KR20160119096A - 차동 측정 기반 이온 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 ISFET/REFET 쌍을 포함하는 차동 측정 기반 이온 센서에 관한 것으로서, 여기에서 REFET는 내부 기준 용액을 포함하는 마이크로-저장소에 의해 커버되는 ISFET에 의해 형성된 구조체에 의해 정의된다. 센서는: 제 1 및 제 2 이온-선택성 전계 효과 트랜지스터; 전극; 그 표면 상에 2개의 트랜지스터들, 연결 트랙들 및 전극이 통합되는 기판; 및 제 1 이온-선택성 전계 효과 트랜지스터에 부착되고, 상기 제 1 트랜지스터의 게이트 상에 마이크로-저장소를 생성하는 구조체를 포함하며, 상기 마이크로-저장소는 마이크로-저장소를 외부와 연결하는 마이크로-채널을 가지고, 상기 마이크로-저장소는 기준 용액으로 충전된다.
Description
본 발명은 차동 측정 기반 이온 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 상기 센서는, 이온-선택성 전계 효과 트랜지스터(ion-selective field effect transistor; ISFET) 트랜지스터들을 사용하여 용액 내의 특정 이온들을 농도의 측정을 수행하고, 마이크로저장소(microreservoir) 내에 저장된 기준 용액의 그것과 비교하며, 이는, 또한 REFET 트랜지스터(이온 농도에 응답하지 않는 전계 효과 트랜지스터)로도 지칭되는, 그것의 게이트가 상기 기준 용액과 접촉한 상태이며 그에 따라 측정될 이온들에 대해 0(zero) 응답을 가지는 ISFET 트랜지스터를 통해 상기 측정을 수행한다.
본 발명이 포함되는 기술 분야는 물리학적 기술들의 섹터의 기술 분야이며, 그것의 더 전형적인 애플리케이션은, 다양한 섹터들 예컨대 식품 산업 및 생체의학에서의, 이온 측정, 예를 들어, pH(용액 내의 수소 이온들의 농도)의 측정을 위한 것이다.
기술의 현재 상태에 있어서, 매질 내의 다양한 이온들의 농도들의 측정이 매우 다양한 방법들로 수행된다. 가장 광범위하게 사용되는 기술들 중 하나는 테스트 스트립(test strip)들의 사용이다. 이러한 테스트 스트립들은, 측정 용액의 특정 이온들의 농도에 따라 상이한 컬러를 취하는, 수용액들과 접촉할 때 컬러를 가지게 되는 상이한 영역들을 갖는 종이의 스트립들이다. 용액의 이온들의 농도를 식별하기 위하여, 스트립을 용액으로 적신 후, 사용자는 제조사에 의해 제공된 테이블의 컬러들을 획득된 컬러들과 비교해야만 한다. 이러한 측정 기술의 결과는 사용자에 의한 정확한 조작 및 인자들 예컨대, 샘플들 내의 단백질들의 존재, 스트립과 샘플들의 반응 시간, 또는 샘플들의 균질성에 크게 의존한다. 부정확한 조작이 다수의 거짓 결과(false result)들(양성 및 음성)을 생성한다. 또한, 이러한 기술의 분해능(resolution)은 일반적으로 pH 측정의 특정한 경우에 대하여 0.5 단위(unit)들인 것으로 간주되며, 이는 일부 생체의학적 애플리케이션들에 있어서, 예컨대 요로결석증에 있어서 임상적 결정을 내리기에 충분한 진단 값들을 결여한다(Kwong T. 등. "Accuracy of urine pH testing in a regional metabolic renal clinic: is the dipstick enough?". Urolithiasis 2013).
이온 농도의 표준 측정 기술은 원자 흡수이다. 그러나, 이러한 기술은 복잡한 설비를 필요로 하며, 이의 소형화가 실행 가능하지 않다.
이온 선택성 전극(Ion Selective Electrode; ISE)들이 장비와 관련하여 더 간단한 측정들이며, 비용이 덜 비싸다. 이러한 전극들이 선택성 멤브레인(selective membrane)을 가지며, 그 결과 멤브레인과의 용액 이온들의 교환 또는 상호작용에 의해 이온 활동도(ion activity)가 전기 전위가 된다. 선택성 멤브레인은, 유리, 결정질 또는 이온-교환 화합물들에 기초하는 몇몇 유형들일 수 있다. 후자는 이온 선택성 화합물을 고정하는 폴리머(예를 들어, 폴리비닐 클로라이드(polyvinyl chloride; PVC))를 갖는다. ISE들의 전기 전위의 측정은, 때때로 ISE의 바로 그 몸체(body) 내에 통합된 기준 전극(결합된 전극들)의 사용을 요구한다. 기준 전극은 일반적으로 기준 용액 내에 침지된(immersed) 금속 전극이며, 이는 결과적으로 액체 결합을 통해 측정될 용액에 연결된다. 기준 전극의 주요한 특성은, 그것의 전위, 즉, 금속의 내부와 이것이 침지되는 용액의 내부 사이의 전위가 상기 용액의 조성에 의존하지 않는다는 것이다. 기준 전극들은 일반적으로 액체 결합을 통한 기준 용액들의 상실을 가지며, 그 결과 기준 용액들의 주기적인 리필이 요구된다.
정밀한 측정치들을 획득하기 위하여, 이러한 전극들은, 전극이 알려진 이온 농도 용액 내에 침지될 때 생성되는 전위의 측정으로 구성되는 사전 교정을 필요로 한다. 이러한 전극들이, pH의 경우에 있어서 pH미터로서 알려진 장비의 부분을 형성하고, 이는 제조하기에 싸지도 않으며 휴대용이거나 또는 자율적이지도 않고, 이는 그것의 정확한 보존을 위해 특정 유지보수 및 세정 조건들을 요구한다. 이러한 측정 기술의 결과는 또한 (상기 목적을 위해 적절하게 트레이닝되어야만 하는) 사용자의 정확한 조작에 의존한다. 전극들의 부정확한 조작 또는 보존이 거짓 결과들을 야기할 수 있다.
이러한 종류의 측정들을 위해 사용되는 다른 유형의 센서들은 ISFET(이온-선택성 전계 효과 트랜지스터(ion-selective field effect transistor))-유형의 센서들이다. 이들은 마이크로전자 기술을 사용하여 제조되는 디바이스들이다. (트랜지스터 게이트 전위인) 용액의 전위는, ISE-유형의 전극들을 이용하는 측정들을 위해 사용되는 것들과 같은 기준 전극에 의해 제어된다. ISFET는, 그것의 문턱 전압이 그것의 게이트 유전체와 접촉하는 용액의 이온 농도에 따라 변화하는 전계 효과 트랜지스터이다. 다수의 유형들의 유전체들(SiO2, Si3N4, Al2O3, Ta2O5, ZrO2)에 대하여, ISFET의 문턱 전압의 변동이 주로 H+ 이온들에 의존하며, 따라서, 이것이 pH 센서로서 사용된다. ISFET에 기초하는 다른 이온들의 센서들을 만들기 위하여, US5250168호에 개시된 바와 같은 층, 소위 선택성 멤브레인이 게이트 유전체 층 상에 증착(deposit)된다. 증착된 멤브레인에 의존하여, ISFET가 특정 이온들 또는 다른 것들에 대한 센서로서 기능할 것이다. 이러한 센서들을 이용하는 측정은, 어떤 사람이 측정하고자 하는 이온 농도의 변화들에 비례하는 전계 효과 트랜지스터의 문턱 전압의 변화들을 기록하는 단계로 구성된다. ISFET의 문턱 전압의 변화들을 측정하는 방식은, 일정한 드레인 전류 및 일정한 소스 드레인 전압으로 디바이스를 극성화(polarize)하는 회로를 사용하는 것이다. 이러한 방식으로, 상기 극성화(polarization)를 유지하기 위하여 회로가 인가하는 게이트 전압의 변화들이 ISFET에 의해 경험되는 문턱 전압 변화들과 동일하다. 따라서, 회로에 의해 인가되는 게이트 전압이 출력 신호로서 간주된다.
ISE 전극들에 기반하는 측정 시스템들 및 ISFET에 기반하는 측정 시스템들 둘 모두가 이온들의 측정을 가능하게 하기 위하여 기준 전극을 필요로 한다. 이는 이들을 값 비싸게 만들며, 주기적인 유지보수를 필요로 한다. 1978년에, 기준 전극 없이 ISFET-유형의 디바이스들을 이용하는 pH 측정을 위한 용액이 개시되었으며(P.A. Comte 및 J. Janata, "A field effect transistor as a solid-state reference electrode", Analytica Chimica Acta), 이는 ISFET 및 REFET의 차동 측정으로 구성된다. 이러한 경우에 있어서, REFET는 그것의 게이트가 일정한 pH에 노출된 채로 유지되는 ISFET에 의해 형성된다. 차동 측정은, 단자 게이트로서 용액 내에 침지된 단일 전극을 사용하여 디바이스들 둘 모두의 문턱 전압을 측정하는 단계, 및 획득된 2개의 값들의 감산으로서 답을 획득하는 단계로 구성된다. REFET 게이트는, 기준 용액(내부 용액)으로 충전된 마이크로저장소의 통합에 의해 일정한 pH에 노출된 채로 유지된다. 이러한 마이크로저장소는 액체 결합으로서 역할하는 마이크로채널을 통해 외부에 연결되며, 그 결과 외부 용액과 기준 용액 사이의 전위의 차이가 작고, 이는 외부 용액 내의 pH 또는 다른 이온들의 농도에 의해 크게 영향을 받지 않는다. 이러한 방식으로, 전극과 용액 사이에서 일어나는 전위의 변화들이 문턱 전압 값들 둘 모두로 전달되며, 따라서 차동 값에 대하여 영향을 주지 않는다(이들은 감산 연산에서 소거된다). 이러한 이유로, 차동 측정 시스템은 그것이 참조되어야 할 필요가 없는 임의의 전도체 전극을 가지고 구현될 수 있다. REFET가 일정한 pH 용액에 노출된다는 것을 고려하면, 차동 값의 변동이 pH 변화에 대한 ISFET의 응답과 동일해야 할 것이다. 그러나, Compte 및 Janata에 의해 설명된 REFET를 제조하는 방식은 자동화하기 어렵고, 따라서 기준 전극을 갖는 ISFET들의 비용들보다 훨씬 더 싼 비용으로 센서들을 제조하는 것을 불가능하게 만들 것이며, 이는 그것의 가격을 일반 대중이 이용할 수 있게 만드는 것을 불가능하게 할 것이다. 또한, Compte 및 Janata에 의해 설명된 ISFET-REFET 센서의 설계에 있어서, REFET의 마이크로저장소는 에폭시 수지로 구성된다. 일단 수지가 경화되면, 이러한 마이크로저장소는 버퍼 용액 내에 조제된 아가로스(agarose) 겔로 충전된다. 그 다음, 아가로스 겔 내에서 마이크로채널로서 역할하는 유리 모세관이 도입되며, 마이크로저장소는 에폭시 수지의 층으로 밀봉된다. 따라서, 센서가 건조하게 저장되며; 마이크로저장소의 버퍼링된 용액이 마이크로채널을 통해 느리게 증발되고, 이는 공기로 대체된다. 마이크로저장소 내부의 공기의 존재는, 수용액 내의 침지의 연장된 시간이 경과된 후 마이크로저장소가 사용될 때 마이크로저장소가 정확하게 기능하는 것을 방해한다. 이는, 트래핑된(trapped) 공기의 외부로의 확산의 필요성뿐만 아니라, 물로 충전하는 것이 오로지, 하이드로겔로 충전되지 않은 마이크로채널을 통해서만 수행된다는 사실에 기인한다. 또한, 마이크로저장소 내의 기준 용액이 마이크로채널을 통해 희석되고 오염될 수밖에 없기 때문에, 이러한 유형의 센서의 수명은 마이크로저장소를 외부와 연결하는 마이크로채널의 치수들 및 마이크로저장소의 체적에 의존하며, 그 결과, 측정의 오류가, 상기 용액의 pH가 그것의 원래의 값에 대하여 변화하는 측정치를 점진적으로 증가시킬 수 있다. 이러한 이유로, 센서가 짧은 수명을 갖는 것으로 간주된다.
문서 EP 85200263호는 센서를 개시하며, 여기에서 사용은 2개의 ISFET 센서들로 이루어지고, 이들 중 하나는 이를 통해 기준 용액이 흐르는 도관 내부에서 발견된다. 이러한 방식으로, 상기 ISFET가 항상 오염되지 않은 용액과 접촉한다. 그러나, 이를 위하여, 센서 내에 기준 용액 주입 시스템뿐만 아니라 주입 시스템의 공급 수단을 통합해야만 하며, 이는 설명된 해법을 더 복잡하고 비싸게 만든다.
따라서, 기술의 현재 상태는 다음의 연관된 문제점들을 갖는다: 테스트 스트립들은 부정확하다; 유리 전극들을 비싸고, 깨지기 쉬우며, 유지보수를 필요로 하고, 용이하게 소형화될 수 없다; 현재의 ISFET 및 ISE-유형의 센서들은 소형화가 가능하지만, 이들이 기준 전극과 함께 사용되어야만 하기 때문에 비싸고 유지보수를 필요로 한다; Compte 및 Janata에 의해 제안된 ISFET-REFET 센서는 제조하기에 비싸고 짧은 수명을 갖는다; 및 추가적으로 2개의 ISFET 트랜지스터들과 관련된 EP 85200263호에 개시된 센서는 기준 용액 주입 시스템을 가져야만 하는 필요성에 기인하여 더 큰 비용 및 복잡도를 갖는다.
본 발명은, 적어도 하나의 ISFET 트랜지스터 및 REFET 트랜지스터를 포함하는 차동 측정 기반의 신규한 이온 센서를 개시한다. REFET는 내부 기준 용액이 포함된 마이크로저장소에 의해 커버되는 ISFET로 구성되는 구조체에 의해 정의된다. 본 발명의 제 2 대상은, 저 비용으로 그것의 대량 생산을 가능하게 하는 이상에서 설명된 센서의 제조 방법이다. 본 발명의 제 3 대상은, 기준 용액으로 충전된 컨디셔닝 용기(conditioning receptacle) 내에 침지되는 이상에서 설명된 센서이며, 이는 상기 센서의 유효 수명을 연장시키는 것을 가능하게 만든다.
따라서, 본 발명의 제 1 대상은 차동 측정 기반 이온 센서이다. 상기 센서는, 상기 센서가 다음을 포함하는 것을 특징으로 한다:
- 연결 트랙(connection track)들에 의해 측정 회로에 전기적으로 연결된, 제 1 이온-선택성 전계 효과 트랜지스터 및 적어도 하나의 제 2 이온-선택성 전계 효과 트랜지스터;
- 전도성 재료의 전극;
- 그 표면 상에 2개의 전계 효과 트랜지스터들이 통합된 적어도 하나의 칩. 칩들은 바람직하게는 반도체 재료로 이루어진다;
- 제 1 트랜지스터 상에 결합되며, 상기 제 1 트랜지스터의 게이트 상에 마이크로저장소 및 마이크로저장소를 외부와 연결하는 적어도 하나의 마이크로채널을 생성하도록 구성된 구조체로서, 상기 마이크로저장소 및 마이크로채널은 기준 용액으로 충전되는, 상기 구조체. 제 1 전계 효과 트랜지스터에 부착되는 이러한 구조체는 REFET를 생성한다; 및
- 그 위에 칩들, 연결 트랙들 및 전극이 통합되는 기판;
- 측정하기 위한 용액의 제 1 및 제 2 트랜지스터들을 부분적으로 절연하며 연결 트랙들을 전기적으로 절연하는 봉지(encapsulating) 재료. 이러한 봉지 재료는, 전기 전류의 흐름이 (전극과 함께 게이트 단자를 형성하는) 용액과 트랜지스터의 다른 단자(드레인, 소스 또는 기판) 사이에서 생성되는 것을 회피한다.
본 발명의 특정 실시예에 있어, 본원에서 설명되는 센서가 단일 REFET 및 복수의 선택성 ISFET들을 통합하며, 복수의 선택성 ISFET들의 각각의 선택성 ISFET는 상이한 이온에 대한 것이라는 것이 제공된다. 이는, 이들의 각각의 하나가 상이한 이온을 검출할 수 있도록 각각의 ISFET 내에 배치된 일련의 선택성 멤브레인들을 가짐으로써 달성된다. ISFET 및 REFET 둘 모두가 동일한 칩 또는 상이한 칩들 내에 존재할 수 있지만, ISFET들 모두는 동일한 REFET에 대하여 차동 측정을 수행한다. 따라서, 단일 센서를 가지고, 동시에 상이한 이온들의 농도들의 복수의 측정들을 달성하는 것이 가능하다.
본 발명의 특정 실시예에 있어, 기준 용액은, 마이크로채널 및 마이크로저장소의 체적을 점유하는 하이드로겔 내에 포함된다.
REFET는 바람직하게는, pH를 결정된 값으로 고정하는 버퍼인 기준 용액을 갖는, H+ 이온 선택성 ISFET로부터 구성되지만, REFET가 다른 이온에 대해 선택성인 ISFET, 즉, 이것이 그것의 게이트 유전체 상에 상기 이온에 대한 선택성 멤브레인을 포함하는 ISFET로부터 구성될 수 있다는 것을 제안하며, 이러한 경우에 있어, 기준 용액은 상기 이온의 결정된 농도를 포함해야만 한다.
본 발명의 다른 특정 실시예에 있어, 제 1 이온-선택성 전계 효과 트랜지스터는 제 1 칩 내에 통합되며, 적어도 하나의 제 2 이온-선택성 전계 효과 트랜지스터는 제 2 칩 내에 통합된다. 복수의 제 2 트랜지스터들이 존재하는 경우, 이들의 각각이 독립적인 칩 내에 통합될 수 있거나 또는 이들이 모두 단일 칩 내에 함께 통합될 수 있다.
본 발명의 다른 특정 실시예에 있어서, 제 1 이온-선택성 전계 효과 트랜지스터 및 적어도 하나의 제 2 이온-선택성 전계 효과 트랜지스터가 동일 칩 내에 통합되는 것이 또한 제공된다. 따라서, 이는 센서의 제조 시간 및 비용들을 어떻게 해서든 감소시킨다. 본 발명의 다른 특정 실시예에 있어서, 전계 효과 트랜지스터들, 연결 트랙들, 전극 및 측정 회로의 일 부분이 동일 칩 내에 통합된다. 따라서, 이는 어떻게 해서든 센서의 제조 비용을 추가로 감소시키고 그것의 크기를 상당히 감소시키며, 이는 특정 애플리케이션들에 대해 중요할 수 있다.
본 발명의 다른 특정 실시예에 있어서, 칩들의 연결, 더 구체적으로는, 연결 트랙들과 칩들의 연결 "패드들"의 연결이 와이어 본딩(wire bonding)을 통해 수행된다.
본 발명의 다른 특정 실시예에 있어, 칩들이 폴리머로 봉지되며, 이와 함께 와이어들 및 연결 트랙들이 상기 폴리머에 의해 커버되고, 제 1 및 제 2 이온-선택성 전계 효과 트랜지스터의 게이트들, 마이크로채널의 출구 및 전극은 커버되지 않는다.
다른 특정 실시예에 있어서, 제 1 트랜지스터(REFET)의 마이크로저장소의 외부 벽들은, 적어도 부분적으로, 가스 상의 물 분자들 및 공기에 대해 투과성이지만 기준 pH를 갖는 용액에서 대해서는 투과성이 아닌 재료로 이루어진다. 따라서, 외부를 향한 공기 분자들의 확산 및 내부를 향한 물 분자들의 확산이, 그것이 사용되었던 기간 이후에 그것을 사용하려고 할 때 상기 투과성 재료의 표면 전체에 걸쳐 수행되며, 이는 센서의 튜닝(tuning) 프로세스를 가속한다. 이러한 방식으로, 이는 센서의 건식 저장을 가능하게 하며, 컨디셔닝 용액 내의 침지에 의해 그것의 사용 전에 마이크로저장소의 빠른 재수화(rehydration)를 가능하게 한다. 이는 이러한 유형의 센서들의 유효 수명을 눈에 띄게 매우 상당히 연장한다.
본 발명의 다른 특정 실시예에 있어서, 이온-선택성 멤브레인은 적어도 하나의 제 2 트랜지스터(ISFET)의 게이트 상에 위치된다. 따라서, 위치되는 멤브레인이 어떤 유형의 이온들에 대해 선택성인지에 의존하여, 본 발명의 대상인 차동 측정 기반 이온 센서가 상이한 이온들의 농도들을 측정할 수 있다. 이러한 방식으로, Ca2+, K+, Na+, Cl, NH4 + 또는 CO3 2-와 같은 상이한 이온들의 농도들을 측정하기 위한 센서들을 획득하는 것이 가능하다.
본 발명의 대상 센서의 다른 특정 실시예에 있어서, 마이크로저장소는 0.001 mm3 내지 1 mm3 사이의 체적을 가지며, 마이크로채널은 1 제곱 마이크로미터 내지 10000 제곱 마이크로미터 사이의 단면(section) 및 10 마이크론 내지 1 mm 사이의 길이를 갖는다. 마이크로저장소 내부의 화학적 종의 농도는, 이러한 종이 외부를 향해 마이크로채널을 관통해 확산함에 따라 지수적인 전개(exponential evolution)를 따른다. 농도 변동의 시간 상수는 마이크로채널의 단면에 비례하며, 마이크로저장소의 체적 및 마이크로채널의 길이에 반비례한다. 따라서, 마이크로저장소의 내부의 용액의 이온들의 농도 및 외부로부터의 화합물들을 갖는 상기 용액의 오염의 정도를 유지하는 버퍼의 화학적 화합물들의 특정 양을 상실하는데 소요되는 시간이 마이크로채널의 단면에 비례하고, 마이크로저장소의 체적 및 마이크로채널의 길이에 반비례한다. 다시 말해서, 더 길거나 및/또는 더 좁은 마이크로채널이 더 긴 시간 동안 안정적인 센서 신호를 제공한다. 그러나, 더 길고 그리고 더 좁은 채널은 또한 용액으로 충전된 마이크로채널의 더 큰 전기적 저항을 수반한다. 마이크로채널이 전극의 전위를 REFET 트랜지스터 게이트로 전달하기 위하여 저장소의 내부의 용액을 외부의 용액에 전기적으로 연결해야만 함에 따라, 마이크로채널의 저항이 커질 수록, 전기적 간섭에 대한 센서의 민감성(susceptibility)이 더 커진다. 이는 마이크로채널의 치수들을 제한하며, 그에 따라 마이크로저장소의 주어진 치수들을 가지고 획득될 수 있는 안정적인 측정 시간을 제한한다.
본 발명의 다른 특정 실시예에 있어서, 마이크로저장소를 외부와 연결하는 2개 또는 그 이상의 마이크로채널들이 존재한다는 것이 제공된다. 마이크로채널들의 수를 증가시키는 것은, 측정될 용액과 마이크로저장소의 용액 사이의 전기적 저항을 증가시키지 않으면서 그것의 단면을 감소시키는 것을 가능하게 할 수 있다. 마이크로채널들의 충분히 감소된 단면은, REFET 게이트 유전체의 표면의 기준 용액의 특성을 변경할 수 있는 마이크로저장소의 내부 내의 특정 미생물들의 유입(intake)을 회피한다.
본 발명의 다른 특정 실시예에 있어서, 착탈가능한 외부 밀봉 수단, 예컨대, 예를 들어, 마이크로채널 및 저장소의 내용물을 밀봉하기 위한 접착 테이프 또는 유사한 것이 마이크로채널의 출구에 배치된다는 것에 제공된다. 접착 테이프는 수동적으로 제거될 수 있는 적절한 형상을 갖는다. 센서의 첫번째 사용까지, REFET 내의 용액이 격리되어 증발하는 것이 회피되기 때문에, 이는 센서의 유효 수명은 연장하는 것을 가능하게 만든다. 추가적으로, 마이크로저장소를 생성하는 구조체가 이로부터 제조되는 재료는 기준 용액에 대해 투과성이 아닐 것이다.
본 발명의 다른 특정 실시예에 있어서, 마이크로저장소를 생성하는 구조체는 적어도 부분적으로 가스 투과성 폴리머, 예컨대, 예를 들어, 폴리디메틸실록산이며, 이는 센서를 건조하게 저장하는 것을 가능하게 만들고, 센서를 담근 후 수 시간 후에 센서를 사용하는 것을 허용한다. 이러한 이점은 센서의 저장 및 마케팅을 용이하게 만들기 위하여 또는 센서가 휴대용 측정 장치에서 사용되는 경우 센서의 이송을 용이하게 만들기 위하여 중요하다.
본 발명의 제 2 대상은, 이상에서 설명된 차동 측정 기반 이온 측정 센서의 제조 방법이다. 상기 방법은 적어도 다음의 단계들을 포함한다:
균등하게 이격된 복수의 제 1 이온-선택성 전계 효과 트랜지스터들을 제 1 웨이퍼 상에 배치하는 단계;
바람직하게는 본딩에 의해, 본딩가능(bondable) 재료의 구조체를 제 1 웨이퍼 상에 결합하고, 각각의 마이크로저장소가 각각의 제 1 이온-선택성 전계 효과 트랜지스터에 대응(correspondence)하여 위치되고 이와 정렬되도록, 제 1 이온-선택성 전계 효과 트랜지스터들에 대응하는 복수의 균등하게 이격된 마이크로저장소들 및 마이크로채널들을 생성하는 단계;
제 1 웨이퍼를 칩들로 커팅하는 단계로서, 각각의 칩은 마이크로저장소 및 적어도 하나의 마이크로채널을 갖는 구조체 및 제 1 전계 효과 트랜지스터를 포함하는, 단계;
마이크로저장소 및 마이크로채널을 갖는 제 1 이온-선택성 전계 효과 트랜지스터, 제 2 이온-선택성 전계 효과 트랜지스터, 전극 및 연결 트랙들을 기판 상에 본딩하는 단계;
연결 트랙들을 제 1 및 제 2 트랜지스터에 연결하고, 제 1 및 제 2 트랜지스터 및 연결 트랙들을 봉지하는 단계.
제 1 및 제 2 이온-선택성 전계 효과 트랜지스터가 동일한 칩 내에 통합되는 경우에 대하여, 본딩가능 재료의 제 2 웨이퍼는, 본딩하는 단계 동안 각각의 오리피스(orifice)는, 이것이 측정하기 위한 용액과 접촉하도록 제 2 트랜지스터의 상기 게이트의 외부를 노출된 채로 남겨두면서 제 2 전계 효과 트랜지스터의 게이트에 대응하여 위치될 수 있도록, 각각의 마이크로저장소에 인접하여 적어도 하나의 오리피스를 갖는다.
본 발명의 대상 방법의 특정 실시예에 있어서, 제 1 웨이퍼 상에 구조체를 결합하는 단계는, 마이크로저장소 및 마이크로채널들을 갖는 구조체를 생성하기 위하여, 이전에 포토리소그래피 프로세스를 겪은 본딩가능 재료의 복수의 층들을 제 1 웨이퍼 상에 부가하는 단계를 포함한다.
본 발명의 대상 방법의 다른 특정 실시예에 있어서, 제 1 웨이퍼 상에 구조체를 결합하는 단계는, 본딩가능 재료의 구조체가 마이크로저장소들 및 마이크로채널들의 생성을 위한 리세싱(recessing) 프로세스를 미리 겪게 하는 단계를 포함한다. 이러한 리세싱 프로세스는, 제 2 웨이퍼의 진공 압출 또는 유사한 것에 의해 이루어질 수 있다.
다른 특정 실시예에 있어서, 마이크로채널이, 제 1 웨이퍼의 표면, 즉, 칩의 표면 내의 길이 방향 리세싱에 의해 칩 내에 통합된다는 것이 제공된다. 이러한 방식으로, REFET의 구조체는, 이것이 이제 오로지 저장소들만을 포함하기 때문에 제 2 웨이퍼의 본딩에 의해 완성되거나, 또는, 마이크로저장소의 벽들을 형성하고 상기 마이크로저장소들을 커버하기 위하여, ISFET들 상에 본딩가능 및 리소그래피가능(photolithographiable) 재료의 층들을 부가함으로써 완성된다.
제 1 및 제 2 전계 효과 트랜지스터의 드레인 및 소스, 및 용액들의 기판을 절연하기 위하여, 절연 재료의 층을 제 1 및 제 2 전계 효과 트랜지스터의 표면 상에 증착하는 것이 제공된다. 따라서, 제 1 및 제 2 전계 효과 트랜지스터의 게이트만이, 용액들, 즉 기준 용액 및 이온 농도를 알고자 하는 용액 둘 모두와 접촉한 채로 남아 있는다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 봉지 재료가, 측정하기 위한 용액의 제 1 및 제 2 이온-선택성 전계 효과 트랜지스터의 기판을 전기적으로 절연하기 위하여 제 1 및 제 2 이온-선택성 전계 효과 트랜지스터의 모든 에지(edge)들 상에 추가적으로 증착된다.
대안적으로, 상기 트랜지스터들이 그것의 에지들에서의 봉지 재료의 사용을 필요로 하지 않고 기판으로부터 또한 전기적으로 절연되도록 절연을 제공하는 기판 구조체를 사용하는 것이 가능하다. 예를 들어, 그 위에 2개의 전계 효과 트랜지스터들을 형성하기 위하여 SOI 웨이퍼들(절연 층 상의 반도체의 얇은 층)을 사용하는 것이 가능하다. 절연을 획득하기 위하여, 일단 트랜지스터들이 형성되면, 절연 층을 증착하고, 마지막으로 트랜지스터들의 게이트 및 와이어 본딩 영역들(연결 패드들)로부터 절연 층을 제거한 후, 트랜지스터들의 각각의 하나를 완전히 둘러싸는 트렌치(trench)가 반도체 층 내에 만들어져야만 한다. 절연을 획득하는 다른 형태는, p-n 접합에 의해 기판의 나머지로부터 절연된 반도체의 영역 내에 트랜지스터들을 형성하는 것이다. 이러한 경우에 있어서, p-n 접합이 역(inverse)이라는 것, 즉, p 영역의 전위가 n 영역의 전위보다 더 네거티브(negative)하다는 것을 보장해야 할 필요성이 있다.
본원에서 설명되는 차동 측정 기반 이온 센서의 제조 방법은, 기술의 상태와 비교할 때, 이것이 더 용이하게 자동화될 수 있으며 큰 스케일(scale)로 실행될 수 있고, 그에 따라, 그것의 제조 비용들의 상당한 감소를 가능하게 한다는 이점들을 갖는다.
본 발명의 제 3 대상은, 센서의 수명을 무기한으로 연장하는 것을 가능하게 만드는, 측정들 사이에 전술된 센서를 저장하기 위한 컨디셔닝 용기이다. 컨디셔닝 용기는 기준 용액으로 충전될 것이며, 이는 상기 마이크로저장소 내에 포함된 용액이 마이크로채널을 통한 확산에 의해 보충(renew)되는 것을 가능하게 한다.
트랜지스터들을 포함하는 칩들이 금속 연결 트랙들을 포함하는 표면 내에 봉지되기 때문에, (트랙들 상의 본딩에 의해) 센서에 다른 컴포넌트들을 부가하는 것이 용이하다. 일부 예들은 다음과 같을 것이다: 1) 예를 들어, 전극과 트랜지스터 기판 단자 사이에 연결된 트랜지스터들을 정전기 방전들로부터 보호하기 위한 과도 전압 억제기, 2) 온도를 측정하고 센서의 열적 드리프트(drift)를 보상하기 위한 서미스터(thermistor), 3) 예를 들어, 이온들에 대한 민감도 및 각각의 센서의 온도에 따른 변동의 계수들의 센서 파라미터들을 저장하기 위한 메모리, 4) ISFET-REFET 쌍의 극성화 및 측정 회로, 5) 아날로그-디지털 컨버터, 6) 마이크로제어기, 7) 측정 데이터를 보여주기 위한 디스플레이, 8) 전자 장치(예를 들어, 컴퓨터 또는 스마트폰)와 직렬 프로토콜(예를 들어, USB 표준)에 의해 데이터를 통신하기 위한 인터페이스 회로, 8) 배터리, 9) 다른 전자 장치로 데이터를 무선으로 통신하기 위한 안테나 및 통신 회로. 이러한 컴포넌트들의 특정 조합이 RFID(Radiofrequency Identification)-유형의 이온 센서를 야기할 것이다. 이러한 경우에 있어서, ISFET 및 REFET가 측정 회로 및 아날로그-디지털 컨버터와 함께 그리고 RFID 태그의 전형적인 회로부 및 컴포넌트들의 나머지와 함께 통합된다. 이는, RFID 센서가 용기 내부의 측정하기 위한 액체 내에 침지되어 있는 상태에서, 폐쇄된 용기의 외부로부터 이온 측정 데이터를 획득하기 위하여 RFID 태그 리더를 사용하는 것을 가능하게 만들 것이다.
도 1은 본 발명의 대상인 차동 측정 기반 이온 센서의 특정 실시예의 단면도를 도시한다.
도 2는 그곳에 마이크로채널 및 마이크로저장소의 밀봉 수단이 부가된 도 1에 도시된 이온 센서의 특정 실시예의 단면도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 대상인 차동 측정 기반 이온 센서의 제조 방법의 특정 실시예를 도시한다. 도 3a는 웨이퍼들 둘 모두의 정렬 단계를 도시한다. 도 3b는 웨이퍼들 둘 모두의 본딩 단계를 도시한다. 도 3c는 용액 또는 하이드로겔로 저장소들을 충전하는 단계를 도시한다. 도 3d는 결과적인 웨이퍼를 칩들로 커팅하는 단계를 도시한다.
도 4은 본 발명의 대상인 차동 측정 기반 이온 센서의 대안적인 제조 방법의 특정 실시예를 도시한다. 도 4a는 ISFET를 도시한다. 도 4b 내지 도 4g는, 마이크로저장소 및 마이크로채널을 구성하기 위하여 리소그래피 단계들과 교번되는 폴리머의 층들의 후속 본딩 단계들을 도시한다.
도 5 - 도 5a는 그것의 모든 컴포넌트들을 갖는 센서의 실시예의 일 예의 평면도를 도시한다. 도 5b는 봉지 폴리머가 부가된 도 5a의 센서를 도시한다.
도 6은 임의의 용액의 결정된 이온 농도의 측정 시의 도 1의 이온 센서의 사용의 일 예를 도시한다.
도 2는 그곳에 마이크로채널 및 마이크로저장소의 밀봉 수단이 부가된 도 1에 도시된 이온 센서의 특정 실시예의 단면도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 대상인 차동 측정 기반 이온 센서의 제조 방법의 특정 실시예를 도시한다. 도 3a는 웨이퍼들 둘 모두의 정렬 단계를 도시한다. 도 3b는 웨이퍼들 둘 모두의 본딩 단계를 도시한다. 도 3c는 용액 또는 하이드로겔로 저장소들을 충전하는 단계를 도시한다. 도 3d는 결과적인 웨이퍼를 칩들로 커팅하는 단계를 도시한다.
도 4은 본 발명의 대상인 차동 측정 기반 이온 센서의 대안적인 제조 방법의 특정 실시예를 도시한다. 도 4a는 ISFET를 도시한다. 도 4b 내지 도 4g는, 마이크로저장소 및 마이크로채널을 구성하기 위하여 리소그래피 단계들과 교번되는 폴리머의 층들의 후속 본딩 단계들을 도시한다.
도 5 - 도 5a는 그것의 모든 컴포넌트들을 갖는 센서의 실시예의 일 예의 평면도를 도시한다. 도 5b는 봉지 폴리머가 부가된 도 5a의 센서를 도시한다.
도 6은 임의의 용액의 결정된 이온 농도의 측정 시의 도 1의 이온 센서의 사용의 일 예를 도시한다.
이하에서, 본 발명의 실시예의 일 예가 도면들 내에서 채택된 넘버링을 참조하여 예시적이고 비-제한적인 특징을 가지고 설명된다.
도 1은, 이온 센서가 H+ 이온들의 측정을 위해 설계된 특정한 경우에 대한, 즉, 특정 용액의 pH가 측정될 경우에 대한, 본 발명의 대상인 차동 측정 기반 이온 센서의 실시예의 일 예를 도시한다. 상기 센서는 ISFET(1) 및 REFET(2)에 의해 형성되며, 여기에서 REFET(2)는 결과적으로, 그것의 게이트(4)가 일정한 pH를 가진 기준 용액(내부 용액)으로 충전된 마이크로저장소(6)를 생성하는 구조체(5)의 통합에 의해 일정한 pH에 노출된 채로 유지되는 다른 ISFET(3)로 구성된다. 상기 저장소(6)는 마이크로채널(7)에 의해 외부에 연결된다. 이러한 실시예의 특정 예의 이러한 마이크로채널은 서로 수직하는 그것의 2개의 섹션들의 의해 형성되는 것을 포함하지만, 이는 단일의 길이방향 섹션에 의해 형성될 수 있거나 또는 임의의 다른 구성을 가질 수 있다.
상이한 칩들 내에 둘 모두가 통합된 ISFET(1) 및 REFET(2) 둘 모두가 결과적으로, 연결 트랙들(9) 및 전극 영역(10)의 형태로 획정(define)된 금속 층을 갖는 기판(8) 상에 고정된다. 칩들은 "칩-온-보드(chip-on-board)"-유형의 기술들을 사용하여, 즉, 와이어-본딩(와이어(12)에 의한 칩들의 연결 패드들(14)의 납땜)에 의한 연결 및 글로브-탑(glob-top)(봉지 폴리머(11))을 갖는 보호부를 사용하여 부분적으로 봉지된다. 봉지 폴리머(11)는 연결 와이어들(12) 및 연결 트랙들(9)을 커버하고, 마이크로저장소(6)를 생성하는 구조체(5)의 ISFET(13) 및 REFET(4)의 게이트들을 적어도 부분적으로 커버되지 않을 채로 놔두며, 전극 영역(10)뿐만 아니라 REFET(2)의 마이크로채널(7)의 출구를 완전히 커버되지 않은 채로 놔둔다.
REFET 칩(2)은, 마이크로채널(7) 및 상기 ISFET(3)의 게이트(4) 상에 마이크로저장소(6)를 형성하는 그것의 표면에 부착된 구조체(5)를 갖는 ISFET(3)에 의해 형성되고, 그 결과, 마이크로저장소(6) 및 마이크채널(7)의 벽들 및 천장 둘 모두가 상기 구조체(5)의 재료로 이루어지며, 반면 바닥은 ISFET(3)의 표면에 의해 형성된다.
도 2는, 마이크로채널(7) 및 마이크로저장소(6)의 밀봉 수단이 마이크로채널(7) 출구에 부착된 실시예의 특정 예를 도시한다. 특히, 접착 스트립(15)이 부착되었으며, 이는 사용자에 의해 용이하게 제거될 수 있도록 접착제 재료가 없는 일 부분을 갖는다. 이러한 특정 실시예는, REFET(2)의 마이크로채널(7) 내의 그리고 마이크로저장소(6) 내의 기준 용액이 완전하게 격리(insulate)되며, 이는 접착 스트립(15)이 제거되고 센서가 처음으로 사용되려고 할 시간까지 그것의 누설들 또는 증발을 회피하기 때문에, 센서의 유효 수명을 연장하는 것을 가능하게 만든다.
도 3은 본원에서 설명되는 센서의 제조 방법의 실시예의 일 예를 도시한다. 방법은, 마이크로저장소 및 마이크로채널의 형성, 및 마이크로유체(microfluidic) 시스템들의 제조를 위해 사용되는 것들과 같은 플레이너(planar) 기술 프로세스들을 사용하는 ISFET 상의 그것의 본딩에 기초한다. 도 3a는, 미리 그리고 균등하게 이격된 통합된 ISFET들(20) 및 연결 패드들(14)을 갖는 제 1 웨이퍼(16), 및 그것의 하부 표면 내에 미리 만들어진 마이크로저장소들(18) 및 마이크로채널들(19)을 갖는 제 2 웨이퍼(17)를 도시한다. 이러한 제 2 웨이퍼(17)는 제 1 웨이퍼(16)에 본딩될 수 있는 재료로 이루어진다. 웨이퍼들(16, 17) 둘 모두는, 마이크로채널(19) 및 마이크로저장소(18)가 각각의 ISFET(20)에 대응할 수 있도록 정렬된다. 웨이퍼들(16, 17) 사이의 본딩이 수행되는 단계가 도 3b에 도시된다.
이러한 의미에서 그리고 웨이퍼들(14, 15) 둘 모두 사이의 본딩 단계를 위하여, 다음의 프로세스가 제공된다. 본딩은 바람직하게는 화학적 유형이며, 즉, 공유 결합들을 형성하도록 반응하는 분자들을 갖는 표면들의 기능화(functionalization)에 의하지만, 마이크로채널들(19)의 기하구조가 왜곡되지 않는다면 다른 본딩 기술들에 의할 수 있다. 기능화될 수 있고 화학적으로 본딩될 수 있는 재료들의 다수의 조합들이 기술의 현재 상태에서 공지되어 있다. 이와 관련하여, 하나의 가능성은, 제 1 웨이퍼(16)가 실리콘 산화물 또는 산질화물의 표면을 가지며, 제 2 웨이퍼(17)가 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane; PDMS)으로 이루어지고, 이들 둘 모두가 산소 플라즈마에 의해 기능화되는 것이다.
제 2 웨이퍼(17)는, 마이크로유체 시스템들의 구현을 위해 사용되는 마이크로-제조 기술들을 가지고 용이하게 제조된다. 이것이 몰딩(moulding) 또는 어떤 다른 기술에 의해 미리 이미 형성된 구조체를 갖는다는 것이 제공된다.
ISFET들(20)은, 이들이 기판(8)으로부터 절연되는 것을 가능하게 하는 기술을 가지고 제조된다. 상기 기술은, SOI 웨이퍼들의 사용 및 ISFET 둘레의 절연 트렌치들의 획정에 기초한다. 이러한 방식으로, 이는 봉지를 가능하게 하며, 이는 칩 에지들을 더 이상 보호해야 할 필요가 없기 때문이다. 봉지 폴리머가 도포될 때 게이트가 우연히 커버될 위험성이 존재하지 않음에 따라, 칩 에지들로의 ISFET 게이트의 거리가 더 이상 임계적(critical)이지 않기 때문에, 이는 더 감소된 면적을 가지고 칩들을 봉지하는 것을 가능하게 한다.
도 3d에 도시된 바와 같이 웨이퍼들(16, 17)을 개별적인 칩들(21)로 커팅한 후, 이들은 "칩 온 보드"와 같은 마이크로전자 산업에서 수립된 것들과 유사한 자동 기술들에 의해 봉지될 수 있다. 이는, 칩들(21)을 기판(전형적으로 인쇄 회로 보드)에 부착하는 단계, 이들을 와이어 본딩(12)에 의해 연결하는 단계, 및 봉지 폴리머(11)로 어셈블리를 보호하는 단계로 구성된다. 이러한 케이스에 있어서 표준 기술에 대한 변형은, 봉지 폴리머(글로브-탑)가 칩 전체를 커버하는 것이 아니라, 연결 와이어들의 영역 상에만 도포된다는 것이다. 그것의 모든 컴포넌트들이 이미 기판 상에 어셈블리된 센서가 도 3d에 도시된다.
도 4는 REFET의 다른 대안적인 제조 기술을 도시하며, 여기에서 REFET는 ISFET가 통합된 칩으로부터 시작하는 층의 부가에 의해 획득된다. 도 4a는 칩(22) 상의 ISFET를 도시하며, 여기에서 상기 ISFET는 트랜지스터의 소스(27)에 연결된 소스 패드(23), 트랜지스터의 드레인(28)에 연결된 드레인 패드(25) 및 기판 패드(24)(이들 전부가 ISFET의 연결 패드들(14)을 형성함) 및 게이트(26)를 포함한다. 그 다음, 도 4b에 도시된 바와 같이, 폴리머의 제 1 층(29)이 본딩에 의해 증착되거나 또는 프리-폴리머(pre-polymer)가 원심분리에 의해 증착되고 그 뒤 열 경화된다. 폴리머(29)의 이러한 층이 리소그래피에 의해 구조화되며(도 4c), 이는 마이크로채널(30) 및 마이크로저장소(31)를 생성하고, 연결 패드들(23, 24, 25)을 폴리머가 없는 채로 남겨둔다. 그 후, 도 4d에 도시된 바와 같이, 폴리머의 제 2 층(32)이 폴리머의 제 1 층(29) 상의 라미네이션(lamination)에 의해 본딩된다. 다시, 폴리머의 이러한 제 2 층(32)이 포토리소그래피에 의해 구조화되며, 이는 마이크로저장소(31)의 체적을 증가시키고 마이크로채널(30)을 폐쇄하지만(도 4e), 마이크로채널(30)의 출구 오리피스(33)는 자유롭게 남겨둔다. 마지막으로, 폴리머의 제 3 층(34)이 본딩되고 리소그래피에 의해 구조화되며(도 4f 및 도 4g), 그에 따라서 마이크로저장소(31)는 폐쇄된 채로 남아 있고, 마이크로채널(30)의 출구 오리피스(33)만이 개방된 채로 남아 있는다. SU8일 수 있는 폴리머들(29, 32, 34)의 3개의 층들이 마이크로저장소(31) 및 마이크로채널(30)을 획정하며, 마이크로채널은 결과적으로 그것의 출구 오리피스(33)를 통해 외부에 연결된다. 이러한 출구 오리피스(33)는 마이크로채널(30)의 물 레벨까지 충전하는 것 및 하이드로겔 또는 임의의 기준 용액으로 마이크로저장소(31)를 충전하는 것을 가능하게 한다.
ISFET의 구조는 MOS 트랜지스터의 구조(도핑된 반도체 기판 내의 드레인 및 소스의 확산)와 유사하며, 차이점은 이것이 게이트 전극을 갖지 않으며 게이트 유전체가 노출되지 않는다는 것이다. ISFET 및 REFET 디바이스들이 정확하게 기능할 수 있도록 이들은 용액과 접촉하는 게이트 유전체를 가져야만 하며, 즉, ISFET 게이트 유전체는 측정을 원하는 용액과 접촉해야 하고, REFET 게이트 유전체는 기준 용액과 접촉해야 하지만, 이들은 개별적인 용액들로부터 절연된 드레인, 소스 및 기판을 가져야만 한다. 이를 보장하기 위하여, (웨이퍼 레벨에서의) 그것의 제조 동안 절연 재료의 층이 칩 표면 상에 증착되며, 칩 에지들이 봉지 프로세스 동안 봉지 폴리머로 보호된다. 대안적으로, 디바이스 기판을 칩 에지들로부터 전기적으로 절연하는 것을 가능하게 만드는 제조 기술을 사용하는 것이 가능하며, 그 결과, 예를 들어 SOI(실리콘 온 인설레이터(Silicon on insulator))를 사용하면 이들을 폴리머로 보호해야 할 필요가 없다. "칩-온 보드" 표준 봉지 기술을 사용하는 것을 가능하게 하기 위하여, 기판을 절연하는 2가지 방식을 사용하는 것이 가능하지만, 첫번째 방식은 모든 방향들에서 ISFET 게이트와 칩의 에지 사이에 큰 공간(~2mm)을 요구하며, 이는 크고 그에 따라 값이 비싼 칩들을 가지는 것을 필요하게 만든다. SOI 웨이퍼들의 에스이(se)를 통한 제 2 옵션이 본원에서 설명된 ISFET-REFET 센서의 제조에 더 적합하게 되고, 이는 이것이 감소된 영역의 칩들의 봉지를 가능하게 하며, 이는 오로지 하나의 방향에서만 간격이 클 것을 요구하기 때문이다(예를 들어, 직사각형 칩에 있어서, ISFET 게이트는 칩의 일 단부에 위치될 것이며, 연결 패드들은 칩의 다른 단부에서 글로브-탑으로 보호될 것이다).
REFET의 흥미 있는 변형은, 마이크로저장소 및 마이크로채널이 하이드로겔로 충전된다는 것이다. 이러한 경우에 있어서, 이점들은, (오동작을 야기할 수 있는) 마이크로채널 및 마이크로저장소 내의 기포 형성 및 센서가 사용될 때까지 센서를 건조하게 저장하는 가능성의 문제들을 회피하는 것이다. 하이드로겔이 기준 용액 내에 담길 것이며, 하이드로겔이 없는 내부 용액과 동일한 기능을 수행할 것이다. 이러한 재료는 흡습성이 매우 강하며, 그 결과, 센서가 용액 외부에 남겨지는 경우, 이는 건조되는데 훨씬 더 많은 시간을 소요할 것이다. 완전히 건조되는 경우에 있어서, 이는 버블 형성의 위험 없이 증류수 또는 기준 용액 내에 재-침지함으로써 용이하게 재수화될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 pH 센서의 실시예의 일 예의 평면도를 도시한다. 도 5a는 PCB 기판(35)을 도시하며, 여기에 도 4에서 설명된 것들과 같은 ISFET 및 REFET, 전극(36), 및 연결 트랙들(37)이 고정되었다. 상기 트랙들은 와이어 본딩(38)에 의해 연결 패드들(23, 24, 25)에 의해 ISFET 및 REFET 둘 모두에 연결된다. 도 5b는 도 5a의 센서를 도시하며, 여기에서 봉지 재료(39)가 증착되었으며, 이는 ISFET 및 REFET를 부분적으로 커버하고, 연결 트랙들(37)과의 그것의 연결들을 완전하게 커버한다.
마지막으로, 단일 칩 내에 ISFET 및 REFET을 통합하는 것에 제공되었으며, 이는 센서의 비용을 더 추가적으로 감소시킨다.
본 발명의 다른 대상은 또한 설명된 ISFET/REFET 센서를 사용하는 이온 측정 방법이다. 센서가 사용되지 않을 때, 센서(40)는 기준 용액(42)으로 충전된 컨디셔닝 용기(41) 내에 도입된다(도 6a). 이러한 기준 용액(42)은 또한, 그것의 이온 농도가 알려져 있음에 따라 교정 용액으로서 역할한다. 센서(40)가 처음에 기준 용액(42) 내로 도입되고, 마이크로저장소(6)가 상기 용액(42)으로 충전되거나 또는 이에 담기도록 충분한 시간이 주어졌으면, 상기 센서(40)가 컨디셔닝 용기(41)로부터 제거되며, 이것이 헹궈지고 측정 용기(44) 내에 위치된 측정하기 위한 용액(43) 내에 침지되고, REFET의 마이크로저장소(6)는 기준 용액(42)으로 충전된 채로 유지된다(도 6b). 그것의 사용 이후, 센서(40)가 세정되며, 마이크로저장소(6) 용액이 용기 용액과 밸런싱(balance)되고 다시 그것의 원래의 이온 농도로 복귀할 수 있도록 컨디셔닝 용기(41) 내로 재-삽입된다. 센서(40)는, 사용 시간이 센서(40)가 컨디셔닝 용기 내의 기준 용액(42) 내에 침지된 시간보다 작은 때라면 언제라도 정확하게 기능할 것이다. 본 발명은 센서(40)가 하나의 측정과 다음 측정 사이에서 컨디셔닝 용기(41) 내에 유지된다는 점에 있어서 신규하며, 이는, 센서가 기준 용액의 오염 또는 외부를 향한 그것의 컴포넌트들의 확산에 기인하는 제한된 수명을 갖지 않는다는 것을 의미한다. 추가되는 이점은, 컨디셔닝 용기(41)가 그것의 이온 농도가 고정된 기준 용액(42)(예를 들어, ISFET가 pH에 대해 선택성이며 REFET가 pH-선택성 ISFET를 가지고 구성된 경우에 있어, 일정한 pH를 유지하기 위한 버퍼링된(buffered) 용액)으로 충전되며, 센서가 그것의 제거 이전에 사용자에게 명백한 동일한 방식으로 교정될 수 있다는 것이다.
본 발명의 대상 이온 센서에 주어질 수 있는 복수의 애플리케이션들 중 하나는, 예를 들어, 결석증 및 골다공증과 같은 질환들을 제어하기 위해 관심이 있을 수 있는 소변 내의 이온들의 측정을 위해 센서를 자가-진단 의료 디바이스 내에 통합하는 애플리케이션이다. 다른 가능한 애플리케이션은 산아 제한을 위한 질의 pH의 측정일 것이며, 여기에서 센서에 의해 이루어진 측정이 모바일 디바이스로 송신된다(이를 위하여, 본 발명의 대상 센서는 모바일 디바이스와의 통신 인터페이스를 가져야만 한다). 센서에 대한 다른 가능한 애플리케이션은 세포 배양들에 있어서의 이온들의 모니터링일 것이다. 배양 매질 내로 센서를 도입하면, 용기 리드를 개방할 필요 없이 세포들의 상태를 연속적으로 제어하는 것이 가능하다. 이러한 경우에 있어서, 측정치가 센서 내에 통합된 무선 통신 시스템으로 송신될 것이다.
Claims (19)
- 차동 측정 기반 이온 센서로서,
- 연결 트랙(track)들에 의해 이온 측정 시스템에 전기적으로 연결된 제 1 전계 효과 트랜지스터 및 적어도 하나의 제 2 이온-선택성 전계 효과 트랜지스터로서, 상기 제 2 이온-선택성 전계 효과 트랜지스터는 기준 용액과 접촉하는, 상기 제 1 전계 효과 트랜지스터 및 상기 적어도 하나의 제 2 이온-선택성 전계 효과 트랜지스터;
- 전극;
- 그것의 표면 상에 상기 이온-선택성 전계 효과 트랜지스터들이 통합되는 적어도 하나의 칩;
- 상기 제 1 이온-선택성 전계 효과 트랜지스터 상에 부착되며, 상기 제 1 트랜지스터의 하나의 게이트 상에 마이크로저장소(microreservoir)를 생성하도록 구성된 구조체로서, 상기 마이크로저장소는 상기 기준 용액으로 충전되는, 상기 구조체;
- 상기 마이크로저장소를 외부와 연결하는 적어도 하나의 마이크로채널로서, 상기 적어도 하나의 마이크로채널은 상기 기준 용액으로 충전되는, 상기 적어도 하나의 마이크로채널;
- 그 위에 상기 적어도 하나의 칩, 상기 연결 트랙들 및 상기 전극이 통합되는 기판; 및
- 측정하기 위한 용액의 상기 제 1 및 제 2 이온-선택성 전계 효과 트랜지스터를 부분적으로 절연하고 상기 연결 트랙들을 완전히 절연하는 봉지(encapsulating) 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는, 차동 측정 기반 이온 센서.
- 청구항 1에 있어서,
상기 기준 용액은 하이드로겔 내에 포함되는, 차동 측정 기반 이온 센서.
- 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 제 1 이온-선택성 전계 효과 트랜지스터는 제 1 칩 내에 통합되며, 상기 적어도 하나의 제 2 이온-선택성 전계 효과 트랜지스터는 제 2 칩 내에 통합되는, 차동 측정 기반 이온 센서.
- 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 제 1 이온-선택성 전계 효과 트랜지스터 및 상기 제 2 이온-선택성 전계 효과 트랜지스터는 동일한 칩 내에 통합되는, 차동 측정 기반 이온 센서.
- 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 이온-선택성 전계 효과 트랜지스터, 상기 연결 트랙들, 상기 전극 및 측정 회로의 일 부분이 동일 칩 내에 통합되는, 차동 측정 기반 이온 센서.
- 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
상기 연결 트랙들과 상기 칩의 연결 지점들의 연결은 와이어 본딩(wire bonding)을 통해 수행되는, 차동 측정 기반 이온 센서.
- 청구항 6에 있어서,
상기 칩들은 폴리머로 봉지되며, 상기 와이어들 및 상기 연결 트랙들은 상기 폴리머에 의해 커버되고, 상기 제 1 및 제 2 전계 효과 트랜지스터의 게이트들 및 상기 마이크로채널의 출구는 커버되지 않는, 차동 측정 기반 이온 센서.
- 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 이온-선택성 전계 효과 트랜지스터 상에 부착된 상기 구조체는 적어도 부분적으로 가스-투과성이며 상기 기준 용액에 대해 비투과성인 재료로 이루어지는, 차동 측정 기반 이온 센서.
- 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
상기 마이크로채널은 그 위에 상기 제 1 이온-선택성 전계 효과 트랜지스터가 통합되는 상기 칩 내에 만들어진 노치(notch)인, 차동 측정 기반 이온 센서.
- 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
상기 마이크로채널은 상기 제 1 이온-선택성 전계 효과 트랜지스터 상에 부착된 상기 구조체의 부분을 형성하는, 차동 측정 기반 이온 센서.
- 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
상기 마이크로저장소는 0.001 mm3 내지 1 mm3 사이의 체적을 가지며, 상기 마이크로채널은 1 제곱 마이크로미터 내지 10000 제곱 마이크로미터 사이의 단면 및 10 마이크론 내지 1 mm 사이의 길이를 갖는, 차동 측정 기반 이온 센서.
- 청구항 1 내지 청구항 7 및 청구항 9 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
상기 마이크로채널은 상기 마이크로저장소 및 마이크로채널의 내용물을 밀봉하기 위한 착탈가능한 외부 밀봉 수단을 갖는, 차동 측정 기반 이온 센서.
- 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
상기 칩들은 실리콘 온 인설레이터(silicon on insulator)로부터 제조되는, 차동 측정 기반 이온 센서.
- 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 따른 차동 측정 기반 이온 센서에 대한 컨디셔닝 용기(Conditioning receptacle)로서,
상기 컨디셔닝 용기는, 상기 이온 센서가 차동 측정에 기초하여 침지(immerse)되는 상기 기준 용액으로 충전되는, 컨디셔닝 용기.
- 청구항 1 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 따른 차동 측정 기반 이온 센서의 제조 방법에 있어서,
- 균등하게 이격된 복수의 제 1 이온-선택성 전계 효과 트랜지스터들을 제 1 웨이퍼 상에 통합하는 단계;
- 본딩가능(bondable) 재료의 구조체를 상기 제 1 웨이퍼 상에 결합하고, 각각의 마이크로저장소가 각각의 제 1 이온-선택성 전계 효과 트랜지스터에 대응(correspondence)하여 위치되고 이와 정렬되도록, 상기 제 1 이온-선택성 전계 효과 트랜지스터들에 대응하는 복수의 균등하게 이격된 마이크로채널들 및 마이크로저장소들을 생성하는 단계;
- 상기 제 1 웨이퍼를 칩들로 횡방향으로(transversally) 커팅하는 단계로서, 각각의 칩은 마이크로저장소 및 적어도 하나의 마이크로채널을 갖는 구조체 및 제 1 이온-선택성 전계 효과 트랜지스터를 포함하는, 단계;
- 칩, 적어도 하나의 제 2 전계 효과 트랜지스터, 전극 및 연결 트랙들을 기판 상에 고정하는 단계;
- 상기 연결 트랙들을 상기 제 1 및 제 2 전계 효과 트랜지스터에 연결하고, 상기 제 1 및 제 2 전계 효과 트랜지스터 및 상기 연결 트랙들을 봉지하는 단계를 포함하는, 차동 측정 기반 이온 센서의 제조 방법.
- 청구항 15에 있어서,
상기 차동 측정 기반 이온 센서의 제조 방법은, 상기 마이크로저장소들 및 마이크로채널들을 갖는 본딩가능 재료의 상기 구조체를 생성하기 위하여, 포토리소그래피 프로세스를 겪은 본딩가능 재료의 복수의 층들을 상기 제 1 웨이퍼 상에 부가하는 단계를 포함하는, 차동 측정 기반 이온 센서의 제조 방법.
- 청구항 15에 있어서,
상기 차동 측정 기반 이온 센서의 제조 방법은, 본딩가능 재료의 상기 구조체가 상기 마이크로저장소들 및 상기 마이크로채널들의 생성을 위한 리세싱(recessing) 프로세스를 미리 겪게 하는 단계를 포함하는, 차동 측정 기반 이온 센서의 제조 방법.
- 청구항 15에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 이온-선택성 전계 효과 트랜지스터의 상기 기판을 전기적으로 절연하기 위하여, 봉지 재료가 상기 제 1 및 제 2 이온-선택성 전계 효과 트랜지스터의 모든 에지(edge)들 상에 추가적으로 증착(deposit)되는, 차동 측정 기반 이온 센서의 제조 방법.
- 청구항 15 내지 청구항 18 중 어느 한 항에 있어서,
상이한 이온-선택성 멤브레인(membrane)들이 상기 제 2 이온-선택성 전계 효과 트랜지스터들 상에 고정되는, 차동 측정 기반 이온 센서의 제조 방법.
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