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Fachgebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine flexible Struktur, die ein integriertes
Sensor/Stellgliedelement oder Elemente aufweist. Die integrierten
Sensor/Stellgliedelemente sind elektrisch zugänglich und zumindest teilweise
in einem flexiblen und elektrisch isolierenden Körper verkapselt, so daß die flexible
Struktur z.B. in einer elektrisch leitenden Umgebung betreibbar
ist.
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Hintergrund der Erfindung
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Die
Verwendung von z.B. SU-8-basierten (Glycidylether von Bisphenol-A-)
Polymeren auf dem Gebiet der MEMS (Mikroelektromechanisches System)
hat in den letzten paar Jahren exponentiell zugenommen. SU-8-basierte
Polymere sind auf dem Fachgebiet als ein Epoxid-basiertes lichtempfindliches
Polymer bekannt, das als ein negativer Fotolack verwendet werden
kann. SU-8-basierte Fotolacke sind für Belichtungen mit Licht im
nahen UV-Bereich – typischerweise
im Wellenlängenbereich
von 365 nm bis 436 nm – empfindlich. Die
Tatsache, daß SU-8-basierte
Polymere ausgesprochen chemisch widerstandsfähig und wärmebeständig sind, macht es möglich, diese
Gruppe von Polymeren als eine Materialkomponente zu verwenden. Aufgrund ihrer
Fähigkeit,
Schichten mit Dicken zwischen 1 μm
und 1mm mit hohen Längenverhältnissen
(> 20) zu definieren,
sind SU-8-basierte Polymere für
die Herstellung passiver Bauteile eine beliebte und billige Alternative zu
Silizium. Derartige Bauteile umfassen Mikrokanäle, Mikroformen zum Galvanisieren
oder Vorlagen zum Heißprägen. Passive
SU-8-basierte Atomkraftmikroskopie- (AFM = atomic force microscopy)
Cantilever bzw. Ausleger wurden ebenfalls gezeigt.
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WO
00/66266 offenbart siliziumbasierte Mikrocantilever-, Mikrobrücken- oder
Mikromembransensoren mit einer Piezowiderstand-Ausgabe, um einen
integrierten Anzeigemechanismus zu bilden. Derartige Mikrocantilever-,
Mikrobrücken- oder Mikromembransensoren
sind für
die Verwendung in Mikroflüssigkeit-Handhabungssystemen
geeignet, um ein integriertes Detektionsschema für die Überwachung physikalischer,
chemischer und biologischer Eigenschaften von Flüssigkeiten, die in derartigen
Systemen gehandhabt werden, bereitzustellen.
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Da
Silizium 1) ein überlegenes
mechanisches Verhalten zeigt und 2) einen sehr hohen piezoelektrischen
Koeffizienten hat, war Silizium das naheliegende Material, wenn
Sensoren mit integrierter Ausgabe konzipiert und hergestellt werden
sollten.
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Falls
siliziumbasierte Sensoren mit integrierter Ausgabe in einer leitenden
flüssigen
Umgebung – wie etwa
in Mikroflüssigkeit-Handhabungssystemen,
betrieben werden sollen, ist jedoch die Einkapselung der elektronischen
Schaltung, welche die integrierte Ausgabe bildet, erforderlich – andernfalls
wird die elektronische Schaltung kurzgeschlossen, was bewirkt, daß die integrierte
Ausgabe und dadurch der Betrieb des Sensors als Ganzes fehlschlägt.
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Außerdem ist
die Herstellung von siliziumbasierten Sensoren aufgrund der umfangreichen
Prozeßabfolge,
die zur Herstellung derartiger Sensoren erforderlich ist, ziemlich
kompliziert. Eine Folge der umfangreichen Prozeßabfolge spiegelt sich direkt
in den Herstellungskosten wider, was bewirkt, daß die Herstellung siliziumbasierter
Sensoren sehr teuer ist.
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US-A-6087
638 offenbart ein thermisches Stellglied, das ein inneres leitendes
Material aufweist, das in einem nichtleitenden ausdehnungsfähigen Material,
wie etwa Polytetrafluorethylen (PTFE) – siehe Spalte 2, Zeile 24 – eingekapselt
ist. Bevorzugt ist das leitende Material als ein gewelltes Kupferheizelement
(siehe Spalte 2, Zeilen 23–24)
ausgebildet, um die Wärmeübertragungsrate
an das nichtlei tende ausdehnungsfähige Material, welches das
Kupferheizelement einkapselt, zu erhöhen. Das thermische Stellglied
von US-A-6 087 638 wird bevorzugt in Tintenstrahldruckern angewendet,
wo Tinte durch Düsen
gespritzt wird, wenn das thermische Stellglied betätigt wird.
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Es
ist offensichtlich, daß es
das nichtleitende ausdehnungsfähige
Material ist, das bewirkt, daß das Stellglied
von US-A-6 087 638 deformiert/gebogen wird. Diese Deformation/Biegung
wird erzeugt, indem das nichtleitende Material über das thermische Stellglied
Wärme ausgesetzt
wird, welche bewirkt, daß das
nichtleitende Material sich ausdehnt, wodurch das Stellglied als
Ganzes betätigt
wird.
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Die
Tatsache, daß es
Wärme ist,
die bewirkt, daß das
Stellglied von US-A-6 087 638 sich biegt, erfordert, daß dem Stellglied
eine erhebliche Menge an Leistung zugeführt wird. Falls das Stellglied
ferner sogar im Fall des Stellglieds von US-A-6 087 638 in Mikrofluid-Handhabungssystemen
angewendet werden soll, kann das Erwärmen des Stellglieds bewirken,
daß sich
die Temperatur der umgebenen Flüssigkeit
erhöht,
was in manchen Situationen nachteilig wäre. In einem ungünstigsten
Szenario könnte
die erhöhte
Temperatur eine chemische Reaktion in der Flüssigkeit auslösen.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung für die weiter
oben erwähnten
Nachteile herkömmlicher
Systeme bereitzustellen. Folglich ist es eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung einen Sensor-/Stellgliedaufbau zur Verfügung zu
stellen, der eine Einkapselung und einen elektrisch isolierenden
Körper aufweist,
so daß der
Sensor/das Stellglied ohne die Verwendung einer getrennten Einkapselungsschicht
zum Vermeiden eines Kurzschlusses elektronischer Bauteile, welche
die integrierte Anzeige/das integrierte Stellglied bilden, direkt
in eine leitende Flüssigkeitsumgebung
eingetaucht werden kann. Ein Vorteil eines derartigen Sensors/Stellglieds
ist, daß er/es
ohne Verwendung der bereits erwähnten
Einkapselungsschicht in leitenden Flüssigkeitsumgebungen verwendet
werden kann.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Sensor/ein
Stellglied mit integrierter Anzeige/Stellglied zur Verfügung zu
stellen, der/das im Vergleich zu herkömmlichen Systemen billiger
und einfacher herzustellen ist.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
weiter oben erwähnten
Aufgaben werden gelöst,
indem nach einem ersten Aspekt ein Chip nach Anspruch 1 zur Verfügung gestellt
wird, der einen Mikrocantilever (Mikroausleger oder Mikrospitze)
zum Abtasten von Deformationen oder zum Durchführen der Stellbewegung aufweist.
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Wie
durch Anspruch 1 spezifiziert, hat der in dem Mikrocantilever ausgebildete
Widerstand eine mäanderartige
Struktur, die längere
erste Abschnitte aufweist, welche durch kürzere zweite Abschnitte verbunden sind.
Die Abschnitte sind derart angeordnet, daß die längeren ersten Abschnitte sich
in einer Richtung senkrecht zu dem Befestigungsabschnitt parallel
zu der Länge
der Rechteckform des Mikrocantilevers erstrecken. Diese räumliche
Anordnung (die in der in 3 gezeigten Fotographie zu sehen
ist) verbessert die Biegungsempfindlichkeit und die Stellgliedantwort.
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Der
Mikrocantilever kann eine rechteckige Form haben. Typische Abmessungen
eines derartigen Mikrocantilevers können sein:. Breite: 50–150 μm, Länge: etwa
200 μm und
Dicke 1–10 μm.
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Eine
erste und zweite Polymerschicht können den flexiblen polymerbasierten
Körper
bilden, wobei die integrierte Abtasteinrichtung in die erste und/oder
die zweite Polymerschicht eingebettet ist.
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Die
integrierte Widerstandseinrichtung (Abtastelement oder Elemente)
kann ein Widerstand sein, der durch eine leitende Schicht, zum Beispiel
eine Metallschicht, wie etwa eine Goldschicht, gebildet wird. Der
Widerstand des Widerstands hängt
von Deformationen der flexiblen Struktur ab, wodurch Deformationen
der flexiblen Struktur erfaßt
werden können.
Alternativ kann die leitende Schicht ein Halbleitermaterial, wie
etwa Silizium, aufweisen. Im Falle von Silizium ist der Widerstand
ein sogenannter Piezowiderstand, der unter Verwendung von Sputtern
in den polymerbasierten Körper
integriert werden kann.
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Ein
SU-8 basiertes Polymer kann den flexiblen polymerbasierten Körper bilden.
Andere geeignete Gruppen lichtempfindlicher Polymere sind Polyimid
und BCB Cyclotene-Polymere. Falls der polymerbasierte Körper aus
zwei Polymerschichten gebildet wird, können diese Schichten beide
SU-8-, wie etwa XP SU-8-, basiert, Polyimide oder BCB Cyclotene-Polymere oder jede
Kombination davon sein.
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Im
folgenden wird die vorliegende Erfindung nur unter Bezug auf SU-8-basierte
Polymere im Detail beschrieben. Dies sollte jedoch nicht als eine
Einschränkung
im Hinblick auf die Auswahl des Polymermaterials gesehen werden – Polyimid
und BCB Cyclotene-Polymere könnten
ebenfalls verwendet werden.
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Wie
bereits erwähnt,
sind SU-8-basierte Polymere auf dem Fachgebiet als ein epoxidbasierter
negativer Fotolack bekannt, der empfindlich für die Belichtung mit Licht
im nahen UV-Bereich (typischerweise im Bereich 365 nm–436 nm)
ist. SU-8-basierte Polymere zeichnen sich durch chemische und thermische
Stabilität aus,
was sie für
die Zwecke der Vorrichtung attraktiv macht.
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Der
im wesentlichen steife Abschnitt kann der Teil eines Mikrocantilevers
sein, der von einem Substrat gehalten wird. Ebenso wie die Mikrocantilever
kann der im wesentlichen steife Körper durch eine erste und eine
zweite Polymerschicht gebildet werden. Der integrierte elektrische
Leiter kann zumindest teilweise in die erste und/oder zweite Polymerschicht
eingebettet sein. Diese Polymerschichten können SU-8-basierte Polymerschichten,
wie etwa XP SU-8-Polymerschichten sein.
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Der
integrierte Leiter kann durch eine Metallschicht, zum Beispiel eine
Goldschicht, gebildet werden. Alternativ kann der integrierte elektrische
Leiter ein Halb leitermaterial, zum Beispiel gesputtertes Silizium,
aufweisen. Der Chip kann ferner mindestens drei Widerstände aufweisen,
wobei die mindestens drei Widerstände einen Teil des im wesentlichen
steifen Abschnitts des Chips bilden. Die mindestens drei Widerstände können in
die erste und/oder zweite Polymerschicht des im wesentlichen steifen
Teils eingebettet sein. In einer bevorzugten Ausführungsform
weist der Chip drei Widerstände
auf.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft auch einen Chip, der zwei oder mehr
Mikrocantilever gemäß des ersten
Aspekts aufweist, wobei der Chip ferner zusätzliche Widerstände auf
einem im wesentlichen steifen Abschnitt des Chips aufweist.
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In
einer Ausführungsform
weist der Chip zwei Mikrocantilever gemäß des ersten Aspekts auf, wobei der
Chip ferner einen im wesentlichen steifen Abschnitt aufweist, der
integrierte elektrische Leiter aufweist, die jeweils zumindest teilweise
in einen elektrisch isolierenden Körper eingekapselt sind, wobei
eine Anzahl der integrierten elektrischen Leiter mit der integrierten
Abtasteinrichtung verbunden ist und über Kontaktanschlüsse auf
einem äußeren Oberflächenteil
des im wesentlichen steifen Abschnitts elektrisch zugänglich ist.
Der Chip kann ferner zwei Widerstände aufweisen, wobei die zwei
Widerstände
einen Teil des im wesentlichen steifen Abschnitts des Chips bilden.
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Der
im wesentlichen steife Abschnitt kann eine erste und eine zweite
Polymerschicht aufweisen, wobei die integrierten elektrischen Leiter
und die zwei Widerstände
zumindest teilweise in die erste und die zweite Polymerschicht des
im wesentlichen steifen Abschnitts des Chips eingebettet sind.
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Vorzugsweise
sind diese vier Widerstände
derart verbunden, daß sie
gemeinsam eine Wheatstone-Brücke
bilden.
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Das
Substrat kann ein Polymersubstrat, wie etwa ein SU-8-basiertes Polymersubstrat
sein, oder alternativ kann das Substrat z.B. ein Halbleitermaterial-,
ein Metall-, Glas- oder ein Kunststoffsubstrat sein. Ein geeignetes
Halbleitermaterial ist Silizium.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Sensor zum Messen des
Vorhandenseins einer Substanz in einem Fluid: Ein derartiger Sensor
kann einen Chip gemäß des ersten
Aspekts aufweisen. Ein derartiger Sensor könnte ein Mikrocantilever-Sensor
mit einer integrierten Ausgabe sein. Ein geschlossenes Mikroflüssigkeit-Handhabungssystem
ermöglicht,
daß laminare
Strömungen
verschiedener Flüssigkeiten
in dem Kanal fließen,
ohne sich zu vermischen, was neue Arten von Experimenten erschließt und was
die Flüssigkeitsbewegung
betreffende Störungen
verringert. Benachbarte oder sehr dicht beabstandete Mikrocantilever, Mikrobrücken oder
Mikromembranen können
gleichzeitig verschiedenen chemischen Umgebungen ausgesetzt werden,
indem:
- – der
Fluidstrom vertikal in dem Mikrokanal in zwei oder mehr Ströme geschichtet
wird, so daß Mikrocantilever
oder Mikromembranen auf entgegengesetzten Seiten des Mikrokanals
in verschiedene Fluide eingetaucht werden, so daß ein Mikrocantilever, eine
Mikrobrücke
oder Mikromembran zwei verschiedenen Fluiden ausgesetzt wird.
- – der
Fluidstrom in dem Mikrokanal horizontal geschichtet wird, so daß Mikrocantilever
oder Mikrobrücken, die
in verschiedenen Ebenen in den Mikrokanal vertieft sind, oder auf
der Ober- und Unterseite des Kanals angeordnete Mikromembranen verschiedenen
Fluiden ausgesetzt werden.
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Auf
diese Weise können Änderungen
der viskosen Bremswirkung, der Oberflächenspannung, der Temperatur
oder der Resonanzeigenschaften benachbarter oder dicht beabstandeter
Mikrocantilever, Mikrobrücken
oder Mikromembranen, die durch ihre verschiedenen Fluidumgebungen
induziert werden, verglichen werden.
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Benachbarte
oder sehr dicht beabstandete Mikrocantilever, Mikrobrücken oder
Mikromembranen können
mit verschiedenen chemischen oder biologischen Substanzen beschichtet
werden, um angrenzende oder benachbarte Mikrocantilever, Mikrobrücken oder
Mikromembranen in verschiedene Flüssigkeiten einzutauchen.
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In
Sensoren auf Basis von Mikrocantilevern kann das Flüssigkeitsvolumen
minimiert werden, um die Verwendung von Chemikalien zu verringern
und um ein System zu erhalten, das thermisch leicht zu stabilisieren
ist.
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Nach
dem ersten Aspekt kann die vorliegende Erfindung ein Stellglied
betreffen, das eine integrierte Stellgliedeinrichtung aufweist,
welche elektrisch zugänglich
ist und zumindest teilweise in einen flexiblen und elektrisch isolierenden
Körper
eingekapselt ist, wobei die integrierte Stellgliedeinrichtung geeignet
ist, sich nach dem elektrischen Ansteuern der integrierten Stellgliedeinrichtung
zu deformieren, wodurch entsprechend den Deformationen der integrierten
Stellgliedeinrichtung Deformationen der flexiblen Struktur induziert
werden.
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Die
integrierte Stellgliedeinrichtung (Stellgliedelement oder Elemente)
kann mindestens eine Metallschicht aufweisen. Der flexible und elektrisch
isolierende Körper
ist ein polymerbasierter Körper,
der zum Beispiel durch ein SU-8-basiertes Polymer gebildet wird.
In einer Ausführungsform
können
zwei verschiedene Metallschichten ein wenig erwärmt werden, wodurch die Stellbewegung
aufgrund verschiedener Wärmeausdehnungen
der zwei Metallschichten über
die bimorphe Wirkung erreicht werden kann.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Chip, der ein Stellglied
gemäß des ersten
Aspekts aufweist, der ferner ein polymerbasiertes Substrat aufweist,
welches den im wesentlichen steifen Abschnitt des Chips hält. Das
Substrat kann aus einem lichtempfindlichen Polymer, wie etwa einem
SU-8-basierten Polymer, gebildet werden. Alternativ kann das Substrat
ein siliziumbasiertes Substrat sein, welches den im wesentlichen steifen
Abschnitt des Chips hält.
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Nach
einem zweiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren
zur Herstellung eines Chips gemäß Anspruch
20.
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Vorzugsweise
ist der mindestens eine Leiter auf dem ersten Bereich mit mindestens
einem Widerstand auf dem zweiten Bereich verbunden.
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Die
elektrisch isolierenden Schichten können Polymerschichten, zum
Beispiel SU-8-basierte Polymerschichten, sein. Die leitenden Schichten
können
Metallschichten, zum Beispiel Goldschichten, sein.
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Die
dritte Schicht kann eine polymerbasierte Schicht, wie etwa eine
SU-8-basierte Schicht sein. Alternativ kann die dritte Schicht eine
siliziumbasierte Schicht sein. Das Verfahren kann ferner die folgenden
Schritte aufweisen:
- – Bereitstellen einer Schutzschicht
auf einer Siliziumscheibe, auf der die erste elektrisch isolierende
Schicht bereitgestellt wird, und
- – Entfernen
der Siliziumscheibe, nachdem die dritte Schicht bereitgestellt und
mit Muster versehen wurde.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Die
vorliegende Erfindung wird nun unter Bezug auf die beigefügten Figuren
detaillierter beschrieben, wobei
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1 eine
Prozeßabfolge
für die
Herstellung eines polymerbasierten Cantilevers, hier eines SU-8-basierten
Polymerkörpers,
zeigt,
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2 ein
Beispiel für
einen vollständigen
Chipentwurf zeigt,
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3 optische
Aufnahmen von Cantilevern mit integriertem mäanderartigem Widerstand zeigt,
und
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4 die
relative Widerstandsänderung
als eine Funktion der Cantilever-Biegung zeigt.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Wie
bereits erwähnt,
kann die flexible Struktur der bewegliche Teil eines Cantilever-Balkens,
der bewegliche Teil einer Mikrobrücke oder der bewegliche Teil
einer Membran sein. Eine detaillierte Beschreibung der vorliegenden
Erfindung wird nun unter Bezug auf eine polymerbasierte Cantilever-artige
Struktur bereitgestellt. Dieses erläuternde Beispiel sollte jedoch
nicht als eine Einschränkung
der vor liegenden Erfindung auf polymerbasierte Cantilever-artige
Strukturen betrachtet werden.
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Im
folgenden wird die Empfindlichkeit eines SU-8-basierten Cantilevers
mit integrierter Piezowiderstand-Ausgabe mit der Empfindlichkeit
eines herkömmlichen
Piezowiderstand-Silizium-Cantilevers
verglichen. In diesem Vergleich wird die Oberflächenspannungsempfindlichkeit
für die
zwei verschiedenen Sensoren verglichen.
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Wenn
Moleküle
sich mit einer Oberfläche
eines Cantilevers verbinden, ändert
sich die Oberflächenspannung σ
s aufgrund
von molekularen Wechselwirkungen. Diese Spannungsänderung
kann dann von dem integrierten Piezowiderstand erfaßt werden.
Ein einfacher Ausdruck für
die Empfindlichkeit kann erhalten werden, indem angenommen wird,
daß der
Cantilever aus nur einem Material besteht und auf dem Cantilever
ein unendlich dünner
Widerstand angeordnet ist. Die relative Widerstandsänderung
kann dann bestimmt werden als:
wobei K der Eichfaktor, E
der Youngsche Modul und h die Dicke des Cantilevers ist.
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Vorzugsweise
wird eine dünne
Goldschicht als der Piezowiderstand verwendet. Gold hat im Vergleich zu
Silizium (KSi = 140) einen niedrigen Eichfaktor
(KAu = 2) und wird daher als piezoelektrisches
Sensormaterial dem Silizium unterlegen betrachtet.
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Aus
der Gleichung erkennt man, daß bei
gleicher Dicke das K/E tatsächlich
die Spannungsempfindlichkeit des Cantilevers bestimmt. Da SU-8-basierte
Polymere einen Youngsches Modul von 5 GPa haben und Silizium einen
Youngschen Modul von 180 GPa hat, werden die Verhältnisse
(K/E)Si = 0,8 GPa–1 und
(K/E)SU-8/Au = 0,4 GPa–1,
was nur ein Empfindlichkeitsfaktor von 2 zugunsten von Silizium
ist. Die Empfindlichkeit eines SU-8-basierten piezoelektrischen
Cantilever-Materials
kann weiter erhöht
werden, indem ein Piezowiderstand-Material mit einem sogar noch
höheren
Eichfaktor inte griert wird. Zum Beispiel ist es möglich, einen
gesputterten Siliziumpiezowiderstand mit einem Eichfaktor von etwa
20 zu integrieren. Um den Youngschen Modul für SU-8 in der K/E-Beziehung
zu verwenden, sollte die Steifheit des Piezowiderstands im Vergleich
zu dem SU-8-Cantilever vernachlässigbar
sein. Dies kann erreicht werden, indem die Dicke des polykristallinen
Siliziumwiderstands verringert wird, was die Störungen erheblich verringert
und dadurch das Signal-Rausch-Verhältnis verringert.
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Bevorzugt
wird ein SU-8-basierter Cantilever mit integrierter Piezowiderstand-Ausgabe
auf einem Siliziumsubstrat hergestellt. Das Substrat wird nur verwendet,
um in der Lage zu sein, die Chips während der Verarbeitung zu handhaben.
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Zuerst
wird, wie in 1a gezeigt, eine Cr/Au/Cr-Schicht auf der Siliziumscheibe
abgeschieden. Diese Cr/Au/Cr-Schicht wird als eine sehr beständige Ätzschutzschicht
verwendet. Eine erste Schicht aus SU-8 wird dann vorzugsweise durch
Schleudern auf der Scheibe bereitgestellt und als eine obere Cantilever-Schicht
mit Muster versehen – siehe 1b. Die Dicke dieser Schicht ist typischerweise
im Bereich einiger Mikrometer, zum Beispiel im Bereich 1–5 μm. In 1b ist die Dicke der ersten Schicht 1,8 μm.
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Dann
wird auf der Oberseite der mit Muster versehenen dünnen SU-8-Schicht
eine Goldschicht mit einer Dicke von etwa 1 μm abgeschieden. Ein Leiter wird
mittels normalem Fotolack/Fotolithographie auf die SU-8-Schicht übertragen.
Dieser Leiter wird durch Ätzen
definiert – siehe 1c.
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In 1d wird eine weitere Goldschicht mit einer
Dicke von etwa 400 A abgeschieden, und nach dem gleichen Verfahren,
wie in Verbindung mit 1c beschrieben,
wird ein Widerstand definiert.
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Der
Leiter und der Widerstand werden in SU-8 eingekapselt, indem eine
zweite SU-8-Schicht abgeschieden und mit Muster versehen wird. Diese
zweite Polymerschicht bildet den unteren Teil des Cantilevers – siehe 1e. Vorzugsweise liegt die Dicke dieser
zweiten Schicht in dem Bereich 3–10 μm. In 1e ist
die Dicke der zweiten Schicht 5,8 μm.
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Schließlich wird
eine SU-8-basierte Polymerschicht (etwa 350 μm dick) auf die zweite SU-8-Schicht geschleudert
und als das Chip-Substrat mit Muster versehen (1f).
Der Chip wird schließlich
durch Ätzen von
der Schutzschicht getrennt – siehe 1g.
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2 zeigt
einen SU-8-basierten Cantilever-Chipentwurf, der zwei SU-8-Cantilever
aufweist. Wie zu sehen ist, besteht der Chip aus zwei Cantilevern
mit integrierten Goldwiderständen
und zwei Goldwiderständen
auf dem Substrat. Die vier Widerstände sind über Golddrähte in einer derartigen Weise
verbunden, daß sie
zusammen eine Wheatstone-Brücke
bilden. Die Knoten der Wheatstone-Brücke sind über die gezeigten Kontaktflecken
zugänglich.
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Der
Vorteil des in
2 gezeigten Entwurfs ist, daß einer
der Cantilever als ein Meß-Cantilever
verwendet werden kann, während
der andere Cantilever als ein Gleichtaktunterdrückungsfilter verwendet werden kann.
Typische Parameter der in
2 gezeigten
Cantilever sind wie folgt: Tabelle
1: Typische Konstruktionsparameter:
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In 3 sind
optische Aufnahmen eines hergestellten Chips gezeigt. In 3a sind beide Cantilever zu sehen. 3b zeigt eine Nahaufnahme eines der Cantilever.
Die mäanderartige
Widerstandstruktur ist in dem Bild deutlich zu sehen.
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Die
Biegungsempfindlichkeit der piezoelektrischen SU-8-Cantilever wurde
gemessen, indem die relative Wider standsänderung als eine Funktion der
Cantilever-Biegung beobachtet wurde – das Ergebnis ist in 4 gezeigt.
Es ist zu sehen, daß aus
der Messung eine Gerade erhalten werden kann, was anzeigt, daß die Deformation
rein elastisch ist.
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Aus
4 kann
die Biegungsempfindlichkeit aus der Steigung der Geraden zu ΔR / R /z
= 0,3ppm/nm bestimmt werden, was einen Eichfaktor von K = 4 ergibt.
Die minimale erfaßbare
Biegung oder die minimale erfaßbare
Oberflächenspannung
ist durch das Rauschen in dem System gegeben. Da das Schwingungsrauschen
in dem weiter oben erwähnten
Widerstandsaufbau beträchtlich
geringer als die elektrischen Rauschquellen ist, können nur
Widerstandsrauschen und das 1/f-Rauschen berücksichtigt werden. Das Rauschen wurde
für verschiedene
Eingangsspannungen als eine Funktion der Frequenz gemessen. Es wurde
beobachtet, daß das
1/f-Rauschen mit einer Grenzfrequenz von etwa 10 Hz für eine Wheatstone-Brückenversorgungsspannung
von 4,5 V sehr niedrig war. Tabelle
2: Leistung des SU-8-basierten piezoelektrischen Cantilevers im
Vergleich zu einem piezoelektrischen Silizium-Cantilever
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Aus
den obigen Messungen ist es möglich,
die Leistung des SU-8-basierten piezoelektrischen Cantilevers zusammenzufassen – Tabelle
2.
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Hinsichtlich
der Biegungsempfindlichkeit, der minimalen erfaßbaren Biegung, der Oberflächenspannungsempfindlichkeit
und der minimalen erfaßbaren
Oberflächenspannung
wird die Leistungsfähigkeit
mit einem optimierten Piezowiderstand-Silizium-Cantilever verglichen.
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Es
ist aus Tabelle 2 zu erkennen, daß für den Silizium-Cantilever die
minimale erfaßbare
Biegung 10 mal besser ist, aber bezüglich der minimalen erfaßbaren Oberflächenspannung
nur 5 mal besser ist. Auf diese Weise kann der SU-8-basierte piezoelektrische
Cantilever z.B. als ein biochemischer Oberflächenspannungssensor verwendet
werden, da die Änderung
der Oberflächenspannung
aufgrund von molekularen Wechselwirkungen auf einer Cantilever-Oberfläche normalerweise
in der Größenordnung
10–3 – 1 N/m
ist.
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Die
Verringerung der Dicke des Cantilevers kann die Oberflächenspannungsleistung
sogar weiter erhöhen.
Wie aus der vorher gezeigten Gleichung zu sehen, ist die Empfindlichkeit
umgekehrt proportional zu der Dicke. Mit der gegebenen Technologie
ist es möglich,
die Cantilever-Dicke um einen Faktor 2 zu verringern und dadurch
die minimale erfaßbare
Oberflächenspannung
um einen Faktor 2 zu verringern.
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Während die
vorliegende Erfindung unter Bezug auf eine bestimmte Ausführungsform,
Mikrocantilever, beschrieben wurde, erkennen Fachleute auf dem Gebiet,
daß viele Änderungen
daran vorgenommen werden können,
ohne vom Geist und Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Derartige Änderungen
könnten
die Anwendung des Konzepts der vorliegenden Erfindung auf Mikrobrücken, Mikromembranen oder
Membranen oder ähnliche
mikromechanische Strukturen sein.
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Zum
Beispiel kann das Prinzip der Einkapselung eines dünnen Goldwiderstands
in eine nachgiebige SU-8-Struktur auch für verschiedene Arten von Sensoren,
wie etwa spannungsempfindliche Mikrobrücken oder spannungsempfindliche
Membranen, verwendet werden, die zum Beispiel als Drucksensoren
oder Biosensoren, wie zum Beispiel Mikroflüssigkeit-Handhabungssysteme, verwendet werden.
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In
Biosensoren sind die Messungen der Eigenschaften von Fluiden – insbesondere
von Flüssigkeiten – die in
mikroskopischen Kanälen
fließen,
von Bedeutung. In derartigen Sensoren wären unter Verwendung der vorliegenden
Erfindung die folgenden Eigenschaften erfaßbar:
- 1)
physikalische Eigenschaften, wie etwa Durchflußviskosität und lokale Temperatur
- 2) chemische Eigenschaften, wie etwa pH-Wert und chemische Zusammensetzung
- 3) biologische Eigenschaften, wie etwa die Identifizierung organischer
Bestandteile in Fluiden, einschließlich von DNA-Fragmenten, Proteinen
und ganzen biologischen Zellen
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Mikroflüssigkeit-Handhabungssysteme
bestehen typischerweise aus engen Kanälen mit einer Breite in der
Größenordnung
von 100 Mikrometern und einer Tiefe von 100 Mikrometern, welche
unter Verwendung von Abbildungstechniken auf der Basis von maschineller
Mikrobearbeitung in die Oberfläche
einer dünnen Scheibe
aus einem Material, wie etwa Silizium, Glas, Kunststoff oder Polymeren,
eingraviert oder eingeprägt werden.
Die Oberfläche,
welche die Kanäle
enthält,
wird gewöhnlich
an eine andere Oberfläche
geklebt, um die Kanäle
zu verschließen.
Fluide, die durch die sich ergebenden Kanäle gepumpt werden, fließen typischerweise
in einer vollständig
laminaren Weise. Als ein Ergebnis können mehrere verschiedene Fluide
in schichtweisen Strömen
durch derartige Mikrosysteme fließen, ohne daß sich die
Fluide wesentlich vermischen.
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Ein
wichtiger Vorteil eines Mikroflüssigkeit-Handhabungssystems
ist, daß sehr
kleine Mengen von Fluid in einer kontrollierten Weise an verschiedene
Teile des Systems geleitet werden können, wo verschiedene analytische
Verfahren verwendet werden können,
um die Eigenschaften der Flüssigkeit
zu bestimmen. Dies kann unter Verwendung externer analytischer Verfahren,
wie etwa einer optischen Erfassung, erledigt werden. Der kontrollierte
Strom des Fluids wird durch Pumpen und Ventilsysteme, die entweder
extern oder in den Mikrokanälen
integriert sind, erreicht.
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Eine Änderung
der mechanischen Eigenschaften eines Mikrocantilevers kann zum Beispiel
eine Spannungsbildung in dem Mikrocantilever aufgrund von Änderungen
der Oberflächenspannung
des Mikrocantilevers sein. Die Spannungsbildung kann auch aufgrund
von Änderungen
der Temperatur des Mikrocantilevers aufgrund eines bimorphen Effekts
sein, wenn der Mikrocantilever aus zwei Materialien mit verschiedenen
Wärmeausdehnungskoeffizienten
gefertigt ist. Derartige Spannungsbildungen in dem Mikrocantilever
können
als eine Änderung
des spezifischen Widerstands eines in den Mikrocantilever-Körper eingebetteten
Piezowiderstands erfaßt
werden.
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Die Änderung
der Resonanzfrequenz ist ein anderes Beispiel für eine Änderung einer mechanischen Eigenschaft.
Eine Änderung
der Masse des Mikrocantilevers kann auftreten, wenn sich Material
mit dem Mikrocantilever verbindet, und eine derartige Änderung
wird eine Änderung
der Resonanzfrequenz des Mikrocantilevers erzeugen. Derartige Änderungen
können überwacht
werden, indem der Mikrocantilever bei einer Frequenz in der Nähe seiner
Resonanzfrequenz betätigt
wird und Änderungen
der Amplitude der sich ergebenden dynamischen Biegung des Mikrocantilevers
unter Verwendung der integrierten Abtasteinrichtung, wie weiter
oben für
die Erfassung der Spannungsbildung beschrieben, überwacht werden.
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Im
folgenden werden Beispiele für
verschiedene Anwendungen der vorliegenden Erfindung aufgezählt und
kommentiert. Jedoch sollte die Anwendung der vorliegenden Erfindung
natürlich
nicht auf die aufgezählten Beispiele
beschränkt
werden.
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In
Sensoren, die schichtweise Ströme
unterstützen,
können
benachbarte oder sehr dicht beabstandete Mikrocantilever gleichzeitig
verschiedenen chemischen Umgebungen ausgesetzt werden, indem
- 1) der Fluidstrom vertikal in dem Mikrokanal
in zwei oder mehr Ströme
geschichtet wird, so daß Mikrocantilever
auf entgegengesetzten Seiten des Mikrokanals in verschiedene Fluide
eingetaucht werden.
- 2) der Fluidstrom in dem Mikrokanal horizontal geschichtet wird,
so daß Mikrocantilever,
die in verschiedenen Ebenen in dem Mikrokanal vertieft sind, in
verschiedene Fluide eingetaucht werden.
- 3) der Fluidstrom entweder horizontal oder vertikal geschichtet
wird und die Mikrocantilever durch die verschiedenen Fluide bewegt
werden, indem die Mikrocantilever betätigt werden.
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Im
Falle schichtweiser Fluide können
Mikrocantilever-Signale von verschiedenen Fluidumgebungen verglichen
werden. Außerdem
kann die Technologie zum Beschichten eng beabstandeter Mikrocantilever
mit verschiedenen chemischen Substanzen verwendet werden. Beispiele
für beide
Aspekte werden weiter unten beschrieben.
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Die
Funktionalisierung von Mikrocantilevern kann unter Verwendung herkömmlicher
Immobilisierungschemie durchgeführt
werden, was ohne weiteres für
die Mikrocantilever-Materialien gilt. Für die dicht beabstandeten Mikrocantilever
in Mikrokanälen
werden jedoch neue Technologien zum Aufbringen der verschiedenen
Beschichtungen benötigt.
Die Funktionalisierung eng beabstandeter Mikrocantilever kann durch
eine oder mehrere der weiter unten beschriebenen Technologien geleistet
werden.
- 1) In der Mikroherstellung der Vorrichtung
können
die Mikrocantilever mit verschiedenen dünnen Schichten beschichtet
werden, die mit dem Herstellungsverfahren vereinbar sind. Die dünnen Schichten
können
Metall, Silizium und dielektrische Schichten sein. Die verschiedenen
dünnen
Schichten können
dann verwendet werden, um Moleküle
zu binden, die mit einer bestimmten dünnen Schicht eine spezifische
Verbindung haben.
- 2) Die Moleküle,
die auf der Mikrocantilever-Oberfläche angebracht werden sollen,
können
mit einer lichtaktivierten Bindungsstelle aufgebaut werden. Moleküle werden
dann an der Mikrocantilever-Oberfläche befestigt, indem der Mikrocantilever
in eine flüssige
Lösung
mit den Beschichtungsmolekülen
getaucht wird und der Mikro cantilever mit UV-Licht belichtet wird.
Das UV-Licht induziert die Erzeugung einer Bindung zwischen der
Mikrocantilever-Oberfläche
und Molekülen.
Diese Beschichtung kann in dem Kanal, nachdem er geschlossen wurde,
ausgeführt
werden, indem verschiedene Beschichtungsmoleküle in den Kanal eingespritzt
werden und die Mikrocantilever einzeln durch die Abdeckplatte beleuchtet
werden. Durch Abtasten der Vorrichtung mit einem Laser können wohldefinierte
Bereiche mit spezifischen Beschichtungen beschichtet werden. Zwischen
jeder Beschichtung muß das
System gespült
und eine neue Beschichtungslösung
in die Kanäle
eingespritzt werden.
- 3) Unter Verwendung eines Tintenstrahldruckerprinzips können kleine
Flüssigkeitströpfchen abgegeben werden.
Diese Systeme sind im Handel für
die DNA-Chip-Herstellung erhältlich.
Ein derartiges Flüssigkeitsabgabesystem
kann verwendet werden, um Tröpfchen
verschiedener Flüssigkeiten
auf dicht beabstandete Mikrocantilever zu sprühen. Die abgegebenen Tröpfchen haben
typischerweise einen Durchmesser von 100 μm. Dieses Beschichtungsverfahren
muß durchgeführt werden,
bevor der Kanal verschlossen wird.
- 4) Wenn die Kanäle
geschlossen sind, kann ein geschichteter Strom verwendet werden,
um eng beabstandete Mikrocantilever zu beschichten, indem man zwei
oder mehr geschichtete Ströme
in dem System hat. In verschiedenen Höhen und/oder auf verschiedenen
Seiten des Kanals angeordnete Mikrocantilever werden auf diese Weise
in verschiedene Flüssigkeiten
eingetaucht. Nach dem Beschichten können die Mikrokanäle mit anderen
Fluiden gespült
werden, um restliches Beschichtungsmaterial zu entfernen. Durch
Wiederholen des Verfahrens können
auf dem Mikrocantilever mehrere Beschichtungslagen hinzugefügt werden.
Um nur an eine Seite des Mikrocantilevers Moleküle zu binden, können Mikrocantilever-Fotoimmobi lisierung
oder vorab abgeschiedene dünne
Schichten verwendet werden.
- 5) Selektives Beschichten kann durch Schichten von zwei oder
mehr Strömen
in dem Mikrokanal und Anordnen des Mikrocantilevers in einem der
Ströme
durch statisches Biegen durchgeführt
werden. Außerdem kann
eine kontrollierte Bewegung des Mikrocantilevers durch getrennte
geschichtete Ströme
verwendet werden, um den Mikrocantilever mit mehreren Schichten,
wie etwa Glutaraldehyd-Avidin-Biotin,
zu beschichten.
- 6) Selektives und reversibles Beschichten des Mikrocantilevers,
zum Beispiel mit Metalloproteinen, kann elektrochemisch erreicht
werden. Eine leitende Schicht auf dem Mikrocantilever kann als die
Arbeitselektrode verwendet werden. Die Gegenelektrode könnte ein
integrierter Teil des Systems sein. Auch ist es häufig wünschenswert,
eine Referenzelektrode für
die Steuerung des angelegten, Potentials aufzunehmen.
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Um
die Auswirkung von Wirbeln und einer thermischen Drift in einem
Sensorsystem zu minimieren, kann ein Referenz-Mikrocantilever eingeführt werden.
Der Referenz-Mikrocantilever wird nahe an dem Meß-Mikrocantilever und in der
gleichen Meßumgebung
angeordnet. Der Referenz-Mikrocantilever wird jedoch nicht mit einer
Detektorschicht beschichtet. Der Referenz-Mikrocantilever könnte mit
einer anderen Schicht, die nicht als ein Detektor arbeitet oder
die eine zweite Substanz erfaßt,
beschichtet werden. Durch Subtrahieren des Referenzsignals von dem
Meßsignal
kann das meiste Hintergrundrauschen eliminiert werden.
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Für die meisten
biochemischen Anwendungen ist es wichtig, eine Referenzmessung in
einer Referenzflüssigkeit
durchzuführen.
Häufig
ist es die Zunahme/Abnahme der Konzentration eines spezifischen
Moleküls,
die von Interesse ist. Für
derartige Relativmessungen wird eine Referenzflüssigkeit benötigt. Der
in der Referenzlösung
angeordnete Mikrocantilever sollte identisch zu dem Meß-Mikrocantilever
in der Meßlösung sein.
Die Meßlösung und
die Referenzlösung
können gleichzeitig
in dem gleichen Kanal untersucht werden, indem man den Strom schichtet
und die zwei Ströme
parallel laufen läßt. Mikrocantilever,
die auf beiden Seiten des Kanals angeordnet sind, messen die Reaktion
in zwei verschiedenen Flüssigkeiten.
Quasigleichzeitige Messungen in Analyten und in Referenzlösungen können durch
Bewegen des Mikrocantilevers durch die zwei Flüssigkeiten durchgeführt werden.
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Moleküle, die
sich mit den Detektorschichten auf dem Mikrocantilever verbinden, ändern die
Spannung der Schicht, was zu einer Mikrocantilever-Biegung führt. Zum
Beispiel kann die Diffusion in Zellen-Mikromembranen untersucht
werden, und die Aktivität
bestimmter Mikromembranenkanäle,
die durch (elektrische) Spannung oder durch die Anbindung eines
anderen Moleküls
geregelt wird, kann untersucht werden. Die zeitabhängige Antwort
von Mikrocantilevern kann verwendet werden, um die Dynamik der Schichtbildung
auf der Mikrocantilever-Oberfläche
zu untersuchen. Zum Beispiel kann die Bildung selbstorganisierter
Monoschichten untersucht werden.
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Elastische
Formänderungen
von Proteinen, die auf einem Mikrocantilever adsorbiert werden,
haben eine Änderung
der Resonanzfrequenz und der Spannung des Mikrocantilevers zur Folge.
Hiermit ist es möglich,
die elastischen Formänderungen
von Proteinen zu untersuchen, welche von äußeren Parametern, wie etwa
dem pH-Wert, der Ionenkonzentration und der Temperatur hervorgerufen
werden. Zum Beispiel ist bekannt, daß das Metalloprotein Azurin,
adsorbiert an Gold, elastische Formänderungen erfährt, wenn
es verschiedenen pH-Werten
ausgesetzt wird. Wie Azurin sich mit Gold verbindet und wie sich
die Bindung ändert, wenn
der pH-Wert geändert
wird, ist nicht wohlverstanden, und die Messungen auf Mikrocantilever-Basis
können
zusätzliche
Informationen über
die Bindungseigenschaften ermöglichen.
Viele aktive Enzymfunktionen führen
ebenfalls zu mechanischen Spannungsänderungen. Dadurch können die
Aktivitätsniveaus
von Enzymen in verschiedenen Umgebungen untersucht werden.
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Eine
der Hauptanwendungen der Erfindung ist die Erfassung mehrerer mit
Krankheiten verknüpfter Gene.
Einzel strang-DNA von den mit Krankheiten verknüpften Genen wird mittels einer
der weiter oben beschriebenen Beschichtungstechnologien unter Verwendung
herkömmlicher
Verbindungschemie an Mikrocantilevern angebracht. In einem Kanal
angeordnete eng beabstandete Mikrocantilever können mit DNA-Sequenzen verschiedener
Gene beschichtet werden. Eine behandelte Blutprobe, die aus Einzelstrang-DNA
besteht, wird dann durch das System gespült. Wenn eines der mit Krankheiten
verknüpften
Gene in der Probe vorhanden ist, wird es sich spezifisch mit dem
entsprechenden DNA-Strang, der an dem Mikrocantilever angebracht ist,
verbinden. DNA-Stränge,
die nicht spezifisch verbunden sind, können mit einer Wärmebehandlung
gelöst werden.
Die spezifische Verbindung wird zu einer Oberflächenspannungsänderung
ebenso wie zu einer Resonanzänderung
des Mikrocantilevers führen.
Hierbei ist es möglich,
gleichzeitig einen Suchtest für
mehrere Gene durchzuführen.
Das Verfahren könnte
auch bei der DNA-Sequenzierung Anwendung finden.
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Die
Idee der Suchtests nach spezifischen Genen kann auf die Detektion
verschiedener Antikörper
ausgedehnt werden. Für
diese Anwendung werden dicht beabstandete Mikrocantilever unter
Verwendung herkömmlicher
Verbindungschemie mit verschiedenen Antikörpern beschichtet. Antikörper verbinden
sich in spezifischer Weise mit Antigenen, wodurch es möglich ist,
in einer Blutprobe nach verschiedenen Antikörpern zu suchen.
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Durch
das Aufbringen einer leitenden Schicht auf dem Mikrocantilever und
einer Referenzelektrode in dem Kanal ist es möglich, auf Schichten auf einer
Mikrocantilever-Oberfläche
ein elektrochemisches Abscheiden und Elektrochemie durchzuführen. Zum
Beispiel kann untersucht werden, wie die mechanische Spannung in
Schichten aus Metalloproteinen, wie etwa Azurin und Hefe-Cytochrom
c auf verschiedene Potentiale reagiert. Außerdem könnten Redoxprozesse überwacht
werden. Überdies
kann die Adsorption und Desorption von elektrisch abscheidbaren
Molekülen
untersucht werden.
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Außerdem kann
die Stellbewegung einer nachgiebigen SU-8-basierten Stellgliedstruktur
realisiert werden, indem auf dem SU-8-basierten Material eine dünne Goldschicht
abgeschieden wird oder in ihm eingekapselt wird. Die Tatsache nutzend,
daß das
Gold und das SU-8-basierte Material eine unterschiedliche Wärmeausdehnung
haben, kann die nachgiebige SU-8-basierte Stellgliedstruktur aufgrund
der bimorphen Wirkung betätigt
werden. Zum Beispiel können
durch derartiges Integrieren von zwei Goldschichten in die gleiche
nachgiebige SU-8-basierte Struktur, so daß die zwei Goldschichten einen
Plattenkondensator bilden, sowohl ein Sensor als auch ein Stellglied
auf Basis des elektrostatischen (kapazitiven) Prinzips erzielt werden.
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Die
nachgiebige SU-8-basierte Struktur kann auch auf andere vordefinierte
Strukturen oder Substrate als SU-8 geklebt, geleimt oder vertieft
(welled) werden, zum Beispiel können
Kunststoff, Silizium, Glas oder Metall angewendet werden. Ebenso
können
andere Realisierungen von Sensoren und Stellgliedern die Verwendung
anderer Polymere als SU-8-basierter
Polymere und anderer Metalle als Gold mit sich bringen.
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Jede
dieser Ausführungsformen
und offensichtlichen Änderungen
davon werden als unter den Geist und Schutzbereich der beanspruchten
Erfindung fallend betrachtet, wie sie in den folgenden Patentansprüchen dargelegt
ist.
