KR20090060862A - 검출 소자 및 검출 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 검출 소자는, 검출 커패시터 및 전계효과 트랜지스터를 포함하는데, 상기 검출 커패시터는, 유체 내의 특정 작용기에 반응하는 반응 물질층, 절연층의 양면에 위치한 제1 전극과 제2 전극을 구비하고, 상기 전계효과 트랜지스터는, 상기 제2 전극에 연결되는 소스 전극, 상기 제1 전극에 연결되는 게이트 전극, 드레인 전극을 구비한다. 여기서, 상기 검출 커패시터의 절연층 두께가 상기 전계효과 트랜지스터의 게이트 절연층 보다 더 두꺼운 것을 특징으로 한다.
Figure P1020070127816
검출 소자, 바이오 센서, 희석, 전계효과 트랜지스터

Description

검출 소자 및 검출 시스템{SENSING DEVICE AND SENSING SYSTEM}
본 발명은 유체 내에 존재하는 특정 작용기를 검출하기 위한 검출 소자에 관한 것으로, 특히, 특정 작용기를 가진 생체 분자를 검출하기 위한 이른바 바이오 센서로서 반도체 제조 공정을 적용하여 제작될 수 있으며, 액체 내에 존재하는 특정 화학적 작용기를 검출하기 위한 검출 소자 및 이를 구비한 검출 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT원천기술개발 사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2006-S-007-02, 과제명: 유비쿼터스 건강관리용 모듈 시스템].
유체 내에 존재하는 특정 작용기를 검출하기 위한 검출 소자는, 생체 용액 내에 아미노산이나 DNA 분자의 존재 여부를 검출하는 바이오 센서 분야에 널리 사용될 것으로 예상된다.
최근에 바이오 기술(Biology Technology, BT)을 기반으로, 그동안 독자적으 로 발전을 거듭해왔던 IT(Information Technology) 및 NT(Nano Technology) 기술들을 융합시켜 새로운 기술적 기반을 개발하기 위한 노력이 급속히 진행되고 있다. 특히, 나노-바이오(NT-BT) 융합기술의 하나인 나노-바이오칩 분야에서 혈액 내 단백질 검출을 목적으로 하는 바이오 센서에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
나노-바이오칩 분야에서 특정 바이오 물질의 검출, 분석 및 정량화를 위한 다양한 방법들이 개발되고 있다. 그 중에서 대표적인 것이 특정 바이오 물질을 형광 레이벌링(fluorescence labeling)을 통하여 검출하는 방법이다. 형광 레이벌링 방법은 현재 통용되고 있는 DNA 칩에서 많이 응용되고 있다.
하지만, 형광 레이벌링 방법은 특정 바이오 물질을 검출하기 위하여 혈액, 타액과 같은 측정시료의 추가적인 바이오화학적 준비 단계가 필요하며, 이로 인하여 다양한 물질들을 적용하기 힘들다. 예컨대, 단백질을 레이벌링 하는 경우, 기능성 단백질의 약 50% 정도가 불특정(unspecific) 레이벌링 과정에서 비활성화된다. 따라서, 매우 적은 양의 분석대상물질(analyte)만 목적에 맞게 이용 가능하다는 단점이 있다.
이에 따라, 민감도나 재현성을 향상시키면서 반도체 공정을 이용하여 대량생산이 가능한 실리콘에 근간을 둔 바이오 센서들이 제안되기 시작하였다. 일례로, 최근 몇 년간 버텀업(Bottom-up) 방식으로 CVD 성장 방식을 통해 만들어진 실리콘 나노선(Si-nano wire)을 이용하여 특정 물질을 검출할 수 있는 고 민감도를 갖는 바이오 센서가 많이 연구되었지만, 최근에는 Top-down 방식으로 현재 산업체 시모스(CMOS) 제조 공정을 이용하여 대량생산이 가능하며, 쉽게 구현가능하고, 재현성 이 확보되는 실리콘 나노선 바이오 센서에 관한 연구가 많이 진행되고 있다. 또한, CMOS 공정을 그대로 사용하고 소자의 구조도 전계효과 트랜지스터(FET) 형태를 하고 있는 ISFET에 관한 연구 결과도 많이 발표되었다.
ISFET는 용액 속의 타켓 분자가 센서의 프로브 분자와 상호반응을 하여 표면 전하를 증가시켜 센서의 전도도(conductivity)를 변화시키는 점은 나노선 바이오 센서와 유사하지만, 일반적인 전계효과 트랜지스터의 구조를 하고 게이트 상부에 흡착된 타켓 분자에 의해 게이트 전압이 결정되며, 상기 게이트 전압은 트랜지스터의 동작 특성 곡선의 패턴을 따르는 점에 특징이 있다.
그러나, 프로브 분자와 타켓 분자의 반응에 의해 형성되는 전하 변화량은 전체 게이트 전압의 큰 변화를 만들기 힘들어 민감도가 많이 떨어진다. 실제 사람의 혈액은 타켓분자의 전하량에 직접적인 영향을 주는 혈액의 pH농도와 염도가 사람에 따라 다르기 때문에, 기준용액에 혈액을 많이 희석하여 분석을 하는 것이 바람직하다고 볼 수 있다. 따라서 검체의 조건에 따른 의존도를 배제하기 위해서는 기준용액에 검체를 희석하는 것은 반드시 필요한 과정으로 보이며, 이에 고 민감도를 갖는 센서에 대한 필요성은 더 높다고 할 수 있다.
또한, 사람의 몸에서 추출한 혈액을 소량의 정량화를 통해 기준 용액에 희석하는 것도 간단한 일은 아니다. 수십만분의 일의 희석비를 갖는다면 극히 적은량의 혈액을 정량화하여 기준용액에 희석을 하던지, 아니면 기준용액의 양을 매우 많게 만들어 희석해야 하는 비현실적인 매우 어려운 기술적 문제점을 안고 있다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 감지능력이 향상된 검출 소자를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 검체와 기준용액을 자동으로 희석시키는 구조를 가지며, 바람직하게 본 발명의 검출 소자를 적용할 수 있는 검출 시스템을 제공하는데 다른 목적이 있다. 즉, 검체와 기준용액의 자동 희석 시스템과 감지능력이 향상된 검출 소자를 적용한 종합적인 바이오 센싱 시스템으로서, 검출 시스템을 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 검출 소자는, 검출 커패시터 및 전계효과 트랜지스터를 포함하는데, 상기 검출 커패시터는, 유체 내의 특정 작용기에 반응하는 반응 물질층, 절연층의 양면에 위치한 제1 전극과 제2 전극을 구비하고, 상기 전계효과 트랜지스터는, 상기 제2 전극에 연결되는 소스 전극, 상기 제1 전극에 연결되는 게이트 전극, 드레인 전극을 구비한다. 여기서, 상기 검출 커패시터의 절연층 두께가 상기 전계효과 트랜지스터의 게이트 절연층 보다 더 두꺼운 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 검출 시스템은, 검출 대상이 되는 검체 유체가 저장된 검체 저장부; 상기 검체 유체를 검출에 적합 한 농도로 희석시키기 위한 용매가 저장된 용매 저장부; 상기 검체 저장부에서 유출되는 검체 유체와, 상기 용매 저장부에서 유출되는 용매가 혼합되는 혼합 도관; 및 상기 혼합 도관 내에 혼합된 유체에 함유된 특정 작용기를 검출하기 위한 검출 소자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 구성을 가지는 본 발명에 따른 검출 소자 또는 검출 시스템을 실시하면, 저렴한 비용으로 제조되면서도 검출 성능이 향상된 효과가 있다.
즉, 본 발명의 검출 소자는 트랜지스터의 서브트레시홀드(Subthreshold) 영역의 전기적 특성을 이용할 뿐만 아니라, 전하집적부를 크게 형성하고 커패시터 공유 효과 및 전하 전달 방식을 통해 트랜지스터의 게이트에 인가되는 전압변화량을 극대화함으로써 기존의 검출 소자 보다 훨씬 높은 고민감도를 갖는 검출 소자를 생산할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 기준용액과 검체를 일정한 비율로 희석하면서 바로 검출이 가능한 효과도 있다.
또한, 본 발명의 심화된 구성에 따른 검출 소자는 튜브관 형태로 커패시터를 제조할 수가 있어, 매우 쉽고 내구성이 강하며 간단히 제조될 뿐만 아니라, 적용 및 교체가 용이한 효과가 있다.
ISFET 센서의 구조에서 전하를 집적시킬 수 있는 부분을 전하집적부를 따로 형성하고, 형성된 전하를 게이트에 전이를 시킴으로써 게이트에서의 프로브 분자와 타켓 분자의 반응에 의해 형성되는 전하 변화량을 극대화하여, 특정 바이오 물질의 검출하기 위한 민감한 나노구조를 갖는 바이오 센서를 제작하는 기술이 제안되었다.
도 1a 및 도 1b는 생체 용액에 대한 검출 소자로서 개시된 ISFET 센서의 동작원리를 설명하기 위한 개략도와 MOSFET의 특성 곡선 상에서의 ISFET의 동적특성이다.
도 1a에 도시된 바와 같이, ISFET 센서는 드레인 및 소스로 구성된 일반적인 MOSFET 소자의 형태를 가지고 있다. 하지만, 소스와 드레인 사이의 전류의 흐름이 되는 채널을 제어할 수 있는 게이트는 존재하지 않는다. 실제 채널 부분 상부에 생체 용액의 특정 작용기에 반응하는 프로브 분자(미도시)를 고정한 경우, 상기 특정 작용기를 포함한 타켓 분자와 반응을 하면, 타켓 분자의 전하량의 변화에 의해 게이트의 제어력이 바뀌어 소스와 드레인 사이의 전류의 변화를 만들게 된다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 제조된 MOSFET 구조의 소자의 게이트 전압에 따른 드레인 전류의 전기적 특성 곡선은 서브트레시홀드(Subthreshold) 영역에서는 전압에 따라 매우 민감하게 변화하는 전류 특성을 가지고 있다. 초기의 형성 게이트 전압이 Va라고 할 때, 흐를 수 있는 드레인 전류가 Ia이면, 게이트 표면에 형성된 프로브 분자에 타켓 분자가 결합하여 게이트의 전압변화를 유발하여 Vb 전압이 될 경우에는 드레인 전류는 Ib가 된다.
따라서, 이러한 서브트레시홀드 영역을 센싱 영역으로 이용할 경우, 소량의 게이트 전압의 변화로 센싱 전류의 변화를 크게 유도할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 하지만, 현재는 단위 면적당 표면 반응을 통해 유발할 수 있는 게이트 전압 변화량이 매우 적기 때문에 이에 따른 센싱 신호인 드레인 전류의 변화량이 크게 높지는 않은 실정이다. 즉, 센서의 민감도가 만족할 만한 수준이 되지 못한다.
도 1c는 조절 전극부가 있는 ISFET 센서구조의 개략도이다.
먼저, 도 1c에 도시된 바와 같이, 도 1a에서 도시한 일반적인 ISFET과는 달리, 기준 전압을 만들어 주기 위한 기준 전극이 없으며, 이러한 기능을 할 수 있는 조절 전극부가 따로 만들어져 있다. 또한, 채널 상부(즉, 게이트 상면)를 노출시키지 않고 대신에 전하 집적부를 따로 만들고 있는 것이 특징이다. 좁은 면적의 채널 상부를 이용하지 않고 넓은 면적은 전하집적부를 만들어 타켓물질을 검출하기 때문에 좀 더 일관성 있는 결과를 얻을 수 있다. 그러나, 전하집적부 면적을 넓혀서 집적하는 전하량을 증가시키면 시킬수록 면적 증가량과 같은 양의 커패시턴스가 증가하기 때문에 게이트 전압변화량은 면적 변화와 무관하게 일정하다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명하기로 한다. 또한 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이며, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판상 에 직접 형성될 수 있거나, 또는 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 도면번호로는 표시된 부분은 동일한 요소를 나타낸다.
또한, 이하의 도식설명에서 바이오 소자의 제조방법이나 이에 관련된 기술내용 중 알려진 기술에 대해서는 설명하지 아니하였고, 이는 이러한 알려진 기술들에 의해 본 발명의 기술적 범위가 제한되지 않음을 의미한다.
한편, 특수하게 소스/드레인을 비대칭적은 특성을 가지도록 제작하는 경우를 제외하고, 일반적인 MOS 트랜지스터의 소스와 드레인의 구별은 상대적인 것이므로, 본 발명의 경우에도 소스/드레인이라고 칭한 것은 설명의 편의를 위한 것에 불과함을 밝혀둔다.
(실시예)
도 2a는 본 실시예의 검출 소자의 구조를 도시한 단면도이며, 도 2b는 도 2a의 바이오 센서의 동작원리를 설명하기 위한 전기적 특성에 따른 등가 회로도이다. 도시한 검출 소자는, 크게 검출 커패시터 및 전계효과 트랜지스터로 구분하여 살펴볼 수 있다.
상기 검출 커패시터는, 유체 내의 특정 작용기에 반응하는 프로브 분자를 포함하는 반응 물질층(600); 및 상기 반응 물질층(600) 아래에 형성된, 커패시터 절연층으로서 기능하는 SiO2층(203)의 하면에 접한 제2 전극으로서 폴리실리콘막(163) 과, 상기 SiO2층(203)의 상면에 접한 제1 전극으로서 금속막(403)으로써, 커패시터의 구조를 포함한다. 또한, 상기 반응 물질층(600)과 상기 제1 전극인 금속막(403) 사이에, 커패시터 절연층으로 기능하는 표면 절연층으로서 링크 물질층(503)을 더 포함할 수 있다.
상기 제2 전극으로서 폴리실리콘막(163)을 포함하는 폴리실리콘층(160) 및 제1 전극으로서 금속막(403)을 포함하는 금속층(400)은, 트랜지스터의 섭스트릿(substrate)인 p형 기판(100)의 전도도 보다 큰 전도도를 가지는 다른 전도성 물질로 구현할 수도 있다.
상기 검출 커패시터의 제2 전극인 폴리실리콘막(163)은 구현에 따라서는 생략될 수도 있으나, 존재하는 경우 검체 유체 내 함유된 특정 작용기에 의해 변화된 검출 커패시터의 특성을 상기 전계효과 트랜지스터의 소스에 전달하는 성능이 향상된다.
섭스트릿(substrate)과 검출 커패시터 절연층 사이에 별도의 전극이 존재하지 않는 경우에는, 섭스트릿(substrate)과 검출 커패시터 절연층의 경계면이 커패시터 전극의 역할을 하게 된다. 이 경우 검출 커패시터의 제2 전극과 전계효과 트랜지스터의 섭스트릿(substrate)이 공유되는데, 이는 검출 커패시터 및 전계효과 트랜지스터에 바이어스를 조정하는데 유연성을 떨어뜨리게 되는 단점이 있다. 또한, 이 경우 검출 커패시터의 제2 전극을 형성하는 섭스트릿(substrate)을 접지로 잡아주기 위한 추가 공정이 소요되는 단점도 있다. 또한, 섭스트릿(substrate)과 검출 커패시터 절연층의 경계면에는 그 특성상 바이어스가 걸릴 수 있는데, 이러한 바이어스에 의해 도핑농도가 낮은 벌크 실리콘으로서 섭스트릿(substrate) 영역 중 상기 제2 전극 부근 영역에서 공핍(depletion)이 일어나기 때문에 필요없이 커패시터가 가변되는 단점도 있다.
따라서, 상기 제2 전극은, 전계효과 트랜지스터의 섭스트릿(substrate)인 p형 기판의 전도도 보다 큰 전도도를 가지는 물질(예: 금속이나 폴리실리콘)로, 상기 섭스트릿과 별도로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 전계효과 트랜지스터로서, 상기 폴리실리콘막(163)에 연결된 소스 전극(121); 상기 검출 커패시터의 금속막(403)과 동일한 재질로 동일 공정으로 형성된 금속층(400)의 일부로서 형성되어, 상기 검출 커패시터의 제1 전극과 전도적으로 연결된 게이트 전극(401); 드레인 전극(122)을 구비하는 트랜지스터 구조를 형성하였다. 그러나, 다른 소정의 특성을 개선하기 위해 상기 게이트 전극(401)을 상기 금속막(403)과 독립된 형태로, 별도의 공정/재질로 구현할 수도 있다.
도면에서, 상기 검출 커패시터의 절연층인 SiO2층(203)은 상기 전계효과 트랜지스터의 게이트 전극(401) 하부의 절연층(201)과 서로 연결된 상태로 형성되었다. 그러나, 검출 커패시터의 절연층(203)으로 작용하는 부분의 두께가, 트랜지스터의 게이트 절연층(201)으로 작용하는 부분의 두께보다 현저하게 큼을 알 수 있다. 이는 본 발명의 사상에 따라 검출 커패시터의 커패시턴스를 줄이기 위한 것이 다. 이러한 절연층의 두께를 매우 두껍게 만들어 줌으로써 소자의 동작 특성은 매우 큰 변화가 있게 된다.
비록, 상기 게이트 전극 하부의 절연층(210)과 검출 커패시터의 절연층(203)이 서로 일체로 구성되었지만, 실제 공정상에서는 양자는 서로 다른 공정으로 형성됨이 일반적이다. 예컨대, 게이트 전극 절연층으로는 SiO2 혹은 high-k 물질을 사용하면서, 커패시터의 절연층으로는 얇은 두께로도 충분히 작은 커패시턴스를 얻기 위해 low-k 물질을 사용할 수 있다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 도 2a의 구조는 왼쪽의 전기적 등가회로로 표현될 수 있다. 이때, 전하 집적부인 검출 커패시터의 면적을 넓게 만들면 CANT는 증가하게 되고, 반면 검출 커패시터의 절연층(203)의 두께를 두껍게 만들면 CANT는 감소하게 된다. 이러한 특성을 이용하여 CANT의 값이 CTr의 값보다 5배 이하로 훨씬 작게 만들어 주게 되면, 가운데의 등가회로로 간단히 표현될 수 있다. 즉, 검출 커패시터의 활성층 면적을 넓어진 만큼 절연층(203)의 두께를 증가시켜, 바람직하게 CANT의 값이 CTr의 값보다 5배 이하가 되도록 조절한다면, CANT의 영향을 최소화시킬 수 있다.
CANT 및 CTr은, 검출 커패시터의 면적(AANT), 트랜지스터의 채널 면적(Agate), 커패시터 절연층의 두께(tANT)및 유전률(εANT), 트랜지스터 게이트 절연층의 두 께(tox) 및 유전률(εox)로 결정되는 바, 상기 파라미터들은 하기 수학식의 관계를 만족하여야 한다. 이는 5배 정도의 커패시턴스 차이라면, 한쪽의 영향을 무시할 수 있을 정도가 되기 때문이다.
5CANT ≤ CTr ⇔ 5εANTAANT/tANT ≤ εoxAgate/tox
또한, 검출 커패시터의 반응 물질층의 표면적이 트랜지스터의 게이트(401) 면적보다 훨씬 넓고 CSAM을 이루고 있는 링크 물질층(503)의 높이도 게이트 산화막 보다 보통 더 작기 때문에 가운데 등가회로는 오른쪽의 등가회로로 간단히 바꿀 수 있다. 오른쪽 등가회로의 의미는 전체 등가 커패시턴스는 트랜지스터의 커패시턴스 CTr로 일정하기 때문에, 넓은 전하집적부를 통해 타켓물질의 반응을 더 많이 유도함으로써 전하변화량을 증가시키는 동시에 전체 등가 커패스턴스는 일정하기 때문에 전압변화량을 크게 증가시킬 수 있음을 의미한다.
본 실시예의 검출 소자는 구현에 따라, 상기 검출 커패시터를 복수 개 구비할 수 있으며, 또는 도 2a에 도시한 검출 커패시터 및 전계효과 트랜지스터 구조를 복수개 구비할 수 있다. 이 경우에 각 커패시터의 표면에 서로 다른 프로브 분자가 고정된 반응 물질층을 형성할 수 있다.
한편, 본 실시예의 반응 물질층을 형성하는 프로브 분자는 항원, 항체, DNA 및 단백질로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 조합으로 형성될 수 있다.
도 3a 내지 3c는 검출 커패시터를 도관형으로 구현한 다른 실시예에 따른 검출 소자의 구조를 설명하기 위한 것이다. 본 실시예의 검출 소자도 도 2a의 검출 소자와 같이, 크게 전계효과 트랜지스터와 전하 집적을 위한 검출 커패시터로 구분될 수 있다.
도시한 검출 소자의 전계효과 트랜지스터는 패키징이 완료된 상용 트랜지스터를 리더기 내부에 장착하여 저렴하고 재현성 있는 구조를 만들 수 있으며, 검체 유체가 통과하는 도관의 일부를 검출 커패시터로 구현할 수 있다. 즉, 본 실시예의 도관형 검출 커패시터는 절연물질 또는 유전물질로 이루어진 절연 도관(420)이 커패시터의 절연층 물질이 되며, 상기 도관의 내면 및 외면에 접합된 도관 형상의 2개의 전도체 도관(410, 430)이, 커패시터의 제1/제2 전극이 된다. 상기 전도체 도관(410, 430)은 금속관으로 구현하는 것이 용이하다. 상기 절연 도관(420)은 고분자 합성수지로 구현하는 것이 저렴하다.
제1 전극에 대응하는 내부 전도체 도관(410)은, 바람직하게 반응 물질층을 이루는 프로브 분자에 대한 표면 고정화 처리가 용이한 특정 물질, 예를 들어 Au(금)이 코팅되어 있거나, 금속관 자체가 상기 프로브 분자의 표면 고정화 가능한 물질 그 자체인 것이 바람직하다. 따라서, 본 실시예의 경우 검체 유체 내의 특정 작용기에 반응하는 반응 물질층(402)은, 상기 내부 전도체 도관(410)에 직접 접하여 형성될 수도 있고, 상기 내부 전도체 도관의 안쪽에 코팅된 표면 고정화 가능 물질층(405)에 접하여 형성될 수도 있다.
본 실시예의 내부 전도체 도관(410)과 외부 전도체 도관(430) 사이에 절연 도관(420)이 존재하게 되어 커패시터 구조를 형성한다. 이때, 민감도와 분석가능영역을 제어하기 위해 관의 크기와 직경 혹은 모양을 서로 다르게 할 수 있다. 또한, 내부/외부 전도체 도관(410, 420)은 서로 전도적 연결이 되지 않도록 되어야 하며 외부 전극과 접촉을 용이하도록 설계되는 것이 바람직하다.
상기 도 2a 내지 3c에 도시한 검출 소자의 검출 과정을 살펴보면 다음과 같다. 앞서 설명한 바와 같이, 반응 물질층의 프로브 분자의 반응에 의한 특정 작용기를 포함한 타겟 분자의 검출은, 검출 커패시터의 전하량의 변화를 유발하고, 검출 커패시터의 제1/제2 전극에 게이트/소스가 연결된 전계효과 트랜지스터의 게이트 전압 변화량으로서 전달된다. 타겟 분자 검출에 의해 야기된 상기 변화들은 드레인 전류의 변화량을 통해 리더기에 의해 읽혀지며, 읽혀진 데이터는 공지된 다양한 분석을 통해 검출 결과로서 디스플레이될 수 있다.
검출시 상기 트랜지스터에서 전계효과 트랜지스터의 전압변화에 따른 전류변화가 민감한 서브트레시홀드 영역의 전기적 특성을 이용하여야 하므로, 상기 검출 커패시터 및 전계효과 트랜지스터의 사양 및 외부 바이어스 등을 맞추어, 반응 물질층의 반응에 따른 게이트의 전압변화가 상기 전계효과 트랜지스터의 서브트레시홀드 영역에서 작용되어야 함은 물론이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 검체(Serum) 유체와 용매 용액을 일정비로 자동 희석시켜, 검출을 시도하는 검출 시스템에 대한 개략도이다.
도시한 검출 시스템은, 검출 대상이 되는 검체 유체가 저장된 검체 저장부(810); 상기 검체 유체를 검출에 적합한 농도로 희석시키기 위한 용매가 저장된 용매 저장부(800); 상기 검체 저장부에서 유출되는 검체 유체와, 상기 용매 저장부에서 유출되는 용매가 혼합되는 혼합 도관(840); 및 상기 혼합 도관(840) 내에 혼합된 유체에 함유된 특정 작용기를 검출하기 위한 검출 소자(미도시)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 기준 용액 및 검체 각각의 저장부와 함께, 상기 용매 저장부에 저장된 검체 유체를 상기 혼합 도관으로 이동시키기 위한 용매 배출 수단으로서 기준용액에 압력을 가하는 압력기(830)을 더 포함할 수 있으며, 검출에 사용되었던 혼합 용액을 처리하는 혼합 용액 처리부로서, 혼합 용액을 저장하는 혼합용액 저장소(820)을 더 포함할 수 있다. 구현에 따라, 상기 혼합 용액 저장소(820)에 혼합 용액을 능동적으로 흡입하기 위한 역압력기를 구비할 수 있다.
도면에서 검체 저장부(810)에 저장된 검체 유체는, 기준용액이 흐를때의 베르누이 압력에 의해 혼합 도관(840)으로 이동하도록 구현하였지만, 상기 검체 저장부(810)에 저장된 검체 유체를 상기 혼합 도관(840)으로 이동시키기 위한 별도의 검체 배출 수단을 더 포함하도록 구현할 수도 있다.
상기 검출 시스템을 사용한 검출 과정을 살펴보면, 우선, 검체(혈액, 소변 등)를 검체 저장부(810)에 주입하고, 기준용액인 용매 저장부(830)에 압력을 가하게 되면 용매가 흘러나오게 되면서 압력 차이에 의해 검체 저장소(810) 내 검체가 흘러나와 혼합 도관(840)에서 혼합된다. 이때, 용매의 유출관의 단면적 및 검체의 유출관의 단면적의 비율에 의해 희석비가 결정된다. 또한, 상기 유출되는 검체와 용매의 좀 더 효율적인 혼합을 위해 상기 혼합 도관(840)과 연결되는 별도의 혼합기를 더 포함할 수 있다.
도면의 압력기(830) 외에도, 필요에 따라 몇가지 조합으로 압력기 혹은 역압력기를 설치할 수 있으며, 압력기/역압력기는 단순한 누름에 의한 압력을 가하는 것, 기체를 주입하여 압력을 가하는 것, 동일 액체를 주입하여 압력을 가하는 것을 포함한다. 혼합기는 일반적으로 알려진 다양한 형태가 적용될 수 있다.
도 4의 검출 시스템에 내장되는 검출 소자로는 본 발명의 사상에 따른 검출 소자, 특히, 도 3a의 검출 소자를 적용할 수 있다. 도 3a의 검출 소자는 검출 커패시터의 절연층이 도관 형상을 띠므로(즉, 절연 도관), 상기 검출 커패시터의 절연 도관이 도 4의 검출 시스템의 혼합 도관의 일부 또는 전부가 되도록 구현할 수 있다. 상기 구현은 제작 비용을 절감하면서도 검출 효율을 극대화할 수 있어 바람직하다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위내의 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
도 1a는 일반적인 ISFET 검출 소자의 동작원리를 설명하기 위한 단면도.
도 1b는 MOSFET의 특성 곡선 상에서의 ISFET의 동적특성을 나타내는 그래프.
도 1c는 조절 전극부가 있는 ISFET 검출 소자의 구조를 도시한 단면도.
도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 검출 소자의 구조를 도시한 단면도.
도 2b는 도 2a의 전기적 특성에 따른 등가 회로도.
도 3a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 검출 소자의 도관 형상 검출 커패시터의 구조를 도시한 개념도.
도 3b는 도 3a의 도관 형상 검출 커패시터의 단면도.
도 3c는 도 3a의 도관 형상 검출 커패시터와 전계효과 트랜지스터의 회로 연결 관계를 도시한 개략도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 검출 시스템의 구성을 도시한 블록도.

Claims (12)

  1. 유체 내의 특정 작용기에 반응하는 반응 물질층,
    절연층의 양면에 위치한 제1 전극과 제2 전극
    을 구비하는 검출 커패시터; 및
    상기 제2 전극에 연결되는 소스 전극,
    상기 제1 전극에 연결되는 게이트 전극,
    드레인 전극
    을 구비하는 전계효과 트랜지스터를 포함하되,
    상기 검출 커패시터의 절연층 두께가 상기 전계효과 트랜지스터의 게이트 절연층보다 더 두꺼운 것을 특징으로 하는 검출 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 전극은,
    상기 전계효과 트랜지스터의 섭스트레트(substrate)보다 전도성이 높은 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 검출 소자.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 전극은,
    상기 게이트 전극과 동일한 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 검출 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극과 제2 전극간 커패시턴스가, 상기 전계효과 트랜지스터의 게이트 커패시턴스의 1/5보다 작은 것을 특징으로 하는 검출 소자.
  5. 제1항에 있어서, 상기 검출 커패시터는,
    상기 제1 전극과 상기 반응 물질층 사이에 표면 절연층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 검출 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 검출 커패시터의 절연층은 검출하려는 유체를 내부로 이동시키는 도관 형태를 가지며,
    상기 제1 전극은 상기 절연층의 안쪽으로 접하는 도관 형태를 가지며,
    상기 제2 전극은 상기 절연층의 바깥쪽으로 접하는 도관 형태를 가지며,
    상기 반응 물질층은 상기 제1 전극의 안쪽에 위치한 것을 특징으로 하는 검출 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 검출 커패시터의 절연층은 고분자 합성수지로 이루어지며,
    상기 제1 전극 및 제2 전극은 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 검출 소자.
  8. 검출 대상이 되는 검체 유체가 저장된 검체 저장부;
    상기 검체 유체를 검출을 위한 농도로 희석시키기 위한 용매가 저장된 용매 저장부;
    상기 검체 저장부에서 유출되는 검체 유체와, 상기 용매 저장부에서 유출되는 용매가 혼합되는 혼합 도관; 및
    상기 혼합 도관 내에 혼합된 유체에 함유된 특정 작용기를 검출하기 위한 검출 소자
    를 포함하는 검출 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 검출 소자는,
    제1항 내지 제5항 중 어느 하나에 따른 검출 소자인 것을 특징으로 하는 검출 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 검출 소자는, 제6항 또는 제7항에 따른 검출 소자이며,
    상기 검출 커패시터의 절연층이, 상기 혼합 도관의 전부 또는 일부를 형성하는 것을 특징으로 하는 검출 시스템.
  11. 제8항에 있어서, 상기 검체 저장부에 저장된 검체 유체를 상기 혼합 도관으 로 이동시키기 위한 검체 배출 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 검출 시스템.
  12. 제8항에 있어서, 상기 용매 저장부에 저장된 용매를 상기 혼합 도관으로 이동시키기 위한 용매 배출 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 검출 시스템.
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