EP1476218A2 - Arrangement for receiving electrical signals from living cells and for the selective transmission of electrical stimulation to living cells - Google Patents

Arrangement for receiving electrical signals from living cells and for the selective transmission of electrical stimulation to living cells

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Publication number
EP1476218A2
EP1476218A2 EP03706118A EP03706118A EP1476218A2 EP 1476218 A2 EP1476218 A2 EP 1476218A2 EP 03706118 A EP03706118 A EP 03706118A EP 03706118 A EP03706118 A EP 03706118A EP 1476218 A2 EP1476218 A2 EP 1476218A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cell
arrangement according
coupling arrangement
coupling
cells
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03706118A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Emmerich Bertagnolli
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Innovationsagentur GmbH
Original Assignee
Innovationsagentur GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Publication of EP1476218A2 publication Critical patent/EP1476218A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/483Physical analysis of biological material
    • G01N33/487Physical analysis of biological material of liquid biological material
    • G01N33/48707Physical analysis of biological material of liquid biological material by electrical means
    • G01N33/48728Investigating individual cells, e.g. by patch clamp, voltage clamp
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61NELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N1/00Electrotherapy; Circuits therefor
    • A61N1/18Applying electric currents by contact electrodes
    • A61N1/32Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents
    • A61N1/326Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents for promoting growth of cells, e.g. bone cells
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06NCOMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N3/00Computing arrangements based on biological models
    • G06N3/02Neural networks
    • G06N3/06Physical realisation, i.e. hardware implementation of neural networks, neurons or parts of neurons
    • G06N3/061Physical realisation, i.e. hardware implementation of neural networks, neurons or parts of neurons using biological neurons, e.g. biological neurons connected to an integrated circuit
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61NELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N1/00Electrotherapy; Circuits therefor
    • A61N1/18Applying electric currents by contact electrodes
    • A61N1/32Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents
    • A61N1/36Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents for stimulation
    • A61N1/36014External stimulators, e.g. with patch electrodes
    • A61N1/36017External stimulators, e.g. with patch electrodes with leads or electrodes penetrating the skin

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for coupling a living cell, in particular a nerve cell, to an electronic circuit for receiving directly or indirectly electrically active cell signals and / or for electrically stimulating the cell.
  • an interaction of the coupling arrangement with a cell in which very general, directly or indirectly electrically effective cell signals, but especially electrical signals from nerve cells, are recorded and processed, is referred to as passive mode.
  • An interaction of the coupling arrangement with a cell, which causes electrical stimulation of the cell, is referred to as an active mode.
  • the presented invention can also be implemented on an industrial scale, i. H. Can be realized on the basis of existing integration processes of micro and nanoelectronics, whereby initially only those processes and materials are used that are compatible on the one hand with a modern manufacturing environment for silicon chips and on the other hand are not biologically harmful.
  • other data-processing-capable electronic structures such as those represented by organic circuits, are also conceivable and possible.
  • Previous methods have used optical methods based on the voltage dependence of dyes (e.g. fluorescence) or extracellular metal electrodes.
  • dyes e.g. fluorescence
  • extracellular metal electrodes e.g. B. electrodes inserted directly into the cell for the detection of intracellular potentials.
  • the class of invasive electrodes also includes the silicon needle, on which photolithographically produced conductor tracks with contact points at the tip are provided.
  • cuff electrodes In addition to the technical solutions mentioned for the detection and stimulation of singular cells, there are also so-called cuff electrodes. This is a cuff covered with a wire mesh, which is placed around a nerve fiber (including supply and support tissue). With cuff electrodes, however, potentials can only be summed up or impressed.
  • REPLACEMENT BLA ⁇ (RULE 26) spatial and temporal resolution and electrical sensitivity with non-invasive (or non-penetrating) access to the cell.
  • RULE 26 spatial and temporal resolution and electrical sensitivity with non-invasive (or non-penetrating) access to the cell.
  • non-invasive solutions based on MOS transistors were essentially based on influencing the inversion layer in the channel of a MOSFET either directly by the nerve cell or an axon being placed on the gate dielectric, or indirectly by placing this electro-active cell part on the gate.
  • the contact between the cell and the transistor takes place in such a way that part of the cell membrane rests on the transistor in the channel region or is brought into contact.
  • This area is separated from the substrate by the gate dielectric, usually a natural oxide or an artificially grown oxide.
  • Charges or changes in charge of the overlying cell or overlying cell membrane influence the channel conductivity of the transistor.
  • the coupling strengths achieved so far with these methods are in the range of 10% change in gate-to-cell membrane potential.
  • the MOS transistor, covered by oxide is completely immersed in electrolyte liquid, enriched with nutrient solution, except for the laterally extended connections, which is extremely detrimental to its service life (metal ions, but especially Na and K ions migrate into the gate dielectric and lead to progressive degradation).
  • partially formed channels with a correspondingly variable or weak coupling result solely from incomplete coverage of the channel area.
  • this approach provides only a limited solution for a few singular interfaces between tissue and electronics. Due to the lack of regular wiring options for the transistor, this solution allows only a limited number of sampling cycles and amplification and processing of the signals at the point of origin only under difficult conditions.
  • a second known approach is based on the coupling of a neuron to the gate of a MOS on the basis of a direct, metallic galvanic contact between the cell membrane and the gate of the transistor.
  • the measuring principle is based on the influence on the channel region of the MOSFET by the charging of the gate.
  • the readout principle is based on the use of differential amplifiers - generally of the CMOS type - for detecting the change in the conductivity of the contact transistor compared to a non-contacted, regular transistor.
  • stimulation of the cell requires separate stimulation lines and corresponding connection configurations, e.g. B. by producing ring contacts around the contact transistor.
  • the present invention has for its object to provide a solution to the disadvantages of the prior art described above.
  • an arrangement for coupling a living cell, in particular a nerve cell, to an electronic circuit for receiving directly or indirectly electrically active cell signals and / or for electrically stimulating the cell is provided in accordance with the characterizing features of claim 1.
  • Advantageous embodiments of the invention are set out in the subclaims.
  • the purely passive recording of directly or indirectly electrically active cell signals is possible in the coupling arrangement according to the invention, as is direct active electrical stimulation and influencing (activation) of the cell.
  • the optional setting of the passive or the active operating mode is carried out by the external wiring and the choice of the applied voltages and currents.
  • the invention can be used in particular in the following subject areas:
  • biosensors Construction or assembly of biosensors, in particular of neuronal biosensors or sensor / actuator systems and arrays.
  • the invention also offers the possibility of examining the effect of chemical or physical stimuli, but in particular of medication and bioactive media, on the functioning and functionality of cells or tissues and tissue parts.
  • the basic idea of the invention is based on the fact that a living cell is brought into contact with passive electrical components in such a way that a change in the electrical properties of the cell itself, or of a part of the cell, can be electrically detected via a selection circuit and that this circuit can makes it possible to optionally also bring electrical signals or stimuli to this cell or to this part of the cell.
  • the electronic switch is designed as a switching transistor, preferably a field-effect transistor. This guarantees excellent switching behavior with the lowest electrical power consumption.
  • Biological cells are only viable in the long term if they are kept in a liquid environment, generally in a nutrient solution. Accordingly, the construction of the switching arrangement according to the invention should allow liquid storage of the biological cell. This is ensured according to the invention by the provision of a nutrient solution container, in the interior of which at least one contact element projects or at least partially forms it. Taking into account the importance of this configuration Exemplary embodiments of the invention are explained below, in which the cell is shown schematically in a liquid container. However, the invention is not limited to this embodiment.
  • an electrically conductive reference electrode connected to a reference voltage is provided, which projects into the interior of the nutrient solution container.
  • the electrically conductive contact element comprises a material with a low biological activity, preferably selected from high-melting metals, such as platinum, iridium, osmium, tungsten or gold, or alloys thereof; or from semiconductor silicides, such as platinum silicide, tungsten silicide, titanium silicide; or from a doped monocrystalline or polycrystalline semiconductor, such as conductive polysilicon; or made of conductive plastics.
  • high-melting metals such as platinum, iridium, osmium, tungsten or gold, or alloys thereof
  • semiconductor silicides such as platinum silicide, tungsten silicide, titanium silicide
  • a doped monocrystalline or polycrystalline semiconductor such as conductive polysilicon
  • the coupling arrangement according to the invention is neither restricted to single cells, nor to cells stored in liquid.
  • the arrangement is excellently suited for electrically coupling entire cell clusters, cell assemblies, or even entire functional cell units or combinations thereof.
  • contact fields are arranged in the liquid container instead of individual contacts, each of which is connected and connected electrically in the manner according to the invention.
  • cell clusters, cell function groups or combinations thereof in a liquid or a nutrient solution it is also true that any aqueous environment, in particular also body or tissue fluids, is sufficient to achieve an electrolytic coupling.
  • a multiplicity of coupling arrangements is arranged in the form of a matrix with rows and columns, the input of a respective electronic switch being connected to a column address line and a control connection of the electronic switch being connected to a row address line.
  • an addressing circuit can be provided for individually or group-wise supplying column address lines with supply or signal voltages and row address lines with control voltages. If the matrix has a structure in the form of i rows and j columns, the function of the ijth element enables a unique spatial assignment on the cell field that is assigned to the matrix. If a number of cells, for example nerve cells, are brought into contact with such a matrix, one can contact the cells individually and exchange signals in the passive mode or in the active mode.
  • the electrical signals - as described above - can be assigned locally. It is thus possible to determine the individual active cells from a more or less large number of cells, which for example represent a functional combination, and to come into contact with them. This contact can either take place only in passive mode, or in active mode, or alternatively alternately in both modes.
  • Inactive, or insufficiently active, or non-contacted cells can also be determined and z. B. from a further interactive processing (passive and / or active mode) can be excluded by the addressing circuit addressing evaluation means for the detection of dysfunctional cells and faulty contacts between the contact element and cell, with such detection possibly the further interaction of these cells or contact elements is selectively interruptible. Interrupting means, such as electronic switches or fuses, can be provided to selectively interrupt the interaction of cells.
  • the coupling arrangement according to the invention allows a multiplicity of coupling arrangements to be arranged on a chip, the chip preferably being manufactured in Si-planar technology and possibly with other technologies, such as circuits for local amplification, “on-chip logic” or “systems on chips (SoC ) "is integrated.
  • the packing densities which can already be achieved according to the prior art allow the design of very large arrays of cell sensors and actuators, with local electronic circuits optionally being able to be accommodated at any nodes in the array. This may be necessary with low signal strengths (e.g. a stroke of the cell membrane voltage when a nerve cell is activated is typically ⁇ 60 mV) and with the noise sources and interference levels that occur.
  • the signal propagation and signal processing in biological cells, cell clusters and functional cell systems, in particular in nerve cell tissues can be observed or measured and, if necessary, the data obtained in this way can also be processed further.
  • the nutrient solution container is arranged on the chip.
  • This allows the liquid storage of entire cell clusters, cell assemblies or even whole functional cell units or combinations thereof in the contact area of the contact elements and enables the chip to be used in an aqueous environment, in particular also body or tissue fluids that enable electrolytic coupling.
  • the top layer of the chip the so-called passivation, should be designed such that the contact points or surfaces of the contact elements are attached to special penetration points and these are then brought into contact with the cells.
  • the coupling arrangement according to the invention can be introduced directly into living tissue or into openings in the same.
  • a suitable, optionally also integrated contact is to be provided for contact with the tissue fluid, the electrolyte.
  • a capacitor is provided as a passive electronic component.
  • the optional setting of the passive or the active operating mode is carried out by the external wiring and the choice of the applied voltages and currents.
  • an electrical resistor is provided as the passive electronic component.
  • the cell-resistance system represents a voltage divider, and the cell potential can be tapped via the contact element. Read, write and refresh the Potential is possible through suitable external wiring and the application of suitable voltages and currents.
  • FIGS. 1 and 2 show a schematic illustration of a coupling arrangement according to the invention with a capacitance as a passive electrical coupling element.
  • FIGS. 2 and 3 show the embodiment of FIG. 1 together with various electrical equivalent circuit diagrams of the cells to be coupled.
  • FIGS. 4 to 7 show matrix arrangements of the coupling arrangement according to the invention with a capacitance as a passive electrical coupling element.
  • 8 shows a schematic illustration of a coupling arrangement according to the invention with a resistor as a passive electrical coupling element.
  • FIGS. 9 and 10 show the embodiment of FIG. 8 together with various electrical equivalent circuit diagrams of the cells to be coupled.
  • FIGS. 11 and 12 show matrix arrangements of the coupling arrangement according to the invention with a resistor as a passive electrical coupling element.
  • FIGS. 13 and 14 show the coupling of several cells, which are in a container with nutrient solution, to coupling arrangements according to the invention.
  • FIGS. 15 to 50 show a method according to the invention for producing a coupling arrangement according to the invention with a capacitance as a passive electrical coupling element.
  • FIGS. 51 to 62 show exemplary embodiments with different capacities.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an arrangement according to the invention for the electrical coupling of a biological cell 2 to this arrangement.
  • the living cell 2 is in a nutrient solution 5, which is an electrolyte.
  • the nutrient solution 5 is arranged in a nutrient solution container 3.
  • the potential of the nutrient solution 5 is via a reference electrode 4, for. B. a platinum electrode or a hydrogen electrode, held at a defined potential, for example ground potential or potential Uq with respect to ground.
  • the electrical coupling of the cell 2 to an electronic circuit takes place through a direct galvanic contact with a contact element 1 made of a conductive material, e.g. B. a metal that has little or negligible biological effect, such as. B. platinum, iridium, osmium or gold, or a doped mono- or polycrystalline semiconductor, such as conductive polysilicon, or a conductive plastic.
  • the contact element 1 is connected at point P to a connection of a capacitor C1 and an electronic switching element T1, hereinafter also referred to as a selection transistor.
  • the second connection of the capacitor C1 is at a reference potential, more precisely the ground potential M.
  • the selection transistor T1 can be connected to an input connection at point B with a signal or voltage source. Its switching state (on / off) is controlled via the gate G.
  • the reference potential is shown as ground potential M in the figures.
  • any other potential or a reference voltage such as VDD / 2 can also be used for this without the function of the arrangement being impaired.
  • any change in the membrane potential of the cell 2 or of the cell part lying on the contact area of the contact element 1 is transmitted via the contact element 1 to the capacitor C1 and charged accordingly.
  • the branching point P in FIG. 1 changes its potential in accordance with the changes in the cell 2.
  • This blocked change in transistor T1 cannot compensate for this change in potential, and no charge (apart from the inevitable leakage currents) can flow off. If the blocked selection transistor is brought into the conductive state by applying a suitable control voltage to the gate G (gate voltage), then the charge can flow away via point B and the potential or the charge is reduced.
  • a potential present at point B can be applied to point P when selection transistor T1 is made conductive (switched through). This potential is then passed on to the cell 2 via the contact element 1.
  • the cell 2 can thus be electrically stimulated.
  • the electronic arrangement represents a type of memory cell which is charged, ie "written", by the action potentials of the cell.
  • the derivation of the charge represents the "reading" of the previously impressed charges, that is to say the action potentials. If a potential is applied to the cell from the outside, this process represents a cell irritation.
  • this process may also be necessary in order to maintain the cell potentials for a sufficiently long time.
  • the living cell is located in the container 3 with nutrient solution 5, on the bottom of which the contact point of the contact element 1 is shown schematically. This contact point is connected at point P to the selection transistor T1 and the capacitor C1.
  • the voltage source Uq is optional and is intended to show that the electrolyte potential of the nutrient solution 5 can also deviate from the ground potential or from the reference potential.
  • the cell can be viewed in the equivalent circuit diagram EZ as a generator Sz, which emits signal pulses, as shown in FIG. 2, the cell having a cell resistance Rz, as well as a signal - / stimulus-dependent variable resistance Rx, which acts in series with the cell resistance Rz (see FIG. 3).
  • the electrically effective change in the cell is essentially a change in resistance.
  • FIGS. 4 and 5 The cell control in a cell matrix in the case of cells which represent the function of a generator Sz for electrical pulses is shown schematically in FIGS. 4 and 5.
  • the processes “reading”, ie passive mode, “writing”, ie active mode and “refreshing” or “holding” the charge are also possible, as is restoring the potential after the reading process.
  • Cell activation in a cell matrix 10 in the case of cells whose signal / stimulus reaction is predominantly resistive is shown schematically in FIGS. 6 and 7.
  • the processes “reading”, ie passive mode, “writing”, ie active mode and “refreshing” or “holding” the charge are also possible in this case, as is restoring the potential after the reading process.
  • FIGS. 8 to 10 show a further coupling arrangement according to the invention which, in contrast to the previous embodiments, contains a resistor R1 instead of a capacitor.
  • the cell-resistor system represents a voltage divider.
  • the potential at point P can be tapped via the selection transistor T1. Reading, writing and refreshing the potential is possible as above by applying suitable voltages at point B.
  • FIGS. 11 and 12 show the corresponding matrix arrangements of such a coupling in a cell field.
  • FIGS. 11 and 12 FIG. 11 showing an example of a line control when a predominantly resistive coupling is present
  • FIG. 12 an example of the cell control when an active / shows resistive coupling.
  • FIGS. 13 and 14 show the very general case of the coupling arrangement according to the invention when there is a large number of cells with incorrect occupancy and cell failure.
  • a dysfunctional cell (2C) can also be recognized by showing no or an insufficient type of stimulus / response pattern.
  • This cell 2C can also be switched off easily using the associated selection transistor T1.
  • Cells 2B, 2D and 2E show a satisfactory stimulus / response pattern, i.e. the cells react actively / passively and thus have fully functioning cell contact.
  • the arrangement via a corresponding addressing circuit and addressing processes, ie algorithms, allows faulty contacts (A) and dysfunctional cells (2C) to be prevented from further interaction without impairing the interaction of the remaining cells (2B, 2D, 2E) is coming.
  • the coupling arrangement shown in FIG. 14 with the resistance element R1 as the coupling element is also able to detect missing cell assignments (at A) and cell dysfunction (2C).
  • the cell only reacts resistively a leakage current is to be expected, which can only be prevented if the supply line can be destroyed in the sense of a fuse.
  • the container 3 with the nutrient solution 5 and the cells 2B-2E can also be applied directly to a semiconductor chip without any restrictions.
  • the top layer of the chip, the so-called passivation can be designed in such a way that the contact elements 1 are applied at special penetration points and these are then brought into contact with the cells.
  • Components with these contacts can also be inserted directly into a living tissue on the surface.
  • a suitable, possibly also integrated contact must then be provided for contact with the tissue fluid, the electrolyte.
  • a substrate (layer 10) (FIG. 15), which will generally be p-doped silicon, three layers are deposited or produced one after the other, namely: layer 11 (eg silicon dioxide), layer 12 (eg poly Silicon), layer 13 (eg silicon nitride), as can be seen in FIG. 16.
  • the transistor region TO is then defined with the aid of a photo technique 1 via a resist mask (layer 14) (FIG. 17) and the region defined in this way is etched generated by layer 13 (Fig. 18).
  • the next step is to remove the coating material (FIG. 19) and, as shown in FIG. 20, to oxidize the area outside of TO (LOCOS, local oxidation of silicon) in order to remove the so-called field oxide area (layer 15) outside the transistor area TO. to create.
  • the field oxide area (layer 15) can, however, also be generated by any other technique, for example shallow trench isolation.
  • this layer can also be another conductive material, for example a metal (metal gate technology)
  • a thin silicon dioxide layer or another suitable dielectric is then grown (layer 18) (FIG. 24) or deposited on this poly-silicon layer.
  • the gate G0 or the gate plane is defined photolithographically (layer 19) and then generated by structuring the layers 18, 17 and 16.
  • the gate G0 (layer 17) is generated (see FIGS. 25 and 26).
  • the photoresist (layer 19) is then removed (FIG. 27) and the so-called lightly doped drain (layer 20) zone is self-aligned via an implantation process or another suitable doping process (FIG. 28).
  • a so-called side wall spacer (layer 22) (FIG. 30) is generated by conformal deposition of a dielectric (layer 21) (FIG. 29) and subsequent anisotropic etching back.
  • the so-called Heavily Doped Drain (HDD) implantation is carried out (layer 23) (FIG. 31) and the source / drain connection region is defined.
  • a dielectric layer for. B. silicon dioxide (layer 24) (Fig. 32) and planarized or planarized deposited.
  • the contact windows K1 and K2 are defined (layer 25) by means of a photo technique 3 (FIG. 33) and produced by etching the layers 24, 18 and possibly 16 (FIG. 34). These contact holes are filled with a conductive material (for example tungsten / titanium nitride) (layer 27) (FIG. 35), if necessary with the aid of a barrier layer (layer 26).
  • a conductive material for example tungsten / titanium nitride
  • a metallic layer (layer 28) is applied (FIG. 36) and structured using a photo technique 4 (FIG. 37 and FIG. 38).
  • a dielectric layer is applied in the exemplary embodiment, which is either planarized or deposited in a planarizing manner (layer 30 in the picture) (FIG. 39).
  • the contact hole KC is then defined using a photo technique 5 (layer 28) (FIG. 40) and openings are produced by etching the corresponding layers (layer 30 and layer 24, possibly layer 16), which extend to the connection region of the transistor (FIG. 41 ).
  • This contact hole KC is filled - if necessary with the aid of a barrier layer - with a conductive material (e.g. doped polysilicon, or a metal such as e.g. tungsten / titanium nitride) (layer 32) (Fig. 42).
  • a conductive material e.g. doped polysilicon, or a metal such as e.g. tungsten / titanium nitride
  • a conductive layer (layer 33) is applied and structured using a photo technique 6 (production of the capacitance electrode) (FIG. 43).
  • a thin dielectric is then deposited (layer 35) and then a conductive layer (layer 36).
  • a conductive layer layer 36.
  • This second electrode of the capacitance structure is defined using a photo technique 7 and is produced by etching the layer (FIG. 45).
  • a thick dielectric single or multiple layer is deposited and optionally planarized or planarized (layer 38 and layer 39) (FIG. 46).
  • the contact hole K0 is then defined using a photo technique 8 (layer 40) and by etching the corresponding layers (layer 39 and layer 38, and layer 36 and Layer 35) creates an opening that extends to the first electrode of the capacitance structure (FIG. 47). After the etching, the photoresist is removed. -
  • this contact hole is lined with an insulator on the inside of the side wall, while contact with the first electrode of the capacitance structure is maintained.
  • This contact hole is filled - if necessary with the aid of a barrier or adhesive layer - with a conductive material (eg doped polysilicon, or a metal such as tungsten / titanium nitride) (layer 42 and layer 43) (Fig. 50) that the surface remains essentially flat.
  • a conductive material eg doped polysilicon, or a metal such as tungsten / titanium nitride
  • layer 42 and layer 43 Fig. 50
  • the first electrode of the capacitance structure cannot extend directly to the connection region of the transistor, but only to a metal contact, which in turn has a normal contact is connected to the transistor.
  • the cell contact to the capacitance can also take place without using a metallic intermediate piece.
  • the dielectric layer to which the cell rests has a conical shape.
  • capacitance structures are also conceivable that have a calyx-like structure to enlarge the surface (FIGS. 56 to 58).
  • F capacities are also conceivable which are designed as trench cells (FIGS. 59 to 62).
  • the cells can be connected directly to the inner electrode or to the connection areas.
  • a regular metal contact can of course also be carried out and the cells connected to it.

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Abstract

The invention relates to an arrangement for coupling a living cell, especially a neurone, to an electronic circuit for receiving directly or indirectly electrically active cell signals and/or for electrically stimulating the cell. Said arrangement comprises a passive electronic element (C1, R1) which is connected to a reference potential (M) by means of a connection and is connected to a switched output of an electronic switch (T1) by means of another connection. The input of said switch can be connected to a signal source or a voltage source (point B). An electroconductive contact element (1) can be brought into contact with the cell (2) and is connected between the output of the electrical switch (point P) and the connection of the passive electronic component (C1, R1) which is connected to said output.

Description

Anordnung zur Aufnahme von elektrischen Signalen von lebenden Zellen und zur wahlweisen Übertragung von elektrischen Reizen auf lebende Zellen Arrangement for receiving electrical signals from living cells and for selectively transmitting electrical stimuli to living cells
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kopplung einer lebenden Zelle, insbesondere Nervenzelle, an eine elektronische Schaltung zur Aufnahme von direkt oder indirekt elektrisch wirksamen Zellsignalen und/oder zur elektrischen Reizung der Zelle.The invention relates to an arrangement for coupling a living cell, in particular a nerve cell, to an electronic circuit for receiving directly or indirectly electrically active cell signals and / or for electrically stimulating the cell.
Im Folgenden wird eine Interaktion der Kopplungsanordnung mit einer Zelle, bei der ganz allgemeine, direkt oder indirekt elektrisch wirksame Zellsignale, insbesondere aber elektrische Signale von Nervenzellen, aufgenommen und weiterverarbeitet werden, als Passivmodus bezeichnet. Eine Interaktion der Kopplungsanordnung mit einer Zelle, die eine elektrische Reizung der Zelle bewirkt, wird als Aktivmodus bezeichnet.In the following, an interaction of the coupling arrangement with a cell, in which very general, directly or indirectly electrically effective cell signals, but especially electrical signals from nerve cells, are recorded and processed, is referred to as passive mode. An interaction of the coupling arrangement with a cell, which causes electrical stimulation of the cell, is referred to as an active mode.
Ohne Einschränkung der Allgemeinheit des erfinderischen Ansatzes ist die vorgestellte Erfindung auch in großtechnischem Maßstab umsetzbar, d. h. auf der Basis von bestehenden Integrationsprozessen der Mikro- und Nanoelektronik verwirklichbar, wobei zunächst nur solche Prozesse und Materialien verwendet werden, die einerseits mit einer modernen Fertigungsumgebung für Siliziumchips kompatibel sind, und andererseits biologisch nicht schädlich sind. In weiterer Ausgestaltung sind jedoch auch andere datenverarbeitungsfähige elektronische Strukturen, wie sie etwa organische Schaltkreise darstellen, denkbar und möglich.Without restricting the generality of the inventive approach, the presented invention can also be implemented on an industrial scale, i. H. Can be realized on the basis of existing integration processes of micro and nanoelectronics, whereby initially only those processes and materials are used that are compatible on the one hand with a modern manufacturing environment for silicon chips and on the other hand are not biologically harmful. In a further embodiment, however, other data-processing-capable electronic structures, such as those represented by organic circuits, are also conceivable and possible.
Bisherige Verfahren benutzen zum einen optische Methoden basierend auf der Spannungsabhängigkeit von Farbstoffen (z. B. Fluoreszenz), oder extrazelluläre Metallelektroden. Zum anderen bedienen sie sich invasiver Methoden, z. B. direkt in die Zelle eingestochener Elektroden zur Detektion von intrazellulären Potentialen. Zur Klasse der invasiven Elektroden gehören auch die Siliziumnadel, auf der photolithographisch erzeugte Leiterbahnen mit Kontaktpunkten an der Spitze vorgesehen sind.Previous methods have used optical methods based on the voltage dependence of dyes (e.g. fluorescence) or extracellular metal electrodes. On the other hand, they use invasive methods, e.g. B. electrodes inserted directly into the cell for the detection of intracellular potentials. The class of invasive electrodes also includes the silicon needle, on which photolithographically produced conductor tracks with contact points at the tip are provided.
Die umgekehrte Funktion, die elektrische Reizung einer Zelle erfolgte bisher ebenfalls durch eingestochene Elektroden.The reverse function, the electrical stimulation of a cell, has so far also been carried out by inserting electrodes.
Neben den erwähnten technischen Lösungen zur Detektion und Reizung von singulären Zellen gibt es noch sogenannte Cuff-Elektroden. Hierbei handelt es sich um eine mit einem Drahtnetz bespannte Manschette, die um eine Nervenfaser (incl. Versorgungs- und Stützgewebe) herum gelegt wird. Mit Cuff-Elektroden lassen sich aber nur summarisch Potentiale abgreifen bzw. einprägen.In addition to the technical solutions mentioned for the detection and stimulation of singular cells, there are also so-called cuff electrodes. This is a cuff covered with a wire mesh, which is placed around a nerve fiber (including supply and support tissue). With cuff electrodes, however, potentials can only be summed up or impressed.
Da invasiver Zugriff auf die Zelle stets gleichbedeutend mit einer Verletzung oder unmittelbaren oder mittelbaren Zerstörung der Zelle ist, besteht die Forderung nach hoherSince invasive access to the cell is always synonymous with an injury or direct or indirect destruction of the cell, there is a demand for higher
ERSATZBLAπ (REGEL 26) räumlicher und zeitlicher Auflösung und elektrischer Empfindlichkeit bei nicht invasivem (bzw. nicht penetrierendem) Zugriff auf die Zelle. Diese Forderung wird jedoch von keiner der bestehenden Vorrichtungen oder Methoden erfüllt.REPLACEMENT BLAπ (RULE 26) spatial and temporal resolution and electrical sensitivity with non-invasive (or non-penetrating) access to the cell. However, none of the existing devices or methods meet this requirement.
Bisherige nicht invasive Lösungen auf der Basis von MOS-Transistoren beruhten im Kern auf der Beeinflussung der Inversionsschicht im Kanal eines MOSFET entweder direkt durch die Auflage der Nervenzelle bzw. eines Axons auf das Gatedielektrikum, oder indirekt durch die Auflage dieses elektrowirksamen Zellteiles auf das Gate.Previously, non-invasive solutions based on MOS transistors were essentially based on influencing the inversion layer in the channel of a MOSFET either directly by the nerve cell or an axon being placed on the gate dielectric, or indirectly by placing this electro-active cell part on the gate.
Im einen Fall erfolgt der Kontakt zwischen der Zelle und dem Transistor in der Weise, dass ein Teil der Zellmembran auf dem Transistor im Kanalbereich aufliegt bzw. in Kontakt gebracht wird. Dieser Bereich ist durch das Gatedielektrikum, meist ein natürliches Oxid oder ein künstlich gewachsenes Oxid, vom Substrat getrennt. Ladungen bzw. Ladungsänderungen der aufliegenden Zelle bzw. der aufliegenden Zellmembran beeinflussen die Kanalleitfähigkeit des Transistors. Die bisher mit diesen Verfahren erreichten Kopplungstärken liegen im Bereich von 10% Gate-zu-Zellmembran- Potentialänderung. Der MOS-Transistor, abgedeckt durch Oxid, ist dabei bis auf die lateral weit herausgeführten Anschlüsse völlig in Elekrolytflüssigkeit, angereichert mit Nährlösung, getaucht, was seiner Lebensdauer extrem abträglich ist (Metallionen, insabesondere aber Na und K Ionen wandern in das Gatedielektrikum ein und fuhren zu einer fortschreitenden Degradation). Daneben ergeben sich allein schon aufgrund nicht vollständiger Abdeckungen des Kanalbereiches teilausgebildete Kanäle mit entsprechend variabler bzw. schwacher Kopplung.In one case, the contact between the cell and the transistor takes place in such a way that part of the cell membrane rests on the transistor in the channel region or is brought into contact. This area is separated from the substrate by the gate dielectric, usually a natural oxide or an artificially grown oxide. Charges or changes in charge of the overlying cell or overlying cell membrane influence the channel conductivity of the transistor. The coupling strengths achieved so far with these methods are in the range of 10% change in gate-to-cell membrane potential. The MOS transistor, covered by oxide, is completely immersed in electrolyte liquid, enriched with nutrient solution, except for the laterally extended connections, which is extremely detrimental to its service life (metal ions, but especially Na and K ions migrate into the gate dielectric and lead to progressive degradation). In addition, partially formed channels with a correspondingly variable or weak coupling result solely from incomplete coverage of the channel area.
Daher liefert dieser Ansatz nur eine eingeschränkte Lösung für einige wenige singuläre Schnittstellen zwischen Gewebe und Elektronik. Aufgrund der fehlenden regulären Verdrahtungsmöglichkeit des Transistors erlaubt diese Lösung nur eine begrenzte Anzahl von Abtastungszyklen und nur unter schwierigen Randbedingungen eine Verstärkung und Verarbeitung der Signale am Entstehungsort.Therefore, this approach provides only a limited solution for a few singular interfaces between tissue and electronics. Due to the lack of regular wiring options for the transistor, this solution allows only a limited number of sampling cycles and amplification and processing of the signals at the point of origin only under difficult conditions.
Des weiteren ist mit diesem System eine direkte aktuatorische Reizung grundsätzlich ausgeschlossen.Furthermore, a direct actuator irritation is fundamentally excluded with this system.
Ein zweiter bekannter Ansatz beruht auf der Ankopplung eines Neurons an das Gate eines MOS auf Basis eines direkten, metallisch ausgeführten galvanischen Kontaktes zwischen Zellmembran und Gate des Transistors. Auch in diesem Fall beruht das Messprinzip auf der Beeinflussung des Kanalbereichs des MOSFET durch die Aufladung des Gates. Als Vorteil ist zu werten, dass das empfindliche Gateoxid nicht direkt der Nährlösung ausgesetzt werden muss und daher eine höhere Lebensdauer dieses Systems zu erwarten ist.A second known approach is based on the coupling of a neuron to the gate of a MOS on the basis of a direct, metallic galvanic contact between the cell membrane and the gate of the transistor. In this case too, the measuring principle is based on the influence on the channel region of the MOSFET by the charging of the gate. As an advantage it must be assessed that the sensitive gate oxide does not have to be directly exposed to the nutrient solution and therefore a longer service life of this system can be expected.
Das Ausleseprinzip beruht in beiden Fällen auf dem Einsatz von Differenzverstärkern - im allgemeinen vom CMOS Typ - zur Detektion der Änderung der Leitfähigkeit des Kontakttransistors im Vergleich zu einem nicht kontaktierten, regulären Transistor.In both cases, the readout principle is based on the use of differential amplifiers - generally of the CMOS type - for detecting the change in the conductivity of the contact transistor compared to a non-contacted, regular transistor.
Für die Reizung der Zelle sind in beiden Fällen eigene Reizleitungen und entsprechende Anschlusskonfigurationen nötig, z. B. durch Herstellung von Ringkontakten um den Kontakttransistor.In both cases, stimulation of the cell requires separate stimulation lines and corresponding connection configurations, e.g. B. by producing ring contacts around the contact transistor.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung für die oben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu bieten.The present invention has for its object to provide a solution to the disadvantages of the prior art described above.
Um diese Aufgabe zu erfüllen wird eine Anordnung zur Kopplung einer lebenden Zellen, insbesondere Nervenzelle, an eine elektronische Schaltung zur Aufnahme von direkt oder indirekt elektrisch wirksamen Zellsignalen und/oder zur elektrischen Reizung der Zelle gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 bereitgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt.In order to achieve this object, an arrangement for coupling a living cell, in particular a nerve cell, to an electronic circuit for receiving directly or indirectly electrically active cell signals and / or for electrically stimulating the cell is provided in accordance with the characterizing features of claim 1. Advantageous embodiments of the invention are set out in the subclaims.
Im Gegensatz zu allen bisher bekannten Lösungsansätzen ist bei der erfindungsgemäßen Kopplungsanordnung die rein passive Aufnahme direkt oder indirekt elektrisch wirksamer Zellsignale ebenso möglich wie eine direkte aktive elektrische Reizung und Beeinflussung (Aktivierung) der Zelle. Die wahlweise Einstellung des passiven oder des aktiven Betriebsmodus wird jeweils durch die äußere Beschaltung und die Wahl der angelegten Spannungen und Ströme vorgenommen.In contrast to all previously known approaches, the purely passive recording of directly or indirectly electrically active cell signals is possible in the coupling arrangement according to the invention, as is direct active electrical stimulation and influencing (activation) of the cell. The optional setting of the passive or the active operating mode is carried out by the external wiring and the choice of the applied voltages and currents.
Die Erfindung kann insbesondere in folgenden Themenfeldern Anwendung finden:The invention can be used in particular in the following subject areas:
> Untersuchungen direkt oder indirekt elektrisch wirksamer Aktivitäten von Zellen und Mechanismen der Pulsfortleitung von Aktionspotentialen entlang von Axonen (Nervenfasern).> Investigations of directly or indirectly electrically active activities of cells and mechanisms of pulse transmission of action potentials along axons (nerve fibers).
Signalprozessierung in Netzwerken von lebenden Neuronen. > Örtlich und zeitlich aufgelöste, gleichzeitige Detektion der Signal/Reizreaktionen einer großen Zahl von Zellen bzw. Neuronen und der damit zusammenhängenden Untersuchung der elektrischen Verschaltung von Zellen bzw. Neuronen.Signal processing in networks of living neurons. > Local and temporally resolved, simultaneous detection of the signal / stimulus reactions of a large number of cells or neurons and the associated investigation of the electrical connection of cells or neurons.
Bau oder Assemblierung von Biosensoren, insbesondere von neuronalen Biosensorbzw Sensor-/ Aktorsysteme und Arrays.Construction or assembly of biosensors, in particular of neuronal biosensors or sensor / actuator systems and arrays.
Realisierung von neuron-elektronischen Schaltungen.Realization of neuron-electronic circuits.
Weitere mögliche Anwendungen der Erfindung betreffen die Konstruktion von sensorischen und sensomo torischen Aktuatoren und Rezeptoren für Prothesen und die Realisierung von elektronischen Substituten für Nervenfasern, insbesondere für geschädigte oder zertrennte Nervenfasern.Further possible applications of the invention relate to the construction of sensory and sensomo toric actuators and receptors for prostheses and the implementation of electronic substitutes for nerve fibers, in particular for damaged or severed nerve fibers.
Daneben bietet die Erfindung auch die Möglichkeit, die Wirkung von chemischen bzw. physikalischen Reizen, insbesondere aber von Medikamenten und bioaktiven Medien auf die Funktionsweise und Funktionsfähigkeit von Zellen bzw. Geweben und Gewebeteilen zu untersuchen.In addition, the invention also offers the possibility of examining the effect of chemical or physical stimuli, but in particular of medication and bioactive media, on the functioning and functionality of cells or tissues and tissue parts.
Die Grundidee der Erfindung beruht darauf, dass eine lebende Zelle mit passiven elektrischen Bauelementen dergestalt in Kontakt gebracht wird, dass eine Änderung der elektrischen Eigenschaften der Zelle selbst, oder aber eines Teiles der Zelle, über eine Auswahlschaltung elektrisch erfasst werden kann und dass diese Schaltung es möglich macht, wahlweise auch elektrische Signale bzw. Reize an diese Zelle oder an diesen Teil der Zelle zu bringen.The basic idea of the invention is based on the fact that a living cell is brought into contact with passive electrical components in such a way that a change in the electrical properties of the cell itself, or of a part of the cell, can be electrically detected via a selection circuit and that this circuit can makes it possible to optionally also bring electrical signals or stimuli to this cell or to this part of the cell.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kopplungsanordnung ist der elektronische Schalter als Schalttransistor, vorzugsweise Feldeffekt-Transistor, ausgebildet. Damit wird hervorragendes Schaltverhalten bei geringstem elektrischem Leistungsverbrauch garantiert.In a preferred embodiment of the coupling arrangement according to the invention, the electronic switch is designed as a switching transistor, preferably a field-effect transistor. This guarantees excellent switching behavior with the lowest electrical power consumption.
Biologische Zellen sind auf Dauer nur lebensfähig, wenn sie in einem flüssigen Milieu, im allgemeinen in einer so genannten Nährlösung gehalten werden. Dem entsprechend soll der erfindungsgemäße Aufbau der Schaltanordnung eine Flüssigkeitslagerung der biologischen Zelle erlauben. Dies wird erfindungsgemäß durch das Vorsehen eines Nährlösungs- Behältnisses gewährleistet, in dessen Innenraum zumindest ein Kontaktelement ragt oder diesen zumindest teilweise bildet. Der Wichtigkeit dieser Ausgestaltung Rechnung tragend werden weiter unten Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung erläutert, in denen die Zelle jeweils schematisch in einem Flüssigkeitsbehälter gezeigt wird. Die Erfindung ist aber nicht auf diese Ausfuhrungsform beschränkt.Biological cells are only viable in the long term if they are kept in a liquid environment, generally in a nutrient solution. Accordingly, the construction of the switching arrangement according to the invention should allow liquid storage of the biological cell. This is ensured according to the invention by the provision of a nutrient solution container, in the interior of which at least one contact element projects or at least partially forms it. Taking into account the importance of this configuration Exemplary embodiments of the invention are explained below, in which the cell is shown schematically in a liquid container. However, the invention is not limited to this embodiment.
Um ein definiertes Messpotential sicherzustellen, ist in einer Fortbildung der Erfindung eine mit einer Referenzspannung verbundene elektrisch leitende Referenzelektrode vorgesehen, die in den Innenraum des Nährlösungs-Behältnisses ragt.In order to ensure a defined measurement potential, in a further development of the invention an electrically conductive reference electrode connected to a reference voltage is provided, which projects into the interior of the nutrient solution container.
Hohe Lebensdauer der erfindungsgemäßen Kopplungsanordnung und geringste Beeinflussung der damit gekoppelten Zellen können erzielt werden, wenn das elektrisch leitende Kontaktelement ein Material mit geringer biologischer Wirkung umfasst, vorzugsweise ausgewählt aus hochschmelzenden Metallen, wie Platin, Iridium, Osmium, Wolfram oder Gold, oder Legierungen daraus; oder aus Halbleitersiliziden, wie Platinsilizid, Wolframsilizid, Titansilizid; oder aus einem dotierten monokristallinen oder polykristallinen Halbleiter, wie leitfähigem Polysilizium; oder aus leitfähigen Kunststoffen.A long service life of the coupling arrangement according to the invention and minimal influence on the cells coupled therewith can be achieved if the electrically conductive contact element comprises a material with a low biological activity, preferably selected from high-melting metals, such as platinum, iridium, osmium, tungsten or gold, or alloys thereof; or from semiconductor silicides, such as platinum silicide, tungsten silicide, titanium silicide; or from a doped monocrystalline or polycrystalline semiconductor, such as conductive polysilicon; or made of conductive plastics.
Ungeachtet der Einfachheit der schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele ist die erfindungsgemäße Kopplungsanordnung jedoch weder auf Einzelzellen beschränkt, noch auf in Flüssigkeit gelagerte Zellen.Notwithstanding the simplicity of the schematically illustrated exemplary embodiments, the coupling arrangement according to the invention is neither restricted to single cells, nor to cells stored in liquid.
Die Anordnung ist vielmehr hervorragend dazu geeignet, ganze Zellhaufen, Zellverbände, oder sogar ganze funktionale Zelleinheiten oder Kombinationen derselben elektrisch anzukoppeln. In diesem Fall werden im Flüssigkeitsbehälter anstelle von Einzelkontakten Kontaktfelder angeordnet, die jeweils elektrisch in der erfindungsgemäßen Weise angeschlossen und verbunden werden.Rather, the arrangement is excellently suited for electrically coupling entire cell clusters, cell assemblies, or even entire functional cell units or combinations thereof. In this case, contact fields are arranged in the liquid container instead of individual contacts, each of which is connected and connected electrically in the manner according to the invention.
In Bezug auf die Lagerung der Zellen, Zellhaufen, Zellfunktionsgruppen oder Kombinationen derselben in einer Flüssigkeit bzw. einer Nährlösung gilt auch, dass jedes wässerige Umfeld, im speziellen also auch Körper- oder Gewebsflüssigkeiten ausreichen, um eine elektrolytische Ankopplung zu erreichen.With regard to the storage of cells, cell clusters, cell function groups or combinations thereof in a liquid or a nutrient solution, it is also true that any aqueous environment, in particular also body or tissue fluids, is sufficient to achieve an electrolytic coupling.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist eine Vielzahl von Kopplungsanordnungen in Form einer Matrix mit Zeilen und Spalten angeordnet, wobei der Eingang eines jeweiligen elektronischen Schalters mit einer Spalten- Adressleitung verbunden ist und ein Steueranschluss des elektronischen Schalters mit einer Zeilen- Adressleitung verbunden ist. Es kann weiters eine Adressierschaltung zur einzelnen oder gruppenweisen Beaufschlagung von Spalten-Adressleitungen mit Versorgungs- oder Signalspannungen und von Zeilen- Adressleitungen mit Steuerspannungen vorgesehen sein. Wenn die Matrix also einen Aufbau in Form von i Zeilen und j Spalten aufweist, ermöglicht die Funktion des i-j-ten Elementes eine eindeutige räumliche Zuordnung auf dem Zellenfeld, das der Matrix zugeordnet ist. Bringt man eine Anzahl von Zellen, zum Beispiel Nervenzellen, mit einer solchen Matrix in Kontakt, so kann man die Zellen einzeln kontaktieren und im Passivmodus bzw. im Aktivmodus Signale austauschen. Wegen der Besonderheit der aufnehmenden Schaltung, nämlich der Matrizenform, können die elektrischen Signale - wie oben beschrieben - örtlich zugeordnet werden. Damit ist es möglich, von einer mehr oder weniger großen Anzahl von Zellen, die zum Beispiel einen funktionalen Verbund darstellen, die einzelnen aktiven Zellen zu ermitteln und mit diesen in Kontakt zu treten. Dieser Kontakt kann entweder nur im Passivmodus, oder im Aktivmodus, oder wahlweise abwechselnd in beiden Moden erfolgen.In an expedient embodiment of the invention, a multiplicity of coupling arrangements is arranged in the form of a matrix with rows and columns, the input of a respective electronic switch being connected to a column address line and a control connection of the electronic switch being connected to a row address line. Furthermore, an addressing circuit can be provided for individually or group-wise supplying column address lines with supply or signal voltages and row address lines with control voltages. If the matrix has a structure in the form of i rows and j columns, the function of the ijth element enables a unique spatial assignment on the cell field that is assigned to the matrix. If a number of cells, for example nerve cells, are brought into contact with such a matrix, one can contact the cells individually and exchange signals in the passive mode or in the active mode. Because of the peculiarity of the receiving circuit, namely the form of the matrix, the electrical signals - as described above - can be assigned locally. It is thus possible to determine the individual active cells from a more or less large number of cells, which for example represent a functional combination, and to come into contact with them. This contact can either take place only in passive mode, or in active mode, or alternatively alternately in both modes.
Liegt nun ein größeres Zellensemble auf einer oder mehrerer solcher matrizenfδrmiger Zellenfelder von elektronischen Einzelzellen, so kann durch Aktivierung der elektronische Abfrage (Passiv-/ Aktiv-Modus) ermittelt werden, an welcher Stelle welche Art von Kontakt vorliegt, welche räumliche Konfiguration diese Kontakte einnehmen, und in welcher Weise eine dem jeweiligen Anwendungszwecke entsprechende Signalabfolge bzw. welcher Algorithmus anzuwenden ist.If there is now a larger cell ensemble on one or more such matrix-shaped cell fields of electronic single cells, then by activating the electronic query (passive / active mode) it can be determined at which point which type of contact is present, which spatial configuration these contacts are taking, and in which way a signal sequence corresponding to the respective application purposes or which algorithm is to be used.
Nicht aktive, oder nicht ausreichend aktive, oder nicht kontaktierte Zellen können dabei ebenso ermittelt werden und z. B. von einer weiteren interaktiven Bearbeitung (Passiv- und/oder Aktivmodus) ausgeschlossen werden, indem die Adressierschaltung Adressierauswertemittel zur Erkennung von dysfunktionalen Zellen und von Fehlkontakten zwischen Kontaktelement und Zelle aufweist, wobei bei einer solchen Erkennung gegebenenfalls die weitere Interaktion dieser Zellen bzw. Kontaktelemente selektiv unterbrechbar ist. Zur selektiven Unterbrechung der Interaktion von Zellen können Unterbrechungsmittel, wie elektronische Schalter oder Schmelzsicherungen, vorgesehen sein.Inactive, or insufficiently active, or non-contacted cells can also be determined and z. B. from a further interactive processing (passive and / or active mode) can be excluded by the addressing circuit addressing evaluation means for the detection of dysfunctional cells and faulty contacts between the contact element and cell, with such detection possibly the further interaction of these cells or contact elements is selectively interruptible. Interrupting means, such as electronic switches or fuses, can be provided to selectively interrupt the interaction of cells.
Die erfindungsgemäße Kopplungsanordnung erlaubt die Anordnung einer Vielzahl von Kopplungsanordnungen auf einem Chip, wobei der Chip vorzugsweise in Si- Planartechnologie hergestellt und gegebenenfalls mit anderen Technologien, wie Schaltungen für lokale Verstärkung, „on-chip-logic", oder „Systems on chips (SoC)" integriert ist. Die nach dem Stand der Technik bereits heute erzielbaren Packungsdichten erlauben das Design von sehr großen Arrays von Zellsensoren und Aktoren, wobei wahlweise an beliebigen Knotenpunkten des Arrays lokal elektronische Schaltungen untergebracht werden können. Dies kann bei geringen Signalstärken (z. B. ist Hub der Zellmembranspannung bei Aktivierung einer Nervenzelle typisch < 60 mV) und bei den auftretenden Rauschquellen und Störpegeln erforderlich sein.The coupling arrangement according to the invention allows a multiplicity of coupling arrangements to be arranged on a chip, the chip preferably being manufactured in Si-planar technology and possibly with other technologies, such as circuits for local amplification, “on-chip logic” or “systems on chips (SoC ) "is integrated. The packing densities which can already be achieved according to the prior art allow the design of very large arrays of cell sensors and actuators, with local electronic circuits optionally being able to be accommodated at any nodes in the array. This may be necessary with low signal strengths (e.g. a stroke of the cell membrane voltage when a nerve cell is activated is typically <60 mV) and with the noise sources and interference levels that occur.
Mit Hilfe dieser Sensorarrays und geeigneter Adressierschaltungen lässt sich die Signalausbreitung und die Signalverarbeitung in biologischen Zellen, Zellhaufen und funktionalen Zellsystemen, insbesondere in Nervenzellgeweben, beobachten bzw. messtechnisch erfassen und gegebenenfalls lassen sich die so gewonnenen Daten auch weiterverarbeiten.With the help of these sensor arrays and suitable addressing circuits, the signal propagation and signal processing in biological cells, cell clusters and functional cell systems, in particular in nerve cell tissues, can be observed or measured and, if necessary, the data obtained in this way can also be processed further.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Nährlösungs-Behältnis auf dem Chip angeordnet. Dies erlaubt die Flüssigkeitslagerung von ganzen Zellhaufen, Zellverbänden oder sogar ganzer funktionaler Zelleinheiten oder Kombinationen derselben im Kontaktbereich der Kontaktelemente und ermöglicht die Verwendung des Chips in wässrigem Umfeld, im speziellen auch Körper- oder Gewebsflüssigkeiten, die eine elektrolytische Ankopplung ermöglichen. Bei dieser Ausgestaltung sollte die oberste Schicht des Chips, die sogenannte Passivierung, so auszufuhren, dass die Kontaktpunkte oder -flächen der Kontaktelemente an speziellen Durchstoßungspunkten angebracht werden und diese dann mit den Zellen in Kontakt gebracht werden.In a further embodiment of the invention, the nutrient solution container is arranged on the chip. This allows the liquid storage of entire cell clusters, cell assemblies or even whole functional cell units or combinations thereof in the contact area of the contact elements and enables the chip to be used in an aqueous environment, in particular also body or tissue fluids that enable electrolytic coupling. In this embodiment, the top layer of the chip, the so-called passivation, should be designed such that the contact points or surfaces of the contact elements are attached to special penetration points and these are then brought into contact with the cells.
Die erfindungsgemäße Kopplungsanordnung kann direkt in lebendes Gewebe oder in Öffnungen desselben eingebracht werden. Für den Kontakt mit der Gewebeflüssigkeit, dem Elektrolyten, ist erfindungsgemäß ein geeigneter, gegebenenfalls auch integrierter Kontakt vorzusehen.The coupling arrangement according to the invention can be introduced directly into living tissue or into openings in the same. According to the invention, a suitable, optionally also integrated contact is to be provided for contact with the tissue fluid, the electrolyte.
In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kopplungsanordnung ist als passives elektronisches Bauelement ein Kondensator vorgesehen. Dabei wird die wahlweise Einstellung des passiven oder des aktiven Betriebsmodus jeweils durch die äußere Beschaltung und die Wahl der angelegten Spannungen und Ströme vorgenommen.In one embodiment of the coupling arrangement according to the invention, a capacitor is provided as a passive electronic component. The optional setting of the passive or the active operating mode is carried out by the external wiring and the choice of the applied voltages and currents.
In einer alternativen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kopplungsanordnung ist als das passive elektronische Bauelement ein elektrischer Widerstand vorgesehen. In diesem Fall stellt das System Zelle- Widerstand einen Spannungsteiler dar, wobei das Zellenpotential über das Kontaktelement abgegriffen werden kann. Lesen, Schreiben und Auffrischen des Potentials ist durch geeignete äußere Beschaltung und Anlegen geeigneter Spannungen und Ströme möglich.In an alternative embodiment of the coupling arrangement according to the invention, an electrical resistor is provided as the passive electronic component. In this case, the cell-resistance system represents a voltage divider, and the cell potential can be tapped via the contact element. Read, write and refresh the Potential is possible through suitable external wiring and the application of suitable voltages and currents.
Im Folgenden werden Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt.Exemplary embodiments of the invention are explained below with reference to the drawings. However, the invention is not limited to these examples.
In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kopplungsanordnung mit einer Kapazität als passivem elektrischen Kopplungselement. Die Figuren 2 und 3 zeigen die Ausführungsform von Fig. 1 zusammen mit verschiedenen elektrischen Ersatzschaltbildern der anzukoppelnden Zellen. Figuren 4 bis 7 zeigen Matrizenanordnungen der erfindungsgemäßen Kopplungsanordnung mit einer Kapazität als passivem elektrischen Kopplungselement. Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kopplungsanordnung mit einem Widerstand als passivem elektrischen Kopplungselement. Die Figuren 9 und 10 zeigen die Ausfuhrungsform von Fig. 8 zusammen mit verschiedenen elektrischen Ersatzschaltbildern der anzukoppelnden Zellen. Figuren 11 und 12 zeigen Matrizenanordnungen der erfindungsgemäßen Kopplungsanordnung mit einem Widerstand als passivem elektrischen Kopplungselement. Figuren 13 und 14 zeigen die Ankopplung mehrerer Zellen, die sich in einem Behältnis mit Nährlösung befinden, an erfindungsgemäße Kopplungsanordnungen. Die Figuren 15 bis 50 zeigen ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Kopplungsanordnung mit einer Kapazität als passivem elektrischen Kopplungselement. In den Figuren 51 bis 62 sind Ausführungsbeispiele mit verschieden gestalteten Kapazitäten dargestellt.1 shows a schematic illustration of a coupling arrangement according to the invention with a capacitance as a passive electrical coupling element. FIGS. 2 and 3 show the embodiment of FIG. 1 together with various electrical equivalent circuit diagrams of the cells to be coupled. FIGS. 4 to 7 show matrix arrangements of the coupling arrangement according to the invention with a capacitance as a passive electrical coupling element. 8 shows a schematic illustration of a coupling arrangement according to the invention with a resistor as a passive electrical coupling element. FIGS. 9 and 10 show the embodiment of FIG. 8 together with various electrical equivalent circuit diagrams of the cells to be coupled. FIGS. 11 and 12 show matrix arrangements of the coupling arrangement according to the invention with a resistor as a passive electrical coupling element. FIGS. 13 and 14 show the coupling of several cells, which are in a container with nutrient solution, to coupling arrangements according to the invention. FIGS. 15 to 50 show a method according to the invention for producing a coupling arrangement according to the invention with a capacitance as a passive electrical coupling element. FIGS. 51 to 62 show exemplary embodiments with different capacities.
In den folgenden Ausführungen werden gleiche oder ähnliche Elemente mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, so dass eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente entfallen kann.In the following explanations, the same or similar elements are designated with the same reference symbols, so that a repeated description of these elements can be omitted.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung zur elektrischen Ankopplung einer biologischen Zelle 2 an diese Anordnung.1 shows a schematic representation of an arrangement according to the invention for the electrical coupling of a biological cell 2 to this arrangement.
Die lebende Zelle 2 befindet sich in einer Nährlösung 5, die einen Elektrolyten darstellt. Die Nährlösung 5 ist in einem Nährlösungs-Behältnis 3 angeordnet. Das Potential der Nährlösung 5 wird über eine Referenzelektrode 4, z. B. eine Platinelektrode oder eine Wasserstoffelektrode, auf einem definierten Potential, z.B. Masssepotential oder Potential Uq gegenüber Masse, festgehalten. Die elektrische Ankopplung der Zelle 2 an einen elektronischen Schaltkreis erfolgt durch einen direkten galvanischen Kontakt mit einem Kontaktelement 1 aus einem leitfähigen Material, z. B. einem Metall, das eine geringe oder eine vernachlässigbare biologische Wirkung hat, wie z. B. Platin, Iridium, Osmium oder Gold, oder einem dotierten mono- oder polykristallinem Halbleiter, wie z.B. leitfähiges Polysilizium, oder einem leitenden Kunststoff.The living cell 2 is in a nutrient solution 5, which is an electrolyte. The nutrient solution 5 is arranged in a nutrient solution container 3. The potential of the nutrient solution 5 is via a reference electrode 4, for. B. a platinum electrode or a hydrogen electrode, held at a defined potential, for example ground potential or potential Uq with respect to ground. The electrical coupling of the cell 2 to an electronic circuit takes place through a direct galvanic contact with a contact element 1 made of a conductive material, e.g. B. a metal that has little or negligible biological effect, such as. B. platinum, iridium, osmium or gold, or a doped mono- or polycrystalline semiconductor, such as conductive polysilicon, or a conductive plastic.
Das Kontaktelement 1 ist an Punkt P mit einem Anschluss eines Kondensators Cl und einem elektronischen Schaltelement Tl, in der Folge auch als Auswahltransistor bezeichnet, verbunden. Der zweite Anschluss des Kondensators Cl liegt auf einem Referenzpotential, genauer gesagt dem Massepotential M. Der Auswahltransistor Tl ist mit einem Eingangsanschluss am Punkt B mit einer Signal- oder Spannungsquelle verbindbar. Sein Schaltzustand (ein/aus) wird über das Gate G gesteuert.The contact element 1 is connected at point P to a connection of a capacitor C1 and an electronic switching element T1, hereinafter also referred to as a selection transistor. The second connection of the capacitor C1 is at a reference potential, more precisely the ground potential M. The selection transistor T1 can be connected to an input connection at point B with a signal or voltage source. Its switching state (on / off) is controlled via the gate G.
Ohne dass dies als Einschränkung des allgemeinen Ansatzes zu interpretieren ist, ist in den Figuren das Referenzpotential als Massepotential M dargestellt. Selbstverständlich kann jedoch auch jedes andere Potential bzw. eine Referenzspannung wie etwa VDD / 2 dafür verwendet werden, ohne dass die Funktion der Anordnung beeinträchtigt wird.Without this being interpreted as a restriction of the general approach, the reference potential is shown as ground potential M in the figures. Of course, however, any other potential or a reference voltage such as VDD / 2 can also be used for this without the function of the arrangement being impaired.
Im Folgenden wird das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Anordnung beschrieben.The operating principle of the arrangement according to the invention is described below.
Jede Änderung des Membranpotentials der Zelle 2 oder des auf dem Kontaktbereich des Kontaktelements 1 liegenden Zellteiles wird über das Kontaktelement 1 auf den Kondensator Cl übertragen und dieser entsprechend aufgeladen. Der Verzweigungspunkt P in Fig. 1 ändert sein Potential entsprechend den Änderungen der Zelle 2. Durch den gesperrten Auswahl transistor Tl kann diese Potentialänderung nicht ausgeglichen werden, und es kann keine Ladung (bis auf die unvermeidlichen Leckströme) abfließen. Wird der gesperrte Auswahltransistor durch Anlegen einer geeigneten Steuerspannung am Gate G (Gatespannung) in den leitenden Zustand versetzt, dann kann die Ladung über Punkt B abfließen, und das Potential, bzw. die Ladung wird abgebaut.Any change in the membrane potential of the cell 2 or of the cell part lying on the contact area of the contact element 1 is transmitted via the contact element 1 to the capacitor C1 and charged accordingly. The branching point P in FIG. 1 changes its potential in accordance with the changes in the cell 2. This blocked change in transistor T1 cannot compensate for this change in potential, and no charge (apart from the inevitable leakage currents) can flow off. If the blocked selection transistor is brought into the conductive state by applying a suitable control voltage to the gate G (gate voltage), then the charge can flow away via point B and the potential or the charge is reduced.
Umgekehrt kann ein an Punkt B anliegendes Potential bei leitend gemachtem (durchgeschaltetem) Auswahltransistor Tl an Punkt P angelegt werden. Dieses Potential wird dann über das Kontaktelement 1 an die Zelle 2 weitergeleitet. Damit kann die Zelle 2 elektrisch gereizt werden. Allgemein gesprochen stellt die elektronische Anordnung eine Art Speicherzelle dar, die durch die Aktionspotentiale der Zelle aufgeladen d.h. "beschrieben" wird. Die Ableitung der Ladung stellt in diesem Kontext das "Lesen" der vorher eingeprägten Ladungen, d.h. sinngemäß der Aktionspotentiale, dar. Wird an die Zelle von außen ein Potential angelegt, so stellt dieser Vorgang eine Zellreizung dar.Conversely, a potential present at point B can be applied to point P when selection transistor T1 is made conductive (switched through). This potential is then passed on to the cell 2 via the contact element 1. The cell 2 can thus be electrically stimulated. Generally speaking, the electronic arrangement represents a type of memory cell which is charged, ie "written", by the action potentials of the cell. In this context, the derivation of the charge represents the "reading" of the previously impressed charges, that is to say the action potentials. If a potential is applied to the cell from the outside, this process represents a cell irritation.
Will man das Zellsignal nur lesen, ohne es im zeitlichen Mittel zu verändern, so muss man dafür sorgen, dass die ausgelesene Information, d.h. die im Rahmen der Erfassung abgeflossene Ladung, sofort wieder auf den Kondensator Cl zurückgebracht wird, d.h. man muss die Zellinformation zurückschreiben bzw. wiederherstellen.If you only want to read the cell signal without changing it over time, you have to ensure that the information read out, i.e. the charge that has flowed out as part of the detection is immediately returned to the capacitor C1, i.e. the cell information has to be written back or restored.
In Abhängigkeit von der Leckrate des Systems kann dieser Vorgang auch notwendig sein, um die Zellpotentiale ausreichend lange zu aufrecht zu erhalten.Depending on the leak rate of the system, this process may also be necessary in order to maintain the cell potentials for a sufficiently long time.
In Fig. 1 ist ein prinzipieller erfindungsgemäßer Aufbau der Kopplungsanordnung dargestellt. Die lebende Zelle befindet sich in dem Behälter 3 mit Nährlösung 5, auf dessen Boden die Kontaktstelle des Kontaktelements 1 schematisch dargestellt ist. Diese Kontaktstelle ist am Punkt P mit dem Auswahltransistor Tl und dem Kondensator Cl verbunden. Die Spannungsquelle Uq ist optional und soll darstellen, dass das Elektrolytpotential der Nährlösung 5 auch vom Massepotential bzw. vom Referenzpotential abweichen kann.1 shows a basic structure of the coupling arrangement according to the invention. The living cell is located in the container 3 with nutrient solution 5, on the bottom of which the contact point of the contact element 1 is shown schematically. This contact point is connected at point P to the selection transistor T1 and the capacitor C1. The voltage source Uq is optional and is intended to show that the electrolyte potential of the nutrient solution 5 can also deviate from the ground potential or from the reference potential.
Je nach Wirksamkeit der Kontakte, bzw. der Signal/Reizreaktion der Zelle kann die Zelle im Ersatzschaltbild EZ als Generator Sz angesehen werden, der Signalpulse abgibt, wie in Fig. 2 dargestellt, wobei die Zelle einen Zellwiderstand Rz besitzt, ebenso wie als ein Signal- /Reiz-abhängiger variabler Widerstand Rx, der in Serie zum Zellwiderstand Rz wirkt (siehe Fig. 3). In der Darstellung von Fig. 3 liegt im wesentlichen eine resistive Wechselwirkung zwischen der elektronischen Schaltung Tl, Cl und dem biologischen Teil, nämlich der Zelle vor. Die elektrisch wirksame Veränderung der Zelle ist in diesem Fall im wesentlichen eine Widerstandsänderung.Depending on the effectiveness of the contacts or the signal / stimulus response of the cell, the cell can be viewed in the equivalent circuit diagram EZ as a generator Sz, which emits signal pulses, as shown in FIG. 2, the cell having a cell resistance Rz, as well as a signal - / stimulus-dependent variable resistance Rx, which acts in series with the cell resistance Rz (see FIG. 3). 3 there is essentially a resistive interaction between the electronic circuit T1, Cl and the biological part, namely the cell. In this case, the electrically effective change in the cell is essentially a change in resistance.
Die Zellansteuerung in einer Zellmatrix im Falle von Zellen, die die Funktion eines Generators Sz für elektrische Pulse darstellen, ist in Fig. 4 und Fig. 5 schematisch dargestellt. Entsprechend den obigen Ausführungen sind die Vorgänge "Lesen", d.h. Passiv- Modus, "Schreiben", d.h. Aktivmodus und "Auffrischen" bzw. "Halten" der Ladung ebenso möglich wie Wiederherstellung des Potentials nach dem Lesevorgang. Die Zellansteuerung in einer Zellmatrix 10 im Falle von Zellen, deren Signal -/Reizreaktion vorwiegend resistiv ist, ist in Fig. 6 und Fig. 7 schematisch dargestellt. Entsprechend den obigen Ausführungen sind auch in diesem Falle die Vorgänge "Lesen", d.h. Passiv-Modus, "Schreiben", d.h. Aktivmodus und "Auffrischen" bzw. "Halten" der Ladung, ebenso möglich wie Wiederherstellung des Potentials nach dem Lesevorgang.The cell control in a cell matrix in the case of cells which represent the function of a generator Sz for electrical pulses is shown schematically in FIGS. 4 and 5. According to the above explanations, the processes “reading”, ie passive mode, “writing”, ie active mode and “refreshing” or “holding” the charge, are also possible, as is restoring the potential after the reading process. Cell activation in a cell matrix 10 in the case of cells whose signal / stimulus reaction is predominantly resistive is shown schematically in FIGS. 6 and 7. According to the above statements, the processes “reading”, ie passive mode, “writing”, ie active mode and “refreshing” or “holding” the charge, are also possible in this case, as is restoring the potential after the reading process.
In den Figuren 8 bis 10 ist eine weitere erfindungsgemäße Koppelanordnung dargestellt, die im Gegensatz zu den bisherigen Ausführungsformen anstelle eines Kondensators einen Widerstand Rl beinhaltet. In diesen Fällen stellt das System Zelle- Widerstand einen Spannungsteiler dar. Das Potential am Punkt P kann über den Auswahltransistor Tl abgegriffen werden. Lesen, schreiben und auffrischen des Potentials ist wie oben durch Anlegen geeigneter Spannungen am Punkt B möglich. Die entsprechenden Matrix- Anordnungen einer solchen Kopplung in einem Zellenfeld sind in den Figuren 11 und 12 dargestellt, wobei Fig. 11 ein Beispiel einer Zeilansteuerung bei Vorliegen einer vorwiegend resistiven Kopplung zeigt, und in Fig. 12 ein Beispiel der Zellansteuerung bei Vorliegen einer aktiv/resistiven Kopplung zeigt.FIGS. 8 to 10 show a further coupling arrangement according to the invention which, in contrast to the previous embodiments, contains a resistor R1 instead of a capacitor. In these cases, the cell-resistor system represents a voltage divider. The potential at point P can be tapped via the selection transistor T1. Reading, writing and refreshing the potential is possible as above by applying suitable voltages at point B. The corresponding matrix arrangements of such a coupling in a cell field are shown in FIGS. 11 and 12, FIG. 11 showing an example of a line control when a predominantly resistive coupling is present, and FIG. 12 an example of the cell control when an active / shows resistive coupling.
Zur Darstellung der Robustheit und Fehlertoleranz ist in den Figuren 13 und 14 der ganz allgemeine Fall der erfindungsgemäßen Kopplungsanordnung bei Vorliegen einer größeren Anzahl von Zellen mit Fehlbelegung und Zellausfall dargestellt.To illustrate the robustness and fault tolerance, FIGS. 13 and 14 show the very general case of the coupling arrangement according to the invention when there is a large number of cells with incorrect occupancy and cell failure.
Im Falle einer Anordnung mit Koppelkondensator Cl (Fig. 13) ist leicht ersichtlich, dass das Fehlen einer Zelle (siehe A) auf einem Kontaktelement 1 über den Auswahltransistor Tl leicht erkannt werden kann (Potential im Punkt P immer gleich dem Potential der Nährlösung 5, d.h. dem Elektrolyten). Solange der Auswahltransistor Tl ausgeschaltet ist, ist dieses Kontaktelement an der Stelle A unwirksam.In the case of an arrangement with a coupling capacitor C1 (FIG. 13), it can easily be seen that the absence of a cell (see A) on a contact element 1 can be easily recognized via the selection transistor T1 (potential at point P always equals the potential of the nutrient solution 5, ie the electrolyte). As long as the selection transistor T1 is switched off, this contact element at point A is ineffective.
Ebenso kann eine dysfunktionale Zelle (2C) dadurch erkannt werden, dass sie keine oder eine unzureichende Art von Reiz/Reaktions-Muster zeigt. Auch diese Zelle 2C kann mittels des zugehörigen Auswahltransistors Tl problemlos ausgeschaltet werden. Die Zellen 2B, 2D und 2E zeigen ein zufriedenstellendes Reiz/Reaktionsmuster, d.h. die Zellen reagieren aktiv/passiv und weisen somit voll funktionierenden Zellkontakt auf.A dysfunctional cell (2C) can also be recognized by showing no or an insufficient type of stimulus / response pattern. This cell 2C can also be switched off easily using the associated selection transistor T1. Cells 2B, 2D and 2E show a satisfactory stimulus / response pattern, i.e. the cells react actively / passively and thus have fully functioning cell contact.
Zusammengefasst kann festgehalten werden, dass die Anordnung über eine entsprechende Addressierschaltung und Adressiervorgänge, d.h. Algorithmen, erlaubt, Fehlkontakte (A) und dysfunktionale Zellen (2C) von der weiteren Interaktion auszuschließen, ohne dass es zu einer Beeinträchtigung der Interaktion der restlichen Zellen (2B, 2D, 2E) kommt. Die in Fig. 14 dargestellte Kopplungsanordnung mit dem Widerstandselement Rl als Kopplungselement ist ebenfalls in der Lage, fehlende Zellbelegungen (bei A) und Dysfunktion der Zelle (2C) zu erkennen. Falls jedoch die Zelle nur resistiv reagiert, ist ein Leckstrom zu erwarten, der nur dann unterbunden werden kann, wenn die Zuleitung im Sinne einer Sicherung zerstört werden kann.In summary, it can be stated that the arrangement via a corresponding addressing circuit and addressing processes, ie algorithms, allows faulty contacts (A) and dysfunctional cells (2C) to be prevented from further interaction without impairing the interaction of the remaining cells (2B, 2D, 2E) is coming. The coupling arrangement shown in FIG. 14 with the resistance element R1 as the coupling element is also able to detect missing cell assignments (at A) and cell dysfunction (2C). However, if the cell only reacts resistively, a leakage current is to be expected, which can only be prevented if the supply line can be destroyed in the sense of a fuse.
Exemplarisch kann das dadurch geschehen, dass der Punkt B gemeinsam mit dem Punkt P, d.h. gemeinsam mit der Nährlösung 5 (dem Elektrolyten) potentialmäßig soweit gegenüber dem Potentialpunkt M verschoben wird, dass im Bereich des Leitungszweiges zwischen P und M die Leitung wie bei einer Schmelzsicherung durch den hindurchfließenden Strom zerstört wird. Da bei diesem Vorgehen zwischen den Punkten B und P keine Potentialdifferenz besteht, werden die Zellen in der Nährlösung nicht beeinträchtigt.This can be done, for example, in that point B together with point P, i.e. together with the nutrient solution 5 (the electrolyte), the potential is shifted relative to the potential point M to such an extent that in the area of the line branch between P and M the line is destroyed by the current flowing through, like a fuse. Since there is no potential difference between points B and P in this procedure, the cells in the nutrient solution are not impaired.
Ohne Einschränkungen kann im Sinne der erfindungsgemäßen Anordnung das Behältnis 3 mit der Nährlösung 5 und den Zellen 2B-2E auch direkt auf einem Halbleiterchip aufgebracht werden. In diesem Falle kann die oberste Schicht des Chips, die so genannte Passivierung, so ausgeführt werden, dass die Kontaktelemente 1 an speziellen Durchstoßungspunkten aufgebracht werden und diese dann mit den Zellen in Kontakt gebracht werden.In the sense of the arrangement according to the invention, the container 3 with the nutrient solution 5 and the cells 2B-2E can also be applied directly to a semiconductor chip without any restrictions. In this case, the top layer of the chip, the so-called passivation, can be designed in such a way that the contact elements 1 are applied at special penetration points and these are then brought into contact with the cells.
Ebenso können Bauelemente mit diesen Kontakten an der Oberfläche direkt in ein lebendes Gewebe eingebracht werden. Für den Kontakt mit der Gewebeflüssigkeit, dem Elektrolyten, muss dann ein geeigneter, gegebenenfalls auch integrierter Kontakt vorgesehen werden.Components with these contacts can also be inserted directly into a living tissue on the surface. A suitable, possibly also integrated contact must then be provided for contact with the tissue fluid, the electrolyte.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Kopplungsanordnung mit einer kapazitiven Neuronkopplung beschrieben.An exemplary embodiment for producing a coupling arrangement according to the invention with a capacitive neuron coupling is described below.
Die einzelnen Verfahrensschritte sind in Fig. 15A bis 50A im Querschnitt und in Fig. 15B bis 50B als sogenanntes Layout zu sehen, wobei im nachfolgenden Text Figurennummern ohne die Indizes A oder B gemeinsame Bezugnahmen auf Querschnitt und Layout sind.The individual method steps can be seen in cross-section in FIGS. 15A to 50A and in FIG. 15B to 50B as a so-called layout, in the text below figure numbers without the indices A or B being common references to cross-section and layout.
Auf einem Substrat (Layer 10) (Fig. 15), das im allgemeinen p-dotiertes Silizium sein wird, werden drei Schichten hintereinander abgeschieden bzw. erzeugt, und zwar: Layer 11 (z.B. Silizium-Dioxid), Layer 12 (z.B. Poly-Silizium), Layer 13 (z.B. Silizium-Nitrid), wie in Fig. 16 zu sehen. Anschließend wird mit Hilfe einer Fototechnik 1 über eine Lackmaske (Layer 14) der Transistorbereich TO definiert (Fig. 17) und der so definierte Bereich durch Ätzen von Layer 13 erzeugt (Fig. 18). Als nächster Schritt wird die Lackmasse entfernt (Fig. 19) und, wie in Fig. 20 dargestellt, der außerhalb von TO liegende Bereich oxidiert (LOCOS, Lokale Oxidation von Silizium), um außerhalb des Transistorbereiches TO den so genannten Feldoxidbereich (Layer 15) zu erzeugen. Der Feldoxidbereich (Layer 15) kann jedoch auch durch jede andere Technik, z.B. Shallow Trench Isolation erzeugt werden.On a substrate (layer 10) (FIG. 15), which will generally be p-doped silicon, three layers are deposited or produced one after the other, namely: layer 11 (eg silicon dioxide), layer 12 (eg poly Silicon), layer 13 (eg silicon nitride), as can be seen in FIG. 16. The transistor region TO is then defined with the aid of a photo technique 1 via a resist mask (layer 14) (FIG. 17) and the region defined in this way is etched generated by layer 13 (Fig. 18). The next step is to remove the coating material (FIG. 19) and, as shown in FIG. 20, to oxidize the area outside of TO (LOCOS, local oxidation of silicon) in order to remove the so-called field oxide area (layer 15) outside the transistor area TO. to create. The field oxide area (layer 15) can, however, also be generated by any other technique, for example shallow trench isolation.
Nach der Oxidation werden die verbliebenen Teile der Schicht 13, 12, 11 entfernt (Fig. 21). Gegebenenfalls nach einem geeigneten Überätzungsschritt zur Entfernung des Restoxides (z.B. natives Oxid) wird der Transistorbereich freigelegt und der Gate-Stack aufgebaut: Hierzu wird nach Wachsen des Gate-Oxides (Layer 16) (Fig. 22) oder eines anderen geeignete Dielektrikums eine Poly-Silizium-Schicht (Layer 17) (Fig. 23) entweder dotiert abgeschieden oder undotiert abgeschieden und nachträglich dotiert (z.B. n-dotiert). Nach dem Stand der Technik kann diese Schicht auch ein anderes leitendes Material, zum Beispiel ein Metall sein (Metal Gate Technik)After the oxidation, the remaining parts of the layer 13, 12, 11 are removed (FIG. 21). If necessary, after a suitable overetching step to remove the residual oxide (eg native oxide), the transistor region is exposed and the gate stack is built up. For this purpose, after the gate oxide (layer 16) (FIG. 22) or another suitable dielectric has been grown, a poly Silicon layer (layer 17) (FIG. 23) either deposited doped or deposited undoped and subsequently doped (for example n-doped). According to the prior art, this layer can also be another conductive material, for example a metal (metal gate technology)
Anschließend wird auf diese Poly-Silizium-Schicht eine dünne Silizium-Dioxid-Schicht oder ein anderes geeignetes Dielektrium aufgewachsen (Layer 18) (Fig. 24) oder abgeschieden.A thin silicon dioxide layer or another suitable dielectric is then grown (layer 18) (FIG. 24) or deposited on this poly-silicon layer.
Im nächsten Schritt wird photolithographisch (Layer 19) das Gate G0, bzw. die Gate-Ebene definiert und anschließend durch Strukturierung der Layers 18, 17 und 16 erzeugt. Bei diesem Vorgang wird das Gate G0 (Layer 17) erzeugt (siehe Fig. 25 und Fig. 26).In the next step, the gate G0 or the gate plane is defined photolithographically (layer 19) and then generated by structuring the layers 18, 17 and 16. In this process, the gate G0 (layer 17) is generated (see FIGS. 25 and 26).
Dann wird der Fotolack (Layer 19) entfernt (Fig. 27) und über einen Implantationsvorgang oder über einen anderen geeigneten Dotierprozess, die so genannte Lightly Doped Drain (Layer 20) Zone selbstjustiert erzeugt (Fig. 28).The photoresist (layer 19) is then removed (FIG. 27) and the so-called lightly doped drain (layer 20) zone is self-aligned via an implantation process or another suitable doping process (FIG. 28).
Im nächsten Schritt wird durch konforme Abscheidung eines Dielektrikums (Layer 21) (Fig. 29) und anchließender anisotroper Rückätzung ein so genannter Seitenwand-Spacer (Layer 22) (Fig. 30) erzeugt. Nach der Erzeugung des Spacers wird die so genannte Heavily Doped Drain (HDD) Implantation durchgeführt (Layer 23) (Fig. 31) und der Source/Drain Anschlußbereich definiert. Im Ausführungsbeispiel wird im Anschluss an diese HDD- Implantation eine dielektrische Schicht, z. B. Siliziumdioxid (Layer 24) (Fig. 32) abgeschieden und planarisiert oder planarisierend abgeschieden.In the next step, a so-called side wall spacer (layer 22) (FIG. 30) is generated by conformal deposition of a dielectric (layer 21) (FIG. 29) and subsequent anisotropic etching back. After the spacer has been created, the so-called Heavily Doped Drain (HDD) implantation is carried out (layer 23) (FIG. 31) and the source / drain connection region is defined. In the exemplary embodiment, a dielectric layer, for. B. silicon dioxide (layer 24) (Fig. 32) and planarized or planarized deposited.
Anschließend werden mittels einer Fototechnik 3 (Fig. 33) die Kontaktfenster Kl und K2 definiert (Layer 25) und durch Ätzung der Layers 24, 18 und gegebenenfalls 16 erzeugt (Fig. 34). Diese Kontaktlöcher werden - gegebenenfalls unter Zuhilfenahme einer Barriereschicht (Layer26) - mit einem leitenden Material (z.B. Wolfram / Titannitrid) aufgefüllt (Layer 27) (Fig. 35).Subsequently, the contact windows K1 and K2 are defined (layer 25) by means of a photo technique 3 (FIG. 33) and produced by etching the layers 24, 18 and possibly 16 (FIG. 34). These contact holes are filled with a conductive material (for example tungsten / titanium nitride) (layer 27) (FIG. 35), if necessary with the aid of a barrier layer (layer 26).
Im nächsten Schritt wird eine metallische Schicht (Layer 28) aufgebracht (Fig. 36) und mit einer Fototechnik 4 strukturiert (Fig.37 und Fig. 38).In the next step, a metallic layer (layer 28) is applied (FIG. 36) and structured using a photo technique 4 (FIG. 37 and FIG. 38).
Nach Fertigstellung der Metallisierungsebene Ml (Layer 28) werden im Ausführungsbeispiel eine Dielektrikschicht aufgebracht, die entweder planarisiert wird oder planarisierend abgeschieden wird (im Bild Layer 30) (Fig. 39).After completion of the metallization level M1 (layer 28), a dielectric layer is applied in the exemplary embodiment, which is either planarized or deposited in a planarizing manner (layer 30 in the picture) (FIG. 39).
Anschließend wird über eine Fototechnik 5 das Kontaktloch KC definiert (Layer 28) (Fig. 40) und durch Ätzung der entsprechenden Schichten ( Layer 30 und Layer 24, ggf. Layer 16) Öffnungen erzeugt, die zum Anschlussgebiet des Transistors reichen (Fig. 41).The contact hole KC is then defined using a photo technique 5 (layer 28) (FIG. 40) and openings are produced by etching the corresponding layers (layer 30 and layer 24, possibly layer 16), which extend to the connection region of the transistor (FIG. 41 ).
Dieses Kontaktloch KC wird - gegebenenfalls unter Zuhilfenahme einer Barriereschicht - mit einem leitenden Material (z.B. dotiertes Polysilizium dotiert, oder ein Metall wie z.B. Wolfram / Titannitrid) aufgefüllt (Layer 32) (Fig. 42).This contact hole KC is filled - if necessary with the aid of a barrier layer - with a conductive material (e.g. doped polysilicon, or a metal such as e.g. tungsten / titanium nitride) (layer 32) (Fig. 42).
Im nächsten Schritt wird eine leitende Schicht (Layer 33) aufgebracht und mit einer Fototechnik 6 strukturiert (Herstellung der Kapazitätselektrode) (Fig. 43).In the next step, a conductive layer (layer 33) is applied and structured using a photo technique 6 (production of the capacitance electrode) (FIG. 43).
Anschließend wird ein dünnes Dielektrikum abgeschieden (Layer 35) und darauf eine leitende Schicht (Layer 36). z. B. dotiertes Polysilizium, abgeschieden (Fig. 44), die als zweite Elektrode (Gegenelektrode) der Kapazitätsstruktur dient.A thin dielectric is then deposited (layer 35) and then a conductive layer (layer 36). z. B. doped polysilicon, deposited (Fig. 44), which serves as a second electrode (counter electrode) of the capacitance structure.
Mit einer Fototechnik 7 wird das Layout dieser zweiten Elektrode der Kapazitätsstruktur definiert und durch Ätzung der Schicht erzeugt (Fig. 45).The layout of this second electrode of the capacitance structure is defined using a photo technique 7 and is produced by etching the layer (FIG. 45).
Nach Entfernen des Lacks (Layer 37) wird eine dicke dielektrische Einfach- oder Mehrfachschicht abgeschieden und gegebenenfalls planarisiert oder planarisiert abgeschieden (Layer 38 und Layer 39) (Fig. 46).After removal of the lacquer (layer 37), a thick dielectric single or multiple layer is deposited and optionally planarized or planarized (layer 38 and layer 39) (FIG. 46).
Anschließend wird über eine Fototechnik 8 das Kontaktloch K0 definiert (Layer 40) und durch Ätzung der entsprechenden Schichten ( Layer 39 und Layer 38, und Layer 36 und Layer 35) eine Öffnung erzeugt, die zur ersten Elektrode der Kapazitätsstruktur reicht (Fig. 47). Nach der Ätzung wird der Fotolack entfernt. -The contact hole K0 is then defined using a photo technique 8 (layer 40) and by etching the corresponding layers (layer 39 and layer 38, and layer 36 and Layer 35) creates an opening that extends to the first electrode of the capacitance structure (FIG. 47). After the etching, the photoresist is removed. -
Durch Abscheiden eines konformen Dielektrikums ( Layer 41) (Fig. 48) und durch anisotrope Rückätzung im Sinne einer Spacertechnik (Fig. 49) wird dieses Kontaktloch innen an der Seitenwand mit einem Isolator ausgekleidet, während der Kontakt zur ersten Elektrode der Kapazitätsstruktur erhalten bleibt.By depositing a conformal dielectric (layer 41) (Fig. 48) and by anisotropic etching back in the sense of a spacer technique (Fig. 49), this contact hole is lined with an insulator on the inside of the side wall, while contact with the first electrode of the capacitance structure is maintained.
Dieses Kontaktloch wird - gegebenenfalls unter Zuhilfenahme einer Barriere- bzw. Haftschicht - mit einem leitenden Material (z.B. dotiertes Polysilizium dotiert, oder einem Metall wie z.B. Wolfram / Titannitrid) aufgefüllt (Layer 42 und Layer 43 ) (Fig. 50) und zwar so, dass die Oberfläche im wesentlichen eben bleibt. Dieser Kontaktbereich stellt die erfindungsgemäße Ankoppelung an die biologische Zelle her. Wie aus Fig. 51 A (Querschnitt) und 51B (Layout) und in vergrößerter Darstellung in Fig. 53 ersichtlich ist, kann der Zellkontakt direkt über diese Andockstelle hergestellt werden. Die hier beschriebene Abbildung sei Variante A genannt.This contact hole is filled - if necessary with the aid of a barrier or adhesive layer - with a conductive material (eg doped polysilicon, or a metal such as tungsten / titanium nitride) (layer 42 and layer 43) (Fig. 50) that the surface remains essentially flat. This contact area establishes the coupling to the biological cell according to the invention. As can be seen from FIGS. 51A (cross section) and 51B (layout) and in an enlarged representation in FIG. 53, the cell contact can be established directly via this docking point. The illustration described here is called variant A.
In einer Variante B (Fig. 52A (Querschnitt) und 52B(Layout)) kann ohne Einschränkung der Allgemeinheit der Erfindung die erste Elektrode der Kapazitätsstruktur nicht direkt zum Anschlussgebiet des Transistors reichen, sondern nur bis zu einem Metallkontakt, der seinerseits über eine normale Kontaktierung an den Transistor angeschlossen ist.In a variant B (FIGS. 52A (cross section) and 52B (layout)), without restricting the generality of the invention, the first electrode of the capacitance structure cannot extend directly to the connection region of the transistor, but only to a metal contact, which in turn has a normal contact is connected to the transistor.
In einer Variante C (Fig. 54) der Erfindung kann der Zellkontakt zur Kapazität auch ohne Inanspruchnahme eines metallischen Zwischenstückes erfolgen. In diesem Ausführungsbeispiel ist die dielektrische Schicht, an die sich die Zelle anlegt, konusförmig ausgebildet.In a variant C (FIG. 54) of the invention, the cell contact to the capacitance can also take place without using a metallic intermediate piece. In this exemplary embodiment, the dielectric layer to which the cell rests has a conical shape.
In einer Variante D (Fig. 55) ist anstelle einer zylinderförmigen Kapazität eine hohlzylinderformige Kapazität ausgebildet.In a variant D (FIG. 55), instead of a cylindrical capacity, a hollow-cylindrical capacity is formed.
Ebenso sind in einer Variante E auch Kapazitätsstrukturen denkbar, die zur Oberflächenvergrößerung eine blütenkelchartige Struktur aufweisen (Fig. 56 bis 58).In a variant E, capacitance structures are also conceivable that have a calyx-like structure to enlarge the surface (FIGS. 56 to 58).
Des weiteren sind in einer Variante F auch Kapazitäten denkbar, die als Grabenzellen ausgeführt sind (Fig. 59 bis 62). Der Anschluss der Zellen kann in diesem Fall direkt an die Innenelektrode erfolgen, oder aber an die Anschlussgebiete. Ebenso kann natürlich auch ein regulärer Metallkontakt ausgeführt werden und der Zellanschluss an diesen erfolgen. Furthermore, in a variant F capacities are also conceivable which are designed as trench cells (FIGS. 59 to 62). In this case, the cells can be connected directly to the inner electrode or to the connection areas. A regular metal contact can of course also be carried out and the cells connected to it.

Claims

Patentansprüche: claims:
1. Anordnung zur Kopplung einer lebenden Zelle, insbesondere Nervenzelle, an eine elektronische Schaltung zur Aufnahme von direkt oder indirekt elektrisch wirksamen Zellsignalen und/oder zur elektrischen Reizung der Zelle, gekennzeichnet durch ein passives elektronisches Element (Cl, Rl), das mit einem Anschluss an ein Bezugspotential (M) angeschlossen ist und mit einem anderen Anschluss mit einem geschalteten Ausgang eines elektronischen Schalters (Tl) verbunden ist, dessen Eingang mit einer Signal- oder Spannungsquelle verbindbar (Punkt B) ist, wobei ein elektrisch leitendes Kontaktelement (1) mit der Zelle (2) in Berührung bringbar ist und zwischen dem Ausgang des elektrischen Schalters (Punkt P) und dem damit verbundenen Anschluss des passiven elektronischen Bauelements (Cl, Rl) angeschlossen ist.1. Arrangement for coupling a living cell, in particular a nerve cell, to an electronic circuit for receiving directly or indirectly electrically active cell signals and / or for electrically stimulating the cell, characterized by a passive electronic element (Cl, Rl), which has a connection is connected to a reference potential (M) and is connected to another connection to a switched output of an electronic switch (Tl), the input of which can be connected to a signal or voltage source (point B), an electrically conductive contact element (1) having the cell (2) can be brought into contact and is connected between the output of the electrical switch (point P) and the associated connection of the passive electronic component (Cl, Rl).
2. Kopplungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Schalter (Tl) ein Schalttransistor, vorzugsweise ein Feldeffekt-Transistor ist.2. Coupling arrangement according to claim 1, characterized in that the electronic switch (Tl) is a switching transistor, preferably a field effect transistor.
3. Kopplungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Nährlösungs-Behältnis (3) vorgesehen ist, in dessen Innenraum zumindest ein Kontaktelement (1) ragt oder diesen zumindest teilweise bildet.3. Coupling arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that a nutrient solution container (3) is provided, in the interior of which at least one contact element (1) protrudes or at least partially forms it.
4. Kopplunganordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit einem Referenzpotential bzw. einer Referenzspannung (Uq) verbundene elektrisch leitende Referenzelektrode (4) vorgesehen ist, die in den Innenraum des Nährlösungs-Behältnisses (3) ragt.4. Coupling arrangement according to claim 3, characterized in that an electrically conductive reference electrode (4) connected to a reference potential or a reference voltage (Uq) is provided, which projects into the interior of the nutrient solution container (3).
5. Kopplungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Kontaktelement (1) ein Material mit geringer biologischer Wirkung umfasst, vorzugsweise ausgewählt aus hochschmelzenden Metallen, wie Platin, Iridium, Osmium, Wolfram oder Gold, oder Legierungen daraus; oder aus Halbleitersiliziden, wie Platinsilizid, Wolframsilizid, Titansilizid; oder aus einem dotierten monokristallinen oder polykristallinen Halbleiter, wie leitfähigem Polysilizium; oder aus leitfähigen Kunststoffen.5. Coupling arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the electrically conductive contact element (1) comprises a material with low biological activity, preferably selected from refractory metals, such as platinum, iridium, osmium, tungsten or gold, or alloys thereof ; or from semiconductor silicides, such as platinum silicide, tungsten silicide, titanium silicide; or from a doped monocrystalline or polycrystalline semiconductor, such as conductive polysilicon; or made of conductive plastics.
6. Kopplungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Vielzahl von Kopplungsanordnungen in Form einer Matrix (10) mit Zeilen (i, i+1) und Spalten (j, j+1) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingang eines jeweiligen elektronischen Schalters (Tl) mit einer Spalten-Adressleitung (j , j+1) verbunden ist und ein Steueranschluss (G) des elektronischen Schalters (Tl) mit einer Zeilen- Adressleitung (i, i+1) verbunden ist.6. Coupling arrangement according to one of the preceding claims, wherein a plurality of coupling arrangements in the form of a matrix (10) with rows (i, i + 1) and columns (j, j + 1) is arranged, characterized in that the input of a respective electronic switch (Tl) is connected to a column address line (j, j + 1) and a Control connection (G) of the electronic switch (Tl) with a row address line (i, i + 1) is connected.
7. Kopplungsanordnung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Adressierschaltung zur einzelnen oder gruppenweisen Beaufschlagung von Spalten- Adressleitungen (j , j+1) mit Versorgungs- oder Signalspannungen und von Zeilen- Adressleitungen (i, i+1) mit Steuerspannungen.7. Coupling arrangement according to claim 6, characterized by an addressing circuit for individual or group loading of column address lines (j, j + 1) with supply or signal voltages and row address lines (i, i + 1) with control voltages.
8. Kopplungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Adressierschaltung Adressierauswertemittel zur Erkennung von dysfunktionalen Zellen (2C) und von Fehlkontakten (A) zwischen Kontaktelement und Zelle aufweist, wobei bei einer solchen Erkennung gegebenenfalls die weitere Interaktion dieser Zellen bzw. Kontaktelemente selektiv unterbrechbar ist.8. Coupling arrangement according to claim 7, characterized in that the addressing circuit has addressing evaluation means for the detection of dysfunctional cells (2C) and faulty contacts (A) between the contact element and the cell, with such detection possibly further interrupting the interaction of these cells or contact elements selectively is.
9. Kopplungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur selektiven Unterbrechung der Interaktion von Zellen Unterbrechungsmittel, wie elektronische Schalter oder Schmelzsicherungen, vorgesehen sind.9. Coupling arrangement according to claim 8, characterized in that interrupting means, such as electronic switches or fuses, are provided for selectively interrupting the interaction of cells.
10. Kopplungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Kopplungsanordnungen auf einem Chip angeordnet ist, wobei der Chip vorzugsweise in Si-Planartechnologie hergestellt und gegebenenfalls mit anderen Technologien, wie Schaltungen für lokale Verstärkung, „on-chip-logic", oder „Systems on chips (SoC)" integriert ist.10. Coupling arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that a multiplicity of coupling arrangements is arranged on a chip, the chip preferably being produced in Si planar technology and optionally with other technologies, such as circuits for local amplification, “on-chip logic ", or" Systems on chips (SoC) "is integrated.
11. Kopplungsanordnung nach Anspruch 10 in Verbindung mit Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Nährlösungs-Behältnis auf dem Chip angeordnet ist.11. Coupling arrangement according to claim 10 in conjunction with claim 3, characterized in that the nutrient solution container is arranged on the chip.
12. Kopplungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1, dadurch gekennzeichnet, dass das passive elektronische Bauelement ein Kondensator (Cl) ist.12. Coupling arrangement according to one of claims 1 to 1 1, characterized in that the passive electronic component is a capacitor (Cl).
13. Kopplungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1, dadurch gekennzeichnet, dass das passive elektronische Bauelement ein elektrischer Widerstand (Rl) ist. 13. Coupling arrangement according to one of claims 1 to 1 1, characterized in that the passive electronic component is an electrical resistor (Rl).
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