Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Impedanzspektroskopie-Sensor zur impe danzspektroskopischen Untersuchung eines flüssigen oder pastösen Mediums, ins besondere einer Suspension, besonders bevorzugt Zellsuspension. Der Sensor um fasst:

eine Trägerplatte mit einer im Messbetrieb dem Medium zugewandten Me dienseite und mit einer der Medienseite entgegengesetzten Anschlussseite zum elektrisch leitenden Anschluss einer Steuerungs- oder/und Auswerteelek tronik,

Durchgangsöffnungen, welche, die Trägerplatte durchsetzend, zwischen der Medienseite und der Anschlussseite verlaufen,

auf der Medienseite: eine Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Sensorflächen, welche zur Kontaktierung durch das Medium wenigstens abschnittsweise frei liegen, und

auf der Anschlussseite: eine Mehrzahl von elektrischen Kontaktflächen, wel che auf der Anschlussseite zur Kontaktierung durch wenigstens eine weitere elektrische Leitung wenigstens abschnittsweise freiliegen, wobei wenigstens ein Teil der elektrischen Kontaktflächen durch die Durchgangsöffnungen hin durch mit den Sensorflächen auf der Medienseite elektrisch leitfähig ver bunden sind.

Ein gattungsgemäßer Impedanzspektroskopie-Sensor ist aus der WO 2006/107728 A1 bekannt. Dort ist der Impedanzspektroskopie-Sensor, wie auch anderswo im Stand der Technik, als "Leitfähigkeitssensor" bezeichnet. Die WO 2006/107728 A1 lehrt, an einer keramischen Trägerplatte Durchgangsöffnungen durch Ätztechnik aus zubilden und mit elektrisch leitfähigem Material zu füllen. Unvollständig mit elektrisch leitfähigem Material gefüllte Durchgangsöffnungen können zur Abdichtung durch Sin terglas aufgefüllt werden. Die WO 2006/107728 A1 lehrt weiter, sowohl auf der Medienseite als auch auf der Anschlussseite mittels aus der Halbleiterbearbeitung entnommenen Aufdampf- und Ablagerungsverfahren, wie physikalische Vakuumaufdampfung (PVD), chemische Gasphasenabscheidung (CVD), elektrochemische Abscheidung (ECD) usw. an jeder gefüllten Durchgangsöffnung je eine die gefüllte Durchgangsöffnung überdeckende Elektrode anzuordnen. Die medienseitige Elektrode, etwa aus Platin oder Gold ge bildet, dient der Kontaktierung des zu untersuchenden flüssigen Mediums. Die an schlussseitige Elektrode dient dem Anschluss von elektrischen Leitungen daran zur Signalübertragung zu entfernt vom Sensor angeordneten Signalanalysevorrichtun gen. Die jeweiligen Elektroden des aus der WO 2006/107728 A1 bekannten Sensors liegen auf ihrer Seite, auf der sie angeordnet sind, jeweils vollständig frei.

Nachteilig an diesem Sensor ist, dass selbst an den vollständig mit elektrisch leitfähi gem Material und gegebenenfalls mit zusätzlichem Füllmaterial aufgefüllten Durch gangsöffnungen deren Dichtigkeit gegen eine Migration niedrigviskoser Medienbe standteile von der Medienseite zur Anschlussseite - oder auch gegen eine Migration von Atmosphärenbestandteilen in die umgekehrte Richtung - nicht sichergestellt werden kann. Dies kann vor allem langdauernde oder/und wiederholte Sensorein sätze beeinträchtigen.

Zur Einordnung des Sensors der vorliegenden Erfindung und seines bevorzugten Einsatzgebietes wird nachfolgend kurz Grundlegendes zur Impedanzspektroskopie und zu Impedanzspektroskopie-Sensoren vorgestellt: elektrische Impedanzspektro skopieverfahren werden als Messverfahren zur zerstörungsfreien in-situ- und in-vivo- Bestimmung von frequenzabhängigen passiven elektrischen Eigenschaften von bio logischen Materialien verwendet. Ein solches biologisches Material kann beispiels weise eine nachfolgend als "Biomasse" oder "Medium" bezeichnete Substanz aus einer Flüssigkeit und darin aufgenommenen biologischen Zellen sein, wie sie etwa aus Zellkulturbehältern erhalten wird.

Die oben genannten frequenzabhängigen passiv-elektrischen Eigenschaften der Bio masse können Auskunft unter anderem über die Lebendzellzahl und die Zellvitalität geben. Daneben können noch weitere Eigenschaften der Biomasse durch die fre quenzabhängigen passiv-elektrischen Eigenschaften ermittelt werden, jedoch weist die Bestimmung der Anzahl an lebenden Zellen und der Zellvitalität die größte Be deutung in biotechnologischen Anwendungen auf.

Ganz grundsätzlich und grob skizziert erfolgt die impedanzspektroskopische Erfas sung von Information über die Menge oder/und Größe von lebenden Zellen in der Biomasse wie folgt: an eine Suspension von in einer Trägerflüssigkeit aufgenomme nen biologischen Zellen wird über die elektrisch leitfähigen Sensorflächen der Medienseite des Sensors ein elektrisches Feld angelegt, dessen Feldrichtung sich periodisch mit einer vorgegebenen Frequenz ändert. Abhängig von der gewählten Änderungsfrequenz wirken an der Biomasse unterschiedliche Polarisationsmecha nismen. Daher sind die passiv-elektrischen Eigenschaften von Biomasse im Gegen satz zu rein ionischen Lösungen frequenzabhängig und bilden typische sogenannte Dispersionen aus. Befinden sich in der Biomasse lebende Zellen, entstehen zusätzli che Effekte. Die lebenden Zellen stellen ein Wanderungshindernis für frei bewegliche Ionen dar, sodass die Zellen abhängig von ihrer Querschnittsfläche den elektrischen Widerstand der Biomasse erhöhen und folglich deren Leitfähigkeit verringern. Auch die im Inneren einer Zelle der Biomasse vorhandenen Ionen werden von dem elektri schen Feld erfasst. An der elektrisch schlecht leitenden Zellmembran tritt eine Ladungstrennung auf, die zu einer Polarisation an der Membran führt. Die Polarisa tion tritt als elektrische Doppelschicht auf. In diesem Fall fließt der durch das elektri sche Feld bewirkte Strom fast ausschließlich durch die extrazelluläre Trägersubstanz der Biomasse. Die Polarisierung spiegelt sich daher in der Erhöhung der messbaren Kapazität und folglich der Permittivität zwischen den felderzeugenden Elektroden wieder.

Eine sogenannte "a-Dispersion" tritt im Millihertz- bis Kilohertz-Frequenzbereich auf und wird durch die Bewegung und Anlagerung von Ladungsträgern auf der Zellober fläche hervorgerufen. Weiter beeinflussen aktive Zellmembraneffekte und aktive ioni sche Membrankanäle die a-Dispersion. In einem Frequenzbereich von einigen Kilohertz bis Hundert Megahertz tritt eine so genannte ß-Dispersion auf, die auf den kapazitiven Eigenschaften der Zellmembra nen, den intrazellulären Organellen und den Membranstrukturen selbst beruht. Die Fette und Proteine in den Zellmembranen bilden eine hochohmige Struktur. Die Membranstrukturen führen zu sogenannter Grenzflächenpolarisation.

Bei noch höheren Frequenzen im Bereich von ca. 0,1 bis 100 GHz tritt die sogenann te g-Dispersion auf, die durch dipolare Mechanismen von polaren Medien, wie bei spielsweise Wasser und Proteinen, hervorgerufen wird. Im elektrischen Feld richten sich bei hohen Frequenzen große Moleküle, wie z. B. Proteine, mit Dipolmoment aus.

Für den Sensor der vorliegenden Anmeldung besonders interessierende Erfassung von Information über die Menge oder/und Größe von lebenden Zellen in einer Bio masse ist vor allem das ß-Dispersionsgebiet von Interesse, das ebenfalls von elek trisch leitfähigen Sensorflächen der Medienseite erfasst wird. Zur weiterführenden Information über die Dispersionsgebiete von Biomassen und die zu ihrer Darstellung verwendeten Kurven einer frequenzabhängigen Permittivität oder Kapazität wird ver wiesen auf H. P. Schwan: "The practical success of impedance techniques from an historical perspecitve", in: Proceedings of the X. International Conference on Electri- cal Bio-Impedance, Barcelona (1998), Seiten 3 bis 16, sowie auf H. P. Schwan: "Electrical properties of tissue and cell suspensions", in: Advances in Biological and Medical Physics, Vol. 5 (1957), Seiten 147 bis 205.

Ein bekanntes Verfahren zur impedanzspektroskopischen Erfassung von Information über die Menge oder/und Größe von lebenden Zellen in einer Biomasse mittels eines elektrischen Feldes mit sich periodisch ändernder Feldrichtung ist aus der US 7 930 1 10 B2 bekannt. Ein für eine derartige Messung einsetzbarer Impedanzspektro skopie-Sensor ist aus der US 6 596 507 B2 bekannt. Auch ein von der vorliegenden Anmelderin unter dem Handelsnamen "Incyte" vertriebener Sensor ist ein Impedanz spektroskopie-Sensor. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den eingangs genannten Impedanzspek troskopie-Sensor, oder nachfolgend auch nur kurz "Sensor", hinsichtlich seiner Dich tigkeit zwischen Medienseite und Anschlussseite zu verbessern, insbesondere im Bereich der Durchgangsöffnungen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Sensor der eingangs ge nannten Art, bei welchem zusätzlich vorgesehen ist, dass wenigstens auf der Medienseite eine Medien-Deckschicht aufgetragen ist, welche im Erstreckungs bereich der Sensorflächen die Medien-Deckschicht in Dickenrichtung durchsetzende Aussparungen aufweist und welche wenigstens einen Teil der Durchgangsöffnungen sowie jeweils einen von einer Durchgangsöffnung ausgehenden Leiterbahnabschnitt überdeckt.

Durch die Medien-Deckschicht, die bevorzugt wenigstens 70 % der medienseitigen Oberfläche der Trägerplatte überdeckt, wird eine zusätzliche, die Dichtigkeit der Trä gerplatte erhöhende Schicht auf der Medienseite der Trägerplatte aufgetragen. Die Sensorflächen liegen in einer mit der Richtung des Abstands zwischen Medienseite und Anschlussseite zusammenfallenden Dickenrichtung des Sensors zwischen der Medien-Deckschicht und der Trägerplatte. Durch die beschriebenen Aussparungen sind die Sensorflächen trotz der Ausbildung der Medien-Deckschicht von außen zu gänglich und können so ihre bestimmungsgemäße Erfassungsaufgabe erfüllen.

Bevorzugt ist zur einfacheren Handhabung, insbesondere Bedruckung der Träger platte die Trägerplatte auf wenigstens einer Seite, vorzugsweise auf beiden Seiten, eben ausgebildet.

Dadurch, dass die Medien-Deckschicht wenigstens einen Teil der Durchgangsöff nungen bedeckt, sind die bedeckten Durchgangsöffnungen nicht unmittelbar von dem zu erfassenden Medium erreichbar, welches die Medienseite des Sensors wäh rend eines bestimmungsgemäßen Erfassungsbetriebs benetzt. Der ebenfalls von der Medien-Deckschicht überdeckte Leiterbahnabschnitt kann aus demselben Material hergestellt sein wie die Sensorfläche, die er mit elektrisch leitfähigem Material in der überdeckten Durchgangsöffnung verbindet. Dadurch, dass die Medien-Deckschicht auch einen von der überdeckten Durchgangsöffnung ausgehenden Leiterbahnab schnitt überdeckt, ist es möglich, die durch die Aussparung in der Medien-Deck schicht definierte, der überdeckten Durchgangsöffnung durch elektrisch leitende Ver bindung zugeordnete Sensorfläche von der Durchgangsöffnung entfernt anzuordnen, sodass ein möglicherweise bestehender Kriechweg für niedrigviskose Anteile des zu erfassenden Mediums in einem möglicherweise bestehenden Spaltraum zwischen Medien-Deckschicht einerseits und Trägerplatte oder/und Sensorfläche oder/und Lei terbahnabschnitt andererseits lang ausgebildet sein kann. Die Wahrscheinlichkeit, dass Flüssigkeit ausgehend von der Aussparung an der Sensorfläche durch einen, wenn überhaupt, dann allenfalls mit sehr geringer Spaltdicke im einstelligen pm- Bereich bestehenden Spaltraum bis zur Durchgangsöffnung und weiter durch diese hindurch zur Anschlussseite gelangt, ist vernachlässigbar gering.

Bevorzugt überdeckt die Medien-Deckschicht alle Durchgangsöffnungen auf der Medien-Seite.

Zur Verbindung der Sensorflächen auf der Medienseite mit je einer Durchgangs öffnung kann auf der Medienseite eine Mehrzahl von medienseitigen elektrischen Leiterbahnen ausgebildet sein, welche jeweils eine Durchgangsöffnung mit wenigs tens einer Sensorfläche elektrisch leitend verbinden. Die Medien-Deckschicht über deckt dann bevorzugt eine Mehrzahl von Leiterbahnabschnitten, wobei jeder über deckte Leiterbahnabschnitt bevorzugt von einer anderen Durchgangsöffnung aus gehend zu einer Sensorfläche verläuft.

Dies ermöglicht außerdem, die Sensorflächen bei gleichzeitig hervorragender Barrie rewirkung des Sensors gegen einen Flüssigkeitsdurchtritt von der Medienseite zur Anschlussseite beliebig nach jeweiliger Anforderung und Eignung auf der Medien seite der Trägerplatte anzuordnen und auszurichten.

Um auch auf der Anschlussseite der Trägerplatte die Kontaktflächen zum einen elek trisch leitend mit den Sensorflächen zu verbinden und zum anderen frei anordnen und ausrichten zu können, kann auch auf der Anschlussseite eine Mehrzahl von an schlussseitigen elektrischen Leiterbahnen ausgebildet sein, welche jeweils eine Durchgangsöffnung mit wenigstens einer Kontaktfläche elektrisch leitend verbinden. Da auf der Medienseite elektrische Leiterbahnen von der Durchgangsöffnung zu den Sensorflächen führen und auf der Anschlussseite elektrische Leiterbahnen von der Durchgangsöffnung zu den Kontaktflächen führen, sind so die Sensorflächen in ge wünschter Weise mit den Kontaktflächen elektrisch leitend verbunden.

Bevorzugt sind die Sensorflächen aus chemisch sehr beständigem elektrisch leitfähi gem Metall ausgebildet, da diese in unmittelbarem benetzendem Kontakt mit dem zu erfassenden Medium stehen. Wählt man vorteilhaft die die Zugänglichkeit der Sen sorflächen bereitstellenden Aussparungen in der Medien-Deckschicht so, dass eine medienseitige elektrische Leiterbahn, welche die Sensorfläche mit einer Durchgangs öffnung verbindet, nicht mehr von dem zu erfassenden Medium benetzt wird, kann die medienseitige elektrische Leiterbahn dann aus einem anderen Material, insbe sondere aus einem kostengünstigeren Material gebildet sein als die Sensorfläche. Es muss lediglich eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen der elektrischen Leiter bahn und der ihr zugeordneten Sensorfläche bestehen. Dies gilt bevorzugt für alle Sensorflächen und den ihnen zugeordneten medienseitigen elektrischen Leiter bahnen. Beispielsweise kann zur Bildung einer Sensorfläche eine mit Sensorflächen- Material bedeckte Fläche auf der Medienseite der Trägerplatte größer sein als die Fläche der der Sensorfläche zugeordneten Aussparung. Dann ist am fertigen, be triebsbereiten Sensor die Fläche einer einer Sensorfläche zugeordneten Aussparung vollständig von der Sensorfläche ausgefüllt.

Da die anschlussseitigen elektrischen Leiterbahnen und Kontaktflächen ohnehin nicht von dem zu erfassenden Medium benetzt werden, können alternativ oder zu sätzlich auch die anschlussseitigen Leiterbahnen aus einem anderen Material ge bildet sein als die Sensorflächen auf der Medienseite. Bevorzugt sind die mediensei tigen oder/und anschlussseitigen elektrischen Leiterbahnen zur Vermeidung unnötig hoher Kosten aus einem Material mit betragsmäßig niedrigerem positiven Normal potential gegenüber einer Normal-Wasserstoff-Elektrode, gemessen bei 25 °C, 1013 hPa. Die Sensorflächen umfassen besonders bevorzugt Platin oder bevorzugt Gold. Eine PtAg-Legierung hat sich dabei als besonders wirkungsvoll herausgestellt. Die medienseitigen oder/und anschlussseitigen elektrischen Leiterbahnen umfassen be vorzugt Silber bzw. eine Silberlegierung. Eine AgPd-Legierung ist dabei besonders bevorzugt. Bei aller Unterschiedlichkeit der genannten Materialien weisen bevorzugt das Material zur Herstellung des Sensorflächen und das Material zur Herstellung der elektrischen Leiterbahnen einen gemeinsamen elektrisch leitfähigen Legierungs bestandteil auf, um an Kontaktstellen der unterschiedlichen Materialien eine uner wünschte galvanische Korrosion zu vermeiden.

Im Gegensatz zu den Sensorflächen, welche lediglich benetzbar sein müssen und dabei chemisch stabil sein sollen, ist es zum erleichterten Anschluss von elektrischen Leitern an die Kontaktflächen von Vorteil, wenn das Material der Kontaktflächen eine Lötverbindung zulässt, also lötbar ist. Die oben genannte AgPd-Legierung leistet das.

Zur Sicherstellung einer besonders einfach herstellbaren durchgängigen elektrischen Leitfähigkeit und zur Vermeidung unnötiger galvanischer Elemente sind bevorzugt die medienseitigen elektrischen Leiterbahnen und die anschlussseitigen elektrischen Leiterbahnen aus demselben Material gebildet.

Aus demselben Grund sind bevorzugt Kontaktflächen und die anschlussseitigen Lei terbahnen aus demselben Material gebildet. Sie sind bevorzugt einstückig gebildet.

Um auch auf der Anschlussseite einen Feuchtigkeit- oder Flüssigkeitszugang zu den Durchgangsöffnungen zu erschweren, kann auch auf der Anschlussseite eine An schluss-Deckschicht aufgetragen sein, welche im Erstreckungsbereich von Kontakt flächen die Anschluss-Deckschicht in Dickenrichtung durchsetzende Aussparungen aufweist und welche wenigstens einen Teil der Durchgangsöffnungen überdeckt. Be vorzugt überdeckt die Anschluss-Deckschicht zusätzlich wenigstens einen Teil der anschlussseitigen Leiterbahnen aus den oben zur Medien-Deckschicht bereits ge nannten Gründen. Es gilt für die Anschluss-Deckschicht das vorstehend und nach folgend zur Medien-Deckschicht Gesagte. Bevorzugt überdeckt die Medien-Deckschicht zur noch besseren Abschirmung elek trisch leitfähiger Komponenten des Sensors wenigstens einen Teil, vorzugsweise alle der medienseitigen Leiterbahnen vollständig. Gemäß dieser vorteilhaften Weiterbil dung befindet sich auf der Medienseite der Trägerplatte im Bereich der zugeordneten Aussparungen der Medien-Deckschicht ausschließlich Material der Sensorflächen. Zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Verbindung kann sich im Bereich einer solchen Aussparung auch Material einer medienseitigen elektrischen Leiterbahn be finden, dann jedoch bevorzugt unter dem Material der Sensorfläche, also in Dicken richtung des Sensors zwischen der Sensorfläche und der Trägerplatte. Bevorzugt ist eine solche Überlappung von Material einer Sensorfläche und Material einer elek trischen Leiterbahn jedoch unter der Medien-Deckschicht gebildet.

Besonders vorteilhaft kann wenigstens ein Teil der Durchgangsöffnungen, vorzugs weise können alle Durchgangsöffnungen Material der anschlussseitigen oder/und der medienseitigen elektrischen Leiterbahnen aufweisen, um eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen der Medienseite und der Anschlussseite durch die jeweilige Durchgangsöffnung hindurch bereitzustellen. Somit kann sich in wenigstens einem Teil der Durchgangsöffnungen Material der anschlussseitigen oder/und der medien seitigen elektrischen Leiterbahnen befinden, um einen Abschnitt der elektrisch leiten den Verbindung von Kontaktflächen der Anschlussseite mit Sensorflächen der Medienseite zu bilden.

Um wiederum unerwünschte galvanische Elemente in den Durchgangsöffnungen zu vermeiden und um eine gute elektrische Leitfähigkeit durch die Durchgangsöffnun gen hindurch sicherstellen zu können, befindet sich in wenigstens einem Teil der Durchgangsöffnungen bevorzugt nur Material der anschlussseitigen oder/und der medienseitigen elektrischen Leiterbahnen. Die Füllung der Durchgangsöffnungen mit dem Material der anschlussseitigen oder/und der medienseitigen elektrischen Leiter bahnen kann in einfacher Weise gemeinsam mit den elektrischen Leiterbahnen her gestellt werden. Bevorzugt werden die elektrischen Leiterbahnen - ebenso wie im Übrigen die Sensorflächen - im Siebdruckverfahren hergestellt, was gegenüber den der Halbleitertechnik entlehnten Auftragsverfahren der WO 2006/107728 A1 eine erhebliche prozessuale Vereinfachung des Herstellungsverfahrens bedeutet. Nach einem Auftrag der elektrischen Leiterbahnen auf die Trägerplatte wird die Träger platte bevorzugt thermisch gebrannt, um die Leiterbahnen in ihren endgültigen Zu stand überzuführen und auf der Trägerplatte zu fixieren. Entsprechendes gilt auch für die Sensorflächen nach deren Auftrag auf die Trägerplatte und gegebenenfalls ab schnittsweise über einen Abschnitt der, dann vorzugsweise bereits gebrannten, Lei terbahnen.

Ein Großteil der oder sogar alle Kontaktflächen auf der Anschlussseite können mit einem Stecker- oder Buchsenelement verbunden sein, welches in einfacher Weise einen Anschluss des Sensors an eine Signalauswertevorrichtung oder/und an eine Signaleinspeisevorrichtung ermöglicht. Von der Signalauswertevorrichtung oder/und Signaleinspeisevorrichtung verläuft dann ein elektrischer Leiter mit einem zum Stecker- oder Buchsenelement des Sensors komplementären vorrichtungsseitigen Buchsen- bzw. Steckerelement, sodass eine einfache elektrisch leitfähige Steckver bindung zwischen dem Sensor und der Signalauswertevorrichtung oder/und Signal einspeisevorrichtung herstellbar ist. Selbst verständlich können gemäß einer wegen der verminderten Flexibilität der Einsatzmöglichkeiten des Sensors weniger bevor zugten Ausführungsform auch von der Signalauswertevorrichtung oder/und Signal einspeisevorrichtung kommende elektrische Leitungen unmittelbar an die Kontakt flächen angelötet oder sonstwie verbunden sein. Wenigstens zwei der Kontakt flächen können mit einem Temperatursensor verbunden sein, um zusätzlich eine Temperaturinformation über den Sensor im Betrieb bereitstellen zu können. Somit können von dem Sensor gelieferte Erfassungsergebnis online temperaturkompen siert werden.

Bevorzugt bedeckt die Medien-Deckschicht 70 % oder mehr, etwa wenigstens 85 %, der medienseitige Oberfläche der Trägerplatte. Ein Außenumfang der Medien-Deck schicht umschließt bevorzugt mehr als 90 % oder sogar mehr als 95 % der medien seitigen Oberfläche der Trägerplatte. In einer späteren Weiterverarbeitung kann der Sensor, umfassend die Trägerplatte, die Sensorflächen, die elektrischen Leiter- bahnen und Kontaktflächen sowie die Medien-Deckschicht und gegebenenfalls die Anschluss-Deckschicht in ein Kunststoffgehäuse eingebettet sein, vorzugsweise durch Anspritzen des Kunststoffgehäuses an den Sensor im Spritzgussverfahren. Eine besonders haltbare und belastbare Verbindung zwischen dem Kunststoff gehäuse und dem Sensor kann dabei dadurch erhalten werden, dass der Rand der Trägerplatte auf der Medienseite parallel zur medienseitigen Oberfläche der Träger platte mit Abstand von einem um die Medien-Deckschicht umlaufenden Rand der Medien-Deckschicht angeordnet ist.

Die Trägerplatte ist bevorzugt aus einer, verglichen mit den Materialien zur Herstel lung der Sensorflächen, der Kontaktflächen und der genannten elektrischen Leiter bahnen, elektrisch nicht-leitenden Keramik hergestellt. Bevorzugt ist die Trägerplatte nur aus dieser nicht leitenden Keramik hergestellt. Die Keramik kann eine zur Verbin dung mit dem angespritzten Kunststoff besonders geeignete rauere Oberfläche auf weisen als die Medien-Deckschicht oder/und die Anschluss-Deckschicht. Bevorzugt ist die Trägerplatte aus einer Sinter-Keramik hergestellt, sodass die Medien-Deck schicht oder/und die Anschluss-Deckschicht eine mikro-formschlüssige, hochfeste Verbindung mit der Trägerplatte eingehen können. Gleiches gilt für etwaig ange spritzten Kunststoff.

Bevorzugt sind alle Materialien zur Herstellung von Trägerplatte, Deckschichten, Sensorflächen, Kontaktflächen und elektrischen Leiterbahnen frei von Cadmium.

Zur Sicherstellung einer möglichst guten Verbindbarkeit mit Kunststoff auch auf der Anschlussseite des Sensors, ist es vorteilhaft, wenn der Rand der Trägerplatte auf der Anschlussseite parallel zur anschlussseitigen Oberfläche der Trägerplatte mit Abstand von einem um die Anschluss-Deckschicht umlaufenden Rand der An schluss-Deckschicht angeordnet ist. Bevorzugt ist sowohl auf der Medienseite als auch auf der Anschlussseite der Abstand der jeweiligen Deckschicht vom Rand der Trägerplatte längs des Randes der Trägerplatte konstant. Die Medien- oder/und Anschluss-Deckschicht kann bzw. können ebenfalls eine kera mische Schicht sein, die elektrisch nicht leitfähig sein darf, um keine Kurzschlüsse zwischen den Sensorflächen oder den Leiterbahnen oder den Kontaktflächen herzu stellen. Die Deckschicht ist bevorzugt eine glasartige Schicht, wie beispielsweise eine Glasur oder eine Glas-Lage. Die Medien- oder/und Anschluss-Deckschicht kann zunächst sehr exakt im Siebdruckverfahren aufgetragen und dann thermisch durch Befeuern bzw. Brennen in einen amorphen Zustand hoher Dichtigkeit gebracht wer den.

Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors, wir oben beschrieben und weitergebildet ist. Das Verfahren umfasst die fol genden Verfahrensschritte:

Bereitstellen einer Trägerplatte mit der im Messbetrieb dem Medium zuge wandten Medienseite und mit der der Medienseite entgegengesetzten An schlussseite sowie mit Durchgangsöffnungen, welche, die Trägerplatte durch setzend, zwischen der Medienseite und der Anschlussseite verlaufen,

Bedrucken der Anschlussseite mit einem ersten elektrisch leitfähige Partikel enthaltenden Druckmedium zur Ausbildung der Kontaktflächen,

Bedrucken der Medienseite mit einem zweiten elektrisch leitfähige Partikel enthaltenden Druckmedium zur Ausbildung der Sensorflächen,

Aufträgen einer Medien-Deckschicht auf die bedruckte Medienseite unter Aus sparung von Sensorflächenbereichen,

wobei beim Bedrucken der Anschlussseite oder/und beim Bedrucken der Medien seite Durchgangsöffnungen mit dem ersten oder/und mit dem zweiten Druckmedium gefüllt werden.

Das Verfahren wurde bereits oben im Zusammenhang mit der Beschreibung des Sensors im Detail erläutert, sodass zur näheren Erläuterung des Verfahrens auf den obigen Vortrag zum Sensor verwiesen wird. Demgemäß ist das bevorzugte Druck verfahren ein Siebdruckverfahren, wenngleich andere Druckverfahren nicht ausge schlossen sein sollen. Sich aus dem genannten Verfahren ergebende Vorteile und Ausgestaltungen des Sensors sind Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Sen- sors. Sich aus dem beschriebenen Sensor ergebende Vorteile und Ausgestaltungen des Herstellungsverfahrens des Sensors sind Weiterbildungen des erfindungsge mäßen Herstellungsverfahrens.

Da bevorzugt die medienseitigen elektrischen Leiterbahnen zumindest abschnitts weise zwischen den Sensorflächen und der Trägerplatte angeordnet sein sollen, ist es bevorzugt, wenn das Verfahren vor dem Bedrucken der Medienseite mit dem zweiten Druckmedium einen Schritt eines Bedruckens der Medienseite mit dem ers ten Druckmedium aufweist, um auf der Medienseite elektrische Leiterbahnen auszu bilden.

Zwischen zwei Schritten eines Bedruckens ein und derselben Seite der Trägerplatte mit unterschiedlichen Druckmedien umfasst das Verfahren bevorzugt den Schritt eines Brennens des bereits aufgedruckten Druckmediums, wobei das bereits aufge druckte Druckmedium aufgeschmolzen oder/und Bestandteile desselben verdampft wird bzw. werden..

Zur Vermeidung von unerwünschten Materialmischungen in den Durchgangsöffnun gen oder/und zur Bereitstellung von maximal mit elektrisch leitfähigem Material ge füllten Durchgangsöffnungen ist es vorteilhaft, wenn beim Bedrucken der Anschluss seite oder/und beim Bedrucken der Medienseite Durchgangsöffnungen nur mit dem ersten Druckmedium gefüllt werden.

Wie bereits im Zusammenhang mit dem Sensor erläutert, kann das Verfahren den Schritt eines Auftragens einer Anschluss-Deckschicht auf die bedruckte Anschluss seite unter Aussparung von Kontaktflächenbereichen aufweisen. Bevorzugt erfolgt das Aufträgen einer Deckschicht, sei es die Medien-oder die Anschluss-Deckschicht, im Siebdruckverfahren. Da glasartige Deckschichten bevorzugt sind, wird eine Deck schicht nicht in der endgültig am fertig gestellten Sensor verwendeten Form aufge tragen, sondern als Zwischenprodukt, welches nach dem Aufträgen einer thermi schen Schmelzbehandlung unterzogen wird. Zur Realisierung dieser Schmelzbehandlung kann das Verfahren wenigstens einen

Schritt eines Brennens der mit wenigstens einem Materialauftrag versehenen, insbe sondere bedruckten oder/und mit wenigstens einer Deckschicht versehenen, Träger platte aufweisen.

Fig. 1 : eine schematische Aufrissansicht einer erfindungsgemäßen Ausführungs form eines Impedanzspektroskopie-Sensors der vorliegenden Anmeldung,

Fig. 2A:eine schematische Draufsicht auf die Anschlussseite des Sensors von Fig. 1 ,

Fig. 2B:eine schematische Draufsicht auf die Medienseite des Sensors von Figur 1 und 2A,

Fig. 3A:eine schematische Draufsicht auf die Medienseite der Trägerplatte des Sen sors der Figuren 1 und 2, wobei nur die darauf aufgedruckten elektrischen Leiterbahnen dargestellt sind,

Fig. 3B:eine schematische Draufsicht auf die Medienseite der Trägerplatte des Sen sors der Figuren 1 und 2, wobei nur das darauf zur Ausbildung der Sensor flächen aufgedruckte Material dargestellt ist,

Fig. 3C:eine schematische Draufsicht auf die Medienseite der Trägerplatte des Sen sors der Figuren 1 und 2, wobei nur die darauf aufgebrachte Medien-Deck- schicht dargestellt ist,

Fig. 4A:eine schematische Draufsicht auf die Anschlussseite der Trägerplatte des Sensors der Figuren 1 und 2, wobei nur die darauf aufgedruckten elektri schen Leiterbahnen dargestellt sind, und

Fig. 4B:eine schematische Draufsicht auf die Anschlussseite der Trägerplatte des Sensors der Figuren 1 und 2, wobei nur die darauf aufgebrachte Anschluss- Deckschicht dargestellt ist. In Figur 1 ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Impedanzspektrosko pie-Sensors der vorliegenden Anmeldung allgemein mit 10 bezeichnet. Der Sensor 10 umfasst eine Trägerplatte 12, bevorzugt aus gesinterter Keramik, mit einer im Er fassungsbetrieb des Sensors einem Medium M als Messobjekt, wie etwa einer Zell suspension, zugewandten Medienseite 14 und einer entgegengesetzten, vom Medium abgewandten und für elektrische Anschlüsse genutzten Anschlussseite 16.

Auf der Medienseite 14 befinden sich insgesamt drei flächige Aufträge in Musterform aus unterschiedlichem Material. Diese werden weiter unten im Zusammenhang mit den Figuren 3A bis 3C näher erläutert.

Auf der Anschlussseite 16 befinden sich insgesamt zwei flächige Aufträge in Muster form aus unterschiedlichem Material. Diese werden weiter unten im Zusammenhang mit den Figuren 4A und 4B näher erläutert.

Auf der Anschlussseite 16 befindet sich ein Steckerelement 18, welches mit seinen insgesamt acht Kontaktfüßen 20 an acht Kontaktflächen 22 bis 36 (siehe Figur 4A) angelötet ist. Das Steckerelement 18 umfasst auf seiner von den Kontaktfüßen 20 abgewandten Seite acht Anschlusspins 38, von welchen jeder mit einem anderen Kontaktfuß elektrisch leitend verbunden ist und welche durch Aufstecken eines in den Figuren nicht dargestellten korrespondierenden Buchsenelements mit einer Signalauswertevorrichtung oder/und Signaleinspeisevorrichtung 39 zur Signalüber tragung elektrisch leitend verbunden werden kann.

Auf der Anschlussseite ist an zwei weiteren Kontaktflächen 40 und 42 ein Tempera tursensor 44 angelötet, durch welchen vom Temperatursensor 44 generierte Signale, die eine Temperaturinformation über den Sensor 10 im Bereich der Trägerplatte 12 transportieren, zu den Kontaktflächen 34 bzw. 26 und damit zu zugeordneten An schlusspins des Steckerelements 18 übertragen werden. In Figur 2A ist die Anschlussseite 16 des Sensors 10 in der Draufsicht gezeigt. Der besseren Übersichtlichkeit wegen sind nicht alle acht Anschlusspins des Steckerele ments 18 mit Bezugszeichen versehen.

In Figur 2B ist eine Draufsicht auf die Medienseite 14 des Sensors 10 und der Trä gerplatte 12 gezeigt. In dieser Anmeldung werden die Seitenangaben: Medienseite und Anschlussseite, sowohl für den Sensor insgesamt als auch für die Trägerplatte verwendet, da die flächige Trägerplatte bestimmend für die genannten Seiten ist und die Anschlussseite von der Medienseite trennt.

Zu erkennen sind in Figur 2B die Sensorflächen 46 bis 56, von welchen jede durch eine Aussparung 58 bis 68 in einer glasartigen Medien-Deckschicht 70 hindurch zu gänglich ist.

Die Trägerplatte 12 hat eine hexagonale Grundfläche, was jedoch lediglich beispiel haft ist. Die Grundfläche der Trägerplatte 12 kann eine beliebige Gestalt aufweisen, wie etwa kreisrund, elliptisch, quadratisch, oktogonal und dergleichen. Die Träger platte 12 ist bevorzugt eben.

Da der Rand 70a der Medien-Deckschicht 70 vom Seitenrand 12a der Trägerplatte 12 mit, vorzugsweise konstantem, Abstand in Richtung zur Mitte der Trägerplatte 12 hin verläuft, hat auch die Medien-Deckschicht 70 eine hexagonale Grundform.

Im dargestellten Beispiel sind die Flächen der Aussparungen 58 bis 68 jeweils größer als die Flächen der durch die Aussparungen 58 bis 68 hindurch jeweils für das Me dium als Messobjekt zugänglichen Sensorflächen 46 bis 56. Dies muss nicht so sein. Es können auch die Sensorflächen 46 bis 56 mit größerer Fläche als die ihnen je weils zugeordnete Aussparung ausgebildet sein, sodass eine einer Sensorfläche zu geordnete Aussparung mit ihrer Aussparungsfläche die Größe der Sensorfläche be stimmt. In Figur 3A ist die Medienseite 14 der Trägerplatte 12 dargestellt. Zu erkennen sind sechs Durchgangsöffnungen 72 bis 82, welche als die Trägerplatte 12 in einer zur Zeichenebene der Fig. 3A orthogonalen Dickenrichtung vollständig durchsetzende Kanäle ausgebildet sind und somit eine körperliche Verbindung von Medienseite 14 und Anschlussseite 16 ermöglichen.

Im Bereich der Durchgangsöffnungen 72 bis 82 sind auf der Medienseite 14 im Sieb druckverfahren elektrische Leiterbahnen 84 bis 94 aufgedruckt, und zwar im darge stellten Ausführungsbeispiel im Bereich jeder der Durchgangsöffnungen 72 bis 82 je eine elektrische Leiterbahn 84 bis 94. Mit dem Aufdruck der Leiterbahnen 84 wurde auch Leiterbahn-Material in die Durchgangsöffnungen 72 bis 82 eingebracht, um eine die Durchgangsöffnungen 72 bis 82 durchsetzende elektrische Leitung zu bil den. Die elektrischen Leiterbahnen 84 bis 94 werden als Paste aufgedruckt, welche eine Silber-Palladium-Legierung enthält. Die elektrischen Leiterbahnen 84 bis 94 werden durch Brennen auf der Trägerplatte 12 fixiert. Hierzu wird die bedruckte Trä gerplatte auf Temperaturen von über 800 °C erwärmt. Im fertig gebrannten Zustand sind die elektrischen Leiterbahnen 84 bis 94 lötbar. Wenngleich nicht aus geschlossen sein soll, dass nur ein Brennvorgang alle auf die Trägerplatte aufgetra genen schmelzbehandelbaren Materialaufträge gleichzeitig thermisch fixiert, so ist zur Erzielung eines möglichst exakten jeweiligen Materialauftragsbildes auf der Trä gerplatte 12 bevorzugt, wenn die Trägerplatte mehrfach gebrannt wird. Bevorzugt wird die Trägerplatte 12 materialweise gebrannt, so dass nach jedem Auftrag, insbe sondere Aufdruck, eines Materials und vor einem Auftrag, insbesondere Aufdruck, eines anderen Materials auf dieselbe Seite der Trägerplatte das bereits musterartig aufgetragene Material durch Brennen fixiert wird. Ebenso wird nach dem letzten Materialauftrag, das ist in der Regel eine Deckschicht, das aufgetragene Material durch Brennen fixiert.

Die Leiterbahnen 84 bis 94 weisen jeweils einen Überlappungsabschnitt auf, der durch das gleiche Bezugszeichen wie die Leiterbahn, jedoch unter Hinzufügung des Kleinbuchstabens "a" gekennzeichnet ist. Die Überlappungsabschnitte 84a bis 94a, von welchen einige oder alle mit größerer Fläche als die sie mit der zugeordneten Durchgangsöffnung verbindende restliche Leiterbahn ausgebildet sein können, wer den, bevorzugt nach einem Brennvorgang, mit Material zur Herstellung der Sensor flächen 46 bis 56 überdruckt, sodass die Überlappungsabschnitte 84a bis 94a am Ende des Herstellungsprozesses zwischen dem Material der Sensorflächen 46 bis 56 und der Trägerplatte 12 gelegen ist.

Bevorzugt nach den Leiterbahnen 84 bis 94 werden auf die Medienseite 14 der Trä gerplatte 12, ebenfalls im Siebdruckverfahren, und auf die Überlappungsabschnitte 84a bis 94a die Sensorflächen 46 bis 56 aufgedruckt. Diese sind in Figur 3B gezeigt. Auch die Sensorflächen 46 bis 56 weisen jeweils einen mit dem gleichen Bezugs zeichen wie die übrige Sensorfläche, jedoch unter Hinzufügung des Kleinbuch stabens "a" bezeichneten Überlappungsabschnitt auf, welcher in der oben genannten Art und Weise einen zugeordneten der Überlappungsabschnitte 84a bis 94a der Lei terbahnen 84 bis 94 zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Verbindung mit die sen überlappt. Würde man Figur 3B auf transparenter Unterlage ausdrucken und über Figur 3A legen, würde man die durchgehende elektrische Leitung von den Durchgangsöffnungen 72 bis 82 bis zu den Sensorflächen 46 bis 56 erkennen. Die zur Herstellung der Sensorflächen 46 bis 56 verwendete siebdruckfähige Paste ent hält Platin, insbesondere eine Platin-Silber-Legierung. Auch diese Pasten werden gebrannt, und zwar bevorzugt noch vor einem Auftrag der Medien-Deckschicht in einem gesonderten Brennvorgang.

Auf die mit den medienseitigen elektrischen Leiterbahnen 84 bis 94 und den Sensor flächen 46 bis 56 bedruckte Medienseite wird anschließend die in Figur 3C gezeigte Medien-Deckschicht aufgebracht. Das Rohmaterial der Medien-Deckschicht wird ebenfalls im Siebdruckverfahren aufgetragen. Nach dem Brennen der, vorzugsweise aufgedruckten, Medien-Deckschicht bildet die Medien-Deckschicht eine glasartige Lage, wie etwa eine Glasur-Schicht oder Glas-Schicht. Bereits beim Auftrag werden die Aussparungen 58 bis 68 erzeugt, in deren Flächenerstreckung kein Material der Medien-Deckschicht vorliegt, sodass die Aussparungen 58 bis 68 die Medien-Deck schicht vollständig in Dickenrichtung durchsetzen und sodass durch die Ausspa- rungen 58 bis 68 hindurch die Sensorflächen 46 bis 56 zugänglich und insbesondere von dem Medium als Messobjekt benetzbar sind.

Die Medien-Deckschicht überdeckt zur Abdichtung der Durchgangsöffnungen 72 bis 82 gegen einen Durchtritt einer niedrigviskosen großen Komponente des Mediums als Messobjekt von der Medienseite 14 zur Anschlussseite 16 jede der Durchgangs öffnungen 72 bis 82 und Abschnitte der von ihnen ausgehenden medienseitige elek trischen Leiterbahnen 84 bis 94. Beispielsweise ist im dargestellten Ausführungsbei spiel jede Durchgangsöffnung durch Leiterbahnmaterial umgeben. Wenigstens die sen umgebenden Leiterbahnabschnitt überdeckt die Medien-Deckschicht 70.

Die Medien-Deckschicht 70 reicht mit ihrem Rand 70a nicht bis zum Rand 12a der Trägerplatte 12, sondern endet mit geringem Abstand von diesem, um ein Umsprit- zen der Trägerplatte 12 mit Kunststoff im Spritzgussverfahren zu erleichtern.

In Figur 4A ist die Anschlussseite der Trägerplatte 12 gezeigt, wie sie nach einem Siebdruck-Aufdruck von Kontaktflächen 22 bis 36, 40 und 42 sowie von einstückig mit den Kontaktflächen 22 bis 36, 40 und 42 ausgebildeten anschlussseitigen elektri schen Leiterbahnen 96 bis 108, welche Kontaktflächen mit Durchgangsöffnungen 72 bis 82 und untereinander verbinden, aussieht. Die anschlussseitigen elektrischen Leiterbahnen 96 bis 104 verbinden je eine Durchgangsöffnung mit wenigstens einer Kontaktfläche, wobei die verzweigte anschlussseitige Leiterbahn 98 auch eine elek trisch leitende Verbindung zwischen den Durchgangsöffnungen 74 und 80 schafft. Die anschlussseitigen elektrischen Leiterbahnen 106 und 108 verbinden die An schluss-Kontaktflächen 40 und 42 des Temperatursensors 44 mit zugeordneten An schluss-Kontaktflächen 34 und 26 zum oben bereits beschriebenen Anschluss des Steckerelements 18 daran.

Zur Ausbildung der Kontaktflächen 22 bis 36, 40 und 42 sowie der anschlussseitigen Leiterbahnen 96 bis 108 wird dasselbe Material verwendet wie zur Herstellung der medienseitigen elektrischen Leiterbahnen 84 bis 94. Mit dem Auftrag von leitfähiger Paste auf die Anschlussseite 16 wird auch von der Anschlussseite 16 aus Leiter- bahn-Material in die Durchgangsöffnungen 72 bis 82 verbracht, sodass eine von der Medienseite 14 zur Anschlussseite 16 reichende elektrisch leitfähige Verbindung in Dickenrichtung durch die Trägerplatte 12 hindurch gesichert ist. Da jedoch beim Brennen des Leiterbahn-Materials dessen Volumen abnehmen kann, ist die Dichtig keit der Durchgangsöffnungen 72 bis 82 nach dem Brennen nicht grundsätzlich ge sichert. Die Dichtigkeit wird durch die Medien-Deckschicht 70 hergestellt. Zur Ver besserung der Dichtigkeit der Durchgangsöffnungen 72 bis 82 gegen Flüssigkeits durchtritt durch diese kann auch auf der Anschlussseite 16 eine Anschluss-Deck schicht 130 aufgetragen sein. Sie ist vorzugsweise aus demselben Material gebildet und im selben Verfahren aufgetragen und verarbeitet wie die Medien-Deckschicht 70, sodass für die Anschluss-Deckschicht 130 das oben zu Medien-Deckschicht 70 Gesagte gilt. Die Anschluss-Deckschicht 130 kann in einem gemeinsamen Brenn vorgang mit der Medien-Deckschicht 70 gebrannt werden.

Ebenso können die medienseitigen und die anschlussseitigen Leiterbahnen in einem gemeinsamen Brennvorgang gebrannt werden.

Durch Aussparungen 1 10 bis 128, welche wiederum die Anschluss-Deckschicht 130 in Dickenrichtung vollständig durchsetzen, sind die Kontaktflächen 22 bis 36, 40 und 42 für eine Kontaktierung durch elektrische Leiter, Sensorbauteile, wie der Tempera tursensor 44, oder Verbindungsbauteile, wie das Steckerelement 18, zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Verbindung mit den Kontaktflächen zugänglich.

Die Anschluss-Deckschicht 130 überdeckt alle Durchgangsöffnungen 72 bis 82 und einen die Durchgangsöffnungen 72 bis 82 umgebenden Leiterbahn-Bereich, sodass ein Flüssigkeitsaustausch zwischen der Medienseite 14 und der Anschlussseite 16 innerhalb der üblichen Betriebsphasen des dargestellten Impedanzspektroskopie- Sensors 10 faktisch unmöglich sind.

Auch der Rand 130a der Anschluss-Deckschicht 130 verläuft mit geringem Abstand vom Rand 12a der T rägerplatte 12, sodass um die T rägerplatte 12 umspritzter Kunst stoff die Trägerplatte 12 von drei Seiten umgreifen kann und an diesen drei Seiten mit der lediglich gesinterten Oberfläche der Trägerplatte 12 eine hochfeste mechani sche Verbindung eingehen kann.