DE19748725A1

DE19748725A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Reinigung und Bewuchsverhinderung der Meßflächen von in Fluiden befindlichen Sensoren

Info

Publication number: DE19748725A1
Application number: DE1997148725
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl Ing Frank; Tilmann Kurz; Daniela Muth; Cornelius Dr Schilling; Ruben Dr Ing Keoshkeryan
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-11-05
Filing date: 1997-11-05
Publication date: 1999-05-06

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.

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.

Wirkungsweise

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.

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.

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.

Bezugszeichenliste

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

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.