DE102017112225A1 - A method of manufacturing a housing and housing for a reference electrochemical half-cell - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gehäuses (3) für eine elektrochemische Bezugshalbzelle (1), wobei das Gehäuse (3) mindestens eine Kammer (2a,2b) zur Aufnahme eines Elektrolyten (12a,12b) aufweist, wobei in einer Außenwandung (4) der Kammer (2a,2b) eine elektrochemische Überführung (5,5a,5b) angeordnet ist, mittels derer ein elektrolytischer Kontakt zwischen einem in der Kammer (2a,2b) anordenbaren Elektrolyten (12a, 12b) und einem außerhalb der Kammer (2a,2b) anordenbaren Medium herstellbar ist. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass für zumindest eine Kammer (2a;2b) oder mindestens eine der Kammern (2a;2b) die aus einem Material bestehende Außenwandung (4) einstückig ist und die elektrochemische Überführung (5,5a,5b) in der Außenwandung (4) mittels zumindest eines in die Außenwandung (4) eingebrachten Energieeintrags (ΔE1; ΔE2; ΔE3) erzeugt wird, wobei durch den Energieeintrag (ΔE1; ΔE2; ΔE3) in dem Bereich der elektrochemischen Überführung (5,5a,5b) Poren (6) in das Material der Außenwandung (4) eingebracht werden.

Figure DE102017112225A1_0000
The invention relates to a method for producing a housing (3) for an electrochemical reference half-cell (1), wherein the housing (3) has at least one chamber (2a, 2b) for receiving an electrolyte (12a, 12b), wherein in an outer wall ( 4) of the chamber (2a, 2b) an electrochemical transfer (5,5a, 5b) is arranged, by means of which an electrolytic contact between an in the chamber (2a, 2b) can be arranged in the electrolyte (12a, 12b) and one outside the chamber ( 2a, 2b) can be produced disposable medium. The method is characterized in that, for at least one chamber (2a; 2b) or at least one of the chambers (2a; 2b), the outer wall (4) made of a material is in one piece and the electrochemical transfer (5,5a, 5b) in the Outside wall (4) by means of at least one in the outer wall (4) introduced energy input (.DELTA.E1, .DELTA.E2, .DELTA.E3) is generated, wherein by the energy input (.DELTA.E1, .DELTA.E2, .DELTA.E3) in the region of the electrochemical transfer (5,5a, 5b) pores (6) are introduced into the material of the outer wall (4).
Figure DE102017112225A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gehäuse und ein Gehäuse für eine elektrochemische Bezugshalbzelle. Das Gehäuse weist mindestens eine Kammer zur Aufnahme eines Elektrolyten auf, wobei in einer Außenwandung der Kammer eine elektrochemische Überführung angeordnet ist, mittels derer ein elektrolytischer Kontakt zwischen einem in der Kammer anordenbaren Elektrolyten und einem außerhalb der Kammer anordenbaren Medium herstellbar ist.The invention relates to a method for producing a housing and a housing for a reference electrochemical half-cell. The housing has at least one chamber for receiving an electrolyte, wherein in an outer wall of the chamber, an electrochemical transfer is arranged, by means of which an electrolytic contact between an arrangeable in the chamber electrolyte and an outside of the chamber can be produced medium can be produced.

Bezugshalbzellen kommen in verschiedenen elektrochemischen Sensoren zum Einsatz. Elektrochemische Sensoren werden in der Labor-und Prozessmesstechnik in vielen Bereichen der Chemie, Biochemie, Pharmazie, Biotechnologie, Lebensmitteltechnologie, Wasserwirtschaft und Umweltmesstechnik zur Analyse von Messmedien, insbesondere von Messflüssigkeiten, eingesetzt. Mittels elektrochemischer Messtechniken lassen sich beispielsweise Aktivitäten von chemischen Substanzen, beispielsweise von Ionen, und damit korrelierte Messgrößen in Flüssigkeiten erfassen. Die Substanz, deren Konzentration oder Aktivität gemessen werden soll, wird auch als Analyt bezeichnet. Elektrochemische Sensoren können beispielsweise potentiometrische oder amperometrische Sensoren sein.Reference half cells are used in various electrochemical sensors. Electrochemical sensors are used in the laboratory and process measuring technology in many areas of chemistry, biochemistry, pharmacy, biotechnology, food technology, water management and environmental metrology for the analysis of measuring media, in particular of measuring liquids. By means of electrochemical measurement techniques, it is possible to record, for example, activities of chemical substances, for example ions, and thus correlated measured variables in liquids. The substance whose concentration or activity is to be measured is also called analyte. Electrochemical sensors may be, for example, potentiometric or amperometric sensors.

Potentiometrische Sensoren umfassen in der Regel eine Messhalbzelle und eine Bezugshalbzelle sowie eine Messschaltung. Die Messhalbzelle bildet in Kontakt mit dem Messmedium, z.B. einer Messflüssigkeit, ein von der Konzentration oder Aktivität des Analyten im Messmedium abhängiges Potential aus, während die Bezugshalbzelle ein stabiles, von der Konzentration des Analyten unabhängiges Bezugspotential bereitstellt. Die Messschaltung erzeugt ein Messsignal, das die Potentialdifferenz zwischen der Messhalbzelle und der Bezugshalbzelle repräsentiert. Das Messsignal wird von der Messschaltung gegebenenfalls an eine mit dem Sensor verbundene übergeordnete Einheit, beispielsweise einen Messumformer, ausgegeben, die das Messsignal weiter verarbeitet. Die Messhalbzelle umfasst ein potentialbildendes Element, das je nach Art des potentiometrischen Sensors beispielsweise eine Redoxelektrode, eine analytsensitive Beschichtung oder eine ionenselektive Membran umfassen kann. Potentiometric sensors usually comprise a measuring half cell and a reference half cell as well as a measuring circuit. The measuring half-cell forms in contact with the measuring medium, e.g. a measuring liquid, depending on the concentration or activity of the analyte in the measuring medium potential, while the reference half cell provides a stable, independent of the concentration of the analyte reference potential. The measuring circuit generates a measuring signal representing the potential difference between the measuring half cell and the reference half cell. If necessary, the measuring signal is output by the measuring circuit to a superordinated unit, for example a measuring transducer, connected to the sensor, which further processes the measuring signal. The measuring half-cell comprises a potential-forming element which, depending on the type of potentiometric sensor, may comprise, for example, a redox electrode, an analyte-sensitive coating or an ion-selective membrane.

Beispiele für potentiometrische Sensoren sind ionenselektive Elektroden (ISE). Eine ionenselektive Elektrode weist ein durch die als potentialbildendes Element dienende ionenselektive Membran abgeschlossenes Gehäuse, in dem ein Innenelektrolyt aufgenommen ist, und ein Ableitelement auf, die mit dem Innenelektrolyten in Kontakt stehen. Steht das Messmedium mit dem potentialbildenden Element in Kontakt, wird durch eine Aktivitäts- bzw. Konzentrationsänderung des Analyten in dem Messmedium eine relative Änderung der Gleichgewichts-Galvani-Spannung zwischen dem Messmedium und der über den Innenelektrolyten mit dem potentialbildenden Element in Kontakt stehenden Messflüssigkeit und des Ableitelements bewirkt. Das Ableitelement ist elektrisch leitfähig mit der Messschaltung verbunden. Ein Spezialfall einer derartigen ionenselektiven Elektrode ist die bekannte pH-Glaselektrode, die eine durch eine pH-sensitive Glasmembran abgeschlossene Kammer mit einem darin enthaltenen, ein Puffersystem zur Einstellung eines stabilen pH-Werts umfassenden Innenelektrolyten und ein darin eintauchendes Ableitelement aufweist. Ionenselektive Elektroden sind beispielsweise in „Das Arbeiten mit ionenselektiven Elektroden“, K. Cammann, H. Galster, Springer, 1996, beschrieben.Examples of potentiometric sensors are ion-selective electrodes (ISE). An ion-selective electrode has a housing sealed by the ion-selective membrane serving as a potential-generating element, in which an inner electrolyte is accommodated, and a drain member, which are in contact with the inner electrolyte. If the measuring medium is in contact with the potential-forming element, a change in the activity or concentration of the analyte in the measuring medium causes a relative change in the equilibrium galvanic voltage between the measuring medium and the measuring liquid in contact with the potential-forming element via the inner electrolyte Deriving effected. The diverting element is electrically conductively connected to the measuring circuit. A special case of such an ion-selective electrode is the known pH glass electrode having a chamber sealed by a pH-sensitive glass membrane with an inner electrolyte contained therein and a buffer system for adjusting a stable pH, and a drain element immersed therein. Ion-selective electrodes are described, for example, in "Working with Ion-Selective Electrodes", K. Cammann, H. Galster, Springer, 1996.

Weitere Beispiele für Sensoren, die eine elektrochemische Referenzelektrode benötigen, sind solche auf der Basis von Elektrolyt-Isolator-Halbleiter-Schichtstapeln (englisch: electrolyte-insulator-semiconductor, kurz: EIS). Diese Schichtsysteme können beispielsweise kapazitiv oder als ionenselektive Feldeffekttransistoren (ISFET) betrieben werden. Mit dem Akronym „EIS“ wird zum Ausdruck gebracht, 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 dem als Elektrolyten dienenden Messmedium in Kontakt steht. Durch geeignete Wahl der Isolatorbeschichtung, kann die Sensitivität des Sensors derart eingestellt werden, dass ein an der Grenzfläche zwischen der Isolatorschicht und dem Messmedium auftretender Spannungsabfall als Maß für die Analytkonzentration dient. Der bereits erwähnte ISFET-Sensor umfasst ebenfalls eine derartige EIS-Struktur. In der DE 198 57 953 A1 ist beispielsweise ein Sensor zur Messung von lonenkonzentrationen bzw. des pH-Werts eines Messmediums unter Verwendung eines ISFET beschrieben.Further examples of sensors which require an electrochemical reference electrode are those based on electrolyte-insulator-semiconductor layer stacks (in English: electrolyte-insulator-semiconductor, in short: EIS). These layer systems can be operated, for example, capacitively or as ion-selective field-effect transistors (ISFET). The acronym "EIS" expresses that the sensor comprises a layer structure with at least one insulator coating applied to a semiconductor layer or a semiconductor substrate, which is in contact with the measuring medium serving as electrolyte in the measuring operation of the sensor. By suitable choice of the insulator coating, the sensitivity of the sensor can be adjusted such that a voltage drop occurring at the interface between the insulator layer and the measured medium serves as a measure of the analyte concentration. The already mentioned ISFET sensor also comprises such an EIS structure. In the DE 198 57 953 A1 For example, a sensor for measuring ion concentrations or the pH of a measuring medium using an ISFET is described.

Amperometrische Sensoren können beispielsweise eine Drei-Elektrodenschaltung mit einer Arbeitselektrode, einer Gegenelektrode und einer nicht stromdurchflossenen Bezugselektrode umfassen. Ein solches Messgerät kann beispielsweise eine, insbesondere potentiostatische, Regelschaltung aufweisen, die dazu ausgestaltet ist, zwischen der Arbeitselektrode und der Referenzelektrode eine Sollspannung vorzugeben und den dabei zwischen der Arbeitselektrode und der Gegenelektrode fließenden Strom zu erfassen. Die dabei nicht stromdurchflossene Bezugselektrode, hier und im Folgenden ebenfalls als Bezugshalbzelle bezeichnet, kann in gleicher Weise wie eine Bezugshalbzelle einer potentiometrischen Messanordnung ausgestaltet sein.Amperometric sensors may comprise, for example, a three-electrode circuit having a working electrode, a counterelectrode and a non-current-carrying reference electrode. Such a measuring device may, for example, have a, in particular potentiostatic, control circuit which is designed to predetermine a setpoint voltage between the working electrode and the reference electrode and to detect the current flowing between the working electrode and the counterelectrode. The reference electrode, which is not current-carrying, also referred to here as reference half-cell in the following, can be designed in the same way as a reference half-cell of a potentiometric measuring arrangement.

Die Bezugshalbzelle elektrochemischer Sensoren umfasst ein Bezugs-Ableitelement, welches in Kontakt mit einem Bezugselektrolyten steht. Der Bezugselektrolyt ist in einer in einem Gehäuse der Bezugshalbzelle gebildeten Kammer aufgenommen. Das Potential der Bezugshalbzelle wird durch den Bezugselektrolyten und das Bezugs-Ableitelement definiert. Ist die Bezugselektrode beispielsweise als Silber/Silberchlorid-Referenzelektrode ausgestaltet, handelt es sich bei dem Bezugselektrolyten um eine wässrige Lösung mit hoher Chloridkonzentration, in der Regel eine 3-molare Kaliumchlorid-Lösung, und bei dem Bezug-Ableitelement um einen mit Silberchlorid beschichteten Silberdraht. Das Bezugs-Ableitelement ist elektrisch leitend mit der bereits erwähnten Messschaltung verbunden. The reference half-cell of electrochemical sensors comprises a reference diverter which is in contact with a reference electrolyte. The reference electrolyte is accommodated in a chamber formed in a housing of the reference half-cell. The potential of the reference half-cell is defined by the reference electrolyte and the reference diverter. For example, if the reference electrode is a silver / silver chloride reference electrode, the reference electrolyte is a high chloride aqueous solution, typically a 3 molar potassium chloride solution, and the reference diverter is a silver chloride coated silver wire. The reference diverter is electrically connected to the already mentioned measurement circuit.

Zur Durchführung der Messung steht der Bezugselektrolyt mit dem Messmedium in elektrolytischem Kontakt. Dieser Kontakt wird durch eine elektrochemische Überführung hergestellt, welche beispielsweise aus einer durch die Außenwandung hindurchgehenden Durchgangsbohrung, einem in der Außenwandung angeordnetem porösen Diaphragma oder einem Spalt besteht. Der Bezugselektrolyt kann durch Zugabe eines Verdickungsmittels, insbesondere eines Polymers, angedickt sein. Dadurch wird eine Immobilisierung des Bezugselektrolyten erreicht, so dass der Bezugselektrolyt nicht mehr fließfähig ist und nicht durch die elektrochemische Überführung aus dem Gehäuse austreten kann.To carry out the measurement, the reference electrolyte is in electrolytic contact with the measurement medium. This contact is made by an electrochemical transfer, which consists for example of a through hole passing through the outer wall, a porous diaphragm arranged in the outer wall or a gap. The reference electrolyte may be thickened by adding a thickening agent, in particular a polymer. As a result, an immobilization of the reference electrolyte is achieved, so that the reference electrolyte is no longer flowable and can not escape through the electrochemical transfer from the housing.

Elektrochemische Sensoren mit einer Bezugshalbzelle und einer Messhalbzelle sind dabei vorzugsweise in einem einzigen elektrochemischen Sensor untergebracht; für den Fall potentiometrischer Sensoren wird dieser kompakte Aufbau als eine sogenannte Einstabmesskette bezeichnet. Bei pH-Einstabmessketten mit hochimpedanten (50 MOhm < Z < 10 GOhm) Messhalbzellen umgibt hierbei z.B. die Bezugshalbzelle die Messhalbzelle konzentrisch. Die Bezugshalbzelle weist ein rohrförmiges und an einem dem Messmedium zugewandten Endbereich verschlossenes Gehäuse auf, wobei die elektrochemische Überführung in dem Endbereich der Bezugshalbzelle angeordnet ist. Das rohrförmige Gehäuse der Bezugs- und Messhalbzelle weist ferner jeweils eine in einem dem Messmedium abgewandten Endbereich angeordnete Öffnung auf, die beispielsweise durch eine zusätzliche Polymerdichtung verschlossen ist.Electrochemical sensors with a reference half cell and a measuring half cell are preferably accommodated in a single electrochemical sensor; for the case of potentiometric sensors, this compact design is referred to as a so-called combination electrode. In the case of pH single-rod measuring cells with high-impedance (50 MOhm <Z <10 GOhm) measuring half-cells, this encompasses, for example, the reference half cell concentric the measuring half cell. The reference half-cell has a tubular housing closed at an end region facing the measurement medium, wherein the electrochemical transfer is arranged in the end region of the reference half-cell. The tubular housing of the reference and measuring half cell further has in each case one in an end region remote from the measuring medium opening, which is closed, for example, by an additional polymer seal.

Wird ein poröses Diaphragma als elektrochemische Überführung verwendet, muss dieses bei der Fertigung eines Gehäuse für die Bezugshalbzelle in den dem Messmedium zugewandten Endbereich zusätzlich in die Außenwandung des Gehäuses in einem Fügeprozess eingebracht werden. Das flüssigkeitsdichte Fügen des Diaphragmas in die Außenwandung stellt dabei eine fertigungstechnische Herausforderung dar.If a porous diaphragm is used as an electrochemical transfer, it must be additionally introduced into the outer wall of the housing in a joining process during the production of a housing for the reference half cell in the end region facing the measuring medium. The liquid-tight joining of the diaphragm in the outer wall represents a production engineering challenge.

Dabei stellt insbesondere die Fügestelle zwischen dem Diaphragma und der Außenwandung eine Schwachstelle dar, welche empfindlich gegenüber chemischen, mechanischen und/oder thermischen Beanspruchungen ist. Letztere werden zum einen dadurch hervorgerufen, dass der das Diaphragma aufweisende Endbereich der Außenwandung dem Messmedium ausgesetzt ist. Zudem werden elektrochemische Sensoren in regemäßigen Abständen sterilisiert; hierbei hat sich als Methode der Sterilisation das Autoklavieren bewährt, bei dem der elektrochemische Sensor unter hoher Temperatur (ca. 140 °C) und hohem Druck mit Hilfe von Wasserdampf gereinigt wird. Dabei ist insbesondere auch der Endbereich der Außenwandung mit dem darin ein gefügten Diaphragma hohen Druck- und/oder Temperaturschwankungen ausgesetzt. Bestehen ferner das Gehäuse und das darin gefügte Diaphragma aus Materialen mit unterschiedlichen, insbesondere stark unterschiedlichen, thermischer Ausdehnungskoeffizienten, führen hohe Temperaturschwankungen prinzipiell immer auch zu zusätzlichen starken mechanischen Spannungen, die insbesondere im Bereich der Fügestelle wirken.In particular, the joint between the diaphragm and the outer wall is a weak point, which is sensitive to chemical, mechanical and / or thermal stresses. The latter are caused, on the one hand, by the fact that the end region of the outer wall having the diaphragm is exposed to the measuring medium. In addition, electrochemical sensors are sterilized at regular intervals; autoclaving has proved to be the method of sterilization in which the electrochemical sensor is cleaned under high temperature (about 140 ° C) and high pressure with the aid of steam. In this case, in particular, the end region of the outer wall is exposed to high pressure and / or temperature fluctuations with the diaphragm joined therein. Furthermore, if the housing and the diaphragm joined therein consist of materials with different, in particular greatly different, coefficients of thermal expansion, high temperature fluctuations always lead in principle to additional strong mechanical stresses, which act in particular in the area of the joint.

Derartige Beanspruchungen können letztendlich zu Spaltbildungen zwischen der Außenwandung und dem Diaphragma, Rissbildungen in der Außenwandung und/oder dem Diaphragma oder sogar zu einem kompletten Versagen der Fügestellen und damit zu einem Herauslösen des Diaphragmas aus der Außenwandung führen.Such stresses can ultimately lead to gaps between the outer wall and the diaphragm, cracking in the outer wall and / or the diaphragm or even to a complete failure of the joints and thus to a detachment of the diaphragm from the outer wall.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Gehäuse bzw. ein Gehäuse für eine Bezugshalbzelle mit einer hohen Stabilität anzugeben.The invention is therefore based on the object of specifying a method for producing a housing or a housing for a reference half cell with a high stability.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.The object is solved by the features of the independent claims.

Die erfindungsgemäße Lösung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gehäuses für eine elektrochemische Bezugshalbzelle, wobei das Gehäuse mindestens eine Kammer zur Aufnahme eines Elektrolyten aufweist, wobei in einer Außenwandung der Kammer eine elektrochemische Überführung angeordnet ist, mittels derer ein elektrolytischer Kontakt zwischen einem in der Kammer anordenbaren Elektrolyten und einem außerhalb der Kammer anordenbaren Medium herstellbar ist. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass für zumindest eine Kammer oder mindestens eine der Kammern die aus einem Material bestehende Außenwandung einstückig ist und die elektrochemische Überführung in der Außenwandung mittels zumindest eines in die Außenwandung eingebrachten Energieeintrags erzeugt wird. Durch den Energieeintrag werden in dem Bereich der elektrochemischen Überführung Poren in das Material der Außenwandung eingebracht.The solution according to the invention relates to a method for producing a housing for an electrochemical reference half-cell, wherein the housing has at least one chamber for receiving an electrolyte, wherein in an outer wall of the chamber, an electrochemical transfer is arranged, by means of which an electrolytic contact between a can be arranged in the chamber Electrolytes and an outside of the chamber can be arranged medium can be produced. The method is characterized in that for at least one chamber or at least one of the chambers, the outer wall made of a material is integral and generates the electrochemical transfer in the outer wall by means of at least one introduced into the outer wall energy input becomes. As a result of the introduction of energy, pores are introduced into the material of the outer wall in the region of the electrochemical transfer.

Die elektrochemische Überführung wird dabei im Wesentlichen mittels des Energieeintrags, mit dem die Poren in der einstückigen Außenwandung eingebracht werden, erzeugt. Es werden eine Vielzahl von Poren, insbesondere zumindest zehn Poren, in die Außenwandung eingebracht. Vorzugsweise werden zumindest 21 Poren in die Außenwandung eingebracht.The electrochemical transfer is generated essentially by means of the energy input, with which the pores are introduced in the one-piece outer wall. A large number of pores, in particular at least ten pores, are introduced into the outer wall. Preferably, at least 21 pores are introduced into the outer wall.

Dadurch entfällt vorteilhaft der fehleranfällige Fertigungsprozess, in welchem ein separat hergestelltes Diaphragma in die Außenwand eines vorgefertigten Gehäuses eingefügt wird.This advantageously eliminates the error-prone manufacturing process in which a separately prepared diaphragm is inserted into the outer wall of a prefabricated housing.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist, dass die elektrochemische Überführung und der angrenzende Bereich der Außenwandung fertigungstechnisch bedingt aus demselben Material bestehen, und damit auch keine durch thermische Belastungen induzierte Spannungen auftreten können.Another advantage of the solution according to the invention is that the electrochemical transfer and the adjacent region of the outer wall manufacturing reasons, consist of the same material, and thus can not occur due to thermal stress induced stresses.

Bei einer durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Kammer ist zudem der Übergang zwischen der elektrochemischen Überführung zu dem daran angrenzenden Bereich der Außenwandung im Wesentlichen nahtlos. Dadurch wird ein Gehäuse für eine Bezugshalbzelle mit einer erhöhten Stabilität erreicht.In a chamber produced by the method according to the invention, moreover, the transition between the electrochemical transfer to the adjoining region of the outer wall is substantially seamless. Thereby, a housing for a reference half cell is achieved with an increased stability.

In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der zumindest eine Energieeintrag mittels zumindest eines Lasers in die Außenwandung der Kammer eingebracht. Vorteilhaft bei einem Laser ist, dass ein genau dosierbarer Energieeintrag präzise in einem vorgegeben Bereich der Außenwandung eingebracht wird. Dadurch werden die Poren in einem definierten bzw. vorgegeben, die elektrochemische Überführung bildenden Bereich der Außenwandung erzeugt. Die Poren werden dabei z.B. in einer vorgegeben Tiefe der Außenwandung mit einer vorgegebenen Stärke durch einen definierten Materialabtrag des Lasers, wie etwa Lasertiefengravur, erzeugt.In a development of the method according to the invention, the at least one energy input is introduced into the outer wall of the chamber by means of at least one laser. An advantage of a laser is that a precisely metered energy input is precisely introduced in a predetermined area of the outer wall. As a result, the pores are generated in a defined or predetermined area of the outer wall forming the electrochemical transfer. The pores are e.g. in a predetermined depth of the outer wall with a predetermined thickness by a defined removal of material of the laser, such as laser engraving deep generated.

In einer weiteren Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Außenwandung mittels zumindest eines ersten Energieeintrags des zumindest einen Lasers punktuell zu zumindest einem Mikrodefekt und/oder Nanodefekt verändert, wobei mittels des Mikrodefekts und/oder Nanodefekts die Poren in der Außenwandung erzeugt werden.In a further development of the method according to the invention, the outer wall is selectively changed by means of at least one first energy input of the at least one laser to form at least one microdefect and / or nano-defect, whereby the pores in the outer wall are generated by means of the microdefect and / or nano-defect.

Als ein Mikro- bzw. Nanodefekt wird ein Defekt bezeichnet, welche im Mikro- bzw. Nanometerbereich vorliegt, d.h. in einem von ca. 1 µm bis 900 µm (Mikrometer) bzw. von 1 nm bis 900 nm (Nanometer). Darunter fallen beispielsweise lokale Verspannungen, Risse, oder chemische Schwächungen wie Substitutionen, lokale Umordnungen und/oder Entmischungen. Die Poren können dabei mittels eines oder mehrerer dieser Defekte, die z.B. eine Vorstufe der Poren darstellen, erzeugt werden und/oder bei dem Mikro- bzw. Nanodefekt handelt es sich selbst um eine Pore mit einer Porengröße im Mikro- bzw. Nanometerbereich. Besteht die Außenwandung aus einem mikro- oder teilkristallinem Material, kann es sich bei den Defekten auch um Gitterfehler handeln, also z.B. Punktdefekte wie etwa Leerstellen, Zwischengitter- und/oder Substitutionsatome oder höherdimensionale Defekte wie z.B. Versetzungen, Korngrenzen, Stapelfehler und/oder Poren.As a micro-or nano defect, a defect is called, which is present in the micro or nanometer range, i. in one of about 1 micron to 900 microns (microns) and from 1 nm to 900 nm (nanometers). These include, for example, local tensions, cracks, or chemical weakenings such as substitutions, local rearrangements, and / or segregations. The pores may be characterized by one or more of these defects, e.g. represent a precursor of the pores, are generated and / or the micro- or nano-defect is itself a pore with a pore size in the micro or nanometer range. If the outer wall is made of a microcrystalline or semi-crystalline material, the defects may also be lattice defects, e.g. Point defects such as vacancies, interstitial and / or substitution atoms or higher dimensional defects such as e.g. Dislocations, grain boundaries, stacking faults and / or pores.

In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Außenwandung mittels des zumindest einen Lasers jeweils punktuell zu einer Vielzahl von Mikrodefekten und/oder Nanodefekten verändert, wobei mittels der Mikrodefekte und/oder Nanodefekte die Poren in der Außenwandung erzeugt werden.In one embodiment of the method according to the invention, the outer wall is selectively changed by means of the at least one laser to form a multiplicity of microdefects and / or nanodefects, the pores being produced in the outer wall by means of the microdefects and / or nanodefects.

In einer weiteren Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf eine innere und/oder äußere Oberfläche der Außenwandung eine ein Aufschäummittel aufweisende Substanz aufgebracht. Das Aufschäummittel wird mittels eines zweiten Energieeintrags zumindest teilweise in die Außenwandung eingearbeitet und mittels eines dritten, vom zweiten Energieeintrag verschiedenen, Energieeintrags in der Außenwandung zumindest teilweise zersetzt und/oder verdampft wird. Es werden mittels bei einer Zersetzung und/oder Verdampfung entstehender Gasblasen die Poren in der Außenwandung erzeugt. Bei der Zersetzung handelt es sich z.B. um eine KalzinierungIn a further development of the method according to the invention, a substance having a foaming agent is applied to an inner and / or outer surface of the outer wall. The foaming agent is at least partially incorporated into the outer wall by means of a second energy input and at least partially decomposed and / or vaporized by means of a third, different from the second energy input, energy input in the outer wall. By means of decomposition and / or vaporization, gas bubbles create the pores in the outer wall. The decomposition is e.g. for a calcination

Insbesondere sind die das Aufschäummittel aufweisende Substanz und die Energieeinträge derart auf das Material der Außenwandung abgestimmt, dass zunächst eine Einarbeitung der das Aufschäummittel aufweisenden Substanz in die Außenwandung ohne eine gleichzeitige vollständige Zersetzung und/oder Verdampfung stattfindet. Danach findet eine Zersetzung und/oder Verdampfung mit der in die Außenwandung eingearbeiteten Substanz statt, mit der die Poren in der Außenwandung erzeugt werden. Vorzugsweise weist daher der zweite Energieeintrag eine kleinere Energiedichte auf als der dritte Energieeintrag .In particular, the substance comprising the foaming agent and the energy inputs are adapted to the material of the outer wall in such a way that the substance having the foaming agent is first incorporated into the outer wall without simultaneous complete decomposition and / or evaporation. Thereafter, a decomposition and / or evaporation takes place with the incorporated into the outer wall substance with which the pores are generated in the outer wall. Preferably, therefore, the second energy input has a lower energy density than the third energy input.

In einer Ausgestaltung der Erfindung wird der der dritte Energieeintrag in einem räumlich begrenzten Bereich eingebracht, der kleiner ist als ein räumlich begrenzter Bereich, in dem der zweite Energieeintrag eingebracht wird. Der dritte Energieeintrag wird damit lokal begrenzter eingebracht als der zweite Energieeintrag, z.B. bezogen auf eine Fläche der Außenwandung. In Bezug auf die Gesamtenergie kann in diesem Fall dann auch der zweite Energieeintrags insgesamt auch größer als der dritte Energieeintrag sein, selbst für den Fall dass der der zweite Energieeintrag eine kleinere Energiedichte als der dritte Energieeintrag aufweist.In one embodiment of the invention, the third energy input is introduced in a spatially limited area which is smaller than a spatially limited area in which the second energy input is introduced. The third energy input is thus introduced locally limited than the second energy input, for example, based on an area of the outer wall. With regard to the total energy, the second energy input in this case can then also be greater than the third energy input overall, even in the event that the second energy input has a lower energy density than the third energy input.

Das Aufschäummittel enthält als Verschäumungsreagenz zum Beispiel eine oder mehrere der folgenden Chemikalien: AX, A2Y, BX2, oder BY, wobei A ein einwertiges Kation, bevorzugt ein Alkalimetall, B ein zweiwertiges Kation, bevorzugt ein Erdalkalimetall, X ein einwertiges Anion, bevorzugt Nitrat, und Y ein zweiwertiges Anion, bevorzugt Sulfat oder Carbonat ist.The foaming agent contains as foaming reagent, for example, one or more of the following chemicals: AX, A2Y, BX2, or BY, where A is a monovalent cation, preferably an alkali metal, B is a divalent cation, preferably an alkaline earth metal, X is a monovalent anion, preferably nitrate, and Y is a divalent anion, preferably sulfate or carbonate.

Selbstverständlich kann die oben erwähnte Erzeugung von Mikro- und/oder Nanodefekten auch mit dieser Weiterbildung kombiniert werden. Eine derartige Kombination der beiden Verfahren kann dabei z.B. auch nur in einem bestimmten, vorgegebenen Bereich der elektrochemischen Überführung angewandt werden. Je nach Ausgestaltung der elektrochemischen Überführung kann diese auch einen ersten Bereich umfassen, welcher mittels der Erzeugung von Mikro- und/oder Nanodefekten erzeugte Poren aufweist, und einen zweiten Bereich umfassen, welche mittels der Zersetzung und/oder Verdampfung des eingearbeiteten Aufschäummittel erzeugte Poren aufweist.Of course, the above-mentioned generation of micro and / or nanodefects can also be combined with this development. Such a combination of the two methods may e.g. be applied only in a certain predetermined range of the electrochemical transfer. Depending on the configuration of the electrochemical transfer, it may also comprise a first region which has pores produced by the generation of micro and / or nano-defects, and a second region which has pores produced by the decomposition and / or evaporation of the incorporated foaming agent.

In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der erste, der zweite und/oder der dritte Energieeintrag mittels eines einzigen Lasers eingebracht.In one embodiment of the method according to the invention, the first, the second and / or the third energy input is introduced by means of a single laser.

In einer weiteren Ausgestaltung wird der erste, der zweite und/oder der dritte Energieeintrag mittels zumindest zweier Laser eingebracht.In a further embodiment, the first, second and / or third energy input is introduced by means of at least two lasers.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung werden die in der Außenwandung erzeugten Poren mittels eines sich an die Erzeugung der Poren anschließenden chemischen und/oder mechanischen Abtragverfahrens geöffnet und/oder vergrößert. Bei dem chemischen und/oder mechanischen Abtragverfahren kann es sich beispielsweise um ein Schleifen oder Ätzen handeln. Durch die Öffnung von Poren werden z.B. diejenigen der Poren, welche bei der Erzeugung als anfänglich geschlossene Poren vorliegen, zusätzlich geöffnet und damit der offenporige Bereich der elektrochemischen Überführung vergrößert, wodurch der offenporige Bereich ein z.B. vorgegebenes Ausmaß einnimmt und/oder eine z.B. vorgegebene Porendichte erreicht wird. Alternativ oder zusätzlich wird durch die Vergrößerung von Poren erreicht, dass diese eine z.B. vorgegebene Porengröße aufweisen.In a preferred development of the invention, the pores produced in the outer wall are opened and / or enlarged by means of a chemical and / or mechanical removal method following the production of the pores. The chemical and / or mechanical removal method may be, for example, a grinding or etching. By opening pores, e.g. those of the pores, which are present as initially closed pores in the production, are additionally opened, thereby enlarging the open-pore region of the electrochemical transfer, whereby the open-pore region is e.g. assumes a predetermined extent and / or an e.g. predetermined pore density is achieved. Alternatively or additionally, by enlarging pores, it is achieved that these are e.g. have predetermined pore size.

In einer weiteren Weiterbildung der Erfindung werden offene Poren mit einer Porengröße kleiner als 100 Mikrometer, insbesondere kleiner als 50 Mikrometer, in der Außenwandung erzeugt. Als Porengröße wird im Rahmen dieser Anmeldung der Durchmesser der Poren bezeichnet.In a further development of the invention, open pores having a pore size of less than 100 micrometers, in particular less than 50 micrometers, are produced in the outer wall. The pore size is referred to in this application, the diameter of the pores.

Die erfindungsgemäße Lösung betrifft auch ein Gehäuse für eine elektrochemische Bezugshalbzelle wobei das Gehäuse mindestens eine Kammer zur Aufnahme eines Elektrolyten aufweist, wobei in einer Außenwandung der Kammer eine elektrochemische Überführung angeordnet ist, mittels derer ein elektrolytischer Kontakt zwischen einem in der Kammer anordenbaren Elektrolyten und einem außerhalb der Kammer anordenbaren Medium herstellbar ist. Das erfindungsgemäße Gehäuse ist dadurch gekennzeichnet, dass für zumindest eine Kammer oder mindestens eine der Kammern die aus einem Material bestehende Außenwandung einstückig ist und die elektrochemische Überführung in der Außenwandung mittels zumindest eines in die Außenwandung eingebrachten Energieeintrags erzeugt ist, wobei durch den Energieeintrag in dem Bereich der elektrochemischen Überführung Poren in das Material der Außenwandung eingebracht sind.The solution according to the invention also relates to a housing for an electrochemical reference half cell wherein the housing has at least one chamber for receiving an electrolyte, wherein in an outer wall of the chamber, an electrochemical transfer is arranged, by means of which an electrolytic contact between an arranged in the chamber electrolyte and an outside the chamber can be arranged disposable medium. The housing according to the invention is characterized in that for at least one chamber or at least one of the chambers, the outer wall made of a material is integral and the electrochemical transfer in the outer wall is generated by means of at least one introduced into the outer wall energy input, wherein by the energy input in the area the electrochemical transfer pores are introduced into the material of the outer wall.

Bei der Kammer mit der einstückigen Gehäusewand ist also vorteilhaft das Diaphragma direkt in die Außenwandung integriert und selbst Teil der aus einem Stück bestehenden Außenwandung der Kammer. Die Kammer mit der einstückigen Außenwandung kann dabei wie oben erwähnt noch eine Öffnung aufweisen, durch die ein Bezugs-Ableitelement einführbar und ein Elektrolyt einfüllbar ist. Die Öffnung ist anschließend mit der oben erwähnten Polymerdichtung verschließbar.In the case of the chamber with the one-piece housing wall, the diaphragm is thus advantageously integrated directly into the outer wall and is itself part of the one-piece outer wall of the chamber. The chamber with the one-piece outer wall can, as mentioned above, still have an opening through which a reference discharge element can be introduced and an electrolyte can be introduced. The opening is then closable with the above-mentioned polymer seal.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gehäuses umfasst die elektrochemische Überführung in der einstückigen Außenwandung einen offenporigen Bereich. Der offenporige Bereich der elektrochemischen Überführung wird mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erhalten.In a preferred embodiment of the housing according to the invention, the electrochemical transfer in the one-piece outer wall comprises an open-pore region. The open-pore region of the electrochemical transfer is obtained by means of the process according to the invention.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gehäuses ist das Material der Kammer im Wesentlichen ein Glas.In a further embodiment of the housing according to the invention, the material of the chamber is essentially a glass.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gehäuses ist das Material der Kammer im Wesentlichen ein Kunstsoff. Insbesondere handelt es sich um einen thermoplastischen oder ein duroplastischen Kunststoff. Bei dem Kunststoff kann es sich zum Beispiel um ein Polyetherketon (PEK), insbesondere um ein Polyetheretherketon (PEEK), handeln, welches sich aufgrund seiner hohen chemischen Beständigkeit und seiner hervorragenden elektrisch isolierenden Eigenschaften als Material für das Gehäuse eignet.In a further embodiment of the housing according to the invention, the material of the chamber is essentially a Kunstsoff. In particular, it is a thermoplastic or a thermosetting plastic. The plastic may be, for example, a polyetherketone (PEK), in particular a polyetheretherketone (PEEK), which is suitable as a material for the housing due to its high chemical resistance and excellent electrical insulating properties.

In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Gehäuses sind/ist die Kammer und/oder das Gehäuse zumindest abschnittsweise zylinderförmig. In a further development of the housing according to the invention, the chamber and / or the housing are / is at least partially cylindrical.

In einer bevorzugten Ausgestaltung dieser Weiterbildung sind die Poren im Wesentlichen gleichmäßig um einen zylinderförmigen Endbereich der Kammer, insbesondere einer Öffnung der Kammer abgewandten Endbereich, angeordnet.In a preferred embodiment of this development, the pores are arranged substantially uniformly around a cylindrical end region of the chamber, in particular an end region facing away from the opening of the chamber.

Dadurch sind die Poren gleichmäßig um einem dem Messmedium zugewandten Endbereich der Kammer angeordnet, beispielsweise entlang eines ringförmigen Zylinderabschnitts im Endbereich. Mittels der gleichmäßig verteilt angeordneten Poren wird der elektrolytische Kontakt zwischen einem außerhalb der Kammer anordenbaren und die Kammer umgebenden Medium und einem in der Kammer anordenbaren Elektrolyten von allen Seiten der Kammer her im Wesentlichen in gleichem Maße hergestellt.As a result, the pores are arranged uniformly around an end region of the chamber facing the measuring medium, for example along an annular cylindrical section in the end region. By means of the uniformly distributed pores, the electrolytic contact between a medium which can be arranged outside the chamber and surrounding the chamber and an electrolyte which can be arranged in the chamber is produced from all sides of the chamber essentially to the same extent.

In einer weiteren Weiterbildung weisen die Poren eine minimale Porendichte von zumindest 8×10-2 /mm auf. Insbesondere weisen die Poren eine maximale Porendichte von höchstens 104/mm auf. Als Porendichte wird im Rahmen dieser Anmeldung die mittlere Anzahl der Poren entlang einer Schnittlinie bezeichnet.In a further development, the pores have a minimum pore density of at least 8 × 10 -2 / mm. In particular, the pores have a maximum pore density of at most 10 4 / mm. For the purposes of this application, pore density is the mean number of pores along a cutting line.

Die Erfindung betrifft weiter einen elektrochemischer Sensor mit einer elektrochemischen Bezugshalbzelle wobei die elektrochemische Bezugshalbzelle umfasst:

  • - ein erfindungsgemäßes Gehäuse;
  • - ein in der Kammer angeordnetes Bezugs-Ableitelement, welches elektrisch leitend mit einer außerhalb der Kammer angeordneten elektrischen Kontaktstelle verbunden ist; und
  • - zumindest einen Elektrolyten, der innerhalb der Kammer angeordnet ist.
The invention further relates to an electrochemical sensor having a reference electrochemical half cell, the reference electrochemical half cell comprising:
  • - An inventive housing;
  • - A arranged in the chamber reference-Ableitelement which is electrically connected to an outside of the chamber arranged electrical contact point; and
  • - At least one electrolyte which is disposed within the chamber.

Wird der elektrochemischer Sensor in einem Messbetrieb in Kontakt mit einem Messmedium gebracht, steht der innerhalb der Kammer angeordnete Elektrolyt über die elektrochemische Überführung in elektrochemischen Kontakt mit dem Messmedium.If the electrochemical sensor is brought into contact with a measuring medium in a measuring operation, the electrolyte arranged inside the chamber is in electrochemical contact with the measuring medium via the electrochemical transfer.

Im einfachsten Fall handelt es sich bei dem Elektrolyt um einen Bezugselektrolyten, in welchen wie eingangs beschrieben das Bezugs-Ableitelement eintaucht.In the simplest case, the electrolyte is a reference electrolyte, in which, as described above, the reference diverter element is immersed.

Aus dem Stand der Technik ist weiterhin die Verwendung sogenannter Brückenelektrolyte bekannt, welche über eine elektrochemische Überführung einer ersten Kammer in elektrochemischen Kontakt mit dem Messmedium stehen. In diesem Fall sind das Bezugs-Ableitelement und der Bezugselektrolyt in einer zweiten Kammer angeordnet, wobei die zweite Kammer wiederum innerhalb der ersten Kammer angeordnet ist und in elektrolytischen Kontakt zu der ersten Kammer steht. Insbesondere steht das Bezugselektrolyt über eine elektrochemische Überführung der zweiten Kammer in elektrolytischem Kontakt mit dem Brückenelektrolyt. In diesem Fall ist für den elektrochemischen Sensor mit dem erfindungsgemäßen Gehäuse für zumindest eine der beiden Kammern die elektrochemischen beispielsweise die der ersten Kammer, derart, dass die aus einem Material bestehende Außenwandung der Kammer einstückig ist und die elektrochemische Überführung in der Außenwandung der Kammer mittels des in die Außenwandung eingebrachten Energieeintrags erzeugt ist.Furthermore, the use of so-called bridge electrolytes, which are in electrochemical contact with the measuring medium via an electrochemical transfer of a first chamber, is known from the prior art. In this case, the reference diverter and the reference electrolyte are disposed in a second chamber, the second chamber again being disposed within the first chamber and in electrolytic contact with the first chamber. In particular, the reference electrolyte is via an electrochemical transfer of the second chamber in electrolytic contact with the bridge electrolyte. In this case, for the electrochemical sensor with the housing according to the invention for at least one of the two chambers, the electrochemical, for example, the first chamber, such that the outer wall of the chamber is made of a material of the chamber and the electrochemical transfer in the outer wall of the chamber by means of generated in the outer wall energy input is generated.

In einer Ausgestaltung des elektrochemischen Sensors weist dieser eine elektrochemische Messhalbzelle mit einem potentialbildenden Element und einem Ableitelement auf, welches elektrisch leitend mit der elektrischen Kontaktstelle verbunden ist, und eine Regel-/Auswerteeinheit, die dazu ausgestaltet ist, anhand von von der Bezugshalbzelle und der zumindest einen Messhalbzelle erzeugten elektrischen Signalen eine Messgröße eines mit dem elektrochemischen Sensor in Kontakt stehenden Messmediums zu bestimmen. In dieser Ausgestaltung handelt es sich bei dem elektrochemischen Sensor z.B. um eine eingangs genannten ionenselektive Elektrode.In one embodiment of the electrochemical sensor, the latter has an electrochemical measuring half cell with a potential-forming element and a diverting element, which is electrically conductively connected to the electrical contact point, and a control / evaluation unit which is designed for this purpose on the basis of the reference half cell and the at least to determine a measured variable of a measuring medium which is in contact with the electrochemical sensor, electrical signals generated by a measuring half-cell. In this embodiment, the electrochemical sensor is e.g. to an ion-selective electrode mentioned above.

In einer weiteren Ausgestaltung des elektrochemischen Sensors weist dieser zumindest einen Halbleiter-Isolator-Schichtstapel auf, welcher elektrisch leitend mit der elektrischen Kontaktstelle verbunden ist, und eine Regel-/Auswerteeinheit, die dazu ausgestaltet ist, anhand von von der Bezugshalbzelle und dem zumindest einen Halbleiter-Isolator-Schichtstapel erzeugten elektrischen Signalen eine Messgröße eines mit dem elektrochemischen Sensor in Kontakt stehenden Messmediums zu bestimmen.In a further refinement of the electrochemical sensor, the latter has at least one semiconductor-insulator layer stack, which is electrically conductively connected to the electrical contact point, and a control / evaluation unit designed for this purpose on the basis of the reference half-cell and the at least one semiconductor Insulator layer stack generated electrical signals to determine a measure of a standing in contact with the electrochemical sensor measuring medium.

In dieser Ausgestaltung umfasst der elektrochemische Sensor als analytsensitive Komponente also den eingangs erwähnten Halbleiter-Isolator-Schichtstapel, welcher z.B. in dem ISFET-Sensor oder als EIS-Struktur mit kapazitiver Auswertung eingesetzt wird.In this embodiment, the electrochemical sensor as an analyte-sensitive component thus comprises the semiconductor-insulator layer stack mentioned in the introduction, which is used e.g. in the ISFET sensor or as an EIS structure with capacitive evaluation.

Die Regel-/Auswerteeinheit dieser Ausgestaltungen ist dabei als eine elektrische Schaltung ausgebildet, die zur Regelung und/oder Auswertung des elektrochemischen Sensors ausgestaltet ist. Das von der Kontaktstelle erzeugte Signal wird dabei an die Regel-/Auswerteeinheit übertragen. Dies geschieht beispielsweise, indem die Kontaktstelle mit der Regel-/Auswerteeinheit über elektrische Pfade verbunden ist.The control / evaluation unit of these embodiments is designed as an electrical circuit which is designed for the control and / or evaluation of the electrochemical sensor. The signal generated by the contact point is transmitted to the control / evaluation unit. This happens, for example, by the contact point is connected to the control / evaluation unit via electrical paths.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden, nicht maßstabsgetreuen Figuren näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale bezeichnen. Wenn es die Übersichtlichkeit erfordert oder es anderweitig sinnvoll erscheint, wird auf bereits erwähnte Bezugszeichen in nachfolgenden Figuren verzichtet. Es zeigt:

  • 1a,b,c: Verschiedene Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens;
  • 2: Eine Ausgestaltung einer Bezugshalbzelle mit dem erfindungsgemäßen Gehäuse;
  • 3: Eine erste Ausgestaltung eines elektrochemischen Sensors mit einer Bezugshalbzelle mit einem erfindungsgemäßen Gehäuse;
  • 4: Eine zweite Ausgestaltung eines elektrochemischen Sensors mit einer Bezugshalbzelle mit einem erfindungsgemäßen Gehäuse;
  • 5: Eine dritte Ausgestaltung eines elektrochemischen Sensors mit einer Bezugshalbzelle mit einem erfindungsgemäßen Gehäuse.
The invention will be explained in more detail with reference to the following, not to scale figures, wherein like reference numerals designate like features. If it requires the clarity or it appears otherwise useful, is omitted reference numerals already mentioned in subsequent figures. It shows:
  • 1a, b , c: Various embodiments of the method according to the invention;
  • 2 : An embodiment of a reference half cell with the housing according to the invention;
  • 3 A first embodiment of an electrochemical sensor having a reference half cell with a housing according to the invention;
  • 4 A second embodiment of an electrochemical sensor having a reference half cell with a housing according to the invention;
  • 5 A third embodiment of an electrochemical sensor with a reference half cell with a housing according to the invention.

In 1a,b,c sind schematisch verschiedene Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des Gehäuses 3 gezeigt. Bei der Kammer 2a handelt es sich um eine im Wesentlichen zylinderförmige Kammer, wobei der Übersichtlichkeit halber jeweils nur eine Schnittansicht eines Ausschnitts der Außenwandung 4 der zylinderförmigen Kammer 2a gezeigt ist. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird in einem Endbereich EB der Kammer 2a die elektrochemische Überführung 5a eingebracht.In 1a, b , c are schematically different embodiments of the inventive method for producing the housing 3 shown. At the chamber 2a it is a substantially cylindrical chamber, wherein the sake of clarity, each only a sectional view of a section of the outer wall 4 the cylindrical chamber 2a is shown. The inventive method is in an end region EB the chamber 2a the electrochemical transfer 5a brought in.

In einer ersten Ausgestaltung des Verfahrens, 1a, wird mittels eines ersten Lasers L1 ein erster Energieeintrag ΔE1 in die Außenwandung 4 eingebracht. Hierbei werden in einem Lasertiefengravurverfahren Mikrodefekte MD erzeugt, insbesondere Mikrorisse und Mikroporen. Mittels des Lasers L1 ist der erste Energieeintrag ΔE1 sehr genau dosierbarer und sehr präzise in dem Endbereich EB der Außenwandung 4 einbringbar. Dadurch werden die Poren 6 in einem definierten bzw. vorgegeben, die elektrochemische Überführung 5a bildenden Endbereich EB der Außenwandung 4 erzeugt.In a first embodiment of the method, 1a , is done by means of a first laser L1 a first energy input ΔE1 in the outer wall 4 brought in. Here are in a laser deep engraving microdefects MD produced, in particular microcracks and micropores. By means of the laser L1 is the first energy input ΔE1 very precisely dosed and very precise in the end area EB the outer wall 4 recoverable. This will make the pores 6 in a defined or predetermined, the electrochemical transfer 5a forming end portion EB the outer wall 4 generated.

Die mittels des Lasers L1 erzeugten Poren 6 werden anschließend in einem Ätzverfahren zusätzlich geöffnet und vergrößert. Dadurch wird in dem Endbereich EB der Kammer 2a die offenporige Struktur in der einstückigen Außenwandung 4 mit Poren 6 von einer Porengröße kleiner als 50 µm (Mikrometer) erzeugt. Die Poren 6 sind dabei im Wesentlichen gleichmäßig über einen zylinderförmigen Abschnitt der zylinderförmigen Kammer 2a verteilt angeordnet.The by means of the laser L1 generated pores 6 are then additionally opened and enlarged in an etching process. This will be in the end area EB the chamber 2a the open-pore structure in the one-piece outer wall 4 with pores 6 of a pore size smaller than 50 μm (microns). The pores 6 are substantially uniform over a cylindrical portion of the cylindrical chamber 2a arranged distributed.

Durch die offenporige Struktur wird eine elektrochemische Überführung 5 gebildet, die in die Außenwandung 4 derart integriert ist, dass der Übergang von der elektrochemischen Überführung 5 zu dem daran angrenzenden Bereich der Außenwandung 4 im Wesentlichen nahtlos istThe open-pore structure becomes an electrochemical transfer 5 formed in the outer wall 4 is integrated so that the transition from the electrochemical transfer 5 to the adjacent area of the outer wall 4 is essentially seamless

In einer zweiten Ausgestaltung des Verfahrens, 1b, wird in dem Endbereich EB eine ein Aufschäummittel 7 aufweisende Substanz auf eine Oberfläche der Außenwandung 4 aufgebracht, hier die nach außen zeigende Oberfläche der Außenwandung 4. Selbstverständlich ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, das Aufschäummittel 7 auf beide Oberflächen der Außenwandung 4 aufzubringen. Das Aufschäummittel 7 enthält zumindest eine der folgenden Chemikalien: AX, A2Y, BX2, oder BY, wobei A ein einwertiges Kation, bevorzugt ein Alkalimetall, B ein zweiwertiges Kation, bevorzugt ein Erdalkalimetall, X ein einwertiges Anion, bevorzugt Nitrat, und Y ein zweiwertiges Anion, bevorzugt Sulfat oder Carbonat ist.In a second embodiment of the method, 1b , will be in the end area EB a foaming agent 7 having substance on a surface of the outer wall 4 applied, here the outwardly facing surface of the outer wall 4 , Of course, it is also possible in the context of the invention, the foaming agent 7 on both surfaces of the outer wall 4 applied. The foaming agent 7 contains at least one of the following chemicals: AX, A2Y, BX2, or BY, where A is a monovalent cation, preferably an alkali metal, B is a divalent cation, preferably an alkaline earth metal, X is a monovalent anion, preferably nitrate, and Y is a divalent anion Sulfate or carbonate.

Das Aufschäummittel wird in einem ersten Verfahrensschritt (1b, oberstes Feld) in die Außenwandung 4 mittels eines in die Außenwandung eingebrachten zweiten Energieeintrags ΔE2 eingearbeitet. Hierzu wird in 1b ein erster Laser L1 verwendet. Selbstverständlich sind im Rahmen der Erfindung auch weitere bzw. alternative Verfahren zum Einbringen des zweiten Energieeintrags ΔE2 möglich, mit denen die Substanz und das Material der Außenwandung in dem Endbereich EB aufgeschmolzen und mit der ebenfalls aufgeschmolzenen Substanz vermischt werden, darunter beispielsweise ein rein thermisches Verfahren.The foaming agent is used in a first process step ( 1b , top field) in the outer wall 4 by means of a second energy input introduced into the outer wall ΔE2 incorporated. This is done in 1b a first laser L1 used. Of course, in the context of the invention, other or alternative methods for introducing the second energy input ΔE2 possible with which the substance and the material of the outer wall in the end region EB are melted and mixed with the likewise melted substance, including, for example, a purely thermal process.

Der zweite Energieeintrag ΔE2 ist dabei derart auf die Außenwandung 4, die Substanz und das Aufschäummittel 7 abgestimmt, dass bei der Einarbeitung des Aufschäummittels 7 im Wesentlichen keine bzw. zumindest keine vollständige Zersetzung und/oder Verdampfung des Aufschäummittels 7 stattfindet. Dadurch liegt das Aufschäummittel 7 als zumindest teilweise nicht-aufgeschäumt und/oder nicht-zersetzt und in die Außenwandung 4 eingearbeitet vor.The second energy input ΔE2 is doing so on the outer wall 4 , the substance and the foaming agent 7 agreed that during the incorporation of the foaming agent 7 essentially no or at least no complete decomposition and / or evaporation of the foaming agent 7 takes place. This is the foaming agent 7 as at least partially unfoamed and / or non-decomposed and in the outer wall 4 incorporated before.

In einem zweiten Schritt, 1b, mittleres Feld, wird anschließend mittels eines dritten Energieeintrags ΔE3, das in die Außenwandung 4 eingearbeitete Aufschäummittel 7 zumindest teilweise zersetzt und/oder verdampft. Der dritte Energieeintrag ΔE3 wird mit einem zweiten Laser L2 eingebracht. Bei der Zersetzung und/oder Verdampfung des Aufschäummittels 7 werden z.B. im Rahmen einer Zersetzung und/oder Verdampfung in der Außenwandung 4 Gasblasen 19 gebildet, aus sich bei der Zersetzung und/oder Verdampfung bildenden Gasen wie beispielsweise CO2, NOx und/oder SO2/SO3. Mittels des Lasers L2 ist dritte Energieeintrag ΔE3 sehr genau dosierbarer und sehr präzise einbringbar, so dass nur in dem Endbereich EB die Gasblasen 19 entstehen.In a second step, 1b , middle field, is then followed by a third energy input ΔE3 in the outer wall 4 incorporated foaming agent 7 at least partially decomposed and / or evaporated. The third energy input ΔE3 comes with a second laser L2 brought in. In the decomposition and / or evaporation of the foaming agent 7 For example, in the context of decomposition and / or evaporation in the outer wall 4 gas bubbles 19 formed, from in the decomposition and / or evaporation forming gases such as CO 2 , NO x and / or SO 2 / SO 3 . By means of the laser L2 is third energy input ΔE3 very precisely dosed and very precise einbrembar, so that only in the end area EB the gas bubbles 19 arise.

Mittels der Gasblasen 19 werden die Poren 6 erzeugt, siehe 1b, unteres Feld, welche den offenporigen Bereich in dem Endbereich EB und damit die elektrochemische Überführung 5 der Kammer 2a bilden. Ähnlich zu dem Verfahren aus 1a kann hier anschließend noch ein weiterer Bearbeitungsschritt der Außenwandung 4 erfolgen, in dem durch ein mechanisches Abtragverfahren die Stärke der Außenwand verringert wird und/oder durch eine chemisches Abtragverfahren eine zusätzliche Öffnung von teilweise oder vollständig geschlossener Poren 6 erfolgt.By means of the gas bubbles 19 become the pores 6 generated, see 1b bottom panel showing the open-pore area in the end area EB and thus the electrochemical transfer 5 the chamber 2a form. Similar to the method 1a can here then still another processing step of the outer wall 4 take place, in which by a mechanical removal method, the thickness of the outer wall is reduced and / or by a chemical removal method, an additional opening of partially or completely closed pores 6 he follows.

Selbstverständlich können die in 1a und 1b gezeigten Verfahren auch kombiniert werden, dies ist in 1c dargestellt. Hierbei sind ein erster Anteil der Poren 6 der elektrochemischen Überführung 5 durch das in 1a gezeigte Verfahren und ein zweiter Anteil der Poren 6 der elektrochemischen Überführung 5 durch das in 1b gezeigte Verfahren erhalten. Hierbei besteht prinzipiell keine Einschränkungen an die Reihenfolge des Einbringens der Energieeinträge ΔE1, ΔE2, ΔE3. Im Rahmen der Erfindung ist es ferner auch möglich, nur einen einzigen Laser L1 zum Einbringen der Energieeinträge ΔE1, ΔE2, ΔE3 zu verwenden.Of course, the in 1a and 1b also be combined, this is in 1c shown. Here are a first portion of the pores 6 the electrochemical transfer 5 through the in 1a shown method and a second portion of the pores 6 the electrochemical transfer 5 through the in 1b obtained shown method. In principle, there are no restrictions on the order of introduction of the energy inputs ΔE1 . ΔE2 . ΔE3 , In the context of the invention, it is also possible, only a single laser L1 for introducing the energy entries ΔE1 . ΔE2 . ΔE3 to use.

2 zeigt in einer Längsschnitt-Darstellung eine Ausgestaltung einer elektrochemische Bezugshalbzelle 1 mit dem erfindungsgemäßen Gehäuse 3 mit einer zylinderförmigen Kammer 2a. 2 shows in a longitudinal sectional view of an embodiment of a reference electrochemical half-cell 1 with the housing according to the invention 3 with a cylindrical chamber 2a ,

In die Kammer 2a ist ein Bezugs-Ableitelement 10 eingeführt, welches durch eine dem Endbereich EB abgewandte Öffnung 8 herausragt. Die Öffnung 8 der Kammer 2a ist durch eine Polymerdichtung 20 flüssigkeitsdicht verschlossen. Das Bezugs-Ableitelement 10 ist im vorliegenden Beispiel aus einem Silberdraht gebildet, der in seinem vorderen Endbereich eine Silberchloridschicht aufweist.In the chamber 2a is a reference diverting element 10 introduced, which by a the end area EB opposite opening 8th protrudes. The opening 8th the chamber 2a is through a polymer gasket 20 sealed liquid-tight. The reference diverter 10 is formed in the present example of a silver wire having a silver chloride layer in its front end portion.

In der Kammer 2a der Bezugshalbzelle 1 ist ein durch Zusatz eines Polymers angedickter und eine vorgegebene Halogenidkonzentration umfassender Elektrolyt 12a, hier ein Bezugselektrolyt, enthalten, welcher mit Bezugs-Ableitelement 10 kontaktiert ist. Die Kammer 2a weist eine einstückige Außenwandung 4 mit der elektrochemischen Überführung 5a in einem Endbereich EB der Kammer 2a auf. Die elektrochemische Überführung 5a ist mittels über den Umfang der zylinderförmigen Kammer 2a in dem Endbereich EB gleichmäßig verteilt angeordneter Poren 6 mit einer Porengröße von kleiner als 50µm gebildet. Die Poren 6 weisen dabei eine Porendichte zwischen 8×10-2 und104/mm auf, bezogen auf den zylinderförmigen Umfang des zylinderförmigen Abschnitts. Die elektrochemische Überführung 5a ist dazu ausgestaltet, einen elektrolytischen Kontakt zwischen dem Elektrolyten 12a und einem außerhalb der Kammer 2a anordenbaren Medium herzustellen, beispielsweise mit einem Messmedium 17 (hier nicht dargestellt), in welches die Bezugshalbzelle mit ihrem Endbereich eintaucht.In the chamber 2a the reference half-cell 1 is an electrolyte thickened by the addition of a polymer and containing a given halide concentration 12a , Here a reference electrolyte, containing, with reference diverter 10 is contacted. The chamber 2a has a one-piece outer wall 4 with the electrochemical transfer 5a in one end area EB the chamber 2a on. The electrochemical transfer 5a is by means of the circumference of the cylindrical chamber 2a in the end area EB evenly distributed pores 6 formed with a pore size of less than 50μm. The pores 6 have a pore density between 8 × 10 -2 and 10 4 / mm, based on the cylindrical circumference of the cylindrical portion. The electrochemical transfer 5a is designed to electrolytic contact between the electrolyte 12a and one outside the chamber 2a can be prepared medium, for example, with a medium 17 (not shown here), in which the reference half cell dips with its end.

Durch die einstückig ausgeführte Außenwand 4 der Kammer 2a ist die Kammer 2a des Gehäuses 3 der Bezugshalbzelle 1 besonders stabil gegenüber chemischen und/oder mechanischen Belastungen, welche beispielsweise durch den Kontakt des Endbereichs EB der Kammer 2a mit dem Messmedium 17 und/oder durch das eingangs genannte Autoklavieren hervorgerufen werden. Vorteilhaft sind zudem die gleichmäßige Verteilung der Poren 6, sowie deren Größe, mit der die Herstellung de elektrolytischen Kontakts bei gleichzeitig geringem Austreten des Elektrolyten 12a aus der Kammer 2a über die elektrochemische Überführung 5a sichergestellt ist.Through the one-piece outer wall 4 the chamber 2a is the chamber 2a of the housing 3 the reference half-cell 1 particularly stable against chemical and / or mechanical stress, which, for example, by the contact of the end region EB the chamber 2a with the measuring medium 17 and / or caused by the autoclaving mentioned above. In addition, the uniform distribution of the pores is advantageous 6 , As well as their size, with the production of the electrolytic contact with simultaneous low leakage of the electrolyte 12a out of the chamber 2a via the electrochemical transfer 5a is ensured.

3 zeigt in einer Längsschnitt-Darstellung einen elektrochemischen Sensor 9. Der elektrochemischen Sensor 9 ist als stabförmige Messsonde ausgestaltet, deren vorderer Endbereich EB zum Eintauchen in ein Messmedium 17 bestimmt ist. In dem vorliegenden Beispiel handelt es sich bei dem elektrochemischen Sensor 9 um einen potentiometrischen Sensor. 3 shows a longitudinal sectional view of an electrochemical sensor 9 , The electrochemical sensor 9 is designed as a rod-shaped probe whose front end region EB for immersion in a measuring medium 17 is determined. In the present example, the electrochemical sensor is 9 around a potentiometric sensor.

Die Messhalbzelle 13 des elektrochemischen Sensors 9 weist eine analytsensitive Membran 15, im vorliegenden Beispiel eine ionenselektive Membran, auf. Diese verschließt das Innenrohr des elektrochemischen Sensors 9 an seinem dem Messmedium 17 zugewandten Endbereich. In dem durch ein Innenrohr gebildeten Gehäuse der Messhalbzelle 13 ist ein als Innenelektrolyt 21 bezeichneter, weiterer Elektrolyt aufgenommenen. Im vorliegenden Beispiel ist der Innenelektrolyt 21 eine wässrige Lösung, welche eine vorgegebene Konzentration des Analyten enthalt, dessen Konzentration im Messmedium 17 mittels des elektrochemischen Sensors 9 überwacht werden soll. In den Innenelektrolyten 21 taucht ein Ableitelement 16 ein, das über eine Kontaktstelle 11 außerhalb des Gehäuses der Messhalbzelle 13 mit einer Messschaltung verbunden ist. An seinem von der analytsensitiven Membran 15 abgewandten, rückseitigen Ende ist das Innenrohr durch eine Polymerdichtung 20 flüssigkeitsdicht verschlossen.The measuring half cell 13 of the electrochemical sensor 9 has an analyte-sensitive membrane 15 , in the present example an ion-selective membrane on. This closes the inner tube of the electrochemical sensor 9 at his the measuring medium 17 facing end region. In the housing formed by an inner tube of the measuring half-cell 13 is one as an inner electrolyte 21 designated, further electrolyte absorbed. In the present example, the inner electrolyte 21 an aqueous solution containing a predetermined concentration of the analyte, its concentration in the measuring medium 17 by means of the electrochemical sensor 9 should be monitored. In the inner electrolyte 21 a drain element emerges 16 one that has a contact point 11 outside the housing of the measuring half cell 13 connected to a measuring circuit. At his from the analyte-sensitive membrane 15 opposite, rear end is the inner tube by a polymer seal 20 sealed liquid-tight.

Die Bezugshalbzelle 1 umfasst ein das zylinderförmige Gehäuse der Messhalbzelle 13 konzentrisch umgebendes Gehäuse 3 mit einer Kammer 2a. Sowohl die Messhalbzelle 13 als auch die Bezugshalbzelle 1 bestehen aus Glas.The reference half cell 1 comprises a cylindrical housing of the measuring half cell 13 concentric surrounding housing 3 with a chamber 2a , Both the measuring half cell 13 as well as the reference half cell 1 consist of glass.

Die Bezugshalbzelle 1 ist als Silber/Silberchlorid-Elektrode ausgestaltet. Es versteht sich von selbst, dass die Bezugshalbzelle auch in Form anderer Referenzelektroden zweiter Art in ganz analoger Weise realisiert sein kann. Der Bezugselektrolyt 12a umfasst eine bestimmte Konzentration eines Chloridsalzes, im vorliegenden Fall handelt es sich konkret um eine 3 molare Kaliumchlorid-Lösung. In den Bezugselektrolyten 12a taucht ein Bezugs-Ableitelement 10 ein, das im vorliegenden Beispiel als Silberdraht ausgebildet ist, der mindestens in seinem Endbereich eine Silberchloridschicht aufweist.The reference half cell 1 is designed as a silver / silver chloride electrode. It goes without saying that the reference half cell also in shape other reference electrodes of the second type can be realized in a very analogous manner. The reference electrolyte 12a comprises a specific concentration of a chloride salt, in the present case is specifically a 3 molar potassium chloride solution. In the reference electrolyte 12a a reference diverter emerges 10 a, which is formed in the present example as a silver wire having at least in its end a silver chloride layer.

Über die in der Außenwand der Kammer 2a angeordnete elektrochemische Überführung 5a mit der offenporigen Struktur im Endbereich EB steht der Bezugselektrolyt 12a mit dem außerhalb der Kammer 2 angeordneten Messmedium 17 elektrolytisch in Kontakt.About in the outer wall of the chamber 2a arranged electrochemical transfer 5a with the open-pore structure in the end area EB is the reference electrolyte 12a with the outside of the chamber 2 arranged measuring medium 17 electrolytically in contact.

Zur Durchführung einer Messung einer Analytkonzentration in einem Messmedium 17 wird der vordere Endbereich des elektrochemischen Sensors 9 so weit in das Messmedium 17 eingetaucht, dass sowohl die Membran 15 als auch die elektrochemische Überführung 5a in Kontakt mit dem Messmedium 17 stehen.For carrying out a measurement of an analyte concentration in a measuring medium 17 becomes the front end portion of the electrochemical sensor 9 so far in the medium 17 immersed that both the membrane 15 as well as the electrochemical transfer 5a in contact with the measuring medium 17 stand.

Eine eine Messschaltung umfassende Regel-/Auswerteinheit 14 ist dazu ausgestaltet, eine in der Kontaktstelle 11 erfasste Potentialdifferenz zwischen dem Ableitelement 16 der Messhalbzelle 13 und dem Bezugs-Ableitelement 10 der Bezugshalbzelle 1 zu erfassen, und ein davon abhängiges Messsignal zu einer übergeordneten Einheit auszugeben.A control / evaluation unit comprising a measuring circuit 14 is designed to be one in the contact point 11 detected potential difference between the diverting element 16 the measuring half cell 13 and the reference diverter 10 the reference half-cell 1 to capture, and output a dependent measurement signal to a higher-level unit.

Die zwischen den Ableitelement 16 und dem Bezugs-Ableitelement 10 erfassbare Potentialdifferenz hängt von der Analytkonzentration im Messmedium 17 ab, so dass ein von der Regel-/Auswerteeinheit 14 ausgegebenes Messsignal die Analytkonzentration oder eine von der Analytkonzentration abhängige Messgröße repräsentiert.The between the diverting element 16 and the reference diverter 10 detectable potential difference depends on the analyte concentration in the medium 17 so that one from the control / evaluation unit 14 output measured signal represents the analyte concentration or a dependent of the analyte concentration measurement.

4 zeigt in einer Längsschnitt-Darstellung eine Ausgestaltung eines elektrochemischen Sensors 9, dessen Bezugshalbzelle 1 einen als Brückenelektrolyten ausgebildeten Elektrolyten 12a umfasst. 4 shows a longitudinal section illustration of an embodiment of an electrochemical sensor 9 , whose reference half-cell 1 a formed as a bridge electrolyte electrolyte 12a includes.

Die Messhalbzelle 13 ist im Wesentlichen gleich ausgestaltet wie die Messhalbzelle 13 des in 3 dargestellten elektrochemischen Sensors 9. Die Bezugshalbzelle 1 des pH-Sensors umfasst ein durch das Innenrohr der Messhalbzelle und eine das Innenrohr konzentrisch umgebende erste Kammer 2a innerhalb dessen eine zweite Kammer 2b angeordnet ist. Die zweite Kammer 2b weist an ihrem vorderseitigen Ende eine elektrochemische Überführung 5b auf. Die zweite Kammer 2b enthält einen flüssigen Bezugs-Elektrolyten 12b, der eine vorgegebene Chloridkonzentration enthält, und in den ein Ableitelement 10, beispielsweise ein mit Silberchlorid beschichteter Silberdraht, eintaucht. Der Bezugs-Elektrolyt 12b kann durch ein Polymer angedickt sein, ist aber vorteilhafterweise noch fließfähig. Die zweite Kammer 2b ist an ihrem der elektrochemische Überführung 5b entgegengesetzten Ende mit einer Polymerdichtung 20 verschlossen. Zwischen der Polymerdichtung 20 und dem Bezugs-Elektrolyten 12 ist ein Gasraum vorgesehen, der der Kompensation thermisch verursachter Volumenänderungen des Bezugs-Elektrolyten 12b dient. Das Ableitelement 10 ist durch die Polymerdichtung 20 hindurchgeführt und über die Kontaktstelle 11 mit der Regel-/Auswerteeinheit 14 elektrisch leitend verbunden.The measuring half cell 13 is essentially the same design as the measuring half-cell 13 of in 3 represented electrochemical sensor 9 , The reference half cell 1 The pH sensor includes a first chamber concentrically surrounding the inner tube through the inner tube of the measuring half-cell 2a within which a second chamber 2 B is arranged. The second chamber 2 B has at its front end an electrochemical transfer 5b on. The second chamber 2 B contains a liquid reference electrolyte 12b containing a predetermined chloride concentration and into which a diverting element 10 For example, a silver wire coated with silver chloride is immersed. The reference electrolyte 12b may be thickened by a polymer, but is still advantageously flowable. The second chamber 2 B is at her the electrochemical transfer 5b opposite end with a polymer seal 20 locked. Between the polymer seal 20 and the reference electrolyte 12 a gas space is provided, the compensation of thermally induced volume changes of the reference electrolyte 12b serves. The diverting element 10 is through the polymer gasket 20 passed through and over the contact point 11 with the control / evaluation unit 14 electrically connected.

Wie in dem anhand der 3 beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Regel-/Auswerteeinheit 14 dazu ausgestaltet, ein von der Potentialdifferenz zwischen dem Ableitelement 10 der Bezugshalbzelle 1 und dem Ableitelement 16 der Messhalbzelle 13 abhängiges Messsignal zu erzeugen und zu einer übergeordneten Einheit auszugeben.As in the case of the 3 described embodiment is the control / evaluation unit 14 configured to one of the potential difference between the diverting element 10 the reference half-cell 1 and the diverting element 16 the measuring half cell 13 to generate dependent measurement signal and output to a higher-level unit.

Die durch die Außenwand 4 der ersten Kammer 2a und dem Innenrohr gebildete erste Kammer 2a enthält einen als Brückenelektrolyt ausgebildeten Elektrolyten 12a, der die zweite Kammer 2b umgibt, so dass der als Bezugselektrolyt ausgebildete Elektrolyt 12b über die elektrochemische Überführung 5a in der Außenwandung 4 der zweiten Kammer 2b mit dem als Brückenelektrolyt ausgebildeten Elektrolyten 12a in elektrolytischem Kontakt steht. In der Außenwandung der ersten Kammer 2a ist weitere elektrochemische Überführung 5b angeordnet, über die der als Brückenelektrolyt ausgebildete Elektrolyten 12a mit einem außerhalb des Gehäuses 3 angeordneten Messmedium 17 in elektrolytischem Kontakt steht. Im Fall eines derartigen Aufbaus mit mehreren Kammern 2a,2b können Referenzelektrolyt 12b und Brückenelektrolyt 12a unterschiedlich sein; ebenso sind die beiden elektrochemischen Überführungen 5a (zwischen erster Kammer 2a und Messmedium 17) und 5b (zwischen dem als Bezugselektrolyt ausgebildeten Elektrolyt 12b zu dem als Brückenelektrolyt ausgebildeten Elektrolyten 12a) unterschiedlich.The through the outer wall 4 the first chamber 2a and the inner tube formed first chamber 2a contains an electrolyte designed as bridge electrolyte 12a who is the second chamber 2 B surrounds, so that the electrolyte formed as a reference electrolyte 12b via the electrochemical transfer 5a in the outer wall 4 the second chamber 2 B with the electrolyte formed as bridge electrolyte 12a is in electrolytic contact. In the outer wall of the first chamber 2a is another electrochemical transfer 5b arranged over which the electrolyte formed as a bridge electrolyte 12a with one outside the case 3 arranged measuring medium 17 is in electrolytic contact. In the case of such a multi-chamber construction 2a 2b can be reference electrolyte 12b and bridge electrolyte 12a be different; as are the two electrochemical transfers 5a (between first chamber 2a and measuring medium 17 ) and 5b (Between the electrolyte formed as a reference electrolyte 12b to the electrolyte formed as bridge electrolyte 12a ) differently.

In dem hier vorliegenden Beispiel ist nur für die erste Kammer 2a die Außenwandung 4 derart, dass die aus einem Material bestehende Außenwandung 4 der Kammer 2a einstückig ist und die elektrochemische Überführung 5b in der Außenwandung 4 der Kammer 2a mittels des in die Außenwandung 4 eingebrachten Energieeintrags ΔE1, ΔE2, ΔE3 erzeugt ist. Die Außenwandung 4 der ersten Kammer 2a ist nämlich insbesondere den eingangs genannten chemischen und/oder mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt. Selbstverständlich ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, beide Kammern 2a,2b mit einer derartigen erfindungsgemäßen einstückigen Außenwandung 4 und der darin integrierten elektrochemischen Überführung 5a,5b auszuführen.In the present example, only for the first chamber 2a the outer wall 4 such that the existing of a material outer wall 4 the chamber 2a is integral and the electrochemical transfer 5b in the outer wall 4 the chamber 2a by means of the in the outer wall 4 introduced energy input ΔE1 . ΔE2 . ΔE3 is generated. The outer wall 4 the first chamber 2a namely, in particular, is exposed to the chemical and / or mechanical stresses mentioned at the outset. Of course, it is within the scope of the invention also possible, both chambers 2a 2b with such a one-piece outer wall according to the invention 4 and the integrated therein electrochemical transfer 5a , 5b.

4 zeigt in einer Längsschnitt-Darstellung eine Ausgestaltung eines elektrochemischen Sensors 9, zur Messung eines pH-Werts eines Mediums 17. Der hier dargestellte elektrochemische Sensors 9 umfasst eine Bezugshalbzelle 1, die im Wesentlichen wie in 2 gezeigt ausgeführt ist, so dass für die Merkmale der Bezugshalbzelle 1 auf die schon in 2 beschriebenen Merkmale verwiesen wird. Das Gehäuse 3 Bezugshalbzelle 1 weist eine Kammer 2a mit einer einstückigen Außenwandung 4 und der darin integrierten elektrochemischen Überführung 5a auf, und besteht aus einem Kunststoff, vorzugsweise PEEK. Peek eignet sich aufgrund seiner hohen chemischen Beständigkeit und seiner hervorragenden elektrisch isolierenden Eigenschaften als Material für das Gehäuse 3 eignet. 4 shows a longitudinal section illustration of an embodiment of an electrochemical sensor 9 , for measuring a pH of a medium 17 , The electrochemical sensor shown here 9 includes a reference half-cell 1 which are essentially like in 2 is shown, so that for the features of the reference half cell 1 on the already in 2 referenced features. The housing 3 Reference half-cell 1 has a chamber 2a with a one-piece outer wall 4 and the integrated therein electrochemical transfer 5a on, and consists of a plastic, preferably PEEK. Peek is suitable as the material for the housing due to its high chemical resistance and excellent electrical insulating properties 3 suitable.

Der elektrochemischer Sensor 9 weist einen pH-sensitiven Halbleiter-Isolator-Schichtstapel 18 auf, der eine Ta2O5 umfassende Isolatorbeschichtung umfassen kann und der einen Transistor-Gate eines ISFET bildet. Die Ladungsträgerdichte im Halbleiterkanal zwischen Source und Drain des ISFET hängt vom pH-Wert des mit dem Halbleiter-Isolator-Schichtstapel 18 in Kontakt stehenden Messmediums 17 ab. Der Feldeffekt durch die Ladungen auf bzw. in der Isolatorbeschichtung steuert das Gate des ISFET, wobei ein konstanter Strom zwischen Source und Drain aufgeprägt wird. Aus einer für den konstanten Strom benötigten Regelspannung wird in Kombination mit dem Potential der Bezugshalbzelle 1 in der elektrischen Kontaktstelle 11 eine Messspannung gebildet. Die Regel-/Auswerteeinheit 14 ist dazu ausgestaltet, die Messspannung zu erfassen, und ein davon abhängiges Messsignal für den pH-Wert auszugeben.The electrochemical sensor 9 has a pH-sensitive semiconductor insulator layer stack 18 which may comprise an insulator coating comprising Ta 2 O 5 and which forms a transistor gate of an ISFET. The carrier density in the semiconductor channel between the source and drain of the ISFET depends on the pH of the semiconductor insulator layer stack 18 in contact with the measuring medium 17 from. The field effect through the charges on or in the insulator coating controls the gate of the ISFET, impressing a constant current between source and drain. From a control voltage required for the constant current is combined with the potential of the reference half cell 1 in the electrical contact point 11 formed a measuring voltage. The control / evaluation unit 14 is configured to detect the measurement voltage and output a measurement signal dependent thereon for the pH value.

Obwohl die Erfindung anhand eines pH-Sensors mit einem pH-sensitiven ISFET beschrieben wird, ist die Erfindung selbstverständlich auf Sensoren mit anderen Sensorelementen, insbesondere auf ISFETs bzw. ChemFETs oder andere EIS-Strukturen umfassende Sensorelemente übertragbar. Durch Verwendung anderer Halbleiter-Isolator-Schichtstapel 18 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 elektrochemischen Sensors 9 Konzentrationen von nichtionischen Substanzen, z.B. Glukose oder Penicillin, zu messen.Although the invention is described with reference to a pH sensor with a pH-sensitive ISFET, the invention is, of course, transferable to sensors with other sensor elements, in particular sensor elements comprising ISFETs or ChemFETs or other EIS structures. By using other semiconductor insulator layer stacks 18 For example, EIS sensor elements can be formed which are correspondingly sensitive to other ions. By immobilizing suitable detector structures, which may include, for example, enzymes, on the EIS structure, it is also possible by means of such an electrochemical sensor 9 Concentrations of nonionic substances, such as glucose or penicillin.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
elektrochemische Bezugshalbzelleelectrochemical reference half-cell
2a, 2b2a, 2b
Kammerchamber
33
Gehäusecasing
44
Außenwandungouter wall
5, 5a, 5b5, 5a, 5b
elektrochemische Überführungelectrochemical transfer
66
Porenpore
77
Aufschäummittelfoaming
88th
Öffnungopening
99
elektrochemischer Sensorelectrochemical sensor
1010
Bezugs-AbleitelementReference diverting
1111
Kontaktstellecontact point
12a, 12b12a, 12b
Elektrolytelectrolyte
1313
elektrochemische Messhalbzelleelectrochemical measuring half cell
1414
Regel-/AuswerteeinheitControl / evaluation unit
1515
potentialbildendes Elementpotential-forming element
1616
Ableitelementdiverter
1717
Messmediummeasuring medium
1818
Halbleiter-Isolator-SchichtstapelSemiconductor-insulator-layer stack
1919
Gasblasengas bubbles
2020
PolymerdichtungPolymersealing
2121
Innenelektrolyt internal electrolyte
ΔE1, ΔE2, ΔE3ΔE1, ΔE2, ΔE3
Energieeintragenergy input
L1 ,L2,..L1, L2, ..
Laserlaser
MD, NDMD, ND
Mikrodefekte, NanodefekteMicrodefects, nanodefects
EBEB
Endbereichend

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 19857953 A1 [0005]DE 19857953 A1 [0005]

Claims (17)

Verfahren zur Herstellung eines Gehäuses (3) für eine elektrochemische Bezugshalbzelle (1), wobei das Gehäuse (3) mindestens eine Kammer (2a,2b) zur Aufnahme eines Elektrolyten (12a, 12b) aufweist, wobei in einer Außenwandung (4) der Kammer (2a,2b) eine elektrochemische Überführung (5,5a,5b) angeordnet ist, mittels derer ein elektrolytischer Kontakt zwischen einem in der Kammer (2a,2b) anordenbaren Elektrolyten (12a,12b) und einem außerhalb der Kammer (2a,2b) anordenbaren Medium herstellbar ist; dadurch gekennzeichnet, dass für zumindest eine Kammer (2a;2b) oder mindestens eine der Kammern (2a;2b) die aus einem Material bestehende Außenwandung (4) einstückig ist und die elektrochemische Überführung (5,5a,5b) in der Außenwandung (4) mittels zumindest eines in die Außenwandung (4) eingebrachten Energieeintrags (ΔE1; ΔE2; ΔE3) erzeugt wird, wobei durch den Energieeintrag (ΔE1; ΔE2; ΔE3) in dem Bereich der elektrochemischen Überführung (5,5a,5b) Poren (6) in das Material der Außenwandung (4) eingebracht werden.A method for producing a housing (3) for a reference electrochemical half-cell (1), wherein the housing (3) at least one chamber (2a, 2b) for receiving an electrolyte (12a, 12b), wherein in an outer wall (4) of the chamber (2a, 2b) an electrochemical transfer (5,5a, 5b) is arranged, by means of which an electrolytic contact between an in the chamber (2a, 2b) can be arranged in the electrolyte (12a, 12b) and one outside the chamber (2a, 2b) can be produced anordenbaren medium; characterized in that for at least one chamber (2a; 2b) or at least one of the chambers (2a; 2b) the outer wall (4) made of a material is integral and the electrochemical transfer (5,5a, 5b) in the outer wall (4 ) is generated by means of at least one energy input (ΔE1, ΔE2, ΔE3) introduced into the outer wall (4), whereby pores (6) are formed by the energy input (ΔE1, ΔE2, ΔE3) in the region of the electrochemical transfer (5, 5a, 5b). be introduced into the material of the outer wall (4). Verfahren nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine Energieeintrag(ΔE1; ΔE2; ΔE3) mittels zumindest eines Lasers (L1;L2;..) in die Außenwandung (4) der Kammer (2a,2b) eingebracht wird.Method according to Claim 1 wherein the at least one energy input (ΔE1; ΔE2; ΔE3) is introduced into the outer wall (4) of the chamber (2a, 2b) by means of at least one laser (L1; L2; ..). Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Außenwandung (4) mittels zumindest eines ersten Energieeintrags (ΔE1) des zumindest einen Lasers (L1;L2;..) punktuell zu zumindest einem Mikrodefekt und/oder Nanodefekt (MD,ND) verändert wird, und wobei mittels des Mikrodefekts und/oder Nanodefekts (MD,ND) die Poren (6) in der Außenwandung (4) erzeugt werden.Method according to at least one of the preceding claims, wherein the outer wall (4) is selectively changed by means of at least one first energy input (ΔE1) of the at least one laser (L1; L2; ..) to at least one micro-defect and / or nano-defect (MD, ND) , and wherein the pores (6) are produced in the outer wall (4) by means of the micro-defect and / or nano-defect (MD, ND). Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Außenwandung (4) mittels des zumindest einen Lasers (L1;L2;..) jeweils punktuell zu einer Vielzahl von Mikrodefekten und/oder Nanodefekten (MD,ND) verändert wird, und wobei mittels der Mikrodefekte und/oder Nanodefekte (MD,ND) die Poren (6) in der Außenwandung (4) erzeugt werden.Method according to at least one of the preceding claims, wherein the outer wall (4) by means of the at least one laser (L1; L2; ..) is in each case selectively changed to a multiplicity of microdefects and / or nanodefects (MD, ND), and wherein Microdefects and / or nanodefects (MD, ND), the pores (6) in the outer wall (4) are generated. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei auf eine innere und/oder äußere Oberfläche der Außenwandung (4) eine ein Aufschäummittel (7) aufweisende Substanz aufgebracht wird, wobei das Aufschäummittel (7) mittels eines zweiten Energieeintrags(ΔE1) zumindest teilweise in die Außenwandung (4) eingearbeitet wird, und wobei das Aufschäummittel (7) mittels eines vom zweiten Energieeintrag (ΔE2) verschiedenen dritten Energieeintrags (ΔE3) in der Außenwandung (4) zumindest teilweise zersetzt und/oder verdampft wird, wobei mittels bei der Zersetzung und/oder Verdampfung entstehender Gasblasen (19) die Poren (6) in der Außenwandung (4) erzeugt werden.Method according to at least one of the preceding claims, wherein a substance having a foaming agent (7) is applied to an inner and / or outer surface of the outer wall (4), wherein the foaming agent (7) is at least partially worked into the outer wall (4) by means of a second energy input (ΔE1), and wherein the foaming agent (7) is at least partially decomposed and / or vaporized in the outer wall (4) by means of a third energy input (ΔE3) different from the second energy input (ΔE2), whereby gas bubbles (19) formed during the decomposition and / or evaporation the pores (6) are produced in the outer wall (4). Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei der erste Energieeintrag (ΔE1), der zweite Energieeintrag (ΔE2) und/oder der dritte Energieeintrag (ΔE3) mittels eines einzigen Lasers (L1) eingebracht werden, oder wobei der erste Energieeintrag (ΔE1), der zweite Energieeintrag (ΔE2) und/oder der dritte Energieeintrag (ΔE3) mittels zumindest zweier Laser (L1;L2;..) eingebracht werden.Method according to at least one of the preceding claims, wherein the first energy input (ΔE1), the second energy input (ΔE2) and / or the third energy input (ΔE3) are introduced by means of a single laser (L1), or wherein the first energy input (ΔE1), the second energy input (ΔE2) and / or the third energy input (ΔE3) by means of at least two lasers (L1, L2; ..) are introduced. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die in der Außenwandung (4) erzeugten Poren (6) mittels eines sich an die Erzeugung der Poren (6) anschließenden chemischen und/oder mechanischen Abtragverfahrens geöffnet und/oder vergrößert werden.Method according to at least one of the preceding claims, wherein the pores (6) produced in the outer wall (4) are opened and / or enlarged by means of a chemical and / or mechanical removal method following the production of the pores (6). Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei offene Poren (6) mit einer Porengröße kleiner als 100 Mikrometer, insbesondere kleiner als 50 Mikrometer, in der Außenwandung (4) erzeugt werden.Method according to at least one of the preceding claims, wherein open pores (6) having a pore size smaller than 100 micrometers, in particular smaller than 50 micrometers, are produced in the outer wall (4). Gehäuse (3) für eine elektrochemische Bezugshalbzelle (1), wobei das Gehäuse (3) mindestens eine Kammer (2a,2b) zur Aufnahme eines Elektrolyten aufweist, wobei in einer Außenwandung (4) der Kammer (2a,2b) eine elektrochemische Überführung (5,5a,5b) angeordnet ist, mittels derer ein elektrolytischer Kontakt zwischen einem in der Kammer (2a,2b) anordenbaren Elektrolyten (12a,12b) und einem außerhalb der Kammer (2a,2b) anordenbaren Medium herstellbar ist; dadurch gekennzeichnet, dass für zumindest eine Kammer (2a,2b) oder mindestens eine der Kammern (2a,2b) die aus einem Material bestehende Außenwandung (4) einstückig ist, und die elektrochemische Überführung (5,5a,5b) in der Außenwandung (4) mittels zumindest eines in die Außenwandung (4) eingebrachten Energieeintrags erzeugt ist, wobei durch den Energieeintrag in dem Bereich der elektrochemischen Überführung (5,5a,5b) Poren (6) in das Material der Außenwandung (4) eingebracht sind.Housing (3) for a reference electrochemical half-cell (1), wherein the housing (3) at least one chamber (2a, 2b) for receiving an electrolyte, wherein in an outer wall (4) of the chamber (2a, 2b) an electrochemical transfer ( 5, 5a, 5b) by means of which an electrolytic contact between an electrolyte (12a, 12b) which can be arranged in the chamber (2a, 2b) and a medium which can be arranged outside the chamber (2a, 2b) can be produced; characterized in that for at least one chamber (2a, 2b) or at least one of the chambers (2a, 2b) the material consisting of a material outer wall (4) is in one piece, and the electrochemical transfer (5,5a, 5b) in the outer wall ( 4) by means of at least one introduced into the outer wall (4) energy input, wherein by the energy input in the region of the electrochemical transfer (5,5a, 5b) pores (6) are introduced into the material of the outer wall (4). Gehäuse (3) nach Anspruch 9, wobei die elektrochemische Überführung (5, 5a,5b) in der einstückigen Außenwandung (4) einen offenporigen Bereich umfasst.Housing (3) after Claim 9 wherein the electrochemical transfer (5, 5a, 5b) in the one-piece outer wall (4) comprises an open-pore region. Gehäuse (3) nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Material der Kammer (2a,2b) im Wesentlichen ein Glas ist. Housing (3) after Claim 9 or 10 wherein the material of the chamber (2a, 2b) is essentially a glass. Gehäuse (3) nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Material der Kammer (2a,2b) im Wesentlichen ein, insbesondere thermoplastischer oder duroplastischer, Kunststoff ist.Housing (3) after Claim 9 or 10 , wherein the material of the chamber (2a, 2b) is substantially a, in particular thermoplastic or thermosetting, plastic. Gehäuse (3) nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Kammer (2a,2b) und/oder das Gehäuse (3) zumindest abschnittsweise zylinderförmig sind/ist.Housing (3) according to at least one of Claims 9 to 12 , wherein the chamber (2a, 2b) and / or the housing (3) is at least partially cylindrical / is. Gehäuse (3) nach Anspruch 13, wobei die Poren (6) im Wesentlichen gleichmäßig um einen zylinderförmigen Endbereich (EB), insbesondere einem einer Öffnung (8) der Kammer (2a,2b) abgewandten Endbereich (EB), der Kammer (2a,2b) angeordnet sind.Housing (3) after Claim 13 , wherein the pores (6) are arranged essentially uniformly around a cylindrical end region (EB), in particular an end region (EB), which faces away from an opening (8) of the chamber (2a, 2b), of the chamber (2a, 2b). Elektrochemischer Sensor (9) mit einer elektrochemischen Bezugshalbzelle (1), wobei die elektrochemische Bezugshalbzelle (1) umfasst: - ein Gehäuse (3) nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 14; - ein in der Kammer (2a,2b) angeordnetes Bezugs-Ableitelement (10), welches elektrisch leitend mit einer außerhalb der Kammer (2a,2b) angeordneten elektrischen Kontaktstelle (11) verbunden ist; und - zumindest einen Elektrolyten (12a, 12b), der innerhalb der Kammer (2a,2b) angeordnet ist.Electrochemical sensor (9) with a reference electrochemical half-cell (1), wherein the reference electrochemical half-cell (1) comprises: - a housing (3) according to at least one of Claims 9 to 14 ; - A in the chamber (2a, 2b) arranged reference-Ableitelement (10), which is electrically conductively connected to an outside of the chamber (2a, 2b) arranged electrical contact point (11); and - at least one electrolyte (12a, 12b) disposed within the chamber (2a, 2b). Elektrochemischer Sensor (9) nach Anspruch 15, aufweisend zumindest eine elektrochemische Messhalbzelle (13) mit einem potentialbildenden Element (15) und mit einem Ableitelement (16), welches elektrisch leitend mit der elektrischen Kontaktstelle (11) verbunden ist, und eine Regel-/Auswerteeinheit (14), die dazu ausgestaltet ist, anhand von von der Bezugshalbzelle (1) und der zumindest einen Messhalbzelle (13) erzeugten elektrischen Signalen eine Messgröße eines mit dem elektrochemischen Sensor (9) in Kontakt stehenden Messmediums (17) zu bestimmen.Electrochemical sensor (9) after Claim 15 , comprising at least one electrochemical measuring half-cell (13) with a potential-forming element (15) and with a diverting element (16), which is electrically conductively connected to the electrical contact point (11), and a control / evaluation unit (14) designed for this purpose is to determine, based on the reference half cell (1) and the at least one measuring half cell (13) generated electrical signals, a measured variable of a standing with the electrochemical sensor (9) in contact with the measured medium (17). Elektrochemischer Sensor (9) nach Anspruch 15, aufweisend zumindest einen Halbleiter-Isolator-Schichtstapel (18), welcher elektrisch leitend mit der elektrischen Kontaktstelle (11) verbunden ist, und eine Regel-/Auswerteeinheit (14), die dazu ausgestaltet ist, anhand von von der Bezugshalbzelle (1) und dem zumindest einen Halbleiter-Isolator-Schichtstapel (18) erzeugten elektrischen Signalen eine Messgröße eines mit dem elektrochemischen Sensor (9) in Kontakt stehenden Messmediums (17) zu bestimmen.Electrochemical sensor (9) after Claim 15 comprising at least one semiconductor-insulator layer stack (18) which is electrically conductively connected to the electrical contact point (11), and a control / evaluation unit (14) designed for this purpose from the reference half-cell (1) and the electrical signals generated at least one semiconductor-insulator layer stack (18) to determine a measured variable of a measuring medium (17) in contact with the electrochemical sensor (9).
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