電化學傳感器的制造方法
【專利說明】電化學傳感器
[0001]本發(fā)明涉及一種具有傳感器芯片的電化學傳感器和所述傳感器芯片在傳感器中的布置和安裝。
[0002]具有傳感器芯片的電化學傳感器被用于實驗室以及生產(chǎn)工廠以檢測不同的化學和/或物理參數(shù)。一實例是具有作為傳感器芯片的離子敏感場效應晶體管(ISFET)的pH傳感器。
[0003]在生產(chǎn)工廠中和工藝條件下的使用特別是需要非常堅固的傳感器。然而，諸如ISFET的傳感器芯片例如將處于與待測量的介質(zhì)直接接觸以便進行測量，這使得傳感器必需呈現(xiàn)出至少一個開口。傳感器芯片被按如此方式設(shè)置在傳感器中，即至少其敏感區(qū)域可以通過該開口接觸到測量介質(zhì)。核準工藝的傳感器經(jīng)常呈現(xiàn)出具有標準尺寸的基本上圓柱形的傳感器本體，以便這些傳感器可以輕易地被整合到現(xiàn)有的工藝工廠中。
[0004]在生物、生物技術(shù)、食品化學和/或藥物工藝工廠以及這些部門的檢驗室中使用該類電化學傳感器提出了挑戰(zhàn)。在這些部門中的使用要求傳感器是衛(wèi)生的并且滿足相應的標準。衛(wèi)生的傳感器的特征在于，不管在哪里都沒有物質(zhì)沉積在傳感器上和/或不能在其上繁殖，因為該類污染例如引起了生物污損和/或其能甚至污染整個工藝。
[0005]因此，該類應用中的重點是確保傳感器芯片在傳感器中的最理想封裝，其一方面考慮到敏感區(qū)域與測量介質(zhì)之間的直接接觸，并且另一方面至少確保測量介質(zhì)與傳感器內(nèi)部之間的不漏流體的密封，以便沒有測量介質(zhì)能穿透傳感器。
[0006]例如，在“Sensorsand Actuators B 105 (2005) 104-117” 中的 W.0el β ner 等的“Encapsulat1n ISFET Sensor Chips (ISFET 傳感器芯片的封裝)”和“MicroelectronicsInt.25/2 (2008) 23-30”中的 V.L.Khanna 的“Critical issues, processes and solut1nsin ISFET packaging(ISFET封裝中的關(guān)鍵問題、工藝和解決方案)”中描述了封裝傳感器芯片的可能方法，并且介于通過使用安裝在兩個密封件之間的傳感器芯片的附接(EP 1396718 Al)或者將可硬化的填充物質(zhì)傾倒到傳感器內(nèi)部以利用將傳感器芯片壓靠到密封件的阻擋件壓入來封住開口的傳感器芯片的簡單粘附。
[0007]已知的環(huán)形墊或者還有適合傳感器類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中所公開的。
[0008]已知傳感器的缺點是，相對于衛(wèi)生地配置的傳感器，其常常未能滿足例如生物化學、生物技術(shù)、食品化學和/或藥物領(lǐng)域中制定的技術(shù)要求，因為傳感器在與測量介質(zhì)接觸的區(qū)域中呈現(xiàn)出與生產(chǎn)有關(guān)的裂縫、間隙或者底切并且這些缺陷允許來自測量介質(zhì)的物質(zhì)的沉淀和堆積，其結(jié)果是，例如傳感器的使用壽命可能由于滲入測量介質(zhì)而縮短和/或可能結(jié)果產(chǎn)生測量誤差。例如，間隙或者裂縫的形成可能是由密封元件插入傳感器本體中所引起的。這些密封元件被用來封閉通向傳感器本體的出入口，傳感器芯片通過該出入口被引入傳感器本體內(nèi)。
[0009]因此，本發(fā)明目的是研發(fā)一種具有特別是有衛(wèi)生設(shè)計的傳感器芯片的電化學傳感器。另外，所述傳感器應該便于裝配，換句話說，容易組裝。
[0010]通過一種用于至少確定測量介質(zhì)的物理和/或化學參數(shù)的電化學傳感器來解決該目的。傳感器包括傳感器頭部、具有敏感區(qū)域的傳感器芯片、具有端件的傳感器本體、密封裝置和施壓元件。傳感器本體被連接至傳感器頭部，并且端件是具有封閉的端部區(qū)域和測量開口的中空本體，在操作期間測量介質(zhì)通過該測量開口與設(shè)置在中空本體內(nèi)部的敏感區(qū)域接觸。在操作期間，密封裝置包圍測量開口而略去了傳感器芯片的敏感區(qū)域，并且將有關(guān)的測量介質(zhì)密封在端件內(nèi)。施壓元件將傳感器芯片壓靠在密封裝置和測量開口的邊緣上。所述傳感器的特征在于，端件的中空本體在操作期間與測量介質(zhì)的接觸區(qū)域中具有整體的無間隙的設(shè)計。
[0011]按該方式配置的電化學傳感器是特別有利的，因為無間隙的實施例是指在就傳感器的衛(wèi)生設(shè)計而言制訂太嚴格的技術(shù)要求的工藝中其可被用于與測量介質(zhì)接觸的區(qū)域中。
[0012]此外，傳感器包括芯片承載器，傳感器芯片在其上被設(shè)置在端件中。芯片承載器的使用簡化了傳感器芯片進入端件內(nèi)的安裝或者引入，因為這容易通過端件中的終端、避開介質(zhì)的開口連同芯片承載器一起被引入。
[0013]在其操作位置中，包含傳感器芯片的傳感器的端部與測量介質(zhì)接觸，特別是傳感器芯片的敏感區(qū)域。傳感器的該端部在以下也被稱為“面向介質(zhì)”。背離測量介質(zhì)設(shè)置在傳感器的側(cè)部上的元件類似地被稱為“避開介質(zhì)”。
[0014]施壓元件優(yōu)選被配置成彈簧元件并且被設(shè)置在芯片承載器與端件的壁之間，從而所述施壓元件的彈簧力壓在傳感器芯片和測量開口邊緣處的密封裝置上。
[0015]起施壓元件作用的彈簧元件可以使用限定的作用力(彈簧元件的彈簧力)將芯片承載器并從而傳感器芯片壓靠在測量開口(特別是其邊緣)和圍繞測量開口的密封元件上。如此，可以在測量開口的周邊區(qū)域中實現(xiàn)端件的介質(zhì)密封式端接，并且另外，可以通過選擇合適的彈簧元件來獲得傳感器芯片抵靠密封裝置的合適接觸壓力。
[0016]密封裝置例如可能是環(huán)形墊，其至少部分地設(shè)置在端件和/或傳感器芯片或者傳感器承載器中的合適凹槽中。同樣，成形的密封件可被用作密封裝置。在另一實施例中，密封裝置包括密封環(huán)和安裝件。密封環(huán)和安裝件可以整體地或者以多件地生產(chǎn)出。安裝件優(yōu)選包括彎曲的側(cè)部分，每個側(cè)部分具有襯套，所述襯套可與芯片承載器上的合適突起接合并且從而確定和/或固定密封裝置在芯片承載器上的位置。
[0017]在優(yōu)選的示例性實施例中，端件是由至少符合多次使用的聚合物材料所滿足的衛(wèi)生要求的現(xiàn)行標準的聚合物材料制成的。PEEK(聚醚醚酮)是合適的聚合物材料的一實例。
[0018]端件可能有利地由聚合物材料整體地生產(chǎn)出，以使所述端件可以被按無間隙和無裂縫的方式生產(chǎn)出。另外，端件可以通過選擇合適的聚合物材料而具有生物相容的設(shè)計和/或符合美國藥典標準的USP V1
[0019]芯片承載器包括用于傳感器芯片的接收裝置和至少一個作為密封裝置的固定元件的突起。此外，芯片承載器可能包括一個或者多個外部肋條和/或突起。
[0020]芯片承載器的實施例優(yōu)選適應端件的形狀，以便芯片承載器可以連同傳感器芯片和/或施壓元件一起被簡單地插入端件中并定位在其中。
[0021]為了該目的，端件可能包括終端裝載開口，可以通過其將傳感器芯片、施壓元件、密封裝置和/或芯片承載器引入到端件內(nèi)。這些元件被按如此方式配置，即，它們可以在可能的地方不需要工具的情況下被引入到端件內(nèi)并且定位在那里。
[0022]另外，密封裝置被按如此方式設(shè)置到端件中，S卩，在操作期間，其密封住端件的內(nèi)部，就測量介質(zhì)而論，漏掉了(omitting)傳感器芯片的敏感區(qū)域。
[0023]此外，傳感器可能在端件中包括作為電解質(zhì)橋接部或者液體接合部的襯套，在操作期間，測量介質(zhì)通過其與內(nèi)部的電解質(zhì)接觸。
[0024]此外，可以在襯套中設(shè)置膜片，其可能例如是銷或者銷形元件，并且例如其包括多孔陶瓷。
[0025]此外，傳感器可能包括具有內(nèi)部電解質(zhì)、參考電極和電解質(zhì)橋接部或液體接合部的參考電極系統(tǒng)。
[0026]當使用對pH敏感的傳感器芯片時，特別是需要參考電極系統(tǒng)，因為需要穩(wěn)定的參考值以便確定測量介質(zhì)的PH值。參考電極連同對pH敏感的傳感器芯片一起被設(shè)置在傳感器中是有利的，因為然后僅必須將一個傳感器引入到測量介質(zhì)中以便于達到有意義的測量。
[0027]傳感器芯片優(yōu)選包括其上設(shè)置ISFET的撓性電路板。撓性電路板或者此外撓性的印刷電路板是更撓性的并且可以比其他電路板更強烈地變形，這對于傳感器芯片安裝到端件中是特別有利的。
[0028]在又一實施例中，端件可以被填有填充材料，其至少可以將傳感器芯片、施壓元件和/或芯片承載器按組裝狀態(tài)固定到端件中。
[0029]填充材料優(yōu)選是可硬化的，例如，如在聚合物材料的情況