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Dokumentenidentifikation DE102004002914B4 01.12.2005
Titel Vorrichtung und Verfahren zur Detektion mindestens einer Substanz
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Gabl, Reinhard, Dr., 80337 München, DE;
Schreiter, Matthias, 81379 München, DE;
Wersing, Wolfram, 83346 Bergen, DE
DE-Anmeldedatum 20.01.2004
DE-Aktenzeichen 102004002914
Offenlegungstag 11.08.2005
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 01.12.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.12.2005
IPC-Hauptklasse G01N 27/00
IPC-Nebenklasse G01N 27/22   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) und ein Verfahren zur Detektion mindestens einer Substanz eines Fluids. Die Vorrichtung ist ein kombinierter piezoelektrischer und pyroelektrischer Sensor. Die Vorrichtung verfügt über mindestens ein Piezosensorelement (2), das einen piezoelektrischen Effekt aufweist, der von einer Sorption der Substanz an das Piezosensorelement abhängig ist, und mindestens ein Pyrosensorelement (3), das einen pyroelektrischen Effekt aufweist, der von einer Sorption der Substanz an das Pyrosensorelement abhängig ist. Das Piezosensorelement weist insbesondere einen Dünnfilmresonator auf. Das Pyrosensorelement weist insbesondere einen Dünnfilmkondensator auf. Bevorzugt ist der Dünnfilmresonator des Piezosensorelements gleichzeitig der Dünnfilmkondensator des Pyrosensorelements. Die Vorrichtung wird als Gasdetektor verwendet.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektion mindestens einer Substanz eines Fluids.

In der modernen Analysetechnik und in der medizinischen Diagnostik werden in zunehmenden Maße Bio- und Chemosensoren eingesetzt. Ein derartiger Sensor besteht aus einem biologischen beziehungsweise chemischen Erkennungssystem für eine Substanz und einem sogenannten physikalischen Transducer. Über das Erkennungssystem erfolgt ein "Erkennen" der Substanz. Dieses "Erkennen" wird mit Hilfe des physikalischen Transducers in ein elektronisches Signal umgewandelt. Häufig eingesetzte biologische Erkennungssysteme sind Antikörper, Enzyme und Nukleinsäuren. Die biologischen Erkennungssysteme werden dabei meist in annähernd zweidimensionalen Schichten auf dem Transducer immobilisiert (fixiert). Ein Immobilisieren (Fixieren) kann dabei durch kovalente Bindungen, durch Affinitätswechselwirkungen und durch hydrophile oder hydrophobe Wechselwirkungen erfolgen. Einen Überblick über einen Aufbau annähernd zweidimensionaler biologischer Erkennungsschichten geben I. Willner und E. Katz in Angew. Chem. 112(2000), S. 1230 bis 1269.

Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektion einer Substanz mit Hilfe eines Piezosensorelements ist beispielsweise aus C. Kößlinger et al., Biosensors & Bioelectronics, 7 (1992), S. 397 bis 404 bekannt. Die Vorrichtung weist einen piezoakustischen Resonator mit mindestens einer piezoelektrischen Schicht, einer an der piezoelektrischen Schicht angeordneten Elektrode, mindestens einer an der piezoelektrischen Schicht angeordneten weiteren Elektrode und einem Resonatoroberflächenabschnitt zur Sorption der Substanz des Fluids auf. Dabei sind die piezoelektrische Schicht, die Elektroden und der Resonatoroberflächenabschnitt derart aneinander angeordnet, dass eine elektrische Ansteuerung der Elektroden zu einer Schwingung des Resonators mit einer Resonanzfrequenz führt und die Resonanzfrequenz abhängig ist von einer am Resonatoroberflächenabschnitt adsorbierten Menge der Substanz. Der Resonatoroberflächenabschnitt des Resonators stellt ein Erkennungssystem für eine Substanz dar. Der piezoelektrische Resonator fungiert als physikalischer Transducer. Die piezoelektrische Schicht des bekannten Resonators besteht aus einem Quarzkristall. An dem Quarzkristall sind Elektroden aus Gold angebracht. Durch eine elektrische Ansteuerung der Elektroden wird der Quarzkristall zu akustischen Volumenwellen (Bulk Akoustic Waves) in Form von Dickenscherschwingungen angeregt. Die Resonanzfrequenz beträgt etwa 20 MHz. Eine der Elektroden bildet den Resonatoroberflächenabschnitt zur Sorption der Substanz des Fluids. Die Substanz ist ein makromolekulares Protein, das sich in einer Flüssigkeit befindet und das an der Elektrode physikalisch adsorbiert wird. Durch die Adsorption des Proteins ändert sich die Masse und damit die Resonanzfrequenz des Resonators. Für die Änderung der Resonanzfrequenz (&Dgr;f) in Abhängigkeit von der Änderung der adsorbierten Menge der Substanz pro Flächeneinheit (&Dgr;m) gilt folgender allgemeine Zusammenhang (vergleiche G. Sauerbrey, Zeitschrift für Physik, 155 (1959), S. 206 – 222):

Dabei ist S die Massensensitivität des Resonators, f0 die Resonanzfrequenz des Resonators ohne adsorbierte Substanz, c ist eine materialspezifische Konstante und m die Masse des Resonators pro Flächeneinheit. Die Massensensitivität ist proportional zum Quadrat der Resonanzfrequenz des Resonators. Bei einer relativ niedrigen Resonanzfrequenz f0 von etwa 20 MHz kann die Massensensitivität der bekannten Vorrichtung auf etwa 1 Hz·ng–1·cm2 abgeschätzt werden.

Auch aus V. Ferrari et al., Sensors and Actuators, B 68 (2000), S. 81-87 ist eine Vorrichtung zur Detektion mit Hilfe eines Piezosensorelements bekannt. Die Vorrichtung fungiert als Massensensor zur Detektion einer chemischen Substanz. Die piezoelektrische Schicht ist eine Bleizirkonattitanat (PZT)-Schicht. An gegenüberliegenden Seiten der PZT-Schicht sind schichtförmige Elektroden aus einer Silberpalladiumlegierung angebracht. Die Elektroden und die PZT-Schicht bilden den piezoakustischen Resonator. Durch eine elektrische Ansteuerung der Elektroden ist der Resonator zu einer Längsschwingung (longitudinale Schwingung) entlang der Schichtdicke der PZT-Schicht anregbar. Dieser Resonator weist einen Resonatoroberflächenabschnitt auf, an dem eine Substanz sorbiert werden kann. Dazu verfügt der Resonator über den Resonatoroberflächenabschnitt bildende, chemisch sensitive Beschichtung. Die chemisch sensitive Beschichtung ist ein Polymerfilm, der auf einer der Elektroden aufgebracht ist. Der Polymerfilm ist beispielsweise Polystyrol oder Polymethylacrylat. Auf diesen Polymerfilmen können verschiedene Substanzen, beispielsweise Kohlenwasserstoffe, adsorbiert werden. Durch die Adsorption ändert sich die Masse des Resonators. Als Folge davon ändert sich die Resonanzfrequenz des Resonators. Ein Ausmaß der Änderung der Resonanzfrequenz hängt von der adsorbierten Menge der Substanz ab. Je mehr Substanz adsorbiert ist, desto größer ist die Änderung der Resonanzfrequenz.

Der Resonator der Vorrichtung ist auf einem Substrat aus Aluminiumoxid aufgebracht. Zum Herstellen des Resonators bzw. zum Aufbringen des Resonators auf dem Substrat wird auf die sogenannte Dickfilmtechnologie (Thick Film Technology, TFT) zurückgegriffen. Die Schichtdicke der PZT-Schicht des Resonators beträgt ungefähr 100 &mgr;m. Die Elektroden sind etwa 10 &mgr;m dick. Der Polymerfilm ist beispielsweise mit einer Dicke von etwa 3 &mgr;m aufgebracht. Eine laterale Ausdehnung des Resonators beträgt etwa 6 mm. Die Resonanzfrequenz des Resonators beträgt ungefähr 7 MHz. Die bekannte Vorrichtung mit dem piezoakustischen Resonator eignet sich zur Detektion einer Substanz eines Fluids. Das Fluid ist entweder eine Flüssigkeit oder ein Gas bzw. Gasgemisch.

Aus H. Baltes, Proceedings of the IEEE, Vol. 86, No. 8, August 1998, Seiten 1660-1678 ist ein sogenannter Flexural Plate Wave (FPW)-Sensor bekannt. Der Sensor ist eine Vorrichtung zur Detektion einer Substanz. Die Vorrichtung verfügt über einen piezoakustischen Resonator, der auf einem Halbleitersubstrat aus Silizium aufgebracht ist. Zum Herstellen der Vorrichtung werden Dampfabscheideverfahren, CMOS (Complementary Metal Oxyde Semiconductor)-Technologie und Front- bzw. Rückseitenätzen des Halbleitersubstrats (bulk micromachining) eingesetzt. Die Elektroden und die piezoelektrische Schicht sind auf dem Halbleitersubstrat in Form eines sogenannten Auslegers derart angeordnet, dass eine elektrische Ansteuerung der Elektroden zu einer Querschwingung des Resonators mit einer Resonanzfrequenz von etwa 140 kHz führt. Der Resonator verfügt über eine chemisch sensitive Beschichtung aus Polyurethan oder Polysiloxan. Diese Polymere sind für die Adsorption und damit den Nachweis von Kohlenwasserstoffen mit Halogenen geeignet. Das Fluid ist insbesondere gasförmig. Wenn das Fluid an dem durch eines der Polymere gebildeten Resonatoroberflächenabschnitt vorbeigeleitet wird, werden die Kohlenwasserstoffe an dem Resonatoroberflächenabschnitt adsorbiert. In Abhängigkeit von der Konzentration der Kohlenwasserstoffe ändert sich die Masse des Resonators und damit auch die Resonanzfrequenz des Resonators. Die laterale Ausdehnung des Resonators ist relativ klein. Sie beträgt beispielsweise 300 &mgr;m.

Aus der US 4 829 003 geht ein Transducer in Form eines Pyrodetektors hervor. Der Pyrodetektor weist einen laminierten pyroelektrischen Kondensator auf mit einer pyroelektrischen Schicht, beidseitig an der pyroelektrischen Schicht angeordneten Kondensatorelektroden und einem Kondensatoroberflächenabschnitt zur Sorption einer Substanz des Fluids. Der Kondensatoroberflächenabschnitt weist ein Enzym auf, das mit der Substanz reagiert. Durch die Sorption der Substanz und die damit verbundene Reaktion von Enzymen mit der Substanz kommt es zu einer Temperaturerhöhung des Pyrodetektors. In Folge davon wird ein thermisch induziertes elektrisches Signal an den Kondensatorelektroden erhalten. Anhand des Signals wird auf die Anwesenheit des Enzyms im Fluid geschlossen.

Aus der EP 0 435 397 A1 geht ein Pyrodetektor hervor, der einen pyroelektrischen Kondensator aufweist. Aus der EP 0 708 986 B1 und der DE 196 45 036 A1 ist jeweils ein integrierter Pyrodetektor zur Detektion von Infrarotstrahlung bekannt. Der Pyrodetektor weist einen pyroelektrischen Kondensator mit einer pyroelektrischen Schicht auf. An der pyroelektrischen Schicht ist an zwei einander abgekehrten Seiten je eine Elektrode aufgebracht. Die pyroelektrische Schicht ist polarisiert. Ein pyroelektrisches Material der pyroelektrischen Schicht ist beispielsweise Bleizirkonattitanat. Durch Absorption der Infrarotstrahlung kommt es zu einer Temperaturerhöhung der pyroelektrischen Schicht. Dies führt zu einer Änderung der Polarisation der pyroelektrischen Schicht. Infolge davon wird an den beiden Elektroden eine ablesbare Spannung aufgebaut.

Als problematisch erweist sich bei den beschriebenen Vorrichtungen eine relativ geringe Selektivität für die Detektion einer bestimmten Substanz (Cross-Sensitivität).

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Detektion einer bestimmten Substanz anzugeben, die eine im Vergleich zum bekannten Stand der Technik höhere Selektivität für die Substanz aufweist.

Zur Lösung der Aufgabe wird eine Vorrichtung zur Detektion mindestens einer Substanz eines Fluids angegeben, mit mindestens einem Piezosensorelement, das einen piezoelektrischen Effekt aufweist, der von einer Sorption der Substanz an das Piezosensorelement abhängig ist, und mindestens einem Pyrosensorelement, das einen pyroelektrischen Effekt aufweist, der von einer Sorption der Substanz an das Pyrosensorelement abhängig ist.

Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Verfahren zur Detektion mindestens einer Substanz eines Fluids unter Verwendung der Vorrichtung mit folgenden Verfahrensschriften angegeben: a) Zusammenbringen des Fluids und des Piezosensorelements und Zusammenbringen des Fluids und des Pyrosensorelements derart, dass die Substanz an das Piezosensorelement und an das Pyrosensorelement sorbieren kann, und b) Bestimmen des durch die Sorption der Substanz hervorgerufenen piezoelektrischen Effekts des Piezoelements und Bestimmen des durch die Sorption der Substanz hervorgerufenen pyroelektrischen Effekts des Pyrosensorelements, wobei aufgrund des bestimmten piezoelektrischen Effekts und des bestimmten pyroelektrischen Effekts auf die sorbierte Menge der Substanz geschlossen wird.

Bei dem Piezosensorelement wird der Effekt ausgenutzt, dass der piezoelektrische Effekt beziehungsweise ein Ausmaß des piezoelektrischen Effekts von der sorbierten Menge der Substanz abhängig ist. Der piezoelektrische Effekt ist beispielsweise eine piezoakustische Schwingung, zu der das Piezosensorelement angeregt werden kann. Durch die erhöhte Masse des Piezosensorelements aufgrund der Sorption der Substanz ändert sich die Resonanzfrequenz der Schwingung. Je mehr Substanz sorbiert ist, desto niedriger ist die Resonanzfrequenz.

Im Fall des Pyrosensorelements kommt es infolge der Sorption der Substanz zu einer Temperaturänderung des Pyrosensorelements. Die Temperaturänderung wird beispielsweise durch eine bei der Sorption frei werdende und auf das Pyrosensorelement übertragene Energie hervorgerufen.

Aufgrund der Temperaturänderung des Pyrosensorelements wird ein elektrisches Signal erzeugt, das ausgelesen werden kann.

Die grundlegende Idee der Erfindung besteht darin, zwei physikalische Transducer einzusetzen, die auf unterschiedlichen physikalischen Effekten beruhen. Es wird ein kombinierter pyro- und piezoelektrischer Sensor verwendet. Mit Hilfe des kombinierten pyro- und piezoelektrischen Sensor ist es möglich, zwischen Substanzen zu unterscheiden, deren Sorption an einer einzigen Art Transducer gleiche oder sehr ähnliche Messsignale hervorrufen würde.

Beispielsweise sind die bei der Sorption zweier Substanzen mit ähnlichen funktionellen (chemischen) Gruppen an das Pyrosensorelement abgegebenen Sorptionswärmen annähernd gleich (bei gleicher Konzentration beziehungsweise gleicher Konzentrationsänderung). Die messbaren pyroelektrischen Effekte sind annähernd gleich. Wenn sich die Massen der Substanzen unterscheiden, ändert sich durch die Sorption einer annähernd gleichen Anzahl von Molekülen der Substanzen die Resonanzfrequenz des Piezosensorelements unterschiedlich. Somit ist es möglich, mit Hilfe der Vorrichtung zwischen verschiedenen Substanzen zu differenzieren.

Unter Sorption ist die Ausbildung einer chemischen oder physikalischen Bindung der Substanz an einen den Oberflächenabschnitt des entsprechenden Transducers zu verstehen. Die Sorption umfasst dabei sowohl eine Absorption als auch eine Adsorption. Bei der Absorption wird die Substanz beispielsweise durch eine chemisch sensitive Beschichtung des Transducers, die den Oberflächenabschnitt bildet, ohne Bildung einer Phasengrenze aufgenommen. Die Substanz wird in die Beschichtung inkorporiert. Bei der Adsorption kommt es dagegen zur Bildung einer Phasengrenze. Insbesondere denkbar ist dabei eine Adsorption in Form einer Physisorption. Die Substanz lagert sich am Oberflächenabschnitt des Transducers durch Van der Waals- oder Dipol-Dipol-Wechselwirkungen an. Alternativ dazu kann auch eine Adsorption in Form einer Chemisorption stattfinden. Bei einer Chemisorption lagert sich die Substanz am Oberflächenabschnitt unter Bildung einer chemischen Bindung an. Die chemische Bindung ist beispielsweise eine kovalente Bindung oder eine Wasserstoffbrückenbindung.

Vorzugsweise findet die Sorption reversibel statt. Dies bedeutet, dass die Substanz vom jeweiligen Oberflächenabschnitt auch wieder desorbiert (entfernt) werden kann. Beispielsweise wird die Substanz durch Temperaturerhöhung des Oberflächenabschnitts oder durch Einwirken eines reaktiven Stoffes wieder entfernt. Der reaktive Stoff ist beispielsweise eine Säure oder eine Lauge, mit deren Hilfe die bei der Chemisorption gebildeten Bindungen gelöst werden. Die Vorrichtung kann auf diese Weise mehrmals benutzt werden. Möglich ist aber auch, dass die Sorption irreversibel ist. Die Vorrichtung wird als Einwegsensor nur einmalig verwendet.

Als Substanz kommt jede denkbare chemische oder biologische Verbindung in Frage. So wird die Vorrichtung insbesondere als Gassensor zur Detektion eines Gases eingesetzt. Das Gas ist eine Substanz, die einen bestimmten Dampfdruck aufweist. Derartige Substanzen sind beispielsweise organische Lösungsmittel. Denkbar ist auch, dass eine derartige Substanz ein Sprengstoff oder ein Bestandteil, ein Vorprodukt oder Abbauprodukt eines Sprengstoffs ist. Die Vorrichtung kann als Sprengstoffdetektor eingesetzt werden. Denkbar ist auch, dass die Vorrichtung als Biosensor zur Detektion eines beliebigen Biomoleküls ausgestaltet ist. Das Biomolekül ist beispielsweise eine DNA(Deoxyribonucleic Acid)-Sequenz oder ein makromolekulares Protein.

Die Oberflächenabschnitte des Piezosensorelements und des Pyrosensorelements sind vorzugsweise derart ausgebildet, dass eine bestimmte Substanz oder Substanzklasse nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip sorbiert und damit erkannt wird. Somit ist es möglich, aus einem Gemisch aus einer Vielzahl von Substanzen mit Hilfe der Vorrichtung selektiv eine bestimmte Substanz zu detektieren. Die Detektion umfasst dabei sowohl eine qualitative als auch quantitative Bestimmung der Substanz. Es kann die Abwesenheit oder die Anwesenheit der Substanz im Fluid nachgewiesen werden. Es kann auch die Konzentration der Substanz im Fluid bestimmt werden. Durch differentielle Detektion der Substanz kann auch eine zeitliche Änderung der Konzentration der Substanz bestimmt werden. Somit eignet sich die Vorrichtung beispielsweise auch zur Reaktionskontrolle einer chemischen Reaktion, an der die Substanz beteiligt ist.

Die Moleküle zum Erkennen der Substanz können dabei direkt mit einer Transducer-Oberfläche verbunden sein. Beispielsweise ist die Transducer-Oberfläche eine Gold-Elektrode des piezoakustischen Resonators und des pyroelektrischen Kondensators. Moleküle, die über eine Thiol-Gruppe verfügen, werden durch Ausbilden einer Gold-Schwefel-Bindung direkt an die Transducer-Oberfläche gebunden.

In einer besonderen Ausgestaltung weist jede der chemisch sensitiven Beschichtungen eine Immobilisierungsschicht zum Verbinden des physikalischen Transducers und der Moleküle zum Erkennen der Substanz auf. Beispielsweise verfügt eine Transducer-Oberfläche über NH- oder OH-Gruppen. Die Moleküle zum Erkennen der Substanz können dabei über Alkoxysilane, Cyanurchlorid oder Carbodiimid immobilisiert werden. Diese Verbindungen bilden die jeweilige Immobilisierungsschicht.

Die Immobilisierungsschicht kann direkt mit der jeweiligen Transducer-Oberfläche verbunden sein. Denkbar ist auch, dass die Immobilisierungsschicht indirekt über eine Haftvermittlungsschicht mit der jeweiligen Transducer-Oberfläche verbunden ist.

In einer besonderen Ausgestaltung weist das Piezosensorelement einen piezoakustischen Resonator auf, mit mindestens einer piezoelektrischen Schicht, einer an der piezoelektrischen Schicht angeordneten Resonatorelektrode des Resonators, mindestens einer an der piezoelektrischen Schicht angeordneten weiteren Resonatorelektrode des Resonators und mindestens einem Resonatoroberflächenabschnitt des Resonators zur Sorption der Substanzen des Fluids, wobei die piezoelektrische Schicht, die Resonatorelektroden und der Resonatoroberflächenabschnitt zur Ausbildung des piezoelektrischen Effekts derart aneinander angeordnet sind, dass eine elektrische Ansteuerung der Resonatorelektroden zu einer mechanischen Schwingung des Resonators mit einer Resonanzfrequenz führt, die von einer an den Resonatoroberflächenabschnitt sorbierten Substanzmenge der Substanz abhängig ist. Es wird ein Piezosensorelement mit einem piezoakustischen Resonator verwendet und zum Bestimmen des piezoelektrischen Effekts eine Bestimmung der Resonanzfrequenz des Resonators durchgeführt. Vorzugsweise ist dabei der Resonatoroberflächenabschnitt von einer chemisch sensitiven Beschichtung des Resonators gebildet.

Die Schwingung des Resonators kann eine Längsschwingung und/oder Dickenscherschwingung sein. Welche Schwingungsart angeregt wird, hängt unter anderem von einer Symmetriegruppe des piezoelektrischen Materials, der Orientierung der piezoelektrischen Schicht zur Oberfläche und von der Anordnung der Elektroden ab. Beispielsweise besteht die piezoelektrische Schicht aus einem <111> orientierten Bleizirkonattitanat. Wird ein elektrisches Feld nur in z-Richtung entlang der Schichtdicke der piezoelektrischen Schicht angelegt, so kommt es in erster Linie zu einer Längsschwingung entlang der Schichtdicke. Dagegen kann die Dickenscherschwingung bei der beschriebenen Anordnung entlang der lateralen Ausdehnung der piezoelektrischen Schicht auftreten. Die Dickenscherschwingung benötigt dazu allerdings eine laterale Komponente des anregenden elektrischen Feldes. Die Längsschwingung wird insbesondere zur Untersuchung eines gasförmigen Fluids eingesetzt. Bei einem flüssigen Fluid wird die Längsschwingung relativ stark gedämpft, wodurch die Massensensitivität stark reduziert wird. Zur Untersuchung eines flüssigen Fluids unter Ausnutzung der Längsschwingung des Resonators wird daher das Fluid nach der Sorption vom Resonatoroberflächenabschnitt beziehungsweise vom Resonator entfernt. Die Messung der Resonanzfrequenz des Resonators findet nach der Sorption in Abwesenheit des Fluids statt. Zur direkten Untersuchung eines flüssigen Fluids eignet sich dagegen die Messung der Dickenscherschwingung. Die Dickenscherschwingung wird in einer Flüssigkeit nur unmerklich gedämpft. Die Messung kann bei Flüssigkeitskontakt des Resonators erfolgen.

In einer besonderen Ausgestaltung sind eine Schichtdicke der piezoelektrischen Schicht des piezoakustischen Resonators aus dem Bereich von einschließlich 0,1 &mgr;m bis einschließlich 20 &mgr;m und die Resonanzfrequenz der Schwingung aus dem Bereich von einschließlich 500 MHz bis einschließlich 10 GHz ausgewählt. Der Resonator ist ein piezoakustischer Dünnfilmresonator. Die Elektroden sind Elektrodenschichten. Die Elektrodenschichten bestehen beispielsweise aus Gold, Aluminium oder Platin. Eine Gesamtschichtdicke des Resonators aus Elektrodenschichten und piezoelektrischer Schicht beträgt beispielsweise 1 &mgr;m. Durch die kleine Schichtdicke der piezoelektrischen Schicht beziehungsweise durch die kleine Gesamtschichtdicke ist unter anderen die Ausdehnung des Resonators im Vergleich zum Stand der Technik reduziert. Dadurch erhöht sich die Resonanzfrequenz des Resonators. Durch die hohe Resonanzfrequenz, die auch als Hochfrequenz bezeichnet wird, ergibt sich eine hohe Massensensitivität gegenüber der Substanz. Die Massensensitivität der Vorrichtung kann nach Gleichung (1) auf wenige Hz·pg–1·cm2 abgeschätzt werden. Beispielsweise beträgt die Massensensitivität bei einer Resonanzfrequenz von 1 GHz etwa 2, 5 Hz·pg–1·cm2. Mit einem solchen Dünnfilmresonator wird eine Massensensitivität erreicht, die im Vergleich zum oben angegebenen Stand der Technik um einen Faktor von 103 verbessert ist.

In einer weiteren Ausgestaltung weist das Pyrosensorelement einen pyroelektrischen Kondensator auf mit mindestens einer pyroelektrischen Schicht, einer an der pyroelektrischen Schicht angeordneten Kondensatorelektrode des Kondensators, mindestens einer an der pyroelektrischen Schicht angeordneten weiteren Kondensatorelektrode des Kondensators und mindestens einem Kondensatoroberflächenabschnitt des Kondensators zur Sorption der Substanz des Fluids, wobei die pyroelektrische Schicht, die Kondensatorelektroden und der Kondensatoroberflächenabschnitt zur Ausbildung des pyroelektrischen Effekts derart aneinander angeordnet sind, dass aufgrund der Sorption der Substanz an den Kondensatoroberflächenabschnitt eine Temperaturänderung der pyroelektrischen Schicht hervorgerufen wird, die zu einem an den Kondensatorelektroden ablesbaren elektrischen Signal führt. Es wird ein Pyrosensorelement mit einem pyroelektrischen Kondensator verwendet und zum Bestimmen des pyroelektrischen Effekts ein Bestimmen eines an den Kondensatorelektroden anliegenden elektrischen Signals durchgeführt. Das Signal kann eine elektrische Spannung oder ein elektrischer Strom sein. Vorzugsweise ist der Kondensatoroberflächenabschnitt des Kondensators von einer chemisch sensitiven Kondensatorbeschichtung des Kondensators gebildet.

Durch die Sorption der Substanz am Kondensatoroberflächenabschnitt wird beispielsweise Sorptionswärme frei, die auf die pyroelektrische Schicht übertragen wird und zu dem auslesbaren elektrischen Signal führt. Denkbar ist auch, dass die sorbierte Substanz durch eine katalytische Wirkung des Kondensatoroberflächenabschnitts zu einem Reaktionsprodukt umgesetzt wird. Es findet eine Reaktion statt. In die Reaktion können dabei weitere Reaktanten involviert sein. Aufgrund einer Energiebilanz der Reaktion (endotherme oder exotherme Reaktion) kommt es zu einem Wärmetransport von der pyroelektrischen Schicht weg oder zur pyroelektrischen Schicht hin. Es resultiert ein auslesbares elektrisches Signal, das von der Art und der Menge der Substanz abhängt.

Eine Schichtdicke der pyroelektrischen Schicht des pyroelektrischen Kondensators ist aus dem Bereich von einschließlich 0,1 &mgr;m bis 20 &mgr;m ausgewählt. Eine möglichst kleine Schichtdicke hat den Vorteil, dass eine Wärmekapazität der pyroelektrischen Schicht möglichst klein ist. Dadurch zeichnet sich die pyroelektrische Schicht durch eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber Temperaturänderungen in der Umgebung der Schicht aus.

Sowohl der piezoakustische Resonator als auch der pyroelektrische Kondensator weisen bevorzugt jeweils eine laterale Ausdehnung auf, die aus dem Bereich von einschließlich 50 &mgr;m bis einschließlich 1000 &mgr;m ausgewählt ist. Durch die kleine laterale Ausdehnung kann mit Hilfe der Vorrichtung ein kleines Probenvolumen des Fluids untersucht werden.

Die piezoelektrische Schicht und die pyroelektrische Schicht weisen bevorzugt ein ferroelektrisches Material auf. Das ferroelektrische Material ist beispielsweise Bleizirkonattitanat. Für die piezoelektrische Schicht kommt insbesondere auch ein Material wie Zinkoxid und/oder Aluminiumnitrid in Frage. Die genannten Materialien eignen sich besonders für ein Abscheiden aus der Gasphase auf einem Substrat. Das Abscheiden erfolgt beispielweise in einem chemischen Dampfabscheideverfahren (Chemical Vapour Deposition, CVD) oder einem physikalischen Dampfabscheidverfahren (Physical Vapour Depostion, PVD). Das physikalische Dampfabscheideverfahren ist beispielsweise Sputtern. Mit Hilfe der Dampfabscheideverfahren sind die kleinen Schichtdicken der piezoelektrischen Schicht, der pyroelektrischen Schicht und der jeweiligen Elektroden zugänglich.

Neben den beschriebenen keramischen Materialien sind auch polymere Materialien einsetzbar, die einen piezoelektrischen und/oder pyroelektrischen Effekt aufweisen. Ein derartiges Material ist beispielsweise Polyvinylidendifluorid (PVDF).

Der Resonator des Piezosensorelements kann auf einem beliebigen Substrat (Trägerkörper) angeordnet sein, das einen geringen Verlust für Hochfrequenzsignale aufweist. Dieses Substrat weist als Dielektrikum beispielsweise einen Saphir auf. Denkbar ist insbesondere ein Hochfrequenzsubstrat. Das Hochfrequenzsubstrat zeichnet sich dadurch aus, dass ein Hochfrequenzsignal mit einer hohen Güte und damit mit einem geringen Verlust weitergeleitet wird. Als Hochfrequenzsubstrat kommt insbesondere ein LTCC-Substrat (Low Temperature Cofired Ceramics) zur Anwendung. Im LTCC-Substrat können aufgrund der Verwendung von bei niedriger Temperatur sinternder Glaskeramik elektrisch hochleitfähige Materialien wie metallisches Kupfer oder Silber integriert sein.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn mindestens eine Einrichtung zur akustischen Isolation des Resonators und des Trägerkörpers des Resonators vorhanden ist. Somit ist es auch möglich, einen Trägerkörper zu verwenden, der an sich relativ hohe Verluste für Hochfrequenzsignale aufweist.

Die oben genannten Substrate sind auch als Trägerkörper für das Pyrosensorelement beziehungsweise für den Kondensator des Pyrosensorelement geeignet. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn dafür gesorgt wird, dass mindestens eine Einrichtung zur thermischen Isolation des Kondensators und des Trägerkörpers des Kondensators vorhanden. Kondensator und Trägerkörper sind thermisch voneinander isoliert.

Sowohl für das Piezosensorelement als auch für das Pyrosensorelement ist insbesondere ein Halbleitersubstrat geeignet. Das Halbleitersubstrat weist dabei insbesondere ein Halbleitermaterial auf, das aus der Gruppe Silizium und/oder Galliumarsenid ausgewählt ist. Diese Halbleitermaterialien eignen sich zur Anwendung der Bipolar- und CMOS-Technologie. Mit Hilfe dieser Technologien lässt sich im Halbleitersubstrat ein Schaltkreis, beispielsweise ein Auswerteschaltkreis zur Bestimmung der Resonanzfrequenz des Resonators oder zum Auslesen des an den Kondensatorelektroden des pyroelektrischen Kondensators anliegenden elektrischen Signals, integrieren. Es resultiert eine hohe Integrationsdichte. Damit das Halbleitersubstrat als Trägerkörper eingesetzt werden kann, ist es im Fall des piezoakustischen Resonators vorteilhaft, eine Einrichtung zur akustischen Isolation des Resonators und des Halbleitersubstrats vorzusehen. Der Resonator und das Halbleitersubstrat sind akustisch voneinander isoliert. Durch die akustische Isolation des Resonators und des Halbleitersubstrats ist gewährleistet, dass die Resonanzfrequenz des Resonators unabhängig vom Halbleitersubstrat ist. Es resultiert eine relativ hohe Massensensitivität. Die Einrichtung zur akustischen Isolation ist beispielsweise ein im Substrat integrierter akustischer Spiegel. Der akustische Spiegel ist beispielsweise ein akustischer Bragg-Reflektor, der aus &lgr;/4-dicken Schichten unterschiedlicher akustischer Impedanz besteht. Alternativ dazu wird die Einrichtung zur akustischen Isolation durch einen Hohlraum im Substrat gebildet, der durch eine Membran abgedeckt ist. Der Resonator ist über die Membran (mittelbar) mit dem Halbleitersubstrat verbunden. Die Membran besteht beispielsweise aus einem Oxid und/oder Nitrid. Beispielsweise ist die Membran eine Mehrschichtmembran aus einer Oxid-Schicht und einer Nitrid-Schicht. Zur akustischen Isolation ist es auch möglich, dass eine dem Resonator abgekehrte Rückseite des Halbleitersubstrats eine Ausnehmung aufweist. Die Ausnehmung wird vorzugsweise durch Rückseitenätzung des Halbleitersubstrats hergestellt. Der Resonator ist beispielsweise auf einer durch die Ausnehmung freistehenden Membran aus dem Nitrid mit dem Halbleitersubstrat verbunden.

Die beschriebenen Einrichtungen zur akustischen Isolation des Resonators und des Halbleitersubstrats mit Hilfe einer Membran eignen sich auch als Einrichtung zur thermischen Isolation des pyroelektrischen Kondensators und des Halbleitersubsubstrats. Beispielsweise ist der Kondensator über die Membran (mittelbar) mit dem Halbleitersubstrat verbunden. Ein unter der Membran im Halbleitersubstrat befindlicher Hohlraum kann zur verbesserten thermischen Isolierung evakuiert sein.

Das Piezosensorelement und das Pyrosensorelement können auf verschiedenen Substraten angeordnet sein. Wie aufgezeigt, eignet sich eine Reihe von Maßnahmen sowohl für das Piezosensorelement als auch für das Pyrosensorelement. In einer besonderen Ausgestaltung sind daher das Piezosensorelement und das Pyrosensorelement auf einem gemeinsamen Trägerkörper angeordnet. Dies ist insbesondere für den Fall vorteilhaft, dass das Piezosensorelement und das Pyrosensorelement gleiche beziehungsweise annähernd gleiche Strukturen aufweisen. So können beispielsweise der piezoakustische Resonator der Piezosensorelements und der pyroelektrische Kondensator des Pyrosensorelements gleich sein. Die piezoelektrische Schicht entspricht der pyroelektrischen Schicht, die Resonatorelektroden entsprechen den Kondensatorelektroden und es wird die gleiche Membran zur akustischen und thermischen Isolation eingesetzt. Der piezoelektrische Resonator und der pyroelektrische Kondensator können somit durch gleiche Prozessschritte hergestellt werden. Diese Prozesse werden vorteilhaft gleichzeitig oder nahezu gleichzeitig durchgeführt.

Beispielsweise werden die piezoelektrische Schicht des Resonators und die pyroelektrische Schicht des Kondensators in einem einzigen Prozessschritt hergestellt.

Bei gleichen Strukturen von Piezosensorelementen und Pyrosensorelementen lässt sich besonders einfach ein Detektorarray mit einer Vielzahl von Sensorelementen auf einem einzigen Substrat realisieren. Jedes der Sensorelemente kann dabei entweder als Piezosensorelement oder als Pyrosensorelement realisiert sein. Ein Sensorelement kann aber auch als Piezosensorelement und als Pyrosensorelement ausgebildet sein. In einer besonderen Ausgestaltung weist daher der piezoakustische Resonator den piezoelektrischen Kondensator oder der pyroelektrische Kondensator den piezoakustischen Resonator auf. Dies bedeutet, dass mit ein und derselben Kondensatorstruktur sowohl das Piezosensorelement als auch das Pyrosensorelement realisiert ist. Es genügt ein einziges Sensorelement, um unter Ausnutzung des pyroelektrischen Effekts und des piezoelektrischen Effekts die Substanz zu detektieren. Dazu sind unterschiedliche Auswertevorrichtungen vorhanden, die wahlweise benutzt werden können. Vorzugsweise ist bei einer derartigen Anordnung eine oben beschriebene Dünnfilmkondensatorstruktur verwendet. Das piezoelektrische Material ist das pyroelektrische Material. Dieses Material ist bleibend polarisiert. Damit ist es möglich, mit Hilfe der Kondensatorstruktur sowohl einen piezoelektrischen als auch pyroelektrischen Effekt zu bestimmen.

Verwendung findet die Vorrichtung insbesondere zur Detektion einer Substanz eines Gases oder Gasgemisches. Es wird ein Fluid in Form eines Gases verwendet. Die Vorrichtung wird als Gassensor verwendet.

Darüber hinaus eignet sich die Vorrichtung zur Bestimmung einer intrinsischen Größe der Substanz. Die intrinsische Größe ist beispielsweise eine molaren oder spezifischen Adsorptionswärme, die bei der Adsorption der Substanz an die Oberflächenabschnitte frei wird.

Besonders eignet sich die Vorrichtung auch zur Charakterisierung der chemisch sensitiven Beschichtungen (Rezeptorbeschichtung) des piezoakustischen Resonators und des pyroelektrischen Kondensators. Es kann die Qualität der chemisch sensitiven Beschichtungen überprüft werden.

Zusammenfassend ergeben sich mit der Erfindung folgende Vorteile:

  • – Die Vorrichtung führt zu einer Kombination von massespezifischen Daten und thermodynamischen Daten der Substanz. Durch die Kombination wird eine im Vergleich zum Stand der Technik erhöhte Selektivität für verschiedenste Substanzen erzielt. Cross-Sensitivität wird reduziert.
  • – Durch die Kombination der massespezifischen Daten und der thermodynamischen Daten sind auch intrinsische Größen der Substanz zugänglich.
  • – Insbesondere mit der Ausgestaltung, dass durch die Realisierung einer einzigen Kondensatorstruktur sowohl der Pyro- als auch der Piezoeffekt ausgenutzt werden kann, führt zu einer vereinfachten Herstellung eines vielseitig einsetzbaren Detektors.

Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.

1 zeigt einen piezoakustischen Resonator eines Piezosensorelements und einen pyroelektrischen Kondensator eines Pyrosensorelements im Querschnitt.

2A und 2B zeigen Sensorelemente mit Einrichtungen zur akustischen und thermischen Isolation.

3A und 3B zeigen ein Sensorarray mit mehreren Sensorelementen im Querschnitt (3A) und in Aufsicht (3B).

4 zeigt ein Verfahren zur Detektion einer Substanz eines Fluids.

5 zeigt die an den Kondensatorelektroden eines pyroelektrischen Kondensators bestimmbare elektrische Spannung in Abhängigkeit von der Konzentration einer Substanz.

Die Vorrichtung 1 wird als Gasdetektor verwendet. Es liegt eine Vorrichtung zur Detektion einer Substanz eines Gases beziehungsweise eines Gasgemisches vor. Die Vorrichtung weist mindestens ein Piezosensorelement 2 und mindestens ein Pyrosensorelement 3 auf. Das Piezosensorelement 2 weist einen piezoakustischen Resonator 20 und das Pyrosensorelement 3 einen pyroelektrischen Kondensator 30 auf. Der piezoelektrische Resonator 20 und der pyroelektrische Kondensator 30 sind auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat 4 aus Silizium aufgebracht.

Der piezoelektrische Resonator 20 und der pyroelektrische Kondensator 30 zeichnen sich durch eine identische Kondensatorstruktur aus. Der piezoakustische Resonator 20 besteht aus einer schichtförmigen Resonatorelektrode 22, einer weiteren schichtförmigen Resonatorelektrode 23 und einer zwischen den Resonatorelektroden 22 und 23 angeordneten piezoelektrischen Schicht 21. Der pyroelektrische Kondensator 30 besteht aus einer schichtförmigen Kondensatorelektrode 32, einer weiteren schichtförmigen Kondensatorelektrode 33 und einer zwischen den Kondensatorelektroden 32 und 33 angeordneten pyroelektrischen Schicht 31.

Die piezoelektrische Schicht 21 des Resonators 20 und die pyroelektrische Schicht 31 des Kondensators 30 bestehen aus einer polarisierten Bleizirkonattitanat-Schicht mit <111>-Orientierung bezüglich des Halbleitersubstrats 4. Die Schichtdicke 24 der piezoelektrischen Schicht 21 beziehungsweise die Schichtdicke 34 der pyroelektrischen Schicht 31 beträgt ca. 0,8 &mgr;m. Die laterale Ausdehnung 25 des Resonators 20 beziehungsweise die laterale Ausdehnung 35 des Kondensators 30 beträgt ca. 100 &mgr;m. In zwei dazu alternativen Ausführungen besteht die piezoelektrische Schicht 21 nicht aus einem Bleizirkonattitanat, sondern aus Aluminiumnitrid oder Zinkoxid.

Die Schichtdicken der an der piezoelektrischen Schicht 21 angeordneten schichtförmigen Resonatorelektroden 22 und 23 beziehungsweise die Schichtdicken der an der pyroelektrischen Schicht 34 angeordneten schichtförmigen Kondensatorelektroden 32 und 33 betragen jeweils ca. 0,1 &mgr;m. Die Elektroden sind aus Gold.

Die Resonatorelektroden 22 und 23 beziehungsweise die Kondensatorelektroden 32 und 33 sind an zwei einander abgekehrten Seiten der piezoelektrischen Schicht 21 beziehungsweise der pyroelektrischen Schicht 31 angeordnet. Eine elektrische Isolierung 26 und 36 aus Aluminiumoxid trennt die Elektroden zusätzlich.

Zur Sorption der Substanz verfügt der Resonator 20 über eine chemisch sensitive Beschichtung 27, die den Resonatoroberflächenabschnitt 28 bildet. An den Resonatoroberflächenabschnitt 28 wird die Substanz sorbiert. Die elektrische Ansteuerung der Resonatorelektroden 22 und 23 führt zu einer Längsschwingung entlang der Schichtdicke 24 der piezoelektrischen Schicht 21. Mit Hilfe einer nicht dargestellten Auswertevorrichtung wird die Resonanzfrequenz der Resonators 20 ermittelt. Durch einen Vergleich der Resonanzfrequenz ohne sorbierte Substanz mit der Resonanzfrequenz mit sorbierter Substanz wird auf die Substanz und deren Konzentration im Fluid 6 geschlossen.

Zur Sorption der Substanz verfügt auch der Kondensator 30 über eine chemisch sensitive Beschichtung 37, die den Kondensatoroberflächenabschnitt 38 bildet. An den Kondensatoroberflächenabschnitt 38 wird die Substanz sorbiert. Aufgrund der Adsorption einer Substanz kommt es zu einer Temperaturänderung der pyroelektrischen Schicht 31. Dies führt zu einer Änderung der Polarisation der pyroelektrischen Schicht 31 und damit zu einem an den Kondensatorelektroden 32 und 33 anliegenden, elektrischen Signal. Dieses Signal ist eine elektrische Spannung, die mit Hilfe einer nicht dargestellten Auswertevorrichtung ausgelesen wird. Die Höhe der elektrischen Spannung hängt von der Art und der Menge der sorbierten Substanz ab.

Um die Massensensitivität des piezoakustischen Resonators 20 zu erhöhen, ist in einer Weiterbildung eine Einrichtung zur akustischen Isolation des Resonators 20 und des Halbleitersubstrats 4 vorhanden. Zur Verbesserung der Empfindlichkeit des pyroelektrischen Kondensators 31 ist eine Einrichtung zur thermischen Isolation des Kondensators 31 und des Halbleitersubstrats 4 voneinander vorhanden. Zur Realisierung dieser Einrichtungen ist im Halbleitersubstrat 4 unterhalb des Resonators 20 beziehungsweise des Kondensators 30 eine Membran 40 und ein Hohlraum 41 integriert (2A). Der Hohlraum 41 ist durch die Membran 40 abgedeckt. Die Membran 40 besteht aus einer Doppelschicht aus Siliziumdioxid (SiO2) und Siliziumnitrid (Si3N4). Alternativ dazu ist die Membran 40 eine Dreifachschicht aus Siliziumdioxid, Siliziumnitrid und Siliziumdioxid. Die Membran 40 und der Hohlraum 41 sind über bulk- und/oder surface micromachining realisiert.

Gemäß 2B ist die Einrichtung zur akustischen Isolation beziehungsweise die Einrichtung zur thermischen Isolation eine Ausnehmung 42 des Halbleitersubstrats 4. Unterhalb des Resonators 20 beziehungsweise des Kondensators 30 ist das Material des Halbleitersubstrats 4 durch Rückseitenätzung entfernt. Der Resonator 20 (Kondensator 30) ist auf einer Membran 40 aufgebracht.

3A zeigt eine Vorrichtung 1 mit neun Sensorelementen 50 in einem seitlichen Querschnitt entlang der Verbindungslinie I-I (3B). Die Sensorelemente 50 sind auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat 4 aus Silizium zu einer Sensormatrix (Sensorarray) 5 aufgebracht. Ein Abstand zwischen benachbarten Sensorelementen 50 beträgt etwa 100 &mgr;m. Zur elektrischen Kontaktierung der Resonatorelektroden 22 und 23 und der Kondensatorelektroden 32 und 33 der Sensorelemente 50 sind auf dem Halbleitersubstrat 4 entsprechende elektrische Leitungen 51 vorhanden.

Jedes der Sensorelemente 50 ist für eine bestimmte Substanz sensitiv. Es liegt eine Vorrichtung zur Detektion einer Vielzahl von Substanzen eines Fluids 6 vor. Die einzelnen Sensorelemente 50 sind dabei gemäß einer ersten Ausführungsform entweder als Piezosensorelement 2 oder als Pyrosensorelement 3 ausgestaltet. In einer dazu alternaiven Ausführungsform ist jedes der Sensorelemente 50 als Piezosensorelement 2 und als Pyrosensorelement 3 ausgestaltet. Wahlweise kann in dieser Ausführungsform mit jedem der Sensorelemente 50 die Substanz unter Ausnutzung des piezoelektrischen Effekt und des pyroelektrischen Effekts detektiert werden.

Zur Detektion der Substanzen des Fluids 6 werden jeweils in einem ersten Schritt der Resonatoroberflächenabschnitt 28 des Resonators 20 und der Kondensatoberflächenabschnitt 38 des Kondensators 30 mit dem Fluid 6 zusammengebracht (4, Schritt 401). Das Fluid 6 und die Sensorelemente werden derart zusammengebracht, dass die Substanz des Fluids 6 auf den jeweiligen Oberflächenabschnitten 28 und 38 des Resonators 20 und des Kondensators 30 sorbiert werden kann.

Zur Bestimmung des pyroelektrischen Effekts wird während der Sorption oder unmittelbar nach erfolgter Sorption die an den Kondensatorelektroden 32 und 33 anliegende elektrische Spannung abgegriffen (4, Schritt 402). Die abgreifbare Spannung hängt von der Art der Substanz und der sorbierten Menge der Substanz beziehungsweise von der Änderung der sorbierten Menge der Substanz ab. Um eine Änderung der sorbierten Menge zu hervorzurufen, wird in einer alternativen Ausführungsform der Kondensatoroberflächenabschnitt abwechselnd mit dem zu untersuchenden Fluid und mit einem Inertfluid beaufschlagt. Während das Fluid am Kondensatoroberflächenabschnitt vorbeigeleitet wird, sorbiert die Substanz. Durch die Sorption kommt es zu einer Temperaturveränderung des Pyrosensorelements. Es resultiert ein messbares Pyrosignal. Danach wird das Inertfluid am Kondensatoroberflächenabschnitt vorbeigeleitet. Die Substanz desorbiert wieder. Durch die Desorption kommt es ebenfalls zu einer Temperaturveränderung. Es resultiert wieder ein messbares Pyrosignal. Dieses Vorgehen wird wiederholt durchgeführt. In 5 ist beispielhaft die an den Kondensatorelektroden 32 und 33 eines Pyrosensorelements 3 anliegende elektrische Spannung (in mV) in Abhängigkeit von der Konzentration von Heptan (in vppm) in einem Gasgemisch angegeben. Als chemisch sensitive Kondensatorbeschichtung 37 wurde dabei eine Schicht aus Polydimethylsiloxan (PDMS) verwendet. Zur Messung wurde das Gasgemisch (Fluid) und ein Inertgas abwechselnd am Kondensatoroberflächenabschnitt mit einer Taktfrequenz von ca. 0,5 Hz. vorbeigeleitet.

Nach der Sorption werden die Resonatorelektroden des Resonators mit einer Frequenz aus dem GHz-Bereich angesteuert. Dabei wird die Resonanzfrequenz des Resonators 20 bestimmt (4, Schritt 402). Aufgrund der Änderung der Resonanzfrequenz kann auf die Art der Substanz und deren Konzentration im Fluid 6 geschlossen werden.


Anspruch[de]
  1. Vorrichtung (1) zur Detektion mindestens einer Substanz eines Fluids (6) mit

    – mindestens einem Piezosensorelement (2), das einen piezoelektrischen Effekt aufweist, der von einer Sorption der Substanz an das Piezosensorelement (2) abhängig ist, und

    – mindestens einem Pyrosensorelement (3), das einen pyroelektrischen Effekt aufweist, der von einer Sorption der Substanz an das Pyrosensorelement (3) abhängig ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Piezosensorelement (2) einen piezoakustischen Resonator (20) aufweist, mit

    – mindestens einer piezoelektrischen Schicht (21),

    – einer an der piezoelektrischen Schicht (21) angeordneten Resonatorelektrode (22) des Resonators (20),

    – mindestens einer an der piezoelektrischen Schicht (21) angeordneten weiteren Resonatorelektrode (23) des Resonators (20) und

    – mindestens einem Resonatoroberflächenabschnitt (28) des Resonators (20) zur Sorption der Substanz des Fluids (6), wobei

    – die piezoelektrische Schicht (21), die Resonatorelektroden (22, 23) und der Resonatoroberflächenabschnitt (28) zur Ausbildung des piezoelektrischen Effekts derart aneinander angeordnet sind, dass eine elektrische Ansteuerung der Resonatorelektroden (22, 23) zu einer mechanischen Schwingung des Resonators (20) mit einer Resonanzfrequenz führt, die von einer an den Resonatoroberflächenabschnitt (28) sorbierten Menge der Substanz abhängig ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Pyrosensorelement (3) einen pyroelektrischen Kondensator (30) aufweist mit

    – mindestens einer pyroelektrischen Schicht (31),

    – einer an der pyroelektrischen Schicht (31) angeordneten Kondensatorelektrode (32) des Kondensators (30),

    – mindestens einer an der pyroelektrischen Schicht (31) angeordneten weiteren Kondensatorelektrode (33) des Kondensators (30) und

    – mindestens einem Kondensatoroberflächenabschnitt (38) des Kondensators (30) zur Sorption der Substanz des Fluids (6), wobei

    – die pyroelektrische Schicht (31), die Kondensatorelektroden (32, 33) und der Kondensatoroberflächenabschnitt (38) zur Ausbildung des pyroelektrischen Effekts derart aneinander angeordnet sind, dass aufgrund der Sorption der Substanz an den Kondensatoroberflächenabschnitt (38) eine Temperaturänderung der pyroelektrischen Schicht (31) hervorgerufen wird, die zu einem an den Kondensatorelektroden (32, 33) ablesbaren elektrischen Signal führt.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei

    – eine Schichtdicke (24) der piezoelektrischen Schicht (21) des piezoakustischen Resonators (20) aus dem Bereich von einschließlich 0,1 &mgr;m bis einschließlich 20 &mgr;m und

    – die Resonanzfrequenz der Schwingung aus dem Bereich von einschließlich 500 MHz bis einschließlich 10 GHz ausgewählt sind.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Resonatoroberflächenabschnitt (28) von einer chemisch sensitiven Resonatorbeschichtung (27) des Resonators (20) gebildet ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei mindestens eine Einrichtung zur akustischen Isolation des Resonators (20) von einem Trägerkörper (4) des Resonators (20) vorhanden ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei der Kondensatoroberflächenabschnitt (38) von einer chemisch sensitiven Kondensatorbeschichtung (37) des Kondensators (30) gebildet ist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei mindestens eine Einrichtung zur thermischen Isolation des Kondensators (30) von einem Trägerkörper (4) des Kondensators (30) vorhanden ist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Piezosensorelement (2) und das Pyrosensorelement (3) auf einem gemeinsamen Trägerkörper (4) angeordnet sind.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, wobei der piezoakustische Resonator (20) den pyroelektrischen Kondensator (30) oder der pyroelektrische Kondensator (30) den piezoakustischen Resonator (20) aufweist.
  11. Verfahren zur Detektion mindestens einer Substanz eines Fluids unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche mit folgenden Verfahrensschritten:

    a) Zusammenbringen des Fluids (6) und des Piezosensorelements (2) und Zusammenbringen des Fluids (6) und des Pyrosensorelements (3) derart, dass die Substanz an das Piezosensorelement (2) und das Pyrosensorelement (3) sorbieren kann, und

    b) Bestimmen des durch die Sorption der Substanz hervorgerufenen piezoelektrischen Effekts des Piezosensorelements (2) und Bestimmen des durch die Sorption der Substanz hervorgerufenen pyroelektrischen Effekts des Pyrosensorelements (3), wobei aufgrund des bestimmten piezoelektrischen Effekts und des bestimmten pyroelektrischen Effekts auf die sorbierte Menge der Substanz geschlossen wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei ein Piezosensorelement (2) mit einem piezoakustischen Resonator (20) verwendet wird und zum Bestimmen des piezoelektrischen Effekts ein Bestimmen der Resonanzfrequenz des Resonators (20) durchgeführt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei ein Pyrosensorelement (3) mit einem pyroelektrischen Kondensator (30) verwendet wird und zum Bestimmen des pyroelektrischen Effekts ein Bestimmen eines an den Kondensatorelektroden (32, 33) anliegenden elektrischen Signals durchgeführt wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei ein gasförmiges Fluid (6) verwendet wird.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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