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die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine chemisch empfindliche Feldeffekttransistor (FET)-Meßeinrichtung zum Messen der Konzentration von bestimmten chemischen Substanzen in einer Lösung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Eine derartige chemisch empfindliche Meßeinrichtung ist in einem Aufsatz von David Harame et al. in IEEE IEDM, S. 467 bis 470 beschrieben. Dabei sind der FET und eine Referenzelektrode auf dem gleichen Substrat angeordnet.
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In einem Aufsatz von K. Shimada in Medical & Biological Engineering & Computing, Band 18, 1980, S. 41 bis 745 ist eine chemisch empfindliche FET-Meßeinrichtung für in vivo Messungen gezeigt. Referenzelektrode, Quelle und Abfluß des FET&min;s sind mit verschiedenen Zuleitungen verbunden und weisen ein unterschiedliches elektrisches Potential auf.
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Die bekannten Ausführungen haben den Nachteil, daß ein Chip mit großer Fläche benötigt wird, um FET und Referenzelektrode nebeneinander anzuordnen und daß die Anzahl der Zuleitungen für eine in vivo-Messung relativ hoch ist.
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Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine chemisch empfindliche Feldeffekttransistor-Meßeinrichtung zu schaffen, die mit kleinerem Bauvolumen und mit einer verringerten Anzahl von elektrischen Zuleitungen ausgeführt werden kann.
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Diese Aufgabe wird bei einer chemisch empfindlichen Feldeffekttransistor-Meßeinrichtung gemäß der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Lösung erlaubt es, die Anzahl der Elektroden um eine zu reduzieren und die Fläche der Anordnung merklich zu verringern, 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&spplus;, K&spplus;, Cl- usw.) des Blutes, während der FET des Typs, bei dem eine Urease-immobilisierte Enzymmembran über einem Tor-Teil vorgesehen ist, als Urease--Sensor dient.
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Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Darin zeigt
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Fig. 1 eine Aufsicht auf ein Bauelement, in welchem eine Referenzelektrode und ein chemisch empfindlicher FET gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung integriert sind;
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Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie II-II von Fig. 1,
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Fig. 3 einen Querschnitt entlang der Linie III-III in Fig. 1;
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Fig. 4 eine Kennlinie, die die Ausgangsspannung des chemisch empfindlichen FETs in Abhängigkeit des pH-Wertes gemäß der ersten Ausführung der Erfindung zeigt;
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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;
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Fig. 6 einen Querschnitt entlang der Linie VI-VI der Fig. 5;
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Fig. 7 einen Querschnitt eines Bauelementes gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, in welchem eine immobilisierte Enzymmembran über einer Tor-Schicht ( gate--Schicht) angeordnet ist.
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Zunächst wird eine erste Ausführungsform beschrieben.
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. 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 Figur. 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&spplus; Diffusionsbereiche sind ausgeführt, um einen Abfluß 2 (drain) und eine Quelle 3 (source) zu bilden und eine n-Typ Flächenschicht 8 ist als Kanalteil ausgebildet. Tor 4 (gate) ist mit einer Schicht von SiO&sub2; 11 und Si3N4 12 bedeckt und eine Ta2O5-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. 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&spplus;-Ionen verändert. Ein Standard-Potential wird der Lösung durch die Referenzelektrode 5 gegeben. Da die Referenzelektrode 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 V G , die durch eine Änderung der Konzentration von H&spplus;-Ionen hervorgerufen wird, einer Änderung im Abfluß-Tor-Potential V GS gleichwertig. Diese Änderung erscheint als eine Änderung des Abfluß-Quell-Stroms I DS . Durch Messung dieser Änderung ist es möglich, die Konzentration von H&spplus;-Ionen, d. h. den pH-Wert in der Lösung zu messen. Fig. 4 zeigt für die erste Ausführung eine Kurve des Spannungs-pH-Verhältnisses. 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. Fig. 6 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie VI-VI von Fig. 5 gesehen. Die Schichten von SiO2 11, Si3N4 12 und Ta2O5 13 über dem Poly-Si 10, das 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. 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. Das von verschiedenen Organen erzeugte elektrische Rauschen kann ebenfalls reduziert werden. Ein einpflanzbarer Sensor zur Überwachung 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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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 S R und die Fläche des chemisch empfindlichen FETs S F ist, wird die Fläche der integrierten Anordnung, wenn die Referenzelektrode direkt auf den Quell-Teil des chemisch empfindlichen FETs angeordnet wird, nur S F anstatt von (S R + S F ) die herkömmlicherweise als Fläche der Anordnung erforderlich ist.