DE60316729T2

DE60316729T2 - Kragträgersensor sowohl mit longitudinal- als auch transversal-piezoresistenzkoeffizienten

Info

Publication number: DE60316729T2
Application number: DE60316729T
Authority: DE
Inventors: Jacob Thaysen
Original assignee: Nanonord AS
Current assignee: Nanonord AS
Priority date: 2002-12-27
Filing date: 2003-12-20
Publication date: 2008-07-24
Anticipated expiration: 2023-12-21
Also published as: AU2003287928A1; DE60316729D1; WO2004059306A1; US7284452B2; JP2006512589A; US20060060003A1; WO2004059306A8; EP1588153A1; ATE374937T1; EP1588153B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Sensor, der eine oder mehrere auslegerartig geformte Sensoreinheiten umfasst, wobei jede Sensoreinheit eine Erfassungsoberfläche und ein piezoresistives Detektionssystem zum direkten Detektieren von Spannungsänderungen der Sensoreinheit aufweist.
Hintergrund der Erfindung
Zum Detektieren von Substanzen in Fluiden werden nach dem Stand der Technik Auslegersensoren (auch Cantilever-Sensoren genannt) mit eingebauten Piezowiderständen als äußerst empfindliche mechanische Spannungssensoren verwendet. Wie zum Beispiel in WO 0066266 und WO 9938007 beschrieben, können Mikroausleger zum Detektieren molekularer Wechselwirkungen eingesetzt werden. Mindestens eine Fläche des Auslegers ist mit einer Erfassungsschicht beschichtet, die mit einem gesuchten Zielmolekül reagiert. Wird der Ausleger einer Probe ausgesetzt, in der das Zielmolekül vorliegt, reagiert das Zielmolekül mit dem Erfassungsmolekül auf der Auslegeroberfläche, wodurch eine Änderung der Oberflächenspannung bewirkt wird.
Aufgrund der Änderung der Oberflächenspannung des Auslegers wirkt ein mechanischer Druck, eine Dehnung oder eine Entspannung auf den Ausleger und somit auch auf den Piezowiderstand, und dadurch ändert sich der spezifische Widerstandswert des Piezowiderstands. Der mechanische Druck oder die mechanische Entspannung kann eine Biegung und/oder Dehnung und/oder Kontraktion bewirken. Durch Messen der Widerstandsänderung kann bestimmt werden, ob das Zielmolekül in der Probe vorliegt oder nicht, und ist dies der Fall, kann eventuell auch die Konzentration des Zielmoleküls bestimmt werden.
Auslegersensoren mit integrierter piezoresistiver Anzeige werden von Thaysen in seiner Dissertation „Cantilever for Bio-Chemical Sensing Integrated in a Microliquid Handling System", September 2001, Zentrum für Mikroelektronik, Technische Universität Dänemark, beschrieben. Damit können die Spannungsänderungen an den Auslegersensoren von dem Piezowiderstand direkt gemessen werden. Darüber hinaus erleichtert die integrierte Anzeige den Einsatz in Lösungen, da die Brechungsindizes der Fluide die Detektion nicht beeinflussen, wie dies bei einer optischen Anzeige der Fall ist. Jeder Sensor kann einen eingebauten Referenzausleger aufweisen, der ein Subtrahieren der Hintergrunddrift unmittelbar bei der Messung erlaubt. Außerdem werden durch das Funktionalisieren des Referenzauslegers mit einem „Dummy"-Molekül nicht spezifische Bindungsereignisse, die sowohl am Mess- als auch am Referenzausleger auftreten, bei der Differentialmessung aufgehoben.
Die beiden Ausleger können in einer so genannten Wheatstone-Brücke miteinander verbunden sein, und die Spannungsänderung am Messausleger wird als Ausgangsspannung der Wheatstone-Brücke erfasst. Als Referenzdokument sei außerdem „Design issues in SOI-based high-sensitivity piezoresistive cantilever devices" von Kassegne et al., Berichte der SPIE Conference an Smart Structures and Materials, San Diego, Kalifornien, 17. bis 21. März 2002, genannt.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Sensors, der eine oder mehrere Sensoreinheiten mit jeweils einer Erfassungsoberfläche umfasst, wobei der Sensor zum Detektieren des Vorhandenseins einer Zielsubstanz in einem Fluid, wie einer chemischen Komponente in einer Flüssigkeit oder einem Gas zum Beispiel zum Detektieren eines Sprengstoffs, einer Droge, einer Biokomponente oder anderer Komponenten in einem Fluid, mit einem gegenüber Aus leger-Fluid-Sensoren nach dem Stand der Technik verbesserten Signal oder Störabstand verwendet werden kann.
Dieses und weitere Ziele sind, wie aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich, durch die in den Ansprüchen definierte Erfindung realisiert worden.
Beschreibung der Erfindung
Der Sensor nach der Erfindung umfasst eine oder mehrere Sensoreinheiten. Gestalt und Größe des Sensors und Gestalt, Größe und Anzahl der Sensoreinheiten sowie ihre Verkabelung können zum Beispiel so beschaffen sein, wie dies in den Patentanmeldungen WO 0066266 , DK PA 2001 01724 , DK PA 2002 00283 , DK PA 2002 00125 und DK PA 2002 00195 beschrieben ist.
Nachstehend ist ein Sensor mit nur einer Sensoreinheit beschrieben, wobei jedoch darauf hingewiesen sei, dass der Sensor mehrere Sensoreinheiten, insbesondere bis zu 300, zum Beispiel bis zu 100 Sensoreinheiten, aufweisen kann.
Die Sensoreinheit kann grundsätzlich jede auslegerartige Form aufweisen, zum Beispiel die in DK PA 2002 00125 beschriebenen Ausleger. Der Begriff „Ausleger-Form" ist definiert als eine plattenförmige Einheit, die mit einem Substrat (oder zwei Substraten) entlang einer oder zweier einander gegenüberliegender Kantenlinien verbunden ist. Der Begriff „Ausleger-Form" umfasst daher auch eine Brücke sowie einen herkömmlichen rechteckigen, dreieckigen oder blattförmigen Ausleger.
Bei einer Ausführungsform ist die Sensoreinheit wie ein Ausleger geformt, der in einer Längenrichtung zwischen zwei Enden verläuft und an seinen beiden Enden verbunden ist, um eine Auslegerbrücke zu bilden.
Bei einer anderen Ausführungsform ist der Ausleger ein herkömmlicher rechteckiger oder blattförmiger Ausleger, der nur mit einem Substrat verbunden ist. Nachstehend wird diese Art von Ausleger als Ausleger mit einem freien Ende bezeichnet.
Die Sensoreinheit umfasst zwei Hauptoberflächen, wobei eine oder beide ganz oder teilweise eine Erfassungsoberfläche bilden können.
Bei einer Ausführungsform ist die Sensoreinheit eine biegsame plattenförmige Einheit mit einer durchschnittlichen Dicke, die sowohl geringer als ihre durchschnittliche Länge als auch ihre durchschnittliche Breite ist, wobei die Sensoreinheit vorzugsweise eine Dicke zwischen 0,05 μm und 5 μm, insbesondere im Intervall von 0,1 μm bis 4 μm und insbesondere im Intervall von 0,2 μm bis 1 μm aufweist.
Bei einer Ausführungsform ist die Sensoreinheit eine biegsame plattenförmige Einheit mit einer durchschnittlichen Dicke, die mindestens 5-mal und vorzugsweise mindestens 50-mal geringer als ihre durchschnittliche Breite und durchschnittliche Länge ist.
Die Sensoreinheit weist eine Erfassungsoberfläche zum Beispiel in Form eines Erfassungsbelags auf. Der Erfassungsbelag kann so beschaffen sein, wie er in den Anmeldungen DK PA 2002 00283 und DK PA 2002 00125 oder in US 6289717 , WO 0133226 oder WO 0014539 beschrieben ist.
Bei einer Ausführungsform des Sensors nach der Erfindung ist die Erfassungsoberfläche eine Oberfläche eines eine Erfassungsschicht umfassenden Erfassungsbelags, wobei die Erfassungsschicht einen Detektionsliganden enthält, der ein Bestandteil eines spezifischen Bindungspaares sein kann oder so beschaffen ist, dass er eine Gruppe von Komponenten oder sogar unspezifische Bindungen erfasst. Der Detektionsligand ist vorzugsweise aus der folgenden Gruppe ausgewählt: RNA-Oligomere, DNA-Oligomere, PNA-Oligomere, Proteine, Enzyme, Rezeptoren, Peptide, Hormone, Blutbestandteile, Antigene und Antikörper.
Bei einer Ausführungsform des Sensors nach der Erfindung ist die Erfassungsoberfläche eine Oberfläche eines eine Erfassungsschicht, umfassenden Erfassungsbelags aus einer ein Polymer, Hydrogel oder Metall/Metall enthaltenden Komponente, die zum Beispiel eine funktionelle Gruppe um fasst, die aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: Carbonsäuren, Sulfonsäurederivate, Ester, Säurehalogenide, Säurehydrazide, Semicarbazide, Thiosemicarbazide, Nitrile, Aldehyde, Ketone, Alkohole, Thiole, Disulfide, Amine, Hydrazine, Ether, Epoxide, Sulfide, Halogenide und Derivate davon.
Der Erfassungsbelag könnte theoretisch eine beliebige Dicke aufweisen. Ist er jedoch sehr dick, kann die Empfindlichkeit aufgrund der Steifigkeit der Sensoreinheit verringert sein. Ein wünschenswerte Dicke könnte zum Beispiel zwischen der Dicke einer Molekülschicht und 2.000 nm, insbesondere bis zu 2, 5, 10 oder 50 Molekülschichten oder zum Beispiel zwischen 0,5 nm und 1.000 nm, insbesondere zwischen 1 nm und 500 nm und insbesondere zwischen 10 nm und 200 nm betragen.
Bei einer Ausführungsform umfassen beide oder ein Teil von beiden Hauptseiten des Auslegers eine Erfassungsoberfläche. Die Erfassungsoberflächen können gleich sein oder sich zum Beispiel im Hinblick auf die Größe der bedeckten Fläche, die Art der Erfassungsmoleküle und/oder ihre Konzentration unterscheiden. Bei einer Ausführungsform ist die Erfassungsoberfläche auf einer Hauptseite eines Auslegers im Wesentlichen – sowohl in Bezug auf die Größe der bedeckten Fläche, auf die Art der Erfassungsmoleküle als auch auf ihre Konzentrationen – mit der Erfassungsoberfläche auf der anderen der beiden einander gegenüberliegenden Hauptoberflächen des Auslegers identisch. In diesem Fall ist die am Ausleger erzeugte Spannung, wenn dieser einem die Zielmoleküle enthaltenden Fluid ausgesetzt wird, an beiden Seiten des Auslegers gleich, und daher wird sich ein Ausleger mit freiem Ende nicht biegen, sondern nur dehnen oder zusammenziehen.
In der Praxis ist die Herstellung eines Auslegers mit zwei einander gegenüberliegenden Hauptseiten mit identischen Erfassungsoberflächen sehr aufwändig. Daher wird der Ausleger in den meisten Fällen, selbst wenn er an beiden Hauptseiten jeweils Erfassungsoberflächen aufweist, aufgrund der an den einander gegenüberliegenden Hauptseiten des Auslegers erzeugten unterschiedlichen Spannung zumindest einer leichten Biegung unterliegen.
Die Sensoreinheit umfasst ein piezoresistives Element mit einem Kabelpaar zum Erzeugen eines elektrischen Feldes über das piezoresistive Element hinweg. Die Entfernung zwischen den Kabeln entlang des piezoresistiven Elements ist als die Länge des piezoresistiven Elements definiert. Dies bedeutet in der Praxis, dass die Länge des piezoresistiven Elements die Länge ist, die der Strom durch das piezoresistive Element zurücklegen muss. Bei einer Ausführungsform ist die Länge des piezoresistiven Elements somit als die Länge des Stromwegs definiert.
Der Piezowiderstand kann eine beliebige Form aufweisen, wie sie zum Beispiel in den Patentanmeldungen WO 0066266 , DK PA 01724 , DK PA 2002 00283 , DK PA 2002 00125 und DK PA 2002 00195 beschrieben ist. Das piezoresistive Element kann zum Beispiel leiterförmig, mäanderförmig, U-förmig oder V-förmig sein.
In der Praxis erweist es sich am einfachsten, das piezoresistive Element, wenn der Ausleger zu einer Brücke verbunden ist, als gerades Element oder, wenn der Ausleger ein freies Ende aufweist, hufeisenförmig vorzusehen.
Das piezoresistive Element hat eine Längsrichtung und eine Querrichtung entlang der Länge des piezoresistiven Elements, wenn ein elektrisches Feld über das piezoresistives Element hinweg erzeugt wird und dem piezoresistiven Element eine Spannung auferlegt wird. Die Längsrichtung und die Querrichtung können entlang der Länge des piezoresistiven Elements variieren, wenn das piezoresistive Element nicht gerade ist.
Das Koordinatensystem kann prinzipiell nach Bedarf ausgerichtet werden, sofern die Längsrichtung als eine Richtung definiert ist, die eine der Achsen x, y oder z eines Koordinatensystems ist, und wobei es eine Spannungskompo nente und eine Stromkomponente gibt. Auf diese Weise kann der sich ergebende numerische Wert der Summe des piezoresistiven Koeffizienten π₁ in Längsrichtung und des piezoresistiven Koeffizienten π_t in Querrichtung bestimmt werden.
Bei einer Ausführungsform sollte das Koordinatensystem zwecks einfacher Berechnung vorzugsweise so ausgerichtet sein, dass nur eine Richtung für einen bestimmten Punkt entlang der Länge des piezoresistiven Elements als Längsrichtung in Frage kommt.
Bei einer Ausführungsform ist das Koordinatensystem an der Kristallachse ausgerichtet.
Die einfachste Berechnung ergibt sich, wenn das Koordinatensystem so ausgerichtet ist, dass der Strom in Längsrichtung durch das piezoresistive Element fließt. Dieses System wird bei den weiter unten beschriebenen Beispielen verwendet.
Die Querrichtung ist senkrecht zur Längsrichtung. Bei einer Ausführungsform hat die Querrichtung auch eine Spannungskomponente.
Betrachtet man die Oberflächenspannung an einem bestimmten Punkt des piezoresistiven Elements des Sensors, biegt sich der Sensor grundsätzlich wie eine Schale in alle Richtungen, wenn keine anderen Kräfte wirken. Das piezoresistive Element wird somit an diesem Punkt in alle Richtungen gespannt, und diese Spannung ist in zwei Spannungskomponenten, eine längs und eine quer wirkende, unterteilt. Zur einfachen Berechnung stimmt die Spannungskomponente in Längsrichtung mit der Richtung des Stroms überein.
Weitere Informationen über die Bestimmung der Längs- und Querrichtung in einem piezoresistiven Element aus Silicium finden sich in „Classification and terminology of sensors", S. M. SZE, Semiconductor Sensors, ISBN 0-471-54609-7, 1994, John Wiley & Sons Inc., Seiten 160 bis 169.
Bei einer Ausführungsform ist das piezoresistive Element ein gerades Element, wobei das piezoresistive Element nur eine Längs- und eine Querrichtung entlang seiner Länge aufweist. Bei einer anderen Ausführungsform ist das piezoresistive Element hufeisenförmig, wobei das piezoresistive Element entlang seiner Länge zwei Längs- und zwei Querrichtungen aufweist.
Das piezoresistive Element ist einkristalliges Silicium vom n-Typ, das so angeordnet ist, dass der numerische Wert der Summe des piezoresistiven Koeffizienten π₁ in Längsrichtung und des piezoresistiven Koeffizienten π_t in Querrichtung über mindestens 25% der Länge, insbesondere über mindestens 50% der Länge, insbesondere über mindestens 80% der Länge, insbesondere über mindestens 90% der Länge und insbesondere über mindestens 95% der Länge des piezoresistiven Elements hinweg mindestens 10^–10Pa^–1 × P, insbesondere 2 × 10^–10Pa^–1 × P, insbesondere 3 × 10^–10Pa^–1 × P und insbesondere 4 x 10^–10Pa^–1 × P beträgt, wobei P der Piezowiderstandsfaktor ist und wobei die piezoresistiven Koeffizienten π₁ und π_t als Komponenten in dem zur Bestimmung der Längsrichtung verwendeten Koordinatensystem bestimmt sind.
Bei einer Ausführungsform beträgt der numerische Wert der Summe des piezoresistiven Koeffizienten π₁ in Längsrichtung und des piezoresistiven Koeffizienten π_t in Querrichtung über die gesamte Länge hinweg mindestens 10^–10Pa^–1 × P, insbesondere 2 × 10^–10Pa^–1 × P, insbesondere 3 × 10^–10Pa^–1 × P und insbesondere 4 × 10^–10Pa^–1 × P.
Der Piezowiderstandsfaktor P ist abhängig vom Dotierungsgrad. P liegt zwischen 0 und 1. Bei einkristalligem Silicium beträgt P bei einem Dotierungsgrad von rund 10¹⁸ etwa 1. Weitere Informationen über den P-Faktor und dessen Bestimmung sind in „1/F Noise Considerations for the Design and Process Optimization of Piezoresistive Cantilevers" von Jonah A. Harley und Thomas W. Kenny, Journal of Microelectromechanical Systems, Bd. 9, Nr. 2, S. 226 bis 235, Juni 2000, zu finden. Hierbei ist insbesondere 7 zu beachten. Außerdem verweisen wir auf Y. Kanda, „A graphical representation of the piezoresistance coefficients in sili con", IEEE Trans. Electron Devices, Bd. ED-29, S. 64 bis 70, Januar 1982.
Ein piezoresistiver Effekt in einem Material lässt auf eine teilweise Änderung des Bahnwiderstands schließen, die durch eine geringfügige dem Material auferlegte mechanische Spannung bewirkt wird. Einkristalliges Silicium hat eine hohe Piezoresistivität und in Verbindung mit seinen hervorragenden mechanischen und elektronischen Eigenschaften eignet es sich gut zur Umwandlung eines mechanischen Signals in ein elektrisches Signal.
Das piezoresistive Element ist einkristalliges Silicium vom n-Typ, das mit 10¹⁶ Ionen/cm³ oder mehr, insbesondere 10¹⁷ Ionen/cm³ oder mehr, insbesondere 10¹⁸ Ionen/cm³ oder mehr, insbesondere 10¹⁹ Ionen/cm³ oder mehr und insbesondere 10²⁰ Ionen/cm³ oder mehr oder mit 10²⁰ Ionen/cm³ oder weniger, insbesondere 10¹⁹ Ionen/cm³ oder weniger, insbesondere 10¹⁸ Ionen/cm³ oder weniger und insbesondere 10¹⁷ Ionen/cm³ oder weniger dotiert sein kann.
Je höher die Konzentration der Dotierungsionen, umso geringer das Rauschen, gleichzeitig wird jedoch auch das Signal entsprechend reduziert. Die Temperatur kann sowohl das Rauschen als auch das Signal beeinflussen, und daher sollte auch der Einfluss der Temperatur berücksichtigt werden. Der Fachmann kann anhand dieser Angaben den optimalen Dotierungsgrad ermitteln. Der optimale Dotierungsgrad liegt im Intervall von 10¹⁶ Ionen/cm³ bis 10²¹ Ionen/cm³.
Bei einer Ausführungsform liegt der aufgrund der Dotierung entstehende Elektronenüberschuss im Intervall von 10¹⁶ Ionen/cm³ bis 10²¹ Ionen/cm³.
Prinzipiell kann es sich bei den Dotierungsionen um jede Art von Ionen oder Ionengemischen handeln, die zum Dotieren von Silicium geeignet sind, so dass einkristalliges Silicium vom n-Typ entsteht.
Bei einer Ausführungsform ist das piezoresistive Element aus einkristalligem Silicium mit einem oder mehreren der folgenden Ionen dotiert: Borionen, Phosphorionen und Arsenionen.
Das piezoresistive Element besteht aus einkristalligem Silicium vom n-Typ. Das einkristallige Silicium vom n-Typ kann zum Beispiel entlang der <110>-Richtung des Siliciums orientiert sein. Bei einer anderen Ausführungsform ist das piezoresistive Element aus Silicium vom n-Typ entlang der <100>-Richtung des Siliciums orientiert.
Das piezoresistive Element kann zum Beispiel eine Dicke von mindestens 10 nm, insbesondere im Intervall von 10 nm bis 500 nm, insbesondere im Intervall von 50 nm bis 300 nm und insbesondere im Intervall von 100 nm bis 200 nm aufweisen.
Wie bereits erwähnt, umfasst die Sensoreinheit unter anderem ein Kabelpaar zum Erzeugen eines elektrischen Feldes über den Piezowiderstand hinweg, wie dies zum Beispiel in den Patentanmeldungen WO 0066266 , DK PA 01724 , DK PA 2002 00283 , DK PA 2002 00125 und DK PA 2002 00195 beschrieben ist.
Bei einer Ausführungsform des Sensors nach der Erfindung, wobei die Sensoreinheit zwei Hauptoberflächen umfasst und mindestens ein Teil von einer oder beiden der Hauptoberflächen die Erfassungsoberfläche bildet, hat das piezoresistive Element eine neutrale Ebenenentfernung von 50 nm oder weniger, insbesondere 100 nm oder weniger, insbesondere 200 nm oder weniger, insbesondere 400 nm oder weniger, insbesondere 1 μm oder weniger und insbesondere 3 μm oder weniger. Die neutrale Ebenenentfernung ist als die kürzeste Entfernung zwischen der mittleren Ebene des piezoresistiven Elements und der neutralen Ebene definiert. Die mittlere Ebene des piezoresistiven Elements ist als die mittlere Ebene durch das piezoresistive Element hindurch definiert, die parallel zur neutralen Ebene ist. Die neutrale Ebene ist als die Ebene definiert, entlang der die Summe der auf das piezoresistive Element wirkenden Zug- und Druckspannung so nah wie möglich an Null liegt.
Bei einer Ausführungsform umfasst die Sensoreinheit ferner eine elektrische Abschirmung, wie sie zum Beispiel in DK PA 2002 00884 vom 7. Juni 2002 beschrieben ist.
Die Abschirmung kann eine Diffusionsbarriere zur Verhinderung einer Elektrolytendiffusion und somit eines Kriechstroms vom Piezowiderstand aufweisen, der entsteht, wenn eine saure Flüssigkeit mit einem pH-Wert von 4 für die Dauer von 1 oder sogar 2 Minuten oder sogar 10 Minuten unter Standardbedingungen mit der Erfassungsoberfläche in Kontakt kommt.
Bei einer Ausführungsform besteht die Abschirmung aus einem nicht leitfähigen Material, das aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: Nitride wie Siliciumnitrid und Tantalnitrid, nicht leitfähige Polymere wie octafunktionales epoxidiertes Novolac, Metalloxide wie Aluminiumoxid, Keramik, Diamantfilme, Siliciumcarbid, Tantaloxid, Silicium, Glas sowie Mischungen und Kombinationen davon.
Bei einer Ausführungsform besteht das piezoresistive Element aus dotiertem einkristalligem Silicium vom n-Typ und die Abschirmung aus dotiertem einkristalligem Silicium vom p-Typ, vorzugsweise einkristalligem Silicium vom p-Typ mit einem Dotierungsgrad, der geringer ist als der Dotierungsgrad des piezoresistiven Elements aus einkristalligem Silicium vom n-Typ. Die Abschirmung aus einkristalligem Silicium vom p-Typ kann zum Beispiel eine Dotierungsionenkonzentration von 10²⁰ cm^–3 oder weniger, insbesondere von 10¹⁹ cm^–3 oder weniger, insbesondere von 10¹⁸ cm^–3 oder weniger, insbesondere von 10¹⁷ cm^–3 oder weniger, insbesondere von 10¹⁶ cm^–3 oder weniger und insbesondere von 10¹⁵ cm^–3 oder weniger aufweisen.
Bei einer Ausführungsform umfasst die Sensoreinheit eine untere Abschirmungsschicht und eine obere Abschirmungsschicht sowie eine Abschirmungsschicht an den Kanten. Die obere und die untere Abschirmungsschicht und die Abschirmungsschicht an den Kanten bilden die Abschirmung.
Ein Sensor, dessen Sensoreinheiten eine Abschirmung umfassen, kann vorzugsweise zum Detektieren einer Substanz in einer Flüssigkeit wie einer wässrigen Flüssigkeit verwendet werden.
Der Sensor kann vorzugsweise eine oder mehrere Fluidkammern (zum Beispiel Flüssigkeitskammern) aufweisen. Bei einer Ausführungsform ragen die eine oder mehrere Sensoreinheiten teilweise oder ganz in die Fluidkammer(n) vor, so dass ein in der Kammer verwendetes Fluid in Kontakt mit einem Teil der Oberfläche der Sensoreinheit(en) kommen kann.
Die Fluidkammer(n) kann bzw. können zum Beispiel die Form von Interaktionskammern haben und vorzugsweise einen Kanal zum Zuführen eines Fluids wie einer Flüssigkeit in die Interaktionskammer(n) umfassen.
Bei einer Ausführungsform sind mindestens 50%, vorzugsweise im Wesentlichen die gesamte Erfassungsoberfläche der Sensoreinheit(en) in der bzw. den Fluid-Interaktionskammer(n) angeordnet.
Der Sensor kann zum Beispiel wie in DK PA 2002 00884 beschrieben hergestellt sein, allerdings mit dem Unterschied, dass es sich bei der Dotierung um eine n-Typ-Dotierung handelt und dass das piezoresistive Element aus einkristalligem Silicium so angeordnet ist, dass der numerische Wert der Summe des piezoresistiven Koeffizienten π₁ in Längsrichtung und des piezoresistiven Koeffizienten π_t in Querrichtung über die größere Länge hinweg, insbesondere über mindestens 25% der Länge, insbesondere über mindestens 50% der Länge, insbesondere über mindestens 60% der Länge, insbesondere über mindestens 80% der Länge, insbesondere über mindestens 90% der Länge und insbesondere über mindestens 95% der Länge des piezoresistiven Elements mindestens 10^–10Pa^–1 × P, insbesondere 2 x 10^–10Pa^–1 × P, insbesondere 3 × 10^–10Pa^–1 × P und insbesondere 4 × 10^–10Pa^–1 × P beträgt.
Abbildungen und Beispiele
Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend anhand der Abbildungen und Beispiele ausführlich beschrieben.
1 zeigt die piezoresistiven Koeffizienten π₁ und π_t für Silicium vom p-Typ (A) und n-Typ (B) (bei Raumtemperatur, in 10^–11Pa^–1).
2 zeigt eine Wheatstone-Brücke zum Umwandeln der relativen Änderung des vom Messausleger gemessenen Widerstands in eine Spannungsänderung.
3 zeigt eine Signaländerung aufgrund der Immobilisierung von 1 mM Mercaptohexanol für eine Sensoreinheit mit einem piezoresistiven Element vom n-Typ bzw. für eine Sensoreinheit mit einem piezoresistiven Element vom p-Typ. Es ist zu erkennen, dass das Signal des Auslegers vom n-Typ um einen Faktor von etwa 8 größer ist als das Signal des piezoresistiven Auslegers vom p-Typ. Es ist zu beachten, dass die Änderung der Ausgangsspannung für den piezoresistiven Ausleger vom n-Typ im Vergleich zu der des piezoresistiven Auslegers vom p-Typ negativ ist.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Auslegers.
5 zeigt einen Ausleger mit einer Oberfläche, der eine Spannung auferlegt ist.
Die Piezoresistivität in einkristalligem Silicium ist anisotrop, und daher hängt die Empfindlichkeit auch von der Orientierung des Piezowiderstands bezogen auf das Siliciumkristall ab. Nach der Erfindung wurde festgestellt, dass der Beitrag zu den relativen Widerstandsänderungen aufgrund einer an der Auslegeroberfläche erzeugten Spannung durch folgende Gleichung gegeben ist:
wobei σ₁ und σ_t die Längsspannung bzw. die Querspannung ist, während π₁ und π_t die piezoresistiven Koeffizienten angeben. Für Silicium-Wafer vom p-Typ/n-Typ mit der (100)-Ebene an der Wafer-Oberfläche sind die piezoresistiven Ko effizienten bei Raumtemperatur (in 10^–11Pa^–1) und bei einem Dotierungsgrad von etwa 10¹⁶ cm^–3 (p ist ungefähr 1) in Tabelle 1 aufgeführt. Tabelle 1

Richtung π₁₁ π₁₂ π₄₄ π_t π₁

p-Si <100> 0 0

<110> 6,6 –1,1 138,1 –66 72

n-Si <100> 53 –102

<110> –102,2 53,4 –13,6 –18 –31
Der piezoresistive Koeffizient in Längsrichtung ist in der <110>-Richtung bestimmt als π1 = ½(π11 + π12 + π44),und der entsprechende Koeffizient in Querrichtung als πt = ½ (π11 + π12 – π44)
1 zeigt die piezoresistiven Koeffizienten π₁ und π_t für Silicium vom p-Typ (A) und n–Typ (B). Es ist zu erkennen, dass die piezoresistiven Koeffizienten für den n-Typ weitaus weniger symmetrisch sind als die Koeffizienten für den p-Typ.
Wird ein Ausleger mit eingebautem Piezowiderstand nur als ein sich in Längsrichtung biegender Sensor verwendet, wird der Piezowiderstand so angeordnet, dass nur die Längsspannung erfasst wird. Da die Ausleger normalerweise durch eine Nassätzung wie eine KOH-Ätzung entspannt werden, kann der Ausleger zum Beispiel so an dem Substrat ausgerichtet sein, dass eine gute Klemmung erreicht wird. Normalerweise ist die Nassätzung anisotrop, wobei die <111>-Richtung viel langsamer geätzt wird als die anderen Richtungen. Da die Schnittpunkte der {111}-Ebene und der {100}-Ebene entlang der <110>-Orientierungen liegen, hat es sich gezeigt, dass es wünschenswert ist, den Ausleger in der <110>-Richtung auszurichten, um ihn bei einer guten Klemmung zu entspannen.
Nach der Erfindung wurde gezeigt, dass die Oberflächenspannung, die an einer eine Erfassungsoberfläche umfassenden Sensoreinheit erzeugt wird, in den Bereichen, an denen die Oberflächenspannung wirkt, eine konstante Krümmung, Dehnung oder Kontraktion und an den Stellen, wo die Oberflächenspannung nicht wirkt, keine Biegung hervorruft. In Bereichen, die an eine Klemmlinie angrenzen, kann die Biegung in Richtung der Klemmlinie (häufig auch in Querrichtung) begrenzt sein. Die konstante Krümmung lag sowohl in Quer- als auch in Längsrichtung vor. Dies lässt sich sichtbar machen, indem der Ausleger auf eine Kugel gelegt wird. Da die Änderung der Oberflächenspannung als relative Änderung des Widerstands beobachtet wird, wurde festgestellt, dass sowohl die Querspannung als auch die Längsspannung berücksichtigt werden müssen, und außerdem wurde festgestellt, dass sie als gleich angesehen werden können, unabhängig von der Breite und Länge des piezoresistiven Materials, wenn dem Ausleger keine anderen Kräfte wie etwa eine aufgrund einer Klemmung erzeugte Widerstandskraft auferlegt werden. Somit wurde festgestellt, dass ein optimales Signal oder ein optimaler Störabstand erhalten wird, wenn das piezoresistive Element so angeordnet ist, dass der numerische Wert der Summe des piezoresistiven Koeffizienten π₁ in Längsrichtung und des piezoresistiven Koeffizienten π_t in Querrichtung mindestens (in 10^–11Pa^–11)10 × P, insbesondere 20 × P, insbesondere 30 × P und insbesondere 40 × P beträgt, wobei P der Piezowiderstandsfaktor ist.
Beispiel 1
Eine Simulation der Oberflächenspannungsempfindlichkeit für einen in 4 gezeigten Ausleger mit den folgenden Abmessungen und dem in <110>-Richtung angeordneten Piezowiderstand wurde durchgeführt. In 4 ist der Ausleger in einer seitlichen Schnittansicht gezeigt. Der Ausleger hat eine Länge von etwa 120 μm und eine Breite von etwa 50 μm.

Auslegerabmessungen Dicke [nm] Elastizitätsmodul [GPa] Vorspannung [MPa]

Au 30 80 40

SiN 45 200 85

Si 150 180 20

SiO₂ 100 70 –290

SiN 145 200 75
Der Piezowiderstand aus einkristalligem Silicium wurde als Widerstand vom p-Typ bzw. vom n-Typ der Simulation unterzogen, mit folgendem Ergebnis:
Die Simulation ergab, dass die Empfindlichkeit eines Piezowiderstands aus einkristalligem Silicium vom n-Typ zum Detektieren der Oberflächenspannung um einen Faktor von fast 10 empfindlicher ist als ein Piezowiderstand aus einkristalligem Silicium vom p-Typ.
Beispiel 2
Um die höhere Empfindlichkeit bei Verwendung eines piezoresistiven Auslegers vom n-Typ als Oberflächenspannungs-Sensor anstelle eines piezoresistiven Auslegers vom p-Typ zu belegen, wird ein Versuch durchgeführt, bei dem die Oberflächenspannung in kontrollierter Weise geändert wird.
Ein Beispiel für einen solchen Versuch ist die Messung der Änderung der Oberflächenspannung, wenn das Mercaptohexanol-Molekül an einer Goldschicht auf der Oberseite einer Auslegeroberfläche immobilisiert ist. Die Immobilisierung von Mercaptohexanol erfolgt durch die Bindung zwischen der -SH-Gruppe des Mercaptohexanols und der Goldschicht. Die Immobilisierung von Mercaptohexanol endet, wenn sich auf der Goldoberfläche eine vollständige monomolekulare Schicht gebildet hat. Da sich die Oberflächenspannung des Auslegers während dieses Prozesses ändert, kann dies als eine Änderung des von dem piezoresistiven Ausleger erzeugten Signals beobachtet werden. Sobald die monomolekulare Schicht gebildet ist, wird das Signal konstant. Die Signalamplitude ist dann definiert als Differenz zwischen dem Signal vor dem Einleiten von Mercaptohexanol und dem Signal des Piezowiderstands nach der Bildung der monomolekularen Mercaptohexanol-Schicht auf dem Gold des Auslegers.
Der Versuch umfasst das Beobachten der Amplitude von zwei fast identischen piezoresistiven Auslegern, wobei die Ausleger sich darin unterscheiden, dass einer der piezoresistiven Ausleger einen Piezowiderstand vom n-Typ und der andere einen Piezowiderstand vom p-Typ aufweist. Bei diesem Beispiel gilt für den n-Typ wie für den p-Typ, dass die Piezowiderstände in der <110>-Richtung des Siliciumkristalls angeordnet sind und P = 1 ist. Die Piezowiderstände sind, wie in 2 gezeigt, in eine Wheatstone-Brücke eingefügt. Die Änderung der Ausgangsspannung der Wheatstone-Brücke ist gegeben durch:
wobei ΔV die Ausgangsspannung und V die Eingangsspannung ist, σ_s die Oberflächenspannung und ΔR/R die relative Widerstandsänderung des Piezowiderstands ist. Somit ist die relative Widerstandsänderung gegeben durch:
wobei π₁ and π_t die piezoresistiven Koeffizienten in Längs- bzw. Querrichtung sind. σ₁ und σ_t sind die Spannungen in der piezoresistiven Schicht. Es kann davon ausgegangen werden, dass σ₁ = σ_t = σ und σ_s ∞ σ.
Anhand der vorstehenden Überlegungen und der piezoresistiven Koeffizienten in Tabelle 1 lässt sich die Aus gangsspannung für einen piezoresistiven Ausleger vom p-Typ wie folgt schreiben: ΔVp-typ∞(π1 + πt)σs·V = 6·σs·Vund für einen Piezowiderstand vom n–Typ: ΔVn-typ∞(π1 + πt)σs·V = –49·σs·V
Wie aus den beiden Gleichungen ersichtlich, ergibt sich hinsichtlich des Empfindlichkeitsunterschieds ein Faktor von etwa 8 zugunsten des piezoresistiven Auslegers vom n-Typ, und die Änderung der Ausgangsspannung zeigt entgegengesetzte Vorzeichen für die gleiche Oberflächenspannung.
Bei dem Versuch werden die Ausleger in ein in WO 0066266 beschriebenes Mikroflüssigkeits-Handhabungssystem eingesetzt. An die Wheatstone-Brücke wird eine Spannung V = 2,5 V (Eingangsspannung) angelegt, und das Signal der Wheatstone-Brücke wird mit einem Voltmeter überwacht. Zunächst wird Wasser durch das System gepumpt, um es zu stabilisieren. Danach wird 1 mM Mercaptohexanol in das Mikroflüssigkeits-Handhabungssystem eingeleitet, und ab diesem Zeitpunkt ändert sich das Signal. Die Kurve in 3 zeigt ein Beispiel für einen solchen Versuch. Daraus ist ersichtlich, dass das Signal des piezoresistiven Auslegers vom n-Typ um etwa das Achtfache größer ist und ein anderes Vorzeichen trägt als die Änderung des Signals des piezoresistiven Auslegers vom p-Typ.
Beispiel 3
Ein Ausleger, wie er in 4 gezeigt ist, wurde bereitgestellt. Das Gold wurde in Form eines Films aufgebracht. Beim Aufbringen des Goldfilms wurde dieser derart in alle Richtungen gedehnt, dass die Auslegeroberfläche nach dem Entspannen der Goldschicht einer Spannung ausgesetzt war. Die Spannung an der Oberfläche wurde anhand einer Finite-Element-Simulation bestimmt. Bei der in 5 gezeigten Auslegeroberfläche ist die Spannung als weiße/graue/schwarze Farbe dargestellt. Je dunkler die Farbe, umso größer ist die gemessene Spannung. In dem neben der Klemmlinie 51 liegenden Bereich 52 ist die Biegung in Richtung der Klemmlinie begrenzt und folglich ist der gemessene Spannungsgrad geringer als in dem Bereich 53, der weiter von der Klemmlinie entfernt ist. Die Faustregel hierfür lautet, dass die Spannung sowohl in Quer- als auch in Längsrichtung als von der Klemmung unbeeinflusst gelten kann, wenn der Abstand X von der Klemmung etwa X > 0,25 × W beträgt, wobei W die Breite des Auslegers ist.

Claims

Sensor umfassend mindestens eine auslegerartig geformte Sensoreinheit, wobei die Sensoreinheit eine Erfassungsoberfläche und ein piezoresistives Element mit einem Kabelpaar zum Erzeugen eines elektrischen Feldes über das piezoresistive Element hinweg umfaßt, wobei die Entfernung zwischen den Kabeln entlang des piezoresistiven Elements als die Länge des piezoresistiven Elements definiert ist, wobei das piezoresistive Element eine Längsrichtung und eine Querrichtung entlang der Länge des piezoresistiven Elements hat, wenn ein elektrisches Feld über das piezoresistive Element hinweg erzeugt wird und dem piezoresistiven Element eine Spannung auferlegt wird, wobei die Längsrichtung als eine Richtung definiert ist, die eine der Achsen x, y oder z eines Koordinatensystems ist, und wobei es eine Spannungskomponente und eine Stromkomponente gibt, wobei die Querrichtung senkrecht zur Längsrichtung ist, wobei das piezoresistive Element so angeordnet ist, daß der numerische Wert der Summe des piezoresistiven Koeffizienten π₁ in Längsrichtung und des piezoresistiven Koeffizienten π_t in Querrichtung über mindestens 25% der Länge hinweg mindestens 10^–10Pa^–1 × P ist, wobei P der Piezowiderstandsfaktor ist und wobei die piezoresistiven Koeffizienten π₁ und π_t als Komponenten in dem zur Bestimmung der Längsrichtung verwendeten Koordinatensystem bestimmt sind, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoresistive Element einkristalliges Silicium vom n-Typ ist.
Sensor nach Anspruch 1, wobei der numerische Wert der Summe des piezoresistiven Koeffizienten π₁ in Längsrichtung und des piezoresistiven Koeffizienten π_t in Querrichtung über mindestens 80% der Länge hinweg, vorzugsweise über mindestens 90% der Länge hinweg, mindestens 10^–10Pa^–1 × P ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der numerische Wert der Summe des piezoresistiven Koeffizienten π₁ in Längsrichtung und des piezoresistiven Koeffizienten π_t in Querrichtung über mindestens 80% der Länge hinweg, vorzugsweise über mindestens 90% der Länge hinweg, mindestens 3 × C^–10Pa^–1 × P, vorzugsweise mindestens 4 × C^–10Pa^–1 × P, ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1, 2, oder 3, wobei die Sensoreinheit ein piezoresistives Element aus einkristalligem Silicium umfaßt, das in einer elektrischen Abschirmung aus einkristalligem Silicium eingekapselt ist.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das piezoresistive Element in einer Abschirmung aus einem nicht leitfähigen Material eingekapselt ist, das aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: Nitride wie Siliciumnitrid und Tantalnitrid, nicht leitfähige Polymere wie octafunktionales epoxidiertes Novolac, Metalloxide wie Aluminiumoxid, Keramik, Diamantfilme, Siliciumcarbid, Tantaloxid, Silicium, Glas sowie Mischungen und Kombinationen davon.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensoreinheit wie ein Ausleger geformt ist, der in einer Längenrichtung verläuft und an seinen beiden Enden verbunden ist, um eine Auslegerbrücke zu bilden.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensoreinheit eine Dicke im Intervall von 0,05 μm bis 5 μm hat.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das piezoresistive Element eine Dicke im Intervall von 10 nm bis 500 nm hat.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das piezoresistive Element U-förmig, leiterförmig, meanderförmig oder V-förmig ist.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das piezoresistive Siliciumelement vom n-Typ entlang der <110>-Richtung des Siliciums orientiert ist.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, wobei das piezoresistive Siliciumelement vom n-Typ entlang der <100>-Richtung des Siliciums orientiert ist.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das piezoresistive Element mit einem oder mehreren der folgenden Ionen dotiert ist: Phosphorionen, Arsenionen.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das piezoresistive Element mit 10¹⁶ Ionen/cm³ oder mehr dotiert ist, insbesondere 10¹⁷ Ionen/cm³ oder mehr, insbesondere 10¹⁸ Ionen/cm³ oder mehr, insbesondere 10¹⁹ Ionen/cm³ oder mehr, insbesondere 10²⁰ Ionen/cm³ oder mehr.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das piezoresistive Element mit 10²¹ Ionen/cm³ oder weniger dotiert ist, insbesondere 10²⁰ Ionen/cm³ oder weniger, insbesondere 10¹⁹ Ionen/cm³ oder weniger, insbesondere 10¹⁸ Ionen/cm³ oder weniger, insbesondere 10¹⁷ Ionen/cm³ oder weniger.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensoreinheit zwei Hauptoberflächen umfaßt und mindestens ein Teil von einer oder von beiden der Hauptoberflächen die Erfassungsoberfläche bildet und wobei das piezoresistive Element eine neutrale Grundrißentfernung von 50 nm oder weniger, insbesondere 100 nm oder weniger, insbesondere 200 nm oder weniger, insbesondere 400 nm oder weniger, insbesondere 1 μm oder weniger, insbesondere 3 μm oder weniger, aufweist, wobei die neutrale Grundrißentfernung als die kürzeste Entfernung zwischen dem mittleren Grundriß des piezoresistiven Elements, der als der mittlere Grundriß durch das piezoresistive Element hindurch, der parallel zum neutralen Grundriß ist, definiert ist, und den neutralen Grundriß definiert ist, wobei der neutrale Grundriß als der Grundriß definiert ist, entlang dem die Summe der auf dem piezoresistiven Element wirkenden Zug- und Druckspannung so nah wie möglich an Null liegt.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensoreinheit zwei Hauptoberflächen umfaßt, die teilweise oder im ganzen eine Erfassungsoberfläche bilden.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor eine oder mehrere Fluidkammern umfaßt, wobei die eine oder die mehreren Sensoreinheiten teilweise oder ganz in die Fluidkammer(n) hervorragen, so daß ein in der Kammer verwendetes Fluid in Kontakt mit einem Teil der Oberfläche der Sensoreinheit(en) kommen kann.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fluidkammer oder die Fluidkammern die Form von Interaktionskammern haben und vorzugsweise einen Kanal zum Zuführen eines Fluids in die Interaktionskammer(n) umfassen.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor zur Verwendung bei der Detektion einer Substanz in einer Flüssigkeit ausgelegt ist.