WO2012099446A2 - 연장된 게이트 전극이 형성된 전계효과 트랜지스터형 신호변환기를 이용한 투명성 이온 감지 센서칩 및 이의 제조방법 - Google Patents

연장된 게이트 전극이 형성된 전계효과 트랜지스터형 신호변환기를 이용한 투명성 이온 감지 센서칩 및 이의 제조방법 Download PDF

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이내응
투이 응우옌뜨엉
김덕진
윤옥자
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성균관대학교 산학협력단
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Definitions

  • the present invention relates to a transparent ion sensing sensor chip using a field effect transistor type signal converter having an extended gate electrode and a method of manufacturing the same. More particularly, the field effect transistor type signal converter including an extended gate electrode has improved durability. By detecting the concentration of various ions (H + , K + , Ca 2+ , Na + ), and made of a transparent material at the same time can be measured optically to measure the behavior of the cell at the same time, the cell The present invention relates to a transparent ion sensing sensor chip capable of real-time optical observation of behavior and a method of manufacturing the same.
  • a transistor-based biosensor having a structure including a field effect transistor. This is manufactured by using a semiconductor process, and has an advantage of fast conversion of an electrical signal and easy integration of an integrated circuit and a MEMS, and thus many studies have been conducted.
  • US Patent No. 4,238,757 is a source patent for measuring biological response using a field effect transistor (hereinafter also referred to as 'FET'). It relates to a biosensor that measures the antigen-antibody response as a change in the semiconductor inversion layer due to a change in surface charge concentration and relates to proteins in biomolecules.
  • 'FET' field effect transistor
  • FET field effect transistor
  • Ion-selective field-effect transistor-type sensors fabricated using field-effect transistors use three electrodes: source, gate, and drain, and the drain-source voltage V DS and the gate reference electrode-source A method of measuring the change in the drain current I DS due to the accumulation and depletion of carriers in the semiconductor according to the surface potential change according to the ion concentration formed in the gate insulating film by applying the voltage V GS between + (pH), Ca 2+, K +, Na +, O 2 -, NO - it may optionally simultaneously detect a particular ion from.
  • the ion-selective field effect transistor type sensor that can selectively detect such ions is a signal converter of a cell-based biosensor that can observe various ion concentrations that are changed by cell metabolism during cell growth. Can be used.
  • the ion-selective field effect transistor type sensor was proposed by Bergveld in 1970, and much research has been conducted since then. Recently, not only the ion sensor but also a chemical sensor that can measure the gas state such as a gas sensor has been actively studied.
  • the ion selective field effect transistor type sensor is a type of transistor that integrates an insulated gate field effect transistor (IGFET) and an ion sensor. Since it is an ideal potentiometric detector in which the potential by the insulating film is measured, the output impedance can be reduced to a minimum by a feedback circuit, which is an extremely small and low output impedance ion sensor unlike the conventional ion sensor. .
  • the principle of operation is that the electrochemical potential difference at the interface between the solution and the sensing membrane changes with the ion concentration in the solution, and the change in the potential difference depends on the effective gate voltage (V G ) as the threshold voltage (V T ) changes. Causing a change in the drain current by changing the channel conductivity by the electric field effect. By measuring the change in the drain current, the change in the specific ion concentration in the solution is detected.
  • a sensor capable of sensing various ions can be fabricated by forming an ion sensing film that is selectively sensitive to a specific ion.
  • the organic dielectric and the semiconductor layer for measurement are directly exposed to the solution, thereby deteriorating durability.
  • An object of the present invention is to detect a variety of ions (H + , K + , Ca 2+ , Na + ) of the electrolyte, and at the same time is made transparent to the optical measurement is possible to measure the behavior of the cell, the solution
  • the ion sensing unit is configured to be located on the gate electrode extending from the channel portion of the transistor to provide a transparent ion sensing sensor chip using a field effect transistor type signal converter with improved durability and its manufacturing method It is.
  • the transparent ion detection sensor chip is a transparent substrate; An ion sensing sensor formed on the transparent substrate and having a detection thin film made of indium tin oxide (ITO) or graphene, an optional ion permeable membrane positioned on the detection thin film, and a well surrounding the selective ion permeable membrane to receive an electrolyte part; And a field effect transistor type signal converter including a gate electrode electrically connected to the detection thin film. And a passivation thin film formed on the field effect transistor type signal converter.
  • ITO indium tin oxide
  • graphene graphene
  • an optional ion permeable membrane positioned on the detection thin film
  • a well surrounding the selective ion permeable membrane to receive an electrolyte part
  • a field effect transistor type signal converter including a gate electrode electrically connected to the detection thin film.
  • a passivation thin film formed on the field effect transistor type signal converter.
  • the field effect transistor type signal converter includes an insulator layer formed on the gate electrode; A semiconductor layer formed on the insulator layer; The semiconductor device may further include a drain electrode and a source electrode formed on the insulator layer to be spaced apart from each other with the semiconductor layer therebetween.
  • the gate electrode may be formed of indium tin oxide (ITO) or the graphene.
  • the insulator layer comprises at least one material selected from the group consisting of poly (4-vinylphenol), polyimide, polyvinyl acetate, Al 2 O 3 , SiO 2 , PVP-Al 2 O 3 and PVP-TiO 2 . Can be formed.
  • the transparent substrate may be a glass substrate or a transparent plastic substrate.
  • a method of manufacturing a transparent ion sensing sensor chip includes forming a conductive film using indium tin oxide (ITO) or graphene on a transparent substrate; Patterning the conductive layer to form a gate electrode and a detection thin film electrically connected to the gate electrode; Forming a selective ion permeable membrane on the detection thin film; Forming an insulator layer on the gate electrode; Forming a semiconductor layer on the insulator layer; Forming a drain electrode and a source electrode spaced apart from each other with the semiconductor layer interposed therebetween; Forming a passivation thin film on the insulator layer on which the semiconductor layer, the drain electrode and the source electrode are formed; And forming a well surrounding the selective ion permeable membrane to accommodate the electrolyte on the transparent substrate.
  • ITO indium tin oxide
  • the semiconductor layer may be formed using at least one material selected from the group consisting of an organic semiconductor, an oxide semiconductor, and graphene.
  • the semiconductor layer may be formed by a thermal deposition method, a transfer method or a self-assembly method.
  • the drain electrode and the source electrode may be formed by depositing a metal by thermal deposition.
  • the passivation thin film may be formed of an inorganic thin film or an organic thin film by chemical vapor deposition, atomic layer deposition, thermal deposition, spin coating, or printing.
  • the transparent substrate may be a glass substrate or a transparent plastic substrate.
  • the transparent ion sensing sensor chip of the present invention is manufactured using a transparent material, it is possible to optically observe the real-time actuation of the cell.
  • the potential difference due to the change of the concentration of various ions is changed to the current value. It has the effect of selectively detecting ions by conversion.
  • the transparent ion sensing sensor chip according to the present invention can be optically measured and has excellent linear sensitivity to H + ions, and thus can selectively detect pH without disturbing K + , Ca 2+ , Na +, etc. in the electrolyte. .
  • oxides Ta 2 O 5 , Al 2 O 3 , Si 3 N 4 , SiO 2
  • ion-selective membranes on ITO or graphene electrodes for K + , Ca 2+ , Na + ions can do.
  • FIG. 1 is a plan view schematically showing the configuration of a transparent ion sensing sensor chip according to the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the transparent ion sensing sensor chip cut along a cutting line A-A 'shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a process chart for forming an ion sensing sensor unit.
  • FIG. 4 is a process chart for forming a field effect transistor type signal converter.
  • FIG. 5 is a graph showing the results of pH detection measured using a transparent ion sensor chip according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a graph illustrating Ca 2+ and K + detection results measured using an ion sensing sensor chip according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
  • the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component.
  • FIG. 1 is a plan view schematically illustrating the configuration of a transparent ion sensing sensor chip according to the present invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the transparent ion sensing sensor chip cut along a cutting line A-A 'shown in FIG. 1.
  • the transparent ion sensing sensor chip 200 according to the embodiment of the present invention, the transparent substrate 100, the ion sensing sensors 120, 130, and 140, and the field effect transistor type signal converter 150. , 160, 170, and 180) and the passivation thin film 190.
  • a glass substrate or a transparent plastic substrate may be used as the transparent substrate 100.
  • the ion sensor 120, 130, 140 may be formed on the transparent substrate 100 and may detect various ions.
  • the ion sensor 120, 130, 140 may include a detection thin film 120, the selective ion permeable membrane 130 and the well (140).
  • the detection thin film 120 may be formed on the transparent substrate 100 and may be formed of a transparent conductive material.
  • the detection thin film 120 may be formed of indium tin oxide (ITO) or graphene.
  • ITO indium tin oxide
  • the selective ion permeable membrane 130 may be formed on the detection thin film 120 to selectively transmit ions.
  • a glass membrane, a crystalline membrane, a polymer membrane, or the like may be used as the selective ion permeable membrane 130.
  • the well 140 may be formed on the selective ion permeable membrane 130 to accommodate the electrolyte.
  • the well 140 may be formed using polydimethylsiloxane (PDMS) or the like.
  • the ion sensor 120, 130, 140 is an insulator ion sensitive membrane (not shown) positioned between the detection thin film 120 and the selective ion permeable membrane 130. It may further include.
  • the insulator ion sensitive layer may be formed of at least one selected from the group consisting of Ta 2 O 5 , Al 2 O 3 , Si 3 N 4 , SiO 2 , ZrO 2 , HfO 2 , Y 2 O 3, and Gd 2 O 3 . .
  • the insulator ion sensitive membrane can improve selective sensitivity to ion sensing.
  • the field effect transistor type signal converters 110, 150, 160, 170, and 180 are electrically connected to the ion sensing sensor units 120, 130, and 140 so that a potential difference generated by a change in concentration of various ions may be used. Can be converted to change.
  • the field effect transistor type signal converters 110, 150, 160, 170, and 180 may be formed on the other side of the transparent substrate 100, that is, adjacent to the ion sensing sensor units 120, 130, and 140.
  • the field effect transistor type signal converters 110, 150, 160, 170, and 180 are extended gate electrodes 110, insulator layers 150, semiconductor layers 160, drain electrodes 170, and source electrodes 180. It may include.
  • the extended gate electrode 110 is electrically connected to the detection thin film 120 of the ion sensor 120, 130, 140 and is formed on the transparent substrate 100.
  • the extended gate electrode 110 may be formed of the same material as that of the detection thin film 120 of the ion sensor 120, 130, and 140, and may be integrally formed through the same process.
  • the detection thin film 120 may have an area larger than that of the extended gate electrode 110.
  • the insulator layer 150 is formed on the extended gate electrode 110.
  • the insulator layer 150 is formed to improve insulation characteristics.
  • the insulator layer 150 may be formed using poly (4-vinylphenol), polyimide, polyvinyl acetate, Al 2 O 3 , SiO 2 , PVP-Al 2 O 3 , PVP-TiO 2, or the like. May be, but is not limited thereto.
  • the semiconductor layer 160 is formed on the insulating layer 150.
  • the semiconductor layer 160 may be an organic semiconductor such as pentacene or an inorganic transparent oxide semiconductor such as zinc oxide (ZnO) or indium gallium zinc oxide (InGaZnO), or graphene or reduced graphene oxide by chemical vapor deposition.
  • ZnO zinc oxide
  • InGaZnO indium gallium zinc oxide
  • graphene or reduced graphene oxide by chemical vapor deposition.
  • One of graphene materials such as the same is formed by depositing between the drain electrode 170 and the source electrode 180.
  • the organic semiconductor that can be used to form the semiconductor layer 160 is Me 2 -pentasine, bis-benzodithiophene (bis-BDT), bis-thiophene dimer bis-TDT, sexithiphene (6T), hexyl-substituted thiophene oligomers (DH-6T), mixed thiophene-phenylene oligomers; dH P-type oligomer or poly (3-hexylthiophene) such as -PPTPP, dH-PTTP), anthradithiophene (ADT), rubrene, copper phthalocyanine (PcCu) hexylthiophene); P3HT), polyquaterthiophenes (PQTs), poly [9,9-dioctylfluorene-co-bithiophene]) (poly [9,9-dioctylfluorene-co-bithiophene]) (
  • the drain electrode 170 and the source electrode 180 are formed on the insulator layer 150 to be spaced apart from each other with the semiconductor layer 160 therebetween. A portion of the drain electrode 170 and a portion of the source electrode 180 may overlap the semiconductor layer 160. Since the material of the drain electrode 170 and the source electrode 180 and a method of forming the drain electrode 170 and the source electrode 180 may be easily implemented by those skilled in the art, detailed description thereof will be omitted.
  • the potential difference caused by the ions included in the electrolyte is changed by the ion sensor 120, 130, 140. Is detected by the detection thin film 120, and the potential difference is applied to the extended gate electrode 110, and the potential difference applied to the extended gate electrode 110 is applied to the source-drain electrodes 170 and 180. Will cause a change in current between them.
  • the passivation thin film 190 is formed on the field effect transistor type signal converters 110, 150, 160, 170, and 180.
  • the transparent ion sensing sensor chip 200 includes an extended gate electrode 110 and the ion sensing sensor 120 of the field effect transistor type signal converters 110, 150, 160, 170, and 180.
  • the transparent ion sensing sensor chip 200 uses the ion sensing sensors 120, 130, and 140 capable of sensing various ions, and a potential difference generated by a change in concentration of various ions as a change in current value.
  • the field effect transistor type signal converters 110, 150, 160, 170, and 180 to be converted are spatially separated to constitute the field effect transistor type signal converters 110, 150, 160, 170, and 180. Can be prevented.
  • the extended gate electrode 110 and the detection thin film 120 are formed using an indium tin oxide (ITO) or graphene, which is a transparent conductive material, and are integrally formed through the same process, thereby optically developing cell behavior. In addition to making it possible to measure, adhesion to the insulator layer 150 can be improved.
  • Figure 3 is a process chart for forming an ion sensing sensor unit
  • Figure 4 is a process chart for forming a field effect transistor type signal converter.
  • a transparent substrate 100 washed with acetone, alcohol, distilled water, etc. is prepared.
  • the transparent substrate 100 may be a glass substrate or a transparent plastic substrate, but is not limited thereto.
  • the conductive film 110 is formed on the prepared transparent substrate 100 by using indium tin oxide (ITO) or graphene. Thereafter, the conductive film 110 is patterned using a general lithography method to form transparent electrode layers 110 and 120 including the extended gate electrode 110 and the detection thin film 120.
  • the detection thin film 120 may have an area larger than that of the extended gate electrode 110.
  • a selective ion permeable membrane 130 is formed on the detection thin film 120.
  • the selective ion permeable membrane 130 may be formed of a glass membrane, a crystalline membrane, a polymer membrane, or the like.
  • an insulator layer 150 is formed on the extended gate electrode 110.
  • the insulator layer 150 may be insulated from poly (4-vinylphenol), polyimide, polyvinyl acetate, Al 2 O 3 , SiO 2 , PVP-Al 2 O 3 , PVP-TiO 2, etc. using spin coating. It can be formed by coating the material.
  • the semiconductor layer 160 may be formed on the insulator layer 150.
  • the semiconductor layer 160 may be formed by depositing and patterning by thermal deposition using the above-described organic semiconductor or inorganic transparent oxide semiconductor material.
  • the semiconductor layer 160 is a graphene grown by a chemical vapor deposition method, a graphene such as chemically reduced graphene oxide in a solution using a method such as transfer or self-assembly Can be formed.
  • a drain electrode 170 and a source electrode 180 may be formed on the insulator layer 150 on which the semiconductor layer 160 is formed.
  • the drain electrode 170 and the source electrode 180 may be formed by depositing and patterning a conductive material such as metal.
  • a passivation thin film 190 is formed on the insulator layer 150 on which the semiconductor layer 160, the drain electrode 170, and the source electrode 180 are formed.
  • the passivation thin film 190 is formed to improve stability of the field effect transistor type signal converter.
  • a well 140 is formed to surround the detection thin film 120 and the selective ion permeable membrane 130.
  • the well 140 is formed by molding a polydimethylsiloxane (PDMS) to form a structure having a specific shape, and then attaching the well to the transparent substrate 100 and the extended gate electrode 110 using an adhesive such as epoxy glue. Can be.
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • the transparent ion sensing sensor chip 200 according to the embodiment of the present invention manufactured as described above may be optically observed in real time of the cell as it is manufactured using a transparent material, and has a potential difference due to a change in concentration of various ions.
  • the ion can be measured selectively by changing the current to a current value.
  • ITO Indium tin oxide
  • a channel length of 40 ⁇ m on the glass substrate was then etched by a photolithography method using an etchant comprised of 24 wt% hydrochloric acid to form an extended gate electrode and detection thin film on the ITO deposited glass substrate.
  • An extended gate electrode and a detection thin film were formed.
  • Wells were formed using polydimethylsiloxane in the periphery of the detection thin film.
  • poly (4-vinylphenol) (PVP) was deposited on the extended gate electrode to a thickness of 250 nm by spin coating to form an insulator layer, and pentacin was 60 nm thick by thermal deposition at 80 ° C.
  • TTC n-tetratetracontane
  • FIG. 5 is a graph illustrating pH sensing results measured using the transparent ion sensing sensor chip according to Example 1
  • FIG. 6 illustrates Ca2 + and K + sensing results measured using the ion sensing sensor chip according to Example 1.
  • the transparent ion sensing sensor chip and the manufacturing method thereof according to the embodiment of the present invention described above it is possible to optically observe the real-time emergence of the cell by manufacturing using a transparent material, various field ions in the field effect transistor type signal converter The potential difference due to the change in the concentration of is converted into the change in the current value, and has the effect of selectively detecting ions.
  • the transparent ion sensing sensor chip according to the present invention can be optically measured and has excellent linear sensitivity to H + ions, and thus can selectively detect pH without disturbing K + , Ca 2+ , Na +, etc. in the electrolyte. .
  • oxides Ta 2 O 5 , Al 2 O 3 , Si 3 N 4 , SiO 2
  • ion-selective membranes on ITO or graphene electrodes for K + , Ca 2+ , Na + ions can do.

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Abstract

본 발명은 전해질의 다양한 이온 농도를 선택적으로 측정할 수 있고, 동시에 투명하게 제조됨으로써 광학적 측정이 가능하여 셀의 거동현상도 측정이 가능하며, 용액에 의한 이온 감지부의 열화를 방지하기 위해 이온 감지부가 트랜지스터의 채널부로부터 연장된 게이트 전극 상에 위치하도록 구성되어 내구성이 향상된 전계효과 트랜지스터형 신호변환기를 이용한 투명성 이온 감지 센서칩 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

연장된 게이트 전극이 형성된 전계효과 트랜지스터형 신호변환기를 이용한 투명성 이온 감지 센서칩 및 이의 제조방법
본 발명은 연장된 게이트 전극이 형성된 전계효과 트랜지스터형 신호변환기를 이용한 투명성 이온 감지 센서칩 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연장된 게이트 전극을 포함하여 내구성이 향상된 전계효과 트랜지스터형 신호변환기를 이용하여 다양한 이온 (H+, K+, Ca2+, Na+)의 농도를 감지할 수 있고, 동시에 투명한 재질로 제조됨으로써 광학적 측정이 가능하여 셀의 거동현상도 동시에 측정할 수 있는, 세포 거동의 실시간 광학적 관찰이 가능한 투명성 이온 감지 센서칩 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
전기적인 신호로 생분자(Biomolecule)를 검출하는 센서 중 전계효과 트랜지스터를 포함하는 구조를 지닌 트랜지스터기반 바이오 센서가 있다. 이는 반도체 공정을 이용하여 제작되는 것으로, 전기적인 신호의 전환이 빠르고, 집적회로(integrated circuit)와 멤스(MEMS)의 접목이 용이한 장점이 있어, 그 동안 이에 대한 많은 연구가 진행되어 왔다.
전계 효과 트랜지스터(이하, 'FET'라고도 함)를 사용하여, 생물학적 반응을 측정하는 원천 특허로 미국특허 제4,238,757호가 있다. 이는 항원-항체 반응을 표면 전하 밀도(surface charge concentration) 변화로 인한 반도체 반저층(inversion layer)의 변화를 전류로 측정하는 바이오 센서에 관한 것으로 생분자 중 단백질(protein)에 관한 것이다.
이와 같은 전계 효과 트랜지스터(FET)를 바이오 센서로 사용하는 경우에는 종래의 방식에 비해 비용 및 시간이 적게 들고, IC(integrated circuit)/MEMS 공정과의 접목이 용이하다는 점에서 큰 장점을 지니고 있다.
전계 효과 트랜지스터를 이용하여 제조된 이온 선택성 전계 효과 트랜지스터형 센서는 소스(source), 게이트(gate) 및 드레인(drain)의 세 개의 전극을 사용하여 드레인-소스 간의 전압 VDS 및 게이트 기준전극-소스 간의 전압 VGS를 인가하여, 게이트 절연막에 형성되는 이온 농도에 따른 표면 전위 변화에 따른 반도체에서의 캐리어의 축적(accumulation) 및 공핍(depletion)에 따른 드레인 전류 IDS를 변화를 측정하는 방법으로 H+(pH), Ca2+, K+, Na+, O2 -, NO- 중에서 특정한 이온을 선택적으로 동시에 감지할 수 있다. 이러한 이온을 선택적으로 감지할 수 있는 이온 선택성 전계 효과 트랜지스터형 센서는 셀 (cell)이 성장하는 과정 중 셀 대사에 의하여 변화되는 다양한 이온 농도의 추이를 관찰할 수 있는 셀 기반 바이오 센서의 신호 변환기로서 이용될 수 있다.
이온 선택성 전계 효과 트랜지스터형 센서는 1970년 Bergveld에 의해서 제안되어, 그 이후에 많은 연구가 이루어졌는데 최근 들어 이온 센서뿐만이 아니라, 가스 센서 등 기체 상태를 측정할 수 있는 화학센서로도 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이온 선택성 전계 효과 트랜지스터형 센서는 트랜지스터의 일종으로 절연성 게이트형 전계효과 트랜지스터(insulated gate field effect transistor, IGFET)와 이온 센서를 집적화한 것이다. 절연막에 의한 전위가 측정되는 이상적인 전위차 측정검출기이기 때문에 출력 임피던스를 피드백(feed-back) 회로에 의해 최저로 낮출 수 있는데, 기존의 이온 센서와는 전혀 다른 극히 소형이고, 또한 저출력 임피던스의 이온 센서이다. 작동원리는 용액과 감지막 계면의 전기화학적 전위차가 용액 중의 이온농도에 따라 변하는데 이 전위차의 변화가 문턱전압(threshold voltage, VT)의 변화에 따라 유효 게이트 전압(effective gate voltage, VG)의 변화를 유발하고, 이는 전장 효과에 의하여 채널 전도도를 변화시킴으로써 드레인 전류의 변화를 발생시킨다. 이 드레인 전류의 변화분을 측정함으로써 용액 중의 특정이온 농도의 변화를 감지하게 된다. 이러한 이온 선택성 전계 효과 트랜지스터형 센서에서 특정이온에 선택적으로 민감한 이온 감지막을 형성함으로서 각종 이온을 감지할 수 있는 센서를 제작할 수 있다.
최근 바이오센서의 개발 추이는 초소형으로 측정이 어려웠던 미소부위의 성분측정이 쉽게 적용할 수 있게 되었으며 효소나 항체, 셀, 미생물 등의 분자식별 기능을 갖는 생체 관련 물질과 전기 소자 등의 각종 소자를 조합한 바이오센서가 개발되고 있으나 소자가 투명하지 않아 셀 기반의 소자에서는 광학적 측정이 어려워 실시간의 셀의 거동현상 측정에 관하여 보고된 바가 없다.
또한 이온 선택성 전계 효과 트랜지스터형 센서에서 측정을 위한 유기 유전체 및 반도체층이 용액에 직접적으로 노출되어 열화됨으로써 내구성이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 전해질의 다양한 이온(H+, K+, Ca2+, Na+)을 감지할 수 있고, 동시에 투명하게 제조됨으로써 광학적 측정이 가능하여 셀의 거동현상도 측정이 가능하며, 용액에 의한 이온 감지부의 열화를 방지하기 위해 이온 감지부가 트랜지스터의 채널부로부터 연장된 게이트 전극 상에 위치하도록 구성되어 내구성이 향상된 전계효과 트랜지스터형 신호변환기를 이용한 투명성 이온 감지 센서칩 및 이의 제조방법을 제공하는데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 투명성 이온 감지 센서칩은 투명 기판; 상기 투명 기판 상에 형성되고 인듐 주석 산화물(ITO) 또는 그라핀으로 이루어진 검출 박막, 상기 검출 박막 상부에 위치하는 선택적 이온 투과막 및 상기 선택적 이온 투과막을 둘러싸고 전해질을 수용하는 웰을 구비하는 이온 감지 센서부; 및 상기 검출 박막과 전기적으로 연결된 게이트 전극을 포함하는 전계효과 트랜지스터형 신호변환기; 및 상기 전계효과 트랜지스터형 신호변환기 상에 형성된 패시베이션 박막을 포함할 수 있다.
상기 전계효과 트랜지스터형 신호변환기는 상기 게이트 전극 상부에 형성된 절연체층; 상기 절연체층 상부에 형성된 반도체층; 상기 반도체층을 사이에 두고 서로 이격되게 상기 절연체층 상부에 형성된 드레인 전극 및 소스 전극을 더 포함할 수 있다. 상기 게이트 전극은 상기 인듐 주석 산화물(ITO) 또는 상기 그라핀으로 형성될 수 있다.
상기 절연체층은 폴리(4-비닐페놀), 폴리이미드, 폴리비닐 아세테이트, Al2O3, SiO2, PVP-Al2O3 및 PVP-TiO2 로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 사용하여 형성될 수 있다.
상기 투명 기판은 유리 기판 또는 투명 플라스틱 기판일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 투명성 이온 감지 센서칩의 제조방법은 투명 기판 상에 인듐 주석 산화물(ITO) 또는 그라핀을 이용하여 도전막을 형성하는 단계; 상기 도전막을 패터닝하여 게이트 전극 및 상기 게이트 전극과 전기적으로 연결된 검출 박막을 형성하는 단계; 상기 검출 박막 상부에 선택적 이온 투과막을 형성하는 단계; 상기 게이트 전극 상부에 절연체층을 형성하하는 단계; 상기 절연체층 상부에 반도체층을 형성하는 단계; 상기 절연체층 상부에 상기 반도체층을 사이에 두고 서로 이격된 드레인 전극 및 소스 전극을 형성하는 단계; 상기 반도체층, 상기 드레인 전극 및 상기 소스 전극이 형성된 상기 절연체층 상부에 패시베이션 박막을 형성하는 단계; 및 상기 투명 기판 상부에 전해질을 수용하도록 상기 선택적 이온 투과막을 둘어싸는 웰(Well)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 반도체층은 유기 반도체, 산화물 반도체 및 그라핀으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 사용하여 형성될 수 있다. 상기 반도체층은 열증착법, 전사방법 또는 자기조립화 방법으로 형성될 수 있다.
상기 드레인 전극 및 상기 소스 전극은 금속을 열증착법에 의해 증착하여 형성할 수 있다.
상기 패시베이션 박막은 무기물 박막 또는 유기물 박막을 화학기상증착법, 원자층 증착법, 열증착법, 스핀코팅법 또는 프린팅 방법에 의해 형성될 수 있다. 상기 투명 기판은 유리 기판 또는 투명 플라스틱 기판일 수 있다.
본 발명의 투명성 이온 감지 센서칩은 투명성 재료를 사용하여 제조함에 따라 세포의 실시간 태동을 광학적으로 관찰할 수 있으며, 전계효과 트랜지스터형 신호변환기에서는 다양한 이온의 농도 변화에 의한 전위차를 전류값의 변화로 변환시켜 선택적으로 이온을 검출할 수 있는 효과를 갖는다. 본 발명에 따른 투명성 이온 감지 센서칩은 광학적 측정이 가능하며, H+ 이온에 대한 선형 민감도가 우수하여 전해질 내에 K+, Ca2+, Na+ 등에 대해 방해받지 않고 선택적으로 pH를 감지할 수 있다. 그리고 K+, Ca2+, Na+ 이온에 대해서도 ITO 또는 그라핀 전극 상에 산화물 (Ta2O5, Al2O3, Si3N4, SiO2) 또는 이온 선택성 멤브레인을 형성하여 선택적으로 감지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 투명성 이온 감지 센서칩의 구성을 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 절단선 A-A'를 따라 절단한 투명성 이온 감지 센서칩의 단면도이다.
도 3은 이온 감지 센서부를 형성하기 위한 공정도이다.
도 4는 전계효과 트랜지스터형 신호변환기를 형성하기 위한 공정도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 투명성 이온 감지 센서칩을 이용하여 측정한 pH 감지 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이온 감지 센서칩을 이용하여 측정한 Ca2+, K+ 감지 결과를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 투명성 이온 감지 센서칩의 구성을 개략적으로 나타낸 평면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 절단선 A-A'를 따라 절단한 투명성 이온 감지 센서칩의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 투명성 이온 감지 센서칩(200) 투명 기판(100), 이온 감지 센서부(120, 130, 140), 전계효과 트랜지스터형 신호변환기(150, 160, 170 및 180) 및 패시베이션 박막(190)을 포함할 수 있다.
상기 투명 기판(100)으로는 유리 기판 또는 투명 플라스틱 기판 등이 사용될 수 있다.
상기 이온 감지 센서부(120, 130, 140)는 상기 투명 기판(100) 상에 형성되고, 다양한 이온을 감지할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 이온 감지 센서부(120, 130, 140)는 검출박막(120), 선택적 이온투과막(130) 및 웰(Well)(140)을 포함할 수 있다. 상기 검출박막(120)은 상기 투명 기판(100) 상부에 형성되고, 투명 도전성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 검출박막(120)은 인듐주석산화물(Indium Tin Oxide, ITO) 또는 그라핀(Graphene)으로 형성될 수 있다. 상기 선택적 이온투과막(130)은 상기 검출박막(120) 상부에 형성되고, 이온을 선택적으로 투과시킬 수 있다. 상기 선택적 이온투과막(130)으로는 유리 멤브레인, 결정 멤브레인, 폴리머 멤브레인 등이 사용될 수 있다. 상기 웰(Well)(140)은 선택적 이온 투과막(130)의 상부에 형성되어 전해질을 수용할 수 있다. 일례로, 상기 웰(Well)(140)은 폴리디메틸실옥산(polydimethylsiloxane; PDMS) 등을 사용하여 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 이온 감지 센서부(120, 130, 140)는 상기 검출 박막(120)과 상기 선택적 이온 투과막(130) 사이에 위치하는 절연체 이온 감응막(미도시)을 더 포함할 수 있다. 상기 절연체 이온 감응막은 Ta2O5, Al2O3, Si3N4, SiO2, ZrO2, HfO2, Y2O3 및 Gd2O3으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나 이상으로 이루어질 수 있다. 상기 절연체 이온 감응막은 이온 감지에 대한 선택적인 감도 향상시킬 수 있다.
상기 전계효과 트랜지스터형 신호변환기(110, 150, 160, 170, 180)는 상기 이온 감지 센서부(120, 130, 140)에 전기적으로 연결되어 다양한 이온의 농도 변화에 의해 발생되는 전위차를 전류값의 변화로 변환시킬 수 있다. 상기 전계효과 트랜지스터형 신호변환기(110, 150, 160, 170, 180)는 상기 투명 기판(100)의 타측에, 즉 상기 이온 감지 센서부(120, 130, 140)와 인접하게 형성될 수 있다. 상기 전계효과 트랜지스터형 신호변환기(110, 150, 160, 170, 180)는 연장된 게이트 전극(110), 절연체층(150), 반도체층(160), 드레인 전극(170) 및 소스 전극(180)을 포함할 수 있다.
상기 연장된 게이트 전극(110)은 상기 이온 감지 센서부(120, 130, 140)의 상기 검출 박막(120)과 전기적으로 연결되고, 상기 투명 기판(100) 상부에 형성된다. 일례로, 상기 연장된 게이트 전극(110)은 상기 이온 감지 센서부(120, 130, 140)의 상기 검출 박막(120)과 동일한 재질로 형성되고, 동일한 공정을 통해 일체로 형성될 수 있다.
상기 검출 박막(120)은 상기 연장된 게이트 전극(110)에 비해 확장된 면적을 가질 수 있다. 상기 절연체층(150)은 상기 연장된 게이트 전극(110) 상부에 형성된다.
상기 절연체층(150)은 절연 특성의 향상을 위해 형성되된다. 일례로, 상기 절연체층(150)은 폴리(4-비닐페놀), 폴리이미드, 폴리비닐 아세테이트, Al2O3, SiO2, PVP-Al2O3, PVP-TiO2 등을 사용하여 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 반도체층(160)은 상기 절연층(150) 상부에 형성된다. 상기 반도체층(160)은 펜타신(pentacene)과 같은 유기물 반도체이거나 산화아연(ZnO), 인듐갈륨아연산화물(InGaZnO) 등과 같은 무기 투명성 산화물 반도체이거나 화학기상증착법에 의한 그라핀, 환원된 산화 그라핀 등과 같은 그라핀 재료 중에 하나를 드레인 전극(170) 및 소스 전극(180) 사이에 증착시켜 형성한다. 보다 구체적으로 상기 반도체층(160)을 형성하는데 사용될 수 있는 유기물 반도체로는 Me2-펜타신, 비스-벤조디티오펜(bis-Benzodithiophene; bis-BDT), 비스-티오펜 다이머(bis-thiophene dimer; bis-TDT), 섹시티오펜(sexithiphene; 6T), 헥실-치환된 티오펜 올리고머(Hexyl-substituted thiophene oligomers; DH-6T), 혼합된 티오펜-페닐렌 올리고머(mixed thiophene-phenylene oligomers; dH-PPTPP, dH-PTTP), 안트라디티오펜(anthradithiophene; ADT), 루브린(rubrene), 구리 프탈로시아닌(copper phthalocyanine; PcCu) 등의 p형 올리고머 또는 폴리(3-헥실티오펜)(poly(3-hexylthiophene); P3HT), 폴리콰터티오펜(polyquaterthiophenes; PQTs), 폴리[9,9-디옥틸플루오렌-코-바이티오펜])(poly[9,9-dioctylfluorene-co-bithiophene]; F8T2), 99,9-디알킬플루오렌-알트-트리아릴아민(99,9-dialkylfluorene-alt-triarylamine; TFB), 카바졸(carbazole; PCB), 폴리트리아릴아민(polytriarylamines; PTAA) 폴리머 또는 퀴노이메탄 터트티오펜(quinoimethane terthiophene; QM3T), 퍼플루오로아렌-티오펜 올리고머(perfluoroarene-thiophene oligomers; FTTTTF), 나프탈렌 카르보디이미드(naphthalene carbodiimide; NTCDI) 단량체, 플러렌(fullerenes; C60)의 n형 올리고머 중 적어도 하나 이상을 사용하여 형성될 수 있다.
상기 드레인 전극(170) 및 상기 소스 전극(180)은 상기 반도체층(160)을 사이에 두고 서로 이격되게 상기 절연체층(150) 상부에 형성된다. 상기 드레인 전극(170)의 일부 및 상기 소스 전극(180)의 일부는 상기 반도체층(160)과 중첩할 수 있다. 상기 드레인 전극(170) 및 소스 전극(180)의 재질 및 이의 형성방법은 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 실시될 수 있는 것이므로 상세한 설명은 생략한다.
전해질이 상기 이온 감지 센서부(120, 130, 140)의 웰(well)(140) 내부에 수용되면, 전해질에 포함된 이온들에 의해 야기되는 전위차 변화가 이온 감지 센서부(120, 130, 140)의 상기 검출박막(120)에 의해 검출되고, 이러한 전위차 변화는 연장된 게이트 전극(110)에 인가되며, 연장된 게이트 전극(110)에 인가된 전위차 변화는 소스-드레인 전극(170, 180) 사이의 전류 변화를 유발시키게 된다.
상기 패시베이션 박막(190)은 상기 상기 전계효과 트랜지스터형 신호변환기(110, 150, 160, 170, 180)의 상부에 형성된다.
본 발명의 실시예에 따른 투명성 이온 감지 센서칩(200)은 상기 전계효과 트랜지스터형 신호변환기(110, 150, 160, 170 및 180)의 연장된 게이트 전극(110)과 상기 이온 감지 센서부(120, 130 및 140)의 검출박막(120)을 전기적으로 연결시킴으로써, 상기 투명 기판(100) 상에 이온 감지 센서부(120, 130 및 140)와 전계효과 트랜지스터형 신호변환기(150, 160, 170 및 180)가 서로 전기적으로 연결된 구조로 구성된다. 이와 같이 본 발명에 따른 투명성 이온 감지 센서칩(200)은 다양한 이온을 감지할 수 있는 이온 감지 센서부(120, 130 및 140)와 다양한 이온의 농도 변화에 의해 발생되는 전위차를 전류값의 변화로 변환시키는 전계효과 트랜지스터형 신호변환기(110, 150, 160, 170 및 180)를 공간적으로 분리하여 구성함으로써 전해질에 의해 상기 전계효과 트랜지스터형 신호변환기(110, 150, 160, 170, 180)가 열화되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 상기 연장된 게이트 전극(110)과 상기 검출 박막(120)을 투명 전도성 물질인 인듐주석 산화물(ITO) 또는 그라핀을 이용하고 동일한 공정을 통해 일체로 형성함으로써, 셀의 거동현상을 광학적으로 측정할 수 있게 할 뿐만 아니라 절연체층(150)과의 접착성을 향상시킬 수 있다.
도 3은 이온 감지 센서부를 형성하기 위한 공정도이고, 도 4는 전계효과 트랜지스터형 신호변환기를 형성하기 위한 공정도이다.
도 1, 도 2, 도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 투명성 이온 감지 센서칩을 제조하기 위하여, 우선 아세톤, 알콜, 증류수 등을 세정한 투명 기판(100)을 준비한다. 상기 투명 기판(100)으로는 유리 기판 또는 투명 플라스틱 기판을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 준비된 투명 기판(100)상에 인듐 주석 산화물(ITO) 또는 그라핀을 이용하여 도전막(110)을 형성한다. 이후, 도전막(110)을 일반적인 리소그래피 방법을 사용하여 패터닝함으로써 연장된 게이트 전극(110) 및 검출 박막(120)을 포함하는 투명 전극층(110, 120)을 형성한다. 상기 검출 박막(120)은 상기 연장된 게이트 전극(110)보다 확장된 면적을 가질 수 있다. 이어서, 상기 검출 박막(120) 상부에 선택적 이온 투과막(130)을 형성한다. 상기 선택적 이온 투과막(130)은 유리 멤브레인, 결정 멤브레인, 폴리머 멤브레인 등으로 형성될 수 있다.
이어서, 상기 연장된 게이트 전극(110) 상에 절연체층(150)을 형성한다. 상기 절연체층(150)은 스핀코팅법을 이용하여 폴리(4-비닐페놀), 폴리이미드, 폴리비닐 아세테이트, Al2O3, SiO2, PVP-Al2O3, PVP-TiO2 등의 절연 물질을 코팅함으로써 형성될 수 있다.
이어서, 상기 절연체층(150) 상부에 반도체층(160)을 형성할 수 있다. 본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 반도체층(160)은 상술한 유기물 반도체 또는 무기 투명성 산화물 반도체 물질을 사용하여 열증착법에 의해 증착하여 패터닝함으로써 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 반도체층(160)은 화학기상증착 방법으로 성장한 그라핀, 용액에서 화학적으로 환원된 산화 그라핀등의 그라핀을 전사법 혹은 자기 조립화 등의 방법을 이용하여 형성될 수 있다.
이어서, 상기 반도체층(160)이 형성된 상기 절연체층(150) 상부에 드레인 전극(170) 및 소스 전극(180)을 형성할 수 있다. 상기 드레인 전극(170) 및 상기 소스 전극(180)은 금속 등의 도전성 물질을 증착 후 패터닝함으로써 형성될 수 있다.
이어서, 상기 반도체층(160), 상기 드레인 전극(170) 및 상기 소스 전극(180)이 형성된 상기 절연체층(150) 상부에 패시베이션 박막(190)을 형성한다. 상기 패시베이션 박막(190)은 전계효과 트랜지스터형 신호변환기의 안정성 향상을 위하여 형성한다.
이어서, 상기 검출박막(120) 및 상기 선택적 이온투과막(130)을 둘러싸도록 웰(Well)(140)을 형성한다. 상기 웰(140)은 폴리디메틸실옥산(PDMS)을 몰딩하여 특정 형상의 구조물을 형성한 후 이를 에폭시 글루 등과 같은 접착제를 사용하여 투명 기판(100) 및 연장된 게이트 전극(110)에 부착함으로써 형성될 수 있다.
상술한 바에 따라 제조된 본 발명의 실시예에 따른 투명성 이온 감지 센서칩(200)은 투명성 재료를 사용하여 제조됨에 따라 세포의 실시간 태동을 광학적으로 관찰할 수 있으며, 다양한 이온의 농도 변화에 의한 전위차를 전류값으로 변화시켜 감지함으로써 선택적으로 이온을 측정할 수 있다.
실시예 1
유리 기판 상에 인듐 주석 산화물(ITO)을 80nm의 두께로 증착하였다. 이후 상기 ITO가 증착된 유리 기판 상에 연장된 게이트 전극 및 검출 박막을 형성하기 위하여 24 중량%의 염산을 포함하여 구성된 에칭액을 사용하여 포토리소그래피 방법에 의해 에칭함으로써 유리 기판 상에 40 ㎛의 채널 길이로 연장된 게이트 전극 및 검출 박막을 형성하였다. 상기 검출박막 상의 주변에 폴리디메틸실옥산을 사용하여 웰(Well)을 형성하였다. 이후 상기 연장된 게이트 전극 상에 폴리(4-비닐페놀)(PVP)을 스핀코팅법에 의해 250 nm의 두께로 증착시켜 절연체층을 형성하였고, 펜타신을 80℃에서 열증착법에 의해 60 nm의 두께로 증착시켜 반도체층을 형성하다. 이후 반도체층 상부에 금을 증착시켜 드레인 전극 및 소스 전극을 형성하고, TTC (n-tetratetracontane)의 유기물을 증착하여, 본 발명에 따른 투명성 이온 감지 센서칩을 형성하였다.
도 5는 상기 실시예1 에 따른 투명성 이온 감지 센서칩을 이용하여 측정한 pH 감지 결과를 나타내는 그래프이고, 도 6은 상기 실시예 1에 따른 이온 감지 센서칩을 이용하여 측정한 Ca2+, K+ 감지 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, pH 농도가 증가함에 따라 전계효과 트랜지스터의 전류전달특성에서 임계 전압값이 감소하게 되고, 이는 동일한 전류값에서 비교하면 전압이 작아지게 된다. pH 농도별 게이트 전압을 도시한 결과에서, 높은 선형성과 57~59 mV/pH의 감도를 가지는 것을 확인하였다. 그리고 Ca2+와 K+ 이온에 대해서도 동일한 결과를 가지는 것을 알 수 있다.
상술한 본 발명의 실시예에 따른 투명성 이온 감지 센서칩 및 이의 제조방법에 따르면, 투명성 재료를 사용하여 제조함에 따라 세포의 실시간 태동을 광학적으로 관찰할 수 있으며, 전계효과 트랜지스터형 신호변환기에서는 다양한 이온의 농도 변화에 의한 전위차를 전류값의 변화로 변환시켜 선택적으로 이온을 검출할 수 있는 효과를 갖는다. 본 발명에 따른 투명성 이온 감지 센서칩은 광학적 측정이 가능하며, H+ 이온에 대한 선형 민감도가 우수하여 전해질 내에 K+, Ca2+, Na+ 등에 대해 방해받지 않고 선택적으로 pH를 감지할 수 있다. 그리고 K+, Ca2+, Na+ 이온에 대해서도 ITO 또는 그라핀 전극 상에 산화물 (Ta2O5, Al2O3, Si3N4, SiO2) 또는 이온 선택성 멤브레인을 형성하여 선택적으로 감지할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (13)

  1. 투명 기판;
    상기 투명 기판 상에 형성되고 인듐 주석 산화물(ITO) 또는 그라핀으로 이루어진 검출 박막, 상기 검출 박막 상부에 위치하는 선택적 이온 투과막 및 상기 선택적 이온 투과막을 둘러싸고 전해질을 수용하는 웰을 구비하는 이온 감지 센서부;
    상기 검출 박막과 전기적으로 연결된 게이트 전극을 포함하는 전계효과 트랜지스터형 신호변환기; 및
    상기 전계효과 트랜지스터형 신호변환기 상에 형성된 패시베이션 박막을 포함하는 투명성 이온 감지 센서칩.
  2. 제1항에 있어서, 상기 이온 감지 센서부는 상기 검출 박막과 상기 선택적 이온 투과막 사이에 위치하는 절연체 이온 감응막을 더 포함하고,
    상기 절연체 이온 감응막은 Ta2O5, Al2O3, Si3N4, SiO2, ZrO2, HfO2, Y2O3 및 Gd2O3으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 투명성 이온 감지 센서칩.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전계효과 트랜지스터형 신호변환기는,
    상기 게이트 전극 상부에 형성된 절연체층;
    상기 절연체층 상부에 형성된 반도체층;
    상기 반도체층을 사이에 두고 서로 이격되게 상기 절연체층 상부에 형성된 드레인 전극 및 소스 전극을 더 포함하고,
    상기 게이트 전극은 상기 인듐 주석 산화물(ITO) 또는 상기 그라핀으로 형성된 것을 특징으로 하는 투명성 이온 감지 센서칩.
  4. 제3항에 있어서, 상기 절연체층은 폴리(4-비닐페놀), 폴리이미드, 폴리비닐 아세테이트, Al2O3, SiO2, PVP-Al2O3 및 PVP-TiO2 로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 사용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 투명성 이온 감지 센서칩.
  5. 제1항에 있어서, 상기 투명 기판은 유리 기판 또는 투명 플라스틱 기판인 것을 특징으로 하는 투명성 이온 감지 센서칩.
  6. 투명 기판 상에 인듐 주석 산화물(ITO) 또는 그라핀을 이용하여 도전막을 형성하는 단계;
    상기 도전막을 패터닝하여 게이트 전극 및 상기 게이트 전극과 전기적으로 연결된 검출 박막을 형성하는 단계;
    상기 검출 박막 상부에 선택적 이온 투과막을 형성하는 단계;
    상기 게이트 전극 상부에 절연체층을 형성하는 단계;
    상기 절연체층 상부에 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 절연체층 상부에 상기 반도체층을 사이에 두고 서로 이격된 드레인 전극 및 소스 전극을 형성하는 단계;
    상기 반도체층, 상기 드레인 전극 및 상기 소스 전극이 형성된 상기 절연체층 상부에 패시베이션 박막을 형성하는 단계; 및
    상기 투명 기판 상부에 전해질을 수용하도록 상기 선택적 이온 투과막을 둘어싸는 웰(Well)을 형성하는 단계를 포함하는 투명성 이온 감지 센서칩의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 반도체층은 유기 반도체, 산화물 반도체 및 그라핀으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 사용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 투명성 이온 감지 센서칩의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 반도체층은 열증착법, 전사방법 또는 자기조립화 방법으로 형성되는 것을 특징으로 투명성 이온 감지 센서칩의 제조방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 드레인 전극 및 상기 소스 전극은 금속을 열증착법에 의해 증착하여 형성하는 것을 특징으로 하는 투명성 이온 감지 센서칩의 제조방법.
  10. 제6항에 있어서, 상기 패시베이션 박막은 무기물 박막 또는 유기물 박막을 화학기상증착법, 원자층 증착법, 열증착법, 스핀코팅법 또는 프린팅 방법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 투명성 이온 감지 센서칩의 제조방법.
  11. 제6항에 있어서, 상기 투명 기판은 유리 기판 또는 투명 플라스틱 기판인 것을 특징으로 하는 투명성 이온 감지 센서칩의 제조방법.
  12. 제6항에 있어서, 상기 선택적 이온 투과막을 형성하기 전에, 상기 검출 박막 상부에 절연체 이온 감응막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 투명성 이온 감지 센서칩의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 절연체 이온 감응막은 Ta2O5, Al2O3, Si3N4, SiO2, ZrO2, HfO2, Y2O3 및 Gd2O3으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 투명성 이온 감지 센서칩의 제조방법.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101819156B1 (ko) 2016-06-01 2018-02-28 (주)옵토레인 이온 감응 전계 효과 트랜지스터 및 이의 제조 방법
CN112255290A (zh) * 2020-09-30 2021-01-22 太原理工大学 一种具有水溶液稳定性的柔性生物传感器及其制作方法
CN112255291A (zh) * 2020-09-30 2021-01-22 太原理工大学 一种高灵敏度、高稳定性生物传感器及其制作方法
CN114076789A (zh) * 2021-11-17 2022-02-22 潍柴动力股份有限公司 用于检测待测物离子活度的离子敏薄膜晶体管及检测方法
CN115096975A (zh) * 2022-06-22 2022-09-23 湘潭大学 具有延栅结构的碳基fet型气体传感器及其制备方法

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101581634B1 (ko) * 2015-04-16 2015-12-30 성균관대학교산학협력단 전계효과 트랜지스터를 이용한 자외선 센서 및 이의 제조방법
KR101922500B1 (ko) * 2016-06-22 2018-11-28 한국과학기술연구원 커패시턴스-타입 센서 및 이의 제조 방법
WO2017222313A1 (ko) * 2016-06-22 2017-12-28 한국과학기술연구원 커패시턴스-타입 센서 및 이의 제조 방법
KR102172465B1 (ko) * 2018-10-08 2020-10-30 주식회사 엔디디 바이오 감지 장치
KR102308171B1 (ko) * 2019-05-10 2021-10-01 주식회사 엔디디 바이오 감지 장치
KR20210020578A (ko) * 2019-08-16 2021-02-24 동우 화인켐 주식회사 바이오 센서
CN112968058B (zh) * 2021-02-04 2022-07-26 电子科技大学 一种离子调控型自旋波晶体管及其制备方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002162380A (ja) * 2000-11-27 2002-06-07 Matsushita Electric Works Ltd 半導体イオンセンサ
US20040256685A1 (en) * 2001-02-20 2004-12-23 Jung-Chuan Chou Biosensor, method of manufacturing sensing unit thereof, and measuring system
US20050263410A1 (en) * 2004-05-28 2005-12-01 Chung Yuan Christian University Ion-selective electrodes and method of fabricating sensing units thereof
WO2010041805A1 (en) * 2008-10-07 2010-04-15 Electronics And Telecommunications Research Institute Sensing device
KR20100068749A (ko) * 2008-12-15 2010-06-24 한국전자통신연구원 바이오 센서용 트랜지스터의 제조 방법

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1729121A1 (de) * 2005-05-30 2006-12-06 Mettler-Toledo AG Elektrochemischer Sensor
GB0812499D0 (en) * 2008-07-08 2008-08-13 Imp Innovations Ltd Low-voltage thin-film field-effect transistors

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002162380A (ja) * 2000-11-27 2002-06-07 Matsushita Electric Works Ltd 半導体イオンセンサ
US20040256685A1 (en) * 2001-02-20 2004-12-23 Jung-Chuan Chou Biosensor, method of manufacturing sensing unit thereof, and measuring system
US20050263410A1 (en) * 2004-05-28 2005-12-01 Chung Yuan Christian University Ion-selective electrodes and method of fabricating sensing units thereof
WO2010041805A1 (en) * 2008-10-07 2010-04-15 Electronics And Telecommunications Research Institute Sensing device
KR20100068749A (ko) * 2008-12-15 2010-06-24 한국전자통신연구원 바이오 센서용 트랜지스터의 제조 방법

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101819156B1 (ko) 2016-06-01 2018-02-28 (주)옵토레인 이온 감응 전계 효과 트랜지스터 및 이의 제조 방법
CN112255290A (zh) * 2020-09-30 2021-01-22 太原理工大学 一种具有水溶液稳定性的柔性生物传感器及其制作方法
CN112255291A (zh) * 2020-09-30 2021-01-22 太原理工大学 一种高灵敏度、高稳定性生物传感器及其制作方法
CN112255291B (zh) * 2020-09-30 2023-01-10 太原理工大学 一种生物传感器及其制作方法
CN114076789A (zh) * 2021-11-17 2022-02-22 潍柴动力股份有限公司 用于检测待测物离子活度的离子敏薄膜晶体管及检测方法
CN115096975A (zh) * 2022-06-22 2022-09-23 湘潭大学 具有延栅结构的碳基fet型气体传感器及其制备方法
CN115096975B (zh) * 2022-06-22 2024-03-05 湘潭大学 具有延栅结构的碳基fet型气体传感器及其制备方法

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