DE102005027245A1

DE102005027245A1 - Schaltkreisanordnung

Info

Publication number: DE102005027245A1
Application number: DE102005027245A
Authority: DE
Inventors: Christian Paulus; Roland Dr. Thewes
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-06-13
Filing date: 2005-06-13
Publication date: 2006-12-21
Also published as: US20060289726A1

Abstract

Es wird eine Schaltkreisanordnung und eine monolithisch integrierte Sensoranordnung mit einem Substrat, mindestens einem auf und/oder in dem Substrat angeordnetem Sensorarray und mit mindestens einer auf und/oder in dem Substrat integrierten Betriebsschaltung zum Ansteuern des mindestens einen Sensorarrays bereitgestellt, wobei die Betriebsschaltung und das Sensorarray örtlich voneinander getrennt angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltkreisanordnung.
Mit elektrochemischen Analyseverfahren können Stoffe aufgrund bestimmter physikalischer Eigenschaften unter Ausnutzung des elektrischen Stromes sowohl qualitativ als auch quantitativ bestimmt werden. Von besonderer Bedeutung sind elektrochemische Analyseverfahren bei denen Elektrodenreaktionen eine Rolle spielen.
Gemeinsam mit optischen Verfahren sind derartige elektrochemische Analyseverfahren zur analytischen Bestimmung von chemischen und biochemischen Substanzen durch eine hohe Empfindlichkeit sowie eine hohe Selektivität gekennzeichnet. Während jedoch bei optischen Analyseverfahren aufwendige, teuere und empfindliche optische und optoelektronische Geräte notwendig sind, kommen elektrochemische Analyseverfahren mit vergleichsweise einfachen Elektrodenvorrichtungen aus. Ein entscheidender Vorteil elektrochemischer Analyseverfahren ist das direkte Vorliegen des Messergebnisses als elektrisches Signal. Dieses kann nach einer Analog-Digital-Wandlung direkt von einem Computer, vorzugsweise von einem Personalcomputer, weiterverarbeitet werden.
Elektrochemische Analyseverfahren eignen sich zur qualitativen wie quantitativen Messung von Stoffkonzentrationen in einer Elektrolytlösung. Jeder Stoff weist eine für ihn charakteristische Oxydationsspannung bzw. Reduktionsspannung auf. Anhand dieser Spannungen kann zwischen verschiedenen Stoffen unterschieden werden. Ferner kann aufgrund des während einer Reaktion geflossenen elektrischen Stromes auf die Konzentration eines vorliegenden Stoffes geschlossen werden.
Bei der Voltammetrie wird an die Arbeits-Elektrode eine veränderliche Spannung angelegt und der bei einer Oxydation oder Reduktion fließende Strom gemessen. Im Spezialfall der Cyclovoltammetrie wird ein bestimmter Spannungsbereich wiederholt derart überstrichen, dass die Inhaltsstoffe des Elektrolyten mehrmals hintereinander oxydiert und reduziert werden.
Bei der Chronoamperometrie wird an die Arbeits-Elektrode sprunghaft eine definierte Spannung angelegt und der fließende Strom über die Zeit aufgezeichnet. Diese Meßmethode erlaubt die Analyse eines bestimmten Stoffes durch die gezielte Oxydation oder Reduktion dieses Stoffes. Der geflossene Strom ist ein Maß für die je Zeiteinheit umgesetzte Stoffmenge und lässt Rückschlüsse auf die Konzentration des Stoffs und auf die Diffusionskonstante zu.
Die Chronocoulometrie entspricht in den elektrischen Randbedingungen der Chronoamperometrie. Im Unterschied dazu wird jedoch nicht der geflossene elektrische Strom, sondern die insgesamt geflossene elektrische Ladung aufgezeichnet.
In der Ausgestaltung als Sensoren können Elektrodenvorrichtungen in verschiedenen elektrochemischen Analyseverfahren eingesetzt werden. Entscheidend ist lediglich, dass beim Sensorereignis elektrochemisch auswertbare Stoffe erzeugt werden. Bei Sensoren zur Detektion von Biomolekülen bedient man sich beispielsweise eines Markierungsverfahrens, das im Falle eines Sensorereignisses elektrochemisch aktive Stoffe bereitstellt. Die Erzeugung elektrochemische auswertbarer Stoffe kann sowohl direkt durch ein Sensorereignis als auch indirekt durch einen mehrstufigen Prozeß erfolgen.
Um zudem Elektrodenarrays bzw. Sensorarrays zu realisieren, die beispielsweise 100 oder mehr Einzelsensoren aufweisen, sind Schaltfunktionen auf dem Substrat vorteilhaft, welche die Einzelsensoren auf gemeinsame Anschlussleitungen multiplexen. Ist das Substrat ein Halbleitermaterial, wie beispielsweise Silizium, können die notwendigen Schalter durch Transistoren realisiert werden. Aufgrund der dadurch erreichbaren Parallelisierung der Tests wird die Analysezeit wesentlich verkürzt und auch die Durchführung komplexer Analysen möglich.
Da ein aktiver Siliziumchip als Substrat z.B. für einen DNA-Sensor vergleichsweise teuer ist, wird im allgemeinen eine möglichst hohe Packungsdichte der Einzelsensoren im Array angestrebt. Wegen der Packungsdichte der Sensoren und damit der Elektroden kann im Bereich des Sensorarrays unter Umständen keine Gegen-Elektrode realisiert werden. Die Gegen-Elektrode kann dann als externe Elektrode ausgeführt sein, die im Probenvolumen angeordnet und mit dem Sensorchip elektrisch verbunden ist. Die Ansteuerung dieser Elektrode kann von einem Potentiostaten übernommen werden. Wegen vergleichsweise langer Zuleitungen und dem aufwendigeren mechanischen Aufbau ist diese Vorgehensweise allerdings nachteilhaft. Sofern die damit verbundenen Nachteile vermieden werden sollen, bietet der Stand der Technik als Lösung lediglich an, dass die Gegen-Elektrode in der Peripherie des Arrays realisiert wird, was jedoch zusätzliche (teuere) Chipfläche erfordert.

Die aus dem Stand der Technik bekannten Sensorelemente, welche in einem Sensorarray angeordnet sind, werden gemäß dem Platzbedarf zur Unterbringung der Schaltungselemente zum Ansteuern der Sensorelemente ausgestaltet, wie es in [1] und [2] beschrieben ist. Das heißt, dass die Größe (Fläche) eines in einem Sensorarray enthaltenen Sensorelementes dem Platzbedarf der Schaltungselemente für dieses Sensorelement entspricht. Die Schaltungselemente umfassen dabei zumeist einen Operationsverstärker und gegebenenfalls einen Integrationskondensator für die Coulometrie. Ferner müssen weitere Schaltungen analoge Hilfssignale bereitstellen sowie digitale Steuerfunktionen übernehmen. Dies führt typischerweise zu quadratisch ausgestalteten Sensorelementen mit einer Kantenlänge von etwa 100–300 μm.

Der damit verbundene Nachteil ist insbesondere die geringe mögliche Packungsdichte der Einzelsensoren in einem Sensorarray, wobei jeweils ein Einzelsensor bzw. eine Sensorelektrode innerhalb eines Sensorelementes angeordnet ist. Dies führt beispielsweise bei einer Kantenlänge der Sensorelemente von 250 μm dazu, dass lediglich 16 Sensorelemente pro mm² Chipfläche realisiert werden können. Ferner ist es gewünscht eine große Anzahl von Einzelsensoren bzw. Sensorelementen in einem Sensorarray anzuordnen, beispielsweise größer als 100000, da in der Biotechnologie in einigen Anwendungen eine sehr große Anzahl von Tests bzw. Analysen durchgeführt werden müssen, was große Chipflächen bedingt und somit hohe Chipkosten zur Folge hat oder aufgrund der zur Verfügung stehenden maximalen Chipfläche an die Grenzen der Realisierungsmöglichkeiten stößt.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde mit einfachen Mitteln eine hochdichte Anordnung von Einzelsensoren in einem Sensorarray zu realisieren.

Die Aufgabe wird durch eine Schaltkreisanordnung und eine monolithisch integrierte Sensoranordnung gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst.

Es wird eine Schaltkreisanordnung bereitgestellt mit einem Substrat, einem Sensor/Aktor-Bereich auf und/oder in dem Substrat, wobei der Sensor-Bereich eine Mehrzahl von Sensorelementen und/oder eine Mehrzahl von Aktorelementen aufweist, sowie mit einem Betriebsschaltkreis-Bereich auf und/oder in dem Substrat, wobei der Betriebsschaltkreis-Bereich mindestens einen Adressdekoder zum Adressieren der Sensorelemente bzw. der Aktorelemente und mindestens einen Auswerteschaltkreis und/oder mindestens einen Treiberschaltkreis für die Sensorelemente bzw. die Aktorelemente aufweist. Der Betriebsschaltkreis-Bereich und der Sensor-Bereich sind örtlich getrennt voneinander angeordnet und die Sensorelemente bzw. die Aktorelemente des Sensor/Aktor-Bereiches sind elektrisch mit dem Betriebsschaltkreis-Bereich gekoppelt.

Anschaulich kann die Erfindung darin gesehen werden, dass mittels der erfindungsgemäßen Schaltkreisanordnung und Sensoranordnung ein hochdichtes Anordnen von Einzelsensoren (bzw. Einzelaktoren) bzw. Sensorelektroden für elektrochemische Signale möglich ist, da die Schaltung innerhalb eines Sensorelementes, auch als Pixel bezeichnet, auf die minimal notwendige Komplexität beschränkt wird. Ferner wird dies durch sequentielles Betreiben der Sensorelemente bzw. Aktorelemente durch Schaltungen ermöglicht, die an dem Rand des Sensor/Aktor-Arrays (anders ausgedrückt in dem Peripheriebereich des Substrats um den Sensor/Aktor-Bereich herum) angeordnet sind. Die Architektur der Erfindung weist anschaulich eine Ähnlichkeit mit der Architektur von Halbleiterspeichern auf, bei welchen die dicht beieinander angeordneten Speicherzellen mittels peripherer Leseverstärker ausgelesen und gesteuert werden.

Ein bedeutender Vorteil der Erfindung ist die hohe erreichbare Packungsdichte der Einzelsensoren bzw. Einzelaktoren, d.h. der Sensorelemente (Aktorelemente) bzw. Pixel in dem Sensor/Aktor-Array bzw. in der Sensor/Aktor-Matrix. Gemäß der Erfindung ist es beispielsweise somit möglich in einem 0,5 μm CMOS-Verfahren Einzelsensoren (Einzelaktoren) bzw. Sensorelektroden mit einer Kantenlänge von weniger als 10 μm zu realisieren, was die Packungsdichte gegenüber herkömmlichen Sensorelektroden mit einer Kantenlänge von 100 μm verhundertfacht. Ferner ist aber durch die dichte Anordnung der Sensorelemente eine Funktionalisierung der Sensoroberfläche der Einzelsensoren bzw. Sensorelektroden mittels herkömmlicher Druckverfahren, dem Spotting, nur bedingt möglich, da der Durchmesser der auf das Sensorarray bzw. auf die Sensormatrix abgesetzten Flüssigkeitströpfchen typischerweise nicht kleiner ist als 50 μm. Als Alternative zur Funktionalisierung mittels Druckverfahren können daher photolithographische Verfahren bzw. Techniken verwendet werden, wie beispielsweise Techniken der Firma Affymetrix, oder insbesondere auch elektrochemisch induzierte Aufbautechniken, wie beispielsweise von der Firma Combimatrix.

Mit anderen Worten ist gemäß der Erfindung eine Realisierung hochdichter Sensorarrays (Sensor-Bereiche) für elektrochemische Signale durch Auslagerung großer Teile der Betriebsschaltung der Sensorelemente in die Peripherie des Sensor/Aktor-Arrays bzw. der Sensor/Aktor-Matrix möglich.

Unter einer Betriebsschaltung ist beispielsweise eine Schaltkreisanordnung zur Detektion und Auswertung von Sensorsignalen oder auch zur Synthese, Immobilisierung oder Modifikation der auf den Einzelsensoren bzw. Sensorelektroden befindlichen sensoraktiven Schicht zu verstehen.

Anschaulich liegt der Erfindung eine Schaltkreisanordnung mit Pixelschaltungen mit geringer Komplexität und Chipfläche und peripheren Schaltungsteilen zum Betreiben der Pixel bzw. Sensorelemente zum Erfassen elektrochemischer Signale, und/oder Aktorelemente, beispielsweise zur Funktionalisierung der Elektrodenoberflächen der innerhalb jedes Sensorelementes bzw. Pixels angeordneten Sensorelektrode, zur Modifikation der Beschichtung der Sensorelektroden oder ferner zum Beeinflussen eines Sensorsignals nach einem Sensorereignis (Stringenz), zugrunde.

Mittels der Schaltungsanordnung wird der Platzbedarf für ein einzelnes Sensorelement bzw. Pixel auf einem Chip bedeutend reduziert. Mit anderen Worten werden nur die für das Ansteuern des in einem Sensorelement angeordneten Einzelsensors (bzw. Einzelaktors) bzw. Sensorelektroden notwendigen Schaltfunktionen, wie beispielsweise Schalter zum Aktivieren oder Deaktivieren des Einzelsensors (bzw. Einzelaktors) bzw. der Sensorelektrode, umliegend um die Einzelsensoren (bzw. Einzelaktors) bzw. die Sensorelektroden angeordnet. Das heißt, dass ein Sensorelement (bzw. Aktorelement) bzw. Pixel gemäß der Erfindung nur eine geringe Funktionalität aufweist, wie beispielsweise Schaltfunktionen, eine Vorverstärkung, Stromquellen etc. Ferner sind die Sensorelemente (bzw. Aktorelemente) bzw. Pixel mittels Signalen steuerbar, welche an eine Mehrzahl von ersten Leitungen und zweiten Leitungen anlegbar sind, mittels welcher ersten Leitungen und zweiten Leitungen ein analoges Messsignal, welches mit einem Sensorsignal in Beziehung steht, an eine oder mehrere dritte Leitungen angelegt werden kann. Die analogen Messsignale werden dann mit dem das Sensor/Aktor-Array umgebend angeordneten Teil der Betriebsschaltung gemessen und verarbeitet bzw. ausgewertet. Zusätzlich kann auch vorgesehen sein eine analoge Steuerung des Pixels bzw. Sensorelementes (bzw. Aktorelementes) durch periphere Schaltungen, beispielsweise zur Synthese von Fängermolekülen, wie beispielsweise von der Firma Combimatrix in ihren Produkten eingesetzt.

Anschaulich eignet sich die Erfindung besonders für Schaltkreisarchitekturen für monolithisch integrierte elektrochemische (Bio-) Sensorarrays, insbesondere Sensoren, die gemäß elektrochemischen Prinzipien der Voltammetrie oder Amperometrie oder Coulometrie ausgeführt werden. Die Größe, d.h. der Flächenbedarf der einzelnen Sensorelemente in der Sensormatrix wird gemäß dem Stand der Technik im Wesentlichen durch den Flächenbedarf der zum Betrieb der Sensorelektroden notwendigen Schaltkreise begrenzt. Wünschenswert sind jedoch möglichst kleine Sensorelemente bzw. Einzelsensoren, um eine möglichst große Anzahl von Einzelsensoren auf der Chipfläche unterzubringen. Dies wird mittels der Schaltkreisanordnung erreicht.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Betriebsschaltkreis-Bereich um den Sensor/Aktor-Bereich herum auf und/oder in dem Substrat angeordnet.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Schaltkreisanordnung eingerichtet als CMOS-Schaltkreisanordnung.

Die Sensorelemente können eingerichtet sein als Bio-Sensorelemente oder als Chemo-Sensorelemente. Ferner können die Sensorelemente eingerichtet sein als Bio-Aktorelemente oder als Chemo-Aktorelemente. Mithin kann die Schaltkreisanordnung als Biosensor-Schaltkreisanordnung oder als Chemosensor-Schaltkreisanordnung eingerichtet sein.

Ferner ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung der Auswerteschaltkreis zum Auswerten mindestens eines Sensorereignisses eines von mindestens einem der Sensorelemente erfassten Sensorereignisses eingerichtet.

Ferner kann der Auswerteschaltkreis mindestens eine der folgenden elektrischen Komponenten aufweisen:

• mindestens eine Spannungsquelle, und/oder
• mindestens eine Stromquelle, und/oder
• mindestens eine Verstärkereinheit, und/oder
• mindestens eine Schaltereinheit, und/oder
• mindestens eine Ladungsspeichervorrichtung.

Diese elektrischen Komponenten eignen sich besonders zum Anordnen in dem Randbereich der Schaltkreisanordnung und zum gemeinsamen Verwenden für mehrere oder alle Sensorelemente bzw. Aktorelemente des Sensor/Aktor-Bereichs.

Die Adressierungseinheit kann als ein Schieberegister, ein Latch oder ein Speicherelement ausgebildet sein.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine Gegenelektrode vorgesehen zum Einstellen des elektrischen Potentials eines auf die Schaltkreisanordnung aufzubringenden Elektrolyten.

Ferner kann eine Referenzelektrode vorgesehen sein zum Erfassen des Elektrolytpotentials und zum Ansteuern der Gegenelektrode derart, dass ein konstantes Elektrolytpotential bereitgestellt wird.

Die Sensorelemente und/oder Aktorelemente können matrixförmig in dem Sensor/Aktor-Bereich in Spalten und Zeilen angeordnet sein und mittels Spaltenleitungen und/oder mittels Zeilenleitungen mit elektronischen Komponenten des Betriebsschaltkreis-Bereichs elektrisch gekoppelt sein. Die Spaltenleitungen können dabei mit der Adressierungseinheit elektrisch gekoppelt sein und die Zeilenleitungen können elektrisch mit dem Auswerteschaltkreis gekoppelt sein.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist jeweils ein Sensorelement mittels mindestens einer Spaltenleitung mit der Adressierungseinheit und mittels mindestens einer Zeilenleitung mit dem Auswerteschalkreis elektrisch gekoppelt.

Bevorzugt können mehrere Sensorelemente und/oder mehrere Aktorelemente zu einer Gruppe zusammengefasst sein und jeweils das Sensorereignis jedes Sensorelementes in einer Gruppe von Sensorelementen kann zu einem Sensorereignis beitragen.

Ferner kann jedes Sensorelement und/oder jedes Aktorelement einzeln oder eine Gruppe von Sensorelementen angesteuert und ausgewertet werden.

Beispielsweise wird jedes Sensorelement und/oder jedes Aktorelement oder eine Gruppe von Sensorelementen bzw. Aktorelementen mittels einer Schaltereinheit aktiviert bzw. mit einer Spaltenleitung elektrisch gekoppelt.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind eine erste Adressierungseinheit und eine zweite Adressierungseinheit vorgesehen.

Die erste Adressierungseinheit kann mit den Spaltenleitungen elektrisch gekoppelt sein und die zweite Adressierungseinheit mit den Zeilenleitungen.

Ferner können ein erster Auswerteschaltkreis und ein zweiter Auswerteschaltkreis vorgesehen sein.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im weiteren näher erläutert.

Es zeigen

1 das Prinzip einer Sensoranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

2 eine Sensoranordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

3 eine Sensoranordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

4A ein Sensorelement gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

4B eine schaltungstechnische Umsetzung des Sensorelementes gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung,

4C eine andere schaltungstechnische Umsetzung des Sensorelementes gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung,

4D ein Sensorelement gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

5 ein Sensorelement gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung,

6 eine Sensoranordnung zur Coulometrie gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

7A eine Sensoranordnung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

7B eine Sensoranordnung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung

8A eine Sensoranordnung gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

8B eine Teilansicht der Sensoranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung aus 8A.

Im Folgenden wird zum Beschreiben einer Einheit zur Detektion eines Messsignals der Begriff "Sensor" verwendet und zum Beschreiben einer Einheit zur Manipulation einer Sensorelektrode oder ihrer Beschichtung (beispielsweise durch in-situ Synthese von Fängermolekülen durch elektrisch stimulierte Immobilisierung, oder durch andere elektrochemisch induzierte Änderungen in der Beschichtung vor oder nach dem Sensorereignis, wie beispielsweise der Stringenzbehandlung) der Begriff "Aktor".
Ferner bedeuten die Begriffe Sensorpixel, Sensorelement, Sensorelektrode, Sensorarray oder Sensormatrix keine Einschränkung der Funktionalität der erfindungsgemäßen Schaltkreisarchitektur und Sensoranordnung in Bezug auf Sensorik. Darüber hinaus kann gemäß der Erfindung in einem derartigen Sensorelement bzw. Sensorpixel und der zugehörigen Schaltkreisarchitektur Aktorik vorgesehen sein.
Da es sich gemäß diesen Ausführungsbeispielen der Erfindung um einen elektrochemischen Sensor/Aktor handelt, sind für alle im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele adäquate elektrochemische Randbedingungen vorausgesetzt.
Ferner ist zusätzlich zu den Sensorelektroden in der Sensormatrix zumindest eine weitere Elektrode auf dem Chip oder zumindest in dem Reaktionsvolumen vorgesehen, welche als Gegenelektrode fungiert. Gemäß der Erfindung wird mittels der Gegenelektrode das Potential des auf der Sensormatrix befindlichen Elektrolyten eingestellt.
Gemäß der Erfindung kann auf dem Chip oder in dem externen Reaktionsvolumen eine Referenzelektrode im elektrochemischen Sinne vorgesehen sein, mittels welcher das Elektrolytpotential gemessen wird, und welche die Gegenelektrode derart ansteuert, so dass ein konstantes Elektrolytpotential bereitgestellt bzw. gewährleistet wird.
Die Gegenelektrode wie auch die Referenzelektrode sind bevorzugt auf der Chipoberfläche angeordnet und/oder in den Chip monolithisch integriert. Der für die Gegenelektrode und die Referenzelektrode vorgesehene Potentiostatschaltkreis ist ebenfalls monolithisch in den Chip integriert.
Ferner sind die Leitungen zum Auslesen bzw. Erfassen eines Sensorereignisses und die Leitungen zur Funktionalisierung der Sensorelektrodenoberfläche Analog-Leitungen. Dies gilt für alle im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele.
Gemäß der Erfindung sind unter einem Sensorereignis oxidierbare und/oder reduzierbare Substanzen bzw. Partikel zu verstehen, welche bezogen auf die in dem Elektrolyten enthaltene Gesamtmenge an Substanzen in dem Elektrolyten enthalten sind, wobei dies für alle im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele gilt.
Ferner sind unter Aktorik beispielsweise das Erzeugen zeitlich veränderlicher Spannungssignale und/oder Ströme, wie beispielsweise Spannungssprünge oder Spannungs-Rampen, zur Modifikation oder Funktionalisierung der Elektrodenoberflächen der innerhalb jedes Sensorelementes bzw. Pixels angeordneten Sensorelektrode, zur Modifikation der Beschichtung der Sensorelektrode oder zum Beeinflussen eines Sensorsignals nach einem Sensorereignis (Stringenz) zu verstehen.
Gemäß dieser Beschreibung ist ferner unter einem Aktorbetrieb das Ansteuern der Sensorelektroden mittels eines Aktorschaltkreises und unter einem Sensorbetrieb das Auslesen der Sensorelektroden mittels eines Auswerteschaltkreises zu verstehen.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 1 das Prinzip der Sensoranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Die Sensoranordnung 100 weist Sensorelemente 101, eine erste Adressierungseinheit 102, einen ersten Auswerteschaltkreis 103, erste Spaltenleitungen 104_1...M und erste Zeilenleitungen 105_1...N auf. Zur Vereinfachung der Darstellung sind in 1 nur 15 Sensorelemente 101 gezeigt, wobei die erfindungsgemäße Sensoranordnung eine Vielzahl von in Spalten und Zeilen angeordnete Sensorelemente 101 aufweist. Die Sensorelemente 101 sind mittels der ersten Spaltenleitungen 104_1...M mit der ersten Adressierungseinheit 102 und mittels der ersten Zeilenleitungen 105_1...N mit dem ersten Auswerteschaltkreis 103 elektrisch gekoppelt. Ferner sind die Sensorelemente matrixförmig angeordnet.
Gemäß der Erfindung werden die an eine erste Spaltenleitung 104_1...M oder ersten Zeilenleitung 105_1...N angeschlossenen Sensorelemente 101, welche in der gleichen Spalte der Sensormatrix angeordnet sind, jeweils als Gruppe mittels der ersten Adressierungseinheit 102 über die ersten Spaltenleitungen 104_1...M aktiviert und mittels des ersten Auswerteschaltkreises 103 über die ersten Zeilenleitungen 105_1...N ausgelesen, wobei die ausgelesene Information ein Sensorereignis in Form einer elektrischen Spannung, eines elektrischen Stroms oder einer elektrischen Ladungsmenge repräsentiert.
Mit anderen Worten wird eine komplette Sensorelement-Spalte oder alternativ eine komplette Sensorelement-Zeile angesteuert bzw. aktiviert und anschließend mittels des ersten Auswerteschaltkreises 103 ausgelesen, wobei der erste Auswerteschaltkreis 103 ein Vielzahl elektronischer Komponenten, wie beispielsweise Verstärkereinheiten, Ladungsspeichervorrichtungen, Schaltereinheiten, Spannungsquellen, Stromquellen, etc. aufweist, um Sensorereignisse zu detektieren.
1 zeigt das Prinzip der Schaltkreisarchitektur und der Sensoranordnung gemäß der Erfindung, wobei die Sensorelemente 101 kleine Sensorpixel mit geringem Schaltungsumfang innerhalb des Pixels sind. Mit anderen Worten weist jedes Sensorelement 101 eine Minimal-Schaltfunktion auf. Das heißt, dass innerhalb eines Sensorelementes 101 ein Schaltkreis in Form von Schaltereinheiten zum Aktivieren und Deaktivieren der jeweiligen Elektrode in einem Sensorelement 101 integriert bzw. vorgesehen ist.
Jedes Sensorelement 101 wird mittels erster Spaltenleitungen 104_1...M und ersten Zeilenleitungen 105_1...N (entsprechend Word- und Bit-Lines bei Speicherprodukten), mittels eines sogenannten Funktionsblocks, der ersten Adressierungseinheit 102, adressiert und mit Schaltungskomponenten (entsprechen Leseverstärkern bei Speicherprodukten), d.h. mit dem ersten Auswerteschaltkreis 103 zum Erfassen eines Sensorereignisses am Rande der Sensorelement-Matrix elektrisch gekoppelt. Bevorzugt wird eine komplette Sensorelement-Spalte oder eine komplette Sensorelement-Zeile mit jeweils einer an jeder Spalte bzw. Zeile vorhandenen Betriebsschaltung elektrisch gekoppelt.
Ferner können die Leitungssymbole, d.h. die ersten Spaltenleitungen 104_1...M und die ersten Zeilenleitungen 105_1...N , auch als Bussymbole bzw. Bussystem verstanden werden. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die Sensorelemente 101 mit jeweils mehreren Leitungen, d.h. ersten Spaltenleitungen 104_1...M bzw. ersten Zeilenleitungen 105_1...N mit ihren benachbarten Sensorelementen 101 elektrisch gekoppelt sein können.
Anschaulich ist es durch Auslagerung großer Teile der Betriebsschaltung, d.h. durch Auslagerung der Adressierungseinheit und des Auswerteschaltkreises, erreicht, Sensorelemente mit einer Kantenlängen von 10–100 μm zu realisieren. Somit wird die Dichte, d.h. die Packungsdichte von Sensorelementen in der Sensoranordnung gemäß der Erfindung um einen Faktor 100 gegenüber dem Stand der Technik erhöht.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 2 eine Sensoranordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Die Sensoranordnung 200 weist die Sensorelemente 101, die erste Adressierungseinheit 102, die ersten Spaltenleitungen 104_1...N , die ersten Zeilenleitungen 105_1...M , eine zweite Adressierungseinheit 201, einen zweiten Auswerteschaltkreis 202, zweite Zeilenleitungen 203_1...P , einen ersten Knoten 204 und einen zweiten Knoten 205 auf. Die erste Adressierungseinheit 102 ist mit den ersten Spaltenleitungen 104_1...N und die zweite Adressierungseinheit 201 ist mit den Zeilenleitungen 105_1...M elektrisch gekoppelt. Die Sensorelemente 101 sind in jeder Zeile mittels zweiter Zeilenleitungen 203_1...P mit den benachbarten Sensorelementen 101 in der gleichen Zeile elektrisch gekoppelt. Ferner sind die Sensorelement-Zeilen mittels der Zeilenleitungen 105_1...M und mittels der Knoten 204, 205 elektrisch miteinander gekoppelt. Der zweite Auswerteschaltkreis 202 ist mit dem zweiten Knoten 205 elektrisch gekoppelt.
Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung dienen die zweiten Zeilenleitungen 203_1...P als weitere analoge Leitungen zur Auswahl einzelner Sensorelemente 101 innerhalb der Sensoranordnung bzw. der Sensormatrix, so dass nur einige wenige Sensorelemente 101 gleichzeitig mit peripheren Schaltungsteilen, d.h. dem Betriebsschaltkreis bzw. dem zweiten Auswerteschaltkreis 202 gekoppelt sind oder auch nur ein einziges Sensorelement 101 mit dem Auswerteschaltkreis 202 elektrisch gekoppelt ist.
Mit anderen Worten ist es somit möglich, gezielt einzelne Sensorelemente 101 mittels einer zweiten Zeilenleitung 203_1...P anzusteuern bzw. zu auszulesen, um ein Sensorereignis an diesem Sensorelement 101 zu detektieren bzw. mittels des zweiten Auswerteschaltkreises 202 zu erfassen.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 3 eine Sensoranordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Die Sensoranordnung 300 weist die Sensorelemente 101, eine dritte Adressierungseinheit 301, eine vierte Adressierungseinheit 302, einen dritten Auswerteschaltkreis 303, einen vierten Auswerteschaltkreis 304, einen ersten Sensorelement-Block 305, einen zweiten Sensorelement-Block 306, einen dritten Sensorelement-Block 307, einen vierten Sensorelement-Block 308, zweite Spaltenleitungen 309_1...R , dritte Spaltenleitungen 310_1...S , vierte Spaltenleitungen 311_1...T , fünfte Spaltenleitungen 312_1...U , dritte Zeilenleitungen 313_1...R , vierte Zeilenleitungen 314_1...S , fünfte Zeilenleitungen 315_1...T und sechste Zeilenleitungen 316_1...U auf, wobei der erste Sensorelement-Block 305 vier Sensorelemente 101, der zweite Sensorelement-Block 306 vier Sensorelemente 101, der dritte Sensorelement-Block 307 vier Sensorelemente 101 und der vierte Sensorelement-Block 308 vier Sensorelemente 101 aufweist. Zur Vereinfachung der Darstellung der 3 sind pro Sensorelement-Block 305, 306, 307 und 308 lediglich vier Sensorelemente 101 gezeigt. Gemäß der Erfindung können eine Vielzahl von Sensorelementen 101 in jedem Sensorelement-Block 305, 306, 307 und 308 angeordnet sein.
Ferner sind die Sensorelemente 101 in jedem der Sensorelement-Blöcke 305, 306, 307 und 308 bevorzugt matrixförmig, d.h. in Spalten und Zeilen, angeordnet. Die Sensorelemente 101 des ersten Sensorelement-Blocks 305 sind mittels der zweiten Spaltenleitungen 309_1...R mit der dritten Adressierungseinheit 301 und mittels der dritten Zeilenleitungen 313_1...V mit dem dritten Auswerteschaltkreis 303 elektrisch gekoppelt. Die Sensorelemente 101 des zweiten Sensorelement-Blocks 306 sind mittels der dritten Spaltenleitungen 310_1...S mit der dritten Adressierungseinheit 301 und mittels der vierten Zeilenleitungen 314_1...W mit dem vierten Auswerteschaltkreis 304 elektrisch gekoppelt. Die Sensorelemente 101 des dritten Sensorelement-Blocks 307 sind mittels der vierten Spaltenleitungen 311_1...T mit der vierten Adressierungseinheit 302 und mittels der fünften Zeilenleitungen 315_1...X mit dem dritten Auswerteschaltkreis 303 elektrisch gekoppelt. Die Sensorelemente 101 des vierten Sensorelement-Blocks 308 sind mittels der fünften Spaltenleitungen 312_1...U mit der vierten Adressierungseinheit 302 und mittels der sechsten Zeilenleitungen 316_1...Y mit dem vierten Auswerteschaltkreis 304 elektrisch gekoppelt. Ferner sind die Sensorelement-Blöcke 305, 306, 307, 308 nicht unmittelbar miteinander elektrisch gekoppelt, so dass immer vier Sensorelemente 101 in einem Sensorelement-Block 305, 306, 307, 308 zu einem Sensorereignis beitragen.
Wie bei Speicherprodukten kann gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgenutzt werden, dass die Sensoranordnung Betriebsschaltungen, d.h. Adressierungseinheiten und Auswerteschaltkreise, an allen vier Seiten der Sensormatrix aufweisen kann.
Mit anderen Worten ist es daher möglich die Sensormatrix in zwei oder mehr unabhängig voneinander betreibbare Sensorelement-Blöcke bzw. Teile aufzuteilen. Dadurch erhöht sich die Verarbeitungsgeschwindigkeit der Sensordaten und/oder Aktorsignale. Das heißt, dass durch eine Parallelisierung der Erfassung von Sensorereignissen eine Vielzahl von Sensordaten bzw. Sensorereignissen mittels der Auswerteschaltkreise gleichzeitig verarbeitet werden können.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 4A ein Sensorelement gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
Das Sensorelement 101 der Anordnung 400 weist, eine Sensorelektrode 401, eine erste Schaltereinheit 402 mit einem ersten Anschluss 402a, einem zweiten Anschluss 402b und einem dritten Anschluss 402c, eine erste Spaltenleitung 403, eine erste Zeilenleitung 404 und einen ersten Knoten 405 auf. Die Sensorelektrode ist elektrisch mit dem ersten Anschluss 402a der ersten Schaltereinheit 402 elektrisch gekoppelt. Die erste Spaltenleitung 403 ist mit dem zweiten Anschluss 402b der ersten Schaltereinheit 402 elektrisch gekoppelt. Die erste Zeilenleitung 404 ist mittels des ersten Knotens 405 mit dem dritten Anschluss 402c der ersten Schaltereinheit 402 elektrisch gekoppelt.
Gemäß der Erfindung ist die erste Schaltereinheit 402 mittels Signalen, welche mittels der ersten Spaltenleitung 403 übertragen werden, steuerbar. Das heißt, dass die erste Schaltereinheit 402 von einer Adressierungseinheit (in 4A nicht gezeigt), wie beispielsweise der Adressierungseinheit 102, gesteuert wird. Dadurch lässt sich die erste Schaltereinheit 402 derart steuern, dass die Sensorelektrode 401 mit der ersten Zeilenleitung 404 elektrisch gekoppelt ist oder nicht. Ist die Sensorelektrode 401 mittels der ersten Schaltereinheit 402 mit der ersten Zeilenleitung 404 elektrisch gekoppelt, so kann mittels eines an die erste Zeilenleitung 404 angeschlossenen Auswerteschaltkreises, wie beispielsweise dem Auswerteschaltkreis 103, ein Sensorereignis detektiert und ausgewertet oder die Oberfläche der Sensorelektrode in gewünschter Weise mittels Aktorik des Auswerteschaltkreises modifiziert bzw. beeinflusst werden.
Gemäß der in 4A gezeigten Schaltkreisarchitektur ist es möglich, jede Sensorelektrode einzeln anzusteuern, ohne dass andere benachbarte Sensorelektroden dafür aktiviert werden müssen, da jedes Sensorelement 101 bzw. Sensorpixel lediglich eine Schaltfunktion in der Form der ersten Schaltereinheit 402 aufweist, welche mittels der ersten Spaltenleitung 403 gesteuert wird, wobei die erste Schaltereinheit 402 die Sensorelektrode 401 elektrisch mit einer analogen Leitung, der ersten Zeilenleitung 404 koppelt. Die erste Zeilenleitung 404 ist am Rand der Sensormatrix mit zumindest einem Teil der Betriebsschaltung, d.h. mit einem Auswerteschaltkreis elektrisch gekoppelt, wobei der Auswerteschaltkreis derart eingerichtet sein kann, dass er die Sensorelektrode 401 geeignet ansteuert oder die Sensorelektrode 401 die Funktionalität eines Sensors erfüllt.
Mit anderen Worten ist der Auswerteschaltkreis, wie beispielsweise der Auswerteschaltkreis 103 derart eingerichtet, dass die Sensorelektrode 401 als ein Aktor fungiert. Das heißt, dass an die Sensorelektrode 401 geeignete Ströme oder Spannungen angelegt werden, um somit eine elektrochemische Umsetzung zu induzieren.
In einem Betriebsverfahren wird die Spaltenleitung einer Spalte von Sensorelementen auf ein "High-" Potential gesetzt, wodurch die Sensorelektrode aller Sensorelemente dieser Spalte mit der jeweiligen analogen Zeilenleitung elektrisch gekoppelt wird. Mittels des Auswerteschaltkreises am Rande der Sensormatrix ist es dann möglich, geeignete Spannungen oder Ströme an die jeweilige Sensorelektrode anzulegen, um dadurch eine elektrochemische Umsetzung zu induzieren, wobei somit die Sensorelektrode als Aktor fungiert. Ferner ist es auch möglich, mittels der peripheren Betriebsschaltung eine elektrochemische Detektion und Auswertung eines an der jeweiligen Sensorelektrode stattgefundenen Sensorereignisses durchzuführen, beispielsweise mittels eines coulometrischen Verfahrens, wobei somit die Sensorelektrode als Sensor fungiert.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 4B eine schaltungstechnische Umsetzung des Sensorelementes gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
Das Sensorelement 401 der Anordnung 410 weist die Sensorelektrode 401, die erste Spaltenleitung 403, die erste Zeilenleitung 404, einen ersten Transistor 411 mit einem Gate 412, einem ersten Source-/Drain-Anschluss 413, einem zweiten Source-/Drain-Anschluss 414, einen ersten Knoten 415 und einen zweiten Knoten 416 auf, wobei das Gate 412 des ersten Transistors 411 mittels des ersten Knotens 415 mit der ersten Spaltenleitung 403, der erste Source-/Drain-Anschluss 413 mit der Sensorelektrode 401 und der zweite Source-/Drain-Anschluss 414 mittels des zweiten Knotens 416 mit der ersten Zeilenleitung 404 elektrisch gekoppelt ist.
Wie gemäß 4B gezeigt ist, ist die erste Schaltereinheit 402 aus 4A durch einen ersten Transistor 411 realisiert, wobei der erste Transistor 411 als NMOS-Transistor oder PMOS-Transistor ausgeführt sein kann. Ferner ist auch vorgesehen ein vollständiges Transmission-Gate, bestehend aus einem NMOS-Transistor und einem PMOS-Transistor, anstelle des ersten Transistors 411 vorzusehen.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 4C eine andere schaltungstechnische Umsetzung des Sensorelementes gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
Das Sensorelement 401 der Anordnung 420 weist die Sensorelektrode 401, die erste Spaltenleitung 403, die erste Zeilenleitung 404, den ersten Transistor 411 mit dem Gate 412, dem ersten Source-/Drain-Anschluss 413, dem zweiten Source-/Drain-Anschluss 414, den ersten Knoten 415, den zweiten Knoten 416, eine zweite Spaltenleitung 421, einen zweiten Transistor 422, mit einem Gate 423, einem ersten Source-/Drain-Anschluss 424, einem zweiten Source-/Drain-Anschluss 425, einen dritten Knoten 426, einen vierten Knoten 427 und einen fünften Knoten 428 auf, wobei der erste Source-/Drain-Anschluss 413 des ersten Transistors 411, der erste Source-/Drain-Anschluss 424 des zweiten Transistors 422 und die Sensorelektrode 401 mit dem fünften Knoten 428 elektrisch gekoppelt sind. Der zweite Source-/Drain-Anschluss 414 des ersten Transistors 411 ist mittels des zweiten Knotens 416 mit der ersten Zeilenleitung 404 elektrisch gekoppelt. Der zweite Source-/Drain-Anschluss 425 des zweiten Transistors 422 ist mittels des vierten Knotens 427 mit der ersten Zeilenleitung 404 elektrisch gekoppelt. Das Gate 412 des ersten Transistors 411 ist mittels des ersten Knotens 415 mit der ersten Spaltenleitung 403 elektrisch gekoppelt. Das Gate 423 des zweiten Transistors 422 ist mittels des dritten Knotens 426 mit der zweiten Spaltenleitung 421 elektrisch gekoppelt.
Ferner sind die erste Spaltenleitung 403 und die zweite Spaltenleitung 421 parallel zueinander und senkrecht zu der ersten Zeilenleitung 404 angeordnet. Die Sensorelektrode 401, der erste Transistor 411 und der zweite Transistor 422 sind zwischen der ersten Spaltenleitung 403 und der zweiten Spaltenleitung 421 angeordnet.
Der erste Transistor 411 ist ferner ein NMOS- und der zweite Transistor 422 ein PMOS-Transistor, so dass der erste Transistor 411 und der zweite Transistor 422 ein vollständiges erstes Transmission-Gate 429 bilden.
Gemäß dieser Ausführungsform des Sensorelementes 101 müssen der erste Transistor 411 und der zweite Transistor 422 mittels zwei komplementären Signalen von einer Adressierungseinheit, beispielsweise der Adressierungseinheit 102 (nicht gezeigt), oder mittels eines lokalen, das heißt im Sensorelement 101 integrierten Inverter-Schaltkreises (nicht gezeigt), der das Komplementärsignal lokal erzeugt, angesteuert werden, wobei das Signal an der zweiten Spaltenleitung 421 immer das komplementäre Signal zu dem Signal an der ersten Spaltenleitung 403 aufweist.
Das oben erwähnte erste Transmission-Gate 429, welches den ersten Transistor 411 und den zweiten Transistor 422 aufweist, dient gemäß diesem Ausführungsbeispiel als analoger Schalter, mittels welchem positive und negative Signalspannungen geschaltet werden, wobei die Signalspannungen eine entgegengesetzte Polarität aufweisen. Mit anderen Worten ist das Signal an der zweiten Spaltenleitung 421 auf einem "Low-Pegel", wenn das Signal an der ersten Spaltenleitung 403 auf einem "High-Pegel" ist, und umgekehrt, wobei ein "High-Pegel" einer positiven Signalspannung und ein "Low-Pegel" einer negativen Signalspannung entspricht. Folglich sind der erste Transistor 411 und der zweite Transistor 422 in einem eingeschalteten Zustand, wenn an der ersten Spaltenleitung 403 eine positive Signalspannung und an der zweiten Spaltenleitung 421 eine negative Signalspannung anliegt, und in einem ausgeschalteten Zustand, wenn an der ersten Spaltenleitung 403 eine negative Signalspannung und an der zweiten Spaltenleitung 421 eine positive Signalspannung anliegt. Somit ist es im Fall eingeschalteter Transistoren möglich positive und negative Signalspannungen zu schalten. Das heißt, dass nach einem Sensorereignis an der Sensorelektrode entweder ein positives oder negatives Potential anliegt oder dass im Falle eines Aktors eine positive oder negative Signalspannung an die Sensorelektrode anlegbar ist, wobei das positive wie auch das negative Potential als eine Ladungsverschiebung bzw. ein Potentialunterschied zu dem auf der Sensormatrix bzw. Sensorelektrode befindlichen Elektrolyten zu verstehen ist.
Da die Sensoranordnung wie auch der Betriebsschaltkreis in CMOS-Technologie ausgeführt sind und da CMOS-Schaltkreise eine niedrige Stromaufnahme und einen großen Betriebspannungsbereich aufweisen, ist der Einsatz der erfindungsgemäße Sensoranordnung als Feldapplikation, d.h. als tragbare, Batterie-betriebene Mess- und Analysevorrichtung, möglich.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 4D ein Sensorelement gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
Das Sensorelement 101 der Anordnung 440 weist die Sensorelektrode 401, die erste Spaltenleitung 403, die erste Zeilenleitung 404, den ersten Knoten 415, den zweiten Knoten 416, den dritten Knoten 426, den fünften Knoten 428, ein erstes Transmission-Gate 441, wobei das erste Transmission-Gate 441 einen ersten Transistor 442, mit einem Gate 443, einem ersten Source-/Drain-Anschluss 444, einem zweiten Source-/Drain-Anschluss 445 aufweist, einen zweiten Transistor 446 mit, einem Gate 447, einem ersten Source-/Drain-Anschluss 448, einem zweiten Source-/Drain-Anschluss 449 aufweist, einen ersten Knoten 450 und einen zweiten Knoten 451 aufweist, einen dritten Knoten 452, einen vierten Knoten 453, ein zweites Transmission-Gate 454, wobei das zweite Transmission-Gate 454 einen ersten Transistor 455, mit einem Gate 456, einem ersten Source-/Drain-Anschluss 457, einem zweiten Source-/Drain-Anschluss 458 aufweist, einen zweiten Transistor 459 mit, einem Gate 460, einem ersten Source-/Drain-Anschluss 461, einem zweiten Source-/Drain-Anschluss 462 aufweist, einen ersten Knoten 463 und einen zweiten Knoten 464 aufweist, einen fünften Knoten 465, einen sechsten Knoten 466, einen siebten Knoten 467, einen achten Knoten 468, einen neunten Knoten 469 und eine zweite Zeilenleitung 470, auf.
Im Folgenden wird die Schaltstruktur innerhalb des Sensorelementes 401 bezugnehmend auf das erste Transmission-Gate 441 beschrieben. Der erste Source-/Drain-Anschluss 444 des ersten Transistors 442 und der erste Source-/Drain-Anschluss 448 des zweiten Transistors 446 sind mittels des ersten Knotens 450, und der zweite Source-/Drain-Anschluss 445 des ersten Transistors 442 und der zweite Source-/Drain-Anschluss 449 des zweiten Transistors 446 sind mittels des zweiten Knotens 451 elektrisch miteinander gekoppelt. Dadurch ergibt sich eine Parallelschaltung des ersten Transistors 442 mit dem zweiten Transistor 446. Ferner ist der erste Transistor 442 ein NMOS-Transistor und der zweite Transistor 446 ein PMOS-Transistor. Der erste Knoten 450 ist elektrisch mittels des neunten Knotens 469 elektrisch mit der Sensorelektrode 401 gekoppelt, wodurch die Parallelschaltung aus dem ersten Transistor 442 und dem zweiten Transistor 446 mittels des ersten Knotens 450 und des neunten Knotens 469 mit der Sensorelektrode 401 elektrisch gekoppelt ist. Ferner ist das Gate 447 des zweiten Transistors 446 mittels des dritten Knotens 452 mit der ersten Spaltenleitung 403 und das Gate 443 des ersten Transistors 422 mittels des vierten Knotens 453 mit der zweiten Spaltenleitung 421 elektrisch gekoppelt. Der zweite Knoten 451 ist elektrisch mittels des siebten Knotens 467 elektrisch mit der ersten Zeilenleitung 404 gekoppelt, wodurch die Parallelschaltung aus dem ersten Transistor 442 und dem zweiten Transistor 446 mittels des zweiten Knotens 451 und mittels des siebten Knotens 467 mit der ersten Zeilenleitung 403 elektrisch gekoppelt ist.
Im Folgenden wird die Schaltstruktur innerhalb des Sensorelementes 101 bezugnehmend auf das zweite Transmission-Gate 454 beschrieben. Der erste Source-/Drain-Anschluss 457 des ersten Transistors 455 und der erste Source-/Drain-Anschluss 461 des zweiten Transistors 459 sind mittels des ersten Knotens 463, und der zweite Source-/Drain-Anschluss 458 des ersten Transistors 455 und der zweite Source-/Drain-Anschluss 462 des zweiten Transistors 459 sind mittels des zweiten Knotens 464 elektrisch miteinander gekoppelt. Dadurch ergibt sich eine Parallelschaltung des ersten Transistors 455 mit dem zweiten Transistor 459. Ferner ist der erste Transistor 455 ein NMOS-Transistor und der zweite Transistor 459 ein PMOS-Transistor. Der erste Knoten 463 ist elektrisch mittels des neunten Knotens 469 mit der Sensorelektrode 401 gekoppelt, wodurch die Parallelschaltung aus dem ersten Transistor 455 und dem zweiten Transistor 459 mittels des ersten Knotens 463 und des neunten Knotens 469 mit der Sensorelektrode 401 elektrisch gekoppelt ist. Ferner ist das Gate 460 des zweiten Transistors 459 mittels des vierten Knotens 453 mit der zweiten Spaltenleitung 421 und das Gate 456 des ersten Transistors 455 mittels des sechsten Knotens 466 mit der ersten Spaltenleitung 403 elektrisch gekoppelt. Der zweite Knoten 464 ist elektrisch mittels des fünften Knotens 465 elektrisch mit der zweiten Zeilenleitung 470 gekoppelt, wodurch die Parallelschaltung aus dem ersten Transistor 455 und dem zweiten Transistor 459 mittels des zweiten Knotens 464 und mittels des fünften Knotens 465 mit der zweiten Zeilenleitung 470 elektrisch gekoppelt ist.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel des Sensorelementes 401 dienen das erste Transmission-Gate 441 und das zweite Transmission-Gate 454 als Schaltereinheiten bzw. als Umschalter, um die Sensorelektrode 401 mit der jeweiligen Zeilenleitung, d.h. entweder mit der ersten Zeilenleitung 404 oder mit der zweiten Zeilenleitung 470 elektrisch zu koppeln. Für einen ordnungsgemäßen Betrieb des Umschalters ist es notwendig die Transistoren 442, 446, 455 und 459 mittels komplementären Signalen anzusteuern. Mit anderen Worten ist immer eines der beiden Transmission-Gates 441, 454 ausgeschaltet. Liegt an der ersten Spaltenleitung 403 ein Low-Pegel und an der zweiten Spaltenleitung 421 ein High-Pegel an, so ist das erste Transmission-Gate 441 aktiviert bzw. eingeschaltet, da durch den Low-Pegel an der ersten Spaltenleitung 403 der zweite Transistor 446 und durch einen High-Pegel an der zweiten Spaltenleitung 421 der erste Transistor 442 des ersten Transmission-Gates 441 in einem eingeschaltetem Zustand sind, wobei dadurch die Sensorelektrode 401 mit der ersten Zeilenleitung 404 elektrisch gekoppelt ist. Liegt an der ersten Spaltenleitung 403 ein High-Pegel und an der zweiten Spaltenleitung 421 ein Low-Pegel an verhält es sich genau umgekehrt, und das zweite Transmission-Gate 454 ist eingeschaltet, wodurch die Sensorelektrode 401 mit der zweiten Zeilenleitung 470 elektrisch gekoppelt ist.
Gemäß der oben beschriebenen Schaltfunktion des Sensorelementes 401 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist es möglich, die Sensorelektrode beispielsweise als Sensor oder als Aktor zu verwenden.
Ferner bedingt die Sensoranordnung ein selektives Auslesen der Sensorelement-Spalten oder Sensorelement-Zeilen oder einzelner Sensorelemente der Sensormatrix. Da aber zum "Schreiben" (Aktor) oder "Lesen" (Sensor) eines Sensorelementes bzw. einer Sensorelektrode lediglich eine sehr geringe Zeitdauer benötigt wird, typischerweise 0,1–10 ms, können auch sehr große Sensorarrays ausreichend schnell vollständig ausgelesen werden. Der Grund hierfür liegt in der einfachen bzw. minimalen Schaltfunktion jedes Sensorelementes. Ferner sind die Sensorelektroden der nicht adressierten Sensorelemente bei einem sequentiellen Auslesevorgang entweder stromfrei geschaltet, d.h., dass sich ihr Potential aus dem Potential des Elektrolyten ergibt, oder es ist ein bestimmtes Bereitschaftssignal, z.B. Bereitschafts-Potential oder Bereitschafts-Strom an die Elektrode angelegt.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 5 ein Sensorelement gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Das Sensorelement 501 der Anordnung 500 weist eine Sensorelektrode 502, eine erste Spaltenleitung 503, eine zweite Spaltenleitung 504, eine erste Zeilenleitung 505, eine zweite Zeilenleitung 506, eine erste Schaltereinheit 507, eine zweite Schaltereinheit 508, einen ersten Knoten 509, einen zweiten Knoten 510 und einen dritten Knoten 511 auf, wobei die erste Schaltereinheit 507 einen ersten Anschluss 507a, einen zweiten Anschluss 507b und einen dritten Anschluss 507c, und die zweite Schaltereinheit 508 einen ersten Anschluss 508a, einen zweiten Anschluss 508b und einen dritten Anschluss 508c aufweist.
Der erste Anschluss 507a der ersten Schaltereinheit 507 ist mittels des ersten Knotens 509 mit der ersten Zeilenleitung 505, der zweite Anschluss 507b ist mittels des dritten Knotens 511 mit der Sensorelektrode 501 und der dritte Anschluss 507c ist mit der ersten Spaltenleitung 503 elektrisch gekoppelt. Der erste Anschluss 508a der ersten Schaltereinheit 508 ist mittels des zweiten Knotens 510 mit der zweiten Zeilenleitung 506, der zweite Anschluss 508b ist mittels des dritten Knotens 511 mit der Sensorelektrode 501 und der dritte Anschluss 508c ist mit der zweiten Spaltenleitung 504 elektrisch gekoppelt.
Ferner wird entweder die erste Schaltereinheit 507 oder die zweite Schaltereinheit 508 angesteuert, so dass die Sensorelektrode 502 entweder mit der ersten Zeilenleitung 505 oder mit der zweiten Zeilenleitung 506 elektrisch gekoppelt wird. Das heißt, dass die Sensorelektrode 502 mit der ersten Zeilenleitung 505 elektrisch gekoppelt wird, wenn die erste Schaltereinheit 507 eingeschaltet ist, und mit der zweiten Zeilenleitung 506 elektrisch gekoppelt wird, wenn die zweite Schaltereinheit 508 eingeschaltet ist, wobei vorausgesetzt ist, dass nicht beiden Schaltereinheiten 507, 508 eingeschaltet sind. Ist vorgesehen die Sensorelektrode 502 nicht anzusteuern, so sind die erste Schaltereinheit 507 und die zweite Schaltereinheit 508 ausgeschaltet oder eine der beiden Schaltereinheiten 507, 508 ist eingeschaltet, um die Sensorelektrode 502 auf ein definiertes Potential zu legen, falls an dieser Sensorelektrode keine elektrochemische Umsetzung stattfinden soll.
Gemäß der Schaltfunktion des Sensorelementes 501 ist es insbesondere möglich, die Sensorelektrode 502 sowohl als Sensor wie auch als Aktor einzusetzen, da die Sensorelektrode 502 wahlweise mit der ersten Zeilenleitung 505 oder mit der zweiten Zeilenleitung 506 elektrisch gekoppelt werden kann. Folglich ist es wie erläutert möglich, je nach Adressierung der Sensorelektroden, die Sensorelektroden wahlweise elektrisch mit einem peripheren Sensorschaltkreis oder mit einem peripheren Aktorschaltkreis des Betriebsschaltkreises, welcher am Rand der Sensormatrix angeordnet ist, elektrisch zu koppeln.
Die Sensorelektroden werden insbesondere dann mit einem Aktorschaltkreis elektrisch gekoppelt, wenn sie mittels Spannungen und/oder Strömen funktionalisiert werden sollen.
Mit anderen Worten kann die Oberfläche der Sensorelektroden mittels geeigneter Spannungen und/oder Ströme entsprechend dem zu detektierenden Sensorereignis modifiziert werden, beispielsweise zum Immobilisieren von DNA-Fängermolekülen auf der Sensorelektrodenoberfläche.
Ferner können die Sensorelektroden inaktiver bzw. nicht angesteuerter oder aktivierter Sensorelemente auf ein definiertes Potential gelegt werden, oder einen definierten Strom führen, so dass deren Sensoroberfläche durch Umsetzungen an benachbarten Sensorelektroden nicht beeinflusst oder auch in erwünschter, aber kontrollierter Weise beeinflusst wird.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 6 eine Sensoranordnung zur Coulometrie gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
6 zeigt zumindest einen Teil der erfindungsgemäßen Sensoranordnung und dient dem Zweck der Erläuterung, wobei ein Teil des die Sensormatrix umgebenden Betriebsschaltkreises welcher einem Schaltkreis zur coulometrischen Auswertung der Sensorelektroden aufweist, gezeigt ist. Ferner sind bevorzugt eine Vielzahl von Sensorelementen 101 in Spalten und Zeilen benachbart angeordnet und jede Sensorelement-Zeile ist bevorzugt mit einem Auswerteschaltkreis elektrisch gekoppelt.
Die Sensoranordnung 600 weist die Anordnung 400, welche an dieser Stelle nicht mehr im Detail erläutert wird, und einen Schaltkreis 601 auf. Der Schaltkreis 601 weist eine Schaltereinheit 602 mit einem ersten Anschluss 602a, einem zweiten Anschluss 602b und einem dritten Anschluss 602c, einen Auswerteschalkreis 603, einen Aktorschaltkreis 604 und einen Anschluss 605 auf. Der Auswerteschaltkreis 603 weist eine Verstärkereinheit 603a, eine Ladungsspeichervorrichtung 603b, eine Schaltereinheit 603c, einen ersten Anschluss 603d, einen zweiten Anschluss 603e, einen ersten Knoten 603f, einen zweiten Knoten 603g, einen dritten Knoten 603h und einen dritten Anschluss 603i auf, wobei die Schaltereinheit 603c stellvertretend einen Rücksetztransistor darstellt. Die Verstärkereinheit 603a weist einen negativen Anschluss 603j und einen positiven Anschluss 603k auf, wobei der negative Anschluss 603j elektrisch mit dem zweiten Anschluss 603e und der positive Anschluss 603k elektrisch mit dem ersten Anschluss 603d gekoppelt ist. Der Ausgang der Verstärkereinheit 603a ist elektrisch mit dem dritten Knoten 603h gekoppelt, wodurch die Verstärkereinheit 603a zwischen dem zweiten Anschluss 603e und dem dritten Knoten 603h angeordnet ist. Ferner ist der zweite Anschluss 603e elektrisch mit dem ersten Knoten 603f und der dritte Knoten 603h ist elektrisch mit dem zweiten Knoten 603g gekoppelt. Die Ladungsspeichervorrichtung 603b, welche bevorzugt ein Kondensator ist, ist parallel zu der Verstärkereinheit 603a angeordnet und elektrisch mit dem ersten Knoten 603f und dem zweiten Knoten 603g gekoppelt. Die Schaltereinheit 603c weist einen ersten Anschluss 6031 und einen zweiten Anschluss 603m auf, wobei der erste Anschluss 6031 mit dem zweiten Knoten 603g und der zweite Anschluss 603m mit dem ersten Knoten 603f elektrisch gekoppelt ist, und die Schaltereinheit 603c somit parallel zu der Ladungsspeichervorrichtung 603b angeordnet ist.
Im Weiteren wird die Funktion der Anordnung 600 gemäß der Erfindung beschrieben.
Das Ausführungsbeispiel der 6 gemäß der Erfindung zeigt eine Schaltkreisarchitektur zur Coulometrie, d.h. zur Detektion von Ladungsmengen aus elektrochemischen Umsetzungen. Das in 6 links dargestellte Sensorelement 101 der Anordnung 400 ist mittels der Schaltereinheit 402, welche zuvor mittels eines Aktivierungssignals über die Spaltenleitung 403 geschaltet wurde, selektiert bzw. aktiviert, wodurch die Sensorelektrode 401 elektrisch mit der Spaltenleitung 404 gekoppelt ist. Der in dem Schaltkreis 601 dargestellte Auswerteschaltkreis 603 bzw. Integratorschaltkreis speichert die Ladungsmenge, welche durch einen Spannungssprung an der Sensorelektrode 401 aufgrund von einer möglichen elektrochemischen Umsetzung bzw. einem Sensorereignis auftritt bzw. aufgetreten ist.
Ferner bildet der Auswerteschaltkreis 603 einen Integrator zum Speichern von Ladung. Der Auswerteschaltkreis 603 ist mittels des zweiten Anschlusses 603e mit dem zweiten Anschluss 602b der Schaltereinheit 602 elektrisch gekoppelt. Der Aktorschaltkreis 604 ist mit dem dritten Anschluss 602c der Schaltereinheit 602 elektrisch gekoppelt, und weist ferner Spannungsquellen, Stromquellen etc. auf.
Die Schaltereinheit 602 ist mittels ihres ersten Anschlusses 602a über die Zeilenleitung 404 mit dem Sensorelement 101 der Anordnung 400 elektrisch gekoppelt, und somit ist die Sensorelektrode 401 mit dem Schaltkreis 601 elektrisch gekoppelt.
Das Verfahren zum sequentiellen Auslesen der Spalten des Sensorarrays kann wie folgt durchgeführt werden. Der an dem Zeilenrand des Sensorarrays angeordnete Integrator des Auswerteschaltkreises 601 wird zurückgesetzt, indem die Ladungsspeichervorrichtung 603b bzw. der Kondensator mittels des Rücksetztransistors 603c entladen wird, wobei dafür der erste Anschluss 6031 mit dem zweiten Anschluss 603m der Schaltereinheit 603c elektrisch gekoppelt wird. Das Sensorelement 101 wird mittels der Spaltenleitung 403 ausgewählt bzw. aktiviert. Anschließend wird an der Sensorelektrode 401 ein Spannungssprung durchgeführt bzw. initialisiert, indem die an dem ersten Anschluss 603d der Verstärkereinheit 603a anliegende Spannung je nach Messverfahren sprunghaft erhöht oder verringert wird. Die bei diesem Spannungssprung insgesamt fließende Ladung wird mittels der Ladungsspeichervorrichtung 603b gespeichert und kann nach Deaktivierung des Sensorelementes 101 als Ausgangsspannung an dem dritten Anschluss 603i ausgelesen werden. Nachfolgend auf ein erneutes Rücksetzten der Ladungsspeichervorrichtung 603b kann das nächste Sensorelement 101 bzw. die nächste Sensorelektrode 401 gemessen werden.
In der Praxis ist es vorteilhaft, die an dem ersten Anschluss 603d anliegende Spannung stets auf dem Zielpotential des Spannungssprungs an der Sensorelektrode 401 zu halten, und die Sensorelektroden 401 durch Aktivierung mittels der jeweiligen Spaltenleitung von ihrem Ausgangspotential, beispielsweise dem Elektrolytpotential oder das Potential einer zweiten Zeilenleitung, auf das Zielpotential anzuheben. Hierdurch beleibt das Potential der gegebenenfalls sehr langen und mit einer großen parasitären Kapazität behafteten Zeilenleitung konstant und die mittels der Auswerteschaltkreise gemessene Ladungsmenge entspricht weitestgehend der elektrochemisch umgesetzten Ladungsmenge an den Sensorelektroden einer Sensorelement-Spalte, d.h. dem eigentlichen Messsignal. Sind gemäß der Erfindung die Ladungsmengen einer Sensorelement-Spalte erfasst, kann diese Sensorelement-Spalte deselektiert bzw. deaktiviert, die Ladungsspeichervorrichtung 603b zurückgesetzt und die nächste unmittelbar benachbarte oder nicht unmittelbar benachbarte Sensorelement-Spalte selektiert bzw. aktiviert werden.
Gemäß diesem Verfahren ist es möglich, die Sensormatrix vollständig in einer vergleichsweise kurzen Zeitdauer sukzessive auszulesen.
Ferner ist in der Peripherie der Sensormatrix, d.h. in dem Betriebsschaltkreis eine Schaltereinheit, wie beispielsweise die Schaltereinheit 602 vorgesehen bzw. angeordnet, mittels welcher ein Umschalten zwischen einem Sensorbetrieb und einem Aktorbetrieb der Sensorelektroden ermöglicht wird. Mittels dieser Schaltereinheit 602 ist es möglich, mit nur einer einzigen Zeilenleitung, wie beispielsweise der Zeilenleitung 404, und nur einer Schaltfunktion innerhalb des Sensorelementes 101 sowohl Aktor- wie auch Sensorbetrieb zu realisieren, wobei für einen Sensorbetrieb der erste Anschluss 602a mit dem zweiten Anschluss 602b der Schaltereinheit 602 und für einen Aktorbetrieb der erste Anschluss 602a mit dem dritten Anschluss 603c der Schaltereinheit 602 elektrisch gekoppelt wird.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 7A eine Sensoranordnung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Die Anordnung 700 weist das Sensorelement 501 gemäß 5 auf, welches deshalb hier nicht weiter erläutert wird, wobei eine Vielzahl von in Spalten und Zeilen angeordneten Anordnungen 700 vorgesehen ist und das Ausführungsbeispiel gemäß 7A daher nicht als Einschränkung der Erfindung zu sehen ist. Ferner weist die Anordnung 700 einen Auswerteschaltkreis 701, welcher zum Erfassen von Sensorereignissen in Form von elektrochemischen Umsetzungen eingerichtet ist, und einen Aktorschaltkreis 702, welcher zum Modifizieren der daran elektrisch gekoppelten Sensorelektrode 502 eingerichtet ist, auf.
Der Auswerteschaltkreis 701 ist elektrisch mit der ersten Zeilenleitung 505 und der Aktorschaltkreis 702 ist elektrisch mit der zweiten Zeilenleitung 506 gekoppelt.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Sensorelektrode 502 entweder mit dem Auswerteschaltkreis 701 oder mit dem Aktorschaltkreis elektrisch koppelbar, um wie bereits beschrieben, die Sensorelektrode 502 mittels des Auswerteschaltkreises 701 auszuwerten oder die Sensorelektrodenoberfläche geeignet mittels des Aktorschaltkreises 702 zu funktionalisieren, wobei das Sensorelement 501 lediglich zwei Schaltereinheiten, die Schaltereinheit 507, 508, zum elektrischen Koppeln der Sensorelektrode 502 mit zwei analogen Zeilenleitungen, den Zeilenleitungen 505, 506, aufweist. Ferner sind der Auswerteschaltkreis 701 und der Aktorschaltkreis 702 am Rand der Sensormatrix angeordnet, so dass nur ein minimaler Teil der erfindungsgemäßen Schaltkreisanordnung in der Sensormatrix enthalten ist, wodurch die Größe bzw. Fläche jedes Sensorelement 501 verringert wird.
Anschaulich dient der Auswerteschaltkreis 701 dazu ein Sensorereignis zu detektieren, d.h. insbesondere, eine elektrische Spannung, einen elektrischen Strom oder eine Ladungsmenge zu messen und/oder zu verstärken und/oder zu verarbeiten. Der Auswerteschaltkreis 701 kann beispielsweise ein Integratorschaltkreis sein, wie in 6 dargestellt.
Der Aktorschaltkreis 702 dient zur Funktionalisierung, Modifizierung oder anderweitigen Beeinflussung der Sensorelektrodenoberfläche der Sensorelektrode 502. Zu diesem Zweck kann der Sensorelektrode 502 von dem Aktorschaltkreis 702 eine geeignete Spannung, ein geeigneter Strom und/oder eine Ladungsmenge bereitgestellt werden, was zu der gewünschten elektrochemischen Reaktion an der Sensorelektrodenoberfläche führt.
Die Sensorelektrode 502 wird mittels der ersten Spaltenleitung 503 oder mittels der zweiten Spaltenleitung 504 mit der jeweiligen analogen Zeilenleitung elektrisch gekoppelt. Das heißt, dass die Sensorelektrode 502 mit der ersten Zeilenleitung 505 elektrisch gekoppelt wird, wenn die erste Schaltereinheit 507 mittels eines Signals über die erste Spaltenleitung 503 eingeschaltet wird, und mit der zweiten Zeilenleitung 506, wenn die zweite Schaltereinheit 508 mittels eines Signals über die zweite Spaltenleitung 504 eingeschaltet wird.
Ferner kann die Sensorelektrode 502 potentialfrei geschaltet werden, indem die erste Schaltereinheit 507 und die zweite Schaltereinheit 508 deaktiviert werden.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel können ferner vollständige Sensorelement-Spalten ausgelesen oder funktionalisiert werden. Für das Auslesen oder Funktionalisieren der Sensorelektroden einer Sensorelement-Spalte wird die jeweilige Sensorelektrode der aktivierten Sensorelement-Spalte, welche ausgelesen oder funktionalisiert werden soll, entweder mit einer der analogen Zeilenleitungen elektrisch gekoppelt, während die Sensorelemente der übrigen Sensorelement-Spalten auf ein definiertes Potential gelegt werden.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 7B eine Sensoranordnung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Die Anordnung 710 der 7B weist das Sensorelement 501 gemäß 5 auf, welches deshalb hier nicht weiter erläutert wird, wobei eine Vielzahl von in Spalten und Zeilen angeordneten Anordnungen 710 vorgesehen ist und das Ausführungsbeispiel gemäß 7B daher nicht als Einschränkung der Erfindung zu sehen ist. Ferner weist die Anordnung 710 einen Standby-Schaltkreis 711, einen Aktorschaltkreis 712, einen Auswerteschaltkreis 713 und eine dritte Schaltereinheit 714 mit einem ersten Anschluss 714a, einem zweiten Anschluss 714b und einem dritten Anschluss 714c, auf. Der Standby-Schaltkreis 711 ist elektrisch mit der ersten Zeilenleitung 505 und die Schaltereinheit 714 ist elektrisch mit der zweiten Zeilenleitung 506 gekoppelt. Somit sind entweder der Aktorschaltkreis 712 oder der Auswerteschaltkreis 713 elektrisch mit der Sensorelektrode 502 gekoppelt, sofern die zweite Schaltereinheit 508 eingeschaltet ist.
Mittels des Standby-Schaltkreises 711 kann an die Sensorelektrode 502 ein definiertes Potential gelegt werden, sofern die erste Schaltereinheit 507 eingeschaltet ist, wobei das Einschalten der ersten Schaltereinheit 507 mittels eines geeigneten Signals über die erste Spaltenleitung 503 ausgeführt wird. Ist die zweite Schaltereinheit 508 eingeschaltet, so kann anschließend mittels der dritten Schaltereinheit 714 entweder der Aktorschaltkreis 712 oder der Auswerteschaltkreis 713 mit der Sensorelektrode 502 elektrisch gekoppelt werden, wobei für einen Aktorbetrieb der erste Anschluss 714a mit dem dritten Anschluss 714c und für einen Sensorbetrieb der erste Anschluss 714a mit dem zweiten Anschluss 714b der dritten Schaltereinheit 714 elektrisch gekoppelt sind.
Ein Vorteil gemäß den Ausführungsbeispielen der 7A und 7B mit zwei oder mehr analogen Zeilenleitungen ist, dass während des sukzessiven Programmierens der Sensormatrix (Aktorbetrieb) oder des sukzessiven Auslesens (Sensorbetrieb) die jeweils inaktiven Sensorelement-Spalten bzw. Sensorelement-Zeilen nicht potentialfrei geschaltet werden müssen, sondern auf ein definiertes Potential oder einen definierten Strom geschaltet werden können. Das Signal wird dabei derart ausgewählt, dass an den jeweils inaktiven Sensorelektroden keine unerwünschten oder unkontrollierten elektrochemischen Umsetzungen erfolgen.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 8A eine Sensoranordnung gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Die Anordnung 800 weist Sensorelemente 101, eine Adressierungseinheit 801, einen Auswerteschaltkreis 802, eine Sensormatrix 803, welche eine erste Sensorelement-Gruppe 804 und eine zweite Sensorelement-Gruppe 805 aufweist, Spaltenleitungen 806_1...M und Zeilenleitungen 807_1...N auf.
Ferner können eine Vielzahl von Sensorelement-Gruppen 804, 805 innerhalb der Sensormatrix 803 angeordnet sein, wobei die Sensorelement-Gruppen mindestens 4 Sensorelemente 101 aufweisen.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind nicht ganze oder Teile von Sensorelement-Spalten oder Sensorelement-Zeilen an periphere Sensor- oder Aktorschaltkreise angeschlossen, sondern die Sensorelemente 101 der Sensormatrix 803 sind in kleinen, mehrere Sensorelement-Spalten oder Sensorelement-Zeilen umfassende Gruppen organisiert und diese Teil-Gruppen der Sensormatrix 803 teilen sich periphere Betriebsschaltungen, wie beispielsweise Adressierungseinheiten und Auswerteschaltkreise. Die gruppierten Sensorelemente können dabei aus benachbarten Sensorelement-Spalten oder Sensorelement-Zeilen stammen oder ferner über die Sensormatrix 803, bevorzugt regelmäßig, verteilt sein.
Die peripheren Betriebsschaltungen derart gruppierter Sensorelemente können für spezielle Analysezwecke eingerichtet sein und dafür die Signale bzw. die Sensorereignisse der Sensorelemente miteinander in Beziehung setzen. Dies ist beispielsweise in der SNP-Detektion (single nucleotide polymorphism) von Interesse, bei welcher das eigentliche Sensorereignis aus den Signalen bzw. den Sensorereignissen von mindestens vier Sensorelementen ermittelt wird. Die peripheren Betriebschaltungen der Sensorelement-Gruppe können derart ausgeführt sein, dass sowohl im Aktor- wie auch im Sensorbetrieb der speziellen Anwendung Rechnung getragen wird.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 8B eine Teilansicht der Sensoranordnung aus 8A beschrieben.
Die Anordnung 820 zeigt die Sensorelement-Gruppe 804, 805, welche vier Sensorelemente 101, die Adressierungseinheit 801 und den Auswerteschaltkreis 802 aufweist, wobei die Adressierungseinheit 801 und der Auswerteschaltkreis 802 symbolisch zwischen den vier Sensorelementen 101 gezeigt sind, um anzudeuten, dass sich die vier zu der Sensorelement-Gruppe 804/805 angeordneten Sensorelemente 101 Teile des am Rand der Sensormatrix 803 angeordneten Betriebsschaltkreises teilen.
Wie gemäß 8A bereits erläutert können in den Sensorelement-Gruppen 804, 805 jeweils mehrere Sensorelemente 101 aus benachbarten Sensorelement-Spalten und Sensorelement-Zeilen zusammengefasst werden. Ferner können die Sensorelement-Gruppen 804, 805 auch aus nicht benachbarten Sensorelement-Spalten und Sensorelement-Zeilen zu Gruppen zusammengefasst sein, wobei die Sensorelemente 101 dafür bevorzugt regelmäßig innerhalb der Sensormatrix 803 verteilt sind. Mit anderen Worten können beispielsweise die vier Sensorelemente der Sensorelement-Gruppe 804, 805 aus vier unterschiedlichen Spalten, vier unterschiedlichen Zeilen, oder aus zwei beliebigen Spalten und zwei beliebigen Zeilen zu einer Gruppe zusammengefasst werden.
In diesem Dokument sind folgende Veröffentlichungen zitiert:

[1] M. Schienle et al., "A Fully Electronic DNA Sensor with 128 Positions and In-Pixel A/D-Conversion", Proc. International Solid State Circuits Conference (ISSCC) 2004;
[2] C. Paulus et al., "A Fully Integrated CMOS Sensor System for Chronocoulometry", Proc. IEEE Sensors Conference 2003, p. 1329-1332.

100: Sensoranordnung
101: Sensorelement
102: erste Adressierungseinheit
103: erster Auswerteschaltkreis
104: erste Spaltenleitung
105: erste Zeilenleitung
200: Sensoranordnung
201: zweite Adressierungseinheit
202: zweiter Auswerteschaltkreis
203: zweite Zeilenleitung
204: erster Knoten
205: zweiter Knoten
300: Sensoranordnung
301: dritte Adressierungseinheit
302: vierte Adressierungseinheit
303: dritter Auswerteschaltkreis
304: vierter Auswerteschaltkreis
305: erster Sensorelement-Block
306: zweiter Sensorelement-Block
307: dritter Sensorelement-Block
308: vierter Sensorelement-Block
309: zweite Spaltenleitungen
310: dritte Spaltenleitungen
311: vierte Spaltenleitungen
312: fünfte Spaltenleitungen
313: dritte Zeilenleitungen
314: vierte Zeilenleitungen
315: fünfte Zeilenleitungen
316: sechste Zeilenleitungen
400: Anordnung
401: Sensorelektrode
402: Schaltereinheit
402a: erster Anschluss
402b: zweiter Anschluss
402c: dritter Anschluss
403: erste Spaltenleitung
404: erste Zeilenleitung
405: erster Knoten
410: Anordnung
411: erster Transistor
412: Gate
413: erster Source-/Drain-Anschluss
414: zweiter Source-/Drain-Anschluss
415: erster Knoten
416: zweiter Knoten
420: Anordnung
421: zweite Spaltenleitung
422: zweiter Transistor
423: Gate
424: erster Source-/Drain-Anschluss
425: zweiter Source-/Drain-Anschluss
426: dritter Knoten
427: vierter Knoten
428: fünfter Knoten
440: Anordnung
441: erstes Transmission-Gate
442: erster Transistor
443: Gate
444: erster Source-/Drain-Anschluss
445: zweiter Source-/Drain-Anschluss
446: zweiter Transistor
447: Gate
448: erster Source-/Drain-Anschluss
449: zweiter Source-/Drain-Anschluss
450: erster Knoten
451: zweiter Knoten
452: dritter Knoten
453: vierter Knoten
454: zweites Transmission-Gate
455: erster Transistor
456: Gate
457: erster Source-/Drain-Anschluss
458: zweiter Source-/Drain-Anschluss
459: zweiter Transistor
460: Gate
461: erster Source-/Drain-Anschluss
462: zweiter Source-/Drain-Anschluss
463: erster Knoten
464: zweiter Knoten
465: fünfter Knoten
466: sechster Knoten
467: siebter Knoten
468: achter Knoten
469: neunter Knoten
470: zweite Zeilenleitung
500: Anordnung
501: Sensorelement
502: Sensorelektrode
503: erste Spaltenleitung
504: zweite Spaltenleitung
505: erste Zeilenleitung
506: zweite Zeilenleitung
507: erste Schaltereinheit
507a: erster Anschluss
507b: zweiter Anschluss
507c: dritter Anschluss
508: zweite Schaltereinheit
508a: erster Anschluss
508b: zweiter Anschluss
508c: dritter Anschluss
600: Sensoranordnung
601: Schaltkreis
602: Schaltereinheit
602a: erster Anschluss
602b: zweiter Anschluss
602c: dritter Anschluss
603: Auswerteschaltkreis
603a: Verstärkereinheit
603b: Ladungsspeichervorrichtung
603c: Schaltereinheit
603d: erster Anschluss
603e: zweiter Anschluss
603f: erster Knoten
603g: zweiter Knoten
603h: dritter Knoten
603i: dritter Anschluss
603j: positiver Anschluss
603k: negativer Anschluss
6031: erster Anschluss
603m: zweiter Anschluss
604: Aktorschaltkreis
700: Anordnung
701: Auswerteschaltkreis
702: Aktorschaltkreis
710: Anordnung
711: Standby-Schaltkreis
712: Aktorschaltkreis
713: Auswerteschaltkreis
714: Schaltereinheit
714a: erster Anschluss
714b: zweiter Anschluss
714c: dritter Anschluss
800: Anordnung
801: Adressierungseinheit
802: Auswerteschaltkreis
803: Sensormatrix
804: erste Sensorelement-Gruppe
805: zweite Sensorelement-Gruppe
806: Spaltenleitung
807: Zeilenleitung
820: Anordnung

Claims

Schaltkreisanordnung, • mit einem Substrat, • mit einem Sensor/Aktor-Bereich auf und/oder in dem Substrat, wobei der Sensor/Aktor-Bereich eine Mehrzahl von Sensorelementen und/oder eine Mehrzahl von Aktorelementen aufweist, • mit einem Betriebsschaltkreis-Bereich auf und/oder in dem Substrat, wobei der Betriebsschaltkreis-Bereich mindestens einen Adressdekoder zum Adressieren der Sensorelemente bzw. Aktorelemente und mindestens einen Auswerteschaltkreis und/oder mindestens einen Treiberschaltkreis für die Sensorelemente bzw. Aktorelemente aufweist, • wobei der Betriebsschaltkreis-Bereich und der Sensor/Aktor-Bereich örtlich getrennt voneinander angeordnet sind, und • wobei die Sensorelemente bzw. die Aktorelemente des Sensor/Aktor-Bereiches elektrisch mit dem Betriebsschaltkreis-Bereich gekoppelt sind.
Schaltkreisanordnung gemäß Anspruch 1, wobei der Betriebsschaltkreis-Bereich um den Sensor/Aktor-Bereich herum auf und/oder in dem Substrat angeordnet ist.
Schaltkreisanordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, eingerichtet als CMOS-Schaltkreisanordnung.
Schaltkreisanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, • bei der die Sensorelemente eingerichtet sind als Bio-Sensorelemente oder als Chemo-Sensorelemente, und/oder • bei der die Aktorelemente eingerichtet sind als Bio-Aktorelemente oder als Chemo-Aktorelemente.
Schaltkreisanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Auswerteschaltkreis zum Auswerten mindestens eines Sensorereignisses eines von mindestens einem der Sensorelemente erfassten Sensorereignisses eingerichtet ist.
Schaltkreisanordnung gemäß Anspruch 5, wobei der Auswerteschaltkreis mindestens eine der folgenden elektrischen Komponenten aufweist: • mindestens eine Spannungsquelle, und/oder • mindestens eine Stromquelle, und/oder • mindestens eine Verstärkereinheit, und/oder • mindestens eine Schaltereinheit, und/oder • mindestens eine Ladungsspeichervorrichtung.
Schaltkreisanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Adressierungseinheit als ein Schieberegister, ein Latch oder ein Speicherelement ausgebildet ist.
Schaltkreisanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einer Gegenelektrode zum Einstellen des elektrischen Potentials eines auf die Schaltkreisanordnung aufzubringenden Elektrolyten.
Schaltkreisanordnung gemäß Anspruch 8, mit einer Referenzelektrode zum Erfassen des Elektrolytpotentials und zum Ansteuern der Gegenelektrode derart, dass ein konstantes Elektrolytpotential bereitgestellt wird.
Schaltkreisanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem jedes Sensorelement mindestens eine der folgenden Komponenten aufweist oder aus mindestens einer der folgenden Komponenten besteht: • mindestens ein Schalterelement, • eine Vorverstärkungseinheit, • Auswahllogik.