DE29704357U1

DE29704357U1 - Chemischer Sensor

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Publication number: DE29704357U1
Application number: DE29704357U
Authority: DE
Original assignee: Kurt Schwabe Institut fuer Mess und Sensortechnik Ev Meinsberg
Current assignee: Kurt Schwabe Institut fuer Mess und Sensortechnik Ev Meinsberg
Priority date: 1997-03-11
Filing date: 1997-03-11
Publication date: 1997-09-04
Anticipated expiration: 2007-03-12

Description

Chemischer Sensor Anwendungsgebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen chemischen Sensor. Vorteile des erfindungsgemäßen Sensors liegen vor allem darin, daß ein chemisch sensitives Element an unterschiedliche Meßaufgaben und Einsatzbedingungen angepaßt werden kann, in einer Geberarmatur leicht auswechselbar ist und sich technologisch einfach und kostengünstig herstellen läßt. Bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Prozeßanalytik mit ISFET-pH-Sensoren.

Stand der Technik

Chemische Sensoren, die in der Betriebsmeßtechnik zum Einsatz kommen, bestehen im allgemeinen aus einer chemisch sensitiven Komponente und einem Schaft, der den Einbau in Geberarmaturen ermöglicht. Wie in DIN 19263 dargestellt ist, bilden im Falle der pH-Glaselektrode die pH-sensitive Glasmembran und der Elektrodenschaft eine untrennbare Einheit. Auch bei pH-Elektroden mit einem ISFET-Sensor, die für den Einsatz in der Prozeßanalytik, insbesondere in der Lebensmittelindustrie, vorgesehen sind [7794 Sanitary Durafet® pH Electrodes. Firmenschrift Leeds+Northrup, 351 Sumneytown Pike, North Wales, PA 19454, USA (1994); Revolutionary ISFET pH technology for semi-solids. Firmenschrift Sentron Europe B.V., 9300 AC Roden, The Netherlands], ist es nicht möglich, den ISFET-pH-Sensor von dem Sensorschaft abzutrennen. Bekannt sind jedoch auch Ausführungsformen chemischer Sensoren, bei denen sich zwischen der chemisch sensitiven Komponente und dem Sensorschaft eine Steckverbindung befindet, so daß beide Teile voneinander getrennt werden können [L. Günther, W. Möhler, K. Spiegel: Elektrochemische Sauerstoffsensoren nach dem Clarkschen Prinzip zur Prozeßüberwachung. Informationen FSI Meinsberg, Heft 2 (1979) 19]. Die Vorteile dieser konstruktiven Lösung bestehen vor allem darin, daß sich die Prüfung, die Wartung und der Austausch des Sensors einfacher ausführen lassen und daß eine größere Flexibilität hinsichtlich der Gestaltung, der Abmessungen und des Materials des Schaftes sowie der Länge und Ausführung der elektrischen Anschlüsse des Sensors erreicht wird.

Problem

Den genannten Vorteilen einer lösbaren Verbindung zwischen der chemisch sensitiven Komponente und dem Schaft eines chemischen Sensors stehen als Nachteile entgegen, daß durch die Steckverbindung der Fertigungsaufwand und die Kosten erhöht werden und daß handelsübliche Steckverbinder in der notwendigerweise stark miniaturisierten Ausführung eine nur geringe und

kaum zu variierende Anzahl von Kontaktpaaren aufweisen, so daß die optimale Anpassung an unterschiedliche Sensorkonfigurationen nicht möglich ist.

Im Falle der oben erwähnten pH-Glaselektroden oder Sauerstoffsensoren stellt die begrenzte Kontaktzahl des Steckverbinders kein schwerwiegendes Problem dar, da bei diesen Sensoren in herkömmlicher Ausführung nur wenige elektrische Anschlüsse benötigt werden. Im Gegensatz dazu ist es bei chemischen Sensoren auf Halbleiterbasis, beispielsweise ionensensitiven Feldeffekttransistoren (ISFET), günstig, wenn eine größere Anzahl von Kontakten zur Verfügung steht, da auf dem Halbleiterchip mehrere chemische Sensoren, Temperaturmeßfühler sowie elektronische Bauelemente in unterschiedlichen Konfigurationen integriert sein können, zu denen elektrische Verbindungen hergestellt werden müssen, deren Anzahl in Abhängigkeit von der Gestaltung des Sensorchips und den Erfordernissen der Anwendung des Sensors variieren kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen ISFET-pH-Sensor für den Einsatz in der Prozeßanalytik zu entwickeln, der an unterschiedliche Meßaufgaben und Einsatzbedingungen angepaßt werden kann und sich technologisch einfach und kostengünstig herstellen läßt. Aus den meßtechnischen Eigenschaften der ISFET-Halbleiterstruktur und den Einsatzbedingungen in der Praxis resultiert die Forderung, daß die chemisch sensitive Komponente des Sensors in einer Geberarmatur leicht auswechselbar sein muß.

Erfindung

Die erfindungsgemäße Lösung des Problems besteht darin, daß der chemische Sensor aus einem Sensorkopf, in dem ein mit einer Leiterplatte kontaktiertes chemisch sensitives Bauteil in einen Kunststoff eingebettet ist, und einem Sensorschaft besteht, die durch eine lösbare, flüssigkeitsdichte Steckverbindung miteinander verbunden sind, und daß die elektrische Kontaktierung zwischen dem Sensorkopf und dem Sensorschaft dadurch erfolgt, daß Kontaktleiterbahnen der in dem Sensorkopf vorhandenen und aus dieser herausragenden Leiterplatte unmittelbar gegen Kontaktleiterbahnen einer im Sensorschaft vorhandenen, im Kontaktierungsbereich elastisch vorgespannten flexiblen Leiterplatte gepreßt werden.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung enthält der Sensorkopf als chemisch sensitives Bauteil einen ionensensitiven Feldeffekttransistor (ISFET), der direkt auf der mit Leiterbahnen versehenen Leiterplatte montiert und mit dieser elektrisch verbunden ist.

Anstatt des ISFET-Sensors kann der Sensorkopf beispielsweise auch eine in Dickfilmtechnik präparierte chemische Elektrode enthalten. Es ist weiterhin möglich, daß in dem Sensorkopf

zusätzlich ein Temperaturfühler, weitere chemische Meßfühler sowie elektronische Bauelemente vorhanden sind, deren elektrische Kontaktierung ebenfalls über die mit Kontaktleiterbahnen versehene Leiterplatte erfolgt. Auch die bei elektrochemischen Sensoren häufig zur Komplettierung der Meßkette erforderliche elektrochemische Referenzelektrode kann in dem Sensorkopf enthalten und über die Leiterplatte kontaktiert sein; es besteht jedoch auch die Möglichkeit, daß sich die Referenzelektrode im Schaft des Sensors befindet und über die Kontaktleiterplatte eine elektrische Verbindung von dieser Referenzelektrode zum Sensorkopf hergestellt wird.

Der Sensorkopf sollte möglichst kleine Abmessungen aufweisen. In den meisten Fällen werden der Durchmesser des Sensorkopfes kleiner als 10 mm und die Länge des Sensorkopfes kleiner als 40 mm sein, so daß die Länge des Sensorschaftes deutlich größer als die des Sensorkopfes ist.

Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung

Die Vorteile des vorgeschlagenen neuen chemischen Sensors bestehen vor allem in folgenden Merkmalen: Der Sensor läßt sich mit relativ geringem Aufwand kostengünstig fertigen. Das wird dadurch erreicht, daß das chemisch sensitive Bauteil sowie evtl. vorhandene weitere sensorische oder elektronische Bauelemente mechanisch und elektrisch unmittelbar mit der Leiterplatte, über die die elektrische Kontaktierung erfolgt, verbunden und mit dieser gemeinsam in einen Kunststoff eingebettet sind. Es ist kein zusätzlicher Steckverbinder zur elektrischen Kontaktierung des Sensorkopfes erforderlich. Dadurch, daß zwischen Sensorkopf und -schaft eine direkte, flüssigkeitsdichte Steckverbindung vorhanden ist, läßt sich der Sensor an unterschiedliche Meßaufgaben und Einsatzbedingungen adaptieren und damit vielseitig einsetzen. Es ist beispielsweise möglich, die Länge, das Material und die Art des elektrischen Anschlusses des Sensorschaftes zu variieren, ohne Veränderungen am Sensorkopf vornehmen zu müssen. Beim Einsatz in der Lebensmittelindustrie, einem bevorzugten Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen ISFET-pH-Sensors, ist es besonders vorteilhaft, daß sich der Sensorkopf leicht auswechseln und unabhängig vom Sensorschaft reinigen, desinfizieren, kalibrieren und prüfen läßt.

Die Herstellung von chemischen Sensoren und der dazu notwendigen Auswertegeräte und elektronischen Meßwertverarbeitung ist ein typisches Betätigungsfeld der mittelständischen Industrie. Da die Erfindung eine rationellere, kostengünstige Fertigung sowie die Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten chemischer Sensoren auf Halbleiterbasis ermöglicht und der zu prognostizierende mengenmäßige Bedarf an Sensoren charakteristisch für den genannten Industriebereich ist, kann sie von mittelständischen Unternehmen mehrerer Branchen in vorteilhafter Weise genutzt werden.

Darstellung der Erfindung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figur 1 und 2 erläutert. Es zeigen Fig. 1 den Sensorkopf und Fig. 2 einen Querschnitt durch den Sensorkopf des chemischen Sensors. Der Sensorkopf enthält als chemisch sensitives Bauteil 1 einen Halbleiterchip, auf dem sich zwei ISFET-pH-Strukturen, ein MOSFET sowie eine Diode befinden. Der Halbleiterchip 1 ist auf eine doppelseitige, durchkontaktierte Leiterplatte 4 aufgeklebt und mit den auf dieser beidseitig vorhandenen Kontaktbahnen 5 mittels der Verbindungsdrähte 6 elektrisch verbunden. Auf der Rückseite der Leiterplatte ist ein weiteres Bauelement 7, beispielsweise ein Temperaturfühler, befestigt und ebenfalls durch Verbindungsdrähte 6 mit auf der Rückseite der Leiterplatte 4 vorhandenen Kontaktbahnen 5 elektrisch verbunden.

Die Leiterplatte 4 einschließlich der Bauteile 1 und 7 sowie der elektrischen Verbindungen 6 wird in Epoxidharz so eingegossen, daß nur die chemisch sensitive Oberfläche des ISFET-Sensorchips 1 und das Ende der Leiterplatte 4 mit den Kontaktbahnen 5 von der Verkapselung

2 nicht umschlossen sind. Diese Verkapselung gewährleistet die mechanische Stabilität des Sensorkopfes und stellt eine zusätzliche elektrische Isolation der bereits durch primäre Passivierung isolierten Kanten des Sensorchips dar.

Der komplette Sensor besteht aus diesem Sensorkopf und einem stabförmigen Sensorschaft, wobei die Dichtheit der lösbaren, verdrehsicheren Steckverbindung durch eine O-Ring-Dichtung

3 gewährleistet ist. Die elektrische Kontaktierung beider Teile erfolgt über einen direkten Leiterplatten-Steckverbinder, indem die vergoldeten Kontaktleiterbahnen 5 der in dem Sensorkopf vorhandenen und aus dieser herausragenden Leiterplatte 4 beidseitig unmittelbar gegen entsprechende, ebenfalls vergoldete Kontaktleiterbahnen im Sensorschaft vorhandener, im Kontaktierungsbereich durch elastische Formteile vorgespannter flexibler Leiterplatten gepreßt werden.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel befinden sich auf einer Seite der Kontaktleiterplatte vier und auf der anderen Seite drei vergoldete Kontaktleiterbahnen. Im Bedarfsfalle ist es möglich, die Anzahl der Kontakte zu erhöhen.

Der Außendurchmesser D des stabförmigen chemischen Sensors beträgt für Sensorkopf und Sensorschaft einheitlich 8 mm; die Gesamtlänge L des Sensorkopfes beträgt im vorliegenden Beispie! 32 mm. Die Länge des Sensorschaftes hängt von der jeweiligen Geberarmatur ab und hat keinen Einfluß auf die Meßfunktion des Sensors.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1 Chemisch sensitives Bauteil

2 Verkapselung

3 Dichtung

4 Leiterplatte

5 Kontaktbahnen

6 Elektrische Verbindungen

7 Sensoren und/oder elektronische Bauelemente L Länge des Sensorkopfes

D Durchmesser des Sensorkopfes

Abbildungen

Fig. 1: Sensorkopf des chemischen Sensors Fig. 2: Querschnitt durch den Sensorkopf des chemischen Sensors

Claims

Schutzansprüche

1. Chemischer Sensor, bestehend aus einem Sensorkopf, in dem ein mit einer Leiterplatte kontaktiertes chemisch sensitives Bauteil in einen Kunststoff eingebettet ist, und einem Sensorschaft, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Sensorkopf und dem Sensorschaft eine lösbare, flüssigkeitsdichte Steckverbindung vorhanden ist und daß die elektrische Kontaktierung zwischen dem Sensorkopf und dem Sensorschaft dadurch erfolgt, daß Kontaktleiterbahnen der in dem Sensorkopf angeordneten und aus dieser herausragenden Leiterplatte gegen Kontaktleiterbahnen einer im Sensorschaft vorhandenen, im Kontaktierungsbereich elastisch vorgespannten flexiblen Leiterplatte gepreßt werden.

2. Chemischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorkopf einen ionensensitiven Feldeffekttransistor enthält.

3. Chemischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorkopf eine in Dickfilmtechnik präparierte chemische Elektrode enthält.

4. Chemischer Sensor nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorkopf zusätzlich einen Temperaturfühler, einen Drucksensor und/oder weitere chemische Meßfühler enthält.

5. Chemischer Sensor nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorkopf zusätzlich elektronische Bauelemente enthält.

6. Chemischer Sensor nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrochemische Referenzelektrode entweder im Sensorkopf oder im Sensorschaft eingebaut ist.

7. Chemischer Sensor nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der chemische Sensor miniaturisiert ausgeführt ist, vorzugsweise mit einer Länge des Sensorkopfes kleiner als 40 mm und mit dem Durchmesser des Sensorkopfes kleiner als 10 mm.