制造传感器元件的方法和离子选择性电极技术

本申请涉及制造传感器元件的方法和离子选择性电极。本发明专利技术涉及一种制造用于测量被测变量的传感器元件的方法，该被测变量取决于测量流体中的离子活性，该方法包括：将包括由不可渗透液体的、电绝缘的陶瓷材料制成的基体的载体接合到由离子选择性的

【技术实现步骤摘要】
制造传感器元件的方法和离子选择性电极


[0001]本专利技术涉及一种制造用于测量被测变量的传感器元件的方法，该被测变量取决于测量流体中的离子活性，并且涉及一种离子选择性电极。被测变量可以是例如测量流体中的pH值或离子浓度。

技术介绍

[0002]电化学传感器用于化学、生物化学、药学、生物技术、食品技术、水管理和环境计量学等许多领域的实验室和过程测量技术中的测量介质，尤其是测量流体的分析。使用电化学过程，可以在液体中检测表示离子浓度的被测变量，诸如，例如离子活性、离子浓度或pH值。其活性或浓度待测量的物质也称为分析物。测量介质可以是测量流体，诸如水溶液、乳液或悬浮液。
[0003]通常，电位传感器包括测量电极和参考电极，以及用于检测和处理测量值的测量电路。测量电极和参考电极可以组合在测量探针中，该测量探针可以浸入测量流体中。该测量探针还可包括测量电路或测量电路的至少一部分。测量探针可以经由电缆或无线地连接到更高级别的单元，例如测量换能器、电子操作设备、计算机或控制器，以进行通信。更高级别的单元可用于进一步处理借助于探针检测到的测量信号或从其确定的测量值，并操作测量探针。
[0004]与测量介质接触时，测量电极形成电化学电位，该电化学电位取决于测量介质中分析物的活性，而参考电极则提供很大程度上独立于分析物的浓度的稳定的电化学参考电位，该电位很大程度上与无关。测量电路生成模拟或数字测量信号，该信号表示测量电极与参考电极之间的电位差，并因此表示测量介质中的分析物的活性。如果需要的话，将测量信号从测量电路输出到更高级别的单元，该更高级别的单元进一步处理该测量信号。测量探针的测量电路中对测量信号的部分或完全的进一步处理也是可能的。
[0005]参考电极通常被设计为第二种电极，例如作为银/氯化银参考电极，并与测量电路导电连接。它可以包括壳体和参考元件，例如，涂覆有氯化银的银导线，其被布置在壳体中，并在测量操作中经由壳体中包含的参考电解质和电化学桥(例如，隔膜)与测量流体电解导电和/或离子导电接触。
[0006]测量电极包括电位形成传感器元件，该电位形成传感器元件可以包括离子选择性膜或层，取决于电位探针的类型。这种测量电极的示例是离子选择性电极。传统的离子选择性电极具有被离子选择性膜封闭的壳体，并容纳与膜接触的内部电解质。离子选择性电极还包括端子引线，也称为电位端子引线，其通常为电极的形式，例如与内部电解质接触的涂有氯化银的银导线。端子引线与测量电路导电连接。如果用于测量的离子选择性膜与测量流体接触，则该膜基本上选择性地与存在于测量流体中的某些离子种类，即与分析物相互作用。改变测量流体中离子的活性或浓度导致测量介质和经由内部电解质与离子选择性膜接触的端子引线之间的平衡电流电压的相对变化。这种离子选择性电极的特殊情况，即选择性地检测测量流体中水合氢离子活性的电极，是已知的pH玻璃电极，其包括玻璃膜作为
电位形成传感器元件。这里和下文中使用的术语“离子选择性层”、“离子选择性传感器元件体”或“离子选择性电极”是指离子敏感层、离子敏感传感器元件体或离子敏感电极，其电位优选主要受分析物(例如特定的离子类型或pH值)的影响，其中不排除层、传感器元件体或电极对其他类型离子的交叉敏感度，但优选较低。离子选择性玻璃应理解为是指适合于形成这种离子选择性层、离子选择性传感器元件体或离子选择性电极的离子选择性层或离子选择性传感器元件体的玻璃。
[0007]所描述的常规离子选择性玻璃电极以及具有相应玻璃电极的电位探针的特征在于良好的测量性能；在pH玻璃电极的情况下，这例如涉及梯度、长期稳定性、选择性和检测极限。然而，高阻抗玻璃膜的壁厚通常选择为非常薄，并且因此它们仅具有较低的机械稳定性。
[0008]已知将离子选择性或pH选择性玻璃施加到多孔陶瓷载体上，从而机械地稳定传感器元件。例如，US 4,133,735描述了将离子选择性玻璃施加到镁橄榄石基底或由陶瓷(例如，AlSiMAG243)制成的基底上。金属中间层在这里用于分接电极电位。
[0009]在DD专利说明书2184中，描述了由多孔陶瓷制成的中空体，其涂覆有氢离子选择性玻璃。将内部缓冲溶液添加到空心体中，并使之与拾取电极电接触。通过将非常精细研磨的pH玻璃的水性悬浮液施加到多孔粘土圆筒上，然后在大约600℃下烘烤，来产生玻璃涂层。然而，在专利说明书中没有给出关于如何以这种方式实现永久稳定且无裂纹的玻璃/陶瓷复合体的细节。
[0010]已公开的专利申请DE 3607522 A1描述了一种用于电化学测量的机械稳定的玻璃电极，该玻璃电极包括多孔陶瓷载体，该多孔陶瓷载体在一侧上开口并且具有内部空腔，该内部空腔在开口端处绝缘并在封闭端处用离子选择性玻璃上釉，填充有缓冲溶液并设置有拾取电极。陶瓷载体的热膨胀系数大于或等于离子选择性玻璃的热膨胀系数。
[0011]DE 102015121364 A1描述了一种电位传感器，该电位传感器包括被设计为由离子选择性膜(例如pH玻璃膜)制成的复合体的传感器元件，以及浸渍有液体或凝胶电解质的多孔陶瓷体。端子引线被设计为与电解质接触的金属电极形式的液体结。可以通过将陶瓷体浸到熔体中或通过熔化离子选择性玻璃来施加离子选择性材料。
[0012]US 3,855,098公开了一种由玻璃管形成的离子选择性电极，该离子选择性电极的一端用熔合在玻璃管上的陶瓷盘封闭，其中由离子选择性玻璃制成的玻璃层被布置在陶瓷盘的面向远离玻璃管的内部的外侧上。陶瓷盘由可渗透液体的开孔陶瓷制成。在玻璃管的内部存在液体内部电解质，该液体内部电解质经由陶瓷盘的孔与玻璃层接触。拾取电极浸到内部电解质中，并用于分接离子选择性电极的电位。可以通过将由玻璃粉和粘合剂制成的糊剂或乳剂施加到陶瓷盘，并且随后对其进行烧制，或者将玻璃盘或玻璃晶片熔融，来将离子选择性玻璃层施加到陶瓷盘上。
[0013]在US 3,855,098中描述的离子选择性电极的缺点在于，离子选择性玻璃层仅经由陶瓷的孔与由内部电解质和拾取电极形成的电位引线接触。接触区中自由玻璃表面的这种限制可能阻碍与内部电解质接触的源极层的形成。当将玻璃盘熔合到开孔陶瓷上时，来自陶瓷盘的先前处理步骤的杂质也可能保留在孔中并损害熔合或接头的稳定性。开孔的基板还可以促进熔化期间在接触表面上形成气泡。而且，存在在上釉表面的边缘处形成附加爬电路径的风险。
[0014]此外，使用包含玻璃粉的糊剂的传统上釉方法的缺点以及将熔化的玻璃施加到陶瓷载体上的缺点是，由此产生的玻璃层通常不具有均匀的厚度，并且在某些情况下，也不具有均匀的结构。如果要产生尽可能薄的玻璃层(其是由于离子选择性玻璃的阻抗的厚度依赖性而期望的)，则在所描述的方法中存在所产生的玻璃层没有完全封闭的风险。在所描述的方法中，气泡还可能在离子选择性玻璃层中形成，这可导致离子选择性玻璃层内的不希望的厚度进展或其他不均匀性，例如点蚀。在测量操作期间，由于侵蚀性测量介质中的腐蚀，固化的玻璃层中包含气泡的区域易受点蚀的影响。这种腐蚀过程可能导致传感器元件在操作期间的测量本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制造用于测量被测变量的传感器元件的方法，所述被测变量取决于测量流体中的离子活性，所述方法包括：将包括由不可渗透液体的、电绝缘的陶瓷材料制成的基体的载体接合到由离子选择性的
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尤其是pH选择性的
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玻璃形成的传感器元件体，以使得所述载体的表面接触所述传感器元件体并且至少在各个固定点处
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尤其是在其整个表面上
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被整体接合到所述传感器元件体，其中，所述基体具有至少一个通孔，所述通孔尤其是在所述基体的至少一个限定的位置处被引入。2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：通过所述基体的所述至少一个通孔电接触所述传感器元件体。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述载体的所述表面包括至少一个导电部分表面，并且其中，所述载体和所述传感器元件体被彼此整体接合，以使得所述导电部分表面至少部分地被所述传感器元件体覆盖。4.根据权利要求3所述的方法，进一步包括：通过所述基体的所述至少一个通孔电接触所述导电部分表面。5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述通孔沿着基本上垂直于接触所述传感器元件体的所述载体的所述表面延伸的纵向方向延伸，并且具有在与所述纵向方向的垂直方向上可测量的直径，所述直径大于0.1μm，尤其是大于0.1mm。6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述载体为杆状或管状。7.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法，其中，所述整体接合包括用玻璃焊料或搪瓷玻璃制剂进行钎焊。8.根据权利要求1至7中的任一项所述的方法，其中，所述整体接合包括用激光辐射照射位于被布置在所述传感器元件体和所述载体之间的界面中的至少一个或多个固定点。9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，所述整体接合包括利用分子粘附力将所述传感器元件体的表面区域接合至所述载体的所述表面。10.根据权利要求1至9中的任一项所述的方法，其中，所述基体是管状的并且具有其中布置有所述至少...

【专利技术属性】
技术研发人员：托马斯，
申请(专利权)人：恩德莱斯和豪瑟尔分析仪表两合公司，
类型：发明
国别省市：