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KR100975010B1 - 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이를 이용한 물리센서 및 그 제작방법 - Google Patents

다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이를 이용한 물리센서 및 그 제작방법 Download PDF

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KR100975010B1
KR100975010B1 KR1020080019031A KR20080019031A KR100975010B1 KR 100975010 B1 KR100975010 B1 KR 100975010B1 KR 1020080019031 A KR1020080019031 A KR 1020080019031A KR 20080019031 A KR20080019031 A KR 20080019031A KR 100975010 B1 KR100975010 B1 KR 100975010B1
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piezoelectric microcantilever
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이재찬
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성균관대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 질량 인가 효과와 더불어 표면 응력 변화에 의한 효과를 동시에 정량적으로 분석할 수 있는 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이를 이용한 물리센서 및 그 제작방법을 개시한다. 압전 마이크로 칸티레버 공진자를 이용한 물리센서에 있어서, 상기 압전 마이크로 칸티레버 공진자는 감지과정에서 발생되는 센서 표면의 질량 변화 뿐만 아니라 흡착된 감지 대상물질에 의한 표면 응력 변화를 구별하여 정량 분석할 수 있도록 서로 다른 크기를 갖는 다수개의 압전 마이크로 칸티레버 공진자들이 배열되는 구조로 구성됨으로써, 질량 인가 효과와 더불어 표면 응력 변화에 의한 효과를 동시에 정량적으로 분석할 수 있도록 한 것이다.
Figure R1020080019031
압전 마이크로 칸티레버 공진자

Description

다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이를 이용한 물리센서 및 그 제작방법{PHYSICAL SENSOR USING PIEZOELECTRIC MICROCANTILEVER AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이를 이용한 물리센서 및 그 제작방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 감지 과정에서 얻어지는 공진주파수 변화를 측정하여 감지 대상물질의 흡착에 의한 질량 인가 효과와 더불어 표면 응력 변화에 의한 효과를 동시에 정량적으로 분석함으로써 다양한 응용 분야에서 감지 대상물질의 분석에 이용할 수 있도록 하는 중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이를 이용한 물리센서 및 그 제작방법에 관한 것이다.
현대의 과학 기술 개발은 인간 삶의 질적 향상을 궁극의 목적으로 하고 있다. 특히 생명 공학 및 환경 분야에 있어서 질병의 치료에 앞서 질병을 미리 예측 하거나 또는 조기에 진단하고, 인간 수명에 직접적인 영향을 줄 수 있는 각종 문제들을 효율적으로 제어하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다.
이러한 연구 동향으로 유해 환경 물질 또는 질병 진단을 위한 인체 바이오 마커 및 병원체와 같은 감지 대상물질의 존재 여부나, 특정 생화학 반응 여부를 빠르고 간단하게 검출하기 위한 초소형 정밀 센서 시스템 연구 개발을 예로 들 수 있다. 공기, 수생 환경 또는 인체 내에 존재하는 감지 하고자 하는 생화학 물질 및 유해 공해물질의 농도가 매우 희박할 경우, 이를 기존의 분석법으로 분석하기 위해서는 시료의 추출, 농축 및 분석을 위해 고비용, 대규모 분석 장치 및 샘플 전 처리에 많은 시간이 소요되는 등의 많은 단점을 극복해야만 한다. 시료의 추출 및 농축과 같은 샘플 전 처리 과정 없이 실시간으로 대상 물질을 분석하기 위해서는 분석에 사용되는 센서 소자의 감도가 단 분자 수준의 질량을 감지할 수 있어야 한다.
이러한 센서 중의 하나 인 압전 구동 요소가 집적된 마이크로 칸티레버는 교류 전계에 의해 자가 구동이 가능하며, 공진주파수 지점에서 압전 효과에 의해 나타나는 교류 신호의 큰 변화를 전기적 측정으로 빠르게 읽어 들일 수 있다. 이와 관련한 기술 자료는 본 연구 그룹에서 발표한 특허와 연구 논문을 비롯하여, 여러 연구자들에 의해 이미 보고되어 있다.
압전 방식 또는 다른 구동 원리를 이용하여 공진주파수로 작동하는 마이크로 칸티레버 공진자 센서는, 감지 대상 물질을 감지하는 실제 응용에 있어서, 감지 과정에서 일어나는 칸티레버 표면의 질량 변화를 칸티레버의 공진주파수 변화의 형태로 감지 신호를 출력하며, 이를 분석하여 결과를 얻는다. 보다 폭넓은 적용 및 보다 정확한 분석을 위해 단일 칸티레버보다는 복수개의 칸티레버가 배열된 어레이 형태의 소자가 바람직하다. 한편, 칸티레버의 공진주파수는 감지 과정에서 일어나는 표면 질량 증가 이외에, 표면 응력의 변화에 의해서도 감소하거나 증가하게 된 다. 그러나 단일 칸티레버 또는 동일한 크기의 칸티레버가 복수 개로 배열된 어레이 형태의 소자를 이용할 경우, 감지 신호인 공진주파수 변화에 있어서, 감지 과정에서 발생하는 질량 인가 효과 및 표면 응력 변화 효과를 구별하여 분석할 수 없다는 한계를 가지고 있다. 표면 응력 변화를 확인하기 위해서, 광학적인 방법으로 표면 응력 변화에 의한 칸티레버의 기계적 휨 정도를 측정하여 분석할 수 있지만, 공진주파수 변화를 주 감지 신호로 활용하는 경우 질량 인가 효과와 표면 응력 효과가 동시 작용하므로 구별 분석이 어려운 문제점이 있다.
상기와 같음 점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 감지 대상물질의 흡착에 의한 질량인가 효과가 더불어 표면 응력변화에 의한 효과를 동시에 정량적으로 분석할 수 있는 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이를 이용한 물리센서 및 그 제작방법를 제공함에 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이를 이용한 물리센서는 압전 마이크로 칸티레버 공진자를 이용한 물리센서에 있어서, 상기 압전 마이크로 칸티레버 공진자는 감지과정에서 발생되는 센서 표면의 질량 변화 뿐만 아니라 흡착된 감지 대상물질에 의한 표면 응력 변화를 구별하여 정량 분석할 수 있도록 서로 다른 크기를 갖는 다수개의 압전 마이크로 칸티레버 공진자들이 배열되는 구조로 이루어지는 특징이 있다.
또한, 상기 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이는 실리콘 기판 상부에 형성되며 길이가 단계적으로 축소되어 배열되는 다수개의 질화 실리콘막 칸티레버; 상기 질화 실리콘막 칸티레버의 상부에 형성되는 산화 실리콘 막; 상기 실리콘 산화 막 상부에 소정의 크기로 형성되는 하부 전극; 상기 하부 전극 상부에 압전 구동을 위해 형성되는 압전 구동박막층; 상기 하부 전극 상부 및 상기 압전 구동박막층 일부 영역 상부에 전극간 절연을 위해 형성되는 절연층; 상기 절연층의 상부 및 상기 압전 구동박막층의 상부에 형성되는 상부 전극 및 상기 상부 전극 및 하부 전극에 소자의 구동을 위한 전계를 인가할 수 있도록 연결되는 전극라인; 을 포함하는 것을 특징이 있다.
또한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이를 이용한 물리센서의 제작방법에 있어서, (a) 실리콘 기판 상부 및 하부에 각각의 상기 질화 실리콘막 칸티레버를 증착하는 단계; (b) 상부측의 상기 질화 실리콘막 칸티레버 상부에 산하 실리콘 막을 증착하는 단계; (c) 상기 산화 실리콘 막 상부 전면에 접합 층을 포함한 하부 전극을 형성하는 단계; (d) 상기 하부 전극 상부 전면에 압전 구동을 위한 압전 구동박막층을 형성하는 단계; (e) 상기 형성된 압전 구동박막 일부를 식각하여, 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이 센서에 집적되는 다중 크기 압전 구동박막 재료 어레이를 형성하는 단계; (f) 상기 형성된 다중 크기 압전 구동 재료 어레이 하부에 있는 하부 전극의 일부를 식각하여, 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이 센서에 집적되는 다중 크기 하부 전극 어레이 및 구동 전압 인가를 위한 전극 라인 및 패드를 형성하는 단계; (g) 상기 형성된 다중 크기 하부 전극 어레이 및 다중 크기 압전 구동박막 재료 어레이 일부 영역 상부에 상하부 전극 간 절연을 위한 절연 층을 형성하는 단계; (h) 상기 절연 층의 상부 및 다중 크기 압전 구동박막 재료 어레이의 상부에 다중 크기 상부 전극 어레이와 구동 전압 인가를 위한 전극 라인 및 패드를 형성하는 단계; (i) 상기 하부 질화 실리콘막 칸티레버의 일부를 제거하는 단계; (j) 상기 (i) 단계로 노출된 실리콘 기판을 식각하는 단계; (k) 상기 실리콘이 식각된 소자의 상부 질화 실리콘 막의 일부를 제거하여 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이 센서를 형성하는 단계; 를 순차적으로 실시하여 제작되는 것을 특징으로 한다.
이와 같이 본 발명에 의한 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이를 이용한 물리센서는 다양한 감지 과정에서 발생하는 센서 표면의 질량 변화 뿐만 아니라 흡착된 감지 대상물질에 의한 표면 응력 변화를 구별하여 분석할 수 있는 장점을 갖는다. 즉, 외부로부터 극소량의 감지 대상 물질의 농도에 신속하게 반응하여 공진주파수의 변화를 통해 즉시 감지가 가능하여 빠른 응답 속도와 높은 감도를 갖는 장점이 있고, 공진 주파수 변화를 분석함으로써, 생화학 반응에 의한 표면 흡착 질량 증가 이외에 감지 과정에 따른 표면 응력 변화의 영향을 알 수 있기 때문에 감지 결과에 있어서 보다 넓은 범위의 정보를 확보할 수 있으며 정확한 감지결과를 얻을 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에서의 센서 플랫폼을 생화학 분야에 응용할 경우, 감지 대상 물질의 존재 유무를 판단함은 물론, 감지 물질과 감지 대상물질의 반응, 감지 대상물질 간의 반응 양상을 직. 간접적으로 확인할 수 있는 폭 넓은 감지 신호를 확보할 수 있는 효과가 있다.
한편, 본 발명에서의 센서 플랫폼을 기존의 수정 진동자 질량 센서 (QCM)을 대체하여 다양한 재료의 박막 증착 공정 시 그 두께를 측정하는 물리 센서로 사용하면, 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이로부터 얻어지는 공진주파수 신호만을 전기적으로 분석하여 표면 응력 효과를 분석함으로써 증착되는 박막 물질의 두께에 대한 보다 정밀한 정보뿐만 아니라, 박막 재료의 기계적 특성을 동시에 분석할 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 일 실시예인 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이를 이용한 물리센서 및 그 제작방법을 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예인 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이를 이용한 물리센서를 개략적으로 도시한 구성도이고, 도 2는 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이를 이용한 물리센서의 단면도이고, 도 3은 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이를 이용한 물리센서의 제작과정을 단면하여 도시한 상태도이고, 도 4는 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이를 이용한 물리센서의 제작과정을 도시한 평면도이고, 도 5내지 도 9는 각각의 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이에서 공진 주파수 변화를 도시한 그래프이고, 도 10은 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이를 이용한 물리센서에서 얻어진 주파수 변화를 압전 마이크로 칸티레버 공진자들의 길이의 함수로 도시한 그래프이다.
도시된 바와 같이 본 발명에 의한 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이를 이용한 물리센서는 서로 다른 크기를 갖는 다수개의 압전 마이크로 칸티레버 공진자(10)가 배열되는 구조로 이루어진다. 즉, 2차원적으로 단계적으로 축소되어 배열되는 형태를 갖는다.
마이크로 칸티레버 공진자 어레이를 구성하는 서로 다른 크기를 갖는 각각의 압전 마이크로 칸티레버 공진자(10)는 실리콘 기판(6) 상부에 형성되며 길이가 단계적으로 축소되어 배열되는 지지층(4)과, 지지층(4) 상부에 소정의 크기로 형성되는 하부 전극(3)과, 하부 전극(3) 상부에 압전 구동을 위해 형성되는 압전 구동박막층(1)과, 하부 전극(2) 상부 및 압전 구동박막층(1) 일부 영역 상부에 전극간 절연을 위해 형성되는 절연층(5)과, 절연층(5)의 상부 및 압전 구동박막층(1)의 상부에 형성되는 상부 전극(3) 및 상부 전극 및 하부 전극에 소자의 구동을 위한 전계를 인가할 수 있도록 연결되는 전극라인(7) 및 패드(8)로 이루어진다.
그리고 상기 지지층(4)은 실리콘 기판(6) 상부에 형성되며 길이가 단계적으로 축소되어 배열되는 다수개의 질화 실리콘막 칸티레버와 상기 질화 실리콘막 칸티레버의 상부에 형성되는 산화 실리콘 막으로 이루어진다.
압전 마이크로 칸티레버 공진자(10)는 압전 구동을 위한 박막 재료로 대표적 인 Pb(Zr,Ti)O3(티탄-지르콘산납, 이하 PZT) 또는 질화 알루미늄(AlN) 및 산화 아연(ZnO)등의 압전 물질을 재료로 사용할 수 있다.
절연 층(5)은 감광성 폴리이미드(Polyimide)와 같은 패터닝이 가능한 물질을 사용하여 사진 공정(photo lithography)으로 형성한다. 압전 구동소자의 기본 공진주파수 및 공진주파수의 변화는 복소 임피던스 등과 같은 전기적 신호의 변화로 나타나며, 이는 센서 모듈에 내장된 임피던스 분석기(Impedance Analyzer)에 의해 측정된다. 그러므로 2차원적으로 단계적으로 축소된 복수 개의 압전 마이크로 칸티레버 공진자(10)를 포함하는 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이를 이용한 물리센서는, 회로 상에 구현된 오실레이터 및 주파수 카운터를 이용해 주파수 탐색을 함으로써 소자의 공진주파수 값을 측정하고, 소자를 측정 환경에 노출 후 센서의 감지 물질 층과 감지 대상물질의 반응에 의해 변화된 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자(10)에 포함된 압전 마이크로 칸티레버들의 공진주파수를 모두 측정하고 분석하여 감지 대상 물질의 존재 여부를 판단하게 된다.
본 발명에서의 압전 마이크로 칸티레버 공진자(10)의 기본 공진주파수 값은 소자의 길이의 제곱에 반비례하여 그 크기가 증가하며, 소자의 크기를 줄여 높은 공진주파수 값을 확보할 경우 보다 우수한 감도 특성을 얻을 수 있다. 특히 분자 수준의 질량을 갖는 매우 미세한 감지 대상 물질을 감지하기 위해서는 펨토그램 영역 이하의 작은 질량을 감지할 수 있는 소자가 요구된다. 따라서 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자(10)에 포함되는 여러 크기의 질화 실리콘막 칸티레버들 중, 감지 대상물질의 감지 과정에 있어서, 발생하는 표면 질량 증가에 대해 보다 민감한 감도를 나타내는 작은 질화 실리콘막 칸티레버는 그 길이와 폭이 각각 30 및 10 마이크론 정도를 갖는 것이 바람직하다.
다섯 가지의 크기를 갖는 것으로 일예를 들어 설명하면 다섯 가지 크기의 압전 마이크로 칸티레버 공진자(10)가 집적되는 경우 각각의 크기(길이, 폭 그리고 두께)는
A: 240 μm (길이), 80 μm (폭), 2.3 μm (두께)
B: 180 μm (길이), 60 μm (폭), 2.3 μm (두께)
C: 120 μm (길이), 40 μm (폭), 2.3 μm (두께)
D: 60 μm (길이), 20 μm (폭), 2.3 μm (두께)
E: 30 μm (길이), 10 μm (폭), 2.3 μm (두께)
각 층의 두께는 상부전극:0.1 μm, 하부 전극:0.15 μm, 압전구동 박막층:0.5 μm, 지지층(질화실리콘막 칸티레버+산화 실리콘막):(1.2 μm + 0.35 μm)로 설계하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 가장 작은 30 마크론 길이의 압전 마이크로 칸티레버 공진자(10)는 스프링 상수가 충분히 크기 때문에, 감지 과정에서 발생하는 칸티레버 표면의 응력 변화에 대해 둔감한 특성을 지닌다. 반면, 240 마이크론 길이의 큰 압전 마이크로 칸티레버 공진자(10)는 스프링 상수가 작기 때문에 감지 과정에서 발생하는 표면 질량 증가 및 표면 응력 변화 두 요소에 대해 모두 민감한 반응을 나타낸다.
마이크로 칸티레버 공진자(10)의 크기에 따른 스프링 상수k(kTheoretical) 변화는 다음의 관계식으로 설명할 수 있다.
Figure 112008015185978-pat00001
위의 식에서 스프링 상수(kTheoretical)를 정의하기 위해 사용된 E*는 마이크로 칸티레버 공진자(10)의 탄성률(Young's Modulus), t는 마이크로 칸티레버 공진자의 두께, 그리고 w와 L은 각각 마이크로 칸티레버 공진자의 폭과 길이이다. 본 발명에서 다중 크기 마이크로 칸티레버 공진자 어레이에 포함된 마이크로 칸티레버 공진자들의 두께는 일정하게 유지된다. 따라서 위의 식에 나타낸 두께 t는 마이크로 칸티레버 공진자(10)의 평면 크기에 따른 스프링 상수 변화관계를 기술하기 위해 고려되지 않는다. 그러므로 마이크로 칸티레버 공진자(10)의 크기 변화에 따른 스프링 상수 변화는 마이크로 칸티레버 공진자(10)의 폭과 길이의 세제곱의 비(w/L3)로 결정된다. 또한 마이크로 칸티레버 공진자(10)의 폭에 대한 길이의 비율(L/w)을 일정하게 유지하며 평면 크기를 2차원적으로 축소할 경우, 결과적으로 마이크로 칸티레버 공진자(10)의 스프링 상수(kTheoretical)는 길이의 제곱에 반비례하여 그 값이 커짐을 알 수 있다.
본 발명의 실시 예에서 제시하는 압전 마이크로 칸티레버 공진자(10) 중에서 가장 큰 것은 가장 작은 것 길이의 8배에 해당하는 길이를 갖고 있으며, 결과적으 로 가장 작은 것의 스프링 상수는 가장 큰 것과 비교하여 약 64배 큰 값을 갖는다.
센서 응용 시 표면 인가 질량 효과와 표면 응력 변화 효과의 뚜렷한 분리 분석을 위해 작은 것과 큰 것의 스프링 상수 값에 있어서 10배 이상의 차이를 갖도록, 압전 마이크로 칸티레버(10)의 길이 차이를 3배 이상 되도록 설계하는 것이 바람직하다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이를 이용한 물리센서의 제작단계는 다음과 같다.
(a) 실리콘 기판 상부 및 하부에 각각의 상기 질화 실리콘막 칸티레버를 증착하는 단계, (b) 상부측의 상기 질화 실리콘막 칸티레버 상부에 산하 실리콘 막을 증착하여 지지층(4)을 형성하는 단계, (c) 상기 산화 실리콘 막 상부 전면에 접합 층을 포함한 하부 전극(2)을 형성하는 단계, (d) 상기 하부 전극(2) 상부 전면에 압전 구동을 위한 압전 구동박막층(1)을 형성하는 단계, (e) 상기 형성된 압전 구동박막(1) 일부를 식각하여, 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자(10) 센서에 집적되는 다중 크기 압전 구동박막 재료 어레이를 형성하는 단계, (f) 상기 형성된 다중 크기 압전 구동 재료 어레이 하부에 있는 하부 전극(2)의 일부를 식각하여, 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이 센서에 집적되는 다중 크기 하부 전극 어레이 및 구동 전압 인가를 위한 전극 라인(7) 및 패드(8)를 형성하는 단계, (g) 상기 형성된 다중 크기 하부 전극 어레이 및 다중 크기 압전 구동박막 재료 어레이 일부 영역 상부에 상하부 전극 간 절연을 위한 절연 층(5)을 형성하는 단계, (h) 상기 절연 층(5)의 상부 및 다중 크기 압전 구동박막 재료 어레이의 상부에 다중 크기 상부 전극 어레이와 구동 전압 인가를 위한 전극 라인(7) 및 패드(8)를 형성하는 단계, (i) 상기 하부 질화 실리콘막 칸티레버의 일부를 제거하는 단계, (j) 상기 (i) 단계로 노출된 실리콘 기판(6)을 식각하는 단계, (k) 상기 실리콘이 식각된 소자의 상부 질화 실리콘 막의 일부를 제거하여 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자(10) 센서를 형성하는 단계 를 순차적으로 실시하여 제작되는 것을 특징으로 하는 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이를 이용한 물리센서를 제작한다.
상기 (k)단계 후, 감지 대상물질을 감지하기 위한 감지 층을 형성하는 (l) 단계를 더 포함될 수 있다.
상기 (l) 단계는 생체 물질 감지를 위한 감지 물질 층의 형성을 위해 마이크로 칸티레버 표면에 gold 박막을 증착하고, gold-thiol 반응을 이용하여 자기 배열 단분자 층(self-assembled monolayer)을 형성하고 이후 감지 대상 물질에 적합한 감지 물질을 고정하는 방법이나, 화학 센서 응용을 위해 특정 감지 대상 물질이 결합할 수 있는 고분자 물질을 포함한 용액을 소자 표면에 잉크젯 프린팅, 스핀 코팅 또는 딥 코팅하여 형성하는 방법 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
도 3은 제작된 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자(10)의 배면에 금 (gold) 박막을 증착하고, 이후에 gold-alkanethiol reaction에 의한 self-assembled monolayer형성 및 biotin 및 streptavidin 등을 이용하여 human antibody를 고정한 후 나타나는 공진주파수 변화를 다섯 가지 크기의 압전 마이크로 칸티레버 공진자(10)에 대해 나타낸 그림이다. 작은 것은 매우 높은 공진 주파 수를 가지고 있으며, 인가 질량에 대한 감도가 매우 높다. 따라서 Human antibody (IgG)의 고정에 의해 주파수 감소가 뚜렷이 나타났다. 한편, 큰 것은 작은 것에 비해 기본 공진주파수 값이 작고, 질량에 대한 감도 또한 작기 때문에, 결과적으로 동시에 얻어진 작은 것의 결과 보다 비교적 작은 주파수 감소를 나타내었다.
도 4는 도 3의 실시 예에서 나타난, 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자(10) 각각에서 얻어진 주파수 변화를 칸티레버들의 길이의 함수로 도시한 것이다. 도 4의 검은 사각형 및 선으로 도시된 그래프는 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이 센서를 이용하여 human antibody (IgG)를 고정할 때 예상되는 표면 질량 증가에 의한 이론적인 주파수 변화이고, 원이 표시된 선으로 도시된 그래프는 실제 실험에서 나타난 주파수 변화이다.
즉, 30 마이크론 길이의 압전 마이크로 칸티레버 공진자(10)는 감지 과정에서 발생하는 표면 응력의 영향을 거의 받지 않는 것으로 나타났다. 따라서 다중 크기를 구현하는데 있어, 질량 인가에 의한 주파수 변화가 지배적인 특성을 지닌 압전 마이크로 칸티레버 공진자(10)로서 바람직하다. 그러나 감지 과정에서 발생하는 표면 응력의 영향을 보다 덜 받기 위해 이보다 작은 크기를 가지며, 높은 스프링 상수를 갖는 압전 마이크로 칸티레버 공진자(10)를 적용하는 것이 바람직할 것이다. 한편, 240 마이크론 길이의 압전 마이크로 칸티레버 공진자(10)는 표면 응력의 영향을 많이 받는 것으로 나타났으며, 표면 응력 변화에 의한 주파수 변화의 비중이 큰 압전 마이크로 칸티레버 공진자(10)로서 바람직하다.
이와 같이 본 발명에 의한 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이를 이용한 물리센서를 이용하면, 감지 과정에서 발생하는 표면 질량 흡착 정보를 분석할 수 있을 뿐 아니라, 각각의 크기를 갖는 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이들의 질량 감도로부터 얻어지는 예상되는 주파수 변화 패턴과, 실제 감지 과정에서 얻어지는 공진주파수 변화 패턴을 비교하면, 표면 응력 발생에 따른 영향을 동시에 파악할 수 있으며, 즉 칸티레버 표면에 형성된 감지 물질과 감지 대상물질 간의 생화학 반응과 관련된 보다 풍부한 정보를 얻을 수 있다. 그러므로 본 발명에서의 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이를 이용한 물리센서는, 극 미량으로 존재하는 다양한 종류의 감지 대상 물질의 존재 유무를 빠르고 정밀하게 감지할 수 있을 뿐만 아니라, 칸티레버 표면에 형성된 감지 물질이 여러 종류의 감지 대상 물질과 반응하는 경우, 표면 응력의 영향을 동시에 구별 분석함으로써 감지 결과에 있어서 감지 대상 물질에 대한 분별력을 향상 시킬 수 있다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예인 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이를 이용한 물리센서를 개략적으로 도시한 구성도,
도 2는 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이를 이용한 물리센서의 단면도,
도 3은 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이를 이용한 물리센서의 제작과정을 단면하여 도시한 상태도,
도 4는 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이를 이용한 물리센서의 제작과정을 도시한 평면도,
도 5 내지 도 9는 각각의 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이에서 공진 주파수 변화를 도시한 그래프,
도 10은 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이를 이용한 물리센서에서 얻어진 주파수 변화를 압전 마이크로 칸티레버 공진자들의 길이의 함수로 도시한 그래프.
**도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명**
1 : 압전구동 박막층 2 : 하부전극
3 : 상부 전극 4 : 지지층
5 : 절연층 6 : 실리콘기판
7 : 전극 라인 8 : 패드
10 : 압전 마이크로 칸티레버 공진자

Claims (10)

  1. 압전 마이크로 칸티레버 공진자를 이용한 물리센서에 있어서,
    상기 압전 마이크로 칸티레버 공진자는 다수 개가 배열되는 구조로 이루어지고,
    감지과정에서 발생되는 센서 표면의 질량 변화 뿐만 아니라 흡착된 감지 대상물질에 의한 표면 응력 변화를 구별하여 정량 분석할 수 있도록 서로 다른 크기를 갖는 는 것을 특징으로 하는 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이를 이용한 물리센서.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 압전 마이크로 칸티레버 공진자는
    실리콘 기판 상부에 형성되며 길이가 단계적으로 축소되어 배열되는 다수개의 질화 실리콘막 칸티레버;
    상기 질화 실리콘막 칸티레버의 상부에 형성되는 산화 실리콘 막;
    상기 실리콘 산화 막 상부에 소정의 크기로 형성되는 하부 전극;
    상기 하부 전극 상부에 압전 구동을 위해 형성되는 압전 구동박막층;
    상기 하부 전극 상부 및 상기 압전 구동박막층 일부 영역 상부에 전극간 절연을 위해 형성되는 절연층;
    상기 절연층의 상부 및 상기 압전 구동박막층의 상부에 형성되는 상부 전극 및
    상기 상부 전극 및 하부 전극에 소자의 구동을 위한 전계를 인가할 수 있도록 연결되는 전극라인; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이를 이용한 물리센서.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 질화 실리콘막 칸티레버는 길이가 축소되는 비율과 마찬가지로 폭도 축소되는 것을 특징으로 하는 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이를 이용한 물리센서.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 질화 실리콘막 칸티레버는 그 두께가 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이를 이용한 물리센서.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 절연층은 폴리이미드인 것을 특징으로 하는 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이를 이용한 물리센서.
  6. 제 2항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 가장 긴 압전 마이크로 칸티레버 공진자와 가장 짧은 압전 마이크로 칸티레버 공진자의 길이는 3배 이상인 것을 특징으로 하는 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이를 이용한 물리센서.
  7. 제 2항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 따른 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이를 이용한 물리센서의 제작방법에 있어서,
    (a) 실리콘 기판 상부 및 하부에 각각의 상기 질화 실리콘막 칸티레버를 증착하는 단계;
    (b) 상부측의 상기 질화 실리콘막 칸티레버 상부에 산하 실리콘 막을 증착하는 단계;
    (c) 상기 산화 실리콘 막 상부 전면에 접합 층을 포함한 하부 전극을 형성하는 단계;
    (d) 상기 하부 전극 상부 전면에 압전 구동을 위한 압전 구동박막층을 형성하는 단계;
    (e) 상기 형성된 압전 구동박막 일부를 식각하여, 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이 센서에 집적되는 다중 크기 압전 구동박막 재료 어레이를 형성하는 단계;
    (f) 상기 형성된 다중 크기 압전 구동 재료 어레이 하부에 있는 하부 전극의 일부를 식각하여, 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이 센서에 집적되는 다중 크기 하부 전극 어레이 및 구동 전압 인가를 위한 전극 라인 및 패드를 형성하는 단계;
    (g) 상기 형성된 다중 크기 하부 전극 어레이 및 다중 크기 압전 구동박막 재료 어레이 일부 영역 상부에 상하부 전극 간 절연을 위한 절연 층을 형성하는 단계;
    (h) 상기 절연 층의 상부 및 다중 크기 압전 구동박막 재료 어레이의 상부에 다중 크기 상부 전극 어레이와 구동 전압 인가를 위한 전극 라인 및 패드를 형성하는 단계;
    (i) 상기 하부 질화 실리콘막 칸티레버의 일부를 제거하는 단계;
    (j) 상기 (i) 단계로 노출된 실리콘 기판을 식각하는 단계; 및
    (k) 상기 실리콘이 식각된 소자의 상부 질화 실리콘 막의 일부를 제거하여 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이 센서를 형성하는 단계; 를 순차적으로 실시하여 제작되는 것을 특징으로 하는 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이를 이용한 물리센서의 제작방법.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 (k)단계 후, 감지 대상물질을 감지하기 위한 감지 층을 형성하는 (l) 단계를 더 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이를 이용한 물리센서의 제작방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 (l) 단계는 생체 물질 감지를 위한 감지 물질 층의 형성을 위해 마이크로 칸티레버 표면에 gold 박막을 증착하고, gold-thiol 반응을 이용하여 자기 배열 단분자 층(self-assembled monolayer)을 형성하고 이후 감지 대상 물질에 적합한 감지 물질을 고정하는 것을 특징으로 하는 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이를 이용한 물리센서의 제작방법.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 (l) 단계는 화학 센서 응용을 위해 특정 감지 대상 물질이 결합할 수 있는 고분자 물질을 포함한 용액을 소자 표면에 잉크젯 프린팅, 스핀 코팅 또는 딥 코팅하여 형성하는 것을 특징으로 하는 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이를 이용한 물리센서 제작방법.
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