Die Erfindung betrifft ein Sensormodul zur multiparametrischen Analyse eines Mediums> aufweisend mindestens einen organischen Lichtemitter zur Aussendung eines photonischen Signals und mindestens eine Vorrichtung zur Detektion photonischer Signale, wobei der mindestens eine organische Lichtemitter und die mindestens eine Vorrichtung zur Detektion photonischer Signale monolithisch auf einem Halbleitersubstrat oder in einem Halbleitersubstrat ausgebildet sind, und des Weiteren aufweisend mindestens ein Funktionsschichtsystem, das den mindestens einen organischen Lichtemitter und/oder die mindestens eine Vorrichtung zur Detektion photonischer Signale zumindest teilweise überdeckt und in Kontakt mit dem Medium ist, wobei die Funktionsschicht so ausgebildet ist, dass sie mindestens einen aktiven Bereich aufweist, der mindestens eine Eigenschaft besitzt, die durch mindestens eine Eigenschaft des Messmediums beeinflussbar ist, sowie die Verwendung des Sensormoduls zur multiparametrischen Analyse eines Mediums.

Um ein Medium multiparametrisch, also anhand mehrerer, quasi-simultan zu messender physikalischer, chemischer, biochemischer und/oder biologischer Parameter, zu analysieren, werden häufig Kombinationen von Einzelsensoren für jeweils einen der Parameter eingesetzt, deren Miniaturisierungspotenzial sehr begrenzt ist Weitere Nachteile sind der hohe Energieverbrauch, der große Aufwand zur Verbesserung des Signal-Rauschverhältnisses und zur Gewährleistung der elektromagnetischen Verträglichkeit. Insbesondere auch aufgrund der hohen Herstellungskosten können diese Einzelsensor-Kombinationen ökologisch und wirtschaftlich nicht sinnvoll als preisgünstiges Einwegmodul ausgelegt werden. In der aktuellen Praxis führt dies zur Trennung von Messwertaufnehmer und Transmitter/Verarbeitungseinheit, wobei häufig nur der Messwertaufnehmer, manchmal auch mit Transmitter/Vorverarbeitung, als Einwegartikel ausgelegt ist. Nach einem Austausch muss dann kundenseitig eine Justage/Kalibrierung erfolgen, was die Nutzungskosten erhöht, teilweise zusätzliche Prüftechnik sowie ausreichende Qualifizierungen benötigt und die Fehleranfälligkeit steigert sowie Kreuzkontaminationen, z. B. in kritischen Anwendungen der pharmazeutischen Industrie, bedingen kann.

Speziell für biologische, biochemische oder chemische Messaufgaben kann beispielsweise die gleichzeitige Bestimmung von pH-Wert, Leitfähigkeit, Temperatur, Konzentration interessant sein.

Aus dem Stand der Technik, bspw. [Krujatz2016], sind OLED-basierte organische Photosensoren für biotechnologische Anwendungen bekannt. Derartige Sensoren weisen organische Leuchtdioden (OLED) als Lichtquelle sowie Photodetektoren auf und werden als Photolumineszenzsensor, Biosensor oder Absorptions-/Transmissionssensor bspw. zur Bestimmung von gelöstem Sauerstoff in wässrigen Lösungen, der Sauerstoffsättigung im Blut oder zur enzymatischen Detektion von Glukose eingesetzt. Die OLEDs sind auf Substraten, wie Folien, Glas oder Silizium, aufgebracht. Weiterhin sind OLED-basierte Sensorarrays zur gleichzeitigen Detektion unterschiedlicher Parameter des Analyten, wie bspw. von gelöstem Sauerstoff, Lactat, Glukose u.a., bekannt.

Die DE 10 2007 056 275 B3 offenbart einen Chip zum Analysieren eines Mediums, wobei auf einem aktiven CMOS-Substrat organische Halbleiter zur Beleuchtung des Mediums und Photodetektoren in einer Matrix-Anordnung monolithisch integriert sind. Zur Signalverarbeitung können weitere aktive elektronische Elemente im Substrat integriert sein.

In der DE 10 2006 030 541 A1 wird eine optische Anordnung bspw. zur Erfassung physiologischer Parameter von Lebewesen oder zur visuellen Anzeige von Informationen beschrieben. Dabei sind auf einem gemeinsamen Substrat bevorzugt mindestens eine organische Leuchtdiode und mindestens eine Photodiode und/oder eine CMOS-Photodiode angeordnet oder daran ausgebildet und mit einer elektronischen Auswerte- und Steuereinheit verbunden. Die Anordnung kann weitere aktive und passive elektronische/elektrische Bauelemente zur Verstärkung, Speicherung und/oder Ansteuerung der einzelnen Elemente aufweisen.

Die WO 2011/048472 A1 zeigt ein optisches Sensorsystem zur Immundiagnostik mit einem Schichtaufbau und einer OLED als Lichtquelle, bei dem ein fluoreszierendes oder phosphoreszierendes Markerelement an einen Antikörper bindet.

Die EP 1 672 356 B1 offenbart einen optischen Sensor zur Einmalnutzung, bei dem eine Lichtquelle und eine Photodiode auf einem Substrat angeordnet und durch eine Trennschicht von einer Funktionsschicht, die in Abhängigkeit von einem Analyten ein optisches Signal aussendet, getrennt sind.

Aus der EP 2 988 807 B1 ist eine Sensorvorrichtung mit einer OLED als Lichtquelle und einem akustischen Sensor bekannt.

Aus DE 10 2014 010 116 B4 ist ein MEMS-Sensor zur Druckmessung in CMOS-Technologie bekannt, dessen Vorderseite mit dem zu messenden Medium in Kontakt steht und einen zuverlässigen Schutz des Sensors vor Korrosion bietet.

DE 10 2016 220 086 A1 beschreibt ein mikrostrukturiertes organisches Sensorbauelement aus einer Vielzahl von Sensorsegmenten, die auf CMOS-Substraten angeordnet sind. Auf dem Substrat kann zusätzlich mindestens eine Leuchtdiode mit jeweils einem oder mehreren Emittern angeordnet sein.

Die EP 2 955 759 B1 offenbart ein Herstellungsverfahren für ein Halbleiterbauelement mit einem Photodetektor auf einem Substrat, das eine dielektrische Schicht mit eingebetteter Verdrahtung aufweist.

Aus dem Stand der Technik sind keine multiparametrischen Sensormodule bekannt, die photonische und nicht-photonische Messprinzipien mit parametersensitiven Beschichtungen auf einem Substrat kombinieren.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung anzugeben, mittels derer mehrere Eigenschaften eines Mediums über weite Parameterbereiche hinweg mit einem Sensormodul erfasst werden können, wobei die für den jeweiligen Parameter mindestens z. B. bezüglich der Genauigkeit, der Langzeitstabilität, der Auflösung, der Reproduzierbarkeit, dem Energieverbrauch, den Herstellkosten, dem notwendigen Platzbedarf geeignetste Methode Anwendung finden kann.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Sensormodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Lösung basiert darauf, dass das Sensormodul photonische und nicht- photonische Messprinzipien auf vorteilhafte Weise auf demselben Halbleitersubstrat miteinander kombiniert.

Unter„photonischen Messprinzipien“ wird im Sinne dieser Anmeldung die Anwendung optischer Verfahren und Technologien zur Detektion photonischer Signale verstanden, wobei photonische Signale prinzipiell Photonen des gesamten elektromagnetischen Spektrums umfassen können, die mittels der Messtechnik in elektrische Signale umgewandelt werden können. Erfindungsgemäß umfassen die photonischen Signale insbesondere Photonen mit Wellenlängen im Bereich des sichtbaren Lichts oder im Bereich des nahen Infrarot-Lichtes.

Unter„nicht-photonischen Messprinzipien“ werden im Sinne dieser Anmeldung Messverfahren verstanden, die nicht auf der Detektion von Photonen als Informationsträger beruhen.

Das Sensormodul weist mindestens einen organischen Lichtemitter, insbesondere eine organische Leuchtdiode (OLED), und mindestens eine Vorrichtung zur Detektion photonischer Signale (Photodetektor, PD) auf, die monolithisch auf oder in einem Halbleitersubstrat ausgebildet sind. Im Sinne der Erfindung ist unter„monolithisch“ zu verstehen, dass der organische Lichtemitter und die Vorrichtung zur Detektion photonischer Signale eine untrennbare Einheit mit dem Halbleitersubstrat bilden. Beispielsweise bilden sich in verschiedenen Halbleiterprozessen, z. B. dem CMOS-Prozess, bauteilinhärente Photodioden, die als Photodetektoren dienen können, an pn-Grenzflächen aus.

Das Sensormodul weist des Weiteren mindestens ein Funktionsschichtsystem auf, das den mindestens einen organischen Lichtemitter und/oder den mindestens einen PD zumindest teilweise überdeckt und mittelbar oder unmittelbar in Kontakt mit dem zu analysierenden Medium ist. Das Funktionsschichtsystem ist so ausgebildet, dass es mindestens einen aktiven Bereich aufweist, der mindestens eine Eigenschaft besitzt, die durch mindestens eine Eigenschaft des Mediums beeinflussbar ist. Dies ist so zu verstehen, dass der mindestens eine aktive Bereich des Funktionsschichtsystems mindestens eine sensorisch aktive Komponente enthält, deren Interaktion mit dem zu analysierenden Medium die Antwort der sensorisch aktiven Komponente auf das von dem mindestens einen organischen Lichtemitter emittierte erste photonische Signal beeinflusst. Die sensorisch aktive Komponente emittiert ein, mit dem ersten photonischen Signal in Beziehung stehendes, zweites photonisches Signal. Das zweite photonische Signal kann z. B. eine (Teil-)Reflexion und/oder (Teil-)Absorption und/oder (Teil-)Streuung/-Rückstreuung des ersten photonischen Signals sein und gegenüber dem ersten photonischen Signal intensitätsmoduliert sein, oder das zweite photonische Signal kann gegenüber dem ersten photonischen Signal z. B. durch Fluoreszenz auch wellenlängenmoduliert sein. Die Detektion dieser photonischen Antwort, die Informationen über eine Eigenschaft des zu analysierenden Mediums enthält, erfolgt mittels des mindestens einen PD. Die sensorisch aktive Komponente des Funktionsschichtsystems kann beispielsweise eine funktionelle Gruppe, ein Farbstoff, ein Enzym, ein Protein, ein Antikörper, eine Nukleinsäure, ein Virus oder ein Edelmetallcluster sein. Die sensorisch aktive Komponente kann beispielsweise auch ein Polymer sein, dessen Quellverhalten vom pH-Wert oder von der Temperatur des Mediums abhängig ist.

Der Begriff „Eigenschaft“ umfasst im Sinne dieser Anmeldung auch Eigenschaftsänderungen; insbesondere kann das zweite photonische Signal Informationen über Absolut- und/oder Relativwerte einer Eigenschaft des Mediums enthalten.

Die Beeinflussung der photonischen Antwort durch Interaktion mit dem Medium kann beispielsweise per Lumineszenzspektroskopie (z. B. Fluoreszenzspektroskopie), Spektralphotometrie (z. B. Absorptionsmessung, Reflexionsmessung), Farbmessung (z. B. ratiometrisch, photometrisch, Farbmetrik/Farbänderung), Plasmonenresonanz (SPR) und/oder nicht-dispersiver Infrarotmessverfahren (NDIR) detektiert werden. Erfindungsgemäß ist des Weiteren das Halbleitersubstrat so ausgebildet, dass zumindest eine zweite, vorzugsweise von der photonisch ermittelten Eigenschaft des Mediums verschiedene, Eigenschaft mittels eines nicht-photonischen Messprinzips ermittelbar ist, oder das Sensormodul weist mindestens ein Bauelement zur Bestimmung zumindest einer zweiten Eigenschaft auf, wobei das Bauelement auf dem Halbleitersubstrat oder einem Träger angeordnet ist.

Vorteilhaft bietet das Sensormodul eine hochintegrierte Kombination verschiedener Sensortechnologien. Das erfindungsgemäße Sensormodul ist für eine preiswerte Massenfertigung unter Nutzung bewährter Halbleiterfertigungstechnologien geeignet. Dadurch kann für jeden zu messenden Parameter die mindestens z. B. bezüglich der Genauigkeit, der Langzeitstabilität, der Auflösung, der Reproduzierbarkeit, dem Energieverbrauch, den Herstellkosten, dem notwendigen Platzbedarf geeignetste Methode Anwendung finden und dennoch z. B. Energie, Baugröße und Herstellkosten gegenüber herkömmlichen Lösungen eingespart werden.

Aufgrund der Größen-, Energieverbrauchs- und Kostenminimierung ist es möglich, das erfindungsgemäße Sensormodul als Einwegartikel auszulegen, was vorteilhaft eine Werkskalibrierung (factory calibration) aller Parameter gestattet. Es wird eine effektive Selbstüberwachung und/oder Kompensation bzw. Referenzierung ermöglicht.

Des Weiteren bietet das erfindungsgemäße Sensormodul die Möglichkeit, den Messort von photonischem und nicht-photonischem Messprinzip auf einfache Weise vorteilhaft wählen zu können.

Das Funktionsschichtsystem wirkt zugleich als Abschirmung von organischem Lichtemitter und PD oder Halbleiterchip gegenüber der Umgebung.

In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Halbleitersubstrat als CMOS ausgebildet. Mittels der OLED-on-Si-CMOS-Technologie kann die integrierte CMOS- Schaltungstechnik durch einen stabilen, effizienten Lichtemitter ergänzt werden, wobei die OLED monolithisch über der CMOS-Backplane angeordnet werden kann.

In Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst das Halbleitersubstrat mindestens eine Vorrichtung zur Durchführung einer elektrochemischen Messung oder mindestens eine Vorrichtung zur Durchführung einer Temperaturmessung oder mindestens eine Vorrichtung zur Durchführung einer Impedanzmessung oder mindestens eine Vorrichtung zur Durchführung einer Magnetfeldmessung oder mindestens eine Vorrichtung zur Durchführung einer Rückstreumessung oder mindestens eine Vorrichtung zur Durchführung einer Durchflussmessung oder mindestens eine Vorrichtung zur Durchführung einer Strömungsgeschwindigkeitsmessung oder mindestens eine Vorrichtung zur Durchführung einer Wärmestrommessung oder mindestens eine Vorrichtung zur Durchführung einer Druckmessung oder eine Kombination der vorbenannten. Die Vorrichtungen können vorteilhaft monolithisch in das Halbleitersubstrat integriert sein. Es kann auch vorteilhaft sein, dass die Vorrichtungen in das Funktionsschichtsystem integriert und/oder auf dem Funktionsschichtsystem angeordnet sind.

Die mindestens eine Vorrichtung zur Durchführung einer elektrochemischen Messung umfasst bevorzugt eine Electrode-on-CMOS- oder ISFET- oder ChemFET- oder ENFET- oder pH-FET oder Solid-state-electrolyte-Struktur oder eine Kombination aus den vorbenannten.

Die mindestens eine Vorrichtung zur Durchführung einer Temperaturmessung umfasst bevorzugt einen R-on-CMOS- oder einen Thermoelement- oder einen Halbleiter-Sensor oder eine Kombination aus den vorbenannten.

Die mindestens eine Vorrichtung zur Durchführung einer Impedanzmessung umfasst bevorzugt eine interdigitale Elektrodenstruktur.

Die mindestens eine Vorrichtung zur Durchführung einer Magnetfeldmessung umfasst bevorzugt einen Hallsensor.

Die mindestens eine Vorrichtung zur Durchführung einer Strömungsgeschwindigkeitsmessung umfasst bevorzugt das Prinzip eines Hitzdrahtanemometers.

Die mindestens eine Vorrichtung zur Durchführung einer Wärmestrommessung umfasst bevorzugt einen Thermosäulensensor.

Die mindestens eine Vorrichtung zur Durchführung einer Druckmessung umfasst bevorzugt einen Dünnfilm- oder Dickfilm- oder piezoresistiven oder MEMS-Sensor oder eine Kombination aus den vorbenannten.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Sensormodul mehrere organische Lichtemitter auf, die räumlich voneinander getrennt an definierbaren Positionen auf oder im Halbleitersubstrat anordenbar sind, und die jeweils ein erstes photonisches Signal aussenden, wobei die Wellenlängen der ersten photonischen Signale unterschiedlicher organischer Lichtemitter voneinander verschieden oder gleich sein können. Die mehreren organischen Lichtemitter können in Segmenten oder Arrays angeordnet sein.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das eifindungsgemäße Sensormodul mehrere Vorrichtungen zur Detektion photonischer Signale auf, die räumlich voneinander getrennt an definierbaren Positionen auf oder im Halbleitersubstrat anordenbar sind. Dabei können die mehreren Vorrichtungen zur Detektion photonischer Signale so ausgebildet sein, dass sie voneinander verschiedene spektrale Sensitivitätsbereiche aufweisen, so dass voneinander verschiedene Vorrichtungen photonische Signale unterschiedlicher Wellenlängen detektieren können. Die mehreren Vorrichtungen zur Detektion photonischer Signale können aber auch so ausgebildet sein, dass sie die gleichen oder sich überlappende Sensitivitätsbereiche aufweisen, wobei eine Zuordnung des jeweils detektierten zweiten photonischen Signals zum Ort seiner Aussendung über unterscheidbare Überlappungen der numerische Aperturen erfolgt. Die mehreren Vorrichtungen zur Detektion photonischer Signale können ebenfalls in Segmenten oder Arrays angeordnet sein.

Vorteilhaft bietet die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensormoduls mit mehreren organischen Lichtemittern und mehreren Vorrichtungen zur Detektion photonischer Signale die Möglichkeit zur ortsaufgelösten Analyse des Mediums., und dies besonders vorteilhaft auch bei einem kleinen aktiven Bereich des Funktionsschichtsystems. Im Sinne dieser Erfindung wird unter„ortsaufgelöst“ die Zuordnung detektierter Signale zu einem Messort bzw. Entstehungsort verstanden.

Verschiedene Konzepte von Ortsauflösung in Bezug auf das erfindungsgemäße Sensormodul werden im Folgenden näher erläutert.

Zum einen kann ein aktiver Bereich des Funktionsschichtsystems mehrere sensorisch aktive Komponenten, z. B. Farbstoffe, aufweisen, die mittels voneinander verschiedener organischer Lichtemitter, die erste photonische Signale mit voneinander verschiedenen Wellenlängen aussenden, angeregt werden und zweite photonische Signale mit voneinander verschiedenen Wellenlängen aussenden, die von den entsprechenden, voneinander verschiedenen PD mit voneinander verschiedenen spektralen Sensitivitätsbereichen detektiert werden.

Zum anderen kann es aber auch sein, dass die mehreren sensorisch aktiven Komponenten eines aktiven Bereichs des Funktionsschichtsystems zwar unterschiedlich angeregt werden, aber zweite photonische Signale im gleichen Sensitivitätsbereich aussenden In diesem Fall ist eine Zuordnung der mittels voneinander verschiedener PD detektierten zweiten photonischen Signale zum Ort ihrer Aussendung, insbesondere also zu einer der sensorisch aktiven Komponenten, über die numerische Apertur des optischen Systems aus Lichtemitter - sensorisch aktiver Komponente - PD vornehmbar. Des Weiteren kann im vorliegenden Fall auch eine zeitversetzte Anregung der sensorisch aktiven Komponenten erfolgen, oder eine Mischung/Überlagerung der zweiten photonischen Signale detektiert werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensormoduls ist mindestens eine Vorrichtung zur Detektion photonischer Signale unmittelbar unterhalb mindestens eines organischen Lichtemitters angeordnet. Vorteilhaft kann in dieser Konfiguration direkt das emittierte erste photonische Signal zur Referenzierung z. B. von Intensitäts- und/oder Phasenschwankungen vermessen werden.

Zum Zwecke der Referenzierung des Sensormoduls kann mindestens eine Kombination von mit Hilfe zweier zweiter photonischer Signale oder zweier nicht-photonischer Signale oder eines zweiten photonischen und eines nicht-photonischen Signals generierten Messwerten dienen. Besonders vorteilhaft ermöglicht die Ortszuweisung von organischem Lichtemitter und PD auf dem erfindungsgemäßen Sensormodul eine Referenzierung direkt an der zu referenzierenden Position.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensormoduls weist das Funktionsschichtsystem mehr als einen aktiven Bereich auf, wobei die aktiven Bereiche räumlich voneinander getrennt angeordnet sind. Die räumliche Trennung umfasst auch eine Anordnung mehrerer aktiver Bereiche übereinander, also im gleichen optischen Pfad zwischen organischem Lichtemitter und Vorrichtung zur Detektion photonischer Signale.

Die aktiven Bereiche können zum einen die gleichen sensorisch aktiven Komponenten enthalten und für dieselbe Eigenschaft des Mediums sensitiv sein. Aufgrund der räumlichen Trennung der aktiven Bereiche ist in dieser Konfiguration eine ortsaufgelöste Analyse des Mediums hinsichtlich einer bestimmten Eigenschaft möglich.

Zum anderen können die aktiven Bereiche so ausgebildet sein, dass sie für voneinander verschiedene Eigenschaften sensitiv sind. Dies kann beispielsweise über unterschiedliche sensorisch aktive Komponenten realisiert werden, oder dadurch, dass mindestens einer der mehreren aktiven Bereiche eine definierte Beschichtung aufweist. Vorteilhaft ermöglicht das erfindungsgemäße Sensormodul damit die multiparametrische Analyse des Mediums auf besonders kompakte, einfache und miniaturisierte Weise.

Die mehreren aktiven Bereiche des Funktionsschichtsystems können auch voneinander verschiedene spektrale Sensitivitäten aufweisen, wobei sich die Spektralbereiche, in denen die sensorisch aktiven Komponenten unterschiedlicher aktiver Bereiche photonisch anregbar sind, überlappen können. Diese Ausführung ist vorteilhaft mit der erfindungsgemäßen Ausführung des Sensormoduls mit mehreren organischen Lichtemittern und mehreren Vorrichtungen zur Detektion photonischer Signale kombinierbar.

Eine beispielhafte vorteilhafte Ausführungsform umfasst die Anregung eines unteren aktiven Bereichs von mehreren untereinander angeordneten aktiven Bereichen des Funktionsschichtsystems mittels eines ersten photonischen Signals, wobei dieser untere aktive Bereich ein zweites photonisches Signal (welches im Allgemeinen einen anderen

Wellenlängenbereich umfasst) an einen im optischen Pfad darüber angeordneten, weiteren aktiven Bereich aussendet, wodurch in diesem weiteren aktiven Bereich sensorisch aktive Komponenten angeregt werden und ein drittes photonisches Signal, moduliert durch die von mindestens einer Eigenschaft des umgebenden Mediums hervorgerufenen

Eigenschaftsänderungen dieses weiteren aktiven Bereiches, ausgesendet wird, wobei für dieses dritte photonische Signal mindestens die zwischen dem Halbleitersubstrat und diesem weiteren aktiven Bereich angeordneten Bereiche/Schichten des Funktionsschichtsystems transparent sind, so dass dieses Signal, in diesem Fall als drittes photonisches Signal bezeichnet, durch mindestens eine Photodiode empfangen werden kann.

Zusammenfassend bietet das erfindungsgemäße Sensormodul die Möglichkeit zur ortsaufgelösten Analyse in zweierlei Aspekten:

Zum einen in Bezug auf das Medium, das heißt, das detektierte zweite photonische Signal und/oder das nicht-photonische Signal können/kann dem Messort im Medium zugeordnet werden und beschreibt die Eigenschaft des Mediums an diesem Ort;

Zum anderen in der internen Zuweisung von ausgesendetem ersten photonischen Signal und detektiertem zweiten photonischen Signal mittels Ausnutzung der numerischen Apertur (NA).

In einerweiteren Ausführungsform umfasst das Funktionsschichtsystem des erfindungsgemäßen Sensormoduls mindestens eine Funktionsschicht, die auf einem Funktionsschichtträger angeordnet ist. Das Funktionsschichtsystem kann aus mehreren Schichten aufgebaut sein, von denen nur eine oder mehrere aktive Bereiche aufweisen.

Im Allgemeinen ist der Funktionsschichtträger für die Wellenlänge des ersten und des zweiten photonischen Signals transparent. Insbesondere kann der Funktionsschichtträger als optische Linse oder als optisches Linsenarray oder als optischer Filter oder als optisches Gitter oder als Kombination aus den vorbenannten ausgebildet sein. Der Funktionsschichtträger kann direkt auf dem Halbleitersubstrat oder zu diesem beabstandet angeordnet sein. Der Funktionsschichtträger kann auch als Teil eines das Halbleitersubstrat aufnehmenden Gehäuses ausgebildet sein oder durch direkte Fügeverfahren (z.B. Kleben, anodisches Bonden, Adhäsionsverbinden, Eingießen) das Halbleitersubstrat (inklusive möglicher Aufbauten) kapselnA/erschließen. Dies ermöglicht vorteilhaft eine effektive, z. B. nicht-parasitär lumineszierende Modulverkapselung.

In einer weiteren Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Sensormodul mindestens eine Vorrichtung zum Speichern von Daten, z. B. Messdaten, Programmcode, Logbuch-Daten, Historie-Daten, und/oder zum Auswerten und Beeinflussen von Daten, z. B. zum Kompensieren, und/oder zur Übertragung von Daten, z. B. Messdaten, Auswertedaten, Statusinformationen, Datenlogger-Daten, und/oder zur Kommunikation auf. Übertragung und Kommunikation können digital und/oder analog sowie kabelgebunden oder kabellos erfolgen. Das Sensormodul kann auch autonom arbeiten, und es können nach Abschluss der Messung die Messdaten ausgelesen werden.

In einer weiteren Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Sensormodul mindestens eine Vorrichtung zur Ansteuerung und/oder zur Modulation/Demodulation des mindestens einen organischen Lichtemitters und/oder der mindestens einen Vorrichtung zur Detektion photonischer Signale auf.

Bevorzugt sind die vorbenannten Vorrichtungen monolithisch im Halbleitersubstrat ausgebildet.

In einer weiteren Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Sensormodul mindestens eine Vorrichtung zur Bereitstellung der für den Betrieb des Sensormoduls aufzuwendenden elektrischen Energie auf. Dabei kann es sich z. B. um eine Batterie oder Superkapazität handeln. Die Vorrichtung kann auch dazu geeignet sein, andere Energieformen in elektrische Energie umzuwandeln, z. B. potentielle Energie des Schalls, kinetische Energie oder thermische Energie; wie allgemein als Energy Harvesting bekannt. Weiterhin kann die Energie drahtlos übertragen werden, z.B. durch Standards wie NFC oder Ql, oder auch durch Feldkopplung induziert werden. Vorteilhaft kann das Sensormodul dadurch autonom arbeiten.

In einer weiteren Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Sensormodul mindestens eine aktorische Komponente auf, z. B. eine Heizung zur Temperierung, insbesondere thermischen Stabilisierung, des Sensormoduls oder zur Aktivierung von Enzymen im Funktionsschichtsystem, oder aktorische Komponenten zur Steuerung von Mikrofluidik. Vorteilhaft ist die Aktorik bei dem erfindungsgemäßen Sensormodul energieeffizient und reaktionsbeschleunigt auf kleinsten Raum integrierbar. Aufgrund der kompakten Bauform kann die thermische Stabilisierung des Sensormoduls energieeffizient und mit kurzen Regelzeiten ausgeführt werden. Des Weiteren lassen sich mehrere erfindungsgemäße Sensormodule mit einem Basismodul, z. B. in einer kubischen Anordnung, verbinden, und innerhalb des Basismoduls beispielsweise eine gemeinsame Energieversorgung, Datenverarbeitung, Datenspeicherung oder Kommunikation benutzen, wobei die Sensormodule separat austauschbar oder modular montiert werden können.

Die geringe und kompakte Bauform der erfindungsgemäßen Sensormodule ermöglicht schnellere Reaktionszeiten, schnellere Ansprechzeiten und kürzere Einschwingzeiten der Sensormodulkombination.

Das erfindungsgemäße Sensormodul wird bevorzugt in einem Lab-on-a-chip-System verwendet. Dazu kann Mikrofluidik direkt oder indirekt an das Funktionsschichtsystem angekoppelt werden, oder die Mikrofluidik kann Strukturteil des Halbleitersubstrates oder des Funktionsschichtsystems sein.

Das erfindungsgemäße Sensormodul kann vorteilhaft in einfacher Weise sterilisierbar bzw. desinfizierbar ausgeführt werden. Dadurch ergeben sich weitere bevorzugte Verwendungen.

Des Weiteren bevorzugt ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Sensormoduls zur Fermentationsüberwachung, insbesondere in einem Einweg-Fermentationsbeutel. Diese werden bereits werkseitig vom Hersteller zumeist mit Gamma-Strahlung sterilisiert. Das nachträgliche Einführen von Messtechnik zum Erfassen der Steuerparameter ist umständlich und kann zur nachträglichen Kontamination des Einweg-Fermentationsbeutels führen. Deshalb müssen beispielsweise in der pharmazeutischen Industrie umfangreiche Prozeduren zur Überprüfung der Bereinigung abgearbeitet werden, die teuer, zeitaufwendig sind und wiederum die Gefahr von Kreuzkontamination bergen. Aufgrund der Sterilisierbarkeit des erfindungsgemäßen Sensormoduls kann dieses bereits vor der Sterilisation in den Einweg-Fermentationsbeutel eingebracht werden. Das erfindungsgemäße Sensormodul ist preiswert und biokompatibel, sowie einfach und ohne Umweltschäden entsorg- bzw. recycelbar, so dass es vorteilhaft als Einwegartikel verwendbar ist. Neben der Gamma-Sterilisierung sind weitere Desinfektions- und Sterilisierungsmöglichkeiten gegeben, z. B. mittels Desinfektionsmittel, durch Autoklavierung (steam-sterilizable), durch Plasmasterilisation, durch UV-Strahlung.

Des Weiteren bevorzugt ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Sensormoduls zur Überwachung von Vitalparametern. Dies beinhaltet z. B. die Messung der CO ₂ - und/oder O ₂ - Konzentration in der Atemluft, Glukose- und/oder Laktatkonzentration im Speichel. Eine besonders vorteilhafte Parameterkombination kann durch transkutane Messungen des CO ₂ - und/oder 0 ₂ -Partialdrucks mittels eines photonischen Messprinzips sowie Temperatur- und pH- Wert-Messungen auf der Haut mittels eines nicht-photonischen Messprinzips erhalten werden. Die Überwachung diverser Vital parameter erlangt zunehmend Bedeutung im Fitnesssektor. Es konnte bspw. gezeigt werden, dass übergewichtige Patienten mit einem personalisierten Ernährungsprogramm mehr an Gewicht verlieren, wenn ihr Ernährungsplan an den gemessenen Sauerstoffverbrauch (Detektion und Analyse von Stoffwechselparametern; Metabolie) angepasst wird.

Ein weiterer wichtiger Anwendungsbereich liegt in der Medizintechnik. Mittels des erfindungsgemäßen Sensormoduls können vorteilhaft Stoffwechselkrankheiten, wie Diabetes, detektiert werden, oder enzymatische Störungen oder Störungen der Darmflora kontinuierlich über einen längeren Zeitraum untersucht werden.

Zur Erhöhung der Patientensicherheit, z. B. während Operationen oder bei der Intensivüberwachung, ist der Erhalt von repräsentativen Proben vom inneren partiellen Gasaustausch der Lungen sehr wünschenswert. Das erfindungsgemäße Sensormodul bietet z. B. die Kombination eines ultraschnellen Sauerstoff- und/oder Kohlenstoffdioxid- Partialdrucksensors (pÜ ₂ und/oder PCO ₂ ) mit der Messung des Durchflusses der Atemgase an der Atemwegsöffnung und liefert damit diese höchst erwünschten und entscheidenden Informationen, die dann bspw. zur Optimierung der Beatmungsgeräteeinstellungen bei Intensivpatienten und Patienten in Anästhesie eingesetzt werden kann.

CO ₂ und O ₂ sind Gase, die leicht durch Körper- und Hautgewebe diffundieren und dadurch anhand eines entsprechenden nicht-invasiven Sensors, der auf der Hautoberfläche angebracht wird, gemessen werden können. Für transkutane Messungen kann das erfindungsgemäße Sensormodul an einem auf die Haut applizierbaren Träger angeordnet sein.

Das erfindungsgemäße Sensormodul kann an einer Zahnspange, einer Nasenklemme oder einem Beißschutz angeordnet sein.

Oder das Sensormodul kann in einem Beatmungsgerät und/oder Anästhesiegerät und/oder Lungenfunktionsgerät integriert sein.

Des Weiteren kann das erfindungsgemäße Sensormodul an einem Sammelgefäß für Urin- und Stuhlproben sowie Blutproben angeordnet sein.

Die Anordnung umfasst im Sinne dieser Anwendung jeweils auch Ausführungsformen, in denen das Sensormodul für das Medium zugänglich in die oben genannten Hilfsmittel eingebettet ist.

Bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Sensormoduls zur Überwachung von Vitalparametern kann das Sensormodul vorteilhaft in Tier oder Mensch implantiert werden. Das erfindungsgemäße Sensormodul kann in einer weiteren Ausführungsform als Kapsel verpackt zum Verschlucken ausgeführt sein. Dies ermöglicht ein besseres Durchgleiten des Magen-Darm-T rakts.

Die erfindungsgemäßen Verwendungen des erfindungsgemäßen Sensormoduls bieten mehrere Vorteile, von denen im Folgenden einige aufgeführt werden.

Aufgrund der geringen Anschaffungskosten und der Möglichkeit zur werksseitigen Kalibrierung/Justage sowie Sterilisierung kann das erfindungsgemäße Sensormodul als Einwegartikel ausgelegt sein und mit den Urin-, Blut- oder Stuhlproben entsorgt werden, was auch das Risiko von Kreuzkontaminationen minimiert.

Durch die multiparametrische Analyse des Mediums ist eine parallele Echtzeit- bzw. Online- Überwachung verschiedener Vitalparameter möglich.

Die erfindungsgemäßen Verwendungen können non-invasiv gestaltet werden; es wird kein Analyt verbraucht.

Gegenüber den herkömmlichen elektrochemischen Sauerstoffsensoren ist das der Erfindung zugrunde liegende Sensormodul umweltfreundlicher, da die aktuell in der 0 ₂ -Sensorik zum Einsatz kommenden hohen Anteile von Blei vermieden werden.

Aufgrund ultraschneller Ansprechzeiten (<50 ms rise time von 10 %-90 %) und geringer Baugröße (< 1 ml, < 25 g), des geringen Energieverbrauches, der geringen Verlustwärme kann die Überwachung von Vitalparametern beispielsweise direkt im Hauptstrom der Atmung erfolgen, ohne die Patientensicherheit zu gefährden oder bei brennbaren bzw. explosiven Analyten, Reinigungsmitteln oder Anästhetika eine Zündgefahr darzustellen (Explosionsschutz, ATEX).

Das Sensormodul kann sterilisiert werden, z. B. durch Gammastrahlung, Plasma-Sterilisation, Autoklavierung, sterilisierende Reinigungsmittel.

Das erfindungsgemäße Sensormodul kann autonom energieversorgt ausgeführt werden. Es bietet die Möglichkeit einer Funkkommunikation, ist ultra-kompakt und hat geringste Verlustleistungen, kann photonische- und nicht-photonische sensorische Parameter detektieren, besitzt integrierte Methoden zur Referenzierung, und die Funktionsschicht kann gleichzeitig Teil der Verkapslung zum Medium darstellen, was die Miniaturisierung erleichtert

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst auch alle im Sinne der Erfindung gleich wirkenden Ausführungsformen. Ferner ist die Erfindung auch nicht auf die speziell beschriebenen Merkmalskombinationen beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmale definiert sein, sofern sich die Einzelmerkmale nicht gegenseitig ausschließen, oder eine spezifische Kombination von Einzelmerkmalen nicht explizit ausgeschlossen ist.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, ohne auf diese beschränkt zu sein.

Dabei zeigt

Tabelle 1 Beispiele für photonische Messprinzipien zur Bestimmung von verschiedenen Eigenschaften eines Mediums und Beispiele für die sensorisch aktive Komponente;

Tabelle 2 Beispiele für nicht-photonische Messprinzipien zur Bestimmung von verschiedenen Eigenschaften eines Mediums und Beispiele für Vorrichtungen zum Messen der Eigenschaft;

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Sensormoduls zur multiparametrischen Analyse eines Mediums;

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensormoduls zur multiparametrischen Analyse eines Mediums;

Fig. 3 ein erfindungsgemäßes Sensormodul in einer Fermentationskammer.

Tabelle 1 : Beispiele für photonische Messprinzipien

Tabelle 2: Beispiele für nicht-photonische Messprinzipien

Bei der Kombination des mindestens einen photonischen Messprinzips mit einer Vorrichtung zur Temperaturmessung kann der Vorteil des erfindungsgemäßen Sensormoduls, dass der Messort der gewünschten Parameter vergleichsweise frei gewählt werden kann, besonders günstig ausgenutzt werden, indem z. B. ein R-on-CMOS-Sensor direkt neben einer Detektionsstruktur für Fluoreszenzlicht angeordnet sein kann, sodass ohne große Verzögerung oder Übertragungskennlinie die Korrekturgröße„Temperatur“ deszugehörigen Fluoreszenzfarbstoffes detektiert werden kann. Fig. 1 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Sensormoduls 1 zur multiparametrischen Analyse eines Mediums 105. Das Sensormodul 1 weist mindestens einen organischen Lichtemitter zur Aussendung eines ersten photonischen Signals 101 und mindestens eine Vorrichtung zur Detektion photonischer Signale 102 auf. Der organische Lichtemitter 101 und die Vorrichtung zur Detektion photonischer Signale 102 sind dabei monolithisch auf einem Halbleitersubstrat 100 ausgebildet, welches vorteilhaft als CMOS-Halbleitersubstrat ausgebildet ist. Weiterhin weist das Sensormodul 1 mindestens ein Funktionsschichtsystem 103 auf, welches den mindestens einen organischen Lichtemitter 101 und/oder die mindestens eine Vorrichtung zur Detektion photonischer Signale 102 überdecktund in Kontakt mit dem Medium 105 steht. Das Funktionsschichtsystem 103 weist mindestens einen aktiven Bereich 104 auf. Das Sensormodul 1 weist ein Bauelement zur Bestimmung einer zweiten Eigenschaft mittels eines nicht photonischen Messprinzips 106 auf, welches auf dem Halbleitersubstrat 100 angeordnet ist.

Weiterhin weist das Sensormodul 1 vorteilhaft mindestens eine Vorrichtung zum Speichern von Daten und/oder zum Auswerten und Beeinflussen von Daten und/oder zur Übertragung von Daten und/oder zur Kommunikation und/oder mindestens eine Vorrichtung zur Ansteuerung und/oder zur Modulation/Demodulation des mindestens einen organischen Lichtemitters und/oder der mindestens einen Vorrichtung zur Detektion photonischer Signale 107 auf. Weiterhin weist das Sensormodul 1 vorteilhaft eine Vorrichtung zur Bereitstellung der für den Betrieb des Sensormoduls 1 aufzuwendenden elektrischen Energie 108 auf.

Fig. 2 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensormoduls 1 zur multiparametrischen Analyse eines Mediums 105. Das Sensormodul 1 entspricht dem Sensormodul aus Fig. 1. Das Funktionsschichtsystem 103 weist einen Funktionsschichtträger 103.1 und eine Funktionsschicht 103.2 auf. Der Funktionsschichtträger 103.1 kann als optische Linse oder als optisches Linsenarray oder als optischer Filter oder als optisches Gitter oder als Kombination aus den vorbenannten ausgebildet sein.

Fig. 3 zeigt schematisch ein Sensormodul 1 in einem Fermentationsreaktor 2, die mit einem Medium 105 gefüllt ist. Das Sensormodul 1 entspricht dem in Fig. 1 dargestellten Sensormodul 1. Erkennbar ist, dass das Funktionsschichtsystem 103 in Kontakt mit dem Medium 105 steht und den organischen Lichtemitter 101 und die Vorrichtung zur Detektion photonischer Signale 102 gegenüber dem Medium 105 abschirmt. Das Sensormodul 1 weist mindestens eine Vorrichtung zum Speichern von Daten und/oder zum Auswerten und Beeinflussen von Daten und/oder zur Übertragung von Daten und/oder zur Kommunikation 107 auf. Weiterhin kann das Sensormodul 1 mindestens eine Vorrichtung zur Ansteuerung und/oder zur Modulation/Demodulation des mindestens einen organischen Lichtemitters und/oder der mindestens einen Vorrichtung zur Detektion photonischer Signale (nicht dargestellt) aufweisen. Das Sensormodul 1 kann weiterhin eine Vorrichtung zur Bereitstellung der für den Betrieb des Sensormoduls aufzuwendenden elektrischen Energie aufweisen (nicht dargestellt).

Bezugszeichen

1 Sensormodul

100 Halbleitersubstrat

101 Organischer Lichtemitter

102 Vorrichtung zur Detektion photonischer Signale

103 Funktionsschichtsystem

103.1 Funktionsschichtträger

103.2 Funktionsschicht

104 Aktiver Bereich

105 Medium

106 Bauelement zur Bestimmung zumindest einer zweiten Eigenschaft

107 Vorrichtung zum Speichern von Daten und/oder zum Auswerten und Beeinflussen von Daten und/oder zur Übertragung von Daten und/oder zur Kommunikation

2 Fermentationsreaktor

Zitierte Nicht-Patentliteratur

[Krujatz2016] Krujatz F. et al„Exploiting the Potential of OLED-Based Photo-Organic Sensors for Biotechnological Applications”; Chem Sei J 2016 Vol. 7, Issue 3, 1000134, DOI: 10.4172/2150-3494.1000134