DE69026622T2 - Gerät zur beurteilung besonderer eigenschaften eines mediums - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beurteilung einer Eigenschaft eines Mediums, insbesondere (jedoch nicht ausschließlich) eines fluiden Mediums.
• Eine bekannte Form einer Vorrichtung zur Beurteilung einer Eigenschaft eines Fluids umfaßt eine optische Faser, die in der Nähe ihrer Spitze mit einem Enzym oder Antikörper beschichtet ist. Wenn die beschichtete Spitze in Kontakt mit dem Fluid kommt, bewirken enzymkatalysierte Reaktionen eine lokalisierte Erwärmung und Ausdehnung der Faser, wobei die Ausdehnungsgeschwindigkeit und somit die Reaktionsgeschwindigkeit durch einen Vergleich der Faserlänge mit der Länge einer benachbarten Vergleichsfaser unter Anwendung von Interferometrie gemessen wird. Die bekannte Vorrichtung ist nicht temperaturstabil. Ihr Betrieb hängt von der Ausdehnung einer optischen Faser ab, was einen Nachteil darstellt, wenn der verfügbare Raum begrenzt ist.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine neue und verbesserte Form einer Vorrichtung zur Beurteilung einer Eigenschaft eines Mediums bereitzustellen, wobei die vorerwähnten Nachteile vermieden oder wesentlich abgemildert werden. Dies wird durch Verwendung einer Vorrichtung erreicht, in der eine lokalisierte Erwärmung, die beispielsweise durch eine chemische Reaktion hervorgerufen wird, die Veränderung der Resonanzfrequenz eines vibrierenden Elements bewirkt, wobei die Frequenzänderung ein Beurteilungsmaßstab oder ein Maß für diese Eigenschaft ist.
• Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Beurteilung einer besonderen Eigenschaft eines Mediums gemäß der Definition in Anspruch 1 bereitgestellt.
• Bei der Eigenschaft des Mediums kann es sich um die Anwesenheit einer natürlichen oder synthetischen chemischen oder biologischen Spezies, die mit einer Sensoreinrichtung, die ein Enzym enthält, konjugiert ist, handeln, z. B. um einen Antikörper, ein Antigen oder ein Barbiturat.
• Das vibrierfähige Element kann aus einem Halbleiter-Wafer hergestellt sein und relativ zur Abgabeeinrichtung einer optischen Faser unter Bildung eines Fabry-Perot-Hohlraums angeordnet sein, so daß das Element selbst oszillierend ist, wenn die Energie kontinuierlich ist, oder das Element durch ein an die Abgabeeinrichtung angelegtes Feedback-Antriebssystem in Resonanzoszillation gehalten werden kann (ohne Bildung eines Hohlraums mit der Abgabeeinrichtung).
• Die Abgabeeinrichtung und die Sammeleinrichtung können eine oder mehrere Lichtleitereinrichtungen umfassen. Die einzelnen Faser-Lichtleitereinrichtungen können eine einzelne optische Faser umfassen, die mit der Kammerstruktur verschmolzen oder anderweitig verbunden ist. Das Feedback-Antriebssystem kann auch einen Hochleistungsverstärker und eine Zählvorrichtung umfassen.
• Die Sensoreinrichtung kann mit dem Medium in exothermer oder endothermer Weise chemisch reaktiv sein und kann ein Enzym umfassen, das so ausgewählt ist, daß es sich bei der besonderen zu beurteilenden Eigenschaft um das Substrat des Enzyms handelt. Die Sensoreinrichtung kann eine Diffusionsbarriere umfassen. Die Sensoreinrichtung kann in Form eines Überzugs außen auf dem Kammeraufbau vorliegen. Der Überzug kann ersetzbar sein.
• Hohe Konzentrationen einer Eigenschaft in einer Chemikalie sind schwierig mit enzymatischen Reaktionen zu messen, da eine nicht-lineare Beziehung zwischen der Geschwindigkeit einer exothermen Reaktion und der Substratkonzentration besteht. Derartige Substrate lassen sich messen, indem man in der Sensoreinrichtung zwischen dem Katalysator und dem zu bestimmenden Medium eine Diffusionsbarriere einsetzt, und somit die "scheinbaren" Konzentrationen, vom Katalysator aus gesehen, verringert. Bei einer typischen Diffusionsbarriere handelt es sich um eine chemisch inerte Kunststoffmembran.
• Es ist ersichtlich, daß eine Sensoreinrichtung, die lokale Temperaturveränderungen während einer chemischen Reaktion hervorruft, für die meisten natürlich auftretenden und einige synthetische Chemikalien und biologische Spezies aufgefunden werden kann und daß daher eine Anzahl von unterschiedlichen Eigenschaften beurteilt werden können.
• Aufgrund der Tatsache, daß die Kammer geschlossen ist, kann keine Feuchtigkeit eindringen. Die Kammer kann auch evakuiert werden. Der geschlossene Kammeraufbau ist an den von der Sensoreinrichtung unterschiedlichen Stellen thermisch isoliert.
• Ausführungsformen der Erfindung können in einem breiten Anwendungsbereich eingesetzt werden, und zwar von einer kontinuierlichen Überwachung der Prozeßsteuerung in der Nahrungsmittel- und Fermentationsindustrie, wobei man beispielsweise den pH-Wert mißt, bis zur diskreten Probenanalyse in der Humandiagnostik, wo ein Bedarf nach raschen Ergebnissen besteht, um die Krankengeschichte und die Untersuchung von Patienten in Krankenhäusern zu vervollständigen.
• Ausführungsformen im Mikromaßstab sind leicht transportfähig und sind somit beispielsweise zur Verwendung für mobile medizinische Teams von Bedeutung. Eine Miniaturisierung erlaubt auch die Anwendung an inneren Körperteilen, wo ein Zugang schwierig ist, sowie bei der Mikrochirurgie. Die Sensorstrukturen können chargenweise hergestellt werden, um somit die Gesamtkosten der Vorrichtung zu vermindern.
• Nachstehend werden Ausführungsformen der Erfindung anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte schematische Zeichnung erläutert. Es zeigen:
• Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in schematischer Darstellung;
• Fig. 2 eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung;
• Fig. 3 einen Teil der Ausführungsform von Fig. 2 in Detailansicht;
• Fig. 4 eine weitere Ausführungsform der Erfindung;
• Fig. 5A und 5B einen Aufriß und einen Grundriß einer nicht-beanspruchten Vorrichtung unter Verwendung eines elektrostatischen Antriebs.
• Fig. 6A und 6B eine weitere nicht-beanspruchte Vorrichtung unter Verwendung eines elektromagnetischen Antriebs;
• Fig. 7A und 7B eine weitere nicht-beanspruchte Ausführungsform unter Verwendung eines Ultraschallantriebs; und
• Fig. 8A, 8B und 8C eine modifizierte Version der Ausführungsform von Fig. 5A und 5B.
• In Fig. 1 bedient sich eine Vorrichtung 10 zur Beurteilung einer besonderen Eigenschaft eines Mediums 13 der Energie 12, die von einer Abgabeeinrichtung 14 stammt und auf ein vibrationsfähiges Element 16, das sich innerhalb einer geschlossenen Kammer 15 befindet, auftrifft. Das Element 16 ist auf dem die Kammer 15 bildenden Aufbau 9 befestigt und wird durch die Energie 12 zum Vibrieren bei seiner Resonanzfrequenz gebracht. Die Sensoreinrichtung 18, die an der Außenoberfläche des Aufbaus 9 befestigt ist, kann thermisch aktiviert werden und verursacht Veränderungen der Temperatur des Aufbaus 9, wenn sie mit der besonderen Eigenschaft des Mediums 13, gegenüber der die Sensoreinrichtung empfindlich ist, in Kontakt gebracht wird. Die Temperaturveränderungen des Aufbaus 9 bewirken eine Veränderung der Resonanzfrequenz des vibrierfähigen Elements 16, so daß die Vibrationsmeßenergie 12' (bei der es sich um die reflektierte Anregungsenergie 12 oder um Energie aus einer separaten Quelle handeln kann) bei der neuen Resonanzfrequenz des Elements 16 moduliert wird, was durch die Erfassungseinrichtung 19 erfaßt wird. Die Resonanzfrequenzen des vibrierfähigen Elements 16 vor und nach der Temperaturveränderung, die durch die das Medium 13 kontaktierende Sensoreinrichtung 18 hervorgerufen wird, werden verglichen. Die Veränderung dient der Beurteilung des Vorliegens einer speziellen Eigenschaft des Mediums 13.
• Fig. 2 und Fig. 3 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform 20 der Erfindung zur Beurteilung der Konzentration an Wasserstoffperoxid in einem fluiden Medium 13A. Energie, zweckmäßigerweise Licht 12A aus einer Laser-Lichtquelle 14A, wird durch einen optischen Faserwellenleiter 11 und auf ein vibrierfähiges Element 16A aus einem Halbleiter-Wafer 9A gerichtet. Das Licht 12A ist synchronisiert, indem es beispielsweise mit einer gesteuerten Wiederholungsrate unter Verwendung der Modulation von reflektiertem Licht 12'A zur Betätigung einer Rückkoppelschleife gepulst wird, wodurch das Element 16A zu einer kontinuierlichen Vibration bei seiner Resonanzfrequenz veranlaßt wird.
• Beim Element 16A handelt es sich um eine Brücke, die durch Unterschneiden (oder Untertunneln) unter dem Boden einer Vertiefung im Silicium-Wafer gebildet ist, und die Kammer 15A mit dem Element 16A ist durch die oberere Oberfläche des Wafers 9A, die am Wellenleiter 11 haftet, geschlossen. Das Element 16A ist physikalisch gegen das Medium 13A durch die restliche Dicke des Wafers 9A isoliert, so daß die physikalischen Eigenschaften (z. B. die Viskosität) des Mediums 13A nicht direkt die Bewegung des Elements 16A beeinflussen. Der Wafer 9A ist im allgemeinen durch eine sich in seitlicher Richtung erstreckende Barriere 17, die aus einem oder mehreren Siliciumoxiden gebildet sein kann, verschlossen und thermisch isoliert. Die Sensoreinrichtung 18A in Form eines polymerisierten Gels mit einem Gehalt an einem chemischen Katalysator, z. B. Katalase, ist an der nicht-thermisch verschlossenen äußeren Oberfläche des Wafers 9A angeordnet und reagiert in exothermer Weise bei Kontakt mit Wasserstoffperoxid im Medium 13A, wodurch eine Veränderung der Temperatur im Kammeraufbau hervorgerufen wird.
• Der in Fig. 3 gezeigte Aufbau wird vorzugsweise aus einem Silicium-Wafer von 750 µm Dicke hergestellt, wobei an seiner unteren Oberfläche (durch Ätzen) ein halbkugelförmiger Hohlraum von 500 µm Durchmesser zur Aufnahme der Sensoreinrichtung 18A ausgebildet ist. Beim vibrierfähigen Element 16A handelt es sich um einen im Abstand unterhalb der oberen Oberfläche des Wafers angeordneten, geätzten Balken. Typischerweise ergibt dies einen Chip von 750 · 750 µm Fläche. Die seitlichen äußeren Oberflächen des Chips sind thermisch mit einer Schicht 17 aus Siliciumoxid isoliert, so daß eine minimale Oberfläche des Chips in Kontakt mit dem Medium 13A steht, aber eine maximale Oberfläche des Chips in Kontakt mit dem die Katalase enthaltenden Gel steht. Demzufolge wird Wärme, die durch die Katalase bei Reaktion mit dessen Wasserstoffperoxid-Substrat erzeugt wird, bevorzugt in den Silicium-Wafer 9A geleitet, dessen Wärmeleitfähigkeit relativ hoch ist, so daß sich eine meßbare Temperaturveränderung im Chip ergibt. Beispielsweise läßt sich mit einem Siliciumoxid- Überzug von 100 µm Dicke eine Temperaturveränderung in der Größenordnung von 1ºC leicht erreichen. Erheblich höhere Temperaturveränderungen entstehen, wenn Polystyrol anstelle von Siliciumdioxid verwendet wird. Eine bevorzugte Ausführungsform des Aufbaus von Fig. 3 aus einem Silicium-Wafer weist einen Hohlraum an der unteren Oberfläche in Pyramidenstumpfform auf (da diese Form leichter als die Halbkugelform geätzt werden kann). Ferner weist die Vertiefung unterhalb des vibrierfähigen Elements ebenfalls vorzugsweise eine Pyramidenstumpfform auf. Beim vibrierfähigen Element kann es sich um einen Balken mit einer einzelnen freitragenden Seite oder um einen Balken mit zwei freitragenden Seiten (wodurch eine Art doppelte Stimmgabel-Resonanzstruktur entsteht) handeln.
• Der Wellenleiter 11 ist eine einzelne optische Faser, die über ein geeignetes Bindematerial mit dem Silicium-Wafer 9A verschmolzen ist. Licht 12'A, das vom Element 16A reflektiert wird, wird vom Wellenleiter 11 gesammelt und durch eine Photodiode 19A erfaßt. Unter Verwendung einer bekannten elektronischen Einrichtung 19B, die mit der Photodiode 19A verbunden ist, werden die ursprüngliche Resonanzfrequenz des vibrierfähigen Elements 16A und die veränderte Resonanzfrequenz verglichen. Aus diesem Vergleich wird die Geschwindigkeit der chemischen Reaktion zwischen der Katalase 18A und dem Wasserstoffperoxid ermittelt. Für eine bekannte Katalase-Konzentration läßt sich die Konzentration von Wasserstoffperoxid im Medium 13A feststellen.
• Die vorstehend unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschriebene Vorrichtung ist miniaturisiert und besitzt eine geringe thermische Masse, so daß sie rasch reagiert, z. B. in etwa 100 Mikrosekunden auf Temperaturveränderungen von nur 1 · 10&supmin;³ºK oder weniger.
• Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform 50 der vorliegenden Erfindung zur Bereitstellung eines Verfahrens zur Beurteilung einer besonderen Eigenschaft eines Mediums 57, wenn Variationen in der Umgebungstemperatur des Mediums 57 zu erwarten sind. Die Ausführungsform 50 weist zwei benachbarte vibrierende Elemente 51A bzw. 51B auf, die sich innerhalb von getrennten geschlossenen Kammern 52A und 52B, die durch individuelle Silicium-Wafer gebildet werden, und damit verbundene optische Fasern auf. Eine einzelne thermische Barriere umgibt und vereinigt die beiden Aufbauten. Licht aus der Lichtabgabeeinrichtung 53, zweckmäßigerweise ein Laser, wird an beide Kammern abgegeben, um beide Elemente 51A, 51B in Resonanzanregung zu versetzen. Das Licht wird von den vibrierenden Elementen 51A, 51B reflektiert (54) und von der Lichtsammeleinrichtung 56 erfaßt. Eine Sensoreinrichtung 55 ist an einer äußeren Oberfläche des die Kammer 52A bildenden Aufbaus angeordnet und beeinflußt das vibrierende Element 51A in ähnlicher Weise wie bei der in Fig. 2 und Fig. 3 gezeigten Ausführungsform (d. h. es wird sowohl durch die Temperatur des Mediums 57 als auch durch die besondere Eigenschaft des Mediums, gegenüber dem die Sensoreinrichtung 55 empfindlich ist, beeinflußt), jedoch fehlt eine Sensoreinrichtung an der äußeren Oberfläche des die Kammer 52B bildenden Aufbaus, so daß das vibrierfähige Element 51B nur durch die Umgebungstemperatur des Mediums 57 beeinflußt wird. Etwaige Veränderungen in der Umgebungstemperatur des Mediums 57 können daher getrennt erfaßt und abgezogen werden, wodurch man eine temperaturunabhängige Beurteilung der Eigenschaft des Mediums erreicht.
• Fig. 5A und 5B zeigen einen Aufriß und einen Grundriß einer nicht-beanspruchten Vorrichtung mit einem elektrostatisch betriebenen Resonanzbiosensor 60. Der Biosensor 60 umfaßt ein Silicium-Wafer 64A mit einer Sensoreinrichtung 66 und ein vibrierfähiges Element 65, dessen obere Oberfläche an die obere Oberfläche des Wafers 64A angrenzt. An der oberen Oberfläche des Wafers 64A (aber nicht am Element 65) ist ein Aufbau befestigt, der eine unterbrochene leitfähige Elektrode 61 beinhaltet, die so angeordnet ist, daß sie zumindest teilweise über dem Element 65 liegt. Die Elektrode 61 ist auf einen oxidierten Silicium-Träger 62A aufgedampft und wird von einer Schicht 62 aus oxidiertem Silicium bedeckt, die ein Fenster aufweist, das mit der Vertiefung im Wafer 64A, die das Element 65 enthält, übereinstimmt. Die Befestigung des Leiterträgers am Wafer erfolgt vorzugsweise durch Kleben. Zweckmäßigerweise weist der Leiterträger ein kleineres Volumen als der Aufbau, der das vibrierfähige Element beinhaltet, auf, und zweckmäßigerweise handelt es sich bei der Schicht 62 um ein wärmeisolierendes Material, um den Wärmeverlust durch Leitung möglichst gering zu halten. Ferner weist die leitfähige Elektrode 61 einen minimalen Querschnitt auf. Die Elektrode 61 erstreckt sich entlang des Trägers 62A von einer Klemme 68A und endet an einem Punkt 63, der über dem vibrierfähigen Element 65 liegt. Die Elektrode 61 verläuft weiter von einem Punkt 67 im Abstand vom Punkt 63 und stellt die Verbindung zu einem Hochleistungsverstärker 68 und einer Zählvorrichtung 69 her. Der Wafer 64A ist N&spplus;, und das vibrierfähige Element 65 ist mit Bor dotiert, so daß es P&spplus; ist, und es ist geerdet. Durch Anlegen einer Spannung V (bei der es sich anfänglich um eine Rauschspannung handeln kann) an den Treiberteil der Elektrode 61 wird elektrostatisch das P +dotierte Element 65 aufgrund der Kapazitanz zwischen dem den Punkt 63 enthaltenden Leiterteil 67 und dem Element 65 elektrostatisch abgelenkt. Diese Ablenkung wird aufgezeichnet, wobei man sich der Kapazitanzänderung bedient, die als Folge des vorstehenden Vorgangs zwischen dem den Punkt 67 enthaltenden Leiterteil und dem leitfähigen Element 65 erfolgt. Die Ladungsänderung im Meßteil der Elektrode 61 aufgrund der Kapazitanzänderung wird durch den Verstärker 68 verstärkt und zur Klemme 68A zurückgeführt. Auf diese Weise wird die Schaltung zu einem Oszillator. Die oszillierende Schaltung wird mit einer Zählvorrichtung 69 verbunden, die die Anzahl an Ablenkungen des vibrierfähigen Elements 65 pro Zeiteinheit zählt.
• Wie bei den vorstehenden Ausführungsformen erörtert, verursacht der Sensor 66, der als Überzug auf das Substrat 64A aufgebracht ist, bei Kontakt mit einem entsprechenden Medium eine lokalisierte Erwärmung im Aufbau 64, so daß die Vibrationsfrequenz des Elements 65 sich ändert, was durch die Kapazitanz zwischen 67 und 65 erfaßt wird. Die Veränderung der Oszillationsfrequenz des Oszillators wird am Zählgerät 69 zahlenmäßig erfaßt und mit früheren Werten verglichen, wodurch man eine Beurteilung der Eigenschaft im Medium erhält.
• Fig. 6A und 6B zeigen eine weitere, nicht-beanspruchte Vorrichtung, bei der als Anregungsenergie wie in Fig. 5A und 5B ebenfalls elektrische Energie verwendet wird, wobei es sich aber bei den die Ablenkung des vibrierfähigen Elements verursachenden Kräften um elektromagnetische und nicht um elektrostatische Kräfte handelt. Der Aufbau 64 ist ähnlich wie in Fig. 5A und 5B, jedoch ist der Leiter, der über dem Aufbau 64 liegt, unterschiedlich ausgebildet und elektrisch mit dem vibrierfähigen Element 65 verbunden, so daß durch das Element 65 elektrischer Strom fließt. Die leitfähige Elektrode 71 ist aufeinen oxidierten Siliciumträger 72A aufgedampft und weist einen Überzug 72 aus Siliciumdioxid auf dem Großteil ihrer Ausdehnung auf, wobei jedoch im Bereich des vibrierfähigen Elements 65 der Überzug 72 fehlt. Der Leiter 71 weist ein Stromtreiberende 73 auf, das sich gabelförmig in parallele Leiterteile 77A, 77B aufteilt, die sich in Längsrichtung über dem vibrierfähigen Element 65 erstrecken und von diesem durch die Dicke des Überzugs 72 getrennt sind. Jedoch erstrecken sich an ihren vom Punkt 73 entfernten Enden Teile 77A, 77B durch die Dicke des Überzugs 72 und stehen an den Stellen X mit dem P&spplus;-Bereich des Aufbaus 64 neben einem Ende des Elements 65 in elektrischem Kontakt. Das andere Ende des Elements 65 ist geerdet. Das Treiberende 73 transportiert zwei parallele Stromflüsse in eine Richtung, während das Element 65 den gesamten Stromfluß in der entgegengesetzten Richtung transportiert. Demgemäß wird das Element 65 elektromagnetisch in Resonanz mit einem geeigneten Pulsieren des Stromflusses stimuliert. Es ist ersichtlich, daß es zwar möglich ist, einen einzigen Anschluß im Treiberende 73 zu verwenden, daß aber die Ausrichtung des Anschlusses eine Bewegung des vibrierfähigen Elements in unsymmetrischer Weise hervorrufen würde, was unerwünscht ist. Eine zweite leitfähige Elektrode 78, die auf den Träger 72A aufgedampft ist, dient als elektrostatischer Bewegungsdetektor auf ähnliche Weise, wie sie unter Bezugnahme auf Fig. 5A, B für den den Punkt 67 enthaltenden Leiterbereich erläutert worden ist.
• Fig. 7A, 7B zeigen einen nicht-beanspruchten Ultraschall-Biosensor 80, der einen Oszillator 81 aufweist, der mit einem Ultraschall-Meßwandler 82 auf der Oberseite eines Wellenleiters 83 verbunden ist, der wiederum an seinem unteren Ende einen Kopf 84 aufweist, der in Fig. 7B detailliert dargestellt ist. Der Kopf 84 umfaßt einen Wafer mit einem vibrierfähigen Element 85, das mit Bor dotiert ist, so daß es P+ ist. Ein Sensor 86 steht mit seiner äußeren Oberfläche mit einem zu beurteilenden Medium in Kontakt. Eine erste Schicht aus oxidiertem Silicium 67A ist auf der oberen Oberfläche des Wafers mit Ausnahme der Fläche oberhalb des Elements 85 angeordnet. Ein einzelner leitfähiger Metallstreifen 89 ist auf die Unterseite einer zweiten Siliciumoxidschicht 87B aufgedampft, die über der ersten Schicht 87A liegt. Die obere Oberfläche der zweiten Siliciumschicht 87B ist mit dem Wellenleiter 83 verbunden. Durch den Meßwandler 82 erzeugte Ultraschallwellen mit einer vom Oszillator 81 erfaßten Frequenz durchlaufen den Wellenleiter 83 und regen das vibrierfähige Element 85 zu einer Resonanzoszillation an. Die Veränderung der Kapazitanz zwischen dem vibrierfähigen Element 85 (das eine vertikale Bewegung ausübt) und dem Metallstreifen 89 aufgrund der Vibration des Elements wird erfaßt, da das vibrierfähige Element 85 und der Streifen 89 über Drähte 90 mit einem Erfassungssystem verbunden sind.
• Um die Oszillation des Elements 85 aufrechtzuerhalten, ist das Erfassungssystem mit einem Rückkopplungs-Treibersystem verbunden, das einen Verstärker 91 aufweist, der ein Steuersignal für den Oszillator 81 liefert, wenn die Frequenz der Ultraschallwellen verändert werden muß. Es ist ersichtlich, daß eine (nicht abgebildete) Zählvorrichtung parallel mit dem Verstärker und Oszillator angeordnet werden kann, um eine Ablesung der Oszillationsfrequenz des Elements zu ermöglichen. Siliciumdioxid ist zur Leitung von Licht und Ultraschall in gleicher Weise wirksam. Handelt es sich beispielsweise beim Wellenleiter 83 um eine optische Faser aus Siliciumdioxid, so kann die optische Erfassung der Vibration mit der Ultraschallanregung verbunden werden.
• Eine modifizierte Version der anhand der Fig. 5A, 5B beschriebenen Vorrichtung ist in den Fig. 8A, 8B und 8C gezeigt, worin die Anregung elektrisch erfolgt. In Fig. 8B weist ein Substrat 106 vom N-Typ einen Hohlraum an der Unterseite zur Aufnahme der die Eigenschaft messenden Einrichtung sowie einen Hohlraum an der Oberseite zur Aufnahme des Resonanzelements in Form einer Brücke 104 auf. Die Brücke 104 bildet einen Teil eines P&spplus;-dotierten Bereichs 104A, die in einen Teil des Substrats 106 eindringt. Ferner dringt in das Substrat 106 eine N&spplus;-Kontaktdiffusionsschicht 100B ein, die sich aber im Abstand vom P&spplus;-Bereich 104A befindet, so daß ein P&spplus;-N-Übergang entsteht. Eine leitfähige Metallanschlußfläche 100 ist auf der Schicht 100B und eine leitfähige Metallanschlußfläche 101 ist auf dem Bereich 104A abgeschieden. Eine Gleichstromspannung wird an diese Anschlußflächen 100, 101 angelegt, um das vibrierfähige Element 104 zur Vibration anzuregen. Diese Spannung wird in Anschlußflächen 100, 101 über Metallspuren 100A, 101A abgegeben, die auf der Oberfläche eines Siliciumdioxid-Stabs 102 ausgebildet sind, dessen unterstes Ende eine Abdeckung für die die Brücke 104 enthaltende Vertiefung bildet und die von der Brücke 104 durch eine zwischenliegende Schicht aus Silicium 103 getrennt ist. Die äußeren Oberflächen der Anordnung sind mit einer Wärmeisolationsschicht 108, die aus Polystyrol bestehen kann, bedeckt.
• Es ist ersichtlich, daß eine Kapazitanz am Übergang zwischen dem Substrat 106 und dem Bereich 104 auftritt, so daß die durch die Vibration der Brücke 104 hervorgerufenen Veränderungen der Kapazitanz auf ähnliche Weise wie in Fig. 5 erfaßbar sind.
• Es ist ersichtlich, daß sämtliche Ausführungsformen der Erfindung den Meßaufbau zur Beurteilung der Materialeigenschaften haben, wobei die Anregungseinrichtung und die Einrichtung zur Erfassung des Vibrationssignals optisch arbeiten.
• Die Fläche des Meßkopfes ist miniaturisiert und mißt in wirksamer Weise einen einzelnen Punkt im Medium. Wenn das Medium ein großes Volumen besitzt, so kann eine Einpunktmessung für die Gesamtmasse unrepräsentativ sein. Durch Anordnung einer Mehrzahl von Sensoren im gesamten Medium oder durch Erhöhung der wirksamen Fläche des Sensorkopfes kann eine genauere Beurteilung einer Eigenschaft des Mediums vorgenommen werden.
• Um ferner die Genauigkeit der Ablesungen zu verbessern, kann eine thermisch isolierende Buchse über der gesamten Vorrichtung angeordnet werden, um einen etwaigen Wärmeverlust an die Umgebung möglichst gering zu halten. Die Empfindlichkeit kann variiert werden, indem man das Material und den Wärmeausdehnungskoeffizienten des vibrationsfähigen Elements verändert.
• Es ist ersichtlich, daß in den vorstehenden Ausführungsformen unter Anwendung einer optischen Anregung das reflektierte Licht, das von der Erfassungseinrichtung gesammelt wird, ursprünglich aus der Abgabeeinrichtung stammt, dessen Hauptaufgabe es ist, das Element zur Oszillation anzuregen. Jedoch kann die Erfassungseinrichtung auch reflektiertes Licht sammeln, das von einer separaten Lichtquelle stammt, die in spezieller Weise für das Erfassungs- und Meßsystem gemäß WO 86/05271 vorgesehen ist.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Beurteilen einer besonderen Eigenschaft eines Mediums, mit einem Aufbau (9A, 11), der eine geschlossene Kammer (15) bildet und mindestens ein vibrierfähiges Element (16A) aufweist, das innerhalb der geschlossenen Kammer (15) derart angeordnet ist, daß das Element (16A) von dem Medium (13A) physikalisch isoliert ist, wobei der Aufbau (9A, 11) einen wärmeleitfähigen Abschnitt (9A) aufweist und das vibrierfähige Element (16A) innerhalb der Kammer (15) mit dem wärmeleitfähigen Abschnitt (9A) thermisch gekoppelt ist,

mit einem Mittel (11, 12A) zur optischen Anregung für die Abgabe von optischer Anregungsenergie, die in das vibrierfähige Element (16A) einfällt, um das vibrierfähige Element (16A) zum Vibrieren bei seiner Resonanzfrequenz zu bringen,

mit einem optischen Mittel (12A, 19A) zum Überwachen und Erfassen der Vibrationsfrequenz des vibrierfähigen Elements (16A),

mit einem Sensor (18A), der in einem Hohlraum befestigt ist, welcher in einer Außenoberfläche des wärmeleitfähigen Abschnitts (9A) ausgebildet ist, um einen Kontakt mit dem Medium zu ermöglichen, wobei der Sensor (18A) ein Material ist, das mit dem Medium chemisch reagiert und thermisch aktiviert wird, wenn es mit dem Medium in Kontakt kommt, das die besondere Eigenschaft des Änderns der Temperatur der Kammer und somit der Resonanzfrequenz des vibrierfähigen Elements (16A) durch Wärmetransport durch den wärmeleitfähigen Abschnitt (9A) hindurch aufweist, wobei diese Änderungen in der Resonanzfrequenz durch das optische Mittel (12A, 19A) zum Überwachen und Erfassen, welches eine Beurteilung der Anwesenheit dieser besonderen Eigenschaft des Mediums ermöglicht, überwacht und erfaßt werden,

wobei die Oberflächen des Aufbaus (9A, 11), die nicht die genannte Außenoberfläche des Hohlraums darstellen, mit einer Isolierschicht (17) thermisch isoliert sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin der Sensor (18A) ein Enzym umfaßt, das derart ausgewählt ist, daß die zu erfassende besondere Eigenschaft das Substrat des Enzyms darstellt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, worin der Sensor (18A) eine Diffusionsbarriere aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin der wärmeleitfähige Abschnitt (9A) ein Halbleiterplatte-Segmentchip ist und das vibrierfähige Element (16A) innerhalb einer ersten Bohrung in der oberen Oberfläche der Platte ausgebildet sowie der Sensor in einer zweiten Bohrung oder einem Hohlraum in der unteren Oberfläche der Platte angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, die weiterhin eine optische Faser (11) aufweist, die mit der oberen Oberfläche der Platte verbunden ist und die genannte erste Bohrung darin überlagert, wobei die optische Faser (11) für die Abgabe von optischer Anregungsenergie und für das Überwachen und Erfassen der Vibrationsfrequenz des vibrierfähigen Elements (16A) vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin der wärmeleitfähige Abschnitt (9A) eine Siliciumplatte ist und die Isolierschicht (17) aus einem oder mehreren Siliciumoxiden gebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Isolierschicht (17) aus Polystyrol gebildet ist.