KR20180097495A - Temperature and impedance integrated sensors AND MANUFACTURING METHOD THEREOF - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 온도 및 임피던스 통합 센서 및 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to temperature and impedance integrated sensors and methods of manufacture.
최근 동물 실험에 대한 규정들이 사회적 문제로서 관심을 받고 있다. 그리고 동물 실험을 대체할 수 있는 새로운 방법의 중요성이 확대되고 있다. Recent regulations on animal experiments are attracting attention as a social issue. And the importance of new methods to replace animal experiments is expanding.
따라서, 3차원 프린팅 기술를 사용하여 삼차원 인조기관을 배양한 연구들은 동물 실험을 대체할 수 있는 방법으로서 발전하고 있다. Therefore, studies in which three-dimensional artificial organs are cultured using a three-dimensional printing technique are developing as a method of replacing animal experiments.
ECIS(Electrical Cell-substrate Impedance System) 및 EIS (Electrical Impedance Spectroscopy)는 세포 상태 모니터링용 센서 분야에서 가장 널리 사용된 방법들이다. 이들 방법은 낮은 비용, 비침습성, 및 빠르게 모니터 되는 결과 등과 같은 유리한 점을 갖는다. 센서들에 대한 많은 연구들은 상기 ECIS 및 EIS 방법들을 사용하여 수행되고 있다. Electrical Cell-substrate Impedance System (ECIS) and Electrical Impedance Spectroscopy (EIS) are the most widely used methods in the field of sensor for cell state monitoring. These methods have advantages such as low cost, non-invasive, and fast monitored results. Many studies on sensors have been performed using the ECIS and EIS methods described above.
그러나, 전기적 및 열적 변수들의 동시적인 모니터링을 위한 센서에 대한 연구들은 아직 이루어지지 않고 있다. However, studies on sensors for simultaneous monitoring of electrical and thermal parameters have not yet been conducted.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 세포 상태의 전기적 및 열적 모니터링을 동시에 수행함으로써 세포에서 일어나는 즉각적인 반응뿐만 아니라, 오랜 기간 동안 진행되는 약물 반응을 효율적으로 모니터링 할 수 있는 온도 및 임피던스 통합 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.Disclosure of Invention Technical Problem [8] Accordingly, the present invention has been made keeping in mind the above problems occurring in the prior art, and it is an object of the present invention to provide a method and apparatus for monitoring the long- It is intended to provide integrated temperature and impedance sensors.
또한, 다양한 용액의 반응에 따른 온도 변화와 전기적 물성변화를 효율적으로 측정할 수 있는 온도 및 임피던스 통합 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a temperature and impedance integrated sensor capable of efficiently measuring changes in temperature and electrical properties due to the reaction of various solutions.
본 발명은 기판, 상기 기판 위에 형성된 온도센서, 상기 온도센서 위에 형성된 절연층 및 상기 절연층 위에 형성된 임피던스센서를 포함하며, 상기 임피던스센서의 위에는 시료가 임피던스센서의 감지부 밖으로 퍼지는 것을 방지하는 시료 퍼짐 방지벽이 더 형성된 것을 특징으로 하는 온도 및 임피던스 통합 센서를 제공한다.The impedance sensor includes a substrate, a temperature sensor formed on the substrate, an insulating layer formed on the temperature sensor, and an impedance sensor formed on the insulating layer. A sample spread, which prevents the sample from spreading outside the sensing portion of the impedance sensor, And an anti-blocking wall is further formed.
본 발명의 온도 및 임피던스 통합 센서는 세포 상태의 전기적 및 열적 모니터링을 동시에 수행함으로써 세포에서 일어나는 즉각적인 반응뿐만 아니라, 오랜 기간 동안 진행되는 약물 반응을 효율적으로 모니터링 할 수 있는 효과를 제공한다.The temperature and impedance integrated sensor of the present invention simultaneously and simultaneously performs electrical and thermal monitoring of a cell state, thereby providing an effect of efficiently monitoring an immediate reaction occurring in a cell as well as a drug reaction that proceeds over a long period of time.
또한, 다양한 용액의 반응에 따른 온도 변화와 전기적 물성변화를 효율적으로 측정할 수 있는 효과를 제공한다.In addition, it provides an effect of efficiently measuring changes in temperature and electrical properties due to the reaction of various solutions.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 및 임피던스 통합 센서를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 온도 및 임피던스 통합 센서를 제조하는 방법을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 시료 퍼짐 방지벽이 구비된 본 발명의 온도 및 임피던스 통합 센서를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 스핀코팅의 시간에 따르는 절연층(PDMS층)의 두께 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 2개의 온도범위(57.0℃ ~ 63.0℃ 및 34℃ ~ 40.0 ℃)에서 나타난 백금전극의 TCR 특성을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 센서를 사용하여(용매: 이소프로필 알코올) 시간에 따라 측정된 저항(온도)의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7 본 발명의 센서를 사용하여(용매: 이소프로필 알코올)을 사용하는 경우 시간에 따라 측정된 임피던스 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8 본 발명의 센서로 측정된 저항(온도)의 용매들의 휘발률 및 끓는점에 대한 의존을 나타낸 그래프이다.
도 9 본 발명의 센서로 측정된 용매들의 시간에 따르는 정전용량의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 센서를 사용한 이소프로필 알코올에 대한 실험을 요약한 그래프이다.1 is a diagram schematically illustrating a temperature and impedance integrated sensor according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram schematically illustrating a method of manufacturing the temperature and impedance integrated sensor of the present invention.
3 is a diagram schematically showing a temperature and impedance integrated sensor of the present invention provided with a sample spread prevention wall.
4 is a graph showing a change in thickness of an insulating layer (PDMS layer) with time of spin coating.
5 is a graph showing the TCR characteristics of a platinum electrode in two temperature ranges (57.0 DEG C to 63.0 DEG C and 34 DEG C to 40.0 DEG C).
6 is a graph showing changes in resistance (temperature) measured with time using a sensor of the present invention (solvent: isopropyl alcohol).
7 is a graph showing changes in impedance measured over time when using the sensor of the present invention (solvent: isopropyl alcohol).
8 is a graph showing the dependence of the resistivity (temperature) of solvents measured by the sensor of the present invention on the volatility and the boiling point.
Figure 9 is a graph showing the change in capacitance of the solvents measured with the sensor of the present invention over time.
10 is a graph summarizing experiments on isopropyl alcohol using the sensor of the present invention.
이하에서, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명하기에 앞서 관련된 공지기능 및 구성에 대한 구체적 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would unnecessarily obscure the gist of the present invention.
아래 설명과 도면은 당업자가 설명되는 장치와 방법을 용이하게 실시할 수 있도록 특정 실시예를 예시한다. 다른 실시예는 구조적, 논리적으로 다른 변형을 포함할 수 있다. 개별 구성 요소와 기능은 명확히 요구되지 않는 한, 일반적으로 선택될 수 있으며, 과정의 순서는 변할 수 있다. 몇몇 실시예의 부분과 특징은 다른 실시예에 포함되거나 다른 실시예로 대체될 수 있다.The following description and drawings illustrate specific embodiments in order that those skilled in the art can readily implement the described apparatus and method. Other embodiments may include other variations, both structurally and logically. Unless explicitly required, individual components and functions may be selected generally, and the order of the processes may vary. Portions and features of some embodiments may be included in other embodiments or may be replaced by other embodiments.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 및 임피던스 통합 센서를 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 1에 따르면, 본 발명의 온도 및 임피던스 통합 센서는 기판(10); 상기 기판 위에 형성된 온도센서(20); 상기 온도센서 위에 형성된 절연층(30); 및 상기 절연층 위에 형성된 임피던스센서(40);를 포함한다. 1 is a diagram schematically illustrating a temperature and impedance integrated sensor according to an embodiment of the present invention. 1, the temperature and impedance integrated sensor of the present invention includes a
상기 온도센서(20)로는 박막형 RTDs(Resistance temperature detectors)가 사용될 수 있다. 상기 박막형 RTDs는 “저항 온도계(Resistance thermometer)”로도 불려지고 있다. 상기 박막형 RTDs로는 이 분야에서 공지된 형태가 제한 없이 사용될 수 있다. As the
상기 임피던스센서(40)는 박막형 임피던스센서가 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 박막형 임피던스센서로는 이 분야에서 공지된 형태가 제한 없이 사용될 수 있다.The
상기 절연층(30)은 이 분야에서 공지된 절열층 형성 소재를 사용하여 형성될 수 있으며, 특히, PDMS(polydimethylsiloxane)가 바람직하게 사용될 수 있으며, SiO2도 사용될 수 있다. 상단의 임피던스센서(40)에서 열이 하부 온도센서(20)로 전달 될 때, 열손실을 줄이기 위해서 절연층(30)의 두께는 최대한 얇게 하는 것이 바람직하다. 그러나 절연의 기능을 수행해야 하므로 절연막의 두께는 1.4 ㎛~1.6 ㎛로 형성하는 것이 바람직하다.The insulating
상기 온도센서(20) 및 임피던스센서(40)를 구성하는 전극재료로는 이 분야에서 공지된 재료들이 사용될 수 없다. 예를 들어, 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au), 백금(Pt), 알루미늄, 니켈-구리(Ni-Cu) 합금, 니켈-철(Ni-Fe) 합금, 니켈-크롬(Ni-Cr) 합금 등이 사용될 수 있다. 이들 중에서 특히 백금이 바람직하게 사용될 수 있다. As the electrode material constituting the
본 발명의 온도 및 임피던스 통합 센서는, 도 3에 도시된 바와 같이, 기판(10); 상기 기판 위에 형성된 온도센서(20); 상기 온도센서 위에 형성된 절연층(30); 및 상기 절연층 위에 형성된 임피던스센서(40);를 포함하며, 상기 임피던스센서(40)의 위에는 시료가 임피던스센서의 감지부 밖으로 퍼지는 것을 방지하는 시료 퍼짐 방지벽(50)이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 온도 및 임피던스 통합 센서를 제공한다.As shown in FIG. 3, the temperature and impedance integrated sensor of the present invention includes a
상기 시료 퍼짐 방지벽(50)은 PDMS(polydimethylsiloxane)로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 이 분야에서 통상적으로 사용되는 소재로 형성될 수 있다. The sample
상기 시료 퍼짐 방지벽(50)의 형태는 시료가 퍼지는 것을 방지하고 시료가 센서의 상방으로부터 임피던스센서에 도달할 수 있는 통로를 형성하는 형태라면 특별히 한정되지 않는다. 이러한 시료 퍼짐 방지벽의 예를 들면, 원통형 관, 다각형 관 등이 사용될 수 있다. The form of the sample
상기 시료 퍼짐 방지벽(50)은을 더 포함하는 온도 및 임피던스 통합 센서에는 위의 온도 및 임피던스 통합 센서에서 기재된 내용이 모두 적용될 수 있다. 따라서 이하에서는 반복되는 내용은 설명을 생략한다.The temperature and impedance integrated sensor including the sample
본 발명의 온도 및 임피던스 통합 센서를 사용하여 세포 상태의 전기적 및 열적 동시 모니터링을 수행하는 것은 세포에서 일어나는 즉각적인 반응을 체크하기 위해 매우 유용하며, 오랜 기간 동안 진행되는 약물 반응의 모니터링을 위하여 매우 유용하다. Performing electrical and thermal simultaneous monitoring of cellular conditions using the temperature and impedance integrated sensor of the present invention is very useful for checking immediate reactions occurring in cells and is very useful for monitoring drug reactions over a long period of time .
본 발명의 온도 및 임피던스 통합 센서에서 상기 온도센서 및 임피던스센서는 온도와 임피던스 변수들을 동시적으로 모니터링하기 위하여 통합된다. 온도센서는 세포-약물 반응 또는 세포 성장 동안 온도 변화를 검출을 위한 부품이다. 실제 측정은 시간에 따르는 저항 값의 모니터링에 의해 수행되지만 Temperature Coefficient of Resistance (TCR)를 사용하여 온도변화로 변환될 수 있다. In the temperature and impedance integrated sensor of the present invention, the temperature sensor and the impedance sensor are integrated to simultaneously monitor temperature and impedance parameters. Temperature sensors are a component for detecting temperature changes during cell-drug reaction or cell growth. Actual measurements are performed by monitoring the time-dependent resistance value, but can be converted to temperature changes using the Temperature Coefficient of Resistance (TCR).
TCR은 온도가 1K 또는 1℃로 변화될 때 상대적인 저항변화를 의미한다. 온도센서에 대한 TCR 방법은 지난 10년 이상 많은 연구 영역에서 열적 특성의 평가를 위하여 널리 사용되어 왔다. 또한, 임피던스센서는 세포의 상태를 검출하기 위한 부품이다. 그러므로 온도와 임피던스 변화의 동시적 모니터링은 센서의 적용을 위하여 매우 효과적인 방법이다. TCR means the relative resistance change when the temperature is changed to 1K or 1 DEG C. The TCR method for temperature sensors has been widely used for the evaluation of thermal properties in many research areas over the past decade. The impedance sensor is a part for detecting the state of the cell. Simultaneous monitoring of temperature and impedance changes is therefore a very effective method for the application of sensors.
본 발명의 센서를 사용하기 전에 온도 및 임피던스센서들의 감도를 평가하는 것이 필요하다. 센서들의 감도를 평가하기 위하여 세가지 다른 종류의 용매 휘발 방법이 행해진다. 선택된 용매들의 휘발율은 그들이 다른 끓는점을 갖기 때문에 서로 다르다. 이 방법을 사용하는 것에 의한 센서 특성화 후, 세포 상태의 모니터링은 정확하게 수행될 수 있다. 자세한 내용은 아래에서 기술된다.It is necessary to evaluate the sensitivity of the temperature and impedance sensors before using the sensor of the present invention. Three different types of solvent volatilization methods are performed to evaluate the sensitivity of the sensors. The volatilities of the selected solvents are different because they have different boiling points. After sensor characterization by using this method, monitoring of cellular conditions can be performed accurately. Details are given below.
이하에서, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나, 하기의 실시예는 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다. 하기의 실시예는 본 발명의 범위 내에서 당업자에 의해 적절히 수정, 변경될 수 있다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. However, the following examples are intended to further illustrate the present invention, and the scope of the present invention is not limited by the following examples. The following examples can be appropriately modified and changed by those skilled in the art within the scope of the present invention.
실시예 1: 센서의 제작Example 1: Fabrication of a sensor
본 발명의 센서의 제작에 있어서 바이오 영역에 적용하기 위하여 바이오 호환 물질이 사용되어야 한다. 또한, 박막 증착 전극 물질은 안정해야 하고, 그러므로 그 물질의 변화를 방지하기 위해 높은 작동 기능(high work function)이 요구된다(백금의 작동 기능: 5.12~5.93 eV). 또한, 온도변화를 측정하기 위하여 온도센서의 인덱스로서 사용될 수 있는 TCR 값이 높아야 한다. 백금의 TCR은 온도의 증가와 함께 선형적으로 증가되며 높은 값을 갖는다는 것은 일반적으로 알려져 있다. 그러므로 본 발명의 센서에서 백금은 적당한 센서물질로 사용될 수 있다. In manufacturing the sensor of the present invention, a biocompatible material must be used to apply to the bio-area. In addition, the thin film deposition electrode material must be stable, and therefore a high work function is required to prevent the change of the material (platinum working function: 5.12 to 5.93 eV). Also, the TCR value that can be used as an index of the temperature sensor to measure the temperature change should be high. It is generally known that the TCR of platinum increases linearly with increasing temperature and has a high value. Therefore, in the sensor of the present invention, platinum can be used as a suitable sensor material.
센서 제작 공정은 도 2에 의하여 예를 들어 설명된다. The sensor fabrication process is illustrated by way of example in Fig.
이하에서 기판(10)으로서 슬라이드 글라스가 사용되는 예에 대하여 기술한다. 상기 센서는 세 개의 구조를 포함한다. Hereinafter, an example in which a slide glass is used as the
첫째, 온도센서(20)는 슬라이드 글라스 기판 위에 형성되었다. 도 2에 도시된 형태로 슬라이드 글라스 기판 위에 스퍼터에 의하여 백금 박막을 증착시키고, 리소그래프 공정에 의해 전극패턴을 완성하거나 shadow mask를 사용하여 스퍼터에 의하여 백금 전극패턴을 완성할 수 있다. 이때, 온도센서의 감지부 근처는 온도의 미세한 변화를 검출하기 위하여 미세회로(21)를 형성시켰다. First, the
상기 온도센서(20)와 임피던스센서(40) 사이에는 이들의 분리를 위하여 절연층(30)이 형성되었다. 상기 절연층(20)은 PDMS(Sylgard 184, K1 solution)를 스핀코팅에 의하여 온도센서 위에 코팅하여 형성하였다.An insulating
임피던스센서(40)는 상기 절연층(30) 즉, 스핀코팅된 PDMS 층 위에 형성한다. 도 1에 자세히 도시된 바와 같이, 2개의 전극을 좁은 간극을 두고 형성하여 미세회로를 형성하였다. 즉 스퍼터에 의해 백금 박막을 증착시킨 후, 리쏘그래피 공정에 의해 미세패턴을 완성하였다. The
도 2는 센서 제작 공정의 개략도이며, 연속적으로 통합된 온도센서(20), 절연층(30) 및 임피던스센서(40)를 나타낸다. 상기 절연층(20)은 온도변화의 민감한 검출을 위하여 박막으로 형성되었다. 2 is a schematic diagram of a sensor fabrication process, showing a continuously integrated
도 4는 스핀코팅 시간에 따르는 PDMS 층의 두께 변화를 나타낸다. 전기적인 단절 및 감도의 측면에서 적절한 두께를 찾기 위하여, 5분, 10분 및 20분 코팅조건들이 실험에서 고려되었다.Figure 4 shows the thickness variation of the PDMS layer according to the spin coating time. 5 minutes, 10 minutes and 20 minutes coating conditions were considered in the experiment to find the appropriate thickness in terms of electrical break and sensitivity.
(1) TCR 측정(1) TCR measurement
상기 센서 내의 온도센서(20)는 민감한 온도 변화를 검출한다. 그것은 빠르고 정확하게 온도변화에 응답한다. 그러므로, 상기 TCR은 온도센서의 인덱스로서 사용하기 위하여 정확하게 측정되어야 한다. TCR은 반도체 파라미터 분석기(4200-SCS, Keithley)를 사용하여 5 mV의 인터발로 -0.1 V 내지 0.1 V 의 전압을 적용하여 측정되었다. 이러한 측정에서, 상기 온도범위는 두 부분으로 분리된다. 센서는 세포의 성장과 연관된 것을 측정하기 위하여 바디(Body) 온도 범위 내의 TCR을 요구한다. 그러므로, 첫 번째 온도범위는 0.5℃의 인터발을 가지고 34 ℃ 내지 40 ℃에서 선택되었다. 반대로, 용매 휘발 실험은 60℃ 주변의 온도를 요구한다. 그래서, 두 번째 온도범위는 1℃의 인터발을 가지고 57 ℃ 내지 63℃에서 선택되었다. The
용매의 온도는 실온(300K) 주변이고 그것은 용매가 센서 위로 적하될 때, 온도센서와 상호작용한다. 센서의 온도를 조절하기 위하여, 온도 조절 프로브 스테이션(ETCP-2000, Ecopia)이 사용되었다. 도 5는 위에서 언급된 두 개의 다른 온도 범위들에서 TCR 특성들을 나타낸다. TCR은 각각 1957.98 ppm/℃ (temperature range: 57.0℃ ~ 63.0℃) 및 1982.91 ppm/℃ (temperature range: 34℃ ~ 40.0 ℃)로서 평가되고 그 온도의 불확실성은 ±0.05 ℃ 미만이었다. TCR은 다음의 수학식으로 계산되었다: The temperature of the solvent is around room temperature (300K) and it interacts with the temperature sensor when solvent is dripped onto the sensor. To control the temperature of the sensor, a temperature-controlled probe station (ETCP-2000, Ecopia) was used. Figure 5 shows TCR characteristics at the two different temperature ranges mentioned above. The TCR was evaluated as 1957.98 ppm / ° C (temperature range) and 1982.91 ppm / ° C (temperature range), respectively, and the temperature uncertainty was less than ± 0.05 ° C. The TCR was calculated by the following equation:
상기 평가된 TCR 값은 온도센서 물질로서 Pt의 유효성을 나타내는 온도범위와 관계 없이 거의 동일한 값을 나타냈다. 상기 추출된 TCR 값은 ±0.05 ℃ 사이의 온도 불확실성을 나타냈다. The estimated TCR value was almost the same regardless of the temperature range indicating the effectiveness of Pt as a temperature sensor material. The extracted TCR values showed a temperature uncertainty of between < RTI ID = 0.0 > + 0.05 C < / RTI >
(2) 온도 및 임피던스 측정(2) Temperature and impedance measurement
도 3은 시료 퍼짐 방지벽(50)이 형성된 본 발명의 센서를 모식적으로 도시하고 있다. 상기 시료 퍼짐 방지벽(50)은 PDMS로 형성될 수 있다. 상기 시료 퍼짐 방지벽(50)은 다양한 용매들의 휘발 모니터링을 위하여 임피더스센서(40) 위에 부착된다. 시료 퍼짐 방지벽(50)은 센서 위에 용매들을 적하한 후 용매가 밖으로 퍼지는 것을 방지한다. Fig. 3 schematically shows the sensor of the present invention in which the sample
온도 및 임피던스 측정을 위하여 스테이지 온도는 60℃로 설정하였다. 용매의 적하 후에 저항과 임피던스의 전기적 변화는 시간의 함수(function)로 모니터 되었다. The temperature of the stage was set to 60 ° C for temperature and impedance measurements. After dropping the solvent, the electrical change in resistance and impedance was monitored as a function of time.
저항 변화는 Sourcemeter(2400, Keithley)를 사용하여 0.1V를 적용하는 것에 의해 측정되었다. 임피던스 변화는 LCR meter(4284A, Agilent)를 사용하여 측정되었다. 진동수는 신호 안정성을 고려하여 150 KHz로 설정되었다.The resistance change was measured by applying 0.1 V using a Sourcemeter (2400, Keithley). Impedance changes were measured using an LCR meter (4284A, Agilent). The frequency was set at 150 KHz in consideration of signal stability.
도 6 및 7은 각각 시간에 따라 측정된 저항(온도) 및 임피던스 변화를 나타낸 그래프이다. 사용된 용매는 이소프로필 알코올이고, 적하된 부피는 10 ㎕였다. 6 and 7 are graphs showing the resistance (temperature) and the impedance change measured according to time, respectively. The solvent used was isopropyl alcohol and the volume dropped was 10 mu l.
도 6은 휘발에 따라 저항이 갑작스럽게 감소하거나 초기의 저항까지 점차적으로 증가하는 것을 나타낸다. 도 6에 나타낸 바와 같이, PDMS 두께에 따르는 온도와 저항의 특별한 차이는 없었다.FIG. 6 shows that the resistance suddenly decreases with volatilization or gradually increases to the initial resistance. As shown in Fig. 6, there was no particular difference in temperature and resistance according to PDMS thickness.
도 7은 PDMS의 두께에 따르는 정전용량 변화를 나타낸 그래프이다. 도 7에서 확인되는 바와 같이, 정전용량은 PDMS의 두께와 특별한 관계가 없는 것으로 나타났다. 상기 정전용량 변화는 3개의 다른 PDMS 두께에 대하여 ±1.135 % 범위 내에 있었다. 7 is a graph showing a change in capacitance according to the thickness of the PDMS. As can be seen in Fig. 7, the capacitance was found to have no particular relationship with the thickness of the PDMS. The capacitance change was within +/- 1.135% for three different PDMS thicknesses.
중요한 것은 용매의 휘발 시간이 절연층인 PDMS의 두께에 관계 없이 동일하다는 것이다. 상기 실험으로부터 온도 및 임피던스센서는 절연층인 PDMS의 두께에 관계 없이 정교한 측정이 가능하다는 것이 확인되었다. 또한, 최적의 PDMS 두께는 1.5 ㎛로 설정되었다.What is important is that the volatilization time of the solvent is the same regardless of the thickness of the insulating layer PDMS. From the above experiments, it was confirmed that the temperature and impedance sensors can be precisely measured regardless of the thickness of the insulating layer, PDMS. In addition, the optimum PDMS thickness was set at 1.5 탆.
도 8및 9는 세 개의 다른 용매들 즉, 아세톤, 메탄올 및 이소프로필 알코올에 대한 측정 저항(온도) 및 시간에 따르는 임피던스 변화를 나타낸다. PDMS 두께는 1.5㎛로 고정되었다. 도 8(a) 및 8(b)는 저항(온도)의 용매들의 휘발률 및 끓는점에 대한 의존을 나타낸다. 상기 용매들의 끓는점 및 휘발률에 대한 저항(온도)의 의존은 도 8 (a) 및 (b)로 요약된다. 도 9의 (a) 및 (b)는 시간에 따르는 용매들의 정전용량의 변화를 나타낸 그래프이다. 이소프로필 알코올은 400s까지 정전용량이 점차적으로 감소하였으며 아세톤은 정전용량이 시간에 따라 증가 및 감소하는 거동을 나타냈다. 메탄올에 대한 정전용량은 휘발의 종료 직전까지 빠르게 증가하였다. 상기 백금과 메탄올 사이의 전기촉매작용은 연료 전지에서 잘 알려져 있다. 백금과 메탄올 사이의 전기촉매작용의 결과로서 수소이온 및 전자의 증가 및 전기용량의 증가가 나타났다. 그러므로 이 실험으로부터 본 발명의 센서가 화학작용의 모니터링을 위하여 적용될 수 있음을 알 수 있다.Figures 8 and 9 show measured resistance (temperature) and change in impedance with time for three different solvents, acetone, methanol and isopropyl alcohol. The PDMS thickness was fixed at 1.5 탆. Figures 8 (a) and 8 (b) show the dependence of the resistance (temperature) on the volatility and boiling point of the solvents. The dependence of the resistance (temperature) on the boiling point and the volatility of the solvents is summarized in Fig. 8 (a) and (b). 9 (a) and 9 (b) are graphs showing changes in the capacitance of the solvents with time. The isopropyl alcohol gradually decreased in capacitance up to 400s, and the acetone showed increasing and decreasing capacitance with time. The capacitance to methanol rapidly increased until just before the end of volatilization. The electrocatalytic action between the platinum and methanol is well known in fuel cells. As a result of the electrocatalytic action between platinum and methanol, the increase of hydrogen ions and electrons and the increase of electric capacity appeared. Therefore, it can be seen from this experiment that the sensor of the present invention can be applied for monitoring the chemical action.
도 10은 이소프로필 알코올에 대한 실험을 요약한 개략도이다. 이소프로필 알코올의 적하 후에 저항 및 임피던스가 갑작스럽게 변화하였으며, 휘발의 종료 후에 저항 및 임피던스는 초기의 값으로 돌아왔다.10 is a schematic diagram summarizing experiments on isopropyl alcohol. After dropping isopropyl alcohol, the resistance and impedance changed abruptly, and after termination of volatilization, the resistance and impedance returned to their initial values.
10: 기판
20: 온도센서
21: 미세회로
30: 절연층
40: 임피던스센서
50: 시료 퍼짐 방지벽10: substrate 20: temperature sensor
21: microcircuit
30: Insulation layer 40: Impedance sensor
50: Sample spreading prevention wall
Claims (2)
슬라이드 글라스 기판(10);
상기 기판(10) 위에 증착된 백금 박막의 전극패턴으로 구성되는 박막형 RTDs(Resistance temperature detectors)로 형성되고, 온도의 미세한 변화를 검출할 수 있는 백금 박막의 미세회로(21)가 형성된 감지부를 포함하는 온도센서(20);
상기 온도센서(20) 위에 PDMS(polydimethylsiloxane)의 스핀코팅에 의하여 코팅되어 형성되며, 절연의 기능을 수행하되 하부의 온도센서로 전달되는 열의 손실을 줄이기 위해 1.4㎛ 이상 1.6㎛ 이하의 두께로 형성되는 절연층(30);
상기 스핀코팅된 PDMS 절연층(30) 위에 증착된 백금 박막으로 구성된, 소정 간극을 두고 형성되는 2개의 전극으로 형성되되, 상기 온도센서(20)의 감지부(21)의 상단에 형성되는 박막형 임피던스센서(40); 및
상기 임피던스센서(40)의 위에 부착되고, 시료가 상기 임피던스센서(40)의 감지부 밖으로 퍼지는 것을 방지하며 상기 시료가 상기 통합 센서의 상방으로부터 상기 임피던스센서(40)에 도달할 수 있는 통로를 형성할 수 있도록 원통형 관 또는 다각형 관 형태를 가지며, PDMS(polydimethylsiloxane)로 형성되는, 시료 퍼짐 방지벽(50);을 포함하고,
상기 임피던스센서(40) 상단 및 상기 시료 퍼짐 방지벽 내부에서 세포를 배양하여, 상기 세포의 성장 또는 상기 세포에 대한 약물 반응으로 인해 발생하는 온도 변화를 검출하기 위하여 상기 온도센서(20)에 의한 온도측정을 수행하고, 상기 세포의 상태를 검출하기 위하여 상기 임피던스센서(40)에 의한 임피던스 측정을 상기 온도측정과 동시에 수행하고,
상기 온도센서(20)는,
상기 박막형 RTDs를 이용하여 저항의 변화를 측정하고, 상기 측정된 저항의 변화를 TCR(Temperature Coefficient of Resistance)값을 사용하여 온도변화로 변환하는 것을 특징으로 하는 온도 및 임피던스 통합 센서.1. An integrated sensor for simultaneously performing electrical and thermal monitoring of cells by forming a temperature sensor and an impedance sensor in a laminated form,
A slide glass substrate (10);
And a sensing unit formed of thin film RTDs (Resistance temperature detectors) composed of an electrode pattern of a platinum thin film deposited on the substrate 10 and formed with a microcircuit 21 of a platinum thin film capable of detecting a minute change in temperature A temperature sensor 20;
Is formed by spin coating of polydimethylsiloxane (PDMS) on the temperature sensor 20 and is formed to have a thickness of 1.4 탆 or more and 1.6 탆 or less in order to perform a function of insulation but to reduce heat loss transmitted to the lower temperature sensor An insulating layer (30);
The thin film type impedance formed at the upper end of the sensing portion 21 of the temperature sensor 20 is formed by two electrodes formed with a predetermined gap, which is composed of a platinum thin film deposited on the spin-coated PDMS insulating layer 30. [ A sensor 40; And
And is attached to the impedance sensor 40 to prevent a sample from spreading out of the sensing part of the impedance sensor 40 and to form a passage through which the sample can reach the impedance sensor 40 from above the integrated sensor (50) having a cylindrical tube or polygonal tube shape and made of PDMS (polydimethylsiloxane)
The temperature of the temperature sensor 20 is controlled in order to cultivate the cells at the upper end of the impedance sensor 40 and the sample spread prevention wall to detect a temperature change caused by the growth of the cells or the drug reaction with the cells. Performing impedance measurement by the impedance sensor (40) simultaneously with the temperature measurement to detect the state of the cell,
The temperature sensor (20)
Wherein the change in resistance is measured using the thin film type RTDs and the change in the measured resistance is converted into a temperature change using a TCR (Temperature Coefficient of Resistance) value.
슬라이드 글라스 기판(10)을 배치하는 공정;
상기 기판(10) 위에 스퍼터에 의하여 백금 박막을 증착시키고, 섀도 마스크(shadow mask)를 사용하여 상기 스퍼터에 의하여 백금 전극패턴을 형성하여 박막형 RTDs(Resistance temperature detectors) 온도센서(20)를 형성하되, 온도의 미세한 변화를 검출할 수 있도록 상기 온도센서(20)의 감지부에는 미세회로(21)를 형성하는, 공정;
상기 온도센서(20) 위에 PDMS(polydimethylsiloxane)의 스핀코팅에 의하여 절연층(30)을 코팅하되, 절연의 기능을 수행하되 하부의 온도센서로 전달되는 열의 손실을 줄이기 위해 1.4㎛ 이상 1.6㎛ 이하의 두께로 상기 절연층(30)을 형성하는, 공정;
상기 스핀코팅된 PDMS 절연층(30) 위에 스퍼터에 의해 백금 박막을 증착시킨 후, 리소그래피 공정으로 2개의 전극이 소정 간극을 두고 형성되는 미세회로를 형성하여 박막형 임피던스센서(40)를 형성하되, 상기 박막형 임피던스센서(40)는 상기 온도센서(20)의 감지부(21)의 상단에 형성되는, 공정; 및
상기 임피던스센서(40)의 위에 시료 퍼짐 방지벽(50)을 부착하되, 상기 시료 퍼짐 방지벽(50)은 시료가 상기 임피던스센서(40)의 감지부 밖으로 퍼지는 것을 방지하며 상기 시료가 상기 통합 센서의 상방으로부터 상기 임피던스센서(40)에 도달할 수 있는 통로를 형성할 수 있도록 원통형 관 또는 다각형 관 형태를 가지며, PDMS(polydimethylsiloxane)로 형성되는, 공정; 을 포함하고,
상기 온도센서(20)를 형성하는 공정은,
상기 시료 퍼짐 방지벽(50) 내에 용매를 적하하는 공정;
온도 조절기를 이용하여 상기 용매의 온도를 기 설정된 인터발을 가지는 소정의 온도범위에 기초하여 조절하는 공정;
상기 용매의 온도 조절에 따른 상기 온도센서(20)의 저항 변화를 측정하는 공정; 및
상기 온도 조절에 따라 측정된 저항 변화에 기초하여 상기 온도센서(20)의 TCR값을 산출하는 공정; 을 포함하는,
온도 및 임피던스 통합 센서 제조방법.1. A method of manufacturing an integrated sensor in which a temperature sensor and an impedance sensor are formed in a laminate manner to simultaneously perform electrical and thermal monitoring of cells,
Disposing the slide glass substrate (10);
A platinum thin film is deposited on the substrate 10 by sputtering and a platinum electrode pattern is formed by the sputter using a shadow mask to form a thin film type resistance temperature detectors (RTDs) temperature sensor 20, Forming a fine circuit (21) on a sensing portion of the temperature sensor (20) so as to detect a minute change in temperature;
The insulating layer 30 is coated on the temperature sensor 20 by spin coating of polydimethylsiloxane (PDMS). In order to reduce the loss of heat transmitted to the lower temperature sensor, Forming the insulating layer (30) in a thickness;
A thin film type impedance sensor 40 is formed by depositing a platinum thin film on the spin-coated PDMS insulating layer 30 by a sputtering method, forming a fine circuit in which two electrodes are formed with a predetermined gap by a lithography process, The thin film type impedance sensor 40 is formed on the upper end of the sensing portion 21 of the temperature sensor 20; And
The sample spreading prevention wall 50 prevents the sample from spreading out of the sensing portion of the impedance sensor 40 while the sample spreading prevention wall 50 prevents the sample from spreading out of the sensing portion of the impedance sensor 40, (PDMS) in the form of a cylindrical pipe or a polygonal tube so as to form a passage through which the impedance sensor 40 can reach from the upper side; / RTI >
The step of forming the temperature sensor (20)
Dropping solvent into the sample spread prevention wall (50);
Adjusting the temperature of the solvent on the basis of a predetermined temperature range having a predetermined interval using a temperature controller;
Measuring a change in resistance of the temperature sensor (20) according to temperature control of the solvent; And
Calculating a TCR value of the temperature sensor (20) based on a resistance change measured according to the temperature control; / RTI >
Temperature and impedance integrated sensor manufacturing method.
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