EP1370854A1 - Mikromechanik-sensorelement, elektrische schaltungsanordnung und sensorarray mit einer mehrzahl von mikromechanik-sensorelementen - Google Patents

Mikromechanik-sensorelement, elektrische schaltungsanordnung und sensorarray mit einer mehrzahl von mikromechanik-sensorelementen

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Publication number
EP1370854A1
EP1370854A1 EP02729793A EP02729793A EP1370854A1 EP 1370854 A1 EP1370854 A1 EP 1370854A1 EP 02729793 A EP02729793 A EP 02729793A EP 02729793 A EP02729793 A EP 02729793A EP 1370854 A1 EP1370854 A1 EP 1370854A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor element
micromechanical sensor
substrate
oscillatable
element according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02729793A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ralf Brederlow
Roland Thewes
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Infineon Technologies AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Infineon Technologies AG filed Critical Infineon Technologies AG
Publication of EP1370854A1 publication Critical patent/EP1370854A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/02—Analysing fluids
    • G01N29/036—Analysing fluids by measuring frequency or resonance of acoustic waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/025—Change of phase or condition
    • G01N2291/0256—Adsorption, desorption, surface mass change, e.g. on biosensors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/028—Material parameters
    • G01N2291/02863—Electric or magnetic parameters

Definitions

  • [3] and [4] also describe QCM arrangements (quartz crystal microbalance arrangements) or coupling layers therefor.
  • [6] describes a cantilever as a vibratable element, the frequency being detected optically.
  • micromechanical sensor element with the features according to the independent claim.
  • a micromechanical sensor element for detecting the binding of molecules to the micromechanical sensor element has a substrate and at least one electrical connection. Furthermore, an oscillatable element is provided, which is coupled to the electrical connection in such a way that at the electrical connection an electrical variable characterizing the oscillation behavior of the oscillatable element can be provided. Furthermore, a molecule coupling layer is provided, which is set up in such a way that molecules can bind to the molecule coupling layer. The molecular coupling layer is coupled to the vibratable element such that binding of molecules on the molecular coupling layer causes a change in the vibrational behavior of the vibratable element, in other words the impedance of the vibratable element, preferably the capacitance of the vibratable element.
  • the vibratable element is applied to the substrate.
  • the accuracy of the micromechanical sensor element is further improved by this embodiment of the invention.
  • a recess is provided in the surface of the substrate facing away from the oscillatable membrane.
  • the molecule coupling layer can be a layer of metal, that is to say a metal layer, for example of
  • any type of material can be used for the molecule coupling layer, depending on the respective application, which is suitable for binding the respective molecule to be detected on its surface, for example by means of Van der Waal's forces or a covalent bond.
  • a piezoelectric layer is applied to the substrate and the molecule coupling layer is applied to the piezoelectric layer.
  • the molecule coupling layer is coupled to a first electrical connection and the substrate is coupled to a second electrical connection, so that due to the changing vibrating mass when molecules are bound on the molecule coupling layer, the resonance frequency of the unit consisting of the molecule coupling layer and the piezoelectric layer is changed and by using an electrical variable characterizing the vibration behavior of the vibratable element is provided at the electrical connections.
  • a Bragg reflector layer is applied to the substrate below the piezoelectric layer. In this case, the Bragg reflector layer itself increases the quality of the piezo resonator.
  • the Bragg reflector layer is set up in such a way that a wave with the resonance frequency of the vibratable element is essentially completely reflected by means of it.
  • Two layers which can be periodically repeated one above the other, have the greatest possible difference in the speed of propagation in a first layer vi and in a second layer V2 of the sound waves generated by the vibration.
  • an electrical circuit preferably integrated in the substrate, is provided, which is coupled to at least one electrical connection. If only one electrical connection is provided, an analyte located on the micromechanical sensor element clearly acts as a reference potential.
  • reference micromechanical sensor element has no molecules bound to the reference micromechanical sensor element
  • the electrically stimulable resonance frequency of a quartz crystal coated on both sides with a metal has a defined dependence on the interface properties of the metal electrodes and their Surrounding, in the event that a chemical reaction is carried out on the surface of a quartz crystal coated in this way, the resonance frequency of the vibratable element and the coupled molecule coupling layer is changed.
  • the change in the amplitude of the excited oscillation of the oscillatable element in a frequency range outside the resonance frequency can also be detected and evaluated.
  • the silicon substrate provided according to an embodiment of the invention in contrast to the quartz crystal used according to the prior art, that is to say the crystalline silicon dioxide, is not a piezoelectric material, the expected vibrations of the membrane or membrane are indeed weaker, but this effect is at least compensated for by the small distances between the individual elements that can be achieved in micromechanics.
  • micromechanical sensor element due to its
  • the molecule coupling layer can be formed both by the substrate itself, if the substrate is made of a material to which the molecules can bind, and by an independent layer applied to the substrate.
  • the material of the piezoelectric layer not necessarily having to be quartz.
  • PZT Lead zirconium titanate
  • At least one side of the membrane or the membrane or the additional metal layer represents the surface of the solution to be analyzed, that is to say the
  • the oscillation of the oscillatable element can be excited by applying an alternating voltage between two electrodes which are connected to the two electrical connections of the micromechanical sensor element.
  • One electrode represents a membrane or the metallization under the integrated circuit side of the piezoelectric layer in the event that the electrical circuit is integrated in the substrate, the other electrode is the contact surface or the solution applied to the micromechanical sensor element, that is the name of the analyte itself.
  • the invention clearly provides an interface to the electronics very inexpensively and in a very simple manner, since, using the possibility of silicon microelectronics in accordance with one embodiment of the invention, signal processing and / or evaluation of the determined data directly at the sensor location, that is to say in the micromechanical sensor element itself, ie On-chip is achieved.
  • the change in the oscillation frequency caused by the mass and viscosity change of the membrane, generally of the vibratable element corresponds to a change in the membrane capacity or the capacity of the vibratable element.
  • the resonant frequency of a resonant circuit is a function of the resonant circuit capacitance, its change is also a measure of the change in mass at the membrane.
  • the actually vibrating mass is small compared to the total mass of the micromechanical sensor element, as a result of which a relatively large relative change in the mass can be achieved and determined.
  • micromechanical sensor elements of the same type or sensitive to different reactions also enables a spatially resolved measurement with a spatial accuracy that is limited only by the smallest size of the membrane, which makes sense in terms of measurement technology or lithography.
  • the simultaneous analysis of several chemical reactions can thus also be implemented both by simultaneous detection of several oscillation modes and by different surface preparations of the micromechanical sensor elements that are contained in the sensor field.
  • the different sensors that is to say on the different micromechanical sensor elements, can also be used to detect changes in the signals by means of the distribution of the signals with which the respective vibratable elements are actuated Vibration properties in the entire volume of the analyte, which is applied to the entire sensor field, can be inferred.
  • a sensor array with a plurality of micromechanical sensor elements is provided.
  • Figure 1 shows the basic structure of a micromechanical sensor element according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 3a Micromechanical sensor element according to a third exemplary embodiment of the invention (FIG. 3a) and according to a fourth exemplary embodiment of the invention (FIG. 3b);
  • FIGS. 4a and 4b show a representation of the functional principle of the micromechanical sensor element from FIG. 1 with a parallel resonant circuit as an electrical circuit for actuating and evaluating the micromechanical sensor element before binding of molecules
  • Figure 5 is a block diagram of an electrical evaluation circuit according to a first
  • Figure 6 is a block diagram of an electrical evaluation circuit according to a second
  • FIG. 7 shows the electrical evaluation circuit from FIG. 5 in CMOS technology
  • Figure 8 is a representation of a sensor field with a
  • a large number of micromechanical sensor elements arranged in a matrix A large number of micromechanical sensor elements arranged in a matrix.
  • FIG. 1 shows a micromechanical sensor element 100 according to a first exemplary embodiment of the invention.
  • the substrate 101 for example a silicon wafer, is p-doped.
  • a membrane 102 likewise made of silicon, is embedded in the substrate 101, according to this exemplary embodiment n-doped.
  • a cavity hereinafter also referred to as intermediate space 103, is introduced into the substrate 101, over which the membrane 102 is applied over the entire area in such a way that the entire cavity 103 is covered by the membrane 102.
  • the cavity 103 is filled with air, but alternatively, for example, with piezoelectric material with a suitable orientation.
  • a region of the substrate 101 is provided between the metal layer 107 and the intermediate space 103. Furthermore, a further metal layer 108 is applied to the front surface 104 of the substrate 101.
  • the metal layers 107, 108, according to this exemplary embodiment made of gold, are used for coupling
  • Catcher molecules according to this embodiment of DNA capture molecules, generally for coupling any molecules, according to this embodiment of macromolecular biopolymers.
  • the binding takes place according to the gold-sulfur binding.
  • Macromolecular biopolymers are, for example, proteins or peptides or DNA strands of a given sequence.
  • the capture molecules are ligands, for example active substances with a possible binding activity, which are the proteins or
  • Enzyme agonists or enzyme antagonists pharmaceuticals, sugars or antibodies or any molecule which has the ability to specifically bind proteins or peptides can be considered as ligands.
  • a probe molecule is understood to mean both a ligand and a DNA probe molecule.
  • a first connection 109 is electrically coupled to the membrane 102.
  • a second electrical connection 110 is electrically coupled to the substrate 101.
  • FIG. 2 shows a micromechanical sensor element 200 according to a second exemplary embodiment of the invention.
  • webs 202, 203 are provided on the substrate 201, which serve as spacers between the first substrate 201 and a membrane 204 applied to the webs 202, 203.
  • the membrane 204 is also made from n-doped silicon.
  • the spacers 202, 203 clearly form a closed circumference, which is completely covered by the membrane 204, so that an intermediate space 205 is formed which is filled with air or with piezoelectric material with a suitable orientation.
  • the micromechanical sensor element 300 has a substrate 301 made of p-doped silicon and a piezoelectric layer 302 applied directly to the substrate.
  • a metal layer made of gold 303 is applied to the piezoelectric layer 302 and is electrically coupled to a first connection 304.
  • the substrate 301 is also electrically coupled to a second electrical connection 305.
  • the metal layer 303 is thus directly connected to the piezoelectric layer 302, which together form the oscillatable element according to this exemplary embodiment.
  • FIG. 3b shows a micromechanical sensor element 310 according to a fourth exemplary embodiment of the invention.
  • the micromechanical sensor element 310 has a substrate 301 made of p-doped silicon and a Bragg reflector layer 311 applied directly to the substrate.
  • the vibration quality is significantly increased by means of the Bragg reflector layer 311, which acts as a Bragg reflector and has the corresponding structure.
  • the piezoelectric layer 302 is applied to the Bragg reflector layer 311.
  • a metal layer made of gold 303 is applied to the piezoelectric layer 302 and is electrically coupled to a first connection 304.
  • the metal layer 303 is thus directly with the piezoelectric layer 302 connected, which together form the oscillatable element according to this embodiment.
  • FIG. 4 a shows the micromechanical sensor element 100 according to the first exemplary embodiment, in which DNA capture molecules 402 are covalently bound, that is to say immobilized, on an exposed surface 401 of the first metal layer 107 by means of the gold-sulfur coupling.
  • the micromechanical sensor element 100 is coupled to a frequency generator 403 via the first connection 109 and the second connection 110, according to this exemplary embodiment optionally in parallel with an inductor 40.
  • a gyrator circuit can also be used.
  • a signal evaluation circuit 405 is coupled to the electrical connections 109, 110.
  • the signal evaluation unit 405 provides the amplitude and the phase, generally the resonance frequency, as the result signal 407, in accordance with the state in FIG. 4 a in the event that the DNA capture molecules 402 with DNA strands have not yet hybridized to the sequence the DNA capture molecules of complementary sequence has occurred.
  • the entire evaluation circuit 400 that is to say the frequency generator 403 and the signal evaluation circuit 405 and the inductor 404, is integrated in the substrate 101, that is to say the evaluation circuit is implemented on-chip.
  • the evaluation circuit is only arranged outside the chip in FIG. 4 a for the purpose of simplifying the functional principle.
  • FIG. 4b shows the micromechanical sensor element 100 in the event that an analyte 408 has been brought into contact such that DNA strands 409 located in the analyte 408 can hybridize with the DNA capture molecules 402.
  • Resonance frequency 407 of the micromechanical sensor element 100 with unbound DNA capture molecules 402 different resonance frequency 408 determined as the result signal.
  • FIG. 5 shows the general principle according to the invention in the form of a block diagram for determining the resonance frequency.
  • a signal generator 505 is connected to the electrical connections 502, 503 in order to generate an electrical signal which drives the micromechanical sensor element and is connected to excite in order to vibrate, as a result of which an oscillating circuit is generally implemented.
  • an analog-digital converter 506, alternatively a frequency counter and a digital signal processing unit are connected to the electrical connections 502, 503.
  • FIG. 6 shows in a block diagram 600 one possibility of realizing an evaluation circuit for determining the transient response of the micromechanical sensor element 601, which is designed according to one of the exemplary embodiments described above according to the micromechanical sensor element.
  • a switch 603 is connected in series to a first connection 602 of the micromechanical sensor element 601, a first connection 604 of the switch being coupled to the first electrical connection 602 and a second connection 605 of the switch 603 being connected to a first connection of a voltage source 606 is coupled with its other connection to the second electrical connection 607 of the micromechanical sensor element.
  • an analog-digital converter or a frequency counter and a digital signal processing circuit 608 are connected in series with the electrical connections 602, 607. 7 shows an electrical circuit 700 for electrical evaluation of the signals generated by the micromechanical sensor elements for determining the resonance frequency, ie the electrical evaluation circuit 700, implemented in CMOS technology.
  • a first micromechanical sensor element 701 and a second micromechanical sensor element 702 are provided in the electrical circuit 700 as a reference sensor element.
  • a first electrical connection 703 of the first micromechanical sensor element 701 is coupled via a capacitance 704 to a ground connection 705 and via an electrical resistor 706 to a second electrical connection 707 of the first micromechanical sensor element 701.
  • the second electrical connection 707 is coupled to the ground potential 709 via a second capacitor 708, the capacitance of which can be changed according to this exemplary embodiment, and above.
  • the gate connection 708 of a first transistor 709 (NMOS field effect transistor) and the gate connection 710 of a second transistor 711 (PMOS field effect transistor) are coupled to the second electrical connection 707
  • the drain connection 712 of the second transistor 711 being coupled to is coupled to the operating potential VDD 713 and its source connection 714 is connected to the drain connection 715 of the first transistor 709.
  • the source terminal 716 of the first transistor 709 is coupled to the ground potential 717.
  • Micromechanical sensor element 702 is coupled to ground potential 724 via a further capacitance 723 and to second electrical connection 726 of micromechanical sensor element 702 via a second electrical resistor 725 and to the ground potential 728 via a capacitor 727 with a variable capacitance.
  • the second electrical connection 726 of the second micromechanical sensor element 702 is coupled to the gate connection 751 of a fifth transistor 752 and to the gate connection 729 of a sixth transistor 730.
  • the drain 731 of the fifth transistor 752 is coupled to the operating potential Vor) 732 and the source 733 of the fifth transistor 751 to the drain 734 of the sixth transistor 730.
  • the source terminal 735 of the sixth transistor 730 is grounded.
  • the source connection 733 of the fifth transistor 728 and the drain connection 734 of the sixth transistor 730 are thus coupled to one another and to the gate connection 736 of a seventh transistor 738, the drain connection 738 of which is connected to the source connection 739 of the third transistor 719 is coupled. Furthermore, the gate terminal 736 of the seventh transistor 737 is coupled to the gate terminal 740 of an eighth transistor 741.
  • the first connection 703 of the first micromechanical sensor element 701 is also coupled to the gate connection 718 of the fifth transistor 719.
  • the drain terminal 741 of the third transistor 719 and the drain terminal 742 of the eighth transistor 741 are coupled to the operating potential VDD.
  • the source terminal 743 of the seventh transistor 737 is coupled to the source terminal 744 of the fourth transistor 721 and to a current source 745.
  • the drain connection 746 of the fourth transistor 721 is coupled to the source connection 747 of the eighth transistor 740 and, via an electrical resistor 748, to a frequency counter unit 749 and a digital signal processing circuit, a capacitance 750 being connected in parallel.
  • FIG. 8 shows a sensor field 800 with a multiplicity of micromechanical sensor elements 801, which are arranged in a matrix arrangement, that is to say arranged in columns and in rows, and can be controlled and read out by means of a conventional row decoder 802 and a column decoder 803 via control devices.
  • an analog-digital converter 810 and a digital signal processing circuit are coupled to the column decoder 803 for reading out the vibration signals supplied by the respectively selected micromechanical sensor element.

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.

Description

Beschreibung
Mikromechanik-Sensorelement, elektrische Schaltungsanordnung und Sensorarray mit einer Mehrzahl von Mikromechanik- Sensorele enten
Die Erfindung betrifft ein Mikromechanik-Sensorelement, eine elektrische Schaltungsanordnung sowie ein Sensorarray mit einer Mehrzahl von Mikromechanik-Sensorelementen.
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
(Electroche ical 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 .
Ferner sind in [3] und [4] QCM-Anordnungen (Quartz-Crystal Microbalance-Anordnungen) bzw. Koppelschichten dafür beschrieben.
In [5] ist ein so genannter FPW-Resonator (Flexural Plate ave-Resonator) beschrieben, der als ein Sensorelement verwendet wird. Bei dem FPW-Resonator wird die Auslenkung einer Membran sowie die Detektion der Frequenzänderung mit elektromagnetischen Mitteln durchgeführt.
[6] beschreibt einen Cantilever als schwingfähiges Element, wobei die Detektion der Frequenz optisch erfolgt.
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 Molekul- 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, anders ausgedrückt der Impedanz des schwingfähigen Elements, vorzugsweise der Kapazität 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 Mo1ekül-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 van 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 vi und in einer zweiten Schicht V2 der durch die Schwingung erzeugten Schallwellen. Für die Dicken der ersten Schicht di und der zweiten Schicht d2 gelten für eine destruktive Interferenz:
d- = _-Ω-_ mitk = 1,2,3,...,
4 • f
d2 = -^- mitk = 1,2,3,...,
A 4 • f
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 Ansteuersignais 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 Ansteuersignais 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-Sensorele ente 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 Mikro echanik, 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.
Ferner ist ein Sensorarray mit einer Mehrzahl von Mikromechanik-Sensorelementen vorgesehen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Weiteren näher erläutert.
Es zeigen Figur 1 den prinzipiellen Aufbau eines Mikromechanik- Sensorelements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Figur 2 den prinzipiellen Aufbau eines Mikromechanik- Sensorelements gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Figuren 3a und 3b den prinzipiellen Aufbau eines
Mikromechanik-Sensorelements gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung (Figur 3a) und gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung (Figur 3b) ;
Figuren 4a und 4b eine Darstellung des Funktionsprinzips des Mikromechanik-Sensorelements aus Figur 1 mit einem ParallelSchwingkreis als elektrische Schaltung zum Ansteuern und Auswerten des Mikromechanik- Sensorelements vor erfolgtem Binden von Molekülen
(Figur 4a) und nach erfolgtem Binden von Molekülen (Figur 4b) ;
Figur 5 ein Blockschaltbild einer elektrischen Auswerteschaltung gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Bestimmung der Resonanzfrequenz des Mikromechanik-Sensorelements;
Figur 6 ein Blockschaltbild einer elektrischen Auswerteschaltung gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Bestimmung des Einschwingverhaltens des Mikromechanik- Sensorelements ;
Figur 7 eine Darstellung der elektrischen Auswerteschaltung aus Figur 5 in CMOS-Technologie; und Figur 8 eine Darstellung eines Sensorfeldes mit einer
Vielzahl zu einer Matrix angeordneten Mikromechanik- Sensorelementen.
Fig.l 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 40 .
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 Ansteuersignais 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 Mi romechanik- 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 Vor) 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:
[1] J. Wang, Towards Genoelectronics : Electroche ical
Biosensing of DNA-Hybridization, Chem. Eur. J. , Vol. 5, No. 6, 1999
[2] Günther, Sauerbrey, Verwendung von Schwingquarzen zur
Wägung dünner Schichten und zur Mikrowägung, Zeitschrift für Physik 155, S. 206 - 222, 1999
[3] T. Abe et al, One-chip multichannel quartz crystal microbalance (QCM) fabricated by Deep RIE, Sensors and
Actuators, Nr. 82, S. 139 - 143, 2000
[4] WO 89/09938
[5] W.K. Schubert et al, Chemical Sensing with a magnetically-excited flexural plate wave resonator, Electrochemical Society Proceedings, Volume 99-23, S. 332 - 335, 1999
[6] E.A. Wächter et al, Micromechanical sensors for chemical and physical measurements, Rev. Sei. Instrum. 66 (6), S. 3662 - 3667, Juni 1995'
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-Ref lektor-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

Patentansprüche
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 Impedanz des schwingfähigen Elements verursachen kann.
2. Mikromechanik-Sensorelement nach Anspruch 1, 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.
3. Mikromechanik-Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2,
• 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.
4. Mikromechanik-Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die elektrische Schaltung in dem Substrat eingebracht oder auf dem Substrat aufgebracht ist.
5. Mikromechanik-Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das schwingfähige Element in das Substrat eingebracht ist.
6. Mikromechanik-Sensorelement nach Anspruch 5, 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.
7. Mikromechanik-Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das schwingfähige Element auf das Substrat aufgebracht ist.
8. Mikromechanik-Sensorelement nach Anspruch 7, 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.
9. Mikromechanik-Sensorelement nach Anspruch 8, bei dem zwischen dem Substrat und der schwingfähigen Membran mindestens ein Abs andselement vorgesehen ist.
10. Mikromechanik-Sensorelement nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem die schwingfähige Membran aus dem gleichen Grundmaterial gefertigt ist wie das Substrat.
11. Mikromechanik-Sensorelement nach einem der Ansprüche 6 bis 10, bei dem der Hohlraum mit einem piezoelektrischen Material gefüllt ist.
12. Mikromechanik-Sensorelement nach einem der Ansprüche 6 bis 11, bei dem in der der schwingfähigen Membran abgewandten Fläche des Substrats eine Vertiefung eingebracht ist.
13. Mikromechanik-Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, mit einer elektrischen Schaltung, die mit dem mindestens einen elektrischen Anschluss gekoppelt ist.
14. Mikromechanik-Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem das schwingfähige Element mit der elektrischen Schaltung derart gekoppelt ist, dass mittels der elektrischen Schaltung die Kapazität des schwingfähigen Elements ermittelbar ist,
15. Mikromechanik-Sensorelement nach Anspruch 13 oder 14, bei dem die elektrische Schaltung in das Mikromechanik- Sensorelement integriert ausgebildet ist.
16. Mikromechanik-Sensorelement nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei dem die elektrische Schaltung aufweist
• einen Frequenzgenerator zum Erzeugen eines
Ansteuersignais 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.
17. Mikromechanik-Sensorelement nach Anspruch 16, bei dem der Frequenzgenerator als Gyratorschaltung ausgestaltet ist.
18. Mikromechanik-Sensorelement nach einem der Ansprüche 3 bis 17, 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 schwingtähigen Elements im wesentlichen vollständig reflektiert wird.
19. 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-Sensorele ent 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.
20. Sensorarray mit einer Mehrzahl von Mikromechanik- Sensorelementen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18.
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