DE102008014335B4

DE102008014335B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung einer Brechzahl eines Messobjekts

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Publication number: DE102008014335B4
Application number: DE102008014335A
Authority: DE
Inventors: Wladimir Tschekanlinskij; Norbert Dr. Weber; Stephan Dr. Junger
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2008-03-14
Filing date: 2008-03-14
Publication date: 2009-12-17
Anticipated expiration: 2028-03-15
Also published as: DE102008014335A1; WO2009112288A1; EP2255174A1

Abstract

System (30) zum Bestimmen einer Brechzahl (n(Objekt)) eines Messobjekts (31), mit folgenden Merkmalen:
einer Lichtquelle (32) zum Aussenden von Licht (33) einer vordefinierten Wellenlänge;
einem integrierten Sensorelement (35) mit
einem opto-elektronischen Sensor (36), und
einer Metallschichtstruktur (37) mit wenigstens einer strukturierten Metallschicht (44),
wobei der opto-elektronische Sensor (36) und die Metallschichtstruktur (37) gemeinsam auf einem Halbleitersubstrat (38) integriert sind;
einer Einrichtung (39) zum Halten des Messobjekts (31) zwischen dem integrierten Sensorelement (35) und der Lichtquelle (32), so dass die Metallschichtstruktur (37) zwischen dem Messobjekt (31) und dem opto-elektronischen Sensor (36) angeordnet ist, und so dass sich ein Ausgangssignal des opto-elektronischen Sensors (36) auf das Licht (33) mit der vordefinierten Wellenlänge abhängig von der Brechzahl (n(Objekt)) des Messobjekts (31) ändert; und
einer Einrichtung (40) zum Ermitteln der Brechzahl (n(Objekt)) des Messobjekts (31) basierend auf dem Ausgangssignal des opto-elektronischen Sensors (36).

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen und Verfahren zur Bestimmung einer Brechzahl eines Messobjekts.
Der Brechungsindex bzw. die Brechzahl n ist ein guter Indikator für viele chemische und biologische Anwendungen. Der Brechungsindex n kann gemäß
berechnet werden, wobei c₀ die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und c die Lichtgeschwindigkeit eines Materials bedeutet, dessen Brechzahl festgestellt werden soll. Weiterhin bedeutet ε_r die dielektrische Leitfähigkeit bzw. Permitivität und μ_r die magnetische Leitfähigkeit bzw. Permeabilität des Materials. Der Brechungsindex n ändert sich beispielsweise abhängig von der Konzentration von in einer Flüssigkeit gelösten Substanzen. Ein großes Anwendungsfeld von Refraktometern ist die Bestimmung der Konzentration und Anwesenheit eines bestimmten Stoffes in einer chemischen Lösung, wie z. B. der Stammwürze von Bier oder der Wasser- oder Zuckergehalt von Honig. Biologische Untersuchungen von gefährlichen Viren und Bakterien sind ebenfalls Anwendungen von Refraktometern bzw. Vorrichtungen zur Bestimmung der Brechzahl.
Art und Konzentration von gelösten Stoffen bricht Licht unterschiedlich. Dies macht sich als Brechzahländerung bemerkbar. Das Aufbauprinzip von optischen Refraktometern ist schon seit langer Zeit bekannt und wird auch heute noch in fast unveränderter Form verwendet. Ein herkömmliches Refraktometer ist schematisch in 1 dargestellt.
Das Refraktometer 10 umfasst eine monochromatische Lichtquelle 11, ein Messprisma 12, an dem Totalreflexion ent steht, ein Empfangsteil 13, 14, das eine Position eines reflektierten Lichtstrahls registriert und in eine Brechzahl n umrechnet.
Das in 1 dargestellte Refraktometer wird im Allgemeinen auch als Abbé-Refraktometer bezeichnet. Von der Lichtquelle 11 ausgehende Strahlbündel 15, 16, 17 treffen eine Grenzfläche 18 des Prismas 12 mit der Brechzahl n(1) dort, wo eine zu untersuchende Flüssigkeit mit einer Brechzahl n(2) anliegt. Der Strahl 17 läuft in dem Medium mit Brechzahl n(2) weiter, resultierend in einem Strahl 17'. Für den Strahl 16 entsteht Totalreflexion. Der Strahl 15 wird von der Grenzfläche 18 von Prisma 12 zu Messobjekt 19 zu einem schwarz lackierten Fläche 20 reflektiert (15'). Aufgrund dieser Lichtverteilung entstehen zwei Felder, die hell bzw. dunkel sind. Das Bild 21 dieser Felder wird mithilfe des optischen Systems 13 mit dem Auge 22 betrachtet oder mit einem Photoempfänger registriert und mit einer Elektronik 14 weiterverarbeitet. Der Wert des Grenzwinkels A wird beim Abbé-Refraktometer zur Bestimmung der Brechzahl n(2) verwendet. Nach der Messung des Grenzwinkels A, bei dem Totalreflexion entsteht, kann man gemäß Sin(A) = n(1)/n(2) die unbekannte Brechzahl n(2) berechnen, wobei die Brechzahl n(1) als bekannt vorausgesetzt wird. Der Hauptteil des Refraktometers 10 ist also ein hochauflösender optischer Winkelsensor, der den Winkel A bestimmt.
Bei einem bekannten Abbé-Refraktometer erfolgt eine Betrachtung eines Arbeitsfelds und die Winkelmessung durch ein Okular mit dem Auge. Ein derartiges Gerät hat eine Thermostabilisierung des Messbereichs mit einem digitalen Thermometer und arbeitet mit nur einer Messwellenlänge von 590 nm. Der Messbereich für die Brechzahl n(2) liegt zwischen 1,3 und 1,72.
Es existieren auch tragbare, vollautomatische Refraktometer, deren Messprozess so automatisiert ist, dass kein visueller Kanal benötigt wird. In derartigen Geräten wird beispielsweise die Position der Hell-/Dunkelgrenze (Schattenlinie) automatisch ausgewertet. Ein solches vollautomatisches Refraktometer kann beispielsweise zwei Thermostate aufweisen – einen für die Messprobe und einen zweiten, um die Lichtquelle, die Optik und eine Photodiodenzeile konstant auf einer bestimmten Temperatur zu halten.
In der Offenlegungsschrift DE 3909143 A1 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem das Funktionsprinzip des Refraktometers auf der sogenannten Oberflächen-Plasmonen-Resonanz beruht. Zu untersuchende Proben werden in ein Oberflächen-Plasmonen-Feld gebracht und mittels Oberflächen-Plasmonen-Mikroskopie abgetastet. Als Sensorelement wird ein Prisma mit einer Metallschicht verwendet, und das Feld nach der Probe wird mithilfe eines Oberflächen-Plasmonen-Mikroskops untersucht.
Eine weitere Möglichkeit ist beispielsweise die Verwendung von Nahfeldmikroskopen, die Änderungen der Dielektrizitätskonstante von den zu untersuchenden Proben bzw. Objekten messen. Ein Beispiel für das zugrunde liegende Funktionsprinzip ist die Abtastung einer Objektoberfläche mit einer optischen Sonde. Diese umfasst eine Singlemodefaser, an deren Ende sich eine Blende mit einem Lochdurchmesser von etwa 40 nm befindet. Das aus diesem Wellenleiter austretende Licht trifft auf die Objektebene und ändert dadurch sein evaneszentes Feld. Als evaneszentes Feld bezeichnet man im Allgemeinen eine nicht-propagierende Komponente eines Lichtfeldes, das nah an einem zu untersuchenden Objekt liegt, das sogenannte Nahfeld. Das evaneszente Feld fällt exponentiell zur Oberflächennormalen des strahlenden Körpers ab. Jedes beleuchtete Objekt erzeugt also ein evaneszentes und ein propagierendes Feld. Ein rein evaneszentes Feld kann man z. B. im Fall von Totalreflexion beobachten. Wird ein einfallender Lichtstrahl an einer Grenzfläche eines optisch dichteren Mediums zu einem optisch dünneren Medium totalreflektiert, kann aufgrund der Stetigkeitsbedingung auf der Seite des optisch dünneren Mediums das Feld nicht abrupt Null werden, sondern es fällt exponentiell in den Halbraum des optisch dünneren Mediums ab. Im Allgemeinen ist das evaneszente Feld bereits mit einem Abstand von ca. λ/2 von der Grenzfläche der beiden optischen Medien verschwunden. Ein abgesetzter Empfänger mit Signalverarbeitungssystem kann Änderungen des evaneszenten Felds registrieren, woraus sich die Brechzahl n berechnen lässt. Verschiedene Verfahren zur Messungen des Nahfeldes sind beispielsweise in der Dissertation „Eine hochauflösende optische Nahfeld-Sonde für Fluoreszenzmessungen an biologischen Proben” von Heinrich Gotthard Frey beschrieben.
In den letzten Jahren sind mehrere Simulationen und Experimente veröffentlicht worden, die eine Brechzahlselektivität von Strukturen bestätigen, die aus arrayförmigen Sub-Wellenlängen-Öffnungen in Metallschichten aufgebaut sind. Die Abhängigkeit der Transmission von der Dielektrizitätskonstante eines Materials in der Umgebung von Sub-Wellenlängen strukturierten Schichten ist in zwei Artikeln beschrieben: „The Optical Properties of Metal Nanoparticles: The Influence of Size, Shape, and Dielectric Environment” von K. Lance Kelly, Eduardo Coronado, Lin Lin Zhao, und George C. Schatz und in „Light transmission through a high index dielectric hole in a metal film surrounded by surface corrugations” von Juuso Olkkonen und Karl Kataja.
Bei herkömmlichen Refraktometeraufbauten, die z. B. auf dem Abbé-Refraktometer basieren, werden optische Systeme aus mehreren Elementen benötigt, die sehr genau gegeneinander positioniert werden müssen. Ferner ist zur Messung des Grenzwinkels der Totalreflexion eine sehr hohe Messgenauigkeit erforderlich. Eine Messung mit mehreren Wellenlängen gleichzeitig ist nicht möglich. Ferner wird eine Thermostatisierung des Messobjekts oder sogar des ganzen optischen Systems von der Lichtquelle bis zum Empfänger benötigt. Herkömmliche Refraktometer messen die Brechzahl nur bei einer vorbestimmten Wellenlänge, wie z. B. 590 nm.
Die Plasmon-Polariton-Resonanz ist stark abhängig von einem Lichteinfallswinkel. Das evaneszente Feld an der Grenzfläche zweier optischer Medien nimmt exponentiell ab. Das bedeutet, dass das zu messende Feld bereits nach einem kleinen Abstand sehr schnell klein wird. Daher müssen einzelne Photonen gezählt werden, wodurch ein sehr empfindlicher Photoempfänger benötigt wird, und/oder es muss eine Hochleistungslichtquelle verwendet werden. Eine Herstellung einer Sonde mit der Nano-Apertur an der Spitze (40 nm Durchmesser) ist kompliziert und schlecht reproduzierbar. Dieses Verfahren ist daher nicht für eine Massenfertigung geeignet. Um ein zweidimensionales Brechungsindexprofil zu erzeugen, ist bei der herkömmlichen Nahfelddetektion, bei der lediglich eine Ein-Punkt-Messung möglich ist, ein Abscannen des Messobjekts erforderlich.
Aufgrund des großen Aufwands und der hohen Kosten ist es kaum denkbar, mit herkömmlichen Refraktometersystemen ein kostengünstiges Einwegsystem aufzubauen. Bei herkömmlichen Systemen sind Elektronik und Optik stets getrennt. Aufgrund deren Komplexität ist eine Echtzeitmessung zur Bestimmung von dynamischen Brechzahländerungen nicht möglich.
In WO 2008/030666 A2 und WO 2004/113880 A2 werden Techniken offenbart, nach denen u. a. die Brechungsindexabhängigkeit von Plasmon-Kristallen für Detektionszwecke verwendet wird. Die WO 2006/048660 A1 beschäftigt sich mit der Raman-Spektroskopie und schlägt in diesem Zusammenhang vor, aktive Komponenten, wie z. B. optischen Emitter und optischen Sensor, zusammen mit einer photonischen Kristallstruktur mit planarem Wellenleiter in einem Substrat zu integrieren.
Daher besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Vorrichtungen und Verfahren zur Bestimmung einer Brechzahl von beispielsweise optischen Medien durch Refraktometrie bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein System mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Bestimmung einer Brechzahl eines optischen Mediums nach Anspruch 23 gelöst.
Die Erkenntnis der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass zum Aufbau eines Refraktometersystems ein integriertes Bauteil mit einem opto-elektronischen Sensor und darüber liegenden strukturierten Metallschichten einer Metallschichtstruktur, die eine Abhängigkeit einer Transmission elektromagnetischer Strahlung von der Dielektrizi tätskonstante eines Messobjekts bzw. Materials in einer Umgebung der strukturierten Metallschichten aufweisen, verwendet werden kann.
Dabei kann das Messobjekts beispielsweise in direktem Kontakt zu einer Oberfläche des integrierten Sensorelements angeordnet sein. D. h., ein Messobjekt, dessen Brechzahl zu bestimmen ist, wird oberhalb der Metallschichtstruktur des integrierten Sensorelements angeordnet. Vorzugsweise wird das Messobjekt direkt auf einer Passivierung, d. h. einer nichtmetallischen Schutzschicht, des integrierten Sensorelements bzw. des Sensorchips angeordnet. Dazu ist gemäß Ausführungsbeispielen eine Halteeinrichtung für das Messobjekt auf dem Sensorchip vorgesehen. Das Messobjekt kann mit monochromatischem Licht einer vorbestimmten Wellenlänge bestrahlt werden, so dass das Licht durch das Messobjekt auf das integrierte Sensorelement treffen kann. Das durch das Messobjekt mit der gesuchten Brechzahl hindurchgetretene Licht, welches auf die Metallschichtstruktur des integrierten Sensorelements trifft, kann in der Metallschichtstruktur elektromagnetische Felder erzeugen, die von dem unter der Metallschichtstruktur befindlichen opto-elektronischen Sensor detektiert werden können. Die detektierten elektromagnetischen Felder sind dabei abhängig von der Brechzahl des Messobjekts, welches sich auf der Chipoberfläche des integrierten Sensorelements befindet. D. h. ein Ausgangssignal des opto-elektronischen Sensors, wie z. B. ein Photostrom einer Photodiode, ist abhängig von der gesuchten Brechzahl. Mittels des Ausgangssignals und einer Berechnungsvorschrift kann auf die Brechzahl des zu untersuchenden Messobjekts geschlossen werden. Bei einer Vorab-Kalibrierung wird eine Messung mit einem Kalibriermessobjekt mit einer bekannten Brechzahl durchgeführt, so dass Bauteiltoleranzen kaum eine Rolle spielen.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen ein System zum Bestimmen einer Brechzahl eines Messobjekts, mit einer Lichtquelle zum Aussenden von Licht einer vorde finierten Wellenlänge, einem integrierten Sensorelement mit einem opto-elektronischen Sensor und einer Metallschichtstruktur mit wenigstens einer strukturierten Metallschicht, wobei der opto-elektronische Sensor und die Metallschichtstruktur gemeinsam auf einem Halbleitersubstrat integriert sind. Ferner umfasst das System eine Einrichtung zum Halten des Messobjekts zwischen dem integrierten Sensorelement und der Lichtquelle, so dass die Metallschichtstruktur zwischen dem Messobjekt und dem opto-elektronischen Sensor angeordnet ist, so dass sich ein Ausgangssignal des opto-elektronischen Sensors abhängig von der Brechzahl des Messobjekts ändert. In dem System ist ferner eine Einrichtung zum Ermitteln der Brechzahl des Messobjekts basierend auf dem Ausgangssignal des opto-elektronischen Sensors vorgesehen.
Gemäß Ausführungsbeispielen kann die Metallschichtstruktur des integrierten Sensorelements Eigenschaften eines photonischen Kristalls aufweisen. Unter einem photonischen Kristall soll im Nachfolgenden eine dreidimensionale periodische Struktur verstanden werden, deren periodisch angeordnete Strukturelemente Abmessungen und Abstände voneinander aufweisen, die in der Größenordnung eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs für elektromagnetische Strahlung liegen, der durch einen photonischen Kristall zu einem ihm zugeordneten opto-elektronischen Sensor transmittiert werden kann. Photonische Kristalle umfassen strukturierte Metalle, Halbleiter, Gläser oder Polymere und zwingen elektromagnetische Strahlung, insbesondere Licht, mittels ihrer spezifischen Struktur dazu, in der sich für eine Bauteilfunktion notwendigen Art und Weise im Medium auszubreiten. Es sind gemäß Ausführungsbeispiel periodisch dielektrische und/oder metallische Strukturen, deren Strukturperiodenlänge so eingestellt ist, dass sie die Ausbreitung der elektromagnetischen Strahlung, insbesondere Licht, in ähnlicher Weise beeinflussen, wie das periodische Potential in Halbleiterkristallen die Ausbreitung von Elektronen. Dies führt dazu, dass sich elektromagnetische Strahlung bzw. Licht bestimm ter Wellenlängen nicht im photonischen Kristall ausbreiten kann. Diese Wellenlängen sind dann gewissermaßen verboten. Die spektrale Filterwirkung photonischer Kristalle ist seit einigen Jahren bekannt und durch Experimente bestätigt. Die spektralen Eigenschaften periodisch strukturierter Metallschichten hängen stark von der Form der einzelnen Strukturelemente ab. Die Metallschichtstrukturen weisen Struktur- bzw. Mikroelemente auf, deren Abmessungen und Abstände zueinander in der Größenordnung der vorbestimmten Wellenlänge liegen, insbesondere der Wellenlänge des monochromatischen Lichts der Lichtquelle, für die die integrierte spektrale Filterstruktur in Form wenigstens eines photonischen Kristalls ausgebildet ist. Die Mikroelemente der strukturierten Metallschichten können dreidimensional periodisch angeordnet sein. Gemäß Ausführungsbeispielen sind benachbarte Mikroelemente benachbarter Metallschichten für die vorbestimmte Wellenlänge identisch ausgebildet und liegen auf einer gemeinsamen optischen Achse. Mikroelemente können gemäß Ausführungsbeispielen Mikroöffnungen mit Abmessungen und Abständen kleiner der Transmissionswellenlänge sein. Gemäß Ausführungsbeispielen können die Mikroelemente sogenannte Split-Ring-Resonatoren mit Abmessungen und Abständen in dem jeweiligen vorbestimmten Transmissionsbereich umfassen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein einzelnes Sensorelement aus einem opto-elektronischen Sensor und einer den opto-elektronischen Sensor abdeckenden Metallstruktur beispielsweise einer oder mehrerer strukturierten Metallschichten gebildet, die so strukturiert sind, dass sich für einen vorbestimmten Wellenlängenbereich bzw. eine vorbestimmte Wellenlänge ein Plasmon-Polariton-Resonanz-Effekt ausbilden kann. Durch eine Sub-Wellenlängen-Öffnung in der strukturierten Metallschicht kann sich für die vorbestimmte Wellenlänge aufgrund des Plasmon-Polariton-Resonanz-Effekts in der Nähe des opto-elektronischen Sensors eine elektromagnetische Feldkonzentration ausbilden, die dann von dem opto-elektronischen Sensors detektiert werden kann.
Der Plasmon-Polariton-Resonanz-Effekt führt zu einer sogenannten außergewöhnlichen optischen Transmission, die durch Schlitze oder Löcher in Metallen stattfinden kann, die kleiner als eine Wellenlänge des vordefinierten Wellenlängenbereichs bzw. die vordefinierten Resonanzwellenlänge sind.
Dieses Phänomen rührt von sogenannter Oberflächenplasmonenresonanz her. Ein Oberflächenplasmon ist eine Dichteschwankung von Ladungsträgern an der Grenze von Halbleitern oder Metallen zu dielektrischen Medien und ist beispielsweise eine von vielen Interaktionen zwischen Licht und einer metallischen Oberfläche.
Gemäß Ausführungsbeispielen ist der Abstand zwischen dem opto-elektronischen Sensor und der Metallschichtstruktur kleiner als 20 μm und bevorzugt kleiner als 8 μm. Bei 0,18 μm-CMOS-Prozessen ist der Abstand zwischen dem opto-elektronischen Sensor und der Metallschichtstruktur kleiner als 2 μm.
Gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die Einrichtung zum Halten zusammen mit dem integrierten Sensorelement gemeinsam auf das Halbleitersubstrat integriert. Die Einrichtung zum Halten kann beispielsweise eine Rahmenstruktur auf der Oberfläche des integrierten Sensorelements umfassen, so dass sich eine Aufnahme beispielsweise für eine zu analysierende Flüssigkeit ergibt. Die Rahmenstruktur kann durch die Passivierung des Chips gebildet werden, so dass durch die Passivierung mit Rahmen eine Art Analysebecken für Flüssigkeiten gebildet wird, in welches zu untersuchende Flüssigkeiten gegeben werden können.
Ferner ist die Einrichtung zum Ermitteln der Brechzahl als Auswerteelektronik ausgebildet, die gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen, zusammen mit dem opto-elektronischen Sensor und der Metallschichtstruktur auf das Halbleitersubstrat integriert ist zu einem einzigen Chip integriert ist.
Ein erfindungsgemäßes Refraktometersystem benötigt somit außer einer externen Beleuchtung keine weiteren optischen Bauteile. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen kann ein Refraktometersystem sogar vollständig in einem einzigen Chip integriert sein. Dazu wird auf dem Substrat zusätzlich ein opto-elektronisches Bauteil als Belichtungsquelle vorgesehen, wie z. B. eine LED oder ein Laser, so dass überhaupt keine externen Bauteile mehr notwendig sind.
Der integrierte Sensor des Refraktometersystems basiert auf dreidimensionalen Sub-Wellenlängen strukturierten Metall- und/oder dielektrischen Schichten und Photodioden, die Teil des als integrierte Schaltung ausgeführten Sensorelements sind. Der Sensorchip kann z. B. im Rahmen eins CMOS-Prozesses gefertigt werden und benötigt keine Justage. Eine Messeinrichtung und eine Elektronik zur Signalverarbeitung sind gemäß Ausführungsbeispielen in einer Schaltung integriert.
Eine exakte Anpassung von mechanischen und optischen Elementen im Vergleich zu herkömmlichen Refraktometern, wo der Grenzwinkel der Totalreflexion genau gemessen wird und die Toleranzen von jedem mechanischen und optischen Bauteil eine entscheidende Rolle spielen, ist bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung nicht notwendig. Bei einem erfindungsgemäßen Refraktometersystem können Herstellungsprozesstoleranzen, z. B. CMOS-Prozesstoleranzen, herauskalibriert werden.
Werden mehrere gleichartige Sensorelemente arrayförmig angeordnet, ist eine Messung der Brechzahl mit mehreren Messpunkten möglich, wobei jedes Sensorelement eine Brechzahl eines jeweils zugeordneten Messpunkts bestimmen kann. Eine Anzahl der Sensorelemente pro Messfläche kann bei einem IC- Design frei definiert werden. Ein X-Y-Messtisch ist nicht erforderlich.
Gemäß Ausführungsbeispielen sind ein oder mehrere Temperatursensoren in dem Sensorelement integriert und befinden sich somit in der Nähe des zu untersuchenden Messobjekts (typischerweise 3–4 μm entfernt). Die Temperatursensoren können daher genaue Werte der Temperatur der zu untersuchenden Flüssigkeit zur Verfügung stellen.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen weiterhin eine gleichzeitige Messung mit mehreren monochromatischen Lichtquellen. Dabei können mehrere Sensorelemente verwendet werden, deren Metallschichtstrukturen auf die jeweilige Wellenlänge angepasst werden. Die Zahl der Wellenlängen bzw. der Messpunkte kann bei einem Systemdesign frei definiert werden.
Gemäß Ausführungsbeispielen sind Lichtquelle und Sensorchip fest zueinander positioniert, d. h. eine Position zwischen Beleuchtung und Messchip ändert sich nicht. Winkelfehler zwischen der Lichtquelle und dem Messchip können somit stets herauskalibriert werden.
Gemäß Ausführungsbeispielen ist der opto-elektronische Sensor bzw. die Photodiode ganz in der Nähe des zu untersuchenden Messobjekts angeordnet (wenige μm entfernt). Dadurch können Übertragungsverluste evaneszenter Felder deutlich reduziert werden, was zu einer erheblichen Erhöhung eines Signal-zu-Rauschleistungs-Verhältnisses im Vergleich zur Nahfeldmikroskopie führen kann. Somit ist eine erhöhte Messgenauigkeit erreichbar und erlaubt eine Verwendung einer schwächeren Lichtquelle.
Das integrierte Sensorelement bzw. der integrierte Sensorchip kann beispielsweise mit einer CMOS-Technologie hergestellt werden. Eine solche Technologie weist eine hohe Genauigkeit und Wiederholbarkeit auf und ist für eine Massen fertigung bestens geeignet. Somit sind relativ niedrige Preise für Endprodukte erzielbar, wodurch Einweg-Refraktometer realisiert werden können. Der integrierte Sensorchip lässt sich gut in einen Herstellungsprozess integrieren, so dass seine Oberfläche immer einen optischen Kontakt mit einer Flüssigkeit hat. Daher besteht mit Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung eine Möglichkeit zur dynamischen Analyse von Brechzahländerungen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Refraktometers;
2 eine Darstellung eines Systems zur Bestimmung einer Brechzahl eines Messobjekts gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 eine Seitenansicht eines mit CMOS-Technik gefertigten Schichtstapels aus opto-elektronischem Sensor, Metallschichten und dielektrischen Schichten gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 eine schematische perspektivische Ansicht eines Sensorelements mit Aufnahmerahmen für Flüssigkeit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5a, 5b Darstellungen eines integrierten Sensorelements zur Verdeutlichung einer Ausbreitung eines evaneszenten Felds in dem integrierten Sensorchip gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
6 Transmissionskurven von Licht durch eine Metallschichtstruktur gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung in Abhängigkeit einer gesuchten Brechzahl;
7 eine schematische Darstellung eines integrierten Sensorchips mit integriertem Temperatursensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
8 eine Draufsicht auf eine strukturierte Metallschicht mit Split-Ring-Resonatoren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
9 eine schematische Darstellung einer Mehrzahl von integrierten Sensorelementen, angepasst auf unterschiedliche Lichtwellenlängen, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
10 einen schematischen Aufbau eines Refraktometers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
11 eine perspektivische Darstellung einer strukturierten Metallschicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
12 eine perspektivische Darstellung einer strukturierten Metallschicht gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
13 eine schematische Ansicht einer Metallschicht mit einer zweidimensional periodischen Anordnung von Sub-Wellenlängen-Öffnungen.
Bezüglich der nachfolgenden Beschreibung sollte beachtet werden, dass bei den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen gleiche oder gleich wirkende Funktionselemente gleiche Bezugszeichen aufweisen und somit die Beschreibungen dieser Funktionselemente in den verschiedenen, im Nachfolgenden dargestellten Ausführungsbeispielen untereinander austauschbar sind.
2 zeigt schematisch ein System 30 zur Bestimmung einer Brechzahl n(Objekt) eines Messobjekts 31, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Das System 30 weist eine Lichtquelle 32 zum Aussenden von vorzugsweise monochromatischem Licht 33 einer vordefinierten Wellenlänge auf. Ferner kann eine Optik 34 vorgesehen sein, um das Licht 33 zu streuen. Bei der Optik 34 kann es sich beispielsweise um eine Kollimatorlinse handeln. Ferner weist das System 30 ein integriertes Sensorelement 35 mit einem opto-elektronischen Sensor 36 und einer Metallschichtstruktur 37 mit wenigstens einer strukturierten Metallschicht auf, wobei der opto-elektronische Sensor 36 und die Metallschichtstruktur 37 gemeinsam auf ein Halbleitersubstrat 38 integriert sind. Eine Einrichtung 39 dient zum Halten des Messobjekts 31 zwischen dem integrierten Sensorelement 35 und der Lichtquelle 33, so dass die Metallschichtstruktur 37 zwischen dem Messobjekt 31 und dem opto-elektronischen Sensor 36 angeordnet ist, und so dass sich ein Ausgangssignal des opto-elektronischen Sensors 36 abhängig von der Brechzahl n(Objekt) des Messobjekts 31 ändert. Der opto-elektronische Sensor 36 ist mit einer Einrichtung 40 zum Ermitteln der Brechzahl n(Objekt) des Messobjekts 31 basierend auf dem Ausgangssignal des opto-elektronischen Sensors 36 gekoppelt.
Wie es im folgenden noch erörtert wird, kann die Metallschichtstruktur so ausgebildet sein, dass das Messausgangssignal des Sensors 36 von der Brechzahl des Messobjekts 31 gemäß beispielsweise einem Plasmon-Polariton-Effekt abhängt, und zwar beispielsweise gemäß einer Abhängigkeit, wie sie in der Veröffentlichung „Diffracted evanescent wave model for enhanced and suppressed optical transmission through subwavelength hole arrays”, beschreiben ist, wonach eine Transmissionsfunktion TC(λ), die von einem Objektiv mit numerischer Apertur NA gemessen wird, berechnet werden kann, indem man multiplikativ eine erste Oberflächenmodulationsfunktion A₁(λ), eine intrinsische Transmissionsfunkti an TH(λ; n_H; d; t) durch eine Mikroöffnung, eine zweite Oberflächenmodulationsfunktion A₂(λ; n2; P2; d2) und eine Funktion f_C(λ; NA; P2; d2), die einen Teil der transmittierten Leistung durch die Metallschichtstruktur repräsentiert, berechnet werden. Die Transmissionsfunktion TC(λ) kann dann geschrieben werden als TC(λ) = A1(λ; n1; P1; d1)TH(λ; nH; d; t)A2(λ; n2; P2; d2)fC(λ; NA; P2; d2);
Dabei geben P1 und P2 Gitterkonstanten bzw. Widerholabstände von Strukturen um eine Apertur bzw. Nanoöffnung herum, d1 und d2 laterale Abmessungen der Nanoöffnungen, NA die numerische Apertur, t die Schichtdicke der Metallschicht, n_H den Brechungsindex des Mediums innerhalb der Nanoöffnungen, n₁ den Brechungsindex vor der Metallschicht, also den zu messenden Brechungsindex n(Objekt) der Probe bzw. des Objekts oder den bekannten Brechungsindex n(Referenz) eines Referenzobjekts, wie z. B. Luft, und n₂ den Brechungsindex des Mediums hinter der Metallschicht ist, und λ die Wellenlänge an. TC ist wiederum proportional oder zumindest in eindeutiger Weise abhängig von dem Sensorausgangssignal des Sensors. Anhand zweier Messungen, eine für ein Referenzobjekt mit bekanntem Brechungsindex (TC_Ref) und eine weitere für die Probe mit zu messendem Brechungsindex (TC_Objekt), ist es nun gemäß TC_Ref/TC_Objekt = A1(λ, n (Referenz), P1, d1)/A1(λ, n(Objekt), P1, d1) und Auflösen nach n(Objekt) möglich, n(Objekt) zu berechnen. Dabei kann für eine bestimmte in obiger Veröffentlichung ebenfalls beschriebene Nanoöffnung in Form eines Subwellenlängenschlitzes (vgl. 12) A1 angegeben werden als
wobei α die Amplitude der CDEW (composite diffracted evanescent wave), d. h. der zusammengesetzten gebrochenen evaneszenten Welle ist, n_eff den effektiven Brechungsindex anzeigt, den die CDEW erfährt, und P den Widerholabstand der 2 N Rillen angibt, die den Schlitz umgeben.
Wie im Vorhergehenden bereits geschrieben wurde, kann es sich bei der Metallschichtstruktur 37 gemäß Ausführungsbeispielen um wenigstens eine Metallschicht mit Subwellenlängenstrukturen, z. B. Mikro- bzw. Nanoöffnungen, handeln. Derartige Subwellenlängenstrukturen erlauben ein Durchtreten eines elektromagnetischen Feldes, z. B. in Form eines evaneszenten Feldes, hin zum opto-elektronischen Sensor 36.
Des Weiteren kann es sich bei der Metallschichtstruktur 37 um einen dreidimensionalen photonischen Kristall bzw. um eine periodische Anordnung einer Mehrzahl von dreidimensionalen photonischen Kristallen handeln, wobei die Metallschichtstruktur 37 bzw. jeder der dreidimensionalen photonischen Kristalle aus einem Schichtstapel aus dielektrischen Schichten und strukturierten Metallschichten gebildet ist, worauf im Nachfolgenden noch näher eingegangen wird.
An dieser Stelle soll anhand von 8, welche eine schematische Draufsicht auf die Metallschichtstruktur 37 darstellt, erläutert werden, was im Folgenden unter einem photonischen Kristall bzw. einem Array aus photonischen Kristallen verstanden werden soll.
Bei Ausführungsbeispielen bewirkt die Metallschichtstruktur 37 mit dem wenigstens einem photonischen Kristall 82 für auf einer dem opto-elektronischen Sensor 36 abgewandten Seite eintreffenden elektromagnetische Strahlung 33 eine spektrale Selektion bzw. eine spektrale Filterung elektromagnetischer Strahlung des vordefinierten Wellenlängenbereichs, so dass nahe einer dem opto-elektronischen Sensor zugewandten Seite der Metallschichtstruktur 37 bzw. nahe dem opto-elektronischen Sensor 36 für den vordefinierten Wellenlängenbereich eine elektromagnetische Feldkonzentration vorherrscht, welche von dem opto-elektronischen Sensor 36 detektiert werden kann. Dabei handelt es sich bei Ausführungsbeispielen bei dem opto-elektronischen Sensor 36 um ein Bauteil, das elektromagnetische Strahlung, insbesondere Licht, in ein elektrisches Ausgangssignal umwandeln kann, wie z. B. ein PN-Übergangssensor, der als Photodiode ausgebildet sein kann.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen bewirkt die Metallschichtstruktur 37, dass sich für den vorbestimmten Wellenlängenbereich bzw. die vorbestimmte Wellenlänge ein Plasmon-Polariton-Resonanz-Effekt ausbilden kann. Durch eine Subwellenlängenöffnung in der Metallschichtstruktur 37 kann sich für die vorbestimmte Wellenlänge aufgrund des Plasmon-Polariton-Resonanz-Effekts in der Nähe des opto-elektronischen Sensor 36 eine elektromagnetische Feldkonzentration ausbilden, die dann von dem opto-elektronischen Sensor 36 detektiert werden kann.
Dazu weist, wie in 11 gezeigt, die Metallschichtstruktur 37 eine Öffnung 118 mit Subwellenlängenabmessung auf. Damit die auftreffende elektromagnetische Strahlung 33 Oberflächenplasmonen bewirken kann, ist die Subwellenlängenöffnung 118 gemäß Ausführungsbeispielen von rotationssymmetrischen periodisch angeordneten Rillen 142 um die Öffnung umgeben. Bei geeigneter Dimensionierung der Öffnung 118 und der Rillen 142 kann eine resonante Interaktion von der elektromagnetischen Strahlung und den Oberflächenplasmonen der Metallschichtstruktur 37 zu der im Vorhergehenden bereits erwähnten verstärkten außergewöhlichen Transmission in dem vorbestimmten Wellenlängenbereich führen.
Ein Strukturelement 140 der Metallschichtstruktur 37 gemäß Ausführungsbeispielen umfasst einen Bereich einer Metallschicht, der eine mit Vertiefungen 142 und Erhöhungen 144 periodisch strukturierte Oberfläche der Periode A und eine Subwellenlängenöffnung 118 aufweist, die im Zentrum der Struktur 140 liegt. Für eine vorbestimmte Resonanz-Wellenlänge λ_res einer auf die Struktur 140 einfallenden elektromagnetischen Strahlung 33 entsteht der Plasmon-Polariton-Resonanz-Effekt. Dieser Effekt bewirkt, dass für die Resonanzwellenlänge λ_res durch die Subwellenlängenöffnung 118, beispielsweise mehr als 15% der einfallenden e lektromagnetischen Strahlung tritt, obwohl ein Flächenverhältnis der Öffnung 118 zu der Fläche des gesamten Elements 140 sehr klein ist. Für andere Wellenlängen als die Resonanzwellenlänge λ_res entsteht dagegen keine Resonanz und damit nahezu keine Transmission von elektromagnetischer Strahlung der anderen Wellenlängen durch die Öffnung 118. Das bedeutet, dass die Transmission für eine vorbestimmte Wellenlänge λ_res durch das Strukturelement 140 vom Flächenverhältnis der Fläche der Öffnung 118 zu der Fläche des gesamten Elements 140 abhängt, sowie von der Periode A der strukturierten Oberfläche bzw. der Erhöhungen 144 und Vertiefungen 142.
Diejenige Periode A, die die höchste Transmission zulässt, hängt unter anderem von der Dicke (t + h) der strukturierten Metallschicht ab. Für eine Resonanzwellenlänge λ_res von z. B. 650 nm könnte die Breite bzw. der Durchmesser b der Öffnung 118 beispielsweise zu 110 nm gewählt werden. das Flächenverhältnis der Fläche der Öffnung 118 zu der Fläche des gesamten Elements 340 könnte beispielsweise 0.01 betragen und A könnte zu 90 nm und t zu 20 nm gewählt werden. An dieser Stelle soll betont werden, dass diese Werte lediglich Beispielswerte darstellen, um eine Vorstellung von möglichen Größenordnungen zu geben. Gemäß Ausführungsbeispielen liegt A in einem Bereich von 10 nm bis 2110 nm. Die Dicke (t + h) der Metallschicht liegt bei Ausführungsbeispielen in einem Bereich von 30 nm bis 2500 nm, bevorzugt in einem Bereich von 350 nm bis 550 nm. Die Höhe h der Vertiefung ist natürlich kleiner als die Dicke (t + h) der Metallschicht und liegt bei Ausführungsbeispielen in einem Bereich überhalb von (t + h)/2. Das Flächenverhältnis der Fläche der Öffnung 118 zu der Fläche des gesamten Elements 140 ist bei Ausführungsbeispielen kleiner als 0.3.
Des Weiteren sind auch nicht rotationssymmetrische Oberflächenstrukturen der Metallschichtstruktur 37 denkbar, welche den Plasmon-Polariton-Resonanz-Effekt hervorrufen können, wie beispielsweise eine schlitzförmige Öffnung mit parallel dazu angeordneten Rillen (12) oder eine matrixähnliche Anordnung von Subwellenlängenöffnungen, wie es in 13 gezeigt ist.
Die Metallschichtstruktur 37 weist gemäß Ausführungsbeispielen also beispielsweise eine strukturierte Metallschicht mit einer Öffnung 118 mit Sub-Wellenlängen-Abmessungen, im Folgenden auch als Subwellenlängenöffnung bezeichnet, und um die Subwellenlängenöffnung periodisch angeordnete rotationssymmetrische oder parallele Rillen bzw. entsprechende Vorsprünge bzw. Erhöhungen auf, die derart angeordnet in einem Dielektrikum eingebettet sind, um für den vorbestimmten Wellenlängenbereich in der Metallschichtstruktur 37 den Oberflächen-Plasmon-Polariton-Resonanz-Effekt zu erzeugen. Dabei ist eine Subwellenlängenöffnung eine kreis- oder schlitzförmige Öffnung mit einer Breite bzw. einem Durchmesser kleiner als die vordefinierten Wellenlänge des Lichts bzw. der elektromagnetischen Strahlung 33.
Integrierte Bauteile basierend auf photonischen Kristallen lassen sich mit CMOS-Prozessen, wie beispielsweise einem CMOS-Opto-Prozess realisieren, ohne dass zusätzliche Prozessschritte oder weitere Bearbeitungen erforderlich sind.
Ein Verfahren zum Herstellen eines integrierten Sensorelements auf einem Substrat umfasst gemäß Ausführungsbeispielen einen Schritt des Erzeugens des opto-elektronischen Sensors 36 an einer Substratoberfläche des Substrats 38 und ein Aufbringen einer Filter- bzw. Metallschichtstruktur 37 mit wenigstens einem photonischen Kristall auf dem opto-elektronischen Sensor 36, so dass sich der opto-elektronische Sensor 36 in einem Abstand d kleiner als 3 μm, vorzugsweise kleiner als 2 μm, von dem wenigstens einen photonischen Kristalls befindet und von diesem vollständig bedeckt wird, wobei das Erzeugen und Aufbringen Teile eines CMOS-Prozesses sind.
Gemäß Ausführungsbeispiel umfasst das Aufbringen des wenigstens einen photonischen Kristalls 82 ein Aufbringen eines Schichtstapels von dielektrischen Schichten und Metallschichten, wobei die Metallschichten jeweils Mikrostrukturen 84 aufweisen, welche Abmessungen und Abstände zwischen zwei benachbarten Mikrostrukturen 84 aufweisen, die eine Übertragung elektromagnetischer Strahlung des vordefinierten Wellenlängenbereichs durch den wenigstens einen photonischen Kristall 82 erlauben.
Ein Zwischenprodukt eines integrierten Sensorelements 35 eines Refraktometersystems gemäß Ausführungsbeispielen ist schematisch in 3 gezeigt.
Der in 3 gezeigte, noch nicht fertig hergestellte integrierte Sensor 41 umfasst ein Substrat 38, insbesondere ein Halbleitersubstrat, in dem ein opto-elektronischer Sensor 36 eingebracht ist. Dabei ist der opto-elektronische Sensor 36 in einer Ebene 42 angeordnet, eine Art Brennebene, die man aus der klassischen Optik kennt.
Die nicht fertig gestellte optische Struktur 41 weist einen Schichtstapel aus metallischen Schichten 44 und dielektrischen Schichten 46 auf. 3 zeigt lediglich exemplarisch vier metallische Schichten 44-1 bis 44-4 und drei dielektrische Schichten 46-1 bis 46-3. Je nach Ausführungsform kann die Schichtanzahl von dem in 3 gezeigten Beispiel abweichen.
Bei aktuellen CMOS-Prozessen besteht die Möglichkeit, die Metallschichten 44 so zu strukturieren, dass daraus resultierende Mikrostrukturen bzw. Mikroelemente 84 periodisch angeordnet sind und Abmessungen und Abstände aufweisen, die kleiner als die Wellenlänge des Lichts 33 der Lichtquelle 32 sind. Dies ermöglicht es, dreidimensionale periodische Strukturen mit Eigenschaften von photonischen Kristallen direkt auf einem Chip zu erzeugen. Wie im Vorhergehenden bereits beschrieben wurde, sind bei Ausführungsbeispielen die einzelnen Mikroelemente bzw. Mikrostrukturen 84 kleiner als 1/10 der vorbestimmten optischen Wellenlänge, so dass ein dreidimensionaler photonischer Kristall entsteht.
Gemäß Ausführungsbeispielen wird der opto-elektronische Sensor 36 vorzugsweise sehr nahe an der letzten Metallschicht 44-1 der Metallschichtstruktur 37 platziert, wobei der Abstand d abhängig vom Herstellungsprozess ist. Der Abstand d von der letzten Metallschicht 44-1 der Filterstruktur 37 kann durch Abmessungen und Abstände von Strukturierungen der Metallschichten 44 eingestellt werden. Für einen integrierten Sensor wird der Abstand d kleiner als 20 μm und bevorzugt kleiner als 8 μm gewählt. Bei 0,18 μm CMOS-Prozessen ist der Abstand zwischen dem opto-elektronischer Sensor 36 und der Metallschichtstruktur 37 bzw. der letzten Metallschicht 44-1 kleiner als 2 μm.
Die in 3 exemplarisch gezeigten Metallschichten 44-1 bis 44-4 werden in einem CMOS-Prozess geeignet strukturiert, um einen photonischen Kristall oder eine Metallschichtstruktur für den Plasmon-Polariton-Effekt zu erhalten.
Ein integriertes Sensorelement 35 gemäß Ausführungsbeispielen kann also realisiert werden, indem man vorhandene metallische und dielektrische Schichten 44, 46 ausnutzt. Der opto-elektronische Sensor 36 des integrierten Sensorelements 35 ist gemäß Ausführungsbeispielen vorzugsweise von den strukturierten Metallschichten 44 vollständig abgedeckt.
Bringt man ein Messobjekt 31 auf eine Oberfläche des integrierten Sensorelements 35, die beispielsweise durch eine Passivierungsschicht 48 über der obersten strukturierten Metallschicht 44-4 gebildet wird, so ändert sich eine optische Transmission durch die Metallschichtstruktur 37 in Abhängigkeit von der Dielektrizitätskonstante des auf der Oberfläche befindlichen Messobjekts 31.
Ein Ausgangssignal des opto-elektronischen Sensors 36, wie z. B. ein Photostrom einer Photodiode, ist abhängig von der optischen Transmission des darüber liegenden Schichtstapels 37 aus Subwellenlängen-strukturierten Metall- und/oder dielektrischen Schichten 44, 46. Die Transmission des Schichtstapels 37 ist wiederum abhängig von der Brechzahl n(Objekt) des Messobjekts 31, welches oberhalb des Schichtstapels 37 angeordnet ist. Das zu untersuchende Messobjekt 31 liegt beispielsweise auf einer transparenten Passivierungsschicht des integrierten Sensorelements 35 auf, so dass es optisch mit der darunter liegenden Metallschichtstruktur 37 gekoppelt ist. Zum Halten des Messobjekt 31 ist eine Einrichtung 39 zum Halten gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen zusammen mit dem integrierten Sensorelement 36 und dem Schichtstapel 37 gemeinsam auf das Halbleitersubstrat 38 integriert.
Wie in 4 schematisch gezeigt ist, kann die Einrichtung 39 zum Halten beispielsweise eine Rahmenstruktur 49 auf der Oberfläche des integrierten Sensorelements 35 umfassen, so dass sich eine Aufnahme beispielsweise für eine zu analysierende Flüssigkeit als Messobjekt 31 ergibt. Die Rahmenstruktur 49 kann durch die Passivierung 39 des Chips gebildet werden, so dass durch die Passivierung mit Rahmen eine Art Analysebecken für Flüssigkeiten gebildet wird, in welches zu untersuchende Flüssigkeiten gegeben werden können. Die Rahmenstruktur 49 ist nicht zwingend notwendig. Zur Erreichung einer bekannten Dicke der Probe könnten beispielsweise auch andere Maßnahmen ergriffen werden, wie z. B. das Legen eines Objektträgers auf die Probe, so dass die Probe eine Monolage auf der Passivierung des Chips bildet.
Die Transmissionsänderung in Abhängigkeit von der gesuchten Brechzahl n(Objekt) kann durch bestimmte Eigenschaften der optischen Mikro- bzw. Nanostrukturen 84 der Metallschichtstruktur 37 bestimmt werden. Dabei wird beispielsweise ein evaneszentes Feld oder eine Resonanzänderung durch den op to-elektronischen Sensor 36 ermittelt und dann auf die Brechzahl n(Objekt) des Messobjekts 31 zurück gerechnet.
Wie in den Veröffentlichungen „The Optical Properties of Metal Nanoparticles: The Influence of Size, Shape, and Dielectric Environment” von K. Lance Kelly, Eduardo Coronado, Lin Lin Zhao, und George C. Schatz, und in ”Light transmission through a high index dielectric hole in a metal film surrounded by surface corrugations” von Juuso Olkkonen und Kari Kataja, beschrieben ist, ist die Transmission von Subwellenlängen-strukturierten Metall- und/oder dielektrischen Schichten abhängig von der Dielektrizitätskonstante
der Umgebung der Metallschichtstruktur 37.
Für eine Kalibration des Refraktometersystems 30 (3) kann beispielsweise ein Messobjekt 31 (z. B. Flüssigkeit) mit einer bekannten Brechzahl auf das integrierte Sensorelement 35 gegeben werden. Eine Kalibration ohne konkretes Kalibrationsmessobjekt, d. h. eine Kalibration mit Luft als Kalibrationsmessobjekt, ist ebenfalls denkbar. Wesentlich ist, dass bei der Kalibrierung die Brechzahl des oberhalb der Metallschichtstruktur 37 befindlichen Mediums 31 bekannt ist. Wird eine Messung gestartet, so empfängt die Photodiode 36, die ganz in der Nähe der letzten Metallschicht 44-1 angeordnet ist, ein durch das Messobjekt 31 und die Metallschichtstruktur 37 transmittiertes Lichtfeld. Aus dem Strom der Photodiode 36 erhält man einen von einer Transmissionsänderung gegenüber der Kalibriertransmission abhängigen Wert, der den Brechzahländerungen zwischen dem Kalibriermedium und dem zu untersuchenden Messobjekt 31 entspricht. Für eine Kalibration kann beispielsweise ein spezielles Kalibrationssensorelement auf einem Chip vorgesehen sein, welches gleichartig zu tatsächlich für Brechzahlmessungen benutzten Sensorelementen aufgebaut ist. Dabei befindet sich oberhalb des Kalibrationssensorelements, wie oben beschrieben, ein Kalibrationsmessobjekt mit bekannter Brechzahl, oder eben einfach nur nicht des Messobjekt sondern z. B. Luft oder Vakuum.
Gemäß Ausführungsbeispielen ist zusätzlich in dem integrierten Sensorelement 35 ein Temperatursensor 47 integriert. Mit diesem zusätzlich integrierten Temperatursensor 47 lässt sich genau bestimmen, welche Temperatur das Messobjekt 31 hat, um eine entsprechende Korrektur der ermittelten Brechzahl n(Objekt) abhängig von dessen durch den Temperatursensor 47 ermittelter Temperatur vorzunehmen. Die oben angesprochene Kalibrierprozedur braucht lediglich einmal für eine bestimmte Höhe h des Messobjekts 31 durchgeführt zu werden.
Es existieren mehrere Effekte, die die besagten Transmissionsänderungen der Metallschichtstruktur 37 in Abhängigkeit von der Brechzahl n(Objekt) der Umgebung der Oberfläche des integrierten Sensorelements 35 verursachen. Im Folgenden sollen beispielhaft zwei der Effekte betrachtet werden.
Aus der Nahfeldmikroskopie mit optischen Nanosonden ist bekannt, dass ein nach einer Subwellenlängenstruktur entstehendes evaneszentes Feld abhängig von der Dielektrizitätskonstanten der die Subwellenlängenstruktur umgebenden Umgebung ist. Dieser Effekt wird im Nachfolgenden Bezug nehmend auf die 5a, 5b beschrieben.
Bei der in 5a dargestellten Anordnung fällt monochromatisches Licht 33 nahezu senkrecht von oben durch eine Glasplatte 39 auf das zu untersuchende Messobjekt 31 und durchstrahlt dieses. Das durch das Messobjekt 31 hindurch getretene Licht 33 trifft auf Subwellenlängenstrukturen 84 der Metallschichtstruktur 37, wodurch in der Nähe der Subwellenlängenstrukturen 84 ein evaneszentes Feld 52 entsteht. Dies ist ähnlich zu der Situation, in der ein Objekt mit einer Fasersonde abgetastet wird, die eine entsprechende Nano-Apertur hat. Die Amplitude des evaneszenten Feldes 52 ist von der Wellenlänge des einfallenden Lichts 33 und der Brechzahlen der beiden am Übergang beteiligten Medien abhängig. Der Abstand zwischen dem Photoempfänger 36 und dem Ort, wo das evaneszente Feld 52 entsteht, beträgt gemäß Ausführungsbeispielen lediglich einige Mikrometer oder weniger. Ein möglichst geringer Abstand zwischen opto-elektronischen Sensor 36 und Metallschichtstruktur 37 ist für die Dimensionierung des integrierten Sensorelements 35 sehr wichtig, wobei die Intensität des evaneszenten Feldes 52 mit zunehmendem Abstand von der Grenzfläche exponentiell abnimmt. Im Vergleich zur Hahfeldmikroskopie, wo ein Signal-zu-Rauschleistungs-Verhältnis sehr schlecht ist, weil ein Abstand zwischen der Grenzfläche und einem Photomultiplier im Zentimeter-Bereich liegt, werden bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung Messergebnisse viel genauer, weil hier der Abstand zwischen Photodiode 36 und dem zu untersuchenden Medium 31 lediglich im μm-Bereich liegt.
Eine zweite Möglichkeit, die in 5b dargestellt ist, besteht darin, das evaneszente Feld zu messen, welches entsteht, wenn man das zu untersuchende Objekt 31 derart schräg beleuchtet, dass an einer Grenze 54 zwischen einer Glasplatte 39 (Halterung) zum Fixieren des zu untersuchenden Objekts 31 und dem Objekt 31 eine Totalreflexion entsteht, so wie es in 5b angedeutet ist. Die „klassische Optik” besagt, dass in einem solchen Fall die ganze Energie der elektromagnetischen Strahlung reflektiert wird. In Wirklichkeit entsteht an der Grenze zwischen dem zu untersuchenden Messobjekt 31 und der Glasplatte 39 ein evaneszentes Feld 52. Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird dieses evaneszente Feld 52 durch die Metallschichtstruktur 37, welche Sub-lambda-Wellenlänge-strukturierte Metall- und/oder dielektrische Schichten aufweist, zur Photodiode 36 übertragen.
In den beiden in den 5a, 5b dargestellten Fällen ist letztlich das Ausgangssignal bzw. der Photostrom der Photodiode 36 von der Brechzahl n(Objekt) des Messobjekts 31 abhängig.
Ein zweiter physikalischer Effekt, den man für den Aufbau eines erfindungsgemäßen Refraktometersystems 30 nutzen kann, ist eine Ausnutzung von Resonanzwellenlängen des Transmissionsspektrums der Metallschichtstruktur 37 des integrierten Sensorelements 35. Resonanzwellenlängen eines durch die Metallschichtstruktur 37 durchtretenden Lichtfelds sind abhängig von der Dielektrizitätskonstante der Umgebung der Metallschichtstruktur 37. Aus der Literatur „The Optical Properties of Metal Nanoparticles: The Influence of Size, Shape, and Dielectric Environment” von K. Lance Kelly, Eduardo Coronado, Lin Lin Zhao, und George C. Schatz, und in ”Light transmission through a high index dielectric hole in a metal film surrounded by surface corrugations” von Juuso Olkkonen und Karl Kataja, folgt, dass das Transmissionsspektrum von Subwellenlängen-strukturierten Metallschichten in dielektrischer Umgebung ein oder mehrere starke Resonanzwellenlängen hat. Diese sind beispielhaft in 6 gezeigt.
Eine erste Resonanzkurve 61 beschreibt ein Resonanzverhalten bei einer ersten Brechzahl n(Referenz) eines ersten zu untersuchenden Messobjekts (z. B. Kalibrierobjekt). Eine zweite Resonanzkurve 62 ergibt sich wenn man das erste Messobjekt durch ein zweites Messobjekt mit einer Brechzahl n(Objekt) austauscht. In diesem Fall verschieben sich Resonanzwellenlängen λ(1) und λ(2).
7 zeigt einen weiteren möglichen Aufbau eines integrierten Sensorelements 35 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In der in 7 gezeigten Ausführungsform weist das integrierte Sensorelement 35 eine strukturierte Metallschicht 44 oberhalb des Photodetektors 36 auf, wobei das Metall der strukturierten Metallschicht 44 eine Brechzahl n(Me) aufweist. Innerhalb von Mikroöffnungen ist ein dielektrisches Material mit einer Brechzahl n(D) angeordnet. Die Brechzahl des oberhalb der strukturierten Metallschicht 44 angeordneten Messobjekts 31 sei n(Objekt). Die strukturierte Metallschicht 44 erlaubt bei spielsweise einen Plasmon-Polariton-Effekt, wie es im Vorhergehenden bereits beschrieben wurde. Die Resonanzwellenlängen eines resultierenden Transmissionsspektrums hängen ab von der Brechzahl des Messobjekts n(Objekt), der Brechzahl des Metalls n(Me), der Metallschichtdicke d und der Brechzahl n(D) des dielektrischen Materials in den Öffnungen.
Bei einem gegebenen integrierten Sensorelement 35 sind n(Me), n(D) und die Metallschichtdicke d gegeben und konstant. Lediglich die Brechzahl n(Objekt) der Umgebung bzw. des Messobjekts 31 ist variabel. Ändert sich die Brechzahl n(Referenz) eines Referenzmessobjekts zu n(Objekt), dann verschiebt sich die Transmissionskurve, wie es in 6 gezeigt ist. In dem hier gezeigten Fall bedeutet das, dass bei monochromatischer Beleuchtung mit einer vordefinierten Lichtwellenlänge, z. B. λ(1), die resultierende Transmission T(λ) kleiner wird.
Bei einer Kalibrierung des Refraktometersystems kann also zuerst mit einem Referenzmessobjekt mit einer bekannten Brechzahl n(Referenz) und entsprechender Beleuchtung mit einer monochromatischen Wellenlänge λ(1) der Photostrom der Photodiode 36 gemessen werden. Im Anschluss wird die Messung mit einem zu untersuchenden Messobjekt 31 mit Brechzahl n(Objekt) gemacht. Die Differenz des Photostroms kann in die gesuchte Brechzahl n(Objekt) umgerechnet werden.
Gemäß der oben bereits erwähnten Veröffentlichung „Diffracted evanescent wave model for enhanced and suppressed optical transmission through subwavelength hole arrays”, kann eine Transmissionsfunktion, die von einem Objektiv mit numerischer Apertur NA gemessen wird, berechnet werden, indem man multiplikativ eine erste Oberflächenmodulationsfunktion A₁(λ), eine intrinsische Transmissionsfunktion TH(λ; n_H, P1; d1) durch eine Mikroöffnung, eine zweite Oberflächenmodulationsfunktion A₂(λ; n2; P2; d2) und eine Funktion f_C(λ; NA; P2; d2), die einen Teil der transmittierten Leistung durch die Metallschichtstruktur repräsentiert, berechnet werden. Die Transmissionsfunktion TC(λ) kann dann geschrieben werden als TC(λ) = A1(λ; n1; P1; d1)TH(λ; nH; d; t)A2(λ; n2; P2; d2)fC(λ; NA; P2; d2);wobei, wie oben beschrieben, zwei Messungen, einmal für bekannten Brechungsindex n1 = n(Referenz) und einmal für unbekannten Brechungsindex n1 = n(Objekt), die Berechnung des unbekannten Brechungsindex ermöglicht.
Die einfachste Form einer Subwellenlängenstruktur 84 ist eine kreisförmige Öffnung. Um jedoch einen stärkeren Resonanzeffekt zu erzielen, ist es auch möglich, andere Formen für eine Mikrostruktur 84 heranzuziehen, wie z. B. sogenannte Split-Ring-Resonatoren, wie sie beispielhaft in einer Draufsicht auf eine strukturierte Metallschicht in 8 gezeigt sind.
In CMOS-Technologie lassen sich mehrere Photodioden 36 auf einem Chip platzieren und mit Subwellenlängenstrukturen, die verschiedene Formen haben können, in einem Prozess abdecken. Wie bereits erwähnt wurde, hat die Geometrie der Mikrostrukturen 84 der strukturierten Metallschichten einen sehr starken Einfluss auf die sich ergebenden Resonanzwellenlängen. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines integrierten Sensorchips 90, der eine Mehrzahl von Sensorelementen 35-i (i = 1, ..., n) aufweist.
Jedes der Sensorelemente 35-i (i = 1, ..., n) ist auf eine unterschiedliche Belichtungswellenlänge λ(i) (i = 1, ..., n) angepasst. Das heißt, jede Photodiode 36-i (i = 1, ..., n) ist einer eigenen Metallschichtstruktur 37-i (i = 1, ..., n) zugeordnet, die jeweils für einer Wellenlänge λ(i) (i = 1, ..., n) optimiert ist. Mit dem integrierten Sensor 90 ist es möglich, gleichzeitig die gesuchte Brechzahl bei mehreren Wellenlängen λ(i) (i = 1, ..., n) zu messen. Dabei kann beim Sensordesign frei definiert werden, wie groß die Zahl n der Messpunkte und der abgedeckten Spektralbereiche genau sein soll.
In CMOS-Technologie lässt sich ein solcher Messchip sehr preiswert in Massenfertigung herstellen, auch mit der nötigen Elektronik 40 für die Signalverarbeitung, die sich in der Einrichtung zum Ermitteln der Brechzahl des Messobjekts befindet. Für manche biologischen Anwendungen, bei denen eine Sterilisierung nötig ist, kann ein derartiger Sensorchip beispielsweise in einen steckbaren Sockel eingebaut werden, so dass er nach einer Messung einfach gegen einen neuen Sensorchip ausgetauscht werden kann.
10 zeigt einen schematischen Aufbau eines Refraktometersystems auf Basis des in 9 gezeigten Sensorchips 90.
Licht 33 aus einer oder mehreren monochromatischen Lichtquellen 32 gelangt auf den Chip 90, der wenigstens eine Sensorelement 35 mit opto-elektronischen Sensor 36 und Subwellenlängen-strukturierten Metallschichten 44 hat. Nach einer Verstärkung eines Ausgangssignals des opto-elektronischen Sensors erfolgt eine Signalverarbeitung, die durch eine Auswerteelektronik 40 auch im Sensorchip selbst integriert werden kann. Dadurch kann eine gesuchte Brechzahl n(Objekt) bestimmt werden.
Für den in 10 dargestellten Aufbau werden keine zusätzlichen optischen Elemente wie z. B. ein Prisma oder Mikroskop benötigt, die in herkömmlichen Refraktometern notwendig sind. Der in 10 dargestellte Aufbau hat auch keine mechanisch bewegten Elemente. Die Lichtquelle 32 kann gemäß Ausführungsbeispielen auch mit in den Sensorchip 90 integriert werden, so dass eine externe Beleuchtung nicht mehr notwendig ist. Es existieren bereits LEDs, die man im Rahmen eines CMOS-kompatiblen Prozesses herstellen kann – gleichzeitig mit dem opto-elektronischen Sensor 36 und der Auswerte-Elektronik 40. Auch die Brechzahl von Festkörpern kann mit dem erfindungsgemäßen Konzept bestimmt werden, wenn die Oberfläche der Festkörper gut poliert ist, so dass zwischen dem zu untersuchenden Material 31 und dem Messchip 35 ein guter optischer Kontakt besteht.
Ein integriertes Sensorelement bzw. ein integrierter Sensorchip 35, 90 kann beispielsweise mit einer CMOS-Technologie hergestellt werden. Eine solche Technologie weist eine hohe Genauigkeit und Wiederholbarkeit auf und ist für eine Massenfertigung bestens geeignet. Somit sind relativ niedrige Preise für Endprodukte erzielbar, wodurch Einweg-Refraktometer realisiert werden können. Der integrierte Sensorchip lässt sich gut in einen Herstellungsprozess integrieren, so dass seine Oberfläche immer einen optischen Kontakt mit einem Messobjekt hat. Daher besteht mit Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung auch eine Möglichkeit zur dynamischen Analyse von Brechzahländerungen.
Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die jeweiligen beschriebenen Bauteile oder die erläuternden Vorgehensweisen beschränkt ist, da diese Bauteile und Verfahren variieren können. Die hier verwendeten Begriffe sind lediglich dafür bestimmt, besondere Ausführungsformen zu beschreiben und werden nicht einschränkend verwendet. Wenn in der Beschreibung und in den Ansprüchen die Einzahl oder unbestimmte Artikel verwendet werden, beziehen sich diese auch auf die Mehrzahl dieser Elemente, solange nicht der Gesamtzusammenhang eindeutlich etwas anderes deutlich macht. Dasselbe gilt in umgekehrter Richtung.

Claims

System (30) zum Bestimmen einer Brechzahl (n(Objekt)) eines Messobjekts (31), mit folgenden Merkmalen: einer Lichtquelle (32) zum Aussenden von Licht (33) einer vordefinierten Wellenlänge; einem integrierten Sensorelement (35) mit einem opto-elektronischen Sensor (36), und einer Metallschichtstruktur (37) mit wenigstens einer strukturierten Metallschicht (44), wobei der opto-elektronische Sensor (36) und die Metallschichtstruktur (37) gemeinsam auf einem Halbleitersubstrat (38) integriert sind; einer Einrichtung (39) zum Halten des Messobjekts (31) zwischen dem integrierten Sensorelement (35) und der Lichtquelle (32), so dass die Metallschichtstruktur (37) zwischen dem Messobjekt (31) und dem opto-elektronischen Sensor (36) angeordnet ist, und so dass sich ein Ausgangssignal des opto-elektronischen Sensors (36) auf das Licht (33) mit der vordefinierten Wellenlänge abhängig von der Brechzahl (n(Objekt)) des Messobjekts (31) ändert; und einer Einrichtung (40) zum Ermitteln der Brechzahl (n(Objekt)) des Messobjekts (31) basierend auf dem Ausgangssignal des opto-elektronischen Sensors (36).
System gemäß Anspruch 1, bei dem die Einrichtung (39) zum Halten auf einer Oberfläche des integrierten Sensorelements (35) angeordnet ist.
System gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die Einrichtung (39) zum Halten gemeinsam mit dem integrierten Sensorelement (36) auf dem Halbleitersubstrat (38) integriert ist.
System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Einrichtung (39) zum Halten einen Rahmen (49) zum Halten einer Flüssigkeit als Messobjekt (31) auf einer Oberfläche des integrierten Sensorelements (35) aufweist.
System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die wenigstens eine strukturierte Metallschicht (44) eine Öffnung (118) mit Subwellenlängenabmessung aufweist, wobei die Öffnung (118) von periodisch angeordneten Rillen um die Öffnung umgeben ist, die Abmessungen und Abstände zueinander aufweisen, die geeignet sind, um für den vorbestimmten Wellenlängenbereich in der wenigstens einen strukturierten Metallschicht einen Plasmon-Polariton-Resonanz-Effekt zu erzeugen.
System gemäß Anspruch 5, bei dem die Öffnung (118) und die Rillen jeweils rotationssymmetrisch sind.
System gemäß Anspruch 5, bei dem die Öffnung (118) linienförmig ausgebildet ist und die eine Breite kleiner als die vordefinierte Wellenlänge aufweist, und bei dem die Rillen zumindest näherungsweise parallel zu der Öffnung verlaufen.
System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die wenigstens eine strukturierte Metallschicht eine zweidimensionale periodische Anordnung von Subwellenlängenöffnungen (118) aufweist.
System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der opto-elektronische Sensor (36) in einem Abstand (d) von der Metallschichtstruktur (37) angeord net ist, der kleiner ist als die vordefinierte Wellenlänge.
System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Metallschichtstruktur (37) wenigstens einen photonischen Kristall (82) aufweist.
System gemäß einem der Ansprüche 10, bei dem die Metallschichtstruktur (37) aus einem Array aus photonischen Kristallen gebildet ist, um eine der Metallschichtstruktur zugewandte Oberfläche des opto-elektronischen Sensors (36) vollständig abzudecken.
System gemäß einem der Ansprüche 10 oder 11, bei dem der wenigstens eine photonische Kristall (82) aus einem Schichtstapel von dielektrischen Schichten (46) und strukturierten Metallschichten (44) gebildet ist.
System gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem die strukturierten Metallschichten (44) des Schichtstapels Mikroelemente (84) aufweisen, deren Abstände und Abmessungen eine Größenordnung aufweisen, um in der Nähe des opto-elektronischen Sensors (36) eine spektrale Selektion zu bewirken.
System gemäß Anspruch 13, bei dem die Abmessungen und Abstände der Mikroelemente (84) eine Größenordnung aufweisen, welche unterhalb der vordefinierten Wellenlänge liegt.
System gemäß Anspruch 14, bei dem die Größenordnung der Abmessungen und Abstände der Mikroelemente (84) in einem Bereich zwischen dem 0,05-fachen und dem 5-fachen der vordefinierten Wellenlänge liegt.
System gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die Mikroelemente als Split-Ring-Resonatoren ausgebildet sind.
System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die Metallschichtstruktur metallische Durchkontaktierungen und strukturierte Metallschichten umfasst, die einen photonischen Kristall bilden.
System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der opto-elektronische Sensor ein PN-Übergangssensor ist.
System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der opto-elektronische Sensor eine Fotodiode ist.
System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Einrichtung (40) zum Ermitteln der Brechzahl eine Auswerteelektronik aufweist, die gemeinsam mit dem integrierten Sensorelement (35) auf dem Halbleitersubstrat (38) integriert ist.
System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das integrierte Sensorelement (35) in CMOS-Technologie gefertigt ist.
System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in dem Halbleitersubstrat ferner ein Temperatursensor gebildet ist, der ausgebildet ist, um der Ermittelten Brechzahl eine gemessenen Temperatur zuzuordnen.
Verfahren zum Bestimmen einer Brechzahl eines Messobjekts (31), mit folgenden Schritten: Aussenden von Licht (33) einer vordefinierten Wellenlänge; Koppeln des Messobjekts (31) mit einem integrierten Sensorelement (35) mit einem opto-elektronischen Sensor (36), und einer Metallschichtstruktur (37) mit wenigstens einer strukturierten Metallschicht (44), so dass die Metallschichtstruktur (37) zwischen und dem Messobjekt (31) und dem opto-elektronischen Sensor (36) angeordnet ist, und so dass sich ein Ausgangssignal des opto-elektronischen Sensors (36) aufgrund des Lichts (33) mit der vordefinierten Wellenlänge abhängig von der Brechzahl (n(Objekt)) des Messobjekts (31) ändert; und Ermitteln der Brechzahl (n(Objekt)) des Messobjekts (31) basierend auf dem Ausgangssignal des opto-elektronischen Sensors (36).