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Nanoresonators with Integrated circuitry for high sensitivity and high resolution mass detection

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Innovative Elektronik für die Steuerung von multiplen Nanosensoren

Mit Siliciumcantilevern im Nanometermaßstab können extrem genaue Massenbestimmungen durchgeführt werden. Es konnten Arrays dieser neuartigen Massensensoren zusammen mit der dazugehörigen Steuerungselektronik entwickelt werden.

Digitale Wirtschaft

Ein Balken, der an einem Ende eingespannt ist, ist die gängige Vorstellung, die man von einem Cantilever hat. Was aber erstaunlich ist, ist die Tatsache, dass mit modernen Herstellungsverfahren die Produktion von Cantilevern mit kleinen Abmaßen, etwa im Nanometerbereich, möglich ist. Mit diesen extrem kleinen Cantilevern kann man zudem Massenbestimmungen durchzuführen, daher können sie auch als Massensensoren eingesetzt werden. Mithilfe dieser Cantilever konnten im Rahmen des NANOMASS II-Projekts eine Vielzahl an chemischen und physikalischen Prozessen beobachtet werden. Da diese innovativen Massensensoren eine Vielzahl von Anwendungen haben werden, haben die Projektpartner nicht nur einen einzelnen Prototyp entwickelt, sondern bereits Arrays dieser Cantilever hergestellt. Es wurde Polysilicium verwendet, mit dem Arrays aus vier und acht Cantilevern hergestellt wurden. Diese Cantilever wurden auf einer einzelnen Fläche im Nanometermaßstab angeordnet. Über eine Elektrode werden sie mit einem externen Schaltkreis zur Signaldetektion und -ausgabe verbunden. Es war zudem möglich, die Cantilever auf separaten Flächen herzustellen, die durch eine Metallverbindung mit dem Regelkreis verbunden sind. Ein integrierter elektronischer Schaltkreis, der aus einem CMOS-Prozessor (Complementary Metal Oxide Semiconductor, komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter) besteht, dient zur Signalausgabe und als Regelkreis. Der Aufbau wurde so gestaltet, dass das Rauschen der parasitären Kapazität minimiert werden konnte. Diese Kapazität tritt als Ergebnis der Polarisation der Nanocantilever auf, die auf der extrem kleinen Fläche untergebracht sind. Die Verwendung einer Konfiguration mit unempfindlicher Transimpedanz gegenüber diesem Rauschen ermöglicht zudem kleinere Abstände zwischen den einzelnen Cantilevern, die den Array bilden. Ein weiteres interessantes und äußerst nützliches Ergebnis des NANOMASS II-Projekts ist, dass mithilfe eines Arrays eine differenziale Erkennung möglich ist. Es ist möglich, nur einige Cantilever eines Arrays zu funktionalisieren. Das Inaktivieren eines und die Aktivierung der restlichen Cantilever führt zu einer optimalen Detektionsleistung.

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