Mikroskop in Fingernagelgrösse

Einem Team von Forschern an der ETH Zürich rund um Professor Andreas Hierlemann vom Institut für Quantenelektronik ist es gelungen, ein sogenanntes Atomkraftmikroskop auf einem CMOS-Mikrochip zu realisieren. Das winzige Gerät enthält neben mehreren mechanischen Messkomponenten auch die komplette Elektronik zur Signalverarbeitung und kann zur Messung von kleinsten Abständen und Kräfteunterschieden verwendet werden.
Aktuelle Atomkraftmikro-
skope, die beispielsweise für die Messung der Kräfte bei der Streckung von DNS-Strängen eingesetzt werden, verfügen über mehrere Nachteile. So sind sie meist unhandlich und verfügen wegen des seriellen statt parallelen Scanvorgangs nur über einen geringen Datendurchsatz, was die Messzeit verlängert, die durch die permanente Nachjustierung der Geräte noch weiter ausgedehnt wird. Professor Hierlemann und seinem Team ist es nun gelungen, einen Prototyp eines Atomkraftmikroskops zu bauen, der von mehreren dieser Schwächen befreit wurde.

Das vier aktive Hebelarme (mechanische Messkomponenten) enthaltende Atomkraftmikroskop wurde zusammen mit der benötigten Elektronik auf einem 7x10 Millimeter grossen CMOS-Chip integriert. Der Aufbau des Chips lässt sich in zwei Bereiche unterteilen: einen digitalen und einen analogen. Der digitale Bereich besteht aus einer Kontrollelektronik, Signalprozessoren und einer seriellen Schnittstelle. Der analoge Block enthält die Hebelarme, einen Filter, einen Verstärker und einen Analog-Digital-Wandler.

Die Hebelarme, die aus je einer Schicht Silizium und Aluminium bestehen, werden mit Hilfe eines Heizwiderstands kontrolliert, der eine ganz genaue Steuerung und Messung ihrer Krümmung ermöglicht. Anhand der Krümmung ist es möglich, die Oberfläche einer Probe abzutasten und ein topographisches Bild zu erstellen, indem man misst, wie viel Spannung auf den Hebelarm ausgeübt werden muss, damit dieser einen bestimmten Druck auf ein Stück der Probe ausübt. Das Messgerät kann damit Höhenunterschiede von weniger als einem Nanometer und Kraftunterschiede von weniger als einem Nanonewton erkennen. Der Signalprozessor kann bis zu 16 Millionen Rechenoperationen pro Sekunde ausführen, wobei das Chip-Mikroskop komplett autonom arbeitet. Computer werden nur noch zur Datenspeicherung benötigt.