DE60133262T2

DE60133262T2 - Sensorzelle

Info

Publication number: DE60133262T2
Application number: DE60133262T
Authority: DE
Inventors: Piero Migliorato; Nathan Bavidge; Christopher R. Lowe
Original assignee: Cambridge Enterprise Ltd; Seiko Epson Corp
Current assignee: Cambridge Enterprise Ltd; Seiko Epson Corp
Priority date: 2000-12-22
Filing date: 2001-12-20
Publication date: 2009-04-16
Anticipated expiration: 2021-12-21
Also published as: EP1217364A3; GB0031716D0; DE60133262D1; EP1217364A2; EP1217364B1; GB2370410A; JP2003004697A; US20020117694A1; JP3969702B2; US6657269B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Sensorzellen und Sensoren, die solche Sensorzellen enthalten.
Chemische Sensoren, die Anordnungen von Sensorzellen enthalten, einschließlich Halbleitertransistoren, sind bekannt. Solche Sensoren haben für gewöhnlich einen Silizium-Wafer als Substratmaterial verwendet. Silizium ist jedoch ein relativ teures Material. Ferner ist für bestimmte Arten von Sensoren, wie Biosensoren, die Entsorgung des Sensors nach der Verwendung ein besonders wichtiger Faktor, da der Biosensor nur einmal vor der Entsorgung verwendet werden kann. Wenn Silizium als Substratmaterial verwendet wird, wird die Entsorgung verwendeter Biosensoren problematischer.
Zusätzlich ist bekannt, dass Schwierigkeiten, die mit der Herstellung von Transistoranordnungen auf Siliziumsubstraten in Zusammenhang stehen, mit zunehmender Größe der Anordnung signifikant größer werden. Somit besteht bei Siliziumsubstraten die Tendenz zu einer höheren Dichte von Vorrichtungen für jede bestimmte Größe von Anordnung. Für Biosensoren kann diese hohe Packungsdichte problematisch sein, da bei vielen Anwendungen die aktiven Teile des mikroelektronischen Chips, der die Anordnung enthält, in einer nassen Umgebung funktionieren müssen.
Viele Formen chemischer Sensoren, wie Biosensoren, wurden vorgeschlagen. Eine Art von Multi-Biosensor umfasst einen pH-Sensor in der Form einer Anordnung von vier ionensensitiven Feldeffekttransistoren (ISFETs) in Kombination mit vier Metall-Oxid-Silizium-Feldeffekttransistoren (MOSFETs), die als Source-Folgerschaltungen dienen. Zur Bereitstellung einer ausreichenden Isolierung zwischen den ISFETs ist jedoch die vorgeschlagene Anordnung relativ voluminös. Ferner ist ein ISFET eine Form von Transistor und beachtliche Probleme entstehen bei der Isolierung solcher Vorrichtungen von einer Testlösung. Zur Verringerung der Probleme einer Isolierung wurde vorgeschlagen, die ISFETs und MOSFETs auf einer Siliziumschicht in der Form einer Anzahl getrennter Stellen herzustellen, die von einem Saphirsubstrat gestützt werden. Saphir wurde wegen seiner ausgezeichneten elektrischen Isoliereigenschaften als Substratmaterial verwendet. Dann wurde eine Schutzmembran über den Gate-Oberflächen der ISFETs gebildet, gefolgt von Membranen, die jeweils für die zu testenden Verbindungen empfindlich waren. Die einzelnen derart hergestellten Sensoren dienten als pH-Sensoren und konnten für den Nachweis von Harnstoff, Glucose und Kalium verwendet werden. Wie zuvor erwähnt, war die Sensoranordnung jedoch relativ groß, mit einer Breite von etwa 2 mm und einer Länge von 6 mm für eine Vier-Sensor-Anordnung. Ferner können Saphirsubstrate nur zur Herstellung von Anordnungen einer bestimmten Größe verwendet werden und es ist allgemein bekannt, dass die Bedenken bezüglich der Herstellung von Anordnungen unter Verwendung von Silizium signifikant mit einer Zunahme der Anordnungsgröße steigen. Zusätzlich sind das Silizium- und insbesondere das Saphirsubstratmaterial relativ teuer und daher sind chemische Sensoren der oben genannten Art extrem kostspielig in der Herstellung. Dieser Kostenaspekt ist besonders belastend, wenn die vielen Arten von Sensoren betrachtet werden, die nur einmal vor der Entsorgung verwendet werden können. Ferner sind diese Materialien nicht leicht zu entsorgen, wodurch signifikante Umweltbedenken bezüglich der Entsorgung nach der Verwendung entstehen.
Vor kurzem wurde die Submikron-CMOS-Technologie zur Verwendung als Biosensoranordnung zur DNA-Analyse vorgeschlagen. Diese Technologie hat eine Anordnung von bis zu etwa 1000 Sensorzellen ermöglicht, die auf einem Substrat mit einer Größe in der Größenordnung von einigen Quadratmillimetern hergestellt werden. Da die CMOS-Vorrichtungen auf einem Siliziumsubstrat hergestellt werden, hat die vorgeschlagene Anordnung jedoch eine hohe Packungsdichte. Zur Isolierung der aktiven CMOS-Vorrichtungen von der nassen Betriebsumgebung wird eine spezifische integrierte Reaktionstestkammer in der Form eines Hohlraums bereitgestellt, der zwischen zwei übereinander liegenden und hermetisch abgedichteten Leiterplatten angeordnet ist. Das zu analysierende DNA-Material wird durch Erwärmen in seine zwei Stränge getrennt und die Stränge werden unter Verwendung eines biochemischen Prozesses mit einem fluoreszierenden Molekül markiert. Ein Analyt, der die DNA-Stränge enthält, wird dann mit dem Chip in Kontakt gebracht. Wenn ein DNA-Strang eine Sequenz aufweist, die mit jener eines Ziels übereinstimmt, das auf einer Elektrode des Sensors angeordnet ist, erfolgt eine Hybridisierung, die zu einer physikalischen Lokalisierung der DNA-Probe auf der passenden Elektrode des Chips führt. Der Chip wird dann abgespült und der Sensor wird mit einer CCD-Kamera gelesen. Da die DNA-Stränge mit einem fluoreszierenden Molekül markiert wurden, zeigt eine relative Helligkeit an den Elektroden der Vorrichtung an, wo eine Bindung aufgetreten ist. Schlüsselfaktoren in der Anwendbarkeit solcher Vorrichtungen sind als Materialkompatibilität, Herstellung und Verpackung zur zuverlässigen Bereitstellung eines Nass-Chip-Konzepts anerkannt, und diese können durch die Anforderung, eine hohe Packungsdichte auf dem Siliziumsubstratmaterial zu erreichen, beeinträchtigt sein. Wie ebenso aus der vorangehenden Beschreibung hervorgeht, sind solche Biosensoren in der Herstellung relativ teuer.
Dünnfilmtransistoren (TFTs) sind relativ kostengünstig in der Herstellung, da relativ billige, Nicht-Siliziumsubstrate, wie Natronglas oder Kunststoff, verwendet werden können. Die Verwendung eines Kunststoffsubstrates kann zusätzlich Vorteile bieten, da es ein relativ entsorgbares Material ist. Ferner können TFTs leicht als großflächige Anordnungen hergestellt werden und eine solche Technologie hat bereits in der Industrie weitgehend Anwendung gefunden, wie zum Beispiel in der Herstellung von Flüssigkristallanzeigevorrichtungen mit aktiver Matrix. Die Herstellungsprozesse sind daher gut erprobt und eine hohe Ausbeute funktionsfähiger Vorrichtungen kann zuverlässig bei relativ geringen Kosten erhalten werden, insbesondere im Vergleich zu Siliziumsubstratvorrichtungen. Diese Vorteile werden weiter verstärkt, wenn berücksichtigt wird, dass auch zuverlässig Anordnungen hergestellt werden können, die größer als jene sind, die von Siliziumsubstraten erhältlich sind. Die Verwendung von Silizium-Wafer-Substraten für solche großflächigen Anordnungen wird als extrem problematisch angesehen, da es zunehmend schwierig und teuer wird, die Anordnung angesichts des Substratmaterials selbst und der Halbleiterherstellungstechniken, die notwendigerweise verwendet werden müssen, herzustellen.
Es gibt auch Nachteile, die mit der Leistung solcher Vorrichtungen verbunden sind, wenn diese zum Erfassen bestimmter Substanzen verwendet werden. MOSFETs umfassen für gewöhnlich eine relativ dünne Schicht aus Siliziumdioxid (SiO₂), das auf einem dotierten Siliziumsubstrat gehalten wird. Die SiO₂-Schicht hat eine inhärente Kapazität, die umgekehrt proportional zu der Dicke der Schicht ist. Wenn die SiO₂-Schicht mit einer typischen Dicke von etwa 100 nm hergestellt wird, gibt es einen signifikanten Verlust beim kapazitiven Signal von der Vorrichtung, der auf die inhärente Kapazität der SiO₂-Schicht zurückzuführen ist. Wenn die SiO₂-Schicht als sehr dünne Schicht zur Verbesserung des Signalausgangs hergestellt wird, werden die Vorrichtungen in der Verwendung sehr instabil. Diese Designkonflikte können entschärft werden, wenn die erfassende Elektrode sehr klein gestaltet wird. Die erfassende Elektrode muss jedoch in einer praktischen Größe hergestellt werden, da sie zur Aufnahme der zu identifizierenden Substanz verwendet wird.
Die MOSFET-Gate-Fläche muss daher relativ groß gestaltet werden, aber diese führt zu den grundlegenden Bedenken in der Herstellung bezüglich der Verwendung von Siliziumtransistoren für chemische Sensoren, da die Bereitstellung relativ großer Gate-Flächen die Packungsdichte der Transistoren signifikant verringert, die auf den Siliziumsubstraten finiter Größe aufgenommen werden kann, wodurch wiederum die Anzahl von Sensorzellen verringert wird, die in der Sensoranordnung aufgenommen werden können.
Für chemische oder insbesondere Biosensoren stellt die Fähigkeit von TFTs, leicht als großflächige Anordnungen bei relativ geringen Kosten hergestellt werden zu können, signifikante Vorteile im Vergleich zu den für gewöhnlich verwendeten Siliziumvorrichtungen dar, da die Notwendigkeit, eine sehr hohe Packungsdichte zu erreichen, kein dominanter Faktor im Vorrichtungsdesign ist. Somit kann die Fläche, die mit jeder Sensorzelle einer Anordnung verbunden ist, die die zu identifizierende Probe aufnimmt, falls notwendig, zu den aktiven Halbleiterkomponenten verschoben sein, wodurch die Bedenken bezüglich der Isolierung gemildert werden, die bei den gegenwärtigen Siliziumsubstratvorrichtungen bestehen. Ferner können die Erfassungsflächen zur Aufnahme einer zu identifizierenden Probe, die die Form von Elektroden für einen DNA-Sensor haben können, mit einer relativ großen Größe hergestellt werden, wodurch die Erfassungsfläche vergrößert und die Leistung der Vorrichtung verbessert wird. Zusätzlich kann die Verwendung vergrößerter Erfassungsflächen einen weiteren Vorteil bieten, da die Packungsdichte der TFTs in Bezug auf jene verringert werden kann, die in vielen gegenwärtigen Anwendungen vorgefunden wird, wo diese Vorrichtungen verwendet werden, wodurch erhöhte Ausbeuten vollständig funktionsfähige Vorrichtungen in den bestehenden Herstellungsprozessen bereitgestellt werden können.
Es ist bekannt, dass TFTs eine geringere Mobilität aufweisen als Siliziumsubstrattransistoren, und wenn sie als große Anordnung von Transistorvorrichtungen hergestellt werden, die für einen Biosensor von besonderem Nutzen wäre, TFTs Variationen in Übertragungseigenschaften zwischen den Transistoren in der Anordnung aufweisen können. Diese Variationen können ausgeprägter werden, wenn die Anordnungsgröße vergrößert wird und insbesondere für DNA-Biosensoren, wo für gewöhnlich eine sehr große Anzahl von Proben analysiert werden muss, um eine Probe zu identifizieren, ist eine große Anordnung von sehr signifikantem Nutzen hinsichtlich der Verringerung der Zeit, die zur Analyse der Proben erforderlich ist.
Somit wurde des Weiteren mit einer bevorzugten Form der vorliegenden Erfindung erreicht, dass, wenn die Kapazität, die zwischen einer Elektrode und einer zu identifizierenden Probe entsteht, als Messtechnik verwendet wird, die möglichen Nachteile, die mit der Variabilität in der Leistung des TFT entstehen, gelöst werden können, wodurch solche Vorrichtungen leicht als aktive Vorrichtungen für einen chemischen Sensor in der Form einer sehr großen Anordnung von Sensorzellen verwendet werden können.
Die Verwendung von TFTs für chemische Sensoren bietet nicht nur den Kostenvorteil gegenüber der Verwendung von Siliziumsubstratvorrichtungen, sondern bietet auch die Möglichkeit, sehr großflächige Anordnungen mit vergrößerten Erfassungsflächen herzustellen. Ferner gibt es auch den signifikanten zusätzlichen Vorteil einer verbesserten Entsorgbarkeit, die besonders für Biosensor- oder chemische Sensorvorrichtungen wichtig ist, da, wie oben erwähnt, solche Vorrichtungen für gewöhnlich nur einmal vor der Entsorgung verwendet werden können.
EP 0969477 offenbart eine Erfassungsvorrichtung für eine geringe Kapazitätsänderung, die ein Kapazitätserfassungselement, eine Signalerzeugungsschaltung, eine Signalverstärkungsschaltung und eine Ausgangsschaltung enthält. Die Signalverstärkungsschaltung enthält einen ersten Transistor und erste bis dritte Spannungsquellen. Die zweite oder dritte Spannungsquelle ist an die andere Ausgangsklemme des ersten Transistors über einen ersten Schalter angeschlossen. Eine Spannung, die von der zweiten Spannungsquelle an die andere Ausgangsklemme angelegt wird, ist so eingestellt, dass sie einen Wert gleich oder größer einem Wert hat, der durch Subtrahieren einer Schwellenspannung des ersten Transistors von einer Spannung der ersten Spannungsquelle erhalten wird, während eine Spannung, die von der dritten Spannungsquelle an die andere Ausgangsklemme angelegt wird, so eingestellt ist, dass sie einen Wert gleich oder kleiner einem Wert hat, der durch Subtrahieren der Schwellenspannung von der Spannung der ersten Spannungsquelle erhalten wird. Die Ausgangsschaltung ist an einen Verbindungspunkt zwischen der anderen Ausgangsklemme des ersten Transistors und dem ersten Schalter angeschlossen, und empfängt, nachdem eine Spannung der zweiten oder dritten Spannungsquelle an den Verbindungspunkt in einem EIN-Zustand des ersten Schalters angelegt wurde, die Spannung an dem Verbindungspunkt auf der Basis eine AUS-Zustandes des ersten Schalters und einer Ladungssteuerung durch die Signalerzeugungsschaltung, nachdem der erste Schalter ausgeschaltet wurde.
JP 2000213908 offenbart eine Kapazitätserfassungsvorrichtung zur Durchführung einer Fingerabdruckerfassungsmethode, wobei ein Finger auf eine Beschichtung gelegt wird, die Erfassungselektroden bedeckt, die in einer Anordnungsform angeordnet sind. Die Kapazität, die den Unregelmäßigkeiten eines Fingerabdrucks entsprechend zwischen den Erfassungselektroden und der Oberfläche des Fingers gebildet wird, wird durch die Spannungsladungsmethode zum Erfassen elektrischer Ladungen erfasst, nachdem die elektrischen Ladungen bei einer feststehenden Ladungsspannung in die Erfassungselektroden geladen wurden. Eine Ausgangsspannung, die den Unregelmäßigkeiten des Fingerabdrucks entspricht, kann dann erzeugt werden. Wenn Erfassungsleitungen faktisch geerdet werden, nachdem die elektrischen Ladungen in die Erfassungselektroden bei der feststehenden Ladungsspannung geladen wurden, kann die Ausgangsspannung exakt verteilt werden, ohne von den Eigenschaften der Zellenwählschalter abhängig zu sein, die an die Erfassungselektroden für die einzelnen Zellen angeschlossen sind.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Sensorzelle bereitzustellen, die Dünnfilmtransistoren verwendet. Ferner ist es auch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei der die Erfassung des Kapazität an einer Elektrode, die bei der Elektrode entsteht, die eine Probe zur Identifizierung aufnimmt, als Messtechnik verwendet wird, und diese Kapazität zur Steuerung des Betriebs der Dünnfilmtransistoren verwendet wird.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Sensorzelle bereitgestellt, umfassend:
einen ersten Dünnfilmtransistor mit einer ersten Gate-Elektrode;
eine Probenelektrode, die an die erste Gate-Elektrode gekoppelt ist; und
einen Referenzkondensator;
wobei die Probenelektrode und der Referenzkondensator als Kapazitätsteilerschaltung angeordnet sind, die an die erste Gate-Elektrode gekoppelt ist;
der erste Dünnfilmtransistor so angeordnet ist, dass er abhängig von einem Wert einer Kapazität gesteuert wird, die an der Probenelektrode entsteht; und dadurch gekennzeichnet, dass
der Referenzkondensator eine Metallschicht umfasst, die sich in den Kontakt mit der ersten Gate-Elektrode erstreckt, und eine vergrabene Region, die unter der Metallschicht liegt und die von der Metallschicht durch eine Isolierschicht getrennt ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Identifizierung einer Probe unter Verwendung einer Sensorzelle, die einen ersten Dünnfilmtransistor mit einer ersten Gate-Elektrode, ein Aufnahmemittel zum Aufnehmen der Probe und einen Referenzkondensator enthält, wobei das Aufnahmemittel eine Probenelektrode hat, die an die erste Gate-Elektrode gekoppelt ist, und der Referenzkondensator und die Probenelektrode eine Kapazitätsteilerschaltung bilden, die an die erste Gate-Elektrode gekoppelt ist, wobei:
der Referenzkondensator eine Metallschicht umfasst, die sich in Kontakt mit der ersten Gate-Elektrode erstreckt, und eine vergrabene Region, die unter der Metallschicht liegt und die von der Metallschicht durch eine Isolierschicht getrennt ist, wobei das Verfahren umfasst:
Steuern des Betriebs des ersten Dünnfilmtransistors abhängig von einem Wert der Kapazität, die an der Probenelektrode als Reaktion auf die Aufnahme der Probe in der Probenelektrode entsteht; und
Steuern der Amplitude eines Spannungsimpulses, der der ersten Gate-Elektrode abhängig von dem Wert der Kapazität, die an der Probenelektrode entsteht, zugeleitet wird.
Die vorliegende Referenzelektrode wird nun nur anhand eines weiteren Beispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, von welchen:
1 einen Sensor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 einen Sensor gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt, die nur als technischer Hintergrund bereitgestellt ist;
3 eine Struktur für eine Sensorzelle zur Verwendung in dem Sensor zeigt, der in 1 dargestellt ist;
4 eine Sensorzelle zeigt, die eine Schwellenspannungsvariation enthält, die in dem Sensor verwendet wird, der in 1 dargestellt ist;
5 eine vereinfachte Betriebskenngröße für den Dünnfilmtransistor der Sensorzelle zeigt, die in 4 dargestellt ist;
6 die Variation der vereinfachten Betriebskenngröße zeigt, die in 5 dargestellt ist, mit einer Variation der Schwellenspannung des Dünnfilmtransistors; und
7 eine alternative Struktur für eine Sensorzelle zeigt, die als pH-Sensor verwendet wird und nur als technischer Hintergrund bereitgestellt ist.
Unter Bezugnahme auf 1 umfasst ein Sensor 2, wie ein chemischer Sensor, eine Anordnung von Sensorzellen 4a, 4b, ..., 4n, die in Reihen 6, 6a, ..., 6n und Spalten 8, 8a, ..., 8n angeordnet sind. Jede Sensorzelle 4a enthält einen Dünnfilmtransistor (TFT) T1, eine Elektrode 10, einen weiteren Transistor T6 und einen Referenzkondensator Cr. Der Sensor 2 enthält auch ein Spaltenvoreinstellungsregister 12, einen Reihenwählregister 14 und ein Spaltenwählregister 16, deren Funktion in der Folge beschrieben wird. Ein Multiplex- und Verstärkungsschaltkreis 20, der unter der Steuerung eines zweiten Spaltenwählregisters 22 arbeitet, ist ebenso zum Verstärken und Multiplexen von Ausgangssignalen von den Sensorzellen bereitgestellt, um ein Ausgangssignal von der Sensoranordnung auf einer Ausgangsleitung 24 zu liefern. In 1 ist die Elektrode 10 als Plattenelektrode zum Aufnehmen einer Fingerspitze dargestellt, aber die Elektrode 10 könnte ebenso eine Elektrode in Lösung umfassen. Jede der Sensorzellen der Anordnung hat einen Schaltkreis, der wie die Sensorzelle 4a konfiguriert ist, die in 1 dargestellt ist.
Der Sensor, der in 1 dargestellt ist, arbeitet in einem Steady-State-Erfassungsmodus, wobei die Spannung an der Gate-Elektrode 26 des Transistors T1 durch den Wert der Kapazität, die an der Elektrode 10 entsteht (durch das Kapazitätssymbol Cs in 1 dargestellt), die sich aus der Aufnahme einer Probe zur Identifizierung auf der Elektrode 10 ergibt, in Kombination mit dem Wert des Referenzkondensators Cr bestimmt wird.
Zu Beginn eines Zyklus werden die Sensorzellen in einer Spalte, zum Beispiel Spalte 8, durch das Anlegen einer Spannung von dem Spaltenvoreinstellungsregister 12 auf der Voreinstellungsleitung 28 voreingestellt. Der Transistor T6 jeder Zelle wird eingeschaltet und eine Vorspannung Vp wird an die Gate-Elektrode 26 des Transistors T1 angelegt. Die Vorspannung Vp ist so bereitgestellt, dass der Transistor T1 auf einen bekannten Betriebspunkt seiner Kenngröße eingestellt ist, und zum Umschalten von einem nicht leitenden in einen leitenden Zustand bereit ist. Sie garantiert auch, dass die Spannung an der Gate-Elektrode 26, wenn ein folgender Impuls an diese angelegt wird, wie in der Folge beschrieben ist, nicht auf einen Pegel steigt, der bewirken würde, dass ein zu hoher Strom, der durch den Transistor T1 geht, möglicherweise den Transistor T1 zerstört.
Das Reihenwählregister 14 wird zum Bereitstellen von Reihenwählimpulsen auf der Leitung 30 zu dem Knoten N über den Referenzkondensator Cr verwendet. Das Spaltenwählregister 16 wird zum Zuleiten eines Spaltenwählimpulses auf Leitung 32 verwendet. Die Reihenwähl- und Spaltenwählimpuls werden nur zu einer Reihe und einer Spalte zu einem bestimmten Zeitpunkt geleitet, wodurch eine einzige Zelle, wie die Sensorzelle 4a in 1, gewählt werden kann. Es wird zum Beispiel angenommen, dass eine Fingerspitze, deren Fingerabdruck identifiziert werden soll, von dem Sensor 4a aufgenommen wird. Ein Teil der Fingerspitze wird von der Elektrode 10 aufgenommen, und ein benachbarter Teil der Fingerspitze wird von der Elektrode 10a der unmittelbar benachbarten Sensorzelle 4b in der Spalte 8a aufgenommen. Die Fingerspitzenoberfläche dient als zusammenwirkende Elektrode zu den Elektroden 10 und 10a und somit kann ein Wert der Kapazität, der in 1 mit Cs bezeichnet ist, zwischen der Fingerspitze und jeder der Elektroden 10 und 10a gelesen werden. Die Kapazitäten Cs und Cr erzeugen im Prinzip einen Wechselstrompotenzialteiler und wenn daher die Sensorzelle 4a den Reihenwählimpuls auf Leitung 30 empfängt, ändert sich die Größe der Spannung am Knoten N abhängig von dem Wert des Referenzkondensators Cr und dem Wert der Kapazität Cs, die durch die Fingerspitze auf der Elektrode 10 entsteht.
Wie oben erwähnt, ist der Transistor T2 annähernd bis zum Leitungspunkt durch Anlegen der Spannung Vp an die Gate- Elektrode 26 vorgespannt. Wenn daher die Sensorzelle 4a durch Anlegen eines Reihenwählimpulses auf Leitung 30 und eines Spaltenwählimpulses auf Leitung 32 gewählt wird, steigt die Größe der Spannung am Knoten P, die ursprünglich beim Wert Vp war, auf einen Wert, der durch die relativen Werte der Kapazitäten Cs und Cr bestimmt wird. Da Cr ein festgelegter Refernzwertkondensator ist, ist der Wert dieser Spannung proportional zu dem Wert der Kapazität Cs. Es folgt, dass der Wert des Ausgangsstroms vom Transistor T1 auch proportional zu dem Wert der Kapazität Cs ist. Der Dünnfilmtransistor T1 wird daher abhängig von dem Wert der Kapazität gesteuert, die an der Probenelektrode 10 entsteht und sich aus der Aufnahme der zu identifizierenden Probe, d. h., eines Abschnitts des Fingerabdrucks an der Fingerspitze, durch die Probenelektrode ergibt.
Der Strom auf Ausgangsleitung 34 wird zu dem Multiplex- und Verstärkungsschaltkreis 20 geleitet. In dem Multiplex- und Verstärkungsschaltkreis wird einem Transistor T1 gleichzeitig mit dem Spaltenwählsignal auf Leitung 32 ein Wählsignal von dem zweiten Spaltenwählregister 22 zugeleitet. Eine Vorspannung V_bias ist an der Gate-Elektrode des Transistors T5 bereitgestellt. Auf diese Weise kann der Ausgangsstrom auf Leitung 34 durch richtige Wahl des Transistors T1 verstärkt und auf Ausgang 24 gemultiplext werden. Ebenso kann der Ausgangstrom von anderen Sensorzellen auf Ausgang 24 gemultiplext werden.
Es ist klar, dass, wenn der Sensor 2 eine Fingerabdruckerkennungsvorrichtung enthält, von einer Fingerspitze, die in Kontakt mit dem Sensor gebracht wird, Stege des Fingerabdruckmusters in Kontakt mit bestimmten Probenelektroden sind, und Furchen des Fingerabdruckmusters in Kontakt mit anderen Probenelektroden sind. Unter der Annahme, dass ein Fingerabdrucksteg von Elektrode 10 aufgenommen wird, und eine Fingerabdruckfurche von Elektrode 10a aufgenommen wird, unterscheidet sich der Wert der Kapazität Cs für die Sensorzelle 4a von dem Wert der Kapazität Cs für die Sensorzelle 4b. Dasselbe gilt für andere Sensorzellen in der Anordnung, die Steg- oder Furchenabschnitte des Fingerabdruckmusters aufnehmen. Für gewöhnlich kann der Sensor 4 eine 200 × 300 Sensorzellenanordnung umfassen. Somit können mit einer geeigneten Zeitsteuerung der Signale von dem Reihenwählregister 14 und den Spaltenwählregistern 16 und 22 die Sensorzellen der Anordnung der Reihe nach abgetastet werden und die gemultiplexten Ausgangssignale der Sensorzellen, die auf Ausgang 24 erscheinen, können einem Speicher zugeführt werden. Ein Komparator kann die gespeicherten Werte für die Proben mit Referenzwerten vergleichen und infolge eines solchen Vergleichs kann der Fingerabdruck identifiziert werden. Die Ausgangssignale auf Ausgang 24 können auch einer Anzeige zum Anzeigen eines Bildes des Fingerabdrucks zugeführt werden, das vom Sensor 2 erfasst wird.
Vorzugsweise ist der Multiplex- und Verstärkungsschaltkreis 20 integral mit dem Sensor 2 hergestellt, wobei in diesem Fall die Transistoren des Schaltkreises, von welchen Transistoren T1 bis T5 dargestellt sind, auch TFTs auf einem gemeinsamen Substrat 36 mit dem Sensor 2 umfassen können. Der Transistor T6 für jede Sensorzelle kann auch einen TFT umfassen. Das Substrat 36 kann jedes geeignete Trägermaterial umfassen, wenn aber vorzugsweise alle Transistoren des Sensors 2 als TFTs hergestellt sind, kann das Substrat 36 vorzugsweise ein Kunststoffmaterial umfassen.
Obwohl der Steady-State-Erfassungssensor, der in 1 dargestellt ist, unter Bezugnahme auf eine Fingerabdruckerkennungsvorrichtung beschrieben wurde, kann es auch als Biosensor zum Erfassen oder Erkennen von Biomaterialien in Lösung, wie DNA oder Antikörper, verwendet werden. In diesem Fall ist eine Reihe von Elektroden bereitgestellt, die die Substanz in Lösung aufnehmen. Der Wert der Kapazität, die durch die Substanz entsteht, kann mit bekannten Referenzwerten verglichen werden, um die besondere Substanz zu identifizieren.
2 zeigt eine alternative Ausführungsform für eine Sensorzelle, die nur als technischer Hintergrund bereitgestellt ist. Die Sensorzelle, die in 2 dargestellt ist, arbeitet in einem "transienten Erfassungsmodus", in dem eine Zeitkonstante, die zum Beispiel durch den Wert der Kapazität bestimmt wird, die an einer Elektrode entsteht, die eine DNA-Probe zur Identifizierung aufnimmt, zur Identifizierung der Probe verwendet wird.
In der Sensorzelle 4, die in 2 dargestellt ist, ist ein Schalttransistor T7 an die Elektrode 10 gekoppelt, und ein Knoten P, der zwischen dem Transistor T7 und der Elektrode 10 bereitgestellt ist, ist an die Gate-Elektrode des Dünnfilmtransistors T1 gekoppelt. Eine Wählleitung 40, Schreibleitung 42 und Leseleitung 44 sind bereitgestellt, um ein Wählsignal V_select, ein Voreinstellungssignal V_preset beziehungsweise ein Lesesignal V_read zu liefern. Ein Multiplex- und Verstärkungsschaltkreis 20 ist zum Liefern eines Ausgangssignals auf Ausgang 24 bereitgestellt.
Der Betrieb des in 2 dargestellten Schaltkreises wird unter Bezugnahme auf die Identifizierung einer DNA-Probe in Lösung beschrieben. Es sollte jedoch offensichtlich sein, dass der transiente Erfassungsschaltkreis, der in 2 dargestellt ist, auch zur Fingerabdruckerkennung auf ähnlich Weise wie unter Bezugnahme auf 1 beschrieben ist, verwendet werden kann. Im Falle einer Fingerabdruckerfassung bestünde die Referenzelektrode 46 von 2 aus der Oberfläche der Fingerspitze und die Spannung V_ref von 2 würde durch die Ladung bereitgestellt werden, die an der Oberfläche der Fingerspitze auftritt.
Zu Beginn eines Betriebszyklus sind die Transistoren T1 und T7, die beide TFTs umfassen können, in einem nicht leitenden oder AUS-Zustand. Die Elektrode 10 ist als eine Elektrode in einem geeigneten Behälter angeordnet, in den die DNA in Lösung eingebracht wird. Die DNA kann immobilisiert sein und wird daher von der Elektrode 10 aufgenommen und infolgedessen entsteht ein Kapazitätwert C_A zwischen der Probenelektrode 10 und der Referenzelektrode 46.
Ein Voreinstellungszyklus wird gestartet, in dem der Schalttransistor T7 durch Anlegen der Spannung V_select an die Gate-Elektrode des Transistors T7 aus einem nicht leitenden Zustand in einen leitenden Zustand umgeschaltet wird. Gleichzeitig wird die Voreinstellungsspannung V_preset zu der Source-Elektrode des Transistors T7 geleitet und die Lesespannung V_read wird zu der Source-Elektrode des Transistors T1 geleitet. Wenn der Transistor T7 eingeschaltet wird, steigt die Spannung am Knoten P auf den Pegel der Voreinstellungsspannung V_preset, und wenn die Spannung am Knoten P die Schwellenspannung des Transistors T1 übersteigt, schaltet sich der Transistor T1 ein, wobei der Strom am Ausgang des Transistors T1 eine Funktion der Spannung am Knoten P (der Gate-Elektrode des Transistors T1) ist.
Der Lesezyklus wird dann durch Beenden der Wählspannung V_select ausgelöst, wodurch der Transistor T7 veranlasst wird, wieder zurück in einen nicht leitenden oder AUS-Zustand zu schalten. Wenn der Transistor T7 ausgeschaltet wird, verringert sich die Spannung am Knoten P, indem sie durch den Transistor T7 ausleckt, und die Rate oder die Zeitkonstante für ein Auftreten dieses Leckens hängt von dem Wert der Kapazität C_A ab, die von der Identität der DNA-Probe abhängig ist, die von der Probenelektrode 10 aufgenommen wurde. Während sich die Größe der Spannung am Knoten P verringert, tritt eine damit verbundene Abnahme im Strom am Ausgang des Dünnfilmtransistors T1 auf, der zu dem Multiplex- und Verstärkungsschaltkreis 20 geleitet wird. Wenn die Spannung am Knoten P unter die Schwellenspannung des Transistors T1 sinkt, schaltet sich der Transistor T1 aus, um den Strom, der zu dem Multiplex- und Verstärkungsschaltkreis 20 geleitet wird, weiter auf jenen eines Leckstroms zu verringern, der durch den Transistor T1 strömt. Aus der vorangehenden Beschreibung geht hervor, dass der Transistor T7 als digitaler Schalttransistor verwendet wird, während der Transistor T1 als analoger Spannung/Strom-Wandler dient. Daher kann durch Überwachen des Stroms am Ausgang des Transistors T1, der von dem Wert der Kapazität C_A abhängig ist, die Identität der Probe, die von der Elektrode 10 aufgenommen wurde, bestimmt werden.
Zur Verwendung als Biosensor können Paare solcher Sensorzellen, wie in 2 dargestellt ist, bereitgestellt werden, wobei eine Zelle eines Paares als Probenzelle dient und die zweite des Paares als Referenzzelle dient, in der keine Reaktion aufgetreten ist.
Wenn die Sensorzellen, die in 1 und 2 dargestellt sind, zur Verwendung als chemische oder Biosensoren dienen, zum Beispiel als DNA-Sensor, müssen die zu identifizierenden chemischen oder Biomaterialien zunächst in die Zelle und auf die Referenzelektroden geschrieben werden. Dies kann als Schreibphase für die Zellen erachtet werden, und erfolgt vorzugsweise, wenn die Vorrichtungen hergestellt werden. Tintenstrahlköpfe können für gewöhnlich zum Aufbringen der chemischen oder Biomaterialien verwendet werden, und das Aufbringen auf die Elektroden kann durch Elektroabscheidung unterstützt werden, wobei eine Ladung an die Elektrode angelegt wird, um das Material, das abgeschieden wird, zu der gewünschten Abscheidungsstelle zu ziehen.
3 zeigt eine Ausführungsform einer Halbleiterstruktur, die zur Bereitstellung des Dünnfilmtransistors T1, der Elektrode 10 und des Referenzkondensators Cr verwendet werden kann.
Die TFT-Struktur von 3 umfasst eine Schicht aus Polysilizium 48, die von dem Substrat 36 gestützt wird, das vorzugsweise aus einem Kunststoff- oder Natronglasmaterial besteht. Die Gate-Elektrode 26 ist über der Polysiliziumschicht 48 gebildet, getrennt von der Polysiliziumschicht durch eine Isolierschicht 50 aus Siliziumdioxid. Passivierungsschichten 52, 54 liegen über der Gate-Elektrode 26.
Die Isolierschicht 50 und die Gate-Elektrode 26 sind so angeordnet, dass sie sich über die Region der Polysiliziumschicht 48 erstrecken und über einer vergrabenen Region 56 aus Metall oder dotiertem Polysilizium liegen, die auf dem Substrat 36 gebildet ist. Die Passivierungsschichten 52, 54 sind mit einer Vertiefung bereitgestellt, die sich nach unten erstreckt, um die Gate-Elektrode 26 in einer Fläche frei zu legen, die über der vergrabenen Region 56 liegt. Die Elektrode 10, die Gold, Silber oder Platin umfassen kann, ist in der Vertiefung gebildet, die sich nach unten in den Kontakt mit der Gate-Elektrode 26 erstreckt. Auf diese Weise wird der Referenzkondensator zwischen der vergrabenen Region 56 und der Gate-Elektrode 26 bereitgestellt. Zu veranschaulichenden Zwecken ist der Referenzkondensator in Phantomlinien in 3 dargestellt.
Da die Struktur, die in 3 dargestellt ist, einen TFT und nicht einen Siliziumsubstrattransistor enthält, kann die Elektrode 10 auch so positioniert werden, dass sie von dem TFT versetzt ist, ohne mit der Notwendigkeit, eine maximale Packungsdichte auf dem teuren Siliziumsubstratmaterial zu erreichen, in Konflikt zu kommen. Die Elektrode 10 ist daher so angeordnet, dass sie nicht über den Gate-Regionen des TFT liegt. Als solches kann die Elektrode 10 eine größere Größe aufweisen, um die Empfindlichkeit der Vorrichtung zu verbessern, aber auch die Einkapselung, die zur Isolierung des TFT von der nassen Umgebung notwendig ist, die an der Elektrode auftritt, kann leichter und zuverlässiger hergestellt werden, da keine Notwendigkeit besteht, eine hohe Packungsdichte von Vorrichtungen auf einem teuren Substrat zu erreichen.
Aus 3 ist erkennbar, dass die Struktur eine kompakte Anordnung bereitstellt, die den Dünnfilmtransistor T1, die Elektrode 10 und den Referenzkondensator Cr enthält. Somit kann die Struktur in die Steady-State-Erfassungssensorzelle eingebaut werden, die in 1 dargestellt ist. Wenn die zu identifizierende Probe von der Elektrode 10 aufgenommen wird, bildet der Wert der Kapazität C_s, die zwischen der Elektrode 10 und der Probe entsteht, wie schematisch in 2 dargestellt ist, in Kombination mit dem integralen Referenzkondensator Cr die Kapazitätsteilerschaltung, die unter Bezugnahme auf 1 beschrieben ist, die den Betrieb des TFT steuert.
Für die transiente Erfassungssensorzelle, die in 2 dargestellt ist, bei der kein Referenzkondensator erforderlich ist, kann die vergrabene Region 56 weggelassen werden.
Wie zuvor erwähnt, ist ein Bedenken bei Polysilizium-TFTs die Schwankung in der Schwellenspannung. 4 zeigt einen alternativen Schaltkreis für eine Sensorzelle, der diese Schwankung ausgleicht und einen vergleichbaren Ausgang von dem TFT über ein großflächiges Substrat bereitstellt.
In der Sensorzelle von 4 ist der Dünnfilmtransistor T1 über einen Schalter S entweder an eine Konstantstromversorgung I_Source oder eine Ausgangsleitung gekoppelt. Ein zusätzlicher Transistor T8, der als Schalttransistor arbeitet, ist zwischen den Gate- und Drain-Elektroden des Dünnfilmtransistors T1 angeschlossen, und der Referenzkondensator Cr ist zwischen den Gate- und Source-Elektroden des Dünnfilmtransistors T1 angeschlossen. Die Elektrode zur Aufnahme der zu identifizierenden Probe (in 4 nicht dargestellt) ist auch an die Gate-Elektrode des Transistors T1 gekoppelt. Die Probenkapazität Cs bildet daher auf ähnliche Weise wie unter Bezugnahme auf 1 beschrieben ist mit dem Referenzkondensator Cr einen Kapazitätsteiler.
Wenn der Transistor T8 eingeschaltet wird, sind die Gate-Source-Spannung V_GS und die Drain-Source-Spannung V_DS für den Transistor T1 gleich. Unter solchen Bedingungen ist die Betriebskenngröße für den Transistor T1 vereinfacht, wie in 5 dargestellt ist. Wenn sich der Schalter S in der Position "1" befindet, wird der Strom von der Konstantstromquelle I_Source durch den Transistor T1 gezogen, was zu einem Spannungsabfall V_DSref über den Transistor T1 führt. Da der Transistor T8 eingeschaltet ist (und somit V_GS gleich V_DS für den Transistor T1 ist), wird der Spannungsabfall V_DSref, der über dem Transistor T1 erscheint, im Referenzkondensator Cr gespeichert.
Eine Schwellenschwankung im Dünnfilmtransistor T1 kann zu einer Verschiebung in der vereinfachten Betriebskenngrößenkurve (wenn V_GS gleich V_DS ist) für den Transistor T1 führen, wie in 6 dargestellt ist. Der Wert des Stroms, der durch den Transistor T1 fließt, ist konstant, da er von der Konstantstromquelle I_Source zugeleitet wird. Jede Schwellenschwankung führt daher zu einer Änderung im Spannungsabfall V_DSref, der zwischen den Source- und Drain-Elektroden des Transistors T1 auftritt. Die Spannung V_DSref wird im Referenzkondensator Cr gespeichert und daher wird die Spannung V_GS zwischen den Gate- und Source-Elektroden des Transistors T1 auf diesen Wert vorgeladen. Auf diese Weise wird der Transistor T1 auf einen bekannten Punkt seiner Kenngröße voreingestellt.
Wenn der Schalter S nun in die Position "2" bewegt und T8 ausgeschaltet wird, ist anfangs der Strom I_out auf der Ausgangsleitung gleich dem Strom von der Konstantstromquelle I_Source, da er durch die Spannung am Knoten P geregelt wird, die ihrerseits durch die Spannung geregelt wird, die im Kondensator Cr gespeichert ist. Wenn die Spannungsquelle V_ref nun gepulst wird, erhöht sich die Spannung am Knoten P und pulst im Einklang mit der Spannung V_ref. Der Strom I_out an der Ausgangsleitung pulst auch im Einklang mit dem Anstieg in der Spannung am Knoten P.
Der Referenzkondensator Cr und die Kapazität Cs bilden eine kapazitiven Teiler und somit wird die Erhöhung in der Spannung am Knoten P, wenn die Spannungsquelle V_ref gepulst wird, durch die relativen Kapazitätswerte von Cr und Cs bestimmt. Der Anstieg im Ausgangsstrom I_out von seinem Anfangswert, der gleich dem Strom von der Konstantstromquelle I_Source ist, kann zum Quantifizieren des Wertes der Kapazität Cs gemessen werden, die für die Probe, die von der Probenelektrode aufgenommen wird, kennzeichnend ist.
Es ist offensichtlich, dass der Schalter S durch ein Festkörperschaltermittel, wie Dünnfilmtransistoren, auf dem Substrat 36 bereitgestellt werden kann.
7 zeigt eine weitere Ausführungsform, die nur als technischer Hintergrund bereitgestellt ist, wo der Sensor als pH-Sensor verwendet werden kann. Die Struktur, die in 7 dargestellt ist, ist der Struktur, die in 3 dargestellt ist, sehr ähnlich, so dass, wenn möglich, dieselben Bezugszeichen verwendet wurden, um gleiche Teile der Struktur zu bezeichnen.
In der Struktur, die in 7 dargestellt ist, ist eine Vertiefung 58 in der Passivierungsschicht 52 bereitgestellt, um die Gate-Elektrode 26 freizulegen. Die Passivierungsschicht 54 ist so bereitgestellt, dass sie sich als kontinuierliche Schicht über die Passivierungsschicht 52 und die Gate-Elektrode 26 in der Vertiefung 58 erstreckt, um eine relativ dünne Schicht aus Passivierungsmaterial 60 bereitzustellen, die über der Gate-Elektrode liegt. Wenn eine zu identifizierende Probe in der Form einer Lösung, wie zum Beispiel Harnstoff oder Glucose, in die Vertiefung 58 eingebracht wird und mit der Schicht 60 in Kontakt gelangt, werden Ionen in der Lösung nahe der Schicht 60 positioniert und Protonen, die mit +-Symbolen in 7 dargestellt sind, werden auf der Oberfläche 62 der Schicht 60 absorbiert. Da die Schicht 60 sehr dünn ist, wird diese Ladung zu der Gate-Elektrode 60 übertragen und liefert daher eine Spannung, die den Betrieb des TFT-Transistors steuert, der aus einer Gate-Elektrode 26, einer Polysiliziumregion 48 und einer Siliziumdioxidschicht 50 besteht. Die Ladung, die in der Schicht 60 durch Adsorption der Ionen an der Oberfläche 62 erzeugt wird, hängt mit dem pH der Lösung zusammen, die in die Vertiefung 58 eingebracht wurde. Somit kann durch Überwachen des Ausgangs von dem TFT die Substanz in der Lösung identifiziert werden.
Die oben genannte Beschreibung dient nur als Beispiel und für einen Fachmann ist offensichtlich, dass Modifizierungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Zum Beispiel wurden die Sensorzellen unter Bezugnahme auf das Erfassen chemischer oder Biomaterialien in flüssiger Form beschrieben. Es sollte aber auch klar sein, dass die Sensorzellen zur Analyse von Fluida, die nicht Flüssigkeiten sind, wie Gasen, verwendet werden kann.
Ferner wurde die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf eine Sensorzelle beschrieben, die zur Analyse einer bestimmten chemischen oder Biomaterial-Probe verwendet wird. Da die TFTs jedoch zuverlässig als relativ großflächige Anordnungen im Vergleich zu Siliziumsubstratvorrichtungen hergestellt werden können, kann die Matrix von Sensorzellen, die den Sensor bildet, mit mehreren Sensorzellen bereitgestellt sein, von welchen jeder einen bestimmten DNA-String auf die Referenzelektrode geschrieben hat. Wenn solche Zellen in einem beabstandeten Verhältnis über die Anordnung angeordnet werden, können die Ausgangssignale von diesen Sensorzellen mit einem gemeinsamen Referenzmaterial, wie einem DNA-String, das auf die Referenzelektrode geschrieben ist, durch einen geeigneten Schaltkreis einer Durchschnittsbildung unterzogen werden, so dass eine verbesserte Genauigkeit der Analyse bereitgestellt wird. Der Analyse-Schaltkreis kann auch auf dem Substrat unter Verwendung von TFTs gebildet werden. Daher kann der Sensor im Prinzip mit einer Anzahl von "Duplikat"-Sensorzellen bereitgestellt sein, die jeweils zur Identifizierung eines gemeinsamen DNA-Strings angeordnet sind. Dies wird durch die Verwendung von TFTs möglich, da eine sehr große Anzahl von Sensorzellen in eine sehr großflächige Anordnung eingebaut werden kann.

Claims

Sensorzelle (4a), umfassend: einen ersten Dünnfilmtransistor (T1) mit einer ersten Gate-Elektrode (26); eine Probenelektrode (10), die an die erste Gate-Elektrode (26) gekoppelt ist; und einen Referenzkondensator (Cr); wobei die Probenelektrode (10) und der Referenzkondensator (Cr) als Kapazitätsteilerschaltung angeordnet sind, die an die erste Gate-Elektrode (26) gekoppelt ist; der erste Dünnfilmtransistor (T1) so angeordnet ist, dass er abhängig von einem Wert einer Kapazität gesteuert wird, die an der Probenelektrode entsteht (10); und dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzkondensator (Cr) eine Metallschicht umfasst, die sich in den Kontakt mit der ersten Gate-Elektrode (26) erstreckt, und eine vergrabene Region (56), die unter der Metallschicht liegt und die von der Metallschicht durch eine Isolierschicht (50) getrennt ist.
Sensorzelle (4a) nach Anspruch 1, wobei die vergrabene Region (56) Metall oder dotiertes Polysilizium umfasst.
Sensorzelle (4a) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, des Weiteren umfassend einen zweiten Transistor (T6), der dazu angeordnet ist, einen Spannungsimpuls zu der ersten Gate-Elektrode (26) als Reaktion auf einen Wählim puls zu leiten, der dem zweiten Transistor (T6) zugeleitet wird.
Sensorzelle (4a) nach Anspruch 3, wobei der zweite Transistor (T6) einen Dünnfilmtransistor umfasst.
Sensorzelle (4a) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend eine Schwellenspannungskompensationsschaltung, die eine Konstantstromquelle (I_Source) zum Bereitstellen eines voreingestellten Strompegels durch den ersten Dünnfilmtransistor (T1) und ein Schaltmittel (S) zum selektiven Koppeln der Konstantstromquelle (I_Source) an den ersten Dünnfilmtransistor (T1) umfasst.
Sensorzelle (4a) nach Anspruch 5, umfassend einen dritten Transistor (T8), der an den ersten Dünnfilmtransistor (T1) gekoppelt ist, wobei die Anordnung derart ist, dass, wenn der Spannungsimpuls zu der ersten Gate-Elektrode (26) geleitet wird und die Konstantstromquelle (I_Source) von dem ersten Dünnfilmtransistor (T1) abgekoppelt ist, die Größe eines Ausgangsstroms von dem ersten Dünnfilmtransistor (T1) sich von einem ersten Pegel, der durch die Konstantstromquelle (I_Source) bestimmt wird, auf einen zweiten Pegel abhängig von dem Wert der Kapazität ändert, die an der Probenelektrode (10) entsteht.
Sensorzelle (4a) nach Anspruch 6, umfassend ein Mittel zum Bestimmen der Änderung zwischen dem ersten und zweiten Pegel des Ausgangsstroms von dem ersten Dünnfilmtransistor (T1).
Sensorzelle (4a) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei das Schaltmittel (S) einen Schaltkreis umfasst, der einen Dünnfilmtransistor enthält.
Sensorzelle (4a) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Probenelektrode (10) Gold, Silber oder Platin umfasst.
Sensorzelle (4a) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Probenelektrode (10) an einer Position angeordnet ist, die von dem ersten Dünnfilmtransistor (T1) versetzt ist, wobei die Anordnung derart ist, dass die Probe von der Probenelektrode (10) an einer Position aufgenommen wird, die nicht über einer Gate-Region des ersten Dünnfilmtransistors (T1) liegt.
Sensorzelle (4a) nach Anspruch 1, wobei die Probenelektrode (10) einen Vertiefungsabschnitt umfasst, der in einer Passivierungsschicht (52, 54) angeordnet ist, die über dem ersten Dünnfilmtransistor (T1) liegt, wodurch eine Schicht eines Passivierungsmaterials bereitgestellt wird, die über der Metallschicht liegt, die sich in den Kontakt mit der ersten Gate-Elektrode (26) erstreckt, wobei die Schicht aus Passivierungsmaterial eine derartige Dicke hat, dass eine elektrische Ladung, die in dem Vertiefungsabschnitt durch die Aufnahme der Probe zur Identifizierung entsteht, eine Spannung an der ersten Gate-Elektrode (26) erzeugt, die für die Probe kennzeichnend ist.
Sensorzelle (4a) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Sensorzelle (4a) ein Kunststoff- oder Glassubstrat umfasst.
Sensor (2), umfassend eine Anordnung aus Reihen und Spalten von Sensorzellen (4a–4n) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Sensor (2) nach Anspruch 13, umfassend ein Reihenauswahlregister (14) zum Wählen der Reihen von Sensorzellen (4a–4n) der Anordnung und ein Spaltenauswahlregis ter (16) zum Wählen der Spalten von Sensorzellen (4a–4n) der Anordnung.
Sensor (2) nach Anspruch 13 oder 14, umfassend ein Verstärkungsmittel (20) zum Verstärken von Ausgangssignalen von den Sensorzellen (4a–4n).
Sensor (2) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, umfassend ein Multiplexmittel (20) zum Multiplexen von Ausgangssignalen von den Sensorzellen (4a–4n).
Sensor (2) nach einem der Ansprüche 13 bis 16, umfassend ein Speichermittel zum Speichern von Referenzwerten, die für Referenzproben kennzeichnend sind, ein Vergleichsmittel zum Vergleichen der Referenzwerte mit Ausgangssignalen von Sensorzellen (4a–4n) und ein Anzeigemittel, das zur Anzeige ausgebildet ist, ob eine Probe zur Identifizierung mit einer Referenzprobe übereinstimmt.
Sensor (2) nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei jede Sensorzelle (4a) eine Referenzelektrode umfasst, und wobei mehrere Referenzelektroden, die in einem beabstandeten Verhältnis in der Anordnung angeordnet sind, so angeordnet sind, dass sie eine gemeinsame Referenzsubstanz tragen, und der Sensor (2) des Weiteren ein Schaltkreismittel zum Empfangen und zur Durchschnittsbestimmung von Ausgangssignalen von jenen Sensorzellen (4a–4n) umfasst, die eine der mehreren Referenzelektroden enthalten, die die gemeinsame Referenzsubstanz tragen.
Verfahren zur Identifizierung einer Probe unter Verwendung einer Sensorzelle (4a), die einen ersten Dünnfilmtransistor (T1) mit einer ersten Gate-Elektrode (26), ein Aufnahmemittel zum Aufnehmen der Probe und einen Referenzkondensator (Cr) enthält, wobei das Aufnahmemittel eine Probenelektrode (10) hat, die an die erste Gate-Elektrode (26) gekoppelt ist, und der Referenzkondensator (Cr) und die Probenelektrode (10) eine Kapazitätsteilerschaltung bilden, die an die erste Gate-Elektrode (26) gekoppelt ist, wobei der Referenzkondensator (Cr) eine Metallschicht umfasst, die sich in Kontakt mit der ersten Gate-Elektrode (26) erstreckt, und eine vergrabene Region (56), die unter der Metallschicht liegt und die von der Metallschicht durch eine Isolierschicht (50) getrennt ist, wobei das Verfahren umfasst: Steuern des Betriebs des ersten Dünnfilmtransistors (T1) abhängig von einem Wert der Kapazität, die an der Probenelektrode (10) als Reaktion auf die Aufnahme der Probe in der Probenelektrode (10) entsteht; und Steuern der Amplitude eines Spannungsimpulses, der der ersten Gate-Elektrode (26) abhängig von dem Wert der Kapazität, die an der Probenelektrode (10) entsteht, zugeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 19, umfassend das Bereitstellen der Probenelektrode (10) an einer Position, die von dem ersten Dünnfilmtransistor (T1) versetzt ist, so dass die Probe von der Probenelektrode (10) an einer Position aufgenommen wird, die nicht über einer Gate-Region des ersten Dünnfilmtransistors (T1) liegt.
Verfahren nach Anspruch 19, umfassend das Bereitstellen der vergrabenen Region (56) als Region aus Metall oder dotiertem Polysilizium.
Verfahren nach Anspruch 19 oder Anspruch 20, umfassend das Bereitstellen eines zweiten Transistors (T6) und das Steuern des Spannungsimpulses, der zu der ersten Gate-Elektrode (26) geleitet wird, durch Anlegen eines Wählimpulses an den zweiten Transistor (T6).
Verfahren nach Anspruch 22, umfassend das Bereitstellen des zweiten Transistors (T6) als Dünnfilmtransistor.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, umfassend das Bereitstellen einer Schwellenspannungskompensationsschaltung, die eine Konstantstromquelle (I_Source) zum Bereitstellen eines voreingestellten Strompegels durch den ersten Dünnfilmtransistor (T1) und ein Schaltmittel (S) zum selektiven Koppeln der Konstantstromquelle (I_Source) an den ersten Dünnfilmtransistor (T1) enthält.
Verfahren nach Anspruch 24, umfassend das Koppeln eines dritten Transistors (T8) an den ersten Dünnfilmtransistor (T1), das Bereitstellen des Spannungsimpulses an der ersten Gate-Elektrode (26) und das Abkoppeln der Konstantstromquelle (I_Source) von dem ersten Dünnfilmtransistor (T1), wodurch die Größe des Ausgangsstroms von dem ersten Dünnfilmtransistor (T1) von einem ersten Pegel, der durch die Konstantstromquelle (I_Source) bestimmt wird, auf einen zweiten Pegel abhängig von dem Wert der Kapazität, die an der Probenelektrode (10) entsteht, geändert wird.
Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, wobei die Probenelektrode (10) als Vertiefungsabschnitt bereitgestellt ist, der in einer Passivierungsschicht (52, 54) angeordnet ist, die über dem ersten Dünnfilmtransistor (T1) liegt, wodurch eine Schicht eines Passivierungsmaterials bereitgestellt wird, die über der Metallschicht liegt, die sich in den Kontakt mit der ersten Gate-Elektrode (26) erstreckt, wobei die Schicht aus Passivierungsmaterial eine derartige Dicke hat, dass eine elektrische Ladung, die in dem Vertiefungsabschnitt durch die Aufnahme der Probe zur Identifizierung entsteht, eine Spannung an der ersten Gate-Elektrode (26) erzeugt, die für die Probe kennzeichnend ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 25, umfassend das Herstellen der Sensorzelle (4a) auf einem Kunststoff- oder Glassubstrat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 26, umfassend das Bereitstellen mehrerer Sensorzellen (4a–4n), die als Anordnung von Reihen und Spalten von Sensorzellen (4a–4n) angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 28, umfassend das Bereitstellen eines Reihenauswahlregisters (14) zum Wählen der Reihen von Sensorzellen (4a–4n) in der Anordnung und eines Spaltenauswahlregisters (16) zum wählen der Spalten von Sensorzellen (4a–4n) in der Anordnung.
Verfahren nach Anspruch 28 oder 29, umfassend das Bereitstellen eines Verstärkungsmittels (20) zum Verstärken von Ausgangssignalen von den Sensorzellen (4a–4n).
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 30, umfassend das Bereitstellen eines Multiplexmittels (20) zum Multiplexen von Ausgangssignalen von den Sensorzellen (4a–4n).
Chemischer Sensor, umfassend eine Sensorzelle (4a) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 oder eines Sensors (2) nach einem der Ansprüche 13 bis 18.
Fingerabdruckerkennungsgerät, umfassend eine Sensorzelle (4a) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 oder eines Sensors (2) nach einem der Ansprüche 13 bis 18.
Verfahren zum Betreiben eines Biosensors, umfassend ein Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 31.
Verfahren zum Betreiben eines Fingerabdruckerkennungsgeräts, umfassend ein Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 31.