WO1998021565A2 - Process and device for optical thin-layer biosensor technology - Google Patents

Process and device for optical thin-layer biosensor technology Download PDF

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WO1998021565A2
WO1998021565A2 PCT/DE1997/002646 DE9702646W WO9821565A2 WO 1998021565 A2 WO1998021565 A2 WO 1998021565A2 DE 9702646 W DE9702646 W DE 9702646W WO 9821565 A2 WO9821565 A2 WO 9821565A2
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optical
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refractive index
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Alexander W. Koch
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Koch Alexander W
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/1717Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with a modulation of one or more physical properties of the sample during the optical investigation, e.g. electro-reflectance
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28Investigating the spectrum
    • G01J3/45Interferometric spectrometry
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/75Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
    • G01N21/77Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
    • G01N21/7703Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator using reagent-clad optical fibres or optical waveguides

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for determining local properties in biochemical sensors, in particular thin films on substrate surfaces which are coated with biologically and / or chemically active materials.
  • Sensors for detecting chemical and / or biochemical signals are based partly on electrical transducers, in which the chemical and / or biochemical signal directly changes an electrical variable, partly on optical transducers, which are based on the optical change in a medium caused by a chemical and / or biochemical signal change, which in turn can be converted into an electrical signal in a simple and efficient manner.
  • a working signal is derived from the determination of the focal point condition, which is a direct measure of the thickness of the workpiece.
  • This method is technologically simple to implement and possibly inexpensive, but has the major disadvantage that the refractive index and thickness resolution required for the chemical and biosensor technology cannot be achieved. The required sensor resolution does not allow methods based on the focus point principle and the triangulation principle.
  • a dynamic change in layer thickness and / or refractive index occurs, for example, in the case of plasma coating or etching processes.
  • Suitable thin-layer interferometric measurement techniques are described in US Pat. No. 5,371,582, WO 94/28376, US Pat. No. 5,337,144, G 296 07 227.3 and in the publications by Caranto et al. (An optical fiber thin film thickness monitor, Meas. Sei. Technol. 4 (1993) pages 865-869, 1993 IOP Publishing Ltd) and the publication by V. Lange and G. Higelin (Static and dynamic test method for thin mono- and polycrystalline Si-films, Microsystem Technologies 1 (1995) pages 185-190, Springer-Verlag 1995).
  • DE 42 28 535 describes a thin-film interferometer for use in chemical and biochemical measurement and analysis technology with a planar waveguide as an integrated optical sensor element.
  • a very simple sensor concept is presented, which combines a cost-effective production of the sensor element with high sensitivity and error-free detection in a robust design suitable for practical use.
  • the main disadvantage of this method is the need to install and assign multiple detectors to detect the interference along a longer or shorter side edge of the sensor element. In this way, the detection is in principle also possible under static conditions, but the signal acquisition and processing is complex.
  • DE 44 00 689 describes an apparatus and a method for determining local properties of a partially ionized gaseous medium and layer thicknesses which are applied to the sensor head of a probe.
  • the method is also based on thin-film interferometry, i.e. during the vapor deposition there is a change in the optical paths between two adjacent, mutually parallel interfaces. This change in the optical paths is recognizable as an interference structure when vapor deposition or etching away of layers.
  • wavelength-selective methods For chemical and / or biochemical sensors, these wavelength-selective methods generally have the disadvantage that a wavelength-dispersive element, such as a monochromator with a grating or prism, must be used in the detector. In this way, the sensor becomes bulky and expensive due to the high outlay on the detector side.
  • a wavelength-dispersive element such as a monochromator with a grating or prism
  • the method of thin-layer interferometry can be used to easily detect thermal expansion of thin transparent substrates or thin transparent layers, as described in utility model G 92 18 626.2.
  • Donnelly and McCaulley Infrared-laser interferometric thermometry: A nonintrusive technology for measuring semiconductowafer temperatures J. Vac. Sei. Technol. A 8 (1), Jan / Feb 1990, American Vacuum Society, pages 84-92
  • Fang et al. A fiber-optic high-temperature sensor, sensors and actuators A 44 (1994) pages 19-24
  • DE 40 17 440 and WO 94/29681 describe a method for measuring the layer thickness and the refractive index of a thin layer on a substrate and a device for carrying out the method, which is based on the use of the thermal radiation of the substrate mentioned.
  • a CCD camera with complex data evaluation is used to detect the measurement signal.
  • Optical measuring methods which are based on thin-film interferometry, have the advantage of a very compact design in combination with very simple data acquisition and data evaluation.
  • conventional thin-film interferometric methods generally have the disadvantage, as explained, that only dynamic processes can be observed, such as, for example, the growth of a transparent layer on a substrate by tracking the interference structure that is being formed. If dynamic processes on the layer to be examined are too slow or too complex, thin-layer interferometric methods for bio and chemical sensors cannot be used. The invention is therefore based on the technical problem
  • optical-interferometric measuring technique should be used in an advantageous manner for the probe construction and the method according to the invention, i.e. high local and spatial resolution, low sensitivity to interference, electromagnetic compatibility, no influence on the test object to be examined should be achieved.
  • the advantage is achieved in particular that the possible uses of thin-layer interferometry can be extended to non-dynamic or very slow-running chemical and / or biochemical processes.
  • the optical path of one or more optical beams is periodically modulated in the substrate; the resulting periodic fluctuation is achieved by superimposing the individual beams which can be brought into interference in the transparent layer; the shape of the resulting periodic intensity fluctuation is a measure of the refractive index ratios of a layer applied to the substrate; an evaluation device connected to the detector head is used to determine the local properties by suitable processing of the optical and electrical signals.
  • optical parameters of one or more layers applied are detected by suitable dynamic changes in the substrate and that the layer itself remains in a more or less static state can be.
  • an optically modulable substrate with an interface on which the chemically and / or biologically sensitive layer is applied acts as a sensor element; a preferably coherent light beam is generated by a transmission unit with one or more beam transmitters; a modulation unit is used to modulate the optically modulatable waveguide; one or more selective receivers are used to record the interference structure; an optical unit is used to detect the radiation transmitted or reflected by the substrate; a data evaluation unit is designed to evaluate the processing and display of the measurement signal and to control the modulation unit.
  • the measuring device according to the invention is advantageously based on the principle of thin-film interferometry, wherein
  • a scanning optical beam detects a change in the optical path in a transparent substrate; in addition, modulation of the optical path in the substrate is carried out using suitable methods, i.e. Even in the case of a static measurement object applied to the substrate, a periodic signal shape corresponding to the thin-film interferometry for the intensity of the output signal is advantageous.
  • the periodic structure of the interference signal is not generated by the optical path change on the measurement object, ie the applied layer, corresponding to the prior art, but by a refractive index variation and / or a variation of the geometric thickness, ie the optical path in the transparent substrate.
  • a periodic variation of the optical path is generated by the following methods:
  • a geometric change in substrate thickness e.g. by applying lateral forces to a deformable substrate, e.g. by means of longitudinal changes in density caused by piezo oscillators
  • a change in the refractive index e.g. B. through the use of substrate materials that change their internal structure and thus their macroscopic refractive index when external electrical fields are applied, e.g. is the case with electroreological fluids
  • the modulation of the optical path is advantageously detected with a bundled light beam in order to increase the local resolution.
  • the light beams on the transmitter side can be designed as laser beams. It is also advantageous to carry out the light irradiation onto the modulating substrate at a flat angle in order to obtain the highest possible sensitivity with regard to the curve shape.
  • the curve shape of the periodic signal depends very sensitively on the covering of the substrate with the biochemical layer and the changes in the layer caused by biochemical processes.
  • the principle of the curve shape detection is effectively used with the method according to the invention and with the device according to the invention in that, due to the sinusoidal shape of the interference signal, the distances between the rising or falling edges are detected at the points with half the maximum amplitude; that is, a distance ratio is detected. Equal distances mean a pure sine course, while a curve shape change shifts these distances.
  • Other waveform acquisition methods such as
  • the previously explained distance ratio is a sensitive function of the refractive index ratios at both interfaces (transition from environment to substrate or transition from substrate to environment). If the ambient conditions on one substrate surface are now kept constant, the conditions according to the invention on the other substrate surface can be measured with high resolution using the method according to the invention.
  • the signal is processed further and can be used, for example, as a monitor signal for a biochemical process.
  • Fig. La, lb sketches of an embodiment of the interferometric measuring device of the invention, consisting of a substrate 1, a light source 2 and a detector 4 with pin diode, with the optics 3 and 5b, the modulation control 15, the optical beam paths 5, 6th and 7 are spanned;
  • composition of the test objects according to Table 1 is created with the distance ratio defined by the quotient from distances 22 and 23;
  • Fig. 3 shows an embodiment of the sensor head consisting of the
  • Substrate 1 which is modulated with the modulation unit 16 controlled by the modulation controller 15; the biochemical layer 17 applied on one interface 20, while the other interface 19 remains unoccupied; the light source 2, which transmits optical radiation via the primary beam path 5 and the secondary beam path 7 to the detector 4; the refractive indices 10, 11 are set for measurement in accordance with Table 1;
  • Fig. 4 shows the structure of an embodiment with substrate 1, biochemical
  • FIG. 1 shows an embodiment of a measuring device according to the invention for generating interference, consisting of a three-phase system.
  • the three media with different refractive indices 10, 11 and 12 (n 0 , n, and n ⁇ have the two interfaces 19 and 20 with one another. If there is a different refractive index on both sides of the interfaces, partial refraction 8 and one occurs for an incident light beam 5 Reflection 6. Structural or destructive interference can occur depending on the difference in the optical paths by superimposing the beams 8 in the medium 11 with the beams 6 and 7.
  • Fig. 2 shows this periodic waveform 21 for three different refractive index ratios.
  • a similar periodic structure can also be produced by varying one of the two media 10 or 12.
  • the conventional thin-layer interferometry for measuring dynamically growing layers of the medium 10 or 12 is based on this principle.
  • constant media 10 and 12 are assumed, so that, according to the invention, the periodic structure can be achieved optical thickness of the medium 11 is varied.
  • This has the advantage that static processes at the boundary layers can also be detected via a change in signal shape, defined, for example, by the distance ratio of length 22 to length 23.
  • the angle of incidence 5a and thus also the exit angle 14 via the transmitting optics 5b is as large as possible, ie. H. as flat as possible incidence on the surface of the substrate 1 is achieved.
  • the inner angle 13 is determined by the refractive index ratios.
  • Fig; 2a, 2b, 2c show the simulation results that were achieved with the designated angles and refractive indices. The following information applies to the two exemplary cases:
  • a modulation unit 16 is used to modulate the optical path in the substrate 1, controlled with the modulation controller 15.
  • the modulation unit 16 is set in such a way that several periods of the signal are always copied at the same time, so that averaging is possible.
  • the modulation unit 16 is advantageously implemented, for example, by a piezo oscillator, which causes longtudinal density waves in the substrate.
  • modulations are achieved by mechanically changing the path of deformable media.
  • Media that perform refractive index fluctuations due to an external electric field can also be used advantageously.
  • the transparent, electro-rheological liquids are an example of such a medium.
  • FIG. 4 finally shows a block diagram of the overall arrangement, the central oscillator 24 being used to implement both the modulation of the light source 2 and the synchronization of the data processing unit 18 and the modulation controller 15.
  • the data processing unit 18 is used for the evaluation, further processing and display of the measurement signal and for controlling the modulation unit 16 via the oscillator 24 and the modulation control (15).
  • the field of application of the measuring system according to the invention, the device and the method relates to chemical and / or biochemical sensor technology, a key technology in which recording process processes are converted into electrical signals with high sensitivity by means of the optical transducer described.
  • the measuring system can be used for measuring requirements that are not accessible to conventional biochemical sensors.
  • the measuring system according to the invention can be used for:

Abstract

The invention concerns a measuring system for detecting chemical and/or biochemical processes along a boundary layer of a transparent substrate which transmits an optical beam. Three media are formed with differing refractive indices. The three media with differing refractive indices (10, 11 and 12) (n0, n1 and n2) have two boundary surfaces (19, 20) with respect to each other. If there is a differential refractive index across the boundary layer, then incident light rays (5) will be partly refracted (8) and partly reflected (6). The overlaying of the rays (8) in the medium (11) with rays (6 or 7) respectively can result in constructive or destructive interference in accord with the difference in the optical paths. If the transmitted or reflected light is focused onto a detector (4) by means of an optical system (3), these intensities can be converted into electrical impulses. While under static conditions, a fixed intensity value is produced, a periodic structure of the detected signal variation (21) in intensity I arises with a variation of the refractive index (11 or 10) and/or the thickness (9)(d). The form of this periodic structure is a sensitive function of the calculation index ratios at the optical boundary surfaces (19 and 20).

Description

Verfahren und Vorrichtung zur optischen Dünnschicht-BiosensorikMethod and device for optical thin-film biosensor technology
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von lokalen Eigenschaften in der biochemischen Sensorik, insbesondere von dünnen Filmen auf Substratoberflächen, die mit biologisch und/oder chemisch aktiven Materialien belegt sind.The present invention relates to a method and a device for determining local properties in biochemical sensors, in particular thin films on substrate surfaces which are coated with biologically and / or chemically active materials.
Während eine Vielzahl von Meßaufnehmern für physikalische und elektrische Meßgrößen als Massenartikel auf dem Markt sind, beruht die Erfassung chemischer und/oder biochemischer Signale auf aufwendigen Meßprinzipien mit entsprechend aufwendiger Sensorik. Vor dem Hintergrund zunehmender Anforderungen an die Meßdatengewinnung insbesondere im Umwelt- und medizinischen Bereich steigt der Bedarf an kostengünstigen, meßtechnisch einfachen und reproduzierbaren chemischen und biochemischen Sensoren stark an. Da chemische und/oder biochemische Signale nicht direkt elektrisch erfaßt werden können, sind Wandler, sog. Transducer notwendig, die die jeweilige Meßgröße in eine elektrisches Ausgangssignal transformieren. Sensoren zur Erfassung chemischer und/oder biochemischer Signale, sog. Chemo- und/oder Biosensoren, beruhen zum Teil auf elektrischen Transducern, bei der das chemische und/oder biochemische Signal direkt eine Änderung einer elektrischen Größe herbeiführt, zum anderen Teil auf optischen Transducern, die auf der infolge einer chemischen und/oder biochemischen Signaländerung hervorgerufenen optischen Änderung eines Mediums beruhen, die wiederum in einfacher und effizienter Weise in ein elektrisches Signal umgewandelt werden kann.While a large number of sensors for physical and electrical measurement quantities are on the market as mass articles, the detection of chemical and / or biochemical signals is based on complex measurement principles with correspondingly complex sensors. Against the background of increasing demands on the acquisition of measurement data, in particular in the environmental and medical fields, the need for inexpensive, simple and reproducible chemical and biochemical sensors increases rapidly. Since chemical and / or biochemical signals cannot be directly detected electrically, transducers, so-called transducers, are necessary which transform the respective measured variable into an electrical output signal. Sensors for detecting chemical and / or biochemical signals, so-called chemo and / or biosensors, are based partly on electrical transducers, in which the chemical and / or biochemical signal directly changes an electrical variable, partly on optical transducers, which are based on the optical change in a medium caused by a chemical and / or biochemical signal change, which in turn can be converted into an electrical signal in a simple and efficient manner.
Wegen der Störunempfϊndlichkeit und der hohen Selektivität gewinnen optische Sensoren in der Bio- und Chemosensorik (kurz: biochemische Sensorik) zunehmend an Bedeutung. Hierbei spielen verschiedene optische Prinzipien eine Rolle, wie z.B. extrinsische oder intrinsische Optoden, Evaneszentfeldtechniken, Interferometrie und Ellipsometrie. Der Stand der Technik weist aber vielfältige Nachteile beim praktischen Einsatz optischer Meßvorrichtungen auf. So beschreibt die DE 43 43 490 ein schnelles spektroskopisches Ellipsome- ter hoher Meßgeschwindigkeit, mit welchem in-situ-Messungen von Prozessen an einer Substratoberfläche möglich sind. Diese ellipsometrischen Anordnungen gestatten das simultane Messen von Brechungsindex und Schichtdicke an aufwachsenden und statischen Schichten. Wesentliche Nachteile derartiger Interferometer, wie sie auch in den US 5,343,J293, US 5,335,066, WO 94/25823, EP 0527150, DE 4108329, DE 4301889 beschrieben sind, liegen in der aufwendigen Justage der Meßvorrichtung und der in der Regel mehrdeutigen Auswerteverfahren. So müssen beim Aufbau derartiger Eilipsometer die Ein- und Ausfallswinkel äußerst präzise auf wenigstens 0,01 ° exakt eingehalten werden. Darüber hinaus müssen diese Winkel in der Nähe des Brewsterwinkels (ca. 70° für transparente Glasschichten) zur Erhöhung der Empfindlichkeit gehalten werden. Weiterhin ist bei der Ellipsometrie problematisch, daß die durch das Meßprinzip bedingte Polarisationsdrehung sehr schnell durchgeführt werden muß und daß damit eine hoher Datenrate anfällt.Because of their sensitivity to interference and their high selectivity, optical sensors in bio and chemical sensors (in short: biochemical sensors) are becoming increasingly important. Various optical principles play a role here, such as extrinsic or intrinsic optodes, evanescent field techniques, interferometry and ellipsometry. However, the prior art has various disadvantages when it comes to the practical use of optical measuring devices. For example, DE 43 43 490 describes a fast spectroscopic ellipsometer with high measuring speed, with which in-situ measurements of processes on a substrate surface are possible. These ellipsometric arrangements allow the simultaneous measurement of refractive index and layer thickness on growing and static layers. Significant disadvantages of such interferometers, as are also described in US Pat. No. 5,343, J 293, US Pat. No. 5,335,066, WO 94/25823, EP 0527150, DE 4108329, DE 4301889, lie in the complex adjustment of the measuring device and the generally ambiguous evaluation method. Thus, when constructing such egg ellipsometers, the angles of incidence and exit must be kept extremely precisely to at least 0.01 °. In addition, these angles must be kept close to the Brewster angle (approx. 70 ° for transparent glass layers) to increase the sensitivity. Another problem with ellipsometry is that the polarization rotation caused by the measuring principle has to be carried out very quickly and that a high data rate is thus obtained.
Ein weiteres optisches Dickenmeßgerät für Schichten beziehungsweise für transparente Werkstücke beschreibt die DE 39 38 113. Hierbei wird über die Feststellung der Brennpunktbedingung ein Arbeitssignal abgeleitet, das direkt ein Maß für die Dicke des Werkstückes ist. Dieses Verfahren ist technologisch einfach zu implementieren und gegebenenfalls kostengünstig, weist jedoch den wesentlichen Nachteil auf, daß die für die Chemo- und Biosensorik geforderte Brechungsindex- und Dickenauflösung nicht erreicht werden kann. Die geforderte Sensorauflösung läßt Verfahren nach dem Fokuspunktprinzip und dem Triangulationsprinzip nicht zu.Another optical thickness measuring device for layers or for transparent workpieces is described in DE 39 38 113. A working signal is derived from the determination of the focal point condition, which is a direct measure of the thickness of the workpiece. This method is technologically simple to implement and possibly inexpensive, but has the major disadvantage that the refractive index and thickness resolution required for the chemical and biosensor technology cannot be achieved. The required sensor resolution does not allow methods based on the focus point principle and the triangulation principle.
Ein weiteres interessantes Schichtdickenmeßverfahren wird beschrieben von Dr. W. Riedel, Fraunhofer-Institut für Physikalische Meßtechnik (Jahresbericht 1995: Schichtdickenmessung mit Weißticht-Interferornetrie, Freiburg). Das Verfahren beruht auf dem Einsatz von Weißlicht mit seiner extrem kurzen Kohärenzlänge. Das Durchfahren eines Fokus durch ein Schichtsystem liefert Interferenzbeiträge an genau den Stellen, an welchen die Referenzarm- und Objektarmlängen im Interferometer übereinstimmen. Während des Meßvorgangs müssen der Objekt- oder der Referenzweg mittels eines Weggebers im Meßbereich moduliert werden. Das Verfahren arbeitet mit großer Präzision, ist aber vom Aufbau her (Interferometer, Modulationseinheit, präzise geometrische Anordnung) zu aufwendig für eine kompakte biochemische Sensorik. Die konventionelle Dünnschichtinterferometrie läßt sich immer dann hervorragend einsetzen, wenn dynamische Vorgänge erfaßt werden müssen. Eine dynamische Schichtdicken- und/- oder Brechungsindexänderung entsteht beispielsweise bei Plasmabeschichtungs- oder Ätzverfahren. Geeignete dünnschichtinterferometrische Meßtechniken werden in der US 5,371 ,582 der WO 94/28376, der US 5,337, 144, der G 296 07 227.3 und in den Veröffentlichungen von Caranto et al. (An optical fibre thin film thickness monitor, Meas. Sei. Technol. 4 (1993) Seiten 865-869, 1993 IOP Publishing Ltd) und der Veröffentlichung von V. Lange und G. Higelin (Static and dynamic test method for thin mono- und polycrystalline Si-films, Microsystem Technologies 1 (1995) Seiten 185-190, Springer-Verlag 1995) beschrieben. Die DE 42 28 535 beschreibt ein Dünnschicht-Interferometer für den Einsatz in der chemischen und biochemischen Meß- und Analysetechnik mit einem planaren Wellenleiter als integriertoptischem Sensorelement. Hier wird, wie für die Chemo- und/oder Biosensorik erforderlich, ein sehr einfaches Sensorkonzept vorgestellt, das in einer robusten, für den praktischen Einsatz geeigneten Ausbildung des Sensorelements eine kostengünstige Herstellung desselben mit hoher Empfindlichkeit und fehlerfreier Detektion verbindet. Der wesentliche Nachteil dieses Verfahrens ist die Notwendigkeit der Installation und der Zuordnung mehrerer Detektoren, um die Interferenz entlang einer längeren oder kürzeren Seitenkante des Sensorelementes zu erfassen. Auf diese Weise wird die Detektion zwar prinzipiell auch unter statischen Bedingungen möglich, die Signalerfassung und Aufbereitung ist jedoch aufwendig.Another interesting layer thickness measurement method is described by Dr. W. Riedel, Fraunhofer Institute for Physical Measurement Techniques (Annual Report 1995: Layer Thickness Measurement with White-Tight Interferoretry, Freiburg). The process is based on the use of white light with its extremely short coherence length. Passing through a focus through a layer system provides interference contributions at precisely the points at which the reference arm and object arm lengths in the interferometer match. During the measuring process, the object or reference path must be modulated in the measuring range using a path encoder. The method works with great precision, but its structure (interferometer, modulation unit, precise geometric arrangement) is too complex for compact biochemical sensors. Conventional thin-film interferometry can always be used excellently when dynamic processes have to be recorded. A dynamic change in layer thickness and / or refractive index occurs, for example, in the case of plasma coating or etching processes. Suitable thin-layer interferometric measurement techniques are described in US Pat. No. 5,371,582, WO 94/28376, US Pat. No. 5,337,144, G 296 07 227.3 and in the publications by Caranto et al. (An optical fiber thin film thickness monitor, Meas. Sei. Technol. 4 (1993) pages 865-869, 1993 IOP Publishing Ltd) and the publication by V. Lange and G. Higelin (Static and dynamic test method for thin mono- and polycrystalline Si-films, Microsystem Technologies 1 (1995) pages 185-190, Springer-Verlag 1995). DE 42 28 535 describes a thin-film interferometer for use in chemical and biochemical measurement and analysis technology with a planar waveguide as an integrated optical sensor element. Here, as is required for chemical and / or biosensor technology, a very simple sensor concept is presented, which combines a cost-effective production of the sensor element with high sensitivity and error-free detection in a robust design suitable for practical use. The main disadvantage of this method is the need to install and assign multiple detectors to detect the interference along a longer or shorter side edge of the sensor element. In this way, the detection is in principle also possible under static conditions, but the signal acquisition and processing is complex.
Die DE 44 00 689 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zu Bestimmung von lokalen Eigenschaften eines teilweise ionisierten gasförmigen Mediums und von Schichtdicken, die auf dem Sensorkopf einer Sonde aufgebracht werden. Das Verfahren beruht ebenfalls auf der Dünnschichtinterferometrie, d.h. während des Aufdampfens entsteht eine Änderung der optischen Wege zwischen zwei benachbarten, zueinander parallelen Grenzflächen. Diese Änderung der optischen Wege wird als Interferenzstruktur beim Aufdampfen oder Wegätzen von Schichten erkennbar.DE 44 00 689 describes an apparatus and a method for determining local properties of a partially ionized gaseous medium and layer thicknesses which are applied to the sensor head of a probe. The method is also based on thin-film interferometry, i.e. during the vapor deposition there is a change in the optical paths between two adjacent, mutually parallel interfaces. This change in the optical paths is recognizable as an interference structure when vapor deposition or etching away of layers.
Weitere interferometrische Anordnungen unter Verwendung von Weißlicht beruhen auf einer spektralen Auswertung des von der Dünnschichtprobe rückreflektierten Lichtes. So beschreibt die EP 06 31 102 eine Methode mit welcher das Spektrum über die Wellenlängendispersion zur Schichtdickenmessung heranzogen wird. Darüber hinaus kann das Licht moduliert (EP 0567745) und polarisiert sein (EP 0622624). Interessant ist auch die Kombination der vorerläuterten ellipsometrischen Meßtechnik mit reflektrometrischer Meßtechnik unter Verwendung eines wellenlängenauflösenden Detektors, wie im Firmenprospekt der SENTECH Instruments GmbH, Rudower Chaussee 6, 12484 Beriin, Firmenkatalog FTP 500) beschrieben wird. Für die chemische- und/oder biochemische Sensorik weisen diese wellenlängenselektiven Verfahren generell den Nachteil auf, daß ein wellenlängendispersives Element im Detektor, wie z.B. ein Monochromator mit Gitter oder Prisma eingesetzt werden muß. Der Sensor wird auf diese Weise infolge des hohen Aufwandes auf der Detektorseite unhandlich und teuer.Further interferometric arrangements using white light are based on a spectral evaluation of the light reflected back from the thin-film sample. For example, EP 06 31 102 describes a method with which the spectrum via the wavelength dispersion is used for measuring the layer thickness. In addition, the light modulated (EP 0567745) and polarized (EP 0622624). Also interesting is the combination of the previously explained ellipsometric measuring technique with reflectometric measuring technique using a wavelength-resolving detector, as described in the company brochure of SENTECH Instruments GmbH, Rudower Chaussee 6, 12484 Beriin, company catalog FTP 500). For chemical and / or biochemical sensors, these wavelength-selective methods generally have the disadvantage that a wavelength-dispersive element, such as a monochromator with a grating or prism, must be used in the detector. In this way, the sensor becomes bulky and expensive due to the high outlay on the detector side.
Weiterhin kann mit dem Verfahren der Dünnschichtinterferometrie in einfacher Weise eine thermische Ausdehnung von dünnen transparenten Substraten oder dünnen transparenten Schichten erfaßt werden, wie im Gebrauchsmuster G 92 18 626.2 beschrieben.Furthermore, the method of thin-layer interferometry can be used to easily detect thermal expansion of thin transparent substrates or thin transparent layers, as described in utility model G 92 18 626.2.
Donnelly and McCaulley (Infrared-laser interferometric thermometry: A nonintrusive techni- que for measuring semiconductowafer temperatures J. Vac. Sei. Technol. A 8 (1), Jan/Feb 1990, American Vacuum Society, Seiten 84-92) sowie Fang et al. (A fiber-optic high-tempe- rature sensor, Sensors and Actuators A 44 (1994) Seiten 19-24) nutzen den Effekt der Dünnschichtinterferenz aus, um Temperaturänderungen eines Substrats oder Meßobjektes über die thermische Ausdehnung zu bestimmen.Donnelly and McCaulley (Infrared-laser interferometric thermometry: A nonintrusive technology for measuring semiconductowafer temperatures J. Vac. Sei. Technol. A 8 (1), Jan / Feb 1990, American Vacuum Society, pages 84-92) and Fang et al. (A fiber-optic high-temperature sensor, sensors and actuators A 44 (1994) pages 19-24) use the effect of thin-layer interference to determine temperature changes of a substrate or measurement object via the thermal expansion.
Die DE 40 17 440 und die WO 94/29681 beschreiben ein Verfahren zur Messung der Schichtdicke und des Brechungsindex einer dünnen Schicht auf einem Substrat und einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, welches auf der Ausnutzung der Temperaturstrahlung des erwähnten Substrats beruht. Auch hier können nur dynamische Prozesse gemessen werden, weiterhin wird eine CCD-Kamera mit aufwendiger Datenauswertung zur Detektion des Meßsignales eingesetzt.DE 40 17 440 and WO 94/29681 describe a method for measuring the layer thickness and the refractive index of a thin layer on a substrate and a device for carrying out the method, which is based on the use of the thermal radiation of the substrate mentioned. Here, too, only dynamic processes can be measured. Furthermore, a CCD camera with complex data evaluation is used to detect the measurement signal.
Allen interferometrischen Verfahren mit einfachem Senderstrahl und einer Photodiode als Detektor zur optischen Charakterisierung von Materialien nach dem Stand der Technik ist gemeinsam, daß nur dynamische Prozesse untersucht werden können. In vielen Fällen tritt durch die periodische Interferenzstruktur zusätzlich das Problem der Mehrdeutigkeit auf. Weiterhin sind optische Verfahren zur Chemo- und Biosensorik bekannt, die auf Evaneszent- feldtechniken beruhen, wie z. B. im Artikel von Günther Gauglitz (Chemo- und Biosensoren mit optischen Transducern, Technisches Messen, 5/95, Seite 204-212) beschrieben. Hierbei wird die Abschwächung der Totalreflexion in einem Wellenleiter durch die Änderung der Brechungsindexverhältnisse an der Grenzschicht Wellenleiter-Umgebung als Meßeffekt genutzt. Das in das insbesondere biochemische Medium eindringende Feld ist quergedämpft oder evaneszent.All interferometric methods with a simple transmitter beam and a photodiode as a detector for the optical characterization of materials according to the prior art have in common that only dynamic processes can be examined. In many cases, the periodic interference structure also creates the problem of ambiguity. Furthermore, optical methods for chemical and biosensor technology are known which are based on evanescent field technologies, such as, for. B. in the article by Günther Gauglitz (chemical and biosensors with optical transducers, technical measurement, 5/95, page 204-212). The attenuation of the total reflection in a waveguide by changing the refractive index ratios at the boundary layer of the waveguide environment is used as the measurement effect. The field penetrating the biochemical medium in particular is cross-damped or evanescent.
Herkömmliche Verfahren nach dem Stand der Technik, die auf der abgeschwächten Totalreflexion, der totalen internen Fluoreszenz-/Reflexion und der Oberflächen-Plasmonen-Reso- nanz sowie der Ellipsometrie beruhen haben generell den Nachteil eines hohen apparativen Aufwandes. Diese hohe apparative Aufwand ist für viele Anwendungen im Bereich der Bio- und Chemosensorik im Hinblick aufConventional methods according to the prior art, which are based on the attenuated total reflection, the total internal fluorescence / reflection and the surface plasmon resonance as well as the ellipsometry, generally have the disadvantage of a high outlay on equipment. This high expenditure on equipment is necessary for many applications in the field of bio and chemical sensors
a. Kosteneffizenz,a. Cost efficiency,
b. Miniaturisierbarkeit,b. Miniaturizability,
c. einfacher Handhabbarkeit in rauhen Industrie - und Umweltbedingungen,c. easy handling in harsh industrial and environmental conditions,
d. hoher Zeit- und Ortsauflösungd. high time and location resolution
e. einfacher und schneller on-line Datenverarbeitunge. easier and faster online data processing
nicht tolerierbar. Optische Meßverfahren, die auf der Basis der Dünnschichtinterferometrie beruhen, weisen den Vorteil einer sehr kompakten Bauweise in Kombination mit sehr einfacher Datenaufnahme und Datenauswertung auf. Herkömmliche dünnschichtinterferometrische Verfahren besitzen jedoch wie erläutert generell den Nachteil, daß nur dynamische Prozesse beobachtet werden können, wie z.B. das Aufwachsen einer transparenten Schicht auf einem Substrat durch Verfolgung der sich ausbildenden Interferenzstruktur. Werden dynamische Prozesse an der zu untersuchenden Schicht zu langsam bzw. zu komplex, lassen sich dünnschichtinterferometrische Verfahren zur Bio- und Chemosensorik nicht einsetzen. Der Erfindung liegt somit das technische Problem zugrunde,intolerable. Optical measuring methods, which are based on thin-film interferometry, have the advantage of a very compact design in combination with very simple data acquisition and data evaluation. However, conventional thin-film interferometric methods generally have the disadvantage, as explained, that only dynamic processes can be observed, such as, for example, the growth of a transparent layer on a substrate by tracking the interference structure that is being formed. If dynamic processes on the layer to be examined are too slow or too complex, thin-layer interferometric methods for bio and chemical sensors cannot be used. The invention is therefore based on the technical problem
eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften eines auf einem Substrat aufgebrachten Mediums vorzusehen, das zur Messung seiner Eigenschaften nicht selbst verändert werden muß. Vorteile, die sich aus der optisch- interferometrischen Meßtechnik ergeben, sollen für den Sondenaufbau und das Verfahren gemäß der Erfindung in vorteilhafter Weise genutzt werden, d.h. hohe lokale und räumliche Auflösung, geringe Störempfindlichkeit, elektromagnetische Verträglichkeit, keine Beeinflussung des zu untersuchenden Meßobjektes sollen erreicht werden.to provide an apparatus and a method for determining the properties of a medium which is applied to a substrate and which does not itself have to be changed to measure its properties. Advantages resulting from the optical-interferometric measuring technique should be used in an advantageous manner for the probe construction and the method according to the invention, i.e. high local and spatial resolution, low sensitivity to interference, electromagnetic compatibility, no influence on the test object to be examined should be achieved.
Mit dem erfindungsgemäßen, interferometrischen Meßverfahren und der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens wird insbesondere der Vorteil erzielt, daß die Einsatzmöglichkeiten der Dünnschichtinterferometrie auf nicht-dynamische oder sehr langsam ablaufende chemische und/oder biochemische Prozesse erweitert werden können.With the interferometric measuring method according to the invention and the device for carrying out the method, the advantage is achieved in particular that the possible uses of thin-layer interferometry can be extended to non-dynamic or very slow-running chemical and / or biochemical processes.
Dieses technische Problem wird erfindungsgemäß durch ein Meßverfahren gelöst welches folgende Schritte aufweist:According to the invention, this technical problem is solved by a measuring method which has the following steps:
der optische Weg eines oder mehrerer optischer Strahlen wird im Substrat periodisch moduliert; die resultierende, periodische Schwankung wird durch Überlagerung der in der transparenten Schicht zur Interferenz bringbaren Einzelstrahlen erzielt; die Form der entstehenden periodischen Intensitätsschwankung ist ein Maß für die Brechungsindexverhältnisse einer auf dem Substrat aufgebrachten Schicht; eine mit dem Detektorkopf verbundene Auswerteinrichtung dient der Bestimmung der lokalen Eigenschaften durch geeignete Verarbeitung der optischen und elektrischen Signale.the optical path of one or more optical beams is periodically modulated in the substrate; the resulting periodic fluctuation is achieved by superimposing the individual beams which can be brought into interference in the transparent layer; the shape of the resulting periodic intensity fluctuation is a measure of the refractive index ratios of a layer applied to the substrate; an evaluation device connected to the detector head is used to determine the local properties by suitable processing of the optical and electrical signals.
Insbesondere wird vorteilhafterweise erreicht, daß die optischen Parameter einer oder mehrerer aufgebrachter Schichten durch geeignte dynamische Veränderungen des Substrats erfaßt werden und die Schicht selbst in einem mehr oder weniger statischen Zustand belassen werden kann.In particular, it is advantageously achieved that the optical parameters of one or more layers applied are detected by suitable dynamic changes in the substrate and that the layer itself remains in a more or less static state can be.
Das obige technische Problem wird ferner durch eine Vorrichtung gelöst, bei welcherThe above technical problem is also solved by a device in which
ein optisch modulierbares Substrat mit einer Grenzfläche, auf der die chemisch und/oder biologisch sensitive Schicht aufgebracht ist als Sensorelement wirkt; ein vorzugsweise kohärenter Lichtstrahl durch eine Sendeeinheit mit einem oder mehreren Strahlensendem erzeugt wird; eine Modulationseinheit zur Modulation des optisch modulierbaren Wellenleiters dient; einer oder mehrere selektive Empfänger zu Aufnahme der Interferenzstruktur dienen; eine optische Einheit zur Erfassung der vom Substrat transmittierten oder reflektierten Strahlung dient; eine Datenauswerteeinheit zur Auswertung bei der Verarbeitung und Anzeige des Meßsignales sowie zur Steuerung der Modulationseinheit ausgebildet ist.an optically modulable substrate with an interface on which the chemically and / or biologically sensitive layer is applied acts as a sensor element; a preferably coherent light beam is generated by a transmission unit with one or more beam transmitters; a modulation unit is used to modulate the optically modulatable waveguide; one or more selective receivers are used to record the interference structure; an optical unit is used to detect the radiation transmitted or reflected by the substrate; a data evaluation unit is designed to evaluate the processing and display of the measurement signal and to control the modulation unit.
Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung basiert in vorteilhafter Weise auf dem Prinzip der Dünnschichtinterferometrie, wobeiThe measuring device according to the invention is advantageously based on the principle of thin-film interferometry, wherein
ein abtastender optischer Strahl eine Änderung des optischen Weges in einem transparenten Substrat erfaßt; zusätzlich mit geeigneten Methoden eine Modulation des optischen Weges im Substrat durchgeführt wird, d.h. auch bei statischem auf dem Substrat aufgebrachten Meßobjekt ergibt sich als Vorteil eine der Dünnschichtinterferometrie entsprechende periodische Signalform für die Intensität des Ausgangssignales.a scanning optical beam detects a change in the optical path in a transparent substrate; in addition, modulation of the optical path in the substrate is carried out using suitable methods, i.e. Even in the case of a static measurement object applied to the substrate, a periodic signal shape corresponding to the thin-film interferometry for the intensity of the output signal is advantageous.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die periodische Struktur des Interferenzsignales nicht durch die dem Stand der Technik entsprechende optische Wegänderung am Meßobjekt, d.h. der aufgebrachen Schicht, erzeugt, sondern durch eine Brechungsindexvariation und/ oder eine Variation der geometrischen Dicke, d.h. des optischen Weges im transparenten Substrat. Eine periodische Variation des optischen Weges (Brechungsindex x Substratdicke) wird erzeugt durch folgende Methoden:In the method according to the invention, the periodic structure of the interference signal is not generated by the optical path change on the measurement object, ie the applied layer, corresponding to the prior art, but by a refractive index variation and / or a variation of the geometric thickness, ie the optical path in the transparent substrate. A periodic variation of the optical path (refractive index x substrate thickness) is generated by the following methods:
eine geometrische Änderung der Substratdicke, z.B. durch Aufbringung von seitlichen Kräften an einem verformbaren Substrat, z.B. durch mittels Pie- zoschwingern hervorgerufenen longitudinalen Dichteänderungen, eine Änderung des Brechungsindex , z. B . durch die Verwendung von Substratmaterialien, die beim Anlegen äußerer elektrischer Felder ihre innere Struktur und damit ihren makroskopischen Brechungsindex verändern, wie dies z.B. bei elektroreologischen Flüssigkeiten der Fall ist,a geometric change in substrate thickness, e.g. by applying lateral forces to a deformable substrate, e.g. by means of longitudinal changes in density caused by piezo oscillators, a change in the refractive index, e.g. B. through the use of substrate materials that change their internal structure and thus their macroscopic refractive index when external electrical fields are applied, e.g. is the case with electroreological fluids,
durch Erzeugung von akusto-optischen Wellen in geeigneten Medien.by generating acousto-optical waves in suitable media.
durch eine Einstrahlung in einem Winkelbereich, der zu unterschiedlichen Ausbreitungswegen im Substrat führt, z.B. mittels konvergenter Einstrahlung.by radiation in an angular range that leads to different propagation paths in the substrate, e.g. by means of convergent radiation.
In vorteilhafter Weise wird die Modulation des optischen Weges mit einem gebündelten Lichtstrahl zu Erhöhung der lokalen Auflösung detektiert. In einfacher Weise können die senderseitigen Lichtstrahlen als Laserstrahlen ausbildet sein. Es ist ferner vorteilhaft, die Lichteinstrahlung auf das modulierende Substrat unter flachem Winkel durchzuführen, um eine möglichst hohe Empfindlichkeit bezüglich der Kurvemform zu erhalten. Die Kurvenform des periodischen Signales hängt sehr empfindlich von der Belegung des Substrats mit der biochemischen Schicht und der in der Schicht durch biochemischen Prozesse hervorgerufenen Veränderungen ab.The modulation of the optical path is advantageously detected with a bundled light beam in order to increase the local resolution. In a simple manner, the light beams on the transmitter side can be designed as laser beams. It is also advantageous to carry out the light irradiation onto the modulating substrate at a flat angle in order to obtain the highest possible sensitivity with regard to the curve shape. The curve shape of the periodic signal depends very sensitively on the covering of the substrate with the biochemical layer and the changes in the layer caused by biochemical processes.
Das Prinzip der Kurvenformerfassung wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und durch die erfindungsgemäße Vorrichtung in der Weise effektiv ausgenützt, indem infolge des sinusförmigen Verlaufes des Interferenzsignales die Abstände der ansteigenden beziehungsweise abfallenden Flanken an den Stellen mit halber Maximal- Amplitude erfaßt werden; d.h., es wird ein Abstandsverhältnis erfaßt. Gleiche Abstände bedeuten einen reinen Sinus- verlauf, während eine Kurven form Veränderung diese Abstände verschiebt. Auch andere Kurvenform-Erfassungsmethoden wieThe principle of the curve shape detection is effectively used with the method according to the invention and with the device according to the invention in that, due to the sinusoidal shape of the interference signal, the distances between the rising or falling edges are detected at the points with half the maximum amplitude; that is, a distance ratio is detected. Equal distances mean a pure sine course, while a curve shape change shifts these distances. Other waveform acquisition methods such as
Fourier-AnalyseFourier analysis
KorrelationsanalyseCorrelation analysis
Wavelet-Transformation ,Wavelet transformation,
KrümmungsanalyseCurvature analysis
Wendepunktbestimmung durch zweifache Ableitung werden herangezogen.Inflection point determination by double derivation are used.
Bei flachem Einstrahlwinkel ist das vorerläuterte Abstandsverhältnis eine empfindliche Funktion der Brechungsindexverhältnisse an beiden Grenzflächen (Übergang Umgebung- Substrat bzw. Übergang Substrat-Umgebung). Werden nun die Umgebungsbedingungen an einer Substratfläche konstant gehalten, so lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Bedingungen an der anderen Substratoberfläche mit hoher Auflösung meßtechnisch erfassen. Das Signal wird weiterverarbeitet und kann beispielsweise als Monitorsignal für einen biochemischen Prozeß herangezogen werden.With a flat angle of incidence, the previously explained distance ratio is a sensitive function of the refractive index ratios at both interfaces (transition from environment to substrate or transition from substrate to environment). If the ambient conditions on one substrate surface are now kept constant, the conditions according to the invention on the other substrate surface can be measured with high resolution using the method according to the invention. The signal is processed further and can be used, for example, as a monitor signal for a biochemical process.
Es ist vorteilhaft, eine Mittelung über mehrere Periodendauern durchzuführen, so daß eine Modulation des optischen Weges über entsprechend große Werte vorgesehen wird. Ferner ist es vorteilhaft, den primärseitigen Lichtstrahl mit hoher Frequenz zu modulieren, um unerwünschte Gleichlichtstörungen herauszufiltern. Durch eine frei vorgebbare Wahl der primärseitigen optischen Dichteunterschiede (Medium 0 - Medium 1) läßt sich ein großer Meßbereich bezüglich der Dichteunterschiede zwischen Medium 1 (Substrat) und dem Meßobjekt (Medium 2) erreichen.It is advantageous to carry out averaging over several period durations, so that the optical path is modulated over correspondingly large values. It is also advantageous to modulate the light beam on the primary side at a high frequency in order to filter out undesired constant light interference. Through a freely definable choice of the optical density differences on the primary side (medium 0 - medium 1), a large measuring range with regard to the density differences between medium 1 (substrate) and the measurement object (medium 2) can be achieved.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den beiliegenden Unteransprüchen. Nachstehend wird die Erfindung anhand ihrer Ausführungsformen "unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:Further advantageous embodiments of the invention emerge from the attached subclaims. The invention is described in more detail below with reference to its embodiments " with reference to the drawings. The drawings show:
Fig. la, lb Prinzipskizzen einer Ausführungsform der interferometrischen Meßvorrichtung der Erfindung, bestehend aus einem Substrat 1 , einer Lichtquelle 2 und einem Detektor 4 mit pin-Diode, mit den Optiken 3 und 5b, der Modulationsansteuerung 15, wobei die optischen Strahlengänge 5, 6 und 7 aufgespannt werden;Fig. La, lb sketches of an embodiment of the interferometric measuring device of the invention, consisting of a substrate 1, a light source 2 and a detector 4 with pin diode, with the optics 3 and 5b, the modulation control 15, the optical beam paths 5, 6th and 7 are spanned;
Fig. 2a, 2b, 2c Simulationen der Signalverläufe 21, die in Fig. 1 bei unterschiedlicher2a, 2b, 2c simulations of the signal profiles 21, which are different in FIG
Zusammensetzung der Meßobjekte nach Tabelle 1 entstehen mit dem durch den Quotienten aus den Strecken 22 und 23 definiertem Abstandsverhältnis;The composition of the test objects according to Table 1 is created with the distance ratio defined by the quotient from distances 22 and 23;
Fig. 3 eine Ausführungsform des Sensorkopfes bestehend aus demFig. 3 shows an embodiment of the sensor head consisting of the
Substrat 1 welches mit der durch die Modulationsansteuerung 15 angesteuerten Modulationseinheit 16 moduliert wird; der auf der einen Grenzfläche 20 aufgebrachten biochemischen Schicht 17, während die andere Grenzfläche 19 unbelegt bleibt; der Lichtquelle 2, die optische Strahlung über den primärseitigen Strahlengang 5 und den sekundärseitigen Strahlengang 7 auf den Detektor 4 sendet; die Brechungsindizies 10, 11 werden entsprechend Tabelle 1 zur Messung eingestellt;Substrate 1 which is modulated with the modulation unit 16 controlled by the modulation controller 15; the biochemical layer 17 applied on one interface 20, while the other interface 19 remains unoccupied; the light source 2, which transmits optical radiation via the primary beam path 5 and the secondary beam path 7 to the detector 4; the refractive indices 10, 11 are set for measurement in accordance with Table 1;
Fig. 4 den Aufbau einer Ausführungsform mit Substrat 1, biochemischerFig. 4 shows the structure of an embodiment with substrate 1, biochemical
Schicht 17 im Blockbild mit einer Modulationsansteuerung 15, der Modulationseinheit 16, der Lichtquelle 2, dem Detektor 4, dem Oszillator 24 und der Datenauswerteeinheit 18, die mit phasenempfindlicher Detektion, integrierten Effektivbildnern und Tranzmittanzverstärkern ausgestattet ist.Layer 17 in the block diagram with a modulation controller 15, the modulation unit 16, the light source 2, the detector 4, the oscillator 24 and the data evaluation unit 18, which is equipped with phase-sensitive detection, integrated effective formers and transmittance amplifiers.
Im folgenden bezeichnen die Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Teile wie unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben. Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung zur Erzeugung von Interferenz, bestehend aus einem Dreiphasensystem. Die drei Medien mit unterschiedlichen Brechungsindizes 10, 11 und 12 (n0, n, und n^ besitzen zueinander die beiden Grenzflächen 19 und 20. Besteht beiderseits der Grenzflächen ein unterschiedlicher Brechungsindex, so tritt für einen einfallenden Lichtstrahl 5 eine teilweise Brechung 8 und eine Reflexion 6 auf. Durch die Überlagerung der Strahlen 8 in Medium 11 mit den Strahlen 6 beziehungsweise 7 können entsprechend der Differenz der optischen Wege konstruktive oder destruktive Interferenzen auftreten. Wird das transmittierte oder reflektierte Licht mittels einer Optik 3 auf einen Detektor 4 abgebildet, so lassen sich diese Intensitäten in elektrische Signale umwandeln. Während sich bei statischen Verhältnissen ein fester Intensitätswert einstellt, ergibt sich bei einer Variation des Brechungsindex und/oder der Dicke 9 (d) eine periodische Struktur der detektierten Signalverläufe 21 mit der Intensität Kd") und den Daten nach Fig. 2b gemäß folgender Zusammenhänge:In the following, the reference numerals designate the same or similar parts as described with reference to FIG. 1. 1 shows an embodiment of a measuring device according to the invention for generating interference, consisting of a three-phase system. The three media with different refractive indices 10, 11 and 12 (n 0 , n, and n ^ have the two interfaces 19 and 20 with one another. If there is a different refractive index on both sides of the interfaces, partial refraction 8 and one occurs for an incident light beam 5 Reflection 6. Structural or destructive interference can occur depending on the difference in the optical paths by superimposing the beams 8 in the medium 11 with the beams 6 and 7. If the transmitted or reflected light is imaged onto a detector 4 by means of an optical system 3, These intensities are converted into electrical signals. While there is a fixed intensity value under static conditions, a variation of the refractive index and / or the thickness 9 (d) results in a periodic structure of the detected signal profiles 21 with the intensity Kd " ) and the data 2b according to the following relationships:
Φ0 = 88-— dl = 0 nO = 1.362 λ = 670 Δd = 3Φ0 = 88-— dl = 0 nO = 1,362 λ = 670 Δd = 3
180
Figure imgf000013_0001
180
Figure imgf000013_0001
A0 = sin(ΦO) BO = oos(Φ0) _ /n0-A0\ 2 A0 = sin (ΦO) BO = oos (Φ0) _ / n0-A0 \ 2
A2 -i'-i^f __ nl-BO - nO-Al nl-BO -mO AlA2 -i'-i ^ f __ nl-BO - nO-Al nl-BO -mO Al
180 arccos(Al) = 68.899 180 xp(- ß-d-i ) π arccos(A2) = 83.491 ß E(d) = e λ π , . n2 Al - nl A2180 arccos (Al) = 68,899 180 xp (- ß-d-i) π arccos (A2) = 83,491 ß E (d) = e λ π,. n2 Al - nl A2
•(E(d)) n2 Al nl-A2 iUcn - r01 + r12 " -/ ( 1 + I01T12-E(Λ) Kd) = ( !R(d)| )2 • (E (d)) n2 Al nl-A2 iUcn - r01 + r12 "- / (1 + I01T12-E (Λ) Kd) = (! R (d) |) 2
Fig. 2 zeigt diese periodischen Signal verlaufe 21 für drei verschieden Brechungsindexverhältnisse. Hierzu sei angemerkt, daß sich eine ähnliche periodische Struktur auch durch eine Variation eines der beiden Medien 10 oder 12 erzeugen läßt. Auf diesem Prinzip beruht die herkömmliche Dünnschichtinterferometrie zur Messung von dynamisch aufwachsenden Schichten des Mediums 10 oder 12. Im vorliegenden Fall wird von konstanten Medien 10 und 12 ausgegangen, so daß zur Erreichung der periodischen Struktur erfindungsgemäß die optische Dicke des Mediums 11 variert wird. Dies hat den Vorteil, daß auch statische Prozesse an den Grenzschichten über eine Signalformänderung, definiert z.B. durch das Abstandsverhältnis der Länge 22 zur Länge 23, detektierbar werden.Fig. 2 shows this periodic waveform 21 for three different refractive index ratios. In this regard, it should be noted that a similar periodic structure can also be produced by varying one of the two media 10 or 12. The conventional thin-layer interferometry for measuring dynamically growing layers of the medium 10 or 12 is based on this principle. In the present case, constant media 10 and 12 are assumed, so that, according to the invention, the periodic structure can be achieved optical thickness of the medium 11 is varied. This has the advantage that static processes at the boundary layers can also be detected via a change in signal shape, defined, for example, by the distance ratio of length 22 to length 23.
Bei dem beschriebenen Auswerteverfahren, welches nur ein Abstandsverhältnis der Länge 22 zur Länge 23 berücksichtigen muß, wird in vorteilhafter Weise eine Unabhängigkeit von der Signalamplitude erreicht. Dies erleichtert die Justage des Gesamtsystems. Die Gesamtamplitude muß bei der Signalerfassung nicht bekannt sein.In the evaluation method described, which only has to take into account a distance ratio of length 22 to length 23, independence from the signal amplitude is advantageously achieved. This facilitates the adjustment of the overall system. The total amplitude does not have to be known when recording the signal.
Maximale Empfindlichkeit ergibt sich in vorteilhafter Weise, wenn gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung der Einfallswinkel 5a und damit auch der Austrittswinkel 14 über die Sendeoptik 5b möglichst groß ist, d. h. ein möglichst flacher Einfall auf die Oberfläche des Substrats 1 erzielt wird. Der innere Winkel 13 wird durch die Brechungsindexverhältnisse festgelegt.Maximum sensitivity is advantageously obtained if, according to another embodiment of the invention, the angle of incidence 5a and thus also the exit angle 14 via the transmitting optics 5b is as large as possible, ie. H. as flat as possible incidence on the surface of the substrate 1 is achieved. The inner angle 13 is determined by the refractive index ratios.
Fig; 2a, 2b, 2c zeigen die Simulationsergebnisse, die mit den bezeichneten Winkeln und Brechungsindizes erreicht wurden. Für die beiden exemplarischen Fälle gelten folgende Angaben:Fig; 2a, 2b, 2c show the simulation results that were achieved with the designated angles and refractive indices. The following information applies to the two exemplary cases:
Tabelle 1:Table 1:
Fig. Einstrahlwinkel 5a Brechungsindizes: in Grad Substrat n, Umgebung n0 biochemische Schicht n2 Fig. Angle of incidence 5a refractive indices: in degrees substrate n, environment n 0 biochemical layer n 2
2a 88 1,459 1,362 1,500 2b 88 1,459 1,362 1,370 2c 88 1,459 1,362 1,3622a 88 1,459 1,362 1,500 2b 88 1,459 1,362 1,370 2c 88 1,459 1,362 1,362
Zur Modulation des optischen Weges im Substrat 1 dient gemäß Fig. 3 eine Modulationseinheit 16, angesteuert mit der Modulationsansteuerung 15. Die Modulationseinheit 16 wird so eingestellt, daß stets mehrere Perioden des Signals gleichzeitig durchschrieben werden, so daß eine Mittelwertbildung möglich ist. Die Modulationseinheit 16 wird z.B. vorteilhaft durch einen Piezo-Schwinger ausgeführt, der longtudinale Dichtewellen im Substrat hervorruft. Weiterhin werden Modulationen durch mechanische Wegänderung von verformbaren Medien erreicht. Ebenso können Medien, die Brechungsindexschwankungen durch ein äußeres elektrisches Feld vollziehen, vorteilhaft eingesetzt werden. Ein Beispiel für ein solches Medium stellen die transparenten, elek- trorheologischen Flüssigkeiten dar.3, a modulation unit 16 is used to modulate the optical path in the substrate 1, controlled with the modulation controller 15. The modulation unit 16 is set in such a way that several periods of the signal are always copied at the same time, so that averaging is possible. The modulation unit 16 is advantageously implemented, for example, by a piezo oscillator, which causes longtudinal density waves in the substrate. Furthermore, modulations are achieved by mechanically changing the path of deformable media. Media that perform refractive index fluctuations due to an external electric field can also be used advantageously. The transparent, electro-rheological liquids are an example of such a medium.
Fig. 4 zeigt schließlich ein Blockbild der Gesamtanordnung, wobei mittels des zentralen Oszillators 24 sowohl die Modulation der Lichtquelle 2 als auch die Synchronisation der Datenverarbeitungseinheit 18 und der Modulationsansteuerung 15 realisiert wird. Die Daten- verarbeitungseeinheit 18 dient der Auswertung, der Weiterverarbeitung und der Anzeige des Meßsignals sowie zur Steuerung der Modulationseinheit 16 über den Oszillator 24 und die Modulationsansteuerung (15).4 finally shows a block diagram of the overall arrangement, the central oscillator 24 being used to implement both the modulation of the light source 2 and the synchronization of the data processing unit 18 and the modulation controller 15. The data processing unit 18 is used for the evaluation, further processing and display of the measurement signal and for controlling the modulation unit 16 via the oscillator 24 and the modulation control (15).
Das Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Meßsystems, der Vorrichtung und des Verfahrens bezieht sich auf die chemische und/oder biochemische Sensorik, einer Schlüsseltechnologie, bei der aufzeichnende Prozeß-Vorgänge mittels des beschriebenen optischen Transducers mit hoher Empfindlichkeit in elektrische Signale umgesetzt werden. Insbesondere kann das Meßsystem bei Meßerfordernissen angewendet werden, die konventionellen biochemischen Sensoren nicht zugänglich sind. Beispielsweise kann das erfindungsgemäße Meßsystem eingesetzt werden zur:The field of application of the measuring system according to the invention, the device and the method relates to chemical and / or biochemical sensor technology, a key technology in which recording process processes are converted into electrical signals with high sensitivity by means of the optical transducer described. In particular, the measuring system can be used for measuring requirements that are not accessible to conventional biochemical sensors. For example, the measuring system according to the invention can be used for:
optischen Erfassung langsam ablaufender biochemischer Prozesse in einer dünnen Schicht;optical detection of slow biochemical processes in a thin layer;
Echtzeitüberwachung von Schadstoffen in GewässernReal-time monitoring of pollutants in water
Gasanlyse in der Umweltkontrolle;Gas analysis in environmental control;
Patientenüberwachung in der Medizintechnik.Patient monitoring in medical technology.
Raumluftüberwachung,Indoor air monitoring,
Kontrolle von Wasser in Hydrauliköl,Control of water in hydraulic oil,
Zusammensetzung von Farbstoffen,Composition of dyes,
Durchflußmessung,Flow measurement,
Füllstandsanzeige. - 14Level indicator. - 14
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Claims

Verfahren und Vorrichtung zur optischen Dünnschicht-Biosensorik Patentansprüche Method and device for optical thin-film biosensor technology
1. Verfahren zur Bestimmung der lokalen Eigenschaften einer oder mehrerer Schichten auf einem Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Weg eines oder mehrerer optischer Strahlen in einem Substrat (1) periodisch moduliert wird und daß einer oder mehrere aufgespaltene optische Strahlen in einem Detektor (4) vereinigt werden und zur Interferenz bringbar sind.1. A method for determining the local properties of one or more layers on a substrate, characterized in that the optical path of one or more optical beams in a substrate (1) is periodically modulated and that one or more split optical beams in a detector (4 ) are united and can be brought to interference.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrisch an steuerbare Modulationseinheit den optischen Weg zwischen den beiden Grenzschichten des Substrats gezielt verändert.2. The method according to claim 1, characterized in that an electrically controllable modulation unit specifically changes the optical path between the two boundary layers of the substrate.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswerteeinheit die infolge der optischen Interferenz erzeugten periodischen Signalverläufe (21) auswertet.3. The method according to claim 1, characterized in that an evaluation unit evaluates the periodic signal curves (21) generated as a result of the optical interference.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine optische Wegänderung im Substrat durch eine geometrische Änderung der Substratdicke hervorgerufen wird.4. The method according to claim 1, characterized in that an optical path change in the substrate is caused by a geometric change in the substrate thickness.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine optische Wegänderung im Substrat durch eine Änderung des Brechungsindex des Substrats (1) oder des Mediums (10) hervorgerufen wird.5. The method according to claims 1 and 4, characterized in that an optical path change in the substrate is caused by a change in the refractive index of the substrate (1) or the medium (10).
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine optische Wegänderung im Substrat durch Erzeugung von akusto-optischen Wellen hervorgerufen wird.6. The method according to claims 1, 4 and 5, characterized in that an optical path change in the substrate is caused by the generation of acousto-optical waves.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auswertung der Signalverläufe die Kurvenformerfassungsmethoden Fourier- Analyse, Korrelationsanalyse, Wavelet-Transformation, Krümmungsanalyse und Wendepunkt- bestimmung eingesetzt werden.7. The method according to claims 1 and 3, characterized in that the waveform detection methods Fourier analysis, correlation analysis, wavelet transformation, curvature analysis and inflection point to evaluate the waveforms. determination can be used.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationseinheit (16) über die Datenauswerteeinheit (18) und die Modulationsansteuerung (15) derart angesteuert wird, daß sich eine maximale Sensorempfindlichkeit ergibt.8. The method according to claims 1 to 7, characterized in that the modulation unit (16) via the data evaluation unit (18) and the modulation control (15) is controlled such that there is a maximum sensor sensitivity.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß einer oder mehrere optische Strahlen zur Erhöhung der Empfindlichkeit des Meßsystems unter einem flachen Winkel (5a) auf das Substrat einstrahlen.9. The method according to claims 1 to 8, characterized in that one or more optical beams to increase the sensitivity of the measuring system at a flat angle (5 a) irradiate on the substrate.
10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der lokalen Auflösung eine Fokussierung der optischen Strahlung vorgesehen ist.10. The method according to claims 1 to 10, characterized in that a focusing of the optical radiation is provided to increase the local resolution.
11. Vorrichtung zur Bestimmung von lokalen Eigenschaften von Schichten, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:11. Device for determining local properties of layers, characterized by the following features:
eine optisch modulierbares Substrat (1) mit einer Grenzfläche (20), auf der die chemisch und/oder biologisch sensitive Schicht (17) aufgebracht ist; eine Sendeeinheit (2) mit einem oder mehreren Strahlensendern; und Sendoptik (5b) eine Modulationseinheit (16) zur Modulation des optisch modulierbaren Substrats (1); einen oder mehrere selektive Empfänger (4) zur Aufnahme der Interferenzstrahlung; eine optische Einheit (3) mit Empfangseinheit (4) zur Erfassung der vom Substrat (1) transmittierten oder reflektierten Strahlung; eine Datenauswerteeinheit (18) zur Auswertung, Weiterverarbeitung und Anzeige des Meßsignales sowie zur Steuerung der Modulationseinheit (16) über den Oszillator (24) und die Modulationsansteuerung (15).an optically modulable substrate (1) with an interface (20) on which the chemically and / or biologically sensitive layer (17) is applied; a transmission unit (2) with one or more radiation transmitters; and transmitting optics (5b) a modulation unit (16) for modulating the optically modulable substrate (1); one or more selective receivers (4) for receiving the interference radiation; an optical unit (3) with a receiving unit (4) for detecting the radiation transmitted or reflected by the substrate (1); a data evaluation unit (18) for evaluating, further processing and displaying the measurement signal and for controlling the modulation unit (16) via the oscillator (24) and the modulation control (15).
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) mit der Schicht (17) und der Umgebung (10) die optischen Grenzflächen (19) und (20) bildet.12. The apparatus according to claim 11, characterized in that the substrate (1) with the layer (17) and the surroundings (10) form the optical interfaces (19) and (20).
13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 1 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zu messende chemische und/oder biologische Schicht (17) an einer der Grenzflächen (19, 20) Brechungsindexunterschiede hervorruft, die sich in der Signalform des detektierten Interferenzsignales zeigen.13. The device according to claims 1 1 and 12, characterized in that the chemical and / or biological layer (17) to be measured at one of the interfaces (19, 20) causes refractive index differences which are reflected in the signal shape of the detected interference signal.
14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß an der Grenzfläche (19) ein optischer Strahl (5) unter möglichst flachem Einfallswinkel (5a) eingekoppelt wird.14. Device according to claims 11 to 13, characterized in that an optical beam (5) is coupled in at the lowest possible angle of incidence (5a) at the interface (19).
15. Vorrichtung nach den Ansprüchen 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsansteuerung (15) eine Modulation des optischen Weges im Substrat (1) mit variablen Frequenzen und /oder Kurvenformen zuläßt.15. Device according to claims 11 to 14, characterized in that the modulation control (15) permits modulation of the optical path in the substrate (1) with variable frequencies and / or curve shapes.
16. Vorrichtung nach den Ansprüchen 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Aus werteeinheit (18) eine Kurvenformanalyse durchführt, die eine Bestimmung der Brechnungsindexunterschiede an der Grenzfläche (20) ermöglicht.16. The device according to claims 11 to 15, characterized in that the evaluation unit (18) carries out a curve shape analysis which enables a determination of the refractive index differences at the interface (20).
17. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Sendestrahlen (5) amplituden oduliert sind.17. The method according to claims 1 to 10, characterized in that the transmission beam or beams (5) are amplitude-modulated.
18. Verfahren nach dem Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine phasenempfindlich Detektion mittels Lock-In-Technik in der Datenauswerteeinheit (18) auch Signale mit hohem Rauschanteil auswertbar macht.18. The method according to claims 1 to 10, characterized in that a phase-sensitive detection by means of lock-in technology in the data evaluation unit (18) also makes it possible to evaluate signals with a high noise component.
19. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß empfangs- seitig ein integrierter Effektivbildner die Gewinnung eines Gleichsignals bewirkt.19. The method according to claims 1 to 10, characterized in that on the receiving side an integrated RMS causes the acquisition of a DC signal.
20. Vorrichtung nach den Ansprüchen 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß in der Empfangseinheit 4 eine rauscharme PIN-Diode als Lichtdetektor Verwendung findet. 20. Device according to claims 11 to 19, characterized in that a low-noise PIN diode is used as a light detector in the receiving unit 4.
21. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in der Datenauswerteeinheit 18 zur Signalformerkennung die Wavelet-Transformation eingesetzt wird.21. The method according to claims 1 to 10, characterized in that the wavelet transformation is used in the data evaluation unit 18 for signal shape recognition.
22. Vorrichtung nach den Ansprüchen 11 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, daß die Senderoptik (5b) ein Strahl teilerarray zur flächenhaften Ausleuchtung des Meßbereiches umfaßt.22. Device according to claims 11 to 21, characterized in that the transmitter optics (5b) comprises a beam splitter array for areal illumination of the measuring range.
23. Vorrichtung nach den Ansprüchen 11 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- und Auskoppelung der Strahlen (5) und (7) durch einen Lichtwellenleiter erfolgt.23. Device according to claims 11 to 22, characterized in that the coupling and uncoupling of the beams (5) and (7) is carried out by an optical waveguide.
24. Vorrichtung nach den Ansprüchen 11 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß ein in die Datenauswerteeinheit (18) integrierter Transmittanzverstärker eine an die Größe des Eingangssignales angepaßte Verstärkung bewirkt.24. Device according to claims 11 to 23, characterized in that a transmittance amplifier integrated in the data evaluation unit (18) effects a gain which is adapted to the size of the input signal.
25. Vorrichtung nach den Ansprüchen 11 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßsystem-Aufbau einen variabel gehalterten Substratträger umfaßt, der einen schnellen Austausch der mit verschiedenen chemisch und/oder biochemisch sensitiven Schichten (17) versehenen Substrate (1) ermöglicht.25. The device according to claims 11 to 24, characterized in that the measuring system structure comprises a variably held substrate carrier which enables a rapid exchange of the substrates (1) provided with different chemically and / or biochemically sensitive layers (17).
26. Vorrichtung nach den Ansprüchen 11 - 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat 1 als optischer Wellenleiter ausgebildet ist. 26. Device according to claims 11 - 25, characterized in that the substrate 1 is designed as an optical waveguide.
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