DE102012111811A1

DE102012111811A1 - Electrochemical sensor for detecting analyte concentration in measuring medium, has connecting line which is designed as circuit board, where reference electrode is designed as material layer system formed on circuit board

Info

Publication number: DE102012111811A1
Application number: DE201210111811
Authority: DE
Inventors: Lothar Auerswald; Thomas Endl; Tobias Mieth
Original assignee: Endress and Hauser Conducta Gesellschaft fuer Mess und Regeltechnik mbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2012-12-05
Filing date: 2012-12-05
Publication date: 2014-06-05

Abstract

Die Erfindung betrifft Elektrochemischer Sensor zur Erfassung einer Analytkonzentration in einem Messmedium mit einem Sensorelement, das innerhalb eines Gehäuses angeordnet ist und das direkt oder mittels einer ersten elektrochemischen Überführung getrennt mit dem das Gehäuse umgebenden Messmedium in elektrochemischem Kontakt steht, einer Bezugselektrode, die in einem Innenelektrolyten innerhalb des Gehäuses angeordnet ist und über eine in einer Gehäusewand angeordneten zweiten elektrochemischen Überführung mit einem das Gehäuse umgebenden Messmedium in elektrochemischen Kontakt steht; und einer von dem Sensorelement und/oder der Bezugselektrode abgesetzten Sensorelektronikeinheit, die über zumindest eine Anschlussleitung innerhalb des Gehäuses elektrisch leitend verbunden ist. Die Erfindung beinhaltet, dass die Anschlussleitung als eine Leiterkarte ausgestaltet ist, und dass die Bezugselektrode zumindest als ein direkt auf der Leiterkarte potentialbildendes Materialschichtsystem ausgestaltet ist.The invention relates to an electrochemical sensor for detecting an analyte concentration in a measuring medium having a sensor element which is arranged within a housing and which is in electrochemical contact, separately or directly by means of a first electrochemical transfer with the measuring medium surrounding the housing, a reference electrode which is in an inner electrolyte is disposed within the housing and is in electrochemical contact via a arranged in a housing wall second electrochemical transfer with a measuring medium surrounding the housing; and a remote from the sensor element and / or the reference electrode sensor electronics unit, which is electrically conductively connected via at least one connecting line within the housing. The invention includes that the connecting line is designed as a printed circuit board, and that the reference electrode is at least designed as a directly on the circuit board potential-forming material layer system.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrochemischer Sensor zur Erfassung einer Analytkonzentration in einem Messmedium bestehend aus einem Sensorelement, das innerhalb eines Gehäuses angeordnet ist und das direkt oder mittels einer ersten elektrochemischen Überführung getrennt mit dem das Gehäuse umgebenden Messmedium in elektrochemischem Kontakt steht, und mit einer Bezugselektrode, die in einem Innenelektrolyten innerhalb des Gehäuses angeordnet ist und über eine in einer Gehäusewand angeordneten zweiten elektrochemischen Überführung mit einem das Gehäuse umgebenden Messmedium in elektrochemischen Kontakt steht; und zumindest einer von dem Sensorelement und/oder der Bezugselektrode abgesetzten Sensorelektronikeinheit, die über zumindest eine Anschlussleitung innerhalb des Gehäuses elektrisch leitend verbunden ist.The invention relates to an electrochemical sensor for detecting an analyte concentration in a measuring medium consisting of a sensor element which is arranged within a housing and which is in electrochemical contact with the measuring medium surrounding the housing directly or by means of a first electrochemical transfer, and with a reference electrode, which is arranged in an inner electrolyte within the housing and is in electrochemical contact with a measuring medium surrounding the housing via a second electrochemical transfer arranged in a housing wall; and at least one remote from the sensor element and / or the reference electrode sensor electronics unit, which is electrically conductively connected via at least one connecting line within the housing.

Die Bestimmung der Konzentration eines Analyten in einem Messmedium spielt in vielen industriellen Anwendungen, beispielsweise in der Chemie- oder Pharmazietechnik, in der Lebensmitteltechnik, in der Biotechnologie, aber auch in nicht-industriellen analytischen Anwendungen, beispielsweise in der Umwelt-Messtechnik, eine wichtige Rolle. Zur Bestimmung von Ionenkonzentrationen werden häufig im Labor wie auch in industriellen Prozessanlagen Sensoren eingesetzt, die ein Sensorelement mit einer analytsensitiven Komponente aufweisen. Als analytsensitive Komponente kommt beispielsweise eine analytsensitive Membran in Frage. So ist zum Beispiel die Glasmembran der bekannten pH-Glaselektrode sensitiv bezüglich der Konzentration bzw. Aktivität von H⁺ bzw. H₃O⁺-Ionen in einem Messmedium.The determination of the concentration of an analyte in a measurement medium plays an important role in many industrial applications, for example in the chemical or pharmaceutical industry, in food technology, in biotechnology, but also in non-industrial analytical applications, for example in environmental measurement technology , For the determination of ion concentrations sensors are often used in the laboratory as well as in industrial process plants, which have a sensor element with an analyte-sensitive component. As an analyte-sensitive component, for example, an analyte-sensitive membrane comes into question. For example, the glass membrane of the known pH glass electrode is sensitive to the concentration or activity of H ⁺ or H ₃ O ⁺ ions in a measuring medium.

In DE 20 2006 017 215 U1 sind Messsonden mit Glaselektroden zur pH-Messung beschrieben, die einen wiederbefüllbaren, auch als Bauch oder Blase bezeichneten, Elektrolytspeicher zur Aufnahme eines flüssigen Elektrolyten aufweisen.In DE 20 2006 017 215 U1 are probes described with glass electrodes for pH measurement, which have a refillable, also referred to as a stomach or bladder, electrolyte reservoir for receiving a liquid electrolyte.

Alternativ kann als analytsensitive Komponente auch ein Halbleiterelement dienen, etwa ein eine EIS-Struktur umfassendes Bauelement, wie zum Beispiel einen ionensensitiven Feldeffekttransistor (ISFET) oder einen Kondensator mit einer EIS-Struktur, dessen Kapazität von der Konzentration der zu bestimmenden Substanz abhängt. Das Akronym ”EIS” steht für den englischen Fachbegriff ”electrolyte-insulator-semiconductor”, d. h. der Sensor umfasst eine Schichtstruktur mit zumindest einer auf einer Halbleiter-Schicht oder einem Halbleiter-Substrat aufgebrachten Isolatorbeschichtung, die im Messbetrieb des Sensors mit einem Elektrolyten, nämlich dem Messmedium, in Kontakt steht. An der Grenzfläche zwischen der Isolatorschicht und dem Messmedium tritt ein Spannungsabfall auf. Durch geeignete Wahl der Isolatorbeschichtung, insbesondere durch Vorsehen einer analytsensitiven Beschichtung auf der oder als Bestandteil der Isolatorbeschichtung, kann die Sensitivität des Sensors derart eingestellt werden, dass der Spannungsabfall als Maß für die Analytkonzentration dienen kann. So hängt beispielsweise der Spannungsabfall an der Grenzfläche zwischen einer Tantal(V)-oxid (Ta₂O₅)-Schicht und einer wässrigen Messlösung im Wesentlichen vom pH-Wert der Messlösung ab. Durch Verwendung anderer Schichtstrukturen können EIS-Sensorelemente gebildet werden, die in entsprechender Weise für andere Ionen sensitiv sind. Durch das Immobilisieren von geeigneten Detektorstrukturen, welche z. B. Enzyme umfassen können, auf der EIS-Struktur ist es auch möglich, mittels eines derartigen Sensors Konzentrationen von nichtionischen Substanzen, z. B. Glukose oder Penicillin, zu messen.Alternatively, the analyte-sensitive component can also be a semiconductor element, such as a device comprising an EIS structure, such as an ion-sensitive field effect transistor (ISFET) or a capacitor with an EIS structure, the capacitance of which depends on the concentration of the substance to be determined. The acronym "EIS" stands for the English technical term "electrolyte-insulator-semiconductor", ie the sensor comprises a layer structure with at least one applied to a semiconductor layer or a semiconductor substrate insulator coating in the measuring operation of the sensor with an electrolyte, namely the measuring medium, in contact. At the interface between the insulator layer and the measuring medium, a voltage drop occurs. By suitable choice of the insulator coating, in particular by providing an analyte-sensitive coating on or as part of the insulator coating, the sensitivity of the sensor can be set such that the voltage drop can serve as a measure of the analyte concentration. For example, the voltage drop at the interface between a tantalum (V) oxide (Ta ₂ O ₅ ) layer and an aqueous measurement solution essentially depends on the pH of the measurement solution. By using other layer structures, EIS sensor elements can be formed, which are correspondingly sensitive to other ions. By immobilizing suitable detector structures which z. As enzymes may include, on the EIS structure, it is also possible by means of such a sensor concentrations of non-ionic substances, eg. Glucose or penicillin.

Der bereits erwähnte ionensensitive Feldeffekttransistor umfasst ebenfalls eine derartige EIS-Struktur. Das Transistor-Gate des ISFET wird bei einem pH-sensitiven ISFET beispielsweise durch eine pH-sensitive Isolatorbeschichtung, die Ta₂O₅ umfassen kann, gebildet. Die Ladungsträgerdichte im Halbleiterkanal zwischen Source und Drain des ISFET hängt dann entsprechend vom pH-Wert des mit dem Gate in Kontakt stehenden Mediums ab. In DE 198 57 953 A1 ist beispielsweise ein Sensor zur Messung von Ionenkonzentrationen bzw. des pH-Werts einer Flüssigkeit unter Verwendung eines ISFET beschrieben.The already mentioned ion-sensitive field effect transistor likewise comprises such an EIS structure. The transistor gate of the ISFET is formed in a pH-sensitive ISFET, for example, by a pH-sensitive insulator coating, which may comprise Ta ₂ O ₅ . The carrier density in the semiconductor channel between the source and the drain of the ISFET then depends on the pH of the medium in contact with the gate. In DE 198 57 953 A1 For example, a sensor for measuring ion concentrations or the pH of a liquid using an ISFET is described.

Derartige Sensorelemente mit analytsensitiver Komponente, insbesondere auf Halbleiterbasis, sind häufig in Form eines Plättchens oder Scheibchens, beispielsweise als Chip oder Chip-Array, mit vorder- oder rückseitigen Kontaktelementen zur elektrischen Kontaktierung der analytsensitiven Komponente ausgestaltet. Sensoren mit solchen Sensorelementen sind häufig als stabförmige Messsonden ausgebildet, die ein in ein Medium eintauchbares Gehäuse umfassen, in dem das Sensorelement so angeordnet ist, dass seine analytsensitive Komponente mit dem Messmedium in Kontakt kommt. Dabei sind die Kontaktelemente zur elektrischen Kontaktierung der analytsensitiven Komponente, über die das Sensorelement mit einer Sensorelektronik verbunden ist, und die Sensorelektronik selbst geschützt innerhalb des Gehäuses angeordnet. Die Messsonde kann über ein Kabel oder drahtlos mit einer übergeordneten Einheit, beispielsweise einem Messumformer oder einem Buskoppler verbindbar sein. Die übergeordnete Einheit kann die Messsonde mit Energie versorgen bzw. von der Sensorelektronik ausgegebene Messsignale empfangen und weiterverarbeiten oder Signale an die Sensorelektronik ausgeben. Beispiele für derartige Sensoren sind US 6,117,292 , US 6,153,070 oder EP 1 396 718 A1 zu entnehmen.Such sensor elements with analyte-sensitive component, in particular on semiconductor basis, are often configured in the form of a small plate or disk, for example as a chip or chip array, with front or rear contact elements for electrical contacting of the analyte-sensitive component. Sensors with such sensor elements are frequently designed as rod-shaped measuring probes, which comprise a housing which can be submerged in a medium, in which the sensor element is arranged such that its analyte-sensitive component comes into contact with the measuring medium. In this case, the contact elements for electrical contacting of the analyte-sensitive component, via which the sensor element is connected to a sensor electronics, and the sensor electronics themselves are arranged inside the housing in a protected manner. The measuring probe can be connectable via a cable or wirelessly to a higher-level unit, for example a measuring transducer or a bus coupler. The higher-level unit can supply the measuring probe with energy or receive and process measuring signals output by the sensor electronics or output signals to the sensor electronics. Examples of such sensors are US 6,117,292 . US 6,153,070 or EP 1 396 718 A1 refer to.

Die EP 1 396 718 A1 zeigt exemplarisch das bisher im Stand der Technik verfolgte immer gleiche Prinzip der Trennung zwischen einem Sensorinnenraum, der der Kontaktierung und der Führung der Ableitungsdrähte des Sensorelements dient, und einem elektrolytgefüllten Zwischenraum, in dem die in der Regel als Referenzelektrode zweiter Art ausgestaltete Bezugselektrode angeordnet ist. Die Fertigung der aus dem Stand der Technik bekannten, nach diesem Prinzip ausgestalteten Sensoren erfordert eine Vielzahl von Einzelarbeitsschritten und ist daher sehr aufwendig und kostspielig. The EP 1 396 718 A1 shows an example of the hitherto pursued in the prior art always the same principle of separation between a sensor interior, which serves for contacting and guiding the lead wires of the sensor element, and an electrolyte-filled gap, in which the reference electrode designed as a rule second electrode reference electrode is arranged. The production of known from the prior art, designed according to this principle sensors requires a large number of individual steps and is therefore very complicated and expensive.

Diese Bezugselektroden, Referenzelektroden und Ableitungen für elektrochemische Sensoren bestehen in der Regel aus Edelmetalldrähten, insbesondere aus Silber. Diese Edelmetall-Materialien haben den Nachteil, dass sie sehr teuer sind und bei der Verwendung im Elektrodenaufbau schlecht gegen die flüssigen Innenelektrolytlösungen, z. B. durch Verkleben oder als Glasdurchführung, abdichten lassen. Speziell bei Silber als Elektrodenmaterial gestaltet sich eine Abdichtung gegen den Innenelektrolyten sehr schwierige und technisch aufwendig. Gewöhnlich werden Potentialreferenzsysteme bzw. Bezugselektroden bestehend aus Drähten mit Silber/Silberchlorid eingesetzt, die jedoch den weiteren Nachteil aufweisen, dass nur ein kleiner Anteil des Drahtes, das Silber/Silberchlorid-Bezugselektrodensystems zur Potentialbildung beiträgt und der Hauptteil der Bezugselektrode aus dem Silberdraht überwiegend zur reinen Ableitung dieses elektrochemischen Potentials dient. Darüber hinaus enthält das Sensorgehäuse derartiger Sensoren häufig eine mit den Ableitungsdrähten verbundene, häufig elektronische, Sensorelektronikeinheit, auch als Sensorelektronik bezeichnet, die einer ersten Verarbeitung, insbesondere der Verstärkung und gegebenenfalls der Digitalisierung des Messsignals dient. Der Silberdraht wird infolgedessen mit einer Sensorelektronikeinheit verbunden, indem der Silberdraht aus dem Bereich des Innenelektrolyten durch eine entsprechende Abdichtung hindurch geführt wird.These reference electrodes, reference electrodes and leads for electrochemical sensors are usually made of precious metal wires, in particular of silver. These precious metal materials have the disadvantage that they are very expensive and when used in the electrode assembly bad against the liquid inner electrolyte solutions, eg. B. by gluing or as a glass duct, seal. Especially with silver as an electrode material, a seal against the inner electrolyte is very difficult and technically complicated. Usually, potential reference systems are used consisting of wires with silver / silver chloride, but have the further disadvantage that only a small portion of the wire, the silver / silver chloride reference electrode system contributes to the potential formation and the majority of the reference electrode from the silver wire predominantly to the pure Derivation of this electrochemical potential is used. In addition, the sensor housing of such sensors often includes a connected to the lead wires, often electronic, sensor electronics unit, also referred to as sensor electronics, which serves a first processing, in particular the amplification and optionally the digitization of the measurement signal. The silver wire is therefore connected to a sensor electronics unit by the silver wire from the region of the inner electrolyte is passed through a corresponding seal.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektrochemischen Sensor der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, der die genannten Nachteile überwindet und kostengünstig herzustellen ist.It is therefore an object of the present invention to provide an electrochemical sensor of the type mentioned above, which overcomes the disadvantages mentioned and is inexpensive to manufacture.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Sensor nach Anspruch 1.This object is achieved by a sensor according to claim 1.

Der erfindungsgemäße Sensor zur Erfassung einer Analytkonzentration umfasst:

– ein Sensorelement, das innerhalb eines Gehäuses angeordneten ist und das direkt oder mittels einer ersten elektrochemischen Überführung getrennt mit dem das Gehäuse umgebenden Messmedium in elektrochemischem Kontakt steht,
– eine Bezugselektrode, die in einem Innenelektrolyten innerhalb des Gehäuses angeordnet ist und über eine in einer Gehäusewand angeordneten zweiten elektrochemischen Überführung mit einem das Gehäuse umgebenden Messmedium in elektrochemischen Kontakt steht;
– und eine von dem Sensorelement und/oder der Bezugselektrode abgesetzten Sensorelektronikeinheit, die über zumindest eine Anschlussleitung innerhalb des Gehäuses elektrisch leitend verbunden ist,
– wobei die Anschlussleitung als eine Leiterkarte ausgestaltet ist, und dass die Bezugselektrode zumindest als ein direkt auf der Leiterkarte als ein potentialbildendes Materialschichtsystem ausgestaltet ist.

The sensor according to the invention for detecting an analyte concentration comprises:

A sensor element which is arranged within a housing and which is in electrochemical contact, separately or directly by means of a first electrochemical transfer, with the measuring medium surrounding the housing,
A reference electrode which is arranged in an inner electrolyte within the housing and is in electrochemical contact with a measuring medium surrounding the housing via a second electrochemical transfer arranged in a housing wall;
And a remote from the sensor element and / or the reference electrode sensor electronics unit which is electrically conductively connected via at least one connecting line within the housing,
- Wherein the connecting line is designed as a printed circuit board, and that the reference electrode is at least configured as a directly on the printed circuit board as a potential-forming material layer system.

Die Unterbringung sowohl der Ableitung des mindestens einen Kontaktelements des Sensorelements als auch der Potentialableitung der Bezugselektrode in einer flexiblen Leiterkarte erlaubt den Verzicht auf die bisher im Stand der Technik grundsätzlich vorhandene Zweiteilung zwischen einem Sensorinnenraum, durch den Anschlussdrähte des Sensorelements geführt sind, und einem einen Innenelektrolyten enthaltenden Sensorzwischenraum, beispielsweise einem die in einen Bezugselektrolyten eintauchende Bezugselektrode enthaltenden Bezugselektrodenraum. Die flexible Leiterkarte kann sich direkt im leitfähigen Bezugselektrolyten befinden, eine Mediums dichte Trennung eines Raums, in dem die Anschlussdrähte geführt sind, von einem den Innenelektrolyten enthaltenden Raum ist daher nicht mehr erforderlich. Dies vereinfacht die Fertigung des Sensors, da die aufwändige Innenrohrmontage zur Bildung eines von dem Innenelektrolyten dicht getrennten Innenraums entfällt. Hinzu kommt, dass durch den Verzicht auf das Innenrohr im Gehäuseinneren mehr Platz zur Verfügung steht. Dadurch wird es möglich, auch eine flexible Leiterkarte im Gehäuse unterzubringen, deren Länge die axiale Länge des Gehäuses erheblich übersteigt. Dies erleichtert die Fertigung verschiedener Sensortypen mit unterschiedlicher Gehäuselänge dahingehend, dass zur Verbindung der Kontaktelemente des Sensorelements mit der Sensorelektronikeinheit keine unterschiedlichen Leiterkartenvarianten von unterschiedlicher Länge vorgehalten werden müssen.The accommodation of both the derivation of the at least one contact element of the sensor element and the potential derivative of the reference electrode in a flexible printed circuit board allows the waiver of the previously existing in the art basically division between a sensor interior, are guided by the lead wires of the sensor element, and an inner electrolyte containing sensor gap, for example, a reference electrode immersed in a reference electrode containing reference electrode space. The flexible printed circuit board can be located directly in the conductive reference electrolyte, a medium dense separation of a space in which the connecting wires are guided, from a space containing the inner electrolyte is therefore no longer necessary. This simplifies the production of the sensor, since the complex inner tube assembly to form a dense of the inner electrolyte separated interior. In addition, there is more space available due to the omission of the inner tube inside the housing. This makes it possible to accommodate a flexible printed circuit board in the housing, whose length exceeds the axial length of the housing considerably. This facilitates the production of different types of sensor with different housing length to the effect that for connecting the contact elements of the sensor element with the sensor electronics unit no different printed circuit board variants of different lengths must be maintained.

Bei dem Innenelektrolyten kann es sich um eine 3 molare KCl-Lösung handeln. Diese steht über die in der Gehäusewand angeordnete elektrochemische Überführung, die beispielsweise als einfache Bohrung oder als poröses Kunststoff- oder Keramikdiaphragma ausgestaltet sein kann, in elektrolytischem Kontakt mit dem das Gehäuse umgebenden Medium.The inner electrolyte may be a 3 molar KCl solution. This is about the arranged in the housing wall electrochemical transfer, which may be configured for example as a simple bore or as a porous plastic or ceramic diaphragm, in electrolytic contact with the surrounding medium of the housing.

Erfindungsgemäß wird an Stelle des Edelmetalldrahtes eine Leiterkarte, insbesonderen einer flexiblen Leiterkarte, eingesetzt, welche mit einem potentialbildenden Materialschichtsystem als eine Bezugselektrode beschichtet ist. Die Leiterkarte ist hierzu aus einem elektrisch isolierenden Trägermaterial mit zumindest zwei darin hermetisch dicht, eingebetteten Leiterbahnen ausgestaltet, wobei das die Leiterbahnen umgebende elektrisch isolierenden Trägermaterial an einer Position der Bezugselektrode ausgelassen oder geöffnet ist, und wobei ein potentialbildendes Materialschichtsystem auf zumindest einer Leiterbahn als Bezugselektrode an dieser Position aufgebracht ist. Diese flexible Leiterkarte, Flex-Leiterkarte bzw. Folienleiter besteht aus einem mit in ein Kunststoff-Trägermaterial, aus beispielsweise Polyimid, in das Metall-Leiterbahnen, z. B. aus einem Edelmetall wie Kupfer oder Silber, eingebettet sind. Das isolierende Trägermaterial der Leiterkarte ist an einer Position über der elektrisch leitenden Leiterbahn entfernt, so dass diese leitfähige Metallschicht frei liegt und eine Materialschichtsystem bestehend aus Silber und Silberchlorid, oder silber-, und Silberchlorid haltigem Material abgeschieden werden kann. Die gebräuchlichsten potentialbildenden Systeme als Elektroden zweiter Art bestehen aus einer Silber/Silberchlorid-Schichtensystem, jedoch sind auch andere Metall/Metallchlorid-Schichtsysteme, z. B. Silber-Silberchlorid-Elektrode (Ag/AgCl/Cl-), Kalomel- oder Quecksilber-Quecksilber(I)-chlorid-Elektrode (Hg/Hg2Cl2/Cl-), Quecksilber-Quecksilbersulfat-Elektrode (Hg/Hg2SO4/SO42-), Quecksilber-Quecksilberoxid-Elektrode (Hg/HgO/OH-), in der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Bezugselektrode anwendbar. Diese Metallionenelektroden sind Elektroden zweiter Art und weisen einen einfachen Aufbau auf, dessen Gleichgewichtspotential sich sehr schnell und reproduzierbar einstellt. Bei diesen Metallionenelektroden stehen die Metallionen in der Lösung im Gleichgewicht mit einem schwerlöslichen Salz des Metalls und die das Innenelektrolyt enthält das Anion dieses schwerlöslichen Salzes. Die potentialbestimmende Konzentration der Metallionen im Innenelektrolyten hängt somit von der Konzentration der Anionen und dem Löslichkeitsprodukt des schwerlöslichen Salzes ab. Als weitere Arten von Bezugselektroden sind hiermit die Metallionenelektroden erster Art, z. B. Kupfer/Kupfersulfat-Elektrode (Cu/CuSO4), erwähnt, deren Potential von der Konzentration der Metallionen in Lösung abhängt.According to the invention, instead of the noble metal wire, a printed circuit board, in particular a flexible printed circuit board, which is coated with a potential-forming material layer system as a reference electrode. The printed circuit board is for this purpose made of an electrically insulating carrier material with at least two hermetically sealed, embedded interconnects therein, wherein the electrically insulating substrate surrounding the interconnects is omitted or opened at a position of the reference electrode, and wherein a potential-forming material layer system on at least one interconnect as a reference electrode this position is applied. This flexible printed circuit board, flex printed circuit board or foil conductor consists of a plastic carrier material in, for example, polyimide, in the metal interconnects, z. B. from a precious metal such as copper or silver, are embedded. The insulating substrate of the circuit board is removed at a position over the electrically conductive trace so that this conductive metal layer is exposed and a material layer system consisting of silver and silver chloride, or silver and silver chloride containing material can be deposited. The most common potential forming systems as second type electrodes consist of a silver / silver chloride layer system, but other metal / metal chloride layer systems, e.g. Silver-silver chloride electrode (Ag / AgCl / Cl-), calomel or mercury-mercury (I) chloride electrode (Hg / Hg2Cl2 / Cl-), mercury-mercury sulfate electrode (Hg / Hg2SO4 / SO42- ), Mercury-mercury oxide electrode (Hg / HgO / OH-), in the inventive design of the reference electrode applicable. These metal ion electrodes are electrodes of the second type and have a simple structure whose equilibrium potential is set very quickly and reproducibly. In these metal ion electrodes, the metal ions in the solution are in equilibrium with a sparingly soluble salt of the metal, and the inner electrolyte contains the anion of this sparingly soluble salt. The potential-determining concentration of the metal ions in the inner electrolyte thus depends on the concentration of the anions and the solubility product of the sparingly soluble salt. As other types of reference electrodes are hereby the metal ion electrodes of the first kind, z. As copper / copper sulfate electrode (Cu / CuSO4), mentioned, whose potential depends on the concentration of metal ions in solution.

Besteht jedoch das leitende Material der Leiterbahn aus Kupfer und muss diese Leiterbahn zur Erzeugung einer Elektrode zweiter Art zumindest im Trägermaterial entfernten Bereich der Leiterkarte mit einer schützenden Schicht aus Silber überzogen werden. Auf dieser Silberschicht kann dann Silberchlorid abgeschieden werden. Besteht zumindest die Leiterbahn, auf der die Bezugselektrode angebracht ist, aus Silber, kann das Silberchlorid direkt abgeschieden werden und es bedarf keiner schützenden Schicht.However, if the conductive material of the conductor is made of copper and this conductor must be coated with a protective layer of silver to produce an electrode of the second kind at least in the carrier material remote area of the printed circuit board. Silver chloride can then be deposited on this silver layer. If at least the conductor track on which the reference electrode is mounted is made of silver, the silver chloride can be deposited directly and no protective layer is required.

Weitere Materialien zur Ausgestaltung der Leiterbahnen in dem Trägermaterial der flexiblen Leiterkarte, insbesondere des Folienleiters, sind in ein Kunststoff-Trägermaterial eingebetteten leifähigen Kunststoff-Leiterbahnen oder Kohlefaser-Leiterbahnen. Die leitfähigen Kunststoffe, z. B. Polyacetylen, Polyanilin, Polythiophen, Polypyrrol, Polythiophen weisen eine elektrische Leitfähigkeit, die vergleichbar mit Metallen ist, auf. Als Trägermaterial können erfindungsgemäß thermoplastische Polymere wie Polyamide (PA), aromatische Polyamide (PPA), Polyethersulfide (PES), Polyetherimide(PEI), Polyurethane (PU), Polyphenylensulfide (PPS), Polyester (PBT/PET) oder Polyetherketone (PEEK, PEK), die zusätzlich Füll- und/oder Verstärkungsstoffe wie Kohlefaser oder Glasfaser enthalten, verwendet werden. Es können somit flexible Leiterplatten oder auch starre Leiterplatten großflächig, kostengünstig, mit einem höheren Integrationsgrad hergestellt werden, da diese mittels eines Spritzguß- oder Pressverfahrens erzeugt werden können. Bei dem Pressverfahren werden die Trägermaterialien mit den Leiterbahnen als definierter Schichtaufbau ins Werkzeug einlegen, wobei die Leiterbahnen mit dem Trägermaterial eine stoffschlüssige Verbindung eingehen. Beim Spritzgussverfahren werden die Leiterbahnen in ein Werkzeug eingelegt und mit dem Kunststoff-Trägermaterial umspritzt.Other materials for the design of the conductor tracks in the carrier material of the flexible printed circuit board, in particular of the film conductor, are in a plastic carrier material embedded leifähigen plastic conductor tracks or carbon fiber conductor tracks. The conductive plastics, z. As polyacetylene, polyaniline, polythiophene, polypyrrole, polythiophene have an electrical conductivity that is comparable to metals on. According to the invention, thermoplastic polymers such as polyamides (PA), aromatic polyamides (PPA), polyether sulfides (PES), polyetherimides (PEI), polyurethanes (PU), polyphenylene sulfides (PPS), polyesters (PBT / PET) or polyether ketones (PEEK, PEK ), which additionally contain fillers and / or reinforcing materials such as carbon fiber or glass fiber, can be used. It can thus flexible printed circuit boards or rigid circuit boards over a large area, cost, can be produced with a higher degree of integration, since they can be produced by means of an injection molding or pressing process. In the pressing method, the carrier materials with the conductor tracks as a defined layer structure in the tool insert, wherein the conductor tracks enter into a material connection with the carrier material. In the injection molding process, the conductor tracks are inserted into a tool and overmoulded with the plastic carrier material.

Bei der Ausgestaltung der flexiblen Leiterkarte mit einem Trägermaterial und Leiterbahnen aus Kunststoff ist es vorteilhaft, wenn die Bezugselektrode aus einem mit einem potentialbildenden Edelmetall/Edelmetallchlorid-Materialschichtsystem, insbesonderen ein potentialbildendes Silber/Silberchlorid-Materialschichtsystem, angereicherter Kunststoff, z. B. Polyamid oder Polyimid, ausgestaltet ist. Eine Beschichtung der Kunststoff-Leiterkarte mit einem Silber/Silberchlorid-Materialschichtsystem angereicherter Kunststoff ist somit mit sehr einfachen Mitteln möglich. Es werden nicht Silber und Silberchlorid als Reinstoff verwendet, sondern Materialverbundstoffe mit Polymere, Klebern, Harzen oder ähnlichem, welche mit Silber und/oder Silberchlorid angereichert sind. Diese Verbundmaterialien erleichtern das vollständige Abdichten der Grenzfläche des potentialbildenden Materialschichtsystems der Bezugselektrode zum Trägermaterial der Leiterkarte oder flexiblen Leiterkarte, da diese Materialien eine mechanische Verbindung mit dem Trägermaterial eingehen.In the embodiment of the flexible printed circuit board with a carrier material and conductor tracks made of plastic, it is advantageous if the reference electrode of a with a potential-forming noble metal / noble metal chloride material layer system, in particular a potential-forming silver / silver chloride material layer system, enriched plastic, z. As polyamide or polyimide, is designed. A coating of the plastic circuit board with a silver / silver chloride material layer system enriched plastic is thus possible with very simple means. It does not use silver and silver chloride as the pure substance, but composite materials with polymers, adhesives, resins or the like, which are enriched with silver and / or silver chloride. These composite materials facilitate the complete sealing of the interface of the potential-forming material layer system of the reference electrode to the carrier material of the printed circuit board or flexible printed circuit board, since these materials form a mechanical connection with the carrier material.

Mit Hilfe der einfachen Siebdrucktechnik als Dickschichttechnik ist beispielsweise ein einfacher, planarer und kostengünstiger Elektrodenaufbau der Bezugselektrode möglich. Beispielsweise werden pH-sensitive Rutheniumdioxid-Elektroden als eine Alternative zu konventionellen pH-Glaselektroden verwendet. Alternativ kann die Bezugselektrode mittels eines anderen aus der Dickschichttechnik bekannten Druckverfahrens, wie beispielsweise Schablonendruck oder Foliendruck, oder auch durch Inkjet-Technik auf dem Trägermaterial bzw. der flexiblen Leiterkarte aufgetragen werden. Desweitern kann die Aufbringung der Bezugselektrode auf der flexiblen Leiterkarte durch einen Material-Abscheidungsprozesses, wie z. B. Sputtern, Aufdampfen, erfolgen.With the help of the simple screen printing technique as a thick-film technique, for example, a simple, planar and inexpensive electrode structure of the reference electrode is possible. For example, pH-sensitive ruthenium dioxide electrodes are used as an alternative to conventional pH glass electrodes. Alternatively, the reference electrode may be formed by another printing method known in the thick-film art, such as Stencil printing or film printing, or by inkjet technique on the substrate or the flexible printed circuit board are applied. Furthermore, the application of the reference electrode on the flexible printed circuit board by a material deposition process, such as. B. sputtering, vapor deposition, done.

Ist die Leiterbahn der Leiterkarte bzw. flexiblen Leiterkarte, die die Bezugselektrode enthält, nicht aus Silber, sondern aus Kupfer ausgestaltet, kann es notwendig sein, dass die Grenzfläche des potentialbildenden Materialschichtsystems der Bezugselektrode zum Trägermaterial der Leiterkarte oder flexiblen Leiterkarte mittels ein zusätzliches Dichtmaterial abgedichtet wird. Dadurch wird vermieden, dass sich durch ein in diese Grenzschicht eindringendes Elektrolyt ein Störpotential mit der darunter liegender Kupferschicht ausbilden kann.If the conductor track of the printed circuit board or flexible printed circuit board containing the reference electrode is not made of silver but of copper, it may be necessary for the interface of the potential-forming material layer system of the reference electrode to be sealed to the carrier material of the printed circuit board or flexible printed circuit board by means of an additional sealing material , This avoids that can form an interference potential with the underlying copper layer by penetrating into this boundary layer electrolyte.

Zur Messung weiterer Parameter ist es vorteilhaft, dass auf der Leiterkarte oder der flexiblen Leiterkarte ein weiteres Sensorelement, insbesondere ein Temperaturfühler, ein Leitfähigkeitssensor, ein Drucksensor usw., aufgebracht oder in der Leiterkarte bzw. in der flexiblen Leiterkarte integriert ist. Diese zusätzlichen Sensoren können sich innerhalb des Gehäuses in der mit Innenelektrolyt enthaltenden zweiten Kammer oder auch in einer ersten Kammer des Gehäuses, die das Sensorelement enthält, befinden. Die flexiblen Leiterkarten lassen sich sehr einfach in automatisierten SMD-Fabrikationslinien mit der erfindungsgemäßen Bezugselektrode, mit dem Sensorelement und oder mit weiteren Sensorelementen bestücken. Die flexible Leiterkarte kann im Bereich des Sensorelements mit einem Temperatursensor bestückt sein, der mit einer weiteren Leiterbahn der flexiblen Leiterkarte verbunden ist. Diese weitere Leiterbahn kann mit der Sensorelektronikeinheit verbunden sein, die in dieser Ausgestaltung auch dazu ausgestaltet ist, von dem Temperaturfühler bereitgestellte Signale zu verarbeiten. Wie die Potentialableitung der Bezugselektrode und die Anschlussleitungen des Sensorelements kann eine weitere, dritte Leiterbahn ebenfalls in das elektrisch isolierenden Basismaterial der Leiterkarte eingebettet oder durch eine zusätzliche Kunststoffbeschichtung überdeckt sein, so dass sie nicht in elektrischem Kontakt mit dem Innenelektrolyten steht. Der Temperaturfühler sowie gegebenenfalls weitere auf der flexiblen Leiterkarte vorliegende SMD-Bauteile sind vorzugsweise wie die Verbindungsstelle der Bezugselektrode mit der Leiterkarte in einem vorderseitigen Endbereich des Gehäuses in der Nähe des Sensorelement angeordnet, der zusätzlich einen Verguss enthalten kann.In order to measure further parameters, it is advantageous for another sensor element, in particular a temperature sensor, a conductivity sensor, a pressure sensor, etc., to be applied to the printed circuit board or the flexible printed circuit board or integrated in the printed circuit board or in the flexible printed circuit board. These additional sensors may be located within the housing in the second chamber containing the inner electrolyte or also in a first chamber of the housing containing the sensor element. The flexible printed circuit boards can be equipped very easily in automated SMD production lines with the reference electrode according to the invention, with the sensor element and or with further sensor elements. The flexible printed circuit board can be equipped in the region of the sensor element with a temperature sensor which is connected to a further printed conductor of the flexible printed circuit board. This further conductor track may be connected to the sensor electronics unit, which in this embodiment is also configured to process signals provided by the temperature sensor. Like the potential dissipation of the reference electrode and the connection lines of the sensor element, a further, third interconnect can also be embedded in the electrically insulating base material of the circuit board or covered by an additional plastic coating, so that it is not in electrical contact with the inner electrolyte. The temperature sensor and, if appropriate, further SMD components present on the flexible printed circuit board are preferably arranged, like the connection point of the reference electrode with the printed circuit board, in a front end region of the housing in the vicinity of the sensor element, which can additionally contain a potting.

In der dritten Kammer ist die Sensorelektronikeinheit untergebracht und wobei die zweite Kammer gegenüber der dritten Kammer, insbesondere mittels mindestens einer elastischen, zweiten Dichtung, abgedichtet ist, durch das die Leiterkarte oder die flexible Leiterkarte hindurchgeführt ist. Die Sensorelektronikeinheit kann auf einer innerhalb der dritten Kammer angeordneten Leiterkarte angeordnet sein, welche mit der flexiblen Leiterkarte in der Weise beigeordnet ist, dass die erste und die zweite Leiterbahn elektrisch leitend mit der Sensorelektronikeinheit verbunden sind. Die die Sensorelektronikeinheit umfassende Leiterkarte kann beispielsweise als eine starre Leiterkarte ausgestaltet sein. Die Anschlussbilder der flexiblen Leiterkarte und der die Sensorelektronikeinheit tragenden Leiterkarte können aufeinander angepasst sein, so dass der Fertigungsaufwand weiter verringert wird.In the third chamber, the sensor electronics unit is housed and wherein the second chamber relative to the third chamber, in particular by means of at least one elastic, second seal, is sealed, through which the printed circuit board or the flexible printed circuit board is passed. The sensor electronics unit can be arranged on a printed circuit board arranged within the third chamber, which is associated with the flexible circuit board in such a way that the first and the second conductor track are electrically conductively connected to the sensor electronics unit. The printed circuit board comprising the sensor electronics unit may, for example, be configured as a rigid printed circuit board. The connection diagrams of the flexible printed circuit board and the printed circuit board carrying the electronic sensor unit can be adapted to each other, so that the production costs are further reduced.

Das Sensorelement kann in einer ersten Kammer innerhalb des Gehäuses angeordnet sein, die mittels eines ersten Dichtung bzw. eines ersten Dichtelements zur hermetisch dichten Trennung von der zweiten Kammer mit in der in dem Innenelektrolyten befindlichen Bezugselektrode ausgestaltet ist. Diese erste Dichtung ist nur vorgesehen, falls eine dichte und nicht leitfähige Trennung zwischen der ersten Kammer mit dem Sensorelement und der zweiten Kammer mit der in dem Innenelektrolyten befindlichen Bezugselektrode messtechnisch notwendig ist. Das Sensorelement kann beispielsweise als eine pH-Glaselektrode oder als ein ionensensitiver Feldeffekt-Transistor ausgestaltet ist. Bei der Ausgestaltung als Glaselektrode ist eine Trennung der ersten und zweiten Kammer messtechnisch zwingend erforderlich, da sonst sich die messtechnisch notwendigen Potentialunterschiede zwischen der Messelektrode und Bezugselektrode aufgrund von Ionenaustausch zwischen diesen beiden Kammern nicht aufbauen können. Es ist also möglich, dass je nach Ausführung des Sensorelements, z. B. pH-Glaselektrode oder als ein ionensensitiver Feldeffekt-Transistor, nur eine Durchführung der Leiterkarte bzw. flexiblen Leiterkarte abzudichten notwendig ist. In der Regel sind flexible Leiterkarten bzw. Leiterkarten von ihrem Aufbau her bereits längs- und querdicht gegen die gebräuchlichen Elektrolytlösungen und bedürfen deshalb zur Durchführung durch den Elektrolytraum keiner gesondert abgedichteten Kammer. Weiter kann die Leiterkarte bzw. flexible Leiterkarte ohne höheren Aufwand einfach durch die zweite Kammer bzw. den Referenzraum mit der Bezugselektrode hindurchgeführt werden und dennoch elektrisch vollständig isoliert sein.The sensor element can be arranged in a first chamber within the housing, which is designed by means of a first seal or a first sealing element for hermetically sealing the second chamber with the reference electrode located in the inner electrolyte. This first seal is provided only if a dense and non-conductive separation between the first chamber with the sensor element and the second chamber with the reference electrode located in the inner electrolyte is metrologically necessary. The sensor element can be designed, for example, as a pH glass electrode or as an ion-sensitive field-effect transistor. In the embodiment as a glass electrode, a separation of the first and second chamber is metrologically imperative, otherwise the metrologically necessary potential differences between the measuring electrode and the reference electrode due to ion exchange between these two chambers can not build. It is therefore possible that, depending on the design of the sensor element, for. B. pH glass electrode or as an ion-sensitive field effect transistor, only one implementation of the printed circuit board or flexible printed circuit board is necessary. As a rule, flexible printed circuit boards or printed circuit boards are already structurally longitudinally and transversely sealed against the conventional electrolyte solutions and therefore do not require a separately sealed chamber for passage through the electrolyte space. Furthermore, the printed circuit board or flexible printed circuit board can easily be passed through the second chamber or the reference space with the reference electrode without any additional effort and yet be completely electrically insulated.

Als Basismaterial der flexiblen Leiterkarte kommt eine Kunststofffolie, beispielsweise eine Polyimid-Folie, in Frage. Die als Anschlussleitungen für das Sensorelement dienenden Leiterbahnen und/oder die als Potentialableitung der Bezugselektrode dienende Leiterbahn können innerhalb des elektrisch isolierenden Basismaterials verlaufen oder durch eine zusätzliche Kunststoffbeschichtung überdeckt sein, so dass sie nicht in Kontakt mit dem Innenelektrolyt stehen. Sind mehrere Kontaktelemente des Sensorelements vorhanden, können alle erforderlichen Anschlussleitungen als Leiterbahnen der flexiblen Leiterkarte realisiert sein.The base material of the flexible printed circuit board is a plastic film, for example a polyimide film, in question. The conductor tracks serving as connection lines for the sensor element and / or the conductor track serving as potential lead of the reference electrode may run inside the electrically insulating base material or be covered by an additional plastic coating, so that they are not in contact with the Inner electrolyte stand. If there are a plurality of contact elements of the sensor element, all necessary connecting lines can be realized as conductor tracks of the flexible printed circuit board.

Das Gehäuse kann in einer Ausgestaltung einen Sensorkörper und ein fest mit dem Sensorkörper verbundenes Elektronikgehäuseteil umfassen. In der Ausgestaltung des Sensorelements als Ionenselektiver Feldeffekttransistor ist der Sensorkörper einen mindestens abschnittsweise rohrförmigen Sensorschaft, der vorderseitig anschließenden Stirnabschnitt aufweist, ausgebildet, wobei die Gehäusewand, gegen die die Vorderfläche des Sensorelements gedrückt wird und wobei das rückseitige Ende des Sensorschafts ist durch das Elektronikgehäuseteil verschlossen ist. In der Ausgestaltung des Sensorelements als pH-Glaselektrode ist die Leiterkarte durch eine erste Dichtung in den Sensorraum geführt, der mit einem Puffer-Elektrolyt gefüllt und mittels einer Glasmembran zum Messmedium verschlossen ist. Das Elektronikgehäuseteil kann insbesondere nach Art einer Kappe auf den Sensorschaft aufgesteckt und mit diesem, beispielsweise durch Klebung, fest verbunden sein. Der Sensorkörper kann aus Glas oder einem Kunststoff, beispielsweise PEEK, gebildet sein, der geeignet ist, in das Messmedium eingetaucht zu werden. Das Elektronikgehäuseteil ist nicht zum Eintauchen in das Messmedium bestimmt und kann daher aus einem beliebigen Kunststoff gebildet sein.In one embodiment, the housing may comprise a sensor body and an electronics housing part fixedly connected to the sensor body. In the embodiment of the sensor element as an ion-selective field effect transistor of the sensor body is at least partially tubular sensor shaft, the front side adjacent end portion is formed, wherein the housing wall against which the front surface of the sensor element is pressed and wherein the rear end of the sensor shaft is closed by the electronics housing part , In the embodiment of the sensor element as a pH glass electrode, the printed circuit board is guided through a first seal in the sensor space, which is filled with a buffer electrolyte and sealed by a glass membrane to the measured medium. The electronics housing part can be attached in particular in the manner of a cap on the sensor shaft and be firmly connected to this, for example by gluing. The sensor body can be made of glass or a plastic, for example PEEK, which is suitable for being immersed in the measuring medium. The electronics housing part is not intended for immersion in the measuring medium and can therefore be formed from any plastic.

Im rückseitigen Bereich des Sensorschafts kann die bereits erwähnte zweite Dichtung angeordnet sein, die die zweite elektrolytgefüllte Kammer des Gehäuses gegenüber der dritten, die Sensorelektronikeinheit enthaltende Kammer abdichtet. Die zweite Dichtung kann mindestens zwei, insbesondere elastische, Kunststoffdichtelemente umfassen, die sich gegen die Innenwand des rohrförmigen Sensorschafts abstützen, und die zwei mit Spannung gegeneinander anliegende Dichtflächen aufweisen, zwischen denen die flexible Leiterkarte eingespannt ist, so dass die Leiterkarte flüssigkeitsdicht von der dritten Kammer in die zweite Kammer geführt ist. Die solcherart gebildete Klemmdichtung ist bei der Fertigung des Sensors besonders einfach zu handhaben und erlaubt eine wesentlich sicherere Abdichtung der vorderseitigen, elektrolytgefüllten ersten Kammer gegenüber der rückseitigen zweiten Kammer, in der die Sensorelektronikeinheit untergebracht ist, im Vergleich zu herkömmlichen Sensoren, bei denen das eingangs beschriebene Innenrohr und die Potentialableitung der Bezugselektrode durch einen im Sensorschaft angeordneten Dichtstopfen geführt werden müssen.In the rear region of the sensor shaft, the already mentioned second seal can be arranged, which seals the second electrolyte-filled chamber of the housing with respect to the third, the sensor electronics unit containing chamber. The second seal can comprise at least two, in particular elastic, plastic sealing elements which bear against the inner wall of the tubular sensor shaft and which have two voltage-bearing sealing surfaces, between which the flexible printed circuit board is clamped, so that the printed circuit board is liquid-tight from the third chamber is guided into the second chamber. The clamping seal thus formed is particularly easy to handle in the manufacture of the sensor and allows a much safer seal the front side, electrolyte-filled first chamber opposite the rear second chamber in which the sensor electronics unit is housed, compared to conventional sensors, in which the above-described Inner tube and the potential dissipation of the reference electrode must be performed by a arranged in the sensor shaft sealing plug.

Das Elektronikgehäuseteil kann eine Schnittstelle zum Anschluss an eine übergeordnete Einheit umfassen. Die Schnittstelle kann dabei neben einer mechanischen Schnittstelle, z. B. einem Steckkopf, der mit einer komplementären Buchse eines mit der übergeordneten Einheit verbundenen Kabels lösbar verbunden werden kann, eine elektrische bzw. elektronische Schnittstelle umfassen, über die die Sensorelektronikeinheit zum Austausch von Energie und Daten mit der übergeordneten Einheit verbunden wird, wenn die mechanische Schnittstelle mit der komplementären Schnittstelle der übergeordneten Einheit oder des mit der übergeordneten Einheit verbundenen Kabels verbunden ist. Hierzu weist die Sensorelektronikeinheit Schaltungskomponenten auf, die dazu dienen Signale an der Schnittstelle bereitzustellen. Die Schnittstelle kann beispielsweise galvanische Kontakte aufweisen oder kontaktlos als kapazitiv oder induktiv koppelnde Schnittstelle ausgestaltet sein.The electronics housing part may comprise an interface for connection to a higher-level unit. The interface can be next to a mechanical interface, eg. As a plug-in head, which can be detachably connected to a complementary socket of a cable connected to the parent unit, an electrical or electronic interface, via which the sensor electronics unit for the exchange of energy and data is connected to the parent unit, if the mechanical Interface with the complementary interface of the parent unit or connected to the parent unit cable is connected. For this purpose, the sensor electronics unit has circuit components which serve to provide signals at the interface. The interface may, for example, have galvanic contacts or be designed contactless as a capacitive or inductive coupling interface.

Die elektrisch leitende Verbindung zwischen der Bezugselektrode und der flexiblen Leiterkarte kann in einem vorderseitigen, d. h. sensorelementseitigen Bereich der flexiblen Leiterkarte, vorzugsweise in der Nähe des Sensorelements, angeordnet sein. Indem die Bezugselektrode im vorderseitigen Endbereich des Sensors mit der flexiblen Leiterkarte kontaktiert ist, entfällt das bei aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren bestehende Erfordernis einer zusätzlichen, über nahezu die gesamte Länge des Sensors geführten Potentialableitung der Bezugselektrode zur im rückseitigen Elektronikgehäuseteil angeordneten Sensorelektronikeinheit. Der vorderseitige Endbereich des Sensorgehäuses, in dem das Sensorelement und die Verbindungsstelle zwischen der Bezugselektrode und der Leiterkarte angeordnet sind, kann mit einem Verguss, beispielsweise auf Epoxid-Basis, gefüllt sein. Dieser Verguss dient zur verbesserten Isolierung der Verbindungen, insbesondere Lötverbindungen, zwischen den Kontaktelementen bzw. der Bezugselektrode und den ersten Leiterbahnen bzw. der zweiten Leiterbahn der flexiblen Leiterkarte. Zur Verbesserung der Signalqualität kann die flexible Leiterkarte eine zusätzliche Schirmlage umfassen.The electrically conductive connection between the reference electrode and the flexible printed circuit board may be in a front, d. H. Sensor element side region of the flexible printed circuit board, preferably in the vicinity of the sensor element, be arranged. By contacting the reference electrode in the front end region of the sensor with the flexible printed circuit board, the requirement of an additional potential lead of the reference electrode guided over almost the entire length of the sensor in the case of sensors known from the prior art is eliminated for the electronic sensor unit arranged in the rear electronics housing part. The front end region of the sensor housing, in which the sensor element and the connection point between the reference electrode and the printed circuit board are arranged, may be filled with a potting, for example, epoxy-based. This potting serves for improved insulation of the connections, in particular solder connections, between the contact elements or the reference electrode and the first interconnects or the second interconnect of the flexible circuit board. To improve the signal quality, the flexible printed circuit board may include an additional shielding layer.

Das Sensorelement kann eine EIS-Struktur umfassen. Insbesondere kann das Sensorelement einen ionensensitiven Feldeffekt-Transistor umfassen, welcher neben dem als Gate dienenden, an der Vorderfläche angeordneten analytsensitiven Bereich, einen auf der Vorderfläche oder auf einer von der Vorderfläche abgewandten Rückfläche des Sensorelements angeordneten, als Kontaktelement dienenden Source-Anschluss und einen auf der Vorderfläche oder auf der Rückfläche des Sensorelements angeordneten als weiteres Kontaktelement dienenden Drain-Anschluss aufweist. In diesem Fall weist die flexible Leiterkarte zwei Leiterbahnen auf, von denen eine mit dem Source-Anschluss und die andere mit dem Drain-Anschluss elektrisch leitend verbunden sind.The sensor element may comprise an EIS structure. In particular, the sensor element may comprise an ion-sensitive field-effect transistor which, in addition to the analyte-sensitive region serving as gate, arranged on the front surface or on a rear surface facing away from the front surface of the sensor element, serving as a contact element source terminal and on Having the front surface or on the rear surface of the sensor element arranged as a further contact element serving drain terminal. In this case, the flexible printed circuit board has two printed conductors, one of which is electrically connected to the source terminal and the other to the drain terminal.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen: The invention will be explained in more detail below with reference to the embodiment shown in FIGS. Show it:

1 eine Gesamtansicht eines elektrochemischen Sensors, teilweise in Längsschnitt-Darstellung; 1 an overall view of an electrochemical sensor, partially in longitudinal section view;

2 eine vergrößerte Längsschnitt-Darstellung des vorderseitigen Endabschnitts des in 1 dargestellten Sensors; 2 an enlarged longitudinal sectional view of the front end portion of the in 1 represented sensor;

3 eine vergrößerte Längsschnitt-Darstellung des vorderseitigen Endabschnitts eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Sensors; 3 an enlarged longitudinal sectional view of the front end portion of another embodiment of the sensor according to the invention;

4 eine Ansicht der Leiterkarte mit dem Sensorelement und der Bezugselektrode des erfindungsgemäßen Sensors; 4 a view of the printed circuit board with the sensor element and the reference electrode of the sensor according to the invention;

5 eine Querschnittsansicht an der Bezugslinie A-A der Leiterkarte mit den Leiterbahnen und der Bezugselektrode des erfindungsgemäßen Sensors aus 4; und 5 a cross-sectional view of the reference line AA of the printed circuit board with the interconnects and the reference electrode of the sensor according to the invention 4 ; and

6 eine Detaildarstellung einer in dem in den 1 bis 5 dargestellten Sensor enthaltenen flexiblen Leiterkarte mit einer Dichtungsanordnung; 6 a detailed representation of a in the in the 1 to 5 sensor shown contained flexible printed circuit board with a seal assembly;

1 zeigt eine schematische Längsschnitt-Darstellung eines elektrochemischen Sensors 1 zur Messung eines pH-Werts eines Messmediums. Als analytsensitives Sensorelement 2 umfasst der hier dargestellte Sensor eine pH-Glaselektrode oder einen ionensensitiven Feldeffekttransistor. Obwohl im Folgenden die Erfindung anhand eines pH-Sensors mit einem pH-sensitiven ISFET als Sensorelement beschrieben wird, ist die Erfindung selbstverständlich auf Sensoren mit anderen Sensorelementen, insbesondere für ISFETs bzw. ChemFETs oder andere EIS-strukturen umfassenden Sensorelementen sowie mit ionen- bzw. analytsensitiven Membranen, die ein von der Konzentration eines Analyten in einem Messmedium abhängiges Signal zur Verfügung stellen, übertragbar. 1 shows a schematic longitudinal sectional view of an electrochemical sensor 1 for measuring a pH value of a measuring medium. As an analyte-sensitive sensor element 2 The sensor shown here comprises a pH glass electrode or an ion-sensitive field-effect transistor. Although the invention is described below with reference to a pH sensor with a pH-sensitive ISFET as a sensor element, the invention is of course based on sensors with other sensor elements, in particular for ISFETs or ChemFETs or other EIS structures comprehensive sensor elements and with ion or analyte-sensitive membranes that provide a dependent of the concentration of an analyte in a measurement medium signal transferable.

Der Sensor 1 umfasst ein Gehäuse 3, das im Wesentlichen aus einem Sensorkörper 4 und einem fest mit dem Sensorkörper 4 verbundenen Elektronikgehäuseteil 5 gebildet ist. Der Sensorkörper 4 kann aus einem nicht elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise Glas oder Kunststoff bestehen. Im vorliegenden Beispiel besteht der Sensorkörper 4 aus Polyetheretherketon (PEEK). Der Sensorkörper 4 umfasst einen rohrförmigen Sensorschaft, dessen vorderer Endabschnitt (2) dazu ausgestaltet ist, in ein Messmedium zur Messung des pH-Werts eingetaucht zu werden. Rückseitig ist der Sensorschaft des Sensorkörpers 4 fest mit dem Elektronikgehäuseteil 5 verbunden, das nach Art einer Kappe rückseitig auf dem Sensorschaft 4 aufgesetzt ist und diesen verschließt. Das Elektronikgehäuseteil 5 besteht aus einem nicht elektrisch leitfähigen Kunststoff.The sensor 1 includes a housing 3 which consists essentially of a sensor body 4 and one fixed to the sensor body 4 connected electronics housing part 5 is formed. The sensor body 4 may consist of a non-electrically conductive material, such as glass or plastic. In the present example, the sensor body consists 4 made of polyetheretherketone (PEEK). The sensor body 4 comprises a tubular sensor shaft whose front end portion ( 2 ) is designed to be immersed in a measuring medium for measuring the pH. At the back is the sensor shaft of the sensor body 4 firmly with the electronics housing part 5 connected in the manner of a cap on the back of the sensor shaft 4 is attached and closes this. The electronics housing part 5 consists of a non-electrically conductive plastic.

Die Sensorelektronik 13 ist mit dem Sensorelement 2 über eine Anschlussleitung 10 verbunden, die als eine flexible Leiterkarte 12 ausgestaltet ist.The sensor electronics 13 is with the sensor element 2 via a connecting cable 10 Connected as a flexible circuit board 12 is designed.

Wie in 2 im Detail erkennbar ist, ist das Sensorelement 2 mit seiner Vorderfläche 6 über ein elastisches Dichtelement 7 gegen eine stirnseitige Wand 8 des Sensorkörpers 4 angedrückt. Die Wand 8 weist eine Öffnung 9 auf, die einen pH-sensitiven Oberflächenbereich des Sensorelements 2 freilässt, so dass dieser Bereich beim Eintauchen des Sensors 1 in ein Messmedium mit diesem in Kontakt kommt.As in 2 can be seen in detail, is the sensor element 2 with its front surface 6 via an elastic sealing element 7 against a frontal wall 8th of the sensor body 4 pressed. The wall 8th has an opening 9 on which a pH-sensitive surface area of the sensor element 2 leaves this area free when immersing the sensor 1 in a measuring medium comes into contact with this.

Das Sensorelement 2 wird mittels eines an seiner von dem pH-sensitiven Oberflächenbereich abgewandten Rückseite angreifenden Andruckteils 32 gegen das elastische erste Dichtelement 7 angedrückt. Das Andruckteil 32 kann beispielsweise aus einem Elastomer bestehen, so dass das Sensorelement 2 sandwichartig zwischen dem elastischen Dichtelement 7 und dem Andruckteil 32 eingeklemmt ist. Das Andruckteil 32 stützt sich gegen ein mit der Gehäusewand des Gehäuses 3 verbundenes Gegenstück 22 ab.The sensor element 2 is by means of a on its side facing away from the pH-sensitive surface area backside pressing member 32 against the elastic first sealing element 7 pressed. The pressure part 32 may for example consist of an elastomer, so that the sensor element 2 sandwiched between the elastic sealing element 7 and the pressure part 32 is trapped. The pressure part 32 rests against a with the housing wall of the housing 3 connected counterpart 22 from.

Während das den pH-sensitiven Oberflächenbereich des als ISFET ausgestalteten Sensorelements 2 bildende Transistor-Gate mit dem das Gehäuse 3 umgebenden Medium in Kontakt steht, sind Source und Drain des ISFET in einem mittels des Dichtelements 7 mediumsdicht gegenüber der Umgebung des Gehäuses 3 abgeschlossenen Bereich der Vorderfläche 6 des Sensorelements 2 angeordnet. Als Source- und Drain-Anschluss dienende Kontaktelemente können entweder, wie im hier gezeigten Beispiel, auf der Vorderfläche 6 des Sensorelements 2 oder auf einer von der Vorderfläche 6 abgewandten Rückfläche angeordnet sein.While this is the pH-sensitive surface area of the designed as an ISFET sensor element 2 forming transistor gate with which the housing 3 surrounding medium in contact, source and drain of the ISFET are in one by means of the sealing element 7 medium-tight against the environment of the housing 3 closed area of the front surface 6 of the sensor element 2 arranged. Contact elements serving as source and drain terminals can either be, as in the example shown here, on the front surface 6 of the sensor element 2 or on one of the front surface 6 be arranged away from the rear surface.

Die Kontaktelemente sind mittels einer Lötverbindung elektrisch leitend mit Leiterbahnen einer flexiblen Leiterkarte 12 verbunden, die in axialer Richtung durch den Sensorkörper 4 verläuft. Im hier gezeigten Beispiel verlaufen die Leiterbahnen innerhalb der flexiblen Leiterkarte 12. Sie verlaufen über die gesamte Länge der flexiblen Leiterkarte 12 und sind mit einer in dem Anschlussgehäuseteil 5 angeordneten Sensorelektronikeinheit 13 verbunden. Im vorderseitigen Endbereich des Sensorkörpers 4 ist auf der flexiblen Leiterkarte 12 eine Bezugselektrode 14 angeordnet. Diese Bezugselektrode 14 ist erfindungsgemäß direkt auf der flexiblen Leiterkarte 12 aufgebaut, indem das dichte Trägermaterial 27 an der Position 29 über einer eingebetteten Leiterbahn 28 geöffnet wurde oder bei deren Herstellung freigelassen wurde, und indem eine Materialschichtsystem 26, beispielsweise aus Silber/Silberchlorid, an dieser Position 29 die Öffnung des Trägermaterials 27 abdichtend aufgebracht ist. Im vorliegenden Beispiel umfasst der Innenelektrolyt 25 eine wässrige 3 molare KCl-Lösung. Bei dem Innenelektrolyten 25 kann es sich auch um einen Gelelektrolyten 25 handeln, der aus einem Polymer mit eingebetteter KCl-Lösung bestehen kann. Über ein in der Gehäusewand des Sensorkörpers 4 angeordnetes zweiten Überführung als mikroporöses Diaphragma 16, beispielsweise aus Keramik oder Kunstoff, steht der Innenelektrolyt 25 mit einem den vorderen Endbereich des Sensors 1 umgebenden Messmedium in elektrolytischem Kontakt, so dass ein Ladungstransport zwischen dem Innenelektrolyten 15 und dem umgebenden Medium erfolgen kann.The contact elements are electrically conductive by means of a soldered connection with conductor tracks of a flexible printed circuit board 12 connected in the axial direction through the sensor body 4 runs. In the example shown here, the printed conductors run within the flexible printed circuit board 12 , They run the entire length of the flexible printed circuit board 12 and are with one in the terminal housing part 5 arranged sensor electronics unit 13 connected. In the front end region of the sensor body 4 is on the flexible circuit board 12 a reference electrode 14 arranged. This reference electrode 14 is according to the invention directly on the flexible printed circuit board 12 built by the dense substrate 27 at the position 29 over an embedded trace 28 open was or was released in their manufacture, and by a material layer system 26 For example, from silver / silver chloride, at this position 29 the opening of the carrier material 27 is applied sealingly. In the present example, the inner electrolyte comprises 25 an aqueous 3 molar KCl solution. In the inner electrolyte 25 it can also be a gel electrolyte 25 which may consist of a polymer with embedded KCl solution. About one in the housing wall of the sensor body 4 arranged second transfer as a microporous diaphragm 16 , For example, made of ceramic or plastic, is the inner electrolyte 25 with a the front end of the sensor 1 surrounding measuring medium in electrolytic contact, so that a charge transport between the inner electrolyte 15 and the surrounding medium.

Das Gehäuse 3 ist in seinem vorderen Endbereich etwa bis zur Höhe des Gegenstücks 22 mit einem Vergussmaterial, beispielsweise einem Epoxid-Harz oder Siliconkautschuke, vergossen, so dass insbesondere auch das mit der flexiblen Leiterkarte verbundene sensorelementseitige Ende der Bezugselektrode 14 sowie dessen Verbindungsstelle mit der als Potentialableitung dienenden Leiterbahn gegenüber dem Innenelektrolyten 25 isoliert ist. Das Gegenstück 22 kann aber auch als Dichtung zur mediumsdichten Trennung der ersten Kammer 18 und zweiten Kammer 19 ausgeführt sein.The housing 3 is in its front end approximately up to the height of the counterpart 22 with a potting material, such as an epoxy resin or silicone rubbers, potted, so that in particular also connected to the flexible printed circuit board sensor element end of the reference electrode 14 as well as its connection point with the serving as a potential lead conductor against the inner electrolyte 25 is isolated. The counterpart 22 but can also be used as a seal for medium-tight separation of the first chamber 18 and second chamber 19 be executed.

Die Leiterkarte 11 bzw. die flexible Leiterkarte 12 dient mithin zur Verbindung sowohl des Sensorelements 2 als auch der Bezugselektrode 14 mit der Sensorelektronikeinheit 13. Dabei wird, wie eingangs ausgeführt, auf die herkömmliche Zweiteilung des Gehäuses 3 in einen Innenraum, in dem die Anschlussdrähte des Sensorelements 2 verlaufen und einem den Innenelektrolyten 25 enthaltenden weiteren Raum verzichtet, was zum einen die Fertigung des Sensors 1 vereinfacht und zum anderen dazu führt, dass im Sensorinneren mehr Raum zur Verfügung steht.The circuit board 11 or the flexible printed circuit board 12 serves therefore for connecting both the sensor element 2 as well as the reference electrode 14 with the sensor electronics unit 13 , In this case, as stated above, on the conventional division of the housing 3 in an interior, in which the connecting wires of the sensor element 2 run and one the inner electrolyte 25 omitted additional space containing, on the one hand, the production of the sensor 1 simplifies and on the other hand leads to the fact that inside the sensor more space is available.

In dem vorderseitigen vergossenen Bereich des Gehäuses 3 in der ersten Kammer 18 oder der zweiten Kammer 19, vorzugsweise möglichst nah an dem Sensorelement 2, ist auf der flexiblen Leiterkarte 12 zusätzlich ein Temperatursensor oder weitere Sensorelemente 31, wie beispielsweise ein Leitfähigkeitssensor oder Drucksensor, angeordnet, der mit einer weiteren Leiterbahn 28 der flexiblen Leiterkarte 12 verbunden ist. Ein Leitfähigkeitssensor als ein weiteres Sensorelement 31 kann in der zweiten Kammer 19 zur Messung der Leitfähigkeit des Innenelektrolyten 25 eingebracht sein. Mittels dieses Leitfähigkeitssensors als ein weiteres Sensorelement 31 können Veränderungen in der Zusammensetzung und Alterungserscheinungen im Innenelektrolyten 25 ermittelt werden. Diese weitere Leiterbahn 28 ist, wie die potentialableitende Leiterbahn 28 der Bezugselektrode 14 und die mit dem Sensorelement 2 verbundenen Leiterbahnen 28, mit der Sensorelektronikeinheit 13 verbunden, die die von dem Temperatursensor 31 zur Verfügung gestellten Messsignale erfasst und verarbeitet. Dieser Temperatursensor 31 kann als Thermoelement durch die verschiedene Thermospannung zweier unterschiedlichen Metalle ermittelt werden, indem zumindest zwei Leiterbahnen 28 in der flexiblen Leiterkarte 12 zumindest teilweise aus unterschiedlichen Metallen kontaktiert werden oder zwei Leiterbahnen 28 aus demselben Metall, z. B. Kupfer oder Silber, in der flexiblen Leiterkarte 12 über eine Brücke aus einem anderen Metall elektrisch leitend verbunden werden.In the front potted portion of the housing 3 in the first chamber 18 or the second chamber 19 , preferably as close as possible to the sensor element 2 , is on the flexible circuit board 12 In addition, a temperature sensor or other sensor elements 31 , such as a conductivity sensor or pressure sensor, arranged with another conductor track 28 the flexible printed circuit board 12 connected is. A conductivity sensor as another sensor element 31 can in the second chamber 19 for measuring the conductivity of the inner electrolyte 25 be introduced. By means of this conductivity sensor as a further sensor element 31 can change the composition and aging phenomena in the inner electrolyte 25 be determined. This further track 28 is like the potential-diverting track 28 the reference electrode 14 and those with the sensor element 2 connected interconnects 28 , with the sensor electronics unit 13 connected to that of the temperature sensor 31 recorded and processed. This temperature sensor 31 can be determined as a thermocouple by the different thermoelectric voltage of two different metals by at least two tracks 28 in the flexible printed circuit board 12 at least partially contacted from different metals or two tracks 28 made of the same metal, eg. As copper or silver, in the flexible printed circuit board 12 be electrically connected via a bridge of another metal.

In dem den Sensorschaft bildenden rohrförmigen Abschnitt des Sensorkörpers 4 ist eine zweite Dichtung 17 angeordnet, die das Sensorgehäuse in eine dritte Kammer 20 und eine zweite Kammer 19 unterteilt. Die zweiten Kammer 19 befindet sich im Sensorkörper 4 und enthält den Innenelektrolyten 25. Die dritte Kammer 20 wird durch den rückseitigen Endabschnitt des Sensorkörpers 4 und das darauf aufgesteckte Elektronikgehäuseteil 5 gebildet. In dieser dritten Kammer 20 ist die Sensorelektronikeinheit 13 angeordnet. Die dritte Kammer 20 kann mit einer Vergussmasse, z. B. einem Epoxidharz, gefüllt sein. Insbesondere kann die Sensorelektronikeinheit 13 vergossen sein. Die Dichtung 17 ist im hier gezeigten Beispiel aus 6 durch zwei elastische, aneinander anliegende Dichtelemente 23, 24 gebildet, die den Querschnitt des Sensorschaftes ausfüllen und sich gegen dessen Innenwand abstützen, so dass die zwischen den Dichtelementen 23, 24 von der ersten in die zweite Kammer geführte flexiblen Leiterkarte 12 zwischen zwei aneinander liegenden Dichtflächen der Dichtelemente 23, 24 eingespannt ist. Auf diese Weise ist die die Sensorelektronikeinheit 13 enthaltende zweite Kammer 19 gegenüber der ersten elektrolytgefüllten Kammer 18 flüssigkeitsdicht abgedichtet, so dass kein Innenelektrolyt 15 in die zweite Kammer 19 eindringen kann.In the sensor shaft forming the tubular portion of the sensor body 4 is a second seal 17 arranged the sensor housing in a third chamber 20 and a second chamber 19 divided. The second chamber 19 is located in the sensor body 4 and contains the inner electrolyte 25 , The third chamber 20 is through the rear end portion of the sensor body 4 and the electronics housing part plugged thereon 5 educated. In this third chamber 20 is the sensor electronics unit 13 arranged. The third chamber 20 can with a potting compound, for. As an epoxy resin, filled. In particular, the sensor electronics unit 13 to be shed. The seal 17 is off in the example shown here 6 by two elastic, abutting sealing elements 23 . 24 formed, which fill the cross section of the sensor shaft and are supported against the inner wall, so that between the sealing elements 23 . 24 from the first to the second chamber led flexible printed circuit board 12 between two adjacent sealing surfaces of the sealing elements 23 . 24 is clamped. In this way, that is the sensor electronics unit 13 containing second chamber 19 opposite the first electrolyte-filled chamber 18 sealed liquid-tight, so no internal electrolyte 15 in the second chamber 19 can penetrate.

Die Dichtelemente 23, 24 können im hier gezeigten Beispiel zu einer rotationssymmetrischen, stopfenartigen zweite Dichtung 17 zusammengefügt werden. Ein erstes Dichtelement 23 weist einen axial bezüglich der Rotationssymmetrieachse der zweite Dichtung 17 verlaufenden Einschnitt 25 auf, in den das zweite Dichtelement 24, wie in 3 zu sehen, einschiebbar ist. Die flexible Leiterkarte 12 kann gegen eine innerhalb des Einschnittes 25 angeordnete Fläche des ersten Dichtelements 23 angelegt werden und wird bei zusammengefügter Dichtung 17 zwischen dieser Fläche und einer daran anliegenden Fläche des zweiten Dichtelements 24 eingepresst. Mit ihren Mantelflächen stützen sich die Dichtelemente 23, 24 gegen die Innenwand des rohrförmigen Sensorschafts ab, und verschließen so die dritte Kammer 20 flüssigkeitsdicht gegenüber der zweiten Kammer 19. Zusätzlich kann der Bereich zwischen der Dichtung 17 und dem zur Sensorrückseite hin offenen Ende des Sensorkörpers 3 mit einem Verguß ausgefüllt sein. Diese Art der Dichtweise mittels dieser Dichtelemente 23, 24 kann auch für weitere mediumsdichte Sperren innerhalb des Sensorkörpers 4 Verwendung finden.The sealing elements 23 . 24 can in the example shown here to a rotationally symmetrical, plug-like second seal 17 be joined together. A first sealing element 23 has an axial with respect to the rotational axis of symmetry of the second seal 17 running incision 25 in which the second sealing element 24 , as in 3 to be seen, is insertable. The flexible circuit board 12 can be against one inside the incision 25 arranged surface of the first sealing element 23 be applied and will be in assembled seal 17 between this surface and an abutting surface of the second sealing element 24 pressed. With their lateral surfaces, the sealing elements are based 23 . 24 against the inner wall of the tubular sensor shaft, thus closing the third chamber 20 liquid-tight against the second chamber 19 , In addition, the area between the seal 17 and the end of the sensor body open towards the rear of the sensor 3 filled with a potting. This type of sealing by means of these sealing elements 23 . 24 can also be used for other medium-tight barriers within the sensor body 4 Find use.

Wie aus der 1 ersichtlich ist kann die flexible Leiterkarte 12 vorteilhafterweise innerhalb der zweiten Kammer 18 einen gekrümmten Verlauf aufweisen, so dass die Länge der flexiblen Leiterkarte 12 zwischen dem Sensorelement 2 und der Dichtung 17 größer ist als der Abstand zwischen der Dichtung 17 und dem Sensorelement 2. Diese Verlängerung der flexiblen Leiterkarte 12 dient zum einen der Zugentlastung, z. B. bei Temperaturausdehnungen des Sensorschaftes, und trägt aufgrund des Platzgewinns innerhalb des Sensorkörpers 4 infolge des Verzichts auf ein zusätzliches Innenrohr bzw. Kapillarrohres dazu bei, verschiedene Sensortypen unterschiedlicher Länge unter Verwendung von flexiblen Leiterkarten 12 ein und derselben Länge zu fertigen. Hierzu wird die die flexible Leiterkarte 12 innerhalb des Sensorkörpers 4 ein- oder mehrfach gefaltet. Die auf die flexible Leiterkarte 12 aufgebrachte Bezugselektrode 14 wird aus diesem Grund sehr nahe an der Durchführung zu dem Gegenstück 22 platziert, um Materialspannungen in dem Materialschichtsystem der Bezugselektrode 14 aufgrund der Biegung bzw. Faltung der flexiblen Leiterkarte 12 zu vermeiden.Like from the 1 the flexible printed circuit board can be seen 12 advantageously within the second chamber 18 have a curved course, so that the length of the flexible printed circuit board 12 between the sensor element 2 and the seal 17 greater than the distance between the seal 17 and the sensor element 2 , This extension of the flexible circuit board 12 serves for a strain relief, z. B. at temperature expansions of the sensor shaft, and contributes due to the space gain within the sensor body 4 due to the omission of an additional inner tube or capillary tube to, different types of sensors of different lengths using flexible printed circuit boards 12 one and the same length to manufacture. To do this, the flexible printed circuit board 12 within the sensor body 4 folded one or more times. The on the flexible circuit board 12 applied reference electrode 14 For this reason, it becomes very close to being the counterpart 22 placed to material stresses in the material layer system of the reference electrode 14 due to the bending or folding of the flexible printed circuit board 12 to avoid.

Im hier gezeigten Beispiel ist die Sensorelektronikeinheit 13 auf einer starren Leiterkarte 11 angeordnet. Die mit den Kontaktelementen des Sensorelements 2 und der Bezugselektrode 14 verbundenen Leiterbahnen 28 der flexiblen Leiterkarte 12 sind mit zugehörigen Anschlüssen der Sensorelektronikeinheit 13 verbunden. Zur weiteren Vereinfachung der Fertigung des Sensors 1 sind die Anschlussbilder der flexiblen Leiterkarte 12 und der starren Leiterkarte 1 aufeinander abgestimmt. Desweiteren sind die weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten möglich, die Flexible Leiterkarte 12 durch die zweite Dichtung 17 hindurch in die dritte Kammer 20 zu führen und die Sensorelektronik 13 direkt auf dieser flexiblen Leiterkarte 12 aufzubauen oder eine StarrFlex Leiterplatten, die als ein Hybridleiterplattensystem aus einer starren Leiterplatte und zumindest einer flexiblen Leiterplatte 12 ausgestaltet ist, zu verwenden. Bei der Starrflex-Leiterkarte dienen die starren Leiterplatten 11 als stabiles Element für die Aufnahme der Sensorelektronikeinheit 13. Diese starren Leiterplatten 11 sind unlösbar über die Weiterführung einer flexiblen Schicht aus der starren Leiterplatte 11 heraus mit der flexiblen Leiterplatte 12 verbunden. In der 4 ist eine solcher Aufbau mit einer Starrflex-Leiterplatte 11, 12 gezeigt.In the example shown here is the sensor electronics unit 13 on a rigid circuit board 11 arranged. The with the contact elements of the sensor element 2 and the reference electrode 14 connected interconnects 28 the flexible printed circuit board 12 are with associated terminals of the sensor electronics unit 13 connected. To further simplify the manufacture of the sensor 1 are the connection diagrams of the flexible printed circuit board 12 and the rigid circuit board 1 coordinated. Furthermore, the other design options are possible, the flexible circuit board 12 through the second seal 17 through to the third chamber 20 to lead and the sensor electronics 13 directly on this flexible circuit board 12 or a StarrFlex printed circuit board, acting as a hybrid printed circuit board system of a rigid printed circuit board and at least one flexible printed circuit board 12 is designed to use. The rigid printed circuit boards are used for the rigid flex PCB 11 as a stable element for receiving the sensor electronics unit 13 , These rigid circuit boards 11 are unsolvable on the continuation of a flexible layer of the rigid circuit board 11 out with the flexible circuit board 12 connected. In the 4 is such a structure with a rigid flex circuit board 11 . 12 shown.

Die Sensorelektronikeinheit 13 umfasst neben Mitteln zur weiteren Verarbeitung der Messsignale, insbesondere zu deren Verstärkung und Digitalisierung, einen Speicher zur Speicherung von Sensordaten und/oder von Messwerten. Daneben umfasst die Schaltung im hier gezeigten Beispiel eine in einen mechanischen Sensorsteckkopf integrierte induktive Schnittstelle 21. Diese induktive Schnittstelle 21 kann mit einer komplementären Buchse verbunden werden, um den Sensor 1 mit einer übergeordneten Einheit, beispielsweise einem Messumformer, einem herkömmlichen Computer oder einem Buskoppler zu verbinden. Über die induktive Schnittstelle können Daten, insbesondere Messwerte, und Energie übertragen werden. Solche induktive Schnittstelle des Sensorelektronik zum Prozesstransmitter wird von der Anmelderin unter dem Namen MEMOSENS vertrieben und verkauft.The sensor electronics unit 13 comprises, in addition to means for further processing of the measurement signals, in particular for their amplification and digitization, a memory for storing sensor data and / or measured values. In addition, in the example shown here, the circuit comprises an inductive interface integrated into a mechanical sensor plug-in head 21 , This inductive interface 21 can be connected to a complementary socket to the sensor 1 to connect to a higher-level unit, such as a transmitter, a conventional computer or a bus coupler. Data, in particular measured values, and energy can be transmitted via the inductive interface. Such inductive interface of the sensor electronics to the process transmitter is sold and sold by the applicant under the name MEMOSENS.

In der 3 ist eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Sensors 1 als pH-sensitive Glaselektrode gezeigt. Diese eine pH-sensitive Glaselektrode als Sensorelement 2 gibt im nicht stromdurchflossenen Zustand ein vom pH-Wert des Messmediums abhängiges Potential aus. Dieser Sensor 1 mit einer pH-sensitive Glaselektrode weist ein Gehäuse 3 auf, das an seiner Vorderfläche 6 durch eine pH-sensitive Glasmembran 15 verschlossen ist und eine erste Kammer 18 bildet. In dieser ersten Kammer 18 befindet sich als Innenelektrolyt 25 eine pH-Pufferlösung mit einem bestimmten pH-Wert. Bei dieser Pufferlösung kann es sich auch, wie schon beschrieben, um einen Gelelektrolyten handeln, der aus einem Polymer bzw. Kunststoff mit eingebetteter KCl-Lösung besteht. Bei Glaselektroden als Sensorelemente 2 werden allgemein Silber/ Silberchlorid- oder Kalomel-Elektroden verwendet. Der Kontakt von der Bezugs- bzw. Referenzhalbzelle in der zweiten Kammer 19 zum Messmedium wird über einen Brückenelektrolyten bzw. Innenelektrolyten 25 hergestellt. Der Brückenelektrolyt bzw. Innenelektrolyten 25 kann flüssig oder verfestigt sein und muss in der Regel bestimmte Voraussetzungen erfüllen: Einerseits soll er das Potential der Bezugs- bzw. Referenzhalbzelle in der zweiten Kammer 19 wenig beeinflussen und stabil halten; andererseits soll er mit dem Messmedium ein möglichst kleines Diffusionspotential bilden. Sind die Voraussetzungen erfüllt, so liefert die Bezugs- bzw. Referenzhalbzelle in der zweiten Kammer 19 ein prozeßunabhängiges und stabiles Referenzpotentialsignal bzw. Bezugspotentialsignal. In diese Pufferlösung bzw. Pufferelektrolyten taucht eine Ableitelektrode als Sensorelement 2 ein, das über zumindest eine Leiterbahn 28 in der flexiblen Leiterkarte 12 mit der Sensorelektronikeinheit 13 elektrisch leitend verbunden ist. Diese Ableitelektrode kann denselben Mehrschichtmaterial-Aufbau wie die erfindungsgemäße Bezugselektrode 14 aufweisen oder als ein mit Silberchlorid-Schicht beschichteten Silber-Leiterbahn in der flexiblen Leiterkarte 12 ausgestaltet sein. Im Kontakt mit dem Messmedium bildet sich an der Glasmembran 15 ein Potential aus, welches vom pH-Wert des Messmediums abhängig ist. Dieses Potential wird an der Ableitelektrode als Sensorelement 2 abgegriffen und von der Sensorelektronikeinheit 13 ausgewertet. Die erste Kammer 18 in dem Gehäuse 3 ist über eine erste Dichtung 7 gegen die zweite Kammer 19 vollständig abgedichtet. In der zweiten Kammer 19 ist die erfindungsgemäße Bezugselektrode 14 aus einem Materialschichtsystem 26 ausgebildet. In den herkömmlichen voltammetrischen Messungen wird eine potentialstabile Bezugselektrode 14, z. B. eine Ag/AgCl-Referenzelektrode, verwendet.In the 3 is a further embodiment possibility of the sensor according to the invention 1 shown as a pH-sensitive glass electrode. This one pH-sensitive glass electrode as a sensor element 2 In the non-current-carrying state, a potential that depends on the pH of the measuring medium is output. This sensor 1 with a pH-sensitive glass electrode has a housing 3 on, on its front surface 6 through a pH-sensitive glass membrane 15 is closed and a first chamber 18 forms. In this first chamber 18 is located as inner electrolyte 25 a pH buffer solution with a specific pH. As already described, this buffer solution may also be a gel electrolyte which consists of a polymer or plastic with embedded KCl solution. For glass electrodes as sensor elements 2 For example, silver / silver chloride or calomel electrodes are commonly used. The contact of the reference half cell in the second chamber 19 to the measuring medium is via a bridge electrolyte or internal electrolyte 25 produced. The bridge electrolyte or inner electrolyte 25 can be liquid or solidified and must generally fulfill certain conditions: on the one hand, it should have the potential of the reference or reference half-cell in the second chamber 19 affect little and keep it stable; On the other hand, it should form the smallest possible diffusion potential with the measuring medium. If the prerequisites are fulfilled, then the reference or reference half cell delivers in the second chamber 19 a process-independent and stable reference potential signal or reference potential signal. In this buffer solution or buffer electrolyte emerges a Ableitelektrode as a sensor element 2 one that has at least one trace 28 in the flexible printed circuit board 12 with the sensor electronics unit 13 is electrically connected. This leakage electrode may have the same multilayer material structure as the reference electrode according to the invention 14 or as a silver chloride coated silver trace in the flexible printed circuit board 12 be designed. In contact with the measuring medium forms on the glass membrane 15 a potential that depends on the pH of the medium to be measured. This potential is at the Ableitelektrode as a sensor element 2 tapped and from the sensor electronics unit 13 evaluated. The first chamber 18 in the case 3 is about a first seal 7 against the second chamber 19 completely sealed. In the second chamber 19 is the reference electrode according to the invention 14 from a material layer system 26 educated. In the conventional voltammetric measurements becomes a potential-stable reference electrode 14 , z. As an Ag / AgCl reference electrode used.

Die pH-sensitive Glaselektrode weist in der zweiten Kammer 19 einen Innenelektrolyt 25 und eine das Gehäuse in einem zum Kontakt mit dem Messmedium vorgesehenen Bereich abschließende analytsensitive Diaphragma als eine zweite Überführung 16 auf. Unter einem analytsensitiven Diaphragma ist insbesondere eine Membran zu verstehen, an der sich ein von der Analytkonzentration im Messmedium abhängiges Potential einstellt. Dieses Potential kann über ein in den Innenelektrolyten 25 eintauchende Bezugselektrode 14 im stromlosen, hochohmigen Zustand abgegriffen werden und über die flexible Leiterkarte 12 an die Sensorelektronik 13 abgeleitet werden. Das Diaphragma 16 kann beispielsweise aus einer Kreisscheibe aus poröser Keramik oder Kunststoff gebildet sein.The pH-sensitive glass electrode has in the second chamber 19 an inner electrolyte 25 and an analyte-sensitive diaphragm terminating the housing in a region intended for contact with the measuring medium as a second transfer 16 on. An analyte-sensitive diaphragm is to be understood as meaning, in particular, a membrane at which a potential which depends on the analyte concentration in the measurement medium is established. This potential can via a in the inner electrolyte 25 immersed reference electrode 14 be tapped in the currentless, high-impedance state and the flexible printed circuit board 12 to the sensor electronics 13 be derived. The diaphragm 16 may be formed, for example, from a circular disc of porous ceramic or plastic.

Bei Kontakt der pH-Glaselektrode mit wässrigen Lösungen quillt die Glasmembran 15 an der Oberfläche auf. In diese etwa 0,1 bis 0,5 μm dicken Quellschichten können die Wasserstoffionen eines Messmediums mit niedrigem pH-Wert eindiffundieren, während bei einem hohen pH-Wert die äußere Quellschicht an Wasserstoffionen verarmt. Auf der Innenseite der Glasmembran 15 bildet sich ebenfalls eine Quellschicht aus, wobei die Wasserstoffionenkonzentration hier wegen der Pufferlösung im Innern der pH-Glaselektrode konstant bleibt. Somit resultiert aus der Menge der in die Membran eindiffundierten Wasserstoffionen eine dem pH-Wert proportionale Potentialdifferenz zwischen innerer und äußerer Quellschicht. Das Membranpotential der ionenselektiven Elektrode wird gegen eine erfindungsgemäße Bezugselektrode 14 die ein stabiles Bezugs- bzw. Referenzpotential liefert.Upon contact of the pH glass electrode with aqueous solutions, the glass membrane swells 15 on the surface. In these approximately 0.1 to 0.5 micron thick swelling layers, the hydrogen ions of a measuring medium with low pH can diffuse, while at a high pH, the outer swelling layer of hydrogen ions is depleted. On the inside of the glass membrane 15 also forms a swelling layer, wherein the hydrogen ion concentration remains constant here because of the buffer solution in the interior of the pH glass electrode. Thus, the amount of hydrogen ions diffused into the membrane results in a potential difference between the inner and outer source layers that is proportional to the pH. The membrane potential of the ion-selective electrode is against a reference electrode according to the invention 14 which provides a stable reference or reference potential.

Die ionenselektiven Elektroden, insbesondere die pH-Glaselektrode, weisen zwar durch Optimierung in der Regel eine geringe Querempfindlichkeit hinsichtlich anderer in dem Messmedium anwesender Ionen und damit eine hohe Selektivität auf. Andererseits sind die verwendeten Glasmembranen 15 störanfällig und besitzen eine verhältnismäßig kurze Lebensdauer. Die Glasmembran 15 einer pH-Glaselektrode ist insbesondere anfällig gegen Glasbruch. Polymermembranen, wie sie in anderen ionenselektiven Elektroden z. B. zur Messung der Konzentration von Chlorid- oder Nitrationen eingesetzt werden, weisen ein oder mehrere, die Selektivität der Polymermembran gegen eine bestimmte Ionenart gewährleistende chemische Verbindungen auf, deren Konzentration in der Membran sich jedoch mit der Zeit verringert, was als „Ausbluten” der Membran bezeichnet wird.Although the optimization of the ion-selective electrodes, in particular the pH glass electrode, as a rule results in a low cross-sensitivity with respect to other ions present in the measuring medium and thus a high selectivity. On the other hand, the glass membranes used are 15 susceptible to interference and have a relatively short life. The glass membrane 15 a glass pH electrode is particularly susceptible to glass breakage. Polymer membranes, as used in other ion-selective electrodes z. B. are used to measure the concentration of chloride or nitrate ions, have one or more, the selectivity of the polymer membrane against a certain type of ion ensuring chemical compounds, the concentration of which in the membrane, however, decreases over time, which is called "bleeding" the Membrane is called.

In dem Innenelektrolyt 25 befindet sich die erfindungsgemäße Bezugselektrode 14 auf der flexiblen Leiterkarte 12. Die so gebildete Bezugs- bzw. Referenzhalbzelle des Sensors 1 ist über die auf der flexible Leiterkarte 12 befindliche Bezugselektrode 19 elektrisch leitfähig mit der Sensorelektronikeinheit 13 im Elektronikgehäuse 5 verbunden. Die Sensorelektronikeinheit 13 wandelt bzw. verarbeitet die von der Ableitelektrode des Sensorelements 2 und der Bezugselektrode 14 gelieferten Potentiale und leitet die gewandelten Messsignale weiter. Hierzu bestimmt die Sensorelektronikeinheit 13 beispielsweise die Potentialdifferenz zwischen dem Potential der Messhalbzelle mit dem Sensorelement 2 und dem Potential der Referenzhalbzelle mit der Bezugselektrode 14. Die Messelektronik bzw. Sensorelektronikeinheit 13 ist somit in diesem Beispiel zumindest zum Teil in dem Elektronikgehäuse 5 des Anschlusskopfes untergebracht. Ein weiterer Teil der Messelektronik kann in einer über die induktiven Schnittstelle 21 mit dem Anschlusskopf des Sensors 1 verbundenen übergeordneten Einheit, z. B. einem Messumformer, untergebracht sein. Alternativ kann auch die gesamte Messelektronik bzw.In the inner electrolyte 25 is the reference electrode according to the invention 14 on the flexible circuit board 12 , The reference half reference cell of the sensor thus formed 1 is about on the flexible circuit board 12 located reference electrode 19 electrically conductive with the sensor electronics unit 13 in the electronics housing 5 connected. The sensor electronics unit 13 converts or processes the of the Ableitelektrode of the sensor element 2 and the reference electrode 14 supplied potentials and forwards the converted measuring signals. For this purpose, the sensor electronics unit determines 13 For example, the potential difference between the potential of the measuring half cell with the sensor element 2 and the potential of the reference half cell with the reference electrode 14 , The measuring electronics or sensor electronics unit 13 is thus at least partially in the electronics housing in this example 5 housed in the connection head. Another part of the measuring electronics can be in one via the inductive interface 21 with the connection head of the sensor 1 connected parent unit, z. As a transmitter, housed. Alternatively, the entire measuring electronics or

Sensorelektronikeinheit 3 in einem Messumformer untergebracht sein. In diesem Fall dient die elektrische oder elektronische Schaltung der Sensorelektronikeinheit 13 im Elektronikgehäuse 5 des Anschlusskopfes lediglich zur Weiterleitung von Signalen des Sensors 1 an den Messumformer.Sensor electronics unit 3 be housed in a transmitter. In this case, the electrical or electronic circuit of the sensor electronics unit is used 13 in the electronics housing 5 the connection head only for forwarding signals from the sensor 1 to the transmitter.

Im Messbetrieb wird die Messsonde 1 in ein Messmedium eingetaucht. Der Bereich der Gehäuseaußenwand 8 des Sensors 1, der dabei in Kontakt mit dem Messmedium kommt, wird als Eintauchbereich bezeichnet. Dieser Eintauchbereich umfasst sowohl die erste Überführung 15 mit der Glasmembran als auch das Diaphragma 16. In der Messsonde 1 kann optional ein Temperatursensor vorgesehen sein, der erfindungsgemäß in der ersten Kammer 18 direkt auf der flexiblen Leiterkarte 12, z. B. als SMD-Bauteil, aufgebracht ist oder in den Leiterbahnen 28 als Thermoelement aus zwei Leiterbahnen 28 aus unterschiedlichen Metallen ausgestaltet ist.In measuring mode the measuring probe becomes 1 immersed in a measuring medium. The area of the housing outer wall 8th of the sensor 1 , which comes into contact with the measuring medium, is referred to as immersion area. This immersion area includes both the first overpass 15 with the glass membrane as well as the diaphragm 16 , In the measuring probe 1 Optionally, a temperature sensor can be provided, which according to the invention in the first chamber 18 directly on the flexible printed circuit board 12 , z. B. as an SMD component, is applied or in the interconnects 28 as a thermocouple from two tracks 28 is made of different metals.

In einem vorzugsweise außerhalb des Eintauchbereichs liegenden Bereich weist das Schaftrohr des Sensorkörpers 4 eine Zuflussöffnung auf, durch die Innenelektrolyt 25 in die zweite Kammer 19 nachgefüllt werden kann. In der Zuflussöffnung ist referenzelektrolytkammerseitig ein Rückschlagventil angeordnet, das den Austritt von Referenzelektrolyt durch die Zuflussöffnung sperrt. In a preferably lying outside the immersion region, the shaft tube of the sensor body 4 an inflow opening through the inner electrolyte 25 in the second chamber 19 can be refilled. In the inflow opening, a check valve is arranged on the reference electrolyte chamber side, which blocks the escape of reference electrolyte through the inflow opening.

In 4 ist die flexible Leiterkarte 12 mit einem Sensorelement 2 und der auf die flexible Leiterkarte 12 aufgebrachte Bezugselektrode 12 des erfindungsgemäßen Sensors 1 gezeigt. Indem Trägermaterial 27 der flexiblen Leiterplatte 12 sind die Leiterbahnen 28 abdichtend eingebettet. Nur an der Position 29 auf der flexiblen Leiterplatte 12 wurde das Trägermaterial 27 über einer Leiterbahn 28 entfernt und ein Materialschichtsystem 26, z. B. aus einer Silber-Silberchlorid-Schicht (Ag/AgCl/Cl-), Kalomel- oder Quecksilber-Quecksilber(I)-chlorid-Schicht (Hg/Hg2Cl2/Cl-), als Bezugselektrode 14 abdichtend eingebracht. In 5 ist eine Querschnittsansicht an der Bezugslinie A-A der flexiblen Leiterkarte 12 mit den Leiterbahnen 28 und der Bezugselektrode 14 des erfindungsgemäßen Sensors 1 aus 4 gezeigt. In dieser Schnittansicht A-A ist die abdichtende Einbringung des Materialschichtsystems 26 in die Öffnung des Trägermaterials 27 an dieser Position 29 dargestellt. Als zusätzliche Abdichtung der Grenzfläche des potentialbildenden Materialschichtsystems 26 der Bezugselektrode 14 zum Trägermaterial 27 der flexiblen Leiterkarte 12 wird ein zusätzliches Dichtmaterial 30 an dieser Grenzfläche aufgebracht. Dadurch wird vermieden, dass sich durch ein in diese Grenzschicht eindringendes Elektrolyt ein Störpotential mit dem darunter liegenden Kupfer-Leiterbahnen ausbilden kann.In 4 is the flexible printed circuit board 12 with a sensor element 2 and the on the flexible circuit board 12 applied reference electrode 12 the sensor according to the invention 1 shown. By carrier material 27 the flexible circuit board 12 are the tracks 28 embedded sealingly. Only at the position 29 on the flexible circuit board 12 became the carrier material 27 over a track 28 removed and a material layer system 26 , z. Example of a silver-silver chloride layer (Ag / AgCl / Cl), calomel or mercury-mercury (I) chloride layer (Hg / Hg2Cl2 / Cl-), as a reference electrode 14 introduced sealing. In 5 is a cross-sectional view on the reference line AA of the flexible printed circuit board 12 with the tracks 28 and the reference electrode 14 the sensor according to the invention 1 out 4 shown. In this sectional view AA is the sealing introduction of the material layer system 26 in the opening of the carrier material 27 at this position 29 shown. As an additional seal of the interface of the potential-forming material layer system 26 the reference electrode 14 to the carrier material 27 the flexible printed circuit board 12 becomes an additional sealing material 30 applied at this interface. This avoids that can form an interference potential with the underlying copper interconnects by penetrating into this boundary layer electrolyte.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Sensorsensor
22: Sensorelementsensor element
33: Gehäusecasing
44: Sensorkörpersensor body
55: Elektronikgehäuseelectronics housing
66: Vorderflächefront surface
77: erste Dichtungfirst seal
88th: Wand, GehäusewandWall, housing wall
99: Öffnungopening
1010: Anschlussleitungconnecting cable
1111: LeiterkartePCB
1212: Flexible LeiterkarteFlexible circuit board
1313: SensorelektronikeinheitSensor electronics unit
1414: Bezugselektrodereference electrode
1515: erste Überführung, Glasmembranfirst overpass, glass membrane
1616: zweite Überführung, Diaphragmasecond transfer, diaphragm
1717: zweite Dichtungsecond seal
1818: erste Kammerfirst chamber
1919: zweite Kammersecond chamber
2020: dritte Kammerthird chamber
2121: induktive Schnittstelleinductive interface
2222: Gegenstückcounterpart
2323: erstes Dichtelementfirst sealing element
2424: zweites Dichtelementsecond sealing element
2525: Innenelektrolytinternal electrolyte
2626: MaterialschichtsystemMaterial layer system
2727: Trägermaterialsupport material
2828: Leiterbahnenconductor tracks
2929: Positionposition
3030: Dichtmaterialsealing material
3131: weiteres Sensorelement, Temperatursensorfurther sensor element, temperature sensor
3232: Anpressteilpress component

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 202006017215 U1 [0003]
DE 19857953 A1 [0005]
US 6117292 [0006]
US 6153070 [0006]
EP 1396718 A1 [0006, 0007]

Claims

Electrochemical sensor ( 1 ) for detecting an analyte concentration in a measuring medium, comprising: at least one sensor element ( 2 ) inside a housing ( 3 ) and which is directly or by means of a first electrochemical transfer ( 15 ) separated with the housing ( 3 ) is in electrochemical contact, at least one reference electrode ( 14 ) contained in an internal electrolyte ( 25 ) within the housing ( 3 ) is arranged and via a in a housing wall ( 8th ) arranged second electrochemical transfer ( 16 ) with a housing ( 3 ) surrounding measuring medium is in electrochemical contact; and at least one of the sensor element ( 2 ) and / or the reference electrode ( 14 ) remote sensor electronics unit ( 13 ), which via at least one connecting line ( 10 ) within the housing ( 3 ) is electrically conductively connected, characterized in that the connecting line ( 10 ) as a printed circuit board ( 11 ) and that the reference electrode ( 14 ) at least as one directly on the printed circuit board ( 11 ) potential-forming material layer system ( 26 ) is configured.

Electrochemical sensor according to claim 1, characterized in that the printed circuit board ( 11 ) made of an electrically insulating carrier material ( 27 ) with at least two hermetically sealed, embedded conductor tracks ( 28 ) is designed such that the conductor tracks ( 28 ) surrounding electrically insulating carrier material ( 27 ) at a position ( 29 ) of the reference electrode ( 14 ) is omitted or opened, and that a potential-forming material layer system ( 26 ) on at least one track ( 28 ) as a reference electrode ( 14 ) at the position ( 29 ) is applied.

Electrochemical sensor according to at least one of claims 1 or 2, characterized in that the printed circuit board ( 11 ) as a flexible printed circuit board ( 12 ) in a plastic carrier material ( 27 ) embedded interconnects ( 28 ) is configured.

Electrochemical sensor according to at least one of claims 2 or 3, characterized in that the printed circuit board ( 11 ) as a flexible printed circuit board ( 12 ), in particular as a foil conductor, into a plastic carrier material ( 27 ) embedded metal tracks ( 28 ) is configured.

Electrochemical sensor according to claim 4, characterized in that the embedded metal interconnects ( 28 ) consist of copper, which at least at the position ( 29 ) of the reference electrode ( 14 ) are coated with a silver-metal layer, or at least the conductor track ( 28 ) on which the reference electrode ( 14 ) is applied, made entirely of silver.

Electrochemical sensor according to at least one of claims 2 or 3, characterized in that the printed circuit board ( 11 ) as a flexible printed circuit board ( 12 ), in particular as a foil conductor, into a plastic carrier material ( 27 ) embedded conductive plastic interconnects or embedded conductive carbon fiber interconnects ( 28 ), is configured.

Electrochemical sensor according to at least one of claims 1 to 6, characterized in that on the conductor tracks ( 28 ) of the printed circuit board ( 11 ) as a reference electrode ( 14 ) a potential-forming noble metal / noble metal chloride material layer system ( 26 ), in particular a potential-forming silver / silver chloride material layer system ( 26 ) is applied.

Electrochemical sensor according to at least one of claims 1 to 6, characterized in that on the conductor tracks ( 28 ) of the printed circuit board ( 11 ) as a reference electrode ( 14 ) with a potential-forming noble metal / noble metal chloride material layer system ( 26 ), in particular a potential-forming silver / silver chloride material layer system ( 26 ), enriched plastic is applied.

Electrochemical sensor according to at least one of claims 1, 2, 6 to 8, characterized in that the reference electrode ( 14 ) as a potential-forming material layer system ( 26 ) is applied in a thick-film technique.

Electrochemical sensor according to at least one of claims 1, 2, 6 to 9, characterized in that the reference electrode ( 14 ) as a potential-forming material layer system ( 26 ) at the position ( 29 ) of the reference electrode ( 14 ) is applied by means of a material deposition process.

An electrochemical sensor according to at least one of claims 1, 2, 6 to 10 characterized in that (at the interface of the potential-forming material layer system 26 ) of the reference electrode ( 14 ) to the carrier material ( 27 ) of the printed circuit board ( 11 ) or flexible printed circuit board ( 12 ) an additional sealing material ( 30 ) is applied.

Electrochemical sensor according to at least one of the preceding claims, characterized in that on the printed circuit board ( 11 ) or the flexible printed circuit board ( 12 ) another sensor element ( 22 ), in particular a temperature sensor or a Leifähigkeitssensor applied or in the printed circuit board ( 11 ) or the flexible printed circuit board ( 12 ) is integrated.

Electrochemical sensor according to at least one of claims 1 to 11, characterized characterized in that the inner electrolyte ( 25 ) in one within the housing ( 3 ) second chamber ( 19 ) and wherein the housing ( 3 ) one opposite the second chamber ( 19 ) sealed third chamber ( 20 ), in which a sensor electronics unit ( 13 ) and that the second chamber ( 19 ) to the third chamber ( 20 ), in particular by means of at least one elastic, second seal ( 17 ), is sealed, through which the printed circuit board ( 11 ) or the flexible printed circuit board ( 11 ) is passed.

Electrochemical sensor according to claim 12, characterized in that the sensor element ( 2 ) in a first chamber ( 18 ) is arranged and that a first sealing element ( 7 ) for the hermetically sealed separation of the first chamber ( 18 ) with the sensor element ( 2 ) of the second chamber ( 19 ) with in the inner electrolyte ( 25 ) reference electrode ( 14 ) is provided.

Electrochemical sensor according to one of claims 1 to 13, characterized in that the sensor element ( 2 ) is configured as a pH glass electrode or as an ion-sensitive field-effect transistor.