KR20240010167A - 연속식 분석물 측정기 및 전기 화학적 센서 부착 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 연속식 분석물 측정기는, 체내의 분석물과 반응하는 다수의 전극이 형성된 원위부와 상기 전극에 연결되는 센서 패드가 형성된 근위부를 포함하는 전기 화학적 센서; 전원부, 통신부, 제어부 중 적어도 하나가 표면 실장된 메인 기판을 구비하고, 상기 메인 기판이 내부에 수납되는 하우징을 포함하며, 여기서 상기 메인 기판에는 기판 패드가 형성되고 상기 하우징은 피부에 부착되는, 트랜스미터; 를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 적어도 일부가 체내로 침습되어 연속적으로 포도당 등의 분석물을 측정 가능한 전기 화학적 센서를 이용한 연속식 분석물 측정기, 및 트랜스미터의 메인 기판에 전기 화학적 센서의 근위부를 전기적으로 연결하기 위한 전기 화학적 센서의 부착 방법에 관한 것이다.
삽입기를 기준 위치로 삼을 때, 전기 화학적 센서가 메인 기판에 연결되는 일단부는 삽입기에 가까운 위치에 있으므로 근위부로 부를 수 있고, 체내에 삽입되는 전기 화학적 센서의 타단부는 삽입기로부터 먼 위치에 있으므로 원위부로 부를 수 있다.
전기 화학적 센서의 근위부(Proximal portion)는 트랜스미터의 메인 기판에 전기적으로 연결될 수 있고, 전기 화학적 센서의 원위부(Distal Portion)는 적어도 일부가 체내에 삽입될 수 있다. 근위부 및 원위부는 서로 반대 단에 위치할 수 있다. 전기 화학적 센서의 근위부는 포도당을 포함한 분석물 측정에 필요한 전기 회로를 포함하는 트랜스미터의 메인 기판과 전기적으로 연결될 수 있다.
트랜스미터는 피부에 부착되기 전에 전기 화학적 센서와 함께 삽입기 내부에 위치할 수 있다. 트랜스미터와 전기 화학적 센서가 미리 결합된 타입을 올인원 타입의 트랜스미터라 부를 수 있다.
센서와 트랜스미터의 메인 기판 간의 전기적 연결을 위해, 근위부를 메인 기판의 커넥터에 삽입하는 방법, 근위부를 메인 기판에 도전성 고정부재(금속 리벳 등)로 일체화시키는 방법, 근위부를 메인 기판에 샌드위칭하는 방법 등이 이용될 수 있다.
한편, 전기 화학적 센서는 체내 삽입시 통증 완화 및 착용 이물감 감소 등을 위해 유연성이 좋고, 크기가 작고, 폭이 작으며, 두께가 얇아야만 한다. 전기 화학적 센서는 바늘 없이 단독으로는 피부에 삽입 불가능할 정도로 유연하고 얇아야 통증 완화 및 이물감 감소를 달성할 수 있다.
이때, 전기 화학적 센서가 유연하고 두께 및 크기가 작을수록 메인 기판과 전기적 연결은 힘들어지며, 커넥터 삽입이 불가능하고, 접점 불량이 나기 쉽고, 접점의 물리적 접촉시 스크래치가 발생하거나 측정 불량이 될 수 있다.
본 발명의 전기 화학적 센서는 통증 완화 및 이물감 감소를 위해 플렉서블한 베이스층을 포함할 수 있다.
본 발명은, 전기 화학적 센서의 베이스층, 근위부의 센서 패드, 메인 기판, 및 메인 기판의 기판 패드에 열적 손상을 입히지 않으면서도, 근위부의 센서 패드와, 기판 패드가 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 연속식 분석물 측정기는, 체내의 분석물과 반응하는 다수의 전극이 형성된 원위부와 상기 전극에 연결되는 센서 패드가 형성된 근위부를 포함하는 전기 화학적 센서; 전원부, 통신부, 제어부 중 적어도 하나가 표면 실장된 메인 기판을 구비하고, 상기 메인 기판이 내부에 수납되는 하우징을 포함하며, 여기서 상기 메인 기판에는 기판 패드가 형성되고 상기 하우징은 피부에 부착되는, 트랜스미터; 를 포함할 수 있다.
여기서, 바늘과 상기 원위부가 함께 체내 삽입된 상태에서, 상기 분석물에 대한 측정이 수행되며, 피부가 상기 바늘에 의하여 절개된 후에 상기 전기 화학적 센서의 원위부가 체내에 삽입되고, 상기 전기 화학적 센서는 플렉서블한 베이스층, 상기 베이스층 위에 적층되는 전도층, 상기 전도층 위에 부착되는 절연층을 포함하며, 상기 절연층의 일부를 절개한 개구부가 형성되고, 상기 개구부를 통하여 상기 전도층이 노출된 부분이 상기 센서 패드에 해당하며, 상기 센서 패드와 상기 기판 패드 사이에 도포된 솔더링 페이스트가 용융된 후 냉각되면, 상기 센서 패드와 기판 패드 사이의 전기적 연결 및 물리적 연결이 완료될 수 있다.
본 발명의 센서 부착 방법은, 상기 센서 패드 및 기판 패드 중 적어도 하나에 솔더링 페이스트를 도포하는 단계; 상기 솔더링 페이스트를 사이에 두고 상호 대면되는 상기 센서 패드 및 기판 패드를 압착하여 1차 접합부를 형성하는 단계; 상기 1차 접합부가 형성된 상기 전기 화학적 센서 및 메인 기판을 전체 가열부에 투입하는 단계; 상기 1차 접합부의 솔더링 페이스트가 상기 전체 가열부에서 용융되면서 2차 접합부를 형성하는 솔더링 단계; 를 포함하며, 상기 2차 접합부에 의하여 상기 전기 화학적 센서 및 메인 기판이 완전히 결합될 수 있다.
상기 전체 가열부 내의 열원에 의해, 상기 센서 패드 및 기판 패드 사이에 위치한 솔더링 페이스트가 용융될 수 있다.
상기 솔더링 페이스트의 용융 온도는, 상기 기판 패드 및 센서 패드의 용융 온도보다 낮을 수 있다.
상기 솔더링 페이스트의 용융 온도는, 상기 센서 패드와 연결되는 전기 화학적 센서의 패턴 불량을 초래하는 온도보다 낮고, 상기 기판 패드와 연결되는 메인 기판의 전기 회로의 불량을 초래하는 온도보다 낮을 수 있다.
상기 전기 화학적 센서에는 체내 분석물에 따라 결정되는 멤브레인이 도포되며,
상기 멤브레인은 상기 솔더링 페이스트의 용융 온도에서 물성이 변화되는 분석물-반응성 효소를 포함하지 않을 수 있다.
상기 전체 가열부 내의 열원에 의해, 상기 센서 패드 및 기판 패드 사이에 위치한 솔더링 페이스트는 용융되고, 상기 전기 화학적 센서에 도포된 멤브레인은 열적 손상되지 않을 수 있다.
전체 가열부를 통과하며 상기 솔더링 페이스트가 용융 온도에 도달하여도 상기 전도층을 이루는 금속은 용융 온도에 도달되지 않을 수 있다.
본 발명의 전기 화학적 센서는, 체혈 분석 방식에 의해 순간적으로만 인체와 접촉하는 것이 아니라, 수일에서 수십일의 상당 기간동안 바늘과 함께 인체에 침습된 상태로 유지될 수 있다. 따라서, 피부에 부착된 트랜스미터와 전기 화학적 센서는 샤워 등의 생활 방수 문제, 인체 부착부위의 움직임, 진동, 충격 등으로 인한 접촉성 저하 문제가 대두될 수 있다.
침습된 원위부의 전극에서 혈당 등을 분석하는 동안 피부에 부착된 트랜스미터와 근위부의 전기적 연결이 유지되는 것이 중요하다. 잦은 진동 환경에 의해 얇은 두께와 작은 크기를 가진 전기 화학적 센서와 트랜스미터의 메인 기판 간의 전기적 접촉은 서로 이탈되거나 접촉 불량이 나기 쉬울 수 있다.
본 발명의 전기 화학적 센서는, 얇은 두께와 크기를 가져, 원위부 중 적어도 일부가 인체 침습시 통증을 완하시킬 수 있고, 이물감을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 전기 화학적 센서는, 수십 또는 수백 마이크로미터 이하의 얇은 두께를 가질 수 있고, 작은 크기를 가질 수 있다. 커넥터 등의 물리적인 삽입 방식에 의해 메인 기판과 전기적 연결시, 근위부가 파손되거나 근위부의 강성이 약해서 삽입이 불가능할 수 있다.
전기 화학적 센서가 효소식인 경우 효소가 열적 파괴되므로, 전체 가열에 의한 솔더링이 아예 불가능할 수 있다. 효소식 센서의 경우, 전체 가열에 의한 솔더링을 대체하기 위하여, 엘라스토머와 전도층을 교대로 적층한 ZEBRA 고무, 도전성 볼이 함침된 ACF 등 복잡한 다른 공정에 의하는 문제점이 있다.
FPC 형태, 베이스층이 PI인 형태, 베이스층이 PET인 형태의 전기 화학적 센서를 메인 기판과 SMT방식으로 연결하는 시도는 지금껏 이루어지지 않고 있다.
본 발명의 근위부는 전체 가열부에 의한 솔더링에 의해 견고하게 메인 기판에 전기적으로 연결될 수 있다.
도 1은 본 발명의 삽입기 및 트랜스미터의 측단면도이다.
도 2는 본 발명의 바늘 및 전기 화학적 센서의 사시도이다.
도 3은 도 2의 평면도이다.
도 4는 원위부에 대한 비교 실시 예이다.
도 5는 본 발명의 베이스층, 전도층, 및 절연층에 대한 설명도이다.
도 6은 본 발명의 전기 화학적 센서의 패턴인 트렌치에 대한 설명도이다.
도 7은 본 발명의 전기 화학적 센서의 측면도 및 평면도이다.
도 8은 본 발명의 복수의 전기 화학적 센서의 어레이의 평면도이다.
도 9는 본 발명의 트랜스미터 구조의 일 실시 예의 분해 사시도이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 솔더링에 대한 설명도이다.
도 12는 본 발명의 솔더링되는 근위부와 메인 기판 부분에 대한 설명도이다.
도 13은 본 발명의 근위부의 다른 실시 예의 평면도이다.
도 2는 본 발명의 바늘 및 전기 화학적 센서의 사시도이다.
도 3은 도 2의 평면도이다.
도 4는 원위부에 대한 비교 실시 예이다.
도 5는 본 발명의 베이스층, 전도층, 및 절연층에 대한 설명도이다.
도 6은 본 발명의 전기 화학적 센서의 패턴인 트렌치에 대한 설명도이다.
도 7은 본 발명의 전기 화학적 센서의 측면도 및 평면도이다.
도 8은 본 발명의 복수의 전기 화학적 센서의 어레이의 평면도이다.
도 9는 본 발명의 트랜스미터 구조의 일 실시 예의 분해 사시도이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 솔더링에 대한 설명도이다.
도 12는 본 발명의 솔더링되는 근위부와 메인 기판 부분에 대한 설명도이다.
도 13은 본 발명의 근위부의 다른 실시 예의 평면도이다.
이하 본 발명의 전기 화학적 센서(400)가 간질액(interstitial fluid) 또는 혈중 포도당 농도를 측정하는 연속 혈당 측정 장치(CGMS,Continuous Glucose Monitoring System)에 이용되는 경우를 일 실시 예로 설명한다. 그러나, 포도당 농도의 측정에 한정되지 않고 다른 분석물을 측정하는 연속식 분석물 측정 장치에도 확장 적용될 수 있다.
<삽입기 및 트랜스미터>
도 1을 참조하면, 본 발명의 전기 화학적 센서(400)는 트랜스미터(200)와 함께 피부에 부착될 수 있다. 트랜스미터(200)는 전기 화학적 센서(400)에서 측정된 분석물 신호를 처리하여 분석물 데이터를 생성하고, 외부 단말기에 분석물 데이터를 무선 전송할 수 있다. 모바일 기기를 포함하는 외부 단말기는, 분석물 데이터를 연속적으로 모니터링 및 진단할 수 있다.
전기 화학적 센서(400) 및 트랜스미터(200)는 피부 부착전 삽입기(100)에 장전된 상태로 사용자에게 제공될 수 있다. 사용자의 부착 동작에 의해, 전기 화학적 센서(400)및 트랜스미터(200)는 삽입기(100)로부터 이탈하여 피부에 부착될 수 있다.
트랜스미터(200)의 메인 기판(202)과 연결되는 전기 화학적 센서(400)의 일단을 근위부(402)라 할 수 있고, 체내로 침습되는 전기 화학적 센서(400)의 타단을 원위부(406)라 할 수 있다. 근위부(402)와 원위부(406) 사이에서 플렉서블하게 휘어지는 부분을 접힘부(405)라 할 수 있다.
트랜스미터(200) 및 전기 화학적 센서(400)는 피부에 부착 전에 이미 서로 접착된 상태로 사용자에게 제공될 수 있다.
트랜스미터(200)는 삽입기(100)에 장전된 상태에서 제1 위치에 위치하고, 트랜스미터(200)는 사용자 동작에 의해 제1 위치에서 제2 위치로 이동하며, 제2 위치에서 트랜스미터(200)는 피부에 부착될 수 있다. 트랜스미터(200) 및 전기 화학적 센서(400)의 삽입 방향은 제1 위치에서 제2 위치를 향하는 방향일 수 있다.
바늘(300)은 길이 방향으로 노출된 부분을 가지고, 바늘(300)의 내부에 전기 화학적 센서(400)의 일부가 배치될 수 있다. 바늘(300)은 원위부(406)의 적어도 일부가 삽입 방향을 따라 인체 내로 침습될 수 있도록 피부를 절개하고, 전기 화학적 센서(400)를 가이드하는 기능을 할 수 있다.
삽입기(100)는 트랜스미터(200) 및 전기 화학적 센서(400)를 제1 위치에서 제2 위치로 동작시키는 구동부(102)를 포함할 수 있다.
구동부(102)는 바늘(300) 또는 원위부(406)가 피부에 삽입되도록 바늘(300) 또는 트랜스미터(200)를 제1 위치에서 제2 위치로 전진시킬 수 있다.
트랜스미터(200) 및 전기 화학적 센서(400)가 제2 위치에서 피부에 부착된 다음, 구동부(102)는 바늘(300)을 제2 위치에서 제3 위치로 후퇴시켜 바늘(300)을 트랜스미터(200) 및 전기 화학적 센서(400)로부터 분리할 수 있다.
바늘(300)은 바늘 핸들(310)에 고정될 수 있다. 바늘 핸들(310)은 구동부(102)에 착탈될 수 있다. 구동부(102)는 바늘 핸들(310)을 구동하여 바늘(300)을 이동시킬 수 있다.
트랜스미터(200)의 상부 뚜껑 및 하부 뚜껑 사이에는 내부 공간이 구비될 수 있다. 트랜스미터(200)의 내부 공간에는 메인 기판(202)이 안착될 수 있다.
메인 기판(202)에는 원위부(406)의 포도당 농도 측정을 위해 필요한 배터리 등의 전원부, 분석물 데이터를 처리하는 제어부, 전기 화학적 센서(400)에 의해 측정된 데이터를 무선 전송하는 무선 통신부, 및 분석물 신호를 증폭하는 연산 증폭기 중 적어도 하나가 표면 실장될 수 있다. 작업 전극에서 출력되는 전류는 전극(424) 부근의 농도일 수 있다. 제어부는 작업 전극과 기준 전극 사이의 전기적 전위를 제어할 수 있다.
전기 화학적 센서(400)의 일면에 형성된 센서 패드(428)는 메인 기판(202)과 대면할 수 있고, 전기 화학적 센서(400)의 타면은 트랜스미터(200)의 내부 공간에 노출될 수 있다. 센서 패드(428)와 전기적으로 연결되는 기판 패드(612)는 메인 기판(202)에 형성될 수 있다.
전기 화학적 센서(400)는 적어도 일부가 피부 내부로 침습하기에, 침습시 통증 완화 및 착용시 이물감 감소 등을 위해 전기 화학적 센서(400) 또는 베이스층(410)이 플렉서블할 수 있다.
바늘(300)의 길이 방향을 따라 노출된 부분에 전기 화학적 센서(400)의 원위부(406)가 배치될 수 있다. 바늘(300)의 단부는 원위부(406)의 단부보다 더 돌출된 위치에 있다. 피부가 바늘(300)에 의하여 절개된 후에 전기 화학적 센서(400)의 원위부(406)가 체내에 삽입될 수 있다.
삽입기(100)의 단부(104)가 피부와 맞닿은 상태에서, 삽입기(100)가 피부 위에 고정될 수 있다. 삽입기(100)는 고정부에 해당하며, 이동부에 해당하는 바늘(300) 또는 트랜스미터는 구동부(102)에 의하여 승하강될 수 있다.
통증 감소 및 이물감 감소는 사용자 측면에서 연속식 분석물 측정기의 핵심적 성능이다. 이를 위하여 전기 화학적 센서(400)는 단독으로 피부를 관통하는 것이 불가능할 정도의 유연성을 갖고, 바늘(300)이 피부를 절개해야 비로소 체내 삽입될 정도로 전기 화학적 센서(400)는 얇고 유연하다.
도 1은 전기 화학적 센서(400) 및 바늘이 트랜스미터(200)를 관통하도록 결합되는 트랜스미터(200)의 제1 실시 예를 나타낸 것일 수 있다.
도 9는 전기 화학적 센서(400) 및 바늘이 트랜스미터(200)를 관통하도록 결합되는 트랜스미터(200)의 제2 실시 예를 나타낸 것일 수 있다.
도 1을 참조하면, 제1 실시 예는 트랜스미터(200)의 상부 하우징(210) 및 하부 하우징(220)에 바늘의 관통 구멍이 형성되는 경우일 수 있다. 삽입시 바늘은 트랜스미터(200)의 상부 하우징(210)에 형성된 관통 구멍 및 하부 하우징(220)에 형성된 관통 구멍을 차례로 통과하고, 분리시 바늘은 그 반대의 순서로 관통 구멍을 통과하며 트랜스미터(200)로부터 분리된다. 전기 화학적 센서(400)는 바늘에 정렬되도록 관통 구멍에 노출된다.
이때, 트랜스미터(200) 외주연에 위치한 상부 하우징(210)과 하부 하우징(220)의 이음부에 외주 실링 부재가 필요하고, 관통 구멍에 위치한 상부 하우징(210)과 하부 하우징(220)의 이음부에 내주 실링 부재가 필요하며, 관통 구멍을 통하여 전기 화학적 센서(400)가 노출되는 부분에 센서 실링 부재가 필요할 수 있다.
도 9를 참조하면, 제2 실시 예는, 트랜스미터(200)의 측면을 함몰시킨 함몰부(204)가 형성된 경우일 수 있다. 이 경우, 바늘이 통과되는 관통 구멍을 삭제하므로 외주 실링 부재 하나면 충분하고 내주 실링 부재가 필요없을 수 있다. 또한, 중앙의 관통 구멍을 형성하기 위한 상부 하우징(210)과 하부 하우징(220)의 기둥 구조도 필요하지 않다.
트랜스미터(200)의 제1 실시 예의 관통 구멍 및 관통 구멍 위치의 기둥 구조가 삭제되면 동일 직경의 트랜스미터(200)라 할지라도 트랜스미터(200)의 내부 공간이 크게 확장되는 효과가 있다. 확장된 공간은 배터리의 대용량 설치로 인하여 사용 수명을 연장할 수 있고 사용자의 트랜스미터 교체 비용이 경감될 수 있다. 한편, 전자 부품의 최적화 배치, 메인 기판의 설계 자유도를 얻을 수 있어서 성능 향상에도 이바지할 수 있다.
<바늘 및 전기 화학적 센서>
도 2 및 도 3을 참조하여, 바늘(300) 및 전기 화학적 센서(400) 간의 배치 관계에 대해 설명한다.
바늘(300)의 내부를 외부로 노출시키고, 바늘(300)의 길이 방향을 따라 연장되는 개방부(306)가 바늘(300)에 형성될 수 있다. 원위부(406) 또는 접힘부(405)의 일부는 체내 침습시 개방부(306)의 내부에 있도록 바늘(300)에 부착 또는 이격될 수 있다.
원위부(406) 및 근위부(402)는 소정의 각도(예를 들어 90도)를 가지는 서로 다른 평면에 놓여질 수 있다. 접힘부(405)의 휘어지는 방향은 개방부(306)에 의해 바늘(300)이 개방되는 방향과 일치할 수 있다.
근위부(402)가 트랜스미터(200)에 전기적으로 연결되는 곳은 개방부(306)에 의해 바늘(300)의 내부가 외부로 개방되는 방향에 위치할 수 있다.
예를 들어, 원위부(406)는 통증 및 이물감 감소를 위해 피부 표면과 수직하도록 삽입될 수 있다. 메인 기판(202)이 트랜스미터(200)의 바닥면에 평행하도록 배치된 경우, 근위부(402)는 메인 기판(202)과 평행하게 배치될 수 있고, 근위부(402)는 피부 표면과 평행하도록 배치될 수 있다.
접힘부(405)는 바늘(300)의 내부가 외부로 개방되는 방향을 따라 휘어질 수 있다.
바늘(300)은 전기 화학적 센서(400)를 안내하는 중심벽부(302), 전기 화학적 센서(400)가 바늘(300)로부터 이탈되는 것을 방지하는 측벽부(304)를 포함할 수 있다.
중심벽부(302)는 원위부(406) 또는 접힘부(405)가 제1 축 방향으로 돌출되는 것을 방지할 수 있다. 제1 축 방향은 바늘(300)의 내부가 외부로 개방되는 방향일 수 있다. 원위부(406) 또는 접힘부(405)가 제1 축 방향으로 돌출되면, 돌출된 부분이 피부에 걸려서 전기 화학적 센서(400)는 좌굴(Buckling)될 수 있고, 바늘만 피부에 삽입되고 전기 화학적 센서(400)는 피부 밖으로 튕길 수 있다.
측벽부(304)는 원위부(406)의 일부 또는 접힘부(405)의 일부가 제2 축 방향으로 이탈되는 것을 방지할 수 있다. 제2 축 방향은 제1 축 방향과 수직할 수 있다. 제1 축 방향, 제2 축 방향, 및 삽입 방향은 각각 직교 좌표계에 대응할 수 있다.
중심벽부(302)와 측벽부(304)로 둘러싸인 바늘(300)의 내부 공간은 개방부(306)를 통해 외부와 연통될 수 있다.
전기 화학적 센서(400)는 납작한 평판 형상일 수 있다. 원위부(406)의 전극(424)은 평판부의 일면 또는 양면에 배치될 수 있다.
원위부(406)와 근위부(402) 사이의 중간부(404)를 제1 방향으로 연장한 부분이 측면 연장부(408)일 수 있다. 원위부(406)에 인접한 중간부(404)는 원위부(406)와 동일한 평면에 있으며, 원위부(406)와 동일한 평면에 있는 중간부(404)를 바늘(300)의 노출 방향인 제1 방향으로 연장한 부분이 측면 연장부(408)이다.
<전기 화학적 센서>
도 4 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 전기 화학적 센서(400)에 대해 설명한다.
도 7은 본 발명의 전기 화학적 센서(400)의 구조에 대한 것일 수 있다.
도 7은 전기 화학적 센서(400)의 동일한 일면에 전극(424) 및 센서 패드(428)가 형성된 경우일 수 있다.
그러나 본 발명은 전극(424) 및 센서 패드(428)가 전기 화학적 센서(400)의 일면에 형성되는 경우뿐 아니라, 전기 화학적 센서(400)의 양면에 전극(424) 및 센서 패드(428)가 형성되는 경우로 확장 적용될 수 있다.
원위부(406)에는 체내로 삽입되어 당과 산화 또는 환원 반응을 할 수 있는 전극(424)이 형성될 수 있다. 전극(424)은 작업 전극(working electrode), 상대 전극(counter electrode), 및 기준 전극(reference) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 7을 참조하면, 근위부(402)에는 전극(424)에 연결되는 센서 패드(428)가 형성될 수 있다. 원위부(406)에서 체내 포도당과의 전기화학적 반응을 통해 발생한 전류는 베이스층(410) 상에 형성된 리드(426)를 따라 근위부(402)의 센서 패드(428)로 연결될 수 있다. 센서 패드(428)는 메인 기판(202)과 전기적으로 도통될 수 있다.
전극(424)은 적어도 하나 이상의 작업 전극 및 기준 전극을 포함할 수 있다. 상대 전극은 필요에 따라 복수로 형성될 수 있다. 상대 전극은 정밀한 데이터 획득을 위해 3종류 이상의 전극을 이용하는 경우에 구비될 수 있다.
작업 전극은 다공성 백금 전극일 수 있고, 다공성 백금 콜로이드로부터 제작될 수 있다.
기준 전극은 전위가 일정하여 기준이 될 수 있는 전극일 수 있다. 기준 전극은 염화은(Ag/AgCl) 전극·칼로멜 전극·황산수은(I) 전극 중 하나일 수 있다. 바이오 마커가 글루코스인 경우 체내 침습 용도를 위해, 기준 전극은 염화은(Ag/AgCl) 전극이 사용될 수 있다.
침습형 전기 화학적 센서의(100) 경우 침습시 통증 완화 및 착용시 이물감 감소 등의 이유로 가급적 크기가 최소화되어야할 필요가 있다. 전기 화학적 센서(400)의 크기가 작아질수록 전극(424)의 면적도 작아질 수 있다. 전극(424)의 면적이 충분히 확보되지 않을 경우 노이즈로 인한 신호 교란이 발생할 수 있어, 전기 화학적 센서(400)의 제조시 센서(100)의 크기 축소 및 전극(424) 면적 확보의 양측면을 고려할 필요가 있다.
침습형 전기 화학적 센서(400)가 피부안으로 삽입되는 길이는 3 내지 12 mm 범위일 수 있다. 삽입 길이가 3 mm 이하인 경우, 센서의 생체 삽입 후 생체의 움직임에 의해 센서 자체의 안정감 및 신호안정성이 떨어질 수 있다. 삽입 길이가 12 mm 를 초과하는 경우, 인체 통점이 분포된 범위에 위치하여 통증이 심해지고 혈관이나 신경 등 생체 내 조직을 손상시킬 수 있다.
또한, 원위부(406)의 침습되는 부분의 폭은 100 내지 600 ㎛ 범위일 수 있다. 원위부(406)의 침습되는 부분의 두께는 10 내지 300 ㎛ 범위일 수 있고, 바람직하게는 50 내지 150 ㎛ 범위일 수 있다.
원위부(406)의 적어도 일부는 체내로 삽입되기에, 원위부(406)의 폭이 너무 넓은 경우 침습시 통증 및 이물감이 커질 수 있어 소정의 폭(예로 600㎛) 이하로 줄일 필요성이 있다. 체내로 침습되는 원위부(406)의 일면에만 3개 이상의 전극(424)이 모두 배치되면, 분석물 데이터 측면에서 3개 이상의 전극 및 그에 연결된 리드(426)의 공간 확보를 위해 원위부(406)의 폭은 넓어져야 하지만 통증 완화 측면에서 소정의 폭(예로 600㎛) 이하로 제한될 수 있다. 두 개의 트레이드 오프 관계를 모두 만족시켜야 한다.
원위부(406)의 전극(424)은 리드(426)을 통해 베이스층(410)을 따라 연장되어 근위부(402)의 센서 패드(428)에 전기적으로 연결될 수 있다. 리드(426)는 중간부(404)에 배치되기에, 접힘부(405)가 휘어지면 리드(426)도 함께 휘어질 수 있다.
트랜스미터(200)가 피부에 부착되고 전기 화학적 센서(400)가 체내로 침습되는 경우, 접힘부(405)는 상당한 시간동안 휘어진 상태를 유지할 수 있다. 접힘부(405)의 비틀림 부하를 감소시키기 위해, 중간부(404) 또는 접힘부(405)의 폭은 근위부(402) 또는 원위부(406)의 폭보다 좁게 형성될 수 있다.
중간부(404) 또는 접힘부(405)에 형성되는 리드(426)의 개수는 원위부(406)에 배치되는 전극의 개수에 비례해 증가할 수 있다. 복수의 리드(426)가 접힘부(405)에 배치될수록 절연성이 떨어지고 쇼트가 발생할 수 있다. 리드(426) 간의 폭, 리드(426)의 수, 전극(424)의 수, 접힘부(405)의 폭을 최적화할 필요가 있다.
전도층(412)을 레이저 에칭하여 트렌치(420)가 형성될 수 있다. 레이저 에칭에 의한 트렌치(420)의 폭(W1, W2)은 2 내지 200 ㎛ 일 수 있다. 레이저를 조사하는 레이저 헤드가 복수회 이동하고 레이저 에칭을 복수회 시행하며 상기 트렌치의 폭이 증가될 수 있다.
전극 및 센서 패드는 전도층에 레이저를 조사하여 전도층의 일부를 제거하는 레이저 에칭 방식으로 형성될 수 있다. 전도층이 적층된 이후에, 전극의 가장자리 경계 및 센서 패드의 가장자리 경계가 형성될 수 있다. 전극과 센서 패드를 각각 연결하는 리드는, 전극 및 센서 패드와 마찬가지로 전도층의 일부를 수직 방향으로 절개한 것일 수 있다. 전극의 가장자리 경계 및 센서 패드의 가장자리 경계가 형성된 이후에 절연층이 부착될 수 있다.
트렌치는 전도층에 음각으로 새겨지고 이에 따라 전도성 아일랜드가 패터닝될 수 있다. 트렌치의 높이는 전도층의 두께와 동일할 수 있다. 전도층, 전극, 및 센서 패드의 두께는 모두 동일할 수 있다.
전기 화학적 센서의 폭은 600 마이크로미터 이하이고, 전기 화학적 센서의 길이는 3cm 이하일 수 있다. 전극의 폭 및 센서 패드의 폭은 500 마이크로미터 이하이고, 리드의 폭은 150 마이크로미터 이하이며, 전기 화학적 센서의 윈위부의 일면에 적어도 2개의 전극과 적어도 2개의 리드가 형성될 수 있다.
전극의 패턴이 아무리 복잡하고 트렌치의 폭이 아무리 좁아도 레이저 에칭으로 버(burr)없이 형성할 수 있다. 공정 단순화를 위하여 전도층은 베이스층의 노출 면적 전체에 걸쳐 금속이 스퍼터링되는 것이 바람직하다. 양면 전극 형성시 비아홀이 형성된 베이스층의 상면 및 배면을 모두 금속으로 스퍼터링할 수 있다.
전극(424)끼리 또는 리드(426)끼리는 트렌치(420)에 의해 전기적으로 상호 분리될 수 있다. 트렌치(420)가 좁을수록 분석물 반응을 위한 충분한 전극(424) 면적을 확보할 수 있다. 반대로 트렌치(420)가 좁을수록 절연성은 나빠질 수 있다. 트렌치 형성을 레이저 에칭에 의하면 미세화와 절연성의 트레이드 오프를 만족시킬 수 있다. 접힘부(405)의 폭을 좁게 형성할수록 비틀림력을 줄일 수 있고, 접힘부(405)가 휘어져 고정된 상태로 상당한 시간이 지속되어도 피로 파괴를 막을 수 있다.
트렌치(420)에 의해, 리드(426), 전극(424), 또는 센서 패드(428)를 위한 충분한 면적 확보가 용이하여 신호 전달율을 향상시키고 쇼트 불량율을 감소시킬 수 있다.
도 4는 본 발명이 아닌 비교 예로서, 본 발명의 전기 화학적 센서(400)의 제조 방법에 대한 도 5 및 도 6과 대비될 수 있다.
도 4는 센서의 제1 전극(62a) 및 제2 전극(64a)의 두 개의 전극을 형성하기 위한 비교 예일 수 있다.
비교 예에서, 센서(100)의 몸체를 이루는 베이스층(61)에 제1 전극층(62), 제1 절연층(63), 제2 전극층(64), 및 제2 절연층(65)이 순서대로 적층될 수 있다. 두 개의 전극 형성을 위해, 베이스층(61), 제1 전극층(62), 제1 절연층(63), 제2 전극층(64), 및 제2 절연층(65)는 순차로 전극 형성을 위한 부분의 길이가 더 길게 형성될 수 있다. 각 층의 길이 차이로부터, 제1 전극층(62)에는 제1 전극(62a)이 노출될 수 있고, 제2 전극층(64)에는 제2 전극(64a)이 노출될 수 있다.
비교 예에서, 전극의 수가 증가할수록 전극층 및 절연층 개수가 증가되고 센서의 두께도 늘어나며, 피부 삽입시 통증 및 이물감이 증가될 수 있다. 체내 분석물과의 반응성 개선을 위해 전극의 수를 늘리는 경우, 센서의 원위부의 두께가 너무 두꺼워질 수 있다. 각 적층되는 층의 폭을 좁히더라도 전극 수 증가에 따른 적층 개수는 근본적으로 줄일 수 없고, 결과적으로 체내 침습되는 센서의 두께를 최소화하기 어려울 수 있다.
또한, 제1 전극층(62) 및 제2 전극층(64)은 절연층 또는 유전층에 해당하는 레이어 위에 금속성 페이스트를 인쇄 방식에 의해 형성될 수 있다. 금속성 페이스트의 성분 및 구조는 효소 방식의 혈당기에서 이용되는 방식일 수 있다.
비교 예에서, 제1 전극층과 제2 전극층이 배치되는 평면은 다를 수 있고, 전극의 종류에 따라 도포되는 금속성 페이스트의 성분이 달라질 수 있다. 효소식 센서의 경우는 더욱 그러하며, 열에 의하여 손상이 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명의 전체 가열부(450)에 의한 솔더링시 절연층에 덮힌 금속성 페이스트는 물론 외부로 노출된 금속성 페이스트도 열변형되는 문제점이 있다.
그러나, 본 발명의 전기 화학적 센서의 전도층은 금속 스퍼터링 등의 방식으로 동일한 면 또는 실질적으로 동일한 면으로 형성되기에 성분과 구조에서 차이가 있다. 본 발명의 전체 가열부(450)로 리플로우하여도 전도층의 열손상이 없는 장점이 있다.
도 5를 참조하면, 전기 화학적 센서(400)는 체내 침습시 절곡가능하도록 플렉서블한 베이스층(410)을 포함할 수 있다. 베이스층(410)은 절연가능 소재로 합성수지, 폴리이미드(PI), 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 베이스층 또는 절연층의 두께는 100 마이크로미터 이하일 수 있다.
스퍼터링 등의 방식으로 베이스층(410)에 전도층(412)이 형성될 수 있다. 금속을 원자나 분자 단위로 날려서 적층한 전도층의 두께는 10 마이크로미터 이하일 수 있다. 전도층은 전극의 가장자리 경계 및 센서 패드의 가장자리 경계가 형성되기 전에, 베이스층의 노출 면적 전체에 걸쳐 금속이 스퍼터링된 것일 수 있다.
전극 및 센서 패드는 전도층에 레이저를 조사하여 상기 전도층의 일부를 제거하는 레이저 에칭 방식으로 형성되는 것이 미세화와 절연성의 트레이드 오프를 만족시킬 수 있다.
전도층(412)에 절연층(416)을 본딩하기 전에 전도층(412)에 트렌치(420)가 형성될 수 있다. 전도층(412)은 트렌치(420)에 의해 서로 다른 부재로 분리될 수 있다. 전도층(412)은 트렌치(420)에 의해, 서로 다른 종류의 전극(424)으로 분별될 수 있고, 서로 다른 리드(426)으로 분별될 수 있으며, 서로 다른 센서 패드(428)로 분별될 수 있다.
전도층(412) 형성 이후 절연층(416)이 부착될 수 있다. 전극 및 센서 패드가 외부로 노출되도록 전극 및 센서 패드에 대응되는 절연층의 일부가 제거된 상태의 절연층이 전도층 위에 접착될 수 있다.
절단기 또는 펀칭기에 의해 절연층(416)의 일부가 제거될 수 있다. 절연층의 개구부의 크기가 작아 미세 가공이 필요한 경우, 전도층의 트렌치 형성에 사용했던 레이저 에칭 방식을 절연층의 개구부 가공에 사용할 수 있다.
베이스층의 경우도 마찬가지이다. 양면 형성에 필요한 비아홀은 미세 가공이 필요하므로 전도층의 트렌치 형성에 사용했던 레이저 에칭 방식을 베이스층의 비아홀 가공에 사용할 수 있다. 베이스층의 일부를 절개한 비아홀이 형성되며, 전도층은 베이스층의 상면, 비아홀의 표면, 배면을 따라 이음매없이 연속되는 동일한 금속 재질로 양면 스퍼터링될 수 있다.
절연층(416)에는 관통하는 개구부(422)가 형성될 수 있다. 전도층에 형성되는 전극 및 센서 패드는 개구부에 의해 외부로 노출될 수 있다. 근위부(402)에는 근위 개구부(422a)가 형성될 수 있고, 원위부(406)에는 원위 개구부(422b)가 형성될 수 있다. 센서 패드(428)의 일부는 근위 개구부(162)를 통해 외부로 노출될 수 있고, 근위 개구부(162)에 의해 노출된 센서 패드(428)의 일부는 메인 기판(202)의 기판 패드와 전기적으로 연결될 수 있다.
전극(424)의 일부는 원위 개구부(164)를 통해 외부로 노출될 수 있고, 원위 개구부(164)에 의해 노출된 전극(424)의 일부는 간질액 또는 혈류와 접촉하여 분석물과 전기화학적 반응을 일으킬 수 있다.
본 발명의 전기 화학적 센서(400)는 전극(424) 표면을 둘러싼 다공성 선택적 투과층(418)을 포함할 수 있다. 멤브레인은 선택적 투과층(418)을 포함할 수 있다. 선택적 투과층(418)은 체내 반응하는 분석물과 반응하기 위한 것으로 원위부(406)의 전극(424)에 도포될 수 있다.
선택적 투과층(418)은 중기공성(mesoporous) 특징을 가질 수 있다. 중기공의 크기는 2 내지 50 nm 일 수 있다.
멤브레인의 한 종류로서 선택적 투과층(418)은, 전극(424)과 반응하고자 하는 체내 분석물의 종류에 따라 결정될 수 있고, 도포되는 전극(424)의 종류에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 분석물이 글루코스이고 선택적 투과층(418)이 도포되는 전극(424)이 작업 전극인 경우, 선택적 투과층(418)은 중기공성 백금일 수 있다. 다공성 백금은 다공성 백금 콜로이드로부터 제작될 수 있다. 분석물이 글루코스이고 선택적 투과층(418)이 도포되는 전극(424)이 기준 전극인 경우, 선택적 투과층(418)은 염화은(Ag/AgCl)일 수 있다.
선택적 투과층(418)은 베이스층(410), 전도층(412), 및 절연층(416)이 적층된 상태에서 원위 개구부(422b)를 통해 전극(424)에 도포될 수 있다. 복수의 원위 개구부(422b)가 서로 다른 종류의 전극과 대면하는 경우, 제1 선택적 투과층(418a) 및 제2 선택적 투과층(418b)은 상호 다른 종류의 물질을 포함할 수 있다.
도 6은 전도층(412)의 트렌치(420)에 대해 구체적으로 설명한 것이다.
도 6은 근위부(402)로부터 원위부(406)까지의 전체 전기 화학적 센서(400)를 모식적으로 도시한 것일 수 있다.
도 6을 참조하면, 베이스층(410)에 전도층(412)이 스퍼터링 등의 방식으로 적층된 후, 레이저 에칭 등의 방식으로 트렌치(420)가 형성될 수 있다.
레이저 에칭 등에 의해 전도층(412)에는 서로 분리되는 복수의 전도성 아일랜드(430)가 마련될 수 있다. 각각의 전도성 아일랜드는 폐곡면을 이루며 상호 전기적 절연될 수 있다.
트렌치(420)의 하부에는 베이스층(410)이 노출되고, 접한 전도성 아일랜드(430) 간은 트렌치(420)에 의해 절연될 수 있다.
근위부(402)의 전도성 아일랜드(430)는 센서 패드(428)를 형성할 수 있고, 중간부(404) 또는 접힘부(405)의 전도성 아일랜드(430)는 리드(426)를 형성할 수 있으며, 원위부(406)의 전도성 아일랜드(430)는 전극(424)을 형성할 수 있다.
전도성 아일랜드는 절연층의 절개된 부분을 통하여 전극 및 센서 패드에 해당하는 부분이 외부로 노출되는 전도성 아일랜드와, 외부로 노출되는 부분이 없도록 절연층으로 모두 커버되는 더미부로 구분할 수 있다.
서로 다른 전극(424)을 포함하는 제1 전도성 아일랜드(430a), 제2 전도성 아일랜드(430b), 및 제3 전도성 아일랜드(430c)가 형성될 수 있다. 제1 전도성 아일랜드(430a)는 근위부(402)의 제1 센서 패드(428a), 접힘부(405)의 제1 리드(426a), 원위부(406)의 제1 전극(424a)을 포함할 수 있다.
제2 전도성 아일랜드(430b)는 근위부(402)의 제2 센서 패드(428b), 접힘부(405)의 제2 리드(426b), 원위부(406)의 제2 전극(424b)을 포함할 수 있다. 제3 전도성 아일랜드(430c)는 근위부(402)의 제3 센서 패드(428c), 접힘부(405)의 제3 리드(426c), 원위부(406)의 제3 전극(424c)을 포함할 수 있다.
제1 전극(424a), 제2 전극(424b), 및 제3 전극(424c)은 작업 전극, 상대 전극, 기준 전극 중 어느 하나일 수 있다.
폐곡면을 형성하여 상호 분리되는 전도성 아일랜드(430) 형성시, 전도성 아일랜드(430)사이에 더미부(432)가 형성될 수 있다. 더미부(432)는 절연층이 노출되면 전극(424) 또는 센서 패드(428)를 갖는 전도성 아일랜드(430)로 사용될 수 있다. 더미부(432)는 반복적인 레이저 에칭 등으로 완전히 제거될 수 있다. 그러나, 트렌치에 의한 전기적 절연만 달성하면 되므로 굳이 더미부(432)를 제거할 필요가 없다. 이것이 본 발명의 또 다른 장점이다.
전도층(412)에 트렌치(420) 패턴 형성후 절연층(416)으로 덮는 하부에 너무 넓은 더미부(432)가 형성시, 절연층(416)의 일부가 하부로 내려앉는 것을 방지하기 위해 더미부(432)는 제거되지 않고 그대로 유지될 수 있다.
트렌치(420)는 전극 트렌치(420a) 또는 에지 트렌치(420b)를 포함할 수 있다. 전극 트렌치(420a)는 전도성 아일랜드(430) 간을 절연시킬 수 있다. 전극 트렌치(420a)는 전극(424) 사이, 리드(426) 사이, 및 센서 패드(428) 사이 중 적어도 하나에 배치될 수 있다.
한편, 전도층이 전기 화학적 센서의 가장자리로 노출되면 절연성이 저하되므로 전도층의 측면 노출을 방지할 필요가 있다. 전도층이 적층된 이후에, 전기 화학적 센서의 가장자리를 따라 전도층의 일부를 절개할 수 있다. 이것이 에지 트렌치(420b)이다. 따라서, 전기 화학적 센서의 가장자리에는 베이스층 위에 절연층이 부착되며 절연이 될 수 있다. 전기 화학적 센서의 가장자리 안쪽 부분에는 베이스층 위에 적층된 전도층 위에 절연층이 부착될 수 있다.
에지 트렌치(420b)는 전도층(412)의 최외곽 에지를 형성할 수 있다. 에지 트렌치(420b)는 전기 화학적 센서(400)의 최외곽에 위치하는 전도성 아일랜드(430)를 센서(400)의 외부와 절연하는 역할을 할 수 있다. 전기 화학적 센서(400)가 어레이로 공정 처리되는 경우, 에지 트렌치(420b)는 이웃한 센서(400) 간에 쇼트 또는 이웃한 전도성 아일랜드(430) 간을 이격하여 상호간의 쇼트 발생을 방지할 수 있다.
전극 트렌치(420a)의 폭(W1) 및 에지 트렌치(420b)의 폭(W2)은 5 내지 30 ㎛ 범위일 수 있다.
절연층(416)을 전도층(412)에 부착하기 위한 본딩층(414)이 구비될 수 있다. 본딩층(414)은 전도층(412) 및 절연층(416) 사이에 위치할 수 있다. 절연층(416)에 개구부(422) 형성시, 본딩층(414)에도 함께 개구부(422)가 형성될 수 있다.
도 8은 복수의 전기 화학적 센서(400)를 한 번에 제조 공정 처리 하기 위한 센서 어레이를 도시한 것이다. 선택적 투과층을 반복 형성하기 위하여 딥 코팅(dip coating), 스프레이 코팅, 페이스트 방식 중 적어도 하나가 시행될 수 있다.
도 8을 참조하면, 베이스층(410)에는 정렬홀(72)이 형성되고, 정렬홀(72)은 지그의 정렬핀에 삽입될 수 있다. 베이스층(410)의 정렬홀(72) 및 절연층(416)의 정렬홀(미도시)는 서로 얼라인되고, 이에 따라, 절연층(416)의 개구가 전극 또는 센서 패드와 얼라인될 수 있다.
복수의 전기 화학적 센서(400)는 서로 연결된 어레이 형태로 센서 제조 공정이 동시에 처리된 뒤 낱개로 상호 분리될 수 있다.
전기 화학적 센서(400)는 베이스층(410)이 서로 연결되어 센서 어레이를 형성할 수 있다. 전기 화학적 센서(400)는 하나의 베이스층(410) 위에 각 센서별 전도층(412) 형성, 레이저 에칭 등에 의한 트렌치(420) 형성 중 적어도 하나가 수행될 수 있다. 절연층(416) 및 선택적 투과층(418) 형성도 한꺼번에 수행될 수 있다.
<전기 화학적 센서의 부착>
도 10 내지 도 13을 참조하여, 본 발명의 전기 화학적 센서(400) 및 메인 기판(202) 간의 솔더링 부착에 대해 설명한다.
전기 화학적 센서(400)는, 얇은 두께와 크기를 가져, 원위부(406) 중 적어도 일부가 인체 침습시 통증을 완하시킬 수 있고, 이물감을 감소시킬 수 있다.
전기 화학적 센서(400)는, 수십 또는 수백 마이크로미터 이하의 얇은 두께를 가질 수 있고, 작은 크기로 인해 커넥터 삽입 등의 물리적인 삽입 방식에 의해 메인 기판(202)에 단단히 고정연결되는 것은 어려울 수 있다.
이를 해결하기 위하여, 본 발명의 근위부(402)는 부품 실장이 완료된 메인 기판(202)과 함께 전체 가열부(450)에서 리플로우됨으로써, 전기 화학적 센서(400)의 파손이나 찢어짐없이 견고하게 센서 패드(428), 솔더링 페이스트(440), 및 기판 패드(203)가 전기적으로 연결될 수 있다.
도 10은 솔더링 전에 전기 화학적 센서(400)와 메인 기판(202)이 상호 이격된 상태를 나타낸다. 도 11은 전체 가열부(450) 내부에 전기 화학적 센서(400) 및 메인 기판(202)이 함께 위치한 상태로 솔더링 페이스트(440)가 용융되는 것을 나타낸다.
도 10 내지 도 12를 참조하면, 복수의 전기 화학적 센서(400)가 반복 배치된 어레이 형태로 센서 제조 공정이 동시에 처리된 뒤, 각각의 전기 화학적 센서(400)로 상호 분리될 수 있다. 분리된 전기 화학적 센서(400)의 근위부(402)는 솔더링 페이스트(440)을 이용한 솔더링에 의해 메인 기판(202)에 부착될 수 있다.
본 발명의 전체 가열부(450)에 의한 솔더링을 위하여, 솔더링 페이스트(440)의 용융 온도는, 센서 패드(428)를 형성하는 전도층(412), 베이스층(410), 전기 화학적 센서(400)에 부착된 멤브레인, 선택적 투과층(418), 기판 패드(203), 및 메인 기판(202)에 표면 실장된 부품의 용융 온도보다 낮게 설정될 수 있다.
전기 화학적 센서(400)는 복수로 배열된 어레이 형태로 제조된 뒤 낱개로 분리될 수 있다. 낱개로 분리된 전기 화학적 센서(400)는, 트랜스미터(200)의 메인 기판(202)에 부착되기 전에, 전기 화학적 센서(400)에 가해지는 공정이 모두 수행된 상태일 수 있다. 따라서, 어레이에서 낱개로 분리된 전기 화학적 센서(400)는 메인 기판(202)에 솔더링 부착하는 공정만 거치면, 전기 화학적 센서(400)에 관한 모든 공정이 완료될 수 있다.
전체 가열부(450)에 의한 솔더링시, 전기 화학적 센서(400)의 센서 패드(428) 및 메인 기판(202)의 기판 패드(203) 중 적어도 하나에 3차원 공간 좌표로 이동 가능한 디스펜서로 미리 정해진 정확한 미세 위치에 솔더링 페이스트(440)를 도포할 수 있다. 미세 위치는 센서 패드(428)의 위치 또는 기판 패드(203)의 위치이다.
솔더링 페이스트(440)를 사이에 두고 상호 대면되는 센서 패드(428) 및 기판 패드(203)를 압착하여 1차 접합부를 형성할 수 있다. 전기 화학적 센서(400) 및 메인 기판(202)은 1차 접합부에 의하여 유동이 억제되며 전체 가열부(450)에 투입될 수 있다.
메인 기판(202)은 전체 가열부(450)에 투입되기 전에 다른 부품이 표면 실장된 상태일 수 있다.
원위부(406)의 전극(424)에 도포되는 멤브레인은 선택적 투과층(418)을 포함할 수 있다. 본 발명의 전기 화학적 센서(400)는 동작 방식 자체가 효소에 의하지 않는 비효소식 센서인 것이 바람직하다. 선택층 투과층(418)은 고온에 변형되는 분석물-반응성 효소를 비포함할 수 있다. 전체 가열부에 의한 전기 화학적 센서(400)나 멤브레인의 열적 손상을 방지하기 위함이다.
만약, 본 발명의 멤브레인에 효소가 포함되는 경우, 솔더링 온도 또는 리플로우 온도는 효소의 효능이 파괴되지 않는 온도로 설정될 수 있다. 효소는 선택층 투과층(418)의 내부에 위치되어 솔더링 온도 또는 리플로우 온도로부터 보호될 수 있다.
한편, 도 11을 참조하면, 전체 가열부(450)에는 추가로 열차단부가(452)가 포함될 수 있다.
열차단부(452)는, 리플로우 등에 의해 전기 화학적 센서(400) 전체에 가해질 수 있는 솔더링 열로부터, 원위부(406)에 위치한 전극(424), 또는 선택적 투과층(418)을 포함하는 멤브레인을 보호할 수 있다.
열차단부(452)는 전기 화학적 센서(400)가 효소 방식인 경우에 이용될 수 있다. 전기 화학적 센서(400)가 효소 방식인 경우, 열차단부(452)는, 원위부(406)의 멤브레인 또는 추가적인 코팅층이 리플로우 등의 솔더링 열로부터 보호되지 않는 경우에 효과적일 수 있다.
전체 가열부(450)는 1차 접합부에 의하여 가접합된 전기 화학적 센서(400) 및 메인 기판(202)을 전체적으로 가열할 수 있다. 메인 기판(202)에 부착된 다른 부품의 열적 손상이나 전기 화학적 센서(400)에 부착된 멤브레인의 열적 손상없이 1차 접합부의 솔더링 페이스트(440)만 용융될 수 있다. 전체 가열부(450)에서 용융된 솔더링 페이스트(440)는 2차 접합부를 형성하며, 2차 접합부에 의하여 전기 화학적 센서(400) 및 메인 기판(202)은 완전히 결합될 수 있다.
솔더링 페이스트(440)는, 디스펜서에 의해, 센서 패드(428) 또는 기판 패드(203)에 도포될 수 있다. 선택적 투과층(418) 및 솔더링 페이스트(440)이 모두 디스펜서에 의해 도포되는 경우, 공정 시간을 단축할 수 있다.
센서 패드(428)와 기판 패드(203) 간의 솔더링시, 센서 패드(428)와 기판 패드(203) 뿐 아니라, 센서 패드(428)가 형성되는 베이스층(410)과 기판 패드(203)가 형성되는 메인 기판(202)도 가열될 수 있다.
이때, 솔더링 페이스트(440)의 용융 온도는, 센서 패드(428)를 형성하는 전도층(412), 베이스층(410), 기판 패드(203), 및 메인 기판(202) 중 적어도 하나의 용융 온도보다 낮게 설정될 수 있다.
솔더링 페이스트(440)의 용융 온도는 50도 내지 300도 범위로 설정될 수 있다.
베이스층(410)은 폴리이미드(PI) 또는 PET 등을 포함할 수 있다. 본 발명의 솔더링 온도는 베이스층(410)에 열적 손상을 입히지 않으면서도 솔더링 페이스트(440)를 용융시킬 수 있는 온도이다.
또한, 솔더링 페이스트(440)의 용융 온도는, 센서 패드(428)와 연결되는 전기 화학적 센서(400)의 패턴(420)의 불량을 초래하는 온도보다 낮을 수 있고, 기판 패드(203)와 연결되는 메인 기판(202)의 전기 회로의 불량을 초래하는 온도보다 낮을 수 있다.
솔더링시 발생한 열은, 센서 패드(428)에서 멀어질수록 감소하여 전기 화학적 센서의 패턴(420)의 다른 부분에 영향을 주지 않을 수 있고, 기판 패드(203)에서 멀어질수록 감소하여 전기 회로의 다른 부분에 불량 등의 영향을 주지 않을 수 있다.
메인 기판(202)과 전체 가열식으로 솔더링되는 전기 화학적 센서(400)는 어레이 상태로 센서 제조 공정이 수행된 상태에서 낱개로 분리되어 투입된 것일 수 있다. 즉, 어레이로부터 분리된 전기 화학적 센서(400)는, 트랜스미터(200)의 메인 기판(202)에 부착되는 것 외에, 전기 화학적 센서(400)에 가해지는 공정이 모두 수행된 상태일 수 있다.
따라서, 전기 화학적 센서(400)는, 솔더링 수행 전에, 전기 화학적 센서(400)의 제조에 필요한 공정이 모두 완료된 상태일 수 있다. 어레이에서 낱개로 분리된 전기 화학적 센서(400)는 메인 기판(202)에 솔더링 부착되면, 체내 침습 전까지 추가적인 공정없이 공정 완료된 상태일 수 있다.
복수의 전기 화학적 센서(400)가 어레이 형태로 수행되는 센서 제조 공정에는, 전기 화학적 센서(400)의 플렉서블한 베이스층(410)에 전도층(412)을 적층하는 전도층 단계, 원위부(406)에 양면 전극이 형성되는 경우에 베이스층(410)을 관통하는 비아홀(via-hole)이 형성되는 비아홀 단계, 전도층(412)에 전기 화학적 센서(400)의 패턴인 트렌치(420)를 형성하는 트렌치 단계, 전도층(412)에 절연층(416)을 부착하는 절연층 단계, 필요에 따라 전도층 단계 또는 절연층 단계 후 수행되는 열처리 단계, 절연층(416)의 개구부(422)에 디스펜서 등의 방식으로 선택적 투과층(418)을 도포하는 멤브레인 단계 중 적어도 하나가 포함될 수 있다.
솔더링시, 전기 화학적 센서(400) 및 메인 기판(202)은 전체 가열부(450) 안에서 리플로우(reflow) 공정이 수행될 수 있다. 메인 기판(202)의 정위치에 근위부(402)가 안착된 상태에서, 열풍 등의 열원을 가하면 근위부(402)와 메인 기판(202) 사이의 솔더링 페이스트(440)이 용융하여, 센서 패드(428)와 기판 패드(203)는 안정적으로 전기적 접속이 이루어질 수 있다.
메인 기판(202)은 전기 화학적 센서(400)의 솔더링을 위한 리플로우 공정 전에 다른 부품(203a,203b)이 실장된 상태일 수 있다. 다른 부품에는, 신호 증폭기, 연산부, 저장부 등을 포함하는 제어부, 블루투스 칩와 안테나 등을 포함하는 통신부, 및 그 외 저항, 콘덴서 등이 포함될 수 있다.
전기 화학적 센서(400)는, 솔더링시, 전체 가열부(450) 안에서 원위부(406)를 포함하는 전체 전기 화학적 센서(400)에 대해 리플로우 공정이 수행될 수 있기에, 원위부(406)의 전극(424)에 도포되는 선택층 투과층(418)은 온도에 민감한 분석물-반응성 효소를 포함하지 않고, 비효소식인 것이 적절하다.
선택층 투과층(418)에 효소가 포함되는 경우에도, 솔더링 온도 또는 리플로우 공정 온도는 효소의 효능이 파괴되지 않는 온도로 설정되거나, 효소는 외부와 접촉하는 선택층 투과층(418)의 내부에 위치되어 솔더링 또는 리플로우 공정으로부터 보호될 수 있다.
도 13은 전기 화학적 센서(400)의 일 실시 예로서, 본 발명의 솔더링 방식으로 부착하면, 근위부(402)의 배열 형태가 연결 수단인 ZEBRA나 ACF의 형상이나 결합 조건에 영향을 받지 않을 수 있다. 따라서, 근위부(402)가 다양한 형상을 가질 수 있고 근위부(402)의 형상을 자유롭게 설계할 수 있다. 도 13은, 베이스층(410)의 일면에만 전극(424)과 센서 패드(428)가 형성되지만, 베이스층(410)의 양면에 전극(424) 또는 센서 패드(428)가 형성된 경우로 확장될 수 있다.
그 이유를 설명하면 다음과 같다. 근위부(402)는 메인 기판(202)과 전기적으로 연결되기에, 그 구조와 디자인에 제한이 가해질 수 있다. 예를 들어, 근위부(402)의 센서 패드(428)가 샌드위칭 등의 물리적 방식으로 커넥터에 삽입되는 경우, 근위부(402)의 형상은 삽입 또는 샌드위칭시키는 커넥터의 구조에 따라 구속될 수 있다. 센서 패드(428)가 하나의 평면에 속해야 하는 제한이 있을 수 있다.
또한, ZEBRA나 ACF를 포함하는 전도성 패치 또는 압착성 테이프 등의 일직선 타입의 연결 수단에 의해 전기 화학적 센서(400)와 메인 기판(202)이 부착되는 경우, 센서 패드(428) 배열에 제한이 가해질 수 있다.
그러나, 본 발명에 의해 솔더링되면, 센서 패드(428)와 메인 기판(202)이 만나는 평면이 모두 다르게 형성될 수 있고, 기판 패드(203)의 3차원 형상에 따라 부착 높이나 위치가 자유로울 수 있다.
전기 화학적 센서(400)가 메인 기판(202)에 부착되는 과정을 전체적으로 설명한다.
본 발명의 센서 부착 방법은, 전기 화학적 센서(400)의 플렉서블한 베이스층(410)에 전도층(412)을 적층하는 전도층 단계, 전도층(412)에 절연층(416)을 부착하는 절연층 단계, 및 근위부(402)를 메인 기판(202)에 부착하는 솔더링 단계를 포함할 수 있다.
절연층 단계에서, 절연층(412)은, 절연층(412)을 관통하는 개구부(422)가 형성된 상태에서, 전도층(412) 위에 접착될 수 있다. 센서 부착 방법은, 개구부(422)에 선택적 투과층(418)을 도포하는 멤브레인 단계를 포함할 수 있다.
센서 부착 방법은, 복수의 전기 화학적 센서(400)가 반복 배치된 어레이 형태로 센서 제조 공정이 동시에 처리되는 어레이 단계를 포함할 수 있다.
어레이 단계후 복수의 전기 화학적 센서(400)는 각각으로 상호 분리되어 솔더링 단계에 투입될 수 있다.
한편, 센서 부착 방법은, 전원부, 통신부, 제어부 중 적어도 하나를 포함하는 전기 부품을 메인 기판(202)에 실장하는 부품 실장 단계를 포함할 수 있다.
센서 부착 방법은, 부품 실장 단계를 거친 메인 기판(202)과 어레이 단계 후 각각 분리된 전기 화학적 센서(400) 중 적어도 하나에 솔더링 페이스트를 도포하는 솔더링 페이스트 단계를 포함할 수 있다.
센서 부착 방법은, 솔더링 페이스트 단계를 거치며 센서 패드(428)와 기판 패드(203)가 솔더링 페이스트(440)로 1차 접합된 상태로 메인 기판(202)과 전기 화학적 센서(400)가 전체 가열부(450)로 투입되는 투입 단계를 포함할 수 있다.
솔더링 단계는, 전체 가열부(450)로 투입된 메인 기판(202)과 전기 화학적 센서(400)를 가열하여 솔더링 페이스트(440)를 용융시키는 단계일 수 있다. 솔더링 단계에서, 열풍을 포함하는 열원에 의해, 센서 패드(428) 및 기판 패드(203)는 가열될 수 있고, 센서 패드(428) 및 기판 패드(203) 사이에 위치한 솔더링 페이스트(440)은 용융될 수 있다. 이때, 솔더링 페이스트(440)의 용융 온도는, 기판 패드(203)의 용융 온도와, 메인 기판(202)의 용융 온도보다 낮도록 선택될 수 있다.
솔더링 단계에서, 센서 패드(428)는 솔더링 페이스트(440)의 용융에 의해 기판 패드(203)에 부착될 수 있다.
솔더링 단계가 수행되는 전기 화학적 센서(400)는, 멤브레인 단계가 수행 완료된 상태인 것일 수 있다.
61... 베이스층
62... 제1 전극층
62a... 제1 전극 63... 제1 절연층
64... 제2 전극층 64a... 제2 전극
65... 제2 절연층 70... 마스크
72... 정렬홀 100... 삽입기
102... 구동부 200... 트랜스미터
202... 메인 기판 203... 기판 패드
204... 함몰부 230... 전기 부품
230a... 제1 전기 부품 230b... 제2 전기 부품
300... 바늘
302... 중심벽부 304... 측벽부
306... 개방부 310... 바늘 핸들
400... 전기 화학적 센서 402... 근위부
404... 중간부 405... 접힘부
406... 원위부 408... 측면 연장부
410... 베이스층 412... 전도층
414... 본딩층 416... 절연층
418... 선택적 투과층 418a... 제1 선택적 투과층
481b... 제2 선택적 투과층 420... 트렌치
420a... 전극 트렌치 420b... 에지 트렌치
422... 개구부 422a... 근위 개구부
422b... 원위 개구부 424... 전극
424a... 제1 전극 424b... 제2 전극
424c... 제3 전극 426... 리드
426a... 제1 리드 426b... 제2 리드
426c... 제3 리드 428... 센서 패드
428a... 제1 센서 패드 428b... 제2 센서 패드
428c... 제3 센서 패드 430... 전도성 아일랜드
430a... 제1 전도성 아일랜드 430b... 제2 전도성 아일랜드
430c... 제3 전도성 아일랜드 432... 더미부
432a... 제1 더미부 432b... 제2 더미부
440... 솔더링 페이스트 450... 전체 가열부
452... 열차단부 490...레이저 헤드
W1,W2... 트렌치 폭
62a... 제1 전극 63... 제1 절연층
64... 제2 전극층 64a... 제2 전극
65... 제2 절연층 70... 마스크
72... 정렬홀 100... 삽입기
102... 구동부 200... 트랜스미터
202... 메인 기판 203... 기판 패드
204... 함몰부 230... 전기 부품
230a... 제1 전기 부품 230b... 제2 전기 부품
300... 바늘
302... 중심벽부 304... 측벽부
306... 개방부 310... 바늘 핸들
400... 전기 화학적 센서 402... 근위부
404... 중간부 405... 접힘부
406... 원위부 408... 측면 연장부
410... 베이스층 412... 전도층
414... 본딩층 416... 절연층
418... 선택적 투과층 418a... 제1 선택적 투과층
481b... 제2 선택적 투과층 420... 트렌치
420a... 전극 트렌치 420b... 에지 트렌치
422... 개구부 422a... 근위 개구부
422b... 원위 개구부 424... 전극
424a... 제1 전극 424b... 제2 전극
424c... 제3 전극 426... 리드
426a... 제1 리드 426b... 제2 리드
426c... 제3 리드 428... 센서 패드
428a... 제1 센서 패드 428b... 제2 센서 패드
428c... 제3 센서 패드 430... 전도성 아일랜드
430a... 제1 전도성 아일랜드 430b... 제2 전도성 아일랜드
430c... 제3 전도성 아일랜드 432... 더미부
432a... 제1 더미부 432b... 제2 더미부
440... 솔더링 페이스트 450... 전체 가열부
452... 열차단부 490...레이저 헤드
W1,W2... 트렌치 폭
Claims (17)
- 체내의 분석물과 반응하는 다수의 전극이 형성된 원위부와 상기 전극에 연결되는 센서 패드가 형성된 근위부를 포함하는 전기 화학적 센서;
전원부, 통신부, 제어부 중 적어도 하나가 표면 실장된 메인 기판을 구비하고, 상기 메인 기판이 내부에 수납되는 하우징을 포함하며, 여기서 상기 메인 기판에는 기판 패드가 형성되고 상기 하우징은 피부에 부착되는, 트랜스미터; 를 포함하고,
바늘과 상기 원위부가 함께 체내 삽입된 상태에서, 상기 분석물에 대한 측정이 수행되며,
피부가 상기 바늘에 의하여 절개된 후에 상기 전기 화학적 센서의 원위부가 체내에 삽입되고,
상기 전기 화학적 센서는 플렉서블한 베이스층, 상기 베이스층 위에 적층되는 전도층, 상기 전도층 위에 부착되는 절연층을 포함하며,
상기 절연층의 일부를 절개한 개구부가 형성되고, 상기 개구부를 통하여 상기 전도층이 노출된 부분이 상기 센서 패드에 해당하며,
상기 센서 패드와 상기 기판 패드 사이에 도포된 솔더링 페이스트가 용융된 후 냉각되면, 상기 센서 패드와 기판 패드 사이의 전기적 연결 및 물리적 연결이 완료되는 연속식 분석물 측정기.
- 제1 항에 있어서,
상기 전기 화학적 센서는 복수가 반복 배치된 어레이 형태로부터 각각의 전기 화학적 센서로 상호 분리되고,
분리된 전기 화학적 센서의 근위부는 솔더링 페이스트를 이용한 솔더링에 의해 상기 각각의 메인 기판에 부착되는 연속식 분석물 측정기.
- 제1 항에 있어서,
상기 솔더링시, 상기 전기 화학적 센서 및 메인 기판은 전체 가열부 안에 배치되며,
상기 전체 가열부 내의 열원에 의해, 상기 센서 패드 및 기판 패드 사이에 위치한 솔더링 페이스트가 용융되는 연속식 분석물 측정기.
- 제1 항에 있어서,
상기 전기 화학적 센서는, 상기 솔더링 수행 전에, 상기 전기 화학적 센서의 제조에 필요한 공정이 모두 완료된 상태인 연속식 분석물 측정기.
- 제1 항에 있어서,
상기 솔더링 페이스트의 용융 온도는, 상기 기판 패드 및 센서 패드의 용융 온도보다 낮은 연속식 분석물 측정기.
- 제1 항에 있어서,
상기 솔더링 페이스트의 용융 온도는, 상기 센서 패드와 연결되는 전기 화학적 센서의 패턴 불량을 초래하는 온도보다 낮고, 상기 기판 패드와 연결되는 메인 기판의 전기 회로의 불량을 초래하는 온도보다 낮은 연속식 분석물 측정기.
- 제1 항에 있어서,
상기 전기 화학적 센서에 멤브레인이 도포되며,
상기 멤브레인은 상기 솔더링 페이스트의 용융 온도에서 물성이 변화되는 분석물-반응성 효소를 포함하지 않는 연속식 분석물 측정기.
- 제1 항에 있어서,
상기 전기 화학적 센서는 비효소식 센서인 연속식 분석물 측정기.
- 제1 항에 있어서,
상기 전기 화학적 센서 및 메인 기판은 전체 가열부 안에 배치되며,
상기 전체 가열부 내의 열원에 의해, 상기 센서 패드 및 기판 패드 사이에 위치한 솔더링 페이스트는 용융되고, 상기 전기 화학적 센서에 도포된 멤브레인은 열적 손상되지 않는 연속식 분석물 측정기.
- 제1 항에 있어서,
상기 전기 화학적 센서 및 메인 기판은 전체 가열부 안에 배치되며,
상기 전체 가열부는 열차단부를 포함하고,
상기 열차단부는, 상기 원위부에 위치한 전극 및 상기 전극에 도포되는 멤브레인을, 상기 전체 가열부의 열원으로부터 보호하는 연속식 분석물 측정기.
- 제1 항에 있어서,
상기 전기 화학적 센서 및 메인 기판은 전체 가열부 안에 투입되며,
상기 메인 기판은 상기 전원부, 통신부, 제어부 중 적어도 하나를 포함하는 전기 부품이 실장된 상태에서 상기 전체 가열부에 투입되는 연속식 분석물 측정기.
- 제1 항에 있어서,
상기 전도층은 상기 베이스층에 금속을 스퍼터링하여 형성되고,
전체 가열부를 통과하며 상기 솔더링 페이스트가 용융 온도에 도달하여도 상기 전도층을 이루는 금속은 용융 온도에 도달되지 않는 연속식 분석물 측정기.
- 체내 분석물을 연속적으로 측정하는 연속식 분석물 측정기는, 전기 화학적 센서, 및 상기 전기 화학적 센서와 함께 피부에 부착되는 트랜스미터를 포함하고,
상기 전기 화학적 센서는, 체내의 분석물과 반응하는 다수의 전극이 형성된 원위부, 상기 전극에 연결되는 센서 패드가 형성된 근위부, 및 상기 원위부와 근위부 사이에 위치하는 중간부를 포함하며,
상기 트랜스미터는, 전원부, 통신부, 제어부 중 적어도 하나가 표면 실장되며 기판 패드가 형성된 메인 기판, 상기 메인 기판이 내부에 수납되는 하우징을 포함하고,
상기 센서 패드 및 기판 패드 중 적어도 하나에 솔더링 페이스트를 도포하는 단계;
상기 솔더링 페이스트를 사이에 두고 상호 대면되는 상기 센서 패드 및 기판 패드를 압착하여 1차 접합부를 형성하는 단계;
상기 1차 접합부가 형성된 상기 전기 화학적 센서 및 메인 기판을 전체 가열부에 투입하는 단계;
상기 1차 접합부의 솔더링 페이스트가 상기 전체 가열부에서 용융되면서 2차 접합부를 형성하는 솔더링 단계; 를 포함하며,
상기 2차 접합부에 의하여 상기 전기 화학적 센서 및 메인 기판이 완전히 결합되는 센서 부착 방법.
- 제13 항에 있어서,
복수의 전기 화학적 센서가 반복 배치된 어레이 형태로 센서 제조 공정이 동시에 처리되는 어레이 단계를 포함하고,
상기 어레이 단계후 상기 복수의 전기 화학적 센서는 각각으로 상호 분리되어 상기 솔더링 단계에 투입되는 센서 부착 방법.
- 제13 항에 있어서,
상기 전기 화학적 센서의 절연층을 관통하는 개구부가 형성된 상태에서, 상기 전기 화학적 센서의 전도층 위에 상기 절연층이 접착되고,
상기 전기 화학적 센서에 멤브레인을 도포하는 멤브레인 단계; 를 포함하며,
상기 솔더링 단계가 수행되는 전기 화학적 센서는, 상기 멤브레인 단계가 수행 완료된 상태인 센서 부착 방법.
- 제13 항에 있어서,
상기 전체 가열부에 의해, 상기 전기 화학적 센서 및 메인 기판이 함께 가열되고, 상기 센서 패드 및 기판 패드 사이에 위치한 솔더링 페이스트가 용융되며,
상기 솔더링 페이스트의 용융 온도는, 상기 기판 패드 및 센서 패드의 용융 온도보다 낮은 센서 부착 방법.
- 제13 항에 있어서,
상기 메인 기판은, 상기 전원부, 통신부, 제어부 중 적어도 하나를 포함하는 전기 부품이 표면 실장된 상태에서 상기 전체 가열부에 투입되는 센서 부착 방법.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220087369A KR20240010167A (ko) | 2022-07-15 | 2022-07-15 | 연속식 분석물 측정기 및 전기 화학적 센서 부착 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220087369A KR20240010167A (ko) | 2022-07-15 | 2022-07-15 | 연속식 분석물 측정기 및 전기 화학적 센서 부착 방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20240010167A true KR20240010167A (ko) | 2024-01-23 |
Family
ID=89713772
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220087369A KR20240010167A (ko) | 2022-07-15 | 2022-07-15 | 연속식 분석물 측정기 및 전기 화학적 센서 부착 방법 |
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|---|---|
| KR (1) | KR20240010167A (ko) |
-
2022
- 2022-07-15 KR KR1020220087369A patent/KR20240010167A/ko unknown
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