WO1998032008A1

WO1998032008A1 - Elektrochemische durchflusszelle

Info

Publication number: WO1998032008A1
Application number: PCT/EP1998/000167
Authority: WO
Inventors: Ursula Bilitewski; Matthias Stiene; Ingrid Rohm
Original assignee: GESELLSCHAFT FüR BIOTECHNOLOGISCHE FORSCHUNG MBH (GBF)
Priority date: 1997-01-20
Filing date: 1998-01-13
Publication date: 1998-07-23
Also published as: EP0953151A1; CZ257199A3

Abstract

Die Erfindung betrifft elektrochemische Durchflußzellen mit Dickschichtsensoren. Die erfindungsgemäße elektrochemische Durchflußzelle weist zwei voneinander beabstandet angeordnete Elektroden und einen dazwischen angeordneten Fließweg auf, der mit einem Einlaß bzw. einem Auslaß verbunden ist, wobei der Abstandshalter zwischen den Elektroden durch eine in Dickschichttechnik hergestellte Isolatorschicht gebildet wird und eine flächige Aussparung der Isolatorschicht sowie ihre Dicke das Innenvolumen des Fließwegs bestimmt. Die Elektroden sind auf Substraten ausgebildet und ebenfalls in Dickschichttechnik hergestellt. Die Zelle wird durch Verklebung zweier Zellhälften hergestellt, wobei vorzugsweise die Isolierschicht aus einem nichtleitfähigen SMD-Kleber bestehen kann, der gleichzeitig für die Verklebung sorgt.

Description

Elektrochemische Durchflußzelle

Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Durchflußzelle zur elektrischen Strom-/Spannungsmessung an Flüssigkeiten.

Dickschichtsensoren im klassischen Sinne sind planare Detektoren, wie sie z.B. für thermische, piezoelektrische, potentio- metrische und ampero etrische Messungen eingesetzt werden. Um diese Meßfühler in automatische Fließsysteme zu integrieren, wie sie für elektrochemische Messungen verwendet werden, müssen sie in extra zu fertigenden Durchflußzellen eingebaut werden. Derartige Durchflußzellen sind beispielsweise aus A. Günter, U. Bilitewski: Analytica Chemica Acta 300 (1975), Seite 120 bekannt, in der in einem Plexiglasblock eine Aussparung (Durchflußvolumen) vorgesehen ist, die mit einem Einlaß- und Auslaßkanal verbunden ist. In der dort dargestellten Durchflußzelle ist das Zellvolumen im Querschnitt rechteckig. An der Hy- pothenuse des dargestellten Querschnittsrechtecks ist eine auf einem Substrat aufgebrachte Dickfilmelektrode befestigt. Eine derartige Konstruktion weist ein großes Totvolumen auf und bedingt eine aufwendige Herstellungstechnik. Es handelt sich hier um eine Einzelanfertigung im Labormaßstab und daher ist eine derartige, quasi in Handarbeit hergestellte Durchflußzelle zu teuer und für eine Massenproduktion ungeeignet. Ferner ist eine Durchflußzelle von Hewlett Packard bekannt, die ebenfalls aus einer Vielzahl einzelner Komponenten zusammengesetzt ist. In einem Gehäuse werden zwei hochplanare Teile, in die Elektroden integriert sind, durch eine dünne nichtleitende Folie getrennt. In der Folie ist ein Fließweg für den Transport der flüssigen Probe durch die Zelle ausgespart, so daß das Innenvolumen der Durchflußzelle durch die Dicke der Folie und die Fläche der Aussparung in dieser Folie bestimmt wird. Die Gesamthöhe dieser Zelle beträgt ca. 9 cm. Zwar besitzt eine derartig bekannte Zelle ein deutlich geringeres Totvolumen als die obige Zelle, allerdings ist die Fertigung aufgrund der notwendigen Präzision der Komponenten und des Gehäuses sowie der hochplana- ren Teile sehr aufwendig, so daß durch die geforderte Qualität bei der Fertigung der Einzelteile derartige Zellen üblicherweise im Kostenbereich einiger tausend DM liegen. Daher sind derartige Zellen wegen der Fertigung einerseits und des Preises andererseits für eine Massenherstellung bzw. Massenverwendung ungeeignet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine einfach und kostengünstig herstellbare Durchflußzelle mit geringem Totvolumen im Bereich von wenigen μ-Liter und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Vorrichtungsanspruchs 1 und des Verfahrensanspruchs 8 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Durchflußzelle mit zwei voneinander beabstandet angeordneten Elektroden und einem dazwischen angeordneten Fließweg, der mit einem Einlaß und einem Auslaß verbunden ist, wobei der Abstandshalter zwischen den Elektroden durch eine in Dickschichttechnik hergestellte Isolatorschicht gebildet wird und eine flächenhafte Aussparung der Isolatorschicht das Innenvolumen des Fließwegs bestimmt . Vorzugsweise werden die Elektroden der erfindungsgemäßen elektrochemischen Durchflußzelle durch planare Dickschichtelektroden gebildet, wobei die erfindungsgemäße Zelle ein oberes und ein unteres Substrat aufweist, die als Basis für die entsprechenden Elektroden dient. Zwischen den Elektroden und den entsprechenden Substraten können Leiterbahnen und Lötfahnen angeordnet sein, die ebenfalls in Dickschichttechnik, d.h. Siebdruck, ausgeführt sein können. Die erfindungsgemäße elektrochemische Durchflußzelle kann ferner Heiz- und/oder Temperaturelemente aufweisen, die ebenfalls in Dickschichttechnik hergestellt werden können. Statt einzelner Elektroden können auch mehrere Elektroden oder ein Elektrodenarray verwendet werden, wobei die gedruckte leitfähige Fläche beispielsweise mit einem Lasertrim- mer strukturiert werden kann, um einen Elektrodenarray zu erhalten.

Vorzugsweise kann eine elektrochemische Mehrkanaldurchflußzelle gemäß der vorliegenden Erfindung durch die Schichtung oder Stapelung von mindestens zwei elektrochemischen Durchflußzellen hergestellt werden.

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Durchflußzelle, wobei auf jeweils einem Substrat mindestens eine Elektrode oder ein Elektrodenarray in Dickschichttechnik aufgebracht wird, und durch die Verbindung der zwei mit Elektroden (Elektrodenarrays) versehenen planaren Dickschichtsubstrate mittels einer in Dickschichttechnik hergestellten Isolatorschicht, die eine mit Einlaß und Auslaß verbundene Aussparungsfläche aufweist, die Durchflußzelle gebildet wird. Das Innenvolumen der Durchflußzelle wird durch die Aussparungsfläche und die Schichtdicke der Isolatorschicht über der Elektrodenfläche bestimmt. Diese Volumendefinition geschieht vorteilhafterweise schon während des Siebdruckprozesses der Elektroden, bzw. durch die Wahl einer entsprechenden Schablone (Schablonen) für die Isolatorschicht (Isolatorschichten) . Ferner können mittels der Dickschichttechnik Heiz- und/oder Temperaturelemente aufgebracht werden. Für die E-lektrodenflache können alle für die Dickschichttechnik geeigneten leitfähigen Pasten (z.B. Platin-, Ag/AgPd-, Gold- oder Graphitpasten) verwendet werden, wobei die Dickschichten wie Elektroden, Isolatorschicht etc., vorzugsweise mittels Siebdruck hergestellt werden.

Um eine erfindungsgemäße Durchflußzelle herzustellen, werden auf das obere und untere Substrat in Siebdrucktechnik die Elektrodenflächen sowie zuvor die entsprechenden Zuleitungen aufgebracht. Anschließend wird mittels Siebdruck auf der Elektrodenseite von mindestens einem mit einer Elektrode versehenen Substrat der Abstandshalter aufgebracht. Es ergeben sich in dem einen Fall zwei Zellhälften, und zwar ein mit einer Elektrode versehenes Substrat und ein weiteres mit einer Elektrode und der Isolatorschicht versehenes Substrat. In dem anderen Fall, in dem auf beide Elektroden ein Abstandshalter per Siebdruck aufgebracht wurde, umfaßt jede Zellhälfte ein mit einer Elektrode und einem Abstandshalter versehenes Substrat. Die beiden Zellhälften werden anschließend mit einem Kleber, beispielsweise einem Sekundenkleber, einmal auf der Oberfläche der Elektrode und der des Abstandhalters, bzw. auf den Oberflächen der beiden Abstandshalter, beschichtet und miteinander zur Klebung verpreßt, um die komplette Zelle zu erhalten.

In dem oben beschriebenen Verfahren des Verklebens der beiden Zellhälften ist allerdings eine manuelle Tätigkeit erforderlich, die einerseits ungenau und andererseits für eine Serienproduktion zu teuer ist. Ferner muß der Sekundenkleber die notwendige Viskosität aufweisen, d.h. der Kleber darf nicht zu flüssig sein, damit er nicht in den Fließweg läuft, und er darf nicht zu zäh sein, damit die Klebeschicht nicht zu dick wird, wodurch die geplante Geometrie der Zelle und damit das Volumen des Fließwegs geändert wird. Als Alternative zu dem obigen Klebeprozeß können die nach den oben genannten zwei Fällen hergestellten Zellhälften durch siebdruckfähige SMD-Kleber verklebt werden. Diese leitfähigen und nichtleitfähigen Kleber, die normalerweise zur Integration aktiver SMD-Elemente in gedruckte, passive Schaltungen verwendet werden, können im Siebdruckverfahren auf die entsprechenden Klebeoberflächen der Zellhälften aufgebracht werden (d.h. einer Elektrodenoberfläche und der Isolatorschichtoberfläche oder der eiden Isolatorschichtoberflächen) , wodurch die gleichförmige Dicke und die Definition der Klebeschicht, d.h. die gleichförmige Beschichtung der Klebefläche mit der Klebeschicht, gewährleistet ist. Ferner kann bei der Verwendung eines nichtleitfähigen, d.h. isolierenden SMD-Kleber die Isolatorschicht durch den isolierenden SMD-Kleber gebildet werden, wodurch eine Zelle erhalten wird, die vollständig in Siebdrucktechnik hergestellt ist. Damit ist eine automatische Produktion der Siebdruckzellen möglich.

Zusammenfassend weist die Erfindung gegenüber bekannten Durchflußzellen die folgenden Vorteile auf:

Eine erfindungsgemäße Durchflußzelle läßt sich einfach und kostengünstig basierend auf der Dickschichttechnik erzeugen.

Wird ein siebdruckfähiger Kleber zum Verkleben der Zellhälften verwendet, so wird die Zelle vollständig in Siebdrucktechnik hergestellt und eine vollautomatische maschinelle Produktion ist möglich.

Die Verwendung eines speziellen Gehäuses, das die Elektroden aufnimmt und als eigentliche Durchflußzelle dient, wie beispielsweise bei der bekannten HP-Durchflußzelle, ist nicht nötig, da durch die Verbindung zweier, mit Elektroden versehener planarer Dickschichtsubstrate eine Durchflußkammer gebildet wird.

Die Flüssigkeit kann nicht, wie im Fall der konventionellen Durchflußzelle, zwischen Isolierschicht (Folie) und Elektrode gelangen. Somit bleibt die aktive, flüssigkeitsbenetzte Elektro- denfläche, die durch die Isolatorschicht definiert wird, konstant.

Da die Isolatorschicht eine solide Struktur besitzt und fest auf der Elektrodenschicht haftet, kann sie beim Zusammenbau im Gegensatz zu der Folie der konventionellen Durchflußzelle nicht beschädigt werden.

Mit der erfindungsgemäßen Technik werden kleinere Bauformen der Durchflußzelle bei gleicher Elektrodengröße erzielt, so daß eine hohe Integration der Meßapparatur erzielt wird.

Ferner ist die Herstellung von Mehrkanaldurchflußzellen auf geringem Raum möglich.

Es ist eine einfache Integrierung von Heiz- und/oder Temperaturelementen möglich.

Ferner wird es dadurch möglich, auf kleinstem Raum dreidimensionale Schichtstrukturen in Dickschichttechnik mit einer Vielzahl von kommerziell erhältlichen Dickschichtpasten für die Multilayerkonstruktion zu erzeugen.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figur erklärt, wobei

Fig. 1 eine schematische Explosionsdarstellung einer erfindungsgemäßen Durchflußzelle zeigt.

Die Durchflußzelle umfaßt ein oberes Substrat 1, auf dessen unterer Oberfläche Leiterbahnen und Lötfahnen 2 aufgebracht sind. Daran anschließend ist mittels Dickschichttechnik eine obere flächige Elektrode 3, beispielsweise aus Platin, Gold oder Graphit oder einem anderen leitfähigen Material, aufgebracht. Die obere Elektrode 3 ist von einer unteren Elektrode 5, die ebenfalls in Dickschichttechnik hergestellt wird, durch eine gedruckte Isolierschicht 4 beabstandet, deren flächige Aussparung 4a den Fließweg bildet. Die untere Elektrode 5 ist auf ein unteres Substrat 7 aufgedruckt, wobei sich zwischen der unteren Elektrode 5 und dem unteren Substrat 7 ebenfalls Leiterbahnen und Lötfahnen 6 befinden. Ferner weist die obere 3 und untere Elektrode 5 sowie das obere 1 bzw. das untere Substrat 7 ent- sprechende Aussparungen bzw. Löcher 8, 9, 10, 11 auf, die den Zufluß/Abfluß für den Fließweg 4a bilden. Nicht dargestellt, aber mit derselben Dickschichttechnik sind Temperaturfühler und/oder Heizelemente aufbringbar. Die Abmessungen der erfindungsgemäßen Durchflußzelle richten sich im wesentlichen nach den gestellten Anforderungen der speziellen Verwendung. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Zelle ca. 10 mm breit, 25 mm tief und 3 mm dick.

Die erfindungsgemäße Durchflußzelle wird hergestellt, indem auf die mit Leiterbahnen und Lötfahnen 2 , 6 versehenen unteren und oberen Substrate 1, 7 in Siebdrucktechnik Elektroden 3, 5 aufgedruckt werden. Es werden dann auf einem der mit einer Elektrode versehenen Substrate 3 , 5 eine Isolatorschicht 4 mittels Siebdruck aufgebracht. Anschließend werden die beiden Zellhälften verklebt. Zur Verklebung kann ein Sekundenkleber verwendet werden. Es ist jedoch auch möglich entweder auf der freien Elektrodenfläche oder der Isolatorschichtoberfläche oder auf beiden Oberflächen einen siebdruckfähigen SMD-Kleber aufzubringen und anschließend die Zellhälften zu verkleben. Ferner ist es möglich, daß die Isolatorschicht 4 aus einem nichtleitfähigen SMD- Kleber mittels Siebdruck gedruckt wird und anschließend die Zellhälften direkt mittels der Isolatorschicht 4 verklebt werden.

Als SMD-Kleber können beispielsweise die SMD-Kleber PD 860002, PD 860002 S, PD 860002SA, PD 860002 SP und PD 860002 M sowie die SMD-Kleber PD945 und PD 944 der Fa. Heraeus verwendet werden, wobei hauptsächlich der SMD-Kleber PD 860002 zum Einsatz gelangte.

Ferner ist ohne Darstellung ersichtlich, daß beispielsweise eine Stapelung oder Schichtung mehrerer Durchflußzellen gemäß der Fig. 1 eine Mehrkanaldurchflußzelle auf geringem Raum ermöglicht. Die Kombination von Multilayer-Schichten erlaubt die Konstruktion und die kostengünstige Fertigung höherer Stückzahlen von Durchflußzellen mit wenigen Mikrolitern Innenvolumen, wobei das Innenvolumen der Durchflußzelle, wie aus der Fig. 1 zu entnehmen ist, durch die Größe der Aussparung 4a in der Isolatorschicht 4 bzw. durch die Dicke der Isolatorschicht 4 bestimmt werden kann, so daß sich das Fließvolumen durch die Wahl der Parameter während des Druckvorgangs bestimmen läßt.

Bezugs zeichenliste

Substrat

Leiterbahnen und Lötfahnen

Elektrode

Isolatorschicht

Fließweg (flächige Aussparung)

Elektrode

Leiterbahnen und Lötfahnen

Substrat

Zufluß/Abfluß

Claims

Patentansprüche

1. Elektrochemische Durchflußzelle mit zwei voneinander beabstandet angeordneten Elektroden (3, 5) und einem dazwischen angeordneten Fließweg (4a) , der mit einem Einlaß bzw. einem Auslaß (8, 9, 10, 11) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (4) zwischen den Elektroden (3, 5) durch eine in Dickschichttechnik erstellte Isolatorschicht (4) gebildet wird, wobei eine flächige Aussparung (4a) der Isolatorschicht (4) das Innenvolumen des Fließwegs bestimmt.

2. Elektrochemische Durchflußzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (3, 5) durch planare Dickschichten gebildet werden.

3. Elektrochemische Durchflußzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle ein oberes (1) und ein unteres (7) Substrat aufweist, auf die die Elektroden (3, 5) aufgebracht sind.

4. Elektrochemische Durchflußzelle nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle zwischen den entsprechenden Elektroden (2, 5) und den entsprechenden Substraten (1, 7) angeordnete Leiterbahnen und Lötfahnen (2, 6) aufweist .

5. Elektrochemische Durchflußzelle nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle Heiz- und/oder Temperaturelemente aufweist, die in Dickschichttechnik hergestellt sind.

6. Elektrochemische Durchflußzelle nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Elektroden (3, 5) durch^' einen Elektrodenarray ausgebildet sind.

7. Elektrochemische Mehrkanaldurchflußzelle, die durch die Schichtung von mindestens zwei elektrochemischen Durchflußzellen nach einem der Ansprüche 1 bis 6 hergestellt wird.

8. Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Durchflußzelle, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem oberen und unterem Substrat (1, 7) jeweils mindestens eine Elektrode (3, 5) in Dickschichttechnik aufgebracht werden, auf mindestens einer der Elektroden (3, 5) der zwei mit Elektroden versehenen planaren Dickschichtsubstrate (1, 7) eine Isolatorschicht (4) , die eine flächige Aussparung (4a) aufweist, in Dickschichttechnik aufgebracht wird, und die zwei Zellhälften (1, 3; 4, 5, 6) zur Bildung der Durchflußzelle miteinander verbunden werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Zellhälften mittels eines Klebers miteinander verklebt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kleber ein Sekundenkleber oder ein per Siebdruck auf mindestens eine der Klebflächen aufgebrachter siebdruckfähiger SMD-Kleber ist.

11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolatorschicht (4) aus einem nichtleitf higen, siebdruckfähigen SMD-Kleber besteht, der in Dickschichttechnik auf mindestens eine der Elektroden (3, 5) aufgebracht wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 - 11, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Innenvolumen der Durchflußzelle durch die flächige Aussparung (4a) sowie der Dicke der Isolatorschicht (4) während des Druckprozesses der Elektroden (3, 5) bestimmen läßt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 - 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Substrat (1, 7) und der Elektrode (3, 5) Leiterbahnen und Lötfahnen (2, 6) angeordnet sind.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 - 13, dadurch gekennzeichnet, daß mittels Dickschichttechnik Heiz- und/oder Temperaturelemente aufgebracht werden.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 - 14, dadurch gekennzeichnet, daß für die Elektroden (3, 5) leitfähige Dickschichtpasten, beispielsweise Platin-, Gold- oder Graphitpasten, je nach Anwendung verwendet werden.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 - 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Dickschichten (2, 3, 4, 5, 6) mittels Siebdruck hergestellt werden.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 - 16, dadurch gekennzeichnet, daß Elektroden (3, 5) in der Form von Elektrodenarrays ausgebildet sind.