42]图5示出在不同湿度级别下基于氧化石墨烯的电池的开路电势差测量；
[0043]图6示出连接到测量电路的图1的装置；
[0044]图7示出根据本公开的另一个实施例的装置；
[0045]图8示出连接到测量电路的图7的装置；
[0046]图9a示出循环伏安法测量的典型电势波形；
[0047]图9b示出循环伏安法测量的一个实例；
[0048]图10示出根据本公开的另一个实施例的装置；
[0049]图1la示出使用在此描述的装置确定分析物的存在和/或数量的方法的主要步骤；
[0050]图1lb示出制造在此描述的装置的方法的主要步骤；以及
[0051]图12示出包括被配置为执行、控制或实现图1la或Ilb的一个或多个方法步骤的计算机程序的计算机可读介质。
【具体实施方式】
[0052]将大量传感器集成到器件中并不容易。例如，某些现有传感器阵列需要复杂路由(针对单独定址的节点)、在阵列中包括有源组件(针对有源定址的阵列)或复杂读出技术(例如测量互电容阵列所需的电荷转移读出)。因此，分别测量大量传感器位点(site)是要求很高的。
[0053]存在包含每个传感器位点的现有化学传感器阵列，这些传感器位点分别通过它们自己的相应电极端子定址。由于大小限制，这种布置将阵列的大小限于相对少量的传感器位点。此外，已建议电化学电池阵列作为传感器阵列和分子机电存储器件。在这些结构中，通过电解质材料中的分子的氧化状态改变电池电压。此类系统需要在结构中制造复杂几何形状(例如微量试管)。此外，阵列的传感器仅对形成电解质的液体中的分子敏感。现在将描述一种装置和关联方法，它们可能提供也可能不提供用于这些问题中的一个或多个的解决方案。
[0054]图1中示出本装置的一个实施例。所述装置包括多个第一(直线型)细长电极101，多个第一(直线型)细长电极101通过电解质103与多个第二横向定向的(直线型)细长电极102分隔开，以便在第一 101和第二 102电极的间隔开的交叉处形成相应电化学传感器节点的阵列。配置第一电极101以使得分析物与在传感器节点处的第一电极101的相互作用影响该传感器节点的电性能。这样，通过将相应端子连接到每个电极101、102，可基于特定传感器节点的电性能的测量，确定分析物在该传感器节点处的存在和/或数量。
[0055]本装置的优点是其简单性，这是电化学电池体系结构的直接结果。间隔开的交叉条布置不需要复杂的制造，并且因此可以使用诸如丝网印刷之类的常规技术大规模地廉价制造。此外，可以使用相对基本的测量电子设备进行电读出，并且因为分析物敏感组件(即，第一电极101)位于装置的外部，所以可以使用传感器节点检测周围环境中的分析物。
[0056]在该实例中，多个第一电极101被布置为基本上彼此平行，多个第二电极102被布置为基本上彼此平行，并且多个第一电极101被布置为与多个第二电极102基本上垂直。然而，可以以其它方式布置电极101、102，前提是它们形成多个间隔开的交叉。
[0057]如果第一电极101暴露于外部环境，则所述装置可以用于检测大气分析物物种，或者它可以用于检测包含在样本流体中的分析物。在后一种情形中，所述装置可以包括微流体通道和关联的栗(未示出)，它们被配置为向传感器节点输送流体以便确定分析物在流体中的存在和/或数量。
[0058]图2是图1中的装置的平面图，其示出第一201和第二202电极的间隔开的交叉处的传感器节点204。每个节点204实际上是单独的电化学电池，其包括阴极(第一 201或第二 202电极)、阳极(剩余电极202、201)以及电解质203。在某些实施例中，可以配置多个第一电极201以使得每个传感器节点204的电性能依赖于相同分析物的存在和/或数量，这实际上可以通过由相同材料形成多个第一电极201而实现。在这种情形中，传感器阵列可以用于基于在该处检测到分析物的特定节点204，确定分析物的位置，以及确定其存在和/或数量。这可以例如用于呼吸控制的用户界面，其中电化学传感器节点204被配置为湿度传感器以便检测本地环境的水含量变化。
[0059]在其它实施例中，可以配置多个第一电极201中的至少一些(可能第一电极201的全部)以使得相应传感器节点204的电性能依赖于不同分析物的存在和/或数量。这可以通过由不同材料形成第一电极201，或者由具有不同功能化(S卩，具有附加到其中的不同化学基)的相同材料形成第一电极201而实现，并且可以用于产生电子鼻以便检测多个不同分析物物种。如后面讨论的，氧化石墨烯是用于各种功能化的有潜力的平台，因此可以基于该技术产生大量不同传感器。
[0060]电池可以被建模为与内阻串联的电动势，如图3中所示。电池的电势差(V)与其电动势(E)和内阻(r)相关，如下所示
[0061]V = E-1r 等式 I
[0062]其中I是由于电势差而围绕电路流动的电流。在本装置的一个实施例中，传感器节点处的第一和第二电极被配置为针对第一电极与分析物的相互作用，展现第一和第二电极之间的电势差(V)，配置第一电极以使得其电化学电势和电导中的一个或多个依赖于存在的分析物数量。因为第一电极的电导和电化学电势分别影响该传感器节点的内阻(r)和电动势(E)，所以分析物的存在强烈影响第一与第二电极之间的电势差(V)。这样，可以基于传感器节点的电势差(V)确定分析物的存在和/或数量。此外，因为分析物在第一与第二电极之间产生电势差，这转而用于感测分析物，所以本装置的该实施例可以被视为自供电传感器阵列(或至少其模块)。为了使这种方法起作用，第一电极应包括这样的材料:其电导和/或电化学电势随着存在的分析物数量而变化。但是，使用的电极材料类型将取决于检测到的特定分析物(即，特定化学或生物物种)和其中使用装置的环境。
[0063]—个实例是用于检测空气中的水(气体、液体和/或蒸气形式)的氧化石墨烯，SP，作为湿度传感器。氧化石墨烯可以被视为具有附加到其中的一个或多个功能基的石墨烯，这些功能基例如包括羧基(C)、烃基(B)和/或环氧基(A)，如图4中所示。使用薄氧化石墨烯膜作为阳极的电池具有近似如下的内阻(r)
[0064]r = roexp(-H/Ho)等式 2
[0065]其中H是相对湿度，并且ro和Ho是依赖于阳极的特定结构和几何形状的常量。可以通过改变电极的几何形状以及引入其它材料，根据特定应用调整阳极的电导。例如，通过在氧化石墨烯膜之上沉积金属网，可以将电池的内阻减少几个数量级，因为金属网桥接氧化石墨烯膜中的不连续处。备选地，可以在氧化石墨烯膜之上沉积图案化金属层，可以通过调整金属图案设计该层的电阻。此外，如果电极的导电性本质上很低，则可以使用导电聚合物(例如聚苯胺)形成氧化石墨烯聚合物复合材料来增加导电性。
[0066]电池的电动势取决于阳极与阴极之间的费米能量的相对排列。已表明，水对金属载体石墨烯的电子结构具有影响，并且费米能级(电化学电势)的迀移大约为lOOmeV。当石墨烯包括一个或多个羧基、烃基和/或环氧基时，这种迀移变得更严重。氧化石墨烯的电化学电势因此随着水含量变化而显著变化。这可以在图5中看到，该图示出在不同湿度级别下基于氧化石墨烯的电池的开路电压测量。在该实例中，电池具有氧化石墨烯涂层阳极、聚酯电解质以及LiCoO2阴极。用于阴极的其它合适的材料包括氧化锂和/或二氧化锰，而电解质可以包括聚偏氟乙烯、聚丙烯酸物、聚酯和聚氧化乙烯衍生物中的一个或多个。
[0067]基于氧化石墨烯的电池的输出电压(电势差)随湿度的变化因此不仅由氧化石墨烯的电导变化引起，而且还由氧化石墨烯的电化学电势变化引起。电化学电势对分析物的存在和/或数量的依赖性还可以提供有关跨传感器阵列发生的基本化学过程的信息。例如，可跟踪反应的进度，因为传感器阵列上的不同位置处的反应剂化学物通过横向扩散而混入口 ο
[0068]第一电极材料和分析物并不分别仅限于氧化石墨烯和水。其它实例包括用于感测三乙胺的2D过渡金属硫化物(例如MoS2);用于感测氨和NO2的石墨烯；用于感测葡萄糖的功能化石墨烯(例如使用酶功能化的石墨烯)；用于感测氨的银纳米粒子；以及用于感测氨的多孔硅。
[0069]如上所述，间隔开的交叉条结构的使用允许基本电子设备用于检测每个传感器节点的状态。图6示出电连接到图1和2的装置的测量电路的一个实例，其包括伏特计605以及第一