)을 제거하기 위해 아세톤, 메탄올, 탈이온수로 각각 5분간 세척하였다 (도 11aG).HMDS was coated on the back of the substrate in step 6) with a thickness of 0.3 μm (4 seconds at 250 rpm, 35 seconds at 5000 rpm) and then softbaked at 90 ° C. for 100 seconds. The AZ 9260 photosensitive polymer was spun onto a thickness of 5.7 μm (45 seconds at 4000 rpm) and then softbaked at 120 ° C. for 100 seconds. It was left for about 10 minutes to solidify the photosensitive polymer. In order to etch the shape of the etching mask on the back surface of the low stress nitride thin film, UV exposure was performed for 100 seconds with 16 ㎽ / cm 2 intensity using an ultraviolet mask. After developing for 5 minutes in AZ 400K developer (giraffe reagent), it was hard-baked at 90 degreeC for 30 minutes in oven or a hotplate. The low stress nitride protective film other than the etching mask shape etched on the back side was removed by using reactive ion etching (RIE). Treatment conditions for RIE were etched RF (radio frequency) at 50 W for 50 minutes. After etching, the remaining oxide film was removed in a BHF (buffed HF) solution for 5 minutes. To remove AZ 9260 (giraffe reagent) used as a mask, each was washed for 5 minutes with acetone, methanol, and deionized water ( G of FIG. 11A ).

(단계 8)(Step 8)

실리콘을 식각하기 위해 단계 7)의 기판을 90℃에서 10시간 동안 TMAH(tetramethyl ammonium hydroxide) 용액 (기린시약)에 넣어 실리콘을 에칭한 후 저응력 질화 박막을 제작하였고, 박막 아래편의 절연 실리콘 산화막을 제거하기 위해 BHF 용액에 5분간 세척하고 탈이온수와 질소로 건조시켰다 (도 11aH).In order to etch the silicon, the substrate of step 7) was placed in a tetramethyl ammonium hydroxide (TMAH) solution (giraffe reagent) for 10 hours at 90 ° C to etch silicon, and a low stress nitride nitride film was fabricated. To remove, washed with BHF solution for 5 minutes and dried with deionized water and nitrogen ( H in Fig. 11a ).

(단계 9)(Step 9)

두 번째 층의 최상위전극의 노출부위와 절연부위 사이에 절연층을 형성하기 위해 SOG를 도포하였다. SOG는 3,000 rpm/11초, 1,500 rpm/3초, 3,000 rpm/9초의 회전조건으로 도포하여 약 4,000 Å의 두께를 형성하거나, 이중도포에 의해서 약 1.2 ㎛까지 두꺼운 절연층을 형성할 수도 있다. 도포된 SOG는 경화를 위해 2분 동안 소프트베이킹한 후 온도를 250~425℃까지 변화시키면서 약 60분 동안 경화하였다 (도 11bI).SOG was applied to form an insulating layer between the exposed and insulating portions of the top electrode of the second layer. SOG may be applied under rotational conditions of 3,000 rpm / 11 seconds, 1,500 rpm / 3 seconds, and 3,000 rpm / 9 seconds to form a thickness of about 4,000 mm 3, or may form a thick insulating layer up to about 1.2 μm by double coating. The applied SOG was softbaked for 2 minutes for curing and then cured for about 60 minutes with varying temperature to 250-425 ° C. ( I in FIG. 11B ).

(단계 10)(Step 10)

단계 9)의 기판 윗면에 HMDS를 0.3 ㎛ 두께로 회전도포 (250 rpm에서 4초간, 5000 rpm에서 35초간)한 후 90℃에서 100초 동안 소프트베이킹하였다. 여기에 AZ 5214 감광성 폴리머를 1.3 ㎛ 두께로 회전도포 (250 rpm에서 4초간, 5000 rpm에서 35초간)한 후 다시 90℃에서 50초 동안 소프트베이킹하였다. 최상위전극의 노출부위와 전극패드 (pad)를 노출시키기 위해 자외선 마스크로 16 ㎽/㎠ 세기로 45초 동안 자외선 노광하였다. AZ 300 MIF 현상액에서 1분 동안 현상한 후, 오븐 또는 핫플레이트에서 120℃, 100초간 하드베이킹하였다. 단일열원과 센서의 전극패드 외의 SOG를 제거하기 위해 BHF (Buffered HF) 용액에 15분 동안 담가 절연층인 SOG층을 제거하였다 (도 11bJ).HMDS was coated on the upper surface of the substrate in step 9) with a thickness of 0.3 μm (4 seconds at 250 rpm, 35 seconds at 5000 rpm) and then softbaked at 90 ° C. for 100 seconds. Here AZ 5214 photosensitive polymer was spun onto a 1.3 μm thickness (4 seconds at 250 rpm, 35 seconds at 5000 rpm) and then softbaked at 90 ° C. for 50 seconds. In order to expose the exposed portion of the top electrode and the electrode pad (pad), the ultraviolet light was exposed to ultraviolet light for 16 seconds with 16 ㎽ / ㎠ intensity with an ultraviolet mask. After developing for 1 minute in an AZ 300 MIF developer, it was hardbaked at 120 ° C. for 100 seconds in an oven or a hot plate. In order to remove SOG other than the single heat source and the electrode pad of the sensor, the SOG layer, which is an insulating layer, was removed by immersing in BHF (Buffered HF) solution for 15 minutes ( J in FIG. 11B ).

(단계 11)(Step 11)

단일 반응용기의 유체용기를 제작하기 위해 SU-8 50 (70 wt% EPON, 30 wt% GBL, Microchem사)을 회전도포 (200 rpm에서 5초간, 1000 rpm에서 35초간)하여 약 85 ㎛ 두께의 용기를 형성하였다. 이를 95℃에서 15분 동안 프리베이킹 (prebaking)하였다 (도 11bK).To prepare a fluid container for a single reaction vessel, SU-8 50 (70 wt% EPON, 30 wt% GBL, Microchem Co., Ltd.) was coated with a rotary coating (5 seconds at 200 rpm, 35 seconds at 1000 rpm) to be about 85 μm thick. The container was formed. It was prebaked at 95 ° C. for 15 minutes ( K in FIG. 11B ).

(단계 12)(Step 12)

채널의 시료 유출입구와 원 형태의 반응용기를 만들기 위해 자외선 마스크로 300∼400 mJ/㎠ 세기로 365 ㎚ 근처에서 노광하였다. 95℃에서 15분 동안 포스트베이킹 (postbaking)하고 PGMEA (propyleneglycol monomethylether acetate) 용액 (기린시약)으로 15분 동안 현상하고 세척하였다. 이를 200℃에서 30분 동안 하드베이킹한 후 끓는 NMP (1-methyl-2-pyrrolidinone)나 O2에셔 (ashing)를 이용하여 SU-8을 완전히 제거하여 채널의 시료 유출입구와 원 형태의 반응용기 형상을 가진 SU-8 구조물을 제작하였다. 제작된 구조물은 PDMS (polydimethylsiloxane, SYLGUARD™184, Dow Corning사) 형상을 위한 주형으로 PDMS 주형 (mold)의 반대 형상을 갖는다 (도 11bL).In order to make the sample outlet of the channel and the reaction vessel of a circular shape, it was exposed at around 365 nm with the intensity of 300-400 mJ / cm <2> with an ultraviolet mask. Postbaking at 95 ° C. for 15 minutes was developed and washed with PGMEA (propyleneglycol monomethylether acetate) solution (giraffe reagent) for 15 minutes. After hard-baking at 200 ℃ for 30 minutes, SU-8 is completely removed by boiling NMP (1-methyl-2-pyrrolidinone) or O 2 ashing (ashing) to remove the inlet of the channel and the reaction vessel in the circular form. A shaped SU-8 structure was produced. The fabricated structure has a shape for PDMS (polydimethylsiloxane, SYLGUARD ™ 184, Dow Corning Co., Ltd.) shape and has the opposite shape of the PDMS mold ( L in FIG. 11B ).

(단계 13)(Step 13)

SU-8 구조물을 주형으로 하여 반응용기 구조물을 얻기 위해, 먼저 SU-8 구조물의 표면을 실란화 (silanization)시켜 PDMS를 굳힌 후 쉽게 뗄 수 있게 하였다. 실란화는 트리클로로(3,3,3 트리플루오로프로필)실란 [Trichloro(3,3,3 Trifluoro propyl)silane, Sigma사]을 사용하여 약 10 ㎕를 진공 용기에 8시간 동안 넣어 수행하였다. PDMS 주형의 형성은 디메틸실록산 단량체 (monomer)와 경화제 (curing agent) (SYLGOARD184)를 10:1로 섞어서 기포를 제거한 PDMS를 미리 만들어진 SU-8 구조물 형틀 위에 부어 제작하였다. 붓는 과정에서 생긴 기포를 제거하고 100℃에서 약 1시간 동안 열처리를 한 후 굳어진 PDMS를 떼어내어 반응용기 구조물을 얻었고, 상기 단계 12)까지 제작된 구조물과 결합하여 완전한 MEMS 소자를 구성하였다 (도 11bM).In order to obtain a reaction vessel structure using the SU-8 structure as a template, the surface of the SU-8 structure was first silanized to harden the PDMS and then easily removed. The silanization was performed using trichloro (3,3,3 trifluoropropyl) silane (Trichloro (3,3,3 Trifluoro propyl) silane, Sigma) in about 10 μl into a vacuum vessel for 8 hours. Formation of PDMS template was made by mixing dimethylsiloxane monomer (monomer) and curing agent (SYLGOARD184) with 10: 1 to remove the bubble-free PDMS on a pre-made SU-8 structure template. After removing the bubbles generated during the pouring process and heat treatment at 100 ℃ for about 1 hour to remove the solidified PDMS to obtain a reaction vessel structure, combined with the structure made up to step 12) to form a complete MEMS device ( Fig. 11b M ).

(단계 14)(Step 14)

상기와 같이 제작된 MEMS 소자와 외부 제어기와의 연결을 위해 외곽 PCB (printed circuit board, (주) SME교역) 기판을 제작하고 연결부위는 은과 에폭시 수지 (epoxy resin)가 혼합된 전도성 폴리머 (Chemtronics사)로 연결하여 최상위전극에 전압을 공급하였다 (도 11cN).In order to connect the MEMS device manufactured as described above with an external controller, an outer PCB (printed circuit board (SME) Co., Ltd.) substrate is manufactured, and the connection part is a conductive polymer mixed with silver and epoxy resin. G) to supply a voltage to the top electrode ( N in FIG. 11C ).

(단계 15)(Step 15)

제작된 MEMS 소자를 외부 제어기와 연결한 후 PCR 시료를 주입하고 반응용기를 슬라이드 글라스로 덮었다 (도 11cO).After connecting the prepared MEMS device with an external controller, PCR samples were injected and the reaction vessel was covered with a slide glass ( O of FIG. 11C ).

(단계 16)(Step 16)

전체적인 다중핵산 증폭장치를 제작하기 위해, 상기 단계에 따라 제작된 MEMS 소자의 하부에 상용의 펠티어 소자를 전열성 그리스와 본드로 결합하여 열 흡수원을 제작하였다 (도 11cP).In order to fabricate the overall multinucleic acid amplification apparatus, a commercial peltier element was bonded to the lower portion of the MEMS element fabricated according to the above step by using a thermal grease and a bond to prepare a heat absorption source ( P of FIG. 11C ).

상술한 바와 같이, 본 발명의 MEMS 소자를 이용한 선택적 다중핵산 증폭장치는 마이크로 범위의 시료용량으로 다종의 DNA를 증폭할 수 있고 손에 들고 다닐 수 있는 (hand-held) 형으로 외부 제어기 등과 결합되어 사용되어 질 수 있으며, 이러한 소자를 사용함으로써 물리적인 반응용기의 크기 제한을 없애고 전극에 의한 반응용기를 소형화하여 집적도를 향상시키고, 다중반응을 일으킬 수 있다는 장점을 갖는다. 따라서, 본 발명의 MEMS 소자를 이용한 선택적 다중핵산 증폭장치에 의해 증폭된 DNA는 DNA-단백질간의 결합특성을 분석하는데 유용하게 사용될 수 있다.As described above, the selective multinucleic acid amplification apparatus using the MEMS device of the present invention is capable of amplifying a plurality of DNAs in a micro-range sample capacity and is coupled to an external controller in a hand-held type. By using such a device, the size limitation of the physical reaction vessel can be eliminated, and the reaction vessel by the electrode can be miniaturized to improve the degree of integration and to generate multiple reactions. Therefore, the DNA amplified by the selective polynucleic acid amplification apparatus using the MEMS device of the present invention can be usefully used for analyzing the binding properties between DNA and proteins.

Claims (9)

박막이 형성된 기판; 상기 기판 위에 위치하여 열 발생과 열 검출에 사용되는 마이크로히터 및 RTD 센서부; 상기 히터 및 센서부 위에 위치하며 전기장을 형성하는 전극부; 상기 전극부를 감싸고 PCR 용액의 혼합과 저장을 위한 반응용기와 시료의 유출입구를 포함하는 혼합 반응용기; 및 기판의 하부에 위치한 펠티어 (peltier) 소자로 이루어진 MEMS (micro electro mechanical system) 소자를 이용한 선택적 다중핵산 증폭장치.A substrate on which a thin film is formed; A micro heater and an RTD sensor unit positioned on the substrate and used for heat generation and heat detection; An electrode unit positioned on the heater and sensor unit to form an electric field; A mixed reaction container surrounding the electrode part and including a reaction container and an outlet of a sample for mixing and storing a PCR solution; And a multi-nucleic acid amplification apparatus using a micro electro mechanical system (MEMS) device including a peltier device located under the substrate. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 마이크로히터 및 RTD 센서부가 박막 또는 기판으로 고정되어 상부 전극과 절연층을 형성하면서 열 흡수 및 열 발생을 검출하는 것을 특징으로 하는 선택적 다중핵산 증폭장치.Selective multinucleic acid amplification apparatus characterized in that the micro-heater and RTD sensor unit is fixed to a thin film or substrate to form the upper electrode and the insulating layer to detect heat absorption and heat generation. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 전극부가 PCR 용액 분자를 혼합하고 목적 DNA를 밀폐시킬 수 있는 전기장을 형성하도록 배열된 것을 특징으로 하는 선택적 다중핵산 증폭장치.Selective polynucleic acid amplification apparatus, characterized in that the electrode portion is arranged to form an electric field capable of mixing the PCR solution molecules and seal the target DNA. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 혼합 반응용기가 내부에 위치한 전극부에 의해서 제어되는 전기장에 의해 목적 DNA를 증폭할 수 있는 가상의 다중 반응용기를 갖는 것을 특징으로 하는 선택적 다중핵산 증폭장치.Selective multinucleic acid amplification apparatus, characterized in that the mixed reaction vessel has a virtual multiple reaction vessel capable of amplifying the target DNA by the electric field controlled by the electrode portion located therein. 1) 기판 표면에 저응력 질화 박막을 형성하는 단계;1) forming a low stress nitride thin film on the substrate surface; 2) 열원과 센서 형상을 형성하기 위하여 질화 박막 위에 금속층을 증착하는 단계;2) depositing a metal layer on the nitride thin film to form a heat source and a sensor shape; 3) 금속층 위에 감광성 폴리머를 회전도포한 후 자외선 마스크로 열원과 센서 형상을 형상식각하여 첫 번째 층을 형성하는 단계;3) forming a first layer by rotationally coating the photosensitive polymer on the metal layer and then etching the shape of the heat source and the sensor with an ultraviolet mask; 4) 첫 번째 층의 열원 및 센서 구조물 위에 제 1 절연층을 형성하는 단계;4) forming a first insulating layer over the heat source and sensor structure of the first layer; 5) 제 1 절연층 위에 최상위전극을 형성하기 위하여 금속층을 증착하는 단계;5) depositing a metal layer to form a top electrode on the first insulating layer; 6) 금속층 위에 감광성 폴리머를 회전도포한 후 자외선 마스크로 최상위전극 형상을 형상식각하여 두 번째 층을 형성하는 단계;6) forming a second layer by rotating the photosensitive polymer on the metal layer and etching the shape of the top electrode with an ultraviolet mask; 7) 단계 6)에서 얻은 기판의 뒷면에 감광성 폴리머를 회전도포한 후 자외선 마스크로 에칭 마스크 형상을 형상식각하는 단계;7) spin-coating a photosensitive polymer on the back surface of the substrate obtained in step 6) and etching the shape of the etching mask with an ultraviolet mask; 8) 실리콘을 식각하고 저응력 질화 박막을 형성한 후 절연 실리콘 산화막을 제거하는 단계;8) etching the silicon and forming a low stress nitride thin film to remove the insulating silicon oxide film; 9) 두 번째 층의 최상위전극의 노출부위와 절연부위 사이에 제 2 절연층을 형성하는 단계;9) forming a second insulating layer between the exposed portion and the insulating portion of the top electrode of the second layer; 10) 최상위전극의 노출부위와 전극패드를 노출시킨 후 열원과 센서의 전극패드 이외의 절연층을 제거하는 단계;10) removing the insulating layer other than the electrode pad of the heat source and the sensor after exposing the exposed portion of the top electrode and the electrode pad; 11) SU-8 50을 도포하여 시료 유출입구와 반응용기 형상을 갖는 구조물을 제작하는단계;11) manufacturing a structure having a sample outlet and a reaction vessel shape by applying SU-8 50; 12) SU-8 구조물의 표면을 실란화시킨 후 PDMS (polymethylsiloxane)를 부어 반응용기 구조물을 얻어 MEMS 소자를 구성하는 단계; 및12) silanizing the surface of the SU-8 structure and then pouring polymethylsiloxane (PDMS) to obtain a reaction vessel structure to construct a MEMS device; And 13) 상기와 같이 제작된 MEMS 소자에 외부 제어기를 연결하고 하부에 펠티어 소자를 결합하여 전체 다중핵산 증폭장치를 제작하는 단계를 포함하는, 제 1항의 MEMS 소자를 이용하여 선택적 다중핵산 증폭장치를 제작하는 방법.13) fabricating the selective multinucleic acid amplification apparatus using the MEMS device of claim 1, comprising connecting the external controller to the MEMS device fabricated as described above and combining the Peltier element at the bottom to produce the entire multinucleic acid amplification apparatus. How to. 제 5항에 있어서,The method of claim 5, 단계 1)에서 기판이 실리콘, 유리 또는 폴리카보네이트 (polycarbonate)로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.In step 1) the substrate is selected from the group consisting of silicon, glass or polycarbonate. 제 5항에 있어서,The method of claim 5, 단계 2) 및 5)에서 금속층이 크롬/금 (Cr/Au)을 차례로 증착하여 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.In steps 2) and 5), wherein the metal layer is formed by sequentially depositing chromium / gold (Cr / Au). 제 5항에 있어서,The method of claim 5, 단계 4) 및 9)에서 절연층이 SOG (spin-on-glass)를 0.3 내지 0.8 ㎛ 두께로 도포하여 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.In steps 4) and 9), wherein the insulating layer is formed by applying spin-on-glass (SOG) to a thickness of 0.3 to 0.8 μm. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항의 장치를 이용하여 시료중의 다중핵산을 선택적으로 증폭시키는 방법.A method for selectively amplifying a polynucleic acid in a sample using the apparatus of any one of claims 1 to 4.
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