DE10254158A1 - Sensor system for detecting signals from biological cells comprises semiconductor substrate containing field effect transistor whose channel has coupling component connecting it to sensor surface - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zur Detektion elektrischer Signale einer biologischen Zelle und ein Verfahren zur Detektion elektrischer Signale einer biologischen Zelle unter Verwendung einer entsprechenden Sensorvorrichtung.The invention relates to a sensor device for Detection of electrical signals from a biological cell and a Method for the detection of electrical signals of a biological Cell using an appropriate sensor device.
Die Detektion von elektrischen Potentialen in biologischen Zellen mittels extrazellulärer Detektion ist seit ihren Anfängen bereits derart weit fortgeschritten, daß ihr inzwischen auch eine wachsende kommerzielle Bedeutung, beispielsweise im Bereich des High-Throughput-Screenings in der Pharmaindustrie, zukommt. Ein Grund für diese Entwicklung liegt in der non-invasiven Kontaktierung, die sich sehr gut zu artefaktfreien Messungen und zur Langzeitdetekion derartiger Signale eignet. Als Sensorvorrichtungen werden vorzugsweise planare Substrate eingesetzt, an deren Oberfläche eine Vielzahl von Metallelektroden in feldartiger Weise angeordnet ist. Mit diesen Sensoren werden unterschiedliche biologische Systeme beobachtet, wie z.B. organotypische Hirnschnitte oder Einzelzellkulturen. Eine Sensorfläche einer derartigen Sensorvorrichtung leitet hierbei zumeist die Summe der Signale mehrerer Zellen gleichzeitig ab (sogenanntes multi-unit recording).The detection of electrical potentials in biological cells by means of extracellular detection beginnings already so advanced that you now have one growing commercial importance, for example in the area of high-throughput screening in the pharmaceutical industry. One reason for this development is in the non-invasive contacting, which is very good at artifact-free Measurements and for the long-term detection of such signals. As Sensor devices are preferably used on planar substrates their surface arranged a plurality of metal electrodes in a field-like manner is. With these sensors different biological systems observed, e.g. organotypic brain sections or single cell cultures. A sensor surface of a Such sensor device usually guides the sum of the Signals from several cells simultaneously (so-called multi-unit recording).
Die Ableitung bzw. Detektion der elektrischen Signale der biologischen Zellen beruht auf einer kapazitiven Kopplung der extrazellulären Sensorfläche mit der Zelle, wozu eine enge räumliche Nähe der Sensorfläche zum Meßobjekt benötigt wird.The derivation or detection of the electrical signals of the biological cells is based on a capacitive Coupling the extracellular sensor surface with the cell, for which a narrow spatial Near the sensor surface to the measurement object needed becomes.
Für eine effiziente kapazitive Kopplung sollte der Abstand der Sensorfläche zur Zellmembran vorzugsweise weniger als 40 nm betragen. Die kapazitive Meßmethode ermöglicht den Aufbau von räumlich dichten, aber dennoch übersprechfreien Sensoranordnungen.For an efficient capacitive coupling should be the distance between the sensor surface and Cell membrane preferably be less than 40 nm. The capacitive Measurement Method allows the construction of spatially dense, but still crosstalk-free Sensor arrays.
In der Veröffentlichung von S. Vassanelli und P. Fromherz, "Neurons from Rat Brain coupled to Transistors", Applied Physics A 65, Seiten 85 bis 88 (1997) wurde gezeigt, daß nicht nur bei invertebraten Zellen, sondern auch bei den viel kleineren Zellen von Vertebraten eine Einzelzellableitung (sogenanntes Single-unit recording) mit extrazellulären Elektroden machbar ist. Ermöglicht wurde dies durch den Einsatz von Feldeffekttransistoren (FET) als aktive Sensorelemente. Der Einsatz von derartigen FET-basierten Sensorvorrichtungen, die vollständig in CMOS-Technologie gefertigt werden, überwindet wesentliche Nachteile passiver Multielektrodenarrays, insbesondere durch sensornahe Signalverstärkung, Signalverarbeitung und Leitungszahlreduktion.In the publication by S. Vassanelli and P. Fromherz, "Neurons from Rat Brain coupled to Transistors ", Applied Physics A 65, pages 85 to 88 (1997) was shown not to only with invertebrate cells, but also with the much smaller ones Vertebrate cells a single cell derivation (so-called single unit recording) with extracellular Electrodes is feasible. allows this was achieved through the use of field effect transistors (FET) active sensor elements. The use of such FET-based Sensor devices that are complete Made in CMOS technology overcomes major disadvantages passive multi-electrode arrays, in particular through signal amplification close to the sensor, signal processing and line number reduction.
Sowohl passive, Metallelektroden-basierte als auch aktive, FET-basierte Sensorvorrichtungen werden typischerweise durch fotolithographische Methoden schichtweise strukturiert und weisen deshalb naturgemäß eine planare Sensoroberfläche auf. Bei der Kultivierung neuronaler Netze aus Einzelzellsupsensionen begünstigen die ebenen Oberflächen den Konflikt zwischen der neuronalen Wachstumsdynamik und den fest vorgegebenen Sensorpositionen, was zu erheblichen Problemen bei der Einzelzellsignalableitung führt. 5o wurde beispielsweise in der Dissertation von M. Jenkner, "Hybride Netzwerke aus Neuronen von Lymnaea stagnalis und Silizium-Chips", Technische Universität München (1999), gezeigt, daß vertebrate Einzelzellen in Kultur innerhalb weniger Tage ihre Position um ein Vielfaches des Sensorflächendurchmessers verändern können und sich deshalb bald fernab des detektierbaren Sensorbereichs einer extrazellulären Sensorvorrichtung befanden, auf welchen sie ursprünglich plaziert wurden.Both passive, metal electrode-based active, FET-based sensor devices are also becoming typical structured in layers using photolithographic methods and therefore naturally have a planar sensor surface on. In the cultivation of neural networks from single cell supervisory favor the flat surfaces Conflict between the neuronal growth dynamics and the fixed ones Sensor positions, causing significant problems with single cell signal derivation leads. For example, in the dissertation by M. Jenkner, "Hybrid Networks from neurons of Lymnaea stagnalis and silicon chips ", Technical University of Munich (1999), that vertebrate Single cells in culture change their position within a few days Multiples of the sensor surface diameter change can and therefore soon away from the detectable sensor area extracellular sensor device, on which they originally were placed.
Die neuronale Wachstumsdynamik ist ein bekanntes biologisches Phänomen, dem lebenswichtige zelluläre Mechanismen zugrunde liegen. Ein typisches Erscheinungsbild neuronaler Wachstumsdynamik zeigt sich bei Einzelzellkulturen, die in vitro wieder zu neuronalen Netzen zusammenwachsen. Sind die Neuriten zweier benachbarter Neurone in Kontakt gekommen, so hat die dadurch entstehende neuritische Faser die Tendenz sich zu verkürzen. Die dabei auftretenden Kräfte sind derart groß, daß klassische Adhäsionsmittel nicht in der Lage sind, die Somata an ihren ursprünglichen Position zu halten. Der Erfolg extrazellulärer Signalableitung ist jedoch wegen der kurzreichweitigen kapazitiven Kopplung stark von der richtigen Position der zu detektierenden Nervenzelle abhängig.The neuronal growth dynamic is a well-known biological phenomenon, the vital cellular Underlying mechanisms. A typical neuronal appearance Growth dynamics can be seen in single cell cultures, which in vitro again grow together into neural networks. Are the neurites two adjacent? Neurons have come into contact, so the resulting neuritic Fibers the tendency to shorten. The forces involved are so big that classic adhesives are unable to return the Somata to its original Hold position. However, the success of extracellular signal derivation is because of the short-range capacitive coupling strongly from the right one Position of the nerve cell to be detected depends.
Im Stand der Technik wurden daher eine Vielzahl von Verfahren vorgeschlagen, wie der nachteilige Einfluß der neuronalen Wachstumsdynamik auf herkömmliche kapazitive Sensorvorrichtung verringert werden kann.Therefore, in the prior art a variety of methods have been proposed, such as the adverse influence of neural Growth dynamics on conventional ones capacitive sensor device can be reduced.
Gemäß einem als "Schrottschußverfahren" bekannten Lösungsansatz kommen Sensorvorrichtungen zum Einsatz, welche hochintegrierte Sensor-FETs in großen, dichten Feldern zur extrazellulären Signalableitung einsetzen. Dies eröffnet die Möglichkeit, daß zum einen die einzelnen Neurone beim Kulturstart nicht individuell auf die Sensorflächen plaziert werden müssen. Zum anderen ist bei ausreichend dichten Sensorfeldern gewährleistet, daß ein Neuron, welches eine Sensorfläche aufgrund der Wachstumsdynamik verläßt, in unmittelbarer räumlicher Nähe erneut auf einer benachbarten Sensorfläche zu liegen kommt. Dieser Ansatz wird in zahlreichen aktuellen Projekten untersucht. Unklar ist dabei jedoch, ob sich während der Verschiebung des Neurons nicht der vertikale Abstand zur Sensorfläche vergrößert und damit die Signalübertragung schwächt. Die gewünschte Kontaktwahrscheinlichkeit eines Neurons wird bei dem Schrottschußverfahren durch die extrem hohe Sensorflächendichte und -anzahl gewährleistet. Die hohe Sensoranzahl erfordert jedoch eine drastische Leitungszahlreduktion durch Multiplexing mit den damit verbundenen Einbußen des Signal-Rausch-Verhältnisses.According to a solution known as the "scrap shot method", sensor devices are used which use highly integrated sensor FETs in large, dense fields for extracellular signal derivation. This opens up the possibility that, on the one hand, the individual neurons do not have to be individually placed on the sensor surfaces when the culture starts. On the other hand, if the sensor fields are sufficiently dense, it is ensured that a neuron which leaves a sensor area due to the growth dynamics will again lie on an adjacent sensor area in the immediate vicinity. This approach is examined in numerous current projects. However, it is unclear whether the vertical distance to the sensor surface does not increase during the displacement of the neuron and thus weakens the signal transmission. The desired contact probability of a neuron is guaranteed with the scrap shot method due to the extremely high sensor surface density and number. However, the high number of sensors requires a drastic reduction in the number of lines by multiplexing with the associated build-in the signal-to-noise ratio.
Bei anderen herkömmlichen Vorrichtungen werden zusätzlich zu der Sensorfläche "Käfige" verwendet, um die Mobilität des so "gefangenen" Neurons zu steuern. In beiden Fällen wird lediglich das Zellsoma fixiert, den Neuriten aber die Möglichkeit gegeben, aus dem Käfig auszuwachsen.In other conventional devices additionally to the sensor area "cages" used to control the mobility of the "trapped" neuron. In both cases the cell soma is fixed, but the neurites are given the opportunity to out of the cage grow out.
So wurde beispielsweise eine Suspension junger Rattenzellen auf eine Sensorvorrichtung gegossen, dessen Sensorenflächen am Boden einer Vertiefung liegen. Die Öffnung der Vertiefung wird an den Ecken durch mikromechanisch erzeugte Streben überschnitten, so daß sich ein teilgeschlossener Käfig mit definierter Öffnung ergibt. Die Größe der Öffnung wurde genau so eingestellt, daß nur sehr junge Zellen hindurchpaßten. Durch das leichte Wachstum des Zellsomas nach wenigen Tagen, konnten nur noch die Neuriten aus dem Teilkäfig wachsen. Das angewachsene Soma hingegen war im Teilkäfig eingesperrt und so an die Sensorfläche gekoppelt. Jedoch kann dieses Verfahren mit "vergrabenen Käfigen" nur bei sehr jungen Zellen eingesetzt werden und ist unflexibel in Bezug auf Zellkulturen mit größerer Streuung der Somatadurchmesser. Zudem erfordert die Herstellung aufwändige Prozesse, wie sie in MEMS eingesetzt werden.For example, a suspension became young Rat cells cast on a sensor device, the sensor surfaces on Lie at the bottom of a depression. The opening of the depression will overlapped at the corners by micro-mechanical struts, so that a partially closed cage with defined opening results. The size of the opening was set exactly so that only very young cells fit through. Due to the slight growth of the cell soma after a few days, only the neurites grow out of the partial cage. The grown Soma, however, was in the partial cage locked and thus coupled to the sensor surface. However, can buried this process with " Cages "only for very young Cells are used and is inflexible in terms of cell cultures with greater dispersion the somatic diameter. In addition, the production requires complex processes, as used in MEMS.
Eine vorteilhaftere Sensorvorrichtungsanordnung
und eine vereinfachte Herstellung wurde von G. Zeck und P. Fromherz
in "Noninvasive
neuroelectronic interfacing with synaptically connected snail neurons
immobilized on a semiconductor chip", Proceedings of the National Academy
of Sciences, 98, 18, Seiten 10457 bis 10462 (2001) gezeigt. Die Sensorenflächen eines
herkömmlichen
FET-basierten Multielektrodenarrays wurden mit einem Kranz aus Polyimid-Säulen umgeben,
die ähnlich
wie bei dem zuvor beschriebenen Verfahren mit "vergrabenen Käfigen" das Zellsoma fixierten, jedoch das
Neuritenwachstum nicht behinderten. In
Angesichts der oben genannten Probleme ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Sensorvorrichtung zu Detektion bzw. Ableitung elektrischer Signale einer biologischen Zelle sowie ein Verfahren zur Detektion elektrischer Signale einer biologischen Zelle anzugeben.Given the problems mentioned above It is an object of the invention to provide a sensor device for detection or deriving electrical signals from a biological cell and a method for the detection of electrical signals of a biological Cell.
Diese Aufgabe wird durch eine Sensorvorrichtung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen bzw. ein Verfahren zur Detektion mit den in Anspruch 15 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This task is accomplished by a sensor device with the features specified in claim 1 or a method for Detection with the features specified in claim 15 solved. preferred embodiments are subject to the dependent Expectations.
Gemäß der Erfindung umfaßt eine Sensorvorrichtung zur Detektion bzw. Ableitung elektrischer Signale zumindest einer biologischen Zelle
- – ein sich entlang einer Substratflächenebene erstreckendes flächiges Halbleitersubstrat mit einer An- bzw. Auflagefläche, an welche die biologische Zelle anlegbar ist;
- – zumindest einen auf dem Halbleitersubstrat ausgebildeten
- Feldeffekttransistor, welcher einen Source-, einen Drainund einen dazwischen angeordneten Kanalbereich aufweist;
- – zumindest ein an den Kanalbereich angrenzendes Kopplungselement mit einer Sensorfläche, wobei eine Normalenrichtung der Sensorfläche zumindest bereichsweise gegenüber einer Normalenrichtung der Substratflächenebene geneigt ist, so daß die Sensorfläche von der Anlagefläche vorspringt;
- A flat semiconductor substrate extending along a plane of the substrate surface and having a contact or support surface to which the biological cell can be applied;
- - At least one formed on the semiconductor substrate
- Field-effect transistor, which has a source, a drain and an intermediate channel region;
- - At least one coupling element adjoining the channel region with a sensor surface, a normal direction of the sensor surface being inclined at least in regions relative to a normal direction of the substrate surface plane, so that the sensor surface projects from the contact surface;
Bei der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung handelt es sich um eine aktive, FET-basierte Detektionsstruktur. Die elektrischen Signale der biologischen Zelle, insbesondere eines Neurons, werden über eine Modulation der Kanalleitfähigkeit des Kanals eines (Sensor-) Feldeffekttransistors detektiert. Hierzu weist die Sensorvorrichtung einen Feldeffekttransistor auf, welcher mit einem Kopplungselement zusammenwirkt. Das Kopplungselement ist insbesondere an dem Kanalbereich, d.h. demjenigen Halbleiterbereich, in welchem sich der Transistorkanal ausbilden soll, angeordnet. Das Kopplungselement weist eine Sensorfläche auf, in dessen unmittelbare Nähe die biologische Zelle zur Detektion bzw. Ableitung von deren elektrischen Signale gebracht wird. Die von der Zelle erzeugten elektrischen Potentialvariationen werden kapazitiv über das Kopplungselement in den Kanalbereich eingekoppelt, wodurch die elektrische Kanalleitfähigkeit aufgrund des Feldeffekts abhängig von den elektrischen Signalen beeinflußt wird. Die Zelle wirkt somit ähnlich zu einem elektrisch leitfähigen Gate eines herkömmlichen MOSFETs.The sensor device according to the invention is an active, FET-based detection structure. The electrical signals of the biological cell, in particular of a neuron, are detected by modulating the channel conductivity of the channel of a (sensor) field-effect transistor. For this purpose, the sensor device has a field effect transistor which interacts with a coupling element. The coupling element is arranged in particular on the channel region, that is to say that semiconductor region in which the transistor channel is to be formed. The coupling element has a sensor surface, in the immediate vicinity of which the biological cell is brought to the detection or derivation of its electrical signals. The electrical potential variations generated by the cell are capacitively coupled into the channel region via the coupling element, as a result of which the electrical channel conductivity is influenced due to the field effect depending on the electrical signals. The cell thus acts similarly to an electrically conductive gate of a conventional MOSFET.
Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung ist zur Einzelzellableitung (single unit recording) ausgelegt, so daß elektrische Signale einer einzigen biologischen Zelle detektierbar sind. Jedoch können in bekannter Weise eine Vielzahl von Feldeffekttransistoren mit zusammenwirkenden Kopplungselementen vorgesehen sein, so daß gleichzeitig die elektrischen Signale einer Vielzahl biologischer Zellen unabhängig voneinander untersucht werden kann (Einzelzellableitung einer Vielzahl von Zellen).The sensor device according to the invention is for Single cell recording (single unit recording) designed so that electrical Signals from a single biological cell are detectable. however can in a known manner with a large number of field effect transistors cooperating coupling elements may be provided so that at the same time the electrical signals of a large number of biological cells are independent of one another can be examined (single cell derivation of a large number of cells).
Die Sensorvorrichtung basiert auf einem sich entlang einer Substratflächenebene erstreckenden flächigen Halbleitersubstrat, insbesondere einem Siliziumplättchen, an bzw. auf welchem ein An- bzw. Auflagefläche für die biologische Zelle vorgesehen ist. Die Anlagefläche kann unmittelbar auf dem Halbleitersubstrat oder auf einer oder mehreren daran angebrachten Schichten vorgesehen sein. Die Anlagefläche stellt eine Oberfläche der Sensorvorrichtung dar, an welche betriebsmäßig die zu untersuchende biologische Zelle angenähert wird. Die Zelle muß hierbei nicht in unmittelbarem physikalischen Kontakt mit der Anlagefläche treten. Vielmehr kann zwischen Anlagefläche und Zelle ein gewisser Abstand bestehen, welcher durch die Elektrolytlösung (Nährstofflösung) ausgefüllt wird, in welcher die Zelle typischerweise suspendiert wird.The sensor device is based on a flat semiconductor substrate extending along a plane of the substrate surface, especially a silicon wafer, on or on which a contact or support surface is provided for the biological cell. The contact surface can be directly on the semiconductor substrate or on an or several layers attached to it may be provided. The contact surface provides a surface represents the sensor device to which the biological test to be examined is operational Cell approximated becomes. The cell must do this do not come into direct physical contact with the contact surface. Rather, you can choose between contact surface and there is a certain distance between the cell and the electrolyte solution (nutrient solution), in which the cell is typically suspended.
Bei der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung fallen anders als bei herkömmlichen Sensorvorrichtungen Anlagefläche und Sensorfläche nicht zusammen. Stattdessen weist das Kopplungselement eine Sensorfläche auf, deren Normalenrichtung zumindest bereichsweise gegenüber einer Normalenrichtung der Substratflächeebene (Wafer- bzw. Chipebene) geneigt ist, d.h. einen von 0° unterschiedlichen Winkel mit dieser bildet. Die Sensorfläche ist gegenüber der Substratflächenebene derart geneigt und angeordnet, daß sie von der Anlagefläche vorspringt. Zwischen Sensorfläche und Anlagefläche wird somit ein von 0° verschiedener Winkel gebildet. Dies bewirkt, daß die von der Anlagefläche vorspringende Sensorfläche zusätzlich von der Sensorfunktion auch eine Haltefunktion für die biologische Zelle erfüllt. Während bei herkömmlichen Sensorvorrichtungen die Anlagefläche mit der Sensorfläche zusammenfällt und der damit gewährleistete Signalübertrag aufgrund kapazitiver Kopplung sensibel auf jegliche Positionsveränderung der Zelle reagiert, sind bei der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung die beiden Flächen voneinander getrennt. Die vorspringende Sensorfläche weist somit im Unterschied zu herkömmlichen Sensorvorrichtungen eine die Mobilität der Zelle in Substratflächenebene beschränkende Haltefunktion auf, wodurch ein engerer und stabiler Kontakt zwischen Zelle und Sensorfläche möglich wird. Aufgrund der abstandsempfindlichen kapazitiven Kopplung zwischen Zellenwand und Sensorfläche des Kopplungselements kommt einer derartigen Positionsstabilisierung der Zelle eine signalverbessernde Wirkung zu.In the sensor device according to the invention fall differently than conventional ones Sensor devices contact surface and sensor surface not together. Instead, the coupling element has a sensor surface, the normal direction of which, at least in regions, with respect to a normal direction the substrate surface plane (Wafer or chip level) is inclined, i.e. one different from 0 ° Forms an angle with it. The sensor surface is opposite the Substrate surface plane inclined and arranged so that it protrudes from the contact surface. Between sensor surface and investment area thus one different from 0 ° Angle formed. This causes the protruding from the contact surface sensor surface additionally the sensor function also fulfills a holding function for the biological cell. While at usual Sensor devices the contact surface with the sensor surface coincides and the guaranteed with it Signal transfer sensitive to any change in position due to capacitive coupling the cell responds, are the two in the inventive sensor device surfaces separated from each other. The projecting sensor surface thus shows a difference to conventional Sensor devices a the mobility of the cell in the substrate surface plane restrictive hold function on, which creates a closer and more stable contact between cell and sensor surface becomes possible. Due to the distance sensitive capacitive coupling between Cell wall and sensor area such a position stabilization of the coupling element the cell has a signal-improving effect.
Idealerweise grenzt die Zelle möglichst unmittelbar an die Sensorfläche an, um eine möglichst effiziente kapazitive Kopplung zu bewirken. Jedoch wird in der Realität zwischen der Zellaußenwand und der Sensorfläche praktisch immer ein unvermeidbarer kleiner Zwischenraum verbleiben, welcher typischerweise durch die Nährstofflösung ausgefüllt wird, in welchem die Zelle suspendiert ist. Gleichermaßen befindet sich auch zwischen der Anlagefläche, welche eine Adhäsionsfläche darstellt, und der Zellaußenwand praktisch immer ein kleiner Spalt, welcher typischerweise durch Nährstofflösung gefüllt ist.Ideally, the cell borders if possible directly to the sensor surface to be as efficient as possible to effect capacitive coupling. However, in reality, between the cell outer wall and the sensor surface there is practically always an unavoidable little space left which is typically filled in by the nutrient solution in which the cell is suspended. Likewise located between the contact surface, which represents an adhesive surface, and the cell outer wall practically always a small gap, which is typically caused by Nutrient solution is filled.
Gegenüber dem herkömmlichen "Schrottschußverfahren" weist eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung wesentliche Vorteile auf. So wird bei dem genannten, herkömmlichen Verfahren keinerlei topographische Hilfe zur Stabilisierung des Neuron-Sensorflächenkontakts gegeben, was mit hohem schaltungstechnischen Aufwand und schlechterem Signal-Rauschverhältnis bezahlt werden muß. Im Gegensatz zu den eingangs beschriebenen bekannten Verfahren mit "vergrabenen und erhabenen Käfigen" sind Sensorfläche und Haltevorrichtung voneinander getrennt, wodurch die Einsatzbreite wesentlich erweitert wird. Im Gegensatz zu der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung müssen bei den bekannten Verfahren die Durchmesser der Käfige sehr genau an den Durchmesser des zu untersuchenden Neurons angepaßt werden.Compared to the conventional "scrap shot method", a sensor device according to the invention has significant advantages. So with the conventional No topographical help to stabilize the process Neuron-sensor surface contact given what pays with high circuit complexity and poorer signal-to-noise ratio must become. In contrast to the known methods described at the beginning with "buried and raised Cages "are sensor surface and Holding device separated from each other, increasing the width of use is significantly expanded. In contrast to the sensor device according to the invention have to in the known methods the diameter of the cages is very great can be adapted exactly to the diameter of the neuron to be examined.
Vorzugsweise besteht das Kopplungselement aus zumindest einer dielektrischen Schicht. Somit wird das Kopplungselement bevorzugt aus einem Ein- bzw. Mehrschichtaufbau dielektrischer Schichten gebildet, welche an den Kanalbereich des Feldeffekttransistors angrenzen. Vorzugsweise ist die Schichtdicke des Ein- bzw. Mehrschiuchtaufbaus des Kopplungselements über den Kanalbereich im wesentlichen konstant, so daß die Sensorfläche des Kopplungselements parallel zu der Grenzfläche des Kanalbereichs verläuft. Bei der derartigen Ausführungsform kommt ein Feldeffekttransistor zum Einsatz, welcher sich von herkömmlichen Planaren Transistoren unterscheidet, indem die Grenzfläche des Kanalbereichs bzw. die Sensorfläche gegenüber der Substratflächenebene geneigt ist. Bei einem derartigen Kopplungselement sind zwischen der Sensorfläche und der Grenzfläche des Kanalbereichs keine elektrisch leitfähigen Schichten, insbesondere keine Metall- oder kochdotierten Polysiliziumschichten vorhanden. Besonders bevorzugt kommen zur Ausbildung des dielektrischen Ein- bzw. Mehrschichtaufbaus Materialien zum Einsatz, wie sie für Gateoxide in der CMOS-Technologie verwendet werden, insbesondere Oxide, bevorzugt Siliziumdioxid, sowie Materialien mit hohen Dielektrizitätskonstanten (sogenannte high-k Materialien). Die Zelle, deren elektrische Signale abzuleiten sind, stellt gewissermaßen die "Gateelektrode" des gatelos strukturierten Transistors dar.The coupling element preferably consists of at least one dielectric layer. The coupling element is thus preferably formed from a single or multilayer structure of dielectric layers which adjoin the channel region of the field effect transistor. The layer thickness of the single-layer or multi-layer structure of the coupling element is preferably essentially constant over the channel region, so that the sensor surface of the coupling element runs parallel to the interface of the channel region. In the case of such an embodiment, a field effect transistor is used which differs from conventional planar transistors in that the interface of the channel region or the sensor surface is inclined with respect to the plane of the substrate surface. In such a coupling element, there are no electrically conductive layers, in particular no metal or cook-doped polysilicon layers, between the sensor surface and the interface of the channel region. Materials such as are used for gate oxides in CMOS technology, in particular oxides, preferably silicon dioxide, and materials with high dielectric constants are particularly preferably used to form the dielectric single-layer or multilayer structure (so-called high-k materials). The cell, the electrical signals of which are to be derived, effectively represents the "gate electrode" of the gate-less structured transistor.
Vorzugsweise weist das Kopplungselement eine Schichtdicke im Bereich von 1 nm bis 100 nm auf.The coupling element preferably has a Layer thickness in the range from 1 nm to 100 nm.
Alternativ zu dem Kopplungselement, welches ausschließlich aus dielektrischen Schichten besteht, können auch Kopplungselemente Verwendung finden, welche eine elektrisch leitfähige Schicht aufweisen. Bei dieser alternativen Ausführungsvariante kann beispielsweise angrenzend an eine an den Kanalbereich angeordnete dielektrische Schicht eine dünne Metallelektrode vorgesehen sein, welche sich bis zu einem Sensorabschnitt des Kopplungselements fortsetzt. Die Sensorfläche wird beispielsweise durch eine Oberfläche einer dielektrischen Schicht gebildet, welche auf der weitergeführten Metallelektrode angeordnet ist. Sensorfläche und Grenzfläche des Kanalbereichs können dadurch verschieden ausgerichtet (verschiedene Normalenrichtungen) und voneinander beabstandet sein. Die Metallelektrode fungiert als kapazitiver Teiler, indem die abzuleitenden elektrischen Signale zunächst kapazitiv an die Metallelektrode und von der Metallelektrode kapazitiv in den Kanalbereich des Transistors koppeln. Zwar können bei dieser Ausführungsform planare Feldeffekttransistoren verwendet werden, jedoch leiden aufgrund der geringeren Kopplungseffizienz der abzuleitenden elektrischen Signale an den Sensortransistor die Signal-Rauscheigenschaften der Sensorvorrichtung.As an alternative to the coupling element, which exclusively consists of dielectric layers, coupling elements can also Find use which have an electrically conductive layer. at this alternative embodiment can for example adjacent to one located at the channel area dielectric layer a thin Metal electrode can be provided, which extends up to a sensor section of the coupling element continues. The sensor surface is, for example, by a surface a dielectric layer is formed, which on the continued metal electrode is arranged. sensor surface and interface of the Can range therefore aligned differently (different normal directions) and be spaced apart. The metal electrode acts as capacitive divider by the electrical signals to be derived first capacitively to the metal electrode and capacitively from the metal electrode couple the channel area of the transistor. Although in this embodiment planar field effect transistors are used, however, suffer due to the lower coupling efficiency of the electrical to be derived Signals to the sensor transistor the signal noise characteristics of the sensor device.
Vorzugsweise ist die Anlagefläche im wesentlichen parallel zu der Substratflächenebene. Bevorzugt handelt es sich bei der Anlagefläche um eine planare Fläche.The contact surface is preferably essentially parallel to the substrate surface plane. The contact surface is preferably a planar surface.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Normalenrichtung der Sensorfläche gegenüber der Normalenrichtung der Substratflächenebene um ein Winkel im Bereich von 30° bis 130°, vorzugsweise etwa 90°, geneigt. Somit steht die von der Anlagefläche vorspringende Sensorfläche vorzugsweise im wesentlichen senkrecht auf dieser. Die Höhe der Sensorfläche, d.h. der Abstand in Normalenrichtung der Anlagefläche von dieser zu der Oberkante der Sensorfläche, wird vorzugsweise abhängig von dem Durchmesser der Zelle gewählt und beträgt typischerweise 1 bis 100 um.According to a particularly preferred embodiment is the normal direction of the sensor surface compared to the normal direction of the Substrate surface plane by an angle in the range of 30 ° to 130 °, preferably about 90 °, inclined. Thus, the sensor surface projecting from the contact surface is preferably present essentially perpendicular to this. The height of the sensor surface, i.e. the distance in the normal direction of the contact surface from this to the upper edge the sensor surface, is preferably dependent chosen from the diameter of the cell and is typically 1 to 100 µm.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Sensorvorrichtung eine Vielzahl der Feldeffekttransistoren mit jeweils einem der Kopplungselemente auf und die Kopplungselemente sind derart angeordnet, daß die Sensorflächen der Kopplungselemente zumindest teilweise einen Zellenraum in Richtungen parallel zu der Substratflächenebene begrenzen. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung sind eine Vielzahl von Feldeffekttransistoren mit zugeordneten Kopplungselementen vorgesehen, deren Sensorflächen einen "Käfig" für die zu untersuchende Zelle bilden. Die Sensorflächen der Kopplungselemente begrenzen somit in Richtungen parallel zu der Substratflächenebene zumindest teilweise einen Zellenraum, welcher zur Aufnahme der zu untersuchenden Zelle ausgelegt ist. Die Zelle kann sich in Richtungen parallel zu der Substratflächenebene nur innerhalb des Zellenraums bewegen und wird an einer Bewegung über die Zellenraumgrenze hinaus durch die Sensorflächen, welchen eine Haltefunktion zukommt, gehindert. Die Größe des Zellenraums kann hierbei frei gewählt werden und liegt typischerweise in einem Bereich von 1 bis 100 um.According to another particularly preferred embodiment the sensor device has a plurality of the field effect transistors each with one of the coupling elements and the coupling elements are arranged so that the sensor surfaces of the coupling elements at least partially a cell space in directions parallel to the substrate surface plane limit. In this preferred embodiment of a sensor device according to the invention are a large number of field effect transistors with associated coupling elements provided whose sensor surfaces a "cage" for the patient to be examined Form cell. The sensor areas of the coupling elements thus limit parallel to directions the substrate surface plane at least partially a cell space, which is used to hold the investigating cell is designed. The cell can move in directions parallel to the substrate surface plane only move within the cell space and is moving across the Cell space limit through the sensor surfaces, which have a holding function comes, hindered. The size of the cell space can be chosen freely and is typically in the range of 1 to 100 µm.
Vorzugsweise sind die Sensorflächen, welche den Zellenraum lateral begrenzen, derart angeordnet, daß zwischen den Sensorflächen Freiräume bzw. Durchgänge vorgesehen sind, durch welche die Dendritten eines zu untersuchenden Neurons in lateraler Richtung aus dem Zellenraum herauswachsen können. Die Zwischenräume sind jedoch vorzugsweise kleiner als das Zellsoma, so daß dieses an einem Verlassen des Zellenraums durch die Sensorflächen gehindert wird. Der Zellenraum wird nach unten durch die Anlagefäche begrenzt und ist vorzugsweise nach oben offen. Es ist jedoch ebenfalls möglich, an einer der Anlagefläche gegenüberliegenden Oberkante der Sensorflächen Vorsprünge vorzusehen, welche als Bewegungsbarrieren für das Zellsoma in einer Richtung senkrecht zu der Substratflächeebene wirken.The sensor surfaces are preferably which limit the cell space laterally, arranged so that between the sensor surfaces Free spaces or crossings are provided, by which the dend thirds of a person to be examined Neurons can grow out of the cell space in the lateral direction. The interspaces are preferably smaller than the cell soma, so that this prevented from leaving the cell space by the sensor surfaces becomes. The cell space is limited at the bottom by the contact surface and is preferably open at the top. However, it is also possible to one of the contact area opposite top edge of the sensor surfaces projections to be provided, which serve as movement barriers for the cell soma in one direction perpendicular to the substrate surface plane Act.
Es ergibt sich somit eine käfigförmige Anordnung von Feldeffekttransistoren mit daran angebrachten Koppelelementen, welche zu einer effizienten Bewegungshemmung des Zellsomas bzw. vorzugsweise dessen Einschluß in den Zellenraum sorgen. Im Gegensatz zu den eingangs genannten herkömmlichen erhabenen bzw. vergrabenen Käfigen kann der laterale Durchmesser des Zellenraums deutlich vom Durchmesser des Neurons abweichen, da der laterale Auflageort der Zellen nicht mit dem Sensorort identisch ist. Die Neuritenverkürzung, welche in allen bisherigen Lösungsansätzen die Signalübertragung zwischen Neuron und Sensorfläche beeinträchtigt hat, trägt bei einer derartigen Ausführungsform sogar zur Signalverbesserung bei. So wurde in der eingangs genannten Veröffentlichung von G. Zeck et al. gezeigt, daß die für gewöhnlich sphärischen Somata durch die neuritische Verkürzung so kräftig an dem "Käfig" bzw. dem "Zaun" aus Polyimid-Säulen ziehen, daß eine starke Verformung des Somas auftreten kann. Die vorliegende besonders bevorzugte Ausführungsform nutzt durch die vorzugsweise vertikale Anordnung der Feldeffektransistoren diesen Umstand dergestält aus, daß der für die extrazelluläre Ableitung wesentliche Abstand zwischen der Zellmembran des Somas und der Sensorfläche durch den neuritischen Zug verkleinert und die Effizienz der kapazitiven Signalübertragung damit vergrößert wird.This results in a cage-shaped arrangement field effect transistors with coupling elements attached to them, which lead to an efficient movement inhibition of the cell preferably its inclusion in care for the cell room. In contrast to the conventional ones mentioned at the beginning raised or buried cages can the lateral diameter of the cell space clearly from the diameter of the neuron deviate because the lateral location of the cells does not is identical to the sensor location. The neurite shortening, which in all previous approaches signal transmission between neuron and sensor surface impaired has, carries in such an embodiment even for signal improvement. So it was mentioned in the beginning release of G. Zeck et al. shown that the usually spherical Because of the neuritic shortening pull Somata so strongly on the "cage" or the "fence" made of polyimide columns, that a severe deformation of the soma can occur. The present one in particular preferred embodiment uses the preferably vertical arrangement of the field effect transistors this fact from that the for the extracellular Deriving substantial distance between the cell membrane of the soma and the sensor surface reduced by the neuritic train and the efficiency of the capacitive signal transmission so that is enlarged.
Gleichermaßen wurde in der oben genannten Veröffentlichung ebenfalls gezeigt, daß mehrere der begrenzenden Polyimid-Säulen in engem Kontakt mit dem Zellsoma standen. In der hier vorgeschlagenen besonders bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung ergibt sich dadurch in einfacher Weise die Möglichkeit, mit mehreren Sensorflächen gleichzeitig elektrische Signale desselben Neurons extrazellulär abzuleiten. Je nach Größe und neuritischer Verknüpfung des Neurons besteht ferner die Möglichkeit, an gegenüberliegenden Seiten elektrische Signale eines Neurons abzuleiten. Ferner erhöhen derartig redundante Kontaktierungs- bzw. Kopplungsmöglichkeiten die Kontaktierungswahrscheinlichkeit zwischen Sensor und Neuron. Werden alle Sensorflächen zur kapazitiven Kontaktierung des Neurons genutzt, ergibt sich demnach eine Erhöhung der aktiven Sensorfläche und eine entsprechend verbesserte Signalein- bzw. auskopplung in die Zelle bzw. in den Transistor.Likewise, in the above publication also shown that several of the limiting polyimide columns in were in close contact with the cell soma. In the proposed here particularly preferred embodiment a sensor device according to the invention results this makes it easy to use several sensor surfaces simultaneously derive electrical signals of the same neuron extracellularly. Depending on size and neuritic Linking the Neurons there is also the possibility on opposite Sides to derive electrical signals from a neuron. Furthermore, increase such redundant contacting or coupling options the contacting probability between sensor and neuron. Are all sensor surfaces for capacitive contacting of the neuron, there is an increase in the active sensor surface and a correspondingly improved signal coupling in and coupling out in the cell or in the transistor.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform schneiden sich die Normalenrichtungen der Sensorflächen nahezu in einem zentralen Bereich des Zellenraums. Mit anderen Worten sind die Sensorflächen der Kopplungselemente bezüglich ihrer Normalenrichtungen derart angeordnet, daß diese alle in Richtung des Zellenraums, insbesondere in einen mittigen Bereich des Zellenraums, zeigen. Der Durchmesser des zentralen Bereichs des Zellenraums beträgt 1/5 bis 1/10 des Gesamtdurchmessers des Zellenraums. Der Zellenraum kann beispielsweise eine runde oder eine rechteckige Gestalt aufweisen. Besonders bevorzugt schneiden sich die Normalenrichtungen der Sensorflächen in einem einzigen Punkt.According to another preferred embodiment the normal directions of the sensor surfaces almost intersect in a central area of the cell room. In other words the sensor areas of the coupling elements with respect their normal directions arranged so that they are all in the direction of Cell space, especially in a central area of the cell space, demonstrate. The diameter of the central area of the cell space is 1/5 to 1/10 of the total diameter of the cell space. The cell room can for example, have a round or a rectangular shape. The normal directions of the sensor surfaces particularly preferably intersect a single point.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Halbleitersubstrat ein SOI-Substrat (silicon-oninsulator-Substrat) und der Feldeffekttransistor ist ein FINFET. Derartige FINFETs werden in einer stegartigen Rippe (Finne) aus Halbleitermaterial prozessiert, welche vorzugsweise auf einer vergrabenen Oxidschicht (Burried Oxide BOX) des SOI-Substrats angeordnet ist. Der Stromfluß im Kanalbereich derartiger FINFETs verläuft parallel zu der Substratflächenebene. Der Kanalbereich von FINFETs kann über den Feldeffekt bei rechteckigem Kanalquerschnitt von drei Seiten (Oberseite und den beiden Seitenflächen der Finne) variiert werden.According to another particularly preferred embodiment the semiconductor substrate is an SOI substrate (silicon on insulator substrate) and the field effect transistor is a FINFET. Such FINFETs will processed in a web-like rib (fin) made of semiconductor material, which is preferably on a buried oxide layer (Burried Oxide BOX) of the SOI substrate is arranged. The current flow in the channel area of such FINFETs in progress parallel to the substrate surface plane. The channel range of FINFETs can be changed using the field effect with rectangular Channel cross section from three sides (top and the two side surfaces of the Fin) can be varied.
Vorzugsweise ist der FINFET derart ausgestaltet, daß das an einer Kanalseitenfläche des Kanalbereichs angeordnete Kopplungselement wesentlich dünner als Felddielektrika ist, welche an den übrigen Grenzflächen der stegartigen Halbleiterrippe angeordnet sind, die nicht mit dem Kopplungselement versehen sind. Hierdurch wird eine kapazitive Kopplung zwischen Zellenwand und Transistorkanal im Bereich des dünnen Kopplungselements gefördert im Vergleich zu der wesentlich geringeren Kopplung durch das dicke Felddielektrikum, welches die übrigen Grenzflächen des Kanalbereichs des FINFETS bedeckt. Vorzugsweise verläuft die Kanalseitenfläche, an welche das Kopplungselement angrenzt, in einer zu der Substratflächenebene senkrechten Richtung. Die Sensorfläche verläuft vorzugsweise parallel zu der Kanalseitenfläche. Der Kanalbereich kann sowohl n-, p- oder nicht-dotiert sein.The FINFET is preferably such designed that the on a channel side surface of the channel area arranged coupling element much thinner than Is field dielectrics, which at the other interfaces of the web-like semiconductor rib are arranged that are not connected to the coupling element are provided. This creates a capacitive coupling between Cell wall and transistor channel promoted in the area of the thin coupling element Compared to the much lower coupling due to the thick Field dielectric, which the rest interfaces of the channel area of the FINFET. Preferably, the Channel side surface, to which the coupling element adjoins in a plane of the substrate surface vertical direction. The sensor surface preferably runs parallel to the channel side surface. The channel region can be either n-, p- or undoped.
Vorzugsweise erstrecken sich der Source- und der Drainbereich des FINFETs in Richtungen parallel zu der Normalenrichtung der Sensorfläche von der Sensorfläche weg. Somit sind der Source- und der Drainbereich des Feldeffekttransistors gegenüber der Sensorfläche und gegenüber der zu untersuchenden Zelle zurückversetzt bzw. abgewandt, so daß sie einen vergleichweise großen Abstand zu der Zelle aufweisen. Hierdurch werden Störeinflüsse bei der Signalableitung der Zelle vermieden, welche auftreten könnten, wenn die Source- und Drainbereiche mit entsprechenden metallischen Zuleitungen in engen räumlichen Kontakt mit der Zelle gelangen würden.Preferably extend the Source and drain regions of the FINFET in parallel directions to the normal direction of the sensor surface away from the sensor surface. Thus, the source and drain regions of the field effect transistor across from the sensor surface and opposite of the cell to be examined or turned away so that they a comparatively large one Distance from the cell. This eliminates interference at Avoided cell signaling, which could occur when the source and drain areas with corresponding metallic leads in close spatial contact would come with the cell.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Kanalbereich zwei gegenüberliegende Grenzflächen auf, wobei an einer der Grenzflächen das Kopplungselement und an der anderen der Grenzflächen eine Backgateelektrode bzw. Rückelektrode angeordnet ist. Besonders bevorzugt hat bei dieser Ausführungsform der Kanalbereich des FINFETs in einer Schnittebene senkrecht zu der Stromflußrichtung eine im wesentlichen rechtecksförmige Gestalt. Es ergeben sich zwei parallele Mesa- bzw. Kanalseitenflächen, wobei an einer der Kanalseitenflächen das Kopplungselement und an der anderen der Kanalseitenflächen die Backgateelektrode angeordnet ist. Mittels der Backgateelektrode kann ein zweiter Transistorkanal an der dem Kopplungselement gegenüberliegenden Grenzfläche des Kanalbereichs ausgebildet werden. Hierzu beträgt der senkrechte Abstand zwischen den beiden gegenüberliegenden Grenzflächen vorzugsweise zumindest 50 nm, vorzugsweise 100 nm. Somit kann in demselben Kanalbereich (derselben Finne) mit ausreichender Kanal- bzw. Bodydicke ein zweiter Transistor ausgebildet werden, welcher verwendet werden kann, um prozeßbedingte Parametervariationen des FINFETs zu kompensieren.According to another particularly preferred embodiment the channel area has two opposite interfaces, being at one of the interfaces the coupling element and one at the other of the interfaces Backgate electrode or back electrode is arranged. Has particularly preferred in this embodiment the channel area of the FINFET in a section plane perpendicular to the direction of current flow an essentially rectangular one Shape. The result is two parallel mesa or channel side surfaces, whereby on one of the canal side surfaces the coupling element and on the other of the channel side surfaces Backgate electrode is arranged. Using the backgate electrode can a second transistor channel on the opposite of the coupling element Interface of the Channel area are formed. For this, the vertical distance between the two opposite interfaces preferably at least 50 nm, preferably 100 nm. Thus, in the same Channel area (same fin) with sufficient channel or body thickness a second transistor can be formed, which are used can to process-related Compensate for parameter variations of the FINFET.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Feldeffekttransistor ein vertikaler Transistor (VFET), bei welchem der Source-, der Kanal-, und der Drainbereich in Halbleiterschichten ausgebildet sind, welche in Normalenrichtung der Substratflächenebene aneinander angrenzen. Auch bei einem derartigen vertikalen Transistorkonzept kann in einfacher Weise eine Grenzfläche des Kanalbereichs erzeugt werden, welche vorzugsweise im wesentlichen senkrecht zu der Substratflächenebene bzw. der Anlagefläche ausgerichtet ist.According to another particularly preferred embodiment the field effect transistor is a vertical transistor (VFET), at which of the source, channel, and drain regions in semiconductor layers are formed, which are in the normal direction of the substrate surface plane adjoin each other. Even with such a vertical transistor concept can easily create an interface of the channel area which are preferably substantially perpendicular to the substrate surface plane or the contact surface is aligned.
Vorzugsweise sind alle der Sourcebereiche der Feldeffekttransistoren in derselben Halbleiterschicht als gemeinsamer Sourcebereich ausgebildet. Werden somit bei einem vertikalen Transistorkonzept wie zuvor beschrieben eine Vielzahl von Feldeffekttransitoren mit zugeordneten Kopplungselementen eingesetzt, um eine "käfigartige" Anordnung für die zu untersuchende Zelle zu bilden, kann ein gemeinsamer Sourcebereich zum Einsatz kommen, welcher die elektrische Kontaktierung der Transistoren erheblich vereinfacht. Zur Unterdrückung des floating Body effects kann an dem Kanalbereich des FINFETs ein Ohmscher Bodykontakt ausgebildet sein.All of the source regions of the field effect transistors are preferably formed in the same semiconductor layer as a common source region. So with a vertical transistor concept As described above, if a large number of field effect transistors with associated coupling elements are used to form a "cage-like" arrangement for the cell to be examined, a common source region can be used, which considerably simplifies the electrical contacting of the transistors. To suppress the floating body effect, an ohmic body contact can be formed on the channel region of the FINFET.
Vorzugsweise ist auf dem Halbleitersubstrat eine zusätzliche Auswerteelektronik für das zu detektierende elektrische Signal ausgebildet. Die Auswerteelektronik wird vorzugsweise in konventioneller CMOS-Technologie mittels planarer (Bulk-) MOSFETs erstellt und befindet sich in unmittelbar räumlicher Nähe zu dem (Sensor-)Feldeffekttransistor. Durch die dadurch mögliche monolithische Integration von Sensor- und Auswertestrukturen, insbesondere Signalverstärkungselementen und Schaltern, kann eine erhebliche Verbesserung des Signal-Rauschverhältnisses sowie eine höhere Bauelementintegration erreicht werden.There is preferably one on the semiconductor substrate additional Evaluation electronics for the electrical signal to be detected is formed. The evaluation electronics is preferred in conventional CMOS technology using planar (Bulk) MOSFETs created and located in immediate spatial Proximity to the (sensor) field effect transistor. Because of the possible monolithic Integration of sensor and evaluation structures, especially signal amplification elements and switches, can significantly improve the signal-to-noise ratio as well as a higher one Component integration can be achieved.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Detektion elektrischer Signale zumindest einer biologischen Zelle vorgeschlagen, welches folgende Schritte umfaßt:According to another aspect of Invention becomes a method for the detection of electrical signals proposed at least one biological cell, the following Steps include:
- – Bereitstellen einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung;- Provide a sensor device according to the invention;
- – Suspendieren der biologischen Zelle in einer Lösung;- Suspend the biological cell in a solution;
- – Aufbringen der Lösung auf die Sensorvorrichtung, so daß eine der biologischen Zellen an die Anlagefläche und die Sensorfläche angrenzt; und- Apply the solution on the sensor device so that one of the biological cells to the contact surface and the sensor surface adjacent; and
- – Detektieren bzw. Ableiten der elektrischen Signale der Zelle über deren Einfluß auf die elektrische Leitfähigkeit des Kanalbereichs durch Messung der elektrischen Leitfähigkeit des Kanalbereichs.- Detect or deriving the electrical signals of the cell via its Influence on the electrical conductivity of the channel area by measuring the electrical conductivity of the channel area.
Vorzugsweise werden die biologischen Zellen in einer Elektrolytlösung bzw. Nährstofflösung suspendiert. Zur Einzelsignalableitung wird eine Zelle vorzugsweise an die Anlagefläche und an die Sensorfläche angelegt, wobei – wie eingangs beschrieben – kein unmittelbarer physikalischer Kontakt zwischen Zellenwand und Anlage- bzw. Sensorfläche notwendig ist. Vielmehr kann ein (kleiner) Zwischenraum zwischen Zellenwand und Anlage- bzw. Sensorfläche bestehen bleiben, welcher durch die Lösung ausgefüllt wird. Die elektrischen Signale der Zelle werden detektiert über deren Feldeffekteinfluß auf die elektrische Leitfähigkeit des Transistorkanals. Dadurch, daß die Anlagefläche und die Sensorfläche bei dem erfindungsgemäßen Verfahren getrennt sind, wobei die Sensorfläche von der Anlagefläche vorspringt und gegenüber der Substratflächennormale geneigt ist, kann ein gegenüber herkömmlichen Detektionsverfahren verbesserter Zellen-Sensorkontakt erzielt werden. Bei dem empfindlichen Einfluß des Sensorflächen-Zellenwandabstands bei der kapazitiven Kopplung des Zellsomas an die Sensorfläche wird hierdurch ein verbessertes Detektionssignal gesichert.Preferably the biological Cells in an electrolytic solution or nutrient solution suspended. For individual signal derivation, a cell is preferably attached to the contact surface and to the sensor surface created, whereby - how described at the beginning - none direct physical contact between cell wall and system or sensor surface necessary is. Rather, there is a (small) space between the cell wall and system or sensor surface remain which is filled in by the solution. The electrical Signals from the cell are detected via their field effect on the electric conductivity of the transistor channel. The fact that the contact surface and the sensor area at the inventive method are separated, with the sensor surface projecting from the contact surface and opposite the substrate surface normal is inclined, one can face conventional detection methods improved cell sensor contact can be achieved. With the sensitive Influence of Sensor surface cell wall distance in the capacitive coupling of the cell soma to the sensor surface this ensures an improved detection signal.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf begleitende Zeichnungen bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft beschrieben. Es zeigt:The invention is described below Reference to accompanying drawings of preferred embodiments described as an example. It shows:
In
Ausgehend von dem so vorbereiteten
Halbleitersubstrat SUB mit den epitaktischen Halbleiterschichten
Nachfolgend werden mit Hilfe einer
geeigneten Ätzmaske,
beispielsweise einer Lackmaske, einer TEOS- oder Nitrid-Hilfsschicht (Hartmaske),
die Halbleiterschichten
Im Anschluß wird ganzflächig eine
(nicht dargestellte) dielektrische Schicht an den ausgebildeten Grundstrukturen
der VFETs aufgewachsen. Die zumindest eine dielektrische Schicht
stellt das Kopplungselement für
die kapazitive Kopplung zwischen dem vertikalen Transistorkanal
und der biologischen Zelle dar und ist insbesondere an dem Kanalbereich KANAL
des vertikalen Transistors angeordnet. Beispielsweise besteht das
Kopplungselement aus einer dünnen
Oxidschicht, beispielsweise einer Siliziumdioxidschicht, wie sie
bei herkömmlichen
planaren MOSFETs als Gateoxid eingesetzt wird. Das (nicht näher dargestellte)
Kopplungselement grenzt unmittelbar an die Grenzfläche (Mesaseitenfläche) der
freigelegten Siliziummesastruktur an. Die (nicht dargestellte) dielektrische
Schicht, deren dem Kanalbereich KANAL abgewandte Oberfläche eine
Sensorfläche
In
Ein weiterer Vorteil der in
Gegenüber herkömmlichen Sensorvorrichtungen, welche beispielsweise Polyimidsäulen verwenden, weist die vorgestellte bevorzugte Ausführungsform einen erheblich einfacheren Herstellungsprozeß auf, da dieser vollständig mit herkömmlichen CMOS-Herstellungsprozessen kompatibel ist. Die vertikalen Transistoren müssen nicht durch Sonderprozesse, wie beispielsweise mikromechanische Prozeßschritte oder CMOSfremde Materialien wie Polyimid angereichert werden, wodurch die Herstellung der Sensorvorrichtung stark vereinfacht wird. Auch sind für die Herstellung der kombinierten Sensor- Haltevorrichtung keine weiteren Zusatzmasken notwendig. Statt der im Stand der Technik verwendeten Polyimidätzung wird nun eine Siliziumätzung verwendet. Der Silizium-Trench bzw. die Silizium-Mesa kann im Gegensatz zum Polyimid, welches im Stand der Technik die Haltestruktur bildet, für weitere Schaltungselemente (aktive und passive Bauelemente) verwendet werden. Im Gegensatz zu der herkömmlichen Sensorvorrichtung mit Polyimid-Käfigen besteht die erfindungsgemäße Vorrichtung vorzugsweise ausschließlich aus mechanisch stark belastbaren, anorganischen Materialien, was die Handhabung und Reinigung der Sensorvorrichtung wesentlich erleichtert. Die Geometrie des Grabens (bzw. invers der Mesen) kann sowohl planar über das Layout der verwendeten Maske als auch vertikal (senkrecht, konisch) über den verwendeten Ätzprozeß (isotrop/anisotrop) optimiert werden.Compared to conventional sensor devices, which, for example, polyimide columns use, the presented preferred embodiment a much simpler manufacturing process, since this is completely with conventional CMOS manufacturing processes is compatible. The vertical transistors do not have to go through special processes, such as micromechanical process steps or non-CMOS materials how polyimide can be enriched, thereby making the sensor device is greatly simplified. Are also combined for the manufacture Sensor holder no additional masks required. Instead of that in the prior art used polyimide etching will now be a silicon etch used. The silicon trench or silicon mesa can do the opposite to polyimide, which forms the holding structure in the prior art, for further Circuit elements (active and passive components) are used. In contrast to the conventional one Sensor device with polyimide cages there is the device according to the invention preferably exclusively from mechanically strong, inorganic materials, what the handling and cleaning of the sensor device much easier. The geometry of the trench (or inverse of the mesa) can be planar via the Layout of the mask used as well as vertically (vertically, conically) over the etching process used (isotropic / anisotropic) be optimized.
In
Die Source- und Drainzuleitungen der vertikalen Transistoren werden von Metallbahnen versorgt, die durch eine ausreichend dicke Passivierung gegenüber dem Elektrolyt bzw. der Nährstofflösung, in welcher die biologischen Zellen suspendiert sind, isoliert werden müssen. Es werden deshalb Ausführungsformen der Transistoren bevorzugt, bei welchen die Metallbahnen zur Source- bzw. Drainkontaktierung in deutlichem Abstand vor dem Transistorkanal enden. Dieser Abstand ist vorzugsweise mindestens so groß wie die Dicke der Passivierungsschicht.The source and drain lines of the vertical transistors are supplied by metal tracks that through a sufficiently thick passivation compared to the electrolyte or Nutrient solution, in which the biological cells are suspended can be isolated have to. Therefore, there are embodiments preferred of the transistors in which the metal tracks to the source or drain contact at a clear distance in front of the transistor channel end up. This distance is preferably at least as large as that Passivation layer thickness.
Bei der in
Eine besonders bevorzugte Abwandlung
der in
Die Kalibrierungsschaltung bzw. das
Kalibrierungsverfahren basiert darauf, daß in einer Kalibrierungsphase
Ladung auf einem Gatekno.ten der Backgateelektrode
Während
der Meßphase
ist der Schalter S_cal geöffnet
und auf der Backgateelektrode
Für
den Fall, daß der
Kanal- bzw. Bodybereich sehr dünn
ausgeführt
ist, gilt das in
Eine besonders bevorzugte Eigenschaft
von erfindungsgemäßen Sensorvorrichtungen
ist es, den zu untersuchenden biologischen Zellen eine erneute Verknüpfung zu
einem neuronalen Netzwerk zu ermöglichen.
Um die gesamten Netzwerkeigenschaften erfassen zu können, muß die Sensorvorrichtung in
der Lage sein, mehrere Sensortransistoren mit Kopplungselementen
und Sensorflächen
parallel betreiben zu können.
Ab einer bestimmten Mindestzahl von "Sensorkäfigen" ist es deshalb notwendig, die Anzahl
der Zugangsleitungen für
die Sensortransistoren über
entsprechende Schaltungen, wie beispielsweise Multiplexer, zu reduzieren.
Besonders bevorzugt kommen daher Sensorvorrichtungen zum Einsatz,
welche eine monolithisch integrierte Auswerte- und Ansteuereinheit
in unmittelbarer Nähe
zu den Sensortransistoren aufweisen. Eine derartige Ausführungsform
ist in schematischer Schnittansicht in
An den Zellenfeldbereich
In
Bei der in
Sämtliche zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele sind untereinander beliebig kombinierbar, so daß Elemente, welche lediglich im Zusammenhang einer Ausführungsform beschrieben wurden, auch bei anderen Ausführungsformen Verwendung finden können.All Exemplary embodiments described above are freely combinable with each other, so that elements that only in the context of an embodiment have also been used in other embodiments can.
- DRAINDRAIN
- Drainbereichdrain region
- KANALCHANNEL
- Kanalbereichchannel area
- SOURCESOURCE
- Sourcebereichsource region
- SUBSUB
- HalbleitersubstratSemiconductor substrate
- 1010
- Halbleiterschicht für SourcebereichSemiconductor layer for source area
- 1212
- Halbleiterschicht für KanalbereichSemiconductor layer for channel area
- 1414
- Halbleiterschicht für DrainbereichSemiconductor layer for drain area
- 1616
- Sensorfläche des KopplungselementsSensor area of the coupler
- 1818
- Zellenraumcell space
- 2020
- Sourcekontaktsource contact
- 2222
- Drainkontaktdrain contact
- 2424
- biologische Zellebiological cell
- 2626
- Auf- bzw. AnlageflächeOn- or contact surface
- 2828
- BackgateelektrodeBack gate electrode
- 3030
- Gatedielektrikum für Backgateelektrodegate dielectric for backgate electrode
- 3232
- ZellenfeldbereichCell array region
- 3434
- Auswerte- und Ansteuerelektronikbereichevaluation and control electronics area
- 3636
- Trenchisolationtrench isolation
- 38 38
- Brückenelementbridge element
- 4040
- Verstärkungstransistoramplifying transistor
- 4242
- Verjüngungselementrejuvenation element
- 4444
- BodykontaktBody Contact
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8181 | Inventor (new situation) |
Inventor name: THEWES, ROLAND, 82194 GROEBENZELL, DE Inventor name: LUYKEN, JOHANNES, DR., 81825 MUENCHEN, DE Inventor name: SCHULZ, THOMAS, 81737 MUENCHEN, DE Inventor name: JENKNER, MARTIN, 82152 PLANEGG, DE |
|
8131 | Rejection |