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KR101366347B1 - Electrostatically excited cantilever sensors - Google Patents

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KR101366347B1
KR101366347B1 KR1020120065291A KR20120065291A KR101366347B1 KR 101366347 B1 KR101366347 B1 KR 101366347B1 KR 1020120065291 A KR1020120065291 A KR 1020120065291A KR 20120065291 A KR20120065291 A KR 20120065291A KR 101366347 B1 KR101366347 B1 KR 101366347B1
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KR
South Korea
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cantilever
electrode
sensor
displacement
electrostatically driven
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장재성
홍성결
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국립대학법인 울산과학기술대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 센서의 제작과 바이오 물질의 측정이 편리한 정전 구동형 캔틸레버 센서를 제공하는 것에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적 달성을 위하여 본 발명은 센서 내부에 캔틸레버를 포함하며, 상기 캔틸레버에 특정물질이 포집되어 고유진동수 변화에 의하여 포집 물질의 질량을 측정하는 정전 구동형 캔틸레버 센서에 있어서, 마이크로 레벨의 투명 재질이며, 하단에 에칭에 의하여 형성된 전극 공간을 포함하는 상단기판; 상기 상단기판 하단에 ITO로 형성되어 투명한 재질의 제1전극; 및 상기 상단기판의 하단에 상기 상단기판과 결합하는 하단기판을 포함하되, 상기 하단기판은: 상기 상단기판과 결합하는 고정부; 상기 고정부에 연장형성되는 캔틸레버; 상기 고정부 하단에 형성되는 실리콘 층; 상기 실리콘 층과 상기 캔틸레버 사이에 형성되는 레버 공간; 및 상기 캔틸레버 상단에 형성되는 제2전극을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.An object of the present invention is to provide an electrostatically driven cantilever sensor which is easy to manufacture and to measure biomaterials.
In order to achieve the above object, the present invention includes a cantilever inside a sensor, and in the electrostatically driven cantilever sensor for measuring a mass of a trapping material by a specific frequency change by collecting a specific material on the cantilever, the micro level is transparent. A top substrate comprising a material and having an electrode space formed at the bottom thereof by etching; A first electrode formed of ITO on a lower end of the upper substrate and made of a transparent material; And a lower substrate coupled to the upper substrate at a lower end of the upper substrate, wherein the lower substrate comprises: a fixing portion coupled to the upper substrate; A cantilever extended to the fixed portion; A silicon layer formed at the bottom of the fixing part; A lever space formed between the silicon layer and the cantilever; And a second electrode formed on the top of the cantilever.

Description

정전 구동형 캔틸레버 센서{Electrostatically excited cantilever sensors}Electrostatically excited cantilever sensors

본 발명은 정전 구동형 캔틸레버 센서에 관한 것으로 더욱 상세하게는 ITO 전극을 갖는 정전 구동형 캔틸레버 센서에 관한 것이다.
The present invention relates to an electrostatically driven cantilever sensor and more particularly to an electrostatically driven cantilever sensor having an ITO electrode.

최근에 공기 또는 액체 중에 존재하는 바이오 물질의 감지를 위하여 MEMS(Micro electro mechanical system) 공정을 통해 제조된 캔틸레버(cantilever)를 기반으로 하는 센서들의 개발에 많은 연구들이 진행되고 있다. 현재 연구되어지고 있는 캔틸레버를 이용한 센서들은 공개특허 제2011-0013951호에 개시된 바와 같이, 대기 중 또는 액체 내에서의 캔틸레버에 흡착에 의한 질량 변화를 주로 레이저와 같은 광원을 이용하여 측정하는 방식을 택하고 있다.Recently, many studies have been conducted on the development of cantilever-based sensors manufactured through a micro electro mechanical system (MEMS) process to detect biomaterials present in air or liquid. Sensors using cantilevers currently being studied, as disclosed in Korean Patent Application Publication No. 2011-0013951, take a method of measuring mass change by adsorption to cantilever in the air or in a liquid mainly using a light source such as a laser. Doing.

미세 캔틸레버센서는 작동원리로 볼 때 크게 변위측정 기반 센서와 주파수 측정 기반 센서로 나눠진다. 상기 변위측정 기반 센서의 원리는 캔틸레버의 아랫면과 윗면의 다른 표면 처리로 인하여 감지하고자 하는 물질의 캔틸레버 양면과의 접합력에 차이가 난다. 이로 인한 캔틸레버의 끝 쪽의 변화량을 감지하여 시료의 질량을 측정하는 방식이다. 상기 방식에서는 시료의 양이 적은 경우 혹은 박테리아나 바이러스와 같이 시료가 캔틸레버 표면에서 분산될 수 있는 경우, 캔틸레버의 변위를 충분히 발생시키지 않을 수 있어 측정할 수 있는 최소질량이 주파수 측정 방식에 비해 떨어진다. The microcantilever sensor is largely divided into displacement measurement sensor and frequency measurement sensor. The principle of the displacement-based sensor differs in the bonding force between the two surfaces of the cantilever of the material to be sensed due to the different surface treatment of the lower surface and the upper surface of the cantilever. As a result, the mass of the sample is measured by detecting the amount of change at the end of the cantilever. In this method, when the amount of the sample is small or when the sample can be dispersed on the surface of the cantilever such as bacteria or viruses, the displacement of the cantilever may not be sufficiently generated, so the minimum mass that can be measured is lower than that of the frequency measuring method.

주파수 측정 방식 센서의 기본 원리는 예를 들면, 도 1에 도시된 바와 같이, 캔틸레버(2)의 표면에 바이오 물질(1) 등의 질량에 의하여 캔틸레버(2)의 고유진동수가 변화하는데 이 고유진동수 변화량을 측정하여 표면에 부착된 바이오 물질(1)의 질량을 측정하는 방식이다.The basic principle of the frequency measuring method sensor is, for example, as shown in Figure 1, the natural frequency of the cantilever (2) is changed by the mass of the biomaterial (1) on the surface of the cantilever (2), this natural frequency By measuring the amount of change is a method of measuring the mass of the bio-material (1) attached to the surface.

상기와 같은 캔틸레버의 동적인 변화를 이용한 바이오 입자의 측정은 액체상에서 캔틸레버(2) 위로 유체를 이동시켜 포집한 후 별도의 건조과정을 거친 후 기체상에서 고유주파수 변화를 측정하는 방식이 주를 이룬다.The measurement of bioparticles using the dynamic change of the cantilever as described above is mainly performed by measuring the change in natural frequency in the gas phase after performing a separate drying process after collecting and moving the fluid over the cantilever (2) in the liquid phase.

상기와 같이 기체상에서 고유주파수를 측정하는 이유는 액체상에서 바이오물질(1)에 의한 고유진동수의 변화를 측정할 경우에는 액체의 점성 등에 의한 영향으로 센서의 감도가 현저히 떨어지기 때문이다.The reason for measuring the natural frequency in the gas phase as described above is that the sensitivity of the sensor is significantly reduced when the change of the natural frequency by the biomaterial 1 in the liquid phase is affected by the viscosity of the liquid.

상기와 같이 바이오 물질(1)을 센서에서 포집한 후 건조과정과 같은 처리 시간이 필요하므로, 실시간의 측정이 불가능한 단점이 있다.Since the processing time such as drying process is required after the biomaterial 1 is collected by the sensor as described above, there is a disadvantage that real-time measurement is impossible.

그러나 생물학적 현상의 보다 정확한 규명을 위해서는 액상에서 직접 바이오 물질(1)의 질량을 실시간으로 측정하는 것이 매우 중요한 요소 중의 하나이므로 상기와 같은 상 변화를 위한 별도의 건조시간이 필요하지 않은 새로운 방식의 바이오 물질(1)의 측정이 필요하다.However, in order to more accurately identify biological phenomena, it is one of the very important factors to measure the mass of biomaterial (1) directly in liquid phase in real time. Measurement of the substance 1 is necessary.

상기와 같은 필요성에 의하여 정전 구동형 캔틸레버 센서를 특허출원 제2011-0080291호로 본 출원인이 출원한 바 있다.Due to such a necessity, the present applicant has filed an electrostatically driven cantilever sensor as a patent application No. 2011-0080291.

상기 발명은 캔틸레버(2)를 가진하여 액상 내에서도 바이오 물질(1)의 질량을 바로 측정할 수 있는 우수한 특성이 있다.The present invention has an excellent property of having the cantilever 2 so that the mass of the biomaterial 1 can be directly measured even in the liquid phase.

그러나 상기 발명에 개시된 캔틸레버(2)는 다소 복잡하고 정밀한 제작 공정이 필요하고, 또한 캔틸레버(2) 상단에서는 가진을 하고, 캔틸레버(2) 하단에서 캔틸레버(2)의 진동을 측정하므로 센서의 측정이 다소 불편한 단점이 있다.However, the cantilever 2 disclosed in the present invention requires a rather complicated and precise manufacturing process, and also has an excitation at the upper end of the cantilever 2 and measures the vibration of the cantilever 2 at the lower end of the cantilever 2. There are some disadvantages.

따라서, 캔틸레버(2)의 제작인 간단하고, 또한 캔틸레버(2) 상단에서 바로 가진과 진동 측정을 동시에 할 수 있는 새로운 구조의 캔틸레버 센서가 필요한 실정이다.
Therefore, there is a need for a cantilever sensor having a new structure that is simple, which is the manufacture of the cantilever 2, and that can simultaneously perform excitation and vibration measurement at the top of the cantilever 2.

본 발명은 상기와 같은 종래 캔틸레버 센서의 단점을 극복하기 위하여 안출된 것으로 센서의 제작과 바이오 물질의 측정이 편리한 정전 구동형 캔틸레버 센서를 제공하는 것에 그 목적이 있다.
The present invention has been made to overcome the disadvantages of the conventional cantilever sensor as described above is to provide an electrostatically driven cantilever sensor that is easy to manufacture the sensor and the measurement of the bio-material.

상기와 같은 목적 달성을 위하여 본 발명은 센서 내부에 캔틸레버를 포함하며, 상기 캔틸레버에 특정물질이 포집되어 고유진동수 변화에 의하여 포집 물질의 질량을 측정하는 정전 구동형 캔틸레버 센서에 있어서, 마이크로 레벨의 투명 재질이며, 하단에 에칭에 의하여 형성된 전극 공간을 포함하는 상단기판; 상기 상단기판 하단에 ITO로 형성되어 투명한 재질의 제1전극; 및 상기 상단기판의 하단에 상기 상단기판과 결합하는 하단기판을 포함하되, 상기 하단기판은: 상기 상단기판과 결합하는 고정부; 상기 고정부에 연장형성되는 캔틸레버; 상기 고정부 하단에 형성되는 실리콘 층; 상기 실리콘 층과 상기 캔틸레버 사이에 형성되는 레버 공간; 및 상기 캔틸레버 상단에 형성되는 제2전극을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention includes a cantilever inside a sensor, and in the electrostatically driven cantilever sensor for measuring a mass of a trapping material by a specific frequency change by collecting a specific material on the cantilever, the micro level is transparent. A top substrate comprising a material and having an electrode space formed at the bottom thereof by etching; A first electrode formed of ITO on a lower end of the upper substrate and made of a transparent material; And a lower substrate coupled to the upper substrate at a lower end of the upper substrate, wherein the lower substrate comprises: a fixing portion coupled to the upper substrate; A cantilever extended to the fixed portion; A silicon layer formed at the bottom of the fixing part; A lever space formed between the silicon layer and the cantilever; And a second electrode formed on the top of the cantilever.

바람직하게는, 상기 제2전극은 상기 캔틸레버 상단의 붕소 도핑에 의하여 형성되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the second electrode is formed by boron doping on the top of the cantilever.

바람직하게는, 상기 레버 공간은 상기 실리콘 층의 표면 에칭에 의하여 형성되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the lever space is formed by surface etching of the silicon layer.

바람직하게는, 상기 상단기판 상단에는 상기 캔틸레버의 변위를 측정하기 위한 레이저 간섭계 또는 옵티컬 레버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정전 구동형 캔틸레버 센서.Preferably, the top of the upper substrate electrostatically driven cantilever sensor further comprises a laser interferometer or an optical lever for measuring the displacement of the cantilever.

더욱 바람직하게는, 상기 레이저 간섭계는 상기 캔틸레버의 변위를 측정하기 위하여 상기 캔틸레버에 레이저를 주사하는 레이저 발생기 및 상기 캔틸레버에서 반사된 레이저를 감지하여 상기 캔틸레버의 변위를 계산하는 수신부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.More preferably, the laser interferometer further comprises a laser generator for scanning a laser on the cantilever to measure the displacement of the cantilever and a receiver for detecting the laser reflected from the cantilever and calculating the displacement of the cantilever. It is done.

더욱 바람직하게는, 상기 레이저 발생기는 상기 캔틸레버의 변위 및 속도 측정의 감도를 증가시키기 위하여 상기 캔틸레버의 끝단에 레이저를 주사하는 것을 특징으로 한다.More preferably, the laser generator is characterized in that for scanning the laser at the end of the cantilever to increase the sensitivity of the displacement and velocity measurement of the cantilever.

바람직하게는, 상기 수신부에 의하여 감지된 캔틸레버의 변위를 기초로 상기 제1전극 및 제2전극에 전압을 인가하는 가진장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The apparatus may further include an excitation device for applying a voltage to the first electrode and the second electrode based on the displacement of the cantilever detected by the receiver.

더욱 바람직하게는, 상기 가진장치는 상기 수신부에서 측정된 캔틸레버의 변위를 증가시키는 형태로 상기 제1전극 및 제2전극에 전압을 인가하는 것을 특징으로 한다.More preferably, the excitation device is characterized in that to apply a voltage to the first electrode and the second electrode in the form of increasing the displacement of the cantilever measured by the receiver.

바람직하게는, 상기 가진장치는 상기 수신부에서 측정된 캔틸레버의 변위신호와 동일한 형태로 한 주기 후에 상기 제1전극 및 제2전극에 전압을 인가하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the excitation device is characterized in that the voltage is applied to the first electrode and the second electrode after a period of the same shape as the displacement signal of the cantilever measured by the receiver.

바람직하게는, 상기 가진장치는 상기 수신부에서 측정된 캔틸레버의 변위신호를 중심점에 대하여 +와 -로만 인식하고, 각 부호와 동일한 방향으로 가진력이 발생하도록 상기 제1전극 및 제2전극에 전압을 인가하는 것을 특징으로 한다.
Preferably, the excitation device recognizes the displacement signal of the cantilever measured by the receiver as only + and-with respect to the center point, and applies a voltage to the first electrode and the second electrode to generate an excitation force in the same direction as each sign. Characterized in that.

본 발명에 따른 정전 구동형 캔틸레버 센서는 정전구동 전극의 한쪽을 ITO전극으로 구성한 것으로, ITO전극을 투과하여 캔틸레버 위쪽에서 광학적인 측정이 가능하여 캔틸레버 상단에서 가진과 진동 측정을 동시에 할 수 있어, 전체 센서시스템의 부피를 줄일 수 있으며, 표면 실리콘 에칭으로 캔틸레버를 형성할 수 있어 제작 공정이 간단한 장점이 있으며, 더 나아가 캔틸레버 센서 제작의 재현성이 향상되어 대량 생산에 적합한 효과가 있다.
The electrostatically driven cantilever sensor according to the present invention comprises one of the electrostatically driven electrodes as an ITO electrode, which allows optical measurement from the upper part of the cantilever by passing through the ITO electrode, thereby simultaneously performing excitation and vibration measurement at the top of the cantilever. The volume of the sensor system can be reduced, and the cantilever can be formed by surface silicon etching, which makes the manufacturing process simple. Furthermore, the reproducibility of the cantilever sensor fabrication is improved, which is suitable for mass production.

도 1은 일반적인 캔틸레버 센서에서 캔틸레버의 변형을 나타내는 설명도이며,
도 2는 본 발명에 따른 정전 구동형 캔틸레버 센서의 구성을 나타내는 단면도이다.1 is an explanatory diagram showing a deformation of a cantilever in a general cantilever sensor.
2 is a cross-sectional view showing the configuration of an electrostatically driven cantilever sensor according to the present invention.

이하 본 발명은 첨부한 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings.

먼저, 본 발명에 따른 정전 구동형 캔틸레버 센서(100)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상단에는 상단기판(10)이 형성된다.First, the electrostatically driven cantilever sensor 100 according to the present invention, as shown in Figure 2, the upper substrate 10 is formed on the top.

상기 상단기판(10)은 μm레벨의 길이와 폭을 가지며, 재질은 절연 특성을 갖는 유리 또는 합성수지가 바람직하며, 반드시 투명성 재질로 구성된다.The upper substrate 10 has a length and width of the μm level, the material is preferably glass or synthetic resin having an insulating property, it is necessarily made of a transparent material.

상기 상단기판(10)은 도 2에 도시된 바와 같이 결합부(11)와 전극부(12)로 구분되며, 상기 전극부(12)의 하부에는 일부 부재가 에칭되어 전극 공간(13)이 형성된다.As shown in FIG. 2, the upper substrate 10 is divided into a coupling part 11 and an electrode part 12, and some members are etched under the electrode part 12 to form an electrode space 13. do.

상기 전극부(12)의 하부에는 제1전극(40)이 형성된다.The first electrode 40 is formed under the electrode part 12.

상기 제1전극(40)은 인듐주석산화물인 ITO를 증착시켜 형성하며, 투명한 특성을 나타낸다. The first electrode 40 is formed by depositing indium tin oxide, ITO, and exhibits transparent characteristics.

따라서, 상기 상단기판(10) 상단으로 하부에 위치하는 후술하는 캔틸레버(30)를 바로 확인할 수 있어, 상기 상단기판(10)을 통하여 하부에 위치하는 캔틸레버(30)의 진동을 바로 측정할 수 있는 장점이 있다.Therefore, the cantilever 30 to be described later located on the upper end of the upper substrate 10 can be immediately confirmed, so that the vibration of the cantilever 30 located on the lower portion can be directly measured through the upper substrate 10. There is an advantage.

상기 상단기판(10)의 하단에는 SOI 웨이퍼에서 가공된 하단기판(20)이 위치한다.The lower substrate 20 processed from the SOI wafer is located at the lower end of the upper substrate 10.

상기 하단기판(20)은 에칭에 의하여 형성된 고정부(31), 캔틸레버(30), 옥사이드 층(21) 및 실리콘 층(22)을 포함하여 구성된다.The lower substrate 20 includes a fixing part 31, a cantilever 30, an oxide layer 21, and a silicon layer 22 formed by etching.

상기 캔틸레버(30)는 상기 하단기판(20)의 고정부(31)에 의하여 연장형성되며, 상기 캔틸레버(30)와 하단기판(20)의 실리콘 층(22) 사이에는 에칭에 의하여 형성된 레버 공간(32)이 형성된다.The cantilever 30 is extended by the fixing part 31 of the lower substrate 20, and a lever space formed by etching between the cantilever 30 and the silicon layer 22 of the lower substrate 20 ( 32) is formed.

상기 레버 공간(32)에 의하여 상기 캔틸레버(30)가 진동할 수 있다.The cantilever 30 may vibrate by the lever space 32.

또한 상기 캔틸레버(30)의 상단에는 제2전극(50)이 형성되며, 상기 제2전극(50)은 SOI 웨이퍼의 위 실리콘 (device layer) 의 상면에 붕소를 도핑시켜 형성한다.In addition, a second electrode 50 is formed on an upper end of the cantilever 30, and the second electrode 50 is formed by doping boron on an upper surface of silicon (device layer) on an SOI wafer.

따라서 상기 제2전극(50)은 상기 제1전극과 대응된다.Therefore, the second electrode 50 corresponds to the first electrode.

또한, 상기 고정부(31)과 실리콘 층(22) 사이에는 옥사이드 층(21)이 형성되어 있다.In addition, an oxide layer 21 is formed between the fixing part 31 and the silicon layer 22.

상기 옥사이드 층(21)은 초기 웨이퍼 형태에 형성된 것으로 가공에 의하여 레버 공간(32) 부분은 제거된다.The oxide layer 21 is formed in the initial wafer form, and the portion of the lever space 32 is removed by processing.

따라서 상기 캔틸레버(30)는 고정부(31)에 의하여 상기 옥사이드 층(21)에 지지되며, 옥사이드 층(21)은 실리콘 층(22)에 의하여 지지된다.Accordingly, the cantilever 30 is supported by the oxide layer 21 by the fixing part 31, and the oxide layer 21 is supported by the silicon layer 22.

상기와 같은 하단기판(20)의 구조는 초기 SOI웨이퍼를 붕소로 도핑하여 제2전극을 형성하고, 캔틸레버(30) 부위를 제외하고 표면 실리콘 에칭에 의하여 캔틸레버(30)를 형성할 수 있으므로, 공정이 간단하고, 또한 가공 시간이 줄어들며, 캔틸레버(30)의 재현성도 향상되는 효과가 있다.Since the structure of the lower substrate 20 as described above may form the second electrode by doping the initial SOI wafer with boron, and form the cantilever 30 by surface silicon etching except for the cantilever 30 region, the process may be performed. This simple, the processing time is reduced, and the reproducibility of the cantilever 30 is also improved.

한편, 상기 캔틸레버(30)는 끝단에 바이오 물질(1)이 포집되는 경우 상기 캔틸레버(30)의 길이, 폭, 두께 및 물성치에 의한 특성과 상기 바이오 물질(1)의 질량의 특성을 합한 물성치에 의하여 특정 고유진동수를 가진다.Meanwhile, when the biomaterial 1 is collected at the end, the cantilever 30 has a property value obtained by adding the properties of the length, width, thickness, and physical property of the cantilever 30 to the properties of the mass of the biomaterial 1. By a specific natural frequency.

여기서 상기 바이오 물질(1)은 어떠한 물질도 가능하다. 예를 들면, 바이러스, 세균, 나노물질 등의 포집 가능한 모든 물질이 적용될 수 있다.The biomaterial 1 can be any material. For example, all captureable materials such as viruses, bacteria and nanomaterials can be applied.

만약, 바이오 물질(1)이 흡착된 경우에는 캔틸레버(30)의 고유진동수는 변경되며, 변경된 특성에 의한 고유진동수를 측정하면, 바이오 물질(1)의 질량을 측정할 수 있다.If the biomaterial 1 is adsorbed, the natural frequency of the cantilever 30 is changed, and if the natural frequency is measured by the changed characteristic, the mass of the biomaterial 1 may be measured.

한편, 상기 캔틸레버(30)의 변위는 레이저 간섭계 또는 옵티컬 레버(optical lever)를 이용하여 측정할 수 있다. 레이저 발생기(70)에서 레이저를 상기 캔틸레버(30)로 주사하고 반사된 레이저를 수신부(72)에서 받아서 진동을 감지한다.Meanwhile, the displacement of the cantilever 30 may be measured by using a laser interferometer or an optical lever. The laser generator 70 scans the laser into the cantilever 30 and receives the reflected laser from the receiver 72 to detect vibration.

특히 본 발명에 따른 정전 구동형 캔틸레버 센서(100)는 상단기판(10)이 투명한 재질로 구성되어 상기 상단기판(10)을 투과하여 레이저를 조사할 수 있으므로, 캔틸레버(30)의 진동 측정이 매우 용이하고, 레이저 발생기(70)의 설치에도 많은 자유도를 제공한다.In particular, in the electrostatically driven cantilever sensor 100 according to the present invention, since the upper substrate 10 is made of a transparent material to transmit the laser beam through the upper substrate 10, the vibration measurement of the cantilever 30 is very high. It is easy and provides many degrees of freedom for installation of the laser generator 70.

상기 레이저 발생기(70)는 상기 캔틸레버(30)의 어떤 위치에서 측정할 수 있으나, 가장 변위가 큰 부위는 상기 캔틸레버(30)의 끝단이므로 끝단에 근접하는 부위의 변위를 측정하는 것이 바람직하다.The laser generator 70 may be measured at any position of the cantilever 30. However, since the portion having the largest displacement is the end of the cantilever 30, it is preferable to measure the displacement of the portion close to the end.

상기 수신부(72)는 상기 레이저 발생기(70)에서 조사되어 상기 캔틸레버(30)에서 반사되어 나오는 레이저를 감지하여 진폭을 측정하는 것으로 신호처리 시스템을 포함하며, 측정 결과를 실시간으로 가진장치(60)로 출력한다.The receiving unit 72 detects a laser beam emitted from the laser generator 70 and reflected from the cantilever 30 to measure an amplitude, and includes a signal processing system, and has a measurement result in real time. Will output

상기 가진장치(60)는 상기 수신부(72)에 의하여 측정된 캔틸레버(30)의 변위를 기초로 하여 상기 제1전극(40) 및 제2전극(50)에 전압을 인가하여 상기 캔틸레버(30)의 변위를 증폭시키는 역할을 한다.The excitation device 60 applies a voltage to the first electrode 40 and the second electrode 50 based on the displacement of the cantilever 30 measured by the receiver 72 to the cantilever 30. It serves to amplify the displacement of.

상기 가진장치(60)는 입력된 캔틸레버(30)의 변위에 따라 상기 제1전극(40) 및 제2전극(50)에 전압을 인가하므로, 캔틸레버(30)의 변위가 증가되는 방향으로 전압을 인가해야되나, 실시간으로 측정되는 변위와의 위상 변화가 발생되므로, 이를 고려하여 전압을 인가하면 된다.Since the excitation device 60 applies a voltage to the first electrode 40 and the second electrode 50 according to the input displacement of the cantilever 30, the excitation device 60 increases the voltage in a direction in which the displacement of the cantilever 30 increases. It should be applied, but since the phase change with the displacement measured in real time occurs, it is necessary to apply the voltage in consideration of this.

상기 캔틸레버(30)의 변위의 주기가 비교적 길고, 변위의 측정이 짧은 시간에 이루어지는 경우, 실시간으로 측정된 캔틸레버(30)의 변위를 기준으로 전압을 인가하는 상기 제1전극(40) 및 제2전극(50)에 인가하는 일부 시간 차이에도 불구하고 상기 캔틸레버(30)의 변위를 증가시킬 수 있다.When the period of the displacement of the cantilever 30 is relatively long and the displacement is measured in a short time, the first electrode 40 and the second applying the voltage based on the displacement of the cantilever 30 measured in real time. Despite some time difference applied to the electrode 50, the displacement of the cantilever 30 can be increased.

또한, 캔틸레버(30)의 변위의 주기가 짧은 경우에는 캔틸레버(30)의 변위를 일정 시간 측정하여 주기를 판단하고, 한 주기 후에 캔틸레버(30)에서 한주기 전에 측정되는 변위와 같은 형태로 전압을 인가하는 경우 상기 캔틸레버(30)의 변위를 지속적으로 증가시킬 수 있다.In addition, when the period of displacement of the cantilever 30 is short, the period is determined by measuring the displacement of the cantilever 30 for a predetermined time, and after one period, the voltage is measured in the same form as the displacement measured one cycle before the period of the cantilever 30. When applied, the displacement of the cantilever 30 may be continuously increased.

또한, 상기 가진장치(60)는 캔틸레버(30)의 변위가 중심에서 상단 또는 하단으로 위치하는 정보만을 이용하여 펄스 형태로 상기 캔틸레버(30)를 가진할 수 있다. 즉, +변위인 경우 일정 크기의 +방향의 가진력을, -변위인 경우 동일 크기의 -방향의 가진력에 해당하는 전압을 인가하여 상기 캔틸레버(30)를 가진시킬 수도 있다. 상기와 같은 방식은 비교적 간단히 구성을 갖는 장점이 있다.
In addition, the excitation device 60 may have the cantilever 30 in the form of a pulse using only information in which the displacement of the cantilever 30 is located from the center to the top or the bottom. That is, in the case of + displacement, the cantilever 30 may be excited by applying a voltage corresponding to the excitation force of a predetermined magnitude in the positive direction, and the voltage corresponding to the excitation force of the same magnitude in the negative displacement. Such a method has the advantage of having a relatively simple configuration.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, And all of the various forms of embodiments that can be practiced without departing from the technical spirit.

1: 바이오 물질 2: 캔틸레버
10: 상단기판 11: 결합부
12: 전극부 13: 전극 공간
20: 하단기판 30: 캔틸레버
31: 고정부 32: 레버 공간
40: 제1전극 50: 제2전극
60: 가진장치 70: 레이저 발생기
72: 수신부 100: 캔틸레버 센서1: biomaterial 2: cantilever
10: upper substrate 11: coupling part
12: electrode portion 13: electrode space
20: lower substrate 30: cantilever
31: fixing part 32: lever space
40: first electrode 50: second electrode
60: excitation device 70: laser generator
72: receiver 100: cantilever sensor

Claims (10)

센서 내부에 캔틸레버를 포함하며, 상기 캔틸레버에 특정물질이 포집되어 고유진동수 변화에 의하여 포집 물질의 질량을 측정하는 정전 구동형 캔틸레버 센서에 있어서,
마이크로 레벨의 투명 재질이며, 하단에 에칭에 의하여 형성된 전극 공간을 포함하는 상단기판;
상기 상단기판 하면에 부착되며, ITO로 형성되어 투명한 재질의 제1전극; 및
상기 상단기판의 아래에 위치하며, 상기 상단기판의 일부 면과 결합하는 하단기판을 포함하되,
상기 하단기판은:
상기 상단기판과 결합하는 고정부;
상기 고정부에 연장형성되는 캔틸레버;
상기 고정부 하단에 형성되는 실리콘 층;
상기 실리콘 층과 상기 캔틸레버 사이에 형성되는 레버 공간; 및
상기 캔틸레버 상단에 형성되는 제2전극을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 정전 구동형 캔틸레버 센서.
In the electrostatically driven cantilever sensor that includes a cantilever inside the sensor, the specific material is collected in the cantilever to measure the mass of the collecting material by the change of the natural frequency,
A top substrate which is a micro-level transparent material and includes an electrode space formed at the bottom thereof by etching;
A first electrode attached to a lower surface of the upper substrate and formed of ITO and made of a transparent material; And
Located below the upper substrate, including a lower substrate coupled to some surface of the upper substrate,
The lower substrate is:
A fixing part coupled to the upper substrate;
A cantilever extended to the fixed portion;
A silicon layer formed at the bottom of the fixing part;
A lever space formed between the silicon layer and the cantilever; And
The electrostatically driven cantilever sensor, characterized in that it comprises a second electrode formed on the top of the cantilever.
청구항 1에 있어서, 상기 제2전극은 상기 캔틸레버 상단의 붕소 도핑에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 정전 구동형 캔틸레버 센서.
The electrostatically driven cantilever sensor of claim 1, wherein the second electrode is formed by boron doping on an upper portion of the cantilever.
청구항 1에 있어서, 상기 레버 공간은 상기 실리콘 층의 표면 에칭에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 정전 구동형 캔틸레버 센서.
The electrostatically driven cantilever sensor according to claim 1, wherein the lever space is formed by surface etching of the silicon layer.
청구항 1에 있어서, 상단기판 상단에는 상기 캔틸레버의 변위를 측정하기 위한 레이저 간섭계 또는 옵티컬 레버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정전 구동형 캔틸레버 센서.
The electrostatically driven cantilever sensor of claim 1, further comprising a laser interferometer or an optical lever at the top of the upper substrate to measure the displacement of the cantilever.
청구항 4에 있어서, 상기 레이저 간섭계는 상기 캔틸레버의 변위를 측정하기 위하여 상기 캔틸레버에 레이저를 주사하는 레이저 발생기 및 상기 캔틸레버에서 반사된 레이저를 감지하여 상기 캔틸레버의 변위를 계산하는 수신부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정전 구동형 캔틸레버 센서.
The method of claim 4, wherein the laser interferometer further comprises a laser generator for scanning a laser on the cantilever to measure the displacement of the cantilever and a receiver for detecting the laser reflected from the cantilever and calculates the displacement of the cantilever Electrostatically driven cantilever sensor.
청구항 5에 있어서, 상기 레이저 발생기는 상기 캔틸레버의 변위 및 속도 측정의 감도를 증가시키기 위하여 상기 캔틸레버의 끝단에 레이저를 주사하는 것을 특징으로 하는 정전 구동형 캔틸레버 센서.
6. The electrostatically driven cantilever sensor of claim 5, wherein the laser generator scans a laser at the end of the cantilever to increase the sensitivity of the displacement and velocity measurement of the cantilever.
청구항 5에 있어서, 상기 수신부에 의하여 감지된 캔틸레버의 변위를 기초로 상기 제1전극 및 제2전극에 전압을 인가하는 가진장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정전 구동형 캔틸레버 센서.
6. The electrostatically driven cantilever sensor of claim 5, further comprising an excitation device for applying a voltage to the first electrode and the second electrode based on the displacement of the cantilever detected by the receiver.
청구항 7에 있어서, 상기 가진장치는 상기 수신부에서 측정된 캔틸레버의 변위를 증가시키는 형태로 상기 제1전극 및 제2전극에 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 정전 구동형 캔틸레버 센서.
8. The electrostatically driven cantilever sensor of claim 7, wherein the excitation device applies a voltage to the first electrode and the second electrode in a manner of increasing the displacement of the cantilever measured by the receiver.
청구항 7에 있어서, 상기 가진장치는 상기 수신부에서 측정된 캔틸레버의 변위신호와 동일한 형태로 한 주기 후에 상기 제1전극 및 제2전극에 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 정전 구동형 캔틸레버 센서.
8. The electrostatically driven cantilever sensor according to claim 7, wherein the excitation device applies a voltage to the first electrode and the second electrode after one period having the same shape as the displacement signal of the cantilever measured by the receiver.
청구항 7에 있어서, 상기 가진장치는 상기 수신부에서 측정된 캔틸레버의 변위신호를 중심점에 대하여 +와 -로만 인식하고, 각 부호와 동일한 방향으로 가진력이 발생하도록 상기 제1전극 및 제2전극에 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 정전 구동형 캔틸레버 센서.
The method of claim 7, wherein the excitation device recognizes the displacement signal of the cantilever measured by the receiver as only + and-with respect to the center point, and applies a voltage to the first electrode and the second electrode to generate an excitation force in the same direction as each sign. Electrostatic drive type cantilever sensor, characterized in that for applying.
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