DE4040333A1 - Sensor zur messung der elektrolytischen leitfaehigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Messung der elektrolytischen Leit­ fähigkeit in Flüssigkeiten nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Sensoren zur Messung der elektrolytischen Leitfähigkeit in Flüssigkeiten werden in den vielfältigsten Ausführungsformen eingesetzt (ein Überblick findet sich in Rommel "Konduktometrische Meßverfahren", AMA Seminar, Fried­ richsdorf, Sept. 1987). Für viele Einsatzgebiete stellt jedoch der hohe Preis der bisher am Markt vorhandenen Systeme einen entscheidenden Nach­ teil dar.

Für einen Sensor der in Rede stehenden Art, also einen Sensor zur Messung der elektrolytischen Leitfähigkeit in Flüssigkeiten, sind Elektrodenwider­ stände deutlich unter ein Ohm erforderlich, da die Leitfähigkeitsmeßzellen nach dem Stand der Technik schon Meßbereiche bis minimal 200 mS bei einer Genauigkeit von + 0,5% aufweisen. Lediglich bei Flüssigkeiten mit geringer Leitfähigkeit können auch höhere Elektrodenwiderstände in Kauf genommen wer­ den. Außerdem müssen bei Sensoren der in Rede stehenden Art die besonderen Bedingungen der konduktometrischen Messung, also der Messung in Flüssigkei­ ten unter Berücksichtigung von Polarisationseffekten berücksichtigt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor zur Messung der elektrolytischen Leitfähigkeit in Flüssigkeiten anzugeben, der deutlich einfacher aufgebaut und erheblicher preiswerter herzustellen ist als bis­ her bekannte Sensoren.

Der erfindungsgemäße Sensor, bei dem die zuvor aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 be­ schrieben. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen dieses Sensors sind Gegenstand der Unteransprüche.

Wesentlich ist für den erfindungsgemäßen Sensor, daß er in Planartechnik ausgeführt ist. Das bedeutet, daß das Elektrodenmaterial mit einer geeig­ neten Technik, bevorzugt der Dünnfilmtechnik, auf ein geeignetes Substrat, bevorzugt auf Keramik, Glas oder Silizium, aufgebracht wird. Diese Planar­ technik ist an sich aus dem Bereich der Halbleitertechnik für integrierte Schaltkreise etc. seit langem bekannt. Sie hat aber bei Leitfähigkeits­ sensoren der in Rede stehenden Art bislang noch keine Anwendung gefunden.

Für die Herstellung des erfindungsgemäßen Sensors können bekannte Struk­ turierungsverfahren moderner Beschichtungstechniken wie z. B. der Foto­ lithographie genutzt werden. Die Elektrodenmaterialien können je nach Einsatzgebiet ausgewählt werden. Besonders geeignet ist - wie bekannt - Platin, wegen seiner Korrosionsbeständigkeit und seines günstigen Ein­ flusses in Richtung Verringerung des Polarisationsfehlers.

Die Erfindung wird nun weiter anhand einer lediglich ein Ausführungs­ beispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 im Schnitt einen erfindungsgemäßen Sensor,

Fig. 2 den in Fig. 1 im Schnitt dargestellten Sensor in einer perspek­ tivischen Ansicht, stark schematisiert,

Fig. 3 die Elektrodenanordnung für einen nach dem gleichen Prinzip konzipierten Sensor,

Fig. 4 eine Isolationsabdeckung für die Elektroden gemäß Fig. 3 und

Fig. 5 die aus der Isolation der Elektroden gemäß Fig. 3 mit der Ab­ deckung gemäß Fig. 4 resultierende Endstruktur.

Für den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Sensor gilt folgendes:
Auf ein Keramiksubstrat 1 sind zwei Platinelektroden 2 und 3 dergestalt aufgebracht, daß eine kreisbogenförmige äußere Elektrode 3 eine kreisför­ mige innere Elektrode 2 konzentrisch umschließt, wobei beide Elektroden 2, 3 den gleichen Kreismittelpunkt haben und die äußere Elektrode 3 für die Kontaktierung der inneren Elektrode 2 unterbrochen sein kann. Zur einfa­ chen Kontaktierung sind Kontaktierungspads 4 aufgebracht (z. B. durch Be­ schichten mit Gold), die an den Enden 6 mit bekannten Verfahren (z. B. Bonden) kontaktiert werden. Die Leiterbahnen werden - außer an den Kontakt­ stellen - durch Abdeckung mit einer lsolation 5 (bevorzugt SiO₂ oder SiN_xO_y) geschützt, so daß nur die eigentliche Elektrodenstruktur Kontakt zur Meßlösung hat.

Wichtiges Merkmal der beschriebenen Ausführung ist der geringe ohmsche Widerstand der Elektroden 2, 3 von deutlich weniger als 1 Ohm, der durch entsprechend optimierte Elektrodenstrukturierung bei den üblichen Be­ schichtungsdicken von einigen 1000 A erreicht wird. Leiterbahnähnliche oder gar mäanderförmige Strukturen sind wegen ihres erheblich zu großen Widerstandes zur präzisen Messung von elektrolytischen Leitfähigkeiten nach dem Zwei-Elektroden-Prinzip ungeeignet. Insgesamt darf zu den ver­ schiedenen Meßprinzipien für die elektrolytische Leitfähigkeitsmessung zusammenfassend auf den oben schon zitierten Beitrag von Rommel "Konduk­ tometrische Meßverfahren" aaO verwiesen werden, dessen Inhalt auch zum Offenbarungsgehalt der vorliegenden Patentanmeldung gemacht wird.

Zur präzisen Messung hoher elektrolytischer Leitfähigkeiten können zusätz­ liche Maßnahmen ergriffen werden: Der ohmsche Widerstand der Elektroden 2, 3 kann durch Vergrößerung der Platinfläche und Abdeckung eines Teils der­ selben mit einer Isolation 5 weiter gesenkt werden. Fig. 3 bis 5 zeigen eine solche Variante der Erfindung. Zur weitgehenden Ausschaltung von Polarisationsfehlern kann die mit der Meßlösung in Kontakt stehende Elektrodenfläche auf bekannte Weise platiniert werden.

Durch das Aufbringen auf ein und dasselbe Substrat ist der Abstand der Elektroden 2, 3 zueinander und damit die Zellkonstante festgelegt. Die Zellkonstante wird im wesentlichen durch das Streufeld bestimmt, das durch die konzentrische Anordnung vorteilhaft konzentriert wird. Sie kann durch Eichmessungen ermittelt und dann durch Einhaltung der Dimensionsparameter bei der Serienproduktion leicht reproduziert und eingehalten werden. Zur Anpassung an verschiedene Einsatzgebiete kann die Zellkonstante auf mehr­ lei Weise variiert werden:

• a) Verkleinerung des gesamten Sensors bewirkt eine Vergrößerung der Zell­ konstante und vice versa. Dies liegt darin begründet, daß sich bei ei­ ner Änderung der Gesamtgröße der Abstand linear, die Elektrodenfläche aber quadratisch ändert.
• b) Variationen der relativen Größen und Abstände der Elektroden zueinander.
• c) Auswahl anderer Elektrodenstrukturen.

Die beschriebenen Möglichkeiten des Elektrodenaufbringens und der Struk­ turierung sind natürlich nicht auf Zweielektroden-Meßzellen beschränkt. Je­ de beliebige Zahl von Elektroden in vielerlei Geometrien kann verwendet wer­ den, so ist in einer weiteren Ausführungsform auch eine Trennung in strom­ durchflossene und potentialgebende Elektroden nach dem bekannten Prinzip der Streufeldmessung möglich (siehe Rommel aaO) .

Die Möglichkeiten der Miniaturisierung erlauben es, mehrere gleichartige und/oder mehrere verschiedene Sensoren auf einem Substrat aufzubringen. Durch elektronischen Vergleich z. B. einer integrierten Signalvorverarbei­ tung kann dann die Funktion des Sensors überwacht werden. Durch wahlweises Zusammenschalten mehrerer gleichartiger und/oder verschiedener Zellstruk­ turen oder durch Umschalten zwischen verschiedenen Zellstrukturen kann die Zellkonstante der Leitfähigkeit der Meßlösung und dem gewünschten Meßbe­ reich angepaßt werden.

Im Gegensatz zu den im Stand der Technik bekannten Elektrodenanordnungen, die in Glas eingeschmolzene Platinstreifen, rohrförmig von einem Träger abragende, koaxiale Platinbleche, brückenartig von zwei Trägern getragene Elektrodenbleche oder auch eingelassene Graphitstäbe umfassen, sind die zumeist als Dünnschichtelektroden aufgebrachten Elektroden auf einem Sub­ strat in Planartechnik, also im Aufdampfverfahren oder auf andere Weise flächig hergestellt, leicht und sehr kostengünstig herzustellen. Die Substrate, die hierfür bestimmt und geeignet sind, sind handelsüblich zu geringen Kosten erhältlich, beispielsweise sind Siliziumsubstrate ausge­ sprochene Massenprodukte aus der Halbleitertechnik. Demzufolge lassen sich erfindungsgemäße Sensoren in großen Stückzahlen sehr günstig her­ stellen. Überdies weisen sie, jedenfalls bei entsprechend zweckmäßig ge­ wählter Elektrodengeometrie, auch vorzügliche Eigenschaften im hier vor­ gesehenen Anwendungsfeld auf. Die für den eigentlichen Ladungsträgeraus­ tausch mit dem Elektrolyten, also der Meßlösung, zur Verfügung stehende Fläche der Elektrode, die in die Berechnungsformeln für die Leitfähigkeit eingeht, läßt sich in der Planartechnik durch die modernen Herstellungs­ verfahren und Abdeckung mit entsprechenden Isolationen höchst exakt be­ stimmen, so daß auch insoweit optimale Voraussetzungen für die elektroly­ tische Leitfähigkeitsmessung geschaffen sind.

Die Herstellung der in Planartechnik aufgebrachten Elektroden kann in der in der Halbleitertechnik an sich bekannten Weise dadurch erfolgen, daß auf die ganze Oberfläche des Substrats eine Platinschicht mit der gewünsch­ ten Dicke aufgedampft wird und anschließend die Elektrodenflächen und die Anschlußleiterbahnen durch Fotoätztechnik ausgebildet werden. Im Anschluß daran werden dann die Isolationen an den entsprechenden Bereichen aufge­ bracht. Das alles ist an sich konventionelle Planartechnik aus dem Bereich der integrierten Schaltungen, allerdings auf dem hier vorgesehenen Gebiet bei Sensoren für die Messung elektrolytischer Leitfähigkeit eine völlig neue Technik.

Claims (15)

1. Sensor zur Messung der elektrolytischen Leitfähigkeit einer Flüssigkeit mit mindestens zwei mit Abstand voneinander angeordneten Elektroden (2, 3), dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor aus einem gegenüber der Meßlösung unempfindlichen, ggf. hitzebeständigen Substrat (1) und aus darauf in Pla­ nartechnik aufgebrachten Elektroden (2, 3) besteht.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Elektrode (2, 3) mindestens eine gegenüber der Meßlösung unempfindliche Zuleitung aufweist.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Elektro­ de (2, 3) mindestens eine Zuleitung aufweist, die außer an den Kontaktstel­ len mit einer gegen die Meßlösung beständigen, elektrisch isolierenden Iso­ lation (5) abgedeckt ist.

4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (2, 3) aus einem Metall der ersten und/oder der achten Ne­ bengruppe des Periodensystems der Elemente oder aus einem kohlenstoffhal­ tigen Material bestehen.

5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (2, 3) aus Platin bestehen.

6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (2, 3) in Dünnfilmtechnik aufgebracht sind.

7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß lediglich zwei Elektroden (2, 3) vorgesehen sind, der Sensor also nach dem Zwei-Elektroden-Prinzip arbeitet.

8. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der ohmsche Widerstand der Elektroden (2, 3) durch entsprechende Gestal­ tung der Geometrie der Elektroden (2, 3) unter ein Ohm liegt.

9. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung des elektrischen Widerstands die Elektroden (2, 3) auf ein elektrisch leitfähiges Substrat (1) oder auf eine elektrisch leit­ fähige Zwischenschicht aufgebracht sind und daß alle nicht von den Elek­ troden (2, 3) bedeckten Stellen durch eine gegen die Meßlösung bestän­ dige, elektrisch isolierende Isolation (5) abgedeckt sind.

10. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (2, 3) konzentrisch zueinander angeordnet sind, so daß bei insgesamt beliebiger Formgebung der Elektroden (2, 3) mindestens eine innere Elektrode (2) von mindestens einer äußeren Elektrode (3) weitgehend oder vollständig umschlossen ist.

11. Sensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Elek­ trode (3) unterteilt und zur Ableitung der inneren Elektrode (2) unter­ brochen ist.

12. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Elektroden auf einer Seite des Substrats und die andere Elektro­ de auf der anderen Seite des Substrats oder auf einem weiteren Substrat angeordnet ist.

13. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung des elektrischen Widerstands (ohmschen Widerstands) einer Elektrode (3) die Elektrode (3) selbst größer als die in Kontakt zur Meß­ lösung stehende Fläche ist und daß ein Teil der Elektrode (3), insbeson­ dere also der nicht in Kontakt zur Lösung stehende Teil der Elektrode (3) mit einer gegen die Meßlösung beständigen, elektrisch isolierenden Isola­ tion (5) abgedeckt ist.

14. System zur Messung der elektrolytischen Leitfähigkeit in Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere gleichartige oder unterschiedliche Sen­ soren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 auf einem Substrat über eine Aus­ werteelektronik so miteinander verschaltet sind, daß eine Anpassung der Zellkonstante an die Meßbedingungen und eine Überwachung der Sensorfunk­ tion vorgesehen ist.

15. System zur Messung der elektrolytischen Leitfähigkeit in Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere gleichartige oder unterschiedliche Sen­ soren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 auf einem Substrat angeordnet und meßtechnisch miteinander verschaltet sind.