KR20070050883A - Enzymeless bio and environmental sensor modules and their applications - Google Patents

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KR20070050883A
KR20070050883A KR1020070015110A KR20070015110A KR20070050883A KR 20070050883 A KR20070050883 A KR 20070050883A KR 1020070015110 A KR1020070015110 A KR 1020070015110A KR 20070015110 A KR20070015110 A KR 20070015110A KR 20070050883 A KR20070050883 A KR 20070050883A
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박재영
서혜경
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광운대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 나노 다공성 구조의 백금 전극으로 이루어진 무효소의 전기화학적 측정에 의거한 바이오 센서를 CMOS 전자회로와 집적화한 초소형 바이오 및 환경 센서 모듈에 관한 것으로 발명된 바이오 및 환경 센서 모듈을 휴대용 단말기에 장착하여 언제 어디서나 측정이 가능하고 데이터의 보존이 가능한 Handy-held 건강 진단 시스템 및 유비쿼터스 헬스 모니터링 시스템을 구현하는 것이다.The present invention relates to a micro bio and environmental sensor module in which a bio sensor based on an electrochemical measurement of a reactive element made of a platinum electrode having a nanoporous structure is integrated with a CMOS electronic circuit. It is to implement a handy-held medical examination system and a ubiquitous health monitoring system that can measure anytime, anywhere and preserve data.

무효소 혈당센서, 센서 모듈, 전기화학 센서, 나노 다공성 백금 Reactive Oxygen Glucose Sensor, Sensor Module, Electrochemical Sensor, Nanoporous Platinum  

Description

무효소 바이오 및 환경 센서 모듈 개발과 그의 응용 {Enzymeless Bio and Environmental Sensor Modules and Their Applications} Development of Reactive Bio and Environmental Sensor Modules and Their Applications {Enzymeless Bio and Environmental Sensor Modules and Their Applications}

도1은 본 발명의 바이오 및 환경 센서의 부분 결합 사시도이다1 is a partially combined perspective view of a bio and environmental sensor of the present invention.

도2는 도1에 나타낸 바이오 및 환경 센서의 공정순서도이다.FIG. 2 is a process flowchart of the bio and environmental sensor shown in FIG. 1.

도3은 도1에 나타낸 바이오 및 환경 센서의 사시도이다.3 is a perspective view of the bio and environmental sensor shown in FIG.

도4는 도3에 도시된 바이오 및 환경 센서의 사시도를 단면적으로 도시한 것이다. 4 is a cross-sectional view of a perspective view of the bio and environmental sensor shown in FIG.

도5는 도3에서 도시된 바이오 및 환경 센서의 사시도 외에 다양한 구조의 바이오 및 환경 센서의 사시도를 보여준다.FIG. 5 shows a perspective view of the bio and environmental sensors of various structures in addition to the perspective view of the bio and environmental sensors shown in FIG. 3.

도6은 본 발명의 바이오 및 환경 센서 모듈을 펜 형태로 구현한 것이다. 6 is a pen and the bio and environmental sensor module of the present invention.

도7은 바이오 및 환경 센서 모듈을 골무 형태로 구현한 것이다. 7 is a thimble form of the bio and environmental sensor module.

도8은 본 바이오 및 환경 센서 모듈을 휴대폰에 장착할 수 있도록 센서 장치로 패키징 한 것이다.8 is packaged into the sensor device to be equipped with the bio and environmental sensor module in a mobile phone.

본 발명은 나노 다공성 구조의 백금 전극으로 이루어진 무효소의 전기화학적 측정에 의거한 바이오 센서를 CMOS 전자회로와 집적화한 초소형 바이오 및 환경 센서 모듈에 관한 것으로 이 모듈을 휴대용 기기에 장착하여 사용할 수 있도록 한 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a micro bio and environmental sensor module in which a biosensor based on electrochemical measurement of a reactive element made of a platinum electrode having a nanoporous structure is integrated with a CMOS electronic circuit. It is about.

바이오 센서의 정의는 다양하지만 어떤 생물학적인 물체를 신호변환기와 밀접하게 결합시켜 소형화한 센서라고 생각할 수 있다. 생물체와 관련이 없는 물질을 측정하거나 이용하는 센서는 화학센서라고 하는 반면, 생물체와 관련 있는 물질이 대상이 되거나 센서의 일부로 사용된 경우에는 바이오센서라고 말한다. 이러한 장치를 바이오센서의 개념이라고 볼 때 바이오센서를 개발하는 목적은 결국 임의의 분석대상물질이나 그와 관련된 물질의 양과 비례하는 전기적 신호를 만들어 내는 데 있다고 일반적으로 말할 수 있다. 대부분의 이런 작업은 분석실험실에서 수행되고 있지만 센서는 같은 작업을 매우 작은 소형 장치를 이용하여 수행할 수 있게 함으로써 간편하고 신속하며 현장에서 이용할 수 있도록 만드는 장점을 지닌다. 바이오센서는 빠르게 측정할 수 있기 때문에 특정 물질량의 연속적인 변화를 거의 실시간으로 관찰 가능하게 하며 임의의 물질이 시료 속에 갑자기 나타났을 경우 충분히 짧은 시간 내에 그 사실을 관찰자에게 알려줄 수 있다. 또한 같은 일을 하기 위해 일정 규모의 실험실과 고가의 장비, 숙련된 분석 인력이 필요하지 않고 비전문가에 의한 현장 측정을 가능하게 하기 때문에 수많은 분석 수요를 감당하는데 경제적인 이득을 기대할 수 있다.The definition of biosensors varies, but it can be thought of as a miniaturized sensor that closely couples a biological object to a signal transducer. Sensors that measure or use materials that are not related to living things are called chemical sensors, while bio-sensors are used when materials related to living things are targeted or used as part of a sensor. In view of the concept of biosensors, it can be said that the purpose of developing biosensors is to produce electrical signals that are proportional to the amount of any analyte or related substance. Most of this work is done in analytical labs, but the sensor has the advantage of making it simple, fast, and field-enabled by allowing the same task to be performed using very small, compact devices. The biosensors can be measured quickly, making it possible to observe a continuous change in the amount of a particular substance in near real time and inform the observer in a short enough time if any substance suddenly appears in the sample. In addition, it does not require any laboratory, expensive equipment, or skilled analytical staff to do the same thing, and enables on-the-spot measurements by non-professionals, which can be economically beneficial to meet the myriad of analytical demands.

바이오센서 중에 상용화가 가장 잘 된 예는 혈당 측정 센서이다. 혈당의 측정은 피검자의 혈액을 직접 채취하여 측정하는 침습적 방법과 광학식 방법과 같은 비 침습적인 방법으로 나누어진다. 이는 도2에서 보여지는데, 현재까지 성능이 확인되어 일반적으로 널리 사용되는 방법은 손가락을 찔러 10ul 이하의 혈액을 1 회용 센서 스트립에 떨어뜨려 측정하는 스트립 방식이다. 이러한 스트립형 혈당센서의 기본구조는 1962 년 Clark 등이 처음으로 고안한 당산화효소(Glucose Oxidase : GOD)를 산소전극과 결합시킨 이른바 바이오센서 개념이다. 글루코스는 당산화효소 (glucose oxidase)를 백금 전극에 고정함으로써 이루어지는 것이 가장 일반적인데 당산화효소는 수많은 생체 내에 존재하는 효소들 중 험한 생체 외 환경에서도 활성도를 유지하는 몇가지 안되는 효소들 가운데 하나이다. 즉 가장 효소 센서에 이용하기 쉬운 효소라고 할 수 있으므로 교육적으로나 산업적으로 가장 널리 쓰이고 있다. 또한 바이오센서가 측정할 수 있는 대상 물질 중 글루코스는 의학적으로나 산업적으로 가장 수요가 많은 대상에 속한다. 의료 목적으로는 해마다 급증하고 있는 당뇨병 환자로 인해 혈액 중 글루코스 농도의 확인을 해야 하는 수요가 비례하여 늘어나고 있으며, 산업적으로는 여러가지 식품산업에서도 요구되고 있다. The best commercialized biosensor is a blood glucose measurement sensor. The measurement of blood glucose is divided into non-invasive methods such as an invasive method and an optical method that directly collects and measures blood of a subject. This is shown in Figure 2, the performance has been confirmed so far, a widely used method is a strip method of measuring by dropping 10 ul or less blood to the disposable sensor strip by poking a finger. The basic structure of the strip blood glucose sensor is a concept of a so-called biosensor that combines Glucose Oxidase (GOD), originally designed by Clark et al., In 1962 with an oxygen electrode. Glucose is most commonly achieved by immobilizing glucose oxidase on a platinum electrode, which is one of the few enzymes that maintains its activity even in harsh in vitro environments. In other words, it is the most easily used enzyme for the enzyme sensor, so it is most widely used in education and industry. Also, among the target substances that can be measured by biosensors, glucose is one of the most demanding medically and industrially. For medical purposes, the demand for checking the glucose level in the blood is increasing proportionately due to the rapidly increasing diabetic patients every year, industrially it is also required in various food industries.

현재 상용화되어 있는 일회용 및 연속 측정형 혈당 센서는 모두 당산화효소를 비롯한 효소를 사용하고 있다는 점에서 공통점을 지니고 있다. 상품화된 센서뿐만 아니라 현재 바이오센서 연구 전반에서도 가장 많이 연구되고 있는 센서들은 효소를 사 용한 혈당 센서라고 할 수 있다. 그러나 효소는 원천적으로 생체 외부에서 본래의 활성을 안정되게 유지하기가 어렵다. 오랜 연구 결과 수많은 고정 방법들이 도입되었으나 여전히 효소의 활성도는 신뢰도 측면에서 고체상 무기물을 이용한 여타 화학센서들에 비해 훨씬 미흡하다. 이런 근본적인 문제는 대량 생산 체제에서 그 문제가 크게 드러난다. 똑같은 라인의 똑같은 재료를 이용하여 생산한 혈당 센서조차 성능 분포는 실제로 상당히 넓으며 별도의 보정 칩이 반드시 필요하다. 품질 검사를 통과한 칩이라 하더라도 미사용 유통기간 및 사용 중 유효 기간에 제한이 클 수밖에 생산 비용의 증가를 유발하게 된다. 결과적으로 효소방식의 혈당 측정기는 상대적으로 비싼 가격으로 유통되고 있으며 또한 재활용이 불가능하기 때문에 자주 혈당을 측정해야 하는 당뇨병 환자에게는 큰 부담이 된다. Current commercially available disposable and continuous measurement glucose sensors have a common point in that they use enzymes including glycosylase. In addition to commercialized sensors, the most widely studied sensors in biosensor research are blood glucose sensors using enzymes. However, enzymes are inherently difficult to maintain their intrinsic activity outside the body. Many studies have introduced a number of immobilization methods, but the activity of enzymes is still far below that of other chemical sensors using solid-state minerals in terms of reliability. This fundamental problem is most prominent in mass production systems. Even blood glucose sensors produced using the same material on the same line, the performance distribution is actually quite wide and requires a separate calibration chip. Even if the chip passes the quality inspection, there is a limit on the unused shelf life and the shelf life during use, which leads to an increase in production cost. As a result, enzymatic glucose meters are distributed at relatively high prices and cannot be recycled, which is a great burden for diabetics who frequently need to measure blood glucose.

무효소의 바이오 센서를 개발하기 위한 연구는 많이 진행되고 있는데, 본 발명은 그 중 나노 다공성 구조(메조포러스: 2~50nm)의 백금 전극을 이용한 무효소 분석법에 기초를 두고 있다. 나노 다공성 구조의 백금 전극에서 무효소 전기화학 분석이 가능한 조건은 여러 검체가 있을 경우 측정하고자 하는 검체의 반응 속도가 달라야 한다는 것이다. 측정하고자 하는 검체의 반응 속도가 느리다면 특정 다른 검체들이 반응하고 난 후에 반응전류를 측정하고, 검체의 반응 속도가 빠르다면 다른 검체들이 반응하기 전의 반응 전류를 측정함으로써 원하는 검체의 반응 전류를 얻을 수 있다.There are many studies to develop a biosensor of reactive nitrogen, and the present invention is based on the analysis of reactive nitrogen using a platinum electrode having a nanoporous structure (mesoporous: 2-50 nm). The condition under which the reactive metal electrochemical analysis can be performed on the platinum electrode of nanoporous structure is that the reaction rate of the sample to be measured should be different when there are several samples. If the reaction rate of the sample to be measured is slow, the reaction current is measured after the reaction of certain other samples. If the reaction rate of the sample is fast, the reaction current of the desired sample can be obtained by measuring the reaction current before the reaction of other samples. have.

따라서 본 발명의 목적은 나노 다공성 구조의(메조포러스: 2~50nm) 백금 전극을 이용하여 반응 전류를 증폭시켜 무효소의 성분 분석이 가능하고 일회용이 아닌 연속측정이 가능한 바이오 및 환경 센서를 실리콘 기판 위에 구현하여 CMOS 회로와 집적한 센서 모듈의 구현을 목표로 한다. 더 나아가 본 발명의 또 다른 목적은 발명된 바이오 및 환경 센서 모듈을 휴대용 단말기에 장착하여 언제 어디서나 측정이 가능하고 데이터의 보존이 가능한 Handy-held 건강 진단 시스템 및 유비쿼터스 헬스 모니터링 시스템을 구현하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to amplify the reaction current by using a nanoporous structure (mesoporous: 2 ~ 50nm) platinum electrode, bio and environmental sensors capable of analyzing the component of the reactive element and continuous measurement, not disposable, on the silicon substrate The aim is to implement a sensor module integrated with CMOS circuits. Furthermore, another object of the present invention is to implement a handy-held health diagnosis system and a ubiquitous health monitoring system capable of measuring anytime, anywhere and preserving data by mounting the invented bio and environmental sensor module in a portable terminal.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 비전도성의 실리콘 기판부과; 상기 기판부 상면에 백금으로 이루어진 리드부와; 상기 리드부 상면에 반응을 유발하는 작동전극 및 기준전극으로 구성되는 전극부와; 상기 전극부 상단으로 반응이 일어날 공간을 확보하는 반응층과 커버로 이루어지는 센서가 있고, 비전도성의 실리콘 기판 하부에는 CMOS 집적 회로가 설계되어 하나의 모듈로 동작하게 됨으로써 달성될 수 있다. The present invention is a non-conductive silicon substrate portion to achieve the above object; A lead part made of platinum on an upper surface of the substrate part; An electrode part including a working electrode and a reference electrode inducing a reaction on an upper surface of the lead part; There is a sensor comprising a reaction layer and a cover to secure a space for reaction to the upper portion of the electrode portion, it can be achieved by the CMOS integrated circuit is designed to operate as a module under the non-conductive silicon substrate.

이하 본 발명에 따른 바이오 및 환경 센서와 센서 모듈에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명하기로 하나 이는 본 발명의 이해를 돕기 위해 제시된 것으로 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, a bio and environmental sensor and a sensor module according to the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited thereto.

본 발명의 바이오 및 환경 센서가 무효소 전기화학 센서로 작동할 수 있는 중요 사항이 되는 나노 다공성 구조는 실시예 1에 기재한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. The nanoporous structure, in which the bio and environmental sensors of the present invention can act as reactive nitrogen electrochemical sensors, is described in Example 1. The following examples are only for illustrating the present invention and the present invention is not limited to the following examples.

실시예 1: 나노 다공성 구조의 백금 전극 제작 방법Example 1 Method of Fabricating Platinum Electrode of Nanoporous Structure

비이온성 계면활성제 C16EO8(Octaethylene glycol monohexadecyl ether) wt42%, 염화백금산 H2PtCl6(Hydrogen hexachloroplatinate hydrate) wt29%, 탈이온수 wt29% 를 혼합하여 도금액을 준비하고, 도금액의 온도를 섭씨 85도로 상승시켜 도금액이 균질하게 혼합되도록 해준다. 백금이 형성된 기판을 도금액에 넣고 온도를 섭씨 25도로 하강시켜 도금액 중의 계면활성제성분이 육방 배열 구조의 기둥을 형성할 수 있도록 하였다. 이 상태에서 백금 전극에 Ag/AgCl 기준전극 대비 -120mV의 음전위를 인가하여 백금 전해 석출을 실시하여 백금 표면에 나노 다공성 구조를 형성시켰다. 제작된 나노 다공성 구조의 백금 전극은 탈이온수에서 수회에 걸쳐 세척하여 계면활성제가 깨끗이 추출되도록 하였다. 제작된 나노 다공성 구조의 백금 전극은 약 2.5nm 직경의 구멍이 2.5nm의 간격으로 육방 배열하는 구조를 갖는다.Non-ionic surfactant C 16 EO 8 (Octaethylene glycol monohexadecyl ether) wt42%, chloroplatinic acid H 2 PtCl 6 (Hydrogen hexachloroplatinate hydrate) wt29%, deionized water wt29% was mixed to prepare a plating solution, the temperature of the plating solution is 85 degrees Celsius Increase to allow the plating liquid to be mixed homogeneously. The substrate on which platinum was formed was placed in a plating solution, and the temperature was lowered to 25 degrees Celsius so that the surfactant component in the plating solution could form pillars of hexagonal arrangement. In this state, a platinum electrolysis was applied to the platinum electrode by applying a negative potential of -120 mV relative to the Ag / AgCl reference electrode to form a nanoporous structure on the platinum surface. The fabricated nanoporous platinum electrode was washed several times in deionized water to allow the surfactant to be extracted cleanly. The fabricated nanoporous platinum electrode has a structure in which holes of about 2.5 nm in diameter are arranged in a hexagon at intervals of 2.5 nm.

도1은 본 발명의 바이오 및 환경 센서의 부분 결합 사시도이고, 도2는 도1에 나타낸 바이오 및 환경 센서의 공정순서도이며, 도3은 도1에 나타낸 바이오 및 환경 센서의 사시도이다.1 is a partially combined perspective view of a bio and environmental sensor of the present invention, FIG. 2 is a process flowchart of the bio and environmental sensor shown in FIG. 1, and FIG. 3 is a perspective view of the bio and environmental sensor shown in FIG.

본 발명에 의한 바이오 및 환경 센서는 도시된 도1에서 보는 바와 같이 본 발명에 의한 바이오 및 환경 센서의 구조는 실리콘(Si) 반도체 CMOS회로 기판(11) 위에 형성된 비전도성의 실리콘 화합물 절연층(12)으로 이루어진 기판부(10)와; 상기 기판부 상면에 백금으로 형성된 기준전극 리드(21), 작동전극 리드(22, 22'), 보조전극 리드(23)로 구성되는 리드부(20)와; 상기 리드부 상면에 기준 전극을 위한 은/염화은(31)이 형성되고 작동 전극을 위한 나노 다공성 구조의 백금(32, 32')이 형성된 전극부(50)와; 상기 전극부(50)의 부분적인 노출을 위해 절연체를 전체적으로 코팅하여 형성된 커버층(41)과; 상기 노출된 전극부(50)의 상면에 형성된 반응층(42)으로 구성된다. 반응층(42)은 친수성의 고분자를 사용한다..As shown in FIG. 1, the bio and environmental sensor according to the present invention has the structure of the bio and environmental sensor according to the present invention. The nonconductive silicon compound insulating layer 12 is formed on the silicon (Si) semiconductor CMOS circuit board 11. A substrate portion (10) formed of; A lead part 20 including a reference electrode lead 21, a working electrode lead 22, 22 ′, and an auxiliary electrode lead 23 formed of platinum on an upper surface of the substrate part; An electrode part 50 having silver / silver chloride 31 for the reference electrode formed on the upper surface of the lead part and having platinum (32, 32 ') of nanoporous structure for the working electrode; A cover layer 41 formed by coating an insulator as a whole to partially expose the electrode part 50; It consists of a reaction layer 42 formed on the upper surface of the exposed electrode portion 50. The reaction layer 42 uses a hydrophilic polymer.

상기와 같은 구조를 갖는 바이오 및 환경 센서의 형성과정을 상세하게 살펴보면 다음과 같다.Looking at the formation process of the bio and environmental sensor having the above structure in detail as follows.

도2(a)에 도시된 바와 같이 먼저 상기에서 기판부(10)에서 반도체 CMOS회로 기판(11)은 실리콘(Si) 반도체을 비롯한 갈륨아사나이드(GaAs), 갈륨나이트라이드(GaN), 실리콘 게르마늄(SiGe), 실리콘 카바이드(SiC) 등의 화합물 반도체 기판 위에 CMOS회로가 집적되어 있어 센서를 제어하고 측정하는 역할을 수행한다. 도2(b)에 도시된 바와 같이 반도체 CMOS회로 기판(11)의 상면에는 비전도성의 실리콘옥사이드계(SiO2) 혹은 실리콘나이트라이드계(SiNX)의 절연층(12)이 형성된 기판을 사용하였다. As shown in FIG. 2 (a), the semiconductor CMOS circuit board 11 in the substrate part 10 may include gallium arsenide (GaAs), gallium nitride (GaN), and silicon germanium (including silicon (Si) semiconductor). CMOS circuits are integrated on compound semiconductor substrates such as SiGe) and silicon carbide (SiC) to control and measure sensors. As shown in FIG. 2B, a substrate on which an insulating layer 12 of non-conductive silicon oxide (SiO 2 ) or silicon nitride (SiN X ) is formed is used as an upper surface of the semiconductor CMOS circuit board 11. It was.

도2(c)에 도시된 바와 같이 기판부(10) 상면에는 리드부(20)가 형성되는데, 상기 리드부(20)는 기준전극 리드(21), 작동전극 리드(22, 22'), 보조전극 리드(23)으로 구성된다. As shown in FIG. 2C, a lead portion 20 is formed on an upper surface of the substrate portion 10. The lead portion 20 includes a reference electrode lead 21, a working electrode lead 22, 22 ′, The auxiliary electrode lead 23 is formed.

도2(d)에 도시된 바와 같이 상기 작동전극 리드(22, 22') 상면에는 나노 다공성 구조의 백금이 전기증착법(Electrodeposition)에 의해 작동전극(52)이 형성되고, 도2(e)에 도시된 바와 같이 상기 기준전극 리드(21) 상면에는 은 또는 은/염화은(Ag/AgCl) 혼합의 잉크가 스크린 프린트되어 기준전극(51)이 형성되고, 상기 보조전극 리드(23) 상면에는 아무것도 형성시키지 않은 채로 보조전극(53)으로 사용한다.As shown in FIG. 2 (d), the working electrodes 52 are formed on the upper surfaces of the working electrode leads 22 and 22 ′ by electrodeposition of platinum having a nanoporous structure. As shown, an ink of silver or silver / silver chloride (Ag / AgCl) mixture is screen printed on the upper surface of the reference electrode lead 21 to form the reference electrode 51, and nothing is formed on the upper surface of the auxiliary electrode lead 23. It is used as the auxiliary electrode 53 without making it.

상기 전극부(50)의 상면에는 상기 전극부(50)의 부분적인 노출을 위해 전극부의 상면을 제외한 모든 부분에 절연체를 코팅하여 형성된 커버층(41)과 상기 노출된 전극부 상면에 형성된 친수성의 고분자를 사용한 반응층(42)으로 구성된다. 최종적으로 센서를 외부로부터 보호하기 위한 커버는 슬라이드 형식으로 모듈에 장착되어 필요 시에만 센서를 노출하게 한다.The cover layer 41 formed by coating an insulator on all parts of the electrode part 50 except for the upper part of the electrode part to partially expose the electrode part 50 and the hydrophilic formed on the exposed electrode part upper surface of the electrode part 50. It consists of the reaction layer 42 using a polymer. Finally, a cover to protect the sensor from the outside is mounted on the module in a slide form so that the sensor is exposed only when necessary.

또한 상기 바이오 및 환경 센서를 포함하는 모듈을 제작하는 방법은 우선 반도체 기판 위에 센서를 제어하기 위한 CMOS 회로를 집적하여 그 상면에 센서를 형성한 후 통합 패키징하는 것이다. 이 CMOS 회로는 센서의 인가 전압을 제어하는 제어부와 반응 전류를 증폭하는 증폭부, 디지털 값으로 변환하는 아날로그/디지털 컨버터를 포함한다. 패키징 시 센서 노출부에는 슬라이드 형식의 개폐부를 제작하여 센서가 필요시에만 노출될 수 있도록 한다.In addition, a method of manufacturing a module including the bio and environmental sensors is to first integrate a CMOS circuit for controlling the sensor on the semiconductor substrate to form a sensor on the upper surface and then integrated packaging. The CMOS circuit includes a control unit for controlling the applied voltage of the sensor, an amplifier for amplifying the reaction current, and an analog / digital converter for converting the digital value. When packaging, the sensor-exposed part is made of a slide type opening / closing part so that the sensor can be exposed only when necessary.

도4는 도3에 도시된 바이오 및 환경 센서의 사시도를 단면적으로 도시한 것이다. 상기 도4에는 전극의 최외각 크기(61)는 센서의 크기를 조절하여 반응 전류의 크기를 조절할 수 있도록 해주고, 기준전극의 지름(62)는 최소한의 크기로 구현하되 실제로 공정이 가능한 크기를 선택하도록 한다. 기준전극과 작동전극 사이의 간격(63)은 최대한 작게 하되 공정 시 합선되지 않도록 한다. 작동전극의 넓이(64)는 반응 전류의 크기를 조절하는 변수로 이를 조절하여 최적화된 반응 전류를 얻을 수 있다. 작동전극과 보조전극 사이의 간격(65) 또한 반응 전류의 크기와 관계되어, 간격이 좁으면 많은 전류가 흐를 수 있는데 너무 가까울 경우 오작동의 결과가 초래될 수 있다. 보조전극의 두께(66) 는 적당한 두께로 선택하여 전류가 충분히 흐를 수 있도록 제작한다.4 is a cross-sectional view of a perspective view of the bio and environmental sensor shown in FIG. In FIG. 4, the outermost size 61 of the electrode allows the size of the reaction current to be adjusted by adjusting the size of the sensor, and the diameter 62 of the reference electrode is selected to have a minimum size, but the actual size can be selected. Do it. The spacing 63 between the reference electrode and the working electrode should be as small as possible but not shorted during the process. The width 64 of the working electrode is a variable for controlling the magnitude of the reaction current, thereby obtaining an optimized reaction current. The spacing 65 between the working electrode and the auxiliary electrode is also related to the magnitude of the reaction current. If the spacing is narrow, a large amount of current may flow, but if it is too close, a malfunction may result. The thickness 66 of the auxiliary electrode is selected to an appropriate thickness to fabricate a sufficient current to flow.

도5는 도3에서 도시된 바이오 및 환경 센서의 사시도 외에 다양한 구조의 바이오 및 환경 센서의 사시도를 보여준다.FIG. 5 shows a perspective view of the bio and environmental sensors of various structures in addition to the perspective view of the bio and environmental sensors shown in FIG. 3.

도6~8은 본 발명의 바이오 및 환경 센서 모듈이 적용되는 예시도이다. 6 to 8 are exemplary diagrams to which the bio and environmental sensor modules of the present invention are applied.

도6(a)는 본 발명의 바이오 및 환경 센서 모듈을 펜 형태로 구현한 것이다. 도6(b)는 두 개의 심이 장착되는 트윈 펜에 적용한 것으로 본 발명의 바이오 및 환경 센서 모듈을 바이오 센서로서 적용한 예이다. 하나의 심대(71)에는 바늘(73)이 장착되고 나머지 다른 심대(71)에는 센서 모듈(72)이 장착된 형태이다. 먼저 바늘(73)을 돌출시켜 혈액을 검출한 뒤에 센서 모듈(72)이 장착된 심대를 돌출시켜 혈액을 채취하여 측정하는 방식이다. 도6(c)는 하나의 심대(71)에 센서 모듈(72)을 장착한 뒤 그 위에 바늘(73)을 형성시켜 채혈과 동시에 측정이 가능하도록 한 방식이다. 측정된 값은 펜의 몸체에 제작된 소형 디스플레이 창(74)에 표시되고, 각 각의 표 시 값들은 저장된다. 저장된 값들은 필요에 따라 무선 통신 모듈을 통해 휴대폰 및 컴퓨터 등의 매체로 실시간 모니터링 된다. 이 펜 타입의 센서를 다시 사용하기 위해서는 센서의 끝부분을 세척액에 담가주어 세척한 뒤 다시 사용하면 된다.Figure 6 (a) is to implement the bio and environmental sensor module of the present invention in the form of a pen. Figure 6 (b) is applied to a twin pen mounted with two shims is an example of applying the bio and environmental sensor module of the present invention as a biosensor. A needle 73 is mounted on one core 71 and a sensor module 72 is mounted on the other core 71. First, the needle 73 is protruded to detect blood, and then the sensor module 72 is protruded from the core to which the blood is collected and measured. 6 (c) is a method in which a sensor 73 is mounted on one core 71 and a needle 73 is formed thereon to simultaneously measure blood collection. The measured values are displayed on a small display window 74 made in the body of the pen, and the respective displayed values are stored. Stored values are monitored in real time on media such as mobile phones and computers through wireless communication modules as needed. To use the pen-type sensor again, dip the tip of the sensor into the cleaning solution and wash it again.

도7(a)는 바이오 및 환경 센서 모듈을 골무 형태로 구현한 것이다. 먼저 본 발명의 바이오 및 환경 센서 모듈(83)의 노출부에 통각을 둔하게 하는 미세 바늘(84)을 형성시킨 후 이를 골무(80)에 장착한다. 장착된 센서의 바늘(84)은 오토프로그래밍에 의해 저장된 시간에 나와 혈액을 체취하여 측정된 값을 몸체의 디스플레이 장치(81)를 통해 실시간으로 보여준다. 제작된 골무(80)에는 데이터 표시하고 저장하는 장치가 장착되어 측정된 값을 시시때때로 모니터링 할 수 있다. 필요에 따라 통신 모듈(82)을 장착하여 휴대폰 및 컴퓨터 등의 매체와 연동하여 실시간 모니터링이 가능하도록 할 수 있다. 도7(c)는 제작된 센서 골무를 손가락에 착용한 모양이다.Figure 7 (a) is to implement a bio and environmental sensor module in the form of thimble. First, the microneedle 84 is formed to dull the pain in the exposed part of the bio and environmental sensor module 83 of the present invention and then mounted on the thimble 80. The needle 84 of the mounted sensor comes out at the time stored by the autoprogramming and draws blood and shows the measured value in real time through the display device 81 of the body. The produced thimble 80 is equipped with a device for displaying and storing data can be monitored from time to time measured values. If necessary, the communication module 82 may be mounted to enable real-time monitoring by interworking with media such as mobile phones and computers. Figure 7 (c) is a shape wearing a sensor thimble on the finger.

도8은 본 바이오 및 환경 센서 모듈을 휴대폰에 장착할 수 있도록 센서 장치(92)로 패키징한 것이다. 제작된 바이오 및 환경 센서 장치(92)에는 휴대폰의 데이터 통신 컨넥터에 연결할 수 있는 연결 컨넥터(93)가 제작된다. 휴대용 통신 단말기(90)의 데이터 통신 컨넥터(91)에 연결되어 측정된 결과를 실시간으로 모니터링 할 수 있다.8 is packaged with a sensor device 92 to mount the bio and environmental sensor module to a mobile phone. The manufactured bio and environmental sensor device 92 is manufactured with a connection connector 93 that can be connected to a data communication connector of a mobile phone. The measurement result connected to the data communication connector 91 of the portable communication terminal 90 may be monitored in real time.

본 발명에 의한 3전극 센서 시스템은 메조포러스 백금 전극을 작동전극으로 사용하 여 효소의 사용 없이 바이오 물질과 환경물질을 분석하는 전기화학 센서를 구현하여 지속적인 생체 감시 혹은 환경 감시가 가능하다. 또한 3전극 센서 시스템은 반도체 기판 위에 구현되어 CMOS 회로와 집적된 초소형의 바이오 및 환경 센서 모듈로 제작되어 Handy-held 건강(혹은 환경) 진단 시스템 및 유비쿼터스 헬스(환경) 모니터링 시스템을 구현할 수 있다.The three-electrode sensor system according to the present invention implements an electrochemical sensor that analyzes biomaterials and environmental substances without using enzymes by using mesoporous platinum electrodes as working electrodes, thereby enabling continuous biomonitoring or environmental monitoring. In addition, the three-electrode sensor system is implemented on a semiconductor substrate and manufactured with a micro bio and environmental sensor module integrated with a CMOS circuit to implement a handy-held health (or environmental) diagnosis system and a ubiquitous health (environment) monitoring system.

Claims (11)

나노 다공성 구조 백금(혹은 금) 전극을 작동전극, 기준전극 혹은 보조전극으로 갖는 3전극 혹은 2전극 계의 센서가 기판 위에 형성되어 있는 전자회로와의 통합 패키징 모듈.An integrated packaging module with an electronic circuit in which a three- or two-electrode sensor having a nanoporous platinum (or gold) electrode as a working electrode, a reference electrode, or an auxiliary electrode is formed on a substrate. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 사용되는 기판은 CMOS회로와의 집적화가 가능한 실리콘(Si) 반도체을 비롯한 갈륨아사나이드(GaAs), 갈륨나이트라이드(GaN), 실리콘 게르마늄(SiGe), 실리콘 카바이드(SiC) 등의 화합물 반도체 기판 혹은 실리콘 화합물, PDMS, Glass, SU-8 등의 고분자 계열이다.Substrates used include compound semiconductor substrates or silicon compounds such as gallium arsenide (GaAs), gallium nitride (GaN), silicon germanium (SiGe) and silicon carbide (SiC), including silicon (Si) semiconductors that can be integrated with CMOS circuits. , PDMS, Glass, SU-8, etc. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 나노 다공성 구조라 함은 2 내지 100 나노미터 크기의 구멍이 표면에 배열해 있는 구조를 말한다.Nanoporous structure refers to a structure in which holes of 2 to 100 nanometers are arranged on the surface. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 나노 다공성 구조 백금 전극은 백금 흑(platinum black) 전극이나 카본나노튜브(carbon nano tube) 전극으로 대치될 수 있다.The nanoporous structure platinum electrode may be replaced with a platinum black electrode or a carbon nanotube electrode. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 3전극 센서 시스템의 구조는 도2와 도5의 구조를 취한다.The structure of the three-electrode sensor system takes the structure of FIGS. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 3전극 센서 시스템의 기준전극은 은/염화은, 표준수소전극 또는 칼로멜 전극이 적용될 수 있다.As the reference electrode of the three-electrode sensor system, silver / silver chloride, a standard hydrogen electrode or a caramel electrode may be applied. 3전극 센서 시스템의 상부를 패키징하는 재료는 친수성 고분자 막으로 폴리우레탄(PU), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리플루오로술폰에이트, 하이드록시에틸 셀룰로오즈(HEC), 하이드록시프로필 셀룰로오즈(HPC), 카르복시메틸 셀룰로오즈(CMC), 셀룰로오즈 아세테이트 또는 폴리아미디 등의 물질을 사용한다. The material for packaging the top of the three-electrode sensor system is a hydrophilic polymer membrane, which is polyurethane (PU), polyvinylpyrrolidone (PVP), polyvinyl alcohol (PVA), polyfluorosulfonate, hydroxyethyl cellulose (HEC) Materials such as hydroxypropyl cellulose (HPC), carboxymethyl cellulose (CMC), cellulose acetate or polyamidi. 제 5항에 있어서,The method of claim 5, 센서 전극의 상부 외의 부분은 테프론 혹은 세라믹 계열의 물질로 코팅한다.Portions outside the top of the sensor electrode are coated with a Teflon- or ceramic-based material. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 메조포러스 백금 전극을 작동전극으로 갖는 3전극 센서 시스템의 응용에 관해서는,As for the application of the three-electrode sensor system having a mesoporous platinum electrode as the working electrode, 패키징된 센서가 펜 타입의 혈액 분석기기에 적용된 것으로The packaged sensor has been applied to a pen-type blood analyzer 펜 타입의 혈액 분석긱기의 구조는 두 개의 펜이 있는 트윈 펜 형식의 혈당 측정기에서 한 개의 펜은 채혈을 다른 하나의 펜은 센서가 장착되어 혈당을 측정하거나,The structure of the pen-type blood analyzer is a twin-pen type blood glucose meter with two pens, one pen is collected with blood and the other is equipped with a sensor to measure blood glucose, 한 개의 펜을 가진 구조로서 센서 봉의 맨 첨단에는 채혈 침을 장착하고 채혈 침 하단에 센서를 장착하여 채취된 혈액의 혈당을 바로 측정할 수 있는 구조이다.It is a structure that has a single pen. The tip of the sensor rod is equipped with a blood sampling needle, and a sensor is mounted at the bottom of the blood sampling needle to directly measure the blood glucose of the collected blood. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 메조포러스 백금 전극을 작동전극으로 갖는 3전극 센서 시스템의 응용에 관해서는,As for the application of the three-electrode sensor system having a mesoporous platinum electrode as the working electrode, 패키징된 센서가 골무 타입의 혈액 분석기기에 적용된 것으로Packaged sensors have been applied to thimble-type blood analyzers 골무와 비슷한 형태를 가진 혈당 측정기로서 센서 위에 채혈 침이 패키징된 센서부가 필요에 따라 개폐되어 혈액을 분석하는 바이오 센서로 측정 값을 바로 확인할 수 있는 디스플레이 창을 갖고 있는 구조가 있거나 무선 통신 모듈을 탑재하여 휴 대단말기 및 컴퓨터 등의 매체와 연동하여 실시간 모니터링이 가능한 형태이다.A blood glucose meter having a shape similar to a thimble. A sensor unit in which a blood collection needle is packaged on a sensor is opened and opened as needed to analyze blood, and has a structure that has a display window for checking the measured value immediately or a wireless communication module. It is possible to monitor in real time by interworking with media such as mobile terminal and computer. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 메조포러스 백금 전극을 작동전극으로 갖는 3전극 센서 시스템의 응용에 관해서는,As for the application of the three-electrode sensor system having a mesoporous platinum electrode as the working electrode, 패키징된 센서가 휴대 단말기와 연결 가능한 모듈로 제작된 것으로The packaged sensor is made of a module that can be connected to a mobile terminal. 제작된 혈액 분석 모듈을 휴대단말기의 데이터 통신 컨넥터에 연결할 수 있도록 제작한 형태이다.It is a type designed to connect the manufactured blood analysis module to the data communication connector of the mobile terminal.
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KR100966620B1 (en) * 2008-03-20 2010-06-29 광운대학교 산학협력단 Non-enzymatic biosensor and method for manufacturing the biosensor
KR20150061720A (en) * 2013-11-27 2015-06-05 삼성전자주식회사 Polymer layer for non-enzymatic glucose sensor and non-enzymatic glucose sensor comprising the same
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KR20230016386A (en) 2021-07-26 2023-02-02 주식회사 테람스 Method for providing Information for Diagnosing or Predicting Health Condition Using Microelectrode Array Chip with Catalytic Layer

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