WO2011112059A9 - 나노 재료를 이용한 센서 시스템 및 그 제조 방법 - Google Patents

나노 재료를 이용한 센서 시스템 및 그 제조 방법 Download PDF

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WO2011112059A9
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electrode layer
resistance
layer
electrode
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김규태
나준홍
허정환
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고려대학교 산학협력단
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
    • G01N27/125—Composition of the body, e.g. the composition of its sensitive layer
    • G01N27/127—Composition of the body, e.g. the composition of its sensitive layer comprising nanoparticles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
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    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/414—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
    • G01N27/4146—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS involving nanosized elements, e.g. nanotubes, nanowires

Definitions

  • the present invention relates to a sensor system using a nanomaterial and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a sensor system including a Wheatstone bridge circuit using a nanomaterial and a method of manufacturing the same.
  • sensitivity of the sensor When the sensitivity of the sensor is large, even if a small amount of the target substance to be detected reacts, it means that the sensor can be sufficiently detected and the reaction rate is also fast. Sensor research has been conducted toward increasing the sensitivity index, which is one of the development directions for high performance sensors, and the idea of improving the reliability has been continuously presented.
  • nanoscale materials are nanoscale in size, their volume-to-surface area ratio is much higher than that of conventional bulk materials, resulting in a noticeable change in the electrical properties of the material, even with small environmental changes that affect surface reactions. Indicates.
  • the material in nano units is nano units in size, such as nanodot of 0-dimensional material, nanowire, nanorod, nanotube, etc. of 1-dimensional material.
  • Environmental changes mean changes in gaseous state around nanomaterials, temperature changes, light changes, and the presence or absence of specific biomaterials.
  • the senor uses the characteristics of nanomaterials that show a noticeable change in characteristics even with small environmental changes.
  • nanomaterials are used as reactants in sensors. Changes in the properties of nanomaterials due to environmental changes mean that the conductivity of nanomaterials changes, so research is being conducted to use them for sensors such as specific gases, biomaterials, or UV (ultraviolet) detection. It is true.
  • the senor In the case of the sensor made of nanomaterials, the sensor is extremely sensitive to changes in the external environment, and this characteristic shows a large variation for each sensor, resulting in a reliability problem in estimating the electrical property change of the nanomaterial due to the external change. .
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a sensor system using a highly reactive nano-material as a reaction material, in particular, the measurement value error due to deterioration of performance over time and ambient noise, the internal resistance of the sensor used for the measurement To provide a sensor system that can be corrected automatically by changing the value.
  • Sensor system using a nano-material for solving the above problems is formed on a semiconductor substrate, when exposed to the external environment, the conductivity of the at least one nano-material changes according to the amount of the material to be measured; A plurality of electrode layers respectively formed in the plurality of regions of the nanomaterial to define one or more resistance regions on the nanomaterial; A dielectric layer formed over the nanomaterial and the plurality of electrode layers such that only a portion of the resistive region formed in the nanomaterial is exposed to an external environment; And at least one gate layer formed at a position corresponding to the resistance region of the dielectric layer.
  • the target material may be measured by adjusting the resistance value of the resistance region of the nanomaterial located under the gate layer according to the voltage applied to the gate layer.
  • the resistance region constitutes the resistance of the Wheatstone bridge circuit, and adjusts the resistance value of the resistance region other than the externally exposed resistance region by applying a voltage to the gate layer.
  • the target material may be measured by measuring a voltage between the electrode layers and measuring a resistance value of the resistance region exposed to the outside.
  • the plurality of electrode layers are formed of five electrode layers (first to fifth electrode layers) formed in a single nanomaterial in a row, and the dielectric layer is formed of the second electrode layer to the first electrode. Only nanomaterials formed between the five electrode layers and positioned between the first electrode layer and the second electrode layer may be exposed to the outside.
  • the first electrode layer and the fifth electrode layer are electrically connected to each other, and a power terminal is connected to the third electrode layer and the first electrode layer, respectively, and the second electrode layer and the A voltmeter is connected to the fourth electrode layer to measure a target material by measuring a resistance of the resistance region exposed to the outside.
  • the nanomaterial is composed of a first nanomaterial and a second nanomaterial spaced apart from each other, and the first electrode layer to the third electrode layer are formed on the first nanomaterial.
  • fourth to sixth electrode layers are formed on the second nanomaterial, and two resistance regions are formed on the first nanomaterial and the second nanomaterial, respectively, and the second electrode layer and the third electrode are formed on the second nanomaterial.
  • a gate layer may be formed on a dielectric layer corresponding to a region between electrode layers and a region between electrode layers formed on the second nanomaterial, and only a nanomaterial disposed between the first electrode layer and the second electrode layer may be exposed to the outside. .
  • the first electrode layer and the fourth electrode layer are electrically connected to each other
  • the third electrode layer and the sixth electrode layer are electrically connected to each other
  • the third electrode layer and the A power supply terminal is connected to each of the fourth electrode layer
  • a voltmeter is connected to the second electrode layer and the fifth electrode layer, thereby measuring a target material by measuring resistance of the exposed resistance region.
  • the nanomaterial is composed of a first nanomaterial and a second nanomaterial spaced apart from each other, and a first electrode layer and a second electrode layer are formed on the first nanomaterial.
  • One resistive region is formed on the first nanomaterial, and third to sixth electrode layers are formed on the second nanomaterial, and three resistive regions are formed between the respective electrode layers.
  • a gate layer may be formed on the dielectric layer formed on the second nanomaterial, and only the nanomaterial positioned between the first electrode layer and the second electrode layer may be exposed to the outside.
  • the nanomaterial is composed of four nanomaterials spaced apart from each other, and the electrode layers are formed at both ends of the nanomaterials so that the center of the nanomaterial is exposed to each of the nanomaterials.
  • a resistive region is formed on the material, a dielectric layer and a gate layer are formed on three nanomaterials of the four nanomaterials, and the other nanomaterial may be exposed to the outside.
  • the nanomaterial may be formed of any one of a nano wire or a nano rod.
  • the dielectric layer may be formed of any one of Al 2 O 3 , HfO 2 , SiO 2 , Si 3 N 4 , La 2 O 3 , Ta 2 O 5 , and ZrO 2 . It can be formed as.
  • At least one nano-conductivity is changed according to the amount of the material to be measured when exposed to the external environment on the semiconductor substrate Forming a material; Forming electrode layers respectively formed in the plurality of regions of the nanomaterial to define one or more resistive regions on the nanomaterial; Forming a dielectric layer over the nanomaterial and the plurality of electrode layers such that only a portion of the resistive region formed in the nanomaterial is exposed to an external environment; And forming at least one gate layer at a position corresponding to the resistance region of the dielectric layer.
  • the present invention uses the nano-material as a resistance of the bridge circuit used in many sensors, and the rest of the area except the nano-material area used for the measurement of the target material is embedded with a dielectric to protect it from exposure to the external environment, The performance degradation of the sensor that occurs over time is minimized.
  • the present invention as described above, to form a dielectric on the nanomaterial so as not to be exposed to the external environment, using the dielectric formed so as a gate dielectric of the field effect transistor (FET), by applying a voltage to the gate electrode to the nanomaterial
  • FET field effect transistor
  • the resistance of the nanomaterials can be changed. Therefore, the resistance of the nanomaterial constituting the resistance of the Wheatstone bridge circuit can be set according to the user's intention, thereby correcting the resistance value against the performance deterioration, thereby eliminating the change in the measured value caused by the performance deterioration and external noise.
  • the presence and concentration of the target substance corresponding to the resistance value can be measured, so that a more reliable measurement is possible.
  • the present invention is integrally implemented in a semiconductor device and a semiconductor chip that can automatically adjust the internal equilibrium conditions of the Wheatstone bridge circuit, automatically correcting the error without the user to set the conditions individually, and the target material It is possible to provide a sensor system that can measure.
  • FIG. 1 is a diagram conceptually illustrating a configuration of a sensor system of the present invention.
  • FIG. 2A is a plan view illustrating a sensor system using a Wheatstone bridge circuit according to a first preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 2B is a cross-sectional view of the sensor system shown in FIG. 2A.
  • FIG 3 is a plan view showing the configuration of a sensé system according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a plan view showing a configuration of a sensor system according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a plan view showing the configuration of a sensor system according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view showing an optical image of a sensor system manufactured according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram conceptually illustrating a configuration of a sensor system of the present invention.
  • the sensor system of the present invention implements the resistance of the Wheatstone bridge circuit using nanomaterials, unlike conventional sensors implementing the Wheatstone bridge circuit using commercial resistors.
  • the sensor system of the present invention is largely composed of a Wheatstone bridge circuit portion and an adjusting circuit portion for adjusting a voltage applied to a gate layer formed in the Wheatstone bridge circuit portion.
  • resistors R1, R2, R3, R4 are implemented using nanomaterials, and one of them (R1) is exposed to the external environment to measure the target material, and the other three
  • the resistances of the nanomaterials can be controlled by embedding the resistors R2, R3, and R4 with a dielectric layer to protect them from external exposure while generating an electric field by applying a voltage to an upper gate layer.
  • the Wheatstone bridge circuit portion of the present invention is connected with an adjustment circuit portion for applying a voltage to the gate layer to adjust the resistance value of the nanomaterial so that the voltage difference between the B node and the D node is in an equilibrium state of zero.
  • the target material can be measured while maintaining current equilibrium and correcting errors caused by environmental changes.
  • FIG. 2A is a plan view illustrating a sensor system using a Wheatstone bridge circuit according to a first preferred embodiment of the present invention
  • FIG. 2B is a cross-sectional view of the sensor system shown in FIG. 2A.
  • a nanomaterial 2200 used as a reactant is formed on a semiconductor substrate 2100.
  • a substrate such as Si / SiO 2 , Si / Si 3 N 4, and the like, which may apply the same gate voltage to the entire substrate, may be used.
  • Si doped hereinavily doped
  • SiO 2 , Si 3 N 4, etc. can act as a gate gate dielectric.
  • nanomaterial means that conductivity is changed (that is, resistance is changed) according to environmental changes such as gas state change, temperature change, light change, presence or absence of a specific biomaterial, and the like.
  • a material having a size of nano units there are nanodots as the 0-dimensional material, nanowires, nanorods, and nanotubes as the 1-dimensional material, and graphene (2) as the 2D material.
  • graphene may be composed of ZnO, SnO 2 , Si, SiGe, GaN, TiO 2 , In 2 O 3 , Carbon nanotube, C 60 , graphene, and the like.
  • the Wheatstone bridge circuit since the resistance of the Wheatstone bridge circuit is implemented as a nanomaterial, the Wheatstone bridge circuit should be designed primarily by considering the channel length and width of the nanomaterial. Since the resistance varies depending on the channel length, width, surface state, and contact state of the metal electrode of the nanomaterial, in order to obtain a desired resistance value, the nanometer is first considered in consideration of the channel length and width of the nanomaterial. The substance must be selected. After that, considering the resistance ratio according to the relationship between the electrode layer formed on the nanomaterial, the dielectric layer 2400, and the like, a desired resistance value can be obtained by finally applying a voltage to the gate layer described later.
  • a nanowire is used as a nanomaterial used as a resistance of a Wheatstone bridge circuit, but other nanomaterials may be appropriately selected and used according to circumstances.
  • a plurality of electrode layers are formed on the nanomaterial 2200 to define a resistance region of the nanomaterial 2200.
  • five electrode layers are formed side by side on nanomaterial 2200, with nanomaterial regions between each electrode layer functioning as resistive regions. do.
  • a region between the first electrode layer 2310 and the second electrode layer 2320 of the nanomaterial 2200 is the first resistance region R1 of FIG. 1.
  • a region located between the second electrode layer 2320 and the third electrode layer 2330 corresponds to the second resistance region R2 of FIG. 1, and the third electrode layer 2330 and the fourth electrode layer 2340.
  • the region located in between corresponds to the fourth resistance region R4 of FIG. 1
  • the region located between the fourth electrode layer 2340 and the fifth electrode layer 2350 corresponds to the third resistance region R3 of FIG. 1. .
  • some regions are formed over the nanomaterial 2200 so that the first electrode layer 2310 and the fifth electrode layer 2350 accommodate the distal end of the nanomaterial 2200 therein, and some regions are formed of a semiconductor substrate ( 2100, but may be formed on the nanomaterial 2200 in the same manner as the second electrode layer 2320 to the fourth electrode layer 2340.
  • a dielectric layer 2400 is formed on the nanomaterial 2200 and the electrode layers 2320 to 2350 to protect the remaining resistive regions other than the first resistive region from being exposed to the external environment.
  • the dielectric layer 2400 is an inorganic material such as Al 2 O 3 , HfO 2 , SiO 2 , Si 3 N 4 , La 2 O 3 , Ta 2 O 5 , ZrO 2, and the like, and may be lithography, atomic layer deposition, or lift. It may be formed using a lift-off process and the like, and in the preferred embodiments of the present invention, the dielectric layer 2400 is formed using Al 2 O 3 .
  • the gate layers 2510 to 2530 are formed at positions corresponding to the resistance regions on the dielectric layer 2400.
  • the gate layers 2510 to 2530 generate an electric field between the semiconductor substrate 2100 by the applied voltage to adjust the resistance value (ie, conductivity) of the resistance region of the nanomaterial 2200 positioned below the gate layer.
  • the resistance value ie, conductivity
  • the nanomaterial 2200 is an N-type
  • the resistance value may be increased by applying a negative voltage to the gate layer, and the resistance value may be decreased by applying a positive voltage, and the nanomaterial 2200 may have a P ⁇ value.
  • the resistance can be adjusted by applying a voltage to the contrary.
  • the first electrode layer 2310 and the fifth electrode layer 2350 are electrically connected to each other by the connecting portion 2600, and the external power supply 2700 is connected to the connecting portion 2600 (first electrode layer 2310). Or may be directly connected to the fifth electrode layer 2350) and the third electrode layer 2330 to supply power, and the voltmeter 2800 is connected to the second electrode layer 2320 and the fourth electrode layer 2340, respectively. do.
  • the connection part 2600 and the voltmeter 2800 are not in electrical contact with each other.
  • the first electrode layer 2310 (or the fifth electrode layer 2350) and the third electrode layer 2330 are described.
  • a voltage is detected by the voltmeter 2800 connected to the second electrode layer 2320 and the fourth electrode layer 2340 as current flows.
  • a voltage is applied to each of the gate layers 2510 to 2530 positioned at the.
  • the resistance value of the resistance region of the nanomaterial 2200 positioned below is changed by an electric field, and the measured value of the voltmeter 2800 is changed as the resistance value is changed. Until the measured value of the voltmeter 2800 becomes zero, the resistance value of the resistance region of the nanomaterial is adjusted by the applied voltage.
  • the resistance value when the nanomaterial 2200 is an N-type, the resistance value may be increased by applying a negative voltage to the gate layer, and the resistance value may be decreased by applying a positive voltage. In the case of this P-type, the resistance value can be adjusted by applying a voltage on the contrary.
  • the gate layer is formed in all of the second and fourth resistance regions to adjust the resistance of each of the second and fourth resistance regions. It is a matter of course that the measurement may be performed by forming a gate layer only on the region or two resistive regions to change only the resistance value of one or two resistive regions.
  • FIG 3 is a plan view showing the configuration of a sensé system according to a second embodiment of the present invention.
  • the second preferred embodiment of the present invention separates the nanomaterial into two and the first nanomaterial.
  • the first nanomaterial 3210 and the second nanomaterial on the semiconductor substrate 3100 will be described.
  • the 3220 may be spaced apart from each other, the first electrode layer 3310 to the third electrode layer 3330 may be formed on the first nanomaterial 3210, and the fourth electrode layer 3340 to the second nanomaterial 3220.
  • the sixth electrode layer 3360 is formed.
  • the first electrode layer 3310 to the third electrode layer 3330 formed on the first nanomaterial 3210 may define a first resistance region R1 and a second resistance region R2 between the electrode layers, and the second nanomaterial (
  • the fourth electrode layer 3340 to the sixth electrode layer 3360 formed at 3220 define a third resistance region R3 and a fourth resistance region R4 between the electrode layers.
  • the first electrode layer 3310 is electrically connected to the fourth electrode layer 3340
  • the third electrode layer 3330 is electrically connected to the sixth electrode layer 3360 by the connection parts 3620 and 3610, respectively.
  • a dielectric layer is formed on the nanomaterial and electrode layer constituting the remaining resistance region so that only one resistance region is exposed to the external environment.
  • the first dielectric layer 3410 may be formed on the nanomaterial 3210 corresponding to the second electrode layer 3320 and the third electrode layer 3330 and the second resistance region therebetween.
  • the second dielectric layer 3420 is formed on the fourth electrode layer 3340 to the sixth electrode layer 3360 and the nanomaterial 3220 of the third and fourth resistance regions between the electrode layers.
  • the gate layers 3510 to 3530 are formed on the first and second dielectric layers 3410 and 3420 at positions corresponding to the second to fourth resistive regions.
  • the power supply 3700 is connected to the third electrode layer 3330 and the fourth electrode layer 3340, the voltmeter 3800 for measuring the equilibrium state of the Wheatstone bridge circuit is the second electrode layer 3320 and the fifth electrode layer ( 3350).
  • the voltages of the gate layers 3510 to 3530 are changed in the same manner as in the first embodiment, thereby changing the resistance values of the nanomaterials of the second and fourth resistance regions R2 to R4, thereby exposing the external environment.
  • the target material may be measured by measuring the resistance value of the first resistance region R1 exposed to the reaction force and reacting with the measurement target material and in which the resistance value is changed.
  • the gate layers 3510 to 3530 are all provided on the upper portion of the second resistive region R2 to the upper portion of the fourth resistive region R4, and the second Although it has been described that all of the resistors to the fourth resistance value are changed, similarly to the first embodiment, the gate layer is formed in one or two resistance areas to change only the resistance values of the one or two resistance areas. The resistance value can be measured as described in the first embodiment.
  • a plurality of resistance regions are formed in one nanomaterial or two nanomaterials, but as shown in FIG. 4, two electrode layers are formed for each of four nanomaterials separated from each other. It is also possible to form a resistive region.
  • nanomaterials 4210 to 4240 spaced apart from each other are formed on the semiconductor substrate 4100, and electrode layers 4310 to 4380 are formed at both ends of each nanomaterial so that the center of the nanomaterial is exposed.
  • the resistive regions R1 to R4 are formed in the nanomaterials.
  • dielectric layers 4410 to 4430 and gate layers 4510 to 4530 are formed on three nanomaterials 4220 to 4240 of the four nanomaterials, and the other nanomaterial 4210 is exposed to the outside.
  • first electrode layer 4310 and the fifth electrode layer 4350 may be formed by the second connection part 3620, and the second electrode layer 4320 and the third electrode layer 4330 may be formed by the first connection part 3610.
  • the electrode layer 4340 and the eighth electrode layer 4380 are electrically connected to each other by the fourth connector 3640, and the sixth electrode layer 4360 and the seventh electrode layer 4370 are electrically connected to each other by the third connector 3630.
  • the power supply 4700 may be directly connected to the second connector 3620 (which may be directly connected to the first electrode layer or the fifth electrode layer) and the fourth connector 3640 (which may be directly connected to the fourth electrode layer or the eighth electrode layer).
  • the voltmeter 4800 is connected to the first connection part 3610 and the third connection part 3630 (it may be directly connected to the electrode layer connected by the connection part).
  • the first resistive region exposed to the external environment is formed using one independent nanomaterial 5210, and the remaining second to fourth resistive regions are formed as a single one.
  • the nanomaterial (5220) it is possible to form on the nanomaterial (5220).
  • a first nanomaterial 5210 and a second nanomaterial 5220 spaced apart from each other are formed on a semiconductor substrate 5100, and the first nanomaterial (
  • the first electrode layer 5310 and the second electrode layer 5320 are formed on the upper portion of the 5210, and the third electrode layer 5330 to the sixth electrode layer 5530 are formed on the second nanomaterial 5220.
  • the region of the nanomaterial corresponding to the electrode layers is formed as the resistive regions R1 to R4.
  • a dielectric layer 5400 is formed on the second nanomaterial 5220 and the electrode layers 5330 to 5260 formed thereon as an inorganic protective layer protecting the nanomaterial. Therefore, the second resistance region R2 to the fourth resistance region R4 are not exposed to the external environment, and only the first resistance region R1 formed on the first nanomaterial 5210 is exposed to the external environment.
  • the gate layers 5510 to 5530 are formed on the dielectric layer 5400 at positions corresponding to the respective resistance regions, and the second to fourth resistive regions are formed by applying a voltage to the gate layers 5510 to 5530. It can be adjusted.
  • the gate layer is formed on all three resistance regions, but the gate layer may be formed only on one or two resistance regions to adjust only the resistance of the corresponding nanomaterial. Of course.
  • FIG. 6 shows an optical image of a sensor system fabricated in accordance with one preferred embodiment of the present invention.
  • SnO 2 is used as a nanomaterial
  • an inorganic dielectric layer (Al 2 O 3 ) and a gate layer are formed on three resistance regions in the same manner as in the first embodiment on a single nanowire to vary the resistance. It can be seen that the other resistive region is exposed to the external environment and is used as a reactant of the sensor.

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Abstract

본 발명은 나노 물질을 브리지 회로의 저항으로 적용한 센서 시스템을 공개한다. 본 발명은 환경 변화에 대한 반응성이 뛰어난 나노 물질을 반응 물질로 이용함으로써, 보다 미세한 환경 변화에 대해서도 신뢰할 수 있는 측정 결과를 얻을 수 있다. 또한, 본 발명은 나노 물질을 센서에 많이 이용되는 브리지회로의 저항으로 이용하고, 대상 물질의 측정에 이용되는 나노 물질 영역을 제외한 나머지 영역은 유전체로 매립하여 외부 환경에 노출되지 않도록 보호함으로써, 시간이 지남에 따라서 발생하는 센서의 성능 열화를 최소화하였다. 또한, 본 발명은 나노 물질 위에 형성된 게이트에 전압을 인가하여 나노 물질에 전계를 형성함으로써, 나노 물질의 저항을 변화시킬 수 있다. 따라서, 휘트스톤 브리지 회로의 저항을 구성하는 나노 물질의 저항을 사용자의 의도대로 설정할 수 있으며, 이에 따라서 성능 열화에 대한 저항값을 보정함으로써, 성능 열화 및 외부 잡음에 의한 측정값의 변화를 배제하고, 실제로 외부 환경 변화에 의해서 변화된 저항값만을 측정하고, 저항값에 대응되는 대상 물질의 존재 여부 및 농도를 측정할 수 있으므로, 보다 신뢰성 있는 측정이 가능하다. 또한, 본 발명은 휘트스톤 브리지 회로의 내부 평형 조건을 자동으로 조절할 수 있는 회로 장치와 하나의 반도체칩에 일체로 구현되어, 사용자가 일일이 조건을 설정할 필요없이 자동으로 오차를 보정할 수 있다.

Description

나노 재료를 이용한 센서 시스템 및 그 제조 방법
본 발명은 나노 재료를 이용한 센서 시스템 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 나노 재료를 이용한 휘트스톤 브리지 회로를 포함하는 센서 시스템 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
센서기술이 발전함에 따라서 다양한 종류의 센서들이 개발되고 있다. 센서의 성능을 판가름하는 다양한 요소들 중 하나로서, 센서의 민감도(sensitivity)를 들 수 있다. 센서의 민감도가 크면 검출하고자 하는 대상 물질이 소량 존재하여 반응해도 충분히 센서에 검출될 수 있고 반응속도 또한 빠르다는 의미이다. 고성능 센서로의 발전방향 중의 하나인 이러한 민감도 지수를 높이는 방향으로 센서연구가 진행되어 오고 있고 신뢰도 향상에 관한 아이디어도 계속 제시되고 있는 실정이다.
현재, 나노단위(nanoscale)의 길이를 가지는 재료를 반응물질로 사용하여 센서의 민감도를 높이는 연구가 진행되고 있다. 나노단위의 재료는 크기가 나노단위이므로 부피 대 표면면적 비가 기존의 벌크 재료일 때보다 훨씬 증가하여, 표면반응에 영향을 미치는 작은 환경적 변화에도 그 재료의 전기적 특성이 눈에 띄게 변화하는 특징을 나타낸다.
여기서, 나노단위의 재료라 함은 크기가 나노단위로써, 0차원 재료의 나노닷(nanodot) 등, 1차원 재료의 나노선(nanowire), 나노막대(nanorod), 나노튜브(nanotube) 등, 2차원 재료의 그래핀(graphene) 등을 말한다. 그리고 환경적 변화라 함은 나노재료 주위의 가스 상태 변화, 온도 변화, 빛의 변화, 특정 바이오 물질 존재 유무 등을 말한다.
센서의 민감도를 높이기 위해 작은 환경적 변화에도 눈에 띄는 특성변화를 보이는 나노재료의 특징을 센서에 이용한다. 즉, 나노재료를 센서의 반응물질로 사용한다는 것이다. 환경적 변화에 의한 나노재료의 특성 변화라는 것은 나노 재료의 전도도가 변화한다는 의미이므로, 그것을 이용하여 특정 가스, 바이오 물질, 혹은 UV(ultra violet) 검출 등의 센서에 사용하기 위해 연구가 진행되고 있는 실정이다.
나노재료로 이루어진 센서의 경우, 외부환경 변화에 극히 민감한 특성을 나타내고, 이러한 특성은 센서마다의 큰 편차를 나타내게 되어, 외부 변화에 따른 나노재료의 전기적 성질 변화를 추정하는 데 있어 신뢰성 문제가 생기게 된다.
또한, 시간에 따라서 센서 특성의 열화가 나타나고, 센서에 이용된 재료의 반응정도에 차이가 발생하여 지속적으로 정확한 대상 물질의 측정이 어려우므로, 이러한 특성의 열화 및 반응성 정도의 차이를 조절하거나 보상할 수 있는 확증적인 센싱 방법 및 이를 구현할 수 있는 센서 시스템이 절실히 요구되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 반응성이 뛰어난 나노 물질을 반응 물질로 이용한 센서 시스템을 제공하는 것으로서, 특히, 시간에 따른 성능 열화 및 주변 잡음으로 인한 측정값 오차를, 측정에 이용되는 센서 내부의 저항값을 변화시켜 자동으로 보정할 수 있는 센서 시스템을 제공하는 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노 재료를 이용한 센서 시스템은, 반도체 기판위에 형성되고, 외부 환경에 노출되면 측정 대상 물질의 양에 따라서 전도도가 변화되는 하나 이상의 나노 물질; 상기 나노 물질의 복수의 영역에 각각 형성되어, 상기 나노 물질상에 하나 이상의 저항 영역을 정의하는 복수의 전극층; 상기 나노 물질에 형성된 저항 영역 중 일부 저항 영역만이 외부 환경에 노출되도록, 상기 나노 물질 및 상기 복수의 전극층 위에 형성된 유전체층; 및 상기 유전체층 중 저항 영역에 대응되는 위치에 형성된 적어도 하나 이상의 게이트층을 포함한다.
또한, 상술한 나노 재료를 이용한 센서 시스템에서는, 게이트층에 인가되는 전압에 따라서 상기 게이트층 아래에 위치한 나노 물질의 저항 영역의 저항값을 조절하여 대상 물질을 측정할 수 있다.
또한, 상술한 나노 재료를 이용한 센서 시스템에서는, 상기 저항 영역은 휘트스톤 브리지 회로의 저항을 각각 구성하고, 상기 외부로 노출된 저항 영역 이외의 저항 영역의 저항값을 게이트층에 전압을 인가하여 조절하고, 상기 전극층간의 전압을 측정하여, 상기 외부로 노출된 저항 영역의 저항값을 측정함으로써, 대상 물질을 측정할 수 있다.
또한, 상술한 나노 재료를 이용한 센서 시스템에서는, 상기 복수의 전극층은 단일한 나노 물질에 일렬로 형성된 5개의 전극층(제 1 전극층 내지 제 5 전극층)으로 형성되고, 상기 유전체층은 제 2 전극층 내지 상기 제 5 전극층 사이에 형성되어, 상기 제 1 전극층과 상기 제 2 전극층 사이에 위치한 나노 물질만이 외부로 노출될 수 있다.
또한, 상술한 나노 재료를 이용한 센서 시스템에서는, 상기 제 1 전극층과 상기 제 5 전극층은 서로 전기적으로 연결되고, 제 3 전극층과 상기 제 1 전극층에 전원 단자가 각각 연결되며, 상기 제 2 전극층 및 상기 제 4 전극층에 전압계가 연결되어, 상기 외부로 노출된 저항 영역의 저항을 측정함으로써 대상 물질을 측정할 수 있다.
또한, 상술한 나노 재료를 이용한 센서 시스템에서는, 상기 나노 물질은 서로 이격된 제 1 나노 물질 및 제 2 나노 물질로 구성되고, 상기 제 1 나노 물질의 상부에는 제 1 전극층 내지 제 3 전극층이 형성되고, 상기 제 2 나노 물질의 상부에는 제 4 전극층 내지 제 6 전극층이 형성되어, 상기 제 1 나노 물질 및 상기 제 2 나노 물질에 각각 2개씩의 저항 영역이 형성되고, 상기 제 2 전극층 및 상기 제 3 전극층 사이 영역과, 상기 제 2 나노 물질 상부에 형성된 전극층들 사이 영역에 대응되는 유전체층 위에 게이트층이 형성되며, 상기 제 1 전극층과 상기 제 2 전극층 사이에 위치한 나노 물질만이 외부로 노출될 수 있다.
또한, 상술한 나노 재료를 이용한 센서 시스템에서는, 상기 제 1 전극층과 상기 제 4 전극층이 서로 전기적으로 연결되고, 상기 제 3 전극층과 상기 제 6 전극층이 서로 전기적으로 연결되며, 상기 제 3 전극층과 상기 제 4 전극층에 전원 단자가 각각 연결되며, 상기 제 2 전극층 및 상기 제 5 전극층에 전압계가 연결되어, 상기 외부로 노출된 저항 영역의 저항을 측정함으로써 대상 물질을 측정할 수 있다.
또한, 상술한 나노 재료를 이용한 센서 시스템에서는, 상기 나노 물질은 서로 이격된 제 1 나노 물질 및 제 2 나노 물질로 구성되고, 상기 제 1 나노 물질의 상부에 제 1 전극층 및 제 2 전극층이 형성되어, 상기 제 1 나노 물질에 하나의 저항 영역이 형성되고, 상기 제 2 나노 물질의 상부에는 제 3 전극층 내지 제 6 전극층이 형성되어, 각 전극층 사이마다 세 개의 저항 영역이 형성되며, 상기 제 2 나노 물질 상부에 형성된 전극층들 사이 영역에, 상기 제 2 나노 물질 위에 형성된 유전체층 위에 게이트층이 형성되고, 상기 제 1 전극층과 상기 제 2 전극층 사이에 위치한 나노 물질만이 외부로 노출될 수 있다.
또한, 상술한 나노 재료를 이용한 센서 시스템에서는, 상기 나노 물질은 서로 이격된 4개의 나노 물질로 구성되고, 나노 물질의 중심이 드러나도록, 상기 각 나노 물질의 양 말단에 전극층이 형성되어 상기 각 나노 물질에 저항 영역이 형성되고, 상기 4개의 나노 물질 중 3개의 나노 물질위에 유전체층과 게이트층이 형성되며, 나머지 하나의 나노 물질은 외부로 노출될 수 있다.
또한, 상술한 나노 재료를 이용한 센서 시스템에서는, 상기 나노 물질은 나노선(nano wire) 또는 나노막대(nano rod) 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
또한, 또한, 상술한 나노 재료를 이용한 센서 시스템에서는, 상기 유전체층은 Al2O3, HfO2, SiO2, Si3N4, La2O3, Ta2O5, ZrO2 중 어느 하나의 물질로 형성될 수 있다.
한편, 상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노 재료를 이용한 센서 시스템의 제조 방법은, 반도체 기판위에 외부 환경에 노출되면 측정 대상 물질의 양에 따라서 전도도가 변화되는 하나 이상의 나노 물질을 형성하는 단계; 상기 나노 물질의 복수의 영역에 각각 형성되어, 상기 나노 물질상에 하나 이상의 저항 영역을 정의하는 전극층을 형성하는 단계; 상기 나노 물질에 형성된 저항 영역 중 일부 저항 영역만이 외부 환경에 노출되도록, 상기 나노 물질 및 상기 복수의 전극층 위에 유전체층을 형성하는 단계; 및 상기 유전체층 중 저항 영역에 대응되는 위치에 적어도 하나 이상의 게이트층을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명은 환경 변화에 대한 반응성이 뛰어난 나노 물질을 반응 물질로 이용함으로써, 보다 미세한 환경 변화에 대해서도 신뢰할 수 있는 측정 결과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은 나노 물질을 센서에 많이 이용되는 브리지회로의 저항으로 이용하고, 대상 물질의 측정에 이용되는 나노 물질 영역을 제외한 나머지 영역은 유전체로 매립하여 외부 환경에 노출되지 않도록 보호함으로써, 시간이 지남에 따라서 발생하는 센서의 성능 열화를 최소화하였다.
또한, 본 발명은 상기와 같이, 외부 환경에 노출되지 않도록 나노 물질 위에 유전체를 형성하고, 그렇게 형성된 유전체를 FET(Field Effect Transistor)의 게이트 유전체로 사용하여, 게이트 전극에 전압을 인가하여 나노 물질에 생성되는 채널의 형성을 조절함으로써, 나노 물질의 저항을 변화시킬 수 있다. 따라서, 휘트스톤 브리지 회로의 저항을 구성하는 나노 물질의 저항을 사용자의 의도대로 설정할 수 있으며, 이에 따라서 성능 열화에 대한 저항값을 보정함으로써, 성능 열화 및 외부 잡음에 의한 측정값의 변화를 배제하고, 실제로 외부 환경 변화에 의해서 변화된 저항값만을 측정하고, 저항값에 대응되는 대상 물질의 존재 여부 및 농도를 측정할 수 있으므로, 보다 신뢰성 있는 측정이 가능하다.
또한, 본 발명은 휘트스톤 브리지 회로의 내부 평형 조건을 자동으로 조절할 수 있는 회로 장치와 하나의 반도체칩에 일체로 구현되어, 사용자가 일일이 조건을 설정할 필요없이 자동으로 오차를 보정하고, 대상 물질을 측정할 수 있는 센서 시스템을 제공할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 센서 시스템의 구성을 개념적으로 설명하는 도면이다.
도 2a 는 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 휘트스톤 브리지 회로를 이용한 센서 시스템을 도시한 평면도이다.
도 2b 은 도 2a에 도시된 센서 시스템의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 센세 시스템의 구성을 도시한 평면도이다.
도 4 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 센서 시스템의 구성을 도시하는 평면도이다.
도 5 는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 센서 시스템의 구성을 도시하는 평면도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라서 제조된 센서 시스템의 광학 이미지를 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다.
도 1 은 본 발명의 센서 시스템의 구성을 개념적으로 설명하는 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 센서 시스템은 종래의 센서들이 상용 저항을 이용하여 휘트스톤 브리지 회로를 구현한 것과 달리, 나노 물질을 이용하여 휘트스톤 브리지 회로의 저항을 구현하였다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 센서 시스템은 크게, 휘트스톤 브리지 회로부와 휘트스톤 브리지 회로부에 형성된 게이트층에 인가되는 전압을 조절하는 조정 회로부로 구성된다.
특히, 휘트스톤 브리지 회로부에서, 나노 물질을 이용하여 4개의 저항(R1, R2, R3, R4)을 구현하고, 그 중 하나(R1)는 외부 환경에 노출시켜 대상 물질을 측정하고, 나머지 세 개의 저항(R2, R3, R4)을 유전체층으로 매립하여 외부 노출로부터 보호하는 한편 상부에 위치한 게이트층에 전압을 인가하여 전계를 발생시킴으로써, 나노 물질의 저항을 조절할 수 있다.
또한, 본 발명의 휘트스톤 브리지 회로부는, B 노드 및 D 노드 간에 전압차가 0이 되는 평형상태가 되도록, 게이트층에 전압을 인가하여 나노 물질의 저항값을 조절하는 조정 회로부와 함께 연결되어, 자동으로 전류 평형을 유지하고, 환경 변화에 따른 오차등을 보정하면서 대상 물질을 측정할 수 있다.
도 2a 는 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 휘트스톤 브리지 회로를 이용한 센서 시스템을 도시한 평면도이고, 도 2b은 도 2a에 도시된 센서 시스템의 단면도이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하여, 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 센서 시스템의 제조 공정을 설명하면, 먼저, 반도체 기판(2100)위에 반응 물질로서 이용되는 나노 물질(2200)을 형성한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 반도체 기판(2100)으로는 기판 전체에 동일한 게이트 전압을 인가할 수 있도록 해주는 Si/SiO2, Si/Si3N4 등의 기판이 사용될 수 있으며, 이 때, Si의 경우 과도핑(heavily doped)된 Si이므로 바틈게이트(bottom gate) 전압을 인가할 때의 전극역할을 할 수 있고, SiO2, Si3N4 등의 경우, 바틈게이트 유전체로써의 역할을 할 수 있다.
한편, 본 발명에서 나노 물질이라 함은, 나노 물질 주위의 가스 상태 변화, 온도 변화, 빛의 변화, 특정 바이오 물질 존재 유무 등과 같은 환경 변화에 따라서 전도도가 변화(즉, 저항이 변화)되고, 그 크기가 나노단위인 물질로서, 0차원 물질로서는 나노닷(nanodot), 1차원 물질로서는 나노선(nanowire), 나노막대(nanorod), 나노튜브(nanotube) 등이 있고, 2차원 물질로서는 그래핀(graphene) 등이 있으며, ZnO, SnO2, Si, SiGe, GaN, TiO2, In2O3, Carbon nanotube, C60, graphene 등으로 구성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서는 휘트스톤 브리지 회로의 저항을 나노물질로 구현하기 때문에 1차적으로 나노물질의 채널길이, 폭 등을 고려하여 휘트스톤 브리지 회로를 설계해야 한다. 이는 나노물질의 채널길이, 폭, 표면상태, 금속전극과의 접촉상태 등으로 인해서도 저항이 달라지기 때문에, 원하는 저항값을 얻기 위해서는, 1차적으로 나노재료의 채널길이, 폭 등을 고려하여 나노 물질을 선택해야 한다. 그 후, 나노 물질에 형성되는 전극층, 유전체층(2400) 등과의 관계에 따른 저항비를 고려하고, 최종적으로 후술하는 게이트층에 전압을 인가하여 소망하는 저항값을 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서는 휘트스톤 브리지 회로의 저항으로 이용되는 나노 물질로서 나노선을 이용하지만, 그 이외의 나노 물질이 상황에 따라서 적절히 선택되어 이용될 수도 있음은 물론이다.
한편, 반도체 기판(2100)위에 나노 물질(2200)이 형성되거나 위치된 후, 나노 물질(2200)위에 복수의 전극층을 형성하여 나노 물질(2200)의 저항 영역을 정의한다. 도시된 예에서, 5개의 전극층(제 1 전극층(2310) 내지 제 5 전극층(2350))이 나노 물질(2200) 위에 일 열로 나란히 형성되고, 각 전극층 사이의 나노 물질 영역이 저항 영역으로서 기능을 수행한다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예에서, 나노 물질(2200) 중, 제 1 전극층(2310) 및 제 2 전극층(2320) 사이에 위치한 영역이 도 1의 제 1 저항 영역(R1)에 해당되고, 제 2 전극층(2320) 및 제 3 전극층(2330) 사이에 위치한 영역이 도 1의 제 2 저항 영역(R2)에 해당되며, 제 3 전극층(2330) 및 제 4 전극층(2340) 사이에 위치한 영역이 도 1의 제 4 저항영역(R4)에 해당되고, 제 4 전극층(2340) 및 제 5 전극층(2350) 사이에 위치한 영역이 도 1의 제 3 저항 영역(R3)에 해당된다.
도시된 예에서, 제 1 전극층(2310) 및 제 5 전극층(2350)은 나노 물질(2200)의 말단부를 내부에 수용하도록, 일부 영역은 나노 물질(2200)위에 형성되고, 일부 영역은 반도체 기판(2100)위에 형성되었으나, 제 2 전극층(2320) 내지 제 4 전극층(2340)과 동일한 방식으로 나노 물질(2200) 위에 형성될 수도 있다.
전극층들이 형성된 후, 제 1 저항 영역을 제외한 나머지 저항 영역들이 외부 환경에 노출되지 않도록 보호하는 유전체층(2400)을 나노 물질(2200) 및 전극층(2320~2350) 위에 형성한다. 유전체층(2400)은 Al2O3, HfO2, SiO2, Si3N4, La2O3, Ta2O5, ZrO2 등과 같은 무기물로, 리소그래피, 원자층 증착(Atomic layer deposition), 리프트 오프(lift-off) 공정 등을 이용하여 형성될 수 있고, 본 발명의 바람직한 실시예들에서는 Al2O3를 이용하여 유전체층(2400)을 형성하였다.
유전체층(2400)이 형성된 후, 유전체층(2400) 상부의 저항 영역에 대응되는 위치에 게이트층(2510~2530)을 형성한다. 게이트층(2510~2530)은 인가되는 전압에 의해서 반도체 기판(2100)과의 사이에 전계를 발생시킴으로써, 게이트층 아래에 위치한 나노 물질(2200)의 저항 영역의 저항값(즉, 전도도)을 조절할 수 있다. 만약, 나노 물질(2200)이 N-type 인 경우에는 게이트층에 음의 전압을 인가하여 저항값을 높이고, 양의 전압을 인가하여 저항값을 감소시킬 수 있고, 나노 물질(2200)이 P-type 인 경우에는 그 반대로 전압을 인가하여 저항값을 조절할 수 있다.
한편, 상술한 제조 공정에서 제 1 전극층(2310)과 제 5 전극층(2350)은 연결부(2600)에 의해서 서로 전기적으로 연결되며, 외부 전원(2700)은 연결부(2600)(제 1 전극층(2310) 또는 제 5 전극층(2350)과 직접 연결되는 것도 가능함) 및 제 3 전극층(2330)과 연결되어 전원을 공급하고, 전압계(2800)는 제 2 전극층(2320) 및 제 4 전극층(2340)과 각각 연결된다. 이 때, 연결부(2600)와 전압계(2800)는 서로 전기적으로 접촉되지 않음을 주의해야 한다.
도 2a 및 도 2b을 참조하여, 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 센서 시스템의 동작 과정을 설명하면, 제 1 전극층(2310)(또는 제 5 전극층(2350))과 제 3 전극층(2330)에 연결된 전원(2700)으로부터 전원이 인가되면, 전류가 흐르면서 제 2 전극층(2320) 및 제 4 전극층(2340)에 연결된 전압계(2800)에 전압이 검출된다.
전압계(2800)에서 측정된 전압이 0이 되도록, 즉, 휘트스톤 브리지 회로가 평형 상태가 되도록, 가변 저항으로 동작하는 나노 물질(2200)의 제 2 내지 제 4 저항 영역(R2~R4)의 상부에 위치한 게이트층들(2510~2530) 각각으로 전압이 인가된다.
게이트층들(2510~2530)에 전압이 인가되면 전계에 의해서 아래에 위치한 나노 물질(2200)의 저항영역의 저항값이 변하게 되고, 저항값이 변함에 따라서 전압계(2800)의 측정값이 변하게 되며, 전압계(2800)의 측정값이 0이 될 때까지, 인가된 전압에 의해서 나노물질의 저항 영역의 저항값이 조절된다.
상술한 바와 같이, 나노 물질(2200)이 N-type 인 경우에는 게이트층에 음의 전압을 인가하여 저항값을 높이고, 양의 전압을 인가하여 저항값을 감소시킬 수 있고, 나노 물질(2200)이 P-type 인 경우에는 그 반대로 전압을 인가하여 저항값을 조절할 수 있다.
전압계(2800)의 측정값이 0이되면, 휘트스톤 브리지 회로는 평형상태에 있게 되고, 이 경우에, (R1/R2)=(R3/R4)임은 익히 잘 알려진 사실이다. 따라서, 현재 측정 대상 물질과 반응하여 저항이 변화한 제 1 저항 영역(R1)의 저항값을 측정하기 위해서는, 제 2 저항 영역 내지 제 4 저항 영역(R2 내지 R4)의 저항값을 알아야 한다. R2 내지 R4 의 저항값은 각 저항 영역 양측에 위치하는 전극층에 전류계 측정 단자(미도시 됨)를 연결하여, 양 전극층 사이에 흐르는 전류를 측정함으로써 알 수 있다.
상술한 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에서는 제 2 저항 영역 내지 제 4 저항 영역 모두에 게이트층을 형성하여 제 2 저항 영역 내지 제 4 저항 영역 각각의 저항값을 조절하는 것으로 설명하였으나, 하나의 저항 영역 또는 두개의 저항 영역 위에만 게이트층을 형성하여 하나 또는 두개의 저항 영역의 저항값만을 변경함으로써 측정을 수행할 수도 있음은 물론이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 센세 시스템의 구성을 도시한 평면도이다.
상술한 제 1 실시예에서는 단일한 나노 물질을 이용하고, 하나의 나노 물질 위에 일렬로 전극층을 형성한 것에 비해, 본 발명의 바람직한 제 2 실시예는, 나노 물질을 2개로 분리하여, 제 1 나노 물질(3210)에 2개의 저항 영역(R1, R2)을 형성하고, 제 2 나노물질에 역시 2개의 저항 영역(R3, R4)을 형성하여 휘트스톤 브리지 회로를 구성한 점에 차이가 있다.
도 3을 참조하여, 이러한 차이점을 중심으로 본 발명의 제 2 실시예에 따른 센서 시스템의 제조 공정 및 그 구조를 설명하면, 반도체 기판(3100)위에 제 1 나노 물질(3210)과 제 2 나노 물질(3220)이 서로 이격되도록 형성하고, 제 1 나노 물질(3210)에 제 1 전극층(3310) 내지 제 3 전극층(3330)을 형성하고, 제 2 나노 물질(3220)에 제 4 전극층(3340) 내지 제 6 전극층(3360)을 형성한다.
제 1 나노 물질(3210)에 형성된 제 1 전극층(3310) 내지 제 3 전극층(3330)은 전극층 사이의 제1 저항 영역(R1) 및 제 2 저항 영역(R2)을 정의하고, 제 2 나노 물질(3220)에 형성된 제 4 전극층(3340) 내지 제 6 전극층(3360)은 전극층 사이의 제 3 저항 영역(R3) 및 제 4 저항 영역(R4)을 정의한다. 또한, 제 1 전극층(3310)은 제 4 전극층(3340)과, 제 3 전극층(3330)은 제 6 전극층(3360)과 각각 연결부(3620, 3610)에 의해서 전기적으로 연결된다.
한편, 제 1 실시예와 마찬가지로, 하나의 저항 영역만이 외부 환경에 노출되도록, 나머지 저항 영역을 구성하는 나노 물질 및 전극층위에 유전체층을 형성한다. 이 때, 제 1 저항 영역은 외부로 노출되므로, 제 1 유전체층(3410)은 제 2 전극층(3320)과 제 3 전극층(3330) 및 그 사이의 제 2 저항 영역에 대응되는 나노 물질(3210) 위에 형성되고, 제 2 유전체층(3420)은 제 4 전극층(3340) 내지 제 6 전극층(3360) 및 각 전극층 사이의 제 3 저항 영역 및 제 4 저항 영역의 나노 물질(3220) 위에 형성된다.
그 후, 게이트층(3510~3530)을, 제 1 및 제 2 유전체층(3410, 3420) 위에, 제 2 저항 영역 내지 제 4 저항 영역에 대응되는 위치에 형성한다.
한편, 전원(3700)은 제 3 전극층(3330) 및 제 4 전극층(3340)과 연결되고, 휘트스톤 브리지 회로의 평형상태를 측정하는 전압계(3800)는 제 2 전극층(3320) 및 제 5 전극층(3350)과 연결된다.
이후에는 제 1 실시예와 동일한 방식으로 게이트층(3510~3530)의 전압을 변경하여, 제 2 저항 영역(R2) 내지 제 4 저항 영역(R4)의 나노 물질의 저항값을 변경하면서, 외부 환경에 노출되어 측정 대상 물질과 반응하여 저항값이 변경된 제 1 저항 영역(R1)의 저항값을 측정함으로써, 대상 물질을 측정할 수 있다.
제 1 실시예와 마찬가지로, 제 2 실시예의 바람직한 실시예에서는, 게이트층(3510~3530)을 제 2 저항 영역(R2)의 상부 내지 제 4 저항 영역(R4)의 상부에 모두 설치하여, 제 2 저항 내지 제 4 저항값을 모두 변경하는 것으로 설명하였으나, 제 1 실시예와 마찬가지로, 하나 또는 두개의 저항 영역에 게이트층을 형성하여 하나 또는 두개의 저항 영역의 저항값만을 변경함으로써 제 1 저항 영역의 저항값을 측정할 수 있음은 제 1 실시예에서 설명한 바와 동일하다.
지금까지 본 발명의 바람직한 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 따른 센서 시스템에 대해서 설명하였다. 상술한 실시예들에서는 하나의 나노 물질 또는 두 개의 나노 물질에 복수의 저항 영역을 형성하였으나, 도 4 에 도시된 바와 같이, 서로 분리된 4개의 나노 물질 각각에 대해서 2개의 전극층을 형성하여 4개의 저항 영역을 형성하는 것도 가능하다.
도 4를 참조하면, 서로 이격된 4개의 나노 물질(4210 내지 4240)이 반도체 기판(4100)에 형성되고, 나노 물질의 중심이 드러나도록, 각 나노 물질의 양 말단에 전극층(4310 내지 4380)이 형성되어, 상기 각 나노 물질에 저항 영역(R1 내지 R4)이 형성된다.
그 후, 4개의 나노 물질 중 3개의 나노 물질(4220 내지 4240)위에 유전체층(4410 내지 4430)과 게이트층(4510 내지 4530)이 형성되며, 나머지 하나의 나노 물질(4210)은 외부로 노출된다.
또한, 제 1 전극층(4310)과 제 5 전극층(4350)은 제 2 연결부(3620)에 의해서, 제 2 전극층(4320)과 제 3 전극층(4330)은 제 1 연결부(3610)에 의해서, 제 4 전극층(4340)과 제 8 전극층(4380)은 제 4 연결부(3640)에 의해서, 제 6 전극층(4360)과 제 7 전극층(4370)은 제 3 연결부(3630)에 의해서 각각 전기적으로 연결된다.
또한, 전원(4700)은 제 2 연결부(3620)(제 1 전극층 또는 제 5 전극층과 직접 연결되는 것도 가능함)와 제 4 연결부(3640)(제 4 전극층 또는 제 8 전극층과 직접 연결되는 것도 가능함)에 접속되고, 전압계(4800)는 제 1 연결부(3610) 및 제 3 연결부(3630)에 접속된다(연결부에 의해서 연결되는 전극층에 직접 접속되는 것도 가능).
한편, 도 5 에 도시된 다른 실시예에서와 같이, 외부 환경에 노출되는 제 1 저항 영역은 독립적인 하나의 나노 물질(5210)을 이용하여 형성하고, 나머지 제 2 내지 제 4 저항 영역을 하나의 나노물질(5220) 위에 형성하는 것도 가능함은 물론이다.
도 5를 참조하면, 도 5에 도시된 실시예의 센서 시스템은, 서로 이격된 제 1 나노 물질(5210) 및 제 2 나노 물질(5220)이 반도체 기판(5100)위에 형성되고, 제 1 나노 물질(5210)의 상부에 제 1 전극층(5310) 및 제 2 전극층(5320)이 형성되며, 제 2 나노 물질(5220)의 상부에 제 3 전극층(5330) 내지 제 6 전극층(5360)이 형성되며, 각 전극층 사이에 해당되는 나노물질의 영역이 저항 영역(R1 내지 R4)으로 형성된다.
또한, 제 2 나노 물질(5220)과 그 위에 형성된 전극층들(5330~5360) 위에 유전체층(5400)이 나노 물질을 보호하는 무기물 보호층으로서 형성된다. 따라서 제 2 저항 영역(R2) 내지 제 4 저항 영역(R4)은 외부 환경에 노출되지 않고, 제 1 나노 물질(5210)에 형성된 제 1 저항 영역(R1)만이 외부 환경으로 노출된다.
또한, 유전체층(5400) 위에 각 저항 영역에 대응되는 위치에 게이트층(5510~5530)이 형성되어 제 2 저항 영역 내지 제 4 저항 영역은 게이트층(5510~5530)에 전압을 인가함으로써 저항값을 조절할 수 있게된다.
상술한 도 4 및 도 5 에 도시된 실시예에서도, 3개의 저항 영역 위에 모두 게이트층이 형성된 것으로 설명하였으나, 1개 또는 2개의 저항 영역에만 게이트층을 형성하여 해당 나노 물질의 저항만을 조절할 수도 있음은 물론이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라서 제조된 센서 시스템의 광학 이미지를 도시한 도면이다. 도 4에 도시된 예에서는, 나노 물질로서 SnO2가 이용되고, 단일 나노선 위에 제 1 실시예와 동일하게 3개의 저항 영역 위에는 무기물 유전체층(Al2O3) 및 게이트층을 형성되어 저항을 가변할 수 있고, 나머지 하나의 저항 영역은 외부 환경에 노출되어 있어서 센서의 반응물질로써 사용되고 있음을 알 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 반도체 기판위에 형성되고, 외부 환경에 노출되면 측정 대상 물질의 양에 따라서 전도도가 변화되는 하나 이상의 나노 물질;
    상기 나노 물질의 복수의 영역에 각각 형성되어, 상기 나노 물질상에 하나 이상의 저항 영역을 정의하는 복수의 전극층;
    상기 나노 물질에 형성된 저항 영역 중 일부 저항 영역만이 외부 환경에 노출되도록, 상기 나노 물질 및 상기 복수의 전극층 위에 형성된 유전체층; 및
    상기 유전체층 중 저항 영역에 대응되는 위치에 형성된 적어도 하나 이상의 게이트층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 재료를 이용한 센서 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 게이트층에 인가되는 전압에 따라서 상기 게이트층 아래에 위치한 나노 물질의 저항 영역의 저항값을 조절하여 대상 물질을 측정하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 나노 재료를 이용한 센서 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 저항 영역은 휘트스톤 브리지 회로의 저항을 각각 구성하고,
    상기 외부로 노출된 저항 영역 이외의 저항 영역의 저항값을 게이트층에 전압을 인가하여 조절하고, 상기 전극층간의 전압을 측정하여, 상기 외부로 노출된 저항 영역의 저항값을 측정함으로써, 대상 물질을 측정하는 것을 특징으로 하는 나노 재료를 이용한 센서 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 복수의 전극층은 단일한 나노 물질에 일렬로 형성된 5개의 전극층(제 1 전극층 내지 제 5 전극층)으로 형성되고,
    상기 유전체층은 제 2 전극층 내지 상기 제 5 전극층 사이에 형성되어,
    상기 제 1 전극층과 상기 제 2 전극층 사이에 위치한 나노 물질만이 외부로 노출되는 것을 특징으로 하는 나노 재료를 이용한 센서 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 전극층과 상기 제 5 전극층은 서로 전기적으로 연결되고,
    제 3 전극층과 상기 제 1 전극층에 전원 단자가 각각 연결되며,
    상기 제 2 전극층 및 상기 제 4 전극층에 전압계가 연결되어, 상기 외부로 노출된 저항 영역의 저항을 측정함으로써 대상 물질을 측정하는 것을 특징으로 하는 나노 재료를 이용한 센서 시스템.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 나노 물질은 서로 이격된 제 1 나노 물질 및 제 2 나노 물질로 구성되고,
    상기 제 1 나노 물질의 상부에는 제 1 전극층 내지 제 3 전극층이 형성되고,
    상기 제 2 나노 물질의 상부에는 제 4 전극층 내지 제 6 전극층이 형성되어, 상기 제 1 나노 물질 및 상기 제 2 나노 물질에 각각 2개씩의 저항 영역이 형성되고,
    상기 제 2 전극층 및 상기 제 3 전극층 사이 영역과, 상기 제 2 나노 물질 상부에 형성된 전극층들 사이 영역에 대응되는 유전체층 위에 게이트층이 형성되며,
    상기 제 1 전극층과 상기 제 2 전극층 사이에 위치한 나노 물질만이 외부로 노출되는 것을 특징으로 하는 나노 재료를 이용한 센서 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 전극층과 상기 제 4 전극층이 서로 전기적으로 연결되고, 상기 제 3 전극층과 상기 제 6 전극층이 서로 전기적으로 연결되며,
    상기 제 3 전극층과 상기 제 4 전극층에 전원 단자가 각각 연결되며,
    상기 제 2 전극층 및 상기 제 5 전극층에 전압계가 연결되어, 상기 외부로 노출된 저항 영역의 저항을 측정함으로써 대상 물질을 측정하는 것을 특징으로 하는 나노 재료를 이용한 센서 시스템.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 나노 물질은 서로 이격된 제 1 나노 물질 및 제 2 나노 물질로 구성되고,
    상기 제 1 나노 물질의 상부에 제 1 전극층 및 제 2 전극층이 형성되어, 상기 제 1 나노 물질에 하나의 저항 영역이 형성되고,
    상기 제 2 나노 물질의 상부에는 제 3 전극층 내지 제 6 전극층이 형성되어, 각 전극층 사이마다 세 개의 저항 영역이 형성되며,
    상기 제 2 나노 물질 상부에 형성된 전극층들 사이 영역에, 상기 제 2 나노 물질 위에 형성된 유전체층 위에 게이트층이 형성되고,
    상기 제 1 전극층과 상기 제 2 전극층 사이에 위치한 나노 물질만이 외부로 노출되는 것을 특징으로 하는 나노 재료를 이용한 센서 시스템.
  9. 제 3 항에 있어서,
    상기 나노 물질은 서로 이격된 4개의 나노 물질로 구성되고,
    나노 물질의 중심이 드러나도록, 상기 각 나노 물질의 양 말단에 전극층이 형성되어 상기 각 나노 물질에 저항 영역이 형성되고,
    상기 4개의 나노 물질 중 3개의 나노 물질위에 유전체층과 게이트층이 형성되며, 나머지 하나의 나노 물질은 외부로 노출되는 것을 특징으로 하는 나노 재료를 이용한 센서 시스템.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노 물질은 나노선(nano wire) 또는 나노막대(nano rod) 중 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 나노 재료를 이용한 센서 시스템.
  11. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유전체층은 Al2O3, HfO2, SiO2, Si3N4, La2O3, Ta2O5, ZrO2 중 어느 하나의 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 나노 재료를 이용한 센서 시스템.
  12. 반도체 기판위에 외부 환경에 노출되면 측정 대상 물질의 양에 따라서 전도도가 변화되는 하나 이상의 나노 물질을 형성하는 단계;
    상기 나노 물질의 복수의 영역에 각각 형성되어, 상기 나노 물질상에 하나 이상의 저항 영역을 정의하는 전극층을 형성하는 단계;
    상기 나노 물질에 형성된 저항 영역 중 일부 저항 영역만이 외부 환경에 노출되도록, 상기 나노 물질 및 상기 복수의 전극층 위에 유전체층을 형성하는 단계; 및
    상기 유전체층 중 저항 영역에 대응되는 위치에 적어도 하나 이상의 게이트층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 재료를 이용한 센서 시스템의 제조 방법.
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