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Allgemeiner Stand der Technik
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Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung zum Verkapseln von
Sensoren, und insbesondere von chemischen Sensoren wie z.B. pH-Sensoren,
wobei ein mikroelektronisches Substrat, wie z.B. ein ionensensitiver
Feldeffekttransistor (ISFET) integriert mit einer Gegenelektrode
verkapselt wird.
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Stand der Technik
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Im
Stand der Technik sind verschiedene ionensensitive Feldeffekttransistoren
(ISFETs), oder mikroelektronische Sensoren, bekannt. Diese ISFETs
weisen Vorteile bei der Benutzung als pH-Sensoren auf, da sie Festkörper sind,
von geringer Größe sind,
und relativ kostengünstig
herzustellen sind.
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Obwohl
die Halbleitertechnik die Herstellung kleiner Sensoren ermöglicht,
bringt die reduzierte physikalische Größe wesentliche Herausforderungen an
die Verkapselung mit sich. Ein ISFET-Chip weist eine Vielzahl von
Leitern auf, die zu externen elektronischen Bauteilen geführt werden
können.
Traditionelle Auslegungen zur Halbleiterverkapselung verwenden elektrische
Kontaktstrukturen wie z.B. Drahtverbindungen, die auf derselben
Seite des Chips ausgebildet werden wie der chemische Messungen ausführende ISFET.
Da der Messungs-ISFET von der Messprobe befeuchtet wird, ist es
von entscheidender Wichtigkeit, diese elektrischen ISFET-Kontakte
von der Testflüssigkeitsprobe
zu isolieren, insbesondere dann, wenn ISFET-Sensoren über eine breite
Spanne von Temperaturen und Drücken
eingesetzt werden. Ein erster Schritt zum Erzielen einer sicheren
Verkapselung ist das Lokalisieren von Kontaktregionen auf der Rückseite
des ISFET-Chips, wie es Baxter in
US-Patentschrift
4,505,799 lehrt. Obwohl dies ein wichtiger erster Schritt
ist, weist Silizium ihm eigentümliche
chemische und physikalische Eigenschaften auf, wie z.B. einen im
Vergleich zu Verkapselungspolymermaterialien niedrigen Wert des Wärmeexpansionskoeffizienten,
was es schwierig gestaltet, die Isolierung zu entwickeln und im
Zuge der Sensorlebensdauer zum Verarbeiten von Proben aufrechtzuerhalten.
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Weitere
Verfahren zum Verbessern der Sicherheit in der unmittelbaren Nachbarschaft
des ISFET-Chips sind in
US-Patentschrift 5,068,205 beschrieben.
Bei diesem bekannten Verfahren, das in
1A gezeigt
ist, wurde ein Glaskopfstück
12 verwendet,
wobei der Siliziumchip (ISFET)
17 an eine erste Seite
14 eines
Borsilikat-Glasträgers
16 über eine
darin befindliche Durchgangsbohrung
15 geklebt wurde. Der
Träger
16 weist
eine Durchgangsbohrung
16 auf, damit die Kontaktbereiche
des ISFET
17 unbedeckt bleiben. Der Träger
16 weist auf seiner
zweiten Seite
20 außerdem
Leiter auf, kollektiv mit
18 bezeichnet, die von den Kanten
des Trägers aus
elektrischen Zugang zu dem ISFET-Bereich bereitstellen. Das ISFET-Substrat
17 wird
elektrostatisch mit dem Glasträger
14 verbunden.
Leiterdrähte, kollektiv
mit
22 bezeichnet, werden dann zwischen dem ISFET und den
Glasträgerleitern
verbunden. Die Glasträgerleiter
18 und
die Rückseite
des ISFET
17 werden dann zum Schutz mit einem Isolierüberzug
24 abgedeckt.
Wie in
1B gezeigt, wird diese Kopfstückanordnung
12 dann
mit einem flexiblen Schaltkreis
26 verbunden, der dazu
dient, aus dem Sondenkörper
28 herauszuführen. Diese
Anordnung aus Kopfstück
12 und
Schaltkreis
26 wird dann zusammen mit einer „J"-förmigen Hastelloy-Gegenelektrode
27 in
dem Sondenkörper
28 eingeschlossen, wie
in
US-Patentschrift 4,851,104 gezeigt,
und mit einem wärmehärtbaren
Polymer vergossen, um die inneren Bauteile von den typischerweise ätzenden Flüssigkeiten
der Messumgebung zu isolieren.
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Bei
der Verwendung des ISFET als praktische Lösung für kostengünstige Messanwendungen ergeben
sich auch bestimmte andere Probleme. Darunter ist das Problem, ob die
Verkapselung der Vorrichtung in einem Körper oder Gehäuse dazu
geeignet ist, den ISFET zu gewerblichen Zwecken als Teil einer ionensensitiven
Sonde zu benutzen. Typischerweise ist der ISFET aus 1A in
einem wärmehärtbaren
Polymer vergossen, weshalb die Sensorelektronik nicht der häufig stark
beanspruchenden Umgebung der getesteten Flüssigkeit ausgesetzt wird. Eine
effektive Verkapselung mit wärmehärtbarem
Polymer beinhaltet ausgefeilte Montageprozesse, um Poren zu vermeiden,
und die Beschichtung der aktiven ISFET-Fläche
zu verhindern. Diese Prozesse sind aufgrund der Standzeit des nicht
ausgehärteten Wärmehärtungspolymers
eingeschränkt.
Nach Abschluss der Fülloperation
benötigen
wärmehärtende Polymere
typischerweise zusätzliche
Zeit, bis das Material ausgehärtet
ist.
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Die
genannten ISFET-Sensoren sind besonders nützlich, wenn sie in potentiometrischen
elektrochemischen Messsystemen als Sonden zum Durchführen von
PH-Messungen in industriellen Umgebungen verwendet werden. In vielen
Fällen
unterliegen geerdete Lösungen
Rauschbeiträgen,
und zwar vor allem aufgrund parasitischer Leckströme, die
von der geerdeten Lösung
durch die Messelektroden, das zugehörige Instrument oder Analysegerät, und durch die
Energieversorgung des Analysegeräts
in die Instrumentenmasse fließen.
In Fällen,
in denen eine Wechsel- und
eine Gleichspannung zwischen der Lösung und den Instrumentenmassen
vorliegt, ist zu erwarten, dass Ströme über den Weg mit der niedrigsten
Impedanz fließen.
Bei diesem Weg kommt es normalerweise zu unerwünschtem Stromfluss durch die
Messflüssigkeitsprobe
und den Weg der niedrigsten Impedanz der Elektroden, wobei es sich
typischerweise um die Referenzelektrode handelt. Diese Probleme
sind insbesondere bei Messproben mit hochreinem Wasser von 25 ° und Leitwerten
von 10 μSiemens/cm
oder darunter gravierend. Diese Störströme versetzen oder verschieben
den PH-Messwert und verursachen eine Abweichung in der Sensorausgabe,
mit einer messbaren Abweichung der Messsystemgenauigkeit.
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Um
die Störströme und ihre
unerwünschten Auswirkungen
auszugleichen und zu minimieren, wird eine weitere leitfähige Elektrode,
oder Gegenelektrode, in die gemessene Lösung eingeführt, um die Störströme durch
diese Elektrode niedriger Impedanz zu leiten, und nicht durch die
Referenzelektrode. Die Gegenelektrode ist normalerweise aus einem elektrisch
leitfähigen
Material aufgebaut, das mit der Messsystemelektronik verbunden ist,
und die Funktion eines metallisierten Gatters in einem Metalloxid-Feldeffekttransistor
(MOSFET) erfüllt;
und zwar handelt es sich um die primäre Elektrode, die eine FET-Drainspannungs-
und/oder Drainstromsteuerung ermöglicht.
Ein besseres Verständnis
der Funktion der Gegenelektrode innerhalb eines potentiometrischen
elektrochemischen Messsystems bietet die
US-Patentschrift 4,851,104 an Connery
et al.
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Obwohl
die Gegenelektrodentechnik Vorteile in Bezug auf die Sensorleistung
bietet, stellt die Benutzung eines metallischen oder Legierungsmaterials
als Gegenelektrode eine mögliche
Eindringstelle für
Flüssigkeit
dar, was zu elektrischem Kriechverlust zwischen den inneren Elektrodenleitern
führt,
und eine Fehlfunktion des Sensors verursacht. Dieses Eindringen
ergibt sich vor allem aufgrund der stark unterschiedlichen physikalischen
Eigenschaften der Gegenelektrode und des Gehäuses, sowie aufgrund der verschiedenartigen
Wärmeexpansionskoeffizienten
dieser Materialien.
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Auslegungsverfahren
zum Erzielen einer sicheren Sensorverkapselung bringen die Verwendung geschichteter
Schutzebenen mit sich, um die Isolierung der Sensorleiter und des
Probefluids bereitzustellen. Dazu gehören Rückseitenkontakt, eine elektrostatisch
verbundene intermediäre
Struktur, gefolgt vom Vergießen
zu einer Sensorunterbaugruppe. Obwohl dieses Auslegungsverfahren
eine sichere Verkapselung bereitstellt, ist es komplex, und verursacht so
Montagekosten, die in direktem Verhältnis zur Auslegungs- und Verarbeitungskomplexität stehen.
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Es
besteht deshalb Bedarf an einer Verkapselung für ionensensitive mikroelektronische
Sensoren, die leicht und kostengünstig
in einem undurchlässigen
Gehäuse
unterzubringen ist, wobei ein Mediumszugang zu dem ISFET-Sensor
ermöglicht
wird, indem die Sondenelektronik effektiv von der Mediumsumgebung
abgedichtet wird. Außerdem
besteht Bedarf an einem Verkapselungsverfahren, das eine Gegenelektrode
in einem Sensorengehäuse
integriert, und dabei die Nachteile einer Wärmehärtungsverkapselung ausräumt.
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Bestimmte
Verfahren zum Verkapseln piezoresistiver Druckumformer mit einer
leitfähigen
elastomerischen Dichtung werden in
US-Patentschrift 5,184,107 an
Maurer vorgestellt. Dieses Patent erläutert einen kostengünstigen
piezoresistiven Druckumformer, der vorgeformte elastomerische Dichtungen
verwendet, wobei wenigstens eine Dichtung elektrisch leitfähig ist.
Ein piezoresistives druckempfindliches Element in Form einer Membran
aus Halbleitermaterial, das einen verdickten Rand aufweist, wird
an seinem Rand zwischen einem Paar vorgeformter elastomerischer
Dichtungen in einem zweiteiligen Gehäuse gehalten. Elektrische Verbindungen
mit externen Schaltungen werden mit Hilfe von Leiterbahnen durch
eine der elastomerischen Dichtungen hergestellt, die in Kontakt
mit elektrischen Leitungen gelangt, die durch die Gehäusewand
verlaufen.
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EP 0 467 479 offenbart eine
Vorrichtung zum Messen der Konzentration einer chemischen Substanz
in einem Fluid, die einen Halbleiter aufweist, der eine Messfläche aufweist,
deren Impedanzgröße sich
bei Kontakt der Fläche
mit der chemischen Substanz verändert,
und die in einem Gehäuse
angeordnet ist, das einen Durchflusskanal für das Fluid aufweist, und wobei
die Messfläche
einen Teil der Wand des Kanals bildet, und relativ zu dem Gehäuse mit Hilfe
eines lösbaren
Dichtungselements abgedichtet ist, wobei der Halbleiter mit elektrischen
Leitern zum Leiten der gemessenen Signale versehen ist.
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Kurzdarstellung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine ionensensitive Sonde gemäß dem nachfolgenden
Anspruch 1 bereit;
die Sonde kann die Merkmale von einem oder
mehreren der abhängigen
Ansprüche
2 bis 4 aufweisen;
die vorliegende Erfindung stellt auch eine
Sensorverkapselung nach Anspruch 5 bereit;
die Sensorverkapselung
kann die Merkmale von einem der abhängigen Ansprüche 6 bis
9 aufweisen.
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Durch
Vereinfachen der Auslegung des ionensensitiven PH-Sensors, und durch
Integrieren des Gegenelektrodenbauteils als Teil des Dichtungsmechanismus
der Vorrichtung werden große
Vorteile hinsichtlich der Zuverlässigkeit
erzielt, während gleichzeitig
die Gesamtkosten der Sonde gesenkt werden.
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Kurze Beschreibung mehrerer Ansichten
der Figuren
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Die
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen, unter Bezugnahme
auf die Figuren, aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten
Ausführungsform
derselben hervor, wobei:
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1A und 1B Darstellungen
eines bekannten ISFET-Sensors
sind.
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2 eine
teilweise aufgeschnittene Ansicht der Sensorsonde gemäß der vorliegenden
Erfindung ist.
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3 eine Querschnittansicht einer teilweise
fertig gestellten Sensorsonde gemäß der vorliegenden Erfindung
ist.
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4 eine
auseinander gezogene Ansicht der Mediumsdichtung, der mikroelektronischen Struktur,
der leitfähigen
Dichtung, und der Leiterplatte der vorliegenden Erfindung ist.
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5 eine
Querschnittansicht der Sensorsonde ist, bevor die inneren Bauteile
installiert wurden.
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6 und 7 jeweils
eine Querschnittansicht bzw. eine Draufsicht des Steckerelements
und des Gehäuses
der vorliegenden Erfindung sind.
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8A eine
Querschnittansicht einer fertig gestellten Sensorsonde gemäß der vorliegenden
Erfindung ist.
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8B eine
Querschnittansicht der fertig gestellten Sensorsonde aus 8A ist,
nachdem das Steckerelement hermetisch abgedichtet wurde.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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In
der gesamten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform sind gleiche Bauteile
mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Bezug
nehmend auf 2 weist eine Sensorvorrichtung,
die hier im Zusammenhang mit einer pH-Sensorsonde 31 vorgestellt
wird, ein ISFET-Gehäuse 33 auf,
das eine Mediumsdurchlassöffnung aufweist.
Das Gehäuse 33 wird
aus einem beliebigen technischen wärmeverformbaren Kunststoff
ausgebildet, der für
die vorgesehene Messumgebung geeignet ist. Von dem ISFET-Gehäuse 33 erstreckt
sich eine Leiterplatte 37, die an ihrem distalen Ende in elektrischen
Leitern 39 endet. Die Leiterplatte 37 stellt über gedruckte
Leiterbahnen 41, die an einer ersten Seite der Leiterplatte 37 angeordnet
sind, eine elektrische Verbindung zwischen elektrischen Leitern 39 und
dem ISFET (nicht dargestellt) her. Das ISFET-Gehäuse 33 und die Leiterplatte 37 erstrecken sich
durch die Länge
der pH-Sensorsonde 31, um sich mit dem Außenkörper 43 zu
verbinden. Der Außenkörper 43 ist
aus einem Material hergestellt, das dazu ausgewählt wird, dem Typ von Mediumsumgebung
standzuhalten, dem die Sonde ausgesetzt wird.
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Wie
in den schematischen Querschnittansichten aus 3 und 5 zu
erkennen, ist das mikroelektronische ISFET-Gehäuse 33 ein im Wesentlichen
zylinderförmiges
Gehäuse,
das an seiner ersten Seite die Mediumsöffnung 35 aufweist,
sowie eine gegenüberliegende,
wesentlich größere Durchlassöffnung 45,
durch die der mikroelektronische Chip des ISFET 47, die
Mediumsdichtung 49 und die leitfähige Dichtung 51 geführt werden
können.
Ferner ist die Leiterplatte 37 in dem ISFET-Gehäuse 33 enthalten,
ebenso wie Steckerelement 53. Das Steckerelement 53 ist
in einer intermediären
oder Arbeitsposition vor der Fertigstellung des montierten und abgedichteten
ISFET-Gehäuses
dargestellt.
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Das
Steckerelement 53 ist in dieser bevorzugten Ausführungsform
aus einem technischen thermoplastischen oder Kunststoffmaterial
zusammengesetzt, das zu 20 % bis 40 % mit Graphit gefüllt ist,
derart, dass es elektrisch leitfähig
ist, und bildet so eine nicht pH-empfindliche Elektrode oder Gegenelektrode
der pH-Sensorsonde 31. Das leitfähige Steckerelement 53 stellt
mit gedruckten Leiterbahnen 42, die an der zweiten Seite
der Leiterplatte 37 angeordnet sind, Kontakt mit der Fläche 54 her.
Es wird so ein elektrisches Feld an dem leitfähigen Steckerelement 53 erzeugt,
wodurch eine Gegenelektrode gebildet wird, die die Notwendigkeit
einer „J"-förmigen Hastelloy-Gegenelektrode 27,
welche in 1B als aus dem Körper heraustretend
gezeigt ist, und einer Gegenelektrode eliminiert, die einen im Wesentlichen
gleichen Wärmeexpansionskoeffizienten
aufweist wie das ISFET-Gehäuse 33.
Wie Fachleute verstehen werden, bildet das leitfähige Steckerelement 53 ein
integrales, einstückiges
Elektrodensteckerelement, das: i) dazu dient, eine Gegenelektrode
bereitzustellen, die sich in enger Nachbarschaft zu dem ISFET-Sensor befindet,
und für
diesen die bestmögliche
Position zum Erfassen störender Wechsel-
und Gleichströme bietet,
bevor diese den ISFET beeinflussen; und ii) dazu dient, die Hauptbauteile
der pH-Sensorsonde 31 in dem ISFET-Gehäuse 33 einzuschließen und
abzudichten.
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Die
Zentralbohrung 55 des ISFET-Gehäuses 33 ist am proximalen
Ende 57 vergrößert, um
einen Schachtelungshohlraum 59 zum Aufnehmen des ISFET 47 und
elastomerischer Dichtungen 49 und 51 bereitzustellen.
Der Hohlraum 59 steht mit der Mediumsöffnung 35 in Verbindung.
Die Rückenöffnung 45 gegenüber der
Mediumsöffnung 35 steht
ebenfalls mit der Zentralbohrung 55 in Verbindung, weshalb das
Elektrodensteckerelement 53 mit der Leiterplatte 37 in
Kontakt gelangen kann, und diese in Kontakt mit der leitfähigen Dichtung 51 bringen
kann, wenn das Elektrodensteckerelement 53 in Rasteingriff
mit dem ISFET-Gehäuse 33 gebracht
wird.
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Bezug
nehmend auf 4 sind die wichtigsten inneren
Bauteile der pH-Sensorsonde 31 von oben nach unten in der
Reihenfolge ihrer Anordnung im Inneren des ISFET-Gehäuses 33 (nicht
dargestellt) gezeigt: Mediumsdichtung 49, ISFET-Chip 47, leitfähige Dichtung 51 und
Leiterplatte 37 mit ihren gedruckten Leiterbahnen 41 und 42.
Die Mediumsdichtung 49 ist derart abgemessen, dass ihre
Seitenwände
in Anlagekontakt mit den Wänden
des Schachtelungshohlraums 59 eingepasst sind. Die Mediumsdichtung 49 weist
eine zentrale Durchgangsöffnung 61 auf,
die mit der Mediumsöffnung 35 fluchtend
ausgerichtet ist. Die Mediumsdichtung ist aus einem elastomerischen
Material zusammengesetzt, das in Bezug auf das Medium undurchlässig ist,
in das der Sensor getaucht werden soll. Es versteht sich, dass die
Härte und
die Kompression der Mediumsdichtung derart ausgewählt werden,
dass über
eine breite Spanne von Temperaturen und Drücken eine effektive Dichtung
für die
vorgesehene Verwendung in der chemischen Umgebung bereitgestellt wird.
Beispielsweise wird in der gegenwärtig vorgesehenen besten Art
der Ausführung
Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk
(EPDM) von 50 bis 60 Durometer mit einer Kompression von 10 bis
35 benutzt. Es ist zu beachten, dass Fachleute verstehen werden, dass
ersatzweise andere Materialien und Verfahren wie z.B. Dichtungsringe,
Dichtungsmassen usw. verwendet werden können, die dazu dienlich sind,
eine hermetische Abdichtung zwischen der Elektronik der Sensorvorrichtung
und der Mediumsumgebung bereitzustellen, auch wenn hier ein elastomerisches Material
zum Ausbilden der Mediumsdichtung benutzt wird.
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Der
ISFET-Chip 47 ist derart ausgelegt, dass er an einer ersten
Seite 63, die den ISFET-Messbereich 65 aufweist,
der dazu ausgebildet ist, gegenüber
dem zu messenden Medium ionensensitiv zu sein, in Anlage an die
Mediumsdichtung 49 gelangt. Eine zweite Seite 67 des
Chips weist elektrische Leiter 69 auf, die für den Betrieb
des ISFET erforderlich sind. An der zweiten Seite 67 des
Chips 47 liegt eine elastomerische, leitfähige Dichtung 51 an,
die gewerblich als „Silberstapelverbindungsstück" bekannt ist, und
leitfähige
Silberstreifen 71 aufweist, die darin angeordnet sind,
um eine elektrische Leitfähigkeit
an der Z-Achse zu ermöglichen,
d.h. durch die Dicke der leitfähigen
Dichtung, und so eine elektrische Verbindung zwischen dem Chip 47 und
den gedruckten Leiterbahnen 41 der Leiterplatte 37 bereitzustellen, wenn
die Bauteile im ISFET (nicht dargestellt) einander gegenüber angeordnet
werden.
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Wieder
Bezug nehmend auf 3 und 4 ist
zu erkennen, dass die Mediumsdichtung 49 im Schachtelungshohlraum 59 angeordnet
ist, der mit der Mediumsöffnung 35 in
Verbindung steht, wobei eine flache Hauptfläche der Dichtung im Wesentlichen
parallel zu der Längsachse
der Zentralbohrung 55 angeordnet ist. Der ISFET 47 wird
dann in Kontakt mit der Mediumsdichtung 49 im Schachtelungshohlraum 59 angeordnet,
derart, dass sein Ionenmessbereich 65 in Übereinstimmung
mit der Durchgangsöffnung 61 der
Mediumsdichtung ausgerichtet ist, wodurch der strukturierte elektrische
Leiter 69 der zweiten ISFET-Fläche 67 zur Zentralbohrung 55 gewandt angeordnet
ist. Sodann wird die elastomerische leitfähige Dichtung 51 im
Schachtelungshohlraum 59 angeordnet, derart, dass ihre
Silberleitstreifen 71 in Kontakt mit den strukturierten
elektrischen Leitern 69 des ISFET 47 gelangen.
Die elastomerische leitfähige
Dichtung 51 ruht in ihrem unbelasteten Zustand über dem
Bund 73 des Hohlraums 59. Die Leiterplatte 37 wird
dann durch die Zentralbohrung des ISFET-Gehäuses 33 über der
leitfähigen
Dichtung 51 eingeführt.
Dann wird die Leiterplatte 37 nach unten gekippt, um die
Dichtungen 51 und 49 sowie den Chip 47 zwischen
diesen bis zur vorbestimmten Tiefe und/oder Kompression des Bundes 73 vorzuspannen.
während
die Leiterplatte 37 sich in dieser Position befindet, wird
das Elektrodensteckerelement 53 durch die Rückenöffnung 45 eingeführt, und
rastet mechanisch in dem ISFET-Gehäuse 33 ein, wobei die
Leiterplatte 37 in Druckkontakt mit der leitfähigen Dichtung 51 gepresst
wird. Das Elektrodensteckerelement 53 weist verlängerte Schulterbereiche 52 auf, die
mit Innenflächen 36 des
ISFET-Gehäuses 33 in Reibungseingriff
gelangen. Das Elektrodensteckerelement 53 wird so weit
in die Rückenöffnung 45 eingeführt, bis
die Anlagevorsprünge 57 an
den Flächen 48 ruhen.
Wie in 8A erkennbar, stellt das Elektrodensteckerelement 53 eine
im Wesentlichen ebene Außenwand
bereit, die das ISFET-Gehäuse 33 im Bereich
der Rückenöffnung 45 abdichtet,
und über die
Mediumsdichtung 49 eine hermetische Abdichtung zwischen
dem ISFET-Gehäuse 33 und
dem ISFET-Chip 47 bildet.
Es wurde festgestellt, dass eine Kompressionskraft von etwa 10 %
bis 35 ausreicht, um den ISFET-Chip 47 gegen das Gehäuse 33 abzudichten
und so zu verhindern, dass die Mediumsumgebung ins Innere des ISFET-Gehäuses 33 und
der internen Bauteile der pH-Messsonde
eindringt. Die eben abschließende
Anbringung des Elektrodensteckerelements wird bevorzugt, wenn die
Sonde in eine strömende
Flüssigkeit
eingeführt
werden soll, wird jedoch nicht in allen Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung als notwendig betrachtet, um das Steckerelement und die
Außenfläche des
Gehäuses
zu verbinden. Alle internen elektrischen Bauteile sind fest positioniert,
wobei die elastomerischen Dichtungen die notwendige Polsterung für den ISFET
bereitstellen, und so dessen Beschädigung während mechanischer Vorgänge verhindern.
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Die
vorliegende Erfindung weist ferner Mittel zum hermetischen Abdichten
des Elektrodensteckerelements 53 von der Mediumsumgebung
auf, wenn der Sensor für
eine Benutzung in einer Betriebsumgebung mit hoher Temperatur und
hohem Druck vorgesehen ist. Bezug nehmend auf 5, 6 und 7 ist
zu erkennen, dass die Rückenöffnung 45 des
ISFET-Gehäuses
einen integrierten Umfangsbund 75 aufweist, der sich von
der Außenkante
einer Schulter 83 nach außen erstreckt, und sich zwischen der
Rückenöffnung 45 und
dem Bund 75 erstreckt. Die Rückenöffnung 45 und ihr
Bereich, der zu der Zentralbohrung 55 führt, sind derart ausgebildet, dass
sie das Elektrodensteckerelement 53 einrastend aufnehmen
und sichern (6). Das Elektrodensteckerelement 53 weist
an seiner Außenfläche 77 einen
Radius auf, der im Wesentlichen dem Radius der Außenwand
des ISFET-Gehäuses 33 entspricht,
welcher eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweist. Von der
Außenfläche 77 des
Elektrodensteckerelements 53 erstreckt sich ein integrierter Umfangsbund 79.
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Sobald
das Elektrodensteckerelement 53 in die Rückenöffnung 45 des
ISFET-Gehäuses
eingerastet ist, fluchten die Umfangsbundverlängerungen jedes Elements mit
einem dazwischen liegenden Raum, der eine Mulde 85 zwischen
den Bundverlängerungen 75, 79 aufweist,
deren Boden die Schulter 83 bildet. Ein Wärmedichtungsamboss 87 mit
einem Radius, der dazu geeignet ist, als ein Formungselement für die gewünschte finale
Form zu dienen, die in diesem Fall eben abschließend und zylinderförmig ist,
wird dann herabgeführt,
um das Gehäuse
und die Steckerbundelemente miteinander zu verschmelzen. Wie aus 8B hervorgeht,
schmilzt das Bundmaterial dann und fließt in die Mulde 85,
woraufhin der Amboss 87 auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur
geführt
wird, um den Kunststoff zu härten,
und dann entfernt wird, wodurch eine im Wesentlichen eben abschließende Außenwand
mit einer hermetischen Abdichtung im Bereich der Rückenöffnung des
ISFET-Gehäuses 33 bereitgestellt wird.
In der bevorzugten Ausführungsform
ist der Steckerbund 79 dazu ausgelegt, von dem Elektrodensteckerelement 53 fort
zu schmelzen, und sich mit dem Körpermaterial
zu vermischen, um so sicherzustellen, dass an der Fläche 77 leitfähiges thermoplastisches
Material verbleibt. Ferner sind im Gehäusekörper Reliefbereiche 89 als
ein Auffangbecken für Bundschmelzmaterial
vorgesehen, um eine eben abschließende Gehäusekörperaußenwand zu bewahren (8B).
Fachleute werden leicht verstehen, dass das soeben beschriebene
Wärmedichtungsverfahren
eines von vielen Verfahren ist, die benutzt werden können, um
eine hermetische Abdichtung des leitfähigen Steckerelements 53 mit
dem ISFET-Gehäuse 33 bereitzustellen,
z.B. das Verwenden von Materialfusionsverfahren mit Hilfe von Lasern,
Ultraschall, Strahlungswärme
usw. Außerdem kann
eine hermetische Abdichtung auch durch Aufbringen einer flüssigen oder
halbflüssigen
Dichtungsmasse in den Reliefbereichen 89 erfolgen, um auf
effektive Weise eine hermetische Abdichtung auszubilden, weshalb
die Erfindung nicht darauf beschränkt ist.
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Die
vorliegende Erfindung wurde mit spezifischer Bezugnahme auf ihre
bevorzugte Ausführungsform
beschrieben.