CH717810A2 - Elektrochemischer Gassensor und Verfahren zu seiner Herstellung. - Google Patents

Abstract

Ein elektrochemischer Gassensor zum Detektieren eines Zielgases weist ein Substrat (2) auf, sowie ein Gehäuse (1), welches zumindest zusammen mit dem Substrat (2) eine Kavität (10) bildet. Mindestens eine Elektrode (6) und eine mit der Elektrode (6) verbundene Leiterbahn (7) sind auf einer der Kavität (10) zugewandten Seite (21) des Substrats (2) angeordnet. Die Leiterbahn (7) ist zwischen dem Substrat (2) und dem Gehäuse (1) durchgeführt. In der Kavität (10) ist ein Elektrolyt (5) vorgesehen und in Kontakt mit der mindestens einen Elektrode (6). Das Substrat (2) weist einen für das Zielgas durchlässigen Einlassbereich (3) auf, der von der mindestens einen Elektrode (6) zumindest teilweise überdeckt ist. Ferner weist das Substrat (2) einen Entlüftungsbereich (4) zum Austreten von Gas aus der Kavität (10) auf.

Description

Gebiet der Erfindung

[0001] Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Gassensor sowie ein Verfahren zur Herstellung eines elektrochemischen Gassensors.

Hintergrund

[0002] In elektrochemischen Gassensoren reagieren chemische Zielsubstanzen mit einer Arbeitselektrode. Infolge des Reduktions- oder Oxidationsprozesses migrieren gelöste Ionen durch einen Elektrolyten bevorzugt zu einer Gegenelektrode und reagieren dort abermals. Dies führt dazu, dass an den Elektroden eine elektrische Grösse proportional zur Reaktion, und damit proportional zur Konzentration der Zielsubstanz abgegriffen werden kann.

[0003] Typischerweise ist der Elektrolyt eines solchen elektrochemischen Gassensors in einem Gehäuse angeordnet. Ein solches Gehäuse erfordert oftmals einen Durchgang, also eine Öffnung, um einen Druckausgleich zwischen dem Inneren des Gehäuses und seiner Umgebung infolge von Temperaturschwankungen zu ermöglichen. Ein solcher Durchgang im Gehäuse muss dann aber typischerweise wieder abgedeckt werden, zumindest gegen Spritzwasser, welches nicht in das Gehäuseinnere gelangen darf. Ein solcher Aufbau einer Entlüftung ist jedoch aufwändig herzustellen.

[0004] Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen elektrochemischen Gassensor und ein Herstellungsverfahren anzugeben, welches mit einem einfacheren Ansatz für die Entlüftung auskommt.

Darstellung der Erfindung

[0005] Diese Aufgabe wird gelöst durch einen elektrochemischen Gassensor nach Anspruch 1.

[0006] Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft also einen elektrochemischen Gassensor zum Detektieren eines Zielgases. Ein solcher Gassensor weist ein Substrat und ein Gehäuse auf, das an, auf oder mit dem Substrat angebracht und / oder verbunden und / oder befestigt ist. Insbesondere bilden das Gehäuse und das Substrat ein Bauteil mit einer Kavität im Inneren. Insbesondere hat das Gehäuse die Form einer Kappe, welche auf dem Substrat aufsitzt. Da das Substrat bevorzugt eine planare Ausdehnung aufweist, also seine Breite und seine Länge jeweils grösser bemasst sind als seine Höhe, deckt das Substrat die offene Seite des kappenförmigen Gehäuses ab.

[0007] Im Inneren der Kavität ist ein Elektrolyt vorgesehen. Vorzugsweise liegt der Elektrolyt in flüssiger Form oder gelförmig vor. Insofern sind sowohl das Gehäuse als auch das Substrat flüssigkeitsundurchlässig. Der flüssige oder gelförmige Elektrolyt ist also in der Kavität eingeschlossen und kann nicht austreten, da alle Gehäusebestandteile und das Substrat einen Flüssigkeitsdurchtritt verhindern.

[0008] Auf einer der Kavität zugewandten Seite des Substrats ist mindestens eine Elektrode angebracht und eine mit der Elektrode elektrisch verbundene Leiterbahn. Die Elektrode ist bevorzugt vollständig im Inneren der Kavität auf dem Substrat angeordnet, wohingegen die Leiterbahn vorzugsweise abgedichtet aus der Kavität zwischen Gehäuse und Substrat hinausführt in einen Bereich ausserhalb des Gehäuses. Eine Grundfläche des Substrats ist dabei vorzugsweise grösser als eine Grundfläche des Gehäuses. So überragt das Substrat das Gehäuse an mindestens einer Seite. Bevorzugt ist die Leiterbahn zu dieser Seite zwischen dem Gehäuse und dem Substrat nach aussen geführt, sodass das Substrat auch ausserhalb der Kavität als Träger für die Leiterbahn dient. Dort kann die Leiterbahn dann beispielsweise in ein Pad münden, um elektrisch kontaktiert und damit beispielweise mit einer entfernten Auswerteeinheit, beispielsweise einem Mikroprozessor, verbunden zu werden, welche Auswerteeinheit die von dem Gassensor gelieferten Signale auswertet und / oder elektrische Potentiale an der oder den Elektroden steuert.

[0009] Zum Zuführen des Zielgases zur Elektrode ist ein zumindest für das Zielgas durchlässiger Einlassbereich im Substrat vorgesehen. Vorzugsweise ist dieser Einlassbereich durchlässig für Gase allgemein, da in einer Anwendung des Gassensors Luft in der Umgebung des Gassensors auf eine oder mehrere chemische Substanzen, insbesondere auf ein definiertes Zielgas untersucht werden soll. Das Zielgas ist also das Gas, das es mit dem elektrochemischen Gassensor zu erkennen gilt, bevorzugt auch seine Konzentration. Das Zielgas kann beispielswiese CO, CO2, SO2, NO, NO2, O3oder CH2O sein. Insofern ist der Einlassbereich bevorzugt durchlässig für die Umgebungsluft als zu untersuchendes Gasgemisch. In einer Weiterbildung kann dem Einlassbereich im Substrat ein Zielgasselektiver Filter vor- oder nachgeschaltet sein.

[0010] Bevorzugt ist das Substrat im Einlassbereich gasdurchlässig, sodass das Gas durch das Substrat hindurchtreten kann. Es ist also nicht vorgesehen, dass das Substrat eine makroskopische Öffnung als Einlassbereich aufweist. Vielmehr weist das Substrat auch im Einlassbereich ein Material auf, welches allerdings zumindest dort gasdurchlässig ist.

[0011] Die mindestens eine Elektrode ist so auf dem Substrat geführt, dass sie zumindest teilweise mit dem durch den Einlassbereich durchtretenden Gas in Kontakt treten kann. Ein allenfalls in dem zugeführten Gasgemisch vorhandenes Zielgas kann dann mit dem Elektrodenmaterial reagieren.

[0012] Bevorzugt ist nicht die gesamte Kavität mit dem Elektrolyten ausgefüllt oder befüllt, sondern nur ein Teilvolumen. Es liegt also ein Restvolumen der Kavität vor, welches mit einem Gasgemisch befüllt ist, bevorzugt mit Luft. Bevorzugt beträgt die Füllhöhe des Elektrolyten auf dem Substrat weniger als 500 µm, insbesondere weniger als 300 µm. Der Elektrolyt ist in Kontakt mit der mindestens einen Elektrode und damit in der Nähe des Einlassbereichs im Substrat angeordnet, wohingegen das Restvolumen an einen anderen Bereich des Substrats angrenzt. Zumindest ein Teil dieses anderen Bereichs des Substrats ist als Entlüftungsbereich ausgebildet, der nachfolgend noch näher beschrieben wird.

[0013] Auch der Entlüftungsbereich ist also Bestandteil des Substrats, der gaspermeabel ausgestaltet ist, sodass ein Gasaustausch und damit insbesondere ein Druckausgleich zwischen der Kavität und der Umgebung erfolgen kann. Ein Druckunterschied zwischen Kavität und Umgebung stellt sich insbesondere immer dann ein, wenn sich Temperatur- und/oder Luftdruckbedingungen ändern. Je nach Einsatzorten mit unterschiedlichen klimatischen oder Luftdruckbedingungen kann ein solcher Druckunterschied hervorrufen werden, der dann durch einen Gasaustausch zwischen Kavität und Umgebung über den Entlüftungsbereich des Substrats erfolgen kann. Auch bei der Herstellung des Gassensors können starke Temperaturschwankungen auftreten, etwa beim Aushärten von eingesetzten Materialien, welche zu Druckunterschieden führen, die über den Entlüftungsbereich ausgeglichen werden.

[0014] Das Substrat ist also bevorzugt ein planarer Baustein ohne makroskopische Löcher oder sonstige gefertigte Durchbrüche, sondern hat bevorzugt durch geeignete Materialauswahl und / oder -behandlung die Eigenschaft inne, dass Gas durch das Material des Substrats durchtreten kann. Hierfür ist das Substrat insbesondere aus einem porösen und damit gasdurchlässigen Material gefertigt, zumindest im Einlassbereich und im Entlüftungsbereich. Das Substrat ausserhalb des Einlassbereichs und des Entlüftungsbereichs kann auch gasundurchlässig ausgebildet sein.

[0015] In einer vorteilhaften Alternative jedoch ist das gesamte Substrat porös und damit gasdurchlässig ausgestaltet, also einheitlich aus einem porösen, gasdurchlässigen Material hergestellt.

[0016] In beiden Alternativen ist aber das Substrat bevorzugt aus einem Polymer-Material hergestellt. Bevorzugt enthält das Material des Substrats poröses Polytetrafluorethylen, oder poröses Polyimid, oder poröses Polyethylen, oder poröses Polypropylen, oder poröses Polyester, oder poröses Polyurethan, oder porösen Fluorpolymer, oder porösen Polyacryl, oder porösen Zellulosepolymer, oder poröses Fiberglas, oder Mixturen davon. Bevorzugt ist das Substrat dünner als 500 µm, bevorzugt zwischen 50 µm und 250 µm dünn. Bevorzugt weisen die Poren eine Grösse / einen Durchmesser von kleiner 100 µm auf, bevorzugt zwischen 0.1 µm und 10 µm.

[0017] Ist das gesamte Substrat porös, dann sind insbesondere Vorkehrungen getroffen, Bereiche des Substrats ausserhalb des Einlassbereichs und des Entlüftungsbereichs gasdicht auszugestalten. Hierzu kann eine gasundurchlässige Beschichtung auf diesen selektiven Bereichen des Substrats dienen. Bevorzugt weist die der Kavität abgewandte Seite des Substrats eine solche Beschichtung auf, also die Seite, die der Umgebung des Gassensors zugewandt ist und über die das Gas in den Gassensor eintritt. Bevorzugt enthält die Beschichtung ein Polymer, beispielsweise Fluorethylenpropylen-Polyimid. Bevorzugt ist die Beschichtung aufgebracht auf das Substrat (oder umgekehrt) durch Kleben oder Laminieren. Die Beschichtung kann auch eine grössere Dicke aufweisen als das Substrat. Somit kann die Beschichtung auch gleichzeitig als Backplate für das Substrat dienen und das Substrat mechanisch stabilisieren und schützen.

[0018] In Einzelfällen kann aber auch die der Kavität zugewandten Seite des Substrats mit einer solchen gasdichten Beschichtung versehen sein, sodass das Gas über die gesamte der Kavität abgewandten Seite in das Substrat eindringen kann, allerdings nur im Einlassbereich und theoretisch im Entlüftungsbereich in die Kavität vordringen kann.

[0019] In einer weiteren Weiterbildung der Erfindung, bei der das gesamte Substrat porös ausgebildet ist, ist bevorzugt eine solche gasundurchlässige Beschichtung auf der gesamten der Kavität abgewandten Seite des Substrats vorgesehen, umgangssprachlich auf seiner Unterseite. Dann ist bevorzugt, dass die seitlichen Stirnseiten des Substrats den Einlassbereich und den Entlüftungsbereich bilden.

[0020] Jedenfalls sind Einlassbereich und Entlüftungsbereich definierte, abgegrenzte Bereiche im Substrat, die insbesondere auch räumlich voneinander beabstandet sind.

[0021] Da Einlassbereich und Entlüftungsbereich nun beide im Substrat vorgesehen sind, braucht das Gehäuse keine Durchbrüche, Öffnungen oder ähnliches aufweisen, welche dann wieder um Membranen, Abdeckungen oder andere Schutzvorkehrungen zu erweitern wären, um die Kavität etwa vor Spritzwasser oder anderen Umgebungseinflüssen zu schützen. Entlüftungs- und Einlassbereich sind somit auch gleichgerichtet. Insbesondere wenn der Entlüftungsbereich und der Einlassbereich durch eine poröse Eigenschaft des Substrats realisiert werden, sind keine weiteren Massnahmen für den Spritzwasserschutz vorzusehen. Dies wiederum erlaubt die deutlich vereinfachte automatisierte Massenherstellung von elektrochemischen Gassensoren, insbesondere, da keine zusätzlichen Bestandteile wie Membranen oder andere Schutzelemente wie oben beschrieben erforderlich sind. Das Gehäuse und damit der gesamte Gassensor sind in ihrer Herstellung vereinfacht und damit besser angepasst an eine automatisierte Herstellung.

[0022] Vorzugsweise ist eine Trennwand in der Kavität vorgesehen, welche in Projektion auf das Substrat zwischen dem Einlassbereich und dem Entlüftungsbereich angeordnet ist. Diese Trennwand dient insbesondere dem Separieren des Elektrolyten vom Entlüftungsbereich und damit dem Verhindern des Verstopfens des Entlüftungsbereichs durch den Elektrolyten. Insofern kann die Trennwand als Mittel angesehen werden, welches die Kavität in zwei Kammern aufteilt, eine primär für den Elektrolyten, die andere frei von dem Elektrolyten, wobei die Kammern miteinander verbunden sind. Die Trennwand ragt also bevorzugt nicht bis zur Decke des Gehäuses heran. Bevorzugt die die Trennwand aus dem gleichen Material wie das Gehäuse hergestellt.

[0023] Zum Fixieren des Elektrolyten über der oder den Elektroden ist bevorzugt ein Element vorgesehen, welches mit dem Elektrolyten getränkt ist. Dieses Element ist bevorzugt ein Vlies, also ein nicht-gewebter Stoff mit unregelmässig ausgerichteten Fasern. Bevorzugt ist das Vlies aus Silikat, Borosilikat, Silikoncarbid, Carbon, Grafit, Aluminium, Fiberglas, Kunststoff oder anderen inerten Materialien hergestellt. Bevorzugt weist das Vlies eine Höhe kleiner als 500 µm auf, bevorzugt zwischen 100 µm und 300 µm.

[0024] Der Elektrolyt ist also mit der Elektrode in Kontakt, um eine chemo-elektrische Konvertierung des Zielgases zu gewährleisten. Das Material der Elektrode ist dabei so gewählt, dass es mit dem Zielgas reagiert, d.h. das Zielgas oxidiert oder reduziert, wenn das Zielgas auf die Elektrode trifft. Die Elektrode ist insofern die Arbeitselektrode des Gassensors. Infolge des durch das Zielgas angestossenen Reduktions- oder Oxidationsprozesses des auf das Zielgas hin ausgewählten Elektrodenmaterials migrieren gelöste Ionen durch den Elektrolyten. Beispielsweise kann der Elektrolyt H2SO4sein oder eine ionische Flüssigkeit. Bevorzugt ist eine weitere Elektrode vorgesehen, als Gegenelektrode. Die gelösten Ionen reagieren an der Gegenelektrode, sodass an den Elektroden eine elektrische Grösse proportional zur Zielgas-Konzentration abgegriffen werden kann. Vorzugsweise kann auch noch eine dritte Elektrode als Referenzelektrode vorgesehen sein, zum Einstellen des Potentials der Arbeitselektrode. Unabhängig von der Anzahl der Elektroden ist bevorzugt jede Elektrode auf dem Substrat angebracht, mit dem Elektrolyten in Kontakt, hat eine zugeordnete Leiterbahn, welche bevorzugt zwischen Gehäuse und Substrat nach aussen geführt ist.

[0025] Das Gehäuse ist bevorzugt aus Kunststoff hergestellt, vorzugweise aus Polyimid, Fluorethylenpropylen (FEP), Perfluoralcoxypolymer (PFA), Polycarbonat, Polyethylene, Polypropylen, Polyisobutylen, Polyester, Polyurethan, Polyacryl, Fluorpolymer, Zellulosepolymer, Fiberglas, Polytetrafluorethylen, einem anderen nicht reaktiven Kunststoff, oder Mixturen davon.

[0026] Der Gassensor ist bevorzugt ein Mikro-Gassensor mit einer Grundfläche mit Kanten jeweils kleiner 20 mm, also mit einer Grundfläche bevorzugt kleiner 400 mm<2>, und insbesondere mit einer Kantenlänge kleiner 15 mm, und damit mit einer Grundfläche kleiner 225 mm<2>. Bei einer bevorzugten Höhe des Gassensors kleiner 2.5 mm ergibt sich ein Volumen kleiner 1000 mm<3>, bzw. bevorzugt sogar kleiner 600 mm<3>.

[0027] Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines elektrochemischen Sensors zum Detektieren eines Zielgases gemäss Anspruch 10. Hierbei wird ein Substrat bereitgestellt mit einem für das Zielgas durchlässigen Einlassbereich, und mit einem Entlüftungsbereich. Das Substrat weist auf einer gemeinsamen Seite ferner mindestens eine Elektrode und eine mit der Elektrode verbundene Leiterbahn auf. Dabei ist die Elektrode zumindest teilweise über den Einlassbereich geführt.

[0028] An dem Substrat wird zumindest ein Teil eines Gehäuses angebracht, beispielsweise in Form eines Mantels, der die Seitenwände des zukünftigen Gehäuses bildet, ohne Abdeckung und damit von oben zugänglich, und zwar auf derjenigen Seite des Substrats, auf der die Elektrode/n und die Leiterbahn/en aufgebracht sind. Eine Seitenwand des Gehäuses oder Teilgehäuses sitzt dabei unmittelbar oder mittelbar auf der Leiterbahn auf, sodass die Leiterbahn zwischen dem Substrat und dem Gehäuse oder Teilgehäuse nach aussen geführt wird.

[0029] Im Falle des Teilgehäuses wird dieses dabei also derart platziert oder hergestellt, dass es zusammen mit dem Substrat eine Teilkavität bildet, welche beispielsweise nach oben geöffnet ist und damit Zugang für das Befüllen mit dem Elektrolyten bietet. Im Falle eines vollständigen Gehäuses anstelle eines Teilgehäuses wird der Elektrolyt bevorzugt über einen Zugang in die durch Gehäuse und Substrat gebildete Kavität eingebracht und kontaktiert die Elektrode. Im Falle des Teilgehäuses wird abschliessend bevorzugt ein weiterer Teil des Gehäuses daran angebracht, so dass beide Teile zusammen mit dem Substrat eine Kavität bilden, die den Elektrolyten einschliesst.

[0030] Das Bereitstellen des oben angegebenen Substrats mag einen oder mehrere der nachfolgenden Herstellungsschritte umfassen: Das Aufdrucken einer oder mehrerer Elektroden auf eine Seite des Substrats; das Aufdrucken einer oder mehrerer Leiterbahnen auf die gleiche Seite des Substrats; das Aufbringen einer strukturierten, gasundurchlässigen Beschichtung auf der der Elektrode gegenüber liegenden Seite des Substrats bei durchgängig porösem Substrat; ebenfalls bevorzugt mittels eines Druckverfahrens; oder mittels eines anderen Beschichtungsverfahrens; hierbei können zuerst die Elektrode und die Leiterbahn auf die eine Seite des Substrats aufgebracht werden, und nachfolgend die Beschichtung auf die andere Seite; oder in umgekehrter Reihenfolge.

[0031] Beim Drucken der Elektrode/n und der Leiterbahn/en wird vorzugsweise ein Tinten- oder Siebdruckverfahren oder Schablonendruckverfahren verwendet. Vorzugsweise ist die Dicke der Elektrode kleiner als 200 µm, bevorzugt zwischen 100 nm und 125 um. Bevorzugt wird hierzu ein Metall als Elektrode verwendet oder beigemengt, bevorzugt Pt, Au, Ag, Pd, Ru, Rh, Ir, Fe, oder Ni, oder Kohlenstoff.

[0032] Der Elektrolyt kann auf unterschiedliche Weise eingebracht werden: Bei bereits auf das Substrat aufgesetztem Gehäuse kann das Gehäuse oder das Substrat einen Zugang aufweisen, aufgrund der kleinen Dimensionen des Gassensors bevorzugt auch einen Kapillarzugang, über den der Elektrolyt in die Kavität eingetragen wird. Der Zugang oder Kapillarzugang wird nach dem Befüllen verschlossen. Alternativ kann der Elektrolyt im Falle des Teilgehäuses wie oben beschrieben nach dem Aufbauen des Teilgehäuses auf das Substrat / das Vlies / die Elektrode/n aufgetragen werden, insbesondere, wenn der Elektrolyt gelförmig ist oder durch ein Vlies gebunden wird.

[0033] Gemäss einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein elektrochemischer Gassensor angegeben, der nach dem oben genannten Verfahren und / oder einer der Verfahrensweiterbildungen hergestellt ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0034] Weitere Ausgestaltungen, Vorteile und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der nun folgenden Beschreibung anhand der Figuren. Dabei zeigen: Figur 1 einen elektrochemischen Gassensor in Schnittansicht, nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; Figur 2 einen weiteren elektrochemischen Gassensor in Schnittansicht, nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; Figur 3 einen schematischen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen eines elektrochemischen Gassensors, gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, Figur 4 einen elektrochemischen Gassensor in Schnittansicht, nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und Figur 5 einen elektrochemischen Gassensor in Schnittansicht, nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung .

Figurenbeschreibung

[0035] Gleiche Elemente sind figurenübergreifend durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. In den Figuren 2 und 3 ist aus Übersichtlichkeitsgründen auf die Nennung aller Bezugszeichen verzichtet. Es wird stattdessen auf die Referenzierung in Figur 1 verwiesen.

[0036] Figur 1 zeigt einen elektrochemischen Gassensor in Schnittansicht, nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei ist ein poröses, planares Substrat 2 vorgesehen, welches zusammen mit einem darauf angeordneten Gehäuse 1 eine Kavität 10 bildet. Auf einer der Kavität 10 zugewandten Seite 21 des Substrats 2 sind mindestens eine Elektrode 6 und eine Leiterbahn 7 aufgebracht. Die Elektrode 6 und die Leiterbahn 7 sind hierbei elektrisch miteinander verbunden. Die Leiterbahn 7 ist dabei zwischen dem Gehäuse 1 und dem Substrat 2 nach aussen geführt. In seiner Grundfläche x,y überragt das Substrat 2 die Grundfläche x,y des Gehäuses 1 in zumindest einer Richtung, hier in -x Richtung. Die Leiterbahn 7 ist auf diesem überragenden Abschnitt des Substrats 2 nach aussen, d.h. ausserhalb des Gehäuses 1 geführt. Dort kann die Leiterbahn 7 kontaktiert werden, und damit das zur festgestellten Konzentration des Zielgases proportionale elektrische Signal des Gassensors abgegriffen werden. Auf der der Kavität 10 abgewandten Seite 22 des Substrats 2 ist eine gasundurchlässige Beschichtung 23 vorgesehen mit definierten Aussparungen. Diese Aussparungen definieren zum einem einen Einlassbereich 3 für ein zu untersuchendes Gasgemischs. Dieses tritt in diesem Einlassbereich 3 durch das poröse, gasdurchlässige Substrat 2 hindurch und reagiert mit der Elektrode 6, welche mit einem Elektrolyten 5 verbunden ist. Die Elektrode 6 überdeckt den Einlassbereich 3 zumindest teilweise. Auch der Elektrolyt 5 grenzt an den Einlassbereich 3 an. Der Elektrolyt 5 liegt bevorzugt flüssig oder gelförmig vor.

[0037] Die gasundurchlässige Beschichtung 23 definiert ferner einen Entlüftungsbereich 4 des Substrats 2. Dieser Entlüftungsbereich 4 grenzt an ein Restvolumen V der Kavität 10 an, welches nicht durch den Elektrolyten 5 ausgefüllt ist. Stattdessen befindet sich darin ein Gasgemisch, bevorzugt Umgebungsluft. über den Entlüftungsbereich 4 kann ein Über- oder Unterdruck im Restvolumen V relativ zur Umgebung ausgeglichen werden. Allgemein erlaubt also der Entlüftungsbereich einen Druckausgleich zwischen Kavität 10 und Umgebung.

[0038] Eine Trennwand 11 als Bestandteil des Gehäuses 1 separiert den Elektrolyten 5 von dem Entlüftungsbereich 4 insofern, dass der Elektrolyt den Entlüftungsbereich 4 nicht abdecken oder verstopfen und damit die Entlüftung verunmöglichen kann.

[0039] Figur 2 zeigt einen elektrochemischen Gassensor in Schnittansicht, nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Gassensor nach Figur 2 unterscheidet sich von dem Gassensor nach Figur 1 darin, dass ein Vlies 8 in die Kavität 10 des Gassensors eingebracht ist. Das Vlies 8 dient der Aufnahme und damit dem Fixieren des Elektrolyten 5. Hierbei kann das Vlies 8 so dimensioniert sein, dass der gesamte Elektrolyt 5 darin Aufnahme findet, oder aber nur ein Teil wie in Figur 2 gezeigt.

[0040] Figur 3 illustriert schematisch ein Verfahren zum Herstellen eines elektrochemischen Sensors zum Detektieren eines Zielgases, in Form eines Flussdiagramms. In Schritt S1 wird eine Seite eines porösen Substrats mit mindestens einer Elektrode und mindestens einer Leiterbahn bedruckt, welche elektrisch miteinander verbunden sind. Im Schritt S2 wird die dieser Seite gegenüber liegende Seite des Substrats mit einer gasundurchlässigen Beschichtung versehen, die so strukturiert ist, dass im Bereich unterhalb der Elektrode keine Beschichtung vorhanden ist und weiter in einem davon entfernten Bereich ebenfalls keine Beschichtung vorhanden ist. Ersterer beschichtungsfreier Bereich definiert einen Einlassbereich für das Gas hin zur Kavität, insbesondere hin zur Elektrode und / oder zum Elektrolyten. In einem Schritt S3 wird ein Gehäuse an dem Substrat angebracht, welches mit diesem eine Kavität bildet. Dabei ist das Gehäuse so positioniert, dass eine seiner Wandungen auf der Leiterbahn aufsitzt, sodass die Leiterbahn zwischen Gehäuse und Substrat nach aussen geführt ist. Dies setzt voraus, dass die Grundfläche des Gehäuses kleiner dimensioniert ist als die Grundfläche des Substrats. Der Elektrolyt wird über dem Einlassbereich vor oder nach dem Anbringen des Gehäuses eingebracht. Der weitere nicht beschichtete Bereich des Substrats steht damit einem Restvolumen der Kavität gegenüber, welches nicht mit dem Elektrolyten befüllt ist, und dient als Entlüftungsbereich.

[0041] Figur 4 zeigt einen elektrochemischen Gassensor in Schnittansicht nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Gassensor nach Figur 4 unterscheidet sich von dem Gassensor nach Figur 2 darin, dass das Gehäuse 1 nun zweiteilig ausgebildet ist, mit einem ersten Teil 1a, welcher mantelförmig ausgebildet ist und auf dem Substrat 2 aufsitzt. Bevorzugt wird zunächst nur dieser Teil 1a auf das Substrat 2 aufgebracht, ohne das weitere Gehäuseteil 1b. In diesem Zustand wird dann der Elektrolyt 5 in die durch das Teil 1a und das Substrat 2 gebildete Teilkavität 10a eingeführt. Nach dem Befüllen der Teilkavität 10a mit dem Elektrolyten 5 kann das Gehäuse 10 vervollständigt werden durch das Hinzufügen eines weiteren Teils 1b des Gehäuses 10.

[0042] Figur 5 zeigt einen elektrochemischen Gassensor in Schnittansicht nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Gassensor nach Figur 5 unterscheidet sich von dem Gassensor nach Figur 4 darin, dass das Gehäuse die gasundurchlässige Beschichtung 23 die gesamte von Kavität 10 abgewandte Seite 22 des Substrats 2 bedeckt, und damit einen Gasdurchtritt wie auch eine Entlüftung durch die Seite 22 des Substrats 2 verhindert. Stattdessen dienen die Stirnseiten 24 des Substrats 2 als Einlassbereich 3 und als Entlüftungsbereich 4, wie durch Pfeile angedeutet. Auch hierdurch können die Funktionen erfüllt werden, bei gleichzeitig einfacher Herstellung der Beschichtung 23, da nicht strukturiert.

[0043] Während in der vorliegenden Anmeldung bevorzugte Ausführungen der Erfindung beschrieben sind, ist klar darauf hinzuweisen, dass die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist und in auch anderer Weise innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche ausgeführt werden kann.

Claims (13)

1. Elektrochemischer Gassensor zum Detektieren eines Zielgases, mit – einem Substrat (2), – einem Gehäuse (1), welches zumindest zusammen mit dem Substrat (2) eine Kavität (10) bildet, – mindestens einer Elektrode (6) und einer mit der Elektrode (6) verbundenen Leiterbahn (7) auf einer der Kavität (10) zugewandten Seite (21) des Substrats (2), welche Leiterbahn (7) zwischen dem Substrat (2) und dem Gehäuse (1) durchgeführt ist, – einem Elektrolyt (5) in der Kavität (10) in Kontakt mit der mindestens einen Elektrode (6), – bei dem das Substrat (2) einen für das Zielgas durchlässigen Einlassbereich (3) aufweist, – bei dem die Elektrode (6) den Einlassbereich (3) zumindest teilweise überdeckt, und – bei dem das Substrat (2) einen Entlüftungsbereich (4) zum Austreten von Gas aus der Kavität (10) aufweist.

2. Elektrochemischer Gassensor nach Anspruch 1, bei dem das Substrat (2) zumindest im Einlassbereich (3) und im Entlüftungsbereich (4) porös ist.

3. Elektrochemischer Gassensor nach Anspruch 2, bei dem das vollständige Substrat (2) porös ist, und bei dem auf der der Kavität (10) abgewandten Seite (22) des Substrats (2), eine gasundurchlässige Beschichtung (23) aufgebracht ist.

4. Elektrochemischer Gassensor nach Anspruch 3, bei dem auf der der Kavität (10) abgewandten Seite (22) des Substrats (2), mit Ausnahme des Einlassbereichs (3) und des Entlüftungsbereichs (4), eine gasundurchlässige Beschichtung (23) aufgebracht ist.

5. Elektrochemischer Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Substrat (2) eine planare Ausdehnung hat, bei dem der Einlassbereich (3) im Substrat räumlich getrennt ist von dem Entlüftungsbereich (4), bei dem das Substrat (2) undurchlässig für Flüssigkeiten ist, und bei dem das Substrat (2) aus einem Polymer hergestellt ist.

6. Elektrochemischer Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Elektrolyt (5) die Kavität (10) nur teilweise füllt, mit einer Trennwand (11) in der Kavität (10) zwischen dem Einlassbereich (3) und dem Entlüftungsbereich (4) zum Separieren des Elektrolyten (5) von einem Restvolumen (V) der Kavität (10), welches Restvolumen (V) an den Entlüftungsbereich (4) des Substrats (2) angrenzt.

7. Elektrochemischer Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Elektrolyt (5) ein flüssiger oder gelförmiger Elektrolyt ist, und mit einem Element in der Kavität (10) zum Tränken mit dem Elektrolyten (5).

8. Elektrochemischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Grundfläche des Substrats (2) grösser ist als eine Grundfläche des Gehäuses (1), bei dem das Substrat (2) das Gehäuse (1) an mindestens einer Seite überragt, und bei dem die Leiterbahn (7) zu dieser Seite zwischen dem Gehäuse (1) und dem Substrat (2) nach aussen geführt ist.

9. Elektrochemischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Grundfläche des Substrats (2) kleiner als 400 mm<2>ist, und bei dem eine Höhe des Sensors kleiner ist als 2.5 mm.

10. Verfahren zum Herstellen eines elektrochemischen Sensors zum Detektieren eines Zielgases, enthaltend die Schritte – Bereitstellen eines Substrats (2) mit einem für das Zielgas durchlässigen Einlassbereich (3) und mit einem Entlüftungsbereich (4), mit mindestens einer Elektrode (6) und einer mit der Elektrode (6) verbundenen Leiterbahn (7) auf einer gemeinsamen Seite (21) des Substrats (2), wobei die Elektrode (6) zumindest teilweise über den Einlassbereich (3) überdeckt, – Anbringen zumindest eines Teils (1a) eines Gehäuses (1) an dem Substrat (2), sodass die Leiterbahn (7) zwischen Substrat (2) und dem Gehäuse (1) oder dem Teil (1a) des Gehäuses (1) nach aussen geführt wird, und sodass das Gehäuse (1) oder der Teil (1a) des Gehäuses (1) zumindest zusammen mit dem Substrat (2) zumindest eine Teilkavität (10a,10) bildet, und – Einbringen eines Elektrolyten (5) in die zumindest Teilkavität (10a,10) dergestalt, dass der Elektrolyt (5) die mindestens eine Elektrode (6) kontaktiert.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem zunächst nur der Teil (1a) des Gehäuses (1) an dem Substrat (2) angebracht wird, bei dem der Elektrolyt (5) in die durch den Teil (1a) des Gehäuses (1) und dem Substrat (2) gebildete, zugängliche Teilkavität (10a) eingebracht wird, und bei dem ein weiterer Teil (1b) des Gehäuses (1) angebracht wird, welcher das Gehäuse (1) vervollständigt.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, bei dem die mindestens eine Elektrode (6) und die Leiterbahn (7) auf das Substrat (2) aufgedruckt werden.

13. Elektrochemischer Gassensor hergestellt nach einem der Verfahrensansprüche 10 bis 12.