DE10331299A1

DE10331299A1 - Sensor-transistor element, sensor unit and sensor array

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Publication number: DE10331299A1
Application number: DE10331299A
Authority: DE
Inventors: Roland Dr. Thewes; Ralf Dr. Brederlow; Christian Dr. Pacha; Meinrad Dr. Schienle; Christian Paulus
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2003-07-10
Filing date: 2003-07-10
Publication date: 2005-02-03
Also published as: WO2005008234A1

Abstract

Ein Sensor-Transistor-Element enthält ein Substrat und eine auf und/oder in dem Substrat gebildete Gate-Elektrode, an welche ein elektrisches Aktiviersignal zum Aktivieren des Sensor-Transistor-Elements anlegbar ist. Ferner weist das Sensor-Transistor-Element eine Gate-isolierende Schicht auf der Gate-Elektrode und eine erste Source-/Drain-Elektrode und eine zweite Source-/Drain-Elektrode auf. Auf der Gate-isolierenden Schicht und über der Gate-Elektrode ist eine Kanal-Schicht zwischen der ersten Source-/Drain-Elektrode und der zweiten Source-/Drain-Elektrode gebildet, welche Kanal-Schicht aus Fängermolekülen gebildet ist, die derart eingerichtet sind, dass sie mit in einem Analyten möglicherweise enthaltenen zu erfassenden Partikeln hybridisieren und so die Leitfähigkeit im Kanal modifizieren.A sensor-transistor element comprises a substrate and a gate electrode formed on and / or in the substrate, to which an electrical activation signal for activating the sensor-transistor element can be applied. Furthermore, the sensor-transistor element has a gate-insulating layer on the gate electrode and a first source / drain electrode and a second source / drain electrode. On the gate insulating layer and over the gate electrode, a channel layer is formed between the first source / drain electrode and the second source / drain electrode, which channel layer is formed of catcher molecules so arranged in that they hybridize to particles possibly to be detected in an analyte and thus modify the conductivity in the channel.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensor-Transistor-Element, eine Sensor-Einheit und ein Sensor-Array.The The invention relates to a sensor-transistor element, a sensor unit and a sensor array.

Das Erfassen von biologischen Substanzen wie DNA, Proteinen, Oligonukleotiden, etc. gewinnt in Wirtschaft und Wissenschaft zunehmend an Bedeutung.The Detecting biological substances such as DNA, proteins, oligonucleotides, etc. is becoming increasingly important in business and science.

Gemäß einem aus dem Stand der Technik bekannten Biosensor werden an einer Elektrode Fängermoleküle, zum Beispiel DNA-Halbstränge, immobilisiert. Nach Hinzugeben eines möglicherweise zu erfassende Partikel enthaltenden Analyten zu einem solchen Biosensor kann es zu Hybridisierungsereignissen zwischen Fängermolekülen und den zu erfassenden Partikeln kommen, sofern die Fängermoleküle eine zu den zu erfassenden Partikeln komplementäre Basensequenz aufweisen. Ein solches Sensorereignis kann elektrisch oder optisch detektiert werden.According to one known from the prior art biosensor capture molecules are on an electrode, for Example DNA half strands, immobilized. After adding a possibly too detecting particles containing analytes to such a biosensor It can lead to hybridization events between capture molecules and those to be detected Particles come, if the catcher molecules one have complementary base sequence to the particles to be detected. Such a sensor event can be detected electrically or optically become.

Bei einem elektrischen Detektionsverfahren werden die veränderten elektrischen Eigenschaften in einem Umgebungsbereich eines Biosensors aufgrund des Hybridisierungsereignisses erfasst. Beispielsweise kann ein veränderter Wert des ohmschen Widerstands, ein veränderter Wert der Kapazität, etc. gemessen werden. Auch können Label an die zu erfassenden Partikel angehängt werden, welche die elektrischen Eigenschaften des Systems verändern können. So ist es bei dem Redox-Cycling-Sensor möglich, geladene Moleküle unter Verwendung eines Labels zu erzeugen, welche einen elektrischen Sensorstrom generieren.at an electrical detection method, the changed electrical properties in a surrounding area of a biosensor detected due to the hybridization event. For example can be a changed one Value of the ohmic resistance, a changed value of the capacitance, etc. be measured. Also can Label are attached to the particles to be detected, which are the electrical Change the properties of the system can. So it is possible with the redox cycling sensor, under charged molecules Use of a label to generate an electrical sensor current to generate.

Alternativ werden Hybridisierungsereignisse bei Biosensoren unter Verwendung optischer Prinzipien gemessen. Beispielsweise können veränderte optische Eigenschaften von doppelsträngigen Molekülen gegenüber einzelsträngigen Molekülen gemessen werden. Auch können zu erfassende Partikel mit einem Fluoreszenzlabel versehen werden, welches charakteristisch elektromagnetische Strahlung absorbiert bzw. emittiert. Dies kann erfasst und als Sensorereignis weiterverarbeitet werden.alternative hybridization events are used in biosensors measured by optical principles. For example, altered optical properties of double-stranded molecules across from single molecules be measured. Also can to be detected particles are provided with a fluorescent label, which characteristically absorbs electromagnetic radiation or emitted. This can be recorded and further processed as a sensor event become.

Allerdings sind die optischen Techniken sehr aufwändig, da sie in der Regel eine elektromagnetische Strahlungsquelle und eine elektromagnetische Detektionseinrichtung erfordern.Indeed The optical techniques are very expensive, as they are usually a electromagnetic radiation source and an electromagnetic detection device require.

Aus [1] bis [3] sind Label für biologische Moleküle bekannt, welche Label als Elektronenspeicher dienen können.Out [1] to [3] are labels for biological molecules It is known which labels can serve as electron storage.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen alternativen Sensor bereitzustellen, mit dem biologische Makromoleküle mit ausreichender Nachweissensitivität erfasst werden können.Of the Invention is based on the problem, an alternative sensor to detect biological macromolecules with sufficient detection sensitivity can be.

Das Problem wird durch ein Sensor-Transistor-Element, durch eine Sensor-Einheit und durch ein Sensor-Array mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.The Problem is posed by a sensor-transistor element, by a sensor unit and solved by a sensor array having the features according to the independent claims.

Das erfindungsgemäße Sensor-Transistor-Element enthält ein Substrat und eine auf und/oder in dem Substrat gebildete Gate-Elektrode, an welche ein elektrisches Aktiviersignal zum Aktivieren des Sensor-Transistor-Elements anlegbar ist. Ferner ist eine Gate-isolierende Schicht auf der Gate-Elektrode und eine erste Source-/Drain-Elektrode und eine zweite Source-/Drain-Elektrode in dem Sensor-Transistor- Element enthalten. Eine auf der Gate-isolierenden Schicht und über der Gate-Elektrode gebildete Kanal-Schicht zwischen der ersten Source-/Drain-Elektrode und der zweiten Source-/Drain-Elektrode, welche Kanal-Schicht aus Fängermolekülen gebildet ist, ist derart eingerichtet, dass sie mit in einem Analyten möglicherweise enthaltenen zu erfassenden Partikeln hybridisiert.The inventive sensor-transistor element contains a substrate and a gate electrode formed on and / or in the substrate which is an electrical activation signal for activating the sensor-transistor element can be applied. Further, a gate insulating layer on the gate electrode and a first source / drain electrode and a second source / drain electrode in the sensor-transistor element contain. One on the gate insulating layer and over the gate electrode formed channel layer between the first source / drain electrode and the second source / drain electrode, which channel layer formed from catcher molecules is is set up so that it may be present in an analyte hybridized to be detected particles.

Die erfindungsgemäße Sensor-Einheit zum Erfassen von in einem Analyten möglicherweise enthaltenen Partikeln enthält ein Sensor-Transistor-Element mit den oben beschriebenen Merkmalen.The inventive sensor unit for detecting particles possibly contained in an analyte contains a sensor-transistor element with the features described above.

Ferner ist erfindungsgemäß ein Sensor-Array mit einer Mehrzahl von auf und/oder in dem Substrat gebildeten Sensor-Einheiten mit den oben beschriebenen Merkmalen geschaffen.Further is a sensor array according to the invention with a plurality of sensor units formed on and / or in the substrate with the created above features.

Eine Grundidee der Erfindung kann darin gesehen werden, dass ein elektronischer Sensor insbesondere zum Erfassen von Biomolekülen geschaffen ist, welcher auf der Ausnutzung des Feldeffekts basiert. Anschaulich bilden die Fängermoleküle, welche ausreichend dicht auf dem Sensor-Transistor-Element angeordnet sind, eine Kanal-Schicht eines Feldeffekttransistor-ähnlichen Bauelements. Im Falle eines Hybridisierungsereignisses zwischen den Fängermolekülen und in einem Analyten möglicherweise enthaltenen Partikeln wird die Kanal-Schicht dahingehend modifiziert, dass die Fängermoleküle zu doppelsträngigen Molekülen umgewandelt werden. Doppelsträngige Moleküle weisen eine zu einzelsträngigen Molekülen unterschiedliche (insbesondere erhöhte) elektrische Leitfähigkeit auf. Daher kann mittels Anlegens eines elektrischen Aktiviersignals an die Gate-Elektrode das Sensor-Transistor-Element aktiviert werden, und die infolge eines Hybridisierungsereignisses veränderte elektrische Leitfähigkeit der Kanal-Schicht kann durch Erfassen eines veränderten elektrischen Signals detektiert werden.A basic idea of the invention can be seen in that an electronic sensor, in particular for detecting biomolecules, is created, which is based on the utilization of the field effect. Illustratively, the catcher molecules, which are arranged sufficiently close to the sensor-transistor element, form a channel layer of a field effect transistor-like component. In the case of a hybridization event between the capture molecules and particles possibly contained in an analyte, the channel layer is modified to convert the capture molecules into double-stranded molecules. Double-stranded molecules have a different (in particular increased) electrical conductivity to single-stranded molecules. Therefore, by applying an electrical activation signal to the gate electrode, the sensor-transistor element can be activated, and the electrical conductivity of the channel layer changed as a result of a hybridization event can be determined by detecting a change derten electrical signal can be detected.

Es ist anzumerken, dass im Rahmen dieser Beschreibung vorwiegend DNA-Sensoren beschrieben werden, an welchen ein Hybridisierungsereignis zwischen komplementären DNA-Strängen nachgewiesen werden. Die Erfindung ist allerdings auf alle Arten von Molekülen (insbesondere Biomolekülen) anwendbar, bei denen ein Bindungsereignis spezifisch bindender Moleküle nachgewiesen werden kann. Somit sind die Fängermoleküle nicht auf DNA-Halbstränge beschränkt, sondern können beispielsweise auch Enzyme, Oligonukleotide, Polyamide, Proteine, etc. sein, sofern diese ihre (vertikale) Leitfähigkeit nach der Bindung ändern.It It should be noted that in the context of this description predominantly DNA sensors to which a hybridization event occurs between complementary DNA strands be detected. However, the invention is in all ways of molecules (in particular biomolecules) applicable, where a binding event of specific binding molecules is detected can be. Thus, the catcher molecules are not on DNA half strands limited, but you can For example, enzymes, oligonucleotides, polyamides, proteins, etc., as long as they change their (vertical) conductivity after bonding.

Anschaulich ist das Sensor-Transistor-Element gebildet aus einer elektrisch ansteuerbaren Gate-Elektrode, welche mit einer dielektrischen Gate-isolierenden Schicht bedeckt ist. Oberhalb des Dielektrikums sind Fängermoleküle, zum Beispiel einzelsträngige DNA-Moleküle, mit Hilfe einer adäquaten Kopplungschemie immobilisiert. Die Packungsdichte der Fängermoleküle sollte ausreichend hoch sein, vorteilhaft ist diesbezüglich die Verwendung sogenannter Self-Assembled-Monolayer (SAM). Anschaulich bilden die Fängermoleküle, die rasenartig auf der Gate-isolierenden Schicht angeordnet sind, den Kanal-Bereich der FET-ähnlichen Anordnung. Die Kanal-Schicht ist zwischen den beiden Source-/Drain-Elektroden als elektrische Kontakte vorgesehen, welche auch elektrisch ansteuerbar sind. Gemäß dem Feldeffekttransistor-Prinzip können die Source-/Drain- Elektroden die Gate-Elektrode in lateraler Richtung überlappen.clear is the sensor-transistor element formed of an electric controllable gate electrode, which is provided with a dielectric gate-insulating Layer is covered. Above the dielectric are catcher molecules, for Example single-stranded DNA molecules with the help of an adequate Coupling chemistry immobilized. The packing density of the capture molecules should be be sufficiently high, advantageous in this regard, the use of so-called Self-assembled monolayer (SAM). Clearly the catcher molecules form like a lawn are arranged on the gate insulating layer, the channel region the FET-like arrangement. The channel layer is between the two source / drain electrodes as electrical Provided contacts, which are also electrically controlled. According to the field effect transistor principle, the Source / drain electrodes overlap the gate electrode in the lateral direction.

Bei einem Hybridisierungsereignis zwischen den Fängermolekülen und zu erfassenden Partikeln bilden sich doppelsträngige Moleküle in der Kanal-Schicht aus, welche eine gegenüber einzelsträngigen Molekülen verbesserte ohmsche Leitfähigkeit aufweisen. Ferner können derartige Doppelstränge selbst oder mit den zu erfassenden Partikeln oder den Fängermolekülen gekoppelte Labels als Elektronenlieferanten zum Bereitstellen elektrischer Ladungsträger zum Verbessern der elektrischen Leitfähigkeit des Kanal-Bereichs dienen.at form a hybridization event between the capture molecules and particles to be detected double-stranded molecules in the channel layer, which improved over single-stranded molecules have ohmic conductivity. Furthermore, can such double strands themselves or with the particles to be detected or the catcher molecules coupled labels as electron suppliers for providing electrical charge carriers for improving the electrical conductivity of the channel area.

Bei Anlegen einer elektrischen Spannung an den Gate-Bereich wird der Wert eines elektrischen Stroms zwischen den Source-/Drain-Elektroden davon abhängen, ob ein Hybridisierungsereignis erfolgt ist oder nicht. Der Wert eines erfassten elektrischen Signals an einem der Source-/Drain-Elektroden oder zwischen den Source-/Drain-Elektroden kann somit als elektrisches Detektionssignal verwendet werden, welches für erfolgte Hybridisierungsereignisse qualitativ und/oder quantitativ charakteristisch ist.at Applying an electrical voltage to the gate region becomes the Value of an electric current between the source / drain electrodes depends on, whether a hybridization event has occurred or not. The value a detected electrical signal at one of the source / drain electrodes or between the source / drain electrodes can thus as electrical Detection signal can be used, which is for completed hybridization events is qualitatively and / or quantitatively characteristic.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.preferred Further developments of the invention will become apparent from the dependent claims.

Die Source-/Drain-Elektroden des Sensor-Transistor-Elements können auf der Gate-isolierenden Schicht angeordnet sein. Mit anderen Worten können die Source-/Drain-Elektroden gegenüber der Gate-Elektrode und der Gate-isolierenden Schicht erhöht angeordnet sein.The Source / drain electrodes of the sensor-transistor element can open the gate insulating layer may be arranged. In other words, the Opposite source / drain electrodes the gate electrode and the gate insulating layer arranged elevated be.

Zumindest ein Teil der Fängermoleküle kann mit einem Label versehen sein, das derart eingereichtet ist, dass es bei einem erfolgten Hybridisierungsereignis die elektrische Leitfähigkeit der Kanal-Schicht mittels Bereitstellens elektrischer Ladungsträger erhöht. Label mit derartigen Eigenschaften sind als solche aus [1] bis [3] bekannt. Ein derartiges Labelmolekül kann als Elektronenspeicher fungieren und kann bei einem Hybridisierungsereignis anschaulich elektrische Ladungsträger über die elektrisch gut leitfähige doppelsträngige Struktur an die Oberfläche der Gate-isolierenden Schicht leiten, wodurch die Leitfähigkeit des Kanal-Bereichs verbessert wird. Es ist allerdings anzumerken, dass die Erfindung nicht auf das Verwenden derartiger Moleküle beschränkt ist. Erfindungsgemäß kann auf solche Label ganz verzichtet werden. In diesem Falle stammen die zum Stromfluss beitragenden elektrischen Ladungsträger von (z.B. aufgrund einer Polarisierung generierten) elektrischen Ladungsträgern eines aufgrund der Hybridisierung entstehenden Fänger-Target-Molekülpaars.At least a part of the catcher molecules can with be provided with a label that is such that it in a successful hybridization event, the electrical conductivity the channel layer increases by providing electrical charge carriers. label with such properties are known as such from [1] to [3]. Such a label molecule can act as an electron storage and can be visualized in a hybridization event electrical charge carriers over the electrically good conductive double Structure to the surface the gate-insulating Layer, thereby increasing the conductivity of the channel region is improved. It should be noted, however, that the invention is not limited to the use of such molecules. According to the invention can such labels are completely dispensed with. In this case come the to the current flow contributing electrical charge carriers of (e.g., generated due to polarization) of electrical charge carriers due to the hybridization resulting catcher-target molecule pairs.

Da in diesem Fall der Beitrag zu einer elektrischen Leitfähigkeit häufig gering ist und von zusätzlichen Ladungsträgern aus den Source-/Drain-Elektroden überlagert werden kann (welche nicht zum Signal beitragen), kann bei einer solchen Ausführung eine elektrische Isolierung (für tiefe Frequenzen) der Source-/Drain-Elektroden zum Kanal, vorzugsweise erreicht durch Bedeckung mit elektrisch isolierendem Material, vorteilhaft sein.There in this case the contribution to an electrical conductivity often is low and additional carriers can be superimposed from the source / drain electrodes (which do not contribute to the signal), in such an embodiment a electrical insulation (for low frequencies) of the source / drain electrodes to the channel, preferably achieved by covering with electrically insulating material, advantageous be.

Zumindest eine der beiden Source-/Drain-Elektroden kann ganz oder teilweise mit einer elektrisch isolierenden Schicht bedeckt sein. In diesem Fall ist das Sensor-Transistor-Element mit Wechselspannungs- bzw. Stromsignalen an den Source-/Drain-Elektroden zu betreiben, da Gleichstromflüsse in die Source-/Drain-Elektroden hinein oder aus ihnen hinaus im Falle einer Bedeckung der Source-/Drain-Elektroden mit einer dielektrischen Schicht nicht möglich sind. In diesem Fall ist die Leitfähigkeit/Impedanz des Gesamtsystems Source-Kanal-Kapazität, Kanal, Kanal-Drain-Kapazität die zu messende Größe. Insbesondere bewirkt diese Ausführung, dass die zum Wechselstromsignal beitragenden Ladungsträger ausschließlich aus den Labelmolekülen bzw. aus den doppelsträngigen Molekülen stammen und keine Ladungsträger über die Source -/Drain-Elektroden dem System entnommen oder hinzugefügt werden können. Daher ist eine solche Ausführung für quantitative Messungen aufgrund der besonders hohen Nachweissensitivität gut geeignet.At least one of the two source / drain electrodes can be completely or partially covered with an electrically insulating layer. In this case, the sensor-transistor element is to be operated with AC current signals at the source / drain electrodes, since DC fluxes into or out of the source / drain electrodes in case of source / drain covering. Drain electrodes with a dielectric layer are not possible. In this case, the conductivity / impedance of the overall system is source channel capacitance, channel, channel drain capacitance, the quantity to be measured. In particular, this embodiment has the effect that the charge carriers contributing to the alternating current signal originate exclusively from the label molecules or from the double-stranded molecules and no charge carriers are taken from the system via the source / drain electrodes or can be added. Therefore, such an embodiment is well suited for quantitative measurements due to the particularly high detection sensitivity.

Das Sensor-Transistor-Element kann als monolithisch integriertes Sensor-Transistor-Element eingerichtet sein. Somit kann das erfindungsgemäße Sensor-Transistor-Element von den Vorzügen der modernen Mikroelektronik profitieren. Insbesondere können Ansteuer- oder Auswerte-Schaltkreise in dem Substrat integriert sein, so dass eine On-Chip-Signalverarbeitung ermöglicht ist (beispielsweise Digitalisieren eines Messsignals On-Chip), wodurch die Nachweissensitivität verbessert ist und das Signal-Rausch-Verhältnis erhöht ist.The Sensor-transistor element can be set up as a monolithically integrated sensor-transistor element be. Thus, the inventive sensor-transistor element from the advantages benefit from modern microelectronics. In particular, driving or evaluation circuits integrated in the substrate, so that an on-chip signal processing allows is (for example, digitizing a measurement signal on-chip), whereby the evidence sensitivity is improved and the signal-to-noise ratio elevated is.

Das erfindungsgemäße Sensor-Transistor-Element kann in Silizium-Technologie oder in Polymerelektronik-Technologie hergestellt sein. Die Realisierung in Polymerelektronik-Technologie, das heißt insbesondere das Bereitstellen eines Polymertransistors und/oder das Verwenden von Polymermaterialen wie Pentacen für das Herstellen des Sensor- Transistor-Elements, ermöglicht eine besonders kostengünstige Fertigung.The inventive sensor-transistor element Can be used in silicon technology or in polymer electronics technology be prepared. The realization in polymer electronics technology, that means in particular providing a polymer transistor and / or using of polymeric materials such as pentacene for making the sensor-transistor element, allows a particularly cost-effective Production.

Das Sensor-Transistor-Element kann eine Schicht aus einem vollständig verarmten Halbleitermaterial zwischen der Gate-isolierenden Schicht und der Kanal-Schicht aufweisen. In diesem Falle bildet sich bei erfolgreicher Hybridisierung nicht ein dünner Elektronenkanal innerhalb des Elektrolyten direkt an der Grenzschicht zwischen Elektrolyt und Dielektrikum aus, sondern die über die doppelsträngige DNA bereitgestellten Elektronen befüllen die dünne Halbleiterschicht, so dass diese leitfähig wird. In diesem Fall kann der Bedeckungsgrad der Sensorfläche mit Rezeptoren deutlich geringer sein, da die halbleitende Schicht eine leitfähige Verbindung zwischen Source und Drain sicherstellen kann. Die Halbleiterschicht kann zum Beispiel auch aus einem Halbleiter aus organischem Material (zum Beispiel Pentacen) bzw. aus "Self-Assembled-Monolayer"-Material hergestellt sein.The Sensor transistor element can be a layer of a completely depleted Semiconductor material between the gate insulating layer and the channel layer exhibit. In this case, forms upon successful hybridization not a thin electron channel within the electrolyte directly at the interface between electrolyte and dielectric, but those provided via the double-stranded DNA Fill in electrons the thin one Semiconductor layer, so that it becomes conductive. In this case can the degree of coverage of the sensor surface with receptors significantly lower, because the semiconductive layer a conductive Ensure connection between source and drain. The semiconductor layer can For example, from a semiconductor of organic material (For example, pentacene) or be made of "self-assembled monolayer" material.

Das erfindungsgemäße Sensor-Transistor-Element kann mit einer monomolekularen Schicht mit einem ausreichend hohen Dichtegrad (vorzugsweise mit einer Self-Assembled-Monolayer-Schicht) als Gate-isolierende Schicht oder als Schicht zwischen der Gate-isolierenden Schicht und der Kanal-Schicht realisiert sein. DNA-Sensoren gemäß der Erfindung können vorteilhaft auch unter Verwendung von zum Beispiel aus zwei Komponenten bestehenden Self-Assembled-Monolayers (SAM) aufgebaut werden. Eines dieser Materialien kommt vorzugsweise in einer deutlich höheren Konzentration vor und enthält oberhalb einer Ankergruppe (zum Binden an Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder Aluminiumoxid, etc.) eine senkrecht zu der Oberfläche halbleitende Molekülstruktur. Das zweite Material enthält vorzugsweise zusätzlich zu den Komponenten des ersten Materials Fängermoleküle (zum Beispiel eine DNA Sequenz). Mittels SAMs kann sichergestellt werden, dass die Anzahl der Fängermoleküle pro Flächeneinheit eine optimale Dichte für die Ankopplung eines zu erfassendes Partikels (zum Beispiel Target-DNA) hat. Eine vorteilhafte Dichte liegt im Bereich von ungefähr einem Fängermolekül pro 400 nm². Unter Verwendung einer SAM-Schicht zwischen den eigentlichen Fängermolekülen und der Gate-isolierenden Schicht kann eine ausreichend dichte Anordnung von Fängermolekülen an dem Sensor-Transistor-Element sichergestellt werden. Ein Self-Assembled-Monolayer ist (quasi per Definition) in einer sehr hohen Dichte aufbringbar. Die Self-Assembled-Monolayer-Schicht kann aus den vielfältigen zur Verfügung stehenden SAM-Materialien frei gewählt werden, so können beispielsweise elektrisch leitfähige SAMs oder elektrisch isolierende SAMs verwendet werden.The sensor-transistor element according to the invention can be realized with a monomolecular layer having a sufficiently high degree of density (preferably with a self-assembled monolayer layer) as a gate-insulating layer or as a layer between the gate-insulating layer and the channel layer , Advantageously, DNA sensors according to the invention can also be constructed using self-assembled monolayers (SAMs), for example composed of two components. One of these materials is preferably present in a significantly higher concentration and above an anchor group (for bonding to silicon oxide, silicon nitride or aluminum oxide, etc.) contains a perpendicular to the surface semiconducting molecular structure. The second material preferably contains capture molecules (for example a DNA sequence) in addition to the components of the first material. By means of SAMs it can be ensured that the number of catcher molecules per unit area has an optimum density for the coupling of a particle to be detected (for example target DNA). An advantageous density is in the range of about one capture molecule per 400 nm ² . By using a SAM layer between the actual capture molecules and the gate insulating layer, a sufficiently dense arrangement of capture molecules on the sensor-transistor element can be ensured. A self-assembled monolayer can be applied (almost by definition) in a very high density. The self-assembled monolayer layer can be chosen freely from the various available SAM materials, for example, electrically conductive SAMs or electrically insulating SAMs can be used.

Im Weiteren wird die erfindungsgemäße Sensor-Einheit, die ein Sensor-Transistor-Element aufweist, näher beschrieben. Ausgestaltungen der Sensor-Einheit gelten auch für das Sensor-Transistor-Element und umgekehrt.in the Furthermore, the sensor unit according to the invention, which has a sensor-transistor element, described in more detail. refinements the sensor unit also apply to the sensor-transistor element and vice versa.

Bei der Sensor-Einheit kann eine mit zumindest einer der beiden Source-/Drain-Elektroden gekoppelte Erfass-Einrichtung zum Erfassen eines elektrischen Sensorsignals aufgrund einer infolge eines Hybridisierungsereignisses veränderten elektrischen Leitfähigkeit der Kanal-Schicht bereitgestellt sein. Eine solche Erfass-Einrichtung kann beispielsweise eine Stromerfasseinheit (beispielsweise Amperemeter) oder eine Spannungserfasseinheit (beispielsweise Voltmeter) sein.at the sensor unit may be one with at least one of the two source / drain electrodes coupled detection device for detecting an electrical sensor signal due to a change in a hybridization event electrical conductivity be provided to the channel layer. Such a detection device may, for example, a Stromerfasseinheit (for example, ammeter) or a voltage detection unit (for example voltmeter).

Die Erfass-Einrichtung kann zum Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen die beiden Source-/Drain-Elektroden und zum Erfassen eines elektrischen Stroms an zumindest einer der beiden Source-/Drain-Elektroden eingerichtet sein.The Detecting device can be used to apply an electrical voltage between the two source / drain electrodes and for detecting an electrical Power to at least one of the two source / drain electrodes set up be.

Die Erfass-Einrichtung kann zum Anlegen eines elektrischen Stroms an zumindest eine der beiden Source-/Drain-Elektroden und zum Erfassen einer elektrischen Spannung zwischen den beiden Source-/Drain-Elektroden eingerichtet sein.The Detecting device can be used to apply an electric current at least one of the two source / drain electrodes and for detecting an electrical voltage between the two source / drain electrodes be furnished.

Die angelegte elektrische Spannung bzw. der angelegte elektrische Strom kann entweder ein Gleichsignal (beispielsweise ein Gleichspannungs- oder Gleichstromsignal) oder ein Wechselsignal (beispielsweise ein Wechselspannungssignal oder ein Wechselstromsignal) sein.The applied electrical voltage or the applied electric current can either a DC signal (for example, a DC or DC signal) or an AC signal (for example, an AC signal or an AC signal).

Ferner kann eine auf und/oder in dem Substrat gebildete Potentiostat-Einrichtung zum Halten eines mit der Sensor-Einheit in Wirkkontakt gebrachten Analyten auf einem vorgebbaren elektrischen Potential bereitgestellt sein. Eine solche Potentiostat-Einrichtung ist zum Beispiel dann vorteilhaft, wenn als Analyt ein elektrolytischer Analyt verwendet wird. Dieser elektrolytische Analyt soll während des Messvorgangs auf einem konstanten elektrischen Potential gehalten werden. In diesem Fall ist ein einwandfreies Funktionieren der Sensor-Einheit gewährleistet.Furthermore, a potentiostat device formed on and / or in the substrate may be used to hold one in operative contact with the sensor unit Analytes can be provided at a predetermined electrical potential. Such a potentiostat device is advantageous, for example, if the analyte used is an electrolytic analyte. This electrolytic analyte should be kept at a constant electrical potential during the measurement process. In this case, proper functioning of the sensor unit is ensured.

Die Potentiostat-Einrichtung kann eine Referenzelektrode zum Erfassen des elektrischen Potentials des Analyten, eine Komparator-Einrichtung zum Vergleichen des erfassten elektrischen Potentials des Analyten mit einem vorgegebenen elektrischen Potential und eine Gegenelektrode zum Bereitstellen elektrischer Ladungsträger an den Analyten basierend auf dem Vergleich aufweisen. Mit anderen Worten erfasst die Referenzelektrode das gegenwärtige elektrische Potential des Analyten. Dieses erfasste Signal wird einem Eingang einer Komparator-Einrichtung bereitgestellt, welche den Wert dieses Potentials mit einem vorgegebenen Soll-Potential an einem anderen Eingang vergleicht und an einem Ausgang ein entsprechendes Steuersignal der Gegenelektrode bereitstellt, aufgrund welchen Steuersignals die Gegenelektrode dem Analyten gegebenenfalls elektrische Ladungsträger nachliefert, um das konstante elektrische Potential des Analyten aufrechtzuerhalten.The Potentiostat device can detect a reference electrode the electrical potential of the analyte, a comparator device for comparing the detected electrical potential of the analyte with a predetermined electrical potential and a counter electrode for providing electrical charge carriers to the analyte on the comparison. In other words, the reference electrode detects the current electrical Potential of the analyte. This detected signal becomes an input a comparator device which provides the value of this Comparing potential with a given setpoint potential at another input and at an output a corresponding control signal of the counter electrode provides, due to which control signal the counter electrode the analyte may be supplied with electrical charge carriers, to maintain the constant electrical potential of the analyte.

Die Sensor-Einheit kann als Biosensor-Einheit eingerichtet sein. Insbesondere kann die Biosensor-Einheit zum Erfassen von DNA-Halbsträngen, Proteinen, Polypeptiden, Oligonukleotiden, etc. eingerichtet sein.The Sensor unit can be set up as a biosensor unit. Especially the biosensor unit can be used to detect DNA half-strands, proteins, Polypeptides, oligonucleotides, etc. be set up.

Im Weiteren wird das erfindungsgemäße Sensor-Array, das erfindungsgemäße Sensor-Einheiten aufweist, näher beschrieben. Ausgestaltungen der Sensor-Einheit gelten auch für das die Sensor-Einheiten aufweisende Sensor-Array und umgekehrt.in the Furthermore, the sensor array according to the invention, the sensor units according to the invention has, closer described. Embodiments of the sensor unit also apply to the Sensor array sensor array and vice versa.

Das Sensor-Array kann mindestens eine Aktivierleitung, mindestens eine Ansteuerleitung und mindestens eine Detektionsleitung aufweisen, welche Leitungen voneinander elektrisch isoliert sind. Die Gate-Elektrode einer jeden Sensor-Einheit ist mit genau einer der mindestens einen Aktivierleitung gekoppelt. Die erste Source-/Drain-Elektrode einer jeden Sensor-Einheit ist mit genau einer der mindestens einen Ansteuerleitung gekoppelt und die zweite Source-/Drain-Elektrode ist mit genau einer der mindestens einen Detektionsleitung gekoppelt. Zumindest eine der mindestens einen Ansteuerleitung und zumindest eine der mindestens einen Detektionsleitung (bzw. zumindest eine der mindestens einen Aktivierleitung) ist mit zumindest zwei der Sensor-Einheiten gekoppelt. Die Erfass-Einrichtung weist bei der beschriebenen Ausgestaltung eine Ansteuereinheit zum Bereitstellen eines elektrischen Ansteuersignals und eine Detektionseinheit zum Erfassen eines aus dem elektrischen Ansteuersignal resultierenden elektrischen Sensorsignals auf. Ferner ist eine Auswahleinheit bereitgestellt, die derart eingerichtet ist, dass sie die Ansteuereinheit mit der Ansteuerleitung einer auszuwählenden Sensor-Einheit und die Detektions-Einheit mit der Detektionsleitung der auszuwählenden Sensor-Einheit koppelt, womit die Sensor-Einheit ausgewählt wird.The Sensor array can have at least one activation line, at least one Have drive line and at least one detection line, which lines are electrically isolated from each other. The gate electrode each sensor unit is with exactly one of the at least one Coupled activation line. The first source / drain electrode of a Each sensor unit is with exactly one of the at least one control line coupled and the second source / drain electrode is exactly one of the at least coupled to a detection line. At least one of the at least one Control line and at least one of the at least one detection line (or at least one of the at least one activation line) is with at least two of the sensor units coupled. The recording device has in the described embodiment a drive unit for Providing an electrical drive signal and a detection unit for detecting an electric power resulting from the electrical drive signal Sensor signal on. Furthermore, a selection unit is provided, which is set up such that it connects the drive unit with the Control line to be selected Sensor unit and the detection unit with the detection line of to be selected Sensor unit couples, with which the sensor unit is selected becomes.

Bei der beschriebenen Architektur des Sensor-Arrays, bei der mehrere Ansteuer- bzw. Detektionsleitungen bzw. Aktivierleitungen für eine Mehrzahl von Sensor-Einheiten jeweils gemeinsam vorgesehen sind, ist die Gesamtzahl von Signalleitungen gering gehalten. Im Falle einer matrixförmigen Anordnung von Sensor-Einheiten mit n Zeilen und m Spalten von Sensor-Einheiten beträgt die Anzahl der erforderlichen Signalleitungen bei genau einer gemeinsamen Aktivierleitung m + n + 1. Gegenüber einer separaten Ansteuerung einer jeden Sensor-Einheit, wo größenordnungsmäßig m·n Signalleitungen erforderlich wären, ist dadurch eine erheblich platzsparendere Anordnung der Sensor-Einheiten auf dem Sensor-Array ermöglicht, so dass die Integrationsschicht erhöht ist.at the described architecture of the sensor array, in which several Control or detection lines or activating lines for a plurality of Sensor units are each provided together, is the total number kept low by signal lines. In the case of a matrix-shaped arrangement of sensor units with n rows and m columns of sensor units is the number of required signal lines at exactly one common Activating line m + n + 1. Opposite a separate control of each sensor unit, where on the order of m · n signal lines would be required This is a considerably space-saving arrangement of the sensor units on the sensor array allows so that the integration layer is increased.

Vielfach ist man daran interessiert, nicht nur einen Test auf einem Sensor durchzuführen, sondern viele Tests an einer gegebenen Probe, dem Analyten, zeitlich parallel. Auf entsprechenden Chips realisierbare miniaturisierte Bio-/ Chemosensor-Arrays dienen dem zeitlich parallelen Nachweis unterschiedlicher zu erfassender Substanzen in einem zu untersuchenden Analyten. Die entsprechenden elektrischen Sensoren können in großer Zahl auf Chips aus Glas, Kunststoff, Silizium oder anderen Substraten realisiert werden. Für derartige Sensor-Arrays einschließlich entsprechendem Auswertesystem ergeben sich vielfältige Anwendungen in der medizinischen Diagnosetechnik, in der Pharmaindustrie, zum Beispiel für das Pharmascreening ("High Throughput Screening", HTS), in der chemischen Industrie, in der Lebensmittelanalytik, in der Umwelt- und Lebensmitteltechnik und -analytik, etc.frequently One is interested, not just a test on a sensor perform, but many tests on a given sample, the analyte, in time parallel. Miniaturized realizable on corresponding chips Bio / chemosensor arrays are used for time-parallel detection different substances to be detected in one to be examined Analytes. The corresponding electrical sensors can be used in greater Number on chips made of glass, plastic, silicon or other substrates will be realized. For Such sensor arrays including appropriate evaluation system arise manifold Applications in medical diagnostic technology, in the pharmaceutical industry, for example for that Pharmascreening ("High Throughput Screening ", HTS), in the chemical industry, in food analysis, in environmental and food technology and analysis, etc.

Um eine große Anzahl von Tests an einem Analyten zeitlich parallel durchzuführen, wird die Anordnung einer größeren Anzahl solcher auf unterschiedliche Substanzen spezifizierter Sensor-Einheiten eines Sensor-Arrays auf einem Chip realisiert. Bei der Realisierung eines Sensor-Arrays mit Feldeffekt-basiertem Sensor-Transistor-Elementen (zum Beispiel zum Erfassen von Biomolekülen) ergibt sich die Herausforderung, dass alle Anschlüsse aller Sensoren einem Auslesegerät zuzuführen sind. Sofern beispielsweise ein passiver Chip mit 8·12 = 96, 32·48 = 1536 oder allgemein n·m Positionen vorliegt, liegen 3·96 = 288, 3·1536 = 4608 bzw. 3·m·n Einzelelektroden-Anschlüsse vor. Es muss jeder Sensor separat auslesbar sein, wobei die Anzahl der verwendeten Anschlüsse ("Pads") des Chips aus Gründen des Aufwands (Chip und Lesegerät) und vor allen Dingen aus Gründen der Sicherheit bei der Kontaktierung nicht zu hoch sein soll. Ein einfacher Ansatz, bei dem alle Elektroden-Anschlüsse separat mit dem Lesegerät gekoppelt werden, liefert 3·m·n (im Beispiel also 288 oder 4608) Pads und ist daher für praktische Anwendungen ungeeignet. Ähnliches gilt für den Ansatz, eine Elektrode aller Sensoren gemeinsam zu betreiben und alle verbleibenden Elektroden-Anschlüsse sowie die gemeinsame Elektrode mit dem Lesegerät zu koppeln. In diesem Fall ist die Zahl der Pads zwar geringer (2·m·n + 1, in den Beispielen also 193 bzw. 3073), jedoch immer noch zu groß, um praktischen Anforderungen gerecht zu werden.In order to perform a large number of tests on an analyte in parallel time, the arrangement of a larger number of such sensor units of a sensor array specified on different substances on a chip is realized. When realizing a sensor array with field-effect-based sensor-transistor elements (for example, for detecting biomolecules), the challenge arises that all connections of all sensors are to be supplied to a read-out device. If, for example, a passive chip with 8 × 12 = 96, 32 × 48 = 1536 or generally n × m positions is present 3 × 96 = 288, 3 × 1536 = 4608 or 3 × m × n single-electrode connections. Each sensor must be separately readable, with the number of used terminals ("pads") of the chip for reasons of effort (chip and reader) and above all, for reasons of security in contacting should not be too high. A simple approach in which all electrode terminals are separately coupled to the reader provides 3 * m * n (in this example 288 or 4608) pads and is therefore unsuitable for practical applications. The same applies to the approach of operating one electrode of all sensors together and coupling all remaining electrode connections and the common electrode to the reader. In this case, although the number of pads is less (2 * m * n + 1, in the examples, 193 and 3073, respectively), it is still too large to meet practical requirements.

Bei der Verwendung sogenannter aktiver Chips, bei denen abgesehen von Transducer-Materialien aktive Schaltungen für eine Signalvorverarbeitung und das Multiplexen von Signalen On-Chip sowie entsprechende Verdrahtungsebenen erforderlich sind, ist das Problem einer großen Anzahl von Pads gelöst. Das Herstellen aktiver Chips ist jedoch aufgrund der aufwändigeren und komplexeren Technologie mit höheren Kosten verbunden.at the use of so-called active chips, in which apart from Transducer materials active circuits for signal preprocessing and multiplexing signals on-chip and corresponding wiring levels are required, the problem of a large number of pads is solved. The Producing active chips, however, is due to the more elaborate and more complex technology with higher costs.

Erfindungsgemäß wird ein Sensor-Array geschaffen, bei dem es ermöglicht ist, auch große Arrays auch auf passiven Chips bei ausreichend geringer Anzahl von Pads zu betreiben. Die Array-Architektur der Erfindung ist allerdings auch für aktive Chips interessant, da sie es erlaubt, den schaltungstechnischen Aufwand pro Sensor-Element gering zu halten, was wiederum die Herstellung hochdichter Sensor-Arrays erlaubt.According to the invention is a Sensor array created in which it is possible, even large arrays also on passive chips with a sufficiently small number of pads to operate. The array architecture However, the invention is also interesting for active chips, since it allows, the circuit complexity per sensor element low, which in turn allows the production of high-density sensor arrays.

Bei der beschriebenen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensor-Arrays werden mehrere Detektionsleitungen bzw. mehrere Ansteuerleitungen bzw. mehrere Aktivierleitungen für eine Mehrzahl von Sensor-Einheiten gemeinsam verwendet, so dass die Anzahl der erforderlichen Signalleitungen insgesamt deutlich reduziert ist. Bei einer matrixförmigen Anordnung von Sensor-Einheiten mit n Zeilen und m Spalten sind bei Verwendung genau einer gemeinsamen Aktivierleitung m + n + 1 Anschlüsse erforderlich, so dass insbesondere bei einem Sensor-Array mit einer Vielzahl von Sensor-Einheiten eine besonders platzsparende Realisierung geschaffen ist.at the described embodiment of the sensor array according to the invention If several detection lines or more control lines or several activation lines for a plurality of sensor units are shared, so that the Number of required signal lines significantly reduced overall is. In a matrix-shaped arrangement of sensor units with n rows and m columns are in use exactly one common activation line m + n + 1 connections required, so that in particular with a sensor array with a multiplicity of Sensor units created a particularly space-saving implementation is.

Das erfindungsgemäße Sensor-Array kann eine Auswerteeinheit aufweisen, die derart eingerichtet ist, dass sie für die mindestens eine ausgewählte Sensor-Einheit basierend auf dem Ansteuersignal und dem Sensorsignal ermittelt, ob an der mindestens einen ausgewählten Sensor-Einheit Hybridisierungsereignisse erfolgt sind und/oder in welcher Quantität an der mindestens ausgewählten Sensor-Einheit Hybridisierungsereignisse erfolgt sind. Bei der Verwendung einer derartigen Auswerteeinheit sind wahlweise qualitative oder quantitative Messungen möglich.The inventive sensor array may comprise an evaluation unit which is set up in such a way that they are for the at least one selected sensor unit determined based on the drive signal and the sensor signal, whether at the at least one selected sensor unit hybridization events are carried out and / or in what quantity at the at least selected sensor unit Hybridization events have occurred. When using a Such evaluation are optional qualitative or quantitative Measurements possible.

Die Sensor-Einheiten des Sensor-Arrays sind vorzugsweise zu einer Mehrzahl von Sensor-Gruppen gruppiert derart, dass jede Sensor-Gruppe wahlweise separat von den anderen Sensor-Gruppen oder gemeinsam mit zumindest einem Teil der anderen Sensor-Gruppen betreibbar ist. Wird beispielsweise für eine bestimmte Anwendung nur ein Teil der Sensor-Einheiten des erfindungsgemäßen Sensor-Arrays verwendet, so ist es möglich, nur die Sensor-Einheiten einer entsprechenden Sensor-Gruppe zu verwenden. Daher ist eine ressourcenschonende Verwendung des Sensor-Arrays ermöglicht und eine zeitsparende Messung und Auswertung der Signale realisiert.The Sensor units of the sensor array are preferably in a plurality Grouped by sensor groups such that each sensor group is optional separately from the other sensor groups or together with at least part of the other sensor groups is operable. For example, for a specific application only uses a part of the sensor units of the sensor array according to the invention, so it is possible only to use the sensor units of a corresponding sensor group. Therefore, a resource-saving use of the sensor array allows and realized a time-saving measurement and evaluation of the signals.

Bei dem erfindungsgemäßen Sensor-Array kann in dem Substrat ein Analog-Digital-Wandler-Schaltkreis integriert sein, der derart eingerichtet ist, dass er ein analoges elektrisches Signal in ein digitales Signal umwandeln und der Auswerteeinheit bereitstellen kann. Ferner kann in dem Substrat eine elektrische Versorgungseinheit integriert sein, die derart eingerichtet ist, dass sie der Ansteuereinheit und/oder der Auswahleinheit elektrische Spannungssignale und/oder elektrische Stromsignale bereitstellen kann. Darüber hinaus kann in dem Substrat ein Digital-Analog-Wandler-Schaltkreis integriert sein, der derart eingerichtet ist, dass er ein digitales Spannungssignal und/oder Stromsignal der Versorgungseinheit in ein analoges Signal umwandelt und der Ansteuereinheit und/oder der Auswahleinheit bereitstellen kann. In dem Substrat kann eine Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle integriert sein. Ferner kann in dem Substrat eine Verstärkereinheit integriert sein, eingerichtet zum Verstärken des elektrischen Sensorsignals.at the sensor array according to the invention can integrated in the substrate an analog-to-digital converter circuit which is arranged to be an analogue electrical Convert the signal into a digital signal and provide the evaluation unit can. Furthermore, in the substrate, an electrical supply unit be integrated, which is set up so that they the drive unit and / or the selection unit electrical voltage signals and / or electrical Can provide current signals. In addition, in the substrate a digital-to-analog converter circuit be integrated, which is set up so that it is a digital Voltage signal and / or current signal of the supply unit in a converts analog signal and the drive unit and / or the selection unit can provide. An input / output interface can be integrated in the substrate be. Furthermore, an amplifier unit can be integrated in the substrate, set up for amplification of the electrical sensor signal.

Das Sensor-Array kann genau eine Aktivierleitung aufweisen, die für alle Sensor-Einheiten gemeinsam vorgesehen ist. Mittels dieser Aktivierleitung kann allen Gate-Anschlüssen der Sensor-Einheiten ein gemeinsames Aktiviersignal bereitgestellt werden.The Sensor array can have exactly one activation line for all sensor units is provided jointly. By means of this activation line can all Gate terminals the sensor units are provided a common activation signal.

Bei dem Sensor-Array können die mindestens eine Ansteuerleitung, die mindestens eine Detektionsleitung und die mindestens eine Aktivierleitung zumindest teilweise in zwei unterschiedlichen Leitungsebenen in und/oder auf und/oder unter dem Substrat ausgebildet sein. Bei dem Ausbilden der genannten Leitungen in zumindest zwei unterschiedlichen Leitungsebenen kann eine elektrische Isolierung zwischen sich kreuzenden Leitungen realisiert werden.at the sensor array can the at least one control line, the at least one detection line and the at least one activating line at least partially in two different levels of management in and / or on and / or under be formed of the substrate. In the formation of said lines in at least two different levels of conduction can be an electrical Isolation between intersecting lines can be realized.

Die Sensor-Einheiten können in genau einer der Leitungsebenen ausgebildet sein.The Sensor units can be formed in exactly one of the line levels.

Ferner kann bei dem Sensor-Array in einem ersten Leitungsabschnitt, in dem zwei der Leitungen von einer gegenseitigen Kreuzung frei sind, diese beiden Leitungen in derselben Ebene verlaufend ausgebildet sein, und in einem zweiten Leitungsabschnitt, in dem diese beide Leitungen sich gegeneinander kreuzen, diese beiden Leitungen in unterschiedlichen Ebenen verlaufend ausgebildet sein. Der erste Leitungsabschnitt kann mit dem zweiten Leitungsabschnitt einer jeweiligen Leitung mittels mindestens eines im Wesentlichen vertikal zu dem Substrat verlaufend angeordneten elektrischen Kontaktierungselements gekoppelt sein. Anschaulich kann in Kreuzungsbereichen zwischen zwei Leitungen eine elektrische Isolierung der beiden Leitungen aufrechterhalten werden, indem eine der Leitungen brückenförmig oberhalb bzw. unterhalb der anderen Leitung ausgeführt wird.Further can in the sensor array in a first line section, in which two of the lines are free from a mutual crossing, these two lines formed running in the same plane be, and in a second line section in which these both Lines intersect each other, these two lines in be formed running different levels. The first Line section may be connected to the second line section of a respective Conduction by means of at least one substantially vertical to the substrate extending arranged arranged electrical contacting element be. Clearly, in crossing areas between two lines maintained an electrical insulation of the two lines be, by one of the lines bridge-shaped above or below the other line executed becomes.

Mindestens eine der Leitungen kann auf einer Unterseite des Substrats oder unterhalb des Substrats verlaufend ausgebildet sein.At least one of the leads may be on a bottom of the substrate or be formed extending below the substrate.

Die Ansteuereinheit kann eine für alle Sensor-Einheiten gemeinsame Versorgungseinheit aufweisen, die derart eingerichtet ist, dass mit ihr an die zumindest eine ausgewählte Sensor-Einheit das elektrische Ansteuersignal anlegbar ist.The Control unit can be a for all sensor units have common supply unit, the is set up so that with her to the at least one selected sensor unit the electrical drive signal can be applied.

Die Ansteuer-Einheit und/oder die Detektionseinheit können derart eingerichtet sein, dass an zumindest einem Teil der nicht ausgewählten Sensor-Einheiten ein elektrisches Referenzsignal anlegbar ist. Beispielsweise kann das elektrische Referenzsignal das elektrische Massepotential sein.The Drive unit and / or the detection unit can so be set up that on at least a part of the unselected sensor units an electrical reference signal can be applied. For example, can the electrical reference signal is the electrical ground potential.

Bei dem erfindungsgemäßen Sensor-Array kann die Ansteuereinheit für jeweils eine Gruppe von Sensor-Einheiten eine der jeweiligen Gruppe zugehörige Versorgungseinheit aufweisen, die derart eingerichtet ist, dass mit ihr an die Sensor-Einheiten der zugehörigen Gruppe das elektrische Ansteuersignal anlegbar ist.at the sensor array according to the invention can the drive unit for one group of sensor units each one of the respective group associated Have supply unit which is arranged such that with it to the sensor units of the associated group the electric Drive signal can be applied.

Die Detektionseinheit kann für alle Sensor-Einheiten gemeinsam gebildet sein. Die Detektionseinheit kann On-Chip, das heißt in und/oder auf dem Substrat integriert, oder Off-Chip, das heißt von dem Substrat separat, gebildet sein.The Detection unit can for all sensor units are formed together. The detection unit can be on-chip, that is integrated in and / or on the substrate, or off-chip, that is from the Substrate be formed separately.

Zusammenfassend ist erfindungsgemäß ein Sensor-Transistor-Element geschaffen, das bezogen auf den Nachweis von DNA-Molekülen als DNA-Feldeffekttransistor bezeichnet werden kann. Anschaulich bildet eine ausreichend dichte Schicht aus doppelsträngiger DNA nach einem Hybridisierungsereignis eine halbleitende Schicht, das heißt den Kanal-Bereich des DNA-Feldeffekttransistors, der mittels Anlegens einer Gate-Spannung aktiviert wird. Es ist anzumerken, dass der möglicherweise zu erfassende Partikel enthaltende elektrolytische Analyt keine zu gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen sollte. Der Elektrolyt wird vorteilhafterweise so gewählt, dass das bei einem Hybridisierungsereignis erfasste elektrische Signal nicht zu stark von elektrischen Signalen, die auf dem Elektrolyt beruhen, überlagert wird. Beispielsweise kann als Analyt destilliertes Wasser verwendet werden, in welchem die zu erfassenden Partikel eingebracht sind. Alternativ kann als Elektrolyt ein organisches Lösungsmittel (zum Beispiel Alkohol, etc.) verwendet werden. Auch kann ein Puffer mit ausreichend geringer Ionenkonzentration (zum Beispiel Phosphatpuffer, Tris-Puffer, etc.) verwendet werden. Es ist anzumerken, dass bei dem erfindungsgemäßen Sensorprinzip eine ausreichend hohe elektrische Leitfähigkeit des Analyten nicht so wichtig ist wie zum Beispiel beim Redox-Recycling.In summary According to the invention, a sensor-transistor element is created, related to the detection of DNA molecules as a DNA field effect transistor can be designated. Clearly forms a sufficiently dense Layer of double-stranded DNA after a hybridization event, a semiconducting layer, this means the channel region of the DNA field effect transistor, by applying a gate voltage is activated. It should be noted that the possibly to be recorded Particles containing electrolytic analyte not too good electrical conductivity should have. The electrolyte is advantageously chosen so that the electrical signal detected in a hybridization event not too strong of electrical signals on the electrolyte are superimposed. For example, distilled water can be used as the analyte. in which the particles to be detected are introduced. alternative can be an organic solvent (for example alcohol, etc.). Also, a buffer with sufficiently lower Ion concentration (for example phosphate buffer, Tris buffer, etc.) be used. It should be noted that in the sensor principle according to the invention a sufficiently high electrical conductivity of the analyte is not as important as redox recycling.

Ferner ist zu beachten, dass mittels Einstellens der Frequenz eines anregenden elektrischen Signals zwischen Leitfähigkeitsbeiträgen des Elektrolyten und des Sensors diskriminiert werden kann, da die entsprechenden Ladungsträger (zum Beispiel Elektronen als Sensorsignal, Ionen als Störsignal des Elektrolyten) eine unterschiedliche Beweglichkeit aufweisen. Daher kann bei ausreichend hohen Frequenzen der eine Beitrag den anregenden Frequenzen nicht mehr folgen und liefert somit keinen Beitrag mehr zu dem detektierten Signal.Further It should be noted that by adjusting the frequency of a stimulating electrical signal between conductivity contributions of the Electrolytes and the sensor can be discriminated as the corresponding charge carrier (For example, electrons as sensor signal, ions as interference signal of the electrolyte) have a different mobility. Therefore, at sufficiently high frequencies of a contribution to the stimulating frequencies no longer follow and thus provides none Contribution more to the detected signal.

Auch ist es möglich, lediglich die Kanal-Schicht aus den Fängermolekülen mit dem zu untersuchenden Analyten zu befeuchten, wohingegen die Source-/Drain-Elektroden von einer Befeuchtung frei bleiben.Also Is it possible, only the channel layer from the catcher molecules with the to be examined To moisten analytes, whereas the source / drain electrodes stay free from moistening.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Weiteren näher erläutert.embodiments The invention is illustrated in the figures and will be discussed below explained in more detail.

Es zeigen:It demonstrate:

1 eine Sensor-Einheit gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, 1 a sensor unit according to a first embodiment of the invention,

2 die in 1 gezeigte Sensor-Einheit in einem ersten Betriebszustand, 2 in the 1 shown sensor unit in a first operating state,

3 die in 1 gezeigte Sensor-Einheit in einem zweiten Betriebszustand, 3 in the 1 shown sensor unit in a second operating state,

4 eine Sensor-Einheit gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, 4 a sensor unit according to a second embodiment of the invention,

5 einen Teilbereich einer Sensor-Einheit gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, 5 a subarea of a sensor unit according to a third embodiment of the invention,

6 einen Teilbereich einer Sensor-Einheit gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung, 6 a portion of a sensor unit according to a fourth embodiment of the invention,

7 eine Sensor-Einheit gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung, 7 a sensor unit according to a fifth embodiment of the invention,

8 eine Sensor-Einheit gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung, 8th a sensor unit according to a sixth embodiment of the invention,

9 eine Sensor-Einheit gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung, 9 a sensor unit according to a seventh embodiment of the invention,

10 eine Sensor-Einheit gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung, 10 a sensor unit according to an eighth embodiment of the invention,

11 ein schematisches schaltungstechnisches Symbol einer erfindungsgemäßen Sensor-Einheit, 11 a schematic circuit-technical symbol of a sensor unit according to the invention,

12 ein Sensor-Array gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, 12 a sensor array according to a first embodiment of the invention,

13 ein Sensor-Array gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, 13 a sensor array according to a second embodiment of the invention,

14 ein Sensor-Array gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, 14 a sensor array according to a third embodiment of the invention,

15 ein Sensor-Array gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung, 15 a sensor array according to a fourth embodiment of the invention,

16 ein Sensor-Array gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung, 16 a sensor array according to a fifth embodiment of the invention,

17 ein Sensor-Array gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung, 17 a sensor array according to a sixth embodiment of the invention,

18 ein Sensor-Array gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung, 18 a sensor array according to a seventh embodiment of the invention,

19 eine Darstellung eines Kreuzungsbereichs unterschiedlicher Signalleitungen bei dem Sensor-Array aus 18. 19 a representation of a crossing region of different signal lines in the sensor array 18 ,

Gleiche oder ähnliche Komponenten in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen Bezugsziffern versehen.Same or similar Components in different figures are given the same reference numerals Mistake.

Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.The Representations in the figures are schematic and not to scale.

Im Weiteren wird bezugnehmend auf 1 eine Biosensor-Einheit 100 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.In the following, reference is made to 1 a biosensor unit 100 described according to a first embodiment of the invention.

Bei der Biosensor-Einheit 100 ist eine in einem Silizium-Substrat 101 gebildete Gate-Elektrode 102 vorgesehen, an welche mittels einer Spannungsquelle 103 ein elektrisches Aktiviersignal zum Aktivieren der Biosensor-Einheit 100 anlegbar ist. Auf der Gate-Elektrode 102 ist eine Gate-isolierende Schicht 113 aus Siliziumoxid gebildet. Auf einem ersten Randbereich der Gate-isolierenden Schicht 113, teilweise überlappend mit der Gate-Elektrode 103 ist eine erste Source-/Drain-Elektrode 104 gebildet. Auf einem zweiten Randabschnitt der Gate-isolierenden Schicht 113, teilweise überlappend mit der Gate-Elektrode 102 ist eine zweite Source-/Drain-Elektrode 105 gebildet. Ferner ist auf der Gate-isolierenden Schicht 113 zwischen den beiden Source-/Drain-Elektroden 104, 105 eine Kanal-Schicht 106 gebildet, welche Kanal-Schicht 106 aus Fängermolekülen 107 gebildet ist, die derart eingerichtet sind, dass sie mit in einem Analyten möglicherweise enthaltenen zu erfassenden Partikeln hybridisieren. Die Fängermoleküle 107 sind DNA-Halbstränge mit einer vorgegebenen Basensequenz, die an die Gate-isolierende Schicht 113 angekoppelt sind. Ferner sind die Fängermoleküle 107 mit einem Label 108 (die als solches aus [1] bis [3] bekannt sind) gekoppelt, welches zum bedarfsweisen Bereitstellen von elektrischen Ladungsträgern dient. Auf den Source-/Drain-Elektroden 104, 105 ist eine Siliziumnitrid-Passivierungsschicht 109 gebildet. Die erste Source-/Drain-Elektrode 104 ist auf das elektrische Massepotential 110 gebracht. Mittels einer Spannungsquelle 111 kann die zweite Source-/Drain-Elektrode 105 auf ein von dem Massepotential 110 unterschiedliches elektrisches Potential gebracht werden. Ein Stromfluss an der zweiten Source-/Drain-Elektrode 105 ist mittels einer Stromerfasseinheit 112 erfassbar.At the biosensor unit 100 is one in a silicon substrate 101 formed gate electrode 102 provided to which by means of a voltage source 103 an electrical activation signal for activating the biosensor unit 100 can be applied. On the gate electrode 102 is a gate insulating layer 113 made of silicon oxide. On a first edge region of the gate insulating layer 113 partially overlapping with the gate electrode 103 is a first source / drain electrode 104 educated. On a second edge portion of the gate insulating layer 113 partially overlapping with the gate electrode 102 is a second source / drain electrode 105 educated. Further, on the gate insulating layer 113 between the two source / drain electrodes 104 . 105 a channel layer 106 formed, which channel layer 106 from catcher molecules 107 which are configured to hybridize to particles to be detected which may be contained in an analyte. The catcher molecules 107 are DNA half-strands with a given base sequence, which are connected to the gate-insulating layer 113 are coupled. Furthermore, the catcher molecules 107 with a label 108 (which are known as such from [1] to [3]) coupled, which serves for the provision of electrical charge carriers on demand. On the source / drain electrodes 104 . 105 is a silicon nitride passivation layer 109 educated. The first source / drain electrode 104 is at the electrical ground potential 110 brought. By means of a voltage source 111 may be the second source / drain electrode 105 at one of the ground potential 110 be brought different electrical potential. A current flow at the second source / drain electrode 105 is by means of a Stromerfasseinheit 112 detectable.

Die immobilisierten Fängermoleküle 107 sind mit den Labeln 108 versehen, welches als Elektronenspeicher fungieren. Die Fängermoleküle 107 sind als dichter Rasen unter Verwendung von Self-Assembled-Monolayers aufgebracht, wodurch eine halbleitende Kanal-Schicht 106 geschaffen ist.The immobilized catcher molecules 107 are with the labels 108 provided, which act as electron storage. The catcher molecules 107 are applied as dense turf using self-assembled monolayers, creating a semiconducting channel layer 106 is created.

1 zeigt die Biosensor-Einheit 100 vor einem Hybridisierungsereignis. 2 und 3 zeigen zwei unterschiedliche Betriebszustände der Biosensor-Einheit 100, nachdem diese mit einem möglicherweise zu erfassende Partikel 200 enthaltenden Analyten in Wirkkontakt gebracht worden ist. 1 shows the biosensor unit 100 before a hybridization event. 2 and 3 show two different operating states of the biosensor unit 100 After this with a potentially detectable particle 200 containing analyte has been brought into operative contact.

2 zeigt ein Szenario, bei dem die zu erfassenden Partikel 200 zu den Fängermolekülen 107 komplementär sind ("Match"), so dass es zwischen den Fängermolekülen 107 und den zu erfassenden Partikeln 200 zu Hybridisierungsereignissen kommt. 2 shows a scenario in which the particles to be detected 200 to the catcher molecules 107 are complementary ("match"), making it between the catcher molecules 107 and the particles to be detected 200 comes to hybridization events.

3 zeigt die Biosensor-Einheit 100 in einem anderen Betriebszustand, in dem ein mit der Biosensor-Einheit 100 in Wirkkontakt gebrachter Analyt andere Partikel 300 als zu erfassenden Partikel 200 enthält, welche anderen Partikel 200 eine Basensequenz haben, die zu der Basensequenz der Fängermoleküle 107 nicht komplementär ist. Daher kommt es nicht zu Hybridisierungsereignissen zwischen den Fängermolekülen 107 und den anderen Partikeln ("Mismatch"). Es bildet sich somit in 3 keine doppelsträngige DNA aus. 3 shows the biosensor unit 100 in another operating state, in which one with the biosensor unit 100 Analyte brought into active contact other particles 300 as particles to be detected 200 contains which other particles 200 have a base sequence leading to the base sequence of the capture molecules 107 is not complementary. Therefore, there are no hybridization events between the capture molecules 107 and the other particles ("mismatch"). It thus forms in 3 no double-stranded DNA.

Bei der erfindungsgemäßen Biosensor-Einheit 100 wird das in 2 gezeigte Hybridisierungsereignis nachgewiesen, indem unter Verwendung der Spannungsquelle 103 an die Gate-Elektrode 102 eine positive elektrische Spannung angelegt wird. Da doppelsträngige DNA 107, 200 eine erheblich bessere elektrische Leitfähigkeit aufweist als einzelsträngige DNA 107, bildet sich unmittelbar oberhalb der Gate-isolierenden Schicht 113 eine dünne Schicht aus Elektronen 202 aus, welche in 2 schematisch gezeigt sind. Diese entstammen den Labeln 108 und werden durch die ausreichend gut elektrisch leitfähige doppelsträngige DNA, gebildet aus den Fängermolekülen 107 und den zu erfassenden Partikeln 200, an die Oberfläche der Gate-isolierenden Schicht 113 geleitet.In the biosensor unit according to the invention 100 will that be in 2 demonstrated hybridization event detected by using the voltage source 103 to the gate electrode 102 a positive electrical voltage is applied. Because double-stranded DNA 107 . 200 has a much better electrical conductivity than single-stranded DNA 107 , forms immediately above the gate insulating layer 113 a thin layer of electrons 202 out, which in 2 are shown schematically. These come from the labels 108 and are provided by the sufficiently well electrically conductive double-stranded DNA formed from the capture molecules 107 and the particles to be detected 200 , to the surface of the gate insulating layer 113 directed.

Es ist anzumerken, dass die Darstellung der Elektronen 202 in 2 stark schematisiert ist. Eine andere Beschreibungsweise des Phänomens könnte darin gesehen werden, dass aufgrund der verbesserten Leitfähigkeit der doppelsträngigen Moleküle verglichen mit den einzelsträngigen Molekülen die elektrische Leitfähigkeit der Kanal-Schicht 106 verbessert wird, wobei anschaulich mit Hilfe der Gate-Elektrode quasi-gebundene in quasi-freie Ladungsträger überführt werden können.It should be noted that the representation of the electrons 202 in 2 is highly schematic. Another way of describing the phenomenon could be seen in that, due to the improved conductivity of the double-stranded molecules compared to the single-stranded molecules, the electrical conductivity of the channel layer 106 is improved, where descriptive with the help of the gate electrode quasi-bound can be converted into quasi-free charge carriers.

Wie mit einem Pfeil 201 in 2 angedeutet, wirken die doppelsträngigen DNA-Moleküle als Elektronenpumpe zum Befördern der Elektronen 202 von dem Label 108 zu der Oberfläche der Gate-isolierenden Schicht 113. Die Kanal-Schicht 106 mit den verbesserten elektrischen Eigenschaften führt zu einer elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen den Kontakten 104, 105, die bei Anlegen eines Potentialgefälles dadurch charakterisiert werden kann, dass der Strom an einem oder beiden Kontakten 104, 105 gemessen werden kann. Die in den Figuren gewählte Verschaltung der Biosensor-Einheit 100, bei der einer der beiden Kontakte 104 auf Massepotential 110 liegt, stellt nur einen möglichen Fall dar. Natürlich können auch beide Kontakte 104, 105 mit separaten Spannungsquellen individuell auf vorgebbare elektrische Potentiale gebracht werden.Like an arrow 201 in 2 indicated, the double-stranded DNA molecules act as an electron pump to carry the electrons 202 from the label 108 to the surface of the gate insulating layer 113 , The channel layer 106 with the improved electrical properties results in an electrically conductive connection between the contacts 104 . 105 which, when a potential gradient is applied, can be characterized by the current flowing from one or both contacts 104 . 105 can be measured. The selected in the figures interconnection of the biosensor unit 100 in which one of the two contacts 104 at ground potential 110 is just one possible case. Of course, both contacts 104 . 105 be brought individually to predetermined electrical potentials with separate power sources.

Anschaulich ähnelt die Biosensor-Einheit 100 hinsichtlich Struktur und Wirkungsweise einer MOSFET-Anordnung, wobei die Eigenschaften des Substrat-Materials bzw. des Materials, in dem sich in dem MOS-Transistor der Kanal ausbildet, hier durch die erfolgreiche bzw. nicht erfolgreiche Hybridisierung bestimmt wird.Clearly, the biosensor unit is similar 100 in terms of structure and operation of a MOSFET device, wherein the properties of the substrate material or the material in which forms in the MOS transistor, the channel is determined here by the successful or unsuccessful hybridization.

Im Weiteren wird bezugnehmend auf 4 eine Biosensor-Einheit 400 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.In the following, reference is made to 4 a biosensor unit 400 described according to a second embodiment of the invention.

Bei der Biosensor-Einheit 400 ist ein Potentiostat 402 bereitgestellt. Dies wird gebildet aus einem Komparator 402, einer Referenzelektrode 403 und einer Gegenelektrode 404. Mittels des Potentiostats 401 wird das elektrische Potential eines mit der Sensor-Einheit 400 in Wirkkontakt gebrachten elektrolytischen Analyten 405 auf einem konstanten Wert gehalten. Mittels der Referenzelektrode 403 wird das gegenwärtige elektrische Potential des elektrolytischen Analyten 405 erfasst und einem invertierenden Eingang 402a des Komparators 402 bereitgestellt. An einem nichtinvertierenden Eingang 402b des Komparators 402 ist ein vorgegebenes Referenzpotential, nämlich das elektrische Massepotential 110 bereitgestellt. Der Komparator 402 vergleicht die an den Eingängen 402a, 402b bereitgestellten Signale miteinander und stellt basierend auf diesen Vergleich an einem Ausgang 402c ein Regelsignal bereit, das an eine Gegenelektrode 404 angelegt wird. Die Gegenelektrode 404 ist ebenfalls in Wirkkontakt mit dem elektrolytischen Analyten 405 und liefert basierend auf dem Regelsignal des Komparators 402 dem elektrolytischen Analyten 405 bedarfsweise elektrische Ladungsträger nach, um das Potential auf das Soll-Potential zurückzubringen.At the biosensor unit 400 is a potentiostat 402 provided. This is formed from a comparator 402 , a reference electrode 403 and a counter electrode 404 , By means of the potentiostat 401 becomes the electrical potential of one with the sensor unit 400 brought into operative contact with electrolytic analytes 405 kept at a constant value. By means of the reference electrode 403 becomes the current electrical potential of the electrolytic analyte 405 detected and an inverting input 402a of the comparator 402 provided. At a non-inverting entrance 402b of the comparator 402 is a predetermined reference potential, namely the electrical ground potential 110 provided. The comparator 402 compares those at the entrances 402a . 402b provided signals with each other and provides based on this comparison at an output 402c a control signal ready to a counter electrode 404 is created. The counter electrode 404 is also in operative contact with the electrolytic analyte 405 and provides based on the control signal of the comparator 402 the electrolytic analyte 405 if necessary, electrical charge carriers to in order to return the potential to the desired potential.

Da gemäß dem erfindungsgemäßen Prinzip der Biosensor-Einheit 400 üblicherweise keine elektrochemischen Umsetzungen vorgenommen werden, genügt an Stelle des Potentiostaten auch ein einfacher Kontakt zum Elektrolyten 405, der auf ein konstantes Potential gelegt wird, so dass die in 4 gezeigte Regelschleife mit dem Potentiostaten 401 optional ist.As according to the principle of the invention, the biosensor unit 400 Usually no electrochemical reactions are carried out, in place of the potentiostat also a simple contact with the electrolyte is sufficient 405 which is placed at a constant potential so that the in 4 shown control loop with the potentiostat 401 is optional.

Die erfindungsgemäße Biosensor-Einheit 100 bzw. 400 kann beispielsweise auf Basis eines Silizium-CMOS-Prozesses aufgebaut werden. Hierbei werden die Gate-Elektrode 102 und die Kontakte 104, 105 in 1 bis 3 im Backend des Prozesses gefertigt. Für die Kontakte 104, 105 kann ein edles Metall wie zum Beispiel Gold verwendet werden. Oberhalb der Gate-Elektrode 102 ist ein vorzugsweise relativ dünnes Dielektrikum als Gate-isolierende Schicht 113 abzuscheiden. Der Quotient aus der relativen Dielektrizitätskonstante der Gate-isolierenden Schicht 113 und der Dicke derselben sollte möglichst groß sein, so dass die Werte der an der Gate-Elektrode 102 anzulegenden elektrischen Spannungen im Rahmen des Betriebsspannungsfensters eines üblichen CMOS-Prozesses liegen.The biosensor unit according to the invention 100 respectively. 400 can for example be built on the basis of a silicon CMOS process. This will be the gate electrode 102 and the contacts 104 . 105 in 1 to 3 manufactured in the backend of the process. For the contacts 104 . 105 a noble metal such as gold can be used. Above the gate electrode 102 is a preferably relatively thin dielectric as a gate insulating layer 113 deposit. The quotient of the relative dielectric constant of the gate insulating layer 113 and the thickness thereof should be as large as possible so that the values at the gate electrode 102 be applied voltage within the operating voltage window of a conventional CMOS process.

Es können für die erfindungsgemäße Biosensor-Einheit Standard-Technologien und Prozesse der Halbleiterfertigung eingesetzt werden. Vorzugsweise werden Standard-CMOS-Prozesse verwendet werden. Materialien für die Gate-isolierende Schicht sind in [4] bis [6] beschrieben, auch Siliziumnitrid und Aluminiumoxid sind mögliche Materialien für die Gate-isolierende Schicht. Es ist auch möglich, dass mittels ALD („Atomic Layer Deposition") dünne Schichten geeigneter Materialien abgeschieden werden. Mit dem ALD-Verfahren ist es grundsätzlich möglich, bis auf die Genauigkeit einer Atomlage eine Dicke einer dielektrischen Schicht einzustellen.It can for the inventive bio sensor unit standard technologies and processes of semiconductor manufacturing are used. Preferably, standard CMOS processes will be used. Materials for the gate insulating layer are described in [4] to [6], and silicon nitride and alumina are also possible materials for the gate insulating layer. It is also possible that thin layers of suitable materials are deposited by means of ALD ("Atomic Layer Deposition"). With the ALD method, it is fundamentally possible to set a thickness of a dielectric layer down to the accuracy of an atomic layer.

Ein Überlappen von Source-/Drain-Elektroden und Gate-Elektrode ist zum Beispiel dadurch erreichbar, dass entsprechende Prozessmodule wie oben zitiert mehrfach hintereinander geschaltet werden.An overlap source / drain electrodes and gate electrode can be achieved, for example, by that corresponding process modules as cited above several times in succession be switched.

Alternativ zu einer Silizium- bzw. CMOS-basierten Lösung kann die erfindungsgemäße Biosensor-Einheit auch mittels eines Halbleiterprozesses auf Polymerbasis hergestellt werden. Mit anderen Worten kann der Feldeffekttransistor der erfindungsgemäßen Biosensor-Einheit unter Verwendung eines Polymermaterials gefertigt werden. Hierfür können Standardprozesse zum Herstellen eines Polymertransistors verwendet werden. Für ein Ausführungsbeispiel, bei dem zwischen Gate-isolierender Schicht und Fängermolekülen eine (verarmte) halbleitende Schicht vorgesehen ist, kann ein Polymermaterial wie beispielsweise Pentacen verwendet werden.alternative to a silicon or CMOS-based solution, the biosensor unit according to the invention also produced by means of a polymer-based semiconductor process become. In other words, the field effect transistor of the biosensor unit according to the invention be made using a polymer material. Standard processes can be used for this be used for producing a polymer transistor. For an embodiment, in the between gate insulating layer and catcher molecules, an (depleted) semiconductive layer is provided, a polymer material such as pentacene be used.

Im Weiteren wird bezugnehmend auf 5 ein Teilbereich einer Biosensor-Einheit 500 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.In the following, reference is made to 5 a subregion of a biosensor unit 500 described according to a third embodiment of the invention.

Abweichend von der in 1 bis 3 gezeigten Biosensor-Einheit 100 ist bei der Biosensor-Einheit 500 nicht nur die Gate-isolierende Schicht 113 mit Fängermolekülen 107 versehen, sondern auch der freiliegende Oberflächenbereich der ersten Source-/Drain-Elektrode 104. In 5 ist lediglich ein Teilbereich einer Biosensor-Einheit gezeigt, nämlich der gemäß 1 linke obere Teilbereich.Notwithstanding the in 1 to 3 shown biosensor unit 100 is at the biosensor unit 500 not just the gate insulating layer 113 with catcher molecules 107 but also the exposed surface area of the first source / drain electrode 104 , In 5 only a portion of a biosensor unit is shown, namely the according to 1 left upper section.

Im Weiteren wird bezugnehmend auf 6 ein Teilbereich einer Biosensor-Einheit 600 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.In the following, reference is made to 6 a subregion of a biosensor unit 600 described according to a fourth embodiment of the invention.

In 6 ist lediglich ein Teilbereich einer Biosensor-Einheit gezeigt, nämlich der gemäß 1 linke obere Teilbereich der Biosensor-Einheit. Im Unterschied zu der in 5 gezeigten Biosensor-Einheit 500 ist bei der Biosensor- Einheit 600 nicht nur ein sich gemäß 6 in vertikaler Richtung erstreckender Oberflächenbereich der ersten Source-/Drain-Elektrode 104 mit Fängermolekülen 107 versehen, sondern auch ein gemäß 6 horizontal verlaufender freiliegender Oberflächenbereich der Source-/Drain-Elektrode 104. Mit anderen Worten kann nicht nur, wie in 5 gezeigt, ein vertikaler Oberflächenbereich der ersten Source-/Drain-Elektrode 104 freigelegt sein, sondern auch ein in 6 gezeigter horizontaler Oberflächenbereich der ersten Source-/Drain-Elektrode 104 freigelegt sein. Abweichend zu 6 kann die Passivierungsschicht 109 auch ganz entfallen.In 6 only a portion of a biosensor unit is shown, namely the according to 1 left upper portion of the biosensor unit. Unlike the in 5 shown biosensor unit 500 is at the biosensor unit 600 not just one according to 6 vertically extending surface area of the first source / drain electrode 104 with catcher molecules 107 provided, but also according to 6 horizontally extending exposed surface area of the source / drain electrode 104 , In other words not only, as in 5 shown, a vertical surface area of the first source / drain electrode 104 be exposed, but also an in 6 shown horizontal surface area of the first source / drain electrode 104 be exposed. Deviating from 6 can the passivation layer 109 also completely omitted.

Alternativ zu den bezugnehmend auf 1 bis 6 gezeigten Ausführungsbeispielen muss der Anstellwinkel der Source-/Drain-Elektroden 104, 105 nicht senkrecht sein, sondern kann auch flacher verlaufen. Mit anderen Worten muss die gemäß 1 bis 6 vertikal verlaufende Kante der Source-/Drain-Elektroden 104, 105 mit der Gate-isolierenden Schicht 113 keinen rechten Winkel einschließen, sondern kann auch einen davon abweichenden Winkel einschließen. Ein leicht schräger Anstellwinkel kann bei Verwendung eines Lift-Off-Prozesses zum Herstellen der Source-/Drain-Elektroden 104, 105 erzeugt werden, vergleiche [7], [8].Alternatively to the referring to 1 to 6 As shown embodiments, the angle of attack of the source / drain electrodes 104 . 105 not be vertical, but may also be flatter. In other words, the according to 1 to 6 vertical edge of the source / drain electrodes 104 . 105 with the gate insulating layer 113 can not include a right angle, but may also include a different angle. A slightly oblique angle of attack can be achieved using a lift-off process to fabricate the source / drain electrodes 104 . 105 be generated, compare [7], [8].

Im Weiteren werden einige Varianten für den elektrischen Betrieb der erfindungsgemäßen Sensor-Einheit beschrieben.in the Further are some variants for electrical operation the sensor unit according to the invention described.

Um unerwünschte elektrochemische Effekte und daher das Messergebnis verfälschende Strombeiträge an den Source-/Drain-Elektroden der Biosensor-Einheit zu vermeiden, sollte die angelegte Spannung gegenüber dem Elektrolytpotential nicht zu hoch sein. Typische Werte können beispielsweise im Bereich einiger 100 mV liegen. Darüber hinaus kann es vorteilhaft sein, die Source-/Drain-Elektroden nicht mit Gleichspannung zu betreiben, sondern mit Wechselspannung. In diesem Fall ist auch das Messergebnis ein Wechselstrom. Es ist möglich, eine der beiden Source-/Drain-Elektroden auf das elektrische Massepotential bzw. auf das elektrische Potential des Elektrolyten zu bringen, und an die andere Source-/Drain-Elektrode ein zu dem Massepotential bzw. zu dem Elektrolytpotential vorzugsweise symmetrisches Wechselspannungssignal anzulegen. Alternativ kann an beide Source-/Drain-Elektroden ein gegenphasiges vorzugsweise zu dem elektrischen Massepotential bzw, zu dem Elektrolytpotential symmetrisches Wechselspannungssignal angelegt werden.Around undesirable electrochemical effects and therefore the measurement result falsifying current posts at the source / drain electrodes of the biosensor unit to avoid should be the applied voltage versus the electrolyte potential not too high. Typical values can be in the range some 100 mV lie. About that In addition, it may be advantageous not to use the source / drain electrodes to operate with DC voltage, but with AC voltage. In In this case, the measurement result is an alternating current. It is possible one of the both source / drain electrodes to the electrical ground potential or to bring to the electrical potential of the electrolyte, and to the other source / drain electrode to the ground potential or to the electrolyte potential preferably Apply symmetrical AC signal. Alternatively, you can an anti-phase to both source / drain electrodes preferably to the electrical ground potential or, to the electrolyte potential symmetrical AC signal can be applied.

Sowohl für eine Betriebsweise mit Gleich- als auch mit Wechselsignalen kann auch an eine der Source-/Drain-Elektroden ein elektrischer Strom eingeprägt werden und die sich einstellende Spannung gemessen werden, anstatt des Anlegens einer Spannung und des Messens eines korrespondierenden elektrischen Stroms.Either for one Operation with DC as well as with alternating signals can also to one of the source / drain electrodes an electric current impressed and the resulting voltage will be measured instead the application of a voltage and the measurement of a corresponding electrical Current.

Im Weiteren wird bezugnehmend auf 7 eine Biosensor-Einheit 700 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.In the following, reference is made to 7 a biosensor unit 700 described according to a fifth embodiment of the invention.

Die Biosensor-Einheit 700 unterscheidet sich von der in 1 gezeigten Biosensor-Einheit 100 im Wesentlichen dadurch, dass zwischen der Gate-isolierenden Schicht 113 und den Fängermolekülen 107 eine vollständig verarmte Halbleiterschicht 701 aus einem Halbleitermaterial, das an Ladungsträgern vollständig verarmt ist, abgeschieden ist. In diesem Falle bildet sich bei einer erfolgreichen Hybridisierung nicht ein dünner Elektronenkanal innerhalb des Elektrolyten direkt an der Grenzschicht zwischen Elektrolyt und Gate-isolierender Schicht aus, sondern die über die doppelsträngige DNA bereitgestellten Ladungsträger befüllen die dünne Halbleiterschicht 701, so dass diese elektrisch leitfähig wird. Gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die vollständig verarmte Halbleiterschicht 701 aus halbleitendem organischen Material, nämlich Pentacen, hergestellt.The biosensor unit 700 is different from the one in 1 shown biosensor unit 100 essentially in that between the gate insulating layer 113 and the catcher molecules 107 a completely depleted semiconductor layer 701 is deposited from a semiconductor material that is completely depleted of charge carriers. In this case, a successful hybridization does not form a thin electron channel within the electrolyte directly at the interface between the electrolyte and the gate-insulating layer, but the charge carriers provided via the double-stranded DNA fill the thin semiconductor layer 701 so that it becomes electrically conductive. According to the described embodiment, the completely depleted semiconductor layer 701 from semiconducting organic material, namely pentacene.

Bei der Biosensor-Einheit 700 sind die Fängermoleküle 107 von den optionalen Labels 108 frei.At the biosensor unit 700 are the catcher molecules 107 from the optional labels 108 free.

Im Weiteren wird bezugnehmend auf 8 eine Biosensor-Einheit 800 gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.In the following, reference is made to 8th a biosensor unit 800 described according to a sixth embodiment of the invention.

Die Biosensor-Einheit 800 unterscheidet sich von der in 7 gezeigten Biosensor-Einheit 700 dadurch, dass die in 7 freiliegenden Oberflächenbereiche der ersten und zweiten Source-/Drain-Elektroden 104, 105 bei der Biosensor-Einheit 800 mittels einer elektrisch isolierenden Deckschicht 801 bedeckt sind. Somit ist ein unmittelbarer elektrischer Kontakt zwischen den Source-/Drain-Elektroden 104, 105 einerseits und dem Analyten andererseits gemäß 8 vermieden. Indem die Kontakte 104, 105 mit einer dünnen Dielektrikums-Schicht 801 überzogen sind, sind die Kontakte 104, 105 von störenden elektrochemischen Prozessen abgeschirmt und können keine freien Ladungsträger in den Kanal injizieren.The biosensor unit 800 is different from the one in 7 shown biosensor unit 700 in that the in 7 exposed surface areas of the first and second source / drain electrodes 104 . 105 at the biosensor unit 800 by means of an electrically insulating cover layer 801 are covered. Thus, there is direct electrical contact between the source / drain electrodes 104 . 105 on the one hand and the analyte on the other hand 8th avoided. By the contacts 104 . 105 with a thin dielectric layer 801 are covered, are the contacts 104 . 105 shielded from interfering electrochemical processes and can not inject free charge carriers into the channel.

Die Biosensor-Einheit 800 ist mit Wechselspannung- bzw. Wechselstromsignalen an den Kontakten 104, 105 zu betreiben, da Gleichstromflüsse in die Kontakte 104, 105 hinein oder aus ihnen hinaus aufgrund der elektrisch isolierenden Deckschicht 801 nicht möglich sind. Bei dem Ausführungsbeispiel von 8 stammen die zu dem Wechselstromsignal beitragenden elektrischen Ladungsträger ausschließlich von Sensorereignissen, und es werden keine Ladungsträger über die Kontakte 104, 105 dem System entnommen oder hinzugefügt. Dieses Verfahren kann die relative Empfindlichkeit des Sensors erhöhen.The biosensor unit 800 is with AC or AC signals on the contacts 104 . 105 to operate because DC currents in the contacts 104 . 105 into or out of them due to the electrically insulating cover layer 801 are not possible. In the embodiment of 8th The electrical charge carriers contributing to the AC signal originate exclusively from sensor events, and no charge carriers are produced via the contacts 104 . 105 taken from or added to the system. This method can increase the relative sensitivity of the sensor.

Im Weiteren wird bezugnehmend auf 9 eine Biosensor-Einheit 900 gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.In the following, reference is made to 9 a biosensor unit 900 according to a seventh embodiment of the invention described.

Die in 9 gezeigte Biosensor-Einheit 900 unterscheidet sich von der in 1 gezeigten Biosensor-Einheit 100 im Wesentlichen dadurch, dass zwischen der Gate-isolierenden Schicht 113 und den Fängermolekülen 107 die in 7 gezeigte vollständig verarmte Halbleiterschicht 701 vorgesehen ist und dass die freiliegenden Oberflächenbereiche der Source-/Drain-Elektroden 104, 105 mit der elektrisch isolierenden Deckschicht 801 aus 8 versehen sind. Ferner wird bei dem Ausführungsbeispiel von 9 an die zweite Source-/Drain-Elektrode 105 mittels einer Wechselspannungsquelle 901 ein elektrisches Wechselspannungssignal angelegt. Auch bei der Biosensor-Einheit 900 sind die Fängermoleküle 107 von einem Label 108 frei.In the 9 shown biosensor unit 900 is different from the one in 1 shown biosensor unit 100 essentially in that between the gate insulating layer 113 and the catcher molecules 107 in the 7 shown completely depleted semiconductor layer 701 is provided and that the exposed surface areas of the source / drain electrodes 104 . 105 with the electrically insulating cover layer 801 out 8th are provided. Further, in the embodiment of 9 to the second source / drain electrode 105 by means of an AC voltage source 901 an electrical AC signal applied. Also with the biosensor unit 900 are the catcher molecules 107 from a label 108 free.

Im Weiteren wird bezugnehmend auf 10 eine Biosensor-Einheit 1000 gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.In the following, reference is made to 10 a biosensor unit 1000 according to an eighth embodiment of the invention.

Das Szenario der in 10 gezeigten Biosensor-Einheit 1000 entspricht im Wesentlichen dem in 2 gezeigten Betriebszustand der Biosensor-Einheit 100 mit dem Unterschied, dass die Fängermoleküle 107 in 10 von einem Label 108 frei sind. Im Falle einer erfolgreichen Hybridisierung stammen bei der Biosensor-Einheit 1000 die zum Stromfluss beitragenden Ladungsträger 202 von der Polarisierung der nach der Hybridisierung entstehenden Paare aus Fängermolekülen und zu erfassenden Partikeln von selbst. Da deren Beitrag zu einer potentiellen elektrischen Leitfähigkeit häufig klein ist und manchmal von zusätzlichen Ladungsträgern aus den Source-/Drain-Elektroden 104, 105 überlagert werden kann (welche nicht zum Nutzsignal beitragen) kann es abweichend von dem in 10 gezeigten Ausführungsbeispiel vorteilhaft sein, eine elektrisch isolierende Deckschicht 801 auf die freiliegenden Seitenwandflächen der Source-/Drain-Elektroden 104, 105 aufzubringen.The scenario of in 10 shown biosensor unit 1000 is essentially the same as in 2 shown operating state of the biosensor unit 100 with the difference that the catcher molecules 107 in 10 from a label 108 are free. In case of a successful hybridization originate in the biosensor unit 1000 the charge carriers contributing to the current flow 202 from the polarization of post-hybridization pairs of capture molecules and particles to be detected by themselves. Because their contribution to potential electrical conductivity is often small, and sometimes additional charge carriers from the source / drain electrodes 104 . 105 can be superimposed (which do not contribute to the useful signal), it may differ from the in 10 be shown embodiment, an electrically insulating cover layer 801 on the exposed sidewall surfaces of the source / drain electrodes 104 . 105 applied.

Es ist anzumerken, dass die Einzelmerkmale der in 1 bis 10 beschriebenen Biosensor-Einheiten beliebig untereinander kombinierbar sind.It should be noted that the individual features of the 1 to 10 described biosensor units are arbitrarily combinable with each other.

Im Weiteren werden Ausführungsbeispiele für Sensor-Arrays mit erfindungsgemäßen Biosensor-Einheiten beschrieben, die vorzugsweise matrixförmig angeordnet werden. Hierbei können beliebige schaltungstechnische Komponenten, die zum Beispiel signalverstärkende und -verarbeitende Funktionen übernehmen, auf den einzelnen Chips integriert werden, oder es können nur die zur Realisierung des Sensors verwendeten stromleitfähigen Materialien zur Verdrahtung und Verbindung mit einem externen Lesegerät benutzt werden.In the following, exemplary embodiments of sensor arrays with biosensor units according to the invention will be described, which are preferably arranged in matrix form. Here, any circuit components that take over, for example, signal amplifying and processing functions can be integrated on the individual chips, or it can only be used for the realization of the sensor current-conductive materials for wiring and connection with a external reader can be used.

Für die Beschreibung der Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Sensor-Arrays wird das in 11 gezeigte Symbol für eine Biosensor-Einheit 1100 zum Zwecke einer vereinfachten Darstellung verwendet.For the description of the embodiments of the sensor array according to the invention, the in 11 shown symbol for a biosensor unit 1100 used for the purpose of a simplified representation.

Im Weiteren wird bezugnehmend auf 12 ein Sensor-Array 1200 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.In the following, reference is made to 12 a sensor array 1200 described according to a first embodiment of the invention.

Bei dem Sensor-Array 1200 sind eine Vielzahl von Sensor-Einheiten 1100 als im Wesentlichen rechteckförmige Matrix angeordnet. Das Sensor-Array 1200 weist eine Aktivierleitung 1201, m Ansteuerleitungen 1202 und n Detektionsleitungen 1203 auf, welche Leitungen voneinander elektrisch isoliert sind. Die Gate-Elektroden aller Sensor-Einheiten 1100 sind über die Aktivierleitung 1201 mit der Spannungsquelle 103 gekoppelt. Jeweils erste Source-/Drain-Elektroden der Sensor-Einheiten 1100 sind mit jeweils genau einer der Ansteuerleitungen 1202 gekoppelt. Die jeweils zweite Source-/Drain-Elektrode einer jeden Sensor-Einheit 1100 ist mit jeweils genau einer der Detektionsleitungen 1203 gekoppelt. Jeweils m Sensor-Einheiten 1100 einer Zeile sind mit einer gemeinsamen Detektionsleitung 1203 gekoppelt. Jeweils n Sensor-Einheiten 1100 einer jeweiligen Spalte sind mit einer gemeinsamen Ansteuerleitung 1202 gekoppelt. Ferner ist eine Ansteuer-Spannungsquelle 1204 zum Anlegen einer elektrischen Spannung Vchar an eine jeweilige Spalte von Sensor-Einheiten 1100 vorgesehen. Darüber hinaus ist eine Detektions-Stromerfasseinheit 1205 bereitgestellt und derart verschaltet, dass ein aus dem elektrischen Ansteuersignal der Ansteuer-Spannungsquelle 1204 resultierendes elektrisches Sensorsignal einer jeweiligen Zeile von Sensor-Einheiten 1100 mit der Detektions-Stromerfasseinheit 1205 erfassbar ist. Ferner ist eine Auswahleinheit in Form von ansteuerbaren Auswahlschaltern 1206 geschaffen, welche derart eingerichtet sind, dass sie die Ansteuer-Spannungsquelle 1204 mit einer Ansteuerleitung 1202 einer auszuwählenden Sensor-Einheit 1210 und die Detektions-Stromerfasseinheit 1205 mit der Detektionsleitung 1203 der auszuwählenden Sensor-Einheit 1210 koppelt, womit die Sensor-Einheit 1210 ausgewählt wird. Die Auswahlschalter 1206 sind jeweils in eine solche Schalterstellung bringbar, dass genau eine Zeile von Sensor-Einheiten 1100 mit der Detektions-Stromerfasseinheit 1205 und genau eine Spalte der Sensor-Einheiten 1100 mit der Ansteuer-Spannungsquelle 1204 gekoppelt sind. Diejenige Sensor-Einheit, die in dem Kreuzungsbereich der ausgewählten Zeile und der ausgewählten Spalte angeordnet ist, ist die ausgewählte Sensor-Einheit 1210.In the sensor array 1200 are a variety of sensor units 1100 arranged as a substantially rectangular matrix. The sensor array 1200 has an activation line 1201 , m control lines 1202 and n detection lines 1203 on which lines are electrically isolated from each other. The gate electrodes of all sensor units 1100 are over the activation line 1201 with the voltage source 103 coupled. In each case first source / drain electrodes of the sensor units 1100 are each with exactly one of the control lines 1202 coupled. The second source / drain electrode of each sensor unit 1100 is with exactly one of the detection lines 1203 coupled. Each m sensor units 1100 a line are connected to a common detection line 1203 coupled. N each sensor units 1100 a respective column are connected to a common control line 1202 coupled. Further, a drive voltage source 1204 for applying an electrical voltage Vchar to a respective column of sensor units 1100 intended. In addition, a detection power detection unit 1205 provided and connected such that one of the electrical drive signal of the drive voltage source 1204 resulting electrical sensor signal of a respective row of sensor units 1100 with the detection current detection unit 1205 is detectable. Furthermore, a selection unit is in the form of controllable selection switches 1206 created which are arranged so that they the drive voltage source 1204 with a control line 1202 a selected sensor unit 1210 and the detection current detection unit 1205 with the detection line 1203 the sensor unit to be selected 1210 couples, bringing the sensor unit 1210 is selected. The selector switch 1206 each can be brought into such a switch position that exactly one row of sensor units 1100 with the detection current detection unit 1205 and exactly one column of the sensor units 1100 with the drive voltage source 1204 are coupled. The sensor unit located in the intersection of the selected row and the selected column is the selected sensor unit 1210 ,

Ferner bilden ein Komparator 1207, eine Referenzelektrode 1208 und eine Gegenelektrode 1209 eine Potentiostat-Einrichtung. Die Referenzelektrode 1208 erfasst das elektrische Potential eines auf das Biosensor-Array 1200 aufgebrachten Analyten und stellt dieses elektrische Potential in Form eines Messsignals einem invertierenden Eingang 1207a des Komparators 1207 bereit. Ein nichtinvertierender Eingang 1207b des Komparators ist auf das elektrische Massepotential 110 gebracht, welches als Referenzsignal dient. Ein Ausgang 1207c des Komparators 1207 ist mit der Gegenelektrode 1209 gekoppelt, wobei der Komparator 1207 der Gegenelektrode 1209 ein derartiges Steuersignal bereitstellt, dass die Gegenelektrode 1209 dem elektrolytischen Analyten bedarfsweise elektrische Ladungsträger bereitstellt, um dessen elektrisches Potential konstant zu halten. Gemeinsam bilden die Komponenten 1207 bis 1209 einen Potentiostaten. Obwohl bei der erfindungsgemäßen Sensor-Einheit eher keine elektrochemischen Umsätze an den Elektroden 104, 105 entstehen, kann die Konfiguration ausFurther form a comparator 1207 , a reference electrode 1208 and a counter electrode 1209 a potentiostat device. The reference electrode 1208 detects the electrical potential of one on the biosensor array 1200 applied analyte and provides this electrical potential in the form of a measuring signal an inverting input 1207a of the comparator 1207 ready. A non-inverting entrance 1207b of the comparator is at the electrical ground potential 110 brought, which serves as a reference signal. An exit 1207c of the comparator 1207 is with the counter electrode 1209 coupled, the comparator 1207 the counter electrode 1209 such a control signal provides that the counter electrode 1209 provides the electrolytic analyte, if necessary, electrical charge carriers in order to keep its electrical potential constant. Together, the components form 1207 to 1209 a potentiostat. Although in the inventive sensor unit rather no electrochemical conversions at the electrodes 104 . 105 may arise, the configuration off

12 vorteilhaft genutzt werden, um dem Analyten ein stabiles elektrochemisches Potential in ausreichend niederohmiger Weise zuzuweisen. 12 can be advantageously used to assign the analyte a stable electrochemical potential in a sufficiently low-impedance manner.

Bei dem Sensor-Array 1200 ist eine Architektur gewählt, bei der die elektrisch isolierten Leitungskreuzungen unter Verwendung zweier Leitungsebenen realisiert sind. Die stromführenden Anschlüsse der Sensor-Einheiten 1100 aller m Spalten können wahlweise mit der Anregungs-Spannungsquelle Vchar 1204 oder mit dem elektrischen Massepotential 110 gekoppelt werden, die stromführenden Anschlüsse der Sensor-Einheiten 1100 aller n Zeilen können wahlweise mit der Detektions-Stromerfasseinheit 1205 Ichar oder mit dem elektrischen Massepotential 110 gekoppelt werden.In the sensor array 1200 For example, an architecture is chosen in which the electrically isolated line intersections are realized using two line levels. The live connections of the sensor units 1100 All m columns can optionally with the excitation voltage source Vchar 1204 or with the electrical ground potential 110 coupled, the current-carrying terminals of the sensor units 1100 All n lines can optionally be connected to the detection current detection unit 1205 Ichar or with the electrical ground potential 110 be coupled.

Die nicht stromführenden Anschlüsse aller Sensor-Einheiten 1100, das heißt deren Gate-Anschlüsse, sind gemeinsam mit der Spannungsquelle 103 Vg zum Ansteuern aller Gate-Elektroden gekoppelt.The non-live connections of all sensor units 1100 , that is, their gate terminals, are common with the voltage source 103 Vg coupled to drive all gate electrodes.

Für einen Lesebetrieb wird an genau eine Spalte die Spannung Vchar angelegt, und das Messinstrument Ichar 1205 wird mit genau einer Zeile gekoppelt. Von der Ansteuer-Spannungsquelle 1204 Vchar fließt daher elektrischer Strom in jede an die ausgewählte Spalte angeschlossene Sensor-Einheit 1100. In der Messeinrichtung 1205 wird allerdings nur der elektrische Strom gemessen, der in die ausgewählte Sensor-Einheit 1210 an der ausgewählten Zeile fließt.For a reading operation, the voltage Vchar is applied to exactly one column, and the measuring instrument Ichar 1205 is coupled with exactly one line. From the drive voltage source 1204 Vchar therefore flows electrical current into each sensor unit connected to the selected column 1100 , In the measuring device 1205 however, only the electrical current measured in the selected sensor unit is measured 1210 flows at the selected line.

Der auf bzw. in dem Substrat 101 gebildete Bereich des Sensor-Arrays 1100 enthält somit n + m + 1 Anschlüsse (Pads). Das minimale mögliche Verhältnis aus der Zahl der Anschlüsse bezogen auf die Anzahl der Sensorpositionen auf dem Chip ergibt sich für n = m, das heißt für ein Sensor-Array mit einer quadratischen matrixförmigen Architektur (Zeilenzahl = Spaltenzahl). In diesem Fall erhält man 2n + 1 (= 2m + 1) Anschlüsse bei n² = m² Sensor-Einheiten 1100.The on or in the substrate 101 formed area of the sensor array 1100 thus contains n + m + 1 connections (pads). The minimum possible ratio of the number of ports in relation to the Number of sensor positions on the chip is given for n = m, that is for a sensor array with a square matrix-shaped architecture (number of rows = number of columns). In this case you get 2n + 1 (= 2m + 1) connections at n ² = m ² sensor units 1100 ,

Im Weiteren wird bezugnehmend auf 13 ein Sensor-Array 1300 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.In the following, reference is made to 13 a sensor array 1300 described according to a second embodiment of the invention.

Das Sensor-Array 1300 unterschiedet sich von dem Sensor-Array 1200 aus 12 im Wesentlichen dadurch, dass für jede Zeile von Sensor-Einheiten 1100 eine separate Detektions-Stromerfasseinheit 1302 bereitgestellt ist. Mit anderen Worten sind insgesamt n Detektions-Stromerfasseinheiten 1302 vorgesehen. Entlang jeder Spalte von Sensor-Einheiten 1100 ist eine gemeinsame Ansteuer-Spannungsquelle 1301 vorgesehen, so dass insgesamt m Ansteuer-Spannungsquellen 1301 bereitgestellt sind.The sensor array 1300 is different from the sensor array 1200 out 12 essentially by having for each row of sensor units 1100 a separate detection power detection unit 1302 is provided. In other words, a total of n detection current acquisition units 1302 intended. Along each column of sensor units 1100 is a common drive voltage source 1301 provided so that a total of m drive voltage sources 1301 are provided.

Mit anderen Worten ist in 13 jede Spalte von Sensor-Einheiten 1100 mit einer anregenden Spannungsquelle 1301 und jede Zeile mit einer Detektions-Stromerfasseinheit 1302 versehen. Für den korrekten Betrieb liefern alle bis auf genau eine Spannungsquelle 1301 das elektrische Massepotential 110, wohingegen die einzige nicht auf dem elektrischen Massepotential 110 befindliche Spannungsquelle 1301 als Stimulus für die entsprechende Spalte fungiert. Da jede Zeile mit einer separaten Detektions-Stromerfasseinheit 1302 versehen ist, können gemäß 13 die Zeilen zeitlich parallel ausgelesen werden. Alternativ ist auch ein sequentieller Lesebetrieb möglich.In other words, in 13 every column of sensor units 1100 with a stimulating voltage source 1301 and each row with a detection current detection unit 1302 Mistake. For correct operation, all deliver up to exactly one voltage source 1301 the electrical ground potential 110 whereas the only one is not at the electrical ground potential 110 located voltage source 1301 acts as a stimulus for the corresponding column. As each line with a separate detection power detection unit 1302 can be provided according to 13 the lines are read in parallel at the same time. Alternatively, a sequential read operation is possible.

Im Weiteren wird bezugnehmend auf 14 ein Sensor-Array 1400 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.In the following, reference is made to 14 a sensor array 1400 described according to a third embodiment of the invention.

Das Sensor-Array 1400 unterscheidet sich von dem Sensor-Array 1200 im Wesentlichen dadurch, dass eine Mehrzahl von Aktivierleitungen 1403 bereitgestellt sind, wobei jeweils eine Zeile von Sensor-Einheiten 1100 mit einer zugeordneten Aktivierleitung 1403 gekoppelt sind. Dagegen sind bei dem Ausführungsbeispiel in 14 alle Detektionsleitungen zu einer gemeinsamen Detektionsleitung 1203 zusammengefasst. Mit anderen Worten ist jeweils eine Source-/Drain-Elektrode von jeder der Sensor-Einheiten 1100 mit der Detektions-Stromerfasseinheit 1205 gekoppelt. Jeweils eine andere Source-/Drain-Elektrode einer Zeile von Sensor-Einheiten 1100 ist mit einer Ansteuerleitung 1202 gekoppelt. Die Gate-Elektroden einer Spalte von Sensor-Einheiten 1100 sind mit einer Aktivierleitung 1403 gekoppelt.The sensor array 1400 differs from the sensor array 1200 essentially in that a plurality of activation lines 1403 are provided, each with a row of sensor units 1100 with an associated activation line 1403 are coupled. In contrast, in the embodiment in 14 all detection lines to a common detection line 1203 summarized. In other words, each is a source / drain electrode of each of the sensor units 1100 with the detection current detection unit 1205 coupled. In each case, another source / drain electrode of a row of sensor units 1100 is with a control line 1202 coupled. The gate electrodes of a column of sensor units 1100 are with an activation line 1403 coupled.

Mittels der Auswahlschalter 1206 wird eine Spalte von Sensor-Einheiten 1100 dadurch ausgewählt, dass an jeweils eine der Source-/Drain-Elektroden der Sensor-Einheiten 1100 dieser Spalte das elektrische Potential der Ansteuer-Spannungsquelle 1204 angelegt wird. Ferner wird eine Zeile von Sensor-Einheiten 1100 dadurch ausgewählt, dass das entsprechende Schaltelement 1206 derart geschaltet wird, dass die Gate-Anschlüsse der Sensor-Einheiten 1100 der ausgewählten Zeile mit der Auswahl-Gatespannungsquelle 1402 gekoppelt werden. Die Gate-Anschlüsse aller anderen Zeilen von Sensor-Einheiten 1100 werden mit der Nichtauswahl-Gatespannungsquelle 1401 gekoppelt.By means of the selector switch 1206 becomes a column of sensor units 1100 selected in that in each case one of the source / drain electrodes of the sensor units 1100 this column, the electrical potential of the drive voltage source 1204 is created. Further, a line of sensor units 1100 selected by the fact that the corresponding switching element 1206 is switched such that the gate terminals of the sensor units 1100 the selected row with the selection gate voltage source 1402 be coupled. The gate terminals of all other rows of sensor units 1100 with the non-select gate voltage source 1401 coupled.

Wie bei dem Ausführungsbeispiel von 12 werden die stromführenden Terminals der Sensor-Einheiten 1100 (in 14 die rechtsseitig angeordneten Terminals) aller m Spalten selektiv mit der Ansteuer-Spannungsquelle 1204 (Vchar) oder mit dem elektrischen Massepotential 110 gekoppelt. Die linksseitig angeordneten stromführenden Terminals der Sensor-Einheiten 1100 aller n Zeilen sind alle fest mit der Detektions-Stromerfasseinheit 1205 Vchar gekoppelt. Während in 12 alle Gate-Anschlüsse der Sensor-Einheiten 1100 parallel mit der Spannungsquelle 103 Vg gekoppelt sind, sind bei 14 nur die Gate-Anschlüsse einer Zeile jeweils miteinander gekoppelt. Über die Schaltelemente 1206 an den Zeilen-Gateleitungen können diese mit der Auswahl-Gatespannungsquelle Vg,on 1402 oder mit der Nichtauswahl-Gatespannungsquelle 1401 Vg,off gekoppelt werden.As in the embodiment of 12 become the current-carrying terminals of the sensor units 1100 (in 14 the right side terminals) of all m columns selectively with the drive voltage source 1204 (Vchar) or with the electrical ground potential 110 coupled. The left side arranged live terminals of the sensor units 1100 All n lines are all stuck to the detection stream detection unit 1205 Vchar coupled. While in 12 all gate connections of the sensor units 1100 in parallel with the voltage source 103 Vg coupled are at 14 only the gate terminals of a row are each coupled together. About the switching elements 1206 on the row gate lines, these can be connected to the selection gate voltage source Vg, on 1402 or with the non-select gate voltage source 1401 Vg, be coupled off.

Für den Lesebetrieb wird an genau eine Spalte die Spannung Vchar angelegt. Die Spannung Vg,on wird genau an eine Zeile angelegt. Der von der Auswahl-Gatespannungsquelle 1402 bereitgestellte Wert des elektrischen Potentials ist so gewählt, dass der Lesebetrieb der mit dieser Spannung angesteuerten Sensor-Einheiten 1100, 1210 möglich ist. In allen anderen Zeilen wird an die Gate-Anschlüsse die Spannung Vg,off angelegt. Der Wert der Spannung der Nichtauswahl-Gatespannungsquelle 1401 ist so gewählt, dass eine Sensor-Einheit 1100, an deren Gate-Anschluss diese Spannung anliegt, unabhängig von dem sonstigen Zustand des Sensors bzw. unabhängig von dem Wert des Parameters, der mittels dieses Sensors bewertet werden kann, keinen Stromfluss aufweist.For read operation, voltage Vchar is applied to exactly one column. The voltage Vg, on is applied exactly to one line. The one of the selection gate voltage source 1402 provided value of the electrical potential is selected so that the reading operation of the voltage controlled with this sensor units 1100 . 1210 is possible. In all other lines, the voltage Vg, off is applied to the gate terminals. The value of the voltage of the non-selection gate voltage source 1401 is chosen so that a sensor unit 1100 , at the gate terminal of which this voltage is applied, regardless of the other state of the sensor or regardless of the value of the parameter, which can be evaluated by means of this sensor, has no current flow.

Strom kann somit nur in der ausgewählten Sensor-Einheit 1210 der Spalte fließen, an die eine von dem Massepotential 110 unterschiedliche Spannung angelegt wird, und in der Zeile, an die eine Gatespannung angelegt ist, bei der ein Stromfluss ermöglicht ist. Wiederum sind auch bei dem Sensor-Array 1400 m + n + 1 Pads erforderlich.Current can thus only in the selected sensor unit 1210 the column flow, to the one of the ground potential 110 different voltage is applied, and in the line to which a gate voltage is applied, in which a current flow is enabled. Again, even with the sensor array 1400 m + n + 1 pads required.

Es ist anzumerken, dass das Sensor-Array 1200 eine noch bessere Messgenauigkeit als das Sensor-Array 1400 aufweist, da bei dem Sensor-Array 1400 die Detektions-Stromerfasseinheit 1205 mit einem Terminal aller Sensor-Einheiten 1100 gekoppelt ist. In diesem Fall können die ausgeschalteten Sensor-Einheiten 1100 an den jeweiligen Terminals Leckströme liefern. Sofern solche Leckströme aus dem Analyten-Bad und nicht aus der anregenden Quelle Vchar stammen, kann das Strommessinstrument 1205 alternativ zu der in 14 gezeigten Situation in Reihe mit der Spannungsquelle Vchar 1204 geschaltet werden (nicht gezeigt). In dieser Konfiguration tragen bei einer Reihenschaltung von Vchar und Ichar nur n – 1 Sensoren (abgeschaltete) zu den Leckströmen bei, im anderen Fall sind es m·n – 1 Sensoren.It should be noted that the sensor array 1200 an even better measurement accuracy than the sensor array 1400 because of the sensor array 1400 the detection current detection unit 1205 with a terminal of all sensor units 1100 is coupled. In this case, the switched-off sensor units 1100 supply leakage currents at the respective terminals. If such leakage currents originate from the analyte bath and not from the exciting source Vchar, the current measuring instrument can 1205 alternatively to the in 14 shown situation in series with the voltage source Vchar 1204 be switched (not shown). In this configuration, in a series connection of Vchar and Ichar, only n-1 sensors (switched-off) contribute to the leakage currents, in the other case, there are m · n-1 sensors.

Im Weiteren wird bezugnehmend auf 15 ein Sensor-Array 1500 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.In the following, reference is made to 15 a sensor array 1500 described according to a fourth embodiment of the invention.

Abweichend von dem Sensor-Array 1400 ist bei 15 für jede Zeile von Sensor-Einheiten 1100 eine separate Gatespannungsquelle 1501 bereitgestellt, an Stelle von einer Gatespannungsquelle 103 in 12, 13 oder zwei Gatespannungsquellen 1401, 1402 wie bei den 14.Deviating from the sensor array 1400 is at 15 for every row of sensor units 1100 a separate gate voltage source 1501 provided instead of a gate voltage source 103 in 12 . 13 or two gate voltage sources 1401 . 1402 like the 14 ,

Alternativ zu dem Sensor-Array 1400 ist somit bei dem Sensor-Array 1500 jede Spalte von Sensor-Einheiten 1100 mit einer anregenden Spannungsquelle 1301 und jede Zeile mit einer separaten Gatespannungsquelle 1501 versehen. Für einen korrekten Lesebetrieb werden alle bis auf genau eine Zeile mit der Spannung angesteuert, der dem Wert der Spannung Vg, off aus 14 entspricht. Genau eine Zeile wird mit der Spannung angesteuert, die dem Wert von Vg,on aus 14 entspricht. Ferner liefern alle Spannungsquellen Vchar bis auf genau eine das elektrische Massepotential 110, wohingegen die nicht das Massepotential 110 liefernde Spalten-Spannungsquelle 1301 als Stimulus für die entsprechende Spalte von Sensor-Einheiten 1100 fungiert.Alternative to the sensor array 1400 is thus in the sensor array 1500 every column of sensor units 1100 with a stimulating voltage source 1301 and each row with a separate gate voltage source 1501 Mistake. For a correct read operation, all but one line are driven by the voltage which is the value of the voltage Vg, off 14 equivalent. Exactly one line is driven by the voltage equal to the value of Vg, on 14 equivalent. Furthermore, all voltage sources Vchar deliver the electrical ground potential up to exactly one 110 whereas those are not the ground potential 110 supplying column voltage source 1301 as a stimulus for the corresponding column of sensor units 1100 acts.

Bezüglich der Leckstrombeiträge gilt das zu 14 Gesagte. Werden abweichend von 15 Strommessinstrumente Ichar 1205 jeweils in Reihe mit den Spannungsmessinstrumenten Vchar 1301 geschaltet (nicht gezeigt), sind Probleme mit Leckströmen unterdrückt, zum anderen können alle Sensor-Einheiten 1100 einer Zeile parallel ausgelesen werden.Regarding the leakage current contributions that applies to 14 Said. Be different from 15 Current measuring instruments Ichar 1205 each in series with the voltage measuring instruments Vchar 1301 switched (not shown), problems with leakage currents are suppressed, on the other hand, all sensor units 1100 one line in parallel.

Im Weiteren wird bezugnehmend auf 16 ein Sensor-Array 1600 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.In the following, reference is made to 16 a sensor array 1600 described according to a fifth embodiment of the invention.

Das Sensor-Array 1600 eignet sich besonders gut für aktive Chips. Bei dem Sensor-Array 1600 sind in Randbereichen des Silizium-Substrats 101 erste und zweite OnChip-Peripherieschaltkreise 1602, 1603 bereitgestellt. Mittels einer I/O-Schnittstelleneinheit 1601 ist eine Ankopplung des Sensor-Arrays 1600 an externe Elektronik ermöglicht.The sensor array 1600 is particularly suitable for active chips. In the sensor array 1600 are in edge regions of the silicon substrate 101 first and second on-chip peripheral circuits 1602 . 1603 provided. By means of an I / O interface unit 1601 is a coupling of the sensor array 1600 to external electronics.

Insbesondere die Konfigurationen gemäß 13 und 15 sind auch für aktive Chips interessant. In diesem Falle sind alle Komponenten wie die Stimuli liefernden Spannungsquellen und Strommessquellen, gegebenenfalls der Potentiostat und beliebige zusätzliche Komponenten für die Signal Vor- und Weiter-Verarbeitung On-Chip realisiert. Der Chip weist eine definierte, nach den Bedürfnissen des Anwenders konfigurierte, gegebenenfalls digitale Schnittstelle I/O 1601 auf. Die Verwendung einer solche Architektur auf aktiven Chips kann beispielsweise dann vorteilhaft sein, wenn eine große Anzahl relativ kleinflächiger Sensoren verwendet wird, deren Fläche es nicht mehr erlaubt, unterhalb eines jeden Sensors eine aktive Schaltung zu realisieren. Ferner bietet diese Architektur Vorteile, wenn die Anforderungen an die (mit deren Fläche in einigen wichtigen Parametern wie zum Beispiel Rauschen ansteigende) Leistungsfähigkeit der On-Chip realisierten Schaltungen sehr groß ist.In particular, the configurations according to 13 and 15 are also interesting for active chips. In this case, all components such as the stimuli supplying voltage sources and current measuring sources, possibly the potentiostat and any additional components for the signal pre- and further processing on-chip realized. The chip has a defined, possibly digital interface I / O configured according to the needs of the user 1601 on. The use of such an architecture on active chips can be advantageous, for example, if a large number of relatively small area sensors is used whose area no longer allows an active circuit to be implemented below each sensor. Furthermore, this architecture offers advantages when the requirements for the (on the surface in some important parameters such as noise increasing) performance of on-chip realized circuits is very large.

Im Weiteren werden einige andere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Sensor-Arrays beschrieben.in the Furthermore, some other embodiments of the sensor array according to the invention will be described.

Die in den beschriebenen Ausführungsbeispielen erforderlichen zwei Metallebenen für die Leitungen müssen nicht notwendigerweise so realisiert werden, dass alle Metallebenen oberhalb des Bulk-Materials des Silizium-Substrats in Intermetalldielektrika eingebettet sind. Möglich ist auch hier, dass zum Beispiel eine Leitungsebene in der gleichen Ebene und mit dem gleichen Material realisiert wird wie die stromführenden Terminals des Sensor-Einheiten oder deren Gate-Anschlüsse.The in the described embodiments required two metal levels for the wires do not have to necessarily be realized so that all metal levels above of the bulk material of the silicon substrate in intermetallic dielectrics are embedded. Possible is also here that, for example, a management level in the same Level and realized with the same material as the current-carrying Terminals of the sensor units or their gate terminals.

Die zweite Ebene von Leiterbahnen muss nicht notwendigerweise vergraben sein. Es ist möglich, diese Ebene aus dem gleichen Material zu realisieren, wie es für die stromführenden Terminals verwendet wird. Gegebenenfalls kann dann in Leitungskreuzungsbereichen ein elektrisch isolierendes Brückenmaterial zwischen den Leitungen verwendet werden. In einer Architektur ähnlich 14 kann auch dieses vermieden werden, wenn die Zuleitungen zu den stromführenden Terminals kammförmig ausgeführt werden.The second level of tracks need not necessarily be buried. It is possible to realize this level of the same material as used for the live terminals. If appropriate, an electrically insulating bridge material between the lines can then be used in line crossing regions. Similar in architecture 14 This can also be avoided if the leads are made comb-shaped to the power terminals.

In 17 ist ein Sensor-Array 1700 gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, bei dem die Detektionsleitungen 1203 im Unterschied zu 14 kammförmig ausgeführt sind.In 17 is a sensor array 1700 according to a sixth embodiment of the invention, in which the detection lines 1203 in contrast to 14 are executed comb-shaped.

Die Architektur der Anordnung der Sensor-Einheiten 1100 muss nicht notwendigerweise unter Verwendung orthogonal zueinander verlaufender Zeilen- und Spaltenleitungen ausgeführt werden, wie in 12 bis 17 gezeigt. Möglich sind beispielsweise auch hexagonale oder dreiecksartige Anordnungen.The architecture of the arrangement of the sensor units 1100 does not necessarily have to be performed using orthogonal row and column lines, as in FIG 12 to 17 shown. For example, hexagonal or triangular arrangements are also possible.

Im Weiteren wird bezugnehmend auf 18 ein Sensor-Array 1800 gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, bei dem Sensor-Einheiten 1100 in einer Dreiecksmatrix mit drei Verdrahtungsrichtungen ausgeführt sind.In the following, reference is made to 18 a sensor array 1800 according to a seventh embodiment of the invention described in the sensor units 1100 are performed in a triangular matrix with three wiring directions.

Das Sensor-Array 1800 unterscheidet sich von dem Sensor-Array 1200 im Wesentlichen in der dreiecksartigen Anordnung der Sensor-Einheiten 1100, gegenüber der Rechteckmatrix von 12. Insbesondere ist auch in 18 wiederum genau eine Sensor-Einheit eine ausgewählte Sensor-Einheit 1210. Bei dieser ausgewählten Sensor-Einheit 1210 ist die eine Source-/Drain-Elektrode über eine Ansteuerleitung 1202 mit der Ansteuer-Spannungsquelle 1204 gekoppelt. Die andere Source-/Drain-Elektrode des ausgewählten Sensor-Einheit 1210 ist über eine Detektionsleitung 1203 mit der Detektions-Stromerfasseinheit 1205 gekoppelt.The sensor array 1800 differs from the sensor array 1200 substantially in the triangular arrangement of the sensor units 1100 , opposite to the rectangular matrix of 12 , In particular, is also in 18 again exactly one sensor unit a selected sensor unit 1210 , At this selected sensor unit 1210 is the one source / drain electrode via a drive line 1202 with the drive voltage source 1204 coupled. The other source / drain of the selected sensor unit 1210 is via a detection line 1203 with the detection current detection unit 1205 coupled.

Die Gate-Anschlüsse aller Sensor-Einheiten 1100 sind in 18 zusammengefasst und werden mit der Spannung Vg ähnlich wie in 12 und 13 betrieben. Alle Leitungen, die mit stromführenden Terminals der Sensor-Einheiten 1100 gekoppelt sind, können wahlweise auf dem elektrischen Massepotential 110, an den die Stimulus liefernde Spannungsquelle Vchar 1204 wie auch an die Messquelle Ichar 1205 gelegt werden. Die unabhängige Messung einer jeden Position ist möglich.The gate connections of all sensor units 1100 are in 18 summarized and are similar to the voltage Vg as in 12 and 13 operated. All lines connected to live terminals of the sensor units 1100 can be coupled, optionally at the electrical ground potential 110 to which the stimulus supplying voltage source Vchar 1204 as well as the measuring source Ichar 1205 be placed. The independent measurement of each position is possible.

Es ist anzumerken, dass eine Matrix, wie die in 18 gezeigte, mit drei (oder mehr) Verdrahtungsrichtungen nicht notwendigerweise mit drei (oder mehr) unabhängigen Verdrahtungsebenen realisiert werden muss. Zwei Verdrahtungsebenen sind notwendig und hinreichend.It should be noted that a matrix, like those in 18 shown, with three (or more) wiring directions not necessarily having to be realized with three (or more) independent wiring levels. Two wiring levels are necessary and sufficient.

In 19 ist ein Kreuzungsbereich 1801 aus einer ersten Leitung 1802, einer zweiten Leitung 1803 und einer dritten Leitung 1804 aus 18 in vergrößerter Darstellung gezeigt.In 19 is a crossing area 1801 from a first line 1802 , a second line 1803 and a third line 1804 out 18 shown in an enlarged view.

Die dritte Leitung 1804 verläuft vollständig in einer ersten Verdrahtungsebene 1900. Die zweite Leitung 1803 verläuft vollständig in einer zweiten Verdrahtungsebene 1901. Die erste Leitung 1802 verläuft in einem ersten Teilbereich in der zweiten Verdrahtungsebene 1901, in dem unmittelbaren Kreuzungsbereich in der ersten Verdrahtungsebene 1900 und in einem dritten Teilbereich wiederum in der zweiten Verdrahtungsebene 1901. Die drei Teilbereiche der ersten Leitung 1802, die in den beiden Verdrahtungsebenen 1900, 1901 liegen, sind unter Verwendung von Vertikalkopplungselementen 1902 miteinander gekoppelt.The third line 1804 runs completely in a first wiring level 1900 , The second line 1803 runs completely in a second wiring level 1901 , The first line 1802 runs in a first subarea in the second wiring level 1901 , in the immediate crossing area in the first wiring level 1900 and in a third subarea again in the second wiring level 1901 , The three sections of the first line 1802 that in the two wiring levels 1900 . 1901 are using vertical coupling elements 1902 coupled together.

Anschaulich ist die erste Leitung 1802 in dem Kreuzungsbereich mit den zweiten, dritten Leitungen 1803, 1804 als Brückenstruktur realisiert, so dass auch in dem Kreuzungsbereich der drei Leitungen 1802 bis 1804 eine elektrische Isolation der Leitungen voneinander ermöglicht ist.The first line is clear 1802 in the crossing area with the second, third lines 1803 . 1804 realized as a bridge structure, so that even in the crossing area of the three lines 1802 to 1804 an electrical insulation of the lines is made possible from each other.

In diesem Dokument sind folgende Veröffentlichungen zitiert:

[1] WO 00/42217
[2] DE 199 01 761 A1
[3] WO 99/36573
[4] Eversmann, B et al. (2003) ISSCC 2003
[5] TiO2-Patent
[6] Patent D2P
[7] Thewes, R et al. (2002) ISSCC 2002
[8] Hofmann, F et al. (2002) IEDM 2002

This document cites the following publications:

[1] WO 00/42217
[2] DE 199 01 761 A1
[3] WO 99/36573
[4] Eversmann, B et al. (2003) ISSCC 2003
[5] TiO2 patent
[6] Patent D2P
[7] Thewes, R et al. (2002) ISSCC 2002
[8] Hofmann, F et al. (2002) IEDM 2002

100100: Biosensor-EinheitBiosensor unit
101101: Silizium-SubstratSilicon substrate
102102: Gate-ElektrodeGate electrode
103103: Spannungsquellevoltage source
104104: erste Source-/Drain-Elektrodefirst Source / drain electrodes
105105: zweite Source-/Drain-Elektrodesecond Source / drain electrodes
106106: Kanal-SchichtChannel layer
107107: Fängermolekülecapture molecules
108108: Labellabel
109109: Siliziumnitrid-PassivierungsschichtSilicon nitride passivation
110110: Massepotentialground potential
111111: Spannungsquellevoltage source
112112: StromerfasseinheitCurrent detecting unit
113113: Gate-isolierende SchichtGate-insulating layer
200200: zu erfassende Partikelto capturing particles
201201: Pfeilarrow
202202: Elektronenelectrons
300300: andere Partikelother particle
400400: Biosensor-EinheitBiosensor unit
401401: Potentiostatpotentiostat
402402: Komparatorcomparator
402a402a: invertierender Einganginverting entrance
402b402b: nichtinvertierender Einganginverting entrance
402c402c: Ausgangoutput
403403: Referenzelektrodereference electrode
404404: Gegenelektrodecounter electrode
405405: elektrolytischer Analytelectrolytic analyte
500500: Biosensor-EinheitBiosensor unit
600600: Biosensor-EinheitBiosensor unit
700700: Biosensor-EinheitBiosensor unit
701701: vollständig verarmte Halbleiterschichtcompletely impoverished Semiconductor layer
800800: Biosensor-EinheitBiosensor unit
801801: elektrisch isolierende Deckschichtelectrical insulating cover layer
900900: Biosensor-EinheitBiosensor unit
901901: WechselspannungsquelleAC voltage source
10001000: Biosensor-EinheitBiosensor unit
11001100: Sensor-EinheitSensor unit
12001200: Sensor-ArraySensor array
12011201: Aktivierleitungactivation line
12021202: Ansteuerleitungdrive line
12031203: Detektionsleitungdetection line
12041204: Ansteuer-SpannungsquelleDriving voltage source
12051205: Detektions-StromerfasseinheitDetection current detecting unit
12061206: Auswahlschalterselector switch
12071207: Komparatorcomparator
1207a1207a: invertierender Einganginverting entrance
1207b1207b: nichtinvertierender Einganginverting entrance
1207c1207c: Ausgangoutput
12081208: Referenzelektrodereference electrode
12091209: Gegenelektrodecounter electrode
12101210: ausgewählte Sensor-Einheitselected sensor unit
13001300: Sensor-ArraySensor array
13011301: Ansteuer-SpannungsquellenDriving power sources
13021302: Detektions-StromerfasseinheitenDetection current detection units
14001400: Sensor-ArraySensor array
14011401: Nichtauswahl-GatespannungsquelleNot select gate voltage source
14021402: Auswahl-GatespannungsquelleSelect gate voltage source
14031403: AktivierleitungenAktivierleitungen
15001500: Sensor-ArraySensor array
15011501: GatespannungsquellenGate voltage sources
16001600: Sensor-ArraySensor array
16011601: I/O-SchnittstelleneinheitI / O interface unit
16021602: erster OnChip-Peripherieschaltkreisfirst On-chip peripheral circuit
16031603: zweiter OnChip-Peripherieschaltkreissecond On-chip peripheral circuit
17001700: Sensor-ArraySensor array
18001800: Sensor-ArraySensor array
18011801: Kreuzungsbereichcrossing area
18021802: erste Leitungfirst management
18031803: zweite Leitungsecond management
18041804: dritte Leitungthird management
19001900: erste Verdrahtungsebenefirst wiring level
19011901: zweite Verdrahtungsebenesecond wiring level
19021902: VertikalkopplungselementeVertical coupling elements

Claims

Sensor transistor element • with a substrate; • With a gate electrode formed on and / or in the substrate to which an electrical activation signal for activating the sensor-transistor element can be applied is; • With a gate insulating layer on the gate electrode; • with a first source / drain electrode and a second source / drain electrode; • with a formed on the gate insulating layer and over the gate electrode Channel layer between the first source / drain electrode and the second Source / drain electrode, which channel layer formed from catcher molecules which is designed to be in an analyte possibly hybridize to be detected particles to be detected.

A sensor-transistor element according to claim 1, wherein the source / drain electrodes are disposed on the gate insulating layer.

Sensor-transistor element according to claim 1 or 2, in which at least a part of the catcher molecules with a Label is provided, which is set up so that it at a the hybridization event was the electrical conductivity the channel layer increases by providing electrical charge carriers.

Sensor-transistor element according to one of claims 1 to 3, wherein at least one of the two source / drain electrodes completely or partially covered with an electrically insulating layer is.

Sensor-transistor element according to one of claims 1 to 4, set up as a monolithically integrated sensor-transistor element.

Sensor-transistor element according to one of claims 1 to 5, the in • silicon technology; or • polymer electronics technology produced is.

Sensor-transistor element according to one of claims 1 to 6, with a layer of completely depleted semiconductor material between the gate insulating layer and the channel layer.

Sensor-transistor element according to one of claims 1 to 7, with a monomolecular layer with a sufficiently high Level of density of the molecules as a gate-insulating layer or as a layer between the gate-insulating Layer and the channel layer.

Sensor-transistor element according to one of claims 1 to 8, with a self-assembled monolayer layer as the gate-insulating layer or as a layer between the gate insulating layer and the channel layer.

Sensor unit for detecting in an analyte possibly contained particles, with a sensor-transistor element after one of the claims 1 to 9.

Sensor unit according to claim 10, with at least one one of the two source / drain electrodes coupled detection device for detecting an electrical sensor signal due to an electrical change due to a hybridization event conductivity the channel layer.

Sensor unit according to claim 11, wherein the detecting means for applying an electrical voltage between the two source / drain Elek electrodes and for detecting an electric current is set up on at least one of the two source / drain electrodes.

A sensor unit according to claim 11, wherein the detection means for applying an electric current to at least one of the two Source / drain electrodes and for detecting an electrical voltage is set up between the two source / drain electrodes.

Sensor unit according to claim 12 or 13, wherein the applied electric voltage or the applied electric electricity • one DC; or • one alternating signal is.

Sensor unit according to one of claims 10 to 14, with a potentiostat device formed on and / or in the substrate to hold one with the sensor unit brought into active contact analytes on a predetermined electric Potential.

Sensor unit according to claim 15, wherein the potentiostat device • a reference electrode for detecting the electrical potential of the analyte; • a comparator facility for comparing the detected electrical potential of the analyte with a predetermined electrical potential; and • a counter electrode for providing electrical charge carriers to the analyte on the comparison having.

Sensor unit according to one of claims 10 to 16, set up as a biosensor unit.

Sensor array with a plurality of on and / or in the substrate formed sensor units according to any one of claims 10 to 17th

Sensor array according to claim 18, • with at least an activation line, at least one control line and at least a detection line, which lines electrically insulated from each other are, where • each the gate electrode of each sensor unit with exactly one of the at least an activation line is coupled; • in each case the first source / drain electrode each sensor unit with exactly one of the at least one Drive line is coupled and the second source / drain electrode coupled to exactly one of the at least one detection line is; • at least one of the at least one control line and at least one of at least one detection line coupled to at least two of the sensor units is; • in which the detection device has a drive unit for providing a electrical drive signal and a detection unit for detecting a resulting from the electrical drive signal electrical Sensor signal comprises; and With a selection unit, which is set up such that it connects the drive unit with the Control line to be selected Sensor unit and the detection unit with the detection line the one to select Sensor unit couples with which the sensor unit is selected.

Sensor array according to claim 19, having an evaluation unit, configured to be based on the at least one selected sensor unit on the drive signal and the sensor signal determines whether at the at least one selected Sensor unit hybridization events occurs are and / or in what quantity at least one selected Sensor unit hybridization events are done.

Sensor array according to one of claims 18 to 20 in which the sensor units group into a plurality of sensor groups are such that each sensor group is optionally separate from the others Sensor groups or together with at least part of the others Sensor groups is operable.

Sensor array according to one of claims 18 to 21, in which in the substrate • an analog-to-digital converter circuit integrated, which is set up so that it is an analog convert the electrical signal into a digital signal and the evaluation unit can provide; and or • an electrical supply unit is integrated, which is set up so that they the drive unit and / or the selection unit electrical voltage signals and / or can provide electrical power signals; and or • a digital-to-analog converter circuit integrated, which is set up so that it is a digital Voltage signal and / or current signal of the supply unit in a convert analog signal and provide the drive unit and / or the selection unit can; and or • one Input / output interface is integrated; and or An amplifier unit, set up to amplify the electrical sensor signal, is integrated.

Sensor array according to one of claims 19 to 22, with exactly one activation line, which is common to all sensor units is provided.

Sensor array according to one of claims 19 to 23, wherein the at least one control line, the at least one detection line and the at least one activating at least partially in two different line levels are formed in and / or on and / or under the substrate.

A sensor array according to claim 24, wherein the sensor units are formed in exactly one of the line levels.

Sensor array according to claim 24 or 25, wherein in a first line section, in which two of the lines of a mutual crossings are free, these two lines in the same Level trained are formed, and in which in a second Line section in which these two lines are mutually exclusive cross, these two lines running in different planes are formed.

The sensor array of claim 26, wherein the first Line section with the second line section of a respective Conduction by means of at least one substantially vertical to the Substrate extending arranged electrical contacting element is coupled.

Sensor array according to one of claims 19 to 27, wherein at least one of the lines on a bottom of the Substrate or extending below the substrate is formed.

Sensor array according to one of claims 19 to 28, in which the drive unit common to all sensor units Supply unit, which is arranged such that with you to the at least one selected one Sensor unit, the electrical drive signal can be applied.

Sensor array according to claim 29, wherein the drive unit and / or the detection unit are set up such that at least a portion of the unselected sensor units electrical reference signal can be applied.

Sensor array according to one of claims 19 to 30, wherein the drive unit for each group of sensor units one of the respective group associated Supply unit, which is arranged such that with her to the sensor units of the associated group the electrical Drive signal can be applied.

Sensor array according to one of claims 19 to 31, in which the detection unit for all sensor units in common is formed.

Sensor array according to one of claims 19 to 32, wherein the detection unit for each group of sensor units is formed together.

Sensor array according to one of claims 18 to 33, in which the sensor units essentially as • rectangle matrix; • hexagonal matrix; or • Triangular matrix disposed are.