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DE10331299A1 - Sensor-Transistor-Element, Sensor-Einheit und Sensor-Array - Google Patents

Sensor-Transistor-Element, Sensor-Einheit und Sensor-Array Download PDF

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Publication number
DE10331299A1
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Authority
DE
Germany
Prior art keywords
sensor
unit
electrical
source
signal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
DE10331299A
Other languages
English (en)
Inventor
Roland Dr. Thewes
Ralf Dr. Brederlow
Christian Dr. Pacha
Meinrad Dr. Schienle
Christian Paulus
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Infineon Technologies AG
Original Assignee
Infineon Technologies AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Infineon Technologies AG filed Critical Infineon Technologies AG
Priority to DE10331299A priority Critical patent/DE10331299A1/de
Priority to PCT/DE2004/001492 priority patent/WO2005008234A1/de
Publication of DE10331299A1 publication Critical patent/DE10331299A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/414—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
    • G01N27/4145—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS specially adapted for biomolecules, e.g. gate electrode with immobilised receptors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N2035/00099—Characterised by type of test elements
    • G01N2035/00158—Elements containing microarrays, i.e. "biochip"
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
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    • H10K10/40—Organic transistors
    • H10K10/46—Field-effect transistors, e.g. organic thin-film transistors [OTFT]
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
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Abstract

Ein Sensor-Transistor-Element enthält ein Substrat und eine auf und/oder in dem Substrat gebildete Gate-Elektrode, an welche ein elektrisches Aktiviersignal zum Aktivieren des Sensor-Transistor-Elements anlegbar ist. Ferner weist das Sensor-Transistor-Element eine Gate-isolierende Schicht auf der Gate-Elektrode und eine erste Source-/Drain-Elektrode und eine zweite Source-/Drain-Elektrode auf. Auf der Gate-isolierenden Schicht und über der Gate-Elektrode ist eine Kanal-Schicht zwischen der ersten Source-/Drain-Elektrode und der zweiten Source-/Drain-Elektrode gebildet, welche Kanal-Schicht aus Fängermolekülen gebildet ist, die derart eingerichtet sind, dass sie mit in einem Analyten möglicherweise enthaltenen zu erfassenden Partikeln hybridisieren und so die Leitfähigkeit im Kanal modifizieren.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Sensor-Transistor-Element, eine Sensor-Einheit und ein Sensor-Array.
  • Das Erfassen von biologischen Substanzen wie DNA, Proteinen, Oligonukleotiden, etc. gewinnt in Wirtschaft und Wissenschaft zunehmend an Bedeutung.
  • Gemäß einem aus dem Stand der Technik bekannten Biosensor werden an einer Elektrode Fängermoleküle, zum Beispiel DNA-Halbstränge, immobilisiert. Nach Hinzugeben eines möglicherweise zu erfassende Partikel enthaltenden Analyten zu einem solchen Biosensor kann es zu Hybridisierungsereignissen zwischen Fängermolekülen und den zu erfassenden Partikeln kommen, sofern die Fängermoleküle eine zu den zu erfassenden Partikeln komplementäre Basensequenz aufweisen. Ein solches Sensorereignis kann elektrisch oder optisch detektiert werden.
  • Bei einem elektrischen Detektionsverfahren werden die veränderten elektrischen Eigenschaften in einem Umgebungsbereich eines Biosensors aufgrund des Hybridisierungsereignisses erfasst. Beispielsweise kann ein veränderter Wert des ohmschen Widerstands, ein veränderter Wert der Kapazität, etc. gemessen werden. Auch können Label an die zu erfassenden Partikel angehängt werden, welche die elektrischen Eigenschaften des Systems verändern können. So ist es bei dem Redox-Cycling-Sensor möglich, geladene Moleküle unter Verwendung eines Labels zu erzeugen, welche einen elektrischen Sensorstrom generieren.
  • Alternativ werden Hybridisierungsereignisse bei Biosensoren unter Verwendung optischer Prinzipien gemessen. Beispielsweise können veränderte optische Eigenschaften von doppelsträngigen Molekülen gegenüber einzelsträngigen Molekülen gemessen werden. Auch können zu erfassende Partikel mit einem Fluoreszenzlabel versehen werden, welches charakteristisch elektromagnetische Strahlung absorbiert bzw. emittiert. Dies kann erfasst und als Sensorereignis weiterverarbeitet werden.
  • Allerdings sind die optischen Techniken sehr aufwändig, da sie in der Regel eine elektromagnetische Strahlungsquelle und eine elektromagnetische Detektionseinrichtung erfordern.
  • Aus [1] bis [3] sind Label für biologische Moleküle bekannt, welche Label als Elektronenspeicher dienen können.
    •
  • Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen alternativen Sensor bereitzustellen, mit dem biologische Makromoleküle mit ausreichender Nachweissensitivität erfasst werden können.
  • Das Problem wird durch ein Sensor-Transistor-Element, durch eine Sensor-Einheit und durch ein Sensor-Array mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
  • Das erfindungsgemäße Sensor-Transistor-Element enthält ein Substrat und eine auf und/oder in dem Substrat gebildete Gate-Elektrode, an welche ein elektrisches Aktiviersignal zum Aktivieren des Sensor-Transistor-Elements anlegbar ist. Ferner ist eine Gate-isolierende Schicht auf der Gate-Elektrode und eine erste Source-/Drain-Elektrode und eine zweite Source-/Drain-Elektrode in dem Sensor-Transistor- Element enthalten. Eine auf der Gate-isolierenden Schicht und über der Gate-Elektrode gebildete Kanal-Schicht zwischen der ersten Source-/Drain-Elektrode und der zweiten Source-/Drain-Elektrode, welche Kanal-Schicht aus Fängermolekülen gebildet ist, ist derart eingerichtet, dass sie mit in einem Analyten möglicherweise enthaltenen zu erfassenden Partikeln hybridisiert.
  • Die erfindungsgemäße Sensor-Einheit zum Erfassen von in einem Analyten möglicherweise enthaltenen Partikeln enthält ein Sensor-Transistor-Element mit den oben beschriebenen Merkmalen.
  • Ferner ist erfindungsgemäß ein Sensor-Array mit einer Mehrzahl von auf und/oder in dem Substrat gebildeten Sensor-Einheiten mit den oben beschriebenen Merkmalen geschaffen.
  • Eine Grundidee der Erfindung kann darin gesehen werden, dass ein elektronischer Sensor insbesondere zum Erfassen von Biomolekülen geschaffen ist, welcher auf der Ausnutzung des Feldeffekts basiert. Anschaulich bilden die Fängermoleküle, welche ausreichend dicht auf dem Sensor-Transistor-Element angeordnet sind, eine Kanal-Schicht eines Feldeffekttransistor-ähnlichen Bauelements. Im Falle eines Hybridisierungsereignisses zwischen den Fängermolekülen und in einem Analyten möglicherweise enthaltenen Partikeln wird die Kanal-Schicht dahingehend modifiziert, dass die Fängermoleküle zu doppelsträngigen Molekülen umgewandelt werden. Doppelsträngige Moleküle weisen eine zu einzelsträngigen Molekülen unterschiedliche (insbesondere erhöhte) elektrische Leitfähigkeit auf. Daher kann mittels Anlegens eines elektrischen Aktiviersignals an die Gate-Elektrode das Sensor-Transistor-Element aktiviert werden, und die infolge eines Hybridisierungsereignisses veränderte elektrische Leitfähigkeit der Kanal-Schicht kann durch Erfassen eines veränderten elektrischen Signals detektiert werden.
  • Es ist anzumerken, dass im Rahmen dieser Beschreibung vorwiegend DNA-Sensoren beschrieben werden, an welchen ein Hybridisierungsereignis zwischen komplementären DNA-Strängen nachgewiesen werden. Die Erfindung ist allerdings auf alle Arten von Molekülen (insbesondere Biomolekülen) anwendbar, bei denen ein Bindungsereignis spezifisch bindender Moleküle nachgewiesen werden kann. Somit sind die Fängermoleküle nicht auf DNA-Halbstränge beschränkt, sondern können beispielsweise auch Enzyme, Oligonukleotide, Polyamide, Proteine, etc. sein, sofern diese ihre (vertikale) Leitfähigkeit nach der Bindung ändern.
  • Anschaulich ist das Sensor-Transistor-Element gebildet aus einer elektrisch ansteuerbaren Gate-Elektrode, welche mit einer dielektrischen Gate-isolierenden Schicht bedeckt ist. Oberhalb des Dielektrikums sind Fängermoleküle, zum Beispiel einzelsträngige DNA-Moleküle, mit Hilfe einer adäquaten Kopplungschemie immobilisiert. Die Packungsdichte der Fängermoleküle sollte ausreichend hoch sein, vorteilhaft ist diesbezüglich die Verwendung sogenannter Self-Assembled-Monolayer (SAM). Anschaulich bilden die Fängermoleküle, die rasenartig auf der Gate-isolierenden Schicht angeordnet sind, den Kanal-Bereich der FET-ähnlichen Anordnung. Die Kanal-Schicht ist zwischen den beiden Source-/Drain-Elektroden als elektrische Kontakte vorgesehen, welche auch elektrisch ansteuerbar sind. Gemäß dem Feldeffekttransistor-Prinzip können die Source-/Drain- Elektroden die Gate-Elektrode in lateraler Richtung überlappen.
  • Bei einem Hybridisierungsereignis zwischen den Fängermolekülen und zu erfassenden Partikeln bilden sich doppelsträngige Moleküle in der Kanal-Schicht aus, welche eine gegenüber einzelsträngigen Molekülen verbesserte ohmsche Leitfähigkeit aufweisen. Ferner können derartige Doppelstränge selbst oder mit den zu erfassenden Partikeln oder den Fängermolekülen gekoppelte Labels als Elektronenlieferanten zum Bereitstellen elektrischer Ladungsträger zum Verbessern der elektrischen Leitfähigkeit des Kanal-Bereichs dienen.
  • Bei Anlegen einer elektrischen Spannung an den Gate-Bereich wird der Wert eines elektrischen Stroms zwischen den Source-/Drain-Elektroden davon abhängen, ob ein Hybridisierungsereignis erfolgt ist oder nicht. Der Wert eines erfassten elektrischen Signals an einem der Source-/Drain-Elektroden oder zwischen den Source-/Drain-Elektroden kann somit als elektrisches Detektionssignal verwendet werden, welches für erfolgte Hybridisierungsereignisse qualitativ und/oder quantitativ charakteristisch ist.
  • Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Die Source-/Drain-Elektroden des Sensor-Transistor-Elements können auf der Gate-isolierenden Schicht angeordnet sein. Mit anderen Worten können die Source-/Drain-Elektroden gegenüber der Gate-Elektrode und der Gate-isolierenden Schicht erhöht angeordnet sein.
  • Zumindest ein Teil der Fängermoleküle kann mit einem Label versehen sein, das derart eingereichtet ist, dass es bei einem erfolgten Hybridisierungsereignis die elektrische Leitfähigkeit der Kanal-Schicht mittels Bereitstellens elektrischer Ladungsträger erhöht. Label mit derartigen Eigenschaften sind als solche aus [1] bis [3] bekannt. Ein derartiges Labelmolekül kann als Elektronenspeicher fungieren und kann bei einem Hybridisierungsereignis anschaulich elektrische Ladungsträger über die elektrisch gut leitfähige doppelsträngige Struktur an die Oberfläche der Gate-isolierenden Schicht leiten, wodurch die Leitfähigkeit des Kanal-Bereichs verbessert wird. Es ist allerdings anzumerken, dass die Erfindung nicht auf das Verwenden derartiger Moleküle beschränkt ist. Erfindungsgemäß kann auf solche Label ganz verzichtet werden. In diesem Falle stammen die zum Stromfluss beitragenden elektrischen Ladungsträger von (z.B. aufgrund einer Polarisierung generierten) elektrischen Ladungsträgern eines aufgrund der Hybridisierung entstehenden Fänger-Target-Molekülpaars.
  • Da in diesem Fall der Beitrag zu einer elektrischen Leitfähigkeit häufig gering ist und von zusätzlichen Ladungsträgern aus den Source-/Drain-Elektroden überlagert werden kann (welche nicht zum Signal beitragen), kann bei einer solchen Ausführung eine elektrische Isolierung (für tiefe Frequenzen) der Source-/Drain-Elektroden zum Kanal, vorzugsweise erreicht durch Bedeckung mit elektrisch isolierendem Material, vorteilhaft sein.
  • Zumindest eine der beiden Source-/Drain-Elektroden kann ganz oder teilweise mit einer elektrisch isolierenden Schicht bedeckt sein. In diesem Fall ist das Sensor-Transistor-Element mit Wechselspannungs- bzw. Stromsignalen an den Source-/Drain-Elektroden zu betreiben, da Gleichstromflüsse in die Source-/Drain-Elektroden hinein oder aus ihnen hinaus im Falle einer Bedeckung der Source-/Drain-Elektroden mit einer dielektrischen Schicht nicht möglich sind. In diesem Fall ist die Leitfähigkeit/Impedanz des Gesamtsystems Source-Kanal-Kapazität, Kanal, Kanal-Drain-Kapazität die zu messende Größe. Insbesondere bewirkt diese Ausführung, dass die zum Wechselstromsignal beitragenden Ladungsträger ausschließlich aus den Labelmolekülen bzw. aus den doppelsträngigen Molekülen stammen und keine Ladungsträger über die Source -/Drain-Elektroden dem System entnommen oder hinzugefügt werden können. Daher ist eine solche Ausführung für quantitative Messungen aufgrund der besonders hohen Nachweissensitivität gut geeignet.
  • Das Sensor-Transistor-Element kann als monolithisch integriertes Sensor-Transistor-Element eingerichtet sein. Somit kann das erfindungsgemäße Sensor-Transistor-Element von den Vorzügen der modernen Mikroelektronik profitieren. Insbesondere können Ansteuer- oder Auswerte-Schaltkreise in dem Substrat integriert sein, so dass eine On-Chip-Signalverarbeitung ermöglicht ist (beispielsweise Digitalisieren eines Messsignals On-Chip), wodurch die Nachweissensitivität verbessert ist und das Signal-Rausch-Verhältnis erhöht ist.
  • Das erfindungsgemäße Sensor-Transistor-Element kann in Silizium-Technologie oder in Polymerelektronik-Technologie hergestellt sein. Die Realisierung in Polymerelektronik-Technologie, das heißt insbesondere das Bereitstellen eines Polymertransistors und/oder das Verwenden von Polymermaterialen wie Pentacen für das Herstellen des Sensor- Transistor-Elements, ermöglicht eine besonders kostengünstige Fertigung.
  • Das Sensor-Transistor-Element kann eine Schicht aus einem vollständig verarmten Halbleitermaterial zwischen der Gate-isolierenden Schicht und der Kanal-Schicht aufweisen. In diesem Falle bildet sich bei erfolgreicher Hybridisierung nicht ein dünner Elektronenkanal innerhalb des Elektrolyten direkt an der Grenzschicht zwischen Elektrolyt und Dielektrikum aus, sondern die über die doppelsträngige DNA bereitgestellten Elektronen befüllen die dünne Halbleiterschicht, so dass diese leitfähig wird. In diesem Fall kann der Bedeckungsgrad der Sensorfläche mit Rezeptoren deutlich geringer sein, da die halbleitende Schicht eine leitfähige Verbindung zwischen Source und Drain sicherstellen kann. Die Halbleiterschicht kann zum Beispiel auch aus einem Halbleiter aus organischem Material (zum Beispiel Pentacen) bzw. aus "Self-Assembled-Monolayer"-Material hergestellt sein.
  • Das erfindungsgemäße Sensor-Transistor-Element kann mit einer monomolekularen Schicht mit einem ausreichend hohen Dichtegrad (vorzugsweise mit einer Self-Assembled-Monolayer-Schicht) als Gate-isolierende Schicht oder als Schicht zwischen der Gate-isolierenden Schicht und der Kanal-Schicht realisiert sein. DNA-Sensoren gemäß der Erfindung können vorteilhaft auch unter Verwendung von zum Beispiel aus zwei Komponenten bestehenden Self-Assembled-Monolayers (SAM) aufgebaut werden. Eines dieser Materialien kommt vorzugsweise in einer deutlich höheren Konzentration vor und enthält oberhalb einer Ankergruppe (zum Binden an Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder Aluminiumoxid, etc.) eine senkrecht zu der Oberfläche halbleitende Molekülstruktur. Das zweite Material enthält vorzugsweise zusätzlich zu den Komponenten des ersten Materials Fängermoleküle (zum Beispiel eine DNA Sequenz). Mittels SAMs kann sichergestellt werden, dass die Anzahl der Fängermoleküle pro Flächeneinheit eine optimale Dichte für die Ankopplung eines zu erfassendes Partikels (zum Beispiel Target-DNA) hat. Eine vorteilhafte Dichte liegt im Bereich von ungefähr einem Fängermolekül pro 400 nm2. Unter Verwendung einer SAM-Schicht zwischen den eigentlichen Fängermolekülen und der Gate-isolierenden Schicht kann eine ausreichend dichte Anordnung von Fängermolekülen an dem Sensor-Transistor-Element sichergestellt werden. Ein Self-Assembled-Monolayer ist (quasi per Definition) in einer sehr hohen Dichte aufbringbar. Die Self-Assembled-Monolayer-Schicht kann aus den vielfältigen zur Verfügung stehenden SAM-Materialien frei gewählt werden, so können beispielsweise elektrisch leitfähige SAMs oder elektrisch isolierende SAMs verwendet werden.
  • Im Weiteren wird die erfindungsgemäße Sensor-Einheit, die ein Sensor-Transistor-Element aufweist, näher beschrieben. Ausgestaltungen der Sensor-Einheit gelten auch für das Sensor-Transistor-Element und umgekehrt.
  • Bei der Sensor-Einheit kann eine mit zumindest einer der beiden Source-/Drain-Elektroden gekoppelte Erfass-Einrichtung zum Erfassen eines elektrischen Sensorsignals aufgrund einer infolge eines Hybridisierungsereignisses veränderten elektrischen Leitfähigkeit der Kanal-Schicht bereitgestellt sein. Eine solche Erfass-Einrichtung kann beispielsweise eine Stromerfasseinheit (beispielsweise Amperemeter) oder eine Spannungserfasseinheit (beispielsweise Voltmeter) sein.
  • Die Erfass-Einrichtung kann zum Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen die beiden Source-/Drain-Elektroden und zum Erfassen eines elektrischen Stroms an zumindest einer der beiden Source-/Drain-Elektroden eingerichtet sein.
  • Die Erfass-Einrichtung kann zum Anlegen eines elektrischen Stroms an zumindest eine der beiden Source-/Drain-Elektroden und zum Erfassen einer elektrischen Spannung zwischen den beiden Source-/Drain-Elektroden eingerichtet sein.
  • Die angelegte elektrische Spannung bzw. der angelegte elektrische Strom kann entweder ein Gleichsignal (beispielsweise ein Gleichspannungs- oder Gleichstromsignal) oder ein Wechselsignal (beispielsweise ein Wechselspannungssignal oder ein Wechselstromsignal) sein.
  • Ferner kann eine auf und/oder in dem Substrat gebildete Potentiostat-Einrichtung zum Halten eines mit der Sensor-Einheit in Wirkkontakt gebrachten Analyten auf einem vorgebbaren elektrischen Potential bereitgestellt sein. Eine solche Potentiostat-Einrichtung ist zum Beispiel dann vorteilhaft, wenn als Analyt ein elektrolytischer Analyt verwendet wird. Dieser elektrolytische Analyt soll während des Messvorgangs auf einem konstanten elektrischen Potential gehalten werden. In diesem Fall ist ein einwandfreies Funktionieren der Sensor-Einheit gewährleistet.
  • Die Potentiostat-Einrichtung kann eine Referenzelektrode zum Erfassen des elektrischen Potentials des Analyten, eine Komparator-Einrichtung zum Vergleichen des erfassten elektrischen Potentials des Analyten mit einem vorgegebenen elektrischen Potential und eine Gegenelektrode zum Bereitstellen elektrischer Ladungsträger an den Analyten basierend auf dem Vergleich aufweisen. Mit anderen Worten erfasst die Referenzelektrode das gegenwärtige elektrische Potential des Analyten. Dieses erfasste Signal wird einem Eingang einer Komparator-Einrichtung bereitgestellt, welche den Wert dieses Potentials mit einem vorgegebenen Soll-Potential an einem anderen Eingang vergleicht und an einem Ausgang ein entsprechendes Steuersignal der Gegenelektrode bereitstellt, aufgrund welchen Steuersignals die Gegenelektrode dem Analyten gegebenenfalls elektrische Ladungsträger nachliefert, um das konstante elektrische Potential des Analyten aufrechtzuerhalten.
  • Die Sensor-Einheit kann als Biosensor-Einheit eingerichtet sein. Insbesondere kann die Biosensor-Einheit zum Erfassen von DNA-Halbsträngen, Proteinen, Polypeptiden, Oligonukleotiden, etc. eingerichtet sein.
  • Im Weiteren wird das erfindungsgemäße Sensor-Array, das erfindungsgemäße Sensor-Einheiten aufweist, näher beschrieben. Ausgestaltungen der Sensor-Einheit gelten auch für das die Sensor-Einheiten aufweisende Sensor-Array und umgekehrt.
  • Das Sensor-Array kann mindestens eine Aktivierleitung, mindestens eine Ansteuerleitung und mindestens eine Detektionsleitung aufweisen, welche Leitungen voneinander elektrisch isoliert sind. Die Gate-Elektrode einer jeden Sensor-Einheit ist mit genau einer der mindestens einen Aktivierleitung gekoppelt. Die erste Source-/Drain-Elektrode einer jeden Sensor-Einheit ist mit genau einer der mindestens einen Ansteuerleitung gekoppelt und die zweite Source-/Drain-Elektrode ist mit genau einer der mindestens einen Detektionsleitung gekoppelt. Zumindest eine der mindestens einen Ansteuerleitung und zumindest eine der mindestens einen Detektionsleitung (bzw. zumindest eine der mindestens einen Aktivierleitung) ist mit zumindest zwei der Sensor-Einheiten gekoppelt. Die Erfass-Einrichtung weist bei der beschriebenen Ausgestaltung eine Ansteuereinheit zum Bereitstellen eines elektrischen Ansteuersignals und eine Detektionseinheit zum Erfassen eines aus dem elektrischen Ansteuersignal resultierenden elektrischen Sensorsignals auf. Ferner ist eine Auswahleinheit bereitgestellt, die derart eingerichtet ist, dass sie die Ansteuereinheit mit der Ansteuerleitung einer auszuwählenden Sensor-Einheit und die Detektions-Einheit mit der Detektionsleitung der auszuwählenden Sensor-Einheit koppelt, womit die Sensor-Einheit ausgewählt wird.
  • Bei der beschriebenen Architektur des Sensor-Arrays, bei der mehrere Ansteuer- bzw. Detektionsleitungen bzw. Aktivierleitungen für eine Mehrzahl von Sensor-Einheiten jeweils gemeinsam vorgesehen sind, ist die Gesamtzahl von Signalleitungen gering gehalten. Im Falle einer matrixförmigen Anordnung von Sensor-Einheiten mit n Zeilen und m Spalten von Sensor-Einheiten beträgt die Anzahl der erforderlichen Signalleitungen bei genau einer gemeinsamen Aktivierleitung m + n + 1. Gegenüber einer separaten Ansteuerung einer jeden Sensor-Einheit, wo größenordnungsmäßig m·n Signalleitungen erforderlich wären, ist dadurch eine erheblich platzsparendere Anordnung der Sensor-Einheiten auf dem Sensor-Array ermöglicht, so dass die Integrationsschicht erhöht ist.
  • Vielfach ist man daran interessiert, nicht nur einen Test auf einem Sensor durchzuführen, sondern viele Tests an einer gegebenen Probe, dem Analyten, zeitlich parallel. Auf entsprechenden Chips realisierbare miniaturisierte Bio-/ Chemosensor-Arrays dienen dem zeitlich parallelen Nachweis unterschiedlicher zu erfassender Substanzen in einem zu untersuchenden Analyten. Die entsprechenden elektrischen Sensoren können in großer Zahl auf Chips aus Glas, Kunststoff, Silizium oder anderen Substraten realisiert werden. Für derartige Sensor-Arrays einschließlich entsprechendem Auswertesystem ergeben sich vielfältige Anwendungen in der medizinischen Diagnosetechnik, in der Pharmaindustrie, zum Beispiel für das Pharmascreening ("High Throughput Screening", HTS), in der chemischen Industrie, in der Lebensmittelanalytik, in der Umwelt- und Lebensmitteltechnik und -analytik, etc.
  • Um eine große Anzahl von Tests an einem Analyten zeitlich parallel durchzuführen, wird die Anordnung einer größeren Anzahl solcher auf unterschiedliche Substanzen spezifizierter Sensor-Einheiten eines Sensor-Arrays auf einem Chip realisiert. Bei der Realisierung eines Sensor-Arrays mit Feldeffekt-basiertem Sensor-Transistor-Elementen (zum Beispiel zum Erfassen von Biomolekülen) ergibt sich die Herausforderung, dass alle Anschlüsse aller Sensoren einem Auslesegerät zuzuführen sind. Sofern beispielsweise ein passiver Chip mit 8·12 = 96, 32·48 = 1536 oder allgemein n·m Positionen vorliegt, liegen 3·96 = 288, 3·1536 = 4608 bzw. 3·m·n Einzelelektroden-Anschlüsse vor. Es muss jeder Sensor separat auslesbar sein, wobei die Anzahl der verwendeten Anschlüsse ("Pads") des Chips aus Gründen des Aufwands (Chip und Lesegerät) und vor allen Dingen aus Gründen der Sicherheit bei der Kontaktierung nicht zu hoch sein soll. Ein einfacher Ansatz, bei dem alle Elektroden-Anschlüsse separat mit dem Lesegerät gekoppelt werden, liefert 3·m·n (im Beispiel also 288 oder 4608) Pads und ist daher für praktische Anwendungen ungeeignet. Ähnliches gilt für den Ansatz, eine Elektrode aller Sensoren gemeinsam zu betreiben und alle verbleibenden Elektroden-Anschlüsse sowie die gemeinsame Elektrode mit dem Lesegerät zu koppeln. In diesem Fall ist die Zahl der Pads zwar geringer (2·m·n + 1, in den Beispielen also 193 bzw. 3073), jedoch immer noch zu groß, um praktischen Anforderungen gerecht zu werden.
  • Bei der Verwendung sogenannter aktiver Chips, bei denen abgesehen von Transducer-Materialien aktive Schaltungen für eine Signalvorverarbeitung und das Multiplexen von Signalen On-Chip sowie entsprechende Verdrahtungsebenen erforderlich sind, ist das Problem einer großen Anzahl von Pads gelöst. Das Herstellen aktiver Chips ist jedoch aufgrund der aufwändigeren und komplexeren Technologie mit höheren Kosten verbunden.
  • Erfindungsgemäß wird ein Sensor-Array geschaffen, bei dem es ermöglicht ist, auch große Arrays auch auf passiven Chips bei ausreichend geringer Anzahl von Pads zu betreiben. Die Array-Architektur der Erfindung ist allerdings auch für aktive Chips interessant, da sie es erlaubt, den schaltungstechnischen Aufwand pro Sensor-Element gering zu halten, was wiederum die Herstellung hochdichter Sensor-Arrays erlaubt.
  • Bei der beschriebenen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensor-Arrays werden mehrere Detektionsleitungen bzw. mehrere Ansteuerleitungen bzw. mehrere Aktivierleitungen für eine Mehrzahl von Sensor-Einheiten gemeinsam verwendet, so dass die Anzahl der erforderlichen Signalleitungen insgesamt deutlich reduziert ist. Bei einer matrixförmigen Anordnung von Sensor-Einheiten mit n Zeilen und m Spalten sind bei Verwendung genau einer gemeinsamen Aktivierleitung m + n + 1 Anschlüsse erforderlich, so dass insbesondere bei einem Sensor-Array mit einer Vielzahl von Sensor-Einheiten eine besonders platzsparende Realisierung geschaffen ist.
  • Das erfindungsgemäße Sensor-Array kann eine Auswerteeinheit aufweisen, die derart eingerichtet ist, dass sie für die mindestens eine ausgewählte Sensor-Einheit basierend auf dem Ansteuersignal und dem Sensorsignal ermittelt, ob an der mindestens einen ausgewählten Sensor-Einheit Hybridisierungsereignisse erfolgt sind und/oder in welcher Quantität an der mindestens ausgewählten Sensor-Einheit Hybridisierungsereignisse erfolgt sind. Bei der Verwendung einer derartigen Auswerteeinheit sind wahlweise qualitative oder quantitative Messungen möglich.
  • Die Sensor-Einheiten des Sensor-Arrays sind vorzugsweise zu einer Mehrzahl von Sensor-Gruppen gruppiert derart, dass jede Sensor-Gruppe wahlweise separat von den anderen Sensor-Gruppen oder gemeinsam mit zumindest einem Teil der anderen Sensor-Gruppen betreibbar ist. Wird beispielsweise für eine bestimmte Anwendung nur ein Teil der Sensor-Einheiten des erfindungsgemäßen Sensor-Arrays verwendet, so ist es möglich, nur die Sensor-Einheiten einer entsprechenden Sensor-Gruppe zu verwenden. Daher ist eine ressourcenschonende Verwendung des Sensor-Arrays ermöglicht und eine zeitsparende Messung und Auswertung der Signale realisiert.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Sensor-Array kann in dem Substrat ein Analog-Digital-Wandler-Schaltkreis integriert sein, der derart eingerichtet ist, dass er ein analoges elektrisches Signal in ein digitales Signal umwandeln und der Auswerteeinheit bereitstellen kann. Ferner kann in dem Substrat eine elektrische Versorgungseinheit integriert sein, die derart eingerichtet ist, dass sie der Ansteuereinheit und/oder der Auswahleinheit elektrische Spannungssignale und/oder elektrische Stromsignale bereitstellen kann. Darüber hinaus kann in dem Substrat ein Digital-Analog-Wandler-Schaltkreis integriert sein, der derart eingerichtet ist, dass er ein digitales Spannungssignal und/oder Stromsignal der Versorgungseinheit in ein analoges Signal umwandelt und der Ansteuereinheit und/oder der Auswahleinheit bereitstellen kann. In dem Substrat kann eine Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle integriert sein. Ferner kann in dem Substrat eine Verstärkereinheit integriert sein, eingerichtet zum Verstärken des elektrischen Sensorsignals.
  • Das Sensor-Array kann genau eine Aktivierleitung aufweisen, die für alle Sensor-Einheiten gemeinsam vorgesehen ist. Mittels dieser Aktivierleitung kann allen Gate-Anschlüssen der Sensor-Einheiten ein gemeinsames Aktiviersignal bereitgestellt werden.
  • Bei dem Sensor-Array können die mindestens eine Ansteuerleitung, die mindestens eine Detektionsleitung und die mindestens eine Aktivierleitung zumindest teilweise in zwei unterschiedlichen Leitungsebenen in und/oder auf und/oder unter dem Substrat ausgebildet sein. Bei dem Ausbilden der genannten Leitungen in zumindest zwei unterschiedlichen Leitungsebenen kann eine elektrische Isolierung zwischen sich kreuzenden Leitungen realisiert werden.
  • Die Sensor-Einheiten können in genau einer der Leitungsebenen ausgebildet sein.
  • Ferner kann bei dem Sensor-Array in einem ersten Leitungsabschnitt, in dem zwei der Leitungen von einer gegenseitigen Kreuzung frei sind, diese beiden Leitungen in derselben Ebene verlaufend ausgebildet sein, und in einem zweiten Leitungsabschnitt, in dem diese beide Leitungen sich gegeneinander kreuzen, diese beiden Leitungen in unterschiedlichen Ebenen verlaufend ausgebildet sein. Der erste Leitungsabschnitt kann mit dem zweiten Leitungsabschnitt einer jeweiligen Leitung mittels mindestens eines im Wesentlichen vertikal zu dem Substrat verlaufend angeordneten elektrischen Kontaktierungselements gekoppelt sein. Anschaulich kann in Kreuzungsbereichen zwischen zwei Leitungen eine elektrische Isolierung der beiden Leitungen aufrechterhalten werden, indem eine der Leitungen brückenförmig oberhalb bzw. unterhalb der anderen Leitung ausgeführt wird.
  • Mindestens eine der Leitungen kann auf einer Unterseite des Substrats oder unterhalb des Substrats verlaufend ausgebildet sein.
  • Die Ansteuereinheit kann eine für alle Sensor-Einheiten gemeinsame Versorgungseinheit aufweisen, die derart eingerichtet ist, dass mit ihr an die zumindest eine ausgewählte Sensor-Einheit das elektrische Ansteuersignal anlegbar ist.
  • Die Ansteuer-Einheit und/oder die Detektionseinheit können derart eingerichtet sein, dass an zumindest einem Teil der nicht ausgewählten Sensor-Einheiten ein elektrisches Referenzsignal anlegbar ist. Beispielsweise kann das elektrische Referenzsignal das elektrische Massepotential sein.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Sensor-Array kann die Ansteuereinheit für jeweils eine Gruppe von Sensor-Einheiten eine der jeweiligen Gruppe zugehörige Versorgungseinheit aufweisen, die derart eingerichtet ist, dass mit ihr an die Sensor-Einheiten der zugehörigen Gruppe das elektrische Ansteuersignal anlegbar ist.
  • Die Detektionseinheit kann für alle Sensor-Einheiten gemeinsam gebildet sein. Die Detektionseinheit kann On-Chip, das heißt in und/oder auf dem Substrat integriert, oder Off-Chip, das heißt von dem Substrat separat, gebildet sein.
  • Zusammenfassend ist erfindungsgemäß ein Sensor-Transistor-Element geschaffen, das bezogen auf den Nachweis von DNA-Molekülen als DNA-Feldeffekttransistor bezeichnet werden kann. Anschaulich bildet eine ausreichend dichte Schicht aus doppelsträngiger DNA nach einem Hybridisierungsereignis eine halbleitende Schicht, das heißt den Kanal-Bereich des DNA-Feldeffekttransistors, der mittels Anlegens einer Gate-Spannung aktiviert wird. Es ist anzumerken, dass der möglicherweise zu erfassende Partikel enthaltende elektrolytische Analyt keine zu gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen sollte. Der Elektrolyt wird vorteilhafterweise so gewählt, dass das bei einem Hybridisierungsereignis erfasste elektrische Signal nicht zu stark von elektrischen Signalen, die auf dem Elektrolyt beruhen, überlagert wird. Beispielsweise kann als Analyt destilliertes Wasser verwendet werden, in welchem die zu erfassenden Partikel eingebracht sind. Alternativ kann als Elektrolyt ein organisches Lösungsmittel (zum Beispiel Alkohol, etc.) verwendet werden. Auch kann ein Puffer mit ausreichend geringer Ionenkonzentration (zum Beispiel Phosphatpuffer, Tris-Puffer, etc.) verwendet werden. Es ist anzumerken, dass bei dem erfindungsgemäßen Sensorprinzip eine ausreichend hohe elektrische Leitfähigkeit des Analyten nicht so wichtig ist wie zum Beispiel beim Redox-Recycling.
  • Ferner ist zu beachten, dass mittels Einstellens der Frequenz eines anregenden elektrischen Signals zwischen Leitfähigkeitsbeiträgen des Elektrolyten und des Sensors diskriminiert werden kann, da die entsprechenden Ladungsträger (zum Beispiel Elektronen als Sensorsignal, Ionen als Störsignal des Elektrolyten) eine unterschiedliche Beweglichkeit aufweisen. Daher kann bei ausreichend hohen Frequenzen der eine Beitrag den anregenden Frequenzen nicht mehr folgen und liefert somit keinen Beitrag mehr zu dem detektierten Signal.
  • Auch ist es möglich, lediglich die Kanal-Schicht aus den Fängermolekülen mit dem zu untersuchenden Analyten zu befeuchten, wohingegen die Source-/Drain-Elektroden von einer Befeuchtung frei bleiben.
    •
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Weiteren näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 eine Sensor-Einheit gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 2 die in 1 gezeigte Sensor-Einheit in einem ersten Betriebszustand,
  • 3 die in 1 gezeigte Sensor-Einheit in einem zweiten Betriebszustand,
  • 4 eine Sensor-Einheit gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 5 einen Teilbereich einer Sensor-Einheit gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 6 einen Teilbereich einer Sensor-Einheit gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 7 eine Sensor-Einheit gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 8 eine Sensor-Einheit gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 9 eine Sensor-Einheit gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 10 eine Sensor-Einheit gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 11 ein schematisches schaltungstechnisches Symbol einer erfindungsgemäßen Sensor-Einheit,
  • 12 ein Sensor-Array gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 13 ein Sensor-Array gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 14 ein Sensor-Array gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 15 ein Sensor-Array gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 16 ein Sensor-Array gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 17 ein Sensor-Array gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 18 ein Sensor-Array gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 19 eine Darstellung eines Kreuzungsbereichs unterschiedlicher Signalleitungen bei dem Sensor-Array aus 18.
  • Gleiche oder ähnliche Komponenten in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen Bezugsziffern versehen.
  • Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
  • Im Weiteren wird bezugnehmend auf 1 eine Biosensor-Einheit 100 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
  • Bei der Biosensor-Einheit 100 ist eine in einem Silizium-Substrat 101 gebildete Gate-Elektrode 102 vorgesehen, an welche mittels einer Spannungsquelle 103 ein elektrisches Aktiviersignal zum Aktivieren der Biosensor-Einheit 100 anlegbar ist. Auf der Gate-Elektrode 102 ist eine Gate-isolierende Schicht 113 aus Siliziumoxid gebildet. Auf einem ersten Randbereich der Gate-isolierenden Schicht 113, teilweise überlappend mit der Gate-Elektrode 103 ist eine erste Source-/Drain-Elektrode 104 gebildet. Auf einem zweiten Randabschnitt der Gate-isolierenden Schicht 113, teilweise überlappend mit der Gate-Elektrode 102 ist eine zweite Source-/Drain-Elektrode 105 gebildet. Ferner ist auf der Gate-isolierenden Schicht 113 zwischen den beiden Source-/Drain-Elektroden 104, 105 eine Kanal-Schicht 106 gebildet, welche Kanal-Schicht 106 aus Fängermolekülen 107 gebildet ist, die derart eingerichtet sind, dass sie mit in einem Analyten möglicherweise enthaltenen zu erfassenden Partikeln hybridisieren. Die Fängermoleküle 107 sind DNA-Halbstränge mit einer vorgegebenen Basensequenz, die an die Gate-isolierende Schicht 113 angekoppelt sind. Ferner sind die Fängermoleküle 107 mit einem Label 108 (die als solches aus [1] bis [3] bekannt sind) gekoppelt, welches zum bedarfsweisen Bereitstellen von elektrischen Ladungsträgern dient. Auf den Source-/Drain-Elektroden 104, 105 ist eine Siliziumnitrid-Passivierungsschicht 109 gebildet. Die erste Source-/Drain-Elektrode 104 ist auf das elektrische Massepotential 110 gebracht. Mittels einer Spannungsquelle 111 kann die zweite Source-/Drain-Elektrode 105 auf ein von dem Massepotential 110 unterschiedliches elektrisches Potential gebracht werden. Ein Stromfluss an der zweiten Source-/Drain-Elektrode 105 ist mittels einer Stromerfasseinheit 112 erfassbar.
  • Die immobilisierten Fängermoleküle 107 sind mit den Labeln 108 versehen, welches als Elektronenspeicher fungieren. Die Fängermoleküle 107 sind als dichter Rasen unter Verwendung von Self-Assembled-Monolayers aufgebracht, wodurch eine halbleitende Kanal-Schicht 106 geschaffen ist.
  • 1 zeigt die Biosensor-Einheit 100 vor einem Hybridisierungsereignis. 2 und 3 zeigen zwei unterschiedliche Betriebszustände der Biosensor-Einheit 100, nachdem diese mit einem möglicherweise zu erfassende Partikel 200 enthaltenden Analyten in Wirkkontakt gebracht worden ist.
  • 2 zeigt ein Szenario, bei dem die zu erfassenden Partikel 200 zu den Fängermolekülen 107 komplementär sind ("Match"), so dass es zwischen den Fängermolekülen 107 und den zu erfassenden Partikeln 200 zu Hybridisierungsereignissen kommt.
  • 3 zeigt die Biosensor-Einheit 100 in einem anderen Betriebszustand, in dem ein mit der Biosensor-Einheit 100 in Wirkkontakt gebrachter Analyt andere Partikel 300 als zu erfassenden Partikel 200 enthält, welche anderen Partikel 200 eine Basensequenz haben, die zu der Basensequenz der Fängermoleküle 107 nicht komplementär ist. Daher kommt es nicht zu Hybridisierungsereignissen zwischen den Fängermolekülen 107 und den anderen Partikeln ("Mismatch"). Es bildet sich somit in 3 keine doppelsträngige DNA aus.
  • Bei der erfindungsgemäßen Biosensor-Einheit 100 wird das in 2 gezeigte Hybridisierungsereignis nachgewiesen, indem unter Verwendung der Spannungsquelle 103 an die Gate-Elektrode 102 eine positive elektrische Spannung angelegt wird. Da doppelsträngige DNA 107, 200 eine erheblich bessere elektrische Leitfähigkeit aufweist als einzelsträngige DNA 107, bildet sich unmittelbar oberhalb der Gate-isolierenden Schicht 113 eine dünne Schicht aus Elektronen 202 aus, welche in 2 schematisch gezeigt sind. Diese entstammen den Labeln 108 und werden durch die ausreichend gut elektrisch leitfähige doppelsträngige DNA, gebildet aus den Fängermolekülen 107 und den zu erfassenden Partikeln 200, an die Oberfläche der Gate-isolierenden Schicht 113 geleitet.
  • Es ist anzumerken, dass die Darstellung der Elektronen 202 in 2 stark schematisiert ist. Eine andere Beschreibungsweise des Phänomens könnte darin gesehen werden, dass aufgrund der verbesserten Leitfähigkeit der doppelsträngigen Moleküle verglichen mit den einzelsträngigen Molekülen die elektrische Leitfähigkeit der Kanal-Schicht 106 verbessert wird, wobei anschaulich mit Hilfe der Gate-Elektrode quasi-gebundene in quasi-freie Ladungsträger überführt werden können.
  • Wie mit einem Pfeil 201 in 2 angedeutet, wirken die doppelsträngigen DNA-Moleküle als Elektronenpumpe zum Befördern der Elektronen 202 von dem Label 108 zu der Oberfläche der Gate-isolierenden Schicht 113. Die Kanal-Schicht 106 mit den verbesserten elektrischen Eigenschaften führt zu einer elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen den Kontakten 104, 105, die bei Anlegen eines Potentialgefälles dadurch charakterisiert werden kann, dass der Strom an einem oder beiden Kontakten 104, 105 gemessen werden kann. Die in den Figuren gewählte Verschaltung der Biosensor-Einheit 100, bei der einer der beiden Kontakte 104 auf Massepotential 110 liegt, stellt nur einen möglichen Fall dar. Natürlich können auch beide Kontakte 104, 105 mit separaten Spannungsquellen individuell auf vorgebbare elektrische Potentiale gebracht werden.
  • Anschaulich ähnelt die Biosensor-Einheit 100 hinsichtlich Struktur und Wirkungsweise einer MOSFET-Anordnung, wobei die Eigenschaften des Substrat-Materials bzw. des Materials, in dem sich in dem MOS-Transistor der Kanal ausbildet, hier durch die erfolgreiche bzw. nicht erfolgreiche Hybridisierung bestimmt wird.
  • Im Weiteren wird bezugnehmend auf 4 eine Biosensor-Einheit 400 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
  • Bei der Biosensor-Einheit 400 ist ein Potentiostat 402 bereitgestellt. Dies wird gebildet aus einem Komparator 402, einer Referenzelektrode 403 und einer Gegenelektrode 404. Mittels des Potentiostats 401 wird das elektrische Potential eines mit der Sensor-Einheit 400 in Wirkkontakt gebrachten elektrolytischen Analyten 405 auf einem konstanten Wert gehalten. Mittels der Referenzelektrode 403 wird das gegenwärtige elektrische Potential des elektrolytischen Analyten 405 erfasst und einem invertierenden Eingang 402a des Komparators 402 bereitgestellt. An einem nichtinvertierenden Eingang 402b des Komparators 402 ist ein vorgegebenes Referenzpotential, nämlich das elektrische Massepotential 110 bereitgestellt. Der Komparator 402 vergleicht die an den Eingängen 402a, 402b bereitgestellten Signale miteinander und stellt basierend auf diesen Vergleich an einem Ausgang 402c ein Regelsignal bereit, das an eine Gegenelektrode 404 angelegt wird. Die Gegenelektrode 404 ist ebenfalls in Wirkkontakt mit dem elektrolytischen Analyten 405 und liefert basierend auf dem Regelsignal des Komparators 402 dem elektrolytischen Analyten 405 bedarfsweise elektrische Ladungsträger nach, um das Potential auf das Soll-Potential zurückzubringen.
  • Da gemäß dem erfindungsgemäßen Prinzip der Biosensor-Einheit 400 üblicherweise keine elektrochemischen Umsetzungen vorgenommen werden, genügt an Stelle des Potentiostaten auch ein einfacher Kontakt zum Elektrolyten 405, der auf ein konstantes Potential gelegt wird, so dass die in 4 gezeigte Regelschleife mit dem Potentiostaten 401 optional ist.
  • Die erfindungsgemäße Biosensor-Einheit 100 bzw. 400 kann beispielsweise auf Basis eines Silizium-CMOS-Prozesses aufgebaut werden. Hierbei werden die Gate-Elektrode 102 und die Kontakte 104, 105 in 1 bis 3 im Backend des Prozesses gefertigt. Für die Kontakte 104, 105 kann ein edles Metall wie zum Beispiel Gold verwendet werden. Oberhalb der Gate-Elektrode 102 ist ein vorzugsweise relativ dünnes Dielektrikum als Gate-isolierende Schicht 113 abzuscheiden. Der Quotient aus der relativen Dielektrizitätskonstante der Gate-isolierenden Schicht 113 und der Dicke derselben sollte möglichst groß sein, so dass die Werte der an der Gate-Elektrode 102 anzulegenden elektrischen Spannungen im Rahmen des Betriebsspannungsfensters eines üblichen CMOS-Prozesses liegen.
  • Es können für die erfindungsgemäße Biosensor-Einheit Standard-Technologien und Prozesse der Halbleiterfertigung eingesetzt werden. Vorzugsweise werden Standard-CMOS-Prozesse verwendet werden. Materialien für die Gate-isolierende Schicht sind in [4] bis [6] beschrieben, auch Siliziumnitrid und Aluminiumoxid sind mögliche Materialien für die Gate-isolierende Schicht. Es ist auch möglich, dass mittels ALD („Atomic Layer Deposition") dünne Schichten geeigneter Materialien abgeschieden werden. Mit dem ALD-Verfahren ist es grundsätzlich möglich, bis auf die Genauigkeit einer Atomlage eine Dicke einer dielektrischen Schicht einzustellen.
  • Ein Überlappen von Source-/Drain-Elektroden und Gate-Elektrode ist zum Beispiel dadurch erreichbar, dass entsprechende Prozessmodule wie oben zitiert mehrfach hintereinander geschaltet werden.
  • Alternativ zu einer Silizium- bzw. CMOS-basierten Lösung kann die erfindungsgemäße Biosensor-Einheit auch mittels eines Halbleiterprozesses auf Polymerbasis hergestellt werden. Mit anderen Worten kann der Feldeffekttransistor der erfindungsgemäßen Biosensor-Einheit unter Verwendung eines Polymermaterials gefertigt werden. Hierfür können Standardprozesse zum Herstellen eines Polymertransistors verwendet werden. Für ein Ausführungsbeispiel, bei dem zwischen Gate-isolierender Schicht und Fängermolekülen eine (verarmte) halbleitende Schicht vorgesehen ist, kann ein Polymermaterial wie beispielsweise Pentacen verwendet werden.
  • Im Weiteren wird bezugnehmend auf 5 ein Teilbereich einer Biosensor-Einheit 500 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
  • Abweichend von der in 1 bis 3 gezeigten Biosensor-Einheit 100 ist bei der Biosensor-Einheit 500 nicht nur die Gate-isolierende Schicht 113 mit Fängermolekülen 107 versehen, sondern auch der freiliegende Oberflächenbereich der ersten Source-/Drain-Elektrode 104. In 5 ist lediglich ein Teilbereich einer Biosensor-Einheit gezeigt, nämlich der gemäß 1 linke obere Teilbereich.
  • Im Weiteren wird bezugnehmend auf 6 ein Teilbereich einer Biosensor-Einheit 600 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
  • In 6 ist lediglich ein Teilbereich einer Biosensor-Einheit gezeigt, nämlich der gemäß 1 linke obere Teilbereich der Biosensor-Einheit. Im Unterschied zu der in 5 gezeigten Biosensor-Einheit 500 ist bei der Biosensor- Einheit 600 nicht nur ein sich gemäß 6 in vertikaler Richtung erstreckender Oberflächenbereich der ersten Source-/Drain-Elektrode 104 mit Fängermolekülen 107 versehen, sondern auch ein gemäß 6 horizontal verlaufender freiliegender Oberflächenbereich der Source-/Drain-Elektrode 104. Mit anderen Worten kann nicht nur, wie in 5 gezeigt, ein vertikaler Oberflächenbereich der ersten Source-/Drain-Elektrode 104 freigelegt sein, sondern auch ein in 6 gezeigter horizontaler Oberflächenbereich der ersten Source-/Drain-Elektrode 104 freigelegt sein. Abweichend zu 6 kann die Passivierungsschicht 109 auch ganz entfallen.
  • Alternativ zu den bezugnehmend auf 1 bis 6 gezeigten Ausführungsbeispielen muss der Anstellwinkel der Source-/Drain-Elektroden 104, 105 nicht senkrecht sein, sondern kann auch flacher verlaufen. Mit anderen Worten muss die gemäß 1 bis 6 vertikal verlaufende Kante der Source-/Drain-Elektroden 104, 105 mit der Gate-isolierenden Schicht 113 keinen rechten Winkel einschließen, sondern kann auch einen davon abweichenden Winkel einschließen. Ein leicht schräger Anstellwinkel kann bei Verwendung eines Lift-Off-Prozesses zum Herstellen der Source-/Drain-Elektroden 104, 105 erzeugt werden, vergleiche [7], [8].
  • Im Weiteren werden einige Varianten für den elektrischen Betrieb der erfindungsgemäßen Sensor-Einheit beschrieben.
  • Um unerwünschte elektrochemische Effekte und daher das Messergebnis verfälschende Strombeiträge an den Source-/Drain-Elektroden der Biosensor-Einheit zu vermeiden, sollte die angelegte Spannung gegenüber dem Elektrolytpotential nicht zu hoch sein. Typische Werte können beispielsweise im Bereich einiger 100 mV liegen. Darüber hinaus kann es vorteilhaft sein, die Source-/Drain-Elektroden nicht mit Gleichspannung zu betreiben, sondern mit Wechselspannung. In diesem Fall ist auch das Messergebnis ein Wechselstrom. Es ist möglich, eine der beiden Source-/Drain-Elektroden auf das elektrische Massepotential bzw. auf das elektrische Potential des Elektrolyten zu bringen, und an die andere Source-/Drain-Elektrode ein zu dem Massepotential bzw. zu dem Elektrolytpotential vorzugsweise symmetrisches Wechselspannungssignal anzulegen. Alternativ kann an beide Source-/Drain-Elektroden ein gegenphasiges vorzugsweise zu dem elektrischen Massepotential bzw, zu dem Elektrolytpotential symmetrisches Wechselspannungssignal angelegt werden.
  • Sowohl für eine Betriebsweise mit Gleich- als auch mit Wechselsignalen kann auch an eine der Source-/Drain-Elektroden ein elektrischer Strom eingeprägt werden und die sich einstellende Spannung gemessen werden, anstatt des Anlegens einer Spannung und des Messens eines korrespondierenden elektrischen Stroms.
  • Im Weiteren wird bezugnehmend auf 7 eine Biosensor-Einheit 700 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
  • Die Biosensor-Einheit 700 unterscheidet sich von der in 1 gezeigten Biosensor-Einheit 100 im Wesentlichen dadurch, dass zwischen der Gate-isolierenden Schicht 113 und den Fängermolekülen 107 eine vollständig verarmte Halbleiterschicht 701 aus einem Halbleitermaterial, das an Ladungsträgern vollständig verarmt ist, abgeschieden ist. In diesem Falle bildet sich bei einer erfolgreichen Hybridisierung nicht ein dünner Elektronenkanal innerhalb des Elektrolyten direkt an der Grenzschicht zwischen Elektrolyt und Gate-isolierender Schicht aus, sondern die über die doppelsträngige DNA bereitgestellten Ladungsträger befüllen die dünne Halbleiterschicht 701, so dass diese elektrisch leitfähig wird. Gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die vollständig verarmte Halbleiterschicht 701 aus halbleitendem organischen Material, nämlich Pentacen, hergestellt.
  • Bei der Biosensor-Einheit 700 sind die Fängermoleküle 107 von den optionalen Labels 108 frei.
  • Im Weiteren wird bezugnehmend auf 8 eine Biosensor-Einheit 800 gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
  • Die Biosensor-Einheit 800 unterscheidet sich von der in 7 gezeigten Biosensor-Einheit 700 dadurch, dass die in 7 freiliegenden Oberflächenbereiche der ersten und zweiten Source-/Drain-Elektroden 104, 105 bei der Biosensor-Einheit 800 mittels einer elektrisch isolierenden Deckschicht 801 bedeckt sind. Somit ist ein unmittelbarer elektrischer Kontakt zwischen den Source-/Drain-Elektroden 104, 105 einerseits und dem Analyten andererseits gemäß 8 vermieden. Indem die Kontakte 104, 105 mit einer dünnen Dielektrikums-Schicht 801 überzogen sind, sind die Kontakte 104, 105 von störenden elektrochemischen Prozessen abgeschirmt und können keine freien Ladungsträger in den Kanal injizieren.
  • Die Biosensor-Einheit 800 ist mit Wechselspannung- bzw. Wechselstromsignalen an den Kontakten 104, 105 zu betreiben, da Gleichstromflüsse in die Kontakte 104, 105 hinein oder aus ihnen hinaus aufgrund der elektrisch isolierenden Deckschicht 801 nicht möglich sind. Bei dem Ausführungsbeispiel von 8 stammen die zu dem Wechselstromsignal beitragenden elektrischen Ladungsträger ausschließlich von Sensorereignissen, und es werden keine Ladungsträger über die Kontakte 104, 105 dem System entnommen oder hinzugefügt. Dieses Verfahren kann die relative Empfindlichkeit des Sensors erhöhen.
  • Im Weiteren wird bezugnehmend auf 9 eine Biosensor-Einheit 900 gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
  • Die in 9 gezeigte Biosensor-Einheit 900 unterscheidet sich von der in 1 gezeigten Biosensor-Einheit 100 im Wesentlichen dadurch, dass zwischen der Gate-isolierenden Schicht 113 und den Fängermolekülen 107 die in 7 gezeigte vollständig verarmte Halbleiterschicht 701 vorgesehen ist und dass die freiliegenden Oberflächenbereiche der Source-/Drain-Elektroden 104, 105 mit der elektrisch isolierenden Deckschicht 801 aus 8 versehen sind. Ferner wird bei dem Ausführungsbeispiel von 9 an die zweite Source-/Drain-Elektrode 105 mittels einer Wechselspannungsquelle 901 ein elektrisches Wechselspannungssignal angelegt. Auch bei der Biosensor-Einheit 900 sind die Fängermoleküle 107 von einem Label 108 frei.
  • Im Weiteren wird bezugnehmend auf 10 eine Biosensor-Einheit 1000 gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
  • Das Szenario der in 10 gezeigten Biosensor-Einheit 1000 entspricht im Wesentlichen dem in 2 gezeigten Betriebszustand der Biosensor-Einheit 100 mit dem Unterschied, dass die Fängermoleküle 107 in 10 von einem Label 108 frei sind. Im Falle einer erfolgreichen Hybridisierung stammen bei der Biosensor-Einheit 1000 die zum Stromfluss beitragenden Ladungsträger 202 von der Polarisierung der nach der Hybridisierung entstehenden Paare aus Fängermolekülen und zu erfassenden Partikeln von selbst. Da deren Beitrag zu einer potentiellen elektrischen Leitfähigkeit häufig klein ist und manchmal von zusätzlichen Ladungsträgern aus den Source-/Drain-Elektroden 104, 105 überlagert werden kann (welche nicht zum Nutzsignal beitragen) kann es abweichend von dem in 10 gezeigten Ausführungsbeispiel vorteilhaft sein, eine elektrisch isolierende Deckschicht 801 auf die freiliegenden Seitenwandflächen der Source-/Drain-Elektroden 104, 105 aufzubringen.
  • Es ist anzumerken, dass die Einzelmerkmale der in 1 bis 10 beschriebenen Biosensor-Einheiten beliebig untereinander kombinierbar sind.
  • Im Weiteren werden Ausführungsbeispiele für Sensor-Arrays mit erfindungsgemäßen Biosensor-Einheiten beschrieben, die vorzugsweise matrixförmig angeordnet werden. Hierbei können beliebige schaltungstechnische Komponenten, die zum Beispiel signalverstärkende und -verarbeitende Funktionen übernehmen, auf den einzelnen Chips integriert werden, oder es können nur die zur Realisierung des Sensors verwendeten stromleitfähigen Materialien zur Verdrahtung und Verbindung mit einem externen Lesegerät benutzt werden.
  • Für die Beschreibung der Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Sensor-Arrays wird das in 11 gezeigte Symbol für eine Biosensor-Einheit 1100 zum Zwecke einer vereinfachten Darstellung verwendet.
  • Im Weiteren wird bezugnehmend auf 12 ein Sensor-Array 1200 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
  • Bei dem Sensor-Array 1200 sind eine Vielzahl von Sensor-Einheiten 1100 als im Wesentlichen rechteckförmige Matrix angeordnet. Das Sensor-Array 1200 weist eine Aktivierleitung 1201, m Ansteuerleitungen 1202 und n Detektionsleitungen 1203 auf, welche Leitungen voneinander elektrisch isoliert sind. Die Gate-Elektroden aller Sensor-Einheiten 1100 sind über die Aktivierleitung 1201 mit der Spannungsquelle 103 gekoppelt. Jeweils erste Source-/Drain-Elektroden der Sensor-Einheiten 1100 sind mit jeweils genau einer der Ansteuerleitungen 1202 gekoppelt. Die jeweils zweite Source-/Drain-Elektrode einer jeden Sensor-Einheit 1100 ist mit jeweils genau einer der Detektionsleitungen 1203 gekoppelt. Jeweils m Sensor-Einheiten 1100 einer Zeile sind mit einer gemeinsamen Detektionsleitung 1203 gekoppelt. Jeweils n Sensor-Einheiten 1100 einer jeweiligen Spalte sind mit einer gemeinsamen Ansteuerleitung 1202 gekoppelt. Ferner ist eine Ansteuer-Spannungsquelle 1204 zum Anlegen einer elektrischen Spannung Vchar an eine jeweilige Spalte von Sensor-Einheiten 1100 vorgesehen. Darüber hinaus ist eine Detektions-Stromerfasseinheit 1205 bereitgestellt und derart verschaltet, dass ein aus dem elektrischen Ansteuersignal der Ansteuer-Spannungsquelle 1204 resultierendes elektrisches Sensorsignal einer jeweiligen Zeile von Sensor-Einheiten 1100 mit der Detektions-Stromerfasseinheit 1205 erfassbar ist. Ferner ist eine Auswahleinheit in Form von ansteuerbaren Auswahlschaltern 1206 geschaffen, welche derart eingerichtet sind, dass sie die Ansteuer-Spannungsquelle 1204 mit einer Ansteuerleitung 1202 einer auszuwählenden Sensor-Einheit 1210 und die Detektions-Stromerfasseinheit 1205 mit der Detektionsleitung 1203 der auszuwählenden Sensor-Einheit 1210 koppelt, womit die Sensor-Einheit 1210 ausgewählt wird. Die Auswahlschalter 1206 sind jeweils in eine solche Schalterstellung bringbar, dass genau eine Zeile von Sensor-Einheiten 1100 mit der Detektions-Stromerfasseinheit 1205 und genau eine Spalte der Sensor-Einheiten 1100 mit der Ansteuer-Spannungsquelle 1204 gekoppelt sind. Diejenige Sensor-Einheit, die in dem Kreuzungsbereich der ausgewählten Zeile und der ausgewählten Spalte angeordnet ist, ist die ausgewählte Sensor-Einheit 1210.
  • Ferner bilden ein Komparator 1207, eine Referenzelektrode 1208 und eine Gegenelektrode 1209 eine Potentiostat-Einrichtung. Die Referenzelektrode 1208 erfasst das elektrische Potential eines auf das Biosensor-Array 1200 aufgebrachten Analyten und stellt dieses elektrische Potential in Form eines Messsignals einem invertierenden Eingang 1207a des Komparators 1207 bereit. Ein nichtinvertierender Eingang 1207b des Komparators ist auf das elektrische Massepotential 110 gebracht, welches als Referenzsignal dient. Ein Ausgang 1207c des Komparators 1207 ist mit der Gegenelektrode 1209 gekoppelt, wobei der Komparator 1207 der Gegenelektrode 1209 ein derartiges Steuersignal bereitstellt, dass die Gegenelektrode 1209 dem elektrolytischen Analyten bedarfsweise elektrische Ladungsträger bereitstellt, um dessen elektrisches Potential konstant zu halten. Gemeinsam bilden die Komponenten 1207 bis 1209 einen Potentiostaten. Obwohl bei der erfindungsgemäßen Sensor-Einheit eher keine elektrochemischen Umsätze an den Elektroden 104, 105 entstehen, kann die Konfiguration aus
  • 12 vorteilhaft genutzt werden, um dem Analyten ein stabiles elektrochemisches Potential in ausreichend niederohmiger Weise zuzuweisen.
  • Bei dem Sensor-Array 1200 ist eine Architektur gewählt, bei der die elektrisch isolierten Leitungskreuzungen unter Verwendung zweier Leitungsebenen realisiert sind. Die stromführenden Anschlüsse der Sensor-Einheiten 1100 aller m Spalten können wahlweise mit der Anregungs-Spannungsquelle Vchar 1204 oder mit dem elektrischen Massepotential 110 gekoppelt werden, die stromführenden Anschlüsse der Sensor-Einheiten 1100 aller n Zeilen können wahlweise mit der Detektions-Stromerfasseinheit 1205 Ichar oder mit dem elektrischen Massepotential 110 gekoppelt werden.
  • Die nicht stromführenden Anschlüsse aller Sensor-Einheiten 1100, das heißt deren Gate-Anschlüsse, sind gemeinsam mit der Spannungsquelle 103 Vg zum Ansteuern aller Gate-Elektroden gekoppelt.
  • Für einen Lesebetrieb wird an genau eine Spalte die Spannung Vchar angelegt, und das Messinstrument Ichar 1205 wird mit genau einer Zeile gekoppelt. Von der Ansteuer-Spannungsquelle 1204 Vchar fließt daher elektrischer Strom in jede an die ausgewählte Spalte angeschlossene Sensor-Einheit 1100. In der Messeinrichtung 1205 wird allerdings nur der elektrische Strom gemessen, der in die ausgewählte Sensor-Einheit 1210 an der ausgewählten Zeile fließt.
  • Der auf bzw. in dem Substrat 101 gebildete Bereich des Sensor-Arrays 1100 enthält somit n + m + 1 Anschlüsse (Pads). Das minimale mögliche Verhältnis aus der Zahl der Anschlüsse bezogen auf die Anzahl der Sensorpositionen auf dem Chip ergibt sich für n = m, das heißt für ein Sensor-Array mit einer quadratischen matrixförmigen Architektur (Zeilenzahl = Spaltenzahl). In diesem Fall erhält man 2n + 1 (= 2m + 1) Anschlüsse bei n2 = m2 Sensor-Einheiten 1100.
  • Im Weiteren wird bezugnehmend auf 13 ein Sensor-Array 1300 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
  • Das Sensor-Array 1300 unterschiedet sich von dem Sensor-Array 1200 aus 12 im Wesentlichen dadurch, dass für jede Zeile von Sensor-Einheiten 1100 eine separate Detektions-Stromerfasseinheit 1302 bereitgestellt ist. Mit anderen Worten sind insgesamt n Detektions-Stromerfasseinheiten 1302 vorgesehen. Entlang jeder Spalte von Sensor-Einheiten 1100 ist eine gemeinsame Ansteuer-Spannungsquelle 1301 vorgesehen, so dass insgesamt m Ansteuer-Spannungsquellen 1301 bereitgestellt sind.
  • Mit anderen Worten ist in 13 jede Spalte von Sensor-Einheiten 1100 mit einer anregenden Spannungsquelle 1301 und jede Zeile mit einer Detektions-Stromerfasseinheit 1302 versehen. Für den korrekten Betrieb liefern alle bis auf genau eine Spannungsquelle 1301 das elektrische Massepotential 110, wohingegen die einzige nicht auf dem elektrischen Massepotential 110 befindliche Spannungsquelle 1301 als Stimulus für die entsprechende Spalte fungiert. Da jede Zeile mit einer separaten Detektions-Stromerfasseinheit 1302 versehen ist, können gemäß 13 die Zeilen zeitlich parallel ausgelesen werden. Alternativ ist auch ein sequentieller Lesebetrieb möglich.
  • Im Weiteren wird bezugnehmend auf 14 ein Sensor-Array 1400 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
  • Das Sensor-Array 1400 unterscheidet sich von dem Sensor-Array 1200 im Wesentlichen dadurch, dass eine Mehrzahl von Aktivierleitungen 1403 bereitgestellt sind, wobei jeweils eine Zeile von Sensor-Einheiten 1100 mit einer zugeordneten Aktivierleitung 1403 gekoppelt sind. Dagegen sind bei dem Ausführungsbeispiel in 14 alle Detektionsleitungen zu einer gemeinsamen Detektionsleitung 1203 zusammengefasst. Mit anderen Worten ist jeweils eine Source-/Drain-Elektrode von jeder der Sensor-Einheiten 1100 mit der Detektions-Stromerfasseinheit 1205 gekoppelt. Jeweils eine andere Source-/Drain-Elektrode einer Zeile von Sensor-Einheiten 1100 ist mit einer Ansteuerleitung 1202 gekoppelt. Die Gate-Elektroden einer Spalte von Sensor-Einheiten 1100 sind mit einer Aktivierleitung 1403 gekoppelt.
  • Mittels der Auswahlschalter 1206 wird eine Spalte von Sensor-Einheiten 1100 dadurch ausgewählt, dass an jeweils eine der Source-/Drain-Elektroden der Sensor-Einheiten 1100 dieser Spalte das elektrische Potential der Ansteuer-Spannungsquelle 1204 angelegt wird. Ferner wird eine Zeile von Sensor-Einheiten 1100 dadurch ausgewählt, dass das entsprechende Schaltelement 1206 derart geschaltet wird, dass die Gate-Anschlüsse der Sensor-Einheiten 1100 der ausgewählten Zeile mit der Auswahl-Gatespannungsquelle 1402 gekoppelt werden. Die Gate-Anschlüsse aller anderen Zeilen von Sensor-Einheiten 1100 werden mit der Nichtauswahl-Gatespannungsquelle 1401 gekoppelt.
  • Wie bei dem Ausführungsbeispiel von 12 werden die stromführenden Terminals der Sensor-Einheiten 1100 (in 14 die rechtsseitig angeordneten Terminals) aller m Spalten selektiv mit der Ansteuer-Spannungsquelle 1204 (Vchar) oder mit dem elektrischen Massepotential 110 gekoppelt. Die linksseitig angeordneten stromführenden Terminals der Sensor-Einheiten 1100 aller n Zeilen sind alle fest mit der Detektions-Stromerfasseinheit 1205 Vchar gekoppelt. Während in 12 alle Gate-Anschlüsse der Sensor-Einheiten 1100 parallel mit der Spannungsquelle 103 Vg gekoppelt sind, sind bei 14 nur die Gate-Anschlüsse einer Zeile jeweils miteinander gekoppelt. Über die Schaltelemente 1206 an den Zeilen-Gateleitungen können diese mit der Auswahl-Gatespannungsquelle Vg,on 1402 oder mit der Nichtauswahl-Gatespannungsquelle 1401 Vg,off gekoppelt werden.
  • Für den Lesebetrieb wird an genau eine Spalte die Spannung Vchar angelegt. Die Spannung Vg,on wird genau an eine Zeile angelegt. Der von der Auswahl-Gatespannungsquelle 1402 bereitgestellte Wert des elektrischen Potentials ist so gewählt, dass der Lesebetrieb der mit dieser Spannung angesteuerten Sensor-Einheiten 1100, 1210 möglich ist. In allen anderen Zeilen wird an die Gate-Anschlüsse die Spannung Vg,off angelegt. Der Wert der Spannung der Nichtauswahl-Gatespannungsquelle 1401 ist so gewählt, dass eine Sensor-Einheit 1100, an deren Gate-Anschluss diese Spannung anliegt, unabhängig von dem sonstigen Zustand des Sensors bzw. unabhängig von dem Wert des Parameters, der mittels dieses Sensors bewertet werden kann, keinen Stromfluss aufweist.
  • Strom kann somit nur in der ausgewählten Sensor-Einheit 1210 der Spalte fließen, an die eine von dem Massepotential 110 unterschiedliche Spannung angelegt wird, und in der Zeile, an die eine Gatespannung angelegt ist, bei der ein Stromfluss ermöglicht ist. Wiederum sind auch bei dem Sensor-Array 1400 m + n + 1 Pads erforderlich.
  • Es ist anzumerken, dass das Sensor-Array 1200 eine noch bessere Messgenauigkeit als das Sensor-Array 1400 aufweist, da bei dem Sensor-Array 1400 die Detektions-Stromerfasseinheit 1205 mit einem Terminal aller Sensor-Einheiten 1100 gekoppelt ist. In diesem Fall können die ausgeschalteten Sensor-Einheiten 1100 an den jeweiligen Terminals Leckströme liefern. Sofern solche Leckströme aus dem Analyten-Bad und nicht aus der anregenden Quelle Vchar stammen, kann das Strommessinstrument 1205 alternativ zu der in 14 gezeigten Situation in Reihe mit der Spannungsquelle Vchar 1204 geschaltet werden (nicht gezeigt). In dieser Konfiguration tragen bei einer Reihenschaltung von Vchar und Ichar nur n – 1 Sensoren (abgeschaltete) zu den Leckströmen bei, im anderen Fall sind es m·n – 1 Sensoren.
  • Im Weiteren wird bezugnehmend auf 15 ein Sensor-Array 1500 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
  • Abweichend von dem Sensor-Array 1400 ist bei 15 für jede Zeile von Sensor-Einheiten 1100 eine separate Gatespannungsquelle 1501 bereitgestellt, an Stelle von einer Gatespannungsquelle 103 in 12, 13 oder zwei Gatespannungsquellen 1401, 1402 wie bei den 14.
  • Alternativ zu dem Sensor-Array 1400 ist somit bei dem Sensor-Array 1500 jede Spalte von Sensor-Einheiten 1100 mit einer anregenden Spannungsquelle 1301 und jede Zeile mit einer separaten Gatespannungsquelle 1501 versehen. Für einen korrekten Lesebetrieb werden alle bis auf genau eine Zeile mit der Spannung angesteuert, der dem Wert der Spannung Vg, off aus 14 entspricht. Genau eine Zeile wird mit der Spannung angesteuert, die dem Wert von Vg,on aus 14 entspricht. Ferner liefern alle Spannungsquellen Vchar bis auf genau eine das elektrische Massepotential 110, wohingegen die nicht das Massepotential 110 liefernde Spalten-Spannungsquelle 1301 als Stimulus für die entsprechende Spalte von Sensor-Einheiten 1100 fungiert.
  • Bezüglich der Leckstrombeiträge gilt das zu 14 Gesagte. Werden abweichend von 15 Strommessinstrumente Ichar 1205 jeweils in Reihe mit den Spannungsmessinstrumenten Vchar 1301 geschaltet (nicht gezeigt), sind Probleme mit Leckströmen unterdrückt, zum anderen können alle Sensor-Einheiten 1100 einer Zeile parallel ausgelesen werden.
  • Im Weiteren wird bezugnehmend auf 16 ein Sensor-Array 1600 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
  • Das Sensor-Array 1600 eignet sich besonders gut für aktive Chips. Bei dem Sensor-Array 1600 sind in Randbereichen des Silizium-Substrats 101 erste und zweite OnChip-Peripherieschaltkreise 1602, 1603 bereitgestellt. Mittels einer I/O-Schnittstelleneinheit 1601 ist eine Ankopplung des Sensor-Arrays 1600 an externe Elektronik ermöglicht.
  • Insbesondere die Konfigurationen gemäß 13 und 15 sind auch für aktive Chips interessant. In diesem Falle sind alle Komponenten wie die Stimuli liefernden Spannungsquellen und Strommessquellen, gegebenenfalls der Potentiostat und beliebige zusätzliche Komponenten für die Signal Vor- und Weiter-Verarbeitung On-Chip realisiert. Der Chip weist eine definierte, nach den Bedürfnissen des Anwenders konfigurierte, gegebenenfalls digitale Schnittstelle I/O 1601 auf. Die Verwendung einer solche Architektur auf aktiven Chips kann beispielsweise dann vorteilhaft sein, wenn eine große Anzahl relativ kleinflächiger Sensoren verwendet wird, deren Fläche es nicht mehr erlaubt, unterhalb eines jeden Sensors eine aktive Schaltung zu realisieren. Ferner bietet diese Architektur Vorteile, wenn die Anforderungen an die (mit deren Fläche in einigen wichtigen Parametern wie zum Beispiel Rauschen ansteigende) Leistungsfähigkeit der On-Chip realisierten Schaltungen sehr groß ist.
  • Im Weiteren werden einige andere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Sensor-Arrays beschrieben.
  • Die in den beschriebenen Ausführungsbeispielen erforderlichen zwei Metallebenen für die Leitungen müssen nicht notwendigerweise so realisiert werden, dass alle Metallebenen oberhalb des Bulk-Materials des Silizium-Substrats in Intermetalldielektrika eingebettet sind. Möglich ist auch hier, dass zum Beispiel eine Leitungsebene in der gleichen Ebene und mit dem gleichen Material realisiert wird wie die stromführenden Terminals des Sensor-Einheiten oder deren Gate-Anschlüsse.
  • Die zweite Ebene von Leiterbahnen muss nicht notwendigerweise vergraben sein. Es ist möglich, diese Ebene aus dem gleichen Material zu realisieren, wie es für die stromführenden Terminals verwendet wird. Gegebenenfalls kann dann in Leitungskreuzungsbereichen ein elektrisch isolierendes Brückenmaterial zwischen den Leitungen verwendet werden. In einer Architektur ähnlich 14 kann auch dieses vermieden werden, wenn die Zuleitungen zu den stromführenden Terminals kammförmig ausgeführt werden.
  • In 17 ist ein Sensor-Array 1700 gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, bei dem die Detektionsleitungen 1203 im Unterschied zu 14 kammförmig ausgeführt sind.
  • Die Architektur der Anordnung der Sensor-Einheiten 1100 muss nicht notwendigerweise unter Verwendung orthogonal zueinander verlaufender Zeilen- und Spaltenleitungen ausgeführt werden, wie in 12 bis 17 gezeigt. Möglich sind beispielsweise auch hexagonale oder dreiecksartige Anordnungen.
  • Im Weiteren wird bezugnehmend auf 18 ein Sensor-Array 1800 gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, bei dem Sensor-Einheiten 1100 in einer Dreiecksmatrix mit drei Verdrahtungsrichtungen ausgeführt sind.
  • Das Sensor-Array 1800 unterscheidet sich von dem Sensor-Array 1200 im Wesentlichen in der dreiecksartigen Anordnung der Sensor-Einheiten 1100, gegenüber der Rechteckmatrix von 12. Insbesondere ist auch in 18 wiederum genau eine Sensor-Einheit eine ausgewählte Sensor-Einheit 1210. Bei dieser ausgewählten Sensor-Einheit 1210 ist die eine Source-/Drain-Elektrode über eine Ansteuerleitung 1202 mit der Ansteuer-Spannungsquelle 1204 gekoppelt. Die andere Source-/Drain-Elektrode des ausgewählten Sensor-Einheit 1210 ist über eine Detektionsleitung 1203 mit der Detektions-Stromerfasseinheit 1205 gekoppelt.
  • Die Gate-Anschlüsse aller Sensor-Einheiten 1100 sind in 18 zusammengefasst und werden mit der Spannung Vg ähnlich wie in 12 und 13 betrieben. Alle Leitungen, die mit stromführenden Terminals der Sensor-Einheiten 1100 gekoppelt sind, können wahlweise auf dem elektrischen Massepotential 110, an den die Stimulus liefernde Spannungsquelle Vchar 1204 wie auch an die Messquelle Ichar 1205 gelegt werden. Die unabhängige Messung einer jeden Position ist möglich.
  • Es ist anzumerken, dass eine Matrix, wie die in 18 gezeigte, mit drei (oder mehr) Verdrahtungsrichtungen nicht notwendigerweise mit drei (oder mehr) unabhängigen Verdrahtungsebenen realisiert werden muss. Zwei Verdrahtungsebenen sind notwendig und hinreichend.
  • In 19 ist ein Kreuzungsbereich 1801 aus einer ersten Leitung 1802, einer zweiten Leitung 1803 und einer dritten Leitung 1804 aus 18 in vergrößerter Darstellung gezeigt.
  • Die dritte Leitung 1804 verläuft vollständig in einer ersten Verdrahtungsebene 1900. Die zweite Leitung 1803 verläuft vollständig in einer zweiten Verdrahtungsebene 1901. Die erste Leitung 1802 verläuft in einem ersten Teilbereich in der zweiten Verdrahtungsebene 1901, in dem unmittelbaren Kreuzungsbereich in der ersten Verdrahtungsebene 1900 und in einem dritten Teilbereich wiederum in der zweiten Verdrahtungsebene 1901. Die drei Teilbereiche der ersten Leitung 1802, die in den beiden Verdrahtungsebenen 1900, 1901 liegen, sind unter Verwendung von Vertikalkopplungselementen 1902 miteinander gekoppelt.
  • Anschaulich ist die erste Leitung 1802 in dem Kreuzungsbereich mit den zweiten, dritten Leitungen 1803, 1804 als Brückenstruktur realisiert, so dass auch in dem Kreuzungsbereich der drei Leitungen 1802 bis 1804 eine elektrische Isolation der Leitungen voneinander ermöglicht ist.
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    • 100
    Biosensor-Einheit
    101
    Silizium-Substrat
    102
    Gate-Elektrode
    103
    Spannungsquelle
    104
    erste Source-/Drain-Elektrode
    105
    zweite Source-/Drain-Elektrode
    106
    Kanal-Schicht
    107
    Fängermoleküle
    108
    Label
    109
    Siliziumnitrid-Passivierungsschicht
    110
    Massepotential
    111
    Spannungsquelle
    112
    Stromerfasseinheit
    113
    Gate-isolierende Schicht
    200
    zu erfassende Partikel
    201
    Pfeil
    202
    Elektronen
    300
    andere Partikel
    400
    Biosensor-Einheit
    401
    Potentiostat
    402
    Komparator
    402a
    invertierender Eingang
    402b
    nichtinvertierender Eingang
    402c
    Ausgang
    403
    Referenzelektrode
    404
    Gegenelektrode
    405
    elektrolytischer Analyt
    500
    Biosensor-Einheit
    600
    Biosensor-Einheit
    700
    Biosensor-Einheit
    701
    vollständig verarmte Halbleiterschicht
    800
    Biosensor-Einheit
    801
    elektrisch isolierende Deckschicht
    900
    Biosensor-Einheit
    901
    Wechselspannungsquelle
    1000
    Biosensor-Einheit
    1100
    Sensor-Einheit
    1200
    Sensor-Array
    1201
    Aktivierleitung
    1202
    Ansteuerleitung
    1203
    Detektionsleitung
    1204
    Ansteuer-Spannungsquelle
    1205
    Detektions-Stromerfasseinheit
    1206
    Auswahlschalter
    1207
    Komparator
    1207a
    invertierender Eingang
    1207b
    nichtinvertierender Eingang
    1207c
    Ausgang
    1208
    Referenzelektrode
    1209
    Gegenelektrode
    1210
    ausgewählte Sensor-Einheit
    1300
    Sensor-Array
    1301
    Ansteuer-Spannungsquellen
    1302
    Detektions-Stromerfasseinheiten
    1400
    Sensor-Array
    1401
    Nichtauswahl-Gatespannungsquelle
    1402
    Auswahl-Gatespannungsquelle
    1403
    Aktivierleitungen
    1500
    Sensor-Array
    1501
    Gatespannungsquellen
    1600
    Sensor-Array
    1601
    I/O-Schnittstelleneinheit
    1602
    erster OnChip-Peripherieschaltkreis
    1603
    zweiter OnChip-Peripherieschaltkreis
    1700
    Sensor-Array
    1800
    Sensor-Array
    1801
    Kreuzungsbereich
    1802
    erste Leitung
    1803
    zweite Leitung
    1804
    dritte Leitung
    1900
    erste Verdrahtungsebene
    1901
    zweite Verdrahtungsebene
    1902
    Vertikalkopplungselemente

Claims (34)

  1. Sensor-Transistor-Element • mit einem Substrat; • mit einer auf und/oder in dem Substrat gebildeten Gate-Elektrode, an welche ein elektrisches Aktiviersignal zum Aktivieren des Sensor-Transistor-Elements anlegbar ist; • mit einer Gate-isolierenden Schicht auf der Gate-Elektrode; • mit einer ersten Source-/Drain-Elektrode und mit einer zweiten Source-/Drain-Elektrode; • mit einer auf der Gate-isolierenden Schicht und über der Gate-Elektrode gebildeten Kanal-Schicht zwischen der ersten Source-/Drain-Elektrode und der zweiten Source-/Drain-Elektrode, welche Kanal-Schicht aus Fängermolekülen gebildet ist, die derart eingerichtet sind, dass sie mit in einem Analyten möglicherweise enthaltenen zu erfassenden Partikeln hybridisieren.
  2. Sensor-Transistor-Element nach Anspruch 1, bei dem die Source-/Drain-Elektroden auf der Gate-isolierenden Schicht angeordnet sind.
  3. Sensor-Transistor-Element nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zumindest ein Teil der Fängermoleküle mit einem Label versehen ist, das derart eingerichtet ist, dass es bei einem erfolgten Hybridisierungsereignis die elektrische Leitfähigkeit der Kanal-Schicht mittels Bereitstellens elektrischer Ladungsträger erhöht.
  4. Sensor-Transistor-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem zumindest eine der beiden Source-/Drain-Elektroden ganz oder teilweise mit einer elektrisch isolierenden Schicht bedeckt ist.
  5. Sensor-Transistor-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, eingerichtet als monolithisch integriertes Sensor-Transistor-Element.
  6. Sensor-Transistor-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das in • Silizium-Technologie; oder • Polymerelektronik-Technologie hergestellt ist.
  7. Sensor-Transistor-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einer Schicht aus einem vollständig verarmten Halbleitermaterial zwischen der Gate-isolierenden Schicht und der Kanal-Schicht.
  8. Sensor-Transistor-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einer monomolekularen Schicht mit einem ausreichend hohen Dichtegrad der Moleküle als Gate-isolierende Schicht oder als Schicht zwischen der Gate-isolierenden Schicht und der Kanal-Schicht.
  9. Sensor-Transistor-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einer Self-Assembled-Monolayer-Schicht als Gate-isolierende Schicht oder als Schicht zwischen der Gate-isolierenden Schicht und der Kanal-Schicht.
  10. Sensor-Einheit zum Erfassen von in einem Analyten möglicherweise enthaltenen Partikeln, mit einem Sensor-Transistor-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
  11. Sensor-Einheit nach Anspruch 10, mit einer mit zumindest einer der beiden Source-/Drain- Elektroden gekoppelten Erfass-Einrichtung zum Erfassen eines elektrischen Sensorsignals aufgrund einer infolge eines Hybridisierungsereignisses veränderten elektrischen Leitfähigkeit der Kanal-Schicht.
  12. Sensor-Einheit nach Anspruch 11, bei der die Erfass-Einrichtung zum Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen die beiden Source-/Drain-Elektroden und zum Erfassen eines elektrischen Stroms an zumindest einer der beiden Source-/Drain-Elektroden eingerichtet ist.
  13. Sensor-Einheit nach Anspruch 11, bei der die Erfass-Einrichtung zum Anlegen eines elektrischen Stroms an zumindest eine der beiden Source-/Drain-Elektroden und zum Erfassen einer elektrischen Spannung zwischen den beiden Source-/Drain-Elektroden eingerichtet ist.
  14. Sensor-Einheit nach Anspruch 12 oder 13, bei der die angelegte elektrische Spannung oder der angelegte elektrische Strom • ein Gleichsignal; oder • ein Wechselsignal ist.
  15. Sensor-Einheit nach einem der Ansprüche 10 bis 14, mit einer auf und/oder in dem Substrat gebildeten Potentiostat-Einrichtung zum Halten eines mit der Sensor-Einheit in Wirkkontakt gebrachten Analyten auf einem vorgebbaren elektrischen Potential.
  16. Sensor-Einheit nach Anspruch 15, bei der die Potentiostat-Einrichtung • eine Referenzelektrode zum Erfassen des elektrischen Potentials des Analyten; • eine Komparator-Einrichtung zum Vergleichen des erfassten elektrischen Potentials des Analyten mit einem vorgegebenen elektrischen Potential; und • eine Gegenelektrode zum Bereitstellen elektrischer Ladungsträger an den Analyten basierend auf dem Vergleich aufweist.
  17. Sensor-Einheit nach einem der Ansprüche 10 bis 16, eingerichtet als Biosensor-Einheit.
  18. Sensor-Array mit einer Mehrzahl von auf und/oder in dem Substrat gebildeten Sensor-Einheiten nach einem der Ansprüche 10 bis 17.
  19. Sensor-Array nach Anspruch 18, • mit mindestens einer Aktivierleitung, mindestens einer Ansteuerleitung und mindestens einer Detektionsleitung, welche Leitungen voneinander elektrisch isoliert sind, wobei • jeweils die Gate-Elektrode einer jeden Sensor-Einheit mit genau einer der mindestens einen Aktivierleitung gekoppelt ist; • jeweils die erste Source-/Drain-Elektrode einer jeden Sensor-Einheit mit genau einer der mindestens einen Ansteuerleitung gekoppelt ist und die zweite Source-/Drain-Elektrode mit genau einer der mindestens einen Detektionsleitung gekoppelt ist; • zumindest eine der mindestens einen Ansteuerleitung und zumindest eine der mindestens einen Detektionsleitung mit zumindest zwei der Sensor-Einheiten gekoppelt ist; • wobei die Erfass-Einrichtung eine Ansteuereinheit zum Bereitstellen eines elektrischen Ansteuersignals und eine Detektionseinheit zum Erfassen eines aus dem elektrischen Ansteuersignal resultierenden elektrischen Sensorsignals aufweist; und • mit einer Auswahleinheit, die derart eingerichtet ist, dass sie die Ansteuereinheit mit der Ansteuerleitung einer auszuwählenden Sensor-Einheit und die Detektionseinheit mit der Detektionsleitung der auszuwählenden Sensor-Einheit koppelt, womit die Sensor-Einheit ausgewählt wird.
  20. Sensor-Array nach Anspruch 19, mit einer Auswerteeinheit, die derart eingerichtet ist, dass sie für die mindestens eine ausgewählte Sensor-Einheit basierend auf dem Ansteuersignal und dem Sensorsignal ermittelt, ob an der mindestens einen ausgewählten Sensor-Einheit Hybridisierungsereignisse erfolgt sind und/oder in welcher Quantität an der mindestens einen ausgewählten Sensor-Einheit Hybridisierungsereignisse erfolgt sind.
  21. Sensor-Array nach einem der Ansprüche 18 bis 20, bei dem die Sensor-Einheiten zu einer Mehrzahl von Sensor-Gruppen gruppiert sind derart, dass jede Sensor-Gruppe wahlweise separat von den anderen Sensor-Gruppen oder gemeinsam mit zumindest einem Teil der anderen Sensor-Gruppen betreibbar ist.
  22. Sensor-Array nach einem der Ansprüche 18 bis 21, bei dem in dem Substrat • ein Analog-Digital-Wandler-Schaltkreis integriert ist, der derart eingerichtet ist, dass er ein analoges elektrisches Signal in ein digitales Signal umwandeln und der Auswerteeinheit bereitstellen kann; und/oder • eine elektrische Versorgungseinheit integriert ist, die derart eingerichtet ist, dass sie der Ansteuereinheit und/oder der Auswahleinheit elektrische Spannungssignale und/oder elektrische Stromsignale bereitstellen kann; und/oder • ein Digital-Analog-Wandler-Schaltkreis integriert ist, der derart eingerichtet ist, dass er ein digitales Spannungssignal und/oder Stromsignal der Versorgungseinheit in ein analoges Signal umwandeln und der Ansteuereinheit und/oder der Auswahleinheit bereitstellen kann; und/oder • eine Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle integriert ist; und/oder • eine Verstärkereinheit, eingerichtet zum Verstärken des elektrischen Sensorsignals, integriert ist.
  23. Sensor-Array nach einem der Ansprüche 19 bis 22, mit genau einer Aktivierleitung, die für alle Sensor-Einheiten gemeinsam vorgesehen ist.
  24. Sensor-Array nach einem der Ansprüche 19 bis 23, bei dem die mindestens eine Ansteuerleitung, die mindestens eine Detektionsleitung und die mindestens eine Aktivierleitung zumindest teilweise in zwei unterschiedlichen Leitungsebenen in und/oder auf und/oder unter dem Substrat ausgebildet sind.
  25. Sensor-Array nach Anspruch 24, bei dem die Sensor-Einheiten in genau einer der Leitungsebenen ausgebildet sind.
  26. Sensor-Array nach Anspruch 24 oder 25, bei dem in einem ersten Leitungsabschnitt, in dem zwei der Leitungen von einer gegenseitigen Kreuzung frei sind, diese beiden Leitungen in derselben Ebene verlaufend ausgebildet sind, und bei dem in einem zweiten Leitungsabschnitt, in dem diese beiden Leitungen sich gegenseitig kreuzen, diese beiden Leitungen in unterschiedlichen Ebenen verlaufend ausgebildet sind.
  27. Sensor-Array nach Anspruch 26, bei dem der erste Leitungsabschnitt mit dem zweiten Leitungsabschnitt einer jeweiligen Leitung mittels mindestens eines im Wesentlichen vertikal zu dem Substrat verlaufend angeordneten elektrischen Kontaktierungselements gekoppelt ist.
  28. Sensor-Array nach einem der Ansprüche 19 bis 27, bei dem mindestens eine der Leitungen auf einer Unterseite des Substrats oder unterhalb des Substrats verlaufend ausgebildet ist.
  29. Sensor-Array nach einem der Ansprüche 19 bis 28, bei dem die Ansteuereinheit eine für alle Sensor-Einheiten gemeinsame Versorgungseinheit aufweist, die derart eingerichtet ist, dass mit ihr an die zumindest eine ausgewählte Sensor-Einheit das elektrische Ansteuersignal anlegbar ist.
  30. Sensor-Array nach Anspruch 29, bei dem die Ansteuereinheit und/oder die Detektionseinheit derart eingerichtet sind, dass an zumindest einen Teil der nicht ausgewählten Sensor-Einheiten ein elektrisches Referenzsignal anlegbar ist.
  31. Sensor-Array nach einem der Ansprüche 19 bis 30, bei dem die Ansteuereinheit für jeweils eine Gruppe von Sensor-Einheiten eine der jeweiligen Gruppe zugehörige Versorgungseinheit aufweist, die derart eingerichtet ist, dass mit ihr an die Sensor-Einheiten der zugehörigen Gruppe das elektrische Ansteuersignal anlegbar ist.
  32. Sensor-Array nach einem der Ansprüche 19 bis 31, bei dem die Detektionseinheit für alle Sensor-Einheiten gemeinsam gebildet ist.
  33. Sensor-Array nach einem der Ansprüche 19 bis 32, bei dem die Detektionseinheit für jeweils eine Gruppe von Sensor-Einheiten gemeinsam gebildet ist.
  34. Sensor-Array nach einem der Ansprüche 18 bis 33, bei dem die Sensor-Einheiten im Wesentlichen als • Rechteck-Matrix; • Hexagonal-Matrix; oder • Dreiecks-Matrix angeordnet sind.
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