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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen elektrochemischen Sensor gemäß dem Oberbegriff
des Hauptanspruchs, ein dazugehöriges
Verfahren zur Ankontaktierung sowie eine Verwendung eines derartigen Sensors.
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Elektrochemische
Sensoren bzw. elektrochemische Transducer bilden eine Sensorklasse,
die für
vielfältige
Zwecke eingesetzt. Anwendungen sind beispielsweise Gassensorik oder
Biosensorik. Die Sensoren beruhen auf einer mit elektrischen Potentialen
kontrollierten chemischen Reaktionen an der Grenzfläche zwischen
Elektroden und Elektrolyten. Die stattfindenden Redoxreaktionen
sind mit Ladungszu- und abfluss verknüpft, so dass direkt ein elektrisches
Sensorsignal zur elektronischen Weiterverarbeitung bereitgestellt
wird. Ein spezielles elektrochemisches Sensorverfahren ist das sog.
Redoxzyklisieren [1]. Dieses beruht auf dem von der rotierenden
Ring-Scheibenelektroden bekannten Generator-Kollektor-Prinzip. Wird ein
Redoxmediator in Lösung
gebracht, kann an einer Elektrode (Generator) mit einem Potential
EOX ein Oxidationsstrom (Red → Ox + e–)
und an einer Nachbarelektrode (Kollektor) mit Ered ein
Reduktionsstrom (OX + e– → Red) gemessen werden. Den
dazugehörigen
Ablauf zeigt 1. Auf herkömmliche Weise werden Elektrodenpärchen als
sog. Interdigitalelektroden parallel geschaltet. Zur Realisierung
leistungsfähiger
hochempfindlicher Sensoren ist es wichtig, das Elektrodendesign
so zu entwickeln, dass das Sensorsignal, d. h. der Strom, maximiert
ist. Theoretische Analysen und Experimente zeigen, dass für ein großes Sensorsignal
kleine Abstände
zwischen benachbarten Elektroden vorteilhaft sind.
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Herkömmliche
Elektrodendesigns beruhen auf der lateralen photolithographischen
Strukturierung von flächig
aufgebrachtem Sensorelektrodenmaterial, wie dies beispielsweise
Gold ist.
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2 zeigt zwei typische herkömmliche
Designs. Gemäß 2a sind
die Elektroden vergraben [2], während 2b erhabene
Elektroden zeigt [3]. In beiden Fällen ist der entscheidende
Elektrodenabstand durch die photolithographische Auflösung begrenzt.
Für den
Fall der vergrabenen Elektroden gilt der in [1] angegebene empirische
Zusammenhang: l = ~[0.758–1.55 log(wg/we)] (1)für die Abhängigkeit
des Sensorstromes von der Elektrodengeometrie. Die Bedeutung der
Parameter ist folgende: Gemäß der konventionellen
Anordnung von Interdigitalelektroden für das Redoxzyklisieren sind
die Geometrieparameter we = die Elektrodenweite,
wg = der Elektrodenabstand und h = die Elektrodenhöhe. 2a zeigt
vergrabene Elektroden; 2b zeigt erhabene Elektroden.
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Die
Realisierung kleiner Abstände
ist in der Regel dadurch erschwert, dass typische Sensormaterialien
wie es beispielsweise Gold ist, nicht CMOS-(Complementary Metal
Oxide Semiconductor-)kompatibel sind und deshalb nicht in CMOS-Fertigungseinrichtungen
verwendet werden können.
Auf diese Weise kann die modernste Lithographiegeneration für die Strukturierung
herkömmlicherweise
nicht verwendet werden.
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Im
Folgenden soll speziell auf die Anwendung des elektrochemischen
Verfahrens Redoxzyklisieren für einen
DNA-(Desoxyribonukleinsäure-)Sensor
eingegangen werden.
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3 zeigt
eine Elektrodenstruktur, die als DNA-Sensor verwendet wird [4].
Sogenannte Fängermoleküle werden
mit Hilfe einer Gold-Schwefel-Kopplung auf den Goldelektroden imobilisiert.
Oberhalb der Sensorelektroden befindet sich während des aktiven Sensorbetriebs
der zu untersuchende Analyt, der aus einem Elektrolyten besteht,
der wiederum auf das Vorhandensein bestimmter DNA untersucht werden
soll. Die nachzuwei senden DNA-Halbstränge sind biochemisch vorbehandelt
und mit einem Enzymlabel versehen.
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Eine
Hybridisierung, d. h. eine Anbindung von DNA-Halbsträngen an
die Fängermoleküle, findet
nur dann statt, wenn Fängermoleküle und DNA-Stränge gemäß dem Schlüssel-Schloss-Prinzip
zueinander passen. Dies wird in der entsprechenden Literatur als "Match" bezeichnet. Ist
dieses nicht der Fall, findet keine Hybridisierung statt. Diese
Situation wird als "Mismatch" bezeichnet. Die
Spezifität
des Sensors leitet sich also aus der Spezifität der Fängermoleküle ab.
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Nach
der Hybridisierungsphase folgt eine Spülphase, um die nicht hybridisierten
DNA-Stränge
zu entfernen. In einer weiteren Phase wird ein sogenanntes Substrat
beigegeben, welches elektrochemisch nicht aktiv ist. An Sensorpositionen
mit erfolgter Hybridisierung wandelt das dort vorhandene Enzym das
Substrat in eine elektrochemisch aktive Substanz um. Die resultierende
Substanz diffundiert zur Generatorelektrode. Dort wird sie oxidiert
und die resultierenden Teilchen wandern dann zur Kathode, wo sie
wieder reduziert werden, wobei sich der Vorgang wiederholt. Dieser
Mechanismus generiert einen zeitabhängigen Stromanstieg proportional
zur Anzahl der jeweils durch das Enzymlabel erzeugten Ladungsträger. Das
Sensorsignal ist also proportional zur Anzahl der Enzymlabel.
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Eine
Limitierung des Sensorsignals ergibt sich damit aus der Fläche, die
zur Imobilisierung zur Verfügung
steht. Für
die Gold-Schwefel-Kopplung entspricht diese Fläche der zugänglichen Oberfläche der
Goldelektroden. Damit steht nur ca. 50% der Sensoroberfläche für die Belegung
mit Enzymlabeln zur Verfügung
und das Sensorsignal ist entsprechend beschränkt.
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3 zeigt
den DNA-Sensor nach dem Prinzip des Redoxzyklisierens. Die linke
Seite der 3 zeigt eine Draufsicht auf
die Elektrodenanordnung. Die rechte Seite der 3 zeigt
den elektrochemischen Prozess im Falle eines Bindungs ereignisses
zwischen Target (das bekannte Molekül das die Sensitivität des Sensors bereitstellt)
und Probe.
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Als
Analysenprobe (hier nur Probe oder Stoffprobe genannt) wird in der
analytischen Chemie die Gesamtheit des zu untersuchenden Materials
bezeichnet. Dieses Material kann als Chemischer Stoff oder Stoffgemisch
gasförmig
(z. B. eine Autoabgasprobe), flüssig
(z. B. Trinkwasserprobe), fest (z. B. Gesteinsprobe) oder ein Gemisch
unterschiedlicher Aggregatzustände
(z. B. feuchte Bodenprobe) sein.
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Es
ist Aufgabe herkömmliche
elektrochemische Sensoren, insbesondere das Redoxzyklisieren umfassende
elektrochemische Sensoren, derart hinsichtlich Leistungsfähigkeit
und Empfindlichkeit zu verbessern, dass das Sensorsignal, insbesondere
ein Sensorstrom, maximiert ist. Es sollen die Abstände benachbarter Elektroden
minimiert sein.
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Die
Aufgabe wird durch einen elektrochemischen Sensor gemäß dem Hauptanspruch
gelöst.
Nebenansprüche
betreffen die Ankontaktierung einer Elektrodenschicht einer ersten
Elektrode und die Verwendung eines erfindungsgemäßen Sensors zur Erfassung von
Desoxyribonukleinsäure
(DNA).
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Mittels
gemäß dem erfindungsgemäßen Elektrodendesign
wird eine Vergrößerung des
Sensorsignals bewirkt. Grundidee ist die Realisierung kleiner Elektrodenabstände, und
zwar unabhängig
von einer lateralen Strukturierung. Der entscheidende Elektrodenabstand
soll in vertikaler Anordnung über
einen Schichtaufbau erfolgen. Dies zeigt 4. Durch
die Wahl einer geeigneten Isolationsschicht können sehr enge vertikale Elektrodenabstände realisiert
werden.
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Gemäß der vorliegenden
Lösung
können
kleine Elektrodenabstände
unabhängig
von der lithographischen Auflösung
realisiert werden. Die erfindungsgemäßen Sensorstrukturen können besonders
einfach erzeugt werden. Für äquivalente
Sensorsignalgrö ßen benötigt man
im Unterschied zum Stand der Technik deutlich geringere lithographische
Auflösungen.
Erfindungsgemäß wird eine
Erhöhung
des Sensorsignals bereitgestellt. Es wird insbesondere eine Vergrößerung der
Imobilisierungsfläche,
insbesondere bei Verwendung eines symmetrischen Elektrodenaufbaus,
geschaffen.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen werden mit den Unteransprüchen beansprucht.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung ist der Schichtaufbau der zwei vertikalen
Stapelzueinander hinsichtlich einer vertikalen Achse achsensymmetrisch.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die zwei vertikal unteren
Elektrodenschichten der Stapel als eine gemeinsame zusammenhängende Elektrodenschicht
derart ausgebildet, dass der horizontale Elektrodenstapelabstand
gleich null ist.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Schichtaufbau der zwei
vertikalen Stapel zueinander hinsichtlich einer vertikalen Achse
derart unsymmetrisch, dass jeweils Elektrodenschichten der ersten
und zweiten Elektrode horizontal gegenüberliegen.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Elektrodenschichten
der ersten und zweiten Elektrode Gold auf.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Dicken der elektrisch
isolierenden Schichten und damit der vertikale Elektrodenschichtabstand
für alle
elektrisch isolierenden Schichten gleich und/oder zur Vergrößerung des
Sensorsignals klein bereit gestellt.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die vertikalen Elektrodenschichtweiten
der Elektrodenschichten für
alle Elektrodenschichten gleich.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die horizontalen Elektrodenschichtweiten
der Elektrodenschichten für
alle Elektrodenschichten gleich.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Anzahl der horizontalen
Ebenen der Elektrodenschichten, die vertikale Elektrodenschichtweite,
der vertikale Elektrodenschichtabstand, die horizontale Elektrodenschichtweite
und der horizontale Elektrodenstapelabstand derart bereit gestellt,
dass eine maximale von außen
zugängliche
Oberfläche
der ersten und zweiten Elektrode geschaffen ist.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die zwei Stapel auf einem
Substrat angeordnet und/oder bilden eine Einheitszelle aus, wobei
eine Vielzahl von Einheitszellen zur Erzeugung des Sensors elektrisch
parallel geschaltet ist.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt ein alternatives indirektes
elektrisches Ankontaktieren der Elektrodenschicht der ersten Elektrode
mittels einer Zwischenelektrode an die zweite eingegrabene Durchkontaktierung.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgen folgende Schritte:
- – Immobilisieren
von Fängermolekülen mittels
einer geeigneten Kopplungschemie (z. B. Gold-Schwefel-Kopplung)
auf der ersten und der zweiten Elektrode;
- – Bereitstellen
und auf die erste und zweite Elektrode erfolgendes Aufbringen eines
zu untersuchenden, biochemisch vorbehandelten und einen Elektrolyten
sowie Enzymlabel aufweisenden Analytes;
- – Hybridisieren,
das heißt,
Anbinden von DNA-Strängen
an die Fängermoleküle;
- – Entfernen
von nicht hybridisierten DNA-Strängen
mittels einer Spüllösung;
- – Hinzufügen eines
zunächst
elektrochemisch nicht aktiven Substrates;
- – Verändern des
Substrates mittels der Enzymlabel derart, dass elektrochemisch aktive
Teilchen entstehen und die entstehenden Teilchen zu einer Generatorelektrode – der ersten
Elektrode – diffundieren,
dort oxidiert werden und zur Kathode – der zweiten Elektrode – wandern,
an der die Teilchen wieder reduziert werden und wieder zur Generatorelektrode
diffundieren derart, dass ein zeitabhängiger Stromanstieg proportional
zur Anzahl der jeweils durch die Enzymlabel erzeugten Ladungsträger erzeugt
wird, wobei das Sensorsignal proportional zur Anzahl der Enzymlabel
ist.
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Die
vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung
mit den Figuren näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 den
Ablauf beim elektrochemischen Redoxzyklisieren;
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2 herkömmliche
Ausführungsbeispiele
eines Elektrodenaufbaus;
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3 ein
herkömmliches
Ausführungsbeispiel
eines DNA-Sensors
nach dem Prinzip des Redoxzyklisierens;
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4 ein
erstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen elektrochemischen
Sensors;
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5a ein
zweites Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen elektrochemischen
Sensors;
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5b ein
drittes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen elektrochemischen
Sensors;
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6 drei weitere Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen unsymmetrischen
Elektrodenanordnung;
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7 drei weitere Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen elektrochemischen
Sensors mit symmetrischer Elektrodenanordnung;
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8 Signalwerte für stationäres Redoxzyklisieren;
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9 Signalwerte für den zeitlichen Anstieg des
Stromes beim Redoxzyklisieren während
eines DNA-Essays wie in 3 beschrieben;
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10 zwei Ausführungsbeispiele der Ankontaktierung
einer zweiten Elektrodenebene.
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1 zeigt
das Verfahren des elektrochemischen Redoxzyklisierens. Dieses wurde
bereits im Einleitungsteil näher
beschrieben.
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2 zeigt zwei herkömmliche Ausführungsbeispiele
von Interdigitalelektroden für
ein Redoxzyklisieren. 2 wurde bereits
im Einleitungsteil dieser Anmeldung näher beschrieben.
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3 zeigt
ein herkömmliches
Ausführungsbeispiel
eines DNA-Sensors nach dem Prinzip des Redoxzyklisierens. Die 3 wurde
im Einleitungsteil dieser Anmeldung näher beschrieben.
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4 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung
für einen elektrochemischen
Sensor. Grundidee ist die Verwirklichung kleiner Elektrodenabstände unabhängig von
einer lateralen Strukturierung. Der entscheidende Elektrodenabstand
soll in vertikaler Anordnung über
einen Schichtaufbau erfolgen. Durch die Wahl einer geeigneten Isolationsschicht
können
sehr kleine vertikale Elektrodenabstände verwirklicht werden. Gemäß 4 kann
das erfindungsgemäße neue
Sensordesign mit fünf Parametern
beschrieben werden: Raute = die Anzahl der Goldebenen bzw. der Elektrodenschichtebenen;
wv = die vertikale Elektrodenweite; gv = der vertikale Elektrodenabstand;
wh = die horizontale Elektrodenweite; gh = der horizontale Elektrodenabstand.
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4 zeigt
zwei auf einem Substrat 4 angeordnete Stapel 7,
die eine Einheitszelle ausbilden. Es kann eine Vielzahl von Einheitszellen
mit entsprechender Elektrodenanordnung zu ei nem elektrochemischen
Sensor zusammengefasst werden. Ein Stapel 7 gemäß 4 weist
eine erste Elektrodenschicht einer ersten Elektrode 1 auf,
auf der eine Isolationsschicht 3 aufgebracht ist, auf der
eine Elektrodenschicht einer zweiten Elektrode 2 aufgebracht
ist. Darauf folgt erneut eine weitere Isolationsschicht 3 und
eine zweite Elektrodenschicht der ersten Elektrode 1. Die
drei Elektrodenschichten weisen Gold auf oder bestehen vollständig aus
Gold.
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5 zeigt zwei weitere Ausführungsformen
einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung.
Dabei weist eine Einheitszelle beispielsweise zwei Goldebenen auf. 5a zeigt
eine symmetrische Anordnung. 5b zeigt eine unsymmetrische
Elektrodenanordnung. Symmetrisch bedeutet, dass der Schichtaufbau
der zwei vertikalen Stapel 7 zueinander hinsichtlich einer
vertikalen Achse achsensymmetrisch ist. Gemäß 5a sind die
zwei vertikal unteren Elektrodenschichten einer zweiten Elektrode 2 der
beiden Stapel 7 als eine gemeinsame zusammenhängende Elektrodenschicht
ausgebildet. Gemäß 5b ist
der Schichtaufbau der zwei vertikalen Stapel 7 zueinander
hinsichtlich einer vertikalen Achse derart unsymmetrisch, dass jeweils
Elektrodenschichten der ersten Elektrode 1 und zweiten
Elektrode 2 hinsichtlich einer vertikalen Achse gegenüberliegen. Zwischen
Elektrodenschichten der ersten Elektrode 1 und zweiten
Elektrode 2 sind Isolationsschichten 3 ausgebildet. 5a und 5b zeigen
beispielhafte Realisierungsmöglichkeiten.
Ein symmetrischer und ein unsymmetrischer Elektrodenaufbau sind
lediglich Ausführungsarten
gemäß der vorliegenden
Erfindung. Um einen elektrochemischen Sensor zu erzeugen, kann eine
Vielzahl von Einheitszellen elektrisch parallel geschalten werden.
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6 und 7 zeigen
verschiedene Elektrodenanordnungen mit bis zu vier Elektrodenschichten
einer ersten Elektrode 1 und einer zweiten Elektrode 2 je
Stapel 7. Entsprechend sind bis zu drei Isolationsschichten 3 je
Stapel 7 ausgebildet. Die Stapel 7 sind auf einem
Substrat 4 angeordnet. Mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode
(FEM) wurden Konzentrationsprofi le für stationäres Redoxzyklisieren und die
resultierenden Sensorströme
berechnet.
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6 zeigt drei Ausführungsbeispiele einer unsymmetrischen
Elektrodenanordnung, und zwar auf der linken Seite, und jeweils
eine Finite-Elemente-Elektrode-Simulation des Konzentrationsprofils
einer redoxaktiven Spezies, und zwar auf der rechten Seite. 6a zeigt
zwei Elektrodenebenen. Auf einem Substrat 4 sind links
eine Elektrodenschicht einer zweiten Elektrode 2 und rechts
eine Elektrodenschicht einer ersten Elektrode 1 aufgebracht.
Darauf sind jeweils eine elektrische Isolationsschicht 3 und
eine Elektrodenschicht einer zur darunter liegenden Elektrodenschicht
anderen Elektrode aufgebracht. Ein Stapel 7 umfasst jeweils
zwei Elektroden. Eine derartige Schichtfolge kann weiter fortgesetzt
werden. 6b zeigt drei Elektrodenebenen
und 6c zeigt vier Elektrodenebenen. Die Zahlen geben
den Sensorstrombeitrag in den einzelnen Ebenen an. Der Schichtaufbau
gemäß 6 der zwei vertikalen Stapel 7 ist
zueinander hinsichtlich einer vertikalen Achse derart unsymmetrisch,
dass jeweils Elektrodenschichten der ersten und zweiten Elektrode 1 und 2 horizontal gegenüberliegen.
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7 zeigt drei Ausführungsbeispiele einer symmetrischen
Elektrodenanordnung, und zwar auf der linken Seite, sowie eine Finite-Elemente-Elektrode-Simulation
des Konzentrationsprofils einer redoxaktiven Spezies auf der rechten
Seite. 7a zeigt zwei Elektrodenebenen.
Es ist eine Elektrodenschicht einer zweiten Elektrode 2 bereitgestellt.
Darauf sind jeweils eine elektrische Isolationsschicht 3 und
eine Elektrodenschicht einer ersten Elektrode 1 links und
rechts aufgebracht. Es entstehen damit zwei Stapel 7. Eine
derartige Schichtfolge kann weiter fortgesetzt werden. Es sind jeweils
eine elektrische Isolationsschicht 3 und eine Elektrodenschicht
einer zur darunter liegenden Elektrodenschicht anderen Elektrode
aufgebracht. Ein Stapel 7 umfasst jeweils zwei Elektroden. 7b drei
Elektrodenebenen und 7c vier Elektrodenebenen. Die
Zahlen geben den Sensorstrombeitrag in den einzelnen Ebenen an.
Der Schichtaufbau gemäß der 7 der zwei vertikalen Stapel (7)
zueinander ist hinsichtlich einer vertikalen Achse derart symmetrisch,
dass jeweils Elektrodenschichten derselben Elektrode 1 oder 2 horizontal
gegenüberliegen.
Die Elektrodenanordnungen sind vorteilhaft auf einem Substrat 4 aufgebracht.
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Gemäß 8a sind
berechnete Sensorsignale beim stationären Redoxzyklisieren für die erfindungsgemäße Elektrodenanordnung
für verschiedene
Ausführungen
hinsichtlich Anzahl der Elektrodenebenen, Symmetrie, verglichen
mit dem Signal einer herkömmlichen
Elektrode dargestellt. Gemäß 8b ist
ein zu 8a identisches Elektrodenraster
angenommen worden, während
gemäß 8a ein
um den Faktor 3 entspanntes Raster angenommen wurde. D. h. gemäß 8a sind
gh = 3 μm
und wh = 3 μm.
Gemäß 8b sind
gh und wh jeweils 1 μ.
Betrachtet man beispielsweise die symmetrische Anordnung mit zwei
Elektrodenebenen, ergibt sich für
das 2 μ-Raster
ein Signalanstieg auf 374%, während
dieser bei dem entspannten 6μ-Raster
136% beträgt. 8a und 8b zeigen
Signalwerte für
stationäres
Redoxzyklisieren. Die Geometrieparameter sind in den Figuren angegeben. 8a zeigt
ein 6 μ-Elektrodenraster
und 8b zeigt ein 2 μ-Elektrodenraster.
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Im
Falle eines DNA-Assays, wie dieser in der Beschreibungseinleitung
in Verbindung mit 3 näher beschrieben ist, wird als
Sensorsignal der Stromanstieg ausgewertet. Dies zeigen 9a und 9b.
Insbesondere für
die symmetrische Anordnung ergibt sich aufgrund einer vergrößerten Goldoberfläche, an
der Fängermoleküle imobilisiert
werden können,
im Falle eines "Matches" eine höhere Anzahl
von Enzymlabeln. Der Stromanstieg und damit das ausgewertete Signal
vergrößert sich
entsprechend. 9a und 9b stellen diese
Zusammenhänge
dar. 9a und 9b zeigen
Signalwerte für
zeitlichen Anstieg des Stromes beim Redoxzyklisieren während eines
DNA-Assays, wie dies gemäß 3 beschrieben
wurde. Es gelten die in die Figuren angegebenen Geometrieparameter. 9a zeigt
ein 6 μ-Elektrodenraster
und 9b ein 2 μ-Elektrodenraster.
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Gemäß Tabelle
1 sind die bisher genannten Geometrien zusammengefasst:
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Tabelle
1 zeigt die Sensorelektroden-Geometriegrößen. Die Größe r bezeichnet den Sensorradius,
e und g sind Elektrodenweite und -abstand. Die Bedeutungen der restlichen
Größen ergeben
sich aus der 4.
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Mit
den Angaben aus Tabelle 1 ergeben sich die Flächenfaktoren für die Goldoberfläche zwischen
konventionellem Design und erfindungsgemäßer symmetrischer Anordnung:
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Sowie
die unsymmetrische Anordnung:
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Betrachtet
man wieder eine symmetrische Anordnung mit zwei Elektrodenebenen,
ergibt sich für
das 2 μ-Raster
ein Signalanstieg auf 560%, während
dieser bei den entspannten 6 μ-Raster lediglich
159% beträgt. Zusammengefasst
ist die symmetrische Elektrodenanordnung eine besonders vorteilhafte
Ausführungsform.
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10 zeigt zwei Ausführungsbeispiele der Ankontaktierung
einer zweiten Elektrodenebene. Elektrodenebene bedeutet beispielsweise
in Verbindung mit 4 die Anzahl # der Goldschichten. 4 zeigt
drei Elektrodenebenen. 10a zeigt
eine Frontalansicht. 10b und 10c zeigen
Seitenansichten zweier unterschiedlicher Varianten.
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10a zeigt ein Substrat 4, in dem eine
CMOS-Metallleitung 5 vergraben
ist. Auf dem Substrat 4 ist eine Elektrodenschicht einer
zweiten Elektrode 2 aufgebracht, die mittels einer eingegrabenen
Durchkontaktierung 6, und zwar mittels eines Kontakt-Vias
für eine
zweite Elektrode 2, mit dem CMOS-Metall elektrisch verbunden
ist. Auf der Elektrodenschicht der zweiten Elektrode 2 ist
eine elektrisch isolierende Schicht 3 für jeden Stapel 7 aufgebracht.
Auf der elektrisch isolierenden Schicht 3 ist jeweils eine
Elektrodenschicht einer ersten Elektrode 1 aufgebracht
worden.
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10b zeigt eine Seitenansicht einer ersten Variante.
Es erfolgt ein Aufbringen einer Elektrodenschicht einer zweiten
Elektrode 2 auf einem eingegrabene Durchkontaktierungen 6,
und zwar Kontakt-Vias, zu vergrabenen CMOS-Metallleitungen 5 aufweisenden
Substrat 4. Es erfolgt ein Strukturieren der Elektrodenschicht
der zweiten Elektrode 2. Dabei ist die Elektrodenschicht
der zweiten Elektrode 2 mittels einer ersten eingegrabenen
Durchkontaktierung 6 an einer ersten im Substrat vergrabenen
CMOS-Metallleitung 5 direkt elektrisch ankontaktiert.
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Es
folgt ein Aufbringen einer elektrisch isolierenden Schicht 3 auf
der Elektrodenschicht der zweiten Elektrode 2, derart,
das zwei Stapel 7 gemäß der 10a erzeugt werden können und die Elektrodenschicht der
zweiten Elektrode 2 elektrisch von der Elektrodenschicht
einer ersten Elektrode 1 elektrisch isoliert ist. Abschließend erfolgt
ein Aufbringen der zweiten Elektrodenebene auf der elektrisch isolierenden
Schicht 3 und dem Substrat. Diese zweite Elektrodenebene
ist mittels einer Elektrodenschicht der ersten Elektrode 1 bereitgestellt.
Diese ist gemäß 10 b indirekt mittels einer Zwischenelektrode 2a über eine
Durchkontaktierung 6a, und zwar ein Kontakt-Via 6a für die erste
Elektrode 1, an einer CMOS-Metallleitung 5a elektrisch
ankontaktiert. Mittels der Zwischenelektrode 2a ist besonders
vorteilhaft die Durchkontaktierung 6a, und zwar das Kontakt-Via,
mechanisch und chemisch beim Ankontaktierungsverfahren geschützt.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel
gemäß 10c wird im Unterschied zur Ausführungsform
gemäß 10b die
Elektrodenschicht der ersten Elektrode 1 direkt an der
zweiten eingegrabenen Durchkontaktierung 6a ausgebildet.
Dieses Ausführungsbeispiel
der Ankontaktierung ist besonders materialsparend.
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Literatur:
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- [1] K. Aoki et al., J. Electroanal.
Chem. 1988, 256, pp. 269–282
- [2] R. Hintsche et al., Microbiosensor using electrodes
made in Si-technology, Frontiers in Biossensonic, Birkenhauser Verlag,
Switzerland, 1997, pp. 267–283
- [3] F. Hofmann et al., Passive DNA Sensor with Gold
Electrodes Fabricated in a CMOS Backend, to appear in Proc. European
Solid-State Device Research Conference (ESSDERC), Sept. 2002
- [4] A. Frey et al., A Digital CMOS DNA Chip, Proc. ISCAS,
2005, pp. 2915
