KR100758285B1

KR100758285B1 - 바이오 센서, 그 제조방법 및 이를 구비한 바이오 감지장치

Info

Publication number: KR100758285B1
Application number: KR1020060094397A
Authority: KR
Inventors: 유한영; 김안순; 아칠성; 양종헌; 백인복; 안창근; 이성재; 윤진호
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2006-09-27
Filing date: 2006-09-27
Publication date: 2007-09-12
Also published as: AU2007300928A1; JP2010505112A; EP2069783A4; US20100013030A1; CN101517411A; EP2069783A1; WO2008038906A1

Abstract

본 발명은 상/하/좌/우의 4면에서 바이오 감지가 가능한 바이오 센서 및 그 제조방법과, 이러한 바이오 센서가 복수 개로 층상으로 배열된 바이오 감지장치가 개시된다. 구체적으로, 본 발명에 따른 바이오 센서는 바이오 물질을 포함하는 유체가 흐르는 유체 통로가 형성된 지지수단과, 상기 지지수단에 형성된 상기 유체 통로에서 3차원적으로 노출되도록 상기 지지수단 상부에 배치되고, 상기 유체 통로를 통해 유입되는 상기 바이오 물질과 반응하는 반응물질이 표면 처리된 감지수단을 구비한다. 또한, 본 발명에 따른 바이오 감지장치는 복수 개의 바이오 센서를 유체 통로 방향으로 배열하고, 각각의 바이오 센서는 각기 다른 반응물질을 이용한 화학적 표면 처리를 통하여 각기 다른 바이오 물질을 흡착한다. 이러한 바이오 센서 및 감지장치를 통해 높은 바이오 물질에 대한 높은 감지도와 선택성을 얻을 수 있다.

바이오 센서, 감지부, 바이오 물질, 반응물질

Description

바이오 센서, 그 제조방법 및 이를 구비한 바이오 감지장치{A BIO SENSOR, METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME AND A BIO SENSING APPARATUS WITH THE SAME}

도 1은 종래기술에 따른 바이오 센서(bio-sensor)를 설명하기 위하여 도시한 사시도.

도 2는 본 발명의 실시예1에 따른 바이오 센서를 설명하기 위하여 도시한 사시도.

도 3은 도 2에 도시된 바이오 센서의 동작 특성을 설명하기 위하여 도시한 개념도.

도 4a 내지 도 4f는 도 2에 도시된 바이오 센서의 제조방법을 설명하기 위하여 도시한 공정 사시도.

도 5는 본 발명의 실시예2에 따른 바이오 센서를 설명하기 위하여 도시한 개념도.

도 6은 본 발명의 실시예3에 따른 바이오 센서를 설명하기 위하여 도시한 사시도.

도 7은 도 6에 도시된 바이오 센서 및 체결부재를 설명하기 위하여 도시한 사시도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10, 110, 210 : 지지부 11, 111 : 기판

12, 112 : 절연층 13, 113, 211 : 감지부

14, 114 : 식각 장벽층 15 : 덮개

15A, 115A, 210A : 유체 통로 16, 116, 212 : 전극

100 : 바이오 센서 120 : 표면처리된 반응물질

130 : 표면처리된 반응물질과 반응하는 물질

115 : 홀 300 : 챔버

400 : 체결부재 400A : 관통홀

500 : 측정부

본 발명은 바이오 센서(bio-sensor)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 3차원 및 다층 구조를 갖는 바이오 센서, 그 제조방법 및 이를 구비한 바이오 감지장치에 관한 것이다.

일반적으로, 바이오 센서는 생화학적인 반응을 이용하여 생체 내에 존재하는 생화학적 물질의 농도를 전기 화학적, 광학적 또는 열적 등과 같은 물리적 변수로 변환하는 측정기구를 의미한다. 이러한 바이오 센서는 임상학적으로 가치가 있는 생화학적 물질의 농도를 측정하는 분야에 널리 응용되고 있으며, 다양한 바이오 센서 중 효소와 측정하고자 하는 생화학적 물질 간의 반응을 전기 화학적 방법으로 검출하는 전기 화학적 바이오 센서가 가장 널리 사용되고 있다. 특히, 인체 내에 삽입되어 장기간 인체 내의 혈당, 콜레스테롤(cholesterol), 락테이트(lactate) 등의 물질을 연속적으로 정량 측정하는 센서 시스템에는 현 기술수준에서 볼 때, 효소의 전기 화학적 반응을 이용한 바이오 센서가 가장 적합한 것으로 평가되고 있다.

바이오 센서에 널리 사용되는 전기 화학적 방법으로는 바이오 센서에 흡착되는 바이오 물질에 의해 바이오 센서의 전기장이 변화되고, 이렇게 변화된 전기장에 대응하여 변화되는 바이오 센서의 전류를 측정하여 바이오 물질을 감지하는 방법과, 나노 미터(nano meter, ㎚) 크기의 갭(gap)을 제조하고 그 갭 사이에 바이오 물질이 흡착됨으로써 발생되는 바이오 센서의 전류의 변화량을 측정하는 방법 등이 있다.

도 1은 종래기술에 따른 바이오 센서의 구조를 설명하기 위하여 도시한 사시도이다.

도 1을 참조하면, 종래기술에 따른 바이오 센서는 지지부(10)와, 지지부(10) 상부의 중앙을 가로지르도록 형성되고, 유입되는 바이오 물질과 반응하는 반응물질이 표면 처리된 감지부(13)와, 감지부(13)를 덮고, 감지부(13)와 교차되도록 수평방향으로 감지부(13)의 중앙부(13A)로 바이오 물질을 안내하는 덮개(15)를 구비한다.

지지부(10) 상부에는 감지부(13)가 형성되고, 감지부(13)를 보호하도록 덮개(15)가 그 상부에 위치하게 된다. 이러한 지지부(10)는 단결정 실리콘으로 이루어진 기판(11)으로 이루어지며, 그 상면에는 감지부(13)와의 전기적인 절연을 위해 절연층(12)이 형성되어 있다. 또한, 기판(11)의 배면에도 별도의 절연층(14)이 형성되어 있다.

덮개(15)는 감지부(13)와 교차하는 방향으로 중앙부에 바이오 물질을 안내하기 위한 유체 통로(15A)가 형성되어 있다. 이러한 유체 통로(15A)는 바이오 물질이 흐르는 통로로 기능하며, 유입되는 바이오 물질을 감지부(13)의 중앙부(13A)로 안내하게 된다.

감지부(13)에는 덮개(15)에 형성된 유체 통로(15A)를 통해 유입되는 바이오 물질을 감지하기 위해 바이오 물질과 반응하는 반응물질이 표면 처리되어 있으며, 그 구조는 보편적으로 '아령' 형태를 갖는다. 즉, 좌우측부(13B)는 큰 폭을 갖고, 상대적으로 감지영역인 중앙부(13A)는 좁은 폭을 갖도록 형성된다. 이러한 감지부(13)는 전술한 바와 같이, 유체 통로(15A)와 교차하는 방향으로 지지부(10) 상부에 형성된다.

한편, 감지부(13)의 좌우측부(13B)에는 각각 전극(16)이 형성되며, 이러한 전극(16)은 외부의 장치와 연결되어 감지부(13)를 통해 감지된 감지신호를 상기 외부 장치로 전달한다.

이러한 구조를 갖는 종래기술에 따른 바이오 센서의 동작 특성을 설명하면 다음과 같다.

도 1에 도시된 바와 같이, 감지하고자 하는 바이오 물질이 덮개(15)에 수평방향으로 형성된 유체 통로(15A)의 일측부로 유입되면, 바이오 물질은 유체 통로(15A)를 통해 수평방향으로 유입되어 중앙부(13A)에서 감지부(13)와 교차된 후 타측부로 배출된다. 이때, 바이오 물질이 감지부(13)와 교차하는 과정에서, 바이오 물질은 감지부(13)의 3면에 흡착된다. 즉, 감지부(13)의 배면은 지지부(10) 상면에 의해 덮혀져 있기 때문에 바이오 물질은 실질적으로 중앙부(13A)의 상면과 좌우측면에만 흡착된다. 이와 같은 흡착 과정에서 바이오 물질은 감지부(13)에 표면 처리된 반응물질과 반응하고, 이러한 반응에 의해 감지부(13)를 통해 흐르는 전류는 변하게 된다. 이러한 전류의 변화를 전극(16)을 통해 측정함으로써 바이오 물질을 감지하게 된다.

그러나, 도 1에 도시된 종래기술에 따른 바이오 센서는 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째, 종래기술에 따른 바이오 센서에서는 감지부(13)가 유체 통로(15A)를 통해 유입되는 바이오 물질과 수평방향으로 교차하도록 형성되어 있어 실질적으로 바이오 물질과 접촉되는 면이 3면으로 제한되게 된다. 이 때문에 감지부(13)에 흡착되는 바이오 물질의 양이 그 만큼 감소하는 문제가 발생된다. 그 이유는 감지부(13)의 배면이 지지부(10)의 상면과 접촉되어 실질적으로 바이오 물질이 감지부(13)의 배면과는 접촉되지 않기 때문이다. 즉, 감지부(13)의 배면은 감지기능을 수행하지 못하게 된다. 더욱이, 바이오 물질은 유체 통로(15A) 내에서 중앙부가 저부에 비해 유속이 빠르기 때문에 그 만큼 바이오 물질이 감지부(13)에 흡착될 확률 은 더 작아지게 된다.

둘째, 종래기술에 따른 바이오 센서에서는 유체 통로(15A)를 통해 유입되는 바이오 물질의 흐름 방향에 대향하는 감지부(13)의 면이 다른 면보다 면적(가로길이×세로길이)이 상대적으로 작은 좌우측면이 되기 때문에 감지부(13)에 흡착되는 바이오 물질의 양이 그 만큼 감소하는 문제가 발생된다. 구체적으로, 유체 통로(15A)는 폭과 높이가 수십에서 수백 마이크로(micro, ㎛)로 제조되는데 반해, 감지부(13)의 높이(H)는 수십 나노미터이고, 폭(W)은 수십 나노미터에서 수백 나노미터 크기를 갖도록 제조되기 때문에 바이오 물질이 감지부(13)에 흡착될 확률은 극히 작다.

셋째, 종래기술에 따른 바이오 센서에서는 감지부(13)가 단일 구조로 형성되어 있기 때문에 감지하고자 하는 바이오 물질이 변경된 경우 변경된 바이오 물질과 반응하는 반응 물질을 다시 감지부(13)에 표면 처리를 해야하기 때문에 공정이 복잡해지고, 별도의 표면 처리를 위한 시간이 요구되어 전체 공정시간이 증가되는 문제가 발생된다.

상기와 같이, 종래기술에 따른 바이오 센서 구조와 같이 2차원적 구조를 갖는 바이오 센서에서 발생되는 문제들 즉, 낮은 바이오 물질의 흡착률, 바이오 물질에 따라 별도로 실시되는 선택적 표면 처리의 어려움 등을 극복하기 위해서는 3차원 구조를 가지는 바이오 센서 및 다층 구조의 바이오 센서의 개발이 절실히 필요하게 된다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 다음과 같은 목적들이 있다.

첫째, 본 발명은 바이오 물질의 흡착률을 향상시킬 수 있는 바이오 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.

둘째, 본 발명은 다양한 바이오 물질을 포함한 유체 내에서 다양한 바이오 물질을 동시에 감지할 수 있는 바이오 센서를 제공하는데 다른 목적이 있다.

셋째, 본 발명은 다양한 바이오 물질을 포함한 유체 내에서 다양한 바이오 물질을 동시에 감지할 수 있도록 복수 개의 바이오 센서를 구비한 바이오 감지장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

넷째, 본 발명은 상기한 바이오 센서의 제조방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 일 측면에 따른 본 발명은, 바이오 물질을 포함하는 유체가 흐르는 유체 통로가 형성된 지지수단과, 상기 지지수단의 상기 유체 통로에서 3차원적으로 노출되도록 상기 지지수단 상부에 배치되고, 상기 유체 통로를 통해 유입되는 상기 바이오 물질과 반응하는 반응물질이 표면 처리된 감지수단을 구비한 바이오 센서를 제공한다.

또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 다른 측면에 따른 본 발명은, 바이오 물 질을 포함하는 유체가 유입되어 배출되도록 유입구와 배출구가 형성된 챔버와, 복수의 바이오 센서-바이오 물질을 포함하는 유체가 흐르는 유체 통로가 형성된 지지수단과, 상기 지지수단의 상기 유체 통로를 가로지르도록 상기 지지수단 상부에 배치되고, 상기 유체 통로를 통해 유입되는 상기 바이오 물질과 반응하는 반응물질이 표면 처리된 감지수단을 구비한 복수의 바이오 센서-를 구비한 바이오 감지장치를 제공한다.

또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 또 다른 측면에 따른 본 발명은, 기판 상면에 절연층을 형성하는 단계와, 상기 절연층 상에 감지부용 물질을 증착하는 단계와, 상기 기판의 배면에 식각 장벽층을 형성하는 단계와, 상기 기판의 배면의 일부가 노출되도록 상기 식각 장벽층을 식각하는 단계와, 상기 식각 장벽층을 식각 마스크로 상기 기판 및 상기 절연층을 식각하여 상기 감지부용 물질 중 일부가 노출되는 유체 통로를 형성하는 단계와, 상기 감지부용 물질을 식각하여 상기 유체 통로를 가로지르는 감지부를 형성하는 단계를 포함하는 바이오 센서의 제조방법을 제공한다.

전술한 바와 같이, 기존에는 바이오 센서의 유체 흐름 통로가 바이오 물질을 감지하는 감지부와 교차하는 방향으로 형성되어 있지만 감지부의 한 면이 지지부에 덮혀 있는 2차원 구조를 가지기 때문에 실제로 바이오 물질이 흡착되는 면이 3면으로 제한된다.

이에 따라, 본 발명에서는 바이오 물질이 흡착되는 면이 4면이 되도록 3차원 구조를 갖는 바이오 센서 및 그 제조방법을 제공한다. 그 구현 수단으로는 지지부 의 중앙부에 유체 흐름 통로를 상하방향(또는, 좌우방향)으로 형성하고, 감지부의 4면 중 적어도 어느 한 면이라도 지지부에 덮혀지지 않도록 상기 유체 흐름 통로 상부에 상기 유체 흐름 통로를 가로지르는 방향으로 상기 감지부를 배치하여 상기 유체 흐름 통로를 통해 유입되는 바이오 물질이 상기 감지부의 4면에 흡착되도록 한다.

상기 감지부에는 바이오 물질과 반응을 일으키는 반응물질이 표면 처리되어 있으며, 이때, 바이오 물질은 핵산 및 단백질을 포함하는 항원에 해당하고, 반응물질은 상기 항원과 반응하는 항체를 의미한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예들을 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 도면부호(또는, 참조부호)로 표시된 부분은 동일한 요소들을 나타낸다.

실시예1

도 2는 본 발명의 실시예1에 따른 바이오 센서를 설명하기 위하여 도시한 사시도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예1에 따른 바이오 센서(100)는 중앙부가 상하방향으로 관통되어 바이오 물질이 흐르는 유체 통로(115A)가 형성된 지지부(110)와, 지지부(110)의 유체 통로(115A)를 가로지르도록 형성되고, 유체 통로(115A)를 통해 유입되는 바이오 물질과 반응하는 반응물질이 표면 처리된 감지 부(113)를 구비한다.

지지부(110)는 기판(111)과, 기판(111)의 배면에 형성된 식각 장벽층(114)과, 기판(111)의 상면에 형성된 절연층(112)으로 이루어진다. 기판(111), 식각 장벽층(114) 및 절연층(112)의 중앙부에는 각각 서로 대응되도록 유체 통로(115A)가 형성된다.

기판(111)은 감지부(113)를 안정적으로 지지할 수 있도록 상부면이 평탄한 판 형태의 구조를 가지며, 예컨대, 단결정 실리콘, 유리 또는 플라스틱을 사용할 수 있다.

식각 장벽층(114)은 기판(111)에 유체 통로(115A)를 형성하기 위한 식각공정시 유체 통로(115A)가 형성될 부위를 제외한 다른 부위가 손상되지 않도록 하기 위한 하드 마스크(hard mask)로 기능하며, 바람직하게는 기판(111)을 구성하는 물질과 식각 선택비가 높은 물질로 형성하는 것이 바람직하다. 예컨대, 기판(111)이 단결정 실리콘으로 이루어진 경우 질화막 계열, 예컨대 실리콘질화막(SiN)의 물질로 형성한다. 이외에, 식각 장벽층(114)은 산화막 계열, 예컨대 실리콘산화막(SiO₂)의 물질로 형성한다.

절연층(112)은 기판(111)과 감지부(113)가 전기적으로 단락되는 것을 차단하기 위하여 산화막 계열의 물질로 형성할 수 있으며, 바람직하게는 실리콘산화막으로 형성한다. 또한, 절연층(112)은 도전성이 없는 질화막 계열 예컨대, 실리콘질화막으로 형성할 수도 있다.

감지부(113)는 지지부(110)의 유체 통로(115A)를 통해 유입되는 바이오 물질을 감지하기 위해 바이오 물질과 반응하는 반응물질이 표면 처리되어 있으며, 그 구조는 일례로 '아령' 형태를 갖는다. '아령' 형태의 감지부(113)에서 비교적 작은 폭을 갖는 중앙부(113A)는 실제로 바이오 물질을 감지하는 역할을 수행하고, 중앙부에 비해 상대적으로 큰 폭을 갖는 좌우측부(113B)는 중앙부(113A)에서 감지된 감지신호를 전극(116)으로 전달하는 채널(channel) 역할을 수행한다. 이러한 감지부(113)는 유체 통로(115A)와 교차하는 방향으로 지지부(110) 상부의 중앙에 위치된다.

한편, 감지부(113)의 좌우측부(113B)에는 각각 전극(116)이 형성되며, 이러한 전극(116)은 외부의 장치와 연결되어 감지부(113)를 통해 감지된 감지신호를 상기 외부 장치로 전달한다.

이하, 본 발명의 실시예1에 따른 바이오 센서(100)의 동작 특성을 도 3을 결부시켜 설명하면 다음과 같다. 도 3은 도 2에 도시된 바이오 센서(100)를 간략화하여 도시하였다.

도 3에 도시된 바와 같이, 먼저, 표면 처리를 통해 감지부(113)의 표면에 감지하고자 하는 바이오 물질과 반응하는 반응물질(120)을 흡착시킨다. 이와 같이 표면에 반응물질(120)이 흡착된 상태에서 지지부(110)의 상하방향으로 관통하는 유체 통로(115A)의 일측부로 바이오 물질을 포함하는 물질이 유입되면, 바이오 물질은 유체 통로(115A)를 통해 상하방향으로 유입되어 감지부(113)의 중앙부(113A)와 교차된 후 타측부로 배출된다. 이때, 바이오 물질(130)이 감지부(113)와 교차하는 과 정에서, 바이오 물질(130)은 감지부(113)의 4면(+Z축 방향, -Z축 방향, -X축 방향, +X축 방향)에 흡착된다. 이와 같은 흡착 과정에서 바이오 물질은 감지부(113)에 표면 처리된 반응물질(120)과 화학 반응하고, 이러한 반응에 의해 감지부(113)를 통해 흐르는 전류는 변하게 된다. 이러한 전류의 변화를 전극(116)을 통해 측정함으로써 바이오 물질을 감지하게 된다.

도 2 및 도 3을 통해 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예1에 따른 바이오 센서(100)는 바이오 물질이 4면에 흡착되도록 바이오 센서를 3차원 구조로 제조함으로써 도 1에 도시된 종래기술에 따른 2차원 구조를 갖는 바이오 센서에 비해 바이오 물질이 흡착되는 면적을 크게 증가시킬 수 있다. 또한, 바이오 물질을 포함하는 유체가 감지부(113)의 중앙부(113A)를 통과하도록 함으로써 바이오 물질과 감지부(113) 간의 접촉 빈도 수를 증가시켜 바이오 물질의 감지 능력을 향상시킬 수 있다.

이하, 도 2에 도시된 본 발명의 실시예1에 따른 바이오 센서(100)의 제조방법을 도 4a 내지 도 4f를 결부시켜 구체적으로 설명하기로 한다. 여기서, 도 4a 내지 도 4f는 바이오 센서(100)의 제조방법을 설명하기 위하여 도시한 공정 사시도이다.

먼저, 도 4a에 도시된 바와 같이, 기판(111)을 준비한다. 이때, 기판(111)은반도체 제조공정에서 널리 사용되는 단결정 실리콘, 유리 또는 플라스틱을 사용한다.

이어서, 기판(111)의 상면에 절연층(112)을 증착한다. 이때, 절연층(112)은 CVD(Chemical Vapor Deposition) 또는 PVD(Physical Vapor Deposition) 방식으로 증착할 수 있다. 또한, 스핀 코팅(spin-coating) 방식을 이용하여 도포할 수도 있다. 여기서, 절연층(112)은 기판(111)과 후속 공정을 통해 형성될 감지부(113, 도 2참조)를 전기적으로 차단시키기 위해 산화막 계열 또는 비전도성 질화막 계열의 단층막 또는 이들이 적어도 2종류 이상 적층된 구조를 갖는 적층막으로 형성할 수 있다.

예컨대, 산화막 계열의 막으로는 HDP(High Density Plasma), BPSG(Boron Phosphorus Silicate Glass), PSG(Phosphorus Silicate Glass), PETEOS(Plasma Enhanced Tetra Ethyle Ortho Silicate), USG(Un-doped Silicate Glass), FSG(Fluorinated Silicate Glass), CDO(Carbon Doped Oxide) 및 OSG(Organo Silicate Glass)막 등이 있다. 또한, 질화막 계열의 막으로는 실리콘 질화막 등이 있다.

이어서, 절연층(112) 상부에 감지부용 물질(113)-설명의 편의를 위해 감지부를 지시하는 도면부호와 동일한 도면부호를 사용함-을 증착한다. 이때, 감지부용 물질(113)로는 전기적으로 외부 전기장에 의하여 전기적 특성이 변하는 물질은 모두 사용할 수 있다. 예컨대, 결정질 실리콘, 비정질 실리콘, 도프트(doped) 실리콘 등을 사용한다. 이때, 도프트 실리콘은 p형 또는 n형 불순물 이온을 통해 도핑처리된다.

이어서, 도 4b에 도시된 바와 같이, 기판(111)을 180°회전시켜 기판(111)의 배면이 상부를 향하도록 기판(111)을 위치시킨 후 기판(111)의 배면에 식각 장벽 층(114)을 증착한다. 이때, 식각 장벽층(114)은 절연층(112)과의 식각 선택비를 고려하여 절연층(112)이 산화막 계열의 막으로 형성되는 경우 질화막 계열의 막으로 형성하고, 그 반대로 질화막 계열의 막으로 형성하는 경우 산화막 계열의 막으로 형성할 수 있다.

한편, 도시되진 않았지만, 식각 장벽층(114)은 기판(111) 상면에도 증착될 수도 있다. 그 이유는 후속 식각 장벽층(114) 식각공정을 습식식각공정으로 진행하는 경우 기판(111) 상면에 증착된 절연층(112)이 식각용액에 손상되는 것을 방지하기 위함이다. 예컨대, 습식식각공정은 보편적으로 기판(111)의 전면이 식각용액이 담겨진 그릇에 모두 잠기도록 공정이 진행됨에 따라 기판(111)의 배면뿐만 아니라, 상면에 증착된 절연층(112) 또한 식각용액에 노출되어 손상된다. 이를 방지하기 위해 후속 식각공정을 습식식각공정으로 채택한 경우에는 기판(111)의 상면에도 식각 장벽층(114)을 형성할 필요가 있다. 이에 반해, 건식식각공정의 경우 식각가스를 이용하기 때문에 실질적으로 기판(111)에만 식각 장벽층(114)이 증착되어도 무방하다.

이어서, 식각 장벽층(114) 상부에 감광막(미도시)을 도포한 후 포토 마스크(photomask)를 이용한 노광 및 현상공정을 실시하여 감광막 패턴(미도시)을 형성한다.

이어서, 상기 감광막 패턴을 식각 마스크로 이용한 식각공정을 실시하여 식각 장벽층(114)을 식각한다. 이때, 식각공정은 건식식각공정으로 실시하는 것이 바람직하며, 건식식각공정시 기판(111)과 식각 장벽층(114) 간의 식각 선택비를 고려 한 식각조건으로 공정을 진행하여 선택적으로 식각 장벽층(114)을 식각한다. 이로써, 식각 장벽층(114)의 중앙부에는 기판(111)의 배면 중 일부가 노출되는 홀(115)이 형성된다.

이어서, 도 4d에 도시된 바와 같이, 상기 감광막 패턴을 식각 마스크로 이용한 식각공정을 실시하여 홀(115)을 통해 노출되는 기판(111)과 절연층(112)을 순차적으로 식각한다. 이로써, 감지부용 물질(113)이 노출되는 유체 통로(115A)가 형성된다.

한편, 도 4d에서, 상기 식각공정을 진행하기에 앞서, 상기 감광막 패턴을 제거한 후 식각 장벽층(114)을 식각 마스크로 이용하여 기판(111)과 절연층(112)을 순차적으로 식각할 수도 있다. 이 경우, 식각공정은 식각 장벽층(114)과 기판(111) 간의 식각 선택비를 높게 하여 선택적으로 기판(111)과 절연층(112)만을 식각하는 것이 바람직하다.

이어서, 도 4e에 도시된 바와 같이, 기판(111)을 180°회전시켜 기판(111)의 상면이 상부를 향하도록 기판(111)을 위치시킨 후 감지부용 물질(113) 상부에 감광막 도포, 노광 및 현상공정을 순차적으로 실시하여 감광막 패턴(미도시)을 형성한다.

이어서, 상기 감광막 패턴을 식각 마스크로 이용한 식각공정을 실시하여 감지부용 물질(113)을 식각한다. 이로써, 감지부(113)가 형성된다. 감지부(113)는 일례로 '아령' 형태를 갖는다. 즉, 감지부(113)는 유체 통로(115A)를 가로지르는 중앙부(113A)가 절연층(112) 상부와 중첩되는 좌우측부(113B)의 폭보다 좁게 형성된 다.

이어서, 도 4f에 도시된 바와 같이, 감지부(113)가 형성된 전체 구조 상부에 전극용 물질(116)-설명의 편의를 위해 전극을 지시하는 도면부호와 동일한 도면부호를 사용함-을 증착한다. 이때, 전극용 물질(116)은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 루테늄(Ru), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 백금(Pt), 이리듐(Ir)과 같은 일군의 금속전극 중 선택된 어느 하나의 금속전극을 사용하거나, 티타늄질화막(TiN), 탄탈륨질화막(TaN), 텅스텐질화막(WN), 하프늄질화막(HfN), 지르코늄질화막(ZrN)과 같은 일군의 질화물 전극 중 선택된 어느 하나의 질화물 전극을 사용할 수 있다. 또한, 루테늄/루테늄산화막(Ru/RuO₂), 이리듐/이리듐산화막(Ir/IrO₂)등과 같이 금속전극과 산화물 전극이 적층된 구조로 형성하거나, 스트론튬루테늄산화막(SrRuO₃) 같이 산화물 전극으로 형성할 수도 있다. 또한, 금속에 실리콘이 결합된 금속 실리사이드 예컨대 코발트실리사이드(CoSi₂), 티타늄실리사이드(TiSi₂)등으로 형성할 수도 있다.

이어서, 식각 마스크 형성공정과, 상기 식각 마스크를 이용한 식각공정을 실시하여 전극용 물질(116)을 식각한다. 이로써, 감지부(113)의 좌우측부(113B) 상에 전극(116)이 형성된다.

이어서, 유체 통로(115A)를 통해 감지하고자 하는 바이오 물질과 반응할 수 있는 반응물질(120, 도 3참조)을 흘러보내 감지부(113)의 중앙부(113A)에 흡착시킨 다.

상기와 같은 공정 단계를 통해 바이오 센서를 완성한다.

실시예2

도 5는 본 발명의 실시예2에 따른 바이오 센서를 설명하기 위하여 도시한 개념도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예2에 따른 바이오 센서는 실시예1에 따른 바이오 센서와 동일한 방법으로 제조된다. 다만, 실시예1에서는 한 개의 유체 통로(115A)에 한 개의 감지부(113)가 가로지르도록 제조되나, 실시예2에서는 한 개의 유체 통로(210A)에 복수 개의 감지부(211)가 가로지르도록 제조된다. 이로써, 유체 흐름 통로(115A)를 통해 흐르는 바이오 물질이 흡착되는 전체 감지부(211)의 면적을 증대시켜 본 발명의 실시예1보다 더 높은 바이오 물질 감지 특성을 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예2에서는 복수 개의 감지부(211)의 표면에 각각 서로 다른 다양한 반응물질이 흡착되도록 제조할 수도 있다. 이를 통해, 다양한 바이오 물질을 포함하는 유체가 유체 통로(115A)를 통해 유입되는 경우에도 각각 서로 다른 반응물질이 흡착된 감지부(211)를 통해 다양한 바이오 물질을 동시에 감지할 수 있다.

한편, 도 5에서 미설명된 '210'은 지지부이고, '212'는 전극, '211A'는 감지부(211)의 중앙부로서, 실제로 바이오 물질이 흡착되는 영역, '211B'는 감지부(211)의 중앙부(211A)를 통해 감지된 감지신호를 전극(212)으로 전달하는 영역이 다.

실시예3

도 6은 본 발명의 실시예3에 따른 복수의 바이오 센서를 구비한 바이오 감지장치를설명하기 위하여 도시한 사시도이다. 도 6에서 도 2에 도시된 도면부호와 동일한 도면부호는 동일한 구성요소를 의미한다. 이에 따라 동일 구성요소에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예3에 따른 바이오 센서를 구비한 바이오 감지장치는 바이오 물질을 포함하는 유체가 일측부로 유입되어 타측부로 배출되도록 서로 대향하는 방향에 유입구(300A)와 배출구(300B)를 구비한 챔버(chamber, 300)와, 유체 통로(115A, 도 2참조)가 유입구(300A) 및 배출구(300B)와 서로 대향하는 방향으로 위치되도록 챔버(300) 내부에 직렬로 삽입 고정된 복수 개의 바이오 센서(100)와, 유체 통로(115A)와 대응되는 부위에 관통홀(400A)이 천공되어 있으며, 이웃하는 바이오 센서(100)를 서로 접착 체결하기 위한 체결부재(400)를 구비한다.

챔버(300)는 직사각형 구조를 가지며, 장축방향으로 일측부에는 유입구(300A)가 마련되고, 타측부에는 배출구(300B)가 마련된다. 유입구(300A)와 배출구(300B) 사이에는 복수 개의 바이오 센서(100)가 삽입 고정된다. 여기서, 챔버(300)의 구조는 직사각형 구조로 한정되는 것은 아니며, 바이오 센서(100)의 형상에 따라 삼각형, 정사각형, 육각형, 팔각형 또는 원형 등과 같이 다양한 형태로 바뀔 수 있다.

체결부재(400)는 바이오 센서(100)와 함께 챔버(300)의 내부에 삽입 고정되도록 외주면이 바이오 센서(100)와 동일한 형태를 가진다. 또한, 챔버(300)의 유입구(300A) 및 배출구(300B)와 대향하는 부위에 관통홀(400A)이 천공되어 있으며, 챔버(300) 삽입 후 유입구(300A) 및 배출구(300B)와 관통홀(400A)은 동일 선상에 위치된다.

이러한 체결부재(400)로는 이웃하는 바이오 센서(100)를 서로 쉽고 간편하게 접착 체결하기 위하여 접착 기능을 갖는 물질을 단독으로 사용하거나, 상기한 접착 기능을 갖는 물질이 표면 처리된 구조체를 사용할 수 있다. 이때, 상기 구조체는 반도체 재료로 형성될 수 있다. 또한, 접착 기능이 없는 구조체를 사용할 수도 있다.

체결부재(400)는 PDMS(Poly-Dimethyl Siloxane)와 같은 부드러운 물질을 사용하여 소자의 유동성 및 안정성을 높여줄 수 있다.

예컨대, 접착제 기능을 갖는 물질로는 분자를 포함하는 친수성(hydrophilic)을 높이는 물질로서, APTES(AminoPropylTriEthoxySilane), APTMS((3-AminoPropyl)TriMethoxySilane)을 포함하는 실란(silane)기를 가지는 모든 화학물질을 사용할 수 있다.

복수의 단위 바이오 센서(100)는 도 2 및 도 5에 도시된 바와 같은 단위 바이오 센서들로서, 서로 다른 반응물질을 표면 처리할 수 있으며, 이를 통해 바이오 감지장치를 통해 유입되는 다양한 바이오 물질을 동시에 감지할 수 있다.

한편, 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예3에 따른 바이오 센서를 구비한 바이오 감지장치는 복수의 바이오 센서(100)로부터 각각 출력되는 감지신호를 측정하기 위한 측정부(500)를 더 구비한다. 여기서, 감지신호라 함은 바이오 물질이 바이오 센서(100)의 감지부(113, 도 2참조)에 흡착된 반응물질(120, 도 3참조)과 화학 반응하고, 이러한 반응에 기인한 감지부(113)를 통해 흐르는 전류의 변화량을 의미한다.

이하, 본 발명의 실시예3에 따른 바이오 감지장치의 동작 특성을 설명하면 다음과 같다.

도 6을 참조하면, 다양한 바이오 물질을 포함하는 유체-또는, 한 종류의 바이오 물질을 포함하는 유체-가 챔버(300)의 유입구(300A)를 통해 유입되면, 유체는 서로 교번적으로 체결된 복수의 체결부재(400)의 관통홀(400A)과 바이오 센서(100)의 유체 통로(115A, 도 2참조)를 경유하여 후단의 챔버(300)의 배출구(300B)로 배출된다. 이때, 복수의 바이오 센서(100) 각각의 감지부(113, 도 2참조)에는 다양한 바이오 물질과 각각 화학반응을 일으키는 반응물질이 표면 처리되어 있기 때문에 유체 통로(115A)를 통해 흐르는 유체에 포함된 바이오 물질은 자신과 화학적 반응을 일으키는 반응물질이 표면 처리된 바이오 센서(100)의 감지부(113, 도 2참조)에 흡착된다. 이러한 흡착(화학반응) 과정에 기인하여 감지부(113)를 통해 흐르는 전류의 양은 변화게 되고, 이러한 전류의 변화량을 측정부(400)를 통해 측정하게 된다.

이와 같이, 본 발명의 실시예3에 따른 바이오 감지장치는 서로 다른 다양한 반응물질이 각각의 감지부(113)에 표면 처리되어 있는 복수 개의 바이오 센서(100) 를 한 개의 챔버(300) 내부에 직렬로 삽입 고정시킴으로써 다양한 바이오 물질을 포함한 유체의 흐름을 통해 다양한 바이오 물질을 동시에 감지할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

한편, 도 7은 도 6에 도시된 본 발명의 실시예3에 따른 바이오 감지장치에서 바이오 센서(100)와 체결부재(400)가 서로 체결된 상태를 보여주기 위해 도시한 사시도이다.

한편, 상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에서는 단일 반도체 기판(Si 기판, Ge 기판 등)에 대해서만 설명되어 있으나, 이는 일례로서, SOI(Silicon On Insulator) 기판도 가능하다. SOI 기판은 매립 산화 실리콘층을 가지고 있기 때문에 별도의 절연층을 형성할 필요가 없으며, 소자를 SOI 기판 상에 형성했을 때 기판에 대한 소자의 고립을 확실히 할 수가 있다. 그 때문에 소자 사이의 누설 전류가 적어져 동작 특성을 개선시킬 수 있다. 이러한 SOI 기판의 제조방법으로는 SOS(Silicon On Sapphire)법이나, SIMOX(Separation by IMplanted OXygen)법 등이 있다.

상기에서 설명한 바와 같이 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예들을 통해 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예들은 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명은 이 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예들이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 다음과 같은 효과들을 얻을 수 있다.

첫째, 본 발명에 의하면, 지지부의 중앙부에 유체 통로를 상하방향(또는, 좌우방향)으로 형성하고, 감지부의 4면 중 적어도 어느 한 면이 지지부에 덮혀지지 않도록 상기 유체 통로 상부에 상기 유체 통로를 가로지르는 방향으로 상기 감지부를 배치함으로써 상기 유체 통로를 통해 유입되는 바이오 물질이 상기 감지부의 전면 즉, 4면에 모두 흡착되도록 하여 바이오 물질의 감지 특성을 더욱 향상시킬 수 있다.

둘째, 본 발명에 의하면, 서로 다른 다양한 반응물질이 각각의 감지부에 표면 처리되어 있는 복수 개의 바이오 센서를 한 개의 챔버 내부에 직렬로 삽입 고정시킴으로써 다양한 바이오 물질을 포함한 유체의 흐름을 통해 다양한 바이오 물질을 동시에 감지할 수 있다.

Claims

바이오 물질을 포함하는 유체가 흐르는 유체 통로가 형성된 지지수단; 및

상기 지지수단의 상기 유체 통로에서 3차원적으로 노출되도록 상기 지지수단 상부에 배치되고, 상기 유체 통로를 통해 유입되는 상기 바이오 물질과 반응하는 반응물질이 표면 처리된 감지수단

을 구비한 바이오 센서.
제 1 항에 있어서,

상기 지지수단은,

기판; 및

상기 기판과 상기 감지수단 사이에 형성된 절연층

을 구비한 바이오 센서.
제 2 항에 있어서,

상기 기판은 단결정 실리콘, 유리 및 플라스틱 중 선택된 어느 하나로 이루어진 바이오 센서.
제 2 항에 있어서,

상기 지지수단은 SOI(Silicon On Insulator) 기판으로 이루어진 바이오 센서.
제 1 항에 있어서,

상기 지지수단은 상기 감지수단이 형성되는 상부면이 평탄한 판 형태를 갖는 바이오 센서.
제 1 항에 있어서,

상기 감지수단은 상기 유체 통로와 중첩되는 부위가 중첩되지 않는 부위보다 작은 폭을 갖는 바이오 센서.
제 1 항에 있어서,

상기 감지수단은 전기적으로 외부 전기장에 의해 전기적 특성이 변하는 물질로 이루어진 바이오 센서.
제 1 항에 있어서,

상기 감지수단은 결정질 실리콘, 비정질 실리콘 및 도프트 실리콘 중 선택된 어느 하나로 이루어진 바이오 센서.
제 1 항에 있어서,

상기 감지수단은 복수 개가 상기 유체 통로를 가로지르도록 배치된 바이오 센서.
제 1 항에 있어서,

상기 지지수단에는 상기 유체 통로가 복수 개로 형성된 바이오 센서.
제 10 항에 있어서,

상기 복수 개의 유체 통로에는 각각 적어도 하나의 상기 감지수단이 가로지르도록 배치된 바이오 센서.
제 1 항에 있어서,

상기 감지수단과 외부 장치를 연결하기 위한 복수의 전극을 더 구비한 바이오 센서.
제 12 항에 있어서,

상기 전극은 상기 유체 통로와 중첩되지 않도록 상기 감지수단 상에 형성된 바이오 센서.
바이오 물질을 포함하는 유체가 유입되어 배출되도록 유입구와 배출구가 형성된 챔버; 및

제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 하나의 항에 기재된 구성을 갖고, 상기 챔버 내부에 삽입 고정된 복수의 바이오 센서

를 구비한 바이오 감지장치.
제 14 항에 있어서,

상기 복수의 바이오 센서 중 이웃하는 것끼리 서로 체결하는 체결수단을 더 구비한 바이오 감지장치.
제 15 항에 있어서,

상기 체결수단은 외주면이 상기 바이오 센서의 외주면과 동일한 형태로 형성된 바이오 감지장치.
제 15 항에 있어서,

상기 체결수단은 상기 유입구 및 상기 배출구와 대향하는 부위에 관통홀이 형성된 바이오 감지장치.
제 15 항에 있어서,

상기 체결수단은 접착 기능을 갖는 물질로 이루어지거나, 표면에 상기 접착 기능을 갖는 물질이 표면 처리된 구조체로 이루어진 바이오 감지장치.
제 14 항에 있어서,

상기 유입구 및 상기 배출구는 서로 대향하는 방향으로 형성된 바이오 감지장치.
제 14 항에 있어서,

상기 유입구 및 상기 배출구는 상기 바이오 센서의 상기 유체 통로와 대향하는 방향으로 형성된 바이오 감지장치.
제 14 항에 있어서,

상기 복수의 바이오 센서 각각의 상기 감지부에는 서로 다른 반응물질이 표면 처리된 바이오 감지장치.
기판 상면에 절연층을 형성하는 단계;

상기 절연층 상에 감지부용 물질을 증착하는 단계;

상기 기판의 배면에 식각 장벽층을 형성하는 단계;

상기 기판의 배면의 일부가 노출되도록 상기 식각 장벽층을 식각하는 단계;

상기 식각 장벽층을 식각 마스크로 상기 기판 및 상기 절연층을 식각하여 상기 감지부용 물질 중 일부가 노출되는 유체 통로를 형성하는 단계; 및

상기 감지부용 물질을 식각하여 상기 유체 통로를 가로지르는 감지부를 형성하는 단계

를 포함하는 바이오 센서의 제조방법.
제 22 항에 있어서,

상기 감지부를 형성하는 단계 후, 상기 유체 통로와 대응되지 않는 상기 감지부 상에 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 바이오 센서의 제조방법.
제 23 항에 있어서,

상기 전극을 형성하는 단계 후, 상기 유체 통로를 통해 반응물질을 흘러보내 상기 감지부에 상기 반응물질을 흡착시키는 단계를 더 포함하는 바이오 센서의 제조방법.
제 22 항에 있어서,

상기 기판은 단결정 실리콘, 유리 및 플라스틱 중 선택된 어느 하나로 형성하는 바이오 센서의 제조방법.
제 22 항에 있어서,

상기 감지부는 상기 유체 통로와 중첩되는 부위가 중첩되지 않는 부위보다 작은 폭을 갖도록 형성하는 바이오 센서의 제조방법.
제 22 항에 있어서,

상기 감지부는 전기적으로 외부 전기장에 의해 전기적 특성이 변하는 물질로 형성하는 바이오 센서의 제조방법.
제 22 항에 있어서,

상기 감지부는 결정질 실리콘, 비정질 실리콘 및 도프트 실리콘 중 선택된 어느 하나로 형성하는 바이오 센서의 제조방법.