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"Biologie trifft Mikroelektronik", das Motto des Instituts für Nano- und Biotechnologien (INB) an der FH Aachen, unterstreicht die zunehmende Bedeutung interdisziplinär geprägter Forschungsaktivitäten. Der thematische Zusammenschluss grundständiger Disziplinen, wie die Physik, Elektrotechnik, Chemie, Biologie sowie die Materialwissenschaften, lässt neue Forschungsgebiete entstehen, ein herausragendes Beispiel hierfür ist die Nanotechnologie: Hier werden neue Werkstoffe und Materialien entwickelt, einzelne Nanopartikel oder Moleküle und deren Wechselwirkung untersucht oder Schichtstrukturen im Nanometerbereich aufgebaut, die neue und vorher nicht bekannte Eigenschaften hervorbringen.
Vor diesem Hintergrund bündelt das im Jahre 2006 gegründete INB die an der FH Aachen vorhandenen Kompetenzen von derzeit insgesamt sieben Laboratorien auf den Gebieten der Halbleitertechnik und Nanoelektronik, Nanostrukturen und DNA-Sensorik, der Chemo- und Biosensorik, der Enzymtechnologie, der Mikrobiologie und Pflanzenbiotechnologie, der Zellkulturtechnik, sowie der Roten Biotechnologie synergetisch. In der Nano- und Biotechnologie steckt außergewöhnliches Potenzial! Nicht zuletzt deshalb stellen sich die Forscher der Herausforderung, in diesem Bereich gemeinsam zu forschen und Schnittstellen zu nutzen, um so bei der Gestaltung neuartiger Ideen und Produkte mitzuwirken, die zukünftig unser alltägliches Leben verändern werden.
Im Folgenden werden die verschiedenen Forschungsbereiche kurz zusammenfassend vorgestellt und vorhandene Interaktionen anhand von exemplarisch ausgewählten, aktuellen Forschungsprojekten skizziert.
Chemische Sensoren mit Bariumstrontiumtitanat als funktionelle Schicht zur Multiparameterdetektion
(2013)
Es wurde ein automatisiertes, computerunterstütztes Testsystem für die Funktionsprüfung und Charakterisierung von (bio-)chemischen Sensoren auf Waferebene entwickelt und in einen konventionellen Spitzenmessplatz integriert. Das System ermöglicht die Charakterisierung und Identifizierung „funktionstauglicher“ Sensoren bereits auf Waferebene zwischen den einzelnen Herstellungsschritten, wodurch weitere, bisher übliche Verarbeitungsschritte wie das Fixieren, Bonden und Verkapseln für die defekten oder nicht funktionstauglichen Sensorstrukturen entfällt. Außerdem bietet eine speziell entworfene miniaturisierte Durchflussmesszelle die Möglichkeit, bereits auf Waferlevel die Sensitivität, Drift, Hysterese und Ansprechzeit der (bio-)chemischen Sensoren zu charakterisieren. Das System wurde exemplarisch mit kapazitiven, pH-sensitiven EIS- (Elektrolyt-Isolator-Silizium) Strukturen und ISFET- (ionensensitiver Feldeffekttransistor) Strukturen mit verschiedenen Geometrien und Gate-Layouts getestet.
In aseptischen Abfüllsystemen wird Wasserstoffperoxid in der Gasphase aufgrund der stark oxidativen Wirkung zur Packstoffentkeimung eingesetzt. Dabei wird die Effizienz der Entkeimung im Wesentlichen von der vorliegenden H2O2-Konzentration im Packstoff bestimmt. Zur Inline-Überwachung der H2O2-Konzentration wurde ein kalorimetrischer Gassensor auf Basis einer flexiblen Polyimidfolie aus temperatursensitiven Dünnschicht-Widerständen und Mangan(IV)-oxid als katalytische Transducerschicht realisiert. Der Sensor weist ein lineares Ansprechverhalten mit einer Sensitivität von 7,15 °C/Vol.-% in einem H2O2-Konzentrationsbereich von 0 bis 8 Vol.-% auf. Weiterhin wurde zur Auslesung des Sensorsignals eine RFID-Elektronik, bestehend aus einem Sensor-Tag und einer Sende-/Empfangseinheit ausgelegt, sowie eine Abfolge des Messzyklus aufgestellt. Im weiteren Verlauf soll der kalorimetrische Gassensor mit der RFID-Elektronik gekoppelt und in eine Testverpackung zur Inline-Überwachung der H2O2-Konzentration in aseptischen Abfüllsystemen implementiert werden.
Ein lichtadressierbarer potentiometrischer Sensor (LAPS) kann die Konzentration eines oder mehrerer Analyten ortsaufgelöst auf der Sensoroberfläche nachweisen. Dazu wird mit einer modulierten Lichtquelle die Halbleiterstruktur des zu untersuchenden Bereiches angeregt und ein entsprechender Photostrom ausgelesen. Durch gleichzeitige Anregung mehrere Bereiche durch Lichtquellen mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen können diese auch zeitgleich ausgelesen werden. Mit der neuen, hier vorgestellten Ansteuerungselektronik integriert in einem "Field Programmable Gate Array" (FPGA) ist es möglich, mehrere Leuchtquellen gleichzeitig mit unterschiedlichen, während der Laufzeit festlegbaren Frequenzen, Phasen und Lichtintensitäten zu betreiben. Somit kann das Frequenzverhalten des Sensors untersucht und die Konzentration des Analyten über das Oberflächenpotential mit Hilfe von Strom/Spannungs-Kurven und Phase/Spannungs-Kurven bestimmt werden.