DE102016103158A1 - Sensor for detecting an analyte concentration of a medium - Google Patents

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Lothar Auerswald
Hendrik Zeun
Tobias Mieth
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Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
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Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor (1) zur Erfassung einer Analytkonzentration eines Mediums (100), umfassend: ein mit dem Mediums (100) in Kontakt stehendes Sensorelement (2) mit einer analytsensitiven Oberfläche; eine Schutzhülse (10) mit einer Sensorelementaufnahme (48) an einem Endbereich und einer sich außen an der Schutzhülse (10) angeordneten Führungsgeometrie (46), wobei die Sensorelementaufnahme (48) das Sensorelement (2) aufnimmt; ein Gehäuse (3), das zumindest abschnittsweise vom Mediums (100) umgeben ist, mit einer, zur Führungsgeometrie (46) komplementär ausgestalteten, Führungsnut (45), wobei die Führungsnut (45) im Innern (11) des Gehäuses (3) angeordnet ist, wobei das Gehäuse (3) eine Gehäusewand (8) mit einer Öffnung (9) umfasst, wobei die Führungsgeometrie (46) entlang der Führungsnut (45) in axialer Richtung des Gehäuses (3) beweglich ist, und die analytsensitive Oberfläche die Öffnung (9) verschließt, so dass die analytsensitive Oberfläche des Sensorelements (2) mit dem Mediums (100) in Kontakt steht, und wobei die Führungsgeometrie (46) in der Führungsnut (45) um eine Querachse der Schutzhülse (10) drehbar ist, so dass die analytsensitive Oberfläche des Sensorelements (2) parallel zur Gehäusewand (8) ausrichtbar ist.The invention relates to a sensor (1) for detecting an analyte concentration of a medium (100), comprising: a sensor element (2) in contact with the medium (100) with an analyte-sensitive surface; a protective sleeve (10) having a sensor element receptacle (48) at an end region and a guide geometry (46) arranged externally on the protective sleeve (10), the sensor element receptacle (48) receiving the sensor element (2); a housing (3), which is at least partially surrounded by the medium (100), with a, to the guide geometry (46) complementarily designed, guide groove (45), wherein the guide groove (45) in the interior (11) of the housing (3) wherein the housing (3) comprises a housing wall (8) with an opening (9), wherein the guide geometry (46) along the guide groove (45) in the axial direction of the housing (3) is movable, and the analytsensitive surface the opening (9) so that the analyte-sensitive surface of the sensor element (2) is in contact with the medium (100), and wherein the guide geometry (46) in the guide groove (45) is rotatable about a transverse axis of the protective sleeve (10) the analyte-sensitive surface of the sensor element (2) can be aligned parallel to the housing wall (8).

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Erfassung einer Analytkonzentration eines Mediums.The invention relates to a sensor for detecting an analyte concentration of a medium.

Die Bestimmung der Konzentration eines Analyten in einem Medium 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 Medium.The determination of the concentration of an analyte in a medium plays an important role in many industrial applications, for example in the chemical or pharmaceutical industry, in food technology, in biotechnology, but also in non-industrial analytical applications, for example in environmental measurement technology. For the determination of ion concentrations sensors are often used in the laboratory as well as in industrial process plants, which have a sensor element with an analyte-sensitive component. As an analyte-sensitive component, for example, an analyte-sensitive membrane comes into question. For example, the glass membrane of the known pH glass electrode is sensitive to the concentration of H + or H 3 O + ions in a medium.

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 Medium, in Kontakt steht. An der Grenzfläche zwischen der Isolatorschicht und dem Medium 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.Alternatively, the analyte-sensitive component can also be a semiconductor element, such as a device comprising an EIS structure, such as an ion-sensitive field effect transistor (ISFET) or a capacitor with an EIS structure, the capacitance of which depends on the concentration of the substance to be determined. The acronym "EIS" stands for the English technical term "electrolyte-insulator-semiconductor", which expresses that the sensor comprises a layer structure with at least one applied to a semiconductor layer or a semiconductor substrate insulator coating, in the measuring operation of Sensor with an electrolyte, namely the medium in contact. At the interface between the insulator layer and the medium, a voltage drop occurs. By suitable choice of the insulator coating, in particular by providing an analyte-sensitive coating on or as part of the insulator coating, the sensitivity of the sensor can be set such that the voltage drop can serve as a measure of the analyte concentration. For example, the voltage drop at the interface between a tantalum (V) oxide (Ta 2 O 5 ) layer and an aqueous measurement solution essentially depends on the pH of the measurement solution. By using other layer structures, EIS sensor elements can be formed, which are correspondingly sensitive to other ions. By immobilizing suitable detector structures, which may comprise eg enzymes on the EIS structure, it is also possible to measure by means of such a sensor concentrations of nonionic substances, for example glucose or penicillin.

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.The already mentioned ion-sensitive field effect transistor likewise comprises such an EIS structure. The transistor gate of the ISFET is formed in a pH-sensitive ISFET, for example, by a pH-sensitive insulator coating, which may comprise Ta 2 O 5 . The carrier density in the semiconductor channel between the source and the drain of the ISFET then depends on the pH of the medium in contact with the gate. In DE 198 57 953 A1 For example, a sensor for measuring ion concentrations or the pH of a liquid using an ISFET is described.

Derartige Sensoren mit analytsensitiver Komponente, insbesondere mit analytsensitiver Membran oder mit einer analytsensitiven Komponente auf Halbleiterbasis, 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 Medium 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 über einen Buskoppler mit einem Feldbus 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.Such sensors with analyte-sensitive component, in particular with an analyte-sensitive membrane or with an analyte-sensitive component based on semiconductors, are often designed as rod-shaped measuring probes comprising a housing immersible in a medium, in which the sensor element is arranged so that its analytsensitive component with the medium in Contact is coming. In this case, the contact elements for electrical contacting of the analyte-sensitive component, via which the sensor element is connected to a sensor electronics, and the sensor electronics themselves are arranged inside the housing in a protected manner. The measuring probe can be connectable via a cable or wirelessly to a higher-level unit, for example a measuring transducer or via a bus coupler to a fieldbus. The higher-level unit can supply the measuring probe with energy or receive and process measuring signals output by the sensor electronics or output signals to the sensor electronics.

In der 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 Medium geschützten Innenbereich des Sensors angeordnet sind. Das Andruckteil ist mit dem Sensorgehäuse durch eine mediumsdichte umlaufende Ultraschallschweißverbindung verbunden. Das Gehäuseinnere des Sensorgehäuses ist durch ein innerhalb des Gehäuses verlaufendes Innenrohr in einen Sensorinnenraum und einen Sensorzwischenraum aufgeteilt. Durch den Sensorinnenraum sind mit Kontaktelementen des ISFETs verbundene Anschlussdrähte zur Kontaktierung von Source und Drain des ISFET geführt. Der Sensorzwischenraum dient als Referenzelektrodenraum, d.h. er enthält einen Referenzelektrolyten, in den eine Referenzelektrode eintaucht. In einer Durchgangsbohrung durch eine den Sensorzwischenraum umgebenden, den Sensorschaft bildenden, Gehäusewand ist ein Diaphragma angeordnet, das als elektrochemische Überführung einen elektrischen Kontakt zwischen dem Referenzelektrolyten und einem das Sensorgehäuse umgebenden Medium dient. Das Diaphragma ist hier im vorderseitigen, d.h. am sensorelementseitigen Endbereich des stabförmigen Gehäuses angeordnet.In the EP 1 396 718 A1 a sensor with an ISFET is described as a sensor element. By means of a pressure element, the ISFET is pressed against an end face of a sensor housing with a rear surface facing away from its ion-sensitive surface area. The pressure member has a central opening which exposes the ion-sensitive surface area of the ISFET, whereas the source terminal and the drain terminal of the ISFET are arranged in an area of the sensor which is protected against access of medium. The pressure part is connected to the sensor housing by a medium-tight circumferential ultrasonic welding connection. The housing interior of the sensor housing is divided by a running inside the housing inner tube into a sensor interior and a sensor gap. Through the sensor interior connecting wires connected to contact elements of the ISFETs are guided for contacting the source and drain of the ISFET. The sensor gap serves as a reference electrode space, ie it contains a reference electrolyte into which a reference electrode is immersed. In a through hole through the sensor gap surrounding, the sensor shaft forming, housing wall is a diaphragm arranged, which serves as an electrochemical transfer, an electrical contact between the reference electrolyte and a surrounding the sensor housing medium. The diaphragm is here in the front, that is arranged on the sensor element end portion of the rod-shaped housing.

Wie erwähnt wird eine, etwa elastische Dichtung benötigt, die den Sensorinnenraum gegenüber dem Medium abdichtet. Für eine gute Dichtwirkung über den gesamten Anwendungsbereich ist es vorteilhaft, wenn die Chipdichtung mit einer definierten Andruckkraft dauerhaft verpresst ist, etwa durch ein federartiges Anpressteil.As mentioned, a, for example elastic seal is needed, which seals the sensor interior against the medium. For a good sealing effect over the entire field of application, it is advantageous if the chip seal is permanently compressed with a defined pressure force, for example by a spring-like pressing part.

Häufig wird bei ISFET-Sensoren für die Aufbau- und Verbindungstechnik auf ein Chip-on-Board-Konzept zurückgegriffen, welches das Ziel hat, die mechanische und elektrische Kontaktierung zu entkoppeln. Nachteilig bei bisherigen Lösungen ist jedoch, dass diese Konzepte die Freiheitsgrade bei der Konstruktion des Sensorgehäuses stark einschränken. Es wird ein langes starres Board verwendet welches eine Positionierung des Chips nur in axialer Richtung erlaubt. Ein weiteres Problem besteht in der exakten Positionierung des ISFET-Chips mittig zur Öffnung des Gehäuses (und damit zum Kontakt zum Medium) bei der Herstellung des Sensors. Der Chip muss dazu händisch im Sensorgehäuse ausgerichtet werden, damit er mittig zur Öffnung liegt. Zeitgleich muss diese Ausrichtung über die nachfolgenden Schritte beibehalten werden.Frequently, in ISFET sensors for packaging and packaging technology, a chip-on-board concept is used, which aims to decouple the mechanical and electrical contact. A disadvantage of previous solutions, however, is that these concepts severely limit the degrees of freedom in the design of the sensor housing. It is a long rigid board used which allows positioning of the chip only in the axial direction. Another problem is the exact positioning of the ISFET chip in the middle of the opening of the housing (and thus the contact with the medium) in the manufacture of the sensor. The chip must be manually aligned in the sensor housing so that it is centered to the opening. At the same time, this alignment must be maintained through the subsequent steps.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfacher zu fertigenden Sensor bereitzustellen.The invention has for its object to provide a sensor that is easier to manufacture.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Sensor umfassend: ein mit dem Medium in Kontakt stehendes Sensorelement mit einer analytsensitiven Oberfläche; eine Schutzhülse mit einer Sensorelementaufnahme und einer sich außen an der Schutzhülse angeordneten Führungsgeometrie; ein Gehäuse, das zumindest abschnittsweise vom Medium umgeben ist, mit einer, zur Führungsgeometrie komplementär ausgestalteten, Führungsnut, wobei die Führungsnut im Innern des Gehäuses angeordnet ist, wobei das Gehäuse eine Gehäusewand mit einer Öffnung umfasst, wobei die Führungsgeometrie entlang der Führungsnut in axialer Richtung des Gehäuses beweglich ist, und die analytsensitive Oberfläche die Öffnung verschließt, so dass die analytsensitive Oberfläche des Sensorelements mit dem Medium in Kontakt steht, und wobei die Führungsgeometrie in der Führungsnut um eine Querachse der Schutzhülse drehbar ist, so dass die analytsensitive Oberfläche des Sensorelements parallel zur Gehäusewand ausrichtbar ist.The object is achieved by a sensor comprising: a sensor element in contact with the medium with an analyte-sensitive surface; a protective sleeve with a sensor element receptacle and an outside of the protective sleeve arranged guide geometry; a housing which is surrounded at least in sections by the medium, with a guide groove designed to be complementary, guide groove, wherein the guide groove is disposed in the interior of the housing, wherein the housing comprises a housing wall with an opening, wherein the guide geometry along the guide groove in the axial direction the analytsensitive surface closes the opening so that the analytsensitive surface of the sensor element is in contact with the medium, and wherein the guide geometry in the guide groove is rotatable about a transverse axis of the protective sleeve so that the analytsensitive surface of the sensor element parallel can be aligned to the housing wall.

Für die Funktion des Sensors ist zum einen eine genaue Positionierung des Sensorelements mittig zur Öffnung wichtig. Zum anderen muss jedoch ebenso die Oberfläche des Sensorelements parallel zur Innenseite der vorderen Gehäusewand ausgerichtet werden. Eine Parallelitätsabweichung an dieser Stelle führt einerseits zu großen mechanischen Spannungen im Sensorelement und kann diesen zerstören. Andererseits führt dies zu einer Leckage an der Dichtung durch deren ungleichmäßige Verpressung. Beides hat den Ausfall des Sensors zur Folge. Wie oben erwähnt gewährleistet eine aus dem Stand der Technik bekannte ebene Führung des Chipträgers lediglich eine genaue Positionierung von Sensorelement zu Öffnung jedoch keinen Winkelausgleich.For the function of the sensor, on the one hand, an accurate positioning of the sensor element in the middle of the opening is important. On the other hand, however, the surface of the sensor element must also be aligned parallel to the inside of the front housing wall. On the one hand, a parallelism deviation at this point leads to large mechanical stresses in the sensor element and can destroy it. On the other hand, this leads to leakage at the seal by their non-uniform compression. Both result in the failure of the sensor. As mentioned above, a planar guide of the chip carrier known from the prior art only ensures accurate positioning from sensor element to opening, but no angle compensation.

Erfindungsgemäß ist die Führungsgeometrie an der Schutzhülse so ausgestaltet, dass die Führungsgeometrie in der Führungsnut um eine Querachse der Schutzhülse drehbar ist. Im Zusammenspiel mit der Führungsnut im Gehäuse wird damit sowohl eine lineare Führung von Schutzhülse samt Sensorelement in axialer Richtung erreicht, als auch zusätzlich die Möglichkeit einer Winkelbewegung um die Querachse der Schutzhülse realisiert.According to the invention, the guide geometry on the protective sleeve is designed such that the guide geometry in the guide groove can be rotated about a transverse axis of the protective sleeve. In interaction with the guide groove in the housing so that both a linear guide of protective sleeve together with the sensor element is achieved in the axial direction, as well as realized in addition the possibility of angular movement about the transverse axis of the protective sleeve.

Durch definierte Passgeometrie der Teile und Positionierung von Schutzhülse und Gehäuse ist gewährleistet, dass sich der sensitive Teil des Sensorelements exakt in der Mitte der Öffnung befindet. Dies sorgt für eine gleichmäßige und optimale Benetzung des sensitiven Chipbereichs.By defined fitting geometry of the parts and positioning of protective sleeve and housing ensures that the sensitive part of the sensor element is located exactly in the middle of the opening. This ensures a uniform and optimal wetting of the sensitive chip area.

In einer bevorzugten Weiterbildung ist die Führungsgeometrie auf der der Sensorelementaufnahme zugewandten Seite sichelförmig ausgestaltet, wobei dessen maximaler Außendurchmesser im Wesentlichen der Höhe der Führungsnut entspricht. Dadurch kann die Schutzhülse mit einem gewissen Winkel einfach um dessen Querachse innerhalb der Führungsnut drehen um so ein parallele Ausrichtung zur Öffnung zur realisieren.In a preferred embodiment, the guide geometry is configured sickle-shaped on the side facing the sensor element receptacle, wherein its maximum outer diameter substantially corresponds to the height of the guide groove. This allows the protective sleeve with a certain angle simply rotate about its transverse axis within the guide so as to realize a parallel orientation to the opening.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Sensorelement an einem Endbereich einer Leiterplatte angeordnet, wobei die Leiterplatte Leiterbahnen umfasst und das Sensorelement mit diesen Leiterbahnen elektrisch verbunden ist. Die Leiterplatte kann, insbesondere dann, wenn eine Starrflex-Leiterplatte verwendet wird, ideal um und in die Schutzhülse geführt werden, was eine einfache Fertigung ermöglicht. Zudem wird nur wenig Platz benötigt.In a further advantageous embodiment, the sensor element is arranged on an end region of a printed circuit board, wherein the printed circuit board comprises conductor tracks and the sensor element is electrically connected to these conductor tracks. The printed circuit board can, especially when a rigid flex circuit board is used, be ideally guided around and in the protective sleeve, which allows for easy production. In addition, only little space is needed.

In einer bevorzugten Weiterbildung ist die Leiterplatte länger als die Schutzhülse ausgestaltet, und mit einer dem Sensorelement gegenüberliegenden Endbereich des Sensors angeordneten Sensorschaltung verbunden. Dies ermöglicht eine einfache elektrische Kontaktierung der Referenzelektrode und des Sensorelements mit einer Sensorschaltung.In a preferred embodiment, the printed circuit board is designed to be longer than the protective sleeve, and connected to a sensor circuit arranged opposite the end region of the sensor. This allows a simple electrical contacting of the reference electrode and the sensor element with a sensor circuit.

Vorteilhafterweise ist das Sensorelement auf einer Starrflex-Leiterplatte angeordnet und das Sensorelement befindet sich auf dem starren Teil der Leiterplatte. Dadurch kann die Leiterplatte mäanderförmig um und in der Schützhülse geführt werden, was einen platzsparenden Aufbau ermöglicht. Zudem wird der Aufbau modularisiert, was zu einem einfachen Aufbau beiträgt. Advantageously, the sensor element is arranged on a rigid-flex circuit board and the sensor element is located on the rigid part of the circuit board. As a result, the printed circuit board can be guided meander-shaped around and in the contact sleeve, which allows a space-saving design. In addition, the structure is modularized, which contributes to a simple structure.

In einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die Leiterplatte an seinem Endbereich das Sensorelement in axialer Richtung der Leiterplatte überragende erste Rastelemente, insbesondere eine sich an einem Steg befindende erste Rastnase mit einer Positionierfläche, wobei die Sensorelementaufnahme zu den ersten Rastelementen komplementär ausgestaltete zweite Rastelemente, insbesondere eine überkragende Nase mit einer Rast- und Zentrierfläche, umfasst, und wobei zur Positionierung des Sensorelements auf der Sensorelementaufnahme erste und zweite Rastelemente ineinander rasten, insbesondere umschließt die erste Rastnase die überkragende Nase, so dass Positionierfläche und Rast- und Zentrierfläche bündig angeordnet sind. Die überkragende Nase verhindert ein Aufspringen der Leiterplatte beim weiteren Verlegen der Leiterplatte. Dadurch kann die Leiterplatte auf einfache Art und Weise an der Schutzhülse angebracht werden. Die Verbindung ist lösbar und dennoch fest.In a preferred embodiment, the printed circuit board at its end region comprises the first sensor element in the axial direction of the circuit board superior latching elements, in particular a located on a web first latch with a positioning surface, wherein the sensor element receiving complementary to the first latching elements second latching elements, in particular a cantilevered nose with a latching and centering surface, and wherein for positioning the sensor element on the sensor element receiving first and second latching elements engage each other, in particular the first latching nose enclosing the overhanging nose, so that positioning surface and locking and centering surface are arranged flush. The overhanging nose prevents the circuit board from popping up when the printed circuit board is laid. As a result, the circuit board can be easily attached to the protective sleeve. The connection is detachable and yet firm.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Schutzhülse ein Dach, wobei die Höhe des Dachs maximal der Höhe von Leiterplatte und Sensorelement entspricht, und wobei der Abstand von Dach zur überkragenden Nase im Wesentlichen der Länge des Sensorelements entspricht. Dies sorgt für einen optimalen Halt der Leiterplatte bzw. des Sensorelements in der Schutzhülse.In an advantageous embodiment, the protective sleeve comprises a roof, wherein the height of the roof maximally corresponds to the height of the printed circuit board and sensor element, and wherein the distance from the roof to the overhanging nose substantially corresponds to the length of the sensor element. This ensures optimum retention of the printed circuit board or of the sensor element in the protective sleeve.

In einer bevorzugten Weiterbildung ist die Schutzhülse mehrteilig mit einem Chipträger und einem Referenzschutz ausgebildet, wobei der Chipträger die Sensorelementaufnahme umfasst und das Sensorelement aufnimmt. Dadurch ergeben sich ein modularer Aufbau und eine einfache Fertigung. Die Leiterplatte samt Referenzelektrode kann durch den Referenzschutz gefädelt und am Chipträger angebracht werden.In a preferred embodiment, the protective sleeve is designed in several parts with a chip carrier and a reference protection, wherein the chip carrier comprises the sensor element receptacle and receives the sensor element. This results in a modular design and a simple production. The printed circuit board together with the reference electrode can be threaded through the reference protection and attached to the chip carrier.

Vorteilhafterweise umfasst der Chipträger die Führungsgeometrie und die Führungsgeometrie umfasst auf der der Sensorelementaufnahme abgewandten Seite eine axial angeordnete Öffnung mit einer Rastung, wobei der Referenzschutz eine zur Rastung komplementär ausgestaltete und axial angeordnete zweite Rastnase umfasst, wodurch Chipträger und Referenzschutz lösbar verbindbar, insbesondere ineinander einrastbar sind. Dies stellt eine einfache Art der Verbindung dar, die festen Halt gewährleistet und dennoch wieder lösbar ist.Advantageously, the chip carrier comprises the guide geometry and the guide geometry comprises on the side facing away from the sensor element receiving an axially disposed opening with a detent, wherein the reference protection comprises a detent complementarily configured and axially arranged second detent, whereby the chip carrier and reference protection releasably connectable, in particular are latched into each other , This represents a simple type of connection that ensures firm hold and yet is releasable again.

Bevorzugt umfasst der Referenzschutz eine Linearführung, mit der die Schutzhülse in axialer Richtung im Gehäuse bewegbar ist. Somit kann eine optimale Positionierung des Sensorelements an der Öffnung zum Medium gewährleistet werden.Preferably, the reference protection comprises a linear guide, with which the protective sleeve is movable in the axial direction in the housing. Thus, an optimal positioning of the sensor element at the opening to the medium can be ensured.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Gehäuse an der der Öffnung der Gehäusewand gegenüberliegenden Seite eine erste Befestigungsvorrichtung, wobei der Referenzschutz zumindest eine zweite Befestigungsvorrichtung umfasst, wobei die erste und zweite Befestigungsvorrichtung ineinander, insbesondere federartig, einrasten, wodurch die Schutzhülse mit dem Gehäuse lösbar verbindbar ist, so dass die analytsensitive Oberfläche des Sensorelements gegen die Gehäusewand des Gehäuses drückt. Chipträger und Referenzschutz sind somit miteinander verbunden, wobei auch ein Lösen noch möglich ist.In a further advantageous embodiment, the housing comprises at the opening of the housing wall opposite side a first fastening device, wherein the reference protection comprises at least a second fastening device, wherein the first and second fastening device into each other, in particular spring-like, engage, whereby the protective sleeve releasably connectable to the housing is, so that the analytsensitive surface of the sensor element presses against the housing wall of the housing. Chip carrier and reference protection are thus connected to each other, with a release is still possible.

In einer bevorzugten Weiterbildung ist die Leiterplatte mäanderförmig von der Sensorelementaufnahme über das Dach in den Referenzschutz geführt, was einen platzsparenden Aufbau ermöglicht. Zudem erlaubt erst der Mäander die Positionierung des Temperaturfühlers am Chip und damit nahe am Prozessmedium (schnelle Reaktion auf Temperaturänderung). Außerdem wird der Aufbau modularisiert, was zu einem einfachen Aufbau beiträgt.In a preferred embodiment, the printed circuit board is meander-shaped guided by the sensor element recording on the roof in the reference protection, which allows a space-saving design. In addition, only the meander allows the positioning of the temperature sensor on the chip and thus close to the process medium (rapid response to temperature change). In addition, the structure is modularized, which contributes to a simple structure.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Gehäuse einen Gehäuseinnenraum, der mit einem ersten Elektrolyten gefüllt ist, wobei innerhalb der den Gehäuseinnenraum begrenzenden Gehäusewand eine Überführung zwischen dem Medium und dem ersten Elektrolyten angeordnet ist.In an advantageous embodiment, the housing comprises a housing interior, which is filled with a first electrolyte, wherein a transfer between the medium and the first electrolyte is disposed within the housing wall bounding the housing interior.

In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst das analytsensitive Sensorelement ein Halbleitersubstrat und eine auf dem Halbleitersubstrat aufgebrachte Beschichtung, deren mit dem Medium in Kontakt stehende Oberfläche den analytsensitiven Bereich des Sensorelements bildet.In an advantageous embodiment, the analyte-sensitive sensor element comprises a semiconductor substrate and a coating applied to the semiconductor substrate whose surface in contact with the medium forms the analyte-sensitive region of the sensor element.

In einer bevorzugten Weiterbildung ist die Beschichtung Teil einer EIS-Struktur, insbesondere eines ionensensitiven Feldeffekttransistors (ISFET).In a preferred development, the coating is part of an EIS structure, in particular of an ion-sensitive field-effect transistor (ISFET).

In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind der erste und zweite Elektrolyt chemisch gleich, was eine einfache Handhabung bei der Fertigung erlaubt.In an advantageous embodiment, the first and second electrolyte are chemically the same, which allows easy handling during production.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Gehäuse mehrteilig mit einem Sensorschaft und einem Chipgehäuse ausgestaltet, wobei das Chipgehäuse die Gehäusewand und die Führungsnut umfasst, insbesondere umfasst das Chipgehäuse die erste Befestigungsvorrichtung. Dies führt zu einem modularen Aufbau mit einer einfachen Fertigung.In a preferred embodiment, the housing is designed in several parts with a sensor shaft and a chip housing, wherein the chip housing comprises the housing wall and the guide groove, in particular the chip housing comprises the first fastening device. This leads to a modular construction with a simple production.

Bevorzugt umfasst die Leiterplatte eine Referenzelektrode und die Referenzelektrode ist mit den Leiterbahnen der Leiterplatte verbunden, wobei die Leiterplatte ins Innere der Schutzhülse, insbesondere in den Referenzschutz, geführt ist. Preferably, the circuit board comprises a reference electrode and the reference electrode is connected to the conductor tracks of the circuit board, wherein the circuit board is guided inside the protective sleeve, in particular in the reference protection.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der sensorelementaufnahmeseitige Endbereich der Schutzhülse bis zu einem Vergussendbereich verschlossen, insbesondere vergossen ist, so dass erster Elektrolyt nicht ins Innere der Schutzhülse gelangen kann, wobei die Schutzhülse mit einem zweiten Elektrolyten gefüllt ist, die Schutzhülse in seinem Innern die Leiterplatte samt Referenzelektrode umfasst und diese zumindest abschnittsweise in den zweiten Elektrolyten eintaucht.In an advantageous embodiment of the sensor element receiving side end portion of the protective sleeve is sealed to a Vergussendbereich, in particular potted, so that the first electrolyte can not get inside the protective sleeve, wherein the protective sleeve is filled with a second electrolyte, the protective sleeve in its interior, the circuit board together Includes reference electrode and this at least partially immersed in the second electrolyte.

Ein Verfahren zur Herstellung eines wie oben stehend beschriebenen Sensors umfasst etwa die Schritte: Bereitstellen einer Leiterplatte, insbesondere einer Starrflex-Leiterplatte, umfassend ein Sensorelement mit einer analytsensitiven Oberfläche und eine Referenzelektrode; wobei die Leiterplatte Leiterbahnen umfasst und das Sensorelement und die Referenzelektrode mit diesen Leiterbahnen elektrisch verbunden ist; Einbringen der Leiterplatte in eine Schutzhülse; Bereitstellen eines Gehäuses mit einem Gehäuseinnenraum; wobei das Gehäuse zumindest abschnittsweise vom Medium umgeben ist; wobei der Gehäuseinnenraum mit einem ersten Elektrolyten gefüllt ist, wobei innerhalb einer den Gehäuseinnenraum begrenzenden Gehäusewand eine Überführung zwischen dem Medium und dem ersten Elektrolyten angeordnet ist; und Einbringen der Schutzhülse in das Gehäuse, so dass die analytsensitive Oberfläche des Sensorelements gegen die Gehäusewand des Gehäuses drückt, wobei die analytsensitive Oberfläche eine Öffnung der Gehäusewand verschließt, so dass die analytsensitive Oberfläche des Sensorelements mit dem Medium in Kontakt steht, wobei der erste Endbereich der Schutzhülse verschlossen ist, so dass erster Elektrolyt nicht ins Innere der Schutzhülse gelangen kann, wobei die Schutzhülse mit einem zweiten Elektrolyten gefüllt ist, die Schutzhülse in seinem Innern eine Referenzelektrode umfasst und diese in den zweiten Elektrolyten eintaucht.A method for producing a sensor as described above comprises the following steps: providing a printed circuit board, in particular a rigid-flex printed circuit board, comprising a sensor element with an analyte-sensitive surface and a reference electrode; wherein the circuit board comprises conductor tracks and the sensor element and the reference electrode is electrically connected to these conductor tracks; Inserting the printed circuit board in a protective sleeve; Providing a housing having a housing interior; wherein the housing is at least partially surrounded by the medium; wherein the housing interior is filled with a first electrolyte, wherein a transfer between the medium and the first electrolyte is disposed within a housing wall bounding the housing interior; and introducing the protective sleeve into the housing, so that the analytsensitive surface of the sensor element presses against the housing wall of the housing, wherein the analytsensitive surface closes an opening of the housing wall, so that the analytsensitive surface of the sensor element is in contact with the medium, wherein the first end region the protective sleeve is closed, so that the first electrolyte can not get inside the protective sleeve, wherein the protective sleeve is filled with a second electrolyte, the protective sleeve comprises in its interior a reference electrode and immersed in the second electrolyte.

Bevorzugt umfasst das Einbringen der Leiterplatte in die Schutzhülse die Schritte: Bereitstellen einer mehrteiligen Schutzhülse mit einem Chipträger und einem Referenzschutz, wobei der Referenzschutz mit dem zweitem Elektrolyt gefüllt ist und die Referenzelektrode umfasst; Einführen der Leiterplatte in den Referenzschutz; Anbringen des Sensorelements in den Chipträger; und Verbinden, insbesondere ineinander einrasten, des Chipträgers mit dem Referenzschutz.The introduction of the printed circuit board into the protective sleeve preferably comprises the steps of: providing a multi-part protective sleeve with a chip carrier and a reference protection, wherein the reference protection is filled with the second electrolyte and comprises the reference electrode; Inserting the PCB into the reference protection; Attaching the sensor element in the chip carrier; and connecting, in particular snap into each other, the chip carrier with the reference protection.

Bevorzugt umfasst das Einbringen der Schutzhülse in das Gehäuse die Schritte: Bereitstellen eines mehrteiligen Gehäuses mit einem Sensorschaft und einem Chipgehäuse, wobei das Chipgehäuse die Überführung umfasst; Verbinden, insbesondere ineinander einrasten, das Chipgehäuses mit dem Referenzschutz.Preferably, the introduction of the protective sleeve into the housing comprises the steps of: providing a multi-part housing with a sensor shaft and a chip housing, wherein the chip housing comprises the transfer; Connect, in particular snap into each other, the chip housing with the reference protection.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Einbringen der Schutzhülse weiter den Schritt: Vergießen des Chipgehäuses bis zu einem Vergussendbereich, wobei die Referenzelektrode längs der Leiterplatte angeordnet ist und einem dem Sensorelement zugewandten Kontaktabschnitt und einem dem Sensorelement abgewandten freien Abschnitt umfasst, wobei die Referenzelektrode am Kontaktabschnitt mit der Leiterplatte verbunden ist und der Vergussendbereich den Übergang von Kontaktabschnitt und freiem Abschnitt darstellt.In an advantageous embodiment, the introduction of the protective sleeve further comprises the step: potting the chip housing to a Vergussendbereich, wherein the reference electrode is disposed along the circuit board and a sensor element facing the contact portion and a sensor element facing away from the free portion, wherein the reference electrode at the contact portion with the circuit board is connected and the Vergussendbereich represents the transition of the contact portion and free portion.

Bevorzugt wird der Referenzschutz mit einer Kappe verschlossen.Preferably, the reference protection is closed with a cap.

Weiter umfasst das Verfahren die Schritte: Anbringen des Sensorschafts auf das Chipgehäuse; und Befüllen des Referenzschutzes und/oder des Gehäuseinnenraums des Gehäuses des Sensors mit einem ersten Elektrolyt oder mit einem ersten und zweiten Elektrolyt.The method further comprises the steps of: attaching the sensor shaft to the chip housing; and filling the reference protection and / or the housing interior of the housing of the sensor with a first electrolyte or with a first and second electrolyte.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigenThe invention will be explained in more detail with reference to the following figures. Show it

1 einen erfindungsgemäßen Sensor im Querschnitt in einer Übersichtsdarstellung, 1 a sensor according to the invention in cross section in an overview,

2 eine Leiterplatte umfassend das Sensorelement und die Referenzelektrode, 2 a printed circuit board comprising the sensor element and the reference electrode,

3 der starre Teil der Leiterplatte in einer Detailansicht mit Sensorelement, 3 the rigid part of the printed circuit board in a detail view with sensor element,

4 ein Chipträger, 4 a chip carrier,

5 ein Chipträger mit montierter Leiterplatte samt Sensorelement, 5 a chip carrier with mounted circuit board including sensor element,

6 ein Gehäuse im Querschnitt, 6 a housing in cross-section,

7 ein Chipgehäuse in einer Übersichtsdarstellung, 7 a chip housing in an overview,

8a/b/c ein Referenzschutz mit und ohne Leiterplatte samt Sensorelement und sowie inklusive Kappe, und 8a / b / c a reference protection with and without circuit board including sensor element and as well as cap, and

9 ein Endabschnitt des erfindungsgemäßen Sensors im Querschnitt. 9 an end portion of the sensor according to the invention in cross section.

In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. In the figures, the same features are identified by the same reference numerals.

1 zeigt eine schematische Längsschnittdarstellung eines elektrochemischen Sensors 1 zur Messung eines pH-Werts eines Mediums 100. Als analytsensitives Sensorelement 2 umfasst der hier dargestellte Sensor 1 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, sowie auf Sensoren mit einer analytsensitiven Membran, insbesondere mit einer pH-sensitiven Glasmembran, übertragbar. 1 shows a schematic longitudinal sectional view of an electrochemical sensor 1 for measuring a pH of a medium 100 , As an analyte-sensitive sensor element 2 includes the sensor shown here 1 an ion-sensitive field effect transistor (ISFET). Although the invention will be described in the following with reference to a pH sensor with a pH-sensitive ISFET as the sensor element, the invention is, of course, based on sensors with other sensor elements, in particular sensor elements comprising ISFETs or ChemFETs or other EIS structures, as well as sensors with one analyte-sensitive membrane, in particular with a pH-sensitive glass membrane, transferable.

Der Sensor 1 weist ein Gehäuse 3 auf, das einen zylindrischen Sensorkörper und ein diesen rückseitig verschließendes Elektronikgehäuseteil 5 umfasst. Im vorliegenden Beispiel ist der Sensorkörper aus zwei Gehäuseteilen, nämlich einem rohrförmigen Sensorschaft 4 und einer den Sensorschaft 4 an seinem vorderen Ende verschließenden Chipgehäuse 6 gebildet. Der Sensorschaft 4 ist fest mit dem 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 kann aus einem nicht elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise Glas oder Kunststoff bestehen. Im vorliegenden Beispiel besteht der Sensorkörper aus Polyetheretherketon (PEEK).The sensor 1 has a housing 3 on, which has a cylindrical sensor body and a rear side closing this electronics housing part 5 includes. In the present example, the sensor body of two housing parts, namely a tubular sensor shaft 4 and one the sensor shaft 4 at its front end occlusive chip housing 6 educated. The sensor shaft 4 is fixed to the electronics housing part 5 connected, which on the back of the sensor shaft 4 is attached and closes it in the manner of a cap. The electronics housing part 5 consists for example of an electrically non-conductive plastic. Also, the sensor body may consist of a non-electrically conductive material, such as glass or plastic. In the present example, the sensor body is made of polyetheretherketone (PEEK).

Im vorderen Endabschnitt des Sensors 1 ist das Sensorelement 2 derart angeordnet, dass ein pH-sensitiver Oberflächenbereich des Sensorelements 2 durch Eintauchen des vorderen Endabschnitts des Sensorkörpers in eine Messflüssigkeit mit dieser zur Messung des pH-Werts in Kontakt gebracht werden kann. Das Sensorelement 2 hierzu mit seiner Vorderfläche über ein elastisches Dichtelement 7 gegen eine stirnseitige Gehäusewand 8 angedrückt, die eine den pH-sensitiven Oberflächenbereich des Sensorelements 2 freilassende Öffnung 9 aufweist.In the front end portion of the sensor 1 is the sensor element 2 arranged such that a pH-sensitive surface area of the sensor element 2 by immersing the front end portion of the sensor body in a measuring liquid with this for measuring the pH value can be brought into contact. The sensor element 2 this with its front surface via an elastic sealing element 7 against a frontal housing wall 8th pressed, the one the pH-sensitive surface area of the sensor element 2 free opening 9 having.

Das Sensorelement 2 wird mittels einer an seiner von dem pH-sensitiven Oberflächenbereich abgewandten Rückseite angreifenden, Schutzhülse 10 gegen das elastische Dichtelement 7 angedrückt. Darauf wird später noch detaillierter eingegangen.The sensor element 2 becomes by means of one on its side facing away from the pH-sensitive surface area rear protective sleeve 10 against the elastic sealing element 7 pressed. This will be discussed in more detail later.

Im vorliegenden Beispiel ist das Sensorelement 2 mittels Leiterbahnen einer Leiterplatte 12, insbesondere einer Starrflex-Leiterplatte mit einem starren Teil 12a und einem flexiblen Teil 12b, 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 mittels eines Flachbandkabels mit der Sensorschaltung verbunden sein.In the present example, the sensor element 2 by means of printed conductors of a printed circuit board 12 , in particular a rigid flex circuit board with a rigid part 12a and a flexible part 12b , with one inside the electronics housing part 5 arranged sensor circuit 15 connected. In alternative embodiments, the sensor element 2 but also by means of a conventional cable connection, which comprises one or more at least over a part of its longitudinal extent by means of a sheath of a non-electrically conductive material insulated wires, be connected to the sensor circuit. For example, the sensor element can be connected to the sensor circuit by means of a ribbon cable.

Auf der flexiblen Leiterplatte 12 ist außerdem eine Referenzelektrode 13 angeordnet, die aus einem abschnittsweise mit einem elektrisch isolierenden Material, z.B. PEEK, ummantelten Silberdraht gebildet ist. An einem Ende weist der Silberdraht eine Silberchloridbeschichtung 14 auf. An seinem anderen Ende, vorteilhafterweise seinem sensorelementseitigen Ende, ist der Silberdraht, beispielsweise mittels einer Lötverbindung, leitfähig mit einer weiteren Leiterbahn der flexiblen Leiterplatte 12 verbunden, die den Silberdraht mit der Sensorschaltung 15 verbindet. Die Leiterplatte 12 dient zur Verbindung sowohl des Sensorelements 2 als auch der Referenzelektrode 14 mit der Sensorschaltung 15.On the flexible circuit board 12 is also a reference electrode 13 arranged, which is formed from a sectionally covered with an electrically insulating material, such as PEEK, silver wire. At one end, the silver wire has a silver chloride coating 14 on. At its other end, advantageously its sensor element end, the silver wire, for example by means of a solder joint, conductive with another trace of the flexible circuit board 12 connected to the silver wire with the sensor circuit 15 combines. The circuit board 12 serves to connect both the sensor element 2 as well as the reference electrode 14 with the sensor circuit 15 ,

In einem vorderseitigen Bereich, vorzugsweise möglichst nah an dem Sensorelement 2 und der Referenzelektrode 13, ist auf der flexiblen Leiterplatte 12 zusätzlich ein Temperatursensor 17 angeordnet, der mit einer weiteren Leiterbahn der flexiblen Leiterplatte 12 verbunden ist. Der Temperatursensor 17 kann beispielsweise einen temperaturabhängigen Widerstand umfassen. Die weitere Leiterbahn ist wie die potentialableitende Leiterbahn der Referenzelektrode 13 und die mit dem Sensorelement 2 verbundenen Leiterbahnen mit der Sensorschaltung 15 verbunden, die die von dem Temperatursensor 17 zur Verfügung gestellten Signale erfasst und verarbeitet.In a front area, preferably as close as possible to the sensor element 2 and the reference electrode 13 , is on the flexible circuit board 12 in addition a temperature sensor 17 arranged with another trace of the flexible printed circuit board 12 connected is. The temperature sensor 17 may include, for example, a temperature-dependent resistor. The further trace is like the potential-diverting trace of the reference electrode 13 and those with the sensor element 2 connected interconnects with the sensor circuit 15 connected to that of the temperature sensor 17 detected signals are processed and processed.

Im rückseitigen Bereich des Sensorschafts 4 ist eine weitere Dichtung 22 angeordnet, die etwa durch zwei elastische, aneinander anliegende Dichtelemente gebildet ist. Die Dichtelemente füllen den Querschnitt des Sensorschafts 4 aus und stützten sich gegen dessen Wand ab, so dass die flexible Leiterplatte, die vom Gehäuseinnenraum 11 in den Elektronikgehäuseteil 5 führt, zwischen zwei aneinander liegenden Dichtflächen der Dichtelemente eingespannt ist. Der Elektronikgehäuseteil 5 umfasst die Sensorschaltung 15. Auf diese Weise ist die Sensorschaltung 15 gegenüber dem elektrolytgefüllten Gehäuseinnenraum 11 flüssigkeitsdicht abgeschlossen, so dass der erste und der zweite Elektrolyt 31, 32 (zweiter Elektrolyt 32 siehe unten) nicht in das Elektronikgehäuseteil 5 eindringen können. Der Elektronikgehäuseteil 5 kann mit einer Vergussmasse, z.B. einem Epoxidharz, gefüllt sein. Insbesondere kann die Sensorschaltung 15 vergossen sein.In the back area of the sensor shaft 4 is another seal 22 arranged, which is formed approximately by two elastic, abutting sealing elements. The sealing elements fill the cross section of the sensor shaft 4 from and supported against its wall, leaving the flexible circuit board, the interior of the housing 11 in the electronics housing part 5 leads, is clamped between two adjacent sealing surfaces of the sealing elements. The electronics housing part 5 includes the sensor circuit 15 , This is the sensor circuit 15 opposite the electrolyte-filled housing interior 11 sealed liquid-tight, so that the first and the second electrolyte 31 . 32 (second electrolyte 32 see below) not in the electronics housing part 5 can penetrate. The electronics housing part 5 can be filled with a potting compound, such as an epoxy resin. In particular, the sensor circuit 15 to be shed.

Im hier gezeigten Beispiel ist die Sensorschaltung 15 auf einer sensorseitigen starren Leiterplatte 39 angeordnet. Die mit den Kontaktelementen des Sensorelements 2 und der Referenzelektrode 13 verbundenen Leiterbahnen der flexiblen Leiterplatte 12 sind mit zugehörigen Anschlüssen der Sensorschaltung 15 verbunden. Zur weiteren Vereinfachung der Fertigung des Sensors 1 sind die Anschlussbilder der flexiblen Leiterplatte 12 und der starren Leiterplatte 39 aufeinander abgestimmt. In the example shown here is the sensor circuit 15 on a sensor-side rigid circuit board 39 arranged. The with the contact elements of the sensor element 2 and the reference electrode 13 connected interconnects of the flexible printed circuit board 12 are with associated terminals of the sensor circuit 15 connected. To further simplify the manufacture of the sensor 1 are the connection diagrams of the flexible printed circuit board 12 and the rigid circuit board 39 coordinated.

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 Sensorschaltung 15 im hier gezeigten Beispiel eine in einen mechanischen Sensorsteckkopf integrierte Schnittstelle zum Empfangen und Senden von Daten an eine übergeordnete Einheit (nicht dargestellt). 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 33 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. Selbstverständlich kann die Schnittstelle auch galvanische Kontakte zur elektrisch leitenden Kontaktierung eines komplementären Gegenstücks umfassen. Bei der übergeordneten Einheit kann es sich beispielsweise um einen Messumformer, einen herkömmlichen Computer oder einen Feldbus handeln.The sensor circuit 15 comprises, in addition to means for further processing of the measurement signals, in particular for their amplification and digitization, a memory for storing sensor data and / or measured values. In addition, the sensor circuit includes 15 in the example shown here, an interface integrated in a mechanical sensor plug-in head for receiving and transmitting data to a higher-level unit (not shown). The sensor 1 can also be powered via the interface through the parent unit with energy. In the example shown here, the interface is an inductive interface with a coil 33 designed. This interface may be connected to a complementary jack (not shown) comprising a second coil around the sensor 1 to connect with the parent unit. Of course, the interface may also include galvanic contacts for electrically conductive contacting a complementary complementary piece. The higher-level unit may be, for example, a transmitter, a conventional computer or a fieldbus.

2 zeigt eine Leiterplatte 12. Wie erwähnt umfasst die Leiterplatte 12 das Sensorelement 2 in einem ersten Endbereich 12a. Die Leiterplatte 12 umfasst weiter einen Temperatursensor 17 und die Bezugselektrode 13 mit einer Silberchloridbeschichtung 14. Sowohl Sensorelement 2, als auch der Temperatursensor 17 und die Bezugselektrode 13 sind mit der Leiterplatte 12 elektrisch verbunden. Leiterbahnen 16 führen die jeweiligen Signale zu der Sensorschaltung 15. 2 shows a circuit board 12 , As mentioned, the circuit board includes 12 the sensor element 2 in a first end area 12a , The circuit board 12 further includes a temperature sensor 17 and the reference electrode 13 with a silver chloride coating 14 , Both sensor element 2 , as well as the temperature sensor 17 and the reference electrode 13 are with the circuit board 12 electrically connected. conductor tracks 16 lead the respective signals to the sensor circuit 15 ,

Im Folgenden soll auf das Sensorelement 2 und insbesondere auf dessen Befestigung und Anordnung eingegangen werden.The following is intended to the sensor element 2 and in particular to its attachment and arrangement.

Das Sensorelement 2 ist auf der Leiterplatte 12 angeordnet, beispielsweise geklebt. Die Leiterplatte 12 ist als Starrflex-Leiterplatte ausgestaltet und das Sensorelement 2 ist auf dem starren Teil 12a der Leiterplatte 12 angeordnet.The sensor element 2 is on the circuit board 12 arranged, for example, glued. The circuit board 12 is configured as a rigid flex circuit board and the sensor element 2 is on the rigid part 12a the circuit board 12 arranged.

Die Montage des Sensorelements 2 wird etwa mittels einer Chip-on-Board-Technologie und der bereits angesprochenen Starrflex-Leiterplatte realisiert, siehe dazu etwa 3. Die Abmaße des starren Teils 12a der Leiterplatte 12 entsprechen im Wesentlichen denen des Sensorelements 12. Die elektrische Kontaktierung erfolgt per Drahtbonden (Aluminium- oder Golddraht), welche darüber hinaus mit einem Passivierungsmaterial 41 vor Beschädigungen beim Handling der Leiterplatte 12 geschützt werden. Die Passivierung 41 selbst ragt in der Höhe nicht über das Sensorelement 12 hinaus.The mounting of the sensor element 2 is realized by means of chip-on-board technology and the previously mentioned rigid-flex circuit board, see for example 3 , The dimensions of the rigid part 12a the circuit board 12 essentially correspond to those of the sensor element 12 , The electrical contact is made by wire bonding (aluminum or gold wire), which also has a passivation material 41 from damage during handling of the printed circuit board 12 to be protected. The passivation 41 itself does not protrude above the sensor element in height 12 out.

Als Substrat, d.h. als starren Teil 12a der Leiterplatte, wird etwa ein Glasfaser/Epoxy-Gemisch verwendet, welches nahtlos in den flexiblen Leiterplattenteil 12b übergeht. Ein anderes Substratmaterial ist möglich, sofern man mit diesem die elektrische Verbindung zur Auswerteelektronik verbinden kann (z.B. durch Anlöten eines Folienkabels/Flachbandkabels).As a substrate, ie as a rigid part 12a For example, the printed circuit board uses a glass fiber / epoxy mixture that fits seamlessly into the flexible circuit board part 12b passes. Another substrate material is possible, if one can connect with this the electrical connection to the transmitter (eg by soldering a foil cable / ribbon cable).

Die Rastnasen 42 am Substrat 12a dienen sowohl als Montagehilfe in der Fertigung als auch gleichzeitig zur definierten Positionierung der Leiterplatte 12 auf dem Chipträger 18. Die überkragenden Nasen 42 am Chipträger 18 verhindern im Zusammenspiel mit den Stegen 43 ein Abheben des Sensorelements 2 bei der Montage durch die Biegekräfte der Leiterplatte 12, während die Rastnasen 42 zusätzlich ein Zurückziehen der Leiterplatte 12 beim Biegevorgang verhindern. Die oben angesprochene Schutzhülse 10 ist zweiteilig ausgestaltet, umfassend einen Chipträger 18 und einen Referenzschutz 19. Der Chipträger 18 ohne angebrachte Leiterplatte 12 ist in 4 dargestellt. Man erkennt die Sensorelementaufnahme 48 zur Aufnahme des Sensorelements 2. Der Chipträger 18 umfasst entsprechende überkragende Rastnasen 42 und einen Überhang 23, indem die Leiterplatte 12, bzw. dessen starrer Teil 12a umfassend das Sensorelement 2, eingerastet werden kann. Wie angesprochen umfasst der starre Teil 12a seinerseits dazu an seinem dem flexiblen Teil 12b abgewandten Endbereich den Rastnasen 22 komplementär ausgestaltete überkragende Nasen 42 samt entsprechenden Stegen 43 und einer entsprechenden Positionierfläche 44. Der flexible Teil 12b wird um den Chipträger 18 herum geführt. Der Chipträger 18 umfasst dazu eine entsprechende Führung 38. 5 zeigt wie die Leiterplatte 12 samt dem Sensorelement 2 in den Chipträger 18 eingelegt ist. Der Chipträger 18 umfasst auch eine Haltevorrichtung 25, in den der zweite Teil der Schutzhülse 10, nämlich der Referenzschutz 19 eingelegt, bzw. eingerastet wird, siehe dazu auch 8a–c. Der Referenzschutz 19 umfasst eine zur Haltevorrichtung 25 des Chipträgers 18 komplementär ausgestaltete Haltevorrichtung 26.The locking lugs 42 on the substrate 12a serve both as an assembly aid in production and at the same time for defined positioning of the printed circuit board 12 on the chip carrier 18 , The overhanging noses 42 on the chip carrier 18 prevent in interaction with the webs 43 a lifting of the sensor element 2 during assembly by the bending forces of the circuit board 12 while the locking lugs 42 in addition, a retraction of the circuit board 12 prevent bending. The above-mentioned protective sleeve 10 is designed in two parts, comprising a chip carrier 18 and a reference protection 19 , The chip carrier 18 without attached circuit board 12 is in 4 shown. You can see the sensor element holder 48 for receiving the sensor element 2 , The chip carrier 18 includes corresponding overhanging locking lugs 42 and an overhang 23 by removing the circuit board 12 , or its rigid part 12a comprising the sensor element 2 , can be engaged. As mentioned, the rigid part includes 12a in turn, at its flexible part 12b remote end region of the locking lugs 22 complementarily designed overhanging noses 42 including corresponding bars 43 and a corresponding positioning surface 44 , The flexible part 12b gets to the chip carrier 18 guided around. The chip carrier 18 includes a corresponding leadership 38 , 5 shows like the circuit board 12 including the sensor element 2 in the chip carrier 18 is inserted. The chip carrier 18 also includes a holding device 25 , in the second part of the protective sleeve 10 namely, the reference protection 19 inserted, or is engaged, see also 8a c. The reference protection 19 includes one to the holding device 25 of the chip carrier 18 complementary configured holding device 26 ,

Durch die mäanderförmige Verlegung des flexiblen Teil 12b der Leiterplatte 12 (siehe 5 und 9 als Darstellung im Querschnitt), befinden sich das Sensorelement 2, Temperatursensor 17 und der Referenzelektrode 13 nahe beieinander, was eine genaue Temperaturkompensation des Sensorelements 2 und der Referenzelektrode 13 ermöglicht. Dies ist vorteilhaft, da eine Minimierung des Temperaturgradienten zwischen Sensorelement 2, Temperatursensor 17 und Referenzelektrode 13 entscheidend ist für die Messgenauigkeit.Due to the meandering laying of the flexible part 12b the circuit board 12 (please refer 5 and 9 as a representation in cross-section), are the sensor element 2 , Temperature sensor 17 and the reference electrode 13 close to each other, what a precise temperature compensation of the sensor element 2 and the reference electrode 13 allows. This is advantageous because a minimization of the temperature gradient between the sensor element 2 , Temperature sensor 17 and reference electrode 13 decisive for the measuring accuracy.

Für die Funktion des Sensors 1 ist zum einen eine genaue Positionierung des Sensorelements 2 mittig zur Öffnung 9 wichtig. Zum anderen muss jedoch ebenso die Oberfläche des Sensorelements 2 parallel zur Innenseite der vorderen Gehäusewand 8 ausgerichtet werden. Eine Parallelitätsabweichung an dieser Stelle führt einerseits zu großen mechanischen Spannungen im Sensorelement 2 und kann diesen zerstören. Andererseits führt dies zu einer Leckage an der Dichtung 7 durch deren ungleichmäßige Verpressung. Beides hat den Ausfall des Sensors 1 zur Folge. Eine aus dem Stand der Technik bekannte ebene Führung des Chipträgers 18 gewährleistet lediglich eine genaue Positionierung von Sensorelement 2 zu Öffnung 9, jedoch keinen Winkelausgleich.For the function of the sensor 1 on the one hand is an accurate positioning of the sensor element 2 in the middle of the opening 9 important. On the other hand, however, the surface of the sensor element must also be the same 2 parallel to the inside of the front housing wall 8th be aligned. A parallelism deviation at this point leads on the one hand to large mechanical stresses in the sensor element 2 and can destroy it. On the other hand, this leads to leakage at the seal 7 by their uneven pressing. Both have the failure of the sensor 1 result. A known from the prior art planar guidance of the chip carrier 18 only ensures accurate positioning of sensor element 2 to opening 9 , but no angle compensation.

6 zeigt einen Querschnitt durch das Chipgehäuse 6. Aus dem oben angesprochenen Grund ist die Führungsgeometrie am Chipträger 18 als sichelförmiges Zylindersegment 46 ausgebildet. Im Zusammenspiel mit der Führungsnut 45 im Chipgehäuse 6 wird damit sowohl eine lineare Führung von Chipträger 6 samt Sensorelement 2 in axialer Richtung erreicht als auch zusätzlich die Möglichkeit einer Winkelbewegung 47 um die Querachse des Führungszylinders 46 realisiert. 6 shows a cross section through the chip housing 6 , For the reason mentioned above, the guide geometry is on the chip carrier 18 as a sickle-shaped cylinder segment 46 educated. In interaction with the guide groove 45 in the chip housing 6 This will allow both a linear lead of chip carriers 6 including sensor element 2 achieved in the axial direction and in addition the possibility of angular movement 47 around the transverse axis of the guide cylinder 46 realized.

Durch definierte Passgeometrie der Teile und Positionierung von Chipträger 18, Leiterplatte 12 und Chipgehäuse 6 ist gewährleistet, dass sich der sensitive Teil des Sensorelements 2 exakt in der Mitte der Öffnung 9 befindet. Dies sorgt für eine gleichmäßige und optimale Benetzung des sensitiven Chipbereichs.Through defined fitting geometry of the parts and positioning of chip carriers 18 , Circuit board 12 and chip housing 6 ensures that the sensitive part of the sensor element 2 exactly in the middle of the opening 9 located. This ensures a uniform and optimal wetting of the sensitive chip area.

Im hier gezeigten ersten Beispiel ist der Sensorkörper aus zwei Gehäuseteilen, nämlich dem rohrförmigen Sensorschaft 4 und dem Chipgehäuse 6, gebildet. Das Chipgehäuse 6 ist in 7 nochmals separat dargestellt. Es kann beispielsweise aus einem chemisch beständigen Kunststoff, insbesondere aus PEEK, gebildet sein und beispielsweise mittels eines Spritzgießverfahrens hergestellt werden. Ein Teilabschnitt der Gehäusewand 8 des Chipgehäuses 6 bildet die Außenwand des Sensorkörpers 3. Dieser Teilabschnitt ist in Form einer Kappe mit einer zylindrischen Seitenwand und einer schräg zur Zylinderachse der Seitenwand verlaufenden vorderseitigen Gehäusewand 8 ausgestaltet, die die Öffnung 9, über die das Sensorelement 2 mit der Messflüssigkeit beaufschlagbar ist, und eine Überführung 20 umfassende weitere Öffnung 21 aufweist. Die Überführung 20 ist im hier gezeigten Beispiel als poröses Diaphragma aus einem Keramikmaterial ausgestaltet. Alternativ kann die Überführung auch als Kunststoffdiaphragma, z.B. Teflon, oder als Durchgangsbohrung durch die Gehäusewand 8 ausgestaltet sein. Das Chipgehäuse 6 umfasst Rastnasen 24 zum Einrasten in die Schutzhülse 10, und insbesondere in den Referenzschutz 19. Darauf wird weiter unten noch näher eingegangen.In the first example shown here, the sensor body is made of two housing parts, namely the tubular sensor shaft 4 and the chip housing 6 , educated. The chip housing 6 is in 7 shown separately again. It can for example be formed from a chemically resistant plastic, in particular PEEK, and be produced for example by means of an injection molding process. A section of the housing wall 8th of the chip housing 6 forms the outer wall of the sensor body 3 , This section is in the form of a cap with a cylindrical side wall and an obliquely to the cylinder axis of the side wall extending front housing wall 8th designed the opening 9 over which the sensor element 2 with the measuring liquid can be acted upon, and an overpass 20 comprehensive further opening 21 having. The overpass 20 is designed in the example shown here as a porous diaphragm made of a ceramic material. Alternatively, the transfer as a plastic diaphragm, eg Teflon, or as a through hole through the housing wall 8th be designed. The chip housing 6 includes locking lugs 24 for snapping into the protective sleeve 10 , and in particular in the reference protection 19 , This will be discussed in more detail below.

Die Überführung 20 stellt eine Verbindung zwischen dem Gehäuseinnenraum 11 und der Umgebung des Sensorgehäuses 3, d.h. mit dem Medium 100, her. Der Gehäuseinnenraum 11 ist mit einem ersten Elektrolyten 31 gefüllt. Der erste Elektrolyt 31 kann etwa immobilisiert sein und eine nicht-fließfähige Konsistenz aufweisen. Beispielsweise kann der erste Elektrolyt ein eine hoch konzentrierte Kaliumchloridlösung enthaltendes, nicht fließfähiges, beispielsweise schnittfestes, und dadurch immobilisiertes, Gel, z.B. vernetztes Polyacrylamid oder ein vernetztes Gel auf Basis von DADMAC, umfassen. Im Betrieb des Sensors 1 gewährleistet die Überführung 20 einen elektrochemischen Kontakt zwischen einer den Sensor 1 in seinem vorderen Abschnitt umgebenden Medium 100 und dem ersten Elektrolyten 31. Alternativ kann der erste Elektrolyt 31 auch fließfähig als Flüssigkeit ausgestaltet sein.The overpass 20 provides a connection between the housing interior 11 and the environment of the sensor housing 3 ie with the medium 100 , her. The housing interior 11 is with a first electrolyte 31 filled. The first electrolyte 31 may be immobilized and have a non-flowable consistency. For example, the first electrolyte may comprise a non-flowable, for example cut-resistant, and thus immobilized, gel, eg cross-linked polyacrylamide or a crosslinked gel based on DADMAC containing a highly concentrated potassium chloride solution. In operation of the sensor 1 ensures the transfer 20 an electrochemical contact between a sensor 1 in its front section surrounding medium 100 and the first electrolyte 31 , Alternatively, the first electrolyte 31 be designed to be flowable as a liquid.

8a zeigt den Referenzschutz 19 im Detail. Im frontseitigen ein Bereich des Referenzschutzes 19 befindet sich die Haltevorrichtung 26 zum Einrasten in die Haltevorrichtung 25 des Chipträgers 18. Der Referenzschutz 19 und der Chipträger 18 sind beispielsweise aus dem gleichen Material gefertigt wie das Chipgehäuse 6. Nach dem Bereitstellen der Leiterplatte 12 wird in einem weiteren Verfahrensschritt zur Herstellung des Sensors 1 die Leiterplatte 12 durch den Referenzschutz 19 gefädelt. Das erfindungsgemäße Verfahren wird weiter unten näher erläutert. Rastnasen 24 des Chipgehäuses 6 rasten in Rastöffnungen 28 der Referenzschutzes 19. 8a shows the reference protection 19 in detail. In front one area of reference protection 19 is the holding device 26 for locking in the holding device 25 of the chip carrier 18 , The reference protection 19 and the chip carrier 18 For example, they are made of the same material as the chip package 6 , After providing the circuit board 12 is in a further process step for the production of the sensor 1 the circuit board 12 through the reference protection 19 threaded. The method according to the invention will be explained in more detail below. locking lugs 24 of the chip housing 6 snap into detent openings 28 the reference protection 19 ,

8b zeigt den Referenzschutz 19 mit eingerastetem Chipträger 18. Man erkennt im frontseitigen Endbereich das Sensorelement 2. Referenzschutz 19 und Chipträger 18 bilden somit die Einheit Schutzhülse 10. 8b shows the reference protection 19 with latched chip carrier 18 , It can be seen in the front end of the sensor element 2 , reference protection 19 and chip carrier 18 thus form the unit protective sleeve 10 ,

Die Schutzhülse 10 bzw. der Referenzschutz 19 umfassen wie erwähnt die Leiterplatte 12, und insbesondere die Referenzelektrode 13.The protective sleeve 10 or the reference protection 19 include as mentioned the circuit board 12 , and in particular the reference electrode 13 ,

Bei einem Verfahren zur Herstellung des Sensors 1 wird nach dem Einführen der Leiterplatte 12 umfassend dem Sensorelement 2, das Sensorelement 2 auf dem Chipträger 18 angebracht, der wiederum in den Referenzschutz 19 eingerastet wird. Diese Einheit, also die Schutzhülse 10, wird dann in das Gehäuse 3, insbesondere in das Chipgehäuse 6, eingebracht. Wie erwähnt umfasst das Chipgehäuse 6 entsprechende Rastnasen 24. Diese Rastnasen 24 rasten in entsprechende komplementär ausgestaltete Rastöffnungen 28 am Referenzschutz 19. Grundsätzlich sind Chipgehäuse 6 und Referenzschutz 19 wieder voneinander lösbar. Das gleiche gilt auch für das Einrasten des Chipträgers 18 und des Referenzschutzes 19. In einem nächsten Schritt zur Herstellung des erfindungsgemäßen Sensors 1 wird das Chipgehäuse 6 bis zu einem für Vergussendbereich 29 vergossen. Somit sind das Sensorelement 2 rückseitig, sowie der Temperatursensor 17 und ein Teil der Referenzelektrode 13 (bis zum Vergussendbereich 29) vergossen, und damit mechanisch geschützt. Damit der Verguss auch diese Bauteile umfließen kann, umfasst der Referenzschutz entsprechende Öffnungen 27. Der Verguss wird zumindest soweit eingefüllt, bis alle Öffnungen 27 geschlossen sind. Der Verguss ist etwa ein Epoxidharz. Der sensorelementseitige Endbereich ist somit vom ersten Elektrolyten 31 flüssigkeitsdicht abgedichtet. Dadurch sind auch insbesondere das mit der flexiblen Leiterplatte 12 verbundene sensorelementseitige Ende der Referenzelektrode 13, sowie dessen Verbindungsstelle mit der als Potentialableitung dienenden Leiterbahn gegenüber einem sich im Referenzschutz 19 befindenden zweiten Elektrolyten 32 (siehe unten) isoliert. Der mit Silberchlorid beschichtete Abschnitt 14 der Referenzelektrode 13 taucht dagegen in den zweiten Elektrolyten 32 ein, so dass sich an der Referenzelektrode 13 ein stabiles Bezugspotential bildet.In a method of manufacturing the sensor 1 will after inserting the circuit board 12 comprising the sensor element 2 , the sensor element 2 on the chip carrier 18 attached, in turn, in the reference protection 19 is engaged. This unit, so the protective sleeve 10 , then gets into the case 3 , in particular in the chip housing 6 , brought in. As mentioned, this includes chip package 6 corresponding locking lugs 24 , These latches 24 snap into corresponding complementarily designed detent openings 28 at the reference protection 19 , Basically, chip housings 6 and reference protection 19 again detachable from each other. The same applies to the latching of the chip carrier 18 and the reference protection 19 , In a next step for the production of the sensor according to the invention 1 becomes the chip housing 6 up to a casting potting area 29 shed. Thus, the sensor element 2 on the back, as well as the temperature sensor 17 and a part of the reference electrode 13 (up to the casting end area 29 ), and thus mechanically protected. So that the encapsulation can also flow around these components, the reference protection comprises corresponding openings 27 , The potting is filled at least until all openings 27 are closed. The potting is about an epoxy resin. The sensor element-side end region is thus of the first electrolyte 31 sealed watertight. As a result, in particular with the flexible circuit board 12 connected sensor element-side end of the reference electrode 13 , as well as its connection point with the potential lead serving as a conductor in relation to a reference protection 19 located second electrolyte 32 isolated (see below). The section coated with silver chloride 14 the reference electrode 13 on the other hand dips into the second electrolyte 32 one, so that attaches to the reference electrode 13 forms a stable reference potential.

Im Referenzschutz 19 befindet sich der bereits angesprochene zweite Elektrolyt 32, der im vorliegenden Beispiel ein fließfähiges, durch ein Polymer eingedicktes Gemisch ist. Beispielsweise kann der zweite Elektrolyt 32 eine hoch konzentrierte, insbesondere 3-molare Kaliumchlorid-Lösung umfassen. Zum Beispiel kann der zweite Elektrolyt 32 eine wässrige, 3-molare Kaliumchlorid-Lösung oder ein fließfähiges, aus einer hoch konzentrierten Kaliumchloridlösung durch Zusatz von linearem Polyacrylamid oder einem schwach vernetzten auf DADMAC basierenden Gel gebildetes eingedicktes Gemisch umfassen. Erster Elektrolyt 31 und zweiter Elektrolyt 32 können in einer Ausgestaltung auch gleich sein. Über eine rückseitige Öffnung des Referenzschutzes 19 steht der zweite Elektrolyt 32 mit dem ersten Elektrolyt 31 in Kontakt. Die Referenzschutz 19 kann rückseitig durch eine Kappe 34 verschlossen sein. Die Kappe 34 umfasst etwa ein Diaphragma oder eine Durchgangsbohrung. Dadurch ist der Kontakt, zwischen dem ersten und dem zweiten Elektrolyten 31, 32 gewährleistet.In the reference protection 19 is the already mentioned second electrolyte 32 which in the present example is a flowable mixture thickened by a polymer. For example, the second electrolyte 32 a high concentration, in particular 3 molar potassium chloride solution include. For example, the second electrolyte 32 an aqueous, 3-molar potassium chloride solution or a flowable, formed from a highly concentrated potassium chloride solution by the addition of linear polyacrylamide or a weakly crosslinked DADMAC-based gel formed thickened mixture. First electrolyte 31 and second electrolyte 32 may also be the same in one embodiment. Via a rear opening of the reference protection 19 is the second electrolyte 32 with the first electrolyte 31 in contact. The reference protection 19 Can be back through a cap 34 to be introverted. The cap 34 includes about a diaphragm or a through hole. This is the contact between the first and second electrolytes 31 . 32 guaranteed.

Dadurch, dass sich die Referenzelektrode 13 im Referenzschutz 19 befindet, ist diese vom Medium 100 weitestgehend geschützt. Die Referenzelektrode 13 angreifende Substanzen, die gegebenenfalls über das Diaphragma der Überführung 20 in den ersten Elektrolyten 31 eindringen können, sogenannte Elektrodengifte, müssen eine „Vergiftungsstrecke“ durchlaufen, die sich von der Überführung 20 durch den ersten Elektrolyten 31, durch die Öffnung 35 in der Kappe 34 und dem zweiten Elektrolyten 32 zur Referenzelektrode 13 erstreckt. Auf diese Weise gelangen die Elektrodengifte erst nach einem längeren Zeitraum bis zur Referenzelektrode 13, was zur Verlängerung der Sensorlebensdauer beiträgt. Außerdem kommt es zur langsameren Verarmung der Silberchloridschicht 14 der Referenzelektrode 13.This causes the reference electrode 13 in the reference protection 19 is, this is from the medium 100 largely protected. The reference electrode 13 attacking substances, if necessary via the diaphragm of the transfer 20 in the first electrolyte 31 can penetrate, so-called electrode poisons, must go through a "poisoning route", extending from the transfer 20 through the first electrolyte 31 through the opening 35 in the cap 34 and the second electrolyte 32 to the reference electrode 13 extends. In this way, the electrode poisons reach the reference electrode only after a longer period of time 13 , which contributes to the extension of sensor life. In addition, there is a slower depletion of the silver chloride layer 14 the reference electrode 13 ,

8c zeigt den Referenzschutz 19 samt aufgesteckter Kappe 34 und dessen Öffnung 35. Man erkennt auch, dass die Leiterplatte 12 aus dem Referenzschutz 19 geführt ist. 8c shows the reference protection 19 complete with attached cap 34 and its opening 35 , It also recognizes that the circuit board 12 from the reference protection 19 is guided.

Der Referenzschutz 19 stellt ein multifunktionales Bauteil dar, welches komplexe Funktionen erfüllt. Der Referenzschutz 19 dient als Schutz der Referenzelektrode 13 vor Verarmung und Vergiftung der Elektrolyten 31, 32. Weiter ist die Funktion als Federelement zur Erzeugung einer statischen Vorspannung der Dichtung 7 zu nennen. Als dritte Funktion übernimmt er im Zusammenspiel mit der rückseitigen Geometrie des Chipträgers 18 die exakte Positionierung des Temperatursensors 17 zum Sensorelement 2 sowie die mäanderförmige Führung der Leiterplatte 12. Ebenso wird erst durch das Zusammenklipsen mit dem Chipträger 18 zur Baugruppe „Schutzhülse 10“ überhaupt eine mechanische Handhabung des Sensorelements 2 und der Leiterplatte 12 möglich. Weiter übernehmen die Linearführungen des Referenzschutzes 19 während des Fügevorgangs der Schutzhülse 10 in das Chipgehäuse 6 die Führung so lange, bis der Führungszylinder 46 am Chipträger 18 eingreift. Ohne diese Führung würden Sensorelement 2 und Leiterplatte 12 bei der Montage beschädigt. Als weitere Funktion ermöglicht der Referenzschutz 19 durch seine Geometrie ein ungehindertes Füllen des Innenraumes 11 mit Verguss sowie eine problemlose Entlüftung beim Vergießen.The reference protection 19 represents a multifunctional component that fulfills complex functions. The reference protection 19 serves as protection of the reference electrode 13 from depletion and poisoning of the electrolytes 31 . 32 , Next is the function as a spring element for generating a static bias of the seal 7 to call. As a third function, it takes over in interaction with the back geometry of the chip carrier 18 the exact positioning of the temperature sensor 17 to the sensor element 2 and the meandering guide of the circuit board 12 , Likewise, only by the Zusammenklipsen with the chip carrier 18 to the module "protective sleeve 10 "At all a mechanical handling of the sensor element 2 and the circuit board 12 possible. Next take over the linear guides of the reference protection 19 during the joining process of the protective sleeve 10 in the chip housing 6 the guide until the guide cylinder 46 on the chip carrier 18 intervenes. Without this guide would sensor element 2 and circuit board 12 damaged during assembly. As a further function allows the reference protection 19 through its geometry an unimpeded filling of the interior 11 with potting and easy venting when potting.

9 zeigt das Chipgehäuse 6 im Querschnitt. Man erkennt dabei, dass das Sensorelement 2 an einer Öffnung 9 der Gehäusewand 8 Zugang zum Medium 100 hat. Der Chipträger 18 umfasst das Sensorelement 2 samt Leiterplatte 12. Der Chipträger 18 ist dabei mit seiner Haltevorrichtung 25 in die entsprechende Haltevorrichtung 26 des Referenzschutzes 19 eingerastet. 9 shows the chip housing 6 in cross section. It can be seen that the sensor element 2 at an opening 9 the housing wall 8th Access to the medium 100 Has. The chip carrier 18 includes the sensor element 2 including circuit board 12 , The chip carrier 18 is doing with his holding device 25 in the appropriate holding device 26 of the reference protection 19 engaged.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Sensor sensor
22
Sensorelement sensor element
33
Gehäuse casing
44
Sensorschaft sensor shaft
55
Elektronikgehäuseteil Electronics housing part
66
Chipgehäuse chip package
77
elastisches Dichtelement elastic sealing element
8 8th
Gehäusewand housing wall
99
Öffnung opening
1010
Schutzhülse protective sleeve
1111
Gehäuseinnenraum Housing interior
1212
Leiterplatte circuit board
12a12a
starrer Teil von 12 rigid part of 12
12b12b
flexibler Teil von 12 flexible part of 12
1313
Referenzelektrode reference electrode
1414
Silberchloridbeschichtung Silver chloride coating
1515
Sensorschaltung sensor circuit
1616
Leiterbahnen conductor tracks
1717
Temperatursensor temperature sensor
1818
Chipträger chip carrier
1919
Referenzschutz reference protection
2020
Überführung overpass
2121
Öffnung für 20 Opening for 20
2222
Dichtung poetry
2323
Überhang von 18 Overhang of 18
2424
Rastnase von 6 Latch of 6
2525
Haltevorrichtung von 18 Holding device of 18
2626
Haltevorrichtung von 19 Holding device of 19
2727
Öffnung in 19 Opening in 19
2828
Rastöffnung von 19 Latching opening of 19
2929
Vergussendbereich Vergussendbereich
3131
Erster Elektrolyt First electrolyte
3232
Zweiter Elektrolyt Second electrolyte
3333
Spule Kitchen sink
3434
Kappe von 19 Cap of 19
3535
Öffnung in 34 Opening in 34
3838
Führung in 18 für 12, insbesondere 12b Leadership in 18 For 12 , especially 12b
3939
sensorseitige starre Leiterplatte sensor-side rigid circuit board
4141
Passivierung auf 12 Passivation on 12
4242
überkragende Nase am 12b gegenüberliegenden Endbereich von 12a overhanging nose on 12b opposite end region of 12a
4343
Steg am 12b gegenüberliegenden Endbereich von 12a Footbridge on 12b opposite end region of 12a
4444
Positionierfläche am 12b gegenüberliegenden Endbereich von 12a Positioning surface on 12b opposite end region of 12a
4545
Führungsnut in 6 Guide groove in 6
4646
Zylindersegment in 18 Cylinder segment in 18
4747
Winkelverstellung von 18 bzw. 12 in 6 Angle adjustment of 18 respectively. 12 in 6
4848
Sensorelementaufnahme Sensor element receptacle
100100
Medium medium

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 19857953 A1 [0004] DE 19857953 A1 [0004]
  • EP 1396718 A1 [0006] EP 1396718 A1 [0006]

Claims (17)

Sensor (1) zur Erfassung einer Analytkonzentration eines Mediums (100), umfassend – ein mit dem Mediums (100) in Kontakt stehendes Sensorelement (2) mit einer analytsensitiven Oberfläche, – eine Schutzhülse (10) mit einer Sensorelementaufnahme (48) an einem Endbereich und einer sich außen an der Schutzhülse (10) angeordneten Führungsgeometrie (46), wobei die Sensorelementaufnahme (48) das Sensorelement (2) aufnimmt, – ein Gehäuse (3), das zumindest abschnittsweise vom Mediums (100) umgeben ist, mit einer, zur Führungsgeometrie (46) komplementär ausgestalteten, Führungsnut (45), wobei die Führungsnut (45) im Innern (11) des Gehäuses (3) angeordnet ist, wobei das Gehäuse (3) eine Gehäusewand (8) mit einer Öffnung (9) umfasst, wobei die Führungsgeometrie (46) entlang der Führungsnut (45) in axialer Richtung des Gehäuses (3) beweglich ist, und die analytsensitive Oberfläche die Öffnung (9) verschließt, so dass die analytsensitive Oberfläche des Sensorelements (2) mit dem Mediums (100) in Kontakt steht, und wobei die Führungsgeometrie (46) in der Führungsnut (45) um eine Querachse der Schutzhülse (10) drehbar ist, so dass die analytsensitive Oberfläche des Sensorelements (2) parallel zur Gehäusewand (8) ausrichtbar ist.Sensor ( 1 ) for detecting an analyte concentration of a medium ( 100 ), comprising - one with the medium ( 100 ) in contact sensor element ( 2 ) with an analyte-sensitive surface, - a protective sleeve ( 10 ) with a sensor element receptacle ( 48 ) at one end portion and at the outside of the protective sleeve ( 10 ) arranged guide geometry ( 46 ), wherein the sensor element receptacle ( 48 ) the sensor element ( 2 ), - a housing ( 3 ), at least in sections of the medium ( 100 ), with one, to the guide geometry ( 46 ) complementarily designed, guide groove ( 45 ), wherein the guide groove ( 45 ) at the inside ( 11 ) of the housing ( 3 ), wherein the housing ( 3 ) a housing wall ( 8th ) with an opening ( 9 ), wherein the guide geometry ( 46 ) along the guide groove ( 45 ) in the axial direction of the housing ( 3 ), and the analyte-sensitive surface is the opening ( 9 ), so that the analyte-sensitive surface of the sensor element ( 2 ) with the medium ( 100 ), and wherein the guide geometry ( 46 ) in the guide groove ( 45 ) about a transverse axis of the protective sleeve ( 10 ) is rotatable so that the analytsensitive surface of the sensor element ( 2 ) parallel to the housing wall ( 8th ) is alignable. Sensor (1) nach Anspruch 1, wobei die Führungsgeometrie (46) sichelförmig ausgestaltet ist, wobei dessen maximaler Außendurchmesser im Wesentlichen der Höhe der Führungsnut (45) entspricht. Sensor ( 1 ) according to claim 1, wherein the guide geometry ( 46 ) is designed crescent-shaped, wherein the maximum outer diameter substantially the height of the guide groove ( 45 ) corresponds. Sensor (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Sensorelement (2) an einem Endbereich einer Leiterplatte (12) angeordnet ist, wobei die Leiterplatte (12) Leiterbahnen umfasst und das Sensorelement (2) mit diesen Leiterbahnen elektrisch verbunden ist.Sensor ( 1 ) according to claim 1 or 2, wherein the sensor element ( 2 ) at an end region of a printed circuit board ( 12 ) is arranged, wherein the circuit board ( 12 ) Conductor tracks and the sensor element ( 2 ) is electrically connected to these tracks. Sensor (1) nach Anspruch 3, wobei das Sensorelement (2) auf einer Starrflex-Leiterplatte angeordnet ist und sich das Sensorelement (2) auf dem starren Teil (12a) der Leiterplatte (12) befindet.Sensor ( 1 ) according to claim 3, wherein the sensor element ( 2 ) is arranged on a rigid-flex circuit board and the sensor element ( 2 ) on the rigid part ( 12a ) of the printed circuit board ( 12 ) is located. Sensor (1) nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Leiterplatte (12) an seinem Endbereich das Sensorelement (2) in axialer Richtung der Leiterplatte (12) überragende erste Rastelemente, insbesondere eine sich an einem Steg (43) befindende erste Rastnase (42) mit einer Positionierfläche (44), umfasst, wobei die Sensorelementaufnahme (48) zu den ersten Rastelementen komplementär ausgestaltete zweite Rastelemente, insbesondere eine überkragende Nase (42) mit einer Rast- und Zentrierfläche, umfasst, und wobei zur Positionierung des Sensorelements (2) auf der Sensorelementaufnahme (48) erste und zweite Rastelemente ineinander rasten, insbesondere umschließt die erste Rastnase (42) die überkragende Nase (42), so dass Positionierfläche (44) und Rast- und Zentrierfläche bündig angeordnet sind.Sensor ( 1 ) according to claim 3 or 4, wherein the printed circuit board ( 12 ) at its end region the sensor element ( 2 ) in the axial direction of the printed circuit board ( 12 ) outstanding first latching elements, in particular a at a web ( 43 ) located first latching nose ( 42 ) with a positioning surface ( 44 ), wherein the sensor element receptacle ( 48 ) to the first locking elements complementarily configured second locking elements, in particular an overhanging nose ( 42 ) with a latching and centering surface, and wherein for positioning the sensor element ( 2 ) on the sensor element receptacle ( 48 ) engage in each other first and second latching elements, in particular enclosing the first latching lug ( 42 ) the overhanging nose ( 42 ), so that positioning surface ( 44 ) and locking and centering surface are arranged flush. Sensor (1) nach Anspruch 5, wobei die Schutzhülse (10) einen Überhang (23) umfasst, wobei die Höhe des Überhangs (23) maximal der Höhe von Leiterplatte (12) und Sensorelement (2) entspricht, und wobei der Abstand von Überhang (23) zu überkragender Nase (42) im Wesentlichen der Länge des Sensorelements (2) entspricht und dadurch die Länge der Sensorelementaufnahme (48) definiert, wobei die Breite der Sensorelementaufnahme (48) im Wesentlichen der Breite des Sensorelement (2) entspricht.Sensor ( 1 ) according to claim 5, wherein the protective sleeve ( 10 ) an overhang ( 23 ), the height of the overhang ( 23 ) maximum height of printed circuit board ( 12 ) and sensor element ( 2 ), and where the distance from overhang ( 23 ) to overhanging nose ( 42 ) substantially the length of the sensor element ( 2 ) and thereby the length of the sensor element receptacle ( 48 ), wherein the width of the sensor element receptacle ( 48 ) substantially the width of the sensor element ( 2 ) corresponds. Sensor (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Schutzhülse (10) mehrteilig mit einem Chipträger (18) und einem Referenzschutz (19) ausgebildet ist, und wobei der Chipträger (18) die Sensorelementaufnahme (48) umfasst und das Sensorelement (2) aufnimmt.Sensor ( 1 ) according to at least one of claims 1 to 6, wherein the protective sleeve ( 10 ) in several parts with a chip carrier ( 18 ) and a reference protection ( 19 ), and wherein the chip carrier ( 18 ) the sensor element receptacle ( 48 ) and the sensor element ( 2 ). Sensor (1) nach Anspruch 7, wobei der Chipträger (18) die Führungsgeometrie (46) umfasst und die Führungsgeometrie (46) auf der der Sensorelementaufnahme (48) abgewandten Seite eine axial angeordnete Öffnung mit einer Rastung (25) umfasst, wobei der Referenzschutz (19) eine zur Rastung (25) komplementär ausgestaltete und axial angeordnete zweite Rastnase (26) umfasst, wodurch Chipträger (18) und Referenzschutz (19) lösbar verbindbar, insbesondere ineinander einrastbar sind.Sensor ( 1 ) according to claim 7, wherein the chip carrier ( 18 ) the guiding geometry ( 46 ) and the guiding geometry ( 46 ) on the sensor element receptacle ( 48 ) facing away from an axially disposed opening with a detent ( 25 ), the reference protection ( 19 ) one for detent ( 25 ) complementarily configured and axially arranged second latching lug ( 26 ), whereby chip carriers ( 18 ) and reference protection ( 19 ) releasably connectable, in particular are latched into one another. Sensor (1) nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Referenzschutz (19) eine Linearführung umfasst, mit der die Schutzhülse (10) in axialer Richtung im Gehäuse (3) bewegbar ist.Sensor ( 1 ) according to claim 7 or 8, wherein the reference protection ( 19 ) comprises a linear guide with which the protective sleeve ( 10 ) in the axial direction in the housing ( 3 ) is movable. Sensor (1) nach zumindest einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei das Gehäuse (3) an der der Öffnung (9) der Gehäusewand (8) gegenüberliegenden Seite eine erste Befestigungsvorrichtung (24) umfasst, wobei der Referenzschutz (19) zumindest eine zweite Befestigungsvorrichtung (28) umfasst, wobei die erste und zweite Befestigungsvorrichtung (24, 28) ineinander, insbesondere federartig, einrasten, wodurch die Schutzhülse (10) mit dem Gehäuse (3) lösbar verbindbar ist, so dass die analytsensitive Oberfläche des Sensorelements (2) gegen die Gehäusewand (8) des Gehäuses (3) drückt. Sensor ( 1 ) according to at least one of claims 7 to 9, wherein the housing ( 3 ) at the opening ( 9 ) the housing wall ( 8th ) opposite side a first fastening device ( 24 ), the reference protection ( 19 ) at least one second fastening device ( 28 ), wherein the first and second fastening devices ( 24 . 28 ) into each other, in particular spring-like, engage, whereby the protective sleeve ( 10 ) with the housing ( 3 ) is detachably connectable, so that the analytsensitive surface of the sensor element ( 2 ) against the housing wall ( 8th ) of the housing ( 3 ) presses. Sensor (1) nach zumindest einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die Leiterplatte (12) mäanderförmig von der Sensorelementaufnahme (48) über den Überhang (23) in den Referenzschutz (19) geführt ist.Sensor ( 1 ) according to at least one of claims 7 to 10, wherein the printed circuit board ( 12 ) meandering from the sensor element receptacle ( 48 ) over the overhang ( 23 ) in the reference protection ( 19 ) is guided. Sensor (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 11, das Gehäuse (3) einen Gehäuseinnenraum (11) umfasst, der mit einem ersten Elektrolyten (31) gefüllt ist, wobei innerhalb der den Gehäuseinnenraum (11) begrenzenden Gehäusewand (8) eine Überführung (20) zwischen dem Mediums (100) und dem ersten Elektrolyten (31) angeordnet ist.Sensor ( 1 ) according to at least one of claims 1 to 11, the housing ( 3 ) a housing interior ( 11 ) containing a first electrolyte ( 31 ) is filled, wherein within the housing interior ( 11 ) limiting housing wall ( 8th ) an overpass ( 20 ) between the medium ( 100 ) and the first electrolyte ( 31 ) is arranged. Sensor (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das analytsensitive Sensorelement (2) ein Halbleitersubstrat und eine auf dem Halbleitersubstrat aufgebrachte Beschichtung umfasst, deren mit dem Mediums (100) in Kontakt stehende Oberfläche den analytsensitiven Bereich des Sensorelements (2) bildet.Sensor ( 1 ) according to at least one of claims 1 to 12, wherein the analyte-sensitive sensor element ( 2 ) comprises a semiconductor substrate and a coating applied to the semiconductor substrate, the coating of which with the medium ( 100 ) in contact with the analyte-sensitive region of the sensor element ( 2 ). Sensor (1) nach Anspruch 13, wobei die Beschichtung Teil einer EIS-Struktur, insbesondere eines ionensensitiven Feldeffekttransistors (ISFET), ist.Sensor ( 1 ) according to claim 13, wherein the coating is part of an EIS structure, in particular an ion-sensitive field effect transistor (ISFET). Sensor (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 14, insbesondere nach Anspruch 10, wobei das Gehäuse (3) mehrteilig mit einem Sensorschaft (4) und einem Chipgehäuse (6) ausgestaltet ist, wobei das Chipgehäuse (6) die Gehäusewand (8) und die Führungsnut (45) umfasst, insbesondere umfasst das Chipgehäuse (6) die erste Befestigungsvorrichtung (24).Sensor ( 1 ) according to at least one of claims 1 to 14, in particular according to claim 10, wherein the housing ( 3 ) in several parts with a sensor shaft ( 4 ) and a chip housing ( 6 ) is configured, wherein the chip housing ( 6 ) the housing wall ( 8th ) and the guide groove ( 45 ), in particular the chip housing ( 6 ) the first fastening device ( 24 ). Sensor (1) nach zumindest einem der Ansprüche 3 bis 15, insbesondere nach zumindest einem der Ansprüche 7 bis 15, wobei die Leiterplatte (12) eine Referenzelektrode (13) umfasst und die Referenzelektrode (13) mit den Leiterbahnen verbunden ist, wobei die Leiterplatte (12) ins Innere der Schutzhülse (10), insbesondere in den Referenzschutz (19), geführt ist.Sensor ( 1 ) according to at least one of claims 3 to 15, in particular according to at least one of claims 7 to 15, wherein the printed circuit board ( 12 ) a reference electrode ( 13 ) and the reference electrode ( 13 ) is connected to the conductor tracks, wherein the circuit board ( 12 ) inside the protective sleeve ( 10 ), in particular in the reference protection ( 19 ) is guided. Sensor (1) nach Anspruch 16, wobei der sensorelementaufnahmeseitige Endbereich der Schutzhülse (10) bis zu einem Vergussendbereich (29) verschlossen, insbesondere vergossen ist, so dass erster Elektrolyt (31) nicht ins Innere der Schutzhülse (10) gelangen kann, wobei die Schutzhülse (10) mit einem zweiten Elektrolyten (31) gefüllt ist, die Schutzhülse (10) in seinem Innern die Leiterplatte (12) samt Referenzelektrode (13) umfasst und diese zumindest abschnittsweise in den zweiten Elektrolyten (32) eintaucht.Sensor ( 1 ) according to claim 16, wherein the sensor element receiving-side end portion of the protective sleeve ( 10 ) up to a potting end area ( 29 ), in particular potted, so that the first electrolyte ( 31 ) not inside the protective sleeve ( 10 ), wherein the protective sleeve ( 10 ) with a second electrolyte ( 31 ), the protective sleeve ( 10 ) in its interior the circuit board ( 12 ) together with reference electrode ( 13 ) and these at least in sections in the second electrolyte ( 32 immersed).
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