DE102013106032A1

DE102013106032A1 - Sensor zur Erfassung einer Analytkonzentration

Info

Publication number: DE102013106032A1
Application number: DE102013106032.3A
Authority: DE
Inventors: Lothar Auerswald; Tobias Mieth; Jörg Uhle
Original assignee: Endress and Hauser Conducta Gesellschaft fuer Mess und Regeltechnik mbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2013-06-11
Filing date: 2013-06-11
Publication date: 2014-12-11

Abstract

Ein Sensor zur Erfassung einer Analytkonzentration umfasst ein Gehäuse und ein innerhalb des Gehäuses angeordnetes Sensorelement, welches eine gegen eine Gehäusewand des Gehäuses angedrückte Vorderfläche aufweist, wobei die Gehäusewand eine einen analytsensitiven Bereich der Vorderfläche freilassende Öffnung aufweist, und wobei das Sensorelement mindestens ein Kontaktelement zur elektrischen Kontaktierung aufweist, wobei das Kontaktelement in einem Anschlussbereich der Vorderfläche des Sensorelements angeordnet ist, und wobei der Anschlussbereich bezogen auf den analytsensitiven Bereichs der Vorderfläche abgesenkt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Erfassung einer Analytkonzentration in einem Messmedium.
Die Bestimmung der Konzentration eines Analyten in einem Messmedium spielt in vielen industriellen Anwendungen, beispielsweise in der Chemie- oder Pharmazietechnik, in der Lebensmitteltechnik, in der Biotechnologie, aber auch nicht-industriellen analytischen Anwendungen, beispielsweise in der Umwelt-Messtechnik, eine wichtige Rolle. Zur Bestimmung von Ionenkonzentrationen werden häufig im Labor wie auch in industriellen Prozessanlagen Sensoren eingesetzt, die ein Sensorelement mit einer analytsensitiven Komponente aufweisen. Als analytsensitive Komponente kommt beispielsweise eine analytsensitive Membran in Frage. So ist zum Beispiel die Glasmembran der bekannten pH-Glaselektrode sensitiv bezüglich der Konzentration von H⁺ bzw. H₃O⁺-Ionen in einem Messmedium.
Alternativ kann als analytsensitive Komponente auch ein Halbleiterelement dienen, etwa ein eine EIS-Struktur umfassendes Bauelement, wie zum Beispiel einen ionensensitiven Feldeffekttransistor (ISFET) oder einen Kondensator mit einer EIS-Struktur, dessen Kapazität von der Konzentration der zu bestimmenden Substanz abhängt. Das Akronym "EIS" steht für den englischen Fachbegriff "electrolyte-insulator-semiconductor", womit zum Ausdruck gebracht wird, dass der Sensor eine Schichtstruktur mit zumindest einer auf einer Halbleiter-Schicht oder einem Halbleiter-Substrat aufgebrachten Isolatorbeschichtung umfasst, die im Messbetrieb des Sensors mit einem Elektrolyten, nämlich dem Messmedium, in Kontakt steht. An der Grenzfläche zwischen der Isolatorschicht und dem Messmedium tritt ein Spannungsabfall auf. Durch geeignete Wahl der Isolatorbeschichtung, insbesondere durch Vorsehen einer analytsensitiven Beschichtung auf der oder als Bestandteil der Isolatorbeschichtung, kann die Sensitivität des Sensors derart eingestellt werden, dass der Spannungsabfall als Maß für die Analytkonzentration dienen kann. So hängt beispielsweise der Spannungsabfall an der Grenzfläche zwischen einer Tantal(V)-oxid (Ta₂O₅)-Schicht und einer wässrigen Messlösung im Wesentlichen vom pH-Wert der Messlösung ab. Durch Verwendung anderer Schichtstrukturen können EIS-Sensorelemente gebildet werden, die in entsprechender Weise für andere Ionen sensitiv sind. Durch das Immobilisieren von geeigneten Detektorstrukturen, welche z.B. Enzyme umfassen können, auf der EIS-Struktur ist es auch möglich, mittels eines derartigen Sensors Konzentrationen von nichtionischen Substanzen, z.B. Glukose oder Penicillin, zu messen.
Der bereits erwähnte ionensensitive Feldeffekttransistor umfasst ebenfalls eine derartige EIS-Struktur. Das Transistor-Gate des ISFET wird bei einem pH-sensitiven ISFET beispielsweise durch eine pH-sensitive Isolatorbeschichtung, die Ta₂O₅ umfassen kann, gebildet. Die Ladungsträgerdichte im Halbleiterkanal zwischen Source und Drain des ISFET hängt dann entsprechend vom pH-Wert des mit dem Gate in Kontakt stehenden Mediums ab. In DE 198 57 953 A1 ist beispielsweise ein Sensor zur Messung von Ionenkonzentrationen bzw. des pH-Werts einer Flüssigkeit unter Verwendung eines ISFET beschrieben.
Derartige Sensorelemente mit analytsensitiver Komponente, insbesondere auf Halbleiterbasis, sind häufig in Form eines Plättchens oder Scheibchens, beispielsweise als Chip oder Chip-Array, mit vorder- oder rückseitigen Kontaktelementen zur elektrischen Kontaktierung der analytsensitiven Komponente ausgestaltet. Sensoren mit solchen Sensorelementen sind häufig als stabförmige Messsonden ausgebildet, die ein in ein Medium eintauchbares Gehäuse umfassen, in dem das Sensorelement so angeordnet ist, dass seine analytsensitive Komponente mit dem Messmedium in Kontakt kommt. Dabei sind die Kontaktelemente zur elektrischen Kontaktierung der analytsensitiven Komponente, über die das Sensorelement mit einer Sensorelektronik verbunden ist, und die Sensorelektronik selbst geschützt innerhalb des Gehäuses angeordnet. Die Messsonde kann über ein Kabel oder drahtlos mit einer übergeordneten Einheit, beispielsweise einem Messumformer oder einem Buskoppler verbindbar sein. Die übergeordnete Einheit kann die Messsonde mit Energie versorgen bzw. von der Sensorelektronik ausgegebene Messsignale empfangen und weiterverarbeiten oder Signale an die Sensorelektronik ausgeben. Beispiele für derartige Sensoren sind US 6,117,292 , US 6,153,070 oder EP 1 396 718 A1 zu entnehmen.
In EP 1 396 718 A1 ist ein Sensor mit einem ISFET als Sensorelement beschrieben. Mittels eines Andruckteils ist der ISFET mit einer von seinem ionensensitiven Oberflächenbereich abgewandten Rückfläche gegen eine Stirnfläche eines Sensorgehäuses angedrückt. Das Andruckteil weist eine zentrale Öffnung auf, die den ionensensitiven Oberflächenbereich des ISFET freilässt, wogegen der Source-Anschluss und der Drain-Anschluss des ISFET in einem gegenüber Zutritt von Messmedium geschützten Innenbereich des Sensors angeordnet sind. Das Andruckteil ist mit dem Sensorgehäuse durch eine mediumsdichte umlaufende Ultraschallschweißverbindung verbunden.
Der ISFET kann in einem ersten in EP 1 396 718 A1 dargestellten Beispiel mittels rückseitiger Kontaktelemente kontaktiert und mit einer Sensorschaltung verbunden werden. In einem zweiten in EP 1396 718 A1 beschriebenen Beispiel erfolgt die Kontaktierung von Source- und Drain-Anschluss über an der dem Messmedium zugewandten Vorderseite des ISFET. Das Gehäuseinnere des Sensorgehäuses ist durch ein innerhalb des Gehäuses verlaufendes Innenrohr in einen Sensorinnenraum und einen Sensorzwischenraum aufgeteilt. Der Sensorzwischenraum dient als Bezugselektrodenraum, d.h. er enthält einen Bezugselektrolyten, in den eine Bezugselektrode eintaucht. Durch den Sensorinnenraum sind mit den vorder- oder rückseitigen Kontaktelementen des ISFETs verbundene Anschlussdrähte zur Kontaktierung von Source und Drain des ISFET geführt.
Nachteilig an einer rückseitigen Kontaktierung des ISFETs ist der im Vergleich zu einer frontseitigen Kontaktierung aufwändigere Halbleiterfertigungsprozess.
Eine frontseitige Kontaktierung des ISFETs bringt dagegen den Nachteil mit sich, dass aufgrund des Raumbedarfs der auf der Frontseite des ISFETs angeordneten Kontaktelemente und der mit den Kontaktelementen verbundenen Anschlussdrähte ein verhältnismäßig großer Abstand zwischen der Vorderfläche des ISFETs und der Innenwand des Andruckteils vorgesehen werden muss. Dies wird zum Beispiel dadurch erreicht, dass ein an der Vorderfläche des ISFETs und der Innenwand des Andruckteils anliegendes Dichtelement mit einem entsprechenden Durchmesser vorgesehen ist. Die analytsensitive Oberfläche des ISFET, die zur Messung mit dem Messmedium in Berührung zu bringen ist, ist somit gegenüber der Außenseite des Andruckteils erheblich abgesenkt. Dies erschwert zum einen die Benetzung der analytsensitiven Oberfläche durch das Messmedium und beeinträchtigt dadurch die Messgenauigkeit. Zum anderen ist auch eine Reinigung dieses Bereichs des Sensors erschwert.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektrochemischen Sensor der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, der die genannten Nachteile überwindet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Sensor nach Anspruch 1.
Der erfindungsgemäße Sensor zur Erfassung einer Analytkonzentration umfasst:
ein Gehäuse und ein innerhalb des Gehäuses angeordnetes Sensorelement, welches eine gegen eine Gehäusewand des Gehäuses angedrückte Vorderfläche aufweist, wobei die Gehäusewand eine einen analytsensitiven Bereich der Vorderfläche freilassende Öffnung aufweist, und wobei das Sensorelement mindestens ein Kontaktelement zur elektrischen Kontaktierung aufweist, wobei das Kontaktelement in einem Anschlussbereich der Vorderfläche des Sensorelements angeordnet ist, und wobei der Anschlussbereich bezogen auf den analytsensitiven Bereich der Vorderfläche abgesenkt ist.
Indem der Anschlussbereich gegenüber dem analytsensitiven Bereich der Vorderfläche abgesenkt ist, kann der Abstand zwischen dem analytsensitiven Bereich und der Gehäusewand, gegen die das Sensorelement angedrückt wird, auch bei einer frontseitigen Kontaktierung des Sensorelements gering gehalten werden. Dies verbessert die Benetzbarkeit und Anströmbarkeit des analytsensitiven Bereichs, was mit einer Verbesserung der Messgenauigkeit und einer verbesserten Reinigbarkeit des Sensors, insbesondere im Bereich der den analytsensitiven Bereich der Vorderfläche freilassenden Öffnung, einhergeht. Indem der Anschlussbereich ein Bereich der Vorderfläche des Sensorelements ist, ist außerdem eine verhältnismäßig einfache Fertigbarkeit des Sensorelements im Vergleich zu einem rückseitig kontaktierten Sensorelement gewährleistet, insbesondere wenn es sich dabei um einen auf einem Halbleitersubstrat gebildeten ISFET handelt.
Die Absenkung des Anschlussbereichs bezogen auf den analytsensitiven Bereich der Vorderfläche kann geometrisch in der Weise realisiert sein, dass der Anschlussbereich von einer durch den analytsensitiven Bereich der Vorderfläche definierten, gedachten Ebene in Richtung einer Rückseite des Sensorelements beabstandet angeordnet ist. Das Sensorelement kann beispielsweise eine, insbesondere ebene, Rückfläche aufweisen, wobei der Anschlussbereich der Vorderfläche derart bezogen auf den analytsensitiven Bereich der Vorderfläche abgesenkt ist, dass der Anschlussbereich einen geringeren Abstand von der Rückfläche aufweist als der analytsensitive Bereich der Vorderfläche. Vorzugsweise kann das Sensorelement scheiben- oder plattenförmig ausgestaltet sein, wobei der analytsensitive Bereich der Vorderfläche und die Rückfläche des Sensorelements im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Der abgesenkte Anschlussbereich kann in dieser Ausgestaltung ebenfalls parallel zur Rückfläche verlaufen, wobei das Sensorelement zwischen dem Anschlussbereich und der Rückfläche eine geringere Höhe aufweist als zwischen dem analytsensitiven Bereich der Vorderfläche und der Rückfläche, so dass die Vorderfläche zwischen dem analytsensitiven Bereich und dem Anschlussbereich eine Stufe ausbildet.
Das Sensorelement kann ein Halbleitersubstrat und eine auf dem Halbleitersubstrat aufgebrachte Beschichtung umfassen, deren mit einem den Sensor umgebenden Medium in Kontakt stehende Oberfläche den analytsensitiven Bereich der Vorderfläche des Sensorelements bildet.
Die Beschichtung kann beispielsweise Teil einer EIS-Struktur sein. Der analytsensitive Bereich kann mindestens einen Teilbereich eines ionensensitiven Gates eines auf einem Halbleitersubstrat gebildeten ionensensitiven Feldeffekttransistors (ISFET) umfassen, wobei der Anschlussbereich als eine, insbesondere mittels eines Ätzprozesses, in dem Halbleitersubstrat gebildete Vertiefung ausgestaltet ist. Die Vertiefung kann in dem Halbleitersubstrat mittels verschiedenster Technologien eingebracht sein. Beispielsweise kann sie durch einen physikalischen oder chemischen, isotropen oder anisotropen Ätzprozess erzeugt sein.
Das Sensorelement kann ein oder mehrere auf dem Anschlussbereich der Vorderfläche angeordnete Kontaktelemente aufweisen. Beispielsweise kann das Sensorelement als Kontaktelemente mindestens einen Source-Anschluss und einen Drain-Anschluss zur Kontaktierung des ionensensitiven Feldeffekttransistors aufweisen.
In einer insbesondere für Hygieneanwendungen vorteilhaften Ausgestaltung des Sensors ist zwischen einer Innenseite der Gehäusewand und der Vorderfläche des Sensorelements eine Flachdichtung angeordnet. Gleichzeitig ist es vorteilhaft, die Wandstärke der Gehäusewand zumindest in einem die Öffnung der Gehäusewand umgebenden Bereich möglichst gering zu wählen. Dabei ist die minimal mögliche Wandstärke materialabhängig, z.B. hängt sie von der Steifigkeit des Materials ab. Sie kann vorzugsweise so weit reduziert werden, so lange die mechanische Stabilität und Dichtwirkung gewährleistet sind.
Auf diese Weise ist der Abstand zwischen der analytsensitiven Vorderfläche des Sensorelements und der äußeren Stirnfläche der Gehäusewand besonders gering, so dass die Gehäuseöffnung, die den analytsensitiven Bereich des Sensorelements freilässt, und der analytsensitive Bereich selbst von einem dem Sensor zugeführten flüssigen Mess- oder Reinigungs- bzw. Sterilisationsmedium im Wesentlichen ohne Totvolumina umströmt wird. Dies gewährleistet im Messbetrieb eine hohe Messgenauigkeit und erlaubt eine sichere Reinigung und Sterilisierung. Die Dichtung kann aus einem elastischen Material, beispielsweise einem Perfluorelastomer (FFKM), gebildet sein.
In einer weiteren Ausgestaltung, insbesondere zur Durchführung potentiometrischer Messungen, umfasst der Sensor einen innerhalb des Gehäuses aufgenommenen Innenelektrolyten, welcher über eine in einer Gehäusewand angeordnete elektrochemische Überführung mit einem das Gehäuse umgebenden Medium in Kontakt steht, und eine in den Innenelektrolyten eintauchenden Bezugselektrode.
Das mindestens eine Kontaktelement des Sensorelements kann mit mindestens einer ersten Leiterbahn einer flexiblen Leiterkarte verbunden sein. Die flexible Leiterkarte dient in dieser Ausgestaltung zur Verbindung des Sensorelements mit einer Sensorschaltung, die zur Verarbeitung des vom Sensorelement erzeugten elektrischen Signals dient. Alternativ kann anstelle einer flexiblen Leiterkarte auch ein Flachbandkabel verwendet werden.
Sind mehrere Kontaktelemente des Sensorelements vorhanden, können alle erforderlichen Anschlussleitungen als Leiterbahnen der flexiblen Leiterkarte realisiert sein. In der alternativen Ausgestaltung, in der statt der flexiblen Leiterkarte ein Flachbandkabel eingesetzt wird, kann das Flachbandkabel jede der erforderlichen Anschlussleitungen umfassen.
Als Basismaterial der flexiblen Leiterkarte kommt eine Kunststofffolie, beispielsweise eine Polyimid-Folie, in Frage. Die als Anschlussleitungen für das Sensorelement dienenden Leiterbahnen und/oder die als Potentialableitung der Bezugselektrode dienende Leiterbahn können innerhalb des elektrisch isolierenden Basismaterials verlaufen oder durch eine zusätzliche Kunststoffbeschichtung überdeckt sein, so dass sie nicht in Kontakt mit dem Innenelektrolyt stehen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausgestaltung ist eine entlang einer Flächennormalen des analytsensitiven Bereichs gemessene Höhendifferenz zwischen dem Anschlussbereich und dem analytsensitiven Bereich mindestens größer oder gleich der Dicke der flexiblen Leiterkarte bzw. in der alternativen Ausgestaltung größer oder gleich der Dicke des Flachbandkabels. Auf diese Weise schließt die zur Kontaktierung des Sensorelements dienende Leiterkarte oder das Flachbandkabel bündig mit dem gegenüber dem Anschlussbereich erhabenen, den analytsensitiven Bereich umfassenden Bereich der Vorderfläche des Sensorelements ab oder ist gegenüber diesem zurückgesetzt.
Die Kontaktierung des mindestens einen Kontaktelements durch die flexible Leiterkarte kann mittels einer Flip-Chip-Montage ausgeführt sein.
Der Sensor kann einen innerhalb des Gehäuses aufgenommenen Innenelektrolyten umfassen, welcher über eine in einer Gehäusewand angeordnete elektrochemische Überführung mit einem das Gehäuse umgebenden Medium in Kontakt steht. Zusätzlich kann der Sensor eine in den Innenelektrolyten eintauchende Bezugselektrode umfassen, wobei mindestens eine zweite Leiterbahn der flexiblen Leiterkarte als Potentialableitung der Bezugselektrode dient. In dieser Ausgestaltung sind vorzugsweise sowohl das Sensorelement als auch die Bezugselektrode ausschließlich mittels der flexiblen Leiterkarte kontaktiert und mit der Sensorschaltung verbunden. Auf diese Weise kann auf einzelne Anschlussdrähte vollständig verzichtet werden. Damit entfällt die bei herkömmlichen Sensoren zur Ermittlung einer Analytkonzentration, beispielsweise bei dem in EP 1 396 718 A1 beschriebenen Sensor, häufig notwendige Aufteilung des Sensorgehäuses in einen Sensorinnenraum und einen davon abgetrennten, den Innenelektrolyten enthaltenden Sensorzwischenraum. Die flexible Leiterkarte kann sich direkt im leitfähigen Innenelektrolyten befinden. Eine mediumsdichte Trennung eines Raums, in dem die Anschlussdrähte geführt sind, von einem den Innenelektrolyten enthaltenen Raum ist daher nicht mehr erforderlich. Dies vereinfacht die Fertigung des Sensors, da die aufwändige Innenrohrmontage zur Bildung eines von dem Innenelektrolyten mediumsdicht getrennten Innenraums entfällt. Hinzu kommt, dass durch den Verzicht auf ein Innenrohr im Gehäuseinneren mehr Platz zur Verfügung steht. Dadurch wird es möglich, auch eine flexible Leiterkarte oder ein Flachbandkabel im Gehäuse unterzubringen, deren Länge die axiale Länge des Gehäuses erheblich übersteigt. Dies erleichtert die Fertigung verschiedener Sensortypen mit unterschiedlicher Gehäuselänge dahingehend, dass zur Verbindung der Kontaktelemente des Sensorelements mit der Sensorschaltung keine unterschiedlichen Leiterkartenvarianten von unterschiedlicher Länge vorgehalten werden müssen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die erste und zweite Leiterbahn gegenüber dem Innenelektrolyten elektrisch isoliert. Hierzu können die Leiterbahnen in das elektrisch isolierende Basismaterial der Leiterkarte eingebettet oder durch eine zusätzliche Kunststoffbeschichtung überdeckt sein.
Der Innenelektrolyt kann in einer ersten innerhalb des Gehäuses gebildeten Kammer enthalten sein, wobei das Gehäuse eine gegenüber der ersten Kammer abgedichtete zweite Kammer aufweist, in der eine, insbesondere elektronische, Sensorschaltung untergebracht ist, wobei die erste Kammer gegenüber der zweiten Kammer, insbesondere mittels mindestens einer Dichtung, abgedichtet ist, durch die die flexible Leiterkarte hindurchgeführt ist und wobei die erste und die zweite Leiterbahn mit der Sensorschaltung elektrisch leitend verbunden sind.
Die Sensorschaltung kann dazu ausgestaltet sein, über die Leiterbahnen eine oder mehrere elektrische Messgrößen zu erfassen und zu einem oder mehreren, ggfs. digitalen, Messsignalen zu verarbeiten und an eine mit dem Sensor verbundene übergeordnete Einheit auszugeben. Bei der übergeordneten Einheit kann es sich beispielsweise um einen Messumformer, einen herkömmlichen Computer, insbesondere einen Personal Computer, einen Laptop, einen Tablet PC, ein Smartphone, oder ein Prozessleitsystem, insbesondere eine speicherprogrammierbare Steuerung, handeln.
Die Dichtung kann insbesondere aus einem elastischen Material gebildet sein. Die erste Kammer kann in einem vorderseitigen, d.h. sensorelementseitigen, Bereich des Gehäuses gebildet sein. Die zweite Kammer kann in einem rückseitigen, d.h. anschlussseitigen Bereich des Gehäuses gebildet sein. Die Dichtung kann beispielsweise zwei oder mehrere Dichtelemente umfassen, die gegeneinander verspannt sind, indem sie sich an der Innenwand des Sensorgehäuses abstützen. Die flexible Leiterkarte kann zwischen den Dichtelementen von der ersten Kammer in die zweite Kammer geführt sein.
Die Sensorschaltung ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung auf einer innerhalb der zweiten Kammer angeordneten Leiterkarte angeordnet, welche mit der flexiblen Leiterkarte in der Weise gekoppelt ist, dass die erste und die zweite Leiterbahn elektrisch leitend mit der Sensorschaltung verbunden sind. Die die Sensorschaltung umfassende Leiterkarte kann beispielsweise als starre Leiterkarte ausgestaltet sein. Die Anschlussbilder der flexiblen Leiterkarte und der die Sensorschaltung tragenden Leiterkarte können aufeinander angepasst sein, so dass der Fertigungsaufwand weiter verringert wird.
In einer alternativen Ausgestaltung ist die Sensorschaltung auf einem innerhalb der zweiten Kammer angeordneten Abschnitt der flexiblen Leiterkarte angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass dieser Abschnitt der flexiblen Leiterkarte zusammengerollt oder zusammengefaltet in der zweiten Kammer besonders platzsparend angeordnet werden kann.
Das Gehäuse kann einen Sensorkörper und ein fest mit dem Sensorkörper verbundenes Elektronikgehäuseteil umfassen, wobei der Sensorkörper einen mindestens abschnittsweise rohrförmigen Sensorschaft und einen sich an den Sensorschaft vorderseitig anschließenden Stirnabschnitt aufweist, welcher die Gehäusewand, gegen die die Vorderfläche des Sensorelements gedrückt wird, umfasst, und wobei das rückseitige Ende des Sensorschafts durch das Elektronikgehäuseteil verschlossen ist.
Das Elektronikgehäuseteil kann insbesondere nach Art einer Kappe auf den Sensorschaft aufgesteckt und mit diesem, beispielsweise durch Klebung, fest verbunden sein. Der Sensorkörper kann aus Glas oder aus einem Kunststoff, beispielsweise PEEK, gebildet sein, der geeignet ist, in das Messmedium eingetaucht zu werden. Das Elektronikgehäuseteil ist nicht zum Eintauchen in das Messmedium bestimmt und kann daher aus einem beliebigen Kunststoff gebildet sein.
Im rückseitigen Bereich des Sensorschafts kann die bereits erwähnte Dichtung angeordnet sein, die die erste elektrolytgefüllte Kammer des Gehäuses gegenüber der zweiten, die Sensorschaltung enthaltende Kammer abdichtet. Die Dichtung kann mindestens zwei, insbesondere elastische, Kunststoffdichtelemente umfassen, die sich gegen die Innenwand des rohrförmigen Sensorschafts abstützen, und die mit Spannung gegeneinander anliegende Dichtflächen aufweisen, zwischen denen die flexible Leiterkarte eingespannt ist, so dass die Leiterkarte flüssigkeitsdicht von der ersten Kammer in die zweite Kammer geführt ist. Die solcherart gebildete Klemmdichtung ist bei der Fertigung des Sensors besonders einfach zu handhaben und erlaubt eine wesentlich sicherere Abdichtung der vorderseitigen, elektrolytgefüllten ersten Kammer gegenüber der rückseitigen zweiten Kammer, in der die Sensorschaltung untergebracht ist, im Vergleich zu herkömmlichen Sensoren, bei denen ein Innenrohr und eine Potentialableitung der Bezugselektrode durch einen im Sensorschaft angeordneten Dichtstopfen geführt werden müssen.
Das Elektronikgehäuseteil kann eine Schnittstelle zum Anschluss an eine übergeordnete Einheit umfassen. Die Schnittstelle kann dabei neben einer mechanischen Schnittstelle, z.B. einem Steckkopf, der mit einer komplementären Buchse eines mit der übergeordneten Einheit verbundenen Kabels lösbar verbunden werden kann, eine elektrische bzw. elektronische Schnittstelle umfassen, über die die Sensorschaltung zum Austausch von Energie und Daten mit der übergeordneten Einheit verbunden wird, wenn die mechanische Schnittstelle mit einer komplementären Schnittstelle der übergeordneten Einheit oder des mit der übergeordneten Einheit verbundenen Kabels verbunden ist. Hierzu weist die Sensorschaltung Schaltungskomponenten auf, die dazu dienen Signale an der Schnittstelle bereitzustellen und/oder zu empfangen. Die Schnittstelle kann beispielsweise galvanische Kontakte aufweisen oder kontaktlos als kapazitiv, induktiv oder optisch koppelnde Schnittstelle ausgestaltet sein.
Die Bezugselektrode kann einen mit der zweiten Leiterbahn, beispielsweise durch eine Lötverbindung, elektrisch leitend verbundenen, mindestens abschnittsweise chloridierten Silberdraht aufweisen. Dieser Silberdraht ist innerhalb der ersten Kammer des Gehäuses angeordnet und taucht in den als Bezugselektrolyt dienenden Innenelektrolyten ein. Bei dem Innenelektrolyten kann es sich um eine 3 molare KCl-Lösung handeln. Diese steht über die in der Gehäusewand angeordnete elektrochemische Überführung, die beispielsweise als einfache Durchgangsöffnung oder als poröses Kunststoff- oder Keramikdiaphragma ausgestaltet sein kann, in elektrolytischem Kontakt mit dem das Gehäuse umgebenden Medium.
Die elektrisch leitende Verbindung zwischen der Bezugselektrode und der flexiblen Leiterkarte kann in einem vorderseitigen, d.h. sensorelementseitigen Bereich der flexiblen Leiterkarte, vorzugsweise in der Nähe des Sensorelements, angeordnet sein. Indem die Kontaktstelle zwischen der Bezugselektrode und der flexiblen Leiterkarte im vorderseitigen Endbereich des Sensors angeordnet ist, entfällt das bei aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren bestehende Erfordernis einer zusätzlichen, über nahezu die gesamte Länge des Sensors geführten Potentialableitung der Bezugselektrode zur im rückseitigen Elektronikgehäuseteil angeordneten Sensorschaltung. Der vorderseitige Endbereich des Sensorgehäuses, in dem das Sensorelement und die Verbindungsstelle zwischen der Bezugselektrode und der Leiterkarte angeordnet sind, kann mit einem Verguss, beispielsweise auf Epoxid-Basis, gefüllt sein. Dieser Verguss dient zur verbesserten Isolierung der Verbindungen, insbesondere Lötverbindungen, zwischen den Kontaktelementen bzw. der Bezugselektrode und den ersten Leiterbahnen bzw. der zweiten Leiterbahn der flexiblen Leiterkarte.
Anstatt eines auf die flexible Leiterkarte aufgelöteten Drahtes kann als Bezugselektrode auch ein auf der Leiterkarte angeordnetes Schichtsystem dienen. In dieser Ausgestaltung kann die Bezugselektrode eine auf der flexiblen Leiterkarte angeordnete, mit der zweiten Leiterbahn in elektrischem Kontakt stehende Silberschicht umfassen, die, mindestens teilweise von einer AgCl-Schicht überdeckt ist.
Zur Verbesserung der Signalqualität kann die flexible Leiterkarte eine zusätzliche Schirmlage umfassen.
Die flexible Leiterkarte kann mit einem in der Nähe des Sensorelements angeordneten Temperaturfühler bestückt sein, der mit einer dritten Leiterbahn der flexiblen Leiterkarte verbunden ist. Die dritte Leiterbahn kann mit der Sensorschaltung verbunden sein, die in dieser Ausgestaltung auch dazu ausgestaltet ist, von dem Temperaturfühler bereitgestellte Signale zu verarbeiten. Wie die Potentialableitung der Bezugselektrode und die Anschlussleitungen des Sensorelements kann die dritte Leiterbahn ebenfalls in das elektrisch isolierenden Basismaterial der Leiterkarte eingebettet oder durch eine zusätzliche Kunststoffbeschichtung überdeckt sein, so dass sie nicht in elektrischem Kontakt mit dem Innenelektrolyten steht. Der Temperaturfühler sowie gegebenenfalls weitere auf der flexiblen Leiterkarte vorliegende SMD-Bauteile sind vorzugsweise wie die Verbindungsstelle der Bezugselektrode mit der Leiterkarte in einem vorderseitigen Endbereich des Gehäuses in der Nähe des Sensorelements angeordnet, der zusätzlich einen Verguss enthalten kann.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Gesamtansicht eines elektrochemischen Sensors in Längsschnitt-Darstellung;
2 eine Detaildarstellung eines Sensorelements des in 1 dargestellten Sensors und einer zur Kontaktierung des Sensorelements dienenden flexiblen Leiterkarte;
3 eine vergrößerte Darstellung des in 2 durch den Kreis D gekennzeichneten Bereiches;
4 eine Detaildarstellung des in 2 dargestellten Sensorelements und der mit dem Sensorelement verbundenen flexiblen Leiterkarte aus einer anderen Perspektive;
5 eine vergrößerte Darstellung des in 4 durch den Kreis C gekennzeichneten Bereiches;
6 eine Detaildarstellung eines vorderseitigen Abschnitts des in 1 dargestellten Sensors;
7 eine Darstellung eines am vorderseitigen Endabschnitts des in 1 dargestellten Sensor angeordneten, als Kappe ausgestalteten Gehäuseteils;
8 eine Darstellung eines Andruckteils, das zum Andrücken des Sensorelements des in 1 dargestellten Sensors gegen eine Gehäusewand des in 7 dargestellten Gehäuseteils dient.
1 zeigt eine schematische Längsschnitt-Darstellung eines elektrochemischen Sensors 1 zur Messung eines pH-Werts eines Messmediums. Als analytsensitives Sensorelement 2 umfasst der hier dargestellte Sensor einen ionensensitiven Feldeffekttransistor (ISFET). Obwohl im Folgenden die Erfindung anhand eines pH-Sensors mit einem pH-sensitiven ISFET als Sensorelement beschrieben wird, ist die Erfindung selbstverständlich auf Sensoren mit anderen Sensorelementen, insbesondere auf ISFETs bzw. ChemFETs oder andere EIS-strukturen umfassende Sensorelemente, übertragbar.
Der Sensor 1 weist ein Gehäuse 3 auf, das einen zylindrischen Sensorkörper umfasst. Im vorliegenden Beispiel ist der Sensorkörper aus zwei Bauteilen, nämlich einem rohrförmigen Sensorschaft 4 und einer den Sensorschaft 4 an seinem vorderen Ende verschließenden Kappe 16 gebildet. Der Sensorschaft 4 ist fest mit einem Elektronikgehäuseteil 5 verbunden, welches rückseitig auf den Sensorschaft 4 aufgesetzt ist und diesen nach Art einer Kappe verschließt. Das Elektronikgehäuseteil 5 besteht beispielsweise aus einem elektrisch nicht leitfähigen Kunststoff. Auch der Sensorkörper 3 kann aus einem nicht elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise Glas oder Kunststoff bestehen. Im vorliegenden Beispiel besteht der Sensorkörper aus Polyetheretherketon (PEEK).
Im vorderen Endabschnitt des Sensorschafts 4 ist das Sensorelement 2 derart angeordnet, dass ein pH-sensitiver Oberflächenbereich des Sensorelements 2 durch Eintauchen des vorderen Endabschnitts des Sensorkörpers in ein Messmedium mit diesem zur Messung des pH-Werts in Kontakt gebracht werden kann. Wie in 6 im Detail erkennbar ist, ist das Sensorelement 2 hierzu mit seiner Vorderfläche 6 über ein elastisches Dichtelement 7 gegen eine stirnseitige Gehäusewand 8 angedrückt, die eine einen pH-sensitiven Oberflächenbereich 13 des Sensorelements 2 freilassende Öffnung 9 aufweist. Im vorliegenden Beispiel ist das Sensorelement 2 mittels Leiterbahnen einer flexiblen Leiterkarte 12 mit einer innerhalb des Elektronikgehäuseteils 5 angeordneten Sensorschaltung 15 verbunden. In alternativen Ausgestaltungen kann das Sensorelement 2 aber auch mittels einer herkömmlichen Kabelverbindung, welche einen oder mehrere zumindest über einen Teil ihrer Längserstreckung mittels einer Ummantelung aus einem nicht elektrisch leitfähigen Material isolierte Drähte umfasst, mit der Sensorschaltung verbunden sein. Beispielsweise kann das Sensorelement 2 mittels eines Flachbandkabels mit der Sensorschaltung verbunden sein.
In den 2 bis 5 sind das Sensorelement 2 und die flexible Leiterkarte 12 im Detail dargestellt. 3 zeigt dabei eine vergrößerte Darstellung des in 2 durch den Kreis D markierten Bereichs. 5 zeigt entsprechend eine vergrößerte Darstellung des in 4 durch den Kreis C markierten Bereichs. Das Sensorelement 2 umfasst ein plättchenförmiges Halbleitersubstrat, auf dem ein ISFET mit einer Source, einem Drain und einem pH-sensitiven Gate gebildet sind. Diese sind in den Figuren nicht im Detail dargestellt. Das pH-sensitive Gate umfasst eine auf der Vorderfläche des Sensorelements 2 angeordnete Beschichtung, die den analytsensitiven Bereich 13 der Vorderfläche bildet.
Während der pH-sensitive Bereich 13 mit einem das Gehäuse des Sensors 1 umgebenden Messmedium in Kontakt steht, sind die Source- und Drainanschlüsse des ISFET in einem mittels des Dichtelements 7 mediumsdicht gegenüber der Umgebung des Gehäuses 3 abgeschlossenen Anschlussbereich 14 der Vorderfläche 6 angeordnet. Dieser Anschlussbereich 14 ist gegenüber dem analytsensitiven Bereich 13 der Vorderfläche 6 abgesenkt. Da Vorder- und Rückfläche des Sensorelements im hier gezeigten Beispiel im Wesentlichen parallel verlaufen, weist das Sensorelement 2 im analytsensitiven Bereich 13 der Vorderfläche eine größere Höhe auf als im Anschlussbereich 14. Die Absenkung des Anschlussbereichs 14 gegenüber dem analytsensitiven Bereich 13 ermöglicht es, den Abstand zwischen der Gehäusewand 8 und dem nicht abgesenkten Bereich der Vorderfläche 6 des Sensorelements 2 gering zu halten.
Im hier gezeigten Beispiel ist der Anschlussbereich 14 so weit abgesenkt, dass die das Sensorelement 2 kontaktierende flexible Leiterkarte 12 bündig mit dem nicht abgesenkten Bereich der Vorderfläche 6 abschließt. Zusätzlich ist das zwischen dem Sensorelement 2 und der Gehäusewand 8 angeordnete Dichtelement 7 als Flachdichtung ausgestaltet (6). Auf diese Weise kann die durch die Öffnung 9 in der Gehäusewand 8 freigelassene Vorderfläche des Sensorelements 2 gut von einem das vordere Ende des Sensors 1 umgebenden, insbesondere umströmenden, flüssigen Mess- oder Reinigungsmittel angeströmt werden, was sowohl die Messgenauigkeit als auch die Reinigbarkeit des Sensors 1 verbessert. Die verbesserte Reinigbarkeit ist insbesondere für Anwendungen vorteilhaft, die besonderen Hygienevorschriften genügen müssen, beispielsweise im Bereich der Lebensmitteltechnik oder im Bio- bzw. Pharmabereich. Durch die Flachdichtung sind Toträume im Wesentlichen vermieden, so dass der Sensor 1 auch hohen Anforderungen an Hygiene und Sterilisierbarkeit genügt.
Der abgesenkte Anschlussbereich 14 kann mittels bekannter Halbleiterfertigungsverfahren, z.B. mittels eines physikalischen oder chemischen Ätzprozesses in dem Halbleitersubstrat erzeugt werden. Die im Anschlussbereich 14 angeordneten Kontaktelemente sind mittels einer Lötverbindung elektrisch leitend mit Leiterbahnen der flexiblen Leiterkarte 12 verbunden, die in axialer Richtung durch den Sensorkörper 4 verläuft (1). Im hier gezeigten Beispiel verlaufen die den ISFET kontaktierenden Leiterbahnen innerhalb der flexiblen Leiterkarte 12 und sind mit der in dem Anschlussgehäuseteil 5 angeordneten Sensorschaltung 15 verbunden.
Auf der flexiblen Leiterkarte 12 ist außerdem eine Bezugselektrode 24 angeordnet, die aus einem abschnittsweise mit einem elektrisch isolierenden Material, z.B. PEEK, ummantelten Silberdraht gebildet ist (4 und 5). An einem Ende weist der Silberdraht eine Silberchlorid-Beschichtung 25 auf. An seinem anderen Ende, vorteilhafterweise seinem sensorelementseitigen Ende, ist der Silberdraht, beispielsweise mittels einer Lötverbindung, leitfähig mit einer weiteren Leiterbahn der flexiblen Leiterkarte 12 verbunden, die den Silberdraht mit der Sensorschaltung 15 verbindet. Die Leiterkarte 12 dient mithin zur Verbindung sowohl des Sensorelements 2 als auch der Bezugselektrode 24 mit der Sensorschaltung 15. Dabei wird auf die herkömmliche Zweiteilung des Gehäuses in einen Innenraum, in dem die Anschlussdrähte des Sensorelements verlaufen und einem den Innenelektrolyten enthaltenden weiteren Raum verzichtet, was zum einen die Fertigung des Sensors 1 vereinfacht und zum anderen dazu führt, dass im Sensorinneren vergleichsweise mehr Raum zur Verfügung steht.
In einem sensorseitigen Bereich, vorzugsweise möglichst nah an dem Sensorelement 2 und der Bezugselektrode 24, ist auf der flexiblen Leiterkarte 12 zusätzlich ein Temperaturfühler 26 angeordnet, der mit einer weiteren Leiterbahn der flexiblen Leiterkarte 12 verbunden ist. Der Temperaturfühler 26 kann beispielsweise einen temperaturabhängigen Widerstand umfassen. Die weitere Leiterbahn ist wie die potentialableitende Leiterbahn der Bezugselektrode 24 und die mit dem Sensorelement 2 verbundenen Leiterbahnen mit der Sensorschaltung 15 verbunden, die die von dem Temperaturfühler 26 zur Verfügung gestellten Signale erfasst und verarbeitet.
Im hier gezeigten Beispiel (insbesondere in 1 und 6 zu sehen) umfasst der Sensorkörper einen rohrförmigen Sensorschaft 4 und eine frontseitige Kappe 16. Die Kappe 16 ist in 7 nochmals separat dargestellt. Sie kann beispielsweise aus einem chemisch beständigen Kunststoff, insbesondere aus PEEK, gebildet sein und beispielsweise mittels eines Spritzguss-Verfahrens hergestellt werden. Die Wand der Kappe 16 weist eine durchgehende Öffnung auf, in der ein Diaphragma 21, das beispielsweise aus einem porösen Keramik-Material bestehen kann, angeordnet ist. Das Diaphragma 21 steht über einen in der Kappe 16 gebildeten Kanal 17 mit dem innerhalb des Sensorschafts 4 gebildeten Innenraum in Verbindung.
Das Sensorelement 2 wird mittels eines an seiner von dem pH-sensitiven Oberflächenbereich abgewandten Rückseite angreifenden Andruckteils 10 gegen das elastische Dichtelement 7 angedrückt. Das Andruckteil 10 ist in 8 genauer dargestellt. Es ist im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel als einstückiges Kunststoff-Spritzgussteil gebildet, das einen vorderen Bereich mit einer gegen das Sensorelement 2 anliegenden Vorderfläche 19 und ein rückseitiges Rastelement 20 aufweist. Das Rastelement 20 ist mit dem vorderen Bereich durch ein in axialer Richtung elastisch nachgiebiges Federelement 18 verbunden, welches ebenfalls Bestandteil des einstückigen Kunststoff-Spritzgussteils ist. Das Andruckteil 10 stützt sich mit dem rückseitigen Rastelement 20 gegen in der Kappe 16 gebildete Vorsprünge 23 ab. Dabei ist der Abstand zwischen den Vorsprüngen 23 und der Rückfläche des über das Dichtelement 7 an der Gehäusewand 8 der Kappe 16 anliegenden Sensorelements 2 so bemessen, dass das Federelement 18 derart aus seiner Gleichgewichtslage ausgelenkt ist, dass es eine axiale Rückstellkraft auf das Sensorelement 2 ausübt und dieses gegen das Dichtelement 7 andrückt. Der vordere Endbereich des Andruckteils 10 kann wie im hier gezeigten Beispiel am Rand der Vorderfläche 19 angeordnete Vorsprünge aufweisen, die eine Fassung für das Sensorelement 2 bilden.
Selbstverständlich sind viele andere Varianten eines gegen das Sensorelement vorspannbaren Andruckteils denkbar. Das Andruckteil kann beispielsweise in einer alternativen Ausgestaltung aus einem Elastomer bestehen, das an der Rückseite des Sensorelements anliegt, so dass dieses sandwichartig zwischen der Dichtung 7 und dem Elastomer eingeklemmt ist.
Zwar ist im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel der vordere Endbereich des Sensorkörpers 4 mehrteilig, nämlich aus dem Sensorschaft 4 und der Kappe 16, gebildet. Es ist aber gleichermaßen möglich, den vorderen Endbereich des Sensorkörpers in anderer Weise, beispielsweise aus einer anderen Anzahl von Einzelteilen oder auch einstückig auszugestalten. Im letzteren Fall kann sich das Andruckteil beispielsweise an einem Vorsprung in der Gehäusewand des Sensorkörpers abstützen.
Der Sensorkörper 3 enthält einen Innenelektrolyt 22, der beispielsweise eine hoch konzentrierte, insbesondere 3 molare, Kaliumchlorid-Lösung umfassen kann. Zum Beispiel kann der Innenelektrolyt 22 eine wässrige, 3 molare Kaliumchlorid-Lösung oder ein Gelelektrolyt, der aus einem Polymer mit eingebetteter Kaliumchlorid-Lösung gebildet ist, sein. Das Diaphragma 21 steht über den Kanal 17 mit dem elektrolytgefüllten, vom Sensorschaft 4 umgebenen Innenraum in Verbindung, so dass das Diaphragma 21 einen elektrolytischen Kontakt zwischen dem im Sensor 1 enthaltenen Innenelektrolyten 22 und einem Messmedium, in das der vordere Endbereich des Sensors 1 zur Durchführung einer pH-Messung eingetaucht wird, gewährleistet.
Das Innere der Kappe 16 ist mit Ausnahme des Kanals 17 mit einem Vergussmaterial, beispielsweise einem Epoxid-Harz, vergossen, so dass insbesondere auch das mit der flexiblen Leiterkarte 12 verbundene sensorelementseitige Ende der Bezugselektrode 24, sowie dessen Verbindungsstelle mit der als Potentialableitung dienenden Leiterbahn gegenüber dem Innenelektrolyten 22 isoliert ist. Der mit Silberchlorid beschichtete Abschnitt 25 der Bezugselektrode 24 taucht dagegen in den Innenelektrolyten 22 ein, so dass sich an der Bezugselektrode 24 ein stabiles Referenzpotential bildet, das die Sensorschaltung 15 über die die Bezugselektrode 24 kontaktierende Leiterbahn der flexiblen Leiterkarte 12 erfasst.
In dem Sensorschaft 4 ist eine Dichtung 27 angeordnet, die das Sensorgehäuse in eine erste Kammer 28 und eine zweite Kammer 29 unterteilt (1). Die erste Kammer 28 wird durch den Sensorkörper 3 mit dem Sensorschaft 4 und der Kappe 16 gebildet und enthält den Innenelektrolyten 22. Die zweite Kammer 29 wird durch den rückseitigen Endabschnitt des Sensorschafts 4 und das darauf aufgesteckte Elektronikgehäuseteil 5 gebildet. In dieser zweiten Kammer 29 ist die Sensorschaltung 15 angeordnet. Die Dichtung 27 ist im hier gezeigten Beispiel durch zwei elastische, aneinander anliegende Dichtelemente gebildet, die den Querschnitt des Sensorschafts 4 ausfüllen und sich gegen dessen Innenwand abstützen, so dass die zwischen den Dichtelementen von der ersten in die zweite Kammer geführte Leiterkarte 12 zwischen zwei aneinander liegenden Dichtflächen der Dichtelemente eingespannt ist. Auf diese Weise ist die die Sensorschaltung 15 enthaltende zweite Kammer 29 gegenüber der ersten elektrolytgefüllten Kammer 28 flüssigkeitsdicht abgedichtet, so dass kein Innenelektrolyt 22 in die zweite Kammer 29 eindringen kann.
Zusätzlich kann der Bereich zwischen der Dichtung 27 und dem zur Sensorrückseite hin offenen Ende des Sensorschafts 4 mit einem Verguss ausgefüllt sein.
Im hier gezeigten Beispiel ist die Sensorschaltung 15 auf einer starren Leiterkarte angeordnet. Die mit den Kontaktelementen des Sensorelements 2 und der Bezugselektrode 24 verbundenen Leiterbahnen der flexiblen Leiterkarte 12 sind mit zugehörigen Anschlüssen der Sensorschaltung 15 verbunden. Zur weiteren Vereinfachung der Fertigung des Sensors 1 sind die Anschlussbilder der flexiblen Leiterkarte 12 und der starren Leiterkarte aufeinander abgestimmt.
Die zweite Kammer 29 kann mit einer Vergussmasse, z.B. einem Epoxidharz, gefüllt sein. Insbesondere kann die Sensorschaltung 15 vergossen sein.
Die Sensorschaltung 15 umfasst neben Mitteln zur weiteren Verarbeitung der Messsignale, insbesondere zu deren Verstärkung und Digitalisierung, einen Speicher zur Speicherung von Sensordaten und/oder von Messwerten. Daneben umfasst die Schaltung im hier gezeigten Beispiel eine in einen mechanischen Sensorsteckkopf integrierte Schnittstelle zum Empfangen und Senden von Daten an eine übergeordnete Einheit. Der Sensor 1 kann außerdem über die Schnittstelle durch die übergeordnete Einheit mit Energie versorgt werden. Im hier gezeigten Beispiel ist die Schnittstelle als induktive Schnittstelle mit einer Spule 31 ausgestaltet. Diese Schnittstelle kann mit einer (nicht dargestellten) komplementären, eine zweite Spule umfassenden Buchse verbunden werden, um den Sensor 1 mit der übergeordneten Einheit zu verbinden. Bei der übergeordneten Einheit kann es sich beispielsweise um einen Messumformer, einen herkömmlichen Computer oder einen Feldbus handeln.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19857953 A1 [0004]
US 6117292 [0005]
US 6153070 [0005]
EP 1396718 A1 [0005, 0006, 0007, 0007, 0026]

Claims

Sensor (1) zur Erfassung einer Analytkonzentration mit: einem Gehäuse (3) und einem innerhalb des Gehäuses (3) angeordneten Sensorelement (2), welches eine gegen eine Gehäusewand (8) des Gehäuses (3) angedrückte Vorderfläche (6) aufweist, wobei die Gehäusewand (8) eine einen analytsensitiven Bereich (13) der Vorderfläche (6) freilassende Öffnung (9) aufweist, und wobei das Sensorelement (2) mindestens ein Kontaktelement zur elektrischen Kontaktierung aufweist, wobei das Kontaktelement in einem Anschlussbereich (14) der Vorderfläche (6) des Sensorelements (2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlussbereich (14) bezogen auf den analytsensitiven Bereich (13) der Vorderfläche (6) abgesenkt ist.
Sensor (1) nach Anspruch 1, wobei das Sensorelement (2) eine, insbesondere ebene, Rückfläche aufweist, und wobei der Anschlussbereich (14) der Vorderfläche (6) derart bezogen auf den analytsensitiven Bereich (13) der Vorderfläche (6) abgesenkt ist, dass der Anschlussbereich (14) einen geringeren Abstand von der Rückfläche aufweist als der analytsensitive Bereich (13) der Vorderfläche.
Sensor (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Sensorelement (2) ein Halbleitersubstrat und eine auf dem Halbleitersubstrat aufgebrachte Beschichtung umfasst, deren mit einem den Sensor (1) umgebenden Medium in Kontakt stehende Oberfläche den analytsensitiven Bereich (13) der Vorderfläche (6) des Sensorelements (2) bildet.
Sensor (1) nach Anspruch 3, wobei die Beschichtung Teil einer EIS-Struktur ist.
Sensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der analytsensitive Bereich mindestens einen Teilbereich eines ionensensitiven Gates eines auf einem Halbleitersubstrat gebildeten ionensensitiven Feldeffekttransistors (ISFET) umfasst, und wobei der Anschlussbereich als eine, insbesondere mittels eines Ätzprozesses, in dem Halbleitersubstrat gebildete Vertiefung ausgestaltet ist.
Sensor (1) nach Anspruch 5, wobei das Sensorelement als Kontaktelemente mindestens einen Source-Anschluss und einen Drain-Anschluss zur Kontaktierung des ionensensitiven Feldeffekttransistors im Anschlussbereich (14) der Vorderfläche (6) aufweist.
Sensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zwischen einer Innenseite der Gehäusewand (8) und der Vorderfläche (6) des Sensorelements (2) eine Flachdichtung (7) angeordnet ist.
Sensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, weiterhin umfassend: einen innerhalb des Gehäuses (3) aufgenommenen Innenelektrolyten (22), welcher über eine in einer Gehäusewand angeordnete elektrochemische Überführung (21) mit einem das Gehäuse (3) umgebenden Medium in Kontakt steht, und eine in den Innenelektrolyten (22) eintauchende Bezugselektrode (24).
Sensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das mindestens eine Kontaktelement des Sensorelements (2) mit mindestens einer ersten Leiterbahn einer flexiblen Leiterkarte (12) verbunden ist.
Sensor (1) nach Anspruch 9, wobei eine entlang einer Flächennormalen des analytsensitiven Bereichs gemessene Höhendifferenz zwischen dem Anschlussbereich (14) und dem analytsensitiven Bereich (13) mindestens größer oder gleich der Dicke der flexiblen Leiterkarte (12) ist.
Sensor (1) nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Kontaktierung des Kontaktelements mittels der flexiblen Leiterkarte mittels einer Flip-Chip-Montage ausgeführt ist.
Sensor (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei der Sensor (1) einen innerhalb des Gehäuses (3) aufgenommenen Innenelektrolyten (22), welcher über eine in einer Gehäusewand angeordnete elektrochemische Überführung (21) mit einem das Gehäuse umgebenden Medium in Kontakt steht, und eine in den Innenelektrolyten eintauchenden Bezugselektrode (24) umfasst, wobei mindestens eine zweite Leiterbahn der flexiblen Leiterkarte (12) als Potentialableitung der Bezugselektrode (24) dient.
Sensor (1) nach Anspruch 12, wobei der Innenelektrolyt (22) in einer ersten innerhalb des Gehäuses (3) gebildeten Kammer (28) enthalten ist und wobei das Gehäuse (3) eine gegenüber der ersten Kammer (28) abgedichtete zweite Kammer (29) aufweist, in der eine, insbesondere elektronische, Sensorschaltung (15) untergebracht ist, wobei die erste Kammer (28) gegenüber der zweiten Kammer (29), insbesondere mittels mindestens einer Dichtung (27), abgedichtet ist, durch die die flexible Leiterkarte (12) hindurchgeführt ist und wobei die erste und die zweite Leiterbahn mit der Sensorschaltung (15) elektrisch leitend verbunden sind.
Sensor (1) nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Bezugselektrode (24) einen mit der zweiten Leiterbahn verbundenen, mindestens abschnittsweise chloridierten Silberdraht oder eine auf der flexiblen Leiterkarte (12) angeordnete, mit der zweiten Leiterbahn in elektrischem Kontakt stehende chloridierte Silberschicht, aufweist.
Sensor (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die elektrisch leitende Verbindung zwischen der Bezugselektrode (24) und der flexiblen Leiterkarte (12) in einem vorderseitigen Bereich der flexiblen Leiterkarte (12), vorzugsweise in der Nähe des Sensorelements (2), angeordnet ist.
Sensor (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei die flexible Leiterkarte (12) im Bereich des Sensorelements (2) mit einem Temperaturfühler (26) bestückt ist, der mit einer dritten Leiterbahn der flexiblen Leiterkarte (12) verbunden ist, und wobei die dritte Leiterbahn mit der Sensorschaltung (15) verbunden ist.