KR20180108430A - Insulin detection sensor based on nanowire field-effect transistor - Google Patents

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KR20180108430A
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Abstract

The present invention relates to an insulin detection sensor based on a nanowire field-effect transistor, which is recyclable, harmless to human body, has high reliability and sensitivity, can be implemented with semiconductor technology, and the possibility of commercialization becomes large to be effective to contribute to the promotion of human health and welfare. In addition, since no gate is required, only the arrangement of the nanowires enables a sensor having two-dimensionally or three-dimensionally arranged multiple channels as well as a single channel to be implemented.

Description

나노와이어 전계효과 트랜지스터 기반의 인슐린 검출 센서{INSULIN DETECTION SENSOR BASED ON NANOWIRE FIELD-EFFECT TRANSISTOR}[0001] INSULIN DETECTION SENSOR BASED ON NANOWIRE FIELD-EFFECT TRANSISTOR [0002]

본 발명은 인슐린 검출 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 나노와이어 전계효과 트랜지스터 기반의 인슐린 검출 센서에 관한 것이다.The present invention relates to an insulin detection sensor, and more particularly, to a nanowire field effect transistor based insulin detection sensor.

인슐린은 인체 내 당의 수준을 조절하는 핵심적인 대사 주체로서 양적인 항상성을 유지하는 것은 생명과 직결된 매우 중요한 일이다. 이를 위해서 인슐린을 생산, 제공하는 세포 개발, 추적, 인슐린의 정상적인 분비와 기능성·양적 안정성 확보를 위한 기술들의 개발이 의학, 생물학, 공학 전반에 걸쳐 이루어져야 한다. Insulin is a key metabolic subject that regulates the levels of glucose in the body. Maintaining quantitative homeostasis is a very important task directly linked to life. To this end, the development of cells that produce and deliver insulin, the development of techniques for securing the normal secretion of insulin, and the functional and quantitative stability of the insulin should be made throughout medicine, biology and engineering.

대표적인 종래 바이오센싱 기술로는 인슐린 세포를 거치면서 발생하는 입력 광신호의 파장 변화로부터 인슐린의 양을 측정하는 광학적 센싱 기술이 있다. A typical conventional biosensing technology is an optical sensing technique for measuring the amount of insulin from a wavelength change of an input optical signal generated while passing through insulin cells.

그런데, 상기 광학적 센싱 기술은 파장 변화의 폭이 300 nm 미만의 수준으로 작다는 점(청색 구간에서 황색 구간으로의 150 nm 적색 천이 예), 그로 인해 정확한 정량적 분석을 위해서는 nm 수준의 높은 분해능을 갖는 측정 환경을 요구한다는 점, 장치 의존성이 커 이동성 휴대성 있는 시스템 구현이 어렵다는 점, 체내 주입형 분석 적용이 까다롭다는 점 등이 종래 기술의 한계점으로 지적되어 왔다.However, the optical sensing technique has a problem that the width of the wavelength change is small to a level of less than 300 nm (150 nm red transition from blue to yellow), so that for accurate quantitative analysis, It has been pointed out that it is difficult to implement a mobile portable system because it requires a measurement environment, a device dependency is large, and that it is difficult to apply a system for injection analysis.

또한, 나노와이어 트랜지스터 센서로 생체분자를 검출하는 장치로 한국 등록특허 제10-1040083호가 개시되어 있으나, 별도 게이트를 구비해야 하므로 집적하는데 한계가 있다.Korean Patent No. 10-1040083 discloses an apparatus for detecting biomolecules using a nanowire transistor sensor. However, since it requires a separate gate, integration is limited.

본 발명은 세포에서 생산, 분비된 인슐린의 양을 정확히 측정할 수 있는 나노와이어 전계효과 트랜지스터 기반의 인슐린 검출 센서를 제공하는 것을 그 목적으로 한다. 특히, 기존의 반도체 공정을 통해 구현할 수 있는 경제성·신뢰성 높은 인슐린 센서 개발, 나노와이어 구조를 기반으로 하여 인슐린 항체의 유효 접착 면적을 최대화하고, 게이트 없이 채널 주변의 화학적 포텐셜 변화에 의한 전기전도성 변화 민감도를 극대화하고, 체외 및 체내 실시간 모니터링이 모두 가능한 나노스케일 집적회로 구현을 목표로 하며, 센서 주변회로의 동반 개발을 통해 체내-체외 무선 통신 솔루션 확장 가능하도록 하는 데 그 목적이 있다.It is an object of the present invention to provide a nanowire field effect transistor-based insulin detection sensor capable of accurately measuring the amount of insulin produced and secreted by a cell. In particular, the development of economical and reliable insulin sensors that can be implemented through existing semiconductor processes, maximizing the effective adhesion area of insulin antibodies based on the nanowire structure, and improving the sensitivity of electrical conductivity changes due to chemical potential changes around the channels without gates The goal is to realize a nanoscale integrated circuit capable of real-time monitoring both in vitro and in vivo, and to expand the in-body-in-vitro wireless communication solution through the development of sensor peripheral circuits.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 인슐린 검출 센서는 일정거리 이격된 소스와 드레인; 상기 소스와 드레인 사이를 연결하는 하나 이상의 나노와이어; 및 상기 나노와이어를 각각 감싸는 게이트 절연막으로 구성되되, 상기 게이트 절연막은 상기 나노와이어를 감싸는 원통형 절연막과 상기 원통형 절연막에 부착된 생화학 물질의 인슐린 항체로 구성된 이중층 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, an insulin detecting sensor according to the present invention comprises a source and a drain spaced apart from each other by a predetermined distance; One or more nanowires connecting the source and the drain; And a gate insulating layer surrounding the nanowire, wherein the gate insulating layer has a bilayer structure composed of a cylindrical insulating layer surrounding the nanowire and an insulin antibody of a biochemical substance attached to the cylindrical insulating layer.

상기 나노와이어는 2차원 또는 3차원적으로 복수 개 배열되어 다중 채널을 갖는 것을 본 발명에 의한 인슐린 검출 센서의 다른 특징으로 한다.The plurality of nanowires are arranged two-dimensionally or three-dimensionally to have multiple channels, which is another feature of the insulin detection sensor according to the present invention.

상기 인슐린 항체는 상기 나노와이어에 부착되는 하나의 접촉부와 상기 접촉부의 일측에 연결된 두 개의 인지 부위로 구성된 것을 본 발명에 의한 인슐린 검출 센서의 다른 특징으로 한다.The insulin antibody is further characterized by an insulin detection sensor according to the present invention, wherein the insulin antibody is composed of one contact portion attached to the nanowire and two cognitive sites connected to one side of the contact portion.

상기 접촉부의 지름은 5nm이고, 상기 두 개의 인지 부위가 만드는 지름은 15nm이고, 상기 인슐린 항체의 높이는 20nm일 수 있고, 이를 기초로 충분한 수의 인슐린 항체와 인슐린이 흡착될 수 있는 규격으로 나노와이어의 지름과 길이에 하한을 둘 수 있다. The diameter of the contact portion is 5 nm, the diameters of the two cognition sites are 15 nm, the height of the insulin antibody is 20 nm, and based on this, a sufficient number of insulin antibodies and insulin can be adsorbed, You can place the lower limit on diameter and length.

상기 나노와이어는 실리콘으로 만들어지고, 상기 원통형 절연막은 SiO2, SiON, Si3N4, TiO2, HfO2, Al2O3 중 하나로 형성된 것을 본 발명에 의한 인슐린 검출 센서의 다른 특징으로 한다.The nanowire is made of silicon, and the cylindrical insulating film is formed of one of SiO 2 , SiON, Si 3 N 4 , TiO 2 , HfO 2 and Al 2 O 3, which is another feature of the insulin detection sensor according to the present invention.

본 발명은 간단한 구조의 초미세 나노와이어 인슐린 센서에 의하여, 재활용 가능하고, 인체에 무해하며, 높은 신뢰성과 민감도를 가지고, 실리콘 반도체 공정으로 구현 가능하며, 사업화 가능성이 높아, 결국 인간의 건강과 복지 증진에 기여할 수 있는 효과가 있다. 또한, 게이트가 불필요하여 나노 와이어의 배열만으로 단일 채널은 물론, 2차원 또는 3차원적으로 배열된 다중 채널을 갖는 인슐린 검출 센서를 구현할 수 있는 효과가 있다. The present invention can be recycled, is harmless to the human body, has high reliability and sensitivity, can be implemented by a silicon semiconductor process, and is highly commercialized by the ultra-fine nanowire insulin sensor of simple structure, There is an effect that can contribute to enhancement. Further, since the gate is unnecessary, an insulin detection sensor having multiple channels arranged in a two-dimensional or three-dimensional manner as well as a single channel can be realized by arranging the nanowires.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 채널을 갖는 나노와이어 전계효과 트랜지스터 기반의 인슐린 검출 센서를 보여주는 모식도이다.
도 2 내지 도 6은 각각 본 발명의 다른 실시 예로, 소스(미도시)와 드레인(미도시) 사이에 나노와이어가 2차원 또는 3차원적으로 복수 개 배열되어 다중 채널을 갖는 나노와이어 전계효과 트랜지스터 기반의 인슐린 검출 센서를 보여주는 모식도이다. 1 is a schematic diagram showing a nanowire field effect transistor based insulin detection sensor having a single channel according to an embodiment of the present invention.
2 to 6 show another embodiment of the present invention, in which a plurality of nanowires are arranged two-dimensionally or three-dimensionally between a source (not shown) and a drain (not shown) to form a nanowire field effect transistor Based insulin detection sensor.

이하, 첨부한 도면을 참조하며 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 일 실시 예에 따른 인슐린 검출 센서는, 도 1과 같이, 단일 채널을 갖는 나노와이어 전계효과 트랜지스터로 구현될 수 있다.The insulin detection sensor according to an embodiment of the present invention may be implemented as a nanowire field effect transistor having a single channel as shown in FIG.

도 1의 실시 예는 일정거리 이격된 소스(10)와 드레인(20); 상기 소스와 드레인 사이를 연결하는 하나의 나노와이어(30); 및 상기 나노와이어를 감싸는 게이트 절연막(40)으로 구성되어 게이트 구조를 갖지 않는 것이 특징이다.The embodiment of Figure 1 includes a source 10 and a drain 20 spaced a certain distance apart; A nanowire 30 connecting the source and the drain; And a gate insulating film 40 that surrounds the nanowire, and does not have a gate structure.

또한, 상기 게이트 절연막(40)은 실질적으로 소스(10)와 드레인(20) 사이에 노출된 나노와이어(30)를 감싸는 원통형 절연막(42)과 상기 원통형 절연막에 부착된 생화학 물질의 인슐린 항체(44)로 구성된 이중층 구조를 갖는 것이 특징이다.The gate insulating layer 40 includes a cylindrical insulating layer 42 that substantially surrounds the nanowires 30 exposed between the source 10 and the drain 20 and an insulin antibody 44 of a biochemical substance attached to the cylindrical insulating layer. ) Having a double-layer structure.

상기 인슐린 항체(44)는, 도 1과 같이, 상기 나노와이어(30)에 부착되는 하나의 접촉부(44a)와 상기 접촉부의 일측에 연결된 두 개의 인지 부위(44b, 44c)로 구성될 수 있다. 이렇게 함으로써, 인지 부위(44b, 44c)가 만드는 지름을 근거로 하여 나노와이어 채널 길이를 결정할 수 있다.1, the insulin antibody 44 may include one contact portion 44a attached to the nanowire 30 and two cognitive portions 44b and 44c connected to one side of the contact portion. By doing so, the nanowire channel length can be determined based on the diameter created by the recognition sites 44b and 44c.

상기 인슐린 항체(44)에 결합되는 인슐린의 크기(지름)가 200nm 정도이므로, 상기 접촉부(44a)의 지름(d1)은 5nm이고, 상기 두 개의 인지 부위(44b, 44c)가 만드는 영역의 지름(d2)은 15nm이고, 상기 인슐린 항체(44)의 높이(h)는 20nm로 할 수 있고, 공정을 통해 구현하게 되는 나노와이어의 규격(직경, 길이 등)은 이를 기초로 정할 수 있다. 이러한 인슐린 항체(44)의 규격을 고려하면서 원통형 절연막(42)에 흡착시킬 수 있는 인슐린 항체의 수를 적절한 수준으로 늘림과 동시에 트랜지스터에 가해지는 전계 효과를 극대화하기 위한 하나의 예로서, 상기 나노와이어(30)의 직경(D)는 접촉부(44a)의 지름(d1)보다 크고 두 개의 인지 부위(44b, 44c)가 만드는 영역의 지름(d2)을 크게 넘어서지 않고, 상기 원통형 절연막(42)의 두께(t)는 접촉부(44a)의 지름(d1)보다 작게 함이 바람직하다.The diameter d1 of the contact portion 44a is 5 nm and the diameter of the region formed by the two recognition regions 44b and 44c is the height h of the insulin antibody 44 may be 20 nm, and the dimensions (diameter, length, etc.) of the nanowires to be implemented through the process may be determined based on the dimensions. As one example of increasing the number of insulin antibodies adsorbable to the cylindrical insulating film 42 to an appropriate level while maximizing the electric field effect applied to the transistor while considering the standard of the insulin antibody 44, The diameter D of the cylindrical insulating film 42 is larger than the diameter d1 of the contact portion 44a and does not greatly exceed the diameter d2 of the region formed by the two recognized portions 44b and 44c, (t) is preferably smaller than the diameter (d1) of the contact portion (44a).

상기 나노와이어(30)는 실리콘으로 만들어지고, 상기 원통형 절연막(42)은 SiO2, SiON, Si3N4, TiO2, HfO2, Al2O3 중 하나로 형성될 수 있다.The nanowire 30 is made of silicon and the cylindrical insulating film 42 may be formed of one of SiO 2 , SiON, Si 3 N 4 , TiO 2 , HfO 2 , and Al 2 O 3 .

즉, SiO2, SiON, Si3N4 등은 기존의 실리콘 반도체 공정에서 사용하는 열산화, 저압화학기상증착, 플라즈마 화학기상증착 등을 통해 형성된 박막일 수 있고, TiO2, HfO2, Al2O3 등은 원자층 증착기법을 통해 형성하여 SiO2 보다 유전율이 높은 고유전율 절연막으로 하거나 SiO2 를 포함할 수 있다. That is, SiO 2 , SiON, Si 3 N 4 and the like can be a thin film formed through thermal oxidation, low-pressure chemical vapor deposition, plasma chemical vapor deposition, or the like used in a conventional silicon semiconductor process, and TiO 2 , HfO 2 , Al 2 O 3 are formed through atomic layer deposition techniques to form SiO 2 It may be a high permittivity high dielectric constant insulating film or SiO 2 .

상기 실시 예에 의한 인슐린 검출 센서는 종래와 달리 게이트가 없는 전계효과 트랜지스터로서, 사용시 게이트의 기능은 채널을 둘러싸는 화학적 환경 자체가 그 역할을 하게 된다. 채널을 둘러싸는 화학적 환경 안에 인슐린이 존재할 때와 존재하지 않을 때 발생하는 채널 주변의 화학적 포텐셜 변화로 인해 트랜지스터의 문턱 전압이 변화하고 그 결과로 전류량이 변하게 되는 데 이를 감지하여 인슐린 존재를 측정하게 된다.The insulin detection sensor according to the embodiment of the present invention is a gate-free field effect transistor unlike the prior art, and the function of the gate at the time of use is the chemical environment itself surrounding the channel. The presence of insulin in the chemical environment surrounding the channel and the change in the chemical potential around the channel caused by the absence of the insulin result in a change in the threshold voltage of the transistor resulting in a change in the amount of current that is measured to determine the presence of insulin .

또한, 상기 실시 예에 의한 인슐린 검출 센서는 원통형 절연막(42)으로 나노와이어(30)의 채널과 절연시키면서, 생화학 물질로 만들어진 인슐린 항체(44)를 통해 채널과 인슐린(50)의 결합 매개체로 도입함으로써, 채널 주변으로 유도하는 인슐린의 농도를 높이고 센싱 마진과 민감도를 극대화할 수 있게 된다. 즉, 무기물로만 구성된 게이트 절연막이 아니라 무기물과 생화학물질의 이중층 구조를 갖는 게이트 절연막(40)을 구현한 것이 특징이다.The insulin detecting sensor according to the present embodiment is inserted into the channel and the insulin 50 as a binding medium through the insulin antibody 44 made of a biochemical material while insulating the channel of the nanowire 30 with the cylindrical insulating film 42. Thereby increasing the concentration of insulin induced around the channel and maximizing the sensing margin and sensitivity. That is, a gate insulating film 40 having a bilayer structure of an inorganic material and a biochemical material is realized instead of a gate insulating film made only of an inorganic material.

도 2 내지 도 6은 각각 본 발명의 다른 실시 예(100, 200, 300, 400, 500)로, 도 1에서 소스(10)와 드레인(20) 사이를 연결하는 나노와이어(30)가 2차원 또는 3차원적으로 복수 개 배열되어 다중 채널을 갖는 나노와이어 전계효과 트랜지스터 기반의 인슐린 검출 센서로 구현될 수 있음을 보여준다.2 through 6 show another embodiment (100, 200, 300, 400, 500) of the present invention in which the nanowire 30 connecting the source 10 and the drain 20 in FIG. Or an insulin detection sensor based on a nanowire field effect transistor having a plurality of channels arranged in three dimensions.

이는 검출할 인슐린(50) 및 항체인 인슐린 항체(44)의 크기를 고려하여 나노와이어(30)를 다양한 방향으로 복수 개 배열하여 대중 채널을 갖는 인슐린 검출 센서로 최적화할 수 있다. Considering the size of the insulin 50 to be detected and the size of the insulin antibody 44 as an antibody, a plurality of the nanowires 30 may be arranged in various directions to optimize the insulin detection sensor having a mass channel.

이상 설명된 각 실시 예에 따라 본 발명은 다음의 특징을 가질 수 있다.According to the embodiments described above, the present invention can have the following features.

(1) 기존의 반도체 공정 기술을 통해 구현 가능한 나노스케일의 전계효과 트랜지스터를 적용함으로써, 센싱 민감도를 극대화하고 사업화 가능성을 높일 수 있게 된다.(1) By applying a nanoscale field-effect transistor that can be implemented through existing semiconductor processing technology, the sensing sensitivity can be maximized and the commercialization possibility can be enhanced.

(2) 소스, 드레인과 채널로 구성되며 게이트는 화학 물질 자체가 되어 화학 물질이 야기시키는 화학적 포텐셜의 변화가 트랜지스터의 문턱 전압을 변화, 즉 채널의 전류량을 변화시켜주게 된다. (2) It consists of a source, a drain and a channel. The gate is a chemical substance, and the chemical potential change caused by the chemical changes the threshold voltage of the transistor, that is, the amount of current in the channel.

(3) 나노와이어 구조를 적용함으로써, 전계 집중효과를 통해 인슐린 변화가 채널의 전기전도도에 대해 갖는 영향력을 극대화할 수 있다. (3) By applying the nanowire structure, it is possible to maximize the influence of the insulin change on the electric conductivity of the channel through the electric field concentration effect.

(4) 인슐린을 채널에 보다 효과적으로 접촉시켜주기 위해 인슐린 항체를 게이트 절연막(원통형 절연막)에 접착시키는 과정을 선행하고 이를 통해 인슐린의 유무 판단, 양 변화의 센싱을 민감하게 수행할 수 있도록 할 수 있다. (4) In order to more effectively contact the insulin with the channel, the process of bonding the insulin antibody to the gate insulating film (cylindrical insulating film) is preceded, whereby the presence or absence of insulin and the sensing of the amount of insulin can be sensitively performed .

(5) 원통형 절연막으로는 SiO2, SiON, Si3N4, TiO2, HfO2, Al2O3 등 열산화, 저압화학기상증착, 플라즈마 화학기상증착, 원자층 증착기법 등을 통해 형성할 수 있는 절연막을 모두 포함하며 O, N 원자가 갖는 비대칭적 전자 분포, 불완전 결합 상태의 양이온, 분극 특성 등을 가짐에 따라 인슐린 항체와의 결합이 효과적으로 이루어지도록 한다. 최종적인 연결 상태는 원통형 절연막(42)-인슐린 항체(44)-인슐린(50)의 구조를 가지게 된다. (5) The cylindrical insulating film may be formed by thermal oxidation such as SiO 2 , SiON, Si 3 N 4 , TiO 2 , HfO 2 or Al 2 O 3 , low pressure chemical vapor deposition, plasma chemical vapor deposition, Asymmetric electron distribution of O and N atoms, incompletely bound cations, polarization properties, etc., are all contained in the insulating layer. Thus, the binding with the insulin antibody can be effectively performed. The final connection state has the structure of the cylindrical insulating film 42 - insulin antibody 44 - insulin 50.

10: 소스
20: 드레인
30: 나노와이어
40: 게이트 절연막
42: 원통형 절연막
44: 인슐린 항체
50: 인슐린10: Source
20: Drain
30: nanowire
40: Gate insulating film
42: Cylindrical insulating film
44: insulin antibody
50: Insulin

Claims (5)

일정거리 이격된 소스와 드레인;
상기 소스와 드레인 사이를 연결하는 하나 이상의 나노와이어; 및
상기 나노와이어를 각각 감싸는 게이트 절연막으로 구성되되,
상기 게이트 절연막은 상기 나노와이어를 감싸는 원통형 절연막과 상기 원통형 절연막에 부착된 생화학 물질의 인슐린 항체로 구성된 이중층 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 인슐린 검출 센서.
Source and drain spaced a certain distance;
One or more nanowires connecting the source and the drain; And
And a gate insulating layer surrounding the nanowires,
Wherein the gate insulating layer has a bilayer structure composed of a cylindrical insulating layer surrounding the nanowire and an insulin antibody of a biochemical substance attached to the cylindrical insulating layer.
제 1 항에 있어서,
상기 나노와이어는 2차원 또는 3차원적으로 복수 개 배열되어 다중 채널을 갖는 것을 특징으로 하는 인슐린 검출 센서.
The method according to claim 1,
Wherein the plurality of nanowires are arranged two-dimensionally or three-dimensionally and have multiple channels.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 인슐린 항체는 상기 나노와이어에 부착되는 하나의 접촉부와 상기 접촉부의 일측에 연결된 두 개의 인지 부위로 구성된 것을 특징으로 하는 인슐린 검출 센서.
3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the insulin antibody comprises one contact portion attached to the nanowire and two cognitive sites connected to one side of the contact portion.
제 3 항에 있어서,
상기 접촉부의 지름은 5nm이고,
상기 두 개의 인지 부위가 만드는 영역의 지름은 15nm이고,
상기 인슐린 항체의 높이는 20nm인 것을 특징으로 하는 인슐린 검출 센서.
The method of claim 3,
The diameter of the contact portion is 5 nm,
The diameter of the region formed by the two recognition sites is 15 nm,
Wherein the height of the insulin antibody is 20 nm.
제 3 항에 있어서,
상기 나노와이어는 실리콘으로 만들어지고,
상기 원통형 절연막은 SiO2, SiON, Si3N4, TiO2, HfO2, Al2O3 중 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 인슐린 검출 센서.The method of claim 3,
The nanowire is made of silicon,
Wherein the cylindrical insulating film is formed of one of SiO 2 , SiON, Si 3 N 4 , TiO 2 , HfO 2 , and Al 2 O 3 .
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