DE60206073T2

DE60206073T2 - Identifikations-tag

Info

Publication number: DE60206073T2
Application number: DE60206073T
Authority: DE
Inventors: John Brungot; Lars Hoff; Sverre Holm; Arne Ronnekleiv; William Ralph BERNSTEIN
Original assignee: Vivid AS
Current assignee: Vivid AS
Priority date: 2001-11-27
Filing date: 2002-11-27
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2022-11-28
Also published as: AU2002365534A1; JP4402459B2; NO20015792L; CN1618078A; CA2468486A1; DE60206073D1; WO2003046801A1; EP1461761B1; NO20015792D0; CN100367289C; ATE304194T1; NO315396B1; US20070063852A1; JP2005510743A; US7307537B2; DK1461761T3; EP1461761A1

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Identifizierungs-Systeme, worin ein Identifizierungs-Chip, der mit einem Objekt verbunden ist, mittels akustischer Fernabfrage identifiziert wird.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen Identifizierungs-Chip für das Einsetzen in ein Objekt, das sich in einer Flüssigkeit befindet, während es identifiziert werden soll.
Hintergrund der Erfindung
Es gibt einen Bedarf für das Markieren von Objekten, die sich in einer Flüssigkeit wie Wasser, einschließlich Salzwasser, befinden.
Entwicklungen in der Fischzucht-Industrie, insbesondere mit erhöhten Anforderungen für Qualitätssteuerung und Rückverfolgbarkeit, haben zu einem Bedarf geführt, lebende Organismen, insbesondere Fische, die sich im Wasser befinden, zu markieren und identifizieren.
Es gibt daher einen Bedarf für einen Identifizierungs-Chip, der leicht, schnell und kostengünstig in einen lebenden Organismus, wie einen lebenden Fisch, implantiert werden kann, der ohne Unbequemlichkeit für den Fisch, für das Fischwachstum oder die Qualität der Erzeugnisse, die nachfolgend aus dem Fisch hergestellt werden, dauerhaft in dem Fisch implantiert bleiben kann, der kostengünstig gefertigt werden kann, der ohne gespeicherte Energie arbeitet, der mit einer kostengünstigen und einfachen Erfassungs-/Abtastausrüstung verwendet werden kann, der eine große Anzahl von eindeutigen Identifizierungs-Codes ermöglicht, der ein wirkungsvolles und zuverlässiges Erfassen/Ablesen durch das Gewebe des Fischs hindurch, durch das Wasser und während der Fisch in Bewegung ist, ermöglicht, der unter sich ändernden Druckbedingungen, vom Atmosphärendruck bis zum Wasserdruck in großer Tiefe, zufriedenstellend arbeitet, der unter sich ändernden Temperaturbedingungen zufriedenstellend arbeitet, und der schwer zu manipulieren ist.
Stand der Technik
NO-884144 beschreibt ein Identifizierungssystem für die Fischidentifizierung, in dem ein kombinierter Empfänger-, Programmier- und Sendekörper in einen Fisch implantiert ist. Der kombinierte implantierbare Körper wird als ein Chip mit elektronischen Schaltungen beschrieben, und in einer Ausführungsform ist er so beschrieben, dass er „Echoenergie" aussenden kann, die der von einem Sende-/Ablesekörper gesendeten Energie zugeordnet werden kann. Die Veröffentlichung zeigt keine Lösung dafür auf, wie solch ein Chip ausgeführt sein soll, um einen Identifizierungs-Chip zu erzielen, der keine(n) interne(n) Energiespeicher oder -versorgung benötigt, der eine große Anzahl von eindeutigen Identifizierungs-Kombinationen bietet, und der darüber hinaus eine wirkungsvolle und zuverlässige Identifizierung durch das Gewebe des Fischs hindurch, durch das Wasser und während der Fisch in Bewegung ist, ermöglicht.
US-5 134 370 beschreibt eine Vorrichtung für das Erfassen von Identifizierungs-Chips, in der ein Chip in einen Fisch implantiert werden kann. In diesem Fall basiert der Chip auf der Abfrage mit elektromagnetischen Signalen. Diese Art der Ausrüstung ist für die Identifizierung von Objekten, die sich im Wasser befinden, wie ein lebender Fisch, wegen der Absorption der elektromagnetischen Signale durch das Wasser, ungeeignet.
DE-A-40 20 752 legt einen Identifizierungs-Chip offen, der die Merkmale in dem Oberbegriff von Anspruch 1 umfasst. Die Merkmale in dem Oberbegriff von Anspruch 1 sind auch aus US-A-5 481 102 bekannt.
Übersicht über die Erfindung
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Identifizierungs-Chip bereitzustellen, der für die Identifizierung eines Objektes, das sich in einer Flüssigkeit wie Wasser, einschließlich Salzwasser, befindet, geeignet ist.
Ein zweites Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren für das Markieren eines Objektes bereitzustellen, das identifiziert werden soll während es sich in einer Flüssigkeit befindet.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren für das Markieren und Identifizieren eines Objektes bereitzustellen, das sich in einer Flüssigkeit befindet.
Noch ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein System für das Markieren und Identifizieren eines Objektes bereitzustellen, das sich in einer Flüssigkeit befindet.
Die obigen Ziele und weitere Vorteile werden durch die Merkmale erreicht, die aus den folgenden Patentansprüchen ersichtlich werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nun in größerer Ausführlichkeit in Form einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, in denen folgendes gilt:
1A–1B sind eine Draufsicht und eine Querschnittansicht eines Identifizierungs-Chips nach der Erfindung;
2A–2E sind Querschnittansichten verschiedener Ausführungsformen eines Identifizierungs-Chips nach der Erfindung;
3A–3B sind Blockdiagramme von Ausführungsformen eines Identifizierungs-Systems, in dem Identifizierungs-Chips nach der Erfindung verwendet werden;
4A–4B sind Querschnittansichten eines Identifizierungs-Chips, der für das Einsetzen in einen Fisch angepasst ist;
5A–5D sind Querschnittansichten von Bereichen eines Resonators in einem Identifizierungs-Chip nach der Erfindung, der mittels Oberflächen-Mikrobearbeitung hergestellt wird.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
1A ist eine Draufsicht eines Identifizierungs-Chips nach der Erfindung für das Identifizieren eines Objektes, das sich in einer Flüssigkeit befindet. 1B ist eine Querschnittansicht des Identifizierungs-Chips entlang der Achse A-A in 1A.
Der Chip umfasst und besteht aus einem akustischen Resonator 100, der eine Anzahl von eindeutigen Resonanzfrequenzen aufweist, wobei die Kombination von Resonanzfrequenzen für den Identifizierungs-Chip einzigartig ist. Das ermöglicht, dass der Identifizierungs-Chip identifiziert wird, indem der Chip einem akustischen Sendesignal ausgesetzt wird, ein akustisches Antwortsignal gemessen wird und die Frequenz des Antwortsignals analysiert wird.
Der Resonator 100 umfasst einen Hohlraum bildenden Abschnitt 110, 120 und eine Membran 130. Die akustischen Resonanzfrequenzen des Resonators werden durch die sechs Hohlräume 140 festgelegt, die von dem Hohlraum bildenden Abschnitt 110, 120 und die Membran 130 umschlossen sind.
Der Hohlraum bildenden Abschnitt 110, 120 besteht aus einem Substrat 110 mit einer oberen Fläche und einer ätzbaren Scheibe 120 mit einer unteren Fläche, die an der oberen Fläche des Substrats 110 befestigt ist. Das Substrat 110 besteht aus einem Glas-Wafer, während die ätzbare Scheibe 120 aus Silizium gefertigt ist.
Die obere Fläche der ätzbaren Scheibe 120 ist außerdem an der unteren Fläche der Membran 130 befestigt. Die ätzbare Scheibe 120 umfasst ferner sechs kreisförmige Durchgangs-Öffnungen zwischen der unteren und der oberen Fläche, mit dem Ergebnis, dass jeder der sechs Hohlräume von dem Substrat, der entsprechenden Durchgangs-Öffnung und der Membran umschlossen ist.
1B ist eine Querschnittansicht des Identifizierungs-Chips entlang der Achse A-A in 1A. Die Zeichnung stellt daher die drei der insgesamt sechs in dem Resonator 100 enthalten Hohlräume 140 dar, die von der Achse A-A geschnitten werden. 1B zeigt, dass jeder Hohlraum von dem Substrat 110, der ätzbare Scheibe 120 und der Membran 130 umschlossen ist.
1A zeigt, dass der Resonator 100, von oben betrachtet, eine rechtwinklige Form aufweisen kann. In einer praktischen Ausführungsform kann die Form gestreckter oder stangenförmiger als in 1A dargestellt sein. Das bietet praktische Vorteile, wenn ein Identifizierungs-Chip in einen Organismus, wie einen Fisch, eingesetzt wird, wobei das Einsetzen vorteilhafterweise durch eine Öffnung mit dem kleinstmöglichen Querschnitt durchgeführt werden sollte.
1A–1B zeigen, dass die Hohlräume unterschiedliche Größen, insbesondere unterschiedliche Querschnitte, und noch spezieller unterschiedliche Durchmesser aufweisen, wobei jeder Hohlraum-Querschnitt kreisförmig ist.
Die Anzahl der Hohlräume ist ausschlaggebend für die Anzahl von möglichen Kodierungs-Kombinationen. Wenn die Anzahl der Hohlräume mit eindeutiger Resonanzfrequenz mit n bezeichnet wird, beträgt die Anzahl der möglichen Kodierungs-Kombinationen 2ⁿ – 1.
Resonatoren mit unterschiedlichen Hohlraum-Querschnitt-Kombinationen können unmittelbar gefertigt werden, oder es können Chips mit einem vollständigen Satz von Hohlraum-Kombinationen hergestellt werden, die nachfolgend durch Zerstören der Membranen für diejenigen Hohlräume kodiert werden, die nicht in dem Code enthalten sein sollen.
2A–2E stellen Querschnitte von verschiedenen Ausführungsformen eines Identifizierungs-Chips nach der Erfindung dar.
2A stellt einen Querschnitt einer ersten Ausführungsform eines Identifizierungs-Chips für das Implantieren in einen lebenden Organismus, wie einen Fisch, dar.
Der Identifizierungs-Chip umfasst einen akustischen Resonator 100, der eine Anzahl von eindeutigen Resonanzfrequenzen aufweist, wobei die Kombination von Resonanzfrequenzen für den Identifizierungs-Chip einzigartig ist. Das ermöglicht es, dass der Identifizierungs-Chip identifiziert wird, indem der Chip einem akustischen Sendesignal ausgesetzt wird, ein akustisches Antwortsignal gemessen wird und die Frequenz des Antwortsignals analysiert wird.
Der Resonator 100 umfasst einen Hohlraum bildenden Abschnitt, der in der Ausführungsform in 2A aus einem Substrat in Form eines Glas-Wafers 110 und einem ätzbaren Abschnitts in Form eines Silizium-Wafers 120 besteht. Die untere Fläche des Silizium-Wafers 120 ist mittels anodischer Bindung an der oberen Fläche des Glas-Wafers 110 befestigt. Der Silizium-Wafer 120 umfasst zwischen der unteren und der oberen Fläche zwei Durchgangs-Öffnungen.
Die obere Fläche des Silizium-Wafers 120 ist außerdem an der unteren Fläche einer Membran 130 befestigt, die aus Siliziumnitrid gefertigt ist. Es wird vorzugsweise eine Membran mit angemessener Vorspannung eingesetzt, die üblicherweise in der Größenordnung von 50 MPa–500 MPa, vorzugsweise im Bereich von 100 MPa–300 MPa, liegt.
Die Wände der Durchgangs-Öffnungen sind geneigt, mit dem Ergebnis, dass die Öffnung an der unteren Fläche des Silizium-Wafers größer ist als die Öffnung an der oberen Fläche. Diese Form ist das Ergebnis des Fertigungsprozesses, der auf einer Siliziumnitrid-Membran basiert, an der im Voraus eine alles umschließende Siliziumschicht befestigt wird, und bei der nachfolgend mittels Ätzkali KOH eine anisotrope Nassätzung durchgeführt wird, um, entsprechend den sich ergebenden Öffnungen, den Siliziumwerkstoff zu entfernen. Ein solches Verfahren führt zu rechteckigen Membranbereichen mit (um 54,7°) geneigten Seitenwänden.
Der Glas-Wafer 110, der Silizium-Wafer 120 und die Membran 130 umschließen dabei zwei Hohlräume 140 verschiedener Größe. Diese Hohlräume legen zwei eindeutige Resonanzfrequenzen für den Resonator 100 fest.
2B stellt eine Ausführungsform des Identifizierungs-Chips dar, in der der Silizium-Wafer 120 nur eine Durchgangs-Öffnung zwischen der unteren und der oberen Fläche aufweist, mit dem Ergebnis, dass der Chip einen Hohlraum umfasst. Die untere Fläche der Membran 130 umfasst jedoch Bereiche 122, die von Siliziumwerkstoff bedeckt sind. Die Membranbereiche auf der unteren Fläche, die nicht von Silizium bedeckt sind, weisen eine andere Größe auf. Deswegen wird der Chip 100 immer noch so lange einige unterschiedliche Resonanzfrequenzen aufweisen, bis die Steifigkeit der Balken 122 groß genug ist, dass die Membranbereiche ganz unabhängig voneinander schwingen können.
Diese Ausführungsform erfordert einen kleineren Gesamt-Substrat-Bereich und erlaubt deshalb, verglichen mit der Ausführungsform in 2A, eine bessere Anwendbarkeit bei der Fertigung aus Siliziumwerkstoff. Es wird jedoch ein bestimmtes Maß an akustischer Kopplung zwischen den unbedeckten Membranbereichen auftreten, und der Chip wird, wegen des Fehlens der Befestigung der Membran an verschiedenen Punkten, einen geringeren Wert bezüglich des zulässigen Maximaldrucks aufweisen.
2C stellt eine Ausführungsform des Identifizierungs-Chips dar, die der Ausführungsform in 1A–B gleicht, wobei der Silizium-Wafer 120 vier Durchgangs-Öffnungen zwischen der unteren und der oberen Fläche aufweist, mit dem Ergebnis, dass der Chip vier Hohlräume umfasst.
Die Wände der Durchgangs-Öffnungen liegen senkrecht zu der allgemeinen horizontalen Richtung für den Glas-Wafer, den Silizium-Wafer und die Membran, mit dem Ergebnis, dass die Öffnung an der unteren Fläche des Silizium-Wafers fast mit der Öffnung der oberen Fläche identisch ist. Diese Form ist das Ergebnis des Fertigungsprozesses, der auf einer Siliziumnitrid-Membran basiert, an der im Voraus eine vollständig bedeckende Siliziumschicht befestigt wird, und bei der nachfolgend eine reaktive Ionen-Trockenätzung (RIE-Ätzung) durchgeführt wird, um, entsprechend den sich ergebenden Öffnungen, den Siliziumwerkstoff zu entfernen. Ein solches Verfahren führt zu Membranbereichen mit annähernd geraden Seitenwänden. Das bietet eine sehr gute Raumausnutzung, erfordert jedoch einen komplizierteren Fertigungsprozess.
2D stellt einen Identifizierungs-Chip dar, bei dem der Hohlraum bildende Abschnitt lediglich aus einem Substrat in Form eines Glas-Wafers 110 besteht. Die obere Fläche des Glas-Wafers 110 weist vier Aussparungen mit unterschiedlichen Bereichen aber gleicher Tiefe auf. Die untere Fläche der Membran 130 ist an der oberen Fläche des Glas-Wafers 110 befestigt. Das führt dazu, dass jeder der vier Hohlräume von einer Aussparung und einem Bereich der Membran 130 umschlossen ist.
Der erste Arbeitsgang bei der Fertigung dieser Ausführungsform, besteht dann, mittels Ätzung die Aussparungen 140 in dem Glas-Wafer auszubilden. Die Siliziumnitrid-Membran wird dann angebracht, ist anfänglich an einem Silizium-Wafer befestigt, worauf der gesamte Siliziumwerkstoff durch Ätzen entfernt wird.
In 2E ist die obere Fläche der Membran 130 an der unteren Fläche des Silizium-Wafers 150 befestigt, der Durchgangs-Öffnungen aufweist. Jede Öffnung fällt mit einer der drei geätzten Aussparungen in dem Glas-Wafer 110 zusammen.
In allen Ausführungsformen in 2A–2E enthalten die Hohlräume 140 vorzugsweise ein Vakuum. Es ist auch möglich, das Vakuum durch ein Gas zu ersetzen, in dem Fall ist es günstig, wenn es sich bei dem Gas um Luft oder ein Gas mit großen „schweren" Molekülen handelt.
Ziel dessen ist es, Diffusion so weit wie möglich beschränken zu können. Beispiele für „schwere" Gase sind Fluorkohlenwasserstoffe und SF₆.
In allen Ausführungsformen in 2A–2E umfasst der Identifizierungs-Chip günstigerweise einen Bezugs-Hohlraum mit einer vorgegebenen Resonanzfrequenz für die Verwendung bei der Einstellung und dem Abgleich bei Druck- und Temperaturveränderungen. Die frühere Aussage, dass die Hohlräume ein Vakuum, Luft oder ein anderes Gas enthalten können, wird auch auf den Bezugs-Hohlraum angewendet.
In allen Ausführungsformen in 2A–E kann der Identifizierungs-Chip günstigerweise rund um den Resonator eine (nicht gezeigte) Verkapselung umfassen. Die Verkapselung ist vorzugsweise aus einem biologisch verträglichen Werkstoff gefertigt, wie z. B. Wasser als Eis oder einem anderen Werkstoff mit akustischen Eigenschaften, die den Eigenschaften von Wasser gleichen und daher gewährleisten, dass die Verkapselung im Wesentlichen die akustischen Eigenschaften des Resonators nicht beeinflusst. Alternativ kann der Chip aus einem Resonator ohne Verkapselung bestehen.
3A stellt ein Blockdiagramm für ein Identifizierungs-System dar, in dem Identifizierungs-Chips nach der Erfindung verwendet werden.
Das System basiert auf der Ausstrahlung eines akustischen Sendesignals und der Messung eines akustischen Antwortsignals. Ein Identifizierungs-Chip umfasst einen Resonator, der eine Kombination von Resonanzfrequenzen aufweist. Durch Vergleichen der Eigenschaften der gesendeten und erfassten Signale, ist das System so aufgebaut, dass es eine eindeutige Identität ableitet, die zu dem Identifizierungs-Chip gehört.
Das Objekt, üblicherweise ein Fisch oder ein anderer lebender Organismus, wird mit einem Identifizierungs-Chip 100 nach der Erfindung markiert. Ein sendender Wandler 30 ist so aufgebaut, dass er akustische Wellen an das Objekt 10 sendet und ein empfangender Wandler 40 ist so aufgebaut, dass er akustische Wellen von dem Objekt 10 empfängt.
Zwischen dem Objekt 10 und jedem Wandler 30, 40 befindet sich eine Flüssigkeit, üblicherweise Wasser, einschließlich Salzwasser.
Das System umfasst ferner eine Steuereinheit 50, die einen Signalgenerator 34 und eine Aufzeichnungseinheit 46 steuert. Der Signalgenerator 34 ist so aufgebaut, dass er ein Signal bereitstellt, welches Frequenzen im Ultraschallbereich beinhaltet, insbesondere in dem Frequenzbereich von 20 kHz–3 MHz und noch bevorzugter zwischen 100 kHz und 300 kHz. Das Signal kann ein Schmalbandsignal sein, wobei die Steuereinheit so aufgebaut ist, dass sie innerhalb einer Zeitspanne die Signalfrequenz über einen breiteren Bereich abwandelt oder abtastet. Alternativ kann das Signal ein Breitbandsignal mit einem bekannten Spektrum sein. Das Signal wird durch einen Verstärker 32 verstärkt, der dem sendenden Wandler 30 ein verstärktes Signal zuführt.
Der empfangende Wandler 40 ist so aufgebaut, dass er ein reflektiertes oder gestreutes akustisches Signal auffängt, das durch den Identifizierungs-Chip 100 in dem Objekt 10 beeinflusst wird.
Das Signal von dem empfangenden Wandler 40 wird einem Verstärker 42 zugeführt, und das Ausgangssignal hiervon wird durch den Analog-Digital-Umsetzer 44 in ein digitales Signal konvertiert. Das digitale Signal wird der Aufzeichnungseinheit 46 zugeführt, die auch ein Steuersignal von der Steuereinheit 50 empfängt. Die Aufzeichnungseinheit umfasst einen Computer mit einem Programm, das bei der Anwendung Informationen in dem gesendeten akustischen Signal und dem empfangenen akustischen Signal vergleicht, und das durch Einrichten der Resonanzfrequenz eine Identifizierung ableitet, die zu dem Identifizierungs-Chip 100 gehört.
3B stellt eine alternative Ausführungsform des Systems dar, in der anstatt der getrennten sendenden Wandler 30 und empfangenden Wandler 40 ein kombinierter sendender und empfangender Wandler 36 eingesetzt wird, der so aufgebaut ist, dass er in verschiedenen Zeitspannen als Sender und Empfänger arbeitet. Der Wandler 36 ist mit einem Sende-/Empfangsschalter 38 verbunden, der eine Signal leitet, das von dem Verstärker 32 dem Wandler 36 zugeführt werden soll, während der Wandler als ein Sender verwendet wird, oder er leitet ein Signal, das von dem Wandler empfangen wird während er als Empfänger verwendet wird, zu dem Verstärker 42. In 3B ist außerdem ein Reflektor 12 an der gegenüberliegenden Seite des Objekts 10 vorhanden. Das bewirkt, dass das von dem Wandler 36 empfangene Signal zunächst bis zu dem Objekt, einschließlich Identifizierungs-Chip 100, gesendet und dann durch den Reflektor reflektiert wird. Das System kann auch ohne Reflektor 12 umgesetzt werden.
Weitere Kombinationen und Alternativen sind für das System möglich. Zum Beispiel kann, wie in 3A dargestellt, die Messanordnung mit einem üblichen Sende- und Empfangswandler 36 in der Messanlage ohne einen Reflektor verwendet werden. Basierend auf 3A besteht eine weitere Variante darin, einen Sende- und Empfangswandler auf gegenüberliegenden Seiten des Objekts anzuordnen. Um einen breiteren Gesamt-Frequenzbereich abzudecken, kann es auch sinnvoll sein, mehr als einen Sende- und/oder Empfangswandler mit verschiedenen Schnittfrequenzbereichen oder Mittenfrequenzen zu verwenden.
4A stellt eine Querschnittsansicht eines Identifizierungs-Chips dar, der für ein einfaches Einsetzen in einen Fisch angepasst ist.
Der Identifizierungs-Chip 1 umfasst einen akustischen Resonator 100 nach einer der oben beschriebenen Ausführungsformen. Der Resonator kann, wie oben beschrieben, auch eine Verkapselung umfassen.
Der Chip 1 umfasst ferner eine spitz zulaufende Umhüllung 200, die aus einem Werkstoff gefertigt ist, der in dem lebenden Organismus schmelzen, sich auflösen oder sich abbauen kann. Der Einsatz von Eis wird bevorzugt. Die Umhüllung 200 vereinfacht das Einsetzen des Identifizierungs-Chips in den Organismus.
4B stellt eine Querschnittsansicht einer Variante eines Identifizierungs-Chips dar, der für ein einfaches Einsetzen in einen Fisch angepasst ist.
Der Identifizierungs-Chip umfasst einen akustischen Resonator 100 nach einer der oben beschriebenen Ausführungsformen. Der Resonator kann, wie oben beschrieben, auch eine Verkapselung umfassen.
Der Chip 1 umfasst ferner einen nadelförmigen Erweiterungsabschnitt 202, der aus einem Werkstoff gefertigt ist, der in dem lebenden Organismus schmelzen, sich auflösen oder sich abbauen kann. Der Einsatz von Eis wird bevorzugt. Dieser nadelförmige Erweiterungsabschnitt 202 vereinfacht das Einsetzen des Identifizierungs-Chips in den Organismus.
5A–5D stellen Querschnittansichten von Bereichen eines Resonators in einem Identifizierungs-Chip nach der Erfindung dar, der mittels Oberflächen-Mikrobearbeitung hergestellt wird.
In jeder der Zeichnungen 5A–5D wird einer der verschiedenen Hohlräume in einem akustischen Resonator 100 in einem Identifizierungs-Chip für die Identifizierung eines Objekts, das sich in einer Flüssigkeit befindet, dargestellt. Der akustische Resonator 100 weist eine Anzahl von eindeutigen Resonanzfrequenzen auf, wobei die Kombination von Resonanzfrequenzen für den Identifizierungs-Chip einzigartig ist. Der Resonator 100 umfasst einen Hohlraum bildenden Abschnitt 110 und eine Membran 130. Die akustischen Resonanzfrequenzen werden durch mindestens einen Hohlraum 140 festgelegt, der von dem Hohlraum bildenden Abschnitt 110 und der Membran 130 umschlossen ist. Der Resonator 100 wird mittels Oberflächen-Mikrobearbeitung hergestellt.
Der Hohlraum bildenden Abschnitt 110 ist vorzugsweise ein Substrat aus Silizium, Glas kann jedoch eine alternative Möglichkeit sein. Die Fertigung basiert auf einem Si-Wafer, auf dem die gewünschten Strukturen ausgebildet werden, indem immer von derselben Seite des Wafers Beläge abgeschieden, gemustert und geätzt werden. Ein wichtiges Merkmal in diesen angewendeten Verfahren sind sogenannte Opferschichten, welche Schichten sind, die in die Struktur eingefügt werden, um es Deckschichten zu ermöglichen, später von der darunter liegenden Schicht gelöst zu werden, indem die Opferschicht weggeätzt wird. Die Opferschicht muss, von seinem Abscheiden bis zu dem Wegätzen, in der Lage sein, den Arbeitsgängen standzuhalten, die der Wafer durchmacht, z. B. der Wärme, die notwendig ist, um den folgenden Schichten die gewünschten Eigenschaften zu geben. Die Opferschicht muss auch durch Ätzen entfernt werden können, ohne dass andere Abschnitte des Wafers beschädigt werden. Zu diesen Zwecken besteht die Opferschicht normalerweise aus mehr oder weniger dotiertem Siliziumoxid oder alternativ aus einem Fotolack oder einem Metall.
Der Resonator 100 kann gefertigt werden, indem zunächst eine Opferschicht in Form eines Siliziumoxids auf einem flachen Si-Wafer abgeschieden wird. Alternativ kann ein Glas-Wafer verwendet werden. Die Opferschicht wird ferner in einer solchen Weise gemustert, dass sie die Form der gewünschten Hohlräume 140 annimmt. Um die Membran 130 auszubilden, muss dann ein Belag aufgebracht werden, der vorzugsweise aus polykristallinem Silizium (Polysilizium) oder aus Siliziumnitrid besteht. Die Opferschicht wird dann durch Ätzen entfernt. Das wird im Allgemeinen durchgeführt durch Ätzen eines Lochs oder vorzugsweise vieler kleiner Löcher in die Membran 130, durch die das Ätzmittel die Opferschicht erreichen kann. Diese Löcher müssen später abgedichtet werden, was durch das Aufbringen einer dickeren Schicht des Membranwerkstoffs geschehen kann, oder durch Anordnen der Öffnungen der Opferschicht außerhalb der eigentlichen Membranen in „Durchgängen" des Opferschicht-Werkstoffs außerhalb der eigentlichen Hohlräume. Die Löcher können dann abgedichtet werden, indem Werkstoff nur in der Nähe der Löcher aufgetragen wird, und indem die eigentliche Membran so belassen wird, wie es nach der anfänglichen Abscheidung war. Auf diese Weise wird es oft einfacher sein, die End-Membran-Stärke zu steuern.
5A stellt einen Hohlraum 140 in einem Resonator 100 dar, der mittels Oberflächen-Mikrobearbeitung hergestellt wird. Die Membran 130 weist einen erhabenen Abschnitt auf, während das Substrat 110 flach ist. Bei der Herstellung dieser Ausführungsform wird eine Opferschicht aus, z. B. Siliziumoxid, zunächst gleichmäßig über den gesamten Si-Wafer abgeschieden. Diese wird dann mittels Ätzen gemustert, mit dem Ergebnis, dass nur der Abschnitt der Opferschicht übrig bleibt, der dem gewünschten Hohlraum 140 entspricht. Das Ätzmittel greift das Wafer-Substrat nicht an, mit dem Ergebnis, dass das Substrat 110 nach dem Ätzprozess flach bleibt. Ein Membranbelag wird über den gesamten Wafer abgeschieden. Der Membranbelag öffnet sich dann zur Opferschicht hin, die Opferschicht wird heraus geätzt und das geätzte Loch wird abgedichtet.
5B stellt ebenfalls einen Hohlraum 140 in einem Resonator 100 dar, der mittels Oberflächen-Mikrobearbeitung hergestellt wird. Die Membran 130 weist einen erhabenen Abschnitt auf, während das Substrat 110 eine Aussparung in dem Bereich aufweist, der dafür vorgesehen ist, den Hohlraum 140 festzulegen. Diese Ausführungsform wird gefertigt, indem zunächst das Substrat 110 mit einem dünnen Siliziumnitrid-Belag bedeckt wird, der in dem Bereich entfernt wird, der dafür vorgesehen ist, den Hohlraum 140 festzulegen. Der Wafer wird dann mit Dampf erwärmt, mit dem Ergebnis, dass sich dort wo das Nitrid entfernt wurde eine Siliziumdioxid-Schicht entwickelt hat. Die Siliziumdioxid-Schicht bildet hierbei die Opferschicht. Das Si-Nitrid kann dann entfernt werden. Der eigentliche Membranbelag (z. B. Siliziumnitrid) wird dann über den gesamten Wafer abgeschieden. Er öffnet sich dann zur Opferschicht hin, diese wird heraus geätzt und die geätzten Löcher werden abgedichtet. Da die Oxidation des Si-Wafers ein wenig des Si-Werkstoffs verbraucht hat, sieht der Hohlraum 140 teilweise in den Si-Wafer eingesunken aus. Die Ausführungsform in 5B ist ähnlich wie die in 2D dargestellte Ausführungsform, aber in der Beschreibung von 2D ist der Substratwerkstoff als Glas festgelegt, und das kann den Bedarf einer „Silizium-Schmelz-Verbindung" bedingen, um eine Verbindung ausreichender Güte zwischen Substrat und Membran oder Belag zu erreichen.
5C stellt ebenfalls einen Hohlraum 140 in einem Resonator 100 dar, der mittels Oberflächen-Mikrobearbeitung hergestellt wird. Die Membran 130 weist einen erhabenen Abschnitt auf, während das Substrat 110 ebenfalls einen erhabenen Abschnitt aufweist, wenn auch ein unterer Abschnitt in dem Bereich dafür vorgesehen ist, den Hohlraum 140 festzulegen. Bei der Herstellung dieser Ausführungsform wird eine Opferschicht zunächst gleichmäßig über den gesamten Si-Wafer abgeschieden oder entwickelt. Diese wird dann durch Ätzen gemustert. Wenn eine Ätztechnik verwendet wird, die auch den Si-Wafer angreift, wird der End-Resonator etwas erhaben über die Oberfläche des Wafers aussehen. Der Membranbelag wird über den gesamten Wafer abgeschieden, worauf die Opferschicht, wie oben angegeben, heraus geätzt wird.
5D stellt ebenfalls einen Hohlraum 140 in einem Resonator 100 dar, der mittels Oberflächen-Mikrobearbeitung hergestellt wird. In derselben Weise wie bei den in 2A–2E dargestellten Ausführungsformen, ist hierbei die Membran 130 flach. Das Substrat 110 weist in dem Bereich, der den Hohlraum 140 festlegt, eine Aussparung auf. Um diese Struktur zu erreichen, wird der Membranbelag von einem zweiten Substrat übertragen. In diesem Fall muss zunächst eine Aussparung heraus geätzt werden, oder die Bereiche rund um die Aussparungen müssen angehäuft werden, und ein flacher Belag wird dann mit dem oberen Teil verbunden. Das wird in der Praxis bewerkstelligt, indem der Belag auf einem zweiten Sub strat ausgebildet wird, das dann mit dem Original-Wafer verbunden wird, wobei der Belag dem Wafer zugewandt ist Der Träger-Wafer für den Belag kann dann weg geätzt werden.
Für alle Ausführungsformen der Erfindung gilt, dass die Resonanzfrequenz von der Biegefestigkeit und der Elastizität in der Membran, der Größe und der Form der Membran, der Befestigung der Membran entlang des Umfangs und der Höhe h des Hohlraums unter der Membran beeinflusst wird, wenn dieser mit einem Druck p gasgefüllt ist, wobei h/p < 10 μm/atm ist. Wenn jedoch der Hohlraum entleert wird, wird die Höhe h nicht wichtig für die Resonanzfrequenz sein, vorausgesetzt die Höhe h ist groß genug (h > 1 μm), um zu gewährleisten, dass die Membran den Boden des Hohlraums während der Ansteuerung durch das Abfragesignal nicht berührt.
Es wird geschätzt, dass es viele Möglichkeiten für den Aufbau der Hohlräume an dem Identifizierungs-Chip gibt. Zum Beispiel können die Hohlräume in 1 er-, 2er-, 3er- oder 4er-Reihen angeordnet sein. In einer gestreckten oder stangenförmigen Ausführungsform, die für einen Chip für die Implantierung in einen Fisch bevorzugt wird, wird eine Einzelreihe geeignet sein.

Claims

Identifizierungs-Chip (1) zum Identifizieren eines Objektes (10), wobei der Chip einen akustischen Resonator (100) umfasst, der Resonator eine Anzahl separater Resonanzfrequenzen hat und die Kombination aus Resonanzfrequenzen einzigartig für den Identifizierungs-Chip ist, so dass der Identifizierungs-Chip identifiziert werden kann, indem der Chip einem akustischen Abfragesignal ausgesetzt wird, ein akustisches Antwortsignal gemessen wird und die Frequenz des Antwortsignals analysiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass: der Identifizierungs-Chip zum Identifizieren eines in einer Flüssigkeit befindlichen Objektes eingerichtet ist, der Resonator (100) einen hohlraumbildenden Teil (110, 120) und eine Membran (130) umfasst, und die akustischen Resonanzfrequenzen durch wenigstens einen Hohlraum (140) bestimmt werden, wobei der Hohlraum durch den hohlraumbildenden Teil (110, 120) und die Membran (130) umschlossen ist.
Identifizierungs-Chip nach Anspruch 1, wobei der hohlraumbildende Teil (110, 120) aus einem Substrat (110) mit einer oberen Fläche besteht, die wenigstens eine Vertiefung aufweist, und die untere Fläche der Membran (130) so an der oberen Fläche des Substrats angebracht ist, dass der wenigstens eine Hohlraum durch die wenigstens eine Vertiefung und die Membran (130) umschlossen wird.
Identifizierungs-Chip nach Anspruch 2, wobei die obere Fläche der Membran (130) an der unteren Fläche eines ätzbaren Wafers (150) angebracht ist, und der ätzbare Wafer (150) durchgehende Öffnungen umfasst, die mit der wenigstens einen Vertiefung in dem Substrat (110) zusammenfallen.
Identifizierungs-Chip nach Anspruch 1, wobei der hohlraumbildende Teil (110, 120) besteht aus: einem Substrat (110) mit einer oberen Fläche und einem ätzbaren Wafer (120) mit einer unteren Fläche, die an der oberen Fläche des Substrats (110) angebracht ist, wobei die obere Fläche des ätzbaren Wafers auch an der unteren Fläche der Membran (130) angebracht ist und der ätzbare Wafer (120) wenigstens eine durchgehende Öffnung zwischen der unteren und der oberen Fläche umfasst, so dass der wenigstens eine Hohlraum durch das Substrat, die wenigstens eine durchgehende Öffnung und die Membran umschlossen wird.
Identifizierungs-Chip nach Anspruch 4, wobei der ätzbare Wafer (120) eine durchgehende Öffnung zwischen der unteren und der oberen Fläche hat, so dass der Chip einen Hohlraum umfasst, und die verschiedenen Resonanzfrequenzen daraus resultieren, dass die untere Fläche der Membran-Bereiche umfasst, die mit ätzbarem Material (122) bedeckt sind.
Identifizierungs-Chip nach einem der Ansprüche 1–5, der eine Vielzahl von Hohlräumen unterschiedlicher Größe umfasst, so dass der Identifizierungs-Chip eine Vielzahl verschiedener Resonanzfrequenzen aufweist.
Identifizierungs-Chip nach einem der Ansprüche 1–6, wobei das Substrat aus einem Wafer aus Glas besteht, der ätzbare Wafer aus Silizium besteht und die Membran aus Siliziumnitrid besteht.
Identifizierungs-Chip nach einem der Ansprüche 1–7 zum Implantieren in einen lebenden Organismus, wie beispielsweise einen Fisch, wobei der Chip des Weiteren einen zäpfchenförmigen Erweiterungsteil (202) oder einen spitzen Mantel (200) umfasst, der aus einem Material besteht, das in dem lebenden Organismus aufgelöst oder abgebaut werden kann, wobei der Erweiterungsteil bzw. Mantel die Implantation des Identifizierungs-Chips erleichtert.
Identifizierungs-Chip nach Anspruch 8, wobei der Erweiterungsteil oder der Mantel aus Eis besteht.
Identifizierungs-Chip nach einem der Ansprüche 1–9, wobei der Resonator mittels Oberflächen-Mikrobearbeitung hergestellt wird.
Identifizierungs-Chip nach Anspruch 10, wobei der hohlraumbildende Teil (110, 120) aus einem im Wesentlichen flachen Substrat (110) besteht und wobei die Membran (130) wenigstens einen erhabenen Bereich aufweist und die untere Fläche der Membran (130) an der oberen Fläche des Substrats angebracht ist, so dass der wenigstens eine Hohlraum durch das Substrat und den erhabenen Bereich der Membran (130) umschlossen wird.
Identifizierungs-Chip nach Anspruch 11, wobei das im Wesentlichen flache Substrat (110) flach ist.
Identifizierungs-Chip nach Anspruch 11, wobei das im Wesentlichen flache Substrat (110) in dem Bereich, der dem Hohlraum (140) entspricht, abgesenkt oder erhaben ist.
Identifizierungs-Chip nach einem der Ansprüche 1–13, wobei die akustischen Resonanzfrequenzen von Eigenschaften der Membran, insbesondere Biegefestigkeit, Elastizität, Größe und Form der Membran abhängen.
Verfahren zum Markieren und Identifizieren eines in einer Flüssigkeit befindlichen Objektes, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst: Ausrüsten des Objektes mit einem Identifizierungs-Chip, wie er in einem der Ansprüche 1–9 dargestellt ist, Einwirken auf das Objekt und damit den Identifizierungs-Chip mit einem akustischen Abfragesignal, Messen eines akustischen Antwortsignals, Analysieren der Frequenz des Antwortsignals, und Identifizieren des Identifizierungs-Chips und damit des Objektes auf Basis der Analyse.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Objekt ein lebender Organismus, wie beispielsweise ein Fisch, ist und wobei der Schritt des Ausrüstens des Objektes mit einem Identifizierungs-Chip das Einführen des Identifizierungs-Chips in den Organismus einschließt.
System zum Markieren und Identifizieren eines in einer Flüssigkeit befindlichen Objektes, das umfasst: einen Identifizierungs-Chip, wie er in einem der Ansprüche 1–9 dargestellt ist, eine Markierungsvorrichtung, die zum Ausrüsten des Objektes mit dem Chip eingerichtet ist, eine akustische Sendevorrichtung (30, 36), mit der das Objekt und damit der Identifizierungs-Chip einem akustischen Abfragesignal ausgesetzt wird, eine Messvorrichtung zum Messen eines akustischen Antwortsignals, einen Computer (50), der so eingerichtet ist, dass er die Frequenz des Antwortsignals misst und analysiert, und auf Basis der Analyse den Identifizierungs-Chip und damit das Objekt identifiziert.
System nach Anspruch 17, wobei das Objekt ein lebender Organismus, wie beispielsweise ein Fisch, ist und wobei die Markierungsvorrichtung zum Einführen des Identifizierungs-Chips in den Organismus eingerichtet ist.