• 专利附录
  • 专利说明
  • 权利要求
  • 类似技术
  • 同族专利
  • 引用文献
  • 法律状态
  • 优先权
    • 专利摘要:
    EineVorrichtung zur Durchführungvon Messungen an lebenden Zellen oder dergleichen Biokomponentenweist einen Feldeffekttransistor (1) auf, der auf einem Substrateine Source, eine Drain und ein diese miteinander verbindendes Kanalgebiet(4) aufweist, auf dem eine Gate-Elektrode (8) angeordnet ist. DieGate-Elektrode (8) weist mindestens zwei seitlich nebeneinanderangeordnete Elektrodenbereiche (10) auf, die quer zu der Richtung,in der das Kanalgebiet (4) die Source (3a) mit der Drain (3b) verbindet,voneinander beabstandet und elektrisch gegeneinander isoliert sind.
    公开号:DE102004010635A1
    申请号:DE200410010635
    申请日:2004-03-02
    公开日:2005-09-29
    发明作者:Werner Dr. Baumann；Ingo Dipl.-Ing. Freund (FH)；Hans-Jürgen Dr. Gahle；Mirko Dr. Lehmann
    申请人:TDK Micronas GmbH；
    IPC主号:G01N27-414
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung von Messungen an Biokomponenten, insbesonderean lebenden Zellen, mit mindestens einem Feldeffekttransistor, derauf einem Substrat eine Source, eine Drain und ein diese miteinanderverbindendes Kanalgebiet aufweist, auf dem eine Gate-Elektrode angeordnetist, die durch eine dünne Isolierschichtgegen das Kanalgebiet elektrisch isoliert ist.
    [0002] Einederartige Vorrichtung ist aus DE 196 23 517 C1 bekannt. Sie weist einenFeldeffekttransistor auf, bei dem die Gate-Elektrode über eineLeiterbahn mit einer von einem elektrischen Isolator umgrenzten,freigelassenen Kontaktfläche(Pad) elektrisch leitend verbunden ist, die für eine Verbindung mit einerin einer Nährlösung befindlichenlebenden biologischen Zelle dimensioniert ist. Mit einer derartigen Vorrichtungkann das Aktionspotential einer an die Kontaktfläche angelagerten Zelle, insbesondereeiner Nerven- oder Muskelzelle, extrazellulär gemessen werden. Der Feldeffekttransistorhat ein Substrat aus Silizium, in das eine wannenförmige Halbleiterschichteines ersten Ladungsträgertypseingelassen ist. In dieser Halbleiterschicht sind dotierte Drain-und Source-Bereiche angeordnet, zwischen denen ein Kanalgebiet gebildetist. Auf dem Kanalgebiet ist eine dünne Isolierschicht und aufdieser die Gate-Elektrode angeordnet. Die Gate-Elektrode bestehtaus Poly-Silizium und überdecktdas gesamten Kanalgebiet sowie die daran angrenzenden Ränder derDrain und der Source. Die Gate-Elektrode bildet eine Äquipotentialfläche, dieein an ihr anliegendes elektrisches Potential über die gesamte, sich von derDrain zu der Source erstreckende Kanallänge verteilt, so dass das Potentialauch im Sättigungsbetriebdes Feldeffekttransistors, wenn sich entlang der Kanallänge eine asymmetrische,einseitige Verteilung der freien Ladungsträger in dem Kanalgebiet einstellt,an die Stellen gelangt, an denen das Kanalgebiet seine größte Empfindlichkeitaufweist. Die Vorrichtung hat jedoch den Nachteil, dass ihre Messempfindlichkeitstark reduziert ist, wenn die mit dem Gate verbundene Kontaktfläche nurteilweise von der Zelle überdecktwird, so dass die Nährlösung, inder die Zelle angeordnet ist, mit den übrigen Bereichen der Kontaktfläche in Berührung gerät. Die Abnahmeder Messempfindlichkeit wird vor allem dadurch bewirkt, dass dievon der biologischen Zelle in die Kontaktfläche und somit auch die Gate-Elektrodeim Wesentlichen kapazitiv eingekoppelte elektrische Spannung derAusgangsspannung einer Ersatzspannungsquelle mit hohem Quellenwiderstandentspricht. Da die Nährlösung aufgrundder darin enthaltenen Ionen im Vergleich zu dem Quellenwiderstandrelativ niederohmig ist, reduziert sich das an dem Gate anliegendeMesssignal entsprechend, wenn die Ersatzspannungsquelle mit demelektrischen Widerstand der Nährlösung belastetwird. Das zu messende Zellsignal wird dann durch die auf einem Referenzpotentialliegende Nährlösung praktischkurzgeschlossen, d.h. der überwiegende Teilder Spannung liegt nicht an dem Gate an sondern fällt an demQuellenwiderstand der Ersatzspannungsquelle ab. Ungünstig istaußerdem,dass die aus der Gate-Elektrode, der Leiterbahn und der Kontaktfläche gebildeteAnordnung eine relativ große elektrischeKapazitätzu der Nährlösung aufweist, wodurchdas Messsignal zusätzlichabgeschwächt wird.
    [0003] Esbesteht deshalb die Aufgabe, eine Vorrichtung der eingangs genanntenArt zu schaffen, bei der die Gefahr, dass das Messsignal durch einen Kontaktder Gate-Elektrodemit einer Nährlösung, in derdie zu messende Biokomponente(n) angeordnet ist (sind), reduziertist.
    [0004] DieseAufgabe wird dadurch gelöst,dass die Gate-Elektrode mindestens zwei seitlich nebeneinander angeordneteElektrodenbereiche aufweist, die quer zu der Richtung, in der dasKanalgebiet die Source mit der Drain verbindet, voneinander beabstandetund elektrisch gegeneinander isoliert sind.
    [0005] Invorteilhafter Weise ist also die Gate-Elektrode in mehrere elektrischgegeneinander isolierte Elektrodenbereiche unterteilt, die querzu einer die Source und Drain direkt miteinander verbindenden, etwader Stromflussrichtung in dem Kanalgebiet entsprechenden Linie zueinanderversetzt sind. Wenn eine in einer Nährlösung angeordnete Biokomponente,an der mit Hilfe des Feldeffekttransistors eine Messung durchgeführt wird,die Gate-Elektrode nur teilweise überdeckt, derart, dass mindestensein erster Elektrodenbereich der Gate-Elektrode mit der Nährlösung direktin Kontakt steht und mindestens ein zweiter Elektrodenbereich vollständig vonder Biokomponente überdecktund durch diese gegen die Nährlösung abgedichtetwird, wird ein direkter Potentialausgleich zwischen dem ersten unddem zweiten Elektrodenbereich und somit eine Belastung der an demzweiten Elektrodenbe reich anliegenden Messspannung mit dem elektrischenWiderstand der mit dem ersten Elektrodenbereich in Kontakt befindlichen,auf einem Referenzpotential liegenden Nährlösung vermieden. Außerdem istdurch die unterteilte Gateelektrode die kapazitive Belastung desMesssignals durch parasitäreKapazitätengegenübereiner Vorrichtung mit einteiliger Gateelektrode reduziert. In vorteilhafterWeise ermöglichtdie Vorrichtung dadurch auch dann eine relativ hohe Mess- und Detektionsempfindlichkeit,wenn die Biokomponente die Gate-Elektrode nur bereichsweise überdeckt.Die an den einzelnen Elektrodenbereichen anliegenden elektrischenPotentiale könneninsbesondere beim Betrieb des Feldeffekttransistors im Sättigungsbereichjeweils in den Teilbereich des Kanalgebiets eingekoppelt werden,in dem das Kanalgebiet seine größte Empfindlichkeitaufweist. Die Vorrichtung ist vorzugsweise derart ausgebildet, dassdie zu messende Biokomponente direkt an der Gate-Elektrode immobilisiertsein kann. Die Vorrichtung ermöglicht einenhochohmigen Signalabgriff an der Biokomponente.
    [0006] Vorteilhaftist, wenn die Vorrichtung mindestens drei, insbesondere mindestensfünf undbevorzugt mindestens sieben der Elektrodenbereiche in einer Reihenebeneinander aufweist. Wenn die Biokomponente die Gate-Elektrodenur teilweise überdeckt,kann dadurch bei unterschiedlichen Anordnungen der Biokomponenterelativ zu der Gate-Elektrode insgesamt eine noch größere Messempfindlichkeitund Messsicherheit erreicht werden.
    [0007] Beieiner bevorzugten Ausführungsformder Erfindung verlaufen die an das Kanalgebiet angrenzenden Ränder derDrain und der Source etwa parallel zueinander, wobei einander zugewandteElektrodenränderzueinander benachbarter Elektrodenbereiche jeweils etwa rechtwinkligzu den an das Kanalgebiet angrenzenden Rändern der Drain und/oder derSource verlaufen. Die Trennlinien zwischen zueinander benachbartnebeneinander angeordneten Elektrodenbereichen verlaufen dann etwain der Richtung, in welcher der elektrische Stromfluss in dem Kanalgebieterfolgt. Dadurch wird eine gegenseitige Beeinflussung der an deneinzelnen Elektrodenbereichen anliegenden elektrischen Potentiale nochwirkungsvoller vermieden.
    [0008] Beieiner vorteilhaften Ausführungsformder Erfindung ist auf der Drain und der Source jeweils eine vorzugsweiseals Oxidschicht ausgebildete elektrische Isolator schicht angeordnetist, deren Dicke um einen Faktor von mindestens 10, gegebenenfalls30 und bevorzugt 50 größer istals die Dicke der Isolierschicht, wobei die Elektrodenbereiche undgegebenenfalls die Isolierschicht seitlich jeweils direkt an dendem Kanalgebiet zugewandten Rand der Isolatorschicht angrenzen.Durch diese Maßnahmewird eine noch geringe parasitäreKapazitätzwischen der bei der Messung mit der Nährlösung in Kontakt befindlichenOberflächeder Vorrichtung und den von dieser Oberfläche beabstandeten Source- und Drain-Bereichenermöglicht.
    [0009] Vorteilhaftist, wenn die Fläche,welche die einzelnen Elektrodenbereiche jeweils auf dem Kanalgebiet überdecken,kleiner oder gleich der Flächeist, die ein Fokalkontakt einer auf der Gate-Elektrode immobilisierbarenbiologischen Zelle abdeckt und wenn die Fläche, welche die einzelnen Elektrodenbereiche jeweilsauf dem Kanalgebiet überdeckeninsbesondere zwischen 0,5 μm2. und 5 μm2. beträgt.Dadurch wird eine noch größere Messempfindlichkeitund Zuverlässigkeitbei der Messsignalgewinnung an lebenden Zellen, die unterschiedlicheAbmessungen aufweisen und/oder in unterschiedlichen Lagen relativ zuder Gate-Elektrode angeordnet sind, ermöglicht.
    [0010] Beieiner zweckmäßigen Ausgestaltungder Erfindung sind die Isolierschicht als Siliziumoxid-Schicht,insbesondere als Siliziumdioxid-Schicht, und die Gate-Elektrodeals Edelmetall-Schicht, insbesondere als Palladium-Schicht, ausgebildetsind, wobei zwischen der Isolierschicht und der Gate-Elektrode einePoly-Silizium-Schicht angeordnet ist, die in den zwischen zueinanderbenachbarten Elektrodenbereichen befindlichen Zwischenräumen jeweilsunterbrochen ist, und dass zwischen der Poly-Silizium-Schicht undder Edelmetall-Schicht eine diese miteinander verbindende Edelmetall-Silizid-Schicht angeordnetist. Die Gate-Elektrode kann dann bei der Fertigung der Vorrichtungdurch die Vermittlung der Zwischenschicht strukturiert werden. Dazuwerden bei dem Feldeffekttransistor zunächst die Source- und Drain-Bereiche sowie dasKanalgebiet auf der dotierten Halbleiterschicht (diese kann durchdas Substrat oder einen wannenförmigenBereich auf dem Substrat gebildet sein) erzeugt, um danach auf demKanalgebiet die elektrisch isolierende Siliziumoxid-Schicht (Gateoxid)zu erzeugen. Auf diese wird dann eine Poly-Silizium-Schicht ganzflächig aufgebrachtund danach derart strukturiert, dass sie nur noch an den Stellenvorhanden ist, auf denen später dieGate-Elektrode angeordnet sein soll.
    [0011] Nunwerden auf das Substrat strukturierte Schichten zur Bildung vonLeiterbahnen aufgebracht. Zwischen den einzelnen Lagen der Leiterbahnschichtenwerden elektrisch isolierende Schichten angeordnet. Als Deckschichtwird eine Passivierungsschicht aufgebracht. Dann werden über den Stellen,an denen sich das Poly-Siliziumbefindet, Vertiefungen eingeätzt,die sich bis zu der als Ätzstoppdienenden Poly-Silizium-Schicht erstrecken. Falls die Gate-Elektrodeden Boden der Vertiefungen nur teilweise bedecken soll, wird diePoly-Silizium-Schicht in den Vertiefungen strukturiert. Anschließend wirdganzflächigeine Metallisierung aus einem Edelmetall aufgetragen. In einer nachfolgendenWärmebehandlungdiffundiert Silizium aus der Poly-Silizium-Schicht in die Edelmetall-Schichtund bildet in einem von der Oberfläche der Edelmetall-Schichtbeabstandeten Bereich der Edelmetall-Schicht ein Edelmetall-Silizid.Das Edelmetall haftet dadurch besser an der Poly-Silizium-Schicht als an der übrigen Oberfläche, sodass es mechanisch, beispielsweise mit Hilfe von Ultraschallwellen,entsprechend der Struktur Poly-Silizium-Schicht strukturiert werden kann.Dabei löstsich das Edelmetall nur an den Stellen, die nicht mit der Poly-Silizium-Schichtin Kontaktstehen, ab.
    [0012] Dieerfindungsgemäße Vorrichtungist vorzugsweise derart ausgestaltet, dass die Biokomponente direktmit der auf dem Kanalgebiet angeordneten Gate-Elektrode in Kontaktbringbar ist, d.h. die Biokomponente befindet sich während derMessung bevorzugt an der dem Kanalgebiet abgewandten Seite der Gate-Elektrodedirekt überdem Kanalgebiet. Dadurch ergibt sich an der Gate-Elektrode einekleine parasitäreKapazität.Die Gate-Elektrode grenzt zu diesem Zweck bevorzugt an eine Messkammer odereinen Trog zur Aufnahme der Biokomponente(n) und gegebenenfallseiner diese enthaltende(n) Nährlösung an.
    [0013] ImRahmen der Erfindung liegen aber auch Lösungen, bei denen die einzelnenElektrodenbereiche jeweils übereine Leiterbahn mit einem elektrischen Kontaktelement (Pad) verbundenist, das zum Kontaktieren der Biokomponente in einem von der Gate-Elektrodebeabstandeten Anlagebereich fürdie Biokomponente angeordnet ist. Diese Ausführungsform wird bevorzugt,wenn eine räumlicheTrennung zwischen dem eigentlichen Feldeffekttransistor und der(den) Biokomponente(n) vorteilhaft ist.
    [0014] Beieiner zweckmäßigen Ausführungsform derErfindung weist die Vorrichtung mehrere der Feldeffekttransistorenauf, wobei diese Feldeffekttransistoren auf einem gemeinsamen Halbleitersubstratvorzugsweise matrixförmignebeneinander angeordnet sind. Die Vorrichtung ermöglicht danneine ortsaufgelösteMesssignalerfassung an den Biokomponenten.
    [0015] Beieiner vorteilhaften Ausführungsformder Erfindung ist mindestens ein Elektrodenbereich der Gate-Elektrodeund/oder eine zusätzlichzu den Elektrodenbereichen vorhandene und zu diesen benachbarteStimulationselektrode mit einer elektrischen Stimulationseinrichtungfür dieBiokomponente verbunden. Die Stimulationseinrichtung weist eineelektrische Spannungsquelle auf, die über einen elektrischen Schaltermit dem Elektrodenbereich und/oder Stimulationselektrode verbindbarist. Mit Hilfe der Vorrichtung kann an Zellkulturen, die mehreremiteinander vernetzte Nervenzellen aufweisen, die Ausbreitung vonelektrischen Signalen und/oder Signalmustern innerhalb der Zellkulturuntersucht werden. Dazu wird zunächstein elektrisches Stimulationspotential an den mindestens einen Elektrodenbereich und/oderdie Stimulationselektrode angelegt, anschließend wieder entfernt, um danachmit Hilfe der Elektrodenbereiche die Antwort der Zelle(n) auf das Stimulationspotentialzu messen.
    [0016] Nachfolgendist ein Ausführungsbeispielder Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
    [0017] 1 einedreidimensionale Teilansicht einer einen Feldeffekttransistor aufweisendenVorrichtung zur Durchführungvon Messungen an Biokomponenten, wobei die Vorrichtung im Bereichdes Feldeffekttransistors im Querschnitt dargestellt ist,
    [0018] 2 eineAufsicht auf die in 1 gezeigte Vorrichtung im Bereichdes Feldeffekttransistors, wobei eine strukturierte Gatebeschichtungerkennbar ist,
    [0019] 3 eineTeilaufsicht auf die Vorrichtung in Gebrauchsstellung, und
    [0020] 4 einenQuerschnitt durch die Vorrichtung, wobei parasitäre Kapazitäten schematisch dargestelltsind.
    [0021] EineVorrichtung zur Durchführungvon extrazellulärenZellpotentialmessungen an lebenden biologischen Zellen weist einenHalbleiterchip auf, in den mindestens ein Feldeffekttransistor 1 integriert ist,der mit einem in der Zeichnung nicht näher dargestellten Messverstärker verbundenist. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispielweist der Halbleiterchip eine dotierte Halbleiterschicht 2 einesersten Ladungsträgertypsauf, die durch das Substrat des Halbleiterchips gebildet ist. Essind aber auch andere Ausführungsbeispieledenkbar, bei denen die Halbleiterschicht 2 als wannenförmiger dotierterBereich (Well) in das Halbleiter-Substrat eingelassen ist.
    [0022] Aufder Halbleiterschicht 2 sind dotierte Bereiche eines zweitenLadungsträgertypsangeordnet, von denen der eine Bereich die Source 3a undder andere Bereich die Drain 3b des Transistors 1 bildet, wenndieser an dem Messverstärkerangeschlossen ist. In 1 ist erkennbar, dass die Source 3a und dieDrain 3b in die Oberflächeder Halbleiterschicht 2 eingelassen und durch ein zwischenihnen befindliches Kanalgebiet 4 seitlich voneinander beabstandet sind.An einer von dem Kanalgebiet 4 entfernten Stelle ist dieSource 3a mit einem Source-Kontakt 5a und dieDrain 3b mit einem Drain-Kontakt 5b verbunden, diean dem Messverstärkerangeschlossen sind. In 1 rechts ist erkennbar, dassder Source-Kontakt 5a außerdem an der Halbleiterschicht 2 (Substrat) angeschlossenist.
    [0023] Aufdem Kanalgebiet 4 ist eine Isolierschicht 6 angeordnet,die als dünneOxidschicht ausgebildet ist und sich durchgängig über das Kanalgebiet 4 und diebeidseits daran angrenzenden Randbereiche 7a, 7b derSource 3a und der Drain 3b erstreckt. Auf die Isolierschicht 6 isteine in der Zeichnung nicht näher dargestelltestrukturierte Poly-Silizium-Schicht aufgebracht, auf der eine imGanzen mit 8 bezeichnete Gate-Elektrode angeordnet ist,die durch eine Metallisierung gebildet ist. Die Metallisierung bestehtaus einem korrosionsbeständigenEdelmetall, vorzugsweise aus Palladium. Im Übergangsbereich von der Poly-Silizium-Schichtzu der Gate-Elektrode 8 ist eine Metall-Silizid-Schichtgebildet. Die Gate-Elektrode 8 haftet dadurch gut an derPoly-Silizium-Schicht an bzw. ist fest mit dieser verbunden.
    [0024] DieGate-Elektrode 8 grunzt direkt an einen Aufnahmeraum 9 an,der zur Aufnahme von in einer Nährlösung 15 befindlichenlebenden Zellen 14 ausgebildet ist.
    [0025] Wiein 1 besonders gut erkennbar ist, weist die Gate-Elektrode 8 mehrereseitlich nebeneinander angeordnete Elektrodenbereiche 10 auf,die parallel zu der Erstreckungsebene des Halbleiterchips etwa rechtwinkligzu der in 1 durch den Doppelpfeil 1 1markierten Richtung, in der das Kanalgebiet 4 die Source 3a mitder Drain 3b verbindet, voneinander beabstandet und elektrischgegeneinander isoliert sind. Die einzelnen Elektrodenbereiche 10 sindjeweils etwa rechteckförmigausgebildet und erstrecken sich in der Richtung 11, inder das Kanalgebiet 4 die Source 3a mit der Drain 3b verbindet,unterbrechungsfrei überdas Kanalgebiet 4. In 2 ist erkennbar,dass die Elektrodenbereiche 10 jeweils mit ihrem einenEnde den an das Kanalgebiet 4 angrenzenden Randbereich 7a derSource 3a und mit ihrem gegenüberliegenden anderen Ende denan das Kanalgebiet 4 angrenzenden Randbereich 7b derDrain 3b überdecken.
    [0026] Zueinanderbenachbarte Elektrodenbereiche 10 sind jeweils durch einenschmalen Zwischenraum voneinander beabstandet, der in der Aufsichtauf den Halbleiterchip jeweils etwa rechtwinklig zu den an das Kanalgebiet 4 angrenzendenRändernder Source 3a und der Drain 3b verläuft. Parallelzu diesen Rändernsind die Elektrodenbereiche 10 in gerader Linie zueinanderversetzt, so dass sich insgesamt eine etwa rechteckige, aus mehrerenin einer Reihe angeordneten Elektrodenbereichen 10 bestehende, länglicheGate-Elektrode 8 ergibt, den Abmessungen an die einer biologischenZelle angepasst sind. In 2 ist erkennbar, dass sich dieSource 3a und die Drain 3b jeweils unterbrechungsfrei über sämtliche Elektrodenbereiche 10 derGate-Elektrode 8 erstrecken.
    [0027] Aufder Source 3a und der Drain 3b ist mit Abstandzu dem Kanalgebiet 4 jeweils eine elektrische Isolatorschicht 12a, 12b angeordnet,die als Dickoxidschicht (Feldoxidschicht) ausgebildet ist und einegrößere Dickeaufweist als die Isolierschicht 6. Die Elektrodenbereiche 10 unddie Isolierschicht 6 grenzen seitlich jeweils mit ihremeinen Ende an die auf der Source 3a befindliche Isolatorschicht 12a und mirihrem anderen Ende an die auf der Drain 3b befindlicheIsolatorschicht 12b an. Auf den Isolatorschichten 12a, 12b istals Decklage eine Passivierungsschicht 13 angeordnet, diemit Abstand zu der Gate-Elektrode 8 endet, so dass diesezugänglichist.
    [0028] 3 zeigteine Aufsicht auf die Vorrichtung in Gebrauchsstellung. Deutlichist erkennbar, dass an der Oberfläche des Halbleiterchips einebiologische Zelle 14 immobilisiert ist, die in einer Nährlösung 15 (4)angeordnet ist, die übereine in der Zeichnung nicht näherdargestellte Referenzelektrode auf einem elektrischen Referenzpotentialliegt, beispielsweise dem an dem Source-Kontakt 5a anliegenden Potential.Die Zelle 14 ist derart relativ zu der Gate-Elektrode 8 positioniert,dass sie einige der Elektrodenbereiche 10 vollständig überdeckt.Dabei haftet die Zelle derart an diesen Elektrodenbereichen 10 undden diese umgrenzenden, elektrisch gegen die Elektrodenbereiche 10 isoliertenOberflächenbereichendes Halbleiterchips an, dass die Zelle 14 diese Elektrodenbereiche 10 gegendie Nährlösung 15 abdichtet.Die übrigenElektrodenbereiche 10 haben zumindest bereichsweise Kontaktzu der Nährlösung 15 undliegen somit auf dem an der Nährlösung 15 anliegendenReferenzpotential. Da die Gate-Elektrode 8 in mehrere Elektrodenbereiche 10 unterteiltist, wird vermieden, dass das von der Zelle 14 über die Zellmembranin die durch die Zelle 14 gegen die Nährlösung 15 abgedichtetenElektrodenbereiche 10 eingekoppelte Zellpotential auf dasvergleichsweise niederohmige Referenzpotential gezogen werden. DieVorrichtung ermöglichtdeshalb auch dann, wenn die Gate-Elektrode 8 nur teilweisevon der Zelle 14 überdecktist, eine genaue Messung von Zellpotentialänderungen.
    [0029] In 4 sinddie durch die Vorrichtung in dem von der Zelle 14 überdeckenBereich gebildeten elektrischen Kapazitäten schematisch in Form eines elektrischenErsatzschaltbilds eingezeichnet. Deutlich ist erkennbar, dass dieKondensatorplatten des Ersatzkondensators CFox für die durchdie Isolatorschichten 12a, 12b gebildeten elektrischenKapazitätenund die Kondensatorplatten des Ersatzkondensators CPass für die durchden von der Zelle 14 überdeckenBereich der Passivierungsschicht 13 gebildeten elektrischenKapazitätenjeweils wesentlich weiter voneinander beabstandet sind als die Kondensatorplattendes Ersatzkondensators Cox für die durchdie Gate-Elektrode 8 gebildete elektrische Kapazität. Die Kapazitäten CFox und CPass sinddaher wesentlich kleiner als die Gesamtkapazität der Gate-Elektrode 8. Dadiese in mehrere, auf dem Halbleiterchip elektrisch gegeneinanderisolierte Elektrodenbereiche unterteil ist, ist auch die durch dieKapazitätCox auf das Mess signal einwirkende kapazitiveLast nur relativ klein. Die Vorrichtung ermöglicht deshalb insgesamt einehohe Messempfindlichkeit und eine breitbandige, weitgehend verzerrungsfreieMesssignalgewinnung.
    [0030] In 4 istaußerdemein ohmscher Ersatzwiderstand RSeal erkennbar,der den Seal-Widerstand nachbildet, über dender Bereich der Zellmembrane, der innerhalb des Auflagebereichsder Zelle angeordnet und vom Rand des Auflagebereichs beabstandet ist,mit der elektrischen Kapazitätverbunden ist, die zwischen dem außerhalb des Auflagebereichsder Zelle befindlichen Bereich der Passivierungsschicht 13 undder Halbleiterschicht 2 gebildet ist. Die Zelle 14 dichtgegen die Oberflächeder Passivierung sschicht 13 ab, wenn sie an dieser angelagertist. In 4 ist der Abstand zwischen derZellmembrane und der Passivierungsschicht 13 aus Gründen der Übersichtlichkeitstark vergrößert dargestellt.
    权利要求:
    Claims (11)
    [1] Vorrichtung zur Durchführung von Messungen an Biokomponenten,insbesondere an lebenden Zellen, mit mindestens einem Feldeffekttransistor(1), der auf einem Substrat eine Source, eine Drain und eindiese miteinander verbindendes Kanalgebiet (4) aufweist,auf dem eine Gate-Elektrode (8) angeordnet ist, die durcheine dünneIsolierschicht (6) gegen das Kanalgebiet (4) elektrischisoliert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gate-Elektrode(8) mindestens zwei seitlich nebeneinander angeordnete Elektrodenbereiche(10) aufweist, die quer zu der Richtung, in der das Kanalgebiet(4) die Source (3a) mit der Drain (3b)verbindet, voneinander beabstandet und elektrisch gegeneinanderisoliert sind.
    [2] Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass mindestens drei, insbesondere mindestens fünf und bevorzugt mindestenssieben der Elektrodenbereiche (10) in einer Reihe nebeneinanderangeordnet sind.
    [3] Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,dass an das Kanalgebiet (4) angrenzende Ränder derDrain (3a) und der Source (3b) etwa parallel zueinanderverlaufen und dass einander zugewandte Elektrodenränder zueinanderbenachbarter Elektrodenbereiche (10) jeweils etwa rechtwinkligzu den an das Kanalgebiet (4) angrenzenden Rändern derDrain (3a) und/oder der Source (3b) verlaufen.
    [4] Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,dass auf der Drain (3a) und der Source (3b) jeweilseine vorzugsweise als Oxidschicht ausgebildete elektrische Isolatorschicht(12a, 12b) angeordnet ist, deren Dicke um einenFaktor von mindestens 10, gegebenenfalls 30 und bevorzugt 50 größer istals die Dicke der Isolierschicht (6), und dass die Elektrodenbereiche(10) und gegebenenfalls die Isolierschicht (6)seitlich jeweils direkt an den dem Kanalbereich (4) zugewandtenRand der Isolatorschicht (12a, 12b) angrenzen.
    [5] Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,dass die Fläche,welche die einzelnen Elektrodenbereiche (10) jeweils auf demKanalgebiet (4) überdecken,kleiner oder gleich der Flächeist, die ein Fokalkontakt einer auf der Gate-Elektrode immobilisierbarenbiologischen Zelle (14) abdeckt und vorzugsweise zwischen0,5 μm2. und 5 μm2. beträgt.
    [6] Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,dass die Isolierschicht (6) als Siliziumoxid-Schicht, insbesondereals Siliziumdioxid-Schicht, und die Gate-Elektrode (8)als Edelmetall-Schicht, insbesondere als Palladium-Schicht, ausgebildetsind, dass zwischen der Isolierschicht (6) und der Gate-Elektrode(8) eine Poly-Silizium-Schicht (8) angeordnetist, die in den zwischen zueinander benachbarten Elektrodenbereichen(10) befindlichen Zwischenräumen jeweils unterbrochen ist,und dass zwischen der Poly-Silizium-Schicht(8) und der Edelmetall-Schicht eine diese miteinander verbindendeEdelmetall-Silizid-Schicht angeordnet ist.
    [7] Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,dass die Gate-Elektrode direkt an eine Messkammer oder einen Trogzur Aufnahme der Biokomponente(n) und gegebenenfalls einer dieseenthaltende(n) Nährlösung angrenzt.
    [8] Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,dass die einzelnen Elektrodenbereiche (10) jeweils über eineLeiterbahn mit einem elektrischen Kontaktelement verbunden ist,das zum Kontaktieren der Biokomponente in einem von der Gate-Elektrode(8) beabstandeten Anlagebereich für die Biokomponente angeordnetist.
    [9] Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,dass sie mehrere der Feldeffekttransistoren (1) aufweist,und dass diese Feldeffekttransistoren (1) auf einem gemeinsamenHalbleitersubstrat vorzugsweise matrixförmig nebeneinander angeordnetsind.
    [10] Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,dass mindestens ein Elektrodenbereich (10) Gate-Elektrode(8) und/oder eine zusätzlichzu den Elektrodenbereichen vorhandene und zu diesen benachbarteStimulationselektrode mit einer elektrischen Stimulationseinrichtung für die Biokomponenteverbunden ist.
    [11] Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis10 zur extrazellulärenMessung eines Signals an einer biologischen Zelle, insbesondereeiner Zellpotentialänderung.
    类似技术:
    公开号 | 公开日 | 专利标题
    JP2020073910A|2020-05-14|イオン感応性電荷蓄積回路および方法
    US20190033363A1|2019-01-31|Methods and apparatus for testing isfet arrays
    Landheer et al.2005|Model for the field effect from layers of biological macromolecules on the gates of metal-oxide-semiconductor transistors
    US20190131422A1|2019-05-02|Chemically sensitive sensor with lightly doped drains
    Sawada et al.2004|Highly sensitive ion sensors using charge transfer technique
    EP1682882B1|2009-12-09|Sensoranordnung mit mehreren potentiometrischen sensoren
    JP4137239B2|2008-08-20|Ｉｓｆｅｔアレイ
    US5918110A|1999-06-29|Method for manufacturing a combination of a pressure sensor and an electrochemical sensor
    US7799646B2|2010-09-21|Integration of a sense FET into a discrete power MOSFET
    US10132773B2|2018-11-20|Using floating gate field effect transistors for chemical and/or biological sensing
    US20170315086A1|2017-11-02|Structures, Apparatuses and Methods for Fabricating Sensors in Multi-Layer Structures
    EP1509955B1|2011-05-18|Vorrichtung mit einer Halbleiteranordnung und Auswerteschaltungen, und entsprechende Verfahren
    US5944970A|1999-08-31|Solid state electrochemical sensors
    KR100940415B1|2010-02-02|배면 드레인 구조 웨이퍼의 온저항 측정방법
    US6482639B2|2002-11-19|Microelectronic device and method for label-free detection and quantification of biological and chemical molecules
    EP0820593B1|1999-12-22|Messeinrichtung
    US20190017103A1|2019-01-17|Nano-sensor array
    Kim et al.2013|Parallel recording of neurotransmitters release from chromaffin cells using a 10× 10 CMOS IC potentiostat array with on-chip working electrodes
    US7053439B2|2006-05-30|Chemoreceptive semiconductor structure
    EP0953152B1|2002-05-22|Halbleitergassensoren
    JP4653217B2|2011-03-16|電界効果トランジスタのゲート・トンネル漏れのパラメータを測定するための方法及び構造体
    US6856161B2|2005-02-15|Sensor array and method for detecting the condition of a transistor in a sensor array
    TWI288067B|2007-10-11|Microarray bioprobe device integrated with a semiconductor amplifier
    Matsuo et al.1974|An integrated field-effect electrode for biopotential recording
    US7582500B2|2009-09-01|Reference pH sensor, preparation and application thereof
    同族专利:
    公开号 | 公开日
    CN100516861C|2009-07-22|
    US7470962B2|2008-12-30|
    JP2007526466A|2007-09-13|
    US20070284630A1|2007-12-13|
    DE102004010635B4|2006-10-05|
    WO2005085829A1|2005-09-15|
    CN1926428A|2007-03-07|
    EP1740935A1|2007-01-10|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    DE19827957C2|1998-05-27|2000-06-29|Micronas Intermetall Gmbh|Verfahren und Vorrichtung zur Messung einer Zustandsgröße|
    DE19840157A1|1998-09-03|2000-06-15|Axel Lorke|Ortsaufgelöster Potential-Sensor und -Stimulator auf Halbleiterbasis|
    US6602399B1|2000-03-22|2003-08-05|Max-Planck-Gesellschaft Zur Forderung Der Wissenchaften E.V.|Signal recording of a receptor-effector-system by an extracellular planar potential-sensitive electrode|DE102014008606B3|2014-06-10|2015-08-27|Universität Rostock|Elektrophysiologische Messanordnung und elektrophysiologisches Messverfahren|DE3835339C2|1987-10-16|1990-09-06|Fraunhofer-Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung Ev, 8000 Muenchen, De||
    JP2541081B2|1992-08-28|1996-10-09|日本電気株式会社|バイオセンサ及びバイオセンサの製造・使用方法|
    KR20010041147A|1998-02-20|2001-05-15|해리 제이. 레온 하르트|분자 생물학적 분석 및 진단을 위한 진보된 능동 장치 및 방법|
    DE19601488C1|1996-01-17|1997-05-28|Itt Ind Gmbh Deutsche|Verfahren zum Herstellen einer Meßeinrichtung sowie danach hergestellte Meßeinrichtung|
    DE19623517C1|1996-06-12|1997-08-21|Siemens Ag|MOS transistor for biotechnical applications|
    AU5164099A|1998-07-23|2000-02-14|Symbiosis Gmbh|Assembly and apparatus for extracellular electrophysiological recordings and their use|
    AU2823100A|1999-02-22|2000-09-14|Yissum Research Development Company Of The Hebrew University Of Jerusalem|A hybrid electrical device with biological components|
    ES2312490T3|2000-12-11|2009-03-01|President And Fellows Of Harvard College|Dispositivo que contiene manosensores para detectar un analito y su metodo de fabricacion.|
    JP2003322633A|2002-05-01|2003-11-14|Seiko Epson Corp|センサセル、バイオセンサ及びこれらの製造方法|
    EP1367659B1|2002-05-21|2012-09-05|Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd.|Organischer Feldeffekt-Transistor|
    US7989851B2|2002-06-06|2011-08-02|Rutgers, The State University Of New Jersey|Multifunctional biosensor based on ZnO nanostructures|
    US7135728B2|2002-09-30|2006-11-14|Nanosys, Inc.|Large-area nanoenabled macroelectronic substrates and uses therefor|
    AU2003285092A1|2002-10-29|2004-05-25|Cornell Research Foundation, Inc.|Chemical-sensitive floating gate field effect transistor|
    IL152746D0|2002-11-11|2003-06-24|Yissum Res Dev Co|Biosensor for molecules|
    TWI253502B|2003-08-26|2006-04-21|Ind Tech Res Inst|A structure and manufacturing process of a nano device transistor for a biosensor|
    JP4669213B2|2003-08-29|2011-04-13|三菱化学株式会社|電界効果トランジスタ及び単一電子トランジスタ並びにそれを用いたセンサ|
    DE10361136B4|2003-12-23|2005-10-27|Infineon Technologies Ag|Halbleiterdiode und IGBT|
    US7692249B2|2004-01-21|2010-04-06|Intel Corporation|End functionalization of carbon nanotubes|
    US8110868B2|2005-07-27|2012-02-07|Infineon Technologies Austria Ag|Power semiconductor component with a low on-state resistance|
    KR100714924B1|2005-09-29|2007-05-07|한국전자통신연구원|나노갭 전극소자의 제작 방법|JP5150893B2|2006-07-13|2013-02-27|国立大学法人富山大学|酸化還元物質の信号増幅検出方法及びその測定装置|
    JP2009250631A|2008-04-01|2009-10-29|Mitsumi Electric Co Ltd|センサ製造方法|
    JP5181837B2|2008-05-28|2013-04-10|ミツミ電機株式会社|センサ及びその製造方法|
    US9459234B2|2011-10-31|2016-10-04|Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd., |CMOS compatible BioFET|
    CN102520044A|2011-11-07|2012-06-27|浙江工业大学|基于标准cmos工艺的细胞膜电位传感器|
    WO2014197891A2|2013-06-07|2014-12-11|Cornell University|Floating gate based sensor apparatus and related floating gate based sensor applications|
    CN103558254B|2013-11-15|2015-09-16|中国科学院上海微系统与信息技术研究所|一种基于垂直结构隧穿场效应晶体管的生物传感器及其制备方法|
    CN104792848B|2015-01-23|2017-11-24|南京华印半导体有限公司|一种基于印刷晶体管的pH检测标签|
    TWI619941B|2015-12-28|2018-04-01|國立臺灣大學|Biosensor device|
    CN110168364A|2019-03-27|2019-08-23|京东方科技集团股份有限公司|生物检测芯片、生物检测装置及其检测方法|
    法律状态:
    2005-09-29| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2007-04-05| 8364| No opposition during term of opposition|
    2012-03-08| R119| Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee|Effective date: 20111001 |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    DE200410010635|DE102004010635B4|2004-03-02|2004-03-02|Vorrichtung zur Durchführung von Messungen an Biokomponenten|DE200410010635| DE102004010635B4|2004-03-02|2004-03-02|Vorrichtung zur Durchführung von Messungen an Biokomponenten|
    EP20050715622| EP1740935A1|2004-03-02|2005-03-01|Feldeffekttransistor fürmessungen an biokomponenten|
    PCT/EP2005/002128| WO2005085829A1|2004-03-02|2005-03-01|Feldeffekttransistor für messungen an biokomponenten|
    US10/591,413| US7470962B2|2004-03-02|2005-03-01|Field effect transistor for measuring biocomponents|
    JP2007501193A| JP2007526466A|2004-03-02|2005-03-01|バイオコンポーネントを測定するための電解効果トランジスタ|
    CNB2005800068268A| CN100516861C|2004-03-02|2005-03-01|用于测量生物构造的场效应晶体管|
    [返回顶部]