DE102013112202B4

DE102013112202B4 - Sensoreinrichtung, Verfahren und Sensor zur Bestimmung einer relativen Konzentration einer ersten Art von Ionen in Relation zu einer zweiten Art von Ionen, die in einem Flüssigkeitstropfen gelöst sind

Info

Publication number: DE102013112202B4
Application number: DE102013112202.7A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Kroener
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2012-11-09
Filing date: 2013-11-06
Publication date: 2021-08-05
Anticipated expiration: 2033-11-07
Also published as: US9389200B2; US20140131224A1; DE102013112202B8; US20160313283A1; DE102013112202A1

Abstract

Sensoreinrichtung (100), die Folgendes umfasst:ein Halbleitersubstrat (110), das eine Mehrzahl von Kanälen (120) umfasst, wobei die Kanäle (120) einen Hohlraum (140) und eine Messelektrode (150) verbinden; undeine Gegenelektrode (160), die so angeordnet ist, dass sie in Kontakt mit dem Hohlraum (140) ist,wobei der Hohlraum (140), die Messelektrode (150) und die Gegenelektrode (160) so angeordnet sind, dass sie einen Flüssigkeitstropfen aufnehmen und das Anlegen einer Spannung an den Flüssigkeitstropfen ermöglichen, wobei das Halbleitersubstrat (110) eine elektrisch leitfähige Region umfasst, die von den Kanälen (120) isoliert ist, wobei die elektrisch leitfähige Region so konfiguriert ist, dass ein Steuerpotenzial an den Flüssigkeitstropfen gelegt wird, wenn sich diese Flüssigkeit im Hohlraum (140) befindet, wobei die elektrisch leitfähige Region durch eine dotierte Region gebildet wird.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Ausführungsformen beziehen sich auf eine Sensoreinrichtung, ein Verfahren zur Bestimmung einer relativen Konzentration einer ersten Art von Ionen in Relation zu einer zweiten Art von Ionen, die in einem Flüssigkeitstropfen gelöst sind, einen Sensor zur Bestimmung einer relativen Konzentration einer ersten Art von Ionen in Relation zu einer zweiten Art von Ionen, die in einem Flüssigkeitstropfen gelöst sind, einen Sensor zur Bestimmung einer relativen Konzentration von Kaliumionen (K⁺) in Relation zu Natriumionen (Na⁺), die in einem Flüssigkeitstropfen gelöst sind, und ein Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung einer Ausführungsform eines derartigen Verfahrens.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In vielen Anwendungsgebieten muss die Konzentration einer chemischen Substanz bestimmt werden. Derartige Anwendungen sind beispielsweise in den Bereichen Analytik, Umwelttechnologie und medizinische Anwendungen zu finden. Vielfach werden diese Analysen unter Feldbedingungen außerhalb von Laboratorien oder in einer vergleichbaren Umgebung durchgeführt. Einfache Benutzbarkeit ist daher ein erwünschtes konstruktives Ziel.

Das Patentdokument 1, US 2009 / 0 301 876 A1 , bezieht sich auf einen verbesserten elektrochemischen Sensor, der über einen vereinfachten Elektrodenaufbau verfügt.
Das Patentdokument 2, US 2009 / 0 239 033 A1 , bezieht sich auf das Bilden einer Membran durch Ätzen eines Substrates.
Das Patentdokument 3, EP 0 299 778 A2 , bezieht sich auf einen mikroelektrochemische Elektrodenstruktur, die ein monolithisches Substrat umfasst
Das Patentdokument 4, WO 2006/040 588 A1 , bezieht sich auf eine Methode und ein Gerät zur quantitativen Bestimmung von Ionen im einem Fluid.

Je nach Art der Analyse, ihrer Umstände und weiterer einschränkender Bedingungen ist die Sensoreinrichtung, die in Kontakt mit der zu analysierenden Substanz kommt, letztlich unter Umständen nicht wieder benutzbar. Dies kann durch einen Leistungsverlust der Sensoreinrichtung, ihre Verunreinigung oder andere Gründe bedingt sein, bei einer medizinischen Anwendung beispielsweise aus hygienischen Gründen. Daher kann es von Interesse sein, eine Sensoreinrichtung so zu konstruieren, dass sie leicht auswechselbar ist. Daher könnte zudem eine effiziente Herstellung von Interesse sein.
Aus diesem Grund besteht eine Nachfrage nach einer Verbesserung des Kompromisses zwischen effizienter Fertigung, genauer Bestimmung einer Konzentration und einfacher Benutzbarkeit. Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den oben genannten Kompromiss zu verbessern.
ZUSAMMENFASSUNG
Die Aufgabe wird erfüllt durch eine Sensoreinrichtung, ein Verfahren zur Bestimmung einer relativen Konzentration oder einen Sensor gemäß einem der selbstständigen Ansprüche.
Eine Sensoreinrichtung gemäß einer Ausführungsform umfasst ein Halbleitersubstrat, das eine Mehrzahl von Kanälen umfasst, wobei die Kanäle den Hohlraum und die Messelektrode verbinden. Weiterhin umfasst die Sensoreinrichtung eine Gegenelektrode, die so angeordnet ist, dass sie in Kontakt mit einem Hohlraum ist, wobei der Hohlraum, die Messelektrode und die Gegenelektrode so angeordnet sind, dass sie einen Flüssigkeitstropfen aufnehmen und es ermöglichen, eine Spannung an den Flüssigkeitstropfen zu legen. Das Halbleitersubstrat umfasst eine elektrisch leitfähige, von den Kanälen isolierte Region. Die elektrisch leitfähige Region ist so konfiguriert, dass ein Steuerpotenzial an den Flüssigkeitstropfen gelegt werden kann, wenn sich diese Flüssigkeit im Hohlraum befindet. Die elektrisch leitfähige Region wird durch eine dotierte Region gebildet.
Ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform zur Bestimmung einer relativen Konzentration einer ersten Art von Ionen in Relation zu einer zweiten Art von Ionen, die in einem Flüssigkeitstropfen gelöst sind, umfasst eine Spannung an einer Messelektrode und einer Gegenelektrode, wobei die Messelektrode an ein Halbleitersubstrat gelegt wird, das eine Mehrzahl von Kanälen umfasst. Die Kanäle verbinden den Hohlraum und die Messelektrode, wobei die Gegenelektrode so angeordnet ist, dass sie in Kontakt mit einem Hohlraum ist. Der Hohlraum, die Messelektrode und die Gegenelektrode sind so angeordnet, dass sie den Flüssigkeitstropfen aufnehmen und das Anlegen einer Spannung an den Flüssigkeitstropfen ermöglichen. Weiterhin umfasst das Verfahren das Bestimmen eines elektrischen Stroms oder einer Änderung des elektrischen Stroms, der durch den Flüssigkeitstropfen fließt, als Reaktion auf die angelegte Spannung und das Bereitstellen eines Auswertungssignals, das auf der Basis des bestimmten elektrischen Stroms oder der bestimmten Änderung des elektrischen Stroms indikativ für die relative Konzentration ist.
Ausführungsformen basieren auf der Erkenntnis, dass ein Kompromiss zwischen effizienter Fertigung, genauer Bestimmung einer Konzentration und einfacher Benutzbarkeit verbessert werden kann, indem ein Halbleitersubstrat bereitgestellt wird, das die Mehrzahl von Kanälen zwischen dem zur Aufnahme des Flüssigkeitstropfen angeordneten Hohlraum und der Messelektrode umfasst, an die zumindest teilweise eine Spannung angelegt werden kann. Aufgrund dieser Anordnung beschränkt das Halbleitersubstrat mit einer Mehrzahl von Kanälen auf effiziente Weise die Zahl der die Messelektrode erreichenden Ionen, was - obwohl nur ein einziger Flüssigkeitstropfen verwendet wird - kontrollierte Messbedingungen erlaubt, um eine Bestimmung der relativen Konzentration der ersten und der zweiten Art von Ionen in Relation zueinander zu ermöglichen. Darüber hinaus lässt sich ein Halbleitersubstrat mit einer Mehrzahl von Kanälen effizient vorfertigen. Infolgedessen kann die Sensoreinrichtung letztlich leicht austauschbar gemacht und somit ihre Handhabung erleichtert werden.
Optional können die Kanäle in einer Sensoreinrichtung gemäß einer Ausführungsform eine charakteristische Breite umfassen, die sich rechtwinklig zu einem Fortsatz der Kanäle zwischen der Messelektrode und dem Hohlraum von bis zu einem 1 µm verhält.
Optional kann diese Sensoreinrichtung gemäß einer Ausführungsform außerdem eine isolierende Region umfassen, die an die elektrisch leitfähige Region und die Kanäle stößt und zwischen der elektrisch leitfähigen Region und den Kanälen angeordnet ist, wobei die elektrisch leitfähige Region und die isolierende Region so konfiguriert sind, dass das Steuerpotenzial an den Flüssigkeitstropfen gelegt wird.
Optional kann bei einer derartigen Sensoreinrichtung gemäß einer Ausführungsform die isolierende Region durch mindestens eine Oxidschicht oder eine Nitridschicht gebildet werden.
Zusätzlich oder alternativ kann eine Sensoreinrichtung gemäß einer Ausführungsform weiterhin eine Steuerelektrode umfassen, die elektrisch mit der elektrisch leitfähigen Region gekoppelt ist.
Zusätzlich oder alternativ kann bei einer Sensoreinrichtung gemäß einer Ausführungsform das Halbleitersubstrat mechanisch so auf einem Träger befestigt werden, dass der Hohlraum zwischen der Mehrzahl von Kanälen und dem Träger gebildet wird.
Optional kann bei einer Sensoreinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Hohlraum ein Volumen von bis zu 20 µl umfassen.
Zusätzlich oder alternativ kann bei einer Sensoreinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Träger eine Bohrung umfassen, die so konfiguriert ist, dass sie die Bereitstellung des Flüssigkeitstropfens im Hohlraum erlaubt.
Optional kann eine derartige Sensoreinrichtung gemäß einer Ausführungsform außerdem einen Trichter umfassen, der mechanisch um die Bohrung auf dem Träger auf einer Seite befestigt ist, die vom Halbleitersubstrat wegzeigt.
Zusätzlich oder alternativ kann bei einer Sensoreinrichtung gemäß einer Ausführungsform die Gegenelektrode auf dem Träger vorgesehen werden.
Zusätzlich oder alternativ kann bei einer Sensoreinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Träger eine Mehrzahl elektrischer Kontakte umfassen, die elektrisch mit den Elektroden gekoppelt und so konfiguriert sind, dass sie die Elektroden elektrisch verbinden, wobei der Träger so konfiguriert sein kann, dass er mechanisch in einer Halterung montiert ist.
Zusätzlich oder alternativ kann in einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform das Bereitstellen der Spannung das Bereitstellen einer Mehrzahl unterschiedlicher Spannungswerte beinhalten, von denen mindestens einer unterhalb eines elektrochemischen Potenzials der ersten Art von Ionen, jedoch oberhalb eines elektrochemischen Potenzials der zweiten Art von Ionen liegt, und von denen mindestens einer oberhalb der elektrochemischen Potenziale der ersten und der zweiten Art von Ionen liegt, wobei das Bestimmen des elektrischen Stroms oder der Änderung des elektrischen Stroms das Bestimmen einer Mehrzahl von Werten des elektrischen Stroms oder der Änderung des elektrischen Stroms umfassen kann, die der Mehrzahl unterschiedlicher elektrischer Spannungswerte entsprechen, und wobei das Bereitstellen des Auswertungssignals das Bereitstellen des Auswertungssignals auf der Basis der Mehrzahl von Werten umfassen kann, die als Reaktion auf die Mehrzahl unterschiedlicher Spannungswerte bestimmt werden.
Zusätzlich oder alternativ kann ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform weiterhin das Anlegen eines Steuerpotenzials an eine elektrisch leitfähige Region des von den Kanälen isolierten Halbleitersubstrats umfassen, wobei die elektrisch leitfähige Region so konfiguriert werden kann, dass ein Steuerpotenzial an den Flüssigkeitstropfen gelegt wird.
Optional kann in einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform das Anlegen des Steuerpotenzials das Anlegen einer Mehrzahl unterschiedlicher Steuerpotenzialwerte an die elektrisch leitfähige Region umfassen, wobei das Bestimmen des elektrischen Stroms oder der Änderung des elektrischen Stroms das Bestimmen einer Mehrzahl von elektrischen Stromwerden oder der Änderung des elektrischen Stroms entsprechend einer Mehrzahl von Potenzialwerten entspricht und wobei das Bereitstellen des Auswertungssignals dessen Bereitstellen auf der Basis der Mehrzahl von Werten, die als Reaktion auf die Mehrzahl unterschiedlicher Steuerpotenzialwerte bestimmt werden, umfassen kann.
Zusätzlich oder alternativ kann in einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform die erste Art von Ionen K⁺-Ionen, die zweite Art von Ionen Na⁺-Ionen und die Flüssigkeit Blut umfassen.
Ein Sensor zur Bestimmung einer relativen Konzentration einer ersten Art von Ionen in Relation zu einer zweiten Art von Ionen, die in einem Flüssigkeitstropfen gelöst sind, gemäß einer Ausführungsform umfasst ein Halbleitersubstrat, das eine Mehrzahl von Kanälen umfasst, wobei die Kanäle einen Hohlraum und eine Messelektrode verbinden, eine Gegenelektrode, die in Kontakt mit dem Hohlraum angeordnet ist, und einen Auswertungsschaltkreis, der elektrisch mit der Messelektrode und der Gegenelektrode gekoppelt ist, wobei der Hohlraum, die Messelektrode und die Gegenelektrode so angeordnet sind, dass sie den Flüssigkeitstropfen aufnehmen, um das Anlegen einer Spannung an den Flüssigkeitstropfen zu ermöglichen. Der Auswertungsschaltkreis ist so konfiguriert, dass die Spannung an die Messelektrode und die Gegenelektrode gelegt wird, um einen durch den Flüssigkeitstropfen fließenden elektrischen Strom oder die Änderung des durch den Flüssigkeitstropfen fließenden elektrischen Stroms als Reaktion auf die angelegte Spannung zu bestimmen und ein Auswertungssignal bereitzustellen, das auf der Basis des bestimmten elektrischen Stroms oder der bestimmten Änderung des elektrischen Stroms indikativ für die relative Konzentration ist.
Optional kann ein Sensor gemäß einer Ausführungsform weiterhin eine Halterung umfassen, die so konfiguriert ist, dass der Sensor montiert und demontiert werden kann, der das Halbleitersubstrat, die Messelektrode, die Gegenelektrode und eine Mehrzahl elektrischer Kontakte umfasst, die elektrisch mit den Elektroden gekoppelt und so konfiguriert sind, dass sie die Elektroden elektrisch anschließen, wobei der Sensor weiterhin eine Mehrzahl elektrischer Gegenkontakte umfassen kann, die mit dem Auswertungsschaltkreis gekoppelt und so konfiguriert sein können, dass die elektrischen Kontakte mit dem Auswertungsschaltkreis gekoppelt werden, wenn der Sensor in der Halterung montiert wird.
Zusätzlich oder alternativ kann bei einem Sensor gemäß einer Ausführungsform der Auswertungsschaltkreis so konfiguriert sein, dass er eine Mehrzahl unterschiedlicher Spannungswerte bereitstellt, von denen mindestens einer unterhalb eines elektrochemischen Potenzials der ersten Art von Ionen liegt, jedoch oberhalb des elektrochemischen Potenzials der zweiten Art von Ionen, und von denen mindestens einer oberhalb des elektrochemischen Potenzials der ersten und der zweiten Art von Ionen liegt, wobei der Auswertungsschaltkreis weiterhin so konfiguriert sein kann, dass er den elektrischen Strom oder die Änderung des elektrischen Stroms gemäß einem oder einer Mehrzahl unterschiedlicher Spannungswerte bestimmt, und wobei der Auswertungsschaltkreis weiterhin so konfiguriert sein kann, dass er ein Auswertungssignal auf der Basis von einem oder einer Mehrzahl von Werten, die als Reaktion auf einen oder eine Mehrzahl unterschiedlicher Spannungswerten bestimmten werden, bereitstellt.
Zusätzlich oder alternativ kann bei einem Sensor gemäß einer Ausführungsform das Halbleitersubstrat eine elektrisch leitfähige, von den Kanälen isolierte Region umfassen, wobei die elektrisch leitfähige Region so konfiguriert sein kann, dass ein Steuerpotenzial an den Flüssigkeitstropfen gelegt werden kann.
Optional kann bei einem Sensor gemäß einer Ausführungsform der Auswertungsschaltkreis so konfiguriert sein, dass das Steuerpotenzial angelegt wird, indem eine Mehrzahl unterschiedlicher Steuerpotenzialwerte an die elektrisch leitfähige Region angelegt wird, wobei der Auswertungsschaltkreis so konfiguriert sein kann, dass der elektrische Strom oder die Änderung des elektrischen Stroms entsprechend der Mehrzahl unterschiedlicher Steuerpotenzialwerte bestimmt werden, und wobei der Auswertungsschaltkreis so konfiguriert sein kann, dass er ein Auswertungssignal auf der Basis der Mehrzahl von Werten bereitstellt, die als Reaktion auf die Mehrzahl unterschiedlicher Steuerpotenzialwerte bestimmt werden.
Ein Sensor zur Bestimmung einer relativen Konzentration von K⁺-Ionen in Relation zu Na⁺-Ionen, die in einem Blutstropfen gelöst sind, gemäß einer Ausführungsform umfasst ein Halbleitersubstrat, das eine Mehrzahl von Kanälen umfasst, wobei die Kanäle einen Hohlraum und eine Messelektrode verbinden, eine Gegenelektrode, die in Kontakt mit dem Hohlraum angeordnet ist, und einen Auswertungsschaltkreis, der elektrisch mit der Messelektrode und der Gegenelektrode gekoppelt ist, wobei der Hohlraum, die Messelektrode und die Gegenelektrode so angeordnet sind, dass sie den Blutstropfen aufnehmen und das Anlegen einer Spannung an den Blutstropfen ermöglichen. Der Auswertungsschaltkreis ist so konfiguriert, dass die Spannung an die Messelektrode und die Gegenelektrode gelegt wird, um einen durch den Blutstropfen fließenden elektrischen Strom oder die Änderung des durch den Blutstropfen fließenden elektrischen Stroms als Reaktion auf die angelegte Spannung zu bestimmen und ein Auswertungssignal bereitzustellen, das auf der Basis des bestimmten elektrischen Stroms oder der bestimmten Änderung des elektrischen Stroms indikativ für die relative Konzentration ist.
Figurenliste
Mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in den beigefügten Figuren beschrieben.

zeigt die Ansicht eines Plans einer Sensoreinrichtung gemäß einer Ausführungsform;
zeigt die Ansicht eines Querschnitts durch die Sensoreinrichtung gemäß ;
zeigt einen vergrößerten Ausschnitt einer Querschnittansicht gemäß ;
illustriert eine Strom-/Spannungsmessung;
verdeutlicht eine Leitfähigkeits-/Spannungsmessung; und
zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform für die Bestimmung einer relativen Konzentration einer ersten Art von Ionen in Relation zu einer zweiten Art von Ionen, die in einem Flüssigkeitstropfen gelöst sind.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausführlicher beschrieben. In diesem Zusammenhang werden zusammenfassende Referenzzeichen benutzt, um mehrere Objekte gleichzeitig zu beschreiben oder um gemeinsame Merkmale, Abmessungen oder ähnliches in Bezug auf diese Objekte zu beschreiben. Die zusammenfassenden Referenzzeichen basieren auf den entsprechenden einzelnen Referenzzeichen. Zudem werden Objekte, die in mehreren Ausführungsformen oder mehreren Figuren erscheinen, die jedoch identisch oder zumindest ähnlich sind, was zumindest einige ihrer Funktionen oder strukturellen Merkmale betrifft, mit denselben oder gleichen Referenzzeichen bezeichnet. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, beziehen sich diejenigen Teile der Beschreibung, die auf derartige Objekte Bezug nehmen, auch - außer wenn explizit oder, unter Berücksichtigung der Beschreibung oder der Figuren, implizit anders angegeben - auf die entsprechenden Objekte verschiedener Ausführungsformen oder verschiedener Figuren. Daher können ähnliche oder zusammenhängende Objekte mit mindestens einigen identischen oder ähnlichen Merkmalen, Abmessungen und Eigenschaften implementiert, jedoch auch mit abweichenden Eigenschaften implementiert werden.
In vielen Anwendungsgebieten ist eine Bestimmung der Konzentration einer chemischen Substanz, etwa einer bestimmten Ionenart, in einer wässrigen oder nicht wässrigen Lösung durchzuführen. Insbesondere im Fall der Analyse eines extrem kleinen Probenvolumens mit sehr geringen Konzentrationen der betreffenden Ionen kann dies eine zusätzliche Herausforderung implizieren. Ein derartiges Beispiel stammt aus der Analyse eines Blutstropfens in Bezug auf seine Kaliumkonzentration auf der Grundlage eines preiswerten Analyseverfahrens, um es einer von einem Herzinfarkt bedrohten Person zu ermöglichen, ihren Zustand zu Hause zu überwachen.
Herkömmlicherweise verwenden Messungen spezieller lonenkonzentrationen mit Hilfe elektrochemischer Systeme häufig Referenzelektroden, eine Kalibriernorm oder sonstige Hilfssysteme, um die erforderliche Präzision zu erzielen. Aufgrund dieser zusätzlichen Strukturen und des damit verbundenen Aufwands sind dieses Systeme typischerweise in der Lage, genaue absolute Werte im Hinblick auf die betreffenden Konzentrationswerte zu liefern. Diese Systeme sind jedoch beispielsweise nicht sehr geeignet für die Überwachung der Kaliumwerte im Blut eines Patienten in seiner häuslichen Umgebung.
Indem man sich auf ein Verhältnis des Kaliumpegels in Relation zu einer anderen Art von Ionen konzentriert, kann die Überwachung und Bestimmung der Konzentration der Kaliumionen in Relation zu einer anderen, zweiten Art von Ionen, die in einem Blutstropfen gelöst sind, mit Hilfe einer Sensoreinrichtung mit einem einzelnen Mikrochip bewerkstelligt werden, wie weiter unten beschrieben wird.
Die Ausführungsformen sind jedoch nicht begrenzt auf die Messung der Kaliumpegel in einem Blutstropfen, sondern können auch im Zusammenhang mit der Messung aller Arten von Konzentrationen einer ersten Art von Ionen benutzt werden, die in einem Flüssigkeitstropfen gelöst sind. Bei der Flüssigkeit kann es sich um eine wässrige oder eine nicht wässrige Lösung der ersten Art von Ionen handeln. Auf der Basis einer einzelnen Sensoreinrichtung gemäß einer Ausführungsform ist eine Bestimmung einer relativen Konzentration der ersten Art von Ionen in Relation zu einer zweiten Art von Ionen möglich, die in einem Flüssigkeitstropfen gelöst sind. Zwecks Vereinfachung werden jedoch nachfolgend Ausführungsformen einer Sensoreinrichtung, eines Sensors und eines Verfahrens zur Bestimmung der relativen Konzentration der ersten Art von Ionen in Relation zu der zweiten Art von Ionen im Kontext einer Bestimmung von Kaliumionen (K⁺) in Relation zu Natriumionen (Na⁺) als ein Beispiel beschrieben.
Eine Sensoreinrichtung gemäß einer Ausführungsform kann beispielsweise auf einer mittels MEMS-Technologie hergestellten Mikrosonde (MEMS = Micro-Electro-Mechanical-System) basieren, die in der Lage ist, eine Konzentrationsdifferenz zwischen unterschiedlichen Ionen, insbesondere von Metallionen, in einer wässrigen oder einer nicht wässrigen Lösung zu bestimmen, indem die Konzentration mittels zyklischer Voltammetrie gemessen wird.
1, 2 und 3 zeigen die Ansicht eines Plans, eines Querschnitts bzw. eines vergrößerten Ausschnitts der Querschnittansicht einer Sensoreinrichtung 100 gemäß einer Ausführungsform. Wie in dargestellt, umfasst die Sensoreinrichtung 100 ein Substrat 110, das eine Mehrzahl von Kanälen 120 umfasst (nur teilweise dargestellt), die jedoch nicht maßstabgetreu in gezeichnet sind. Beim Substrat 110 kann es sich um ein Halbleitersubstrat handeln, beispielsweise ein SiliziumSubstrat (Si), ein Galliumarsenid-Substrat (GaAs) oder ein anderes Halbleitersubstrat. Die Kanäle 120 sind in einem Membranabschnitt 130 angeordnet, der auch als die Membran bezeichnet wird. Die Kanäle 120 trennen einen Hohlraum 140 von einer Messelektrode 150. Typischerweise umfasst der Membranabschnitt 130 eine geringere Dicke des Substrats 110 im rechten Winkel zur Hauptfläche des Substrats 110 im Vergleich zu einer anderen Region, beispielsweise der Region der Bondinseln 220, 230.
Weiterhin umfasst die Sensoreinrichtung 100 eine Gegenelektrode 160, die so angeordnet ist, dass sie in Kontakt mit einem Hohlraum 140 ist. Weiterhin sind der Hohlraum 140, die Messelektrode 150 und die Gegenelektrode 160 so angeordnet, dass der Hohlraum einen Tropfen der zu analysierenden Flüssigkeit aufnehmen und das Anlegen einer Messspannung an den Flüssigkeitstropfen im Hohlraum ermöglichen kann.
Weiterhin umfasst die Sensoreinrichtung 100 einen Träger 170, der beispielsweise als gedruckte Schaltplatine (PCB) vorgefertigt sein kann, auf der das Substrat 110 mechanisch so befestigt wird, dass der Hohlraum 140 zwischen dem Membranabschnitt 130 und dem Träger 170 geformt wird. Anders ausgedrückt wird der Hohlraum 130 zwischen der Mehrzahl von Kanälen 120 und dem Träger 170 gebildet.
Wie weiter unten ausführlicher dargelegt wird, wird die Gegenelektrode 160 auch auf dem Träger 170 bereitgestellt. Der Träger 170 umfasst auch eine Mehrzahl elektrischer Kontakte 180-1, 180-2 und 180-3, die elektrisch mit der Messelektrode 150, der Gegenelektrode 160 und der Steuerelektrode 190 gekoppelt sind. Während der elektrische Kontakt 180-2 für die auf dem Träger 170 vorgesehene Gegenelektrode 160 direkt auf dem Träger 170 vorgefertigt ist, beispielsweise mit Hilfe eines Siebdruckverfahrens, und so in integrierter Weise die Gegenelektrode 160 und den elektrischen Kontakt 180-2 bildet, werden die elektrischen Kontakte 180-2, 180-3 der Messelektrode 150 bzw. der Steuerelektrode 190 durch die elektrischen Bondverbindungen 200 bzw. 210 gebildet, die die elektrischen Kontakte 180-2, 180-3 und die entsprechenden Bondinseln 220 bzw. 230 bilden, die auf das Substrat 110 aufgebracht und strukturiert werden. In der in dargestellten Ausführungsform werden die Bondinseln 220, 230 außerhalb des Membranabschnitts 130 gebildet, der die Kanäle 120 umfasst.
Um jedoch einen elektrischen Kontakt zwischen der Bondinsel 220 und der Messelektrode 150 zu ermöglichen, werden beide elektrisch gekoppelt und beispielsweise in integrierter Form durch entsprechendes Aufbringen von leitfähigem Material wie etwa Metall (z. B. Aluminium (AI), Kupfer, Gold (Au), Silber (Ag)) und durch einen oder mehrere entsprechende Strukturierungsschritte gebildet, wie weiter unten ausgeführt wird.
Optional kann die Sensoreinrichtung 100 außerdem eine Schutzabdeckung 240 umfassen, die beispielsweise aus einem Polymer gebildet werden kann. Die Schutzabdeckung 240 kann so konfiguriert werden, dass sie das Substrat 110, die elektrischen Bondverbindungen 200, 210 und daher mindestens Teile der elektrischen Kontakte 180 schützt.
Weiterhin ist der Träger 170 so angepasst, dass er mechanisch in einer Halterung 250 eines Sensors 260 gemäß einer Ausführungsform montierbar ist. Weiterhin umfasst der Sensor 260 einen Auswertungsschaltkreis 270, der elektrisch mit den elektrischen Kontakten 180 gekoppelt ist. Wie weiter unten ausführlicher dargelegt werden soll, ist der Auswertungsschaltkreis 270 daher so angepasst, dass er die Messelektrode 150 und die Gegenelektrode 160 mit Spannung oder Messspannung versorgt, indem ein Messpotenzial an die Messelektrode 150 und ein Referenzpotenzial an die Gegenelektrode 160 gelegt wird. Eine Differenz zwischen dem Messpotenzial und dem Referenzpotenzial entspricht der an die genannten Elektroden 150, 160 gelegten Messspannung.
Weiterhin ist der Auswertungsschaltkreis 270 so konfiguriert, dass er als Reaktion auf die angelegte Spannung einen elektrischen Strom oder eine Änderung des elektrischen Stroms bestimmt, der durch den im Hohlraum 140 bereitgestellten Flüssigkeitstropfen fließt. Auf der Basis des so bestimmten elektrischen Stroms oder der so bestimmten Änderung des elektrischen Stroms als Reaktion auf die angelegte Spannung ist der Auswertungsschaltkreis 270 weiterhin so konfiguriert, dass er ein Auswertungssignal ES, das indikativ für die relative Konzentration der ersten und der zweiten Art der im Flüssigkeitstropfen gelösten Ionen ist, an einer optionalen Anschlussklemme 280 des Auswertungsschaltkreises 270 bereitstellt. Um die Spannung an die Messelektrode 150 und die Gegenelektrode 160 zu legen, umfasst der Sensor 100 eine entsprechende Anzahl von elektrischen Gegenkontakten 290-1, 290-2, 290-3, die so angepasst sind, dass sie elektrisch mit den elektrischen Kontakten 180-1, 180-2,180-3 bzw. an den Auswertungsschaltkreis 270 gekoppelt werden, wenn die Sensoreinrichtung 100 in der Halterung 250 montiert wird. Die Gegenelektrodenkontakte 290 können beispielsweise Federkontakte oder sonstige geeignete Kontaktstrukturen umfassen.
Mit Hilfe der Halterung 250 ist die Sensoreinrichtung 100 auf dem Sensor 260 montierbar und von ihm demontierbar. Infolgedessen ist die Sensoreinrichtung 100 leicht austauschbar, selbst unter Feldbedingungen außerhalb eines Labors, einer Praxis, eines Krankenhauses oder einer ähnlichen kontrollierten Umgebung. Daher können der Sensor 260 und die Sensoreinrichtung 100 gemäß Ausführungsbeispielen die Möglichkeit bieten, die relative Konzentration der ersten und der zweiten Art von Ionen in Relation zueinander im Flüssigkeitstropfen selbst unter nicht optimalen Bedingungen zu bestimmen. Im medizinischen Anwendungsbereich kann die Sensoreinrichtung 100 samt dem Sensor 260 beispielsweise benutzt werden, um die Konzentration der Kaliumionen (K⁺) in Relation zur Konzentration der Natriumionen (Na⁺) in einem Blutstropfen durch den Patienten analysieren zu lassen. Wenn beispielsweise die Konzentration der Kaliumionen in Relation zur Konzentration der Natriumionen über einen Schwellenwert steigt, etwa über einen Wert von 2 % bis 3 %, kann dies auf einen klinischen Status des Herzens des Patienten hinweisen, der der Behandlung durch einen Arzt bedarf. Anders ausgedrückt kann ein Sensor 260 im medizinischen Bereich benutzt werden, um eine Person, die an einem Herzproblem leidet, darauf hinzuweisen, dass sie einen Arzt konsultieren sollte.
Anders ausgedrückt werden auf den streifenförmigen Träger 170, wie er in dargestellt ist, drei elektrische Kontakte 180 in Form leitfähiger Pfade gedruckt, damit die Sensoreinrichtung 100 in Kontakt mit einer externen Einrichtung wie etwa dem Sensor 260 gebracht werden kann, der neben dem Auswertungsschaltkreis 270 die bereits genannte Halterung 250 umfasst. Wie weiter oben ausgeführt, kann der Träger 170 aus dem Material einer gedruckten Schaltplatine vorgefertigt sein.
zeigt die Ansicht einer Sensoreinrichtung 100 im Querschnitt längs der beiden Ebenen A und B. Die Ebene A erstreckt sich längs des elektrischen Kontakts 180-3 und in einer Richtung, die im rechten Winkel zur Hauptfläche des Substrats 110 verläuft. Die Ebene B erstreckt sich parallel zur Ebene A, jedoch längs des elektrischen Kontakts 180-1. Infolgedessen wird in (Querschnittebene A) der elektrische Kontakt 180-3 der Steuerelektrode 190 (in nicht dargestellt) längs der elektrischen Verbindung 210 und der entsprechenden Bondinsel 230 dargestellt, die die Steuerelektrode 190 elektrisch mit dem elektrischen Kontakt 180-3 koppelt. Zudem zeigt im rechten Teil die Steuerelektrode 160, die auf den Träger 170 aufgebracht ist. Das Substrat 110 ist mechanisch auf dem Träger 170 durch eine Verklebung 300 befestigt.
Das Substrat 110 umfasst den bereits genannten Membranabschnitt 130 in dem Bereich, in welchem die Dicke des Substrats 110 signifikant kleiner als in den Außenbereichen ist, auf denen die Bondinseln 220, 230 zum Zweck des elektrischen Anschlusses der Steuerelektrode 190 (in nicht dargestellt) und der Messelektrode 150 aufgebracht sind. Die Bondinsel 220 für die elektrische Verbindung 200, welche die Messelektrode 150 mit dem elektrischen Kontakt 180-1 verbindet, wird im linken Teil von in der Querschnittebene B dargestellt.
Anders ausgedrückt wird der Hohlraum 140 durch eine Vertiefung 310 gebildet, die auf der Rückseite des Substrats 110 im Bereich des Membranabschnitts 130 strukturiert ist. Wie bereits erwähnt, umfasst der Membranabschnitt 130 die Mehrzahl von Kanälen 120, die sich im Wesentlichen rechtwinklig zur Hauptfläche des Substrats 110 erstrecken.
Um es dem Benutzer der Sensoreinrichtung 100 zu ermöglichen, den Flüssigkeitstropfen im Hohlraum 140 bereitzustellen, umfasst der Träger 170 weiterhin eine Bohrung 320, um die Bereitstellung des Flüssigkeitstropfens im Hohlraum 140 zu ermöglichen. Die Bohrung 320 erstreckt sich vollständig durch den Träger 170, so dass sie eine Rückseite 330 eines Trägers und eine Vorder- oder obere Seite 340 miteinander verbindet, auf der die elektrischen Kontakte 180 und das Substrat 110 bereitgestellt sind. Weiterhin umfasst die Sensoreinrichtung 100 einen Trichter 350, der mechanisch um die Bohrung 320 herum auf dem Träger 170 auf der Rückseite 330 des Trägers 170 befestigt ist. Ander ausgedrückt ist der Trichter 350 am entfernten Ende des Halbleitersubstrats 110 vorgesehen. Der Trichter 350 kann beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial wie etwa glasfaserverstärktem Kunststoffmaterial (GRP = Glass-fiber Reinforced Plastic) vorgefertigt sein. Der Trichter 350 kann beispielsweise mit der Rückseite 330 des Substrats 110 durch ein Epoxidharz klebend verbunden sein.
Im Fall einer Sensoreinrichtung 100, die so konfiguriert ist, dass sie zur Bestimmung der lonenkonzentrationen in einem Blutstropfen benutzt werden kann, kann der Trichter 350 beispielsweise einen Durchmesser von mehreren Millimetern haben, z. B. mehr als 4, 6 oder 10 mm. Dagegen ist der Durchmesser der Bohrung 320 typischerweise kleiner und kann beispielsweise im Bereich 3 mm oder darunter liegen. Beispielsweise kann die Bohrung 320 einen Durchmesser von 2 mm haben.
Wie bereits beschrieben, umfasst die Sensoreinrichtung 100 die Schutzabdeckung 240, die nicht nur das Substrat 110 und den Hohlraum 140 abdeckt, sondern auch die elektrischen Kontakte, insbesondere die elektrischen Bondverbindungen 200, 210.
zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der Querschnittansicht in , der in durch einen Kasten 360 markiert ist. Der in dargestellte und durch einen Kasten 360 in markierte vergrößerte Ausschnitt ist jedoch nicht maßstabgetreu gezeichnet, und die elektrische Verbindung 210, welche die Bondinseln 230 mit den elektrischen Kontakten 180-3 verbindet, ist nicht dargestellt.
Das Substrat 110 beinhaltet einen ersten Abschnitt 370, der beispielsweise im Hinblick auf seine elektrischen und Dotierungseigenschaften mit dem Substratmaterial des Substrats 110 vor der Fertigung der Sensoreinrichtung 100 identisch sein kann. Beispielsweise kann der erste Abschnitt 370 ein mit einer Bohrung dotiertes Siliziummaterial (p-Si) umfassen. In Nachbarschaft zum ersten Abschnitt 370 umfasst das Substrat 110 weiterhin einen zweiten Abschnitt 380, der beispielsweise eine hoch dotierte Schicht mit Dotierungseigenschaften sein kann, die entgegengesetzt zu denen des ersten Abschnitts 370 sind. Wenn - anders ausgedrückt - der erste Abschnitt 370 ein bohrungsdotiertes oder p-dotiertes Siliziummaterial ist, kann der zweite Abschnitt 380 ein elektronendotiertes oder n-dotiertes Siliziummaterial umfassen. Der zweite Abschnitt 380 bildet in der in bis dargestellten Ausführungsform auch den Membranabschnitt 130, der eine Mehrzahl von Kanälen 120 umfasst, von denen drei in dargestellt sind.
Die Messelektrode 150 ist auf der Oberfläche des Substrats 110 und seinem Membranabschnitt 130 aufgebracht, der vom Hohlraum 140 wegzeigt. Dementsprechend trennen die Kanäle 120 die Messelektrode 150 vom Hohlraum 140, der mit dem Flüssigkeitstropfen beaufschlagt werden kann.
Typischerweise umfassen die Kanäle 120 eine charakteristische Breite, beispielsweise einen charakteristischen Durchmesser von bis zu 1 µm, die sich rechtwinklig zu einem Fortsatz der Kanäle 120 zwischen der Messelektrode 150 und dem Hohlraum 140 verhält. In anderen Ausführungsformen kann die charakteristische Breite, die sich rechtwinklig zum Fortsatz der Kanäle 120 verhält, kleiner sein, beispielsweise höchstens 700 nm, höchstens 500 nm, höchstens 200 nm oder höchstens 100 nm. Infolgedessen hindern die Kanäle 120 Kolloide, Blutzellen und sonstige größere Partikel daran, zur Messelektrode 150 zu gelangen.
Um die Messelektrode 150 vom zweiten Abschnitt 380 des Substrats 110 zu isolieren, ist das Substrat 110 zumindest im Bereich der Messelektrode 150 durch eine Isolierschicht 390 abgedeckt. Die Isolierschicht 390 kann beispielsweise aus mindestens einem Oxid- oder einem Nitridmaterial gebildet werden.
Wie oben skizziert, umfasst der zweite Abschnitt 380 des Substrats 110 ein elektrisch leitendes Material. Anders ausgedrückt umfasst das Substrat 110 eine elektrisch leitfähige Region 400, die von den Kanälen 120 isoliert ist. Die elektrisch leitfähige Region 400 ist zudem so angepasst, dass sie ein Steuerpotenzial an den Flüssigkeitstropfen im Hohlraum 140 legt. Um dies zu ermöglichen, umfasst die Isolierschicht 390 oben auf dem Substrat 110 im Bereich der Bondinsel 230 zumindest teilweise eine Öffnung 410, die die Bondinsel 230 elektrisch mit dem zweiten Abschnitt 380 und dadurch mit der elektrisch leitenden Region 400 koppelt.
Um zu verhindern, dass die elektrisch leitfähige Region 400 Ladungsträger mit dem Flüssigkeitstropfen austauscht, ist eine an die elektrisch leitfähige Region 400 und die Kanäle 120 stoßende isolierende Region 420 zwischen der elektrisch leitfähigen Region 400 und den Kanälen 120 angeordnet. Infolgedessen sind die elektrisch leitfähige Region 400 und die isolierende Region 420 so angepasst, dass ein Steuerpotenzial an den Flüssigkeitstropfen gelegt wird. Die elektrisch leitfähige Region 400 wird daher als Gate-Elektrode bezeichnet.
Die Isolierschicht 390 und die isolierende Region 420 können in integrierter Weise gebildet werden, beispielsweise in ein und demselben Vorfertigungsschritt. Daher kann davon ausgegangen werden, dass die isolierende Region 420 in einigen Ausführungsformen der Sensoreinrichtung 100 die Isolierschicht 390 mit umfasst oder umgekehrt.
Aus den gleichen Gründen kann auch die isolierende Region 420 aus mindestens einem Oxid- oder einem Nitridmaterial gebildet werden, um die elektrisch leitfähige Region von der Flüssigkeit zu isolieren. Die elektrische leitfähige Region 400 kann aus einer dotierten Region des Halbleitermaterials des Substrats 110 gebildet werden. Daher kann die Steuerelektrode 190 die elektrisch leitfähige Region 400 umfassen oder aus ihr gebildet werden.
Auf der Basis eines Bereichs des Membranabschnitts 130 von beispielsweise 4 mm² kann der Hohlraum 140 bei einer typischen Dicke eines Substrats 110 ein Volumen von mehreren µl umfassen, beispielsweise 2 µl. In verschiedenen Ausführungsformen kann auf der Basis der Istdicke des Substrats 110 sowie auf der Basis des Bereichs des Membranabschnitts 130 ein Volumen von bis zu 20 µl für den Hohlraum 140 verwirklicht werden.
Um die Konzentration, beispielsweise von positiven Ionen (Kationen) zu analysieren, kann der elektrische Kontakt 180-2 beispielsweise als Anode für die elektrochemische Analysezelle benutzt werden, die von der Sensoreinrichtung 100 wie oben beschrieben gebildet wird. Anders ausgedrückt wird an die Gegenelektrode 160 ein positives Potenzial gelegt. Infolgedessen werden die Messelektrode 150 und ihr elektrischer Kontakt 180-1 als Kathode benutzt, während die Steuerelektrode 190 samt ihrem elektrischen Kontakt 180-3 als Steuereinheit dient. Die Messung kann beispielsweise wie folgt durchgeführt werden, wobei der Membranabschnitt 130 zur Durchführung mehrerer Aufgaben dienen kann. Zunächst kann der Membranabschnitt als mechanischer Träger für die Messelektrode 150 benutzt werden, die mittels Siebdruck oder Siebdruckverfahren vorgefertigt werden kann. Weiterhin stellt der Membranabschnitt 130 Platz für die Kanäle 120 bereit, welche die geladenen Kolloide und Blutzellen daran hindern, die Messelektrode 150 zu erreichen, so dass diese Partikel nicht in größerem Umfang zu Rauscheffekten oder sonstigen Verzerrungen der zu analysierenden Signale beitragen. Schließlich kann der Membranabschnitt 130 aus einem hochleitenden, n-dotierten Silizium (n-Si) gebildet werden, das auf der Oberfläche der Kanäle 120 abgedeckt wird, die auch als Poren bezeichnet werden, wobei ein elektrischer Isolator die isolierende Region 420 und somit das manchmal auch so genannte Gate-Oxid bildet.
Mit Hilfe der Steuereinheit oder des elektrischen Kontakts 180-3 und der Bondinsel 230 kann eine hohe Kapazität im Bereich der Kanäle 120 gebildet werden, die zur Verstärkung des zu analysierenden Signals benutzt werden kann. Natürlich kann auch die Bondinsel 230 ebenso wie die Bondinsel 220 der Messelektrode 150 mittels Siebdruck oder Siebdruckverfahren gebildet werden. Durch Anlegen eines Steuerpotenzials an die Steuerelektrode 190 kann die Differenz zwischen mindestens zwei verschiedenen Arten von Ionen, die der Flüssigkeitstropfen enthält, gemessen und eine Verstärkung der Differenz der betreffenden Signale ermöglicht werden.
Infolgedessen sollten die Bondinseln 220, 230 sowie die weiteren elektrisch leitenden Strukturen, die mit der Messelektrode 150 und der Steuerelektrode 190 zusammenhängen, voneinander durch die Isolierschicht 390 oder die isolierende Region 420 elektrisch isoliert werden.
Der Membranabschnitt 130 kann beispielsweise aus n-dotiertem Silizium vorgefertigt werden, während das Substrat 110 und sein erster Abschnitt 370 p-dotiertes Silizium umfassen können. Der Hohlraum 140 kann daher aufgrund der unterschiedlichen Dotierungen an einer Schnittstelle zwischen dem ersten Abschnitt 370 und dem zweiten Abschnitt 380 durch Anwenden von pn-Ätzen, eines elektrochemischen Ätzstoppverfahrens (ECES) oder einer Kombination dieser Verfahren vorgefertigt werden.
Wie bereits skizziert, umfasst die Sensoreinrichtung 100 weiterhin die elektrischen Bondverbindungen 200, 210 samt den Bondinseln 220, 230, um eine elektrische Verbindung der Messelektrode 150 und der Steuerelektrode 190 zu ermöglichen. Darüber hinaus ist das Substrat 110 mittels Verklebung 300 mechanisch auf dem Träger 170 befestigt. Das Substrat 110 samt seinen elektrischen Verbindungen in Form der elektrischen Bondverbindungen 200, 210 ist durch die Schutzabdeckung 240 geschützt. Auf der Rückseite des Trägers 170, die vom Substrat 110 wegzeigt, unterstützt eine trichterförmige Wand 350 den Benutzer dabei, den Flüssigkeitstropfen im Hohlraum 140 bereitzustellen und zu verhindern, dass der Flüssigkeitstropfen wegfließt. Im Fall einer Kaliumanalyse wird das Blut elektrisch mit der Innenseite des Hohlraums140 gekoppelt. Es durchdringt den Träger 170 über die Bohrung 320.
Wie oben skizziert, hängt das Volumen des Hohlraums 140 vom Bereich des Membranabschnitts 130 und der Dicke des Substrats 110 ab. Im Fall eines 4 mm² großen Membranabschnitts 130 kann der Hohlraum 140 so konstruiert werden, dass er ein Volumen von ca. 2 µl hat, was in etwa der Volumengröße eines Blutstropfens entspricht.
Die Vorfertigung des Hohlraums 140 durch Ätzen und Isolieren des Membranabschnitts 130 kann auch auf der Basis von SOI-Basismaterial (SOI = Silicon On Insulator) bewerkstelligt werden. Ein derartiges Verfahren zur Vorfertigung einer Sensoreinrichtung 100 als MEMS-Einrichtung für zyklische Voltammetrie kann beispielsweise die Bereitstellung eines SOI-Substrats umfassen, wobei die betreffende Waferdicke der späteren Dicke des Membranabschnitts 130 entspricht. Danach kann das Substrat oxidiert oder mit einem anderen Isoliermaterial ausgerüstet werden. Anschließend kann die Isolierschicht geöffnet und die Steuerelektrode 190 implantiert werden, um einen Grenzwiderstand (Schottky-Widerstand) der Membran zu reduzieren. Dann können Abdeckstrukturen für ein Plasma-Ätzverfahren vorgesehen werden, dem die Membran unterzogen wird. Die Strukturen können beispielsweise mit Hilfe einer Nano-Imprinttechnik ausgebildet werden. Der Membranabschnitt 130 kann dann geätzt werden, bis das vergrabene Oxid erreicht wird. In einem nächsten Schritt kann die Messelektrode oder die Arbeitselektrode samt der Bondinsel 230 der Steuerelektrode 190 beispielsweise mittels Siebdruck oder Siebdruckverfahren strukturiert werden.
Danach kann die Rückseite lithografiert werden, um die Positionen der Hohlräume 140 der verschiedenen Sensoreinrichtungen zu definieren, die auf einem einzelnen Wafer vorgefertigt werden sollen, der dann im folgenden Schritt geätzt werden kann. Anschließend kann der Membranabschnitt 130 elektrochemisch oder chemisch oxidiert werden, bevor die einzelnen Dices oder Chips vom Wafer getrennt werden.
Der Träger 170 kann dann samt seinem elektrischen Kontakt 180 und seiner Bohrung 320 bereitgestellt werden. Der Dice oder - anders ausgedrückt - das Substrat 110 kann dann klebend so mit dem Träger 170 verbunden werden, dass der Hohlraum 140 oberhalb der Bohrung 320 im Träger 170 vorgesehen wird. Um die elektrische Kopplung der Steuerelektrode 190 und der Messelektrode 150 zu erreichen, werden die entsprechenden Bondinseln 230 bzw. 220 mit Hilfe der elektrischen Bondverbindungen 210 bzw. 200 gebondet, bevor das Substrat 110 und seine benachbarte Umgebung gepackt werden, indem die Schutzabdeckung 240 bereitgestellt wird. In einem letzten Schritt wird der Trichter 350 klebend gekoppelt, beispielsweise durch Ankleben mit Hilfe eines Epoxidharzes auf die Rückseite des Trägers 170, die vom Substrat 110 wegzeigt.
Doch die oben beschriebenen Trennverfahren verdeutlichen zwei Prozessströme, gemäß denen eine Sensoreinrichtung 100 gemäß einer Ausführungsform vorgefertigt werden kann.
Bevor ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform zur Bestimmung der relativen Konzentration der ersten Art von Ionen in Bezug auf die zweite Art von Ionen, die in einem Flüssigkeitstropfen gelöst sind, ausführlicher beschrieben wird, wobei beispielsweise die erste Art von Ionen Kaliumionen (K⁺) und die zweite Art von Ionen Natriumionen (Na⁺) umfassen kann und es sich bei der Flüssigkeit um Blut handelt, wird eine Auswertung der bestimmten genauen Spannungsmessungen oder Leitfähigkeits-/Spannungsmessungen, die vom Sensor 260 und seiner Sensoreinrichtung 100 durchgeführt werden, ausführlicher erläutert. Unter Bezugnahme auf die und wird die Bereitstellung des Auswertungssignals ES, das indikativ für die relative Konzentration der betreffenden Ionen ist, ausführlicher dargestellt. Die Messung kann beispielsweise auf der Basis des Grundsatzes der zyklischen Voltammetrie durchgeführt werden.
zeigt eine schematische Darstellung der Strom-/Spannungsmessung. Auf der Abszisse (x-Achse) wird die Spannung oder Messspannung V geplottet. Auf der Ordinate (y-Achse) wird der gemessene Strom I, der als Reaktion auf die an die Messelektrode 150 und die Referenzelektrode und die Gegenelektrode 160 gelegte Spannung V entsteht, geplottet. Da laut elektrochemischer Theorie der beobachtete elektrische Strom exponentiell von der angelegten Spannung abhängt, wird genauer gesagt der natürliche Logarithmus In(I) auf der Ordinate in geplottet.
Die Spannung V über der von der Sensoreinrichtung 100 gebildeten elektrochemischen Zelle und ihrem Hohlraum 140 kann beispielsweise während eines Bestimmungszyklus, während dem der elektrische Strom I bestimmt wird, kontinuierlich erhöht werden.
Immer dann, wenn die Spannung V eine Schwelle einer elektrochemischen Reaktion erreicht, steigt der elektrische Strom I, wie bei einem ersten Kurvenknick 430 und einem zweiten Kurvenknick 440 für zwei verschiedene Arten von Ionen dargestellt wird. Beispielsweise beginnt im Fall von Natrium die elektrochemische Reaktion
bei ungefähr -2,71 V. Entsprechend beginnt im Fall von Kalium die chemische Reaktion
bei ungefähr -2,931 V. Infolgedessen zeigt die in dargestellte Messung ein Beispiel für eine Messung, die zwei Kurvenknicke 430, 440 umfasst, deren Positionen bzw. Größenordnungen verglichen werden können, um Informationen über die relative Konzentration der Kaliumionen in Relation zu der der Natriumionen oder umgekehrt zu erlangen.
illustriert eine Leitfähigkeits-/Spannungsmessung. Die Leitfähigkeit dl/dV wird als Kennlinie der Strom-/Spannungsmessung oder anders ausgedrückt als abgeleiteter Wert des Stroms I in Relation zur Spannung V angegeben. Erneut wird auf der Ordinate des Diagramms in der natürliche Logarithmus der Leitfähigkeit In(dl/dV) geplottet, statt der Leitfähigkeit dl/dV, wie im Kontext von skizziert.
Die Leitfähigkeits-/Spannungsmessung in entspricht der Strom-/Spannungsmessung in . Die in gezeigte Messung kann beispielsweise durch Differenzierung der in gezeigten Messung gewonnen werden. Jedoch kann auch die Leitfähigkeit dl/dV direkt bestimmt oder gemessen werden, beispielsweise mit Hilfe der Lock-in-Technik.
Grundsätzlich kann der Auswertungsschaltkreis 270 des Sensors 260 auf der Basis der Strom-/Spannungsmessung, wie sie in gezeigt wird, oder der in gezeigten Leitfähigkeits-/Spannungsmessung arbeiten. Doch kann es genauer sein, die Leitfähigkeits-/Spannungsmessung zu verwenden, da die Kurvenknicke 430, 440 der Strom-/Spannungsmessung zu den Schritten 450, 460 werden, die sich leichter anhand ihrer Positionen und/oder Differenzwerte, statt anhand der Kennlinien-Diskontinuitäten in Form der entsprechenden Kurvenknicke 430, 440 auswerten lassen.
Durch Anlegen eines Steuerpotenzials an die Steuerelektrode 160, so dass die Membran oder der Membranabschnitt 130 vorgespannt wird, kann die in den Kanälen 120 akkumulierte Ladungsmenge vor der Messelektrode 150 gesteuert werden. Infolgedessen kann es möglich sein, eine relative Unabhängigkeit der Messungen des Verhältnisses der verschiedenen Arten von Ionen von den betreffenden Diffusionskonstanten und Interaktionen mit den anderen Komponenten der Flüssigkeit, beispielsweise des Blutes, zu erreichen. Wie bereits skizziert, kann dies jedoch erfordern, dass die Kanäle 120 eine charakteristische Breite oder Abmessung haben müssen, die sich rechtwinklig zum Fortsatz der Kanäle 120 verhält, um Kolloide, Blutzellen und andere größere Objekte daran zu hindern, in die Kanäle 120 einzudringen. Anders ausgedrückt ist es ratsamer, die Kanäle 120 oder Poren mit einem Durchmesser zu implementieren, der klein genug ist, um diese größeren Objekte am Eintritt in die Kanäle 120 zu hindern. Auch dienen die Winzigkeit und die kleine Zahl der Kanäle dazu, den Reihenwiderstand in der elektrochemischen Zelle zu steuern und damit das Signal für eine bessere Anzeige vorzubereiten.
Durch Anlegen des Steuerpotenzials an die Steuerelektrode 190 werden im Flüssigkeitstropfen gelöste Ionen an den Wänden der Kanäle 120 gesammelt, die von der Steuerelektrode 190 durch die isolierende Region 420 isoliert sind. Wenn das Steuerpotenzial in Bezug auf das Potenzial der Steuerelektrode 160 bekannt ist, können die Ladungsmenge oder die Ionen, die in den Kanälen gesammelt sind, auf der Basis der Annahme bestimmt werden, dass sich die Kanäle 120 wie ein Kondensator verhalten. Daher kann durch Anlegen eines Steuerpotenzials an die Steuerelektrode 190 eine ionensensitive Anreicherung in den Hohlräumen 140 erreicht werden. Infolgedessen bietet der Sensor 260 die Möglichkeit eines zusätzlichen elektrisch steuerbaren Parameters, der eine Verbesserung im Hinblick auf die Genauigkeit der elektrochemischen Analyse erlaubt.
Die Bestimmung eines elektrischen Stroms oder einer Änderung eines elektrischen Stroms kann beispielsweise im Impulsbetrieb erfolgen. In einem ersten Schritt kann die Flüssigkeit in den Kanälen angereichert werden, indem ein Steuerpotenzial an die Steuerelektrode 190 gelegt wird. Unter Berücksichtigung der Dispersionskoeffizienten der Ionen in der Probe sollte das Steuerpotenzial eine ionensensitive Zeitdauer lang beaufschlagt werden. Die Messelektrode 150 kann dann auf die betreffende Spannung in Bezug auf die Steuerelektrode 160 gebracht werden, was zu einem Stromimpuls führt, wenn die Spannung oder Messspannung V nur eine bestimmte Zeitdauer lang an die Messelektrode 150 gelegt wird.
Natürlich kann die zyklische Voltammetrie auch durchgeführt werden, nachdem die Flüssigkeit in den Kanälen 120 selektiv angereichert worden ist. Weiterhin können die Zyklen der zyklischen Voltammetrie mit unterschiedlichen Gitterpotenzialen oder Vorspannungen wiederholt werden, die an die Steuerelektrode 190 gelegt werden. Daher umfassen Ausführungsformen auch einen repetitiven Betrieb einer Sensoreinrichtung 100 oder eines Sensors 260 gemäß einer Ausführungsform mit unterschiedlichen Vorspannungen oder Gitterpotenzialen, die an die Steuerelektrode 190 des elektrodenaktiven Membranabschnitts 130 gelegt werden. Dementsprechend kann das Koeffizientenintervall für das Verhältnis der zu analysierenden Konzentrationen der Arten von Ionen bestimmt werden.
zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Bestimmung der relativen Konzentration der ersten Art von Ionen in Relation zur zweiten Art von Ionen, die im Flüssigkeitstropfen gelöst sind. Bei S100 wird eine Spannung an die Messelektrode 150 und die Gegenelektrode 160 wie oben beschrieben gelegt. Bei S110 wird der elektrische Strom I oder die Änderung des elektrischen Stroms dl/dV, der durch den Flüssigkeitstropfen fließt, als Reaktion auf die angelegte Spannung V bestimmt. Bei S120 wird ein für die relative Konzentration indikatives Auswertungssignal ES auf der Basis des bestimmten elektrischen Stroms I oder der bestimmten Änderung des elektrischen Stroms dl/dV bereitgestellt.
Wie bereits skizziert, kann das Bereitstellen der Spannung bei S100 optional auch das Bereitstellen einer Mehrzahl unterschiedlicher Spannungswerte umfassen, von denen mindestens einer unterhalb eines elektrochemischen Potenzials einer ersten Art von Ionen, jedoch oberhalb eines elektrochemischen Potenzials einer zweiten Art von Ionen liegt. Darüber hinaus liegt mindestens einer der unterschiedlichen Spannungswerte oberhalb des elektrochemischen Potenzials der ersten Art von Ionen und des elektrochemischen Potenzials der zweiten Art von Ionen. Dementsprechend umfasst das Bestimmen des elektrischen Stroms I oder der Änderung des elektrischen Stroms dl/dV das Bestimmen einer Mehrzahl dieser Werte bei S110. Dementsprechend wird das Auswertungssignal ES bei S120 auf der Basis der Mehrzahl dieser bei 110 bestimmten Werte bereitgestellt. Um eine derartige Ausführungsform zu implementieren, kann es ratsam sein, nach S110 zu S100 zurückzukehren, wie durch die gestrichelte Linie in angedeutet wird.
Weiterhin kann eine Ausführungsform auch optional das Anlegen eines Steuerpotenzials bei S130 umfassen, was beispielsweise vor dem Anlegen der Spannung über die Messelektrode 150 und die Gegenelektrode 160 bei S100 erfolgen kann. Während dieses optionalen Vorgehens wird S130, die elektrisch leitfähige Region 400, die die Steuerelektrode 190 bildet, mit einem Steuerpotenzial beaufschlagt.
Natürlich kann ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform weiterhin das Anlegen einer Mehrzahl unterschiedlicher Steuerpotenzialwerte bei S130 umfassen sowie infolgedessen das Bestimmen einer Mehrzahl von Werten des elektrischen Stroms I oder der Änderung des elektrischen Stroms dl/dV bei S110. Erneut kann bei 120 das Bereitstellen des Auswertungssignals ES auf die Mehrzahl von Werten gestützt werden, die bei S110 bestimmt werden. Daher kann das Verfahren auch nach S110 die Rückkehr zu S130 umfassen, wie durch die gestrichelte Linie in angedeutet wird.
Natürlich können die Handlungen, wie sie oben beschrieben werden, teilweise oder vollständig in einer sich zeitlich überlappenden oder vollkommen simultanen Weise ausgeführt werden. Außer wenn explizit oder implizit ausgeschlossen, kann auch die Reihenfolge der Schritte, wie sie im Zusammenhang mit beschrieben werden, ebenfalls variieren.
Zu den Ausführungsformen zählen, wie oben skizziert, MEMS-Einrichtungen für zyklische Voltammetrie, die beispielsweise auf eine kaliumspezifische Blutanalyse Anwendung finden können. Der elektrochemische Einzelchip-Sensor oder die elektrochemische Sensoreinrichtung 100, die ein Verhältnis von Konzentrationen von Ionen mit unterschiedlichen Ladungen gleicher Polarität in einer wässrigen oder nicht wässrigen Lösung erfassen oder messen kann, umfasst den Hohlraum 140 zur Aufnahme des Probenvolumens, das sich typischerweise im Mikroliterbereich bewegt. Weiterhin umfasst er bzw. sie einen elektrodenaktiven Membranabschnitt 130, der in der Lage ist, Makromoleküle und größere geladene Partikel herauszufiltern. Er bzw. sie umfasst auch eine Elektrode, bei der es sich beispielsweise um eine metallische Elektrode handeln kann, wie die Messelektrode 150 für die quantitative Analyse von Ionen mit einem bekannten elektrochemischen Potenzial sowie eine entsprechenden Gegenelektrode 160, die in der Sensoreinrichtung 100 entweder direkt auf dem Träger 170 oder auf dem Substrat 110 enthalten sind. Die Sensoreinrichtung oder vielmehr ihr Substrat 110 sind in den in bis gezeigten Ausführungsformen elektrisch über elektrische Bondverbindungen 200, 210 mit dem Träger 170 gekoppelt. Natürliche können auch andere elektrisch leitende Techniken verwendet werden, um das Substrat 110 und seine Elektroden mit dem Träger 170 zu koppeln. Weiterhin umfasst die Trägereinrichtung 100, wie sie in bis gezeigt wird, eine Packung in Form einer Schutzabdeckung 240, die auf der dem Trichter 350 gegenüberliegenden Seite liegt, und die Bohrung 320, durch die die Flüssigkeitsprobe im Hohlraum 140 bereitgestellt werden kann.
Das Substrat 110 mit seinem Membranabschnitt 130, der die Kanäle 120 umfasst, ist ein vorteilhafter Aspekt, und die Steuerelektrode 190 samt ihrer ergänzenden Strukturen ist eine Option. Doch ohne den Membranabschnitt 130, der das elektrochemische Potenzials übersteigt, über dem die Natriumtrennung oder die Kaliumtrennung thermodynamisch möglich ist, würde ein so hoher elektrischer Strom dazu führen, dass eine signifikante Menge der im Blutstropfen zu analysierenden Ionen innerhalb einer einzigen Sekunde getrennt würden. Innerhalb mehrerer Millisekunden würde sich die Konzentration der Ionen innerhalb des Volumens des Blutstropfens lokal und insgesamt wesentlich ändern. Infolgedessen ist beim Kenndatendurchgang das Bestimmen des relativen Anstiegs des elektrischen Stroms I bei den unterschiedlichen elektrochemischen Spannungen mit der zur Unterscheidung der verschiedenen Verhältnisse erforderlichen Genauigkeit schließlich unter Umständen nicht mehr möglich.
Der Einsatz des Membranabschnitts 130 ermöglicht es daher, einen definierten elektrischen Widerstand in das Elektrolyt zu integrieren, um die Genauigkeit der Messergebnisse durch wiederholten Kenndatendurchgang zu erhöhen. Anders ausgedrückt wäre es ohne den Membranabschnitt 130 unter Umständen nicht möglich, zuverlässig eine zyklische Voltammetriemessung durchzuführen, da sich die Konzentration der basischen Ionen im Blutstropfen auf störende Weise ändern würde. Durch Anwenden des Membranabschnitts 130 kann es ermöglicht werden, eine derartige wiederholte Messung vorzusehen.
Zudem kann der Membranabschnitt 130 so angeordnet werden, dass er eine Steuerelektrode 190 oder eine entsprechende Steuereinheit umfasst. Durch Anwenden der Steuerelektrode 190 kann es ermöglicht werden, auf der Oberfläche der Kanäle 120 einen Kondensator im Membranabschnitt 130 zu schaffen, der das Erreichen eines Gleichgewichts zwischen der Natriummenge und der Kaliummenge in den Kanälen 120 ermöglicht. Infolgedessen kann es durch lineares Erhöhen der Spannung zur Analyse der Konzentration der betreffenden Ionen in Kombination mit der oben beschriebenen Größe der Poren oder Kanäle 120 ermöglicht werden, dass die relativen Anteile von Kalium und Natrium weniger von den unterschiedlichen spezifischen Leitfähigkeiten dieser Arten von Ionen abhängen.
Genauer gesagt kann die Geometrie des Membranabschnitts 130 in Kombination mit seinen Kanälen 120 einen hohen elektrolytischen Widerstand zwischen dem Blutstropfen und der Messelektrode 150 (Messkathode) bedingen und daher den Ionentransport vom trichterförmigen Hohlraum sperren. Das an den Membranabschnitt 130 gelegte Steuerpotenzial kann daher das Verhältnis von Kalium zu Natrium an der Oberfläche der Membran 130 bestimmen, woraus sich während des Prozesses der linearen Messspannungserhöhung in der Nachbarschaft der Kathode ein kleinerer elektrischer Widerstand im Elektrolyt ergeben kann.
Beispielsweise bei einer Größe der Kanäle 120 von typischerweise 50 nm bis 100 nm, beispielsweise bei einer Gate-Oxiddicke in den Poren oder Kanälen 120 von ca. 10 nm, beispielsweise bei einem Bruchteil der Kanäle von typischerweise 2 %, beispielsweise bei einer Dicke des Membranabschnitts 120 von 20 µm und beispielsweise bei einer Steuerspannung von 1 bis 5 V kann eine lineare Erhöhung der Spannung zur Analyse der relativen Konzentration unterschiedlicher Arten von Ionen wiederholt mehrere Male innerhalb eines im Millisekundenbereich liegenden Zeitraums erfolgen. Die elektrischen Ströme können sich beispielsweise im Bereich von 1 µA bis 100 µA bewegen, ohne dass die Konzentration des Flüssigkeitstropfens, der im Hinblick auf seine lonenkonzentration analysiert werden soll, in störender Weise im Blutstropfen sinkt.
Die Beschreibung und die Zeichnungen illustrieren lediglich die Grundsätze der Erfindung. Weiterhin sollen insbesondere alle im vorliegenden Text zitierten Beispiele ausdrücklich nur Anschaulichkeitszwecken dienen, um dem Leser das Verständnis der Grundsätze der Erfindung und der Konzepte zu erleichtern, die von dem bzw. den Erfindern zur Weiterentwicklung der Technik beigetragen wurden, und so auszulegen sind, dass sie nicht auf die spezifisch angeführten Beispiele und Bedingungen begrenzt sind. Zudem sollen alle in diesem Text enthaltenen Erklärungen, die Grundsätze, Aspekte und Ausführungsformen der Erfindung sowie spezifische Beispiele für sie zitieren, Äquivalente von diesen mit einbeziehen.
Funktionsblöcke, die mit „Mittel für ...“ (Erfüllung einer bestimmten Funktion) bezeichnet werden, sind als Funktionsblöcke zu verstehen, die für die Erfüllung einer bestimmten Funktion vorgesehen sind bzw. diese erfüllen sollen. Daher kann „Mittel für etwas“ auch als „Mittel, das für etwas angepasst oder geeignet ist“ verstanden werden. Ein Mittel, das für die Erfüllung einer bestimmten Funktion angepasst wird, impliziert daher nicht, dass dieses Mittel notwendigerweise besagte Funktion (zu einem bestimmten Zeitpunkt) erfüllt.
Die Funktionen der verschiedenen in den Figuren dargestellten Elemente, einschließlich Funktionsblöcken, die mit „Mittel“, „Mittel zur Erzeugung“, „Mittel zur Bestimmung“ usw. bezeichnet sind, können durch den Einsatz dedizierter Hardware bereitgestellt werden, wie etwa „einem Erzeuger“, „einem Bestimmer“ usw. sowie als Hardware, die Software in Verbindung mit geeigneter Software ausführen kann. Wenn Funktionen durch einen Prozessor bereitgestellt werden, können diese durch einen einzelnen dedizierten Prozessor, einen einzelnen gemeinsamen genutzten Prozessor oder eine Mehrzahl gesonderter Prozessoren bereitgestellt werden, von denen einige gemeinsam genutzt werden. Zudem ist die ausdrückliche Verwendung des Begriffs „Prozessor“ oder „Controller“ nicht so zu verstehen, als beziehe sich dies ausschließlich auf Hardware, die Software ausführen kann. Dies kann implizit unter anderem DSP-Hardware (Digital Signal Processors), Netzwerkprozessoren, ASIC (Application Specific Integrated Circuits), FPGA (Field Programmable Gate Arrays), ROM (Read Only Memories) zur Speicherung von Software, RAM (Random Access Memory) und nichtflüchtige Speicherung mit einschließen. Andere Hardware, ganz gleich, ob herkömmlicher und/oder kundenspezifischer Art, kann ebenfalls mit eingeschlossen sein. In gleicher Weise sind in den Figuren dargestellte Schalter ebenfalls lediglich konzeptionell zu verstehen. Ihre Funktion kann durch den Betrieb von Programmlogik, durch dedizierte Logik sowie durch die Interaktion von Programmsteuerung und dedizierter Logik erfüllt werden, wobei die spezifische Technik von der implementierenden Partei auswählbar ist, wie spezifischer aus dem Kontext verständlich wird.
Es sollte von Fachleuten berücksichtigt werden, dass in diesem Text enthaltene Blockschaltbilder konzeptionelle Ansichten verdeutlichender Schaltungen sind, die die Grundsätze der Erfindung verkörpern. In gleicher Weise ist zu berücksichtigen, dass alle Flussdiagramme, Ablaufdiagramme, Zustandsübergangsdiagramme, Pseudocode und dergleichen verschiedene Prozesse repräsentieren, die im Wesentlichen in einem computerlesbaren Medium dargestellt und so durch einen Computer oder Prozessor ausgeführt werden können - ganz gleich, ob ein derartiger Computer oder Prozessor ausdrücklich dargestellt wird.
Weiterhin ist zu beachten, dass Verfahren, die in der Beschreibung oder den Ansprüchen offenbart werden, durch eine Einrichtung implementiert werden können, die Mittel zur Durchführung jedes der betreffenden Schritte dieser Verfahren hat.
Weiterhin gilt, dass die Offenbarung mehrerer Schritte oder Funktionen, die in der Beschreibung oder den Ansprüchen offenbart werden, nicht so ausgelegt werden kann, als seien sie in der spezifischen Reihenfolge zu verstehen. Daher begrenzt die Offenbarung mehrerer Schritte diese nicht auf eine bestimmte Reihenfolge, außer wenn derartige Schritte oder Funktionen aus technischen Gründen untereinander nicht austauschbar sind.
Weiterhin kann in einigen Ausführungsformen eine einzelne Handlung mehrere Unterhandlungen beinhalten oder in solche unterteilt werden. Derartige Unterhandlungen können in die Offenbarung dieser einzelnen Handlung einbezogen und Teil von ihr sein, außer wenn dies ausdrücklich ausgeschlossen wird.

Claims

Sensoreinrichtung (100), die Folgendes umfasst: ein Halbleitersubstrat (110), das eine Mehrzahl von Kanälen (120) umfasst, wobei die Kanäle (120) einen Hohlraum (140) und eine Messelektrode (150) verbinden; und eine Gegenelektrode (160), die so angeordnet ist, dass sie in Kontakt mit dem Hohlraum (140) ist, wobei der Hohlraum (140), die Messelektrode (150) und die Gegenelektrode (160) so angeordnet sind, dass sie einen Flüssigkeitstropfen aufnehmen und das Anlegen einer Spannung an den Flüssigkeitstropfen ermöglichen, wobei das Halbleitersubstrat (110) eine elektrisch leitfähige Region umfasst, die von den Kanälen (120) isoliert ist, wobei die elektrisch leitfähige Region so konfiguriert ist, dass ein Steuerpotenzial an den Flüssigkeitstropfen gelegt wird, wenn sich diese Flüssigkeit im Hohlraum (140) befindet, wobei die elektrisch leitfähige Region durch eine dotierte Region gebildet wird.
Sensoreinrichtung (100) nach Anspruch 1, bei der die Kanäle (120) eine charakteristische Breite von bis zu 1 µm umfassen, die sich rechtwinklig zu einem Fortsatz der Kanäle (120) zwischen der Messelektrode (150) und dem Hohlraum (140) verhält.
Sensoreinrichtung (100) nach einem der vorherstehenden Ansprüche, die außerdem eine isolierende Region umfasst, die an die elektrisch leitfähige Region und die Kanäle (120) stößt und zwischen der elektrisch leitfähigen Region und den Kanälen (120) angeordnet ist, wobei die elektrisch leitfähige Region und die isolierende Region so konfiguriert sind, dass das Steuerpotenzial an den Flüssigkeitstropfen gelegt wird.
Sensoreinrichtung (100) nach Anspruch 3, wobei die isolierende Region durch mindestens eine Oxidschicht oder eine Nitridschicht gebildet wird.
Sensoreinrichtung (100) nach einem der vorherstehenden Ansprüche, die weiterhin eine Steuerelektrode (190) umfasst, die elektrisch mit der elektrisch leitfähigen Region gekoppelt ist.
Sensoreinrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Halbleitersubstrat (110) mechanisch auf einem Träger (170) befestigt ist, so dass der Hohlraum (140) zwischen der Mehrzahl von Kanälen (120) und dem Träger (170) gebildet wird.
Sensoreinrichtung (100) nach Anspruch 6, wobei der Hohlraum (140) ein Volumen von bis zu 20 µl umfasst.
Sensoreinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei der Träger (170) eine Bohrung (250) umfasst, die so konfiguriert ist, dass die Bereitstellung eines Flüssigkeitstropfens im Hohlraum (140) ermöglicht wird.
Sensoreinrichtung (100) nach Anspruch 8, die weiterhin einen Trichter (350) umfasst, der mechanisch um die Bohrung (250) herum auf dem Träger (170) auf einer Seite befestigt ist, die vom Halbleitersubstrat (110) weg zeigt.
Sensoreinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die Gegenelektrode (160) auf dem Träger (170) bereitgestellt wird.
Sensoreinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei der Träger (170) eine Mehrzahl elektrischer Kontakte (180) umfasst, die elektrisch mit den Elektroden gekoppelt und so konfiguriert sind, dass sie die Elektroden elektrisch verbinden, und wobei der Träger (170) so konfiguriert ist, dass er mechanisch in einer Halterung montiert ist.
Verfahren zur Bestimmung einer relativen Konzentration einer ersten Art von Ionen in Relation zu einer zweiten Art von Ionen, die in einem Flüssigkeitstropfen gelöst sind, wobei dieses Verfahren Folgendes umfasst: Anlegen (S100) einer Spannung an eine Messelektrode (150) und eine Gegenelektrode (160), wobei die Messelektrode über ein Halbleitersubstrat (110) bereitgestellt wird, das eine Mehrzahl von Kanälen (120) umfasst, wobei die Kanäle (120) einen Hohlraum (140) und die Messelektrode verbinden, wobei die Gegenelektrode so angeordnet ist, dass sie in Kontakt mit dem Hohlraum ist, wenn der Hohlraum, die Messelektrode und die Gegenelektrode so angeordnet sind, dass sie den Flüssigkeitstropfen aufnehmen und das Anlegen einer Spannung an den Flüssigkeitstropfen ermöglichen; Bestimmen (S110) eines elektrischen Stroms oder einer Änderung des elektrischen Stroms, der durch den Flüssigkeitstropfen fließt, als Reaktion auf die angelegte Spannung; und Bereitstellen (S120) eines Auswertungssignals, das auf der Basis des bestimmten elektrischen Stroms oder der bestimmten Änderung des elektrischen Stroms indikativ für die relative Konzentration ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Bereitstellen der Spannung (S100) das Bereitstellen einer Mehrzahl unterschiedlicher Spannungswerte beinhaltet, von denen mindestens einer unterhalb eines elektrochemischen Potenzials der ersten Art von Ionen, jedoch oberhalb eines elektrochemischen Potenzials der zweiten Art von Ionen liegt, und von denen mindestens einer oberhalb der elektrochemischen Potenziale der ersten und der zweiten Art von Ionen liegt, wobei das Bestimmen (S110) des elektrischen Stroms oder der Änderung des elektrischen Stroms das Bestimmen einer Mehrzahl von Werten des elektrischen Stroms oder der Änderung des elektrischen Stroms umfasst, die der Mehrzahl unterschiedlicher elektrischer Spannungswerte entsprechen, und wobei das Bereitstellen (S120) des Auswertungssignals das Bereitstellen des Auswertungssignals auf der Basis der Mehrzahl von Werten umfasst, die als Reaktion auf die Mehrzahl unterschiedlicher Spannungswerte bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, das weiterhin das Anlegen (S130) eines Steuerpotenzials an eine elektrisch leitfähige Region des Halbleitersubstrats (110) umfasst, das von den Kanälen (120) isoliert ist, wobei die elektrisch leitfähige Region so konfiguriert ist, dass ein Steuerpotenzial an den Flüssigkeitstropfen gelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Anlegen (S130) des Steuerpotenzials das Anlegen einer Mehrzahl unterschiedlicher Steuerpotenzialwerte an die elektrisch leitfähige Region umfasst, wobei das Bestimmen (S110) des elektrischen Stroms oder der Änderung des elektrischen Stroms das Bestimmen einer Mehrzahl von Werten des elektrischen Stroms oder der Änderung des elektrischen Stroms entsprechend der Mehrzahl unterschiedlicher Steuerpotenzialwerte entspricht und wobei das Bereitstellen (S120) des Auswertungssignals das Bereitstellen des Auswertungssignals auf der Basis der Mehrzahl von Werten, die als Reaktion auf die Mehrzahl unterschiedlicher Steuerpotenzialwerte bestimmt werden, umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei die erste Art von Ionen K⁺-Ionen, die zweite Art von Ionen Na⁺-Ionen und die Flüssigkeit Blut umfasst.
Sensor (260) zur Bestimmung einer relativen Konzentration einer ersten Art von Ionen in Relation zu einer zweiten Art von Ionen, die in einem Flüssigkeitstropfen gelöst sind, wobei dieser Sensor (26 Folgendes umfasst: ein Halbleitersubstrat (110), das eine Mehrzahl von Kanälen (120) umfasst, wobei die Kanäle (120) einen Hohlraum (140) und eine Messelektrode (150) verbinden; eine Gegenelektrode (160), die so angeordnet ist, dass sie in Kontakt mit dem Hohlraum (140) ist, und einen Auswertungsschaltkreis (270), der elektrisch mit der Messelektrode (150) und der Gegenelektrode (160) gekoppelt ist, wobei der Hohlraum (140), die Messelektrode (150) und die Gegenelektrode (160) so angeordnet sind, dass sie einen Flüssigkeitstropfen aufnehmen und das Anlegen einer Spannung an den Flüssigkeitstropfen ermöglichen; und wobei der Auswertungsschaltkreis (270) so konfiguriert ist, dass die Spannung an die Messelektrode (150) und die Gegenelektrode (160) gelegt wird, um einen elektrischen Strom oder die Änderung des durch den Flüssigkeitstropfen fließenden elektrischen Stroms als Reaktion auf die angelegte Spannung zu bestimmen und ein Auswertungssignal bereitzustellen, das auf der Basis des bestimmten elektrischen Stroms oder der bestimmten Änderung des elektrischen Stroms indikativ für die relative Konzentration ist.
Sensor (260) nach Anspruch 17, der weiterhin eine Halterung umfasst, die so konfiguriert ist, dass der Sensor (260) montiert und demontiert werden kann, der das Halbleitersubstrat (110), die Messelektrode (150), die Gegenelektrode (160) und eine Mehrzahl elektrischer Kontakte (180) umfasst, die elektrisch mit den Elektroden gekoppelt und so konfiguriert sind, dass sie die Elektroden elektrisch anschließen, wobei der Sensor (260) so konfiguriert ist, dass er weiterhin eine Mehrzahl elektrischer Gegenkontakte (290) umfasst, die mit dem Auswertungsschaltkreis (270) gekoppelt und so konfiguriert sind, dass die elektrischen Kontakte mit dem Auswertungsschaltkreis (270) elektrisch gekoppelt werden, wenn der Sensor (100) in der Halterung montiert wird.