원판 디스크 레조네이터 기반 바이오센서의 설계 및 제작 :Development of radial contour-mode disk resonator based immunosensor

유제준

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자료유형: 학위논문

저자정보: 유제준 (중앙대학교, 중앙대학교 대학원)

지도교수: 최해진

발행연도: 2013

저작권: 중앙대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수1

이 논문의 연구 히스토리 (4)

2013

원판 디스크 레조네이터 기반 바이오센서의 설계 및 제작

유제준 기계공학과 2013.01 학위논문

2012

증착과 식각공정을 이용한 원판형 디스크 레조네이터의 제작 및 측정

유제준 , 최해진 대한기계학회 춘추학술대회 2012.06 학술대회자료

증착과 식각과정의 불확실성을 고려한 고민감도 원판형 디스크 레조네이터의 해석

유제준 , 장성우 , Buddhi Wima 외 2명 한국생산제조학회 학술발표대회 논문집 2012.04 학술대회자료

2011

원판 레조네이터를 기반으로 한 바이오센서 설계 및 공정

유제준 , 최해진 대한기계학회 춘추학술대회 2011.11 학술대회자료

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최근 삶의 질 향상, 진단 및 신약개발을 포함하는 실버산업의 발전, 친환경 녹색성장 등의 거센 사회적 요구에 따라 무연 (lead-free) 센서/액추에이터, 바이오센서 등의 기술에 대한 수요가 급격히 증가하고 있다. 특히, 바이오센서는 질병 조기진단, 음식/식수 위생 점검 등을 위한 인류 건강과 위생을 위한 필수 기술이다. 이에 따라 이들 센서기술의 기초가 되는 재료개발과 더불어 이를 채용한 바이오센서에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 실리콘기반의 통합회로(IC)와 MEMS microfabrication 기술은 초소형 전기화학적 바이오센서에 성공적으로 폭넓게 적용되어 왔다. 본 연구는 기존의 MEMS 제조과정으로 저비용 양산이 가능하면서, 휴대용으로 발전가능하며, 감지과정이 단순하여 빠르고 정확한 질병진단이 가능한 바이오센서 디바이스의 핵심기술 개발을 목적으로 한다.
저비용, 고민감도의 바이오센서를 제작하기 위해 원판 디스크 레조네이터를 기반으로 하여 기존의 반도체 MEMS 공정을 이용해 설계하였다. 기존의 바이오센서와는 달리 원판 디스크 센서는 원주 방향으로 진동을 하기 때문에 다른 형태보다 주변의 저항을 덜 받게끔 설계를 하였다. 이 센서는 진동하는 디스크 위에서 발생하는 항원-항체반응을 바탕으로 질량의 변화에 따른 디스크의 주파수 변화를 측정한다. 스템이 원판 아래에서 지지하는 디스크 레조네이터의 공정을 진행하면서 두 장의 웨이퍼를 본딩하는 과정에서 슬립현상이 나타나는 것을 확인하고 공정 비용과 종류, 횟수를 줄이는 방향으로 스템이 원판의 양 옆에서 지지하는 공정을 새로이 설계하였다. 기존의 공정과는 달리 웨이퍼를 한 장만 사용함으로써 공정 비용과 종류, 횟수가 절감되는 효과를 얻을 수 있었다. 새로 설계된 레조네이터의 공진주파수를 예측하기 위해 ANSYS 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 이론적 공식에 따른 값과 비교해 보았다. 이를 바탕으로 양 옆에서 지지하는 레조네이터를 MEMS 공정을 통해 요구된 센서를 얻었다. 완성된 센서의 공진주파수 측정을 위해 함수발생기, 오실로스코프, 네트워크 분석기를 이용하여 측정을 진행하였으나, 디스크와 electrode 사이의 간격이 넓어 전자기적 힘이 전달되는데 무리가 있다고 판단되었다. 이러한 문제점을 보완하기 위해 디스크와 electrode 사이의 간격을 줄이는 방안으로 질화막을 증착하여 공정을 진행하는 방향으로 재설계하였다.
재설계된 방법으로 공정을 진행한 후 새로운 센서를 재 측정하여 센서의 공진주파수를 얻은 후 시뮬레이션 결과값과 실제 계측값을 비교 분석하는 연구가 진행되어야 할 것으로 사료된다.

A wide range of biosensors is being used for quantifying biological and biochemical processes, which is very important for medical, biological, and biotechnological applications. In this research, a high performance and cost effective radial contour-mode disk resonator is designed and fabricated for the potential applications of biosensors. This sensor is designed to measure tiny biological mass attached on a disk vibrating at a high frequency, producing high quality of output signal at atmospheric pressure. The biosensor consists of a round disk anchored by the side stems on the substrate and surrounding electrodes. The disk is separated from the surrounding electrodes by a narrow air gap (d0) that plays the role of a capacitive electro-mechanical transducer of the device. The biosensor consists of a round disk anchored by the side stems on the substrate and surrounding electrodes. The disk is separated from the surrounding electrodes by a narrow air gap (d0) that plays the role of a capacitive electro-mechanical transducer of the device.
When the radial vibration frequency approaches to the natural frequency of the disk, the amplitude of the output signal significantly increases due to the resonance effect.
Mass sensitivity (Sm) is degree of resonance frequency shift due to the mass change and is also a critical characteristic for biological mass sensors. A sensor with higher mass sensitivity allows us to measure tiny mass of bio-entities much more accurately.
In order to estimate the mass sensitivity of our designed resonator, we obtained resonance frequencies of a disk resonator using computer simulation with given set of geometric parameters, followed by additional resonance frequency estimation with loaded bio-entities.
For the fabrication of this device, we employed the MEMS processes of photolithography, etching, and deposition, getting desired patterns. After fabricating the device, we measured resonance frequency of the resonator for getting the signal. However, we failed to get the output signal of the resonator.
Therefore, we suggest new design of resonator which is the side stem radial contour-mode disk resonator with nitride gap. When it fabricates, we will compare the measured resonance frequency results of the fabricated device with the simulation results.

제 1 장 서 론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 압전 바이오센서 4
1.3 연구 목적 12
제 2 장 Bottom stem RCDR (Radial Contour-mode Disk Resonator) 13
2.1 Bottom stem RCDR 소개 13
2.2 바이오센서의 다목적 강건 최적 설계 16
2.3 Bottom stem RCDR 제작 18
2.4 Bottom stem RCDR 제작결과 및 문제점 고찰 21
제 3 장 Side stem RCDR (Radial Contour-mode Disk Resonator) 25
3.1 Side stem RCDR 소개 25
3.2 Side stem RCDR CAD 모델링 27
3.2.1 모델링의 요구조건 27
3.2.2 형상의 정의 27
3.2.3 Mesh modeling (Mesh 형상 작업) 27
3.2.4 구속조건 및 하중조건 27
3.2.5 해석 결과 27
3.3 Side stem RCDR 제작 34
3.4 Side stem RCDR 측정 38
3.5 Side stem RCDR 문제점 45
제 4 장 Nitride gap 증착을 통한 side stem RCDR (Radial Contour-mode Disk Resonator) 47
4.1 Nitride gap side stem RCDR 설계 47
제 5 장 향후 연구 50
제 6 장 결 론 52
참 고 문 헌 54
국 문 초 록 58
ABSTRACT 60

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