WO2012107014A1 - Verfahren zur herstellung einer vorrichtung zum nachweis eines analyten sowie vorrichtung und deren verwendung - Google Patents

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WO2012107014A1
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analyte
sacrificial layer
conductor track
passivation layer
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PCT/DE2012/000043
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Enno KÄTELHÖN
Marco BANZET
Boris Hofmann
Dirk Mayer
Andreas Offenhäusser
Bernhard Wolfrum
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Forschungszentrum Jülich GmbH
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    • G01N27/3278—Sensing specific biomolecules, e.g. nucleic acid strands, based on an electrode surface reaction involving nanosized elements, e.g. nanogaps or nanoparticles

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a device for detecting an analyte, and the device as such and their use.
  • a solution containing one or more of the substances to be measured brought by means of a reference electrode to a defined potential.
  • a further electrode is added at which the detection can take place. If this electrode is at a potential which is suitable for oxidizing or reducing the analytes, a reaction takes place at the electrode.
  • the analytes are oxidised or reduced at the electrode surface and thus generate a current flow that can be measured at the electrode. This current flow is proportional to the Arv number of converted molecules and allows accurate conclusions about the concentration of the molecules in the sample.
  • glucose oxidase test which is used for clinical blood sugar determination.
  • glucose is catalysed in a bioreactor by means of the enzyme glucose-oxidase to gluconolacetone and hydrogen peroxide.
  • the hydrogen peroxide concentration can be measured electrochemically. Since this concentration is proportional to that of glucose, the proportion of glucose can be accurately determined.
  • the method is successfully used in numerous tests, it still has some methodological disadvantages that preclude its use in broader fields of application.
  • the electrode current and thus the sensitivity of the sensor are always limited by the mass transport of the analyte to the electrode.
  • molecules of the analyte that have already reacted at the electrode surface are diffusively replaced with native molecules of the sample.
  • the sensors can only be miniaturized to a certain degree. The smaller the electrode surface, the fewer molecules can react to it. Therefore, this method can only be limited in Lab-on-a Chip applications are used.
  • the packing density of these sensors is limited to one chip, since each sensor must be contacted by its own interconnect.
  • the titanium and chromium layers mentioned serve to adhere the electrode to the substrate or to the passivation. After removal of the sacrificial layer, the design necessary for the redox cycling is achieved in an avidity from two superimposed electrodes.
  • the electrodes are each provided with conductor tracks and contact surfaces and aligned parallel to each other. Up to 29 cavities are arranged in such a way in a biochip and switched against the reference electrode.
  • the method for detecting provides for the analyte to be brought to the bottom and the top electrode via a microfluidic access from PDMS and to be detected by the voltage change after the voltage has been applied to the test electrode. This method can be used to fabricate a sensor array with multiple sensors.
  • the sensor system produced in this way is limited in relation to the maximum achievable spatial resolution.
  • a spatially high-resolution electrochemical detection of analytes is not possible because a large number of measuring devices are needed.
  • each sensor consisting of the two electrodes must be read out with a separate measuring device. This increases the costs with a high number of pixels and makes the construction of a measuring apparatus considerably more difficult.
  • serial data acquisition on the other hand, fewer measuring devices are required, but each sensor nevertheless has to be connected separately with a suitable switch, so that a complex read-out apparatus is likewise required.
  • the method for producing a device for detecting an analyte has the following steps. a) On a insulating substrate, a first conductor with Elektt odenfunktion is arranged.
  • the conductor track is correspondingly arranged in a line on the substrate.
  • the trace advantageously consists of a material such as gold, platinum and the like.
  • a plurality of first conductor tracks can be arranged simultaneously.
  • the first interconnect and possibly below and above arranged adhesion layers for attaching the first interconnect to the substrate and to the passivation consist of materials which are not removed during the removal of the later-arranged sacrificial layer.
  • the first conductive trace is made of a non-etchable material as compared to the sacrificial layer.
  • a first thin passivation layer is arranged on the conductor track, that is, the conductor track is passivated.
  • the conductor track has in effect no more freely accessible surface but is completely covered by the passivation.
  • the substrate is also passivated next to it.
  • Passivation is advantageously carried out when using the sensor no vertical or horizontal charge transport.
  • an encapsulation of the conductor path is effected by the passivation. Since the conductor track is made of conductive material and forms a sensor together with the electrode to be deposited at this location, this step ensures that in the case of number of formed sensors on the substrate, the individual sensors along a conductor track and to adjacent tracks are not in contact with each other. Since a large number of sensors is formed on each conductor track, it is advantageously effected that the sensors or cavities formed thereon also have no contact with one another along a single conductor track.
  • the first passivation is particularly advantageously made of a material that is not removed during the removal of the sacrificial layer arranged thereafter.
  • the passivation consists of a non-etchable material compared to the sacrificial layer.
  • the passivation layer is then locally limited, z. B. punctiform by a suitably designed mask z. B. opened by etching, so that the conductor is limited locally, z. B. is exposed selectively. Lithographic methods can be used for this purpose.
  • a sacrificial layer is arranged on the conductor track.
  • the sacrificial layer is necessary for the formation of the later nanocavity between the electrodes.
  • the sacrificial layer is preferably etchable and consists z. B. chromium or other etchable material.
  • an electrode for. B. also arranged from gold.
  • the task of the electrode is to form a sensor together with the section of the first conductor track opposite the sacrificial layer. Since the first printed conductor always has an electrode function due to the choice of the material of gold, platinum and so on, it is ensured that a sensor can be formed between the electrode and the first printed conductor.
  • steps c) to e) are carried out particularly advantageously in a single lithography step, so that a perfect alignment of the sacrificial layer and the electrode on the first conductor track takes place at the location of the sensor.
  • the steps of methods e) and f) may be performed in a single lithographic step using the same mask.
  • a second interconnect is then arranged orthogonally to the first interconnect on the electrode, wherein the second interconnect preferably the electrode only at de contacted the edge.
  • the trace is preferably lithographically deposited so as to have an opening at the location of the electrode. With the separation of steps e) and f), the electrode and the conductor are separated from each other. This advantageously has the effect that the electrode and the sacrificial layer can be deposited with the same mask in a single lithography step.
  • the second interconnect and possibly below and above arranged adhesion layers for attaching the second interconnect to the first and then arranged second passivation consist in an advantageous embodiment of the invention of materials that are not removed in the removal of the sacrificial layer.
  • the second trace is made of a non-etchable material as compared to the sacrificial layer.
  • a second passivation layer is then arranged on the electrode as well as on the second conductor track and preferably also on the first passivation layer.
  • the purpose and purpose of the second passivation are identical to that of the first passivation.
  • the passivation takes place in particular over the entire surface of the substrate and the entire layer structure.
  • the second passivation layer and the electrode are opened at least at one point, so that the sacrificial layer arranged below the electrode is exposed. As a result, at least one aperture for the sensor is provided by which the analyte can reach the sensor electrodes.
  • the sacrificial layer is then removed. This provides the nanocavity.
  • the steps a) - i) can be performed several times in succession or simultaneously. It can, for. B. a plurality of first conductor tracks are arranged in parallel to each other simultaneously on the substrate and a plurality of electrodes are arranged simultaneously. The same applies to the remaining process steps, such. B. the arrangement of the second interconnects.
  • a checkerboard-like sensor field is formed, in which a sensor with two electrodes for forming a nanocavity is formed at each crossing point of a first and a second conductor track.
  • the first passivation layer on the first conductor track is not removed during the removal of the sacrificial layer. As a result, a cavity is formed exclusively in the region of the point of intersection between a first printed conductor and a second printed conductor.
  • Fabrikaüonsrea For the implementation of the sensor according to the invention, a novel Fabrikaüonslui is used.
  • Wolfrum et al. and Kätelhön et al. describe in their publications fabrication processes in which the interconnects are attached by means of adhesive layers of chromium to the adjoining layers. This is necessary in order to remove the adhesion layers together with a chromium sacrificial layer and thus to obtain electrodes of the desired material that are not covered with an adhesion layer.
  • step b) has been introduced in claim 1 in the present invention. This passivation allows the separation of the nanocavities from each other.
  • Adhesion layers can be attached to the substrate and to the passivation. These remain untouched during the subsequent removal of the sacrificial layer as well as the passivation.
  • an electrode pair which is used for redox reactions on the analyte, is formed between the (top) electrode deposited at the point of intersection and the section of the first printed conductor at this point. Since the nanocavity with gap S is accessible from the outside only via the aperture, an analyte can penetrate from above (see figure) and be successively reduced and oxidized by diffusion to the electrodes, depending on which of the two electrodes a positive or negative Voltage is applied.
  • the method is advantageously characterized by the choice of a sacrificial layer which is etchable. Etching can be carried out in a wet-chemical or dry-chemical way.
  • steps c) to e) are carried out in a single lithographic step using only one mask. This guarantees an exact alignment of the electrode on the sacrificial layer above the first conductor track. This ensures that the electrode and the opposite section of the first conductor track are exactly aligned with each other and thus form a sensor for detecting the analyte.
  • steps e) and f) may be performed in a single lithographic step using the same mask.
  • the opening of the second passivation layer and the electrode with holes in a hexagonal arrangement is particularly advantageous.
  • the person skilled in the art will balance this between preserving the sensor surface on the one hand, because material of the top electrode is removed during the formation of the holes, and an accessibility of the nanocavity for the analyte on the other hand.
  • Several small holes with a diameter on the nanometer scale eg up to 250 nm
  • ensure that the analyte to be detected can easily diffuse between the electrodes via the holes in the gap S, and that at the same time the very large electrode area (FIG. eg up to 100 ⁇ m diameter), the detection is ensured by successive redox reactions of the analyte.
  • Several holes particularly advantageously reduce the response time of the sensor.
  • multiple holes also improve the response of the sensor to rapid changes in analyte concentration near a measuring crossover point, such as might be expected in the delivery of neurotransmitters through neurons located thereabove. Since in this case there is only an extremely short exposure of the sensor by the analyte and only the analyte molecules that are actually located within the nanocavity between the electrodes can be detected, the size of the sensor response scales above all with the gap length of the opening to the nanocavity , That is, a strongly localized extension of the gap opening through many small openings is basically advantageous for the detection of short, positive concentration pulses.
  • the device for the detection of analytes is characterized in that between at least two orthogonally extending conductor tracks in the crossing point a arranged in self-contained nanocavity for receiving the analyte between the interconnects, wherein above and below a gap S for forming the nanocavity two opposing regions of the first and second interconnects electrodes for a sensor forming the detection of an analyte by sequential oxidation and reduction of the analyte at the electrodes.
  • the electrode is made of the same material as the second conductor and is arranged in the same plane as this.
  • the nanocavity is self-contained, since apart from the openings formed in step h) it has no further inlets or outlets. In particular, the nanocavities are not in lateral connection with other nanocavities. A connection between the nanocavities can only be made via the sensor inputs (aperture).
  • the interconnects are advantageously passivated with the exception of the crossing points.
  • a plurality of crossing points of a plurality of orthogonally arranged conductor tracks are arranged in the device.
  • a nanocavity is formed between two orthogonal printed conductors.
  • There is no connection between adjacent nanocavities in particular no connection via a diffusion of the analyte except via the sensor input (aperture) itself.
  • the measurement takes place in each case at the crossing points of the conductor track, wherein the redox cycling effect is used.
  • the signals at the individual crossing points can be read out either serially or line by line.
  • a plurality of parallel electrodes (A) are respectively set to an oxidizing or reducing potential while an orthogonal electrode (B) is set to a reducing or oxidizing potential. All other electrodes are either not connected or set to the potential at which no redox cycling occurs. Thus, redox cycling occurs simultaneously at all crossing points of (A) and (B). The redox cycling currents can then be measured in parallel on the electrodes (A) for the respective crossing point, whereas the sum of the redox currents of (A) is applied to electrode (B).
  • the advantageous use of the device is in the detection of neurotransmitters as analytes.
  • the device Since the device is passivated as described, it is also biocompatible. Nerve cells can be cultured by applying proteins to the surface of the device directly on the device. The released neurotransmitters are detected in real time.
  • Figure 1 Inventive manufacturing process. Short description: After the deposition of the first gold conductor 2 on the substrate 1, a thin SiO 2 passivation 3 is applied (FIG. 1 a). This is opened at the later intersection of the first 2 and second 6 tracks by reactive ion etching ( Figure lb). In the same structuring step, a chromium sacrificial layer 4 and a thin layer are then introduced into the opening Layer of the electrode material gold 5 deposited. Subsequently, the upper conductor 6 and a further passivation layer 7 is applied. The further, second passivation and the electrode are opened at the points of intersection to the lower interconnects by means of reactive ion etching (FIG.
  • FIG. 1 The fabrication process is given by way of example in FIG. 1 to form a single intersection point.
  • the top view is on the left, the cross section is shown on the right in the picture.
  • the dotted line represents the location of the cut.
  • the deposition of the lower conductor 2 (width B: 1 to 100 ⁇ m, in the present case 5 ⁇ m, thickness: 30 nm-1 ⁇ m, in the present case for example 150 ⁇ m) takes place by means of optical lithography and lift-off.
  • an adhesion layer of titanium (not shown) having a width of 5 ⁇ m and a thickness of 7 nm is first deposited on the oxidized wafer 1.
  • the gold layer 2 is arranged (FIG. 1a).
  • FIG. 1b shows the deposition of a thin passivation 3 by means of PE-CVD.
  • the thickness may be 50 nm to 2 ⁇ , 400 nm were applied in the present embodiment.
  • FIG. 1b also shows the opening of the passivation 3 at a future crossing point.
  • the diameter of the opening can be 0.8 to 80 ⁇ ⁇ and carried out via reactive ion etching. In the present case was worked with a diameter of 4 ⁇ .
  • the deposition of a chromium sacrificial layer 4 directly into the opening ( Figure lc).
  • the thickness can be 10 nm to 1 ⁇ m, in this case 50 nm.
  • the layer 4 has the same diameter as the opening and again takes place by means of optical lithography and lift-off.
  • a thin top electrode 5 is deposited directly on the sacrificial layer of chromium 4, by means of optical lithography and lift-off.
  • the thickness of the electrode 5 is between 10 and 100 nm, in the present case 30 nm. It has the same diameter as the sacrificial layer 4. It makes sense to follow the steps of FIGS. 1b (formation of the opening), 1c (arrangement of the sacrificial layer) and 1d (arrangement the top electrode 5) in a lithography step and only with a lift-off perform. Although this makes the lift-off a little more difficult, but it ensures an absolutely precise alignment of the sacrificial layer 4 and the electrode 5 above the conductor 2 to each other. In the next step, the deposition of the upper conductor 6 takes place with a width of z. B.
  • the passivation 7 (FIG. 1f) is brought about by means of PE-CVD.
  • the thickness may be between 50 nm and 2 ⁇ m, in the present exemplary embodiment 800 nm Si0 2 were deposited.
  • the holes were brought about with electron beam lithography.
  • the holes are to be adapted to the size of the sensor 2, 5 in the crossing point.
  • the resulting aperture allows the penetration of the analyte to the electrodes of a sensor in this way, but advantageously not laterally via inner channels from sensor to sensor.
  • openings 8 are also possible.
  • the design of the openings 8 has an influence on the response times and on the efficiency of the sensor. Many densely seeded small ones Holes 8 relative to the upper electrode 5 improve the response time of the sensor by rapid diffusion as opposed to a single small hole 8. Thus, faster measurements are possible. For this, the efficiency of the redox cycling is somewhat reduced because the sensor surface is reduced by the removal of material of the top electrode 5. A large single hole 8 also improves the response time, but reduces the gain of the redox cycling due to the lower effective electrode area 5, 2 at the point of intersection.
  • a gap S gives the width of the nanocavity between the open top electrode 5 and the opposite section of the bottom one
  • the substrate 1 is a 100 mm Si wafer with a 1 ⁇ thick Si0 2 passivation layer.
  • the thickness plays a minor role. It should be chosen so that there is sufficient insulation.
  • the printed conductors 2, 6 are applied by means of electron beam evaporation and structured by means of lift-off.
  • the following protocol is followed: spin on the LOR3b TM paint at 3000 rpm and cure on a hotplate for 5 min at 180 ° C. Then the nLof 2020 TM paint is spin-coated at 3000 rpm and cured on a hotplate for 90 s at 15 ° C. Exposure takes place through a mask in the Mask Aligner. The development of the coatings is done in MIF326 TM for 45 s. The lift-off of the metal layer takes place in acetone.
  • the protocol is performed several times with the following layers deposited.
  • the first, lower tracks comprise 150 nm gold on 7 nm titanium as the adhesion layer.
  • the upper second traces include 7 nm titanium, 10 nm gold, and again 7 nm titanium.
  • Passivations of Si0 2 and / or Si 3 N 4 are deposited by PE-CVD and have thicknesses between 50 and 800 nm. This passivation is then patterned with AZ 5214e TM and reactive ion etching using the following protocol.
  • the coating AZ 5214e TM is spin-coated at 4000 rpm and curing on a hotplate for 5 min at 90 ° C. It is exposed.
  • the coating is developed in MIF326 TM for 60 s and reactive ion etching at 200 W, 20 ml / s CHF 3 , 20 ml / s CF 4 and 1 ml / s 0 2 .
  • this lacquer is used both for the opening of the passivation and for the lift-off of the sacrificial layer 4 and the upper electrode 5 with acetone. These have thicknesses of 50 nm (chromium) and 20 nm (gold), respectively.
  • the sacrificial chromium layer 4 is removed wet-chemically with a chrome etch TM solution.
  • a chrome etch TM solution For this purpose, the sensor field is covered with the etching solution for about 30 minutes and then rinsed with water.

Abstract

Offenbart ist ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zum Nachweis eines Analyten mit den folgenden Schritten: a) auf einem isolierenden Substrat wird eine erste Leiterbahn mit Elektrodenfunktion angeordnet, b) auf der Leiterbahn wird eine erste Passivierungsschicht angeordnet, c) die Passivierungsschicht wird lokal begrenzt geöffnet, so dass die Leiterbahn lokal begrenzt freigelegt wird, d) in die Öffnung wird eine Opferschicht auf der Leiterbahn angeordnet, e) auf die Opferschicht wird eine Elektrode angeordnet, f) eine zweite Leiterbahn wird orthogonal zur ersten Leiterbahn angeordnet, wobei die zweite Leiterbahn die Elektrode kontaktiert, g) eine zweite Passivierungsschicht wird auf der Elektrode, sowie auf der zweiten Leiterbahn angeordnet, h) die zweite Passivierungsschicht und die Elektrode wird geöffnet, so dass die Opferschicht freigelegt wird, i) die Opferschicht wird entfernt. Eine entsprechend ausgestaltete Vorrichtung und deren Verwendung sind ebenfalls offenbart.

Description

B e s c h r e i b u n g
Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zum Nachweis eines Analyten
sowie Vorrichtung und deren Verwendung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zum Nachweis eines Analyten, sowie die Vorrichtung als solche und deren Verwendung.
Zahlreiche Stoffe können elektrochemisch detektiert werden. Dabei wird eine Lösung, die einen oder mehrere der zu messenden Stoffe enthält, mittels einer Referenzelektrode auf ein definiertes Potential gebracht. Weiter wird im einfachsten Fall eine weitere Elektrode hinzugefügt, an der die Detektion stattfinden kann. Befindet sich diese Elektrode auf einem Potential, welches dazu geeignet ist, die Analyte zu oxidieren oder zu reduzieren, findet an der Elektrode eine Reaktion statt. Dabei werden die Analyten an der Elektrodenoberfläche oxi- diert bzw. reduziert und erzeugen so einen Stromfluss, der an der Elektrode gemessen werden kann. Dieser Stromfluss ist proportional zu der Arvzahl der umgewandelten Moleküle und erlaubt genaue Rückschlüsse auf die Konzentration der Moleküle in der Probe.
Ein bekanntes Beispiel hierfür ist der Glucose-Oxidase-Test, der zur klinischen Blutzuckerbestimmung eingesetzt wird. Bei diesem Test wird Glucose in einem Bioreaktor mittels des Enzyms Glucose-Oxidase zu Gluconolaceton und Wasserstoffperoxid katalysiert. Die Was- serstoffperoxid Konzentration kann elektrochemisch gemessen werden. Da diese Konzentration proportional zu der von Glucose ist, kann der Glucoseanteil genau bestimmt werden.
Obwohl das Verfahren erfolgreich in zahlreichen Tests angewendet wird, birgt sie dennoch einige methodische Nachteile, die eine Verwendung in breiteren Anwendungsfeldern ausschließen. Einerseits sind der Elektrodenstrom und damit die Sensitivität des Sensors stets durch den Massentransport des Analyten zur Elektrode begrenzt. Während der Messung werden Moleküle des Analyten, die bereits an der Elektrodenoberfläche reagiert haben, diffu- siv mit nativen Molekülen der Probe ersetzt. Da dieser Prozess in der Regel wesentlich langsamer abläuft als die Elektrodenreaktion, begrenzt er den Stromfluss an der Elektrode und damit auch die Sensitivität des Sensors. Andererseits können die Sensoren nur bis zu einem bestimmten Grad miniaturisiert werden. Je kleiner die Elektrodenoberfläche ist, desto weniger Moleküle können an ihr reagieren. Daher kann diese Methode nur eingeschränkt in Lab-on-a- Chip Anwendungen eingesetzt werden. Außerdem ist die Packungsdichte dieser Sensoren auf einem Chip begrenzt, da jeder Sensor durch eine eigene Leiterbahn kontaktiert werden muss.
Diese Probleme lassen sich zum Teil durch die Methode der wechselseitigen Reduktion und Oxidation des Analyten, im Weiteren kurz auch Redox-Cycling-Verfahren genannt, lösen. Bei diesem Ansatz wird dem oben beschriebenen Messaufbau eine zweite Elektrode hinzugefügt, die sich in unmittelbarer Nähe zur ersten Elektrode befindet. Während der Messung wird eine Elektrode auf ein oxidierendes Potential und die andere auf ein reduzierendes Potential gelegt. So reagieren einzelne Moleküle wiederholt an den Elektroden und erzeugen einen stetigen Stromfluss zwischen den Elektroden, der sich proportional zur Konzentration des Analyten verhält. Dieser Stromfluss ist nicht mehr durch den Massetransport des nativen Analyten zur Elektrode begrenzt, sondern nur noch durch die Diffusionsgeschwindigkeit des Analyten zwischen den Elektroden. Auf diese Weise lässt sich bei kleinen Elektrodenabständen im Nanometerbereich eine Steigerung der Sensitivität um mehrere Größenordnungen erreichen. Die Methode und der Sensor wurde in Wolfrum et al. beschrieben (B. Wolfrum, M. Zeven- bergen, und S. Lemay, "Nanofluidic Redox Cycling Amplification for the Selective Detection of Catechol", Analytical Chemistry, Bd. 80, Nr. 4, S. 972-977, Feb. 2008). Des Weiteren zeigen Redox-Cycling Sensoren eine höherere Selektivität, da nicht alle elektrochemisch detektierbaren Moleküle an wiederholten Redox Reaktionen teilnehmen können. Geeignet für diese Detektionsmethode sind jedoch z. B. zahlreiche Neurotransmitter, wie z. B. Dopamin, Adrenalin oder Serotonin.
Aus Kätelhön et al. ist ein Herstellungsverfahren für eine Vorrichtung zum Nachweis eines Analyten über Redox-Cycling bekannt (E. Kätelhön, B. Hofmann, S. G. Lemay, M. A. G. Zevenbergen, A. Offenhäusser, und B. Wolfrum, (2010). Nanocavity Redox Cycling Sensors for the Detection of Dopamine Fluctuations in Microfluidic Gradients. Analytical Chemistry, 82, 8502-8509). Auf einem Si02 Substrat wird eine erste Elektrode aus übereinander abgeschiedenem Titan, Platin und Chrom angeordnet, sodann eine dicke Chrom Opferschicht aufgebracht und hierauf eine zweite Elektrode aus übereinander abgeschiedenem Chrom Platin und Titan angeordnet. Die zweite Elektrode wird geöffnet, sodass die dicke Chrom Opferschicht für ein Ätzmittel zugänglich ist. Die genannten Titan- und Chromschichten dienen der Adhäsion der Elektrode an das Substrat bzw. an der Passivierung. Nach Entfernung der Opferschicht ist das für das Redox-Cycling notwendige Design aus zwei übereinander angeordneten Elektroden in einer avität erreicht. Die Elektroden sind jeweils mit Leiterbahnen und Kontaktflächen versehen und parallel zueinander ausgerichtet. Bis zu 29 Kavitäten sind auf derartige Weise in einem Biochip angeordnet und gegen die Referenz- elektrode geschaltet. Das Verfahren zum Nachweis sieht vor, den Analyten über einen mikrofluidi sehen Zugang aus PDMS an die Bottom- und an die Top-Elektrode heranzuführen und nach Anlegen der Spannung gegen die Testelektrode durch die Spannungsänderung nachzuweisen. Dieses Verfahren kann zur Herstellung eines Sensorfeldes mit mehreren Sensoren angewendet werden. Nachteilig ist die auf diese Weise hergestellte Sensorik in Bezug auf die maximal erreichbare Ortsauflösung limitiert. Eine räumlich hoch aufgelöste elektrochemische Detektion von Analyten ist nicht möglich, da eine hohe Anzahl Messgeräte benötigt werden. Bei paralleler Datenakquise muss jeder Sensor bestehend aus den zwei Elektroden mit einem separaten Messgerät ausgelesen werden. Dies erhöht bei hoher Pixelzahl die Kosten und erschwert den Aufbau einer Messapparatur erheblich. Bei einer seriellen Datenakquise hingegen werden zwar weniger Messgeräte benötigt, jeder Sensor muss jedoch dennoch separat mit einem geeigneten Schalter verbunden werden, so dass ebenfalls eine aufwendige Ausleseapparatur benötigt wird.
Ein weiterer Nachteil besteht in der Packungsdichte der Sensoren auf dem Chip, die die räum- liehe Auflösung des Sensors bestimmt. Mit den beschriebenen Vorrichtungen zum Redox- Cycling, ist es auf Grund der Anzahl der Leiterbahnen unmöglich die Ortsauflösung zu erhöhen. Da jeder Sensor zwei Leiterbahnen benötigt, kann bei großen Sensor matrizen nur eine niedrige Ortsauflösung erreicht werden. Eine höhere Auflösung kann daher nur bei deutlich reduzierten Pixelzahlen realisiert werden. Aus Lin et al. ist bekannt, eine Elektrodenstruktur aus je zwei Elektroden schachbrettmusterartig anzuordnen. Versuche, die Vorrichtung aus Wolfrum et al. und Kätelhön et al. nach dem dort beschriebenen Verfahren schachbrettartig auszugestalten verliefen jedoch nicht erfolgversprechend.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung bereit zu stellen, mit dem ein ortsaufgelöster und hochsensitiver Nachweis eines Analyten gelingt. Weiterhin ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine entsprechend ausgestaltete Vorrichtung bereit zu stellen, mit der ein ortsaufgelöster und hochsensitiver Nachweis eines Analyten ermöglicht wird. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen vorteilhaften Verwendungszweck für die Vorrichtung anzugeben. Die Aufgabe wird gelöst nach dem Verfahren nach Patentanspruch 1 und der Vorrichtung sowie der Verwendung der Vorrichtung gemäß den beiden Nebenansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen hierzu ergeben sich jeweils aus den hierauf rückbezogenen Patentansprüchen.
Das Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zum Nachweis eines Analyten weist die nachfolgenden Schritte auf. a) Auf einem isolierenden Substrat wird eine erste Leiterbahn mit Elektt odenfunktion angeordnet. Die Leiterbahn ist entsprechend linienförmig auf dem Substrat angeordnet. Die Leiterbahn besteht vorteilhaft aus einem Material wie Gold, Platin und dergleichen. Selbstverständlich können eine Vielzahl an ersten Leiterbahnen gleichzei- tig angeordnet werden. Die erste Leiterbahn und möglicherweise darunter und darüber angeordnete Adhäsionsschichten zur Befestigung der ersten Leiterbahn an das Substrat und an die Passivierung bestehen in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung aus Materialien, die bei der Entfernung der später angeordneten Opferschicht nicht entfernt werden. Wird die Opferschicht durch Ätzung entfernt, besteht die erste Leiterbahn aus einem nicht ätzbaren Material im Vergleich zu der Opferschicht. b) Auf der Leiterbahn wird eine erste dünne Passivierungsschicht angeordnet, das heißt die Leiterbahn wird passiviert. Die Leiterbahn weist im Effekt keine frei zugängliche Oberfläche mehr auf sondern ist vollständig durch die Passivierung bedeckt. Vorzugsweise wird damit gleichzeitig auch das Substrat nebenan passiviert. An den
Stellen der Passivierung erfolgt im Einsatz des Sensors vorteilhaft kein vertikaler oder horizontaler Ladungstransport. Vorteilhaft wird durch die Passivierung eine Einkapselung der Leiterbahn bewirkt. Da die Leiterbahn aus leitfähigem Material besteht und im Weiteren zusammen mit der abzuscheidenden Elektrode an diesem Ort einen Sensor ausbildet ist durch diesen Schritt gewährleistet, dass bei einer Viel- zahl gebildeter Sensoren auf dem Substrat, die einzelnen Sensoren entlang einer Leiterbahn und zu benachbarten Leiterbahnen keinen Kontakt zueinander aufweisen. Da an jeder Leiterbahn eine Vielzahl an Sensoren gebildet wird, wird vorteilhaft bewirkt, dass auch entlang einer einzigen Leiterbahn die hieran ausgebildeten Sensoren bzw. Kavitäten keinerlei Kontakt zueinander aufweisen. Die erste Passivierung besteht besonders vorteilhaft aus einem Material, das bei der Entfernung der danach angeordneten Opferschicht nicht entfernt wird. Wird die Opferschicht durch Ätzung entfernt, besteht die Passivierung aus einem nicht ätzbaren Material im Vergleich zu der Opferschicht. c) Die Passivierungsschicht wird sodann lokal begrenzt, z. B. punktförmig durch eine entsprechend ausgestaltete Maske z. B. durch Ätzung geöffnet, so dass die Leiterbahn lokal begrenzt, z. B. punktuell freigelegt wird. Lithographische Verfahren können hierzu angewendet werden. d) In die Öffnung wird sodann eine Opferschicht auf der Leiterbahn angeordnet. Die Opferschicht ist zur Ausbildung der späteren Nanokavität zwischen den Elektroden notwendig. Die Opferschicht ist vorzugsweise ätzbar und besteht z. B. aus Chrom oder einem anderen ätzbaren Material. e) Auf die Opferschicht wird zum Verschluss der Öffnung eine Elektrode, z. B. ebenfalls aus Gold angeordnet. Die Elektrode hat die Aufgabe gemeinsam mit der auf der der Opferschicht gegenüberliegenden Abschnitt der ersten Leiterbahn einen Sensor auszubilden. Da die erste Leiterbahn auf Grund der Wahl des Materials aus Gold, Platin und so weiter immer eine Elektrodenfunktion aufweist, ist gewährleistet, dass zwischen der Elektrode und der ersten Leiterbahn ein Sensor ausgebildet werden kann.
Die Schritte c) bis e) werden besonders vorteilhaft in einem einzigen Lithographieschritt durchgeführt, so dass ein perfektes Alignment der Opferschicht und der Elektrode auf der ersten Leiterbahn am Ort des Sensors erfolgt. Es können alternativ auch die Schritte Verfahren e) und f) in einem einzigen Lithographischritt unter Verwendung derselben Maske durchgeführt werden.
Eine zweite Leiterbahn wird sodann orthogonal zur ersten Leiterbahn auf der Elektrode angeordnet, wobei die zweite Leiterbahn die Elektrode vorzugsweise nur an de- ren Rand kontaktiert. Die Leiterbahn wird vorzugsweise lithographisch so abgeschieden, dass sie an der Stelle der Elektrode eine Öffnung aufweist. Mit der Trennung der Schritte e) und f) werden die Elektrode und die Leiterbahn getrennt voneinander abgeschieden. Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass die Elektrode und die Opferschicht mit derselben Maske in einem einzigen Lithographieschritt abgeschieden werden können. Die zweite Leiterbahn und möglicherweise darunter und darüber angeordnete Adhäsions schichten zur Befestigung der zweiten Leiterbahn an die erste und die danach angeordnete zweite Passivierung bestehen in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung aus Materialien, die bei der Entfernung der Opferschicht nicht entfernt werden. Wird die Opferschicht durch Ätzung entfernt, besteht die zweite Leiterbahn aus einem nicht ätzbaren Material im Vergleich zu der Opferschicht. g) Eine zweite Passivierungsschicht wird sodann auf der Elektrode, sowie auf der zweiten Leiterbahn und vorzugsweise auch auf der ersten Passivierungsschicht angeordnet. Sinn und Zweck der zweiten Passivierung sind identisch zu dem der ersten Passivierung. Die Passivierung erfolgt insbesondere ganzflächig auf dem Substrat und der gesamten Schichtstruktur. h) Die zweite Passivierungsschicht und die Elektrode werden mindestens an einer Stelle geöffnet, so dass die unter der Elektrode angeordnete Opferschicht freigelegt wird. Hierdurch wird mindestens eine Apertur für den Sensor bereit gestellt, durch die der Analyt an die Sensorelektroden gelangen kann. i) Die Opferschicht wird sodann entfernt. Hierdurch wird die Nanokavität bereit gestellt.
Selbstverständlich können die Schritte a) - i) mehrfach nacheinander oder gleichzeitig ausgeführt werden. Es kann z. B. eine Vielzahl erster Leiterbahnen jeweils parallel zueinander gleichzeitig auf dem Substrat angeordnet werden und eine Vielzahl an Elektroden gleichzeitig angeordnet werden. Selbiges gilt für die übrigen Verfahrensschritte, wie z. B. die Anordnung der zweiten Leiterbahnen. Auf diese Weise wird ein schachbrettartiges Sensorfeld ausgebildet, bei dem in jedem Kreuzungspunkt einer ersten und einer zweiten Leiterbahn ein Sensor mit zwei Elektroden zur Ausbildung einer Nanokavität ausgebildet ist. Besonders vorteilhaft wird die erste Passivierungsschicht auf der ersten Leiterbahn während der Entfernung der Opferschicht nicht entfernt. Dadurch wird eine Kavität ausschließlich im Bereich des Kreuzungspunktes zwischen einer ersten Leiterbahn und einer zweiten Leiterbahn ausgebildet.
Für die Umsetzung des erfindungsgemäßen Sensors wird ein neuartiger Fabrikaüonsprozess eingesetzt. Wolfrum et al. und Kätelhön et al. beschreiben in ihren Veröffentlichungen Fabrikationsprozesse, bei denen die Leiterbahnen mittels Adhäsionsschichten aus Chrom an die sich anfügenden Schichten befestigt werden. Dies ist nötig um die Adhäsionsschichten zusammen mit einer Chrom Opferschicht zu entfernen und so Elektroden aus dem gewünschten Material zu erhalten, die nicht mit einer Adhäsionsschicht bedeckt sind.
Es wurde im Rahmen der Erfindung erkannt, dass der Ätzfortschritt dieser Opferschicht nur ungenau kontrolliert werden kann. Es entstehen bei Wolfrum et al. und Kätelhön et al.
nachteilig während der Fabrikation Nanokanäle über bzw. unter den Leiterbahnen, die von einer Nanokavität zu einer benachbarten Nanokavität reichen. In einer Schachbrettstruktur entsteht so eine direkte Verbindung zwischen einzelnen benachbarten Sensoren, so dass räumlich hoch aufgelöste Messungen nicht möglich sind. Aus diesem Grund wurde in der vorliegenden Erfindung der Schritt b) in Patentanspruch 1 eingeführt. Diese Passivierung erlaubt die Separation der Nanokavitäten voneinander.
Dies bewirkt vorteilhaft auch den Verzicht auf Chrom Adhäsionsschichten wie im Stand der Technik nach Wolfrum et al. und Kätelhön et al., so dass alle Leiterbahnen z. B. mit Titan
Adhäsionsschichten an dem Substrat und an der Passivierung befestigt werden können. Diese bleiben bei der nachfolgenden Entfernung der Opferschicht ebenso unangetastet wie die Passivierung.
Das heißt, zwischen der im Kreuzungspunkt abgeschiedenen (Top-)Elektrode und dem Ab- schnitt der ersten Leiterbahn an diesem Punkt kommt es zur Ausbildung eines Elektrodenpaares (Sensor), das für Redoxreaktionen am Analyten genutzt wird. Da die Nanokavität mit Spalt S von außen nur über die Apertur zugänglich ist, kann ein Analyt hierin von oben (siehe Figur) eindringen und durch Diffusion an die Elektroden nacheinander reduziert und oxidiert werden, je nachdem an welcher der beiden Elektroden eine positive bzw. negative Spannung angelegt ist. Das Verfahren ist vorteilhaft durch die Wahl einer Opferschicht gekennzeichnet, die ätzbar ist. Geätzt werden kann auf nasschemischen wie auf trockenchemischen Weg.
Besonders vorteilhaft werden die Schritte c) bis e) in einem einzigen Lithographischritt unter Verwendung nur einer Maske ausgeführt. Dies garantiert eine exakte Ausrichtung der Elekt- rode auf der Opferschicht oberhalb der ersten Leiterbahn. Dadurch wird gewährleistet, dass die Elektrode und der gegenüberliegende Abschnitt der ersten Leiterbahn exakt aneinander ausgerichtet sind und somit einen Sensor zum Nachweis des Analyten ausbilden.
Es können alternativ auch die Schritte e) und f) in einem einzigen Lithographischritt unter Verwendung derselben Maske durchgeführt werden.
Besonders vorteilhaft erfolgt die Öffnung der zweiten Passivierungsschicht und der Elektrode mit Löchern in hexagonaler Anordnung. Der Fachmann wird hierzu abwägen zwischen einem Erhalt der Sensorfläche einerseits, denn Material der Top-Elektrode wird bei der Bildung der Löcher entfernt, und einer Zugänglichkeit der Nanokavität für den Analyten andererseits. Mehrere kleine Löcher mit einem Durchmesser im Nanometermaßstab (z. B. bis 250 nm) gewährleisten, dass der nachzuweisende Analyt gut über die Löcher in den Spalt S zwischen die Elektroden diffundieren kann, und dass gleichzeitig bei Erhalt der im Vergleich hierzu sehr großen Elektrodenfläche (z. B. bis 100 μηι Durchmesser) der Nachweis durch nacheinander abfolgende Redoxreaktionen des Analyten sicher gestellt wird. Mehrere Löcher verringern besonders vorteilhaft die Ansprechzeit des Sensors. Mehrere Löcher verbessern vorteilhaft außerdem das Ansprechverhalten des Sensors hinsichtlich schneller Änderungen der Analytkonzentration nahe eines messenden Kreuzungspunktes, wie sie zum Beispiel bei der Ausschüttung von Neurotransmittern durch darüber lokalisierte Neuronen zu erwarten wären. Da in diesem Fall nur eine extrem kurze Exposition des Sensors durch den Analyten vorliegt und nur die Analytmoleküle detektiert werden können, die sich tatsächlich innerhalb der Nanokavität zwischen den Elektroden befinden, skaliert die Größe der Sensorantwort hier vor allem mit der Spaltlänge der Öffnung zu der Nanokavität. Das heißt, eine stark lokalisierte Verlängerung der Spaltöffnung durch viele kleine Öffnungen ist grundsätzlich vorteilhaft zur Detektion kurzer, positiver Konzentrationspulse.
Die Vorrichtung zum Nachweis von Analyten ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen mindestens zwei orthogonal zueinander verlaufenden Leiterbahnen im Kreuzungspunkt eine in sich abgeschlossene Nanokavität zur Aufnahme des Analyten zwischen den Leiterbahnen angeordnet ist, wobei oberhalb und Unterhalb eines Spalts S zur Ausbildung der Nanokavität zwei sich gegenüberliegende Bereiche der ersten und der zweiten Leiterbahnen Elektroden für einen Sensor ausbilden, der den Nachweis eines Analyten durch nacheinander abfolgende Oxidation und Reduktion des Analyten an den Elektroden ermöglicht. Die Elektrode besteht aus demselben Material wie die zweite Leiterbahn und ist in derselben Ebene wie diese angeordnet. Die Nanokavität ist in sich abgeschlossen, da sie abgesehen von den in Schritt h) gebildeten Öffnungen keinerlei weitere Zu- oder Abgänge aufweist. Die Nanokavitäten stehen insbesondere nicht in lateraler Verbindung mit anderen Nanokavitäten. Eine Verbindung zwischen den Nanokavitäten kann nur über die Sensoreingänge erfolgen (Apertur). Die Leiterbahnen sind vorteilhaft mit Ausnahme der Kreuzungspunkte passiviert.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist in der Vorrichtung eine Vielzahl an Kreuzungspunk- ten von einer Vielzahl orthogonal zueinander angeordneter Leiterbahnen angeordnet. An jedem Kreuzungspunkt ist eine Nanokavität zwischen zwei orthogonalen Leiterbahnen ausge- bildet. Zwischen benachbarten Nanokavitäten besteht keine Verbindung, insbesondere keinerlei Verbindung über eine Diffusion des Analyten außer über den Sensoreingang (Apertur) selbst. Dies bewirkt vorteilhaft eine hohe Ortsauflösung des Sensorfeldes, da jede Nanokavität und die sie umgebenden Abschnitte der Leiterbahnen ein in sich abgeschlossenes Sensorsystem zum Nachweis ausbilden. Die Sensitivität jedes einzelnen Sensors wird wiederum über das Redox-Cycling gewährleistet.
Auf diese Weise können besonders vorteilhaft auf einer Substratfläche von 100 μηι etwa 6 Sensoren angeordnet sein. Im Vergleich zum Stand der Technik nach Lin et al. sei darauf hingewiesen, dass dort jeder Sensor eine Fläche von etwa 60000 μπι2 einnimmt.
Die Messung erfolgt jeweils an den Kreuzungspunkten der Leiterbahn, wobei der Redox- Cycling Effekt genutzt wird. Während des Messvorganges können die Signale an den einzelnen Kreuzungspunkten wahlweise seriell oder zeilenweise ausgelesen werden.
Bei der seriellen Datenerhebung werden jeweils zwei zueinander orthogonale Leiterbahnen auf oxidierende und reduzierende Potentiale gelegt, während alle anderen Elektroden idealerweise nicht angeschlossen sind, oder auf ein Potential gelegt werden bei der kein Redox- Cycling zwischen den Elektroden stattfinden kann. So findet Redox-Cycling an genau einem Kreuzungspunkt statt, wobei die entsprechenden Redox-Cycling Ströme an einer der beiden aktiven Elektroden ausgelesen werden können. Während der Messung treten neben den Redox-Cycling Strömen auch Faradaysche Ströme an den Nanokavitäten entlang der aktiven Elektroden auf. Auf Grund der massiven Verstärkung des elektrochemischen Signals durch den Redox-Cycling Effekt können diese Ströme jedoch gegen das Redox-Cycling Signal vernachlässigt werden.
Bei der zeilenweisen, parallelen Datenerhebung werden jeweils mehrere parallele Elektroden (A) auf ein oxidierendes oder reduzierendes Potential gelegt, während eine dazu orthogonale Elektrode (B) auf ein reduzierendes oder oxidierendes Potential eingestellt wird. Alle anderen Elektroden werden dabei entweder nicht angeschlossen oder auf das Potential gelegt, bei dem kein Redox-Cycling auftritt. So findet Redox-Cycling an allen Kreuzungspunkten von (A) und (B) gleichzeitig statt. Die Redox-Cycling Ströme können dann parallel an den Elektroden (A) für den jeweiligen Kreuzungspunkt gemessen werden, wohingegen an Elektrode (B) die Summe der Redoxströme von (A) anliegt.
Die vorteilhafte Verwendung der Vorrichtung liegt im Nachweis von Neurotransmittern als Analyten.
Da die Vorrichtung wie beschrieben passiviert ist, ist sie auch biokompatibel. Nervenzellen können durch Aufbringen von Proteinen auf der Oberfläche der Vorrichtung direkt auf der Vorrichtung kultiviert werden. Die ausgeschütteten Neurotransmitter werden in Echtzeit nachgewiesen.
Im Weiteren wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, ohne dass es hierdurch zu einer Beschränkung der Erfindung kommen soll.
Es zeigt:
Figur 1 : Erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren. Kurzbeschreibung: Nach der Abscheidung der ersten Gold Leiterbahn 2 auf dem Substrat 1 wird eine dünne Si02 Passivierung 3 aufgetragen (Figur la). Diese wird am späteren Kreuzungspunkt der ersten 2 und zweiten 6 Leiterbahn durch reaktives Ionenätzen geöffnet (Figur lb). Im gleichen Struk- turierungsschritt werden dann in die Öffnung eine Chrom Opferschicht 4 und eine dünne Schicht aus dem Elektrodenmaterial Gold 5 abgeschieden. Anschließend wird die obere Leiterbahn 6 und eine weitere Passivierungsschicht 7 aufgetragen. Die weitere, zweite Passivierung und die Elektrode werden an den Kreuzungspunkten zu den unteren Leiterbahnen mittels reaktiven Ionenätzen geöffnet (Figur lg), so dass die Chrom Opferschicht 4 nasschemisch entfernt werden kann (Figur lh). Da die Leiterbahnen mit Titan (nicht gezeigt) Adhäsionsschichten befestigt wurden, entstehen durch diesen Ätzschritt keinerlei Nanokanäle zwischen den verschiedenen Kreuzungspunkten.
Es versteht sich, dass diese Schritte vielfach nacheinander bzw. gleichzeitig ausgeführt werden, um zu einem schachbrettartigen Sensorfeld zu kommen, das so viele Sensoren umfasst, wie Kreuzungspunkte zwischen den ersten und den zweiten Leiterbahnen gebildet werden.
Detaillierte Beschreibung:
Der Fabrikationsprozess ist in Figur 1 zur Bildung eines einzigen Kreuzungspunktes exemplarisch angegeben. Die Aufsicht ist jeweils links, der Querschnitt hierzu jeweils rechts im Bild gezeigt. Die gepunktete Linie gibt den Ort des Schnitts wieder. Es erfolgt die Deposition der unteren Leiterbahn 2 (Breite B: 1 bis 100 μηι, vorliegend 5 μηι, Dicke: 30 nm- 1 μιη, vorliegend z. B. 150 um) mittels optischer Lithographie und Lift-Off. Hierzu wird auf dem oxidierten Wafer 1 zunächst eine Adhäsionsschicht aus Titan (nicht dargestellt) mit einer Breite von 5 μιη und einer Dicke von 7 nm abgeschieden. Hierauf wird die Goldschicht 2 angeordnet (Figur la). Figur lb zeigt die Deposition einer dünnen Passivierung 3 mittels PE-CVD. Die Dicke kann 50 nm bis 2 μηι betragen, im vorliegenden Ausführungsbeispiel wurden 400 nm aufgebracht.
Figur lb zeigt auch die Öffnung der Passivierung 3 an einem zukünftigen Kreuzungspunkt. Der Durchmesser der Öffnung kann 0,8 bis 80 μπ\ betragen und über reaktives Ionenätzen erfolgen. Vorliegend wurde mit einem Durchmesser von 4 μιη gearbeitet. Sodann erfolgt das Abscheiden einer Chrom Opferschicht 4 direkt in die Öffnung (Figur lc). Die Dicke kann 10 nm bis 1 μηι, vorliegend 50 nm betragen. Die Schicht 4 weist denselben Durchmesser wie die Öffnung auf und erfolgt wiederum mittels optischer Lithographie und Lift-Off. Sodann wird eine dünne Top-Elektrode 5 direkt auf die Opferschicht aus Chrom 4, mittels optischer Lithographie und Lift-Off abgeschieden. Die Dicke der Elektrode 5 beträgt zwischen 10 bis 100 nm, vorliegend 30 nm. Sie weist denselben Durchmesser auf wie die Opferschicht 4. Es ist sinnvoll die Schritte der Figuren lb (Bildung der Öffnung), lc (Anordnung der Opferschicht) und ld (Anordnung der Top-Elektrode 5) in einem Lithographieschritt und nur mit einem Lift-Off durchzuführen. Dadurch wird zwar der Lift-Off etwas schwieriger, aber es sichert ein absolut exaktes Ausrichten der Opferschicht 4 und der Elektrode 5 oberhalb der Leiterbahn 2 zueinander. Im nächsten Schritt erfolgt die Deposition der oberen Leiterbahn 6 mit einer Breite von z. B. 1 bis 100 μιτι, vorliegend 5 μηι und einer Dicke von 30 nm bis Ιμιη, vorliegend 150 nm mittels optischer Lithographie und Lift-Off. Die obere Leiterbahn besitzt ein Loch an der Stelle wo die obere dünne Elektrode 5 sitzt, das heißt sie wird an dieser Stelle nicht abgeschieden. Ein Überlapp von 1 bis 5 μιη muss auf die Top-Elektrode 5 an deren Rand gegeben sein, um den Kontakt hierzu zu ermöglichen (Figur le). Auf die obere zweite Leiterbahn 6 wird wie schon bei der unteren ersten Leiterbahn 2 eine Titanschicht wie dort angezeigt abgeschieden. Diese ermöglicht die Adhäsion der Goldschicht 6 auf der nachfolgenden Passivierung 7.
Die Passivierung 7 (Figur lf) wird mittels PE-CVD herbei geführt. Die Dicke kann zwischen 50 nm bis 2 μιη betragen, im vorliegenden Ausführungsbeispiel wurden 800 nm Si02 abge- schieden.
Sodann erfolgt die Öffnung der Passivierung 7 und der Goldelektrode 5 nach optischer Lithographie mit reaktivem Ionenätzen, z. B. mit vorliegend sieben Öffnungen 8 in hexagonaler Kugelpackung bei einem Öffnungsdurchmesser von 10 nm bis 20 μηη. Es wurden im Ausführungsbeispiel die Löcher mit Elektronenstrahl lithographie herbei geführt. Die Löcher sind an die Größe des Sensors 2, 5 im Kreuzungspunkt anzupassen. Die dadurch entstehende Apertur erlaubt das Eindringen des Analyten an die Elektroden eines Sensors auf diesem Weg, vorteilhaft aber nicht lateral über innere Kanäle von Sensor zu Sensor.
Andere Designs an Öffnungen 8 sind ebenfalls möglich. Das Design der Öffnungen 8 hat Einfluss auf die Ansprechzeiten und auf die Effizienz des Sensors. Viele dicht gesäte kleine Löcher 8 im Verhältnis zur oberen Elektrode 5 verbessern die Ansprechzeit des Sensors durch schnelle Diffusion im Gegensatz zu einem einzelnen kleinen Loch 8. Damit sind schnellere Messungen möglich. Dafür wird die Effizienz des Redox-Cycling etwas verringert, da die Sensorfläche durch die Wegnahme von Material der Top-Elektrode 5 verringert wird. Ein großes einzelnes Loch 8 verbessert ebenfalls die Ansprechzeit, verringert aber die Verstärkung des Redox-Cycling aufgrund der geringeren effektiven Elektrodenfläche 5, 2 im Kreuzungspunkt.
Im letzten Schritt erfolgt ein nasschemisches Ätzen der Chrom Opferschicht 4.
Der fertige Sensor ist in Figur lh gezeigt. Ein Spalt S gibt die Breite der Nanokavität zwi- sehen der geöffneten Top-Elektrode 5 und dem gegenüberliegenden Abschnitt der unteren
Leiterbahn 2 an. Beide stellen gemeinsam den Sensor am Kreuzungspunkt der Leiterbahnen 2 und 6. Wären die Goldleiterbahnen mit Chrom adhäriert (siehe Wolfrum et al. und Kätelhön et al.), so würden während der Ätzung weitere Kanäle im innern der Schichtstruktur gebildet, und die Nanokavität an diesen Stellen offen. Dies würde zu einem Übersprechen benachbarter Nanokavitäten durch Diffusion des Analyten führen. Die Ortsauflösung wäre dann gestört.
Als Substrat 1 dient ein 100 mm Si Wafer mit einer 1 μηι dicken Si02 Passivierungsschicht. Die Dicke spielt eine untergeordnete Rolle. Sie sollte so gewählt werden, dass eine ausreichende Isolierung vorhanden ist. Die Leiterbahnen 2, 6 werden mittels Elektronenstrahlver- dampfung aufgebracht und mittels Lift-Off strukturiert. Dabei wird folgendem Protokoll gefolgt: Es erfolgt das Aufschleudern des Lackes LOR3b™ bei 3000 rpm und ein Aushärten auf einer Heizplatte für 5 min bei 180 °C. Sodann erfolgt das Aufschleudern des Lackes nLof 2020™ bei 3000 rpm und das Aushärten auf einer Heizplatte für 90 s bei 1 15 °C. Die Belichtung erfolgt durch eine Maske im Mask Aligner. Die Entwicklung der Lacke geschieht in MIF326™ für 45 s. Das Lift-Off der Metallschicht erfolgt in Aceton.
Das Protokoll wird mehrmals durchgeführt, wobei die folgenden Schichten abgeschieden wurden. Die ersten, unteren Leiterbahnen umfassen 150 nm Gold auf 7 nm Titan als Adhäsionsschicht. Die oberen zweiten Leiterbahnen umfassen 7 nm Titan, 1 0 nm Gold und wiederum 7 nm Titan. Passivierungen aus Si02 und / oder Si3N4 werden mit PE-CVD abgeschieden und haben Dicken zwischen 50 und 800 nm. Diese Passivierung wird dann mit dem Lack AZ 5214e™ und reaktivem Ionenätzen an Hand des folgenden Protokolls strukturiert. Es erfolgt ein Aufschleudern des Lackes AZ 5214e™ bei 4000 rpm und das Aushärten auf einer Heizplatte für 5 min bei 90 °C. Es wird belichtet. Sodann erfolgt die Entwicklung des Lacks in MIF326™ für 60 s und reaktives Ionenätzen bei 200 W, 20 ml/s CHF3, 20 ml/s CF4 und 1 ml/s 02.
In den Schritten der Figuren lb-d wird dieser Lack sowohl für die Öffnung der Passivierung als auch für den Lift-Off der Chrom Opferschicht 4 und der oberen Elektrode 5 mit Aceton benutzt. Diese haben Dicken von jeweils 50 nm (Chrom) und 20 nm (Gold).
Die Chrom Opferschicht 4 wird nasschemisch mit einer chrome etch™ Lösung entfernt. Dazu wird das Sensorfeld mit der Ätzlösung für etwa 30 min bedeckt und anschließend mit Wasser gespült.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zum Nachweis eines Analyten, mit den folgenden Schritten: a) auf einem isolierenden Substrat (1) wird eine erste Leiterbahn (2) mit Elektrodenfunktion angeordnet, b) auf der Leiterbahn wird eine erste Passivierungsschicht (3) angeordnet, c) die Passivierungsschicht wird lokal begrenzt geöffnet, so dass die Leiterbahn (2) lokal begrenzt freigelegt wird, d) in die Öffnung wird eine Opferschicht (4) auf der Leiterbahn angeordnet, e) auf die Opferschicht wird eine Elektrode (5) angeordnet, f) eine zweite Leiterbahn (6) wird orthogonal zur ersten Leiterbahn (2) angeordnet, wobei die zweite Leiterbahn (6) die Elektrode (5) kontaktiert, g) eine zweite Passivierungsschicht (7) wird auf der Elektrode sowie auf der zweiten Leiterbahn angeordnet, h) die zweite Passivierungsschicht (7) und die Elektrode (5) werden geöffnet, so dass die Opferschicht (4) freigelegt wird, i) die Opferschicht (4) wird entfernt.
2. Verfahren nach vorherigem Anspruch
gekennzeichnet durch
Wahl einer Opferschicht, die ätzbar ist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schritte c), d) und e) in einem einzigen Lithographischritt unter Verwendung derselben Maske durchgeführt werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schritte e) und f) in einem einzigen Lithographischritt unter Verwendung derselben Maske durchgeführt werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Öffnung der zweiten Passivierungsschicht und der Elektrode mit Löchern (8) in he- xagonaler Anordnung erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
in Schritt i) nur die Opfer Schicht (4) entfernt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
in Schritt b) auch das Substrat passiviert wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
in Schritt g) die zweite Passivierungsschicht (7) auch auf der ersten Passivierungsschicht (3) angeordnet wird.
9. Vorrichtung zum Nachweis eines Analyten,
bei dem zwischen mindestens zwei orthogonal zueinander verlaufenden Leiterbahnen (2, 6) am Kreuzungspunkt eine Nanokavität zur Aufnahme des Analyten zwischen den Leiterbahnen angeordnet ist und oberhalb und unterhalb eines Spalts S zur Ausbildung der Nanokavität zwei sich gegenüberliegende Bereiche der ersten Leiterbahn und an der zweiten Leiterbahn Elektroden zur Ausbildung eines Sensors ausbilden, der den Nachweis eines Analyten durch nacheinander abfolgende Oxidation und Reduktion des Analyten an den Elektroden ermöglicht.
10. Vorrichtung nach vorherigem Anspruch
gekennzeichnet durch
eine Vielzahl an Kreuzungspunkten, gebildet von einer Vielzahl orthogonal zueinander angeordneter Leiterbahnen, wobei an jedem Kreuzungspunkt eine Nanokavität zwi- sehen den Elektroden und der Leiterbahn ausgebildet ist und zwischen benachbarten Nanokavitäten keine Verbindung vorhanden ist.
1 1. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden zwei Ansprüche,
bei der
auf einer Fläche von 100 μιη2 bis zu 6 Sensoren angeordnet sind.
12. Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden drei Ansprüche, gekennzeichnet durch
den Nachweis von Neurotransmittern als Analyten.
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