WO2017116012A1 - 바이오 감지 장치 - Google Patents

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bio
sensing
sensing device
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안세영
권현화
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NDD Inc
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    • G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/53—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/543—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
    • G01N33/54366—Apparatus specially adapted for solid-phase testing
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    • H10D64/517—Gate electrodes for field-effect devices for FETs for IGFETs characterised by the conducting layers
    • H10D64/519—Gate electrodes for field-effect devices for FETs for IGFETs characterised by the conducting layers characterised by their top-view geometrical layouts

Definitions

  • the present invention relates to a biosensor, and more particularly, to a biosensor having an electrode structure.
  • the test method used for diagnosis of disease is mainly based on the color development, fluorescence, etc. by an enzyme reaction, but recently, a method using an immunoassay using an immune response between an antigen and an antibody is also used.
  • the optical measuring method that combines the optical label with the catalytic reaction of the enzyme is most used.
  • the present invention is to solve the various problems including the above problems, it is an object of the present invention to reduce the analysis time and to provide a relatively low cost bio-sensing device.
  • these problems are exemplary, and the scope of the present invention is not limited thereby.
  • the bio-sensing device includes a source electrode and a drain electrode spaced apart from each other; A sensing film which is a channel between the source electrode and the drain electrode; A gate electrode spaced apart from the sensing film; The unit cells having a structure is arranged in an array.
  • the gate electrode includes an upper gate electrode and a lower gate electrode spaced apart from each other vertically.
  • the upper gate electrode and the lower gate electrode may be arranged to extend in a direction crossing each other without extending side by side.
  • the gate voltage at which the channel operation can be implemented is applied to the upper gate electrode, and the channel operation is implemented at the lower gate electrode. Only the remaining part of the gate voltage may be applied.
  • the bio-sensing device in order to prevent crosstalk between the arrayed unit cells, only half of the gate voltage at which the channel operation can be implemented is applied to the upper gate electrode, and the lower gate electrode is implemented at the channel operation. Only the other half of the gate voltage can be applied.
  • the material of the sensing film may include carbon nanotubes, graphene, molybdenum disulfide, or phosphorine.
  • a portion of the source electrode or the drain electrode bonded to the carbon nanotube, graphene, molybdenum disulfide, or phosphorine may have a comb shape.
  • the unit cell may further include a receptor attached to the sensing layer and capable of binding to a target material.
  • the sensing layer may be made of a material whose resistance may vary depending on the receptor and the target material coupled thereto.
  • the receptor is attached on the sensing membrane by a functional group, and may be any one or more selected from the group consisting of enzyme substrate, ligand, amino acid, peptide, aptamer, protein, nucleic acid, lipid and carbohydrate. have.
  • the functional group may be at least one selected from the group consisting of an amine group, a carboxyl group and a thiol group.
  • the target material is at least one selected from the group consisting of proteins, peptides, aptamers, nucleic acids, oligosaccharides, amino acids, carbohydrates, dissolved gases, sulfur oxide gases, nitric oxide gases, residual pesticides, heavy metals and environmentally harmful substances. It can be either.
  • the bio-sensing device includes an upper substrate on which a sensing film and an upper gate electrode are formed; And a lower substrate on which a lower gate electrode is formed, wherein the upper substrate and the lower substrate may be stacked up and down.
  • FIG. 1 is a view schematically illustrating a biosensor according to an embodiment of the present invention and a unit cell configuring the same.
  • FIG. 2 is a view schematically illustrating a cross section of a unit cell constituting a biosensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a circuit diagram schematically illustrating a circuit structure of a unit cell constituting a biosensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4A schematically illustrates a portion of an upper layer of a biosensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4B schematically illustrates a portion of a lower layer of a biosensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of manufacturing a unit cell constituting a biosensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a shape of a source electrode in a unit cell constituting a biosensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a view schematically illustrating a biosensor according to an embodiment of the present invention and a unit cell constituting the same
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a unit cell constituting a biosensor according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a schematic diagram
  • FIG. 3 is a circuit diagram schematically illustrating a circuit structure of a unit cell constituting a biosensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • a biosensor includes an array of unit cells 10.
  • the unit cell 10 may include a source electrode 140 and a drain electrode 150 spaced apart from each other; A sensing film 190 which is a channel between the source electrode and the drain electrode; And gate electrodes 110 and 160 spaced apart from the sensing film. It is provided.
  • the unit cell 10 may include a receptor 195 attached to the sensing layer 190 and capable of binding to a target material; It may be further provided.
  • the receptor 195 may be attached on the sensing film 190 by a functional group.
  • the receptor 195 may be, for example, any one or more selected from the group consisting of enzyme substrates, ligands, amino acids, peptides, aptamers, proteins, nucleic acids, lipids, and carbohydrates.
  • the functional group may be, for example, at least one selected from the group consisting of an amine group, a carboxyl group and a thiol group.
  • the target material is selected from the group consisting of, for example, proteins, aptamers, peptides, nucleic acids, oligosaccharides, amino acids, carbohydrates, dissolved gases, sulfur oxide gases, nitrogen oxide gases, residual pesticides, heavy metals and environmentally harmful substances. It may be at least one.
  • the sensing layer 190 may be made of a material whose resistance may vary depending on the receptor 195 and a target material coupled thereto.
  • the material of the sensing layer 190 may include, for example, carbon nanotubes (CNT), graphene, graphene, molybdenum disulfide (MoS 2 ), or phosphorine.
  • the sensing film 190 may be made of a material that can change the resistance by directly reacting with the target material described above without the receptor 195.
  • the gate electrodes 110 and 160 are formed of the upper gate electrode 160 and the lower gate electrode 110 which are spaced apart from each other vertically.
  • the upper gate electrode 160 positioned above and the lower gate electrode 110 positioned below may extend in a direction crossing each other without extending side by side.
  • the upper gate electrode 160 and the lower gate electrode 110 may be disposed to extend in a direction perpendicular to each other.
  • the unit cell 10 constituting the biosensor according to an embodiment of the present invention may further include insulating members 130 and 170 interposed between the sensing film 190 and the gate electrodes 110 and 160.
  • insulating members 130 and 170 interposed between the sensing film 190 and the gate electrodes 110 and 160.
  • an insulating member 170 may be interposed between the sensing layer 190 and the upper gate electrode 160, and an insulating member 130 is interposed between the sensing layer 190 and the lower gate electrode 110.
  • the insulating member 170 may have, for example, an insulating film
  • the insulating member 130 may have, for example, an insulating film or an insulating substrate.
  • the bio-sensing device may be used as a test device for diagnosing a disease, and may be used as a detection device using an immune response between an antigen and an antibody according to the type of the detection membrane and the receptor. .
  • the electrical measurement results are utilized, complicated procedures are not required in the analysis process, and an apparatus for analysis is relatively inexpensive and analysis time is not long.
  • the number of unit cells 10 per substrate 100 and 130 is illustrated as a total of 8 ⁇ 12 96 but is not limited thereto. If the size of the unit cell 10 is further reduced to nano size, the number of unit cells 10 can be increased to 4 times, 16 times, 64 times, 256 times, 1024 times, 4096 times, 16384 times, etc. of 8x12. . As such, by increasing the number of unit cells per substrate, according to the biosensor of the present invention, various diseases can be diagnosed, and test costs due to shortening of test time can be drastically reduced.
  • FIG. 4A schematically illustrates a portion of an upper layer of a biosensor according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4B schematically illustrates a portion of a lower layer of a biosensor according to an embodiment of the present invention. It is a figure.
  • the upper gate electrodes 160 extending in the first direction are spaced apart from each other and arranged side by side, and the lower gate electrodes 110 extending in the second direction crossing the first direction. Are spaced apart from each other.
  • the unit cell 10 described above is formed in each region where the upper gate electrodes 160 extending in the first direction and the lower gate electrodes 110 extending in the second direction cross each other.
  • drain wiring lines 155 electrically connected to the drain electrode 150 are spaced apart from each other while extending in parallel in the first direction in the upper layer where the upper gate electrodes 160 are disposed.
  • the source wiring lines 145 electrically connected to the source electrodes 140 are disposed to be spaced apart from each other while extending side by side in the second direction.
  • the upper gate electrodes 160 or the lower gate electrodes 110 may be commonly connected to each other, and the drain wiring lines 155 or the source wiring lines 145 may be commonly connected to each other.
  • the lower gate electrodes 110 disposed on the lower layer may be commonly connected through the common terminal 119, and the source wiring lines 145 may be commonly connected through the common terminal 149.
  • the unit cells 10 are arranged in an array, in order to prevent cross talk between the arrayed unit cells 10.
  • the upper gate electrode 160 disposed at the upper portion of the gate voltage V G may implement only a portion of the gate voltage V G1
  • the upper gate electrode 160 disposed above the gate voltage V G may be implemented. Only half (1/2 ⁇ V G ) is applied, and the lower gate electrode 110 disposed below the other half (1/2 ⁇ V G ) of the gate voltage V G in which the gate channel operation can be implemented. Only can be applied.
  • the gate channel operation is implemented only in a series of unit cells corresponding to the upper gate electrode 160b, and the gate channel operation is performed in adjacent unit cells corresponding to the upper gate electrodes 160a and 160c. Not implemented
  • the unit cell constituting the biosensor employs a single gate structure without employing a double gate structure in which the unit cells constituting the biosensor are spaced up and down, a relatively high voltage may affect adjacent unit cells. Inadvertently, crosstalk may occur, in which a gate channel operation is implemented in an adjacent cell.
  • the gate electrodes constituting the unit cell are spaced apart from each other vertically and doubled, but crosstalk may be prevented by applying divided gate voltages.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of manufacturing a unit cell constituting a biosensor according to an embodiment of the present invention.
  • a lower structure in which the above-described source wiring lines 145 and the lower gate electrode 110 are formed on the lower substrate 100 is prepared.
  • the step of laminating and bonding the upper structure on the lower structure may be performed.
  • the lower substrate 100 of the lower structure may also serve as a support of the biosensor.
  • the upper substrate 130 may also insulate the sensing layer 190 and the lower gate electrode 110, and a connection pattern 142 for electrically connecting the source electrode 140 and the source wiring line 145. ) May be provided with a through hole 135 to pass.
  • the upper substrate 130 may be a PCB substrate having a thickness of about 0.1 mm
  • the lower substrate 100 may be a PCB substrate having a thickness of about 1 mm.
  • the biosensor according to an embodiment of the present invention can easily implement a complex double gate electrode configuration at a relatively low cost by employing the above-described dual substrate structure.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a shape of a source electrode in a unit cell constituting a biosensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • an area 140b of the source electrode 140 contacting the sensing layer 190 such as carbon nanotubes, graphene, molybdenum disulfide, or phosphorine may have a comb-shaped comb shape. According to this configuration, it is possible to improve the bonding force or the interconnectivity of the sensing film 190 and the source electrode 140. Similarly, the region in contact with the sensing film such as carbon nanotube or graphene in the drain electrode may have a comb-shaped comb shape to improve the bonding force or interconnection of the drain electrode and the sensing film.

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Abstract

본 발명은 서로 이격되어 배치된 소스 전극 및 드레인 전극; 소스 전극 및 드레인 전극 사이의 채널인 감지막; 및 감지막과 이격되어 배치된 게이트 전극; 을 구비하는 단위셀이 어레이 배열되되, 상기 게이트 전극은 서로 상하로 이격되어 배치된 상부 게이트 전극 및 하부 게이트 전극으로 이루어진, 바이오 감지 장치를 제공한다.

Description

바이오 감지 장치
본 발명은 바이오 감지 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전극 구조를 가지는 바이오 감지 장치에 관한 것이다.
질병 진단에 사용되는 검사 방법은 주로 효소 반응에 의한 발색, 형광 등에 기반을 두고 있으나, 최근 항원과 항체 사이의 면역 반응을 이용한 면역검사를 이용하는 방법도 사용되고 있다. 기존의 면역분석법은 효소의 촉매 반응에 광 표지를 결합한 광학적 측정 방법이 가장 많이 이용되었다. 이러한 방법들은 주로 실험실 위주의 숙련된 연구원에 의해 수행될 수 있는 복잡한 절차가 필요하고, 분석을 위한 장치가 고가의 대형 장치이며, 분석 시간이 오래 소요되는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 분석 시간을 단축시킬 수 있으며 비용이 상대적으로 낮은 바이오 감지 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따른 바이오 감지 장치가 제공된다. 상기 바이오 감지 장치는 서로 이격되어 배치된 소스 전극 및 드레인 전극; 소스 전극 및 드레인 전극 사이의 채널인 감지막; 및 감지막과 이격되어 배치된 게이트 전극; 을 구비하는 단위셀이 어레이 배열되어 구성된다. 나아가, 상기 게이트 전극은 서로 상하로 이격되어 배치된 상부 게이트 전극 및 하부 게이트 전극으로 이루어진다.
상기 바이오 감지 장치에서, 상기 상부 게이트 전극 및 하부 게이트 전극은 나란하게 신장하지 않고 서로 교차되는 방향으로 신장하도록 배치될 수 있다.
상기 바이오 감지 장치에서, 어레이 배열된 단위셀 상호간의 크로스톡을 방지하기 위하여, 상기 상부 게이트 전극은 채널 동작이 구현될 수 있는 게이트 전압의 일부만 인가되며, 상기 하부 게이트 전극은 채널 동작이 구현될 수 있는 상기 게이트 전압의 나머지 일부만 인가될 수 있다.
상기 바이오 감지 장치에서, 어레이 배열된 단위셀 상호간의 크로스톡을 방지하기 위하여, 상기 상부 게이트 전극은 채널 동작이 구현될 수 있는 게이트 전압의 절반만 인가되며, 상기 하부 게이트 전극은 채널 동작이 구현될 수 있는 상기 게이트 전압의 나머지 절반만 인가될 수 있다.
상기 바이오 감지 장치에서, 상기 감지막의 재질은 탄소나노튜브, 그래핀, 이황화 몰리브덴 또는 포스포린을 포함할 수 있다.
상기 바이오 감지 장치에서, 상기 탄소나노튜브, 그래핀, 이황화 몰리브덴 또는 포스포린과 접합되는 소스 전극 또는 드레인 전극의 일부는 콤(comb) 형상을 가질 수 있다.
상기 바이오 감지 장치에서, 상기 단위셀은, 감지막 상에 부착되되 표적 물질과 결합할 수 있는 리셉터;를 더 구비할 수 있다.
상기 바이오 감지 장치에서, 상기 감지막은 리셉터 및 이와 결합되는 표적 물질에 따라 저항이 가변될 수 있는 물질로 이루어질 수 있다.
상기 바이오 감지 장치에서, 상기 리셉터는 작용기에 의해 상기 감지막 상에 부착되어 있으며, 효소기질, 리간드, 아미노산, 펩티드, 압타머, 단백질, 핵산, 지질 및 탄수화물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 바이오 감지 장치에서, 상기 작용기는 아민기, 카르복실기 및 티올기로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다.
상기 바이오 감지 장치에서, 상기 표적 물질은 단백질, 펩티드, 압타머, 핵산, 올리고당, 아미노산, 탄수화물, 용해 가스, 산화황 가스, 산화질소 가스, 잔류 농약, 중금속 및 환경유해물질로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다.
상기 바이오 감지 장치는 감지막과 상부 게이트 전극이 형성된 상부 기판; 및 하부 게이트 전극이 형성된 하부 기판;을 더 포함하되, 상부 기판과 하부 기판은 상하로 적층 결합될 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 분석 시간을 단축시킬 수 있으며 비용이 상대적으로 낮은 바이오 감지 장치를 제공할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치와 이를 구성하는 단위셀을 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치를 구성하는 단위셀의 단면을 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치를 구성하는 단위셀의 회로 구조를 개략적으로 도해하는 회로도이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치의 상부 레이어의 일부를 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치의 하부 레이어의 일부를 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치를 구성하는 단위셀을 제조하는 일 예를 도해하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치를 구성하는 단위셀에서 소스 전극의 형상을 도해하는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 여러 실시예들을 예시적으로 설명하기로 한다. 명세서 전체에 걸쳐서, 막, 패턴, 영역 또는 기판과 같은 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "상에" 위치한다고 언급할 때는, 상기 하나의 구성요소가 직접적으로 상기 다른 구성요소 "상에" 접촉하거나, 그 사이에 개재되는 또 다른 구성요소들이 존재할 수 있다고 해석될 수 있다. 반면에, 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "직접적으로 상에" 위치한다고 언급할 때는, 그 사이에 개재되는 다른 구성요소들이 존재하지 않는다고 해석된다.
도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것일 수 있다. 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치와 이를 구성하는 단위셀을 개략적으로 도해하는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치를 구성하는 단위셀의 단면을 개략적으로 도해하는 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치를 구성하는 단위셀의 회로 구조를 개략적으로 도해하는 회로도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치는 어레이 배열된 단위셀(10)을 포함한다. 단위셀(10)은 서로 이격되어 배치된 소스 전극(140) 및 드레인 전극(150); 소스 전극 및 드레인 전극 사이의 채널인 감지막(190); 및 감지막과 이격되어 배치된 게이트 전극(110, 160); 을 구비한다.
단위셀(10)은 감지막(190) 상에 부착되되 표적 물질과 결합할 수 있는 리셉터(195); 를 더 구비할 수 있다. 리셉터(195)는 작용기에 의해 감지막(190) 상에 부착될 수 있다. 리셉터(195)는, 예를 들어, 효소기질, 리간드, 아미노산, 펩티드, 압타머, 단백질, 핵산, 지질 및 탄수화물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다. 한편, 상기 작용기는, 예를 들어, 아민기, 카르복실기 및 티올기로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다. 또한, 상기 표적 물질은, 예를 들어, 단백질, 압타머, 펩티드, 핵산, 올리고당, 아미노산, 탄수화물, 용해 가스, 산화황 가스, 산화질소 가스, 잔류 농약, 중금속 및 환경유해물질로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다.
감지막(190)은 리셉터(195) 및 이와 결합되는 표적 물질에 따라 저항이 가변될 수 있는 물질로 이루어질 수 있다. 감지막(190)의 재질은, 예를 들어, 탄소나노튜브(CNT), 그래핀(graphene), 이황화 몰리브덴(MoS2) 또는 포스포린(phosphorene)을 포함할 수 있다. 한편, 본 발명의 변형된 실시예에 의한 바이오 감지 장치에서, 감지막(190)은 리셉터(195)를 개재하지 않고 상술한 표적 물질과 직접 반응하여 저항이 가변될 수 있는 물질로 이루어질 수도 있다.
게이트 전극(110, 160)은 서로 상하로 이격되어 배치된 상부 게이트 전극(160) 및 하부 게이트 전극(110)으로 이루어진다. 상부에 위치하는 상부 게이트 전극(160)와 하부에 위치하는 하부 게이트 전극(110)은 나란하게 신장하지 않고 서로 교차되는 방향으로 신장하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 상부 게이트 전극(160) 및 하부 게이트 전극(110)은 서로 수직으로 교차되는 방향으로 신장하도록 배치될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치를 구성하는 단위셀(10)은 감지막(190)과 게이트 전극(110, 160) 사이에 개재된 절연부재(130, 170)를 더 구비할 수 있다. 예를 들어, 감지막(190)과 상부 게이트 전극(160) 사이에 절연부재(170)가 개재될 수 있으며, 감지막(190)과 하부 게이트 전극(110) 사이에 절연부재(130)가 개재될 수 있다. 절연부재(170)은, 예를 들어, 절연막의 형태를 가지며, 절연부재(130)는, 예를 들어, 절연막 또는 절연 기판의 형태를 가질 수 있다.
상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치는 질병 진단에 사용되는 검사 장치로 사용될 수 있으며, 감지막과 리셉터의 종류에 따라 항원과 항체 사이의 면역 반응을 이용한 감지 장치로 활용될 수 있다. 이 경우, 전기적 측정 결과를 활용하기 때문에 분석 과정에서 복잡한 절차가 필요하지 않고, 분석을 위한 장치가 상대적으로 저가이며, 분석 시간이 오래 소요되지 않는다는 장점을 가진다.
한편, 도 1을 더 참조하면, 기판(100, 130)당 단위셀(10)의 개수는 8x12의 총 96개로 도시되었으나 이에 한정되는 것은 아니다. 단위셀(10)의 사이즈를 나노 사이즈로 더 축소하면 단위셀(10)의 개수를 8x12의 4배, 16배, 64배, 256배, 1024배, 4096배, 16384배 등으로 증가시킬 수 있다. 이와 같이, 하나의 기판당 단위셀의 개수를 증가시킴으로써 본 발명의 바이오 감지 장치에 의하면 다양한 질병 진단이 가능하고, 검사 시간의 단축에 따른 검사 비용을 획기적으로 줄일 수 있다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치의 상부 레이어의 일부를 개략적으로 도해하는 도면이고, 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치의 하부 레이어의 일부를 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 제 1 방향으로 신장하는 상부 게이트 전극(160)들이 서로 이격되어 나란하게 배치되고, 상기 제 1 방향과 교차하는 방향인 제 2 방향으로 신장하는 하부 게이트 전극(110)들이 서로 이격되어 나란하게 배치된다. 제 1 방향으로 신장하는 상부 게이트 전극(160)들과 제 2 방향으로 신장하는 하부 게이트 전극(110)들이 교차하는 각각의 영역에서 상술한 단위셀(10)이 형성된다.
한편, 상부 게이트 전극(160)들이 배치된 상부 레이어에는 드레인 전극(150)에 전기적으로 연결되는 드레인 배선라인(155)들이 제 1 방향으로 나란하게 신장하면서 서로 이격되어 배치된다. 하부 게이트 전극(110)들이 배치된 하부 레이어에는 소스 전극(140)에 전기적으로 연결되는 소스 배선라인(145)들이 제 2 방향으로 나란하게 신장하면서 서로 이격되어 배치된다.
상부 게이트 전극(160)들 또는 하부 게이트 전극(110)들은 각각 공통적으로 연결(commonly connected)될 수 있으며, 드레인 배선라인(155)들 또는 소스 배선라인(145)들은 각각 공통적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 하부 레이어에 배치되는 하부 게이트 전극(110)들은 공통단자(119)를 통하여 공통적으로 연결될 수 있으며, 소스 배선라인(145)들은 공통단자(149)를 통하여 공통적으로 연결될 수 있다.
앞에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치에서 단위셀(10)들은 어레이 배열되는 바, 어레이 배열된 단위셀(10) 상호간의 크로스톡(cross talk)을 방지하기 위하여, 상부에 배치된 상부 게이트 전극(160)은 게이트 채널 동작이 구현될 수 있는 게이트 전압(VG)의 일부(VG1)만 인가되며, 하부에 배치된 하부 게이트 전극(110)은 게이트 채널 동작이 구현될 수 있는 게이트 전압(VG)의 나머지 일부(VG2)만 인가될 수 있다(VG = VG1+ VG2).
예를 들어, 어레이 배열된 단위셀(10) 상호간의 크로스톡(cross talk)을 방지하기 위하여, 상부에 배치된 상부 게이트 전극(160)은 게이트 채널 동작이 구현될 수 있는 게이트 전압(VG)의 절반(1/2·VG)만 인가되며, 하부에 배치된 하부 게이트 전극(110)은 게이트 채널 동작이 구현될 수 있는 게이트 전압(VG)의 나머지 절반(1/2·VG)만 인가될 수 있다.
이 경우, 공통단자(119)를 통하여 공통적으로 연결된 하부에 배치된 하부 게이트 전극(110)들은 게이트 채널 동작이 구현될 수 있는 게이트 전압(VG)의 절반(1/2·VG)만 공통적으로 인가되므로 게이트 채널 동작이 구현되기 위해서는 게이트 전압(VG)의 나머지 절반이 상부 게이트 전극(160)에 인가되어야 한다. 상부 레이어에 배치된 상부 게이트 전극(160)들 중에서 어느 하나의 상부 게이트 전극(160b)에만 게이트 전압(VG)의 나머지 절반이 인가되고 주변의 상부 게이트 전극(160a, 160c)에는 게이트 전압(VG)의 나머지 절반이 인가되지 않도록 제어될 수 있다. 이러한 구조를 채용할 경우 상기 상부 게이트 전극(160b)에 대응되는 일련의 단위셀들에서만 게이트 채널 동작이 구현되고, 상기 상부 게이트 전극(160a, 160c)에 대응되는 인접 단위셀들에서는 게이트 채널 동작이 구현되지 않는다.
만약, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치를 구성하는 단위셀이 상하로 이격되어 배치되는 이중 게이트 구조를 채용하지 않고 단일 게이트 구조를 채용한다면, 상대적으로 높은 전압이 인접 단위셀에 영향을 미쳐 의도하지 않게 게이트 채널 동작이 인접셀에 구현되는 크로스톡 현상이 발생될 수 있다. 본 발명에서는 단위셀을 구성하는 게이트 전극을 상하로 이격하여 이중으로 배치하되 각각 분할된 게이트 전압을 인가함으로써 크로스톡 현상을 방지할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치를 구성하는 단위셀을 제조하는 일 예를 도해하는 도면이다.
도 5를 참조하면, 도 2의 단위셀 구조를 구현하기 위하여, 하부 기판(100) 상에 상술한 소스 배선라인(145)들과 하부 게이트 전극(110)이 형성된 하부 구조체를 준비하고, 상부 기판(130) 상에 상술한 드레인 배선라인(155), 상부 게이트 전극(160)이 형성된 상부 구조체를 준비한 후에, 상기 하부 구조체 상에 상기 상부 구조체를 적층 접합하는 단계를 수행할 수 있다. 하부 구조체의 하부 기판(100)은 바이오 감지 장치의 지지체 역할도 담당할 수 있다. 상부 기판(130)은 감지막(190)과 하부 게이트 전극(110)를 절연시키는 역할도 수행할 수 있으며, 소스 전극(140)과 소스 배선라인(145)을 전기적으로 연결하기 위한 연결패턴(142)이 지나갈 수 있도록 관통홀(135)을 구비할 수 있다. 상부 기판(130)은 두께가 약 0.1mm 정도인 PCB 기판일 수 있으며, 하부 기판(100)은 두께가 약 1mm 정도인 PCB 기판일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치는 상술한 이중 기판 구조를 채용함으로써 복잡한 이중 게이트 전극 구성을 비교적 낮은 비용으로 용이하게 구현할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치를 구성하는 단위셀에서 소스 전극의 형상을 도해하는 도면이다.
도 6을 참조하면, 소스 전극(140)에서 탄소나노튜브, 그래핀, 이황화 몰리브덴 또는 포스포린과 같은 감지막(190)과 접하는 영역(140b)은 빗살 모양의 콤(comb) 형상을 가질 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 감지막(190)과 소스 전극(140)의 접합력 또는 상호연결성을 개선할 수 있다. 마찬가지로, 드레인 전극에서 탄소나노튜브 또는 그래핀과 같은 감지막과 접하는 영역은 빗살 모양의 콤(comb) 형상을 가짐으로써 드레인 전극과 감지막의 접합력 또는 상호연결성을 개선할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 서로 이격되어 배치된 소스 전극 및 드레인 전극; 소스 전극 및 드레인 전극 사이의 채널인 감지막; 및 감지막과 이격되어 배치된 게이트 전극; 을 구비하는 단위셀이 어레이 배열되되, 상기 게이트 전극은 서로 상하로 이격되어 배치된 상부 게이트 전극 및 하부 게이트 전극으로 이루어진, 바이오 감지 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 게이트 전극 및 하부 게이트 전극은 나란하게 신장하지 않고 서로 교차되는 방향으로 신장하도록 배치된, 바이오 감지 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    어레이 배열된 단위셀 상호간의 크로스톡을 방지하기 위하여, 상기 상부 게이트 전극은 채널 동작이 구현될 수 있는 게이트 전압의 일부만 인가되며, 상기 하부 게이트 전극은 채널 동작이 구현될 수 있는 상기 게이트 전압의 나머지 일부만 인가되는, 바이오 감지 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    어레이 배열된 단위셀 상호간의 크로스톡을 방지하기 위하여, 상기 상부 게이트 전극은 채널 동작이 구현될 수 있는 게이트 전압의 절반만 인가되며, 상기 하부 게이트 전극은 채널 동작이 구현될 수 있는 상기 게이트 전압의 나머지 절반만 인가되는, 바이오 감지 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 감지막의 재질은 탄소나노튜브, 그래핀, 이황화 몰리브덴 또는 포스포린을 포함하는, 바이오 감지 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브, 그래핀, 이황화 몰리브덴 또는 포스포린과 접합되는 소스 전극 또는 드레인 전극의 일부는 콤(comb) 형상을 가지는, 바이오 감지 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 단위셀은, 감지막 상에 부착되되 표적 물질과 결합할 수 있는 리셉터;를 더 구비하는, 바이오 감지 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 감지막은 리셉터 및 이와 결합되는 표적 물질에 따라 저항이 가변될 수 있는 물질로 이루어진, 바이오 감지 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 리셉터는 작용기에 의해 상기 감지막 상에 부착되어 있으며, 효소기질, 리간드, 아미노산, 펩티드, 압타머, 단백질, 핵산, 지질 및 탄수화물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상인, 바이오 감지 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 작용기는 아민기, 카르복실기 및 티올기로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나인, 바이오 감지 장치.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 표적 물질은 단백질, 펩티드, 압타머, 핵산, 올리고당, 아미노산, 탄수화물, 용해 가스, 산화황 가스, 산화질소 가스, 잔류 농약, 중금속 및 환경유해물질로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나인, 바이오 감지 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    감지막과 상부 게이트 전극이 형성된 상부 기판; 및 하부 게이트 전극이 형성된 하부 기판;을 더 포함하되, 상부 기판과 하부 기판은 상하로 적층 결합된, 바이오 감지 장치.
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