WO2011142509A1 - 관통 비아홀 연결을 포함하고 적어도 하나의 나노와이어를 이용하는 신경 소자 - Google Patents

관통 비아홀 연결을 포함하고 적어도 하나의 나노와이어를 이용하는 신경 소자 Download PDF

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WO2011142509A1
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nanowire
nanowires
electrode pad
nerve
via hole
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PCT/KR2010/006903
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French (fr)
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김동현
홍종일
한건희
김태욱
최헌진
박승한
표성열
배수호
정한
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연세대학교 산학협력단
아이쓰리시스템 주식회사
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    • A61B2562/02—Details of sensors specially adapted for in-vivo measurements
    • A61B2562/0285—Nanoscale sensors

Definitions

  • the present invention relates to a neural device including a wire for transmitting and receiving an electrical signal, and more particularly, a structure of a neural device including a wire for efficiently obtaining an electrical signal generated from a nerve and applying an electrical stimulus to the nerve. It is about.
  • Muscles of the human body generally operate in response to electrical stimulation provided by nerves. Therefore, when abnormalities occur in facial muscles or the like, it may be necessary to treat the nerves connected to the muscles.
  • a device that is inserted into the human body to provide a physical stimulus or obtains information about a specific value in the human body has been proposed.
  • nano-wires are used to invade neural signals in vivo. Measuring techniques have been introduced.
  • Probes for measuring neural signals are sometimes connected to gates or drains of complementary metal-oxide semiconductors (CMOS).
  • CMOS complementary metal-oxide semiconductors
  • Conventional neural devices are used to detect neural signals and neural devices detected by probes and probes. Electrode pads for inputting / outputting power were formed on the same surface.
  • the nanowire is basically formed. Since the length is limited to about 100um, there is a problem that can not be inserted to a sufficient depth in the nerve when placed in the same plane as the encapsulation of the electrode pad thicker than the length of the nanowire.
  • FIG. 1 is a view showing a neural device according to the prior art.
  • a neural device includes a nanowire 110, an electrode pad 120, and an encapsulation 130 connected to a CMOS 140.
  • an electrode pad 120 for inputting / outputting power of a device and a neural signal detected through the nanowire 110 and the nanowire 110 is formed on the same surface.
  • the nanowire 110 cannot be inserted deeply into the nerve due to the interference of the encapsulation 130, which may be a serious obstacle in measuring a biosignal using the nanowire.
  • An object of the present invention for solving the above problems is to prevent interference by the encapsulation of the electrode pad when inserting a nanowire difficult to produce more than a certain length into the nerve.
  • an object of the present invention is to set the direction of the electrode pad for the electrical connection and the direction of forming the nanowires so as not to interfere with the insertion of the nanowires into the nerve.
  • an object of the present invention is to guide the nanowire probe to the back of the substrate using a through-via hole connection to eliminate the phenomenon that the nanowire probe is buried by the encapsulation and to maximize the contact between the nerve and the nanowire probe. .
  • an object of the present invention is to minimize the thickness of the device by removing the wire connection that requires encapsulation and connecting the nanowire probe terminal and the external wire of the device or device using a touch ball.
  • the neural device for achieving the above object, the nanowires formed on the base formed on the first surface of the substrate; And an electrode pad formed on a second surface different from the first surface of the substrate and outputting an electrical signal obtained from a nerve fiber through the nanowire or applying a signal for electrical stimulation to the nanowire.
  • the second surface is a surface formed by the angle between the normal vector of the second surface and the normal vector of the first surface is 170 degrees or more and 180 degrees or less, and the nanowire and the electrode pad are connected through via holes. can be connected via a hole connection.
  • the electrode pad may be connected to the outside through a touch ball.
  • the through via hole may be disposed to avoid the CMOS region of the substrate.
  • the base may include a through hole connected to the through via hole and a nanowire support for supporting the nanowire.
  • the nanowires may be generated by a catalyst positioned in the nanowire support by a lithography process and a reactant reacted with the catalyst by being supplied by a CVD process.
  • the nanowires may be generated by physically or chemically etching the periphery of the nanowires.
  • the nanowire probe device for being electrically connected to the electrode pad connected to the device; And an electrical signal generated on a base formed on an opposite surface of the electrode pad and providing electrical signals measured from nerve fibers to the device through the touch ball or based on a signal applied from the device through the touch ball. It characterized in that it comprises a nanowire.
  • the base may include a through hole connected to the through via hole and a nanowire support for supporting the nanowire.
  • the nanowires when the nanowires, which are difficult to produce over a certain length, are inserted into the nerves, the nanowires may not be disturbed by the encapsulation of the electrode pads.
  • the present invention can be set so that the direction of the electrode pad for the electrical connection and the direction of the formation of the nanowire so as not to interfere with the insertion of the nanowire into the nerve.
  • the present invention eliminates the phenomenon that the nanowire probe is buried by the encapsulation by maximizing the contact between the nerve and the nanowire probe by inducing the nanowire probe to the back of the substrate using the through-via hole connection.
  • the present invention can minimize the thickness of the device by removing the wire connection that requires encapsulation and connecting the nanowire probe terminal and the external wire of the device or the device by using a touch ball.
  • FIG. 1 is a view showing a neural device according to the prior art.
  • FIG. 2 is a view showing an example of a nanowire included in a neural device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 illustrates another example of nanowires included in a neural device, according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating a method for synthesizing nanowires using a catalyst.
  • 5 is a view showing the appearance of the synthesized nanowires.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a nanowire array having a three-dimensional structure generated by the above description.
  • FIG. 7 is a conceptual diagram illustrating a method of generating nanowires by etching.
  • FIG. 8 is a view showing a neural device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a view showing a neural device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a view showing a nanowire probe device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating another example of connection through a through via hole connection of an electrode and a pad located on opposite sides of a substrate.
  • FIG. 2 is a view showing an example of a nanowire included in a neural device according to an embodiment of the present invention.
  • the nanowires 210 are inserted into nerve fibers 220 or nerve tissues to obtain electrical signals or provide electrical stimulation.
  • the nanowire 210 is inserted into the nerve fiber 220 in the nerve bundle to obtain an electrical signal generated along the surface of the nerve fiber 220 or to apply electrical stimulation to the nerve fiber 220. to provide.
  • nerves are elongated structures that can be seen with the naked eye, and histologically, a number of nerve bundles are collected.
  • the nerve bundle is a collection of a number of nerve fibers (nerve fibers).
  • Nerve fibers refer to the axon of nerve cells, and they are called nerve fibers because they are elongated like fibers.
  • Neurofibers may be called various names such as axons / axons.
  • Each of the nerve fibers is wrapped by a soft connective tissue, the endoneurium, and the nerve bundle is wrapped by a perineurium, and the bundle of nerves is wrapped by an epineurium.
  • Membranes are all present to protect nerves.
  • the nanowires 210 may be inserted into any portion of the nerve fiber 220 because the diameter is only tens to hundreds of nanometers (nm). In general, since the diameter of the nerve fiber 220 is several micrometers or more, even when the nanowire 210 is inserted, the nerve fiber 220 does not have a large damage.
  • nanowires 210 are used to obtain electrical signals and provide electrical stimuli, damage to nerve fibers may be minimized.
  • the nanowires can be inserted in the longitudinal direction of the nerve fibers, as shown in FIG. 2.
  • the contact area between the nanowires and the outer portion of the nerve fibers is likely to be maximized.
  • the direction in which the nanowires are inserted is not limited, and if necessary, the nanowires 310 may be inserted in a direction perpendicular to the nerve fibers 320 as shown in FIG. 3.
  • FIG. 3 illustrates another example of nanowires included in a neural device, according to an exemplary embodiment.
  • the nanowires 310 are inserted in a direction perpendicular to the nerve fibers 320.
  • the neural device according to the present invention may include an electrode pad and a processing module in addition to the nanowires.
  • Electrode pads may be provided to connect to processing modules that process electrical signals detected from nerve fibers.
  • the processing module controls an operation of obtaining an electrical signal from the nerve fiber or applying an electrical signal to the nerve fiber.
  • the present invention may be formed in the electrode pad connected to the processing module is different from the surface on which the nanowire is formed.
  • the surface where the nanowires are formed and the surface where the electrodes are formed are different, so that the nanowires are inserted into the nerves, so that the nanowires can be inserted deep into the skin because there is no interference caused by the electrodes.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating a method for synthesizing nanowires using a catalyst.
  • the synthesized nanowires may have a shape as shown in FIG. 5.
  • the nanowires used in the present embodiment may be formed by the method described in Korean Patent Publication No. 2009-0041309.
  • 5 is a view showing the appearance of the synthesized nanowires.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a nanowire array having a three-dimensional structure generated by the above description.
  • FIG. 7 is a conceptual diagram illustrating a method of generating nanowires by etching.
  • an electrode 630 is formed on the gate 620 of the CMOS 610, and a photoresistor 640 for nanowire etching is formed on the electrode 630.
  • the nanowires 660 are left as shown in FIG. 7.
  • FIG. 8 is a view showing a neural device according to an embodiment of the present invention.
  • a neural device may include a substrate 710, nanowires 721 and 722, electrodes 731 and 732, through via hole connections 741 and 742, and an electrode. Pads 751 and 752 and touch balls 762 and 762.
  • the electrodes 731, 732 of each of the nanowires 721, 722 are connected to the electrode pads 751, 752 on the opposite side of the substrate through through via hole connections 741, 742. Connected. That is, the electrode 731 of the nanowire 721 is connected to the electrode pad 751 through the through via hole connection 741, and the electrode 732 of the nanowire 722 is connected to the electrode through the through via hole connection 742. It is connected to the pad 752.
  • the nanowires and the electrode pads located on the opposite side of the substrate are electrically connected by using the through via hole connection technology. Since the surface on the substrate where the nanowires are provided and the surface on the substrate where the electrode pads are provided are opposite to each other, the angle formed by each normal vector is about 180 degrees.
  • the electrode pad 751 outputs an electrical signal obtained from the nerve fiber through the nanowire 721 or applies a signal for electrical stimulation to the nanowire 721.
  • the electrode pad 752 outputs an electrical signal obtained from the nerve fiber through the nanowire 722 or applies a signal for electrical stimulation to the nanowire 722.
  • Reference numeral 770 illustrated in FIG. 8 denotes an electrode pad connected to the outside. According to an embodiment, reference numeral 770 may be a processing module for controlling an operation of obtaining an electrical signal from a nerve fiber or applying an electrical signal to the nerve fiber.
  • the substrate may be provided with a CMOS region.
  • the CMOS area is an area on a substrate used to implement a complementary metal-oxide semiconductor (CMOS).
  • CMOS complementary metal-oxide semiconductor
  • the through via hole connections 741 and 742 are preferably disposed avoiding the CMOS region.
  • each of the electrodes 731 and 732 may be provided with a base for positioning the nanowires.
  • the base may be provided with at least one through hole.
  • the through hole may have various cross sections, such as a circle, an ellipse, a polygon, and the like, and may have a shape corresponding to a cross section of a neural bundle or a circular shape which is easy to manufacture.
  • the through hole may have a diameter of several tens of micrometers to several tens of nanometers.
  • the through hole provided in the base may be connected to the through via hole provided in the substrate.
  • the nerve fibers may be restored through the through holes or through via holes.
  • the base may be provided with a nanowire support for supporting the nanowires.
  • the nanowire support may be provided on the inner peripheral surface of the through hole.
  • the nanowire support supports the nanowires to be fixed in one direction. That is, the nanowires are fixed by the nanowire supports.
  • the nanowire support may be formed to divide the through hole into a plurality of regions.
  • the nanowire support may have a straight line shape or may be formed into a curve having various curvatures.
  • the nanowire support may be formed to extend from the inner circumferential surface of the through hole, or may be formed to extend from one surface of the base.
  • the base including the through hole and the nanowire support may be implemented through a photo mask and an etching process on a wafer of various materials such as silicon.
  • the catalyst is placed at the position where the nanowires on the nanowire support grow.
  • a catalyst for nanowire growth is placed in the middle portion of the nanowire support.
  • the catalyst may be located at any portion of the nanowire support, such as through a lithography process.
  • the catalyst may be selected according to the material of the nanowires to be grown, and for example, Au catalysts may be used when growing the silicon nanowires.
  • the nanowires may be completed by supplying a reactant through a chemical vapor deposition (CVD) process.
  • CVD chemical vapor deposition
  • the base, nanowire support and nanowire can be of various materials.
  • the nanowire support and the nanowire may be a semiconductor device or a metal that may be implemented as a nano device by a biocompatible electrode or nano process such as silicon, gold, silver, Ru, TiN, Ag, and copper.
  • FIG. 9 is a view showing a neural device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is similar to FIG. 8 but highlights that the nanowire probe is connected to the gate or drain of the CMOS.
  • a neural device may include nanowires 811 and 812, electrodes 821 and 822, through via hole connections 851 and 852, and CMOSs 881 and 882. ), An electrode pad 830, and a touch ball 840.
  • Electrode pad 830 and one touch ball 840 are illustrated, but two or more electrode pads and touch balls may be provided according to the number of nanowires 811 and 812. .
  • Electrodes 821 and 822 of each of nanowires 811 and 812 are connected through through via hole connections 851 and 852 to the opposite side of the substrate. At this time, each of the nanowires 811 and 812 is connected to a drain or a gate of each of the CMOSs 881 and 882.
  • the electrode pad 830 outputs an electrical signal obtained from the nerve fiber through the nanowire 811 or the nanowire 812, or applies a signal for electrical stimulation to the nanowire 811 or the nanowire 812.
  • the electrode pad 830 is connected to the outside through the touch ball 840.
  • Reference numeral 870 illustrated in FIG. 9 denotes an electrode pad connected to the outside.
  • the reference numeral 870 may be a processing module for controlling an operation of obtaining an electrical signal from a nerve fiber or applying an electrical signal to the nerve fiber.
  • FIG. 10 is a view showing a nanowire probe device according to an embodiment of the present invention.
  • a nanowire probe device includes a nanowire 910, an electrode 920, an electrode pad 930, and a touch ball 940.
  • the touch ball 940 is electrically connected to an electrode pad (ie, an external electrode pad) connected to the device.
  • the nanowires 910 are formed on a base formed on the opposite side of the touch ball 940, and provide electrical signals measured from nerve fibers to the device through the touch ball 940 or from the device through the touch ball 940. Electrical stimulation is applied to the nerve fibers based on the applied signal.
  • the nanowire 910 is connected to the touch ball 940 through the electrode 920 and the electrode pad 930.
  • the embodiment shown in FIG. 10 corresponds to a case where only the nanowire probe device contacting the substrate through the touch ball 940 is separated. That is, the embodiment shown in FIG. 10 is a method of connecting a nanowire probe terminal made using a through via hole connection independently of a device to a device by using a touch ball.
  • the technical idea of the present invention is to connect nanowires and contact pads (through a device) using through via hole connections to a substrate, or to place nanowires and contact pads connected to touch balls on opposite surfaces. This includes both the case where the probe device is placed and brought into electrical contact with the substrate (when configured independently of the device).
  • FIG. 11 is a diagram illustrating another example of connection through a through via hole connection of an electrode and a pad located on opposite sides of a substrate.
  • the electrodes 1121 and 1122 on which the nanowires 1111 and 1112 are formed are connected to the electrode pads 1141 and 1142 through the through via hole connections 1130, respectively. That is, the electrode 1121 is connected to the electrode pad 1141, and the electrode 1122 is connected to the electrode pad 1142.
  • the touch ball 1151 is formed on the electrode pad 1141, and the touch ball 1152 is formed on the electrode pad 1142.
  • the electrodes 1121 and 1122 and the electrode pads 1141 and 1142 are connected by a portion of the through via hole connection 1130, and the remaining portion of the through via hole connection 1130 is a hole. It will be left as is. That is, the through via hole connection 1130 does not need to be filled with all metal, and only a part of the space may allow electrodes on both sides of the substrate to be connected through the metal, and the remaining part may be left as a space. At this time, the outer surface of the left hole portion may be coated.
  • nerve fibers, nerve tissues, or the like may grow through the hole portions left over.
  • the through hole provided in the base may be connected to the through via hole provided in the substrate.
  • the nerve fiber may be restored through the through hole or the through via hole, and the more space there is in the through via hole connection, the more effectively the nerve fiber or nerve tissue may be used for restoration.
  • the neural device and the nanowire probe device according to the present invention are not limited to the configuration and method of the embodiments described as described above, but the embodiments may be modified in various embodiments. All or some of these may optionally be combined.

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Abstract

적어도 하나 이상의 나노와이어를 포함하는 신경 소자가 개시된다. 본 발명에 따른 신경 소자는, 기판의 제1 면에 형성된 베이스에 생성된 나노와이어; 및 상기 기판의 제1 면과 상이한 제2 면에 형성되고, 상기 나노와이어를 통해 신경섬유로부터 획득된 전기 신호를 출력하거나 상기 나노와이어로 전기 자극을 위한 신호를 인가하는 전극 패드를 포함한다. 따라서, 나노와이어가 인슐레이션에 의하여 묻히는 현상을 없애고 신경과 나노와이어의 접촉을 극대화할 수 있다.

Description

관통 비아홀 연결을 포함하고 적어도 하나의 나노와이어를 이용하는 신경 소자
본 발명은 전기 신호를 송수신하는 와이어를 포함하는 신경 소자에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 신경에서 발생하는 전기 신호를 효율적으로 획득하고 상기 신경에 전기 자극을 인가하는 와이어를 포함하는 신경 소자의 구조에 관한 것이다.
인체의 근육은 신경으로부터 제공되는 전기 자극에 따라 동작하는 것이 일반적이다. 따라서, 안면 근육 등에 이상이 발생하는 경우, 해당 근육에 연결되는 신경에 대한 치료가 필요할 수 있다.
종래에 안면 신경 또는 후두 신경에 이상이 발생하는 경우, 약물 및 수술 등의 치료 행위가 이루어졌다. 이 경우 해당 환자들에게는 국부적인 마사지 등이 이루어졌는데, 이는 손상된 신경이 복원되는 동안에 주변 신경을 자극하여 근육의 퇴화를 막기 위함이다.
즉, 안면 신경 또는 후두 신경 마비 환자들에 대한 수술 등으로 인해 근육에 자극이 차단되는 경우, 해당 근육에 손상이 발생하여 영구적인 근육 손상 또는 마비가 발생하는 문제가 있기 때문에, 해당 신경 계통에 관련된 근육을 마사지해주거나 외부에서 전기 자극을 제공하는 방법 등이 제안되었다.
따라서, 인체에 삽입되어 물리적 자극을 제공하거나 인체 내의 특정 수치에 대한 정보를 획득하는 소자가 제안된 바, 특히 나노와이어(nano-wire)를 이용하여 생체 내에서(in vivo) 신경신호를 침습적으로 측정하는 기술이 소개되었다.
신경신호를 측정하기 위한 프로브는 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)의 게이트(gate)나 드레인(drain)에 연결되는 경우가 있는데, 기존의 신경 소자들은 프로브와 프로브에서 탐지한 신경신호와 신경 소자의 전원을 입/출력 하기 위한 전극 패드가 동일 면에 형성되어 있었다.
이 경우, 신경 세포를 소자 위에 배양하거나 프로브의 길이가 전극패드의 인캡슐레이션(encapsulation)의 높이보다 충분히 길어 프로브가 신경에 충분히 삽입될 수 있는 경우에는 문제가 없으나, 기본적으로 나노와이어는 형성시킬 수 있는 길이가 100um 정도로 제한되어 있기 때문에 보통 나노와이어의 길이보다 두꺼운 전극패드의 인캡슐레이션과 동일 면에 배치될 경우 신경에 충분한 깊이로 삽입될 수 없다는 문제가 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 신경 소자를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 신경 소자는 CMOS(140)에 연결된 나노와이어(110), 전극패드(120) 및 인캡슐레이션(130)을 포함한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 나노와이어(110) 및 나노와이어(110)를 통해 탐지된 신경신호와 소자의 전원을 입/출력하기 위한 전극패드(120)가 동일 면에 형성되어 있다.
따라서, 나노와이어(110)가 인캡슐레이션(130)의 방해를 받아 신경에 깊숙이 삽입될 수가 없고, 이는 나노와이어를 이용한 생체 신호 측정에 심각한 장애가 될 수 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 일정 길이 이상으로 생성하기 어려운 나노와이어를 신경에 삽입할 때 전극패드의 인캡슐레이션에 의해 방해 받지 않도록 하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 나노와이어의 형성 방향과 전기적 연결을 위한 전극패드의 방향을 달리 설정하여 나노와이어가 신경에 삽입되는데 방해 받지 않도록 하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 관통 비아홀 연결을 이용하여 나노와이어 프로브를 기판의 후면으로 유도함으로써 나노와이어 프로브가 인캡슐레이션에 의하여 묻히는 현상을 없애고 신경과 나노와이어 프로브의 접촉을 극대화할 수 있도록 하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 인캡슐레이션이 필요한 도선 연결을 제거하고 터치 볼을 이용하여 나노와이어 프로브 단과 소자 혹은 소자의 외부도선을 연결함으로써 소자의 두께를 최소화하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 신경 소자는, 기판의 제1 면에 형성된 베이스에 생성된 나노와이어; 및 상기 기판의 상기 제1 면과 상이한 제2 면에 형성되고, 상기 나노와이어를 통해 신경섬유로부터 획득된 전기 신호를 출력하거나 상기 나노와이어로 전기 자극을 위한 신호를 인가하는 전극 패드를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 제2 면은 상기 제2 면의 법선벡터와 상기 제1 면의 법선벡터가 이루는 각이 170도 이상 180도 이하인 면이고, 상기 나노와이어와 상기 전극 패드는 관통 비아홀 연결(through via hole connection)을 통해 연결될 수 있다.
이 때, 상기 전극 패드는 터치 볼(touch ball)을 통하여 외부로 연결될 수 있다.
이 때, 상기 관통 비아홀은 상기 기판의 CMOS 영역을 피해서 배치될 수 있다.
이 때, 상기 베이스는 상기 관통 비아홀과 연결되는 관통 홀 및 상기 나노와이어를 지지하기 위한 나노와이어 지지대를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 나노와이어는 상기 나노와이어 지지대에 리소그래피 공정을 통해 위치된 촉매 및 CVD 공정에 의해 공급되어 상기 촉매와 반응하는 반응물에 의하여 생성될 수 있다.
이 때, 상기 나노와이어는 상기 나노와이어 주변을 물리적으로 또는 화학적으로 식각함으로써 생성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 나노와이어 프로브 장치는, 소자에 연결된 전극 패드와 전기적으로 연결되기 위한 터치 볼; 및 상기 전극 패드의 반대 면에 형성된 베이스에 생성되고, 신경섬유로부터 측정된 전기 신호를 상기 터치 볼을 통해 상기 소자로 제공하거나 상기 소자로부터 상기 터치 볼을 통해 인가된 신호에 기반하여 전기 자극을 인가하는 나노와이어를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 베이스는 상기 관통 비아홀과 연결되는 관통 홀 및 상기 나노와이어를 지지하기 위한 나노와이어 지지대를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 일정 길이 이상으로 생성하기 어려운 나노와이어를 신경에 삽입할 때 전극패드의 인캡슐레이션에 의해 방해 받지 않도록 할 수 있다.
또한, 본 발명은 나노와이어의 형성 방향과 전기적 연결을 위한 전극패드의 방향을 달리 설정하여 나노와이어가 신경에 삽입되는데 방해 받지 않도록 할 수 있다.
또한, 본 발명은 관통 비아홀 연결을 이용하여 나노와이어 프로브를 기판의 후면으로 유도함으로써 나노와이어 프로브가 인캡슐레이션에 의하여 묻히는 현상을 없애고 신경과 나노와이어 프로브의 접촉을 극대화할 수 있다.
또한, 본 발명은 인캡슐레이션이 필요한 도선 연결을 제거하고 터치 볼을 이용하여 나노와이어 프로브 단과 소자 혹은 소자의 외부도선을 연결함으로써 소자의 두께를 최소화할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 신경 소자를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 신경 소자에 포함되는 나노와이어의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 3은 일실시예에 따른 신경 소자에 포함되는 나노와이어의 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 촉매를 이용하여 나노와이어를 합성하는 방법을 나타낸 개념도이다.
도 5는 합성된 나노와이어의 모습을 나타낸 도면이다.
도 6은 전술한 내용에 의해 생성된 3차원 구조를 갖는 나노와이어 배열을 나타낸 도면이다.
도 7은 식각에 의하여 나노와이어를 생성하는 방법을 나타낸 개념도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 신경소자를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 신경소자를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 나노와이어 프로브 장치를 나타낸 도면이다.
도 11은 서로 기판의 반대 면에 위치하는 전극 및 패드의 관통 비아홀 연결을 통한 연결의 다른 예를 나타낸 도면이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 신경 소자에 포함되는 나노와이어의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 나노와이어(210)는 신경섬유(220) 또는 신경조직에 삽입되어 전기 신호를 획득하거나 전기 자극을 제공한다.
즉, 본 실시예에 따른 나노와이어(210)는 신경 다발 내의 신경섬유(220) 내에 삽입되어 신경섬유(220)의 표면을 따라 발생하는 전기 신호를 획득하거나, 신경섬유(220)에 전기 자극을 제공한다.
해부학적으로 신경(nerves)은 육안으로도 관찰 가능한 가늘고 긴 구조물로서, 조직학적으로는 다수의 신경다발(nerve bundles)이 모인 것이다. 한편, 신경다발은 다수의 신경섬유(nerve fibers)가 모인 것이다. 신경섬유(nerve fibers)는 신경 세포의 축색(anon) 부분을 가리키는 것으로, 축색이 섬유처럼 가늘고 긴 형상이기 때문에 신경섬유라는 명칭으로 불린다. 신경섬유는 축삭/축색 돌기 등의 다양한 명칭으로 불릴 수 있다.
신경섬유 각각은 모두 연한 결합조직인 신경섬유막(endoneurium)에 의해 싸여 있고, 신경다발은 신경다발막(perineurium)에 의해 싸여있으며, 신경다발의 묶음인 신경은 신경바깥막(epineurium)에 의하여 싸여 있는데 이 막은 모두 신경을 보호하기 위하여 존재하는 것으로 육안으로는 신경바깥막 만이 식별된다.
나노와이어(210)는 지름이 수십 내지 수백 나노미터(nm)에 불과하여 신경섬유(220)의 어느 일부분에 삽입될 수 있다. 일반적으로 신경섬유(220)의 지름은 수 마이크로미터 이상이므로, 상기 나노와이어(210)가 삽입되어도 신경섬유(220)에 큰 손상을 주지 않는다.
이와 같이 전기 신호의 획득 및 전기 자극의 제공을 위해 나노와이어(210)를 사용하기 때문에 신경섬유에 대한 손상을 최소화할 수 있다.
나노와이어는 도 2에 도시된 바와 같이, 신경 섬유의 길이 방향으로 삽입될 수 있다. 나노와이어가 길이방향으로 삽입되는 경우, 나노와이어 및 신경섬유의 바깥부분 간의 접촉면적이 최대화되기 쉽다.
다만, 나노와이어가 삽입되는 방향에는 제한이 없으며 필요한 경우 도 3에 도시된 바와 같이 신경섬유(320)에 수직한 방향으로 나노와이어(310)가 삽입될 수도 있다.
도 3은 일실시예에 따른 신경 소자에 포함되는 나노와이어의 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 나노와이어는(310)는 신경섬유(320)에 수직한 방향으로 삽입되는 것을 알 수 있다.
본 발명에 따른 신경 소자는 나노와이어 이외에 전극 패드 및 처리 모듈을 포함할 수 있다.
전극 패드는 신경섬유로부터 검출되는 전기 신호를 처리하는 처리 모듈에 연결하기 위해 구비될 수 있다. 처리모듈은 신경섬유로부터 전기 신호를 획득하거나, 신경섬유에 전기 신호를 인가하는 동작을 제어한다. 특히 본 발명은 처리 모듈과 연결되는 전극 패드가 나노와이어가 형성된 면과 상이한 면에 형성될 수 있다.
즉, 나노와이어가 형성되는 면과 전극이 형성되는 면을 상이하게 하여 나노와이어가 신경에 삽입되는데 전극으로 인한 방해가 없어서 피부 깊숙이 나노와이어를 삽입할 수 있게 된다.
도 4는 촉매를 이용하여 나노와이어를 합성하는 방법을 나타낸 개념도이다.
도 4를 참조하면, 나노클러스터에 반응물(reactant)를 가하는 경우, 결정핵생성(nucleation) 및 성장(growth)이 이루어져 나노와이어가 합성된다. 합성된 나노와이어는 도 5와 같은 모습을 가질 수 있다. 또한, 본 실시예에 사용되는 나노와이어는 한국공개특허 2009-0041309호 등에 기재된 방법에 의하여 형성될 수도 있다.
도 5는 합성된 나노와이어의 모습을 나타낸 도면이다.
도 6은 전술한 내용에 의해 생성된 3차원 구조를 갖는 나노와이어 배열을 나타낸 도면이다.
도 7은 식각에 의하여 나노와이어를 생성하는 방법을 나타낸 개념도이다.
도 7을 참조하면, CMOS(610)의 게이트(620)상에 전극(630)이 형성되고 전극(630) 위에 나노와이어 식각을 위한 포토레지스터(photoresistor)(640)가 형성되는 것을 알 수 있다.
이후, 물리적 또는 화학적 식각을 통해 불필요한 부분이 제거되면 도 7에 도시된 바와 같이 나노와이어(660)가 남게 된다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 신경소자를 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 신경소자는 기판(710), 나노와이어들(721, 722), 전극들(731, 732), 관통 비아홀 연결들(741, 742), 전극 패드들(751, 752) 및 터치 볼들(762, 762)을 포함한다.
나노와이어들(721, 722) 각각의 전극들(731, 732)은 기판의 반대 면의 전극 패드들(751, 752)과 관통 비아 홀 연결(through via hole connection)들(741, 742)을 통해 연결된다. 즉, 나노와이어(721)의 전극(731)은 관통 비아홀 연결(741)을 통해 전극 패드(751)와 연결되고, 나노와이어(722)의 전극(732)은 관통 비아홀 연결(742)을 통해 전극 패드(752)와 연결된다.
즉, 관통 비아 홀 연결 기술을 이용하여 기판의 반대 면에 위치된 나노와이어와 전극 패드가 전기적으로 연결되게 된다. 나노와이어가 설치되는 기판상의 면과, 전극 패드가 설치되는 기판상의 면은 서로 반대 면이므로 각각의 법선 벡터가 이루는 각은 약 180도가 된다.
전극 패드(751)는 나노와이어(721)를 통해 신경섬유로부터 획득된 전기 신호를 출력하거나 나노와이어(721)로 전기 자극을 위한 신호를 인가한다. 전극 패드(752)는 나노와이어(722)를 통해 신경섬유로부터 획득된 전기 신호를 출력하거나 나노와이어(722)로 전기 자극을 위한 신호를 인가한다.
전극 패드(751)는 터치 볼(761)을 통하여 외부로 연결되고, 전극 패드(752)는 터치 볼(762)을 통하여 외부로 연결된다. 도 8에 도시된 도면부호 770은 외부로 연결되는 전극패드를 나타낸다. 실시예에 따라 도면부호 770은 신경섬유로부터 전기 신호를 획득하거나, 신경섬유에 전기 신호를 인가하는 동작을 제어하는 처리 모듈일 수 있다.
도 8에는 도시되지 아니하였으나, 기판에는 CMOS 영역이 구비될 수 있다. CMOS 영역은 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)를 구현하기 위해 사용되는 기판상의 영역이다. 관통 비아홀 연결들(741, 742)은 CMOS 영역을 피해서 배치되는 것이 바람직하다.
도 8에는 도시되지 아니하였으나, 전극들(731, 732) 각각에는 나노와이어를 위치시키기 위한 베이스가 설치될 수 있다.
베이스에는 적어도 하나의 관통 홀이 구비될 수 있다. 관통 홀은 원형, 타원형, 다각형 등의 다양한 단면을 가질 수 있고, 특히 제작이 용이한 원형 형상이나 신경 다발의 단면에 상응하는 형상일 수 있다. 이 때, 관통 홀은 수십 마이크로미터에서 수십 나노 미터의 지름을 가질 수 있다.
특히, 베이스에 설치되는 관통 홀은 기판에 설치되는 관통 비아 홀과 연결될 수도 있다. 이 경우 신경섬유가 관통 홀 또는 관통 비아 홀을 통해 복원될 수도 있다.
또한, 베이스에는 나노와이어를 지지하기 위한 나노와이어 지지대가 구비될 수 있다. 이 때, 나노와이어 지지대는 상기 관통 홀의 내주 면에 구비될 수 있다. 나노와이어 지지대는 나노와이어가 일 방향으로 고정되도록 지지한다. 즉, 나노와이어는 나노와이어 지지대에 의하여 고정된다.
나노와이어 지지대는 관통 홀을 복수의 영역으로 구분하도록 형성될 수 있다. 나노와이어 지지대는 직선 형성을 갖거나, 다양한 곡률을 갖는 곡선으로 형성될 수 있다. 또한, 나노와이어 지지대는 관통 홀의 내주 면으로부터 연장되어 형성되거나, 베이스의 어느 일면으로부터 연장되어 형성될 수 있다.
관통 홀과 나노와이어 지지대를 포함하는 베이스는 실리콘 등 다양한 소재의 웨이퍼 상에 포토 마스크와 에칭 공정을 통하여 구현할 수 있다.
관통 홀과 나노와이어 지지대를 포함하는 베이스가 형성되면, 나노와이어 지지대 상의 나노와이어가 성장하는 위치에 촉매를 위치시킨다. 예를 들어, 나노와이어 지지대의 중간 부위에 나노와이어를 고정하는 경우에는, 상기 나노와이어 지지대의 중간 부위에 나노와이어 성장을 위한 촉매를 위치시킨다. 촉매는 리소그래피 공정 등을 통해 나노와이어 지지대의 임의의 부분에 위치될 수 있다. 촉매는 성장시키려는 나노와이어의 소재에 따라 선택될 수 있으며, 예를 들어 실리콘 나노와이어를 성장시키는 경우에는 Au 촉매가 사용될 수 있다. 촉매가 기판 상에 위치하는 경우 CVD(Chemical Vapor Deposition) 공정 등을 통해 반응물을 공급하여 나노와이어를 완성시킬 수 있다.
베이스, 나노와이어 지지대 및 나노와이어는 다양한 재질일 수 있다. 예를 들어, 나노와이어 지지대 및 나노와이어는 실리콘, 금, 은, Ru, TiN, Ag 및 동과 같이 생체에 적합한 전극 또는 나노 공정에 의해 나노 소자로 구현될 수 있는 반도체 소자 또는 금속일 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 신경소자를 나타낸 도면이다.
도 9는 도 8과 유사하나, 나노와이어 프로브가 CMOS의 게이트나 드레인에 연결됨을 강조한 것이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 신경소자는 나노와이어들(811, 812), 전극들(821, 822), 관통 비아홀 연결들(851, 852), CMOS 들(881, 882), 전극 패드(830) 및 터치 볼(840)을 포함한다.
도 9에 도시된 예에서 전극 패드(830) 및 터치 볼(840)은 한 개씩만 도시되었으나, 나노와이어들(811, 812)의 개수에 따라 둘 이상의 전극 패드들 및 터치 볼들이 구비될 수도 있다.
나노와이어들(811, 812) 각각의 전극들(821, 822)은 기판의 반대 면으로 관통 비아 홀 연결(through via hole connection)들(851, 852)을 통해 연결된다. 이 때, 나노와이어들(811, 812) 각각은 CMOS 들(881, 882) 각각의 드레인이나 게이트와 연결된다.
전극 패드(830)는 나노와이어(811) 또는 나노와이어(812)를 통해 신경섬유로부터 획득된 전기 신호를 출력하거나 나노와이어(811) 또는 나노와이어(812)로 전기 자극을 위한 신호를 인가한다.
전극 패드(830)는 터치 볼(840)을 통하여 외부로 연결된다. 도 9에 도시된 도면부호 870은 외부로 연결되는 전극패드를 나타낸다. 실시예에 따라 도면부호 870은 신경섬유로부터 전기 신호를 획득하거나, 신경섬유에 전기 신호를 인가하는 동작을 제어하는 처리 모듈일 수 있다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 나노와이어 프로브 장치를 나타낸 도면이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 나노와이어 프로브 장치는 나노와이어(910), 전극(920), 전극 패드(930) 및 터치 볼(940)을 포함한다.
터치 볼(940)은 소자에 연결된 전극 패드(즉, 외부의 전극 패드)와 전기적으로 연결된다.
나노와이어(910)는 터치 볼(940)의 반대 면에 형성된 베이스 형성되고, 신경섬유로부터 측정된 전기 신호를 터치 볼(940)을 통해 상기 소자로 제공하거나 상기 소자로부터 터치 볼(940)을 통해 인가된 신호에 기반하여 신경 섬유에 전기 자극을 인가한다.
나노와이어(910)는 전극(920) 및 전극 패드(930)를 통해 터치 볼(940)과 연결된다.
도 10에 도시된 실시예는 기판에 터치 볼(940)을 통해 접촉되는 나노와이어 프로브 장치만 분리한 경우에 해당한다. 즉, 도 10에 도시된 실시예는 소자와 독립적으로 관통 비아홀 연결을 이용해 만들어진 나노와이어 프로브 단을 터치 볼로 소자에 연결하는 방식이다. 본 발명의 기술사상은 기판에 관통 비아홀 연결을 이용해서 나노와이어와 접촉 패드를 연결하는 경우(소자 내에 포함되는 경우)나, 서로 반대 면에 나노와이어와, 터치 볼과 연결되는 접촉 패드를 위치시킨 프로브 장치를 두고 이를 기판에 전기적으로 접촉되도록 하는 경우(소자와 독립적으로 구성되는 경우) 모두를 포괄한다.
도 11은 서로 기판의 반대 면에 위치하는 전극 및 패드의 관통 비아홀 연결을 통한 연결의 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 11을 참조하면, 나노와이어들(1111, 1112)이 생성되는 전극들(1121, 1122)은 각각 관통 비아홀 연결(1130)을 통하여 전극 패드들(1141, 1142)과 연결된다. 즉, 전극(1121)은 전극 패드(1141)와 연결되고, 전극(1122)은 전극 패드(1142)와 연결된다.
전극 패드(1141)의 상부에는 터치 볼(1151)이 형성되고, 전극 패드(1142)의 상부에는 터치 볼(1152)이 형성된다.
도 11에 도시된 예에서는 전극들(1121,1122) 및 전극 패드들(1141, 1142)의 연결이 관통 비아홀 연결(1130)의 일부분에 의하여 이루어지고, 관통 비아홀 연결(1130)의 남은 부분은 홀 그대로 남겨두게 된다. 즉, 관통 비아홀 연결(1130)은 모두 메탈로 채워질 필요는 없으며 일부 공간만 메탈을 통하여 기판의 양 면의 전극이 연결되도록 하고, 남은 부분은 공간으로 남겨질 수 있다. 이 때, 남겨진 홀 부분의 외면은 코팅될 수 있다.
이 때, 남겨진 홀 부분을 통하여 신경 섬유나 신경 조직 등이 성장할 수도 있다.
나아가, 베이스에 설치되는 관통 홀은 기판에 설치되는 관통 비아 홀과 연결될 수도 있다. 이 경우 신경섬유가 관통 홀 또는 관통 비아 홀을 통해 복원될 수도 있고, 관통 비아홀 연결에 공간이 많으면 많을수록 신경 섬유나 신경 조직의 복원에 효과적으로 이용될 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 신경 소자 및 나노와이어 프로브 장치는 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (12)

  1. 기판의 제1 면에 형성된 베이스에 생성된 나노와이어; 및
    상기 기판의 상기 제1 면과 상이한 제2 면에 형성되고, 상기 나노와이어를 통해 신경섬유로부터 획득된 전기 신호를 출력하거나 상기 나노와이어로 전기 자극을 위한 신호를 인가하는 전극 패드
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 신경 소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 면은 상기 제2 면의 법선벡터와 상기 제1 면의 법선벡터가 이루는 각이 170도 이상 180도 이하인 면이고, 상기 나노와이어와 상기 전극 패드는 관통 비아홀 연결(through via hole connection)을 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 신경 소자.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 전극 패드는 터치 볼(touch ball)을 통하여 외부로 연결되는 것을 특징으로 하는 신경 소자.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 관통 비아홀은 상기 기판의 CMOS 영역을 피해서 배치되는 것을 특징으로 하는 신경 소자.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 베이스는
    상기 관통 비아홀과 연결되는 관통 홀 및 상기 나노와이어를 지지하기 위한 나노와이어 지지대를 포함하는 것을 특징으로 하는 신경 소자.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 나노와이어는
    상기 나노와이어 지지대에 리소그래피 공정을 통해 위치된 촉매 및 CVD 공정에 의해 공급되어 상기 촉매와 반응하는 반응물에 의하여 생성되는 것을 특징으로 하는 신경 소자.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 나노와이어는
    상기 나노와이어 주위를 식각함으로써 생성되는 것을 특징으로 하는 신경 소자.
  8. 소자에 연결된 전극 패드와 전기적으로 연결되기 위한 터치 볼; 및
    상기 전극 패드의 반대 면에 형성된 베이스에 생성되고, 신경섬유로부터 측정된 전기 신호를 상기 터치 볼을 통해 상기 소자로 제공하거나 상기 소자로부터 상기 터치 볼을 통해 인가된 신호에 기반하여 전기 자극을 인가하는 나노와이어
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노와이어 프로브 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 전기 패드 및 상기 나노와이어는 관통 비아홀 연결을 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 나노와이어 프로브 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 베이스는
    상기 관통 비아홀과 연결되는 관통 홀 및 상기 나노와이어를 지지하기 위한 나노와이어 지지대를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노와이어 프로브 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 나노와이어는
    상기 나노와이어 지지대에 리소그래피 공정을 통해 위치된 촉매 및 CVD 공정에 의해 공급되어 상기 촉매와 반응하는 반응물에 의하여 생성되는 것을 특징으로 하는 나노와이어 프로브 장치.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 나노와이어는
    상기 나노와이어 주위를 식각함으로써 생성되는 것을 특징으로 하는 나노와이어 프로브 장치.
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