DE4236421A1 - Sensoranordnung, insbesondere Bio- und/oder Chemosensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung, insbesondere einen Bio- und/oder Chemosensor und ist vor allem für daraus abgeleitete Erkennungssysteme als Monitor für Stoffbestandteile. Stoffkonzentrationen und Wachstumsvorgänge von Organismen geeignet.

Sensormodule und Sensorprozessoren sind allgemein bekannt und beispielsweises in dem Buch "Mikroelektronische Sensoren" von Ahlers u. Waldmann, erschienen 1989 im VEB Verlag Technik/Berlin und im Verlag Hüthig/Heidelberg umfassend und mit einem umfangreichen Literaturnachweis behandelt. Sie werden in der gesamten Meß-, Steuer- und Regeltechnik zur Datenerfassung von Sensorsignalen eingesetzt. Ist mehr als ein Sensorsignal zu erfassen, so ist die Verwendung von Analogmultiplexern üblich. Weiterhin ist üblich, anschließend einen Analog-Digital-Wandler anzuschalten, um die Datenverarbeitung in einem digital arbeitenden Computer vornehmen zu können. Den der Verbindung der Sensor- Layouts mit dem Rechner dienenden Schaltungsteil bezeichnet man vereinfacht häufig auch als Interface. Bekannt sind durch dieses Buch auch Elektrodenstrukturen zur elektrischen Kontaktierung bei Widerstands- oder Kapazitätssensoren. In dem Buch sind auch ausführlich Bio- und Chemosensoren in den Kapiteln 2.3 und 2.6 behandelt. Auch sind Elektrodenstrukturen bekannt, die mit chemischen Stoffen eine elektrochemische Zelle bilden (Fortschritte der Sensortechnik Pd. 1, S. 102-108) und es ist auch der Einsatz von Elektroden in Festelektrolythsensoren (FE-Elektroden) bekannt (Ullmann, H., Festelektrolythsensoren - Aufbau u. Anwendung; Zentralinstitut für Kernforschung Rossendorf). Für Biosensoren sind spezielle Dünnfilm-Metall-Elektroden in Siliziumtechnologie bekannt (Hintsche, Möller, Dransfeld, Wollenberger, Scheller und Hoffmann: "Chip Biosensors on Thin-film Metal Elektrodes"; Sensors and Actuators B, 4 (1991). Es gibt somit vielfältigste Sensorarten und Ausführungen. Der Stand der Technik zeigt jedoch auch, daß vergleichbare Meßergebnisse bei der Vielzahl von etwa 8000 bekannten biologischen und chemischen Sensoreffekten bisher nicht erzielt werden konnten. Jeder Sensorforscher und Entwickler stellt seine eigenen Elektroden her, die passiv als Meßsonden fungieren (Eurosensor V, Rom 1991, Proceedings, Volume 1,2). Bislang unbekannt sind hingegen Meßsonden, die aktiv am Prozeß der Ermittlung von Stoffbestandteilen, Stoffkonzentrationen oder Wachstumsvorgängen von Organismen, auch als Aktor, teilnehmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Elektrodenanordnungen für Bio- und Chemosensoren zu realisieren, die neben der passiven Messung von Potentialen, Widerständen und Kapazitäten auch die aktive Einflußnahme auf chemische und biologische Vorgänge im Meßvolumen ermöglichen und auch zu vergleichbaren Meßergebnissen führen.

Dies wird nach der Erfindung bei einer Sensoranordnung, insbesondere bei einem Bio- und/oder Chemosensor, bei dem auf einem Substrat aus isolierendem oder halbleitendem Material mehrere Feldelemente mit wenigstens zwei Elektroden vorgesehen sind, dadurch erreicht, daß auf dem Substrat wenigstens drei mit Elektroden versehene Feldelemente vorgesehen sind, daß die Feldelemente untereinander wenigstens zwei unterschiedliche Grundformen ihrer Elektroden aufweisen, und daß in Feldelementen gleicher Grundform die geometrischen Abmessungen der Elektroden voneinander verschieden sind. Vorzugsweise wird eine Vielzahl von Feldelementen vorgesehen, weil sich dadurch die mit dem Sensor erhältliche Aussage erheblich verfeinern läßt. Die unterschiedlichen Grundformen der Sensoranordnung ermöglichen unterschiedliche physikalische, chemische und biologische Vorgänge zu erfassen. Durch die unterschiedlichen geometrischen Abmessungen lassen sich Aussagen über den zeitlichen Ablauf solcher Vorgänge, vor allem von biologischen Wachstumsvorgängen gewinnen und/oder Vorgänge, vor allem von biologischen Wachstumsvorgängen gewinnen und/oder eine Mittelwertbildung bei der Meßresultatauswertung durchführen.

Die räumliche Anordnung der Feldelemente auf dem Substrat richtet sich nach dem Anwendungsfall. Sie können beispielsweise in zueinander konzentrischen Kreisringen vorgesehen werden. Bewährt hat es sich, wenn auf dem Substrat eine Aufteilung der Feldelemente in Zeilen und Spalten vorgesehen ist und die Elektrodenform von Zeile zu Zeile variiert und außerdem in der einzelnen Zeile die jeweilige Elektrodenform in ihren Abmessungen variiert, unter Bildung eines Array, dessen Feldelemente Elektrodenformen unterschiedlichen und gleichen Typus haben.

Für die Sensoranordnung empfiehlt es sich, wenn an den Rändern der Feldelemente mit den jeweiligen Elektroden dieser Feldelemente verbundene Kontaktinseln angeordnet sind, über die Verbindungen zu externen oder Baustein-internen mikroelektronischen Auswahlschaltungen (Interface) bestehen oder herstellbar sind. Eine andere Lösung besteht darin, daß zur Kontaktierung von Elektroden eine Abtastnadel-Anordnung vorgesehen ist, über die Verbindungen zu externen oder Baustein-internen mikroelektronischen Auswahlschaltungen (Interface) bestehen oder herstellbar sind. Die Auswahlschaltung des Interface erlaubt es, bestimmte einzelne oder alle Feldelemente hinsichtlich ihres Meßsignals durch ein Multiplexverfahren auszuwerten, so wie es in dem erwähnten Buch von Ahlers und Waldmann auf der Seite 12 in Tafel 1.1.4 und in Tafel 1.1.5 auf Seite 16 erläutert ist.

Die erfindungsgemäße Sensoranordnung erlaubt zumindest zu einer der Elektroden eines Feldelements eine die Sensorwirkung aktivierende Rückführung von einem Interface vorzusehen. Dadurch kann eine, beispielsweise thermische Reaktion in Gang gesetzt werden, die dann in bezug auf ihre Widerstands- oder Kapazitätsänderung von den Elektroden des Feldelementes erfaßt wird. Diese Aktornutzung kann auch durch gezielte Ansteuerung von Einzelfeldern über das Interface, zum Beispiel nach einem Multiplexverfahren erfolgen.

Die Sensoranordnung ermöglicht es auch, für zumindest einige der Feldelemente eine, der Bildung eines Mikroreaktorgefäßes dienende, über die Substratoberfläche, vorzugsweise nur geringfügig hinausragende Umrandung vorzusehen. Diese Umrandung kann auch auf der Vorder- und der Rückseite des Substrats vorgesehen werden. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann zumindest in einigen der Feldelemente auf der Vorder- und/oder Rückseite des Substrats eine der Mikroreaktorgefäßbildung dienende, vorzugsweise geringfügige Vertiefung vorgesehen werden. Wird in Feldelementen wenigstens eine von der Vorderseite zur Rückseite des Substrats sich erstreckende Durchtrittsöffnungen vorgesehen, so kann die Sensoranordnung auch in durchströmenden Flüssigkeiten eingesetzt werden. Vorteilhaft ist es, daß bei der Feldelementbildung der besonderen Art die Form der Mikroreaktorgefäße und/oder die Form der Elektroden und/oder die Anordnung der Feldelemente den Wachstumsformen von biologischen Organismen angepaßt werden kann. Beispielsweise sind sternförmige Elektroden mit entsprechender Kleinheit den Abmessungen von Strahlentieren bzw. Radiarien bestimmter Größe anpaßbar. Die zu untersuchende Substanz kann in die Mikroreaktoren vereinzelt oder flächenmäßig über die aktive Fläche der Sensoranordnung verteilt werden.

Die einzelnen Elektroden eines Feldelementes und/oder von mehreren Feldelementen werden zweckmäßig zu wenigstens zwei Gruppen zusammengeschaltet. Durch Aufbringung von biologischen oder von chemischen Stoffkomponenten auf wenigstens eine dieser Gruppen ist diese dann zu zumindest einem vollständigen Sensor ergänzbar. Solche Gruppen können auch zur Verwendung als Aktoren vorgesehen werden, indem über sie dem Einzelsensor und/oder der zu untersuchenden Substanz aktivierende Spannungen oder Ströme zugeführt werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Sensoranordnung in einigen Feldelementen auf dem Substrat nur die Elektroden und noch keine vollständig funktionsfähigen Sensoren enthält, sodaß nachträglich im Anwendungsfall die Vervollständigung durch Aufbringung von entsprechenden biologischen und/oder chemischen Stoffkomponenten oder von Schichten, vor allem mit Membran-Verhalten erfolgen kann. Zum Beispiel kann eine solche Schicht aus einem Phthalat oder einem Enzym bestehen. Solche Schichtmaterialien sind an sich bekannt. So erläutert das vorgenannte Buch von Ahlers und Waldmann auf Seite 13 die Verwendung von Bleiphthalozyanin zur Bildung eines Komplexsensors. Eine solche Anordnung stellt bei dieser Ausbildung ein sogenanntes Meßhalbzeug dar. Diese Ausbildung ist allgemein bei Sensoren anwendbar.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

die Fig. 1 ein Sensor-Array aus zeilen- und spaltenförmig angeordneten Einzelsensoren.

die Fig. 2 ein einzelnes, einen Sensor enthaltendes Feldelement nach der Fig. 1 in einer schematischen Aufsicht und in einem Längsschnitt und

die Fig. 3 die schaltungsmäßige Verwendung eines Feldelementes nach der Fig. 2.

Die Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Elektrodenanordnung von Bio- und/oder Chemosensoren in Form von Feldelementen in einem Array aus Zeilen und Spalten. Die Feldelemente 1 sind durch einen Rand 2 begrenzt. Am Rand 2 ist jedes der Elektrodenfelder bzw. Feldelemente 1 mit Anschluß- bzw. Kontaktflächen 3 in Form von Bondinseln versehen. Zwischen benachbarten Feldelementen 1 sind Doppelbondinseln vorgesehen. In dem einzelnen Feldelement 1 sind zum Beispiel zwei Elektrodengruppen 5 und 6 vorgesehen. In dem mit den Bezugszeichen hervorgehobenen Feldelement 1 haben diese eine sogenannte Fingerstruktur. Als Material für den Träger der in der Fig. 1 dargestellten Arraystruktur dient ein isolierendes Substratmaterial, z. B. Glas oder Keramik oder ein halbleitendes Substratmaterial, z. B. Silizium.

Wie aus der Fig. 1 weiterhin erkennbar sind die einzelnen Feldelemente in ihrer Gestalt und in ihren Abmessungen variiert. So ist in der einzelnen Zeile die Grundform zwar gleich gehalten, aber die Elektrodengröße ist unterschiedlich. In der einzelnen Spalte sind hingegen die Grundformen verschieden, sodaß das in der Fig. 1 erkennbare Muster entsteht. Auf diese Weise lassen sich von den einzelnen Feldelementen zusätzlich auch geometrische Informationen über zu untersuchende Wachstums- und Reaktionsvorgänge einer Probe ableiten.

Bei dem in der Fig. 2 in einem Längsschnitt und in einer schematischen Aufsicht wiedergegebenen Feldelement des Array nach Fig. 1 ist das die Elektrodenstruktur tragende Substrat 21 mit zwei fingerartig ausgebildeten, ineinandergreifenden Elektroden 22 und 20 aus Gold belegt, die jeweils eine Elektrodengruppe bilden. Die erste Gruppe (Elektroden 20) ist mit Kontaktflächen 23 und die zweite Gruppe (Elektroden 22) mit Kontaktflächen 29 versehen, die mit Vorteil als Bondinseln ausgeführt werden. In den Außenbereichen des Arrays sind es einfache Bondinseln. Zwischen benachbarten Feldbereichen sind es Doppel-Bondinseln. Im Bereich der Doppel-Bondinseln wird mit Vorteil ein sogenannter Ritz- oder Sägegraben 24 vorgesehen, mit dessen Hilfe benachbarte Feldelementen nachträglich elektrisch getrennt werden können.

Unter einer Bondinsel wird eine solche Verbreiterung der einzelnen mikroelektronischen Verbindungsleitung verstanden, daß an die verbreiterte Fläche ein Bonddraht angebondet werden kann. Unter einer Doppel-Bondinsel sind zwei zusammengehörige Bondinseln in der einzelnen Verbindungsleitung zu verstehen.

Hat die mikroelektronische Verbindungsleitung beispielsweise eine Breite von etwa 1 Mikrometer, so kann die einzelne, beispielsweise rechteckförmige oder kreisförmige Bondinsel eine Breite von 30 bis 50 Mikrometer haben. Die Technik des Bondes ist allgemein bekannt, beispielsweise durch das vorerwähnte Buch, insbesondere die Ausführungen auf den Seiten 68 und 71 bis 75, sowie die dort genannten Literaturstellen. Die Bondinseln einer Doppel-Bondinsel können elektrisch in Reihe in die zugehörige Leiterbahn eingefügt sein. Zur Auftrennung dient vorrangig dann der zwischen ihnen gelegene Leiterbahnabschnitt. Sie können aber auch elektrisch parallel in die zugehörige Leiterbahn eingefügt sein. Zur Auftrennung der Leiterbahn wird vorrangig dann im Parallelschaltungsbereich die Verbindung der einen Bondinsel zu der einen weiterführenden Leiterbahn und die Verbindung der anderen Bondinsel zu der anderen weiterführenden Leiterbahn vorgesehen. Das Auftrennen kann wahlweise über Ritzen, Sägen, Lasertrennen oder durch Stromstoß vorgenommen werden.

Wie beim Durchtrennen beziehungsweise Auftrennen vorzugehen ist, ist allgemein bekannt, wie das obengenannte Buch von Ahlers und Waldmann auf den Seiten 45 (Sensorabtrenung), 58 und 63 (Strukturierungsverfahren) ausweist. Alternativ oder zusätzlich können zur Deaktierung von Sensor-Layouts in die zugehörigen Verbindungsleitungen zwischen den einzelnen Feldelementen auch über eine, vorzugsweise programmierbare, Steuerschaltung betätigbare, elektronische Schalter eingefügt werden. Diese Technik ist u. a. Gegenstand der älteren Patentanmeldung P 42 30 592.6 vom 12. Sept. 1992 auf die als Stand der Technik und der Einzelheiten Bezug genommen wird. Diese zeigt auch die Zusammenschaltung von Feldelemten und Interfaces.

Wie die Fig. 2 zeigt, ist um die Kontakte 23 und 29 eine Lochschablone und um die Elektrodengruppen 22 und 20 ein Fenster 27 gelegt. Auf diese Weise wird ein Mikroreaktor mit den Elektroden 22 und 20 gebildet, dessen Rand etwa 1 Mikrometer hoch ist. In diesem Mikroreaktor kann auf die Elektroden 22 und 20 in an sich bekannter Weise (siehe das erwähnte Buch von Ahlers und Waldmann, Seite 13) zum Beispiel eine Schicht von Bleiphthalozyanin 28 aufgebracht werden. Mit Gold als Elektrodenmaterial ergibt sich dann ein Kontaktwiderstand von etwa 7 Ohm/cm². Die Anordnung ergibt einen Chemosensor, der auf NO_x-Gase mit einer Widerstandsänderung an den Elektroden 22 und 20 reagiert. Durch die Verwendung anderer Materialien für die Elektroden und die Schicht läßt sich das einzelne Feldelement an die zu untersuchenden Proben anpassen.

In der Fig. 3 ist die betriebsmäßige Verwendung der beiden Elektrodengruppen in einem Blockschaltbild dargestellt. Die erste Gruppe ist an ein Interface 24 vom Analogtyp angeschaltet. Es nimmt die als Analogsignale vorliegenden Spannungen an den Kontakten 23 auf und ermöglicht die Subtraktion einer Hilfespannung und die Normierung der Spannungsdifferenz durch Division mit einer Referenzspannung und die Überführung des so gewonnen Meßsignals in eine Impulsfolge f_A. Die in f_A verfügbare, resultierende Widerstandsänderung kann durch das Analog-Interface 24 verstärkt oder abgeschwächt und so einem gewünschten Wiedergabemaßstab angepaßt werden. Die Impulsfolge f_A wird einem Rechner 25 zugeführt, der seinerseits das Meßergebnis auf einem Bildschirm zur Anzeige bringt.

Mittels einer Rückführung 36 wird eine Spannung über die Kontakte 29 an die zweite Gruppe von Elektroden 20 gelegt oder ein Strom über die Kontakte 29 durch die zweite Gruppe von Elektroden 20 geführt. Dadurch wird eine Aktorfunktion ermöglicht und realisiert. Die Rückführung ist ebenso wie die Signalabnahme nur schematisch dargestellt, indem jeweils nur die Flußrichtung eingezeichnet ist. In der Praxis kann das Rückführungssignal in kurzen Meßpausen zwischen beide Elektrodengruppen eingespeist werden oder es wird zumindest eine weitere Elektrode für die Rückführungsspeisung in die Sensoranordnung und/oder für die Abnahme des Meßsignals von der Sensoranordnung vorgesehen.

Wird auf dem durch das Fenster 27 umrandeten Mikroreaktor eine Flüssigkeit gegeben, in der NO_x gelöst ist, dann kann, gesteuert durch den Rechner 25, eine geeignet hohe Spannung oder ein entsprechender Strom an die Elektroden 20 gegeben werden, wodurch diese Flüssigkeit über eine Ladungslawine erwärmt wird und damit die chemische Wechselwirkung mit der Bleiphthalozyaninschicht 28 zur Verbesserung der Sensorfunktion beeinflußbar ist.

Claims (14)

1. Sensoranordnung, insbesondere Bio- und/oder Chemosensor, bei der auf einem Substrat aus isolierendem oder halbleitendem Material mehrere Feldelemente mit wenigstens zwei Elektroden vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Substrat wenigstens drei mit Elektroden versehene Feldelemente vorgesehen sind, daß die Feldelemente untereinander wenigstens zwei unterschiedliche Grundformen ihrer Elektroden aufweisen, und daß in Feldelementen gleicher Grundform die geometrischen Abmessungen der Elektroden voneinander verschieden sind.

2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Substrat eine Aufteilung der Feldelemente in Zeilen und Spalten vorgesehen ist, daß die Elektrodenform von Zeile zu Zeile variiert, und daß in der einzelnen Zeile die jeweilige Elektrodenform in ihren Abmessungen variiert, unter Bildung eines Array, dessen Feldelemente Elektrodenformen unterschiedlichen und gleichen Typus haben.

3. Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den Rändern der Feldelemente mit den jeweiligen Elektroden dieser Feldelemente verbundene Kontaktinseln angeordnet sind, über die Verbindungen zu externen oder Baustein-internen mikroelektronischen Auswahlschaltungen (Interface) bestehen oder herstellbar sind.

4. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dadurch, daß zur Kontaktierung von Elektroden eine Abtastnadel-Anordnung vorgesehen ist, über die Verbindungen zu externen oder Baustein-internen mikroelektronischen Auswahlschaltungen (Interface) bestehen oder herstellbarr sind.

5. Sensoranordnung nach Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zu einer der Elektroden eines Feldelements eine aktivierende Rückführung (Aktorausbildung) von einem Interface vorgesehen ist.

6. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für zumindest für einige der Feldelemente eine, der Bildung eines Mikroreaktorgefäßes dienende, über die Substratoberfläche, vorzugsweise nur geringfügig hinausragende Umrandung vorgesehen ist.

7. Sensoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Umrandung auf der Vorder- und der Rückseite des Substrats vorgesehen ist.

8. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest in einigen der Feldelemente auf der Vorder- und/oder Rückseite des Substrats eine der Mikroreaktorgefäßbildung dienende, vorzugsgeringfügige Vertiefung vorgesehen ist.

9. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest bei einigen der Feldelemente zumindest eine von der Vorderseite zur Rückseite des Substrats sich erstreckende Durchtrittsöffnung geringen Durchmessers vorgesehen ist.

10. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Mikroreaktorgefäße und/oder die Form der Elektroden und/ oder die Anordnung der Feldelemente Wachstumsformen von biologischen Organismen angepaßt sind.

11. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden im einzelnen Feldelement und/oder von mehreren Feldelementen zu wenigstens zwei Gruppen zusammengeschaltet sind.

12. Sensoranordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Gruppen als Aktor vorgesehen ist.

13. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß über den Elektroden von Feldelementen wenigstens eine, Membran-Verhalten aufweisende Schicht angeordnet ist.

14. Sensorfeldelement, insbesondere für eine Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es als Meßhalbzeug ausgebildet ist und aus dem Substrat mit zumindest zwei darauf aufgebrachten Elektroden besteht und dadurch nachträglich zu einer funktionsfähigen Sensoranordnung vervollständigbar ist, daß auf die auf dem Substrat vorgesehenen Elektroden erst bei der Anwendung oder kurz davor entsprechende biologische und/oder chemische Stoffkomponenten aufbringbar sind.