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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
Erfindung betrifft Matrizen aus zeilen- und spaltenförmig miteinander
verbundenen passiven Komponenten, insbesondere Widerständen, und die
Herstellung solcher Matrizen. Diese Widerstandsmatrizen können auf
verschiedenen Gebieten benutzt werden, insbesondere um Komponenten
durch Joule-Effekt zu aktivieren.
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STAND DER
TECHNIK
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Für platzsparende
und dichtere Steuerungen sind Widerstandsmatrizen entwickelt worden,
bei denen eine große
Anzahl resistiver Elemente, die einzeln aktivierbar sind, auf einer
kleinen Fläche
verdichtet werden.
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Das
Dokument EP-A-0 813 088 beschreibt ein optisches Relais, das durch
eine thermische Stimulation aktiviert wird. Das Relais wird durch
eine Widerstandsmatrix gebildet. In dem Dokument EP-A-1 188 840
wird eine Matrix aus Heizelementen beschrieben, die selektiv betätigt werden
können.
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Die 1 zeigt
eine Widerstandsmatrix mit N Steuerungszeilen (Ni-indiziert,
mit i als strikt positiver Ganzzahl) und M Steuerungsspalten (Nj-indiziert, mit j als strikt positiver Ganzzahl)
und NM Widerständen
(Rij-indiziert, wobei jeder Widerstand Rij durch die Zeile Ni und
die Spalte Mj gesteuert wird). Um einen Widerstand
zu steuern, "schließt" man die Schalter seiner
Zeile und Spalte: man kann zum Beispiel die Spannung "+V" an die Zeile Ni und "0" an die Spalte Mj legen; dadurch "adressiert" man den Widerstand Rij,
das heißt
dass er von einem Strom durchflossen wird, im Gegensatz zu den anderen
Widerständen.
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Unabhängig von
der Verwendung dieser Matrizen geht es u.a. immer darum, die Steuerungsleistung
genau auf einen bestimmten Widerstands zu lokalisieren, um die von
der Steuerung erwartete Wirkung zu erzielen, und dabei die Verluste
in Form von induzierten oder abgeleiteten Strömen in den anderen Elementen
der Matrix, insbesondere den Widerständen, zu begrenzen, so dass
sich die Leistung in dem adressierten bzw. angesteuerten Widerstand
erhöht
und die Steuerung spezifisch bleibt.
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Tatsächlich wird
das Maximum bzw. der größte Teil
der Leistung in dem angesteuerten Widerstand verbraucht bzw. freigesetzt,
jedoch fließen
in den Zeilen und Spalten sowie den anderen Widerständen Nichtnullströme, die
Leistungsverluste in und durch diese Elemente induzieren. Dies hat
zur Folge, dass die Steuerungsleistung nicht total von dem angesteuerten
Widerstand in Wärme
umgesetzt wird (Effizienzverlust), sondern dass in erwünschter Weise
auch die nicht-angesteuerten Widerstände einen Teil der Leistung
in Wärme
umsetzen (Sensitivitätsverlust).
So haben Simulationen gezeigt, dass bei einer Matrix mit 150 Punkten
zum Beispiel ungefähr 15
% der Leistung in dem angesteuerten Punkt in Wärme umgesetzt wird, während die
anderen Punkte, bei denen die freigesetzte Leistung am stärksten ist,
ungefähr
5 % der Leistung in Wärme
umsetzen.
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Eines
der bekannten Mittel zur Beseitigung dieser Effekte besteht darin,
jeden Widerstand mit einer Diode oder einem Schalter zu verbinden,
um den Strom in den nicht-angesteuerten
Widerständen
zu blockieren. Jedoch ist diese sehr aufwendig, da sich die Anzahl
der Bauelemente verdoppelt, was die Herstellungskosten erhöht und die
Kompaktheit verringert.
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Eine
andere Technik besteht darin, die Matrix in Untereinheiten aufzuteilen,
so dass der Leistungsverlust reduziert wird, was ermöglicht,
die Anzahl der Dioden zu reduzieren. Diese Lösung beseitigt aber weder die
den Dioden eigenen Komplexitätsprobleme
noch die parasitäre
Resterwärmung
in jeder der Matrizen.
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Eine
weitere Alternative besteht darin, jede Zeile und Spalte mit Spannungen
zu steuern, die durch ein Kontrollsystem angepasst und geregelt werden.
Durch diese Zwischeneinrichtung ist es möglich, die restliche Leistung
in den nicht-angesteuerten Widerständen genau zu kontrollieren
und die Parameter zu modifizieren. Diese Lösung ist zwar effizient, erfordert
jedoch ein teures und komplexes Steuerungskontrollsystem.
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DARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Der
Gegenstand der Erfindung besteht darin, eine einfache Lösung zur
Herstellung einer Widerstandsmatrix vorzuschlagen, bei der die Nachteile der
existierenden Lösungen
vermieden werden, wobei diese Matrix ermöglicht, Leistung in einem ihrer Widerstände zu lokalisieren,
indem man die in dem Rest der Matrix zerstreute Leistung begrenzt.
Thermisch aktiviert dieser Widerstand eine zugeordnete Komponente.
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Insbesondere
betrifft einer der Aspekte der Erfindung die Wahl der thermischen
Eigenschaften wenigstens eines Widerstand, um seinen Ansteuerungswirkungsgrad
zu erhöhen,
das heißt
die durch diesen Widerstand im Verhältnis zu der Gesamtleistung verbrauchte
bzw. freigesetzte Leistung, wobei diese Leistung ermöglicht,
eine zugeordnete Komponente thermisch zu aktivieren. Dieser Widerstand (oder
diese Widerstände)
wird (werden) also mit negativem Temperaturkoeffizient gewählt, das
heißt, dass
der Wert des Widerstands mit seiner Temperatur abnimmt. Die Temperatur
des Widerstandselements nimmt im Laufe seiner Benutzung durch die Leistungsfreisetzung
zu; erfindungsgemäß nimmt dann
bei konstanter Spannung der Wert seines Widerstands im Laufe der
Erwärmung
ab. Die Genauigkeit der Aktivierung von zugeordneten Komponenten wird
also erhöht.
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Die
Erfindung betrifft also eine Widerstandsmatrix, bei der einer der
Widerstände
einen negativen Temperaturkoeffizient aufweist und einer thermisch
aktivierbaren Komponente zugeordnet ist. Vorteilhafterweise werden
diese Widerstände
mit negativem Temperaturkoeffizient durch ein einziges bzw. einheitliches
Material gebildet, das diese Eigenschaften besitzt, was das Herstellungsverfahren
um so mehr vereinfacht.
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Ein
bevorzugtes Realisierungsbeispiele betrifft eine Matrix, bei der
alle Widerstände
einen negativen und vorzugsweise identischen Temperaturkoeffizient
haben. Unabhängig
von der Matrix ist die in den nicht-angesteuerten Widerständen freigesetzte bzw.
verbrauchte Leistung niedriger als die in dem angesteuerten Punkt
freigesetzte Leistung. Die Temperatur des angesteuerten Widerstands
erhöht
sich also schneller als die Temperatur der restlichen Schaltung:
selbst wenn alle Widerstände
einen negativen, ja sogar identischen Temperaturkoeffizient aufweisen,
nimmt der Wert der nicht-angesteuerten Widerstände in Abhängigkeit von der Zeit weniger schnell
ab als derjenige der angesteuerten Widerstände. Es ereignet sich ein Phänomen der
Erhöhung der
durch die nicht-angesteuerten Widerstände freigesetzten Leistung,
wobei diese Erhöhung
niedriger ist als die der durch die angesteuerten Widerstände in Wärme umgesetzten
Leistung. Folglich beobachtet man in diesem Fall auch eine Wirkungsgradverbesserung
in Bezug auf eine klassische Matrix.
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Vorteilhafterweise
besitzt das für
bestimmte, ja sogar alle Zeilen und Spalten verwendete Material einen
positiven Temperaturkoeffizient, was eine Zunahme des Widerstands
dieser Elemente und folglich eine Abnahme von verlorener Leistung
zur Folge hat.
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Mehrere,
ja sogar alle Widerstände
der erfindungsgemäßen Matrix
können
mit Komponenten verbunden sein, um sie zu aktivieren. Die Erfindung betrifft
auch eine Vorrichtung mit dieser Matrix, etwa einen Biochip oder
eine Reaktionskarte.
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Vorteilhafterweise
ist es zur Optimierung ihres Wirkungsgrads möglich, zum Beispiel durch einen
programmierbaren Impulsgenerator die Zeit anzupassen, während der
die Steuerspannung an einen Widerstand gelegt wird.
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Die
Erfindung betrifft auch das Herstellungsverfahren einer Widerstandsmatrix,
bei der ein einer thermisch aktivierbaren Komponente zugeordneter Widerstand
durch ein auf einem Substrat abgeschiedenes Material gebildet wird,
wobei das Material einen elektrischen Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizient
besitzt.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird besser verständlich
durch die folgenden beigefügten
Figuren, die nur der Erläuterung
dienen und keinesfalls einschränkend
sind:
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1:
Schaltplan einer Widerstandsmatrix mit Anzeige eines induzierten
Stroms.
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2: Zeitabhängige Entwicklung der verschiedenen
Parameter im Laufe der Benutzung einer Widerstandsmatrix mit positivem
Temperaturkoeffizient (2a) und einer Widerstandsmatrix
mit negativem Temperaturkoeffizient (2b).
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3:
Synopsis eines Herstellungsbeispiels einer bevorzugten erfindungsgemäßen Matrix.
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DETAILLIERTE
DARSTELLUNG SPEZIELLER REALISIERUNGSARTEN
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Die 1,
wie oben beschrieben, stellt eine klassische Matrix mit separat
ansteuerbaren Widerständen
dar, die N Zeilen, M Spalten und NM Widerstände umfasst. Diese Widerstände können entweder
simultan oder sukzessiv oder entsprechend einer Kombination aus
diesen beiden Betriebsarten gesteuert werden.
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Der
Widerstand Rij wird angesteuert und setzt
mit einer Spannung U an den Anschlüssen eine Leistung Pij = U2/Rij in Wärme
um. Die Leistung Pij kann insbesondere benutzt
werden, um eine dem Widerstand Rij zugeordnete
Komponente thermisch zu aktivieren.
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Die
Leistung Qij des angesteuerten Widerstands
Rij ist gleich dem Beitrag Pij zur
freigesetzten Gesamtleistung. Denn auch die anderen Elemente der
Matrix reagieren auf die Ansteuerungsspannung: ein gestrichelt dargestelltes
Beispiel eines induzierten Stroms erzeugt in dieser Konfiguration
eine Wärmeleistung
in insbesondere den Widerständen
Ri+1 j, Ri+1 j+1,
Ri j+1, Ri j+2 sowie
in den Zeilen- und Spaltensegmenten, die sie trennen. Diese Parameter
müssen
bei der Bewertung des Wirkungsgrads berücksichtigt werden.
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Jede
Leistungsfreisetzung wird von einer Erwärmung des betreffenden Widerstands
und einer Erhöhung
seiner Temperatur begleitet. Die Temperatur des angesteuerten Widerstand
erhöht
sich schneller und mehr als die der anderen Elemente.
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Der
elektrische Widerstand der klassischen Materialien zur Herstellung
von Widerständen
erhöht sich,
wenn sich die Temperatur erhöht
(s. Kennlinie Rij der 2a).
Die durch den Widerstand Rij freigesetzte
Leistung (Kennlinie Pij) nimmt folglich
mit der Zeit ab, und dies schneller als die Leistung, die durch die
anderen Widerstände
freigesetzt wird, deren Temperatur und elektrischer Widerstand (Kennlinie Rna) sich weniger schnell erhöht. Die
Ausbeute des angesteuerten Widerstands Rij nimmt
folglich im Maße
seiner Aktivierung ab (Kennlinie Qij), und
die Temperaturerhöhung,
die im Rahmen der Steuerungsmatrizen zur Erwärmung durch Joule-Effekt das erwünschte Ziel
ist, verlangsamt sich.
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Im
Rahmen der Erfindung verwendet man zur Herstellung des Widerstands
Rij ein Material, dessen elektrischer Widerstand
mit seiner Temperatur abnimmt, das heißt mit einem Negativtemperaturkoeffizientenwiderstand
oder NTCR ("Negative
Thermal Coefficient Resistance").
Dieses Material kann eine der Komponenten des Widerstands sein oder der
Widerstand kann ganz aus einem solchen Material hergestellt werden.
Beispiele sind Tantalnitrid, Nickel-Chrom-Legierungen oder Nitride
von refraktären Materialien.
Der Temperaturkoeffizient (TCR) kann angepasst werden, entweder
durch die Kombination von Materialen oder durch die bei der Herstellung
des Widerstands gewählten
Parameter. Entsprechend den Erfordernissen kann der NTCR zwischen –100 und –3000 ppm/°C variieren.
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In
diesem Fall einer NTCR-Matrix, dargestellt in der 2b,
erhöht
sich die Energiefreisetzung durch den angesteuerten Widerstand Rij mit der Temperatur, wobei sein Widerstand
abnimmt (Kennlinie Rij) und infolgedessen
seine freigesetzte Leistung um so mehr zunimmt.
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Man
sieht in der 2b auch, dass ihn dem Fall,
wo alle Widerstände
NTCRs sind, auch bei den anderen Negativtemperaturkoeffizientenwiderständen, die
nicht angesteuert werden, der Widerstand abnimmt (s. Kennlinie Rna), aber weniger stark, da ihre Temperatur
sich weniger schnell entwickelt, wobei die durch sie freigesetzte
Leistung kleiner ist als die freigesetzte Leistung Pij.
Der Wirkungsgrad des angesteuerten Widerstands nimmt also zu (Kennlinie Qij).
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Eine
Kombination der beiden Beispiele ist vorstellbar, bei der der angesteuerte
Widerstand Rij einen negativen Temperaturkoeffizienten
aufweist und die anderen vom Typ Rna einen
positiven Temperaturkoeffizienten: man stellt dann fest, dass der
Wirkungsgrad Qij des angesteuerten Punkts
um so mehr zunimmt (nicht dargestellt) und insbesondere in noch größeren Proportionen
als im Falle einer totalen NTCR-Matrix. Weitere Kombinationen sind
vorstellbar, mit zum Beispiel nur einer NTCR-Zeile und/oder -Spalte.
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Der
Widerstand Rij wird mit einer Steuerungsleistung
angesteuert, die die Spannung U an den Anschlüssen der durch diesen Widerstand
freigesetzten Leistung Pij bestimmt.
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Ein
Modulationsfaktor von Pij, anders als der Wert
jedes Widerstands, ist dann die "wirklich" an Rij adressierte
Leistung. Diese Leistung ist kleiner als die ursprüngliche
Steuerungsleistung, mit partiellen Verlusten in den anderen Widerständen, wie
weiter oben beschrieben, aber auch Verlusten, die verbunden sind
mit intrinsischen Widerstand der Zeilen und Spalten.
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Es
kann also vorteilhaft sein, für
die Zeilen und Spalten ein positives TCR-Material zu verwenden,
etwa Aluminium oder Kupfer: durch Wärmeleitung, ausgehend von dem
erwärmten
Widerstand, kann sich das Material der Zeilen und Spalten erwärmen. Dank
der Verwendung eines positiven TCR-Materials für diese Zeilen und Spalten
nimmt dann der Widerstand der Zeilen und Spalten zu und die in diesen
verlorene Leistung ab, was die adressierte Leistung und infolgedessen
den Wirkungsgrad des angesteuerten Widerstands um so mehr erhöht.
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Die
adressierte Leistung und folglich die Spannung an den Anschlüssen des
angesteuerten Widerstands können
auch während
der Benutzung moduliert werden, indem man die Dauer des Anlegens
dieser Spannung anpasst. Dieser letzte Zeitparameter ermöglicht,
den für
jeden angesteuerten Widerstand Rij erwünschten
Wirkungsgrad und die zur Aktivierung der betreffenden Komponente
durch diesen Widerstand erwünschte
Temperatur zu optimieren. Das Verfahren, das die Erwärmung durch Joule-Effekt
ermöglicht,
ist nämlich
ein dynamisches Phänomen.
So ermöglicht
das Anlegen einer Spannung während
einer kurzen Dauer, zum Beispiel 0,2 s, moderate Temperaturerhöhungen der
Größenordnung
100 °C zu
erzielen, und das Anwenden des Befehls während einer längeren Dauer,
zum Beispiel 10 s, hat höhere
Temperaturen zur Folge, etwa in der Größenordnung von 500 °C (s. 2b).
In der 1 ist zum Beispiel ein mit den Zeilen und Spalten
verbundener Impulsgenerator (1) dargestellt, der ermöglicht,
bestimmte Spannungen mit entsprechender Amplitude und Dauer an die
Anschlüsse
der genannten Zeilen (N) und Spalten zu legen.
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Beispiel 1
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Gegeben
ein Gitter aus 144 Widerständen, angeordnet
gemäß 12 Zeilen
und 12 Spalten, mit ansteuerbaren 1000-Ohm-Heizwiderständen und
Zeilen- und Spalten-Zwischenwiderständen mit
1 Ohm, das heißt,
einem intrinsischen Widerstand mit 1 Ohm von jeder Zusammenschaltungszeile
und/oder -spalte.
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Durch
Simulation hat man herausgefunden, dass bei Widerständen mit
einem Null-TCR die
im angesteuerten Punkt freigesetzte Leistung 15 % der in dem Gitter
freigesetzten Gesamtleistung beträgt und dass die maximale durch
die anderen Widerstände
freigesetzten Leistung 4,5 % beträgt.
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Wenn
bei Widerständen
mit einem TCR von –2500
ppm/°C die
Temperatur des angesteuerten Widerstands 300 °C erreicht hat, haben die anderen
Widerstände
maximal 100 °C
erreicht und die durch den angesteuerten Widerstand freigesetzte
Leistung erreicht 40 % der Gesamtleistung anstatt 15 %, das heißt, dass
sie sich mehr als verdoppelt hat.
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Die
erfindungsgemäße Matrix
ermöglicht
also, in sehr lokalisierten Punkten sehr hohe Temperaturen von 500 °C und mehr
zu erreichen, und dies bei Matrizen, die ermöglichen, zahlreiche Punkte
(50 bis 1000 und mehr) schnell anzusteuern. Eine Anpassung der notwendigen
maximalen Leistung ist möglich,
indem man den Wert des TCR der Widerstände kontrolliert. Diese Effekte
sind zudem möglich
ohne Dioden- oder Schalteranordnung, die das System schwerer bzw.
schwerfälliger
machen, und die Matrix kann auf verschiedenen Arten von Substraten
realisiert werden, mittels Herstellungsmethoden, bei denen schwerfällige Techniken
vermieden werden.
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Um
eine erfindungsgemäße Matrix
zu realisieren, werden bevorzugt Standardtechniken der Mikroelektronik
benutzt, bei denen vor allem Abscheidung und Photolithographie angewendet
werden. Jedoch sind alle anderen Techniken zur Herstellung von Mikrosystemen
vorstellbar, etwa Siebdruck von Klebstoffen, Haftstoffen, Polymeren,
leitfähig
oder nicht, Siebdruckpasten, Tintenstrahltechnik usw.
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Die 3 stellt
ein Herstellungsverfahren dar. Gewählt wird ein Substrat 10,
etwa aus Silicium. Durch Sputtern wird eine Aluminiumschicht 12 abgeschieden
(3a). Mittels Photolithographie und Ätzung erhält man Zeilenmuster 14 (3b). Durch Sputtern wird eine Schicht 16 aus
NTCR-Material abgeschieden (3c). Die
resistiven Muster 18 erhält man durch Photolithographie
und Ätzung
(3d). Anschließend wird eine dielektrische
Schicht 20 abgeschieden, um Zeilen 14 und Spalten
voneinander zu trennen (3e), wobei
man durch Photolithographie Spaltenkontaktstellen herstellt (3f). Schließlich wird durch Sputtern eine
Aluminiumschicht 12 abgeschieden (3g),
wobei man durch Photolithographie und Ätzung die Spaltenmuster 24 realisiert (3h). Die thermisch aktivierbaren Komponenten werden
nach den bekannten Techniken zugeordnet.
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Die
Aluminiumschicht 12 hat typisch eine Dicke von 500 bis
50000 Å (50
bis 5000 nm) und beträgt
vorzugsweise 500 nm; die Dicke der NTCR-Schicht 16 ist
typisch enthalten zwischen 500 bis 5000 Å (50 bis 500 nm) und beträgt vorzugsweise 100
nm. Der NTCR kann vorzugsweise zwischen –100 und –3000 ppm/°C justiert werden, entsprechend
den Abscheidungsbedingungen und den angestrebten Benutzungsparametern.
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Als
dielektrischen Isolator 20 kann man ein Polymer oder ein
Mineral wie SiO2 oder Si3N4 verwenden. Das Substrat 10 ist
isolierend und umfasst zum Beispiel Silicium, ein Polymer, ein Glas,
eine Keramik, usw., oder auch eine Kombination dieser Materialien.
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Anwendung
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Die
erfindungsgemäßen Matrizen
finden Anwendung auf zahlreichen Gebieten wie etwa dem der Biologie,
der Bildherstellung oder der Flachbildschirme, wo die Steuerungssysteme
miniaturisiert werden müssen.
Insbesondere können
die erfindungsgemäßen Matrizen
zur Herstellung von Vorrichtungen des Typs Biochip oder "Lab On Chip", auch Reaktionskarte
genannt, benutzt. Eine solche Reaktionskarte ist zum Beispiel aus
dem Dokument WO 02/18823 bekannt. Generell wird in der Folge jede
für biologische Anwendungen
geeignete Struktur, wie etwa die Reaktionskarten oder die Biochips,
Biologieanwendungsvorrichtung genannt.
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Zur
Herstellung solcher Biologieanwendungsvorrichtungen wird in die
Trägerkarte
der Vorrichtung ein Mikro-Flüssigkeitsnetz
integriert: die zu analysierende Flüssigkeit muss zum Beispiel
zwischen den verschiedenen Reagenzien zirkulieren. Um eine Flüssigkeit
in einem Mikrokanalnetz zirkulieren zu lassen, betätigt man
Mikroventile.
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Es
sind Mikroventile für
Anwendungen in Mikrosystemen, Biochips und Reaktionskarten entwickelt
worden. In dem Dokument FR-A-2 828 244, das Mikroventile betrifft,
die durch pyrotechnischen Effekt betätigt werden, wird ein Beispiel
beschrieben. Die Aktivierung der Mikroventile erfordert eine lokalisierte Erwärmung unter
dem Mikrosystem, zum Beispiel durch die Erwärmung eines Widerstands unter
jedem Mikroventil, das dann durch Joule-Effekt betätigt wird.
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Bei
dieser bevorzugten Anwendung muss das Mikroventilnetz konsequent
bzw. entsprechend sein, mit einer großen Dichte dieser zu aktivierenden Komponenten:
zum Beispiel müssen
50 bis 1000 Mikroventile auf einer Fläche von typisch der Größe einer
Kreditkarte getrennt angesteuert werden. Es empfiehlt sich also
sehr die Verwendung von Widerstandsmatrizen.
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Die
Matrizen nach der Erfindung haben den Vorteil der Optimierung des
Wirkungsgrads jeder Ansteuerung und infolgedessen eine bessere Effizienz und
Spezifität
der durchgeführten
Analysen.