Mikroelektronische Sensoren und Mikrosysteme konnen aufgrund ihrer bekanntenvorzuge wie kostengiinstiger Herstellung bei groBen Stuckzah- len, Robustheit, kleinerer BaugroBe und geringerer Medienverbrauch in wesentlich mehr Anwendungsfallen eingesetzt werden als die ublichen Analysegerate. In Einzelfallen kann durch die Anwendung der Mikro- techniken sogar eine neue Qualitat bei der Messung chemischer GroBen erreicht werden. Nahezu samtliche Wirtschaftsprognosen erwarten von der Anwendung der Systemtechnik gerade bei chemischen Sensoren ein erhebliches Wachstumspotential. Chemische Sensoren haben in den weitaus meisten Fallen denselben Aufbau: Ein physikalischer Transducer (Detektor) miBt eine physikalische GroBe eines sensitiven Materials. Diese physikalische GroBe des chemisch aktiven Materials andert sich durch die spezifische Nachweisreaktion mit dem jeweiligen Analyten.

Die Verbindung der Sensortechnologie mit Mikrotechniken, wie z.B. Halbleiter-, Dunnfilmtechnologie und Mikromechanik, erlauben die systemgerechte und kostengunstige Herstellung verschiedenster Transdu- cer. Mit diesen physikalischen Transducern kann ein breites Spektrum an Matenaleigenschaften der chemisch aktiven Schichten gemessen werden. Eine Uberblick iiber die physikalisch meBbaren Materialeigenschaften, die fur die chemische Sensorik nutzbar sind, gibt die Abbildung. Welcher Stoff und in welchen Konzentrationsbereich gemessen werden kann, wird durch das Zusammenwirken von sensitivem Material und Transducer bestimmt .

Viele Nachweisreaktionen sind allerdings nicht ausreichend selektiv fur eine bestimmte Substanz. Gerade bei der Detektion geringer Konzentra- tionen lassen sich Stonvirkungen durch andere Stoffe nur selten vermei- den. Diese Storeinwirkungen konnen durch geschickte Zusammenstel- lung verschiedener Nachweisreaktionen, unterschiedliche Transducer in einem Array und eine entsprechende Signalverarbeitung verringert wer- den.

mikalien und Wirkstoffe der Molekularbiologie. Da nur geringe Material- mengen eingesetzt werden, wird die Entsorgung erleichtert.

Die Moglichkeiten der Mikrosystemtechnik fur die chemische und biologische Analytik lassen sich besonders anschaulich am Beispiel der LIGA-Technik darstellen. Diese Technik ermoglicht die Herstellung dreidimensionaler Mikrostrukturen mit Submikrometer-Toleranzen aus Kunststoffen, Metallen, keramischen Materialien und Glasern und ist besonders fur eine kostengunstige Massenfertigung geeignet. Neben mikrooptischen, mikromechanischen und elektrochemischen MeBele- menten sind Prototypen fur chromatographische Systeme und fluidtech- nische Anordnungen (Pumpen,Ventile,Verteilersysteme) in Entwicklung. Daruber hinaus gewinnen mikrotechnische Bauelemente, die mit anderen Mikrofertigungsverfahren (anisotropes Atzen von Glas und Silicium, plasmaunterstutzte Trockenatzprozesse) hergestellt und mit LIGA- Mikrostrukturen kombiniert werden konnen, immer mehr an Bedeutung. Die Montage der Bauteile erlaubt die Kombination von verschiedenen, dem jeweiligen Problem angepaaten Materialien fur die Realisierung von Mikrosystemen fur die chemische und biologische Analytik.

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Poroses Silicium - ein Material der Mikrosystemtechnik

W Lung (Vortragender), I! Steiner, A. Richter und H. Sandrnaier, Fraunhofer-Institut fur Festkorpertechnologie, Hansastr. 27d, 80686 Munchen.

Poroses Silicium ist ein neues Material der Mikrosystemtechnik. Grund- satzlich ist zwar seit langem bekannt, daB Silicium sich durch elektroche- misches Atzen poros machen IaBt, die vielen Moglichkeiten, die sich daraus ergeben, werden aber erst in jungster Zeit mehr und mehr erforscht.

Die porose Schicht wird durch einen AtzprozeB aus einem Silicium- Wafer gewonnen. Dabei wird der Kristall in FluBsaure elektrochemisch geatzt. Normalenveise lost sich Silicium in FluBsaure nicht. FlieBt jedoch in der Grenzschicht vom Kristall zur Saure ein elektrischer Strom, so wird das Material aufgelost. Bei groBeren Stromdichten ist die Oberflache glatt, es tritt Elektropolieren auf. Bei kleineren Stromdichten werden Poren im Kristall erzeugt, die eine schwammartige, hochporose Struktur zuriicklassen. Die StrukturgroBe geht von makroporos (ca. 1 Fm groBe Poren) bis hinunter zu nanoporos (3- bis 10-nm-Poren). Sie wird durch die Dotierung des Wafers und durch den AtzprozeB beeinfluat. Die Dicke der Schichten geht von 100nm bis zur ganzen Dicke des Wafers. Durch Maskentechnik laBt sich auch gezielt nur ein kleiner, ortlich beschrankter Bereich porosen Materials erzeugen.

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Mikrosysteme fur die chemische und biologische Analytik

Prof. Dr.-Ing. W Ehrfeld (Vortragender), Dr. Th. Dietrich, Dip1.-Phys. M . Lacher, Dr. H. Lehr und Dr. Hildegard Mensinger, IMM Institut fur Mikrotechnik GmbH, Carl-Zeiss-Str. 18-20, 55129 Mainz.

Die extreme Miniaturisierung von Funktionselementen und der Aufbau hochintegrierter Systeme waren lange Zeit vor allem eine Domane der Mikroelektronik, deren Erfolg auch heute noch auf der einzigartigen Kombination der Planartechnik als Fertigungsverfahren und dem Halb- leiterwerkstoff Silicium beruht. In neuerer Zeit sind allerdings weitere, auBerordentlich aussichtsreiche Fertigungsverfahren entwickelt worden, die einen VorstoB in die dritte Dimension ermoglichen und gleichzeitig eine breite Palette von Werkstoffen erschlieBen. Diese Techniken bilden die Grundlage der Mikrosystemtechnik, die durch die Realisierung und Kombination extrem miniaturisierter, mechanischer, optischer, fluidtech- nischer, chemischer und biologischer Funktionselemente in praktisch alle Bereiche der modernen Technik Eingang finden wird.

Die Mikrosystemtechnik bietet eine Vielfalt von Anwendungsmoglich- keiten in der chemischen und biologischen Analytik. Optische Spektro- meter mit einem Volumen von weniger als einem Kubikzentimeter, Mikromotoren mit einem Rotordurchmesser von einem Menschenhaar, Mikroventile, Mikropumpen und verschiedenste Formen von Mikroelek- troden sind nur einige spektakulare Beispiele, die in der chemischen und biologischen Analytik genutzt werden konnen. Hinzu ,, kommen die Moglichkeiten der gezielten und funktionsspezifischen Anderung von Oberflachen durch die vor allem in Zusammenhang mit der Halbleiter- technik entwickelten Verfahren der Dunnschichttechnik und der Plasma- technik.

Die extreme Miniaturisierung von Systemen fur die chemische und biologische Analytik fuhrt vor allem zu Kosteneinsparungen, da bei der praktischen Realisierung nicht nur Material und Energie eingespart werden kann, sondern insbesondere auch Parallelfertigung wie bei den integrierten Schaltkreisen der Mikroelektronif moglich ist (batch proces- sing). Daruber hinaus kann wegen der extrem kurzen Wegstrecken und der entsprechend kurzen Laufzeiten der Reaktionsablauf gezielt beeinfluat Abb. Stromungskanale auf einem Wafer, hergestellt durch werden. Die Miniaturisierung ermoglicht den Einsatz teurer ProzeBche- Mikrostrukturierung mit porosem Silicium.

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Eine Anwendung des Materials ist die Feuchtemessung. Die groae innere Oberflache des Materials ist zur Adsorption gut geeignet. Ein Vorteil ist, daB sich die Adsorptionsisotherme durch die Parameter der Atztechnik einfach und reproduzierbar einstellen kann. Ein solcher Feuchtesensor, bei dem das adsorbierte Wasser kapazitiv gemessen wird, wurde im Institut fur Festkorpertechnologie realisiert. Das aktive Element ist 2 mm x 2 mm grol3 und nur 1 pm dick. Dadurch ergibt sich eine kurze Ansprechzeit von 1 s bei Raumtemperatur. Der Sensor zeigt in einem weiten Bereich eine lineare Kennlinie.

Weiterhin wird das Material rnit dem Ziel untersucht, freitragende Strukturen auf Silicium zu erzeugen (Sacrificial layer Technologie). Dazu wird ein poroser Bereich geatzt. Auf dem porosen Material werden durch Schichtabscheidungen und technologische Prozesse Sensorstrukturen erzeugt. Danach wird den Sensorstruktur freigelegt, indem das porose Material, das sich aufgrund seiner extrem groaen inneren Oberflache sehr leicht atzen lafit, in einer schwachen Atzlosung entfernt wird. Mit diesem ProzeS wurde eine mikromechanische Hitzdrahtsonde hergestellt. Ein Draht aus Polysilicium mit einem Querschnitt von 0,5 pm X 20 pm und einer Lange von 600 pm uberspannt einen Graben rnit einer Tiefe von 60 pm. Drahte von nur 5 pm Breite lassen sich realisieren.

Eine weitere Anwendung fur die Opferschicht-Technik ist die Mikro- fluidik. Durch poroses Atzen und Freilegen lassen sich auf einem Chip Stromungskanale realisieren, die zusammen mit Mikropumpen und Sensoren in ein Mikroanalysesystem integriert werden konnen (s. Abb.). Solche Kanale kann man auch durch anisotropes Atzen erzeugen, allerdings nur rnit Wanden, die sich an Kristallrichtungen orientieren. Da fur die Mikrofluidik fur viele Anwendungen runde Kanalfuhrungen notig sind, bietet die Opferschicht-Technologie des porosen Siliciums hier Vorteile.

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Verfahrenstechnische Optimierung eines ,,Dusenturms" zur Herstellung staubarmer Spruhgranulate

Dr.-lng. S. K. Heffels (Vortragender), Dipl.-Ing. J. Hurtel, Hoechst AG, Abt.VTIG811, Postfach 800320, 65926 FrankfurtlM.

Bei der Herstellung vieler spruhgetrockneter Produkte, insbesondere bei Farbstoffen und Pigmenten, ist seit einigen Jahren die Staubarmut ein bedeutsames Qualitatsmerkmal. Es wurden im Technikumsmaastab eini- ge verfahrenstechnische EinfluSgroSen untersucht, um rnit geringen Investitionen vorhandene groSe Spruhtrockner umzubauen und staubar- me Granulate bzw. Partikeln mit weniger Feinkornanteil herzustellen: - Zerstaubertyp (Ultraschallduse, Einstoffdiise), - Gasfuhrung (axiale oder tangentiale Gaseinspeisung), - Agglomeration durch geeignete Zerstauberanordnung (Dusenkranz

oder Staubruckfuhrung), - Abscheidetechnik (Zyklon, Filter, Gasumlenkung im Spruhturm).

Die Einstoffdiise ist einer Ultraschallduse aufgrund des engeren Kornspektrums und einer Hohlkegelbildung vorzuziehen. Fur einige

Abb. Schematische Darstellung ,,des Spruhtrockners zur Bil- dung von Agglomeraten durch Uberlappung der Spruhkegel (Dusenkranz) und durch Staubruckfuhrung; links: Dusenkranz, recht: Staubruckfuhrung.

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