KR101711204B1

KR101711204B1 - 단일입력 다중출력 표면탄성파 디바이스

Info

Publication number: KR101711204B1
Application number: KR1020100106534A
Authority: KR
Inventors: 이열호; 이수석; 이기근
Original assignee: 삼성전자주식회사; 아주대학교산학협력단
Priority date: 2010-10-29
Filing date: 2010-10-29
Publication date: 2017-03-13
Anticipated expiration: 2030-10-29
Also published as: EP2447713A2; KR20120045167A; US8695428B2; US20120105174A1; EP2447713B1; EP2447713A3

Abstract

표면탄성파를 이용한 디바이스에 있어서, 단일입력에 대하여 다중출력되는 구조로서, 하나의 입력 IDT의 길이 방향으로 2 이상의 출력 IDT가 나란히 배열되어 있는 구조를 개시한다. 동 구조에 따르면 복수 개 입력 IDT 간의 편차 및 신호 간섭을 배제함으로써 검출 감도 및 신뢰도를 높일 수 있다.

Description

단일입력 다중출력 표면탄성파 디바이스 {Single-input Multi-output Surface Acoustic Wave Device}

단일입력 다중출력 표면탄성파 디바이스에 관한 기술이다.

표면탄성파(Surface Acoustic Wave; SAW)란 전자파가 아니라 외부의 열적, 기계적, 전기적 힘에 의한 입자들의 운동으로부터 발생하는 기계적인 파동으로서, 진동에너지의 대부분이 매질의 표면에 집중된다. SAW 디바이스는 이러한 SAW 를 이용한 장치로서, 예를 들어 대상물질의 존부 또는 물성 등을 센싱하는 장치가 SAW 센서이다. 일반적으로 SAW 센서는 압전 물질로 이루어진 기판 상에 형성되고, 센서 표면에는 소망하는 타겟 물질과 특이적인 결합을 갖는 수용체(Receptor)가 부착되어 있다. 이에, 타겟 물질을 포함하는 용액을 SAW 센서에 흘려 보내면 타겟 물질과 리셉터와의 물리적, 화학적, 전기적 반응에 의해 파장의 변화가 발생하고, 이에 따른 시그널 변화를 통해 타겟 물질의 함량을 진단, 모니터링 할 수 있다.

SAW 센서는 표면의 질량 변화 뿐만 아니라 유체의 압력, 매질의 점도(Viscosity)나 밀도(density) 등에도 매우 민감하다. 따라서, 이러한 질량 외 요인에 의한 시그널 변화인 노이즈(Noise)를 최소화하는 것이 매우 중요하다.

이러한 SAW 센서의 전극에 표면탄성파를 발생시키기 위한 기술의 예로는, SAW 센서의 출력 IDT에서 방출된 출력 시그널을 다시 SAW 센서의 입력 IDT에 인가하는 발진(oscillation) 방법이 있다. 또한, SAW 센서 외부에서 특정 주파수를 생성시킨 후 입력 IDT에 인가한 후 방출된 출력 시그널을 플롯 (Plot)하는 방법이 있다.

복수 개의 입력 IDT-출력 IDT 쌍에 따른 다중입력 다중출력 구조에 의한 오차 및 편차를 차단할 수 있는 SAW 디바이스가 제공된다.

일 예에 따른 표면탄성파 디바이스는, 압전 기판, 상기 압전 기판의 일 측에 형성되어 전기적 신호를 표면탄성파 신호로 변환하는 입력 IDT(Inter Digital Transducer), 상기 압전 기판의 타 측에 형성되어 표면탄성파 신호를 다시 전기적 신호로 변환하는 출력 IDT, 및 상기 입력 IDT와 출력 IDT 사이에 있는 지연선부(delay line)를 포함한다. 여기서, 상기 하나의 입력 IDT의 길이 방향으로 2 이상의 출력 IDT가 나란히 배열되어 있다.

상기 입력 IDT의 핑거(finger)의 길이(W _in )는 하기 식 (1)로 표현되는 입력 IDT의 삽입손실(insertion loss, IL)이 -30dB 이하가 되는 길이일 수 있다. 이러한 입력 IDT의 핑거의 길이(W _in )는 최대 300λ일 수 있다.

(1)

상기 식에서, Y는 전체 입력 어드미턴스 (total input admittance)이다.

입력 IDT의 핑거의 길이(W _in ) 및 출력 IDT의 핑거의 길이(W _out )와 출력 IDT 의 개수(m)와의 관계는 하기 식(2)으로 표현될 수 있다.

(2)

상기 출력 IDT의 핑거의 길이(W _out )가 50 λ일 때, 상기 하나의 입력 IDT에 대한 출력 IDT 의 개수는 2 ~ 12일 수 있다.

상기 표면탄성파는 러브파(love wave)일 수 있고, 이를 구현하기 위해, 상기 압전 기판 상에 금속 박막, 또는 유전체막이 형성될 수 있다.

하나의 예시에 따른 SAW 디바이스에는 외부 공진자가 입력 IDT 에 연결될 수 있다.

상기 출력 IDT 들이 형성된 방향에 대하여 입력 IDT를 중심으로 대향하는 방향에 출력 IDT 들이 더욱 형성될 수 있다. 이 경우, 입력 IDT를 기준으로 서로 마주보는 방향에 형성된 출력 IDT들은 서로 대응되는 위치에 형성될 필요는 없다.

상기 SAW 디바이스는 표면탄성파 센서일 수 있는 바, 상기 지연선부에는 타겟 물질에 대하여 특이적으로 반응하는 리셉터가 형성되어 있는 구조일 수 있다. 이러한 SAW 센서는 출력 IDT 전극으로부터 출력되는 신호의 변화를 검출하여 물질의 질량, 압력, 밀도 또는 점도 중 2 이상을 분석하는 데 사용될 수 있다.

또 다른 측면에서, 기판, 상기 기판에 형성되어 표면탄성파를 발생시키는 하나의 송신기, 상기 기판에 형성되어 상기 표면탄성파를 입력받아 전기적 신호로 변환하는 2 이상의 수신기, 및, 상기 송신기와 수신기들 사이에 타겟 물질에 반응하는 리셉터가 형성된 표면탄성파 디바이스를 제공한다.

상기 송신기와 수신기들은 일체형으로 형성될 수 있고, 상기 표면탄성파는 러브파일 수 있다.

상기에서 2 이상의 수신기는 횡 방향으로 나란히 배열될 수도 있고, 송신기를 중심으로 서로 대향하여 배열될 수도 있다.

도 1은 본 발명의 제1 예에 따른 SAW 디바이스의 모식도이다;
도 2는 종래기술에 따른 SAW 디바이스의 모식도이다;
도 3은 입력 IDT의 삽입손실에 대한 시뮬레이션 결과이다;
도 4는 본 발명의 제2 예에 따른 SAW 디바이스의 모식도이다;
도 5는 본 발명의 제3 예에 따른 SAW 디바이스의 모식도이다;
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따라 4개의 SAW 단위센서(S1, S2, S3, S4)를 포함하는 SAW 센서의 모식도이다;
도 7은 실험예 1에 따라 4개의 SAW 단위센서(S1, S2, S3, S4)에서 입력에 대한 출력(Output1, Output2, Output3, Output4)의 주파수 특성을 측정한 결과를 모두 나타낸 결과이다;
도 8 내지 11은 실험예 1에서 입력에 대한 출력(Output1, Output2, Output3, Output4)의 주파수를 측정한 결과를 개별적으로 나타낸 결과이다(도 8: 센서S1의 출력 주파수(Output1), 도 9: 센서S2의 출력 주파수(Output2), 도 10: 센서S3의 출력 주파수(Output3), 도 11: 센서S4의 출력 주파수(Output4));
도 12는 실험예 2에서 대각선 방향의 단위센서(S2, S3)의 출력 IDT 간의 간섭을 측정한 결과이다;
도 13는 실험예 2에서 대응하는 방향의 단위센서(S2, S4)의 출력 IDT 간의 간섭을 측정한 결과이다;
도 14는 실험예 2에서 인접한 방향의 단위센서(S3, S4)의 출력 IDT 간의 간섭을 측정한 결과이다;
도 15는 실험예 3에 따른 SAW 바이오센서의 단면도이다;
도 16은 실험예 3에 따라 4개의 단위센서(S1, S2, S3, S4)에 리셉터와 타겟물질 반응에 의한 입출력 사이의 주파수 특성을 측정한 결과이다;
도 17은 실험예 3의 결과에서 기준 센서 대비 농도 별 주파수 감소량을 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요 부호에 대한 설명>
100, 101, 102: SAW 디바이스
110: 압전 기판
121: 입력 IDT
131a, 132a, 133a, 134a, 131b, 132b, 133b, 134b: 출력 IDT
141a, 142a, 143a, 144a, 141b, 142b, 143b, 144b: 지연선부

이하, 본 발명의 이점들과 특징들 및 이를 수행하는 방법들이 하기 실시예들에 대한 상세한 설명 및 첨부된 도면들을 참조함으로써 더욱 용이하게 이해될 수 있을 것이다. 그러나, 본 발명은 많은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 여기서 언급한 실시예들로만 한정되어 구성되는 것은 아니다.

설명의 편의를 위해, 본 명세서에서 '표면탄성파'는 경우에 따라 'SAW'로 약칭한다. 용어 '표면탄성파 디바이스' 또는 'SAW 디바이스'는 SAW 필터, SAW 센서, SAW 공진기 등을 모두 포괄하는 의미이다. 또한, 각 도면들에서 대응되는 요소에 대해서는 동일한 부호를 부여하거나 생략한다.

도 1 에는 본 발명의 제 1 예에 따른 SAW 센서가 모식적으로 도시되어 있는 바, 도 1을 참조하여 살펴본다.

일 예에 따른 SAW 디바이스(100)는 기판(110), 상기 기판(110) 상에 형성되는 입력 IDT(121), 및 상기 입력 IDT(121)와 대향하는 출력 IDT(131a, 132a, 133a, 134a), 상기 입력 IDT(121)와 상기 출력 IDT(131a, 132a, 133a, 134a) 사이에 있는 지연선부(141a, 142a, 143a, 144a) 를 포함한다.

압전성 기판(110)은, 압전성 물질로 이루어져 있다. 압전성 물질은 기계적 신호의 인가시 전기적 특성이 변화되거나(압전효과), 전기적 신호의 인가시 기계적 신호가 생기는(역압전효과) 재료이다. 예를 들어, 니오브산 리튬(예; LiNbO₃), 탄탈산 리튬(예; LiTaO₃), 사붕소산 리튬(Li₂B₄O₇), 티탄산바륨(BaTiO₃), PbZrO₃, PbTiO₃, PZT, ZnO, GaAs, 석영(Quartz), 니오브산염 등을 들 수 있으나 이에 한정되지 않는다.

상기 지연선(delay line)부(141a, 142a, 143a, 144a) 는 예를 들어 감지의 목적이 되는 타겟 물질이 고정되는 반응부가 된다. 이러한 지연선부의 개수에 따라 센서에서 감지될 수 있는 타겟 물질의 개수가 정해질 수 있다. 도시된 예에 따르면, 4개의 지연선부(141a, 142a, 143a, 144a) 가 형성되어 있어서, 4개의 서로 다른 타겟 물질을 한 번에 감지할 수 있다.

이러한 지연선(delay line)부 또는 반응부(141a, 142a, 143a, 144a) 에는 타겟 물질과 특이적으로 반응하는 리셉터(receptor)가 포함될 수 있다. 예를 들어, 가스 흡착제, 효소, 미생물, 항체, DNA 등을 들 수 있고, 반응부의 형태는 수용체들을 고정한 막, 셀의 형태일 수 있다.

상기 입력 IDT(121)와 출력 IDT(131a, 132a, 133a, 134a)는 상호 대향하고 있는 구조를 갖는다. 상기 입력 IDT(121)는 인가된 시그널에 의해 표면탄성파를 발생시키는 바, 이를 '송신기(transmitter)'라고도 한다. 이때 발생된 표면탄성파(SAW)는 기판(110) 표면을 따라 적절한 주파수로 팽창과 압축으로 출력 IDT(131a, 132a, 133a, 134a) 에 전달되어 역압전 효과에 의해 전기적 신호로 변환된다. 이러한 출력 IDT(131a, 132a, 133a, 134a)를 '수신기(receiver)'라고도 한다.

도 1에서 하나의 출력 IDT에 대한 확대도를 참조하면, 각각의 IDT 전극은 2개의 바형 전극(401)과 상기 바형 전극으로부터 수평 연장된 복수의 핑거(402)로 된 빗살 형태로 이루어져 있다. 상기 바형 전극(401)에 연결 전극이 상호 전기적으로 연결될 수 있다.

이러한 IDT 전극은 일반적으로 알루미늄 합금, 동합금, 금 등의 박막 금속으로 형성되나 이에 한정되지 않는다. IDT 전극이 대기 또는 습기에 노출되었을 때 부식되는 것을 방지하기 위해, 필요에 따라 IDT 전극의 표면에 산화 방지막 등의 보호층을 형성할 수 있다.

예를 들어, 상기 IDT 전극은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지고, 산화 알루미늄 박막이 표면에 형성된 구조일 수 있다. 상기 알루미늄 합금은 Al을 주성분으로 하고, Ti, Si, Cr, W, Fe, Ni, Co, Pb, Nb, Ta, Zn, V중 1종 이상을 포함할 수 있다. 상기 산화 알루미늄 박막은 인위적으로 형성시킨 것이거나 자연적으로 발생된 산화 알루미늄(Native Aluminium oxide)일 수 있다.

그리고 IDT 전극은 용액 내에서 작동될 수 있으므로 IDT 전극을 절연하기 위한 절연막을 형성 할 수 있으며, 절연막은 IDT 전극의 절연뿐만 아니라 러브파(LOVE wave)를 생성시킬 경우 웨이브 가이드층 (wave guide layer)으로도 이용될 수 있다. 절연막 및 웨이브 가이드층의 재료로는 실리콘 산화막 (SiO₂), 실리콘 질화막 (Si_xN_y), 산화 아연막 (ZnO), 패럴린 (parylene), 폴리메틸메타크릴레이트 (poly methyl methcrylate, PMMA) 등의 각종 폴리머, 또는 이 중 1종류 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어 실리콘 산화막 1종을 이용하는 것과 산화 아연막에 실리콘 산화막을 코팅하여 2종을 이용하는 것이 있다.

이와 같은 IDT 전극의 핑거는 여러 종류가 있는데, 대표적으로 bidirectional, SPUDT (Single Phase Uni-Directional Transducer), FEUDT (Floating Electrode UniDirectional Transducer), split, 반사기 (reflector) 등이 있으며, 이 중 1종 이상의 IDT 핑거를 사용할 수 있다.

이와 관련하여 도 2에는 종래의 SAW 디바이스가 모식적으로 도시되어 있는 바, 도 2을 참조하면 종래에는 하나의 입력 IDT(12a, 12b, 12c, 12d)에 대하여 각각 하나의 출력 IDT(13a, 13b, 13c, 13d)가 대응되게 형성되어 있는 단위구조(10a, 10b, 10c, 10d)를 갖는다. 즉, 단일입력 단일출력 (single-input single-output, SISO) 구조이다. 이에, 입-출력 IDT 단위구조의 배열 개수 만큼의 입력 IDT(12a, 12b, 12c, 12d)가 형성되고, 여러 개의 입력 IDT(12a, 12b, 12c, 12d)에 의한 노이즈(noise)와 신호 간섭 (cross-talk)이 발생할 수 있다.

그러나, 다시 도 1을 참조하여 본 발명의 예시를 살펴보면, 하나의 입력 IDT(121)와 2개 이상의 출력 IDT(131a, 132a, 133a, 134a) 를 갖는 구조를 갖는 바, 단일 입력 다중 출력(single-input multi-output, SIMO) 구조로 배열되어 있다.

따라서, 2개 이상의 검출 대상을 감지하는 배열 구조의 센서에 적용하여 감지 대상의 개수 만큼 입력 IDT(121)가 형성된 구조에서 발생할 수 있는 노이즈와 간섭을 근본적으로 차단할 수 있다. 뿐만 아니라, 배열센서 자체의 크기도 줄임으로써 수율을 높일 수 있고 센싱을 위한 샘플의 양도 상대적으로 줄일 수 있다.

상기에서 2 이상의 수신기, 출력 IDT는 횡 방향으로 나란히 배열될 수도 있고, 송신기를 중심으로 서로 대향하여 배열될 수도 있다.

하나의 예시에 따르면 상기 하나의 입력 IDT(121)의 길이 방향으로 4개의 출력 IDT(131a, 132a, 133a, 134a) 가 나란히 배열되어 있다. 상기 출력 IDT(131a, 132a, 133a, 134a)는 입력 IDT(121)의 핑거의 길이 한계 범위 내에서 2 이상의 복수로 형성될 수 있다.

이에, 상기 입력 IDT의 핑거의 길이(W _in )는 상기 출력 IDT의 핑거의 길이(W _out )보다 길게 형성되어 있다. 입력 IDT 핑거의 길이(W _in )가 증가할수록 출력 IDT의 개수 역시 증가될 수 있으나, 동시에 삽입 손실이 증가됨으로써 입력 IDT 핑거의 길이(W _in )가 지나치게 증가되면 센서로서의 기능을 상실할 수도 있다.

따라서, 입력 IDT 핑거의 길이(W _in )가 최대인 값은 입력 IDT의 삽입손실(insertion loss, IL)을 바탕으로 결정된다. 입력 IDT의 삽입손실은 하기 식 (1)로 표현될 수 있다.

(1)

상기 식에서, Y는 전체 입력 어드미턴스(total input admittance)이다.

상기 삽입손실(IL)은 수학적으로 정형화된 값은 없지만 보통 입력 IDT(121)의 삽입손실이 -30dB 정도가 되는 길이(파장의 배수로 표현됨)를 입력 IDT(121) 핑거의 길이(W _in )의 최대 크기로 결정한다.

하나의 예에서, 1 파장(1λ)이 20μm가 되도록 입/출력 IDT를 형성한 경우에 입력 IDT(121)의 삽입손실을 시뮬레이션한 결과를 도 3에 나타내었다.

도 3을 참조하면, 입력 IDT 핑거의 길이(W _in )가 짧을수록 삽입손실이 작아지므로 유리하지만, 센서에서 입력 IDT 핑거의 길이(W _in )는 지연선부에 해당하는 감지층의 면적과 비례하므로, 작은 W는 감지면적의 축소로 이어진다. 최대의 입력 IDT 핑거의 길이(W _in )는 인내하는 삽입손실을 얼마로 보느냐에 따라 다르지만, 일반적으로 -30dB를 센서로서 최대의 손실이라고 볼 경우, 약 300λ로 볼 수 있다. 한편, 출력 IDT의 핑거의 길이(W _out )는 최소 40 ~ 50λ 이상이고, 이 때 입력 IDT 핑거의 길이(W _in )의 최소값은 출력 IDT를 횡 방향으로 2개를 갖는 경우이므로 약 80 λ ~ 100 λ이다.

입력 IDT의 핑거의 길이(W _in ) 및 출력 IDT의 핑거의 길이(W _out )와 출력 IDT 의 개수(m)와의 관계는 하기 식(2)로 표현될 수 있다.

(2)

이는, 하나의 입력 IDT(121)에 대하여 상, 하 방향에 모두 출력 IDT(131a, 132a, 133a, 134a, 131b, 132b, 133b, 134b) 가 각각 형성될 수 있기 때문이다 (도 4 참조).

상기 출력 IDT의 최대 개수(m_max)는 입력 IDT(121)의 핑거의 길이(W _in )가 최대값이고, 출력 IDT의 핑거의 길이(W _out )는 최소값인 경우이므로, 예를 들어, 하기 식(3)에서와 같이 W _in 이 최대 300 λ 의 범위 내에 있고, W _out 가 최소 50 λ인 경우에 해당하는 값인 12개일 수 있다.

최대 개수 m_max: (2 X 300λ) / 50λ = 12 (3)

본 예시에서는 IDT 핑거의 최소 길이를 50 λ로 설정하였으나, 이는 디바이스에 따라 적절하게 설정할 수 있으며, 특별히 제한되지 않음은 물론이다.

한편, 상기 하나의 입력 IDT(121)에 대하여 출력 IDT(131a, 132a, 133a, 134a) 는 2 이상이고, 도 1에서는 4 개의 출력 IDT(131a, 132a, 133a, 134a) 들은 일 측에 입력 IDT(121)에 대하여 길이 방향으로 나란히 배열되어 있다. 그러나, 하나의 입력 IDT에 대하여 2 이상의 출력 IDT가 나란히 형성된 구조라면 특별히 제한되지 않는다.

하나의 예에서, 도 4에서와 같이 제2 예에 따른 SAW 디바이스(101)는 출력 IDT 들(131a, 132a, 133a, 134a) 이 형성된 방향에 대하여 입력 IDT(121)를 중심으로 대향하는 방향에 타 측에 길이 방향으로 출력 IDT들(131b, 132b, 133b, 134b) 이 형성된 구조를 포함한다. 즉, 도 4에서는 입력 IDT(121)를 사이에 두고 일 측의 출력 IDT(131a, 132a, 133a, 134a) 들과 타 측의 출력 IDT들(131b, 132b, 133b, 134b) 이 횡 방향으로 서로 대응되게 형성되어 있다. 그러나, 입력 IDT(121)와 출력 IDT들(131b, 132b, 133b, 134b)가 지연선부(141b, 142b, 143b, 144b) 를 사이에 두고 서로 대응되는 구조라면 특별히 제한되지 않는다.

이에, 또 다른 예에서, 도 5에서와 같이 제3 예에 따른 SAW 디바이스(102)는, 입력 IDT(121)를 사이에 두고 마주하고 있는 일 측의 출력 IDT(131a, 132a, 133a)들과 타 측의 출력 IDT들(131b, 132b, 133b, 134b) 이 서로 엇갈리게 형성될 수도 있다.

SAW 센서의 작동

상술한 예시에 따른 SAW 디바이스(100, 102, 103)는 타겟 물질을 감지하기 위한 센서일 수 있다. 도 1과 함께 도 15를 참조하여 SAW 센서(100)의 구동원리를 예시적으로 살펴보면, 전기적 시그널이 입력 IDT(121) 전극을 거치면서 기계적인 파동을 만든다. 이 파동은 SAW 센서(100) 표면의 리셉터(210)와 시료 샘플 내 타겟물질(220)이 결합함으로써 발생하는 물리적, 화학적, 전기적 반응에 의해 변화된다. 즉, SAW 센서의 출력 신호의 중심 주파수, 위상 또는 신호 크기 등이 달라지게 된다. 예를 들어, 타겟물질(220)이 결합됨으로써 반응부의 중량이 변화되면 입력 IDT(121)에 의하여 여진되는 표면탄성파의 전단 속도가 변화하고, 이것을 수신 이용하는 출력 IDT(131)의 발진 주파수의 변화를 측정함에 따라 타겟물질(220)의 물성을 정밀하게 검출할 수 있다. 나아가 타겟물질(220)을 정성적 및 정량적으로 분석할 수 있다.

여기서, 표면탄성파란 매질의 표면 부근에 에너지를 집중시켜 전반하는 파동의 총칭으로, 압전 기판(110)의 표면에 형성한 IDT 전극(121, 131)에 의하여 표면탄성파를 여진하고 수신할 수 있다. SAW 디바이스에 이용되는 주요 표면탄성파로는 레일리(Rayleigh)파가 잘 알려져 있으며, 이 밖에 SH파, 러브(LOVE)파, 누설 탄성 표면파(Leaky) 등이 있다

하나의 예에 따른 표면탄성파 디바이스는 러브파를 이용한 디바이스일 수 있다. 러브파 모드는 일반적으로 레일리파, SH 형의 누설파에 비해 결합 계수가 크고 저손실이다. 러브파를 이용하는 경우 압전 기판(110)상에 도파로를 형성하도록 음속이 늦은 고밀도의 유전체막 또는 폴리머 등으로 된 표면층(300)을 형성할 수 있다. 이에, 표면파 속도를 저하시키고 늦은 횡파보다도 느리게 함으로써 러브파는 횡파 성분만을 갖는 벌크(bulk)파의 에너지를 기판(110) 표면 부근에 집중시키게 한 표면파로서 알려져 있다. 상기 고밀도 유전체막은 Ta₂O₅(오산화 탄탈), ZnO(산화 아연), Al₂O₃(사파이어), TiO₂(루틸), Nb₂O₅(오산화니오브), Bi₁₂GeO₂₀(BGO), Bi₂O₃(3산화 비스무트) 등을 들 수 있으며 상기 폴리머는 패럴린(parylene), 폴리메틸메타크릴레이트 (poly methyl methcrylate, PMMA), BCB(Benzocyclobutene) 등이나, 이에 한정되지 않는다.

상기 표면층(300)의 음속(Va)과 압전 기판(110)의 음속(Vb)과의 사이에 Va 표면파로 주파수가 높은 정도 변위는 표면에 집중시키는 것이 된다. 현상적으로는 표면층의 늦은 파장을 위해 압전 기판(110)의 파장이 느려지고 압상되는 형태로 에너지가 표면에 집중시키는 것이라고 생각된다.

또한, 하나의 예시에서 SAW 센서는 공진(Oscillation) 방식에 적용될 수 있는 바, 외부 공진자(도시되지 않음)를 더욱 포함할 수 있다. 공진자는 특정주파수의 사인파 신호를 생성해내는 회로로서, DC 에너지를 AC로 변환해주는 역할을 한다. AMP와는 달리 입력포트 없이 출력포트만으로 좁은 대역 내에서의 주파수 신호가 검출될 수 있다.

이러한 SAW 센서는 타겟물질의 질량, 압력, 밀도 또는 점도(viscosity) 등의 물성을 분석할 수 있다. 또한, 기존의 센서보다 큰 주파수 변화를 얻을 수 있으며 액상과 기상에서 동시에 응용이 가능하고 여진 주파수가 기존의 바이오센서에 비해 최대 10배 이상 크다. 따라서, 집적이 용이하여 소형제작이 가능하고, 실시간 측정이 가능하며 측정 시료량을 소량화할 수 있다. 이에, SAW 센서를 생물학적 검출 대상물질의 물성, 특징을 검출하기 위한 바이오센서에 적용할 수 있다. 상기 바이오센서는 효소, 균 및 생물조직 등의 생물학적 물질을 이용한 계측센서, 생체계의 메커니즘을 모방한 계측시스템 센서, 생체계를 대상으로 하여 계측하는 센서를 포괄하는 의미이다.

상기 검출 대상인 타겟물질(220)은 단백질, 항체, 항원, DNA, RNA, 박테리아, 동물세포, 바이러스, 조직 등의 생분자, 또는 이에 의해 발생된 독소(Toxin) 등의 생물학적 용액을 들 수 있다.

상기 타겟물질(220)이 생물학적 용액인 경우, 상기 타겟물질(220)에 특이적으로 결합하는 수용체 리셉터(210)는 예를 들어 수용체에 단백질, 항원, 항체, 효소, DNA, RNA, PNA(peptide nucleic acid, 인공 DNA), 세포, 및 후각신경(olfactory) 등을 포함한다.

예를 들어, 소정 질병에 특이적으로 반응하는 리셉터(210)가 표면에 도포된 SAW 바이오센서를 이용하여 질병의 유무를 검사할 수 있다. 이 때, 환자로부터 수득한 검체가 SAW 센서 상의 리셉터(210)와 반응하는지 여부를 통해 질병의 유무를 확인하는 데 사용할 수 있다. 이에, 본 발명에 예시된 바에 따르면 다수 개의 SAW 단위센서를 포함하고 있어서 소량의 샘플을 사용하여 빠르고 신속하게 다양한 검사를 수행할 수 있다.

이상 상술한 SAW 디바이스의 예들(100, 101, 102)에 의하면, 하나의 시스템 내에서 다수의 타겟 물질을 감지할 수 있고, 시그널의 간섭 및 노이즈를 감소시킬 수 있다. 또한, 센서의 고-집적화를 통해 소형화를 달성할 수 있고, 환자 검체 등 검출대상 물질을 포함하는 샘플 용액의 사용량을 획기적으로 줄일 수 있다. 또한, 공진(Oscillation) 방식에 적용 가능하므로, 센싱 감도가 높아지고, 경제성 및 산업적 효용가치가 우수하다.

이하, 본 발명의 실시예 및 실험예에 따라 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명의 범위가 이에 제한되는 것은 아니다.

[실시예 1]

도 6에 도시된 바와 같이, 기판의 크기는 8mm x 10mm이고, 입력 IDT의 핑거의 길이(W _in )를 200λ(1λ는 20μm)로 하고, 핑거의 개수는 50 이다. 출력 IDT의 핑거의 길이(W _out )는 80λ이며, 핑거의 개수는 50 이다. IDT들은 알루미늄(Al)을 증착하여 형성하고, 하나의 입력 IDT에 대해 횡 방향 및 종 방향으로 각각 2 개의 출력 IDT를 형성하여, 총 4개의 출력 IDT가 형성된 구조를 제조한다. 출력 IDT 간 간격이 40 λ가 되게 하고, 입력 IDT와 출력 IDT 사이의 지연선부의 길이는 100 λ로 한다. 이에, 각각의 출력 IDT와 입력 IDT 및 지연선부를 단위센서로 하여, 4개의 단위센서(S1, S2, S3, S4)가 형성된다.

참고로, 제작된 센서의 크기는 최적화된 크기가 아니며 필요에 따라충분히 줄일 수 있다. 줄일 수 있는 부분으로는 인접한 출력 IDT, IDT에서 전기 회로와 연결할 수 있는 전극용 패드가 있는 부분, 입력 IDT와 센서 테두리 사이 거리, 출력 IDT에서 센서 테두리 사이의 거리, 출력 IDT의 핑거의 길이(W _out )등이 있다.

[실험예 1] 입력에 대한 출력의 주파수 특성 측정

4개의 단위센서(S1, S2, S3, S4)의 4개의 출력 IDT 로부터 각각 측정한 주파수를 도 7 내지 11에 나타내었다. 이들 도면에 나타난 바와 같이, 4개의 출력신호가 거의 유사하게 나타나는 것을 확인할 수 있다.

[실험예 2] 출력 IDT간 간섭 측정

출력 IDT 사이의 간섭은 네트워크 분석기(Network analyzer, Agilent 사, 8753ES)를 이용하여 출력 IDT 사이의 파워의 크기를 측정하여 간섭 여부를 확인한다.

먼저 대각선 방향의 출력 IDT 사이(S2, S3)의 간섭을 측정하고, 그 결과를 도 12에 나타내었다.

도 12에 따르면, 파워의 크기가 -80dB 이하이며 대각선 방향의 출력 IDT 사이의 신호간섭으로 인한 측정 오류는 없을 것으로 판단된다.

다음으로, 입력 IDT를 중심으로 상호 대향하고 있는 출력 IDT들(S2, S4) 간의 간섭을 측정하고 그 결과를 도 13에 나타내었다.

도 13을 참조하면, 최대 파워의 크기는 -30dB로 대각선 방향에 비해 높지만 신호의 형태가 정상적인 입출력 특성과 비교하면 첨두 (peak point)가 나타나지 않기 때문에 간섭은 없을 것으로 판단된다.

다음으로, 인접한 출력 IDT들(S3, S4) 간의 간섭을 측정하고 그 결과를 도 14에 나타내었다.

도 14를 참조하면, 정상 신호에 영향을 미칠 수 없는 신호 형태이기 때문에 간섭 영향은 없을 것으로 판단된다.

[실험예 3]

실시예 1에 따른 SAW 센서를 이용하여 타겟 단백질(IgG)을 센싱한다.

먼저 고정화 되는 리셉터로서 단백질 A를 농도를 달리하여 센서 표면에 고정한 후 입/출력 IDT로부터 중심주파수를 측정한다. 그리고 감지 대상이 되는 타겟 단백질 IgG을 반응시킨 후 중심주파수를 측정한다. 이 때 측정된 두 중심주파수의 차이를 확인하고, 그 결과를 도 16에 나타낸다. 총 4개의 출력 IDT중 하나(S1)는 기준 (reference) 센서로 사용하였다. 기준센서에는 PBS 버퍼를 반응시키는 한편, 나머지 3개의 센서(S2, S3, S4)는 농도가 서로 다른 IgG 를 함유한 샘플을 반응시켜 농도 별로 질량 증가에 따른 주파수 변화를 확인하였다.

동 실험 결과에서 S1이 기준센서이며 S2부터 S4까지 감지 단백질 (IgG)의 농도를 각각 0.1 mg/mL, 0.5 mg/mL, 1 mg/mL로 반응하였다. 결과에서 보듯이 농도가 증가할수록, 즉 질량이 증가할수록 주파수 감소가 증가함을 할 수 있으며, 하기 표 1과 도 17에 기준 센서 대비 농도 별 주파수 감소량을 나타내었다.

[표 1]

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims

압전 기판,
상기 압전 기판에 형성되어 전기적 신호를 표면탄성파 신호로 변환하는 단일 입력 IDT(Inter Digital Transducer),
상기 단일 입력 IDT의 횡 방향으로 나란히 배열되고, 상기 압전 기판에 형성되어 표면탄성파 신호를 다시 전기적 신호로 변환하는 2 이상의 출력 IDT, 및
상기 입력 IDT와 상기 출력 IDT 사이에 있는 지연선부를 포함하되,
상기 입력 IDT의 핑거의 길이(W_in )는 입력 IDT의 삽입손실(insertion loss, IL)이 -30dB가 되는 길이로서 300λ 미만이고,
상기 입력 IDT의 핑거의 길이(W_in ) 및 상기 출력 IDT의 핑거의 길이(W_out )와 상기 출력 IDT 의 개수(m)와의 관계는 하기 식 (2)으로 표현되는, 표면탄성파 디바이스.

(2)
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제 1 항에 있어서,
상기 출력 IDT의 핑거의 길이(W_out )가 50 λ일 때, 상기 단일 입력 IDT에 대한 출력 IDT 의 개수는 2 ~ 12인, 표면탄성파 디바이스.
제 1 항에 있어서,
상기 표면탄성파는 러브파(Love wave) 인, 표면탄성파 디바이스.
제 6 항에 있어서,
상기 압전 기판 상에 유전체막 또는 폴리머가 형성된, 표면탄성파 디바이스.
제 1 항에 있어서,
외부 공진자가 상기 입력 IDT 에 연결되어 있는, 표면탄성파 디바이스.
제 1 항에 있어서,
상기 출력 IDT 들이 형성된 방향에 대하여 입력 IDT을 중심으로 대향하는 방향에 출력 IDT 들이 더욱 형성되어 있는, 표면탄성파 디바이스.
제 1 항에 있어서,
상기 지연선부에는 타겟 물질에 대하여 특이적으로 반응하는 리셉터가 형성된 표면탄성파 센서인, 표면탄성파 디바이스.
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