电路布置的测试和校准的制作方法
本发明涉及电路布置的测试和/或校准。具体地，本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于测试和/或校准电路布置的方法，并且涉及一种根据权利要求9的前序部分的电路布置。
本发明所基于的类型的电路布置通过ep1636599b1中的例子已知。
所讨论类型的电路布置特别地被设计用于生物传感器上的电势稳定以及用于测量电流的数字化。
本发明解决的问题是提高电路布置的可靠性。
通过根据权利要求1所述的方法或根据权利要求9所述的电路布置来解决上述问题。有利的发展是从属权利要求的主题。
所讨论类型的电路布置包括传感器电极。此外，电路布置包括电耦合至传感器电极的第一电路单元。此外，电路布置包括第二电路单元，所述第二电路单元包括第一电容器。
第一电路单元被配置为将传感器电极的电势保持在可指定或可预定义目标电势附近的可指定或可预定义的第一参考范围内。这通过将第一电容器与传感器电极耦合的方式实现，使得电势匹配成为可能或被实现。
此外，第二电路单元被配置为使得如果第一电容器的电势在第二参考范围之外，则所述单元检测到此事件并将第一电容器调至第一参考电势。
在传感器电极上设置了可连接的参考电流源。所述电流源提供已知的参考电流，所述参考电流旨在当参考电流源连接到传感器电极时确保参考电流，使得将参考电流注入传感器电极或传感器电极与第一电路单元之间的电连接线或布线中。
换句话说，参考电流源因此是或可以电耦合至传感器电极或电耦合至将所述电极连接至第一电路单元的连接线或布线，使得当电路布置正确运行时，参考电流源引起电流流入或流出第一电路单元，并且特别是优选地流过传感器电极和/或将所述电极连接至第一电路单元的连接线或布线。
根据本发明的第一方面，在电路布置的测试和/或校准模式中，调节参考电流源以便不向传感器电极和/或连接线或布线中注入电流，以及注入具有第一电流强度的第一参考电流和具有与第一电流强度不同的第二电流强度的至少一个第二参考电流。
换句话说，可以将参考电流源设置为不同的电流强度或在不同的电流强度之间进行调节。优选地，为了测试和/或校准电路布置，优选地连续设置或调节所述不同电流强度。
特别地，令人惊讶地发现，通过注入不同电流(即具有不同电流强度的电流)的可调参考电流源，使得能够对电路布置的功能作出更准确的陈述。因此可以将由电路布置产生的测量结果分配给相应的电流强度，并且以此方式来建立和/或分析由电路布置生成的结果与相应的电流强度之间的关系。
原则上期望在可以在测量期间通过电化学过程生成并且可以流入第一电路单元中的传感器电流与由电路布置所产生的结果之间至少存在基本上线性的关系。在任何情况下都期望知道传感器电流与测量结果之间的关系，以便能够根据测量结果可靠地推断传感器电流。参考电流源的可调节性使得可以为相关的电路布置确定由电路布置生成的测量结果与传感器电流之间的关系。为此，在功能正常的情况下，已知的参考电流作为传感器电流或以形成传感器电流的方式流入第一电路单元。对于测试和/或校准，传感器电流因此优选地由参考电流形成或代替。
实际上，电路布置是串联产生的，并且会受到部件特性变化的影响。因此，可以通过参考电流源和/或其所提议的调节来为相关的电路布置确定线性，即测量结果与传感器电流之间的线性关系或与测量结果与传感器电流的偏差。可替代地或另外地，可以基于所确定的关系来检查和/或校正由电路布置产生的测量结果。因此，使用以所提议的方式被调节或可调节的参考电流源允许电路布置的功能测试和校准，并且这提高了电路布置的功能可靠性和测量结果。
本发明的另一方面(其也可以独立地实施)涉及一种方法，在所述方法中，根据注入传感器电极中的电流生成测量结果，对所述测量结果进行分析或检查，以确定一方面被测电路布置的传感器电极与另一方面另一传感器电极或参考电极之间是否存在短路。可替代地或另外地，借助于测量结果确定或可以确定传感器电极与第一电路单元之间的连接问题。
测量结果特别地是频率或与频率相对应。测量结果可以通过事件或事件的计数来生成，或者与事件或事件的计数相对应，其中，由于注入电流而检测到或可检测到事件或计数。测量结果特别优选地是检测到的事件的频率，所述频率取决于参考电流或传感器电流、或者参考电流或传感器电流的电流强度。
换句话说，在本发明的这个方面中检查传感器电极是否已经被无意地短路到另一个电极，和/或检查传感器电极是否被正确地电耦合至第一电路单元，使得因此可以进行适当的测量。
如果传感器电极与另一个电极短路(例如处于相邻的电路布置)，则由参考电流源注入的至少一部分参考电流会流入或流过另一个传感器电极(例如进入相邻的电路布置)。这可以在测量结果中看出，使得这种测量结果(例如具有比期望的或预期的频率低的频率)允许检测到这种短路或通过这种结果检测到短路。可以提供、预定义、或指定一个或多个目标值，将这些值与测量结果进行比较。在偏差的情况下，可以检测出故障、尤其是短路或断路。
优选地，出于短路检测的目的，另外进行相邻电路布置的相应测试。如果测量结果与这些电路中的期望值不同，则这可能导致电流流入所述电路中，所述流入是基于所述电路的测量结果确定的或可确定的。如果在此获得相应的结果或测量值，则可以触发故障处理(例如停用受影响的电路布置)。
当电路布置的参考电流源被激活时，优选地还确定一个或多个相邻电路布置的测量结果。这被执行使得只要由参考电流源注入的参考电流至少部分地引流到相邻的电路布置中，所述电流就被所述电路布置检测到或可以被检测到。
相应的测试方法也可以相互组合，使得一方面例如通过目标值比较来检查测量结果，并且另一方面检查一个或多个相邻电路布置的测量结果来确定由参考电流源注入的电流对所述布置的测量结果的影响。当检测到短路时，这带来了两倍的确定性。
在传感器电极与第一电路单元之间存在连接问题的情况下，应假设测量结果在参考电流的作用下没有变化或在预期范围内没有变化。如果不存在测量结果对参考电流的相关性或比预期的弱，则可以通过目标值比较等来检测或可检测到连接问题。
在本发明的也可以独立地实施的另一方面，传感器电极优选地形成所谓的叉指结构。叉指结构是指被称为指状物的电带状导体的指状布置，所述带状导体优选地电互连和/或布置成交替的，但与另一电极(特别是传感器电极)的指状物电流分离。
在这种情况下，参考电流源优选地用于将参考电流注入传感器电极的第一部分和另一第二部分中。在这种情况下，第一部分优选地是叉指结构的一部分，而第二部分优选地设置在叉指结构与第一电路单元之间的连接区域中。
有利地，这使得可以检查或校验传感器电极与第一电路单元之间的电耦合，并且在此过程中，可以在叉指结构的区域中的接触问题与叉指结构的连接区域中的接触问题之间进行区分。
因此，当由参考电流源提供的参考电流注入叉指结构或第一部分中时，可以借助于电路布置生成第一测量结果。此外，当参考电流源将参考电流注入第二部分或注入叉指结构与第一电路单元之间的连接中时，可以确定第二测量结果。所述测量结果可以被单独地分析和/或彼此进行相关或比较，以便标识接触问题并且特别是定位引起接触问题的区域。
本发明的上述方面(也可以彼此独立地实施)可以单独地实施，但是也可以有利地彼此组合。
因此，例如可以借助于参考电流源来注入第一参考电流并且在另一时间/随后注入第二参考电流，并且在每种情况下特别地借助于目标值比较进行短路检查。
例如，在通过注入不同的第一和第二参考电流而确定的类似地或成比例地变化的测量结果的情况下，可以推断相邻电路布置的传感器电极存在短路。
原则上，相邻电路布置优选地至少基本上相同地构造，使得在两个相邻电路布置的传感器电极短路的情况下，注入的电流在所述第一电路布置的第一电路单元之间至少基本上均匀地分配，这应该在第一电流强度和第二电流强度的测量结果中具有相应的效果。如果不是这种情况，则短路不能被清楚地标识出、或者是不完整的、或者是低欧姆的、或者没有形成为相邻的电路布置，并且这是根据对应于参考电流源的不同电流强度的测量结果来确定或可确定的。
本发明的上述相互独立方面的其他组合以相应的方式有利地是可能的。
本发明的也可以独立地实施的另一方面涉及所讨论类型的电路布置，所述电路布置被设计为使得在测试和/或校准模式下，可以调节或设置参考电流源，以便不向传感器电极和/或连接线或布线注入电流、注入具有第一电流强度的第一电流、以及注入至少一个具有与第一电流强度不同的第二电流强度的第二电流。
在电路布置的测量模式中，优选地将参考电流源停用和/或将其从传感器电极解耦。
可替代地或另外地，电路布置被设计为在停用参考电流源时以及在连接所述源时，确定从传感器电极传输到第一电路单元的电能为测量结果，使得可以借助于测量结果确定传感器电极与另一传感器电极或对电极之间的短路和/或传感器电极与第一电路单元之间的连接问题。
可替代地或另外地，传感器电极优选地形成叉指结构，并且参考电流源可选择性地连接到传感器电极的第一部分和另一第二部分，使得传感器电流被注入第一部分或第二部分中。优选地，第一部分形成叉指结构的一部分，和/或第二部分设置在叉指结构与第一电路单元之间的连接区域中。
在本发明的意义上的参考电流优选地是已知的和/或预定义的电流。特别地，所述电流是直流电流或至少基本上恒定的电流。这不排除参考电流可调节并能够在调节时间改变的可能性。然而，在调节过程之间或在非调节时间段内，参考电流至少基本上是恒定的。参考电流的特征尤其在于以下事实：其可被注入传感器电极中。为此，参考电流源优选地电耦合至传感器电极，特别是电附接或连接至传感器电极。以这种方式，参考电流源可以生成被施加到传感器电极的结构中的电流。
在本发明的意义上的传感器电流优选地是从传感器电极流入第一电路单元的输入端的电流。在测试和/或校准模式中，至少当传感器电极被适当地制造并且完全起作用时，优选地的是传感器电流对应于参考电流。当传感器电极制造不当或运行不当时，可能会发生一些偏差。检测到该偏差是本发明的主题。
在没有样品与传感器电极接触的初始状态下，传感器电极优选地是导电结构，所述导电结构仅连接到第一电路单元并且可以可选地另外连接到参考电流源。如果参考电流源与传感器电极电解耦，则传感器电极因此不与其他导电结构直接电接触，并且从而形成直流和/或直流电压的开路节点。实际上，这并不排除存在杂散电流或泄漏电流或蠕变电流。此外，不排除高频信号可以耦合至传感器电极中。
在本发明的意义上，带状导体优选地是电流传导的或金属的，优选地是被设计或适于与周围环境(特别是与周围环境中的样品)建立电(电流)接触的细长元件。因此，传感器电极优选地具有可以由带状导体形成的导电表面。带状导体可以至少在表面上包括金，或者可以由金制成或涂有金。如将参考实施方案更详细地描述的，这在捕获分子的固定化方面也是有利的。然而，其他解决方案在这里也是可能的。
在本发明的意义上的电流源优选地是提供至少基本上恒定和/或指定的、预定义的、给定的或已知的电流的电路。这可以通过控制电压的电流源电路来实现，使得电流源的负载产生至少基本不变的电流。在本发明的意义上，参考电流源优选地是(特别是通过这种电路来实施的)实际电流源。参考电流源可以具有有限的内部电阻和/或在高负载电阻的情况下最多产生电路布置的工作电压或电池电压的特性。电流源可以借助于电流镜、在饱和区域中的场效应晶体管、或以本领域技术人员原则上已知的其他方式来产生。然而，这里还有其他解决方案。
从权利要求和下面参考附图对优选实施方案的描述中本发明的其他方面和优点将变得显而易见，在附图中：
图1是根据本发明第一实施方案的电路布置的示意图；
图2a是根据现有技术的传感器在第一操作状态下的截面图；
图2b是根据现有技术的传感器在第二操作状态下的截面图；
图3a是根据现有技术的叉指电极的平面图；
图3b是沿根据图3a所示出的现有技术的叉指电极的切割线i-i'的截面图；
图4a示出了根据现有技术的基于氧化还原循环原理的处于第一操作状态的生物传感器；
图4b示出了根据现有技术的基于氧化还原循环原理的处于第二操作状态的生物传感器；
图4c示出了根据现有技术的基于氧化还原循环原理的处于第三操作状态的生物传感器；
图5是在氧化还原循环过程的背景下传感器电流的函数曲线；
图6a是根据本发明第二实施方案的电路布置的示意图；
图6b是根据本发明第三实施方案的电路布置的示意图；
图7是根据本发明另一实施方案的电路布置的示意图；并且
图8是示意性地将参考电流和测量结果相对于时间进行作图的示意图或曲线。
下面，参照图1描述了根据本发明的电路布置的第一优选实施方案。
图1所示出的电路布置100包括传感器电极101、电耦合至传感器电极101的第一电路单元102、以及包括第一电容器104的第二电路单元103。
第一电路单元102(其优选地为恒电势器)优选地被配置为借助于第一电容器104与传感器电极101的耦合将传感器电极101的电势保持在可指定的目标电势附近的可指定的第一参考范围内，使得电势的匹配(借助于用于反馈控制的电流)是可能的。
此外，第二电路单元103被优选地配置为使得如果第一电容器104的电势在第二参考范围之外，则所述单元检测到此事件并将第一电容器104调至第一参考电势。
如图1进一步示出的，捕获分子105被固定在传感器电极101的表面上，这可以在电路布置的校准和/或测试之前或之后进行。
图1中的捕获分子105已杂交或设计为与要检测的分子106杂交，每个要检测的分子106优选地包含酶标记107。
图2a和图2b示出了如引用文献[1]中描述的生物传感器芯片，并且本发明优选地基于所述生物传感器芯片。
优选地，传感器200包括两个电极201、202(特别是由金制成的)，这两个电极被嵌入由电绝缘材料制成的绝缘体层203中。
电极连接204、205优选地连接至电极201、202，通过所述连接可以将电势施加到电极201、202上。
电极201、202优选地被设计为平面电极。
例如，dna探针分子206(也称为捕获分子)被固定在每个电极201、202上(参见图2a)。固定化优选地根据金-硫偶联的原理来发生。将要测试的分析物(例如溶液207、特别是电解质207)施加在电极201、202上。
如果溶液/电解质207包含dna链208，所述dna链具有与dna探针分子206的序列互补的碱基序列(即根据钥匙锁(key-lock)原理与捕获分子在空间上匹配)，则所述dna链208然后与dna探针分子206杂交(参见图2b)。
仅当相关dna探针分子206和相应dna链208的序列相互互补时，才发生dna探针分子206与dna链208的杂交。如果不是这种情况，则不会发生杂交。因此，特定序列的dna探针分子仅能够与特定dna链(即具有对应互补序列的dna链)结合(即与之杂交)，导致传感器200的高度选择性。
如果发生杂交，则可以从图2b中看出，电极201与202之间的阻抗值改变。优选地，通过向电极连接204、205施加合适的电压并且通过检测由此产生的电流作为传感器电流s来检测该改变的阻抗。
在杂交的情况下，电极201、202之间的阻抗改变。这是由于以下事实：可能与dna探针分子206杂交的dna链208和dna探针分子206的电导率都比溶液/电解质207低，并且因此，优选地，部分地电屏蔽相关电极201、202。
为了提高测量精度，从引用文献[2]中可知使用多个电极对201、202并且将所述电极对彼此平行地布置，优选地，所述电极对以互锁或互相啮合的方式布置，从而形成所谓的叉指电极300，所述叉指电极的平面图在图3a中示出，并且沿图3a的切割线i-i'的所述叉指电极的截面图在图3b中示出。
此外，从引用文献[1]和[3]中可知用于检测大分子生物分子的还原-氧化再循环过程的原理例如并且优选地也构成本发明的基础，或者与本发明的基础相容或可以与本发明的基础结合。下文将参考图4a、图4b和图4c更详细地解释还原-氧化再循环过程(以下也称为氧化还原循环过程)。
图4a示出了生物传感器400，所述生物传感器包括施加在绝缘体层403上或嵌入在所述绝缘体层中的第一电极401和第二电极402。保留区域404施加在第一电极401上或设置在所述第一电极上。保留区域404用于将dna探针分子405固定在第一电极401上。优选地不在第二电极402上设置这种保留区域。
如果要通过生物传感器400检测具有与固定的dna探针分子405的序列互补的序列的dna链407，则使传感器400与要测试的溶液406(例如电解质)接触，其方式使得具有互补序列的dna链407(可能包含在待测溶液406中)可以与dna探针分子405的序列杂交。
图4b示出了将要检测的dna链407包含在要测试的溶液406中并与dna探针分子405杂交的情况。
待测溶液406中的dna链407优选地用酶408等标记，通过所述酶可以使下文所描述的分子裂解成部分分子，其中至少一个部分分子是氧化还原活性的。通常提供的dna探针分子405的数量明显大于待测溶液406中所含待确定的dna链407的数量。
在可能包含在待测溶液406中的dna链407与酶408一起与固定化的dna探针分子405杂交之后，优选地冲洗生物传感器400，由此将非杂交的dna链去除，并将生物传感器(芯片)400从待测溶液406中清洗出来。优选地将包含可以通过杂交的dna链407上的酶408被裂解成第一部分分子410和第二部分分子的分子409的不带电物质添加至用于冲洗的冲洗溶液或添加至在进一步阶段中分别馈送的溶液412中。两个分子之一优选地是氧化还原活性的。
如图4c所示出的，例如，如图4c中的箭头411所指示的，优选地将带负电的第一部分分子410引向带正电的第一电极401。可替代地或另外地，带负电的第一部分分子410也可以通过扩散过程到达第一电极401。
带负电的第一部分分子410在具有正电势的第一电极401处被氧化，并且作为被氧化的部分分子413被吸引到带负电的第二电极402，在此处其被再次还原。还原的部分分子414进而迁移到带正电的第一电极401。以这种方式，生成与分别通过酶406生成的电荷载流子的数量成比例的循环电流。
用这种方法评估的电参数是电流随时间t的变化m＝di/dt，如图5的图形或曲线图500示意性所示。
图5示出了取决于时间502的电流501的函数。所得曲线轮廓503具有与时间进展无关的偏移电流i偏移504。因为生物传感器400的不理想性或缺陷，所以生成了偏移电流i偏移504。偏移电流i偏移的重要原因是以下事实：用dna探针分子405覆盖第一电极401并不理想，即不完全致密。在用dna探针分子405完全致密地覆盖第一电极401的情况下，由于所谓的由固定的dna探针分子405产生的双层电容，将导致第一电极401与待测试的导电溶液406之间的基本电容性电耦合。然而，不完全覆盖导致在第一电极401与待测试溶液406之间的寄生电流路径，所述电流路径尤其包括欧姆部分。
然而，为了允许氧化还原过程，用dna探针分子405覆盖第一电极401应该一点也不完整，以使带电的部分分子(即带负电的第一部分分子410)由于电力和/或扩散过程可以到达第一电极401。另一方面，为了获得尽可能高的这种生物传感器的灵敏度并同时获得尽可能少的寄生效应，用dna探针分子405覆盖第一电极401应该足够致密。为了实现由这种生物传感器400确定的测量值的高度可再现性，在氧化还原循环过程的背景内，两个电极401、402应始终为氧化还原过程提供足够大的表面。
大分子生物分子应理解为例如蛋白质、或肽、或分别指定序列的dna链。如果将蛋白质或肽检测为大分子生物分子，则第一分子和第二分子优选地是配体(例如具有可能的结合活性的活性物质)，所述配体将要检测的蛋白质或肽结合到相应的配体布置于其上的相关电极。
酶激动剂、药物、糖或抗体、或能够特异性结合蛋白质或肽的任何其他分子可以用作配体。
如果旨在由生物传感器检测的特定序列的dna链用作大分子生物分子，则借助于生物传感器，特定序列的dna链能够在第一电极上与具有与dna链序列互补的序列的dna探针分子杂交成分子。
探针分子(也称为捕获分子)应理解为配体或dna探针分子。
上面引入的值m＝di/dt(所述值对应于图5中的直线503的斜率)，取决于用于检测测量电流的电极的长度和宽度。因此，值m大致与所使用的电极的纵向延伸成比例，例如，在第一电极201和第二电极202的情况下，与垂直于图2a和图2b中的绘图平面的长度成比例。如果多个电极并联连接(例如在已知的叉指电极布置中(参见图3a，图3b))，则测量电流的变化与并联连接的各个电极的数量成比例。
然而，由于各种影响，测量电流的变化值可能具有非常显著波动的值范围，传感器可检测到的电流范围称为动态范围。经常引用五个十进制的电流范围作为期望的动态范围。除了传感器的几何形状外，还可能由生化限制引起明显的波动。因此，要检测的不同类型的大分子生物分子可能会为所得的测量信号带来非常不同的值范围(即特别是测量电流及其时间变化)，这进而导致所需的整个动态范围、以及对指定电极配置以及下游的统一测量电子设备的相应要求的扩展。
对这种电路的大动态范围的要求意味着测量电子设备是昂贵且复杂的，以便在所需的动态范围内足够准确且可靠地进行操作。
此外，在整个测量持续时间内，偏移电流i偏移通常比测量电流的时间变化m大得多。在这种情况下，必须在大信号内以很高的精度测量非常小的时间相关变化。这对所使用的测量仪器提出了很高的要求，使得对测量电流的检测费力、复杂且昂贵。这个事实也阻止了传感器布置的小型化尝试。
总之，对动态范围的要求以及因此对检测传感器事件的电路质量的要求非常高。
在电路设计中已知要考虑所使用的部件中的不理想性或缺陷(噪声、参数变化)，因此为所述部件选择了电路中的工作点，在所述工作点中所述非理想性或缺陷尽可能发挥可忽略不计的作用。
然而，如果要在较大的动态范围内操作电路，则在所有范围内维持最佳工作点变得越来越困难、更加复杂、并且因此变得更加昂贵。
小信号电流(诸如例如其在传感器处产生)，可以通过放大器电路提高到允许信号电流例如传输到外部装置或允许进行内部量化的水平。
出于抗干扰性的原因和出于用户友好的目的，传感器与评估系统之间的数字接口是有利的。因此，应该已经将模拟测量电流转换为接近传感器的数字信号，所述转换可以通过集成的模数转换器(adc)来实现。例如，在[4]中描述了用于数字化模拟小电流信号的这种集成概念。
为了实现所需的动态范围，adc应具有相应的高分辨率和足够高的信噪比。此外，在传感器电极附近集成这种模数转换器是重大的技术挑战，并且相应的过程实施起来既复杂又昂贵。此外，在传感器中实现足够高的信噪比非常困难。
[5]公开了一种配置为最大输入电流范围为5na，并且分辨率为1pa的电流模式模数转换器。
[6]公开了一种用于确定和表征时变信号的斜率的装置。
[7]公开了一种用于跟踪电子信号以判定在预定时间的信号斜率是否大于或等于预定值的电子电路。
[8]公开了一种具有传感器和电势由控制电路调节的集电极的传感器。
图1示出的包括固定在其上的捕获分子105的传感器电极101根据氧化还原循环的原理起作用(参见图4a、图4b、图4c)。因此，图1示出了由酶标记107在待测液体中产生成的带电粒子108，并且所述带电粒子生成从第一传感器电极101耦合至电路布置100中的传感器电流。
所述传感器电流以特征性的方式改变传感器电极101的电势。所述电势优选施加在第一电路单元102的第一控制单元109的输入端。
第一电路单元102、并且尤其是第一控制单元109优选地在传感器电极电势与目标电势具有足够显著的偏差的情况下通过在第一电容器104与传感器电极101之间移动电荷载流子来确保传感器电极101保持在可指定的恒定的电势处。这在图1中通过可控欧姆电阻器110进行了示意性指示，所述可控欧姆电阻器可由第一控制单元109进行(反馈)控制。
示出的电路块是优选的模拟控制回路，所述模拟控制回路控制电容器104与传感器电极101之间的电流，使得传感器电极101处的电压保持恒定。
借助于可控电阻器110，可以实现电流的连续(反馈)控制。如果由于传感器电极101的表面上的足够多的传感器事件而使所述传感器电极的电势移至第一参考范围之外，则第一电路单元102、尤其是第一控制单元109确保在传感器电极101与第一电容器104之间的电流的增加或减少，使得可以匹配第一电容器104与传感器电极101之间的电势。
优选地，可控电阻器110的电阻值因此借助于第一电路单元102的第一控制单元109被增大或减小，使得在传感器电极101与第一电容器104之间的电流成为可能。在这种情况下，电荷可以在第一电容器104与传感器电极101之间来回流动。
如果由于此电荷移动而使第一电容器104的电势移至第二参考范围之外，则此事件由第二电路单元103、并且尤其是由第二电路单元103的第二控制单元111检测到，其中，控制单元优选地包括比较器。如图1示出的，此检测可在于或包括在第二控制单元111的输出端生成的电脉冲112。
此外，如果第一电容器104的电势移至第二参考范围之外，则借助于第二电路单元103、并且特别是第二电路单元103的第二控制单元111使第一电容器104达到第一参考电势。这在图1中被指示为，由于第二电路单元103的第二控制单元111触发的信号，另一个开关113被闭合，结果第一电容器104被电耦合至电压源114，从而使第一电容器104达到通过电压源114定义的第一参考电势。
可以示意性地看到电路布置100的基本概念，其中待检测的传感器电流被转换成与电流成比例的频率，而无需事先进行模拟放大或增益。借助于电路布置100，传感器电极101上的电势保持恒定，并从具有电容c的电容器104中汲取其所需的电荷(带有正号或负号)。电荷汲取的结果δq
δq＝∫idt(1)
由于在时间t上积分的第一电容器104与传感器电极101之间的电流i，所以施加到第一电容器104的电压δu根据下面的关系而变化
δq＝cδu(2)
施加在第一电容器104上的电压优选地借助于阈值电路来监测。如果超过指定的或预定义的值，或者如果电压降到所述值以下，则电路触发闭合开关113的数字脉冲或脉冲112，由此电容器104上的电压被重置为指定或预定义值。这导致了来自阈值电路的脉冲序列，所述脉冲序列的频率与信号电流(也称为传感器电流)成比例。
如以上参考图1所描述的，为了操作电化学传感器，电路布置100基本上包括两个电路单元102、103。第一电路单元102控制和/或监测施加到传感器电极101的电势(即，相对于参考点的电压)。
例如，运算放大器可以用于将传感器电极101的电势与参考电势进行比较，并控制传感器电极101与第一电容器104之间的电流，使得传感器电极101的电势保持不变。
优选地，如上所述，匹配传感器电流所需的逆电流是从第二电路单元103的第一电容器104汲取的。第一电容器104处的电压在第二电路单元103中借助于阈值电路(例如比较器电路)来监测。如果超过、未达到、或未满足施加到第一电容器104的电势的第二参考范围，则第二电路单元103发出重置脉冲。此数字脉冲(优选地具有固定的时间长度)，将电容器104的电势(或两个电容器极板之间的电压)重置为第一参考电势。脉冲应该具有恒定的长度，因为在此期间从电压源114汲取了逆电流。此停滞时间会降低测得的频率，并且如果停滞时间不能忽略不计，则在评估数据时必须进行考虑。
在停滞时间不能忽略不计和/或需要补偿的情况下，为了最大程度地减少由于电路重置引起的测量误差，可以设置两个(或更多个)电容器以上述方式交替地操作。如果一个(有源)电容器被传感器电流充电，则另一个(无源)电容器在此时间间隔内被重置为第一参考电势。如果有源电容器上的电势超过指定的或预定义的值，则第二电路单元103优选地不立即触发重置脉冲，而是首先在两个电容器之间切换并且仅在随后重置现在的无源电容器。这种方法意味着传感器电流永远不会直接从电压源汲取，而是总是从充当电荷储存器的电容器汲取。
再次参考图1，优选地，借助于在重置阶段期间使第一电容器104放电到可指定的电势(例如使所述电容器完全放电)的开关晶体管来执行重置过程。第一参考电势优选地是接地电势。传感器电流随后再次对第一电容器104进行充电。可以通过以下表达式来描述第一电容器104处的电压的时间相关性：
如之后将参考图5所描述的，从传感器电极101放电的传感器电流i传感器具有恒定的偏移部分t偏移以及(理想地)随时间线性增加的信号电流：
i传感器＝i偏移+mt(4)
如果将方程式(4)插入方程式(3)并计算积分，则在第一时间点t1与第二时间点t2之间累积的电压将导致：
u(t)＝1/c(i偏移[t2-t1]+m/2[t22-t12])(5)
因此，累积指定电压差δu的时间间隔δt为：
δt＝t2-t1＝(cδu)/(i偏移+mt)(6)
在这种情况下，t是所考虑间隔的平均时间，即
t＝(t1+t2)/2(7)
在足够短的间隔δt(忽略重置电容器时的停滞时间t)(t停滞＜＜δt)内测得的频率f，因此得出：
f＝δt-1＝i偏移/(cδu)+mt/(cδu)(8)
可以将频率f作为数字信号直接从电路布置100中传导出去(例如，如果将电路布置集成到半导体基板中，则从芯片中传导出去)，并进一步进行处理或评估。等式(8)示出：由于传感器电极101的偏移电流i偏移，频率f具有恒定部分。(8)中的第二项表示随时间线性增加的频率部分(当然，精确的线性增加的电流信号的假设当然是理想的)，所述部分是由于根据氧化还原循环原理的传感器事件，并且包含实际测量变量m。
例如通过在指定的时间间隔δt测量＝tb-ta上进行两个周期或频率测量，来获得与测量电流的时间变化相对应的待确定的变量m。如果将ta或tb分别插入等式(8)，并且将所得频率fa和fb彼此相减，则可获得以下频率差δf：
δf＝fb-fa＝mδt测量/(cδu)(9)
因此，变量m为：
m＝δfcδu/δt测量(10)
因此，变量m可以直接从传感器的输出频率的两次测量中确定，特别是所述变量m是图5中的电流时间曲线轮廓503的斜率。
作为所描述的频率或周期持续时间测量的替代，可以将第二电路单元103、特别是第二控制单元111的脉冲112提供给计数元件606的输入端(如根据图6a和6b的示例性实施方案中示出的)，所述计数元件将脉冲112的数量或时间序列相加并且优选地将其转换成对经过的时间间隔δt的数量进行编码的二进制字。
这种计数元件606可以在指定时间内对第一电容器104的重置脉冲112进行计数，在外部脉冲之后以数字方式输出计数器读数，并且随后重置计数元件606。
良好近似地，由时间点tc1和tc2定义的时间段t计数＝tc2-tc1到期后，电路布置的计数元件606的(计数器)读数n为：
根据以上关于根据频率测量确定m的规定，至少需要(计数器)读数n的两个测量值，根据所述测量值，i偏移和变量m可以通过公式(11)确定。
将计数元件606集成到本发明的电路布置100中的优点是对测量结果的所得自动时间求平均。由于在期望的小传感器电流的情况下、尤其是在检测生物分子时，测量变量的瞬时值的波动(例如由于噪声影响等)是可能的，因此求平均是特别有利的。
根据电路布置100的优选实施方案，第二电路单元103包括至少一个第二电容器，电路布置100被配置为使得至少一个第二电容器中的一个、或者第一电容器、或者至少电容器中的两个被同时连接到电路布置100。
特别地，为了扩大动态范围并提高测量精度，提供了可切换的存储电容。如果传感器电极101传递增加的传感器电流(这将导致增加的输出频率)，则例如可以将另一个电容器与第一电容器104并联连接。这会降低输出频率，并且因此由于重置第一电容器104时的停滞时间而可能导致测量不准确。除了以这种方式实现的测量范围的切换之外，还可以改变电容器电压振荡的间隔δu。这样可以连续调整测量范围。
在下文中，参考图6a描述了根据第二优选实施方案的电路布置600，本发明优选地基于所述电路布置。结合前述附图阐述的方面在这里可以相应地适用或可实施。特别地，类似或相同的部件，诸如传感器电极101、601，第一电路单元102、602，第二电路单元103、603，第一电容器104、604等，可以具有相同或对应的特征和优点。
电路布置600包括传感器电极601、电耦合至传感器电极601的第一电路单元602、以及包括第一电容器604的第二电路单元603。
第一电路单元602优选地被设计成借助于第一电容器604和传感器电极601的耦合使得传感器电极601的电势保持在可指定的目标电势附近的可指定的第一参考范围内，使得电势匹配是可能的。
此外，第二电路单元603优选地被设计为使得如果第一电容器604的电势在第二参考范围之外，则所述单元检测到此事件并将第一电容器604调至第二电路单元603的第一电参考势，所述第一参考电势由第一电压源605提供。
此外，电路布置600优选地包括计数元件606，所述计数元件电耦合至第二电路单元603并且被配置为对事件的数量和时间序列进行计数。
此外，第一电路单元602优选地包括具有两个输入端和一个输出端的第一比较器元件607，第一输入端耦合至传感器电极601，使得第一输入端处于传感器电极601的电势。
第二输入端优选地被调至第三参考电势，所述第三参考电势限定了目标电势(或第一参考电势范围)。施加到第一比较器元件607的第二输入端的第三参考电势由第二电压源608提供。此外，第一比较器元件607被设计为使得在其输出端生成电信号，所述信号使得传感器电极601的电势保持在可指定的目标电势附近的可指定的第一参考范围内。
如在图6a中通过例子进一步示出的，第一电路单元602包括晶体管609，所述晶体管的栅极区域耦合至第一比较器元件607的输出端，所述晶体管的第一源极/漏极区域耦合至传感器电极601，并且所述晶体管的第二源极/漏极区域耦合至第一电容器604。
优选地，(场效应)晶体管609是可变欧姆电阻器(可由第一比较器元件607控制)，借助于所述可变欧姆电阻器，传感器电极601可以耦合至第二电路单元603的第一电容器604，使得传感器电极601的电势保持在可预定义的目标电势附近的可预定义的第一参考范围内。
换句话说，可以借助于晶体管609来设置或调节传感器电极601与电容器604的完全耦合与完全解耦之间的任何中间值。
此外，第二电路单元603优选地包括具有两个输入端和一个输出端的第二比较器元件610，第一输入端耦合至第一电容器604，使得第一输入端处于第一电容器604的电势，并且第二输入端处于由第三电压源611提供的第四电参考电势，所述第四电参考电势限定第二电参考范围。
第二比较器元件610优选地被配置为使得在其输出端生成电信号，所述信号使得如果第一电容器604的电势超过第四电参考电势，则将第一电容器604调至第一电参考电势。为此，第二电路单元603向开关612(例如可以设计为晶体管)提供电信号，使得开关612闭合并且在第一电压源605与第一电容器604之间建立电耦合。
此外，脉冲生成器613优选地连接至第二比较器610的输出端，所述脉冲生成器检测第一电容器604的电势在第二参考范围之外的事件，并发射限定长度τ的数字脉冲。
如图6a进一步示出的，脉冲生成器613的所述脉冲信号优选地被提供给计数元件606，所述计数元件对脉冲的数量及其时间序列(即，脉冲到达的频率)进行计数。
优选地，电路布置600的第一比较器元件607和第二比较器元件610被分别设计为运算放大器，但是也可以以其他方式实施。
因此，图6a中示出的电路布置600的示意性电路图优选地包括稳压器单元，所述稳压器单元借助于第一电路单元602和/或借助于第一电容器604来实施。所述稳压器单元将传感器电极601的电势保持在通过第三电参考电势限定的第一参考范围内的目标电势。
从传感器电极601放电的传感器电流从第二电路单元603汲取，所述第二电路单元还用作电流-频率转换器。
第一电容器604将电荷传递到传感器电极601以便保持其电势，借助于所描述的比较器电路来监测施加到第一电容器604的电压。
如果第一电容器604的电压下降到阈值以下，则比较器610或脉冲生成器613然后优选触发限定长度i的脉冲，所述脉冲借助于开关612将第一电容器604的电势改变为第一电压源605的电势。所述脉冲另外还充当用于耦合至第二比较器元件610的输出端的可选计数元件606的计数脉冲。
应该强调的是，图6a中示出的电路布置600被配置为使得其向传感器电极601提供电流，在这种情况下，传感器电极601用作电流吸收器。相反，如果旨在让在传感器电极601上生成的电流被电路布置600消耗，则可以以互补的方式构造所述布置。
下面，将参照图6b描述的根据本发明的电路布置的第三优选实施方案。对应于图6a中示出的并且如上所描述的电路布置600的电路布置620的元件设有相同的附图标记。在下文中，仅更详细地描述电路布置620的与图6a示出的电路布置600不同的那些部件。此外，第三实施方案的所述部件和其他特征也可以与其他实施方案(例如图1示出的第一实施方案)组合。
电路布置620包括可以耦合至第一电路单元602的校准装置621，用于校准电路布置620，所述电路布置被配置为使得可以借助于校准装置621将第二电参考电势施加到第一电路单元602上，第一电路单元602或者耦合至校准装置621或者耦合至传感器电极601。
在图6b示出的电路布置620中，特别有利的是，传感器电极601能够可选地与第一电路单元602解耦，并且能够可替代地与校准装置621耦合，所述校准装置的主要部件是参考电流源621a。
可以借助于由校准装置621生成的校准电流来校准电路布置620。这尤其在第一电容器604的电容c的确切值未知时是有利的。
除了由于在第一电容器604的制造方法期间的工艺技术上的变化而导致的第一电容器604的电容的统计波动之外，仅可以花费很大的精力来计算或不能完全精确地计算出来的电路布置620的寄生电容基本上对存储节点的总电容有贡献，并影响最终产生的输出频率，在所述输出频率中，要检测的电流信号被大量编码。
偏移电压、尤其是电流-频率转换器中第二比较器610的偏移电压以及可能的泄漏电流或停留电流也可能直接影响要检测的输出频率。
如图6b示出的，校准装置621优选地包括可连接的参考电流源621a，当参考电流源621a与传感器电极601并联连接时，所述参考电流源提供已知的传感器电流或将所述电流增加或减小指定量。然后将由连接产生的频率变化用于校准电路布置620。这种校准尤其可以在将分析物施加在传感器电极601上或施加至所述传感器电极之前进行。在这种情况下，传感器电极601不提供源自传感器事件的任何信号电流，并且根据参考电流源621a的参考电流来确定输出频率。
传感器电极601或校准装置621到第一电路单元602的选择性连接优选地借助于另一开关622来实现。开关622可以优选地这样切换，使得在图6b示出的工作模式中，校准装置621连接到第二电路单元602，而在图6b示出的工作模式中，传感器电极601不被连接到第一电路单元602。在与移动图6b示出的另一开关622相对应的补充情景中，传感器电极601连接到第一电路单元602，而校准装置621未被连接到第一电路单元602。
关于电路布置100、600的部件的可能结构和优选功能，另外参考欧洲专利公开1636599b1，并且在这种情况下参考第15至23页上图7至图16的描述，其全部内容在此并入本申请中。
图7示意性地示出了本发明的实施方案。使用与根据图6a至6b的实施方案中的附图标记相同的附图标记，即使省略其重复描述，也可以实现相应的结构、相应的特性和相应的优点。在这方面，参考以上关于图6a和6b的说明，并且除了关于图1至5的关于其中描述的电路布置100和/或传感器电极101的结构和功能的进一步功能、特征和特性的说明之外，其原则上也适用于或可在图6a和6b中的实施方案和下文中解释的实施方案的相应部件上实施。因此，下面仅详细解释实质性的区别和发展。
图7示出了提出的电路布置600。电路布置600包括传感器电极601。
在根据图7的实施方案中，传感器电极601被实施为所谓的叉指电极601。在这种情况下，传感器电极601包括指状带状导体601a。指状带状导体601a可以借助于组线/公共线或布线601b彼此电连接或电流连接或耦合。传感器电极601优选由带状导体601a和组线或布线601b形成。带状导体601a和组线或布线601b因此优选地包括导电表面，捕获分子105可以固定在所述导电表面上。
传感器电极601、带状导体601a和/或组线或布线601b优选借助于连接线或布线601c电连接至第一电路单元602。连接线或布线601c优选将传感器电极601连接到第一电路单元602的输入端。
传感器电极601优选地是生物传感器400的第一电极401，如结合图4通过例子说明的。然而，原则上，传感器电极601还可以用于检测除结合图4描述的物质以外的物质，和/或可以具有如图4所描述的或与其不同的表面光洁度，用于检测不同的物质(特别是分子)。
优选地将反电极601'分配给传感器电极601。所述反电极可以以对应于、类似于、和/或互补于传感器电极601的方式构造。传感器电极601和反电极601'特别优选地形成叉指结构，在所述叉指结构中指状带状导体601a、601'a分别以交替的方式和/或至少在彼此平行的部分中伸展或延伸。指状带状导体601a、601'a特别优选地以手指状的方式相互接合，使得在每种情况下，传感器电极601的指状带状导体601a以与反电极601’的指状带状导体601'a的条状体基本平行的方式伸展或延伸。结果，带状导体601a、601'a以指状的方式相互接合，借助于此可以形成叉指结构。
反电极601'可以包括可选的组线或布线601'b。可替代地或另外地，反电极601'包括(例如接地)连接线或布线601'c，所述反电极是或可以被保持在参考电势，或者特别优选地形成另一电路布置600'的一部分，所述另一电路布置的结构可以类似于、可以对应于、或可以相同于结合图6a和6b以及当前的图7描述的结构。
传感器电极601电耦合或连接至第一电路单元602。优选地，这借助于连接线或布线601c来执行。在根据图7示出的例子中，连接线或布线601c连续地和/或直接地连接或耦合至第一电路单元602。因此，与根据图6b的实施方案不同，在传感器电极601与第一电路单元602之间没有布置开关622，使得传感器电极601可以与第一电路单元602解耦。然而，可替代地或另外地，也可以提供开关622，如结合图6b所解释的。然后，所述开关622将能够选择性地(可替代地)将第一电路单元602连接至传感器电极601或参考电流源621b。
实际上，传感器电极601优选地形成生物传感器的导电表面。在这种情况下，带状导体601a和/或组线或布线601b形成朝周围导电的表面，而其余电路布置600可以至少基本上集成在传感器电极601下方和/或半导体材料内部。因此，电路布置600特别优选地是所谓的片上系统(soc)或系统级封装(sip)。
电路布置600优选地进一步包括第二电路单元603和第一电容器604。
如以上已经解释的，第一电路单元602被设计为将传感器电极601的电势保持在可指定的目标电势附近的可指定的第一参考范围内。这可以通过将第一电容器604与传感器电极601耦合的方式来实现，使得发生电势匹配。结合图6a和6b解释其优选实施方案，在此对其进行参考。
第二电路单元603被优选地配置为使得如果第一电容器604的电势在第二参考范围之外，则所述单元检测到此事件并将第一电容器604调至第一参考电势。对于这方面的优选解决方案的细节，也参考根据图6a和6b的实施方案的以上说明。
优选地，在传感器电极601处提供可连接的参考电流源621b。所述参考电流源621b可以将参考电流r施加到传感器电极601和/或第一电路单元602中。
参考电流r可以具有正号或负号，并且因此参考电流源621b可以生成流入传感器电极601或流出传感器电极601的参考电流r。
从根本上说，参考电流r优选地为直流电，即在各部分中至少基本为恒定的电流。然而，可替代地或另外地，参考电流r也可以包括交流分量或者可以是交流信号。这可以用于借助于确定电路布置600的测量结果m跟随参考电流r的时间间隔来测试电路布置600的惯性。
参考电流源621b优选地被设计为提供已知的参考电流r或以特定的、优选地已知的量增加或减小从传感器电极601流入第一电路单元602的传感器电流s。当参考电流源621b连接至传感器电极601时，优选地发生这种情况。
在根据图7示出的例子中，以不同于图6b示出的例子的方式，参考电流源621b可以连接至传感器电极601，使得参考电流r被注入(施加)到传感器电极601。在完整的传感器电极601的情况下，参考电流r作为传感器电流s被传导到第一电路单元602中。可替代地或另外地，参考电流源621b可以直接连接或可连接到第一电路单元602的输入端或连接线或布线601c，传感器电极601优选地不与第一电路单元602(未示出)分离或不可分离。然而，可替代地，也可以设置开关622，当第一电路单元602直接地或经由连接线或布线601c连接到参考电流源621b时，所述开关将传感器电极601与第一电路单元602分离开。
因此，在根据图7示出的例子中，可替代地或另外地，也可以将参考电流源621b并联连接到传感器电极601。
在本发明的意义内，电流源(特别是参考电流源621b)特别是在其以如下方式耦合到传感器电极601时并联连接：正电流或负电流被施加到第一电路单元602。
在这种情况下，“并联”优选地应理解为使得参考电流源621b相对于(虚拟)接地或传感器电极601的参考电势并联连接。参考点也可以是小信号接地等。
在本发明的也可以独立实施的一方面，电路布置600被设计并且参考电流源621b可以在操作上被调节或设置，使得参考电流源621b不向传感器电极601注入参考电流r或者注入具有第一电流强度/安培数的第一参考电流r和具有与第一电流强度/安培数不同的第二电流强度/安培数的至少一个第二参考电流r。
换句话说，参考电流源621b是可调的。在这种情况下，参考电流源621b可以优选地在每种情况下指定、预定义和/或已知的不同电流强度之间进行调节。
在这种情况下，参考电流源621b可以是连续可调的。然而，在所示出的例子中，参考电流源621b是可逐步调节的(优选地具有至少两个步骤)，其中，参考电流源621b将不同的参考电流r(即不同电流强度的参考电流r)传递或注入传感器电极601和/或第一电路单元602中。
由参考电流源621b生成的参考电流r的“注入”特别是指参考电流源621b电耦合至、特别是(电流)连接到传感器电极601和/或第一电路单元602，使得由参考电流源621b提供的参考电流r被施加或馈送到导电结构中(即特别是馈送到带状导体601a、组线或布线601b和/或馈送到连接线或布线601c)。
参考电流源621b的可调节性提供了精确且可靠的功能测试和/或校准的优点。在这种情况下，优选地，借助于各个电流源623、624实现相关的电流，从而可以实现参考电流源621b的优选的逐步可调节性，所述各个电流源的电流被特别好地指定或预定义或可以被指定或预定义。电流源623、624的所述电流可以组合使用，并且因此提供比连续可调参考电流源621b具有更少影响、波动、和容差的参考电流源621b，尽管所述连续可调源原则上也是可行的。
如上特别是结合图6a和6b所解释的，电路布置600以取决于传感器电流s(即从传感器电极601流向第一电路单元602的电流)的方式、并且特别优选地是以频率的形式生成测量结果m。因此，在特定的传感器电流s的情况下，特别地以取决于电容器604的电容的方式，可以期望或预期特定的测量结果m。
由于已知由参考电流源621b注入的参考电流r的事实，因此，当连接参考电流源621b时，可以关于结果是否符合期望/预期来监测测量结果m或频率。为此，可以提供期望/预期测量结果m的范围。如果测量结果m在此指定或可指定范围之外，则可以推断发生了故障。因此，电路布置600可以被停用或被忽略以用于受控或正常操作。在这种情况下，优选地当参考电流源621b被停用或电解耦时，受控或正常操作被用作传感器(特别是生物传感器)。
在这种情况下，可调参考电流源621b的一个优点是：就功能测试而言，可以实现两倍的确定性，因为可以针对参考电流源621b生成的不同传感器电流s监测测量结果m。
为此，可以在每种情况下为不同的电流强度的参考电流r指定目标值或目标值范围，所述参考电流r由参考电流源621b注入或可以由所述参考电流源注入，在目标值或目标值范围内，测量结果m期望或预期在正常运行的情况下。如果在注入不同的参考电流r之一时测量值m在限定的范围之外，则可以特别是通过停用电路布置600来标识和/或处理故障。
可替代地或另外地，当借助于参考电流源621向传感器电极601和/或连接线或布线601c和/或第一电路单元602(特别是传感器电极601的输入端)注入不同大小的参考电流r(即具有不同电流强度的电流)时观察到的测量结果m可用于确定电路布置600的性能(特别是线性)和/或用于校正测量结果m。
可替代地或另外地，电路布置600可以以这种方式被校准或能够被校准，即，通过基于已经由参考电流源621b施加或注入的至少两个不同的参考电流r来确定至少两个测量值m。
例如，可以创建参考电流/测量结果对和/或将不同的参考电流r分配给不同的测量结果m。由于事先已知参考电流r，因此相反可以将测量结果m分配给相应的参考电流r。在随后的受控或正常操作期间(当参考电流源621b解耦时)，在此基础上确定或可以确定的分配或分配函数，可用于可靠地从样本生成的测量结果m中得出传感器电流s。为此，可以使用参考电流/测量结果对生成分配函数和/或校正函数，然后可以借助这些函数从测量结果m中得出传感器电流s。这样，可以使用测量结果m计算或校正相关的传感器电流s。
这允许或使得能够借助于生物、化学或生化过程将测量结果m改进和/或更精确地分配给在传感器电极601处或之上生成的传感器电流s。
换句话说，可以借助于参考电流源621b将不同的参考电流r(不同的电流强度的电流)注入传感器电极601中，并且可以生成与已知的参考电流r相对应的测量结果m并且可以使用由此得出的传感器电流/测量结果值对来进行电路布置600的故障控制、故障校正和/或校准。
优选地，提供至少两个不同的电流源623、624，所述源一起形成电流源621b和/或参考电流r。在这种情况下，电流源623、624中的至少一个是可激活的和/或可停用的。可替代地或另外地，电流源623、624并联连接，使得由所述电流源623、624生成的电流加和到参考电流r。取决于电流源623、624中的哪个被激活或停用，以此方式，参考电流源621b可以生成零参考电流r或与第一电流源623的电流强度对应的参考电流r、与第二电流源624的电流强度对应的参考电流r或与由电流源623、624提供的总和的电流强度对应的参考电流r。
在根据图7示出的例子中，两个电流源623、624均可借助于开关625、626进行切换。
在根据图7示出的例子中，电流源623、624分别与开关625、626串联连接。在实践中，这可以通过电流源623、624具有内部电阻(未示出)来实现。然而，电流源623、624也可以被设计为以另一种方式可切换或可激活和/或可停用。
同时，并且由于电流源623、624中的至少一个是可切换的，所以电流源623、624形成可切换和/或可调节的参考电流源621b。然而，参考电流源621b的可调节性也可以以另一种方式实现。
(相关的)电流源623、624可以形成为电流镜或者可以包括电流镜。然而，这里也可以想到其他解决方案。
参考电流源621b优选地在指定或预定义的步骤是可调节的。在示出的例子中，可以通过选择性地激活电流源623、624中的零个、仅一个、或两个来实现。然而，这里参考电流源621b的逐步可调节性的其他解决方案也是可能的。
在任何情况下，优选地，由参考电流源621b生成或可以生成的电流或电流强度是已知的或指定的和/或恒定的。
参考电流源621b优选地产生参考电流r，所述参考电流r被注入传感器电极601和/或连接线或布线601c中，并且作为传感器电流s流入第一电路单元602(作为测量电流)。
通过设置或调节由参考电流源621b传递的参考电流r的不同电流强度并使用电路布置600测量所述电流强度，优选地生成对应于参考电流r的不同电流或电流强度的测量结果m。这些参考电流/测量结果对优选地用于分析和/或补偿电路布置600的性能和/或校准电路布置600。
参考电流源621b和/或(相应的)电流源623、624优选地至少基本上独立于电源电压而操作。特别地，可以提供参考电压，经由所述参考电压，至少基本上独立于电源电压的参考电流r可以由或由参考电流源621b或电流源623、624生成。
电路布置600优选地被设计为：当参考电流源621b被停用时以及当所述源连接时，将从传感器电极601传递到第一电路单元602的电能或传感器电流s确定为测量结果m。
在此基础上，电路布置600优选地能够确定传感器电极601与另一传感器电极或反电极601'的短路。
可替代地或另外地，基于测量结果m配置了和/或将电路布置600设计用于确定传感器电极601和第一电路单元602之间的连接问题。例如可以这样实现：在将指定的、预定的或已知的参考电流r注入传感器电极601的情况下，由电路布置600确定的测量结果m与预期的或期望的值或目标值/区域偏离。在这种情况下，可以将目标值与测量的测量结果m进行比较，并且在测量结果m偏离目标值或目标值范围的情况下可以检测到故障。
图8通过例子的方式示出了在每种情况下在相同时间t上绘制的参考电流r和测量结果m的时间进程。
在时间点t0(开始时间)和第一时间点t1之间的第一间隔中，没有注入参考电流r，并且这在图8中由表示参考电流r的顶视图/曲线图的轴(y轴)上的r0表示。参考电流r(其值为0，由r0表示)可由被停用的两个电流源623、624生成。以与其对应的方式和/或同时地确定测量结果m0。在下图/曲线图中，在表示测量结果m的轴(y轴)上用m0表示此符号。此测量结果m0可以视为或解释为偏移量，并且/或者可以用于补偿或校正测量结果m。如果测量值m0的值为零，则电路以无偏移方式工作，但通常应假定m0的值不为零。
在第一时间点t1与第二时间点t2之间的第二间隔中，第一参考电流r1被注入传感器电极601、连接线或布线601c、和/或第一电路单元602的输入端。在示出的例子中，具有不同于0的第一电流强度的第一参考电流r1是通过仅激活电流源623、624中的一个或通过停用另一个电流源623、624来生成的。可以确定相应的第一测量结果m1，所述结果优选偏离偏移量(测量值m0)。如果第一测量结果m1没有偏离偏移测量结果m0或超过或低于目标值或者不满足目标值，则存在故障或检测到故障，因为在这种情况下电路布置600不测量注入传感器电极601的参考电流r。这在图8中由虚线f1指示。
在时间点t2和随后的时间点t3之间，参考电流源621b注入另一个第二参考电流r2(即偏离第一参考电流r1的电流)。在这种情况下，参考电流r1、r2至少优选地完全不同或仅就其电流强度而言不同。确定或可以确定与参考电流r2对应的测量结果m2。
所述参考电流r2可以由与生成第一参考电流r1的电流源623、624不同的电流源623、624生成。换句话说，一个电流源623可以生成第一参考电流r1，而另一个电流源624可以生成第二参考电流r2。
在根据图8的例子中，在时间点t3之后注入与第三测量结果m3对应的第三参考电流r3。第三参考电流r3优选地偏离参考电流r1和r2(就电流强度而言)。
在示出的例子中，参考电流r3是通过将各个有源电流源623、624互连而生成的，使得其电流被加在一起。
第三参考电流r3优选地注入传感器电极601、连接线或布线601c、和/或第一电路单元602。可以确定或确定与其对应的第三测量结果m3。
参考电流r0、r1、r2、r3优选地彼此不同，特别是在其电流强度方面。相应地，这也优选地适用于测量结果m0、m1、m2、m3。
在根据图8示出的例子中，示出了虚线f1，根据所述虚线总是以与参考电流无关的方式确定测量结果m0。如果注入传感器电极601的参考电流r对测量结果m没有任何影响，例如由于图7所指示的传感器电极601的或所述传感器电极中的(特别是带状导体601a、组线或布线601b中的一个或多个的)断点u1，和/或由于也在图7中指示的连接线或布线601c的断点u2，则情况就是这样。
故障线f2也在根据图8的图或曲线图中以虚线示出，所述虚线指示当传感器电极601与另一电路布置600'的传感器电极601’短路时测量结果m的变化。这在图7中由虚线k1、k2指示。
如果反电极601'接地，则参考电流r至少可以经由所讨论的短路基本上经由反电极601'排入和排走，使得虚线f1所指示的测量结果m可以出现。
然而，反电极601'优选地还连接至另一电路布置600'的第一电路单元602或形成其一部分。
在这种情况下，注入的参考电流r可选地在相关电路布置600、600'的两个输入端上分配，使得测量结果m在每种情况下小于期望/预期，特别是与期望或预期测量结果m成比例。这由第二故障线f2指示。特别是当注入对应于期望或预期值或目标值的大约一半的参考电流r1、r2、r3时，如果没有任何注入的参考电流r的测量结果m0与测量结果m1、m2、m3之间的期望或预期差异，则指示传感器电极601与另一电路布置600'的传感器电极601'之间的短路。因此，可以针对这种性能分析测量结果m，并且如果必要的话，可以检测到对应的故障。
电路布置600优选地设计用于生成相应的参考电流r并且评估在这种情况下生成的测量结果m，以便确定故障和/或进行校准。
可以例如在电路布置600的性能至少基本上是线性的假设下进行校准。在这种情况下可以期望或预期到，参考电流r的变化之后是与之成比例的测量结果m的变化。如果比例不完全存在，则这可以基于参考电流/测量结果对进行校正。在这种情况下，可以在之后的测量中进行校正，例如借助于在校准阶段确定的或可以确定的校正函数。可以通过外推参考电流/测量结果对来计算校正函数。
参考电流源621b可以优选地借助于一个或多个开关627、628电耦合至传感器电极601。参考电流源621b可以优选地选择性地耦合至传感器电极601的第一部分601d和另一第二部分601e。为此可以设置多个开关627、628。优选地，第一开关627将参考电流源621b连接至第一部分601d和/或第二开关628将参考电流源621b连接至第二部分601e。
在示出的例子中，第一部分601d位于叉指结构的区域中，特别是在带状导体601a和/或组线或布线601b的区域中。第二部分601e位于连接线或布线601c的区域中，借助于所述第二部分将带状导体601a和/或组线601b或布线连接至第一电路单元602。换句话说，第一部分601d优选地位于其导电表面直接用作生物传感器的传感器电极601的区域中，而第二部分601e优选地借助于连接线或布线601c而直接连接至第一电路单元602。因此，第二部分601e可以由第一电路单元602的输入端形成。
在初始状态下(即没有任何分子固定在表面上，或者在没有样品与传感器电极601接触的任何情况下)，传感器电极601优选形成开口节点，经由所述开口节点没有(直流)电流可以流走。因此，在功能正确的情况下，应该假定参考电流r不变地通过传感器电极601，并作为传感器电流s流入或馈入第一电路单元602。这在任何情况下都适用于设置为至少基本上恒定或作为直流电的参考电流r。
优选地，当一方面将参考电流r交替地注入传感器电极601的第一部分601d中，并且另一方面将其注入所述传感器电极的第二部分601e中时，生成测量结果m。如果参考电流r是相同的(即具有相同的电流强度)，则应该预期或期望生成相同的测量结果m。如果不是这种情况(即如果根据注入参考电流r的部分601d、601e以不明显的方式改变测量结果m)，则可以推断传感器电极601与第一电路单元602之间存在接触问题。随之而来的故障处理可能导致被测试的电路布置600停用或被用于其停用。
第一部分601d优选地位于传感器电极601的叉指结构中(即优选地位于带状导体601a和/或组线或布线601b上)。在示出的例子中，如果第一开关627在参考电流源621b与第一部分601d之间建立连接，则在参考电流源621b与组线或布线601b之间建立电接触。
可替代地或另外地，在示出的例子中，第二部分601e设置在连接线或布线601c的区域中和/或在第一电路单元602的输入端。第二开关626可以用于将参考电流源621b连接至第二部分601e。这样，参考电流r可以由参考电流源621b注入第二部分601e中。然而，这里其他解决方案也是可能的。
在所提议的方法中，在电路布置600的测试模式下，然后调节或设置参考电流源621b，以便在时间点t0不向传感器电极601注入电流，在另一时间点t1注入具有第一电流强度的第一参考电流r，并且在又另一时间点t2注入不同于第一参考电流并且具有不同于第一电流强度的第二电流强度的至少一个第二参考电流r。尤其如上所描述的，确定并取决于不同的注入参考电流r的测量结果m可用于确定电路布置600的接触问题、短路和/或适当的功能或线性，和/或执行校准，用于校正测量结果m的校正函数或另一项校正信息优选地被确定，并且优选地被用于随后的使用样本的测量中。
在也可以独立实施的另一方面，本发明涉及一种方法，在所述方法中取决于注入传感器电极601和/或另一个电路布置600'的传感器电极601'中的参考电流r，和/或取决于由此引起的检测到的测量结果m产生测量结果m(特别是频率)。
换句话说，测量结果m是根据注入的参考电流r确定的，尤其是以对应于以上结合图6a和6b所描述的方式产生的脉冲或可以产生的脉冲的频率的形式。
基于所述测量结果m，对传感器电极601与另一传感器电极601'的短路和/或传感器电极601与第一电路单元602之间的连接问题进行分析、或检查、或测试、或者可以确定。为此，如上已经指示的，可以将(相关的)测量结果m与诸如目标值或目标值扩展或范围之类的指定值进行比较，并且在与所述目标偏离的情况下可以(自动)标识(特定)故障。取决于所标识故障的类型和幅值，然后可以停用电路布置600。可替代地或另外地，另一种类型的故障处理是可能的，例如通过校正测量结果m等来进行故障校正。
在本发明的也可以独立实施的另一方面，优选连续地将参考电流r注入传感器电极601的每个不同部分601d、601e中。在这种情况下，第一部分601d优选地是由传感器电极601形成的叉指结构的一部分，而第二部分601e优选地被设置在连接线或布线601c(即叉指结构与第一电路单元602之间的连接)的区域中。
将参考电流r注入不同部分601d、601e中时生成的或可以确定的测量结果m优选地相互比较。如果所述结果彼此偏离(不明显)，则可以检测到传感器电极601内部的接触问题。因此，可以在故障标识的情况下执行故障处理，例如通过停用(在这种情况下为经测试的)电路布置600。
本发明的各方面可以有利地彼此组合。因此，可以将开关625、626和627、628彼此组合和/或同步，使得一方面(优选相同的)参考电流r被注入传感器电极601的不同部分601d、601e中，并且此外，但仅可选地，在两个部分601d、601e中，参考电流源621b会生成不同的参考电流r(具有不同电流强度)，并注入传感器电极601中。在这种情况下生成的或总体上可以确定的测量结果m可以用于功能测试以及短路测试和校准。因此，仅借助于几个易于执行的测试测量就可以快速实现高度的功能可靠性和测量结果m的可靠性。
电路布置600优选地包括用于控制参考电流源621b的控制器629。
控制器629优选地被设计为激活、停用、单独地连接或组合一个或多个电流源623、624，特别是借助于开关625、626来使得电流被加在一起。
在示出的例子中，控制器629与相关的开关623、624之间的控制连接由虚线指示。原则上，相关电流源623、624的可调节性然而也可以以另一种方式实现，例如借助于控制器629改变相关电流源623、624的控制信号或控制电流或参考电压。
可替代地或另外地，控制器629被设计为控制参考电流源621b，使得所述电流被或可以被连接至传感器电极601的第一部分601d或第二部分601e。
在示出的例子中，控制器629控制开关627、628中的一个或多个，使得参考电流r被注入第一部分601d或第二部分601e中。为此，如图7中的虚线所指示的，控制器629可以控制开关627、628，使得建立或断开连接，从而将参考电流r注入第一部分601d中或注入第二部分601e中。
原则上也可以将参考电流r同时注入两个部分601d、601e。此外，可以想到另外的替代方案，其中，开关627由直通连接代替，并且仅开关628被控制。如果测量结果m根据参考电流r是仅注入第一部分601d中还是也注入第二部分601e中而偏离，则可以标识出故障(例如接触问题)。
控制器629优选地被设计为以执行所提议的方法的方式来控制电流源623、624和/或开关625、626、627、628。
此外，控制器629可以接收测量结果m，并将所述结果与指定值或目标进行比较。指定值或目标可以源自或对应于控制器629用来控制参考电流源621b的控制命令。
控制器629也可以被设计为执行校准(特别是生成校准函数)。这可以是将测量结果m分配给相应的传感器电流s或校正这种分配或功能的功能。
本发明的不同方面可以单独地和以各种组合来实施。所提议的测试方法(用于故障标识，尤其是短路或断路的标识)因此也可以与校准分开进行，反之亦然。然而，特别优选其组合，因为在这种情况下，校准和功能测试可以同时进行，特别是在相同的测量结果m的基础上，并且可以协同地使用几个方法步骤和必要的手段进行。
本文档中引用了以下出版物：
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附图标记列表:
100电路布置
101传感器电极
102第一电路单元
103第二电路单元
104第一电容器
105捕获分子
106要检测的分子
107酶标记
108带电粒子
109第一控制单元
110可控欧姆电阻器
111第二控制单元
112脉冲
113开关
114电压源
200传感器
201电极
202电极
203绝缘层
204电极连接
205电极连接
206dna探针分子
207电解液/溶液
208dna链
300叉指电极
400生物传感器
401第一电极
402第二电极
403绝缘层
404保留区域(第一电极)
405dna探针分子
406电解液/溶液
407dna链
408酶
409可裂解分子
410第一部分分子
411箭头
412进一步的解决方案
413氧化的第一部分分子
414还原的第一部分分子
500图/曲线图
501电流
502时间
503电流-时间曲线轮廓
504偏移电流
600电路布置
600’进一步的电路布置
601传感器电极
601a带状导体
601b组线/布线
601c连接线/布线
601d第一部分
601e第二部分
601’反电极
601’a带状导体
601’b组线/布线
601’c连接线/布线
602第一电路单元
603第二电路单元
604第一电容器
605第一电压源
606计数元件
607第一比较器元件
608第二电压源
609晶体管
610第二比较器元件
611第三电压源
612开关
613脉冲生成器
620电路布置
621校准装置
621a参考电流源
621b参考电流源
622开关
623电流源
624电流源
625开关
626开关
627开关
628开关
629控制器
f1虚线
f2虚线
k1虚线
k2虚线
m测量结果
m0开始测量结果
m1第一测量结果
m2第二测量结果
m3第三测量结果
r参考电流
r0开始参考电流
r1第一参考电流
r2第二参考电流
r3第三参考电流
s传感器电流
t时间
t0开始时间
t1第一时间点
t2第二时间点
t3第三时间点
u1断点
u2断点
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