PL199238B1 - Element czujnikowy - Google Patents

Abstract

Element czujnikowy z tylnym wyprowadzeniem kontaktu, stanowiący przetwornik w czujnikach potencjometrycznych, stanowi płytka dielektryka pokryta obustronnie miedzią, przy czym po stronie aktywnej płytki na warstwę miedzi nałożona jest warstwa srebra i wytworzona na niej warstwa chlorku srebra, a po stronie kontaktowej warstwa miedzi pokryta jest warstwą srebra, a ponadto w płytce dielektryka znajduje się metalizowany wewnątrz otwór przelotowy stanowiący kontakt elektryczny pomiędzy obiema powierzchniami płytki. Na stronę aktywną płytki ewentualnie nałożona jest jonoczuła membrana polimerowa.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest miniaturowy element czujnikowy z tylnym wyprowadzeniem kontaktu stanowiący przetwornik w czujnikach potencjometrycznych.

Według IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) chemiczny sensor jest urządzeniem przetwarzającym chemiczną informację, począwszy od stężenia określonego składnika próbki po ogólny skład matrycy, na sygnał użyteczny analitycznie [Hulanicki A., Głąb S. and Ingman F., Pure & Apel. Chem, 63,1247 (1991)].

Chemiczna informacja może pochodzić od reakcji chemicznej oznaczanego składnika lub od fizycznej właściwości badanego systemu. Chemiczny sensor zawiera dwa podstawowe elementy: chemicznie selektywną warstwę receptorową i element przetwornikowy. Wiele sensorów zawiera również separator, najczęściej w formie membrany lub filmu. W części receptorowej sensora chemiczna informacja jest przekształcana w formę energii, która może być mierzona przez przetwornik. Głównym zadaniem przetwornika jest konwersja mierzonego parametru na elektryczny, optyczny lub akustyczny sygnał. Przetwornik nie wykazuje selektywności chemicznej.

Elektrochemiczne sensory są największą i najstarszą grupą chemicznych sensorów. Można je podzielić pod względem mierzonego sygnału elektrycznego na: potencjometryczne (pomiar napięcia), amperometryczne (pomiar natężenia) oraz konduktometryczne (pomiar przewodnictwa). Wiele typów elektrochemicznych sensorów jest dostępnych w handlu, ale równie wiele tkwi w fazie badań i opracowań.

Ważnym aspektem elektrochemicznych sensorów jest fakt, że przeniesienie ładunku w części przetwornikowej sensora i wewnątrz układu pomiarowego, który jest częścią całego obwodu, jest zawsze elektronowe. Natomiast przeniesienie ładunku w próbce może być elektronowe, jonowe lub mieszane. W dwóch ostatnich przypadkach obserwuje się przeniesienie elektronu i czasami elektrolizę na granicy faz elektroda-próbka, co wpływa istotnie na funkcjonowanie sensora.

W klasycznym układzie do pomiaru czujników potencjometrycznych stosowana jest elektroda odniesienia oraz elektroda pomiarowa, czuła na odpowiedni parametr chemiczny. W trakcie pomiaru śledzona jest różnica potencjałów pomiędzy tymi dwiema elektrodami.

Najczęściej do konstrukcji elektrody pomiarowej stosowany jest drut srebrny pokryty warstwą chlorku srebra. Drut ten, zanurzony w tzw. elektrolicie wewnętrznym, pełni rolę przetwornika zamieniającego przewodnictwo jonowe na przewodnictwo elektronowe i jakość jego wykonania często decyduje o parametrach metrologicznych całego czujnika. [Diamond D. Principles of Chemical and Biological Sensors, J. Wiley&Sons Inc. New York, 1998].

Znany przetwornik w postaci drutu srebrnego może być użyty do pomiaru stężenia jonów chlorkowych w roztworze. Jednak w przypadku roztworów jonów innych niż chlorkowe niezbędne jest umieszczenie drutu w elektrolicie wewnętrznym. Układ pomiarowy staje się więc bardziej skomplikowany. Ponadto zarówno elektrodę w postaci drutu srebrnego, jak i drutu srebrnego zanurzonego w zbiorniku z elektrolitem, trudno jest poddać miniaturyzacji. Tymczasem coraz wię ksza liczba urzą dzeń jest wytwarzana w wersji zminiaturyzowanej, a zatem poszczególne elementy tych urządzeń muszą także ulec zmniejszeniu. Istotne dla nowoczesnej aparatury pomiarowej jest również tylne wyprowadzenie kontaktu elektrycznego przetwornika, szczególnie z punktu widzenia zastosowania tego typu elementów przetwornikowych w analizie przepływowej. W takim przypadku czujniki umieszczane są w specjalnych obudowach, a doprowadzone połączenia elektryczne nie wymagają hermetyzacji. Jednak w przypadku przetwornika w postaci drutu srebrnego tylne wyprowadzenie kontaktu jest bardzo trudne technologicznie. Konstrukcja miniaturowych elementów czujnikowych musi być dostosowana do wymagań związanych z ich montażem.

Element czujnikowy z tylnym wyprowadzeniem kontaktu stanowiący przetwornik w czujnikach potencjometrycznych, z wytrawioną konfiguracją powierzchni strony aktywnej, według wynalazku charakteryzuje się tym, że stanowi go płytka dielektryka pokryta obustronnie miedzią. Po stronie aktywnej płytki na warstwę miedzi nałożona jest warstwa srebra i wytworzona na niej warstwa chlorku srebra, a po stronie kontaktowej warstwa miedzi pokryta jest warstwą srebra. W płytce dielektryka znajduje się metalizowany wewnątrz otwór przelotowy stanowiący kontakt elektryczny pomiędzy obiema powierzchniami płytki.

Strona aktywna czujnika według wynalazku może mieć różną konfigurację, odpowiednią do konstrukcji czujnika potencjometrycznego. Jako dielektryk może być stosowana np. żywica epoksydowa, laminat epoksydowo-szklany, polimetakrylan metylu, teflon, materiały ceramiczne itp.

PL 199 238 B1

Na element czujnikowy według wynalazku może zostać dodatkowo nałożona jonoczuła membrana polimerowa, właściwa dla pomiaru stężenia wybranego jonu. Jako jonoczuła membrana polimerowa może być stosowana na przykład warstwa polimerowa wykonana z plastyfikowanego PVC, poliuretanu lub pochodnych polisiloksanu zawierająca jonofor - związek zdolny do selektywnego kompleksowania oznaczanych jonów.

Czujnik według wynalazku wytwarza się w ten sposób, że na aktywnej stronie płytki dielektryka pokrytej warstwą miedzi wykonuje się maskę uniemożliwiającą selektywne trawienie, a tym samym uzyskanie wcześniej zaprojektowanej konfiguracji strony aktywnej. Maska ta jest uzyskiwana znaną techniką fotochemiczną, np. stosowaną do produkcji obwodów elektronicznych. Po wykonaniu maski w pł ytce dielektryka wierci się otwór przelotowy. Zadaniem tego otworu, po uprzedniej metalizacji jego wewnętrznej powierzchni, jest zapewnienie kontaktu elektrycznego pomiędzy obiema warstwami miedzi. Następnie płytka dielektryka jest trawiona, tak aby pozostawić na powierzchni strony aktywnej zaprojektowany układ połączeń, po czym maska jest usuwana. Powierzchnia strony kontaktowej przetwornika pozostaje niezmodyfikowana, to znaczy pokryta pierwotną warstwą miedzi. Po wykonaniu metalizacji otworu, niewytrawione powierzchnie miedziane obu stron płytki są srebrzone w procesie galwanicznym. Warstwa srebra po stronie aktywnej elementu czujnikowego jest następnie pokrywana chlorkiem srebra.

Elementy czujnikowe według wynalazku mogą być użyte jako czujniki do pomiarów stężenia jonów chlorkowych w roztworze. Jeżeli natomiast na element zostanie nałożona jonoczuła membrana polimerowa możliwe jest otrzymanie czujnika reagującego na zmiany stężenia wybranego jonu.

Element czujnikowy według wynalazku został bliżej przedstawiony w przykładach wykonania.

P r z y k ł a d 1

Na płytkę z laminatu szklano-epoksydowego o grubości 0,5 mm, stosowanego do produkcji obwodów drukowanych, naniesiono po obu stronach warstwę miedzi o grubości 35 μm. Płytka została następnie pokryta emulsją fotoczułą i naświetlona, aby uzyskać założony kształt ścieżek. Po wywierceniu w płytce otworu przelotowego o średnicy 0,5 mm, wytrawiono tę część powierzchni miedzianej, która nie była osłonięta maską. Następnie maska została usunięta i wykonano metalizację powierzchni wewnętrznej otworu. Tak przygotowaną strukturę pokryto warstwą srebra i w procesie elektrolizy uzyskano chlorek srebra po stronie aktywnej elementu czujnikowego.

P r z y k ł a d 2

Na płytkę z laminatu szklano-epoksydowego o grubości 0,5 mm, stosowanego do produkcji obwodów drukowanych, naniesiono po obu stronach warstwę miedzi o grubości 35 μm. Płytka została następnie pokryta emulsją fotoczułą i naświetlona, aby uzyskać założony kształt ścieżek. Po wywierceniu w płytce otworu przelotowego o średnicy 0,5 mm, wytrawiono tę część powierzchni miedzianej, która nie była osłonięta maską. Następnie maska została usunięta i wykonano metalizację powierzchni wewnętrznej otworu. Tak przygotowaną strukturę pokryto warstwą srebra i w procesie elektrolizy uzyskano chlorek srebra po stronie aktywnej elementu czujnikowego. Na element czujnikowy nałożono za pomocą pipety odpowiednią objętość roztworu membrany jonoczułej o składzie 1% wag. jonoforu - walinomycyny, 65% wag. plastyfikatora - eteru 2-nitrofenylooktylowego, 33% wag. poli(chlorku)winylu, 50% mol (względem jonoforu) soli lipofilowej - tetra[3,5-di(trifluorometylo)fenyl]boran potasu i 1 ml czterohydrofuranu. Po odparowaniu uzyskano czujnik reagujący na zmiany stężenia jonów potasowych w roztworze.

Claims (5)

1. Element czujnikowy z tylnym wyprowadzeniem kontaktu stanowiący przetwornik w czujnikach potencjometrycznych, z wytrawioną konfiguracją powierzchni strony aktywnej, znamienny tym, że stanowi go płytka dielektryka pokryta obustronnie miedzią, przy czym po stronie aktywnej płytki na warstwę miedzi nałożona jest warstwa srebra i wytworzona na niej warstwa chlorku srebra, a po stronie kontaktowej warstwa miedzi pokryta jest warstwą srebra, a ponadto w płytce dielektryka znajduje się metalizowany wewnątrz otwór przelotowy stanowiący kontakt elektryczny pomiędzy obiema powierzchniami płytki, zaś na stronę aktywną płytki ewentualnie nałożona jest jonoczuła membrana polimerowa.

2. Element czujnikowy według zastrz. 1, znamienny tym, że dielektryk stanowi żywica epoksydowa, laminat epoksydowo-szklany, polimetakrylan metylu, teflon, materiały ceramiczne.

PL 199 238 B1

3. Element czujnikowy według zastrz. 1, znamienny tym, że jonoczułą membranę polimerową stanowi warstwa polimeryczna zawierająca związek zdolny do selektywnego kompleksowania oznaczanych jonów.

4. Element czujnikowy według zastrz. 3, znamienny tym, że jonoczuła membrana polimerowa zawiera sól lipofilową.

5. Element czujnikowy według zastrz. 3, znamienny tym, że jonoczuła membrana polimerowa zawiera plastyfikator.