Beschreibung

Baugruppe und elektrochemischer Sensor mit einer solchen Baugruppe, insbesondere Leitfähigkeitssensor

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Baugruppe sowie einen elektrochemischen Sensor mit einer solchen Baugruppe insbesondere einen Leitfähigkeitssensor.

[0002] Eine gattungsgemäße Baugruppe umfasst einen beispielsweise metallischen Funktionskörper, welcher zumindest Abschnittsweise von einem Kunststoffschutzkörper umgeben ist, insbesondere mit Kunststoff umspritzt ist. Metallteile und andere Komponenten aus anorganischen Materialien werden meist nach Vorbehandlung mit einem Primer durch spritzgusstechnische Verfahren mit Kunststoff ummantelt. Der Primer soll dabei für eine gute Haftung des Kunststoffes auf der Metalloberfläche sorgen und eine dichte Verbindung gewährleisten. Wenngleich diese Vorgehensweise grundsätzlich zielführend ist, so setzt sie doch dem Anwendungsbereich von Baugruppen, die einen metallischen Funktionskörper aufweisen, der von einem Kunststoffschutzkörper umgeben ist, enge Grenzen, denn durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Metall und Kunststoff ist eine Dichtheit an der Grenzfläche zwischen den beiden Materialien nur in einem begrenzten Temperaturbereich gegeben. Bei zu hohen Temperaturen kann nämlich ein Spalt zwischen dem metallischen Funktionskörper und den ihn umgebenden Kunststoffschutzkörper auftreten, in dem dann Flüssigkeiten und aggressive Medien eindringen können. Dies kann im Ergebnis zur Beschädigung bzw. Zerstörung der Baugruppe bzw. einer Vorrichtung führen, welche die Baugruppe enthält. Gleichermaßen sind derartige Spalte ideale Ansatzpunkte für Bakterienwachstum, weshalb die Baugruppen nach dem Stand der Technik nur eingeschränkt für hygienische Anwendungen geeignet sind.

[0003] Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Baugruppe, welche einen von einem Kunststoffschutzkörper umgebenen Funktionskörper mit einem beispielsweise metallischen oder anderen anorganischen Werkstoff aufweist, bereitzustellen, welche die

beschriebenen Nachteile des Standes der Technik überwindet.

[0004] Weiterhin ist es eine Aufgabe der Erfindung, Sensoren bereitzustellen, welche die beschriebenen Nachteile überwinden.

[0005] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Baugruppe gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 sowie den Sensor gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 14. Weiterhin offenbart die Erfindung zur Lösung der Aufgabe ein Verfahren zum Umspritzen von metallischen Funktionskörpern mit Kunststoff gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 15.

[0006] Die erfindungsgemäße Baugruppe, umfasst einen Funktionskörper, der einen ersten Werkstoff aufweist, wobei die Oberfläche des Funktionskörpers zumindest abschnittsweise mit einem Kunststoffschutzkörper bedeckt ist, wobei zumindest ein freier Abschnitt der Oberfläche des Funktionskörpers nicht mit einem Kunststoffschutzkörper bedeckt ist, und wobei der freie Abschnitt durch mindestens eine umlaufende, in sich geschlossene Grenzlinie, an welcher der Kunststoffschutzkörper an dem Funktionskörper anliegt, begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kunststoffschutzkörper, beabstandet zu der Grenzlinie ein elastischer Dichtring dichtend an der Oberfläche des Funktionskörpers anliegt, um den Funktionskörper gegen einen ggf. von der Grenzlinie her zwischen dem Kunststoffschutzkörper und dem Funktionskörper auftretenden Spalt abzudichten.

[0007] Der Funktionskörper kann beispielsweise mit dem Kunststoffschutzkörper umgeben sein, wobei in einer Ausgestaltung der Erfindung der freie Abschnitt aus dem Kunststoffschutzkörper herausragt, wobei der elastische Dichtring um dem Funktionskörper verläuft, um dem Funktionskörper gegen einen gegebenenfalls von der Grenzlinie her zwischen dem Kunststoffschutzkörper und dem Funktionskörper auftretenden Spalt abzudichten.

[0008] Der Funktionskörper kann in einer Ausgestaltung der Erfindung eine umlaufende Anschlagfläche aufweisen, um dem Dichtring gegen eine Verschiebung senkrecht zu einer durch den Dichtring definierten Ebene abzustützen. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Aufbringen

des Kunststoffs auf den metallischen Funktionskörper zu einer Verschiebung des Dichtrings führen könnte, beispielsweise durch den anstehenden Spritzdruck.

[0009] Der Funktionskörper kann in einer anderen Ausgestaltung der Erfindung einen im wesentlichen ebenen Oberflächenabschnitt aufweisen, welcher den freien Abschnitt der Oberfläche enthält, wobei der Dichtring dichtend auf dem im wesentlichen Ebenenoberflächenabschnitt aufliegt.

[0010] In einer Weiterbildung der Erfindung kann der Kunststoffschutzkörper neben gespritzten Kunststoff ein Formteil aufweisen, welches den Dichtring zumindest teilweise umgibt.

[0011] Das Formteil kann insbesondere dazu dienen, den elastischen Dichtring beim Aufbringen bzw. Spritzen des Kunststoffs zum Bilden des Kunststoffschutzkörpers von dem heißen Kunststoff abzuschirmen.

[0012] Das Formteil kann beispielsweise eine Hülse umfassen, welche den elastischen Dichtring ringförmig und ggf. auf einer Stirnseite des Dichtrings umgibt, wobei die Hülse so gestaltet sein kann, dass sie den Dichtring gegen den Funktionskörper umlaufend vorspannt.

[0013] Die Hülse kann beispielsweise einen Abschnitt aufweisen welcher auf der der Anschlagfläche abgewandeten Seite des Dichtrings an den Funktionskörper ringförmig anliegt.

[0014] Das Formteil kann in einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ringförmig ausgebildet sein und eine im wesentlichen koaxiale Nut zur Aufnahme des Dichtrings aufweisen, wobei sich die Nut von einer Stirnseite des Formteils in das Formteil erstreckt. Das Formteil kann in einer Weiterbildung dieser Ausgestaltung der Erfindung den Dichtring gegen den Ebenenoberflächenabschnitt des Funktionskörpers vorspannen.

[0015] In einer Weiterbildung der Erfindung kann das Formteil mit dem gespritzten Kunststoff innig verbunden sein. Beispielsweise kann das Formteil als Material den gleichen Kunststoff aufweist, mit dem die Oberfläche des Funktionskörpers bedeckt ist.

[0016] Unter einer innigen Verbindung ist eine solche Verbindung zu verstehen, bei denen die Materialien des Formteils und des umgebenden Kunststoffs

an ihrer gemeinsamen Grenzfläche fest aneinander haften. Dies kann beispielsweise durch Anschmelzen der Oberfläche des Hülsenmaterials beim Aufbringen des geschmolzenen Kunststoffs oder von dessen Komponenten oder durch eine chemische Reaktion zwischen dem Material des Formteils und dem Kunststoff erfolgen.

[0017] Der Funktionskörper kann insbesondere ein Metall oder ein

Halbleitermaterial aufweisen. Ein metallischer Funktionskörper kann beispielsweise als Elektrode eines Sensors, beispielsweise eines elektrochemischen Sensors, insbesondere eines Leitfähigkeitssensors, dienen. Als Elektrode kann der metallische Funktionskörper beispielsweise zumindest abschnittsweise eine zylindrische Form aufweisen.

[0018] Die zumindest abschnittsweise mit dem Kunststoffschutzkörper bedeckte Oberfläche des Funktionskörpers kann in einer Weiterbildung der Erfindung mit dem Kunststoff umspritzt sein, insbesondere mit einem Thermoplasten. Beispielsweise Polyethersulfon (PES), Polyetheretherketon (PEEK) oder andere Hochleistungskunststoffe sind geeignet.

[0019] Der erfindungsgemäße Sensor umfasst mindestens eine erfindungsgemäße Baugruppe, wobei der freie Abschnitt der Oberfläche des Funktionskörpers als ein mit einem Messmedium zu beaufschlagender Abschnitt des Sensors dient, beispielsweise als Elektrodenabschnitt eines Leitfähigkeitssensors oder als ionensensitiver Abschnitt eines ionensensitiven Feldeffekttransistors (ISFET). Weiterhin kann der Sensor beispielsweise ein Feuchtesensor oder ein Temperatursensor sein.

[0020] Ein erfindungsgemäßer Leitfähigkeitssensor kann mindestens zwei voneinander elektrisch isolierte Elektroden umfassen, die mit einem Messmedium beaufschlagbar sind. Beispielsweise kann eine erfindungsgemäße Baugruppe zur Realisierung der ersten Elektrode verwendet werden, und eine zweite Elektrode welche eine zumindest abschnittsweise zylindrische metallische Hülse umfasst, kann die Baugruppe koaxial umgeben, um den Leitfähigkeitssensor zu vervollständigen.

[0021] Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Baugruppe durch Umspritzen eines Funktionskörpers mit Kunststoff zum Ausbilden eines Kunststoffschutzkörpers umfasst die folgenden Schritte:

[0022] Positionieren eines elastischen Dichtrings an dem Funktionskörper; Anbringen eines Formteils zum Schützen des elastischen Dichtrings gegen Einwirken des eingespritzten Kunststoffs auf den Dichtring und ggf. zum Vorspannen des Dichtrings gegen den Funktionskörper; und zumindest abschnittsweise Umspritzen des Funktionskörpers mit Kunststoff, zum Bilden des Kunststoffschutzkörpers, wobei das Formteil mit dem gespritzten Kunststoff eine innige Verbindung eingehen kann.

[0023] Die Erfindung wird nun anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 : eine Ansicht von Komponenten eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Baugruppe; Fig. 2: einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Leitfähigkeitssensor, welcher eine erfindungsgemäße Baugruppe enthält; und

Fig. 3: Längsschnitte durch eine erfindungsgemäße Baugruppe eines pH-ISFET-Sensors in einer Folge von Fertigungsschritten A bis D Figur 1 zeigt einen zylindrischen Metallkörper 2, welcher aus Edelstahl gefertigt ist, und welcher bis auf einen axialen Endabschnitt, der an seiner unteren Stirnfläche 3 anschließt, mit einem Thermoplasten umspritzt werden soll, welcher insbesondere mit Polyethersulfon (PES) umfassen kann.

[0024] Auf diese Weise soll der metallische Zylinder mit einem elektrischen

Isolator umgeben werden. Hierfür ist PES besonders gut geeignet, da es eine gute Chemikalienbeständigkeit aufweist und daher den Einsatz der Baugruppe in elektrochemischen Sensoren ermöglicht. PES weist zudem eine große Formstabilität auf, weshalb kaum elastische Verformungen an Bauteilen aus PES zu erwarten sind. Damit einher geht jedoch ein Nachteil, dass nämlich etwaige Ringspalte zwischen dem zylindrischen Metallkörper (2) und einer (nicht dargestellten) Kunststoffummantelung

aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten nicht durch elastische Eigenschaften der Kunststoffummantelung ausgeglichen werden können. Erfindungsgemäß wird daher ein elastischer Dichtring (4) auf den zylindrischen Metallkörper (2) aufgeschoben, damit das elastische Material des Dichtrings (4), beispielsweise Elastomere, insbesondere Perfluorelastomere oder Fluorkautschuk , den zylindrischen Metallkörper (2) gegen den ihn umgebenden Kunststoffschutzkörper auch bei Ringspaltbildung abdichten kann.

[0025] Sofern bei der Umspritzung des Metallkörpers (2) mit Kunststoff große Kräfte aufgrund der Zähigkeit des Kunststoffs zu erwarten sind, ist es vorteilhaft, an dem zylindrischen Metallkörper (2) eine Anschlagfläche vorzusehen, an der sich der Dichtring (4) abstützen kann. Eine solche Anschlagfläche kann beispielsweise mittels einer metallischen Ringscheibe (6) realisiert sein, welche beispielsweise im Reibschluss bzw. durch Schweißen oder Löten an dem zylindrischen Metallkörper (2) fixiert ist. Vor dem Umspritzen wird der Dichtring (4) vollständig an die Ringscheibe (6) heran geschoben, um eine weitere Positionsveränderung während des Spritzens zu verhindern.

[0026] Sofern eine Beschädigung des elastischen Dichtrings (4) durch das

Spritzgut zu erwarten ist, kann der Dichtring (4) weiterhin mit einer Hülse (8) geschützt werden, wobei die Hülse über den Dichtring (4) und gegebenenfalls auch über die Ringscheibe (6) geschoben wird. Wie in Figur 1 nicht näher dargestellt, kann die Hülse eine radiale Stufe aufweisen, um zu gewährleisten, dass der Dichtring (4) mit einem definierten radialen Anpressdruck gegen den zylindrischen Metallkörper (2) gedrückt wird.

[0027] Figur 2 zeigt nun die Baugruppe aus Figur 1 im eingebauten zustand in einem elektrochemischen Sensor, nämlich einem Leitfähigkeitssensor. Die Baugruppe (1) mit dem zylindrischen Metallkörper (2) ist nunmehr von Kunststoff (10) umspritzt, wobei die Dichtungskomponente, bestehend aus dem Dichtring (4) der Ringscheibe (6) und der Hülse (8) im Abstand von etwa einem Radius des den Metallkörpers (2) umgebenden Kunststoffkörpers (10) von der Stirnfläche (11) des Kunststoffkörpers (10)

beabstandet ist. Wenn nun aufgrund von Temperaturschwankungen ein Ringspalt zwischen dem Kunststoffkörper (10) und dem zylindrischen Metallkörper (2) entsteht, welcher von der Stirnfläche (11) des Kunststoffkörpers (10) her Kontakt zu einem den elektrochemischen Sensor umgebenden Medium hat, dann wird der Ringspalt durch den elastischen Dichtring (4) unterbrochen, sodass ein weiteres Eindringen des Messmediums in die Baugruppe verhindert ist. Vorzugsweise weist die Hülse (8) den gleichen Werkstoff wie das Material des Kunststoffkörpers (10) auf, insbesondere bei PES wird beim Umspritzen des Metallkörpers die Oberfläche der Hülse (8) angeschmolzen, sodass die Hülse (8) innig mit dem Material des Kunststoffkörpers (10) verbunden ist. Dies ist in soweit vorteilhaft, weil damit um die Hülse herum kein paralleler Kontaminationspfad entstehen kann, welcher die elastische Dichtung (4) umgehen würde. Folgend werden noch kurz die Einzelheiten des erfindungsgemäßen Leitfähigkeitssensors erläutert. Der zylindrische Metallkörper (2) bildet die innere Elektrode eines Leitfähigkeitssensors mit zwei koaxialen Elektroden, wobei die Spannung bzw. der Strom der inneren Elektrode über eine Leitung (12) erfasst wird, welche mit der inneren Elektrode über eine zentrale Bohrung im galvanischen Kontakt steht. Als äußere Elektrode ist eine zylindrische Edelstahlhülse (14) vorgesehen, welche auf den ebenfalls Abschnittsweise zylindrischen Kunststoffkörper (10) aufgebracht ist. Die Hülse (14) weist in ihrem unteren Endabschnitt mindestens einen Durchbruch (16) auf, um die Bildung von Gasblasen nach dem Tauchglockenprinzip um die zentrale Elektrode (2) zu verhindern.

[0028] Das Potential bzw. der Stromfluss von der äußeren Elektrode (2) wird über eine Leitung (18) abgeführt, welche die Hülse an der Mantelfläche des Kunststoffkörpers (10) kontaktiert. Der Leitfähigkeitssensor umfasst weiterhin ein Gehäuse (10), in welchem eine elektronische Schaltung zum Betreiben des Leitfähigkeitssensors angeordnet ist, auf deren Einzelheiten es hier jedoch nicht ankommt.

[0029] Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel betrifft die Baugruppe 101 eines pH-ISFET-Sensors, genauer gesagt, die Fertigungsschritte zur

Montage des Sensorträgers 110 mit einem in einem Gehäusel 18, wobei der Sensorträger 110 in diesem Falle dem Funktionskörper entspricht, und das Gehäuse den Kunststoffschutzkörper aufweist. Der Sensorträger 110 umfasst einen Halbleitersensor mit einem ionensensitiven Gateabschnitt 112, welcher im Messbetrieb mit einem Messmedium zu beaufschlagen ist. Daher ist dieser Gateabschnitt beim Umspritzen des Sensorträgers 110 mit einem Kunststoff zur Fertigung des Gehäuses 118 von dem Kunststoff freizuhalten.

[0030] Zunächst wird im Fertigungsschritt A der Sensorträger 110 in einer

Spritzgussform 120 positioniert, wobei auf dem Sensorträger 110 um den Gateabschnitt 112 ein elastischer Dichtring 114 aufgelegt wird, auf weiterhin ein ringförmiges Kunststoff- Form teil 116 aufgesetzt wird, welches an seiner unteren Stirnseite eine koaxial verlaufende Ringnut aufweist, um den Dichtring aufzunehmen. In Schritt B wird die Spritzgussform 120 mittels eines Deckels 122 verschlossen, wobei der Deckel 122 einen Stempel 124 aufweist, welcher einerseits das Kunststoff-Formteil116 auf den Sensorträger 110 herunter drückt, so dass der Dichtring 114 in der Ringnut des Kunststoff-Formteils 116 vorgespannt ist, und welcher andererseits das Kunststoff-Formteil 116 auf der dem Sensorträger abgewandten Stirnseite dichtend abschließt, so dass der von dem Kunststoff-Formteil 116 umschlossene Gateabschnitt 112 vor dem in Fertigungsschritt C in die Spritzgussform 1120 eingespritzten Kunststoff (beispielsweise Polyethersulfon) geschützt ist.

[0031] Nachdem der eingespritzte Kunstsoff in der Form ausgehärtet ist, kann die Baugruppe 101 aus der Spritzgussform 120 entnommen werden.

[0032] Das Kunststoff-Formteil 116 kann beispielsweise den gleichen Kunststoff aufweisen, der in Schritt C in die Spritzgussform eingespritzt wird. Durch Anschmelzen der Oberfläche des Kunststoff-Formteils 116 ohne die strukturelle Stabilität des Kunststoff-Formteils zu gefährden, kann das Kunststoff-Formteil eine innige Verbindung mit dem eingespritzten Gehäusematerial eingehen, und mit diesem zusammen einen Kunststoffschutzkörper 118 bilden. Das Formteil kann insoweit in dem Kunststoffschutzkörper aufgegangen sein. Andererseits ist in

Schnittanalysen durchaus noch die Kontur der Grenze zwischen dem eingespritzten Kunststoff und dem Kunststoff-Formteil 116 erkennbar.