WO2004017423A2 - Sensor-anordnung - Google Patents

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WO2004017423A2
WO2004017423A2 PCT/DE2003/002470 DE0302470W WO2004017423A2 WO 2004017423 A2 WO2004017423 A2 WO 2004017423A2 DE 0302470 W DE0302470 W DE 0302470W WO 2004017423 A2 WO2004017423 A2 WO 2004017423A2
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WO
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sensor
sensor arrangement
total current
arrangement according
lines
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PCT/DE2003/002470
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WO2004017423A3 (de
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Björn-Oliver EVERSMANN
Martin Jenkner
Christian Paulus
Guido Stromberg
Thomas Sturm
Annelie STÖHR
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Infineon Technologies Ag
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Publication date
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Publication of WO2004017423A3 publication Critical patent/WO2004017423A3/de
Priority to US11/035,765 priority patent/US20050202582A1/en

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/483—Physical analysis of biological material
    • G01N33/487—Physical analysis of biological material of liquid biological material
    • G01N33/48707—Physical analysis of biological material of liquid biological material by electrical means
    • G01N33/48728—Investigating individual cells, e.g. by patch clamp, voltage clamp
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/483—Physical analysis of biological material
    • G01N33/4833—Physical analysis of biological material of solid biological material, e.g. tissue samples, cell cultures
    • G01N33/4836—Physical analysis of biological material of solid biological material, e.g. tissue samples, cell cultures using multielectrode arrays

Definitions

  • the invention relates to a sensor arrangement.
  • a biological system is grown on the surface of a semiconductor technology sensor and this is examined in a spatially or time-resolved manner by means of sensor electrodes arranged in a matrix on the surface of the sensor.
  • the metabolic parameters of the cells can be recorded, for example, by recording local pH values with the aid of ion-sensitive field effect transistors (ISFETs).
  • ISFETs ion-sensitive field effect transistors
  • MISFET Insulator semiconductor field effect transistor
  • Neurons can generate a small ion current in certain areas of their surface via ion channels in the cell membranes, which is detected by an underlying sensor. Such pulses typically last a few milliseconds, and which are in the gap between the
  • the nerve cell and the electrical voltage forming the sensor electrode are often below 1 mV.
  • the spacing of adjacent sensor electrodes from one another should be arranged in a horizontal or vertical direction on a frequently arranged matrix
  • Sensor surface preferably less than 20 microns, so that the surface of a sensor and the cross-sectional area of a cell are approximately of the same order of magnitude.
  • FIGS. 1A and 1B a concept known from the prior art is described below, with which it is possible to read larger or increasingly dense arrangements of sensor electrodes.
  • 1A shows a sensor arrangement 100 with a multiplicity of sensor electrodes 101 arranged in a matrix.
  • the sensor electrodes 101 are (at least partially) coupled to one another by means of row lines 102 and column lines 103.
  • An electrical amplifier device 104 is arranged in each of the edge regions of the row lines 102.
  • the matrix-shaped sensor arrangement 100 is in a first matrix Area 105 and divided into a second matrix area 106, which can be operated independently of one another. Similar to the operation of a memory arrangement, the output signal of a specific sensor electrode 101 is switched via switch elements 111 (see FIG. 1B) within the sensor arrangement 100 to a common output line of a row or column.
  • the limits of the performance of the system according to the concept shown in Fig.la, Fig.lB is the amount of data to be read and processed. If a sensor arrangement is to be operated with a sufficiently high spatial resolution (ie a sufficient number of densely arranged sensor electrodes) and with a sufficiently high time resolution (ie a sufficiently high readout frequency) and with a sufficiently high accuracy, the amount of data to be read out per time increases Values that can currently make unachievable demands on the technologically available equipment.
  • the signals on the row lines 102 and the column lines 103 cannot be led out in parallel out of the sensor arrangement 100 because of the still very high number of lines.
  • the requirements for the high data volume of the n-m sensor electrodes to be read in the case of a matrix with m rows and n columns can exceed the performance of known technologies.
  • Fig. IB shows a sensor electrode 101 in detail.
  • the sensor electrode 101 is coupled to one of the row lines 102 and to one of the column lines 103. If a switch element 111 is closed, the assigned sensor electrode 101 is selected and can be read out.
  • the sensor event detected by the sensor surface 112 in the form of an electrical signal is amplified by means of an amplifier element 110 before it is transmitted via the line line 102 to the edge of the sensor arrangement 100 shown in FIG. 1A.
  • sensor arrangements known from the prior art for spatially resolved and time-resolved detection of analog electrical signals have in particular the disadvantage that the nm sensor electrodes have to be read out individually and have to be passed on to a signal-processing circuit part.
  • [1] discloses a sensor arrangement with electrically controllable arrays. [1] discloses an electrical sensor arrangement with several sensor positions, consisting of at least two microelectrodes. Molecular substances can be detected electrochemically, and charged molecules can be transported with the arrangement.
  • the invention is based on the problem of creating a sensor arrangement with improved location and time resolution.
  • so-called sensor events are to be determined in which the local flow and in limited time intervals the current flow on a sensor element exceeds amplitude or energy threshold values or has a characteristic shape.
  • the sensor arrangement according to the invention has a plurality of row lines arranged in a first direction, a plurality of column lines arranged in at least a second direction and a plurality of lines Intersection areas of row lines and column lines arranged sensor fields.
  • Each sensor field has at least one coupling device for electrically coupling one row line each with one column line and a sensor element which is assigned to the at least one coupling device, the sensor element being set up in this way that the sensor element influences the electrical current flow through the at least one assigned coupling device.
  • the sensor arrangement of the invention has a respective one
  • the sensor arrangement has a decoding device which is coupled to the row lines and the column lines and which is set up in such a way that at least part of the total electrical current flows which the decoding device has via the row lines and the column lines can be fed, those sensor elements can be determined on which a sensor signal is present.
  • the decoding device is set up in such a way that a plurality of total current flows can be determined from the detected total current flows, which meet a predetermined first selection criterion, that at least one total current flow as a total representing a sensor signal from the determined total current flows.
  • Current flow can be selected, which fulfills a predetermined second selection criterion and that the sensor element to which a sensor signal is present can be determined from the selected total current flow.
  • those that meet a first selection criterion are clearly determined in a two-stage process from the total current flows recorded.
  • One of the following selection criteria can be used as the first selection criterion:
  • the amplitude of the total current flow is greater than a first amplitude threshold value for a predetermined period of time
  • the energy of the total current flow is greater than an energy threshold value for a predetermined period of time
  • the correlation of a total current flow to one or more other total current flows is greater than a correlation threshold value for a predetermined period of time.
  • a pre-selection of total current flows takes place, the superset containing the total current flows, which represents a sensor event with a probability corresponding to the respective first selection criterion.
  • one or more total current flows of the superset are checked to determine whether the one or more current flows of the superset meet a second selection criterion.
  • the second selection criterion is, for example, a second amplitude threshold.
  • the second method step checks whether the amplitude of the respective total current flow is greater than the second amplitude threshold value for a predetermined period of time. If the second selection criterion is met, then the total current flow (s) is selected.
  • the sensor element (s) to which a sensor signal is present are / are determined from the selected total current flow / total current flows.
  • the decoding device is set up in such a way that the determined total current flows are checked with respect to the second selection criterion in an order based on the falling probability that the respective total current flow represents a sensor signal.
  • the determined total current flows are prioritized with regard to the processing sequence, i.e. in the order in which they are checked against the second selection criterion.
  • the determined total current flows are clearly sorted and processed in a sequence that first the total current flow is checked with the maximum probability that it represents a sensor signal, and successively the total current flows with a lower probability.
  • the decoding device is set up in such a way that a sensor signal curve is determined for the selected total current flow. This procedure corresponds to an estimation of the
  • the determined sensor signal profile can be subtracted from the signal profiles of the determined total current flows, whereby updated total current flows are formed.
  • the selection of a total current flow is then carried out using the updated total current flows. In this way it is possible for information that has already been determined to flow into a subsequent iteration as prior knowledge, so that the selection of the next total current flow delivers a more precise and thus more reliable result.
  • the nomenclature “row line” or “column line” does not imply an orthogonal matrix. The row lines running in a first direction and the column lines running in at least a second direction can enclose any desired angles with one another.
  • any number of different lines can be placed over the sensor arrangement at any angle and coupling devices can be interposed in intersection areas, which "branch" a certain electrical current from one line into the other line.
  • One of the at least one second direction must be able but not orthogonal to the first direction
  • the row lines arranged along the first direction are particularly preferably for power supply (but also for current dissipation), and the column lines arranged along the at least one second direction are particularly intended for current dissipation.
  • Another advantage is that a real snapshot of the potential relationships on the active sensor surface is possible. While in the conventional case the matrix elements are read out one after the other and thus detected at different times from one another, in the case according to the invention the current situation can be "recorded" and then evaluated.
  • the invention is further characterized in that it is based on very weak model assumptions and that in particular no special prior knowledge about the signal curve or the signal scaling of a sensor signal is required.
  • the computing effort required is also relatively low.
  • the invention is also suitable for use in a sensor arrangement in which several of the sensors are active at the same time, as well as when there are strong noise influences.
  • the sensor arrangement according to the invention has the advantage that switching functions for selecting a sensor field are unnecessary within the sensor arrangement. According to the prior art, this is necessary for selecting a specific sensor field and has a high susceptibility to interference due to capacitive coupling of a switched line to other lines, for example measuring lines. As a result, the detection sensitivity is increased according to the invention. According to the invention, undesired interactions of a sensor field with the examination object arranged thereon (for example a neuron) due to galvanic, inductive or capacitive coupling-in are also suppressed.
  • the decoding device of the sensor arrangement according to the invention can be divided into a row decoding device, to which the total electrical current flows of the row lines can be supplied, and a column decoding device, to which the total electrical current flows of the column lines can be supplied his.
  • the row decoding device is set up in such a way that information about those sensor elements is obtained from at least part of the electrical total current flows of the row lines, independently of the total current flows of the column lines can be determined to which a sensor signal may be present.
  • the column decoding device is set up in such a way that information about those sensor elements to which a sensor signal may be present can be determined from at least part of the electrical total current flows of the column lines, independently of the total current flows of the row lines.
  • the decoding device is set up in such a way that the sensor elements to which a sensor signal is present can be determined by jointly evaluating the information determined by the row decoding device and the column decoding device.
  • the speed of the decoding is increased and is possible with less resources. It is also possible that even the total current flows of different row lines (or different column lines) are initially evaluated independently of the total current flows of other row lines (or other column lines) and these separate results are then compared.
  • the sensor arrangement can have a voltage source which is coupled to at least some of the row lines and the column lines in such a way that at least some of the coupling devices are provided with a predetermined potential difference.
  • a first reference potential for example a supply voltage V ⁇ j
  • V ss for example a lower reference potential
  • V ss like the ground potential
  • At least one coupling device is a current source controlled by the associated sensor element or a resistor controlled by the associated sensor element.
  • the electrical current flow through a coupling device in a configuration of the coupling device as a current source controlled by the associated sensor element depends on the presence or absence of a sensor event on the sensor element.
  • the electrical resistance of the coupling device can also depend in a characteristic manner on whether or not a sensor event takes place on the assigned sensor element. With such a variable resistor, the current flow through the coupling device is at a fixed voltage between the assigned row and column
  • At least one coupling device preferably has a detection transistor with a first source / drain connection coupled to one of the row lines, with a second source / drain connection coupled with one of the column lines and with one with that coupling Device associated sensor element coupled gate connection.
  • the conductivity of the gate region of the detection transistor is clearly influenced by whether or not a sensor event takes place at the assigned sensor element. If so, i.e. if, for example, a neuron on the sensor element brings electrically charged particles (e.g. sodium and potassium ions) into direct proximity to the sensor element, these electrically charged particles indirectly change the amount of charge on the gate connection of the detection transistor, whereby the electrical conductivity of the channel region between the two source / drain connections of the detection transistor is influenced in a characteristic manner. This characteristically influences the current flow through the coupling device, so that the respective coupling device makes a changed contribution to the total current flow of the respective row or column line.
  • electrically charged particles e.g. sodium and potassium ions
  • Designing the coupling device as a detection transistor represents a less complex and space-saving implementation, which enables inexpensive production and a high integration density of sensor fields.
  • the cells can be made very small, which allows a high spatial resolution of the sensor.
  • At least one coupling device of the sensor arrangement according to the invention can have a calibration device for calibrating the coupling device.
  • the semiconductor technology components of a sensor field are generally integrated components, such as MOS transistors. This one integrated components within a sensor field are usually made very small in order to achieve a high spatial resolution, a statistical scatter of their electrical parameters (for example threshold voltages in the MOSFET) occurs due to fluctuations in the process control in the manufacturing process.
  • the deviation of the threshold voltages and other parameters can be compensated for, for example, by performing a calibration, for example using a data table.
  • a calibration for example using a data table.
  • an electronic reference signal is applied to individual sensor fields of the matrix-shaped sensor arrangement, and the measured current strengths of the corresponding sensor elements are stored, for example, in a table. In measurement mode, this table serves as
  • Database can be integrated into the decoding device for converting possibly erroneous measurement values. This corresponds to a calibration.
  • the calibration device of the sensor arrangement can have a calibration transistor with a first source / drain connection coupled to the row line, with one with the gate connection of the detection transistor and with one with the associated sensor Element coupled capacitor coupled second source / drain connection and with a gate connection coupled to a further column line, wherein an electrical calibration voltage can be applied to the gate connection of the calibration transistor by means of the further column line.
  • the deviation of a parameter such as the threshold voltage of the Detection transistor can be compensated by applying an electrical potential to the further column line, as a result of which the calibration transistor conducts and a node between the capacitor and the gate connection of the detection transistor to an electrical
  • Calibration potential is charged. This calibration potential results from an electrical current impressed into the row line, which flows into the column line through the detection transistor acting as a diode. If the calibration transistor becomes non-conductive again because the voltage applied to the further column line is switched off, an electrical potential remains on the gate connection of the detection transistor, which corrects the threshold voltage of the sensor array for each sensor field of the sensor arrangement Permits the respective detection transistor. Therefore, the robustness of the sensor arrangement according to the invention is improved when using a calibration device with a calibration transistor and a capacitor. In particular, any coupling device can also be deactivated by impressing a zero current.
  • the calibration transistor is conductive and no current (zero current) is impressed into the line, the potential at the gate connection of the detection transistor is reduced to such an extent that the detection transistor becomes non-conductive and accordingly after the calibration transistor has been switched off remains deactivated.
  • the associated sensor field regardless of the signal from the connected sensor element, does not contribute a signal to the sum signal of the row and column lines. In particular, this sensor field also does not contribute to the noise signal on the row and column lines concerned, which is why the later analysis of the signals at the remaining, still active sensor fields is simplified.
  • At least one coupling device of the sensor arrangement according to the invention can be an amplifier element for amplifying the electrical individual current flow Have coupling device.
  • the amplifier element can have a bipolar transistor with a collector connection coupled to the row line, an emitter connection coupled to the column line and a base connection coupled to the second source / drain connection of the detection transistor. Have connection.
  • At least some of the row lines and the column lines preferably have an amplifier device for amplifying the electrical total current flow flowing in the respective row line or column line.
  • At least one sensor element of the sensor arrangement can be an ion-sensitive field effect transistor (ISFET).
  • ISFET ion-sensitive field effect transistor
  • An ISFET is a sensor element that can be produced in a standardized semiconductor technology process with little effort and that has a high detection sensitivity.
  • At least one sensor element on the sensor arrangement can also be a sensor sensitive to electromagnetic radiation.
  • a sensor sensitive to electromagnetic radiation for example a photodiode or another photosensitive element, enables the sensor arrangement to be operated as optical sensor with a high repetition rate.
  • the sensor arrangement according to the invention generally has the advantage that no further requirements are placed on the sensor element, except that a sensor event is intended to produce an electrical signal.
  • the sensor fields of the sensor arrangement are preferably essentially rectangular.
  • the sensor fields are preferably arranged in a matrix.
  • the column and row lines can be formed orthogonally to one another along the edges of the rectangular sensor fields.
  • the row lines and the column lines of the sensor arrangement according to the invention can enclose an essentially right angle with one another.
  • the sensor fields are essentially honeycomb-shaped.
  • the row lines can form an angle of 60 ° with the column lines, and different column lines can either be parallel to one another or enclose an angle of 60 ° with one another.
  • the sensor arrangement is preferably divided into at least two regions which can be operated independently of one another, the sensor arrangement being set up in such a way that it can be specified which of the at least two regions are operated in a specific operating state.
  • the areas can be spatially directly adjacent (e.g. halves, quadrants) or nested, for example in such a way that, in the case of an orthogonal arrangement of sensor fields, the coupling devices are connected, for example, like a checkerboard to one or the other system of columns and rows -Lines are connected.
  • the matrix-shaped sensor arrangement can therefore be divided into different segments (for example in four quadrants) in order to increase the measurement accuracy due to reduced line capacities. If, for example, it is known that sensor events cannot occur in an area of the sensor arrangement (for example because no neurons have grown up in this area), only the remaining area of the sensor arrangement on which sensor events can take place has to be examined. The supply of the unused area with supply voltages is therefore saved. Furthermore, signals are only to be evaluated from that area in which sensor signals can occur. For certain applications, it may also be sufficient to use only a partial area of the surface of the sensor arrangement that is smaller than the entire surface of the sensor arrangement. In this case, the desired sub-area can be switched on, which is a particularly quick and inexpensive process
  • Determination of the sensor events of the sensor fields arranged in the partial area enables.
  • FIG. 1B shows a sensor electrode of the sensor arrangement shown in FIG. 1A according to the prior art
  • FIG. 2 shows a sensor arrangement according to a first exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows a sensor arrangement according to a second exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 4A shows a sensor field of a sensor arrangement according to a first exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 4B shows a sensor field of a sensor arrangement according to a second exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 5A shows a sensor field of a sensor arrangement according to a third exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 5B shows a sensor field of a sensor arrangement according to a fourth exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 5C shows a sensor field of a sensor arrangement according to a fifth exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 5D shows a sensor field of a sensor arrangement according to a sixth exemplary embodiment of the invention
  • Figure 6 is a schematic view of a partially with
  • FIG. 7 shows a sensor arrangement according to a third exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 8 shows a flow chart in which the individual method steps for determining sensor signals are shown.
  • a sensor arrangement according to a first exemplary embodiment of the invention is described below with reference to FIG.
  • the sensor arrangement 200 shown in FIG. 2 has three row lines 201a, 201b, 201c arranged in the horizontal direction, three column lines 202a, 202b, 202c and nine arranged in the vertical direction in the crossing areas of the three line lines 201a, 201b, 201c and column lines 202a, 202b, 202c arranged sensor fields 203 with a coupling device 204 for the electrical coupling of one row line 201a, 201b or 201c each with a column line 202a, 202b or 202c and with a sensor element 205, which is assigned to the coupling device 204, the sensor element 205 being set up in such a way that the sensor element 205 influences the electrical current flow through the assigned coupling device 204.
  • the sensor arrangement 200 has a means 206, which is electrically coupled at a respective end section of the row lines 201a, 201b, 201c and the column lines 202a, 202b, 202c, for detecting a respective total current flow from the sensors Fields 203 of the respective row or column lines provided electrical individual current flows.
  • the sensor arrangement 200 also has a decoding device 207 which is coupled to the row lines 201a, 201b, 201c and the column lines 202a, 202b, 202c and is set up in such a way that from the electrical
  • the two activated sensor fields 203a located in the intersection areas of the second row 201b and the second and third columns 202b, 202c are optically highlighted.
  • These sensor fields 203a are those in which the
  • Sensor element 205 a sensor event occurs, as a result of which the sensor element 205 characteristically influences the current flow through the coupling device 204.
  • a voltage source not shown in FIG. 2, provides a predetermined potential difference between each of the row lines 201a, 201b, 201c and each of the column lines 202a, 202b, 202c. At this fixed potential difference, the current flow through the coupling devices 204 of the sensor fields 203 is characteristically influenced by the sensor events on the assigned sensor elements 205.
  • a greatly changed current flow can be detected particularly on the second line line 201b, since two of three sensor fields 203, with which the line line 201b is coupled, have a changed electrical current as a result of a sensor event
  • the second and third column lines 202b, 202c also have a (but less pronounced) change in current flow, since one of three sensor fields 203 coupled to these column lines 202b, 202c has a changed current flow.
  • Total current flows along the row lines 201a to 201c and the column lines 202a to 202c are, as shown schematically in FIG. 2, provided to the means 206 for detecting total current flows, which in turn detects the total current shifts of the decoding Device 207 provides. It is clearly understandable that when examining the correlation of the sum currents one at a time Row line, each with a column line, can be determined which sensor fields 203a are activated.
  • the flow diagram ms 800 in FIG. 8 describes how it is determined whether and on which sensor element a sensor event has occurred.
  • the decoding device 207 is set up such that the method steps described are carried out by the decoding device 207.
  • FIG. 8 symbolically shows that the total current flows are read in by the means 206 for detecting total current flows.
  • a set of possible sensor events is formed in a first method stage (block 802), in other words, the determination of sum current flows that satisfy a first selection criterion which is explained in more detail below.
  • the final selection of those total current flows is assumed in a second method stage (block 803), which are assumed to represent a sensor event and thus a sensor signal ,
  • the selected total current flows and / or estimated sensor signal profiles determined from the total current flows are stored in an electronic file in a list (block 804) and output to a user if required.
  • N be the number of columns
  • me Z the number of columns in the sensor arrangement.
  • the analysis interval is given by ⁇ t s tart '•••' tendl c N 0
  • the method delivers a set of detected sensor events as a result
  • a threshold value analysis is carried out, in other words, the first selection criterion is checked whether the amplitude of a respective total current flow for a predetermined time period is greater than a predetermined amplitude threshold.
  • a sensor event d (t a , v a , i, j) e D is detected on a sensor cell (i, j) as possible if in a
  • Row totals ie the total current flows in the relevant columns and rows, all exceed the amplitude threshold value v m -j_ n .
  • the directions of exceedance must be identical, ie either the row and column sum are both greater than or equal to the amplitude threshold value v m j_ n or both are less than or equal to the negated amplitude threshold value - v m -j_ n .
  • the anchor point in time t a is the point in time at which the minimum amount of the corresponding row and column sum is greatest, and the anchor value v a is the corresponding associated value.
  • V1D tart'- ' fc end ⁇ ⁇ *> ( 5)
  • a sensor event d (t a , v a , i, j) is on one
  • Sensor cell (i, j) detected as possible if, over a time interval of length .DELTA.t, the average power from the minimum amount of the corresponding row and column sums does not fall below the minimum average power Pmin falls.
  • Anchor time t a and anchor value v a result in the same way as in the threshold value analysis. Two sensor events are considered identical if the anchor times t a are at a distance from each other that is smaller than the minimum distance between two sensor events t ⁇ Jig •
  • v and D are equal to the threshold analysis.
  • the total current flows i.e. Filter the row and column totals and perform the respective analysis on the filtered row and column totals.
  • filtering prior knowledge of noise influences and / or signal profiles of the individual sensor events is preferably introduced.
  • both the duration and the respective threshold value depend on the actual application and must be set on an application-specific basis.
  • the result of the first process stage is a set of determined total current flows, which possibly represent a sensor event and a sensor signal connected to it.
  • the amount of total current flows determined is temporarily stored in a memory (not shown).
  • a minimum anchor value v am i n an event lead time (the time steps between the start of the event and the anchor time t a ) t pre ,
  • a maximum prioritization t pr i 0 a maximum prioritized distance ⁇ pr i 0 ,
  • the temporarily stored total current flows are preferably sorted according to the progressing (growing) anchor time t a and the total current flows are selected which satisfy the second similarity criterion explained in more detail below, the other total current flows are discarded.
  • the ordered list of the determined and temporarily stored total current flows is successively processed for total current flow.
  • t a - tp re , ..., t a + tp OS t] is calculated.
  • the calculated estimated sensor signal curve of the sensor event is subtracted from the total current flows temporarily stored in the ordered list. The subtraction thus also causes a change in the total current flows and thus also the respective armature times t a and armature values v a , and possibly a shift in the total current flows in the list.
  • the respective total current flows are updated accordingly and, if necessary, rearranged in the list.
  • This update takes place according to this exemplary embodiment after each selection of a total current flow, i.e. after each iteration.
  • the update can also take place after a predetermined number of iterations.
  • Total current flows that show a large correspondence ie where the distance is smaller than ⁇ p r 0
  • sum current flows, which represent a real sensor event with a higher probability can be checked and selected before sum current flows, which represent a real sensor event with a lower probability, are checked.
  • the distance ⁇ is determined according to the following procedure:
  • d (t a , v a , i, j) be a sum current flow determined in the first method stage (and possibly already updated sum current flow in the second method stage) and ⁇ the distance of the line contributions to d and column sums. Then it is prioritized according to the following rule:
  • the sensor event signal curve is calculated according to the following procedure:
  • v 1 - 1 be the signal value curve of the total current flow under consideration (as described in [5] and [6]).
  • d (t a , v a , i, j) be a total current flow determined in the first process stage and selected in the second process stage.
  • the estimated signal curve u of d results in accordance with
  • the result of the second method stage is thus a list of selected total current flows which are assigned to a respective sensor event, and additionally the specification of the respective sensor on which the sensor event was determined.
  • 3 shows a sensor arrangement according to a second preferred exemplary embodiment of the invention.
  • the sensor arrangement 300 is constructed similarly to the sensor arrangement 200 described with reference to FIG. 2.
  • the sensor arrangement 300 has sixteen row lines 301 and sixteen column lines 302. According to the invention, 32 total current signals are therefore to be recorded, whereas in a concept known from the prior art, 256 current signals of the 256 sensor fields 304 would have to be recorded.
  • the sensor fields 304 are rectangular.
  • the row lines 301 and the column lines 302 form a right angle with one another.
  • the sensor arrangement 300 is divided into four sub-areas 303a, 303b, 303c, 303d which can be operated independently of one another, the sensor arrangement 300 being set up in such a way that it can be specified which of the four sub-areas 303a to 303d are operated.
  • Each row line 301 and each column line 302 of the sensor arrangement 300 has an amplifier device 305 for amplifying the electrical total current flow flowing in the respective row line 301 or column line 302.
  • FIG. 4A shows a sensor field 400 according to a first exemplary embodiment of the invention.
  • the sensor field 400 is one in an intersection area
  • the coupling device 403 is designed as a resistor which can be controlled by a sensor element 404. In other words, a sensor event on the sensor element 404 has the effect that the electrical resistance of the coupling device 403 is influenced in a characteristic manner.
  • the sensor field 400 is a square with a side length d. In order to achieve a sufficiently high integration density of sensor fields 400 in a sensor arrangement for neurobiological purposes, the edge length d of the square sensor field 400 is preferably chosen to be less than 20 ⁇ m.
  • FIG. 4B shows a sensor field 410 according to a second exemplary embodiment of the invention.
  • the sensor field 410 is arranged in an intersection area of a row line 411 and a column line 412.
  • the sensor field 410 has a coupling device 413, by means of which the row line 411 is coupled to the column line 412 via two electrical coupling points.
  • the coupling device 413 is designed as a current source controlled by the sensor element 414.
  • a sensor event on the sensor element 414 has the effect that the electrical current of the controlled current source 413 is influenced in a characteristic manner.
  • a controlled resistor or a controlled current source with a linear or non-linear characteristic curve is thus provided as the coupling device 403 or 413 within a sensor field 400 or 410. It is essential that, with the aid of a suitable connection, a current flow is branched from a row line into a column line, which current flow is characteristically influenced by a sensor event.
  • FIG. 5A shows a sensor field 500 according to a third exemplary embodiment of the invention.
  • the sensor field 500 shown in FIG. 5A is arranged in an intersection area of a row line 501 and a column line 502.
  • a coupling device designed as a detection transistor 503 the row line 501 is coupled to the column line 502 via two electrical crossing points.
  • the detection transistor 503 has a first source / drain connection coupled to the row line 501, a second source / drain connection coupled to the column line 502 and a gate connection coupled to the sensor element 504 ,
  • the length 1 of one side of the square sensor field 500 is preferably less than 20 ⁇ m in order to achieve a sufficiently high spatial resolution.
  • A, preferably constant, electrical voltage is applied between the row line 501 and the column line 502. If a sensor event occurs in the sensor element 504, in which electrically charged particles characteristically influence the potential of the gate connection of the detection transistor 503, the conductivity of the conductive channel between the two source / drain becomes due to the sensor event - Connections of the detection transistor 503 influenced.
  • the electrical current flow between the first and the second source / drain region of the detection transistor 503 is therefore a measure of the sensor event that has taken place on the sensor element 504.
  • the sensor element 504 is brought to a predetermined electrical potential by a suitable measure prior to a sensor event, so that an electrical quiescent current from the column line 502 between the two source / drain connections of the detection transistor 503 flows into row line 501.
  • the electrical potential of the gate connection influenced, for example because a neuron coupled to the sensor element 504 generates an electrical pulse emits, the cross current between the row line 501 and the column line 502 is changed as a result of the changed electrical conductivity of the detection transistor 503.
  • a fourth exemplary embodiment of a sensor field of a sensor arrangement according to the invention is described below with reference to FIG. 5B.
  • the sensor field 510 shown in FIG. 5B is in one
  • the sensor field 510 also has a detection transistor 513.
  • the coupling device of the sensor field 510 has a calibration device for calibrating the coupling device. According to the exemplary embodiment shown in FIG.
  • the calibration device has a calibration transistor 515 with a first source / drain connection coupled to the row line 511, with one with the gate connection of the detection transistor 513 and with one with the associated sensor element 514 coupled capacitor 516 coupled second source / drain connection and with a gate connection coupled with a second column line 512b, whereby by means of the second column line 512b to the gate connection of the calibration Transistor 515 an electrical calibration voltage can be applied.
  • the calibration device of the sensor field 510 is set up in such a way that by means of suitable control of the
  • Irregularities in the manufacturing process can be compensated.
  • statistical scattering of the Value of the threshold voltage of the detection transistors 513 of different sensor fields of a sensor arrangement occur around an average value.
  • the deviation of the threshold voltage between different sensor fields can be compensated for by bringing the second column line 512b to such an electrical potential that the calibration transistor 515 is conductive and the electrical node between the capacitor 516 and the gate connection of the detection transistor 513 is brought to a calibration potential.
  • the calibration potential is determined by the electrical current fed into the row line 511, which flows through the detection transistor 513 connected as a diode. If the calibration transistor 515 is again non-conductive, it remains on the gate connection of the detection transistor
  • the side length s of the square sensor field 510 is typically between approximately 10 ⁇ m and approximately 10 ⁇ m.
  • the sensor field 520 has the following components, which are connected analogously to the manner shown in FIG. 5B: a row line 521, a first and a second column line 522a, 522b, a detection line Transistor 523, a sensor element 524, a calibration transistor 525 and a capacitor 526.
  • the sensor field 520 has an amplifier element for amplifying the electrical individual current flow of the coupling device of the sensor field 520.
  • the amplifier element is in the form of a bipolar transistor 527 with a collector connection coupled to the row line 521, with an emitter connection coupled with the first column line 522a and with a connection to the second source / drain region of the detection Transistor 523 coupled base connection.
  • the electrical current between the row line 521 and the first column line 522a is greatly increased due to the current-boosting effect of the bipolar transistor 527. This increases the sensitivity of the entire sensor arrangement.
  • 5D shows a sensor field 530 according to a sixth exemplary embodiment of the invention.
  • the sensor field 530 is honeycomb-shaped.
  • a row line 531 forms an angle of 60 ° with a first column line 532a and with a second column line 532b, the two column lines 532a and 532b also enclosing an angle of 60 ° with one another.
  • the sensor field 530 has a first detection transistor 533a and a second detection transistor 533b.
  • the gate connections of the two detection transistors 533a, 533b are coupled to a sensor element 534.
  • Detection transistor 533b are coupled to row line 531.
  • the second source / drain terminal of the first detection transistor 533a is coupled to the first column line 532a, whereas the second source / drain terminal of the second detection transistor 533b is coupled to the second column line 532b.
  • the conductivity of the channel regions of the first and of the second detection transistor 533a, 533b changes in a characteristic manner.
  • the electrical current flow from the row line 531 changes to the first column line 532a and on the other hand the current flow from the row line 531 into the second column line 532b.
  • the total current flows in the column lines and in the line lines in edge regions of an arrangement of a plurality of sensor fields 530 are recorded, and the signals of the individual are correlated with the temporal correlation of the total current flows Sensor fields 530 calculated.
  • the noise level in the individual current of a sensor field can have a value assume that can be in the same order of magnitude as the actual signal current.
  • the noise current flows of all connected sensor elements add up on the row lines or the column lines, but this uncorrelated signal falls out in correlation calculation, so that only the sensor signal and the noise signal of a single sensor field contributes to the calculated measurement signal of this sensor field.
  • the sensor arrangement 300 shown in FIG. 3 is described in an active operating state.
  • a first neuron 604, a second neuron 605 and a third neuron 606 are arranged on the matrix-shaped arrangement of sensor fields 304.
  • the sensor fields 304 are electrically conductive electrodes (for example Au, Pt, Pd) which are coated with a dielectric (for example Si0 2 , Si 3 N 4 , Al 2 0 3 ) and are in active electrical connection with an amplifier (eg MOSFET).
  • the matrix-shaped sensor arrangement 300 is divided into four partial areas 303a to 303d, each of which is coupled with its own row or column lines.
  • the projections 600 to 603 therefore each provide a two-dimensional image of the arrangement of
  • the first neuron 604 which is essentially arranged in the second partial area 303b of the sensor arrangement 300, delivers a corresponding signal in the right partial area of the first projection 600 according to FIG. 6 and in the central area of the second projection 601. Since the first neuron 604 is also arranged to a small extent in the third partial area 303c, a small signal from the first neuron 604 can be seen in the right partial area of the third projection 602 according to FIG. In this way, each of the neurons 604 to 606 contributes to a signal in a part of the projections 600 to 603.
  • the combined signals of the projections 600 to 603 provide information about the spatial arrangement of the neurons 604 to 606.
  • the sensor arrangement 700 shown in FIG. 7 has sixteen horizontally arranged row lines 701, sixteen vertically arranged column lines 702 and 256 in the intersection areas of the row lines 701 with the column lines 702 arranged sensor fields 703.
  • Each of the sensor fields 703 is designed like the sensor field 500 shown in FIG. 5A.
  • the row lines 701 and the column lines 702 are electrically coupled means for detecting a respective total current flow from the individual electrical current flows provided by the sensor fields 703 of the respective line 701, 702. According to the exemplary embodiment of the sensor arrangement 700 shown in FIG. 7, these means are part of a decoding device 704 set up in the same way as in the exemplary embodiment in FIG. 2.
  • the decoding coupled to the row lines 701 and the column lines 702 Device 704 is thus set up in such a way that it uses at least some of the total electrical current flows which can be supplied to decoder 704 via row lines 701 and column lines 702, those sensor elements of sensor fields 703 determined on which a sensor signal is present.
  • each row line 701 and each column line 702 has an amplifier device 705 for amplifying and optionally a sampling / holding device (not shown) for precise storage of that in the respective row line 701 and column line 702, respectively flowing electrical total current flow.

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Abstract

Aus den erfassten Summen-Stromflüssen sind mehrere Summen-­Stromflüsse ermittelbar, die ein vorgegebenes erstes Auswahlkriterium erfüllen. Aus den ermittelten Summen-­Stromflüssen ist mindestens ein Summen-Stromflüss als einen ein Sensor-Signal repräsentierenden Summen-Stromflüss auswählbar, welcher ein vorgegebenes zweites Auswahlkriterium erfüllt. Aus dem ausgewählten Summen-Stromflüss wird das Sensor-Element ermittelt, an dem ein Sensor-Signal anliegt.

Description

Beschreibung
Sensor-Anordnung
Die Erfindung betrifft eine Sensor-Anordnung.
Aktuelle Entwicklungen in vielen Gebieten der Wissenschaft und Technik sind dadurch gekennzeichnet, dass ehemals voneinander unabhängige Bereiche zunehmend zusammengeführt werden. Ein Beispiel für einen interdisziplinären Bereich ist die Schnittstelle zwischen der Biologie und der Halbleitertechnik. Gegenstand aktueller Forschung ist beispielsweise die wirtschaftlich sehr interessante Kopplung zwischen biologischen Zellverbänden (wie beispielsweise Neuronen) und der Silizium-Mikroelektronik.
Gemäß einem Konzept wird ein biologisches System auf der Oberfläche eines halbleitertechnologischen Sensors aufgewachsen und dieses mittels auf der Oberfläche des Sensors matrixförmig angeordneter Sensor-Elektroden orts- bzw. zeitaufgelöst untersucht. Gemäß diesem Konzept können die Stoffwechselparameter der Zellen beispielsweise mittels Erfassens lokaler pH-Werte mit Hilfe von Ionensensitiven Feldeffekttransistoren (ISFETs) aufgenommen werden. Ein ISFET ist von seinem Grundprinzip her ähnlich wie ein Metall-
Isolator-Halbleiter-Feldeffektransistor (MISFET) aufgebaut. Er unterscheidet sich von einem herkömmlichen MISFET, insbesondere auch von einem herkömmlichen M0SFET, dadurch, dass die Leitfähigkeit des Kanalbereichs nicht mittels einer Metallelektrode, sondern mittels einer eine ionensensitive Schicht, einen Elektrolyten und eine Referenzelektrode aufweisenden Anordnung gesteuert wird. Mit anderen Worten steuern elektrisch geladene biologische Moleküle die Leitfähigkeit des ISFET, was als Sensorgröße erfasst wird.
Von besonderem Interesse ist das Untersuchen der Reaktion eines biologischen Systems auf eine elektrische Stimulation. Neuronen (Nervenzellen) können über Ionenkanäle in den Zellmembranen in bestimmten Bereichen ihrer Oberfläche einen kleinen Ionenstrom erzeugen, der von einem darunterliegenden Sensor detektiert wird. Solche Impulse dauern typischerweise wenige Millisekunden, und die sich im Spalt zwischen der
Nervenzelle und der Sensor-Elektrode ausbildende elektrische Spannung liegt häufig unterhalb von 1mV. Um eine ausreichende Ortsauflösung zu erreichen, sollte der Abstand benachbarter Sensor-Elektroden zueinander in horizontaler bzw. vertikaler Richtung auf einer häufig matrixförmig angeordneten
Sensoroberfläche, vorzugsweise weniger als 20μm sein, so dass die Oberfläche eines Sensors und die Querschnittsfläche einer Zelle ungefähr in der gleichen Größenordnung liegen. Diese Anforderungen sind mit der Silizium-Mikrotechnologie erreichbar.
Bei Sensor-Anordnungen mit einer ausreichend geringen Anzahl von Sensor-Feldern wird gemäß dem Stand der Technik das Ausgangssignal jedes Sensor-Feldes mit einer eigenen Leitung aus der Matrix herausgeführt und weiterverarbeitet. Bei einer größeren Anzahl von Sensor-Feldern oder kleiner werdenden Abständen benachbarter Sensor-Felder voneinander stößt dieses Prinzip wegen des hohen Platzbedarfs der hohen Anzahl von Leitungen an seine Grenzen.
Bezugnehmend auf Fig.lA, Fig.lB wird im Weiteren ein aus dem Stand der Technik bekanntes Konzept beschrieben, mit dem es möglich ist, größere bzw. zunehmend dichte Anordnungen von Sensor-Elektroden auszulesen. In Fig.lA ist eine Sensor- Anordnung 100 mit einer Vielzahl von matrixförmig angeordneten Sensor-Elektroden 101 gezeigt. Die Sensor- Elektroden 101 sind (zumindest teilweise) mittels Zeilen- Leitungen 102 und Spalten-Leitungen 103 miteinander gekoppelt. In Randbereichen der Zeilen-Leitungen 102 ist jeweils eine elektrische Verstärker-Einrichtung 104 angeordnet. Wie ferner in Fig.lA gezeigt, ist die matrixförmige Sensor-Anordnung 100 in einen ersten Matrix- Bereich 105 und in einen zweiten Matrix-Bereich 106 aufgeteilt, die voneinander unabhängig betreibbar sind. Ähnlich wie bei dem Betrieb einer Speicher-Anordnung wird das Ausgangssignal einer bestimmten Sensor-Elektrode 101 über Schalter-Elemente 111 (vgl. Fig.lB) innerhalb der Sensor- Anordnung 100 auf eine gemeinsame Ausgangsleitung einer Zeile bzw. Spalte geschaltet.
Die Grenzen der Leistungsfähigkeit des Systems ist gemäß dem in Fig.lA, Fig.lB gezeigten Konzept die auszulesende und zu verarbeitende Datenmenge. Soll eine Sensor-Anordnung mit einer ausreichend hohen Ortsauflösung (d.h. ausreichend vielen dicht angeordneten Sensor-Elektroden) und mit einer ausreichend hohen Zeitauflösung (d.h. einer ausreichend hohen Auslesefreguenz) sowie mit einer ausreichend hohen Genauigkeit betrieben werden, so steigt die pro Zeit auszulesende Datenmenge auf Werte an, die derzeit nicht erreichbare Anforderungen an das technologisch zur Verfügung stehende Equipment stellen können. Die Signale an den Zeilen- Leitungen 102 und den Spalten-Leitungen 103 können wegen der immer noch sehr hohen Anzahl von Leitungen nicht parallel aus der Sensor-Anordnung 100 herausgeführt werden. Die Anforderungen an die hohe Datenmenge der n-m auszulesenden Sensor-Elektroden im Falle einer Matrix mit m Zeilen und n Spalten kann die Leistungsfähigkeit bekannter Technologien übersteigen.
In Fig.lB ist eine Sensor-Elektrode 101 im Detail dargestellt. Die Sensor-Elektrode 101 ist mit einer der Zeilen-Leitungen 102 und mit einer der Spalten-Leitungen 103 gekoppelt. Ist ein Schalter-Element 111 geschlossen, so ist die zugeordnete Sensor-Elektrode 101 ausgewählt und kann ausgelesen werden. Das von der Sensor-Fläche 112 in Form eines elektrischen Signals detektierte Sensor-Ereignis wird mittels eines Verstärker-Elements 110 verstärkt, bevor es über die Zeilen-Leitung 102 an den Rand der in Fig.lA dargestellten Sensor-Anordnung 100 übermittelt wird. Zusammenfassend weisen aus dem Stand der Technik bekannte Sensor-Anordnungen zum ortsaufgelösten und zeitaufgelösten Erfassen analoger elektrischer Signale insbesondere den Nachteil auf, dass die n-m Sensor-Elektroden einzeln ausgelesen werden müssen und an einen signalverarbeitenden Schaltungsteil weitergeleitet werden müssen. Dadurch treten bei einer hohen Anzahl n-m von Sensor-Elektroden (m Zeilen, n Spalten) große, schnell zu verarbeitende Datenmengen auf, die mit ausreichender Genauigkeit verstärkt aus der Matrix herausgeleitet werden müssen. Dies übersteigt bei den Anforderungen an die Orts- und Zeitauflösung eines derartigen Systems die Leistungsgrenze bekannter Konzepte.
Aus [1] ist eine Sensoranordnung mit elektrisch ansteuerbaren Arrays offenbart. In [1] wird eine elektrische Sensoranordnung mit mehreren Sensorpositionen offenbart, bestehend aus mindestens zwei Mikroelektroden. Molekulare Substanzen können elektrochemisch detektiert werden, und geladene Moleküle können mit der Anordnung transportiert werden .
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Sensor- Anordnung mit einer verbesserten Orts- und Zeitauflösung zu schaffen. Es sollen dabei insbesondere so genannte Sensor- Ereignisse ermittelt werden, bei denen ortsgebunden und in beschränkten Zeitintervallen der Stro fluss auf einem Sensor- Element Amplituden- bzw. Energie-Schwellwerte überschreitet bzw. eine charakteristische Form aufweist.
Das Problem wird durch eine Sensor-Anordnung mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst.
Die erfindungsgemäße Sensor-Anordnung weist eine Mehrzahl von in einer ersten Richtung angeordneten Zeilen-Leitungen, eine Mehrzahl von in mindestens einer zweiten Richtung angeordneten Spalten-Leitungen und eine Mehrzahl von in Kreuzungsbereichen von Zeilen-Leitungen und Spalten-Leitungen angeordneten Sensor-Feldern auf. Jedes Sensor-Feld weist mindestens eine Kopplungs-Einrichtung zum elektrischen Koppeln von jeweils einer Zeilen-Leitung mit jeweils einer Spalten-Leitung und ein Sensor-Element auf, das der mindestens einen Kopplungs-Einrichtung zugeordnet ist, wobei das Sensor-Element derart eingerichtet ist, dass das Sensor- Element den elektrischen Stromfluss durch die mindestens eine zugeordnete Kopplungs-Einrichtung beeinflusst. Ferner weist die Sensor-Anordnung der Erfindung ein an einen jeweiligen
End-Abschnitt von mindestens einem Teil der Zeilen-Leitungen und von mindestens einem Teil der Spalten-Leitungen elektrisch gekoppeltes Mittel zum Erfassen eines jeweiligen Summen-Stromflusses aus den von den Sensor-Feldern der jeweiligen Leitung bereitgestellten elektrischen Einzel- Stromflüssen auf. Darüber hinaus weist die Sensor-Anordnung eine mit den Zeilen-Leitungen und den Spalten-Leitungen gekoppelte Dekodier-Einrichtung auf, die derart eingerichtet ist, dass aus mindestens einem Teil der elektrischen Summen- Stromflüsse, welche der Dekodier-Einrichtung über die Zeilen- Leitungen und die Spalten-Leitungen zuführbar sind, diejenigen Sensor-Elemente ermittelbar sind, an denen ein Sensor-Signal anliegt. Die Dekodier-Einrichtung ist derart eingerichtet, dass aus den erfassten Summen-Stromflüssen mehrere Summen-Stromflüsse ermittelbar sind, die ein vorgegebenes erstes Auswahlkriterium erfüllen, dass aus den ermittelten Summen-Stromflüssen mindestens ein Summen- Stromfluss als ein ein Sensor-Signal repräsentierender Summen-Stromfluss auswählbar ist, welcher ein vorgegebenes zweites Auswahlkriterium erfüllt und dass aus dem ausgewählten Summen-Stromfluss das Sensor-Element ermittelbar ist, an dem ein Sensor-Signal anliegt.
Anschaulich werden erfindungsgemäß in einem zweistufigen Verfahren aus den erfassten Summen-Stromflüssen diejenigen ermittelt, die einem ersten Auswahlkriterium genügen. Als erstes Auswahlkriterium kann eines der folgenden Auswahlkriterien verwendet werden:
• die Amplitude des Summen-Stromflusses ist für eine vorgegebene Zeitdauer größer als ein erster Amplituden- Schwellenwert,
• die Energie des Summen-Stromflusses ist für eine vorgegebene Zeitdauer größer als ein Energie- Schwellenwert,
• die Korrelation eines Summen-Stromflusses zu einem oder mehreren anderen Summen-Stromflüssen ist für eine vorgegebene Zeitdauer größer als ein Korrelations- Schwellenwert .
Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass in einer ersten Stufe des Verfahrens eine Obermenge (Menge der ermittelten Summen- Stromflüsse) von Summen-Stromflüssen gebildet wird, welche die Ausgangsbasis für die zweite Stufe des Verfahrens bildet. Anschaulich findet in der ersten Stufe somit eine Vorauswahl von Summen-Stromflüssen statt, wobei die Obermenge die Summen-Stromflüsse enthält, die mit einer dem jeweiligen ersten Auswahlkriterium entsprechenden Wahrscheinlichkeit ein Sensor-Ereignis repräsentiert.
In der zweiten Verfahrensstufe wird für einen oder mehrere Summen-Stromflüsse der Obermenge überprüft, ob das oder die Summen-Stromflüsse der Obermenge einem zweiten Auswahlkriterium genügen. Das zweite Auswahlkriterium ist beispielsweise ein zweiter Amplituden-Schwellenwert. Anders ausgedrückt wird in dem zweiten Verfahrensschritt überprüft, ob die Amplitude des jeweiligen Summen-Stromflusses für eine vorgegebene Zeitdauer größer als der zweite Amplituden- Schwellenwert. Ist das zweite Auswahlkriterium erfüllt, dann wird/werden der/die Summen-Stromfluss/Summen-Stromflüsse ausgewählt. Aus dem/den ausgewählten Summen- Stromfluss/Summen-Stromflüssen wird/werden das/die Sensor- Element/Sensor-Elemente ermittelt, an dem/denen ein Sensor- Signal anliegt. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Dekodier- Einrichtung derart eingerichtet, dass die ermittelten Summen- Stromflüsse in einer Reihenfolge nach fallender Wahrscheinlichkeit, dass der jeweilige Summen-Stromfluss ein Sensor-Signal repräsentiert, hinsichtlich des zweiten Auswahlkriteriums geprüft werden.
Anders ausgedrückt erfolgt eine Priorisierung der ermittelten Summen-Stromflüsse hinsichtlich der Bearbeitungsreihenfolge, d.h. hinsichtlich der Reihenfolge, in der sie gegenüber dem zweiten Auswahlkriterium geprüft werden. Die ermittelten Summen-Stromflüsse werden anschaulich in einer Reihenfolge sortiert und bearbeitet, dass zunächst der Summen-Stromfluss mit maximaler Wahrscheinlichkeit, dass er ein Sensor-Signal repräsentiert, überprüft wird und sukzessive die Summen- Stromflüsse mit jeweils geringerer Wahrscheinlichkeit.
Damit ist eine schnellere und somit kostengünstigere Ermittlung der Sensor-Signale ermöglicht.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Dekodier-Einrichtung derart eingerichtet, dass ein Sensor- Signalverlauf zu dem ausgewählten Summen-Stromfluss ermittelt wird. Diese Vorgehensweise entspricht einem Schätzen des
Sensor-Signalverlaufs aus dem ausgewählten Summen-Stromfluss.
Der ermittelte Sensor-Signalverlauf kann von den Signalverläufen der ermittelten Summen-Stromflüsse subtrahiert werden, womit aktualisierte Summen-Stromflüsse gebildet werden. Die Auswahl eines Summen-Stromflusses erfolgt dann unter Verwendung der aktualisierten Summen- Stromflüsse. Auf diese Weise ist es ermöglicht, dass schon ermittelte Information als Vorwissen in eine nachfolgende Iteration einfließt, so dass die Auswahl des nächsten Summen- Stromflusses ein genaueres und damit verlässlicheres Ergebnis liefert . Es sei betont, dass die Nomenklatur „Zeilen-Leitung" bzw. „Spalten-Leitung" keine orthogonale Matrix impliziert. Die in einer ersten Richtung verlaufenden Zeilen-Leitungen und die in mindestens einer zweiten Richtung verlaufenden Spalten- Leitungen können beliebige Winkel miteinander einschließen. Erfindungsgemäß können beliebig viele unterschiedliche Leitungen in beliebigen Winkeln über die Sensor-Anordnung gelegt werden und in Kreuzungsbereichen Kopplungs- Einrichtungen zwischengeschaltet werden, die einen bestimmten elektrischen Strom von einer Leitung in die andere Leitung „abzweigen". Eine der mindestens einen zweiten Richtung kann, muss aber nicht, orthogonal zu der ersten Richtung verlaufen. Die entlang der ersten Richtung angeordneten Zeilen-Leitungen sind insbesondere vorzugsweise zur Stromzuführung (aber auch zur Stromableitung) , und die entlang der mindestens einen zweiten Richtung angeordneten Spalten-Leitungen sind insbesondere zur Stromableitung vorgesehen.
Während in bekannten Realisierungen von Sensor-Anordnungen alle Sensor-Felder nacheinander ausgelesen werden und deshalb n-m Signale in einem Zyklus ermittelt werden, werden in der erfindungsgemäßen Realisierung lediglich n+m Signale ausgegeben bzw. digitalisiert. Somit können wesentlich erhöhte Abtastraten, d.h. eine wesentlich verbesserte Zeitauflösung der Sensor-Anordnung erreicht werden.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass eine echte Momentaufnahme der Potentialverhältnisse auf der aktiven Sensor-Oberfläche möglich ist. Während im konventionellen Fall die Matrixelemente nacheinander ausgelesen werden und somit zeitverschoben zueinander detektiert werden, kann im erfindungsgemäßen Fall die momentane Situation „festgehalten" und anschließend ausgewertet werden. Dies resultiert unter anderem aus der geringen Zahl auszulesender elektrischer Signale, die quasi instantan ausgelesen werden können. Die Erfindung zeichnet sich ferner dadurch aus, dass sie auf sehr schwachen Modellannahmen basiert und dass insbesondere kein spezielles Vorwissen über den Signalverlauf oder die SignalSkalierung eines Sensor-Signals erforderlich ist.
Auch der benötigte Rechenaufwand ist relativ gering.
Ferner eignet sich die Erfindung auch für den Einsatz in einer Sensor-Anordnung, in der mehrere der Sensoren gleichzeitig aktiv sind, sowie bei Existenz stärkerer Rauscheinflüsse .
Ferner weist die erfindungsgemäße Sensor-Anordnung den Vorteil auf, dass innerhalb der Sensor-Anordnung Schaltfunktionen zum Auswählen eines Sensor-Feldes entbehrlich sind. Dies ist gemäß dem Stand der Technik zum Auswählen eines bestimmten Sensor-Feldes erforderlich und hat eine hohe Störanfälligkeit aufgrund von kapazitiven Einkopplungen einer geschalteten Leitung auf andere Leitungen, beispielsweise Messleitungen, zur Folge. Dadurch ist erfindungsgemäß die Nachweisempfindlichkeit erhöht. Ebenfalls unterdrückt sind erfindungsgemäß unerwünschte Wechselwirkungen eines Sensor-Feldes mit dem darauf angeordneten Untersuchungsobjekt (beispielsweise einem Neuron) infolge galvanischer, induktiver oder kapazitiver Einkopplungen .
Die Dekodier-Einrichtung der erfindungsgemäßen Sensor- Anordnung kann in eine Zeilendekodier-Einrichtung, der die elektrischen Summen-Stromflüsse der Zeilen-Leitungen zuführbar sind, und in eine Spaltendekodier-Einrichtung, der die elektrischen Summen-Stromflüsse der Spalten-Leitungen zuführbar sind, aufgeteilt sein. Die Zeilendekodier- Einrichtung ist derart eingerichtet, dass aus mindestens einem Teil der elektrischen Summen-Stromflüsse der Zeilen- Leitungen unabhängig von den Summen-Stromflüssen der Spalten- Leitungen Informationen über diejenigen Sensor-Elemente ermittelbar sind, an denen möglicherweise ein Sensor-Signal anliegt. Die Spaltendekodier-Einrichtung ist derart eingerichtet, dass aus mindestens einem Teil der elektrischen Summen-Stromflüsse der Spalten-Leitungen unabhängig von den Summen-Stromflüssen der Zeilen-Leitungen Informationen über diejenigen Sensor-Elemente ermittelbar sind, an denen möglicherweise ein Sensor-Signal anliegt. Ferner ist die Dekodier-Einrichtung derart eingerichtet, dass mittels gemeinsamen Auswertens der von der Zeilendekodier-Einrichtung und der Spaltendekodier-Einrichtung ermittelten Informationen diejenigen Sensor-Elemente ermittelbar sind, an denen ein Sensor-Signal anliegt.
Indem anschaulich die Summen-Stromflüsse der Zeilen-Leitungen und der Spalten-Leitungen zunächst voneinander unabhängig dekodiert werden, ist die Geschwindigkeit der Dekodierung erhöht und mit geringerem Ressourcenaufwand möglich. Auch ist es möglich, dass selbst die Summen-Stromflüsse unterschiedlicher Zeilen-Leitungen (oder unterschiedlicher Spalten-Leitungen) zunächst unabhängig von den Summen- Stromflüssen anderer Zeilen-Leitungen (oder anderer Spalten- Leitungen) ausgewertet und diese separaten Ergebnisse danach abgeglichen werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Sensor-Anordnung kann diese eine Spannungsquelle aufweisen, die derart mit zumindest einem Teil der Zeilen-Leitungen und der Spalten-Leitungen gekoppelt ist, dass zumindest einem Teil der Kopplungs-Einrichtungen eine vorgegebene Potentialdifferenz bereitgestellt ist.
Beispielsweise kann an zumindest einem Teil der Spalten- Leitungen ein erstes Referenzpotential (beispielsweise eine Versorgungsspannung Vςj ) angelegt werden und zumindest ein Teil der Zeilen-Leitungen auf ein zweites Referenzpotential (beispielsweise ein unteres Bezugpotential Vss wie das Massepotential) gelegt werden. Liegt an jeder der Kopplungs- Einrichtungen in Kreuzungsbereichen der Zeilen- bzw. Spalten- Leitungen, an welche die beschriebenen Referenzpotentiale angelegt sind, die gleiche elektrische Spannung, so fließt durch jede Kopplungs-Einrichtung der gleiche Ruhestrom. Ein Sensor-Ereignis moduliert die Spannung am Kopplungs-Element und somit den Stromfluss, der damit ein direktes Maß für die Sensor-Ereignisse an dem mit der jeweiligen Kopplungs- Einrichtung gekoppelten Sensor-Element darstellt.
Vorzugsweise ist mindestens eine Kopplungs-Einrichtung eine von dem zugehörigen Sensor-Element gesteuerte Stromquelle oder ein von dem zugehörigen Sensor-Element gesteuerter Widerstand.
Mit anderen Worten hängt der elektrische Stromfluss durch eine Kopplungs-Einrichtung bei einer Ausgestaltung der Kopplungs-Einrichtung als von dem zugehörigen Sensor-Element gesteuerte Stromquelle von dem Vorliegen bzw. Nichtvorliegen eines Sensor-Ereignisses an dem Sensor-Element ab. Auch kann der elektrische Widerstand der Kopplungs-Einrichtung in charakteristischer Weise davon abhängen, ob an dem zugeordneten Sensor-Element ein Sensor-Ereignis stattfindet oder nicht. Bei einem derart veränderbaren Widerstand ist der Stromfluss durch die Kopplungs-Einrichtung bei einer festen Spannung zwischen den zugeordneten Zeilen- und Spalten-
Leitungen ein direktes Maß für die an dem Sensor-Element erfolgten Sensor-Ereignisse. Indem die Kopplungs-Einrichtung als von dem zugehörigen Sensor-Element gesteuerte Stromquelle oder von dem zugehörigen Sensor-Element gesteuerter Widerstand ausgebildet ist, ist eine wenig aufwändige
Realisierung der Kopplungs-Einrichtungen ermöglicht.
Vorzugsweise weist mindestens eine Kopplungs-Einrichtung einen Detektions-Transistor mit einem mit einer der Zeilen- Leitungen gekoppelten ersten Source-/Drain-Anschluss, mit einem mit einer der Spalten-Leitung gekoppelten zweiten Source-/Drain-Anschluss und mit einem mit dem der Kopplungs- Einrichtung zugeordneten Sensor-Element gekoppelten Gate- Anschluss auf.
Anschaulich wird die Leitfähigkeit des Gate-Bereichs des Detektions-Transistors, vorzugsweise ein MOS-Transistor, dadurch beeinflusst, ob an dem zugeordneten Sensor-Element ein Sensor-Ereignis stattfindet oder nicht. Ist dies der Fall, d.h. werden beispielsweise von einem Neuron auf dem Sensor-Element über Ionenkanäle elektrisch geladene Partikel (beispielsweise Natrium- und Kaliumionen) in unmittelbare Nähe zum Sensor-Element gebracht, so verändern diese elektrisch geladenen Partikel indirekt die Ladungsmenge auf dem Gate-Anschluss des Detektions-Transistors, wodurch die elektrische Leitfähigkeit des Kanalbereichs zwischen den beiden Source- /Drain-Anschlüssen des Detektions-Transistors charakteristisch beeinflusst wird. Dadurch wird der Stromfluss durch die Kopplungs-Einrichtung charakteristisch beeinflusst, so dass die jeweilige Kopplungs-Einrichtung einen veränderten Beitrag zu dem Summen-Stromfluss der jeweiligen Zeilen- bzw. Spalten-Leitung liefert. Die
Ausgestaltung der Kopplungs-Einrichtung als Detektions- Transistor stellt eine wenig aufwändige und platzsparende Realisierung dar, welche eine kostengünstige Herstellung und eine hohe Integrationsdichte von Sensor-Feldern ermöglicht.
Durch die einfache schaltungstechnische Realisierung der Sensor-Felder der erfindungsgemäßen Sensor-Anordnung können die Zellen sehr klein realisiert werden, was eine hohe räumliche Auflösung des Sensors erlaubt.
Ferner kann mindestens eine Kopplungs-Einrichtung der erfindungsgemäßen Sensor-Anordnung eine Kalibrier-Einrichtung zum Kalibrieren der Kopplungs-Einrichtung aufweisen.
Bei den halbleitertechnologischen Bauelementen eines Sensor- Feldes handelt es sich in der Regel um integrierte Bauelemente, wie beispielsweise MOS-Transistoren. Da diese integrierten Bauelemente innerhalb eines Sensor-Feldes üblicherweise sehr klein ausgebildet werden, um eine große Ortsauflösung zu erreichen, tritt eine statistische Streuung ihrer elektrischen Parameter (beispielsweise Schwellenspannungen beim MOSFET) aufgrund von Schwankungen in der Prozessführung beim Herstellungsverfahren auf.
Die Abweichung der Schwellenspannungen und anderer Parameter kann beispielsweise kompensiert werden, indem eine Kalibrierung beispielsweise mit Hilfe einer Datentabelle vorgenommen wird. Hierfür wird an einzelne Sensor-Felder der matrixförmigen Sensor-Anordnung jeweils ein elektronisches Referenzsignal angelegt, und die gemessenen Stromstärken der entsprechenden Sensor-Elemente etwa in einer Tabelle abgelegt. Im Messbetrieb dient diese Tabelle, die als
Datenbank in die Dekodier-Einrichtung integriert werden kann, zur Umrechnung möglicherweise fehlerbehafteter Messwerte. Dies entspricht einer Kalibrierung.
Alternativ kann die Kalibrier-Einrichtung der erfindungsgemäßen Sensor-Anordnung einen Kalibrier-Transistor mit einem mit der Zeilen-Leitung gekoppelten ersten Source-/ Drain-Anschluss, mit einem mit dem Gate-Anschluss des Detektions-Transistors sowie mit einem mit dem zugeordneten Sensor-Element gekoppelten Kondensator gekoppelten zweiten Source-/Drain-Anschluss und mit einem mit einer weiteren Spalten-Leitung gekoppelten Gate-Anschluss aufweisen, wobei mittels der weiteren Spalten-Leitung an den Gate-Anschluss des Kalibrier-Transistors eine elektrische Kalibrier-Spannung anlegbar ist.
Gemäß der beschriebenen Verschaltung, bei der verglichen mit der oben beschriebenen einfachen Ausgestaltung der Kopplungs- Einrichtung als Detektions-Transistor ein weiterer Transistor, nämlich der Kalibrier-Transistor und ein
Kondensator erforderlich sind, kann die Abweichung eines Parameters, wie beispielsweise der SchwellenSpannung des Detektions-Transistors kompensiert werden, indem an die weitere Spalten-Leitung ein elektrisches Potential angelegt wird, infolgedessen der Kalibrier-Transistor leitet und ein Knoten zwischen dem Kondensator und dem Gate-Anschluss des Detektions-Transistors auf ein elektrisches
Kalibrierungspotential aufgeladen wird. Dieses Kalibrierungspotential ergibt sich aus einem in die Zeilen- Leitung eingeprägten elektrischen Strom, der durch den als Diode wirkenden Detektions-Transistor in die Spalten-Leitung abfließt. Wird der Kalibrier-Transistor wieder nichtleitend, weil die an die weitere Spalten-Leitung angelegte Spannung abgeschaltet wird, verbleibt auf dem Gate-Anschluss des Detektions-Transistors ein elektrisches Potential, das für jedes Sensor-Feld der Sensor-Anordnung eine Korrektur der Schwellenspannung des jeweiligen Detektions-Transistors zulässt. Daher ist die Fehlerrobustheit der erfindungsgemäßen Sensor-Anordnung bei Verwendung einer Kalibrier-Einrichtung mit einem Kalibrier-Transistor und einem Kondensator verbessert. Insbesondere kann mittels Einprägens eines Nullstromes eine beliebige Kopplungs-Einrichtung auch deaktiviert werden. Ist der Kalibrier-Transistor leitend und wird in die Zeilen-Leitung kein Strom (Nullstrom) eingeprägt, so wird das Potential am Gate-Anschluss des Detektions- Transistors soweit reduziert, dass der Detektions-Transistor nichtleitend wird und nach Abschalten des Kalibrier- Transistors entsprechend deaktiviert bleibt. Dies bedeutet, dass das zugehörige Sensor-Feld unabhängig vom Signal des angeschlossenen Sensor-Elements kein Signal zum Summensignal der Zeilen- und Spalten-Leitungen beiträgt. Insbesondere trägt dieses Sensor-Feld auch nicht zum Rauschsignal auf den betroffenen Zeilen- und Spalten-Leitungen bei, weshalb die spätere Analyse der Signale an den verbleibenden, noch aktiven Sensor-Feldern vereinfacht ist.
Ferner kann mindestens eine Kopplungs-Einrichtung der erfindungsgemäßen Sensor-Anordnung ein Verstärker-Element zum Verstärken des elektrischen Einzel-Stromflusses der Kopplungs-Einrichtung aufweisen. Insbesondere kann das Verstärker-Element einen Bipolar-Transistor mit einem mit der Zeilen-Leitung gekoppelten Kollektor-Anschluss, einem mit der Spalten-Leitung gekoppelten Emitter-Anschluss und einem mit dem zweiten Source-/Drain-Anschluss des Detektions-Transistor gekoppelten Basis-Anschluss aufweisen.
Indem ein Bipolar-Transistor als Verstärker-Element verwendet wird, dessen Ausbildung mit herkömmlichen halbleitertechnologischen Methoden wenig aufwändig und daher kostengünstig möglich ist, ist ein leistungsstarkes Verstärker-Element einer geringen Dimension auf dem Sensor- Feld bereitgestellt, mit dem eine hohe Verstärkung der oft kleinen Stromflüsse erreicht werden kann. Dadurch kann die Empfindlichkeit der Sensor-Anordnung erhöht werden.
Vorzugsweise hat zumindest ein Teil der Zeilen-Leitungen und der Spalten-Leitungen eine Verstärker-Einrichtung zum Verstärken des in der jeweiligen Zeilen-Leitung bzw. Spalten- Leitung fließenden elektrischen Summen-Stromflusses.
Zumindest ein Sensor-Element der Sensor-Anordnung kann ein Ionensensitiver Feldeffekttransistor (ISFET) sein.
Die Funktionalität eines ISFET ist oben beschrieben. Ein ISFET stellt ein Sensor-Element dar, das in einem standardisierten halbleitertechnologischen Verfahren mit geringem Aufwand herstellbar ist und das eine hohe Nachweisempfindlichkeit aufweist .
Auch kann zumindest ein Sensor-Element auf der Sensor- Anordnung ein auf elektromagnetische Strahlung empfindlicher Sensor sein.
Ein auf elektromagnetische Strahlung empfindlicher Sensor, beispielsweise eine Fotodiode oder ein anderes fotosensitives Element, ermöglicht den Betrieb der Sensor-Anordnung als optischen Sensor mit einer hohen Wiederholrate. Die erfindungsgemäße Sensor-Anordnung weist allgemein den Vorteil auf, dass an das Sensor-Element keine weiteren Anforderungen gestellt werden, außer dass ein Sensor-Ereignis ein elektrisches Signal hervorrufen soll.
Die Sensor-Felder der Sensor-Anordnung sind vorzugsweise im Wesentlichen rechteckförmig ausgebildet.
In diesem Fall sind die Sensor-Felder vorzugsweise matrixförmig angeordnet. Die Spalten- und Zeilen-Leitungen können orthogonal zueinander entlang der Kanten der rechteckigen Sensor-Felder ausgebildet werden. Mit anderen Worten können die Zeilen-Leitungen und die Spalten-Leitungen der erfindungsgemäßen Sensor-Anordnung miteinander einen im Wesentlichen rechten Winkel einschließen.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensor-Anordnung sind die Sensor-Felder im Wesentlichen wabenförmig ausgebildet. Als wabenförmig wird hier eine Ausgestaltung der Sensor-Felder bezeichnet, bei denen die Sensor-Felder sechseckig mit paarweise parallelen Seiten sind, weiter vorzugsweise mit 120° Winkeln an jeder Ecke des Sechsecks .
Im Falle einer wabenförmigen Ausgestaltung der Sensor-Felder können die Zeilen-Leitungen mit den Spalten-Leitungen einen Winkel von 60° einschließen, und unterschiedliche Spalten- Leitungen können zueinander entweder parallel sein oder miteinander einen Winkel von 60° einschließen.
Durch die Verwendung wabenförmiger Sensor-Felder wird eine besonders hohe Integrationsdichte von Sensor-Feldern erreicht, wodurch eine hohe räumliche Auflösung der Sensor- Anordnung erreicht ist. Vorzugsweise ist die Sensor-Anordnung in mindestens zwei voneinander unabhängig betreibbare Bereiche aufgeteilt, wobei die Sensor-Anordnung derart eingerichtet ist, dass vorgebbar ist, welche der mindestens zwei Bereiche in einem bestimmten Betriebszustand betrieben werden. Die Bereiche können hierbei räumlich direkt benachbart angeordnet sein (z.B. Hälften, Quadranten) oder ineinander verschachtelt sein, beispielsweise derart, dass bei einer orthogonalen Anordnung von Sensor-Feldern die Kopplungs-Einrichtungen beispielsweise schachbrettartig an das eine oder das andere System von Spalten- und Zeilen-Leitungen angeschlossen sind.
Die matrixförmige Sensor-Anordnung kann also in unterschiedliche Segmente aufgeteilt sein (beispielsweise in vier Quadranten) , um die Messgenauigkeit aufgrund verringerter Leitungskapazitäten zu erhöhen. Ist beispielsweise bekannt, dass in einem Bereich der Sensor- Anordnung Sensor-Ereignisse nicht auftreten können (beispielsweise weil in diesem Bereich keine Neuronen aufgewachsen sind) , so muss nur der Restbereich der Sensor- Anordnung untersucht werden, auf dem Sensor-Ereignisse stattfinden können. Die Versorgung des nicht verwendeten Bereichs mit VersorgungsSpannungen ist daher eingespart. Ferner sind Signale nur von demjenigen Bereich auszuwerten, in dem Sensor-Signale auftreten können. Auch kann es für bestimmte Anwendungen ausreichend sein, nur einen Teil- Bereich der Oberfläche der Sensor-Anordnung zu verwenden, der kleiner ist als die gesamte Oberfläche der Sensor-Anordnung. In diesem Fall kann der gewünschte Teil-Bereich zugeschaltet werden, was eine besonders schnelle und wenig aufwändige
Ermittlung der Sensor-Ereignisse der auf dem Teil-Bereich angeordneten Sensor-Feldern ermöglicht.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Weiteren näher erläutert.
Es zeigen: Figur 1A eine Sensor-Anordnung gemäß dem Stand der Technik,
Figur 1B eine Sensor-Elektrode der in Figur 1A gezeigten Sensor-Anordnung gemäß dem Stand der Technik,
Figur 2 eine Sensor-Anordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 3 eine Sensor-Anordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 4A ein Sensor-Feld einer Sensor-Anordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 4B ein Sensor-Feld einer Sensor-Anordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 5A ein Sensor-Feld einer Sensor-Anordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 5B ein Sensor-Feld einer Sensor-Anordnung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 5C ein Sensor-Feld einer Sensor-Anordnung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 5D ein Sensor-Feld einer Sensor-Anordnung gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 6 eine schematische Ansicht einer teilweise mit
Neuronen bedeckten erfindungsgemäßen Sensor-Anordnung gemäß dem in Figur 3 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sensor- Anordnung, Figur 7 eine Sensor-Anordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 8 ein Ablaufdiagramm, in dem die einzelnen Verfahrensschritte zum Bestimmen von Sensor-Signalen dargestellt sind.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf Fig.2 eine Sensor-Anordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Die in Fig.2 gezeigte Sensor-Anordnung 200 weist drei in horizontaler Richtung angeordnete Zeilen-Leitungen 201a, 201b, 201c, drei in vertikaler Richtung angeordnete Spalten- Leitungen 202a, 202b, 202c und neun in den Kreuzungsbereichen der drei Zeilen-Leitungen 201a, 201b, 201c und Spalten- Leitungen 202a, 202b, 202c angeordnete Sensor-Feldern 203 mit einer Kopplungs-Einrichtung 204 zum elektrischen Koppeln von jeweils einer Zeilen-Leitung 201a, 201b oder 201c mit jeweils einer Spalten-Leitung 202a, 202b oder 202c und mit einem Sensor-Element 205, das der Kopplungs-Einrichtung 204 zugeordnet ist, wobei das Sensor-Element 205 derart eingerichtet ist, dass das Sensor-Element 205 den elektrischen Stromfluss durch die zugeordnete Kopplungs- Einrichtung 204 beeinflusst. Ferner weist die Sensor- Anordnung 200 ein an einem jeweiligen End-Abschnitt der Zeilen-Leitungen 201a, 201b, 201c und der Spalten-Leitungen 202a, 202b, 202c elektrisch gekoppeltes Mittel 206 zum Erfassen eines jeweiligen Summen-Stromflusses aus den von den Sensor-Feldern 203 der jeweiligen Zeilen- beziehungsweise Spalten-Leitungen bereitgestellten elektrischen Einzel- Stromflüssen. Die Sensor-Anordnung 200 hat ferner eine mit den Zeilen-Leitungen 201a, 201b, 201c und den Spalten- Leitungen 202a, 202b, 202c gekoppelte Dekodier-Einrichtung 207, die derart eingerichtet ist, dass aus den elektrischen
Summen-Stromflüssen, welche der Dekodier-Einrichtung 207 über die Zeilen-Leitungen 201a, 201b, 201c und die Spalten- Leitungen 202a, 202b, 202c zuführbar sind, die aktivierten Sensor-Elemente 203a ermittelbar sind, an denen ein Sensor- Signal anliegt.
In Fig.2 sind die beiden in den Kreuzungsbereichen der zweiten Zeile 201b und der zweiten und dritten Spalten 202b, 202c befindlichen aktivierten Sensor-Felder 203a optisch hervorgehoben.
Diese Sensor-Felder 203a sind solche, bei denen an dem
Sensor-Element 205 ein Sensor-Ereignis erfolgt, infolgedessen das Sensor-Element 205 den Stromfluss durch die Kopplungs- Einrichtung 204 charakteristisch beeinflusst. Eine in Fig.2 nicht gezeigte Spannungsquelle stellt zwischen jeder der Zeilen-Leitungen 201a, 201b, 201c und jeder der Spalten- Leitungen 202a, 202b, 202c eine vorgegebene Potentialdifferenz bereit. Bei dieser festen Potentialdifferenz wird der Stromfluss durch die Kopplungs- Einrichtungen 204 der Sensor-Felder 203 durch die Sensor- Ereignisse an den zugeordneten Sensor-Elementen 205 charakteristisch beeinflusst. Anschaulich ist besonders an der zweiten Zeilen-Leitung 201b ein stark veränderter Stromfluss detektierbar, da zwei von drei Sensor-Feldern 203, mit denen die Zeilen-Leitung 201b gekoppelt ist, infolge eines Sensor-Ereignisses einen veränderten elektrischen
Stromfluss aufweisen. Auch die zweite und dritte Spalten- Leitung 202b, 202c weisen einen (allerdings weniger stark) veränderten Stromfluss auf, da jeweils eines von drei mit diesen Spalten-Leitungen 202b, 202c gekoppelten Sensor- Feldern 203 einen veränderten Stromfluss aufweist. Die
Summen-Stromflüsse entlang der Zeilen-Leitungen 201a bis 201c und der Spalten-Leitungen 202a bis 202c werden, wie schematisch in Fig.2 gezeigt, dem Mittel 206 zum Erfassen von Summen-Stromflüssen bereitgestellt, welches wiederum die erfassten Summen-Stromschlüsse der Dekodier-Einrichtung 207 bereitstellt. Es ist anschaulich verständlich, dass bei einer Untersuchung der Korrelation der Summenströme jeweils einer Zeilen-Leitung mit jeweils einer Spalten-Leitung ermittelbar ist, welche Sensor-Felder 203a aktiviert sind.
Im Folgenden wird anhand des Ablaufdiagra ms 800 in Fig.8 beschrieben, wie ermittelt wird, ob und an welchem Sensor- Element ein Sensor-Ereignis aufgetreten ist. Die Dekodier- Einrichtung 207 ist derart eingerichtet, dass die beschriebenen Verfahrensschritte von der Dekodier-Einrichtung 207 durchgeführt werden.
Fig.8 zeigt in einem ersten Block 801 symbolisch, dass die Summen-Stromflüsse von dem Mittel 206 zum Erfassen von Summen-Stromflüssen eingelesen werden.
Unter Verwendung der eingelesenen Summen-Stromflüsse erfolgt in einer ersten Verfahrensstufe (Block 802) ein Bilden einer Menge möglicher Sensor-Ereignisse, anders ausgedrückt das Ermitteln von Summen-Stromflüssen, die einem im Folgenden näher erläuterten ersten Auswahlkriterium genügen.
Für zumindest einen Teil der Summen-Stromflüsse der Menge möglicher Sensor-Ereignisse erfolgt in einer zweiten Verfahrensstufe (Block 803) das endgültige Auswählen derjenigen Summen-Stromflüsse, von denen angenommen wird, dass sie jeweils ein Sensor-Ereignis und damit ein Sensor- Signal repräsentieren.
Die ausgewählten Summen-Stromflüsse und/oder aus den Summen- Stromflüssen ermittelte geschätzte Sensor-Signalverläufe werden in einer elektronischen Datei in einer Liste gespeichert (Block 804) und bei Bedarf einem Benutzer ausgegeben .
Für die folgende Erläuterung der einzelnen Verfahrensschritte wird folgende Notation verwendet. Es sei n e N die Anzahl der Spalten, m e Z die Anzahl der Spalten in der Sensor-Anordnung. Für 1 < i < n und 1 < j ≤ m definiere
zij : NQ → 9t (1)
die Signalwerte auf der Sensorzelle (i, j) ,
Ci : N0 → 9t (2)
die Summensignal (Summen-Stromflüsse) der i-ten Spalte und
rj : N0 → 9t (3)
die Summensignale der j-ten Zeile.
Das Analyseintervall sei gegeben durch \tstart' ••• ' tendl c N0 Das Verfahren liefert als Ergebnis eine Menge detektierter Sensor-Ereignisse
c tart' ••• ' tend-fX x {l* ••• < n} x {l, ... , m}. (4)
Ein detektiertes Sensor-Ereignis (entspricht einem ausgewählten Summen-Stromfluss als Ergebnis der zweiten Verfahrensstufe) d = (ta, va, i, j) e D ist dabei gegeben durch seinen Anke Zeitpunkt ta, seinen Ankerwert va und die Sensorzelle (i, j), auf der das Sensor-Ereignis stattfindet.
Im Folgenden werden einige alternative Möglichkeiten erläutert zum Ermitteln einer Obermenge von Sensor- Ereignissen (Block 802) aus den bereitgestellten erfassten Summen-Stromflüssen .
Zunächst wird eine Schwellwertanalyse durchgeführt, anders ausgedrückt wird als erstes Auswahlkriterium überprüft, ob die Amplitude eines jeweiligen Summen-Stromflusses für eine vorgegebene Zeitdauer größer ist als ein vorgegebener Amplituden-Schwellenwert .
Bei der Schwellwertanalyse werden somit zwei Parameter vorgegeben :
• der Amplituden-Schwellwert vmj_n e 9t und
• die Mindestzeitdauer tmj_n 6 N .
Ein Sensor-Ereignis d = (ta, va, i, j) e D wird auf einer Sensorzelle (i, j) als möglich detektiert, wenn in einem
Zeitintervall einer Länge größer oder gleich der Mindestzeitdauer tmj_n die betreffenden Spalten- und
Zeilensummen, d.h. die Summen-Stromflüsse in den betreffenden Spalten und Zeilen, alle den Amplituden-Schwellwert vm-j_n betragsmäßig übersteigen. Zu jedem festen Schritt müssen dabei die Richtungen der Überschreitung identisch sein, d.h. entweder sind Zeilen- und Spaltensumme beide größer oder gleich dem Amplituden-Schwellwert vmj_n oder beide kleiner oder gleich dem negierten Amplituden-Schwellwert - vm-j_n .
Als Ankerzeitpunkt ta wird der Zeitpunkt detektiert, zu dem das betragsmäßige Minimum aus entsprechender Zeilen- und Spaltensumme am größten ist, als Ankerwert va der entsprechende, zugehöige Wert.
Dies entspricht einer Vorgehensweise gemäß folgender Vorschrift:
V1D : tart'-' fcend} → * > (5)
min(ci (t), r-j (t)) falls Ci (t) > 0 und r-j (t) > 0, t i→ max(ci (t), rj (t)) falls C (t) < 0 und r-j (t) < 0, ( 6 )
0 sonst.
Ist D c {tstart' • • • ' fcend} χ ^ x 0- ■ ■ ■ • n} χ "&-' • •• ' ml ^as Ergebnis der Analyse , so gilt :
Figure imgf000026_0001
genau dann, wenn es tQ, t]_ € {tstart' ••• ' tendJ mi t]_ - tQ ≥ tmin und ta 6 {tQ, ... , t^} gibt mit
Figure imgf000026_0002
(ü) 3 (ti ≥ vmin für alle te {t0, ... , t]_}, (9)
(iii: : (ti + 11 < vmm ' (10;
(iv) vi (ta) = a und (11)
Figure imgf000026_0003
Bei einer alternativen Vorgehensweise, bei der als erstes Auswahlkriterium geprüft wird, ob die Energie des Summen- Stromflusses für eine vorgegebene Zeitdauer größer ist als ein Energie-Schwellenwert, wird eine Energleanalyse der
Summen-Stromflüsse durchgeführt.
Bei der Energieanalyse werden folgende drei Parameter vorgegeben : • eine minimale mittlere Leistung p in e 9t ,
• die Dauer des Betrachtungsintervalls Δt e N und
• ein Mindestabstand zwischen zwei Sensor-Ereignissen tdist e N-
Ein Sensor-Ereignis d = (ta, va, i, j) wird auf einer
Sensorzelle (i, j) als möglich detektiert, wenn über ein Zeitintervall der Länge Δt die mittlere Leistung vom betragsmäßigen Minimum aus entsprechenden Zeilen- und Spaltensummen nicht unter die minimale mittlere Leistung Pmin fällt. AnkerZeitpunkt ta und Ankerwert va ergeben sich in gleicher Weise wie bei der Schwellwertanalyse. Zwei Sensor-Ereignisse werden als identisch betrachtet, wenn die AnkerZeitpunkte ta voneinander einen Abstand aufweisen, der kleiner ist als der Mindestabstand zwischen zwei Sensor- Ereignissen tζJig •
In der folgenden Beschreibung der Energieanalyse sind v und D gleich der Schwellwertanalyse.
Es wird für tg = s art bis tencj folgendermaßen vorgegangen:
Betrachte alle
d = (ta, va, i, j) e {tstart, ... , tend}x 9t x {l, ... , n}x {l, ... , m}
mit
(i) ta e {t0, ... , t0 + Δt - l}, (13)
Figure imgf000027_0001
Sei d = (ta, va, i, j) das zuletzt auf der Sensorzelle (i, j) detektierte Sensor-Ereignis.
Gilt ta - ta < tζjigt- und
(a) va > va : verwerfe d,
(b) va ≤ va : entferne d aus D und füge d zu D hinzu. Gilt ta - ta > t^ist , dann füge d zu D hinzu.
Bei einer anderen alternativen Vorgehensweise, bei der als erstes Auswahlkriterium geprüft wird, ob die Korrelation eines Summen-Stromflusses zu einem oder mehreren anderen Summen-Stromflüssen für eine vorgegebene Zeitdauer größer ist als ein Korrelations-Schwellenwert, wird anschaulich eine Korrelationsanalyse durchgeführt .
Alternativ kann es bei jeder der oben beschriebenen unterschiedlichen Alternativen vorgesehen sein, die Summen- Stromflüsse, d.h. die Zeilen- und Spaltensummen zu filtern und die jeweilige Analyse auf die gefilterten Zeilen- und Spaltensummen auszuführen. Bei der Wahl der Filterung wird vorzugsweise Vorwissen über Rauscheinflüsse und/oder Signalverläufe der Einzel-Sensor-Ereignisse eingebracht.
Es ist in diesem Zusammenhang anzumerken, dass bei allen beschriebenen ersten Auswahlkriterien sowohl die Zeitdauer als auch der jeweilige Schwellenwert von der tatsächlichen Anwendung abhängt und anwendungsspezifisch einzustellen ist.
Ergebnis der ersten Verfahrensstufe ist eine Menge von ermittelten Summen-Stromflüssen, die möglicherweise ein Sensor-Ereignis und ein damit verbundenes Sensor-Signal repräsentieren. Die Menge der ermittelten Summen-Stromflüsse wird in einem Speicher (nicht dargestellt) zwischengespeichert .
Anschließend werden in der zweiten Verfahrensstufe (Block 803) diejenigen Summen-Stromflüsse aus den ermittelten Summen-Stromflüssen ausgewählt, die einem zweiten Auswahlkriterium genügen.
Im Rahmen der zweiten Verfahrensstufe erfolgt eine Auswahl mit Ereignis-Priorisierung der Summen-Stromflüsse. Es werden in diesem Teil-Verfahren folgende Parameter vorgegeben:
• ein Mindestankerwert va min , • eine Ereignis-Vorlaufzeit (die Zeitschritte zwischen Ereignisanfang und dem Ankerzeitpunkt ta) tpre,
• eine Ereignis-Nachlaufzeit (die Zeitschritte zwischen AnkerZeitpunkt ta und dem Ereignisende) tpOS /
• eine maximale Priorisierung tpri0, • eine maximale priorisierte Distanz δpri0,
In der zweiten Verfahrensstufe werden die zwischengespeicherten Summen-Stromflüsse vorzugsweise nach fortschreitenden (wachsenden) Ankerzeitpunkt ta geordnet und es werden die Summen-Stromflüsse ausgewählt, die dem im Weiteren näher erläuterten zweiten Ähnlichkeitskriterium genügen, die anderen Summen-Stromflüsse werden verworfen.
Die geordnete Liste der ermittelten und zwischengespeicherten Summen-Stromflüsse wird sukzessive Summen-Stromfluss für Summen-Stromfluss abgearbeitet.
Ein Summen-Stromfluss wird ausgewählt und damit als ein Sensor-Ereignis d = (ta, va, i, j) repräsentierend klassifiziert, falls der Ankerwert va größer oder gleich dem Mindestankerwert va/inj_n ist. Ist dies nicht der Fall, wird der aktuell bearbeitete und überprüfte Summen-Stromfluss verworfen und aus der Liste möglicher Sensor-Ereignisse gelöscht.
Ist ein Summen-Stromfluss als ein Sensor-Ereignis d = (ta, va, i, j) repräsentierend ausgewählt, so wird eine
Schätzung des Sensor-Signalverlauf des Sensor-Ereignisses in dem Zeitintervall |ta - tpre, ... , ta + tpOSt] berechnet. Der berechnete geschätzte Sensor-Signalverlauf des Sensor- Ereignisses wird von den in der geordneten Liste zwischengespeicherten Summen-Stromflüssen subtrahiert. Die Subtraktion bewirkt somit auch eine Veränderung der Summen- Stromflüsse und damit auch der jeweiligen AnkerZeitpunkte ta und Ankerwerte va, sowie möglicherweise eine Verschiebung der Summen-Stromflüsse in der Liste.
Bestehen zeitliche und räumliche Überlagerungen zwischen den zwischengespeicherten Summen-Stromflüssen und dem ausgewählten Summen-Stromfluss, so werden die jeweiligen Summen-Stromflüsse entsprechend aktualisiert und gegebenenfalls in der Liste umsortiert.
Diese Aktualisierung erfolgt gemäß diesem Ausführungsbeispiel nach jeder Auswahl eines Summen-Stromflusses, d.h. nach jeder Iteration. Alternativ kann die Aktualisierung aber auch erst nach einer vorgegebenen Anzahl von Iterationen erfolgen.
Erfolgt die Aktualisierung nach jeder Iteration, so treten Überlagerungen mit einem oder mehreren bereits ausgewählten Summen-Stromflüssen bei nachfolgenden Überprüfungen und einer möglichen Auswahl oder einem möglichen Verwerfen eines Summen-Stromflusses nicht auf. Schattenbilder können auf diese Weise, falls ein Summen-Stromfluss ausgewählt worden ist, eliminiert werden.
Um Entscheidungen zu Gunsten der wahrscheinlichsten Summen- Stromflüsse zu treffen, d.h. um die Summen-Stromflüsse auszuwählen, die mit der größten Wahrscheinlichkeit tatsächlich ein Sensor-Ereignis repräsentieren, kann in einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung von der strikten zeitlichen Anordnung der Summen-Stromflüsse abgewichen werden .
Summen-Stromflüsse, die eine große Übereinstimmung aufzeigen (d.h. bei denen die Distanz kleiner ist als δpr 0) , werden in der Liste um maximal tpri0 Zeitschritte priorisiert. Auf diese Weise können Summen-Stromflüsse, die mit einer größeren Wahrscheinlichkeit ein reales Sensor-Ereignis repräsentieren, überprüft und ausgewählt werden, bevor Summen-Stromflüsse überprüft werden, die mit einer geringeren Wahrscheinlichkeit ein reales Sensor-Ereignis repräsentieren.
Die Distanz δ wird gemäß folgender Vorgehensweise ermittelt:
Sei d = (ta, va, i, j) ein in der ersten Verfahrensstufe ermittelter Summen-Stromfluss (und in der zweiten Verfahrensstufe gegebenenfalls schon aktualiserter Summen- Stromfluss) . Dann ist die Distanz δ der zu d beitragenden Zeilen- und Spaltensummen gegeben durch:
ta +tpost δ := (t)-|Ci(t)-rj(t]| (17) -ta tpre
mit der Gewichtungsfunktion
w itΛ - -pre' ta + tpostj → * ( 18 )
Figure imgf000031_0001
(19)
Die Priorisierung erfolgt gemäß folgender Vorgehensweise:
Sei d = (ta, va, i, j) ein in der ersten Verfahrensstufe ermittelter Summen-Stromfluss (und in der zweiten Verfahrensstufe gegebenenfalls schon aktualiserter Summen- Stromfluss) und δ die Distanz der zu d beitragenden Zeilen- und Spaltensummen. Dann ergibt sich seine Priorisierung gemäß folgender Vorschrift:
-prio falls δ < δprj_0,
P := 'pπo (20)
0 sonst.
Der Sensor-Ereignis-Signalverlauf wird gemäß folgender Vorgehensweise berechnet:
Sei v1-1 der Signalwertverlauf des betrachteten Summen- Stromflusses (wie in [5] und [6] beschrieben). Sei d = (ta, va, i, j) ein in der ersten Verfahrensstufe ermittelter und in der zweiten Verfahrensstufe ausgewählter Summen- Stromfluss. Der geschätzte Signalverlauf u von d ergibt sich gemäß
u ttΛ - -pre a + post j→ 9t (211
t h→ w(t) • v1 (t) ( 22 :
mit der Gewichtungsfunktion
w fe -pre» a + tpostj → 9t (23)
Figure imgf000032_0001
Ergebnis der zweiten Verfahrensstufe ist somit eine Liste von ausgewählten Summen-Stromflüssen, die einem jeweiligen Sensor-Ereignis zugeordnet sind, und zusätzlich die Angabe des jeweiligen Sensors, an dem das Sensor-Ereignis ermittelt worden ist. In Fig.3 ist eine Sensor-Anordnung gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt.
Die Sensor-Anordnung 300 ist ähnlich aufgebaut wie die bezugnehmend auf Fig.2 beschriebene Sensor-Anordnung 200.
Insbesondere weist die Sensor-Anordnung 300 sechzehn Zeilen- Leitungen 301 und sechzehn Spalten-Leitungen 302 auf. Erfindungsgemäß sind daher 32 Summen-Stromsignale zu erfassen, wohingegen bei einem aus dem Stand der Technik bekannten Konzept 256 Stromsignale der 256 Sensor-Felder 304 zu erfassen wären. Bei der in Fig.3 gezeigten Sensor- Anordnung 300 sind die Sensor-Felder 304 rechteckförmig ausgebildet. Die Zeilen-Leitungen 301 und die Spalten- Leitungen 302 schließen miteinander einen rechten Winkel ein. Die Sensor-Anordnung 300 ist in vier voneinander unabhängig betreibbare Teil-Bereiche 303a, 303b, 303c, 303d aufgeteilt, wobei die Sensor-Anordnung 300 derart eingerichtet ist, dass vorgebbar ist, welche der vier Teil-Bereiche 303a bis 303d betrieben werden. Die Anordnung der vier Teil-Bereiche 303a bis 303d innerhalb der Sensor-Anordnung 300 ist in Fig.3 in der Prinzipskizze 300a gezeigt. Jede Zeilen-Leitung 301 und jede Spalten-Leitung 302 der Sensor-Anordnung 300 weist eine Verstärker-Einrichtung 305 zum Verstärken des in der jeweiligen Zeilen-Leitung 301 beziehungsweise Spalten-Leitung 302 fließenden elektrischen Summen-Stromflusses auf.
Möglichkeiten für den detaillierten Aufbau der Sensor-Felder 304 werden im Weiteren anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele bezugnehmend auf Fig.4A bis Fig.5B erläutert.
In Fig.4A ist ein Sensor-Feld 400 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt.
Das Sensor-Feld 400 ist in einem Kreuzungsbereich einer
Zeilen-Leitung 401 und einer Spalten-Leitung 402 angeordnet. Über zwei elektrische Kreuzungspunkte ist die Zeilen-Leitung 401 mit der Spalten-Leitung 402 über eine Kopplungs- Einrichtung 403 gekoppelt. Die Kopplungs-Einrichtung 403 ist als von einem Sensor-Element 404 steuerbarer Widerstand ausgebildet. Mit anderen Worten führt ein Sensor-Ereignis an dem Sensor-Element 404 dazu, dass der elektrische Widerstand der Kopplungs-Einrichtung 403 in charakteristischer Weise beeinflusst wird. Das Sensor-Feld 400 ist ein Quadrat mit einer Seitenlänge d. Um eine für neurobiologische Zwecke ausreichend hohe Integrationsdichte von Sensor-Feldern 400 in einer Sensor-Anordnung zu erreichen, wird die Kantenlänge d des quadratischen Sensor-Feldes 400 vorzugsweise kleiner als 20μm gewählt.
In Fig.4B ist ein Sensor-Feld 410 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt.
Das Sensor-Feld 410 ist in einem Kreuzungsbereich einer Zeilen-Leitung 411 und einer Spalten-Leitung 412 angeordnet. Das Sensor-Feld 410 weist eine Kopplungs-Einrichtung 413 auf, mittels der über zwei elektrische Kopplungspunkte die Zeilen- Leitung 411 mit der Spalten-Leitung 412 gekoppelt ist. Gemäß dem in Fig.4B gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Kopplungs-Einrichtung 413 als von dem Sensor-Element 414 gesteuerte Stromquelle ausgebildet. Mit anderen Worten führt ein Sensor-Ereignis an dem Sensor-Element 414 dazu, dass der elektrische Strom der gesteuerten Stromquelle 413 in charakteristischer Weise beeinflusst wird.
Als Kopplungs-Einrichtung 403 beziehungsweise 413 innerhalb- eines Sensor-Feldes 400 beziehungsweise 410 ist also ein gesteuerter Widerstand oder eine gesteuerte Stromquelle mit einer linearen oder nichtlinearen Kennlinie bereitgestellt. Wesentlich ist, dass mit Hilfe einer geeigneten Verschaltung ein Stromfluss von einer Zeilen-Leitung in eine Spalten- Leitung verzweigt wird, welcher Stromfluss von einem Sensor- Ereignis charakteristisch beeinflusst wird. In Fig.5A ist ein Sensor-Feld 500 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt.
Das in Fig.5A gezeigte Sensor-Feld 500 ist in einem Kreuzungsbereich einer Zeilen-Leitung 501 und einer Spalten- Leitung 502 angeordnet. Mittels einer als Detektions- Transistor 503 ausgebildeten Kopplungs-Einrichtung ist über zwei elektrische Kreuzungspunkte die Zeilen-Leitung 501 mit der Spalten-Leitung 502 gekoppelt. Der Detektions-Transistor 503 weist einen mit der Zeilen-Leitung 501 gekoppelten ersten Source-/Drain-Anschluss, einen mit der Spalten-Leitung 502 gekoppelten zweiten Source-/Drain-Anschluss und einen mit dem Sensor-Element 504 gekoppelten Gate-Anschluss auf. Die Länge 1 einer Seite des quadratisch ausgebildeten Sensor- Felds 500 ist vorzugsweise kleiner als 20μm, um eine ausreichend hohe Ortsauflösung zu erreichen.
Zwischen die Zeilen-Leitung 501 und die Spalten-Leitung 502 ist eine, vorzugsweise konstante, elektrische Spannung angelegt. Erfolgt an dem Sensor-Element 504 ein Sensor- Ereignis, bei dem elektrisch geladene Partikel das Potential des Gate-Anschlusses des Detektions-Transistors 503 charakteristisch beeinflussen, so wird infolge des Sensor- Ereignisses die Leitfähigkeit des leitenden Kanals zwischen den beiden Source-/Drain-Anschlüssen des Detektions- Transistors 503 beeinflusst. Daher ist der elektrische Stromfluss zwischen dem ersten und dem zweiten Source-/Drain- Bereich des Detektions-Transistors 503 ein Maß für das an dem Sensor-Element 504 erfolgte Sensor-Ereignis. Mit anderen Worten ist das Sensor-Element 504 vor einem Sensor-Ereignis durch eine geeignete Maßnahme auf ein vorgegebenes elektrisches Potential gebracht, so dass zwischen den beiden Source-/Drain-Anschlüssen des Detektions-Transistors 503 ein elektrischer Ruhestrom aus der Spalten-Leitung 502 in die Zeilen-Leitung 501 fließt. Wird das elektrische Potential des Gate-Anschlusses beeinflusst, beispielsweise weil ein mit dem Sensor-Element 504 gekoppeltes Neuron einen elektrischen Puls abgibt, so wird infolge der veränderten elektrischen Leitfähigkeit des Detektions-Transistors 503 der Querstrom zwischen der Zeilen-Leitung 501 und der Spalten-Leitung 502 verändert .
Bezugnehmend auf Fig.5B wird im Weiteren ein viertes Ausführungsbeispiel eines Sensor-Feldes einer erfindungsgemäßen Sensor-Anordnung beschrieben.
Das in Fig.5B gezeigte Sensor-Feld 510 ist in einem
Kreuzungsbereich einer Zeilen-Leitung 511 und einer ersten Spalten-Leitung 512a angeordnet. Wie im Falle des Sensor- Feldes 500 weist auch das Sensor-Feld 510 einen Detektions- Transistor 513 auf. Darüber hinaus weist die Kopplungs- Einrichtung des Sensor-Felds 510 eine Kalibrier-Einrichtung zum Kalibrieren der Kopplungs-Einrichtung auf. Gemäß dem in Fig.5B gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Kalibrier- Einrichtung einen Kalibrier-Transistor 515 mit einem mit der Zeilen-Leitung 511 gekoppelten ersten Source- /Drain- Anschluss, mit einem mit dem Gate-Anschluss des Detektions- Transistors 513 sowie mit einem mit dem zugeordneten Sensor- Element 514 gekoppelten Kondensator 516 gekoppelten zweiten Source- /Drain-Anschluss und mit einem mit einer zweiten Spalten-Leitung 512b gekoppelten Gate-Anschluss auf, wobei mittels der zweiten Spalten-Leitung 512b an den Gate- Anschluss des Kalibrier-Transistors 515 eine elektrische Kalibrier-Spannung anlegbar ist.
Die Kalibrier-Einrichtung des Sensor-Felds 510 ist derart eingerichtet, dass mittels geeigneten Steuerns der
Spannungssignale an der ersten und der zweiten Spalten- Leitung 512a, 512b sowie an der Zeilen-Leitung 511 eine Abweichung von Parametern des Detektions-Transistors 513 von Parametern von Detektions-Transistoren anderer Sensor-Felder der erfindungsgemäßen Sensor-Anordnung aufgrund von
Ungleichmäßigkeiten bei dem Herstellungsverfahren kompensiert werden kann. Insbesondere kann eine statistische Streuung des Wertes der Schwellenspannung der Detektions-Transistoren 513 unterschiedlicher Sensor-Felder einer Sensor-Anordnung um einen mittleren Wert auftreten. Die Abweichung der Schwellenspannung zwischen unterschiedlichen Sensor-Feldern kann dadurch kompensiert werden, dass die zweite Spalten- Leitung 512b auf ein solches elektrisches Potential gebracht wird, dass der Kalibrier-Transistor 515 leitend ist und der elektrische Knoten zwischen dem Kondensator 516 und dem Gate- Anschluss des Detektions-Transistors 513 auf ein Kalibrierungs-Potential gebracht wird. Das Kalibrierungs- Potential ist durch den in die Zeilen-Leitung 511 eingespeisten elektrischen Strom determiniert, welcher durch den als Diode geschalteten Detektions-Transistor 513 fließt. Ist der Kalibrier-Transistor 515 wieder nichtleitend, verbleibt auf dem Gate-Anschluss des Detektions-Transistors
513 eine elektrische Spannung, mittels der eine Korrektur der unterschiedlichen Schwellenspannungen unterschiedlicher Detektions-Transistoren 513 unterschiedlicher Sensor-Felder einer Sensor-Anordnung ermöglicht ist.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Seitenlänge s des quadratischen Sensor-Felds 510 typischerweise zwischen ungefähr lμm und ungefähr lOμm ist.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf Fig.5C ein fünftes
Ausführungsbeispiel eines Sensor-Felds der erfindungsgemäßen Sensor-Anordnung beschrieben.
Das Sensor-Feld 520 weist wie das Sensor-Feld 510 die folgenden, analog zu der in Fig.5B gezeigten Weise, verschalteten Komponenten auf: eine Zeilen-Leitung 521, eine erste und eine zweite Spalten-Leitung 522a, 522b, einen Detektions-Transistor 523, ein Sensor-Element 524, einen Kalibrier-Transistor 525 und einen Kondensator 526. Darüber hinaus weist das Sensor-Feld 520 ein Verstärker-Element zum Verstärken des elektrischen Einzel-Stromflusses der Kopplungs-Einrichtung des Sensor-Feldes 520 auf. Dieses Verstärker-Element ist als Bipolar-Transistor 527 mit einem mit der Zeilen-Leitung 521 gekoppelten Kollektor-Anschluss, mit einem mit der ersten Spalten-Leitung 522a gekoppelten Emitter-Anschluss und mit einem mit dem zweiten Source-/ Drain-Bereich des Detektions-Transistors 523 gekoppelten Basis-Anschluss auf. Der elektrische Strom zwischen der Zeilen-Leitung 521 und der ersten Spalten-Leitung 522a wird aufgrund der stromverstärkenden Wirkung des Bipolar- Transistors 527 stark verstärkt. Dadurch wird eine erhöhte Empfindlichkeit der gesamten Sensor-Anordnung erreicht.
In Fig.5D ist ein Sensor-Feld 530 gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt.
Das Sensor-Feld 530 ist wabenförmig ausgebildet. Eine Zeilen- Leitung 531 schließt mit einer ersten Spalten-Leitung 532a und mit einer zweiten Spalten-Leitung 532b jeweils einen Winkel von 60° ein, wobei auch die beiden Spalten-Leitungen 532a und 532b einen Winkel von 60° miteinander einschließen. Das Sensor-Feld 530 weist einen ersten Detektions-Transistor 533a und einen zweiten Detektions-Transistor 533b auf. Die Gate-Anschlüsse der beiden Detektions-Transistoren 533a, 533b sind mit einem Sensor-Element 534 gekoppelt. Der erste Source-/Drain-Anschluss des ersten Detektions-Transistors 533a und der erste Source-/Drain-Anschluss des zweiten
Detektions-Transistors 533b sind mit der Zeilen-Leitung 531 gekoppelt. Der zweite Source- /Drain-Anschluss des ersten Detektions-Transistors 533a ist mit der ersten Spalten- Leitung 532a gekoppelt, wohingegen der zweite Source- /Drain- Anschluss des zweiten Detektions-Transistors 533b mit der zweiten Spalten-Leitung 532b gekoppelt ist.
Findet an dem Sensor-Element 534 ein Sensor-Ereignis statt, wodurch an dem Sensor-Element 534 elektrische Ladungsträger erzeugt werden, so ändert sich dadurch die Leitfähigkeit der Kanal-Bereiche des ersten und des zweiten Detektions- Transistors 533a, 533b in charakteristischer Weise. Dadurch verändert sich einerseits der elektrische Stromfluss von der Zeilen-Leitung 531 in die erste Spalten-Leitung 532a und andererseits der Stromfluss von der Zeilen-Leitung 531 in die zweite Spalten-Leitung 532b. Auch gemäß dem in Fig.5D gezeigten Konzept werden die Summen-Stromflüsse in den Spalten-Leitungen und in den Zeilen-Leitungen in Randbereichen einer Anordnung einer Vielzahl von Sensor- Feldern 530 erfasst und über die zeitliche Korrelation der Summen-Stromflüsse die Signale der einzelnen Sensor-Felder 530 berechnet.
Da aufgrund der platzsparenden Ausgestaltung der bezugnehmend auf Fig.4A bis Fig.5D gezeigten Sensor-Felder die Sensor- Felder ausreichend klein ausgebildet werden können, um eine hohe Orts-Auflösung zu erreichen, kann der Rauschpegel in dem Einzelstrom eines Sensor-Feldes einen Wert annehmen, der in der gleichen Größenordnung wie der eigentliche Signalstrom liegen kann. Auf den Zeilen-Leitungen beziehungsweise den Spalten-Leitungen addieren sich zwar die Rausch-Stromflüsse aller angeschlossenen Sensor-Elemente auf, dieses unkorrelierte Signal fällt jedoch bei Korrelationsrechnung heraus, so dass nur das Sensor-Signal und das Rausch-Signal eines einzigen Sensor-Feldes zum berechneten Messsignal dieses Sensor-Feldes beiträgt.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf Fig.6 die in Fig.3 gezeigte Sensor-Anordnung 300 in einem aktiven Betriebszustand beschrieben.
Gemäß dem in Fig.6 gezeigten Betriebszustand der Sensor- Anordnung 300 sind ein erstes Neuron 604, ein zweites Neuron 605 und ein drittes Neuron 606 auf der matrixförmigen Anordnung von Sensor-Feldern 304 angeordnet. Die Sensor- Felder 304 sind gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel elektrisch leitfähige Elektroden (z.B. Au, Pt, Pd) , die mit einem Dielektrikum beschichtet (z.B. Si02, Si3N4, Al203) sind und in elektrischer Wirkverbindung mit einem Verstärker (z.B. MOSFET) sind. Ferner in Fig.6 gezeigt ist eine erste Projektion 600, eine zweite Projektion 601, eine dritte Projektion 602 und eine vierte Projektion 603 der zweidimensionalen Anordnung von Neuronen 604 bis 606 auf der matrixförmigen Sensor-Anordnung 300. Wie bezugnehmend auf
Fig.3 beschrieben, ist die matrixförmige Sensor-Anordnung 300 in vier Teil-Bereiche 303a bis 303d aufgeteilt, die jeweils mit eigenen Zeilen- beziehungsweise Spalten-Leitungen gekoppelt sind. Daher liefern die Projektionen 600 bis 603 jeweils ein zweidimensionales Abbild der Anordnung von ein
Sensor-Signal generierenden Neuronen in den jeweiligen Teil- Bereichen 303a bis 303d. Beispielsweise liefert das erste Neuron 604, das im Wesentlichen in dem zweiten Teil-Bereich 303b der Sensor-Anordnung 300 angeordnet ist, ein entsprechendes Signal in dem gemäß Fig.6 rechten Teil-Bereich der ersten Projektion 600 und in dem mittleren Bereich der zweiten Projektion 601. Da das erste Neuron 604 zu einem geringen Teil auch in dem dritten Teil-Bereich 303c angeordnet ist, ist in dem gemäß Fig.6 rechten Teil-Bereich der dritten Projektion 602 ein geringes Signal des ersten Neurons 604 zu sehen. Auf diese Weise trägt jedes der Neuronen 604 bis 606 in jeweils einem Teil der Projektionen 600 bis 603 zu einem Signal bei. Die kombinierten Signale der Projektionen 600 bis 603 liefern Informationen über die räumliche Anordnung der Neuronen 604 bis 606.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf Fig.7 ein drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sensor- Anordnung beschrieben.
Die in Fig.7 gezeigte Sensor-Anordnung 700 weist sechzehn horizontal angeordnete Zeilen-Leitungen 701, sechzehn vertikal angeordnete Spalten-Leitungen 702 und 256 in den Kreuzungsbereichen der Zeilen-Leitungen 701 mit den Spalten- Leitungen 702 angeordnete Sensor-Felder 703 auf. Jedes der Sensor-Felder 703 ist so ausgebildet wie das in Fig.5A gezeigte Sensor-Feld 500. An den jeweiligen End-Abschnitten der Zeilen-Leitungen 701 und der Spalten-Leitungen 702 sind elektrisch gekoppelte Mittel zum Erfassen eines jeweiligen Summen-Stromflusses aus den von den Sensor-Feldern 703 der jeweiligen Leitung 701, 702 bereitgestellten elektrischen Einzel-Stromflüssen vorgesehen. Gemäß dem in Fig.7 gezeigten Ausführungsbeispiel der Sensor-Anordnung 700 sind diese Mittel Teil einer in gleicher Weise wie bei dem Ausführungsbeispiel in Fig.2 eingerichteten Dekodier- Einrichtung 704. Die mit den Zeilen-Leitungen 701 und den Spalten-Leitungen 702 gekoppelte Dekodier-Einrichtung 704 ist somit derart eingerichtet, dass sie aus zumindest einen Teil der elektrischen Summen-Stromflüsse, welche der Dekodier- Einrichtung 704 über die Zeilen-Leitungen 701 und die Spalten-Leitungen 702 zuführbar sind, diejenigen Sensor- Elemente der Sensor-Felder 703 ermittelt, an denen ein Sensor-Signal anliegt.
Ferner weist jede Zeilen-Leitung 701 und jede Spalten-Leitung 702 eine Verstärker-Einrichtung 705 zum Verstärken und optional eine Abtast-/Haite-Einrichtung (nicht gezeigt) zum zeitgenauen Abspeichern des in der jeweiligen Zeilen-Leitung 701 bzw. Spalten-Leitung 702 fließenden elektrischen Summen- Stromflusses auf.
In diesem Dokument ist folgende Veröffentlichung zitiert:
[1] WO 00/62048 A2
Bezugszeichenliste
100 Sensor-Anordnung
101 Sensor-Elektrode
102 Zeilen-Leitungen
103 Spalten-Leitungen
104 elektrische Verstärker-Einrichtungen
105 erster Matrix-Bereich
106 zweiter Matrix-Bereich
110 Verstärker-Element
111 Schalter-Element
112 Sensor-Fläche
200 Sensor-Anordnung 201a erste Zeilen-Leitung 201b zweite Zeilen-Leitung 201c dritte Zeilen-Leitung 202a erste Spalten-Leitung 202b zweite Spalten-Leitung 202c dritte Spalten-Leitung
203 Sensor-Feld
203a aktiviertes Sensor-Feld
204 Kopplungs-Einrichtung
205 Sensor-Element
206 Mittel zum Erfassen von Summen-Stromflüssen
207 Dekodier-Einrichtung
300 Sensor-Anordnung 300a Prinzipskizze
301 Zeilen-Leitung
302 Spalten-Leitung 303a erster Teil-Bereich 303b zweiter Teil-Bereich 303c dritter Teil-Bereich 303d vierter Teil-Bereich 304 Sensor-Felder
305 Verstärker-Einrichtung
400 Sensor-Feld
401 Zeilen-Leitung
402 Spalten-Leitung
403 Kopplungs-Einrichtung
404 Sensor-Element
410 Sensor-Feld
411 Zeilen-Leitung
412 Spalten-Leitung
413 Kopplungs-Einrichtung
414 Sensor-Element
500 Sensor-Feld
501 Zeilen-Leitung
502 Spalten-Leitung
503 Detektions-Transistor
504 Sensor-Element
510 Sensor-Feld
511 Zeilen-Leitung
512a erste Spalten-Leitung 512b zweite Spalten-Leitung
513 Detektions-Transistor
514 Sensor-Element
515 Kalibrier-Transistor
516 Kondensator
520 Sensor-Feld
521 Zeilen-Leitung
522a erste Spalten-Leitung 522b zweite Spalten-Leitung
523 Detektions-Transistor
524 Sensor-Element
525 Kalibrier-Transistor 526 Kondensator 527 Bipolar-Transistor
530 Sensor-Feld
531 Zeilen-Leitung
532a erste Spalten-Leitung 532b zweite Spalten-Leitung 533a erster Detektions-Transistor 533b zweiter Detektions-Transistor 534 Sensor-Element
600 erste Projektion
601 zweite Projektion
602 dritte Projektion
603 vierte Projektion
604 erstes Neuron
605 zweites Neuron
606 drittes Neuron
700 Sensor-Anordnung
701 Zeilen-Leitung
702 Spalten-Leitung
703 Sensor-Felder
704 Dekodier-Einrichtung 704a erster Ausgang 704b zweiter Ausgang
705 Verstärker-Einrichtung
800 Ablaufdiagramm
801 Block
802 Block
803 Block
804 Block

Claims

Patentansprüche
1. Sensor-Anordnung
• mit einer Mehrzahl von in einer ersten Richtung angeordneten Zeilen-Leitungen;
• mit einer Mehrzahl von in mindestens einer zweiten Richtung angeordneten Spalten-Leitungen;
• mit einer Mehrzahl von in Kreuzungsbereichen von Zeilen- Leitungen und Spalten-Leitungen angeordneten Sensor- Feldern mit o mindestens einer Kopplungs-Einrichtung zum elektrischen Koppeln von jeweils einer Zeilen- Leitung mit jeweils einer Spalten-Leitung; o einem Sensor-Element, das der mindestens einen Kopplungs-Einrichtung zugeordnet ist, wobei das
Sensor-Element derart eingerichtet ist, dass es den elektrischen Stromfluss durch die mindestens eine zugeordnete Kopplungs-Einrichtung beeinflusst;
• mit einem an einem jeweiligen End-Abschnitt von mindestens einem Teil der Zeilen-Leitungen und von mindestens einem Teil der Spalten-Leitungen elektrisch gekoppelten Mittel zum Erfassen eines jeweiligen Summen- Stromflusses aus den von den Sensor-Feldern der jeweiligen Leitung bereitgestellten elektrischen Einzel- Stromflüssen;
• mit einer mit den Zeilen-Leitungen und den Spalten- Leitungen gekoppelten Dekodier-Einrichtung, die derart eingerichtet ist, dass aus mindestens einem Teil der elektrischen Summen-Stromflüsse, welche der Dekodier- Einrichtung über die Zeilen-Leitungen und die Spalten- Leitungen zuführbar sind, mindestens ein Sensor-Element ermittelbar ist, an dem ein Sensor-Signal anliegt,
• wobei die Dekodier-Einrichtung derart eingerichtet ist, dass aus den erfassten Summen-Stromflüssen mehrere Summen-Stromflüsse ermittelbar sind, die ein vorgegebenes erstes Auswahlkriterium erfüllen, dass aus den ermittelten Summen-Stromflüssen mindestens ein Summen-Stromfluss als einen ein Sensor-Signal repräsentierenden Summen-Stromfluss auswählbar ist, welcher ein vorgegebenes zweites Auswahlkriterium erfüllt und dass aus dem ausgewählten Summen-Stromfluss das Sensor-Element ermittelbar ist, an dem ein Sensor- Signal anliegt.
2. Sensor-Anordnung nach Anspruch 1 , bei der die Dekodier-Einrichtung derart eingerichtet ist, dass das erste Auswahlkriterium ist, dass die Amplitude des
Summen-Stromflusses für eine vorgegebene Zeitdauer größer ist als ein erster Amplituden-Schwellenwert.
3. Sensor-Anordnung nach Anspruch 1, bei der die Dekodier-Einrichtung derart eingerichtet ist, dass das erste Auswahlkriterium ist, dass die Energie des Summen-Stromflusses für eine vorgegebene Zeitdauer größer ist als ein Energie-Schwellenwert.
4. Sensor-Anordnung nach Anspruch 1, bei der die Dekodier-Einrichtung derart eingerichtet ist, dass das erste Auswahlkriterium ist, dass die Korrelation eines Summen-Stromflusses zu mindestens einem anderen Summen- Stromfluss für eine vorgegebene Zeitdauer größer ist als ein Korrelations-Schwellenwert.
5. Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Dekodier-Einrichtung derart eingerichtet ist, dass die ermittelten Summen-Stromflüsse in einer Reihenfolge nach fallender Wahrscheinlichkeit, dass derjenige Summen- Stromfluss ein Sensor-Signal repräsentiert, hinsichtlich des zweiten Auswahlkriteriums geprüft werden.
6. Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Dekodier-Einrichtung derart eingerichtet ist, dass ein Sensor-Signalverlauf zu dem ausgewählten Summen- Stromfluss ermittelt wird.
7. Sensor-Anordnung nach Anspruch 6, bei der die Dekodier-Einrichtung derart eingerichtet ist, dass der ermittelte Sensor-Signalverlauf von den Signalverläufen der ermittelten Summen-Stromflüsse subtrahiert wird, womit aktualisierte Summen-Stromflüsse gebildet werden, und dass die Auswahl eines Summen- Stromflusses unter Verwendung der aktualisierten Summen- Stromflüsse erfolgt.
8. Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einer Spannungsquelle, die derart mit zumindest einem Teil der Zeilen-Leitungen und der Spalten-Leitungen gekoppelt ist, dass zumindest einem Teil der Kopplungs-Einrichtungen eine vorgegebene Potentialdifferenz bereitgestellt ist.
9. Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der mindestens eine Kopplungs-Einrichtung eine von dem zugehörigen Sensor-Element gesteuerte Stromquelle oder ein von dem zugehörigen Sensor-Element gesteuerter Widerstand ist.
10. Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der mindestens eine Kopplungs-Einrichtung einen Detektions-Transistor mit einem mit einer der Zeilen- Leitungen gekoppelten ersten Source- /Drain-Anschluss, mit einem mit einer der Spalten-Leitungen gekoppelten zweiten Source-/Drain-Anschluss und mit einem mit dem der Kopplungs- Einrichtung zugeordneten Sensor-Element gekoppelten Gate- Anschluss aufweist.
11. Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der mindestens eine Kopplungs-Einrichtung eine Kalibrier- Einrichtung zum Kalibrieren der Kopplungs-Einrichtung aufweist.
12. Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, die derart eingerichtet ist, dass mindestens eine Kopplungs- Einrichtung eine Deaktivierungsfunktion aufweist.
13. Sensor-Anordnung nach Anspruch 11 oder 12, bei der die Kalibrier-Einrichtung einen Kalibrier-Transistor mit einem mit der Zeilen-Leitung gekoppelten ersten Source-/ Drain-Anschluss, mit einem mit dem Gate-Anschluss des Detektions-Transistors sowie mit einem mit dem zugeordneten Sensor-Element gekoppelten Kondensator gekoppelten zweiten Source-/Drain-Anschluss und mit einem mit einer weiteren
Spalten-Leitung gekoppelten Gate-Anschluss aufweist, wobei mittels der weiteren Spalten-Leitung an den Gate-Anschluss des Kalibrier-Transistors eine elektrische Kalibrier-Spannung anlegbar ist.
14. Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 , bei der mindestens eine Kopplungs-Einrichtung ein Verstärker- Element zum Verstärken des elektrischen Einzel-Stromflusses der Kopplungs-Einrichtung aufweist.
15. Sensor-Anordnung nach Anspruch 14, bei der das Verstärker-Element ein Bipolar-Transistor mit einem mit der Zeilen-Leitung gekoppelten Kollektor-Anschluss, einem mit der Spalten-Leitung gekoppelten Emitter-Anschluss und einem mit dem zweiten Source- /Drain-Anschluss des
Detektions-Transistors gekoppelten Basis-Anschluss aufweist;
16. Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei der zumindest ein Teil der Zeilen-Leitungen und der Spalten-Leitungen eine Verstärker-Einrichtung zum Verstärken des in der jeweiligen Zeilen-Leitung bzw. Spalten-Leitung fließenden elektrischen Summen-Stromflusses aufweist.
17. Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei der zumindest ein Teil der Zeilen-Leitungen und/oder der Spalten-Leitungen eine Abtast-/Haite-Einrichtung zum Abspeichern des in der jeweiligen Zeilen-Leitung bzw. Spalten-Leitung fließenden elektrischen Summen-Stromflusses zu einem vorgebbaren Zeitpunkt aufweist.
18. Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei der zumindest ein Sensor-Element ein Ionensensitiver Feldeffekttransistor (ISFET) ist.
19. Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei der zumindest ein Sensor-Element einen MOSFET aufweist.
20. Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, bei der zumindest ein Sensor-Element ein auf elektromagnetische Strahlung empfindlicher Sensor ist.
21. Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, bei der die Sensor-Felder im Wesentlichen rechteckförmig ausgebildet sind.
22. Sensor-Anordnung nach Anspruch 21, bei der die Zeilen-Leitungen mit den Spalten-Leitungen einen im Wesentlichen rechten Winkel einschließen.
23. Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, bei der die Sensor-Felder im Wesentlichen wabenförmig ausgebildet sind.
24. Sensor-Anordnung nach Anspruch 23, bei der die Zeilen-Leitungen mit den Spalten-Leitungen einen Winkel von 60° einschließen und bei der unterschiedliche Spalten-Leitungen entweder zueinander parallel sind oder miteinander einen Winkel von 60° einschließen.
25. Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, die in mindestens zwei voneinander unabhängig betreibbare Bereiche aufgeteilt ist, wobei die Sensor-Anordnung derart eingerichtet ist, dass vorgebbar ist, welche der mindestens zwei Bereiche betrieben werden.
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