DE102020131703A1

DE102020131703A1 - Sensor zum Detektieren von in einer Lösung enthaltenen Ionen und Verfahren davon

Info

Publication number: DE102020131703A1
Application number: DE102020131703.4A
Authority: DE
Inventors: Hans Kleemann; Daniel Firzlaff; Kathrin Harre
Original assignee: Technische Universitaet Dresden; Hochschule fuer Technik und Wirtschaft Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden; Hochschule fuer Technik und Wirtschaft Dresden
Priority date: 2020-11-30
Filing date: 2020-11-30
Publication date: 2022-06-02

Abstract

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird ein Sensor (100, 400a, 400b, 400c, 400d, 500a, 500b) zum Detektieren von in einer Lösung enthaltenen Ionen, der Sensor (100) aufweisend: ein Substrat (102) bestehend aus ein oder mehreren bioabbaubaren Materialien; ein oder mehrere auf dem Substrat (102) angeordnete Sensoreinheiten (110), wobei jede der ein oder mehreren Sensoreinheiten (110) aufweist: eine Elektrodenstruktur (112) aufweisend mindestens zwei Elektroden (112a, 112b), wobei jede der mindestens zwei Elektroden (112a, 112b) aus ein oder mehreren bioabbaubaren Materialen besteht und wobei die Elektrodenstruktur (112) eingerichtet ist zum Detektieren von in einer Lösung enthaltenen Ionen, wenn die Lösung in Kontakt mit der Elektrodenstruktur (112) gebracht ist.

Description

Verschiedene Ausführungsbeispiele betreffen einen Sensor zum Detektieren von in einer Lösung enthaltenen Ionen, ein Verfahren zum Detektieren von in einer Lösung enthaltenen Ionen und Verfahren zum Betreiben eines Sensors zum Detektieren von in einer Lösung enthaltenen Ionen.
In verschiedenen Bereichen ist die Analyse von Ionen enthaltenden Lösungen bzw. die Bestimmung von Ionensorten und/oder deren Konzentrationen in Flüssigkeiten von zunehmender Bedeutung. In den letzten Jahren wurden Ionenselektive Sensoren entwickelt, welche als Sensor für die Konzentration oder die Aktivität eines bestimmten gelösten Ions dienen. Die Ionen-selektiven Sensoren finden beispielsweise in der analytischen Chemie einschließlich der Umweltanalytik, in biochemischer und biophysikalischer Forschung und in industriellen Prozessen Einsatz. Eine bekannte ionenselektive Elektrode ist beispielsweise die pH-Elektrode, die beispielsweise auf Protonen (Wasserstoff- oder Hydroniumionen) anspricht.
Sensoren können ein Elektroden-Feld aufweisen, beispielsweise aufweisend mehrere Elektroden, wobei eine zwischen den Elektroden gemessene Impedanz durch die Ionenkonzentration im Elektrolyten beeinflusst wird. Wird ein elektrisches Signal (z.B. AC-Kleinspannungssignal, 20 mV) an die Elektroden angelegt, so können sich die Ionen zwischen den Elektroden bewegen. Aufgrund der begrenzten Ionengeschwindigkeit können die Ionen aber dem elektrischen Signal nicht beliebig schnell folgen, so dass oberhalb einer gewissen Grenzfrequenz die Impedanz-Antwort auf das Kleinspannungssignal kapazitiv und unterhalb resistiv ist. Diese Grenzfrequenz hängt von der ionenspezifischen Driftgeschwindigkeit ab, weshalb durch eine Frequenzvariation des Kleinspannungssignals die mittlere Beweglichkeit der Ionen und somit die dominante Ionensorte in einer Testlösung ermittelt werden kann. Die Ionenkonzentration kann ebenfalls - beispielsweise mittels einer Drei-Elektrodenkonfiguration - ermittelt werden, da die Gleichgewichtskonzentration an Ionen in einem Material die DC-Leitfähigkeit des Materials beeinflussen kann.
Gemäß verschiedenen Aspekten wurde beispielsweise erkannt, dass es ein Bedürfnis zur Verringerung der zunehmenden Umweltproblematik durch übermäßigen Müll, beispielsweise Kunststoffmüll und Elektronikabfall, geben kann. Kunststoffmüll kann herstellungsbedingt einen immer größeren Volumenanteil des anfallenden Mülls bei Produkten, beispielsweise bei Sensoren, ausmachen. Trotz eines gewissen steigenden Umweltbewusstseins sind beispielsweise Sensoren-Anwender nicht unbedingt bereit, ein attraktives Preis-Leistungs-Verhältnis aufzugeben, das herkömmliche, kommerziell erhältliche Sensoren derzeit bieten können.
Verschiedene Ausführungsformen beruhen beispielsweise auf dem Aspekt, einen funktionsfähigen Ionen-selektiven Sensor bereitzustellen, welcher vollständig oder zumindest im Wesentlichen vollständig biologisch abbaubar ist und beispielsweise gemäß einigen Aspekten auch kostengünstig herzustellen ist.
Gemäß verschiedenen Aspekten wurde beispielsweise ferner erkannt, dass ein Bedürfnis zum effektiven Detektieren von Ionen in einer unbekannten Lösung bestehen kann, beispielsweise zum Ermitteln der Konzentration von unterschiedlichen Ionensorten und/oder zum Ermitteln der Ionensorten. Allerdings kann beispielsweise das Ermitteln verschiedener Ionensorten in einer unbekannten Analyt-Lösung dadurch erschwert sein, dass sich die Driftgeschwindigkeiten verschiedener Ionen in einer wässrigen Lösung nur wenig voneinander unterscheiden. Somit können beispielsweise herkömmliche Analysemethoden, die beispielsweise spezifische chemische Reaktionen, optische oder spektroskopische Verfahren verwenden, zu wenig oder nicht selektiv sein, um beliebige unbekannte Analyt-Lösung korrekt zu analysieren.
Verschiedene Ausführungsformen beruhen beispielsweise auf dem Aspekt, einen Ionen-selektiven Sensor bereitzustellen, welcher in der Lage ist, selektiv Ionensorten in einer unbekannten Analyt-Lösung zu ermitteln. Beispielsweise können voneinander verschiedene Ionensorten gleichzeitig und selektiv ermittelt werden.
Gemäß verschiedenen Aspekten wird beispielsweise ein Sensor bereitgestellt. Der Sensor kann beispielsweise zum Detektieren von in einer Lösung enthaltenen Ionen verwendet werden und es können ein oder mehrere Nachteile herkömmlicher Ionen-selektiver Sensoren vermieden werden.
Gemäß verschiedenen Aspekten wird beispielsweise ein Sensor bereitgestellt. Der Sensor kann beispielsweise zum Detektieren von in einer Lösung enthaltenen Ionen verwendet werden und derart ausgestaltet sein, dass wenigstens ein Großteil seiner Bestandteile biologisch abbaubar ist.
Gemäß verschiedenen Aspekten wird beispielsweise ein Sensor bereitgestellt. Der Sensor kann beispielsweise zum Detektieren von in einer Lösung enthaltenen Ionen verwendet werden und derart ausgestaltet sein, dass ein selektives Ermitteln der Konzentration von ein oder mehreren Ionensorten und/oder ein selektives Ermitteln ein oder mehrerer Ionensorten aus einer zu analysierenden Lösung, die eine oder mehrere unbekannte Ionensorten aufweist, ermöglicht ist.
Verschiedene Aspekte beziehen sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors zum Detektieren von in einer Lösung enthaltenen Ionen, wobei das Verfahren zum Betreiben des Sensors das selektive Ermitteln der Konzentration von ein oder mehreren Ionensorten und/oder wobei das selektive Ermitteln der ein oder mehreren Ionensorten aus einer Lösung, welche eine oder mehrere unbekannte Ionensorten enthält, ermöglicht. Gemäß verschiedenen Aspekten wird hierin eine Lösung, welche eine oder mehrere unbekannte Ionensorten enthält, als Ionen-Lösung bezeichnet. Verschiedene Ausführungsformen beziehen sich auf die Analyse einer solchen Ionen-Lösung, z.B. hinsichtlich der Ionensorte(n) und/oder Ionenkonzentrationen, welche die Ionen-Lösung aufweist.
Verschiedene Ausführungsformen beziehen sich auf einen Sensor zum Detektieren von in einer Lösung enthaltenen Ionen. Der Sensor kann beispielsweise aufweisen: ein Substrat bestehend aus ein oder mehreren bioabbaubaren Materialien sowie ein oder mehrere auf dem Substrat angeordnete Sensoreinheiten. Jede der ein oder mehreren Sensoreinheiten kann beispielsweise aufweisen: eine Elektrodenstruktur aufweisend mindestens zwei Elektroden, wobei jede der mindestens zwei Elektroden aus ein oder mehreren bioabbaubaren Materialen bestehen kann und wobei die Elektrodenstruktur zum Detektieren von in einer Lösung enthaltenen Ionen eingerichtet ist, wenn die Lösung in Kontakt mit der Elektrodenstruktur gebracht ist.
Verschiedene Ausführungsformen beziehen sich auf einen Sensor zum Detektieren von in einer Lösung enthaltenen Ionen. Der Sensor kann beispielsweise eine erste Sensoreinheit und eine zweite Sensoreinheit aufweisen. Die erste Sensoreinheit kann beispielsweise aufweisen: mindestens eine erste Funktionsstruktur derart eingerichtet, dass ein erster Teil einer zu detektierenden Lösung in die erste Funktionsstruktur eindringen kann, mindestens eine erste Elektrodenstruktur zum Ermitteln ein oder mehrerer elektrischer Eigenschaften des ersten Teils der Lösung, wobei die erste Funktionsstruktur eingerichtet ist zum Beeinflussen der ein oder mehreren elektrischen Eigenschaften des ersten Teils der Lösung. Die zweite Sensoreinheit kann beispielsweise aufweisen: mindestens eine zweite Funktionsstruktur verschieden von der ersten Funktionsstruktur und derart eingerichtet, dass ein zweiter Teil einer zu detektierenden Lösung in die zweite Funktionsstruktur eindringen kann, mindestens eine zweite Elektrodenstruktur zum Ermitteln ein oder mehrerer elektrischer Eigenschaften des zweiten Teils der Lösung, wobei die zweite Funktionsstruktur eingerichtet ist zum Beeinflussen der ein oder mehreren elektrischen Eigenschaften des zweiten Teils der Lösung.
Verschiedene Ausführungsformen beziehen sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines hierin beschriebenen Sensors, wobei eine Elektrodenstruktur des Sensors wenigstens drei Elektroden aufweist, das Verfahren aufweisend: Inkontaktbringen des Sensors mit der Ionen enthaltenden Lösung derart, dass eine Funktionsstruktur des Sensors wenigstens einen Teil der Lösung aufgenommen hat; Anlegen eines elektrischen Signals an ein oder mehrere der wenigstens drei Elektroden; Ermitteln einer elektrischen Eigenschaft der Funktionsstruktur und/oder einer elektrischen Eigenschaft des Teils der Lösung, so dass eine Ionenkonzentration ermittelt werden kann.
Verschiedene Ausführungsformen beziehen sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines hierin beschriebenen Sensors mit mehreren Sensoreinheiten, wobei eine Elektrodenstruktur der jeweiligen Sensoreinheit wenigstens drei Elektroden aufweist, das Verfahren aufweisend: Inkontaktbringen des Sensors mit der Ionen enthaltenden Lösung derart, dass eine Funktionsstruktur der jeweiligen Sensoreinheit wenigstens einen Teil der Lösung aufgenommen hat; Anlegen eines elektrischen Signals an ein oder mehrere der wenigstens drei Elektroden; Ermitteln einer elektrischen Eigenschaft der Funktionsstruktur und/oder einer elektrischen Eigenschaft des Teils der Lösung, so dass eine Ionenkonzentration ermittelt werden kann.
Verschiedene Ausführungsformen beziehen sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines hierin beschriebenen Sensors mit mehreren Sensoreinheiten, das Verfahren aufweisend: Inkontaktbringen des Sensors mit der Ionen enthaltenden Lösung derart, dass eine erste Funktionsstruktur einer ersten Sensoreinheit wenigstens einen ersten Teil der Lösung mit einer ersten Ionensorte aufgenommen hat und dass eine zweite Funktionsstruktur der zweiten Sensoreinheit wenigstens einen zweiten Teil der Lösung mit der ersten Ionensorte und einer zweiten Ionensorte aufgenommen hat; Anlegen eines elektrischen Signals an zumindest eine Elektrode der ersten Sensoreinheit und zumindest eine Elektrode der zweiten Sensoreinheit; Messen einer ersten elektrischen Eigenschaft der ersten Funktionsstruktur und/oder des ersten Teils der Lösung und Ermitteln der ersten Ionensorte; Messen einer zweiten elektrischen Eigenschaft der zweiten Funktionsstruktur und/oder des zweiten Teils der Lösung, wobei die zweite elektrische Eigenschaft der gleichen Art wie die erste elektrische Eigenschaft ist und sich von der ersten elektrischen Eigenschaft bezüglich des Werts unterscheidet; Ermitteln der zweiten Ionensorte, gegebenenfalls basierend auf dem Unterschied zwischen der zweiten gemessenen elektrischen Eigenschaft und der ersten gemessenen elektrischen Eigenschaft.
Ausführungsbeispiele sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
Es zeigen

1A einen Sensor in einer schematischen Querschnittansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
1B eine schematische Draufsichtansicht des in der 1A dargestellten Sensors, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
1C einen Sensor in einer schematischen Querschnittansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
1D eine schematische Draufsichtansicht des in der 1C dargestellten Sensors, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
1E einen Sensor in einer schematischen Draufsichtansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
1F einen Sensor in einer schematischen Querschnittansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
Figur IG eine schematische Draufsichtansicht des in der 1F dargestellten Sensors, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
1H einen Sensor in einer schematischen Querschnittansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
1I eine schematische Draufsichtansicht des in der 1H dargestellten Sensors, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
2 eine schematische Querschnittansicht einer Elektrode, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
3 einen Sensor in einer schematischen Draufsichtansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
4A-4D schematische Querschnittansichten eines Sensors, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
5A eine schematische Querschnittansicht einer vertikalen Anordnung des Sensors, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
5B eine schematische Querschnittansicht einer horizontalen Anordnung des Sensors, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
6 eine schematische Draufsichtansicht einer Anordnung von Sensoren, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
7 eine schematische Grafik, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
8A-8C schematische Grafiken des Einflusses der Funktionsstruktur des Sensors auf die gemessene Impedanz, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
9 ein schematisches Ablaufdiagram eines Verfahrens zum Betreiben eines Sensors, gemäß verschiedenen Ausführungsformen; und
10 ein schematisches Ablaufdiagram eines Verfahrens zum Betreiben eines Sensors, gemäß verschiedenen Ausführungsformen.

In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil dieser Offenbarung bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen der Erfindung gezeigt sind. Da Komponenten von Ausführungsformen in verschiedenen Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.
Unter dem Begriff „bioabbaubar“ wird im Rahmen dieser Beschreibung beispielsweise eine Eigenschaft eines Materials verstanden. Ein bioabbaubares Material ist beispielsweise derart eingerichtet, dass es biologisch, beispielsweise durch Mikroorganismen (wie beispielsweise Pilze und/oder Bakterien), zersetzt werden kann (auch als kompostierbar bezeichnet). Ein bioabbaubares Material ist beispielsweise derart eingerichtet, dass es biologisch, beispielsweise mittels Enzymen zersetzt werden kann (auch als kompostierbar bezeichnet). Ein Aspekt dabei kann sein, dass das Material vor, während und/oder zumindest nach der Zersetzung für die Umwelt unschädlich ist. Beispielsweise können ein oder mehrere Teile des Sensors (beispielsweise Metallelektroden) in saurer oder basischer Lösung lösliche Salze bilden, die bedenkenlos in die Umwelt eingebracht werden können. Bei der Zersetzung eines bioabbaubaren Materials können auch besondere Organismen und/oder künstliche Umweltfaktoren, die in speziellen Anlagen geschaffen werden können, verwendet werden.
Unter der Formulierung „effektive elektrische Eigenschaft“ bezüglich der Funktionsstruktur kann im Rahmen dieser Beschreibung beispielsweise eine elektrische Eigenschaft verstanden werden, die die Funktionsstruktur besitzt, wenn der Sensor beispielsweise nach einer bestimmten Ansprechzeit seine Balance gefunden hat, beispielsweise wenn die Ionensorten und/oder die Konzentration der Ionensorten in dem Sensor für die Messung stabil sind.
Im Vergleich dazu wird die Formulierung „elektrische Eigenschaft“ allein im Rahmen dieser Beschreibung beispielsweise verwendet, um die elektrische Eigenschaft der Lösung und/oder der Funktionsstruktur zu beschreiben, wenn die Lösung noch nicht unter Einfluss der Elektroden und/oder der Funktionsstruktur des Sensors ist bzw. wenn die Funktionsstruktur noch frei von zu detektierender Lösung ist.
Unter der Formulierung „effektive elektrische Eigenschaft“ bezüglich der zu detektierenden Lösung kann im Rahmen dieser Beschreibung beispielsweise eine elektrische Eigenschaft verstanden werden, die die zu detektierende Lösung besitzt, wenn sie beispielsweise unter Einfluss der Elektroden und/oder der Funktionsstruktur des Sensors ist.
Unter der Formulierung „zu detektierende Lösung“ kann im Rahmen dieser Beschreibung beispielsweise eine Lösung verstanden werden, deren elektrische Eigenschaft beispielsweise von den Elektroden des Sensors gemessen werden kann und/oder von der Funktionsstruktur beeinflusst werden kann. Beispielsweise kann die „zu detektierende Lösung“, die Lösung sein, die zwischen den Elektroden des Sensors ist und/oder in der Funktionsstruktur aufgenommen ist, aber auch diejenige sein, die von der Funktionsstruktur nicht aufgenommen ist und/oder mit den Elektroden des Sensors nicht in Kontakt steht. Die elektrische Eigenschaft dieser Lösung, die an den Sensor angrenzend ist, kann beispielsweise von den Elektroden des Sensors gemessen werden bzw. von der Funktionsstruktur beeinflusst werden.
Die „zu detektierende Lösung“ kann sich beispielsweise von der Lösung, welche Ionen enthält und in die der Sensor getaucht ist, durch die Verteilung der Ionen, die Konzentration der Ionen, die Zusammensetzung der Ionen und/oder die Größe der Ionen unterscheiden. Beispielsweise, für den Fall, dass wenigstens ein Teil der Lösung in die Funktionsstruktur aufgenommen ist bzw. mit den Elektroden in Kontakt ist, kann die elektrische Eigenschaft von, in der Lösung enthaltenen, Ionen somit während dem Detektions-Verfahren von den Elektroden nicht gemessen werden bzw. von der Funktionsstruktur nicht beeinflusst werden. Diese Ionen werden im Rahmen dieser Beschreibung nicht als Teil der zu detektierenden Lösung angesehen.
1A zeigt beispielhaft einen Sensor in einer schematischen Querschnittansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen, und 1B zeigt beispielhaft eine schematische Draufsichtansicht des in der 1A dargestellten Sensors, gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Sensor 100 eingerichtet sein, um Ionen, welche in einer Lösung enthalten sind, zu detektieren. Dabei kann der Sensor 100 ein Substrat 102 und ein oder mehrere Sensoreinheiten 110 aufweisen, welche auf dem Substrat 102 angeordnet sein können. Das Substrat 102 kann ein oder mehrere bioabbaubare Materialien aufweisen oder daraus bestehen. Jede der ein oder mehreren Sensoreinheiten 110 kann eine Elektrodenstruktur 112 mit mindestens zwei Elektroden 112a, 112b aufweisen. Jede der mindestens zwei Elektroden 112a, 112b kann ein oder mehrere bioabbaubare Materialen aufweisen oder daraus bestehen.
Die Elektrodenstruktur 112 kann zum Detektieren von in einer Lösung enthaltenen Ionen eingerichtet sein, wenn die Lösung in Kontakt mit der Elektrodenstruktur 112 gebracht ist. Die zu detektierende Lösung kann eine elektrische Verbindung zwischen den mindestens zwei Elektroden 112a, 112b bilden; beispielsweise derart, dass die Konzentration der in der Lösung enthaltenen Ionen und/oder die Ionensorten der in der Lösung enthaltenen Ionen ermittelt werden kann.
Durch die Anwendung von bioabbaubaren Materialen für die Bestandteile des Sensors wird es beispielsweise ermöglicht, dass ein Sensor zum Detektieren von in einer Lösung enthaltenen Ionen bereitgestellt wird, welcher einen hohen biologischen Abbaugrad aufweist, und somit dessen Einfluss auf die Umweltverschmutzung verringert werden kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können ein oder mehrere Materialien des Substrats 102 ausgewählt sein aus Glas, Metall, Kunststoff und bioabbaubaren Materialien, wobei Beispiele von bioabbaubaren Materialien für das Substrat Polylactide (PLA) und Polyhydroxybutyrat (PHB) sein können.
Die zu detektierende Lösung, welche Ionen enthält, kann eine Elektrolytlösung sein und weist beispielsweise eine elektrolytische Leitfähigkeit auf.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Elektrodenstruktur 112 ein oder mehrere Anschlussterminals 112t aufweisen. Ferner kann die Elektrodenstruktur 112 ein oder mehrere elektrische Leitungen 1121 aufweisen. Die Elektroden 112a, 112b können beispielsweise mittels der ein oder mehreren elektrischen Leitungen 1121 zu den ein oder mehreren Anschlussterminals 112t elektrisch verbunden sein.
Wie in 1A und 1B gezeigt ist, können die Elektroden 112a, 112b der Elektrodenstruktur 112 mittels eines Anschlussterminals 112t an eine externe elektrische Signalquelle 120 gekoppelt sein oder werden. Beim Anlegen eines elektrischen Signals an die Elektroden 112a, 112b kann beispielsweise ein elektrisches Feld in einem Bereich zwischen den Elektroden 112a, 112b gebildet werden. In dem Bereich können sich die Ionen in der Lösung bewegen, angetrieben von dem erzeugten elektrischen Feld. Der somit erzeugte Ionenstrom kann unter anderem abhängig sein von der Ionenkonzentration (auch als Teilchendichte bezeichnet) und der Driftgeschwindigkeit der einzelnen Ionensorten. Der durch die Bewegung der Ionen verursachte Strom (der Ionenstrom) kann beispielsweise mittels eines Auswerte-Schaltkreises 130, beispielsweise eines externen Auswerte-Schaltkreises 130, gemessen werden. Der Auswerte-Schaltkreis 130 kann ebenfalls mit der Elektrodenstruktur, z.B. mit den Elektroden 112a, 112b, verbunden sein. Somit kann beispielsweise die Konzentration der in der Lösung enthaltenen Ionen und/oder die Ionensorten der in der Lösung enthaltenen Ionen ermittelt werden. Es versteht sich, dass anstelle einer externen Stromquelle 120 und eines externen Auswerte-Schaltkreises 130 auch eine entsprechend eingerichtete Analysevorrichtung, z.B. ein Computer, verwendet werden kann, welche entsprechend mit den Elektroden 112a, 112b gekoppelt sein kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können ein oder mehrere Materialien der Elektroden 112a, 112b ausgewählt sein aus hochleitfähigen Polymeren wie beispielsweise PEDOT:PSS und bioabbaubaren Materialien, wobei ein Beispiel von bioabbaubaren Materialien für die Elektroden 112a, 112b Magnesium sein kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Sensor 100 ferner einen Aufnahmebereich 101 zum Aufnehmen der zu detektierenden Lösung aufweisen. Der Aufnahmebereich 101 kann dabei ein Bereich sein, in welchem die elektrolytische Leitfähigkeit der Lösung von den Elektroden 112a, 112b definiert ist, beispielsweise in welchem sich die Ionen unter Einfluss des den an den Elektroden angelegten Signals bewegen. Beispielsweise kann der Aufnahmebereich der Bereich der Lösung sein, der direkt angrenzend zu der Elektrodenstruktur 112 ist, beispielsweise der die Elektrodenstruktur 112 unmittelbar umgibt und/oder umrahmt. Der Aufnahmebereich 101 kann beispielsweise auch einen Bereich 101a zwischen den Elektroden 112a, 112b enthalten, z.B. auf und/oder über einer Oberfläche 102o des Substrats 102, in welchem die zu detektierende Lösung mittels der Elektroden 112a, 112b beeinflusst werden kann.
1C zeigt beispielhaft einen Sensor in einer schematischen Querschnittansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen, und 1D zeigt beispielhaft eine schematische Draufsichtansicht des in der 1C dargestellten Sensors, gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
Der Sensor kann einer oben beschriebenen Ausführungsform eines Sensors entsprechen. Das Substrat, die Sensoreinheit, der Aufnahmebereich und die Elektrodenstruktur können beispielsweise gemäß einer in den 1A,1B beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann jede der ein oder mehreren Sensoreinheiten 110 ferner eine mit der Elektrodenstruktur 112 gekoppelte Funktionsstruktur 114 aufweisen. Dabei kann sich die Funktionsstruktur 114 auf oder über die Elektrodenstruktur 112 erstrecken bzw. die Elektrodenstruktur 112 im Wesentlichen vollständig bedecken oder umgeben.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Funktionsstruktur 114 beispielsweise im physischen Kontakt mit zumindest einem Teil der Elektrodenstruktur 112 sein. Beispielsweise kann die Funktionsstruktur 114, wie in 1C veranschaulicht ist, im physischen Kontakt mit zumindest einem Teil der Elektroden 112a, 112b sein
Die Funktionsstruktur 114 kann zum Beeinflussen oder Modifizieren mindestens einer elektrischen Eigenschaft bzw. einer effektiven, elektrischen Eigenschaft der zu detektierenden Lösung eingerichtet sein. Dabei kann die elektrische Eigenschaft oder die effektive, elektrische Eigenschaft ein elektrischer Widerstand bzw. eine elektrische Leitfähigkeit, eine Ionenbeweglichkeit bzw. Driftgeschwindigkeit und/oder eine Impedanz sein.
Die Funktionsstruktur 114 kann beispielsweise derart eingerichtet sein, dass sie die elektrische Eigenschaft der zu detektierenden Lösung beeinflussen kann, wobei die Funktionsstruktur 114 die zu detektierende Lösung zumindest teilweise aufnimmt. Mit anderen Worten kann die zu detektierende Lösung zumindest teilweise in die Funktionsstruktur 114 eindringen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Funktionsstruktur 114 mittelbar mit der Elektrodenstruktur 112 verbunden sein, beispielsweise mit Abstand zu der Elektrodenstruktur 112, sodass die Funktion der Funktionsstruktur 114 zum Beeinflussen oder Modifizieren oder Ändern mindestens einer elektrischen Eigenschaft und/oder einer effektiven elektrischen Eigenschaft der zu detektierenden Lösung erfüllt ist.
In einer Ausführungsform kann die Funktionsstruktur 114 derart eingerichtet sein, dass sie die elektrische Eigenschaft der zu detektierenden Lösung beeinflussen kann, wobei die Funktionsstruktur 114 in Kontakt mit der zu detektierenden Lösung ist aber ohne, dass die zu detektierende Lösung in die Funktionsstruktur 114 eindringt oder von der Funktionsstruktur 114 aufgenommen wird.
In einer anderen Ausführungsform kann die Funktionsstruktur 114 derart eingerichtet sein, dass wenigstens ein Teil der zu detektierenden Lösung in die Funktionsstruktur 114 aufgenommen wird, wenn die Funktionsstruktur mit der zu detektierenden Lösung in Kontakt ist. Dabei kann die Funktionsstruktur 114 beispielsweise eine poröse Struktur aufweisen. Beispielsweise kann die zu detektierende Lösung in Zwischenräume der Funktionsstruktur 114 eindringen und/oder in die Funktionsstruktur 114 hinein diffundieren und/oder durch die Funktionsstruktur 114 hindurch gelassen werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann der von der Funktionsstruktur 114 aufgenommene Teil der zu detektierenden Lösung die Funktionsstruktur 114 wenigstens teilweise oder im Wesentlichen vollständig tränken.
In der Ausführungsform, in welcher die zu detektierende Lösung die Funktionsstruktur 114 im Wesentlichen vollständig tränkt, kann der Aufnahmebereich 101 beispielsweise im Wesentlichen vollständig die Funktionsstruktur 114 enthalten, beispielsweise über die komplette Dicke der Funktionsstruktur 114 bis zur Oberfläche des Substrats 1020, wie in 1C und 1D veranschaulicht ist.
In der Ausführungsform, in welcher die zu detektierende Lösung die Funktionsstruktur 114 nur teilweise tränkt, kann der von der Funktionsstruktur 114 aufgenommene Teil der zu detektierenden Lösung nur einen Bereich der Funktionsstruktur 114, welcher angrenzend an der zu detektierenden Lösung und im physischen Kontakt mit der zu detektierenden Lösung ist, beispielsweise einen Grenzbereich der Funktionsstruktur 114 zu der zu detektierenden Lösung, tränken. In dieser Ausführungsform überschneiden sich der Aufnahmebereich 101 und die Funktionsstruktur 114, wobei der Aufnahmebereich 101 die Funktionsstruktur 114 nur teilweise enthält. Es versteht sich, dass der Grenzbereich in dem Aufnahmebereich 101 enthalten ist (nicht dargestellt).
Der in den 1C und 1D dargestellte Bereich 101a kann beispielsweise dem zwischen den Elektroden 112a, 112b angeordneten Bereich der Funktionsstruktur 114 entsprechen, welcher wenigstens einen Teil der zu detektierenden Lösung aufgenommen hat.
Zumindest ein Teil der zu detektierenden Lösung, welcher in der Funktionsstruktur 114 aufgenommen ist, kann sich beispielsweise von einem restlichen Teil der zu detektierenden Lösung, welcher nicht in der Funktionsstruktur aufgenommen ist, unterscheiden, z.B. bezüglich der vorhandenen Ionensorten und/oder deren Konzentrationen. Beispielsweise werden Ionensorten mit einem kleinen Ionenradius in die Funktionsstruktur 114 aufgenommen, während Ionensorten mit größerem Ionenradius in der Funktionsstruktur 114 nicht oder zumindest weniger aufgenommen werden. Dabei kann die Funktionsstruktur 114 als selektiv, beispielsweise größenselektiv und/oder Ionenselektiv, für ein oder mehrere Ionensorten eingerichtet sein.
Durch die größenselektive und/oder Ionen-selektive Funktionsstruktur 114 kann beispielsweise erreicht werden, dass beispielsweise die Ionensorte, einer in der Lösung enthaltenen Ionensorte oder von einigen in der Lösung enthaltenen Ionensorten, selektiv ermittelt werden kann und/oder dass die Konzentration, einer in der Lösung enthaltenen Ionensorte oder von einigen in der Lösung enthaltenen Ionensorten, selektiv ermittelt werden kann.
Zumindest ein Teil der zu detektierenden Lösung, welcher in der Funktionsstruktur 114 aufgenommen ist, kann sich beispielsweise von einem restlichen Teil der zu detektierenden Lösung, welcher nicht in der Funktionsstruktur aufgenommen ist, nicht unterscheiden, beispielsweise bezüglich der Ionensorten und/oder der Konzentrationen der verschiedenen Ionensorten.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Funktionsstruktur 114 als Filter fungieren. Beispielsweise kann die Funktionsstruktur 114 ein oder mehrere Schichten aufweisen, welche zumindest einige Ionensorten nicht oder nur geringfügig (z.B. mit einem Bruchteil von weniger als 1/100 verglichen mit der Konzentration der jeweiligen Ionensorte in der Lösung) eindringen lässt (anschaulich auch nicht oder nur gering aufnimmt). Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Funktionsstruktur 114 eine Filterwirkung aufweisen. Beispielsweise kann die Funktionsstruktur 114 ein oder mehrere Schichten aufweisen, welche zwar alle Ionensorten eindringen lässt (anschaulich auch aufnimmt), allerdings die Driftgeschwindigkeiten so beeinflusst, dass innerhalb der ein oder mehreren Schichten ein Konzentrationsgradient der jeweiligen Ionensorte entsteht. Es versteht sich, dass auch beide dieser Funktionen implementiert sein können. Beispielsweise kann die Funktionsstruktur 114 ein oder mehrere Schichten aufweisen, welche zumindest einige Ionensorten eindringen lässt und diese eingedrungenen Ionensorten in der jeweiligen Driftgeschwindigkeit beeinflusst.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Funktionsstruktur 114 eingerichtet sein, um wenigstens einen Teil der zu detektierenden Lösung aufzunehmen, wobei die Ionenbeweglichkeit bzw. Driftgeschwindigkeit, der in der Funktionsstruktur 114 aufgenommenen Ionen des wenigstens einen Teils der zu detektierenden Lösung, durch die Funktionsstruktur 114 modifiziert ist.
Anschaulich unterscheiden sich die Driftgeschwindigkeit bzw. die Beweglichkeit verschiedener Ionensorten in einer Lösung in der Regel (ohne Funktionsstruktur) wenig, so dass das Ermitteln der in der Lösung vorhandenen Ionensorten erschwert wird oder unmöglich sein kann.
Die Funktionsstruktur 114 kann die effektive elektrische Eigenschaft der zu detektierenden Lösung beeinflussen, indem die Funktionsstruktur 114 beispielsweise einen Unterschied in der Driftgeschwindigkeit bzw. der Beweglichkeit der verschiedenen Ionensorten der zu detektierenden Lösung verändert, z.B. vergrößert.
Dadurch kann beispielsweise erreicht werden, dass die in der Lösung vorhandenen Ionensorten, beispielsweise aufgrund ihrer Größe, bezüglich ihrer Driftgeschwindigkeit bzw. Beweglichkeit bessert voneinander getrennt werden und somit besser ermittelt werden können. Dies wird beispielsweise im Zusammenhang mit der Beschreibung der 8A,8B detaillierter erläutert.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Funktionsstruktur 114 ein oder mehrere Polymerschichten aufweisen oder daraus bestehen. Dabei können die ein oder mehreren Polymerschichten ein oder mehrere bioabbaubare Materialien aufweisen oder daraus bestehen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann jede der ein oder mehreren Sensoreinheiten 110 ferner ein oder mehrere mit der Elektrodenstruktur 112 gekoppelte Polymerschichten aufweisen, wobei die ein oder mehreren Polymerschichten eingerichtet sind zum Beeinflussen mindestens einer effektiven elektrischen Eigenschaft der zu detektierenden Lösung, wenn die zu detektierende Lösung in den ein oder mehreren Polymerschichten aufgenommen ist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die ein oder mehreren Polymerschichten derart ausgebildet sein, dass Ionen der zu detektierenden Lösung selektiv derart wenigstens hineingelassen werden, dass die effektive elektrische Eigenschaft der zu detektierenden Lösung geändert werden kann, wenn die zu detektierende Lösung in den ein oder mehreren Polymerschichten aufgenommen ist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die ein oder mehreren Polymerschichten derart ausgebildet sein, dass sich die elektrische Eigenschaft der ein oder mehreren Polymerschichten zu einer effektiven, elektrischen Eigenschaft ändern kann, wenn die zu detektierende Lösung in den ein oder mehreren Polymerschichten aufgenommen ist. Wenn beispielsweise der Aufnahmebereich 101 auch nur teilweise die Funktionsstruktur 114 bzw. die ein oder mehreren Polymerschichten enthält, kann sich die elektrische Eigenschaft, wie beispielsweise der elektrische Widerstand bzw. die Impedanz, der ein oder mehreren Polymerschichten und/oder der Funktionsstruktur 114 verändern, wenn die zu detektierende Lösung in den ein oder mehreren Polymerschichten und/oder in der Funktionsstruktur 114 aufgenommen ist, bzw. wenn die ein oder mehreren Polymerschichten und/oder die Funktionsstruktur 114 noch frei von der zu detektierenden Lösung ist/sind.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Funktionsstruktur 114 ein Biopolymer aufweisen oder daraus bestehen. Dabei kann das Biopolymer beispielsweise einen ampholytischen Charakter (auch amphoteren Charakter genannt) aufweisen.
Beispiele für ein Biopolymer können Polypeptiden sein, beispielsweise Gelatine.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die ein oder mehreren Polymerschichten ein oder mehrere Additive zum Beeinflussen einer oder mehrerer Eigenschaften der Funktionsstruktur 114 aufweisen, beispielsweise ein oder mehrere Plastifizierer und/oder ein oder mehrere Vernetzer.
Durch die Zugabe von Plastifizierern kann die Steifigkeit der Funktionsstruktur 114 und damit der Wasseranteil in der Funktionsstruktur 114 beeinflusst werden.
Durch den Einsatz von Vernetzern kann sich neben der Steifigkeit der Funktionsstruktur 114 auch der Abstand der Molekülketten in dem Material der Funktionsstruktur 114 ändern, wobei Verknüpfungspunkte zwischen den Ketten entstehen können. Durch eine Variation der Vernetzermenge kann die Anzahl und damit die Dichte dieser Verknüpfungspunkte variieren, was zu mehr oder minder dichten „Netzen“ führt.
Abhängig von der Menge der ein oder mehreren Plastifizierer und/oder der ein oder mehreren Vernetzer, welche in den ein oder mehreren Polymerschichten eingesetzt werden, werden sich physikalische Eigenschaften der Funktionsstruktur 114 ändern, wie beispielsweise der Einfluss der Funktionsstruktur 114 auf die elektrische Eigenschaft der zu detektierenden Lösung. Dadurch können beispielsweise die Selektivität der Funktionsstruktur 114 für eine Ionensorte oder eine Gruppe von bestimmten Ionensorten und/oder den Einfluss der Funktionsstruktur 114 auf die Driftgeschwindigkeit der in der in der zu detektierenden Lösung enthaltenen Ionen, beispielsweise aufgrund des Ionenradius der in der zu detektierenden Lösung enthaltenen Ionen, geändert werden.
Beispielsweise, je mehr Vernetzer in der Funktionsstruktur 114 eingesetzt werden, desto höher kann die Dichte an Verknüpfungspunkten in dem Material der Funktionsstruktur 114 bzw. der ein oder mehreren Polymerschichten werden, wodurch die Driftgeschwindigkeit größerer Ionen reduziert werden kann im Vergleich zu kleineren Ionen. Dadurch wird eine selektive bzw. selektivere Trennung der Ionen nach der Größe ermöglicht.
Die Selektivität der Funktionsstruktur 114 und/oder der Einfluss der Funktionsstruktur 114 können weiterhin genauer eingestellt werden, wenn beispielsweise mehrere Polymerschichten mit unterschiedlichen Mengen an Additiven aufeinandergestapelt sind. Beispielsweise können die Additiven in Abhängigkeit von dem gewünschten Eigenschaftsprofil ausgewählt werden.
Mittels einer Funktionsstruktur 114, die mehrere, gestapelte Polymerschichten aufweist, kann ein Sensor 100 bereitgestellt sein, der eine genauere Ermittlung der Konzentration einer Ionensorte ermöglicht. Dabei können die aufeinander gestapelten Polymerschichten als gradueller Filter dienen, wobei die Polymerschicht, die am selektivsten ist, im direkten physischen Kontakt mit den Elektroden 112a, 112b der Elektrodenstruktur 112 stehen kann.
Beispiele für die ein oder mehreren Plastifizierer können Polyole sein, beispielsweise Glycerin oder Sorbitol.
Beispiele für die ein oder mehreren Vernetzer können Gerbstoffe sein, beispielsweise Tanninsäure oder Gallussäure. Weitere Beispiele für die ein oder mehreren Vernetzer können Aldehyde, beispielsweise Form- oder Glutaraldehyd sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die ein oder mehreren Plastifizierer und/oder die ein oder mehreren Vernetzer in einer Menge in dem Material der Funktionsstruktur 114 bzw. der ein oder mehreren Polymerschichten eingesetzt sein, dass die Funktionsstruktur 114 ihre Funktion zum Beeinflussen mindestens einer effektiven elektrischen Eigenschaft der zu detektierenden Lösung erfüllen kann.
Beispielsweise können die ein oder mehreren Plastifizierer in einem Bereich von 0 Gew.-% bis 50 Gew.-% bezogen auf das Gewicht des Materials der Funktionsstruktur 114 bzw. der ein oder mehreren Polymerschichten in das Material eingesetzt werden. Alternativ oder zusätzlich können die ein oder mehreren Vernetzer in einem Bereich von 0 Gew.-% bis 50 Gew.-% bezogen auf das Gewicht des Materials der Funktionsstruktur 114 bzw. der ein oder mehreren Polymerschichten in das Material eingesetzt werden, beispielsweise von 1 Gew.-% bis 25 Gew.-% Tanninsäure.
1E zeigt beispielhaft eine schematische Draufsichtansicht eines in den 1C und 1D dargestellten Sensors mit drei Elektroden, gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
Der Sensor kann einer oben beschriebenen Ausführungsform eines Sensors entsprechen. Das Substrat, die Sensoreinheit, der Aufnahmebereich, die Elektrodenstruktur und die Funktionsstruktur können beispielsweise gemäß einer in den 1A, 1B, 1C, 1D beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet sein.
Wie in 1E veranschaulicht ist, kann die Elektrodenstruktur 112 in verschiedenen Ausführungsformen ferner eine weitere Elektrode 112c aufweisen. Dabei kann die weitere Elektrode 112c beispielsweise auf der gleichen Oberfläche 102o des Substrats 102 angeordnet sein und mit dem gleichen Anschlussterminal 112t kommunikativ und/oder funktional verbunden sein, wie die anderen Elektroden 112a, 112b der Elektrodenstruktur 112. Ferner kann die weitere Elektrode 112c mit der Funktionsstruktur 114 gekoppelt sein.
Die weitere Elektrode 112c kann beispielsweise ein oder mehreren bioabbaubaren Materialien aufweisen oder daraus bestehen, wobei die Elektroden 112a, 112b, 112c der Elektrodenstruktur 112 die gleiche Materialzusammen-setzung aufweisen oder daraus bestehen können.
Weiterhin kann die weitere Elektrode 112c beispielsweise in dem Aufnahmebereich 101 enthalten sein oder beispielsweise wenigstens in Kontakt mit der Lösung stehen.
1F zeigt beispielhaft einen Sensor in einer schematischen Querschnittansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen, und FIG.IG zeigt beispielhaft eine schematische Draufsichtansicht des in der 1F dargestellten Sensors, gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
Der Sensor kann einer oben beschriebenen Ausführungsform eines Sensors entsprechen. Das Substrat, die Sensoreinheit, der Aufnahmebereich, die Elektrodenstruktur und die Funktionsstruktur können beispielsweise gemäß einer in den 1A, 1B, 1C, 1D, 1E beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Sensor 100 und/oder die Sensoreinheit 110 ferner eine zwischen mindestens zwei Elektroden 112a, 112b der Elektrodenstruktur 112 angeordnete Mischleiterstruktur 116 aufweisen. Die Mischleiterstruktur 116 kann beispielsweise sowohl Elektronen als auch Ionen leiten. Die Mischleiterstruktur 116 kann beispielsweise ein halbleitendes Polymer aufweisen oder daraus bestehen. Beispiele von halbleitenden Polymeren für die Mischleiterstruktur 116 können anionen-dotierte oder kationen-dotierte konjugierte Polymere wie beispielsweise PEDOT:PSS, PEDOT:PF6, oder PEDOT:PEI sein.
Dabei kann die Mischleiterstruktur 116 beispielsweise selektiv für wenigstens eine Ionensorte ausgebildet sein. Beispielsweise können entweder Kationen oder Anionen die elektrischen Eigenschaften der Mischleiterstruktur 116 oder zumindest einer Mischleiterschicht der Mischleiterstruktur 116 beeinflussen. Ferner kann die Mischleiterstruktur 116 derart eingerichtet sein, dass beispielsweise mehrere Ionensorten, beispielsweise mit ähnlichen Ionenradien und/oder mit ähnlichen elektrischen Ladungen in die Mischleiterstruktur 116 hinein und/oder durch die Mischleiterstruktur 116 hindurch gelassen werden.
Die Mischleiterstruktur 116 kann anschaulich beispielsweise die zwei Elektroden 112a, 112b wenigstens teilweise bedecken. Die Mischleiterstruktur 116 kann beispielsweise frei von einem physischen Kontakt mit der dritten Elektrode 112c sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ferner eine Selektorschicht (nicht dargestellt) auf der Mischleiterstruktur 116 angeordnet sein oder in der Mischleiterstruktur 116, beispielsweise als Schicht einen Schichtstapel integriert sein. Beispielsweise kann die Selektorschicht im Kontakt mit den drei Elektroden sein und die Mischleiterschicht vollständig überdecken. Dabei kann die Selektorschicht beispielsweise im Wesentlichen gleich wie die in den 1C,1D,1E beschriebene Funktionsschicht 114 ausgebildet, angeordnet und/oder eingerichtet sein. Die Selektorschicht kann gemäß einer anderen Ausführungsform aber auch unterschiedlich als die Funktionsstruktur 114 ausgebildet, angeordnet und/oder eingerichtet sein. Dabei kann die Selektorschicht beispielsweise selektiv durchlässig für wenigstens eine Ionensorte ausgebildet sein, beispielsweise, wenn die Mischleiterstruktur 116 diese Funktion nicht erfüllen kann. Dabei können beispielsweise mehrere Ionensorten, beispielsweise mit ähnlichen Ionenradien und/oder mit ähnlichen elektrischen Ladungen in die Mischleiterstruktur 116 hindurchgelassen werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Selektorschicht beispielsweise ausschließlich elektrisch negativ geladene Teilchen, beispielsweise ein oder mehrere Anionen, hindurchlassen, wenn die Selektorschicht wenigstens einen Teil der zu detektierenden Lösung aufgenommen hat. Dabei dient die Selektorschicht beispielsweise als Anionentauschermembran.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Selektorschicht beispielsweise ausschließlich elektrisch positiv geladene Teilchen, beispielsweise ein oder mehrere Kationen, hindurchlassen, wenn die Selektorschicht wenigstens einen Teil der zu detektierenden Lösung aufgenommen hat. Dabei dient die Selektorschicht beispielsweise als Kationentauschermembran.
Dadurch wird ermöglicht, dass z.B. die Konzentration von ausschließlich ein oder mehrere Anionen oder ein oder mehrere Kationen, welche in der Ionen-Lösung beinhaltet sind, ermittelt werden kann.
Beispielsweise kann die Selektorschicht ein oder mehrere Materialen aufweisen oder daraus bestehen, ausgewählt aus petrochemischen und bioabbaubaren Materialien. Beispiele von bioabbaubaren Materialien können Gelatine, Glycerin, Tanninsäure oder Sorbitol sein.
Wie in 1F, 1G veranschaulicht ist, kann die Selektorschicht beispielsweise im physischen Kontakt mit mindestens zwei Elektroden 112a, 112b der Elektrodenstruktur 112 sein, beispielsweise mit der ersten, zweiten und dritten Elektrode 112a, 112b, 112c. Weiterhin kann die Selektorschicht beispielsweise wenigstens teilweise in dem Aufnahmebereich 101 enthalten sein.
1H zeigt beispielhaft einen Sensor in einer schematischen Querschnittansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen, und II zeigt beispielhaft eine schematische Draufsichtansicht des in der 1H dargestellten Sensors, gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
Der Sensor kann einer oben beschriebenen Ausführungsform eines Sensors entsprechen. Das Substrat, die Sensoreinheit, der Aufnahmebereich, die Elektrodenstruktur, die Funktionsstruktur und die Mischleiterstruktur 116 können beispielsweise gemäß einer in den 1A, 1B, 1C, 1D, 1E, 1F, 1G beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Sensor 100 beispielsweise die in den 1C,1D beschriebene Funktionsstruktur 114, die in der 1E beschriebene weitere Elektrode 112c, und die in den 1F,1G beschriebene Mischleiterstruktur 116 aufweisen.
Wie in den 1H,1I veranschaulicht ist, kann die Funktionsstruktur 114 beispielsweise auf oder über der Mischleiterstruktur 116 angeordnet sein, beispielsweise die Mischleiterstruktur 116 bedecken oder umgeben.
2 zeigt eine schematische Querschnittansicht einer Elektrode, gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
Die hierin beschriebene Elektrode kann wenigstens einer der Elektroden 112a, 112b, 112c der Elektrodenstruktur 112 entsprechen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann mindestens eine Elektrode 112a, 112b, 112c der Elektrodenstruktur 112 eine erste, elektrisch leitende Elektrodenschicht 212m und eine zweite Elektrodenschicht 212p aufweisen. Dabei kann die zweite Elektrodenschicht 212p derart ausgebildet sein, dass der elektrische Kontaktwiderstand zwischen der Elektrodenstruktur 112 und der Ionen-Lösung oder zwischen der Elektrodenstruktur 112 und der Funktionsstruktur 114 gering ist. Die zweite Elektrodenschicht 212p kann beispielsweise eine Ankopplungsschicht sein, welche es beispielsweise ermöglicht die komplexe Impedanz der Ionen-Lösung zu ermitteln.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die zweite Elektrodenschicht 212p beispielsweise auf der ersten, elektrisch leitenden Elektrodenschicht 212m angeordnet sein, beispielsweise im physischen Kontakt mit der ersten, elektrisch leitenden Elektrodenschicht 212m sein und/oder beispielsweise auf Oberfläche der ersten, elektrisch leitenden Elektrodenschicht 212m angeordnet sein, welche in Kontakt mit der zu detektierenden Lösung stehen. In einer Ausführungsform kann die zweite Elektrodenschicht 212p zwischen der Mischleiterstruktur 116 bzw. der Selektorschicht und der ersten, elektrisch leitenden Elektrodenschicht 212m angeordnet sein, oder die Mischleiterstruktur sein. Alternativ oder zusätzlich kann die zweite Elektrodenschicht 212p beispielsweise zwischen der Funktionsstruktur 114 und der ersten, elektrisch leitenden Elektrodenschicht 212m angeordnet sein. In einer weiteren Ausführungsform kann die zweite Elektrodenschicht 212p die erste, elektrisch leitende Elektrodenschicht 212m wenigstens teilweise bedecken, beispielsweise im Wesentlichen vollständig umgeben.
In verschiedenen Ausführungsformen können die erste, elektrisch leitende Elektrodenschicht 212m und/oder die zweite Elektrodenschicht 212p ein oder mehrere bioabbaubare Materialen aufweisen oder daraus bestehen.
Beispiele für Materialen für die erste, elektrisch leitende Elektrodenschicht 212m können Gold, Silber, Magnesium, Aluminium, Platin, Palladium, Silberchlorid, Nickel, Indium Zinnoxid, Graphen, und Graphit sein.
Beispiele für Materialen für die zweite Elektrodenschicht 212p können anionen-dotierte oder kationen-dotierte konjugierte Polymere wie beispielsweise PEDOT:PSS, PEDOT:PF6, oder PEDOT:PEI sein.
3 zeigt beispielhaft eine schematische Draufsichtansicht eines Sensors mit fünf Elektroden, eine Funktionsstruktur und eine Mischleiterschicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
Der Sensor kann einer oben beschriebenen Ausführungsform eines Sensors entsprechen. Das Substrat, die Sensoreinheit, der Aufnahmebereich, die Elektrodenstruktur, die Funktionsstruktur und die Mischleiterschicht können beispielsweise gemäß einer in den 1A, 1B, 1C, 1D, 1E, 1F, 1G, 2 beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet sein.
Wie in der 3 veranschaulicht ist, kann der Sensor 100 eine erste Elektrode 312a, eine zweite Elektrode 312b, eine dritte Elektrode 312c, eine vierte Elektrode 312d und eine fünfte Elektrode 312e aufweisen. Dabei kann jede der ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften Elektroden 312a, 312b, 312c, 312d, 312e mit dem Anschlussterminal 112t kommunikativ und/oder funktional verbunden sein, wobei der Anschlussterminal 112t wiederum beispielsweise für jede Elektrode eine Verbindung mit dem Auswerte-Schaltkreis 120 haben kann.
Die Elektroden können wie in den 1A,1B beschrieben ausgebildet sein.
In verschiedenen Ausführungsformen können sich die jeweilige Elektroden 312a, 312b, 312c, 312d, 312e beispielsweise bezüglich ihrer Zusammensetzung voneinander unterscheiden. Alternativ können mindestens zwei Elektroden der ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften Elektrode 312a, 312b, 312c, 312d, 312e gleich ausgebildet sein. Beispielsweise sind die erste Elektrode 312a und die zweite Elektrode 312b bezüglich ihres Materials gleich ausgebildet und die dritte Elektrode 312c und die vierte Elektrode 312d sind auch bezüglich ihres Materials gleich ausgebildet, wobei sich das Material der ersten und zweiten Elektroden 312a, 312b, von dem Material der dritten und vierten Elektroden 312c, 312d unterscheiden kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Mischleiterstruktur 116 zwischen der dritten Elektrode 312c und der vierten Elektrode 312d angeordnet sein und die dritte Elektrode 312c und die vierte Elektrode 312d wenigstens teilweise überdecken. Dabei kann die Mischleiterstruktur 116 wie in den 1F,1G beschrieben ausgebildet sein.
In verschiedenen Ausführungsformen können die Elektroden 312a, 312b, 312c, 312d, 312e beispielsweise von der Funktionsstruktur 104 bedeckt bzw. umgeben sein, wie in der 3 veranschaulicht ist. Alternativ können einige der Elektroden 312a, 312b, 312c, 312d, 312e von der Funktionsstruktur 104 bedeckt bzw. umgeben sein, beispielsweise die erste Elektrode 312a und die zweite Elektrode 312b können mit der Funktionsstruktur gekoppelt sein (nicht dargestellt). Dabei kann die Funktionsstruktur 104 wie in den 1C,1D beschrieben ausgebildet sein.
Gemäß einer Ausführungsform können die dritte Elektrode 312c, die vierte Elektrode 312d und die fünfte Elektrode 312e zusammen mit der Mischleiterschicht 116 derart ausgebildet sein, dass das Ermitteln der Konzentration von einer Ionensorte bzw. von Ionensorten ermöglicht wird. Zusätzlich können die erste Elektrode 312a und die zweite Elektrode 312b zusammen mit der Funktionsstruktur 104 beispielsweise derart ausgebildet sein, dass das Ermitteln einer Ionensorte bzw. von bestimmten Ionensorten ermöglicht wird.
4A-4D zeigen schematische Querschnittansichten eines Sensors, welcher zwei aufeinander gestapelte Sensoreinheiten aufweist, gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
Der Sensor kann einer oben beschriebenen Ausführungsform eines Sensors entsprechen. Das Substrat, die Sensoreinheit, der Aufnahmebereich, die Elektrodenstruktur und die Funktionsstruktur können beispielsweise gemäß einer in den 1A, 1B, 1C, 1D, 1E, 2, 3 beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet sein.
In den 4A-4D ist zur Vereinfachung der Darstellung und der folgenden Ausführungen keine Mischleiterschicht 116 dargestellt, wobei der Sensor gemäß einer in den 1F, 1G, 1H, 1I, 3 beschriebenen Ausführungsformen eine Mischleiterschicht 116 aufweisen kann.
Gemäß verschieden Ausführungsformen kann wenigstens ein von dem Substrat, der Sensoreinheit, der Elektrodenstruktur, der Mischleiterschicht und der Funktionsstruktur ein oder mehrere bioabbaubare Materialien aufweisen oder daraus bestehen.
Gemäß verschieden Ausführungsformen kann der Sensor 400a, 400b, 400c, 400d zum Detektieren von in einer Lösung enthaltenen Ionen eine erste Sensoreinheit 110-1 mit einer ersten Funktionsstruktur 114-1 und eine zweite Sensoreinheit 110-2 mit einer zweiten Funktionsstruktur 114-2 aufweisen, wobei die erste Funktionsstruktur 114-1 in einer Eigenschaft verschieden ist von der zweiten Funktionsstruktur 114-2. Beispielsweise kann die erste Funktionsstruktur 114-1 derart eingerichtet sein, dass ein erster Teil einer zu detektierenden Lösung in die erste Funktionsstruktur 114-1 eindringen kann, und die zweite Funktionsstruktur 114-2 kann derart eingerichtet, dass ein zweiter Teil einer zu detektierenden Lösung in die zweite Funktionsstruktur 114-2 eindringen kann.
Gemäß verschieden Ausführungsformen kann die erste Sensoreinheit 110-1 mindestens eine erste Elektrodenstruktur 112-1 zum Ermitteln ein oder mehrerer elektrischer Eigenschaften des ersten Teils der Lösung aufweisen, wobei die erste Funktionsstruktur 114-1 eingerichtet ist zum Beeinflussen der ein oder mehreren elektrischen Eigenschaften des ersten Teils der Lösung, und die zweite Sensoreinheit 110-2 kann mindestens eine zweite Elektrodenstruktur 112-2 zum Ermitteln ein oder mehrerer elektrischer Eigenschaften des zweiten Teils der Lösung, wobei die zweite Funktionsstruktur 112-2 eingerichtet ist zum Beeinflussen der ein oder mehreren elektrischen Eigenschaften des zweiten Teils der Lösung.
In 4A,4B,4C,4D kann der Bereich 101a-1 einen Bereich der ersten Funktionsstruktur 114-1 darstellen, in welchem der erste Teil der Lösung von der ersten Funktionsstruktur 114-1 aufgenommen ist, und der Bereich 101a-2 kann einen Bereich der zweiten Funktionsstruktur 114-2 darstellen, in welchem der zweite Teil der Lösung von der zweiten Funktionsstruktur 114-2 aufgenommen ist.
Gemäß verschieden Ausführungsformen kann der Sensor 400a, 400b, 400c, 400d ferner einen Aufnahmebereich 101 zum Aufnehmen der zu detektierenden Lösung aufweisen. Dabei kann der Aufnahmebereich 101 derart eingerichtet sein, dass die zu detektierende Lösung wenigstens in die zweite Funktionsschicht 114-2 eindringen bzw. durchgehen kann.
In einer Ausführungsform, wie in 4A,4B,4C,4D veranschaulicht ist, kann die zweite Sensoreinheit 110-2 auf oder über der ersten Sensoreinheit 110-1 angeordnet sein.
Gemäß verschieden Ausführungsformen kann die zweite Sensoreinheit 110-2 zwischen der ersten Sensoreinheit 110-1 und dem Aufnahmebereich 101 angeordnet sein, wobei die zweite Sensoreinheit 110-2 derart eingerichtet ist, dass die zu detektierende Lösung aus dem Aufnahmebereich 101 durch die zweite Sensoreinheit 110-2 hindurch diffundieren kann und in die erste Funktionsstruktur 114-1 der ersten Sensoreinheit 110-1 eindringen kann.
Wie in 4A,4B veranschaulicht ist, können beispielsweise die erste Sensoreinheit 110-1 auf einem ersten Substrat 102-1 angeordnet sein und die zweite Sensoreinheit 110-2 auf einem zweiten Substrat 102-2 angeordnet sein, wobei das zweite Substrat 102-2 zwischen der ersten Funktionsstruktur 114-1 der ersten Sensoreinheit 110-1 und der zweiten Funktionsstruktur 114-2 der zweiten Sensoreinheit 110-2 angeordnet ist.
Das erste Substrat 102-1 und das zweite Substrat 102-2 können wie das, in den 1A,1B beschriebene, Substrat 102 ausgebildet sein.
In einer Ausführungsform, wie in 4A gezeigt ist, kann das zweite Substrat 102-2 anschaulich ein oder mehrere Durchgangslöcher 118 derart aufweisen, dass die zu detektierende Lösung aus dem Aufnahmebereich 101 durch die ein oder mehreren Durchgangslöcher 118 hindurch in die erste Funktionsstruktur 114-1 der ersten Sensoreinheit 110-1 eindringen kann. Dabei können die Durchgangslöcher als Hohlräume oder durchgehende Öffnungen ausgebildet sein.
In einer Ausführungsform, wie in 4B gezeigt ist, kann das zweite Substrat 102-2 anschaulich eine poröse Struktur derart aufweisen, dass die zu detektierende Lösung aus dem Aufnahmebereich 101 durch die Poren der porösen Struktur hindurch in die erste Funktionsstruktur 114-1 der ersten Sensoreinheit 110-1 eindringen kann.
In verschiedenen Ausführungsformen, wie in 4C,4D gezeigt ist, kann die erste Funktionsstruktur 114-1 wenigstens teilweise im direkten physischen Kontakt mit der zweiten Funktionsstruktur 114-2 angeordnet sein. Dabei ist der Sensor 400c, 400d frei von einem zweiten Substrat zwischen der ersten Sensoreinheit 110-1 und der zweiten Sensoreinheit 110-2.
In einer Ausführungsform, wie in 4C gezeigt, kann die zweite Elektrodenstruktur 112-2 von der ersten Funktionsstruktur 114-1 mittels einer Isolierschicht 418 physisch isoliert sein. In einer anderen Ausführungsform, wie in 4D gezeigt, kann die zweite Elektrodenstruktur 112-2 in der zweiten Funktionsstruktur 114-2 eingebettet bzw. von der zweiten Funktionsstruktur umgeben sein und somit von der ersten Sensoreinheit 110-1 physisch isoliert sein. Dadurch wird ermöglicht, dass die jeweiligen Elektrodenstrukturen 112-1, 112-2 selektiv die in der entsprechenden Funktionsstruktur aufgenommenen Ionensorten Ermitteln können, ohne dass die Signale der jeweiligen Funktionsstrukturen 114-1, 114-2 sich gegenseitig überkreuzen bzw. kontaminieren und Fehler bei dem Ermitteln der Konzentration der in der einen Funktionsstruktur aufgenommenen Ionensorte bzw. Ionensorten und/oder bei dem Ermitteln der in der einen Funktionsstruktur aufgenommenen Ionensorte bzw. Ionensorten.
Der in den 4A,4b,4c,4D gezeigte Sensor 400a, 400b, 400c, 400d ist mit zwei Sensoreinheiten dargestellt. Der Sensor 400a, 400b, 400c, 400d kann aber mehr als zwei Sensoreinheiten, beispielsweise mehr als zwei gestapelte Sensoreinheiten 400a, 400b, 400c, 400d aufweisen, wie beispielsweise in den 5A,5B veranschaulicht ist.
In verschiedenen Ausführungsformen können die erste Funktionsstruktur 114-1 und die zweite Funktionsstruktur 114-2 derart eingerichtet sein, dass eine erste vordefinierte Gruppe von Ionen aus der zu detektierenden Lösung in die erste Funktionsstruktur 114-1 eindringen kann und dass eine zweite vordefinierte Gruppe von Ionen aus der zu detektierenden Lösung und/oder aus dem Aufnahmebereich 101 in die zweite Funktionsstruktur (114-2) eindringen kann. Dadurch wird eine selektive Trennung der Ionen ermöglicht.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die selektive Trennung beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die erste Funktionsstruktur 114-1 und die zweite Funktionsstruktur 114-2 sich beispielsweise bezüglich des Materials der Funktionsstruktur und/oder des Materials der ein oder mehreren Polymerschichten unterscheiden. In einer Ausführungsform kann das Material der ersten Funktionsstruktur 114-1 beispielsweise einen größeren Anteil von Vernetzern aufweisen als das Material der zweiten Funktionsstruktur 114-2.
In einer Ausführungsform können sich die erste vordefinierte Gruppe und die zweite vordefinierte Gruppe durch die Größe bzw. durch den Ionenradius der in der zu detektierenden Lösung enthaltenen Ionen unterscheiden. Beispielsweise kann die zweite definierte Gruppe von Ionen Ionen enthalten, die eine größere Größe bzw. einen größeren Ionenradius aufweisen als die Ionen, die in der ersten definierten Gruppe von Ionen enthalten sind. Anschaulich können Ionen der ersten definierten Gruppe auch in der zweiten definierten Gruppe enthalten sein, wenn die Ionen der ersten definierten Gruppe wegen der Diffusionszeit noch nicht in die erste Funktionsstruktur 114-1 aufgenommen sind. Somit können Ionen aus der zu detektierenden Lösung aus dem Aufnahmebereich 101 in die zweite Funktionsstruktur 114-2 aufgenommen und durchgelassen werden, wobei nur ein Teil der Ionen, die in der zweiten Funktionsstruktur 114-2 aufgenommen und durchgelassen wurden, weiter in die erste Funktionsstruktur 114-1 aufgenommen und durchgelassen werden. In dieser Ausführungsform können die erste Funktionsstruktur 114-1 und die zweite Funktionsstruktur 114-2 derart eingerichtet sein, dass zumindest eine Ionensorte aus der zu detektierenden Lösung in die zweite Funktionsstruktur 114-2, und nicht in die erste Funktionsstruktur 114-1, eindringen kann. Dadurch wird es ermöglicht, dass die erste Sensoreinheit 110-1 selektiv die Konzentration der zumindest einen Ionensorte und/oder die zumindest eine Ionensorte Ermitteln kann, während die zweite Sensoreinheit 110-2 selektiv die Konzentration der restlichen Ionensorte bzw. Ionensorten und/oder die restliche Ionensorte bzw. die restlichen Ionensorten der zu detektierenden Lösung Ermitteln kann.
In einer anderen Ausführungsform können sich die erste vordefinierte Gruppe und die zweite vordefinierte Gruppe bezüglich ihrer Diffusionsgeschwindigkeit beim Eindringen in die zweite Funktionsstruktur 114-2 und in die erste Funktionsstruktur 114-1 unterscheiden. Dabei kann das Ermitteln der Konzentration zumindest einer Ionensorte und/oder das Ermitteln zumindest einer Ionensorte mittels einer zeitlichen Messung erfolgen, wobei die Änderungen in den gemessenen Signalen einen Hinweis auf eine andere detektierte Ionensorte sein kann.
Gemäß den verschiedenen Ausführungsformen können die erste Funktionsstruktur 114-1 und die zweite Funktionsstruktur 114-2 derart eingerichtet sein, dass zumindest eine Ionensorte aus der zu detektierenden Lösung in die erste Funktionsstruktur 114-1 und in die zweite Funktionsstruktur 114-2 eindringen kann, wobei die zumindest eine Ionensorte in der ersten Funktionsstruktur 114-1 eine erste Driftgeschwindigkeit hat und in der zweiten Funktionsstruktur 114-2 eine von der ersten Driftgeschwindigkeit verschiedene zweite Driftgeschwindigkeit.
5A zeigt eine schematische Querschnittansicht einer vertikalen Anordnung des Sensors, gemäß verschiedenen Ausführungsformen; 5B zeigt eine schematische Querschnittansicht einer horizontalen Anordnung des Sensors, gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
In den 5A,5B kann der Sensor 500a, 500b mehrere, beispielsweise vier, Sensoreinheiten 110-1, 110-2, 110-3, 110-4 aufweisen. Die jeweiligen Sensoreinheiten 110-1, 110-2, 110-3, 110-4 können beispielsweise gemäß einer in den 1A-1E, 2, 3, 4A-D beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet sein.
Zur Vereinfachung der Darstellung sind die Sensoreinheiten 110-1, 110-2, 110-3, 110-4 in den 5A,5B, aufweisend jeweils eine Elektrodenstruktur 112-1, 112-2, 112-3, 112-4 und eine Funktionsstruktur 114-1, 114-2, 114-3, 114-4, dargestellt, wobei die Elektrodenstrukturen 112-1, 112-2, 112-3 in 5A jeweils als in kontaktstehend mit zwei Funktionsstrukturen dargestellt sind. Dabei sind die Elektrodenstrukturen 112-1, 112-2, 112-3, 112-4 aber jeweils von den Funktionsstrukturen 114-1, 114-2, 114-3, 114-4 benachbarter Sensoreinheiten 110-1, 110-2, 110-3, 110-4 elektrisch isoliert, beispielsweise gemäß einer der, in den 4C-4D beschriebenen, Ausführungsformen ausgebildet oder beispielsweise gemäß einer der, in den 4A-4B beschriebenen, Ausführungsformen von der Funktionsstruktur einer benachbarten Sensoreinheit mittels eines Substrats isoliert.
Die Funktionsstrukturen 114-1, 114-2, 114-3, 114-4 können gemäß einer der, in den 4A-4D beschriebenen, Ausführungsformen ausgebildet sein und sich voneinander derart unterscheiden, dass sie jeweils für eine vordefinierte Ionengruppe selektiv sind, beispielsweise indem die Funktionsstrukturen 114-1, 114-2, 114-3, 114-4 von oben nach unten (Richtung Substrat 102) eine verringerte Durchlässigkeit größerer Ionen aufweisen. In einer Ausführungsform können die jeweiligen Funktionsstrukturen 114-1, 114-2, 114-3, 114-4 in verschiedenen Lagen, beispielsweise mit verschiedenen Vernetzeranteil auflaminiert werden.
Wie in 5A veranschaulicht ist, kann der Sensor 500a einen vertikalen Aufbau haben. Dabei können die Ionen aus dem Aufnahmebereich 101 beispielsweise erstmal in die vierte Funktionsstruktur 114-4 eindringen, wobei die Ionen bis zu einer vierten vordefinierten Größe groß sein können (durch den ersten linken Pfeil dargestellt).
Dann können Ionen aus der vierten Funktionsstruktur 114-4 durch die vierte Elektrodenstruktur 112-4 in die dritte Funktionsstruktur 114-3 eindringen, wobei die Ionen, die in die dritte Funktionsstruktur eindringen können, bis zu einer dritten vordefinierten Größe groß sein können, wobei die dritte Größe kleiner ist als die vierte Größe (durch den zweiten linken Pfeil dargestellt). Nach dem Eindringen der Ionen in die dritte Funktionsstruktur 114-3 können anschaulich Ionen in der vierten Funktionsstruktur 114-4 bleiben, deren Größe größer ist als die dritte Größe.
Anschließend können Ionen aus der dritten Funktionsstruktur 114-3 durch die dritte Elektrodenstruktur 112-3 in die zweite Funktionsstruktur 114-2 eindringen, wobei die Ionen, die in die zweite Funktionsstruktur eindringen können, bis zu einer zweiten vordefinierten Größe groß sein können, wobei die zweite Größe kleiner ist als die dritte Größe (durch den dritten linken Pfeil dargestellt). Nach dem Eindringen der Ionen in die zweite Funktionsstruktur 114-2 können anschaulich Ionen in der dritten Funktionsstruktur 114-3 bleiben, deren Größe größer ist als die zweite Größe.
Endlich können Ionen aus der zweiten Funktionsstruktur 114-2 durch die zweite Elektrodenstruktur 112-2 in die erste Funktionsstruktur 114-2 eindringen, wobei die Ionen, die in die erste Funktionsstruktur eindringen können, bis zu einer ersten vordefinierten Größe groß sein können, wobei die erste Größe kleiner ist als die zweite Größe (durch den vierten linken Pfeil dargestellt). Nach dem Eindringen der Ionen in die erste Funktionsstruktur 114-1 können anschaulich Ionen in der zweiten Funktionsstruktur 114-2 bleiben, deren Größe größer ist als die erste Größe.
Dabei können die Ionen der zu detektierenden Lösung von der vierten Funktionsstruktur 114-4 in Richtung der ersten Funktionsstruktur 114-1 in den Sensor 500a durch Diffusion eindiffundieren, und die jeweiligen Funktionsstrukturen 114-1, 114-2, 114-3, 114-4 somit beispielsweise als Filter dienen.
Beispielsweise bleiben im Wesentlichen nur diejenigen Ionen in der vierten Funktionsstruktur 114-4, die eine Größe aufweisen, die ungefähr der vierten Größe entspricht. Ferner bleiben beispielsweise im Wesentlichen nur diejenigen Ionen in der dritten Funktionsstruktur 114-3, die eine Größe aufweisen, die ungefähr der dritten Größe entspricht. Ferner bleiben beispielsweise im Wesentlichen nur diejenigen Ionen in der zweiten Funktionsstruktur 114-4, die eine Größe aufweisen, die ungefähr der zweiten Größe entspricht. Und ferner bleiben beispielsweise im Wesentlichen nur diejenigen Ionen in der ersten Funktionsstruktur 114-2, die eine Größe aufweisen, die ungefähr der ersten Größe entspricht.
Dadurch wird ein Sensor zum Detektieren von in einer Lösung enthaltenen Ionen erzeugt, welcher kompakt ist und ein im Wesentlichen gleichzeitiges (abhängig von der Diffusionsgeschwindigkeit der Ionen in die jeweiligen Schichten) Ermitteln der Konzentration von unterschiedlichen Ionensorten und/oder ein im Wesentlichen gleichzeitiges Ermitteln der in der zu detektierenden Lösung enthaltenen Ionensorten ermöglicht.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen kann der Sensor 500a mit dem vertikalen Aufbau eine Ansprechzeit in einem Bereich von ungefähr 100 ms bis ungefähr 100 s aufweisen, wobei die Ansprechzeit die Zeitdauer sein kann, bis der Sensor 500a einen Zustand erreicht hat, in welchem die zu detektierende Lösung in alle Funktionsstrukturen aufgenommen ist und eine Balance gefunden hat, beispielsweise bis der Sensor 500a eine zuverlässige Messung abgeben kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Sensor 500b einen horizontalen Aufbau haben, wie in 5B veranschaulicht ist. In dieser Ausführungsform können die Sensoreinheiten 110-1, 110-2, 110-3, 110-4 auf einem gemeinsamen Substrat 102 nebeneinander angeordnet sein, wobei beispielsweise eine Funktionsstruktur einer Sensoreinheit im physischen Kontakt mit der Funktionsstruktur einer benachbarten Sensoreinheit steht. Dabei können die Funktionsstrukturen 114-1, 114-2, 114-3, 114-4 angrenzend an den Aufnahmebereich 101 angeordnet sein. Die Elektrodenstrukturen 112-1, 112-2, 112-3, 112-4 sind beispielsweise mittels einer Isolierschicht 518 miteinander bzw. jeweils mit der entsprechend benachbarten Elektrodenstruktur elektrisch und physisch isoliert.
Gemäß einer Ausführungsform können beispielsweise ein vierter Teil der Ionen aus der zu detektierenden Lösung mit einer Größe bis zu einer vierten vordefinierten Größe in die vierte Funktionsstruktur 114-4 eindringen (durch den ersten rechten Pfeil dargestellt), ein dritter Teil der Ionen aus der zu detektierenden Lösung mit einer Größe bis zu einer dritten vordefinierten Größe in die dritte Funktionsstruktur 114-3 eindringen (durch den zweiten rechten Pfeil dargestellt), wobei die dritte Größe kleiner ist als die vierte Größe, ein zweiter Teil der Ionen aus der zu detektierenden Lösung mit einer Größe bis zu einer zweiten vordefinierten Größe in die zweite Funktionsstruktur 114-2 eindringen (durch den dritten rechten Pfeil dargestellt), wobei die zweite Größe kleiner ist als die dritte Größe, und ein erster Teil Ionen aus der zu detektierenden Lösung mit einer Größe bis zu einer ersten vordefinierten Größe in die erste Funktionsstruktur 114-4 eindringen (durch den vierten rechten Pfeil dargestellt), wobei die erste Größe kleiner ist als die zweite Größe.
In der Ausführungsform können in der ersten Sensoreinheit 110-1 eine erste relative elektrische Eigenschaft des ersten Teils der Ionen, in der zweiten Sensoreinheit 110-3 eine zweite relative elektrische Eigenschaft des zweiten Teils der Ionen, in der dritten Sensoreinheit 110-3 eine dritte relative elektrische Eigenschaft des dritten Teils der Ionen, und in der vierten Sensoreinheit 110-4 eine vierte relative elektrische Eigenschaft des dritten Teils der Ionen bestimmt bzw. gemessen werden, wobei die erste relative elektrische Eigenschaft, die zweite relative elektrische Eigenschaft, die dritte relative elektrische Eigenschaft und die vierte relative elektrische Eigenschaft der gleichen Art sind aber sich bezüglich des Wertes unterscheiden.
Im Gegensatz zu dem vertikalen Aufbau, in welchem die Ionen der zu detektierenden Lösung von der vierten Funktionsstruktur 114-4 in Richtung der ersten Funktionsstruktur 114-1 in den Sensor 500a durch Diffusion eindiffundieren können, und das Ermitteln der Konzentration von unterschiedlichen Ionensorten und/oder das Ermitteln der in der zu detektierenden Lösung enthaltenen Ionensorten unmittelbar möglich ist, wird das Ermitteln der Konzentration von unterschiedlichen Ionensorten und/oder das Ermitteln der in der zu detektierenden Lösung enthaltenen Ionensorten in dem horizontalen Aufbau mittels Kalkulierens eines Unterschieds beispielsweise zwischen der gemessenen vierten relativen elektrischen Eigenschaft und der gemessenen dritten relativen elektrischen Eigenschaft, um die in der zu detektierenden Lösung enthaltenen, größten Ionensorte(n) und/oder die Konzentration der in der zu detektierenden Lösung enthaltenen, größten Ionensorte(n) zu Ermitteln. In gleicher Weise können somit die Ionensorte(n) und/oder die Konzentration der Ionensorte(n), die in den anderen Funktionsstrukturen aufgenommen wurden, bestimmt werden.
In dem horizontalen Aufbau können die Ionen aus dem Aufnahmebereich 101 anschaulich im Wesentlichen gleichzeitig in die erste Funktionsstruktur 114-1, in die zweite Funktionsstruktur 114-2, in die dritte Funktionsstruktur 114-3 und in die vierte Funktionsstruktur 114-4 eindringen. Im Vergleich zu dem vertikalen Aufbau kann somit ein Messen der relativen elektrischen Eigenschaft in den jeweiligen Sensoreinheiten schneller erfolgen, da die Ionen eine kleinere Diffusionszeit in die jeweiligen Funktionsstrukturen aufweisen als bei dem vertikalen Aufbau.
Dadurch wird ein Sensor zum Detektieren von in einer Lösung enthaltenen Ionen erreicht, welcher ein im Wesentlichen gleichzeitiges und schnelleres Ermitteln der Konzentration von unterschiedlichen Ionensorten und/oder ein im Wesentlichen gleichzeitiges und schnelleres Ermitteln der in der zu detektierenden Lösung enthaltenen Ionensorten ermöglicht.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen kann der Sensor 500b mit dem horizontalen Aufbau eine Ansprechzeit in einem Bereich von ungefähr 1 ms bis ungefähr 100 s aufweisen
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Funktionsstrukturen 114-1, 114-2, 114-3, 114-4 des Sensors 500a, 500b mittels Rakelverfahrens, Spin-Coating und/oder Laminierens auf den jeweiligen Elektrodenstrukturen 112-1, 112-2, 112-3, 112-4 abgeschieden werden.
Mittels Rakelversfahrens wird es ermöglicht, dass dünne Schichten, beispielsweise auf DIN A4, hergestellt werden. Ferner, durch die Einstellung des Rakelspaltes können mehrschichten Schichten erreicht werden. Ein anderer Vorteil des Rakelverfahrens besteht darin, dass die Richtung der Polymerketten bestimmt werden kann. Somit können auf einfacher Weise die Eigenschaften der Schichten beeinflusst werden. Außerdem wird das Rakelverfahren bei Raumtemperatur und unter normaler Atmosphäre durchgeführt.
Bei dem Spin-Coating wird die Herstellung sehr dünner Schichten ermöglicht, wobei allerdings die Abmessungen der Schichten begrenzter als bei Rakelverfahren sind. Die Herstellung von mehrschichtigen Schichten wird durch mehrmaliges Spin-Coating auf der vorangegangenen Schicht möglich. Die Schichtdicke der Schicht wird einfach durch Umdrehungsgeschwindigkeit und Viskosität einstellbar. In der Regel wird das Spin-Coating bei Raumtemperatur und unter normaler Atmosphäre aber auch unter Schutzgas durchgeführt.
Bei dem Laminieren werden die einzelnen Schichten gestapelt und durch einen thermischen Prozess verbunden, wobei das Verbinden der Schichten irreversibel ist. Dabei ist es möglich, Schichten mit unterschiedlichen Zusammensetzungen im Hinblick auf den Additiven zusammen zu laminieren.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen, beispielsweise in dem vertikalen Aufbau des Sensors 500a, können die Sensoreinheiten 110-1, 110-2, 110-3, 110-4 eine Dicke D in einem Bereich von ungefähr 10 µm bis 200 µm, beispielsweise 100 µm, aufweisen, wobei die Dicken der jeweiligen Sensoreinheiten 110-1, 110-2, 110-3, 110-4 sich voneinander unterscheiden können.
6 zeigt eine schematische Draufsichtansicht einer Anordnung von Sensoren, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Die jeweiligen Sensoren können einer oben beschriebenen Ausführungsform eines Sensors entsprechen.
Wie in 6 veranschaulicht ist, können mehrere Sensoren ein gemeinsames Substrat 102 aufweisen, wobei die jeweiligen Sensoren 600-1, 600-2, 600-3, 600-4 der Sensoren 600-1, 600-2, 600-3, 600-4 auf dem Substrat 102 voneinander beabstandet sind. Dabei kann jeder Sensor 600-1, 600-2, 600-3, 600-4 der Sensoren 600-1, 600-2, 600-3, 600-4 mit einem Anschlussterminal 612t elektrisch verbunden sein. Alternativ oder zusätzlich kann jeder Sensor 600-1, 600-2, 600-3, 600-4 der Sensoren 600-1, 600-2, 600-3, 600-4 mit einer Drahtloskommunikationseinheit 622 verbunden sein, welche als Auswerte-Schaltkreis dient oder mit einem Auswerte-Schaltkreis verbunden ist. Dabei kann die Drahtloskommunikationseinheit 622 auf dem Substrat angeordnet sein oder extern zu den Sensoren angeordnet sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Sensoren 600-1, 600-2, 600-3, 600-4 im Wesentlichen gleich ausgebildet sein und somit eine redundante Messung durchführen. Dadurch kann beispielsweise ein genaueres Ermitteln der Konzentration einer Ionensorte bzw. von Ionensorten und/oder ein genaueres Ermitteln einer Ionensorte bzw. von bestimmten Ionensorten ermöglicht sein oder werden und dadurch kann eine Wiederholung der Messung unnötig werden. Es ist beispielsweise im Fließverfahren von besonderer Relevanz, in welcher Zeit bzw. mit welcher Geschwindigkeit die zu detektierende Lösung auf den Sensoren 600-1, 600-2, 600-3, 600-4 fließt und ob die Ionensorte(n) und/oder die Konzentration der Ionensorte bzw. von Ionensorten sich relativ zu der Messzeit der Sensoren 600-1, 600-2, 600-3, 600-4 zeitlich schnell verändern kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können sich mindestens zwei Sensoren 600-1, 600-2, 600-3, 600-4 der Sensoren 600-1, 600-2, 600-3, 600-4 voneinander unterscheiden, beispielsweise bezüglich ihrer Spezifizität bzw. Selektivität für eine bestimmte Ionensorte bzw. für bestimmte Ionensorten. Beispielsweise können zwei oder mehr Sensoren 600-1, 600-2, 600-3, 600-4 voneinander unterschiedlich ausgebildet sein. In einer Ausführungsform können beispielsweise ein oder mehrere Sensoren 600-1, 600-2, 600-3, 600-4 der Sensoren 600-1, 600-2, 600-3, 600-4 wie in den 1A-1B beschreiben mit einer einzigen Elektrodenstruktur 112 und einer einzigen Funktionsstruktur 104 (mit einer oder mehreren Polymerschichten) ausgebildet sein, während die ein oder mehreren anderen Sensoren 600-1, 600-2, 600-3, 600-4 der Sensoren 600-1, 600-2, 600-3, 600-4 wie in den 5A-5B beschrieben mit mehreren, beispielsweise gestapelten Sensoreinheiten, ausgebildet sein können. Dadurch wird ein schnelleres Ermitteln der, in der zu detektierenden Lösung vorhandenen, Ionensorten bzw. ein schnelleres Ermitteln der Konzentration mehrerer Ionensorten, beispielsweise im Vergleich zu dem in der 5A vertikalen Aufbau, in welchem eine Diffusion der zu detektierenden Lösung und somit der Ionen durch die gestapelten Sensoreinheiten Zeit verbrauchen kann.
7 zeigt eine beispielhafte Messung mittels dreier Elektroden anhand derer eine Konzentration (0.001 mmol/l bis 1 mmol/l) an Kalium-Ionen bzw. Chlorid-Ionen in einer Kaliumchlorid-Lösung ermittelt werden kann.
Die Grafik 700 zeigt auf der vertikalen Achse die Differenz (|I_D| - I |I_G|) der Beträge des Drainstroms (|I_D|) und des Gatestroms(|I_G|) der drei Elektroden in einer Transistorkonfiguration als Funktion der Gate-Source-Spannung (V_GS) aufgetragen auf der horizontalen Achse bei einer vordefinierten Drain-Source-Spannung (V_DS), z.B. von -0,5 V.
Die Spannung(en) und die Ströme können beispielsweise mittels des Sensors 100, 400a, 400b, 400c, 400d, 500a, 500b ermittelt werden.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die in der 7 dargestellte Grafik als Beispielgrafik für das Detektieren von Ionen mittels des hierin beschriebenen Sensors 100, 400a, 400b, 400c, 400d, 500a, 500b angesehen werden.
8A zeigt eine Grafik 800a bezüglich des frequenzabhängigen Impedanzverhaltens von, in einer Lösung enthaltenen, Ionensorten, wobei die Impedanz mit einem herkömmlichen Sensor - z.B. ohne ein Funktionsstruktur - gemessen wurde. 8B zeigt dagegen eine Grafik 800b, wobei die Impedanz mit einem Sensor 100, 400a, 400b, 400c, 400d, 500a, 500b - z.B. mit Funktionsstruktur - gemessen wurde.
Die frequenzabhängigen Impedanzen können beispielsweise mittels elektrochemischer Impedanz-Spektroskopie gemessen bzw. ermittelt werden.
Wie in 8B veranschaulicht ist, ermöglicht der hierin beschriebene Sensor 100, 400a, 400b, 400c, 400d, 500a, 500b, dass sich die Signale der Impedanz der in der Lösung enthaltenen ersten Ionensorte und der in der Lösung enthaltenen zweiten Ionensorte unter dem Einfluss der Funktionsstruktur mehr trennen können, beispielsweise indem die Ionensorte(n) bezüglich der Ionengröße und/oder der Driftgeschwindigkeit sich besser unterscheiden können. Somit kann sich die Ermittlung der Ionensorten von in einer Lösung enthaltenen Ionen vereinfachen, und somit können Fehler bei der Ermittlung der Ionensorten verringert oder vermieden werden.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die in der 8C dargestellte Grafik 800c als Beispielgrafik für die Ermittlung von Ionensorten mittels des hierin beschriebenen Sensors angesehen werden.
9 zeigt ein schematisches Ablaufdiagram eines Verfahrens zum Betreiben eines Sensors mit wenigstens drei Elektroden, gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
In einem anderen Aspekt kann ein Verfahren 900 zum Betreiben eines hierin beschriebenen Sensors 100, 400a, 400b, 400c, 400d, 500a, 500b mit wenigstens drei Elektroden aufweisen: Inkontaktbringen des Sensors 902 mit der Ionen enthaltenden Lösung derart, dass die Funktionsstruktur jeder der ein oder mehreren Sensoreinheiten wenigstens einen Teil der Lösung aufgenommen hat; Anlegen eines elektrischen Signals 904 an die Elektroden der Elektrodenstruktur der ein oder mehreren Sensoreinheiten; Ermitteln einer elektrischen Eigenschaft 906 der Funktionsstruktur und/oder des Teils der Lösung, so dass die Ionenkonzentration bestimmt werden kann.
Es versteht sich, dass ein Verfahren zum Betreiben eines elektronischen Bauelements ein oder mehrere Funktionen aufweisen kann, die hierin mit Bezug auf den Sensor oder einen Teil des Sensors beschrieben sind und vice versa, wobei im Verfahren unberücksichtigt bleiben kann, von welchen ein oder mehreren Vorrichtungen die ein oder mehreren Funktionen ausgeführt werden.
10 zeigt ein schematisches Ablaufdiagram eines Verfahrens zum Betreiben eines Sensors mit zwei Sensoreinheiten, gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
In einem anderen Aspekt kann ein Verfahren 1000 zum Betreiben eines hierin beschriebenen Sensors 400a, 400b, 400c, 400d, 500a, 500b mit zwei Sensoreinheiten aufweisen:

Inkontaktbringen des Sensors 1002 mit der Ionen enthaltenden Lösung derart, dass die erste Funktionsstruktur der ersten Sensoreinheit wenigstens einen ersten Teil der Lösung mit einer ersten Ionensorte aufgenommen hat und die zweite Funktionsstruktur der zweiten Sensoreinheit wenigstens einen zweiten Teil der Lösung mit der ersten Ionensorte und einer zweiten Ionensorte aufgenommen hat; Anlegen eines elektrischen Signals 1004 an die Elektroden der ersten Elektrodenstruktur und die Elektroden der zweiten Elektrodenstruktur; Messen einer ersten elektrischen Eigenschaft 1006 der ersten Funktionsstruktur und/oder des ersten Teils der Lösung und Ermitteln der ersten Ionensorte; Messen einer zweiten elektrischen Eigenschaft 1008 der zweiten Funktionsstruktur und/oder des zweiten Teils der Lösung, wobei die zweite elektrische Eigenschaft der gleichen Art wie die erste elektrische Eigenschaft ist und sich von der ersten elektrischen Eigenschaft bezüglich des Werts unterscheidet; Ermitteln 1010 der zweiten Ionensorte, gegebenenfalls mittels Kalkulierens des Unterschieds zwischen der zweiten gemessenen elektrischen Eigenschaft und der ersten gemessenen elektrischen Eigenschaft.

Es versteht sich, dass das Verfahren zum Betreiben eines elektronischen Bauelements ein oder mehrere Funktionen aufweisen kann, die hierin mit Bezug auf den Sensor oder einen Teil des Sensors beschrieben sind und vice versa, wobei im Verfahren unberücksichtigt bleiben kann, von welchen ein oder mehreren Vorrichtungen die ein oder mehreren Funktionen ausgeführt werden.
Im Folgenden werden verschiedene Beispiele beschrieben, die sich auf das vorangehend Beschriebene und in den Figuren Dargestellte beziehen.
Im Folgenden werden verschiedene Beispiele beschrieben, die sich auf das vorangehend Beschriebene und in den Figuren Dargestellte beziehen.
Beispiel 1 ist ein Sensor 100, 400a, 400b, 400c, 400d, 500a, 500b zum Detektieren von in einer Lösung enthaltenen Ionen, der Sensor 100 aufweisend ein Substrat 102 bestehend aus ein oder mehreren bioabbaubaren Materialien; ein oder mehrere auf dem Substrat 102 angeordnete Sensoreinheiten 110, wobei jede der ein oder mehreren Sensoreinheiten 110 aufweist: eine Elektrodenstruktur 112 aufweisend mindestens zwei Elektroden 112a, 112b, wobei jede der mindestens zwei Elektroden 112a, 112b aus ein oder mehreren bioabbaubaren Materialen besteht und wobei die Elektrodenstruktur 112 eingerichtet ist zum Detektieren von in einer Lösung enthaltenen Ionen, wenn die Lösung in Kontakt mit der Elektrodenstruktur 112 gebracht ist.
In Beispiel 2 kann der Sensor 100, 400a, 400b, 400c, 400d, 500a, 500b gemäß Beispiel 1 ferner einen Aufnahmebereich 101 angrenzend an die jeweilige Elektrodenstruktur der ein oder mehreren Sensoreinheiten 110 zum Aufnehmen der zu detektierenden Lösung aufweisen.
In Beispiel 3 kann der Sensor 100, 400a, 400b, 400c, 400d, 500a, 500b gemäß Beispiel 1 oder 2 ferner aufweisen, dass jede der ein oder mehreren Sensoreinheiten 110 ferner eine Funktionsstruktur 114 aufweist, wobei die jeweilige Funktionsstruktur 114 eingerichtet ist zum Beeinflussen mindestens einer elektrischen Eigenschaft der zu detektierenden Lösung, beispielsweise wenn die zu detektierende Lösung in Kontakt mit der Funktionsstruktur 114 ist.
In Beispiel 4 kann der Sensor 100, 400a, 400b, 400c, 400d, 500a, 500b gemäß Beispiel 3 ferner aufweisen, dass die Funktionsstruktur 114 eingerichtet ist zum Aufnehmen wenigstens eines Teils der zu detektierenden Lösung, beispielsweise wobei die Ionenbeweglichkeit bzw. Driftgeschwindigkeit der in der Funktionsstruktur 114 aufgenommenen Ionen der zu detektierenden Lösung, beispielsweise des wenigstens einen Teils der zu detektierenden Lösung, beispielsweise durch die Funktionsstruktur 114, modifiziert ist.
In Beispiel 5 kann der Sensor 100, 400a, 400b, 400c, 400d, 500a, 500b gemäß Beispiel 3 oder 4 ferner aufweisen, dass die Funktionsstruktur 114 ein oder mehrere Polymerschichten aufweist oder daraus besteht.
In Beispiel 6 kann der Sensor 100, 400a, 400b, 400c, 400d, 500a, 500b gemäß Beispiel 1 aufweisen, dass jede der ein oder mehreren Sensoreinheiten 110 ferner ein oder mehrere mit der Elektrodenstruktur 112 gekoppelte Polymerschichten aufweist, wobei die ein oder mehreren Polymerschichten eingerichtet sind zum Beeinflussen mindestens einer elektrischen Eigenschaft der zu detektierenden Lösung, wenn die zu detektierende Lösung in den ein oder mehreren Polymerschichten aufgenommen ist.
In Beispiel 7 kann der Sensor 100, 400a, 400b, 400c, 400d, 500a, 500b gemäß Beispiel 5 oder 6 ferner aufweisen, dass die ein oder mehreren Polymerschichten aus ein oder mehreren bioabbaubaren Materialen bestehen.
In Beispiel 8 kann der Sensor 100, 400a, 400b, 400c, 400d, 500a, 500b gemäß einem der Beispiele 5 bis 7 ferner aufweisen, dass die ein oder mehreren Polymerschichten derart eingerichtet sind, dass Ionen der zu detektierenden Lösung selektiv derart wenigstens hineingelassen werden, dass eine effektive elektrische Eigenschaft der zu detektierenden Lösung und/oder die effektive elektrische Eigenschaft der ein oder mehreren Polymerschichten modifiziert ist, wenn die zu detektierende Lösung in den ein oder mehreren Polymerschichten aufgenommen ist.
In Beispiel 9 kann der Sensor 100, 400a, 400b, 400c, 400d, 500a, 500b gemäß einem der Beispiele 1 bis 8 ferner aufweisen, dass die Elektrodenstruktur 112 ferner eine weitere Elektrode 112c aufweist.
In Beispiel 10 kann der Sensor 100, 400a, 400b, 400c, 400d, 500a, 500b gemäß einem der Beispiele 1 bis 9 ferner eine zwischen den mindestens zwei Elektroden 112, 112b angeordnete Mischleiterstruktur 116, die beispielsweise selektiv durchlässig für wenigstens eine Ionensorte ausgebildet ist, aufweisen.
In Beispiel 11 kann der Sensor 100, 400a, 400b, 400c, 400d, 500a, 500b gemäß einem der Beispiele 1 bis 10 ferner aufweisen, dass mindestens eine Elektrode 112a, 112b, 112c der Elektrodenstruktur 112 eine erste, elektrisch leitende Elektrodenschicht 212m und eine zweite Elektrodenschicht 212p aufweist, wobei die zweite Elektrodenschicht 212p derart ausgebildet ist, dass der Kontaktwiderstand zu der zu detektierenden Lösung unterhalb eines vordefinierten Grenzwerts liegt.
In Beispiel 12 kann der Sensor 100, 400a, 400b, 400c, 400d, 500a, 500b gemäß einem der Beispiele 1 bis 11 ferner eine erste Sensoreinheit 110-1 mit einer ersten Funktionsstruktur 114-1; und eine zweite Sensoreinheit 110-2 mit einer zweiten Funktionsstruktur 114-2 aufweisen, wobei die erste Funktionsstruktur 114-1 in einer Eigenschaft verschieden ist von der zweiten Funktionsstruktur 114-2.
In Beispiel 13 ist ein Sensor 400a, 400b, 400c, 400d, 500a, 500b zum Detektieren von in einer Lösung enthaltenen Ionen, der Sensor aufweisend eine erste Sensoreinheit 110-1 aufweisend: mindestens eine erste Funktionsstruktur 114-1 derart eingerichtet, dass ein erster Teil einer zu detektierenden Lösung in die erste Funktionsstruktur 114-1 eindringen kann, mindestens eine erste Elektrodenstruktur 112-1 zum Ermitteln ein oder mehrerer elektrischer Eigenschaften des ersten Teils der Lösung, wobei die erste Funktionsstruktur 114-1 eingerichtet ist zum Beeinflussen der ein oder mehreren elektrischen Eigenschaften des ersten Teils der Lösung; und eine zweite Sensoreinheit 110-2 aufweisend: mindestens eine zweite Funktionsstruktur 114-2 verschieden von der ersten Funktionsschicht 114-1 und derart eingerichtet, dass ein zweiter Teil einer zu detektierenden Lösung in die zweite Funktionsstruktur 114-2 eindringen kann, mindestens eine zweite Elektrodenstruktur 112-2 zum Ermitteln ein oder mehrerer elektrischer Eigenschaften des zweiten Teils der Lösung, wobei die zweite Funktionsstruktur 112-2 eingerichtet ist zum Beeinflussen der ein oder mehreren elektrischen Eigenschaften des zweiten Teils der Lösung.
Beispiel 14 kann der Sensor 400a, 400b, 400c, 400d, 500a, 500b gemäß Beispiel 13 ferner einen Aufnahmebereich 101 zum Aufnehmen der zu detektierenden Lösung aufweisen, wobei der Aufnahmebereich 101 vorzugsweise zumindest an die erste Funktionsstruktur und/oder die zweite Funktionsstruktur angrenzt.
In Beispiel 15 kann der Sensor 400a, 400b, 400c, 400d, 500a, 500b gemäß Beispiel 13 ferner aufweisen, dass die zweite Sensoreinheit 110-2 zwischen der ersten Sensoreinheit 110-1 und dem Aufnahmebereich 101, 101a angeordnet ist, wobei die zweite Sensoreinheit 110-2 derart eingerichtet ist, dass die zu detektierende Lösung aus dem Aufnahmebereich 101 durch die zweite Sensoreinheit 110-2 hindurch diffundieren kann und in die erste Funktionsstruktur 114-1 der ersten Sensoreinheit 110-1 eindringen kann.
In Beispiel 16 kann der Sensor 400a, 400b, 400c, 400d, 500a, 500b gemäß Beispiel 15 ferner aufweisen, dass ein zweites Substrat 102-2 zwischen der zweiten Sensoreinheit 110-2 und der ersten Sensoreinheit 110-1 angeordnet ist, wobei das zweite Substrat 102-2 ein oder mehrere Durchgangslöcher 118 derart aufweist, dass die zu detektierende Lösung aus dem Aufnahmebereich 101 durch die ein oder mehreren Durchgangslöcher 118 hindurch in die erste Funktionsstruktur 114-1 der ersten Sensoreinheit 110-1 eindringen kann.
In Beispiel 17 kann der Sensor 400a, 400b, 400c, 400d, 500a, 500b gemäß Beispiel 13 ferner aufweisen, dass die mindestens eine erste Funktionsstruktur 114-1 und die mindestens eine zweite Funktionsstruktur 114-2 angrenzend an den Aufnahmebereich 101 angeordnet sind.
In Beispiel 18 kann der Sensor 400a, 400b, 400c, 400d, 500a, 500b gemäß einem der Beispiele 13 bis 17 ferner aufweisen, dass die erste Funktionsstruktur 114-1 und die zweite Funktionsstruktur 114-2 derart eingerichtet sind, dass eine erste vordefinierte Gruppe von Ionen selektiv aus der zu detektierenden Lösung in die erste Funktionsstruktur 114-1 eindringen kann und dass eine zweite vordefinierte Gruppe von Ionen aus der zu detektierenden Lösung selektiv in die zweite Funktionsstruktur 114-2 eindringen kann, wobei die erste Gruppe von Ionen verschieden von der zweiten Gruppe von Ionen ist.
In Beispiel 19 kann der Sensor 400a, 400b, 400c, 400d, 500a, 500b gemäß einem der Beispiele 13 bis 18 ferner aufweisen, dass die erste Funktionsstruktur 114-1 und die zweite Funktionsstruktur 114-2 derart eingerichtet sind, dass zumindest eine Ionensorte aus der zu detektierenden Lösung in die zweite Funktionsstruktur 114-2 und nicht oder in geringer Menge in die erste Funktionsstruktur 114-1 eindringen kann, oder wobei die erste Funktionsstruktur 114-1 und die zweite Funktionsstruktur 114-2 derart eingerichtet sind, dass zumindest eine Ionensorte aus der zu detektierenden Lösung schneller in die zweite Funktionsstruktur 114-2 als in die erste Funktionsstruktur 114-1 eindringen kann.
In Beispiel 20 kann der Sensor 400a, 400b, 400c, 400d, 500a, 500b gemäß einem der Beispiele 14 bis 19 ferner aufweisen, dass die erste Funktionsstruktur 114-1 und die zweite Funktionsstruktur 114-2 derart eingerichtet sind, dass zumindest eine Ionensorte aus der zu detektierenden Lösung in die erste Funktionsstruktur 114-1 und in die zweite Funktionsstruktur 114-2 eindringen kann, wobei die zumindest eine Ionensorte in der ersten Funktionsstruktur 114-1 eine erste Driftgeschwindigkeit und in der zweiten Funktionsstruktur 114-2 eine von der ersten Driftgeschwindigkeit verschiedene zweite Driftgeschwindigkeit hat.
In Beispiel 21 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors nach einem der Beispiele 1 bis 20, wobei die Elektrodenstruktur des Sensors wenigstens drei Elektroden aufweist, das Verfahren aufweisend Inkontaktbringen des Sensors mit einer Ionen enthaltenden Lösung, so dass die Funktionsstruktur des Sensors wenigstens ein Teil der Lösung aufnimmt; Ermitteln einer elektrischen Eigenschaft der Funktionsstruktur und/oder des wenigstens einen Teils der Lösung mittels mindestens einer Elektrodenstruktur des Sensors.
Beispiel 22 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors nach einem der Beispiele 13 bis 20, das Verfahren aufweisend Inkontaktbringen des Sensors mit einer Ionen enthaltenden Lösung, so dass eine erste Funktionsstruktur einer ersten Sensoreinheit des Sensors wenigstens einen ersten Teil der Lösung mit einer ersten Ionensorte aufnimmt und so dass eine zweite Funktionsstruktur einer zweiten Sensoreinheit des Sensors wenigstens einen zweiten Teil der Lösung mit der ersten Ionensorte und einer zweiten Ionensorte aufnimmt; Ermitteln einer ersten elektrischen Eigenschaft der ersten Funktionsstruktur und/oder des wenigstens einen ersten Teils der Lösung und Ermitteln der ersten Ionensorte; Ermitteln einer zweiten elektrischen Eigenschaft der zweiten Funktionsstruktur und/oder des wenigstens einen zweiten Teils der Lösung; und Ermitteln der zweiten Ionensorte basierend auf der ermittelten ersten elektrischen Eigenschaft und der ermittelten zweiten elektrischen Eigenschaft.
Es versteht sich, dass Funktionen etc., die hierin mit Bezug auf ein Verfahren beschrieben sind, auch in gleicher Weise in einer Vorrichtung implementiert sein können und vice versa.

Claims

Sensor (100, 400a, 400b, 400c, 400d, 500a, 500b) zum Detektieren von in einer Lösung enthaltenen Ionen, der Sensor (100) aufweisend: ein Substrat (102) bestehend aus ein oder mehreren bioabbaubaren Materialien; ein oder mehrere auf dem Substrat (102) angeordnete Sensoreinheiten (110), wobei jede der ein oder mehreren Sensoreinheiten (110) aufweist: eine Elektrodenstruktur (112) aufweisend mindestens zwei Elektroden (112a, 112b), wobei jede der mindestens zwei Elektroden (112a, 112b) aus ein oder mehreren bioabbaubaren Materialen besteht und wobei die Elektrodenstruktur (112) eingerichtet ist zum Detektieren von in einer Lösung enthaltenen Ionen, wenn die Lösung in Kontakt mit der Elektrodenstruktur (112) gebracht ist.
Sensor (100, 400a, 400b, 400c, 400d, 500a, 500b) nach Anspruch 1, ferner aufweisend: einen Aufnahmebereich (101) angrenzend an die jeweilige Elektrodenstruktur der ein oder mehreren Sensoreinheiten (110) zum Aufnehmen der zu detektierenden Lösung.
Sensor (100, 400a, 400b, 400c, 400d, 500a, 500b) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei jede der ein oder mehreren Sensoreinheiten (110) ferner eine Funktionsstruktur (114) aufweist, wobei die jeweilige Funktionsstruktur (114) eingerichtet ist zum Beeinflussen mindestens einer elektrischen Eigenschaft der zu detektierenden Lösung.
Sensor (100, 400a, 400b, 400c, 400d, 500a, 500b) gemäß Anspruch 3, wobei die Funktionsstruktur (114) eingerichtet ist zum Aufnehmen wenigstens eines Teils der zu detektierenden Lösung.
Sensor (100, 400a, 400b, 400c, 400d, 500a, 500b) gemäß Anspruch 3 oder 4, wobei die Funktionsstruktur (114) eingerichtet ist, die Ionenbeweglichkeit und/oder Driftgeschwindigkeit von Ionen der zu detektierenden Lösung zu modifizieren.
Sensor (100, 400a, 400b, 400c, 400d, 500a, 500b) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Funktionsstruktur (114) ein oder mehrere Polymerschichten aufweist oder daraus besteht.
Sensor (100, 400a, 400b, 400c, 400d, 500a, 500b) nach Anspruch 1, wobei jede der ein oder mehreren Sensoreinheiten (110) ferner ein oder mehrere mit der Elektrodenstruktur (112) gekoppelte Polymerschichten aufweist, wobei die ein oder mehreren Polymerschichten eingerichtet sind zum Beeinflussen mindestens einer elektrischen Eigenschaft der zu detektierenden Lösung, wenn die zu detektierende Lösung in den ein oder mehreren Polymerschichten aufgenommen ist.
Sensor (100, 400a, 400b, 400c, 400d, 500a, 500b) nach Anspruch 6 oder 7, wobei die ein oder mehreren Polymerschichten aus ein oder mehreren bioabbaubaren Materialen bestehen.
Sensor (100, 400a, 400b, 400c, 400d, 500a, 500b) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die ein oder mehreren Polymerschichten derart eingerichtet sind, dass Ionen der zu detektierenden Lösung selektiv derart wenigstens hineingelassen werden, dass eine effektive elektrische Eigenschaft der zu detektierenden Lösung und/oder die effektive elektrische Eigenschaft der ein oder mehreren Polymerschichten modifiziert ist, wenn die zu detektierende Lösung in den ein oder mehreren Polymerschichten aufgenommen ist.
Sensor (100, 400a, 400b, 400c, 400d, 500a, 500b) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei jede der ein oder mehreren Sensoreinheiten ferner aufweist: eine zwischen den mindestens zwei Elektroden (112, 112b) angeordnete Mischleiterstruktur (116).
Sensor (100, 400a, 400b, 400c, 400d, 500a, 500b) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei mindestens eine Elektrode (112a, 112b, 112c) der Elektrodenstruktur (112) eine erste, elektrisch leitende Elektrodenschicht (212m) und eine zweite Elektrodenschicht (212p) aufweist, wobei die zweite Elektrodenschicht (212p) derart ausgebildet ist, dass der Kontaktwiderstand zu der zu detektierenden Lösung unterhalb eines vordefinierten Grenzwerts liegt.
Sensor (100, 400a, 400b, 400c, 400d, 500a, 500b) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die ein oder mehreren Sensoreinheiten aufweisen: eine erste Sensoreinheit (110-1) mit einer ersten Funktionsstruktur (114-1); und eine zweite Sensoreinheit (110-2) mit einer zweiten Funktionsstruktur (114-2), wobei die erste Funktionsstruktur (114-1) in zumindest einer Eigenschaft verschieden ist von der zweiten Funktionsstruktur (114-2).
Sensor (400a, 400b, 400c, 400d, 500a, 500b) zum Detektieren von in einer Lösung enthaltenen Ionen, wobei die ein oder mehreren Sensoreinheiten aufweisen: eine erste Sensoreinheit (110-1) aufweisend: mindestens eine erste Funktionsstruktur (114-1) derart eingerichtet, dass ein erster Teil einer zu detektierenden Lösung in die erste Funktionsstruktur (114-1) eindringen kann, und mindestens eine erste Elektrodenstruktur (112-1) zum Ermitteln ein oder mehrerer elektrischer Eigenschaften des ersten Teils der Lösung, wobei die erste Funktionsstruktur (114-1) eingerichtet ist zum Beeinflussen der ein oder mehreren elektrischen Eigenschaften des ersten Teils der Lösung; und eine zweite Sensoreinheit (110-2) aufweisend: mindestens eine zweite Funktionsstruktur (114-2) verschieden von der ersten Funktionsschicht (114-1) und derart eingerichtet, dass ein zweiter Teil einer zu detektierenden Lösung in die zweite Funktionsstruktur (114-2) eindringen kann, und mindestens eine zweite Elektrodenstruktur (112-2) zum Ermitteln ein oder mehrerer elektrischer Eigenschaften des zweiten Teils der Lösung, wobei die zweite Funktionsstruktur (112-2) eingerichtet ist zum Beeinflussen der ein oder mehreren elektrischen Eigenschaften des zweiten Teils der Lösung.
Sensor (400a, 400b, 400c, 400d, 500a, 500b) nach Anspruch 13, ferner aufweisend: einen Aufnahmebereich (101) zum Aufnehmen der zu detektierenden Lösung, wobei der Aufnahmebereich (101) vorzugsweise zumindest an die erste Funktionsstruktur und/oder die zweite Funktionsstruktur angrenzt.
Sensor (400a, 400b, 400c, 400d, 500a, 500b) nach Anspruch 13, wobei die zweite Sensoreinheit (110-2) zwischen der ersten Sensoreinheit (110-1) und dem Aufnahmebereich (101, 101a) angeordnet ist, wobei die zweite Sensoreinheit (110-2) derart eingerichtet ist, dass die zu detektierende Lösung aus dem Aufnahmebereich (101) durch die zweite Sensoreinheit (110-2) hindurch diffundieren kann und in die erste Funktionsstruktur (114-1) der ersten Sensoreinheit (110-1) eindringen kann.
Sensor (100, 400a, 400b, 400c, 400d, 500a, 500b) nach Anspruch 15, wobei ein zweites Substrat (102-2) zwischen der zweiten Sensoreinheit (110-2) und der ersten Sensoreinheit (110-1) angeordnet ist, wobei das zweite Substrat (102-2) ein oder mehrere Durchgangslöcher (118) derart aufweist, dass die zu detektierende Lösung aus dem Aufnahmebereich (101) durch die ein oder mehreren Durchgangslöcher (118) hindurch in die erste Funktionsstruktur (114-1) der ersten Sensoreinheit (110-1) eindringen kann.
Sensor (400a, 400b, 400c, 400d, 500a, 500b) nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei die erste Funktionsstruktur (114-1) und die zweite Funktionsstruktur (114-2) derart eingerichtet sind, dass eine erste vordefinierte Gruppe von Ionen selektiv aus der zu detektierenden Lösung in die erste Funktionsstruktur (114-1) eindringen kann und dass eine zweite vordefinierte Gruppe von Ionen aus der zu detektierenden Lösung selektiv in die zweite Funktionsstruktur (114-2) eindringen kann, wobei die erste Gruppe von Ionen verschieden von der zweiten Gruppe von Ionen ist.
Sensor (400a, 400b, 400c, 400d, 500a, 500b) nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei die erste Funktionsstruktur (114-1) und die zweite Funktionsstruktur (114-2) derart eingerichtet sind, dass zumindest eine Ionensorte aus der zu detektierenden Lösung in die zweite Funktionsstruktur (114-2) und nicht oder in geringer Menge in die erste Funktionsstruktur (114-1) eindringen kann, oder wobei die erste Funktionsstruktur (114-1) und die zweite Funktionsstruktur (114-2) derart eingerichtet sind, dass zumindest eine Ionensorte aus der zu detektierenden Lösung schneller in die zweite Funktionsstruktur (114-2) als in die erste Funktionsstruktur (114-1) eindringen kann.
Sensor (400a, 400b, 400c, 400d, 500a, 500b) nach einem der Ansprüche 13 bis 18, wobei die erste Funktionsstruktur (114-1) und die zweite Funktionsstruktur (114-2) derart eingerichtet sind, dass zumindest eine Ionensorte aus der zu detektierenden Lösung in die erste Funktionsstruktur (114-1) und in die zweite Funktionsstruktur (114-2) eindringen kann, wobei die zumindest eine Ionensorte in der ersten Funktionsstruktur (114-1) eine erste Driftgeschwindigkeit und in der zweiten Funktionsstruktur (114-2) eine von der ersten Driftgeschwindigkeit verschiedene zweite Driftgeschwindigkeit hat.
Verfahren zum Betreiben eines Sensors gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19, das Verfahren aufweisend: - Inkontaktbringen des Sensors mit einer Ionen enthaltenden Lösung, so dass mindestens eine Funktionsstruktur des Sensors wenigstens einen Teil der Lösung aufnimmt; - Ermitteln einer elektrischen Eigenschaft der Funktionsstruktur und/oder des wenigstens einen Teils der Lösung mittels mindestens einer Elektrodenstruktur des Sensors.
Verfahren zum Betreiben eines Sensors, das Verfahren aufweisend: - Inkontaktbringen des Sensors mit einer Ionen enthaltenden Lösung, so dass eine erste Funktionsstruktur einer ersten Sensoreinheit des Sensors wenigstens einen ersten Teil der Lösung mit einer ersten Ionensorte aufnimmt und so dass eine zweite Funktionsstruktur einer zweiten Sensoreinheit des Sensors wenigstens einen zweiten Teil der Lösung mit der ersten Ionensorte und einer zweiten Ionensorte aufnimmt; - Ermitteln einer ersten elektrischen Eigenschaft der ersten Funktionsstruktur und/oder des wenigstens einen ersten Teils der Lösung und Ermitteln der ersten Ionensorte; - Ermitteln einer zweiten elektrischen Eigenschaft der zweiten Funktionsstruktur und/oder des wenigstens einen zweiten Teils der Lösung; - Ermitteln der zweiten Ionensorte basierend auf der ermittelten ersten elektrischen Eigenschaft und der ermittelten zweiten elektrischen Eigenschaft.