KR20200111524A - Flexible sensor based single crystal silicon and method for making the flexible sensor - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a flexible sensor based on single crystal silicon and a method of manufacturing the same. The present invention aims to provide the flexible sensor based on single crystal silicon and the method of manufacturing the same, which are able to simultaneously satisfy high performance and high flexibility based on a single crystal silicon technology. More specifically, the present invention aims to provide the flexible sensor based on single crystal silicon, which has a high flexibility to be smoothly installed even on a subject such as a probe for penetrating, which is very thin with around 1 mm of radius of curvature, acquires a properties measuring signal at a high sensitivity through a high-performance amplification circuit, and accordingly, measures various properties such as pressure, temperature, and pH with a high performance; and a method of manufacturing the same.

Description

단결정실리콘 기반 유연센서 및 그 제작방법 {Flexible sensor based single crystal silicon and method for making the flexible sensor}Single crystal silicon-based flexible sensor and method for making the same {Flexible sensor based single crystal silicon and method for making the flexible sensor}

본 발명은 단결정실리콘 기반 유연센서 및 그 제작방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기존의 플렉시블 전자 시스템의 성능 한계를 극복하여 고성능이면서도 고유연성의 성질을 가지는, 단결정실리콘 기반 유연센서 및 그 제작방법에 관한 것이다.The present invention relates to a single crystal silicon-based flexible sensor and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a single crystal silicon-based flexible sensor and a method of manufacturing the same, which has high performance and high flexibility by overcoming the performance limitations of the existing flexible electronic system. About.

스마트폰과 웨어러블 전자기기의 발전과 더불어 최근 플렉시블 디바이스에 대한 관심과 그 수요가 급격히 증가하고 있다. 단순하게 전자제품의 소형화와 고속화에 집중해 온 지금까지와는 다르게, 앞으로는 고정되고 딱딱한 형태를 벗어나, 인체를 포함한 다양한 부분에서 활용될 수 있는 플렉시블 형태의 전자기기가 필요할 것이며, 이를 바탕으로 한 플렉시블 전자 산업의 시장 규모는 폭발적으로 증가할 것으로 예상된다. 이러한 플렉시블 전자 산업에 있어서 플렉시블 센서의 중요성은 크게 대두되고 있으며, 이는 웨어러블 전자 기기뿐만 아니라 산업, 의료 등 다양한 분야에서 활용될 수 있기에 플렉시블 센서에 대한 시장 역시 앞으로도 크게 증가할 것으로 예상되고 있다.With the development of smart phones and wearable electronic devices, interest in and demand for flexible devices is increasing rapidly in recent years. Unlike the past, which has simply focused on miniaturization and high speed of electronic products, in the future, a flexible electronic device that can be used in various parts including the human body will be needed, and out of a fixed and rigid form. Is expected to increase explosively. In the flexible electronics industry, the importance of flexible sensors is increasing, and the market for flexible sensors is expected to increase significantly in the future as it can be used in various fields such as industrial and medical as well as wearable electronic devices.

이러한 시장 상황에 따라 향후 전자소자는 더욱 고성능이면서도 기계적으로 유연한 성질을 가지도록 발전되어야 할 필요성이 있으며, 따라서 전세계적으로 이에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 플렉시블 전자 소자 구현을 위해 많은 연구그룹들에 의해 기존 폴리머를 포함한 다양한 2차원 신물질 등이 연구되고 있지만, 유동성(mobility)이나 on/off 전류비(on/off current ratio, Ion/off)와 같은 전기적인 특성 측면이나, 그 외에 공정 측면 등에서도 여전히 개선되어야 할 부분이 많이 있다. 이로 인해 플렉시블 전자 소자에서 고성능 및 고유연성을 동시에 만족시키기가 어려운 한계가 있다.In accordance with this market situation, there is a need for future electronic devices to be developed to have more high performance and mechanically flexible properties, and thus, research on this has been actively conducted worldwide. Various two-dimensional new materials, including existing polymers, are being studied by many research groups to implement flexible electronic devices, but such as mobility and on/off current ratio (I on/off ) There are still many areas to be improved in terms of electrical properties and other processes. For this reason, it is difficult to simultaneously satisfy high performance and high flexibility in flexible electronic devices.

이를 극복하기 위해, 두께를 감소시킴으로써 유연성이 증가하는 기본적인 접근법을 바탕으로, 단결정실리콘을 이용하여 유연 소자를 구현하고자 하는 시도가 다양하게 있어 왔다. 이러한 단결정실리콘 멤브레인을 기반으로 다양한 플렉시블 센서가 개발되었으며, 다른 소재들에 비해 상당히 성공적인 결과가 보고되고 있지만, 제작방법으로부터 발생하는 적용 가능 공정의 한계(고성능 소자 구현을 위한 공정 수행 불가)로 인해 전기적 성능 측면에서 여전히 제한적이라는 점이 알려져 있다. 또한 단결정실리콘 기반의 고성능 유연 소자 구현을 위한 종래기술(선행기술문헌 1, 2)이 존재하지만, 트랜지스터 및 회로 제작에 한정되었다.In order to overcome this, there have been various attempts to implement a flexible device using single crystal silicon based on a basic approach of increasing flexibility by reducing the thickness. Various flexible sensors have been developed based on this single crystal silicon membrane, and quite successful results have been reported compared to other materials, but due to the limitations of the applicable process arising from the manufacturing method (the process cannot be performed to implement a high-performance device) It is known that it is still limited in terms of performance. In addition, there is a prior art (prior art documents 1 and 2) for implementing a high-performance flexible device based on single crystal silicon, but it has been limited to the fabrication of transistors and circuits.

1. 한국특허공개 제2013-0035704호("플렉서블 ＶＬＳＩ 소자 제조방법 및 이에 의하여 제조된 플렉서블 ＶＬＳＩ 소자", 2013.04.09)1. Korean Patent Publication No. 2013-0035704 ("Flexible VLSI device manufacturing method and flexible VLSI device manufactured thereby", 2013.04.09) 2. 한국특허공개 제2013-0092706호("플렉서블 소자 제조방법 및 이에 의하여 제조된 플렉서블 소자", 2013.08.21.)2. Korean Patent Publication No. 2013-0092706 ("Flexible device manufacturing method and flexible device manufactured thereby", 2013.08.21.)

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 단결정실리콘 기술을 기반으로 고성능 및 고유연성을 동시에 만족시킬 수 있는, 단결정실리콘 기반 유연센서 및 그 제작방법을 제공함에 있다. 보다 구체적으로는, 본 발명의 목적은, 예를 들어 곡률 반경 1mm 정도의 매우 가느다란 침습용 프로브와 같은 대상물에도 원활하게 설치되어 사용 가능할 만큼 고유연성을 가지며, 물성 측정 신호를 고성능 증폭회로를 통해 고민감도로 얻어냄에 따라 압력, 온도, pH 등과 같은 다양한 물성을 고성능으로 측정해 낼 수 있는, 단결정실리콘 기반 유연센서 및 그 제작방법을 제공함에 있다.Accordingly, the present invention was conceived to solve the problems of the prior art as described above, and an object of the present invention is a single crystal silicon-based flexible sensor that can simultaneously satisfy high performance and high flexibility based on single crystal silicon technology, and It is to provide the manufacturing method. More specifically, it is an object of the present invention, for example, has high flexibility so that it can be installed and used smoothly on an object such as a very thin invasive probe with a radius of curvature of about 1 mm, and the physical property measurement signal is transmitted through a high-performance amplification circuit. It is to provide a single crystal silicon-based flexible sensor and its manufacturing method that can measure various physical properties such as pressure, temperature, and pH with high performance as it is obtained with high sensitivity.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 단결정실리콘 기반 유연센서(100)는, 외부 환경조건 변화에 따른 저항값의 변화를 이용하여 환경조건을 측정하며, 단결정실리콘 층으로 형성되는 소자층(device layer, 111a)을 포함하는 센싱부(110); 상기 센싱부(110)에서 측정된 측정신호를 증폭하는 증폭부(120); 상기 증폭부(120)에서 증폭된 측정신호를 외부 장치로 출력하고, 외부 장치로부터 상기 증폭부(120)에 전력을 인가하도록, 외부 장치와 전기적으로 연결되는 연결부(130); 를 포함하며, 상기 센싱부(110), 상기 증폭부(120), 상기 연결부(130)가 박막형 유연기판 상에 형성된 집적회로 형태로 형성되어, 미리 결정된 곡률반경을 가지는 곡면 형태로 된 센서지지체(500)의 곡면 상에 부착될 수 있다.The single crystal silicon-based flexible sensor 100 of the present invention for achieving the above object measures environmental conditions using a change in resistance value according to changes in external environmental conditions, and an element layer formed of a single crystal silicon layer ( a sensing unit 110 including a device layer 111a; An amplification unit 120 amplifying the measurement signal measured by the sensing unit 110; A connector 130 electrically connected to an external device so as to output the measurement signal amplified by the amplification unit 120 to an external device and to apply power to the amplification unit 120 from the external device; Including, the sensing unit 110, the amplification unit 120, the connection unit 130 is formed in the form of an integrated circuit formed on a thin flexible substrate, a sensor support in the shape of a curved surface having a predetermined radius of curvature ( 500) can be attached to the curved surface.

이 때 상기 센싱부(110)는, 외부 환경 측을 상측, 상기 센서지지체(500) 측을 하측이라 할 때, 상기 소자층(111a), 상기 소자층(111a) 상면 일부에 형성되는 부동층(passivation layer, 111b)을 포함하는 소자부(111), 박막형 유연기판 형태로 상기 소자부(111) 하면에 형성되어 상기 소자부(111)를 지지하며 상기 센서지지체(500)에 둘러 부착되는 기판부(112)를 포함할 수 있다.In this case, when the external environment side is the upper side and the sensor support 500 side is the lower side, the sensing unit 110 is a passivation layer formed on a portion of the upper surface of the device layer 111a and the device layer 111a. The device part 111 including a layer 111b, a substrate part formed on the lower surface of the device part 111 in the form of a thin-film flexible substrate to support the device part 111 and attached to the sensor support 500 ( 112).

또한 상기 소자부(111)는, 상기 소자층(111a) 위치에 변형이 0이 되는 중성역학층(Neutral Mechanical Plane)이 위치하도록 형성될 수 있다.In addition, the device part 111 may be formed such that a neutral mechanical plane having zero deformation is located at the position of the device layer 111a.

또한 상기 소자부(111)는, 상기 소자층(111a) 하면에 형성되어 상기 소자층(111a) 및 상기 기판부(112) 사이에 개재되는 절연층(111c)을 포함할 수 있다.In addition, the device part 111 may include an insulating layer 111c formed on a lower surface of the device layer 111a and interposed between the device layer 111a and the substrate part 112.

또한 상기 기판부(112)는, 상기 소자부(111) 하면에 접착되어 상기 소자부(111)를 지지하는 접착층(112a), 상기 접착층(112a) 하면 및 상기 센서지지체(500) 외면 사이에 개재되어 상기 센서지지체(500)에 둘러 부착되는 지지층(112b)을 포함할 수 있다.In addition, the substrate part 112 is interposed between an adhesive layer 112a that is adhered to the lower surface of the element unit 111 to support the element unit 111, the lower surface of the adhesive layer 112a, and the outer surface of the sensor support 500 It may include a support layer (112b) surrounding and attached to the sensor support (500).

또한 상기 유연센서(100)는, 입력전압(Vin)이 입력되는 입력노드, 상기 소자층(111a)으로 형성되며 일측이 상기 입력노드와 연결되고 타측이 접지노드와 연결되는 센싱저항(Rsens), 일측이 상기 입력노드와 연결되어 상기 센싱저항(Rsens)과 직렬로 연결되고 타측에서 기준전압(VRR)이 출력되는 기준저항(Rref), 구동전압(VDD)이 입력되는 구동노드, 제1출력전압(Vout1)이 출력되는 제1출력노드, 베이스단자가 상기 입력노드와 연결되고 콜렉터단자가 상기 제1출력노드와 연결되고 이미터단자가 접지노드와 연결되는 제1트랜지스터(TR1), 일측이 상기 제1출력노드와 연결되어 상기 제1트랜지스터(TR1)의 콜렉터단자와 연결되고 타측이 상기 구동노드와 연결되는 제1부하저항(RL1), 제2출력전압(Vout2)이 출력되는 제2출력노드, 베이스단자가 상기 제1출력노드와 연결되고 콜렉터단자가 상기 제2출력노드와 연결되고 이미터단자가 접지노드와 연결되는 제2트랜지스터(TR2), 일측이 상기 제2출력노드와 연결되어 상기 제2트랜지스터(TR2)의 콜렉터단자와 연결되고 타측이 상기 구동노드와 연결되는 제2부하저항(RL2)을 포함할 수 있다.In addition, the flexible sensor 100, an input voltage (V in) is formed with an input node, wherein the device layer (111a) is entered and one side is connected to the input node, the sensing resistor the other side connected to the ground node (R sens ), one side is connected to the input node to be connected in series with the sensing resistor (R sens ), and a reference resistance (R ref ) and a driving voltage (V DD ) are input from the other side to which a reference voltage (V RR ) is output Node, a first output node to which a first output voltage (V out1 ) is output, a first transistor in which a base terminal is connected to the input node, a collector terminal is connected to the first output node, and an emitter terminal is connected to a ground node (TR 1 ), a first load resistance (R L1 ), a second output voltage having one side connected to the first output node and connected to the collector terminal of the first transistor (TR 1 ), and the other side connected to the driving node The second output node (V out2 ) is output, the base terminal is connected to the first output node, the collector terminal is connected to the second output node, and the emitter terminal is connected to the ground node (TR 2 ) , A second load resistor R L2 having one side connected to the second output node and connected to the collector terminal of the second transistor TR 2 and the other side connected to the driving node may be included.

이 때 상기 유연센서(100)는, 상기 센싱저항(Rsens)이 상기 센싱부(110)를 형성하고, 상기 기준저항(Rref), 상기 제1트랜지스터(TR1), 상기 제1부하저항(RL1), 상기 제2트랜지스터(TR2), 상기 제2부하저항(RL2)이 상기 증폭부(120)를 형성하고, 상기 입력노드, 상기 접지노드, 상기 구동노드, 상기 제1출력노드, 상기 제2출력노드가 상기 연결부(130)를 형성할 수 있다.In this case, the flexible sensor 100 includes the sensing resistor R sens forming the sensing unit 110, and the reference resistance R ref , the first transistor TR 1 , and the first load resistance (R L1 ), the second transistor (TR 2 ), and the second load resistor (R L2 ) form the amplification unit 120, and the input node, the ground node, the driving node, and the first output A node and the second output node may form the connection part 130.

또한 상기 유연센서(100)는, 외부 환경조건 중 압력을 측정하는 압력센서로서, 상기 센서지지체(500)가 내부에 미리 결정된 압력이 형성되는 압력공간(V)을 포함하며, 상기 센서지지체(500)의 상기 소자층(111a)에 상응하는 영역에 통공부(550)가 형성되어, 상기 소자층(111a)이 외부 환경 및 상기 압력공간(V) 간을 분리하는 격리막으로서 형성될 수 있다.In addition, the flexible sensor 100 is a pressure sensor for measuring pressure among external environmental conditions, and the sensor support 500 includes a pressure space V in which a predetermined pressure is formed therein, and the sensor support 500 ), the through hole 550 is formed in a region corresponding to the device layer 111a, so that the device layer 111a may be formed as an isolation layer separating the external environment and the pressure space V.

이 때 상기 유연센서(100)는, 외부 압력이 변화함에 따라 외부 환경 및 상기 압력공간(V) 간의 압력차에 의하여 상기 소자층(111a)의 형상이 변형됨으로써, 상기 소자층(111a) 형상 변형에 따른 저항값이 변화하는 정도를 이용하여 외부 압력이 변화하는 정도를 측정할 수 있다.At this time, the flexible sensor 100 deforms the shape of the element layer 111a by changing the shape of the element layer 111a due to a pressure difference between the external environment and the pressure space V as the external pressure changes. The degree of change in external pressure can be measured using the degree of change in the resistance value according to.

또한 상기 소자부(111)는, 상기 소자층(111a) 상면에 형성되어 상기 소자층(111a)을 보호하는 보호층(111d)를 포함할 수 있다.In addition, the device part 111 may include a protective layer 111d formed on an upper surface of the device layer 111a to protect the device layer 111a.

또는 상기 유연센서(100)는, 외부 환경조건 중 온도를 측정하는 온도센서로서, 상기 유연센서(100)의 제작 중 상기 소자부(111) 및 상기 기판부(112) 접착 시의 가열 및 상기 유연센서(100)의 제작 완료 시의 냉각 과정에 의해 발생되는 상기 소자부(111) 및 상기 기판부(112) 간의 열변형 차이에 의하여 상기 소자층(111a)에 초기변형이 인가되어(pre-strained), 상기 소자층(111a)이 압축변형된 상태로 형성될 수 있다.Alternatively, the flexible sensor 100 is a temperature sensor that measures a temperature among external environmental conditions, and heating and the flexible when bonding the element part 111 and the substrate part 112 during manufacture of the flexible sensor 100 An initial deformation is applied to the element layer 111a due to the difference in thermal deformation between the element unit 111 and the substrate unit 112 generated by a cooling process when the sensor 100 is manufactured. ), the device layer 111a may be formed in a compression-deformed state.

이 때 상기 유연센서(100)는, 외부 온도가 변화함에 따라 열변형에 의하여 상기 소자층(111a)의 형상이 변형됨으로써, 상기 소자층(111a)의 형상 변형에 따른 저항값이 변화하는 정도를 이용하여 외부 온도가 변화하는 정도를 측정할 수 있다.At this time, the flexible sensor 100 is configured to determine the degree of change in the resistance value according to the shape deformation of the element layer 111a by deforming the shape of the element layer 111a by thermal deformation as the external temperature changes. You can measure the degree to which the external temperature changes.

또한 상기 소자부(111)는, 상기 부동층(111b)이 상기 소자층(111a) 상면에 메쉬(mesh) 형태로 형성될 수 있다.In addition, in the device part 111, the passivation layer 111b may be formed in a mesh shape on an upper surface of the device layer 111a.

또한 상기 소자부(111)는, 상기 소자층(111a) 상면에 형성되어 상기 소자층(111a)을 보호하는 보호층(111d)를 포함할 수 있다.In addition, the device part 111 may include a protective layer 111d formed on an upper surface of the device layer 111a to protect the device layer 111a.

또는 상기 유연센서(100)는, 외부 환경조건 중 pH를 측정하는 pH센서로서, 외부 환경 중에 외부전극(555)이 형성될 수 있다.Alternatively, the flexible sensor 100 is a pH sensor that measures pH among external environmental conditions, and an external electrode 555 may be formed in the external environment.

이 때 상기 유연센서(100)는, 외부 pH가 변화함에 따라 상기 소자층(111a) 표면이 이온화되어 전하효과(charge effect)를 발생시킴으로써, 상기 소자층(111a)에서의 전하효과에 따른 저항값이 변화하는 정도를 이용하여 외부 pH가 변화하는 정도를 측정할 수 있다.At this time, the flexible sensor 100 generates a charge effect by ionizing the surface of the device layer 111a as the external pH changes, so that the resistance value according to the charge effect in the device layer 111a Using this degree of change, the degree to which the external pH changes can be measured.

또한 상기 소자부(111)는, 상기 소자층(111a)의 상면에 pH 검출을 위한 표면 개질이 이루어질 수 있다.In addition, the device part 111 may be surface-modified for pH detection on the upper surface of the device layer 111a.

또한 본 발명의 단결정실리콘 기반 유연센서의 제작방법은, 상술한 바와 같은 유연센서(100)를 제작하는 유연센서의 제작방법에 있어서, 순차적으로 적층된 하부실리콘층, 절연층(111c) 및 상부실리콘층으로 이루어진 SOI(Silicon-On-Insulator)의 상부실리콘층 상에 VLSI(Very-Large-Scale Integration) 소자인 상기 소자층(111a)이 형성되는 단계; 상기 상부실리콘층에 지지층이 접합되는 단계; 상기 SOI의 하부실리콘층이 제거되는 단계; 상기 지지층을 이용하여, 상기 소자층(111a)이 제조된 상기 상부실리콘층을 박막형 유연기판 형태로 된 기판부(112)에 전사되는 단계; 상기 소자층(111a) 상면 일부에 상기 부동층(111b)이 형성되는 단계; 상기 소자층(111a), 상기 부동층(111b), 상기 절연층(111c)로 이루어지는 소자부(111) 및 상기 기판부(112)로 이루어지는 유연센서(100)가 상기 센서지지체(500)의 곡면 상에 부착되는 단계; 를 포함할 수 있다.In addition, in the manufacturing method of the single crystal silicon-based flexible sensor of the present invention, in the manufacturing method of the flexible sensor for manufacturing the flexible sensor 100 as described above, a lower silicon layer, an insulating layer 111c, and an upper silicon layer are sequentially stacked. Forming the device layer 111a, which is a VLSI (Very-Large-Scale Integration) device, on an upper silicon layer of a layered SOI (Silicon-On-Insulator); Bonding a support layer to the upper silicon layer; Removing the lower silicon layer of the SOI; Transferring the upper silicon layer on which the device layer 111a is manufactured to a substrate portion 112 in the form of a thin-film flexible substrate using the support layer; Forming the passivation layer 111b on a portion of the upper surface of the device layer 111a; The device layer 111a, the passivation layer 111b, and the flexible sensor 100 including the device part 111 including the insulating layer 111c and the substrate part 112 are on the curved surface of the sensor support 500. Attaching to; It may include.

또한 상기 유연센서(100)는, 외부 환경조건 중 압력을 측정하는 압력센서로서, 상기 센서지지체(500)가 내부에 미리 결정된 압력이 형성되는 압력공간(V)을 포함하며, 상기 센서지지체(500)의 상기 소자층(111a)에 상응하는 영역에 통공부(550)가 형성되어, 상기 소자층(111a)이 외부 환경 및 상기 압력공간(V) 간을 분리하는 격리막으로서 형성되며, 상기 유연센서의 제작방법은, 상기 센서지지체(500)에 상기 압력공간(V) 및 상기 통공부(550)를 형성하는 단계; 를 포함할 수 있다.In addition, the flexible sensor 100 is a pressure sensor for measuring pressure among external environmental conditions, and the sensor support 500 includes a pressure space V in which a predetermined pressure is formed therein, and the sensor support 500 ), a through hole 550 is formed in a region corresponding to the device layer 111a, and the device layer 111a is formed as an isolation layer separating the external environment and the pressure space V, and the flexible sensor The manufacturing method of, forming the pressure space (V) and the through hole (550) in the sensor support (500); It may include.

이 때 상기 유연센서의 제작방법은, 상기 소자층(111a) 상면에 상기 소자층(111a)을 보호하는 보호층(111d)이 형성되는 단계; 를 포함할 수 있다.In this case, the manufacturing method of the flexible sensor includes: forming a protective layer 111d protecting the device layer 111a on an upper surface of the device layer 111a; It may include.

또는 상기 유연센서(100)는, 외부 환경조건 중 온도를 측정하는 온도센서로서, 상기 유연센서(100)의 제작 중 상기 소자부(111) 및 상기 기판부(112) 접착 시의 가열 및 상기 유연센서(100)의 제작 완료 시의 냉각 과정에 의해 발생되는 상기 소자부(111) 및 상기 기판부(112) 간의 열변형 차이에 의하여 상기 소자층(111a)에 초기변형이 인가되어(pre-strained), 상기 소자층(111a)이 압축변형된 상태로 형성되며, 상기 유연센서의 제작방법은, 상기 기판부(112) 상면에 상기 소자부(111)가 배치되는 단계; 상기 소자부(111) 및 상기 기판부(112)의 적층체가 가열되어 상기 소자부(111) 및 상기 기판부(112)가 접착되는 단계; 상기 소자부(111) 및 상기 기판부(112)의 적층체가 냉각되어 제작이 완료되되, 상기 소자부(111) 및 상기 기판부(112) 간의 열변형 차이에 의하여 상기 소자층(111a)에 초기변형이 인가되어(pre-strained), 상기 소자층(111a)이 압축변형된 상태로 형성되는 단계; 를 포함할 수 있다.Alternatively, the flexible sensor 100 is a temperature sensor that measures a temperature among external environmental conditions, and heating and the flexible when bonding the element part 111 and the substrate part 112 during manufacture of the flexible sensor 100 An initial deformation is applied to the element layer 111a due to the difference in thermal deformation between the element unit 111 and the substrate unit 112 generated by a cooling process when the sensor 100 is manufactured. ), the device layer 111a is formed in a compression-deformed state, and the manufacturing method of the flexible sensor includes the steps of disposing the device part 111 on the upper surface of the substrate part 112; Heating the stacked body of the element part 111 and the substrate part 112 to bond the element part 111 and the substrate part 112 to each other; Fabrication is completed by cooling the stack of the element unit 111 and the substrate unit 112, but the element layer 111a is initially formed by the difference in thermal deformation between the element unit 111 and the substrate unit 112 Pre-strained, and forming the device layer 111a in a compression-deformed state; It may include.

이 때 상기 유연센서의 제작방법은, 상기 소자층(111a) 상면에 상기 소자층(111a)을 보호하는 보호층(111d)이 형성되는 단계; 를 포함할 수 있다.In this case, the manufacturing method of the flexible sensor includes: forming a protective layer 111d protecting the device layer 111a on an upper surface of the device layer 111a; It may include.

또는 상기 유연센서(100)는, 외부 환경조건 중 pH를 측정하는 pH센서로서, 외부 환경 중에 외부전극(555)이 형성되며, 상기 유연센서의 제작방법은, 외부 환경 중에 상기 외부전극(555)이 배치되는 단계; 를 포함할 수 있다.Alternatively, the flexible sensor 100 is a pH sensor that measures pH among external environmental conditions, and an external electrode 555 is formed in the external environment, and the manufacturing method of the flexible sensor includes the external electrode 555 in the external environment. It is placed; It may include.

이 때 상기 유연센서의 제작방법은, 상기 소자층(111a)의 상면에 pH 검출을 위한 표면 개질이 이루어지는 단계; 를 포함할 수 있다.In this case, the method of manufacturing the flexible sensor includes the steps of performing surface modification for pH detection on the upper surface of the device layer 111a; It may include.

본 발명에 의하면, 유연센서에 있어서 단결정실리콘 기술을 기반으로 제작함으로써 고성능 및 고유연성을 동시에 만족시킬 수 있는 효과가 있다. 보다 구체적으로는, 본 발명에 의하면, 유연센서가 예를 들어 곡률 반경 1mm 정도의 매우 가느다란 침습용 프로브와 같은 대상물에도 원활하게 설치되어 사용 가능할 만큼 고유연성을 가지게 하는 효과가 있다. 또한 본 발명에 의하면, 유연센서가 물성 측정 신호를 고성능 증폭회로를 통해 고민감도로 얻어냄에 따라 압력, 온도, pH 등과 같은 다양한 물성을 고성능으로 측정해 낼 수 있게 하는 효과가 있다. 이러한 효과들로 인하여, 본 발명에 의하면, 특히 고성능, 고유연성 및 다기능의 전자 시스템이 요구되는 바이오메디칼 분야에서 매우 유용하게 활용될 수 있는 큰 효과가 있다.According to the present invention, there is an effect of simultaneously satisfying high performance and high flexibility by manufacturing a flexible sensor based on single crystal silicon technology. More specifically, according to the present invention, there is an effect that the flexible sensor has a high flexibility so that it can be smoothly installed and used even on an object such as a very thin invasive probe with a radius of curvature of about 1 mm. In addition, according to the present invention, as the flexible sensor obtains a physical property measurement signal with high sensitivity through a high-performance amplification circuit, there is an effect of enabling high-performance measurement of various physical properties such as pressure, temperature, and pH. Due to these effects, according to the present invention, there is a great effect that can be very usefully utilized in a biomedical field, in particular, in which high performance, high flexibility and multifunctional electronic systems are required.

도 1은 본 발명의 유연센서의 사시도.
도 2는 본 발명의 유연센서의 회로도.
도 3은 본 발명의 유연센서의 여러 실시예의 상면도.
도 4는 본 발명의 유연센서의 센싱부 단면도.
도 5는 본 발명의 압력센서의 사시도 및 상면도.
도 6은 본 발명의 압력센서의 센싱부 단면도.
도 7은 본 발명의 압력센서의 실험 사진.
도 8은 본 발명의 온도센서의 사시도 및 상면도.
도 9는 본 발명의 온도센서의 센싱부 단면도.
도 10은 본 발명의 온도센서의 센싱부의 전사 전/후 사진.
도 11은 본 발명의 pH센서의 사시도 및 상면도.
도 12는 본 발명의 pH센서의 센싱부 단면도.
도 13은 본 발명의 pH센서의 회로도.
도 14는 본 발명의 유연센서의 증폭특성 그래프.
도 15는 본 발명의 압력센서의 센서동작특성 그래프.
도 16은 본 발명의 압력센서의 압력변화에 따른 출력전압특성 그래프.
도 17은 본 발명의 온도센서의 센서동작특성 그래프.
도 18은 본 발명의 온도센서의 온도변화에 따른 출력전압특성 그래프.
도 19는 본 발명의 pH센서의 센서동작특성 그래프.
도 20은 본 발명의 pH센서의 pH변화에 따른 출력전압특성 그래프.1 is a perspective view of a flexible sensor of the present invention.
Figure 2 is a circuit diagram of the flexible sensor of the present invention.
Figure 3 is a top view of several embodiments of the flexible sensor of the present invention.
Figure 4 is a cross-sectional view of the sensing unit of the flexible sensor of the present invention.
Figure 5 is a perspective view and a top view of the pressure sensor of the present invention.
Figure 6 is a cross-sectional view of the sensing unit of the pressure sensor of the present invention.
7 is an experimental photograph of the pressure sensor of the present invention.
8 is a perspective view and a top view of the temperature sensor of the present invention.
9 is a cross-sectional view of a sensing unit of the temperature sensor of the present invention.
10 is a photograph before/after transfer of the sensing unit of the temperature sensor of the present invention.
11 is a perspective view and a top view of the pH sensor of the present invention.
12 is a cross-sectional view of a sensing unit of the pH sensor of the present invention.
13 is a circuit diagram of the pH sensor of the present invention.
14 is a graph of amplification characteristics of the flexible sensor of the present invention.
15 is a graph of sensor operation characteristics of the pressure sensor of the present invention.
16 is a graph of output voltage characteristics according to pressure change of the pressure sensor of the present invention.
17 is a graph of sensor operation characteristics of the temperature sensor of the present invention.
18 is a graph of output voltage characteristics according to temperature change of the temperature sensor of the present invention.
19 is a graph of sensor operation characteristics of the pH sensor of the present invention.
20 is a graph of output voltage characteristics according to pH change of the pH sensor of the present invention.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 단결정실리콘 기반 유연센서 및 그 제작방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, a single crystal silicon-based flexible sensor and a method of manufacturing the same according to the present invention having the configuration as described above will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

[1] 본 발명의 유연센서의 전체적인 구성 및 그 제작방법[1] The overall configuration of the flexible sensor of the present invention and its manufacturing method

1-1. 전체구성 및 회로구성1-1. Overall configuration and circuit configuration

도 1은 본 발명의 유연센서의 사시도를 도시하고 있다. 도 1(A)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 유연센서(100)는, 박막형 유연기판 상에 형성된 집적회로 형태로 형성되어, 미리 결정된 곡률반경을 가지는 곡면 형태로 된 센서지지체(500)의 곡면 상에 부착된 형태로 형성된다. 도 1(B)의 사진의 실시예에 보이는 바와 같이, 본 발명의 유연센서(100)는 지름(RB)이 1mm 정도인 아주 가느다란 대상물에도 매우 원활하게 부착이 가능하다. 즉 본 발명의 유연센서(100)는, 의학 분야에서 널리 사용되는 침습용 프로브 등에도 매우 용이하게 적용이 가능하다.1 shows a perspective view of the flexible sensor of the present invention. As shown in FIG. 1(A), the flexible sensor 100 of the present invention is formed in the form of an integrated circuit formed on a thin-film flexible substrate, and the sensor support 500 is formed in a curved shape having a predetermined radius of curvature. It is formed in a form attached to a curved surface. As shown in the embodiment of the photograph of Figure 1 (B), the flexible sensor 100 of the present invention can be attached very smoothly to a very thin object having a diameter (R B ) of about 1mm. That is, the flexible sensor 100 of the present invention can be applied very easily to an invasive probe, which is widely used in the medical field.

도 2는 본 발명의 유연센서의 회로도를, 도 3은 본 발명의 유연센서의 여러 실시예의 상면도를 도시하고 있다. 본 발명의 유연센서(100)는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 센싱부(110), 증폭부(120), 연결부(130)를 포함한다. 상기 센싱부(110)는 외부 환경조건 변화에 따른 저항값의 변화를 이용하여 환경조건을 측정하며, 단결정실리콘 층으로 형성되는 소자층(device layer, 111a)을 포함한다. 상기 증폭부(120)는 상기 센싱부(110)에서 측정된 측정신호를 증폭하는 역할을 하며, 상기 연결부(130)는 외부 장치와 전기적으로 연결되어, 상기 증폭부(120)에서 증폭된 측정신호를 외부 장치로 출력하고, 외부 장치로부터 상기 증폭부(120)에 전력을 인가하는 역할을 한다. 즉 상기 센싱부(110), 상기 증폭부(120), 상기 연결부(130)가 집적회로, 특히 초대규모 집적회로(VLSI, Very-Large-Scale Integration) 소자를 형성하는 것이다.Figure 2 is a circuit diagram of the flexible sensor of the present invention, Figure 3 shows a top view of several embodiments of the flexible sensor of the present invention. The flexible sensor 100 of the present invention includes a sensing unit 110, an amplifying unit 120, and a connection unit 130 as shown in FIGS. 2 and 3. The sensing unit 110 measures an environmental condition by using a change in a resistance value according to a change in an external environmental condition, and includes a device layer 111a formed of a single crystal silicon layer. The amplification unit 120 serves to amplify the measurement signal measured by the sensing unit 110, and the connection unit 130 is electrically connected to an external device, and the measurement signal amplified by the amplification unit 120 Outputs to an external device and applies power to the amplifying unit 120 from the external device. That is, the sensing unit 110, the amplification unit 120, and the connection unit 130 form an integrated circuit, particularly a very-large-scale integration (VLSI) device.

도 2의 회로도를 참조하여 본 발명의 유연센서(100) 각부의 구체적인 회로 구성을 살펴보면 다음과 같다. 먼저 상기 센싱부(110)는 센싱저항(Rsens)으로 형성된다. 또한 상기 증폭부(120)는 기준저항(Rref), 제1트랜지스터(TR1), 제1부하저항(RL1), 제2트랜지스터(TR2), 제2부하저항(RL2)으로 형성될 수 있다. 상기 연결부(130)는 입력노드, 접지노드, 구동노드, 제1출력노드, 제2출력노드로 형성될 수 있다. 즉 본 발명의 유연센서(100)는, 상기 센싱저항(Rsens) 및 상기 기준저항(Rref)이 실제 측정을 수행하는 부분(측정수행부, Readout part)을 구성하며, 나머지가 신호를 증폭하는 부분(신호증폭부, Amplification part)을 구성한다. 상기 측정수행부에서는 상기 센싱저항(Rsens) 및 상기 기준저항(Rref)이 직렬로 연결되어 전압분배기(voltage divider)와 같은 동작을 하며, 따라서 상기 센싱저항(Rsens)의 변화에 따른 전압의 변화를 얻을 수 있다. 또한 이 변화는 상기 신호증폭부의 입력전압으로 연결되어 최종적으로 증폭된 측정신호를 얻을 수 있다. 도 2의 실시예에서는 2차 증폭을 수행하도록 되어 있으나, 물론 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라서 3차 이상 증폭되도록 회로를 구성하여도 무방하다. 상기 유연센서(100) 회로의 각부를 이하에서 구체적으로 설명한다.A detailed circuit configuration of each part of the flexible sensor 100 of the present invention will be described with reference to the circuit diagram of FIG. 2. First, the sensing unit 110 is formed of a sensing resistor R sens . In addition, the amplification unit 120 is formed of a reference resistance (R ref ), a first transistor (TR 1 ), a first load resistance (R L1 ), a second transistor (TR 2 ), and a second load resistance (R L2 ). Can be. The connection unit 130 may be formed of an input node, a ground node, a driving node, a first output node, and a second output node. That is, in the flexible sensor 100 of the present invention, the sensing resistance (R sens ) and the reference resistance (R ref ) constitute a part (measurement performing part, Readout part) that performs actual measurement, and the rest amplify the signal. It constitutes a part (signal amplification part). In the measurement unit, the sensing resistance (R sens ) and the reference resistance (R ref ) are connected in series to operate like a voltage divider, so the voltage according to the change of the sensing resistance (R sens ) Change can be achieved. In addition, this change can be connected to the input voltage of the signal amplifying unit to obtain a finally amplified measurement signal. In the embodiment of FIG. 2, the second amplification is performed, but of course the present invention is not limited thereto, and a circuit may be configured to amplify the third or more as necessary. Each part of the circuit of the flexible sensor 100 will be described in detail below.

먼저 상기 측정수행부 부분에 해당하는 각부는 다음과 같다. 상기 입력노드에는 입력전압(Vin)이 입력된다. 상기 센싱저항(Rsens)은 상기 소자층(111a)으로 형성되며 일측이 상기 입력노드와 연결되고 타측이 접지노드와 연결된다. 상기 기준저항(Rref)은 일측이 상기 입력노드와 연결되어 상기 센싱저항(Rsens)과 직렬로 연결되고 타측에서 기준전압(VRR)이 출력된다.First, each part corresponding to the measurement performing part is as follows. An input voltage V in is input to the input node. The sensing resistor R sens is formed of the device layer 111a, and one side is connected to the input node and the other side is connected to a ground node. One side of the reference resistance R ref is connected to the input node and connected in series with the sensing resistor R sens , and a reference voltage V RR is output from the other side.

다음으로 상기 신호증폭부 중 1차 증폭이 이루어지는 부분에 해당하는 각부는 다음과 같다. 상기 구동노드에는 구동전압(VDD)이 입력되며, 상기 제1출력노드에서는 제1출력전압(Vout1)이 출력된다. 상기 제1트랜지스터(TR1)는 베이스단자가 상기 입력노드와 연결되고 콜렉터단자가 상기 제1출력노드와 연결되고 이미터단자가 접지노드와 연결된다. 상기 제1부하저항(RL1)은 일측이 상기 제1출력노드와 연결되어 상기 제1트랜지스터(TR1)의 콜렉터단자와 연결되고 타측이 상기 구동노드와 연결된다.Next, each of the signal amplification units corresponding to the first amplification part is as follows. A driving voltage V DD is input to the driving node, and a first output voltage V out1 is outputted from the first output node. The first transistor TR 1 has a base terminal connected to the input node, a collector terminal connected to the first output node, and an emitter terminal connected to a ground node. One side of the first load resistor R L1 is connected to the first output node and connected to the collector terminal of the first transistor TR 1 , and the other side is connected to the driving node.

마지막으로 상기 신호증폭부 중 2차 증폭이 이루어지는 부분에 해당하는 각부는 다음과 같다. 상기 제2출력노드에서는 제2출력전압(Vout2)이 출력된다. 상기 제2트랜지스터(TR2)는 베이스단자가 상기 제1출력노드와 연결되고 콜렉터단자가 상기 제2출력노드와 연결되고 이미터단자가 접지노드와 연결된다. 상기 제2부하저항(RL2)은 일측이 상기 제2출력노드와 연결되어 상기 제2트랜지스터(TR2)의 콜렉터단자와 연결되고 타측이 상기 구동노드와 연결된다.Finally, each part corresponding to the second amplification part of the signal amplification part is as follows. A second output voltage V out2 is output from the second output node. The second transistor TR 2 has a base terminal connected to the first output node, a collector terminal connected to the second output node, and an emitter terminal connected to a ground node. One side of the second load resistor R L2 is connected to the second output node and connected to the collector terminal of the second transistor TR 2 , and the other side is connected to the driving node.

도 3은 도 2와 같은 회로도를 실제로 구현한 실시예로서, 상기 센서지지체(500)가 곡률반경 1mm인 경우에도 상기 유연센서(100)를 원활하게 설치할 수 있게끔, 상기 유연센서(100)의 실제 폭을 2.2mm로 좁고 길게 설계하였다. 도 3(A)는 압력센서 및 온도센서의 실시예로서, 상기 센싱부(110)를 이루는 상기 센싱저항(Rsens)의 면적이 2mm×2mm가 되게 설계하였으며, 압력이나 온도 측정 시 상기 센싱저항(Rsens) 외의 다른 트랜지스터나 저항 등이 영향을 받지 않게 물리적인 격리(isolation)가 되도록, 상기 센싱부(110)가 상기 증폭부(120)와 멀리 떨어지도록 하였다(압력, 온도 측정 원리에 대해서는 이후 보다 상세히 설명한다). 도 3(B)는 pH센서의 실시예로서, pH 측정 시에는 화학적인 반응(chemical reaction)을 기반으로 동작하기 때문에 다른 트랜지스터나 저항 등이 그다지 영향을 받지 않으므로 물리적인 격리가 반드시 필요하지 않는 바, 고밀도의 집적(integrated)을 위하여 도 3(B)에 도시된 바와 같이 상기 센싱부(110) 및 상기 증폭부(120)가 밀접하게 배치되게 하였다(pH 측정 원리에 대해서도 역시 이후 보다 상세히 설명한다). 또한 압력이나 온도 측정 시에는 상기 센싱부(110)를 이루는 상기 센싱저항(Rsens)의 면적이 어느 정도 확보될 필요가 있으나, pH 측정 시에는 반드시 그럴 필요가 없기 때문에, pH센서의 실시예에서는 상기 센싱저항(Rsens)의 면적이 압력, 온도센서의 실시예에서보다 상대적으로 작게, 실시예에서는 200μm×200μm가 되게 설계하였다.FIG. 3 is an exemplary embodiment of the circuit diagram shown in FIG. 2, in which the flexible sensor 100 can be installed smoothly even when the sensor support 500 has a radius of curvature of 1 mm. It was designed to be narrow and long with a width of 2.2mm. 3(A) is an embodiment of a pressure sensor and a temperature sensor, and the sensing resistance R sens constituting the sensing unit 110 is designed to have an area of 2 mm×2 mm, and when measuring pressure or temperature, the sensing resistance In order to be physically isolated so that other transistors or resistances other than (R sens ) are not affected, the sensing unit 110 is made far away from the amplifying unit 120 (for the principle of measuring pressure and temperature, It will be described in more detail later). 3(B) shows an embodiment of a pH sensor, and since it operates based on a chemical reaction when measuring pH, physical isolation is not necessary because other transistors or resistances are not affected very much. , For high-density integration, the sensing unit 110 and the amplifying unit 120 are closely arranged as shown in Fig. 3(B) (the pH measurement principle will also be described later in more detail. ). In addition, when measuring pressure or temperature, it is necessary to secure an area of the sensing resistor (R sens ) forming the sensing unit 110 to some extent, but since it is not necessary to measure pH, in the embodiment of the pH sensor The sensing resistance (R sens ) was designed to have a relatively smaller area than in the example of the pressure and temperature sensor, and 200 μm×200 μm in the example.

1-2. 세부구성 및 그 제작방법1-2. Detailed composition and manufacturing method

도 3의 실시예로 보이는 바와 같이, 본 발명의 유연센서(100)는 초대규모 집적회로(VLSI) 소자 형태로 이루어지는 것으로서, 특히 상기 센싱부(110)를 포함하는 소자 부분이 단결정실리콘 층으로 형성된다. 상기 센싱부(110)를 이루는 상기 센싱저항(Rsens) 부분의 구체적이고 세부적인 구성을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.As shown in the embodiment of Figure 3, the flexible sensor 100 of the present invention is made in the form of an ultra-scale integrated circuit (VLSI) device, in particular, the device portion including the sensing unit 110 is formed of a single crystal silicon layer do. A detailed and detailed configuration of the sensing resistor R sens constituting the sensing unit 110 will be described in more detail as follows.

도 4는 본 발명의 유연센서의 센싱부 단면도, 보다 구체적으로는 상기 센싱저항(Rsens) 부분의 단면도를 도시하고 있다. 이하에서는 이해가 편리하도록 편의상 외부 환경 측을 상측, 상기 센서지지체(500) 측을 하측이라 한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 센싱부(110)는 소자부(111) 및 기판부(112)가 상하로 적층되어, 상기 기판부(112) 하면이 상기 센서지지체(500)에 부착된 형태로 이루어진다.4 is a cross-sectional view of a sensing unit of the flexible sensor of the present invention, more specifically, a cross-sectional view of the sensing resistor (R sens ). Hereinafter, for convenience of understanding, the external environment side is referred to as an upper side, and the sensor support 500 side is referred to as a lower side. As shown in FIG. 4, in the sensing unit 110, the element unit 111 and the substrate unit 112 are stacked up and down, and the lower surface of the substrate unit 112 is attached to the sensor support 500. Consists of

상기 소자부(111)는, (앞서 설명한) 외부 환경조건 변화에 따른 저항값의 변화를 이용하여 환경조건을 측정하며, 단결정실리콘 층으로 형성되는 상기 소자층(device layer, 111a), 상기 소자층(111a) 상면 일부에 형성되는 부동층(passivation layer, 111b)을 포함할 수 있다. 여기에 더하여 상기 소자부(111)는, 상기 소자층(111a) 하면에 형성되어 상기 소자층(111a) 및 상기 기판부(112) 사이에 개재되는 절연층(111c)을 더 포함할 수 있다.The device unit 111 measures an environmental condition by using a change in a resistance value according to a change in an external environmental condition (described above), and the device layer 111a formed of a single crystal silicon layer, the device layer (111a) A passivation layer 111b formed on a portion of the upper surface may be included. In addition, the device part 111 may further include an insulating layer 111c formed on a lower surface of the device layer 111a and interposed between the device layer 111a and the substrate part 112.

상기 기판부(112)는 박막형 유연기판 형태로 상기 소자부(111) 하면에 형성되어 상기 소자부(111)를 지지하며 상기 센서지지체(500)에 둘러 부착된다. 보다 구체적으로는, 상기 기판부(112)는, 상기 소자부(111) 하면에 접착되어 상기 소자부(111)를 지지하는 접착층(112a), 상기 접착층(112a) 하면 및 상기 센서지지체(500) 외면 사이에 개재되어 상기 센서지지체(500)에 둘러 부착되는 지지층(112b)을 포함할 수 있다.The substrate part 112 is formed on the lower surface of the device part 111 in the form of a thin-film flexible substrate, supports the device part 111 and is attached to the sensor support 500. More specifically, the substrate part 112 includes an adhesive layer 112a that is adhered to a lower surface of the element unit 111 to support the element unit 111, a lower surface of the adhesive layer 112a, and the sensor support 500 It may include a support layer (112b) is interposed between the outer surface is attached to the sensor support (500).

더불어 상기 각 층들의 두께를 결정함에 있어서, 먼저 고려해야 할 사항은 고유연성으로서, 이를 위해서는 각 층들이 가능한한 얇게 형성되는 것이 바람직하다. 한편 상기 소자층(111a)에서 실질적인 센싱이 일어나기 때문에 상기 유연센서(100)를 곡률반경이 높은 상기 센서지지체(500)에 부착하는 과정에서 상기 소자층(111a)에 불필요한 초기변형 등이 가해지지 않아야 한다. 이를 위해서 상기 소자부(111)의 상기 각 층들의 두께는, 상기 소자층(111a) 위치에 변형이 0이 되는 중성역학층(Neutral Mechanical Plane)이 위치하도록 결정되는 것이 바람직하다.In addition, in determining the thickness of each of the layers, the first consideration is high flexibility, and for this purpose, it is preferable that each layer is formed as thin as possible. Meanwhile, since actual sensing occurs in the device layer 111a, unnecessary initial deformation, etc., should not be applied to the device layer 111a in the process of attaching the flexible sensor 100 to the sensor support 500 having a high radius of curvature. do. To this end, it is preferable that the thickness of each of the layers of the device part 111 is determined such that a neutral mechanical plane having zero deformation is located at the position of the device layer 111a.

한편 도 4에서는 센싱을 위해 보호를 위한 층(capping layer)으로서 작용하는 상기 부동층(111b)의 일부를 제거하여 상기 소자층(111a) 상면 일부가 개방되게 하였는데, 이 경우 중성역학층이 상기 소자층(111a)에서 멀어지게 되기 때문에 상기 소자층(111a)에 더 많은 변형(strain)이 걸리게 된다. 이 때 상기 유연센서(100)가 압력센서로 사용될 경우, 압력센서로서의 상기 유연센서(100)는 물리적인 움직임을 기반으로 작동하기 때문에 이러한 구조가 오히려 적합하다고 할 수 있다. 또한 상기 센싱부(110)를 대면적으로 제작할 경우, 전사 후에 상기 소자층(111a)을 형성하는 단결정실리콘 층에 크랙(crack)이 쉽게 발생하기 때문에, 상기 부동층(111b)인 SU-8을 메쉬(mesh) 형태로 형성되게 하여 지지대 역할을 하게 할 수 있다. 이러한 여러 부가구조에 대해서는, 이후 압력센서, 온도센서, pH센서 실시예에서 보다 상세히 설명한다.Meanwhile, in FIG. 4, a part of the passivation layer 111b, which acts as a capping layer for sensing, is removed to open a part of the upper surface of the device layer 111a. In this case, the neutral mechanical layer is the device layer. Since it moves away from (111a), more strain is applied to the device layer (111a). In this case, when the flexible sensor 100 is used as a pressure sensor, since the flexible sensor 100 as a pressure sensor operates based on physical movement, it can be said that this structure is rather suitable. In addition, when the sensing unit 110 is fabricated in a large area, since cracks easily occur in the single crystal silicon layer forming the device layer 111a after transfer, the floating layer 111b, which is the SU-8, is meshed. It can be formed in (mesh) form to serve as a support. These additional structures will be described in more detail in the following examples of the pressure sensor, temperature sensor, and pH sensor.

앞서 설명한 바와 같이, 상기 센싱부(110)는 단결정실리콘 층으로 형성되는 상기 소자층(111a)을 포함한다. 이와 같은 구조를 제작하는 방법을 상세히 설명하자면 다음과 같다.As described above, the sensing unit 110 includes the device layer 111a formed of a single crystal silicon layer. A detailed description of a method of manufacturing such a structure is as follows.

먼저 순차적으로 적층된 하부실리콘층, 절연층(111c) 및 상부실리콘층으로 이루어진 SOI(Silicon-On-Insulator)의 상부실리콘층 상에 VLSI(Very-Large-Scale Integration) 소자인 상기 소자층(111a)이 형성되게 한다. 도 3의 실시예 제작 시에는, 고성능의 반도체 소자 제작을 위해 SOI 웨이퍼(Silicon on insulator wafer) 를 사용하였으며, 이 때 상기 SOI 웨이퍼의 상기 상부실리콘층(Top Si)의 두께는 30nm, 절연층(111c, BOX, Buried oxide)의 두께는 140 nm, 하부실리콘층(Handling Si)의 두께는 700μm로 형성하였다. 상기 상부실리콘층(Top Si)의 두께는 30nm 이하여야 완전소모(fully-depletion) 동작을 하는 고성능 FD-SOI MOSFET 제작이 가능하다. 상기 절연층(111c, BOX)은 절연막 및 에칭 경계(etch stop) 역할을 하며 따라서 140nm보다 두꺼워도 좋지만, 너무 두꺼우면 소자의 유연성에 영향을 주기 때문에 적절한 범위의 두께(50nm ~ 1μm)를 가져야 한다. 더불어 상기 센싱저항(Rsens) 외의 다른 저항이나 트랜지스터, 이들을 연결하기 위한 금속 배선들(metal lines) 등의 부분은, 일반적인 CMOS 반도체 공정(Dry etching, lithography, ion implantation, annealing etc)을 활용하여 SOI 웨이퍼 상에 제작되게 하였으며, 이러한 공정은 일반적으로 널리 잘 알려져 있으므로 여기에서는 상세한 설명은 생략한다.First, the device layer 111a, which is a VLSI (Very-Large-Scale Integration) device, on the upper silicon layer of a silicon-on-insulator (SOI) consisting of a lower silicon layer, an insulating layer 111c, and an upper silicon layer sequentially stacked. ) Is formed. In the fabrication of the embodiment of FIG. 3, a silicon on insulator wafer was used to fabricate a high-performance semiconductor device, and at this time, the thickness of the upper silicon layer (Top Si) of the SOI wafer was 30 nm, and the insulating layer ( 111c, BOX, buried oxide) had a thickness of 140 nm, and the lower silicon layer (Handling Si) had a thickness of 700 μm. When the thickness of the top silicon layer (Top Si) is 30 nm or less, it is possible to manufacture a high-performance FD-SOI MOSFET that performs a fully-depletion operation. The insulating layer 111c, BOX serves as an insulating film and an etch stop, and therefore may be thicker than 140nm, but too thick affects the flexibility of the device, so it must have an appropriate range of thickness (50nm ~ 1μm). . In addition, parts such as resistors or transistors other than the sensing resistor (R sens ), metal lines for connecting them, etc. are SOI using a general CMOS semiconductor process (dry etching, lithography, ion implantation, annealing, etc.). It was made to be fabricated on a wafer, and since this process is generally well known, a detailed description is omitted here.

회로 제작을 위한 모든 CMOS 공정이 완료된 후에는, 상기 상부실리콘층에 지지층이 접합되게 한 후, 상기 SOI의 하부실리콘층이 제거되게 한다. 도 3의 실시예 제작 시에는, 상기 하부실리콘층(handling Si)을 TMAH(Tetramethyl ammonium hydroxide) 용액을 이용하여 에칭함으로써 제거하였다.After all the CMOS processes for circuit fabrication are completed, the support layer is bonded to the upper silicon layer, and then the lower silicon layer of the SOI is removed. In the fabrication of the example of FIG. 3, the lower silicon layer (handling Si) was removed by etching using a TMAH (tetramethyl ammonium hydroxide) solution.

다음으로 상기 지지층을 이용하여, 상기 소자층(111a)이 제조된 상기 상부실리콘층을 박막형 유연기판 형태로 된 기판부(112)에 전사되게 한다. 도 3의 실시예 제작 시에는, 상기 기판부(112)가 PDMS(Polydimethylsiloxane)/PI(Polyimide) 필름으로 이루어지도록 하였다. 이 때 PDMS층이 앞서 설명한 상기 접착층(112a)이 되며, PI층이 앞서 설명한 상기 지지층(112b)이 된다. PDMS/PI 필름에 전사 시에는 높은 접착성을 위해 핫플레이트를 이용하여 90℃의 온도 하에서 부착한다. 더불어 상기 기판부(112)는, 고유연성을 위해 두께를 얇게 함과 동시에 변형(strain)이 0이 되는 중성역학층(Neutral mechanical plane)이 상기 소자층(111a)에 위치하게끔, PDMS/PI 필름이 각각 약 10 μm/2.2 μm두께로 형성되게 하였다.Next, by using the support layer, the upper silicon layer on which the device layer 111a is manufactured is transferred to the substrate portion 112 in the form of a thin-film flexible substrate. When fabricating the example of FIG. 3, the substrate portion 112 was made of a PDMS (Polydimethylsiloxane)/PI (Polyimide) film. At this time, the PDMS layer becomes the adhesive layer 112a described above, and the PI layer becomes the support layer 112b described above. When transferring to a PDMS/PI film, it is attached at a temperature of 90°C using a hot plate for high adhesion. In addition, the substrate part 112 is a PDMS/PI film such that a neutral mechanical plane whose strain is zero while being thin for high flexibility is positioned on the device layer 111a. Each of these was formed to be about 10 μm/2.2 μm thick.

다음으로 상기 소자층(111a) 상면 일부에 상기 부동층(111b)이 형성되게 한다. 도 3의 실시예 제작 시에는, 부동태화(passivation)를 위한 상기 부동층(111b)으로서 8μm두께의 SU-8이 사용되었으며, 또한 상기 하부실리콘층(handling Si) 에칭 시 상기 소자층(111a)을 보호하기 위해 Protek B3(Brewer Science Inc) 폴리머를 활용하였다.Next, the passivation layer 111b is formed on a part of the upper surface of the device layer 111a. In the fabrication of the example of FIG. 3, an 8 μm thick SU-8 was used as the passivation layer 111b for passivation, and the device layer 111a was formed when etching the lower silicon layer (handling Si). To protect, Protek B3 (Brewer Science Inc) polymer was used.

이처럼 상기 소자층(111a), 상기 부동층(111b), 상기 절연층(111c)로 이루어지는 소자부(111) 및 상기 기판부(112)로 이루어지는 상기 유연센서(100)가 상기 센서지지체(500)의 곡면 상에 부착되게 함으로써, 본 발명의 유연센서(100)의 제작이 완료된다. 도 3의 실시예 제작 시에는, 상술한 바와 같이 PDMS/PI 필름에 전사된 회로를 생체적합 플라스틱인 PP(polypropylene) 재질의 막대에 실리콘(silicone), 에폭시(epoxy) 접착제를 이용하여 부착하였다. 즉 상기 플라스틱 막대가 상기 센서지지체(500)가 되며, 상기 플라스틱 막대의 곡률 반경은 약 1mm가 되게 하였다.In this way, the flexible sensor 100 made of the element part 111 made of the element layer 111a, the passivation layer 111b, and the insulating layer 111c and the substrate part 112 is formed of the sensor support 500. By being attached to the curved surface, the fabrication of the flexible sensor 100 of the present invention is completed. In the fabrication of the example of FIG. 3, as described above, the circuit transferred to the PDMS/PI film was attached to a rod made of polypropylene (PP), which is a biocompatible plastic, using a silicone or epoxy adhesive. That is, the plastic rod becomes the sensor support 500, and the radius of curvature of the plastic rod is about 1 mm.

[2] 본 발명의 유연센서의 실시예 및 그 제작방법 : 압력/온도/pH[2] Example of the flexible sensor of the present invention and its manufacturing method: pressure/temperature/pH

2-1. 압력센서 및 그 제작방법2-1. Pressure sensor and its manufacturing method

도 5는 본 발명의 압력센서의 사시도 및 상면도를, 도 6은 본 발명의 압력센서의 센싱부 단면도를 도시한다. 또한 도 7은 본 발명의 압력센서의 실험 사진을 도시한다. 본 실시예에서는 상기 유연센서(100)가 외부 환경조건 중 압력을 측정하는 압력센서로서, 상기 센싱부(110)의 구조는 도 4의 실시예를 기반으로 하되, 압력의 원활한 측정을 위하여 다음과 같은 구성들을 더 포함한다.5 is a perspective view and a top view of the pressure sensor of the present invention, Figure 6 is a cross-sectional view of the sensing unit of the pressure sensor of the present invention. In addition, Figure 7 shows an experimental photograph of the pressure sensor of the present invention. In this embodiment, the flexible sensor 100 is a pressure sensor that measures pressure among external environmental conditions, and the structure of the sensing unit 110 is based on the embodiment of FIG. 4, but for smooth measurement of pressure, the following It includes more of the same components.

상기 유연센서(100)가 압력센서일 경우, 상기 센서지지체(500)가 내부에 미리 결정된 압력이 형성되는 압력공간(V)을 포함하며, 상기 센서지지체(500)의 상기 소자층(111a)에 상응하는 영역에 통공부(550)가 형성된다. 이에 따라 상기 소자층(111a)이 외부 환경 및 상기 압력공간(V) 간을 분리하는 격리막으로서 형성된다. 실험 시에는, 도 7의 실험사진을 참조하면, 생체적합 플라스틱인 PP 막대를 상기 센서지지체(500)로서 적용하였으며, PET병에 물이 담긴 상태에서 병을 고무마개로 막고, 튜브를 통해 주사기(syringe)와 압력계(pressure meter)를 연결시켜 병 내부의 압력을 조절할 수 있도록 하였다. 또한 상기 센서지지체(500)의 압력공간(V)은 일측이 개방되어 대기압과 평형을 이루도록 하여, 즉 상기 압력공간(V)이 1기압을 유지하도록 하였다. 물론 이는 하나의 실시예일 뿐으로, 상기 센서지지체(500)의 압력공간(V) 역시 주사기, 압력계 등을 연결하여 원하는 대로 압력을 조절하게 형성하여도 무방하다.When the flexible sensor 100 is a pressure sensor, the sensor support 500 includes a pressure space V in which a predetermined pressure is formed, and the element layer 111a of the sensor support 500 The through hole 550 is formed in the corresponding region. Accordingly, the device layer 111a is formed as an isolation layer separating the external environment and the pressure space V. At the time of the experiment, referring to the experimental photo of FIG. 7, a PP rod, which is a biocompatible plastic, was applied as the sensor support 500, and the bottle was closed with a rubber stopper while water is contained in the PET bottle, and a syringe (syringe) through the tube. ) And a pressure meter to control the pressure inside the bottle. In addition, one side of the pressure space V of the sensor support 500 is opened to achieve equilibrium with atmospheric pressure, that is, the pressure space V maintains 1 atmosphere. Of course, this is only one embodiment, and the pressure space V of the sensor support 500 may also be formed to control the pressure as desired by connecting a syringe, a pressure gauge, and the like.

이와 같은 구성으로 이루어진 압력센서로서의 상기 유연센서(100)는, 외부 압력이 변화함에 따라 외부 환경 및 상기 압력공간(V) 간의 압력차에 의하여 상기 소자층(111a)의 형상이 변형됨으로써, 상기 소자층(111a) 형상 변형에 따른 저항값이 변화하는 정도를 이용하여 외부 압력이 변화하는 정도를 측정한다. 실험 시에는, 도 7의 실험사진 설명에서와 같이 셋업된 환경에서, PET병 내부 수압이 변하게 되면, 상기 압력공간(V) 내의 압력은 1기압으로 유지 중이기 때문에, 상기 통공부(550) 상에 형성된 상기 소자층(111a)이 상하 방향으로 움직이게 된다. 이러한 움직임은 특히 상기 소자층(111a)이 크게 휘어지는 가장자리(edge) 부분에서 큰 변형(strain)을 유발하며, 이는 곧 상기 소자층(111a), 즉 상기 센싱저항(Rsens)의 저항값 변화로 나타나게 된다.The flexible sensor 100 as a pressure sensor made in such a configuration, by changing the shape of the element layer 111a by the pressure difference between the external environment and the pressure space (V) as the external pressure changes, the element The degree of change in the external pressure is measured using the degree of change in the resistance value according to the shape deformation of the layer 111a. During the experiment, when the water pressure inside the PET bottle changes in the environment set up as in the experimental photo description of FIG. 7, since the pressure in the pressure space V is maintained at 1 atm, on the through hole 550 The formed device layer 111a moves in the vertical direction. This movement in particular causes a large strain at the edge portion where the device layer 111a is bent greatly, which is due to a change in the resistance value of the device layer 111a, that is, the sensing resistor R sens . Will appear.

한편 상기 유연센서(100)가 압력센서로 활용될 경우, 상술한 바와 같이 상기 유연센서(100)는 외부 압력의 변화로 인하여 물리적으로 변형이 일어남으로써 압력을 측정하게 된다. 따라서 상기 유연센서(100)의 상기 소자층(111a)이 반드시 외부 환경에 노출되어야만 하지는 않는다. 이에 따라 상기 소자부(111)는, 상기 소자층(111a) 상면에 형성되어 상기 소자층(111a)을 보호하는 보호층(111d)를 포함하는 것이 바람직하다. 도 6의 실시예에서는 상기 보호층(111d)으로서 PDMS 필름이 사용된 예시를 도시하고 있다.Meanwhile, when the flexible sensor 100 is used as a pressure sensor, as described above, the flexible sensor 100 measures the pressure by physically deforming due to a change in external pressure. Therefore, the device layer 111a of the flexible sensor 100 does not necessarily have to be exposed to an external environment. Accordingly, it is preferable that the device part 111 includes a protective layer 111d formed on an upper surface of the device layer 111a to protect the device layer 111a. 6 illustrates an example in which a PDMS film is used as the protective layer 111d.

상기 유연센서(100)가 압력센서인 경우 그 제작방법에 대하여 간략히 설명하자면, 앞서 설명한 상기 유연센서(100)의 제작방법을 그대로 수행하되, 상기 센서지지체(500)에 상기 압력공간(V) 및 상기 통공부(550)를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한 부가적으로, 상기 소자층(111a) 상면에 상기 소자층(111a)을 보호하는 보호층(111d)이 형성되는 단계를 더 포함할 수 있다.When the flexible sensor 100 is a pressure sensor, briefly explaining the manufacturing method thereof, the manufacturing method of the flexible sensor 100 described above is performed as it is, but the pressure space (V) and the pressure space (V) in the sensor support 500 The step of forming the through hole 550 may be further included. In addition, a step of forming a protective layer 111d protecting the device layer 111a on the upper surface of the device layer 111a may be further included.

2-2. 온도센서 및 그 제작방법2-2. Temperature sensor and its manufacturing method

도 8은 본 발명의 온도센서의 사시도 및 상면도를, 도 9는 본 발명의 온도센서의 센싱부 단면도를 도시한다. 본 실시예에서는 상기 유연센서(100)가 외부 환경조건 중 온도를 측정하는 온도센서로서, 상기 센싱부(110)의 구조는 도 4의 실시예를 기반으로 하되, 온도의 원활한 측정을 위하여 다음과 같은 구성들을 더 포함한다.8 is a perspective view and a top view of the temperature sensor of the present invention, Figure 9 is a cross-sectional view of the sensing unit of the temperature sensor of the present invention. In this embodiment, the flexible sensor 100 is a temperature sensor that measures temperature among external environmental conditions, and the structure of the sensing unit 110 is based on the embodiment of FIG. 4, but for smooth measurement of the temperature, It includes more of the same components.

상기 유연센서(100)가 온도센서일 경우, 상기 유연센서(100)의 제작 중 상기 소자부(111) 및 상기 기판부(112) 접착 시의 가열 및 상기 유연센서(100)의 제작 완료 시의 냉각 과정에 의해 발생되는 상기 소자부(111) 및 상기 기판부(112) 간의 열변형 차이에 의하여 상기 소자층(111a)에 초기변형이 인가되어(pre-strained), 상기 소자층(111a)이 압축변형된 상태로 형성된다. 실험 시에는, 앞서의 압력센서의 실시예와 유사하게 환경을 셋업하되, 상기 센서지지체(500)인 PP 막대에 상기 통공부(550)가 형성되지 않도록 하였다. 부연하자면 도 9에서는 상기 센서지지체(500) 내부에 공간이 형성되어 있는 것으로 도시되었으나, 상기 유연센서(100)가 온도센서로 작용할 경우에는 상기 센서지지체(500) 내부공간의 유무가 센서 동작과 무관하므로, 상기 센서지지체(500) 내부가 완전히 꽉 차 있는 형태여도 무방하다. 또한 효과적인 센싱을 위하여 단결정실리콘 층이 보다 많이 노출되도록, 상기 부동층(111b)으로서 작용하는 SU-8이 상기 소자층(111a) 상면에 메쉬(mesh) 형태로 형성되게 하였다.When the flexible sensor 100 is a temperature sensor, heating at the time of bonding the element part 111 and the substrate part 112 during fabrication of the flexible sensor 100 and completion of fabrication of the flexible sensor 100 An initial strain is applied (pre-strained) to the device layer 111a due to the difference in thermal strain between the device part 111 and the substrate part 112 generated by a cooling process, so that the device layer 111a is It is formed in a compression-deformed state. In the experiment, the environment was set up similar to the embodiment of the pressure sensor above, but the through hole 550 was not formed in the PP rod, which is the sensor support 500. Incidentally, in FIG. 9, it is shown that a space is formed inside the sensor support 500, but when the flexible sensor 100 acts as a temperature sensor, the presence or absence of the internal space of the sensor support 500 is irrelevant to the sensor operation. Therefore, the sensor support 500 may be a form in which the interior is completely full. In addition, for effective sensing, SU-8 serving as the passivation layer 111b was formed in a mesh shape on the upper surface of the device layer 111a so that the single crystal silicon layer was more exposed.

이와 같은 구성으로 이루어진 온도센서로서의 상기 유연센서(100)는, 외부 온도가 변화함에 따라 열변형에 의하여 상기 소자층(111a)의 형상이 변형됨으로써, 상기 소자층(111a)의 형상 변형에 따른 저항값이 변화하는 정도를 이용하여 외부 온도가 변화하는 정도를 측정한다. 보다 구체적으로 설명하기 위해 도 10의 본 발명의 온도센서의 센싱부의 전사 전/후 사진을 참조한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 전사 후에 단결정실리콘 층으로 형성되는 상기 소자층(111a)에는 상당한 주름이 발생한다. 앞서 간략히 설명한 바와 같이, 제작 과정에서 (단결정실리콘으로 된) 상기 소자층(111a)을 (PDMS/PI 필름으로 된) 상기 기판부(112)에 부착하는 과정에서, PDMS의 높은 CTE(Coefficient of temperature expansion)값으로 인해 크게 팽창된 PDMS가 접착공정 후 냉각 시 다시 수축함으로 인해 상기 소자층(111a)에 큰 압축변형(compressive strain)이 인가되었기 때문이다. 즉 상기 유연센서(100)가 온도센서일 경우, 상기 소자층(111a)은 디폴트 상태가 압축변형이 가해져 있는 상태가 된다. 외부 온도가 증가하면 상기 기판부(112)를 구성하는 PDMS가 또다시 크게 열팽창을 함에 따라 상기 소자층(111a)에 인가된 압축변형이 완화되며, 이는 곧 상기 소자층(111a), 즉 상기 센싱저항(Rsens)의 저항값 변화로 나타나게 된다. 특히 본 발명에서 상기 소자층(111a)은 단결정실리콘 층으로 이루어지는데, 단결정실리콘 층의 저항 변화는 일반적인 실리콘의 온도에 대한 저항변화율(0.3 ~ 0.7%)에 비해 훨씬 크기 때문에 고성능 및 고유연성을 갖춘 온도센서 구현이 가능하다.The flexible sensor 100 as a temperature sensor configured as described above has the resistance according to the shape deformation of the element layer 111a by deforming the shape of the element layer 111a by thermal deformation as the external temperature changes. The degree of change in the external temperature is measured using the degree of change in the value. For a more detailed description, refer to a picture before/after transfer of the sensing unit of the temperature sensor of FIG. 10. As shown in FIG. 10, significant wrinkles occur in the device layer 111a formed of a single crystal silicon layer after transfer. As briefly described above, in the process of attaching the device layer 111a (made of single crystal silicon) to the substrate part 112 (made of PDMS/PI film) in the manufacturing process, the high coefficient of temperature (CTE) of PDMS This is because a large compressive strain was applied to the device layer 111a because the PDMS, which was greatly expanded due to the value of expansion), contracted again when cooling after the bonding process. That is, when the flexible sensor 100 is a temperature sensor, the element layer 111a is in a state in which compression deformation is applied as a default state. When the external temperature increases, the compressive strain applied to the device layer 111a is alleviated as the PDMS constituting the substrate part 112 undergoes a large thermal expansion again, which means that the device layer 111a, that is, the sensing It appears as a change in the resistance value of the resistance (R sens ). In particular, in the present invention, the device layer 111a is made of a single crystal silicon layer.Since the resistance change of the single crystal silicon layer is much larger than that of a general silicon temperature (0.3 to 0.7%), it has high performance and high flexibility. It is possible to implement a temperature sensor.

한편 상기 유연센서(100)가 온도센서로 활용될 경우, 상술한 바와 같이 상기 유연센서(100)는 외부 온도의 변화로 인하여 열변형이 일어남으로써 온도를 측정하게 된다. 따라서 앞서의 압력센서에서와 마찬가지로, 상기 유연센서(100)의 상기 소자층(111a)이 반드시 외부 환경에 노출되어야만 하지는 않는다. 이에 따라 상기 소자부(111)는, 상기 소자층(111a) 상면에 형성되어 상기 소자층(111a)을 보호하는 보호층(111d)를 포함하는 것이 바람직하다. 도 9의 실시예에서는 상기 보호층(111d)으로서 PDMS 필름이 사용된 예시를 도시하고 있다.On the other hand, when the flexible sensor 100 is used as a temperature sensor, as described above, the flexible sensor 100 measures the temperature as thermal deformation occurs due to a change in external temperature. Therefore, as in the above pressure sensor, the element layer 111a of the flexible sensor 100 does not necessarily have to be exposed to the external environment. Accordingly, it is preferable that the device part 111 includes a protective layer 111d formed on an upper surface of the device layer 111a to protect the device layer 111a. 9 illustrates an example in which a PDMS film is used as the protective layer 111d.

상기 유연센서(100)가 온도센서인 경우 그 제작방법에 대하여 간략히 설명하자면, 앞서 설명한 상기 유연센서(100)의 제작방법을 그대로 수행하면 되는데, 이 때 상기 소자층(111a)의 압축변형을 유발하는 소자층-기판부 간 접착과정을 보다 상세히 설명하자면 다음과 같다. 먼저 상기 기판부(112) 상면에 상기 소자부(111)가 배치된 후, 상기 소자부(111) 및 상기 기판부(112)의 적층체가 가열되어 상기 소자부(111) 및 상기 기판부(112)가 접착된다. 이 때 상기 기판부(112)가 상기 소자부(111)보다 훨씬 큰 열변형이 일어난다. 다음으로 상기 소자부(111) 및 상기 기판부(112)의 적층체가 냉각되어 제작이 완료되되, 상기 소자부(111) 및 상기 기판부(112) 간의 열변형 차이에 의하여 상기 소자층(111a)에 초기변형이 인가되어(pre-strained), 상기 소자층(111a)이 압축변형된 상태로 형성되게 된다. 또한 부가적으로, 상기 소자층(111a) 상면에 상기 소자층(111a)을 보호하는 보호층(111d)이 형성되는 단계를 더 포함할 수 있다.When the flexible sensor 100 is a temperature sensor, briefly explaining the manufacturing method thereof, the manufacturing method of the flexible sensor 100 described above may be performed as it is, which induces compression deformation of the element layer 111a. A more detailed description of the bonding process between the device layer and the substrate is as follows. First, the element unit 111 is disposed on the upper surface of the substrate unit 112, and then the stack of the element unit 111 and the substrate unit 112 is heated, so that the element unit 111 and the substrate unit 112 ) Is glued. In this case, the substrate part 112 undergoes a much larger thermal deformation than the element part 111. Next, manufacturing is completed by cooling the stacked body of the element part 111 and the substrate part 112, but the element layer 111a is formed by a difference in thermal deformation between the element part 111 and the substrate part 112. An initial strain is applied to the device (pre-strained), so that the device layer 111a is formed in a compressively strained state. In addition, a step of forming a protective layer 111d protecting the device layer 111a on the upper surface of the device layer 111a may be further included.

2-3. pH센서 및 그 제작방법2-3. pH sensor and its manufacturing method

도 11은 본 발명의 pH센서의 사시도 및 상면도를, 도 12는 본 발명의 pH센서의 센싱부 단면도를 도시한다. 본 실시예에서는 상기 유연센서(100)가 외부 환경조건 중 pH를 측정하는 pH센서로서, 상기 센싱부(110)의 구조는 도 4의 실시예를 기반으로 하되, pH의 원활한 측정을 위하여 다음과 같은 구성들을 더 포함한다.11 is a perspective view and a top view of the pH sensor of the present invention, Figure 12 is a cross-sectional view of the sensing unit of the pH sensor of the present invention. In this embodiment, the flexible sensor 100 is a pH sensor that measures pH among external environmental conditions, and the structure of the sensing unit 110 is based on the embodiment of FIG. 4, but for smooth measurement of pH, the following It includes more of the same components.

상기 유연센서(100)가 pH센서일 경우, 외부 환경 중에 외부전극(555)이 형성된다. 실험 시에는, 앞서의 온도센서의 실시예와 유사하게 환경을 셋업하되, PET병 내에 미리 pH 값을 알고 있는 pH표준용액(pH buffer solution)을 수용시켰으며, 또한 상기 외부전극(555)으로서 Ag/AgCl 전극을 사용하였다.When the flexible sensor 100 is a pH sensor, an external electrode 555 is formed in an external environment. During the experiment, the environment was set up similar to the embodiment of the temperature sensor above, but a pH buffer solution with a known pH value was accommodated in the PET bottle, and Ag as the external electrode 555 /AgCl electrode was used.

이와 같은 구성으로 이루어진 pH센서로서의 상기 유연센서(100)는, 외부 pH가 변화함에 따라 상기 소자층(111a) 표면이 이온화되어 전하효과(charge effect)를 발생시킴으로써, 상기 소자층(111a)에서의 전하효과에 따른 저항값이 변화하는 정도를 이용하여 외부 pH가 변화하는 정도를 측정한다. 이 때 보다 원활한 pH 검출이 이루어질 수 있도록, 상기 소자층(111a)의 상면에 pH 검출을 위한 표면 개질이 이루어지는 것이 바람직하다. 실험 시에는, (단결정실리콘으로 된) 상기 소자층(111a)을 (PDMS/PI 필름으로 된) 상기 기판부(112)에 전사하기 전에, 실리콘 멤브레인 표면 개질을 위해 2 % APTES(3-aminopropyltriethoxysilane) 에탄올 용액(ethanol solution)에 30분 동안 담근 후 120℃의 온도에서 가열하였다. 이와 같은 표면 개질이 수행되면, 상기 소자층(111a)을 형성하는 상기 단결정실리콘 층 표면의 NH2 및 SiOH 군(group)은 용액의 pH에 따라 이온화되어 전하효과(charge effect)를 보이며, 이는 곧 상기 소자층(111a), 즉 상기 센싱저항(Rsens)의 저항값 변화로 나타나게 된다.The flexible sensor 100 as a pH sensor having such a configuration, as the external pH changes, the surface of the device layer 111a is ionized to generate a charge effect, thereby generating a charge effect in the device layer 111a. The degree of change of the external pH is measured by using the degree of change in the resistance value according to the charge effect. In this case, it is preferable that surface modification for pH detection is performed on the upper surface of the device layer 111a so that the pH can be detected more smoothly. In the experiment, before transferring the device layer 111a (made of single crystal silicon) to the substrate portion 112 (made of PDMS/PI film), 2% APTES (3-aminopropyltriethoxysilane) to modify the surface of the silicon membrane. It was immersed in ethanol solution for 30 minutes and then heated at a temperature of 120°C. When such surface modification is performed, the NH 2 and SiOH groups on the surface of the single crystal silicon layer forming the device layer 111a are ionized according to the pH of the solution to show a charge effect. It appears as a change in resistance value of the device layer 111a, that is, the sensing resistor R sens .

부연하자면, 앞서 상기 유연센서(100)가 압력센서 또는 온도센서로 활용될 경우에는, 압력 또는 온도의 변화로 인하여 상기 소자층(111a)이 변형을 일으키는 것으로서 측정이 이루어졌기 때문에 상기 소자층(111a)이 반드시 노출될 필요는 없고, 따라서 상기 소자부(111)가 상기 보호층(111d)을 더 포함할 수 있다고 설명하였다. 그러나 상기 유연센서(100)가 pH센서로 활용될 경우에는, 상기 소자층(111a) 및 외부 환경 간의 화학적 반응(chemical reaction)을 통해 측정이 이루어지기 때문에, 상기 소자층(111a)은 반드시 외부 환경에 노출되어야만 하며, 따라서 도 12에 도시된 바와 같이 보호층이 없는 구조를 가진다.Incidentally, when the flexible sensor 100 is used as a pressure sensor or a temperature sensor, the element layer 111a is measured as causing the deformation of the element layer 111a due to a change in pressure or temperature. ) Does not necessarily need to be exposed, and thus, it has been described that the device part 111 may further include the protective layer 111d. However, when the flexible sensor 100 is used as a pH sensor, since measurement is made through a chemical reaction between the device layer 111a and the external environment, the device layer 111a must be It must be exposed to, and thus has a structure without a protective layer as shown in FIG. 12.

한편 상기 유연센서(100)가 pH센서로 활용될 경우, 상술한 바와 같이 상기 유연센서(100)는 상기 외부전극(555)을 기준전극(reference electrode)로 사용한다. 이 경우 상기 소자층(111a)으로 형성되는 상기 센싱저항(Rsens)은, 액체-게이팅(liquid gating)에 의하여 FET와 같은 동작을 하게 된다. 도 13은 바로 이러한 pH센서에서의 회로도를 도시한 것으로, 이 경우 도시된 바와 같이 전체적으로 3단 증폭기 형태를 이루게 되어, 측정 민감도 및 정확도가 더욱 향상될 수 있다.Meanwhile, when the flexible sensor 100 is used as a pH sensor, as described above, the flexible sensor 100 uses the external electrode 555 as a reference electrode. In this case, the sensing resistor R sens formed of the device layer 111a performs the same operation as the FET by liquid gating. FIG. 13 shows a circuit diagram of such a pH sensor. In this case, as shown, the overall three-stage amplifier is formed, so that measurement sensitivity and accuracy may be further improved.

상기 유연센서(100)가 pH센서인 경우 그 제작방법에 대하여 간략히 설명하자면, 앞서 설명한 상기 유연센서(100)의 제작방법을 그대로 수행하되, 외부 환경 중에 상기 외부전극(555)이 배치되는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한 부가적으로, 상기 소자층(111a)의 상면에 pH 검출을 위한 표면 개질이 이루어지는 단계를 더 포함할 수 있다.When the flexible sensor 100 is a pH sensor, briefly describing the manufacturing method thereof, the manufacturing method of the flexible sensor 100 described above is performed as it is, but the step of disposing the external electrode 555 in an external environment is performed. It may contain more. In addition, it may further include a step of performing surface modification for pH detection on the upper surface of the device layer 111a.

[3] 본 발명의 유연센서의 실험결과[3] Experimental results of the flexible sensor of the present invention

도 14는 본 발명의 유연센서의 증폭특성 그래프를 도시한 것이다. 즉 도 14는 앞서 설명한 실험예들에 따라, 곡률반경 1mm를 갖는 PP 막대에 본 발명의 유연센서(100)를 전사하였을 때의 증폭기 특성을 나타낸 것이다. 도 14에 도시된 바와 같이, Vout1과 Vout2는 반전(inverting), 비반전(noninverting) 증폭 특성을 나타낸다. 또한 VDD가 커짐에 따라 게인(gain)은 증가하는 경향성을 보이며, VDD = 2V일 때 최종 출력은 최대 155V/V 정도의 높은 게인(high-gain)을 보이는 것을 확인할 수 있다. 이는 실리콘 멤브레인 기반의 고성능 트랜지스터와 높은 부하저항(load resistor)으로 인한 것이다. 즉 단결정실리콘 기반의 고성능 회로 특성이 곡률반경 1 mm에서도 큰 성능 저하 없이 나타나고 있음을 확인할 수 있다.14 is a graph showing an amplification characteristic of the flexible sensor of the present invention. That is, FIG. 14 shows the amplifier characteristics when the flexible sensor 100 of the present invention is transferred to a PP rod having a radius of curvature of 1 mm according to the experimental examples described above. As shown in FIG. 14, V out1 and V out2 represent inverting and noninverting amplification characteristics. In addition, as V DD increases, the gain tends to increase, and when V DD = 2V, the final output shows a high-gain of up to 155V/V. This is due to high performance transistors based on silicon membranes and high load resistors. That is, it can be seen that the characteristics of a high-performance circuit based on single crystal silicon are exhibited without significant performance degradation even with a radius of curvature of 1 mm.

도 15는 본 발명의 압력센서의 센서동작특성 그래프를 도시한 것이다. 0에서 100mmHg의 압력까지 10mmHg 간격으로 증가시켰을 때, 상기 센싱저항(Rsens)의 전류가 단계적으로 증가하는 것을 알 수 있고, 이는 압력 변화로 인한 실리콘 멤브레인에 적용되는 변형(strain)의 변화에 의한 결과이다. 반대로 100mmHg에서 0mmHg으로 감소시킬 때도 거의 동일하게 전류가 감소하며, 0에서 10mmHg까지 좁은 범위에서 1mmHg 단위로 압력을 변화시켜가면서 전류를 측정했을 때에도 동일한 경향성을 보이고 있다. 압력에 대한 저항 변화율은 0 ~ 100 mmHg의 범위에서 -5.9 %의 높은 값을 보이며, 선형성 또한 99 % 이상의 높은 값을 보인다. 참고적으로 0 ~ 100 mmHg의 압력 범위는 인체 두개내압을 측정하는 침습용 프로브의 측정 요구 범위이며, 1 mmHg 수준의 resolution이 요구된다. 즉 도 15의 결과로 볼 때, 본 발명의 유연센서(100)가 압력센서도 활용될 때, 전체적으로 민감도(sensitivity), 선형성 및 해상도(resolution) 면에서 충분히 상용가능한 정도의 수준이라고 할 수 있다.15 is a graph showing a sensor operation characteristic of the pressure sensor of the present invention. When the pressure is increased from 0 to 100 mmHg at intervals of 10 mmHg, it can be seen that the current of the sensing resistance R sens increases step by step, which is caused by a change in strain applied to the silicon membrane due to pressure change. It is the result. On the contrary, when the current is reduced from 100mmHg to 0mmHg, the current decreases almost the same, and the same tendency is shown when measuring the current while changing the pressure in 1mmHg increments in a narrow range from 0 to 10mmHg. The rate of change of resistance to pressure shows a high value of -5.9% in the range of 0 to 100 mmHg, and the linearity also shows a high value of 99% or more. For reference, the pressure range of 0 to 100 mmHg is the measurement required range of an invasive probe that measures intracranial pressure in the human body, and a resolution of 1 mmHg level is required. That is, as shown in the result of FIG. 15, when the flexible sensor 100 of the present invention is also used as a pressure sensor, it can be said that the level is sufficiently commercially available in terms of overall sensitivity, linearity, and resolution.

도 16은 본 발명의 압력센서의 압력변화에 따른 출력전압특성 그래프를 도시한 것이다. 보다 구체적으로는, 도 16은 VDD = 1.5 V일 때 압력 변화에 따른 집적회로의 출력전압 특성을 보여준다. 압력 변화에 따라 매우 작게 변화하는 증폭단의 입력전압(Vin)이 두 번의 증폭에 걸쳐 결과적으로 약 70배 정도로 증폭되어 매우 큰 변화폭을 보이는 최종 출력전압(즉 제2출력전압, Vout2)을 얻을 수 있다. 양방향의 압력 변화에 대해 상기 센싱저항(Rsens)이 거의 동일하게 동작하기 때문에, 압력을 증가시키고 다시 감소시킬 때 각 출력전압이 매우 유사한 특성을 보이는 것을 알 수가 있다. 또한 상기 센싱저항(Rsens)의 선형성이 매우 높기 때문에 증폭기 출력 전압의 변화 또한 98% 정도의 높은 선형성을 보인다.16 is a graph showing an output voltage characteristic graph according to a pressure change of the pressure sensor of the present invention. More specifically, FIG. 16 shows an output voltage characteristic of an integrated circuit according to a pressure change when V DD = 1.5 V. The input voltage (V in ) of the amplification stage, which changes very small according to the pressure change, is amplified about 70 times as a result over two amplifications to obtain the final output voltage (that is, the second output voltage, V out2 ) showing a very large variation. I can. Since the sensing resistance R sens operates almost the same for a pressure change in both directions, it can be seen that each output voltage exhibits very similar characteristics when the pressure is increased and then decreased again. In addition, since the sensing resistance R sens has a very high linearity, a change in the amplifier output voltage also exhibits a high linearity of about 98%.

도 17은 본 발명의 온도센서의 센서동작특성 그래프를 도시한 것이다. PET병 내부 물의 온도를 상온에서 50℃ 정도까지 증가시킴에 따라 압축변형(compressive strain)의 완화 효과로 인해 n-type Si인 상기 센싱저항(Rsens)의 저항값은 점점 감소한다. 구체적으로는, 상기 센싱저항(Rsens)의 저항값은 넓은 범위에서 전체적으로 -2.4%의 저항변화율을 보이고, 32℃에서 40℃ 정도까지 약 -4%의 저항변화율과 97% 이상의 선형성이 나타남을 확인하였다. 일반적인 실리콘의 온도에 따른 저항변화율이 0.3 ~ 0.7%의 값을 갖는 것을 고려할 때 이는 10배 가량으로 매우 높은 값임을 알 수 있다.17 is a graph showing a sensor operation characteristic of the temperature sensor of the present invention. As the temperature of the water inside the PET bottle is increased from room temperature to about 50°C, the resistance value of the sensing resistance R sens , which is n-type Si, gradually decreases due to the relaxation effect of compressive strain. Specifically, the resistance value of the sensing resistor (R sens ) shows a resistance change rate of -2.4% overall over a wide range, and a resistance change rate of about -4% and a linearity of more than 97% from 32°C to 40°C. Confirmed. Considering that the resistance change rate according to the temperature of the general silicon has a value of 0.3 to 0.7%, it can be seen that this is a very high value, about 10 times.

도 18은 본 발명의 온도센서의 온도변화에 따른 출력전압특성 그래프를 도시한 것이다. 도 18로 확인되는 바와 같이, 온도 변화에 따른 집적회로 출력전압 특성(VDD = 1V)에서는, 32℃에서 40℃의 범위에서 13배 정도로 증폭된 출력전압 변화율(-108mV/K)과 98% 이상의 높은 선형성을 확인하였다.18 is a graph showing an output voltage characteristic according to a temperature change of the temperature sensor of the present invention. As shown in Fig. 18, in the integrated circuit output voltage characteristic (V DD = 1V) according to temperature change, the output voltage change rate (-108 mV/K) amplified 13 times in the range of 32°C to 40°C and 98% The above high linearity was confirmed.

도 19는 본 발명의 pH센서의 센서동작특성 그래프를 도시한 것이다. 도 19로 확인되는 바와 같이, 액체-게이팅(liquid gating)에 따른 상기 센싱저항(Rsens)의 특성은 pH에 따라 선형적인 VT 및 컨덕턴스(conductance)변화를 보이고 있다. 즉 pH당 약 28mV의 변화율과 97 % 이상의 선형성을 나타낸다.19 is a graph showing a sensor operation characteristic of the pH sensor of the present invention. As shown in FIG. 19, the characteristics of the sensing resistance R sens according to liquid gating show a linear change in V T and conductance according to pH. That is, it shows a rate of change of about 28mV per pH and linearity of more than 97%.

도 20은 본 발명의 pH센서의 pH변화에 따른 출력전압특성 그래프를 도시한 것이다. pH 변화에 따라 제1출력전압 Vout1은 3배 이상 증폭된 변화율(-234.4 mv/pH)을 보인다. 한편 이 경우 제2출력전압(Vout2)는 3단 증폭으로 인해 높은 게인(gain)을 보이되, 이에 따라 입력전압스윙(input voltage swing)이 확보되지 않으므로 표기하지 않았다.20 is a graph showing an output voltage characteristic graph according to a pH change of the pH sensor of the present invention. According to the pH change, the first output voltage V out1 shows a rate of change (-234.4 mv/pH) amplified more than three times. On the other hand, in this case, the second output voltage V out2 shows a high gain due to the 3-stage amplification, but it is not indicated because the input voltage swing is not secured accordingly.

Figure pat00001
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본 발명에서 구현한 단결정실리콘 기반 유연센서(100)의 특성을 요약하면 상기 표 1과 같다. 즉 본 발명에서는, 단결정실리콘을 기반으로 센서를 포함한 증폭회로의 집적을 통해 고성능 플렉시블 센서 회로를 구현하였으며, 곡률반경 1 mm에서도 고성능을 유지하며 높은 유연성을 보였고, 센싱 특성 또한 우수한 민감도와 선형성을 보였으며, 이는 충분히 활용할 수 있을만한 수준이다. 특히 본 발명의 실시예에서 구현한 압력센서, 온도센서, pH센서의 측정 범위는 인체 또는 체액의 특성 변수들의 범위를 포함하고 있기 때문에, 고유연성과 고성능,그리고 다기능 시스템이 요구되는 바이오메디칼 분야와 같은 곳에서 유용하게 활용될 수 있다.The characteristics of the single crystal silicon-based flexible sensor 100 implemented in the present invention are summarized in Table 1 above. That is, in the present invention, a high-performance flexible sensor circuit was implemented through the integration of an amplifying circuit including a sensor based on single crystal silicon, maintaining high performance and high flexibility even at a radius of curvature of 1 mm, and sensing characteristics also showed excellent sensitivity and linearity. It is a level that can be fully utilized. In particular, since the measurement range of the pressure sensor, temperature sensor, and pH sensor implemented in the embodiment of the present invention includes a range of characteristic variables of the human body or body fluid, the biomedical field requiring high flexibility, high performance, and multifunctional systems It can be usefully used in the same place.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.The present invention is not limited to the above-described embodiments, and the scope of application thereof is diverse, as well as anyone with ordinary knowledge in the field to which the present invention belongs without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. Of course, various modifications are possible.

100: 유연센서
110: 센싱부
111: 소자부
111a: 소자층 111b: 부동층
111c: 절연층 111d: 보호층
112: 기판부
112a: 접착층 112b: 지지층
120: 증폭부 130: 연결부
500: 센서지지체 550: 통공부
V: 압력공간 555: 외부전극100: flexible sensor
110: sensing unit
111: element unit
111a: device layer 111b: passivation layer
111c: insulating layer 111d: protective layer
112: substrate portion
112a: adhesive layer 112b: support layer
120: amplification unit 130: connection unit
500: sensor support 550: through hole
V: pressure space 555: external electrode

Claims (24)

외부 환경조건 변화에 따른 저항값의 변화를 이용하여 환경조건을 측정하며, 단결정실리콘 층으로 형성되는 소자층(device layer, 111a)을 포함하는 센싱부(110);
상기 센싱부(110)에서 측정된 측정신호를 증폭하는 증폭부(120);
상기 증폭부(120)에서 증폭된 측정신호를 외부 장치로 출력하고, 외부 장치로부터 상기 증폭부(120)에 전력을 인가하도록, 외부 장치와 전기적으로 연결되는 연결부(130);
를 포함하며,
상기 센싱부(110), 상기 증폭부(120), 상기 연결부(130)가 박막형 유연기판 상에 형성된 집적회로 형태로 형성되어, 미리 결정된 곡률반경을 가지는 곡면 형태로 된 센서지지체(500)의 곡면 상에 부착되는 것을 특징으로 하는 단결정실리콘 기반 유연센서.
A sensing unit 110 measuring an environmental condition by using a change in a resistance value according to a change in an external environmental condition, and including a device layer 111a formed of a single crystal silicon layer;
An amplification unit 120 amplifying the measurement signal measured by the sensing unit 110;
A connector 130 electrically connected to an external device so as to output the measurement signal amplified by the amplification unit 120 to an external device and to apply power to the amplification unit 120 from the external device;
Including,
The sensing unit 110, the amplification unit 120, and the connection unit 130 are formed in the form of an integrated circuit formed on a thin-film flexible substrate, and the curved surface of the sensor support 500 in a curved shape having a predetermined radius of curvature Single crystal silicon-based flexible sensor, characterized in that attached to the top.
 제 1항에 있어서, 상기 센싱부(110)는,
외부 환경 측을 상측, 상기 센서지지체(500) 측을 하측이라 할 때,
상기 소자층(111a), 상기 소자층(111a) 상면 일부에 형성되는 부동층(passivation layer, 111b)을 포함하는 소자부(111),
박막형 유연기판 형태로 상기 소자부(111) 하면에 형성되어 상기 소자부(111)를 지지하며 상기 센서지지체(500)에 둘러 부착되는 기판부(112)
를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정실리콘 기반 유연센서.
The method of claim 1, wherein the sensing unit 110,
When the external environment side is the upper side and the sensor support 500 side is the lower side,
An element unit 111 including the element layer 111a and a passivation layer 111b formed on a portion of the upper surface of the element layer 111a,
A substrate portion 112 formed on the lower surface of the element portion 111 in the form of a thin-film flexible substrate to support the element portion 111 and to be attached around the sensor support 500
Single crystal silicon-based flexible sensor comprising a.
 제 2항에 있어서, 상기 소자부(111)는,
상기 소자층(111a) 위치에 변형이 0이 되는 중성역학층(Neutral Mechanical Plane)이 위치하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 단결정실리콘 기반 유연센서.
The method of claim 2, wherein the element unit 111,
A single crystal silicon-based flexible sensor, characterized in that the device layer (111a) is formed such that a neutral mechanical plane having zero strain is positioned at the position of the device layer (111a).
 제 2항에 있어서, 상기 소자부(111)는,
상기 소자층(111a) 하면에 형성되어 상기 소자층(111a) 및 상기 기판부(112) 사이에 개재되는 절연층(111c)을 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정실리콘 기반 유연센서.
The method of claim 2, wherein the element unit 111,
A single crystal silicon-based flexible sensor, comprising: an insulating layer 111c formed on a lower surface of the device layer 111a and interposed between the device layer 111a and the substrate 112.
 제 2항에 있어서, 상기 기판부(112)는,
상기 소자부(111) 하면에 접착되어 상기 소자부(111)를 지지하는 접착층(112a), 상기 접착층(112a) 하면 및 상기 센서지지체(500) 외면 사이에 개재되어 상기 센서지지체(500)에 둘러 부착되는 지지층(112b)을 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정실리콘 기반 유연센서.
The method of claim 2, wherein the substrate portion 112,
An adhesive layer 112a that is adhered to the lower surface of the element part 111 to support the element part 111, is interposed between the lower surface of the adhesive layer 112a and the outer surface of the sensor support 500 to surround the sensor support 500 Single crystal silicon-based flexible sensor, characterized in that it comprises a supporting layer (112b) to be attached.
 제 1항에 있어서, 상기 유연센서(100)는,
입력전압(Vin)이 입력되는 입력노드,
상기 소자층(111a)으로 형성되며 일측이 상기 입력노드와 연결되고 타측이 접지노드와 연결되는 센싱저항(Rsens),
일측이 상기 입력노드와 연결되어 상기 센싱저항(Rsens)과 직렬로 연결되고 타측에서 기준전압(VRR)이 출력되는 기준저항(Rref),
구동전압(VDD)이 입력되는 구동노드,
제1출력전압(Vout1)이 출력되는 제1출력노드,
베이스단자가 상기 입력노드와 연결되고 콜렉터단자가 상기 제1출력노드와 연결되고 이미터단자가 접지노드와 연결되는 제1트랜지스터(TR1),
일측이 상기 제1출력노드와 연결되어 상기 제1트랜지스터(TR1)의 콜렉터단자와 연결되고 타측이 상기 구동노드와 연결되는 제1부하저항(RL1),
제2출력전압(Vout2)이 출력되는 제2출력노드,
베이스단자가 상기 제1출력노드와 연결되고 콜렉터단자가 상기 제2출력노드와 연결되고 이미터단자가 접지노드와 연결되는 제2트랜지스터(TR2),
일측이 상기 제2출력노드와 연결되어 상기 제2트랜지스터(TR2)의 콜렉터단자와 연결되고 타측이 상기 구동노드와 연결되는 제2부하저항(RL2)
을 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정실리콘 기반 유연센서.
The method of claim 1, wherein the flexible sensor 100,
Input node to which input voltage (V in ) is input,
A sensing resistor (R sens ) formed of the element layer 111a, one side connected to the input node and the other side connected to the ground node,
A reference resistance (R ref ) in which one side is connected to the input node and connected in series with the sensing resistor (R sens ) and a reference voltage (V RR ) is output from the other side,
A driving node to which the driving voltage V DD is input,
A first output node from which the first output voltage (V out1 ) is output,
A first transistor (TR 1 ) in which a base terminal is connected to the input node, a collector terminal is connected to the first output node, and an emitter terminal is connected to a ground node,
A first load resistor (R L1 ) having one side connected to the first output node and connected to the collector terminal of the first transistor (TR 1 ) and the other side connected to the driving node,
A second output node from which a second output voltage (V out2 ) is output,
A second transistor (TR 2 ) in which a base terminal is connected to the first output node, a collector terminal is connected to the second output node, and an emitter terminal is connected to a ground node,
A second load resistor (R L2 ) having one side connected to the second output node, connected to the collector terminal of the second transistor (TR 2 ), and the other side connected to the driving node
Single crystal silicon-based flexible sensor comprising a.
 제 6항에 있어서, 상기 유연센서(100)는,
상기 센싱저항(Rsens)이 상기 센싱부(110)를 형성하고,
상기 기준저항(Rref), 상기 제1트랜지스터(TR1), 상기 제1부하저항(RL1), 상기 제2트랜지스터(TR2), 상기 제2부하저항(RL2)이 상기 증폭부(120)를 형성하고,
상기 입력노드, 상기 접지노드, 상기 구동노드, 상기 제1출력노드, 상기 제2출력노드가 상기 연결부(130)를 형성하는 것을 특징으로 하는 단결정실리콘 기반 유연센서.
The method of claim 6, wherein the flexible sensor 100,
The sensing resistor R sens forms the sensing unit 110,
The reference resistance (R ref ), the first transistor (TR 1 ), the first load resistance (R L1 ), the second transistor (TR 2 ), and the second load resistance (R L2 ) are the amplification unit ( 120),
The input node, the ground node, the driving node, the first output node, and the second output node form the connection part (130).
 제 2항에 있어서, 상기 유연센서(100)는,
외부 환경조건 중 압력을 측정하는 압력센서로서,
상기 센서지지체(500)가 내부에 미리 결정된 압력이 형성되는 압력공간(V)를 포함하며, 상기 센서지지체(500)의 상기 소자층(111a)에 상응하는 영역에 통공부(550)가 형성되어, 상기 소자층(111a)이 외부 환경 및 상기 압력공간(V) 간을 분리하는 격리막으로서 형성되는 것을 특징으로 하는 단결정실리콘 기반 유연센서.
The method of claim 2, wherein the flexible sensor 100,
As a pressure sensor that measures pressure among external environmental conditions,
The sensor support 500 includes a pressure space V in which a predetermined pressure is formed therein, and a through hole 550 is formed in a region corresponding to the element layer 111a of the sensor support 500 , Wherein the device layer 111a is formed as an isolation layer separating between the external environment and the pressure space V. A flexible sensor based on single crystal silicon, characterized in that.
 제 8항에 있어서, 상기 유연센서(100)는,
외부 압력이 변화함에 따라 외부 환경 및 상기 압력공간(V) 간의 압력차에 의하여 상기 소자층(111a)의 형상이 변형됨으로써,
상기 소자층(111a) 형상 변형에 따른 저항값이 변화하는 정도를 이용하여 외부 압력이 변화하는 정도를 측정하는 것을 특징으로 하는 단결정실리콘 기반 유연센서.
The method of claim 8, wherein the flexible sensor 100,
As the external pressure changes, the shape of the element layer 111a is deformed by the pressure difference between the external environment and the pressure space V,
Single crystal silicon-based flexible sensor, characterized in that measuring the degree of change in the external pressure using the degree of change in the resistance value according to the shape deformation of the element layer (111a).
 제 8항에 있어서, 상기 소자부(111)는,
상기 소자층(111a) 상면에 형성되어 상기 소자층(111a)을 보호하는 보호층(111d)를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정실리콘 기반 유연센서.
The method of claim 8, wherein the element unit 111,
A single crystal silicon-based flexible sensor comprising a protective layer 111d formed on an upper surface of the device layer 111a to protect the device layer 111a.
 제 2항에 있어서, 상기 유연센서(100)는,
외부 환경조건 중 온도를 측정하는 온도센서로서,
상기 유연센서(100)의 제작 중 상기 소자부(111) 및 상기 기판부(112) 접착 시의 가열 및 상기 유연센서(100)의 제작 완료 시의 냉각 과정에 의해 발생되는 상기 소자부(111) 및 상기 기판부(112) 간의 열변형 차이에 의하여 상기 소자층(111a)에 초기변형이 인가되어(pre-strained), 상기 소자층(111a)이 압축변형된 상태로 형성되는 것을 특징으로 하는 단결정실리콘 기반 유연센서.
The method of claim 2, wherein the flexible sensor 100,
As a temperature sensor that measures temperature among external environmental conditions,
The element part 111 generated by heating when the device part 111 and the substrate part 112 are adhered during the fabrication of the flexible sensor 100 and a cooling process when the fabrication of the flexible sensor 100 is completed And an initial strain is pre-strained to the device layer 111a due to a difference in thermal strain between the substrate portions 112, and the device layer 111a is formed in a compression strained state. Silicon-based flexible sensor.
 제 11항에 있어서, 상기 유연센서(100)는,
외부 온도가 변화함에 따라 열변형에 의하여 상기 소자층(111a)의 형상이 변형됨으로써,
상기 소자층(111a)의 형상 변형에 따른 저항값이 변화하는 정도를 이용하여 외부 온도가 변화하는 정도를 측정하는 것을 특징으로 하는 단결정실리콘 기반 유연센서.
The method of claim 11, wherein the flexible sensor 100,
As the external temperature changes, the shape of the device layer 111a is deformed by thermal deformation,
A single crystal silicon-based flexible sensor, characterized in that measuring the degree of change of the external temperature by using the degree of change of the resistance value according to the shape deformation of the device layer (111a).
 제 11항에 있어서, 상기 소자부(111)는,
상기 부동층(111b)이 상기 소자층(111a) 상면에 메쉬(mesh) 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 단결정실리콘 기반 유연센서.
The method of claim 11, wherein the element unit 111,
The single crystal silicon-based flexible sensor, characterized in that the passivation layer (111b) is formed in a mesh (mesh) shape on the upper surface of the device layer (111a).
 제 11항에 있어서, 상기 소자부(111)는,
상기 소자층(111a) 상면에 형성되어 상기 소자층(111a)을 보호하는 보호층(111d)를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정실리콘 기반 유연센서.
The method of claim 11, wherein the element unit 111,
A single crystal silicon-based flexible sensor comprising a protective layer 111d formed on an upper surface of the device layer 111a to protect the device layer 111a.
 제 2항에 있어서, 상기 유연센서(100)는,
외부 환경조건 중 pH를 측정하는 pH센서로서,
외부 환경 중에 외부전극(555)이 형성되는 것을 특징으로 하는 단결정실리콘 기반 유연센서.
The method of claim 2, wherein the flexible sensor 100,
As a pH sensor that measures pH among external environmental conditions,
Single crystal silicon-based flexible sensor, characterized in that the external electrode 555 is formed in an external environment.
 제 15항에 있어서, 상기 유연센서(100)는,
외부 pH가 변화함에 따라 상기 소자층(111a) 표면이 이온화되어 전하효과(charge effect)를 발생시킴으로써,
상기 소자층(111a)에서의 전하효과에 따른 저항값이 변화하는 정도를 이용하여 외부 pH가 변화하는 정도를 측정하는 것을 특징으로 하는 단결정실리콘 기반 유연센서.
The method of claim 15, wherein the flexible sensor 100,
As the external pH changes, the surface of the device layer 111a is ionized to generate a charge effect,
A single crystal silicon-based flexible sensor, characterized in that measuring the degree of change of the external pH by using the degree of change of the resistance value according to the charge effect in the device layer (111a).
 제 15항에 있어서, 상기 소자부(111)는,
상기 소자층(111a)의 상면에 pH 검출을 위한 표면 개질이 이루어지는 것을 특징으로 하는 단결정실리콘 기반 유연센서.
The method of claim 15, wherein the element unit 111,
A single crystal silicon-based flexible sensor, characterized in that surface modification for pH detection is performed on the upper surface of the device layer 111a.
 제 1항에 의한 유연센서(100)를 제작하는 유연센서의 제작방법에 있어서,
순차적으로 적층된 하부실리콘층, 절연층(111c) 및 상부실리콘층으로 이루어진 SOI(Silicon-On-Insulator)의 상부실리콘층 상에 VLSI(Very-Large-Scale Integration) 소자인 상기 소자층(111a)이 형성되는 단계;
상기 상부실리콘층에 지지층이 접합되는 단계;
상기 SOI의 하부실리콘층이 제거되는 단계;
상기 지지층을 이용하여, 상기 소자층(111a)이 제조된 상기 상부실리콘층을 박막형 유연기판 형태로 된 기판부(112)에 전사되는 단계;
상기 소자층(111a) 상면 일부에 상기 부동층(111b)이 형성되는 단계;
상기 소자층(111a), 상기 부동층(111b), 상기 절연층(111c)로 이루어지는 소자부(111) 및 상기 기판부(112)로 이루어지는 유연센서(100)가 상기 센서지지체(500)의 곡면 상에 부착되는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정실리콘 기반 유연센서의 제작방법.
In the manufacturing method of the flexible sensor for manufacturing the flexible sensor 100 according to claim 1,
The device layer 111a, which is a VLSI (Very-Large-Scale Integration) device, on the upper silicon layer of a silicon-on-insulator (SOI) consisting of a lower silicon layer, an insulating layer 111c, and an upper silicon layer sequentially stacked Is formed;
Bonding a support layer to the upper silicon layer;
Removing the lower silicon layer of the SOI;
Transferring the upper silicon layer on which the device layer 111a is manufactured to a substrate portion 112 in the form of a thin-film flexible substrate using the support layer;
Forming the passivation layer 111b on a portion of the upper surface of the device layer 111a;
The device layer 111a, the passivation layer 111b, and the flexible sensor 100 including the device part 111 including the insulating layer 111c and the substrate part 112 are on the curved surface of the sensor support 500. Attaching to;
A method of manufacturing a single crystal silicon-based flexible sensor comprising a.
 제 18항에 있어서,
상기 유연센서(100)는,
외부 환경조건 중 압력을 측정하는 압력센서로서,
상기 센서지지체(500)가 내부에 미리 결정된 압력이 형성되는 압력공간(V)를 포함하며, 상기 센서지지체(500)의 상기 소자층(111a)에 상응하는 영역에 통공부(550)가 형성되어, 상기 소자층(111a)이 외부 환경 및 상기 압력공간(V) 간을 분리하는 격리막으로서 형성되며,
상기 유연센서의 제작방법은,
상기 센서지지체(500)에 상기 압력공간(V) 및 상기 통공부(550)를 형성하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정실리콘 기반 유연센서의 제작방법.
The method of claim 18,
The flexible sensor 100,
As a pressure sensor that measures pressure among external environmental conditions,
The sensor support 500 includes a pressure space V in which a predetermined pressure is formed therein, and a through hole 550 is formed in a region corresponding to the element layer 111a of the sensor support 500 , The device layer 111a is formed as an isolation layer separating between the external environment and the pressure space V,
The manufacturing method of the flexible sensor,
Forming the pressure space (V) and the through hole (550) in the sensor support (500);
A method of manufacturing a single crystal silicon-based flexible sensor comprising a.
 제 19항에 있어서, 상기 유연센서의 제작방법은,
상기 소자층(111a) 상면에 상기 소자층(111a)을 보호하는 보호층(111d)이 형성되는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정실리콘 기반 유연센서의 제작방법.
The method of claim 19, wherein the manufacturing method of the flexible sensor,
Forming a protective layer 111d protecting the device layer 111a on an upper surface of the device layer 111a;
A method of manufacturing a single crystal silicon-based flexible sensor comprising a.
 제 18항에 있어서,
상기 유연센서(100)는,
외부 환경조건 중 온도를 측정하는 온도센서로서,
상기 유연센서(100)의 제작 중 상기 소자부(111) 및 상기 기판부(112) 접착 시의 가열 및 상기 유연센서(100)의 제작 완료 시의 냉각 과정에 의해 발생되는 상기 소자부(111) 및 상기 기판부(112) 간의 열변형 차이에 의하여 상기 소자층(111a)에 초기변형이 인가되어(pre-strained), 상기 소자층(111a)이 압축변형된 상태로 형성되며,
상기 유연센서의 제작방법은,
상기 기판부(112) 상면에 상기 소자부(111)가 배치되는 단계;
상기 소자부(111) 및 상기 기판부(112)의 적층체가 가열되어 상기 소자부(111) 및 상기 기판부(112)가 접착되는 단계;
상기 소자부(111) 및 상기 기판부(112)의 적층체가 냉각되어 제작이 완료되되, 상기 소자부(111) 및 상기 기판부(112) 간의 열변형 차이에 의하여 상기 소자층(111a)에 초기변형이 인가되어(pre-strained), 상기 소자층(111a)이 압축변형된 상태로 형성되는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정실리콘 기반 유연센서의 제작방법.
The method of claim 18,
The flexible sensor 100,
As a temperature sensor that measures temperature among external environmental conditions,
The element part 111 generated by heating when the device part 111 and the substrate part 112 are adhered during the fabrication of the flexible sensor 100 and a cooling process when the fabrication of the flexible sensor 100 is completed And an initial strain is applied (pre-strained) to the device layer 111a due to a difference in thermal strain between the substrate portions 112, so that the device layer 111a is formed in a compression-deformed state,
The manufacturing method of the flexible sensor,
Disposing the element unit 111 on the upper surface of the substrate unit 112;
Heating the stacked body of the element part 111 and the substrate part 112 to bond the element part 111 and the substrate part 112 to each other;
Fabrication is completed by cooling the stack of the element unit 111 and the substrate unit 112, but the element layer 111a is initially formed by the difference in thermal deformation between the element unit 111 and the substrate unit 112 Pre-strained, and forming the device layer 111a in a compression-deformed state;
A method of manufacturing a single crystal silicon-based flexible sensor comprising a.
 제 21항에 있어서, 상기 유연센서의 제작방법은,
상기 소자층(111a) 상면에 상기 소자층(111a)을 보호하는 보호층(111d)이 형성되는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정실리콘 기반 유연센서의 제작방법.
The method of claim 21, wherein the manufacturing method of the flexible sensor,
Forming a protective layer 111d protecting the device layer 111a on an upper surface of the device layer 111a;
A method of manufacturing a single crystal silicon-based flexible sensor comprising a.
 제 18항에 있어서,
상기 유연센서(100)는,
외부 환경조건 중 pH를 측정하는 pH센서로서,
외부 환경 중에 외부전극(555)이 형성되며,
상기 유연센서의 제작방법은,
외부 환경 중에 상기 외부전극(555)이 배치되는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정실리콘 기반 유연센서의 제작방법.
The method of claim 18,
The flexible sensor 100,
As a pH sensor that measures pH among external environmental conditions,
The external electrode 555 is formed in the external environment,
The manufacturing method of the flexible sensor,
Disposing the external electrode 555 in an external environment;
A method of manufacturing a single crystal silicon-based flexible sensor comprising a.
 제 23항에 있어서, 상기 유연센서의 제작방법은,
상기 소자층(111a)의 상면에 pH 검출을 위한 표면 개질이 이루어지는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정실리콘 기반 유연센서의 제작방법.The method of claim 23, wherein the manufacturing method of the flexible sensor,
Performing surface modification for pH detection on the upper surface of the device layer 111a;
A method of manufacturing a single crystal silicon-based flexible sensor comprising a.
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