-
TECHNISCHES GEBIET
-
Ausführungsformen betreffen einen Fluidsensorchip. Einige Ausführungsformen betreffen ein Verfahren zum Herstellen eines Fluidsensorchips.
-
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
-
Chemische Sensoren, wie zum Beispiel Gassensoren, bestehen häufig aus Materialien, die nicht chemisch inert sind. Einerseits werden das Metall- oder das Si-Substrat und die Metallleiter und andererseits die aktiven Sensorschichten, wie zum Beispiel Metalloxide, durch aggressive Chemikalien (z. B. Säuren, HF usw.) angegriffen. Eine Anwendungsstelle, die eine solche chemisch aggressive Umgebung aufweist, ist das Innere einer Lithium-Ionen-Batteriezelle. Hierbei besteht z. B. der Elektrolyt aus fluorhaltigen Leitsalzen, die in organischen Lösemitteln (typischerweise Kohlensäureestern) aufgelöst sind.
-
KURZDARSTELLUNG
-
Ein Fluidsensorchip ist bereitgestellt. Der Fluidsensorchip weist ein Isolatorsubstrat, das amorphen Kohlenstoff aufweist, einen elektrischen Leiter, der Graphit aufweist, und ein aktives Material, das Graphen oder Kohlenstoffnanoröhren aufweist, auf.
-
Ein weiterer Fluidsensorchip ist bereitgestellt. Der weitere Fluidsensorchip weist einen Substratträger, eine leitfähige Schicht, ein Isolatorsubstrat, das amorphen Kohlenstoff aufweist, einen elektrischen Leiter, der Graphit aufweist, und ein aktives Material, das Graphen oder Kohlenstoffnanoröhren aufweist, auf. Die leitfähige Schicht ist zwischen dem Isolatorsubstrat und dem Substratträger angeordnet. Das Isolatorsubstrat ist oberhalb des Substratträgers und der leitfähigen Schicht ausgebildet. Das aktive Material ist oberhalb der leitfähigen Schicht und des Isolatorsubstrats ausgebildet. Der elektrische Leiter erstreckt sich von dem aktiven Material zu der leitfähigen Schicht durch das Isolatorsubstrat, um das aktive Material mit der leitfähigen Schicht elektrisch zu verbinden.
-
Ein Fluidsensorchip zum Erfassen eines physikalischen oder chemischen Parameters in einer chemisch aggressiven Umgebung ist bereitgestellt. Hierbei weisen alle Sensorchipflächen, die der chemisch aggressiven Umgebung ausgesetzt sind, chemisch inerten Kohlenstoff auf oder bestehen daraus.
-
Ein Verfahren zum Herstellen eines Fluidsensorchips ist bereitgestellt. Das Verfahren weist auf: Bereitstellen eines Substratträgers, Bereitstellen einer leitfähigen Schicht auf dem Substratträger, Ausbilden eines Isolatorsubstrats, der amorphen Kohlenstoff aufweist, oberhalb des Substratträgers und der leitfähigen Schicht, Bereitstellen eines elektrischen Leiters, der Graphit aufweist, so dass sich der elektrische Leiter durch das Isolatorsubstrat erstreckt und mit der leitfähigen Schicht in Kontakt steht, und Abscheiden eines aktiven Materials, das Graphen oder Kohlenstoffnanoröhren aufweist, auf dem Isolatorsubstrat und dem elektrischen Leiter.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Fluidsensorchips;
-
2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer alternativen Implementierung eines Fluidsensorchips;
-
3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer vollständig gekapselten Implementierung eines Fluidsensorchips, der einen elektrisch leitfähigen, Graphit aufweisenden Abschnitt aufweist;
-
4 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Fluidsensorchips, der einen elektrisch leitfähigen, ein Metall aufweisenden Abschnitt aufweist, und
-
5a bis 5c zeigen schematische Querschnittsansichten verschiedener Komponenten eines Fluidsensorchips, die ein Verfahren zum Herstellen des Fluidsensorchips veranschaulichen.
-
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
-
Vor der ausführlichen Besprechung der vorliegenden Offenbarung mithilfe der Zeichnungen wird darauf hingewiesen, dass identische Elemente, Elemente, die die gleiche Funktion oder die gleiche Wirkung aufweisen, mit denselben Bezugszeichen in den Figuren versehen sind, so dass die Beschreibung dieser in den verschiedenen Ausführungsformen veranschaulichten Elemente und ihrer Funktionalität jeweils austauschbar ist, oder in den verschiedenen Ausführungsformen aufeinander angewendet werden kann.
-
In herkömmlichen chemischen Sensoren kann ein Implementieren von Substraten und Kontaktdrähten in Edelmetallen sie vor chemischen Angriffen schützen. Jedoch hat dies höhere Herstellungskosten zur Folge. Es ist außerdem möglich, die Substrate und Kontaktdrähte mit Polymeren zu beschichten; jedoch sind sie häufig nicht gegen organische Lösemittel beständig. Ein Schutz der aktiven Schichten kann in begrenztem Umfang lediglich unter Verwendung von teilweise durchlässigen Membranen erzielt werden. Jedoch erhöhen sich dadurch typischerweise die Empfindlichkeit sowie die Ansprech- und Regenerationszeit.
-
Daher besteht ein Bedarf nach einem verbesserten Konzept eines Fluidsensorchips, der auch in einer chemisch aggressiven Umgebung zuverlässig verwendet werden kann.
-
Ausführungsformen der Offenbarung stellen einen vergleichsweise robusten Sensorchip bereit, der erzielt werden kann, wenn ein Isolatorsubstrat, das amorphen Kohlenstoff aufweist, oberhalb eines Substratträgers und einer leitfähigen Schicht ausgebildet wird, wenn ein elektrischer Leiter, der Graphit aufweist, derart bereitgestellt wird, dass sich der elektrische Leiter durch das Isolatorsubstrat erstreckt und mit der leitfähigen Schicht in Kontakt steht, und wenn ein aktives Material, das Graphen oder Kohlenstoffnanoröhren aufweist, auf dem Isolatorsubstrat und dem elektrischen Leiter abgeschieden wird. Auf diese Weise kann der Nachteil vermieden werden, dass der Sensorchip oder seine Komponenten nicht hinreichend vor den umgebenden aggressiven Chemikalien (z. B. Säuren, HF usw.) geschützt ist/sind.
-
1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Fluidsensorchips 100. Wie in dem Beispiel von 1 gezeigt, weist der Fluidsensorchip 100 auf: ein Isolatorsubstrat 110, das amorphen Kohlenstoff aufweist, einen elektrischen Leiter 120, der Graphit aufweist, und ein aktives Material 130, das Graphen oder Kohlenstoffnanoröhren aufweist.
-
Es ist als ein Beispiel in 1 veranschaulicht, dass der Fluidsensorchip 100 außerdem einen Substratträger 102 (oder Wafersubstrat) und eine leitfähige Schicht 104 aufweisen kann.
-
Zum Beispiel kann das Isolatorsubstrat 110 eine Schicht des Fluidsensorchips 100 repräsentieren. Außerdem kann das Isolatorsubstrat oder die Schicht 110 auf einer Oberseite eines aus einem anderen Material gefertigten Substrats (d. h. des Substratträgers 102) angeordnet sein.
-
Der Fluidsensorchip von 1 bietet den Vorteil, dass er verhältnismäßig robust ist und dass er auch in einer chemisch aggressiven Umgebung zuverlässig verwendet werden kann. Dies ermöglicht im Wesentlichen eine flexiblere und/oder zuverlässigere Verwendung des Fluidsensorchips.
-
Wie in einem Beispiel in 1 gezeigt, kann der Fluidsensorchip 100 einen Substratträger 102 aufweisen. Außerdem kann der Fluidsensorchip 100 aufweisen: eine leitfähige Schicht 104, ein Isolatorsubstrat 110, das amorphen Kohlenstoff aufweist, einen elektrischen Leiter 120, der Graphit aufweist, und ein aktives Material 130, das Graphen oder Kohlenstoffnanoröhren aufweist. Zum Beispiel kann die leitfähige Schicht 104 zwischen dem Isolatorsubstrat 110 und dem Substratträger 102 angeordnet sein. Außerdem kann das Isolatorsubstrat 110 oberhalb des Substratträgers 102 und der leitfähigen Schicht 104 ausgebildet sein. Außerdem kann das aktive Material 130 oberhalb der leitfähigen Schicht 104 und des Isolatorsubstrats 110 ausgebildet sein. Es ist aus 1 ersichtlich, dass sich der elektrische Leiter 120 von dem aktiven Material 130 zu der leitfähigen Schicht 104 durch das Isolatorsubstrat 110 erstreckt, um das aktive Material 130 mit der leitfähigen Schicht 104 elektrisch zu verbinden.
-
Die als ein Beispiel in 1 gezeigte Struktur des Sensorchips repräsentiert im Wesentlichen einen robusten Sensorchip, der zum Verwenden in einer chemisch aggressiven Umgebung geeignet ist. Der dargestellte Sensorchip ermöglicht ein zuverlässiges Erfassen eines physikalischen oder chemischen Parameters eines Fluids, wie z. B. eines Gases oder einer Flüssigkeit.
-
2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer alternativen Implementierung eines Fluidsensorchips 200. Der als ein Beispiel in 2 gezeigte Fluidsensorchip 200 entspricht im Wesentlichen dem in 1 gezeigten Fluidsensorchip 100. Daher wird eine wiederholte Beschreibung von einander entsprechenden oder identischen Komponenten ausgelassen. Im Gegensatz zu dem in 1 gezeigten Fluidsensorchip 100 kann jedoch die leitfähige Schicht 104 des Fluidsensorchips 200, der als ein Beispiel in 2 gezeigt ist, anders ausgebildet sein. Zum Beispiel kann sich in einem Bereich 210 unterhalb des elektrischen Leiters 120 die leitfähige Schicht 104 durch das Isolatorsubstrat 110 erstrecken, wobei eine Erstreckung d2 der leitfähigen Schicht 104 durch das Isolatorsubstrat 110 größer sein kann als die Hälfte der Breite d1 des Isolatorsubstrats 110. Wie in der Struktur des Fluidsensorchips 100 von 1 kann sich jedoch der elektrische Leiter 120 des Fluidsensorchips 200 in 2 von dem aktiven Material 130 zu der leitfähigen Schicht 104 durch das Isolatorsubstrat 110 erstrecken, um das aktive Material 130 mit der leitfähigen Schicht 104 elektrisch zu verbinden.
-
3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer vollständig gekapselten Implementierung eines Fluidsensorchips 300, der einen elektrisch leitfähigen, Graphit aufweisenden Abschnitt 310 aufweist. Der als ein Beispiel in 3 gezeigte Fluidsensorchip 300 entspricht im Wesentlichen dem in 1 gezeigten Fluidsensorchip 100. Daher wird eine wiederholte Beschreibung von einander entsprechenden oder identischen Komponenten ausgelassen. Jedoch kann der Fluidsensorchip 300 von 3 einen elektrisch leitfähigen Abschnitt 310 aufweisen, der sich durch das Isolatorsubstrat 110 erstreckt, wobei der elektrisch leitfähige Abschnitt 310 derart ausgelegt sein kann, dass er einen externen elektrischen Kontakt 315 des Fluidsensorchips 300 mit der leitfähigen Schicht 104 koppelt. Unter Bezugnahme auf 3 als ein Beispiel kann der elektrisch leitfähige Abschnitt 310 in einem Grenzbereich 312 des Fluidsensorchips 300 angeordnet sein.
-
Wie als ein Beispiel in 3 gezeigt, kann der Fluidsensorchip 300 ferner eine Versiegelung 320 aufweisen, die zum Versiegeln des Substratträgers 102 ausgelegt ist.
-
Zum Beispiel kann die Versiegelung 320 amorphen Kohlenstoff aufweisen oder aus amorphem Kohlenstoff bestehen. Durch Bereitstellen einer derartigen Versiegelung ist es möglich, den Substratträger 102 des Fluidsensorchips 300 im Wesentlichen gegen ein chemisch aggressives Fluidmedium, wie z. B. ein gasförmiges oder flüssiges Medium, zu schützen.
-
Außerdem kann die Versiegelung 320 in einer Ausführungsform alle Flächen des Sensorchips 300 mit Ausnahme des aktiven Materials 130 und der externen elektrischen Kontakte 315 abdecken. Dies hat den Vorteil, dass der verbesserte Sensorchip bereitgestellt werden kann, der auch zur Anwendung in einer chemisch aggressiven Umgebung (z. B. im Inneren einer Lithium-Ionen-Batteriezelle) geeignet ist.
-
Zum Beispiel weist der elektrisch leitfähige Abschnitt 310 ein Metall (z. B. Cu) auf. Außerdem kann der Fluidsensorchip 300 ferner einen Isolierabschnitt 330 aufweisen, der derart ausgelegt ist, dass er den elektrisch leitfähigen Abschnitt 310, der das Metall aufweist, isoliert. Auf diese Weise kann der metallene elektrisch leitfähige Abschnitt 310 auch abgedeckt werden, so dass der externe elektrische Kontakt 315 des Fluidsensorchips geschützt wird.
-
4 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Fluidsensorchips 400, der einen elektrisch leitfähigen, Graphit aufweisenden Abschnitt 410 aufweist. Der Fluidsensorchip 400, der die in einem Beispiel in 4 gezeigten Komponenten 102, 104, 110, 120 und 130 aufweist, entspricht im Wesentlichen dem Fluidsensorchip 100, der die in 1 gezeigten Elemente 102, 104, 110, 120 und 130 aufweist. Daher wird eine wiederholte Beschreibung von einander entsprechenden oder identischen Elementen ausgelassen. In dem Beispiel von 4 kann der elektrisch leitfähige Abschnitt 410 Graphit aufweisen. Da der elektrisch leitfähige Abschnitt 410 des Fluidsensorchips 400 Graphit aufweisen kann, ist ein isolierender Abschnitt, der zum Isolieren des elektrisch leitfähigen Abschnitts 410 ausgelegt ist, nicht erforderlich. Vielmehr ist der elektrisch leitfähige Abschnitt 410, der Graphit aufweist, bereits gegen die chemisch aggressive Umgebung beständig.
-
Zum Beispiel kann der Fluidsensorchip 100 ein Sensorchip zum Erfassen eines physikalischen oder chemischen Parameters eines Gases oder einer Flüssigkeit sein. Mit anderen Worten kann der Sensorchip als ein Gassensor oder ein Flüssigkeitssensor in einer chemisch aggressiven Umgebung verwendet werden.
-
Zum Beispiel ist der Fluidsensorchip, der als Beispiele in 1 bis 4 gezeigt ist, zum Erfassen eines physikalischen oder chemischen Parameters in einer chemisch aggressiven Umgebung ausgelegt, wobei alle Sensorchipflächen, die der chemisch aggressiven Umgebung ausgesetzt sind, chemisch inerten Kohlenstoff aufweisen oder aus diesem bestehen.
-
Unter Bezugnahme auf die vorstehenden Beispiele des Fluidsensorchips kann der elektrische Leiter 120 zwei abgegrenzte elektrische Leiterabschnitte 122, 124 aufweisen, die in Bezug auf eine vertikale Mittelachse 101 des Fluidsensorchips 100 symmetrisch angeordnet sind, so dass das aktive Material 130 mit der leitfähigen Schicht 104 durch die zwei abgegrenzten elektrischen Leiterabschnitte 122, 124 verbunden sein kann. Außerdem können zwei abgegrenzte leitfähige Schichtabschnitte 105, 107 der leitfähigen Schicht 104 in einem mittleren Bereich des Fluidsensorchips um die vertikale Mittelachse 101 durch das Isolatorsubstrat 110 getrennt sein.
-
5a bis 5c zeigen schematische Querschnittsansichten verschiedener Komponenten 510, 520 eines Fluidsensorchips 100, die ein Verfahren zum Herstellen des Fluidsensorchips veranschaulichen. Zum Beispiel kann ein Verfahren zum Herstellen eines Fluidsensorchips die folgenden Vorgänge aufweisen. Zunächst kann ein Substratträger 102 bereitgestellt werden. Dann kann eine leitfähige Schicht 104 auf dem Substratträger 102 bereitgestellt werden. Dann kann ein Isolatorsubstrat 110, das amorphen Kohlenstoff aufweist, oberhalb des Substratträgers 102 und der leitfähigen Schicht 104 ausgebildet werden. Dann kann ein elektrischer Leiter 120, der Graphit aufweist, derart bereitgestellt werden, dass sich der elektrische Leiter 120 durch das Isolatorsubstrat 110 erstreckt und mit der leitfähigen Schicht 104 in Kontakt steht. Schließlich kann ein aktives Material 130, das Graphen oder Kohlenstoffnanoröhren aufweist, auf dem Isolatorsubstrat 110 und dem elektrischen Leiter 120 abgeschieden werden.
-
Dementsprechend zeigt 5a das Ergebnis oder die Komponente 510 nach dem Vorgang des Bereitstellens des Substratträgers 102, dem Vorgang des Bereitstellens und Strukturierens der leitfähigen Schicht 104, und dem Vorgang des Ausbildens des Isolatorsubstrats 110. Außerdem veranschaulicht 5b als ein Beispiel das Ergebnis oder die Komponente 520 nach dem Vorgang des Bereitstellens des elektrischen Leiters 120 in dem Isolatorsubstrat 110. Schließlich veranschaulicht 5c als ein Beispiel das Ergebnis oder den Fluidsensorchip 100 nach dem Vorgang des Abscheidens des aktiven Materials 130.
-
Zum Beispiel kann das Isolatorsubstrat 110 amorphen Kohlenstoff aufweisen oder daraus bestehen. Außerdem kann der elektrische Leiter 120 Graphit aufweisen oder daraus bestehen. Außerdem kann das aktive Material 130 Graphen aufweisen oder daraus bestehen.
-
Zusätzlich oder alternativ kann das aktive Material 130 aus einer Gruppe ausgewählt werden, die aus Graphen, funktionalisiertem Graphen, kovalent funktionalisiertem Graphen, mit einem Metall funktionalisiertem Graphen und mit Metalloxiden oder anderen Metallchalkogeniden funktionalisiertem Graphen besteht. Die funktionalisierten Verbindungen können in Form durchgehender Schichten sowie in Form von Partikeln, zum Beispiel Nanopartikeln, sein.
-
Hinsichtlich des Herstellungsverfahrens kann dieses ferner ein Kapseln des Substratträgers 102 aufweisen. Auf diese Weise kann ein Gehäuse oder eine Versiegelung (z. B. die Versiegelung 320) für den Fluidsensorchip bereitgestellt werden.
-
Zum Beispiel kann der Vorgang des Ausbildens des Isolatorsubstrats 110 ein Durchführen einer plasmabasierten chemischen Gasphasenabscheidung von gasförmigen Kohlenwasserstoffen auf dem Substratträger 102 aufweisen.
-
Außerdem kann der Vorgang des Bereitstellens des elektrischen Leiters 120 ein Durchführen einer räumlich lokalisierten thermischen Bestrahlung des Isolatorsubstrats 110 aufweisen, wobei der amorphe Kohlenstoff des Isolatorsubstrats 110 in Graphit umgewandelt wird.
-
Hierbei kann die thermische Bestrahlung des Isolatorsubstrats 110 in einer Ausführungsform mithilfe einer Laserbestrahlung oder Belichtung unter Verwendung einer Projektionsmaske durchgeführt werden.
-
Außerdem kann der Vorgang des Abscheidens des aktiven Materials 130 ein Aufbringen oder Abtrocknen einer Graphensuspension oder einer Graphenoxidsuspension und Erwärmen von dieser auf eine Temperatur zwischen ungefähr 300°C und 900°C, oder einer Suspension aus funktionalisiertem Graphen, oder ein Übertragen von Graphenschichten, die vorher auf einem temporären Substrat abgeschieden wurden, aufweisen.
-
Zum Beispiel weist der Vorgang des Abscheidens des aktiven Materials 130 ein Abscheiden von Nanopartikeln (z. B. in einer Suspension) auf Graphen, das vorher auf einem temporären Substrat abgeschieden wurde, und ein Übertragen des vorher abgeschiedenen Graphens auf den Fluidsensorchip auf.
-
Außerdem kann der Vorgang des Abscheidens des aktiven Materials 130 ein Abscheiden von Graphen auf dem Isolatorsubstrat 110 und anschließendes Abscheiden von Nanopartikeln auf dem Graphen (z. B. mithilfe einer elektrochemischen Abscheidung) aufweisen.
-
Zusammenfassend bietet der Fluidsensorchip den Vorteil, dass es möglich ist, zum Beispiel einen Gassensor zu implementieren, wobei die Flächen, die dem umgebenden Medium ausgesetzt sind, ausschließlich chemisch inerten Kohlenstoff aufweisen oder daraus bestehen. Zum Beispiel basiert der Fluidsensorchip auf einer Kombination aus amorphem Kohlenstoff für das Isolatorsubstrat, Graphit für den elektrischen Leiter und Graphen für das aktive Material.
-
Bei dem Vorgang des Ausbildens des Isolatorsubstrats oder in dem Schritt des Kapselns des Substratträgers kann amorpher Kohlenstoff verwendet werden. Somit kann amorpher Kohlenstoff für Beschichtung des Substratträgers 102 verwendet werden. Das Isolatorsubstrat 110 oder die Versiegelung 320, das/die amorphen Kohlenstoff aufweist, kann mithilfe einer plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung von gasförmigen Kohlenwasserstoffen erzeugt werden. Hierbei wird darauf hingewiesen, dass amorpher Kohlenstoff gegen so gut wie alle Chemikalien mit Ausnahme von Sauerstoffplasma und Sauerstoff bei Temperaturen über 500°C inert ist und er bringt niedrige Herstellungskosten mit sich. Eine allgemeine Eigenschaft von amorphem Kohlenstoff besteht darin, dass er elektrisch isolierend ist und als ein Dielektrikum in elektronischen Komponenten, wie zum Beispiel einem Gassensor, eingesetzt werden kann. Vorteilhafterweise kann amorpher Kohlenstoff in dem Fluidsensorchip gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendet werden.
-
In dem Vorgang des Bereitstellens des elektrischen Leiters
120 kann Graphit verwendet werden. Im Allgemeinen weist Graphit die gleiche chemische Beständigkeit wie amorpher Kohlenstoff auf, aber er ist ein elektrischer Leiter. Zum Beispiel kann Graphit aus amorphem Kohlenstoff mithilfe einer thermischen Behandlung erzeugt werden. Die Ausbildung von Graphit kann außerdem auf eine lokalisierte Weise durchgeführt werden, z. B. mithilfe einer Laserbestrahlung, wie in
DE 10 2012 212 152 A1 beschrieben. Somit ist es möglich, den elektrischen Leiter
120 oder elektrisch leitende Graphitstrukturen in einer isolierenden Matrix auszubilden, die amorphen Kohlenstoff aufweist oder daraus besteht. Zum Beispiel kann die Absorption der Laserstrahlung variiert werden, indem die Laserwellenlänge gewählt wird und der Absorptionskoeffizient der amorphen Kohlenstoffschicht (oder des Isolatorsubstrats
110), z. B. durch Dotieren des Isolatorsubstrats
110 mit einigen Atomprozent Stickstoff, eingestellt wird. Somit kann die Tiefe des elektrischen Leiters
120, der sich durch das Isolatorsubstrat
110 erstreckt, oder der graphitischen Umwandlungszone ebenfalls eingestellt werden.
-
In dem Vorgang des Abscheidens des aktiven Materials
130 des Fluidsensorchips kann Graphen verwendet werden. Im Allgemeinen ist Graphen eine neue Art Material, das unter anderem als das aktive Material zum Herstellen von Gassensoren dienen kann, wie z. B. in
KR 102011039803 A und
JP 002011169634 A beschrieben. Das durch den Fluidsensorchip verwendete Messprinzip entspricht im Wesentlichen einer Änderung des Widerstands des aktiven Materials
130 oder der Graphenschicht bei einer Adsorption von Gasmolekülen. Ein derartiges Prinzip wurde ebenfalls in
F. Schedin et al.: Detection of Individual Gas Molecules Adsorbed on Graphene, Nature Materials 6 (2007) 652,
J. D. Fowler et al.: Practical Chemical Sensors from Chemically Derived Graphene, ACS Nano, 3 (2009) 301, und
J. T. Robinson et al.: Reduced Graphene Oxide Molecular Sensors, Nano Lett 8 (2008) 3137 beschrieben.
-
Als eine Kohlenstoffmodifikation weist Graphen außerdem die gleiche chemische Beständigkeit wie amorpher Kohlenstoff auf. Dieses Material kann bei niedrigen Kosten aus Graphit oder Kohlenwasserstoffgasen hergestellt werden.
-
Im Grunde wurde eine Implementierung eines Gassensors herausgefunden, wobei die Fläche, die dem umgebenden Medium ausgesetzt ist, chemisch beständigen Kohlenstoff aufweisen oder daraus bestehen kann.
-
Zum Beispiel kann der Fluidsensorchip folgendermaßen hergestellt werden. Zunächst kann ein elektrisch isolierender amorpher Kohlenstoff (der z. B. eine Dicke von 10 bis 5000 nm aufweist) auf einem Substrat (oder dem Substratträger 102), das elektrische Kontakte (oder die leitfähige Schicht 104) zum Verbinden der aktiven Schicht (oder des aktiven Materials 130) aufweist, abgeschieden werden. Zum Verbessern der Laserabsorption kann der amorphe Kohlenstoff außerdem einige Atomprozent Stickstoff aufweisen. In den Bereichen, die oberhalb der elektrischen Kontakte oder Elektroden für die aktive Schicht (d. h. oberhalb des elektrischen Leiters 120) angeordnet sind, kann das Isolatorsubstrat 110, das amorphen Kohlenstoff aufweist, örtlich in leitfähigen (z. B. einen spezifischen Widerstand von ρ = 0,5 bis 50 mΩ·cm aufweisenden) Graphit mithilfe eines Laserausheilungsvorgangs bei einer lokal erzeugten Temperatur von ungefähr 700 bis ungefähr 1500°C umgewandelt werden. Lokales Einleiten der erforderlichen Temperatur kann außerdem durch Lichteinwirkung von z. B. Xenon-Lampen und eine Projektionsmaske erwirkt werden. Der Graphitkontakt (oder der elektrische Leiter 120) kann als eine vollständige Durchkontaktierung auf einer Metallleiterbahn oder als eine Fotolackschicht auf einer Metalldurchkontaktierung ausgelegt werden. Eine Graphenschicht (oder das aktive Material 130) kann als eine aktive Sensorschicht auf die und zwischen die Graphitkontakte aufgebracht werden. Zu möglichen Abscheidungsprozessen zum Aufbringen des aktiven Materials 130 gehören ein Aufbringen und Abtrocknen und/oder Ausheizen (Baking) einer Graphen- oder Graphenoxidsuspension sowie ein Übertragen von Graphenschichten, die auf einem temporären Substrat abgeschieden wurden.
-
Die Graphenschicht oder das aktive Material
130 kann folgendermaßen hergestellt werden. Zum Beispiel kann reduziertes Graphenoxid, wie in
S. Stankovich et al.: Synthesis of graphene-based nanosheets via chemical reduction of exfoliated graphite Oxide, Carbon 45 (2007) 1558, und
D. Li et al.: Processable aqueous dispersions of graphene nanosheets, Nature Nanotechnology 3 (2008) 101 beschrieben, benutzt werden. Außerdem kann eine Graphen-CVD, wie in
X. Li et al.: Large-Area Synthesis of High-Quality and Uniform Graphene Films on Copper Foils, Science 324 (2009) 131,
EP 000002055673 A ,
US 020090155561 A beschrieben, benutzt werden. Außerdem können Festkörperquellen, wie in
US 020110206934 A und
Z. Sun et al.: Growth of graphene from solid carbon sources, Nature 468 (2010) 549 beschrieben, benutzt werden. Schließlich kann eine Festkörperepitaxie, wie in
US 7015142 B und
WO 002010096646 A beschrieben, anwendbar sein.
-
Darüber hinaus können die Verfahren zum Verwenden von Graphen-CVD, Festkörperquellen oder Festkörperepitaxie in Verbindung mit einem Übertragungsprozess auf das gewünschte Substrat, wie in
K. S. Kim et al.: Large-scale pattern growth of graphene films for stretchable transparent electrodes, Nature 457 (2008) 706 und
EP 000002055673 A beschrieben, benutzt werden.
-
Zum Beispiel kann die Graphenschicht oder das aktive Material 130 funktionalisiertes Graphen aufweisen oder daraus, d. h. aus chemisch modifiziertem Graphen oder Graphen, das eine Dekoration oder eine durchgehende Schicht, die aus einem anderen Material (z. B. Metallnanopartikeln) besteht, aufweist, bestehen, so dass eine Selektivität für bestimmte Atome, Moleküle und Ionen erzeugt wird. Die Funktionalisierung von Graphen kann vor oder nach dem Aufbringen auf das Sensorsubtrat durchgeführt werden.
-
Im Allgemeinen kann der Fluidsensorchip als ein chemischer Sensor, d. h. sowohl in Gasen als auch in Flüssigkeiten, eingesetzt werden.
-
Nachstehend werden verschiedene Beispielmaterialien besprochen, die als ein chemisch inertes Sensormaterial oder als das aktive Material 130 in dem Fluidsensorchip dienen können.
-
Zum Beispiel kann nicht funktionalisiertes Graphen verwendet werden. In diesem Fall ist die Selektivität begrenzt. Elektronendonatoren (z. B. NH3) führen zu einem Anstieg des Widerstands der Schicht, indem die Ladungsträgerdichte in dem Graphen geändert wird, während Elektronenakzeptoren zu einer Reduzierung des Widerstands der Schicht führen. Adsorbate, die die Ladungsträgerdichte in dem Graphen nicht ändern (z. B. Edelgase), führen zu keinem Sensoransprechverhalten. Für manche Anwendungen kann eine derartige begrenzte Selektivität hinreichend sein, zum Beispiel wenn ausschließlich Konzentrationsänderungen erfasst werden sollen.
-
Außerdem kann ein kovalent funktionalisiertes Graphen verwendet werden. In diesem Fall sind funktionelle Gruppen (z. B. -OH, -H, -F, -NH2 usw.), die in einer Ausführungsform die gewünschten Analyt-Moleküle binden und die Ladungsträgerdichte in dem Graphen beeinflussen, an das Graphen gebunden. Hierbei muss die Funktionalisierung möglicherweise auf das Medium angepasst werden, da die funktionellen Gruppen möglicherweise nicht gegen alle möglichen umgebenden Medien beständig sind.
-
Außerdem kann Graphen, das mit Edelmetallen (Nanopartikeln, Schicht) funktionalisiert wurde, verwendet werden. Hierbei werden die gewünschten Analyt-Moleküle (z. B. H2) durch das Edelmetall (z. B. Au, Pt, Pd), das das Graphen dekoriert und die Ladungsträgerdichte in dem Graphen ändert, z. B. durch Ändern der Austrittsfunktion des Metalls, adsorbiert oder absorbiert. Aufgrund ihres Edelmetallcharakters ist diese Funktionalisierung chemisch beständig.
-
Schließlich können andere Funktionalisierungen verwendet werden. Jedoch sind diese anderen Funktionalisierungen, wie zum Beispiel Metalloxide (z. B. TiO2, MnO2 usw.) im Allgemeinen nur in bestimmten Medien chemisch beständig. Hierbei ist der pH-Wert ein großer Einflussfaktor. Für eine begrenzte Auswahl von Medien können jedoch diese Funktionalisierungen auch für den chemisch hochbeständigen Sensor verwendet werden.
-
Die vorliegende Offenbarung ist dahingehend vorteilhaft, dass ein korrosionsbeständiger Gassensor bereitgestellt werden kann, der in einer chemisch aggressiven Umgebung zuverlässig verwendet werden kann.
-
Obwohl einige Aspekte in Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, ist es offenkundig, dass diese Aspekte ebenfalls eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens repräsentieren, wo ein Block oder eine Vorrichtung einem Verfahrensvorgang oder einem Merkmal eines Verfahrensvorgangs entspricht. Gleichermaßen repräsentieren ebenfalls Aspekte, die in Zusammenhang mit einem Verfahrensvorgang beschrieben wurden, eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Elements oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung.
-
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sind lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Offenbarung. Es versteht sich, dass Modifizierungen und Abwandlungen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten für einen Fachmann offensichtlich sein werden. Es ist daher beabsichtigt, dass jegliche Beschränkung lediglich durch den Umfang der beigefügten Patentansprüche und nicht durch die konkreten Einzelheiten, die hier als Beschreibung und Erläuterung der Ausführungsformen dargestellt wurden, erfolgt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102012212152 A1 [0045]
- KR 102011039803 A [0046]
- JP 002011169634 A [0046]
- EP 000002055673 A [0050, 0051]
- US 020090155561 A [0050]
- US 020110206934 A [0050]
- US 7015142 B [0050]
- WO 002010096646 A [0050]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- F. Schedin et al.: Detection of Individual Gas Molecules Adsorbed on Graphene, Nature Materials 6 (2007) 652 [0046]
- J. D. Fowler et al.: Practical Chemical Sensors from Chemically Derived Graphene, ACS Nano, 3 (2009) 301 [0046]
- J. T. Robinson et al.: Reduced Graphene Oxide Molecular Sensors, Nano Lett 8 (2008) 3137 [0046]
- S. Stankovich et al.: Synthesis of graphene-based nanosheets via chemical reduction of exfoliated graphite Oxide, Carbon 45 (2007) 1558 [0050]
- D. Li et al.: Processable aqueous dispersions of graphene nanosheets, Nature Nanotechnology 3 (2008) 101 [0050]
- X. Li et al.: Large-Area Synthesis of High-Quality and Uniform Graphene Films on Copper Foils, Science 324 (2009) 131 [0050]
- Z. Sun et al.: Growth of graphene from solid carbon sources, Nature 468 (2010) 549 [0050]
- K. S. Kim et al.: Large-scale pattern growth of graphene films for stretchable transparent electrodes, Nature 457 (2008) 706 [0051]
