Die Projektausschreibung benennt deutlich das Fehlen von Untersuchungen der Interaktion zwischen (biologischen) Zellen und elektromagnetischen Wellen, da die bislang verfügbaren Versuchsanordnungen keine ausreichende Nachvollziehbarkeit ermöglichen. Die Herausforderungen der vorgeschlagenen Lösung sind:

1. Millimeterwellen- oder Terahertz-Signale sind nicht einfach verfügbar, sondern werden bislang eher mittels kostenintensiven III-V-Verbundhalbleitertechnologien erzeugt, wodurch Untersuchungsstrecken jeweils nur in geringer Stückzahl verfügbar sind.

In THz-LoC wird die weltweit schnellste BiCMOS-Technologie zur Erzeugung und Detektion von Terahertzsignalen genutzt. Diese BiCMOS-Technologie ist relativ kostengünstig und ermöglicht die Produktion und Verfügbarkeit hoher Stückzahlen.

2. Sensorik bei Frequenzen im Millimeterwellen- oder THz-Bereich bedarf einer engen Kopplung zwischen Signalquelle und Flüssigkeitskanal.

In THz-LoC werden die Technologien BiCMOS und Mikrofluidik kombiniert, wodurch einzigartige Möglichkeiten entstehen. So wird zwischen Flüssigkeit und IC-Sensor ein engstmöglicher Abstand realisiert und durch Minimierung der Gesamtsystemgröße werden unerwünschte Effekte eliminiert.

3. Die Analyse spezifischer Flüssigkeiten bei Terahertzfrequenzen offenbart umfangreiche Informationen, jedoch beschränken sich die Untersuchungen bislang auf die Gesamtflüssigkeit statt auf Einzel-Zell-Ebene. Für die Analyse von Einzelzellen ist bislang keine Lösung verfügbar. Gerade diese Aufgabe ist extrem anspruchsvoll, da sich die Zellgröße zwischen wenigen Mikrometern und einigen Dutzend Mikrometern bewegt und die Analyse dennoch in kontrollierter Weise stattfinden muss.

In THz-LoC wird eine Analyse auf Einzel-Zell-Ebene vorgeschlagen. Zellen mit einem mittleren Durchmesser von 10-20 Mikrometern werden festgehalten und analysiert.

4. Wenngleich die Erzeugung von Terahertzsignalen und die Messung unterschiedlicher Proben in der Literatur beschrieben wurde, konnten diese Messungen nur relativ umständlich und mit teurem Messequipment erreicht werden.

In THz-LoC wird eine in BiCMOS vollintegrierte On-Chip-Netzwerkanalyse vorgeschlagen. Letztere ermöglicht die Analyse der Terahertzsignale auf dem Chip, wodurch eine hohe Genauigkeit erreicht wird. Wegen der bei diesen Frequenzen auftretenden hohen Dämpfung ist eine direkte Analyse des Signals auf dem Chip die beste und einzige Lösung.

5. In den letzten Jahren wurden viele Charakterisierungen von Flüssigkeiten mittels Hochfrequenz oder Millimeterwellen durchgeführt. Der Durchbruch wird jedoch für die Analyse mittels THz- und mmW-Signalen auf Einzel-Zell-Ebene erwartet, wobei bislang keine Lösungen verfügbar sind.

In THz-LoC wird ein neuartiger Terahertzsensor mit Elektroden zum Festhalten von Einzel-Zellen mittels niederfrequenten Signalen vorgeschlagen, während ein weiteres Elektrodenpaar die festgehaltene Zelle analysiert.

Das Projektziel kann zusammenfassend als Entwicklung einer Technologieplattform für Mikrowellen- und Terahertzsensorik unter Nutzung einer herkömmlichen BiCMOS-Tecnologie beschrieben werden. Die Zielanwendung ist die Analyse auf Einzel-Zell-Ebene. Die Machbarkeit und Funktionsdemonstration unterschiedlicher Subkomponenten des Mikrofluidiksystems zur Terahertzsensorik werden ebenfalls adressiert. Abbildung 13 veranschaulicht die Hauptziele des Projektes THz-LoC.

Projektziel ist die erstmalige Demonstration einer vollintegrierten ultrabreitbandigen Mikrofluidik-Plattform mit Terahertz-Spektroskopie-Sensoren für innovative Lab-On-Chip-Anwendungen. Die Zielplattform wird innerhalb einer einzelnen State-of-the-Art SiGe-BiCMOS-Technologie realisiert, die auch für eine Massenproduktion zur Verfügung steht. Diese IC-Technologie ermöglicht die Verknüpfung neuartiger Mikrofluidik-Kanalintegration in der Back-End-of-Line-Technologie (BEOL) mit komplexen integrierten THz-Schaltungen (z.B. zur Einspeisung in einen Vektor-Netzwerk-Analysator im Bereich 240-500 GHz) in der herkömmlichen Front-End-of-Line-Technologie. Der angestrebte Demonstrator wird die Untersuchung der Interaktion zwischen biologischen Zellen und elektromagnetischen Wellen ermöglichen, wobei durch integrierte „Fangelektroden“ sogar einzelne Zellen untersucht werden können.

D. Wang, K.Schmalz, M.H. Eissa, J. Borngraber, M. Kucharski, M. Elkhouly, F.I. Jamal, M. Ko, H.J. Ng, D. Kissinger, “Integrated 240 GHz Dielectric Sensor With DC Readout Circuit in THz Lab-on-Chip Measurements“. IEEE MTT-S Int. Microw. Symp, Honolulu, HI, USA, June, 2017.

D. Wang, K.Schmalz, M.H. Eissa, J. Borngraber, M. Kucharski, M. Elkhouly, F.I. Jamal, M. Ko, H.J. Ng, D. Kissinger, “Integrated 240 GHz Dielectric Sensor with DC Readout Circuit in a 130-nm SiGe BiCMOS Technology“. IEEE Trans. Microw. Theory-submitted.

M. Inac, M. Wietstruck, A. Göritz, B. Cetindogan, C. Baristiran-Kaynak, S. Marschmeyer, M. Fraschke, T. Voss, A. Mai, C. Palego, A. Pothier, M. Kaynak, “BiCMOS Integrated Microfluidic Packaging by Wafer Bonding for Lab-on-Chip Applications” IEEE 67th ECTC, Orlando, FL, USA, June, 2017

M. Inac, M. Wietstruck, A. Göritz, B. Cetindogan, C. Baristiran-Kaynak, M. Lisker, A. Krüger, A. Trusch, U. Saarow, P. Heinrich, T. Voss, M. Kaynak, “Oxide Surface Roughness Optimization of BiCMOS BEOL Wafers for 200 mm Wafer Level Microfluidic Packaging Based on Fusion Bonding”, IEEE 19th EPTC, Singapore, Singapore, December 2017 – Submitted

M. Inac, M. Wietstruck, A. Göritz, B. Cetindogan, C. Baristiran-Kaynak, S. Marschmeyer, M. Fraschke, T. Voss, A. Mai, C. Palego, A. Pothier, M. Kaynak “BiCMOS Embedded Microfluidic Technology Based on Wafer Bonding Techniques for Biosensor Applications” MST Kongress 2017, Munich, Germany, October 2017 – Accepted