WO2021005074A1 - Impedance spectroscopy sensor with a sealing varnish cover layer - Google Patents

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WO2021005074A1
WO2021005074A1 PCT/EP2020/069152 EP2020069152W WO2021005074A1 WO 2021005074 A1 WO2021005074 A1 WO 2021005074A1 EP 2020069152 W EP2020069152 W EP 2020069152W WO 2021005074 A1 WO2021005074 A1 WO 2021005074A1
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media
sensor
connection
cover layer
carrier plate
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Application number
PCT/EP2020/069152
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German (de)
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Inventor
Dirk SCHÖNFUSS
Original Assignee
Hamilton Bonaduz Ag
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    • G01N27/026Dielectric impedance spectroscopy

Definitions

  • the present invention relates to an impedance spectroscopic sensor for impedance spectroscopic examination of a liquid or pasty medium, in particular a suspension, particularly preferably a cell suspension.
  • the sensor includes:
  • a carrier plate with a media side facing the medium during measurement operation and with a connection side opposite the media side for the electrically conductive connection of a control and / or evaluation electronics
  • a plurality of electrically conductive sensor surfaces which are exposed at least in sections for contacting through the medium
  • connection side On the connection side: a plurality of electrical contact surfaces, wel che on the connection side for contacting by at least one further electrical line are exposed at least in sections, at least some of the electrical contact surfaces being electrically conductively connected through the through openings through to the sensor surfaces on the media side .
  • WO 2006/107728 A1 An impedance spectroscopy sensor of the generic type is known from WO 2006/107728 A1. There, as elsewhere in the prior art, the impedance spectroscopy sensor is referred to as a "conductivity sensor”.
  • WO 2006/107728 A1 teaches forming through openings on a ceramic carrier plate using etching technology and filling them with electrically conductive material. Through openings that are incompletely filled with electrically conductive material can be filled with sintered glass for sealing.
  • WO 2006/107728 A1 further teaches, both on the media side and on the connection side by means of evaporation and deposition processes taken from semiconductor processing, such as physical vacuum evaporation (PVD), chemical vapor deposition (CVD), electrochemical deposition (ECD) etc.
  • PVD physical vacuum evaporation
  • CVD chemical vapor deposition
  • ECD electrochemical deposition
  • the media-side electrode made of platinum or gold, for example, is used to contact the liquid medium to be examined.
  • the electrode on the connection side is used to connect electrical lines to it for signal transmission to signal analysis devices arranged remotely from the sensor.
  • the respective electrodes of the sensor known from WO 2006/107728 A1 are each completely exposed on the side on which they are arranged.
  • electrical impedance spectroscopy methods are used as a measurement method for the non-destructive in-situ and in-vivo determination of frequency-dependent passive electrical properties of biological Materials used.
  • a biological material can, for example, be a substance, hereinafter referred to as “biomass” or “medium”, composed of a liquid and biological cells contained therein, such as is obtained from cell culture containers.
  • the above-mentioned frequency-dependent passive electrical properties of biomass can provide information about the number of living cells and cell vitality, among other things give.
  • other properties of the biomass can be determined by the frequency-dependent passive electrical properties, but the determination of the number of living cells and cell vitality is of greatest importance in biotechnological applications.
  • the impedance spectroscopic recording of information about the quantity and / or size of living cells in the biomass is carried out as follows: a suspension of biological cells absorbed in a carrier liquid is connected to the electrically conductive sensor surfaces on the media side of the sensor applied electric field whose field direction changes periodically with a predetermined frequency. Depending on the selected frequency of change, different polarization mechanisms act on the biomass. Therefore, the passive electrical properties of biomass, in contrast to purely ionic solutions, are frequency-dependent and form typical so-called dispersions. If there are living cells in the biomass, additional effects arise.
  • the living cells represent a migration barrier for freely moving ions, so that the cells increase the electrical resistance of the biomass depending on their cross-sectional area and consequently reduce its conductivity.
  • the ions present inside a cell of the biomass are also detected by the electrical field. Charge separation occurs on the poorly electrically conductive cell membrane, which leads to polarization on the membrane. The polarization occurs as an electrical double layer. In this case, the current caused by the electrical field flows almost exclusively through the extracellular carrier substance of the biomass. The polarization is therefore reflected in the increase in the measurable capacitance and consequently in the permittivity between the field-generating electrodes.
  • a so-called "a-dispersion” occurs in the millihertz to kilohertz frequency range and is caused by the movement and accumulation of charge carriers on the cell surface.
  • Active cell membrane effects and active ionic membrane channels also influence ⁇ -dispersion.
  • ß-dispersion occurs, which is based on the capacitive properties of the cell membranes, the intracellular organelles and the membrane structures themselves.
  • the fats and proteins in the cell membranes form a high-resistance structure.
  • the membrane structures lead to so-called interface polarization.
  • g-dispersion occurs, which is caused by dipolar mechanisms in polar media, such as water and proteins.
  • polar media such as water and proteins.
  • large molecules such as B. Proteins, with dipole moment.
  • a known method for the impedance spectroscopic detection of information about the quantity and / or size of living cells in a biomass by means of an electric field with a periodically changing field direction is known from US Pat. No. 7,930,110 B2.
  • a usable for such a measurement Impedanzspektro skopie sensor is known from US 6 596 507 B2.
  • a sensor sold by the present applicant under the trade name “Incyte” is also an impedance spectroscopy sensor. It is the object of the present invention to improve the aforementioned Impedanzspek troscopy sensor, or in the following only briefly "sensor”, in terms of its ability between the media side and the connection side, especially in the area of the through openings.
  • a sensor of the type mentioned at the outset in which it is additionally provided that a media cover layer is applied at least on the media side, which has recesses penetrating the media cover layer in the direction of thickness in the extension area of the sensor surfaces and which at least covers part of the through-openings and in each case a conductor track section starting from a through-opening.
  • the media cover layer which preferably covers at least 70% of the media-side surface of the carrier plate, an additional layer that increases the tightness of the carrier plate is applied to the media side of the carrier plate.
  • the sensor surfaces lie in a thickness direction of the sensor that coincides with the direction of the distance between the media side and the connection side between the media cover layer and the carrier plate. Due to the recesses described, the sensor surfaces are accessible from the outside despite the formation of the media cover layer and can thus fulfill their intended detection task.
  • the carrier plate is preferably flat on at least one side, preferably on both sides.
  • the media cover layer covers at least part of the through openings, the covered through openings are not directly accessible from the medium to be detected, which wets the media side of the sensor during a designated detection mode.
  • the conductor track section which is also covered by the media cover layer, can be made of the same material as the sensor surface, which is covered with electrically conductive material in the covered passage opening connects. Because the media cover layer also covers a conductor track section extending from the covered through opening, it is possible to arrange the sensor surface, which is defined by the recess in the media cover layer and assigned to the covered through opening by electrically conductive connection, away from the through opening.
  • the media cover layer preferably covers all through openings on the media side.
  • a plurality of media-side electrical conductor tracks can be formed on the media side, each of which electrically conductively connects a passage opening with at least one sensor surface.
  • the media cover layer then preferably covers a plurality of conductor track sections, each covered conductor track section preferably extending from a different through opening to a sensor surface.
  • This also makes it possible to arrange and align the sensor surfaces on the media side of the carrier plate as required and suitability with an excellent barrier effect of the sensor against the passage of liquid from the media side to the connection side.
  • a plurality of electrical conductor tracks on the connection side can also be formed on the connection side, each of which electrically conductively connects a through opening with at least one contact surface. Since electrical conductor paths lead from the through opening to the sensor surfaces on the media side and electrical conductor paths lead from the through opening to the contact surfaces on the connection side, the sensor surfaces are electrically connected to the contact surfaces in the desired manner.
  • the sensor surfaces are preferably made of chemically very resistant, electrically conductive metal, since they are in direct wetting contact with the medium to be detected. If the recesses in the media cover layer that provide access to the sensor surfaces are advantageously chosen so that a media-side electrical conductor track, which connects the sensor surface to a passage opening, is no longer wetted by the medium to be detected, the media-side electrical conductor track can then be removed be formed from a different material, in particular special from a cheaper material than the sensor surface. All that is required is an electrically conductive connection between the electrical conductor track and the sensor surface assigned to it. This preferably applies to all sensor surfaces and their associated media-side electrical conductors.
  • an area on the media side of the carrier plate covered with sensor area material can be larger than the area of the recess assigned to the sensor area. Then, on the finished sensor that is ready for operation, the area of a recess assigned to a sensor area is completely filled by the sensor area.
  • connection-side electrical conductor tracks and contact surfaces are not wetted by the medium to be detected anyway, the connection-side conductor tracks can alternatively or additionally also be made of a different material than the sensor surfaces on the media side.
  • the media-side and / or connection-side electrical conductor tracks are preferred to avoid unnecessarily high costs made of a material with a lower positive normal potential in terms of amount compared to a normal hydrogen electrode, measured at 25 ° C., 1013 hPa.
  • the sensor surfaces particularly preferably comprise platinum or preferably gold.
  • a PtAg alloy has proven to be particularly effective.
  • the media-side and / or connection-side electrical conductor tracks preferably comprise silver or a silver alloy. An AgPd alloy is particularly preferred.
  • the material for producing the sensor surfaces and the material for producing the electrical conductor tracks preferably have a common electrically conductive alloy component in order to avoid undesirable galvanic corrosion at contact points of the different materials.
  • the media-side electrical conductor tracks and the connection-side electrical conductor tracks are preferably formed from the same material.
  • contact surfaces and the connection-side Lei terbahnen are preferably formed from the same material. They are preferably formed in one piece.
  • connection cover layer can also be applied to the connection side, which has recesses penetrating the connection cover layer in the direction of thickness in the extension area of contact surfaces and which has at least part of the Covered through openings.
  • the connection cover layer preferably additionally covers at least part of the connection-side conductor tracks for the reasons already mentioned above for the media cover layer. What has been said above and below about the media cover layer applies to the connection cover layer.
  • the media cover layer preferably covers at least a part, preferably all of the media-side conductor tracks completely.
  • only material from the sensor surfaces is located on the media side of the carrier plate in the area of the associated recesses in the media cover layer.
  • material of a media-side electrical conductor track can also be found in the area of such a recess, but then preferably under the material of the sensor surface, i.e. in the thickness direction of the sensor between the sensor surface and the carrier plate.
  • Such an overlap of the material of a sensor surface and the material of an electrical conductor path is, however, preferably formed under the media cover layer.
  • At least some of the through openings can have material from the connection-side and / or the media-side electrical conductor tracks in order to provide an electrically conductive connection between the media side and the connection side through the respective through-opening.
  • material of the connection-side and / or the media-side electrical conductor tracks can be located in at least some of the through openings in order to form a section of the electrically conductive connection of contact surfaces on the connection side with sensor surfaces on the media side.
  • connection-side and / or media-side electrical conductor tracks are preferably located in at least some of the through-openings.
  • the filling of the through-openings with the material of the connection-side and / or the media-side electrical conductor tracks can be made in a simple manner together with the electrical conductor tracks ago.
  • the electrical conductor tracks - as well as the rest of the sensor surfaces - are preferably produced using the screen printing process, which is compared to Application method of WO 2006/107728 A1, which is borrowed from semiconductor technology, means a considerable procedural simplification of the manufacturing method.
  • the carrier plate is preferably thermally fired in order to transfer the conductor tracks to their final status and to fix them on the carrier plate.
  • the sensor surfaces after they have been applied to the carrier plate and, if necessary, in sections over a section of the, then preferably already fired, Lei terbahnen.
  • connection side can be connected to a plug or socket element, which enables the sensor to be connected to a signal evaluation device and / or to a signal feed device in a simple manner.
  • An electrical conductor then runs from the signal evaluation device and / or signal feed device with a device-side socket or plug element complementary to the plug or socket element of the sensor, so that a simple electrically conductive connector between the sensor and the signal evaluation device and / or signal feed device can be established.
  • electrical lines coming from the signal evaluation device and / or signal feed device can also be soldered or otherwise connected directly to the contact surfaces.
  • At least two of the contact surfaces can be connected to a temperature sensor in order to be able to additionally provide temperature information about the sensor during operation. In this way, the detection results supplied by the sensor can be temperature-compensated online.
  • the media cover layer preferably covers 70% or more, for example at least 85%, of the media-side surface of the carrier plate.
  • An outer circumference of the media cover layer preferably encloses more than 90% or even more than 95% of the media-side surface of the carrier plate.
  • the sensor including the carrier plate, the sensor surfaces, the electrical conductor tracks and contact surfaces as well as the media cover layer and optionally the connection cover layer can be embedded in a plastic housing, preferably by molding the plastic housing onto the sensor in an injection molding process.
  • a particularly durable and resilient connection between the plastic housing and the sensor can be obtained by arranging the edge of the carrier plate on the media side parallel to the media-side surface of the carrier plate at a distance from an edge of the media cover layer that runs around the media cover layer is.
  • the carrier plate is preferably made of an electrically non-conductive ceramic material compared to the materials used to manufacture the sensor surfaces, the contact surfaces and the said electrical conductors.
  • the carrier plate is preferably made only from this non-conductive ceramic.
  • the ceramic can have a rougher surface that is particularly suitable for connection to the injection-molded plastic than the media cover layer and / or the connection cover layer.
  • the carrier plate is preferably made from a sintered ceramic so that the media cover layer and / or the connection cover layer can enter into a micro-positive, high-strength connection with the carrier plate. The same applies to any plastic that has been injected.
  • All materials for producing the carrier plate, cover layers, sensor surfaces, contact surfaces and electrical conductor tracks are preferably free of cadmium.
  • the edge of the carrier plate on the connection side is arranged parallel to the connection-side surface of the carrier plate at a distance from an edge of the connection cover layer that runs around the connection cover layer is.
  • the distance between the respective cover layer and the edge of the carrier plate along the edge of the carrier plate is preferably constant both on the media side and on the connection side.
  • the media and / or connection cover layer can also be a ceramic layer which must not be electrically conductive in order not to make short circuits between the sensor surfaces or the conductor tracks or the contact surfaces.
  • the cover layer is preferably a glass-like layer, such as a glaze or a sheet of glass.
  • the media and / or connection cover layer can first be applied very precisely using the screen printing process and then thermally brought into an amorphous state of high density by firing or firing.
  • the present invention also relates to a method for producing a sensor, as described and developed above.
  • the procedure comprises the following procedural steps:
  • connection side Printing the connection side with a first print medium containing electrically conductive particles to form the contact surfaces
  • the preferred printing method is a screen printing method, although other printing methods should not be excluded.
  • the advantages and configurations of the sensor resulting from the method mentioned are further developments of the inventive sensor sors.
  • Advantages and configurations of the manufacturing method of the sensor resulting from the described sensor are further developments of the manufacturing method according to the invention.
  • the media-side electrical conductor tracks are preferably to be arranged at least in sections between the sensor surfaces and the carrier plate, it is preferred if the method has a step of printing the media side with the first printing medium before printing the media side with the second printing medium form the media side electrical traces trainees.
  • the method preferably includes the step of burning the print medium that has already been printed on, with the print medium that has already been printed on being melted and / or its constituents being evaporated.
  • connection side and / and when printing the media side through openings are only filled with the first print medium.
  • the method can have the step of applying a connection cover layer to the printed connection side while leaving out contact surface areas.
  • a cover layer is preferably applied using the screen printing process. Since glass-like cover layers are preferred, a cover layer is not applied in the final form used on the finished sensor, but as an intermediate product, which is subjected to a thermal melt treatment after application. To implement this melt treatment, the method can use at least one
  • Fig. 1 a schematic elevation view of an inventive embodiment of an impedance spectroscopy sensor of the present application
  • FIG. 2A a schematic plan view of the connection side of the sensor from FIG. 1,
  • FIGS. 1 and 2A a schematic top view of the media side of the sensor from FIGS. 1 and 2A,
  • 3A a schematic plan view of the media side of the carrier plate of the sensor of FIGS. 1 and 2, only the electrical conductor tracks printed thereon being shown,
  • 3B a schematic plan view of the media side of the carrier plate of the sensor of FIGS. 1 and 2, only the material printed thereon for forming the sensor surfaces being shown,
  • 3C a schematic plan view of the media side of the carrier plate of the sensor of FIGS. 1 and 2, only the media cover layer applied thereon being shown,
  • FIGS. 4A a schematic plan view of the connection side of the carrier plate of the sensor of FIGS. 1 and 2, only the electrical conductor paths printed thereon being shown, and
  • FIGS. 4B a schematic plan view of the connection side of the carrier plate of the sensor in FIGS. 1 and 2, only the connection cover layer applied thereon being shown.
  • an embodiment according to the invention of an impedance spectroscopy pie sensor of the present application is generally designated 10.
  • the sensor 10 comprises a carrier plate 12, preferably made of sintered ceramic, with a media side 14 facing a medium M as the measurement object, such as a cell suspension, when the sensor is in detection mode, and an opposite connection side 16 that faces away from the medium and is used for electrical connections.
  • connection side 16 there are a total of two flat orders in the form of samples made of different materials. These are explained in more detail below in connection with FIGS. 4A and 4B.
  • connection side 16 there is a plug element 18 which, with its total of eight contact feet 20, is soldered to eight contact surfaces 22 to 36 (see FIG. 4A).
  • the plug element 18 On its side facing away from the contact feet 20, the plug element 18 comprises eight connection pins 38, each of which is electrically conductively connected to a different contact foot and which, by plugging in a corresponding socket element (not shown in the figures) with a signal evaluation device and / or signal feed device 39, for signal transmission can be electrically connected.
  • connection side On the connection side, a temperature sensor 44 is soldered to two further contact surfaces 40 and 42, through which signals generated by the temperature sensor 44, which transport temperature information about the sensor 10 in the area of the carrier plate 12, to the contact surfaces 34 and 26 and thus to be assigned At the connection pins of the connector element 18 are transmitted.
  • connection side 16 of the sensor 10 is shown in plan view. For the sake of clarity, not all eight connection pins of the connector element 18 are provided with reference symbols.
  • FIG 2B a plan view of the media side 14 of the sensor 10 and the carrier plate 12 is shown.
  • media side and connection side are used both for the sensor as a whole and for the carrier plate, since the flat carrier plate is decisive for the mentioned sides and separates the connection side from the media side.
  • the sensor areas 46 to 56 can be seen in FIG. 2B, each of which is accessible through a recess 58 to 68 in a glass-like media cover layer 70.
  • the carrier plate 12 has a hexagonal base, but this is only an example.
  • the base of the carrier plate 12 can have any shape, such as circular, elliptical, square, octagonal and the like.
  • the carrier plate 12 is preferably flat.
  • the media cover layer 70 Since the edge 70a of the media cover layer 70 extends from the side edge 12a of the carrier plate 12 at a, preferably constant, distance in the direction of the center of the carrier plate 12, the media cover layer 70 also has a hexagonal basic shape.
  • the areas of the cutouts 58 to 68 are each larger than the areas of the sensor areas 46 to 56 which are accessible through the cutouts 58 to 68 for the medium as the measurement object. This need not be the case.
  • the sensor areas 46 to 56 can also be designed with a larger area than the recess assigned to them, so that a recess assigned to a sensor area with its recess area determines the size of the sensor area.
  • Figure 3A the media side 14 of the carrier plate 12 is shown.
  • Six through-openings 72 to 82 can be seen, which are designed as the carrier plate 12 in a thickness direction that is orthogonal to the plane of the drawing in FIG. 3A and thus enable a physical connection between the media side 14 and the connection side 16.
  • electrical conductor tracks 84 to 94 are printed on the media side 14 using the screen printing process, namely in the illustrated embodiment in the area of each of the through openings 72 to 82 each an electrical conductor track 84 to 94.
  • conductor track material was also introduced into the through openings 72 to 82 in order to form an electrical line passing through the through openings 72 to 82.
  • the electrical conductor tracks 84 to 94 are printed on as a paste which contains a silver-palladium alloy.
  • the electrical conductor tracks 84 to 94 are fixed on the carrier plate 12 by firing. For this purpose, the printed carrier plate is heated to temperatures of over 800 ° C.
  • the electrical conductor tracks 84 to 94 can be soldered.
  • the carrier plate 12 is fired material by material, so that after each application, in particular special imprint, of a material and before an application, in particular imprint, of another material on the same side of the carrier plate, the material already applied in a pattern is fixed by firing. Likewise, after the last material application, which is usually a top layer, the applied material is fixed by firing.
  • the conductor tracks 84 to 94 each have an overlap section which is identified by the same reference symbol as the conductor track, but with the addition of the lowercase letter "a".
  • the remaining conductor track connecting the through-opening can be formed, preferably after a firing process, overprinted with material for the production of the sensor surfaces 46 to 56, so that the overlapping sections 84a to 94a at the end of the production process between the material of the sensor surfaces 46 to 56 and the carrier plate 12 is located.
  • the sensor surfaces 46 to 56 are printed onto the media side 14 of the carrier plate 12, likewise using the screen printing process, and onto the overlapping sections 84a to 94a. These are shown in Figure 3B.
  • the sensor areas 46 to 56 each have an overlap section labeled with the same reference as the rest of the sensor area, but with the addition of the lowercase letter "a", which terbahnen an associated one of the overlap sections 84a to 94a of the Lei in the above-mentioned manner 84 to 94 to produce an electrically conductive connection with the sen overlaps. If FIG. 3B were to be printed out on a transparent base and placed over FIG.
  • the screen-printable paste used to produce the sensor surfaces 46 to 56 contains platinum, in particular a platinum-silver alloy. These pastes are also fired, preferably in a separate firing process before the media cover layer is applied.
  • the media cover layer shown in FIG. 3C is then applied to the media side printed with the media-side electrical conductor tracks 84 to 94 and the sensor surfaces 46 to 56.
  • the raw material of the media cover layer is also applied using the screen printing process.
  • the media cover layer which is preferably printed on, has been fired, the media cover layer forms a vitreous layer, such as a glaze layer or glass layer.
  • the recesses 58 to 68 are already produced during the application, in the area of which there is no material of the media cover layer, so that the recesses 58 to 68 completely penetrate the media cover layer in the direction of the thickness and so that the cut-out Rungs 58 to 68 through the sensor surfaces 46 to 56 are accessible and in particular wettable by the medium as the measurement object.
  • the media cover layer covers each of the passage openings 72 to 82 and sections of the media-side electrical conductor tracks 84 to 94 emanating from them in order to seal the passage openings 72 to 82 against the passage of a large, low-viscosity component of the medium as a measurement object from the media side 14 to the connection side 16
  • each through opening is surrounded by conductor track material.
  • At least the conductor track sections surrounding sen covers the media cover layer 70.
  • the media cover layer 70 with its edge 70a does not extend as far as the edge 12a of the carrier plate 12, but ends at a small distance therefrom in order to facilitate the injection molding of the carrier plate 12 with plastic.
  • connection side of the carrier plate 12 is shown as it is after a screen printing of contact surfaces 22 to 36, 40 and 42 and integrally formed with the contact surfaces 22 to 36, 40 and 42 connection-side electrical conductor tracks 96 to 108, which Connect contact surfaces with through openings 72 to 82 and with one another, looks.
  • the connection-side electrical conductor tracks 96 to 104 each connect a through-opening to at least one contact surface, the branched connection-side conductor track 98 also creating an electrically conductive connection between the through-openings 74 and 80.
  • the connection-side electrical conductor tracks 106 and 108 connect the connection contact surfaces 40 and 42 of the temperature sensor 44 with associated connection contact surfaces 34 and 26 for the connection of the plug element 18 to it, as already described above.
  • connection-side conductor tracks 96 to 108 the same material is used as for the production of the media-side electrical conductor tracks 84 to 94.
  • connection side 16 With the application of conductive paste to the connection side 16, the connection side 16 is also used Ladder- Web material is brought into the through openings 72 to 82, so that an electrically conductive connection extending from the media side 14 to the connection side 16 is secured in the thickness direction through the carrier plate 12.
  • the volume of the conductor track material can decrease when it is fired, the tightness of the through openings 72 to 82 is not fundamentally secured after firing.
  • the seal is produced by the media cover layer 70.
  • connection cover layer 130 can also be applied to the connection side 16. It is preferably formed from the same material and applied and processed in the same method as the media cover layer 70, so that the statements made above about media cover layer 70 apply to the connection cover layer 130.
  • the connection cover layer 130 can be fired in a joint firing process with the media cover layer 70.
  • the media-side and the connection-side conductor tracks can also be burned in a common burning process.
  • the contact surfaces 22 to 36, 40 and 42 are for contact with electrical conductors, sensor components, such as the temperature sensor 44, or connecting components, such as the plug element 18, accessible to produce an electrically conductive connection with the contact surfaces.
  • connection cover layer 130 covers all through openings 72 to 82 and a conductor track area surrounding the through openings 72 to 82, so that an exchange of liquid between the media side 14 and the connection side 16 within the usual operating phases of the illustrated impedance spectroscopy sensor 10 is virtually impossible.
  • connection cover layer 130 also runs at a small distance from the edge 12a of the carrier plate 12 so that plastic molded around the carrier plate 12 can encompass the carrier plate 12 from three sides and on these three sides can enter into a high-strength mechanical cal connection with the merely sintered surface of the carrier plate 12.

Abstract

The invention relates to an impedance spectroscopy sensor (10), comprising: a carrier plate (12) having a media side (14) facing a medium during the measuring operation and having a connection side (16) opposite the media side (14) for electrically conductively connecting a control and/or evaluation electronics system (39); through-openings (72-82) which run between the media side (14) and the connection side (14), penetrating the carrier plate (12); a plurality of electrically conductive sensor surfaces (46-56) on the media side (14), which are at least partially exposed; and a plurality of electrical contact surfaces (22-36, 40, 42) on the connection side (16), which are at least partially exposed on the connection side (16); wherein at least one portion of the electrical contact surfaces (22-36, 40, 42) are electrically conductively connected to the sensor surfaces (46-56) on the media side (14) via the through-openings (72-82). According to the invention, a media cover layer (70) is applied at least to the media side (14), which has recesses (58-68) in the extension region of the sensor surfaces (46-56) penetrating the media cover layer (70) in the thickness direction, and which covers at least one portion of the through-openings (72-82) and a respective conductor path section coming from a through-opening (72-82).

Description

Impedanzspektroskopie-Sensor mit dichtender Glasur-Deckschicht Impedance spectroscopy sensor with a sealing glaze top layer
Beschreibung description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Impedanzspektroskopie-Sensor zur impe danzspektroskopischen Untersuchung eines flüssigen oder pastösen Mediums, ins besondere einer Suspension, besonders bevorzugt Zellsuspension. Der Sensor um fasst: The present invention relates to an impedance spectroscopic sensor for impedance spectroscopic examination of a liquid or pasty medium, in particular a suspension, particularly preferably a cell suspension. The sensor includes:
eine Trägerplatte mit einer im Messbetrieb dem Medium zugewandten Me dienseite und mit einer der Medienseite entgegengesetzten Anschlussseite zum elektrisch leitenden Anschluss einer Steuerungs- oder/und Auswerteelek tronik, a carrier plate with a media side facing the medium during measurement operation and with a connection side opposite the media side for the electrically conductive connection of a control and / or evaluation electronics,
Durchgangsöffnungen, welche, die Trägerplatte durchsetzend, zwischen der Medienseite und der Anschlussseite verlaufen, Through openings which, penetrating the carrier plate, run between the media side and the connection side,
auf der Medienseite: eine Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Sensorflächen, welche zur Kontaktierung durch das Medium wenigstens abschnittsweise frei liegen, und on the media side: a plurality of electrically conductive sensor surfaces which are exposed at least in sections for contacting through the medium, and
auf der Anschlussseite: eine Mehrzahl von elektrischen Kontaktflächen, wel che auf der Anschlussseite zur Kontaktierung durch wenigstens eine weitere elektrische Leitung wenigstens abschnittsweise freiliegen, wobei wenigstens ein Teil der elektrischen Kontaktflächen durch die Durchgangsöffnungen hin durch mit den Sensorflächen auf der Medienseite elektrisch leitfähig ver bunden sind. On the connection side: a plurality of electrical contact surfaces, wel che on the connection side for contacting by at least one further electrical line are exposed at least in sections, at least some of the electrical contact surfaces being electrically conductively connected through the through openings through to the sensor surfaces on the media side .
Ein gattungsgemäßer Impedanzspektroskopie-Sensor ist aus der WO 2006/107728 A1 bekannt. Dort ist der Impedanzspektroskopie-Sensor, wie auch anderswo im Stand der Technik, als "Leitfähigkeitssensor" bezeichnet. Die WO 2006/107728 A1 lehrt, an einer keramischen Trägerplatte Durchgangsöffnungen durch Ätztechnik aus zubilden und mit elektrisch leitfähigem Material zu füllen. Unvollständig mit elektrisch leitfähigem Material gefüllte Durchgangsöffnungen können zur Abdichtung durch Sin terglas aufgefüllt werden. Die WO 2006/107728 A1 lehrt weiter, sowohl auf der Medienseite als auch auf der Anschlussseite mittels aus der Halbleiterbearbeitung entnommenen Aufdampf- und Ablagerungsverfahren, wie physikalische Vakuumaufdampfung (PVD), chemische Gasphasenabscheidung (CVD), elektrochemische Abscheidung (ECD) usw. an jeder gefüllten Durchgangsöffnung je eine die gefüllte Durchgangsöffnung überdeckende Elektrode anzuordnen. Die medienseitige Elektrode, etwa aus Platin oder Gold ge bildet, dient der Kontaktierung des zu untersuchenden flüssigen Mediums. Die an schlussseitige Elektrode dient dem Anschluss von elektrischen Leitungen daran zur Signalübertragung zu entfernt vom Sensor angeordneten Signalanalysevorrichtun gen. Die jeweiligen Elektroden des aus der WO 2006/107728 A1 bekannten Sensors liegen auf ihrer Seite, auf der sie angeordnet sind, jeweils vollständig frei. An impedance spectroscopy sensor of the generic type is known from WO 2006/107728 A1. There, as elsewhere in the prior art, the impedance spectroscopy sensor is referred to as a "conductivity sensor". WO 2006/107728 A1 teaches forming through openings on a ceramic carrier plate using etching technology and filling them with electrically conductive material. Through openings that are incompletely filled with electrically conductive material can be filled with sintered glass for sealing. WO 2006/107728 A1 further teaches, both on the media side and on the connection side by means of evaporation and deposition processes taken from semiconductor processing, such as physical vacuum evaporation (PVD), chemical vapor deposition (CVD), electrochemical deposition (ECD) etc. on each each filled through-opening to arrange an electrode covering the filled through-opening. The media-side electrode, made of platinum or gold, for example, is used to contact the liquid medium to be examined. The electrode on the connection side is used to connect electrical lines to it for signal transmission to signal analysis devices arranged remotely from the sensor. The respective electrodes of the sensor known from WO 2006/107728 A1 are each completely exposed on the side on which they are arranged.
Nachteilig an diesem Sensor ist, dass selbst an den vollständig mit elektrisch leitfähi gem Material und gegebenenfalls mit zusätzlichem Füllmaterial aufgefüllten Durch gangsöffnungen deren Dichtigkeit gegen eine Migration niedrigviskoser Medienbe standteile von der Medienseite zur Anschlussseite - oder auch gegen eine Migration von Atmosphärenbestandteilen in die umgekehrte Richtung - nicht sichergestellt werden kann. Dies kann vor allem langdauernde oder/und wiederholte Sensorein sätze beeinträchtigen. The disadvantage of this sensor is that even on the through openings that are completely filled with electrically conductive material and possibly with additional filling material, their tightness against migration of low-viscosity media components from the media side to the connection side - or against migration of atmospheric components in the opposite direction - cannot be guaranteed. This can primarily affect long-term and / or repeated sensor use.
Zur Einordnung des Sensors der vorliegenden Erfindung und seines bevorzugten Einsatzgebietes wird nachfolgend kurz Grundlegendes zur Impedanzspektroskopie und zu Impedanzspektroskopie-Sensoren vorgestellt: elektrische Impedanzspektro skopieverfahren werden als Messverfahren zur zerstörungsfreien in-situ- und in-vivo- Bestimmung von frequenzabhängigen passiven elektrischen Eigenschaften von bio logischen Materialien verwendet. Ein solches biologisches Material kann beispiels weise eine nachfolgend als "Biomasse" oder "Medium" bezeichnete Substanz aus einer Flüssigkeit und darin aufgenommenen biologischen Zellen sein, wie sie etwa aus Zellkulturbehältern erhalten wird. To classify the sensor of the present invention and its preferred area of application, the following briefly introduces the basics of impedance spectroscopy and impedance spectroscopy sensors: electrical impedance spectroscopy methods are used as a measurement method for the non-destructive in-situ and in-vivo determination of frequency-dependent passive electrical properties of biological Materials used. Such a biological material can, for example, be a substance, hereinafter referred to as “biomass” or “medium”, composed of a liquid and biological cells contained therein, such as is obtained from cell culture containers.
Die oben genannten frequenzabhängigen passiv-elektrischen Eigenschaften der Bio masse können Auskunft unter anderem über die Lebendzellzahl und die Zellvitalität geben. Daneben können noch weitere Eigenschaften der Biomasse durch die fre quenzabhängigen passiv-elektrischen Eigenschaften ermittelt werden, jedoch weist die Bestimmung der Anzahl an lebenden Zellen und der Zellvitalität die größte Be deutung in biotechnologischen Anwendungen auf. The above-mentioned frequency-dependent passive electrical properties of biomass can provide information about the number of living cells and cell vitality, among other things give. In addition, other properties of the biomass can be determined by the frequency-dependent passive electrical properties, but the determination of the number of living cells and cell vitality is of greatest importance in biotechnological applications.
Ganz grundsätzlich und grob skizziert erfolgt die impedanzspektroskopische Erfas sung von Information über die Menge oder/und Größe von lebenden Zellen in der Biomasse wie folgt: an eine Suspension von in einer Trägerflüssigkeit aufgenomme nen biologischen Zellen wird über die elektrisch leitfähigen Sensorflächen der Medienseite des Sensors ein elektrisches Feld angelegt, dessen Feldrichtung sich periodisch mit einer vorgegebenen Frequenz ändert. Abhängig von der gewählten Änderungsfrequenz wirken an der Biomasse unterschiedliche Polarisationsmecha nismen. Daher sind die passiv-elektrischen Eigenschaften von Biomasse im Gegen satz zu rein ionischen Lösungen frequenzabhängig und bilden typische sogenannte Dispersionen aus. Befinden sich in der Biomasse lebende Zellen, entstehen zusätzli che Effekte. Die lebenden Zellen stellen ein Wanderungshindernis für frei bewegliche Ionen dar, sodass die Zellen abhängig von ihrer Querschnittsfläche den elektrischen Widerstand der Biomasse erhöhen und folglich deren Leitfähigkeit verringern. Auch die im Inneren einer Zelle der Biomasse vorhandenen Ionen werden von dem elektri schen Feld erfasst. An der elektrisch schlecht leitenden Zellmembran tritt eine Ladungstrennung auf, die zu einer Polarisation an der Membran führt. Die Polarisa tion tritt als elektrische Doppelschicht auf. In diesem Fall fließt der durch das elektri sche Feld bewirkte Strom fast ausschließlich durch die extrazelluläre Trägersubstanz der Biomasse. Die Polarisierung spiegelt sich daher in der Erhöhung der messbaren Kapazität und folglich der Permittivität zwischen den felderzeugenden Elektroden wieder. Basically and roughly sketched, the impedance spectroscopic recording of information about the quantity and / or size of living cells in the biomass is carried out as follows: a suspension of biological cells absorbed in a carrier liquid is connected to the electrically conductive sensor surfaces on the media side of the sensor applied electric field whose field direction changes periodically with a predetermined frequency. Depending on the selected frequency of change, different polarization mechanisms act on the biomass. Therefore, the passive electrical properties of biomass, in contrast to purely ionic solutions, are frequency-dependent and form typical so-called dispersions. If there are living cells in the biomass, additional effects arise. The living cells represent a migration barrier for freely moving ions, so that the cells increase the electrical resistance of the biomass depending on their cross-sectional area and consequently reduce its conductivity. The ions present inside a cell of the biomass are also detected by the electrical field. Charge separation occurs on the poorly electrically conductive cell membrane, which leads to polarization on the membrane. The polarization occurs as an electrical double layer. In this case, the current caused by the electrical field flows almost exclusively through the extracellular carrier substance of the biomass. The polarization is therefore reflected in the increase in the measurable capacitance and consequently in the permittivity between the field-generating electrodes.
Eine sogenannte "a-Dispersion" tritt im Millihertz- bis Kilohertz-Frequenzbereich auf und wird durch die Bewegung und Anlagerung von Ladungsträgern auf der Zellober fläche hervorgerufen. Weiter beeinflussen aktive Zellmembraneffekte und aktive ioni sche Membrankanäle die a-Dispersion. In einem Frequenzbereich von einigen Kilohertz bis Hundert Megahertz tritt eine so genannte ß-Dispersion auf, die auf den kapazitiven Eigenschaften der Zellmembra nen, den intrazellulären Organellen und den Membranstrukturen selbst beruht. Die Fette und Proteine in den Zellmembranen bilden eine hochohmige Struktur. Die Membranstrukturen führen zu sogenannter Grenzflächenpolarisation. A so-called "a-dispersion" occurs in the millihertz to kilohertz frequency range and is caused by the movement and accumulation of charge carriers on the cell surface. Active cell membrane effects and active ionic membrane channels also influence α-dispersion. In a frequency range from a few kilohertz to one hundred megahertz, what is known as ß-dispersion occurs, which is based on the capacitive properties of the cell membranes, the intracellular organelles and the membrane structures themselves. The fats and proteins in the cell membranes form a high-resistance structure. The membrane structures lead to so-called interface polarization.
Bei noch höheren Frequenzen im Bereich von ca. 0,1 bis 100 GHz tritt die sogenann te g-Dispersion auf, die durch dipolare Mechanismen von polaren Medien, wie bei spielsweise Wasser und Proteinen, hervorgerufen wird. Im elektrischen Feld richten sich bei hohen Frequenzen große Moleküle, wie z. B. Proteine, mit Dipolmoment aus. At even higher frequencies in the range from approx. 0.1 to 100 GHz, so-called g-dispersion occurs, which is caused by dipolar mechanisms in polar media, such as water and proteins. In the electric field, large molecules, such as B. Proteins, with dipole moment.
Für den Sensor der vorliegenden Anmeldung besonders interessierende Erfassung von Information über die Menge oder/und Größe von lebenden Zellen in einer Bio masse ist vor allem das ß-Dispersionsgebiet von Interesse, das ebenfalls von elek trisch leitfähigen Sensorflächen der Medienseite erfasst wird. Zur weiterführenden Information über die Dispersionsgebiete von Biomassen und die zu ihrer Darstellung verwendeten Kurven einer frequenzabhängigen Permittivität oder Kapazität wird ver wiesen auf H. P. Schwan: "The practical success of impedance techniques from an historical perspecitve", in: Proceedings of the X. International Conference on Electri- cal Bio-Impedance, Barcelona (1998), Seiten 3 bis 16, sowie auf H. P. Schwan: "Electrical properties of tissue and cell suspensions", in: Advances in Biological and Medical Physics, Vol. 5 (1957), Seiten 147 bis 205. For the sensor of the present application particularly interesting acquisition of information about the amount and / or size of living cells in a biomass is primarily the ß-dispersion area of interest, which is also detected by electrically conductive sensor surfaces on the media side. For further information about the dispersion areas of biomass and the curves of a frequency-dependent permittivity or capacity used for their representation, reference is made to HP Schwan: "The practical success of impedance techniques from an historical perspective", in: Proceedings of the X. International Conference on Electrical Bio-Impedance, Barcelona (1998), pages 3 to 16, and also on HP Schwan: "Electrical properties of tissue and cell suspensions", in: Advances in Biological and Medical Physics, Vol. 5 (1957), pages 147 to 205.
Ein bekanntes Verfahren zur impedanzspektroskopischen Erfassung von Information über die Menge oder/und Größe von lebenden Zellen in einer Biomasse mittels eines elektrischen Feldes mit sich periodisch ändernder Feldrichtung ist aus der US 7 930 1 10 B2 bekannt. Ein für eine derartige Messung einsetzbarer Impedanzspektro skopie-Sensor ist aus der US 6 596 507 B2 bekannt. Auch ein von der vorliegenden Anmelderin unter dem Handelsnamen "Incyte" vertriebener Sensor ist ein Impedanz spektroskopie-Sensor. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den eingangs genannten Impedanzspek troskopie-Sensor, oder nachfolgend auch nur kurz "Sensor", hinsichtlich seiner Dich tigkeit zwischen Medienseite und Anschlussseite zu verbessern, insbesondere im Bereich der Durchgangsöffnungen. A known method for the impedance spectroscopic detection of information about the quantity and / or size of living cells in a biomass by means of an electric field with a periodically changing field direction is known from US Pat. No. 7,930,110 B2. A usable for such a measurement Impedanzspektro skopie sensor is known from US 6 596 507 B2. A sensor sold by the present applicant under the trade name “Incyte” is also an impedance spectroscopy sensor. It is the object of the present invention to improve the aforementioned Impedanzspek troscopy sensor, or in the following only briefly "sensor", in terms of its ability between the media side and the connection side, especially in the area of the through openings.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Sensor der eingangs ge nannten Art, bei welchem zusätzlich vorgesehen ist, dass wenigstens auf der Medienseite eine Medien-Deckschicht aufgetragen ist, welche im Erstreckungs bereich der Sensorflächen die Medien-Deckschicht in Dickenrichtung durchsetzende Aussparungen aufweist und welche wenigstens einen Teil der Durchgangsöffnungen sowie jeweils einen von einer Durchgangsöffnung ausgehenden Leiterbahnabschnitt überdeckt. This object is achieved according to the invention by a sensor of the type mentioned at the outset, in which it is additionally provided that a media cover layer is applied at least on the media side, which has recesses penetrating the media cover layer in the direction of thickness in the extension area of the sensor surfaces and which at least covers part of the through-openings and in each case a conductor track section starting from a through-opening.
Durch die Medien-Deckschicht, die bevorzugt wenigstens 70 % der medienseitigen Oberfläche der Trägerplatte überdeckt, wird eine zusätzliche, die Dichtigkeit der Trä gerplatte erhöhende Schicht auf der Medienseite der Trägerplatte aufgetragen. Die Sensorflächen liegen in einer mit der Richtung des Abstands zwischen Medienseite und Anschlussseite zusammenfallenden Dickenrichtung des Sensors zwischen der Medien-Deckschicht und der Trägerplatte. Durch die beschriebenen Aussparungen sind die Sensorflächen trotz der Ausbildung der Medien-Deckschicht von außen zu gänglich und können so ihre bestimmungsgemäße Erfassungsaufgabe erfüllen. The media cover layer, which preferably covers at least 70% of the media-side surface of the carrier plate, an additional layer that increases the tightness of the carrier plate is applied to the media side of the carrier plate. The sensor surfaces lie in a thickness direction of the sensor that coincides with the direction of the distance between the media side and the connection side between the media cover layer and the carrier plate. Due to the recesses described, the sensor surfaces are accessible from the outside despite the formation of the media cover layer and can thus fulfill their intended detection task.
Bevorzugt ist zur einfacheren Handhabung, insbesondere Bedruckung der Träger platte die Trägerplatte auf wenigstens einer Seite, vorzugsweise auf beiden Seiten, eben ausgebildet. For easier handling, in particular printing on the carrier plate, the carrier plate is preferably flat on at least one side, preferably on both sides.
Dadurch, dass die Medien-Deckschicht wenigstens einen Teil der Durchgangsöff nungen bedeckt, sind die bedeckten Durchgangsöffnungen nicht unmittelbar von dem zu erfassenden Medium erreichbar, welches die Medienseite des Sensors wäh rend eines bestimmungsgemäßen Erfassungsbetriebs benetzt. Der ebenfalls von der Medien-Deckschicht überdeckte Leiterbahnabschnitt kann aus demselben Material hergestellt sein wie die Sensorfläche, die er mit elektrisch leitfähigem Material in der überdeckten Durchgangsöffnung verbindet. Dadurch, dass die Medien-Deckschicht auch einen von der überdeckten Durchgangsöffnung ausgehenden Leiterbahnab schnitt überdeckt, ist es möglich, die durch die Aussparung in der Medien-Deck schicht definierte, der überdeckten Durchgangsöffnung durch elektrisch leitende Ver bindung zugeordnete Sensorfläche von der Durchgangsöffnung entfernt anzuordnen, sodass ein möglicherweise bestehender Kriechweg für niedrigviskose Anteile des zu erfassenden Mediums in einem möglicherweise bestehenden Spaltraum zwischen Medien-Deckschicht einerseits und Trägerplatte oder/und Sensorfläche oder/und Lei terbahnabschnitt andererseits lang ausgebildet sein kann. Die Wahrscheinlichkeit, dass Flüssigkeit ausgehend von der Aussparung an der Sensorfläche durch einen, wenn überhaupt, dann allenfalls mit sehr geringer Spaltdicke im einstelligen pm- Bereich bestehenden Spaltraum bis zur Durchgangsöffnung und weiter durch diese hindurch zur Anschlussseite gelangt, ist vernachlässigbar gering. Because the media cover layer covers at least part of the through openings, the covered through openings are not directly accessible from the medium to be detected, which wets the media side of the sensor during a designated detection mode. The conductor track section, which is also covered by the media cover layer, can be made of the same material as the sensor surface, which is covered with electrically conductive material in the covered passage opening connects. Because the media cover layer also covers a conductor track section extending from the covered through opening, it is possible to arrange the sensor surface, which is defined by the recess in the media cover layer and assigned to the covered through opening by electrically conductive connection, away from the through opening. so that a possibly existing creepage path for low-viscosity parts of the medium to be detected in a possibly existing gap between media cover layer on the one hand and carrier plate and / or sensor surface and / or conductor track section on the other hand can be long. The probability that liquid, starting from the recess on the sensor surface, passes through a gap, if at all, then at most with a very small gap thickness in the single-digit μm range, to the passage opening and further through this to the connection side is negligibly low.
Bevorzugt überdeckt die Medien-Deckschicht alle Durchgangsöffnungen auf der Medien-Seite. The media cover layer preferably covers all through openings on the media side.
Zur Verbindung der Sensorflächen auf der Medienseite mit je einer Durchgangs öffnung kann auf der Medienseite eine Mehrzahl von medienseitigen elektrischen Leiterbahnen ausgebildet sein, welche jeweils eine Durchgangsöffnung mit wenigs tens einer Sensorfläche elektrisch leitend verbinden. Die Medien-Deckschicht über deckt dann bevorzugt eine Mehrzahl von Leiterbahnabschnitten, wobei jeder über deckte Leiterbahnabschnitt bevorzugt von einer anderen Durchgangsöffnung aus gehend zu einer Sensorfläche verläuft. To connect the sensor surfaces on the media side with one passage opening each, a plurality of media-side electrical conductor tracks can be formed on the media side, each of which electrically conductively connects a passage opening with at least one sensor surface. The media cover layer then preferably covers a plurality of conductor track sections, each covered conductor track section preferably extending from a different through opening to a sensor surface.
Dies ermöglicht außerdem, die Sensorflächen bei gleichzeitig hervorragender Barrie rewirkung des Sensors gegen einen Flüssigkeitsdurchtritt von der Medienseite zur Anschlussseite beliebig nach jeweiliger Anforderung und Eignung auf der Medien seite der Trägerplatte anzuordnen und auszurichten. This also makes it possible to arrange and align the sensor surfaces on the media side of the carrier plate as required and suitability with an excellent barrier effect of the sensor against the passage of liquid from the media side to the connection side.
Um auch auf der Anschlussseite der Trägerplatte die Kontaktflächen zum einen elek trisch leitend mit den Sensorflächen zu verbinden und zum anderen frei anordnen und ausrichten zu können, kann auch auf der Anschlussseite eine Mehrzahl von an schlussseitigen elektrischen Leiterbahnen ausgebildet sein, welche jeweils eine Durchgangsöffnung mit wenigstens einer Kontaktfläche elektrisch leitend verbinden. Da auf der Medienseite elektrische Leiterbahnen von der Durchgangsöffnung zu den Sensorflächen führen und auf der Anschlussseite elektrische Leiterbahnen von der Durchgangsöffnung zu den Kontaktflächen führen, sind so die Sensorflächen in ge wünschter Weise mit den Kontaktflächen elektrisch leitend verbunden. In order to connect the contact surfaces to the sensor surfaces on the connection side of the carrier plate on the one hand in an electrically conductive manner and on the other hand to arrange them freely and to be able to align, a plurality of electrical conductor tracks on the connection side can also be formed on the connection side, each of which electrically conductively connects a through opening with at least one contact surface. Since electrical conductor paths lead from the through opening to the sensor surfaces on the media side and electrical conductor paths lead from the through opening to the contact surfaces on the connection side, the sensor surfaces are electrically connected to the contact surfaces in the desired manner.
Bevorzugt sind die Sensorflächen aus chemisch sehr beständigem elektrisch leitfähi gem Metall ausgebildet, da diese in unmittelbarem benetzendem Kontakt mit dem zu erfassenden Medium stehen. Wählt man vorteilhaft die die Zugänglichkeit der Sen sorflächen bereitstellenden Aussparungen in der Medien-Deckschicht so, dass eine medienseitige elektrische Leiterbahn, welche die Sensorfläche mit einer Durchgangs öffnung verbindet, nicht mehr von dem zu erfassenden Medium benetzt wird, kann die medienseitige elektrische Leiterbahn dann aus einem anderen Material, insbe sondere aus einem kostengünstigeren Material gebildet sein als die Sensorfläche. Es muss lediglich eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen der elektrischen Leiter bahn und der ihr zugeordneten Sensorfläche bestehen. Dies gilt bevorzugt für alle Sensorflächen und den ihnen zugeordneten medienseitigen elektrischen Leiter bahnen. Beispielsweise kann zur Bildung einer Sensorfläche eine mit Sensorflächen- Material bedeckte Fläche auf der Medienseite der Trägerplatte größer sein als die Fläche der der Sensorfläche zugeordneten Aussparung. Dann ist am fertigen, be triebsbereiten Sensor die Fläche einer einer Sensorfläche zugeordneten Aussparung vollständig von der Sensorfläche ausgefüllt. The sensor surfaces are preferably made of chemically very resistant, electrically conductive metal, since they are in direct wetting contact with the medium to be detected. If the recesses in the media cover layer that provide access to the sensor surfaces are advantageously chosen so that a media-side electrical conductor track, which connects the sensor surface to a passage opening, is no longer wetted by the medium to be detected, the media-side electrical conductor track can then be removed be formed from a different material, in particular special from a cheaper material than the sensor surface. All that is required is an electrically conductive connection between the electrical conductor track and the sensor surface assigned to it. This preferably applies to all sensor surfaces and their associated media-side electrical conductors. For example, to form a sensor area, an area on the media side of the carrier plate covered with sensor area material can be larger than the area of the recess assigned to the sensor area. Then, on the finished sensor that is ready for operation, the area of a recess assigned to a sensor area is completely filled by the sensor area.
Da die anschlussseitigen elektrischen Leiterbahnen und Kontaktflächen ohnehin nicht von dem zu erfassenden Medium benetzt werden, können alternativ oder zu sätzlich auch die anschlussseitigen Leiterbahnen aus einem anderen Material ge bildet sein als die Sensorflächen auf der Medienseite. Bevorzugt sind die mediensei tigen oder/und anschlussseitigen elektrischen Leiterbahnen zur Vermeidung unnötig hoher Kosten aus einem Material mit betragsmäßig niedrigerem positiven Normal potential gegenüber einer Normal-Wasserstoff-Elektrode, gemessen bei 25 °C, 1013 hPa. Die Sensorflächen umfassen besonders bevorzugt Platin oder bevorzugt Gold. Eine PtAg-Legierung hat sich dabei als besonders wirkungsvoll herausgestellt. Die medienseitigen oder/und anschlussseitigen elektrischen Leiterbahnen umfassen be vorzugt Silber bzw. eine Silberlegierung. Eine AgPd-Legierung ist dabei besonders bevorzugt. Bei aller Unterschiedlichkeit der genannten Materialien weisen bevorzugt das Material zur Herstellung des Sensorflächen und das Material zur Herstellung der elektrischen Leiterbahnen einen gemeinsamen elektrisch leitfähigen Legierungs bestandteil auf, um an Kontaktstellen der unterschiedlichen Materialien eine uner wünschte galvanische Korrosion zu vermeiden. Since the connection-side electrical conductor tracks and contact surfaces are not wetted by the medium to be detected anyway, the connection-side conductor tracks can alternatively or additionally also be made of a different material than the sensor surfaces on the media side. The media-side and / or connection-side electrical conductor tracks are preferred to avoid unnecessarily high costs made of a material with a lower positive normal potential in terms of amount compared to a normal hydrogen electrode, measured at 25 ° C., 1013 hPa. The sensor surfaces particularly preferably comprise platinum or preferably gold. A PtAg alloy has proven to be particularly effective. The media-side and / or connection-side electrical conductor tracks preferably comprise silver or a silver alloy. An AgPd alloy is particularly preferred. Despite all the differences between the materials mentioned, the material for producing the sensor surfaces and the material for producing the electrical conductor tracks preferably have a common electrically conductive alloy component in order to avoid undesirable galvanic corrosion at contact points of the different materials.
Im Gegensatz zu den Sensorflächen, welche lediglich benetzbar sein müssen und dabei chemisch stabil sein sollen, ist es zum erleichterten Anschluss von elektrischen Leitern an die Kontaktflächen von Vorteil, wenn das Material der Kontaktflächen eine Lötverbindung zulässt, also lötbar ist. Die oben genannte AgPd-Legierung leistet das. In contrast to the sensor surfaces, which only have to be wettable and should be chemically stable, it is advantageous for easier connection of electrical conductors to the contact surfaces if the material of the contact surfaces allows a soldered connection, i.e. is solderable. The AgPd alloy mentioned above does this.
Zur Sicherstellung einer besonders einfach herstellbaren durchgängigen elektrischen Leitfähigkeit und zur Vermeidung unnötiger galvanischer Elemente sind bevorzugt die medienseitigen elektrischen Leiterbahnen und die anschlussseitigen elektrischen Leiterbahnen aus demselben Material gebildet. In order to ensure a continuous electrical conductivity that is particularly easy to produce and to avoid unnecessary galvanic elements, the media-side electrical conductor tracks and the connection-side electrical conductor tracks are preferably formed from the same material.
Aus demselben Grund sind bevorzugt Kontaktflächen und die anschlussseitigen Lei terbahnen aus demselben Material gebildet. Sie sind bevorzugt einstückig gebildet. For the same reason, contact surfaces and the connection-side Lei terbahnen are preferably formed from the same material. They are preferably formed in one piece.
Um auch auf der Anschlussseite einen Feuchtigkeit- oder Flüssigkeitszugang zu den Durchgangsöffnungen zu erschweren, kann auch auf der Anschlussseite eine An schluss-Deckschicht aufgetragen sein, welche im Erstreckungsbereich von Kontakt flächen die Anschluss-Deckschicht in Dickenrichtung durchsetzende Aussparungen aufweist und welche wenigstens einen Teil der Durchgangsöffnungen überdeckt. Be vorzugt überdeckt die Anschluss-Deckschicht zusätzlich wenigstens einen Teil der anschlussseitigen Leiterbahnen aus den oben zur Medien-Deckschicht bereits ge nannten Gründen. Es gilt für die Anschluss-Deckschicht das vorstehend und nach folgend zur Medien-Deckschicht Gesagte. Bevorzugt überdeckt die Medien-Deckschicht zur noch besseren Abschirmung elek trisch leitfähiger Komponenten des Sensors wenigstens einen Teil, vorzugsweise alle der medienseitigen Leiterbahnen vollständig. Gemäß dieser vorteilhaften Weiterbil dung befindet sich auf der Medienseite der Trägerplatte im Bereich der zugeordneten Aussparungen der Medien-Deckschicht ausschließlich Material der Sensorflächen. Zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Verbindung kann sich im Bereich einer solchen Aussparung auch Material einer medienseitigen elektrischen Leiterbahn be finden, dann jedoch bevorzugt unter dem Material der Sensorfläche, also in Dicken richtung des Sensors zwischen der Sensorfläche und der Trägerplatte. Bevorzugt ist eine solche Überlappung von Material einer Sensorfläche und Material einer elek trischen Leiterbahn jedoch unter der Medien-Deckschicht gebildet. In order to make moisture or liquid access to the passage openings more difficult on the connection side as well, a connection cover layer can also be applied to the connection side, which has recesses penetrating the connection cover layer in the direction of thickness in the extension area of contact surfaces and which has at least part of the Covered through openings. The connection cover layer preferably additionally covers at least part of the connection-side conductor tracks for the reasons already mentioned above for the media cover layer. What has been said above and below about the media cover layer applies to the connection cover layer. For even better shielding of electrically conductive components of the sensor, the media cover layer preferably covers at least a part, preferably all of the media-side conductor tracks completely. According to this advantageous development, only material from the sensor surfaces is located on the media side of the carrier plate in the area of the associated recesses in the media cover layer. To produce an electrically conductive connection, material of a media-side electrical conductor track can also be found in the area of such a recess, but then preferably under the material of the sensor surface, i.e. in the thickness direction of the sensor between the sensor surface and the carrier plate. Such an overlap of the material of a sensor surface and the material of an electrical conductor path is, however, preferably formed under the media cover layer.
Besonders vorteilhaft kann wenigstens ein Teil der Durchgangsöffnungen, vorzugs weise können alle Durchgangsöffnungen Material der anschlussseitigen oder/und der medienseitigen elektrischen Leiterbahnen aufweisen, um eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen der Medienseite und der Anschlussseite durch die jeweilige Durchgangsöffnung hindurch bereitzustellen. Somit kann sich in wenigstens einem Teil der Durchgangsöffnungen Material der anschlussseitigen oder/und der medien seitigen elektrischen Leiterbahnen befinden, um einen Abschnitt der elektrisch leiten den Verbindung von Kontaktflächen der Anschlussseite mit Sensorflächen der Medienseite zu bilden. Particularly advantageously, at least some of the through openings, preferably all through openings, can have material from the connection-side and / or the media-side electrical conductor tracks in order to provide an electrically conductive connection between the media side and the connection side through the respective through-opening. Thus, material of the connection-side and / or the media-side electrical conductor tracks can be located in at least some of the through openings in order to form a section of the electrically conductive connection of contact surfaces on the connection side with sensor surfaces on the media side.
Um wiederum unerwünschte galvanische Elemente in den Durchgangsöffnungen zu vermeiden und um eine gute elektrische Leitfähigkeit durch die Durchgangsöffnun gen hindurch sicherstellen zu können, befindet sich in wenigstens einem Teil der Durchgangsöffnungen bevorzugt nur Material der anschlussseitigen oder/und der medienseitigen elektrischen Leiterbahnen. Die Füllung der Durchgangsöffnungen mit dem Material der anschlussseitigen oder/und der medienseitigen elektrischen Leiter bahnen kann in einfacher Weise gemeinsam mit den elektrischen Leiterbahnen her gestellt werden. Bevorzugt werden die elektrischen Leiterbahnen - ebenso wie im Übrigen die Sensorflächen - im Siebdruckverfahren hergestellt, was gegenüber den der Halbleitertechnik entlehnten Auftragsverfahren der WO 2006/107728 A1 eine erhebliche prozessuale Vereinfachung des Herstellungsverfahrens bedeutet. Nach einem Auftrag der elektrischen Leiterbahnen auf die Trägerplatte wird die Träger platte bevorzugt thermisch gebrannt, um die Leiterbahnen in ihren endgültigen Zu stand überzuführen und auf der Trägerplatte zu fixieren. Entsprechendes gilt auch für die Sensorflächen nach deren Auftrag auf die Trägerplatte und gegebenenfalls ab schnittsweise über einen Abschnitt der, dann vorzugsweise bereits gebrannten, Lei terbahnen. In order to avoid unwanted galvanic elements in the through-openings and to be able to ensure good electrical conductivity through the through-openings, only material from the connection-side and / or media-side electrical conductor tracks is preferably located in at least some of the through-openings. The filling of the through-openings with the material of the connection-side and / or the media-side electrical conductor tracks can be made in a simple manner together with the electrical conductor tracks ago. The electrical conductor tracks - as well as the rest of the sensor surfaces - are preferably produced using the screen printing process, which is compared to Application method of WO 2006/107728 A1, which is borrowed from semiconductor technology, means a considerable procedural simplification of the manufacturing method. After the electrical conductor tracks have been applied to the carrier plate, the carrier plate is preferably thermally fired in order to transfer the conductor tracks to their final status and to fix them on the carrier plate. The same also applies to the sensor surfaces after they have been applied to the carrier plate and, if necessary, in sections over a section of the, then preferably already fired, Lei terbahnen.
Ein Großteil der oder sogar alle Kontaktflächen auf der Anschlussseite können mit einem Stecker- oder Buchsenelement verbunden sein, welches in einfacher Weise einen Anschluss des Sensors an eine Signalauswertevorrichtung oder/und an eine Signaleinspeisevorrichtung ermöglicht. Von der Signalauswertevorrichtung oder/und Signaleinspeisevorrichtung verläuft dann ein elektrischer Leiter mit einem zum Stecker- oder Buchsenelement des Sensors komplementären vorrichtungsseitigen Buchsen- bzw. Steckerelement, sodass eine einfache elektrisch leitfähige Steckver bindung zwischen dem Sensor und der Signalauswertevorrichtung oder/und Signal einspeisevorrichtung herstellbar ist. Selbst verständlich können gemäß einer wegen der verminderten Flexibilität der Einsatzmöglichkeiten des Sensors weniger bevor zugten Ausführungsform auch von der Signalauswertevorrichtung oder/und Signal einspeisevorrichtung kommende elektrische Leitungen unmittelbar an die Kontakt flächen angelötet oder sonstwie verbunden sein. Wenigstens zwei der Kontakt flächen können mit einem Temperatursensor verbunden sein, um zusätzlich eine Temperaturinformation über den Sensor im Betrieb bereitstellen zu können. Somit können von dem Sensor gelieferte Erfassungsergebnis online temperaturkompen siert werden. Most or even all of the contact surfaces on the connection side can be connected to a plug or socket element, which enables the sensor to be connected to a signal evaluation device and / or to a signal feed device in a simple manner. An electrical conductor then runs from the signal evaluation device and / or signal feed device with a device-side socket or plug element complementary to the plug or socket element of the sensor, so that a simple electrically conductive connector between the sensor and the signal evaluation device and / or signal feed device can be established. Of course, according to an embodiment which is less preferred because of the reduced flexibility of the possible uses of the sensor, electrical lines coming from the signal evaluation device and / or signal feed device can also be soldered or otherwise connected directly to the contact surfaces. At least two of the contact surfaces can be connected to a temperature sensor in order to be able to additionally provide temperature information about the sensor during operation. In this way, the detection results supplied by the sensor can be temperature-compensated online.
Bevorzugt bedeckt die Medien-Deckschicht 70 % oder mehr, etwa wenigstens 85 %, der medienseitige Oberfläche der Trägerplatte. Ein Außenumfang der Medien-Deck schicht umschließt bevorzugt mehr als 90 % oder sogar mehr als 95 % der medien seitigen Oberfläche der Trägerplatte. In einer späteren Weiterverarbeitung kann der Sensor, umfassend die Trägerplatte, die Sensorflächen, die elektrischen Leiter- bahnen und Kontaktflächen sowie die Medien-Deckschicht und gegebenenfalls die Anschluss-Deckschicht in ein Kunststoffgehäuse eingebettet sein, vorzugsweise durch Anspritzen des Kunststoffgehäuses an den Sensor im Spritzgussverfahren. Eine besonders haltbare und belastbare Verbindung zwischen dem Kunststoff gehäuse und dem Sensor kann dabei dadurch erhalten werden, dass der Rand der Trägerplatte auf der Medienseite parallel zur medienseitigen Oberfläche der Träger platte mit Abstand von einem um die Medien-Deckschicht umlaufenden Rand der Medien-Deckschicht angeordnet ist. The media cover layer preferably covers 70% or more, for example at least 85%, of the media-side surface of the carrier plate. An outer circumference of the media cover layer preferably encloses more than 90% or even more than 95% of the media-side surface of the carrier plate. In a later further processing, the sensor, including the carrier plate, the sensor surfaces, the electrical conductor tracks and contact surfaces as well as the media cover layer and optionally the connection cover layer can be embedded in a plastic housing, preferably by molding the plastic housing onto the sensor in an injection molding process. A particularly durable and resilient connection between the plastic housing and the sensor can be obtained by arranging the edge of the carrier plate on the media side parallel to the media-side surface of the carrier plate at a distance from an edge of the media cover layer that runs around the media cover layer is.
Die Trägerplatte ist bevorzugt aus einer, verglichen mit den Materialien zur Herstel lung der Sensorflächen, der Kontaktflächen und der genannten elektrischen Leiter bahnen, elektrisch nicht-leitenden Keramik hergestellt. Bevorzugt ist die Trägerplatte nur aus dieser nicht leitenden Keramik hergestellt. Die Keramik kann eine zur Verbin dung mit dem angespritzten Kunststoff besonders geeignete rauere Oberfläche auf weisen als die Medien-Deckschicht oder/und die Anschluss-Deckschicht. Bevorzugt ist die Trägerplatte aus einer Sinter-Keramik hergestellt, sodass die Medien-Deck schicht oder/und die Anschluss-Deckschicht eine mikro-formschlüssige, hochfeste Verbindung mit der Trägerplatte eingehen können. Gleiches gilt für etwaig ange spritzten Kunststoff. The carrier plate is preferably made of an electrically non-conductive ceramic material compared to the materials used to manufacture the sensor surfaces, the contact surfaces and the said electrical conductors. The carrier plate is preferably made only from this non-conductive ceramic. The ceramic can have a rougher surface that is particularly suitable for connection to the injection-molded plastic than the media cover layer and / or the connection cover layer. The carrier plate is preferably made from a sintered ceramic so that the media cover layer and / or the connection cover layer can enter into a micro-positive, high-strength connection with the carrier plate. The same applies to any plastic that has been injected.
Bevorzugt sind alle Materialien zur Herstellung von Trägerplatte, Deckschichten, Sensorflächen, Kontaktflächen und elektrischen Leiterbahnen frei von Cadmium. All materials for producing the carrier plate, cover layers, sensor surfaces, contact surfaces and electrical conductor tracks are preferably free of cadmium.
Zur Sicherstellung einer möglichst guten Verbindbarkeit mit Kunststoff auch auf der Anschlussseite des Sensors, ist es vorteilhaft, wenn der Rand der Trägerplatte auf der Anschlussseite parallel zur anschlussseitigen Oberfläche der Trägerplatte mit Abstand von einem um die Anschluss-Deckschicht umlaufenden Rand der An schluss-Deckschicht angeordnet ist. Bevorzugt ist sowohl auf der Medienseite als auch auf der Anschlussseite der Abstand der jeweiligen Deckschicht vom Rand der Trägerplatte längs des Randes der Trägerplatte konstant. Die Medien- oder/und Anschluss-Deckschicht kann bzw. können ebenfalls eine kera mische Schicht sein, die elektrisch nicht leitfähig sein darf, um keine Kurzschlüsse zwischen den Sensorflächen oder den Leiterbahnen oder den Kontaktflächen herzu stellen. Die Deckschicht ist bevorzugt eine glasartige Schicht, wie beispielsweise eine Glasur oder eine Glas-Lage. Die Medien- oder/und Anschluss-Deckschicht kann zunächst sehr exakt im Siebdruckverfahren aufgetragen und dann thermisch durch Befeuern bzw. Brennen in einen amorphen Zustand hoher Dichtigkeit gebracht wer den. To ensure the best possible connectivity with plastic on the connection side of the sensor, it is advantageous if the edge of the carrier plate on the connection side is arranged parallel to the connection-side surface of the carrier plate at a distance from an edge of the connection cover layer that runs around the connection cover layer is. The distance between the respective cover layer and the edge of the carrier plate along the edge of the carrier plate is preferably constant both on the media side and on the connection side. The media and / or connection cover layer can also be a ceramic layer which must not be electrically conductive in order not to make short circuits between the sensor surfaces or the conductor tracks or the contact surfaces. The cover layer is preferably a glass-like layer, such as a glaze or a sheet of glass. The media and / or connection cover layer can first be applied very precisely using the screen printing process and then thermally brought into an amorphous state of high density by firing or firing.
Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors, wir oben beschrieben und weitergebildet ist. Das Verfahren umfasst die fol genden Verfahrensschritte: The present invention also relates to a method for producing a sensor, as described and developed above. The procedure comprises the following procedural steps:
Bereitstellen einer Trägerplatte mit der im Messbetrieb dem Medium zuge wandten Medienseite und mit der der Medienseite entgegengesetzten An schlussseite sowie mit Durchgangsöffnungen, welche, die Trägerplatte durch setzend, zwischen der Medienseite und der Anschlussseite verlaufen, Provision of a carrier plate with the media side facing the medium during measurement operation and with the connection side opposite the media side as well as with through-openings which, passing through the carrier plate, run between the media side and the connection side,
Bedrucken der Anschlussseite mit einem ersten elektrisch leitfähige Partikel enthaltenden Druckmedium zur Ausbildung der Kontaktflächen, Printing the connection side with a first print medium containing electrically conductive particles to form the contact surfaces,
Bedrucken der Medienseite mit einem zweiten elektrisch leitfähige Partikel enthaltenden Druckmedium zur Ausbildung der Sensorflächen, Printing the media side with a second printing medium containing electrically conductive particles to form the sensor surfaces,
Aufträgen einer Medien-Deckschicht auf die bedruckte Medienseite unter Aus sparung von Sensorflächenbereichen, Application of a media cover layer on the printed media side, leaving out sensor surface areas,
wobei beim Bedrucken der Anschlussseite oder/und beim Bedrucken der Medien seite Durchgangsöffnungen mit dem ersten oder/und mit dem zweiten Druckmedium gefüllt werden. wherein when printing the connection side and / or when printing the media side, through openings are filled with the first and / or with the second printing medium.
Das Verfahren wurde bereits oben im Zusammenhang mit der Beschreibung des Sensors im Detail erläutert, sodass zur näheren Erläuterung des Verfahrens auf den obigen Vortrag zum Sensor verwiesen wird. Demgemäß ist das bevorzugte Druck verfahren ein Siebdruckverfahren, wenngleich andere Druckverfahren nicht ausge schlossen sein sollen. Sich aus dem genannten Verfahren ergebende Vorteile und Ausgestaltungen des Sensors sind Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Sen- sors. Sich aus dem beschriebenen Sensor ergebende Vorteile und Ausgestaltungen des Herstellungsverfahrens des Sensors sind Weiterbildungen des erfindungsge mäßen Herstellungsverfahrens. The method has already been explained in detail above in connection with the description of the sensor, so that reference is made to the above lecture on the sensor for a more detailed explanation of the method. Accordingly, the preferred printing method is a screen printing method, although other printing methods should not be excluded. The advantages and configurations of the sensor resulting from the method mentioned are further developments of the inventive sensor sors. Advantages and configurations of the manufacturing method of the sensor resulting from the described sensor are further developments of the manufacturing method according to the invention.
Da bevorzugt die medienseitigen elektrischen Leiterbahnen zumindest abschnitts weise zwischen den Sensorflächen und der Trägerplatte angeordnet sein sollen, ist es bevorzugt, wenn das Verfahren vor dem Bedrucken der Medienseite mit dem zweiten Druckmedium einen Schritt eines Bedruckens der Medienseite mit dem ers ten Druckmedium aufweist, um auf der Medienseite elektrische Leiterbahnen auszu bilden. Since the media-side electrical conductor tracks are preferably to be arranged at least in sections between the sensor surfaces and the carrier plate, it is preferred if the method has a step of printing the media side with the first printing medium before printing the media side with the second printing medium form the media side electrical traces trainees.
Zwischen zwei Schritten eines Bedruckens ein und derselben Seite der Trägerplatte mit unterschiedlichen Druckmedien umfasst das Verfahren bevorzugt den Schritt eines Brennens des bereits aufgedruckten Druckmediums, wobei das bereits aufge druckte Druckmedium aufgeschmolzen oder/und Bestandteile desselben verdampft wird bzw. werden.. Between two steps of printing one and the same side of the carrier plate with different print media, the method preferably includes the step of burning the print medium that has already been printed on, with the print medium that has already been printed on being melted and / or its constituents being evaporated.
Zur Vermeidung von unerwünschten Materialmischungen in den Durchgangsöffnun gen oder/und zur Bereitstellung von maximal mit elektrisch leitfähigem Material ge füllten Durchgangsöffnungen ist es vorteilhaft, wenn beim Bedrucken der Anschluss seite oder/und beim Bedrucken der Medienseite Durchgangsöffnungen nur mit dem ersten Druckmedium gefüllt werden. To avoid undesirable material mixtures in the Durchgangsöffnun conditions and / or to provide a maximum of electrically conductive material filled through openings, it is advantageous if when printing the connection side and / and when printing the media side, through openings are only filled with the first print medium.
Wie bereits im Zusammenhang mit dem Sensor erläutert, kann das Verfahren den Schritt eines Auftragens einer Anschluss-Deckschicht auf die bedruckte Anschluss seite unter Aussparung von Kontaktflächenbereichen aufweisen. Bevorzugt erfolgt das Aufträgen einer Deckschicht, sei es die Medien-oder die Anschluss-Deckschicht, im Siebdruckverfahren. Da glasartige Deckschichten bevorzugt sind, wird eine Deck schicht nicht in der endgültig am fertig gestellten Sensor verwendeten Form aufge tragen, sondern als Zwischenprodukt, welches nach dem Aufträgen einer thermi schen Schmelzbehandlung unterzogen wird. Zur Realisierung dieser Schmelzbehandlung kann das Verfahren wenigstens einenAs already explained in connection with the sensor, the method can have the step of applying a connection cover layer to the printed connection side while leaving out contact surface areas. A cover layer, be it the media or the connection cover layer, is preferably applied using the screen printing process. Since glass-like cover layers are preferred, a cover layer is not applied in the final form used on the finished sensor, but as an intermediate product, which is subjected to a thermal melt treatment after application. To implement this melt treatment, the method can use at least one
Schritt eines Brennens der mit wenigstens einem Materialauftrag versehenen, insbe sondere bedruckten oder/und mit wenigstens einer Deckschicht versehenen, Träger platte aufweisen. Step of burning the provided with at least one material application, in particular special printed and / or provided with at least one cover layer, carrier plate.
Fig. 1 : eine schematische Aufrissansicht einer erfindungsgemäßen Ausführungs form eines Impedanzspektroskopie-Sensors der vorliegenden Anmeldung, Fig. 1: a schematic elevation view of an inventive embodiment of an impedance spectroscopy sensor of the present application,
Fig. 2A:eine schematische Draufsicht auf die Anschlussseite des Sensors von Fig. 1 , FIG. 2A: a schematic plan view of the connection side of the sensor from FIG. 1,
Fig. 2B:eine schematische Draufsicht auf die Medienseite des Sensors von Figur 1 und 2A, 2B: a schematic top view of the media side of the sensor from FIGS. 1 and 2A,
Fig. 3A:eine schematische Draufsicht auf die Medienseite der Trägerplatte des Sen sors der Figuren 1 und 2, wobei nur die darauf aufgedruckten elektrischen Leiterbahnen dargestellt sind, 3A: a schematic plan view of the media side of the carrier plate of the sensor of FIGS. 1 and 2, only the electrical conductor tracks printed thereon being shown,
Fig. 3B:eine schematische Draufsicht auf die Medienseite der Trägerplatte des Sen sors der Figuren 1 und 2, wobei nur das darauf zur Ausbildung der Sensor flächen aufgedruckte Material dargestellt ist, 3B: a schematic plan view of the media side of the carrier plate of the sensor of FIGS. 1 and 2, only the material printed thereon for forming the sensor surfaces being shown,
Fig. 3C:eine schematische Draufsicht auf die Medienseite der Trägerplatte des Sen sors der Figuren 1 und 2, wobei nur die darauf aufgebrachte Medien-Deck- schicht dargestellt ist, 3C: a schematic plan view of the media side of the carrier plate of the sensor of FIGS. 1 and 2, only the media cover layer applied thereon being shown,
Fig. 4A:eine schematische Draufsicht auf die Anschlussseite der Trägerplatte des Sensors der Figuren 1 und 2, wobei nur die darauf aufgedruckten elektri schen Leiterbahnen dargestellt sind, und 4A: a schematic plan view of the connection side of the carrier plate of the sensor of FIGS. 1 and 2, only the electrical conductor paths printed thereon being shown, and
Fig. 4B:eine schematische Draufsicht auf die Anschlussseite der Trägerplatte des Sensors der Figuren 1 und 2, wobei nur die darauf aufgebrachte Anschluss- Deckschicht dargestellt ist. In Figur 1 ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Impedanzspektrosko pie-Sensors der vorliegenden Anmeldung allgemein mit 10 bezeichnet. Der Sensor 10 umfasst eine Trägerplatte 12, bevorzugt aus gesinterter Keramik, mit einer im Er fassungsbetrieb des Sensors einem Medium M als Messobjekt, wie etwa einer Zell suspension, zugewandten Medienseite 14 und einer entgegengesetzten, vom Medium abgewandten und für elektrische Anschlüsse genutzten Anschlussseite 16. 4B: a schematic plan view of the connection side of the carrier plate of the sensor in FIGS. 1 and 2, only the connection cover layer applied thereon being shown. In Figure 1, an embodiment according to the invention of an impedance spectroscopy pie sensor of the present application is generally designated 10. The sensor 10 comprises a carrier plate 12, preferably made of sintered ceramic, with a media side 14 facing a medium M as the measurement object, such as a cell suspension, when the sensor is in detection mode, and an opposite connection side 16 that faces away from the medium and is used for electrical connections.
Auf der Medienseite 14 befinden sich insgesamt drei flächige Aufträge in Musterform aus unterschiedlichem Material. Diese werden weiter unten im Zusammenhang mit den Figuren 3A bis 3C näher erläutert. On the media side 14 there are a total of three flat orders in sample form made from different materials. These are explained in more detail below in connection with FIGS. 3A to 3C.
Auf der Anschlussseite 16 befinden sich insgesamt zwei flächige Aufträge in Muster form aus unterschiedlichem Material. Diese werden weiter unten im Zusammenhang mit den Figuren 4A und 4B näher erläutert. On the connection side 16 there are a total of two flat orders in the form of samples made of different materials. These are explained in more detail below in connection with FIGS. 4A and 4B.
Auf der Anschlussseite 16 befindet sich ein Steckerelement 18, welches mit seinen insgesamt acht Kontaktfüßen 20 an acht Kontaktflächen 22 bis 36 (siehe Figur 4A) angelötet ist. Das Steckerelement 18 umfasst auf seiner von den Kontaktfüßen 20 abgewandten Seite acht Anschlusspins 38, von welchen jeder mit einem anderen Kontaktfuß elektrisch leitend verbunden ist und welche durch Aufstecken eines in den Figuren nicht dargestellten korrespondierenden Buchsenelements mit einer Signalauswertevorrichtung oder/und Signaleinspeisevorrichtung 39 zur Signalüber tragung elektrisch leitend verbunden werden kann. On the connection side 16 there is a plug element 18 which, with its total of eight contact feet 20, is soldered to eight contact surfaces 22 to 36 (see FIG. 4A). On its side facing away from the contact feet 20, the plug element 18 comprises eight connection pins 38, each of which is electrically conductively connected to a different contact foot and which, by plugging in a corresponding socket element (not shown in the figures) with a signal evaluation device and / or signal feed device 39, for signal transmission can be electrically connected.
Auf der Anschlussseite ist an zwei weiteren Kontaktflächen 40 und 42 ein Tempera tursensor 44 angelötet, durch welchen vom Temperatursensor 44 generierte Signale, die eine Temperaturinformation über den Sensor 10 im Bereich der Trägerplatte 12 transportieren, zu den Kontaktflächen 34 bzw. 26 und damit zu zugeordneten An schlusspins des Steckerelements 18 übertragen werden. In Figur 2A ist die Anschlussseite 16 des Sensors 10 in der Draufsicht gezeigt. Der besseren Übersichtlichkeit wegen sind nicht alle acht Anschlusspins des Steckerele ments 18 mit Bezugszeichen versehen. On the connection side, a temperature sensor 44 is soldered to two further contact surfaces 40 and 42, through which signals generated by the temperature sensor 44, which transport temperature information about the sensor 10 in the area of the carrier plate 12, to the contact surfaces 34 and 26 and thus to be assigned At the connection pins of the connector element 18 are transmitted. In Figure 2A, the connection side 16 of the sensor 10 is shown in plan view. For the sake of clarity, not all eight connection pins of the connector element 18 are provided with reference symbols.
In Figur 2B ist eine Draufsicht auf die Medienseite 14 des Sensors 10 und der Trä gerplatte 12 gezeigt. In dieser Anmeldung werden die Seitenangaben: Medienseite und Anschlussseite, sowohl für den Sensor insgesamt als auch für die Trägerplatte verwendet, da die flächige Trägerplatte bestimmend für die genannten Seiten ist und die Anschlussseite von der Medienseite trennt. In Figure 2B, a plan view of the media side 14 of the sensor 10 and the carrier plate 12 is shown. In this application, the page references: media side and connection side are used both for the sensor as a whole and for the carrier plate, since the flat carrier plate is decisive for the mentioned sides and separates the connection side from the media side.
Zu erkennen sind in Figur 2B die Sensorflächen 46 bis 56, von welchen jede durch eine Aussparung 58 bis 68 in einer glasartigen Medien-Deckschicht 70 hindurch zu gänglich ist. The sensor areas 46 to 56 can be seen in FIG. 2B, each of which is accessible through a recess 58 to 68 in a glass-like media cover layer 70.
Die Trägerplatte 12 hat eine hexagonale Grundfläche, was jedoch lediglich beispiel haft ist. Die Grundfläche der Trägerplatte 12 kann eine beliebige Gestalt aufweisen, wie etwa kreisrund, elliptisch, quadratisch, oktogonal und dergleichen. Die Träger platte 12 ist bevorzugt eben. The carrier plate 12 has a hexagonal base, but this is only an example. The base of the carrier plate 12 can have any shape, such as circular, elliptical, square, octagonal and the like. The carrier plate 12 is preferably flat.
Da der Rand 70a der Medien-Deckschicht 70 vom Seitenrand 12a der Trägerplatte 12 mit, vorzugsweise konstantem, Abstand in Richtung zur Mitte der Trägerplatte 12 hin verläuft, hat auch die Medien-Deckschicht 70 eine hexagonale Grundform. Since the edge 70a of the media cover layer 70 extends from the side edge 12a of the carrier plate 12 at a, preferably constant, distance in the direction of the center of the carrier plate 12, the media cover layer 70 also has a hexagonal basic shape.
Im dargestellten Beispiel sind die Flächen der Aussparungen 58 bis 68 jeweils größer als die Flächen der durch die Aussparungen 58 bis 68 hindurch jeweils für das Me dium als Messobjekt zugänglichen Sensorflächen 46 bis 56. Dies muss nicht so sein. Es können auch die Sensorflächen 46 bis 56 mit größerer Fläche als die ihnen je weils zugeordnete Aussparung ausgebildet sein, sodass eine einer Sensorfläche zu geordnete Aussparung mit ihrer Aussparungsfläche die Größe der Sensorfläche be stimmt. In Figur 3A ist die Medienseite 14 der Trägerplatte 12 dargestellt. Zu erkennen sind sechs Durchgangsöffnungen 72 bis 82, welche als die Trägerplatte 12 in einer zur Zeichenebene der Fig. 3A orthogonalen Dickenrichtung vollständig durchsetzende Kanäle ausgebildet sind und somit eine körperliche Verbindung von Medienseite 14 und Anschlussseite 16 ermöglichen. In the example shown, the areas of the cutouts 58 to 68 are each larger than the areas of the sensor areas 46 to 56 which are accessible through the cutouts 58 to 68 for the medium as the measurement object. This need not be the case. The sensor areas 46 to 56 can also be designed with a larger area than the recess assigned to them, so that a recess assigned to a sensor area with its recess area determines the size of the sensor area. In Figure 3A, the media side 14 of the carrier plate 12 is shown. Six through-openings 72 to 82 can be seen, which are designed as the carrier plate 12 in a thickness direction that is orthogonal to the plane of the drawing in FIG. 3A and thus enable a physical connection between the media side 14 and the connection side 16.
Im Bereich der Durchgangsöffnungen 72 bis 82 sind auf der Medienseite 14 im Sieb druckverfahren elektrische Leiterbahnen 84 bis 94 aufgedruckt, und zwar im darge stellten Ausführungsbeispiel im Bereich jeder der Durchgangsöffnungen 72 bis 82 je eine elektrische Leiterbahn 84 bis 94. Mit dem Aufdruck der Leiterbahnen 84 wurde auch Leiterbahn-Material in die Durchgangsöffnungen 72 bis 82 eingebracht, um eine die Durchgangsöffnungen 72 bis 82 durchsetzende elektrische Leitung zu bil den. Die elektrischen Leiterbahnen 84 bis 94 werden als Paste aufgedruckt, welche eine Silber-Palladium-Legierung enthält. Die elektrischen Leiterbahnen 84 bis 94 werden durch Brennen auf der Trägerplatte 12 fixiert. Hierzu wird die bedruckte Trä gerplatte auf Temperaturen von über 800 °C erwärmt. Im fertig gebrannten Zustand sind die elektrischen Leiterbahnen 84 bis 94 lötbar. Wenngleich nicht aus geschlossen sein soll, dass nur ein Brennvorgang alle auf die Trägerplatte aufgetra genen schmelzbehandelbaren Materialaufträge gleichzeitig thermisch fixiert, so ist zur Erzielung eines möglichst exakten jeweiligen Materialauftragsbildes auf der Trä gerplatte 12 bevorzugt, wenn die Trägerplatte mehrfach gebrannt wird. Bevorzugt wird die Trägerplatte 12 materialweise gebrannt, so dass nach jedem Auftrag, insbe sondere Aufdruck, eines Materials und vor einem Auftrag, insbesondere Aufdruck, eines anderen Materials auf dieselbe Seite der Trägerplatte das bereits musterartig aufgetragene Material durch Brennen fixiert wird. Ebenso wird nach dem letzten Materialauftrag, das ist in der Regel eine Deckschicht, das aufgetragene Material durch Brennen fixiert. In the area of the through openings 72 to 82, electrical conductor tracks 84 to 94 are printed on the media side 14 using the screen printing process, namely in the illustrated embodiment in the area of each of the through openings 72 to 82 each an electrical conductor track 84 to 94. With the imprint of the conductor tracks 84 conductor track material was also introduced into the through openings 72 to 82 in order to form an electrical line passing through the through openings 72 to 82. The electrical conductor tracks 84 to 94 are printed on as a paste which contains a silver-palladium alloy. The electrical conductor tracks 84 to 94 are fixed on the carrier plate 12 by firing. For this purpose, the printed carrier plate is heated to temperatures of over 800 ° C. In the completely fired state, the electrical conductor tracks 84 to 94 can be soldered. Although it should not be ruled out that only one firing process thermally fixes all melt-treatable material applications applied to the carrier plate at the same time, in order to achieve the most exact possible material application image on the carrier plate 12, it is preferred if the carrier plate is fired several times. Preferably, the carrier plate 12 is fired material by material, so that after each application, in particular special imprint, of a material and before an application, in particular imprint, of another material on the same side of the carrier plate, the material already applied in a pattern is fixed by firing. Likewise, after the last material application, which is usually a top layer, the applied material is fixed by firing.
Die Leiterbahnen 84 bis 94 weisen jeweils einen Überlappungsabschnitt auf, der durch das gleiche Bezugszeichen wie die Leiterbahn, jedoch unter Hinzufügung des Kleinbuchstabens "a" gekennzeichnet ist. Die Überlappungsabschnitte 84a bis 94a, von welchen einige oder alle mit größerer Fläche als die sie mit der zugeordneten Durchgangsöffnung verbindende restliche Leiterbahn ausgebildet sein können, wer den, bevorzugt nach einem Brennvorgang, mit Material zur Herstellung der Sensor flächen 46 bis 56 überdruckt, sodass die Überlappungsabschnitte 84a bis 94a am Ende des Herstellungsprozesses zwischen dem Material der Sensorflächen 46 bis 56 und der Trägerplatte 12 gelegen ist. The conductor tracks 84 to 94 each have an overlap section which is identified by the same reference symbol as the conductor track, but with the addition of the lowercase letter "a". The overlapping sections 84a to 94a, some or all of which have a larger area than they are associated with The remaining conductor track connecting the through-opening can be formed, preferably after a firing process, overprinted with material for the production of the sensor surfaces 46 to 56, so that the overlapping sections 84a to 94a at the end of the production process between the material of the sensor surfaces 46 to 56 and the carrier plate 12 is located.
Bevorzugt nach den Leiterbahnen 84 bis 94 werden auf die Medienseite 14 der Trä gerplatte 12, ebenfalls im Siebdruckverfahren, und auf die Überlappungsabschnitte 84a bis 94a die Sensorflächen 46 bis 56 aufgedruckt. Diese sind in Figur 3B gezeigt. Auch die Sensorflächen 46 bis 56 weisen jeweils einen mit dem gleichen Bezugs zeichen wie die übrige Sensorfläche, jedoch unter Hinzufügung des Kleinbuch stabens "a" bezeichneten Überlappungsabschnitt auf, welcher in der oben genannten Art und Weise einen zugeordneten der Überlappungsabschnitte 84a bis 94a der Lei terbahnen 84 bis 94 zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Verbindung mit die sen überlappt. Würde man Figur 3B auf transparenter Unterlage ausdrucken und über Figur 3A legen, würde man die durchgehende elektrische Leitung von den Durchgangsöffnungen 72 bis 82 bis zu den Sensorflächen 46 bis 56 erkennen. Die zur Herstellung der Sensorflächen 46 bis 56 verwendete siebdruckfähige Paste ent hält Platin, insbesondere eine Platin-Silber-Legierung. Auch diese Pasten werden gebrannt, und zwar bevorzugt noch vor einem Auftrag der Medien-Deckschicht in einem gesonderten Brennvorgang. Preferably after the conductor tracks 84 to 94, the sensor surfaces 46 to 56 are printed onto the media side 14 of the carrier plate 12, likewise using the screen printing process, and onto the overlapping sections 84a to 94a. These are shown in Figure 3B. The sensor areas 46 to 56 each have an overlap section labeled with the same reference as the rest of the sensor area, but with the addition of the lowercase letter "a", which terbahnen an associated one of the overlap sections 84a to 94a of the Lei in the above-mentioned manner 84 to 94 to produce an electrically conductive connection with the sen overlaps. If FIG. 3B were to be printed out on a transparent base and placed over FIG. 3A, the continuous electrical line from the through openings 72 to 82 to the sensor surfaces 46 to 56 would be seen. The screen-printable paste used to produce the sensor surfaces 46 to 56 contains platinum, in particular a platinum-silver alloy. These pastes are also fired, preferably in a separate firing process before the media cover layer is applied.
Auf die mit den medienseitigen elektrischen Leiterbahnen 84 bis 94 und den Sensor flächen 46 bis 56 bedruckte Medienseite wird anschließend die in Figur 3C gezeigte Medien-Deckschicht aufgebracht. Das Rohmaterial der Medien-Deckschicht wird ebenfalls im Siebdruckverfahren aufgetragen. Nach dem Brennen der, vorzugsweise aufgedruckten, Medien-Deckschicht bildet die Medien-Deckschicht eine glasartige Lage, wie etwa eine Glasur-Schicht oder Glas-Schicht. Bereits beim Auftrag werden die Aussparungen 58 bis 68 erzeugt, in deren Flächenerstreckung kein Material der Medien-Deckschicht vorliegt, sodass die Aussparungen 58 bis 68 die Medien-Deck schicht vollständig in Dickenrichtung durchsetzen und sodass durch die Ausspa- rungen 58 bis 68 hindurch die Sensorflächen 46 bis 56 zugänglich und insbesondere von dem Medium als Messobjekt benetzbar sind. The media cover layer shown in FIG. 3C is then applied to the media side printed with the media-side electrical conductor tracks 84 to 94 and the sensor surfaces 46 to 56. The raw material of the media cover layer is also applied using the screen printing process. After the media cover layer, which is preferably printed on, has been fired, the media cover layer forms a vitreous layer, such as a glaze layer or glass layer. The recesses 58 to 68 are already produced during the application, in the area of which there is no material of the media cover layer, so that the recesses 58 to 68 completely penetrate the media cover layer in the direction of the thickness and so that the cut-out Rungs 58 to 68 through the sensor surfaces 46 to 56 are accessible and in particular wettable by the medium as the measurement object.
Die Medien-Deckschicht überdeckt zur Abdichtung der Durchgangsöffnungen 72 bis 82 gegen einen Durchtritt einer niedrigviskosen großen Komponente des Mediums als Messobjekt von der Medienseite 14 zur Anschlussseite 16 jede der Durchgangs öffnungen 72 bis 82 und Abschnitte der von ihnen ausgehenden medienseitige elek trischen Leiterbahnen 84 bis 94. Beispielsweise ist im dargestellten Ausführungsbei spiel jede Durchgangsöffnung durch Leiterbahnmaterial umgeben. Wenigstens die sen umgebenden Leiterbahnabschnitt überdeckt die Medien-Deckschicht 70. The media cover layer covers each of the passage openings 72 to 82 and sections of the media-side electrical conductor tracks 84 to 94 emanating from them in order to seal the passage openings 72 to 82 against the passage of a large, low-viscosity component of the medium as a measurement object from the media side 14 to the connection side 16 For example, in the exemplary embodiment shown, each through opening is surrounded by conductor track material. At least the conductor track sections surrounding sen covers the media cover layer 70.
Die Medien-Deckschicht 70 reicht mit ihrem Rand 70a nicht bis zum Rand 12a der Trägerplatte 12, sondern endet mit geringem Abstand von diesem, um ein Umsprit- zen der Trägerplatte 12 mit Kunststoff im Spritzgussverfahren zu erleichtern. The media cover layer 70 with its edge 70a does not extend as far as the edge 12a of the carrier plate 12, but ends at a small distance therefrom in order to facilitate the injection molding of the carrier plate 12 with plastic.
In Figur 4A ist die Anschlussseite der Trägerplatte 12 gezeigt, wie sie nach einem Siebdruck-Aufdruck von Kontaktflächen 22 bis 36, 40 und 42 sowie von einstückig mit den Kontaktflächen 22 bis 36, 40 und 42 ausgebildeten anschlussseitigen elektri schen Leiterbahnen 96 bis 108, welche Kontaktflächen mit Durchgangsöffnungen 72 bis 82 und untereinander verbinden, aussieht. Die anschlussseitigen elektrischen Leiterbahnen 96 bis 104 verbinden je eine Durchgangsöffnung mit wenigstens einer Kontaktfläche, wobei die verzweigte anschlussseitige Leiterbahn 98 auch eine elek trisch leitende Verbindung zwischen den Durchgangsöffnungen 74 und 80 schafft. Die anschlussseitigen elektrischen Leiterbahnen 106 und 108 verbinden die An schluss-Kontaktflächen 40 und 42 des Temperatursensors 44 mit zugeordneten An schluss-Kontaktflächen 34 und 26 zum oben bereits beschriebenen Anschluss des Steckerelements 18 daran. In Figure 4A, the connection side of the carrier plate 12 is shown as it is after a screen printing of contact surfaces 22 to 36, 40 and 42 and integrally formed with the contact surfaces 22 to 36, 40 and 42 connection-side electrical conductor tracks 96 to 108, which Connect contact surfaces with through openings 72 to 82 and with one another, looks. The connection-side electrical conductor tracks 96 to 104 each connect a through-opening to at least one contact surface, the branched connection-side conductor track 98 also creating an electrically conductive connection between the through-openings 74 and 80. The connection-side electrical conductor tracks 106 and 108 connect the connection contact surfaces 40 and 42 of the temperature sensor 44 with associated connection contact surfaces 34 and 26 for the connection of the plug element 18 to it, as already described above.
Zur Ausbildung der Kontaktflächen 22 bis 36, 40 und 42 sowie der anschlussseitigen Leiterbahnen 96 bis 108 wird dasselbe Material verwendet wie zur Herstellung der medienseitigen elektrischen Leiterbahnen 84 bis 94. Mit dem Auftrag von leitfähiger Paste auf die Anschlussseite 16 wird auch von der Anschlussseite 16 aus Leiter- bahn-Material in die Durchgangsöffnungen 72 bis 82 verbracht, sodass eine von der Medienseite 14 zur Anschlussseite 16 reichende elektrisch leitfähige Verbindung in Dickenrichtung durch die Trägerplatte 12 hindurch gesichert ist. Da jedoch beim Brennen des Leiterbahn-Materials dessen Volumen abnehmen kann, ist die Dichtig keit der Durchgangsöffnungen 72 bis 82 nach dem Brennen nicht grundsätzlich ge sichert. Die Dichtigkeit wird durch die Medien-Deckschicht 70 hergestellt. Zur Ver besserung der Dichtigkeit der Durchgangsöffnungen 72 bis 82 gegen Flüssigkeits durchtritt durch diese kann auch auf der Anschlussseite 16 eine Anschluss-Deck schicht 130 aufgetragen sein. Sie ist vorzugsweise aus demselben Material gebildet und im selben Verfahren aufgetragen und verarbeitet wie die Medien-Deckschicht 70, sodass für die Anschluss-Deckschicht 130 das oben zu Medien-Deckschicht 70 Gesagte gilt. Die Anschluss-Deckschicht 130 kann in einem gemeinsamen Brenn vorgang mit der Medien-Deckschicht 70 gebrannt werden. To form the contact surfaces 22 to 36, 40 and 42 and the connection-side conductor tracks 96 to 108, the same material is used as for the production of the media-side electrical conductor tracks 84 to 94. With the application of conductive paste to the connection side 16, the connection side 16 is also used Ladder- Web material is brought into the through openings 72 to 82, so that an electrically conductive connection extending from the media side 14 to the connection side 16 is secured in the thickness direction through the carrier plate 12. However, since the volume of the conductor track material can decrease when it is fired, the tightness of the through openings 72 to 82 is not fundamentally secured after firing. The seal is produced by the media cover layer 70. To improve the tightness of the passage openings 72 to 82 against the passage of liquid through them, a connection cover layer 130 can also be applied to the connection side 16. It is preferably formed from the same material and applied and processed in the same method as the media cover layer 70, so that the statements made above about media cover layer 70 apply to the connection cover layer 130. The connection cover layer 130 can be fired in a joint firing process with the media cover layer 70.
Ebenso können die medienseitigen und die anschlussseitigen Leiterbahnen in einem gemeinsamen Brennvorgang gebrannt werden. The media-side and the connection-side conductor tracks can also be burned in a common burning process.
Durch Aussparungen 1 10 bis 128, welche wiederum die Anschluss-Deckschicht 130 in Dickenrichtung vollständig durchsetzen, sind die Kontaktflächen 22 bis 36, 40 und 42 für eine Kontaktierung durch elektrische Leiter, Sensorbauteile, wie der Tempera tursensor 44, oder Verbindungsbauteile, wie das Steckerelement 18, zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Verbindung mit den Kontaktflächen zugänglich. Through recesses 110 to 128, which in turn completely penetrate the connection cover layer 130 in the thickness direction, the contact surfaces 22 to 36, 40 and 42 are for contact with electrical conductors, sensor components, such as the temperature sensor 44, or connecting components, such as the plug element 18, accessible to produce an electrically conductive connection with the contact surfaces.
Die Anschluss-Deckschicht 130 überdeckt alle Durchgangsöffnungen 72 bis 82 und einen die Durchgangsöffnungen 72 bis 82 umgebenden Leiterbahn-Bereich, sodass ein Flüssigkeitsaustausch zwischen der Medienseite 14 und der Anschlussseite 16 innerhalb der üblichen Betriebsphasen des dargestellten Impedanzspektroskopie- Sensors 10 faktisch unmöglich sind. The connection cover layer 130 covers all through openings 72 to 82 and a conductor track area surrounding the through openings 72 to 82, so that an exchange of liquid between the media side 14 and the connection side 16 within the usual operating phases of the illustrated impedance spectroscopy sensor 10 is virtually impossible.
Auch der Rand 130a der Anschluss-Deckschicht 130 verläuft mit geringem Abstand vom Rand 12a der T rägerplatte 12, sodass um die T rägerplatte 12 umspritzter Kunst stoff die Trägerplatte 12 von drei Seiten umgreifen kann und an diesen drei Seiten mit der lediglich gesinterten Oberfläche der Trägerplatte 12 eine hochfeste mechani sche Verbindung eingehen kann. The edge 130a of the connection cover layer 130 also runs at a small distance from the edge 12a of the carrier plate 12 so that plastic molded around the carrier plate 12 can encompass the carrier plate 12 from three sides and on these three sides can enter into a high-strength mechanical cal connection with the merely sintered surface of the carrier plate 12.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Impedanzspektroskopie-Sensor (10) zur impedanzspektroskopischen Untersu chung eines flüssigen oder pastösen Mediums, insbesondere einer Suspen sion, der Sensor umfassend: 1. Impedance spectroscopy sensor (10) for impedance spectroscopic investigation of a liquid or pasty medium, in particular a suspension, the sensor comprising:
eine Trägerplatte (12) mit einer im Messbetrieb dem Medium (M) zuge wandten Medienseite (14) und mit einer der Medienseite (14) entgegen gesetzten Anschlussseite (16) zum elektrisch leitenden Anschluss einer Steuerungs- oder/und Auswerteelektronik (39), a carrier plate (12) with a media side (14) facing the medium (M) during measurement operation and with a connection side (16) opposite the media side (14) for the electrically conductive connection of control and / or evaluation electronics (39),
Durchgangsöffnungen (72-82), welche, die Trägerplatte (12) durchset zend, zwischen der Medienseite (14) und der Anschlussseite (14) ver laufen, Through-openings (72-82) which, through the carrier plate (12), run between the media side (14) and the connection side (14),
auf der Medienseite (14): eine Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Sen sorflächen (46-56), welche zur Kontaktierung durch das Medium (M) wenigstens abschnittsweise freiliegen, und on the media side (14): a plurality of electrically conductive sensor surfaces (46-56) which are exposed at least in sections for contacting through the medium (M), and
auf der Anschlussseite (16): eine Mehrzahl von elektrischen Kontaktflä chen (22-36, 40, 42), welche auf der Anschlussseite (16) zur Kontaktie rung durch wenigstens eine weitere elektrische Leitung (20) wenigstens abschnittsweise freiliegen, wobei wenigstens ein Teil der elektrischen Kontaktflächen (22-36, 40, 42) durch die Durchgangsöffnungen (72-82) hindurch mit den Sensorflächen (46-56) auf der Medienseite (14) elek trisch leitfähig verbunden sind, on the connection side (16): a plurality of electrical contact surfaces (22-36, 40, 42) which are exposed at least in sections on the connection side (16) for contacting through at least one further electrical line (20), with at least a part the electrical contact surfaces (22-36, 40, 42) are electrically conductively connected to the sensor surfaces (46-56) on the media side (14) through the through openings (72-82),
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens auf der Medienseite (14) eine Medien-Deckschicht (70) aufgetragen ist, welche im Erstreckungsbereich der Sensorflächen (46-56) die Medien-Deckschicht (70) in Dickenrichtung durch setzende Aussparungen (58-68) aufweist und welche wenigstens einen Teil der Durchgangsöffnungen (72-82) sowie jeweils einen von einer Durchgangs öffnung (72-82) ausgehenden Leiterbahnabschnitt überdeckt. characterized in that at least on the media side (14) a media cover layer (70) is applied, which in the area of extent of the sensor surfaces (46-56) has the media cover layer (70) in the direction of thickness through recesses (58-68) and which covers at least part of the through openings (72-82) and in each case a conductor track section extending from a through opening (72-82).
2. Sensor (10) nach Anspruch 1 , 2. Sensor (10) according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass auf der Medienseite (14) eine Mehrzahl von medienseitigen elektrischen Leiterbahne (84-94) ausgebildet ist, welche je- weils eine Durchgangsöffnung (72-82) mit wenigstens einer Sensorfläche (46- 56) elektrisch leitend verbinden. characterized in that a plurality of media-side electrical conductor tracks (84-94) are formed on the media side (14), each of which because a through opening (72-82) is electrically connected to at least one sensor surface (46-56).
3. Sensor (10) nach Anspruch 1 oder 2, 3. Sensor (10) according to claim 1 or 2,
dadurch gekennzeichnet, dass auf der Anschlussseite (16) eine Mehrzahl von anschlussseitigen elektrischen Leiterbahnen (98-104) ausgebildet ist, wel che jeweils eine Durchgangsöffnung (72-82) mit wenigstens einer Kontakt fläche (22-36) elektrisch leitend verbinden. characterized in that a plurality of connection-side electrical conductor tracks (98-104) are formed on the connection side (16), each of which electrically conductively connects a through opening (72-82) with at least one contact surface (22-36).
4. Sensor (10) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, 4. Sensor (10) according to one of claims 2 or 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die medienseitigen elektrischen Leiterbahnen (84-94) oder/und die anschlussseitigen elektrischen Leiterbahnen (98-108) aus einem anderen Material gebildet sind als die Sensorflächen (46-56), ins besondere aus einem Material mit betragsmäßig niedrigerem positiven Nor malpotential gegenüber einer Normal-Wasserstoff-Elektrode, gemessen bei 25 °C, 1013 hPa. characterized in that the media-side electrical conductor tracks (84-94) and / or the connection-side electrical conductor tracks (98-108) are formed from a different material than the sensor surfaces (46-56), in particular from a material with a lower positive standard Malpotential compared to a normal hydrogen electrode, measured at 25 ° C, 1013 hPa.
5. Sensor (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, 5. Sensor (10) according to one of claims 2 to 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die medienseitigen elektrischen Leiterbahnen (84-94) und die anschlussseitigen elektrischen Leiterbahnen (98-108) aus demselben Material gebildet sind. characterized in that the media-side electrical conductor tracks (84-94) and the connection-side electrical conductor tracks (98-108) are formed from the same material.
6. Sensor (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, unter Einbeziehung des An spruchs 3, 6. Sensor (10) according to one of claims 3 to 5, including the claim 3,
dadurch gekennzeichnet, dass Kontaktflächen (22-36, 40, 42) und die an schlussseitigen Leiterbahnen (98-108) aus demselben Material gebildet sind. characterized in that contact surfaces (22-36, 40, 42) and the conductor tracks (98-108) on the connection side are formed from the same material.
7. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 7. Sensor (10) according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass auf der Anschlussseite (16) eine Anschluss- Deckschicht (130) aufgetragen ist, welche im Erstreckungsbereich von Kon taktflächen (22-36, 40, 42) die Anschluss-Deckschicht (130) in Dickenrichtung durchsetzende Aussparungen (1 10-128) aufweist und welche wenigstens einen Teil der Durchgangsöffnungen (72-82) überdeckt. characterized in that on the connection side (16) a connection cover layer (130) is applied, which in the extension area of contact surfaces (22-36, 40, 42) the connection cover layer (130) in the thickness direction has penetrating recesses (1 10-128) and which covers at least part of the through openings (72-82).
8. Sensor (10) nach Anspruch 7, unter Einbeziehung des Anspruchs 3, 8. Sensor (10) according to claim 7, including claim 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Anschluss-Deckschicht (130) wenigstens einen Teil der anschlussseitigen Leiterbahnen (98-108) überdeckt. characterized in that the connection cover layer (130) covers at least part of the connection-side conductor tracks (98-108).
9. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, unter Einbeziehung des Anspruchs 2, 9. Sensor (10) according to one of the preceding claims, including claim 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Medien-Deckschicht (70) wenigstens einen Teil der medienseitigen Leiterbahnen (84-94) überdeckt. characterized in that the media cover layer (70) covers at least part of the media-side conductor tracks (84-94).
10. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, unter Einbeziehung des Anspruchs 2 oder 3, 10. Sensor (10) according to one of the preceding claims, including claim 2 or 3,
dadurch gekennzeichnet, dass sich in wenigstens einem Teil der Durch gangsöffnungen (72-82) Material der anschlussseitigen oder/und der medien seitigen elektrischen Leiterbahnen (84-94) befindet, um einen Abschnitt der elektrisch leitenden Verbindung von Kontaktflächen (22-36) der Anschluss seite (16) mit Sensorflächen (46-56) der Medienseite (16) zu bilden. characterized in that material of the connection-side and / or the media-side electrical conductor tracks (84-94) is in at least part of the through openings (72-82) in order to provide a portion of the electrically conductive connection of contact surfaces (22-36) of the Form connection side (16) with sensor surfaces (46-56) of the media side (16).
1 1. Sensor (10) nach Anspruch 10, 1 1. Sensor (10) according to claim 10,
dadurch gekennzeichnet, dass sich in wenigstens einem Teil der Durch gangsöffnungen (72-82) nur Material der anschlussseitigen oder/und der medienseitigen elektrischen Leiterbahnen (84-94, 98-108) befindet. characterized in that only material from the connection-side and / or the media-side electrical conductor tracks (84-94, 98-108) is located in at least some of the through openings (72-82).
12. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 12. Sensor (10) according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der Kontaktflächen (40, 42) mit einem Temperatursensor (44) verbunden sind. characterized in that at least two of the contact surfaces (40, 42) are connected to a temperature sensor (44).
13. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 13. Sensor (10) according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass der Rand (12a) der Trägerplatte (12) auf der Medienseite (14) In Richtung parallel zur medienseitigen Oberfläche der Trä- gerplatte (12) mit Abstand von einem um die Medien-Deckschicht (70) umlau fenden Rand (70a) der Medien-Deckschicht (70) angeordnet ist. characterized in that the edge (12a) of the carrier plate (12) on the media side (14) in the direction parallel to the media-side surface of the carrier gerplatte (12) at a distance from a around the media cover layer (70) umlau fenden edge (70a) of the media cover layer (70) is arranged.
14. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, unter Einbeziehung des Anspruchs 7, 14. Sensor (10) according to one of the preceding claims, including claim 7,
dadurch gekennzeichnet, dass der Rand (12a) der Trägerplatte (12) auf der Anschlussseite (16) in Richtung parallel zur anschlussseitigen Oberfläche der Trägerplatte (12) mit Abstand von einem um die Anschluss-Deckschicht (130) umlaufenden Rand (130a) der Anschluss-Deckschicht (130) angeordnet ist. characterized in that the edge (12a) of the carrier plate (12) on the connection side (16) in the direction parallel to the connection-side surface of the carrier plate (12) at a distance from an edge (130a) surrounding the connection cover layer (130) of the connection -Cover layer (130) is arranged.
15. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 15. Sensor (10) according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (70, 130) eine glasartige Schicht ist. characterized in that the cover layer (70, 130) is a glass-like layer.
16. Verfahren zur Herstellung eines Sensors (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die folgenden Verfahrensschritte: 16. A method for producing a sensor (10) according to one of the preceding claims, comprising the following method steps:
Bereitstellen einer Trägerplatte (12) mit der im Messbetrieb dem Medium (M) zugewandten Medienseite (14) und mit der der Medienseite (14) ent gegengesetzten Anschlussseite (16) sowie mit Durchgangsöffnungen (72-82), welche, die Trägerplatte (12) durchsetzend, zwischen der Medienseite (14) und der Anschlussseite (16) verlaufen, Provision of a carrier plate (12) with the media side (14) facing the medium (M) during the measurement operation and with the connection side (16) opposite the media side (14) and with through openings (72-82), which, the carrier plate (12) penetrating, run between the media side (14) and the connection side (16),
Bedrucken der Anschlussseite (16) mit einem ersten elektrisch leitfähige Partikel enthaltenden Druckmedium zur Ausbildung der Kontaktflächen (22-36, 40, 42), Printing the connection side (16) with a first printing medium containing electrically conductive particles to form the contact surfaces (22-36, 40, 42),
Bedrucken der Medienseite (14) mit einem zweiten elektrisch leitfähige Partikel enthaltenden Druckmedium zur Ausbildung der Sensorflächen (46-56), Printing the media side (14) with a second printing medium containing electrically conductive particles to form the sensor surfaces (46-56),
Aufträgen einer Medien-Deckschicht (70) auf die bedruckte Medienseite (14) unter Aussparung von Sensorflächenbereichen, Application of a media cover layer (70) to the printed media side (14) while leaving out sensor surface areas,
wobei beim Bedrucken der Anschlussseite (16) oder/und beim Bedrucken der Medienseite (14) Durchgangsöffnungen (72) mit dem ersten oder/und mit dem zweiten Druckmedium gefüllt werden. wherein when printing the connection side (16) and / or when printing the media side (14) through openings (72) are filled with the first and / or with the second printing medium.
17. Verfahren nach Anspruch 16, 17. The method according to claim 16,
dadurch gekennzeichnet, dass es vor dem Bedrucken der Medienseite (14) mit dem zweiten Druckmedium einen Schritt eines Bedruckens der Medien- Seite (14) mit dem ersten Druckmedium aufweist, um auf der Medienseite elektrische Leiterbahnen (84-94) auszubilden. characterized in that, prior to printing the media side (14) with the second printing medium, it comprises a step of printing the media side (14) with the first printing medium in order to form electrical conductor tracks (84-94) on the media side.
18. Verfahren nach Anspruch 17, 18. The method according to claim 17,
dadurch gekennzeichnet, dass beim Bedrucken der Anschlussseite (16) oder/und beim Bedrucken der Medienseite (14) Durchgangsöffnungen (72-82) nur mit dem ersten Druckmedium gefüllt werden. characterized in that when printing on the connection side (16) and / or when printing on the media side (14), through-openings (72-82) are only filled with the first printing medium.
19. Verfahren nach Anspruch einem der Ansprüche 16 bis 18, 19. The method according to claim one of claims 16 to 18,
dadurch gekennzeichnet, dass des den Schritt eines Auftragens einer An- schluss-Deckschicht (130) auf die bedruckte Anschlussseite (16) unter Aus sparung von Kontaktflächenbereichen umfasst. characterized in that it comprises the step of applying a connection cover layer (130) to the printed connection side (16) while leaving out contact surface areas.
20. Verfahren nach Anspruch einem der Ansprüche 16 bis 19, 20. The method according to claim one of claims 16 to 19,
dadurch gekennzeichnet, dass es wenigstens einen Schritt eines Brennens der mit wenigstens einem Materialauftrag versehenen Trägerplatte (12) auf weist. characterized in that it has at least one step of burning the carrier plate (12) provided with at least one material application.
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