DE4236421A1 - Sensor arrangement, esp. bio and=or chemical sensor - has field elements on substrate with electrodes of varying shape and size - Google Patents
Sensor arrangement, esp. bio and=or chemical sensor - has field elements on substrate with electrodes of varying shape and sizeInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung, insbesondere einen Bio- und/oder Chemosensor und ist vor allem für daraus abgeleitete Erkennungssysteme als Monitor für Stoffbestandteile. Stoffkonzentrationen und Wachstumsvorgänge von Organismen geeignet.The invention relates to a sensor arrangement, in particular a bio and / or Chemosensor and is primarily used for detection systems derived from it Fabric component monitor. Concentrations of substances and growth processes suitable for organisms.
Sensormodule und Sensorprozessoren sind allgemein bekannt und beispielsweises in dem Buch "Mikroelektronische Sensoren" von Ahlers u. Waldmann, erschienen 1989 im VEB Verlag Technik/Berlin und im Verlag Hüthig/Heidelberg umfassend und mit einem umfangreichen Literaturnachweis behandelt. Sie werden in der gesamten Meß-, Steuer- und Regeltechnik zur Datenerfassung von Sensorsignalen eingesetzt. Ist mehr als ein Sensorsignal zu erfassen, so ist die Verwendung von Analogmultiplexern üblich. Weiterhin ist üblich, anschließend einen Analog-Digital-Wandler anzuschalten, um die Datenverarbeitung in einem digital arbeitenden Computer vornehmen zu können. Den der Verbindung der Sensor- Layouts mit dem Rechner dienenden Schaltungsteil bezeichnet man vereinfacht häufig auch als Interface. Bekannt sind durch dieses Buch auch Elektrodenstrukturen zur elektrischen Kontaktierung bei Widerstands- oder Kapazitätssensoren. In dem Buch sind auch ausführlich Bio- und Chemosensoren in den Kapiteln 2.3 und 2.6 behandelt. Auch sind Elektrodenstrukturen bekannt, die mit chemischen Stoffen eine elektrochemische Zelle bilden (Fortschritte der Sensortechnik Pd. 1, S. 102-108) und es ist auch der Einsatz von Elektroden in Festelektrolythsensoren (FE-Elektroden) bekannt (Ullmann, H., Festelektrolythsensoren - Aufbau u. Anwendung; Zentralinstitut für Kernforschung Rossendorf). Für Biosensoren sind spezielle Dünnfilm-Metall-Elektroden in Siliziumtechnologie bekannt (Hintsche, Möller, Dransfeld, Wollenberger, Scheller und Hoffmann: "Chip Biosensors on Thin-film Metal Elektrodes"; Sensors and Actuators B, 4 (1991). Es gibt somit vielfältigste Sensorarten und Ausführungen. Der Stand der Technik zeigt jedoch auch, daß vergleichbare Meßergebnisse bei der Vielzahl von etwa 8000 bekannten biologischen und chemischen Sensoreffekten bisher nicht erzielt werden konnten. Jeder Sensorforscher und Entwickler stellt seine eigenen Elektroden her, die passiv als Meßsonden fungieren (Eurosensor V, Rom 1991, Proceedings, Volume 1,2). Bislang unbekannt sind hingegen Meßsonden, die aktiv am Prozeß der Ermittlung von Stoffbestandteilen, Stoffkonzentrationen oder Wachstumsvorgängen von Organismen, auch als Aktor, teilnehmen.Sensor modules and sensor processors are generally known and for example in the book "Microelectronic Sensors" by Ahlers u. Waldmann, appeared Comprehensive in 1989 at VEB Verlag Technik / Berlin and at Verlag Hüthig / Heidelberg and dealt with an extensive literature review. You will be in the Complete measurement, control and regulation technology for data acquisition of sensor signals used. If more than one sensor signal is to be recorded, use it of analog multiplexers common. It is also common to then add one Analog-to-digital converter to turn on data processing in a digital to be able to make working computers. The connection of the sensor Layouts with the circuit part serving the computer are called simplified often also as an interface. Electrode structures are also known from this book for electrical contacting with resistance or capacitance sensors. The book also contains extensive bio- and chemical sensors in chapters 2.3 and 2.6. Electrode structures are also known that form an electrochemical cell with chemical substances (progress the sensor technology Pd. 1, pp. 102-108) and it is also the use of electrodes known in solid electrolyte sensors (FE electrodes) (Ullmann, H., solid electrolyte sensors - construction and application; Central Institute for Nuclear Research Rossendorf). Special thin-film metal electrodes in silicon technology are used for biosensors known (Hintsche, Möller, Dransfeld, Wollenberger, Scheller and Hoffmann: "Chip Biosensors on Thin-film Metal Electrodes"; Sensors and Actuators B, 4 (1991). There are therefore a wide variety of sensor types and designs. However, the prior art also shows that comparable measurement results in the multitude of about 8000 known biological and chemical So far sensor effects could not be achieved. Every sensor researcher and Developer manufactures its own electrodes, which passively act as measuring probes (Eurosensor V, Rome 1991, Proceedings, Volume 1,2). So far unknown are, on the other hand, measuring probes that are actively involved in the process of determining substance Concentrations of matter or growth processes of organisms, too as an actor.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Elektrodenanordnungen für Bio- und Chemosensoren zu realisieren, die neben der passiven Messung von Potentialen, Widerständen und Kapazitäten auch die aktive Einflußnahme auf chemische und biologische Vorgänge im Meßvolumen ermöglichen und auch zu vergleichbaren Meßergebnissen führen. The invention has for its object, electrode assemblies for bio and To realize chemical sensors that, in addition to the passive measurement of potentials, Resistances and capacities also actively influence chemical and enable biological processes in the measuring volume and also compare them Lead measurement results.
Dies wird nach der Erfindung bei einer Sensoranordnung, insbesondere bei einem Bio- und/oder Chemosensor, bei dem auf einem Substrat aus isolierendem oder halbleitendem Material mehrere Feldelemente mit wenigstens zwei Elektroden vorgesehen sind, dadurch erreicht, daß auf dem Substrat wenigstens drei mit Elektroden versehene Feldelemente vorgesehen sind, daß die Feldelemente untereinander wenigstens zwei unterschiedliche Grundformen ihrer Elektroden aufweisen, und daß in Feldelementen gleicher Grundform die geometrischen Abmessungen der Elektroden voneinander verschieden sind. Vorzugsweise wird eine Vielzahl von Feldelementen vorgesehen, weil sich dadurch die mit dem Sensor erhältliche Aussage erheblich verfeinern läßt. Die unterschiedlichen Grundformen der Sensoranordnung ermöglichen unterschiedliche physikalische, chemische und biologische Vorgänge zu erfassen. Durch die unterschiedlichen geometrischen Abmessungen lassen sich Aussagen über den zeitlichen Ablauf solcher Vorgänge, vor allem von biologischen Wachstumsvorgängen gewinnen und/oder Vorgänge, vor allem von biologischen Wachstumsvorgängen gewinnen und/oder eine Mittelwertbildung bei der Meßresultatauswertung durchführen.According to the invention, this is the case with a sensor arrangement, in particular with a Bio and / or chemical sensor, in which on a substrate made of insulating or semiconducting material several field elements with at least two electrodes are provided, achieved in that at least three with on the substrate Electrode-provided field elements are provided that the field elements with each other have at least two different basic shapes of their electrodes, and that in field elements of the same basic shape, the geometric dimensions the electrodes are different from each other. Preferably one A large number of field elements are provided, because this means that the sensor available statement can be significantly refined. The different basic forms the sensor arrangement enable different physical, chemical and to record biological processes. Due to the different geometric Dimensions can be statements about the timing of such Processes, especially gaining from biological growth processes and / or Processes, especially gaining from biological growth processes and / or averaging the measurement results.
Die räumliche Anordnung der Feldelemente auf dem Substrat richtet sich nach dem Anwendungsfall. Sie können beispielsweise in zueinander konzentrischen Kreisringen vorgesehen werden. Bewährt hat es sich, wenn auf dem Substrat eine Aufteilung der Feldelemente in Zeilen und Spalten vorgesehen ist und die Elektrodenform von Zeile zu Zeile variiert und außerdem in der einzelnen Zeile die jeweilige Elektrodenform in ihren Abmessungen variiert, unter Bildung eines Array, dessen Feldelemente Elektrodenformen unterschiedlichen und gleichen Typus haben.The spatial arrangement of the field elements on the substrate depends on the use case. For example, they can be concentric with each other Circular rings are provided. It has proven itself when on the substrate a division of the field elements into rows and columns is provided and the electrode shape varies from line to line and also in detail Line the respective electrode shape varies in its dimensions, forming of an array whose field elements have different electrode shapes have the same type.
Für die Sensoranordnung empfiehlt es sich, wenn an den Rändern der Feldelemente mit den jeweiligen Elektroden dieser Feldelemente verbundene Kontaktinseln angeordnet sind, über die Verbindungen zu externen oder Baustein-internen mikroelektronischen Auswahlschaltungen (Interface) bestehen oder herstellbar sind. Eine andere Lösung besteht darin, daß zur Kontaktierung von Elektroden eine Abtastnadel-Anordnung vorgesehen ist, über die Verbindungen zu externen oder Baustein-internen mikroelektronischen Auswahlschaltungen (Interface) bestehen oder herstellbar sind. Die Auswahlschaltung des Interface erlaubt es, bestimmte einzelne oder alle Feldelemente hinsichtlich ihres Meßsignals durch ein Multiplexverfahren auszuwerten, so wie es in dem erwähnten Buch von Ahlers und Waldmann auf der Seite 12 in Tafel 1.1.4 und in Tafel 1.1.5 auf Seite 16 erläutert ist.For the sensor arrangement it is recommended if at the edges of the field elements contact islands connected to the respective electrodes of these field elements are arranged via the connections to external or internal components microelectronic selection circuits (interface) exist or can be produced are. Another solution is that for contacting Electrodes a scanning needle arrangement is provided via the connections to external or internal microelectronic selection circuits (Interface) exist or can be manufactured. The selection circuit of the interface allows certain individual or all field elements with regard to their Evaluate measurement signal by a multiplex method, as it is mentioned in the Book by Ahlers and Waldmann on page 12 in Table 1.1.4 and in Table 1.1.5 on page 16 is explained.
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung erlaubt zumindest zu einer der Elektroden eines Feldelements eine die Sensorwirkung aktivierende Rückführung von einem Interface vorzusehen. Dadurch kann eine, beispielsweise thermische Reaktion in Gang gesetzt werden, die dann in bezug auf ihre Widerstands- oder Kapazitätsänderung von den Elektroden des Feldelementes erfaßt wird. Diese Aktornutzung kann auch durch gezielte Ansteuerung von Einzelfeldern über das Interface, zum Beispiel nach einem Multiplexverfahren erfolgen. The sensor arrangement according to the invention allows at least one of the electrodes of a field element a return of the sensor effect activating to provide an interface. This can result in a thermal reaction, for example which are then set in relation to their change in resistance or capacity is detected by the electrodes of the field element. This actuator usage can also be controlled by targeting individual fields via the Interface, for example, using a multiplex method.
Die Sensoranordnung ermöglicht es auch, für zumindest einige der Feldelemente eine, der Bildung eines Mikroreaktorgefäßes dienende, über die Substratoberfläche, vorzugsweise nur geringfügig hinausragende Umrandung vorzusehen. Diese Umrandung kann auch auf der Vorder- und der Rückseite des Substrats vorgesehen werden. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann zumindest in einigen der Feldelemente auf der Vorder- und/oder Rückseite des Substrats eine der Mikroreaktorgefäßbildung dienende, vorzugsweise geringfügige Vertiefung vorgesehen werden. Wird in Feldelementen wenigstens eine von der Vorderseite zur Rückseite des Substrats sich erstreckende Durchtrittsöffnungen vorgesehen, so kann die Sensoranordnung auch in durchströmenden Flüssigkeiten eingesetzt werden. Vorteilhaft ist es, daß bei der Feldelementbildung der besonderen Art die Form der Mikroreaktorgefäße und/oder die Form der Elektroden und/oder die Anordnung der Feldelemente den Wachstumsformen von biologischen Organismen angepaßt werden kann. Beispielsweise sind sternförmige Elektroden mit entsprechender Kleinheit den Abmessungen von Strahlentieren bzw. Radiarien bestimmter Größe anpaßbar. Die zu untersuchende Substanz kann in die Mikroreaktoren vereinzelt oder flächenmäßig über die aktive Fläche der Sensoranordnung verteilt werden.The sensor arrangement also makes it possible for at least some of the field elements one that serves to form a microreactor vessel over the substrate surface, preferably only provide a slightly protruding border. This border can also be on the front and back of the substrate be provided. Alternatively or in addition, at least in some of the field elements on the front and / or back of the substrate a preferably slight depression serving for microreactor vessel formation be provided. Will be in field elements at least one from the front Through openings extending to the rear of the substrate provided, the sensor arrangement can also be used in liquids flowing through be used. It is advantageous that the field element formation of a special kind, the shape of the microreactor vessels and / or the shape of the Electrodes and / or the arrangement of the field elements of the growth forms of biological organisms can be adapted. For example, are star-shaped Electrodes with the corresponding smallness to the dimensions of radiation animals or radii of a certain size. The substance to be examined can be isolated in the microreactors or in terms of area over the active area the sensor arrangement can be distributed.
Die einzelnen Elektroden eines Feldelementes und/oder von mehreren Feldelementen werden zweckmäßig zu wenigstens zwei Gruppen zusammengeschaltet. Durch Aufbringung von biologischen oder von chemischen Stoffkomponenten auf wenigstens eine dieser Gruppen ist diese dann zu zumindest einem vollständigen Sensor ergänzbar. Solche Gruppen können auch zur Verwendung als Aktoren vorgesehen werden, indem über sie dem Einzelsensor und/oder der zu untersuchenden Substanz aktivierende Spannungen oder Ströme zugeführt werden.The individual electrodes of a field element and / or of several field elements are appropriately connected to at least two groups. By Application of biological or chemical substance components to at least one one of these groups is then at least one complete Sensor can be added. Such groups can also be provided for use as actuators be by using the individual sensor and / or the one to be examined Substances activating voltages or currents are supplied.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Sensoranordnung in einigen Feldelementen auf dem Substrat nur die Elektroden und noch keine vollständig funktionsfähigen Sensoren enthält, sodaß nachträglich im Anwendungsfall die Vervollständigung durch Aufbringung von entsprechenden biologischen und/oder chemischen Stoffkomponenten oder von Schichten, vor allem mit Membran-Verhalten erfolgen kann. Zum Beispiel kann eine solche Schicht aus einem Phthalat oder einem Enzym bestehen. Solche Schichtmaterialien sind an sich bekannt. So erläutert das vorgenannte Buch von Ahlers und Waldmann auf Seite 13 die Verwendung von Bleiphthalozyanin zur Bildung eines Komplexsensors. Eine solche Anordnung stellt bei dieser Ausbildung ein sogenanntes Meßhalbzeug dar. Diese Ausbildung ist allgemein bei Sensoren anwendbar.It is particularly advantageous if the sensor arrangement in some field elements only the electrodes on the substrate and not yet fully functional Contains sensors, so that in the application, the completion by applying appropriate biological and / or chemical Components or layers, especially with membrane behavior can be done. For example, such a layer of phthalate or an enzyme. Such layer materials are known per se. So explained the aforementioned book by Ahlers and Waldmann on page 13 the use of lead phthalocyanine to form a complex sensor. Such an arrangement represents a so-called semi-finished product in this training Training is generally applicable to sensors.
Nachstehend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigtThe invention is illustrated below with reference to a drawing Embodiment explained in more detail. In the drawing shows
die Fig. 1 ein Sensor-Array aus zeilen- und spaltenförmig angeordneten Einzelsensoren. Figs. 1, a sensor array consisting of rows and columns arranged individual sensors.
die Fig. 2 ein einzelnes, einen Sensor enthaltendes Feldelement nach der Fig. 1 in einer schematischen Aufsicht und in einem Längsschnitt und Fig. 2, a single, a sensor-containing box element of FIG. 1 in a schematic plan view and in a longitudinal section and
die Fig. 3 die schaltungsmäßige Verwendung eines Feldelementes nach der Fig. 2. FIGS. 3, the circuit proper use of a field element according to the FIG. 2.
Die Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Elektrodenanordnung von Bio- und/oder Chemosensoren in Form von Feldelementen in einem Array aus Zeilen und Spalten. Die Feldelemente 1 sind durch einen Rand 2 begrenzt. Am Rand 2 ist jedes der Elektrodenfelder bzw. Feldelemente 1 mit Anschluß- bzw. Kontaktflächen 3 in Form von Bondinseln versehen. Zwischen benachbarten Feldelementen 1 sind Doppelbondinseln vorgesehen. In dem einzelnen Feldelement 1 sind zum Beispiel zwei Elektrodengruppen 5 und 6 vorgesehen. In dem mit den Bezugszeichen hervorgehobenen Feldelement 1 haben diese eine sogenannte Fingerstruktur. Als Material für den Träger der in der Fig. 1 dargestellten Arraystruktur dient ein isolierendes Substratmaterial, z. B. Glas oder Keramik oder ein halbleitendes Substratmaterial, z. B. Silizium. Fig. 1 shows an electrode arrangement according to the invention of organic and / or chemical sensors in the form of array elements in an array of rows and columns. The field elements 1 are delimited by an edge 2 . At the edge 2 , each of the electrode fields or field elements 1 is provided with connection or contact surfaces 3 in the form of bond pads. Double bond islands are provided between adjacent field elements 1 . For example, two electrode groups 5 and 6 are provided in the individual field element 1 . In the field element 1 highlighted with the reference numerals, these have a so-called finger structure. As the material for the carrier of the array structure shown in FIG. 1, an insulating substrate material is used, eg. B. glass or ceramic or a semiconducting substrate material, e.g. B. silicon.
Wie aus der Fig. 1 weiterhin erkennbar sind die einzelnen Feldelemente in ihrer Gestalt und in ihren Abmessungen variiert. So ist in der einzelnen Zeile die Grundform zwar gleich gehalten, aber die Elektrodengröße ist unterschiedlich. In der einzelnen Spalte sind hingegen die Grundformen verschieden, sodaß das in der Fig. 1 erkennbare Muster entsteht. Auf diese Weise lassen sich von den einzelnen Feldelementen zusätzlich auch geometrische Informationen über zu untersuchende Wachstums- und Reaktionsvorgänge einer Probe ableiten.As can also be seen from FIG. 1, the individual field elements are varied in their shape and in their dimensions. The basic shape is kept the same in the individual line, but the electrode size is different. In the individual column, however, the basic shapes are different, so that the pattern recognizable in FIG. 1 is created. In this way, geometric information about the growth and reaction processes of a sample to be examined can also be derived from the individual field elements.
Bei dem in der Fig. 2 in einem Längsschnitt und in einer schematischen Aufsicht wiedergegebenen Feldelement des Array nach Fig. 1 ist das die Elektrodenstruktur tragende Substrat 21 mit zwei fingerartig ausgebildeten, ineinandergreifenden Elektroden 22 und 20 aus Gold belegt, die jeweils eine Elektrodengruppe bilden. Die erste Gruppe (Elektroden 20) ist mit Kontaktflächen 23 und die zweite Gruppe (Elektroden 22) mit Kontaktflächen 29 versehen, die mit Vorteil als Bondinseln ausgeführt werden. In den Außenbereichen des Arrays sind es einfache Bondinseln. Zwischen benachbarten Feldbereichen sind es Doppel-Bondinseln. Im Bereich der Doppel-Bondinseln wird mit Vorteil ein sogenannter Ritz- oder Sägegraben 24 vorgesehen, mit dessen Hilfe benachbarte Feldelementen nachträglich elektrisch getrennt werden können.In the model shown in FIG. 2 in a longitudinal section and in a schematic plan view field element of the array of FIG. 1 is the electrode structure supporting substrate 21 covered with two finger-like, interdigitated electrodes 22 and 20 made of gold, which each form an electrode group. The first group (electrodes 20 ) is provided with contact areas 23 and the second group (electrodes 22 ) is provided with contact areas 29 , which are advantageously designed as bond pads. In the outer areas of the array, they are simple bond islands. There are double bond islands between adjacent field areas. In the area of the double bond islands, a so-called scribe or saw trench 24 is advantageously provided, with the aid of which adjacent field elements can subsequently be electrically separated.
Unter einer Bondinsel wird eine solche Verbreiterung der einzelnen mikroelektronischen Verbindungsleitung verstanden, daß an die verbreiterte Fläche ein Bonddraht angebondet werden kann. Unter einer Doppel-Bondinsel sind zwei zusammengehörige Bondinseln in der einzelnen Verbindungsleitung zu verstehen. Such a broadening of the individual microelectronic is under a bond island Connection line understood that to the widened area Bond wire can be bonded. Under a double bond island are two belonging together Understanding bond islands in the individual connection line.
Hat die mikroelektronische Verbindungsleitung beispielsweise eine Breite von etwa 1 Mikrometer, so kann die einzelne, beispielsweise rechteckförmige oder kreisförmige Bondinsel eine Breite von 30 bis 50 Mikrometer haben. Die Technik des Bondes ist allgemein bekannt, beispielsweise durch das vorerwähnte Buch, insbesondere die Ausführungen auf den Seiten 68 und 71 bis 75, sowie die dort genannten Literaturstellen. Die Bondinseln einer Doppel-Bondinsel können elektrisch in Reihe in die zugehörige Leiterbahn eingefügt sein. Zur Auftrennung dient vorrangig dann der zwischen ihnen gelegene Leiterbahnabschnitt. Sie können aber auch elektrisch parallel in die zugehörige Leiterbahn eingefügt sein. Zur Auftrennung der Leiterbahn wird vorrangig dann im Parallelschaltungsbereich die Verbindung der einen Bondinsel zu der einen weiterführenden Leiterbahn und die Verbindung der anderen Bondinsel zu der anderen weiterführenden Leiterbahn vorgesehen. Das Auftrennen kann wahlweise über Ritzen, Sägen, Lasertrennen oder durch Stromstoß vorgenommen werden.For example, the microelectronic connecting line has a width of about 1 micron, the individual, for example rectangular or circular bond pads have a width of 30 to 50 microns. The technology des Bondes is generally known, for example by the aforementioned Book, especially the explanations on pages 68 and 71 to 75, as well the references mentioned there. The bond islands of a double bond island can be inserted electrically in series in the associated conductor track. For The conductor section located between them is primarily used for separation. But you can also electrically parallel in the associated trace be inserted. To separate the conductor track is then primarily in the Parallel connection area the connection of the one bond island to the one Continuing conductor track and the connection of the other bond island to the other advanced trace provided. The separation can be optional via cracks, saws, laser cutting or by means of a power surge.
Wie beim Durchtrennen beziehungsweise Auftrennen vorzugehen ist, ist allgemein bekannt, wie das obengenannte Buch von Ahlers und Waldmann auf den Seiten 45 (Sensorabtrenung), 58 und 63 (Strukturierungsverfahren) ausweist. Alternativ oder zusätzlich können zur Deaktierung von Sensor-Layouts in die zugehörigen Verbindungsleitungen zwischen den einzelnen Feldelementen auch über eine, vorzugsweise programmierbare, Steuerschaltung betätigbare, elektronische Schalter eingefügt werden. Diese Technik ist u. a. Gegenstand der älteren Patentanmeldung P 42 30 592.6 vom 12. Sept. 1992 auf die als Stand der Technik und der Einzelheiten Bezug genommen wird. Diese zeigt auch die Zusammenschaltung von Feldelemten und Interfaces.How to cut or cut is general known as the above-mentioned book by Ahlers and Waldmann on the pages 45 (sensor separation), 58 and 63 (structuring method). Alternatively or additionally you can deactivate sensor layouts in the associated connecting lines between the individual field elements also operable via a, preferably programmable, control circuit, electronic switches are inserted. This technique is u. a. object the older patent application P 42 30 592.6 from Sept. 12, 1992 to the as State of the art and the details are referenced. This also shows the interconnection of field elements and interfaces.
Wie die Fig. 2 zeigt, ist um die Kontakte 23 und 29 eine Lochschablone und um die Elektrodengruppen 22 und 20 ein Fenster 27 gelegt. Auf diese Weise wird ein Mikroreaktor mit den Elektroden 22 und 20 gebildet, dessen Rand etwa 1 Mikrometer hoch ist. In diesem Mikroreaktor kann auf die Elektroden 22 und 20 in an sich bekannter Weise (siehe das erwähnte Buch von Ahlers und Waldmann, Seite 13) zum Beispiel eine Schicht von Bleiphthalozyanin 28 aufgebracht werden. Mit Gold als Elektrodenmaterial ergibt sich dann ein Kontaktwiderstand von etwa 7 Ohm/cm². Die Anordnung ergibt einen Chemosensor, der auf NOx-Gase mit einer Widerstandsänderung an den Elektroden 22 und 20 reagiert. Durch die Verwendung anderer Materialien für die Elektroden und die Schicht läßt sich das einzelne Feldelement an die zu untersuchenden Proben anpassen.As shown in FIG. 2, a hole template is placed around the contacts 23 and 29 and a window 27 is placed around the electrode groups 22 and 20 . In this way, a microreactor with the electrodes 22 and 20 is formed, the edge of which is approximately 1 micron high. In this microreactor, a layer of lead phthalocyanine 28 , for example, can be applied to the electrodes 22 and 20 in a manner known per se (see the mentioned book by Ahlers and Waldmann, page 13). With gold as the electrode material, there is a contact resistance of about 7 ohms / cm². The arrangement results in a chemical sensor which reacts to NO x gases with a change in resistance at the electrodes 22 and 20 . By using different materials for the electrodes and the layer, the individual field element can be adapted to the samples to be examined.
In der Fig. 3 ist die betriebsmäßige Verwendung der beiden Elektrodengruppen in einem Blockschaltbild dargestellt. Die erste Gruppe ist an ein Interface 24 vom Analogtyp angeschaltet. Es nimmt die als Analogsignale vorliegenden Spannungen an den Kontakten 23 auf und ermöglicht die Subtraktion einer Hilfespannung und die Normierung der Spannungsdifferenz durch Division mit einer Referenzspannung und die Überführung des so gewonnen Meßsignals in eine Impulsfolge fA. Die in fA verfügbare, resultierende Widerstandsänderung kann durch das Analog-Interface 24 verstärkt oder abgeschwächt und so einem gewünschten Wiedergabemaßstab angepaßt werden. Die Impulsfolge fA wird einem Rechner 25 zugeführt, der seinerseits das Meßergebnis auf einem Bildschirm zur Anzeige bringt.In FIG. 3, the operational use of the two electrode groups is shown in a block diagram. The first group is connected to an interface 24 of the analog type. It takes up the voltages present at the contacts 23 as analog signals and enables the subtraction of an auxiliary voltage and the normalization of the voltage difference by division with a reference voltage and the conversion of the measurement signal thus obtained into a pulse train f A. The resulting change in resistance available in f A can be amplified or weakened by the analog interface 24 and thus adapted to a desired reproduction scale. The pulse sequence f A is fed to a computer 25 , which in turn displays the measurement result on a screen.
Mittels einer Rückführung 36 wird eine Spannung über die Kontakte 29 an die zweite Gruppe von Elektroden 20 gelegt oder ein Strom über die Kontakte 29 durch die zweite Gruppe von Elektroden 20 geführt. Dadurch wird eine Aktorfunktion ermöglicht und realisiert. Die Rückführung ist ebenso wie die Signalabnahme nur schematisch dargestellt, indem jeweils nur die Flußrichtung eingezeichnet ist. In der Praxis kann das Rückführungssignal in kurzen Meßpausen zwischen beide Elektrodengruppen eingespeist werden oder es wird zumindest eine weitere Elektrode für die Rückführungsspeisung in die Sensoranordnung und/oder für die Abnahme des Meßsignals von der Sensoranordnung vorgesehen.By means of a return 36, a voltage across the contacts 29 is applied to the second group of electrodes 20 or out a current through the contacts 29 by the second group of electrodes 20th This enables and realizes an actuator function. The feedback, like the signal take-off, is only shown schematically, in that only the flow direction is shown. In practice, the feedback signal can be fed in between the two electrode groups during short measurement pauses, or at least one further electrode is provided for the feedback feed into the sensor arrangement and / or for the acceptance of the measurement signal from the sensor arrangement.
Wird auf dem durch das Fenster 27 umrandeten Mikroreaktor eine Flüssigkeit gegeben, in der NOx gelöst ist, dann kann, gesteuert durch den Rechner 25, eine geeignet hohe Spannung oder ein entsprechender Strom an die Elektroden 20 gegeben werden, wodurch diese Flüssigkeit über eine Ladungslawine erwärmt wird und damit die chemische Wechselwirkung mit der Bleiphthalozyaninschicht 28 zur Verbesserung der Sensorfunktion beeinflußbar ist.If a liquid in which NO x is dissolved is given on the microreactor surrounded by the window 27 , then, under the control of the computer 25 , a suitably high voltage or a corresponding current can be supplied to the electrodes 20 , causing this liquid to flow through an avalanche of charges is heated and thus the chemical interaction with the lead phthalocyanine layer 28 can be influenced to improve the sensor function.
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| DE19924236421 DE4236421A1 (en) | 1992-10-28 | 1992-10-28 | Sensor arrangement, esp. bio and=or chemical sensor - has field elements on substrate with electrodes of varying shape and size |
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Publications (1)
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