DE102016110696A1 - Verfahren zur Herstellung einer Sensorkappe mit einer Membran - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Sensorkappe (7, 13) mit zumindest einem Grundkörper (16) und einer Membran (8, 14) für einen, insbesondere optochemischen (10) oder elektrochemischen (1), Sensor zur Bestimmung und/oder Überwachung der Konzentration eines Analyten (2) in einem Messmedium (3), eine entsprechende Sensorkappe (7, 13) und einen entsprechenden Sensor (1, 10). Erfindungsgemäß werden eine für das Messmedium (3) und/oder für zumindest einen in dem Messmedium (3) enthaltenen Analyten (2) durchlässige Membran (8, 14) mit einer zum Kontakt mit dem Messmedium (3) vorgesehenen Oberfläche (19z) sowie ein Grundkörpers (16) mit zumindest einem zur Verbindung mit der Membran (8, 14) vorgesehenen Teilbereich (18) bereitgestellt. Schließlich werden zumindest ein Teil der Membran (8, 14) und der Grundkörper (16) geschweißt, wobei die Membran (8, 14) zumindest teilweise auf den zumindest einen Teilbereich (18) des Grundkörpers (16) aufgebracht wird und eine gegenüber dem Messmedium (3) dichte Verbindung zwischen dem Grundkörper (16) und der Membran (8, 14) hergestellt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Sensorkappe mit zumindest einem Grundkörper und einer Membran für einen, insbesondere optochemischen oder elektrochemischen, Sensor zur Bestimmung der Konzentration eines Analyten in einem, insbesondere gasförmigen oder flüssigen, Messmedium oder einer von der Konzentration des Analyten in dem Messmedium abhängigen Messgröße. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Sensorkappe sowie einen Sensor mit einer entsprechenden Sensorkappe. Unter einem Analyt sei im Folgenden jede Form von in einer Flüssigkeit oder in einem Gasen/Gasgemischen enthaltenen Ionen oder Gasen verstanden.
• Optochemische und elektrochemische Sensoren umfassen häufig eine Membran, welche im fortlaufenden Messprinzip zur Erfassung von Messwerten mit einem Messmedium, beispielsweise einem Messgas oder einer Messflüssigkeit, in Kontakt gebracht wird. Je nachdem, ob es sich um einen optochemischen oder elektrochemischen Sensor handelt, dient die Membran jeweils einer unterschiedlichen Funktion und ist speziell für ihre Verwendung ausgestaltet. Im Falle optochemischer Sensoren ist die Membran beispielsweise häufig eine dünne Folie, welche aus einer oder mehrerer übereinander angeordneter Schichten, insbesondere Polymerschichten, aufgebaut. Die einzelnen Schichten weisen dabei unterschiedliche für die Funktionstüchtigkeit des jeweiligen Sensors notwendige Eigenschaften auf, insbesondere ist eine der sensorspezifischen Schichten, insbesondere Funktionsschichten, derart ausgestaltet, dass sie für das Messmedium und/oder für einen in dem Messmedium enthaltenen Analyten zumindest teilweise durchlässig ist. Im Falle von elektrochemischen Sensoren dagegen handelt es sich bei der Membran oftmals um eine poröse, insbesondere Poren oder Öffnungen aufweisende Schicht, welche für das Messmedium oder zumindest einen darin enthaltenen Analyten zumindest teilweise durchlässig ist.
• Viele elektrochemische, insbesondere amperometrische, Sensoren, weisen eine durch die Membran von dem Messmedium getrennte Elektrolytkammer auf. In amperometrischen Sensoren zur Bestimmung einer Gaskonzentration in einer Flüssigkeit, beispielsweise elektrochemischen O₂-, Cl₂-, CO₂-, H₂S-, NH₃- oder SO₂-Sensoren, dient die Membran als Diffusionsbarriere, durch die der Analyt vom Messmedium in die Elektrolytkammer diffundiert. Ein solcher Sensor ist beispielsweise in DE 10 2008 039465 A1 beschrieben.
• Optochemische Sensoren, z.B. optochemische Sauerstoff-, Ozon- oder Kohlendioxidsensoren, beruhen häufig auf einer Analyt-induzierten Fluoreszenz- oder Lumineszenzlöschung eines auf den Analyten abgestimmten organischen Farbstoffs, bzw. eines sogenannten Fluorophors. Dieser Fluorophor ist üblicherweise in einer Funktionsschicht der Membran enthalten, insbesondere gelöst, welche Membran wiederum zur Bildung eines Sensorspots auf ein Substrat, z.B. auf ein Glasplättchen oder eine optische Faser, aufgebracht wird. Bei Kontakt mit dem jeweiligen Messmedium nimmt durch die Wechselwirkung des Fluorophors mit dem Analyten die Fluoreszenz- bzw. Lumineszenzintensität des Fluorophors als Funktion der Analytkonzentration im Messmedium ab. Unterschiedliche Ausgestaltungen für optochemische Sensoren sind beispielsweise aus den Dokumenten WO2005/100957A1 und DE10051220A1 bekannt geworden.
• Eine für einen optochemischen oder elektrochemischen Sensor geeignete Messmembran ist beispielsweise aus der DE102014112972A1 bekannt geworden. Die Messmembran umfasst ein Sensorelement, das zumindest eine Funktionsschicht mit einer sensorspezifischen Substanz aufweist, und ein Substratmaterial, wobei das Sensorelement vollumfänglich in eine Matrix eingebettet ist, und wobei die Matrix aus einem Material besteht, das zumindest in einem dem Medium zugewandten und an das Sensorelement angrenzenden Teilbereich für den Analyten zugänglich ist.
• In vielen Fällen wird ist die Membran Teil einer Sensorkappe, welche einen, insbesondere zylindrisch geformten, Grundkörper aufweist, an welchen die Membran stirnseitig in einem Endbereich angeklebt oder häufig auch festgeklemmt wird. Bei derartigen Befestigungsweisen kommt es im fortlaufenden Betrieb des jeweiligen Sensors jedoch häufig, insbesondere mit zunehmender Zeit, zu Undichtigkeiten im Bereich der Sensorkappe. Im Falle einer geklebten Membran kann beispielsweise der Klebstoff durch den jeweiligen Analyten, z. B. Chlor oder Chloroxid, angegriffen und zumindest teilweise aufgelöst werden. Bei geklemmten Membranen kann es wiederum zu Faltenwürfen an den Kanten und/oder zu einer Zerstörung der Membran infolge der Klemmung kommen.
• Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde eine besonders langlebige und robuste Sensorkappe für einen, insbesondere optochemischen oder elektrochemischen, Sensor bereitzustellen.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren zur Herstellung einer Sensorkappe gemäß Anspruch 1, durch die Sensorkappe gemäß Anspruch 11 und den Sensor gemäß Anspruch 16. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
• Bezüglich des Verfahrens wird die erfindungsgemäße Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Sensorkappe mit zumindest einem Grundkörper und einer Membran für einen, insbesondere optochemischen oder elektrochemischen, Sensor zur Bestimmung und/oder Überwachung der Konzentration eines Analyten in einem Messmedium, umfassend folgende Verfahrensschritte
• – Bereitstellen einer für das Messmedium und/oder für zumindest einen in dem Messmedium enthaltenen Analyten durchlässigen Membran mit einer zum Kontakt mit dem Messmedium vorgesehenen Oberfläche,
• – Bereitstellen eines Grundkörpers mit zumindest einem zur Verbindung mit der Membran vorgesehenen Teilbereich, und
• – Schweißens zumindest eines Teils der Membran und des Grundkörpers, wobei die Membran zumindest teilweise auf den zumindest einen Teilbereich des Grundkörpers aufgebracht wird und eine gegenüber dem Messmedium dichte Verbindung zwischen dem Grundkörper und der Membran hergestellt wird.
• Für die Membran kommen unterschiedlichste Ausgestaltungen infrage, welche jeweils auf die angedachte Anwendung, beispielsweise auf den jeweiligen Analyten, oder für ein bestimmtes Sensorprinzip, angepasst sein können. In einer Ausgestaltung wird die Membran zumindest teilweise in Form einer porösen, insbesondere Poren aufweisenden, Struktur ausgestaltet. Alternativ kann die Membran aber auch zumindest teilweise als eine dünne Folie ausgestaltet werden, welche insbesondere aus einer oder mehreren, insbesondere übereinander angeordneten, Schichten, insbesondere Funktionsschichten, aufgebaut wird, welche Schichten zumindest teilweise gleiche oder unterschiedlich dimensionierte Grundflächen aufweisen können, wobei zumindest eine Schicht für das Schweißen der Membran an den Grundkörper vorgesehen wird, und/oder wobei die für das Schweißen vorgesehene Schicht derart ausgestaltet ist, dass sie zumindest teilweise entlang einer dem Messmedium zugewandten Stirnfläche des Grundkörpers, oder entlang der Stirnfläche und zumindest teilweise entlang zumindest einer dem Messmedium zugewandten Mantelfläche des Grundkörpers, oder im Wesentlichen vollständig oder bis in einen inneren Bereich des Grundkörpers hineinreichend entlang einer dem Messmedium zugewandten Oberfläche des Grundkörpers verläuft.
• Für elektrochemische Sensoren wird die Membran bevorzugt zumindest teilweise als eine poröse, insbesondere Poren aufweisenden, Struktur ausgestaltet. Sie kann beispielsweise zumindest teilweise aus zumindest einem Polymer gefertigt werden. Die geometrischen Abmessungen sind bevorzugt jeweils an die Geometrie des Grundkörpers der Sensorkappe bzw. an den jeweiligen Sensor angepasst. Häufig weist die Membran eine im Wesentlichen kreisrunde Grundfläche auf.
• Im Falle eines optochemischen Sensors hingegen ist die Membran bevorzugt eine dünne Folie, welche insbesondere eine oder mehrere übereinander angeordnete Schichten, insbesondere Funktionsschichten, umfasst. Eine Schicht weist zumindest teilweise eine selektive Durchlässigkeit für den Analyten auf, während andere Schichten für die chemische und/oder mechanische Stabilität der Membran sorgen oder dergestalt sein können, dass sie bei entsprechender Anregung fluoreszieren, phosphoreszieren oder auch Licht absorbieren. Zumindest eine Schicht ist ferner für die Schweißung vorgesehen. Dabei kann es sich insbesondere um diejenige Schicht handeln, welche die für den Kontakt mit dem Messmedium vorgesehene Oberfläche aufweist. Die Grundflächen der den Sensorspot bildenden Schicht/Schichten und der zur Schweißung vorgesehenen Schicht können grundsätzlich unterschiedlich dimensioniert sein, insbesondere kann die zur Schweißung vorgesehene Schicht eine größere Grundfläche aufweisen als die anderen Schichten. In diesem Falle wird die Membran beispielsweise nicht nur an eine, insbesondere den Grundkörper stirnseitig begrenzende, Fläche angeschweißt, sondern ebenfalls zumindest teilweise an eine Mantelfläche des Grundkörpers. Insbesondere kann zumindest die zur Schweißung vorgesehene Schicht den Grundkörper auf der dem Messmedium zugewandten Oberfläche vollständig bedecken.
• Entweder wird/werden die den Sensorspot bildende/bildenden Schicht/Schichten separat auf den Grundkörper aufgebracht, wobei die für die Schweißung vorgesehene Schicht über den Sensorspot an den Grundkörper geschweißt wird. Es wird also nur ein Teil der Membran an den Grundkörper geschweißt. Alternativ können aber auch die den Sensorspot bildenden Schichten zuerst auf die für die Schweißung vorgesehene Schicht aufgebracht werden, welche im Anschluss an den Grundkörper angeschweißt wird. In jedem Fall sei im Folgenden unter der Membran die Gesamtheit der Schichten verstanden.
• Durch das Fügen der Membran und des Grundkörpers mittels einer Schweißung wird vorteilhaft eine stoffschlüssige, langlebige Verbindung zwischen der Membran und dem Grundkörper erzielt. Das Resultat ist eine gegenüber dem Messmedium und/oder ggf. gegenüber einem Elektrolyten, dichte, im Wesentlichen einstückige Sensorkappe, was insbesondere für Anwendungen mit hohen hygienischen Anforderungen von Vorteil ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht ferner einen einfachen und zuverlässigen Fertigungsprozess. Neben dem Grundkörper und der Membran sind keine weiteren Elemente wie Dichtringe oder ähnliches notwendig wie bei einer geklemmten Membran. Besonders bevorzugt sind Schweißverfahren ohne die Verwendung von Schweißzusatzwerkstoffen. Die Materialien für die Membran und den Grundkörper können jeweils optimal in Bezug auf ihre mechanischen und chemischen Eigenschaften auf die angedachte Applikation des jeweiligen Sensors angepasst werden. Sie sind also üblicherweise gegenüber dem Analyt chemisch beständig. Werden diese direkt miteinander verbunden, so bleibt die chemische Beständigkeit der Sensorkappe vergleichbar zur chemischen Beständigkeit des Grundkörpers und der Membran. Wenn hingegen für das Herstellen einer stoffschlüssigen Verbindung ein zusätzlicher Werkstoff benötigt wird, wie im Falle einer Klebung oder auch bei manchen Schweißverfahren, so muss dieser Werkstoff sorgfältig ausgewählt, bzw. der beste Kompromiss in Bezug auf verschiedene, teilweise gegenläufige Anforderungen, wie beispielsweise den Hafteigenschaften oder der chemischen Beständigkeit, gefunden werden. Dies kann nachteilig in einer reduzierten chemischen Stabilität des Werkstoffes in Bezug auf das Messmedium im Vergleich zum Grundkörper und der Membran resultieren.
• Die Membran wird erfindungsgemäß zumindest teilweise auf zumindest einen Teilbereich des Grundkörpers aufgebracht. Bei diesem zumindest einen Teilbereich kann es sich beispielsweise um einen Ausschnitt oder Abschnitt zumindest einer Oberfläche des Grundkörpers handeln. Der zumindest eine Teilbereich kann dabei planar oder gewöbt sein. Ferner kann die Wandung des Grundkörpers in dem zumindest einen Teilbereich gezielt bearbeitet, beispielsweise strukturiert, sein.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Grundkörper derart ausgestaltet, dass er zumindest eine stirnseitige, durch eine Wandung des Grundkörpers begrenzte, Öffnung aufweist, wobei der zumindest eine Teilbereich durch die Wandung des Grundkörpers im Bereich der Öffnung gegeben ist, und/oder, wobei der Grundkörper zumindest in dem zumindest einen Teilbereich aus einem transluzenten oder transparenten Material gefertigt wird. Die erste Variante ist besonders für einen elektrochemischen, insbesondere amperometrischen, Sensor geeignet, während die zweite Variante bevorzugt für optochemische Sensoren zum Einsatz kommt.
• Im Falle eines zylindrischen Grundkörpers kann der Teilbereich beispielsweise durch eine der beiden kreisrunden, planaren Oberflächenbereiche des Zylinders gegeben sein. Im Falle, dass der Zylinder an zumindest einer der beiden gegenüberliegenden Enden mit kreisrunder Fläche geöffnet sein, kann der Teilbereich wiederum durch die Begrenzung einer dieser beiden Öffnungen durch die Wandung des Grundkörpers gegeben sein.
• Zur Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung werden die Membran und der Grundkörper dann miteinander verschweißt. Insbesondere wird die Membran an den zumindest einen Teilbereich des Grundkörpers angeschweißt oder auf diesen aufgeschweißt. Die Membran bedeckt bevorzugt zumindest teilweise, insbesondere vollständig, den Teilbereich, und/oder verschließt vollständig eine Öffnung des Grundkörpers im Falle, dass der Teilbereich die Begrenzung einer Öffnung in der Wandung des Grundkörpers darstellt.
• In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird/werden die Geometrie und/oder das Material des Grundkörpers derart gewählt, dass zumindest ein Hygienestandard erfüllt wird. Hierbei sei insbesondere auf die gängigen Standards für hygienische Anwendungen, wie zum Beispiel ASME, BPE, 3A oder EHEDG verwiesen. Bei Anwendungen im Bereich von Milchprodukten müssen die gewählten Werkstoffe zur Herstellung der jeweiligen Sensoren beispielsweise stabil gegenüber Fettrückständen bei hohen Temperaturen sein. Hier sind insbesondere die von der EHEDG vorgegebenen und zertifizierten Reinigbarkeitstest, Sterilisationstests und Bakteriendichtigkeitstests zu nennen (EL-Class1, EL-Aseptic, EL-Class2, oder ED). Weitere gängige Forderungen bzw. Zulassungen betreffen in diesem Zusammenhang beispielsweise ASME-BPE (Reinigbarkeit nach Behandlung bei 130°C, 100h) ASME, BPE sowie der Unbedenklichkeit bezüglich FDA, USP Class VI (87/88/381).
• Im Falle des Einsatzes von Kunststoffen ist insbesondere darauf zu achten, dass die verwendeten Werkstoffe eine geringe Rauigkeit aufweisen. In dieser Hinsicht ist es von Vorteil, wenn der Grundkörper als einstückiges Bauteil, insbesondere als Spritzgussteil, hergestellt wird, und/oder wenn der Grundkörper aus einem Material mit einer Rauigkeit kleiner 0,8 µm gefertigt wird oder wenn zumindest eine Oberfläche des Grundkörpers mit einer Beschichtung, welche Beschichtung eine Rauigkeit kleiner 0,8 µm aufweist, versehen wird. Der Grenzwert für die Rauigkeit der Oberfläche von 0,8 µm gilt dabei für hygienische Anwendungen. Für aseptische Anwendung beträgt der vorgebbare Grenzwert für die Rauigkeit vorzugsweise sogar 0,38µm.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird/werden die Membran und/oder der Grundkörper jeweils zumindest teilweise aus einem Kunststoff, insbesondere einem Fluorkunststoff, wie beispielsweise PTFE oder PVDF, gefertigt. Der Kunststoff kann jeweils auf eine bestimmte Anwendung des Sensors angepasst werden und insbesondere in Hinblick auf dessen chemische Beständigkeit oder ähnliches optimiert werden.
• Es ist von Vorteil, wenn der Grundkörper und die Membran zumindest teilweise aus dem gleichen Material gefertigt werden. Die Verwendung des gleichen Materials für den Grundköper und die Membran bringt weitere Vereinfachungen für das anzuwendende Schweißverfahren mit sich, da beispielsweise in Bezug auf die Komptabilität der beiden Komponenten, beispielsweise hinsichtlich der Durchführung einer Schweißung, insbesondere hinsichtlich der jeweiligen Schmelztemperaturen und/oder der chemischen Verträglichkeit, keine, insbesondere fertigungstechnische, Probleme zu erwarten sind.
• In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden der Grundkörper und die Membran mittels eines Ultraschall-Fügeverfahrens, insbesondere mittels Ultraschallschweißen, miteinander verschweißt. Beim Ultraschall-Schweißen handelt es sich um ein sogenanntes Reibschweißverfahren, bei welchem durch eine hochfrequente mechanische Schwingung, welche zwischen den zu verschweißenden Bauteilen zu einer, zumindest lokalen, Erwärmung durch Molekular- und Grenzflächenreibung kommt. Im Falle von Metallen führt dies zu einer Verzahnung und Verhakung der Bauteile, während im Falle thermoplastischer Kunststoffe eine Erweichung oder ein lokales Schmelzen der Bauteile erreicht wird. Unter dem Aspekt, das Schweißen das unlösbare Verbinden von Bauteilen unter Anwendung von Wärme beschreibt, um im Falle von Ultraschall-basierten Fügeverfahren ebenfalls stets auf einer Erwärmung der Bauteile mittels Ultraschall beruhen, seien im Folgenden verschiedene Varianten der bekannten Ultraschall-basierten Fügeverfahren als Varianten für ein Schweißverfahrens verstanden, insbesondere das Ultraschall-Heißprägen, Ultraschall-Thermoformen, Ultraschall-Nieten oder Ultraschall-Stanzen. In dieser Hinsicht sei auch auf den Artikel von J. Sackmann et al., Review on ultrasonic fabrication of polymer micro devices, Ultrasonics (2014), doi: http://dx.doi.org.10.1016/j.ultras.2014.08.007 ausgeführt, auf welchen hiermit vollumfänglich Bezug genommen wird.
• Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird auf einer Oberfläche der Membran zumindest eine weitere Funktionsschicht, insbesondere mittels eines Beschichtungsverfahrens wie beispielsweise des sogenannten Chemical-Vapour-Deposition (CVD-) oder Physical-Vapour-Deposition(PVD-)Verfahrens, aufgebracht. Diese zusätzliche Funktionsschicht kann beispielsweise auf der zum Kontakt mit dem Medium vorgesehenen Oberfläche und/oder auf der dem Medium abgewandten Oberfläche der Membran angebracht und insbesondere gezielt auf die angedachte Verwendung des Sensors angepasst werden. Im Falle eines optochemischen Sensors kann beispielsweise eine verdunkelnde Schicht auf die für den Kontakt mit dem Messmedium vorgesehene Oberfläche angebracht werden. Auch in Bezug auf Anforderungen aus den gängigen Standards für Hygieneanforderungen, wie beispielsweise ASME, BPE, 3A oder EHEDG, kann eine zusätzliche Schicht auf der dem Messmedium zugewandten Oberfläche der Membran von Vorteil sein.
• Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Sensorkappe mit zumindest einem Grundkörper und einer Membran, insbesondere für einen elektrochemischen oder optochemischen Sensor, welche Sensorkappe nach einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist.
• Eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensorkappe beinhaltet, dass der Grundkörper zumindest teilweise im Wesentlichen zylindrisch, kubisch, kegelförmig, kegelstumpfförmig, konisch, halbkugelförmig, schrägzylindrisch, konkav oder konvex ist.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die Membran zumindest teilweise eine planare, konische, pyramidale oder ellipsoide Geometrie auf.
• Derartige geometrische Überlegungen in Bezug auf den Grundkörper und/oder die Membran sind aus verschiedenen Gründen vorteilhaft. So kann der Sensor beispielsweise in Bezug auf das Strömungsverhalten des jeweiligen Messmediums in der jeweiligen Applikation, und/oder in Bezug auf besondere hygienische Anforderungen optimiert werden. Auch kann durch eine geeignete Wahl der Geometrie eine mögliche Blasenansammlung im Bereich der sensitiven Membran verhindert werden.
• Es ist von Vorteil, wenn zumindest ein Abschnitt, insbesondere ein Randbereich, der Membran und/oder zumindest ein Teil des Teilbereichs des Grundkörpers im Wesentlichen planar ausgestaltet sind, und/oder wobei zumindest der Abschnitt der Membran und/oder der Teil des Teilbereichs des Grundkörpers zumindest teilweise eine strukturierte Oberfläche aufweisen. Die Schweißverbindung wird dann entlang der planaren Abschnitte der Membran und zumindest des Teilbereichs des Grundkörpers vorgenommen. Die strukturierten Abschnitte, insbesondere die Strukturierungen, auch Konzentratoren genannt, schmelzen während des Schweißvorgangs lokal auf.
• Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Sensorkappe beinhaltet, dass eine zum Teilbereich des Grundkörpers parallele Linie und eine Längsachse des Grundkörpers zueinander einen von 90° verschiedenen Winkel aufweisen. Es handelt sich bei dieser Ausgestaltung also im Wesentlichen um eine frontbündig abgeschrägte Sensorkappe.
• Die erfindungsgemäße Aufgabe wird schließlich ebenfalls gelöst durch einen Sensor, insbesondere einen elektrochemischen oder optochemischen Sensor, zur Bestimmung und/oder Überwachung der Konzentration eines Analyten in einem Messmedium, mit einer erfindungsgemäßen Sensorkappe.
• Es sei darauf verwiesen, dass die Ausgestaltungen in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren mutatis mutandis auch auf die erfindungsgemäße Sensorkappe und den erfindungsgemäßen Sensor anwendbar sind und umgekehrt.
• Im Folgenden wird anhand der in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiele die Erfindung näher erläutert.
• Es zeigen:
• 1 schematische Darstellung eines (a) elektrochemischen und (b) eines optochemischen Sensors gemäß Stand der Technik,
• 2 eine schematische Darstellung einer Sensorkappe für (a) einen elektrochemischen Sensor und (b), (c) für einen optochemischen Sensor in zwei unterschiedlichen Ausgestaltungen,
• 3 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Grundkörpers und einer Membran vor dem Schweißvorgang; und
• 4 verschieden Geometrien für eine erfindungsgemäße Membrankappe.
• 1a zeigt eine schematische Darstellung eines elektrochemischen Sensors 1 zur Bestimmung und/oder Überwachung der Konzentration eines Analyten 2 in einem gasförmigen oder flüssigen Messmedium 3 in einem Behältnis 4. Der Sensor umfasst ein Sensorrohr 5 innerhalb welchem eine Messelektrode 6 angeordnet ist und an welchem auf der dem Medium zugewandten Seite eine Membrankappe 7 mit einer Membran 8 angeordnet ist. Die Messelektrode 6 ragt in eine mit einem Elektrolyt 9a gefüllte Elektrolytkammer 9, welche mediumsseitig mit der Membran 8 abschließt, und berührt die Membran 8 zumindest in einem Teilbereich. Hierdurch kann die Membran 8 leicht gewölbt werden. Ein ähnlicher Aufbau eines elektrochemischen Sensors ist beispielsweise aus dem Dokument US2913386 bekannt geworden.
• Eine schematische Darstellung eines optochemischen Sensors 10 zur Bestimmung und/oder Überwachung der Konzentration eines Analyten 2 in einem gasförmigen oder flüssigen Messmedium 3 in einem Behältnis 4 ist wiederum in 1b dargestellt. Der Sensor 10 umfasst ein Sensorrohr 11, mit einem Lichtwellenleiter 12. Auf der dem Messmedium 3 zugewandten Seite des Sensorrohrs 11 schließt das Sensorrohr 11 mit einer Membran 14, welche frontbündig an einer Membrankappe 13 mit einem Sensorspot 15 angeordnet ist.
• 2a zeigt beispielhaft eine zylindrische Sensorkappe 7, oftmals auch als Membrankappe bezeichnet, welche insbesondere für einen elektrochemischen Sensor geeignet ist. Die Sensorkappe 7 umfasst in diesem Beispiel zylindrisch geformten Grundkörper 16, welcher im zum Messmedium 3 zugewandten Bereich im Bereich der Stirnfläche S eine durch seine Wandung begrenzte Öffnung 17 aufweist. Der zu verschweißende Teilbereich 18 ist in diesem Falle durch die Wandung des Grundkörpers 16 im Bereich der Öffnung 17 gegeben. Die Membran 8, hier in Form einer porösen Struktur, kann dabei entweder in die Öffnung eingefasst sein, wie in der Zeichnung dargestellt. Es ist beispielsweise aber ebenfalls möglich, die Membran 8 auf die Stirnfläche S des Grundkörpers 16 aufzubringen.
• 2b und 2c zeigen zwei, insbesondere für einen optochemischen Sensor geeignete, ähnlich zu der in 2a ausgestaltete Sensorkappen 13. Im Gegensatz zur 2a umfasst der Grundkörper 16 für einen optochemischen Sensor keine Öffnung 17. Hier dargestellt, jedoch nicht zwingend notwendig, umfasst die dem Messmedium 3 zugewandte Stirnfläche S des Grundkörpers 16 eine geeignet dimensionierte Vertiefung zur Aufnahme des Sensorspots 20. In diesem Falle handelt es sich um eine frontbündige Membrankappe 13. Der Grundkörper 16 kann beispielsweise als Spritzgussteil aus einem transparenten oder transluzenten Kunststoff, insb. PVDF, gefertigt werden. Der Grad der Transparenz kann dabei beispielsweise anhand der Wandstärke bzw. Dicke des Materials, beeinflusst werden.
• Es sei an dieser Stelle darauf verwiesen, dass für die gezeigten Ausführungsbeispiele aus 2b, aber auch für diejenigen gemäß 2c, die Membran 14 sowohl den Sensorspot 20 als auch die Schicht 20c umfasst. Nach dem Schweißvorgang sind allerdings zumindest teilweise die für die Schweißung vorgesehene Schicht 20c und zumindest teilweise der für die Schweißung vorgesehene Teilbereich 18 des Grundkörpers 16 miteinander verschmolzen. Dann kann eine Unterscheidung zwischen dem Grundkörper 16 und der für die Schweißung vorgesehenen Schicht 20c zumindest partiell schwierig sein. Die sensorspezifische Funktionen der Membran 14 werden stets durch die anderen Schichten 20a, 20b, welche für das hier gezeigte Ausführungsbeispiel den Sensorspot 20 bilden, ausgeführt.
• 2b zeigt zuerst zwei verschiedene Ausgestaltungen I und II für die Membran 14. Wie am besten in 2b I zu erkennen ist, umfasst die Membran 14, welche in Form einer dünnen Folie ausgestaltet ist, für die für einen optochemischen Sensor 10 geeignete Membrankappe 13, mehrere übereinander angeordnete Schichten 20a, 20b, 20c. Die Schichten 20a, 20b bilden hier beispielhaft den, insbesondere optischen, Sensorspot 20. Die Anzahl und Anordnung der einzelnen Schichten 20a, 20b ..., ist jeweils für einen bestimmten Sensor, bzw. für eine bestimmte Anwendung angepasst. Es versteht sich von selbst, dass die Membran 14 auch mehr als die hier beispielhaft der Einfachheit halber dargestellten zwei Schichten 20a, 20b umfassen kann. Ferner umfasst die Membran 14 eine für die Schweißung vorgesehene Schicht 20c, welche für beide gezeigten Ausführungsbeispiele, was jedoch nicht zwingend notwendig ist, eine größere Grundfläche A‘ aufweist, als die den Sensorspot 20 bildenden Schichten 20a, 20b mit der hier für beide Schichten 20a, 20b identischen Grundfläche A. Es sei darauf verwiesen, dass für die Relation der Dimensionen des Sensorspots 20 und der zur Schweißung vorgesehenen Schicht viele verschiedene Ausgestaltungen denkbar sind, welche allesamt unter die vorliegende Erfindung fallen. Im Falle der Ausgestaltung I verläuft die zur Schweißung vorgesehene Schicht 20c zumindest im Wesentlichen vollständig entlang einer dem Medium zugewandten Stirnfläche S des Grundkörpers 16. Alternativ kann die Schicht 20c, wie in Ausführung II gezeigt, zusätzlich auch entlang der Mantelfläche M des Grundkörpers, also im Wesentlich vollumfänglich entlang der dem Messmedium 3 zugewandten Oberfläche des Grundkörpers 16, verlaufen. Wie mit durch die gestrichelt eingezeichnete Weiterführung der Schicht 20c angedeutet, kann die Schicht 20c ebenfalls bis in einen inneren Bereich des Grundkörpers 16 verlaufen. In diesem Fall bietet sich insbesondere ein Vakuumschweißverfahren zur Herstellung der Sensorkappe 13 an. Diese letztgenannte Variante, bei welcher die zur Schweißung vorgesehene Schicht 20c die dem Messmedium 3 zugewandte Oberfläche des Grundkörpers 16 vollumfänglich umgibt und bis in einen inneren Bereich des Grundkörpers hineinreicht, ist ein besonders vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Die auf diese Weise entstehende Membrankappe 13 weist eine insbesondere für Anwendungen mit hohen hygienischen Anforderungen besonders geeignete Oberfläche auf, welche durch die Schweißung stoffschlüssig und einstückig mit dem Grundkörper verbunden wird. Insbesondere kann es nicht zur Bildung von Wellen und/oder Riffelungen entlang der Oberfläche kommen.
• Zur Herstellung einer Sensorkappe 13 sind in 2c beispielhaft zwei verschiedene Varianten erläutert. Beide Varianten eignen sich für verschiedenste Ausgestaltungen der einzelnen die Membran 14 bildenden Schichten 20a, 20b, 20c, insbesondere auch für Ausgestaltungen I und II aus 2b. Als Verfahren zur Herstellung eines Sensorspots 20 kommen dabei alle dem Fachmann bekannten Verfahren, wie beispielsweise Rakeln, Spraycoaten, Spincoaten usw. in Frage.
• Gemäß Ausgestaltung III wird der Sensorspot 20 zuerst auf die zur Schweißung vorgesehene Schicht 20c aufgebracht. Eine Herstellungsvariante für eine entsprechende Membran besteht darin, die einzelnen unterschiedlichen Schichten 20a, 20b, ..., welche insbesondere Polymere sind, einzeln und nacheinander auf die zur Schweißung vorgesehene Schicht 20c aufzubringen. Eine beispielhafte Anordnung der Schichten 20a, 20b, ... umfasst eine transparente Silikonschicht nach einer geeigneten Plasmabehandlung der Schicht 20c auf dieselbe aufgetragen, gefolgt von einer optisch isolierenden schwarzen Silikonschicht, einer Silikonschicht mit einem Fluoreszenzindikator und einer weiteren transparenten Schicht. Insbesondere die beiden transparenten Schichten und die optisch isolierende Schicht sind für einen optochemischen Sensor jedoch nicht zwingend notwendig.
• Ein hierzu alternatives Herstellungsverfahren betrifft die Ausgestaltung IV aus 2c. Hier wird der Sensorspot 20 zuerst auf den Grundkörper 16 aufgetragen. In diesem Fall erfährt zumindest der Bereich des Grundkörpers 16, auf welchen der Sensorspot 20 aufgebracht wird, zuerst eine geeignete Plasmabehandlung. Anschließend werden in geeigneter Reihenfolge die den Sensorspot 20 bildenden Schichten 20a, 20b, ... aufgebracht. Eine geeignete Reihenfolge, ähnlich zu Ausgestaltung III wäre beispielsweise das Auftragen einer transparenten Schicht, gefolgt von einer Silikonschicht mit einem Fluoreszenzindikator, einer optisch isolierenden Schicht sowie einer weiteren transparenten Schicht.
• Bei optochemischen und/oder elektrochemischen Sensoren sind der die Membrankappe 7, 13 bildende Grundkörper 16 und die Membran 8, 14 häufig aus Kunststoffen hergestellt. In diesem Falle ist die Anwendung eines Ultraschall-basierten Fügeverfahrens, wie dem Ultraschall-Schweißen besonders vorteilhaft. Deshalb bezieht sich die nun nachfolgende Beschreibung auf eine mittels einer Ultraschall-Schweißung hergestellte Membrankappe 7, 13.
• In 3 ist eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung für einen Grundkörper 16 und einer Membran 8 vor dem Schweißvorgang gezeigt. Der Grundkörper 16 weist in diesem Beispiel, wie in 2a mediumsseitig an seiner Stirnseite eine durch seine Wandung begrenzte Öffnung 17 auf. Das Beispiel lässt sich ohne weiteres auf eine mediumsseitig geschlossene Membrankappe 13, wie in 2b, übertragen.
• Der zu schweißende Teilbereich 18 des Grundkörpers 16 ist wie in 2a gegeben durch die die Öffnung 17 begrenzende Wandung des Grundkörpers 16. In einem Abschnitt 19 des Teilbereichs 18 weist der Grundkörper eine strukturierte Oberfläche 21 auf. Hier sind sogenannte Konzentratoren in den Grundkörper 16 eingearbeitet, welche während des Schweißvorgangs aufschmelzen und für eine stoffschlüssige Verbindung des Grundkörpers 16 und der Membran 8, 14 sorgen.
• Insbesondere für Anwendungen des Sensors mit hohen hygienischen Anforderungen kann im Bereich der für den Kontakt mit dem Messmedium 3 vorgesehenen Oberfläche O der Membran 8 eine zusätzliche Funktionsschicht 22 aufgebracht werden. Alternativ kann die dem Messmedium 3 zugewandte Oberfläche O der Membran 8, 14 auch, beispielsweise durch eine Plasmabehandlung oder Coronabehandlung, gezielt funktionalisiert werden.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, eine Vielzahl von Membrankappen 7, 13 mit unterschiedlichen Geometrien herzustellen, welche für unterschiedliche Einsatzbereiche besonders vorteilhaft. Eine beispielhafte Auswahl ist in 4 gezeigt.
• 4a zeigt einen zylindrischen Grundkörper 16, welcher im der Membran 8, 14 zugewandten Bereich konkav ausgeformt ist. In einer anderen Ausgestaltung, wie in 4c gezeigt, ist der Grundkörper ebenfalls zylindrisch ausgestaltet, jedoch ist er im der Membran 8, 14 zugewandten Bereich pyramidial, zur Membran 8, 14 spitz zulaufend, ausgestaltet.
• In der Ausgestaltung gemäß 4b ist die Membran 8, 14 mittig auf den Grundkörper aufgebracht. Der planare, ringförmige Randbereich 23 bildet den zur Schweißung vorgesehenen Teilbereich 18 der Membran 8, 14. Ein derartig ausgestalteter Randbereich 23 ist jedoch nicht zwingend notwendig. Alternativ kann auch ein zylindrischer Grundköper 16 mit einer Wölbung verwendet werden, wie im Beispiel gemäß 4e. In diesem Falle ist auch die Membran 8, 14 gewölbt.
• Eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung für eine Membrankappe 7, 13 ist in 4d dargestellt. Hier ist die der Membran zugewandte Begrenzungsfläche S des Grundkörpers 16, welcher zumindest teilweise der zur Schweißung vorgesehene Teilbereich 18 ist, unabhängig davon, ob dieser eine Öffnung 17 aufweist oder nicht, so ausgestaltet, dass der Winkel zwischen einer zu dem Teilbereich 18 parallele Linie A und eine Längsachse L des Grundkörpers 16 zueinander einen von 90° verschiedenen Winkel aufweisen. Die dem Messmedium zugewandte Seite 24 der Membrankappe ist in dieser Ausführung also abgeschrägt.
• Es versteht sich von selbst, dass neben den beschriebenen Beispielen für eine erfindungsgemäße Membrankappe 7, 13 noch viele weitere Ausgestaltungen in Frage kommen, welche allesamt unter die vorliegende Erfindung fallen.
• Bezugszeichenliste

1

elektrochemischer Sensor

2

Analyt

3

Messmedium

4

Behältnis

5

Sensorrohr

6

Messelektrode

7

Membrankappe

8

Membran

9

Elektrolytkammer, mit einem Elektrolyt 9a gefüllt

10

optochemischer Sensor

11

Sensorrohr

12

Lichtwellenleiter

13

Membrankappe

14

Membran

15

Sensorspot

16

Grundkörper

17

Öffnung im Grundkörper

18

Teilbereich, für Schweißvorgang

19

Poröse, insb. Poren aufweisende Struktur

20

Sensorspot mit Funktionsschichten 20a, 20b und einer zur Schweißung vorgesehenen Schicht 20c, ... mit Grundfläche A, A‘, ...

21

Abschnitt des Grundkörpers mit strukturierter Oberfläche, Konzentratoren

22

Funktionsschicht

23

planarer Abschnitt der Membran

24

Dem Messmedium zugewandte Seite der Membrankappe

S, M

Stirnfläche und Mantelfläche des Grundkörpers

O

für den Kontakt mit dem Messmedium vorgesehene Oberfläche

l

Längsachse des Grundkörpers

a

Linie parallel zum Teilbereich

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 102008039465 A1 [0003]
• WO 2005/100957 A1 [0004]
• DE 10051220 A1 [0004]
• DE 102014112972 A1 [0005]
• US 2913386 [0039]
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• J. Sackmann et al., Review on ultrasonic fabrication of polymer micro devices, Ultrasonics (2014), doi: http://dx.doi.org.10.1016/j.ultras.2014.08.007 [0023]

Claims (16)

1. Verfahren zur Herstellung einer Sensorkappe (7, 13) mit zumindest einem Grundkörper (16) und einer Membran (8, 15) für einen, insbesondere optochemischen (10) oder elektrochemischen (1), Sensor zur Bestimmung und/oder Überwachung der Konzentration eines Analyten (2) in einem Messmedium (3), umfassend folgende Verfahrensschritte – Bereitstellen einer für das Messmedium (3) und/oder für zumindest einen in dem Messmedium (3) enthaltenen Analyten (2) durchlässigen Membran (8, 14) mit einer zum Kontakt mit dem Messmedium (3) vorgesehenen Oberfläche (O) – Bereitstellen eines Grundkörpers (16) mit zumindest einem zur Verbindung mit der Membran (8, 14) vorgesehenen Teilbereich (18), und – Schweißen zumindest eines Teils der Membran (8, 14) und des Grundkörpers (16), wobei die Membran (8, 14) zumindest teilweise auf den zumindest einen Teilbereich (18) des Grundkörpers (16) aufgebracht wird und eine gegenüber dem Messmedium (3) dichte Verbindung zwischen dem Grundkörper (16) und der Membran (8, 14) hergestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Membran (8, 14) zumindest teilweise in Form einer porösen, insbesondere Poren aufweisenden, Struktur (8) ausgestaltet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Membran (8, 14) zumindest teilweise als eine dünne Folie (14) ausgestaltet wird, welche insbesondere aus einer oder mehreren, insbesondere übereinander angeordneten, Schichten (20a, 20b, 20c), insbesondere Funktionsschichten, aufgebaut wird, welche Schichten (20a, 20b, 20c) zumindest teilweise gleiche oder unterschiedlich dimensionierte Grundflächen (A) aufweisen können, wobei zumindest eine Schicht (20c) für das Schweißen der Membran (8, 14) an den Grundkörper (16) vorgesehen wird, und/oder wobei die für das Schweißen vorgesehene Schicht (20c) derart ausgestaltet ist, dass sie zumindest teilweise entlang einer dem Messmedium (3) zugewandten Stirnfläche (S) des Grundkörpers (16), oder entlang der Stirnfläche (S) und zumindest teilweise entlang zumindest einer dem Messmedium zugewandten Mantelfläche (M) des Grundkörpers, oder im Wesentlichen vollständig oder bis in einen inneren Bereich des Grundkörpers (16) hineinreichend entlang einer dem Messmedium (3) zugewandten Oberfläche (S, M) des Grundkörpers (16) verläuft.
4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (16) derart ausgestaltet wird, dass er zumindest eine stirnseitige, durch eine Wandung des Grundkörpers begrenzte, Öffnung (17) aufweist, wobei der zumindest eine Teilbereich (18) durch die Wandung des Grundkörpers (16) im Bereich der Öffnung (17) gegeben ist, und/oder wobei der Grundkörper (16) zumindest in dem zumindest einen Teilbereich (18) aus einem transluzenten oder transparenten Material gefertigt wird.
5. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Geometrie und/oder das Material des Grundkörpers derart gewählt wird/werden, dass zumindest ein Hygienestandard erfüllt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Grundkörper (16) als einstückiges Bauteil, insbesondere als Spritzgussteil, hergestellt wird, und/oder wenn der Grundkörper (16) aus einem Material mit einer Rauigkeit kleiner 0,8 µm gefertigt wird oder wobei zumindest eine Oberfläche des Grundkörpers mit einer Beschichtung, welche Beschichtung eine Rauigkeit kleiner 0,8 µm aufweist, versehen wird.
7. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Membran (8, 14) und/oder der Grundkörper (16) jeweils zumindest teilweise aus einem Kunststoff, insbesondere einem Fluorkunststoff, wie beispielsweise PTFE oder PVDF, gefertigt wird/werden.
8. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (16) und die Membran (8, 14) zumindest teilweise aus dem gleichen Material gefertigt werden.
9. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (16) und die Membran (8, 14) mittels eines Ultraschall-Fügeverfahrens, insbesondere mittels Ultraschallschweißen, miteinander verschweißt werden.
10. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf einer Oberfläche (O) der Membran (8, 14) zumindest eine weitere Funktionsschicht (22), insbesondere mittels eines Beschichtungsverfahrens wie beispielsweise dem CVD- oder PVD-Verfahren, aufgebracht wird.
11. Sensorkappe (7, 13) mit zumindest einem Grundkörper (16) und einer Membran (8, 14), insbesondere für einen elektrochemischen (1) oder optochemischen (10) Sensor, welche Sensorkappe (7, 13) nach einem Verfahren gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist.
12. Sensorkappe (7, 13) nach Anspruch 7, wobei der Grundkörper (16) zumindest teilweise im Wesentlichen zylindrisch, kubisch, kegelförmig, kegelstumpfförmig, konisch, halbkugelförmig, schrägzylindrisch, konkav oder konvex ist.
13. Sensorkappe nach zumindest einem der Ansprüche 7–8, wobei die Membran (8, 14) zumindest teilweise eine planare, konische, pyramidale oder ellipsoide Geometrie aufweist.
14. Sensorkappe (7, 13) nach zumindest einem der Ansprüche 7–9, wobei zumindest ein Abschnitt (23), insbesondere ein Randbereich, der Membran (8, 14) und/oder zumindest ein Teil des Teilbereichs (18) des Grundkörpers (16) im Wesentlichen planar ausgestaltet sind, und/oder wobei zumindest der Abschnitt (23) der Membran (8, 14) und/oder der Teil des Teilbereich (18) des Grundkörpers (16) zumindest teilweise eine strukturierte Oberfläche (21) aufweisen.
15. Sensorkappe (7, 13) nach zumindest einem der Ansprüche 7–10, wobei eine zum Teilbereich (18) des Grundkörpers (16) parallele Linie A und eine Längsachse L des Grundkörpers (16) zueinander einen von 90° verschiedenen Winkel aufweisen.
16. Sensor, insbesondere elektrochemischer (1) oder optochemischer (10) Sensor, zur Bestimmung und/oder Überwachung der Konzentration eines Analyten (2) in einem Messmedium (3), mit einer Sensorkappe (7, 13) nach einem der Ansprüche 7–11.

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