DE19646770A1 - Verfahren und Vorrichtung zur optischen Dünnschicht-Biosensorik - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von lokalen Eigenschaften in der biochemischen Sensorik, insbesondere von dünnen Filmen auf Substratoberflächen, die mit biologisch und/oder chemisch aktiven Materialien belegt sind.

Während eine Vielzahl von Meßaufnehmern für physikalische und elektrische Meßgrößen als Massenartikel auf dem Markt sind, beruht die Erfassung chemischer und/oder biochemischer Signale auf aufwendigen Meßprinzipien mit entsprechend aufwendiger Sensorik. Vor dem Hintergrund zunehmender Anforderungen an die Meßdatengewinnung insbesondere im Umwelt- und medizinischen Bereich steigt der Bedarf an konstengünstigen, meßtechnisch einfachen und reproduzierbaren chemischen und biochemischen Sensoren stark an. Da chemische und/oder biochemische Signale nicht direkt elektrisch erfaßt werden können, sind Wandler, sog. Transducer notwendig, die die jeweilige Meßgröße in eine elektrisches Ausgangssignal transformieren. Sensoren zur Erfassung chemischer und/oder biochemischer Signale, sog. Chemo- und/oder Biosensoren, beruhen zum Teil auf elektrischen Transducern, bei der das chemische und/oder biochemische Signal direkt eine Änderung einer elektrischen Größe herbeiführt, zum anderen Teil auf optischen Transducern, die auf der infolge einer chemischen und/oder biochemischen Signaländerung hervorgerufenen optischen Änderung eines Mediums beruhen, die wiederum in einfacher und effizienter Weise in ein elektrisches Signal umgewandelt werden kann.

Wegen der Störunempfindlichkeit und der hohen Selektivität gewinnen optische Sensoren in der Bio- und Chemosensorik (kurz: biochemische Sensorik) zunehmend an Bedeutung. Hierbei spielen verschiedene optische Prinzipien eine Rolle, wie z. B. extrinsische oder intrinsische Optoden, Evaneszentfeldtechniken, Interferometrie und Ellipsometrie. Der Stand der Technik weist aber vielfältige Nachteile beim praktischen Einsatz optischer Meßvor­ richtungen auf. So beschreibt die DE 43 43 490 ein schnelles spektroskopisches Ellipsome­ ter hoher Meßgeschwindigkeit, mit welchem in-situ-Messungen von Prozessen an einer Substratoberfläche möglich sind.

Diese ellipsometrischen Anordnungen gestatten das simultane Messen von Brechungsindex und Schichtdicke an aufwachsenden und statischen Schichten. Wesentliche Nachteile der­ artiger Interferometer, wie sie auch in den US 5,343,293, US 5,335,066, WO 94/25823, EP 0527150, DE 41 08 329, DE 43 01 889 beschrieben sind, liegen in der aufwendigen Justage der Meßvorrichtung und der in der Regel mehrdeutigen Auswerteverfahren. So müssen beim Aufbau derartiger Ellipsometer die Ein- und Ausfallswinkel äußerst präzise auf wenigstens 0,01° exakt eingehalten werden. Darüber hinaus müssen diese Winkel in der Nähe des Brewsterwinkels (ca. 70° für transparente Glasschichten) zur Erhöhung der Empfindlichkeit gehalten werden. Weiterhin ist bei der Ellipsometrie problematisch, daß die durch das Meßprinzip bedingte Polarisationsdrehung sehr schnell durchgeführt werden muß und daß damit eine hoher Datenrate anfällt.

Ein weiteres optisches Dickenmeßgerät für Schichten beziehungsweise für transparente Werkstücke beschreibt die DE 39 38 113. Hierbei wird über die Feststellung der Brenn­ punktbedingung ein Arbeitssignal abgeleitet, das direkt ein Maß für die Dicke des Werk­ stückes ist. Dieses Verfahren ist technologisch einfach zu implementieren und gegebenenfalls kostengünstig, weist jedoch den wesentlichen Nachteil auf, daß die für die Chemo- und Biosensorik geforderte Brechungsindex- und Dickenauflösung nicht erreicht werden kann. Die geforderte Sensorauflösung läßt Verfahren nach dem Fokuspunktprinzip und dem Triangulationsprinzip nicht zu.

Ein weiteres interessantes Schichtdickenmeßverfahren wird beschrieben von Dr. W. Riedel, Fraunhofer-Institut für Physikalische Meßtechnik (Jahresbericht 1995: Schichtdickenmessung mit Weißlicht-Interferometrie, Freiburg). Das Verfahren beruht auf dem Einsatz von Weißlicht mit seiner extrem kurzen Kohärenzlänge. Das Durchfahren eines Fokus durch ein Schichtsystem liefert Interferenzbeiträge an genau den Stellen, an welchen die Referenzarm- und Objektarmlängen im Interferometer übereinstimmen. Während des Meßvorgangs müssen der Objekt- oder der Referenzweg mittels eines Weggebers im Meßbereich moduliert werden. Das Verfahren arbeitet mit großer Präzision, ist aber vom Aufbau her (Interferome­ ter, Modulationseinheit, präzise geometrische Anordnung) zu aufwendig für eine kompakte biochemische Sensorik.

Die konventionelle Dünnschichtinterferometrie läßt sich immer dann hervorragend einsetzen, wenn dynamische Vorgänge erfaßt werden müssen. Eine dynamische Schichtdicken- und/- oder Brechungsindexänderung entsteht beispielsweise bei Plasmabeschichtungs- oder Ätzver­ fahren. Geeignete dünnschichtinterferometrische Meßtechniken werden in der US 5,371,582 der WO 94/28376, der US 5,337, 144, der G 296 07 227.3 und in den Veröffentlichungen von Caranto et al. (An optical fibre thin film thickness monitor, Meas. Sci. Technol. 4 (1993) Seiten 865-869, 1993 IOP Publishing Ltd) und der Veröffentlichung von V. Lange und G. Higelin (Static and dynamic test method for thin mono- und polycrystalline Si-films, Microsystem Technologies 1 (1995) Seiten 185-190, Springer-Verlag 1995) beschrieben. Die DE 42 28 535 beschreibt ein Dünnschicht-Interferometer für den Einsatz in der chemischen und biochemischen Meß- und Analysetechnik mit einem planaren Wellenleiter als integriert­ optischem Sensorelement. Hier wird, wie für die Chemo- und/oder Biosensorik erforderlich, ein sehr einfaches Sensorkonzept vorgestellt, das in einer robusten, für den praktischen Einsatz geeigneten Ausbildung des Sensorelements eine kostengünstige Herstellung desselben mit hoher Empfindlichkeit und fehlerfreier Detektion verbindet. Der wesentliche Nachteil dieses Verfahrens ist die Notwendigkeit der Installation und der Zuordnung mehrerer Detektoren, um die Interferenz entlang einer längeren oder kürzeren Seitenkante des Sensor­ elementes zu erfassen. Auf diese Weise wird die Detektion zwar prinzipiell auch unter statischen Bedingungen möglich, die Signalerfassung und Aufbereitung ist jedoch aufwendig.

Die DE 44 00 689 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zu Bestimmung von lokalen Eigenschaften eines teilweise ionisierten gasförmigen Mediums und von Schicht­ dicken, die auf dem Sensorkopf einer Sonde aufgebracht werden. Das Verfahren beruht ebenfalls auf der Dünnschichtinterferometrie, d. h. während des Aufdampfens entsteht eine Änderung der optischen Wege zwischen zwei benachbarten, zueinander parallelen Grenz­ flächen. Diese Änderung der optischen Wege wird als Interferenzstruktur beim Aufdampfen oder Wegätzen von Schichten erkennbar.

Weitere interferometrische Anordnungen unter Verwendung von Weißlicht beruhen auf einer spektralen Auswertung des von der Dünnschichtprobe rückreflektierten Lichtes. So be­ schreibt die EP 06 31 102 eine Methode mit welcher das Spektrum über die Wellenlängen­ dispersion zur Schichtdickenmessung heranzogen wird. Darüber hinaus kann das Licht moduliert (EP 0567745) und polarisiert sein (EP 0622624). Interessant ist auch die Kom­ bination der vorerläuterten ellipsometrischen Meßtechnik mit reflektrometrischer Meßtechnik unter Verwendung eines wellenlängenauflösenden Detektors, wie im Firmenprospekt der SENTECH Instruments GmbH, Rudower Chaussee 6, 12484 Berlin, Firmenkatalog FTP 500) beschrieben wird. Für die chemische- und/oder biochemische Sensorik weisen diese wellenlängenselektiven Verfahren generell den Nachteil auf, daß ein wellenlängendispersives Element im Detektor, wie z. B. ein Monochromator mit Gitter oder Prisma eingesetzt werden muß. Der Sensor wird auf diese Weise infolge des hohen Aufwandes auf der Detektorseite unhandlich und teuer.

Weiterhin kann mit dem Verfahren der Dünnschichtinterferometrie in einfacher Weise eine thermische Ausdehnung von dünnen transparenten Substraten oder dünnen transparenten Schichten erfaßt werden, wie im Gebrauchsmuster G 92 18 626.2 beschrieben.

Donnelly and McCaulley (Infrared-laser interferometric thermometry: A nonintrusive techni­ que for measuring semiconductowafer temperatures J. Vac. Sci. Technol. A 8 (1), Jan/Feb 1990, American Vacuum Society, Seiten 84-92) sowie Fang et al. (A fiber-optic high-tempe­ rature sensor, Sensors and Actuators A 44 (1994) Seiten 19-24) nutzen den Effekt der Dünnschichtinterferenz aus, um Temperaturänderungen eines Substrats oder Meßobjektes über die thermische Ausdehnung zu bestimmen.

Die DE 40 17 440 und die WO 94/29681 beschreiben ein Verfahren zur Messung der Schichtdicke und des Brechungsindex einer dünnen Schicht auf einem Substrat und einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, welches auf der Ausnutzung der Temperatur­ strahlung des erwähnten Substrats beruht. Auch hier können nur dynamische Prozesse gemessen werden, weiterhin wird eine CCD-Kamera mit aufwendiger Datenauswertung zur Detektion des Meßsignales eingesetzt.

Allen interferometrischen Verfahren mit einfachem Senderstrahl und einer Photodiode als Detektor zur optischen Charakterisierung von Materialien nach dem Stand der Technik ist gemeinsam, daß nur dynamische Prozesse untersucht werden können. In vielen Fällen tritt durch die periodische Interferenzstruktur zusätzlich das Problem der Mehrdeutigkeit auf.

Weiterhin sind optische Verfahren zur Chemo- und Biosensorik bekannt, die auf Evaneszent­ feldtechniken beruhen, wie z. B. im Artikel von Günther Gauglitz (Chemo- und Biosensoren mit optischen Transducern, Technisches Messen, 5/95, Seite 204-212) beschrieben. Hierbei wird die Abschwächung der Totalreflexion in einem Wellenleiter durch die Änderung der Brechungsindexverhältnisse an der Grenzschicht Wellenleiter-Umgebung als Meßeffekt genutzt. Das in das insbesondere biochemische Medium eindringende Feld ist quergedämpft oder evaneszent.

Herkömmliche Verfahren nach dem Stand der Technik, die auf der abgeschwächten Total­ reflexion, der totalen internen Fluoreszenz-/Reflexion und der Oberflächen-Plasmonen-Reso­ nanz sowie der Ellipsometrie beruhen haben generell den Nachteil eines hohen apparativen Aufwandes. Diese hohe apparative Aufwand ist für viele Anwendungen im Bereich der Bio- und Chemosensorik im Hinblick auf
a. Kosteneffizenz,
b. Miniaturisierbarkeit,
c. einfacher Handhabbarkeit in rauhen Industrie- und Umweltbedingungen,
d. hoher Zeit- und Ortsauflösung
e. einfacher und schneller on-line Datenverarbeitung
nicht tolerierbar. Optische Meßverfahren, die auf der Basis der Dünnschichtinterferometrie beruhen, weisen den Vorteil einer sehr kompakten Bauweise in Kombination mit sehr einfacher Datenaufnahme und Datenauswertung auf. Herkömmliche dünnschichtinterferome­ trische Verfahren besitzen jedoch wie erläutert generell den Nachteil, daß nur dynamische Prozesse beobachtet werden können, wie z. B. das Aufwachsen einer transparenten Schicht auf einem Substrat durch Verfolgung der sich ausbildenden Interferenzstruktur. Werden dynamische Prozesse an der zu untersuchenden Schicht zu langsam bzw. zu komplex, lassen sich dünnschichtinterferometrische Verfahren zur Bio- und Chemosensorik nicht einsetzen.

Der Erfindung liegt somit das technische Problem zugrunde,

• - eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften eines auf einem Substrat aufgebrachten Mediums vorzusehen, das zur Messung seiner Eigen­ schaften nicht selbst verändert werden muß. Vorteile, die sich aus der optisch­ interferometrischen Meßtechnik ergeben, sollen für den Sondenaufbau und das Verfahren gemäß der Erfindung in vorteilhafter Weise genutzt werden, d. h. hohe lokale und räumliche Auflösung, geringe Störempfindlichkeit, elektromagnetische Verträglichkeit, keine Beeinflussung des zu untersuchenden Meßobjektes sollen erreicht werden.

Mit dem erfindungsgemäßen, interferometrischen Meßverfahren und der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens wird insbesondere der Vorteil erzielt, daß die Einsatzmöglich­ keiten der Dünnschichtinterferometrie auf nicht-dynamische oder sehr langsam ablaufende chemische und/oder biochemische Prozesse erweitert werden können.

Dieses technische Problem wird erfindungsgemäß durch ein Meßverfahren gelöst welches folgende Schritte aufweist:

• - der optische Weg eines oder mehrerer optischer Strahlen wird im Substrat periodisch moduliert;
• - die resultierende, periodische Schwankung wird durch Überlagerung der in der transparenten Schicht zur Interferenz bringbaren Einzelstrahlen erzielt;
• - die Form der entstehenden periodischen Intensitätsschwankung ist ein Maß für die Brechungsindexverhältnisse einer auf dem Substrat aufgebrachten Schicht;
• - eine mit dem Detektorkopf verbundene Auswerteinrichtung dient der Bestim­ mung der lokalen Eigenschaften durch geeignete Verarbeitung der optischen und elektrischen Signale.

Insbesondere wird vorteilhafterweise erreicht, daß die optischen Parameter einer oder mehrerer aufgebrachter Schichten durch geeignete dynamische Veränderungen des Substrats erfaßt werden und die Schicht selbst in einem mehr oder weniger statischen Zustand belassen werden kann.

Das obige technische Problem wird ferner durch eine Vorrichtung gelöst, bei welcher

• - ein optisch modulierbares Substrat mit einer Grenzfläche, auf der die che­ misch und/oder biologisch sensitive Schicht aufgebracht ist als Sensorelement wirkt;
• - ein vorzugsweise kohärenter Lichtstrahl durch eine Sendeeinheit mit einem oder mehreren Strahlensendern erzeugt wird;
• - eine Modulationseinheit zur Modulation des optisch modulierbaren Wellenlei­ ters dient;
• - einer oder mehrere selektive Empfänger zu Aufnahme der Interferenzstruktur dienen;
• - eine optische Einheit zur Erfassung der vom Substrat transmittierten oder reflektierten Strahlung dient;
• - eine Datenauswerteeinheit zur Auswertung bei der Verarbeitung und Anzeige des Meßsignales sowie zur Steuerung der Modulationseinheit ausgebildet ist.

Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung basiert in vorteilhafter Weise auf dem Prinzip der Dünnschichtinterferometrie, wobei

• - ein abtastender optischer Strahl eine Änderung des optischen Weges in einem transparenten Substrat erfaßt;
• - zusätzlich mit geeigneten Methoden eine Modulation des optischen Weges im Substrat durchgeführt wird, d. h. auch bei statischem auf dem Substrat aufge­ brachten Meßobjekt ergibt sich als Vorteil eine der Dünnschichtinterfero­ metrie entsprechende periodische Signalform für die Intensität des Ausgangs­ signales.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die periodische Struktur des Interferenzsignales nicht durch die dem Stand der Technik entsprechende optische Wegänderung am Meßobjekt, d. h. der aufgebrachten Schicht, erzeugt, sondern durch eine Brechungsindexvariation und/ oder eine Variation der geometrischen Dicke, d. h. des optischen Weges im transparenten Substrat. Eine periodische Variation des optischen Weges (Brechungsindex × Substratdicke) wird erzeugt durch folgende Methoden:

• - eine geometrische Änderung der Substratdicke, z. B. durch Aufbringung von seitlichen Kräften an einem verformbaren Substrat, z. B. durch mittels Pie­ zoschwingern hervorgerufenen longitudinalen Dichteänderungen,
• - eine Änderung des Brechungsindex, z. B. durch die Verwendung von Substratmaterialien, die beim Anlegen äuße­ rer elektrischer Felder ihre innere Struktur und damit ihren makroskopischen Brechungsindex verändern, wie dies z. B. bei elektroreologischen Flüssigkeiten der Fall ist,
• - durch Erzeugung von akusto-optischen Wellen in geeigneten Medien,
• - durch eine Einstrahlung in einem Winkelbereich, der zu unterschiedlichen Ausbreitungswegen im Substrat führt, z. B. mittels konvergenter Einstrahlung.

In vorteilhafter Weise wird die Modulation des optischen Weges mit einem gebündelten Lichtstrahl zu Erhöhung der lokalen Auflösung detektiert. In einfacher Weise können die senderseitigen Lichtstrahlen als Laserstrahlen ausbildet sein. Es ist ferner vorteilhaft, die Lichteinstrahlung auf das modulierende Substrat unter flachem Winkel durchzuführen, um eine möglichst hohe Empfindlichkeit bezüglich der Kurvenform zu erhalten. Die Kurven­ form des periodischen Signales hängt sehr empfindlich von der Belegung des Substrats mit der biochemischen Schicht und der in der Schicht durch biochemischen Prozesse hervor­ gerufenen Veränderungen ab.

Das Prinzip der Kurvenformerfassung wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und durch die erfindungsgemäße Vorrichtung in der Weise effektiv ausgenützt, indem infolge des sinusförmigen Verlaufes des Interferenzsignales die Abstände der ansteigenden beziehungs­ weise abfallenden Flanken an den Stellen mit halber Maximal- Amplitude erfaßt werden; d. h., es wird ein Abstandsverhältnis erfaßt. Gleiche Abstände bedeuten einen reinen Sinus­ verlauf, während eine Kurvenformveränderung diese Abstände verschiebt. Auch andere Kurvenform-Erfassungsmethoden wie

• - Fourier-Analyse
• - Korrelationsanalyse
• - Wavelet-Transformation,
• - Krümmungsanalyse
• - Wendepunktbestimmung durch zweifache Ableitung
  werden herangezogen.

Bei flachem Einstrahlwinkel ist das vorerläuterte Abstandsverhältnis eine empfindliche Funktion der Brechungsindexverhältnisse an beiden Grenzflächen (Übergang Umgebungs- Substrat bzw. Übergang Substrat-Umgebung). Werden nun die Umgebungsbedingungen an einer Substratfläche konstant gehalten, so lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Bedingungen an der anderen Substratoberfläche mit hoher Auflösung meßtechnisch erfassen. Das Signal wird weiterverarbeitet und kann beispielsweise als Monitorsignal für einen biochemischen Prozeß herangezogen werden.

Es ist vorteilhaft, eine Mittelung über mehrere Periodendauern durchzuführen, so daß eine Modulation des optischen Weges über entsprechend große Werte vorgesehen wird. Ferner ist es vorteilhaft, den primärseitigen Lichtstrahl mit hoher Frequenz zu modulieren, um unerwünschte Gleichlichtstörungen herauszufiltern. Durch eine frei vorgebbare Wahl der primärseitigen optischen Dichteunterschiede (Medium 0-Medium 1) läßt sich ein großer Meßbereich bezüglich der Dichteunterschiede zwischen Medium 1 (Substrat) und dem Meßobjekt (Medium 2) erreichen.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den beiliegenden Unteransprüchen. Nachstehend wird die Erfindung anhand ihrer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1a, 1b Prinzipskizzen einer Ausführungsform der interferometrischen Meß­ vorrichtung der Erfindung, bestehend aus einem Substrat 1, einer Lichtquelle 2 und einem Detektor 4 mit PIN-Diode, mit den Optiken 3 und 5b, der Modulationsansteuerung 15, wobei die optischen Strahlen­ gänge 5, 6 und 7 aufgespannt werden;

Fig. 2a, 2b, 2c Simulationen der Signalverläufe 21, die in Fig. 1 bei unterschiedlicher Zusammensetzung der Meßobjekte nach Tabelle 1 entstehen mit dem durch den Quotienten aus den Strecken 22 und 23 definiertem Ab­ standsverhältnis;

Fig. 3 eine Ausführungsform des Sensorkopfes bestehend aus dem Substrat 1 welches mit der durch die Modulationsansteuerung 15 angesteuerten Modulationseinheit 16 moduliert wird; der auf der einen Grenzfläche 20 aufgebrachten biochemischen Schicht 17, während die andere Grenzfläche 19 unbelegt bleibt; der Lichtquelle 2, die optische Strahlung über den primärseiti­ gen Strahlengang 5 und den sekundärseitigen Strahlengang 7 auf den Detektor 4 sendet; die Brechungsindizies 10, 11 wer­ den entsprechend Tabelle 1 zur Messung eingestellt;

Fig. 4 den Aufbau einer Ausführungsform mit Substrat 1, biochemischer Schicht 17 im Blockbild mit einer Modulationsansteuerung 15, der Modulationseinheit 16, der Lichtquelle 2, dem Detektor 4, dem Oszil­ lator 24 und der Datenauswerteeinheit 18, die mit phasenempfindlicher Detektion, integrierten Effektivbildnern und Tranzmittanzverstärkern ausgestattet ist.

Im folgenden bezeichnen die Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Teile wie unter Bezugnah­ me auf Fig. 1 beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung zur Erzeugung von Interferenz, bestehend aus einem Dreiphasensystem. Die drei Medien mit unterschiedli­ chen Brechungsindizes 10, 11 und 12 (n₀, n₁ und n₂) besitzen zueinander die beiden Grenz­ flächen 19 und 20. Besteht beiderseits der Grenzflächen ein unterschiedlicher Brechungs­ index, so tritt für einen einfallenden Lichtstrahl 5 eine teilweise Brechung 8 und eine Reflexion 6 auf. Durch die Überlagerung der Strahlen 8 in Medium 11 mit den Strahlen 6 beziehungsweise 7 können entsprechend der Differenz der optischen Wege konstruktive oder destruktive Interferenzen auftreten. Wird das transmittierte oder reflektierte Licht mittels einer Optik 3 auf einen Detektor 4 abgebildet, so lassen sich diese Intensitäten in elektrische Signale umwandeln. Während sich bei statischen Verhältnissen ein fester Intensitätswert einstellt, ergibt sich bei einer Variation des Brechungsindex und/oder der Dicke 9 (d) eine periodische Struktur der detektierten Signalverläufe 21 mit der Intensität I(d) und den Daten nach Fig. 2b gemäß folgender Zusammenhänge:

Fig. 2 zeigt diese periodischen Signalverläufe 21 für drei verschieden Brechungsindex­ verhältnisse. Hierzu sei angemerkt, daß sich eine ähnliche periodische Struktur auch durch eine Variation eines der beiden Medien 10 oder 12 erzeugen läßt. Auf diesem Prinzip beruht die herkömmliche Dünnschichtinterferometrie zur Messung von dynamisch aufwachsenden Schichten des Mediums 10 oder 12. Im vorliegenden Fall wird von konstanten Medien 10 und 12 ausgegangen, so daß zur Erreichung der periodischen Struktur erfindungsgemäß die optische Dicke des Mediums 11 variert wird. Dies hat den Vorteil, daß auch statische Prozesse an den Grenzschichten über eine Signalformänderung, definiert z. B. durch das Abstandsverhältnis der Länge 22 zur Länge 23, detektierbar werden.

Bei dem beschriebenen Auswerteverfahren, welches nur ein Abstandsverhältnis der Länge 22 zur Länge 23 berücksichtigen muß, wird in vorteilhafter Weise eine Unabhängigkeit von der Signalamplitude erreicht. Dies erleichtert die Justage des Gesamtsystems. Die Gesamt­ amplitude muß bei der Signalerfassung nicht bekannt sein.

Maximale Empfindlichkeit ergibt sich in vorteilhafter Weise, wenn gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung der Einfallswinkel 5a und damit auch der Austrittswinkel 14 über die Sendeoptik 5b möglichst groß ist, d. h. ein möglichst flacher Einfall auf die Oberfläche des Substrats 1 erzielt wird. Der innere Winkel 13 wird durch die Brechungs­ indexverhältnisse festgelegt.

Fig; 2a, 2b, 2c zeigen die Simulationsergebnisse, die mit den bezeichneten Winkeln und Brechungsindizes erreicht wurden. Für die beiden exemplarischen Fälle gelten folgende An­ gaben:

Tabelle 1

Zur Modulation des optischen Weges im Substrat 1 dient gemäß Fig. 3 eine Modulationsein­ heit 16, angesteuert mit der Modulationsansteuerung 15. Die Modulationseinheit 16 wird so eingestellt, daß stets mehrere Perioden des Signals gleichzeitig durchschrieben werden, so daß eine Mittelwertbildung möglich ist.

Die Modulationseinheit 16 wird z. B. vorteilhaft durch einen Piezo-Schwinger ausgeführt, der longtudinale Dichtewellen im Substrat hervorruft. Weiterhin werden Modulationen durch mechanische Wegänderung von verformbaren Medien erreicht. Ebenso können Medien, die Brechungsindexschwankungen durch ein äußeres elektrisches Feld vollziehen, vorteilhaft eingesetzt werden. Ein Beispiel für ein solches Medium stellen die transparenten, elek­ trorheologischen Flüssigkeiten dar.

Fig. 4 zeigt schließlich ein Blockbild der Gesamtanordnung, wobei mittels des zentralen Oszillators 24 sowohl die Modulation der Lichtquelle 2 als auch die Synchronisation der Datenverarbeitungseinheit 18 und der Modulationsansteuerung 15 realisiert wird. Die Daten­ verarbeitungseinheit 18 dient der Auswertung, der Weiterverarbeitung und der Anzeige des Meßsignals sowie zur Steuerung der Modulationseinheit 16 über den Oszillator 24 und die Modulationsansteuerung (15).

Das Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Meßsystems, der Vorrichtung und des Verfahrens bezieht sich auf die chemische und/oder biochemische Sensorik, einer Schlüssel­ technologie, bei der aufzeichnende Prozeß-Vorgänge mittels des beschriebenen optischen Transducers mit hoher Empfindlichkeit in elektrische Signale umgesetzt werden. Insbesonde­ re kann das Meßsystem bei Meßerfordernissen angewendet werden, die konventionellen biochemischen Sensoren nicht zugänglich sind. Beispielsweise kann das erfindungsgemäße Meßsystem eingesetzt werden zur:

• - optischen Erfassung langsam ablaufender biochemischer Prozesse in einer dünnen Schicht;
• - Echtzeitüberwachung von Schadstoffen in Gewässern
• - Gasanlyse in der Umweltkontrolle;
• - Patientenüberwachung in der Medizintechnik.
• - Raumluftüberwachung,
• - Kontrolle von Wasser in Hydrauliköl,
• - Zusammensetzung von Farbstoffen,
• - Durchflußmessung,
• - Füllstandsanzeige.

Claims (26)

1. Verfahren zur Bestimmung der lokalen Eigenschaften einer oder mehrerer Schichten auf einem Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Weg eines oder mehrerer optischer Strahlen in einem Substrat (1) periodisch moduliert wird und daß einer oder mehrere aufgespaltene optische Strahlen in einem Detektor (4) vereinigt werden und zur Interferenz bringbar sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrisch ansteuer­ bare Modulationseinheit den optischen Weg zwischen den beiden Grenzschichten des Substrats gezielt verändert.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswerteeinheit die infolge der optischen Interferenz erzeugten periodischen Signalverläufe (21) aus­ wertet.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine optische Weg­ änderung im Substrat durch eine geometrische Änderung der Substratdicke hervor­ gerufen wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine opti­ sche Wegänderung im Substrat durch eine Änderung des Brechungsindex des Sub­ strats (1) oder des Mediums (10) hervorgerufen wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine optische Wegänderung im Substrat durch Erzeugung von akusto-optischen Wellen hervorgerufen wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aus­ wertung der Signalverläufe die Kurvenformerfassungsmethoden Fourier-Analyse, Korrelationsanalyse, Wavelet-Transformation, Krümmungsanalyse und Wendepunkt­ bestimmung eingesetzt werden.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Modula­ tionseinheit (16) über die Datenauswerteeinheit (18) und die Modulationsansteuerung (15) derart angesteuert wird, daß sich eine maximale Sensorempfindlichkeit ergibt.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß einer oder mehrere optische Strahlen zur Erhöhung der Empfindlichkeit des Meßsystems unter einem flachen Winkel (5a) auf das Substrat einstrahlen.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhö­ hung der lokalen Auflösung eine Fokussierung der optischen Strahlung vorgesehen ist.

11. Vorrichtung zur Bestimmung von lokalen Eigenschaften von Schichten, gekenn­ zeichnet durch die folgenden Merkmale:

• - eine optisch modulierbares Substrat (1) mit einer Grenzfläche (20), auf der die chemisch und/oder biologisch sensitive Schicht (17) aufgebracht ist;
• - eine Sendeeinheit (2) mit einem oder mehreren Strahlensendern; und Sendoptik (5b)
• - eine Modulationseinheit (16) zur Modulation des optisch modulierbaren Substrats (1);
• - einen oder mehrere selektive Empfänger (4) zur Aufnahme der Interferenz­ strahlung;
• - eine optische Einheit (3) mit Empfangseinheit (4) zur Erfassung der vom Substrat (1) transmittierten oder reflektierten Strahlung;
• - eine Datenauswerteeinheit (18) zur Auswertung, Weiterverarbeitung und Anzeige des Meßsignales sowie zur Steuerung der Modulationseinheit (16) über den Oszillator (24) und die Modulationsansteuerung (15).

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) mit der Schicht (17) und der Umgebung (10) die optischen Grenzflächen (19) und (20) bildet.

13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zu messende chemische und/oder biologische Schicht (17) an einer der Grenzflächen (19, 20) Brechungsindexunterschiede hervorruft, die sich in der Signalform des detektierten Interferenzsignales zeigen.

14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß an der Grenzfläche (19) ein optischer Strahl (5) unter möglichst flachem Einfallswinkel (5a) eingekoppelt wird.

15. Vorrichtung nach den Ansprüchen 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsansteuerung (15) eine Modulation des optischen Weges im Substrat (1) mit variablen Frequenzen und/oder Kurvenformen zuläßt.

16. Vorrichtung nach den Ansprüchen 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (18) eine Kurvenformanalyse durchführt, die eine Bestimmung der Brechnungsindexunterschiede an der Grenzfläche (20) ermöglicht.

17. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Sendestrahlen (5) amplitudenmoduliert sind.

18. Verfahren nach dem Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine phasen­ empfindlich Detektion mittels Lock-In-Technik in der Datenauswerteeinheit (18) auch Signale mit hohem Rauschanteil auswertbar macht.

19. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß empfangs­ seitig ein integrierter Effektivbildner die Gewinnung eines Gleichsignals bewirkt.

20. Vorrichtung nach den Ansprüchen 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß in der Empfangseinheit 4 eine rauscharme PIN-Diode als Lichtdetektor Verwendung findet.

21. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in der Datenauswerteeinheit 18 zur Signalformerkennung die Wavelet-Transformation eingesetzt wird.

22. Vorrichtung nach den Ansprüchen 11 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Senderoptik (5b) ein Strahlteilerarray zur flächenhaften Ausleuchtung des Meßberei­ ches umfaßt.

23. Vorrichtung nach den Ansprüchen 11 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- und Auskoppelung der Strahlen (5) und (7) durch einen Lichtwellenleiter erfolgt.

24. Vorrichtung nach den Ansprüchen 11 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß ein in die Datenauswerteeinheit (18) integrierter Transmittanzverstärker eine an die Größe des Eingangssignales angepaßte Verstärkung bewirkt.

25. Vorrichtung nach den Ansprüchen 11 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßsystem-Aufbau einen variabel gehalterten Substratträger umfaßt, der einen schnellen Austausch der mit verschiedenen chemisch und/oder biochemisch sensitiven Schichten (17) versehenen Substrate (1) ermöglicht.

26. Vorrichtung nach den Ansprüchen 11-25, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat 1 als optischer Wellenleiter ausgebildet ist.