DE19950378B4

DE19950378B4 - Method for producing an impedimetric sensor

Info

Publication number: DE19950378B4
Application number: DE1999150378
Authority: DE
Inventors: Frank Dr. Katzenberg
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1999-10-19
Filing date: 1999-10-19
Publication date: 2005-07-21
Anticipated expiration: 2019-10-20
Also published as: WO2001029549A2; WO2001029549A3; DE19950378A1; EP1222453A2

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines impedimetrischn Sensors mit einer, elektrischen Leiterstruktur (4), die eine Leitungsbreite zwischen 1–500 nm aufweist und zwischen zwei Elektroden (1, 2) einer Elektrodenanordnung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass unter Verwendung eines, eine Oberflächentopografie aufweisenden dielektrischen Flächensubstrats (3), deren Oberflächentopografie eine Vielzahl, weitgehend parallel zueinander verlaufender, über die Oberfläche des Flächensubstrats (3) erhabener Kantenzüge (11) aufweist, eine, das Flächensubstrat (3) mit elektrisch leitendem Material beaufschlagende Schrägbeschattung derart durchgeführt wird, dass sich das elektrisch leitende Material bevorzugt an den Kantenzügen (11) absetzt und auf diese Weise die elektrische Leiterstruktur (4) des impedimetrischen Sensors bildet, und dass parallel zu den Kantenzügen (11) Elektroden (1, 2) derart aufgebracht werden, dass zwischen den Elektroden (1, 2) die elektrische Leiterstruktur (4) angeordnet ist.method for the manufacture of an impedimetric sensor with one, electric Conductor structure (4), which has a line width between 1-500 nm and between two electrodes (1, 2) of an electrode arrangement is arranged, characterized in that using a, a surface topography having dielectric surface substrate (3), their surface topography a plurality, largely parallel to each other, on the surface of the surface substrate (3) raised edges (11), one, the surface substrate (3) oblique shading applied to electrically conductive material done so is that the electrically conductive material preferably at the edge courses (11) settles and in this way the electrical conductor structure (4) of the impedimetric sensor, and that parallel to the edge pulls (11) Electrodes (1, 2) are applied such that between the electrodes (1, 2) the electrical conductor structure (4) is arranged.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines impedimetrischen Sensors mit einer elektrischen Leiterstruktur, die eine Leitungsbreite zwischen 1–500 nm aufweist und zwischen zwei Elektroden einer Elektrodenanordnung angeordnet ist.The The invention relates to a method for producing an impedimetric Sensors with an electrical conductor structure, the one line width between 1-500 nm and between two electrodes of an electrode arrangement is arranged.

Stand der TechnikState of the art

Die Motivation zur Herstellung derartiger Leiterstrukturen entspringt aus der Suche nach verbesserten Lösungsansätzen für Sensoren, insbesondere biochemische Sensoren, mit deren Hilfe auf impedimetrischer Weise molekulare Bindungsereignisse, beispielsweise die Hybridisierung einer DNA mit speziellen Oligonukleotiden oder die Bindung von Antikörpern zu Antigenen, nachgewiesen werden können.The Motivation for the production of such ladder structures arises from the search for improved solutions for sensors, especially biochemical Sensors, with the help of which in an impedimetric manner molecular Binding events, for example the hybridization of a DNA with special oligonucleotides or the binding of antibodies too Antigens can be detected.

Hierzu eignen sich typischerweise auf einem Trägersubstrat aufgebrachte Elektroden, die in einer interdigitalen Elektrodenanordnung ausgebildet sind. Zwischen den Elektroden werden die selektiv wirkenden Detektorstoffe, beispielsweise Oligonukleotide oder Antigene auf dem Substrat aufgebracht und an diesem gebunden. Sie bilden, wie im Weiteren noch gezeigt wird, eine Wechselwirkungsschicht in Form eines Dielektrikums, deren dielektrische Änderung die zu erfassende Messgröße des biochemischen Sensors darstellt. So kommt es in Gegenwart beispielsweise von Antikörpern zu Bindungsreaktionen mit den entsprechenden Antigenen, wodurch sich das dielektrische Verhalten der Wechselwirkungsschicht zwischen den Elektroden ändert. Um die dielektrische Änderung innerhalb der Wechselwirkungsschicht möglichst sensitiv zu erfassen, sollten die elektrischen Feldlinien des elektrischen Feldes zwischen den Elektroden größtenteils innerhalb der Wechselwirkungsschicht verlaufen. Dies ist der Fall, sofern das Verhältnis des Elektrodenabstandes zu Schichtdicke des Dielektrikums nahe oder kleiner 1 ist. Diese Forderung führt jedoch in der Ausgestaltung derartiger Elektrodenstrukturen zu technischen Problemen, zumal die Schichtdicke der üblicherweise als Monolayer ausgebildeten Wechselwirkungsschicht nur wenige 10 nm beträgt – dies entspricht in etwa der Länge der senkrecht zur Substratoberfläche ausgerichteten Oligonukleotiden bzw. Antigenen –. In entsprechend der gleichen oder sogar einer kleineren Dimension sollte der Elektrodenabstand sein, um die gewünschte Sensibilität des biochemischen Sensors zu erreichen.For this are typically on a carrier substrate applied electrodes, which are formed in an interdigital electrode arrangement. Between The electrodes are the selectively acting detector materials, for example Oligonucleotides or antigens are applied to the substrate and attached thereto bound. They form, as will be shown below, an interaction layer in the form of a dielectric, the dielectric change of which to be detected measure of the biochemical sensor represents. This is the case in the presence of, for example, antibodies Binding reactions with the corresponding antigens, causing the Dielectric behavior of the interaction layer between the Electrodes changes. To the dielectric change detect as sensitively as possible within the interaction layer, should the electric field lines of the electric field between the electrodes mostly run within the interaction layer. This is the case, provided The relationship the electrode distance to the layer thickness of the dielectric near or is less than 1. This requirement leads However, in the design of such electrode structures to technical problems, especially the layer thickness of the usual formed as a monolayer interaction layer only a few 10 nm is - this corresponds in about the length the aligned perpendicular to the substrate surface Oligonucleotides or antigens -. In accordance with the same or even a smaller dimension should be the electrode spacing be to the desired sensitivity to reach the biochemical sensor.

Zwar gibt es eine Reihe elektrischer Verfahren zur Detektion molekularer Bindungsereignisse, die sowohl auf dem potenziometrischen (siehe Bergeld, et. al., Biosen. & Bioelectron. 6, (1991), Seite 55), kapazitiven (Swietlow, Electroanalysis 4 (1992), Seite 921) sowie dem impedimetrischen Prinzip basieren. Ferner sind auch Messanordnungen realisiert worden, in denen eine dünne Wechselwirkungsschicht als Gate zwischen der Drain- und Source-Elektrode eines Feldeffekt-Transistors aufgebracht wurde. Allen bekannten elektrischen Detektionsverfahren ist jedoch gemein, dass ihre Nachweisfähigkeit nicht besonders sensitiv auf molekulare Bindungsereignisse ist, zumal deren Elektrodenanordnungen Abstände aufweisen, die viel größer als die Größenordnung der nachzuweisenden molekularen Spezies sind, die als dielektrische Wechselwirkungsschicht zwischen den Elektroden immobilisiert ist. Um die Nachweisempfindlichkeit derartiger biochemischer Sensoren zu erhöhen, ist man auf Grund der bekannten Zusammenhänge dazu übergegangen, die Elektrodenabstände zu verringern (siehe hierzu DE 196 10 115 A1 , EP 0 701 691 B1 sowie K. Reimer, et al., Sens. & Actuat A, 46–47 (1995), S. 66). Die Elektrodenstruktur wurde in den vorstehend genannten Fällen mittels Elektronenstrahl-Lithografie hergestellt, die auf Grund ihres sequenziellen Charakters eine sehr kostspielige Methode darstellt. Hinzukommt, dass das Hauptanwendungsgebiet derartiger Sensoren die Biomedizin ist und so handelt es sich bei den einzelnen Sensoren häufig um Einwegprodukte, die auf Grund des massenhaften Durchsatzes einen nicht zu verachtenden Kostenfaktor darstellen. Es gilt nach wirtschaftlicheren Lösungen bei derartigen biochemischen Sensoren zu suchen.While there are a number of electrical methods for detecting molecular binding events that are both potentiometric (see Bergeld, et al., Biosen. & Bioelectron., 6, (1991), page 55), capacitive (Swietlow, Electroanalysis 4 (1992) , Page 921) and the impedimetric principle. Furthermore, measuring arrangements have been realized in which a thin interaction layer has been applied as a gate between the drain and source of a field effect transistor. However, all known electrical detection methods have in common that their detection capability is not particularly sensitive to molecular binding events, especially since their electrode arrangements have distances much greater than the order of the molecular species to be detected which is immobilized as a dielectric interaction layer between the electrodes. In order to increase the detection sensitivity of such biochemical sensors, it has gone over due to the known relationships to reduce the electrode distances (see DE 196 10 115 A1 . EP 0 701 691 B1 and K. Reimer, et al., Sens. & Actuat A, 46-47 (1995), p. 66). The electrode structure was produced in the above-mentioned cases by electron beam lithography, which is a very expensive method because of its sequential character. In addition, the main application area of such sensors is biomedicine, and so the individual sensors are often disposable products, which due to the mass throughput represent a not to be despised cost factor. It is important to look for more economical solutions in such biochemical sensors.

In einem Beitrag von Kasapbasioglu et al., Sens. & Actuat B. 13–14 (1993) S. 749 wird vorgeschlagen, zur Detektion biochemisch relevanter Stoffe so genannte Metallinseln in fraktaler Form zu verwenden, die zwischen zwei beabstandeten Elektroden eingebracht sind, um das zwischen den Elektroden herrschende elektrische Feld in der Nähe der Wechselwirkungsschicht zu konzentrieren. Nachteilhaft ist jedoch die undefinierte und unkontrollierbar breite Abstands- und Größenverteilung sowie die teilweise einsetzende Perkolation, wodurch ihr Einsatz erschwert wird, der über einen Laborprototypeneinsatz nicht hinausgeht.In a contribution by Kasapbasioglu et al., Sens. & Actuat B. 13-14 (1993) p. 749 proposes for the detection of biochemically relevant substances called metal islands in fractal form, spaced between two Electrodes are introduced to the prevailing between the electrodes electric field nearby concentrate the interaction layer. However, it is disadvantageous the undefined and uncontrollably wide distance and size distribution and the partial onset of percolation, making their use difficult that's over does not go beyond a laboratory prototype use.

In der DE 44 21 407 C1 wird ein Flächenelement, insbesondere zur Verwendung als Sicherheitsmerkmal für ein Wertdokument, beschrieben, das ein Trägersubstrat mit einer darauf angeordneten, räumlich vorspringenden Mikrostruktur aufweist. Auf die Mikrostruktur wird mit der Technik der schrägen Aufstrahlung, bzw. Aufdampfung von Partikeln ein Beschichtungsmaterial aufgebracht. Im Wesentlichen werden dabei nur die erhabenen Bereiche der Mikrostruktur mit der Beschichtung, bspw. eine reflektierenden Metallschicht, versehen. Da sich die die optischen Eigenschaften des Trägersubstrats von dem Beschichtungsmaterial unterscheiden, können die optischen Eigenschaften des Flächenelements durch entsprechende Oberflächenabscheidung gezielt beeinflusst werden.In the DE 44 21 407 C1 a surface element, in particular for use as a security feature for a document of value, is described, which has a carrier substrate with a spatially projecting microstructure arranged thereon. A coating material is applied to the microstructure with the technique of oblique irradiation or vapor deposition of particles. In essence, only the raised areas of the microstructure are provided with the coating, for example a reflective metal layer. Since the opti different properties of the carrier substrate from the coating material, the optical properties of the surface element can be influenced by appropriate surface deposition targeted.

In der DE 41 43 084 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle beschrieben. Die Halbleitersubstratfläche der Solarzelle weist dabei Erhebungen auf, die mittels Schrägaufdampfung teilweise mit Metall ummantelt werden, was zu einer Ablagerung des aufgedampften Metalls vorwiegend an den Seitenflanken der Erhebungen führt. Sinn und Zweck der Schrägaufdampfung ist es, den größten Anteil des Stromflusses durch die Seitenflanken der Metallaufdampfung zu leiten, wobei die Metallaufdampfung einen nur geringen Abschattungseffekt für die Solarzelle verursachen soll.In the DE 41 43 084 A1 a method for producing a solar cell is described. The semiconductor substrate surface of the solar cell in this case has elevations, which are partially coated by Schrägaufdampfung with metal, which leads to a deposition of the deposited metal mainly on the side edges of the surveys. The purpose of the oblique vapor deposition is to conduct the largest part of the current flow through the side flanks of the metal vapor deposition, wherein the metal vapor deposition is to cause only a small shading effect for the solar cell.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Maßnahmen zu treffen, die der Erhöhung der Sensitivität impedimetrisch arbeitender biochemischer Sensoren dienen. Insbesondere gilt es, den fertigungstechnischen Aufwand und die damit verbundenen Kosten in der Herstellung derartiger Sensoren erheblich zu reduzieren. Zugleich soll jedoch auch die Nachweisempfindlichkeit derartiger Sensoren bei einer möglichst großen Ausbildung der Wechselwirkungsschicht zwischen den Elektroden gesteigert werden.Of the The invention is based on the object to take measures that the increase the sensitivity serve impedimetrisch working biochemical sensors. Especially applies, the manufacturing effort and the associated To significantly reduce costs in the production of such sensors. At the same time, however, the detection sensitivity of such Sensors at one possible huge Formation of the interaction layer between the electrodes can be increased.

Die Lösung der, der Erfindung zu Grunde liegenden Aufgabe ist in den unabhängig formulierten Patentansprüchen angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung nebst den, besonders geeignete Ausführungsbeispiele darstellenden Figuren entnehmbar.The solution the problem underlying the invention is given in the independently formulated claims. The concept of the invention advantageously further-forming features Subject of the dependent claims as well as the description and the, particularly suitable embodiments illustrative figures removed.

Die der Erfindung zu Grunde liegende Idee ist die scharfe Konzentration des elektrischen Feldes zwischen zwei Elektroden, innerhalb derer die für die Detektion von biochemischen Stoffen erforderliche Wechselwirkungsschicht, in der beispielsweise Oligonukleotide oder Antigene eingebracht sind, vorgesehen ist. Um den elektrischen Feldlinienverlauf möglichst definiert auf die Wechselwirkungsschicht einzugrenzen, wird diese durchsetzt von so genannten Nanodrähten, dies sind miniaturisierte Leitungsdrahtabschnitte mit einer typischen Leitungsbreite von 1 bis 500 nm und Leitungslängen größer 100 nm, die vorzugsweise senkrecht zu den, zwischen den Elektroden verlaufenden elektrischen Feldlinien angeordnet sind. Durch diese Maßnahme ist es möglich, das elektrische Feld auf den Elektrodenzwischenspalt zu konzentrieren, obgleich der Elektrodenabstand mehrere Mikrometer betragen kann, sodass die Herstellung der Elektrodenanordnung mit üblichen, nicht kostenintensiven Verfahren möglich ist.The The idea underlying the invention is the sharp concentration of the electric field between two electrodes, within which the for the interaction layer required for the detection of biochemicals, introduced in the example oligonucleotides or antigens are, is provided. To the electric field line as possible to narrow down to the interaction layer, this becomes interspersed by so-called nanowires, these are miniaturized Lead wire sections with a typical line width of 1 up to 500 nm and cable lengths greater than 100 nm, which are preferably perpendicular to, extending between the electrodes electric field lines are arranged. By this measure is it is possible to focus the electric field on the electrode gap, although the electrode spacing may be several microns, so that the production of the electrode assembly with conventional, not costly process is possible.

Auch die für die Funktionsweise eines derartig aufgebauten biochemischen Sensors erforderlichen Nanodrähte sollten mit einem prozesstechnisch einfachen und kostengünstigen Verfahren herstellbar sein.Also the for the operation of such a constructed biochemical sensor required nanowires should be with a process-technically simple and cost-effective Be prepared method.

Hierzu ist erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung eines impedimetrischen Sensors mit einer, elektrischen Leiterstruktur, die eine Leitungsbreite zwischen 1–500 nm aufweist und zwischen zwei Elektroden einer Elektrodenanordnung angeordnet ist, derart ausgebildet, dass unter Verwendung eines, eine Oberflächentopografie aufweisenden dielektrischen Flächensubstrats, deren Oberflächentopografie eine Vielzahl, weitgehend parallel zueinander verlaufender, über die Oberfläche des Flächensubstrats erhabener Kantenzüge aufweist, eine, das Flächensubstrat mit elektrisch leitendem Material beaufschlagende Schrägbeschattung derart durchgeführt wird, dass sich das elektrisch leitende Material bevorzugt an den Kantenzügen absetzt und auf diese Weise die elektrische Leiterstruktur des impedimetrischen Sensors bildet, und dass parallel zu den Kantenzügen Elektroden derart aufgebracht werden, so dass zwischen den Elektroden die elektrische Leiterstruktur angeordnet ist.For this is a method of the invention Production of an impedimetric sensor with one, electrical Conductor structure, which has a line width between 1-500 nm and between two electrodes of an electrode assembly is arranged such that, using a a surface topography having dielectric surface substrate, their surface topography a plurality, largely parallel to each other, on the surface of the surface substrate raised edges has, one, the surface substrate oblique shading applied to electrically conductive material done so is that the electrically conductive material preferably to the edges trains settles and in this way the electrical conductor structure of the impedimetric Forms sensor, and that applied parallel to the edge strips electrodes such so that between the electrodes the electrical conductor structure is arranged.

Als besonders geeignete Flächensubstratmaterialien können uniaxial orientierte semikristalline Polymerdünnfilme verwendet werden, die selbst in einer amorphen Matrix eingebettet sind, wobei die kristallinen Bereiche an der Oberfläche über die amorphen Bereiche erhaben sind und Kantenzüge bilden. Alternativ ist es auch möglich, entsprechende Oberflächentopologien mittels reaktivem Ionenätzen auf Silizium oder Siliziumoxidsubstratoberflächen zu übertragen.When particularly suitable surface substrate materials can uniaxially oriented semi-crystalline polymer thin films are used, the themselves embedded in an amorphous matrix, with the crystalline ones Areas on the surface above the amorphous Areas are raised and form edges. Alternatively it is also possible, corresponding surface topologies by means of reactive ion etching Transfer silicon or Siliziumoxidsubstratoberflächen.

Um die Leiterstrukturen in den gewünschten Dimensionen zu erhalten, dienen die Kantenzüge als bevorzugte Stelle einer Metallmaterialabscheidung, die sich im Rahmen einer Schrägbeschattung an den Kantenzügen einstellt. Die Schrägbeschattung selbst stellt ein Abscheideverfahren dar, vorzugsweise ein anisotropes Bedampfungsverfahren, bei dem das elektrisch leitende, abzuscheidende Material in seiner Dampfphase schräg zur Oberfläche des Flächensubstrates gerichtet ist, wobei es sich bevorzugt auf den erhabenen Kantenzügen absetzt. Eine derart gewonnene elektrische Leiterstruktur, die beispielsweise auf einem Polymerdünnfilm aufgebracht ist, wird nun mit den biochemischen Sensorstoffen versehen und im Rahmen einer Vielzahl übereinander gestapelter derartig ausgebildeter Leiterstrukturschichten zwischen zwei Elektroden eines biochemischen Sensors eingebracht.In order to obtain the conductor structures in the desired dimensions, the edge pulls serve as a preferred point of a metal material deposition, which adjusts to the edge pulls in the context of an oblique shading. The oblique shading itself represents a deposition process, preferably an anisotropic vapor deposition process, in which the electrically conductive material to be deposited is directed in its vapor phase obliquely to the surface of the surface substrate, wherein it preferably settles on the raised edge pulls. An electrical conductor structure obtained in this way, which is applied, for example, to a polymer thin film, is now provided with the biochemical sensor materials and, in the context of a multiplicity of stacked conductor structure layers between two electrodes of a biochemical sensor sors introduced.

Der erfindungsgemäße Einsatz von Nanodrähten zwischen an sich konventionell strukturierten Elektroden, deren Elektrodenabstand mehrere Mikrometer voneinander entfernt ist, führt zu einer oberflächennahen Konzentration des elektrischen Feldes und somit zu einer deutlich höheren Empfindlichkeit bei der Detektion molekularer Bindungsereignisse in einer Wechselwirkungsschicht molekularer Dicke. Auf Grund der wesentlich größeren aktiven Sensoroberfläche kann die Empfindlichkeit die einer Elektronenstrahl-Lithografisch-stukturierten Elektrodenanordnung übersteigen, obgleich die Herstellungskosten deutlich reduziert sind.Of the use according to the invention of nanowires between itself conventionally structured electrodes whose Electrode distance is several microns apart, leads to a shallow Concentration of the electric field and thus to a clear higher Sensitivity in the detection of molecular binding events in an interaction layer of molecular thickness. Due to the much larger active sensor surface For example, the sensitivity can be that of electron beam lithography Exceed electrode arrangement, although the production costs are significantly reduced.

So gilt ein Hauptaspekt der Erfindung der Ersparnis bei der Durchführung biochemischer Untersuchungen durch die Möglichkeit der Herstellung eines kostengünstigen biochemischen Sensors, bei dem auf eine kostspielige Nanostrukturierung der Elektrodenanordnung verzichtet werden kann.So A major aspect of the invention is the savings in biochemical performance Investigations by the possibility the production of a cost-effective biochemical sensor, in which a costly nanostructuring the electrode assembly can be dispensed with.

Kurze Beschreibung der ErfindungShort description of invention

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:The Invention will be described below without limiting the general inventive concept of exemplary embodiments described by way of example with reference to the drawing. Show it:

1a, b Draufsicht und Seitenansicht auf einen impedimetrisch arbeitenden biochemischen Sensor mit Nanodrahtstruktur, 1a . b Top view and side view of an impedimetrically operating biochemical sensor with nanowire structure,

2 Darstellung einer Oberflächentopologie eines semikristallinen Polymerdünnfilmes, sowie 2 Representation of a surface topology of a semicrystalline polymer thin film, as well

3 Prinzipskizze zur Erläuterung der Schrägbeschattung. 3 Schematic diagram to explain the oblique shading.

Beschreibung eines Ausführungsbeispiels In 1a ist die Draufsicht eines impedimetrisch wirkenden biochemischen Sensors dargestellt, der sich im Wesentlichen dadurch auszeichnet, dass zwei Elektroden 1, 2 in einem Abstand von einigen μm, vorzugsweise auf einem Trägersubstrat 3 (siehe hierzu 1b) angeordnet sind. Zwischen den Elektroden 1, 2 ist eine Leiterstruktur 4, bestehend aus einer Vielzahl parallel zueinander angeordneter Nanodrähte vorgesehen, deren Anordnung in detaillierter Darstellung in 1b zu entnehmen ist.Description of an embodiment In 1a the top view of an impedimetrisch acting biochemical sensor is shown, which is characterized essentially by the fact that two electrodes 1 . 2 at a distance of a few microns, preferably on a carrier substrate 3 (see also 1b ) are arranged. Between the electrodes 1 . 2 is a ladder structure 4 consisting of a plurality of mutually parallel arranged nanowires, their arrangement in a detailed representation in 1b can be seen.

In 1b ist die linke Elektrode 1 dargestellt und unmittelbar auf dem Trägersubstrat 3 aufgebracht. Im Zwischenraum zwischen der Elektrode 1 und der nicht dargestellten Elektrode 2 sind die im Querschnitt dargestellten Nanodrähte 4 jeweils mit äquidistantem gegenseitigem Abstand vorgesehen. Die Längserstreckung der Nanodrähte 4 ist senkrecht zu den elektrischen Feldlinien 5 orientiert. Der Durchmesser der Nanodrähte weist typischerweise Größen zwischen 5 und 20 nm auf, ihr gegenseitiger Abstand beträgt in etwa die gleiche Größenordnung, vorzugsweise 5 bis 30 nm. Die Oberflache des Tragersubstrats 3 sowie die Oberflache der Nanodrähte sind mit biochemischen Sensoren 6 in Form von Antigenen oder Oligonukleotiden beaufschlagt. An den Antigenen oder Oligonukleotiden 6 finden die entsprechenden Bindungsereignisse statt, an denen beispielsweise bestimmte DNA-Fragmente hybridisieren.In 1b is the left electrode 1 represented and directly on the carrier substrate 3 applied. In the space between the electrode 1 and the electrode, not shown 2 are the nanowires shown in cross-section 4 each provided with equidistant mutual distance. The longitudinal extent of the nanowires 4 is perpendicular to the electric field lines 5 oriented. The diameter of the nanowires typically has sizes between 5 and 20 nm, their mutual spacing is approximately the same order of magnitude, preferably 5 to 30 nm. The surface of the carrier substrate 3 as well as the surface of nanowires are using biochemical sensors 6 in the form of antigens or oligonucleotides. At the antigens or oligonucleotides 6 The corresponding binding events take place at which, for example, certain DNA fragments hybridize.

Durch das Einbringen der Nanodrähte 4 zwischen den Elektroden 1, 2 wird das sich zwischen den Elektroden 1, 2 ausbildende elektrische Feld 5 auf den Bereich der Wechselwirkungsschicht 7 konzentriert, was durch die stark gekrümmt verlaufenden Feldlinien 5 innerhalb der Wechselwirkungsschicht 7 zum Ausdruck kommt. Auf diese Weise wird das elektrische Feld 5 in unmittelbarer Nähe der Sensoroberfläche konzentriert, wodurch zugleich auch eine deutliche Erhöhung der Empfindlichkeit bei der Detektion molekularer Bindungsereignisse innerhalb der Wechselwirkungsschicht 7 verbunden ist.By introducing the nanowires 4 between the electrodes 1 . 2 that will be between the electrodes 1 . 2 training electric field 5 on the area of the interaction layer 7 concentrated, which is due to the strongly curved field lines 5 within the interaction layer 7 is expressed. In this way, the electric field 5 concentrated in the immediate vicinity of the sensor surface, whereby at the same time also a significant increase in the sensitivity in the detection of molecular binding events within the interaction layer 7 connected is.

Um parallel zueinander ausgerichtete, äquidistante Nanodrähte herzustellen, nutzt man in vorteilhafter Weise die natürliche Oberflächentopologie uniaxial orientierter semikristalliner Polymere (siehe hierzu 2). Derartige Polymerdünnfilme bestehen aus Nanokristallen, die in eine amorphe Matrix eingebettet sind. Die Abmessungen derartiger Kristalle belaufen sich parallel zur molekularen Kettenrichtung typischerweise zwischen 5 bis 25 nm. Parallel dazu können die Kristalle bis zu einige Mikrometer groß werden. An der Oberfläche von Polymeren sind die Kristalle gegenüber den amorphen Bereichen erhaben, wobei der Übergang zwischen dem kristallinen zum amorphen Bereich jeweils durch einen mehr oder weniger scharfkantigen Übergang geprägt ist, siehe hierzu 2, in der ein schmelzgesponnener Polymerdünnfilm abgebildet ist. Das Herausragen der Polymerkristalle gegenüber den amorphen Bereichen ist durch die Diffusion einzelner Makromoleküle während der Kristallisation aus der amorphen Phase in Richtung des sich bildenden dichter gepackten Kristalls verständlich. Zusätzlich tritt im Falle von schmelzgesponnenen, uniaxial orientierten Polymerfilmen, wie es in 2 dargestellt ist, nach der Kristallisation im Fließgradienten eine Kaltverstreckung des Filmes auf, die unter Beibehaltung des Volumens eine weitere Einschnürung der fließfähigen, d.h. plastisch verformbaren, amorphen Bereiche bewirkt. Weiterhin liegen im Falle des uniaxial orientierten lamellaren Polymergefüges, wie es beispielsweise bei Polyethylenen der Fall ist, alle Kristalle nahezu parallel zueinander an der Oberfläche.In order to produce parallel aligned, equidistant nanowires, it is advantageous to use the natural surface topology of uniaxially oriented semicrystalline polymers (see 2 ). Such polymer thin films consist of nanocrystals embedded in an amorphous matrix. The dimensions of such crystals are typically between 5 to 25 nm parallel to the molecular chain direction. In parallel, the crystals can grow to a few microns in size. On the surface of polymers, the crystals are raised in relation to the amorphous regions, whereby the transition between the crystalline and the amorphous region is characterized in each case by a more or less sharp-edged transition, cf. 2 , in which a melt-spun polymer thin film is shown. The protrusion of the polymer crystals towards the amorphous regions is understood by the diffusion of individual macromolecules during the crystallization from the amorphous phase towards the forming denser packed crystal. In addition, in the case of melt-spun, uniaxially oriented polymer films as described in U.S. Pat 2 is shown, after crystallization in the flow gradient on a cold stretching of the film, which causes a further constriction of the flowable, ie plastically deformable, amorphous regions while maintaining the volume. Furthermore, in the case of the uniaxially oriented lamellar polymer structure, as is the case with polyethylenes for example, all the crystals are nearly parallel to one another on the surface.

Unter Verwendung eines derartigen Polymerdünnfilmes können durch Metallisierung der Oberflächentopologie im Rahmen einer Schrägbeschattung die gewünschten Nanodrähte hergestellt werden.Under Use of such a polymeric thin film can be achieved by metallization of the surface topology as part of an oblique shading the desired nanowires getting produced.

In 3 ist hierzu ein schematisierter Querschnitt durch einen Polymerdünnfilm 8 dargestellt, in dessen Oberfläche kristalline 9 und amorphe Bereiche 10 vorgesehen sind. Der Übergang zwischen einem kristallinen Bereich 9 und einem amorphen Bereich 10 ist geprägt durch einen scharfen Kantenzug 11.In 3 this is a schematic cross section through a polymer thin film 8th represented in whose surface crystalline 9 and amorphous areas 10 are provided. The transition between a crystalline area 9 and an amorphous region 10 is characterized by a sharp edge pull 11 ,

Durch Schrägbeschattung dieser nanoskopisch geordneten Oberflächentopologie mit Hilfe einer Bedampfung unter einem bestimmten Einfallswinkel zur Substratoberfläche (siehe hierzu die schräg zur Substratoberfläche eingezeichneten Pfeile) werden nur die der Verdampferquelle zugewandten Kristallflanken der Kantenzüge 11 sowie die Kristalloberflächen metallisiert. Das aufgedampfte Metall 12 dekoriert die Kristalle und bildet längsgestreckte, drahtartige Metallgeometrien, die sich längs zu den Kantenzügen erstrecken.By oblique shading of this nanoscopically ordered surface topology with the aid of a vapor deposition at a certain angle of incidence to the substrate surface (see the arrows drawn obliquely to the substrate surface), only the edge of the crystal facing the evaporator source 11 and the crystal surfaces metallized. The evaporated metal 12 decorates the crystals and forms elongated, wire-like metal geometries that extend longitudinally to the edge pulls.

In einem nächsten Schritt bringt man Elektrodenstrukturen derart auf, dass die Elektrodenkanten senkrecht zur molekularen Kettenrichtung und damit parallel zu den erzeugten Nanodrähten ausgerichtet sind. Ein derartiger Sensoraufbau besitzt gegenüber den bekannten Lösungen unter Verwendung inselförmiger Metallcluster, scharfe Abstands- und Größenverteilungen hinsichtlich der zwischen Elektroden vorgesehenen Leiterstrukturen, die durch die physikalische Vorgeschichte des Kristalls einstellbar ist. So ist es möglich, durch gezielte Variation der Kristallisationstemperatur sowie der Prozesstemperatur zur Herstellung des schmelzgesponnenen Polymerdünnfilmes die Oberflächentopologie beliebig einzustellen.In one next Step brings you to electrode structures such that the electrode edges perpendicular to the molecular chain direction and thus parallel to the generated nanowires are aligned. Such a sensor structure has over the known solutions using island-shaped Metal clusters, sharp spacing and size distributions in terms of the electrode provided between conductor structures by the physical history of the crystal is adjustable. So Is it possible, by specific variation of the crystallization temperature and the Process temperature for the production of the melt-spun polymer thin film the surface topology to set arbitrarily.

Eine Herstellung der orientierten Polymerdünnfilme oder orientierter Oberflächen von massiven Polymeren gemäß dem „Friction Transfer"-Verfahren (siehe hierzu Katzenberg, et al., Sen'l Gakkaishi, J. Soc. Fiber Sci. & Techn. Japan, 53 (1997) S. 549) ist ebenfalls denkbar.A Preparation of oriented polymer thin films or oriented surfaces of massive polymers according to the "Friction Transfer "process (See Katzenberg, et al., Sen'l Gakkaishi, J. Soc. Fiber Sci. & Techn. Japan, 53 (1997) p. 549) is also conceivable.

Ferner kann die Topologie der Polymerdünnfilme mittels reaktivem Ionenätzen in beispielsweise Silizium oder Siliziumoxid oder keramische Substrate übertragen werden, auf deren Oberfläche durch anschließende Schrägbeschattung Nanodrähte aufgebracht werden können.Further can the topology of polymer thin films by means of reactive ion etching in, for example, silicon or silicon oxide or ceramic substrates be on their surface by subsequent oblique shading nanowires can be applied.

1, 21, 2: Elektrodenelectrodes
33: Trägersubstratcarrier substrate
44: Nanodraht, LeiterstrukturNanowire, conductor structure
55: elektrische Feldlinienelectrical field lines
66: Antigene, OligonukleotideAntigens oligonucleotides
77: WechselwirkungsschichtInteraction layer
88th: PolymerdünnfilmPolymer thin film
99: kristalliner Bereichcrystalline Area
1010: amorpher Bereichamorphous Area
1111: Kantenzug'augmenting
1212: Metallabscheidungmetal deposition

Claims

Method for producing an impedimetric sensor having an electrical conductor structure ( 4 ), which has a line width between 1-500 nm and between two electrodes ( 1 . 2 ) of an electrode arrangement, characterized in that, using a surface dielectric substrate having a surface topography ( 3 ) whose surface topography has a multiplicity, largely parallel to one another, over the surface of the surface substrate ( 3 ) raised edges ( 11 ), one, the surface substrate ( 3 Schräg shading which acts on electrically conductive material is carried out in such a way that the electrically conductive material preferably adheres to the edge pulls ( 11 ) and in this way the electrical conductor structure ( 4 ) of the impedimetric sensor, and that parallel to the edge pulls ( 11 ) Electrodes ( 1 . 2 ) are applied in such a way that between the electrodes ( 1 . 2 ) the electrical conductor structure ( 4 ) is arranged.

A method according to claim 1, characterized in that the oblique shading is a deposition method, in particular an anisotropic vapor deposition method, in which the electrically conductive material obliquely to the surface of the surface substrate ( 3 ) and perpendicular to the mutually parallel edge strips ( 11 ) is deposited.

Method according to claim 1 or 2, characterized in that as a surface substrate ( 3 ) a semicrystalline polymer thin film ( 8th ) is used.

Process according to claim 3, characterized in that the polymer thin film ( 8th ) Has nanocrystals embedded in an amorphous matrix, the crystalline regions ( 9 ) on the surface of the amorphous regions ( 10 ) are raised and edge courses ( 11 ) form.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that the surface topology by means of reactive ion etching in Si or SiO _{2 is} obtained.

Method according to claim 1 or 2, characterized that the surface topology by impressing of a nanostructured tool into a polymer substrate becomes.

Method according to one of claims 1 to 6, characterized that the surface topology is obtained by nanoimprinting in the polymer substrate.

Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that the electrical conductor structures ( 4 ) between the electrodes ( 1 . 2 ), that a near-surface concentration of the electric field ( 5 ) between the electrodes ( 1 . 2 ) is brought about.

Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that the electrical conductor structure ( 4 ) perpendicular to, between the electrodes ( 1 . 2 ) extending electric field lines ( 5 ) is arranged.

Using the impedimetric sensor made according to a method according to one of claims 1 to 9, characterized that this for impedance or capacitance measurement to detect biochemical Reactions is used.

Use according to claim 10, characterized that the impedimetric sensor for the detection of molecular binding events is used.

Use according to claim 10 or 11, characterized in that the impedimetric sensor for detecting the hybridization of DNA with oligonucleotides ( 6 ) or bonds between antibody and antigens ( 6 ) is used.