초록 ▼

용액의 PH를 측정하는 것은 매우 중요한 일이며 현재 이온선택성 전극이 널리사용되고 있다. 이 전극의 단점을 보완하기 위하여 반도체 이온센서인 ISFET를 이용한 PH미터를 개발하엿다. Ta/sub 2/O/sub 5/감지막을 사용하는 PH-ISFET를 제조하고 감도를 조사하였다. 스퍼터링한 후 400℃, 산소분위기에서 1시간동안 열처리한 소자가 59mv/PH의 우수한 감도를 나타내었다. PH미터의 시스템 설계 및 자동온도 보상이 가능한 Software 를 설계하고 시제품을 제작하였다. 시제품은 0.01PH의 분해능을 가지며 산업현장

용액의 PH를 측정하는 것은 매우 중요한 일이며 현재 이온선택성 전극이 널리사용되고 있다. 이 전극의 단점을 보완하기 위하여 반도체 이온센서인 ISFET를 이용한 PH미터를 개발하엿다. Ta/sub 2/O/sub 5/감지막을 사용하는 PH-ISFET를 제조하고 감도를 조사하였다. 스퍼터링한 후 400℃, 산소분위기에서 1시간동안 열처리한 소자가 59mv/PH의 우수한 감도를 나타내었다. PH미터의 시스템 설계 및 자동온도 보상이 가능한 Software 를 설계하고 시제품을 제작하였다. 시제품은 0.01PH의 분해능을 가지며 산업현장 및 실험실등에서 사용가능한 휴대용 PH미터로 산업화 될수 있었다. 또한 ISFET의 장점을 그대로 이용한 ISFET바이오센서로서 요소센서 및 포도당센서를 제조하고 그 감지특성을 조사하였다. 요소와 포도당센서를 각각 분해하는 효소의 고정화막 형성법을 개발하고 이를 반도체 공정에 부합시키기 위하여 사진식각 형성버을 시도하였다. 제조된 요소및 포도당 센서로 혈액을 측정한 결과 상용 분광광도계의 측정치와 유사함을 확인할 수 있었다.

목차 Contents

• 제 Ⅰ 편 ISFET형 pH-meter의 상용화 연구...38
• 제1장 서론...39
• 참고문헌...41
• 제2장 pH-ISFET 동작원리 및 감지이론...43
• 제1절 ISFET동작원리...43
• 제2절 pH-ISFET 이온 감지기구 :site binding모형...45
• 2-1. 연구배경...45
• 2-2. 한 종류의 site를 가지는 감지막에 대한 이론식 및 실험결과 해석...47
• 2-3. 두 종류의 site를 가지는 감지막에 대한 이론식 및 실험 결과 해석...54
• 제3절 결론...67
• 참고문헌...68
• 제3장 pH-ISFET 기본 소자의 제조 및 그 특성...70
• 제1절 연구배경...70
• 제2절 ISFET 칩 제조...71
• 제3절 결과 및 고찰...76
• 제4절 결론...79
• 참고문헌...82
• 제4장 $Ta_2O_5$ 감지막 pH-ISFET의 제조 및 그 특성...84
• 제1절 연구배경...84
• 제2절 $Ta_2O_5$ 박막 형성법...86
• 2-1. 전자빔에 의한 막의 증착...86
• 2-2. CVD(chemical vapour deposition)에 의한 막의 증착...87
• 2-3. RF 스퍼터링에 의한 막의 증착...89
• 제3절 실험...90
• 3-1. RF 스퍼터 장치 및 시편 준비...90
• 3-2. $Ta_2O_5$ 박막의 물성 분석 및 측정...92
• 제4절 결과 및 고찰...94
• 4-1. RF 반응성 스퍼터링 제조조건에 따른 $Ta_2O_5$ 막의 특성...94
• 4-2. 열처리 온도에 따른 $Ta_2O_5$막의 특성...103
• 제5절 pH-ISFET 칩의 제조 및 그 동작 특성...116
• 5-1. $Ta_2O_5$ 감지막 ISFET 칩의 제조...116
• 5-2. $Ta_2O_5$ 감지막 pH-ISFET의 동작특성...119
• 5-3. $Ta_2O_5$ 감지막 pH-ISFET의 종합적인 감지특성...133
• 제6절 결론...134
• 참고문헌...135
• 제5장 기준전극 및 pH-meter시스템...143
• 제1절 연구배경...143
• 제2절 기준전극의 제작 및 그 동작특성...144
• 2-1. $Ag/AgCl$의 형성...144
• 2-2. 기준전극의 제작...146
• 2-3. 기준전극의 동작특성 측정 및 그 결과...149
• 제3절 pH-meter system 설계...155
• 3-1. pH-meter 회로의 설계...155
• 3-2. pH-meter software의 설계...174
• 제4절 결론...184
• 참고문헌...185
• 제6장 ISFET형 pH-meter 의 시제품 제작 및 평가...187
• 제1절 연구배경...187
• 제2절 pH-meter 시스템부의 제작...188
• 2-1. pH-meter 회로부의 제작...189
• 2-2. pH-meter의 외관...197
• 제3절 pH-meter 프로브의 제작 및 온도 보상...199
• 3-1. pH-meter 프로브의 제작...199
• 3-2. ISFET형 pH-meter의 온도 보상법...202
• 제4절 ISFET형 pH-meter의 시제품 평가...212
• 4-1. pH-meter 지시값의 반복성 측정 및 그 결과...212
• 4-2. pH-meter 지시값의 회복성 측정 및 그 결과...212
• 4-3. pH-meter 지시값의 시간 응답...219
• 제5절 결론...222
• 참고문헌...224
• 제7장 종합결론...226
• 제 Ⅱ 편 FET 형 요소/포도당센서 개발...229
• 제1장 서론...230
• 참고문헌...232
• 제2장 FET형 반도체 바이오센서의 원리...235
• 제1절 FET형 반도체 바이오센서의 감지원리...235
• 제2절 검출방법...238
• 2-1. 기본 검출회로...238
• 2-2. 차동증폭법을 이용한 검출방법...240
• 참고문헌...241
• 제3장 효소 고정화막 형성법...243
• 제1절 연구배경...243
• 제2절 시약 및 기기...245
• 제3절 Glutaraldehyde를 이용한 효소 고정화막 형성법...245
• 3-1. 실험방법...245
• 3-2. 결과 및 고찰...246
• 제4절 Lift-off 기법을 이용한 효소 고정화막 형성법...248
• 4-1. 실험방법...248
• 4-2. 결과 및 고찰...251
• 제5절 감광성 고분자 PVA-SbQ를 이용한 효소 고정화막 형성법...258
• 5-1. 실험방법...258
• 5-2. 결과 및 고찰...264
• 제6절 결론...276
• 참고문헌...277
• 제4장 FET형 바이오센서의 기본 특성조사...279
• 제1절 연구 배경...279
• 제2절 실험...280
• 2-1. 시약...281
• 2-2. 기기...281
• 2-3. FET형 바이오센서의 제작...282
• 2-4. 측정...282
• 제3절 FET형 요소센서...286
• 3-1. pH에 따른 감응특성...286
• 3-2. 요소센서의 시간 응답특성...286
• 3-3. Urease의 양에 따른 감응특성...288
• 3-4. 시료용액의 pH에 따른 감응특성...290
• 3-5. 완충용액의 농도에 따른 감응특성...294
• 제4절 FET형 포도당센서...295
• 4-1. 포도당센서의 시간 응답특성...295
• 4-2. GOD 양에 따른 감응특성...297
• 4-3. 시료용액의 pH에 따른 감응특성...300
• 4-4. 완충용액의 농도에 다른 감응특성...302
• 제5절 결론...304
• 참고문헌...306
• 제5장 FET형 요소센서 개발...310
• 제1절 연구배경...310
• 제2절 Glutaraldehyde 고정화법을 이용한 요소센서...311
• 2-1. 센서의 제조 및 실험...311
• 2-2. 결과 및 고찰...312
• 제3절 Lift-off 고정화법을 이용한 요소센서...319
• 3-1. 센서의 제조 및 실험...319
• 3-2. 결과 및 고찰...320
• 제4절 PVA-SbQ 고정화법을 이용한 요소센서...320
• 4-1. 센서의 제조 및 실험...320
• 4-2. 결과 및 고찰...325
• 제5절 결론...330
• 제6장 FET형 포도당센서 개발...334
• 제1절 연구배경...334
• 제2절 Glutaraldehyde 고정화법을 이용한 포도당센서...336
• 2-1. 센서의 제조 및 실험...336
• 2-2. 결과 및 고찰...337
• 제3절 PVA-SbQ 고정화법을 이용한 포도당센서...341
• 3-1. 센서의 제조 및 실험...341
• 3-2. 결과 및 고찰...342
• 제4절 결론...342
• 참고문헌...346
• 제7장 프로토 타입 FET형 요소/포도당 프로브의 제작 및 평가...348
• 제1절 연구배경...348
• 제2절 프로브의 제작 및 특성조사...349
• 제3절 결과 및 평가...352
• 제4절 결론...358
• 참고문헌...359
• 제8장 종합결론...360
• 제 Ⅲ 장 바이오센서의 마이크로화 및 집적화 연구...363
• 제1장 서론...364
• 참고문헌...365
• 제2장 마이크로 기준전극 개발...367
• 제1절 연구배경...367
• 제2절 모세관형 $Ag/AgCl$ 기준전극...368
• 2-1. 모세관형 $Ag/AgCl$ 기준전극의 제작...368
• 2-2. 결과 및 고찰...372
• 제3절 차동증폭법을 이용한 기준전극의 마이크로화...376
• 제4절 결론...379
• 참고문헌...380
• 제3장 기준전극/바이오센서/신호처리회로의 on-chip 집적화 연구...383
• 제1절 연구배경...383
• 제2절 FET형 바이오센서를 위한 새로운 신호처리회로의 개발...384
• 2-1. 대표적 측정회로 및 그 집적화 연구...384
• 2-2. 신호처리회로의 설계...387
• 2-3. 신호처리회로의 시뮤레이션...401
• 2-4. 온도보상...405
• 제3절 기준전극/센서/신호처리회로의 단일칩집적...408
• 3-1. ISFET/백금의사기준전극과 신호처리회로가 집적된 칩의 제조...408
• 3-2. ISFET요소센서의 on-chip 제조...412
• 제4절 결과 및 고찰...419
• 4-1. MOSFET특성...419
• 4-2. ISFET 특성...419
• 4-3. 신호처리회로의 특성...425
• 4-4. 요소센서 응용...432
• 제5절 결론...433
• 참고문헌...437
• 제4장 SOS를 이용한 SOI형 ISFET의 제조...438
• 제1절 연구배경...438
• 제2절 ISFET의 제조...441
• 2-1. 소자 디자인...441
• 2-2. 마스크 디자인...441
• 2-3. 제조 공정...446
• 제3절 측정결과 및 고찰...456
• 3-1. SOS MISFET의 전기적 특성...456
• 3-2. SOS ISFET의 전기적 특성...461
• 제4절 결론...461
• 참고문헌...465
• 제5장 종합결론...466