Sensorintegration

Heinz Nixdorf-Lehrstuhl für Medizinische Elektronik Technische Universität München

Mikrosensoren für biotechnische und biomedizinische Systeme

Im Bereich der Biotechnologie und Life-Sciences sind in den letzten Jahren vielfältige miniaturisierte Systeme für die unterschiedlichsten Einsatzbereiche entwickelt worden, meist in Lab-on-chip Form. Neben der Integration von mikrofluidischen Komponenten zur Verarbeitung geringer Flüssigkeitsmengen ist dabei auch die Sensorintegration zur Messung bestimmter Eigenschaften dieser Flüssigkeiten, bzw. der darin enthaltenen biologischen Materialien von entscheidender Bedeutung. Mikromechanische, optische, optochemische, elektrische und elektrochemische Mikrosensoren können dabei je nach Bedarf mit mikrosystemtechnischen Prozessen an den gewünschten Stellen reproduzierbar integriert werden.

Multiparametrischer Sensorchip auf Keramiksubstrat mit Intelligent Mobile Lab (IMOLA) Auslesesystem (Fotos: Heinz-Nixdorf Lehrstuhl für Medizinische Elektronik, cellasys GmbH)

Ein Beispiel dafür sind die am Heinz-Nixdorf Lehrstuhl für Medizinische Elektronik der Technischen Universität München entwickelten multiparametrischen Zellchip-Systeme, die in Realzeit die Vitalität lebender Zellen und Gewebe über Zeiträume von Tagen oder Wochen beobachtbar und damit den Einfluss zugeführter Wirkstoffe erfassbar machen. Die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten dieser über Ausgründungen bereits kommerziell erhältlichen Systeme reichen von der pharmakologischen Wirkstoffsuche bis zur personalisierten Medizin, von toxikologischen Test bis zur Umweltanalytik.

24-Well-Platte mit integrierten pH-, pO2- und Impedanzsensoren mit Intelligent Multiplate Reader (IMR) Auslesesystem (Fotos: Heinz-Nixdorf Lehrstuhl für Medizinische Elektronik)

Die Zellchips werden auf Glas (mikroskopierbar), Silizium oder Keramik mit integrierten Sensoren für Temperatur, pH-Wert, Sauerstoff und elektrische Impedanz hergestellt. Die Sensortechnologie wird dabei jeweils dem Chip-Material und der Anwendung angepasst.
So werden auf Silizium-basierten Chips Ionen-sensitive Feldeffekt-Transistoren (ISFET) als pH-Sensoren eingesetzt, deren Miniaturisierung im Wesentlichen nur durch die in den verwendeten Halbleiterproduktionsprozessen erreichbare Transistor-Strukturgröße beschränkt ist. Diese ISFETs können durch einfaches Hinzufügen einer Edelmetallelektrode auch zur Messung des in der Flüssigkeit gelösten Sauerstoffs und als elektrochemisches Spektrometer eingesetzt werden.

Auf Glas lassen sich besonders einfach optochemische Sensoren für pH und Sauerstoff integrieren. Diese Sensoren sind über Glasfasern oder auch durch ein Mikroskop hindurch optisch auslesbar. Keramik-Chips werden mit Metalloxid-pH-Sensoren und amperometrischen Sauerstoffsensoren in Dünnschichttechnik versehen. Auf diese Weise werden auch Impedanz- und Temperatursensoren aus Platin auf den Zellchips integriert.
Derzeit laufen erste Versuche, Zellchips auf transparenten Kunststofffolien zu realisieren, auf denen die Sensorintegration über einen Inkjet-Druckprozess erfolgt.



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