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Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Bestimmung und/oder Überwachung von zumindest einer gelösten Substanz in einem Medium.
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Sensoren zur Bestimmung oder Überwachung verschiedener Substanzen bestehen typischerweise aus einem Sensorelement und einem Sensorgehäuse. Das Sensorelement besitzt dabei für die zu bestimmende Substanz ein oder mehrere sensitive Komponenten. Diese Komponenten können beispielsweise aus Halbleitern hergestellte Komponenten sein, etwa ein ionensensitiver Feldeffekttransistor (ISFET) oder ein Kondensator, dessen Kapazität von der Konzentration der zu bestimmenden Substanz abhängt (z. B. Kondensator mit einer EIS-Struktur).
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Anwendungen zum kontinuierlichen Bestimmen gelöster Substanzen liegen in der Umweltüberwachung, in der industriellen Prozessüberwachung, in der Lebensmittelindustrie oder in der Biochemie/Medizintechnik.
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Mögliche zu untersuchende Substanzen sind ionische Substanzen der ersten Hauptgruppe (Wasserstoff (H+ bzw. H3O+) und Alkalimetalle, wie Na+, Cs+ etc.) und der zweiten Hauptgruppe (Erdalkalimetalle, wie Ca2+, Mg2+ etc.) aber auch nichtionische Substanzen wie Monosaccharide (Glucose, Fructose etc.).
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Die zu messenden Substanzen werden in unterschiedlichsten Medien bestimmt. So reicht das Spektrum der zu untersuchenden Medien von Rein- und Klarwasser über Abwasser hin zu chemisch und biologisch aggressiven, bedenklichen, evtl. auch gefährlichen Medien.
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Damit das Sensorelement ausreichend gegenüber dem Medium geschützt ist, wird das Sensorelement in ein Sensorgehäuse eingebaut. Um den Schutz optimal zu gewährleisten, ist das Sensorelement meist so ausgelegt, dass es im Gesamtsensoraufbau nicht austauschbar ist. Bei einem ISFET beispielsweise sind die elektrischen Anschlüsse vorderseitig (= medienseitig) angebracht, da die Kontaktierung über Rückseitentechnologie den Aufwand (erheblich) steigert. Die vorderseitigen Anschlüsse müssen dann aber gegenüber dem chemisch und/oder biologisch aggressiven Medium geschützt werden, was den Aufwand weiter steigert. Somit sind die ISFETs überwiegend so ausgestaltet, dass das Sensorelement nur mit dem Sensorgehäuse getauscht werden kann.
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Das Sensorgehäuse ist gegenüber dem Medium inert und widersteht diesem dauerhaft. Aus diesem Grund ist das Sensorgehäuse beispielsweise aus Edelstahl oder einem widerstandfähigem Polymer (etwa Polyetheretherketon (PEEK)) hergestellt. Das Sensorelement hat nur an bestimmten Stellen Kontakt mit dem Medium, beispielsweise durch eine Membran, Fenster, Schicht etc. und ist sonst gegenüber dem Medium abgedichtet.
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Dennoch werden mit der Zeit die Sensorelemente in den aggressiven Medien angegriffen und zerstört. Die Haltbarkeit der Sensorgehäusewerkstoffe übersteigt dabei die Haltbarkeit der Sensorelementewerkstoffe deutlich. Um die Funktionstüchtigkeit der Sensoren zu gewährleisten, müssen dann die kompletten Sensoren, d. h. Sensorgehäuse und Sensorelement, kostenintensiv ausgetauscht werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen kostengünstigen Sensor vorzuschlagen, der in der Lage ist, verschiedene gelöste Substanzen zu bestimmen und zu überwachen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Sensor, umfassend
- – eine austauschbare Sensorkappe mit einem elektrischen Sensorelement, und
- – ein Sensorgehäuse,
wobei zumindest ein mechanisches Anschlussmittel vorgesehen ist, das die Sensorkappe mit dem Sensorgehäuse mechanisch verbindet, und
wobei zumindest ein elektrisches Anschlussmittel vorgesehen ist, das die Sensorkappe mit dem Sensorgehäuse elektrisch verbindet.
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Dadurch dass der Sensor im Wesentlichen aus zwei Teilen besteht, kann die gestellte Aufgabe erfüllt werden. Die Sensorkappe mit dem elektrischen Sensorelement kann vom Sensorgehäuse entfernt und gewechselt werden. Dadurch ergibt sich eine hohe Flexibilität, da unterschiedlichste Sensorelemente verwendet werden können. Die elektrische Charakteristik des Sensorelements ändert sich dabei mit der Charakteristik der zu bestimmenden gelösten Substanz. Das langlebige Sensorgehäuse kann mehrere Lebenszyklen der Sensorelemente überstehen, und es können somit Kosten gespart werden. Über elektrische und mechanische Anschlussmittel sind die beiden Teile lösbar miteinander verbunden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung handelt es sich bei der gelösten Substanz um eine ionische Substanz.
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Bevorzugt handelt es sich bei der ionischen Substanz um eine Substanz aus Wasserstoff- und/oder Oxoniumionen.
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In einer alternativen Ausgestaltung handelt es sich bei der gelösten Substanz um eine nichtionische Substanz.
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Bevorzugt handelt es sich bei der nichtionischen Substanz um Glukose.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist zumindest eine Dichtung vorgesehen, die einen Übertritt von Medium in die Sensorkappe und/oder Sensorgehäuse verhindert. Da das Medium wie bereits erwähnt chemisch und/oder biologisch aggressiv sein kann, ist es von immensem Vorteil wenn das Medium nicht in den Innenraum der Sensorkappe und -gehäuse eindringt und darin eventuell Bauteile beschädigt. Die Dichtung muss gegenüber dem Medium resistent und inert sein.
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Bevorzugterweise handelt es sich bei dem elektrischen Sensorelement um einen EIS-Sensor, umfassend
- – ein Substrat,
- – zumindest eine Zwischenschicht, die auf dem Substrat aufgebracht ist,
- – zumindest eine sensitive Schicht, die auf der Zwischenschicht aufgebracht ist,
wobei zumindest eine sensitive Schicht in Kontakt mit dem Medium steht,
- – einen elektrisch leitfähigen Kontakt, der auf der gegenüberliegenden Seite der Zwischenschicht auf dem Substrat präpariert ist, und
- – eine Ableiteinrichtung, die so ausgestaltet ist, dass sie in Kontakt mit dem Medium steht.
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„EIS” steht für den englischen Fachbegriff electrolyte-insulator-semiconductor, d. h. der Sensor umfasst zumindest einen Halbleiter, einen Isolator und einen Elektrolyten. Der EIS-Sensor oder die EIS-Struktur ist eine besondere Ausgestaltung der MIS-Struktur, nach dem englischen Fachbegriff metal-insulator-semiconductor.
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Die MIS-Struktur besteht aus einem halbleitenden Trägersubstrat (meist Silizium) und einer darüber befindlichen Metallschicht. Diese beiden Schichten werden durch eine dünne Isolatorschicht getrennt. Als Isolator wird hauptsächlich Siliciumdioxid (SiO2) oder Siliciumnitrid (Si3N4) verwendet. Zur Kontaktierung des Substrats befindet sich auf der gegenüberliegenden Seite des Isolators eine weitere Metallschicht. Die Struktur bildet einen Kondensator mit der Kapazität CMIS = ε0εr A / d, mit
- εr:
- relative Permittivität des Isolators,
- ε0:
- Permittivität des Vakuums,
- A:
- Fläche, und
- d:
- Dicke des Isolators.
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Bei einer EIS-Struktur wird nun die obere Metallschicht durch einen Elektrolyten und eine Referenzelektrode ersetzt. Der Elektrolyt entspricht dabei dem zu messenden Medium. Über eine mediumsberührende Referenzelektrode wird eine Spannung UG zwischen Medium und unterer Metallschicht angelegt. Es ergibt sich dann eine spannungsabhängige Kapazität CEIS(UG) der EIS-Struktur.
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An der Grenzfläche Isolator-Medium erfolgt ein Spannungsabfall. Je nach Wahl des Isolators, bzw. je nach Wahl einer entsprechenden sensitiven Schicht (zusätzlich) zum Isolator, ist dieser Spannungsabfall abhängig von den gelösten Substanzen im Medium. Diese Abhängigkeit wird nun zur Bestimmung verschiedener Substanzen im Medium benutzt. So ist beispielsweise eine Schicht aus Tantal(V)-oxid (Ta2O5) sensitiv auf Wasserstoffionen (also H+- bzw. H3O+-Ionen) und wird für die Bestimmung des pH-Wertes verwendet. Dies führt zu einer horizontalen Verschiebung der CEIS(UG)-Kurve, wie in 1 abgebildet für eine Änderung des pH-Werts des Mediums für p-dotiertes Silizium. Siehe dazu auch „Untersuchungen zur Entwicklung einer feldeektbasierten Biosensoranordnung mit integriertem Referenzsystem", Anette Simonis, Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2006.
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Je nach Zusammensetzung der zumindest einen sensitiven Schicht können so unterschiedliche gelöste Substanzen bestimmt oder überwacht werden.
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Aus der Literatur sind ionensensitive Schichten zumindest für die Messung der Konzentration von H+ bzw. H3O+, K+, Na+, Cs+, Li+, Ca2+ und Mg2+ bekannt. Durch das Immobilisieren von verschiedenen Enzymen (z. B. Penicillinase) auf der EIS-Struktur ergeben sich Möglichkeiten für die Messung von nichtionischen Substanzen (z. B. Messung der Penicillinkonzentration oder von Glukose).
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Da der Sensor in EIS-Struktur aufgebaut ist, kann eine Kontaktierung durchgängig und unkompliziert auf der Rückseite des Substrats erfolgen. Die EIS-Struktur ermöglicht ein einfaches Herstellverfahren des Sensors, indem die verschiedenen Schichten maskenlos auf das Substrat aufgebracht werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die zumindest eine Zwischenschicht zumindest eine Isolatorschicht. Dies ist als besonders vorteilhaft anzusehen, da die Isolatorschicht ein Dielektrikum für den von der EIS-Struktur gebildeten Kondensator darstellt. Die Isolatorschicht kann auch von einem Substratoxid gebildet werden. Als weitere Zwischenschicht kann eine Haftvermittlerschicht aufgebracht werden um die Haftung zwischen den einzelnen Schichten der EIS-Struktur zu verbessern.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist zumindest eine Schutzeinrichtung vorgesehen, die mit der Ableiteinrichtung verbindbar ist und die den Sensor, insbesondere das Sensorelement, vor elektrostatischer Schädigung, insbesondere elektrostatischer Entladung (engl. electrostatic discharge, kurz ESD), schützt, wobei die Schutzeinrichtung in der Sensorkappe angeordnet ist, oder wobei die Schutzeinrichtung im Sensorgehäuse angeordnet ist. Somit können eventuell anfallende elektrostatische Entladungen abgeleitet werden und das Sensorelement kommt nicht zu schaden.
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In einer Ausgestaltung besteht die Sensorkappe teilweise oder komplett aus einem leitfähigem Material, insbesondere Metall, so dass die Ableiteinrichtung integrativer Teil der Sensorkappe ist. Somit kann auf eine weitere zusätzliche Schicht oder ein weiteres Bauteil zur Ableitung eines ESD verzichtet werden, was sich als platz- und kostensparend erweist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das elektrische Anschlussmittel federnd ausgestaltet, so dass im verbundenen Zustand von Sensorkappe und Sensorgehäuse ein elektrischer Kontakt sichergestellt ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist dem Sensor zumindest eine Referenzelektrode zugeordnet, die so ausgestaltet ist, dass sie das Medium mit dem elektrisch leitfähigen Kontakt, evtl. über eine elektrische Schaltung, verbindet, wobei die Referenzelektrode inner- oder außerhalb der Sensorkappe angeordnet ist.
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Durch die Referenzelektrode wird der Stromkreis geschlossen und eine Messung der gelösten Substanz wird möglich. Je nach Art des Messverfahrens werden weitere Bauteile zwischen Referenzelektrode und elektrisch leitfähigem Kontakt auf der Rückseite des Substrates benötigt. So werden eventuell eine oder mehrere Spannungsquellen und/oder Spannungs- und Strommessgeräte zwischengeschaltet. Wird die Referenzelektrode außerhalb der Sensorkappe angeordnet kann eine Einstabmesskette als Referenzelektrode verwendet werden. Wird die Referenzelektrode innerhalb der Sensorkappe kann die Referenzelektrode in Dünn- oder Dickschichttechnologie hergestellt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Speicherelement in oder an der Sensorkappe vorgesehen, in dem zumindest eines der Elemente Seriennummer, Kalibrationsdaten, Sensordaten, Fertigungsdatum, Historiendaten, Prozessdaten gespeichert ist. Durch die Speicherung relevanter Daten, wie beispielsweise für welche Substanz der Sensor ausgelegt ist, kann eine entsprechende Gegenseite (z. B. eine SPS etc.) die Messdaten des Sensors interpretieren und entsprechend weiterverarbeiten.
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Vorteilhafterweise ist das Speicherelement so ausgestaltet, dass eine Schreib-/Leseeinrichtung das Speicherelement drahtlos beschreibt/davon liest. Somit ist eine Verdrahtung des Speicherelements überflüssig, die Handhabung des Sensors wird einfacher und es können somit Kosten gespart werden.
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Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Sensorkappe zur Verwendung in dem vorgeschlagenen Sensor.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert. Es zeigt
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2 eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Sensors,
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3 eine zweite Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Sensors,
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4 eine dritte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Sensors, und
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5 eine Schaltung zur Messung der Impedanz des erfindungsgemäßen Sensors.
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In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Die 2 zeigt eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensors. Das Beispiel zeigt einen ionensensitiven Sensor, die Erfindung lässt sich jedoch auf Sensoren zur Bestimmung nichtionischer Substanzen ausweiten.
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Der Sensor in seiner Gesamtheit hat das Bezugszeichen 1. Der Sensor 1 besteht im Wesentlichen aus den beiden Teilen Sensorkappe 2 und Sensorgehäuse 3, die lösbar miteinander verbunden werden können. Die Sensorkappe 2 kann also vom Sensorgehäuse 3 unabhängig ausgetauscht werden. Die Verbindung erfolgt durch ein geeignetes mechanisches Anschlussmittel 11, z. B. ein Gewinde oder ein Bajonettverschluss.
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Das Funktionsprinzip soll anhand eines pH-Sensors, d. h. eines Sensor zur Detektion der Konzentration von H+- oder H3O+-Ionen erläutert werden. Der erfindungemäße Gedanke liegt aber gerade darin, dass die Sensorkappe 2 einfach und schnell ausgetauscht werden kann und somit dem Anwender ermöglicht wird auch andere Substanzen zu messen, so z. B. von K+-, Na+- oder Ca2+-Ionen, wenn eine andere Sensorkappe 2 verwendet wird, die eine andere ionensensitive Schicht aufweist. Auch sind sensitive Schichten denkbar, die auf nichtionische Substanzen sensitiv wirken.
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Im Innern der Sensorkappe 2 befindet sich ein Sensorelement 5 in einem EIS-Aufbau. Die Schichtfolge in dieser Ausgestaltung ist Substrat 6, Zwischenschicht 7 und sensitive Schicht 8. Das Substrat 6 ist ein Halbleitersubstrat. Bevorzugt wird Silizium, insbesondere p-Silizium verwendet.
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Auf dem Substrat 6 befindet sich die Zwischenschicht 7. Die Zwischenschicht 7 ist üblicherweise eine Isolatorschicht. Typischerweise wird Siliziumdioxid verwendet. Die Schicht ist zwischen 2 nm und 150 nm dick und wird beispielsweise durch thermische Oxidation hergestellt. Es sind weiterhin auch andere Isolatoren wie Siliziumnitrid oder Materialien mit einer höheren relativen Permittivität, die so genannten high-k-Materialien wie beispielsweise Titannitrid, Titanaluminiumnitrid, dotiertes Hafniumoxid, Aluminiumoxid oder Lanthanoxid denkbar. Es ist möglich, dass mehr als nur eine Zwischenschicht verwendet wird. So können etwa verschiedene Isolatorschichten kombiniert werden und/oder es wird eine/oder mehrere Haftvermittlerschicht/en eingesetzt um die Haftung zwischen den einzelnen Schichten zu erhöhen. Auch können die verschiedenen Schichten unterschiedliche Strukturen (amorph oder (teil-)kristalin) besitzen.
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Die sensitive Schicht 8 ist typischerweise zwischen 10 nm und 200 nm dick und das Material wird je nach zu messendem Ion entsprechend gewählt. So kommt beispielsweise meist Tantal(V)-oxid für die Messung des pH-Werts zum Einsatz. Die sensitive Schicht 8 wird durch Sputtern oder durch chemical vapour deposition (CVD, chemische Gasphasenabscheidung) abgeschieden und durch Aushärten in oxidierend und reduzierend wirkenden Gasen hergestellt und konditioniert. Über eine Öffnung in der Sensorkappe 2 hat die sensitive Schicht 8 direkt Kontakt mit dem zu messenden Medium 4. Je nach Wahl der sensitiven Schicht 8 ergibt sich eine Spannungsabfall an der Grenzfläche sensitiven Schicht 8 und Medium 4 abhängig von der Konzentration der entsprechenden Ionen im Medium 4.
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In den beschriebenen Ausführungsbeispielen in den Figuren 2 bis 4 besteht die Zwischenschicht 6 und die sensitive Schicht 8 je aus einer einzelnen Schicht. Es sind jedoch auch Strukturen möglich in denen die jeweiligen Lagen der EIS-Struktur aus mehreren Schichten bestehen. Wie bereits erwähnt können insbesondere noch ein oder mehrere Haftvermittlerschichten notwendig sein. Auch die sensitive Schicht 8 kann aus mehreren Schichten aufgebaut sein. Mindestens eine hat dann Kontakt mit dem Medium 4.
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Auf der, der Zwischenschicht 6, gegenüberliegenden Seite des Substrats 6 befindet sich ein elektrisch leitfähiger Kontakt 9. Typischerweise ist der elektrisch leitfähige Kontakt 9 als Metallschicht ausgestaltet und wird durch Sputtern aufgebracht. Es sind aber auch andere leitfähige Schichten/Schichtfolgen oder Kontaktierungseinrichtungen denkbar.
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Das Sensorelement 5 hat typischerweise eine rechteckige Geometrie, seltener eine sechs- oder achteckige Form. Im Allgemeinen ist das Sensorelement 5 aber eine Struktur mit einer geradzahligen Anzahl an Ecken. So kann gewährleistet werden, dass beim Sägen des Sensorelements 5 aus dem Wafer so wenig Verschnitt wie möglich entsteht.
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Ebenfalls in Kontakt mit dem Medium 4 befindet sich im Innern der Sensorkappe 2 eine Ableiteinrichtung 10. Die EIS-Struktur und generell Strukturen, die den Feldeffekt ausnutzen, sind sehr empfindlich gegenüber elektrostatische Entladung. Deswegen wird um der Zerstörung des Sensorelements 5 vorzubeugen eine elektrostatische Entladung über die Ableiteinrichtung 10 abgeleitet. In den dargelegten Ausführungsbeispielen in den Figuren 2 bis 4 ist die Ableiteinrichtung 10 als Ableitschicht ausgestaltet. Die Ableitschicht befindet sich im Innern der Sensorkappe 2. Es ist möglich, dass die Ableiteinrichtung 10 auch als elektrisch leitfähiger Stift, Zapfen, Bolzen ö. ä. ausgestaltet ist und in Kontakt mit dem Medium 4 steht. Es ist weiterhin denkbar, dass die Sensorkappe 2 teilweise oder komplett aus einem Metall (im Allgemeinen aus einem leitfähigen Material) gefertigt ist, so dass ein ESD direkt über die Sensorkappe 2 abgeleitet werden kann. In diesem Falle wäre die Ableiteinrichtung 10 integrativer Teil der Sensorkappe 2.
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Über eine Dichtung 13 zwischen Sensorelement 5 und Ableiteinrichtung 10 wird gewährleistet, dass kein Medium ins Innere der Sensorkappe 2 gelangen kann. In der gezeigten Ausführungsform befinden sich Sensorelement 5, Dichtung 13 und Ableiteinrichtung 10 übereinander. Selbstredend sind Varianten denkbar, in denen die genannten Elemente in anderer Reihenfolge positioniert sind oder nebeneinander platziert werden, siehe 3. Auch kann, wie bereits erwähnt, die Ableiteinrichtung 10 teilweise oder komplett Bestandteil der Sensorkappe 2 sein.
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Im Sensorgehäuse 3 befindet sich ein elektrisches Anschlussmittel 12, worüber die Ableiteinrichtung 10 kontaktiert wird. Das elektrische Anschlussmittel 12 ist federnd ausgelegt, in den Figuren 2, 3 und 4 als mechanische Feder dargestellt. Eine technische Lösung ist es, einen Federkontaktstift 15 mit einem entsprechenden Adapter auf der mediumszugewandten Seite zu benutzten.
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Ein ESD wird somit vom Medium 4 über die Ableiteinrichtung 10 und dem Federkontaktstift 15 abgeleitet. In Verbindung mit dem Federkontaktstift 15 befindet sich eine entsprechende Schutzeinrichtung 14. Dies können beispielsweise (Schutz-)Dioden, insbesondere Schottky- oder Zenerdioden oder (Schutz-)Transistoren in einer entsprechenden Schaltung sein. In den gezeigten Ausführungsbeispielen in den Figuren 2 bis 4 sind zwei gegenläufig angebrachte Dioden an eine positive bzw. negative Versorgungsspannung U+ bzw. U– angeschlossen um den ESD abzuleiten. U– kann auch Masse darstellen. Eventuell ist ein zusätzlicher angebrachter Widerstand sinnvoll.
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Die Schutzeinrichtung 14 ist bevorzugt in dem Sensorgehäuse 3 angebracht und mit Bauteilen in SM- oder TH-Technologie ausgestaltet, d. h. die Bauteile sind oberflächenmontierte Bauelemente (engl. surface-mounted device, kurz SMD) oder Bauteile in Durchsteckmontage (engl. through-hole technology, kurz THT). Es ist weiterhin aber denkbar, dass die Schutzeinrichtung 14 in der Sensorkappe 3 angeordnet ist. Darüber hinaus ist möglich, dass die Schutzeinrichtung 14 mit in das Sensorelement 5 integriert ist. So kann die Schutzeinrichtung 14 etwa als p-n-Übergang im Substrat 6, z. B. in üblicher Halbleiterfertigung, angebracht werden.
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Der elektrisch leitfähige Kontakt 9 dient zur rückseitigen Kontaktierung des Sensorelements 5. Diese wird wie auch die Ableiteinrichtung 10 über ein elektrisches Anschlussmittel 12, z. B. durch einen Federkontaktstift 14, kontaktiert. Somit werden alle notwendigen elektrischen Anschlüsse des Sensors 1, d. h. zumindest der der Ableiteinrichtung 10 und des elektrisch leitfähigen Kontakts 9, rückseitig und damit mediumsentfernt vorgenommen. Somit sind keine komplizierten Schutzvorrichtungen und/oder Schutzschichten für vorderseitig angebrachte Kontakte notwendig.
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Im Medium 4 befindet sich in den Figuren 2 und 3 eine Referenzelektrode 16 außerhalb der Sensorkappe 2. Die Referenzelektrode 16 befindet sich über eine Messschaltung 18 in Kontakt mit dem elektrischen Anschlussmittel 12. Dafür befindet sich eine geeignete Öffnung, evtl. mit Dichtung, im Sensorgehäuse 3.
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4 zeigt eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensors 1. Dabei befindet sich die Referenzelektrode 16 nicht außer-, sondern innerhalb der Sensorkappe 2. Wiederum hat die Referenzelektrode 16 Kontakt mit dem elektrischen Anschlussmittel 12 über eine geeignete Messschaltung 18.
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Die Referenzelektrode 16 kann als Einstabmesskette ausgestaltet sein. Es ist auch eine Variante denkbar, bei der die Referenzelektrode in Dünn- oder Dickschichttechnologie aufgebaut wird. Die Referenzelektrode 16 kann auch Teil des Sensorelements 5 sein und auf dem Substrat 6 aufgebracht werden.
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Im Innern der Sensorkappe 2 befindet sich ein Speicherelement 17. Es ist beispielsweise durch Verkleben an der Kappe befestigt. Auf dem Speicher ist zumindest eines der Elemente Seriennummer, Kalibrationsdaten, Sensordaten, Fertigungsdatum, Historiendaten, und/oder Prozessdaten gespeichert. Insbesondere soll auf dem Speicherelement 17 gespeichert sein, welche Art von Ionen detektiert werden kann. Diese Information kann dann von einer entsprechenden Gegenseite ausgelesen werden und die Messsignale des Sensors 1 können entsprechend interpretiert werden. Eine entsprechende Gegenseite kann beispielsweise eine SPS, ein Messumformer, ein Leitsystem oder ein Handgerät sein.
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Das Speicherelement 17 soll insbesondere als drahtloses Speicherelement ausgestaltet sein. Aber auch Varianten mit einer direkten Kontaktierung, beispielsweise durch einen weiteren Kontaktstift, sind nicht ausgeschlossen. Als drahtloses Speicherelement kann beispielsweise ein RFID-Chip o. ä. verwendet werden. Ebenso kann ein NFC-Chip benutzt werden.
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Selbstredend sind auch alle Varianten und Kombinationen der gezeigten Ausführungsbeispiele realisierbar. So ist beispielsweise das Ausführungsbeispiel aus 2 mit einer sich in der Sensorkappe 2 befindender Referenzelektrode 16 denkbar.
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Es gibt verschieden Möglichkeiten die Messsignale auszulesen. Zwei sollen kurz erläutert werden. In den Figuren 2, 3 und 4 ist dies durch die symbolisierte Messschaltung 18 dargestellt. Wie bereits erwähnt bildet das Sensorelement 5 einen spannungsabhängigen Kondensator mit der Kapazität CEIS(UG), wobei UG eine angelegte Gleichspannung ist.
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Die Kapazität dieses Kondensators wird in einer ersten Möglichkeit indirekt über die Impedanz bei einer angelegten (zusätzlichen) Wechselspannung UW bestimmt. Die Amplitude des Spannungsabfalls über dem Sensorelement 5 sowie der Strom und die Phasenverschiebung werden gemessen. Eine mögliche Schaltung zeigt 5, wobei der Sensor 1 nur symbolisiert dargestellt ist. 5 zeigt das Sensorelement 5, die Referenzelektrode 16, das Medium 4 und eine mögliche Messschaltung 18. Die Impedanz des Gesamtstromkreises kann aus den gemessenen Größen ermittelt werden. Durch ein Ersatzschaltbild der Messanordnung (in erster Näherung als Reihenschaltung aus ohmschem Widerstand von Elektrolyt und Referenzelektrode sowie dem kapazitiven Anteil des Sensors) ergibt sich die Kapazität des Sensors 1 aus der gemessenen Impedanz. Als Sensorsignal erhält man eine Verschiebung der CEIS(UG)-Kurve entlang der Spannungsachse durch Änderung des pH-Werts, vgl. 1. Über entsprechenden Referenzmessungen kann der Sensor kalibriert werden.
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Die zweite Möglichkeit umfasst die Anwendung des Sensors 1 als so genannter LAPS (englisch: light-addressable potentiometric sensor, lichtadressierbarer potentiometrischer Sensor). Um die spannungsabhängige Kapazität auszulesen wird das Sensorelement 5 mit einer modulierten Lichtquelle beleuchtet, wobei typische Wellenlängen im infraroten Bereich liegen. Im Substrat 6 werden nun Photoelektronen generiert. Der generierte Photostrom wird gemessen und ist ein Maß für den pH-Wert. Über entsprechenden Referenzmessungen kann der Sensor kalibriert werden. Der Vorteil des LAPS' ist, dass nur bestimmte Bereiche des Sensorelements 5 beleuchtet werden müssen. Werden auf einem Substrat 6 verschiedene sensitive Schichten 8 aufgebracht, können diese nun mit Hilfe des LAPS unabhängig voneinander angesteuert und ausgelesen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sensor
- 2
- Sensorkappe
- 3
- Sensorgehäuse
- 4
- Medium
- 5
- Sensorelement
- 6
- Substrat
- 7
- Zwischenschicht
- 8
- Sensitive Schicht
- 9
- Elektrisch leitfähiger Kontakt
- 10
- Ableiteinrichtung
- 11
- Mechanisches Anschlussmittel
- 12
- Elektrisches Anschlussmittel
- 13
- Dichtung
- 14
- Schutzeinrichtung
- 15
- Federkontaktstift
- 16
- Referenzelektrode
- 17
- Speicherelement
- 18
- Messschaltung
- U+
- Positive Versorgungsspannung
- U–
- Negative Versorgungsspannung
- UG
- Angelegte Gleichspannung
- UW
- Angelegte Wechselspannung
- U
- Gemessene Spannung
- I
- Gemessener Strom
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Untersuchungen zur Entwicklung einer feldeektbasierten Biosensoranordnung mit integriertem Referenzsystem”, Anette Simonis, Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2006 [0021]
