DE102004056516A1

DE102004056516A1 - Verfahren zur Befestigung flexibler, elektrochemischer Sensoren

Info

Publication number: DE102004056516A1
Application number: DE102004056516A
Authority: DE
Inventors: Frank Mett
Original assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Current assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Priority date: 2004-11-24
Filing date: 2004-11-24
Publication date: 2006-06-01
Also published as: US20060107753A1; GB2420629A; GB0523537D0; GB2420629B; GB2420629B8

Abstract

Verfahren zur Befestigung flexibler, elektrochemischer Sensoren, umfassend mindestens die Schritte: DOLLAR A - Bereitstellung einer Fläche, an welcher der Sensor befestigt werden soll, DOLLAR A - Bereitstellung eines Haftmittels zumindest auf Teilen der Fläche, an welcher der Sensor befestigt werden soll, und/oder zumindest auf Teilen einer äußeren Begrenzungsfläche des Sensors, welches bei flächigem Kontakt zumindest zwischen Teilen der Fläche, an welcher der Sensor befestigt werden soll, und zumindest Teilen der äußeren Begrenzungsfläche des Sensors für eine Haftung sorgt, die den Sensor sicher fixiert, DOLLAR A - Anpressen des Sensors an die Fläche, an welcher der Sensor befestigt werden soll, so dass das Haftmittel zumindest mit Teilen der Fläche, an welcher der Sensor befestigt werden soll, und zumindest mit Teilen der äußeren Begrenzungsfläche des Sensor in flächigen Kontakt gebracht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Befestigung flexibler elektrochemischer Sensoren.
Unter flexiblen Sensoren im Sinne der Erfindung sind im Wesentlichen elektrochemische Sensoren zu verstehen, die bei Anwendung herkömmlicher Befestigungsmittel spürbar deformiert werden können. In erster Linie sind hierbei Sensoren zu betrachten, die ein Gehäuse beziehungsweise eine Kapselung aus Polymerfolien aufweisen.

Elektrochemische Sensoren werden für den Nachweis zahlreicher chemischer Substanzen benutzt. Ihr Grundaufbau umfasst zumindest eine Arbeitselektrode und eine Gegenelektrode, gegebenenfalls eine zusätzliche Referenzelektrode, die über einen Elektrolyten miteinander kommunizieren können. Für die Messgenauigkeit und Reproduzierbarkeit der durch elektrochemische Sensoren erzielten Messergebnisse ist es von Bedeutung, dass sich im Innern des elektrochemischen Sensors ein quasi-stationärer Zustand ausbildet, der möglichst nur durch die nachzuweisende Substanz beeinflusst wird. Ein besonders sensibler Bereich für die Ausbildung dieses quasi-stationären Zustandes ist der Grenzbereich zwischen Elektroden und Elektrolyt. In diesem Bereich bildet sich ein Konzentrationsgradient aus, der das Messergebnis wesentlich beeinflusst. Für die Erzielung zuverlässiger Messergebnisse ist, insbesondere nach dem Einlaufen des Sensors, für eine möglichst geringe Beeinträchtigung dieser Bereiche zu sorgen.

Jede Änderung der Benetzung im Grenzbereich zwischen Elektroden und Elektrolyt der Grenzfläche sorgt für eine Änderung der wirksamen Elektrodenfläche. Dadurch kommt es zu Ausgleichsprozessen im Bereich der Grenzschicht, beispielsweise durch Neubildung der sogenannten Doppelschicht, was mit einem Stromfluss verbunden ist, der das Messergebnis zumindest zeitweise erheblich beeinträchtigen kann. Änderungen der Benetzung beziehungsweise der Ausprägung der Doppelschicht erfolgen beispielsweise nach Erschütterungen oder relativen Längenänderungen zwischen dem Sensorgehäuse und einer tragenden Struktur, an welcher der Sensor befestigt ist. Insbesondere durch derartige relative Längenänderungen bedingte Spannungen werden als Kräfte in die Sensorstruktur eingetragen und führen unter Umständen bei starren Verbindungen zu Verspannungen des Sensorgehäuses, die allmählich zu einer Deformation des Sensorgehäuses oder zu einer sprunghaften Lageänderung beziehungsweise Formänderung des Sensorgehäuses führen können. Insbesondere sprunghafte Änderungen führen zu erheblichen zeitweisen Abweichungen der Messsignale und sind für einen zuverlässigen Einsatz elektrochemischer Sensoren absolut inakzeptabel.

Besonders anfällig gegen derartige Effekte sind aus flexiblen Materialien hergestellte planare elektrochemische Gassensoren. Häufig sind diese in Gehäuse aus Polymer-Materialien beziehungsweise Folien eingekapselt. Diese weisen baubedingt keine hohe Steifigkeit auf. Infolgedessen kommt es bei mechanischer Beanspruchung, also Biegung, Schwingung oder der Einwirkung von äußeren Drücken sowie Zugbelastungen, zu Elektrolytbewegungen im Sensor, die zu den bereits erwähnten Veränderungen im Bereich der Grenzschicht vor den Elektroden und damit zu einem unerwünschten Messfehler führen.

Üblicherweise werden derartige Sensoren für den Fall, dass sie an ein mobiles Gerät oder stationäre Einrichtungen angebunden werden sollen, durch punktuelle oder flächige Krafteinleitung, durch Klemmen oder Anpressen adaptiert. Genau dies führt jedoch zu der unerwünschten mechanischen Beanspruchung und den damit verbundenen Fehlern im Messsignal.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Befestigung elektrochemischer Sensoren anzugeben, das für eine wirkungsvolle Schwingungs dämpfung sorgt, auftretende Spannungen absorbieren hilft, eine einfache Applikation erlaubt und fertigungstechnisch einfach zu realisieren ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1. Die Ansprüche 1 bis 12 geben vorteilhafte Ausgestaltungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens an.

Der Kern der Erfindung besteht darin, flexible elektrochemische Sensoren möglichst großflächig mit Hilfe eines Haftmittels mit einer Fläche zu verbinden, an der der Sensor befestigt werden soll. Derartige Flächen können sich auf speziellen Geräteadaptern befinden, können jedoch auch auf Gehäuseoberflächen von verschiedenen Geräten selbst, beziehungsweise auf verschiedenen Flächen in und an Gebäuden und vielen weiteren mit Sensoren auszustattenden Anwendungsformen vorgesehen sein.

Vorteilhaft ist es, die Befestigung des Sensors über ein spannungsabsorbierendes Haftmittel vorzunehmen. Die flächige Verbindung durch ein spannungsabsorbierendes Haftmittel sorgt für einen Spannungsausgleich. Die Spannungsabsorption kann dabei durch eine weitgehend elastische Deformation des Haftmittels oder durch eine zumindest teilweise plastische Anpassung des Haftmittels an veränderte geometrische Bedingungen erfolgen. Beide Mechanismen der Absorption mechanischer Spannungen können problemlos kombiniert werden. Wichtig ist, dass die Einleitung von Kräften in den Bereich des spannungsabsorbierenden Haftmittels nicht zu einer nennenswerten Durchleitung der Kräfte durch den Bereich des Haftmittels führt.

Die Befestigung des elektrochemischen Sensors erfolgt gewissermaßen in Form einer schwimmenden Verlegung, was einer spannungsausgleichenden und schwingungsgedämpften Lagerung des Sensors auf einer als Universaladapter wirkenden Haftstruktur entspricht.

Die Erfindung besteht in einem Verfahren zur Befestigung flexibler elektro chemischer Sensoren, umfassend mindestens die folgenden Schritte:

– Bereitstellung einer Fläche, an welcher der Sensor befestigt werden soll,
– Bereitstellung eines Haftmittels zumindest auf Teilen der Fläche, an welcher der Sensor befestigt werden soll und/oder zumindest auf Teilen einer äußeren Begrenzungsfläche des Sensors,
– Anpressen des Sensors an die Fläche, an welcher der Sensor befestigt werden soll, so dass das Haftmittel zumindest mit Teilen der Fläche an welcher der Sensor befestigt werden soll und zumindest mit Teilen der äußeren Begrenzungsfläche des Sensors in flächigen Kontakt gebracht wird.

Das Haftmittel wird so gewählt, dass es bei flächigem Kontakt zumindest zwischen Teilen der Fläche, an welcher der Sensor befestigt werden soll und zumindest Teilen der äußeren Begrenzungsfläche des Sensors für eine Haftung sorgt, die den Sensor sicher fixiert. Unter sicherer Fixierung im Sinne der Erfindung ist unter anderem zu verstehen, dass spontane Relativbewegungen zwischen dem Sensor und der tragenden Fläche wirksam reduziert oder verhindert werden. Das Verfahren ist mit anderen Befestigungsverfahren kombinierbar.

Durch dieses Verfahren lassen sich neben der angestrebten Schwingungsdämpfung und Spannungsabsorption auch eine äußerst leichte Applizierbarkeit der entsprechenden Sensoren sowie eine fertigungstechnisch einfache Bereitstellung des Haftmittels realisieren. Durch die Geometrie der Bereiche, in denen die Bereitstellung des Haftmittels erfolgt, lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren weiter optimieren. So ist es vorteilhaft, wenn die Bereitstellung des Haftmittels so vorgenommen wird, dass sich nach der Befestigung des Sensors das Haftmittel im Kontaktbereich zwischen der Fläche, an welcher der Sensor befestigt ist und der äußeren Begrenzungsfläche des Sensors entlang einer geschlossenen Figur befindet.

Auf diese Weise kann vermieden werden, dass sich das Haftmittel mit Oberflächenbereichen des Sensors, an denen es störend wirken würde, in Kontakt kommt. Andererseits lässt sich auch mit einer derartigen Geometrie eine wirkungsvolle Schwingungsdämpfung und Spannungsabsorption bei ausreichender Festigkeit der Anbringung des Sensors realisieren. Weist der Sensor auf der Seite, auf der er mit dem Haftmittel in Kontakt gebracht werden soll, keine Bereiche auf, die vom Kontakt mit dem Haftmittel ausgespart werden sollen, so ist es besonders vorteilhaft, wenn die Bereitstellung des Haftmittels so vorgenommen wird, dass sich nach der Befestigung des Sensors das Haftmittel im gesamten Kontaktbereich zwischen der Fläche, an welcher der Sensor befestigt ist, und der äußeren Begrenzungsfläche des Sensors befindet. Für die Applizierbarkeit bestimmter Ausführungsformen elektrochemischer Sensoren ist es daneben vorteilhaft, wenn die Bereitstellung des Haftmittels so vorgenommen wird, dass nach der Befestigung des Sensors das Haftmittel nur im Kontaktbereich zwischen der Fläche, an welcher der Sensor befestigt ist und erhabenen Bereichen der äußeren Begrenzungsfläche des Sensors wirkt. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn sich die für die nachzuweisende Substanz durchlässigen Bereiche des Sensors auf der gleichen Seite befinden, auf der der Kontakt mit dem Haftmittel, also die Befestigung, erfolgen soll. Auf diese Weise schützt das Sensorgehäuse selbst die für die nachzuweisende Substanz durchlässigen Bereiche beispielsweise vor Witterungseinflüssen. Durch die Erhabenheit der Kontaktbereiche wird gleichzeitig sichergestellt, dass die für die nachzuweisende Substanz durchlässigen Bereiche des Sensorgehäuses nicht durch zu engen Kontakt zur Fläche, an der der Sensor befestigt ist, abgedeckt werden. Insbesondere bei hohen Analytkonzentrationen, wie sie bei Sauerstoffmessungen vorkommen, ist eine derartige Befestigung von Vorteil.

Besonders vorteilhaft für eine schnelle Applizierbarkeit und schnelle Austauschabarkeit elektrochemischer Sensoren ist es, wenn ein Haftmittel verwendet wird, welches eine reversible Befestigung des Sensors ermöglicht. Für eine derartige reversible Befestigung des elektrochemischen Sensors kann beispielsweise ein Klettverschlusssystem als Haftmittel verwendet werden. In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine adhäsive Beschichtung als Haftmittel zur Befestigung des elektrochemischen Sensors verwendet.

Die Verwendung adhäsiver Beschichtungen ermöglicht zahlreiche besonders einfache Anwendungen des Verfahrens. So kann für eine Applikation von elektrochemischen Sensoren in oder an Gebäuden das Haftmittel beispielsweise in Form eines Anstriches auf der Fläche, auf der der Sensor befestigt werden soll, bereitgestellt werden. Durch geeignete Auswahl adhäsive Beschichtung bildender Materialien kann die Haftfähigkeit über längere Zeit gewährleistet werden. Die Anbringung des Sensors selbst erfolgt dann zu gegebener Zeit durch einfaches Auflegen auf die auf erfindungsgemäße Weise vorbehandelte Fläche und bei Bedarf durch kurzes Anpressen, wonach der feste Kontakt zwischen Sensor und Fläche hergestellt ist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird das Haftmittel in Form einer Beschichtung auf einer äußeren Begrenzungsfläche des Sensors bereitgestellt. Diese Beschichtung kann beispielsweise nur auf erhabenen Bereichen des Sensorgehäuses oder aber vollflächig auf einer Seite des Sensors bereitgestellt werden. Die Applikation des Sensors erfolgt in diesem Fall ebenfalls durch bloßes Anpressen an die Fläche, auf der der Sensor befestigt werden soll.

Da zwischen der Herstellung elektrochemischer Sensoren und ihrer Anwendung unter Umständen erhebliche Zeitabstände liegen können, ist es besonders vorteilhaft, wenn das Haftmittel zwischen seiner Bereitstellung und der Befestigung des Sensors zumindest zeitweise durch eine abziehbare Folie abgedeckt wird. Auf diese Weise bleibt die adhäsive Wirkung der für die Befestigung vorgesehenen Schicht besonders lange erhalten.

Es kann weiterhin vorteilhaft sein, wenn die abziehbare Folie so angeordnet wird, dass sie mit dem Haftmittel versehene Flächenbereiche und Flächenbereiche ohne Haftmittel abdeckt. Auf diese Weise kann die Schutzwirkung der Folie über die Bereiche, die mit Haftmittel versehen sind, hinaus erstreckt werden. Beispielsweise können Bereiche, die für nachzuweisende Substanzen durchlässig bleiben müssen, vor Verunreinigung oder verfrühter Beschädigung geschützt werden. Das Abziehen der Folie vor Befestigung des Sensors legt einerseits die Haftmittel, also beispielsweise die adhäsive Beschichtung, frei und öffnet gleichzeitig die für die eigentliche Messung erforderlichen freigehaltenen Sensorflächen. Der Sensor wird gewissermaßen durch Abziehen der Schutzfolie für die Befestigung und Messung aktiviert.

Die einfache Anwendung des Verfahrens erschließt neue Anwendungsgebiete für derartige elektrochemische Sensoren. Die einfache Anbringung erfordert in der Regel kein besonders geschultes Personal. Eine besonders hohe Applikationssicherheit erreicht man, wenn die Flächen, an denen Sensoren befestigt werden sollen, farbig gekennzeichnet werden. So können verschiedene Geräte, an denen eine Messung verschiedener Substanzen in Betracht gezogen wird, bereits bei der Auslieferung mit entsprechend farblich gekennzeichneten Flächen ausgeliefert werden. Eine spätere Applikation der erforderlichen Sensoren ist somit problemlos möglich. Die farbige Kennzeichnung kann beim Einsatz verschiedener Sensortypen als Codierung zur Erhöhung der Verwechslungssicherheit Anwendung finden.

Als Materialien für die adhäsive Beschichtung kommen verschiedenste Klebematerialien, wie sie beispielsweise von selbstklebenden Klebebändern her bekannt sind, in Betracht. Es ist lediglich darauf zu achten, dass sie eine ausreichende Langzeitstabilität aufweisen und das Verhalten des elektrochemischen Sensors nicht beeinträchtigen. Die Auswahl der Dicke der adhäsiven Beschichtung beziehungsweise des Haftmittels sollte unter dem Gesichtspunkt erfolgen, dass zu erwartende relative Längenänderungen zwischen dem Sensorgehäuse und den Flächen, an denen entsprechende Sensoren befestigt werden sollen, innerhalb der Dicke der Haftschicht möglichst vollständig kompensiert werden sollen. Dabei ist es unerheblich, ob diese Kompensation durch rein elastische Verformung innerhalb der Haftschicht erfolgt oder aber durch Kriechprozesse in hochviskosen Materialien aufgefangen werden.

Ein weiterer Vorteil einer erfindungsgemäßen Befestigung besteht darin, dass für den Fall, dass eine auftretende relative Längenänderung nicht vollständig kompensiert werden kann, der großflächige beziehungsweise vollflächige Kontakt zwischen dem Sensor und der aufnehmenden Fläche ein sprunghaftes Abheben und damit eine sprunghafte Deformation des Sensors mit den beschriebenen nachteiligen Folgen wirksam verhindert.

Am Beispiel der Ausgestaltung von elektrochemischen Sensoren, die vorteilhafterweise durch das erfindungsgemäße Verfahren befestigt werden können, soll die Erfindung näher erläutert werden.

Die zugehörigen Figuren zeigen:

1 einen planaren elektrochemischen Sensor in Aufsicht,

2 einen ähnlich ausgestalteten elektrochemischen Sensor mit erhabenen Bereichen der äußeren Begrenzungsfläche, die mit einer adhäsiven Beschichtung versehen sind und

3 den gleichen Sensor in einer seitlichen Schnittdarstellung.

1:
Ein rechteckig ausgestalteter planarer Sensor 1 weist ein Foliengehäuse auf, das auf einer Seite verschiedene Öffnungen aufweist. Schraffiert dargestellt ist die für eine beispielsweise adhäsive Beschichtung als Haftmittel zur Verfügung stehende Fläche 2 am Sensorgehäuse. Der Sensor ist als Dreielektroden-Sensor ausgebildet. Hinter Öffnungen befinden sich die drei Elektroden 3a, 3b, 3c. In drei weiteren Öffnungen des Gehäuses sind Kontaktpads 4a, 4b, 4c angeordnet, über die eine Kontaktierung der Elektroden 3a, 3b, 3c erfolgen kann. Erfolgt die Befestigung des Sensors auf der Seite des Gehäuses, auf der sich die Öffnungen befinden, so müssen die Bereiche der Öffnungen von Haftmittel freigehalten werden. Erfolgt dagegen die Befestigung des Sensors auf der den Öffnungen abgewandten Seite, steht die Fläche 2 vollflächig für die Applikation des Haftmittels zur Verfügung.
2 zeigt einen elektrisch ähnlich aufgebauten planaren Sensor 1, der jedoch entlang der äußeren Begrenzung des rechteckigen Gehäuses zwei längst erstreckte erhabene Bereiche 5 und 5' aufweist, die mit einem Haftmittel versehen sind.
3 zeigt einen identischen elektrochemischen Sensor in einer seitlichen Schnittdarstellung. Es wird deutlich, dass nur die erhabenen Bereiche 5, 5' mit der Fläche, an der der Sensor befestigt werden soll, in Kontakt gelangen. Auf diese Weise entsteht eine Brückenstruktur. Der elektrochemische Sensor mit seinem Gehäuse und die Fläche, an der der Sensor befestigt wird, schließen einen Hohlraum 6 ein, in dem der für die nachzuweisenden Substanzen durchlässigen Bereiche über den Elektroden einerseits geschützt angeordnet sind und andererseits der Zutritt der nachzuweisenden Substanzen durch den Hohlraum 6 problemlos möglich bleibt. Derartige Anordnungen sind besonders geeignet für einen Einsatz bei hohen Analytkonzentrationen und unter rauen Bedingungen, beispielsweise im Außenbereich.
Alle in den 1 bis 3 dargestellten Sensoren lassen sich auch problemlos befestigen, wenn das Haftmittel auf der Fläche, auf der der Sensor befestigt werden soll, bereitgestellt wird.

Claims

Verfahren zur Befestigung flexibler elektrochemischer Sensoren, umfassend mindestens die folgenden Schritte: – Bereitstellung einer Fläche, an welcher der Sensor befestigt werden soll, – Bereitstellung eines Haftmittels zumindest auf Teilen der Fläche, an welcher der Sensor befestigt werden soll, und/oder zumindest auf Teilen einer äußeren Begrenzungsfläche des Sensors, welches bei flächigem Kontakt zumindest zwischen Teilen der Fläche, an welcher der Sensor befestigt werden soll, und zumindest Teilen der äußeren Begrenzungsfläche des Sensors für eine Haftung sorgt, die den Sensor sicher fixiert, – Anpressen des Sensors an die Fläche, an welcher der Sensor befestigt werden soll, so dass das Haftmittel zumindest mit Teilen der Fläche, an welcher der Sensor befestigt werden soll, und zumindest mit Teilen der äußeren Begrenzungsfläche des Sensors in flächigen Kontakt gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereitstellung des Haftmittels so vorgenommen wird, dass sich nach der Befestigung des Sensors das Haftmittel im Kontaktbereich zwischen der Fläche, an welcher der Sensor befestigt ist, und der äußeren Begrenzungsfläche des Sensors entlang einer geschlossenen Figur befindet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereitstellung des Haftmittels so vorgenommen wird, dass sich nach der Befestigung des Sensors das Haftmittel im gesamten Kontaktbereich zwischen der Fläche, an welcher der Sensor befestigt ist, und der äußeren Begrenzungsfläche des Sensors befindet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereitstellung des Haftmittels so vorgenommen wird, dass nach der Befestigung des Sensors das Haftmittel nur im Kontaktbereich zwischen der Fläche, an welcher der Sensor befestigt ist, und erhabenen Bereichen der äußeren Begrenzungsfläche des Sensors wirkt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Haftmittel verwendet wird, welches eine reversible Befestigung des Sensors ermöglicht.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Haftmittel ein Klettverschluss verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Haftmittel eine adhäsive Beschichtung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Haftmittel in Form eines Anstriches auf der Fläche, an der der Sensor befestigt werden soll, bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Haftmittel in Form einer Beschichtung auf einer äußeren Begrenzungsfläche des Sensors bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Haftmittel zwischen seiner Bereitstellung und der Befestigung des Sensors zumindest zeitweise durch eine abziehbare Folie abgedeckt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die abziehbare Folie so angeordnet wird, dass sie mit dem Haftmittel versehene Flächenbereiche und Flächenbereiche ohne Haftmittel abdeckt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche, an welcher der Sensor befestigt werden soll, farbig gekennzeichnet wird.