DE10113254A1 - Mikromechanik-Sensorelement und elektrische Schaltungsanordnung - Google Patents

Mikromechanik-Sensorelement und elektrische Schaltungsanordnung

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Abstract

Das Mikromechanik-Sensorelement weist ein Substrat sowie ein schwingfähiges Element auf, welches mit mindestens einem elektrischen Anschluss derart gekoppelt ist, dass an dem elektrischen Anschluss eine die Kapazität des schwingfähigen Elements charakterisierende elektrische Größe bereitgestellt ist. Ferner ist eine Molekül-Kopplungsschicht vorgesehen, die derart eingerichtet ist, dass an die Molekül-Kopplungsschicht Moleküle binden können. Durch die Kopplung der Moleküle an die Molekül-Kopplungsschicht wird die Kapazität des schwingfähigen Elements verändert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Mikromechanik-Sensorelement und eine elektrische Schaltungsanordnung.
An der Grenzfläche zu einem Festkörper lässt sich eine chemische Reaktion einfach charakterisieren oder detektieren. Eine solche chemische Reaktion wird deshalb häufig in der chemischen und pharmazeutischen Analytik eingesetzt. Solche Analyseverfahren eignen sich sowohl für große Versuchsreihen in der Pharmaforschung ebenso wie für sogenannte "Home-Care"- Anwendungen.
Eine Übersicht über verschiedene Verfahren zur Detektion von chemischen Bindungen an einer Grenzfläche zu einem Festkörper ist in [1] zu finden.
Die verschiedenen Verfahren zur Detektion von chemischen Bindungen an einer Grenzfläche eines Festkörpers können im Wesentlichen in vier Verfahrensklassen eingeteilt werden, nämlich in optische, elektrische, chemische und massenspektroskopische Verfahren.
Die Analyse von chemischen Oberflächenreaktionen erfolgt bisher jedoch gemäß jedem bekannten Verfahren mit relativ teueren makroskopischen oder optischen Verfahren, die Auswertung der ermittelten Daten mittels diskreter Elektronik.
Ferner ist aus [2] das sogenannte EQCM-Verfahren (Electrochemical Quartz-Crystal Microbalance-Verfahren) bekannt, welches auch die Tatsache ausnutzt, dass die elektrisch stimulierbare Resonanzfrequenz eines an zwei Seiten mit einem Metall beschichteten Schwingquarzes eine definierte Abhängigkeit von der Grenzflächenbeschaffenheit der Metallelektroden (Masseänderung der schwingenden Masse) und von deren Umgebung (beispielsweise der Viskosität einer Flüssigkeit) hat. Wird eine chemische Reaktion an der Oberfläche eines derartig beschichteten Quarzkristalls durchgeführt, so verändert sich die Resonanzfrequenz des betrachteten Systems.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Mikromechanik- Sensorelement anzugeben, welches gegenüber den bekannten Sensoren kostengünstiger herstellbar ist.
Das Problem wird durch das Mikromechanik-Sensorelement mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst.
Ein Mikromechanik-Sensorelement zum Erfassen der Bindung von Molekülen an dem Mikromechanik-Sensorelement weist ein Substrat sowie mindestens einen elektrischen Anschluss auf. Ferner ist ein schwingfähiges Element vorgesehen, welches mit dem elektrischen Anschluss derart gekoppelt ist, dass an dem elektrischen Anschluss eine das Schwingungsverhalten des schwingfähigen Elements charakterisierende elektrische Größe bereitgestellt werden kann. Weiterhin ist eine Molekül- Kopplungsschicht vorgesehen, welche derart eingerichtet ist, dass an die Molekül-Kopplungsschicht Moleküle binden können. Die Molekül-Kopplungsschicht ist mit dem schwingfähigen Element derart gekoppelt, dass eine Bindung von Molekülen auf der Molekül-Kopplungsschicht eine Veränderung des Schwingungsverhaltens des schwingfähigen Elements verursacht.
Die elektrische Schaltung kann in das Substrat eingebracht, das heißt integriert oder auf dem Substrat aufgebracht sein.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist das schwingfähige Element in das Substrat eingebracht.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das schwingfähige Element eine schwingfähige Membran sowie einen Hohlraum in dem Substrat auf. Die schwingfähige Membran ist derart relativ zu dem Hohlraum angeordnet, dass sie beim Schwingen in den Hohlraum hinein und aus diesem heraus ausgelenkt werden kann. Die schwingfähige Membran ist mit dem elektrischen Anschluss gekoppelt, so dass es möglich ist, über die schwingfähige Membran eine das Schwingungsverhalten des schwingfähigen Elements charakterisierende elektrische Größe an dem elektrischen Anschluss bereitzustellen.
Die Molekül-Kopplungsschicht kann aus demselben Grundmaterial hergestellt sein wie das Substrat, beispielsweise aus Silizium oder einem ähnlichen Halbleiterelement oder einer III-V-Halbleiterstruktur oder einer II-VI-Halbleiterstruktur oder einer Metallelektrode, beispielsweise aus Platin oder Gold, gebildet werden.
Ist sowohl die schwingfähige Membran als auch das Substrat aus dem gleichen Grundmaterial gefertigt, beispielsweise nur mit unterschiedlichen, einander entgegengesetzten Dotierungsatomen dotiert, so wird die Herstellung eines solches Mikromechanik-Sensorelements erheblich vereinfacht und somit wesentlich kostengünstiger ermöglicht.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist das schwingfähige Element auf das Substrat aufgebracht.
Das schwingfähige Element kann in diesem Fall eine schwingfähige Membran aufweisen, die derart auf dem Substrat aufgebracht ist, dass zwischen der schwingfähigen Membran und dem Substrat ein Hohlraum gebildet ist, so dass die Membran in den Hohlraum hinein sowie aus dem Hohlraum heraus ausgelenkt werden kann. Die schwingfähige Membran ist ebenfalls gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit dem elektrischen Anschluss derart gekoppelt, dass über die schwingfähige Membran eine das Schwingungsverhalten des schwingfähigen Elements charakterisierende elektrische Größe an dem elektrischen Anschluss bereitgestellt werden kann. Somit ist die schwingfähige Membran mit dem elektrischen Anschluss gekoppelt.
Gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass zwischen dem Substrat und der schwingfähigen Membran mindestens ein Abstandselement vorgesehen ist, so dass die schwingfähige Membran auf einer Oberfläche des Abstandselements selbst oder auf einer Oberfläche der Abstandselemente aufgebracht, wobei das Abstandselement auf einer anderen, der Oberfläche gegenüberliegenden weiteren Oberfläche des Abstandselements auf dem Substrat befestigt ist, so dass aufgrund der Abstandselemente zwischen dem Substrat und der schwingfähigen Membran der Hohlraum gebildet wird.
Durch diese Ausgestaltung der Erfindung wird ein sehr kostengünstig herstellbares Mikromechanik-Sensorelement angegeben.
Der Hohlraum kann mit einem piezoelektrischen Material gefüllt sein. In dieser Ausgestaltung der Erfindung kann das piezoelektrische Material auch als Abstandselement verwendet werden.
Durch diese Ausgestaltung der Erfindung wird die Genauigkeit des Mikromechanik-Sensorelements weiter verbessert.
Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, in der der schwingfähigen Membran abgewandten Fläche des Substrats eine Vertiefung einzubringen.
Weiterhin kann die Molekül-Kopplungsschicht eine Schicht aus Metall, das heißt eine Metallschicht, beispielsweise aus Platin, Gold oder Titan, sein. Es kann grundsätzlich für die Molekül-Kopplungsschicht jede Art von Material verwendet werden, abhängig von der jeweiligen Anwendung, das geeignet ist, das jeweilige zu erfassende Molekül auf seiner Oberfläche zu binden, beispielsweise mittels von der Waal'scher Kräfte oder einer kovalenten Bindung.
Bei einem Mikromechanik-Sensorelement gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist auf dem Substrat eine piezoelektrische Schicht aufgebracht und auf der piezoelektrischen Schicht ist die Molekül-Kopplungsschicht aufgebracht. Die Molekül-Kopplungsschicht ist mit einem ersten elektrischen Anschluss gekoppelt und das Substrat ist mit einem zweiten elektrischen Anschluss gekoppelt, so dass aufgrund der sich verändernden schwingende Masse bei Bindung von Molekülen auf der Molekül-Kopplungsschicht die Resonanzfrequenz der Einheit aus Molekül-Kopplungsschicht und piezoelektrischer Schicht verändert wird und unter deren Verwendung eine das Schwingungsverhalten des schwingfähigen Elements charakterisierende elektrische Größe an den elektrischen Anschlüssen bereitgestellt wird.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist unterhalb der piezoelektrischen Schicht eine Bragg-Reflektor- Schicht auf dem Substrat aufgebracht. In diesem Fall bewirkt die Bragg-Reflektor-Schicht selbst die Erhöhung der Güte des Piezo-Resonators. Die Bragg-Reflektor-Schicht ist derart eingerichtet, dass mittels ihr eine Welle mit der Resonanzfrequenz des schwingfähigen Elements im wesentlichen vollständig reflektiert wird.
Dabei haben zwei Schichten, welche periodisch wiederholt übereinander angeordnet werden können ein möglichst große Differenz in der Ausbreitungsgeschwindigkeit in einer ersten Schicht v1 und in einer zweiten Schicht v2 der durch die Schwingung erzeugten Schallwellen. Für die Dicken der ersten Schicht d1 und der zweiten Schicht d2 gelten für eine destruktive Interferenz:

d1 = v1/4.f mit k = 1, 2, 3, K,
d2 = v2/4.f mit k = 1, 2, 3, K,
wobei mit f die Frequenz der erzeugten Schwingung bezeichnet wird.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine, vorzugsweise in das Substrat integrierte, elektrische Schaltung vorgesehen, die mit mindestens einem elektrischen Anschluss gekoppelt ist. Ist nur ein elektrischer Anschluss vorgesehen, so wirkt anschaulich ein auf dem Mikromechanik- Sensorelement befindliches Analyt als Referenzpotential.
Ferner kann das schwingfähige Element mit der elektrischen Schaltung derart gekoppelt sein, dass mittels der elektrischen Schaltung das Schwingungsverhalten des schwingfähigen Elements ermittelbar ist.
Zu diesem Zweck kann die elektrische Schaltung einen Frequenzgenerator zum Erzeugen eines Ansteuersignals des Mikromechanik-Sensorelements mit einer vorgegebenen Frequenz aufweisen, mit welchem Ansteuersignal das schwingfähige Element zum Schwingen angeregt wird.
Ferner kann ein Signaldetektor vorgesehen sein, mittels dem die Amplitude und/oder Frequenz und/oder die Phase, mit der das schwingfähige Element aufgrund des Ansteuersignals schwingt, ermittelt werden kann.
Der Frequenzgenerator kann als Gyrator-Schaltung ausgestaltet sein.
Alternativ ist eine elektrische Schaltungsanordnung vorgesehen
  • - mit einem Mikromechanik-Sensorelement zum Erfassen der Bindung von Molekülen an dem Mikromechanik- Sensorelement,
  • - mit einem Referenz-Mikromechanik-Sensorelement,
  • - wobei das Referenz-Mikromechanik-Sensorelement keine an dem Referenz-Mikromechanik-Sensorelement gebundenen Moleküle aufweist, und
  • - bei der aus einem Vergleich von dem von dem Mikromechanik-Sensorelement bereitgestellten Signal und dem von dem Referenz-Mikromechanik-Sensorelement bereitgestellten Referenz-Signal erfasst wird, ob an dem Mikromechanik-Sensorelement Moleküle gebunden haben.
Anschaulich basiert das erfindungsgemäße Mikromechanik- Sensorelement auf dem Grundprinzip des oben beschriebenen EQCM-Verfahrens.
Aufgrund der Tatsache, dass die elektrisch stimulierbare Resonanzfrequenz eines an zwei Seiten mit einem Metall beschichteten Schwingquarzes eine definierte Abhängigkeit von der Grenzflächenbeschaffenheit der Metallelektroden und ihrer Umgebung aufweist, wird für den Fall, dass eine chemische Reaktion an der Oberfläche eines derart beschichteten Quarzkristalls durchgeführt wird, die Resonanzfrequenz des schwingfähigen Elements und der damit gekoppelten Molekül- Kopplungsschicht verändert.
Auch die Veränderung der Amplitude der angeregten Schwingung des schwingfähigen Elements in einem Frequenzbereich außerhalb der Resonanzfrequenz kann detektiert und ausgewertet werden.
Auf diese Weise lässt sich die chemische Reaktion auf eine elektrisch detektierbare Änderung der Resonanzfrequenz und allgemeiner als Veränderung der Schwingungseigenschaften des Schwingquarzes, allgemein der Schwingungseigenschaften des schwingfähigen Elements ermitteln.
Die anschauliche Funktion des Schwingquarzes gemäß dem Stand der Technik übernimmt bzw. übernehmen erfindungsgemäß:
  • - die Membran bzw. die mehreren Membrane.
    Da es sich bei dem gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen Silizium-Substrat im Gegensatz zu dem gemäß dem Stand der Technik verwendeten Quarzkristall, das heißt dem kristallinen Siliziumdioxid, nicht um ein piezoelektrisches Material handelt, sind zwar die erwarteten Schwingungen der Membran bzw. der Membrane schwächer, jedoch wird dieser Effekt durch die kleinen in der Mikromechanik erzielbaren Abstände zwischen den einzelnen Elementen mindestens kompensiert.
    Auf diese Weise wird durch die Erfindung erreicht, dass das Mikromechanik-Sensorelement aufgrund seiner Miniaturisierung im Vergleich zum Stand der Technik eine erheblich höhere räumliche und quantitative Auflösung ermöglicht.
    Ferner wird die qualitative und quantitative Analyse chemischer Oberflächenreaktionen, beispielsweise die Ankopplung von Desoxyribonukleinsäure (DNS) mittels Schwefelbindungen an eine Goldoberfläche oder mittels Chlorbindungen an eine Siliziumoberfläche automatisiert. Dies führt zu einer erheblichen Kostenreduktion bei der Herstellung eines Mikromechanik-Sensorelements und zu einer Verbesserung der Analysegenauigkeit eines solchen Mikromechanik-Sensorelements.
  • - Eine direkt aufgebrachte piezoelektrische Schicht, an deren der elektrischen Schaltung abgewandten (metallischen) Oberfläche eine optional zusätzlich vorzusehende Metallschicht aufgebracht ist, auf der die Moleküle binden können.
    In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass die Molekül- Kopplungsschicht sowohl gebildet werden kann durch das Substrat selbst, wenn das Substrat aus einem Material gefertigt ist, an dem die Moleküle binden können, als auch von einer auf dem Substrat aufgebrachte eigenständige Schicht.
    In diesem Fall handelt es sich anschaulich um einen integrierten Schwingquarz, wobei das Material der piezoelektrischen Schicht nicht notwendigerweise Quarz sein muss. Als Material der piezoelektrischen Schicht kann beispielsweise Blei-Zirkonium-Titanat (PZT) verwendet werden.
  • - Mindestens eine Seite der Membran bzw. der Membrane oder der zusätzlichen Metallschicht stellt die Oberfläche der zu analysierenden Lösung dar, das heißt die Kontaktfläche für die auf der jeweiligen Oberfläche zu bindenden Moleküle.
    Durch die Bindung von Molekülen an diese Oberfläche wird die Veränderung der Schwingung des schwingfähigen Elements in Amplitude oder Frequenz erreicht.
    Hierzu kann die Membran bzw. können die Membrane mit einer dünnen Metallschicht, der Molekül- Kopplungsschicht, bedampft werden. Dies führt zu einem verstärkenden Effekt hinsichtlich der Veränderung der Resonanzschwingungen.
Die Schwingung des schwingfähigen Elements kann durch Anlegen einer Wechselspannung zwischen zwei Elektroden, die an die beiden elektrischen Anschlüsse des Mikromechanik- Sensorelements angeschlossen sind, angeregt werden.
Eine Elektrode stellt dabei eine Membran oder die Metallisierung unter der integrierten Schaltung zugewandten Seite der piezoelektrischen Schicht für den Fall dar, dass die elektrische Schaltung in das Substrat integriert ist, die andere Elektrode ist die Kontaktoberfläche oder die auf das Mikromechanik-Sensorelement aufgebrachte Lösung, das heißt das Analyt selbst.
Durch die Erfindung wird anschaulich eine Schnittstelle zur Elektronik sehr kostengünstig und auf sehr einfache Weise bereitgestellt, da unter Ausnützung der Möglichkeit der Silizium-Mikroelektronik gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung eine Signalverarbeitung und/oder Auswertung der ermittelten Daten direkt am Ort des Sensors, das heißt in dem Mikromechanik-Sensorelement selbst, d. h. On-Chip, erreicht wird.
Auf diese Weise entfallen lange Verbindungsleitungen und die Auflösung des Mikromechanik-Sensorelements wird erheblich erhöht.
Elektronisch entspricht die durch die Masse und Viskositätsänderung der Membran, allgemein des schwingfähigen Elements verursachte Änderung der Schwingungsfrequenz einer Änderung der Membran-Kapazität bzw. der Kapazität des schwingfähigen Elements.
Da beispielsweise die Resonanzfrequenz eines Schwingkreises eine Funktion der Schwingkreis-Kapazität ist, ist deren Änderung auch ein Maß für die Änderung der Masse an der Membran.
In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass die tatsächlich schwingende Masse gegenüber der Gesamtmasse des Mikromechanik-Sensorelements klein ist, wodurch eine relativ große relative Änderung der Masse erreicht und ermittelt werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, zwei unterschiedliche Resonanzfrequenzen miteinander zu vergleichen, eine erste Resonanzfrequenz in einem Zustand, in dem das Mikromechanik-Sensorelement noch nicht mit einem Analyten in Kontakt gebracht worden ist, in dem die zu bindenden Moleküle enthalten sein können, und in einem zweiten Zustand, nach Inkontaktbringen mit dem Analyten in einer Weise, dass in dem Analyten eventuell enthaltene Moleküle auf der Kontaktoberfläche des Mikromechanik- Sensorelements binden konnten. Aufgrund des relativen Vergleichs zweier Frequenzen ist das Ergebnis der Auswertung robust gegen Fertigungstoleranzen und Störungen.
Die Anordnung gleichartiger oder auch auf unterschiedlichen Reaktionen sensitiver Mikromechanik-Sensorelemente zu einem Sensorfeld ermöglicht zudem eine ortsaufgelöste Messung mit einer räumlichen Genauigkeit, die nur durch die messtechnische oder lithographisch sinnvoll kleinste Größe der Membrane begrenzt ist.
Auch die gleichzeitige Analyse mehrerer chemischer Reaktionen ist damit sowohl durch gleichzeitige Detektion mehrerer Schwingungsmoden als auch durch unterschiedliche Oberflächenpräparationen der Mikromechanik-Sensorelemente, die in dem Sensorfeld enthalten sind, realisierbar.
Weiterhin kann in einer Matrixanordnung der Mikromechanik- Sensorelemente in dem Sensorfeld auch durch die Verteilung der Signale, mit denen die jeweiligen schwingfähigen Elemente angesteuert werden, und zum Schwingen angeregt werden, auf den unterschiedlichen Sensoren, das heißt auf den unterschiedlichen Mikromechanik-Sensorelementen auf Änderungen von Schwingungseigenschaften im gesamten Volumen des Analyten, der auf das gesamte Sensorfeld aufgebracht ist, zurückgeschlossen werden.
Sind diese Änderungen der Schwingungseigenschaften charakteristisch für eine chemische Reaktion in dem Analyten, das heißt in der Lösung, so ist auch eine Detektion derartiger chemischer Reaktionen im Lösungsvolumen möglich.
Mittels weiterer Elemente der motorischen Mikromechanik, beispielsweise mittels mikromechanischer Pumpen und mikromechanischer Schleusen, ist es gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, unterschiedliche Lösungen in einer für die Analyse geeigneten zeitlichen Abfolge direkt zu dem Mikromechanik-Sensorelement bzw. zu den Mikromechanik-Sensorelementen zu transportieren und somit den Grad der Automatisierung weiter zu erhöhen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Weiteren näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines Mikromechanik- Sensorelements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau eines Mikromechanik- Sensorelements gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 3a und 3b den prinzipiellen Aufbau eines Mikromechanik-Sensorelements gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung (Fig. 3a) und gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung (Fig. 3b);
Fig. 4a und 4b eine Darstellung des Funktionsprinzips des Mikromechanik-Sensorelements aus Fig. 1 mit einem Parallelschwingkreis als elektrische Schaltung zum Ansteuern und Auswerten des Mikromechanik- Sensorelements vor erfolgtem Binden von Molekülen (Fig. 4a) und nach erfolgtem Binden von Molekülen (Fig. 4b);
Fig. 5 ein Blockschaltbild einer elektrischen Auswerteschaltung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Bestimmung der Resonanzfrequenz des Mikromechanik-Sensorelements;
Fig. 6 ein Blockschaltbild einer elektrischen Auswerteschaltung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Bestimmung des Einschwingverhaltens des Mikromechanik- Sensorelements;
Fig. 7 eine Darstellung der elektrischen Auswerteschaltung aus Fig. 5 in CMOS-Technologie; und
Fig. 8 eine Darstellung eines Sensorfeldes mit einer Vielzahl zu einer Matrix angeordneten Mikromechanik- Sensorelementen.
Fig. 1 zeigt ein Mikromechanik-Sensorelement 100 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Das Mikromechanik-Sensorelement 100 weist ein Substrat 101 aus Silizium auf, in dem eine elektrische Schaltung (nicht dargestellt) integriert ist.
Das Substrat 101, beispielsweise ein Silizium-Wafer, ist p- dotiert.
In das Substrat 101 ist eine Membran 102 eingebettet, ebenfalls aus Silizium, gemäß diesem Ausführungsbeispiel n- dotiert.
Ferner ist in das Substrat 101 ein Hohlraum, im Weiteren auch als Zwischenraum 103 bezeichnet, eingebracht, über dem die Membran 102 ganzflächig derart aufgebracht ist, dass der gesamte Hohlraum 103 von der Membran 102 überdeckt wird.
Der Hohlraum 103 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel mit Luft, alternativ jedoch beispielsweise mit piezoelektrischem Material mit geeigneter Ausrichtung, gefüllt.
Das Mikromechanik-Sensorelement weist eine vorderseitige Oberfläche 104 sowie eine rückseitige Oberfläche 105 auf.
In die rückseitige Oberfläche 105 ist ein weiterer Hohlraum 106 rückseitig weggeätzt. In dem weiteren Hohlraum 106 und auf der weggeätzten Oberfläche des Substrats 101 ist eine erste Metallschicht 107 aufgebracht.
Zwischen der Metallschicht 107 und dem Zwischenraum 103 ist ein Bereich des Substrats 101 vorgesehen.
Weiterhin ist auf der vorderseitigen Oberfläche 104 des Substrats 101 eine weitere Metallschicht 108 aufgebracht.
Mittels der Metallschichten 107, 108 wird eine im Weiteren beschriebene Frequenzänderung oder Amplitudenänderung verstärkt.
Die Metallschichten 107, 108, gemäß diesem Ausführungsbeispiel aus Gold, dienen zur Ankopplung von Fängermolekülen, gemäß diesem Ausführungsbeispiel von DNA- Fängermolekülen, allgemein zur Ankopplung von beliebigen Molekülen, gemäß diesem Ausführungsbeispiel von makromolekularen Biopolymeren.
Die Bindung erfolgt gemäß der Gold-Schwefel-Bindung.
Unter makromolekularen Biopolymeren sind beispielsweise Proteine oder Peptide oder auch DNA-Stränge einer jeweils vorgegebenen Sequenz zu verstehen.
Sollen als makromolekulare Biopolymere Proteine oder Peptide erfasst werden, so sind die Fängermoleküle Liganden, beispielsweise Wirkstoffe mit einer möglichen Bindungsaktivität, die die zu erfassenden Proteine oder Peptide an die jeweilige Kopplungsschicht binden, auf der die entsprechenden Liganden angeordnet sind.
Als Liganden kommen Enzymagonisten oder Enzymantagonisten, Pharmazeutika, Zucker oder Antikörper oder irgendein Molekül in Betracht, das die Fähigkeit besitzt, Proteine oder Peptide spezifisch zu binden.
Im Rahmen dieser Beschreibung ist unter einem Sondenmolekül sowohl ein Ligand als auch ein DNA-Sondenmolekül zu verstehen.
Ein erster Anschluss 109 ist mit der Membran 102 elektrisch gekoppelt. Ein zweiter elektrischer Anschluss 110 ist mit dem Substrat 101 elektrisch gekoppelt.
Fig. 2 zeigt ein Mikromechanik-Sensorelement 200 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Das Mikromechanik-Sensorelement 200 weist ebenfalls ein Substrat 201 aus Silizium, gemäß diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls p-dotiert, auf.
Auf dem Substrat 201 sind Abstandselemente, gemäß diesem Ausführungsbeispiel Stege 202, 203 vorgesehen, die als Abstandshalter zwischen dem ersten Substrat 201 und einer auf den Stegen 202, 203 aufgebrachter Membran 204 dienen.
Auch gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist die Membran 204 aus n-dotiertem Silizium gefertigt.
Die Abstandshalter 202, 203 bilden anschaulich einen abgeschlossenen Umfang, der durch die Membran 204 vollständig abgedeckt wird, so dass ein Zwischenraum 205 gebildet wird, der mit Luft oder mit piezoelektrischem Material mit geeigneter Ausrichtung gefüllt ist.
Auf der Membran 204 ist eine Metallschicht 206 aus Gold aufgebracht zum Binden von DNA-Fängermolekülen, mittels derer eventuell in einem Analyten enthaltene DNA-Moleküle mit komplementärer Sequenz gebunden werden.
Die Membran 204 ist mit einem ersten elektrischen Anschluss 207 elektrisch gekoppelt und das Substrat 201 mit einem zweiten elektrischen Anschluss 208.
Fig. 3a zeigt ein Mikromechanik-Sensorelement 300 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Das Mikromechanik-Sensorelement 300 weist ein Substrat 301 aus p-dotiertem Silizium sowie eine unmittelbar auf das Substrat aufgebrachte piezoelektrische Schicht 302 auf.
Auf der piezoelektrischen Schicht 302 ist eine Metallschicht aus Gold 303 aufgebracht, die elektrisch mit einem ersten Anschluss 304 gekoppelt ist.
Das Substrat 301 ist ferner elektrisch mit einem zweiten elektrischen Anschluss 305 gekoppelt.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist somit die Metallschicht 303 unmittelbar mit der piezoelektrischen Schicht 302 verbunden, die gemäß diesem Ausführungsbeispiel gemeinsam das schwingfähige Element bilden.
Fig. 3b zeigt ein Mikromechanik-Sensorelement 310 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Das Mikromechanik-Sensorelement 310 weist ein Substrat 301 aus p-dotiertem Silizium sowie eine unmittelbar auf das Substrat aufgebrachte Bragg-Reflektor-Schicht 311 auf. Mittels der Bragg-Reflektor-Schicht 311, die als Bragg- Reflektor wirkt und den entsprechenden Aufbau aufweist, wird die Schwingungsgüte erheblich erhöht. Auf der Bragg- Reflektor-Schicht 311 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel die piezoelektrische Schicht 302 aufgebracht.
Auf der piezoelektrischen Schicht 302 ist eine Metallschicht aus Gold 303 aufgebracht, die elektrisch mit einem ersten Anschluss 304 gekoppelt ist.
Das Substrat 301 ist ferner elektrisch mit einem zweiten elektrischen Anschluss 305 gekoppelt.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist somit die Metallschicht 303 unmittelbar mit der piezoelektrischen Schicht 302 verbunden, die gemäß diesem Ausführungsbeispiel gemeinsam das schwingfähige Element bilden.
Fig. 4a zeigt das Mikromechanik-Sensorelement 100 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, bei dem auf einer freigelegten Oberfläche 401 der ersten Metallschicht 107 DNA- Fängermoleküle 402 kovalent mittels der Gold-Schwefel- Kopplung gebunden, das heißt immobilisiert, sind.
Über den ersten Anschluss 109 und den zweiten Anschluss 110 ist das Mikromechanik-Sensorelement 100 mit einem Frequenzgenerator 403 gekoppelt, gemäß diesem Ausführungsbeispiel optional in Parallelschaltung mit einer Induktivität 404.
Alternativ zu der Induktivität 404 kann auch eine Gyrator- Schaltung verwendet werden.
Weiterhin ist eine Signal-Auswerteschaltung 405 mit den elektrischen Anschlüssen 109, 110 gekoppelt.
Mittels der Signal-Auswerteschaltung 405 wird die Resonanzfrequenz des Mikromechanik-Sensorelements 100 ermittelt.
Dies erfolgt durch Anlegen eines Ansteuersignals 406 an das Mikromechanik-Sensorelement 100 und entsprechendem Abgreifen der sich ergebenden Frequenz, mit der die Membran 102 des Mikromechanik-Sensorelements 100 schwingt.
Als Ergebnis stellt die Signal-Auswerteeinheit 405 die Amplitude und die Phase, allgemein die Resonanzfrequenz als Ergebnissignal 407 bereit, gemäß dem Zustand in Fig. 4a in dem Fall, dass noch keine Hybridisierung der DNA-Fängermoleküle 402 mit DNA-Strängen mit zu der Sequenz der DNA- Fängermoleküle komplementärer Sequenz aufgetreten ist.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die gesamte Auswerteschaltung 400, das heißt der Frequenzgenerator 403 und die Signal-Auswerteschaltung 405 und die Induktivität 404 in dem Substrat 101 integriert, das heißt die Auswerteschaltung ist On-Chip realisiert.
Die Auswerteschaltung ist in Fig. 4a lediglich zur einfacheren Verdeutlichung des Funktionsprinzips außerhalb des Chips angeordnet.
Fig. 4b zeigt das Mikromechanik-Sensorelement 100 für den Fall, dass ein Analyt 408 in Kontakt gebracht worden ist derart, dass in dem Analyten 408 sich befindende DNA-Stränge 409 mit den DNA-Fängermolekülen 402 hybridisieren können.
Dieser Zustand ist in Fig. 4b dargestellt.
Durch Ansteuern des Mikromechanik-Sensorelements 100 mit dem Ansteuersignal 406 wird bei erfolgter Hybridisierung von DNA- Strängen 409 an die DNA-Fängermoleküle 402 eine von der Resonanzfrequenz 407 des Mikromechanik-Sensorelements 100 mit ungebundenen DNA-Fängermolekülen 402 unterschiedliche Resonanzfrequenz 408 als Ergebnissignal ermittelt.
Somit wird gemäß diesen Ausführungsbeispielen aufgrund einer Veränderung der Resonanzfrequenz des Mikromechanik- Sensorelements 100 bei erfolgtem Binden oder Nichtbinden von DNA-Molekülen an die DNA-Fängermoleküle 402 eine Veränderung der Resonanzfrequenz der Membran und dem Zwischenraum 103, allgemein des schwingfähigen Elements des Mikromechanik- Sensorelements 100 ermittelt.
Fig. 5 zeigt das allgemeine erfindungsgemäße Prinzip in Form eines Blockschaltbildes zur Bestimmung der Resonanzfrequenz.
Ein Mikromechanik-Sensorelement 501, welches den Aufbau eines Mikromechanik-Sensorelements eines der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele aufweist, ist über seine zwei elektrischen Anschlüsse 502, 503 parallel geschaltet mit einem Frequenzkompensations-Element 504, welches als aktives Frequenzkompensations-Element oder auch als passives Frequenzkompensations-Element ausgestaltet sein kann.
Ein Signalgenerator 505 ist an die elektrischen Anschlüsse 502, 503 geschaltet zur Erzeugung eines das mikromechanische Sensorelement ansteuernde elektrische Signal, zum Schwingen anregend beschaltet wird, wodurch allgemein ein Schwingkreis realisiert wird.
Weiterhin ist ein Analog-Digital-Wandler 506, alternativ ein Frequenzzähler sowie eine digitale Signal- Verarbeitungseinheit an die elektrischen Anschlüsse 502, 503 geschaltet.
Fig. 6 zeigt in einem Blockdiagramm 600 eine Möglichkeit der Realisierung einer Auswerteschaltung zur Bestimmung des Einschwingverhaltens des Mikromechanik-Sensorelements 601, welches gemäß einem gemäß dem mikromechanischen Sensorelements eines der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele ausgestaltet ist.
An einen ersten Anschluss 602 des Mikromechanik- Sensorelements 601 ist ein Schalter 603 in Serie geschaltet, wobei ein erster Anschluss 604 des Schalters mit dem ersten elektrischen Anschluss 602 gekoppelt ist und ein zweiter Anschluss 605 des Schalters 603 mit einem ersten Anschluss einer Spannungsquelle 606, die mit ihrem anderen Anschluss mit dem zweiten elektrischen Anschluss 607 des Mikromechanik- Sensorelements gekoppelt ist.
Weiterhin ist ein Analog-Digital-Wandler oder ein Frequenzzähler sowie ein digitaler Signal- Verarbeitungsschaltkreis 608 mit den elektrischen Anschlüssen 602, 607 in Serie geschaltet.
Fig. 7 zeigt eine elektrische Schaltung 700 zur elektrischen Auswertung der von dem Mikromechanik-Sensorelementen erzeugten Signale zur Bestimmung der Resonanzfrequenz, d. h. die elektrische Auswerteschaltung 700, realisiert in CMOS- Technologie.
In der elektrischen Schaltung 700 ist ein erstes Mikromechanik-Sensorelement 701 vorgesehen sowie ein zweites Mikromechanik-Sensorelement 702 als Referenz-Sensorelement.
Das zweite Mikromechanik-Sensorelement 702 wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel nicht mit einem Analyten in Kontakt gebracht, das heißt die auf dem zweiten Mikromechanik- Sensorelement aufgebrachten DNA-Fängermoleküle sind immer ungebunden.
Ein erster elektrischer Anschluss 703 des ersten Mikromechanik-Sensorelements 701 ist über eine Kapazität 704 mit einem Masseanschluss 705 gekoppelt sowie über einen elektrischen Widerstand 706 mit einem zweiten elektrischen Anschluss 707 des ersten Mikromechanik-Sensorelements 701.
Der zweite elektrische Anschluss 707 ist über eine zweite, gemäß diesem Ausführungsbeispiel in seiner Kapazität veränderbaren, Kondensator 708 und darüber mit dem Massepotential 709 gekoppelt.
An den zweiten elektrischen Anschluss 707 sind ferner der Gate-Anschluss 708 eines ersten Transistors 709 (NMOS- Feldeffekttransistor) und der Gate-Anschluss 710 eines zweiten Transistors 711 (PMOS-Feldeffekttransistor) gekoppelt, wobei der Drain-Anschluss 712 des zweiten Transistors 711 mit dem Betriebspotential VDD 713 gekoppelt ist und dessen Source-Anschluss 714 mit dem Drain-Anschluss 715 des ersten Transistors 709.
Der Source-Anschluss 716 des ersten Transistors 709 ist mit dem Massepotential 717 gekoppelt.
Der Source-Anschluss 714 des zweiten Transistors sowie der Drain-Anschluss 715 des ersten Transistors 709 sind ferner mit dem Gate-Anschluss 718 eines dritten Transistors 719 gekoppelt sowie mit dem Gate-Anschluss 720 eines vierten Transistors 721.
Ein erster elektrischer Anschluss 722 des zweiten Mikromechanik-Sensorelements 702 ist über eine weitere Kapazität 723 mit dem Massepotential 724 gekoppelt und über einen zweiten elektrischen Widerstand 725 mit dem zweiten elektrischen Anschluss 726 des Mikromechanik-Sensorelements 702 sowie über eine in seiner Kapazität veränderbaren Kondensator 727 mit dem Massepotential 728.
Der zweite elektrische Anschluss 726 des zweiten Mikromechanik-Sensorelements 702 ist mit dem Gate-Anschluss 751 eines fünften Transistors 752 sowie mit dem Gate- Anschluss 729 eines sechsten Transistors 730 gekoppelt. Der Drain-Anschluss 731 des fünften Transistors 752 ist mit dem Betriebspotential VDD 732 gekoppelt und der Source-Anschluss 733 des fünften Transistors 751 mit dem Drain-Anschluss 734 des sechsten Transistors 730.
Der Source-Anschluss 735 des sechsten Transistors 730 ist geerdet.
Der Source-Anschluss 733 des fünften Transistors 728 sowie der Drain-Anschluss 734 des sechsten Transistors 730 sind somit miteinander sowie mit dem Gate-Anschluss 736 eines siebten Transistors 738 gekoppelt, dessen Drain-Anschluss 738 mit dem Source-Anschluss 739 des dritten Transistors 719 gekoppelt ist.
Ferner ist der Gate-Anschluss 736 des siebten Transistors 737 mit dem Gate-Anschluss 740 eines achten Transistors 741 gekoppelt.
Der erste Anschluss 703 des ersten Mikromechanik- Sensorelements 701 ist ferner mit dem Gate-Anschluss 718 des fünften Transistors 719 gekoppelt.
Der Drain-Anschluss 741 des dritten Transistors 719 sowie der Drain-Anschluss 742 des achten Transistors 741 sind mit dem Betriebspotential VDD gekoppelt.
Der Source-Anschluss 743 des siebten Transistors 737 ist mit dem Source-Anschluss 744 des vierten Transistors 721 sowie mit einer Stromquelle 745 gekoppelt.
Der Drain-Anschluss 746 des vierten Transistors 721 ist mit dem Source-Anschluss 747 des achten Transistors 740 und über einen elektrischen Widerstand 748 mit einer Frequenzzählereinheit 749 sowie einem digitalen Signal- Verarbeitungsschaltkreis gekoppelt, wobei eine Kapazität 750 parallel geschaltet ist.
Fig. 8 zeigt ein Sensorfeld 800 mit einer Vielzahl von Mikromechanik-Sensorelementen 801, die in einer Matrix- Anordnung, das heißt in Spalten und in Zeilen angeordnet sind und mittels eines üblichen Zeilendekoders 802 sowie eines Spaltendekoders 803 angesteuert sowie ausgelesen werden können über Ansteuerungs-Transistoren 804, die jeweils mit dem jeweiligen Mikromechanik-Sensorelement 801 in Serie geschaltet sind, wobei jeweils der Source-Anschluss 805 über eine Zeilenleitung mit den Source-Anschlüssen 805 aller Transistoren der gleichen Zeile gekoppelt sind und über die jeweilige Zeilenleitung 806 mit dem Zeilendekoder 802.
Die Gate-Anschlüsse 807 sind über Spaltenleitungen 808 mit dem Spaltendekoder 803 gekoppelt. Ein Signalgenerator 809 ist mit dem Spaltendekoder 803 gekoppelt zum Ansteuern der jeweiligen Gate-Anschlüsse 807 der Ansteuerungs-Transistoren 804.
Weiterhin ist ein Analog-Digital-Wandler 810 und ein digitaler Signal-Verarbeitungsschaltkreis mit dem Spaltendekoder 803 gekoppelt zum Auslesen der von dem jeweils ausgewählten Mikromechanik-Sensorelement gelieferten Schwingungssignale.
Anschaulich kann die Erfindung in einer "On-Chip"-Kombination von Mikroelektronik und einer Anordnung zur chemischen, auf Änderungen von mechanischen Schwingungen beruhenden Analyseverfahren gesehen werden.
Es ist in diesem Zusammenhang anzumerken, dass die jeweilige Anordnung weiterhin versehen sein kann mit zusätzlichen mikromechanischen Pumpen, Kanälen und Schleusen, womit ein vollständiges Analysesystem, in dem ein oder eine Vielzahl von Mikromechanik-Sensorelementen enthalten sind, gebildet wird.
In diesem Dokument sind folgende Veröffentlichungen zitiert:
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[2] Günther, Sauerbrey, Verwendung von Schwingquarzen zur Wägung dünner Schichten und zur Mikrowägung, Zeitschrift für Physik 155, S. 206-222, 1999
Bezugszeichenliste
100
Mikromechanik-Sensorelement
101
Substrat
102
Membran
103
Zwischenraum
104
Vorderseitige Oberfläche Substrat
105
Rückseitige Oberfläche Substrat
106
Hohlraum
107
Erste Metallschicht
108
Zweite Metallschicht
109
Erster elektrischer Anschluss
110
Zweiter elektrischer Anschluss
200
Mikromechanik-Sensorelement
201
Substrat
202
Abstandselement
203
Abstandselement
204
Membran
205
Zwischenraum
206
Metallschicht
207
Erster elektrischer Anschluss
208
Zweiter elektrischer Anschluss
300
Mikromechanik-Sensorelement
301
Substrat
302
Piezoelektrische Schicht
303
Metallschicht
304
Erster elektrischer Anschluss
305
Zweiter elektrischer Anschluss
310
Mikromechanik-Sensorelement
311
Bragg-Reflektor-Schicht
400
Funktionsschaltbild
401
Oberfläche erste Metallschicht
402
DNA-Fängermolekül
403
Frequenzgenerator
404
Induktivität
405
Detektor für Signal-Auswerteeinheit
406
Ansteuersignal
407
Erstes Ergebnissignal
408
Zweites Ergebnissignal
409
Hybridisierte DNA-Stränge
500
Funktionsschaltbild
501
Mikromechanik-Sensorelement
502
Erster Anschluss Mikromechanik-Sensorelement
503
Zweiter Anschluss Mikromechanik-Sensorelement
504
Frequenzkompensationseinheit
505
Signalgenerator
506
A/D-Wandler
600
Funktionsschaltbild
601
Mikromechanik-Sensorelement
602
Erster Anschluss Mikromechanik-Sensorelement
603
Schalter
604
Erster Anschluss Schalter
605
Zweiter Anschluss Schalter
606
Spannungsquelle
607
Zweiter Anschluss Mikromechanik-Sensorelement
608
A/D-Wandler
700
Digitale Auswerteschaltung
701
Erstes Mikromechanik-Sensorelement
702
Zweites Mikromechanik-Sensorelement
703
Erster Anschluss erstes Mikromechanik-Sensorelement
704
Erster Kondensator
705
Massepotential
706
Erster elektrischer Widerstand
707
Zweiter Anschluss erstes Mikromechanik-Sensorelement
708
Zweiter Kondensator
709
Massepotential
710
Gate-Anschluss erster Transistor
711
Erster Transistor
712
Drain-Anschluss erster Transistor
713
Betriebspotential
714
Source-Anschluss erster Transistor
715
Drain-Anschluss zweiter Transistor
716
Zweiter Transistor
717
Massepotential
718
Gate-Anschluss dritter Transistor
719
Dritter Transistor
720
Gate-Anschluss vierter Transistor
721
Vierter Transistor
722
Erster elektrischer Anschluss zweites Mikromechanik- Sensorelement
723
Dritter Kondensator
724
Massepotential
725
Zweiter elektrischer Widerstand
726
Zweiter elektrischer Anschluss zweites Mikromechanik- Sensorelement
727
Vierter Kondensator
728
Massepotential
729
Gate-Anschluss sechster Transistor
730
Sechster Transistor
731
Drain-Anschluss fünfter Transistor
732
Betriebspotential
733
Source-Anschluss fünfter Transistor
734
Drain-Anschluss sechster Transistor
735
Source-Anschluss sechster Transistor
736
Gate-Anschluss siebter Transistor
737
Siebter Transistor
738
Drain-Anschluss siebter Transistor
739
Source-Anschluss dritter Transistor
740
Gate-Anschluss achter Transistor
741
Achter Transistor
742
Drain-Anschluss achter Transistor
743
Source-Anschluss siebter Transistor
744
Source-Anschluss vierter Transistor
745
Stromquelle
746
Drain-Anschluss vierter Transistor
747
Source-Anschluss achter Transistor
748
Dritter elektrischer Widerstand
749
A/D-Wandler
750
Fünfter Kondensator
751
Gate-Anschluss fünfter Transistor
752
Fünfter Transistor
800
Sensorfeld
801
Mikromechanik-Sensorelement
802
Zeilendecoder
803
Spaltendecoder
804
Ansteuerungstransistor
805
Source-Anschluss Ansteuerungstransistor
806
Zeilenverbindung
807
Gate-Anschluss Ansteuerungstransistor
808
Spaltenverbindung
809
Frequenzgenerator
810
A/D-Wandler

Claims (18)

1. Mikromechanik-Sensorelement zum Erfassen der Bindung von Molekülen an dem Mikromechanik-Sensorelement,
mit einem Substrat,
mit mindestens einem elektrischen Anschluss,
mit einem schwingfähigen Element, welches mit dem elektrischen Anschluss derart gekoppelt ist, dass an dem elektrischen Anschluss eine die Kapazität des schwingfähigen Elements charakterisierende elektrische Größe bereitgestellt ist,
mit einer Molekül-Kopplungsschicht, die derart eingerichtet ist, dass an die Molekül-Kopplungsschicht Moleküle binden können,
wobei die Molekül-Kopplungsschicht mit dem schwingfähigen Element derart gekoppelt ist, dass eine Bindung von Molekülen auf der Molekül-Kopplungsschicht eine Veränderung der Kapazität des schwingfähigen Elements verursachen kann.
2. Mikromechanik-Sensorelement nach Anspruch 1,
bei dem auf dem Substrat eine piezoelektrische Schicht aufgebracht ist,
bei dem auf der piezoelektrischen Schicht die Molekül- Kopplungsschicht aufgebracht ist,
bei dem die Molekül-Kopplungsschicht mit einem ersten elektrischen Anschluss gekoppelt ist, und
bei dem das Substrat mit einem zweiten elektrischen Anschluss gekoppelt ist.
3. Mikromechanik-Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die elektrische Schaltung in dem Substrat eingebracht oder auf dem Substrat aufgebracht ist.
4. Mikromechanik-Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das schwingfähige Element in das Substrat eingebracht ist.
5. Mikromechanik-Sensorelement nach Anspruch 4, bei dem das schwingfähige Element aufweist
eine schwingfähige Membran, und
einen Hohlraum in dem Substrat,
wobei die schwingfähige Membran derart relativ zu dem Hohlraum angeordnet ist, dass sie in den Hohlraum ausgelenkt werden kann, und
wobei die schwingfähige Membran mit dem elektrischen Anschluss gekoppelt ist.
6. Mikromechanik-Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das schwingfähige Element auf das Substrat aufgebracht ist.
7. Mikromechanik-Sensorelement nach Anspruch 6, bei dem das schwingfähige Element aufweist
eine schwingfähige Membran, die derart auf dem Substrat aufgebracht ist, dass zwischen der schwingfähigen Membran und dem Substrat ein Hohlraum gebildet ist, so dass die Membran in den Hohlraum ausgelenkt werden kann,
wobei die schwingfähige Membran mit dem elektrischen Anschluss gekoppelt ist.
8. Mikromechanik-Sensorelement nach Anspruch 7, bei dem zwischen dem Substrat und der schwingfähigen Membran mindestens ein Abstandselement vorgesehen ist.
9. Mikromechanik-Sensorelement nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei dem die schwingfähige Membran aus dem gleichen Grundmaterial gefertigt ist wie das Substrat.
10. Mikromechanik-Sensorelement nach einem der Ansprüche 5 bis 9, bei dem der Hohlraum mit einem piezoelektrischen Material gefüllt ist.
11. Mikromechanik-Sensorelement nach einem der Ansprüche 5 bis 10, bei dem in der der schwingfähigen Membran abgewandten Fläche des Substrats eine Vertiefung eingebracht ist.
12. Mikromechanik-Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, mit einer elektrischen Schaltung, die mit dem mindestens einen elektrischen Anschluss gekoppelt ist.
13. Mikromechanik-Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem das schwingfähige Element mit der elektrischen Schaltung derart gekoppelt ist, dass mittels der elektrischen Schaltung die Kapazität des schwingfähigen Elements ermittelbar ist.
14. Mikromechanik-Sensorelement nach Anspruch 12 oder 13, bei dem die elektrische Schaltung in das Mikromechanik- Sensorelement integriert ausgebildet ist.
15. Mikromechanik-Sensorelement nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem die elektrische Schaltung aufweist
einen Frequenzgenerator zum Erzeugen eines Ansteuersignals mit einer vorgegebenen Frequenz, mit welchem Ansteuersignal das schwingfähige Element zum Schwingen angeregt wird, und
einen Signaldetektor, mit dem die Amplitude und/oder Frequenz und/oder Phase, mit der das schwingfähige Element schwingt, ermittelt werden kann.
16. Mikromechanik-Sensorelement nach Anspruch 15, bei dem der Frequenzgenerator als Gyratorschaltung ausgestaltet ist.
17. Mikromechanik-Sensorelement nach einem der Ansprüche 2 bis 16, bei dem unterhalb der piezoelektrischen Schicht eine Bragg- Reflektor-Schicht auf dem Substrat aufgebracht ist, die derart eingerichtet ist, dass mittels ihr eine Welle mit der Resonanzfrequenz des schwingfähigen Elements im wesentlichen vollständig reflektiert wird.
18. Elektrische Schaltungsanordnung,
mit einem Mikromechanik-Sensorelement zum Erfassen der Bindung von Molekülen an dem Mikromechanik-Sensorelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18,
mit einem Referenz-Mikromechanik-Sensorelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18,
wobei das Referenz-Mikromechanik-Sensorelement keine an dem Referenz-Mikromechanik-Sensorelement gebundenen Moleküle aufweist, und
bei der aus einem Vergleich von dem von dem Mikromechanik-Sensorelement bereitgestellten Signal und dem von dem Referenz-Mikromechanik-Sensorelement bereitgestellten Referenz-Signal erfasst wird, ob an dem Mikromechanik-Sensorelement Moleküle gebunden haben.
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