In this thesis, general-purpose readout platforms are studied in detection of various biomolecules with dielectric modulated field effect transistor (DMFET) array for point-of-care testing (POCT) applications.
For preliminary study on field effect transistor (FET)-based electrical biosensors, a DNA sensor array is fabricated and characterized with an integrated current readout circuitry. The operational principle of the fabricated DNA sensor is based on the ion sensitive field effect transistor (ISFET) and the intrinsic charge of DNA affects the surface potential of the sensing region in the sensors. Various concentrations of polymerase chain reaction (PCR) amplicon are successfully quantified with the implemented readout system.
As a first version of DMFET array in this research, a single-gate dielectric modulated field effect transistor (SGDMFET) array is fabricated and characterized with a custom designed readout platform. A prostate cancer marker, prostate specific antigen (PSA), and its antibody are immobilized in the vertical nanogap of SGDMFET. With the implemented readout platform, drain currents of SGDMFET array are monitored and successfully detect PSA and antibody by current increments caused by dielectric constant changes.
Finally, a double-gate dielectric modulated field effect transistor (DGDMFET) array is fabricated and characterized with a revised version of readout platform. In order to verify nanogap filling with sample solution and evaporation of the sample solution from the nanogap, calculations and simulations are performed. Antigen and antibody of avian influenza are successfully detected by threshold voltage shifts caused by dielectric constant changes in the nanogap.
In order to avoid cross-contamination, fabricated biosensor arrays of SGDMFET and DGDMFET are mounted on discrete PCBs as cartridges to be used in the application of POCT. Implemented system can be used as a general-purpose readout platform to detect various kinds of biomolecules with suitable chemical modification of sensor surface for immobilization.
Poly silicon (poly-Si) nanowire thin film transistor (TFT) is fabricated for investigation of feasibility of the single-chip integration of DGDMFET with conventional metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs) in readout circuitries. By vertical integration of multiple poly-Si active layers, DGDMFET biosensor system is expected to be miniaturized further with simple interconnections.
고령화 사회에 접어들고 웰빙에 대한 사회적 관심이 증가하면서 건강 관리와 유지에 대한 개인적인 관심도 커지고 있다. 따라서 병원에 가지 않고서도 자신의 건강을 체크할 수 있는 현장현시검사 (point-of-care testing) 기기가 더 많은 질병에 대하여, 더 넓은 소비자 층으로 확대될 것으로 예상된다. 제작비용이 저렴하고 신호 변환기 (transducer)의 집적이 쉽다는 장점으로 전계 효과 트랜지스터 (field effect transistor, FET)를 기반으로 하는 바이오센서에 대한 연구가 활발히 진행되어 왔다. 이온에 민감한 전계 효과 트랜지스터(ion sensitive field effect transistor, ISFET)의 경우 기준 전극 (reference electrode)를 집적해야 하고 전하를 띈 물질만을 검출할 수 있다는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하고자 유전율 변화 전계 효과 트랜지스터 (dielectric modulated field effect transistor, DMFET) 라는 새로운 구조의 바이오센서가 최근에 제안되었다.
본 논문에서는 유전율 변화 전계 효과 트랜지스터 (dielectric modulated field effect transistor, DMFET) 어레이(array)를 이용하여 현장현시검사에 응용할 수 있는 범용 판독 플랫폼 (general-purpose readout platform)을 개발하여 다양한 바이오분자들을 검출하였다.
먼저 기존에 가장 널리 연구된 이온에 민감한 전계 효과 트랜지스터를 이용하여 전계 효과 트랜지스터를 기반으로 하는 바이오센서 어레이와 판독 플랫폼 개발에 대한 연구를 수행하였다. 바이오센서에 흐르는 전류를 귀환 축전기 (feedback capacitor)에 적분하여 전압으로 변환해 주는 판독 회로 (readout circuit)가 집적된 플랫폼을 이용하여 중합 효소 연쇄 반응 (polymerase chain reaction, PCR)에 의해 증폭된 DNA를 성공적으로 검출하였다.
이온에 민감한 전계 효과 트랜지스터 어레이를 이용한 연구에서의 경험을 바탕으로 유전율 변화 전계 효과 트랜지스터 어레이를 이용한 판독 플랫폼을 개발하였다. 단일 게이트 (single-gate) 유전율 변화 전계 효과 트랜지스터의 나노미터 크기의 갭 (gap) 안에 바이오분자가 고정화되면 유전 상수 (dielectric constant)가 증가하게 되고 그에 따라 트랜지스터에 흐르는 전류 역시 증가하게 된다. 단일 게이트 유전율 변화 전계 효과 트랜지스터를 4×4 어레이의 카트리지 (cartridge) 형태로 제작하여 10-bit 아날로그-디지털 변환회로 (analog digital converter, ADC)를 포함하는 판독 회로를 통해 전류 값을 읽어내었다. 제작한 판독 플랫폼을 이용하여 전립선 암 표지자인 전립선특이항원(prostate specific antigen, PSA) 및 항체(antibody)를 성공적으로 검출하였다.
유전율 변화 전계 효과 트랜지스터에서 단일 게이트 구조가 갖는 단점들을 보완해 줄 수 있는 더블 게이트 (double-gate) 구조를 6×6 어레이의 카트리지 형태로 제작하고 그에 적합한 판독 회로를 설계 및 제작하였다. 증폭기 (amplifier)의 오프셋 잡음 (offset noise) 및 저주파 잡음 (1/f noise)을 줄여주기 위해 상관 이중 샘플링 (correlated double sampling, CDS)을 도입하였다. 더블 게이트 전계 효과 트랜지스터의 나노갭 (nanogap)에서의 유체역학적 계산 및 시뮬레이션을 통해 용액의 채워짐과 증발에 대해서 분석하였다. 제작한 판독 플랫폼의 동작은 조류 독감 (avian influenza) 항원과 항체의 검출을 통해 검증하였다. 항원과 항체가 나노갭에 고정화 되면서 유전 상수 증가에 따른 문턱 전압(threshold voltage) 감소를 확인하였다.
마지막으로 나노와이어 채널 (nanowire channel) 다결정 실리콘 (poly-Si) 박막 트랜지스터 (thin film transistor, TFT)의 제작 및 분석을 통해 더블 게이트 전계 효과 트랜지스터의 판독 회로와의 단일 칩 집적화 가능성을 연구하였다.
이상에서와 같이 본 연구에서 구현한 유전율 전계 효과 트랜지스터를 이용한 판독 플랫폼은 적합한 표면 처리를 통해 다양한 바이오분자를 검출할 수 있는 범용 현장현시검사 기기로서 응용이 가능할 것으로 기대한다.
