KR20130038999A - Sensor cell and biosensor comprising the same - Google Patents

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KR20130038999A
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cell
biosensor
channel
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KR1020110103404A
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박완준
김철근
송윤흡
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

PURPOSE: Sensor cells and a bio sensor with the same are provided to form the bio sensor by arranging a plurality of the sensor cells into a matrix form, thereby precisely measuring target substances of little concentration. CONSTITUTION: A bio sensor(100) with sensor cells(10) comprises a detecting unit(110), a reference detecting unit(120), a row decoder unit(130), a column decoder unit(140), and a detecting unit(150). The sensing unit arranges a plurality of the sensor cells into a matrix form. The sensor cells outputs the existence of reaction to a target substance and probe substance with electric signals. The reference sensing unit is electrically arranges a plurality of reference cells(20) into a matrix form. The reference cells are electrically connected to the sensing unit through a plurality of row selecting lines and outputs reference electric signals. [Reference numerals] (130) Row decoder unit; (140) Column decoder unit; (150) Detecting unit;

Description

센서 셀 및 이를 포함하는 바이오 센서{SENSOR CELL AND BIOSENSOR COMPRISING THE SAME}SENSOR CELL AND BIOSENSOR COMPRISING THE SAME

본 발명은 바이오 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 바이오 센서의 정밀도를 향상시킬 수 있는 센서 셀 및 이를 포함하는 바이오 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a biosensor, and more particularly, to a sensor cell and a biosensor including the same that can improve the precision of the biosensor.

최근에 급격한 고령화 추세 및 삶의 질 상승에 따라 수명연장 및 건강하고 아름다운 삶에 대한 관심이 높아지고 있고, 이로 인하여 암을 비롯한 각종 중증 질병을 조기에 발견하고 이러한 질병의 치료비용 및 치료기간을 절약하는 것이 화두가 되고 있다. 이러한 사회적 분위기를 반영하여 질병의 조기 진단 및 치료 등을 위하여 특정물질을 검지하고, 검지된 양을 검출하는 것이 매우 중요한 관심사가 되고 있다.Recently, due to the rapid aging and rising quality of life, there is a growing interest in prolonging life and healthy and beautiful life, which leads to early detection of cancer and other serious diseases, and to reducing the cost and duration of treatment of such diseases. Is becoming a hot topic. Reflecting this social atmosphere, it is of great interest to detect specific substances and detect the detected amounts for early diagnosis and treatment of diseases.

특히, 줄기세포는 치료, 미용, 성형 등 의료목적으로 연구되고 있으며, 줄기세포의 한 종류인 지방줄기세포(SVF)의 경우 본인의 지방에서 추출된 줄기세포를 이식할 수 있고, 이식한 경우 이식의 효율이 좋다고 알려지고 있어, 줄기세포 응용 분야 중 실용화 단계에 근접해가고 있다.In particular, stem cells are being studied for medical purposes such as treatment, cosmetics, and plastic surgery. In the case of fat stem cells (SVF), which are a type of stem cells, stem cells extracted from their own fats can be transplanted, and when transplanted, It is known that its efficiency is good, and it is approaching the commercialization stage among stem cell applications.

줄기세포 등의 바이오 물질을 시술하는 경우에 바이오 물질의 종류와 수를 정확하게 측정할 수 있는 것이 매우 중요하나, 현재는 바이오 물질의 종류와 수를 사람이 육안으로 검지하기 때문에 정확한 분류와 수를 검지할 수 없는 문제가 있다.When performing biomaterials such as stem cells, it is very important to be able to accurately measure the type and number of biomaterials.However, the human body detects the type and number of biomaterials with the naked eye. There is a problem that cannot be done.

최근, 정확한 세포를 계수하기 위한 자동화 세포계수장치가 개발되었으나, 광학적 변화 및 통계적 분석을 이용하여 세포 등의 바이오 물질을 검지하기 때문에 정밀성이 있는 검지를 할 수 없는 문제가 있다.Recently, an automated cell counting device for counting accurate cells has been developed, but there is a problem that precision detection cannot be performed because biomaterials such as cells are detected using optical changes and statistical analysis.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 바이오 물질을 정밀하게 계수할 수 있는 센서 셀을 제공하는 데 있다.An object of the present invention for solving the above problems is to provide a sensor cell capable of accurately counting biomaterials.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은, 바이오 물질을 정밀하게 계수할 수 있는 바이오 센서를 제공하는 데 있다.Another object of the present invention for solving the above problems is to provide a biosensor capable of accurately counting biomaterials.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 셀은, 기판상에 형성된 게이트 전극과, 상기 게이트 전극 상에 형성된 게이트 절연막과, 상기 게이트 절연막 상에 형성된 소스 및 드레인 전극과, 상기 소스 및 드레인 전극 사이에 형성된 채널과, 상기 채널 상에 고정되고 타겟물질과 선택적으로 반응하는 프로브물질을 포함하여 구성된다.According to one or more exemplary embodiments, a sensor cell includes a gate electrode formed on a substrate, a gate insulating film formed on the gate electrode, and a source and drain electrode formed on the gate insulating film. And a channel formed between the source and drain electrodes and a probe material fixed on the channel and selectively reacting with a target material.

상기한 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서는, 타겟물질과 프로브물질의 반응여부를 전기신호로 출력하는 복수의 센서 셀을 매트릭스 형태로 배열한 감지부와, 상기 감지부와 복수의 행 선택선을 통하여 전기적으로 연결되고, 기준전기신호를 출력하는 복수의 기준 셀을 매트릭스 형태로 배열한 기준감지부와, 상기 감지부 및 기준감지부의 행 방향으로 배열된 일군의 상기 선세 셀 및 기준 셀에 연결된 상기 행 선택선에 미리 설정된 소정의 제1 전압신호를 제공하여 상기 센서 셀 및 기준 셀을 선택하는 행디코더부와, 상기 감지부 및 기준감지부의 열 방향으로 배열된 일군의 상기 센서 셀 및 기준 셀에 연결된 상기 열 선택선에 미리 설정된 소정의 제2 전압신호를 제공하여 상기 센서 셀 및 기준 셀을 선택하는 열디코더부와, 선택된 상기 센서 셀의 상기 전기신호와 선택된 상기 기준 셀의 상기 기준전기신호를 비교하고, 상기 비교한 결과에 기초하여 상기 타겟물질을 종류 또는 수를 검지하는 검출부를 포함하여 구성된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a biosensor according to an embodiment of the present invention, comprising: a sensing unit in which a plurality of sensor cells are arranged in a matrix form to output a reaction between a target material and a probe material as an electrical signal; A reference sensing unit electrically connected to the sensing unit through a plurality of row selection lines, the plurality of reference cells outputting a reference electrical signal in a matrix form, and arranged in a row direction of the sensing unit and the reference sensing unit A row decoder unit configured to select the sensor cell and the reference cell by providing a predetermined first voltage signal to the row selection line connected to the group of predecessor cells and the reference cell, and in a column direction of the sensing unit and the reference sensing unit; The predetermined second voltage signal is provided to the column select line connected to the group of sensor cells and the reference cell arranged to select the sensor cell and the reference cell. And a thermal decoder unit and a detector for comparing the electrical signal of the selected sensor cell with the reference electrical signal of the selected reference cell, and detecting a type or number of the target material based on the result of the comparison. do.

상기와 같은 본 발명에 따른 센서 셀 및 이를 포함하는 바이오 센서를 이용할 경우에는 센서 셀의 채널을 나노구조로 형성함으로써 타겟물질의 검출을 보다 정밀하게 할 수 있다.In the case of using the sensor cell and the biosensor including the same according to the present invention, it is possible to more precisely detect the target material by forming a channel of the sensor cell into a nanostructure.

또한, 복수의 센서 셀을 매트릭스 형태로 배치하여 바이오 센서를 형성함으로써 적은 농도의 타겟물질도 정밀하게 계수할 수 있다.In addition, by placing a plurality of sensor cells in the form of a matrix to form a biosensor, it is possible to accurately count a small concentration of the target material.

또한, 바이오 센서를 복수의 블록으로 분할하여 분할된 각각의 블록에 서로 다른 프로브물질을 고정하여 다양한 종류의 타겟물질을 동시에 검지하여 타겟물질을 분류할 수 있고, 복수의 타겟물질을 동시에 계수할 수 있다.In addition, by dividing the biosensor into a plurality of blocks to fix different probe materials in each of the divided blocks to detect a variety of target materials at the same time to classify the target materials, it is possible to count a plurality of target materials at the same time have.

또한, 각각의 블록들에 특정한 타겟물질과 반응하는 서로 다른 프로브물질을 고정하거나, 서로 다른 타겟물질과 모두 반응하는 프로브물질을 고정함으로써 타겟물질의 종류별로 분류함과 동시에 타겟물질의 수를 검지할 수 있다.In addition, by fixing different probe materials reacting with a specific target material in each block, or by fixing the probe materials reacting with all different target materials, the number of target materials can be detected while classifying them by the type of target material. Can be.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 셀의 개략적인 구조를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 셀의 동작원리를 설명하기 위한 등가회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서의 동작원리를 설명하기 위한 등가회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서의 개략적인 구조를 나타내는 구조도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서의 회로도이다.1 is a cross-sectional view showing a schematic structure of a sensor cell according to an embodiment of the present invention.
2 is an equivalent circuit diagram illustrating an operation principle of a sensor cell according to an embodiment of the present invention.
3 is an equivalent circuit diagram for explaining the operation principle of a biosensor according to an embodiment of the present invention.
4 is a structural diagram showing a schematic structure of a biosensor according to an embodiment of the present invention.
5 is a circuit diagram of a biosensor according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 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.While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. Like reference numerals are used for like elements in describing each drawing.

제1, 제2, A, B 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. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.The terms first, second, A, B, etc. may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component. And / or < / RTI > includes any combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.When a component is referred to as being "connected" or "connected" to another component, it may be directly connected to or connected to that other component, but it may be understood that other components may be present in between. Should be. On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 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 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting of the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this application, the terms "comprise" or "have" are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, and one or more other features. It is to be understood that the present invention does not exclude the possibility of the presence or the addition of numbers, steps, operations, components, components, or a combination thereof.

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.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Terms such as those defined in the commonly used dictionaries should be construed as having meanings consistent with the meanings in the context of the related art and shall not be construed in ideal or excessively formal meanings unless expressly defined in this application. Do not.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 셀의 개략적인 구조를 나타내는 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a schematic structure of a sensor cell according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 센서 셀(10)은 타겟물질과 프로브물질(6)이 반응하였는지 여부에 따른 문턱전압(Threshold Voltage), 채널(4)에 흐르는 전류 또는 채널의 저항 등 채널의 전기적 특성의 변화를 감지하여 타겟물질을 검지할 수 있다.Referring to FIG. 1, the sensor cell 10 may include a threshold voltage according to whether or not the target material and the probe material 6 have reacted, and the electrical characteristics of the channel, such as current flowing through the channel 4 or resistance of the channel. The target material can be detected by detecting the change.

센서 셀(10)은 기판(1), 게이트 전극(2), 게이트 절연막(3), 채널(4), 소스와 드레인 전극(5) 및 프로브물질(6)을 포함한다.The sensor cell 10 includes a substrate 1, a gate electrode 2, a gate insulating film 3, a channel 4, a source and drain electrode 5, and a probe material 6.

기판(1)은 반도체 분야에서 일반적으로 사용되는 실리콘(Silicon: Si), 사파이어(sapphire) 등으로 형성될 수 있고, 플라스틱으로도 형성될 수 있다. 또한, 기판은 SOI(Silicon On Insulator) 기판을 사용할 수도 있다.The substrate 1 may be formed of silicon (Si), sapphire, or the like, which is generally used in the semiconductor field, and may also be formed of plastic. In addition, the substrate may use a silicon on insulator (SOI) substrate.

게이트 전극(2)은 기판(1) 상에 형성되며, 외부로부터 공급되는 전기신호에 대응하여 소스와 드레인 전극(5) 사이의 채널(4)의 온/오프 동작을 제어한다. 또한, 상기 게이트 전극(2)은 전도체 또는 금속으로 형성될 수 있다.The gate electrode 2 is formed on the substrate 1 and controls the on / off operation of the channel 4 between the source and drain electrodes 5 in response to an electrical signal supplied from the outside. In addition, the gate electrode 2 may be formed of a conductor or a metal.

게이트 절연막(3)은 기판(1) 상에 형성된 게이트 전극(2) 위에 형성되며, 상기 게이트 전극(2)을 매립한다. 예를 들어, 게이트 절연막(3)은 고유전율을 갖는 물질로 형성될 수 있다.The gate insulating film 3 is formed on the gate electrode 2 formed on the substrate 1 and fills the gate electrode 2. For example, the gate insulating layer 3 may be formed of a material having a high dielectric constant.

채널(4)은 게이트 절연막(3) 상의 소스 및 드레인 전극(5) 사이에 형성될 수 있고, 타겟물질이 프로브물질(6)과 반응할 수 있도록 외부로 노출되어 형성될 수 있다.The channel 4 may be formed between the source and drain electrodes 5 on the gate insulating layer 3, and may be formed to be exposed to the outside so that the target material may react with the probe material 6.

또한, 채널(4)은 전자 또는 전공이 이동할 수 있도록 전기 전도성을 갖는 반도체의 나노구조로 형성될 수 있다. 상기 나노구조로 형성된 채널은 전기 전도성이 향상되어 센서 셀(10)은 정밀한 전기적 특성의 변화를 감지할 수 있다.In addition, the channel 4 may be formed of a nanostructure of a semiconductor having electrical conductivity so that electrons or holes can move. The channel formed of the nanostructure has improved electrical conductivity, so that the sensor cell 10 can detect a precise change in electrical characteristics.

예를 들어, 상기 채널(4)은 나노튜브(NanoTube), 나노선(NanoWire), 나노로드(NanoRod) 등의 나노구조로 형성될 수 있고, 상기 채널(4)은 탄소원자를 포함하는 재질로 구성될 수 있다. For example, the channel 4 may be formed of nanostructures such as nanotubes, nanowires, nanorods, and the like, and the channel 4 is formed of a material containing carbon atoms. Can be.

예를 들어, 상기 채널(4)은 탄소 나노튜브(Carbon NanoTube: CNT), 그래핀(Graphene), 반도체 나노선(Nano Wire) 및 나노로드(NanoRod) 등으로 형성될 수 있다.For example, the channel 4 may be formed of carbon nanotubes (CNT), graphene, semiconductor nanowires, nanorods, or the like.

소스 및 드레인 전극(5)은 게이트 절연막(3) 상에 형성될 수 있고, 전도체 또는 금속으로 형성될 수 있다.The source and drain electrodes 5 may be formed on the gate insulating film 3 and may be formed of a conductor or a metal.

프로브물질(6)은 채널(4) 상에 고정되고 세포, 세포분비인자, 단백질(protein), 항원(antigen), DNA 등의 타겟물질과 선택적으로 반응하는 물질이며, 상기 세포는 줄기세포(stem cell), 혈액세포, 암세포 등이 될 수 있다.The probe material 6 is a material that is immobilized on the channel 4 and selectively reacts with a target material such as cells, cell secretion factors, proteins, antigens, DNA, and the like, and the cells are stem cells. cell), blood cells, cancer cells, and the like.

상기 타겟물질의 세포분비인자는 예를 들어, 지방줄기세포의 분화분비물인 EM(Endothelial Mature), SP(Sub-endothelial Progenitor cells) 등이 될 수 있고, 상기 EM은 프로브물질인 CD31 항체와 반응하고, 상기 SP는 프로브물질인 CD140b 또는 alpha-SMA항체와 반응할 수 있다.The cell secretion factor of the target material may be, for example, endothelial mature (EM), sub-endothelial progenitor cells (SP), etc., which are differentiation secretions of adipose stem cells, and the EM reacts with the CD31 antibody as a probe material. In addition, the SP may react with a CD140b or alpha-SMA antibody which is a probe material.

특히, 상기 줄기세포는 지방줄기세포(Stromal Vascular Fraction: SVF)일 수 있다. 참고로, 상기 지방줄기세포(SVF)는 지방조직에서 지방세포를 제외한 세포집단을 의미할 수 있다.In particular, the stem cells may be fatty stem cells (SVF). For reference, the adipose stem cells (SVF) may refer to a cell population excluding fat cells in adipose tissue.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 셀의 동작원리를 설명하기 위한 등가회로도이다.2 is an equivalent circuit diagram illustrating an operation principle of a sensor cell according to an embodiment of the present invention.

도 2의 프로브물질을 포함하지 않는 기준 셀(20)의 등가회로도를 참조하면, 외부로부터 타겟물질이 공급되어도 타겟물질과 반응할 수 있는 프로브물질이 존재하지 않는 기준 셀(20)은 소정의 문턱전압을 갖고, 상기 소정의 문턱전압에 대응하는 전류가 채널에 흐르게 되며, 상기 문턱전압 또는 전류에 상응하는 채널저항을 갖게 된다.Referring to the equivalent circuit diagram of the reference cell 20 that does not include the probe material of FIG. 2, even when the target material is supplied from the outside, the reference cell 20 that does not have a probe material capable of reacting with the target material may have a predetermined threshold. With a voltage, a current corresponding to the predetermined threshold voltage flows in the channel, and has a channel resistance corresponding to the threshold voltage or current.

또한, 도 2의 프로브물질을 포함하는 센서 셀(10)의 등가회로도를 참조하면, 외부로부터 타겟물질이 공급되고, 상기 센서 셀(10)의 프로브물질은 타겟물질(특히, 음전하를 갖는 물질)과 반응하여, 채널에 전하를 공급하고, 센서 셀(10)의 문턱전압 또는 전기적 특성은 변화된다.In addition, referring to the equivalent circuit diagram of the sensor cell 10 including the probe material of FIG. 2, a target material is supplied from the outside, and the probe material of the sensor cell 10 is a target material (particularly, a material having a negative charge). In response to supplying charge to the channel, the threshold voltage or electrical characteristics of the sensor cell 10 are changed.

센서 셀(10)의 전기적 특성의 변화는 다양한 양상으로 전개될 수 있다. 예를 들어, 프로브물질이 채널에 전자를 공급하는 경우에 채널의 전기 전도도는 향상되며, 문턱전압은 감소하는 경향을 나타낸다.Changes in the electrical characteristics of the sensor cell 10 may be developed in various aspects. For example, when the probe material supplies electrons to the channel, the electrical conductivity of the channel is improved, and the threshold voltage tends to decrease.

이외에 프로브물질이 채널에 음이온을 공급하는 경우에 음이온은 낮은 이동도를 가지므로, 소스 및 드레인(2)으로부터 공급되는 캐리어인 전자의 이동을 방해하므로 문턱전압을 상승시킬 수 있다.In addition, when the probe material supplies negative ions to the channel, since the negative ions have low mobility, the threshold voltage may be increased because the negative ions interfere with the movement of electrons, which are carriers supplied from the source and drain 2.

이와 같이 프로브물질은 타겟물질과 반응하여 다양한 양상으로 센서 셀(10)의 전기적 특성을 변화시킬 수 있다.As such, the probe material may change electrical characteristics of the sensor cell 10 in various aspects in response to the target material.

따라서, 기준 셀(20)과 센세 셀(10)의 문턱전압의 차이, 상기 기준 셀(20)과 상기 센서 셀(10)의 채널(4)에 흐르는 전류의 차이 또는 상기 기준 셀(20)과 상기 센서 셀(10)의 채널(4) 저항의 차이를 검출하여 타겟분자의 종류 및 수를 검지할 수 있다.Accordingly, the difference between the threshold voltages of the reference cell 20 and the sense cell 10, the difference between the current flowing through the channel 4 of the reference cell 20 and the sensor cell 10, or the reference cell 20. The type and number of target molecules may be detected by detecting a difference in the resistance of the channel 4 of the sensor cell 10.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서의 동작원리를 설명하기 위한 등가회로도이다.3 is an equivalent circuit diagram for explaining the operation principle of a biosensor according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 센서 셀(10)과 기준 셀(20)은 전기적으로 병렬 배치되며, 상기 센서 셀(10)과 상기 기준 셀(20)의 특정 단자들은 비교기(151)에 전기적으로 연결된다.Referring to FIG. 3, the sensor cell 10 and the reference cell 20 are electrically arranged in parallel, and specific terminals of the sensor cell 10 and the reference cell 20 are electrically connected to the comparator 151. .

예를 들어, 센서 셀(10)과 기준 셀(20)의 게이트 단자에 동일한 전압이 인가되는 경우에 센서 셀(10)의 전기적 특성은 기준 셀(20)에 비해 다른 전기적 특성을 갖는다. 비교기(151)는 이를 감지하거나 증폭하여 출력할 수 있다. 따라서, 센서 셀(10)의 상태 변화는 기준 셀(20)과 비교를 통해 감지될 수 있다. 이를 통하여 타겟물질의 종류와 수를 감지할 수 있다.For example, when the same voltage is applied to the gate terminals of the sensor cell 10 and the reference cell 20, the electrical characteristics of the sensor cell 10 have different electrical characteristics than those of the reference cell 20. The comparator 151 may detect or amplify it and output the same. Therefore, the state change of the sensor cell 10 may be sensed by comparing with the reference cell 20. Through this, the type and number of target materials can be detected.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서의 개략적인 구조를 나타내는 구조도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서의 회로도이다.4 is a structural diagram showing a schematic structure of a biosensor according to an embodiment of the present invention, Figure 5 is a circuit diagram of a biosensor according to an embodiment of the present invention.

도 4 및 도 5를 참조하면, 바이오 센서(100)는 감지부(110)에서 감지한 전기신호와 기준감지부(120)에서 감지한 기준전기신호를 비교하고, 상기 비교한 결과에 기초하여 타겟물질의 종류 및 수를 검지할 수 있다.4 and 5, the biosensor 100 compares an electrical signal detected by the detector 110 with a reference electrical signal detected by the reference detector 120, and targets the target based on the comparison result. The type and number of substances can be detected.

바이오 센서(100)는 감지부(110), 기준감지부(120), 행디코더부(130), 열디코더부(140) 및 검출부(150)를 포함할 수 있다.The biosensor 100 may include a detector 110, a reference detector 120, a row decoder 130, a column decoder 140, and a detector 150.

감지부(110)는 타겟물질과 프로브물질의 반응여부를 전기신호로 출력하며, 복수의 센서 셀(10)이 매트릭스 형태로 배열될 수 있고, 상기 감지부(110)에 포함되는 센서 셀(10)의 수를 확장함으로써 적은 농도의 타겟물질도 계수할 수 있고, 상기 타겟물질의 분포위치도 검지할 수 있다.The sensing unit 110 outputs whether the target material reacts with the probe material as an electric signal, and the plurality of sensor cells 10 may be arranged in a matrix form, and the sensor cell 10 included in the sensing unit 110 may be provided. By expanding the number of), a small concentration of the target substance can be counted, and the distribution position of the target substance can be detected.

또한, 감지부(110)는 복수의 센서 셀(10)을 포함하는 복수의 블록(B1, B2)으로 구분될 수 있고, 각각의 상기 블록들(B1, B2)은 서로 다른 프로브물질이 고정되어 복수의 타겟물질을 동시에 검지하여 타겟물질을 분류할 수 있고, 상기 복수의 타겟물질을 동시에 계수할 수 있다.In addition, the sensing unit 110 may be divided into a plurality of blocks B1 and B2 including a plurality of sensor cells 10, and each of the blocks B1 and B2 may have different probe materials fixed thereto. A plurality of target substances can be detected simultaneously to classify the target substances, and the plurality of target substances can be counted at the same time.

또한, 상기 각각의 블록들에 특정한 타겟물질과 반응하는 서로 다른 프로브물질을 고정하거나, 서로 다른 타겟물질과 모두 반응하는 프로브물질을 고정하여, 타겟물질의 종류 및 수를 검지할 수 있다.In addition, by fixing different probe materials reacting with a specific target material to each of the blocks, or by fixing the probe materials reacting with all different target materials, the type and number of target materials may be detected.

또한, 상기 감지부(110)는 복수의 블록으로 구분될 수 있고, 상기 복수의 블록들(B1, B2)에 동일한 프로브물질을 고정하여 하나의 타겟물질을 정밀하게 검지할 수도 있다.In addition, the sensing unit 110 may be divided into a plurality of blocks, and may accurately detect one target material by fixing the same probe material to the plurality of blocks B1 and B2.

한편, 상기 감지부(110)는 복수의 센서 셀(10)을 포함하고, 상기 센서 셀(10)은 도 1에서의 설명과 중복되므로 생략한다.On the other hand, the detection unit 110 includes a plurality of sensor cells 10, the sensor cell 10 is omitted because it overlaps with the description in FIG.

기준감지부(120)는 감지부(110)와 복수의 행 선택선(130-1~n)을 통하여 전기적으로 연결되고, 기준전기신호를 출력하는 복수의 기준 셀(20)이 매트릭스 형태로 배열될 수 있다.The reference sensing unit 120 is electrically connected to the sensing unit 110 through the plurality of row selection lines 130-1 to n, and the plurality of reference cells 20 for outputting the reference electrical signal are arranged in a matrix form. Can be.

상기 기준감지부(120)는 상기 감지부(110)의 복수의 블록(B1, B2)에 대응하여 복수의 블록(B3)으로 구분될 수 있으며, 각각의 블록(B3)은 기준전기신호를 출력할 수 있다.The reference sensing unit 120 may be divided into a plurality of blocks B3 corresponding to the plurality of blocks B1 and B2 of the sensing unit 110, and each block B3 outputs a reference electrical signal. can do.

한편, 상기 기준감지부(120)는 복수의 기준 셀(20)을 포함하고, 상기 기준 셀(20)은 기판(1), 게이트 전극(2), 게이트 절연막(3), 채널(4) 및 소스와 드레인 전극(5)을 포함한다.Meanwhile, the reference sensing unit 120 includes a plurality of reference cells 20, and the reference cell 20 includes a substrate 1, a gate electrode 2, a gate insulating film 3, a channel 4, and the like. Source and drain electrodes 5 are included.

기판(1)은 실리콘(Silicon: Si), 사파이어(sapphire) 등으로 형성될 수 있고, 플라스틱으로도 형성될 수 있다. 또한, 기판은 SOI(Silicon On Insulator) 기판을 사용할 수도 있다.The substrate 1 may be formed of silicon (Si), sapphire, or the like, and may also be formed of plastic. In addition, the substrate may use a silicon on insulator (SOI) substrate.

게이트 전극(2)은 기판(1) 상에 형성되며, 외부로부터 공급되는 전기신호에 대응하여 소스와 드레인 전극(5) 사이의 채널(4)의 온/오프 동작을 제어한다. 또한, 상기 게이트 전극(2)은 전도체 또는 금속으로 형성될 수 있다.The gate electrode 2 is formed on the substrate 1 and controls the on / off operation of the channel 4 between the source and drain electrodes 5 in response to an electrical signal supplied from the outside. In addition, the gate electrode 2 may be formed of a conductor or a metal.

게이트 절연막(3)은 기판(1) 상에 형성된 게이트 전극(2) 위에 형성되며, 상기 게이트 전극(2)을 매립한다. 예를 들어, 게이트 절연막(3)은 고유전율을 갖는 물질로 형성될 수 있다.The gate insulating film 3 is formed on the gate electrode 2 formed on the substrate 1 and fills the gate electrode 2. For example, the gate insulating layer 3 may be formed of a material having a high dielectric constant.

채널(4)은 게이트 절연막(3) 상의 소스 및 드레인 전극(5) 사이에 형성될 수 있고, 전자 또는 전공이 이동할 수 있도록 전기 전도성을 갖는 반도체 나노구조로 형성될 수 있고, 상기 채널(4)은 탄소원자를 포함하는 재질로 구성될 수 있다.The channel 4 may be formed between the source and drain electrodes 5 on the gate insulating film 3, and may be formed of a semiconductor nanostructure having electrical conductivity to allow electrons or holes to move, and the channel 4 Silver may be composed of a material containing a carbon atom.

예를 들어, 상기 채널(4)은 탄소 나노튜브(Carbon NanoTube: CNT), 그래핀(Graphene), 반도체 나노선(Nano Wire) 및 나노로드(NanoRod) 등으로 형성될 수 있다.For example, the channel 4 may be formed of carbon nanotubes (CNT), graphene, semiconductor nanowires, nanorods, or the like.

소스 및 드레인 전극(5)은 게이트 절연막(3) 상에 형성될 수 있고, 전도체 또는 금속으로 형성될 수 있다.The source and drain electrodes 5 may be formed on the gate insulating film 3 and may be formed of a conductor or a metal.

행디코더부(130)는 상기 감지부(110) 및 기준감지부(120)의 행 방향으로 배열된 일군의 상기 센서 셀(10) 및 기준 셀(20)에 연결된 상기 행 선택선(130-1~n)에 미리 설정된 소정의 제1 전압신호를 제공하여 상기 센서 셀(10) 및 기준 셀(20)을 선택하고 제어할 수 있다.The row decoder 130 is connected to the row select line 130-1 connected to the group of the sensor cells 10 and the reference cells 20 arranged in the row direction of the detector 110 and the reference detector 120. n) may select and control the sensor cell 10 and the reference cell 20 by providing a predetermined first voltage signal.

열디코더부(140)는 상기 감지부(110) 및 기준감지부(120)의 열 방향으로 배열된 일군의 상기 센서 셀(10) 및 기준 셀(20)에 연결된 상기 열 선택선(140-1~n)에 미리 설정된 소정의 제2 전압신호를 제공하여 상기 센서 셀(10) 및 상기 기준 셀(20)을 선택하고 제어할 수 있다.The column decoder 140 is the column select line 140-1 connected to the group of the sensor cells 10 and the reference cells 20 arranged in the column direction of the sensing unit 110 and the reference sensing unit 120. n) may select and control the sensor cell 10 and the reference cell 20 by providing a predetermined second voltage signal.

상기 행디코더부(130) 및 열디코더부(140)는 매트릭스에 포함되는 각각의 센서 셀(10)을 독립적으로 선택할 수 있고, 선택된 상기 센서 셀(10)과 동일한 열 선택선 상의 기준 셀(20)을 선택할 수 있다.The row decoder 130 and the column decoder 140 may independently select each sensor cell 10 included in the matrix, and the reference cell 20 on the same column selection line as the selected sensor cell 10 may be selected. ) Can be selected.

검출부(150)는 상기 열디코더부(140)와 전기적으로 연결되고, 선택된 상기 센서 셀(10)에서 검지한 전기신호와 상기 기준 셀(20)에서 검지한 기준전기신호를 비교하고, 비교한 결과에 기초하여 상기 타겟물질과 상기 프로브물질(6)의 반응여부를 검출할 수 있고, 상기 검출부(150)는 복수의 비교기(comparator: 151)를 포함할 수 있다.The detection unit 150 is electrically connected to the thermal decoder unit 140, and compares the electric signal detected by the selected sensor cell 10 with the reference electric signal detected by the reference cell 20, and compares the result. Based on the detection of the reaction between the target material and the probe material 6, the detection unit 150 may include a plurality of comparators (151).

1: 기판 2: 게이트 전극
3: 게이트 절연막 4: 채널
5: 소스 및 게이트 전극 6: 프로브물질
10: 센서 셀 20: 기준 셀
100: 바이오 센서 110: 감지부
120: 기준감지부 130: 행디코더부
130-1~n: 행 선택선 140: 열디코더부
140-1~n: 열 선택선 150: 검출부1: substrate 2: gate electrode
3: gate insulating film 4: channel
5: source and gate electrodes 6: probe material
10: sensor cell 20: reference cell
100: biosensor 110: detector
120: reference detection unit 130: hang decoder unit
130-1 to n: row select line 140: column decoder section
140-1 to n: column select line 150: detector

Claims (10)

타겟물질과 프로브물질의 반응여부를 전기신호로 출력하는 복수의 센서 셀을 매트릭스 형태로 배열한 감지부;
상기 감지부와 복수의 행 선택선을 통하여 전기적으로 연결되고, 기준전기신호를 출력하는 복수의 기준 셀을 매트릭스 형태로 배열한 기준감지부;
상기 감지부 및 기준감지부의 행 방향으로 배열된 일군의 상기 선세 셀 및 기준 셀에 연결된 상기 행 선택선에 미리 설정된 소정의 제1 전압신호를 제공하여 상기 센서 셀 및 기준 셀을 선택하는 행디코더부;
상기 감지부 및 기준감지부의 열 방향으로 배열된 일군의 상기 센서 셀 및 기준 셀에 연결된 상기 열 선택선에 미리 설정된 소정의 제2 전압신호를 제공하여 상기 센서 셀 및 기준 셀을 선택하는 열디코더부; 및
선택된 상기 센서 셀의 상기 전기신호와 선택된 상기 기준 셀의 상기 기준전기신호를 비교하고, 상기 비교한 결과에 기초하여 상기 타겟물질을 종류 또는 수를 검지하는 검출부를 포함하는 바이오 센서.A sensing unit for arranging a plurality of sensor cells that output a reaction between the target material and the probe material as an electric signal in a matrix form;
A reference sensing unit electrically connected to the sensing unit through a plurality of row selection lines and arranged in a matrix form a plurality of reference cells for outputting a reference electrical signal;
A row decoder unit for selecting the sensor cell and the reference cell by providing a predetermined first voltage signal to the row selection line connected to the group of predecessor cells and the reference cell arranged in the row direction of the sensing unit and the reference sensing unit ;
A column decoder configured to select the sensor cell and the reference cell by providing a predetermined second voltage signal to the column selection line connected to the group of sensor cells and the reference cell arranged in the column direction of the sensing unit and the reference sensing unit; ; And
And a detector configured to compare the electrical signal of the selected sensor cell with the reference electrical signal of the selected reference cell, and detect a type or number of the target material based on the comparison result. 제1항에 있어서,
상기 감지부는,
복수의 블록으로 구분되고, 각각의 상기 블록은 서로 다른 프로브물질이 고정되는 것을 특징으로 하는 바이오 센서.The method of claim 1,
The sensing unit includes:
The biosensor is divided into a plurality of blocks, each block is fixed to different probe materials. 제1항에 있어서,
상기 센서 셀은,
기판 상에 형성된 게이트 전극;
상기 게이트 전극 상에 형성된 게이트 절연막;
상기 게이트 절연막 상에 형성된 소스 및 드레인 전극;
상기 소스 및 드레인 전극 사이에 형성된 채널; 및
상기 채널 상에 고정되고 상기 타겟물질과 선택적으로 반응하는 상기 프로브물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 센서.The method of claim 1,
The sensor cell,
A gate electrode formed on the substrate;
A gate insulating film formed on the gate electrode;
Source and drain electrodes formed on the gate insulating layer;
A channel formed between the source and drain electrodes; And
And a probe material fixed on the channel and selectively reacting with the target material. 제3항에 있어서,
상기 채널은,
전기 전도성을 갖고, 나노구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 바이오 센서.The method of claim 3,
The channel may comprise:
A biosensor having electrical conductivity and formed into a nanostructure. 제4항에 있어서,
상기 채널은,
탄소원자를 포함하는 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 바이오 센서.5. The method of claim 4,
The channel may comprise:
Biosensor, characterized in that formed of a material containing carbon atoms. 제1항에 있어서,
상기 타겟물질은,
세포, 세포분비인자, 단백질, 항원 및 DNA 중 어느 하나이고,
상기 프로브물질은,
상기 타겟물질과 선택적으로 결합하는 물질인 것을 특징으로 하는 바이오 센서.The method of claim 1,
The target material,
Any one of cells, cell secretion factors, proteins, antigens and DNA,
The probe material,
Biosensor characterized in that the material selectively binds to the target material. 제6항에 있어서,
상기 세포는,
줄기세포, 혈액세포 및 암세포 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 바이오 센서.The method according to claim 6,
Preferably,
Biosensor, characterized in that any one of stem cells, blood cells and cancer cells. 제1항에 있어서,
상기 기준 셀은,
기판상에 형성된 게이트 전극;
상기 게이트 전극 상에 형성된 게이트 절연막;
상기 게이트 절연막 상에 형성된 소스 및 드레인 전극; 및
상기 소스 및 드레인 전극 사이에 형성된 채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 센서.The method of claim 1,
The reference cell,
A gate electrode formed on the substrate;
A gate insulating film formed on the gate electrode;
Source and drain electrodes formed on the gate insulating layer; And
And a channel formed between the source and drain electrodes. 제8항에 있어서,
상기 채널은,
전기 전도성을 갖고, 나노구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 바이오 센서.9. The method of claim 8,
The channel may comprise:
A biosensor having electrical conductivity and formed into a nanostructure. 제9항에 있어서,
상기 채널은,
탄소원자를 포함하는 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 바이오 센서.10. The method of claim 9,
The channel may comprise:
Biosensor, characterized in that formed of a material containing carbon atoms.
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