WO2017129695A1 - Printed sensor device for detecting media - Google Patents
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- WO2017129695A1 WO2017129695A1 PCT/EP2017/051677 EP2017051677W WO2017129695A1 WO 2017129695 A1 WO2017129695 A1 WO 2017129695A1 EP 2017051677 W EP2017051677 W EP 2017051677W WO 2017129695 A1 WO2017129695 A1 WO 2017129695A1
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- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
- G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
- G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
- G01N27/128—Microapparatus
Definitions
- Print sensor device for detecting media
- the invention relates to a printed sensor device for detecting media, in particular gases.
- Sensor devices find in particular a broad application in medical technology, environmental technology and automotive technology.
- different technologies are used, for example metal oxide semiconductors (MOS).
- MOS metal oxide semiconductors
- an external and separately manufactured heating element is currently used.
- By different heating of the gas sensor different gases can be detected or a functionality of a corresponding detection layer is restored by heating the gas sensor. In other words, by heating the detection layer, a detected gas can be desorbed.
- a gas sensor is based on Metal Oxide Semiconductor (MOS) technology for detecting different gases upon heating a detection layer. Heating up to start up a gas sensor is therefore essential. Further, by heating a gas sensor, an initial state of the gas sensor can be restored. By heating a gas sensor, in particular a detection layer, corresponding molecules or detected molecules are desorbed in particular by means of the gas sensor. Further, by heating, a recalibration may be performed, which is usually required after a certain number of measurements to ensure a measurement accuracy of a gas sensor. In this case, the thermal heating of the gas sensor, in particular of the detection layer, takes place by means of a heating element produced separately, for example a Peltier element.
- a heating element produced separately, for example a Peltier element.
- a heating of a gas sensor is essential in order to take a gas sensor into operation as well as to optimize a measurement accuracy and secondly a lifetime.
- the attachment of a separate heating element has the following disadvantages in particular:
- an external and separately produced heating element is not an integrally installed heating element within a sensor device, heat loss occurs and consequently an increased energy requirement; the attachment of an externally and separately manufactured heating element to a sensor device requires an additional process step after the provision or completion of a sensor device. Consequently, higher production costs arise; Further, between a heating element produced externally and separately and the detection layer, in particular, there is a substrate, resulting in a high heat loss. Furthermore, when using an external heating element only substrates can be used which have a very high thermal conductivity.
- At present no heating element can be provided in a sensor device which can already be integrated into the sensor device during production of a sensor device.
- conventional gas sensors producible by MOS technology include patterning a substrate by photolithography followed by physical vapor deposition (PVD) of a metal on the patterned structure with conductive electrodes.
- PVD physical vapor deposition
- PVD methods can be used for depositing the detection layer and the heating layer.
- Nanomaterials solution-processed nanomaterials
- aqueous solution enable the use of printing technologies, such as spray deposition or printing, such as inkjet printing, to deposit different layers.
- these technologies ensure high scalability and are applicable to various types of substrates and are particularly cost-effective.
- thermoelectric element which can be produced by means of printing technology and whose dimensioning or structuring withstands high temperatures.
- the invention provides a printed sensor device for detecting media according to claim 1.
- a printed finger-electrode structure also acts as a heating element at the same time by applying a corresponding voltage. Since the finger electrode structure described below can be produced by a printing method or spraying method, the printed sensor device described here is particularly cost-effective to manufacture and easily scalable. In other words, the sensor device described here does not require an external and separately produced heating element and can in particular heat itself based on the finger electrode structure.
- a printed sensor device for detecting media comprises a carrier substrate having a first surface and a second surface opposite the first surface.
- the carrier substrate may comprise different materials, for example plastic (polyimide), semiconductor materials (silicon / silicon dioxide), glass, wood, and / or a sintered material.
- any carrier substrate can be used.
- the term "printed sensor device” means a device that is functional in itself and by means of a pressure or
- Spray method can be produced. That is, the below-described components or layers of the printed sensor device are integrally connected with each other.
- integrated interconnected is understood to mean lying connection, that in particular a non-destructive removal of a component of the printed sensor device is not possible.
- the printed sensor device further comprises at least one printed interdigitated structure (IDES) structure.
- the printed finger-electrode structure may include, for example, gold, palladium, silver, aluminum or alloys of these materials.
- the printed finger electrode structure can comprise carbon nanotubes, for example silver nanoparticles (AgNPs) or silver nanowires (AgNWs), of the materials mentioned here, wherein these can be produced from soluble nanomaterials (solution-processed nanomaterials).
- Other conductive metallic materials are conceivable for the printed finger electrode structure.
- interdigitated is understood to mean electrodes which intermesh in particular in a comb-like manner, in which the electrodes are spaced from each other so that no short-circuit is produced, and the distance is determined in such a way that largely no parasitic capacitances occur during operation.
- the printed sensor device further comprises a printed detection layer, which is printed on a side facing away from the first surface of the carrier substrate side of the printed finger electrode structure and the printed finger electrode structure covered at least partially.
- the printed finger electrode structure is disposed between the support substrate and the printed detection layer.
- the comb-like interdigitated electrodes of the finger-electrode structure may be completely covered by the printed detection layer.
- the printed detection layer can be indirectly heated by the at least one printed finger electrode structure directly and / or by a printed heating layer on the second surface of the carrier substrate. That is, the printed sensor device exclusively by the at least one printed finger electrode structure is directly heated. Furthermore, the printed detection layer can be indirectly heated by the printed heating layer on the second surface of the carrier substrate. That is, the printed detection layer is heatable independently from the printed finger electrode structure or through the printed heating layer. Furthermore, it is conceivable that the printed detection layer can be heated by a combination of the printed finger electrode structure and the printed heating layer.
- the printed finger electrode structure comprises at least two printed contact pads, wherein the printed detection layer can be heated by applying a voltage to the at least two printed contact pads.
- the finger electrode structure may comprise four printed contact pads.
- the at least two printed contact pads described here serve on the one hand to detect a changing resistance of the printed detection layer, wherein the changing resistance depends in particular on the medium to be measured and on an electrical conductivity of the printed detection layer.
- the printed contact pads serve to apply the voltage required to heat the printed finger-electrode structure.
- the printed sensor device is suitable, for example, to detect ammonia (NH 3 ), carbon dioxide (CO 2 ), carbon monoxide (CO) and ethanol (C 2 H 6 O).
- the printed finger electrode structure described herein may be particularly useful for improving the electrical conductivity of the printed detection layer and for heating the printed detection layer.
- no separate heating element is required to start up the printed sensor device, since self-heating by the finger electrode structure is possible.
- the printed finger-electrode structure described here is characterized by a dual function.
- the carrier substrate has a thickness of 250 to 750 micrometers.
- the carrier substrate may have a thickness of 500 microns.
- a flexible carrier substrate for the printed sensor device can be used.
- the carrier substrate may comprise a polyimide and have a thickness of, for example, 500 micrometers.
- the carrier substrate is designed to be flexible.
- the printed sensor device can in particular be arranged on very thin carrier substrates with a vertical extension of less than 500 micrometers.
- the printed finger electrode structure is lamellar, with electrodes of the printed finger electrode structure extending parallel to one another and the electrodes being at a distance from one another.
- the electrodes are arranged comb-like intermeshing with each other, wherein the electrodes have a distance from each other.
- very small printed finger electrode structures with an area of a few millimeters, for example 3 mm 2 , can be provided.
- the distance between the electrodes is between 50 microns and 500 microns.
- the distance between the electrodes may be 100 micrometers.
- the printed detection layer comprises carbon nanotubes with metallic nanoparticles. This provides a large surface-to-volume ratio.
- the printed heating layer comprises carbon nanotubes or silver nanowires, wherein the carbon nanotubes and silver nanowires can be deposited by means of spray technology.
- the printed detection layer can be used to provide the printed heating layer.
- the printed sensor device can in particular be produced cost-effectively, since no separate printing process or spraying process is required for printing on the heating layer.
- Deposition of the printed detection layer and the printed heating layer may, for example, be performed by an automatic atomizing spray gun or atomizing spray nozzles. This makes it possible to provide very small printed sensor devices.
- the metallic nanoparticles comprise gold, platinum, chromium, palladium, aluminum or silver.
- these materials have good thermal conductivity.
- the carbon nanotubes and the metallic nanoparticles (NP1) can be printed by means of a spraying method and / or printing method.
- the printed heating layer and the printed detection layer can be inexpensively provided by using the same printing method or spraying method.
- particularly small printed sensor devices can be provided by the methods described here.
- the printed detection layer and / or the printed heating layer are transparent. In other words, those which are the printed detection layer and / or the printed heating layer may be translucent.
- the printed detection layer and / or the printed heating layer may be the same material. materials or different materials.
- the printed sensor device described herein can be used in a variety of industrial applications.
- Figure 1 is a schematic cross-sectional view of a printed sensor device according to a first embodiment of the present invention
- FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a printed sensor device according to a second embodiment of the present invention.
- Figure 3 is a plan view of the printed sensor device according to the first and / or second embodiment of the present invention.
- Figure 4 is a perspective view of a printed sensor device according to a third embodiment of the present invention.
- Figures 5-7 are graphs for demonstrating a functionality of the printed sensor device described herein according to the first, second and third embodiments.
- Figure 1 is a schematic cross-sectional view of a printed sensor device according to a first embodiment of the present invention.
- reference numeral 10 denotes a printed sensor device for detecting media.
- the printed sensor device 10 comprises a carrier substrate 20 having a first surface 21 and a second surface 22 opposite to the first surface 21. Further, the printed sensor device 10 comprises a printed finger electrode structure 30 and a printed detection layer 40, the printed detection layer 40 being mounted on a first surface the surface 21 of the support substrate 20 side facing away from the printed finger electrode structure 30 is printed.
- the support substrate 20, the printed detection layer 40, and the intervening printed finger electrode structure 30 are in direct contact with each other and can not be separated non-destructively.
- the printed finger electrode structure 30 may include, for example, gold, palladium, silver, aluminum, or alloys of these materials. Further, the printed finger electrode structure 30 may comprise silver nanoparticles (AgNPs) or silver nanowires (AgNWs) of the materials referred to herein.
- AgNPs silver nanoparticles
- AgNWs silver nanowires
- the printed finger electrode structure 30 shown in FIG. 1 further comprises four printed contact pads K1, K2, K3, K4, wherein the four contact pads K1 to K4 are free from a material of the printed detection layer 40 and the printed detection layer 40 is applied by application a voltage at two of the four printed contact pads K1 to K4 of the printed finger electrode structure 30 is heatable.
- the material of the carrier substrate can be selected freely; in particular, the carrier substrate can comprise glass, ceramic or wood.
- the printed sensor device 10 shown in FIG. 1 is functional in itself.
- Figure 2 is a schematic cross-sectional view of a printed sensor device according to a second embodiment of the present invention.
- the printed sensor device 10 shown in FIG. 2 is based on the sensor device 10 shown in FIG. 1 with the difference that a printed heating layer 50 is arranged on the second surface 22 of the carrier substrate and by means of the printed heating layer 50 either the printed detection layer 40 and / or the printed finger electrode structure 30 is heatable.
- the printed sensor device 10 of FIG. 2 can be indirectly heated by a combination of the printed finger electrode structure 30 directly and by the printed heating layer 50 on the second surface 22 of the carrier substrate 20.
- the carrier substrate 20 shown in FIG. 2 comprises a material which has a good thermal thermal conductivity.
- the carrier substrate 20 has a thickness D1 (shown by the double arrow) of 250 microns to 750 microns.
- FIG. 3 is a plan view of the printed sensor device according to the first and / or second embodiment of the present invention.
- FIG. 3 shows a printed sensor device 10 with the printed finger electrode structure 30, wherein the printed finger electrode structure 30 comprises electrodes E1, E2 which are comb-like intermeshing and have a distance A1 (shown by the double arrow) from one another at the distance A1 ,
- a silicon wafer of thermally grown silicon dioxide having a thickness of 200 nanometers can be provided.
- the Interdigitated Electrode Structure (IDES) structure includes a 5 nanometer thick chromium layer to promote gold adherence to the silicon dioxide.
- the finger electrode structure 30 comprising gold has a thickness of, for example, 40 nanometers and is vapor-deposited on the silicon dioxide.
- the distance A1 between the electrodes E1, E2 of the finger electrode structure 30 is, for example, 100 micrometers.
- the printed detection layer 40 can be printed onto the finger electrode structure 30 by means of a spraying process in order to form a resistive network for, for example, gas detection.
- the printed sensor device 10 can be put into operation by corresponding application of a voltage at the contact pads K1 to K4 or K1 to K2.
- the metallic nanoparticles NP1 include in particular gold, platinum, chromium, palladium, aluminum or silver.
- the printed heating layer 50 (not shown) comprising the carbon nanotube NT1 1 or Siibernanowires to be printed on the second surface 22 of the carrier substrate 20.
- Figure 4 is a perspective view of a printed sensor device according to a third embodiment of the present invention.
- the printed sensor device 10 shown in FIG. 4 is indirectly heated exclusively by the printed heating layer 50 on the second surface 22 of the carrier substrate.
- the same methods as for printing the detection layer 40 may be used to print the heating layer 50.
- the printed detection layer 40 and the printed finger electrode structure 30 may in particular comprise carbon nanotubes (NT1).
- the printed heating layer 50 may comprise carbon nanotube NT1 'or silver nanowires.
- Figures 5, 6 and 7 are graphs for proving a functionality of the printed sensor device according to the first, second and third embodiments described herein.
- the time in minutes on the X-axis on the left Y-axis is the temperature in degrees Celsius and the right Y-axis is the voltage in volts.
- the temperature increases stepwise (see FIGS. 5 and 6) or interval (see FIG. 7) as a function of the applied or predetermined voltage (dashed line).
- the temperature increases as much as possible in proportion to the applied voltage at the contact pads K1 to K4 of the printed finger electrode structure 30 and / or printed heating layer 50.
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Abstract
Description
Beschreibung Titel Description title
Gedruckte Sensorvorrichtung zum Detektieren von Medien Printed sensor device for detecting media
Die Erfindung betrifft eine gedruckte Sensorvorrichtung zum Detektieren von Medien, insbesondere von Gasen. The invention relates to a printed sensor device for detecting media, in particular gases.
Stand der Technik State of the art
Sensorvorrichtungen, insbesondere Gassensoren, finden insbesondere einen breiten Einsatz in der Medizintechnik, Umwelttechnik und Automobiite- chnik. Um ihre Leistungsfähigkeit zu verbessern, werden unterschiedliche Technologien eingesetzt, beispielsweise Metalioxidhalbleiter (Metal Oxide Semiconductor (MOS)). Hierbei ist es stets erforderlich, dass im Betrieb ein entsprechender Gassensor beheizt werden muss. Hierzu wird derzeit ein externes und separat hergestelltes Heizelement eingesetzt. Durch ein unterschiedliches Beheizen des Gassensors können unterschiedliche Gase detek- tiert werden bzw. wird durch ein Aufheizen des Gassensors eine Funktionalität einer entsprechenden Detektionsschicht wieder hergestellt. Mit anderen Worten kann durch Aufheizen der Detektionsschicht ein detektiertes Gas desorbiert werden. Sensor devices, in particular gas sensors, find in particular a broad application in medical technology, environmental technology and automotive technology. To improve their performance, different technologies are used, for example metal oxide semiconductors (MOS). In this case, it is always necessary that during operation a corresponding gas sensor must be heated. For this purpose, an external and separately manufactured heating element is currently used. By different heating of the gas sensor, different gases can be detected or a functionality of a corresponding detection layer is restored by heating the gas sensor. In other words, by heating the detection layer, a detected gas can be desorbed.
Beispielsweise basiert ein Gassensor auf einer Metalloxidhalbleiter- Technologie {Metal Oxide Semiconductor - MOS) zur Detektion unterschiedlicher Gase nach Aufheizen einer Detektionsschicht. Ein Aufheizen zur Inbetriebnahme eines Gassensors ist somit unabdingbar. Ferner kann durch ein Aufheizen eines Gassensors ein Initialzustand des Gassensors wiederhergestellt werden. Durch das Aufheizen eines Gassensors, insbesondere einer Detektionsschicht, werden entsprechende Moleküle bzw. detektierte Moleküle mittels des Gassensors insbesondere desorbiert. Ferner kann durch das Aufheizen eine Rekalibration durchgeführt werden, welche gewöhnlich nach einer bestimmten Anzahl von Messungen erforderlich ist, um eine Messgenauigkeit eines Gassensors zu gewährleisten. Hierbei erfolgt das thermische Aufheizen des Gassensors, insbesondere der Detektionsschicht, mittels eines separat hergestellten Heizelements, beispielsweise ein Peltier-Element. For example, a gas sensor is based on Metal Oxide Semiconductor (MOS) technology for detecting different gases upon heating a detection layer. Heating up to start up a gas sensor is therefore essential. Further, by heating a gas sensor, an initial state of the gas sensor can be restored. By heating a gas sensor, in particular a detection layer, corresponding molecules or detected molecules are desorbed in particular by means of the gas sensor. Further, by heating, a recalibration may be performed, which is usually required after a certain number of measurements to ensure a measurement accuracy of a gas sensor. In this case, the thermal heating of the gas sensor, in particular of the detection layer, takes place by means of a heating element produced separately, for example a Peltier element.
Somit ist ein Aufheizen eines Gassensors unabdingbar, um zum einen einen Gassensor in Betrieb zu nehmen sowie eine Messgenauigkeit und zum anderen eine Lebensdauer zu optimieren. Das Anbringen eines separaten Heizelements hat jedoch insbesondere folgende Nachteile: Thus, a heating of a gas sensor is essential in order to take a gas sensor into operation as well as to optimize a measurement accuracy and secondly a lifetime. However, the attachment of a separate heating element has the following disadvantages in particular:
Da es sich bei einem externen und separat hergestellten Heizelement nicht um ein integral verbautes Heizelement innerhalb einer Sensorvorrichtung handelt, kommt es zu Wärmeverlust und folglich zu einem erhöhten Energiebedarf; das Anbringen bzw. Anordnen eines extern und separat hergestellten Heizelements an eine Sensorvorrichtung erfordert einen zusätzlichen Verfahrensschritt nach dem Bereitstellen bzw. Fertigstellen einer Sensorvorrichtung. Folglich entstehen höhere Produktionskosten; ferner befindet sich zwischen einem extern und separat hergestellten Heizelement und der Detektionsschicht insbesondere ein Substrat, wodurch es zu einem hohen Wärmeverlust kommt. Ferner können bei Verwendung eines externen Heizelements ausschließlich Substrate eingesetzt werden, die eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Since an external and separately produced heating element is not an integrally installed heating element within a sensor device, heat loss occurs and consequently an increased energy requirement; the attachment of an externally and separately manufactured heating element to a sensor device requires an additional process step after the provision or completion of a sensor device. Consequently, higher production costs arise; Further, between a heating element produced externally and separately and the detection layer, in particular, there is a substrate, resulting in a high heat loss. Furthermore, when using an external heating element only substrates can be used which have a very high thermal conductivity.
Mit anderen Worten ist derzeit kein Heizelement in einer Sensorvorrichtung bereitstellbar, das bereits während einer Herstellung einer Sensorvorrichtung in die Sensorvorrichtung integrierbar ist. In other words, at present no heating element can be provided in a sensor device which can already be integrated into the sensor device during production of a sensor device.
Herkömmliche Gassensoren, die mittels MOS-Technologie herstellbar sind, umfassen insbesondere ein Strukturieren eines Substrats mittels Fotolitho- graphie gefolgt durch eine physikalische Dampfabscheidung (Physicai Vapor Deposition - PVD) eines Metalls auf der strukturierten Struktur mit leitfähige Elektroden. Zur Herstellung entsprechender Detektionsschichten sowohl als einer Beheizungsschicht sind zwei separate Verfahrensschritte erforderlich. Insbesondere sind zum Abscheiden der Detektionsschicht und der Beheizungsschicht jeweils PVD-Verfahren einsetzbar. In particular, conventional gas sensors producible by MOS technology include patterning a substrate by photolithography followed by physical vapor deposition (PVD) of a metal on the patterned structure with conductive electrodes. For the preparation of corresponding detection layers both as A heating layer requires two separate process steps. In particular, PVD methods can be used for depositing the detection layer and the heating layer.
Zum Bereitstellen von gedruckter und flexibler Elektronik-bzw. elektronischer Dünnschichten können lösliche Nanomatenalien (Solution-Processed Nano- materialien) eingesetzt werden. Nanomatenalien in wässriger Lösung ermöglichen einen Einsatz von Drucktechnologien, beispielsweise Sprühabschei- dung oder Drucken, beispielsweise Tintenstrahldruck, zum Abscheiden unterschiedlicher Schichten. Diese Technologien gewährleisten insbesondere eine hohe Skaiierbarkeit und sind auf verschiedenen Substrattypen anwendbar und sind insbesondere kosteneffizient. To provide printed and flexible electronics or For electronic thin films, soluble nanomaterials (solution-processed nanomaterials) can be used. Nanomatics in aqueous solution enable the use of printing technologies, such as spray deposition or printing, such as inkjet printing, to deposit different layers. In particular, these technologies ensure high scalability and are applicable to various types of substrates and are particularly cost-effective.
Allerdings werden zum Abscheiden einer Beheizungsschicht derzeit ausschließlich PVD-Verfahren oder wie oben beschrieben externe Heizelemente, beispielsweise Peltier-Element, zum Beheizen entsprechender Komponenten bzw. Schichten einer Sensorvorrichtung eingesetzt. Das heißt, dass zum Abscheiden einer Beheizungsschicht Drucktechniken wenig geeignet erscheinen. Aufgrund der eingeschränkten Skaiierbarkeit mittels PVD hergestellten Schichten können somit die Vorteile mittels Drucktechnologie insbesondere hinsichtlich der Skalierbarkeit nicht vollständig ausgeschöpft werden. However, for the deposition of a heating layer, currently only PVD methods or, as described above, external heating elements, for example Peltier elements, are used for heating corresponding components or layers of a sensor device. This means that printing techniques do not appear to be suitable for depositing a heating layer. Due to the limited scalability produced by PVD layers thus the advantages can not be fully exploited by means of printing technology, especially in terms of scalability.
Es ist somit wünschenswert, insbesondere gedruckte Sensorvorrichtungen bereitzustellen, die über ein integrales Selbstbeheizen (self-heating) verfügen. It is thus desirable to provide particularly printed sensor devices having self-heating.
Mit anderen Worten ist es wünschenswert, ein Heizelement bereitzustellen, welches mittels Drucktechnologie herstellbar ist kann und dessen Dimensionierung bzw. Strukturierung hohen Temperaturen standhält. In other words, it is desirable to provide a heating element which can be produced by means of printing technology and whose dimensioning or structuring withstands high temperatures.
Aus - Ahmed Abdelhalim et al.- Metailic nanoparticles functionalizing carbon nanotube networks for gas sensing applications - IOP Publishing; Nanotech- noiogy 25 (2014) 055208 (1 Opp) - ist ein Gassensor bekannt, der mittels eines Peltier-Elements betrieben wird. Offenbarung der Erfindung Aus - Ahmed Abdelhalim et al.- Metaphoric nanoparticles functionalizing carbon nanotube networks for gas sensing applications - IOP Publishing; Nanotechnoiogy 25 (2014) 055208 (1 Opp) - a gas sensor is known, which is operated by means of a Peltier element. Disclosure of the invention
Die Erfindung schafft eine gedruckte Sensorvorrichtung zum Detektieren von Medien nach Anspruch 1. The invention provides a printed sensor device for detecting media according to claim 1.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche. Preferred developments are the subject of the respective subclaims.
Vorteile der Erfindung Advantages of the invention
In der vorliegenden Erfindung wurde überraschenderweise festgestellt, dass eine gedruckte Finger-Elektroden Struktur gleichzeitig durch Anlegen einer entsprechenden Spannung auch als Heizelement fungiert. Da die im Folgenden beschriebene Finger-Eiektroden Struktur durch ein Druckverfahren bzw. Sprühverfahren herstellbar ist, ist die hier beschriebene gedruckte Sensorvorrichtung insbesondere kostengünstig herstellbar und einfach skalierbar. Mit anderen Worten benötigt die hier beschriebene Sensorvorrichtung kein externes und separat hergestelltes Heizelement und kann sich insbesondere auf Basis der Finger-Elektroden Struktur selbst aufheizen. Surprisingly, it has been found in the present invention that a printed finger-electrode structure also acts as a heating element at the same time by applying a corresponding voltage. Since the finger electrode structure described below can be produced by a printing method or spraying method, the printed sensor device described here is particularly cost-effective to manufacture and easily scalable. In other words, the sensor device described here does not require an external and separately produced heating element and can in particular heat itself based on the finger electrode structure.
Gemäß eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung umfasst eine gedruckte Sensorvorrichtung zum Detektieren von Medien ein Trägersubstrat mit einer ersten Oberfläche und einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche. Das Trägersubstrat kann unterschiedliche Materialien, beispielsweise Kunststoff (Polyimid), Halbleitermaterialien (Silizium/Siliziumdioxid), Glas, Holz, und/oder ein gesintertes Material umfassen. According to a first aspect of the present invention, a printed sensor device for detecting media comprises a carrier substrate having a first surface and a second surface opposite the first surface. The carrier substrate may comprise different materials, for example plastic (polyimide), semiconductor materials (silicon / silicon dioxide), glass, wood, and / or a sintered material.
Mit anderen Worten kann je nach Einsatz der hier beschriebenen gedruckten Sensorvorrichtung ein beliebiges Trägersubstrat eingesetzt werden. Hierbei wird unter dem Begriff„gedruckte Sensorvorrichtung" eine Vorrichtung verstanden, die in sich selbst funktionsfähig und mittels eines Druck- bzw. In other words, depending on the use of the printed sensor device described here, any carrier substrate can be used. Here, the term "printed sensor device" means a device that is functional in itself and by means of a pressure or
Sprühverfahrens herstellbar ist. Das heißt, die im Folgenden beschriebenen Komponenten bzw. Schichten der gedruckten Sensorvorrichtung sind integral miteinander verschaltet. Unter„integral verschaltet" versteht man im vor- liegenden Zusammenhang, dass insbesondere ein zerstörungsfreies Entnehmen einer Komponente der gedruckten Sensorvorrichtung nicht möglich ist. Spray method can be produced. That is, the below-described components or layers of the printed sensor device are integrally connected with each other. The term "integrally interconnected" is understood to mean lying connection, that in particular a non-destructive removal of a component of the printed sensor device is not possible.
Die gedruckte Sensorvorrichtung umfasst ferner zumindest eine gedruckte Finger-Elektroden Struktur (englisch: interdigitated structure (IDES)). Die gedruckte Finger-Elektroden Struktur kann beispielsweise Gold, Palladium, Silber, Aluminium oder Legierungen dieser Materiaiien umfassen. Ferner kann die gedruckte Finger-Elektroden Struktur Kohlenstoffnanoröhrchen, beispielsweise Silbernanopartikel (AgNPs) oder Silbernanowires (AgNWs) aus den hier genannten Materialien umfassen, wobei diese aus löslichen Nano- materialien (Solution-Processed Nanomateriaiien) herstellbar sind. Auch andere leitfähige metallische Materialien sind für die gedruckte Finger- Elektroden Struktur denkbar. The printed sensor device further comprises at least one printed interdigitated structure (IDES) structure. The printed finger-electrode structure may include, for example, gold, palladium, silver, aluminum or alloys of these materials. Furthermore, the printed finger electrode structure can comprise carbon nanotubes, for example silver nanoparticles (AgNPs) or silver nanowires (AgNWs), of the materials mentioned here, wherein these can be produced from soluble nanomaterials (solution-processed nanomaterials). Other conductive metallic materials are conceivable for the printed finger electrode structure.
Unter„interdigitated" versteht man im vorliegenden Zusammenhang Elektroden, die insbesondere kammartig ineinander greifen. Die Elektroden weisen hierbei voneinander einen Abstand auf, so dass kein Kurzschluss entsteht. Ferner wird der Abstand derart festgelegt, dass im Betrieb weitestgehend keine parasitären Kapazitäten entstehen. In the present context, "interdigitated" is understood to mean electrodes which intermesh in particular in a comb-like manner, in which the electrodes are spaced from each other so that no short-circuit is produced, and the distance is determined in such a way that largely no parasitic capacitances occur during operation.
Die gedruckte Sensorvorrichtung umfasst ferner eine gedruckte Detektions- schicht, die auf einer der ersten Oberfläche des Trägersubstrats abgewandten Seite der gedruckten Finger-Eiektroden Struktur aufgedruckt ist und die gedruckte Finger-Elektroden Struktur zumindest bereichsweise bedeckt. Mit anderen Worten ist die gedruckte Finger-Eiektroden Struktur zwischen dem Trägersubstrat und der gedruckten Detektionsschicht angeordnet. Beispielsweise können die kammartig ineinander greifenden Elektroden der Finger- Elektroden Struktur vollständig durch die gedruckte Detektionsschicht bedeckt sein. The printed sensor device further comprises a printed detection layer, which is printed on a side facing away from the first surface of the carrier substrate side of the printed finger electrode structure and the printed finger electrode structure covered at least partially. In other words, the printed finger electrode structure is disposed between the support substrate and the printed detection layer. For example, the comb-like interdigitated electrodes of the finger-electrode structure may be completely covered by the printed detection layer.
Die gedruckte Detektionsschicht ist durch die zumindest eine gedruckte Finger-Elektroden Struktur unmittelbar und/oder durch eine gedruckte Beheizungsschicht auf der zweiten Oberfläche des Trägersubstrats mittelbar beheizbar. Das heißt, dass die gedruckte Sensorvorrichtung ausschließlich durch die zumindest eine gedruckte Finger-Elektroden Struktur unmittelbar beheizbar ist. Ferner kann die gedruckte Detektionsschicht durch die gedruckte Beheizungsschicht auf der zweiten Oberfläche des Trägersubstrats mittelbar beheizbar sein. Das heißt, dass die gedruckte Detektionsschicht von der gedruckten Finger-Elektroden Struktur oder durch die gedruckte Beheizungsschicht unabhängig voneinander beheizbar ist. Des Weiteren ist denkbar, dass die gedruckte Detektionsschicht durch eine Kombination der gedruckten Finger-Elektroden Struktur und der gedruckten Beheizungsschicht beheizbar ist. The printed detection layer can be indirectly heated by the at least one printed finger electrode structure directly and / or by a printed heating layer on the second surface of the carrier substrate. That is, the printed sensor device exclusively by the at least one printed finger electrode structure is directly heated. Furthermore, the printed detection layer can be indirectly heated by the printed heating layer on the second surface of the carrier substrate. That is, the printed detection layer is heatable independently from the printed finger electrode structure or through the printed heating layer. Furthermore, it is conceivable that the printed detection layer can be heated by a combination of the printed finger electrode structure and the printed heating layer.
Gemäß einer bevorzugten Wetterbildung umfasst die gedruckte Finger- Elektroden Struktur zumindest zwei gedruckte Kontaktpads, wobei die gedruckte Detektionsschicht durch Anlegen einer Spannung an den zumindest zwei gedruckten Kontaktpads beheizbar ist. Insbesondere kann die Finger- Elektroden Struktur vier gedruckte Kontaktpads umfassen. Die hier beschriebenen zumindest zwei gedruckten Kontaktpads dienen zum einen zum De- tektieren eines sich ändernden Widerstands der gedruckten Detektionsschicht, wobei der sich ändernde Widerstand insbesondere von dem zu messenden Medium sowie von einer elektrischen Leitfähigkeit der gedruckten Detektionsschicht abhängt. Ferner dienen die gedruckten Kontaktpads zum Anlegen der Spannung, die zum Beheizen der gedruckten Finger- Elektroden Struktur erforderlich ist. Die gedruckte Sensorvorrichtung ist beispielsweise dazu geeignet» Ammoniak (NH3), Kohlenstoffdioxid (CO2), Koh- lenstoffmonoxid (CO) und Ethanol (C2H6O) zu detektieren. According to a preferred weather formation, the printed finger electrode structure comprises at least two printed contact pads, wherein the printed detection layer can be heated by applying a voltage to the at least two printed contact pads. In particular, the finger electrode structure may comprise four printed contact pads. The at least two printed contact pads described here serve on the one hand to detect a changing resistance of the printed detection layer, wherein the changing resistance depends in particular on the medium to be measured and on an electrical conductivity of the printed detection layer. Further, the printed contact pads serve to apply the voltage required to heat the printed finger-electrode structure. The printed sensor device is suitable, for example, to detect ammonia (NH 3 ), carbon dioxide (CO 2 ), carbon monoxide (CO) and ethanol (C 2 H 6 O).
Somit kann die hier beschriebene gedruckte Finger-Elektroden Struktur insbesondere zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit der gedruckten Detektionsschicht dienen und zum Beheizen der gedruckten Detektionsschicht fungieren. Somit ist kein separates Heizelement zur Inbetriebnahme der gedruckten Sensorvorrichtung erforderlich, da ein Selbst-Aufheizen durch die Finger-Eiektroden Struktur möglich ist. Mit anderen Worten zeichnet sich die hier beschriebene gedruckte Finger-Elektroden Struktur durch eine Doppelfunktion aus. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist das Trägersubstrat eine Dicke von 250 bis 750 Mikrometer auf. Beispielsweise kann das Trägersubstrat eine Dicke von 500 Mikrometer aufweisen. So lässt sich insbesondere ein flexibles Trägersubstrat für die gedruckte Sensorvorrichtung einsetzen. Thus, the printed finger electrode structure described herein may be particularly useful for improving the electrical conductivity of the printed detection layer and for heating the printed detection layer. Thus, no separate heating element is required to start up the printed sensor device, since self-heating by the finger electrode structure is possible. In other words, the printed finger-electrode structure described here is characterized by a dual function. According to a further preferred development, the carrier substrate has a thickness of 250 to 750 micrometers. For example, the carrier substrate may have a thickness of 500 microns. In particular, a flexible carrier substrate for the printed sensor device can be used.
So lässt sich ein breites Spektrum an Trägersubstraten einsetzen, wobei die gedruckte Sensorvorrichtung in sich funktionsfähig ist und auf unterschiedlichen Trägersubstratmaterialien aufdruckbar bzw. abscheidbar ist. insbesondere kann das Trägersubstrat ein Polyimid umfassen und eine Dicke von beispielsweise 500 Mikrometer aufweisen. Thus, a wide range of carrier substrates can be used, wherein the printed sensor device is functional in itself and can be imprinted or deposited on different carrier substrate materials. In particular, the carrier substrate may comprise a polyimide and have a thickness of, for example, 500 micrometers.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das Trägersubstrat flexibel ausgebildet. Somit kann die gedruckte Sensorvorrichtung insbesondere auf sehr dünnen Trägersubstraten mit einer vertikalen Ausdehnung kleiner 500 Mikrometer angeordnet werden. According to a further preferred development, the carrier substrate is designed to be flexible. Thus, the printed sensor device can in particular be arranged on very thin carrier substrates with a vertical extension of less than 500 micrometers.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die gedruckte Finger- Elektroden Struktur lamellenartig ausgebildet, wobei Elektroden der gedruckten Finger-Elektroden Struktur parallel zueinander ineinander greifend verlaufen und die Elektroden zueinander einen Abstand aufweisen. Mit anderen Worten sind die Elektroden kammartig ineinandergreifend zueinander angeordnet, wobei die Elektroden einen Abstand zueinander aufweisen. So lassen sich insbesondere sehr kleine gedruckte Finger-Elektroden Struktur mit einer Fläche von wenigen Millimeter, beispielsweise 3 mm2, bereitstellen. According to a further preferred development, the printed finger electrode structure is lamellar, with electrodes of the printed finger electrode structure extending parallel to one another and the electrodes being at a distance from one another. In other words, the electrodes are arranged comb-like intermeshing with each other, wherein the electrodes have a distance from each other. In particular, very small printed finger electrode structures with an area of a few millimeters, for example 3 mm 2 , can be provided.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung beträgt der Abstand zwischen den Elektroden zwischen 50 Mikrometer und 500 Mikrometer. Beispielsweise kann der Abstand zwischen den Elektroden 100 Mikrometer betragen. So lässt sich auf einfache Art und Weise auf eine Oberflächenspannung der gedruckten Detektionsschichi zurückgreifen, wodurch die gedruckte Detektionsschicht homogen auf der zumindest einen gedruckten Finger- Elektroden Struktur aufdruckbar bzw. abscheidbar ist. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung umfasst die gedruckte De- tektionsschicht Kohlenstoff nanoröhrchen mit metallischen Nanopartikeln. So lässt sich ein großes Oberf!äche-zu-Volumen-Verhältnis bereitstellen. According to a further preferred development, the distance between the electrodes is between 50 microns and 500 microns. For example, the distance between the electrodes may be 100 micrometers. In this way, a surface tension of the printed detection chip can be used in a simple manner, as a result of which the printed detection layer can be homogeneously printed or deposited on the at least one printed finger electrode structure. According to a further preferred development, the printed detection layer comprises carbon nanotubes with metallic nanoparticles. This provides a large surface-to-volume ratio.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung umfasst die gedruckte Beheizungsschicht Kohlenstoffnanoröhrchen oder Silbernanowires, wobei die Kohlenstoffnanoröhrchen und Silbernanowires mittels Sprühtechnoiogie abscheidbar sind. So lässt sich zum Bereitstellen der gedruckten Beheizungsschicht auf ein bereits etabliertes Verfahren für die gedruckte Detektions- schicht zurückgreifen. Somit lässt sich die gedruckte Sensorvorrichtung insbesondere kostengünstig herstellen, da zum Aufdrucken der Beheizungsschicht kein separates Druckverfahren bzw. Sprühverfahren erforderlich ist. According to a further preferred development, the printed heating layer comprises carbon nanotubes or silver nanowires, wherein the carbon nanotubes and silver nanowires can be deposited by means of spray technology. For example, an already established method for the printed detection layer can be used to provide the printed heating layer. Thus, the printed sensor device can in particular be produced cost-effectively, since no separate printing process or spraying process is required for printing on the heating layer.
Ein Abscheiden der gedruckten Detektionsschicht sowie der gedruckten Beheizungsschicht kann beispielsweise durch eine automatische atomisierende Sprühpistole oder atomisierende Sprühdüsen durchführbar sein. So lassen sich sehr kleine gedruckte Sensorvorrichtungen bereitstellen. Deposition of the printed detection layer and the printed heating layer may, for example, be performed by an automatic atomizing spray gun or atomizing spray nozzles. This makes it possible to provide very small printed sensor devices.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung umfassen die metallischen Nanopartikel Gold, Platin, Chrom, Palladium, Aluminium oder Silber. Diese Materialien weisen insbesondere eine gute Wärmeleitfähigkeit auf. According to a further preferred development, the metallic nanoparticles comprise gold, platinum, chromium, palladium, aluminum or silver. In particular, these materials have good thermal conductivity.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die Kohlenstoffnanoröhrchen und die metallischen Nanopartikel (NP1 ) mittels eines Sprühverfahrens und/oder Druckverfahrens druckbar. So lassen sich kostengünstig die gedruckte Beheizungsschicht sowie die gedruckte Detektionsschicht unter Verwendung desselben Druckverfahrens bzw. Sprühverfahrens bereitstellen. Insbesondere sind durch die hier beschriebenen Verfahren besonders kleine gedruckte Sensorvorrichtungen bereitstellbar. According to a further preferred development, the carbon nanotubes and the metallic nanoparticles (NP1) can be printed by means of a spraying method and / or printing method. Thus, the printed heating layer and the printed detection layer can be inexpensively provided by using the same printing method or spraying method. In particular, particularly small printed sensor devices can be provided by the methods described here.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die gedruckte Detektionsschicht und/oder die gedruckte Beheizungsschicht transparent. Mit anderen Worten können die sind die gedruckte Detektionsschicht und/oder die gedruckte Beheizungsschicht lichtdurchlässig sein. Die die gedruckte Detektionsschicht und/oder die gedruckte Beheizungsschicht können gleiche Mate- rialien oder unterschiedliche Materialien umfassen. So ist die hier beschriebene gedruckte Sensorvorrichtung beispielsweise in einer Vielzahl von industriellen Anwendungen einsetzbar. According to a further preferred development, the printed detection layer and / or the printed heating layer are transparent. In other words, those which are the printed detection layer and / or the printed heating layer may be translucent. The printed detection layer and / or the printed heating layer may be the same material. materials or different materials. For example, the printed sensor device described herein can be used in a variety of industrial applications.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Weitere Merkmaie und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert. Further features and advantages of the present invention are explained below with reference to embodiments with reference to the figures.
Es zeigen: Show it:
Figur 1 schematische Querschnittsansicht einer gedruckten Sensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; Figure 1 is a schematic cross-sectional view of a printed sensor device according to a first embodiment of the present invention;
Figur 2 eine schematische Querschnittsansicht einer gedruckten Sen- sorvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a printed sensor device according to a second embodiment of the present invention;
Figur 3 eine Aufsicht auf die gedruckte Sensorvorrichtung gemäß der ersten und/oder zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; Figure 3 is a plan view of the printed sensor device according to the first and / or second embodiment of the present invention;
Figur 4 eine perspektivische Ansicht einer gedruckten Sensorvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und Figure 4 is a perspective view of a printed sensor device according to a third embodiment of the present invention; and
Figuren 5-7 Graphen zum Nachweis einer Funktionalität der hier beschriebenen gedruckten Sensorvorrichtung gemäß der ersten, zweiten und dritten Ausführungsform. Figures 5-7 are graphs for demonstrating a functionality of the printed sensor device described herein according to the first, second and third embodiments.
Ausführungsformen der Erfindung in den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente. Figur 1 ist eine schematische Querschnittsansicht einer gedruckten Sensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Embodiments of the invention in the figures, like reference numerals designate the same or functionally identical elements. Figure 1 is a schematic cross-sectional view of a printed sensor device according to a first embodiment of the present invention.
In Figur 1 bezeichnet Bezugszeichen 10 eine gedruckte Sensorvorrichtung zum Detektieren von Medien. Die gedruckte Sensorvorrichtung 10 umfasst ein Trägersubstrat 20 mit einer ersten Oberfläche 21 und einer der ersten Oberfläche 21 gegenüberliegenden zweiten Oberfläche 22. Ferner umfasst die gedruckte Sensorvorrichtung 10 eine gedruckte Finger-Eiektroden Struktur 30 sowie eine gedruckte Detektionsschicht 40, wobei die gedruckte Detektionsschicht 40 auf einer der Oberfläche 21 des Trägersubstrats 20 abgewandte Seite der gedruckten Finger-Elektroden Struktur 30 aufgedruckt ist. Das Trägersubstrat 20, die gedruckte Detektionsschicht 40 und die dazwischenliegende gedruckte Finger-Elektroden Struktur 30 stehen in direktem Kontakt miteinander und können nicht zerstörungsfrei voneinander getrennt werden. In Fig. 1, reference numeral 10 denotes a printed sensor device for detecting media. The printed sensor device 10 comprises a carrier substrate 20 having a first surface 21 and a second surface 22 opposite to the first surface 21. Further, the printed sensor device 10 comprises a printed finger electrode structure 30 and a printed detection layer 40, the printed detection layer 40 being mounted on a first surface the surface 21 of the support substrate 20 side facing away from the printed finger electrode structure 30 is printed. The support substrate 20, the printed detection layer 40, and the intervening printed finger electrode structure 30 are in direct contact with each other and can not be separated non-destructively.
Die gedruckte Finger-Eiektroden Struktur 30 kann beispielsweise Gold, Palladium, Silber, Aluminium oder Legierungen dieser Materialien umfassen. Ferner kann die gedruckte Finger-Elektroden Struktur 30 Silbernanopartikel (AgNPs) oder Silbernanowires (AgNWs) aus den hier genannten Materialien umfassen. The printed finger electrode structure 30 may include, for example, gold, palladium, silver, aluminum, or alloys of these materials. Further, the printed finger electrode structure 30 may comprise silver nanoparticles (AgNPs) or silver nanowires (AgNWs) of the materials referred to herein.
Die in der Figur 1 gezeigte gedruckte Finger-Elektroden Struktur 30 umfasst ferner vier gedruckte Kontaktpads K1 , K2, K3, K4, wobei die vier Kontakt- pads K1 bis K4 frei von einem Material der gedruckten Detektionsschicht 40 sind und die gedruckte Detektionsschicht 40 durch Anlegen einer Spannung an zwei der vier gedruckten Kontaktpads K1 bis K4 der gedruckten Finger- Elektroden Struktur 30 beheizbar ist. The printed finger electrode structure 30 shown in FIG. 1 further comprises four printed contact pads K1, K2, K3, K4, wherein the four contact pads K1 to K4 are free from a material of the printed detection layer 40 and the printed detection layer 40 is applied by application a voltage at two of the four printed contact pads K1 to K4 of the printed finger electrode structure 30 is heatable.
Bei der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform ist das Material des Trägersubstrats frei wählbar, insbesondere kann das Trägersubstrat Glas, Keramik oder Holz umfassen. Die in Figur 1 gezeigte gedruckte Sensorvorrichtung 10 ist in sich funktionsfähig. Figur 2 ist eine schematische Querschnittsansicht einer gedruckten Sensorvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In the embodiment shown in FIG. 1, the material of the carrier substrate can be selected freely; in particular, the carrier substrate can comprise glass, ceramic or wood. The printed sensor device 10 shown in FIG. 1 is functional in itself. Figure 2 is a schematic cross-sectional view of a printed sensor device according to a second embodiment of the present invention.
Die in Figur 2 gezeigte gedruckte Sensorvorrichtung 10 basiert auf der in Figur 1 gezeigten Sensorvorrichtung 10 mit dem Unterschied, dass eine gedruckte Beheizungsschicht 50 auf der zweiten Oberfläche 22 des Trägersubstrats angeordnet ist und mittels der gedruckten Beheizungsschicht 50 entweder die gedruckte Detektionsschicht 40 und/oder die gedruckte Finger- Elektroden Struktur 30 beheizbar ist. The printed sensor device 10 shown in FIG. 2 is based on the sensor device 10 shown in FIG. 1 with the difference that a printed heating layer 50 is arranged on the second surface 22 of the carrier substrate and by means of the printed heating layer 50 either the printed detection layer 40 and / or the printed finger electrode structure 30 is heatable.
Ferner ist denkbar, dass die gedruckte Sensorvorrichtung 10 der Figur 2 durch eine Kombination der gedruckten Finger-Elektroden Struktur 30 unmittelbar und durch die gedruckte Beheizungsschicht 50 auf der zweiten Oberfläche 22 des Trägersubstrats 20 mittelbar beheizbar ist. Das in der Figur 2 gezeigte Trägersubstrat 20 umfasst ein Material, welches eine gute thermische Wärmeleitfähigkeit aufweist. Insbesondere weist das Trägersubstrat 20 eine Dicke D1 (gezeigt durch den Doppelpfeil) von 250 Mikrometer bis 750 Mikrometer auf. Furthermore, it is conceivable that the printed sensor device 10 of FIG. 2 can be indirectly heated by a combination of the printed finger electrode structure 30 directly and by the printed heating layer 50 on the second surface 22 of the carrier substrate 20. The carrier substrate 20 shown in FIG. 2 comprises a material which has a good thermal thermal conductivity. In particular, the carrier substrate 20 has a thickness D1 (shown by the double arrow) of 250 microns to 750 microns.
Figur 3 ist eine Aufsicht auf die gedruckte Sensorvorrichtung gemäß der ersten und/oder zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. FIG. 3 is a plan view of the printed sensor device according to the first and / or second embodiment of the present invention.
Figur 3 zeigt eine gedruckte Sensorvorrichtung 10 mit der gedruckten Finger- Elektroden Struktur 30, wobei die gedruckte Finger-Elektroden Struktur 30 Elektroden E1 , E2 umfasst, die kammartig ineinander greifend und einen Abstand A1 aufweisend (gezeigt durch den Doppelpfeil) zueinander den Abstand A1 aufweisen. FIG. 3 shows a printed sensor device 10 with the printed finger electrode structure 30, wherein the printed finger electrode structure 30 comprises electrodes E1, E2 which are comb-like intermeshing and have a distance A1 (shown by the double arrow) from one another at the distance A1 ,
Beispielsweise kann als das Trägersubstrat 20 ein Siliziumwafer mit thermisch aufgewachsenem Siliziumdioxid mit einer Dicke von 200 Nanometer bereitgestellt werden. Die Finger-Elektroden Struktur (Interdigitated Electrode Structure (IDES)) umfasst beispielsweise eine 5 Nanometer dicke Chromschicht, um ein Anhaften von Gold auf dem Siliziumdioxid zu begünstigen. Die Finger-Elektroden Struktur 30 umfassend Gold weist eine Dicke von beispielsweise 40 Nanometer auf und ist auf dem Siliziumdioxid aufgedampft. Der Abstand A1 zwischen den Elektroden E1 , E2 der Finger-Elektroden Struktur 30 beträgt beispielsweise 100 Mikrometer. Auf die Finger-Elektroden Struktur 30 kann insbesondere die gedruckte Detektionsschicht 40 mittels eines Sprühverfahrens aufgedruckt werden, um ein resistives Netzwerk für beispielsweise eine Gasdetektion auszubilden. Nach Ausbilden der Kohlenstoff nanoröhrchen NT1 mit metallischen Nanopartikeln NP1 kann durch entsprechendes Anlegen einer Spannung an den Kontaktpads K1 bis K4 bzw. K1 bis K2 die gedruckte Sensorvorrichtung 10 in Betrieb genommen werden. Die metallischen Nanopartikel NP1 umfassen insbesondere Gold, Piatin, Chrom, Palladium, Aluminium oder Silber. For example, as the carrier substrate 20, a silicon wafer of thermally grown silicon dioxide having a thickness of 200 nanometers can be provided. For example, the Interdigitated Electrode Structure (IDES) structure includes a 5 nanometer thick chromium layer to promote gold adherence to the silicon dioxide. The finger electrode structure 30 comprising gold has a thickness of, for example, 40 nanometers and is vapor-deposited on the silicon dioxide. The distance A1 between the electrodes E1, E2 of the finger electrode structure 30 is, for example, 100 micrometers. In particular, the printed detection layer 40 can be printed onto the finger electrode structure 30 by means of a spraying process in order to form a resistive network for, for example, gas detection. After forming the carbon nanotube NT1 with metallic nanoparticles NP1, the printed sensor device 10 can be put into operation by corresponding application of a voltage at the contact pads K1 to K4 or K1 to K2. The metallic nanoparticles NP1 include in particular gold, platinum, chromium, palladium, aluminum or silver.
In der in Figur 3 gezeigten gedruckten Sensorvorrichtung 10 ist alternativ denkbar, dass auf der zweiten Oberfläche 22 des Trägersubstrats 20 die gedruckte Beheizungsschicht 50 (nicht gezeigt) umfassend Kohlenstoffnano- röhrchen NT11 oder Siibernanowires aufgedruckt ist. In the printed sensor device 10 shown in FIG. 3, it is alternatively conceivable for the printed heating layer 50 (not shown) comprising the carbon nanotube NT1 1 or Siibernanowires to be printed on the second surface 22 of the carrier substrate 20.
Figur 4 ist eine perspektivische Ansicht einer gedruckten Sensorvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Figure 4 is a perspective view of a printed sensor device according to a third embodiment of the present invention.
Die in Figur 4 gezeigte gedruckte Sensorvorrichtung 10 wird ausschließlich durch die gedruckte Beheizungsschicht 50 auf der zweiten Oberfläche 22 des Trägersubstrats mittelbar beheizt. Hierbei können zum Aufdrucken der Beheizungsschicht 50 die gleichen Verfahren eingesetzt werden wie für das Aufdrucken der Detektionsschicht 40. Die gedruckte Detektionsschicht 40 und die gedruckte Finger-Elektroden Struktur 30 können insbesondere Koh- lenstoffnanoröhrchen (NT1 ) umfassen. Die gedruckte Beheizungsschicht 50 kann Kohlenstoff nanoröhrchen NT1' oder Silbernanowires umfassen. The printed sensor device 10 shown in FIG. 4 is indirectly heated exclusively by the printed heating layer 50 on the second surface 22 of the carrier substrate. Here, the same methods as for printing the detection layer 40 may be used to print the heating layer 50. The printed detection layer 40 and the printed finger electrode structure 30 may in particular comprise carbon nanotubes (NT1). The printed heating layer 50 may comprise carbon nanotube NT1 'or silver nanowires.
Figuren 5, 6 und 7 sind Graphen zum Nachweis einer Funktionalität der hier beschriebenen gedruckten Sensorvorrichtung gemäß der ersten, zweiten und dritten Ausführungsform. ln den Graphen der Figuren 5, 6 und 7 ist auf der X-Achse die Zeit in Minuten auf der linken Y-Achse die Temperatur in Grad Celsius und auf der rechten Y-Achse die Spannung in Volt aufgetragen. Figures 5, 6 and 7 are graphs for proving a functionality of the printed sensor device according to the first, second and third embodiments described herein. In the graphs of Figs. 5, 6 and 7, the time in minutes on the X-axis on the left Y-axis is the temperature in degrees Celsius and the right Y-axis is the voltage in volts.
Wie aus den Figuren 5, 6 und 7 deutlich wird steigt die Temperatur (Messkurve) in Abhängigkeit der angelegten bzw. vorgegebenen Spannung (gestrichelte Linie) stufenweise (siehe Figuren 5 und 6) bzw. intervallartig (siehe Figur 7) an. Mit anderen Worten steigt die Temperatur weitestgehend proportional zu der angelegten Spannung an den Kontaktpads K1 bis K4 der gedruckten Finger-Elektroden Struktur 30 und/oder gedruckten Beheizungsschicht 50 an. As can be seen clearly from FIGS. 5, 6 and 7, the temperature (measurement curve) increases stepwise (see FIGS. 5 and 6) or interval (see FIG. 7) as a function of the applied or predetermined voltage (dashed line). In other words, the temperature increases as much as possible in proportion to the applied voltage at the contact pads K1 to K4 of the printed finger electrode structure 30 and / or printed heating layer 50.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand einer gedruckten Sensorvorrichtung beschrieben wurde, versteht es sich selbst, dass auf dem Trägersubstrat auch eine Vielzahl von gedruckten Sensorvorrichtungen angeordnet sein kann. Although the present invention has been described in terms of a printed sensor device, it will be understood that a plurality of printed sensor devices may be disposed on the carrier substrate.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt. Insbesondere sind die genannten Materialien und Topologien nur beispielhaft und nicht auf die erläuternden Beispiele beschränkt. Although the present invention has been described in terms of preferred embodiments, it is not limited thereto. In particular, the materials and topologies are only exemplary and are not limited to the illustrative examples.
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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