EP4014261A1 - Wireless sensor for photons and/or foreign substances having a graphene fet - Google Patents

Wireless sensor for photons and/or foreign substances having a graphene fet

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Publication number
EP4014261A1
EP4014261A1 EP20743046.3A EP20743046A EP4014261A1 EP 4014261 A1 EP4014261 A1 EP 4014261A1 EP 20743046 A EP20743046 A EP 20743046A EP 4014261 A1 EP4014261 A1 EP 4014261A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor
photons
antenna
foreign substances
graphene
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20743046.3A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Zhenxing WANG
Andreas HEMMETTER
Hasan Burkay UZLU
Daniel Neumaier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Amo GmbH
Original Assignee
Amo GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Amo GmbH filed Critical Amo GmbH
Publication of EP4014261A1 publication Critical patent/EP4014261A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/02016—Circuit arrangements of general character for the devices
    • H01L31/02019—Circuit arrangements of general character for the devices for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
    • H01L31/0264—Inorganic materials
    • H01L31/028—Inorganic materials including, apart from doping material or other impurities, only elements of Group IV of the Periodic System
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    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/112—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by field-effect operation, e.g. junction field-effect phototransistor

Definitions

  • the invention relates to a wirelessly readable sensor. It is used to detect photons incident on its surface and / or foreign substances that have accumulated and / or already accumulated on its surface.
  • the sensor does not have its own power supply.
  • it has a graphene FET built up in layers and on this a surface layer which electrically reacts to photons and / or accumulated foreign substances and forms the surface of the sensor.
  • such sensors are ideal for application to any surface, for example curved surfaces such as skin and the like, in order to detect light or biological signals, for example. They are well suited for healthcare applications.
  • a wirelessly readable sensor for the detection of photons falling on its surface and / or foreign matter accumulating on its surface, the sensor not having its own power supply and i) a graphene FET built up in layers with a) a metallic gate Electrode which has a gate connection, b) a dielectric barrier located above it and c) a graphene layer located above it, which is connected to a source contact and a drain contact, the source contact being connected to the gate connection is, ii) a first antenna, which is connected to at least one of the source contact and drain contact, and iii) a surface layer located above and on the graphene layer, electrically responsive to photons and / or accumulated foreign matter, which forms the surface, having.
  • the object is also achieved by an arrangement with a wirelessly readable sensor, which is in particular a sensor of the type described in the previous paragraph, the arrangement also having a transmitter that emits a signal on a transmission frequency, and a receiver, which receiver has at least one The receiving frequency is a multiple of the transmitting frequency, the receiver has evaluation electronics, and the sensor i) at least one graphene layer connected to a source contact and a drain contact, ii) a first antenna connected to at least one is connected by sou ree contact and drain contact and iii) a surface layer, in particular an ionic liquid, located on the graphene layer.
  • This sensor can be easily manufactured, for example, using thin-film technology. It is extremely light and, for example, when it is attached to a person's skin, it is practically not annoying, like a normal plaster.
  • Photons are preferably understood to mean photons in the visible spectral range, in the near UV and in the infrared range.
  • Foreign substances are typically atoms or molecules. In particular, they reach the surface by themselves, without solvents or the like. For example, it can be micro-dust, fine dust, gas.
  • the foreign substances can also enter into chemical reactions with the surface layer or with another partner. They are preferably adsorbed, that is to say kept on the surface via so-called van der Waals forces.
  • the foreign substances can be chemoactive and / or bioactive.
  • cleaning methods or means are provided in order to detach the foreign matter from the surface layer again after accumulation has taken place.
  • one or more photoactive layers in particular quantum dots, J-aggregates and / or chalcogenides such as HgS (cinnabar), CdS (cadmium yellow), CdSe and especially transition metal dichalcogenides, are used for the surface layer.
  • the graphene layer can be used as the surface layer, in particular a top layer of the multilayer graphene layer.
  • the surface layer can also be formed by modified or functionalized graphene.
  • the graphene layer preferably has dimensions in the range from 1 ⁇ 1 to 15 ⁇ 15 mm, for example approximately 10 ⁇ 10 mm.
  • the area of the barrier is preferably between 1 mm 2 and 400 mm 2 , preferably in the range below 120 mm 2 .
  • the source and drain contacts are preferably made of metal, for example Au. They are usually on top of the dielectric barrier.
  • the material of the barrier can be an insulator or a semiconductor. For example, SiO 2, Al 2 O 3, hBN, SiN, MoS 2 or the like are possible.
  • the FET is based on a two-dimensional channel on the graphene layer and the electrically responsive surface layer.
  • the at least one antenna is preferably made of metal. Slot-ring resonators, for example, with the graphene FET located in the slot, and antenna shapes such as rod antenna or bow-tie antenna come into consideration.
  • the connection between the source contact and the gate connection has, if possible, no ohmic resistance and no inductance.
  • This change is particularly noticeable in the high-frequency response of the sensor, since an incident, e.g. sinusoidal wave from the transmitter hits a non-constant impedance and is thus distorted, i.e. harmonic frequencies are generated and output by the sensor as a response, i.e. via the at least radiated an antenna.
  • the sensor is excited by the transmitter and emits the excitation energy it receives immediately, with practically no time delay, by emitting different frequencies, including harmonics of the transmission frequency.
  • the harmonic frequencies eg the first harmonic, i.e. double the frequency, or other harmonics
  • information about the lighting status can be obtained and the lighting can thus be measured.
  • the amplitude of the harmonics increases with increasing lighting. In general, as the lighting increases, the amplitude of a increases higher harmonics than the amplitude of a lower harmonic.
  • the evaluation takes place in the evaluation electronics. At least one amplitude is recorded there.
  • the amplitudes of a harmonic frequency, but also the amplitudes at several frequencies, can be recorded, evaluated individually and / or related to one another.
  • the receiver Since the receiver is usually not sufficiently selective that it completely suppresses the signal of the transmission frequency, the influence of the transmission signal can be recorded in a zero measurement, i.e. before the incidence of light or the accumulation of foreign substances. This is then preferably worked in relation to the zero measurement, that is to say the signal of the zero measurement is subtracted in each case in a subsequent measurement.
  • the graphene FET is coupled to one or two antennas. These are designed for a predetermined frequency, that is, preferably selectively.
  • a wave with the frequency fl is sent by the transmitter, received by the sensor and re-emitted as a distorted wave with a proportion of the harmonics.
  • the antennas are optimized for 2.5 GHz and 5 GHz, as these are typical frequencies in a mobile phone.
  • An upper layer of the graphene layer can be used as the surface layer for the detection of accumulating and / or accumulated (adsorbed) foreign substances.
  • the graphene layer is multilayered.
  • the surface layer can also be formed by modified or functionalized graphene.
  • the surface layers specified for the absorption of photons can also be used.
  • Linker biomolecules can also be used as a surface layer.
  • Foreign substances are typically atoms or molecules. In particular, they reach the surface by themselves, without solvents or the like. For example, it can be micro-dust, fine dust.
  • the foreign substances can also enter into chemical reactions with the surface layer or with another partner. They are preferably adsorbed, i.e. kept on the surface by means of so-called van der Waals forces.
  • the foreign substances can be chemoactive and / or bioactive.
  • cleaning methods or means are provided in order to detach the foreign matter from the surface layer again after accumulation has taken place.
  • gas molecules or neural signals can be recorded.
  • One application is in the field of direct detection of in vivo electrical signals, another application is in the field of implemented biosensors that use chemically bound linker molecules that increase the selectivity of specific biomolecules.
  • a molecule to be detected docks or binds to the linker, it transfers a charge into the graphene layer or induces an electric field in it, so that the charge distribution in the graphene layer is influenced.
  • Figure 2 a diagram of a transfer characteristic of the sensor without light (left), with low light (middle) and with stronger light (right),
  • FIG. 4 a representation like FIG. 1, but now with a liquid as the gate
  • FIG. 1 shows a graphene FET with an additional surface layer 20, as is also found in this form from the publication Nat. Nanotechnol, 7, 2012, 363, see there Figure la, can be seen, in which the surface layer 20 is formed by quantum dots.
  • the sensor according to the invention is not limited to such a surface layer 20; it can also have a surface layer 20 in a different configuration.
  • the graphene FET has, in this order, a metallic gate electrode 22, which has a gate connection 24, a dielectric barrier 26 located above it and a graphene layer 28 located above it again.
  • the latter is on the one hand with a source contact 30 and on the other with a Drain contact 32 connected, the source contact 30 being connected to the gate terminal 24.
  • the surface layer 20 is located directly on and above the graphene layer 28. It is made of any photoactive material and / or material that reacts electrically to the accumulation of foreign substances.
  • the gate electrode 22 is typically made of Al, Ti or Au, it can also be made of a ferromagnetic metal (Fe, Ni, Co). The thickness is in the range from 1 nm to a few millimeters, e.g. 3 mm. It is chosen as required.
  • the gate electrode 22 can be located above a substrate (not shown), which is in the form of a thin plastic film 44, for example. This advantageously has a coating with adhesive on an underside.
  • the sensor also has two antennas, namely a first antenna 34 and a second antenna 36. They are designed for different frequencies f, for example the first antenna 34 for fl and the second antenna 36 for 2fl. They are preferably selective for their frequency.
  • a portion of the first antenna 34 and a portion of the second antenna 36 are connected to the source contact 30. Two sections are also connected to the drain contact 36.
  • the actual design of the two antennas 34, 36 is shown in FIG. 3. As is known, the assignment of source and drain is interchangeable.
  • the antennas 34, 36 are made with a thickness and made of a material as indicated above for the gate electrode 22.
  • the FET channel runs in the plane of the drawing.
  • the sensor can be encapsulated, for example a protective film can cover the top and be tightly connected to the already mentioned thin plastic film 44. Pay attention to the transparency of the protective film, this in the case of a sensor for photons. In the case of a sensor for deposits, it is advantageous to leave the surface layer 20 free. In the case of a sensor for photons, it is also possible to arrange the surface layer 20 between the barrier 26 and the graphene layer 28.
  • a transmitter TX and a receiver RX are assigned to the sensor. They are both preferably in the immediate vicinity of the sensor. Since the signal strength is known to decrease with the square of the distance, it is advantageous in particular to arrange the receiver RX as close as possible, for example in the area of less than 100 cm, in particular less than 30 cm, to the sensor.
  • the receiver RX has evaluation electronics 38.
  • a channel is formed in the receiver RX for each reception frequency and, if possible, also for the transmission frequency.
  • the signal strengths, in particular the time-averaged amplitude of the reception frequency, are determined for each channel.
  • FIG. 2 shows a transfer characteristic of the sensor according to FIG. 1, as it can be measured, for example, in a circuit arrangement as described in Nat. Nanotechnol, 7, 2012, 363, Figure la, can be seen.
  • V in volts is the virtual gate voltage; in the above-mentioned figure la it is denoted by VBG.
  • I in amperes, for example mA is the current through the FET, denoted by IDS in FIG.
  • V is changed, the curves shown result, each with a shape similar to a parabola.
  • the curve 2 is dashed shown, it applies to the case of a lower exposure to photons.
  • the curve 3, the; which is shown shows the case for intensive irradiation.
  • a voltage change introduced via the transmitter TX encounters an increasingly steeper and more asymmetrical characteristic; with increasing exposure, this increasingly leads to more distortions, in particular stronger and more harmonics, which are emitted by the sensor as electromagnetic waves.
  • FIG. 3 shows a practical example of an arrangement with the sensor. It is located on a foil 44 which is oval in this example. In particular, the design of the two antennas 34, 36 can be seen. They are designed as slot ring resonators. The graphene FET 42 is located in the slot in approximately the middle of the foil 44.
  • FIG. 4 shows an arrangement with a sensor which is able to measure voltages which, for example, are generated by biological cells.
  • this sensor is modified as follows:
  • the gate electrode 24 and the barrier 26, that is to say the dielectric, are removed. Since these parts do not interfere, they can also be retained, removing them is not absolutely necessary.
  • An electrolytic or ionic liquid is applied as the surface layer 20.
  • the ionic liquid can be, for example, a mixture of polyethylene oxide and lithium perchlorate (PEO: LiCl04), and the electrolytic liquid can be salts dissolved in water.
  • the task of the electrolytic / ionic liquid is to transfer a voltage as an effective gate voltage to the surface of the graphene layer 28.
  • Voltage generated by cells in or on the surface of the electrolytic / ionic liquid lead to a change in the conductivity of the graphene in a manner similar to the illumination of the photoactive layer in the exemplary embodiment according to FIG. 1 and thus change the generation of the harmonic waves.
  • the component is not only suitable for reading out cell voltages, but also all voltages that are generated in or on the surface of the electrolytic / ionic liquid.
  • the invention also relates to a wirelessly readable sensor, the sensor not having its own power supply and i) a graphene FET constructed in layers with a) a metallic gate electrode that has a gate connection, b) a dielectric barrier located above it and c) a graphene layer located above it, which is connected to a Sou ree contact and a drain contact, the source contact being connected to the gate terminal, ii) a first antenna which is connected to at least one of Sou ree - Contact and drain contact is connected, and iii) a sensor element which supplies an electrical voltage in the activated state, one pole of which is connected to the drain contact and the other pole of which is connected to the gate connection.
  • a surface layer 20 may or may not be present on the graphene FET.
  • the charge shift in the graphene FET is achieved by the external sensor element; the graphene FET itself does not have to have a sensor function, rather it only serves as a transmission element for the signal from the external sensor element.
  • the transfer characteristic is used.
  • a photocell or an electrochemical element can be used as an external sensor element. The latter can be obtained, for example, by using two electrodes made of different metals that lie on the skin of a person or are immersed in a liquid.
  • the wirelessly readable sensor for the detection of photons incident on its surface and / or foreign matter that is deposited on its surface does not have its own power supply. It has i) a graphene FET built up in layers with a) a metallic gate electrode which has a gate connection 24, b) a dielectric barrier 26 and c) a graphene layer 28 located above it, which is connected to a source contact 30 and a drain contact 32) is connected, the source contact 30 being connected to the gate terminal 24; ii) a first antenna 34, which is connected to one of the source contact 30 and drain contact 32, and iii) a surface layer 20 located above or below the graphene layer 28, which is electrically responsive to photons and / or deposited foreign matter.

Abstract

The invention relates to a wirelessly readable sensor for detecting photons incident on the surface thereof and/or foreign substances accumulating on the surface thereof, having no power supply of its own. The sensor has i) a graphene FET structured in layers, having a) a metallic gate electrode, which has a gate connection (24), b) a dielectric barrier (26) and c) a graphene layer (28) arranged in turn thereover, which is connected to a source contact (30) and a drain contact (32), wherein the source contact (30) is connected to the gate connection (24); ii) a first antenna (34), which is connected to one of the source contact (30) and the drain contact (32), and iii) a surface layer (20) which is arranged above or below the graphene layer (28) and which reacts electrically to photons and/or accumulated foreign substances.

Description

Drahtloser Sensor für Photonen und/oder Fremdstoffe mit einem Graphen-FET Wireless sensor for photons and / or foreign matter with a graphene 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. The invention relates to a wirelessly readable sensor. It is used to detect photons incident on its surface and / or foreign substances that have accumulated and / or already accumulated on its surface. The sensor does not have its own power supply. In particular, it has a graphene FET built up in layers and on this a surface layer which electrically reacts to photons and / or accumulated foreign substances and forms the surface of the sensor.
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 eineFrom Nat. Nanotechnol, 7, 2012, 363 a graphene FET with an electrically reacting surface layer in the form of quantum dots is known. It is only sensitive to photons and has one
Ansprechempfindlichkeit von 108 A/W bei 25 % externem Quantenwirkungsgrad gezeigt. Der Inhalt dieser Vorveröffentlichung gehört vollinhaltlich zum Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung. Response sensitivity of 10 8 A / W shown at 25% external quantum efficiency. The entire content of this prior publication is part of the disclosure content of the present application.
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. Furthermore, from US 8 344 358 B2 and US 2014/264 275 A1 sensors with a fast response time and high sensitivity are known. These prior publications also belong in their entirety to the disclosure content of the present application.
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. Due to the transparency and flexibility of graphene, such sensors are ideal for application to any surface, for example curved surfaces such as skin and the like, in order to detect light or biological signals, for example. They are well suited for healthcare applications.
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. A disadvantage of the known sensors is that they have high dark currents in the mA range and high noise levels. The high noise level limits the specific sensitivity and the signal / noise ratio. In addition, on the one hand, they also require a relatively high electrical input power from their power supply. They usually have their own power supply. However, having your own battery has a negative effect on the size, weight and flexibility of the sensor. Furthermore, this makes manufacture, use and also maintenance more complicated. The object of the invention is to provide a wireless sensor that works exclusively via radio link, does not require its own power supply and can be made small. A further object of the invention is to specify an arrangement which comprises a sensor and with which detections, that is to say practical verifications, can be carried out. Finally, it is an object to specify a method for operating such a sensor or such an arrangement.
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.This object is achieved by a wirelessly readable sensor for the detection of photons falling on its surface and / or foreign matter accumulating on its surface, the sensor not having its own power supply and i) a graphene FET built up in layers with a) a metallic gate Electrode which has a gate connection, b) a dielectric barrier located above it and c) a graphene layer located above it, which is connected to a source contact and a drain contact, the source contact being connected to the gate connection is, ii) a first antenna, which is connected to at least one of the source contact and drain contact, and iii) a surface layer located above and on the graphene layer, electrically responsive to photons and / or accumulated foreign matter, which forms the surface, having.
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. The object is also achieved by an arrangement with a wirelessly readable sensor, which is in particular a sensor of the type described in the previous paragraph, the arrangement also having a transmitter that emits a signal on a transmission frequency, and a receiver, which receiver has at least one The receiving frequency is a multiple of the transmitting frequency, the receiver has evaluation electronics, and the sensor i) at least one graphene layer connected to a source contact and a drain contact, ii) a first antenna connected to at least one is connected by sou ree contact and drain contact and iii) a surface layer, in particular an ionic liquid, located on the graphene layer.
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:The object is also achieved by a method for the detection of photons and / or accumulated foreign substances with an arrangement according to the preceding paragraph, the method having the following method steps:
- 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. - Carrying out a first measurement, the transmitter emitting a signal that is received by the sensor, which is thereby converted into a higher energetic State is shifted and in turn emits a sensor signal that is received by the receiver and evaluated in its evaluation electronics.
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. This sensor can be easily manufactured, for example, using thin-film technology. It is extremely light and, for example, when it is attached to a person's skin, it is practically not annoying, like a normal plaster.
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. Photons are preferably understood to mean photons in the visible spectral range, in the near UV and in the infrared range. Foreign substances are typically atoms or molecules. In particular, they reach the surface by themselves, without solvents or the like. For example, it can be micro-dust, fine dust, gas. The foreign substances can also enter into chemical reactions with the surface layer or with another partner. They are preferably adsorbed, that is to say kept on the surface via so-called van der Waals forces. The foreign substances can be chemoactive and / or bioactive. In the case of a surface layer that reacts electrically to deposited foreign matter, it is advantageous that cleaning methods or means are provided in order to detach the foreign matter from the surface layer again after accumulation has taken place. For the absorption of photons, one or more photoactive layers, in particular quantum dots, J-aggregates and / or chalcogenides such as HgS (cinnabar), CdS (cadmium yellow), CdSe and especially transition metal dichalcogenides, are used for the surface layer.
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. The graphene layer can be used as the surface layer, in particular a top layer of the multilayer graphene layer. The surface layer can also be formed by modified or functionalized graphene.
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. The graphene layer preferably has dimensions in the range from 1 × 1 to 15 × 15 mm, for example approximately 10 × 10 mm. The area of the barrier is preferably between 1 mm 2 and 400 mm 2 , preferably in the range below 120 mm 2 . The graphene layer preferably has n = 1 to 15, in particular n = 1 to 10 and particularly preferably n = 1 to 5 monolayer graphene. The source and drain contacts are preferably made of metal, for example Au. They are usually on top of the dielectric barrier. The material of the barrier can be an insulator or a semiconductor. For example, SiO 2, Al 2 O 3, hBN, SiN, MoS 2 or the like are possible. The FET is based on a two-dimensional channel on the graphene layer and the electrically responsive surface layer. The at least one antenna is preferably made of metal. Slot-ring resonators, for example, with the graphene FET located in the slot, and antenna shapes such as rod antenna or bow-tie antenna come into consideration. The connection between the source contact and the gate connection has, if possible, no ohmic resistance and no inductance.
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. When illuminated, the surface layer absorbs light. For example, if this has quantum dots, electron-hole pairs are generated in the quantum dots, depending on the quantum dots used. The electron or the hole is transferred to the graph and changes the charge distribution and / or doping there. This can be read out electrically by varying the voltage at the gate with a constant voltage between source and drain and measuring the current between source and drain. In this way the so-called transfer characteristic of the FET is obtained. This transfer characteristic shifts increasingly under illumination and a change in the current can be measured with a constant gate voltage. This effect is mentioned in the publication Nat. Nanotechnol, 7, 2012, 363. The invention now does not use the change in current as a readout parameter, but rather the change in the shape of the curve, in particular with the gate voltage VGate = 0 V, i.e. a change in the Taylor expansion at this point.
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. This change is particularly noticeable in the high-frequency response of the sensor, since an incident, e.g. sinusoidal wave from the transmitter hits a non-constant impedance and is thus distorted, i.e. harmonic frequencies are generated and output by the sensor as a response, i.e. via the at least radiated an antenna. The sensor is excited by the transmitter and emits the excitation energy it receives immediately, with practically no time delay, by emitting different frequencies, including harmonics of the transmission frequency. By reading out the harmonic frequencies (eg the first harmonic, i.e. double the frequency, or other harmonics), information about the lighting status can be obtained and the lighting can thus be measured. In general, the amplitude of the harmonics increases with increasing lighting. In general, as the lighting increases, the amplitude of a increases higher harmonics than the amplitude of a lower harmonic.
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. The evaluation takes place in the evaluation electronics. At least one amplitude is recorded there. The amplitudes of a harmonic frequency, but also the amplitudes at several frequencies, can be recorded, evaluated individually and / or related to one another.
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. Since the receiver is usually not sufficiently selective that it completely suppresses the signal of the transmission frequency, the influence of the transmission signal can be recorded in a zero measurement, i.e. before the incidence of light or the accumulation of foreign substances. This is then preferably worked in relation to the zero measurement, that is to say the signal of the zero measurement is subtracted in each case in a subsequent measurement.
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. In order to read out the lighting status wirelessly, the graphene FET is coupled to one or two antennas. These are designed for a predetermined frequency, that is, preferably selectively. A wave with the frequency fl is sent by the transmitter, received by the sensor and re-emitted as a distorted wave with a proportion of the harmonics. With a receiver you can now measure the strength of e.g. the 1st harmonic frequency (as 2 * fl). In a prototype the antennas are optimized for 2.5 GHz and 5 GHz, as these are typical frequencies in a mobile phone.
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. Corresponding processes take place when a chemoactive or bioactive graphene FET is used. An adsorption process can be followed during the adsorption process. Foreign substances that increasingly reach the surface cause a charge shift, which in turn changes the transfer characteristics. But you can also measure before and after adsorption.
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. An upper layer of the graphene layer can be used as the surface layer for the detection of accumulating and / or accumulated (adsorbed) foreign substances. In this case the graphene layer is multilayered. The surface layer can also be formed by modified or functionalized graphene. The surface layers specified for the absorption of photons can also be used. Linker biomolecules can also be used as a surface layer. Foreign substances are typically atoms or molecules. In particular, they reach the surface by themselves, without solvents or the like. For example, it can be micro-dust, fine dust. The foreign substances can also enter into chemical reactions with the surface layer or with another partner. They are preferably adsorbed, i.e. kept on the surface by means of so-called van der Waals forces. The foreign substances can be chemoactive and / or bioactive. In the case of a surface layer that reacts electrically to deposited foreign matter, it is advantageous that cleaning methods or means are provided in order to detach the foreign matter from the surface layer again after accumulation has taken place. For example, gas molecules or neural signals can be recorded. One application is in the field of direct detection of in vivo electrical signals, another application is in the field of implemented biosensors that use chemically bound linker molecules that increase the selectivity of specific biomolecules. When a molecule to be detected docks or binds to the linker, it transfers a charge into the graphene layer or induces an electric field in it, so that the charge distribution in the graphene layer is influenced.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Ansprüchen. Further features and advantages of the invention emerge from the remaining claims.
Ausführungsbeispiele der Erfindung, die nicht einschränkend zu verstehen sind, werden im Folgenden näher beschrieben. Hierzu wird Bezug auf die Zeichnung genommen, in dieser zeigen Embodiments of the invention, which are not to be understood as restrictive, are described in more detail below. For this purpose, reference is made to the drawing in which it shows
Figur 1; eine prinzipielle Darstellung in schnittbildlicher Queransicht einesFigure 1; a basic representation in a cross-sectional view of a
Sensors mit zwei Antennen und zudem eines Sender TX sowie eines Empfänger RX, Sensor with two antennas and also a transmitter TX and a receiver RX,
Figur 2: ein Diagramm einer Transfercharakteristik des Sensors ohne Licht (links), mit geringem Licht (Mitte) und mit stärkerem Licht (rechts),Figure 2: a diagram of a transfer characteristic of the sensor without light (left), with low light (middle) and with stronger light (right),
Figur 3; eine Draufsicht auf einen kompletten Sensor, Figure 3; a top view of a complete 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. FIG. 4: a representation like FIG. 1, but now with a liquid as the gate, FIG. 1 shows a graphene FET with an additional surface layer 20, as is also found in this form from the publication Nat. Nanotechnol, 7, 2012, 363, see there Figure la, can be seen, in which the surface layer 20 is formed by quantum dots. The sensor according to the invention is not limited to such a surface layer 20; it can also have a surface layer 20 in a different configuration.
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.The graphene FET has, in this order, a metallic gate electrode 22, which has a gate connection 24, a dielectric barrier 26 located above it and a graphene layer 28 located above it again. The latter is on the one hand with a source contact 30 and on the other with a Drain contact 32 connected, the source contact 30 being connected to the gate terminal 24. The surface layer 20 is located directly on and above the graphene layer 28. It is made of any photoactive material and / or material that reacts electrically to the accumulation of foreign substances. The gate electrode 22 is typically made of Al, Ti or Au, it can also be made of a ferromagnetic metal (Fe, Ni, Co). The thickness is in the range from 1 nm to a few millimeters, e.g. 3 mm. It is chosen as required.
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. The gate electrode 22 can be located above a substrate (not shown), which is in the form of a thin plastic film 44, for example. This advantageously has a coating with adhesive on an underside.
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. The sensor also has two antennas, namely a first antenna 34 and a second antenna 36. They are designed for different frequencies f, for example the first antenna 34 for fl and the second antenna 36 for 2fl. They are preferably selective for their frequency.
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. A portion of the first antenna 34 and a portion of the second antenna 36 are connected to the source contact 30. Two sections are also connected to the drain contact 36. The actual design of the two antennas 34, 36 is shown in FIG. 3. As is known, the assignment of source and drain is interchangeable. The antennas 34, 36 are made with a thickness and made of a material as indicated above for the gate electrode 22.
In der Darstellung gemäß Figur 1 verläuft der FET-Kanal in der Zeichenebene.In the illustration according to FIG. 1, the FET channel runs in the plane of the drawing.
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. The sensor can be encapsulated, for example a protective film can cover the top and be tightly connected to the already mentioned thin plastic film 44. Pay attention to the transparency of the protective film, this in the case of a sensor for photons. In the case of a sensor for deposits, it is advantageous to leave the surface layer 20 free. In the case of a sensor for photons, it is also possible to arrange the surface layer 20 between the barrier 26 and the graphene layer 28.
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. In FIG. 1, a transmitter TX and a receiver RX are assigned to the sensor. They are both preferably in the immediate vicinity of the sensor. Since the signal strength is known to decrease with the square of the distance, it is advantageous in particular to arrange the receiver RX as close as possible, for example in the area of less than 100 cm, in particular less than 30 cm, to the sensor. The receiver RX has evaluation electronics 38. A channel is formed in the receiver RX for each reception frequency and, if possible, also for the transmission frequency. The signal strengths, in particular the time-averaged amplitude of the reception frequency, are determined for each channel. The individual outputs of the channels are fed to a comparator stage of the evaluation electronics 38, where an overall output signal is determined that is displayed using previously selectable criteria, in particular the signal strength of a channel, the ratio of channels to one another, the strength of the transmission frequency. In a simpler design, the receiver RX has only one channel for one harmonic; its signal strength is output as an output signal.
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.FIG. 2 shows a transfer characteristic of the sensor according to FIG. 1, as it can be measured, for example, in a circuit arrangement as described in Nat. Nanotechnol, 7, 2012, 363, Figure la, can be seen. V in volts is the virtual gate voltage; in the above-mentioned figure la it is denoted by VBG. I in amperes, for example mA, is the current through the FET, denoted by IDS in FIG. When V is changed, the curves shown result, each with a shape similar to a parabola. The curve 1 shown with solid lines has its lowest point at V = 0; it is obtained for the case without any irradiation of a photoactive surface layer 20. The curve 2 is dashed shown, it applies to the case of a lower exposure to photons. The curve 3, the; which is shown shows the case for intensive irradiation.
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,As can be seen, with increasing irradiation the low point shifts increasingly to larger values parallel to the V-axis. While curve 1 shows a low point with a horizontal tangent for the case V = 0 and is symmetrical for changes in V, the I / V behavior shows an increasing asymmetry to the I-axis with increasing lighting. This is indicated by the three points 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. 41 and 42 can be seen from which data were read out. A voltage change introduced via the transmitter TX encounters an increasingly steeper and more asymmetrical characteristic; with increasing exposure, this increasingly leads to more distortions, in particular stronger and more harmonics, which are emitted by the sensor as electromagnetic waves.
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. FIG. 3 shows a practical example of an arrangement with the sensor. It is located on a foil 44 which is oval in this example. In particular, the design of the two antennas 34, 36 can be seen. They are designed as slot ring resonators. The graphene FET 42 is located in the slot in approximately the middle of the foil 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. FIG. 4 shows an arrangement with a sensor which is able to measure voltages which, for example, are generated by biological cells. Compared to the sensor according to FIG. 1, this sensor is modified as follows: The gate electrode 24 and the barrier 26, that is to say the dielectric, are removed. Since these parts do not interfere, they can also be retained, removing them is not absolutely necessary. An electrolytic or ionic liquid is applied as the surface layer 20. The ionic liquid can be, for example, a mixture of polyethylene oxide and lithium perchlorate (PEO: LiCl04), and the electrolytic liquid can be salts dissolved in water. The task of the electrolytic / ionic liquid is to transfer a voltage as an effective gate voltage to the surface of the graphene layer 28. Voltage generated by cells in or on the surface of the electrolytic / ionic liquid lead to a change in the conductivity of the graphene in a manner similar to the illumination of the photoactive layer in the exemplary embodiment according to FIG. 1 and thus change the generation of the harmonic waves. This means that voltage from cells can also be read out with this component. The component is not only suitable for reading out cell voltages, but also all voltages that are generated in or on the surface of the electrolytic / ionic liquid.
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. The invention also relates to a wirelessly readable sensor, the sensor not having its own power supply and i) a graphene FET constructed in layers with a) a metallic gate electrode that has a gate connection, b) a dielectric barrier located above it and c) a graphene layer located above it, which is connected to a Sou ree contact and a drain contact, the source contact being connected to the gate terminal, ii) a first antenna which is connected to at least one of Sou ree - Contact and drain contact is connected, and iii) a sensor element which supplies an electrical voltage in the activated state, one pole of which is connected to the drain contact and the other pole of which is connected to the gate connection. In this case, a surface layer 20 may or may not be present on the graphene FET. The charge shift in the graphene FET is achieved by the external sensor element; the graphene FET itself does not have to have a sensor function, rather it only serves as a transmission element for the signal from the external sensor element. The transfer characteristic is used. A photocell or an electrochemical element can be used as an external sensor element. The latter can be obtained, for example, by using two electrodes made of different metals that lie on the skin of a person or are immersed in a liquid.
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. The wirelessly readable sensor for the detection of photons incident on its surface and / or foreign matter that is deposited on its surface does not have its own power supply. It has i) a graphene FET built up in layers with a) a metallic gate electrode which has a gate connection 24, b) a dielectric barrier 26 and c) a graphene layer 28 located above it, which is connected to a source contact 30 and a drain contact 32) is connected, the source contact 30 being connected to the gate terminal 24; ii) a first antenna 34, which is connected to one of the source contact 30 and drain contact 32, and iii) a surface layer 20 located above or below the graphene layer 28, which is electrically responsive to photons and / or deposited foreign matter.
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. Terms such as essentially, preferably and the like, as well as information that is possibly to be understood as imprecise, are to be understood as meaning that a deviation of plus or minus 5%, preferably plus or minus 2% and in particular plus or minus one percent from the normal value is possible. The applicant reserves the right to combine any features and also sub-features from the claims and / or any features and also partial features from a set of the description in any manner with other features, sub-features or partial features, including outside the features of independent claims. The applicant furthermore reserves the right to delete any features and also partial features.
Hinweis auf Förderung Reference to funding
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 The project that led to this application was funded under Grant Agreement No. 649953 and its sub-projects from the European Union's Horizon 2020 research and innovation program. LIST OF REFERENCE NUMERALS 2,3 Curves 0 surface layer 2 gate electrode 22 4 gate connection 6 barrier 8 graphene layer 0 source contact 2 drain contact 4 first antenna 6 second antenna 8 evaluation electronics 0, 41, 42 data points 3 graphene FET 4 foil

Claims

Ansprüche Expectations
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. 1. Wirelessly readable sensor for the detection of photons falling on its surface and / or foreign matter accumulating on its surface, the sensor not having its own power supply and i) a graphene FET built up in layers with a) a metallic gate electrode, which has a Has gate connection (24), b) a dielectric barrier (26) located above it and c) a graphene layer (28) located above it again, which is connected to a source contact (30) and a drain contact (32), wherein the source contact (30) is connected to the gate connection (24), ii) a first antenna (34) which is connected to the source contact (30) or to the drain contact (32), and iii) a surface layer (20) located above and on the graphene layer (28), which reacts electrically to photons and / or accumulated foreign matter and which forms the surface.
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. 2. Sensor according to claim 1, characterized in that the surface layer (20) reacts with the absorption of photons and / or the accumulation of a foreign substance with a shift of electrical charge carriers, in particular emits free charge carriers into the graphene layer (28).
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. 3. Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor detects photons, and that the surface layer (20) quantum dots, J-aggregates, in particular J-aggregates in the form of organic dye molecules, and / or chalcogenides, in particular transition metal dichalcogenides.
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. 4. Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that it has a second antenna (36) which is connected to that of the source contact (30) and drain contact (32) which is not connected to the first antenna (34 ) is connected, that the antennas (34, 36) are designed for different frequencies, and that one antenna is preferably designed for a multiple of the frequency of the other antenna.
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. 5. Arrangement with a wirelessly readable sensor, which is in particular a sensor according to one of the preceding claims, with a transmitter that emits a signal on a transmission frequency, and with a receiver, wherein the receiver has at least one reception frequency that is a multiple of the transmission frequency, that the receiver has evaluation electronics (38), the sensor i) at least one graphene layer (28) which is provided with a source contact (30) and a drain Contact (32) is connected, ii) a first antenna (34) which is connected to at least one of the source contact (30) and drain contact (32) and iii) a surface layer (20) located on the graphene layer (28) ), in particular an ionic liquid.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der mindestens einen Antenne (34, 36) der Empfangsfrequenz und/oder der Sendefrequenz angepasst ist. 6. Arrangement according to claim 5, characterized in that the frequency of the at least one antenna (34, 36) is adapted to the reception frequency and / or the transmission frequency.
7. Verfahren zum Nachweis von Photonen und/oder sich anlagernden Fremdstoffen mit einer Anordnung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch7. A method for the detection of photons and / or accumulating foreign substances with an arrangement according to claim 5, characterized by
- 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. - Carrying out a first measurement, the transmitter emitting a signal that is received by the sensor, which is thereby placed in a higher energetic state and in turn emits a sensor signal that is received by the receiver and evaluated in its evaluation electronics (38).
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. 8. The method according to claim 7, characterized in that the first measurement is carried out while the sensor is irradiated with photons and / or while foreign substances are accumulating on the surface of the sensor.
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. 9. The method according to claim 7, characterized in that the first measurement is a zero measurement which is carried out before the sensor is irradiated with photons and / or before foreign substances are deposited on the surface of the sensor, and that afterwards at least one further Measurement is performed.
10. Verfahren nach einem der vorangegangenen Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Auswerteelektronik (38) die Amplitude einer Harmonischen der Sendefrequenz ausgewertet wird. 10. The method according to any one of the preceding method claims, characterized in that the amplitude of a harmonic of the transmission frequency is evaluated in the evaluation electronics (38).
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplituden mehrerer Harmonischer in der Auswerteelektronik (38) erfasst und miteinander verglichen werden. 11. The method according to claim 10, characterized in that the amplitudes of several harmonics are detected in the evaluation electronics (38) and compared with one another.
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. 12. The method according to claim 10 or 11, characterized in that the amplitude of the transmission frequency is recorded in the evaluation electronics (38) and taken into account when calculating a sensor result.
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. 13. The method according to any one of the preceding method claims, characterized in that after an absorption of foreign substances and carried out measurement, the surface of the sensor is cleaned of the foreign substances.
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