WO2011138385A1 - Nahfeldsensor zur lokalen messung von dielektrischen eigenschaften - Google Patents

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WO2011138385A1
WO2011138385A1 PCT/EP2011/057183 EP2011057183W WO2011138385A1 WO 2011138385 A1 WO2011138385 A1 WO 2011138385A1 EP 2011057183 W EP2011057183 W EP 2011057183W WO 2011138385 A1 WO2011138385 A1 WO 2011138385A1
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slot
resonator
field sensor
intermediate wall
measuring tip
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PCT/EP2011/057183
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Inventor
Mikolaj Ambrozkiewicz
Arne F. Jacob
Original Assignee
Tutech Innovation Gmbh
Technische Universität Hamburg-Harburg
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/18—SNOM [Scanning Near-Field Optical Microscopy] or apparatus therefor, e.g. SNOM probes
    • G01Q60/22—Probes, their manufacture, or their related instrumentation, e.g. holders
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P7/00—Resonators of the waveguide type
    • H01P7/06—Cavity resonators
    • H01P7/065—Cavity resonators integrated in a substrate

Definitions

  • the invention relates to a near-field sensor for the local measurement of dielectric properties of objects under examination with the aid of microwaves, with a microwave resonator, with
  • Base surfaces and side walls with devices for coupling and decoupling microwaves and with a protruding from the resonator probe for scanning the examination subject.
  • near field microscopes are used (US 4 604 520). These allow a fundamentally arbitrarily fine resolution of objects, but the object to be imaged must then be scanned with high precision by a near field sensor.
  • Near-field microscopy is used not only in the optical but also in the microwave range (US 5,821,410) for a variety of applications; With the help of near-field sensors, radiation in the microwell range can be used for imaging processes (microscopy).
  • microwaves has the advantage that the measured objects often have a higher dielectric contrast and that the greater penetration depth of microwaves allows the measurement of details located below the surface (“sub-surface detection").
  • the measuring structures used consist of a resonator and a connected senen measuring tip, which is close to the material to be measured ⁇ leads. Due to the strong field concentration at the preferably ⁇ as small and pointed end of the probe, there is a very local interaction of the fields with objects placed there. The resulting detuning of the resonator (with regard to its frequency and quality) can be sensitively detected by means of suitable circuit technology and correlated with the local object properties. In this way, a locally resolved precise measurement of the dielectric properties of objects is possible. In most cases, the sensor is guided over the object (eg with a nanometer positioning table) in order to obtain a two-dimensional image.
  • Previous near field sensors are usually based on a coaxial cavity resonator (US 6 614 227 B2). Such resonators are both large and heavy. Although they offer the required for accurate measurements high quality, but are mechanically complex to manufacture. There are also the first signs of planar gefertig ⁇ th measuring sensors known. Most of these use microstrip line resonators (US Pat. No. 5,900,618), which have the disadvantage of only unsatisfactory measurement accuracy. The reasons for this lie in the not so high quality as well as in unvermeidli ⁇ chen radiation losses this resonator. Furthermore, these structures are susceptible to external radiation and are not suitable for simultaneously operating multiple near-field sensors in close proximity.
  • the object of the invention is to provide a near-field sensor of the aforementioned type, which has a high accuracy of measurement ⁇ and can be produced inexpensively with very small dimensions with known techniques.
  • the solution according to the invention consists in that the resonator consists of two substantially equal halves which are superimposed with a common electrically conductive intermediate wall are arranged, wherein the intermediate wall in the region of at least one boundary of the resonator has an elongate slot or electrically non-conductive, but permeable to microwaves slot-shaped region that the measuring tip in the plane of the electrically conductive intermediate wall disposed and with the same in the region of the slot or is connected in the slot-shaped region, and that the near-field sensor is produced in planar technology substrate integrated with a suitable Mehrlagenan ⁇ order.
  • Microwave resonators of this type are often referred to as “folded” and used as microwave filters ("Hong”, “Folded Waveguide Resonator Filters,” IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, pp. 4 -, June 2005). folding "of the resonator has thereby to imagine such a way that two, Re ⁇ sonatorhunn that would otherwise be disposed horizontally side by side, vertically arranged one above the other" folded ". to make a connection between these halves is in the lying between the two substrate layers metallization at the location of the "folding" a coupling slot attached. Effectively results then a resonator, which was virtually folded over this coupling slot in two superimposed parts.
  • the term "folding" is not to be understood literally; the two resonator halves are actually not folded.
  • the coupling slot can be curvilinear, which of course it would not be possible in an actual folding. In an advantageous embodiment, however, it is rectilinear, which corresponds more to a convolution.
  • the invention enables unprecedented Miniaturi ⁇ tion and integration density of such sensors for near field microscopy.
  • These are the from microelectronics be ⁇ knew planar technology resonators and substrate integrated Waveguide (SIW) performed in a suitable multi-layer arrangement and combined with a fine measuring tip. This makes it possible to use the resonator as a core element to save space and with little manufacturing effort in a sensor.
  • SIW substrate integrated Waveguide
  • the probe tip For maximum sensitivity, the probe tip must be placed in the resonator at the highest field strength location. The coupling takes place through a hole in the resonator wall, from which the fine tip protrudes outwards. This adjusts the outer space of the resonator, a concentrated electric field at the measuring ⁇ a peak, which is very highly localized depending on the dimensions of the tip, since it is evanescently.
  • the measuring ⁇ tip may be integrated with the planar resonator.
  • the tip In a conventional SIW resonator, the tip can only be implemented as a vertical element. Technologically, it would have to be realized as a via (via), which requires a minimum bore diameter and thus precludes a miniaturization of the measuring tip.
  • An essential feature of the invention is therefore that the minimum size of the measuring ⁇ peak and thus the attainable resolution to several orders North ⁇ voltages can be reduced.
  • the configuration of the measuring tip is possible as a planar circuit structure.
  • the resul ⁇ advantage from the fact that the position of maximum elec ⁇ tric field strength is now located in the plane of the intermediate wall and of the coupling slot.
  • the measuring tip may be structured so as a planar object in a standard process on a metallization ⁇ approximate area. This allows a dimension of the probe tip of a few ym itself with simple processes.
  • the complete sensor can be mounted in a simple production process on a conventional tional substrate are manufactured. Mechanically complex production processes are completely avoided.
  • the measuring tip is manufactured in a different process and then connected in a suitable manner to the SIW resonator.
  • This can be advantageous if, for example, one manufactures a microfluidic channel together with the tip in a biocompatible process.
  • one can choose for the tip a process that allows an even finer structuring (nanotechnology). In such a "sandwich” design, the tip could be connected to the resonator eg via bond wires or with a "flip-chip” junction.
  • the easy-to-manufacture, cost-effective and flexible near-field sensors of the invention have many applications. They can be used both in previously known fields (material characterization) and for novel applications, e.g. in the field of medical technology and biomedical analysis (e.g., flow cytometry, stem cell research).
  • the resonator halves a rectangular, in particular square base aufwei ⁇ sen and a slot or slit-like region is provided in the intermediate wall in the middle of the measuring tip is arranged.
  • the resonator halves have a rectangular, in particular square base surface and in the intermediate wall two adjacent mutually perpendicular slots or slot-shaped areas are provided and the measuring tip is located at the point where the slots or slot-shaped areas abut each other ,
  • the resonator halves have a triangular base surface and in the intermediate wall two adjoining each other at an angle arranged slots or slot-shaped Be ⁇ rich are provided and the measuring tip angeord ⁇ net at the point where the slots or slot-shaped areas aneinan ⁇ bump.
  • the measuring tips are provided at corners of the resonator, which makes it possible, if the application requires that several sensors are directed from different directions to an object, since one achieves a better packing density of the individual elements ⁇ .
  • the base surfaces of the resonator, which lie ⁇ gen in the substrate plane are formed by conventional metalization techniques.
  • the likewise required electrically conductive side walls of the resonators are formed in an advantageous embodiment by vertical to the base surface of the resonator halves electrically conductive columns, which consist of holes provided with electrically conductive coating.
  • the near-field sensor according to the invention has a clear advantage, in particular when such sensors have as integral parts of a larger Sys tems ⁇ have small dimensions and / or a plurality of them at various locations to be used locally.
  • the possible sub-ym and sub-resolution resolutions allow applications in materials testing, biological and medical analytics, as well as flow cytometry applications and other biomedical applications, particularly in analytics.
  • microfluidic systems Due to the small dimensions and the mentioned possibility to manufacture the measuring tip in a different process than the resonator itself, there are potentially very interesting applications in the integration with microfluidic systems.
  • a combination of microfluidic systems with MEMS-based nanotechnology and sensors of the invention permits the production of complex, yet miniaturized, automatic analy ⁇ tiksysteme.
  • a combination of multiple sensors into an array allows more precise measurements, additional spatial information and poten tially ⁇ three-dimensional imaging method at the single cell level.
  • the near-field sensor according to the invention can be designed as an independent measuring element, for example in the form of a freely placed sensor. sensor for contact measurements, or already integrated together with a measuring arrangement. The latter case arises when the sensor is combined, for example, with a microfluidic channel through which, for example, a cell suspension is passed.
  • the arrangement of this channel past the measuring tip can be done either vertically (hole) or horizontally (eg lithographically structured).
  • the senor can therefore be used as a single element or as a sensor array.
  • Various arrangements of the individual elements are conceivable:
  • Fig. 1 in plan view and in side view of the invention
  • FIG. 2 shows the near-field sensor according to the invention in a perspective view with a detailed representation of the part circled in the lower part of the figure
  • FIG. G. 3 three other embodiments of the near field sensor according to the invention.
  • a near-field sensor is shown on the left in top view and on the right in side view.
  • This consists essentially of two superposed Mikrowellenresonatorhcrun 1, 2. These are bounded by an intermediate wall 3 and upper and lower walls 4, wherein these walls are formed as metallized surfaces ⁇ .
  • the side walls of the resonators ⁇ gate halves 1, 2 are limited by a "Viazaun" 5, which is formed by bores, which are metallized, and the resonator 3, 4 electrically connect.
  • the probe tip 6 is connected, consisting of Projection protrudes and can be passed close to the object 7.
  • the intermediate wall 3 is in the lower region 8 in Figure 1 elec ⁇ cally non-conductive, but permeable to microwaves.
  • ⁇ sen area 8 the two resonator halves 1 are joined 2, so that they substantially have the characteristics of a resonator, wherein the resonator halves 1, 2 are arranged next to each other and not to fold about each other like in the embodiment of FIG. 1
  • FIG. 2 shows a perspective view of the invention shown Nahfeldsensors SEN is shown. There are still shown devices 9 for coupling and decoupling of the microwaves.
  • FIG. 3 a near-field sensor with a square cross-section is shown on the left, which has two coupling slots 8, which correspond to two folds.
  • the measuring tip 6 is not arranged in the middle of one side of the resonator as in the embodiment of Figures 1, 2, but at a corner. This allows a different geometric arrangement of the near field sensor according to the invention for special measurement purposes.
  • FIG. 3 In the middle and on the right in Figure 3, two-fold more resonators having a triangular cross section are shown, also with two coupling slots 8 where ⁇ also at the probe tip is disposed at a tip 6 again.
  • the arrangements of FIG. 3 make it possible for several sensors according to the invention to be directed onto an object at the same time, as shown in FIG. There, several sensors are arranged around a channel 10 shown in the middle, which runs perpendicular to the plane of the drawing. It can be carried out simultaneously with several sensors measurements on substances that are transported through this channel 10. This could be z. B. individual cells that are transported through a microchannel 10.
  • the corresponding channel 10 is arranged in the plane of the near field sensors.
  • the two diagrams to the right show again array of proximity sensors to define a channel 10 which is perpendicular to the plane of the near-field, said plurality of superimposed angeord ⁇ designated arrangements of proximity sensors are shown on the far right with which more detailed studies can be performed.

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Abstract

Der Nahfeldsensor zur lokalen Messung von dielektrischen Eigenschaften von Untersuchungsobjekten mit Hilfe von Mikrowellen, mit einem Mikrowellenresonator (1, 2) und mit einer aus demselben herausragenden Messspitze (6) zum Abtasten des Untersuchungsobjekts (7), zeichnet sich dadurch aus, dass der Resonator aus zwei im wesentlichen gleichen durch einen Schlitz (8) gekoppelten Hälften (1, 2) besteht, die übereinander mit einer gemeinsamen elektrisch leitenden Zwischenwand (3) angeordnet sind, dass die Messspitze (6) in der Ebene der elektrisch leitenden Zwischenwand (3) angeordnet und mit derselben im Bereich des Schlitzes (8) verbunden ist, und dass der Nahfeldsensor in planarer Technologie substratintegriert mit einer geeigneten Mehrlagenanordnung hergestellt ist.

Description

Nahfeldsensor zur lokalen Messung von dielektrischen
Eigenschaften
Die Erfindung betrifft einen Nahfeldsensor zur lokalen Messung von dielektrischen Eigenschaften von Untersuchungsobjekten mit Hilfe von Mikrowellen, mit einem Mikrowellenresonator, mit
Grundflächen und Seitenwänden, mit Einrichtungen zum Ein- und Auskoppeln von Mikrowellen und mit einer aus dem Resonator herausragenden Messspitze zum Abtasten des Untersuchungsobjekts.
Um die durch Beugung begrenzte Auflösung von traditionellen Mikroskopieverfahren zu umgehen, werden Nahfeldmikroskope verwendet (US 4 604 520) . Diese erlauben eine prinzipiell beliebig feine Auflösung von Objekten, allerdings muss das abzubildende Objekt dann mit hoher Präzision von einem Nahfeldsensor abgetastet werden .
Nahfeldmikroskopie wird nicht nur im optischen, sondern auch im Mikrowellen-Bereich (US 5 821 410) für vielfältige Anwendungen eingesetzt; mit Hilfe von Nahfeldsensoren kann Strahlung im Mik- rowellenbereich für abbildende Verfahren (Mikroskopie) verwendet werden. Die Nutzung von Mikrowellen hat dabei den Vorteil, dass die Messobjekte einen oftmals höheren dielektrischen Kontrast aufweisen und dass die größere Eindringtiefe von Mikrowellen die Messung von unterhalb der Oberfläche befindlichen Details erlaubt („sub-surface detection").
Bekannte Verfahren zur Nahfeldmikroskopie mit Mikrowellen erlau¬ ben Auflösungen im Nanometer-Bereich . Dabei genutzte Messstrukturen bestehen aus einem Resonator sowie einer daran angeschlos- senen Messspitze, die dicht an das zu messende Material herange¬ führt wird. Durch die starke Feldkonzentration an dem vorzugs¬ weise möglichst kleinen und spitzen Ende des Messfühlers kommt es zu einer sehr lokalen Wechselwirkung der Felder mit dort platzierten Objekten. Die resultierende Verstimmung des Resonators (bezüglich seiner Frequenz und Güte) lässt sich mittels geeigneter Schaltungstechnik empfindlich detektieren und mit den lokalen Objekteigenschaften korrelieren. Auf diese Weise ist eine lokal aufgelöste präzise Messung der dielektrischen Eigenschaften von Objekten möglich. Zumeist wird dafür der Sensor über das Objekt geführt (z.B. mit einem Nanometer-Positionier- tisch) , um ein zweidimensionales Abbild zu erhalten.
Bisherige Nahfeldsensoren basieren meist auf einem koaxialen Hohlraumresonator (US 6 614 227 B2) . Solche Resonatoren sind sowohl groß als auch schwer. Sie bieten zwar die für genaue Messungen erforderliche hohe Güte, sind jedoch mechanisch aufwändig zu fertigen. Es sind außerdem erste Ansätze von planar gefertig¬ ten Messsensoren bekannt. Bei diesen werden zumeist Mikrostrei- fen-Leitungs-Resonatoren (US 5 900 618) verwendet, die den Nachteil einer nur unbefriedigenden Messgenauigkeit haben. Die Gründe dafür liegen in der nicht so hohen Güte sowie in unvermeidli¬ chen Abstrahlverlusten dieses Resonatortyps. Des Weiteren sind diese Strukturen anfällig für Einstrahlungen von außen und nicht geeignet, um mehrere Nahfeldsensoren gleichzeitig in großer Nähe zu betreiben.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Nahfeldsensors der eingangs genannten Art, der eine hohe Messgenau¬ igkeit aufweist und mit bekannten Techniken kostengünstig mit sehr geringen Abmessungen hergestellt werden kann.
Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, dass der Resonator aus zwei im wesentlichen gleichen Hälften besteht, die übereinander mit einer gemeinsamen elektrisch leitenden Zwischenwand angeordnet sind, wobei die Zwischenwand im Bereich mindestens einer Begrenzung des Resonators einen länglichen Schlitz oder elektrisch nichtleitenden, aber für Mikrowellen durchlässigen schlitzförmigen Bereich aufweist, dass die Messspitze in der E- bene der elektrisch leitenden Zwischenwand angeordnet und mit derselben im Bereich des Schlitzes bzw. im schlitzförmigen Bereich verbunden ist, und dass der Nahfeldsensor in planarer Technologie substratintegriert mit einer geeigneten Mehrlagenan¬ ordnung hergestellt ist.
Mikrowellenresonatoren dieser Art werden häufig als „gefaltet" bezeichnet und als Mikrowellenfilter eingesetzt (J.-S. Hong, "Folded-waveguide resonator filters, " IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, pp . 4 -, June 2005) . Die „Faltung" des Resonators hat man sich dabei so vorzustellen, dass zwei Re¬ sonatorhälften, die sonst horizontal nebeneinander angeordnet würden, vertikal übereinander angeordnet, „gefaltet" werden. Um eine Verbindung zwischen diesen Hälften herzustellen, wird in der zwischen den beiden Substratlagen liegenden Metallisierungsschicht an der Stelle der „Faltung" ein Kopplungsschlitz angebracht. Effektiv ergibt sich dann ein Resonator, der quasi über diesem Kopplungsschlitz in zwei übereinander liegende Teile gefaltet wurde.
Der Begriff "Faltung" ist dabei nicht wörtlich zu verstehen; die beiden Resonatorhälften sind tatsächlich nicht gefaltet. So kann auch der Kopplungsschlitz krummlinig sein, was er bei einer tatsächlichen Faltung natürlich nicht möglich wäre. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist er aber geradlinig, was einer Faltung eher entspricht.
Die Erfindung ermöglicht eine bisher unerreichte Miniaturi¬ sierung und Integrationsdichte von solchen Sensoren für die Nahfeldmikroskopie. Dazu werden mit der aus der Mikroelektronik be¬ kannten planaren Technologie Resonatoren als substratintegrierte Wellenleiter (SIW) in einer geeigneten Mehrlagenanordnung ausgeführt und mit einer feinen Messspitze kombiniert. Dies erlaubt es, den Resonator als Kernelement platzsparend und mit geringem Fertigungsaufwand in einem Sensor einzusetzen.
Für größtmögliche Empfindlichkeit muss die Messspitze am Ort der höchsten Feldstärke im Resonator angebracht werden. Die Ankopp- lung erfolgt durch ein Loch in der Resonatorwand, aus dem die feine Spitze nach außen ragt. Dadurch stellt sich im Außenraum des Resonators ein konzentriertes elektrisches Feld an der Mess¬ spitze ein, das abhängig von den Abmessungen der Spitze sehr stark lokalisiert ist, da es evaneszent ist.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist es, dass die Mess¬ spitze planar mit dem Resonator integriert werden kann. Bei einem konventionellen SIW-Resonator kann die Spitze nur als vertikales Element ausgeführt werden. Technologisch müsste sie dafür als Durchkontaktierung (Via) realisiert werden, was einen minimalen Bohrungsdurchmesser erfordert und somit einer Miniaturisierung der Messspitze entgegensteht. Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist es daher, dass die minimale Größe der Mess¬ spitze und damit die erreichbare Auflösung um mehrere Größenord¬ nungen reduziert werden kann.
In einer solchen „folded SIW" Anordnung ist die Ausbildung der Messspitze als planare Schaltungsstruktur möglich. Das resul¬ tiert aus der Tatsache, dass die Position mit maximaler elek¬ trischer Feldstärke sich nun in der Ebene der Zwischenwand und des Kopplungsschlitzes befindet. Die Messspitze kann also als planares Objekt in einem Standardprozess auf einer Metallisie¬ rungsfläche strukturiert werden. Dies erlaubt eine Abmessung der Messspitze von wenigen ym selbst mit einfachen Prozessen.
Der komplette Sensor kann also bei einer vorteilhaften Ausführungsform in einem einfachen Fertigungsprozess auf einem konven- tionellen Substrat gefertigt werden. Mechanisch aufwendige Fertigungsverfahren werden komplett vermieden.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform wird die Messspitze in einem anderen Prozess gefertigt und dann in geeigneter Weise mit dem SIW-Resonator verbunden. Dies kann vorteilhaft sein, wenn man z.B. einen mikrofluiden Kanal zusammen mit der Spitze in einem biokompatiblen Prozess fertigt. Außerdem kann man für die Spitze einen Prozess wählen, der eine noch feinere Strukturierung erlaubt (Nanotechnologie) . In einem solchen „Sandwich" Aufbau könnte die Spitze mit dem Resonator z.B. über Bond-Drähte oder mit einem „Flip-Chip"-Übergang verbunden werden. Dadurch kombiniert man die Vorteile eines einfach zu ferti¬ genden, planaren Resonators, der sich gut in bestehende Mikro¬ wellenschaltungen einfügt, mit nanotechnologisch gefertigten Messspitzen, die eine weitere Miniaturisierung der Abmessungen, und somit Verbesserungen der Auflösung erlauben.
Die einfach herzustellenden, kostengünstigen und flexibel einsetzbaren Nahfeldsensoren der Erfindung haben vielfältige Anwendungen. Sie können sowohl in bisher bekannten Bereichen (Materialcharakterisierung) als auch für neuartige Anwendungen z.B. im Bereich der Medizintechnik und biomedizinischen Analytik (z.B. Durchflusszytometrie, Stammzellenforschung) verwendet werden.
In vielen Fällen wird man vorsehen, dass die Resonatorhälften eine rechteckige, insbesondere quadratische Grundfläche aufwei¬ sen und in der Zwischenwand ein Schlitz oder schlitzförmiger Bereich vorgesehen ist, in dessen Mitte die Messspitze angeordnet ist .
Durch Ausnutzung von weiteren Symmetrien der Eigenmode in einem Resonator können auch „doppelt oder mehrfach gefaltete" Anordnungen genutzt werden. Darunter ist zu verstehen, dass man einen Resonator mit zwei übereinanderliegenden gleichen Hälften her- stellt, der an den Rändern, die bei einer mehrfachen Faltung Faltungslinien wären, Kopplungsschlitze aufweist.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Resonatorhälften eine rechteckige, insbesondere quadratische Grundfläche aufweisen und in der Zwischenwand zwei aneinander angrenzende senkrecht zueinander angeordnete Schlitze oder schlitzförmige Bereiche vorgesehen sind sowie die Messspitze an der Stelle angeordnet ist, wo die Schlitze oder schlitzförmigen Bereiche aneinander stoßen.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Resonatorhälften eine dreieckige Grundfläche aufweisen und in der Zwischenwand zwei aneinander angrenzende unter einem Winkel zueinander angeordnete Schlitze oder schlitzförmige Be¬ reiche vorgesehen sind und die Messspitze an der Stelle angeord¬ net ist, wo die Schlitze oder schlitzförmigen Bereiche aneinan¬ der stoßen.
In diesen Fällen sind die Messspitzen an Ecken des Resonators vorgesehen, was es ermöglicht, wenn die Anwendung es erfordert, dass mehrere Sensoren von verschiedenen Richtungen auf ein Objekt gerichtet sind, da man eine bessere Packungsdichte der ein¬ zelnen Elemente erreicht.
Die Grundflächen des Resonators, die in der Substratsebene lie¬ gen, werden durch übliche Metallisierungstechniken gebildet. Die ebenfalls erforderlichen elektrisch leitenden Seitenwände der Resonatoren werden bei einer vorteilhaften Ausführungsform durch zur Grundfläche der Resonatorhälften senkrechte elektrisch leitende Säulen gebildet, die aus mit elektrisch leitender Be- schichtung versehenen Bohrungen bestehen.
Gegenüber bisherigen Nahfeldmikroskopen hat der erfindungsgemäße Nahfeldsensor insbesondere dann einen deutlichen Vorteil, wenn solche Sensoren als integrierte Bestandteile eines größeren Sys¬ tems geringe Abmessungen aufweisen müssen und/oder eine Vielzahl davon an verschiedenen Stellen lokal eingesetzt werden soll. Durch die mögliche Auflösung im sub-ym-Bereich und darunter sind Anwendungen in der Materialprüfung sowie in der biologischen und medizinischen Analytik sowie Anwendung für die Durchflusszyto- metrie und für weitere biomedizinische Anwendungen, insbesondere in der Analytik möglich.
Durch die geringen Abmessungen und die angesprochene Möglichkeit, die Messspitze in einem anderen Prozess als den Resonator selbst zu fertigen, ergeben sich insbesondere potentiell sehr interessante Anwendungen bei der Integration mit mikrofluiden Systemen. Eine Kombination von mikrofluiden Systemen mit MEMS basierter Nanotechnologie und der erfindungsgemäßen Sensoren erlaubt es, komplexe und doch miniaturisierte, automatische Analy¬ tiksysteme herzustellen.
Eine Integration solcher Sensoren in einem System zusammen mit mikrofluiden Kanälen, durch die Zellen transportiert werden, erscheint besonders vorteilhaft. Durch die eigenständige Bewegung der Zellen an dem Sensor vorbei entfällt die sonst nötige Raste- rung des Objektes. Es ergeben sich dielektrische Profile einzel¬ ner Zellen, die sich zur Klassifizierung, Charakterisierung und Vermessung einzelner Zellen verwenden lassen. Weitere Anwendungen z. B. in der Forschung umfassen die Charakterisierung von Stammzellen oder die Studie von metabolischen Prozessen innerhalb einzelner Zellen.
Eine Kombination von mehreren Sensoren zu einem Array ermöglicht genauere Messungen, zusätzliche räumliche Information und poten¬ tiell dreidimensionalen Abbildungsverfahren auf Einzelzellebene.
Der erfindungsgemäße Nahfeldsensor kann als unabhängiges Mess¬ element ausgestaltet werden, z.B. in Form einer frei platzierba- ren Sonde für Kontaktmessungen, oder bereits zusammen mit einer Messanordnung integriert werden. Der letztere Fall ergibt sich, wenn man den Sensor z.B. mit einem mikrofluiden Kanal kombiniert, durch den z.B. eine Zellsuspension geleitet wird. Die Anordnung dieses Kanals an der Messspitze vorbei kann entweder vertikal (Bohrung) oder horizontal (z.B. lithographisch strukturiert) erfolgen.
Der Sensor kann also als einzelnes Element oder als Sensor-Array genutzt werden. Es sind verschiedene Anordnungen der einzelnen Elemente denkbar:
• Entlang eines horizontal verlaufenden Kanals
• Um einen vertikalen Kanal herum (in einer Ebene, in mehreren Ebenen bei mehrschichtigen Aufbauten) oder spiralförmig darum rotierend .
Die erwähnte „Faltung" des Resonators kann auf verschiedene Wei¬ sen erfolgen, indem weitere Symmetrien der Eigenmode ausgenutzt werden. Dadurch ergibt sich auch eine andere Positionierung der Messspitze, was für bestimmte Anwendungen die Packungsdichte er¬ höhen kann.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von vorteilhaften Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnungen bei¬ spielsweise beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1: in Draufsicht und in Seitenansicht den erfindungsgemäßen
Nahfeldsensor;
Fig. 2 den erfindungsgemäßen Nahfeldsensor in einer perspektivischen Darstellung mit einer Detaildarstellung des im unteren Figurenteil eingekreisten Teils; g. 3 drei andere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Nahfeldsensors; und
Fig. 4 und 5 verschiedene Anordnungen von Nahfeldsensoren.
In Figur 1 ist links in Draufsicht und rechts in Seitenansicht ein erfindungsgemäßer Nahfeldsensor gezeigt. Dieser besteht im Wesentlichen aus zwei übereinander angeordneten Mikrowellenresonatorhälften 1, 2. Diese werden durch eine Zwischenwand 3 und obere und untere Wände 4 begrenzt, wobei diese Wände als metal¬ lisierte Flächen ausgebildet sind. Die Seitenwände der Resona¬ torhälften 1, 2 werden dabei durch einen „Viazaun" 5 begrenzt, der durch Bohrungen gebildet wird, die metallisiert sind und die Resonatorwände 3, 4 elektrisch verbinden. Mit der Zwischenwand 3 ist die Messspitze 6 verbunden, die aus der Anordnung herausragt und nahe an dem Objekt 7 vorbeigeführt werden kann.
Die Zwischenwand 3 ist im unteren Bereich 8 in Figur 1 elekt¬ risch nichtleitend, aber für Mikrowellen durchlässig. Durch die¬ sen Bereich 8 werden die beiden Resonatorhälften 1, 2 verbunden, so dass sie im Wesentlichen die Eigenschaften eines Resonators haben, bei dem die Resonatorenhälften 1, 2 nebeneinander und nicht nach Faltung übereinander wie bei der Ausführungsform von Figur 1 angeordnet sind.
In Figur 2 ist eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemä¬ ßen Nahfeldsensors gezeigt. Dort sind noch Einrichtungen 9 zur Einkopplung und Auskopplung der Mikrowellen gezeigt.
Wenn die Messspitze 6 nahe am Objekt 7 vorbeigeführt wird, än¬ dern sich aufgrund des Objekts 7 sowohl die Resonanzfrequenz als auch der Gütefaktor der Resonatorhälften 1, 2, was durch entsprechende elektronische Mittel in bekannter Weise detektiert werden kann. In Figur 3 ist links ein Nahfeldsensor mit quadratischem Querschnitt gezeigt, der zwei Kopplungsschlitze 8 aufweist, die zwei Faltungen entsprechen. Die Messspitze 6 ist dabei nicht in der Mitte einer Seite des Resonators wie bei der Ausführungsform der Figuren 1, 2, sondern an einer Ecke angeordnet. Dies ermöglicht eine andere geometrische Anordnung des erfindungsgemäßen Nahfeldsensors für spezielle Messzwecke. In der Mitte und rechts in Figur 3 sind zwei mehrfach gefaltete Resonatoren mit dreieckigem Querschnitt mit ebenfalls zwei Kopplungsschlitzen 8 gezeigt, wo¬ bei ebenfalls wieder die Messspitze 6 an einer Spitze angeordnet ist. Die Anordnungen der Figur 3 ermöglichen es, dass gleichzeitig mehrere erfindungsgemäße Sensoren auf ein Objekt gerichtet werden können, wie dies in Figur 4 dargestellt ist. Dort sind jeweils mehrere Sensoren um einen in der Mitte dargestellten Kanal 10 angeordnet, der senkrecht zur Zeichenebene verläuft. Es können dabei gleichzeitig mit mehreren Sensoren Messungen an Stoffen durchgeführt werden, die durch diesen Kanal 10 befördert werden. Dies könnten z. B. einzelne Zellen sein, die durch einen Mikrokanal 10 befördert werden.
Bei der Ausführungsform der Figur 5 links ist der entsprechende Kanal 10 in der Ebene der Nahfeldsensoren angeordnet. Die beiden Darstellungen rechts zeigen wieder Anordnung von Nahfeldsensoren um einen Kanal 10, der senkrecht zur Ebene der Nahfeldsensoren angeordnet ist, wobei ganz rechts mehrere übereinander angeord¬ nete Anordnungen von Nahfeldsensoren gezeigt sind, mit denen genauere Untersuchungen durchgeführt werden können.

Claims

Patentansprüche
1. Nahfeldsensor zur lokalen Messung von dielektrischen Eigenschaften von Untersuchungsobjekten mit Hilfe von Mikrowellen, mit einem Mikrowellenresonator (1, 2), mit Grundflächen (4) und Seitenwänden (5), mit Einrichtungen (9) zum Ein- und Auskoppeln von Mikrowellen und mit einer aus demselben herausragenden Messspitze (6) zum Abtasten des Untersuchungsobjekts (7), dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator aus zwei im wesentlichen gleichen Resonatorhälften (1, 2) besteht, die übereinander mit einer gemeinsamen elektrisch leitenden Zwischenwand (3) angeordnet sind, wobei die Zwischenwand (3) im Bereich mindestens einer Begrenzung des Resonators (1, 2) ei¬ nen länglichen Schlitz (8) oder elektrisch nichtleitenden, aber für Mikrowellen durchlässigen schlitzförmigen Bereich aufweist, dass die Messspitze (6) in der Ebene der elektrisch leitenden Zwischenwand (3) angeordnet und mit derselben im Bereich des Schlitzes (8) bzw. im schlitzförmigen Bereich verbunden ist, und dass der Nahfeldsensor in planarer Technologie substratintegriert mit einer geeigneten Mehrlagenanord¬ nung hergestellt ist.
2. Nahfeldsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz (8) bzw. schlitzförmige Bereich geradlinig ist.
3. Nahfeldsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatorhälften (1, 2) eine rechteckige, insbesondere quadratische Grundfläche aufweisen und in der Zwischen¬ wand (3) ein Schlitz (8) oder schlitzförmiger Bereich vorgesehen ist, in dessen Mitte die Messspitze (6) angeordnet ist.
4. Nahfeldsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatorhälften (1, 2) eine rechteckige, insbesondere quadratische Grundfläche aufweisen und in der Zwischen- wand (3) zwei aneinander angrenzende senkrecht zueinander an¬ geordnete Schlitze (8) oder schlitzförmige Bereiche vorgese¬ hen sind und die Messspitze (6) an der Stelle angeordnet ist, wo die Schlitze (8) oder schlitzförmigen Bereiche aneinander stoßen .
5. Nahfeldsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatorhälften eine dreieckige Grundfläche aufwei¬ sen und in der Zwischenwand (3) zwei aneinander angrenzende unter einem Winkel zueinander angeordnete Schlitze (8) oder schlitzförmige Bereiche vorgesehen sind und die Messspitze (6) an der Stelle angeordnet ist, wo die Schlitze (8) oder schlitzförmigen Bereiche aneinander stoßen.
6. Nahfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messspitze (6) zusammen mit der Zwi¬ schenwand (3) gebildet ist.
7. Nahfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messspitze (3) in einem separaten Pro- zess hergestellt und anschließend mit der Zwischenwand (3) verbunden wird.
8. Nahfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Grundfläche (4) der Resonatorhälf¬ ten (1, 2) senkrechten Begrenzungen derselben durch elektrisch leitende Säulen (5) gebildet sind, die aus mit leiten¬ der Beschichtung versehenen Bohrungen bestehen.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3367496A4 (de) * 2016-01-29 2018-12-26 Huawei Technologies Co., Ltd. Filtereinheit und filter

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102013204586A1 (de) 2013-03-15 2014-09-18 Siemens Aktiengesellschaft Sensor und Verfahren zur Ermittlung einer dielektrischen Eigenschaft eines Mediums

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4604520A (en) 1982-12-27 1986-08-05 International Business Machines Corporation Optical near-field scanning microscope
US5821410A (en) 1996-09-20 1998-10-13 Regents Of The University Of California Scanning tip microwave near field microscope
US5900618A (en) 1997-08-26 1999-05-04 University Of Maryland Near-field scanning microwave microscope having a transmission line with an open end
US6614227B2 (en) 2000-12-04 2003-09-02 Nec Corporation Scanning microwave microscope capable of realizing high resolution and microwave resonator

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2000004375A1 (en) * 1998-07-15 2000-01-27 Manufacturing Instrumentation Consultant Company Microwave measuring instrument and methods of measuring with microwaves
US6538454B1 (en) * 2000-09-08 2003-03-25 Yissum Research Development Company Of The Hebrew University Jerusalem Near field microwave resistivity microscope including a dielectric resonator

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4604520A (en) 1982-12-27 1986-08-05 International Business Machines Corporation Optical near-field scanning microscope
US5821410A (en) 1996-09-20 1998-10-13 Regents Of The University Of California Scanning tip microwave near field microscope
US5900618A (en) 1997-08-26 1999-05-04 University Of Maryland Near-field scanning microwave microscope having a transmission line with an open end
US6614227B2 (en) 2000-12-04 2003-09-02 Nec Corporation Scanning microwave microscope capable of realizing high resolution and microwave resonator

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
J.-S. HONG: "Folded-waveguide resonator filters", IEEE MTT-S INTERNATIONAL MICROWAVE SYMPOSIUM DIGEST, June 2005 (2005-06-01), pages 4
MIKOLAJ AMBROZKIEWICZ ET AL: "Substrate integrated resonant near-field sensor for material characterization", MICROWAVE SYMPOSIUM DIGEST (MTT), 2010 IEEE MTT-S INTERNATIONAL, IEEE, PISCATAWAY, NJ, USA, 23 May 2010 (2010-05-23), pages 628 - 631, XP031714148, ISBN: 978-1-4244-6056-4 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3367496A4 (de) * 2016-01-29 2018-12-26 Huawei Technologies Co., Ltd. Filtereinheit und filter
US10622693B2 (en) 2016-01-29 2020-04-14 Huawei Technologies Co., Ltd. Filter unit and filter

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