Entwicklung eines CMOS-integrierten massensensitiven Sensors zur Anwendung in der Biologie
Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Charakterisierung eines kapazitiven massensensitiven Drucksensors auf sein Resonanzverhalten und sein Auflösungsvermögen. Dafür wird ein Messsystem entwickelt, das den Sensor elektrostatisch zur Resonanz anregt und die Resonanzfrequenzen elektrisch misst. Das Resonanzverhalten wird mit unterschiedlichen Messmethoden verglichen. Das Auflösungsvermögen des Sensors wird mit Variation der elektrischen Spannungen optimiert und mit dünnen Goldschichten und Partikeln im Pikogrammbereich bestimmt.
Zusätzlich wird der Sensor biochemisch beschichtet und auf seine Selektivität untersucht. Dazu gehört der Nachweis der spezifischen Bindung mit Proteinen und Antikörpern auf dem Sensor.
Das Messsystem wurde durch Integration der Ausleseschaltung miniaturisiert und durch Integration der Fluidik automatisiert. Hierfür wurde die Ausleseschaltung auf den Sensorchip integriert und das Resonanzverhalten wurde mit dem des diskreten Sensors verglichen. Eine vollautomatische und programmierbare Fluidik wird entwickelt, die Flüssigkeiten auf den Sensor dispensiert, spült, trocknet und die Messung wieder aufnimmt. Der Sensor mit integrierter Elektronik wird in das Messsystem mit Fluidik integriert und im Spülprozess getestet. Zusätzlich wird eine Mikrofluidik mit
Kapillarpumpe für den Sensor entwickelt, um das Probenvolumen zu reduzieren und das gesamte Messsystem zu miniaturisieren.
The present work shows the characterisation of a capacitive mass-sensitive pressure sensor on resonance behaviour and resolution. For this, a measurement system is developed, which electrostatically excites the sensor and electrically measures the resonance frequencies. The resonance behaviour is compared with different measurement methods. The resolution is optimized by varying the electrical voltages and is determined with thin gold layers and particles in the picogram range.
Additionally, the sensor is coated with a biochemical layer and is analyzed for ist selectivity. This includes the detection of the specific binding of proteins and antibodies onto the sensor.
The measurement system is miniaturized by the integration of a readout circuit and is automatized by the integration of a fluidic system. The readout circuit is integrated on the sensor chip and the resonance behaviour is compared to the behaviour of the discrete sensor. A programmable fluidic is developed by dispensing liquids, rinsing, drying and measuring the frequency automatically. The sensor with integrated readout circuit is integrated into the fluidic system and tested by rinsing and drying. In addition, a microfluidic system with a capillary pump is developed to reduce the sample volume and to miniaturize the entire measurement system.
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