Multi-Parametererfassung mit siliziumbasiertem Sensorchip: Aus Drei mach Eins

  • Abb. 1: Darstellung des Querschnitts des Sensorchips. Die abgebildeten Schichtdicken sind nicht maßstabsgetreu.Abb. 1: Darstellung des Querschnitts des Sensorchips. Die abgebildeten Schichtdicken sind nicht maßstabsgetreu.
  • Abb. 1: Darstellung des Querschnitts des Sensorchips. Die abgebildeten Schichtdicken sind nicht maßstabsgetreu.
  • Abb. 2: Ausschnitt des prozessierten Wafers und Kennzeichnung der einzelnen Sensorkomponenten (links) und einsatzfähiger Multi-Sensorchip (rechts).
  • Abb. 3: Beispiel einer simultanen Messung von pH-Wert, Leitfähigkeit und Temperatur mit dem Multi-Sensorchip. Das Impedanzsignal entstammt dem parallel betriebenen Sensorchip zur Erfassung der Polymerdegradation (siehe Text).

Die Entwicklung miniaturisierter Systeme für die (bio-)chemische Analyse tritt zunehmend auf den Gebieten der Chemie, Biotechnologie, medizinischen Diagnostik, Lebenswissenschaften, Umweltanalytik und Mikrosystemtechnik in den Fokus wissenschaftlicher und wirtschaftlicher Interessen. Solche Systeme integrieren Sensoren zur Erfassung und Kontrolle von (bio-)chemischen und physikalischen Messgrößen, wie beispielsweise pH-Wert, Analytkonzentration, Elektrolytleitfähigkeit, Temperatur, Druck und Flussrate, zu Sensorarrays [1]. Oftmals basieren die eingesetzten Sensoren auf elektrochemischen oder optischen Transducerprinzipien. Ein genereller Vorteil miniaturisierter Systeme im Vergleich zu herkömmlichen Labormethoden ist der geringere Verbrauch an Reagenzien bzw. Bedarf an Probevolumen, die Möglichkeit der Echtzeitmessung sowie der reduzierte Aufwand für Wartung und Kalibrierung. Chipbasierte Sensoren können in diesem Zusammenhang eine entscheidende Rolle spielen und stellen aufgrund ihrer Miniaturisierbarkeit und der Möglichkeit einer kostengünstigen Herstellung eine attraktive Alternative zu herkömmlichen Laborelektroden dar. In diesem Beitrag wird ein siliziumbasierter Multi-Sensorchip zur Erfassung von drei relevanten chemisch-physikalischen Messgrößen (pHWert, Temperatur, Elektrolytleitfähigkeit) vorgestellt. Die Fabrikation des Chips und dessen Funktionalität wird anhand eines Beispielexperiments erläutert.

Design und Herstellung des Sensorchips
Der entwickelte Sensorchip kombiniert drei einzelne Sensoren mit unterschiedlichen Transducer-prinzipien zur Erfassung des pH-Werts, der Temperatur und der Elektrolytleitfähigkeit. Die potentiometrische pH-Wertmessung erfolgt mit einem kapazitiven Feldeffektsensor, zur Messung von Temperatur und Leitfähigkeit wurden Dünnschichtelektroden aus Platin verwendet. Diese werden als Widerstandsthermometers bzw. konduktometrisch betrieben. Die Herstellung des Sensorchips erfolgt unter Reinraumbedingungen und basiert auf der Verwendung von Siliziumtechnik und photolithographischer Prozesse. Um eine gegenseitige Beeinflussung der einzelnen Sensoren zu verhindern, wurde auf einem Siliziumwafer gearbeitet, der über eine isolierende Schicht von 5 μm Siliziumdioxid (SiO2) verfügt.

Abbildung 1 zeigt schematisch den Querschnitt eines solchen Sensorchips.

Zur Erfassung des pH-Werts wurde eine kapazitive Feldeffektstruktur auf Basis von p-dotiertem Silizium eingesetzt. Hierfür wurde in einem definierten Bereich des Sensorchips zunächst durch nasschemisches Ätzen die 5 μm dicke SiO2-Schicht entfernt (siehe auch Abb. 1, linker Bereich), um nachfolgend 30 nm eines qualitativ hochwertigen SiO2 durch thermische Trockenoxidation neu aufzubauen. Anschließend wurde auf den gesamten Wafer 30 nm Tantal mittels Elektronenstrahlverdampfung abgeschieden und zu Tantalpentoxid (Ta2O5) oxidiert, welches überaus gute pH-sensitive Eigenschaften aufweist [2]. Nach Aufdampfen von Aluminium als Kontaktmaterial auf der Rückseite des Wafers besteht das Schichtsystem des pH-Sensors aus Al-p-Si-SiO2-Ta2O5. In einem weiteren photolithographischen Prozessschritt erfolgte die Strukturierung und Abscheidung der Dünnschichtelektroden (20 nm Titan als haftvermittelnde Schicht sowie 200 nm Platin (Pt) als Elektrodenmaterial). Abbildung 2 zeigt einen Ausschnitt des Wafers nach der Prozessierung (links) sowie einen vereinzelten Sensorchip, der zur besseren Handhabung in einen Träger (PCB: printed circuit board) eingeklebt und kontaktiert worden ist (rechts). Die einzelnen Sensoren wurden elektrisch bzw. elektrochemisch anhand von Standardlösungen im temperierten Wasserbad charakterisiert und kalibriert. Für den pH-Sensor wurde eine nahezu Nernst’sche Sensitivität von 57,3 mV/pH bei 25 °C über einen Messbereich von pH 3 bis pH 12 ermittelt. Der Temperatursensor wies einen für Pt-Widerstandsthermometer typischen linearen Kennlinienverlauf im – für biologische Anwendungen relevanten – Messbereich von 20 – 45 °C auf. Durch Betrieb des Leitfähigkeitssensors in Vierelektrodenanordnung konnte dieser erfolgreich für den Einsatz in Lösungen mit Elektrolytleitfähigkeiten von 1 – 50 mS/cm getestet werden. Eine detaillierte Beschreibung von Layout, Herstellungsprozess und Sensorcharakterisierung findet sich in Referenz [3].

Anwendungsbeispiel: Monitoring der Degradation von Polymerschichten
An einem ausgewählten Beispielexperiments soll die Funktionstauglichkeit des Sensorchips zur Multi-Parametererfassung aufgezeigt werden. Nach Kalibrierung der Sensoren wurde über einen Zeitraum von insgesamt sechs Tagen periodisch der pH-Wert, die Temperatur und die Leitfähigkeit von drei Analytlösungen erfasst. Diese unterschieden sich in pH-Wert und Ionenstärke. Die Beispielmessung erfolgte bei 37 °C und zunächst in einer neutralen Pufferlösung mit pH 6,98 und einer Leitfähigkeit von 13,1 mS/cm, um physiologische Bedingungen abzubilden. Abbildung 3 zeigt den zeitlichen Verlauf der Signale des Multi-Sensorchips in den drei Analytlösungen (Lösung A, Lösung B, Lösung C). Die Signale aller drei Sensoren waren zeitlich stabil und es konnte keine gegenseitige Beeinflussung der Sensoren beobachtet werden. Der Signalabfall des Temperatursensors sind eine Folge des Wechsels der Analytlösungen. Die unterste dargestellte Messkurve entstammt einem zusätzlichen, hybridintegrierten Sensorchip, der zum Monitoring der Degradation eines (Bio-)Polymerfilms entwickelt worden ist [4]. Die Degradation dieser Polymere ist stark von äußeren Einflussfaktoren wie dem pH-Wert, der Temperatur, der Ionenstärke des umgebenden Mediums, etc. abhängig. Um eine aussagekräftige Degradationsmessung durchführen zu können, ist daher die Kontrolle derartiger Parameter unerlässlich. Auf den Degradationssensor wurde eine dünne Schicht (≈500 nm) eines biodegradierbaren Polymers Poly(D,L-lactid) (PDLLA) aufgebracht. PDLLA ist als Biomaterial zugelassen und findet bereits vielfache Anwendung als Medizinprodukt. Es ist bekannt, dass PDLLA in neutraler Lösung langsamer degradiert als in alkalischer Lösung. Während der ersten vier Tage in pH-neutraler Umgebung (Lösung A und Lösung B) ist eine langsame Abnahme des Impedanzsignals zu erkennen. Diese Abnahme wurde durch den Wechsel zu Lösung C (pH 8,84) rapide beschleunigt bis nach etwa 110 h keine Änderung des Signals mehr erkennbar war. Dies lässt vermuten, dass der Degradationsprozess zu diesem Zeitpunkt vollständig abgeschlossen war, was letztendlich auch anhand mikroskopischer Untersuchungen belegt werden konnte. Anhand dieses Beispielexperiments konnte sowohl die Wichtigkeit einer Multi-Parametererfassung als auch die Funktionstauglichkeit des Multi-Sensorchips über einen Zeitraum von mehreren Tagen demonstriert werden. Eine Erweiterung der Funktionalitäten des Multi-Sensorchips um zusätzliche Messparameter (z. B. Gelöstsauerstoff) ist denkbar, um weitere Anwendungsfelder zu erschließen.

Danksagung
Teile dieses Projekts wurden im Rahmen des Interreg EMR IV-A Projekts „BioMIMedics“ durchgeführt und wurden von der Europäischen Union, regionalen Behörden, Forschungsinstituten und KMUs kofinanziert.

Literatur
[1] Poghossian A. et al.: Sensors and Actuators B 91, 83 (2003)
[2] Schöning M.J. et al.: Sensors and Actuators B 111-112, 423 (2005)
[3] Leinhos M. et al.: Physica Status Solidi A (2013) eingereicht
[4] S. Schusser et al.: Physica Status Solidi A 210 905 (2013)

Weitere Beiträge zum Thema: http://bit.ly/Biomaterial
Mehr Informationen: http://bit.ly/Sensorik

Autor(en)

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