DE19539518C2

DE19539518C2 - Method of manufacturing a gas sensor

Info

Publication number: DE19539518C2
Application number: DE1995139518
Authority: DE
Inventors: Christa Dumschat; Michael Borchardt
Original assignee: Institut fuer Chemo und Biosensorik Muenster eV ICB
Current assignee: Institut fuer Chemo und Biosensorik Muenster eV ICB
Priority date: 1995-10-24
Filing date: 1995-10-24
Publication date: 1998-06-04
Anticipated expiration: 2015-10-25
Also published as: DE19539518A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Clark-Typ-Gassensors, bei dem ein einen Elek trolyten enthaltendes, flächiges, poröses Trägermate rial zwischen mindestens zwei Substrate eingeschlos sen wird.The invention relates to a method for manufacturing of a Clark type gas sensor in which an elec flat, porous carrier material containing trolytes rial enclosed between at least two substrates will.

Makroskopische Clark-Elektroden sind seit langer Zeit bekannt (US 2 913 386) und haben sich insbeson dere für die Sauerstoffbestimmung bewährt. Für die schnelle Vor-Ort-Analytik sind jedoch derartige, ma kroskopische Clark-Elektroden wenig geeignet. Gefor dert sind hier insbesonders massenproduzierbare Ein malsensoren. Ein derartiger Sensor ist beschrieben in der EP 0 506 305 A2. Bei der Herstellung dieses Sen sors wird ein Siebdruckverfahren eingesetzt. Ausge hend von einem Si-Wafer und dem anschließenden Auf bringen einer Si-Schicht sind insgesamt 16 einzelne Verfahrensstufen nötig, um dann zum Sensor zu gelan gen. Diese Herstellungstechnologie enthält somit nicht nur sehr viele komplizierte, einzeln aufeinan der abgestimmte Herstellungsschritte, sondern benö tigt teilweise auch teure Ausgangssubstanzen.Macroscopic Clark electrodes have been around for a long time Known time (US 2 913 386) and in particular proven for oxygen determination. For the however, fast on-site analysis are such, ma microscopic Clark electrodes not very suitable. Required There are especially mass-producible ones here paint sensors. Such a sensor is described in EP 0 506 305 A2. When making this Sen a screen printing process is used. Except based on a Si wafer and the subsequent opening bring a Si layer are a total of 16 individual Process steps necessary to then get to the sensor gen. This manufacturing technology thus contains not just a lot of complicated, one at a time the coordinated manufacturing steps, but partly also uses expensive starting substances.

Aus der EP 0 476 980 A2 ist eine O₂ Elektrode be kannt, die aus einem flachen Elektrodensubstrat mit mindestens zwei Elektroden besteht. Die Elektrode ist mit einem gaspermeablen Film bedeckt.From EP 0 476 980 A2 an O ₂ electrode is known, which consists of a flat electrode substrate with at least two electrodes. The electrode is covered with a gas-permeable film.

Die EP 0 496 521 A1 beschreibt ebenfalls einen O₂-Sensor mit einem Mehrschichtaufbau. Auch bei diesem vorbekannten Sensor ist die Kathode durch einen gas permeablen Film abgedeckt.EP 0 496 521 A1 also describes an O ₂ sensor with a multilayer structure. In this known sensor, too, the cathode is covered by a gas-permeable film.

Beide Sensoren besitzen aber einen komplizierten Auf bau und sind deshalb in ihrer Herstellung teuer.However, both sensors have a complicated structure construction and are therefore expensive to manufacture.

Ausgehend hiervon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines ampe rometrischen Einmalsensors, basierend auf dem Clark- Prinzip, anzugeben, wobei das Herstellungsverfahren äußerst einfach und kostengünstig sein soll.Based on this, it is the task of the present one Invention, a method for producing an amp rometric disposable sensor, based on the Clark Principle to specify the manufacturing process should be extremely simple and inexpensive.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.The task is characterized by the characteristics of claim 1 solved. The subclaims show advantageous further training.

Erfindungsgemäß wird somit vorgeschlagen, ein einen Elektrolyten enthaltendes, flächiges, poröses Träger material zwischen mindestens zwei Substrate einzu schließen, wobei mindestens ein Substrat ein be reichsweiser gaspermeabler Polyinerfilm ist, der durch Hitze und Druck aufgebracht wird. According to the invention it is therefore proposed to use a Flat, porous support containing electrolytes insert material between at least two substrates close, wherein at least one substrate be Reichsweiser gas-permeable polyiner film is through Heat and pressure is applied.

Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren reduziert sich somit aufwenige Verfahrensschritte, die zudem allesamt von billigen Ausgangsprodukten ausgehen. Im einzelnen wird nun so vorgegangen, daß in einem er sten Schritt auf das erste Substrat, z. B. auf den Po lymerfilm oder ein Keramiksubstrat, Elektroden aufge bracht werden. Das Aufbringen der Elektroden auf die ses Substrat kann mit den an und für sich aus dem Stand der Technik bekannten Methoden wie Siebdruck oder Dünnfilmtechnik erfolgen. In einem zweiten Schritt wird dann das den Elektrolyten enthaltende, flächige Trägermaterial hergestellt. Dieses so herge stellt Trägermaterial wird dann mit dem zweiten Sub strat unter Anwendung von Hitze und Druck einge schlossen.The manufacturing method according to the invention is reduced are thus complex procedural steps that also all start from cheap starting products. in the individual is now proceeded so that in one he most step on the first substrate, e.g. B. on the Po lymer film or a ceramic substrate, electrodes attached be brought. Applying the electrodes to the This substrate can be used in and of itself Methods known in the art, such as screen printing or thin film technology. In a second Then the step containing the electrolyte flat carrier material produced. This so forth then provides backing material with the second sub strat using heat and pressure closed.

Bevorzugt wird dabei so vorgegangen, daß als Träger material für den Elektrolyten entweder poröse Mate rialien wie Filterpapier oder Gele wie Poly-HEMA oder Gelatine oder Polyvinylalkohole eingesetzt werden. Diese Trägermaterialien können dann mit wäßrigen oder organischen Elektrolytlösungen getränkt werden. Bei den Substraten ist es bevorzugt, wenn es sich um ei nen Polymerfilm handelt, insbesondere eine Heißklebe folie. Es hat sich gezeigt, daß besonders bei der Anwendung einer Heißklebefolie ein sehr einfacher Verfahrensablauf resultiert. Die Heißklebefolie kann dann gleichzeitig als gaspermeable Membran dienen.The preferred procedure is to use the carrier material for the electrolyte either porous mate materials such as filter paper or gels such as Poly-HEMA or Gelatin or polyvinyl alcohols can be used. These carrier materials can then with aqueous or organic electrolyte solutions are soaked. At the substrates, it is preferred if it is egg NEN polymer film is, especially a hot melt foil. It has been shown that especially in the Applying a hot-melt film is a very simple one Process sequence results. The hot-melt film can then simultaneously serve as a gas-permeable membrane.

Eine bevorzugte Ausführungsform sieht nun vor, daß das Substrat, das mit dem elektrolytgetränkten Trä germaterial in Kontakt steht, auch eine separate, gaspermeable Membran enthalten kann. Dazu wird in das Substrat, z. B. in die Heißklebefolie, ein Loch ge stanzt und eine entsprechende Teflon- oder Silikon- Membran eingelegt. Selbstverständlich ist es auch möglich, daß eine derartige Membran in einem Arbeits gang beim Aufbringen des Substrates bereits mitgebil det wird.A preferred embodiment now provides that the substrate that contains the electrolyte-soaked Trä germ material is in contact, also a separate, may contain gas permeable membrane. This is done in Substrate, e.g. B. in the hot-melt film, a hole ge punches and a corresponding Teflon or silicone Membrane inserted. Of course it is possible that such a membrane in one working already included when applying the substrate det.

Zur Funktionstüchtigkeit des Sensors ist es bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen nötig, daß der Sensor lange in Wasser aufbewahrt wird, um ein Anfeuchten des Trägermaterials, z. B. des Filter papiers, zu gewährleisten.It is up to the functionality of the sensor Embodiments described above necessary that the sensor is kept in water for a long time Moistening the carrier material, e.g. B. the filter paper to ensure.

Erfindungsgemäß ist es jedoch auch möglich, ein Trä germaterial, z. B. ein Filterpapier, zu verwenden, das nicht mit einem Elektrolyten getränkt wurde, und den Sensor nach dem Einschließen des Trägermaterials durch eine Öffnung in das Substrat, z. B. in die Heiß klebefolie, mit Elektrolytlösung zu befüllen. Die dabei eingebrachte Öffnung muß dann selbstverständ lich mit einem geeigneten Material, z. B. mit einem Klebstoff, wieder verschlossen werden. Dieser Sensor muß somit nicht, wie vorstehend beschrieben, lange in Wasser aufbewahrt werden, sondern steht sofort zur Messung zur Verfügung.According to the invention, however, it is also possible to use a Trä germaterial, e.g. B. a filter paper to use the has not been soaked in an electrolyte, and that Sensor after enclosing the carrier material through an opening in the substrate, e.g. B. in the hot adhesive film, to be filled with electrolyte solution. The the opening made in the process must then be taken for granted Lich with a suitable material, e.g. B. with a Glue to be closed again. This sensor thus does not have to be in long, as described above Water are kept, but is immediately available Measurement available.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorzüge der Erfin dung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zweier bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnungen. Hierbei zeigen:Other features, details and advantages of the Erfin dung result from the following description two preferred embodiments of the invention as well as based on the drawings. Here show:

Fig. 1 In der Draufsicht und im Schnitt einen Sauerstoffsensor, bei dem das Trägermateri al zwischen zwei Heißklebefolien einge schlossen wurde, und Fig. 1 In top view and in section, an oxygen sensor, in which the Trägermateri al was closed between two hot-melt films, and

Fig. 2 in der Draufsicht und im Schnitt einen Sauerstoffsensor mit einem Keramiksubstrat und einer Heißklebefolie mit einer gasper meablen Membran. Fig. 2 in top view and in section, an oxygen sensor with a ceramic substrate and a hot-melt film with a gas-permeable membrane.

Bei der beispielhaften Ausführungsform nach Fig. 1 besteht der Sensor aus einem ersten Substrat 1 sowie einem zweiten Substrat 2, wobei beide Substrate in Form von Heißklebefolien ausgebildet sind. Bei dieser Ausführungsform wird als Trägermaterial ein elektro lytgetränktes Filterpapier 3 eingesetzt. Bei der Her stellung dieses Sensors wird nun so vorgegangen, daß auf das untere Substrat 2 hier eine Heißklebefolie mittels Siebdruck die Elektroden 4 und 5 aufgebracht werden. Das Filterpapier wird mit einem geeigneten Elektrolyt, z. B. KCl, getränkt und getrocknet. Das Filterpapier 3 wird dann zwischen dem mit den Elek troden 4 und 5 versehenen Substrat 2 und der weiteren Heißklebefolie 1 durch Hitze und Druck eingeschlos sen. Der Sensor wird zur Messung in Wasser aufbe wahrt, um ein Anfeuchten des Filterpapiers zu gewähr leisten. Die Dimensionierung des Sensors wird ent sprechend den Anwendungsfällen gewählt. Bevorzugt weist dabei der Sensor eine Länge von 3 bis 300 mm und eine Breite von 1 bis 100 mm auf. Der untere Be reich weist eine Kontaktfläche 6 auf. Die sensorakti ve Fläche weist je nach Anwendungsfall eine Fläche von 0,5 bis 500 mm² auf. Die genaue Auswahl des Trä germaterials, d. h. des Filterpapiers und des Elektro lyten, erfolgt nach dem anstehenden Meßproblem.In the exemplary embodiment according to FIG. 1, the sensor consists of a first substrate 1 and a second substrate 2 , both substrates being in the form of hot-melt films. In this embodiment, an electro lyte-soaked filter paper 3 is used as the carrier material. In the manufacture of this sensor, the procedure is now such that the electrodes 4 and 5 are applied to the lower substrate 2 here using a hot-melt film by means of screen printing. The filter paper is coated with a suitable electrolyte, e.g. B. KCl, soaked and dried. The filter paper 3 is then enclosed between the electrodes 4 and 5 provided with the electrodes 2 and the further hot-melt film 1 by heat and pressure. The sensor is kept in water for measurement in order to ensure that the filter paper is moistened. The dimensioning of the sensor is chosen according to the application. The sensor preferably has a length of 3 to 300 mm and a width of 1 to 100 mm. The lower loading area has a contact surface 6 . Depending on the application, the sensor-active area has an area of 0.5 to 500 mm ² . The exact selection of the carrier material, ie the filter paper and the electrolyte, is based on the measurement problem.

Fig. 2 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform, bei der ein erstes Substrat 7 eingesetzt wird, das hier wieder eine Heißklebefolie ist. Jedoch ist bei der Ausführungsform nach Fig. 2 das zweite Substrat ein Keramiksubstrat 8. Das erste Substrat, die Heißklebe folie 7, ist mit einer gaspermeablen Teflon- oder Silikonmembran 9 versehen. Als Trägermaterial wurde eine Poly-HEMA-Schicht 12 eingesetzt. Fig. 2 shows an exemplary embodiment in which a first substrate 7 is used, which is again a hot-melt film. However, in the embodiment according to FIG. 2, the second substrate is a ceramic substrate 8 . The first substrate, the hot-melt film 7 , is provided with a gas-permeable Teflon or silicone membrane 9 . A poly-HEMA layer 12 was used as the carrier material.

Bei der Herstellung dieses Sensors wird nun so vor gegangen, daß auf dem Keramiksubstrat 8 mittels Dünn filmtechnik die Elektroden 10 und 11 aufgebracht wer den. Die Elektrode 10 fungiert hierbei als Arbeits elektrode, die Elektrode 11 als Referenzelektrode. In einem zweiten Schritt wird dann auf das Keramik substrat 8 eine Poly-HEMA-Schicht 12 abgeschieden und diese mit einem geeigneten Elektrolyten, z. B. NaCl, getränkt und getrocknet. In die Heißklebefolie 7 wird ein Loch gestanzt. Anschließend wird das Trägermate rial, d. h. die Poly-HEMA-Schicht 12, durch Hitze und Druck mit der Heißklebefolie 7 und dem Substrat 8 eingeschlossen. Der Sensor wird - wie beim Ausfüh rungsbeispiel nach Fig. 1 - zur Messung in Wasser aufbewahrt, um ein Anfeuchten des Filterpapiers zu gewährleisten.In the manufacture of this sensor, the procedure is now such that the electrodes 10 and 11 are applied to the ceramic substrate 8 by means of thin film technology. The electrode 10 acts as a working electrode, the electrode 11 as a reference electrode. In a second step, a poly-HEMA layer 12 is then deposited on the ceramic substrate 8 and these are coated with a suitable electrolyte, e.g. B. NaCl, soaked and dried. A hole is punched in the hot-melt film 7 . The carrier material, ie the poly-HEMA layer 12 , is then enclosed by heat and pressure with the hot-melt film 7 and the substrate 8 . As in the exemplary embodiment according to FIG. 1, the sensor is kept for measurement in water in order to ensure that the filter paper is moistened.

Der Sensor nach der Ausführungsform 2 hat eine Länge von 40 mm und eine Breite von 10 mm. Das gaspermeable Membran hat einen Durchmesser von 5 mm. Die Poly- HEMA-Schicht weist eine Dicke von 200 µm auf.The sensor according to embodiment 2 has a length of 40 mm and a width of 10 mm. The gas permeable The membrane has a diameter of 5 mm. The poly The HEMA layer has a thickness of 200 µm.

Der Sensor weist wieder eine Kontaktfläche 13 auf.The sensor again has a contact surface 13 .

Claims

1. Process for producing a Clark type gas sensors, one containing an electrolyte of the flat porous carrier material on a Electrodes and these electrodes contacting substrate is applied and with a gas permeable at least in some areas Polymer film that is absorbed by heat and pressure is brought, is closed.

2. The method according to claim 1, characterized in that the substrate is just in case a polymer film ( 2 ) made of one or more ren polymers.

3. The method according to claim 1, characterized in that the substrate is a ceramic substrate ( 8 ).

4. The method according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that the polymer film ( 1 , 7 ) is partially provided with a gas-permeable membrane.

5. The method according to at least one of the claims 1 to 4, characterized in that as a polymer film Hot adhesive film is used.

6. The method according to at least one of claims 1 to 5, characterized in that porous materials such as filter paper, gels such as poly-HEMA, gelatin or polyvinyl alcohols are used as the carrier material ( 3 , 12 ) for the electrolyte.

7. The method according to at least one of claims 1 to 6, characterized in that the electrolyte is subsequently applied through at least one opening in the poly mer film ( 1 , 7 ) on the porous carrier material ( 3 , 12 ) and that the opening is then closed ver .

8. The method according to at least one of claims 1 to 7, characterized in that the electrodes by Screen printing technology or thin film technology applied are brought.