EP4014261A1 - Drahtloser sensor für photonen und/oder fremdstoffe mit einem graphen-fet - Google Patents
Drahtloser sensor für photonen und/oder fremdstoffe mit einem graphen-fetInfo
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Abstract
Der drahtlos auslesbare Sensor zum Nachweis für auf seine Oberfläche einfallende Photonen und/oder sich auf seine Oberfläche anlagernde Fremdstoffe hat keine eigene Stromversorgung. Er weist i) einen schichtweise aufgebauten Graphen-FET mit a) einer metallischen Gate-Elektrode, die einen Gate-Anschluss (24) hat, b) einer dielektrischen Barriere (26) und c) einer wieder darüber befindlichen Graphenschicht (28), die mit einem Source-Kontakt (30) und einem Drain-Kontakt (32) verbunden ist, wobei der Source-Kontakt (30) mit dem Gate- Anschluss (24) verbunden ist; ii) eine erste Antenne (34), die mit einem von Source-Kontakt (30) und Drain-Kontakt (32) verbunden ist, und iii) eine über oder unter der Graphenschicht (28) befindliche, auf Photonen und/oder angelagerte Fremdstoffe elektrisch reagierende Oberflächenschicht (20) auf.
Description
Drahtloser Sensor für Photonen und/oder Fremdstoffe mit einem Graphen-FET
Die Erfindung bezieht sich auf einen drahtlos auslesbaren Sensor. Er dient zum Nachweis von auf seine Oberfläche einfallende Photonen und/oder sich auf seiner Oberfläche anlagernden und/oder bereits angelagerten Fremdstoffen. Der Sensor hat keine eigene Stromversorgung. Er weist insbesondere einen schichtweise aufgebauten Graphen-FET und auf diesem eine auf Photonen und/oder angelagerte Fremdstoffe elektrisch reagierende, die Oberfläche des Sensors bildende Oberflächenschicht auf.
Aus Nat. Nanotechnol, 7, 2012, 363 ist ein Graphen-FET mit einer elektrisch reagierenden Oberflächenschicht in Form von Quantenpunkten (quantum dots) bekannt. Er ist nur für Photonen empfindlich und hat eine
Ansprechempfindlichkeit von 108 A/W bei 25 % externem Quantenwirkungsgrad gezeigt. Der Inhalt dieser Vorveröffentlichung gehört vollinhaltlich zum Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung.
Weiterhin sind aus US 8 344 358 B2 und US 2014/264 275 Al Sensoren mit schneller Ansprechzeit und hoher Empfindlichkeit bekannt. Auch diese Vorveröffentlichungen gehören vollinhaltlich zum Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung.
Aufgrund der Transparenz und Biegsamkeit von Graphen sind derartige Sensoren ideal für das Aufbringen auf einer beliebigen Oberfläche, beispielsweise auf gekrümmte Oberflächen, wie Haut und dergleichen, um z.B. Licht oder biologische Signale zu erfassen. Sie sind gut geeignet für Anwendungen im Gesundheitsbereich.
Ein Nachteil der vorbekannten Sensoren liegt darin, dass sie hohe Dunkelströme im Bereich von mA und hohe Rauschpegel aufweisen. Die hohen Rauschpegel begrenzen die spezifische Empfindlichkeit und das Signal/Rausch-Verhältnis. Zudem benötigen sie zum einen überhaupt und zudem noch eine relativ hohe elektrische Eingangsleistung ihrer Spannungsversorgung. Sie haben in der Regel eine eigene Spannungsversorgung. Eine eigene Batterie wirkt sich jedoch negativ auf die Größe, das Gewicht und die Flexibilität des Sensors aus. Weiterhin wird dadurch die Herstellung, der Einsatz und auch die Wartung komplizierter.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen drahtlos und ausschließlich über Funkverbindung arbeitenden Sensor anzugeben, der keine eigene Spannungsversorgung benötigt und sich klein ausführen lässt. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung anzugeben, die einen Sensor umfasst und mit der Detektionen, also praktische Nachweise durchgeführt werden können. Schließlich ist es Aufgabe, ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Sensors bzw. einer derartigen Anordnung anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen drahtlos auslesbaren Sensor zum Nachweis für auf seine Oberfläche einfallende Photonen und/oder sich auf seine Oberfläche anlagernde Fremdstoffe, wobei der Sensor keine eigene Stromversorgung aufweist und i) einen schichtweise aufgebauten Graphen-FET mit a) einer metallischen Gate-Elektrode, die einen Gate-Anschluss hat, b) einer darüber befindlichen dielektrischen Barriere und c) einer wieder darüber befindlichen Graphenschicht, die mit einem Source-Kontakt und einem Drain- Kontakt verbunden ist, wobei der Source-Kontakt mit dem Gate-Anschluss verbunden ist, ii) eine erste Antenne, die mit mindestens einem von Source- Kontakt und Drain-Kontakt verbunden ist, und iii) eine über und auf der Graphenschicht befindliche, auf Photonen und/oder angelagerte Fremdstoffe elektrisch reagierende Oberflächenschicht, die die Oberfläche bildet, aufweist.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Anordnung mit einem drahtlos auslesbaren Sensor, der insbesondere ein Sensor der im vorausgegangenen Absatz beschriebenen Art ist, wobei die Anordnung zudem einen Sender, der ein Signal auf einer Sendefrequenz abgibt, und einen Empfänger aufweist, welcher Empfänger mindestens eine Empfangsfrequenz hat, die ein Vielfaches der Sendefrequenz ist, der Empfänger eine Auswerteelektronik aufweist, und wobei der Sensor i) zumindest eine Graphenschicht, die mit einem Source-Kontakt und einem Drain-Kontakt verbunden ist, ii) eine erste Antenne, die mit mindestens einem von Sou ree- Kontakt und Drain-Kontakt verbunden ist und iii) eine auf der Graphenschicht befindliche Oberflächenschicht, insbesondere ein ionische Flüssigkeit, aufweist.
Die Aufgabe wird zudem gelöst durch ein Verfahren zum Nachweis von Photonen und/oder sich anlagernden Fremdstoffen mit einer Anordnung nach dem vorangegangenen Absatz, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte hat:
- Durchführen einer ersten Messung, wobei der Sender ein Signal abgibt, das vom Sensor empfangen wird, der dadurch in einen höheren energetischen
Zustand versetzt wird und seinerseits ein Sensorsignal abgibt, das vom Empfänger empfangen und in dessen Auswerteelektronik ausgewertet wird.
Dieser Sensor lässt sich einfach zum Beispiel in Dünnschichttechnologie hersteilen. Er ist ausgesprochen leicht und stört, wenn er beispielsweise auf der Haut eines Menschen befestigt ist, praktisch nicht, etwa wie ein normales Pflaster.
Unter Photonen werden vorzugsweise Photonen im sichtbaren Spektralbereich, im nahen UV und im Infrarotbereich verstanden. Fremdstoffe sind typischerweise Atome oder Moleküle. Sie gelangen insbesondere für sich allein, ohne Lösungsmittel oder dergleichen, auf die Oberfläche. Es kann sich zum Beispiel um Mikrostaub, Feinstaub, Gas handeln. Die Fremdstoffe können auch chemische Reaktionen mit der Oberflächenschicht oder mit einem anderen Partner eingehen. Vorzugsweise werden sie adsorbiert, also über sog. Van-der-Waals Kräfte an der Oberfläche gehalten. Die Fremdstoffe können chemo- und/oder bioaktiv sein. Bei einer auf angelagerte Fremdstoffe elektrisch reagierenden Oberflächenschicht ist es vorteilhaft, dass Reinigungsverfahren oder -mittel vorgesehen sind, um nach einer erfolgten Anlagerung die Fremdstoffe wieder von der Oberflächenschicht zu lösen. Für die Absorption von Photonen werden für die Oberflächenschicht eine oder mehrere photoaktive Schichten, insbesondere Quantenpunkte, J-Aggregate und/oder Chalkogenide wie z.B. HgS (Zinnober), CdS (Cadmiumgelb), CdSe und insbesondere Übergangsmetalldichalkogenide eingesetzt.
Es kann als Oberflächenschicht die Graphenschicht verwendet werden, insbesondere eine oberste Lage der mehrlagigen Graphenschicht. Die Oberflächenschicht kann auch durch modifiziertes oder funktionalisiertes Graphen gebildet sein.
Die Graphenschicht hat vorzugsweise Abmessungen im Bereich lx1 bis 15x15 mm, beispielsweise etwa 10x10 mm. Die Fläche der Barriere liegt vorzugsweise zwischen 1 mm2 und 400 mm2, vorzugsweise im Bereich unter 120 mm2. Die Graphenschicht weist vorzugsweise n = 1 bis 15, insbesondere n = 1 bis 10 und besonders bevorzugt n = 1 bis 5 Monolagen Graphen auf. Die Source- und Drainkontakte sind vorzugsweise aus Metall, z.B. Au. Sie befinden sich in der Regel auf der dielektrischen Barriere. Das Material der Barriere kann ein Isolator oder ein Halbleiter sein. Es kommen beispielsweise Si02, AI203, hBN, SiN, MoS2 oder dergleichen infrage. Der FET hat einen zweidimensionalen Kanal basierend
auf der Graphenschicht und der elektrisch reagierenden Oberflächenschicht. Die mindestens eine Antenne ist vorzugsweise aus Metall gefertigt. Es kommen z.B. Slot- Ring- Resonatoren, wobei sich der Graphen-FET im Slot befindet, und Antennenformen wie Stabantenne oder Bow-Tie Antenne in Betracht. Die Verbindung zwischen Source-Kontakt und Gate-Anschluss hat möglichst keinen ohmschen Widerstand und keine Induktivität.
Unter Beleuchtung absorbiert die Oberflächenschicht Licht. Wenn diese beispielsweise Quantenpunkte aufweist, werden Elektronen-Loch-Paare in den Quantenpunkten erzeugt, je nach verwendeten Quantenpunkten. Das Elektron oder das Loch geht an das Graphen über und ändert dort die Ladungsverteilung und/oder Dotierung. Dies kann man elektrisch auslesen, indem bei konstanter Spannung zwischen Source und Drain die Spannung am Gate variiert und der Strom zwischen Source und Drain gemessen wird. Auf diese Weise wird die sogenannte Transfercharakteristik des FETs erhalten. Unter Beleuchtung verschiebt sich diese Transfercharakteristik zunehmend und es kann eine Änderung des Stroms bei konstanter Gatespannung gemessen werden. Dieser Effekt ist in der genannten Veröffentlichung Nat. Nanotechnol, 7, 2012, 363 beschrieben. Die Erfindung nutzt nun nicht die Stromänderung als Ausleseparameter, sondern die Änderung der Kurvenform, insbesondere bei der Gatespannung VGate=0 V, d.h. eine Änderung der Taylor-Entwicklung an diesem Punkt.
Diese Änderung macht sich insbesondere bei der Hochfrequenz-Antwort des Sensors bemerkbar, da eine einfallende z.B. sinusförmige Welle des Senders auf eine nicht-konstante Impedanz trifft und somit verzerrt wird, d.h. harmonische Frequenzen werden erzeugt und als Antwort vom Sensor ausgegeben, also über die mindestens eine Antenne abgestrahlt. Durch den Sender wird der Sensor angeregt und gibt seine dabei erhaltene Anregungsenergie unmittelbar, praktisch ohne Zeitverzögerung wieder ab, indem er unterschiedliche Frequenzen, darunter Harmonische der Sendefrequenz, abstrahlt. Durch Auslesen der harmonischen Frequenzen (z.B. der ersten Harmonischen, also der doppelten Frequenz, oder anderer Oberwellen) kann eine Information über den Beleuchtungsstatus erhalten und somit die Beleuchtung gemessen werden. Im Allgemeinen steigt die Amplitude der Harmonischen mit steigender Beleuchtung an. Im Allgemeinen steigt bei wachsender Beleuchtung die Amplitude einer
höheren Harmonischen stärker als die Amplitude einer niedrigeren Harmonischen an.
Die Auswertung erfolgt in der Auswerteelektronik. Dort wird mindestens eine Amplitude erfasst. Es können die Amplituden einer harmonischen Frequenz, es können aber auch die Amplituden bei mehreren Frequenzen erfasst, einzeln bewertet und/oder in Beziehung zueinander gesetzt werden.
Da der Empfänger in der Regel nicht so ausreichend selektiv ist, dass er das Signal der Sendefrequenz vollständig unterdrückt, kann in einer Nullmessung, also vor Lichteinfall bzw. Anlagerung von Fremdstoffen, der Einfluss des Sendesignals erfasst werden. Vorzugsweise wird daran anschließend in Relation zu der Nullmessung gearbeitet, also das Signal der Nullmessung bei einer späteren Messung jeweils abgezogen.
Um den Beleuchtungszustand drahtlos auszulesen, ist der Graphen-FET an eine oder zwei Antennen gekoppelt. Diese sind auf eine vorgegebene Frequenz ausgelegt, also vorzugsweise selektiv. Eine Welle mit der Frequenz fl wird vom Sender ausgesandt, vom Sensor empfangen und als verzerrte Welle mit einem Anteil an den Harmonischen wieder abgestrahlt. Mit einem Empfänger kann man nun die Stärke z.B. der 1. harmonischen Frequenz messen (als 2*fl). In einem Prototyp sind die Antennen auf 2,5 GHz und 5 GHz optimiert, da dies typische Frequenzen in einem Mobiltelefon sind.
Entsprechende Vorgänge laufen ab, wenn ein chemo- bzw. bioaktiver Graphen- FET verwendet wird. Man kann einen Adsorptionsvorgang während des Adsorptionsvorgangs mitverfolgen. Durch Fremdstoffe, die zunehmend auf die Oberfläche gelangen, erfolgt eine Ladungsverschiebung, die wiederum die Transfercharakteristik ändert. Man kann aber auch vor und nach einer Adsorption messen.
Für den Nachweis sich anlagernder und/oder angelagerter (adsorbierter) Fremdstoffe kann als Oberflächenschicht eine obere Lage der Graphenschicht verwendet werden. In diesem Fall ist die Graphenschicht mehrlagig. Die Oberflächenschicht kann auch durch modifiziertes oder funktionalisiertes Graphen gebildet sein. Weiterhin können die für die Absorption von Photonen angegebenen Oberflächenschichten eingesetzt werden. Zudem können Linker- Biomoleküle als Oberflächenschicht eingesetzt werden.
Fremdstoffe sind typischerweise Atome oder Moleküle. Sie gelangen insbesondere für sich allein, ohne Lösungsmittel oder dergleichen, auf die Oberfläche. Es kann sich zum Beispiel um Mikrostaub, Feinstaub handeln. Die Fremdstoffe können auch chemische Reaktionen mit der Oberflächenschicht oder mit einem anderen Partner eingehen. Vorzugsweise werden sie adsorbiert, also über sog. Van-der-Waals Kräfte an der Oberfläche gehalten. Die Fremdstoffe können chemo- und/oder bioaktiv sein. Bei einer auf angelagerte Fremdstoffe elektrisch reagierenden Oberflächenschicht ist es vorteilhaft, dass Reinigungsverfahren oder -mittel vorgesehen sind, um nach einer erfolgten Anlagerung die Fremdstoffe wieder von der Oberflächenschicht zu lösen. Es können beispielsweise Gasmoleküle oder neuronale Signale erfasst werden. Eine Anwendung ist im Bereich direkter Erfassung von in vivo elektrischen Signalen, eine andere Anwendung ist im Bereich von implementierten Biosensoren, die chemisch gebundene linker Moleküle verwenden, welche die Selektivität von spezifischen Biomolekülen erhöhen. Wenn ein nachzuweisendes Molekül an den Linker andockt bzw. an ihn bindet, überträgt es eine Ladung in die Graphenschicht oder induziert ein elektrisches Feld in dieser, so dass die Ladungsverteilung in der Graphenschicht beeinflusst wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Ansprüchen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung, die nicht einschränkend zu verstehen sind, werden im Folgenden näher beschrieben. Hierzu wird Bezug auf die Zeichnung genommen, in dieser zeigen
Figur 1; eine prinzipielle Darstellung in schnittbildlicher Queransicht eines
Sensors mit zwei Antennen und zudem eines Sender TX sowie eines Empfänger RX,
Figur 2: ein Diagramm einer Transfercharakteristik des Sensors ohne Licht (links), mit geringem Licht (Mitte) und mit stärkerem Licht (rechts),
Figur 3; eine Draufsicht auf einen kompletten Sensor,
Figur 4: eine Darstellung wie Figur 1, jedoch nun mit einer Flüssigkeit als Gate,
Figur 1 zeigt einen Graphen-FET mit einer zusätzlichen Oberflächenschicht 20, wie er in dieser Form auch aus der genannten Veröffentlichung Nat. Nanotechnol, 7, 2012, 363, siehe dort Figur la, ersichtlich ist, bei der die Oberflächenschicht 20 durch Quantenpunkte gebildet ist. Der erfindungsgemäße Sensor ist nicht auf eine derartige Oberflächenschicht 20 beschränkt, er kann auch eine Oberflächenschicht 20 in einer anderen Ausbildung aufweisen.
Der Graphen-FET hat in dieser Reihenfolge eine metallische Gate-Elektrode 22, die einen Gate-Anschluss 24 hat, eine darüber befindliche dielektrische Barriere 26 und eine wieder darüber befindliche Graphenschicht 28. Letztere ist einerseits mit einem Source-Kontakt 30 und andererseits mit einem Drain-Kontakt 32 verbunden, wobei der Source-Kontakt 30 mit dem Gate-Anschluss 24 verbunden ist. Die Oberflächenschicht 20 befindet sich unmittelbar auf und oberhalb der Graphenschicht 28. Sie ist aus einem beliebigen photoaktiven und/oder auf Anlagerungen von Fremdstoffen elektrisch reagierendem Material gefertigt. Die Gate-Elektrode 22 ist typischerweise aus AI, Ti oder Au gefertigt, sie kann auch aus einem ferromagnetischen Metall (Fe, Ni, Co) sein. Die Dicke liegt im Bereich von lnm bis zu einigen Millimetern, z.B. 3 mm. Sie wird nach Bedarf gewählt.
Die Gate-Elektrode 22 kann sich oberhalb eines Substrats (nicht dargestellt) befinden, das zum Beispiel als dünne Kunststofffolie 44 ausgebildet ist. Vorteilhafterweise hat diese auf einer Unterseite eine Beschichtung mit Klebemittel.
Der Sensor hat weiterhin zwei Antennen, nämlich eine erste Antenne 34 und eine zweite Antenne 36. Sie sind für unterschiedliche Frequenzen f ausgelegt, beispielsweise die erste Antenne 34 für fl und die zweite Antenne 36 für 2fl. Sie sind bevorzugt selektiv für ihre Frequenz.
Ein Teilstück der ersten Antenne 34 und ein Teilstück der zweiten Antenne 36 sind mit dem Source-Kontakt 30 verbunden. Ebenso sind zwei Teilstücke mit dem Drain-Kontakt 36 verbunden. Die tatsächliche Ausbildung der beiden Antennen 34,36 ergibt sich aus Figur 3. Bekanntlich ist die Zuordnung von Source und Drain austauschbar.
Die Antennen 34, 36 sind in einer Dicke und aus einem Material erstellt, wie dies oben für die Gate- Elektrode 22 angegeben wurde.
In der Darstellung gemäß Figur 1 verläuft der FET-Kanal in der Zeichenebene.
Der Sensor kann gekapselt werden, beispielsweise kann eine Schutzfolie die Oberseite abdecken und mit der bereits erwähnten dünnen Kunststofffolie 44 dicht verbunden sein. Dabei ist auf die Lichtdurchlässigkeit der Schutzfolie zu achten, dies im Fall eines Sensors für Photonen. Bei einem Sensor für Anlagerungen ist es vorteilhaft, die Oberflächenschicht 20 freizulassen. Es ist auch möglich, im Falle eines Sensors für Photonen die Oberflächenschicht 20 zwischen der Barriere 26 und der Graphenschicht 28 anzuordnen.
In Figur 1 sind dem Sensor ein Sender TX und ein Empfänger RX zugeordnet. Sie befinden sich beide bevorzugt in unmittelbarer Nähe des Sensors. Da die Signalstärke bekanntlich mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt, ist es vorteilhaft, insbesondere den Empfänger RX möglichst nahe, beispielsweise im Bereich von weniger als 100 cm, insbesondere weniger als 30 cm, zum Sensor anzuordnen. Der Empfänger RX hat eine Auswerteelektronik 38. Für jede Empfangsfrequenz und möglichst auch für die Sendefrequenz wird ein Kanal im Empfänger RX gebildet. Es werden für jeden Kanal die Signalstärken, insbesondere die zeitlich gemittelte Amplitude der Empfangsfrequenz ermittelt. Die einzelnen Ausgänge der Kanäle werden einer Vergleicherstufe der Auswerteelektronik 38 zugeführt, dort wird über zuvor wählbare Kriterien, insbesondere Signalstärke eines Kanals, Verhältnis von Kanälen zueinander, Stärke der Sendefrequenz, insgesamt ein Ausgangssignal ermittelt, das angezeigt wird. In einer einfacheren Auslegung hat der Empfänger RX lediglich einen Kanal für eine Harmonische, es wird deren Signalstärke als Ausgangssignal ausgegeben.
Figur 2 zeigt eine Transfercharakteristik des Sensors gemäß Figur 1, wie sie zum Beispiel in einer Schaltungsanordnung gemessen werden kann, wie sie in Nat. Nanotechnol, 7, 2012, 363, Figur la, ersichtlich ist. V in Volt ist die virtuelle Gatespannung, in der genannten Figur la ist sie mit VBG bezeichnet. I in Ampere, z.B. mA, ist der Strom durch den FET, in der Figur la mit IDS bezeichnet. Bei Änderung von V ergeben sich die dargestellten Verläufe, die jeweils die Form ähnlich einer Parabel haben. Die mit ausgezogenen Strichen dargestellte Kurve 1 hat ihren Tiefpunkt bei V=0, sie ist erhalten für den Fall ohne jegliche Bestrahlung einer photoaktiven Oberflächenschicht 20. Die Kurve 2 ist gestrichelt
dargestellt, sie gilt für den Fall einer geringeren Bestrahlung mit Photonen. Die Kurve 3, die; der dargestellt ist, zeigt den Fall für eine intensive Bestrahlung.
Wie zu erkennen, verschiebt sich der Tiefpunkt mit zunehmender Bestrahlung parallel zur V-Achse zunehmend zu größeren Werten. Während für den Fall V=0 die Kurve 1 einen Tiefpunkt mit waagerechter Tangente zeigt und symmetrisch für Änderungen von V ist, zeigt das I/V- Verhalten mit steigender Beleuchtung eine zunehmende Asymmetrie zur I-Achse. Dies wird durch die drei Punkte 40,
41 und 42 ersichtlich, an denen Daten ausgelesen wurden. Eine über den Sender TX eingebrachte Spannungsänderung trifft auf eine zunehmend steilere und unsymmetrischer werdende Charakteristik, dies führt mit wachsender Belichtung zunehmend zu mehr Verzerrungen, insbesondere stärkere und mehr Oberwellen, die als elektromagnetische Welle vom Sensor abgestrahlt werden.
Figur 3 zeigt ein praktisches Beispiel für eine Anordnung mit dem Sensor. Er befindet sich auf einer hier im Beispiel ovalen Folie 44. Insbesondere die Ausbildung der beiden Antennen 34, 36 ist ersichtlich. Sie sind als Slot-Ring- Resonatoren ausgeführt. Der Graphen-FET 42 befindet sich im Schlitz (slot) in etwa der Mitte der Folie 44.
Figur 4 zeigt eine Anordnung mit einem Sensor, der in der Lage ist, Spannungen zu messen welche z.B. von biologischen Zellen erzeugt werden. Gegenüber dem Sensor nach Figur 1 ist dieser Sensor wie folgt modifiziert: Die Gate Elektrode 24 und die Barriere 26, also das Dielektrikum, sind entfernt. Da diese Teile nicht stören, können sie auch beibehalten werden, ein Entfernen ist nicht zwingend notwendig. Als Oberflächenschicht 20 ist eine elektrolytische oder ionische Flüssigkeit aufgebracht. Die ionische Flüssigkeit kann z.B. eine Mischung aus Polyethylenoxid und Lithiumperchlorat (PEO:LiCI04) sein, elektrolytische Flüssigkeit können in Wasser gelöste Salze sein. Aufgabe der elektrolytischen/ionischen Flüssigkeit ist es, eine Spannung als effektive Gate- Spannung an die Oberfläche der Graphenschicht 28 zu transferieren. Spannung, welche von Zellen in oder an der Oberfläche der elektrolytische/ionischen Flüssigkeit erzeugt werden, führen so zu einer Änderung der Leitfähigkeit des Graphens ähnlich wie das Beleuchten der photoaktiven Schicht im Ausführungsbeispiel nach Figur 1 und verändern somit die Erzeugung der harmonischen Wellen. Somit können mit diesem Bauteil auch Spannung von Zellen ausgelesen werden.
Das Bauteil eignet sich nicht nur zum Auslesen von Zell-Spannungen, sondern von sämtlichen Spannungen, welche in oder an der Oberfläche der elektrolytischen/ionischen Flüssigkeit erzeugt werden.
Die Erfindung bezieht sich zudem auf einen drahtlos auslesbaren Sensor, wobei der Sensor keine eigene Stromversorgung aufweist und i) einen schichtweise aufgebauten Graphen-FET mit a) einer metallischen Gate-Elektrode, die einen Gate-Anschluss hat, b) einer darüber befindlichen dielektrischen Barriere und c) einer wieder darüber befindlichen Graphenschicht, die mit einem Sou ree- Kontakt und einem Drain-Kontakt verbunden ist, wobei der Source-Kontakt mit dem Gate-Anschluss verbunden ist, ii) eine erste Antenne, die mit mindestens einem von Sou ree- Kontakt und Drain-Kontakt verbunden ist, und iii) ein im aktivierten Zustand eine elektrische Spannung lieferndes Sensorelement, dessen einer Pol mit dem Drain-Kontakt und dessen anderer Pol mit dem Gate-Anschluss verbunden ist. In diesem Fall kann auf dem Graphen-FET eine Oberflächenschicht 20 vorhanden sein oder nicht. Die Ladungsverschiebung im Graphen-FET wird durch das externe Sensorelement erreicht, der Graphen-FET muss selbst nicht Sensorfunktion haben, vielmehr dient er nur noch als Übertragungselement des Signals des externen Sensorelements. Es wird die Transfercharakteristik ausgenutzt. Als externes Sensorelement kommen beispielsweise eine Fotozelle oder ein elektrochemisches Element infrage. Letzteres kann beispielsweise durch zwei Elektroden aus unterschiedlichen Metallen, die auf der Haut eines Menschen aufliegen oder in eine Flüssigkeit eingetaucht sind, erhalten werden.
Der drahtlos auslesbare Sensor zum Nachweis für auf seine Oberfläche einfallende Photonen und/oder sich auf seine Oberfläche anlagernde Fremdstoffe hat keine eigene Stromversorgung. Er weist i) einen schichtweise aufgebauten Graphen-FET mit a) einer metallischen Gate-Elektrode, die einen Gate-Anschluss 24 hat, b) einer dielektrischen Barriere 26 und c) einer wieder darüber befindlichen Graphenschicht 28, die mit einem Source-Kontakt 30 und einem Drain-Kontakt 32) verbunden ist, wobei der Sou ree- Kontakt 30 mit dem Gate- Anschluss 24 verbunden ist; ii) eine erste Antenne 34, die mit einem von Source- Kontakt 30 und Drain-Kontakt 32 verbunden ist, und iii) eine über oder unter der Graphenschicht 28 befindliche, auf Photonen und/oder angelagerte Fremdstoffe elektrisch reagierende Oberflächenschicht 20 auf.
Begriffe wie im Wesentlichen, vorzugsweise und dergleichen sowie möglicherweise als ungenau zu verstehende Angaben sind so zu verstehen, dass
eine Abweichung um plusminus 5 %, vorzugsweise plusminus 2 % und insbesondere plusminus ein Prozent vom Normalwert möglich ist. Die Anmelderin behält sich vor, beliebige Merkmale und auch Untermerkmale aus den Ansprüchen und/oder beliebige Merkmale und auch Teilmerkmale aus einem Satz der Beschreibung in beliebiger Art mit anderen Merkmalen, Untermerkmalen oder Teilmerkmalen zu kombinieren, dies auch außerhalb der Merkmale unabhängiger Ansprüche. Die Anmelderin behält sich weiterhin vor, beliebige Merkmale und auch Teilmerkmale zu streichen.
Hinweis auf Förderung
Das Projekt, das zu diesem Antrag geführt hat, wurde im Rahmen der Finanzhilfevereinbarung Nr. 649953 und der entsprechenden Teilprojekte aus dem Forschungs- und Innovationsprogramm „Horizont 2020" der Europäischen Union finanziert.
Bezugszeichenliste 2,3 Kurven 0 Oberflächenschicht 2 Gate- Elektrode 22 4 Gate-Anschluss 6 Barriere 8 Graphenschicht 0 Sou ree- Kontakt 2 Drain-Kontakt 4 erste Antenne 6 zweite Antenne 8 Auswerteelektronik 0, 41, 42 Datenpunkte 3 Graphen FET 4 Folie
Claims
1. Drahtlos auslesbarer Sensor zum Nachweis für auf seine Oberfläche einfallende Photonen und/oder sich auf seine Oberfläche anlagernde Fremdstoffe, wobei der Sensor keine eigene Stromversorgung aufweist und i) einen schichtweise aufgebauten Graphen-FET mit a) einer metallischen Gate-Elektrode, die einen Gate-Anschluss (24) hat, b) einer darüber befindlichen dielektrischen Barriere (26) und c) einer wieder darüber befindlichen Graphenschicht (28), die mit einem Source-Kontakt (30) und einem Drain-Kontakt (32) verbunden ist, wobei der Source-Kontakt (30) mit dem Gate-Anschluss (24) verbunden ist, ii) eine erste Antenne (34), die mit dem Source-Kontakt (30) oder mit dem Drain-Kontakt (32) verbunden ist, und iii) eine über und auf der Graphenschicht (28) befindliche, auf Photonen und/oder angelagerte Fremdstoffe elektrisch reagierende Oberflächenschicht (20), die die Oberfläche bildet, aufweist.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht (20) bei Absorption von Photonen und/oder Anlagerung eines Fremdstoffs mit einer Verschiebung elektrischer Ladungsträger reagiert, insbesondere freie Ladungsträger in die Graphenschicht (28) abgibt.
3. Sensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor Photonen nachweist, und dass die Oberflächenschicht (20) Quantenpunkte (quantum dots), J-Aggregate, insbesondere J-Aggregate in Form von organischen Farbstoffmolekülen, und/oder Chalkogenide, insbesondere Übergangsmetalldichalkogenide, aufweist.
4. Sensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er eine zweite Antenne (36) aufweist, die mit demjenigen von Source-Kontakt (30) und Drain-Kontakt (32) verbunden ist, der nicht mit der ersten Antenne (34) verbunden ist, dass die Antennen (34, 36) für unterschiedliche Frequenzen ausgelegt sind, und dass eine Antenne vorzugsweise für ein Vielfaches der Frequenz der anderen Antenne ausgelegt ist.
5. Anordnung mit einem drahtlos auslesbaren Sensor, der insbesondere ein Sensor nach einem der vorausgegangenen Ansprüche ist, mit einem Sender, der ein Signal auf einer Sendefrequenz abgibt, und mit einem Empfänger,
wobei der Empfänger mindestens eine Empfangsfrequenz aufweist, die ein Vielfaches der Sendefrequenz ist, dass der Empfänger eine Auswerteelektronik (38) aufweist, wobei der Sensor i) zumindest eine Graphenschicht (28), die mit einem Source-Kontakt (30) und einem Drain- Kontakt (32) verbunden ist, ii) eine erste Antenne (34), die mit mindestens einem von Source-Kontakt (30) und Drain-Kontakt (32) verbunden ist und iii) eine auf der Graphenschicht (28) befindliche Oberflächenschicht (20), insbesondere ein ionische Flüssigkeit, aufweist.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der mindestens einen Antenne (34, 36) der Empfangsfrequenz und/oder der Sendefrequenz angepasst ist.
7. Verfahren zum Nachweis von Photonen und/oder sich anlagernden Fremdstoffen mit einer Anordnung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch
- Durchführen einer ersten Messung, wobei der Sender ein Signal abgibt, das vom Sensor empfangen wird, der dadurch in einen höheren energetischen Zustand versetzt wird und seinerseits ein Sensorsignal abgibt, das vom Empfänger empfangen und in dessen Auswerteelektronik (38) ausgewertet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Messung durchgeführt wird, während der Sensor mit Photonen bestrahlt wird und/oder während sich Fremdstoffe auf der Oberfläche des Sensors anlagern.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Messung eine Null-Messung ist, die durchgeführt wird, bevor der Sensor mit Photonen bestrahlt wird und/oder bevor sich Fremdstoffe auf der Oberfläche des Sensors anlagern, und dass danach mindestens eine weitere Messung durchgeführt wird.
10. Verfahren nach einem der vorangegangenen Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Auswerteelektronik (38) die Amplitude einer Harmonischen der Sendefrequenz ausgewertet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplituden mehrerer Harmonischer in der Auswerteelektronik (38) erfasst und miteinander verglichen werden.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der Auswerteelektronik (38) die Amplitude der Sendefrequenz erfasst und bei der Berechnung eines Sensorergebnisses berücksichtigt wird.
13. Verfahren nach einem der vorangegangenen Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer Absorption von Fremdstoffen und durchgeführter Messung die Oberfläche des Sensors von den Fremdstoffen gereinigt wird.
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