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Die Erfindung betrifft einen Sensor mit einer leitfähigen Beschichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors mit einer leitfähigen Beschichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorgehäuses für einen Sensor.
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In der Analysemesstechnik, insbesondere im Bereich der Wasserwirtschaft, der Umweltanalytik, im industriellen Bereich, z.B. in der Lebensmitteltechnik, der Biotechnologie und der Pharmazie, sowie für verschiedenste Laboranwendungen sind Messgrößen wie der pH-Wert, die Leitfähigkeit, oder auch die Konzentration von Analyten, wie beispielsweise Ionen oder gelösten Gasen in einem gasförmigen oder flüssigen Messmedium von großer Bedeutung. Diese Messgrößen können beispielsweise mittels elektrochemischer Sensoren erfasst und/oder überwacht werden, wie zum Beispiel potentiometrische, amperometrische, voltammetrische oder coulometrische Sensoren.
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Ein elektrochemischer Sensor verfügt grundsätzlich über zumindest zwei Elektroden, welche mit einem Messmedium in Kontakt gebracht werden, um eine Konzentration eines Analyten in dem Messmedium oder den pH-Wert des Messmediums z.B. anhand eines mittels der Elektronikeinheit erfassten Stromflusses, oder auch potentiometrisch anhand einer sich zwischen zwei Elektroden einstellenden Potentialdifferenz, zu ermitteln. Die Elektroden können neben Metallen oder Metalllegierungen, beispielsweise Edelmetallen wie Silber, Gold oder Platin, auch aus kohlenstoffbasierten Materialien, wie Graphit, hergestellt sein. Für viele Anwendungen werden die Elektroden jeweils mittels einer mit einem Elektrolyten gefüllten Kammer mit dem Messmedium derart in elektrolytischen Kontakt gebracht, dass ein Ionenfluss möglich ist.
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Die Herstellung des elektrochemischen Sensors und besonders der Elektroden ist äußerst aufwändig und bedarf die Verwendung von robusten bzw. teuren Materialien. Zum Beispiel wird meist eine mit einem Edelmetall versehene und oder beschichtete Elektrodenableitung in ein Glas eingeschmolzen und bedarf einer zusätzlichen elektrostatischen Schirmung. Ebenso bedarf der elektrochemische Sensor einer aufwändigen Dichtung, welche den Sensor gegenüber der Umwelt verschließt und zugleich eine Elektrode in seiner Position im Sensor stabilisiert.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein einfaches Herstellungsverfahren eines robusten Sensors bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1.
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Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren eines Sensors mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung umfasst zumindest die folgenden Schritte:
- - Bereitstellen eines Sensors mit einer Elektronikeinheit und einem Sensorgehäuse, wobei das Sensorgehäuse ein Wandbereich aufweist,
- - Auftragen einer elektrisch leitfähigen Beschichtung auf den Wandbereich des Sensorgehäuses, wobei die elektrisch leitfähige Beschichtung eine erste Schicht aus einem inerten Metall umfasst,
- - elektrisches Verbinden der elektrisch leitfähigen Beschichtung mit der Elektronikeinheit.
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Anhand des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens wird eine kosteneinsparende und gleichzeitig qualitative Herstellung eines Sensors mit elektrischen Komponenten ermöglicht.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Sensor ein elektrochemischer Sensor und das Verfahren umfasst des Weiteren einen Schritt des Befüllens des Sensorgehäuses mit einem Elektrolyten, so dass die elektrisch leitfähige Beschichtung mit dem Elektrolyten in Kontakt steht.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Schritt des Auftragens einer elektrisch leitfähigen Beschichtung des Weiteren einen Schritt des Auftragens mindestens einer zweiten Schicht aus einem von dem inerten Metall verschiedenen zweiten Material, beispielsweise Silber und/oder Silberchlorid.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Wandbereich des Sensorgehäuses Glas oder Keramik.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das inerte Material ein Edelmetall, beispielsweise Platin oder Gold.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die erste Schicht nach dem Schritt des Erhitzens der elektrisch leitfähigen Beschichtung eine Schichtdicke keiner 5 µm, bevorzugt kleiner 1 µm, besonders bevorzugt zwischen 50 nm und 500 nm auf.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt der Schritt des Erhitzens der elektrisch leitfähigen Beschichtung durch Laserbestrahlung oder durch Bestrahlung mittels Xenon-Licht. Die elektrisch leitfähige Beschichtung wird vorzugsweise auf eine Temperatur von mindestens 300°C erhitzt. Besonders vorzugsweise wird die elektrisch leitfähige Beschichtung vorzugsweise auf eine Temperatur von mindestens 530°C erhitzt.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird beim Schritt des Auftragens der elektrisch leitfähigen Beschichtung eine Beschichtungsart wie Spraycoating, Inkjet-Druck, Siebdruck oder Rakeln angewandt.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 9.
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Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte:
- - Bereitstellen eines Sensorgehäuses mit einem Wandbereich,
- - Auftragen einer elektrisch leitfähigen Beschichtung auf der Wandbereich des Sensorgehäuses, wobei die elektrisch leitfähige Beschichtung eine erste Schicht aus einem inerten Metall umfasst,
- - Erhitzen der ersten Schicht, so dass die erste Schicht aushärtet.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die elektrisch leitfähige Beschichtung derart ausgebildet, dass durch die elektrisch leitfähige Beschichtung ein elektrisches Bauteil realisiert wird, welches beispielsweise als Elektrode, als Schirmung, als Temperaturfühler, als Transponder, als RFI D-Antenne, als Schwingkreis oder für einen Kondensator verwendbar ist.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ferner gelöst durch einen Sensor gemäß Anspruch 11.
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Der erfindungsgemäße Sensor umfasst zumindest eine Elektronikeinheit und ein Sensorgehäuse. Das Sensorgehäuse weist einen Wandbereich mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung aus inertem Metall auf. Die elektrisch leitfähige Beschichtung ist mit der Elektronikeinheit elektrisch verbunden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Sensor ein elektrochemischer Sensor. Das Sensorgehäuse ist mit einem Elektrolyten gefüllt. Die elektrisch leitfähige Beschichtung steht mit dem Elektrolyten in Kontakt.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Elektronikeinheit mit dem Sensorgehäuse mechanisch verbunden und ist durch eine Dichtung von dem Elektrolyten abgedichtet.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Sensorgehäuse dazu geeignet, mit einem Prozessmedium in Kontakt zu kommen. Der Wandbereich ist ein Innenwandbereich des Sensorgehäuses.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das Sensorgehäuse ein Innengehäuse und ein Außengehäuse auf. Das Innengehäuse ist im Außengehäuse angeordnet. Der Wandbereich ist eine Außenwand des Innengehäuses. Beispielsweise bildet das Innengehäuse eine Messhalbzelle und das Außengehäuse eine Referenzhalbzelle.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die elektrisch leitfähige Beschichtung dazu geeignet, als Elektrode, als Schirmung, als Temperaturfühler, als Transponder, als Schwingkreis oder für einen Kondensator verwendet zu werden.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- - 1: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensors,
- - 2: eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführung des erfindungsgemäßen Sensors,
- - 3: eine schematische Darstellung einer mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung beschichteten Sensorgehäusewand,
- - 4: eine schematische Darstellung einer mit Leiterbahnen beschichteten und mit einem aktiven elektronischen Bauteil bestückten Sensorgehäusewand,
- - 5: eine schematische Darstellung einer mit Leiterbahnen beschichteten und mit einem passiven elektronischen Bauteil bestückten Sensorgehäusewand,
- - 6: eine schematische Darstellung einer mit einem Temperaturfühler beschichteten Sensorgehäusewand,
- - 7: eine schematische Darstellung einer Beschichtung der Sensorgehäusewand, welche für eine Füllstandsmessung verwendbar ist.
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1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors 1 zum Messen von chemischen Parametern, wie pH-Wert, lonenkonzentration und/oder physikalischen Parametern, wie Temperatur, in einem Messmedium. Der in 1 dargestellte Sensor 1 ist als elektrochemischer Sensor, genauer gesagt als pH-Sensor ausgebildet. In alternativen Ausführungsformen kann der Sensor als Redox-Sensor ausgebildet sein. In einer Ausführungsform weist der Sensor 1 zusätzlich einen Temperatursensor auf.
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Der Sensor 1 umfasst eine Elektronikeinheit 2 und ein Sensorgehäuse 3. Das Sensorgehäuse 3 ist aus Glas. In einer alternativen Ausführungsform kann das Sensorgehäuse aus Keramik hergestellt sein.
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Das Sensorgehäuse 3 weist ein Wandbereich 5 mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung 4 auf, welche ein inertes Metall, beispielsweise Platin oder Gold, umfasst. In einer alternativen Ausführungsform umfasst die leitfähige Beschichtung 4 ein anderes metallisches Material, beispielsweise Silber, Silberchlorid oder Kupfer.
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In der in 1 dargestellten Variante weist die Beschichtung 4 eine Netzstruktur oder Maschenstruktur auf. Die Netzgröße bzw. Maschengröße ist derart gewählt, dass vorbestimmte elektromagnetische Wellen die Netz- bzw. die Maschenstruktur nicht passieren können. Der Wandbereich 5, welcher die Beschichtung 4 aufweist, ist vorteilhafter weise derart ausgebildet, dass eine Elektrode vom Wandbereich 5 zumindest teilweise umgeben ist. Somit werden elektrische Signale der Elektrode durch die Beschichtung 4 vor störenden elektromagnetischen Wellen geschützt.
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Die elektrisch leitfähige Beschichtung 4 weist eine Schichtdicke kleiner 5 µm, vorzugsweise kleiner 1 µm, besonders bevorzugt zwischen 50 nm und 500 nm auf.
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In der in 1 dargestellten Ausführungsform weist das Sensorgehäuse 3 ein Innengehäuse 12 und ein Außengehäuse 13 auf. Das Innengehäuse 12 ist im Außengehäuse 13 angeordnet und der Wandbereich 5 ist ein Außenwandbereich 14 des Innengehäuses 12. In einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform ist der Wandbereich 5 ein Innenwandbereich des Innengehäuses 12.
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Im Innengehäuse 12 ist eine Arbeitselektrode 15 angeordnet. Das Innengehäuse 12 ist mit einem Elektrolyten, beispielsweise Kaliumchlorid gefüllt. Das Innengehäuse 12 weist eine Membran 20 auf, welche dazu geeignet ist, mit dem Messmedium in Kontakt zu kommen. Das Innengehäuse 12 bildet eine Messhalbzelle des Sensors 1.
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Im Außengehäuse 13 ist eine Referenzelektrode 16 angeordnet. Das Außengehäuse 13 ist mit einem Elektrolyten, beispielsweise Kaliumchlorid gefüllt. Der Elektrolyt ist mit der elektrisch leitfähigen Beschichtung 4 in Kontakt. Das Außengehäuse 13 weist eine Überführung 17 auf, welche dazu geeignet ist, mit dem Messmedium in Kontakt zu kommen. Das Außengehäuse 13 bildet eine Referenzhalbzelle des Sensors 1.
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Die elektrisch leitfähige Beschichtung 4 ist mit der Elektronikeinheit 2 elektrisch verbunden und ist dazu geeignet, als Schirmung für die Arbeitselektrode 15 zu fungieren.
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Die Elektronikeinheit 2 weist ein Elektronikmodul 19 auf. Das Elektronikmodul 19 ist mit der elektrisch leitfähigen Beschichtung 4, mit der Arbeitselektrode 15 und der Referenzelektrode 16 elektrisch verbunden. Das Elektronikmodul 19 ist dazu geeignet, die an den Elektroden 15, 16 anliegenden Potentiale in Messwerte umzuwandeln und auszugeben.
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Die Elektronikeinheit 2 ist mit dem Sensorgehäuse 3 mechanisch verbunden. Die Elektronikeinheit 2 ist durch eine Dichtung 10 von dem sich im Sensorgehäuse befindenden Elektrolyten abgedichtet. Die Dichtung 10 ist derart im Sensorgehäuse 3 angeordnet, dass die Beschichtung 4 die Dichtung 10 berührt. Da die Beschichtung 4 direkt auf dem Sensorgehäuse 3 als dünne Schicht aufgebracht ist, wird eine besonders sichere und langlebige Abdichtung des Sensorgehäuses 3 durch die Dichtung 10 erreicht.
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Die in der in 2 dargestellten Ausführungsform des Sensors 1 unterscheidet sich von der in der 1 dargestellten und oben beschriebenen Ausführungsform dadurch, dass eine dritten Elektrode 18 in dem Außengehäuse 13 angeordnet ist und eine Ableitung 21 der dritten Elektrode 18 durch die Beschichtung 4 gebildet ist. Der in 2 dargestellte Sensor ist z.B. ein Redox-Sensor.
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In der Ausführungsform von 2 ist der die Ableitung 21 aufweisende Wandbereich 5 eine Innenwand 11 des Sensorgehäuses 3. Zusätzlich kann das Sensorgehäuse 3 selbstverständlich die zuvor beschriebene durch die Beschichtung mit Maschenstruktur ausgebildete Schirmung aufweisen.
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Wie in 3 dargestellt kann in allen Ausführungsformen die elektrisch leitfähige Beschichtung 4 von einer weiteren zweiten Schicht 8 bedeckt sein. Bei der zweiten Schicht 8 handelt es sich z.B. um eine Schutzschicht oder eine Schicht, welche ein Material aufweist, das sich anhand seiner chemischen Eigenschaften besonders zur Verwendung mit dem Elektrolyten eignet.
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4 zeigt eine mit den zuvor beschriebenen Ausführungsformen kompatible Variante der Beschichtung 4, wobei durch die Beschichtung 4 auf dem Wandbereich 5 Leiterbahnen gebildet werden, um ein elektronisches Bauteil 9 mit der Elektronikeinheit 2 zu verbinden. Das elektronische Bauteil 9 ist z.B. ein Mikrochip, ein Schwingkreis oder Leiterplatten zur Realisierung eines Kondensators. Bei der Realisierung eines Kondensators fungiert der Elektrolyt im Sensorgehäuse als Elektrolyt für den Kondensator.
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5 zeigt eine mit den zuvor beschriebenen Ausführungsformen kompatible Variante der Beschichtung 4, wobei durch die Beschichtung 4 auf dem Wandbereich 5 eine Antenne gebildet wird, um einem elektronischen Bauteil 9, z.B. einem Transponder eines RFID-Moduls den Empfang von elektromagnetischen Signalen zu ermöglichen.
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6 zeigt eine mit den zuvor beschriebenen Ausführungsformen kompatible Variante der Beschichtung 4, wobei durch die Beschichtung 4 auf dem Wandbereich 5 Meander-förmige Leiterbahnen gebildet sind, um ein elektronisches Bauteil 9, z.B. einen Temperaturfühler wie einen Pt1000 oder einen Pt100 zu bilden und mit der Elektronikeinheit 2 zu verbinden.
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7 zeigt eine mit den zuvor beschriebenen Ausführungsformen kompatible Variante der Beschichtung 4, wobei durch die Beschichtung 4 auf dem Wandbereich 5 Leiterbahnen unterschiedlicher Länge gebildet sind, um ein elektronisches Bauteil 9 zur Füllstandsmessung des Elektrolyten im Sensor. 1 Die Leiterbahnen sind mit der Elektronikeinheit 2 verbunden. Ist der Füllstand F des Elektrolyten in dem Sensorgehäuse 3 so niedrig, dass kein Stromkreislauf über die unterschiedlich langen Leiterbahnen geschlossen werden kann, also die Impedanz sehr groß ist, gibt der Sensor 1 ein Alarmsignal aus, um den Benutzer über einen drohenden Sensorausfall zu informieren. Ebenso kann z.B. ein Glasbruch durch Änderung der Leitfähigkeit festgestellt werden. In einer Ausführungsform sind mehrere, jeweils unterschiedlich lange Leiterbahnen derart angeordnet, dass verschiedene Füllstände auf dieselbe oben beschriebene Weise ermittelt werden könne. Somit ist eine sogenannte Predictive Maintenance auf einfache Art und Weise möglich.
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In einer nicht dargestellten Ausführungsform der Beschichtung zur Füllstandsmessung, weisen beide Leiterbahnen dieselbe Länge auf. Abhängig vom Füllstand wird so ein gewisser Bereich der Leiterbahnen mit Elektrolyten benetzt, wodurch eine vom Füllstand abhängige Impedanzmessung über die zwei Leiterbahnen möglich wird. Die gemessene Impedanz spiegelt somit den Füllstand wider.
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Im Folgenden wird das Herstellungsverfahren des Sensors beschrieben.
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In einem ersten Schritt wird auf den Wandbereich 5 des Sensorgehäuse 3 die elektrisch leitfähige Beschichtung 4 aufgetragen. Die elektrisch leitfähige Beschichtung 4 umfasst eine erste Schicht 6 aus einem inerten Metall, z.B. Platin oder Gold oder ein anderes Edelmetall. In einer alternativen Ausführungsform wird ein anderes Metall/leitfähiges Material, z.B. Silber, Kupfer oder Graphit als erste Schicht 6 verwendet.
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Das Auftragen der Beschichtung 4, insbesondere der ersten Schicht 6 erfolgt z.B. durch Spraycoating, Inkjet, Siebdruck oder Rakeln. Je nach Zweck der Beschichtung 4 wird eine entsprechende Form aufgetragen. Soll, wie in 1 dargestellt, die Beschichtung 4 z.B. als Schirmung von Elektroden dienen, wird eine Netzstruktur, Maschenstruktur oder Vollflächige-Struktur auf das Sensorgehäuse 3 aufgetragen. Der Durchmesser der Maschen ist so gewählt, dass bestimmte elektromagnetische Wellen die Maschenstruktur nicht passieren können. Soll, wie in 2 dargestellt, die Beschichtung 4 als Ableitung einer Elektrode dienen, so wird die Beschichtung 4 in Linienform auf einen Innenwandbereich oder einen Außenwandbereich des Sensorgehäuses 3 aufgetragen. Soll, wie in 4 - 7 dargestellt, ein elektronisches Bauteil 9 durch die Beschichtung 4 realisiert werden oder eine Zuleitung zu einem elektronischen Bauteil 9 realisiert werden, wird jeweils eine entsprechende Form für die Beschichtung gewählt. Somit ist es möglich z.B. einen im Sensor integrierten Temperaturfühler, einen im Sensor integrierten Transponder, eine im Sensor integrierten RFID-Antenne, einen im Sensor integrierten Schwingkreis oder einen im Sensor integrierten Kondensator mithilfe einer vorbestimmten Form der Beschichtung und falls notwendig, mit zusätzlichen Bauteilen, zu realisieren.
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Der Schritt des Auftragens der Beschichtung 4 umfasst beispielsweise ein Schritt des Aufbringens und des Umwandelns einer nicht leitfähigen Vorläuferzubereitung. Beispielsweise umfasst die nicht leitfähigen Vorläuferzubereitung eine Edelmetallsalzlösung.
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Anschließend wird die Beschichtung 4, insbesondere die erste Schicht 6, erhitzt, so dass diese aushärtet bzw. nach dem Umwandeln in ihrer funktionalen Form vorliegt. Im Fall der nicht leitfähigen Vorläuferzubereitung bedeutet dies, dass die Beschichtung 4 nach dem Schritt des Auftragens elektrisch leitfähig ist.
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Zum Erhitzen der Beschichtung 4 wird vorteilhafterweise ein Laser verwendet. Alternativ wird zum Erhitzen der Beschichtung 4 ein anderes Energieeintragungsverfahren verwendet. Der Vorteil einer Erhitzung mit Laser ist, dass die Erhitzung nur lokal erfolgt, d.h. es wird nicht das gesamte Sensorgehäuse 3 einer hohen Temperatur ausgesetzt, sondern nur ein minimaler Bereich des Sensorgehäuses 3. In einer alternativen Ausführungsform kann auch ein anderes thermisches Erhitzungsverfahren verwendet werden, z.B. kann die Beschichtung 4 mit Xenon-Licht bestrahlt werden. Beispielsweise erreicht die Beschichtung 4 beim Erhitzen eine Temperatur von 300°C. Idealerweise erreicht die Beschichtung 4 beim Erhitzen eine Temperatur von 530°C.
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Die Beschichtung 4 kann auch zusätzlich zu Edelmetallen weitere Komponenten enthalten. Z.B. Lösungsmittel, Flussmittel, Bindemittel sowie weitere unedlere Metalle als Legierungsbestandteile. Diese weiteren Komponenten werden beim Erhitzen der Beschichtung 4 mindestens teilweise entfernt.
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Die Beschichtung 4 weist idealerweise eine Schichtdicke keiner 5 µm, bevorzugt kleiner 1 µm, besonders bevorzugt zwischen 50 nm und 500 nm auf.
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Anschließend wird die Beschichtung 4 mit der Elektronikeinheit 2 elektrisch verbunden. Alternativ oder ergänzend zum elektrischen verbinden mit der Elektronikeinheit 2 können weitere Bauteile auf die Beschichtung 4 direkt aufgelötet oder aufgeschweißt werden. Alternativ können die Bauteile durch ein Bonding-Verfahren aufgebracht werden. Z.B. kann so ein Mikrochip, ein RFID-Transponder oder andere Bauteile auf die Beschichtung 4 aufgebracht werden. Falls weitere Schichten auf die erste Schicht 6 der Beschichtung 4 aufgetragen werden, geschieht das Aufbringen weiterer elektrischer Bauteile selbstverständlich, falls nötig, erst nach dem Aufbringen dieser weiteren Schichten.
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In einer mit der oben beschriebenen Ausführungsform kompatiblen Ausführungsform wird zusätzlich auf die erste Schicht 6 der Beschichtung 4 eine zweite Schicht 8 aus einem von dem inerten Metall verschiedenen zweiten Material, beispielsweise Silber und/oder Silberchlorid, aufgetragen. Diese zweite Schicht 8 kann z.B. eine Schutzschicht bilden. In einer alternativen Ausführungsform ist die zweite Schicht 8 aus einem elektrisch isolierenden Material und deckt die erste Schicht 6 vollständig ab. Somit können z.B. Ableitungen von Elektroden von dem Elektrolyten im Sensorgehäuse 3 isoliert werden.
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Nach dem Auftragen der zweiten Schicht 8 kann erneut der oben beschriebene Schritt des Erhitzens ausgeführt werden, damit die zweite Schicht 8 der Beschichtung 4 aushärtet.
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In einem weiteren Schritt wird das Sensorgehäuse 3 mit einem Elektrolyten 7 gefüllt, falls dies für die Verwendung der Beschichtung bzw. des Sensors notwendig ist. Das Sensorgehäuse 3 wird derart gefüllt, dass die elektrisch leitfähige Beschichtung 4 mit dem Elektrolyten 7 in Kontakt steht, falls dies für den Zweck der Beschichtung 4 oder den Sensor notwendig ist. So dient z.B. der Elektrolyt 7 als Elektrolyt für einen Kondensator, wessen Leiterplatten durch die Beschichtung gebildet ist.
