Sensoren zur Feststellung der Masse im Attogrammbereich
Nanoelektromechanische Systeme (NEMS) erhalten ihre erweiterten Funktionen durch die Miniaturisierung mechanischer Strukturen, wie beispielsweise schwingenden Cantilevern (resonating cantilevers), bis runter in den Submikronbereich. Diese Dimensionsreduktion des mechanischen Messfühlers hat zu einer einmaligen Verbesserung der Empfindlichkeit der Sensorsysteme, der Raumauflösung und der Reaktionszeit geführt. Ein schwingender Nanocantilever, der durch eine parallele Treiberelektrode erregt wird, wurde im Rahmen des NANOMASS-II-Projekts als Messelement eines Sensors verwendet, der zur Feststellung von Masse im Attogrammbereich entwickelt wurde. Weiterhin wurde eine Schaltungsanordnung mit komplementären Metalloxid-Halbleitern (CMOS) monolithisch in den cantilevergestützten Messfühler integriert, um den kapazitiven Strom, der als Messergebnissignal verwendet wird, zu verstärken. Die Feststellung der Masse basiert auf der Überwachung der Veränderung der Resonanzfrequenz, wenn Partikel in Nanometergröße auf die Vorkragung abgesetzt werden. Da die Änderungen der Resonanzfrequenz der Vorkragung als Veränderung der Kapazität festgestellt werden, stellt die Messergebnisschaltungsanordnung, die auf dem Chip integriert ist, die geringste parasitäre Kapazität durch externe Verbindungen und Kabel sicher. Währen des NANOMASS-II-Projekts wurden verschiedene Lithografieprozesse im Nanobereich miteinander verglichen, um ihre Vorteile im Hinblick auf Dimensionsreduzierung, Durchsatz und vor allem ihre Kompatibilität mit standardmäßiger CMOS-Technologie zu bewerten. Mehrere Demonstrationsobjekte wurden aus Cantilevern, deren strukturelle Schicht aus Polysilikon besteht, angefertigt und in die Ausleseschaltung des CMOS mithilfe von Elektronenstrahl- oder Laserlithografie integriert. Aus experimentellen Massemessungen, die mithilfe dieser integrierten NEMS-Sensoren an der Universitat Autònoma de Barcelona durchgeführt wurden, wurde eine Massenempfindlichkeit von wenigen Attogramm bestimmt. Das Endziel der Partner von NANOMASS-II ist die Entwicklung von Nanoresonatoren als integrierte Bestandteile eines tragbaren Systems für biologische, physikalische und chemische Sensoranwendungen.
