KR100927617B1

KR100927617B1 - Method of manufacturing a sensing part of a biosensor having nano size of pyrolysis carbon component

Info

Publication number: KR100927617B1
Application number: KR1020070121048A
Authority: KR
Inventors: 이승섭; 이정아; 이광철; 박세일
Original assignee: 한국표준과학연구원; 한국과학기술원
Priority date: 2007-11-26
Filing date: 2007-11-26
Publication date: 2009-11-23
Also published as: WO2009069846A1; KR20090054268A

Abstract

본 발명은 생체 분자를 검출하는 바이오 센서의 감지부를 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 열분해 탄소 성분의 소정 나노 크기의 패턴을 가지는 감지부를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a sensing unit of a biosensor for detecting biomolecules, and more particularly, to a method of manufacturing a sensing unit having a predetermined nano size pattern of pyrolytic carbon components.

본 발명에 따른 감지부의 제작 방법은 사진식각 공정을 통해 나노 크기의 감지부 패턴을 형성하고 형성한 감지부 패턴을 열분해하여 탄소 성분의 감지부를 제조함으로써, 나노 크기의 임의 패턴을 가지는 감지부를 저렴한 비용과 간단한 공정으로 제작할 수 있다. In the manufacturing method of the sensing unit according to the present invention, a nano-sized sensing unit pattern is formed through a photolithography process and pyrolysis of the sensing unit pattern is performed to produce a sensing unit of carbon component, thereby reducing the sensing unit having a random pattern having a nano size. Can be produced by a simple process.

Description

Method for manufacturing a sensing unit of a biosensor having a nano-sized pyrolysis carbon component {Method for manufacturing sensing unit made from nano-sized resist-derived carbon}

미세 장치의 집적화를 위해 사용되는 방법으로 마이크로머시닝(micro machining)을 이용한 반도체 가공기술이 있다. MEMS로 불리는 마이크로머시닝을 이용한 반도체 가공기술은 기존의 플래너(planar) 기술로 대변되던 2차원의 실리콘 공정기술을 3차원의 입체 구조물 가공 기술로 발전시키고 있다. As a method used for the integration of micro devices, there is a semiconductor processing technology using micro machining. Semiconductor processing technology using micromachining called MEMS is developing two-dimensional silicon process technology, which was represented by planar technology, to three-dimensional three-dimensional structure processing technology.

MEMS(Micro Electro Mechanical System)란, 반도체 공정, 특히 집적회로 기술을 응용한 마이크로머시닝 기술을 이용하여 ㎛ 단위의 초소형 센서나 액추에이터 및 전기 기계적 구조물을 제작하는 기술이다. 마이크로머시닝 기술에 의하여 제작된 미세 기계는 수㎛ 이하의 크기 및 수㎛ 이하의 정밀도를 구현할 수 있다. 마이크로머시닝 기술의 장점은 초정밀 미세 가공을 통하여 소형화, 고성능화, 다기능 화, 집적화가 가능하며 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다는 것이다. 아울러, 일체화된 집적 시스템을 구현할 수 있어 제작된 초소형 구조물을 별도로 조립할 필요가 없으며 일괄공정으로 값싸게 미세 구조물을 양산할 수 있다.MEMS (Micro Electro Mechanical System) is a technology for manufacturing micro sensors, actuators and electromechanical structures in micrometer units using a micromachining technology using a semiconductor process, particularly integrated circuit technology. Micromachines manufactured by micromachining techniques can realize sizes of several micrometers or less and precision of several micrometers or less. The advantages of micromachining technology are miniaturization, high performance, multifunctionality, and integration through ultra-precision micromachining, and stability and reliability can be improved. In addition, since the integrated integrated system can be implemented, it is not necessary to separately assemble the manufactured micro structure, and the mass structure can be mass-produced cheaply in a batch process.

MEMS 분야 중 생명공학과 관련한 분야를 바이오-멤스(Bio-MEMS)라 한다. 바이오-멤스는 Biotechnology와 MEMS의 합성어로서 체내 혹은 체외에서 생체 분자를 분석할 수 있는 초소형 소자를 의미한다. 바이오-멤스의 응용 제품 중 대표적인 것으로 바이오 센서가 있다. 바이오 센서는 생체 분자를 감지하는 감지부와 감지한 생체 분자에 따라 전기, 화학적인 신호를 생성하는 신호 생성부를 구비하고 있는 초소형 센서를 의미한다.The biotechnology-related field of MEMS is called Bio-MEMS. Bio-MEMs is a compound word of Biotechnology and MEMS, which means a micro device capable of analyzing biomolecules in or outside the body. One of the applications of bio-mess is a biosensor. The biosensor refers to a micro sensor having a sensing unit for detecting biomolecules and a signal generating unit for generating electrical and chemical signals according to the detected biomolecules.

바이오 센서는 1) 캔틸레버에 압저항, 압전물질 또는 전계효과 트랜지스터를 형성하고 생체 분자와의 반응시 변화하는 공진 주파수 또는 변위를 측정하여 생체 분자를 판단하는 기계적인 방식의 바이오 센서와 2) 반도체 나노선, 탄소나노튜브, 전도성 고분자로 제조된 감지부가 생체 분자와 결합 반응시 감지부의 전기적 저항 변화를 측정하여 생체 분자를 판단하는 전기적인 방식의 바이오 센서로 구분할 수 있다. The biosensor is 1) a mechanical biosensor for determining biomolecules by forming piezoresistive, piezoelectric material or field effect transistors on the cantilever and measuring the resonant frequency or displacement that changes when reacting with the biomolecules; The sensing unit made of a route, carbon nanotube, and conductive polymer can be classified into an electrical biosensor that determines the biomolecule by measuring a change in electrical resistance of the sensing unit when the reaction reaction is performed with the biomolecule.

전기적인 방식의 바이오 센서는 탄소나노튜브, 반도체 나노선 등과 같은 나노 크기의 감지부를 이용하여 정확하게 생체 분자를 판단할 수 있다는 장점을 가진다. 그러나, 나노 크기의 임의 패턴을 가지는 감지부를 제조하기 위해서는 나노 재료의 이성질성(chirality)의 조절, 나노 재료의 조립 과정에서 발생하는 나노 재료의 특성 변화로 인해 나노 크기의 임의 패턴을 가지는 감지부를 자유롭게 제조하기 곤란하다. 또한 반도체 공정을 이용하여 나노 크기의 감지부를 제조하기 위해서는 식각, 증착의 부가 공정이 필요하며, 이로 인해 나노 크기의 감지부를 제조하는데 많은 비용이 소요된다. Electrical biosensors have the advantage of accurately determining biomolecules using nano-sized sensing units such as carbon nanotubes and semiconductor nanowires. However, in order to fabricate a sensing unit having a nano-sized random pattern, the sensing unit having a nano-sized random pattern can be freely controlled due to the control of the heterogeneity of the nano-material and the change of the properties of the nano-material generated during the assembly of the nano-material. Difficult to manufacture In addition, in order to manufacture a nano-sized sensing unit using a semiconductor process, an additional process of etching and deposition is required, and thus, a large cost is required to manufacture a nano-sized sensing unit.

본 발명이 이루고자 하는 목적은 나노 크기의 임의 패턴으로 바이오 센서의 감지부를 제조하는 새로운 방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a new method of manufacturing the sensing unit of a biosensor in a nanoscale arbitrary pattern.

본 발명이 이루고자 하는 다른 목적은 열분해 탄소 성분으로 바이오 센서의 감지부를 저렴하게 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for producing a sensing unit of a biosensor with a pyrolytic carbon component at low cost.

위에서 설명한 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서의 감지부를 제조하는 방법은, 생체 분자를 검출하는 바이오 센서의 감지부를 제조하는 방법에 있어서, 도포된 감광재를 소정 나노 크기의 패턴으로 사진 식각하여 양 끝단의 폭보다 중앙의 폭이 좁은 감지부 패턴을 형성하는 단계; 및 형성한 감지부 패턴을 열분해하여 탄소 성분의 감지부를 제조하는 단계를 포함하고, 폭이 좁은 감지부 패턴의 중앙에 감지부의 저항 크기의 변화를 측정하여 생체 분자를 검출할 수 있도록 생체 분자가 결합되는 간극을 형성하는 것을 특징으로 한다. In order to achieve the object of the present invention described above, the method of manufacturing a sensing unit of the biosensor according to an embodiment of the present invention, in the method of manufacturing a sensing unit of the biosensor for detecting the biomolecule, the coated photosensitive material Photo-etching a predetermined nano-sized pattern to form a sensing unit pattern having a central width narrower than the width of both ends; And pyrolyzing the formed detector pattern to produce a carbon component detector, wherein the biomolecules are coupled to measure a change in the resistance of the detector at the center of the narrow detector pattern to detect the biomolecule. It is characterized by forming a gap.

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본 발명에 따른 감지부의 제작 방법은 사진식각 공정을 통해 나노 크기의 감지부 패턴을 형성하고 형성한 감지부 패턴을 열분해하여 전도성 탄소 성분의 감지부를 제작함으로써, 나노 크기의 임의 패턴을 가지는 감지부를 저렴한 비용과 간단한 공정으로 제작할 수 있다. In the manufacturing method of the sensing unit according to the present invention, a nano-sized sensing unit pattern is formed through a photolithography process, and the sensing unit pattern is thermally decomposed to produce a sensing unit of a conductive carbon component. It can be manufactured at cost and simple process.

이하 첨부한 도 1 내지 도 7을 참고로 본 발명에 따른 바이오 센서의 감지부를 제조하는 방법을 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing the sensing unit of the biosensor according to the present invention will be described in more detail with reference to FIGS. 1 to 7.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서의 사시도를 도시하고 있다.1 illustrates a perspective view of a biosensor according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참고로 살펴보면, 기판(1)의 상면에 하부 절연층(2)이 형성되어 있으며 하부 절연층(2) 상면에 전극(3)이 형성되어 있다. 기판(1)은 실리콘 기판, 석영 기판, 세라믹 기판이 사용될 수 있으며, 하부 절연층(2)은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막이 사용될 수 있다. 하부 절연층(2)의 상면에는 열분해 탄소 성분의 감지부(8)가 형성되어 있다.Referring to FIG. 1, the lower insulating layer 2 is formed on the upper surface of the substrate 1, and the electrode 3 is formed on the upper surface of the lower insulating layer 2. The substrate 1 may be a silicon substrate, a quartz substrate, or a ceramic substrate, and the lower insulating layer 2 may be a silicon oxide film or a silicon nitride film. On the upper surface of the lower insulating layer 2, a detector 8 of pyrolytic carbon component is formed.

감지부(8)가 형성되어 있는 하부 절연층(2)의 상면에 상부 절연층(10)이 형성되어 있다. 상부 절연층(10)은 PMMA, SOG(spin-on-glass), 폴리이미드 중 어느 하나의 재료를 하부 절연층(2)의 상면에 액상 또는 기상 도포하여 형성된다. 형성된 상부 절연층(10)에는 검출하고자 하는 생체 분자와 감지부(8)를 노출시키기 위해 상부 절연층(10)의 일부를 관통하는 노출창(11)이 구비되어 있다. 실험 용액이 바이오 센서의 상면을 통과시 노출창(11)을 통해 실험 용액과 감지부(8)가 서로 접촉되며, 실험 용액에 포함되어 있는 생체 분자는 감지부(8)에 부착된다. 생체 분자가 감지부(8)에 부착되는 경우, 감지부(8)에 부착된 생체 분자의 종류와 양에 따라 감지부(8)의 전기 저항이 달라진다. 전극(3)을 통해 감지부(8)에 전원을 인가하고 인가한 전원에 따른 감지부(8)의 저항 크기를 측정함으로써, 감지부(8)에 부착된 생체 분자를 검출할 수 있다.The upper insulating layer 10 is formed on the upper surface of the lower insulating layer 2 on which the sensing unit 8 is formed. The upper insulating layer 10 is formed by applying a liquid of any one of PMMA, spin-on-glass (SOG), polyimide to the upper surface of the lower insulating layer (2) or vapor phase. The formed upper insulating layer 10 is provided with an exposure window 11 penetrating a portion of the upper insulating layer 10 to expose the biomolecule to be detected and the sensing unit 8. When the test solution passes through the upper surface of the biosensor, the test solution and the sensing unit 8 are in contact with each other through the exposure window 11, and the biomolecules included in the test solution are attached to the sensing unit 8. When the biomolecule is attached to the sensing unit 8, the electrical resistance of the sensing unit 8 varies according to the type and amount of the biomolecule attached to the sensing unit 8. By applying power to the sensing unit 8 through the electrode 3 and measuring the resistance of the sensing unit 8 according to the applied power, biological molecules attached to the sensing unit 8 may be detected.

도 2는 사진식각 방식을 이용하여 본 발명의 일 실시예에 따른 감지부 패턴을 형성하는 과정을 설명하고 있다.2 illustrates a process of forming a detector pattern according to an embodiment of the present invention using a photolithography method.

도 2를 참고로 살펴보면, 전극(3)과 정렬 표시(4)가 형성되어 있는 하부 절연층(2) 상면에 고분자 성분의 감광재 층(5)를 도포하고 감광재 층(5) 상면에 감지부 패턴으로 관통되어 있는 폴리머 마스크(6)를 부착한다. 정렬 표시(4)는 폴리머 마스크(6)에 관통되어 있는 감지부 패턴을 하부 절연층(2)의 소정 위치에 정렬시키기 위해 사용된다. Referring to FIG. 2, the photosensitive material layer 5 of the polymer component is coated on the upper surface of the lower insulating layer 2 on which the electrode 3 and the alignment mark 4 are formed, and the upper surface of the photosensitive material layer 5 is sensed. The polymer mask 6 penetrated in the subpattern is attached. The alignment mark 4 is used to align the sensing part pattern penetrating the polymer mask 6 at a predetermined position of the lower insulating layer 2.

감지부 패턴이 관통되어 있는 폴리머 마스크(6)를 이용하여 감광재 층(5)을 사진식각한다. 먼저, 전자빔(B)을 폴리머 마스크(6)의 위에서 감광재 층(5)으로 조사하는 경우, 관통되어 있는 폴리머 마스크(6)의 감지부 패턴만을 통해 전자빔이 감광재 층(5)으로 조사된다. 바람직하게, 감광재 층(5)은 고분자 폴리머가 사용될 수 있다. 전자빔이 감지부 패턴을 통해 감광재 층(5)으로 조사된 후, 폴리머 마스크(6)를 감광재 층(5)에서 분리하고 감광재 층(5)을 현상액으로 현상한다. 감광재 층(5)을 현상액으로 현상하는 경우, 전자빔이 조사된 부분의 감광재 층만 남고 전자빔이 조사되지 않은 부분의 감광재 층은 모두 현상액에 녹아 없어진다. 따라서 하부 절연층(2)의 상면에는 감광재 성분의 감지부 패턴만이 남게 된다. The photosensitive material layer 5 is etched using the polymer mask 6 through which the sensing part pattern is penetrated. First, when the electron beam B is irradiated onto the photosensitive material layer 5 on the polymer mask 6, the electron beam is irradiated onto the photosensitive material layer 5 only through the sensing part pattern of the polymer mask 6 that is penetrated. . Preferably, the photosensitive material layer 5 may be a high molecular polymer. After the electron beam is irradiated to the photosensitive material layer 5 through the sensing part pattern, the polymer mask 6 is separated from the photosensitive material layer 5 and the photosensitive material layer 5 is developed with a developer. When developing the photosensitive material layer 5 with a developing solution, only the photosensitive material layer of the part to which the electron beam was irradiated remains, and all the photosensitive material layers of the part to which the electron beam was not irradiated melt | dissolve in a developing solution. Therefore, only the sensing part pattern of the photosensitive material component remains on the upper surface of the lower insulating layer 2.

도 3은 감지부 패턴을 열분해하여 본 발명의 일 실시예에 따른 감지부를 형성하는 과정을 설명하고 있다.3 illustrates a process of forming a sensing unit according to an embodiment of the present invention by pyrolysing the sensing unit pattern.

도 3을 참고로 살펴보면, 감지부 패턴(7)에 열(H)을 가해 감광재 성분의 감지부 패턴(7)을 열분해한다. 고분자 폴리머 성분의 감지부 패턴(7)에 고온의 열을 가하면, 감지부 패턴(7)을 구성하는 질소, 산소 등은 방출되고 비정질상 구조의 탄소 성분만이 남게 된다. 열분해시 감지부 패턴(7)에 가해지는 온도, 가열 시간, 감지부 패턴(7)의 화학 성분, 감지부 패턴(7)에 첨가되는 첨가물의 종류에 따라, 열분해된 감지부 패턴(7)은 서로 다른 전기 전도도와 잔류 응력을 가진다. 바람직하게, 감지부 패턴(7)은 오븐에서 0.5 내지 2시간 동안 500℃ 내지 700℃ 온도의 열을 가하여 열분해한다.Referring to FIG. 3, heat (H) is applied to the sensing unit pattern 7 to thermally decompose the sensing unit pattern 7 of the photosensitive material component. When high temperature heat is applied to the sensing unit pattern 7 of the polymer component, nitrogen, oxygen, etc. constituting the sensing unit pattern 7 are released and only the carbon component of the amorphous structure remains. Depending on the temperature applied to the detector pattern 7 during the thermal decomposition, the heating time, the chemical composition of the detector pattern 7, and the kind of additives added to the detector pattern 7, the pyrolyzed detector pattern 7 Have different electrical conductivity and residual stress. Preferably, the sensing unit pattern 7 is pyrolyzed by applying heat at a temperature of 500 ° C to 700 ° C for 0.5 to 2 hours in an oven.

도 4과 도 5는 본 발명에 따른 감지부 패턴의 예를 도시하고 있다.4 and 5 illustrate examples of the sensing unit pattern according to the present invention.

도 4에 도시되어 있는 본 발명에 따른 감지부 패턴의 일 예에서 감지부의 양 끝단의 폭은 중앙의 폭보다 더 좁다. 도 5에 도시되어 있는 본 발명에 따른 감지부 패턴의 다른 예에서 감지부의 양 끝단의 폭은 중앙으로 갈수록 더 좁아진다. 감지부의 양 끝단의 폭보다 생체 분자가 많이 부착되는 중앙의 폭을 더 좁게함으로써, 생체 분자를 민감하고 빠른 반응시간 내에 검출할 수 있다.In an example of the sensing unit pattern shown in FIG. 4, the widths of both ends of the sensing unit are narrower than the width of the center. In another example of the sensing unit pattern illustrated in FIG. 5, the widths of both ends of the sensing unit become narrower toward the center. By narrowing the center width at which the biomolecules are more attached than the widths of both ends of the sensing unit, the biomolecules can be detected within a sensitive and fast response time.

도 6은 본 발명에 따른 감지부 패턴의 또 다른 예를 도시하고 있다.6 shows another example of a sensing unit pattern according to the present invention.

도 6에 도시되어 있는 본 발명에 따른 감지부 패턴의 또 다른 예에서 감지부는 서로 다른 길이와 폭을 가지는 다수의 바(bar)를 서로 병렬로 배치한 패턴으로 제작될 수 있다. 감지부를 구성하는 다수의 바의 길이와 폭을 조절함으로써 감지부의 감도를 검출하고자 하는 생체 분자의 종류에 따라 다르게 제어할 수 있으며 저농도의 생체 분자와 고농도의 생체 분자를 동시에 검출할 수 있다.In another example of the sensing unit pattern illustrated in FIG. 6, the sensing unit may be manufactured in a pattern in which a plurality of bars having different lengths and widths are arranged in parallel with each other. By adjusting the length and width of the plurality of bars constituting the sensing unit, the sensitivity of the sensing unit can be controlled differently according to the type of biomolecule to be detected and low biomolecules of high concentration and high biomolecules can be detected simultaneously.

도 7은 본 발명에 따른 감지부 패턴의 또 다른 예를 도시하고 있다.7 shows another example of the sensing unit pattern according to the present invention.

도 7에 도시되어 있는 본 발명에 따른 감지부 패턴의 또 다른 예에서 폭이 좁은 감지부 패턴의 중앙에는 소정 간격으로 간극이 형성되어 있다. 검출하고자 하는 생체 분자가 감지부의 간극에 결합하는 경우, 감지부의 저항 크기의 변화를 측정하여 생체 분자를 검출할 수 있다.In another example of the sensing unit pattern according to the present invention illustrated in FIG. 7, a gap is formed at a predetermined interval in the center of the narrow sensing unit pattern. When the biomolecule to be detected is bound to the gap of the detector, the biomolecule may be detected by measuring a change in the resistance of the detector.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, this is merely exemplary, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent other embodiments are possible. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 바이오 센서의 사시도를 도시하고 있다.1 illustrates a perspective view of a biosensor in accordance with one embodiment of the present invention.

도 2는 리소그래피 방식을 이용하여 본 발명의 일 실시예에 따른 감지부의 패턴을 형성하는 과정을 설명하고 있다.2 illustrates a process of forming a pattern of a sensing unit according to an embodiment of the present invention by using a lithography method.

도 3은 소정 패턴의 감광재를 열분해하여 본 발명의 일 실시예에 따른 감지부를 형성하는 과정을 설명하고 있다.3 illustrates a process of forming a sensing unit according to an embodiment of the present invention by thermally decomposing a photosensitive material having a predetermined pattern.

도 4는 본 발명에 따른 감지부의 일 예를 도시하고 있다.4 shows an example of a sensing unit according to the present invention.

도 5는 본 발명에 따른 감지부의 다른 예를 도시하고 있다.5 shows another example of the sensing unit according to the present invention.

도 6은 본 발명에 따른 감지부의 또 다른 예를 도시하고 있다.6 shows another example of the sensing unit according to the present invention.

도 7은 본 발명에 따른 감지부의 또 다른 예를 도시하고 있다.7 shows another example of the sensing unit according to the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 설명>Description of the main parts of the drawing

1: 기판 2: 하부 절연층1: substrate 2: lower insulating layer

3: 전극 4: 정렬 표시3: electrode 4: alignment indicator

5: 감광재 층 6: 폴리머 마스크5: photosensitive material layer 6: polymer mask

7: 감지부 패턴 8: 감지부7: Detector Pattern 8: Detector

10: 상부 절연층 11: 노출창 10: upper insulating layer 11: exposed window

Claims

In the method for manufacturing a detection unit of a biosensor for detecting a biomolecule,

Photo-etching the applied photosensitive material into a pattern having a predetermined nano size to form a sensing unit pattern having a width smaller at a center than a width at both ends; And

Pyrolyzing the formed sensing unit pattern to manufacture a sensing unit of a carbon component,

And a gap in which the biomolecules are combined to measure the change in the resistance of the sensing unit in the center of the narrow sensing unit pattern to detect the biomolecules.

The method of claim 1, wherein the detector pattern

Method for producing a detection unit, characterized in that pyrolysis by applying heat of 500 ℃ to 700 ℃ temperature for 0.5 to 2 hours.

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The pattern of claim 1, wherein the pattern of the detector is

Method for producing a sensing unit, characterized in that a plurality of bars arranged in parallel with each other.

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