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Beschreibung
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Chemisch empfindlicher Feldeffekttransistor mit integrierter Referenzelektrode
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen chemisch empfindlichen Feldeffekttransistor
(FET) zum Messen der Konzentration von bestimmten chemischen Substanzen in einer
Lösung.
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Ein herkömmlicher chemisch empfindlicher FET wird in Verbindung mit
einer gesättigten Quecksilberchlorid-Referenzelektrode verwendet oder ist mit einer
parallelen Referenzelektrode auf dem gleichen Chip ausgestattet oder weist ähnliche
Konstruktionen auf (D. Harame u.a. IEEE IEDM, S. 467 - 470, 1981; K. Shimada u.a.
Med. & Biol. Eng. & Comput, 1980, 18, S. 741 - 745). Wenn diese FETs einen
chemisch empfindlichen FET und eine Referenzelektrode als separate Elektroden benötigen,
tritt das Problem auf, daß die Anzahl der Elektroden hoch ist und daß im Fall eines
FETs, in welchem ein chemisch empfindlicher FET und eine Referenzelektrode nebeneinander
angeordnet sind, ein Chip mit großer Fläche benötigt wird.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kleinen, chemisch
empfindlichen Feldeffekttransistor zu schaffen.
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Diese und andere Aufgaben werden durch einen chemisch empfindlichen
Feldeffettransistor gelöst, der einen chemisch empfindlichen Feldeffekttransistor-Abschnitt
und einen Referenzelektroden-Abschnitt aufweist, die auf dem gleichen Substrat angeordnet
sind, wobei der Quell-Teil des chemisch empfindlichen FET-Abschnitts und die Referenzelektrode
elektrisch verbunden sind, so daß Quelle (source) und Referenzelektrode das gleiche
Potential aufweisen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden
Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den
Figuren.
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Darin zeigen: Fig. 1 eine Aufsicht auf ein Bauelement, in welchem
eine Referenzelektrode und ein chemisch empfindlicher FET gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung integriert sind; Fig. 2 einen Querschnitt entlang der
Linie II-II von Fig. 1 Fig. 3 einen Querschnitt entlang der Linie III-III in Fig.
1; Fig. 4 eine Kennlinie, die die Ausgangsspannung des chemisch empfindlichen FETs
in Abhängigkeit des pH-Wertes gemäß der ersten Ausführung der Erfindung zeigt; Fig.
5 eine Aufsicht auf ein Bauelement, in welchem eine Referenzelektrode gemäß einer
anderen Ausführungsform der Erfindung über dem Quell-Teil des FETs angeordnet ist;
Fig. 6 einen Querschnitt entlang der Linie VI-VI der Fig. 5; Fig. 7 einen Querschnitt
eines BaElementes gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, in welchem
eine immobilisierte Enzymmembran über einer Tor-Schicht (gate-Schicht) angeordnet
ist.
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Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß
eine Referenzelektrode und ein chemisch empfindlicher FET mit dem gleichen Substrat
gebildet sind und daß der Quell'Teil des FET und die Referenzelektrode elektrisch
verbunden sind, wobei sie ihre Potentiale im wesentlichen einander angleichen. Dadurch
kann die Anzahl der Elektroden um eine reduziert werden und außerdem kann die Fläche
der Anordnung merklich reduziert werden, besonders wenn die Referenzelektrode über
dem Quell-Teil in einer im wesentlichen deckungsgleichen Anordnung gebildet wird.
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Der chemisch empfindliche FET der vorliegenden Erfindung kann als
Sensor in automatischen Blutanalysatoren oder ähnlichem angewendet werden. Der FET
des Typs, bei dem eine Ionen-selektive Membrane über einem Tor-Teil vorgesehen ist,
dient zum Messen einer Konzentration von Elektrolyt-Ionen (pH, Ma +1 K+, Cl usw.)
des Blutes, während der FET des Typs, bei dem eine Urease-immobilisierte Enzymmembram
über einem Tor-Teil vorgesehen ist, als Urease-Sensor dient.
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Der Aufbau und die Funktion der Erfindung wird aus der Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen deutlich Zunächst wird eine erste Ausführungsform
beschrieben.
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Die Fig. 1 zeigt eine Aufsicht eines chemisch empfindlichen Feldeffekttransistors
(FET) für eine pH-Messung, in welchem eine Referenzelektrode 5 und ein chemisch
empfindlicher FET auf dem gleichen Si-Substrat gebildet werden.
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Fig. 2 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie II-II der Fig. 1
gesehen und Fig. 3 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie III-III der gleichen
Fig. Der chemisch empfindliche FET selbst hat den Aufbau eines herkömmlichen chemischen
FETs und ist ein FET mit n-Kanal Verarmungswirkung, in welchem ein p-Typ Si als
Substrat Si verwendet wird, n Diffusionsbereiche sind ausgeführt, um einen Abfluß
2 (drain) und eine Quelle 3 (scurce) zu bilden und eine n-Typ Flächen schicht 8
ist als Kanalteil ausgebildet. Tor 4 (gate) ist mit einer Schicht von Sio2 11 und
Si3N412 bedeckt und eine
Ta205-Schicht 13 ist als Ionen-selektive
Membrane darauf angeordnet. Auf der anderen Seite besteht die Referenzelektrode
5 aus Ag 15 und AgCl 16 und ist in Kontakt mit dotiertem Poly-Si 17 in dem SiO2
11 durch einen dünnen Film von Ti 14. Poly-Si 18 (Fig. 3) bildet einen integrierten
polykristallinen Silikonkörper, der Poly-Si 10 beinhaltet, welches als eine Elektrode
für die Quelle 3 dient, während das Poly-Si 17 als eine Elektrode für die Referenzelektrode
5 dient. Infolge dieser Struktur sind die Referenzelektrode 5 und die Quelle 3 des
FETs elektrisch verbunden. Eine Al-Elektrode 6 ist als eine äußere Elektrode des
Bauelements auf einer Poly-Si Abfluß-Elektrode 9 ausgebildet. In ähnlicher Weise
ist eine Al-Elektrode 7 auf der gemeinsamen Poly-Si Elektrode 18 angeordnet, welche
mit der Referenzelektrode 5 und der Quelle 3 verbunden ist.
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Dadurch können 3 Elektroden, nämlich Abfluß-, Quell- und Referenzelektrode
des chemisch empfindlichen FETs, welche bei den herkömmlichen Bauformen nötig waren,
auf eine Anzahl von zwei reduziert werden.
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Das Arbeitsprinzip dieser Anordnung wird nun beschrieben, Wenn das
Bauelement in eine Lösung getaucht wird, wird ein Grenzpotential, das an der Schicht
des Tors 4 erzeugt wird durch die Konzentration von H+-Ionen verändert. Ein Standard-Potential
wird der Lösung durch die Referenzelektrode 5 gegeben. Da die Referenzelekt:~ode
5 und die Quelle 3 des FET hier elektrisch durch das Poly-Si 18 verbunden sind,
werden sie auf dem gleichen elektrischen Potential gehalten. Deshalb ist eine Änderung
der Tor-Spannung VG, die die durch eine Änderung der Konzentration von H -Ionen
hervorgerufen wird, einer Änderung im Abfluß-Tor-Potential VGS gleichwertig. Diese
Änderung erscheint als eine Änderung des Abfluß-Quell-Stroms IDS Durch Messung dieser
Änderung ist es möglich, die Konzentration von H+-Ionen, d.h. den pH-Wert in der
Lösung zu messen. Fig. 4 zeigt für die erste Ausführung eine Kurve des Spannungs-pH-Verhältnisses.
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Als Ergebnis wurde eine Empfindlichkeit von 54 mV/pH erreicht.
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Fig. 5 zeigt eine zweite Ausführungsform. Obwohl die Arbeitsweise
des chemisch empfindlichen FETs die gleiche ist, wie die der ersten Ausführungsform,
ist ihr Kennzeichen, daß die Referenzelektrode 5 über der Quelle 3 angeordnet ist.
Figur 6 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie VI - VI von Fig. 5 gesehen. Die
Schichten von Si02 11, Si3N4 12 und Ta205 13 über dem Poly-Si 10, die als Quell-Elektrode
3 dient, sind geäzt um eine öffnung zu bilden, der dünne Film von Ti 14 ist auf
dem Poly-Si 10 angeordnet und danach werden Ag 15 und AgCl 16 als Referenzelektrode
5 ausgebildet. Diese Struktur ermöglicht, daß das Potential der Referenzelektrode
5 und das Potential der Quelle 3 des chemisch empfindlichen FET gleich sind und
ermöglicht gleichzeitig, daß die Fläche der Anordnung merklich reduziert ist, da
eine Fläche für die Referenzelektrode nicht erforderlich ist.
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Fig. 7 zeigt eine dritte Ausführungsform. Die dritte Ausführungsform
ist ein Kohlendioxyd-empfindlicher FET und ist so aufgebaut, daß ein inneres Gel
20 sandwichartig mit einer gasdurchlässigen Membran 19 auf dem chemisch empfindlichen
FET zum Messen des pH-Wertes der zweiten Ausführungsform verbunden ist. Diese Anordnung
arbeitet im Prinzip derart, daß wenn diese Anordnung in eine Lösung getaucht wird,
das Kohlendioxyd in der Lösung die gasdurchlässige Membrane 19 durchdringt und in
dem inneren Gel 20 gelöst wird, so daß sich der pH-Wert des inneren Gels 20 ändert.
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Diese pH-Wert-Änderung wird von dem chemisch empfindlichen FET erfaßt,
der an dem unteren Teil angeordnet ist. Dies ermöglicht, daß eine Konzentration
von Kohlendioxyd gemessen werden kann. Auf diese Art und Weise ist es durch die
Integration der Referenzelektrode und des chemisch empfindlichen FETs möglich, den
Kohlendioxyd-Sensor, der ein internes Gel innerhalb der gasdurchlässigen Membrane
enthält, zu miniaturisieren.
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Wenn die immobilisierte Enzymmembran auf der Tor-Schicht der ersten
und zweiten Ausführungsform befestigt wird,
arbeiten diese Anordnungen
als Enzym-Sensor.
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Die Integration der Referenzelektrode und des chemisch empfindlichen
FETs ermöglichen es, die Fläche der Anordnung zu verkleinern. Dadurch kann die Quantität
der Probe, die für die Messung erforderlich ist, reduziert werden, bis eine örtliche
Ionenkonzentration gemessen werden kann.
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Das von verschiedenen Organen erzeugte elektrische Rauschen kann ebenfalls
reduziert werden. Ein einpflanzbarer Sensor zur Uberwachung eines Organes kann ausgeführt
werden. Des weiteren werden gemäß der vorliegenden Erfindung auch die Vorteile erreicht,
daß ein Zuführungsdraht einer Referenzelektrode unnötig wird und daß ein äußerer
Meßkreis extrem vereinfacht wird.
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Ein praktischer Effekt gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben.
Indem die Referenzelektrode und der Quell-Teil des chemisch empfindlichen Feldeffekttransistors
verbunden werden, ist es möglich, die Anzahl der Zuleitungsdrähte des chemisch empfindlichen
FETs von 3 auf 2 zu verringern.
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Nimmt man außerdem an, daß die Fläche der Referenzelektrode SR und
die Fläche des chemisch empfindlichen FETs SF ist, wird die Fläche der integrierten
Anordnung, wenn die Referenzelektrode direkt auf den Quell-Teil des chemisch empfindlichen
FETs angeordnet wird, nur SF anstatt von (SR + SF) die herkömmlicherweise als Fläche
der Anordnung erforderlich ist.
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