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Die Erfindung betrifft einen Nahfeldsensor zur lokalen Messung von dielektrischen Eigenschaften von Untersuchungsobjekten mit Hilfe von Mikrowellen, mit einem Mikrowellenresonator, mit Grundflächen und Seitenwänden, mit Einrichtungen zum Ein- und Auskoppeln von Mikrowellen und mit einer aus dem Resonator herausragenden Messspitze zum Abtasten des Untersuchungsobjekts.
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Um die durch Beugung begrenzte Auflösung von traditionellen Mikroskopieverfahren zu umgehen, werden Nahfeldmikroskope verwendet (
US 4 604 520 A ). Diese erlauben eine prinzipiell beliebig feine Auflösung von Objekten, allerdings muss das abzubildende Objekt dann mit hoher Präzision von einem Nahfeldsensor abgetastet werden.
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Nahfeldmikroskopie wird nicht nur im optischen, sondern auch im Mikrowellen-Bereich (
US 5 821 410 A ) für vielfältige Anwendungen eingesetzt; mit Hilfe von Nahfeldsensoren kann Strahlung im Mikrowellenbereich für abbildende Verfahren (Mikroskopie) verwendet werden. Die Nutzung von Mikrowellen hat dabei den Vorteil, dass die Messobjekte einen oftmals höheren dielektrischen Kontrast aufweisen und dass die größere Eindringtiefe von Mikrowellen die Messung von unterhalb der Oberfläche befindlichen Details erlaubt („sub-surface detection”).
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Bekannte Verfahren zur Nahfeldmikroskopie mit Mikrowellen erlauben Auflösungen im Nanometer-Bereich. Dabei genutzte Messstrukturen bestehen aus einem Resonator sowie einer daran angeschlossenen Messspitze, die dicht an das zu messende Material herangeführt wird. Durch die starke Feldkonzentration an dem vorzugsweise möglichst kleinen und spitzen Ende des Messfühlers kommt es zu einer sehr lokalen Wechselwirkung der Felder mit dort platzierten Objekten. Die resultierende Verstimmung des Resonators (bezüglich seiner Frequenz und Güte) lässt sich mittels geeigneter Schaltungstechnik empfindlich detektieren und mit den lokalen Objekteigenschaften korrelieren. Auf diese Weise ist eine lokal aufgelöste präzise Messung der dielektrischen Eigenschaften von Objekten möglich. Zumeist wird dafür der Sensor über das Objekt geführt (z. B. mit einem Nanometer-Positioniertisch), um ein zweidimensionales Abbild zu erhalten.
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Bisherige Nahfeldsensoren basieren meist auf einem koaxialen Hohlraumresonator (
US 6 614 227 B2 ). Solche Resonatoren sind sowohl groß als auch schwer. Sie bieten zwar die für genaue Messungen erforderliche hohe Güte, sind jedoch mechanisch aufwändig zu fertigen. Es sind außerdem erste Ansätze von planar gefertigten Messsensoren bekannt. Bei diesen werden zumeist Mikrostreifen-Leitungs-Resonatoren (
US 5 900 618 A ) verwendet, die den Nachteil einer nur unbefriedigenden Messgenauigkeit haben. Die Gründeda für liegen in der nicht so hohen Güte sowie in unvermeidlichen Abstrahlverlusten dieses Resonatortyps. Des Weiteren sind diese Strukturen anfällig für Einstrahlungen von außen und nicht geeignet, um mehrere Nahfeldsensoren gleichzeitig in großer Nähe zu betreiben.
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In M. Golosovsky et al. „Microwave near-field imaging of conducting objects of a simple geometric shape”, Rev. Sci. Instrum. 71, pp. 3927–3932 (2000) ist ein Verfahren zur Ermittlung des Nahfelds eines leitenden Objekts mit einfacher geometrischer Form beschrieben. Die
US 6,538,454 B1 offenbart ein Verfahren, mit dem elektrische Eigenschaften mittels Mikrowellen mit hoher Auflösung gemessen werden können. Aus der
WO 00/04 375 A1 ist eine weitere Mikrowellen-Messvorrichtung bekannt. In V. Talanov et al. „Noncontact dielectric constant metrology of low-k interconnect films using a near-field scanned microwave probe”, Appl. Phys. Lett. 88, pp. 192906 (2006) ist ein Mikrowellen-Mikroskop zur Ermittlung des elektrischen Nahfelds beschrieben.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Nahfeldsensors der eingangs genannten Art, der eine hohe Messgenauigkeit aufweist und mit bekannten Techniken kostengünstig mit sehr geringen Abmessungen hergestellt werden kann.
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Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, dass der Resonator aus zwei im Wesentlichen gleichen Hälften besteht, die übereinander mit einer gemeinsamen elektrisch leitenden Zwischenwand angeordnet sind, wobei die Zwischenwand im Bereich mindestens einer Begrenzung des Resonators einen länglichen Schlitz oder einen elektrisch nichtleitenden, aber für Mikrowellen durchlässigen schlitzförmigen Bereich aufweist, dass die Messspitze in der Ebene der elektrisch leitenden Zwischenwand angeordnet und mit derselben im Bereich des Schlitzes bzw. im schlitzförmigen Bereich verbunden ist, und dass der Nahfeldsensor in planarer Technologie substratintegriert mit einer geeigneten Mehrlagenanordnung hergestellt ist.
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Mikrowellenresonatoren dieser Art werden häufig als „gefaltet” bezeichnet und als Mikrowellenfilter eingesetzt (J.-S. Hong, ”Folded-waveguide resonator filters,” IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, pp. 1251–1254, 12–17 June 2005). Die ”Faltung” des Resonators hat man sich dabei so vorzustellen, dass zwei Resonatorhälften, die sonst horizontal nebeneinander angeordnet würden, vertikal übereinander angeordnet, „gefaltet” werden. Um eine Verbindung zwischen diesen Hälften herzustellen, wird in der zwischen den beiden Substratlagen liegenden Metallisierungsschicht an der Stelle der „Faltung” ein Kopplungsschlitz angebracht. Effektiv ergibt sich dann ein Resonator, der quasi über diesem Kopplungsschlitz in zwei übereinander liegende Teile gefaltet wurde.
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Der Begriff ”Faltung” ist dabei nicht wörtlich zu verstehen; die beiden Resonatorhälften sind tatsächlich nicht gefaltet. So kann auch der Kopplungsschlitz krummlinig sein, was er bei einer tatsächlichen Faltung natürlich nicht möglich wäre. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist er aber geradlinig, was einer Faltung eher entspricht.
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Die Erfindung ermöglicht eine bisher unerreichte Miniaturisierung und Integrationsdichte von solchen Sensoren für die Nahfeldmikroskopie. Dazu werden mit der aus der Mikroelektronik bekannten planaren Technologie Resonatoren als substratintegrierte Wellenleiter (SIW) in einer geeigneten Mehrlagenanordnung ausgeführt und mit einer feinen Messspitze kombiniert. Dies erlaubt es, den Resonator als Kernelement platzsparend und mit geringem Fertigungsaufwand in einem Sensor einzusetzen.
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Für größtmögliche Empfindlichkeit muss die Messspitze am Ort der höchsten Feldstärke im Resonator angebracht werden. Die Ankopplung erfolgt durch ein Loch in der Resonatorwand, aus dem die feine Spitze nach außen ragt. Dadurch stellt sich im Außenraum des Resonators ein konzentriertes elektrisches Feld an der Messspitze ein, das abhängig von den Abmessungen der Spitze sehr stark lokalisiert ist, da es evaneszent ist.
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Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist es, dass die Messspitze planar mit dem Resonator integriert werden kann. Bei einem konventionellen SIW-Resonator kann die Spitze nur als vertikales Element ausgeführt werden. Technologisch müsste sie dafür als Durchkontaktierung (Via) realisiert werden, was einen minimalen Bohrungsdurchmesser erfordert und somit einer Miniaturisierung der Messspitze entgegensteht. Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist es daher, dass die minimale Größe der Messspitze und damit die erreichbare Auflösung um mehrere Größenordnungen reduziert werden kann.
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In einer solchen „folded SIW” Anordnung ist die Ausbildung der Messspitze als planare Schaltungsstruktur möglich. Das resultiert aus der Tatsache, dass die Position mit maximaler elektrischer Feldstarke sich nun in der Ebene der Zwischenwand und des Kopplungsschlitzes befindet. Die Messspitze kann also als planares Objekt in einem Standardprozess auf einer Metallisierungsfläche strukturiert werden. Dies erlaubt eine Abmessung der Messspitze von wenigen um selbst mit einfachen Prozessen.
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Der komplette Sensor kann also bei einer vorteilhaften Ausführungsform in einem einfachen Fertigungsprozess auf einem konventionellen Substrat gefertigt werden. Mechanisch aufwendige Fertigungsverfahren werden komplett vermieden.
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Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform wird die Messspitze in einem anderen Prozess gefertigt und dann in geeigneter Weise mit dem SIW-Resonator verbunden. Dies kann vorteilhaft sein, wenn man z. B. einen mikrofluiden Kanal zusammen mit der Spitze in einem biokompatiblen Prozess fertigt. Außerdem kann man für die Spitze einen Prozess wählen, der eine noch feinere Strukturierung erlaubt (Nanotechnologie). In einem solchen „Sandwich” Aufbau könnte die Spitze mit dem Resonator z. B. über Bond-Drähte oder mit einem „Flip-Chip”-Übergang verbunden werden. Dadurch kombiniert man die Vorteile eines einfach zu fertigenden, planaren Resonators, der sich gut in bestehende Mikrowellenschaltungen einfügt, mit nanotechnologisch gefertigten Messspitzen, die eine weitere Miniaturisierung der Abmessungen, und somit Verbesserungen der Auflösung erlauben.
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Die einfach herzustellenden, kostengünstigen und flexibel einsetzbaren Nahfeldsensoren der Erfindung haben vielfältige Anwendungen. Sie können sowohl in bisher bekannten Bereichen (Materialcharakterisierung) als auch für neuartige Anwendungen z. B. im Bereich der Medizintechnik und biomedizinischen Analytik (z. B. Durchflusszytometrie, Stammzellenforschung) verwendet werden.
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In vielen Fällen wird man vorsehen, dass die Resonatorhälften eine rechteckige, insbesondere quadratische Grundfläche aufweisen und in der Zwischenwand ein Schlitz oder schlitzförmiger Bereich vorgesehen ist, in dessen Mitte die Messspitze angeordnet ist.
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Durch Ausnutzung von weiteren Symmetrien der Eigenmode in einem Resonator können auch „doppelt oder mehrfach gefaltete” Anordnungen genutzt werden. Darunter ist zu verstehen, dass man einen Resonator mit zwei übereinanderliegenden gleichen Hälften herstellt, der an den Rändern, die bei einer mehrfachen Faltung Faltungslinien wären, Kopplungsschlitze aufweist.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Resonatorhälften eine rechteckige, insbesondere quadratische Grundfläche aufweisen und in der Zwischenwand zwei aneinander angrenzende senkrecht zueinander angeordnete Schlitze oder schlitzförmige Bereiche vorgesehen sind sowie die Messspitze an der Stelle angeordnet ist, wo die Schlitze oder schlitzförmigen Bereiche aneinander stoßen.
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Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Resonatorhälften eine dreieckige Grundfläche aufweisen und in der Zwischenwand zwei aneinander angrenzende unter einem Winkel zueinander angeordnete Schlitze oder schlitzförmige Bereiche vorgesehen sind und die Messspitze an der Stelle angeordnet ist, wo die Schlitze oder schlitzförmigen Bereiche aneinander stoßen.
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In diesen Fällen sind die Messspitzen an Ecken des Resonators vorgesehen, was es ermöglicht, wenn die Anwendung es erfordert, dass mehrere Sensoren von verschiedenen Richtungen auf ein Objekt gerichtet sind, da man eine bessere Packungsdichte der einzelnen Elemente erreicht.
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Die Grundflächen des Resonators, die in der Substratsebene liegen, werden durch übliche Metallisierungstechniken gebildet. Die ebenfalls erforderlichen elektrisch leitenden Seitenwände der Resonatoren werden bei einer vorteilhaften Ausführungsform durch zur Grundfläche der Resonatorhälften senkrechte elektrisch leitende Säulen gebildet, die aus mit elektrisch leitender Beschichtung versehenen Bohrungen bestehen.
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Gegenüber bisherigen Nahfeldmikroskopen hat der erfindungsgemäße Nahfeldsensor insbesondere dann einen deutlichen Vorteil, wenn solche Sensoren als integrierte Bestandteile eines größeren Systems geringe Abmessungen aufweisen müssen und/oder eine Vielzahl davon an verschiedenen Stellen lokal eingesetzt werden soll. Durch die mögliche Auflösung im sub-μm-Bereich und darunter sind Anwendungen in der Materialprüfung sowie in der biologischen und medizinischen Analytik sowie Anwendung für die Durchflusszytometrie und für weitere biomedizinische Anwendungen, insbesondere in der Analytik möglich.
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Durch die geringen Abmessungen und die angesprochene Möglichkeit, die Messspitze in einem anderen Prozess als den Resonator selbst zu fertigen, ergeben sich insbesondere potentiell sehr interessante Anwendungen bei der Integration mit mikrofluiden Systemen. Eine Kombination von mikrofluiden Systemen mit MEMS basierter Nanotechnologie und der erfindungsgemäßen Sensoren erlaubt es, komplexe und doch miniaturisierte, automatische Analytiksysteme herzustellen.
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Eine Integration solcher Sensoren in einem System zusammen mit mikrofluiden Kanälen, durch die Zellen transportiert werden, erscheint besonders vorteilhaft. Durch die eigenständige Bewegung der Zellen an dem Sensor vorbei entfällt die sonst nötige Rasterung des Objektes. Es ergeben sich dielektrische Profile einzelner Zellen, die sich zur Klassifizierung, Charakterisierung und Vermessung einzelner Zellen verwenden lassen. Weitere Anwendungen z. B. in der Forschung umfassen die Charakterisierung von Stammzellen oder die Studie von metabolischen Prozessen innerhalb einzelner Zellen.
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Eine Kombination von mehreren Sensoren zu einem Array ermöglicht genauere Messungen, zusätzliche räumliche Information und potentiell dreidimensionalen Abbildungsverfahren auf Einzelzellebene.
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Der erfindungsgemäße Nahfeldsensor kann als unabhängiges Messelement ausgestaltet werden, z. B. in Form einer frei platzierbaren Sonde für Kontaktmessungen, oder bereits zusammen mit einer Messanordnung integriert werden. Der letztere Fall ergibt sich, wenn man den Sensor z. B. mit einem mikrofluiden Kanal kombiniert, durch den z. B. eine Zellsuspension geleitet wird. Die Anordnung dieses Kanals an der Messspitze vorbei kann entweder vertikal (Bohrung) oder horizontal (z. B. lithographisch strukturiert) erfolgen.
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Der Sensor kann also als einzelnes Element oder als Sensor-Array genutzt werden. Es sind verschiedene Anordnungen der einzelnen Elemente denkbar:
- • Entlang eines horizontal verlaufenden Kanals
- • Um einen vertikalen Kanal herum (in einer Ebene, in mehreren Ebenen bei mehrschichtigen Aufbauten) oder spiralförmig darum rotierend.
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Die erwähnte „Faltung” des Resonators kann auf verschiedene Weisen erfolgen, indem weitere Symmetrien der Eigenmode ausgenutzt werden. Dadurch ergibt sich auch eine andere Positionierung der Messspitze, was für bestimmte Anwendungen die Packungsdichte erhöhen kann.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von vorteilhaften Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Es zeigen:
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1: in Draufsicht und in Seitenansicht den erfindungsgemäßen Nahfeldsensor;
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2 den erfindungsgemäßen Nahfeldsensor in einer perspektivischen Darstellung mit einer Detaildarstellung des im unteren Figurenteil eingekreisten Teils;
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3 drei andere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Nahfeldsensors; und
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4 und 5 verschiedene Anordnungen von Nahfeldsensoren.
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In 1 ist links in Draufsicht und rechts in Seitenansicht ein erfindungsgemäßer Nahfeldsensor gezeigt. Dieser besteht im Wesentlichen aus zwei übereinander angeordneten Mikrowellenresonatorhälften 1, 2. Diese werden durch eine Zwischenwand 3 und obere und untere Wände 4 begrenzt, wobei diese Wände als metallisierte Flächen ausgebildet sind. Die Seitenwände der Resonatorhälften 1, 2 werden dabei durch einen „Viazaun” 5 begrenzt, der durch Bohrungen gebildet wird, die metallisiert sind und die Resonatorwände 3, 4 elektrisch verbinden. Mit der Zwischenwand 3 ist die Messspitze 6 verbunden, die aus der Anordnung herausragt und nahe an dem Objekt 7 vorbeigeführt werden kann.
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Die Zwischenwand 3 ist im unteren Bereich 8 in 1 elektrisch nichtleitend, aber für Mikrowellen durchlässig. Durch diesen Bereich 8 werden die beiden Resonatorhälften 1, 2 verbunden, so dass sie im Wesentlichen die Eigenschaften eines Resonators haben, bei dem die Resonatorenhälften 1, 2 nebeneinander und nicht nach Faltung übereinander wie bei der Ausführungsform von 1 angeordnet sind.
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In 2 ist eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Nahfeldsensors gezeigt. Dort sind noch Einrichtungen 9 zur Einkopplung und Auskopplung der Mikrowellen gezeigt.
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Wenn die Messspitze 6 nahe am Objekt 7 vorbeigeführt wird, ändern sich aufgrund des Objekts 7 sowohl die Resonanzfrequenz als auch der Gütefaktor der Resonatorhälften 1, 2, was durch entsprechende elektronische Mittel in bekannter Weise detektiert werden kann.
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In 3 ist links ein Nahfeldsensor mit quadratischem Querschnitt gezeigt, der zwei Kopplungsschlitze 8 aufweist, die zwei Faltungen entsprechen. Die Messspitze 6 ist dabei nicht in der Mitte einer Seite des Resonators wie bei der Ausführungsform der 1, 2, sondern an einer Ecke angeordnet. Dies ermöglicht eine andere geometrische Anordnung des erfindungsgemäßen Nahfeldsensors für spezielle Messzwecke. In der Mitte und rechts in 3 sind zwei mehrfach gefaltete Resonatoren mit dreieckigem Querschnitt mit ebenfalls zwei Kopplungsschlitzen 8 gezeigt, wobei ebenfalls wieder die Messspitze 6 an einer Spitze angeordnet ist. Die Anordnungen der 3 ermöglichen es, dass gleichzeitig mehrere erfindungsgemäße Sensoren auf ein Objekt gerichtet werden können, wie dies in 4 dargestellt ist. Dort sind jeweils mehrere Sensoren um einen in der Mitte dargestellten Kanal 10 angeordnet, der senkrecht zur Zeichenebene verlauft. Es können dabei gleichzeitig mit mehreren Sensoren Messungen an Stoffen durchgeführt werden, die durch diesen Kanal 10 befördert werden. Dies könnten z. B. einzelne Zellen sein, die durch einen Mikrokanal 10 befördert werden.
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Bei der Ausführungsform der 5 links ist der entsprechende Kanal 10 in der Ebene der Nahfeldsensoren angeordnet. Die beiden Darstellungen rechts zeigen wieder Anordnung von Nahfeldsensoren um einen Kanal 10, der senkrecht zur Ebene der Nahfeldsensoren angeordnet ist, wobei ganz rechts mehrere übereinander angeordnete Anordnungen von Nahfeldsensoren gezeigt sind, mit denen genauere Untersuchungen durchgeführt werden können.
