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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
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Manche Gassensoren können beispielsweise darauf basieren, dass zu detektierende Moleküle an einer Sensoroberfläche haften können und sich dadurch eine elektrische Leitfähigkeit ändern kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine Gassensorvorrichtung zum Erfassen mindestens eines gasförmigen Analyten, ein Verfahren zum Herstellen einer Gassensorvorrichtung zum Erfassen mindestens eines gasförmigen Analyten, ein Verfahren zum Erfassen mindestens eines gasförmigen Analyten, weiterhin eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
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Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können insbesondere bei einem Gassensor beispielsweise an zumindest einer Elektrode angeordnete Halbleiter-Mikronadeln zur Ionisation von Gasmolekülen verwendet werden. An solchen Mikronadeln können sich bei Anlegen einer Spannung insbesondere elektrische Felder ausbilden, die zu einer Ionisation von Molekülen in einer Umgebungsluft der Mikronadeln ausreichend sind.
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Vorteilhafterweise können gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Gassensoren bereitgestellt oder verwendet werden, die auf der Ionisation von Molekülen basieren und bezüglich Sensitivität, Selektivität und Regeneration Vorteile bieten. Durch den Einsatz von Halbleiter-Mikronadeln können insbesondere auch eine Größe, benötigte elektrische Spannungen und Kosten solcher Gassensoren gesenkt werden. Somit können beispielsweise Ionisationssensoren miniaturisiert werden, wobei auch für einen Betrieb notwendige elektrische Spannungen reduziert werden können.
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Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können insbesondere Gassensoren bereitgestellt und verwendet werden, die auf der Ionisierung von Molekülen beruhen und es beispielsweise ermöglichen, sensitiv und selektiv Gase in einer Umgebungsluft zu erkennen. Durch die Verwendung von Mikronadeln können insbesondere kleinere Strukturen und lokale Feldüberhöhungen ermöglicht werden, ohne beispielsweise Nanodrähte zu benötigen, wobei hierfür benötigte elektrische Spannungen abgesenkt werden können. Es können für die Ionisation von Gasmolekülen ausreichende Feldstärken bei niedrigen Spannungen insbesondere dadurch erzielt werden, dass Feldüberhöhungen an den Mikronadeln entstehen. Solche Mikronadeln können beispielsweise in exakt definierten Abständen und Abmessungen kontrolliert hergestellt werden.
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Ein weiterer Vorteil solcher Nadeln oder nadelförmiger Vorsprünge beispielsweise gegenüber Nanodrähten, z. B. Golddrähten, Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder dergleichen, kann darin bestehen, dass sie mit genau definierbaren Abmessungen mit ausreichend großen Abständen zwischen benachbarten Nadeln hergestellt werden können. Hierdurch können beispielsweise sowohl Abmessungen von solchen Gassensoren als auch benötigte elektrische Spannungen verringert werden.
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Es wird eine Gassensorvorrichtung zum Erfassen mindestens eines gasförmigen Analyten vorgestellt, wobei die Gassensorvorrichtung folgende Merkmale aufweist:
zumindest ein Elektrodenpaar, das ausgebildet ist, um ansprechend auf ein an das Elektrodenpaar anlegbares, elektrisches Signal eine Ionisation des mindestens einen gasförmigen Analyten zu bewirken, wobei an einer Analytkontaktseite mindestens einer Elektrode des Elektrodenpaars zumindest eine Mikronadel aus einem Halbleitermaterial ausgeformt ist.
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Eine solche Gassensorvorrichtung kann in einer Vielzahl von Anwendungsfeldern eingesetzt werden, wie beispielsweise für Medizintechnik, zum Beispiel zur Atemgasanalyse, für Verbraucherelektronik, zum Beispiel zur Beurteilung einer Luft- oder Lebensmittelqualität, für Gebäude- und Industrietechnik, zum Beispiel zur Steuerung von Klimaanlagen, Erkennung von Gefahrenstoffen etc., und dergleichen. Die Gassensorvorrichtung kann ausgebildet sein, um den mindestens einen gasförmigen Analyten qualitativ und zusätzlich oder alternativ quantitativ zu erfassen. Die zumindest eine Mikronadel kann mindestens teilweise aus dem Halbleitermaterial ausgeformt sein. Dabei kann die zumindest eine Mikronadel aus dem Halbleitermaterial ausgeformt und mit einer Beschichtung versehen sein. Das Halbleitermaterial kann Silizium oder ein anderes Halbleitermaterial sein. Die zumindest eine Mikronadel kann aus und zusätzlich oder alternativ auf einem Substrat oder Halbleitersubstrat hergestellt sein. Die zumindest eine Mikronadel kann über das Substrat in die Gassensorvorrichtung einbindbar oder integrierbar sein. Die Gassensorvorrichtung kann auch zumindest eine Kavität, zumindest eine Gegenelektrode, die im Zusammenhang mit zumindest einem Halbleiter-Bearbeitungsschritt steht, und zusätzlich oder alternativ ein Gehäuse mit Waferbonding aufweisen. Die Analytkontaktseite einer ersten Elektrode eines Elektrodenpaars kann der Analytkontaktseite einer zweiten Elektrode des Elektrodenpaars zugewandt angeordnet sein. Zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode eines Elektrodenpaars kann ein Zwischenraum angeordnet sein, in denen der mindestens eine gasförmige Analyt einleitbar ist. Die zumindest eine Mikronadel kann in Gestalt eines nadelförmigen Vorsprungsabschnittes der Elektrode ausgeformt sein. Dabei kann die Mikronadel in den Zwischenraum zwischen den Elektroden eines Elektrodenpaars hineinragen.
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Gemäß einer Ausführungsform können an der Analytkontaktseite mindestens einer Elektrode des zumindest einen Elektrodenpaars eine Mehrzahl von Mikronadeln ausgeformt sein. Hierbei können die Mehrzahl von Mikronadeln als ein Array von Mikronadeln angeordnet sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine Ionisation erleichtert und verbessert werden kann.
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Auch kann die Gassensorvorrichtung ein erstes Elektrodenpaar und zumindest ein weiteres Elektrodenpaar aufweisen, wobei das erste Elektrodenpaar und das zumindest eine weitere Elektrodenpaar entlang einer Analyteinströmrichtung voneinander beabstandet angeordnet und/oder in der Analyteinströmrichtung hintereinander angeordnet sind. Dabei können das erste Elektrodenpaar und das zumindest eine weitere Elektrodenpaar entlang der Analyteinströmrichtung in die Gassensorvorrichtung hintereinandergeschaltet angeordnet sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass auch unterschiedliche gasförmige Analyten auf einfache Weise erfasst werden können oder eine Plausibilisierung von Messergebnissen auf einfache Weise durchgeführt werden kann.
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Hierbei können zumindest eine Abmessung der zumindest einen Mikronadel, zumindest ein Abstand zwischen benachbarten Mikronadeln und zusätzlich oder alternativ ein Abstand zwischen den Elektroden des zumindest einen Elektrodenpaars von Elektrodenpaar zu Elektrodenpaar unterschiedlich sein. Dabei können sich unterschiedliche Elektrodenpaare hinsichtlich der zumindest einen Abmessung und zusätzlich oder alternativ hinsichtlich des zumindest einen Abstandes unterscheiden. Die zumindest eine Abmessung einer Mikronadel kann eine Länge der Mikronadel von einer Spitze zu der Analytkontaktseite repräsentieren, an der die Mikronadel angeordnet ist. Beispielsweise kann jedoch der Abstand von Mikronadeln auf dem (ersten) Elektrodenpaares gleich sein, wobei sich der Abstand zwischen den Mikronadeln eines zweiten Elektrodenpaares von dem Abstand der Mikronadeln des ersten Elektrodenpaares unterscheidet. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass unterschiedliche Gasspezies auf zuverlässige und exakte Weise erfasst werden können. Hierbei kann für jede zu erwartende Gasspezies eine Elektrodenpaar vorgesehen sein.
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Ferner kann die Gassensorvorrichtung eine Auswerteeinrichtung aufweisen, die ausgebildet ist, um eine von dem mindestens einen gasförmigen Analyten abhängige Eigenschaft eines an dem zumindest einen Elektrodenpaar abgreifbaren, elektrischen Signals auszuwerten. Die Eigenschaft des elektrischen Signals kann eine durch den mindestens einen gasförmigen Analyten verursachte Änderung eines Signalwertes repräsentieren. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass mindestens eine Gasspezies auf einfache und zuverlässige Weise erfasst werden kann.
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Es wird auch ein Verfahren zum Herstellen einer Gassensorvorrichtung zum Erfassen mindestens eines gasförmigen Analyten vorgestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Ausformen zumindest einer Mikronadel aus einem Halbleitermaterial an einer Analytkontaktseite mindestens einer Elektrode zumindest eines Elektrodenpaars; und
Anordnen der Elektroden des zumindest einen Elektrodenpaars, sodass die Analytkontaktseiten der Elektroden einander zugewandt sind, wobei das zumindest eine Elektrodenpaar ausgebildet ist, um ansprechend auf ein an das Elektrodenpaar anlegbares, elektrisches Signal eine Ionisation des mindestens einen gasförmigen Analyten zu bewirken.
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Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein. Durch Ausführen des Verfahrens ist eine Ausführungsform der vorstehend genannten Gassensorvorrichtung herstellbar.
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Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Ausformens die zumindest eine Mikronadel mittels eines Halbleiterbearbeitungsprozesses aus einem Halbleitersubstrat ausgeformt werden. Zusätzlich oder alternativ kann im Schritt des Ausformens die zumindest eine Mikronadel auf einem Halbleitersubstrat aufgewachsen werden. Dabei kann die zumindest eine Mikronadel zumindest an einer Seite mit dem Halbleitersubstrat verbunden sein und über das Halbleitersubstrat elektrisch, thermisch und/oder mechanisch mit der Gassensorvorrichtung koppelbar sein. Anders ausgedrückt kann die zumindest eine Mikronadel aus einem Halbleitermaterial ausgeformt sein, wobei die zumindest eine Mikronadel aus einem Substrat, beispielsweise Silicium, Germanium, Siliciumcarbid, mittels eines Halbleiterbearbeitungsprozesses, zum Beispiel reaktives Ionentiefenätzen, hergestellt sein kann, oder auf einem Substrat aufgewachsen sein kann, beispielsweise per Dampf-Flüssigkeits-Feststoff-Aufwachsverfahren, und zumindest an einer Seite mit dem noch vorhandenen Halbleitersubstrat in Verbindung stehen und über dieses elektrisch, thermisch und zusätzlich oder alternativ mechanisch in die Gassensorvorrichtung angebunden sein kann. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine einfachere Handhabung bei der Herstellung erreicht werden kann.
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Ferner können im Schritt des Ausformens zumindest eine Abmessung der zumindest einen Mikronadel und zusätzlich oder alternativ zumindest ein Abstand zwischen benachbarten Mikronadeln eingestellt werden. Zusätzlich oder alternativ kann im Schritt des Anordnens ein Abstand zwischen den Elektroden des zumindest einen Elektrodenpaars eingestellt werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass bei der Herstellung der Gassensorvorrichtung eine optimale Anpassung der Gassensorvorrichtung an eine beabsichtigte Anwendung vorgenommen werden kann. Somit ist ein großes Spektrum von erfassbaren gasförmigen Analyten möglich.
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Auch kann im Schritt des Ausformens zumindest ein mikrosystemtechnischer Prozess ausgeführt werden, um die zumindest eine Mikronadel auszuformen. Zusätzlich oder alternativ kann im Schritt des Anordnens zumindest ein mikrosystemtechnischer Prozess ausgeführt werden, um die Elektroden des zumindest einen Elektrodenpaars anzuordnen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass sowohl genau definierte Mikronadeln mit geringen Abweichungen oder Toleranzen als auch eine Miniaturisierung der Gassensorvorrichtung ermöglicht werden.
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Es wird ferner ein Verfahren zum Erfassen mindestens eines gasförmigen Analyten vorgestellt, wobei das Verfahren in Verbindung mit einer Ausführungsform der vorstehend genannten Gassensorvorrichtung ausführbar ist, wobei das Verfahren folgenden Schritt aufweist:
Anlegen eines elektrischen Signals an das zumindest eine Elektrodenpaar, um eine Ionisation des mindestens einen gasförmigen Analyten zu bewirken.
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Unter einem solchen Anlegen eines elektrischen Signals kann hier ein Einprägen eines Stromes oder das Beaufschlagen des Elektrodenpaares mit einer Spannung verstanden werden.
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Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein. Das Verfahren ist in Verbindung mit oder unter Verwendung einer Ausführungsform der vorstehend genannten Gassensorvorrichtung ausführbar.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren auch einen Schritt des Auswertens einer von dem mindestens einen gasförmigen Analyten abhängigen Eigenschaft eines an dem zumindest einen Elektrodenpaar abgreifbaren, elektrischen Signals aufweisen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass der mindestens eine gasförmige Analyt auf einfache und zuverlässige Weise erfasst werden kann, indem die Eigenschaft des elektrischen Signals ausgewertet wird. Hierbei kann somit vorteilhafterweise sowohl zur Ionisation als auch zur Auswertung oder Analyse das zumindest eine Elektrodenpaar verwendet werden.
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Dabei kann im Schritt des Auswertens eine Strom-Spannungs-Messung oder eine zeitaufgelöste Strom-Spannungs-Messung des an dem zumindest einen Elektrodenpaar abgreifbaren, elektrischen Signals ausgeführt werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass auch eine Erfassung verschiedener gasförmiger Analyten auf exakte und zuverlässige Weise realisiert werden kann.
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Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine schematische Schnittdarstellung einer Gassensorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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2 eine schematische Schnittdarstellung einer Gassensorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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3 eine schematische Schnittdarstellung einer Gassensorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
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5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Erfassen gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Gassensorvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Gassensorvorrichtung 100 ist ausgebildet, um mindestens einen gasförmigen Analyten zu erfassen. Insbesondere ist die Gassensorvorrichtung 100 ausgebildet, um den mindestens einen gasförmigen Analyten quantitativ und/oder qualitativ zu erfassen. Dabei ist die Gassensorvorrichtung 100 ausgebildet, um zum Erfassen des mindestens einen gasförmigen Analyten eine Ionisation von Gasmolekülen durchzuführen.
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Die Gassensorvorrichtung 100 weist ein Gehäuse 102 auf, in dem eine Einströmöffnung 104 ausgeformt ist. Durch die Einströmöffnung 104 kann der mindestens eine gasförmige Analyt entlang einer Analyteinströmrichtung 106, die in 1 symbolisch dargestellt ist, in die Gassensorvorrichtung 100 bzw. das Gehäuse 102 der Gassensorvorrichtung 101 einströmen.
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Die Gassensorvorrichtung 100 weist gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ein Elektrodenpaar auf, das eine erste Elektrode 110 und eine zweite Elektrode 120 aufweist. Die erste Elektrode 110 und die zweite Elektrode 120 sind einander gegenüberliegend mit einem Zwischenraum zwischen denselben angeordnet. Die erste Elektrode 110 weist eine erste Analytkontaktseite 112 auf, die eine der zweiten Elektrode 120 zugewandte Hauptoberfläche der ersten Elektrode 110 repräsentiert. Die zweite Elektrode 120 weist eine zweite Analytkontaktseite 122 auf, die eine der ersten Elektrode 110 zugewandte Hauptoberfläche der zweiten Elektrode 120 repräsentiert. Somit sind die erste Elektrode 110 und die zweite Elektrode 120 so angeordnet, dass die Analytkontaktseiten 112 und 122 einander zugewandt sind.
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Der mindestens eine gasförmige Analyt kann entlang der Analyteinströmrichtung 106 in den Zwischenraum zwischen der ersten Elektrode 110 und der zweiten Elektrode 120 des Elektrodenpaars einströmen. Das Elektrodenpaar ist ausgebildet, um ansprechend auf ein an die erste Elektrode 110 und die zweite Elektrode 120 anlegbares, elektrisches Signal eine Ionisation des mindestens einen gasförmigen Analyten zu bewirken. Anders ausgedrückt ist der mindestens eine gasförmige Analyt durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die erste Elektrode 110 und an die zweite Elektrode 120 ionisierbar.
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An der zweiten Elektrode 120 sind gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine Mehrzahl von Mikronadeln 130 an der zweiten Analytkontaktseite 122 ausgeformt. Dabei sind die Mikronadeln 130 aus einem Halbleitermaterial, insbesondere aus Silizium ausgeformt. In der Darstellung von 1 sind hierbei beispielhaft lediglich vier Mikronadeln 130 gezeigt. Die Mikronadeln 130 sind in Gestalt von Vorsprüngen von der zweiten Analytkontaktseite 122 der zweiten Elektrode 120 in Richtung zu der ersten Analytkontaktseite 112 der ersten Elektrode 110 hin ausgeformt. Dabei sind die Mikronadeln 130 entlang einer Ebene der zweiten Analytkontaktseite 122 voneinander beabstandet angeordnet. Jede der Mikronadeln 130 verjüngt sich hierbei von der zweiten Analytkontaktseite 122 weg zu einer Spitze der Mikronadel 130. Dabei sind die Mikronadeln 130 innerhalb von Fertigungstoleranzen hinsichtlich ihrer Abmessungen identisch.
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In 1 sind ferner mehrere Abstände 142, 144, 146 und 148 hinsichtlich der Elektroden 110 und 120 sowie der Mikronadeln 130 eingezeichnet. Auf die Abstände 142, 144, 146 und 148 wird nachfolgend detaillierter eingegangen.
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Ein erster Abstand 142 repräsentiert hierbei einen Abstand zwischen der ersten Elektrode 110 und der zweiten Elektrode 120. Der erste Abstand 142 entspricht hierbei einem Abstand zwischen der ersten Analytkontaktseite 112 der ersten Elektrode 110 und der zweiten Analytkontaktseite 122 der zweiten Elektrode 120. Ein zweiter Abstand 144 repräsentiert einen Abstand zwischen den Spitzen der Mikronadeln 130 und der ersten Analytkontaktseite 112 der ersten Elektrode 110.
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Aus einer Differenz zwischen dem ersten Abstand 142 und dem zweiten Abstand 144 ergibt sich eine Länge der Mikronadeln 130, oder anders ausgedrückt eine Abmessung der Mikronadeln 130 entlang ihrer Längserstreckungsachsen. Gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beträgt der zweite Abstand 144 zumindest die Hälfte des ersten Abstandes 142. Prinzipiell sind jedoch auch kleinere Abstände denkbar.
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Ein dritter Abstand 146 repräsentiert einen von Spitze zu Spitze gemessenen Abstand zwischen benachbarten Mikronadeln 130. Anders ausgedrückt entspricht der dritte Abstand 146 einem maximalen Abstand zwischen benachbarten Mikronadeln 130. Ein vierter Abstand 148 repräsentiert einen in einer Ebene der zweiten Analytkontaktseite 122 oder von Basis zu Basis gemessenen Abstand zwischen benachbarten Mikronadeln 130. Anders ausgedrückt entspricht somit der vierte Abstand 148 einem minimalen Abstand zwischen benachbarten Mikronadeln 130.
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Gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist die Gassensorvorrichtung 100 ferner eine Auswerteeinrichtung 150 auf. Dabei ist die Auswerteeinrichtung 150 beispielsweise innerhalb des Gehäuses 102 angeordnet oder mit dem Gehäuse 102 verbunden. Das Elektrodenpaar mit der ersten Elektrode 110 und der zweiten Elektrode 120 ist hierbei zwischen der Einströmöffnung 104 und der Auswerteeinrichtung 150 angeordnet. Die Auswerteeinrichtung 150 ist ausgebildet, um eine von dem mindestens einen gasförmigen Analyten abhängige Eigenschaft eines an der ersten Elektrode 110 und der zweiten Elektrode 120 abgreifbaren, elektrischen Signals auszuwerten. Hierbei ist unter Verwendung der Auswerteeinrichtung 150 ein elektrischer Stromfluss zwischen der ersten Elektrode 110 und der zweiten Elektrode 120 messbar.
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2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Gassensorvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Hierbei entspricht die in 2 gezeigte Gassensorvorrichtung 100 der Gassensorvorrichtung aus 1 mit Ausnahme dessen, dass auch an der ersten Analytkontaktseite 112 der ersten Elektrode 110 eine Mehrzahl von Mikronadeln 130 ausgeformt sind. Die Mikronadeln 130, die an der ersten Analytkontaktseite 112 der ersten Elektrode 110 ausgeformt sind, entsprechen hierbei hinsichtlich Form, Gestalt bzw. Schnittprofil den an der zweiten Analytkontaktseite 122 der zweiten Elektrode 120 ausgeformten Mikronadeln 130. Lediglich beispielhaft sind die an der ersten Analytkontaktseite 112 ausgeformten Mikronadeln 130 entlang einer Ebene der ersten Analytkontaktseite 112 relativ zu den an der zweiten Analytkontaktseite 122 ausgeformten Mikronadeln 130 versetzt angeordnet.
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3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Gassensorvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die in 3 dargestellte Gassensorvorrichtung 100 entspricht hierbei der Gassensorvorrichtung aus 1 oder 2 mit Ausnahme dessen, dass die Gassensorvorrichtung 100 drei Elektrodenpaare aufweist. Die Anzahl von drei Elekotrdenpaaren ist hier nicht kritisch; wichtig ist vor allem, dass beispielhaft gezeigt ist, wie eine beliebige Kombination von Einzelstrukturen (wie in 1 und 2 gezeigt) zusammengeschaltet wird, um so unterschiedliche Analyte untersuchen zu können.
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Ein erstes Elektrodenpaar der Gassensorvorrichtung 100 entspricht dabei dem Elektrodenpaar der Gassensorvorrichtung aus 2, wobei das erste Elektrodenpaar somit die erste Elektrode 110 und die zweite Elektrode 120 aus 2 aufweist. Hierbei sind gemäß dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die an der ersten Analytkontaktseite 112 ausgeformten Mikronadeln 130 gegenüberliegend bezüglich der an der zweiten Analytkontaktseite 122 ausgeformten Mikronadeln 130 angeordnet.
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Ein zweites Elektrodenpaar der Gassensorvorrichtung 100 weist eine dritte Elektrode 310 und eine vierte Elektrode 320 auf. Das zweite Elektrodenpaar entspricht hierbei dem Elektrodenpaar aus 1 mit Ausnahme dessen, dass die Mikronadeln 130, die an der Analytkontaktseite der vierten Elektrode 320 ausgeformt sind, eine andere Abmessung, insbesondere eine größere Länge, aufweisen. Genau gesagt ist der zweite Abstand, der sich zwischen einer Analytkontaktseite der dritten Elektrode 310 und den Spitzen der Mikronadeln 130 erstreckt, bei dem zweiten Elektrodenpaar in 3 geringer als bei dem Elektrodenpaar aus 1.
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Ein drittes Elektrodenpaar der Gassensorvorrichtung 100 weist eine fünfte Elektrode 315 und eine sechste Elektrode 325 auf. Das dritte Elektrodenpaar entspricht hierbei dem zweiten Elektrodenpaar oder dem in 1 gezeigten Elektrodenpaar mit Ausnahme dessen, dass die Mikronadeln 130, die an der Analytkontaktseite der sechsten Elektrode 324 ausgeformt sind, eine andere Abmessung, insbesondere eine geringere Länge, aufweisen. Genau gesagt ist der zweite Abstand, der sich zwischen einer Analytkontaktseite der fünften Elektrode 315 und den Spitzen der Mikronadeln 130 erstreckt, bei dem dritten Elektrodenpaar größer als bei dem zweiten Elektrodenpaar und als bei dem Elektrodenpaar aus 1.
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Die drei Elektrodenpaare sind entlang der Analyteinströmrichtung 106 voneinander beabstandet angeordnet. Dabei sind die drei Elektrodenpaare zwischen der Einströmöffnung 104 und der Auswerteeinrichtung 150 angeordnet. Hierbei ist das zweite Elektrodenpaar zwischen dem ersten Elektrodenpaar und dem dritten Elektrodenpaar angeordnet.
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Der erste Abstand zwischen der ersten Elektrode 110 und der zweiten Elektrode 120 entspricht hierbei innerhalb von Fertigungstoleranzen dem ersten Abstand zwischen der dritten Elektrode 310 und der vierten Elektrode 320 sowie dem ersten Abstand zwischen der fünften Elektrode 315 und der sechsten Elektrode 326. Die Mikronadeln 130 weisen bei jedem der drei Elektrodenpaare verglichen mit den jeweils anderen beiden Elektrodenpaaren zumindest eine unterschiedliche Abmessung auf. Zudem weist das erste Elektrodenpaar die Mikronadeln 130 an beiden Elektroden 110 und 120 auf, wobei das zweite Elektrodenpaar die Mikronadeln 130 an der vierten Elektrode 320 aufweist und das dritte Elektrodenpaar die Mikronadeln 130 an der sechsten Elektrode 325 aufweist.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 400 zum Herstellen gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 400 ist ausführbar, um eine Gassensorvorrichtung zum Erfassen mindestens eines gasförmigen Analyten herzustellen. Durch Ausführen des Verfahrens 400 ist Gassensorvorrichtung aus einer der 1 bis 3 oder eine ähnliche Gassensorvorrichtung herstellbar.
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Das Verfahren 400 zum Herstellen weist einen Schritt 410 des Ausformens zumindest einer Mikronadel aus einem Halbleitermaterial an einer Analytkontaktseite mindestens einer Elektrode zumindest eines Elektrodenpaars auf. Auch weist das Verfahren 400 zum Herstellen einen Schritt 420 des Anordnens der Elektroden des zumindest einen Elektrodenpaars auf. Dabei wird der Schritt 420 des Anordnens so ausgeführt, dass die Analytkontaktseiten der Elektroden einander zugewandt sind. Das zumindest eine Elektrodenpaar mit den so ausgeformten Mikronadeln und den so angeordneten Elektroden ist ausgebildet, um ansprechend auf ein an das Elektrodenpaar anlegbares, elektrisches Signal eine Ionisation des mindestens einen gasförmigen Analyten zu bewirken.
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Insbesondere wird im Schritt 410 des Ausformens zumindest ein mikrosystemtechnischer Prozess ausgeführt, um die zumindest eine Mikronadel auszuformen. Zusätzlich oder alternativ wird im Schritt 420 des Anordnens zumindest ein mikrosystemtechnischer Prozess ausgeführt, um die Elektroden des zumindest einen Elektrodenpaars anzuordnen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird im Schritt 410 des Ausformens zumindest eine Abmessung der zumindest einen Mikronadel und/oder zumindest ein Abstand zwischen benachbarten Mikronadeln eingestellt. Optional wird im Schritt 420 des Anordnens ein Abstand zwischen den Elektroden des zumindest einen Elektrodenpaars eingestellt.
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5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 500 zum Erfassen gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 500 ist ausführbar, um mindestens einen gasförmigen Analyten zu erfassen. Dabei ist das Verfahren 500 in Verbindung mit oder unter Verwendung der Gassensorvorrichtung aus einer der 1 bis 3 oder einer ähnlichen Gassensorvorrichtung ausführbar.
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Das Verfahren 500 zum Erfassen weist einen Schritt 510 des Anlegens eines elektrischen Signals an das zumindest eine Elektrodenpaar auf, um eine Ionisation des mindestens einen gasförmigen Analyten zu bewirken. Dabei wird im Schritt 510 des Anlegens beispielsweise eine elektrische Spannung an das zumindest eine Elektrodenpaar angelegt.
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Gemäß dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist das Verfahren 500 zum Erfassen nach dem Schritt 510 des Anlegens ferner einen Schritt 520 des Auswertens einer von dem mindestens einen gasförmigen Analyten abhängigen Eigenschaft eines an dem zumindest einen Elektrodenpaar abgreifbaren, elektrischen Signals auf. Dabei wird im Schritt 520 des Auswertens beispielsweise ein elektrischer Stromfluss zwischen den Elektroden des zumindest einen Elektrodenpaars ausgewertet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird im Schritt 520 des Auswertens eine Strom-Spannungs-Messung oder eine zeitaufgelöste Strom-Spannungs-Messung des an dem zumindest einen Elektrodenpaar abgreifbaren, elektrischen Signals ausgeführt.
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Unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung nachfolgend mit anderen Worten und zusammenfassend erläutert.
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Bei der Gassensorvorrichtung 100, die als ein Ionisationsgassensor ausgeführt ist, erfolgt eine Ionisation von Gasmolekülen mit Hilfe der Mikronadeln 130 bzw. Silizium-Mikronadeln 130. Die Gassensorvorrichtung 100 ermöglicht es, unterschiedliche Gase bzw. gasförmigen Analyten anhand ihrer charakteristischen Ionisationsspannung zu bestimmen, insbesondere mittels einer Strom-Spannungs-Messung unter Verwendung der Auswerteeinrichtung 150. Zur Detektion wird beispielsweise ein elektrischer Stromfluss zwischen den Elektroden 110 und 120, 310 und 320 und/oder 315 und 325 gemessen, die auch zur Ionisation genutzt werden. Alternativ kann das Auswerten beispielsweise wie in einem üblichen Ionisationsmobilitätsspektrometer erfolgen, d. h. mit einer zeitaufgelösten Strom-Spannungs-Messung, wobei verschiedene Moleküle durch ihre charakteristischen Driftgeschwindigkeiten und Wechselwirkungen mit einem Umgebungsgas unterschieden werden können.
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Wenn der zumindest eine gasförmige Analyt bzw. ein zu untersuchendes Gas oder Gasgemisch in der Gassensorvorrichtung 100 angeordnet ist, wird zwischen den zumindest zwei Elektroden 110 und 120, 310 und 320 und/oder 315 und 325 eine elektrische Spannung angelegt, um dazwischen befindliche Gasmoleküle zu ionisieren. Es wird vorgeschlagen, zumindest eine der Elektroden 110, 120, 310, 320, 315 und 325 mit Silizium-Mikronadeln 130 zu versehen. An den Mikronadeln 130 kommt es zu signifikanten Überhöhungen eines elektrischen Feldes, sodass die Ionisation insbesondere bei geringen, angelegten Spannungen erfolgen kann.
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Die Abmessungen oder Abstände 142, 144, 146 und 148 sind unter Verwendung von Prozessen aus der Mikrosystemtechnik kontrolliert einstellbar, wobei insbesondere Sensitivität und Selektivität einstellbar sind. Insbesondere ist eine hinreichend große Separation der einzelnen Mikronadeln 130 über den dritten Abstand 146 und den vierten Abstand 148 einstellbar, um eine Feldüberhöhung an den einzelnen Mikronadeln 130 zu realisieren. Eine gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung gegebene Möglichkeit zur Kontrolle dieser Parameter stellt, insbesondere verglichen mit bisherigen Realisierungen, in denen anstelle von strukturierten Mikronadeln 130 z. B. gewachsene Kohlenstoffnanoröhren benutzt werden, einen Vorteil dar.
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Es können beide Elektroden eines Elektrodenpaars mit Mikronadeln 130 versehen sein oder werden, wie die Elektroden 110 und 120 aus 2 bzw. die erste Elektrode 110 und die zweite Elektrode 120 aus 3, oder es kann lediglich eine Elektrode eines Elektrodenpaars mit Mikronadeln 130 sehen sein oder werden, wie die Elektrode 120 aus 1, die vierte Elektrode 320 aus 3 und die sechste Elektrode 325 aus 3. Auch können Kombinationen von Elektrodenpaaren mit je zwei Elektroden 110 und 120, 310 und 320 und/oder 315 und 325 mit unterschiedlicher Anordnung von Mikronadeln 130 miteinander verschaltet werden, um eine Sensitivität und Selektivität der Gassensorvorrichtung 100 an spezielle Anforderungen anzupassen.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
