DE102006004449A1

DE102006004449A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Detektion einer Substanz in einer Flüssigkeit

Info

Publication number: DE102006004449A1
Application number: DE200610004449
Authority: DE
Inventors: Jan Weber
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-01-31
Filing date: 2006-01-31
Publication date: 2007-08-09
Also published as: WO2007087936A3; WO2007087936A2

Abstract

Die Erfindung gibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektion einer Substanz in einer Flüssigkeit an. Die Vorrichtung umfasst mindestens ein piezoakustisches Resonatorelement (30; 40) mit mindestens einer piezoelektrischen Schicht (310, 320; 410), an der piezoelektrischen Schicht anliegenden Elektroden (311, 312; 321, 322; 411, 412) und mindestens einem Oberflächenabschnitt (2a), der für die Anlagerung der zu detektierenden Substanz aus der Flüssigkeit eingerichtet ist, wobei das piezoakustische Resonatorelement (30; 40) derart beschaffen ist, dass durch Anlegen einer Spannung mittels der Elektroden an die piezoelektrische Schicht (310, 320; 410) eine Volumenschwingung der piezoelektrischen Schicht mit Resonanzfrequenz angeregt wird, die sich in Abhängigkeit der Masse der angelagerten, zu detektierenden Substanz ändert. Eine Auswerteeinrichtung (3) ist zur Ermittlung eines Anlagerungskennwerts anhand der gemessenen Resonanzfrequenz vorgesehen. Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung ferner eine Einrichtung (4) zur Ermittlung eines Temperatureinflusses auf die Resonanzfrequenz durch Messung bei mindestens zwei unterschiedlichen Schwingungen, von denen eine erste Schwingung einer Massen- und Temperaturabhängigkeit und eine zweite Schwingung im Wesentlichen ausschließlich einer Temperaturabhängigkeit unterliegt, wobei die Auswerteeinrichtung (3) zur Ermittlung eines Anlagerungskennwerts dazu eingerichtet ist, anhand der Messwerte der mindestens zwei Messungen einen ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektion einer Substanz in einer Flüssigkeit mittels mindestens eines piezoakustischen Resonatorelements, das mindestens eine piezoelektrische Schicht und zwei an der piezoelektrischen Schicht anliegende Elektroden sowie mindestens einen Oberflächenabschnitt, der für die Anlagerung der zu detektierenden Substanz aus der Flüssigkeit eingerichtet ist, aufweist und derart beschaffen ist, dass durch Anlegen einer Spannung mittels der Elektroden an die piezoelektrische Schicht eine Volumenschwingung der piezoelektrischen Schicht mit Resonanzfrequenz angeregt wird und sich die Resonanzfrequenz des piezoakustischen Resonatorelements in Abhängigkeit der Masse der angelagerten zu detektierenden Substanz ändert.

Aus dem Stand der Technik sind derartige Vorrichtungen als „Biosensoren" zur Detektion von Substanzen bekannt geworden. Die wesentliche Funktionskomponente stellt ein piezoakustisches Resonatorelement dar, bei dem durch Anlegen einer Wechselspannung eine Dickenschwingung, d. h. eine Körpervolumenschwingung der piezoelektrischen Schicht angeregt wird.

In der Literatur werden solche Resonatorelemente als BAW-(bulk acoustic wave) piezoelectric resonator bezeichnet. In den 1a und 1b sind zwei grundsätzliche Typen der BAW-Resonatoren schematisch dargestellt, wie sie in dem Übersichtsartikel von M. Dubois „Thin Film Bulk Acoustic Resonators: A Technology Overview", publiziert anlässlich der Tagung MEMSWAVE 03, Toulouse, France, July 2–4, 2003, gezeigt sind.

1A zeigt dabei ein Beispiel eines so genannten „Thin Film Bulk Acoustic Resonators (FBAR)" schematisch. Eine piezoelektrische AlN-Schicht 300 ist auf einem Trägersubstrat in Form eines Si-Wafers 400 aufgebracht. Auf der Unterseite und der Oberseite der piezoelektrischen Schicht sind Elektroden 100 bzw. 200 angebracht. Wenn durch die Elektroden 100/200 ein elektrisches Wechselfeld an die piezoelektrische Schicht 300 angelegt wird, so tritt aufgrund des inversen piezoelektrischen Effekts eine Umwandlung der elektrischen Energie in mechanische Energie auf. Die resultierende akustische Volumenschwingung breitet sich innerhalb der piezoelektrischen Schicht aus, wobei die Fortschrittsrichtung parallel zum elektrischen Feld ist und die Welle an der Grenzfläche Elektrode/Luft reflektiert wird. Die Resonanzschwingung wird erreicht, wenn die Dicke des Schichtaufbaus des Resonators gleich der halben Wellenlänge des Eingangssignals beträgt. Zur Vermeidung akustischer Verluste in das Trägersubstrat ist an der Unterseite der piezoelektrischen Schicht ein Hohlraum vorgesehen, sodass die akustischen Wellen an der Grenzfläche Elektrode/Luft reflektiert werden können.

1B zeigt einen Aufbau eines BAW-Resonators als so genannter Solidly Mounted Resonator (SMR). Im Unterschied zum Aufbau der 1 ist hier zur Vermeidung akustischer Verluste in Richtung des Trägersubstrats ein akustischer Spiegel (Bragg-Reflektor) 500 zwischen der unteren Elektrode 300 und dem Substrat 400 vorgesehen. Dieser akustische Spiegel besteht aus mehreren Schichten mit stark unterschiedlicher akustischer Impedanz, die in wechselnder Folge angeordnet sind, beispielsweise Lagen von W/SiO2 oder Al/AlN, etc. Die Schichtdicke beträgt λ/4.

Im Vergleich zu so genannten Oberflächenwellen-Resonatoren („Surface Acoustic Wave"-(SAW) Resonatoren), die bereits seit längerem als Filterelemente Anwendung in der Hochfrequenztechnik finden, besteht ein prinzipieller Unterschied darin, dass im Falle der BAW-Resonatoren eine Dickenschwingung (Volumenschwingung) der piezoelektrischen Schicht angeregt wird, im Gegensatz zu Oberflächenwellen bei Oberflächenwellen-Resonatoren. Die Anregung einer Volumenschwingung (Körpervolumenschwingung) erfolgt durch geeignete Elektrodenanordnung in Kombination mit geeigneter kristallographischer Orientierung der piezoelektrischen Schicht. Je nach Konfiguration kann es sich bei der angeregten Volumenschwingung des piezoakustischen Resonatorelements um eine longitudinale Schwingung oder eine Dickenscherschwingung handeln.

Die WO 2004/017063 A2 der Anmelderin beschreibt eine gattungsgemäße Vorrichtung, die als Biosensor zur Anlagerung einer Substanz an der Oberfläche des BAW-Resonators ausgestaltet ist. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise eine bestimmte Substanz identifizieren. Anlagerung kann dabei Adsorption und/oder Absorption bedeuten.

Strukturell weist der Resonator zu diesem Zweck eine sensitive Beschichtung auf, beispielsweise in Form eines Polymerfilms, die auf einer Elektrode des Resonators angebracht ist. Auf diesem Polymerfilm können verschiedene zu detektierende Substanzen, beispielsweise Kohlenwasserstoffe, absorbiert werden. Die zu detektierende Substanz liegt in einem Fluid (Gas oder Flüssigkeit) vor, das als Messmedium dient. Zur Messung wird der Sensor in Kontakt mit dem Messmedium gebracht, das die Substanz enthält, die sich an der sensitiven Beschichtung anlagern kann. Üblicherweise wird eine Mikrofluidik mit Messzelle verwendet, durch die das Messmedium über den betreffenden Oberflächenabschnitt des Sensors strömt.

Der Oberflächenabschnitt des Sensors, an dem sich die betreffende Substanz anlagert, richtet sich in vielen Fällen nach der Art der zu detektierenden Substanz, um auf diese Weise eine bestimmte Substanz selektiv aus einem Gemisch mehrerer Substanzen detektieren zu können. Beispielsweise beschreibt die oben genannte Patentanmeldung die Detektion von DNA-Fragmenten mittels eines Sensors, der auf einem Oberflächenabschnitt der Elektrode eine Beschichtung mit einer ausgewählten DNA-Sequenz aufweist, die eine Anlagerung passender DNA-Sequenzen nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip ermöglicht.

Bei der Detektion von DNA ist es entscheidend, dass Stränge mit ein- oder mehrbasigen Mismatches gegenüber einem perfekten Match (komplementärer Strang) unterschieden werden können. Dies hängt in entscheidender Weise von dem Gleichgewichtszustand der Desorption der DNA-Stränge an dem Oberflächenabschnitt ab. Dieser Gleichgewichtszustand der Desorption wird von den Gegebenheiten des entsprechenden Systems, wie zum Beispiel Art der Beschichtung, Konzentration der beteiligten Spezies, Temperatur, etc. bestimmt.

Durch die Anlagerung einer Substanz an dem Resonator ändert sich die Resonanzfrequenz in Abhängigkeit der Masse der angelagerten Substanz. Durch Messung der Resonanzfrequenz kann daher auf die Anlagerung einer Substanz rückgeschlossen werden. Der betreffende Kennwert ist die Massensensitivität des Resonators, die proportional zum Quadrat der Resonanzfrequenz des Resonators ist.

In der genannten Patentanmeldung wird der positive Einfluss einer äußerst geringen Schichtdicke der piezoelektrischen Schicht im Bereich von 0,1 μm bis 20 μm beschrieben, was sich aufgrund des angesprochenen Zusammenhangs zwischen Massensensitivität und Resonanzfrequenz positiv auf die Detektionsempfindlichkeit des Sensors auswirkt. Zudem ergeben sich Vorteile im Hinblick auf Integrationsdichte und Miniaturisierung, insbesondere bei Sensor-Arrays, die mehrere derartige Sensorelemente enthalten.

Bei derartigen aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen tritt das Problem auf, dass der Sensor neben der Massenanbindung gleichzeitig gegenüber der Temperatur des Analyten, d. h. des flüssigen Messmediums, in dem die Substanz vorliegt, sensitiv ist. Temperaturänderungen in der Umgebung der Vorrichtung können daher zu Messfehlern führen, da das eigentliche Messsignal der Massenanlagerung vom Einfluss der Temperaturänderung überlagert wird.

Zur Lösung dieses Problems ist vorgeschlagen worden, verschiedene Materialien mit einem positiven bzw. negativen Temperaturkoeffizienten in Form eines Komposits zu verwenden, um auf diesem Wege die Temperaturdrift durch Kompensation abzugleichen. Dieser Lösungsansatz wird beispielsweise in der Veröffentlichung von K. M. Lakin, K. T. McCarron, J. F. McDonald and J. Belsick, "Temperature Coefficient and Aging of BAW Composit Materials", 2001, Frequency Control Symp. Proc., S. 605–608 beschrieben.

In der Veröffentlichung K. M. Lakin, Thin Film Resonator Technology, IEEE 2003, FCS-IFTF Paper We1A, May 5–8, 2003 wird ein in Bezug auf den Temperaturgang kompensierter Resonator beschrieben, bei dem AlN als piezoelektrische Schicht und SiO2 zur Kompensation verwendet wird. Aufgrund des positiven Temperaturkoeffizienten von SiO2 von +85 ppm/°C im Verhältnis zu –25 ppm/°C von AlN lässt sich durch sukzessive Erhöhung des Anteils an SiO2 eine Kompensation der Temperaturdrift erzielen.

Jedoch ist dieser Lösungsansatz mit inhärenten Nachteilen behaftet, da er Beschränkungen in Bezug auf die Zusammensetzung der zu verwendenden Materialien oder den Gesamtaufbau des Elementes mit sich bringt.

Weiterhin wurden Einrichtungen zur Stabilisierung der Temperatur der Vorrichtung zur Detektion einer Substanz in einer Flüssigkeit vorgeschlagen. Diese Einrichtungen sind aufgrund der benötigten Temperaturmessung, Beheizung und gegebenenfalls Kühlung sehr aufwändig herzustellen und nur schwierig zu miniaturisieren.

Zusätzlich sind Einrichtungen vorgeschlagen worden, die die Vorrichtung zur Detektion einer Substanz in einer Flüssigkeit mit einem Temperaturmesswiderstand kombinieren. Mit Hilfe dieses Messwiderstands wird die Temperatur der Vorrichtung bestimmt. Eine anschließende Auswertungseinrichtung besitzt eine Eichkurve, die Auskunft über den Einfluss der Temperatur auf die Messergebnisse des Sensors zur Bestimmung der Massenanlagerung gibt. Mit Hilfe dieser Eichkurve errechnet die Auswertungseinrichtung unter Kenntnis der gemessenen Temperatur einen temperaturunabhängigen Messwert für die Massenanlagerung.

Nachteilig an diesem Lösungsansatz ist, dass der Temperaturmesswiderstand vom Sensor zur Bestimmung der Massenanlagerung lokal getrennt ist, sodass Temperaturänderungen, die z.B. aufgrund der Reaktionskinetik der Anbindung des Analyts an die Sensoroberfläche verursacht werden, nicht oder nur schlecht erfasst werden. Dadurch wird die Einrichtung zur Auswertung und Kombination dieser beiden physikalischen Messgrößen sehr aufwändig.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine vereinfachte Vorrichtung und ein vereinfachtes Verfahren zur Detektion einer Substanz anzugeben. Eine weitere Aufgabe ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektion einer Substanz mit erhöhter Genauigkeit anzugeben.

Erfindungsgemäß werden zur Lösung der Aufgaben eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 17 bereitgestellt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung gibt eine Vorrichtung zur Detektion einer Substanz in einer Flüssigkeit an, die mindestens ein piezoakustisches Resonatorelement mit mindestens einer piezoelektrischen Schicht, an der piezoelektrischen Schicht anliegenden Elektroden und mindestens einem Oberflächenabschnitt, der für die Anlagerung der zu detektierenden Substanz aus der Flüssigkeit eingerichtet ist, wobei das piezoakustische Resonatorelement derart beschaffen ist, dass durch Anlegen einer Spannung mittels der Elektroden an die piezoelektrische Schicht eine Volumenschwingung der piezoelektrischen Schicht mit Resonanzfrequenz angeregt wird, die sich in Abhängigkeit der Masse der angelagerten, zu detektierenden Substanz ändert, und eine Auswerteeinrichtung zur Ermittlung eines Anlagerungskennwerts anhand der gemessenen Resonanzfrequenz umfasst.

Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung zusätzlich eine Einrichtung zur Ermittlung eines Temperatureinflusses auf die Resonanzfrequenz durch Messung von mindestens zwei unterschiedlichen Schwingungen, von denen eine erste Schwingung einer Massen- und Temperaturabhängigkeit und eine zweite Schwingung ausschließlich einer Temperaturabhängigkeit unterliegt, wobei die Auswerteeinrichtung zur Ermittlung eines Anlagerungskennwerts dazu eingerichtet ist, anhand der Messwerte der mindestens zwei Messungen einen temperaturunabhängigen Anlagerungskennwert zu bestimmen.

Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist unter einer ausschließlichen Temperaturabhängigkeit zu verstehen, dass im Wesentlichen keine Abhängigkeit der Schwingung von der Massenanlagerung vorliegt.

Die Eigenschaft der ausschließlichen Temperaturabhängigkeit bzw. Temperatur- und Massenabhängigkeit der unterschiedlichen Schwingungen basiert darauf, dass es sich um unterschiedliche Schwingungsmoden handelt. Dazu ist erforderlich, dass diese Schwingungen in einer Struktur erzeugt werden, die aus mindestens zwei Schichten besteht, wobei eine Schicht nicht zu klein gegenüber der anderen sein soll. Strukturen, die aus einer Schicht bestehen, erlauben nur Schwingungen, die in der Ausbreitungsrichtung (der Richtung senkrecht zu der Schicht) die Form einer Sinus-Funktion annehmen. Nimmt man mindestens eine Schicht hinzu, mit einer akustischen Impedanz, die von der ersten Schicht abweicht, so können die Schwingungen Formen annehmen, die von der Sinusfunktion abweichen. Diese Schwingungs-Moden können mit einer Fourierreihe beschrieben werden. Sie sind durch Ihre Fourier-Koeffizienten definiert. Insbesondere können in ein und demselben Schichtstapel unterschiedliche Moden, das heißt Schwingungen mit unterschiedlichen Fourierkoeffizienten, angeregt werden. Diese unterschiedlichen Moden können die Eigenschaft haben, dass sie temperatur- und massenabhängig oder im Wesentlichen nur temperaturabhängig sind.

Solche temperaturabhängigen und/oder masseabhängigen Moden können durch Modellierung des akustischen Schichtstapels bestimmt werden. Dabei kann man im Sinne einer systematischen Suche wie folgt vorgehen: Für den Frequenzbereich, in dem Resonanzen zu erwarten sind, ist ein bestimmter eindimensionaler Schichtstapel zu modellieren mit einem der aus der Literatur hinlänglich bekannten Modelle (Transmission Line Modell, Mason Modell, siehe z.B. K.M. Lakin, G.R. Kline, K.T. McCarron, High-Q Microwave Acoustic Resonators and Filters, IEEE transactions on microwave theory and techniques, Vol. 41, No. 12, December 1993) und die Resonanzfrequenzen sind zu bestimmen. Für jede der Resonanzfrequenzen ist nun die Massensensitivität (das heißt die Frequenzänderung pro Massenbelag) zu bestimmen. Dies kann zum Beispiel dadurch erfolgen, dass die Dicke der obersten Schicht variiert wird und wiederum die Resonanzfrequenzen bestimmt werden. Aus der Massenänderung (aufgrund der Schichtdickenänderung) und der Frequenzänderung der einzelnen Resonanzen erhält man die Massensensitivität. Nun ist eine der Schichten im Schichtstapel zu variieren und wiederum die Resonanzfrequenzen und deren Massensensitivitäten zu bestimmen. Dies ist solange zu wiederholen, bis ein Schichtstapel erhalten wird, der zwei Resonanzen enthält, wobei die eine eine hohe Massensensitivität und die andere eine verschwindende Massensensitivität aufweist (also im Wesentlichen massenunabhängig ist). Dies kann weiter optimiert werden, indem das Verfahren mit der Variation weiterer Schichten fortgesetzt wird.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Ansatzes liegt darin, dass beide Messgrößen mit demselben Prinzip, nämlich der Erzeugung einer Volumenschwingung eines piezoakustischen Resonators, erfasst werden können. Dadurch kann für beide Messungen dergleiche Sensortyp verwendet werden. Daraus resultieren ein einfacher Aufbau der Vorrichtung und geringe Herstellungskosten. Aus demselben Grunde ist die Auswerteeinrichtung einfach und kostengünstig realisierbar.

Vorzugsweise erfolgt die Messung durch die Vorrichtung bei mindestens zwei unterschiedlichen Resonanzfrequenzen, von denen eine erste Resonanzfrequenz einer Massen- und Temperaturabhängigkeit und eine zweite Resonanzfrequenz im Wesentlichen ausschließlich einer Temperaturabhängigkeit unterliegt.

Die mindestens zwei unterschiedlichen Resonanzfrequenzen können in ein und derselben piezoelektrischen Schicht erzeugt werden. In diesem Falle ergibt sich der Vorteil, dass sowohl die massen- und temperaturabhängige Messung als auch die ausschließlich temperaturabhängige Messung an derselben Stelle ausgeführt werden. Dies ist besonders dann wichtig, wenn auf den einzelnen Sensorpixeln aufgrund der Funktionalisierung unterschiedliche Reaktionen ablaufen. Darüber hinaus entsteht kein zusätzlicher Prozessierungsaufwand bei der Herstellung. Lediglich die Schichtstruktur muss so gefertigt werden, dass die unterschiedlichen Resonanzfrequenzen angeregt werden können. Zusätzlich ermöglicht die Verwendung derselben piezoelektrischen Schicht für beide Resonanzfrequenzen eine stärkere Miniaturisierung der Vorrichtung. In der piezoelektrischen Schicht können die Resonanzfrequenzen entweder gleichzeitig oder wechselweise angeregt werden.

Alternativ kann die massen- und temperaturabhängige Resonanzfrequenz in einer ersten piezoelektrischen Schicht und die ausschließlich temperaturabhängige Resonanzfrequenz in einer zweiten piezoelektrischen Schicht angeregt werden, die zu einem piezoakustischen Resonatorelement in Stapelbauform oder zu mehreren Resonatorelementen gehören können. Unterschiedliche Resonanzfrequenzen können beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die erste piezoelektrische Schicht und die zweite piezoelektrische Schicht unterschiedliche Dicken aufweisen.

Bei einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Messung bei mindestens zwei unterschiedlichen Schwingungsmoden erfolgen, von denen ein erster Schwingungsmode einer Massen- und Temperaturabhängigkeit und ein zweiter Schwingungsmode im Wesentlichen ausschließlich einer Temperaturabhängigkeit unterliegt.

Auch solche temperaturabhängigen und/oder masseabhängigen Schwingungsmoden können beispielsweise, wie dem Fachmann hinlänglich bekannt ist, durch Simulation ermittelt werden. Beispielsweise kann wiederum das Transition Line Modell verwendet werden.

Die mindestens zwei unterschiedlichen Schwingungsmoden können auch bei dieser Ausführungsform in ein und derselben piezoelektrischen Schicht erzeugt werden. In diesem Falle ergibt sich der oben erwähnte Vorteil, dass sowohl die massen- und temperaturabhängige Messung als auch die ausschließlich temperaturabhängige Messung an derselben Stelle ausgeführt werden. In der piezoelektrischen Schicht können die Schwingungsmoden entweder gleichzeitig oder wechselweise angeregt werden.

Alternativ kann der massen- und temperaturabhängige Schwingungsmode in einer ersten piezoelektrischen Schicht und der ausschließlich temperaturabhängige Schwingungsmode in einer zweiten piezoelektrischen Schicht angeregt werden. In diesem Falle kann sich bei einer geeigneten Wahl des Schichtaufbaus der piezoakustischen Resonatorelemente der Vorteil ergeben, dass beide Messungen bei der im Wesentlichen gleichen Frequenz durchgeführt werden können.

Ausgehend davon, dass sich bei einem Schichtstapel bei der Frequenz f1 ein massen- und temperaturabhängiger Schwingungsmode S1 und bei einem anderen Schichtstapel mit den Dicken d2n bei der Frequenz f2 ein ausschließlich temperaturabhängiger Schwingungsmode S2 ergibt, kann der ausschließlich temperaturabhängige Schwingungsmode S2 bei der Frequenz f1 angeregt werden, indem die Schichtdicken wie folgt abgeändert werden: d2n' = d2n·(f2/f1).

Vorzugsweise wird die beschriebene Vorrichtung zur Detektion einer Substanz auf einem Trägersubstrat aufgebaut, das aus einem Halbleitermaterial besteht.

Die Vorrichtung kann als Si-integriertes Messarray mit mehreren Resonatorelementen ausgebildet sein.

Zwischen dem Trägersubstrat und dem piezoakustischen Resonatorelement kann ein akustischer Spiegel angeordnet sein, der aus mehreren Schichten besteht.

Ein oder mehrere piezoakustische Resonatorelemente können eine Multilayerstruktur aufweisen.

Die Einrichtung zur Erfassung des Temperatureinflusses auf die Resonanzfrequenz kann als Temperaturmesseinrichtung ausgestaltet sein.

Gegenüber temperaturkompensierten Sensoren hat diese Ausführungsform den Vorteil, dass sie die Temperatur der Flüssigkeit ermittelt und damit zusätzliche wertvolle Informationen über die Reaktionskinetik liefern kann.

Zusätzlich kann eine Korrektureinrichtung vorhanden sein zur Korrektur der Resonanzfrequenz des piezoakustischen Resonatorelements anhand des von der Temperaturerfassungseinrichtung erfassten Wertes.

Vorzugsweise wird die masseabhängige Schwingung bei im Wesentlichen 1,6 GHz und die masseunabhängige Schwingung bei im Wesentlichen 2,8 GHz erzeugt.

Die Erfindung umfasst zudem ein Verfahren zur Detektion einer Substanz in einer Flüssigkeit, mit den Schritten In-Kontakt-Bringen einer die Substanz enthaltenden Flüssigkeit mit mindestens einem piezoakustischen Resonatorelement mit mindestens einer piezoelektrischen Schicht, mindestens zwei an der piezoelektrischen Schicht anliegenden Elektroden und mindestens einem Oberflächenabschnitt, der für die Anlagerung der zu detektierenden Substanz aus der Flüssigkeit eingerichtet ist, Anregen einer Volumenschwingung der piezoelektrischen Schicht mit einer Resonanzfrequenz, die. sich in Abhängigkeit der Masse der angelagerten, zu detektierenden Substanz ändert, durch Anlegen einer Spannung mittels der Elektroden an die piezoelektrische Schicht, Messen der Resonanzfrequenz des piezoakustischen Resonatorelements in Abhängigkeit von der angelagerten Masse und der Temperatur, und Ermitteln eines Anlagerungskennwerts anhand der gemessenen Resonanzfrequenz.

Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren die zusätzlichen Schritte des Anregens und des Messens von einer ersten Schwingung, die abhängig von der angelagerten Masse und der Temperatur ist, und des Anregens und des Messens von mindestens einer zweiten Schwingung, die ausschließlich von der Temperatur abhängt, und den Schritt Ermitteln eines temperaturunabhängigen Anlagerungskennwerts anhand der Ergebnisse der ersten und zweiten Messung.

Zusätzlich kann die Temperatur der Flüssigkeit aus den Messungen bestimmt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren erlauben eine Detektion einer Substanz in einer Flüssigkeit mit erheblich verbesserter Messgenauigkeit, da der Einfluss der Temperatur des Messmediums auf das Messsignal erfasst wird.

Ein weiterer Vorteil gegenüber bekannten Lösungen besteht darin, dass sowohl die Messung der massen- und temperaturabhängigen Schwingung als auch die Messung der ausschließlich temperaturabhängigen Schwingung auf Grundlage derselben physikalischen Messgröße durchgeführt werden kann. Dadurch kann die Auswerteeinrichtung einfach und kostengünstig realisiert werden. Zudem können die Messungen im selben piezoakustischen Resonatorelement durchgeführt werden. In diesem Falle entstehen durch die Berücksichtigung der Temperatur keine zusätzlichen Herstellungskosten. Lediglich die Schichtstruktur muss so gefertigt werden, dass die unterschiedlichen Schwingungen im piezoakustischen Resonatorelement angeregt werden können. Zusätzlich wird die Temperatur in diesem Falle am selben Ort ermittelt wie die Masseanlagerung. Dies ist besonders dann wichtig, wenn auf den einzelnen Sensorpixeln aufgrund der Funktionalisierung unterschiedliche Reaktionen ablaufen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und weitere Details der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand verschiedener Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die Figuren beschrieben.
1A und 1B zeigen schematisch den Aufbau eines FBAR- und eines SMR-Resonators als Beispiele für BAW-Resonatoren, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, im Querschnitt.
2 zeigt ein funktionales Blockdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Messwerterfassungseinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, das zwei piezoakustische Resonatorelemente umfasst, die mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen anregbar sind.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Messwerterfassungseinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, das ein Resonatorelement umfasst, das mit unterschiedlichen Schwingungen anregbar ist.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Detektion einer Substanz in einer Flüssigkeit.
6 zeigt ein detaillierteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Detektion einer Substanz in einer Flüssigkeit.
7 zeigt ein Beispiel für den Einfluss der Massenanlagerung auf die Resonanzfrequenz bei unterschiedlichen Schwingungen.
Im Folgenden wird Bezug nehmend auf 2 der funktionelle Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Detektion einer Substanz beschrieben.
Die in 2 gezeigte erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Detektion einer Substanz in einer Flüssigkeit umfasst eine Messwerterfassungseinrichtung 2, eine Auswerteeinrichtung 3 zur Ermittlung eines Anlagerungskennwerts und eine Einrichtung 4 zur Bestimmung der Temperaturabhängigkeit der gemessenen Resonanzfrequenz.
Die Messwerterfassungseinrichtung 2 weist einen Oberflächenabschnitt 2a auf, der für die Anlagerung der zu detektierenden Substanz aus der Flüssigkeit eingerichtet ist. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich um eine chemisch selektive Beschichtung zur Absorption des Proteins Streptavidin. Dem Fachmann ist jedoch bewusst, dass es sich hierbei nur um ein Beispiel für eine funktionale Schicht handelt, die der Anlagerung der zu detektierenden Substanz zuträglich ist.
Die Auswerteeinrichtung 3 dient der Ermittlung eines Anlagerungskennwerts anhand der gemessenen Resonanzfrequenzänderung.
Die Einrichtung 4 zur Bestimmung der Temperaturabhängigkeit, in der die zu detektierende Substanz vorliegt, umfasst eine Einrichtung 4a zur Messung der Resonanzfrequenzverschiebung und eine Einrichtung 4b zur Ermittlung der Temperatur anhand der gemessenen Verschiebung.
Obgleich die Messwerterfassungseinrichtung 2 und die Einrichtung 4 zur Bestimmung der Temperaturabhängigkeit beim Ausführungsbeispiel der 1 als separate Komponenten dargestellt sind, ist die Erfindung nicht auf eine derartige Ausführungsform beschränkt. Vielmehr kann die Messwerterfassungseinrichtung ein integraler Bestandteil der Einrichtung zur Bestimmung der Temperaturabhängigkeit sein.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Messwerterfassungseinrichtung, wie sie bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Detektion einer Substanz Verwendung finden kann.
Die Messwerterfassungseinrichtung 30 umfasst ein erstes piezoakustisches Resonatorelement 31 und ein zweites piezoakustisches Resonatorelement 32. Das erste piezoakustische Resonatorelement umfasst eine piezoelektrische Schicht 310, die aus ZnO besteht, sowie Elektroden 311, 312 auf der Unterseite bzw. der Oberseite der piezoelektrischen Schicht, die aus Platin bestehen.
Das zweite piezoakustische Resonatorelement 32 umfasst eine piezoelektrische Schicht 320, die ebenfalls aus ZnO besteht, sowie zwei Elektroden 321, 322 auf der Unterseite bzw. der Oberseite der piezoelektrischen Schicht, die ebenfalls aus Platin bestehen. Beide piezoakustische Resonatorelemente sind auf einem akustischen Spiegel 33, bestehend aus mehreren Lagen stark unterschiedlicher Impedanz angeordnet.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde die Resonanzverstimmung auf einfache Weise durch unterschiedliche Dicken der Resonatorelemente erzielt, indem die Dicke der piezoelektrischen ZnO-Schicht der Resonatorelemente 31, 32 unterschiedlich bemessen wurde. Hieraus resultieren unterschiedliche Resonanzfrequenzen der Elemente 31, 32, z. B. f_r = f_r1 und f_r2 = f_r1 + Δf. Dabei entsteht im Element 31 die massen- und temperaturabhängige Resonanzfrequenz f_r1, während im Element 32 die im Wesentlichen ausschließlich temperaturabhängige Resonanzfrequenz f_r2 entsteht, die bei diesem Ausführungsbeispiel höher liegt. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde die Resonanzverstimmung derart gewählt, dass sie im Bereich der Bandbreite des akustischen Spiegels liegt. Auf diese Weise kann ein akustischer Spiegel 33 für beide Resonatorelemente 31, 32 verwendet werden, wodurch der Herstellungsaufwand begrenzt wird.
Eine geeignete unterschiedliche Bemessung der Schichtdicken der Resonatorelemente 31, 32 kann ebenfalls dazu dienen, bei der im Wesentlichen selben Resonanzfrequenz in dem einen Resonatorelement einen massen- und temperaturabhängigen Schwingungsmode und in dem anderen Resonatorelement einen ausschließlich temperaturabhängigen Schwingungsmode zu erzeugen. Beispielsweise wurde festgestellt, dass bei denselben Schichtdicken d1n sich bei einer Schwingung von im Wesentlichen 1,6 GHz ein massen- und temperaturabhängiger Schwingungsmode und bei 2,8 GHz ein ausschließlich temperaturabhängiger Schwingungsmode einstellt. Soll bei einer Frequenz von 1,6 GHz ein ausschließlich temperaturabhängiger Schwingungsmode angeregt werden, so müssten die Dicken d2n des Schichtstapels so bemessen sein, dass gilt: d2n = d1n·(2,8 GHz/1,6 GHz).
Die in 3 gezeigte Ausführungsform einer Messwerterfassungseinrichtung kann besonders vorteilhaft Verwendung in einem Si-integrierten FBAR-Array finden, bei dem sich mehrere Resonatoren auf engstem Raum angeordnet befinden, so dass nahezu gleiche Umgebungs- und Reaktionsbedingungen gegeben sind und eine nahezu gleiche Massenbelegung gewährleistet ist.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messwerterfassungseinrichtung, bei der lediglich ein piezoakustisches Resonatorelement Verwendung findet. Die in dieser Darstellung gezeigte Messwerterfassungseinrichtung 40 umfasst ein piezoakustisches Resonatorelement 410, auf dessen Oberseite bzw. Unterseite jeweils eine Elektrode 421, 422 angebracht ist.
Das piezoakustische Resonatorelement 41 dieses Ausführungsbeispiels ist derart eingerichtet, dass es gleichzeitig mit zwei unterschiedlichen Schwingungen 44, 45 angeregt werden kann. Die Anregung der beiden Schwingungen kann jedoch auch in Wechselfolge vorgenommen werden.
In der Darstellung der 4 sind entsprechend schematisch die Grundmode- und erste Obermode-Schwingung eingezeichnet. Das piezoakustische Resonatorelement 41 ist auf einem akustischen Spiegel 42 angeordnet. Dabei ist die Grundmode-Schwingung massen- und temperaturabhängig, während die Obermode-Schwingung ausschließlich eine Temperaturabhängigkeit aufweist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform beschränkt.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Detektion einer Flüssigkeit.
Das Verfahren umfasst den Schritt 51 des In-Kontakt-Bringens einer die zu detektierende Substanz enthaltenden Flüssigkeit mit einer Messwerterfassungseinrichtung mit zwei piezoakustischen Resonatorelementen, wie es oben anhand der 3 beschrieben wurde. Es kann jedoch beispielsweise ebenso die Messwerterfassungseinrichtung der 4 verwendet werden.
In Schritt 52 wird durch Anlegen einer Wechselspannung an die Elektroden der piezoelektrischen Schichten eine Volumenschwingung der piezoelektrischen Schicht mit Resonanzfrequenz erzeugt.
In Schritt 53 werden die Resonanzfrequenzen der piezoakustischen Resonatorelemente zunächst an Luft und danach im Analyten gemessen. Dabei können mehrere Messungen als Referenz vor und nach Anlagerung der Substanz oder Messungen anhand von Eichkurven durchgeführt werden.
In Schritt 54 erfolgt das Auswerten der gemessenen Resonanzfrequenzen in Abhängigkeit der Anlagerung der zu detektierenden Substanz zur Ermittlung eines Anlagerungskennwertes.
6 zeigt ein detaillierteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Detektion einer Flüssigkeit.
Das Verfahren umfasst den Schritt 61 des In-Kontakt-Bringens einer die zu detektierende Substanz enthaltenden Flüssigkeit mit einer Messwerterfassungseinrichtung mit zwei piezoakustischen Resonatorelementen, wie es oben anhand der 3 beschrieben wurde. Es kann jedoch beispielsweise ebenso die Messwerterfassungseinrichtung der 4 verwendet werden.
In Schritt 62 wird durch Anlegen einer Wechselspannung an die Elektroden der piezoelektrischen Schichten eine massen- und temperaturabhängige Volumenschwingung der piezoelektrischen Schicht mit Resonanzfrequenz erzeugt.
In Schritt 63 wird die massen- und temperaturabhängige Resonanzfrequenz der piezoakustischen Resonatorelemente gemessen. Dabei können mehrere Messungen als Referenz vor und nach Anlagerung der Substanz oder Messungen anhand von Eichkurven durchgeführt werden.
In Schritt 64 wird durch Anlegen einer Wechselspannung an die Elektroden der piezoelektrischen Schichten eine ausschließlich temperaturabhängige Volumenschwingung der piezoelektrischen Schicht mit Resonanzfrequenz erzeugt.
In Schritt 65 wird die ausschließlich temperaturabhängige Resonanzfrequenz der piezoakustischen Resonatorelemente gemessen. Dabei können mehrere Messungen als Referenz vor und nach Anlagerung der Substanz oder Messungen anhand von Eichkurven durchgeführt werden.
In Schritt 66 kann aus der Messung aus Schritt 65 eine Temperatur bestimmt werden.
In Schritt 67 erfolgt das Auswerten der gemessenen Resonanzfrequenzen aus den Messungen aus Schritt 63 und 65 zur Ermittlung eines temperaturunabhängigen Anlagerungskennwertes.
7 zeigt ein Beispiel für den Einfluss der Massenanlagerung auf die Resonanzfrequenz bei unterschiedlichen Schwingungen. Dieser Einfluss wurde mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nach 4 gemessen. Auf der Y-Achse ist die Schichtdicke der Topelektrode variiert, was einer Änderung des Massenbelags entspricht, sodass die Verschiebung der Resonanz direkt mit der Massensensitivität zusammenhängt. Aufgrund der Darstellungsmethode mit Hilfe von Graustufen erscheinen die Amplituden verfälscht. Beispielsweise wird die 1,6 GHz-Resonanz deutlich dunkler dargestellt als die 2,8 GHz-Resonanz. Hieraus können keine direkten Rückschlüsse auf die tatsächliche Güte der Resonanz gezogen werden. Der Figur ist deutlich zu entnehmen, dass bei einer Schwingung von im Wesentlichen 1,6 GHz die Resonanzfrequenz einer deutlichen Massenabhängigkeit unterliegt, während bei einer Schwingung von im Wesentlichen 2,8 GHz die Resonanzfrequenz weitgehend von der Massenanlagerung unabhängig ist. Die beiden Schwingungen können entweder in ein und derselben piezoelektrischen Schicht (410) erzeugt werden oder die erste Schwingung kann in einer ersten piezoelektrischen Schicht (310) und die zweite Schwingung in einer zweiten piezoelektrischen Schicht (320) angeregt werden.

Claims

Vorrichtung zur Detektion einer Substanz in einer Flüssigkeit, mindestens umfassend – mindestens ein piezoakustisches Resonatorelement (30; 40) mit mindestens einer piezoelektrischen Schicht (310, 320; 410), an der piezoelektrischen Schicht anliegenden Elektroden (311, 312; 321, 322; 411, 412) und mindestens einem Oberflächenabschnitt (2a), der für die Anlagerung der zu detektierenden Substanz aus der Flüssigkeit eingerichtet ist, wobei das piezoakustische Resonatorelement (30; 40) derart beschaffen ist, dass durch Anlegen einer Spannung mittels der Elektroden an die piezoelektrische Schicht (310, 320; 410) eine Volumenschwingung der piezoelektrischen Schicht mit Resonanzfrequenz angeregt wird, die sich in Abhängigkeit der Masse der angelagerten, zu detektierenden Substanz ändert, und – eine Auswerteeinrichtung (3) zur Ermittlung eines Anlagerungskennwerts anhand der gemessenen Resonanzfrequenz, gekennzeichnet durch – eine Einrichtung (4) zur Ermittlung eines Temperatureinflusses auf die Resonanzfrequenz durch Messung bei mindestens zwei unterschiedlichen Schwingungen, von denen eine erste Schwingung einer Massen- und Temperaturabhängigkeit und eine zweite Schwingung im Wesentlichen ausschließlich einer Temperaturabhängigkeit unterliegt, wobei – die Auswerteeinrichtung (3) zur Ermittlung eines Anlagerungskennwerts dazu eingerichtet ist, anhand der Messwerte der mindestens zwei Messungen einen temperaturunabhängigen Anlagerungskennwert zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Messung bei mindestens zwei unterschiedlichen Resonanzfrequenzen, von denen eine erste Resonanzfrequenz einer Massen- und Temperaturabhängigkeit und eine zweite Resonanzfrequenz ausschließlich einer Temperaturabhängigkeit unterliegt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die massen- und temperaturabhängige Resonanzfrequenz sowie die ausschließlich temperaturabhängige Resonanzfrequenz in ein und derselben piezoelektrischen Schicht (410) erzeugt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die massen- und temperaturabhängige Resonanzfrequenz in einer ersten piezoelektrischen Schicht (310) und die ausschließlich temperaturabhängige Resonanzfrequenz in einer zweiten piezoelektrischen Schicht (320) erzeugt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur gleichzeitigen oder wechselweisen Anregung unterschiedlicher Resonanzfrequenzen eines Resonatorelements.
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Messung bei mindestens zwei unterschiedlichen Schwingungsmoden, von denen ein erster Schwingungsmode einer Massen- und Temperaturabhängigkeit und ein zweiter Schwingungsmode ausschließlich einer Temperaturabhängigkeit unterliegt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der massen- und temperaturabhängige Schwingungsmode sowie der ausschließlich temperaturabhängige Schwingungsmode in ein und derselben piezoelektrischen Schicht (410) erzeugt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der massen- und temperaturabhängige Schwingungsmode in einer ersten piezoelektrischen Schicht (310) und der ausschließlich temperaturabhängige Schwingungsmode in einer zweiten piezoelektrischen Schicht (320) erzeugt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur gleichzeitigen oder wechselweisen Anregung unterschiedlicher Schwingungsmoden eines Resonatorelements.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat (400) aus einem Halbleitermaterial besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung als Si-integriertes Messarray mit mehreren Resonatorelementen ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Trägersubstrat und dem piezoakustischen Resonatorelement ein akustischer Spiegel (500) angeordnet ist, der aus mehreren Schichten besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein piezoakustisches Resonatorelement (30; 40) eine Multilayerstruktur aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erfassung des Temperatureinflusses auf die Resonanzfrequenz als Temperaturmesseinrichtung ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Korrektureinrichtung zur Korrektur der Resonanzfrequenz des piezoakustischen Resonatorelements (30; 40) anhand des von der Temperaturerfassungseinrichtung erfassten Wertes.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Erzeugung der masseabhängigen Schwingung bei im Wesentlichen 1,6 GHz und der masseunabhängigen Schwingung bei im Wesentlichen 2,8 GHz.
Verfahren zur Detektion einer Substanz in einer Flüssigkeit, mit den Schritten – In-Kontakt-Bringen (51) einer die Substanz enthaltenden Flüssigkeit mit mindestens einem piezoakustischen Resonatorelement (30; 40) mit mindestens einer piezoelektrischen Schicht (310; 320; 410), mindestens zwei an der piezoelektrischen Schicht anliegenden Elektroden (311, 312; 321, 322; 411, 412) und mindestens einem Oberflächenabschnitt (2a), der für die Anlagerung der zu detektierenden Substanz aus der Flüssigkeit eingerichtet ist, – Anregen einer Volumenschwingung (52) der piezoelektrischen Schicht (310; 320; 410) mit einer Resonanzfrequenz, die sich in Abhängigkeit der Masse der angelagerten, zu detektierenden Substanz ändert, durch Anlegen einer Spannung mittels der Elektroden (311, 312; 321, 322; 411, 412) an die piezoelektrische Schicht (310; 320; 410), – Messen der Resonanzfrequenz (53) des piezoakustischen Resonatorelements (30; 40) in Abhängigkeit von der angelagerten Masse und der Temperatur, und – Ermitteln eines Anlagerungskennwerts (54) anhand der gemessenen Resonanzfrequenz, gekennzeichnet durch die zusätzlichen Schritte Anregen (62) und Messen (63) von einer ersten Schwingung, die abhängig von der angelagerten Masse und der Temperatur ist, und Anregen (64) und Messen (65) von mindestens einer zweiten Schwingung, die im Wesentlichen ausschließlich von der Temperatur abhängt, und Ermitteln eines temperaturunabhängigen Anlagerungskennwerts (67) anhand der Ergebnisse der ersten und zweiten Messung.
Verfahren nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch den Schritt Bestimmen der Temperatur (66) der Flüssigkeit aus den Messungen.