[논문]Micro-volume형 일회용 pH 센서 제작

정호; 김홍락; 김영덕; 정우철; 김동수; 남효덕

Micro-volume형 일회용 pH 센서 제작
Fabrication of Disposable pH Sensor with Micro-volume Type 원문보기

정호 (영남대학교) , 김홍락 (영남대학교) , 김영덕 (영남대학교) , 정우철 (영남대학교) , 김동수 (영남대학교) , 남효덕 (영남대학교)

This paper have been studied fabrication and characteristics of disposable pH sensor using MEMS technology. The sensor has two open-well structure, the container for the internal electrolyte and electrode were formed by anisotropically etching a silicon substrate. unlike currently used KCI saturated solution, the structure was introduced hydrogel which take an advantage of miniaturization, bulk product, a low price. PU and CA/TP used to measurement ion detection, one is reference membrane and the other is pH. fabricated sensor is encapsulated entirely with epoxy, finally sensor was estimated various ion sorts and pH ranges.

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문제 정의

그래서 요즘은 신호의 불안정, 재현성의 단점을 가지고 있지만 소형화, 구조 다양화, 집적화, 대량화 등의 여러 장점을 가지는 고체상 전극을 활용하고 있다. 본 연구에서는 MEMS 기술을 이용하여 대량화, 소형화, 경량화의 이점을 취하고 재래식 전극 대신 고체상 전극을 적용함으로써 반도체 기판 위에서 집적화, 일회용화가 가능한 pH 센서 제작에 목적을 둔다.
과거에는 재현성과 안정된 응답특성을 가지는 유리전극형 pH 센서가 널리 이용되고 있었으나 가격, 크기, 내구성 측면의 여러 문제점을 표출하게 되었다. 이것을 개선하고자 1980년대 급속하게 발전을 시작한 MEMS 기술과의 접목을 시도하였다. MEMS형 pH 센서는 이온 선택성 전극막과 내부 금속 전극사이에 내부 기준 용액을 삽입한다.

제안 방법

3(c)]에서는 아iadow mask를 사용하여 cavity뿐만 아니라 pad 부분도 동시에 Ag를 증착 시켜 wire bonding 및 반복공정을 쉽게 하도록 하였다. [Fig. 4]는 SiO₂ 와 metal간의 adhesion 세기를 알아보기 위하여 bare 상태의 Ag와 중간층으로 Ti, TiZNi layer를 삽입하여 상호간의 물리적 세기를 측정하였다. bare상태의 Ag가 절연충에 대한 adhesion이 가장 빈약하게 나타났으며 Ti, TiZNi 순으로 측정되었다.
본 논문에서는 Ti/Ni layer. 를 중간층으로 삽입하고 부가적인 열처리를 하여 Ag의 Mhesion 상태를 최적으로 유지, 기준전극을 제조하였다.
본 논문에서는 일반적으로 사용하는 재래식 pH 센서와 달리 Hydrogel과 감응막을 사용하여 대량화, 소형화, 일회용으로 사용 가능한 pH 센서를 제작하였다. 센서의 내구성에 영향을 주는 인자를 제거하였으며 소수의 아iadow mask를 사용하여 공정의 복잡성과 재현성을 크게 향상시켰다.
담궈 유기물을 제거하였다. 산화막을 올리기 위해 건식 산화(15분), 습식 산화(270분), 건식 산화(15분)하여 lum로 성장하였다.
센서의 내구성에 영향을 주는 인자를 제거하였으며 소수의 아iadow mask를 사용하여 공정의 복잡성과 재현성을 크게 향상시켰다. 문제 시 되고있는 membrane 및 고체상 전극(Hydrogel)의 상호작용 부분에 대해 추가적인 연구 및 재료 개발이 수행된다면 현장에서 적시적소에 사용 가능한 센서가 될 수 있을 것이다.
이방성 식각을 하기 위해 PR(AZ5214)을 3000rpm으로 도포하고 10(TC에서 IOOsqc동안 b*ng하였다. TMAH로 식각을 한 후 절연을 시키기 위하여 다시 산화막을 lum 형성하였다.

대상 데이터

본 제작공정은 n-type 실리콘 웨이퍼를 2cm*2cm로 자른 다음 황산에 세척하고 아세톤과 메탄올에 담궈 유기물을 제거하였다. 산화막을 올리기 위해 건식 산화(15분), 습식 산화(270분), 건식 산화(15분)하여 lum로 성장하였다.

성능/효과

4]는 SiO₂ 와 metal간의 adhesion 세기를 알아보기 위하여 bare 상태의 Ag와 중간층으로 Ti, TiZNi layer를 삽입하여 상호간의 물리적 세기를 측정하였다. bare상태의 Ag가 절연충에 대한 adhesion이 가장 빈약하게 나타났으며 Ti, TiZNi 순으로 측정되었다. 본 논문에서는 Ti/Ni layer.
2mV의 potential deviation과 Ni layer.를 가진 시편은 9.4mV의 변화를 가지고 있어, Ni buffer layer가 있는 electrode가 주어진 pH 범위에서 가장 안정화된 potential 특성을 나타내고 있음을 확인하였다. 이는 향후 센서 제작시 일반적인 공정이 될 것이며, 김웅막과 연계 시 측정의 오차를 감소 시킬 수 있다.

후속연구

센서의 내구성에 영향을 주는 인자를 제거하였으며 소수의 아iadow mask를 사용하여 공정의 복잡성과 재현성을 크게 향상시켰다. 문제 시 되고있는 membrane 및 고체상 전극(Hydrogel)의 상호작용 부분에 대해 추가적인 연구 및 재료 개발이 수행된다면 현장에서 적시적소에 사용 가능한 센서가 될 수 있을 것이다.

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