DE19748725A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Reinigung und Bewuchsverhinderung der Meßflächen von in Fluiden befindlichen Sensoren - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Reinigung und Bewuchsverhinderung der Meßflächen von in Fluiden befindlichen SensorenInfo
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Description
Die kostengünstige und aussagekräftige Erfassung von Daten in der Umwelt und in
biologischen Systemen erfordert hohe Standzeiten der Sensoren bei hinreichender
Zuverlässigkeit. Die Anwendungsgebiete klassischer und neuartiger Sensorprinzipien
multiparametrischer Aufnahme wären:
Meeresmonitoring, Trink- und Abwasseranalytik, limnologische Forschung, Biopro zeßmeßtechnik und Intrakorporale Diagnostik. Erfahrungen zeigen, daß innerhalb kur zer Zeit die Funktion der Sensoren durch Verschmutzung und zellulärem Bewuchs be einträchtigt wird.
Meeresmonitoring, Trink- und Abwasseranalytik, limnologische Forschung, Biopro zeßmeßtechnik und Intrakorporale Diagnostik. Erfahrungen zeigen, daß innerhalb kur zer Zeit die Funktion der Sensoren durch Verschmutzung und zellulärem Bewuchs be einträchtigt wird.
Um diesen unerwünschten Erscheinungen entgegenzuwirken, werden zur Zeit folgen
de Maßnahmen ergriffen:
- 1. Mechanische Reinigung der Sensoren mittels manuellem oder automatischem Krat zen, Bürsten oder Schaben; nachteilig ist, daß hierbei empfindliche Sensoroberflä chen zerstört werden können. Ein weiterer Nachteil sind die Kosten und Nutzungs ausfälle, die beim Bergen und Reinigen der Sensoren entstehen.
- 2. Chemische Bewuchsverhinderungsmittel: Hierzu werden die Sensoroberflächen
permanent oder zyklisch mit bewuchshemmenden Substanzen um strömt, die je
doch die zu messenden Parameter des Mediums selbst ändern oder Querempfind
lichkeiten des Sensors auslösen können. Insbesondere ist der Einsatz problema
tisch, wenn das zu messende Wasser, z. B. in der Lebensmittelindustrie, nicht durch
solche Substanzen verunreinigt werden darf.
Das Patent DE 38 22 451 C2 bezieht sich auf den Effekt der Substrathemmung des Stoffwechsels spezifischer Zellarten und ist somit in natürlichen Medien mit höherer Diversität nicht realistisch. - 3. Bestrahlung der Sensoren mit energiereicher Strahlung, wie z. B. UV-Licht. Nachtei lig bei der Bestrahlung ist der hohe Energieaufwand, sowie Beeinflussung des Sen sorsignals durch die Strahlung.
- 4. Einwegsensoren, welche nach dem Revolverprinzip automatisch getauscht werden oder durch Freigabe frischer Sensorflächen: solche Lösungen sind teuer, außerdem erfordert das eine aufwendige Bevorratung der Sensoren, bzw. eine anfällige Me chanik.
- 5. Geborgene Sensoren können wie andere feine Strukturen in Ultraschall-Bädern ge reinigt werden, was einen höheren personellen und instrumentellen Aufwand erfor dert.
Zusammenfassend kann gesagt werden, daß die kontinuierliche Freihaltung von Sen
sormeßflächen bisher nicht zufriedenstellend gelöst ist.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, die in
wässerigen Lösungen befindlichen Sensormeßflächen während ihres Einsatzes frei
von zellulärem Bewuchs oder anderen sensorfremden Bedeckungen zu halten, wobei
durch die Reinigung oder Freihaltung keine Änderung des Meßmediums oder Verfäl
schungen des Sensorsignals auftreten dürfen. Ferner ist eine Bergung mit anschlie
ßender Reinigung aufgrund der Unterbrechung des Meßzyklus oder des hohen perso
nellen Einsatzes nicht zulässig. Eine weitere Aufgabe ergibt sich aus der Herstellung
von Sensoren und Longitudinalwellenquelle, also des gesamten Systems. Zur kosten
günstigen Herstellung einer großen Anzahl dieser Systeme soll eine integrierte Ferti
gung erfolgen. Dies beinhaltet die mikrotechnische Herstellung aller Komponenten
oder zumindestens einiger Teile. Eine weitere Integration kann durch die Verbindung
mikromechanischer, mikrosensorischer und mikroelektronischer Komponenten erreicht
werden. Hierzu sind einander kompatible Werkstoffe und Fertigungsverfahren einzu
setzen.
Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe bezüglich des Verfahrens und der
Vorrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1. Eine vor
teilhafte Ausstattung der Erfindung ist in Patentanspruch 7 angegeben. Die Weiterbil
dung nach Patentanspruch 7 ermöglicht es durch geeignete Formgebung der Meß
kammer bei Einwirkung der Schwingungsenergie einen gerichteten Volumenstrom ent
stehen zu lassen, eine Pumpwirkung, welche den Flüssigkeitsaustausch begünstigt.
Das Wesen der hier dargestellten Erfindung besteht in der körperlichen Einheit von
Sensorelement und reinigungsaktiver Struktur und in besonderen Fällen einer Pumpe.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß
- - der Sensor zum Reinigen nicht mehr geborgen werden muß
- - Langzeituntersuchungen ohne Wartung des Sensors ermöglicht werden
- - keine Beeinflussung der Meßwerte oder des Meßmediums durch Fremdstoffe stattfindet sowie
- - die Sensoreinheit sehr kompakt ist und im Betrieb energiesparend arbeitet.
Sensor und Reinigungsvorrichtung bilden eine Einheit, wodurch
- - integrierte Fertigung von Sensor und Longitudinalwellenquelle mit Hilfe der Mi krotechnik und die
- - Möglichkeit der Integration von mikroelektronischen Komponenten durch die in der Mikroelektronik verwendeten Werkstoffe besteht.
Drei Ausführungsbeispiele sind in den folgenden Zeichnungen dargestellt und werden
im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Ausführung, bei der das Sensorelement fest mit dem Schwingungserreger
verbunden ist, wodurch es direkt in mechanische Schwingungen versetzt wird.
Fig. 2 eine Ausführung, bei der das Sensorelement gegenüber dem Schwingungserre
ger angeordnet ist, wodurch es in den Einflußbereich des Ultraschalls kommt.
Fig. 3 eine Ausführung mit integrierten passiven Ventilen zur Erzeugung eines gerich
teten Volumenstroms.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zeigt eine Sensormeßfläche 1, welche auf einer
schwingungsfähigen Membran 7 befestigt ist. Der Schwingungserreger (2 und 7) besteht
aus einer Piezokeramik 2, welche stoffschlüssig mit der Membran 7 verbunden ist. Mit
der Abdeckplatte 4 wird der Schwingungserreger (2 und 7) hermetisch dicht verschlossen.
Über Zuführungen 6 wird die Piezokeramik elektrisch gespeist. Das Trägersubstrat 3
verbindet die Membran 7 mit der Abdeckplatte 4 unter Belassung eines Hohlraums für
die Piezokeramik 2. Die Membran 7, bestehend aus Silizium, ist durch naßchemisches
anisotropes Ätzen hergestellt.
Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung zeigt eine Sensormeßfläche 1 auf einem nicht mit
schwingendem Basissubstrat 5. Über der Sensormeßfläche 1 ist der Schwingungser
reger (bestehend aus der Einheit von Piezokeramik 2 und Membran 7) angeordnet.
Der Schwingungserreger (2 und 7) ist über die Distanzstücke 8 mit dem Basissubstrat 5
verbunden, so daß eine von der Meßflüssigkeit durchströmte Meßkammer 10 entsteht.
Um einen guten Flüssigkeitsaustausch zu gewährleisten, können im Basissubstrat 5
Durchbrüche 11 angeordnet sein. Der Schwingungserreger (2 und 7) ist entsprechend der
Vorrichtung in Fig. 1 aufgebaut und abgedichtet.
Die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung zeigt ein leicht variierte Anordnung nach Fig. 2,
nur werden anstatt der Distanzstücke 8 zwei passive Ventile 9 verwendet, welche die
Meßkammer 10 mit dem Meßmedium verbinden. So ist eine Vorzugsströmungsrich
tung 12 vorgegeben. Die Ventile 9, bestehend aus Silizium, sind durch naßchemisches
anisotropes Ätzen hergestellt.
Zu Fig. 1:
Die Sensormeßfläche 1 wird durch den Schwingungserreger (2 und 7) in Schwingungen versetzt. Durch die elektrische Ansteuerung der Piezokeramik 2 verbiegt sich die Membran 7, wandelt so die elektrische Energie in mechanische und überträgt diese auf die Flüssigkeit. Das Trägersubstrat 3 dient zur Aufnahme der Membran 7 und der Durchführung der elektrischen Zuführung zur Piezokeramik 6. Es bildet mit der Abdec kung 4 einen hermetisch dichten Raum und schützt so die Piezokeramik 2 und die elektrischen Anschlüsse vor der Meßflüssigkeit. Die gesamte Baugruppe kann so voll ständig vom Meßmedium umgeben werden. Der Schwingungserreger (2 und 7) kann so ausgelegt werden, daß die benötigte Frequenz der Longitudinalwellen einer Eigenre sonanz des Systems entsprechen. Mit Hilfe der eingebrachten (Schwingungs-)Energie werden die Haftkräfte der auf der Sensormeßfläche 1 befindlichen Ablagerungen oder Bewuchses überwunden, womit die Sensormeßfläche gereinigt wird und neue Ablage rungen oder neuer Bewuchs vermieden wird. Die Einwirkdauer, Frequenz und Amplitu de ist so zu wählen, daß die Verblockung oder Biofilmbildung effektiv verhindert wird. Die Meßwertaufnahme kann kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen, z. B. in den Reinigungspausen, um eventuelle Wechselwirkungen gänzlich auszuschließen. Weiter ist es möglich, die Einwirkdauer von den Reinigungserfolg abhängig zu machen. Der Erfolg der Reinigung kann über eine Meßwertdrift oder über einen nicht näher bezeich neten Bewuchsindikator ermittelt werden. So kann die Transmission einer transpa renten Scheibe gemessen werden, welche sich mit zunehmenden Bewuchs vermin dert.
Die Sensormeßfläche 1 wird durch den Schwingungserreger (2 und 7) in Schwingungen versetzt. Durch die elektrische Ansteuerung der Piezokeramik 2 verbiegt sich die Membran 7, wandelt so die elektrische Energie in mechanische und überträgt diese auf die Flüssigkeit. Das Trägersubstrat 3 dient zur Aufnahme der Membran 7 und der Durchführung der elektrischen Zuführung zur Piezokeramik 6. Es bildet mit der Abdec kung 4 einen hermetisch dichten Raum und schützt so die Piezokeramik 2 und die elektrischen Anschlüsse vor der Meßflüssigkeit. Die gesamte Baugruppe kann so voll ständig vom Meßmedium umgeben werden. Der Schwingungserreger (2 und 7) kann so ausgelegt werden, daß die benötigte Frequenz der Longitudinalwellen einer Eigenre sonanz des Systems entsprechen. Mit Hilfe der eingebrachten (Schwingungs-)Energie werden die Haftkräfte der auf der Sensormeßfläche 1 befindlichen Ablagerungen oder Bewuchses überwunden, womit die Sensormeßfläche gereinigt wird und neue Ablage rungen oder neuer Bewuchs vermieden wird. Die Einwirkdauer, Frequenz und Amplitu de ist so zu wählen, daß die Verblockung oder Biofilmbildung effektiv verhindert wird. Die Meßwertaufnahme kann kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen, z. B. in den Reinigungspausen, um eventuelle Wechselwirkungen gänzlich auszuschließen. Weiter ist es möglich, die Einwirkdauer von den Reinigungserfolg abhängig zu machen. Der Erfolg der Reinigung kann über eine Meßwertdrift oder über einen nicht näher bezeich neten Bewuchsindikator ermittelt werden. So kann die Transmission einer transpa renten Scheibe gemessen werden, welche sich mit zunehmenden Bewuchs vermin dert.
Zu Fig. 2:
Wenn eine Bewegung der Sensormeßfläche 1 nicht zulässig ist, kann, wie in Ausfüh rung Fig. 2, Schwingungserreger (2 und 7) und Sensormeßfläche 1 räumlich getrennt wer den. Durch die Distanzstücke 8 wird die auf dem Basissubstrat 5 befindliche Sensor meßfläche 1 in einem konstantem Abstand zum Schwingungserreger gehalten. Durch die Freiräume zwischen den Distanzstücken 8 kann die Meßflüssigkeit in die Meß kammer gelangen. Durch die Durchbrüche 11 kann der Flüssigkeitsaustausch zusätz lich erhöht werden. Die Ansteuerung und das Verfahren sind entsprechend Fig. 1. Hierbei vermittelt die Meßflüssigkeit die Wirkung des Schwingungserregers auf die ihm gegenüberstehende Sensormeßfläche 1.
Wenn eine Bewegung der Sensormeßfläche 1 nicht zulässig ist, kann, wie in Ausfüh rung Fig. 2, Schwingungserreger (2 und 7) und Sensormeßfläche 1 räumlich getrennt wer den. Durch die Distanzstücke 8 wird die auf dem Basissubstrat 5 befindliche Sensor meßfläche 1 in einem konstantem Abstand zum Schwingungserreger gehalten. Durch die Freiräume zwischen den Distanzstücken 8 kann die Meßflüssigkeit in die Meß kammer gelangen. Durch die Durchbrüche 11 kann der Flüssigkeitsaustausch zusätz lich erhöht werden. Die Ansteuerung und das Verfahren sind entsprechend Fig. 1. Hierbei vermittelt die Meßflüssigkeit die Wirkung des Schwingungserregers auf die ihm gegenüberstehende Sensormeßfläche 1.
Zu Fig. 3:
Zur Erhöhung des Flüssigkeitsaustausches kann anstelle der Distanzstücke 8 eine Ventilanordnung, bestehend aus mindestens zwei passiven Ventilen 9, verwendet werden, welche eine Vorzugsströmungsrichtung 12 erzeugt. Die treibende Kraft hierfür ist der Schwingungserreger (2 und 7). Die Ansteuerung und das Verfahren sind entspre chend Fig. 1.
Zur Erhöhung des Flüssigkeitsaustausches kann anstelle der Distanzstücke 8 eine Ventilanordnung, bestehend aus mindestens zwei passiven Ventilen 9, verwendet werden, welche eine Vorzugsströmungsrichtung 12 erzeugt. Die treibende Kraft hierfür ist der Schwingungserreger (2 und 7). Die Ansteuerung und das Verfahren sind entspre chend Fig. 1.
1
Sensormeßfläche
2
Piezokeramik
3
Trägersubstrat
4
Abdeckungsplatte
5
Basissubstrat
6
Elektrische Zuführung zur Piezokeramik
7
Membran
8
Distanzstück
9
Passives Ventil
10
Meßkammer
11
Durchbruch
12
Vorzugsströmungsrichtung
Claims (10)
1. Verfahren und Vorrichtung zur Reinigung und Bewuchsverhinderung der Meßflä
chen von in Fluiden befindlichen Sensoren, dadurch gekennzeichnet, daß Longi
tudinalwellen über die dem Meßmedium identische Reinigungsflüssigkeit mit der
Sensorschicht während ihres Einsatzes im Meßmedium mechanisch wechselwir
ken, so daß die Haftkräfte der auf der Sensorschicht befindlichen Ablagerungen
oder Bewuchses überwunden werden und neue Ablagerungen oder Bewuchs ver
mieden werden, wobei die Sensoren und die Longitudinalwellenquelle eine körperli
che Einheit bilden, ohne den Austausch des im Bereich der Sensorschicht befindli
che Meßmediums entscheidend zu behindern.
2. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Longitudinalwellen, insbesondere im Ultraschallbereich, durch ein Piezoelektrischen
Antrieb erzeugt werden.
3. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet daß
Frequenz, Amplitude und Einwirkdauer so gewählt werden, daß die Verblockung
oder die Biofilmbildung effektiv verhindert werden.
4. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Einwirkung der Longitudinalwellen kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgt,
wobei die Meßwerte in der Einwirkungspause oder permanent aufgenommen wer
den können.
5. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Einwirkdauer vom Erfolg des Reinigungsvorgangs bestimmt wird, welcher über
die Meßwertdrift oder einen Bewuchsindikator ermittelt wird.
6. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
sich der Schwingungserreger neben, über oder unter der Sensorschicht befindet
wobei Resonanzeffekte des Systems ausgenutzt werden können.
7. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
durch die Formgebung der Meßkammer bei Einwirkung der Schwingung ein gerich
teter Volumenstrom entsteht.
8. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die körperliche Einheit bestehend mindestens aus dem Sensor und die Longitudi
nalwellenquelle mikrotechnisch hergestellt werden.
9. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß
als Grundwerkstoff für mechanisch aktive und passive Teile Silizium oder ein ande
rer mit der Mikroelektronik kompatibler Werkstoff verwendet wird, wobei die mikro
elektronischen und sensorischen Elemente in dem selben Grundwerkstoff integriert
werden können.
10. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß
durch die hermetische Abdichtung aller stromführenden Komponenten ein vollstän
diges Eintauchen in das Meßmedium möglich ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1997148725 DE19748725A1 (de) | 1997-11-05 | 1997-11-05 | Verfahren und Vorrichtung zur Reinigung und Bewuchsverhinderung der Meßflächen von in Fluiden befindlichen Sensoren |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1997148725 DE19748725A1 (de) | 1997-11-05 | 1997-11-05 | Verfahren und Vorrichtung zur Reinigung und Bewuchsverhinderung der Meßflächen von in Fluiden befindlichen Sensoren |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19748725A1 true DE19748725A1 (de) | 1999-05-06 |
Family
ID=7847599
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1997148725 Withdrawn DE19748725A1 (de) | 1997-11-05 | 1997-11-05 | Verfahren und Vorrichtung zur Reinigung und Bewuchsverhinderung der Meßflächen von in Fluiden befindlichen Sensoren |
Country Status (1)
Country | Link |
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