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Ultrasensitive Mikromechanische Resonatoren zur in-situ Massendetektion in Flüssigkeiten

Mikromechanische Resonatoren werden für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Am bekanntesten ist der Einsatz von Cantilevern in Atomic Force Microscopes (AFM) bei der die Topographie von Oberflächen im Nanometer-Bereich untersucht werden können. Eine weitere Anwendung ist die Messensensorik. Hier wird ausgenutzt, dass die feste Resonanzfrequenz eines Resonators durch Anlagerung einer Masse verändert wird. Dadurch lassen sich die Masse von präzise bestimmen. Die kleinste Masse die mit einem System gemessen werden kann hängt dabei maßgeblich von der Masse des Resonators ab, also letztlich von der relativen Massenänderung bei Anlagerung der Masse. Für den Nachweis sehr kleiner Massen im Femto- oder Attogrammbereich müssen daher sehr kleine und damit leichte Mikroresonatoren verwendet werden.

Ein weiteres Kriterium für eine gute Massendetektion ist die Güte des Resonators. Die Güte ist das Verhältnis von Resonanzfrequenz zu der Halbwertsbreite der Resonanzkurve und wird im Wesentlichen durch die Dämpfungsverluste in einem schwingenden System bestimmt. Ziel der Entwicklung unserer Mikroresonatoren ist jedoch der in-situ Nachweis von sehr leichten biologischen Analyten in Flüssigkeiten. Das Messen in Flüssigkeiten ist mit sehr starker Dämpfung verbunden und senkt so die Güte des Resonators so stark, dass in mit klassischen Systemen wie z.B. einfachen Cantilevern keine Messung mehr erfolgen kann. Daher wurden in unserer Arbeitsgruppe Resonatorgeometrien entwicklet, welche eine sogenannte partielle Benetzung, also nur eine Teilimmersion in Flüssigkeit erlauben, wodurch die Dämpfung des Resonators und damit die Güte des Systems um Größenordnungen verbessert wurden.

Durch zusätzliches optimieren der Resonatorgeometrie und einer innovativen elektromagnetischen Anregung der Schwingung konnte bereits der zeitaufgelöste in-situ Nachweis der Anlagerung  von Tomatenbuschviren mit einer Masse von je nur 18 ag (Attogramm) gelingen. 

 

Ansprechpartner:
Dipl.-Phys. Phil Peiker

Aktuelle Themen für Diplom-, Bachelor-, Masterarbeiten:

 

Wissenschaftliche Veröffentlichungen:

 

Abgeschlossene wissenschaftliche Arbeiten:

  • "Entwicklung, Modellierung und Applikationen eines partiell benetzten mikromechanischen Resonators für die zeitaufgelöste Subpikogramm-Massensensorik in Flüssigkeiten"
    Phil Peiker, Dissertation (2016)
  • "Entwicklung eines PDMS-basierten mikrofluidischen Systems für die kontrollierte Benetzung von Mikroresonatoren"
    Christian Nagel, Diplomarbeit (2015)
  • "Siliziumbasierter Kamm-Mikroresonator mit integrierter Aktorik und Sensorik"
    Simon Kolbe, Diplomarbeit (2015)
  • "Reduktion der viskosen Dämpfung von Mikroresonatoren durch partielle Benetzung"
    Jennifer Linden, Diplomarbeit  (2014)
  • "Realisierung von siliziumbasierten Hybrid-Mikroresonatoren mit Hilfe des stark anisotropen reaktiven Ionenätzens"
    Carsten Ruby, Bachelorarbeit (2014)
  • "Plattenmikroresonatoren mit scherender Eigenmode zur Applikation in fluiden Medien"
    Ann-Kathrin Kleinschmidt, Diplomarbeit (2012)
  • "Integration dünner photoinitiierter Hydrogelschichten auf Mikroresonatoren"
    Amélie Luise Godeau, Diplomarbeit (2012)
  • "Optimierung partiell benetzter Hybridmikroresonatoren durch Integration von 3D-Polymerstrukturen"
    Phil Peiker, Diplomarbeit  (2012)
  • "Entwicklung aktiver Mikroresonatoren auf Basis piezoelektrischer Aluminiumnitrid – Membranen"
    Ralf Grübnau, Masterarbeit (2011)
  • "Mikroresonatoren auf Basis verspannter dünner Schichten"
    Tobias Deutschmann, Diplomarbeit (2011)
  • "Theoretische und experimentelle Untersuchung des viskosen Dämpfungsverhaltens hochfrequenter Mikroresonatoren"
    Elena Amelie Ilin, Dissertation (2011)
  • "Untersuchung von säulenförmigen Si-Mikroresonatore und U-Spalt-Cantilevern in Fluiden für biosensorische Anwendungen"
    Katrin Biet, Diplomarbeit (2011)
  • "Säulenartige Mikroresonatoren für die ultrasensitive Massensensorik in Fluiden"
    Jenny Kehrbusch, Dissertation (2010)
  • "Optimierung des thermischen Verhaltens mikromechanischer Resonatoren für die lokale Untersuchung katalytischer Reaktionen"
    Bernhard Radzio, Diplomarbeit (2010)
  • "Ortsaufgelöste interferometrische Messung der Eigenmodenstruktur von Hochfrequenzschwingern"
    Raoul Joseph Paul Tholl, Diplomarbeit (2009)
  • "Realisierung von hochfrequenten säulenartigen Mikroschwingern durch reaktives Ionenätzen von Silizium"
    Elena Amelie Ilin, Diplomarbeit (2007)
  • "Entwicklung und Charakterisierung eines massesensitiven Mikroschwingers zur Anwendung in fluiden Medien"
    Matthias B. Hullin, Diplomarbeit (2007)

 

Die wissenschaftliche Arbeit erfolgt in Kooperation mit:

AG Aeschlimann (TU Kaiserslautern)

AG Ziegler (TU Kaisrslautern)

Fraunhofer IAF, Prof. Ambacher (Freiburg)