KR910006275B1

KR910006275B1 - 감이온 전계효과 트랜지스터를 이용한 이온 농도 측정용 마이크로 프로브

Info

Publication number: KR910006275B1
Application number: KR1019890005448A
Authority: KR
Inventors: 손병기
Original assignee: 손병기
Priority date: 1989-04-25
Filing date: 1989-04-25
Publication date: 1991-08-19
Also published as: KR900016754A

Abstract

내용 없음.

Description

감이온 전계효과 트랜지스터를 이용한 이온 농도 측정용 마이크로 프로브

제1도는 본 발명에 사용된 감이온 전계효과 트랜지스터의 구조를 나타낸 단면도.

제2도는 본 발명의 마이크로 프로브의 단면도.

제3도는 본 발명의 마이크로 프로브 팁부분의 일부절개 확대 사시도.

제4a, b도는 종래의 이온 농도 측정용 기준전극의 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

3 : ISFET 4 : 유리관

5 : 주사바늘 6 : Ag/AgCl 박막

7 : 실리콘 고무 8 : 포화 KCl용액

9 : 외부케이스 10, 10' : 리드선

11 : 에폭시 12 : 마이크로 헤더

13, 13', 13＂ : 알루미늄선

본 발명은 감이온 전계효과 트랜지스터(ion sensitive field effect transistor : 이하 ISFET라함)를 이용하여 용액 또는 생체(生體)의 국소부위에 직접 삽입하여 각종 이온 농도를 현장현시적(現場現時的)으로 측정할 수 있도록한 마이크로프로브(micro-probe)에 관한 것이다. 각종 이온들로 구성된 용액이나 생체, 특히 인체의 체액이나 혈액을 신속 정확하게 모니터링(moritoring)하는 것은 의료진단에서 매우 중요하며 절실히 요구되고 있다.

현재 생체의 이온 농도 측정은 전기화학적 센서인 이온 선택성 전극(ion selective electrode : 이하 ISE라함)을 사용하여 체액이나 혈액을 생체외로 유출하여 행하여지고 있는데, 이 ISE는 용적이 크고 응답속도가 느려서 생체내에서 연속적으로 변화하는 각종 이온농도를 측정하기 어려울 뿐만 아니라 규격화가 어렵고, 고가인 단점이 있다.

본 발명의 목적은 이와 같은 단점을 해결하기 위한 것으로, 응답속도가 빠르며 용액 또는 생체의 국소부위 직접 삽입하여 각종 이온 농도를 현장현시적으로 측정이 가능하도록 한 마이크로프로브를 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 ISFET 집적회로 공정 기술을 활용하여 제조됨으로써 극소형 및 초경량이고, 규격화를 이룰 수 있으며, 대량 생산이 가능하며 경제성이 큰 이온 농도 측정용 마이크로프로브를 제공하는 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 마이크로프로브는 반도체 이온 센서로서 감도, 안정성 및 신뢰도가 높은 ISFET와 전기 화학적 모세관 기준 전극(capillary reference electrode)을 조합하여 함께 장착시킨 구조를 가지며 특히, 이 마이크로 프로브의 팁(tip)부분을 필요에 따라 생체의 국소부위에 직접 삽입되어 현장현시적인 측정이 이루어지게 된다.

이하 본 발명의 구성 및 작용효과를 첨부도면에 의해 상세히 설명한다.

대부분의 경우, 이온 농도의 측정은 전기화학적 셀(cell)을 이용하는데, 이 셀로 일정한 전위를 유지하는 하나의 반쪽 셀(half-cell : 즉, 이온 기준전극임)로 측정하고자 하는 용액의 이온 농도에 따라 응답하는 또 하나의 반쪽 셀(half-cell : 즉, 이온 선택성 전극임)로 구성된다. 즉, 이와 같은 전기화학적 셀의 형태는 금속 기준전극과 기준용액(bridge solution) 및 이온선택성 전극(ISE)의 조합으로 이루어지며, 피측정 용액과 ISE간의 전기화학적 전위차에 의해 피측정용액의 이온 농도를 측정하게 된다. 여기서 기준전극의 역할은 여러 가지 피측정용액내에서 ISE의 전위변화에 대해 일정한 전위를 유지하는 것으로서, 기준전극의 전위는 대개 기준전극 전위에다 기준용액 및 피측정용액의 액계면(液界面)양쪽의 전위를 더한 값이 되는데, 따라서 이러한 액계면 전위의 불안정성은 ISE의 동작에 중요한 오차를 유발시키게 된다. 특별한 경우에는 액계면이 없는 기준전극을 사용할 수 있는데 이 경우 기준 전극으로서 ISE를 사용한다. 이때 사용하는 ISE가 기준전극으로 동작하기 위해서는 피측정용액을 특정이온의 일정한 농도로 유지시켜야 하는 제약이 따르며, 이 때문에 일반적으로 동작이 편리하고 값이 싸며 손쉽게 유지할 수 있는 액계면이 있는 기준전극이 널리 사용된다. 기준전극이 가져야할 기본적인 요건은 안정도, 재현성(再現性) 및 가역성(可逆性)으로서, 이러한 요건들은 서로 상관관계를 가지며 실제적으로 완전한 특성을 기대할 수 없는데, 기준전극의 안정도는 기준용액과 기준전극이 화학적으로 반응하여 전극전위의 변화를 유발시키는 화학적인 요인과 온도, 빛 및 압력등의 물리적인 요인에 의해 영향을 받을 수 있다.

제4a, b도는 가장 널리 사용되는 기준전극으로서 Ag/AgCl 전극 및 Hg/HgCl2(칼로멜(calomel)) 전극을 도시한 것이다.

제4a도의 Ag/AgCl 전극(14)은 순수한 은선(銀線)을 HCl용액으로 전기분해 시키거나 용융된 AgCl에다 담그는 방법으로 제작되는데, 그 구조가 단순하고 제작이 용이하기 때문에 pH전극의 내부기준 전극으로 널리 사용되고 있다. 이 전극은 열이력(熱履歷) 효과가 무시할 정도로 작아서 온도를 변화시켜가며 사용하는 경우에 매우 유용하고 빛에 대한 효과도 거의 무시할 수 있으며 유해하지 않기 때문에 식료품 및 생의학적 응용해 주로 이용된다. 그러나 이 전극은 기준용액(15)내에서 AgCl의 용해도가 비교적 크기 때문에 전극물질이 많이 소모되어 수명이 짧은 단점이 있다.

제4b도의 칼로멜 전극은 그 전극물질이 수은(18)과 수은/염화 수은 페이스트(paste)(19), 포화 KCl용액에 젖은 면모직 패킹(20)이 차례로 연결된 구조를 가지며, 기준용액(17)으로 포화 KCl용액을 사용하는 경우 화학적으로 매우 안정된 동작을 나타내므로 널리 사용되고 있다.

미설명 부호중 ＂16.16'＂는 액체접합부, ＂21＂은 패킹 플럭이다.

그러나 이와 같은 칼로멜 전극은 열이력 효과가 크기 때문에 70℃이상의 온도 범위에서는 불안정하여 사용이 곤란하며 독성 때문에 인체에 유해한 단점이 있다.

제1도는 본 발명의 마이크로 프로브에 사용되는 ISFET를 나타낸 것으로, 이는 기능적으로 전술한 바의 ISE와 반도체소자인 금속 절연물 반도체 전계효과 트랜지스터(metal insulator semicon-ductor FET : 이하 MISFET라함)를 조합시킨 것이다. 즉, ISFET(3)는 MISFET 의 금속 게이트 부분을 기준전극(1)과 피측정용액(2) 및 이온 감지막(3a)으로 대체 시킨 구조를 가지며 그 동작원리는 MISFET의 그것과 유사하다.

이 이온 감지막(3a)은 특정이온을 선택적으로 감지하기 위해서 좋은 선택성과 감도를 가져야 하는데 특히 혈액에서 나타나는 가장 중요한 이온인 H+, K+, Na+ 등의 감지 물질인 Si3N4, Valinomycin 또는 NAS유리등이 주로 사용된다. 기준전극(1)은 피측정용액(2)의 전위를 정해주는 역할을 하며, 이 용액(2)중의 특정이온과 감지막이 반응하여 전기화학적 전위차를 발생하게 되는데, 이 전위차는 용액(2)내의 특정 이온 농도의 함수이며 ISFET(3)의 채널 콘덕턴스를 변화시키게 된다. 따라서 용액(2)내의 특정 이온 농도 변화가 나타나게 되면 드레인(D)전류가 변하는데 이 변화를 측정하여 용액(2)속의 특정 이온 농도를 알 수 있다. 도면중 S는 소오스전극, Vr은 기준전극(1)에 인가되는 기준전압, Vd는 드레인 전압, 3b는 절연물, P-Si는 P형 실리콘 기판, N+는 드레인과 소오스를 형성하기 위한 n형 반도체이다.

본 발명의 마이크로 프로브는 제2도 및 제3도에 상세히 도시되어 있는데, 현장현시적인 이온 농도측정이 가능하며 응답속도가 빠른 ISFET칩(3)과 모세관 기준전극을 조합하여 가는 주사바늘내에 장착시킨 구조를 갖는다.

모세관 기준전극은 일측단부가 모세관으로 세공된 유리관(4)안에 리드선(10)이 연결된 Ag/AgCl 박막(6)을 내장시키고 포화 KCl용액(8)을 채워 넣은 후, 이 Ag/AgCl 박막(6)의 리드선(10) 연결부위에 관통설치된 절연용 실리콘 고무(7)로 상기 유리관(4)의 타측단부를 결합하여 구성한다.

본 발명의 실시예에 있어서 Ag/AgCl 박막(6)은 약 150μm두께의 박판 유리로 된 기판(6a) 상에 약 1μm두께의 Ag를 진공증착시킨 후 이 Ag상에 역시 진공증착법으로 AgCl을 3000-5000Å정도 형성시켜 구성한다. 또한, 유리관(4)은 기계적 및 열적특성이 좋은 보로실리 케이트(borosilicate)유리를 사용하여 만들게 되는데, 외경이 6mm인 유리관의 일측단부를 산소-아세틸렌 불꽃으로 가열하면서 약 0.5mm의 외경이 되게한 다음 그 끝을 집게로 잡아당김에 의해 모세관을 형성시키게 된다. 이 모세관은 기울기가 1/60에서 1/10 정도의 정교한 기울기를 가지고 생체의 측정부위에 가능한한 적은 상처가 나도록 그 일측단부의 내경이 10-20μm가 되도록 하는데 이렇게 제작된 모세관은 전술한 바와 같은 ISFET 칩(3)과 조합하여 가는 유리관이나 주사바늘(5), 특히 내경이 약 0.6mm인 주사바늘내에 함께 장착시키게 된다.

즉, 제2도의 프로브 팁부분을 확대시킨 제3도에서와 같이 ISFET(3)을 마이크로 헤더(micro-header)(12)에 접착시킨 후 초음파 결선기로 알루미늄선(13)(13')(13＂)을 결선하게 되는데 본 발명의 실시예에 있어서, 마이크로 헤더(12)는 박판유리를 기판으로 하고 이 위에 알루미늄을 약 1-2μm두께로 진공증착시킨후 사진신각을 이용하여 형성하게 되며, 제작된 마이크로 헤더(12)의 크기는 약 0.4×40mm²이다. 이렇게 ISFET 칩(3)이 부착된 마이크로 헤더(12)와 모세관 기준전극이 함께 장착된 주사바늘(5)은 상기 유리관(4)을 수용하는 외부케이스(9)와 나사식으로 결합시키는 것이 바람직하며, 이후 주사바늘(5)내의 마이크로헤더(12)와 모세관 기준전극의 기계적인 고정과 전기적인 절연을 위하여 주사바늘(5)의 상부 일측에 형성된 구멍(5a)을 통하여 이 주사바늘(5) 및 외부케이스(9)의 내부공간(11)에 에폭시 또는 실리콘 고무를 흘려넣어서 캡슐화시키게 된다.

미설명 부호중 ＂10＂은 ISFET 칩(3)의 드레인 및 소오스의 리드선이다.

이와 같이 제작된 본 발명의 마이크로 프로브를 실제적으로 생체측정에 이용하기 위해서는 측정용액(2)의 이온 농도에 따라 변화되는 ISFET(3)의 전기적 변화상태를 검출하고 이렇게 검출된 값을 pH값으로 정확도를 높이기 위해서는 ISFET 소자의 온도보상을 위한 보정회로가 필요하게 되는데, 본 발명의 마이크로프로브에 있어서, 이와 같은 보정회로는 ISFET 소자와 유사한 동작 원리를 갖는 MISFET를 사용하여 간단하게 구성시킬 수 있다.

본 발명에 의한 모세관 기준전극에서 포화 KCl을 채운 모세관의 직렬저항은 대체로 10⁶Ω정도로서 ISFET 칩(3)과 함께 동작하는데 문제가 되지 않는데, 이 모세관 기준전극을 기존의 상용기준전극 및 상용수소이온 선택성 전극과 pH4-pH10 범위에서 각각 대비한 결과 그 전기화학적 특성이 우수하였다.

또한, 제작된 본 발명의 마이크로 프로브의 감도는 약 50mV/pH였고, 1초 미만의 빠른 응답특성을 나타내었으며, 또한 온도 의존성은 -0.01pH/℃로 매우 양호하였다.

이상과 같이 본 발명의 마이크로 프로브는 감도, 안정도 및 신뢰도가 높으며 극소형, 초경량의 이온 감지소자인 ISFET를 모세관 기준전극과 조합시켜 제작됨으로써 응답속도가 빠르고, 특히 생체의 국소부위에 직접 삽입하여 지속적으로 현장현시적인 생체 이온 농도 측정이 가능하다. 또한, 규격화에 의한 대량생산이 가능하여 의료지단 분야는 물론 기초과학적 분석, 환경관리, 식료품검사, 산업공정관리 등의 분야에도 광범위하게 활용될 수 있는 특징이 있다.

Claims

일측단부(4a)를 모세관으로 세공한 유리관(4)안에 Ag/AgCl 박막(6)을 내장시키고 포화 KCl 용액(8)을 채워넣으며 이 Ag/AgCl 박막(6)의 리드선(9) 연결 부위에 상기 용액(8)과의 절연을 위한 실리콘 고무(7)를 관통하게 설치한 상태에서 상기 유리관(4)의 타측단부와 결합시켜 모세관 기준전극을 구성하고, 일측단부에 ISFET 칩(3)을 접착시킨 마이크로 헤더(12)와 상기의 모세관 기준전극을 조합하여 주사바늘(5) 또는 가는 유리관 내에 함께 장착시켜서 구성한 것을 특징으로 하는 감이온 전계효과 트랜지스터를 이용한 이온 농도 측정용 마이크로 프로브.
제1항에 있어서, 상기 마이크로 헤더(12)상에 알루미늄 패드를 증착 형성하고, 이 알루미늄 패드와 상기 ISFET 칩(3)의 드레인 소오스 및 접지단자를 각각 알루미늄 선(13)(13')(13＂)으로 결선시킨 것을 특징으로 하는 감이온 전계효과 트랜지스터를 이용한 이온 농도 측정용 마이크로 프로브.
제1항에 있어서, 상기 ISFET 칩(3) 및 모세관 기준전극의 일측단부(4a)를 상기 주사바늘(5)의 일측단부에 배열시킨 것을 특징으로 하는 감이온 전계효과 트랜지스터를 이용한 이온 농도 측정용 마이크로 프로브.
제1항에 있어서, 상기 Ag/AgCl 박막(6)이 박판 유리의 기판(6a)상에 Ag을 진공증착시키고, 이 증착된 Ag위에 다시 AgCl을 증착, 형성시켜서 형성된 것을 특징으로 하는 감이온 전계효과 트랜지스터를 이용한 이온 농도 측정용 마이크로 프로브.
제1항에 있어서, 상기 마이크로 헤더(12)가 박판유리를 기판으로 하고 그 위에 알루미늄을 진공증착시킨 후 사진식각을 이용하여 형성된 것을 특징으로 하는 감이온 전계효과 트랜지스터를 이용한 이온 농도 측정용 마이크로 프로브.
제1항에 있어서, 상기 모세관 기준전극의 일부가 외부케이스(9)안에 수납되고, 이 외부케이스(9)와 상기 주사바늘(5)이 나선 결합된 것을 특징으로 하는 감이온 전계효과 트랜지스터를 이용한 이온 농도 측정용 마이크로 프로브.
제1항 또는 제6항에 있어서, 상기 마이크로 헤더(12) 및 모세관 기준전극이 장착된 상기 외부케이스(9) 및 주사바늘(5)의 내부 잔여공간(11)에 에폭시 또는 실리콘 고무를 흘려넣어서 다중층으로 갭슐화시킨 것을 특징으로 하는 이온 농도 측정용 마이크로 프로브.