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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Foliensensoreinheit zur Detektion von ein oder mehreren Parametern eines Analysefluids, mit einem flexiblen, vorzugsweise dehnbaren, mehrschichtigen Folienstück mit einer ersten Folienmaterialschicht aus Kunststoff, auf der ein oder mehrere Messfühler angeordnet sind, insbesondere ein oder mehrere mit einem ionenselektiven Material beschichtete Messelektroden, sowie (ggf. jeweils) mindestens eine zu dem (jeweiligen) Messfühler führende elektrische Leitung.
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Im Stand der Technik gibt es diverse Sensorsysteme. Unter anderem sind sogenannte ionenselektive Sensoren bekannt, die Stabelektroden aufweisen und die beispielsweise in einen Fluidkanal für ein Analysefluid eingebracht werden können, also für ein Fluid, dessen Eigenschaften analysiert werden sollen. Üblicherweise wird für jeden zu messenden Parameter eines solchen Analysefluids eine eigene Stabelektrode eingesetzt. So kann es vorkommen, dass zur Messung verschiedener Parameter eine Vielzahl solcher Stabelektroden verwendet werden muss. Solche Stabelektroden bzw. Messsysteme, die auf derartigen Stabelektroden beruhen, sind großformatig, unflexibel und nur jeweils schwierig an die jeweilige Messsituation, in der die Messung erfolgen soll, anzupassen.
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Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Sensorsystem anzugeben, das möglichst wenig Raum einnimmt, und das möglichst flexibel einsetzbar ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Foliensensoreinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Entsprechend wird erfindungsgemäß eine Foliensensoreinheit zur Detektion von ein oder mehreren Parametern eines Analysefluids, insbesondere einer Analyseflüssigkeit, angegeben, mit
- a) einem flexiblen, vorzugsweise dehnbaren, mehrschichtigen Folienstück mit einer ersten Folienmaterialschicht aus Kunststoff, auf der ein oder mehrere Messfühler angeordnet sind - insbesondere ein oder mehrere, vorzugsweise mit einem ionenselektiven Material beschichtete Messelektroden - sowie (ggf. jeweils) mindestens eine zu dem (jeweiligen) Messfühler führende elektrische Leitung (vorzugsweise (jeweils) mindestens zwei elektrische Leitungen), und mit
- b) einer zweiten, insbesondere an die erste Folienmaterialschicht angrenzenden Folienmaterialschicht aus Kunststoff, in die der oder jeder Messfühler integriert ist, wobei der oder jeder Messfühler mit einem Fluidraum des Folienstücks in flüssigkeitsleitender Verbindung steht oder in einem solchen ganz oder teilweise angeordnet ist, der insbesondere zur Umgebung hin mindestens bereichsweise durch eine insbesondere semipermeable Membran abgegrenzt ist, sodass ein Analysefluid durch die Membran hindurch mit einer in dem Fluidraum befindlichen oder anordenbaren Austauschflüssigkeit wechselwirken kann.
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Die erfindungsgemäße Foliensensoreinheit ermöglicht es aufgrund ihrer räumlichen Flexibilität (Verwendung eines flexiblen Folienstücks) und ihrer Miniaturisierungspotentiale insbesondere in ihrem Hauptanwendungsfall, in dem der oder die Messfühler jeweils als Messelektrode ausgebildet sind, Parameter eines Analysefluids auch in schwierigen, beispielsweise sehr beengten Messsituationen zu erfassen.
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Gleichzeitig gelingt es mit dem erfindungsgemäßen Messkonzept, das eine Trennung des Analysefluids von dem jeweils eigentlichen Messfühler vorsieht, die Risiken zu minimieren, das Analysefluid durch unmittelbaren Kontakt mit dem Messfühler ungewollt zu kontaminieren, was insbesondere bei Analysefluiden im medizin-/biologischen Bereich von höchster Bedeutung ist, wie etwa bei der Analyse von Blut. Denn erfindungsgemäß werden die Eigenschaften bzw. zu messenden Parameter des Analysefluids von dem Messfühler nur mittelbar über die Messung entsprechender Eigenschaftsänderungen der mit dem Analysefluid wechselwirkenden, in dem Fluidraum befindlichen Austauschflüssigkeit erfasst. Die Messfühler werden demnach nur von der Austauschflüssigkeit direkt kontaktiert, von dem Analysefluid dagegen nur höchstens mittelbar in geringster Konzentration bei einer etwaigen Vermischung des Analysefluids mit der Austauschflüssigkeit.
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Was den Fluidraum betrifft, so kann der oder jeder Fluidraum in der zweiten Folienmaterialschicht angeordnet sein. Dabei kann er insbesondere gebildet sein durch einen folienmaterialfreien Bereich der zweiten Folienmaterialschicht.
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Der Fluidraum kann alternativ auch in einer weiteren/zusätzlichen Schicht angeordnet sein, nämlich in einer dritten Folienmaterialschicht des Folienstücks. Insbesondere in einer dritten Folienmaterialschicht, die an die zweite Folienmaterialschicht angrenzt oder die an eine Zwischenschicht zwischen der zweiten und der dritten Folienmaterialschicht angrenzt. Vorzugsweise kann der Fluidraum dabei durch einen folienmaterialfreien Bereich der dritten Folienmaterialschicht gebildet sein.
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Insofern im Rahmen dieser Anmeldung von „angrenzenden Schichten“ die Rede ist, ist hiermit immer das Angrenzen einer großflächigen Folienmaterialschichtseite der einen Folienmaterialschicht an eine zugewandte großflächige Folienmaterialschichtseite der jeweils anderen Folienmaterialschicht gemeint, sodass diese Seiten aneinanderliegen bzw. sich kontaktieren.
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Der Fluidraum kann in einer weiteren, besonders wichtigen Ausführungsform der Erfindung ein zusammenhängender Fluidkanal sein, in dem der oder jeder Messfühler angeordnet ist oder mit dem der oder jeder Messfühler zumindest in flüssigkeitsleitender Verbindung steht.
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In der zweiten Folienmaterialschicht kann des Weiteren für den oder jeden Messfühler ein insbesondere jeweils separater Aufnahmeraum angeordnet sein, insbesondere jeweils ein durch einen folienmaterialfreien Bereich in der zweiten Folienmaterialschicht gebildeter Aufnahmeraum, in dem der (jeweilige) Messfühler ganz oder teilweise sitzt.
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Der Aufnahmeraum kann bis zu einer einer Bodenseite des Aufnahmeraums gegenüberliegenden Stirnseite mit dem ionenselektiven Beschichtungsmaterial bzw. der ionenselektiven Beschichtung des (jeweiligen) als Messelektrode ausgebildeten Messfühlers gefüllt sein, insbesondere bis zu einer Stirnseite, die an die Zwischenschicht angrenzt.
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Weiter kann der Fluidraum einen Boden aufweisen, insbesondere einen durch die Zwischenschicht gebildeten Boden, in dem eine Durchgangsöffnung angeordnet ist, die den Fluidraum jeweils flüssigkeitsleitend mit dem (jeweiligen) Messfühler verbindet, insbesondere mit einem oder dem Aufnahmeraum, in dem der jeweilige Messfühler sitzt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der Fluidraum an einer insbesondere der Umgebung zugewandten (ohne eine solche Membran ansonsten offenen) Raumseite des Fluidraums, insbesondere an einer einer Bodenseite des Fluidraums gegenüberliegenden (ohne Membran offenen) Stirnseite desselben, durch die Membran insbesondere zur Umgebung hin mindestens bereichsweise abgegrenzt sein.
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Die Membran kann diese Raumseite des Fluidraums dabei mindestens bereichsweise überdecken.
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Der oder die Bereich(e) dieser Raumseite des Fluidraums, die nicht durch die Membran insbesondere zur Umgebung hin abgegrenzt ist/sind und/oder von dieser mindestens bereichsweise überdeckt ist/sind, kann/können durch eine vierte Folienmaterialschicht aus Kunststoff insbesondere zur Umgebung hin abgegrenzt sein oder durch diese flüssigkeitsdicht überdeckt sein.
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Dabei kann die vierte Folienmaterialschicht an die zweite oder an die dritte Folienmaterialschicht angrenzen.
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Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung kann sich der Fluidraum bis in den Randbereich des Folienstücks erstrecken und dort in eine flüssigkeitsdicht schließbare Befüllungs- und/oder eine Entleerungsöffnung übergehen, über die der Fluidraum mit einer Austauschflüssigkeit befüllbar ist und/oder über die in dem Fluidraum befindliche Austauschflüssigkeit aus dem Fluidraum entfernbar ist.
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Auf der Außenseite des Folienstücks, insbesondere auf der vierten Folienmaterialschicht, kann im Bereich der Membran ein insbesondere die Membran vollständig überdeckendes, zur Membran hin offenes, bis auf eine Befüllungs- und/oder bis auf eine Entleerungsöffnung zur Umgebung hin geschlossenes, mit Analysefluid befüllbares Flüssigkeitsleitbauteil lösbar oder unlösbar befestigt sein, über das dem Folienstück, insbesondere der Membran, gezielt Analysefluid zuführbar ist.
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Was die erste und/oder die zweite und/oder die dritte und/oder die vierte Folienmaterialschicht und/oder die Zwischenschicht betrifft, so kann diese beispielsweise eine Polymerfolie sein bzw. aus eine solchen gebildet sein.
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Mindestens ein Messfühler der Foliensensoreinheit kann eine ionenselektive Messelektrode sein, wie oben bereits erwähnt. Alternativ kann auch ein Biosensormessfühler verwendet werden.
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Denkbar ist auch, dass mindestens ein weiterer Messfühler der Foliensensoreinheit eine Referenzelektrode ist und/oder ein Temperaturmessfühler.
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Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie aus den beigefügten Zeichnungen. Darin zeigt:
- 1 eine Schnittdarstellung durch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Foliensensoreinheit,
- 2 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Foliensensoreinheit, ebenfalls in Schnittdarstellung,
- 3 eine Draufsicht auf die unterste Folienmaterialschicht der Foliensensoreinheit aus 2,
- 4 eine Draufsicht auf die darüber liegende Folienmateriallage der Foliensensoreinheit aus 2 mit Aufnahmeräumen für als Messelektroden ausgebildete Messfühler,
- 5 eine Draufsicht entsprechend 4, wobei die Aufnahmeräume mit unterschiedlichen Beschichtungen für die Messelektroden aufgefüllt sind,
- 6 eine Draufsicht auf die über der zweiten Folienmateriallage liegende Zwischenschicht der Foliensensoreinheit aus 2,
- 7 eine Draufsicht auf die über der Zwischenschicht liegende Folienmaterialschicht der Foliensensoreinheit aus 2, in der ein als Fluidkanal ausgebildeter Fluidraum angeordnet ist,
- 8 eine Draufsicht entsprechend 7, allerdings mit der Membran der Foliensensoreinheit aus 2, die den Bereich des Fluidraums überdeckt, in dem unterhalb desselben die Messelektroden sitzen,
- 9 eine Draufsicht auf die außerhalb der Membran angeordnete, über der Folienmaterialschicht aus 7 liegende, oberste Folienmaterialschicht der Foliensensoreinheit aus 2,
- 10 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Foliensensoreinheit, ebenfalls in Schnittdarstellung, die weitgehend der Ausführungsform der 2 entspricht, allerdings mit einem zusätzlichen, die Membran vollständig überdeckendem Flüssigkeitsleitbauteil auf der Außenseite bzw. auf der obersten Folienmaterialschicht,
- 11 die dritte Ausführungsform aus 10 in Draufsicht.
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Foliensensoreinheiten 10, wie sie in den Zeichnungen gezeigt sind, dienen zum Erfassen von Parametern eines Analysefluid, in der Regel einer Analyseflüssigkeit. Beispielsweise könnten mit einer solchen Foliensensoreinheit 10 bestimmte Blutparameter, wie etwa Magnesiumwerte, gemessen werden. Die Erfindung ist aber nicht auf bestimmte Analyseflüssigkeiten bzw. Analysefluids beschränkt. Genauso wenig ist sie beschränkt auf die Erfassung nur bestimmter Parameter bzw. Eigenschaften der jeweils untersuchten Analyseflüssigkeit bzw. des jeweils untersuchten Analysefluids.
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Die erste Ausführungsform einer Foliensensoreinheit 10 ist in der 1 gezeigt. Sie umfasst ein dehnbares, flexibles Folienstück 11, das mehrere, übereinander angeordnete Folienmaterialschichten bzw. Folienlayer 12, 13 und 14 aufweist.
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Die unterste Folienmaterialschicht 12 dient als Trägerschicht. Auf ihr sind elektrische Leitungen 15 angeordnet, beispielsweise mittels gängiger (Folien-)Druckverfahren aufgedruckt. Die Leitungen 15 führen jeweils zu Messelektroden 16, an die die Leitungen 15 angeschlossen sind. Mindestens eine elektrische Leitung 15 ist dabei jeweils mindestens einer Messelektrode 16 zugeordnet bzw. an diese angeschlossen.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist auf der untersten Folienmaterialschicht 12 bzw. angrenzend an diese eine Folienmaterialschicht 13 aufgebracht, in der ein als Fluidkanal ausgebildeter Fluidraum 17 angeordnet ist.
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Der Fluidraum 17 bildet dabei einen folienmaterialfreien Bereich der Folienmaterialschicht 13.
Im Rahmen der Herstellung des Folienstücks 11 kann zu diesem Zweck die Folienmaterialschicht 13 in diesem Bereichen freigestellt sein bzw. mit einer entsprechenden Freistellung oder Freimachung versehen sein. Die Techniken hierfür sind bekannt.
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Die Anordnung des Fluidraums 17 ist derart gewählt, dass die Messelektroden 16 ganz oder teilweise in dem Fluidraum 17 angeordnet sind. Der Fluidraum 17 bildet demnach gleichzeitig einen Aufnahmeraum 18 für die Messelektroden 16.
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Zu erkennen in 1 ist auch eine Beschichtung 19 der gezeigten Messelektrode 16, nämlich eine ionenselektive Beschichtung, die in dem Aufnahmeraum 18 bzw. dem Fluidraum 17 angeordnet ist, nämlich auf einem Boden 20 des Aufnahmeraums 18.
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Der Aufnahmeraum 18 bzw. der Fluidraum 17 weist dem Boden 20 gegenüberliegend eine Stirnseite 21 auf. Diese Stirnseite 21 des Aufnahmeraums 18 bzw. des Fluidraums 17 ist zur Umgebung des Folienstücks 11 hin (bzw. der Foliensensoreinheit 10) abgegrenzt durch eine Membran 22. Ohne diese Membran 22 wäre die Stirnseite 21 zur Umgebung hin offen.
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Die Membran 22 überdeckt dabei die ansonsten offene Stirnseite 21 mindestens bereichsweise, nämlich mindestens in den Bereichen, in denen (darunter) die Messelektroden 16 sitzen.
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In den Bereichen der Stirnseite 21, in denen diese nicht von der Membran 22 überdeckt ist, ist sie von der obersten Folienmaterialschicht 14 überdeckt, die gleichzeitig im vorliegenden Fall die Außenseite des Folienstücks 11 bildet, jedenfalls außerhalb der Membran 22.
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Auf der untersten Folienmaterialschicht 12 befinden sich des Weiteren im Randbereich 34 elektrische Kontaktierungsflächen oder Kontaktierungselemente 35, mit denen das Folienstück 11 kontaktiert werden kann, um dieses beispielsweise an eine nicht dargestellte, elektronische Steuer- und/oder Auswerteeinheit (im Stand der Technik bekannt) anzuschließen, die die Messsignale der Messelektroden 16 empfängt und weiterverarbeitet/auswertet.
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Bei Verwendung der Foliensensoreinheit 10 befindet sich in dem Fluidraum 17 eine Austauschflüssigkeit (nicht gezeigt), die unmittelbar die Oberseiten der Messelektroden 16 umspült bzw. kontaktiert. Im Betrieb kann dann die Foliensensoreinheit 10 bzw. insbesondere das Folienstück 11 mit einem Analysefluid (nicht gezeigt) in Kontakt gebracht werden; beispielsweise in ein solches Fluid/eine Flüssigkeit eingetaucht werden oder in der Strömung eines solchen Fluids angeordnet werden.
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Das Analysefluid trifft dann auf die Membran 22 und wechselwirkt durch die Membran 22 hindurch mit der Austauschflüssigkeit, beispielsweise einer Kaliumchlorid-Lösung (KCI-Lösung. Durch diese Wechselwirkung ändern sich die Eigenschaften der Austauschflüssigkeit, was mit den Messelektroden 16 wahrgenommen wird und als davon abhängige Signale an die Auswerteeinheit weitergegeben wird.
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Die Foliensensoreinheit 10 der 2-9 unterscheidet sich von der Foliensensoreinheit 10 der 1 in den folgenden Merkmalen:
- Zum einen bildet der Aufnahmeraum nicht gleichzeitig den Fluidraum, sondern dies sind getrennte Räume.
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Dabei sind zwischen der Folienmaterialschicht 13, in der der Fluidraum 17 angeordnet ist, und der Folienmaterialschicht bzw. Trägerschicht 12 zwei weitere Folienmaterialschichten angeordnet, nämlich eine Zwischenschicht 23 und eine Spacerschicht 24.
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Die Spacerschicht 24 ist unmittelbar auf der Trägerschicht 12 angeordnet bzw. grenzt an diese an. Sie weist in diesem Fall separate, d. h. von dem Fluidraum 17 getrennte/eigene Aufnahmeräume 25 auf für die Messelektroden 16 bzw. insbesondere für die Beschichtung 19 der Messelektroden 16.
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Die Stirnseite 21 des jeweiligen Aufnahmeraums 25 grenzt unmittelbar an die Zwischenschicht 23 an, die wiederum auf der Spacerschicht 24 angeordnet ist bzw. an diese angrenzt. Die Zwischenschicht 23 bildet dabei den Boden des in der Schicht 13 gebildeten Fluidraums 17.
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In diesem Boden des Fluidraums 17 ist eine vorliegend zentrale Durchgangsöffnung 26 eingebracht, die den Fluidraum 17 mit dem Aufnahmeraum 25 für die jeweilige Messelektrode 16 flüssigkeitsleitend verbindet. Mit anderen Worten kann die Austauschflüssigkeit, die sich in dem Fluidraum 17 befindet, unmittelbar mit der Beschichtung 19 der Messelektrode 16 in Kontakt treten.
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Auch der jeweilige Aufnahmeraum 25 in der Spacerschicht 24 ist, wie der Aufnahmeraum 18 in der zweiten Folienmaterialschicht der Ausführungsform der 1, durch einen jeweiligen folienmaterialfreien Bereich in der entsprechenden Folienmaterialschicht, hier der Spacerschicht 24, gebildet.
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Vorliegend sind die Aufnahmeräume 25, in denen die Beschichtung 19 der jeweiligen Messelektrode jeweils angeordnet ist, bis oben hin mit dieser Beschichtung 19 befüllt, d.h. bis zur Stirnseite 21. Es versteht sich, dass dies aber auch anders sein kann.
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Wie beispielsweise in 5 gezeigt ist, können des Weiteren unterschiedliche Beschichtungsmaterialien 19 vorgesehen werden, mit denen jeweils unterschiedliche Parameter des Analysefluids gemessen werden können.
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Unter anderem in 7 ist des Weiteren zu erkennen, dass der Fluidraum 17 einen zusammenhängenden Fluidkanal bildet bzw. bilden kann, der unterschiedliche Abschnitte 27, 28, 29 aufweist bzw. aufweisen kann:
- Der zentrale Abschnitt 27 erstreckt sich unmittelbar (senkrecht) oberhalb der Messelektroden 16 bzw. der Aufnahmeräume 25 für diese, sodass in dem Fluidraum 17 befindliche Austauschflüssigkeit bei einer horizontalen Ausrichtung des Folienstücks 11 von dem zentralen Fluidraumabschnitt 27 direkt über die jeweilige Durchgangsöffnung 26 auf die jeweilige Beschichtung 19 der jeweiligen Messelektrode 16 fließt. Also in einem Anwendungsfall, bei dem das Folienstück 11 so gehalten oder gelagert wird, dass die großflächigen Seiten des Folienstücks 11 in horizontalen Ebenen verlaufen bzw. angeordnet sind.
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Die Fluidraumabschnitte 28 und 29 bilden jeweils eine Zu- und eine Ableitung für die Austauschflüssigkeit und führen zu einer Befüllungsöffnung 30 bzw. zu einer Entleerungsöffnung 31 im Randbereich des Folienstücks 11, über die dem Fluidraum 17 Austauschflüssigkeit zugeführt bzw. über die Austauschflüssigkeit aus dem Fluidraum 17 abgeführt werden kann.
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Ähnlich wie bei der Ausführungsform der 1 überdeckt im Übrigen die Membran 22 die ansonsten offene Stirnseite des Fluidraums 17 mindestens bereichsweise, nämlich mindestens in den Bereichen, in denen darunter jeweils die Durchgangsöffnungen 26 sitzen bzw. wiederum darunter die Messelektroden 16.
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In den Bereichen der Stirnseite des Fluidraums 17, in denen diese nicht von der Membran 22 überdeckt ist, ist sie ebenfalls von der obersten Folienmaterialschicht 14 überdeckt, jedenfalls außerhalb der Membran 22, wobei die oberste Folienmaterialschicht 14 auch im vorliegenden Ausführungsbeispiel der 2-9 die Außenseite des Folienstücks 11 bildet.
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Die Foliensensoreinheit 10 der 10 und 11 unterscheidet sich von der Foliensensoreinheit 10 der 2-9 in den folgenden Merkmalen:
- Auf der Außenseite des Folienstücks 11, nämlich vorliegend auf der Folienmaterialschicht 14, ist im Bereich der Membran 22 ein die Membran 22 vorliegend vollständig überdeckendes, zur Membran 22 hin offenes, bis auf eine nicht gezeigte Befüllungsöffnung und/oder eine Entleerungsöffnung zur Umgebung hin geschlossenes, mit Analysefluid befüllbares Flüssigkeitsleitbauteil 32 lösbar oder unlösbar angeordnet oder befestigt, über das dem Folienstück 11, insbesondere der Membran 22, gezielt Analysefluid zuführbar ist.
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Das vorliegend als Hohlkörper ausgebildete Flüssigkeitsleitbauteil 32 verfügt dabei im Inneren über einen Innenraum 33, der mit der Analysefluid befüllt werden kann. Da der Innenraum 33 direkt oberhalb der Membran 22 sitzt, wird diese von dem Analysefluid direkt beaufschlagt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Foliensensoreinheit
- 11
- Folienstück
- 12
- Folienmaterialschicht
- 13
- Folienmaterialschicht
- 14
- Folienmaterialschicht
- 15
- elektrische Leitungen
- 16
- Messelektroden
- 17
- Fluidraum
- 18
- Aufnahmeraum
- 19
- Beschichtung
- 20
- Boden Aufnahmeraum
- 21
- Stirnseite Aufnahmeraum
- 22
- Membran
- 23
- Zwischenschicht
- 24
- Spacerschicht
- 25
- Aufnahmeraum
- 26
- Durchgangsöffnung
- 27
- Fluidraumabschnitt
- 28
- Fluidraumabschnitt
- 29
- Fluidraumabschnitt
- 30
- Befüllungsöffnung
- 31
- Entleerungsöffnung
- 32
- Flüssigkeitsleitbauteil
- 33
- Innenraum
- 34
- Randbereich Folienmaterialschicht
- 35
- Kontaktierungselemente
