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1. (WO2019063650) CAPTEUR DE FLUIDE
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Patentansprüche

1. Ein Fluidsensor (100) mit folgenden Merkmalen:

einem Fluidsensorelement (20) mit:

einem Substrat (1 '), das eine Ausnehmung (10) zur Aufnahme eines zu untersuchenden Fluids aufweist, wobei das die Ausnehmung (10) umgebende Substrat (1) zumindest bereichsweise als eine Substratelektrode (1) ausgebildet ist,

einer Isolationsschichtanordnung (2) zwischen einer Floating-Gate-Elektrode (4) eines Transistors (7) und der Substratelektrode (1), und

einer Sensorschicht (6) in der Ausnehmung (10) und benachbart zu der Floating- Gate-Elektrode (4),

einer Zusatzelektrode (3) an einem Öffnungsbereich (10-1) der Ausnehmung (10), wobei die Zusatzelektrode (3) elektrisch getrennt von der Sensorschicht (6), der Substratelektrode (1) und der Floating-Gate-Elektrode (4) angeordnet ist und mit einem Steuerpotential (P8) verbunden oder verbindbar ist, und

einer Verarbeitungseinrichtung (8), die ausgebildet ist, um das Steuerpotential (P8) an der Zusatzelektrode (3) so bereitzustellen, dass im Betrieb des Fluidsensors (100) ein elektrisches Feld zwischen der Zusatzelektrode (3) und der Sensorschicht (6) zumindest redu-ziert oder kompensiert ist.

2. Fluidsensor (100) gemäß Anspruch 1 , wobei die Verarbeitungseinrichtung (8) ausgebildet ist, um das Steuerpotential (P8) auf ein momentanes Sensorpotential (P11) an der Sensorschicht (6) einzustellen, wobei das momentane Sensorpotential (P11) durch das zu untersuchende Fluid als eine elektrische Änderung an der Sensorschicht (6) bewirkt wird.

3. Fluidsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei sich die Ausnehmung (10) an dem Öffnungsbereich (10-1) von einem ersten Oberflächenbereich (1-1) des Substrats (1) in das Substrat (1) hinein erstreckt.

4. Fluidsensor (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zusatzelektrode benachbart zu dem Öffnungsbereich (1 0) der Ausnehmung angrenzend an dem oberen Hauptoberflächenbereich (1 -1 ) des Substrats als ein scheibenförmiger Außenring, innerhalb der Ausnehmung (10) als ein an dem Wandbereich der Ausnehmung umlaufen-der innenring oder als eine L-förmige Kombination des scheibenförmigen Außenrings und des Innenrings ausgebildet ist.

5. Fluidsensor (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausnehmung (10) in Form eines Grabens, eines Topfes oder eines Spaltes in dem Substrat (1 ) ausgebildet ist, wobei die Ausnehmung (10) einseitig geschlossen oder topfförmig ist.

6. Fluidsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Ausnehmung (10) als Durchtritt oder Durchgansöffnung durch das Substrat (1 ) von einem ersten Oberflächenbereich (1 -1 ) an einer ersten Seite des Substrats (1 ) zu einem zweiten Oberflächen-bereich (1 -2) an einer zweiten Seite des Substrats (1 ) ausgebildet ist, wobei die Ausnehmung (10) zweiseitig offen ausgebildet ist.

7. Fluidsensor (100) gemäß Anspruch 6, wobei die Zusatzelektrode (3) angrenzend an den Öffnungsbereich (10-1 ) der Ausnehmung (10) an der ersten Seite des Substrats (1 ) und elektrisch getrennt von der Sensorschicht (6) angeordnet ist und mit einem Steuerpotential verbunden oder verbindbar ist, und

wobei eine weitere Zusatzelektrode (3A) angrenzend an einen weiteren Öffnungsbereich (10-2) der Ausnehmung (10) an der zweiten Seite des Substrats (1 ) und elektrisch ge-trennt von der Sensorschicht (6) angeordnet ist und mit dem Steuerpotential (P8) verbunden oder verbindbar ist.

8. Fluidsensor (100) gemäß Anspruch 7, wobei die Verarbeitungseinrichtung (8) ferner ausgebildet ist, um das Steuerpotential (P8) im Betrieb so einzustellen,

dass das elektrisches Feld zwischen der Zusatzelektrode (3) und der Sensorschicht (6) zumindest reduziert oder kompensiert ist, und

dass ein elektrisches Feld zwischen der weiteren Zusatzelektrode (3A) und der Sensorschicht (6) zumindest reduziert oder kompensiert ist.

9. Fluidsensor (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 7 oder 8, wobei die weitere Zusatzelektrode (3a) benachbart zu einem weiteren Öffnungsbereich (10-2) der

Ausnehmung (10) angrenzend an dem unteren Hauptoberflächenbereich (1-2) des Substrats (1 ') als ein scheibenförmiger Außenring, innerhalb der Ausnehmung (10) als ein an dem Wandbereich der Ausnehmung umlaufender Innenring oder als eine L-förmige Kombination des scheibenförmigen Außenrings und des Innenrings ausgebildet ist.

10. Fiuidsensor (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensorschicht (6), die Floating-Gate-Elektrode (4) und die Substratelektrode (1) so angeordnet sind, dass eine erste Kapazität C41 zwischen der Substratelektrode (1) und der Floating-Gate-Elektrode (4), und ferner eine zweite Kapazität C46 zwischen der Floating-Gate-Elektrode (4) und der Sensorschicht (6) ausgebildet ist, und wobei die Substratelektrode ( 1 ) des Fluidsensorelements die Ausnehmung (10) zumindest teilweise umgibt und mit einem Regelpotential (P9) verbunden oder verbindbar ist.

11. Fiuidsensor (100) gemäß Anspruch 22, wobei die Verarbeitungseinrichtung (8) ferner ausgebildet ist, um den Transistor (7) in einem Arbeitspunkt zu halten und um das Regelpotential (P9) an der Substratelektrode (1 )„im Betrieb" des Fluidsensors unter Nutzung des Kapazitätsverhältnisses K = C41 / C46 so einzustellen, dass das Regelpotential (P9) an der Substratelektrode (1) der um das Kapazitätsverhältnis K erhöhte Wert des Sensorpotentials (P11) an der Sensorschicht (6) ist, mit P9 = K*P11 f und

wobei die Verarbeitungseinrichtung (8) ferner ausgebildet ist, um das Steuerpotential (P8) für die Zusatzelektrode und/oder die weitere Zusatzelektrode basierend auf dem Regelpo-tentiai (P9) zu bestimmen.

12. Fiuidsensor (100) gemäß Anspruch 10 oder 11 , wobei die Verarbeitungseinrichtung (8) ausgebildet ist, um das Steuerpotential (P8) basierend auf folgender Formel zu berechnen:

P8 = (?4 - P9) ~ + P4 + Ρκ-optionab mit P4 = ^~ + VT ,

W εοχ ,.

wobei Ρκ-optionai ein optionales Korrekturpotential ist, wobei der Term ß

Steilheit des Transistors (7) ist, und

wobei VT die Schwellspannung des Transistors (7) ist,

wobei μ die Beweglichkeit der Ladungsträger ist,

wobei W die Weite und L die Länge des Transistorkanals ist,

wobei εοχ ist die Permittivität des Gate-Oxids des Transistors ist, und

wobei dox die Dicke des Gate-Oxids des Transistors ist.

13. Fluidsensor (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verarbei-tungseinrichtung (8) ausgebildet ist, um das Steuerpotential (P8) basierend auf dem Sensorpotential (P11) an der Sensorschicht (6) zu bestimmen, und um das Sensorpotential (P1 1 ) an der Sensorschicht (6) in der Ausnehmung (10) basierend auf einem Referenzsensorelement (20A) zu bestimmen.

14. Fluidsensor (100) gemäß Anspruch 13, wobei das Referenzsensorelement (20A) folgende Merkmale aufweist:

einen weiteren Substratbereich (1A), der eine Ausnehmung (10A) zur Aufnahme eines zu untersuchenden Fluids (F) aufweist, wobei das die Ausnehmung (10A) umgebende Sub-strat (1A) zumindest bereichsweise als eine weitere Substratelektrode (1A) ausgebildet ist,

eine Isolationsschichtanordnung (2A) zwischen einer Floating-Gate-E!ektrode (4A) eines weiteren Transistors (7A) und der weiteren Substratelektrode (1A); und

eine leitfähige Sensorersatzschicht (6A) benachbart zu der Floating-Gate-Elektrode (4A) des weiteren Transistors (7A),

wobei das Fluidsensorelement (20) und das Referenzsensorelement (20A), das anstelle der Sensorschicht (6) des Fluidsensorelements (20) die leitfähige Sensorersatzschicht (6A) aufweist, ansonsten einen gleichen Aufbau aufweisen.

15. Fluidsensor (100) gemäß Anspruch 14, wobei die Verarbeitungseinrichtung (8) ferner ausgebildet ist, um den Transistor (7) und den weiteren Transistor (7A) in einem gleichen Arbeitspunkt zu halten , so dass sich an der leitfähigen Sensorersatzschicht (6A) des Referenzsensorelements (20A) das gleiche Sensorpotentia! (P11) wie an der Sensorschicht (6) des Fluidsensorelements (20) einstellt, und

wobei die Verarbeitungseinrichtung (8) ferner ausgebildet ist, um das an der leitfähigen Sensorersatzschicht anliegende Sensorpotential (P11) oder ein davon abgeleitetes Potential (P ')als das Steuerpotential (P8) für die Zusatzelektrode (3) bereitzustellen. 16. Fluidsensor (100) gemäß Anspruch 16, wobei die Verarbeitungseinrichtung (8) ferner ausgebildet ist, um das Steuerpotential (P8) für die Zusatzelektrode (3) mit einem optionalen Korrekturpotential Ρκ-optionai zu versehen.

17. Fluidsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei das Regelpotential (P9) proportional zu der durch das zu untersuchende Fluid verursachten, elektrischen Änderung (P11) der Sensorschicht (6) in der Ausnehmung (1) ist, und wobei das Regelpotential (P9) oder ein davon abgeleitetes oder aufbereitetes Signal das Sensorausgangs-Signal (S0UT) des Fluidsensors (100) ist.

18. Fluidsensor (100) mit folgenden Merkmalen;

einem Fluidsensorelement (20) mit:

einem Substrat (1 ), das eine Ausnehmung (10) zur Aufnahme eines zu untersuchenden Fluids (F) aufweist, wobei das die Ausnehmung (10) umgebende Substrat (1 ) zumindest bereichsweise als eine Substratelektrode (1) ausgebildet ist, und wobei die Substratelektrode (1 ) die Ausnehmung (10) zumindest teilweise umgibt und mit einem Referenzpotential oder Regelpotential (P9) verbunden oder verbindbar ist,

einer Isolationsschichtanordnung (2) zwischen einer Floating-Gate-Elektrode (4) eines Transistors (7) und der Substratelektrode (1),

einer Sensorschicht (6) benachbart zu der Floating-Gate-Elektrode (4) in der Ausnehmung (10),

wobei die Sensorschicht (6), die Floating-Gate-Elektrode (4) und die Substratelektrode (1 ) so angeordnet sind, dass sich eine erste Kapazität C4 zwischen der Sub- stratelektrode (1 ) und der Floating-Gate-Elektrode (4), und ferner eine zweite Kapazität C46 zwischen der Floating-Gate-Elektrode (4) und der Sensorschicht (6) ausbildet, wobei die erste Kapazität C41 und die zweite Kapazität C46 ein Kapazitätsverhältnis K = C41 / C 6 bilden, und

einer Verarbeitungseinrichtung (8), die ausgebildet ist, um den Transistor (7) in einem Arbeitspunkt zu halten und um das Regelpotential (P9) an der Substratelektrode (1) im Betrieb des Fluidsensors unter Nutzung des Kapazitätsverhältnisses K so einzustellen, dass das Regelpotential (P9) an der Substratelektrode (1 ) der um das Kapazitätsverhältnis K erhöhte Wert des Potentials (P1 1 ) an der Sensorschicht (6) ist, mit P9 = K*PU.

19. Fluidsensor (100) gemäß Anspruch 18, wobei das Regelpotential (P9) proportional zu der durch das zu untersuchende Fluid verursachten, elektrischen Änderung (P1 1 ) der Sensorschicht (6) in der Ausnehmung (1) ist, und wobei das Regelpotential (P9) oder ein davon abgeleitetes oder aufbereitetes Signal (Ρ9') das Sensorausgangssignal (S0UT) des Fluidsensors (100) ist.

20. Fluidsensor ( 00) gemäß einem der Ansprüche 18 oder 19, wobei die Sensorschicht (6), die Floating-Gate-Elektrode (4) und die Substratelektrode (1 ) so angeordnet sind, um ein Kapazitätsverhältnis K = C41 / C46, mit K > 2, 5 oder 8 zu bilden.

21. Fluidsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 18 bis 20, bei dem die Substratelektrode (1 ) einem abgegrenzten Dotierbereich des Substrates (1') entspricht.

22. Fluidsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 18 bis 21 , wobei das Sensorelement (20) ferner folgendes Merkmal aufweist:

eine Zusatzelektrode (3) an einem Öffnungsbereich (10-1 ) der Ausnehmung (10), wobei die Zusatzelektrode (3) elektrisch getrennt von der Sensorschicht (6), der Substratelektrode (1 ) und der Floating-Gate-Elektrode (4) angeordnet ist und mit einem Steuerpotential (P8) verbunden oder verbindbar ist,

wobei die Verarbeitungseinrichtung (8) ausgebildet ist, um das Steuerpotential (P8) an der Zusatzelektrode (3) so bereitzustellen, dass im Betrieb des Fluidsensors (100) ein elektrisches Feld (E) zwischen der Zusatzelektrode (3) und der Sensorschicht (6) zumindest reduziert oder kompensiert ist.

23. Fluidsensor (100) gemäß Anspruch 22, wobei die Verarbeitungseinrichtung (8) ausgebildet ist, um das Steuerpotential (P8) auf ein momentanes Sensorpotential (P1 1 ) an der Sensorschicht (6) einzustellen, wobei das momentane Sensorpotential (P1 1 ) durch das zu untersuchende Fluid als eine elektrische Änderung an der Sensorschicht (6) be-wirkt wird.

24. Fluidsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 18 bis 23, wobei die Zusatzelektrode (3) benachbart zu dem Öffnungsbereich (10-1) der Ausnehmung (10) angrenzend an dem oberen Hauptoberflächenbereich (1-1) des Substrats (1 ') als ein scheibenförmiger Außenring, innerhalb der Ausnehmung (10) als ein an dem Wandbereich der Ausnehmung um-laufender Innenring oder als eine L-förmige Kombination des scheibenförmigen Außenrings und des Innenrings ausgebildet ist.

25. Fluidsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 18 bis 24, wobei die Ausnehmung (10) in Form eines Grabens, eines Topfes oder eines Spaltes in dem Substrat (1 ) ausge-bildet ist, wobei die Ausnehmung (10) einseitig geschlossen oder topfförmig ist.

26. Fluidsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 18 bis 25, bei dem die Ausnehmung (10) als Durchtritt oder Durchgansöffnung durch das Substrat (Γ) von einem ersten Oberflächenbereich (1-1 ) an einer ersten Seite des Substrats (1') zu einem zweiten Oberfiä-chenbereich (1-2) an einer zweiten Seite des Substrats (1 ') ausgebildet ist, wobei die Ausnehmung (10) zweiseitig offen ausgebildet ist.

27. Fluidsensor (100) gemäß Anspruch 26, wobei die Zusatzeiektrode (3) angrenzend an den Öffnungsbereich (10-1 ) der Ausnehmung (10) an der ersten Seite des Substrats (1 ) und elektrisch getrennt von der Sensorschicht (6) angeordnet ist und mit einem Steuerpotential verbunden oder verbindbar ist, und

wobei eine weitere Zusatzelektrode (3A) angrenzend an einen weiteren Öffnungsbereich (10-2) der Ausnehmung (10) an der zweiten Seite des Substrats (1) und elektrisch ge-trennt von der Sensorschicht (6) angeordnet ist und mit dem Steuerpotential (P8) verbunden oder verbindbar ist.

28. Fluidsensor (100) gemäß Anspruch 27, wobei die Verarbeitungseinrichtung (8) ferner ausgebildet ist, um das Steuerpotential (P8) im Betrieb so einzustellen,

dass das elektrisches Feld zwischen der Zusatzelektrode (3) und der Sensorschicht (6) zumindest reduziert oder kompensiert ist, und

dass ein elektrisches Feld zwischen der weiteren Zusatzelektrode (3A) und der Sensorschicht (6) zumindest reduziert oder kompensiert ist.

29. Fluidsensor (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 27 oder 28, wobei die weitere Zusatzelektrode (3a) benachbart zu einem weiteren Öffnungsbereich (10-2) der Ausnehmung (10) angrenzend an dem unteren Hauptoberflächenbereich (1-2) des Substrats (1 ') als ein scheibenförmiger Außenring, innerhalb der Ausnehmung (10) als ein an dem Wandbereich der Ausnehmung umlaufender Innenring oder als eine L-förmige Kombination des scheibenförmigen Außenrings und des innenrings ausgebildet ist.

30. Fluidsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 18 bis 29, wobei die Sensorschicht (6), die Floating-Gate-Elektrode (4) und die Substratelektrode (1) so angeordnet sind, dass eine erste Kapazität C41 zwischen der Substratelektrode (1) und der Floating-Gate-Elektrode (4), und ferner eine zweite Kapazität C46 zwischen der Floating-Gate-Elektrode (4) und der Sensorschicht (6) ausgebildet ist, und wobei die Substratelektrode (1) des Fluidsensorelements die Ausnehmung (10) zumindest teilweise umgibt und mit einem Regelpotential (P9) verbunden oder verbindbar ist.

31. Fluidsensor (100) gemäß Anspruch 30, wobei die Verarbeitungseinrichtung (8) ferner ausgebildet ist, um den Transistor (7) in einem Arbeitspunkt zu halten und um das Regelpotential (P9) an der Substratelektrode (1 )„im Betrieb" des Fluidsensors unter Nutzung des Kapazitätsverhältnisses K = C41 / C 6 so einzustellen, dass das Regelpotential (P9) an der Substratelektrode (1) der um das Kapazitätsverhältnis K erhöhte Wert des Sensorpotentials (P11) an der Sensorschicht (6) ist, mit P9 = K*Pn, und

wobei die Verarbeitungseinrichtung (8) ferner ausgebildet ist, um das Steuerpotential (P8) für die Zusatzelektrode und/oder die weitere Zusatzelektrode basierend auf dem Regelpotential (P9) zu bestimmen.

32. Fluidsensor (100) gemäß Anspruch 30 oder 31 , wobei die Verarbeitungseinrichtung (8) ausgebildet ist, um das Steuerpotential (P8) basierend auf folgender Formel zu berechnen:

P8 = (P4 ~ P9) | + P4 + Ρκ-optionab mit P4 = ^ + VT ,

wobei Ρκ-optionai ein optionales Korrekturpotential ist,

W

wobei der Term ß = μ · - die Steilheit des Transistors (7) ist, und

wobei VT die Schwellspannung des Transistors (7) ist,

wobei μ die Beweglichkeit der Ladungsträger ist,

wobei W die Weite und L die Länge des Transistorkanals ist,

wobei εοχ ist die Permittivität des Gate-Oxids des Transistors ist, und

wobei dox die Dicke des Gate-Oxids des Transistors ist.

33. Fluidsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 18 bis 32, wobei die Verarbeitungseinrichtung (8) ausgebildet ist, um das Steuerpotential (P8) basierend auf dem Sensorpoten-tial (P1 1 ) an der Sensorschicht (6) zu bestimmen, und um das Sensorpotential (P1 1) an der Sensorschicht (6) in der Ausnehmung (10) basierend auf einem Referenzsensorelement (20A) zu bestimmen.

34. Fluidsensor (100) gemäß Anspruch 33, wobei das Referenzsensorelement (20A) fol-gende Merkmale aufweist:

ein weiteres Substrat (1A), das eine Ausnehmung (10A) zur Aufnahme eines zu untersuchenden Fluids (F) aufweist, wobei das die Ausnehmung (10A) umgebende Substrat (1A) zumindest bereichsweise als eine weitere Substratelektrode (1A) ausgebildet ist,

eine Isolationsschichtanordnung (2A) zwischen einer Floating-Gate-Elektrode (4A) eines weiteren Transistors (7A) und der weiteren Substratelektrode (1A); und

eine leitfähige Sensorersatzschicht (6A) benachbart zu der Fioating-Gate-Elektrode (4A),

wobei das Fluidsensorelement (6) und das Referenzsensorelement (6A), das anstelle der Sensorschicht (6) des Fluidsensorelements (20) die leitfähige Sensorersatzschicht (6A) aufweist, ansonsten einen gleichen Aufbau aufweisen.

35. Fluidsensor (100) gemäß Anspruch 34, wobei die Verarbeitungseinrichtung (8) ferner ausgebildet ist, um den Transistor (7) und den weiteren Transistor (7A) in einem gleichen Arbeitspunkt zu halten, so dass sich an der Seitfähigen Sensorersatzschicht (6A) des Referenzsensorelements (20A) das gleiche Sensorpotential (P11) wie an der Sensorschicht (6) des Fluidsensorelements (20) einstellt, und

wobei die Verarbeitungseinrichtung (8) ferner ausgebildet ist, um das an der leitfähigen Sensorersatzschicht anliegende Sensorpotential (P1 1 ) oder ein davon abgeleitetes Potential (P1 ')als das Steuerpotential (P8) für die Zusatzelektrode (3) bereitzustellen.

36. Fluidsensor (100) gemäß Anspruch 35, wobei die Verarbeitungseinrichtung (8) ferner ausgebildet ist, um das Steuerpotential (P8) für die Zusatzelektrode (3) mit einem optionalen Korrekturpotential P «-optional zu versehen.

37. Fluidsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 34 bis 36, wobei das Regelpotential (P9) proportional zu der durch das zu untersuchende Fluid verursachten, elektrischen Änderung (P11) der Sensorschicht (6) in der Ausnehmung (1) ist, und wobei das Regelpotential (P9) oder ein davon abgeleitetes oder aufbereitetes Signal das Sensorausgangssignal (SQUT) des Fluidsensors (100) ist.