Kenngrößen einer Probe sowie die Verwendung des Sensors oder

Sensorsystems Die Erfindung betrifft einen Sensor, ein Sensorsystem und ein Verfahren zur

Erfassung thermodynamischer Kenngrößen einer Probe sowie die Verwen dung des Sensors oder Sensorsystems.

Ein zentrales Problem bei der Bestimmung thermodynamischer Kenngrößen, insbesondere kleiner Proben, stellt die nur geringe Wärmeabgabe oder Wär meaufnahme einer jeweiligen Probe im Vergleich zu dem durch die Messap paratur hervorgerufenen thermischen Rauschen dar. Die Messung kleinster Wärmemengen stellt somit hohe Anforderungen an die thermische Isolierung einer Probe. Zudem können Störungen während einer Messung, die bei- spielsweise durch thermodynamische Prozesse, die in der unmittelbaren Um gebung der Probe ablaufen können, oder durch einen unkontrollierten Ein- fluss der Messapparatur auf die Probe selbst hervorgerufen werden können, zu einer Beeinträchtigung der Messergebnisse führen.

Hochsensitive thermische Sensoren, beispielsweise Nanokalorimeter, sind daher komplex aufgebaut und nur für spezielle Anwendungen konzipiert. Zu dem können Nanokalorimeter typischerweise nur in einem schmalen spektra len Bereich effizient betrieben und müssen dabei aufwendig kalibriert wer den.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Sensor, ein Sensorsys tem und ein Verfahren zur Bestimmung thermodynamischer Kenngrößen mit hoher Messgenauigkeit aber nur geringer Komplexität vorzuschlagen.

Diese Aufgabe wird mit einem Sensor gemäß Anspruch 1, einem Sensorsys tem gemäß Anspruch 11, einem Verfahren gemäß Anspruch 15 und der Ver wendung des Sensors oder Sensorsystems gemäß Anspruch 18 gelöst. Vorteil hafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Erfassung thermodynamischer Kenn größen einer Probe. Der Sensor umfasst eine Trägerstruktur, mindestens ein Heizelement, mindestens eine Thermokette und mindestens eine elektroni sche Auswerte- und Steuereinheit.

Die Trägerstruktur weist mindestens ein Substrat und mindestens eine freitra gende Membran auf. Die äußeren Randbereiche der mindestens einen freitra genden Membran sind auf dem mindestens einen Substrat angeordnet.

Das mindestens eine Heizelement ist mit mindestens einer elektrischen Lei terbahn, die auf einem ersten Teilbereich der ersten Oberfläche der freitra genden Membran angeordnet ist, gebildet.

Die mindestens eine Thermokette ist mit mehreren elektrisch in Reihe mitei nander verbundenen Thermoelementen gebildet und umschließt die mindes tens eine elektrische Leiterbahn und/oder das mindestens eine Heizelement auf der ersten Oberfläche der freitragenden Membran zumindest teilweise. Die mindestens eine elektronische Auswerte- und Steuereinheit ist mit der Thermokette elektrisch verbunden und dazu ausgebildet, anhand einer mit tels des mindestens einen Heizelements durchgeführten Kalibrierung und ei ner an oder auf der freitragenden Membran angeordneten Probe mindestens einen Temperaturgradienten, der sich in der freitragenden Membran auf grund eines in der Probe ablaufenden thermodynamischen Prozesses und einer damit verbundenen Wärmeabgabe- oder Wärmeaufnahme ausgebildet hat, zu erfassen.

Durch die zumindest teilweise Anordnung des mindestens einen Heizele ments, der mindestens einen Thermokette und/oder der Probe an/auf einer freitragenden Membran wird eine besonders effiziente thermische Isolierung sensitiver Komponenten der Messapparatur und der Probe erreicht. Vorzugs weise ist die Wärmeleitfähigkeit der freitragenden Membran dabei kleiner als die Wärmeleitfähigkeit des Substrats. Besonders vorzugsweise bildet das Sub strat mit der freitragenden Membran eine Trägerstruktur in Form einer Nano- oder Mikrobrücke.

Der vorgeschlagene Sensor ermöglicht zudem auch eine besonders einfache und genaue Kalibrierung der mindestens einen Thermokette mittels des min destens einen Heizelements. Dazu kann in Abwesenheit der Probe, beispiels weise mittels der mindestens einen elektronischen Auswerte- und Steuerein heit, eine Kalibrierungskurve, die einen funktionalen Zusammenhang zwi schen der Heizleistung des mindestens einen Heizelements und einer an den Enden der mindestens einen Thermokette anliegenden elektrischen Spannung angeben kann, erfasst werden. Dazu kann die mindestens eine elektrische Leiterbahn des mindestens einen Heizelements im ersten Teilbereich der ers ten Oberfläche der freitragenden Membran auch mäanderförmig ausgebildet bzw. angeordnet sein.

Vorzugsweise ist die elektronische Auswerte- und Steuereinheit und die min destens eine Thermokette dazu ausgebildet, mindestens einen Temperatur gradienten, der einen zur Normalen der ersten Oberfläche der freitragenden Membran orthogonalen Vektor bildet, zu erfassen. Die parallel zur Normalen der ersten Oberfläche verlaufenden Komponenten des mindestens einen Temperaturgradienten können aufgrund der geringen Dicke der Membran von maximal 1 pm vernachlässigt werden.

Die Probe kann während der Erfassung des mindestens einen Temperaturgra

5 dienten mittels der elektronischen Auswerte- und Steuereinheit vorteilhaft an oder auf einer dem ersten Teilbereich der ersten Oberfläche gegenüberlie genden zweiten Oberfläche der freitragenden Membran angeordnet sein. Beispielsweise kann die zweite Oberfläche einen zweiten Teilbereich aufwei sen, der zu dem ersten Teilbereich der ersten Oberfläche korrespondierend

10 angeordnet sein kann. Besonders vorzugsweise ist die Probe an oder auf die sem zweiten Teilbereich der zweiten Oberfläche der freitragenden Membran angeordnet. Besonders vorzugsweise ist die Probe auf der von der mindestens einen elektrischen Leiterbahn des mindestens einen Heizelements wegwei senden zweiten Oberfläche der freitragenden Membran und dort der mindes

15 tens einen elektrischen Leiterbahn direkt gegenüberliegend angeordnet.

Vorzugsweise ist auf der mindestens einen elektrischen Leiterbahn des min destens einen Heizelements oder auf einer Schicht, in der die mindestens eine elektrische Leiterbahn und/oder das mindestens eine Heizelement integriert

20 ist, eine wärmeleitende Schicht angeordnet. Besonders vorzugsweise ist die der mindestens einen elektrischen Leiterbahn und/oder dem mindestens ei nen Heizelement zugewandte Oberfläche der wärmeleitenden Schicht zu dem ersten Teilbereich der ersten Oberfläche korrespondierend angeordnet. Ins besondere kann der äußere Rand der wärmeleitenden Schicht parallel zu dem

25 äußeren Rand des ersten Teilbereichs der ersten Oberfläche der freitragenden Membran verlaufen.

Um den Bereich in dem die jeweilige Probe angeordnet ist, kann ein Reservoir ausgebildet sein, mit dem eine flüssige Probe in Form und in einem sensitiven

BO Bereich gehalten und außerdem eine ausreichend große Probenmenge vorge halten werden kann.

Eine Schicht in der die mindestens eine elektrische Leiterbahn und/oder das mindestens eine Heizelement integriert sind/ist kann beispielsweise mit einer

35 elektrischen Passivierung bzw. Isolierung, die zwischen dem mindestens einen Heizelement und der wärmeleitenden Schicht angeordnet sein kann, gebildet sein. Die elektrische Passivierung kann beispielsweise mit Siliziumdioxid gebil det sein.

Vorzugsweise weist die wärmeleitende Schicht eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 200 W/(m K) auf. Die wärmeleitende Schicht kann beispielsweise mit oder aus Gold gebildet sein. Durch die wärmeleitende Schicht kann vor teilhaft eine besonders homogene Temperaturverteilung im ersten Teilbe reich der ersten Oberfläche der freitragenden Membran gewährleistet wer den. Zudem können Wärmeemissionsverluste bzw. unerwünschte Wärme strahlungsverluste in und um diesen Bereich verringert und dadurch die Sensi- tivität des Sensors weiter erhöht werden.

Vorzugsweise sind die elektrischen Leiter der Thermoelemente von dem äu ßeren Rand der freitragenden Membran ausgehend auf der ersten Oberfläche der freitragenden Membran bis an den äußeren Rand des ersten Teilbereichs der ersten Oberfläche der freitragenden Membran herangeführt.

Entlang derThermokette können mehrere erste Verbindungsstellen und meh rere zweite Verbindungsstellen der Thermoelemente abwechseln alternierend ausgebildet sein. Die ersten Verbindungsstellen und die zweiten Verbindungs stellen können jeweils zwei elektrische Leiter, die mit unterschiedlichen Werkstoffen gebildet sind, miteinander elektrisch verbinden. Vorzugsweise sind die ersten Verbindungsstellen an dem äußeren Rand des ersten Teilbe reichs der ersten Oberfläche angeordnet. Die zweiten Verbindungsstellen können von dem äußeren Rand des ersten Teilbereichs der ersten Oberfläche beabstandet angeordnet sein. Besonders vorzugsweise sind die zweiten Ver bindungsstellen auf dem Substrat der Trägerstruktur oder auf den äußeren Randbereichen der freitragenden Membran angeordnet.

Vorzugsweise umgibt die Thermokette die mindestens eine elektrische Leiter bahn, das mindestens eine Heizelement bzw. den ersten Teilbereich der ers ten Oberfläche zumindest teilweise mäanderförmig. Dazu kann die Thermo kette mit mindestens zehn in Reihe miteinander verbundenen Thermoele menten, vorzugsweise mit mindestens zwanzig in Reihe miteinander verbun denen Thermoelementen, besonders vorzugsweise mit mindestens vierzig in Reihe oder noch mehr miteinander verbundenen Thermoelementen, gebildet sein.

Somit kann ein mittels der mindestens einen Thermokette erfasster Tempera

5 turunterschied, beispielsweise der Betrag des mindestens einen Temperatur gradienten, dem Temperaturunterschied zwischen einer Temperatur der frei tragenden Membran an oder auf dem ersten Teilbereich der ersten Oberflä che der freitragenden Membran und einer Temperatur des Substrats oder einer Temperatur der freitragenden Membran an oder auf den Randbereichen

10 der ersten Oberfläche der freitragenden Membran entsprechen.

Vorzugsweise weist das mindestens eine Heizelement mindestens zwei elekt rische Kontaktelemente auf, die mit den äußeren Enden der elektrischen Lei terbahn des mindestens einen Heizelements elektrisch verbunden sein kön

15 nen. Die mindestens zwei elektrischen Kontaktelemente des mindestens ei nen Heizelements können auf dem Substrat oder auf einem äußeren Randbe reich der freitragenden Membran angeordnet sein.

Zusätzlich oder alternativ kann auch die mindestens eine Thermokette min

20 destens zwei weitere elektrische Kontaktelemente aufweisen, die jeweils mit einem äußeren Ende der mindestens einen Thermokette elektrisch verbunden sein können. Die mindestens zwei weiteren elektrischen Kontaktelemente können auf dem Substrat oder auf einem äußeren Randbereich der freitra genden Membran angeordnet sein.

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Die mindestens eine elektronische Auswerte- und Steuereinheit kann, bei spielsweise zur Kalibrierung, über die mindestens zwei elektrischen Kontakte lemente des mindestens einen Heizelements mit dem mindestens einen Heiz element und/oder über die mindestens zwei weiteren elektrischen Kontakte

BO lemente der mindestens einen Thermokette mit der mindestens einen Ther mokette elektrisch verbunden sein.

Vorzugsweise umfasst der Sensor ein Gehäuse, um eine möglichst hohe Sig nalstabilität zu erreichen und das thermische Rauschen weiter zu reduzieren.

35 Die Trägerstruktur, das mindestens eine Heizelement und die mindestens eine Thermokette können mit der Probe in dem Gehäuse angeordnet sein. Beson- ders vorteilhaft ist das Gehäuse in einer thermostatischen Kammer angeord net, wobei mittels der thermostatischen Kammer die unmittelbare Umgebung und das Gehäuse selbst auf einer konstanten vorgegebenen Temperatur ge halten werden kann. Das Gehäuse kann dabei vorteilhaft mit einem elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Werkstoff, beispielsweise mit Kupfer, gebildet sein.

Zusätzlich kann das Gehäuse thermisch gut leitende Stütz- oder Haltestruktu ren, die beispielsweise ebenfalls mit Kupfer gebildet sein können, aufweisen. Die Stütz- oder Haltestrukturen können im Inneren des Gehäuses angeordnet und dazu ausgebildet sein, die Trägerstruktur mit der freitragenden Membran, dem mindestens einen Heizelement und der mindestens einen Thermokette so aufzunehmen, zu stützen oder zu halten, dass die freitragende Membran beabstandet von einem äußeren Rahmen des Gehäuses bzw. einer inneren Oberfläche des äußeren Rahmens des Gehäuses angeordnet werden kann. Dazu können die Stütz- oder Haltestrukturen beispielsweise in Form von Stützpfeilern oder Haltestegen ausgebildet und jeweils an einem Ende mit dem äußeren Rahmen des Gehäuses und an einem anderen Ende mit der Trä gerstruktur verbunden sein. Das Gehäuse kann gegenüber der Umgebung auch hermetisch abgeschlossen sein, was zumindest während der jeweiligen Messungen der Fall sein sollte. Dadurch kann eine Bestimmung unter Einhal tung von Vakuumbedingungen zumindest in der Nähe von Vakuum durchge führt werden, um einen Sensor gekapselt in einem Vakuum betreiben zu kön nen. Hierbei kann der vollständige Sensor in ein Vakuum gebracht werden. Lediglich die „Probenseite" des Sensors kann mit einer Mikrofluidik versorgt werden, um eine jeweilige Probe auf die Membran eines Sensors aufbringen zu können. Durch das Betreiben des Sensors im Vakuum, kann nochmals ein hohes Maß an Sensitivität gewonnen werden (ca. Faktor 6), da die thermi schen Verluste und das thermische Rauschen deutlich gesenkt werden kön nen. In diesem Fall können auf beiden Seiten der Membran Vakuumbedin gungen herrschen. Lediglich der Bereich der Probenauflagefläche kann außer halb dieser Bedingungen liegen. Es kann so ein gekapseltes Mikrofluidiksys- tem vorhanden sein.

Die Atmosphäre oberhalb des sensitiven Bereichs, an dem eine Probe ange ordnet sein kann, kann definiert verändert werden. Wenn ein Sensor frei an der Luft betrieben werden würde, würde die Verdampfungskälte der wässri gen Lösung, in der eine Probe enthalten sein kann, das eigentliche Messsignal um ein Vielfaches überlagern. Daher sollte die Atmosphäre im eigentlichen Messraum um die jeweilige Probe kontrolliert werden. Im einfachsten Fall kann man das Probenvolumen hermetisch abschließen und abwarten bis sich ein ausgeglichener Dampfdruck eingestellt hat. Damit kann eine Verdampfung der Flüssigkeit unterbrochen werden.

Man kann die Atmosphärenbedingungen und dabei insbesondere den Druck besonders im Bereich in dem die jeweilige Probe angeordnet ist, aber auch definiert einstellen. Es kann an beiden Seiten der Membran auch der atmo sphärische Druck, der auch in der Umgebung des Sensors und des Gehäuses herrscht, eingehalten sein.

Vorzugsweise sind lediglich die äußeren Randbereiche der freitragenden Membran oder das Substrat der Trägerstruktur mit den Stütz- oder Hal testrukturen verbunden. Besonders vorzugsweise ist die Trägerstruktur über die Stütz- oder Haltestrukturen mit dem Gehäuse bzw. dem äußeren Rahmen des Gehäuses verbunden. Um eine möglichst gute thermische Kontaktierung zwischen dem Gehäuse bzw. den Stütz- oder Haltestrukturen zu gewährleis ten, kann die Trägerstruktur mittels einer Wärmeleitpaste, die zwischen der Trägerstruktur und den Stütz- oder Haltestrukturen angeordnet sein kann, mit den Stütz- oder Haltestrukturen verbunden sein.

Das Gehäuse kann auch elektrische Kontaktierungen umfassen, die von der Trägerstruktur ausgehend durch den äußeren Rahmen des Gehäuses in einen außerhalb des Gehäuses befindlichen Bereich geführt sind. Dabei können die elektrischen Kontaktierungen jeweils die elektrischen Kontaktelemente des mindestens einen Heizelements und/oder der mindestens einen Thermokette mit der mindestens einen elektronischen Auswerte- und Steuereinheit elektrisch verbinden.

Die Probe kann dabei an oder auf der von den Stütz- und Haltestrukturen ab gewandten zweiten Oberfläche der freitragenden Membran angeordnet sein. Dabei kann die Sensitivität des Sensors auch von dem Abstand zwischen der Probe bzw. der freitragenden Membran und der inneren Oberfläche des Ge- häuses bzw. des äußeren Rahmens des Gehäuses abhängen. So kann es sich als vorteilhaft erweisen, wenn ein Abstand zwischen der inneren Oberfläche des Gehäuses bzw. des äußeren Rahmens des Gehäuses und der freitragen den Membran oder der Probe mindestens 2,5 mm, vorzugsweise mindestens 5 mm beträgt.

Die erste Oberfläche der freitragenden Membran kann dabei mindestens 20 mm ² , vorzugsweise mindestens 30 mm ² groß sein. Der erste Teilbereich der ersten Oberfläche kann mindestens 10 mm ² , vorzugsweise mindestens 15 mm ² groß sein. Vorzugsweise beträgt die Dicke der freitragenden Membran dabei maximal 1000 miti, bevorzugt weniger als 500 nm, besonders vorzugs weise weniger als 350 nm. Durch die Wahl einer großen ersten Oberfläche der Membran bei gleichzeitig geringer Dicke der Membran kann insbesondere das Signal- Rausch-Verhältnis und damit auch die Messgenauigkeit des Sensors verbessert werden. Das Reservoir für die Probenaufnahme (aktive Fläche) ist aktuell ca. 1 mm x 1 mm x 0,3 mm bzw. in der großen Version 5 mm x 5 mm x 0,3 mm groß. Die aktive Fläche sollte im Bereich zwischen 0,1 mm x 0,1 mm x 0,3 mm bis 5 mm x 5 mm x 0,3 mm gewählt werden. Die Dicke kann im Be reich 0,3 mm bis 0,8 mm gewählt werden.

Die thermischen, chemischen und mechanischen Eigenschaften des Sensors können durch eine geeignete Materialauswahl bzw. Materialkombination und Geometrie der verschiedenen Komponenten vorteilhaft beeinflusst werden. Beispielsweise kann das Substrat mit Silizium gebildet sein. Die freitragende Membran kann mit einem Material gebildet sein, das eine im Vergleich zum Substrat und/oder der wärmeleitenden Schicht geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist. Beispielsweise kann die freitragende Membran mit Siliziumnitrid gebildet sein. Zusätzlich oder alternativ kann das Substrat an einer von der freitragenden Membran abgewandten Seite bzw. Oberfläche eine weitere Schicht, die eine äußere Oberfläche des Substrats bilden kann, aufweisen. Die weitere Schicht kann auch mit einem bezüglich des Substrats thermisch und/oder elektrisch isolierenden Werkstoff, beispielsweise mit Siliziumnitrid, gebildet sein.

Vorteilhaft wirkt es sich auch aus, wenn die Materialien bzw. Werkstoffe der Thermoschenkel eines Thermoelements jeweils unterschiedlich große See- beck Koeffizienten aufweisen und dabei gleichzeitig eine gute Kompatibilität bzw. Haftung beider Thermoschenkel mit mindestens einem Material bzw. Werkstoff der freitragenden Membran gewährleistet ist. Beispielsweise kann mindestens ein erster Thermoschenkel eines Thermoelements der mindestens

5 einen Thermokette, vorzugsweise ein p-leitender Thermoschenkel, mit oder aus Antimon gebildet sein. Mindestens ein zweiter Thermoschenkel eines Thermoelement der mindestens einen Thermokette, vorzugsweise ein n- leitender Thermoschenkel, kann mit oder aus Bismuth gebildet sein.

10 Die Erfindung betrifft auch ein Sensorsystem.

Dabei kann in einem Oberflächenbereich, auf dem die Probe angeordnet ist, ein Biosensor angeordnet sein. Der Biosensor kann mit mindestens zwei in einem Abstand zueinander angeordneten Elektroden, die an eine elektrische

15 Spannungsquelle mit bevorzugt konstanter elektrischer Spannung sowie an die mindestens eine elektronische Auswerte- und Steuereinheit angeschlos sen sind, gebildet sein. Die Elektroden sind mit der mindestens einen elektro nischen Auswerte- und Steuereinheit verbunden. Mit der elektronischen Aus- werte- und Steuereinheit wird der elektrische Stromfluss zwischen den min

20 destens zwei Elektroden gemessen und mit der mindestens einen elektroni schen Auswerte- und Steuereinheit wird eine für den Stoffwechsel der Probe charakteristische Messgröße erfasst und ausgewertet. Bei der Messgröße kann es sich bevorzugt um den pH-Wert handeln, der charakteristisch für Ver änderung des Stoffwechsels biologischer Proben sein kann.

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Die Elektroden können, wie auch elektrische Leiterbahnen, die zur elektroni schen Auswerte- und Steuereinheit geführt sind, mittels Dünn- oder Dick schichttechniken auf der Oberfläche der Membran ausgebildet sein.

BO Die Elektroden sollten dabei unmittelbar an der jeweiligen Probe angeordnet sein. Sie können bevorzugt aus Titan aber auch aus Platin, Gold oder einem anderen geeigneten Metall ausgebildet werden.

Die Elektroden sind elektrisch vom Substrat, das üblicherweise mit Silicium

35 gebildet sein kann, getrennt. Dies kann beispielsweise mittels einer dielektri- sehen Passivierungsschicht oder mit einer lokalen Modifizierung des Siliciums mit der es praktisch nicht mehr leitend ist, erreicht werden.

Die Elektroden können mittels Dünn- bzw. Dickschichttechniken aufgebracht werden.

Allein oder zusätzlich zu dem bereits genannten kann das Sensorsystem auch mit mindestens einem Messgerät, das an das Gehäuse angeschlossen oder darin angeordnet ist, gebildet sein. Mit dem Messgerät kann dann der Anteil an in der Atmosphäre innerhalb des Gehäuses enthaltenem Sauerstoff und/oder enthaltenem Kohlendioxid bestimmt werden. Anstelle eines Mess geräts kann auch mindesten ein dazu geeigneter Sensor im Gehäuse angeord net sein. Das Gehäuse sollte dabei zur Umgebungsatmosphäre gasdicht abge schlossen sein bzw. werden können. Je nach momentan ablaufendem Stoff wechsel in einer biologischen Probe wird der Anteil an Sauerstoff reduziert und dabei gleichzeitig der Kohlendioxidanteil erhöht oder umgekehrt, so dass man auch damit Aussagen über den momentanen Zustand der jeweiligen Pro be treffen kann.

Das Sensorsystem kann auch mit mindestens zwei wie weiter oben beschrie benen Sensoren gebildet sein, wobei die mindestens zwei Sensoren in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Dabei kann ein erster der mindes tens zwei Sensoren zur Erfassung thermodynamischer Kenngrößen einer zu untersuchenden Probe und der zweite der mindestens zwei Sensoren als Re ferenzsensor verwendet werden.

Vorzugsweise kann der Referenzsensor auch zur Bestimmung und/oder Kom pensation von unerwünschten Temperaturgradienten, die sich auch in Abwe senheit einer Probe beispielsweise aufgrund von unkontrollierbaren Wärme quellen oder fertigungsbedingten Asymmetrien in dem ersten Sensor ausbil den können, verwendet werden. Dazu können die mindestens zwei Sensoren auch eine gemeinsame Trägerstruktur und/oder ein gemeinsames Substrat aufweisen. Die Trägerstrukturen und/oder die Substrate der jeweiligen Senso ren des Sensorsystems können auch Stoff- oder kraftschlüssig miteinander verbunden sein, um zumindest zeitweise einen Wärmeaustausch bzw. eine Kompensation unerwünschter Temperaturgradienten, beispielsweise mittels des mindestens einen Heizelements des Referenzsensors, zu ermöglichen. Dazu kann das Sensorsystem zusätzlich zu dem ersten Sensor auch mehrere zweite als Referenzsensoren ausgebildete Sensoren umfassen. Vorzugsweise ist das Sensorsystem mit mindestens vier wie weiter oben beschriebenen Sen

5 soren gebildet, wobei die mindestens vier Sensoren in einem Gehäuse ange ordnet sein können.

Vorteilhaft können zwei Sensoren direkt nebeneinander auf einem Wafer als Substrat angeordnet sein, was zu einem quasi integrierten dualen Sensor

10 führt. Die Thermoelemente der beiden Sensoren kann man dabei direkt mit einander verschalten. Dazu kann man entweder bereits die elektrischen Lei terbahnen auf den Sensoren, die die Thermoketten bilden, direkt miteinander elektrisch leitend verbinden. Alternativ kann man dies aber auch außerhalb der Sensoren mit einer entsprechend ausgebildeten elektronischen Auswer

15 teeinheit, die mit den zwei Sensoren verbunden ist, elektronisch erreichen.

Bei einer differentiellen Auswertung kann der Wärmefluss zwischen den bei den Reservoirs der zwei Sensoren gemessen werden. So kann zwischen den beiden Messpositionen an den zwei Sensoren die Temperaturdifferenz ge

20 messen werden.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Erfassung thermodynamischer Kenngrößen einer Probe mit dem weiter oben beschriebenen Sensor oder Sensorsystem.

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Bei dem Verfahren wird in einem ersten Schritt mittels des mindestens einen Heizelements eine Kalibrierung durchgeführt, bei der die an den Enden der mindestens einen Thermokette anliegende elektrische Spannung in Abhängig keit der Heizleistung des mindestens einen Heizelements erfasst wird.

BO

In einem zweiten Schritt wird anhand der in dem ersten Schritt durchgeführ ten Kalibrierung mindestens ein Temperaturgradient, der sich in der freitra genden Membran aufgrund eines in der Probe ablaufenden thermodynami schen Prozesses und einer damit verbundenen Wärmeabgabe- oder Wär

35 meaufnahme ausgebildet hat, erfasst. Die Probe kann dabei zeitlich vor dem zweiten Schritt und/oder vor dem ers ten Schritt in dem Gehäuse und/oder an oder auf der ersten Oberfläche der freitragenden angeordnet werden. Während des zweiten Schritts kann die Heizleistung des mindestens einen Heizelements konstant gehalten und/oder auf Null reduziert werden, sodass während des zweiten Schritts keine Erwär mung der Probe mittels des mindestens einen Heizelements erfolgen kann. Insbesondere kann das mindestens eine Heizelement speziell für die Kalibrie rung des Sensors bzw. der mindestens einen Thermokette ausgebildet sein.

Vorzugsweise wird die Temperatur des Substrats der Trägerstruktur und/oder der äußeren Randbereiche der freitragenden Membran während des ersten und/oder während des zweiten Schritts konstant gehalten. Das kann bei spielsweise dadurch erreicht werden, dass das Gehäuse mit der Trägerstruk tur, der mindestens einen Thermokette und dem mindestens einen Heizele ment in einer thermostatischen Kammer angeordnet und eine gute Wärmelei tung zwischen dem Gehäuse, den Stütz- oder Haltestrukturen und dem Sub strat der Trägerstruktur bzw. den äußeren Randbereichen der freitragenden Membran gewährleistet wird. Alternativ oder zusätzlich kann auch das Ge häuse selbst als thermostatische Kammer ausgebildet sein.

Insbesondere kann die Temperatur des Gehäuses, des Substrats der Trä gerstruktur und/oder der äußeren Randbereiche der freitragenden Membran während des ersten und/oder während des zweiten Schritts gleich sein. Dadurch kann eine besonders genaue Erfassung eines sich von einem zentra len Bereich der freitragenden Membran, beispielsweise von dem ersten Teil bereich der ersten Oberfläche, ausbildenden Temperaturgradienten erreicht werden.

Die Probe kann zumindest während der Durchführung des zweiten Schritts in einer Verkapselung angeordnet werden. Die Verkapselung kann mit einer die Probe zumindest teilweise umschließenden Membran, Flüssigkeit und/oder einem oder mehreren Flüssigkeitstropfen, gebildet sein. Vorzugsweise wird die Trägerstruktur an oder auf den Stütz- oder Haltestrukturen des Gehäuses so angeordnet, dass die Probe mit der Verkapselung auf der zweiten Oberflä che der freitragenden Membran aufliegen bzw. angeordnet werden kann. Bei der Durchführung des Verfahrens kann ein Temperaturgradient mit min destens einem Puls erreicht werden. Bei einem Puls kann die Temperatur im Bereich der Probe innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls um eine vor- gebbare Temperatur erhöht werden, bevorzugt kann die Temperatur inner halb von 5 s im Bereich zwischen 0,05 K und 5 K erhöht werden. Anschließend wird die Verringerung der Temperatur im Bereich der Probe zeitaufgelöst er fasst und der entsprechend erfasste Temperaturabfallverlauf mit vorab zeit aufgelöst erfassten Temperaturabfallverläufen, die an vergleichbaren Proben mit bekannter Stoffwechselfunktionalität erfasst worden sind, mittels der mindestens einen elektronischen Auswerte- und Steuereinheit verglichen wird. Auch damit kann man Aussagen über die momentane Stoffwechselfunk tionalität einer biologischen Probe erhalten. Die pulsförmige Temperaturer höhung mit zeitaufgelöster Erfassung der Temperaturabfallverläufe sowie der Vergleich mit vorab erfassten Temperaturabfallverläufen kann man zyklisch in bevorzugt gleichen aber auch ungleichen Zeitabständen wiederholen.

Die Erwärmung wird dabei periodisch durchgeführt, wobei der elektrische Strom der mit einem elektrischen Strom im Bereich 50 mA und 5 mA durch das Heizelement strömen kann mit der Frequenz w der Funktion l(t) =locos( t) folgend ist. Dabei wird und der Spannungsabfall über das Heizelement detek- tiert.

Aus den dritten Harmonischen Oberschwingungen der elektrischen Spannung kann die Temperaturoszillation des Heizelements gemäß der Gleichung AT(t) = ATocos(2(jt+ f) berechnet werden, wie es mit der bekannten 3-Omega Me thode üblicherweise erfolgen kann.

Aus der der charakteristischen Temperaturantwort kann man dann Informati onen über den Zustand der Probe erhalten, wie dies z.B. ein Anwachsverhal ten, das Wachstum, die jeweilige Zellmenge u.a.m. sein können.

Der erfindungsgemäße Sensor, das erfindungsgemäße Sensorsystem und/oder das erfindungsgemäße Verfahren können/kann zur Erfassung und Bestimmung thermodynamischer Kenngrößen verschiedener Proben, bei spielsweise medizinischer oder biologischer Proben, verwendet werden. Eine thermodynamische Kenngröße kann beispielsweise eine Temperatur, eine Kondensationswärme oder eine Wärmekapazität sein. Dabei können mittels des Sensors chemische Reaktionen, die in der Probe ablaufen näher bestimmt werden. Besonders vorteilhaft können/kann der erfindungsgemäße Sensor, das erfindungsgemäße Sensorsystem und/oder das erfindungsgemäße Ver fahren zur Bestimmung thermodynamischer Kenngrößen von Stoffwechsel vorgängen in biologischen Zellen und/oder von Kondensationsprozessen an Oberflächen oder in dünnen Filmen verwendet werden.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher be schrieben werden.

Dabei zeigen

Figur la eine schematische Ansicht einer Vorderseite eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Sensors,

Figur lb eine Schnittdarstellung des in Figur 1 gezeigten Beispiels eines erfindungsgemäßen Sensors,

Figur lc eine Schnittdarstellung des in Figur 1 gezeigten Beispiels eines erfindungsgemäßen Sensors mit zusätzlichem Reservoir,

Figur 2a ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Sensors mit Gehäuse,

Figur 2b ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Sensors mit Gehäuse, in dem Vakuumbedingungen eingehalten werden können und

Figur 3 zwei miteinander verbundene Sensoren für eine verbesserte

Kompensation von Fehlern.

Figur la zeigt das Beispiel eines Sensors zur Erfassung thermodynamischer Kenngrößen von biologischen Zellen als Probe 6.

Der Sensor umfasst eine Trägerstruktur, die mit einem Substrat 1 und einer freitragenden Membran 2 gebildet ist. Zusätzlich kann die Trägerstruktur auch mit einer äußeren Schicht 1.1 gebildet sein. Das Substrat 1 ist mit Silizium ge bildet, wobei die Dicke des Substrats 1 etwa 300 pm beträgt. Die freitragende Membran 2 ist mit Siliziumnitrid gebildet und weist eine Dicke von 300 nm auf. Die freitragende Membran ist quadratisch mit einer Oberfläche von 36 mm ² ausgebildet. Das Substrat 1 weist einen Hohlraum auf, der auf einer Seite mit der freitragenden Membran 2 verschlossen ist. Die äußeren Randbereiche der freitragenden Membran 2 sind dabei auf dem Substrat 1 angeordnet, so- dass die Trägerstruktur eine Mikrobrücke bildet. Das Substrat 1 ist dazu rah menförmig ausgebildet. Hier gibt es jetzt eben das neue Reservoir, das die Funktion des Probenhalters übernimmt.

Der Sensor umfasst weiterhin ein Heizelement 3. Das Heizelement 3 weist eine elektrische Leiterbahn auf, die mit Antimon gebildet und mäanderförmig auf einem zentralen Bereich als ersten Teilbereich der ersten Oberfläche der freitragenden Membran 2 angeordnet ist. Zusätzlich weist das Heizelement 3 elektrische Kontaktelemente 3.1 auf, die mit der elektrischen Leiterbahn elektrisch verbunden sind, wobei die elektrischen Kontaktelemente 3.1 auf dem Substrat 1 angeordnet sind. Die elektrische Leiterbahn ist dabei in einer Passivierungsschicht, die mit Siliziumdioxid gebildet ist, angeordnet.

Auf der Passivierungsschicht, in der die elektrische Leiterbahn des Heizele ments 3 integriert ist, ist eine mit Gold gebildete wärmeleitende Schicht 5 angeordnet. Die dem Heizelement 3 zugewandte Oberfläche der wärmelei tenden Schicht 5 ist zu dem ersten Teilbereich der ersten Oberfläche der frei tragenden Membran 2 korrespondierend angeordnet. Insbesondere weist die wärmeleitende Schicht 5 eine Dicke von 300 nm und eine quadratische Ober fläche von 16 mm ² auf. Dementsprechend ist auch der erste Teilbereich der ersten Oberfläche der freitragenden Membran quadratisch und mit einer Größe von 16 mm ² ausgebildet.

Der Sensor umfasst weiterhin eine Thermokette. Die Thermokette ist mit mehreren elektrisch in Reihe miteinander verbundenen Thermoelementen, die wiederum jeweils mit zwei unterschiedlichen Thermoschenkeln 4.1, 4.2 sind, gebildet und umschließt die elektrische Leiterbahn des Heizelements 3 auf der ersten Oberfläche der freitragenden Membran 2 mäanderförmig. An den beiden äußeren Enden der Thermokette, die mit den Thermoschenkeln 4.1, 4.2 gebildet ist, sind jeweils weitere elektrische Kontaktelemente 4.3 an- geordnet und mit den Thermoelementen, die wiederum mit Thermoschenkeln 4.1, 4.2 gebildet sind, elektrisch verbunden.

Der Sensor umfasst auch eine elektronische Auswerte- und Steuereinheit (nicht gezeigt), die mit der Thermokette elektrisch verbunden und dazu aus gebildet ist, anhand einer mittels des Heizelements S durchgeführten Kalibrie rung und anhand der biologischen Zellen als Probe 6 Temperaturgradienten, die sich in der freitragenden Membran 2 aufgrund von in den biologischen Zellen als Probe 6 ablaufenden Stoffwechsel prozessen und einer damit ver bundenen Wärmeabgabe ausgebildet haben, zu erfassen.

Dazu sind die elektrischen Leiter derThermoschenkel 4.1, 4.2 von dem äuße ren Rand der freitragenden Membran 2 ausgehend auf der ersten Oberfläche der freitragenden Membran 2 bis an den äußeren Rand des ersten Teilbe reichs der ersten Oberfläche der freitragenden Membran 2 herangeführt.

Entlang der Thermokette sind mehrere erste kalte Verbindungsstellen 4.4 und mehrere zweite heiße Verbindungsstellen 4.5 abwechseln alternierend in der Thermokette an den Thermoschenkeln 4.1, 4.2 ausgebildet. Die ersten kalten Verbindungsstellen 4.4 sind an dem äußeren Rand des ersten Teilbereichs der ersten Oberfläche, der zu dem äußeren Rand der wärmeleitenden Schicht 5 parallel verläuft, angeordnet. Die zweiten heißen Verbindungsstellen 4.5 sind von dem äußeren Rand des ersten Teilbereichs der ersten Oberfläche beab- standet und auf dem Substrat 1 der Trägerstruktur angeordnet.

Durch eine derart gerichtete Anordnung der Thermoelemente können Tem peraturgradienten, die sich vertikal zu der Normalen der ersten Oberfläche in der freitragenden Membran 2 in Richtung der äußeren Randbereiche der frei tragenden Membran 2 ausbilden, effizient über die weiteren Kontaktelemen te 4.3 der Thermokette mittels der elektronischen Auswerte- und Steuerein heit erfasst werden.

Bei dem in Figur la gezeigten Beispiel sind die p-leitenden Thermoschenkel

4.1 der Thermoelemente aus Antimon und die n-leitenden Thermoschenkel

4.2 derThermoelemente aus Bismut gebildet. Die Dicke der p-leitenden Thermoschenkel 4.1, der n-leitenden Thermoschenkel 4.2 und der weiteren Schicht 1.1 beträgt 200 nm.

Wiederkehrende Merkmale sind in den folgenden Figuren mit identischen Bezugszeichen wie in Figur la versehen.

Figur lb zeigt einen schematischen Schichtaufbau des in Figur la gezeigten Beispiels eines erfindungsgemäßen Sensors. Insbesondere zeigt Figur lb einen Querschnitt entlang der in Figur la gezeigten Schnittlinie A-B.

Auf einer von der freitragenden Membran 2 wegweisenden Oberfläche des Substrats 1 ist eine weitere äußere Schicht 1.1 der Trägerstruktur angeordnet, die mit Siliziumnitrid gebildet ist. Die biologischen Zellen als Probe 6 sind in mehreren Flüssigkeitstropfen als Verkapselung auf der von dem Heizelement 3 wegweisenden zweiten Oberfläche der freitragenden Membran 2 angeord net.

Die in Figur lc gezeigte Ausführung unterscheidet sich lediglich dadurch, dass um die Probe 6 ein Reservoir 11 in Form einer Kammer, in der die Probe 6 aufgenommen ist, an der Seite der Membran 2 angeordnet ist, an der auch die jeweilige biologische Probe 6 angeordnet ist.

Figur 2a zeigt ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Sensors, wie in den Figu ren la und lb gezeigt, wobei der Sensor zusätzlich ein Gehäuse 7, das mit Kupfer gebildet ist, aufweist. Das Gehäuse 7 ist mit mehreren Pfeilern als Stützstrukturen 7.1 zur Aufnahme bzw. Fixierung der Trägerstruktur und mit einem äußeren Rahmen 7.2 gebildet. Sowohl die Stützstrukturen 7.1 als auch der äußere Rahmen 7.2 sind mit Kupfer gebildet.

Der in Figur 2b gezeigte Aufbau unterscheidet sich von dem, wie er in Figur 2a gezeigt ist, dadurch dass zumindest im Bereich der um die Probe 6 angeordnet ist, Vakuumbedingungen eingehalten werden können. Dazu ist eine Leitung mit einem Zulauf 9 und einem Ablauf 10 durch das Gehäuses 7 geführt, mit der ein Mikrofluid in und durch das Gehäuse 7 geführt werden kann.

Die Pfeiler als Stützstrukturen 7.1 sind auf einer von der Trägerstruktur abge wandten ersten Seite mit dem äußeren Rahmen 7.2 und auf einer der Trä- gerstruktur zugewandten Seite im Bereich der äußeren Randbereiche der ers ten Oberfläche mit der freitragenden Membran 2 verbunden. Das Substrat 1 und die weitere äußere Schicht 1.1 sind dabei an einer von den Stützstruktu ren 7.1 wegweisenden Seite der freitragenden Membran 2 angeordnet.

Elektrische Kontaktierungen 8 sind jeweils von den elektrischen Kontaktele menten 3.1 des Heizelements 3 und den weiteren elektrischen Kontaktele menten 4.3 der Thermokette ausgehend durch den äußeren Rahmen 7.2 des Gehäuses 7 in einen Bereich außerhalb des Gehäuses 7 geführt und dort mit der elektronischen Auswerte- und Steuereinheit elektrisch verbunden. Die Übergabestelle ist dabei vorzugsweise auf dem massiven Kupferblock, um einen eventuellen Wärmeaustrag zu vermeiden.

In Figur 2a sind auch die Elektroden 12 für den Biosensor dargestellt.

Die Figur 3 zeigt, wie man zwei Sensoren, die gemäß dem in den vorab erläu terten Beispielen ausgebildet und auf einem Substrat 1 gemeinsam angeord net sein können, miteinander kombinieren kann. Dabei sind mindestens zwei Thermoketten, die mit Thermoschenkeln 4.1, 4.2 und einem elektrischen Kon taktelement 4.3 gebildet sind, der beiden Sensoren elektrisch in Reihe ge schaltet, wodurch man die beiden Sensoren so betreiben kann, wie es im all gemeinen Teil der Beschreibung erläutert worden ist.

Ein Verfahren zur Erfassung thermodynamischer Kenngrößen der biologischen Zellen als Probe 6 mit einem wie in den Figuren la, lb und 2 gezeigten Sensor umfasst zumindest einen ersten und einen zweiten Schritt.

In dem ersten Schritt wird mittels des Heizelements 3 eine Kalibrierung durchgeführt, bei der die an den Enden derThermokette anliegende elektri sche Spannung in Abhängigkeit der Heizleistung des Heizelements 3 erfasst wird. Dabei ist die elektronische Auswerte- und Steuereinheit über die elektri schen Kontaktierungen 8, die die elektrischen Kontaktelemente 3.1 und die weiteren elektrischen Kontaktelemente 4.3 mit dem Heizelement 3 und der Thermokette elektrisch verbunden. Insbesondere umfasst die elektronische Auswerte- und Steuereinheit auch einen Regler, mit dem während des ersten Schritts die Heizleistung des Heizelements 3 variiert wird. Während des ersten Schritts sind die biologischen Zellen als Probe 6 nicht in dem Gehäuse 7 ange ordnet.

Nach der Kalibrierung werden die biologischen Zellen als Probe 6 in den Flüs sigkeitstropfen als Verkapselung auf einer dem ersten Teilbereich der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche der freitragenden Memb ran 2, insbesondere der elektrischen Leiterbahn des Heizelements S gegen über, angeordnet.

In dem zweiten Schritt werden dann anhand der in dem ersten Schritt durch geführten Kalibrierung Temperaturgradienten, die sich in der freitragenden Membran 2 aufgrund von in den biologischen Zellen als Probe 6 ablaufenden Stoffwechsel prozessen und einer damit verbundenen Wärmeabgabe ausge bildet haben, erfasst. Während des zweiten Schritts erfolgt keine Regelung und auch keine Erwärmung der Probe 6 mittels des Heizelements S. Die Heiz leistung des Heizelements S beträgt während des zweiten Schritts Null Watt.

Während des ersten und des zweiten Schritts ist das Gehäuse 7 in einer ther- mostatischen Kammer angeordnet, sodass während des ersten und des zwei ten Schritts des weiter oben beschriebenen Verfahrens sowohl das Gehäuse 7 mit dem äußeren Rahmen 7.2 und den Stützstrukturen 7.1 als auch das Sub strat 1 der Trägerstruktur konstant auf ein und derselben Temperatur To ge halten werden.

Mit dem beschriebenen Sensor und Verfahren können Temperaturgradienten im Bereich von Millikelvin bei einer Wärmeleistung der Probe im Bereich von Mikrowatt bis zu wenigen Nanowatt zuverlässig und genau bestimmt werden. Dabei kann der Sensor eine Sensitivität von 100 V/W ± 25 V/W erreichen.

Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale der verschiede nen Ausführungsformen können miteinander kombiniert und einzeln bean sprucht werden. Bezugszeichen

1 Substrat

1.1 Schicht

2 Membran

S Heizelement

5.1 elektrisches Kontaktelement

4.1 Thermoschenkel

4.2 Thermoschenkel

4.S elektrisches Kontaktelement

4.4 erste Verbindungsstelle (kalt)

4.5 zweite Verbindungsstelle (heiß)

5 wärmeleitende Schicht

6 Probe

7 Gehäuse

7.1 thermisch leitende Stütz- oder Haltestruktur

7.2 Rahmen

8 elektrische Kontaktierung

9 Zulauf

10 Ablauf

11 Reservoir

12 Elektroden