电化学传感器的制造方法
【专利说明】电化学传感器
[0001]本发明涉及一种具有传感器芯片的电化学传感器和所述传感器芯片在传感器中的布置和安装。
[0002]具有传感器芯片的电化学传感器被用于实验室以及生产工厂以检测不同的化学和/或物理参数。一实例是具有作为传感器芯片的离子敏感场效应晶体管(ISFET)的pH传感器。
[0003]在生产工厂中和工艺条件下的使用特别是需要非常坚固的传感器。然而，诸如ISFET的传感器芯片例如将处于与待测量的介质直接接触以便进行测量，这使得传感器必需呈现出至少一个开口。传感器芯片被按如此方式设置在传感器中，即至少其敏感区域可以通过该开口接触到测量介质。核准工艺的传感器经常呈现出具有标准尺寸的基本上圆柱形的传感器本体，以便这些传感器可以轻易地被整合到现有的工艺工厂中。
[0004]在生物、生物技术、食品化学和/或药物工艺工厂以及这些部门的检验室中使用该类电化学传感器提出了挑战。在这些部门中的使用要求传感器是卫生的并且满足相应的标准。卫生的传感器的特征在于，不管在哪里都没有物质沉积在传感器上和/或不能在其上繁殖，因为该类污染例如引起了生物污损和/或其能甚至污染整个工艺。
[0005]因此，该类应用中的重点是确保传感器芯片在传感器中的最理想封装，其一方面考虑到敏感区域与测量介质之间的直接接触，并且另一方面至少确保测量介质与传感器内部之间的不漏流体的密封，以便没有测量介质能穿透传感器。
[0006]例如，在“Sensorsand Actuators B 105 (2005) 104-117” 中的 W.0el β ner 等的“Encapsulat1n ISFET Sensor Chips (ISFET 传感器芯片的封装)”和“MicroelectronicsInt.25/2 (2008) 23-30”中的 V.L.Khanna 的“Critical issues, processes and solut1nsin ISFET packaging(ISFET封装中的关键问题、工艺和解决方案)”中描述了封装传感器芯片的可能方法，并且介于通过使用安装在两个密封件之间的传感器芯片的附接(EP 1396718 Al)或者将可硬化的填充物质倾倒到传感器内部以利用将传感器芯片压靠到密封件的阻挡件压入来封住开口的传感器芯片的简单粘附。
[0007]已知的环形垫或者还有适合传感器类型的激光切割的密封件可被用作密封件，例如DE 10 2009 026 991 Al中所公开的。
[0008]已知传感器的缺点是，相对于卫生地配置的传感器，其常常未能满足例如生物化学、生物技术、食品化学和/或药物领域中制定的技术要求，因为传感器在与测量介质接触的区域中呈现出与生产有关的裂缝、间隙或者底切并且这些缺陷允许来自测量介质的物质的沉淀和堆积，其结果是，例如传感器的使用寿命可能由于渗入测量介质而缩短和/或可能结果产生测量误差。例如，间隙或者裂缝的形成可能是由密封元件插入传感器本体中所引起的。这些密封元件被用来封闭通向传感器本体的出入口，传感器芯片通过该出入口被引入传感器本体内。
[0009]因此，本发明目的是研发一种具有特别是有卫生设计的传感器芯片的电化学传感器。另外，所述传感器应该便于装配，换句话说，容易组装。
[0010]通过一种用于至少确定测量介质的物理和/或化学参数的电化学传感器来解决该目的。传感器包括传感器头部、具有敏感区域的传感器芯片、具有端件的传感器本体、密封装置和施压元件。传感器本体被连接至传感器头部，并且端件是具有封闭的端部区域和测量开口的中空本体，在操作期间测量介质通过该测量开口与设置在中空本体内部的敏感区域接触。在操作期间，密封装置包围测量开口而略去了传感器芯片的敏感区域，并且将有关的测量介质密封在端件内。施压元件将传感器芯片压靠在密封装置和测量开口的边缘上。所述传感器的特征在于，端件的中空本体在操作期间与测量介质的接触区域中具有整体的无间隙的设计。
[0011]按该方式配置的电化学传感器是特别有利的，因为无间隙的实施例是指在就传感器的卫生设计而言制订太严格的技术要求的工艺中其可被用于与测量介质接触的区域中。
[0012]此外，传感器包括芯片承载器，传感器芯片在其上被设置在端件中。芯片承载器的使用简化了传感器芯片进入端件内的安装或者引入，因为这容易通过端件中的终端、避开介质的开口连同芯片承载器一起被引入。
[0013]在其操作位置中，包含传感器芯片的传感器的端部与测量介质接触，特别是传感器芯片的敏感区域。传感器的该端部在以下也被称为“面向介质”。背离测量介质设置在传感器的侧部上的元件类似地被称为“避开介质”。
[0014]施压元件优选被配置成弹簧元件并且被设置在芯片承载器与端件的壁之间，从而所述施压元件的弹簧力压在传感器芯片和测量开口边缘处的密封装置上。
[0015]起施压元件作用的弹簧元件可以使用限定的作用力(弹簧元件的弹簧力)将芯片承载器并从而传感器芯片压靠在测量开口(特别是其边缘)和围绕测量开口的密封元件上。如此，可以在测量开口的周边区域中实现端件的介质密封式端接，并且另外，可以通过选择合适的弹簧元件来获得传感器芯片抵靠密封装置的合适接触压力。
[0016]密封装置例如可能是环形垫，其至少部分地设置在端件和/或传感器芯片或者传感器承载器中的合适凹槽中。同样，成形的密封件可被用作密封装置。在另一实施例中，密封装置包括密封环和安装件。密封环和安装件可以整体地或者以多件地生产出。安装件优选包括弯曲的侧部分，每个侧部分具有衬套，所述衬套可与芯片承载器上的合适突起接合并且从而确定和/或固定密封装置在芯片承载器上的位置。
[0017]在优选的示例性实施例中，端件是由至少符合多次使用的聚合物材料所满足的卫生要求的现行标准的聚合物材料制成的。PEEK(聚醚醚酮)是合适的聚合物材料的一实例。
[0018]端件可能有利地由聚合物材料整体地生产出，以使所述端件可以被按无间隙和无裂缝的方式生产出。另外，端件可以通过选择合适的聚合物材料而具有生物相容的设计和/或符合美国药典标准的USP V1
[0019]芯片承载器包括用于传感器芯片的接收装置和至少一个作为密封装置的固定元件的突起。此外，芯片承载器可能包括一个或者多个外部肋条和/或突起。
[0020]芯片承载器的实施例优选适应端件的形状，以便芯片承载器可以连同传感器芯片和/或施压元件一起被简单地插入端件中并定位在其中。
[0021]为了该目的，端件可能包括终端装载开口，可以通过其将传感器芯片、施压元件、密封装置和/或芯片承载器引入到端件内。这些元件被按如此方式配置，即，它们可以在可能的地方不需要工具的情况下被引入到端件内并且定位在那里。
[0022]另外，密封装置被按如此方式设置到端件中，S卩，在操作期间，其密封住端件的内部，就测量介质而论，漏掉了(omitting)传感器芯片的敏感区域。
[0023]此外，传感器可能在端件中包括作为电解质桥接部或者液体接合部的衬套，在操作期间，测量介质通过其与内部的电解质接触。
[0024]此外，可以在衬套中设置膜片，其可能例如是销或者销形元件，并且例如其包括多孔陶瓷。
[0025]此外，传感器可能包括具有内部电解质、参考电极和电解质桥接部或液体接合部的参考电极系统。
[0026]当使用对pH敏感的传感器芯片时，特别是需要参考电极系统，因为需要稳定的参考值以便确定测量介质的PH值。参考电极连同对pH敏感的传感器芯片一起被设置在传感器中是有利的，因为然后仅必须将一个传感器引入到测量介质中以便于达到有意义的测量。
[0027]传感器芯片优选包括其上设置ISFET的挠性电路板。挠性电路板或者此外挠性的印刷电路板是更挠性的并且可以比其他电路板更强烈地变形，这对于传感器芯片安装到端件中是特别有利的。
[0028]在又一实施例中，端件可以被填有填充材料，其至少可以将传感器芯片、施压元件和/或芯片承载器按组装状态固定到端件中。
[0029]填充材料优选是可硬化的，例如，如在聚合物材料的情况