DE60305865T2 - DNA-spezifische Kapazitiver Affinitätssensor - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft einen Sensor zum Erfassen einer Kapazität und hat eine besondere, aber nicht ausschließliche, Anwendung für einen Einsatz als Biosensor für eine direkte Erfassung von DNA-Sequenzen basierend auf einer Kapazitätsmessung.
• Bislang sind Biosensoren für die Erfassung von DNA-Sequenzen durch eine Kapazitätsmessung vorgeschlagen worden. Beispielsweise ist ein Biosensor in "A Biosensor For Direct Detection of DNA Sequences Based on Capacitance Measurements", C. Guiducci et al., ESSDERC 2002 S. 479-482 beschrieben. Der Biosensor weist zwei Glasschieber mit Goldscheibenelektroden darauf auf, die um einen Abstand von 2 nm beabstandet sind. Ein Fluid, das DNA enthält, ist als Dielektrikum zwischen den zwei Elektroden vorgesehen. Die Kapazität der Anordnung wird durch Anlegen von Pulsen unterschiedlicher Frequenzen zwischen den Elektroden und durch Überwachen des zwischen ihnen fließenden Stroms getestet. Die Kapazität der Zelle kann aus den Strommessungen durch eine Technik einer linearen Regression bestimmt werden.
• Die Kapazität der Zelle ändert sich als Ergebnis der DNA, die im Fluid zwischen den Elektroden vorhanden ist. Eine der Elektroden kann funktionalisiert werden, um einen bestimmten DNA-Strang zu erfassen. Die Funktionalisierung wird ausgeführt, indem veranlasst wird, dass sich Stränge einer bekannten DNA-Sequenz selbst an einem Ende an die Goldelektrode anbringen. Wenn ein Fluid zwischen den Elektrodenplatten eingeführt wird, das komplementäre DNA-Stränge enthält, binden sie sich an die bereits an der Elektrode angebrachten Stränge und wird die elektrische Kapazität zwischen den zwei Goldelektroden als Ergebnis geändert. Ein Nachteil des Aufbaus besteht darin, dass eine Anzahl von Messungen bei unterschiedlichen Frequenzen vorgenommen werden muss und eine lineare Regressionstechnik erforderlich ist, um die Kapazität der Zelle zu bestimmen. Ebenso geben parasitäre Kapazitäten Anlass zu Messfehlern, wenn resultierend aus dem Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von bestimmten DNA-Strängen sehr kleine kapazitive Änderungen gemessen werden.
• US-A-5,164,319 offenbart eine Pixel-Kondensator-Sensoranordnung, die durch einen Oszillator angetrieben wird, um die Kapazität der Pixel einzeln zu erfassen. Es wird auch auf US-A-5,532,128 und US 4,149,231 Bezug genommen.
• Die vorliegende Erfindung stellt eine alternative Technik zum Messen von kapazitiven Änderungen bei einem kapazitiven Sensor zur Verfügung.
• Gemäß der Erfindung wird ein Sensor zur Verfügung gestellt, der eine Anordnung von kapazitiven Elementen aufweist, die konfiguriert sind, um eine kapazitive Kopplung als Funktion eines zu erfassenden Mediums zu bilden, und eine Vielzahl von Sensor-Schaltungseinheiten, die zu den kapazitiven Elementen gehören, wobei die Schaltungseinheiten jeweils eine jeweilige Zeitkonstante als Funktion der kapazitiven Kopplung ihres zugehörigen kapazitiven Elements zeigen, wobei die Sensor-Schaltungseinheiten in einer Schaltung in Reihe geschaltet sind bzw. miteinander verbunden sind, die mit einer Frequenz oszilliert, die von den Zeitkonstanten der Schaltungseinheiten abhängt, und eine Frequenzerfassungsschaltung zum Erfassen der Oszillation der Schaltung.
• Die Schaltungseinheiten können eine Vielzahl von Invertern aufweisen und die Oszillationsschaltung kann einen Ringoszillator aufweisen.
• Das zu erfassende Medium kann einen Körper aufweisen, der eine kapazitive Kopplung mit den kapazitiven Elementen bildet, was ermöglicht, dass der Sensor das Vorhandensein des Objekts erfasst.
• Alternativ dazu können die kapazitiven Elemente zum Bilden einer kapazitiven Kopplung mit einem Fluid konfiguriert sein, dass zu erfassendes Material enthält, wie z.B. zum Einsatz als Biosensor zum Erfassen von DNA-Fragmenten mit einer bestimmten Molekularstruktur. Die leitenden Elemente können zum Erfassen von vorbestimmten DNA-Zielen funktionalisiert werden.
• Eine Kondensatorplatte kann von den leitenden Elementen beabstandet sein, um einen Bereich zum Empfangen des Fluids zur Verfügung zu stellen, oder die leitenden Elemente können konfiguriert sein, um eine wechselseitige kapazitive Kopplung miteinander zum Erfassen von Charakteristiken des Fluids zu bilden.
• Die leitenden Elemente können Platten aufweisen, die auf einem Substrat zusammen mit den Schaltungseinheiten ausgebildet sind, und der Sensor kann Wannen enthalten, um ein zu erfassendes Fluid aufzunehmen, wobei sich die leitenden Elemente in die Wannen erstrecken.
• Der Sensor kann eine Auswahlschaltung enthalten, um die Schaltungseinheiten individuell so auszuwählen, dass die Frequenzcharakteristik der Oszillatorschaltung hauptsächlich von der kapazitiven Kopplung der oder jeder ausgewählten Schaltungseinheit abhängt.
• Die Schaltungseinheiten können Inverter mit einer Zeitkonstanten aufweisen, die eine Funktion der kapazitiven Kopplung ist, und die Inverter können einen Eingang zum selektiven Ändern ihrer Zeitkostante enthalten. Die Inverter können komplementäre Transistoren aufweisen.
• Die Erfindung enthält auch ein Verfahren zum Betreiben des Sensors, einschließlich eines Anordnens eines zu erfassenden auf Fluid basierenden Mediums in Kontakt mit den kapazitiven Elementen und eines Überwachens der Betriebsfrequenz der Oszillatorschaltung.
• Damit die Erfindung vollständiger verstanden werden kann, werden nun Ausführungsbeispiele davon anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, wobei:
• 1 eine schematische perspektivische Ansicht von kapazitiven Elementen eines Sensors gemäß der Erfindung ist;
• 2 eine schematische Schnittansicht eines Sensors gemäß der Erfindung zum Einsatz als kapazitiver Annäherungsmelder ist;
• 3 eine schematische Schnittansicht eines Sensors gemäß der Erfindung zum Erfassen eines Fluidmediums, wie beispielsweise einer Flüssigkeit, die eine DNA-Probe enthält, ist;
• 4 eine Schaltungsdiagramm eines im Sensor verwendeten Ringoszillators ist;
• 5 eine Schaltungsdiagramm eines in den in 4 gezeigten Schaltungseinheiten verwendeten CMOS-Inverters ist;
• 6 eine schematische Draufsicht auf eine Implementierung von einer der in 4 gezeigten Schaltungseinheiten ist;
• 7 eine Schnittansicht der in 6 gezeigten Schaltungseinheit ist;
• 8 eine Schaltungsdiagramm eines alternativen IIL-Inverters zum Einsatz bei den in 4 gezeigten Schaltungseinheiten ist;
• 9 Ein Schaltungsdiagramm eines im Sensor verwendeten Ringoszillators ist, wobei die Schaltungseinheiten individuell adressierbar sind;
• 10 ein Schaltungsdiagramm eines in den in 9 gezeigten Schaltungseinheiten verwendeten CMOS-Inverters ist;
• 11 eine Draufsicht auf ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Sensors gemäß der Erfindung mit Wannen zum Aufnehmen eines zu erfassenden Fluids ist;
• 12 eine schematische Schnittansicht des in 11 gezeigten Sensors ist;
• 13 ein Schaltungsdiagramm eines im Sensor der 11 und 12 verwendeten Ringoszillators ist; und
• 14 Modifikationen an den kapazitiven Platten der 1 und 11 und Modifikationen daran zum Reduzieren eines DC-Leckstroms bzw. Gleichstrom-Leckstroms darstellt.
• 1 stellt schematisch ein Halbleitersubstrat 1 dar, auf welchem eine Anordnung von kapazitiven Elementen in der Form von Platten 2 ausgebildet ist, um als kapazitive Sensorelemente zu wirken. Die kapazitiven Platten 2 können Bereiche aus Gold oder anderen Materialien aufweisen, die durch herkömmliche Techniken abgeschieden und gemustert sind.
• 2 stellt die Art dar, auf welche die einzelnen Platten 2 kapazitive Kopplungen C mit einem zu erfassenden benachbarten Körper 3 bilden können.
• 3 stellt dar, wie die Platten 2 in einem Biosensor verwendet werden können, wobei ein zu erfassendes Medium 5, das DNA-Stränge enthalten kann, zwischen dem Substrat 1 und einer festen leitenden Platte 4 verläuft, um einzelne kapazitive Kopplungen C in Abhängigkeit von den Charakteristiken des Mediums 5 zwischen dem Substrat 1 und der festen Platte 4 z zu bilden.
• Die Elektrodenplatten 2 können auf die Art funktionalisiert werden, wie es durch Guiducci et al. supra beschrieben ist. Auf diese Weise kann das Material 5 DNA-Stränge einer komplementären Art zu den Strängen enthalten, die zum Funktionalisieren der Elektroden 2 verwendet sind, und als Ergebnis zeigt die in 3 gezeigte resultierende Zelle eine Änderung bezüglich einer Kapazität, wenn DNA, die komplementär zu der DNA der funktionalisierten Platten 2 ist, durch sie geführt wird.
• 4 stellt eine elektrische Schaltung dar, die zum Erfassen der in 2 und 3 gezeigten kapazitiven Kopplungen C verwendet wird. Die Sensorschaltung enthält Schaltungseinheiten U₁₁ – U_nm, die zu der n × m-Anordnung von leitenden Platten 2 gehören, die in 1 gezeigt sind. Jede der leitenden Platten 2 entwickelt eine zugehörige Kapazität in der n × m-Anordnung, so dass für die Schaltung U₁₁ die entsprechende Platte 2 eine Kapazität C₁₁ zeigt, etc.
• Jede der Schaltungseinheiten U_ij enthält einen individuellen bzw. einzelnen Inverter I_ij. Die Schaltungseinheiten U₁₁ ... U_nm sind in Reihe geschaltet, um einen Ringoszillator zu bilden, durch ein NAND-Gatter 6, das auch als Inverter wirkt, was eine ungerade Anzahl von Inverterstufen in dem Ringoszillator zur Verfügung stellt, um eine Oszillation der Schaltung zu fördern. Das NAND-Gatter 6 hat einen Rücksetzeingang 7, um zuzulassen, dass der Ringoszillator rückgesetzt wird.
• Eine Ausgabe wird von dem Ringoszillator über einen Pufferinverter 8 genommen und zu einem Ausgangsanschluss zugeführt, und zwar mit einer zugehörigen Frequenzmessvorrichtung 9, die die Frequenz einer Oszillation des Ringoszillators misst. Der Pufferinverter 8 verstärkt das Signal des Ringoszillators und reduziert den Einfluss großer parasitärer Kapazitäten am Ausgangsanschluss.
• Der Ringoszillator hat eine Periode einer Oszillation T, die durch die Summe der Anstiegs- und Abfallzeiten jedes Inverters I_ij bestimmt wird. T = Σ(rr + rf)
• Wobei r_r die Anstiegszeit- und r_f die Abfallzeitkonstanten jedes Inverters I_ij sind. Die Anstiegs- und Abfallzeitkonstanten r_r und r_f sind jeweils eine Funktion der Kapazität am Ausgangsknoten des Inverters I_ij, die durch die Kapazität C_ij bestimmt wird. Somit kann die zusammengesetzte kapazitive Kopplung Σ C_ij aus der Oszillationsperiode T des Ringoszillators bestimmt werden, und somit stellt die durch die Frequenzmessvorrichtung 9 gemessene Frequenz f = 1/T eine Messung der Kapazität zur Verfügung.
• 5 ist ein schematisches Schaltungsdiagramm von einem der Schaltungselemente U_ij, wobei der Inverter I_ij einen CMOS-Inverter aufweist, wobei p- und n-Typ-MOSFETs 10, 11 mit ihren Source-Drain-Pfaden zwischen Spannungsschienen V_DD und V_SS in Reihe geschaltet sind. Das Schaltungselement U_ij hat einen Eingangsknoten 12 und einen Ausgangsknoten 13. Der Eingangsknoten 12 ist mit dem entsprechenden Ausgangsknoten der Schaltungseinheit U_i',j' verbunden, wohingegen der Ausgangsknoten 13 mit dem entsprechenden Eingangsknoten der Schaltungseinheit U_i'',j'' verbunden ist. Die zu der entsprechenden leitenden Platte 2 gehörende Kapazität C_ij ist mit einem Ausgang 14 des Inverters über einen zugehörigen Widerstand R_ij verbunden dargestellt. Der Widerstand R_ij muss kein diskretes Bauteil sein, sondern kann ein zugehöriger parasitärer Widerstand für das Schaltungselement sein.
• Die Zeitverzögerung t_ij der Schaltungseinheit U_ij ist näherungsweise gegeben durch: tij ~ Cij(Rij + ΔV/ION(pMOSFET) + ΔV/ION(nMOSFET))wobei ΔV die Spannungsdifferenz zwischen V_DD und V_SS ist I_ON(pMOSFET) und I_ON(nMOSFET) jeweils die EIN-Ströme des pMOSFET 10 und des nMOSFET 11 sind. Die Oszillationsfrequenz f des Ringoszillators ist gegeben durch: f = 1/T und die Oszillationsperiode T ist gegeben durch: T = Σtij.
• Vorspannungen V_PS und V_NS können jeweils an die Kanäle der Transistoren 10, 11 zum Steuern ihres Betriebs angelegt werden, wie es später detaillierter erklärt wird.
• Die 6 und 7 stellen schematische Drauf- und Schnittansichten des Schaltungselements U_ij dar. Nimmt man zuerst Bezug auf 7, ist das Substrat 1 mit leicht dotierten p- und n-Typ-Bereichen 15, 16 ausgebildet, in welche die komplementären Transistoren 10 und 11 jeweils ausgebildet sind. Der Transistor 11 enthält n⁺-Source- und -Drainbereiche 17, 18 und ein Gate 19. Der Transistor 10 weist Source- und Drainbereiche 20, 21 und ein Gate 22 auf.
• Die Source- und Drainanschlüsse der Transistoren 10, 11 sind zwischen Versorgungsschienen V_DD, die an einem Leiter 23 vorgesehen sind, über einen Leiter 24 mit der Quellenschiene V_SS, die am Leiter 25 vorgesehen ist, in Reihe geschaltet. Zusätzliche Schienen 27, 26 sind angeordnet, um die Vorspannungen V_PS und V_NS jeweils an die komplementären Transistoren 10, 11 anzulegen. Ein isolierender Oxidbereich 28 trennt die zwei Transistoren im Substrat 1.
• Jede der Leiterbahnen 23, 24, 25, 26 und 27 ist mit ihren jeweiligen dotierten Bereichen der Transistoren 10, 11 durch leitende Durchgänge 23'-27' verbunden, die aus Polysilizium oder Metall (Al, AlSi, W, Ti, etc.) ausgebildet sein können.
• Ein leitender Durchgang 29 stellt eine Verbindung von dem Bereich 14 der Leiterbahn 24 zu einem weiteren Leiter 30 zur Verfügung, der aus Polysilizium ausgebildet sein kann, der Anlass zu dem Widerstand R_ij gibt. Wie es in 6 gezeigt ist, stellt der Leiter 30 eine Verbindung zu einer weiteren Leiterbahn 31 zur Verfügung, die sich zum Ausgangsknoten 13 erstreckt. Ein leitender Durchgang 32 verbindet die darüberliegende leitende Platte 2 mit der Leiterbahn 31.
• Nimmt man Bezug auf 7, sind die verschiedenen Leiterbahnen 23-28 innerhalb eines Bereichs eines isolierenden Siliziumdioxids 33 ausgebildet. In der Praxis ist der Bereich als mehrere Oxidschichten während einer geeigneten Reihe von Musterungs- und Fotolithographieschritten ausgebildet, wie es Fachleuten auf dem Gebiet von CMOS-Herstellungstechniken ohne weiteres offensichtlich sein wird.
• 8 stellt eine alternative Struktur der Schaltungseinheit U_ij dar, in welcher Bipolartransistoren 33, 34 verwendet werden, um den Inverter I_ij zu bilden. Der Inverter arbeitet allgemein auf dieselbe Weise wie der CMOS-Inverter der 5 und gleichen Teilen sind dieselben Bezugszeichen zugeteilt. Es wird verstanden werden, dass die PNP- und NPN-Transistoren 33, 34 einen IIL-(Integrierte Injektionslogik-)Inverter aufweisen. Der Vorteil eines IIL-Inverters besteht darin, dass er über einen weiteren Frequenzbereich als CMOS-Vorrichtungen arbeiten kann. Wenn der Widerstand R_ij niedriger als ΔV/I_inj ist, wobei I_inj der Injektionsstrom für den Inverter ist, ist die Verzögerung des Inverters gegeben durch tij ~ Cij ΔV/Iinj (3)und daher kann die Verzögerungszeit und folglich die Oszillationsfrequenz durch Auswählen des geeigneten Werts von I_inj in einem weiten Bereich geändert werden.
• Gemäß einem vorteilhaften Merkmal der Erfindung kann die Kapazität C_ij, die zu jeder leitenden Platte 2 in der Anordnung gehört, optional individuell erfasst werden, wie es nun unter Bezugnahme auf die 9 und 10 erklärt werden wird. Die Schaltungskonfiguration der 9 ist allgemein gleich der in 4 gezeigten Schaltung, wobei einzelne Schaltungseinheiten in einer Anordnung entsprechend der leitenden Platten 2 (in 9 nicht gezeigt) angeordnet sind und die Schaltungseinheiten in einen Ringoszillator verbunden sind, der ein NAND-Gatter 6, einen Pufferverstärker 5 und eine Frequenzmessvorrichtung 9 enthält. Zusätzlich enthält die Schaltung der 9 Zeilen- und Spaltendecodierer 35, 36, die zulassen, dass Zeilen- und Spaltenauswahlsignale X1 ... Xn; Y1 ... Ym an die Schaltungseinheiten U_ij angelegt werden, um sie individuell auszuwählen.
• 10 stellt eine der Schaltungseinheiten U_ij der 9 dar. Die Schaltungseinheit enthält p- und n-MOSFET-Transistoren 10, 11, die als Inverter I_ij zusammen mit einem Widerstand R_ij und einer Kapazität C_ij von der zugehörigen leitenden Platte 2 angeordnet sind. Die Konfiguration entspricht der Schaltung der 5. Zusätzlich enthält die Schaltungseinheit der 10 einen CMOS-Inverter I_C mit einem pMOSFET 37 und einem nMOSFET 38. Ein Eingang 39 zum Inverter I_C wird durch einen MOSFET 40 gesteuert, der sein Gate mit der Zeilenleitung Y_j verbunden hat und seinen Source/Drain-Pfad mit der Spaltenleitung X_i verbunden hat. Der Inverter I_C ist zwischen Versorgungsschienen V_NSH und V_NSL angeschlossen. Der Eingang 39 zum Inverter I_C ist mit der Schiene V_NSL mit relativ niedriger Versorgung über einen Widerstand R2 verbunden. Ein Ausgang 41 des Inverters 1c ist mit der Substratspannungsversorgungsschiene V_NS für den nMOSFET 11 des Inverters I_ij verbunden.
• Normalerweise ist der Übertragungs-MOSFET 40 in einen Aus-Zustand und hält der Widerstand R2 die Gates des pMOSFET 37 und des nMOSFET 38 auf einem niedrigen Pegel, so dass die nMOSFET-Substratspannung V_NS auf einer hohen Spannung V_NSH gehalten wird. Als Ergebnis ist der EIN-Strom des nMOSFET 12 relativ hoch.
• Der Wert der Kapazität C_ij, die zu der Schaltungseinheit U_ij gehört, kann zur Messung durch Anlegen einer hohen Vorspannung an die Spaltenleitung X_i und einer Zeilenspannung an die Leitung Y_j ausgewählt werden, um den Transistor 40 einzuschalten. Dies resultiert darin, dass die Gates des pMOSFET 37 und des nMOSFET 38 auf einen hohen Pegel vorgespannt werden und sich somit die Substratspannung V_NS, die am Ausgang des Inverters I_C zur Verfügung gestellt wird, zu einem relativ niedrigen Pegel V_NSL ändert, was den EIN-Strom des nMOSFET 11 auf einen relativ niedrigen Pegel reduziert.
• Aus der Gleichung (2) kann gezeigt werden, dass die Frequenz f des Ringoszillators annähernd gegeben ist durch: f ~ I/Σ(CijΔV/ION) (4) d.h. f ~ I/Σ tij (5)wobei t_ij = C_ij ΔV/I_ON.
• Betrachtet man die einzelne Schaltungseinheit U_ij, ist dann, wenn die entsprechenden Zeilen- und Spaltenleitungen X_i, Y_j freigegeben sind, der Wert von I_ON relativ niedrig. Als Ergebnis ist der entsprechende Wert von t_ij im Vergleich mit dem Wert relativ hoch, der dann auftritt, wenn die Zeilen- und Spaltenleitungen X_i, Y_j nicht freigegeben sind.
• Ebenso ist für die anderen nicht ausgewählten Schaltungseinheiten U in der Anordnung ihr entsprechender Wert von I_ON relativ hoch, und als Ergebnis ist ihr entsprechender Wert von t im Vergleich mit der ausgewählten Zelle t_ij relativ niedrig.
• Aus der Gleichung (4) kann gesehen werden, dass die Oszillationsfrequenz des Ringoszillators primär durch den hohen Wert von t_ij für die ausgewählte Schaltung bestimmt wird, d.h. die Schaltungseinheit, die Zeilen- und Spalten-Freigabesignale X_i, Y_j empfängt. Die Werte von t für die nicht ausgewählten Schaltungseinheiten sind viel kleiner und tragen nicht viel zu der Oszillationsfrequenz des Ringoszillators bei. Auf diese Weise kann die Kapazität von einzelnen Platten 2 innerhalb der Anordnung durch Auswählen von bestimmten Schaltungseinheiten analysiert werden. Sie können individuell oder in bestimmten Gruppen ausgewählt werden, indem geeignete Freigabesignale von den X- und Y-Decodierschaltungen 35, 36 angelegt werden, die in 9 gezeigt sind.
• Viele Modifikationen und Variationen des beschriebenen Sensors sind möglich. Die 11 und 12 stellen eine Modifikation dar, bei welcher leitende Platten 2' entlang Seitenwänden einer Anordnung von Wannen 41_ij angeordnet sind. Wie es in 12 gezeigt ist, ist die Struktur der Vorrichtung im Schnitt allgemein gleich derjenigen, die in 7 gezeigt ist, wobei das Substrat 1 einen Schichtbereich 42 enthält, der Transistoren enthält, um Inverter für die Schaltungseinheiten U_ij zur Verfügung zu stellen. Die Schicht 33 ist dicker als diejenige gemacht, die in 7 gezeigt ist, und die Wannen 41 sind auf eine herkömmliche Weise durch Fotolithographie und Ätzen ausgebildet. Die leitenden Platten 2' können durch Sputtern oder andere geeignete Techniken entlang Seitenwänden 43 der Wannen 41 ausgebildet werden. Die Platten 2' sind mit den Transistoren durch geeignete Durchgänge und Schienen 44, 45 verbunden.
• Jede der Elektrodenplatten 2' erstreckt sich in zwei benachbarte Wannen und jede Schaltungseinheit ist derart konfiguriert, dass sie eine Zeitkonstante hat, die von der Kapazität zwischen den zwei leitenden Platten in jeder der Wannen abhängt, wie z.B. den Platten 2'a und 2'b in einer Wanne 41_ij , die in 12 gezeigt ist.
• Die Schaltungseinheit U_ij enthält einen Inverter I_ij, der in dem Schichtbereich 42 der 12 mit einer Schaltung ausgebildet ist, wie sie zuvor unter Bezugnahme auf 5 beschrieben ist, zusammen mit einer zugehörigen parallelen Kapazität C_ij, die durch die Kapazität einer zugeordneten der Wannen 41 bestimmt wird, die zwi schen den zwei leitenden Platten 2' innerhalb von ihr gemessen wird. Es wird erkannt werden, dass die Kapazität C_ij die Zeitkonstante für die Schaltungseinheit U_ij bestimmt, und als Ergebnis die Oszillationsfrequenz des in 13 gezeigten Ringoszillators eine Funktion der Zusammensetzung de Zeitkonstanten der Schaltungseinheiten U_ij ist. Es wird verstanden werden, dass die Schaltung der 13 modifiziert werden kann, um eine Adressierschaltung zu enthalten, wie es unter Bezugnahme auf 10 beschrieben ist, um die Wannen 41 individuell auszuwählen.
• Der Vorteil eines Vorsehens der Wannen 41 besteht darin, dass die Oberfläche der Vorrichtung im Vergleich mit 3 offen ist, was es einfach macht, das zu erfassende Medium zuzuführen. Weiterhin wird deshalb, weil keine feste Platte erforderlich ist, das Risiko, dass ein Lesen der Frequenz durch störende externe Kapazitäten verschlechtert wird, reduziert.
• Nimmt man Bezug auf 14, ist die Elektrodenplatte 2 der 1 in 14(a1) schematisch gezeigt und ist die Elektrodenplatte 2' der 12 in 14(b1) gezeigt. Beide der Elektrodenplatten 2, 2' können eine Leck-Widerstandskomponente haben, wie es durch das in 14(c1) gezeigte Ersatzschaltbild dargestellt ist, mit einem DC-Leckwiderstand R_DC. Es kann erwünscht sein, einen Gleichstromabschluss bzw. ein DC-Leck durch den Widerstand R_DC zu unterdrücken. Dies kann erreicht werden, wie es in den 14(a2) und 14(b2) jeweils für die Platte 2, 2' gezeigt ist. Der Effekt besteht darin, dass ein zusätzlicher Kondensator C_B enthalten ist, um die DC-Komponente zu blockieren, wie es in dem Ersatzschaltbild der 14(c2) dargestellt ist.
• Eine geeignete Modifikation für die in 14(a2) gezeigte Platte ist folgende: die Platte 2 ist aus einer Zusammensetzung hergestellt, die leitende Platten 2A, 2B und eine Isolierschicht 2C dazwischen aufweist. Die Isolierschicht 2C kann eine Beschichtung aus z.B. SiO₂ oder SiN oder Ta₂O₅ aufweisen.
• Eine gleiche Technik kann für die Elektrodenplatte 2' der 14(b2) verwendet werden. Bei dieser Anordnung haben die leitenden Schichten 2'A, 2'B eine Isolierbeschichtung 2'C, die zwischen ihnen vorgesehen ist.
• Beispiel
• Ein gemäß dem Aufbau der 11, 12 und 13 aufgebauter DNA-Sensor hat eine 8 × 8-Anordnung von Wannen 41, mit jeweils einer Fläche von 0,2 μm × 5 μm und mit einer Tiefe von 1 μm. Jede Schaltungseinheit U_ij hat eine zugehörige Kapazität C_ij von 100 fF. Jede der Schaltungseinheiten ist separat adressierbar, wie es unter Bezugnahme auf die 9 und 10 beschrieben ist. Die Kapazität der einzelnen Schaltungseinheiten C_ij ist in der Größenordnung von 100 fF. Die EIN-Ströme der Inverter I_ij können zwischen Strömen der Größenordnung von 100 μA bis 0,01 μA durch Ändern der Substratspannung V_NS umgeschaltet werden. Bei diesem Beispiel gilt V_DD = 1,5 V und V_SS = 0 V.
• Für die ausgewählte Schaltungseinheit ist die Verzögerungszeit in der Größenordnung von 15 μs. Für die nicht ausgewählten Schaltungseinheiten ist die Verzögerungszeit in der Größenordnung von 1,5 ns × (8 × 8 – 1) = 94,5 ns. Es folgt daraus, dass jede Kapazität C_ij innerhalb von 1 % erfasst werden kann. Die Oszillationsfrequenz ist 1/15 μs = 66,7 kHz.
• Viele Modifikationen und Variationen des beschriebenen Sensors ist möglich. Beispielsweise können die Wannen 41 als längliche Gräben konfiguriert sein, oder andere Oberflächentopographien können verwendet werden. Ebenso können die Schaltungseinheiten in Oszillatorschaltungen unterschiedlicher Konfigurationen verbunden sein.

Claims (18)

1. Sensor mit einer Anordnung von kapazitiven Elementen (2, 2'), die zum Bilden einer kapazitiven Kopplung (C_i,j) als Funktion eines zu erfassenden Mediums (3, 5) konfiguriert sind, und einer Vielzahl von Sensor-Schaltungseinheiten (U_i,j), die zu den kapazitiven Elementen gehören, wobei die Schaltungseinheiten jeweils eine jeweilige Zeitkonstante (t_i,j) als Funktion der kapazitiven Kopplung ihres zugehörigen kapazitiven Elements zeigen, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensor-Schaltungseinheiten in einer Schaltung in Reihe geschaltet sind bzw. miteinander verbunden sind, die mit einer Frequenz (f) oszilliert, die von den Zeitkonstanten der Schaltungseinheiten abhängt, und eine Frequenzerfassungsschaltung (9) zum Erfassen der Frequenz (f) der Oszillation der Schaltung vorgesehen ist.
2. Sensor nach Anspruch 1, wobei die Schaltung einen Ringoszillator aufweist.
3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die kapazitiven Elemente leitende Elemente (2) zum Bilden einer kapazitiven Kopplung mit dem zu erfassenden Medium aufweisen.
4. Sensor nach Anspruch 3, wobei das zu erfassende Medium einen festen Körper (3) aufweist und die Elemente (2) konfiguriert sind, um eine kapazitive Kopplung mit dem Körper zu bilden, wenn sie diesem nahe sind.
5. Sensor nach Anspruch 3, wobei das zu erfassende Medium ein auf Fluid basierendes Medium (5) ist und die leitenden Elemente (2) konfiguriert sind, um einen Teil eines Kondensators zu bilden, von welchem die Kapazität eine Funktion von Charakteristiken des Fluids ist.
6. Sensor nach Anspruch 5, der eine Kondensatorplatte (4) enthält, die von den leitenden Elementen (2) beabstandet ist, um einen Bereich zum Empfangen des Fluids zur Verfügung zu stellen.
7. Sensor nach Anspruch 5, wobei die leitenden Elemente (2') konfiguriert sind, um eine wechselseitige kapazitive Kopplung miteinander zum Erfassen von Charakteristiken des Fluids zu bilden.
8. Sensor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die leitenden Elemente Platten aufweisen, die auf einem Substrat (1) zusammen mit den Schaltungseinheiten ausgebildet sind.
9. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, der Wannen (41) enthält, um ein zu erfassendes Fluid aufzunehmen, wobei sich die leitenden Elemente (2') in die Wannen erstrecken.
10. Sensor nach einem der Ansprüche 3 bis 9, der zur Verwendung als DNA-Sensor konfiguriert ist.
11. Sensor nach Anspruch 10, wobei die leitenden Elemente zum Erfassen von vorbestimmten DNA-Zielen funktionalisiert worden sind.
12. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, der eine Auswahlschaltung (35-40) enthält, um die Schaltungseinheiten individuell so auszuwählen, dass die Frequenzcharakteristik der Oszillatorschaltung hauptsächlich von der kapazitiven Kopplung der oder jeder ausgewählten Schaltungseinheit abhängt.
13. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Schaltungseinheiten Inverter (I_i,j) mit einer Zeitkonstanten aufweisen, die eine Funktion der kapazitiven Kopplung ist.
14. Sensor nach Anspruch 13, wobei die Inverter jeweils einen Eingang zum selektiven Ändern ihrer Zeitkonstanten enthalten.
15. Sensor nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Inverter komplementäre Transistoren (10, 11) aufweisen.
16. Sensor nach Anspruch 13, 14 oder 15, wobei die Schaltungseinheiten jeweils eine Schaltung (38-40) enthalten, die zum Ändern des Kanalstroms eines der Transistoren (11) konfiguriert ist, um die Zeitkonstante der Schaltungseinheit zu ändern.
17. Verfahren zum Betreiben eines Sensors nach einem der vorangehenden Ansprüche, das ein Anordnen eines zu erfassenden auf Fluid basierenden Mediums in Kontakt mit den kapazitiven Elementen und ein Überwachen der Betriebsfrequenz der Oszillatorschaltung enthält.
18. Verfahren nach Anspruch 17, das ein Auswählen einer der Schaltungseinheiten und ihr derartiges Antreiben, dass sie eine Zeitkonstante hat, die größer als die anderen ist, enthält.