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Die Erfindung betrifft eine Messzelle zur Durchführung von Messungen an flüssigen oder gasförmigen Proben, mit einem piezoelektrischen Resonatorelement, welches zumindest einen Messraum für die zu messende Probe begrenzt, wobei die Messzelle im Wesentlichen aus zwei aneinander fixierbaren Gehäuseteilen besteht, die im geschlossenen Zustand das Resonatorelement in Bezug auf den Messraum exakt und reproduzierbar positionieren.
Derartige Messzellen mit piezoelektrischen Resonatorelementen, eingesetzt als piezoelektrische Kristall-Mikrowaage benützen den Effekt, dass die Resonanzeigenschaften eines piezoelektrischen Resonators, meist eines DickenscherSchwingers, durch die Massenbeladung an der Resonatoroberfläche, durch die Viskosität und ggf. die elektrischen Leitfähigkeit des angrenzenden Mediums, verändert werden. Vielfach werden solche Mikrowaagen in der Dünnschichttechnik zur in-situ Messung der Schichtdicke über die Massenbeladung benutzt. Bei dieser Anwendung werden die Kristall-Mikrowaagen im Vakuum betrieben.
In den letzten Jahren wurde diese Technik jedoch auch auf die Bestimmung der Konzentration bestimmter Komponenten in Flüssigkeiten bzw. in Gasen eingesetzt, wobei die Oberfläche des Resonators mit einer selektiv bindenden Schicht versehen ist, welche im wesentlichen nur die zu messende Substanz an der Oberfläche des Resonators bindet und so die schwingende Masse erhöht. Besonders vorteilhaft ist diese Technik für die Anwendung in biologischen Affinitätssensoren, insbesondere in Immunosensoren. Bei dieser Messaufgabe werden z. B. bei Immunosensoren Antigene auf der Oberfläche des Resonators verankert (immobilisiert).
Wird eine Substanz, welche sich i. a. in einer wässrigen Lösung befindet, mit der immobilisierten Resonatoroberfläche in Kontakt gebracht, so lagert sich die nachzuweisenden Komponente selektiv an dieser an und verstimmt dadurch z. B. die Oszillatorfrequenz, welche mit hoher Auflösung gemessen werden kann.
Mehrere Beispiele derartiger Messzellen sind aus der Fachliteratur wie z. B. aus dem Artikel von S. Storri, T. Santoni, M. Minunni & M. Mascini, "Surface modifications for the development of piezoimmunosensors", Biosensors & Bioelectronics, Vol. 13 No. 3-4, pp. 347-357,1998 und aus Firmenprospekten, (Prospekte von Seiko EG & G, Chiba, 261 Japan ; ifak e. V., Barieben 39179, DE) bekannt. Allen Anordnungen ist gemeinsam, dass die Messzelle im Wesentlichen aus zwei Teilen besteht, welche durch Schrauben miteinander verbunden werden und einen Messraum aufweisen. Der piezoelektrische Resonator wird dabei beispielsweise über eine eigene Kristallhalterung elektrisch kontaktiert und zwischen zwei O-Ringen gehalten. Als Kristallhalterungen dienen hierbei handelsübliche Normhalterungen für Schwingquarze.
Die Resonatoren müssen nach jeder Messung,
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oder nach einigen wenigen Messungen zur Reinigung vorübergehend ausgebaut werden.
Die bekannten Anordnungen weisen somit folgenden Nachteile auf : zeitaufwendige und umständliche Montage durch die verschiedene Festigkeit der Verschraubung entsteht ein nicht re- produzierbarer Druck der beiden O-Ringe auf das Resonatorelement und bewirken somit eine nichtreproduzierbare Ausgangsfrequenz bzw. Aus- gangsgüte bei mehrmaligem Einsatz des gleichen Resonators der Anschluss über die handelsüblichen Kristallhalterungen ist sehr empfind- lich und bedarf einiger Übung um verlässlich ausgeführt werden zu können die elektrischen Anschlüsse müssen bei jedem Wechsel des Resonators wie- der neu hergestellt werden, wobei veränderliche Kabel- bzw. Zuleitungska- pazitäten auftreten.
Die umständliche Handhabung beim Kristallwechsel erschwert es auch, die ganze Anordnung in einer Sterilisationsbox zu betreiben, wie es teilweise beim Umgang mit chemisch oder biologisch gefährlichen Proben erforderlich ist. Alle diese Eigenschaften haben verhindert, dass diese Technik eine breite Verwendung z. B. in Labors für Hygiene und Gesundheitsschutz, Umweltschutz und Lebensmittelkontrolle, gefunden hat.
Eine Messzelle der eingangs beschriebenen Art ist z. B. aus EP 0 897 216 A2 bekannt. Dabei wird der Resonator in einen Formkörper aus Kunststoff eingeklebt, wobei die Elektroden an der Resonatoroberfläche mit Hilfe von dünnen BondDrähten Kontaktflächen in Vertiefungen des Formkörpers kontaktiert. Der Formkörper wird mitsamt dem Resonators zwischen zwei Gehäuseteilen der Messzelle eingesetzt und so in Bezug auf die in einem der Gehäuseteile angeordneten Messkammer reproduzierbar positioniert. Der wesentliche Nachteil bei dieser Ausführung ist durch das sehr aufwendige Herstellungsverfahren der Messvorrichtung, insbesondere das Einkleben und Kontaktieren des Resonators in den Trägerkörper gegeben.
Die Bond-Drähte sind filigran und darüber hinaus ist die Zugänglichkeit zur sensitiven Oberfläche des Resonators im eingeklebte Zustand stark eingeschränkt, wodurch sowohl die Reinigung erschwert bzw. das wiederholte Aufbringen von sensitiven Beschichtungen nur begrenzt möglich ist.
Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine Messzelle zur Durchführung von Messungen an flüssigen oder gasförmigen Proben vorzuschlagen, die all diese Nachteile ver-
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meidet, und einen einfachen und verlässlichen Aus- bzw. Einbau des Resonators ermöglicht.
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass das piezoelektrische Resonatore- lement direkt in eine Positioniereinrichtung eines der beiden Gehäuseteile einsetzbar ist, sowie dass Mittel vorgesehen sind, welche nach dem Einsetzen des Resonatorelementes und Verschliessen der beiden Gehäuseteile oder nach dem Aufsetzen der geschlossenen Messzelle auf einen Elektronikteil die elektrische Kontaktierung herstellen. Im Unterschied zur Ausführung gemäss EP 0 897 216 A2 weist das Resonatorelement der Erfindung keine fix verbundene Halterung bzw. kein Trägerelement auf und kann ohne störende Bond-Drähte nach den Öffnen der beiden Gehäuseteile aus der Messzelle entnommen werden.
Nach dem Einsetzen des Resonatorelementes erfolgt die elektrische Kontaktierung ohne Zuhilfenahme eines Werkzeuges nur durch das Schliessen der Messzelle bzw. das Aufsetzen der geschlossenen Messzelle auf ein Basis- oder Elektronikteil.
Die beiden Gehäuseteile können z. B. mittels eines Scharniers oder Gelenks aufklappbar miteinander verbunden und reibschlüssig oder mit Hilfe eines Schnellverschlusses verschliessbar sein. Gemäss einer Variante ist vorgesehen, dass die beiden Gehäuseteile mit Hilfe eines Schnapp- oder Drehverschlusses, beispiels- weise eines Bajonettverschlusses aneinander festlegbar sind.
Erfindungsgemäss weist die Positioniereinrichtung in zumindest einem der Gehäuseteile Anschlagelemente, Positionierstifte, radiale Halteelemente oder eine Vertiefung auf, an welche bzw. an welchen das Resonatorelement zumindest seitlich zur Anlage kommt, wobei die Anschlagelemente oder Positionierstifte vorzugsweise als Distanzelemente für die beiden Gehäuseteile bei geschlossener Messzelle ausgeführt sind Die beiden durch ein scharnierartiges Gelenk aufklappbar miteinander verbunden Gehäuseteile bestehen vorzugsweise aus elektrisch isolierendem Material, beispielsweise aus Kunststoff und können relativ zueinander in eine definierte, reproduzierbare Position gebracht werden. Als Schnellverschluss dient z. B. ein
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etc.
Gemäss einer ersten Ausführungsvariante der Erfindung ist das piezoelektrische Resonatorelement mit Elektroden versehen, die beim Einsetzen des Resonatore- lementes Leiterbahnen kontaktieren, die auf der dem Resonatorelement zugewandten Oberfläche zumindest eines Gehäuseteils angebracht oder eingearbeitet sind. Die für den Betrieb des Resonators erforderlichen elektrischen Verbindungen ist hier durch Leiterbahnen realisiert, welche sich unmittelbar und direkt auf
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mindestens einer Gehäusehälfte befinden. Dies kann z. B. durch aufgebrachte metallische Schichten (Dünn- oder Dickschichttechnologie) oder durch angebrachte oder eingearbeitete Blech- bzw. Formteile realisiert sein.
Besonders vorteilhaft ist dabei, dass die im Falle von losen, frei geführten Drähten bzw. freien elektrischen Leitungen auftretenden Schwankungen der Kabelkapazität nahezu vollständig vermieden werden können, wodurch die Reproduzierbarkeit der Ausgangsresonanzeigenschaften des piezoelektrischen Resonators nach jedem Ausbzw. Einbau entscheidend verbessert werden kann.
In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, wenn eine den Messraum gegen- über dem Resonatorelement abdichtende, elastische Dichtung in einem der Gehäuseteile vorgesehen ist, welche das Resonatorelement bei geschlossener Messzelle an die im anderen Gehäuseteil angebrachten Leiterbahnen anpresst.
Gemäss einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass in zumindest einem der Gehäuseteile eine den Messraum gegenüber dem Resona- torelement abdichtende, elektrisch leitfähige, elastische Dichtung vorgesehen ist, wobei die elektrische Kontaktierung der Elektroden des Resonatorelementes über die leitfähige Dichtung und eine an der Dichtung anliegende Leiterbahn erfolgt. In dieser Variante können eine oder auch zwei Messräume in der Messzelle vorgesehen sein. Zwei Messräume können dabei entweder getrennt voneinander betrieben werden, oder auch durch das Anbringen von Verbindungsöffnungen, Kanälen oder durch eine Perforation im Resonatorelement selbst, miteinander verbunden werden. Im ersten Fall könnte z. B. eine Messkammer für das zu analysierende Medium dienen und die zweite Messkammer z.
B. mit einer Temperierflüssigkeit geflutet werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung einer Messzelle mit zwei voneinander getrennten Messräumen ist vorgesehen, in der Verbindungsöffnung eine Membran für den Druckausgleich zwischen den beiden Messräumen einzusetzen.
Eine besonders einfache und damit auch kostengünstige Möglichkeit einer"drahtlosen" Kontaktierung des Resonatorelementes besteht gemäss einer weiteren Ausführungsvariante darin, die Elektroden von den beiden Resonatoroberflächen bis auf den seitlichen Rand des Resonatorelementes zu führen, wobei in zumindest einem Gehäuseteil federnde, elektrische Kontaktelemente angeordnet sind, welche das Resonatorelement seitlich kontaktieren. In diesem Fall sind die Elektroden des Resonators bis an die Mantelfläche des üblicherweise kreisrunden Resonatorplättchens zu führen. Selbstverständlich können die federnden Kontaktelemente auch axial auf das Resonatorplättchen drücken, wobei die Kontaktierungskräfte im wesentlichen normal auf die Oberfläche des Resonatorplättchens wirken.
Die Federkräfte der Kontaktelemente sind dabei in beiden genannten
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Ausführungen entsprechend klein zu wählen, damit ein möglichst einfacher und zerstörungsfreier Ein- bzw. Ausbau des in der Regel sehr dünnen Resonatorplättchens ermöglicht wird. Insbesondere im Fall einer radialen Kontaktierung ist die Verwendung einer Einbauhilfe für den Resonator vorteilhaft, mit welcher die mechanische Belastung des in'der Regel sehr dünnen Resonatorplättchens reduziert wird.
In einer weiteren vorteilhaften Variante sind die federnden, elektrischen Kontaktelemente in radiale Halteelemente der Positioniereinrichtung integriert. Es ist allerdings auch möglich, die elektrischen Kontaktelemente als Metallfeder auszuführen, welche das Resonatorelement seitlich kontaktieren und mit Kontaktierungsstiften verbunden sind, die in einem der Gehäuseteile fixiert sind Durch das Anbringen von Kontaktierungsstiften in vorzugsweise einem der Gehäuseteile der Messzelle ist es möglich, die Messzelle ohne weitere Kabelverbindungen mit einer Basisplatte zu verbinden, weiche z. B. als Gehäuseteil der Oszillatorelektronik ausgeführt werden kann, wodurch die Zuleitungskapazitäten besonders stabil bleiben und darüber hinaus besonders niedrige Kapazitätswerte realisierbar sind.
Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass eines der beiden Gehäuseteile im Bereich des Resonatorelementes eine Freistellung für das problemlose Entnehmen und Einlegen des Resonatorelementes, beispielsweise mittels einer Pinzette, aufweist, sodass eine möglichst einfache und schonende Handhabung des Messkristalls möglich ist.
Aufgrund des symmetrischen bzw. antisymmetrischen Schwingverhaltens der Oberfläche von piezoelektrischen Resonatoren, insbesondere bei Ausnutzung der sogenannten Dickenscherschwingung ist es möglich den Resonator sowohl einseitig als auch mit beiden Seiten der Oberfläche mit der zu untersuchenden Flüssigkeit bzw. des zu analysierenden Gases in Kontakt zu bringen. Je nach gestellter Messaufgabe ist es also erforderlich, die Messzelle so zu gestalten, dass nur eine Seite des Resonatorelementes mit dem zu untersuchenden Medium in Kontakt gebracht werden kann oder in beiden Gehäuseteilen je einen Messraum auszubilden sodass beide Oberflächen mit der zu messenden Probe kontaktierbar sind. In letzterem Fall ist es von Vorteil, wenn erfindungsgemäss zumindest eine Verbindungsöffnung zwischen den beiden Messräumen ausgebildet ist.
Beispielsweise kann eine derartige Verbindungsöffnung als Ausnehmung oder Perforation im Resonatorelement ausgeführt sein, um so einen Transportweg für die zu analysierende Probe zu beiden Oberflächen des Resonators zu ermöglichen.
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In einer Ausführungsform der Messzelle wird das Resonatorelement gegenüber dem Messraum mit Hilfe einer elastischen Dichtung, vorzugsweise eines sogenannten O-Rings, abgedichtet. Insbesondere ist dabei durch das Anbringen von mindestens einem Anschlagelement oder Positionierstift auf mindestens einem Gehäuseteil der Messzelle ein reproduzierbarer Druck - im geschlossenen Zustand der Messzelle - der elastischen Dichtung auf den Resonator gewährleistet.
In dieser Ausführungsform ist ein einzelner Messraum vorgesehen, sodass der piezoelektrische Resonator mit nur einer Oberfläche in Kontakt mit dem zu analysierendem Medium gebracht wird. Der Messraum kann offen oder geschlossen sein. Insbesondere kann der zumindest eine Messraum als Durchflusszelle mit einer Probenzu- und einer Probenableitung ausgeführt ist. Die elektrische Kontaktierung kann in dieser Ausführung vorzugsweise durch federnde Kontaktelemente erfolgen, welche radial oder auch axial auf das Resonatorelement drücken.
Schliesslich ist eine weitere vorteilhafte Ausführung einer Messzelle dadurch gegeben, dass die elektrische Kontaktierung zumindest einer Oberfiäche des Resonatorelementes mit Hilfe einer in einem der Gehäuseteile angeordneten Leiterbahn erfolgt, die zur Oberfläche des Resonatorelementes einen Abstand ausbildet, wobei die Messkammer zwischen der elektrodenlosen Resonatoroberfläche und der elektrischen Leiterbahn ausgebildet ist. In dieser Anordnung ist es möglich das zu analysierende Medium zwischen der elektrodenlosen Resonatoroberfläche und der sich auf dem Gehäuseteil befindlichen Anregungselektrode einzubringen bzw. durchzuleiten.
Dadurch wird neben der bekannten mechanischen bzw. akustischen Wechselwirkung zwischen der schwingenden Resonatoroberfläche und des zu analysierenden Mediums auch eine elektrische bzw. elektromagnetische Wechselwirkung mit dem elektrischen Wechselfeld ermöglicht, welches zur Anregung der Schwingung des piezoelektrischen Resonators erforderlich ist, wodurch zusätzlich die dielektrischen Eigenschaften des zu analysierenden Mediums in das Sensorsignal eingehen und dadurch beispielsweise auf das Vorhandensein spezifischer (polarer) Komponenten geschlossen werden kann.
Selbstverständlich ist es auch möglich - durch die Überlagerung des für die Anregung des Resonators erforderlichen elektrischen Wechselfeldes mit einem elektrischen Gleichfeld - zusätzlich einen gezielten Polarisationszustand in dem zu untersuchenden Medium zu erzeugen.
Es hat sich überraschend gezeigt, dass beispielsweise der Temperaturgang der Resonanzfrequenz eines in destilliertes Wasser vollständig eingetauchten Resonatorelementes, welcher von beiden Seiten über eine beabstandete Leiterbahn angeregt wurde, signifikant höher ist, als jener, bei welchen sich die Elektroden direkt auf den Oberflächen der Resonatorelementes befinden.
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Schliesslich kann die als Durchflusszelle ausgebildete Messzelle erfindungsgemäss im Bereich des Resonatorelementes zumindest teilweise transparent ausgeführt sein und vorzugsweise in Form einer optischen Linse ausgestaltet sein.
In der nachfolgenden Beschreibung soll die Erfindung anhand von zum Teil schematischen Zeichnungen näher erläutert werden.
Es zeigen in einer ersten Ausführungsvariante der Erfindung Fig. 1 die erfindungsgemässe Messzelle in einer Schnittdarstellung gemäss Linie I - I in Fig. 3 in geschlossenem Zustand, Fig. 2 die Messzelle nach Fig. 1 in geöffnetem Zustand, Fig. 3 eine Draufsicht auf die untere Gehäusehälfte der Messzelle nach Fig. 1, sowie Fig. 4 einen Schnitt gemäss Linie IV - IV in Fig. 2 durch die untere Gehäusehälfte der Messzelle, Fig. 5 eine zweite Ausführungsvariante der Erfindung in einer Schnittdarstellung gemäss Fig. 1, Fig. 6 eine dritte Ausführungsvariante der erfindungsgemässen Messzelle mit zwei Probenräumen, Fig. 7 eine Draufsicht auf ein Resonatore ! ement der Messze ! ! e nach Fig.
6 im Detail, die Figuren 8 und 9 eine vierte Ausführungsvariante der Erfindung mit zwei Messräumen in einer Schnittdarstellung gemäss Linie VIII - VIII in Fig. 9 und eine Draufsicht auf die untere Gehäusehälfte, Fig. 10 und 11 eine fünfte Ausführungsvariante der erfindungsgemässen Messzelle in einer Schnittdarstellung gemäss Linie X - X in Fig. 11 und eine Draufsicht auf die untere Gehäusehälfte, Fig. 12 eine sechste Ausführungsvariante der Erfindung mit einem elektrodenlosen Resonatorelement in einer Schnittdarstellung gemäss Fig. 1, sowie die Figuren 13 bis 15 die Ausführungsvarianten sieben bis neun der Erfindung in einer Schnittdarstellung gemäss Fig. 1.
Die in den Fig. 1 bis 4 dargestellte Messzelle zur Durchführung von Messungen an flüssigen oder gasförmigen Proben, weist ein piezoelektrisches Resonatorelement 4 mit Dünn- oder Dickschichtelektroden 5 auf, welches einen offenen Messraum 3 für die zu messende Probe begrenzt. Die Messzelle 3 besteht im Wesentlichen aus zwei aneinander fixierbaren Gehäuseteilen 1 und 2, die im geschlossenen Zustand das Resonatorelement 4 in Bezug auf den Messraum 3 exakt und reproduzierbar positionieren. Dabei zeigt die Fig. 1 eine Schnittdarstellung der geschlossenen Messzelle, deren Leiterbahnen 6 unmittelbar auf dem unteren Gehäuseteil 1 angebracht sind, welcher mit dem oberen Gehäuseteil 2 durch ein scharnierartiges Gelenk 8 verbunden ist.
Das Resonatorelement 4 wird in dieser Anordnung mit Hilfe eines elastischen, elektrisch isolierenden Dichtringes 10 gegen die Leiterbahnen 6 gedrückt und dadurch kontaktiert. Unmittelbar unterhalb des Resonatorelementes 4 ist ein Freiraum bzw. eine Vertiefung 7 eingearbeitet, wodurch eine störungsfreie Schwingung des Resonatorelementes 4 gewährleistet wird. Mit einem Schnellverschluss 9 werden die beiden Gehäuseteile 1, 2 mitein- ander verschlossen.
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Die Fig. 2 zeigt die Messzelle im geöffnetem Zustand, wobei Positionierstifte 11 sichtbar werden, welche auch als Anschlag dienen und durch welche ein definierter und reproduzierbarer Anpressdruck der elastischen Dichtung 10 auf das Resonatorelement 4 gewährleistet ist.
Fig. 3 zeigt die Draufsicht auf das Gehäuseteil 1 mit einer vorteilhaften Anordnung der Leiterbahnen 6, welche die Elektroden 5 des piezoelektrischen Resona- torelementes 4 kontaktieren.
Schliesslich zeigt Fig. 4 eine Schnittdarstellung des unteren Gehäuseteiles 1 der Messzelle mit einer den Resonator unterlaufenden Aussparung bzw. Freistellung 12 - wodurch der Resonator besonders einfach, z. B. mit einer Pinzette, ein-bzw. ausgebaut werden kann. Mit Hilfe der Kontaktierungsstifte 13 kann die gesamte Messzelle auf eine Basisplatte - welche z. B. in einer besonders vorteilhaften Ausführung auch ein Gehäuseteil der Oszillatorelektronik sein kann-aufgesteckt und damit auch elektrisch kontaktiert werden.
Fig. 5 zeigt eine Messzelle mit einem geschlossenem Messraum bzw. einer Durchflusszelle 3'. Im oberen Gehäuseteil 2 - welches vorzugsweise aus transparentem Material hergestellt ist - kann der unmittelbare Bereich oberhalb des Resonatorelementes 4 bzw. des Messraums 3 als optische Linse 16 gestaltet sein, sodass eine Lupenwirkung erzeugt wird, wodurch die unmittelbare Umgebung des Resonators 4 bzw. des Messraums 3 und damit auch das zu analysierende Medium vergrössert wird. Ebenso sind die Zu- bzw. Ableitungen 15 für das zu analysierende Medium dargestellt. In dieser Ausführungsvariante wird das Resonatorelement 4 - im geschlossenen Zustand der Messzelle - beidseitig mit zwei elastischen, elektrisch leitenden Dichtungen 14 gehalten und auch elektrisch kontaktiert.
Der elektrische Signalweg läuft dabei über die Kontaktierungsstifte 13, die Leiterbahnen 6, die elektrisch leitfähigen elastischen Dichtungen 14 und schliesslich zu den Elektroden 5 welche direkt am Resonatorelement 4 angebracht sind. Bei entsprechend abgestimmter Länge des in Fig. 5 rechten Kontaktierungsstiftes 13 zusammen mit den Anschlägen bzw. Positionierstiften 11 des unteren Gehäuseteils 1 ist eine zuverlässige Kontaktierung im geschlossenen Zustand der Messzelle gegeben. Selbstverständlich wäre es auch möglich den rechten Kontaktierungsstift 13 federnd auszuführen, wodurch Herstelltoleranzen ausgeglichen werden können und eine zuverlässige Kontaktierung zur Leiterbahn 6 des Gehäuseteiles 2 gewährleistet ist.
Die in Fig. 6 dargestellte Messzelle unterscheidet sich gegenüber jener gemäss Fig. 5 durch das Vorhandensein eines zweiten Messraums 3', wodurch das Resonatorelement 4 mit beiden Oberflächen mit dem zu analysierenden Medium in Kontakt gebracht werden kann. In dieser Ausführung sind beide Messräume 3',
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die Zu- und Ableitungen 15 für das zu analysierende Medium und die Kontaktierungsstifte 13 derart ausgeführt, dass ein Betrieb mit vertikaler Ausrichtung des Resonatorelementes 4 möglich ist, wodurch beide Resonatoroberflächen vollständig mit einer Flüssigkeit in Kontakt gebracht werden können. Zusätzlich ist bei dieser beispielhaften Ausführung einer Messzelle das scharnierartige Gelenk 8 in den beiden Gehäusehälften 1, 2 integriert.
Eine weitere Möglichkeit, beide Oberflächen des Resonatorelementes 4 mit dem zu analysierenden Medium in Kontakt zu bringen, ist durch den Einbau eines perforierten Resonators gegeben. Fig. 7 zeigt ein Resonatorelement 4 (Elektroden nicht dargestellt) mit zwei symmetrisch angebrachten Ausnehmungen 20, durch welche das zu analysierende Medium strömt. Besonders vorteilhaft bei der Verwendung eines perforierten Resonators ist dabei, dass das zu analysierende Medium ohne Umweg und dadurch besonders rasch, den beiden Oberflächen des Resonatorelementes 4 zugeführt werden kann. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn sich die Zusammensetzung des zu analysierenden Mediums rasch ändert und deshalb eine hohe Dynamik des Messzelle erwünscht ist.
Weiters kann der unmittelbare Bereich um das Resonatorelement herum offen ausgeführt sein, um dadurch das Überströmen eines zu analysierenden Mediums in die beiden Messräume 3'zu ermöglichen. Eine beispielhafte Ausführung ist in den Fig. 8 und 9 dargestellt. Dabei zeigt die Fig. 8 einen Querschnitt durch die geschlossenen Messzelle. Das Resonatorelement 4 ist dabei mit Elektroden 5 versehen, welche sich bis auf den seitlichen Rand 25 bzw. die Mantelfläche des üblicherweise kreisrunden Resonatorplättchens erstrecken. Dadurch ist eine radiale Kontaktierung mit Hilfe der Halteelemente 21 mögliche In dieser beispielhaften Anordnung sind 4 radiale Halteelemente 21 ausgeführt, wobei zwei gegenüberliegende mit Leiterbahnen 6 beschichtet sind (siehe Fig. 9) und so ein elektrisches Kontaktelement für den Resonator bilden.
Fig. 9 zeigt das untere Teil der Messzelle 1 in Draufsicht. Selbstverständlich könnten auch nur 3 Halteelemente 21 vorgesehen sein, wodurch auch eine exakte Positionierung des Resonatorele- mentes 4 bezüglich der Messräume 3'gegeben wäre. Der zwischen den Halteelementen 21 frei bleibende Raum dient als Verbindungsöffnung 19 zwischen den beiden Messräumen 3'.
Die in den Fig. 8 und 9 dargestellte Messzelle kann auch ohne elastische Dichtung 10 ausgeführt werden und dadurch "offen"-z. B. als Tauchsensor-betrie- ben werden. Die Gehäuseteile 1, 2 der Messzelle können dabei auch aus Keramik gefertigt werden, wodurch eine Messzelle für sehr hohe Anwendungstemperaturen-bis über 6000C - realisiert ist. Derart hohe Temperaturen sind z. B. bei der Verbrennung organischer Substanzen erforderlich, wodurch die Messzelle gerei-
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nigt und gefährliche biologische Substanzen unschädlich gemacht werden können.
Die in Fig. 10 und 11 dargestellte Ausführungsvariante gleicht jener nach Fig. 8 und 9 und unterscheidet sich von den übrigen Ausführungen dadurch, dass das Resonatorelement 4 mit Hilfe federnder elektrischer Kontaktelemente 22 an seiner Mantelfläche 25 kontaktiert wird. Die Fig. 11 zeigt die Draufsicht auf das untere Gehäuseteil 1 der Messzelle. Der Resonator 4, dessen Elektroden 5 bis an den seitlichen Rand 25 geführt sind, ist dabei in einer abgestuften Vertiefung 27 eingelegt, wodurch eine exakte und reproduzierbare Positionierung bezüglich des Messraumes 3'gewährleistet ist. Im geschlossenen Zustand der Messzelle wird der Resonator 4 durch den Druck der elastischen Dichtung 10 festgehalten.
Der besondere Vorteil dabei ist, dass auf sämtliche Leiterbahnen verzichtet werden kann, und dadurch eine besonders kostengünstige Herstellung einer solchen Messzelle ermöglicht wird. Selbstverständlich ist es möglich, die federnden Kontaktelemente 22 derart anzuordnen, dass eine axiale Kontaktierung des Resonatorelementes 4 im Randbereich realisiert ist.
Fig. 12 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante einer Messzelle mit einem Messraum 3'. Dabei wird das Resonatorelement 4, welches von einer elastischen Dichtung 17 gehalten wird-im trockenen Zustand der Messzelle - über einen Luftspalt, welcher gleichzeitig auch als Messraum 3'dient, zu piezoelektrischen Schwingungen angeregt, d. h. es befinden sich keine Elektroden direkt auf der Resonatoroberfläche. Die Zu- und Ableitungen für das zu analysierende Medium sind hier nicht dargestellt.
Die für die Anregung des Resonators 4 erforderlichen Elektroden 6 werden dabei direkt auf den Gehäuseteilen 1, 2 angebracht und bis unmittelbar über den Resonatoroberflächen ausgebildet. Zusätzlich ist es möglich durch die Ausbildung einer speziellen Elektrodenform, z. B. der Gegenelektrode 18, das sogenannte Energy-Trapping im Resonator zu verbessern. Der besondere Vorteil dieser Ausführung liegt in der Möglichkeit neben der üblicherweise rein akustischen Wechselwirkung zwischen einem piezoelektrischen Resonator und dem zu analysierendem Medium eine zusätzliche elektrische bzw. elektromagnetische Wechselwirkung zu erreichen, wodurch auch die dielektrische Eigenschaft des zu analysierenden Mediums in das Sensorsignal eingeht.
Selbstverständlich könnte auch eine der Elektrode direkt an der Resonatoroberfläche angebracht werden und nur die Gegenelektrode 18 über einen Luftspalt auf das Resonatorelement wirken.
Bei der Ausführungsvariante gemäss Fig. 13 ist das piezoelektrische Resonatore- lement 4 mit Elektroden 5 versehen, welche direkt mit Hilfe federnder Kontaktstifte 26 normal zur Oberfläche des Resonatorelementes 4 elektrisch kontaktier-
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bar sind. Die federnden Kontaktstifte 26 sind in einem der beiden Gehäuseteile 1 oder 2 fixiert, wobei nach dem Einsetzen des Resonatorelementes 4 und Schlie- ssen der Messzelle die Elektroden 5 des Resonatorelementes 4 kontaktiert werden.
Die Ausführungsvariante gemäss Fig. 14 weist ebenfalls federnde Kontaktstifte 26 auf, diese sind in einem Elektronikteil 23 fixiert, wobei nach dem Schliessen der Messzelle und dem Aufsetzen der Messzelle auf das Elektronikteil 23 die Elektroden 5 des Resonatorelementes 4 kontaktiert werden. Die Gehäuseteile 1 und 2 der Messzelle benötigen bei dieser Ausführungsvariante keine elektrisch leitfähigen Teile, was Vorteile bei der Herstellung ergibt. Mit 24 wird ein reibschlüssiges Gelenk bezeichnet, mit welchem die Messzelle ohne Verschlusselement geschlossen werden kann. Vom Elektronikteil 23 kann die Übertragung der Messsignale an eine Auswerteeinrichtung per Funk oder Kabel erfolgen.
Als Positioniereinrichtung in den Ausführungsvarianten Fig. 13 und 14 dienen beispielsweise Positionierstifte 11 (siehe z. B. Fig. 2), welche in der dargestellten Schnittebene nicht sichtbar sind.
Schliesslich zeigt Fig. 15 eine Variante der Messzelle gemäss Fig. 12, bei welcher die beiden Gehäuseteile 1 und 2 einen Drehverschluss 28, z. B. einen Bajonettverschluss, aufweisen. Auch bei dieser Variante erfolgt das Einsetzen und Entnehmen des Resonatorelementes 4 vorteilhaft ohne Hilfswerkzeug. Gleiche Vorteile gelten auch für eine Variante, bei welcher ein Schnappverschluss verwendet wird, beispielsweise derart, dass der ringförmige Fortsatz 29 des Gehäuseteiles 2 auf entsprechende radiale Anformungen des Gehäuseteiles 1 aufgeschnappt wird.