WO2006136154A1 - Substrat aus einem siliziumhaltigen grundmaterial für einen einsatz mit sensoren - Google Patents

Substrat aus einem siliziumhaltigen grundmaterial für einen einsatz mit sensoren Download PDF

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WO2006136154A1
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Matthias Lau
Martin Morjan
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Sentronic Gmbh Gesellschaft Für Optische Messsystem
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Definitions

  • Substrate made of a siliceous base material for use with sensors
  • the invention relates to a substrate according to the preamble of claim 1 and its use in sensory applications.
  • the invention also relates to a method for producing such a substrate.
  • Gas and liquid sensors are now widely used in many fields such as medicine, environmental analysis, industry and research.
  • All of these sensors have a fundamentally similar structure. They usually consist of a substrate to which a sensitive layer is applied for the detection of a specific substance. This sensitive layer interacts with the substance to be determined and the resulting changes in the sensitive layer are derived in the form of optical or electrical signals across the substrate.
  • the sensitive layers often consist of polymers and organic materials and, due to insufficient chemical and thermal stability, can in many areas e.g. in chemical process control, not be used.
  • these materials are necessary because they serve as carriers for the sensitive substances, which in many cases can not be fixed on the substrate surface without this carrier matrix.
  • the substrate according to the invention has the advantage over the prior art that a homogeneous distribution of the sensitive component and an increase in reproducibility in the production of sensors is achieved by the uniform, porous surface of the substrate having a defined pore diameter.
  • the special cavity structure of the membranes produced by a modified sol-gel process leads to a reduction of the response time.
  • the larger pores allow a fast transport of the substance to be detected to the sensitive components located in the smaller pores.
  • the substrate according to the invention has distinct advantages in sensory application over conventional substrates, e.g. in patent DE10255463, on.
  • a further advantage is that the substrate according to the invention can do without the use of any polymer components, and thus, depending on the type of sensitive component used, it is possible to measure chemical, biochemical or physical parameters up to temperatures just below the pour point of the substrate.
  • sodium borosilicate glasses or the sol-gel process are preferably used.
  • phase separation occurs in the glass by thermal treatment at temperatures preferably between 500 and 750 ° C.
  • the production of the porous structure is carried out by a subsequent acid extraction of the soluble phase formed during the phase separation.
  • By an additional alkaline extraction larger pores can be produced.
  • the size, depth, shape and distribution of the pores produced is determined, besides the starting material, by process parameters such as temperature, duration of the thermal treatment and the concentration and temperature of the extractant and the duration of the extraction process.
  • process parameters such as temperature, duration of the thermal treatment and the concentration and temperature of the extractant and the duration of the extraction process. The following is an example of producing a continuous porous substrate having a pore diameter of 51 nm.
  • a sodium borosilicate composition of 70% by mass of SiO2, 23 mass% B 2 O 3 and 7% by mass of Na 2 O is heat-treated for 24 hours at 630 0 C, to round off this then in strips with an end surface of 2x2 cm and sawed Ground rods.
  • the rods are cut with a band saw into 0.3 mm thick slices.
  • the individual disks are acidified for 2 hours at 90 ° C. with 3N HCl and then rinsed with distilled water.
  • the continuously porous, round membranes (FIG. 1) have a pore diameter of 51 nm.
  • a second way of producing the substrates according to the invention involves a sol-gel method.
  • spinodal segregation states are fixed by the sol-gel transition.
  • the glass matrix is formed by the proton-catalyzed hydrolysis and condensation of silicic acid esters. Addition of polyethylene oxides of different molecular masses leads to phase separation during the sol-gel transition.
  • the production of the porous structures is carried out by a thermal aftertreatment.
  • the substrates thus produced are characterized by a bimodal pore structure (micro and meso / macropores).
  • the shaping of the substrate takes place by mechanical treatment of the starting glasses, preferably before or after the thermal treatment.
  • the free formability allows e.g. the construction of substrates in the form of a lens, which leads to improved optical properties.
  • FIG. 3 shows an embodiment of the substrate in the form of a porous hollow cylinder.
  • Another embodiment is not completely porous substrates having at least one closed side surface. These are particularly suitable for use in Liquid sensors, as already done by the substrate a seal to the rest of the sensor structure in this way.
  • a further possibility for producing non-continuous porous substrates according to claim 28 by a selective subsequent closing of the pores on a side surface of the substrate (FIG. 5).
  • the pores are closed, for example with a sol-gel or by a sintering process with SiO 2 .
  • the substrate continues to be a one-component system.
  • non-continuous porous substrates can be produced by preferably applying a thin glass pane or another type of cover to one side of the substrate prior to chemical extraction (FIG.
  • the joining of the two parts is preferably carried out by bonding by means of bonding methods, preferably with water glass, sol-gel method, by soldering, sintering, diffusion bonding or a bonding process.
  • the substrate can be modified in a variety of ways.
  • the structure and surface condition of the pores can be changed, e.g. Alteration of Surface Functionality by Silanization or Calcination (FIG. 7).
  • electric contacts / interdigital structures for the electrical characterization of the sensor layer are applied to the substrate.
  • the contacts can be treated with the usual coating processes, e.g. thermal vapor deposition, sputtering, pad printing or screen printing are applied.
  • the substrate can also be used as a filter membrane.
  • the filter membranes By varying the pore size or subsequent modification of the pore surface, e.g. by silanization, reaction with alkoxysilanes and subsequent hydrolysis and by calcination (FIG. 7), the filter effect can be changed.
  • These filter membranes can thus be used in sensors for the separation of the substance to be detected from a substance mixture or the reduction of the analyte concentration.
  • a further embodiment of the substrate comprises at least two regions with a uniform or different pore structure, which are separated from one another by a nonporous intermediate layer (FIG. 8).
  • These substrates are particularly suitable for the simultaneous determination of several measurement parameters, in that each of the porous regions contains a different sensitive component. If two of the separate areas contain the same sensitive substance and one of them is not in contact with the measuring medium, this can be used as a reference.

Abstract

1. Substrat aus einem siliziumhaltigen Grundmaterial für einen Einsatz mit Sensoren 2.1 Gas- und Flüssigkeitssensoren weisen in der Regel alle einen ähnlichen Aufbau auf. Sie bestehen zumeist aus einem Substrat, auf das zur Detektion einer bestimmten Substanz eine sensitive Schicht aufgebracht wird. Das Aufbringen einer sensitiven Schicht auf das Substrat führt zu einem Zweischicht-System und erfordert für den Aufbau stabiler Sensoren eine gute Haftung zwischen Substrat und sensitiver Schicht. Zudem bestehen die sensitiven Schichten häufig aus Polymeren und organischen Materialien und können, aufgrund der unzureichenden chemischen und thermischen Stabilität, in vielen Bereichen, z.B. in der chemischen Prozesskontrolle, nicht eingesetzt werden. Das neue Substrat für den Einsatz in sensorischen Anwendungen soll es ermöglichen, optisch, chemisch und thermisch stabile Sensoren vorzugsweise mit einem Einkomponenten-System herzustellen. 2.2 Das erfindungsgemäße Substrat hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass durch eine gleichmäßige, poröse Oberfläche des Substrates mit einem definierten Porendurchmesser, eine homogene Verteilung der sensitiven Komponente und eine Erhöhung der Reproduzierbarkeit bei der Herstellung von Sensoren erreicht wird. Ein weiterer Vorteil liegt darin , dass das Substrat ohne den Einsatz jeglicher Polymerkomponenten auskommen kann und somit den Aufbau chemisch und thermisch stabiler Sensoren ermöglicht. 2.3 Das Substrat ermöglicht durch seien spezifische Beschaffenheit den Aufbau neuer Sensoren für den Einsatz unter chemischen und thermischen Bedingungen, unter denen bisher keine Sensoren eingesetzt werden konnten.

Description

Substrat aus einem siliziumhaltigen Grundmaterial für einen Einsatz mit Sensoren
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Substrat nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und dessen Verwendung in sensorischen Anwendungen. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Substrates.
Stand der Technik
Gas- und Flüssigkeitssensoren sind heutzutage in vielen Bereichen wie Medizin, Umweltanalytik, Industrie und Forschung weit verbreitet.
All diese Sensoren weisen einen grundlegend ähnlichen Aufbau auf. Sie bestehen zumeist aus einem Substrat, auf das zur Detektion einer bestimmten Substanz eine sensitive Schicht aufgebracht wird. Diese sensitive Schicht tritt mit der zu bestimmenden Substanz in Wechselwirkungen und die dadurch hervorgerufenen Änderungen der sensitiven Schicht werden in Form von optischen oder elektrischen Signalen über das Substrat abgeleitet.
Das Aufbringen einer sensitiven Schicht auf das Substrat führt zu einem Zweischicht-System und erfordert für den Aufbau stabiler Sensoren eine gute Haftung zwischen Substrat und sensitiver Schicht.
Zudem bestehen die sensitiven Schichten häufig aus Polymeren und organischen Materialien und können, aufgrund der unzureichenden chemischen und thermischen Stabilität, in vielen Bereichen z.B. in der chemischen Prozesskontrolle, nicht eingesetzt werden. Diese Materialien sind aber notwendig, da sie als Träger für die sensitiven Substanzen dienen, die vielfach nicht ohne diese Trägermatrix auf der Substratoberfläche fixiert werden können.
Ein möglicher Weg zur Beseitigung der beschriebenen Probleme wird in Patent DE 102 55 463 A1 durch das Aufbringen einer porösen Trägerschicht auf ein Grundsubstrat aufgezeigt. Nachteilig erweist sich bei diesem Lösungsansatz, dass in der Regel Grundsubstrat und poröse Trägerschicht aus unterschiedlichen Materialien bestehen und somit genau genommen auch ein Zweischicht- System aufgebaut wird, dessen Oberfläche auf diesem Wege nur stark vergrößert werden kann, ohne - gemäß Autor - wesentliche Einschränkungen der Permeabilität zu erreichen. Ein ideales Substrat für den Einsatz in Sensoren vereint Grundsubstrat und poröse Trägerschicht in einem kompakten Element aus einem einheitlichen Werkstoff.
Grundlage für das erfindungsgemäße Substrat nach Anspruch 1 bilden das Patent DE 198 48 377 A1 , das ein Verfahren zur Herstellung von ultradünnen porösen Glasmembranen zum Inhalt hat sowie nach dem Sol-Gel-Prozess hergestellte poröse Membranen mit hierarchischer Porenstruktur - Poren mit kleinerem Durchmesser innerhalb der Glasmatrix, die eine hohe spezifische Oberfläche generieren, sind durch größere Hohlräume innerhalb der Membran sehr leicht zugänglich. Aufgabenstellung
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Substrat für den Einsatz in sensorischen Anwendungen herzustellen, das es ermöglicht, optisch, chemisch und thermisch stabile Sensoren vorzugsweise mit einem Einkomponenten-System herzustellen.
Das erfindungsgemäße Substrat hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass durch die gleichmäßige, poröse Oberfläche des Substrates mit einem definierten Porendurchmesser, eine homogene Verteilung der sensitiven Komponente und eine Erhöhung der Reproduzierbarkeit bei der Herstellung von Sensoren erreicht wird.
Weiterhin wirkt sich gegenüber dem Stand der Technik vorteilhaft aus, dass die spezielle Hohlraumstruktur der nach einem modifizierten Sol-Gel-Prozess hergestellten Membranen zu einer Verringerung der Ansprechzeit führt. Die größeren Poren ermöglichen hier einen schnellen Transport der zu detektierenden Substanz zu den in den kleineren Poren befindlichen sensitiven Komponenten. Hierdurch weist das erfindungsgemäße Substrat deutliche Vorteile in der sensorischen Anwendung gegenüber herkömmlichen Substraten, wie z.B. in Patent DE10255463 beschrieben, auf.
Ein weiterer Vorteil liegt darin , dass das erfindungsgemäße Substrat ohne den Einsatz jeglicher Polymerkomponenten auskommen kann, und es somit je nach Art der verwendeten sensitiven Komponente die Messung chemischer, biochemischer oder physikalischer Parameter bis zu Temperaturen kurz unterhalb des Fließpunktes des Substrates ermöglicht.
Sollte es aus technischer Sicht der Einsatz von Polymeren, z.B. als Haftvermittler oder Deckschicht, notwendig sein, ist eine Kombination des Substrate mit diesen Verbindungen möglich.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Substrat mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich mit der Anwendung, der in den untergeordneten Ansprüchen genannten Merkmalen.
Ausführungsbeispiele
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in den folgenden Beschreibungen erläutert und in den Zeichnungen dargestellt.
Für die erfindungsgemäße Herstellung eines Substrates nach Anspruch 1 werden vorzugsweise Natriumborosilikatgläser oder der Sol-Gel-Prozess verwendet.
Bei dem Herstellungsverfahren der Substrate unter Verwendung von Natriumborosilikatgläsem kommt es in dem Glas durch eine thermische Behandlung bei Temperaturen vorzugsweise zwischen 500 und 7500C zu einer Phasentrennung. Die Erzeugung der porösen Struktur erfolgt durch eine anschließende saure Extraktion der bei der Phasentrennung entstandenen löslichen Phase. Durch eine zusätzliche alkalische Extraktion können größere Poren erzeugt werden. Die Größe, Tiefe, Form und Verteilung der erzeugten Poren wird neben dem Ausgangsmaterial durch Prozessparameter wie Temperatur, Dauer der thermischen Behandlung sowie die Konzentration und Temperatur des Extraktionsmittels und die Dauer des Extraktionsprozesses bestimmt. Im Folgenden wird ein Beispiel zur Herstellung eines durchgängig porösen Substrates mit einem Porendurchmesser von 51 nm angegeben.
Beispiel
Ein Natriumborosilikatglas der Zusammensetzung 70 Massen-% SiO2, 23 Massen-% B2O3 und 7 Massen-% Na2O wird für 24 Stunden bei 6300C thermobehandelt, in Steifen mit einer Stirnfläche von 2x2 cm gesägt und diese anschließend zu runden Stäben geschliffen. Die Stäbe werden mit einer Bandsäge in 0,3 mm dicke Scheiben geschnitten. Die einzelnen Scheiben werden für 2 Stunden bei 900C mit 3N HCl sauer extrahiert und anschließend mit destilliertem Wasser gespült. Nach einer zweistündigen alkalischen Nachbehandlung mit 0,5 N NaOH bei Raumtemperatur weisen die durchgängig porösen, runden Membranen (FIG. 1) einen Porendurchmesser von 51 nm auf.
Ein zweiter Weg zur Erzeugung der erfindungsgemäßen Substrate beinhaltet ein SoI-GeI Verfahren. Bei dem Herstellungsverfahren der Substrate unter Verwendung der Sol-Gel-Technologie werden spinodale Entmischungszustände durch den Sol-Gel-Übergang fixiert.
Die Glasmatrix wird durch die protonenkatalysierte Hydrolyse und Kondensation von Kieselsäureestern gebildet. Durch Zugabe von Polyethylenoxiden verschiedener Mol-Massen, kommt es während des Sol-Gel-Überganges zu einer Phasenseparation. Die Erzeugung der porösen Strukturen erfolgt durch eine thermische Nachbehandlung. Die so erzeugten Substrate sind durch eine bimodale Porenstruktur (Mikro- und Meso/ Makroporen) gekennzeichnet.
In folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele zur Herstellung und der Verwendung des erfindungsgemäßen Substrates aufgezeigt.
Zur Anpassung der Substrate an die jeweiligen Einsatzbedingungen können Größe und Form frei gestaltet werden. Bei der Verwendung von Natriumborosilikatgläsern erfolgt die Formgebung des Substrates durch mechanische Bearbeitung der Ausgangsgläser, vorzugsweise vor oder nach der thermischen Behandlung.
Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Substrates aus einem SoI-GeI erfolgt die Formgebung während des Sol-Gel-Prozesses.
Die vielfältigen Möglichkeiten einer gezielten Formgebung wirken sich positiv auf viele Anwendungsbereiche aus. So können durch eine spezielle Formgebung bessere Anströmungen für den Einsatz in Sensoren erzielt werden und somit Prozesse wie Biofouling oder eine Belagbildung auf der Substratoberfläche vermieden werden.
Für den Einsatz in optischen Sensoren ermöglicht die freie Formbarkeit z.B. den Aufbau von Substraten in Form einer Linse, was zu verbesserten optischen Eigenschaften führt.
Des Weiteren sind hierdurch Möglichkeiten für eine einfache Integration mechanischer Funktionalitäten wie z.B. Halteelemente oder Gewinde gegeben.
FIG. 3 zeigt eine Ausführungsform des Substrates in Form eines porösen Hohlzylinders.
Eine weitere Ausbauform stellen nicht vollständig poröse Substrate dar, die mindestens eine geschlossene Seitenfläche aufweisen. Diese eignen sich besonders für den Einsatz in Flüssigkeitssensoren, da auf diese Weise schon durch das Substrat eine Abdichtung zum restlichen Sensoraufbau erfolgt.
Durch eine vorsichtige, einseitige Extraktion der Scheiben werden Substrate mit einer nicht durchgängigen porösen Struktur erzeugt (FIG. 2). Dieser Aufbau eignet sich durch die geschlossene Grundfläche besonders für den Einsatz in Flüssigkeitssensoren.
Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung nicht durchgängig poröser Substrate besteht gemäß des Anspruches 28 durch ein gezieltes nachträgliches Verschließen der Poren an einer Seitenfläche des Substrates (Fig. 5). Hierzu werden die Poren beispielsweise mit einem SoI-GeI oder durch einen Sinterprozess mit SiO2 verschlossen. Durch diese Verfahren besteht das Substrat weiterhin als Einkomponenten-System.
Des Weiteren können nicht durchgängig poröse Substrate dadurch hergestellt werden, dass vorzugsweise vor der chemischen Extraktion eine dünne Glasscheibe oder eine andersartige Abdeckung auf eine Seite des Substrates aufgebracht wird (FIG. 6). Die Fügung der beiden Teile erfolgt vorzugsweise durch Verbinden mit Hilfe von Klebeverfahren, vorzugsweise mit Wasserglas, Sol-Gel-Verfahren, durch Löten, Sintern, Diffusionsschweißen oder einem Bond-Prozess.
Zur Anpassung an die verschiedensten an- oder einzulagernden sensitiven Komponenten kann das Substrat in vielfältiger Weise modifiziert werden. So können je nach verwendeter sensitiver Komponente die Struktur und die Oberflächenbeschaffenheit der Poren verändert werden, z.B. Veränderung der Oberflächenfunktionalität durch Silanisierung oder Calcinierung (FIG. 7).
Für den Einsatz in elektrischen Sensoren, wie z.B. amperometrischen Sensoren, werden gemäß Anspruch 14 elektrische Kontakte/Interdigitalstrukturen (FIG. 4) zur elektrischen Charakterisierung der Sensorschicht auf das Substrat aufgebracht. Die Kontaktierungen können mit den üblichen Beschichtungsprozessen wie z.B. thermische Bedampfung, Sputtem, Tampondruck oder Siebdruck aufgebracht werden.
Aufgrund ihrer Polymerfreiheit können vollständig phasengetrennte und extrahierte sowie nach dem Sol-Gel-Prozess generierte Substrate je nach verwendetem Indikator bei Temperaturen bis kurz unterhalb des Fließpunktes des Substrates eingesetzt werden.
Erfindungsgemäß nach Anspruch 45 kann das Substrat auch als Filtermembran eingesetzt werden. Durch die Variation der Porengröße oder einer nachträglichen Modifikation der Porenoberfläche, z.B. durch Silanisierung, Umsetzung mit Alkoxysilanen und anschließende Hydrolyse sowie durch Calcinierung (FIG. 7), kann die Filterwirkung verändert werden. Diese Filtermembranen können somit in Sensoren zur Separation der zu detektierenden Substanz aus einem Substanzgemisch oder der Reduzierung der Analyt-Konzentration genutzt werden.
Eine weiter Ausbauform des Substrates beinhaltet mindestens zwei Bereiche mit einer einheitlichen oder verschiedenartigen Porenstruktur, die durch eine nichtporöse Zwischenschicht voneinander getrennt sind (FIG. 8). Diese Substrate eignen sich besonders zur gleichzeitigen Bestimmung mehrer Messparameter, indem jeder der porösen Bereiche eine anderen sensitiven Komponente enthält. Enthalten zwei der getrennten Bereiche die gleich sensitive Substanz und steht eine von beiden nicht in Kontakt mit dem Messmedium, kann diese als Referenz genutzt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Substrat (1) aus einem siliziumhaltigen Grundmaterial für sensorische Anwendungen zur Detektion chemischer, biochemischer und physikalischer Parameter, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat mindestens eine durchgängige bzw. teildurchgängige poröse Struktur (2) mit mindestens einer homogenen, genau definierten Porengröße, die im Bereich von 1 nm bis mehrere hundert μm eingestellt werden kann, aufweist, und das für sensorische Zwecke zur direkten Aufnahme mindestens einer sensitiven Komponente, oder zur Aufnahme mindestens einer an oder einer in einer Trägersubstanz gebundenen bzw. eingebettet sensitiven Komponente dient.
2. Substrat nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass es zur Aufnahme mindestens einer sensitiven Schicht, oder als Filtermembran, oder als Reservoir, oder als Spacerschicht, oder als Schutzschicht, oder einer Kombination aus mindestens zwei der genannten Punkte dient.
3. Substrat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den sensorischen Anwendungen um den Einsatz in optische oder elektrische Sensoren handelt.
4. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsmaterial vorzugsweise ein SiO2-reiches Natriumborosilikatglas ist.
5. Substrat nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsglas zur Herstellung der porösen Glasmembranen aus Natriumborosilikatglas mit mehr als 50 Massen-% SiO2 besteht.
6. Substrat nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat einen definierten Gradient in der Porengröße und Porentiefe aufweist.
7. Substrat nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat vorzugsweise hierarchische Hohlraumstrukturen mit definierten Porengrößen in mindestens zwei unterschiedlichen Bereichen aufweist.
8. Substrat nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Struktur das Substrat nicht vollständig durchzieht, so dass das Substrat eine geschlossene, porenfreie Grundfläche (3) aufweist.
9. Substrat nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der porösen Struktur durch chemische oder physikalische Prozesse, z.B. Silanisierung, Aminosilanisierung, Behandlung mit Alkoxysilanen und anschließende Hydrolyse sowie eine Modifizierung mit Isothiocyanaten, Diazoniumsalzen, Säurechloriden und Aldehyden oder eine Calcinierung, gezielt verändert werden kann.
10. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat die Form einer ultradünnen Membran, einer Scheibe, eines Stabes, einer Kugel oder eine beliebige geometrische Formen, bzw. eine Kombination mehrer Geometrien, aufweist.
11. Substrat nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Struktur selbsttragend aufgebaut bzw. auf einen Träger aufgebracht ist.
12. Substrat nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens einen Wechsel zwischen einem porösen und einem nichtporösen Bereich, bzw. Bereich mit einer anderen Porenstruktur, wie Porengröße oder Porentiefe, aufweist.
13. Substrat nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens zwei poröse Bereiche mit einheitlicher (2) oder unterschiedlicher (8) Porenstruktur aufweist, die durch eine nichtporösen Bereich (3) voneinander getrennt sind.
14. Substrat nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat für den Einsatz in elektrischen Sensoren neben der Porenstruktur zusätzlich zur Ableitung der durch die sensitive Komponente erzeugten elektrischen Signale elektrische Kontakte/Inter- digitalstrukturen (4) enthält.
15. Substrat nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in das Substrat zum Zweck der Temperierung mindestens je ein Heizelement und/oder ein Element zur Temperaturerfassung integriert ist.
16. Substrat nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den integrierten Elementen oder Interdigitalstruktur zur Temperierung und Temperaturerfassung um Elemente vom Typ PT100 handelt.
17. Substrat nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat eine Überbeschichtung aufweist, die als Reflexionsschicht, oder Filterschicht, oder Funktionsschicht, oder Absorptionsschicht oder einer Kombination aus mindestens zwei der Funktionen dient.
18. Substrat nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überbeschichtung als Reflexionsschicht aus einem Edelmetall oder Metall oder einem Halbleiter besteht.
19. Substrat nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überbeschichtung als Funktionsschicht zur Temperaturmessung dient und mindestens teilweise aus Galliumarsenid besteht.
20. Substrat nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überbeschichtung als Absorptionsschicht zur optischen Isolierung dient, und aus Edelmetallen oder Metallen oder Halbleitern oder Eisendioxid oder Kohle besteht.
21. Verfahren zur Herstellung eines Substrates nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte Porengröße der porösen Struktur durch die Bedingungen der thermischen Behandlung und der chemischen Extraktionsprozesse kontrolliert eingestellt wird.
22. Verfahren zur Herstellung eines Substrates nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsmaterial, vorzugsweise aus Natriumborosilikatglas, bis zu 50 Stunden bei bis zu 800°C einer thermischen Behandlung und zur Erzeugung der Poren anschließend einer sauren Extraktion unterzogen wird.
23. Verfahren zur Herstellung eines Substrates nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zur Extraktion eine Säure, vorzugsweise 0,5 - 4 mol/l HCl bei Temperaturen bis 1000C, verwendet wird.
24. Verfahren zur Herstellung eines Substrates nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung größerer Poren nach der sauren Extraktion eine alkalische Nachbehandlung, vorzugsweise mit 0,5 - 3 mol/l NaOH, erfolgt.
25. Verfahren zur Herstellung eines Substrates nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein definierter Gradient in der Porengröße und Porentiefe durch Erzeugung eines Temperaturgradienten während der thermischen Behandlung oder der Dauer der chemischen Extraktion oder einer Kombination aus beidem erzeugt wird.
26. Verfahren zur Herstellung eines Substrates nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass hierarchische Hohlraumstrukturen mit definierten Porengrößen in mindestens zwei unterschiedlichen Bereichen durch einen modifizierten Sol-Gel-Prozess hergestellt werden.
27. Verfahren zur Herstellung eines Substrates nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung nicht durchgängig poröser Substrate die Extraktion nur an einem Teil der Substratoberfläche durchgeführt wird.
28. Verfahren zur Herstellung eines Substrates nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung nicht durchgängig poröser Substrate nach einer vollständigen Extraktion der Poren diese partiell, vorzugsweise unter Verwendung von SoI-GeI- oder Sinterprozessen, wieder verschlossen werden (5).
29. Verfahren zur Herstellung eines Substrates nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung nicht durchgängig poröser Substrate nach einer vollständigen Extraktion der Poren diese durch das Aufbringen einer Deckschicht, vorzugsweise ein dünnes Glassubstrat (6) mittels einer Fügung (7) aus SoI-GeI-, Lot-, Sinter- oder Bonding- Prozessen einseitig verschlossen werden.
30. Verfahren zur Herstellung eines Substrates nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung nicht durchgängig poröser Substrate die Poren der nach dem Sol-Gel-Verfahren hergestellten Membranen durch das Aufbringen einer Deckschicht, vorzugsweise ein dünnes Glassubstrat (6) mittels einer Fügung (7) aus SoI-GeI-, Lot-, Sinter- oder Bonding-Prozessen einseitig verschlossen werden.
31. Verfahren zur Herstellung eines Substrates nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zur elektrischen Charakterisierung elektrische Kontakte oder Interdigitalstrukturen durch Beschichtungsprozesse, vorzugsweise thermische Bedampfung, Sputtem, Siebdruck oder Tampondruck, oder Sprühen erzeugt werden.
32. Verfahren zur Herstellung eines Substrates nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Temperierung und/oder Temperaturerfassung benötigten Elemente direkt während des Aufbaus der porösen Struktur, vorzugsweise durch einen Sol-Gel-Prozess, integriert werden.
33. Verfahren zur Herstellung eines Substrates nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass vorzugsweise vor der Extraktion die Formgebung des Substrates durch mechanische Arbeitsschritte wie Sägen, Schleifen, Laserschneiden usw. erfolgt.
34. Verfahren zur Herstellung eines Substrates nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere sensitive Marker durch Adsorption aus einer Flüssig- oder Gasphase, oder durch Vakuumbedampfung, oder Druckverfahren wie Offset-, Tampon-, Siebdruck, oder Spinn-Coating, oder Sprühen aufgebracht werden.
35. Verfahren zur Herstellung eines Substrates nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Überbeschichtung durch Beschichtungsprozesse, vorzugsweise thermische Bedampfung oder Sputtern oder Siebdruck oder Tampondruck oder Spin-Coating, erzeugt wird.
36. Verwendung eines Substrates nach einem der Ansprüche 1 bis20, dadurch gekennzeichnet, dass die Porenstruktur als Träger für mindestens eine sensitive Komponente verwendet wird.
37. Verwendung eines Substrates nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Porenstruktur als Träger für Fluorophore und Chromophore dient.
38. Verwendung eines Substrates nach einem der Ansprüche 1 bis 20 als Träger für mindestens eine sensitive Komponente, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente zur Detektion von Sauerstoff dient.
39. Verwendung eines Substrates nach einem der Ansprüche 1 bis 20 als Träger für mindestens eine sensitive Komponente, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente zur Detektion des pH- Wertes dient.
40. Verwendung eines Substrates nach einem der Ansprüche 1 bis 20 als Träger für mindestens eine sensitive Komponente, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente zur Detektion des Feuchtegehaltes dient.
41. Verwendung eines Substrates nach einem der Ansprüche 1 bis 20 als Träger für mindestens eine sensitive Komponente, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei mindestens einer Komponente um lonenkanäle handelt.
42. Verwendung eines Substrates nach einem der Ansprüche 1 bis 20 als Träger für mindestens eine sensitive Komponente, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente zur Detektion der Temperatur dient.
43. Verwendung eines Substrates nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat als sensitive Schicht vorzugsweise bei Temperaturen von bis zu 500 "C eingesetzt wird.
44. Verwendung eines Substrates nach Anspruch 1 bis 20 in optischen oder elektrischen Sensoren als Reservoir für den zu detektierenden Analyten.
45. Verwendung eines Substrates nach Anspruch 1 bis 20 als Filtermembran zur Abtrennung oder Reduzierung der Konzentration des Analyten aus dem Messmedium.
46. Verwendung eines Substrates nach einem der Ansprüche 1 bis 20 in amperometrischen Sensoren.
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