DE19929264A1

DE19929264A1 - Universal transducer

Info

Publication number: DE19929264A1
Application number: DE19929264A
Authority: DE
Inventors: Meinhard Knoll
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-06-25
Filing date: 1999-06-25
Publication date: 2001-01-11
Also published as: EP1196768A2; WO2001001120A3; WO2001001120A2; JP2003503702A

Abstract

The invention relates to a universal transducer and to chemosensors and biosensors based on miniaturized universal transducers of the aforementioned type which are used, for example, in analytical chemistry, medical diagnosis and the like for determining substance concentrations or ion activities in fluids. The inventive universal transducer comprises a substrate which is comprised of at least two flat substrate layers (1, 2), whereby each of the substrate layers (1, 2) has at least one opening (4, 5). These openings (4, 5) form a coherent cavity which extends from a first active surface of the substrate over the first and the second substrate layers (1, 2). An electrically conductive layer which is in contact with a filling material of the cavity is at least partially arranged on the surfaces of at least one of the two substrate layers (1, 2), said surfaces facing away from the first active surface (10).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Universaltransducer sowie Chemo- und Biosensoren auf der Basis derartiger miniaturisierter Universaltransducer. Derartige Sensoren werden beispielsweise in der chemischen Analytik oder in der medizinischen Diagnostik zur Bestimmung von Stoffkonzentrationen oder Ionenaktivitäten in Fluiden eingesetzt.The present invention relates to a Universal transducers as well as chemo and biosensors the basis of such miniaturized Universal transducer. Such sensors are for example in chemical analysis or in medical diagnostics for the determination of Concentrations of substances or ionic activities in fluids used.

Nach dem Stand der Technik werden Chemo- und Biosensorelemente auf der Basis von Trägern mit Metallkontakten und Membran- bzw. Gelmaterialien, die für den jeweiligen Analyten spezifisch sind, hergestellt. Dabei werden an ionenselektiven Elektroden nach dem potentiometrischen Meßprinzip Potentialdifferenzen gegen eine Referenzelektrode gemessen. Bei amperometrischen Sensoren werden nach Anlegen einer elektrischen Spannung Ströme zwischen Arbeits- und Referenzelektroden oder Gegenelektroden nach dem Zwei-Elektroden- oder Drei-Elektrodenprinzip bestimmt (siehe Friedrich Oehme, Chemische Sensoren, Vieweg Verlag 1991).According to the state of the art, chemical and Biosensor elements based on supports with Metal contacts and membrane or gel materials that are specific for the respective analyte, manufactured. Thereby, ion-selective Electrodes based on the potentiometric measuring principle Potential differences against a reference electrode measured. In the case of amperometric sensors, Apply an electrical voltage between currents Working and reference electrodes or counter electrodes according to the two-electrode or three-electrode principle determined (see Friedrich Oehme, chemical sensors, Vieweg Verlag 1991).

Die P 41 15 414 offenbart derartige Chemo- und Biosensoren, die extrem miniaturisiert sind. Dabei werden in Trägern aus Halbleitermaterialien wie Silicium Hohlräume integriert, die an ihrer inneren Oberfläche mit einem Metallfilm überzogen sind und die die jeweiligen stofferkennenden Membran- oder Gelmaterialien enthalten.P 41 15 414 discloses such chemo- and Biosensors that are extremely miniaturized. there are in carriers made of semiconductor materials such as Silicon cavities integrated on their inner Surface are covered with a metal film and which the respective substance-recognizing membrane or Contain gel materials.

Nachteilig an diesem Stand der Technik ist jedoch, daß die Träger für derartige Sensoren nur dann mit zwei verschiedenen Metallfilmen, beispielsweise für amperometrische Bestimmungen, versehen werden können, wenn diese Metallfilme auf der dreidimensionalen Oberfläche der Hohlräume in der Tiefe photolithographisch strukturiert werden. Auch wenn der elektrisch, leitende Film nicht in direktem Kontakt mit dem Meßmedium kommen darf, muß die innere Oberfläche des Hohlraums im Kontaktbereich mit dem Meßmedium photolithographisch strukturiert werden, um in diesem Kontaktbereich keinen Metallfilm aufzutragen. Derartige dreidimensional photolithographische Strukturierungsverfahren bedeuten jedoch einen erheblichen technologischen Aufwand und Kosten.However, a disadvantage of this prior art is that that the carrier for such sensors only with two different metal films, for example for amperometric determinations can be provided when these metal films on the three-dimensional Surface of the cavities in depth be structured photolithographically. Even if the electrical, conductive film is not in direct The internal medium must come into contact with the measuring medium Surface of the cavity in the contact area with the Measuring medium to be structured photolithographically in order no metal film in this contact area to apply. Such three-dimensional photolithographic structuring process however, mean a significant technological Effort and costs.

Ein weiterer Nachteil dieses Standes der Technik ist, daß mit den dort offenbarten Sensorelementen es bisher nicht möglich ist, amperometrische und potentiometrische Sensorelemente gemeinsam auf nur einem einzigen Träger zu betreiben. Denn bei diesem Stand der Technik sind sowohl die amperometrischen als auch die potentiometrischen Sensorelemente mit demselben Meßmedium in Kontakt, und die elektrischen Ströme der amperometrischen Sensoren fließen über die Grenzfläche zwischen Membran und Meßmedium. Dabei stören sie die Potentialmessungen der benachbarten potentiometrischen Sensoren.Another disadvantage of this prior art is that with the sensor elements disclosed there hitherto not possible, amperometric and potentiometric sensor elements together on only to operate a single carrier. Because with this State of the art are both amperometric as well as the potentiometric sensor elements same measuring medium in contact, and the electrical Currents from the amperometric sensors flow over the Interface between the membrane and the medium to be measured. there disturb the potential measurements of the neighboring ones potentiometric sensors.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Universaltransducer zur Verfügung zu stellen, der einfach herzustellen ist und eine dreidimen sionale Strukturierung des Transducers mit einfachen Mitteln erlaubt. Diese Universaltransducer sollen weiterhin geeignet sein, um amperometrische und potentiometrische Sensoren zur Bestimmung desselben Fluides gleichzeitig einzusetzen.The object of the present invention is therefore to provide a universal transducer, which is easy to manufacture and a three-dimensional sional structuring of the transducer with simple Funds allowed. These universal transducers are designed to continue to be suitable for amperometric and potentiometric sensors for determining the same Use fluids at the same time.

Diese Aufgabe wird durch den Universaltransducer nach Anspruch 1 sowie seine Verwendungen nach Anspruch 27 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsge mäßen Universaltransducers und der erfindungsgemäßen Verwendungen werden in den abhängigen Ansprüchen gegeben.This task is carried out by the universal transducer Claim 1 and its uses according to Claim 27 solved. Advantageous further development of the fiction and universal transducers according to the invention Uses are in the dependent claims given.

Erfindungsgemäß weist der Universaltransducer einen Träger auf, der aus mindestens zwei flächigen Träger lagen besteht. Durch diese Trägerlagen erstreckt sich mittels Durchbrüchen ein Hohlraum, der an einer Seite des Trägers mit dem Analyten kontaktiert werden kann. Die von dieser Kontaktoberfläche abgewandten Seiten der Trägerlagen werden mit elektrisch leitenden Schichten oder Filmen als Elektroden versehen. Der Hohlraum selbst ist mit einer Füllung gefüllt, die eine stofferkennende Membran und/oder Gel enthalten kann, beispielsweise eine ionselektive Membran. Erfindungsgemäß ist es folglich mit einem derartigen Aufbau möglich, nacheinander die einzelnen Trägerschichten und Elektroden aufzubauen, wodurch auf eine dreidimensionale photolithographische Strukturierung verzichtet werden kann. So kann beispielsweise ohne besondere photolithographische Strukturierung ein Transducer hergestellt werden, dessen Elektroden nicht in Kontakt mit dem Meßmedium treten. Weist der Transducer nur eine elektrisch leitende Schicht auf, so kann diese auf einer der von der ersten aktiven Oberfläche weiter entfernten Trägerlagen angeordnet sein, während die die erste aktive Oberfläche ausbildende Trägerlage keine elektrisch leitende Schicht aufweist. Dadurch kann auf einfache Weise ein Kontakt zwischen der elek trisch leitenden Schicht und dem Meßmedium vermieden werden. Insgesamt ist es möglich, die Elektroden im Gegensatz zum Stand der Technik dreidimensional in Richtung der Tiefe des Universaltransducers anzu ordnen. Weiterhin ist es auch möglich, mehrere derar tige Hohlräume als Universaltransducer auf demselben Träger vorzusehen, um beispielsweise mehrere ampero metrische oder mehrere potentiometrische Sensoren oder auch gleichzeitig auf demselben Träger amperome trische und potentiometrische Sensoren für dasselbe Meßmedium zu realisieren.According to the invention, the universal transducer has one Carrier on, which consists of at least two flat beams locations. It extends through these support layers by means of breakthroughs a cavity on one side of the carrier can be contacted with the analyte. The sides facing away from this contact surface the carrier layers are made with electrically conductive Provide layers or films as electrodes. The Cavity itself is filled with a filling that contain a substance-recognizing membrane and / or gel can, for example, an ion-selective membrane. According to the invention it is consequently with such Construction possible, one after the other Build up support layers and electrodes, thereby on a three-dimensional photolithographic Structuring can be dispensed with. So can for example without special photolithographic Structuring a transducer to be made whose electrodes are not in contact with the measuring medium to step. If the transducer has only one electrical conductive layer, so this can be on one of the the first active surface further away Carrier layers may be arranged during the first carrier layer forming active surface none has electrically conductive layer. This can in a simple way a contact between the elek trically conductive layer and the measuring medium avoided become. Overall, it is possible to use the electrodes in the Contrary to the state of the art in three dimensions Direction of the depth of the universal transducer organize. Furthermore, it is also possible to use several of these cavities as universal transducers on the same Provide carriers, for example, several ampero metric or several potentiometric sensors or amperome simultaneously on the same support trical and potentiometric sensors for the same Realize measuring medium.

Der Unterschied zwischen potentiometrischen und amperometrischen Sensorelementen liegt dabei allein in der ortsselektiven Aufbringung der Elektroden schichten, z. B. durch Aufsputtern mit Hilfe von Schattenmasken.The difference between potentiometric and amperometric sensor elements alone in the location-selective application of the electrodes layers, e.g. B. by sputtering with the help of Shadow masks.

Insbesondere erfolgt der Aufbau der amperometrischen und potentiometrischen Sensoren für die verschieden sten Analyten nach einem einheitlichen Prinzip, wobei sich dennoch sehr unterschiedliche Sensorelemente zugleich realisieren lassen. Die Trägerlagen für unterschiedliche Sensorelemente unterscheiden sich dabei gegebenenfalls lediglich durch die Form der Durchbrüche in den einzelnen Trägerlagen. Da die Elektrodenschichten und auch die Füllungen ortsselek tiv aufgebracht werden können, beispielsweise über die Aufnahme verschiedener stofferkennender Materi alien in den Hohlräumen im Bereich der jeweiligen Durchbrüche, ist ein vertikaler Aufbau der einzelnen Sensorsysteme möglich.In particular, the amperometric structure is built and potentiometric sensors for the different Most analytes according to a uniform principle, whereby very different sensor elements can be realized at the same time. The carrier layers for different sensor elements differ possibly only by the shape of the Breakthroughs in the individual support layers. Since the Electrode layers and also the fillings ortsselek tiv can be applied, for example the inclusion of various substance-recognizing materials alien in the cavities in the area of each Breakthroughs is a vertical structure of the individual Sensor systems possible.

Auf diese Weise lassen sich folglich auch Universal transducer herstellen, über deren weitere Ausbildung zu Multisensoren mit unterschiedlichen Sensorele menttypen auch erst später entschieden werden kann.In this way, you can also use Universal Manufacture transducer, about their further training to multisensors with different sensor elements can also be decided later.

Die Trägerlagen des erfindungsgemäßen Universaltrans ducers werden vorteilhafterweise aus Kunststoffen wie Polyvinylfluorid, Polyethylen, Polyoximethylen, Polycarbonat, Ethylen/Propylen-COP, Polyvinyliden chlorid, Polychlortrifluorehtylen, Polyvinylbuthyral, Celluloseacetat, Polypropylen, Polymethylmethacrylat, Polyamid, Tetrafluorethylen/Hexafluorpropylen-COP, Polytetrafluorethylen, Phenol-Formaldehyd, Epoxyd, Polyurethan, Polyester, Silicon, Melamin-Formaldehyd, Harnstoff-Formaldehyd, Anilin-Formaldehyd, Capton oder dergleichen oder auch aus Silicium, Keramik oder Glas hergestellt. Damit kann der erfindungsgemäße Universaltransducer auf der Basis unterschiedlicher Herstellungs-Technologien, wie Kunststoff-Spritzguß technologie, Kunststoff-Folientechnologie, Keramik- Technologie oder auch Silicium-Technologie, reali siert werden.The carrier layers of the universal trans according to the invention ducers are advantageously made of plastics such as Polyvinyl fluoride, polyethylene, polyoxymethylene, Polycarbonate, ethylene / propylene COP, polyvinylidene chloride, polychlorotrifluoroethylene, polyvinyl butyral, Cellulose acetate, polypropylene, polymethyl methacrylate, Polyamide, tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene COP, Polytetrafluoroethylene, phenol-formaldehyde, epoxy, Polyurethane, polyester, silicone, melamine-formaldehyde, Urea formaldehyde, aniline formaldehyde, Capton or the like or also of silicon, ceramic or Glass made. Thus, the invention Universal transducers based on different Manufacturing technologies, such as plastic injection molding technology, plastic film technology, ceramic Technology or silicon technology, reali be settled.

Die elektrisch leitfähigen Schichten können aus Metallen, insbesondere aus Edelmetallen wie Platin, Gold oder Silber oder auch aus Metallegierungen oder Siebdruckpasten, z. B. auf der Basis von Graphit oder metallischen Materialien, bestehen.The electrically conductive layers can be made of Metals, especially from precious metals such as platinum, Gold or silver or also from metal alloys or Screen printing pastes, e.g. B. on the basis of graphite or metallic materials.

Die Füllungen werden vorteilhafterweise aus Materi alien hergestellt, die herkömmlicherweise für ionen selektive Membranen bekannt sind, wie beispielsweise PVC, Silicon, Polyurethan oder dergleichen. Für Gelfüllungen werden beispielsweise Gelatine oder Polyvinylakohol oder dergleichen verwendet.The fillings are advantageously made of materi alien manufactured traditionally for ions selective membranes are known, such as PVC, silicone, polyurethane or the like. For Gel fillings are, for example, gelatin or Polyvinyl alcohol or the like is used.

Die Verkapselung kann vorteilhafterweise aus Materialien bestehen, die mit den Materialien der Membranen oder Gele kompatibel sind, beispielsweise Epoxidharzen.The encapsulation can advantageously consist of Materials exist that match the materials of the Membranes or gels are compatible, for example Epoxy resins.

Für die weitere Membran, die das Meßfenster eines Durchmessers im Bereich einer ersten aktiven Ober fläche bedeckt, beispielsweise eine gaspermeable Membran, werden vorzugsweise sehr dünne Materialien im Bereich von 1 µm bis wenigen Mikrometern verwen det, vorteilhafterweise die Materialien Polyvinyl fluorid, Polyethylen, Polyoximethylen, Polycarbonat, Ethylen/Propylen-COP, Polyvinylidenchlorid, Poly chlortrifluorehtylen, Polyvinylbuthyral, Cellulose acetat, Polypropylen, Polymethylmethacrylat, Polya mid, Tetrafluorethylen/Hexafluorpropylen-COP, Poly tetrafluorethylen, Phenol-Formaldehyd, Epoxyd, Poly urethan, Polyester, Silicon, Melamin-Formaldehyd, Harnstoff-Formaldehyd, Silicon, Anilin-Formaldehyd, Capton oder dergleichen. Diese weiteren Membranen werden vorteilhafterweise auf die erste aktive Oberfläche der ersten Trägerlage aufgeklebt oder aus der flüssigen Phase aufgegossen.For the further membrane, which is the measuring window of a Diameter in the area of a first active upper surface covered, for example a gas permeable Membrane, are preferably very thin materials in the range from 1 µm to a few micrometers det, advantageously the materials polyvinyl fluoride, polyethylene, polyoxymethylene, polycarbonate, Ethylene / propylene COP, polyvinylidene chloride, poly chlorotrifluoroethylene, polyvinyl butyral, cellulose acetate, polypropylene, polymethyl methacrylate, polya mid, tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene COP, poly tetrafluoroethylene, phenol-formaldehyde, epoxy, poly urethane, polyester, silicone, melamine formaldehyde, Urea formaldehyde, silicone, aniline formaldehyde, Capton or the like. These other membranes are advantageously active on the first Glued or made surface of the first carrier layer poured into the liquid phase.

Die Dicken der einzelnen Trägerlagen können zwischen wenigen µm bis hin zu wenigen mm, vorzugsweise im Bereich weniger 100 µm liegen. Die Öffnungen der Durchbrüche (Meßfenster) in der ersten Trägerlage im Bereich der ersten aktiven Oberfläche liegen eben falls vorteilhafterweise im Bereich weniger µm bis weniger mm, vorzugsweise einiger 10 bis 100 µm. Die Dicken der elektrisch leitfähigen Schichten, die als Elektoden auf die der ersten aktiven Oberfläche abgewandten Oberflächen der einzelnen Trägerlagen aufgebracht sind, liegen im Bereich einiger µm.The thicknesses of the individual carrier layers can be between a few µm to a few mm, preferably in Range less than 100 µm. The openings of the Breakthroughs (measurement window) in the first carrier layer in the The area of the first active surface is flat if advantageously in the range of a few microns to less mm, preferably some 10 to 100 microns. The Thickness of the electrically conductive layers, which as Electrodes on the first active surface facing surfaces of the individual carrier layers are in the range of a few microns.

Die in einer vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehenen Fließkanäle bildenden Kanalträger und Kanalab deckungen, die die Flüssigkeit mit dem Analyten zu den einzelnen Meßfenstern bringen, bestehen vorteil hafterweise aus demselben Materialien wie die einzel nen Trägerlagen. Der Kanalträger sowie die Kanalabdeckung weisen dabei Dicken von einigen µm bis einigen mm, vorzugsweise wenigen 100 µm auf.The provided in an advantageous embodiment Flow channels forming channel supports and channel sections covers the liquid with the analyte bring the individual measuring windows exist unfortunately from the same materials as the individual carrier layers. The channel carrier as well as the Channel cover have thicknesses from a few µm to a few mm, preferably a few 100 microns.

Je nach Materialauswahl erfolgt die Formgebung der Trägerlagen mit unterschiedlichen Verfahren. Bestehen die Trägerlagen beispielsweise aus Silizium, so kann die Herstellung der Durchbrüche mit dem Verfahren der Tiefenätzung erfolgen. Hierbei werden beispielsweise Ätzmedien wie KOH oder Trockenätzverfahren einge setzt. Es entstehen dabei Durchbrüche, die unter schiedliche Querschnitte, beispielsweise quadra tische, rechteckige oder runde, aufweisen können. Beim anisotropen Ätzen entstehen dabei Durchbrüche in Form eines Pyramidenstumpfes, die sich von einer Seite der Trägerlage zur anderen Seite der Träger lage, beispielsweise in Richtung der ersten aktiven Oberfläche, verjüngen.Depending on the choice of material, the shape of the Carrier layers with different processes. Consist the carrier layers, for example made of silicon, can the manufacture of the breakthroughs using the process of Deep etching take place. Here, for example Etching media such as KOH or dry etching puts. There are breakthroughs that under different cross sections, for example quadra tables, rectangular or round. Breakthroughs occur in anisotropic etching Shape of a truncated pyramid, which differs from one Side of the carrier layer to the other side of the carrier location, for example in the direction of the first active Surface, rejuvenate.

Bei der Verwendung von Kunststoffen für die Träger lagen, können diese durch Spritzguß hergestellt werden. Hierbei werden die Durchbrüche durch die Formgebung des Spritzgußwerkzeuges hervorgerufen. Es ist aber auch möglich, flache Trägermaterialien, z. B. Kunststoffolien für die einzelnen Trägerlagen zu verwenden, die dann durch Schneid-, Bohr-, Mikro präge- oder Ätzverfahren mit den Durchbrüchen versehen werden. Vorteilhafterweise kann auch das Laserschneiden eingesetzt werden.When using plastics for the carrier could be made by injection molding become. Here, the breakthroughs through the Shaping the injection mold caused. It but it is also possible to use flat substrates, e.g. B. Plastic films for the individual carrier layers too use that then by cutting, drilling, micro embossing or etching with the openings be provided. This can advantageously also Laser cutting can be used.

Die elektrisch leitfähigen Schichten werden auf die Trägerlagen mit bekannten Verfahren der Dünnschicht technologie durch Aufdampfen im Vakuum oder durch Aufsputtern aufgebracht. Die Strukturierung kann dabei dadurch geschehen, daß durch Schattenmasken hindurch aufgedampft oder gesputtert wird. Hier ist zusätzlich dennoch auch der Einsatz der Photolitho graphie möglich, wobei jedoch zur Herstellung der erfindungsgemäßen Transducer in keinem Fall dreidi mensional in die Tiefe strukturiert werden muß. Es ist ebenso möglich, die elektrisch leitfähigen Elektroden mit Hilfe des Siebdruckverfahrens oder durch elektrolytische Abscheidung herzustellen.The electrically conductive layers are on the Carrier layers using known thin-film processes technology by vacuum deposition or by Sputtering applied. The structuring can thereby happen that through shadow masks is evaporated or sputtered through. Here is additionally the use of the photolitho graphie possible, but to produce the transducer according to the invention in no case dreidi must be structured dimensionally in depth. It is also possible to use the electrically conductive Electrodes using the screen printing process or by electrodeposition.

Die Füllungen der Durchbrüche, beispielsweise aus Membranen oder Gelen, werden vorteilhafterweise mittels automatischer Dispensiervorrichtung in die Hohlräume eingebracht. Dieses Verfahren eignet sich auch zum Aufbringen der Verkapselung, die jedoch auch mit dem Siebdruckverfahren aufgebracht werden kann.The fillings of the breakthroughs, for example from Membranes or gels are advantageous by means of an automatic dispensing device into the Cavities introduced. This method is suitable also to apply the encapsulation, but also can be applied with the screen printing process.

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Transducer werden zuerst die Trägerlagen mit Durchbrüchen versehen und dann auf die Trägerlagen, je einzeln ggf. elektrisch leitende Schichten aufgebracht. Die elektrisch leitenden Schichten können auch vor der Erzeugung der Durchbrüche aufgebracht werden. To produce the transducers according to the invention first the carrier layers with openings and then onto the carrier layers, one at a time optionally applied electrically conductive layers. The electrically conductive layers can also be in front of the Generation of breakthroughs are applied.

Anschließend werden die Trägerlagen sowie ggf. der Kanalträger und die Kanalabdeckung übereinandergelegt und miteinander verbunden. Zum Verbinden werden je nach Material der Trägerlagen und des Kanalträgers bzw. der Kanalabdeckung verschiedene Materialien und Verfahren verwendet. Bestehen die Trägerlagen und der Kanalträger/die Kanalabdeckung aus Siliziummaterialien, so können herkömmliche Bond- Verfahren, beispielsweise anodisches Bonden, zur Verbindung der einzelnen Schichten verwendet werden. Weiterhin ist auch eine Verbindung der Trägerlagen mittels Klebetechniken möglich. Bei Verwendung von Kunststoffen für die Trägerlagen, den Kanalträger und die Kanalabdeckung können diese ebenfalls verklebt werden. Bei der Verwendung von Folienmaterialien ist es wiederum möglich, die verschiedenen Lagen als Folien durch Laminieren, beispielsweise durch Heiß- Laminieren, oder auch durch ansonsten bekannte Schweißverfahren miteinander zu verbinden.Then the carrier layers and, if necessary, the Channel carrier and the channel cover are placed one on top of the other and connected to each other. To connect each according to the material of the support layers and the channel support or the channel cover different materials and Procedure used. Are the carrier layers and the Channel carrier / the channel cover off Silicon materials, so conventional bonding Methods, for example anodic bonding, for Connection of the individual layers can be used. Furthermore, there is also a connection of the carrier layers possible using adhesive techniques. When using Plastics for the carrier layers, the channel carrier and the duct cover can also be glued become. When using film materials it in turn possible to consider the different locations Foils by lamination, for example by hot Laminating, or by otherwise known To connect welding processes with each other.

Erfindungsgemäß wird folglich ein Universaltransducer vorgeschlagen, der einen einfachen Aufbau hat und verschiedene Meßverfahren (Amperometrie, Potentio metrie) auf demselben Träger und mit derselben Meßlösung ermöglicht. Dieser Träger zeichnet sich dadurch aus, daß er in die Tiefe strukturiert ist. Durch den schichtweisen Aufbau, bei dem zuerst einzelne Trägerlagen hergestellt, mit Durchbrüchen versehen, ggf. mit elektrisch leitenden Schichten beschichtet bzw. zuerst beschichtet und dann mit Durchbrüchen versehen und anschließend die einzelnen Trägerlagen so übereinander angeordnet und mit einander verbunden werden, daß die einzelnen Durchbrüche vertikale, zusammenhängende Hohlräume erzeugen, und anschließend diese Hohlräume mit geeigneten Füllungen, beispielsweise stofferkennenden Membranen oder Gelen, gefüllt werden, ist eine ein fache Herstellung derartiger dreidimensional struktu rierter erfindungsgemäßer Universaltransducer mög lich.Consequently, according to the invention, it becomes a universal transducer proposed that has a simple structure and various measuring methods (amperometry, potenti metrie) on the same carrier and with the same Measurement solution enables. This carrier stands out in that it is structured in depth. Due to the layered structure, the first individual carrier layers made, with openings provided, if necessary with electrically conductive layers coated or first coated and then with Provide breakthroughs and then the individual Carrier layers arranged one above the other and with be connected to each other that the individual Breakthroughs vertical, contiguous cavities generate, and then using these cavities suitable fillings, for example substance-recognizing Membranes or gels to be filled is a one fold production of such three-dimensional structure rier universal transducer according to the invention possible Lich.

Zwischen den Trägerlagen und den elektrisch leitenden Schichten können Haftvermittler, z. B. Chrom, auf ge bracht werden. Zwischen den elektrisch leitenden Schichten und den Füllungen der Durchbrüche können weitere Schichten, beispielsweise Antiinterferenz schichten, z. B. aus Celluloseacetat, Polyurethan oder dergleichen, eingebracht werden.Between the carrier layers and the electrically conductive Layers can be adhesion promoters, e.g. B. chrome, on ge be brought. Between the electrically conductive Layers and the fillings of the openings can additional layers, for example anti-interference layers, e.g. B. from cellulose acetate, polyurethane or the like.

Im folgenden werden einige Beispiele der vorliegenden erfindungsgemäßen Universaltransducer beschrieben.The following are some examples of the present described universal transducer according to the invention.

Es zeigenShow it

Fig. 1 einen Universaltransducer mit mehreren Sensorelementen; Fig. 1 is a Universaltransducer with a plurality of sensor elements;

Fig. 2 verschiedene Glucosesensoren; Fig. 2 different glucose sensors;

Fig. 3 verschiedene ionselektive Elektroden; Fig. 3 different ionselektive electrodes;

Fig. 4 verschiedene Sensorelemente; Fig. 4 different sensor elements;

Fig. 5 einen erfindungsgemäßen CO₂-Sensor; Fig. 5 is a CO ₂ sensor according to the invention;

Fig. 6 einen amperometrischen Glucosesensor mit Fließkanal; und Fig. 6 is an amperometric glucose sensor with a flow channel; and

Fig. 7 einen Universaltransducer mit mehreren Sensorelementen und einem Fließkanal. Fig. 7 shows a universal transducer with several sensor elements and a flow channel.

Bei den folgenden Ausführungsbeispielen und Figuren sind mit denselben Bezugszeichen jeweils gleiche Elemente bezeichnet. Sind in einem beschriebenen Universaltransducer mehrere Sensoren (z. B. I, II, III, IV, V in Fig. 1) mit gleichartigen oder funk tionsgleichen Elementen (z. B. Füllung 9) beschrieben, so werden die Bezugszeichen für diese gleichartigen oder funktionsgleichen Elemente durch eine Ziffer nach einem Punkt (z. B. 9.1, 9.2, . . ., 9.5) den jewei ligen mit römischen Zahlen (I-V) bezeichneten Sensor elementen zugeordnet.In the following exemplary embodiments and figures, the same reference numerals are used to denote the same elements. If several sensors (e.g. I, II, III, IV, V in Fig. 1) are described in a universal transducer described with similar or functionally identical elements (e.g. filling 9 ), the reference numerals for these are similar or functionally identical elements by a number after a point (e.g. 9.1 , 9.2 ,..., 9.5 ) assigned to the respective sensor elements designated with Roman numerals (IV).

Die Fig. 1 zeigt einen Träger, bestehend aus einer ersten Trägerlage 1, einer zweiten Trägerlage 2 sowie einer dritten Trägerlage 3, die alle miteinander fest verbunden sind. Diese Trägerlagen 1 bis 3 sind mit Hilfe von Durchbrüchen 4 bis 6 sowie mit Hilfe von elektrisch leitfähigen Schichten 7 und 8 so ausge bildet, daß sich in den Bereichen der Durchbrüche verschiedene Sensorelemente I bis V ergeben. In der Trägerlage 1 befinden sich Durchbrüche 4 (4.1 für das Sensorelement I, 4.2 für das Sensorelement II usw.), in der Trägerlage 2 befinden sich Durchbrüche 5 (5.1- 5.5) und in der Trägerlage 3 Durchbrüche 6 (6.1-6.5). Die Durchbrüche der Trägerlagen 1 bis 3 liegen so übereinander, daß sich Hohlräume ergeben, die sich über die drei Trägerlagen erstrecken. Fig. 1 illustrates a support consisting of a first carrier layer 1, a second carrier layer 2 and a third support layer 3, which are all rigidly connected. These support layers 1 to 3 are formed with the help of openings 4 to 6 and with the aid of electrically conductive layers 7 and 8 so that different sensor elements I to V result in the areas of the openings. In the carrier layer 1 there are openings 4 (4.1 for the sensor element I, 4.2, etc. for the sensor element II), are located in the base sheet 2 breakthroughs 5 (5.1 - 5.5) and in the carrier layer 3 openings 6 (6.1-6.5). The openings of the carrier layers 1 to 3 lie one above the other so that there are cavities which extend over the three carrier layers.

An der Oberfläche der Trägerlage 1 wurde teilweise ein elektrisch leitfähiger Film 7 und auf der Träger lage 2 ein anderer elektrisch leitfähiger Film 8 aufgebracht. Die Durchbrüche 4 bis 6 dienen als Hohl räume zur Aufnahme von Füllungen 9 (Membran- oder Gelmaterialien). Nach Einbringen der Füllungen 9 werden die Hohlräume mit Hilfe eines Verkapselungs materials 11 abgeschlossen. Im Durchbruch der ersten Trägerlage ergibt sich an der äußeren Phasengrenze der Füllung 9 jeweils eine aktive Sensoroberfläche 10.An electrically conductive film 7 was partially applied to the surface of the carrier layer 1 and another electrically conductive film 8 was applied to the carrier layer 2 . The openings 4 to 6 serve as cavities for receiving fillings 9 (membrane or gel materials). After the fillings 9 have been introduced, the cavities are closed with the aid of an encapsulation material 11 . In the breakthrough of the first carrier layer, an active sensor surface 10 results at the outer phase boundary of the filling 9 .

Als elektrisch leitfähige Schichten wurden auf der ersten Trägerlage ein Platinfilm 7 und auf der Trägerlage 2 ein Silberfilm realisiert.A platinum film 7 was realized as electrically conductive layers on the first carrier layer and a silver film on the carrier layer 2 .

Auf der Basis eines solchen Universaltransducers lassen sich sehr unterschiedliche Sensorelemente realisieren.Based on such a universal transducer can be very different sensor elements realize.

Das Element I stellt eine Referenzelektrode für die anderen Sensorelemente dar. Der Silberfilm 8.1 kann an seiner Grenzfläche zur Füllung 9.1 chloridisiert sein. Als Füllung 9.1 ist hier z. B. KCl-Lösung in Gelatine oder in Polyvinylalkohol (PVA) von oben her eingebracht. Ein solches Element entspricht einer konventionellen Ag/AgCl-Referenzelektrode. Eine solche Referenzelektrode kann zum Beispiel gemeinsam mit einer ionenselektiven Elektrode (ISE) verwendet werden.Element I represents a reference electrode for the other sensor elements. The silver film 8.1 can be chloridized at its interface with the filling 9.1 . As filling 9.1 is z. B. KCl solution in gelatin or in polyvinyl alcohol (PVA) introduced from above. Such an element corresponds to a conventional Ag / AgCl reference electrode. Such a reference electrode can, for example, be used together with an ion-selective electrode (ISE).

Eine solche ionenselektive Elektrode (ISE) ist als Sensorelement II realisiert. Dieses Sensorelement II ist in gleicher Weise aufgebaut wie das Element I. Allerdings ist hier der Hohlraum im Bereich der Durchbrüche 4.2, 5.2 und 6.2 mit einer ionenselek tiven Membran 9.2 ausgefüllt. Diese ionenselektive Membran besteht z. B. aus PVC-Material oder Silicon, das neben einem Weichmacher und Additiven auch als elektroaktive Substanz ein Ionophor enthält. Die PVC- Membran 9.2 steht in direktem Kontakt mit dem Metall film 8.2 (Ag). Tritt im Bereich des Meßfensters 10.2 ein flüssiges Meßmedium mit der ionenselektiven Membran 9.2 in Wechselwirkung, so bildet sich im Bereich des Meßfensters eine Potentialdifferenz aus, die gegen die Referenzelektrode I, die selbst im Bereich des Meßfensters 10.1 mit dem Meßmedium in Kontakt ist, gemessen werden kann.Such an ion-selective electrode (ISE) is implemented as sensor element II. This sensor element II is constructed in the same way as element I. However, here the cavity in the area of the openings 4.2 , 5.2 and 6.2 is filled with an ion-selective membrane 9.2 . This ion-selective membrane consists, for. B. from PVC material or silicone, which contains an ionophore in addition to a plasticizer and additives as an electroactive substance. The PVC membrane 9.2 is in direct contact with the metal film 8.2 (Ag). Occurs in the region of the measuring window 10.2 a liquid measuring medium with the ion-selective membrane 9.2 in interaction, so a potential difference is formed in the region of the measuring window, which are against the reference electrode I, which itself is in the range of the measuring window 10.1 with the measuring medium in contact, as measured can.

Das Element III zeigt ein anderes potentiometrisches Sensorelement, das zur Bestimmung von Harnstoff ver wendet werden kann. Hier ist zunächst vom Durchbruch 4.3 der Trägerlage 1 oder vom Durchbruch 6.3 der Trägerlage 3 her eine ionenselektive Membran 9.3 zur Bestimmung von Ammonium in den Hohlraum im Bereich der Durchbrüche 5.3 und 6.3 eingebracht. Eine solche ionenselektive Membran kann wiederum aus PVC-Material mit einem Weichmacher und Additiven sowie einem Iono phor für Ammonium hergestellt werden. Anschließend wird auf die Membran 9.3 eine zweite Membran 9.3.1 aufgebracht, die z. B. aus einem PCS-Gel (Polycar bamoylsulfonat) besteht, das als Biokomponente das Enzym Urease enthält. Bei der Messung tritt das flüs sige Meßmedium mit dem Analyten Harnstoff im Bereich des Meßfensters 10.3 mit der Membran 9.3.1 in Wech selwirkung. Die Harnstoffmoleküle werden vom Enzym Urease katalytisch umgesetzt. Die sich dabei verän dernde Ammoniumkonzentration in der Membran 9.3.1 läßt sich mit Hilfe der ionenselektiven Ammoniun membran 9.3 nachweisen. Die Messung erfolgt gegen die Referenzelektrode I. Dafür wird das Potential des Harnstoffsensors am Silberfilm 8.3 abgegriffen. Der Metallfilm 8.3 verläuft senkrecht zur Bildebene und liegt analog zum Metallfilm 8.5 des Sensorelementes V nach außen frei (12.5). Hier kann der elektrische Anschluß vorgenommen werden.Element III shows another potentiometric sensor element that can be used to determine urea. An ion-selective membrane 9.3 for determining ammonium is first introduced into the cavity in the area of the openings 5.3 and 6.3 from the opening 4.3 of the carrier layer 1 or from the opening 6.3 of the carrier layer 3 . Such an ion-selective membrane can in turn be made of PVC material with a plasticizer and additives and an ionophore for ammonium. Subsequently, a second membrane 9.3.1 is applied to the membrane 9.3 . B. consists of a PCS gel (Polycar bamoylsulfonat), which contains the enzyme urease as a biocomponent. In the measurement, the measuring medium FLÜS SiGe occurs selwirkung in Wech with the analyte urea in the range of the measurement window with the membrane 10.3 9.3.1. The urea enzyme converts the urea molecules. The changing ammonium concentration in the membrane 9.3.1 can be detected with the help of the ion-selective ammonium membrane 9.3 . The measurement is carried out against the reference electrode I. For this purpose, the potential of the urea sensor is tapped at the silver film 8.3 . The metal film 8.3 runs perpendicular to the image plane and is exposed to the outside analogously to the metal film 8.5 of the sensor element V ( 12.5 ). The electrical connection can be made here.

Als Sensorelement IV ist ein Glukosesensor reali siert. Der Hohlraum im Bereich der Durchbrüche 4.4, 5.4 und 6.4 ist hier mit PVA ausgefüllt, das das Enzym Glucoseoxydase (GOD) enthält. Tritt Glucose aus dem Meßmedium im Bereich des Meßfensters 10.4 mit dem Membranmaterial 9.4 in Wechselwirkung, so wird die Glucose mit Hilfe des Enzyms GOD katalytisch umge setzt. Dabei entsteht H₂O₂. Dieses H₂O₂ läßt sich amperometrisch an der Pt-Elektrode 7.4 elektroche misch umsetzen. Dies geschieht nach dem amperome trischen Meßprinzip, bei dem zwischen der Pt-Elek trode 7.4 und der Ag/AgCl-Elektrode 8.4 der elek trische Strom gemessen wird. Die Messung kann auf die beschriebene Weise mit Hilfe einer Zweielektroden- Anordnung erfolgen.A glucose sensor is implemented as sensor element IV. The cavity in the area of the openings 4.4 , 5.4 and 6.4 is filled here with PVA, which contains the enzyme glucose oxidase (GOD). If glucose interacts with the membrane material 9.4 in the area of the measurement window 10.4 , the glucose is converted catalytically with the aid of the enzyme GOD. This creates H ₂ O ₂ . This H ₂ O ₂ can be electrochemically converted amperometrically at the Pt electrode 7.4 . This is done according to the amperometric measurement principle, in which the electrical current is measured between the Pt electrode 7.4 and the Ag / AgCl electrode 8.4 . The measurement can be carried out in the manner described using a two-electrode arrangement.

Sollen gleichzeitig Messung mit potentiometrischen Sensorelementen (Beispiel Sensorelemente II und III) erfolgen, so ist es aufgrund der Ausgestaltung des Universaltransducers besonders vorteilhaft, eine Drei-Elektroden-Messung vorzunehmen, bei der das Potential der Pt-Arbeitselektrode 7.4 mit Hilfe der Referenzelektrode I bestimmt wird. Der Strom des Sensorelementes IV fließt dabei über die Ag/AgCl- Gegenelektrode 8.4.If measurements with potentiometric sensor elements (example sensor elements II and III) are to be carried out at the same time, it is particularly advantageous due to the design of the universal transducer to carry out a three-electrode measurement in which the potential of the Pt working electrode 7.4 is determined with the aid of the reference electrode I. . The current of the sensor element IV flows through the Ag / AgCl counter electrode 8.4 .

Da erfindungsgemäß Arbeits- und Gegenelektrode verti kal in einem Hohlraum angeordnet sind und die Refe renzelektrode I über das Meßfenster 10.1 außerhalb des Hohlraumes des Sensorelementes IV mit dem Meß medium in Kontakt ist, kann der elektrische Strom nicht über das Meßfenster 10.4 und über das Meßmedium fließen und damit die Messungen an den potentiome trischen Sensorelementen nicht stören.Since, according to the invention, the working and counter electrodes are arranged vertically in a cavity and the reference electrode I is in contact with the measuring medium outside the cavity of the sensor element IV via the measuring window 10.1 , the electrical current cannot flow through the measuring window 10.4 and over the measuring medium and so that the measurements on the potentiometric sensor elements do not interfere.

Analog zum Glukosesensor IV ist ein Sensorelement V zur Bestimmung von Konzentrationen des gelösten Sauerstoffs im flüssigen Meßmedium realisiert. Der Hohlraum im Bereich der Durchbrüche 4.5, 5.5 und 6.5 ist hier mit einer KCl-Lösung bzw. einem KCl-Gel gefüllt. Der Durchbruch 4.5 in der Trägerlage 1 ist mit einer gaspermeablen Membran 13 abgedeckt. Der im flüssigen Meßmedium gelöste Sauerstoff kann durch die gaspermeable Membran hindurchdiffundieren und wird nach dem amperometrischen Meßprinzip an der Platin elektrode 7.5 elektrochemisch umgesetzt. Dafür wird zwischen der Platinelektrode 7.5 und der Ag/AgCl- Elektrode 8.5 nach Anlegen einer elektrischen Span nung von einigen 100 mV der elektrische Strom gemes sen.Analogous to the glucose sensor IV, a sensor element V for determining concentrations of the dissolved oxygen in the liquid measuring medium is implemented. The cavity in the area of the openings 4.5 , 5.5 and 6.5 is filled with a KCl solution or a KCl gel. The opening 4.5 in the carrier layer 1 is covered with a gas-permeable membrane 13 . The oxygen dissolved in the liquid measuring medium can diffuse through the gas-permeable membrane and is electrochemically converted on the platinum electrode 7.5 according to the amperometric measuring principle. For this purpose, the electrical current is measured between the platinum electrode 7.5 and the Ag / AgCl electrode 8.5 after applying an electrical voltage of a few 100 mV.

Die Fig. 2a) zeigt das Sensorelement IV aus Fig. 1. Eine andere Geometrie des Durchbruchs 4 in der Trägerlage 1 ist in Fig. 2b) dargestellt. Hier verläuft der elektrisch leitfähige Film 7 bis in den Bereich des Durchbruchs hinein. Dies kann dadurch erreicht werden, daß der Film 7 nach der Erzeugung des Durchbruchs zum Beispiel durch Aufdampfen im Vakuum oder durch Sputtern aufgebracht wird. In Fig. 2c) ist eine ähnliche Anordnung gezeigt. Hier ver läuft der Film 7 allerdings nicht bis in den Bereich der inneren Oberfläche des Durchbruchs 4. Alle drei Sensorelemente sind für amperometrische Messungen geeignet. Die Füllungen 9 können je nach Ausgestal tung des Sensorelementes Membran- oder Gelmaterialien sein sowie auch die verschiedensten Biokomponenten enthalten, wie sie in der Biosensorik üblich sind. Dies können Enzyme, Mikroorganismen sowie Antikörper sein.The Fig. 2a) shows the sensor element IV of FIG. 1. A different geometry of the opening 4 in the support layer 1 is shown in Fig. 2b). Here the electrically conductive film 7 extends into the area of the opening. This can be achieved in that the film 7 is applied after the opening has been made, for example by vapor deposition in a vacuum or by sputtering. A similar arrangement is shown in FIG. 2c). Here, however, the film 7 does not run into the area of the inner surface of the opening 4 . All three sensor elements are suitable for amperometric measurements. The fillings 9 can, depending on the configuration of the sensor element, be membrane or gel materials and also contain a wide variety of biocomponents, as are common in biosensor technology. These can be enzymes, microorganisms and antibodies.

Diese Anordnung der Metallfime 7 auf den Trägerlagen 1 macht es möglich, Transducerstrukturen herzustel len, bei denen je nach Ausgestaltung des Sensorele mentes die Filme 7 bis an die Meßfenster 10 heran reichen oder nicht. This arrangement of the metal films 7 on the carrier layers 1 makes it possible to manufacture transducer structures in which, depending on the design of the sensor element, the films 7 reach up to the measuring window 10 or not.

In Fig. 3 sind unterschiedliche Ausführungsformen des Transducers dargestellt, wie er für ionenselek tive Elektroden nach dem Beispiel II der Fig. 1 bzw. Referenzelektroden nach dem Beispiel I aus Fig. 1 dargestellt sind. Analog zu den Durchbrüchen in der Trägerlage 1 der Fig. 2 sind in diesem Beispiel die Durchbrüche in der Trägerlage 2 unterschiedlich ausgeführt. Hier verlaufen die elektrisch leitfähigen Schichten 8 jeweils bis zur Trägerlage 1 (Fig. 3a) und b)). In der Fig. 3c) befindet sich die elek trisch leitfähige Schicht 8 nur an der ebenen Ober fläche der Trägerlage 2.In Fig. 3 different embodiments of the transducer are shown, as are shown for ion-selective electrodes according to Example II of Fig. 1 or reference electrodes according to Example I from Fig. 1. Analogous to the openings in the carrier layer 1 of FIG. 2, the openings in the carrier layer 2 are designed differently in this example. Here the electrically conductive layers 8 each extend up to the carrier layer 1 (FIGS . 3a) and b)). In Fig. 3c), the electrically conductive layer 8 is only on the flat upper surface of the carrier layer 2nd

Diese Anordnung der Metallfilme 8 auf den Trägerlagen 2 macht es möglich, Transducerstrukturen herzu stellen, bei denen je nach Ausgestaltung des Sensor elementes die Filme 8 einen größeren oder kleineren Abtand zur Trägerlage 1 und zum Meßfenster 10 besit zen.This arrangement of the metal films 8 on the support layers 2 makes it possible to manufacture transducer structures in which, depending on the design of the sensor element, the films 8 have a greater or smaller distance from the support layer 1 and the measuring window 10 .

Werden in Anlehnung an das Element I der Fig. 1 Referenzelektroden realisiert, so bestehen die elektrisch leitfähigen Schichten 8 in den Fig. 3 a) bis c) z. B. aus einem chloridisierten Silberfilm. Die Füllung 9 des Hohlraumes in den Trägerlagen 1 bis 3 besteht hier auch aus einem KCl-Gel. Es ist ebenso möglich auf der Basis von Strukturen nach Fig. 3 ionenselektive Elektroden mit Polymermembranen auszu bilden. Hierfür werden die elektrisch leitfähigen Schichten 8 z. B. aus Silber hergestellt. Die Füllun gen 9 der Hohlräume im Bereich der Durchbrüche 4, 5 und 6 besteht in den Beispielen nach Fig. 3a) und b) z. B. aus PVC, Silicon oder anderen Materialien für ionenselektive Membranen und sind mit den dazugehöri gen aktiven Komponenten ausgestattet. If reference electrodes are implemented on the basis of element I in FIG. 1, the electrically conductive layers 8 in FIGS . B. from a chloridized silver film. The filling 9 of the cavity in the carrier layers 1 to 3 also consists of a KCl gel. It is also possible to form ion-selective electrodes with polymer membranes on the basis of the structures according to FIG. 3. For this purpose, the electrically conductive layers 8 z. B. made of silver. The fillings gene 9 of the cavities in the area of the openings 4 , 5 and 6 is in the examples of Fig. 3a) and b) z. B. from PVC, silicone or other materials for ion-selective membranes and are equipped with the associated active components.

In Fig. 3c) ist eine ionenselektive Elektrode mit . einem Innenelektrolyten dargestellt. In den Hohlraum im Bereich der Durchbrüche 4 und 5 wird von ober her zunächst eine ionenselektive Membran 9.1 eingefüllt. Diese Membran hat selbst keinen Kontakt zu einer elektrisch leitfähigen Schicht. Über die ionenselek tive Membran wird ein KCl-Gel 9 aufgebracht. Dieses KCl-Gel 9 steht in direktem Kontakt mit der chloridi sierten Silberschicht 8.In Fig. 3c) is an ion-selective electrode. an internal electrolyte. An ion-selective membrane 9.1 is initially filled into the cavity in the area of the openings 4 and 5 . This membrane itself has no contact with an electrically conductive layer. A KCl gel 9 is applied over the ion-selective membrane. This KCl gel 9 is in direct contact with the chloridized silver layer 8 .

In den Beispielen nach Fig. 4 sind jeweils zusätz liche Membranen 13 in die Sensorelemente eingebracht. Fig. 4a) zeigt z. B. ein Glukosesensorelement, das durch eine Polyurethan (PU)-Membran zum Meßfenster 10 hin abgeschlossen ist. Diese Polyurethan-Membran ist fest mit der Trägerlage 1 verbunden. Die Elektroden schicht 14 aus Platin ist fest mit der Membran 13 und der Trägerlage 2 verbunden. Die Füllung 9 besteht hier z. B. aus PVA mit dem Enzym GOD. Die Füllung 9 steht in direktem Kontakt mit einer Referenzelektro denschicht bzw. einer Gegenelekrodenschicht 8, die aus einem chloridisierten Silberfilm besteht.In the examples according to FIG. 4, additional membranes 13 are introduced into the sensor elements. FIG. 4a) shows z. B. a glucose sensor element, which is completed by a polyurethane (PU) membrane to the measurement window 10 out. This polyurethane membrane is firmly connected to the carrier layer 1 . The electrode layer 14 made of platinum is firmly connected to the membrane 13 and the carrier layer 2 . The filling 9 is here z. B. from PVA with the enzyme GOD. The filling 9 is in direct contact with a reference electrode layer or a counter electrode layer 8 , which consists of a chloridized silver film.

Auf gleiche Weise wie dieser Glukosesensor nach Fig. 4a) kann ein Sauerstoffsensorelement realisiert werden. Anstelle der PU-Membran 13 tritt hier eine gaspermeable Membran z. B. aus Teflon oder Silicon. Die Füllung 9 besteht in diesem Fall aus einer KCl- Lösung bzw. einem KCl-Gel.An oxygen sensor element can be realized in the same way as this glucose sensor according to FIG. 4a). Instead of the PU membrane 13 here is a gas permeable membrane z. B. made of Teflon or silicone. In this case, the filling 9 consists of a KCl solution or a KCl gel.

Eine weitere Variante eines Glukosesensors ist in Fig. 4b) dargestellt. Im Unterschied zu Fig. 4a) befindet sich hier die Platin-Arbeitselektrode 15 direkt auf der Trägerlage 1. Die Membran 13 besteht hier ebenfalls aus Polyurethan. Another variant of a glucose sensor is shown in Fig. 4b). In contrast to FIG. 4a), the platinum working electrode 15 is located directly on the carrier layer 1 . The membrane 13 is also made of polyurethane.

Eine weitere Variante eines Sauerstoffsensors ist in Fig. 4c) dargestellt. Im Gegensatz zu Fig. 4a) befindet sich die Platinelektrodenschicht 14 nur unter der Trägerlage 2.Another variant of an oxygen sensor is shown in Fig. 4c). In contrast to FIG. 4 a), the platinum electrode layer 14 is only under the carrier layer 2 .

Auf der Basis der Fig. 4a und 4c können auch Sensoren zur Messung von Konzentrationen des gelösten Kohlendioxids in flüssigen Meßmedien realisiert werden. Solche Sensoren arbeiten nach dem Severing haus-Prinzip. Die Membran 13 ist hier aus gasperme abelm Material. Die Füllung 9 ist ein Elektrolytgel. Die Elektrodenschichten 14 bestehen aus Iridiumoxid, das ein pH-sensitives Material ist.Based on FIGS. 4a and 4c, sensors for measuring concentrations of the dissolved carbon dioxide in liquid measuring media can also be implemented. Such sensors work on the Severing Haus principle. The membrane 13 is made of gas permeable material. The filling 9 is an electrolyte gel. The electrode layers 14 consist of iridium oxide, which is a pH-sensitive material.

Bei der Messung diffundiert durch die gaspermeable Membran 13 das Kohlendioxyd. Dies verändert den pH- Wert in der Elektrolytfüllung 9, was mit Hilfe der pH-sensitiven Iridiumoxidelektrode 14 gegen die Referenzelektrode bestehend aus dem chloridisierten Silberfilm 8 gemessen werden kann.During the measurement, the carbon dioxide diffuses through the gas-permeable membrane 13 . This changes the pH in the electrolyte filling 9 , which can be measured with the aid of the pH-sensitive iridium oxide electrode 14 against the reference electrode consisting of the chloridized silver film 8 .

In Fig. 5 ist als weiteres Ausführungsbeispiel ein CO₂-Sensor dargestellt. Hier sind auf die Trägerlage 2 eine Silberschicht 8 sowie eine chloridisierte Silberschicht 14 aufgebracht. Nach Herstellung des Transducers wird der Hohlraum im Bereich der Durch brüche 5 und 6 mit einer pH-sensitiven Polymermembran (z. B. aus PVC) ausgefüllt, so daß sich in Verbindung mit der Silberschicht 8 eine ionenselektive Elektrode für den pH-Wert bildet. Anschließend wird die Verkap selungsschicht 11 aufgebracht. Auf die pH-sensitive Membran wird ein Innenelektrolyt 16 aufgebracht, der sowohl mit der Oberfläche der pH-sensitiven Membran 9 als auch mit der Oberfläche der chloridisierten Silberschicht 14 in Kontakt steht. Auf die Innen elektrolyt-Schicht 16 wird eine gaspermeable Membran 13 z. B. aus Silicon aufgegossen. Der Innenelektrolyt füllt auch das Reservoir 16A aus. Dieses verlängert die Standzeit des Sensors.A CO ₂ sensor is shown in FIG. 5 as a further exemplary embodiment. Here, a layer of silver 8, and a chloridisierte silver layer 14 are applied to the carrier sheet. 2 After the transducer has been produced, the cavity in the area of the openings 5 and 6 is filled with a pH-sensitive polymer membrane (for example made of PVC), so that an ion-selective electrode for the pH is formed in connection with the silver layer 8 . Then the encapsulation layer 11 is applied. An inner electrolyte 16 is applied to the pH-sensitive membrane, which is in contact both with the surface of the pH-sensitive membrane 9 and with the surface of the chloridized silver layer 14 . On the inner electrolyte layer 16 , a gas permeable membrane 13 z. B. poured from silicone. The internal electrolyte also fills the 16 A reservoir. This extends the service life of the sensor.

Auf diese Weise ist ein Sensor für die Messung von CO₂-Konzentrationen in wässrigen Medien nach dem Severinghaus-Prinzip entstanden. Bei der Messung diffundiert das Kohlendioxyd durch die gaspermeable Membran 13. Dies verändert den pH-Wert in der Elek trolytschicht 16, was mit Hilfe der ionenselektiven Elektrode, bestehend aus der ionenselektiven Membran 9 und der Silberschicht 8, gegen die Referenz elektrode bestehend aus dem chloridisierten Silber film 14 gemessen werden kann.In this way, a sensor for measuring CO ₂ concentrations in aqueous media based on the Severinghaus principle was created. During the measurement, the carbon dioxide diffuses through the gas-permeable membrane 13 . This changes the pH in the electrolyte layer 16 , which can be measured with the aid of the ion-selective electrode, consisting of the ion-selective membrane 9 and the silver layer 8 , against the reference electrode consisting of the chloridized silver film 14 .

Als weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 6 ein Sensorelement nach dem Beispiel IV aus Fig. 1 noch einmal dargestellt. Zusätzlich ist hier ein Fließ kanal 20 integriert. Dazu ist auf die Trägerlage 1 ein Kanalträger 18 aufgebracht, der Aussparungen für den Fließkanal 20 enthält. Der Kanalträger 18 ist mit Hilfe einer Kanalabdeckung 19 verschlossen. Auf diese Weise lassen sich Fließkanäle 20 mit sehr kleinen Querschnitten realisieren. Es ist ebenso möglich, verschiedene Sensorelemente (wie z. B. in Fig. 1 dargestellt) mit dem gleichen Kanal zu verbinden.As a further exemplary embodiment, a sensor element according to Example IV from FIG. 1 is shown again in FIG. 6. In addition, a flow channel 20 is integrated here. For this purpose, a channel carrier 18 is applied to the carrier layer 1 , which contains cutouts for the flow channel 20 . The channel support 18 is closed with the help of a channel cover 19 . In this way, flow channels 20 with very small cross sections can be realized. It is also possible to connect different sensor elements (as shown, for example, in FIG. 1) to the same channel.

In Analogie und Erweiterung zu Fig. 6 ist in Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel mit einem Durchflußkanal 20 dargestellt. Dieses Beispiel wurde aus der Fig. 1 abgeleitet. Anstelle der Sensorelemente I und V befinden sich hier nun die Anschlüsse 21 und 22 für die Zu- bzw. Abführung des flüssigen Meßmediums. Das flüssige Meßmedium tritt in den Kanal 20 ein, der aus dem Kanalträger 18 sowie der Abdeckung 19 besteht. In diesem Beispiel kann das Element II eine Referenz elektrode mit einer chloridisierten Silberelektrode 8.2 sein, das eine Füllung 9.2 aus einem KCl-Gel enthält. Das Sensorelement an der Position III ist wie im Beispiel nach Fig. 1 ein Harnstoffsensor, während an der Pos. IV sich ein Glukosesensor befin det. Der Harnstoffsensor III wird nach dem potentio metrischen Meßverfahren gegen die Referenzelektrode II gemessen. Der Glukosesensor IV wird nach dem Dreielektrodenprinzip gemessen. Hierfür wird die Platinelektrode 7.4 als Arbeitselektrode verwendet. Der Silberfilm 8.4 dient als stromdurchflossene Gegenelektrode, während die Referenzelektrode II zur Einstellung der Polarisationsspannung der Arbeits elektrode 7.4 dient.In analogy and extension to FIG. 6, an embodiment with a flow channel 20 is shown in FIG. 7. This example was derived from FIG. 1. Instead of the sensor elements I and V, there are now the connections 21 and 22 for the supply and discharge of the liquid measuring medium. The liquid measuring medium enters channel 20 , which consists of channel carrier 18 and cover 19 . In this example, element II can be a reference electrode with a chloridized silver electrode 8.2 , which contains a filling 9.2 made of a KCl gel. The sensor element at position III is, as in the example according to FIG. 1, a urea sensor, while at position IV there is a glucose sensor. The urea sensor III is measured against the reference electrode II using the potentio-metric measuring method. The glucose sensor IV is measured according to the three-electrode principle. For this purpose, the platinum electrode 7.4 is used as the working electrode. The silver film 8.4 serves as a current-carrying counter electrode, while the reference electrode II serves to adjust the polarization voltage of the working electrode 7.4 .

Claims

1. Universal transducer for chemical and / or biosensor technology for determining substance concentrations or substance activities in fluids with

a carrier consisting of a first ( 1 ) and a second ( 2 ) flat carrier layer,
- at least one breakthrough ( 4.1 - 4.5 , 5.1 - 5.5 ) in each of the two support layers ( 1 , 2 ),
at least one coherent cavity which is formed by an opening ( 4 , 5 ) in each of the two carrier layers and extends from a first active surface of the carrier over the first and second carrier layers ( 1 , 2 ),
- A filling ( 9 ) which is arranged in the cavity and can be contacted with the analyte in the region of a first active surface ( 10 ) of the carrier, and
- At least one electrically conductive layer ( 8 ) which is at least partially arranged on the surface of one of the two carrier layers ( 1 , 2 ) facing away from the first active surface ( 10 ) in contact with the filling ( 9 ).

2. Universal transducer according to the preceding claim, characterized in that the carrier has further flat carrier layers ( 3 ).

3. Universal transducer according to the preceding claim, characterized in that the further flat carrier layers ( 3 ) at least partially have further openings ( 6.1-6.5 ) which are related to at least one of the cavities.

4. Universal transducer according to the preceding claim, characterized in that in the further openings ( 6.1-6.5 ) fillings ( 9 ) are arranged.

5. Universal transducer according to one of the preceding claims, characterized in that the filling ( 9 ) or fillings contain a substance-recognizing membrane and / or gel.

6. Universal transducer according to one of the preceding claims, characterized in that on the first active surface ( 10 ) facing away from the first ( 1 ), the second ( 2 ) and / or the further ( 3 ) carrier layers at least partially each electrically conductive layer ( 7 , 8 ) is arranged.

7. Universal transducer according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the openings ( 4 ) is tapered to the first active surface ( 10 ).

8. Universal transducer according to one of the preceding claims, characterized in that the electrically conductive layer ( 7 , 8 ) extends at least partially on the side walls of the adjacent opening ( 4 , 5 ).

9. Universal transducer according to one of the preceding claims, characterized in that the first active surface ( 10 ) in the region of the opening in the first active surface ( 10 ) adjacent carrier layer ( 1 ) with a further membrane ( 13 ), for example a gas-permeable membrane, is covered.

10. Universal transducer according to the preceding claim, characterized in that the further membrane ( 13 ) has a thickness of 1 µm to a few µm.

11. Universal transducer according to one of the two preceding claims, characterized in that the further membrane ( 13 ) polyvinyl chloride (PVC), polyethylene (PE), polyoxy methylene (POM), polycarbonate (PC), ethylene / propylene cop (EPDM), Polyvinylidene chloride (PVDC), polyvinyl butyral (PVB), cellulose acetate (CA), polypropylene (PP), poly methyl methacrylate (PMMA), polyamide (PA), tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene cop (FEP), polytetrafluoroethylene (PTFE), phenol formaldehyde ( PF), epoxy (EP), polyurethane (PUR), polyester (UP), silicone, melamine formaldehyde (MF), urea formaldehyde (UF), aniline formaldehyde or Capton.

12. Universal transducer according to one of the three preceding claims, characterized in that an electrically conductive layer ( 14 ) is arranged between the first active surface ( 10 ) and the further membrane ( 13 ).

13. Universal transducer according to one of the preceding claims, characterized in that the cavity on its surface facing away from the first active surface ( 10 ) is covered with an encapsulation ( 11 ).

14. Universal transducer according to the preceding claim, characterized in that the encapsulation ( 11 ) consists of an epoxy resin.

15. Universal transducer according to one of the preceding claims, characterized in that the openings contain at least partially different fillings ( 9 , 9.3 , 9.31 ).

16. Universal transducer according to one of the preceding 'claims, characterized in that on the first active surface ( 10 ) a channel support ( 18 ) with a flow channel ( 20 ) and on this a channel cover ( 19 ) are arranged such that the flow channel ( 20 ) is in contact with at least one opening ( 4.1-4.3 ) in the carrier layer ( 1 ) in the region of the first active surface ( 10 ).

17. Universal transducer according to the preceding claim, characterized in that the thickness of the channel carrier ( 18 ) and / or the channel cover ( 19 ) is a few microns to a few mm, preferably a few 100 microns.

18. Universal transducer according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the carrier layers ( 1 , 2 , 3 ) plastics such as polyvinyl chloride (PVC), polyethylene (PE), polyoxymethylene (POM), polycarbonate (PC), ethylene / propylene Cop (EPDM), polyvinylidene chloride (PVDC), polychlorotrifluoroethylene, polyvinyl butyral (PVB), cellulose acetate (CA), polypropylene (PP), polymethyl methacrylate (PMMA), polyamide (PA), tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene cop (FEP), polytetrafluoroethylene (PTFE) , Phenol formaldehyde (PF), epoxy (EP), polyurethane (PUR), polyester (UP), silicone, melamine formaldehyde (MF), urea formaldehyde (UF), aniline formaldehyde, Capton or others or silicon, ceramics or contains glass.

19. Universal transducer according to one of the preceding claims, characterized in that the thickness of at least one of the carrier layers ( 1 , 2 , 3 ) is between a few microns to a few mm, preferably a few 100 microns.

20. Universal transducer according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the electrically conductive layers ( 7 , 8 ) made of metals, in particular noble metals such as platinum, gold and silver, or metal alloys or screen printing pastes, for. B. exist on the basis of graphite or metallic materials.

21. Universal transducer according to one of the preceding claims, characterized in that the thickness of at least one of the electrically conductive layers ( 7 , 8 ) is 1 µm to a few µm.

22. Universal transducer according to one of the preceding claims, characterized in that the filling ( 9 ) as a membrane PVC, silicone, polyurethane and the like and / or as a gel ( 9 ) contains gelatin or polyvinyl alcohol (PVA) or the like.

23. Universal transducer according to one of the preceding Claims, characterized in that the filling Biocomponents such as enzymes, microorganisms and / or Contain antibodies,

24. Universal transducer according to one of the preceding claims, characterized in that the diameter of at least one of the openings ( 4.1-4.5 ) of the first active surface ( 10 ) adjacent carrier layer ( 1 ) on the first active surface ( 10 ) a few microns to a few mm, preferably a few 10-100 microns.

25. Universal transducer according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier has two cavities ( 4.2 , 5.2 , 6.2 and 4.4 , 5.4 , 6.4 ), a filling being arranged in each of the cavities, the filling of the one cavity having a the first electrically conductive layer as the reference electrode and the filling of the second cavity with second or third conductive layers arranged on different carrier layers as a current-carrying working electrode or counter electrode is in contact, and wherein the first, second and third conductive layers are a three-electrode arrangement for make amperometric measurements.

26. Universal transducer according to the preceding claim, characterized in that the carrier has a third Has cavity in which a filling is arranged, the in contact with another electrically conductive layer which forms a potentiometric electrode and against the reference electrode is measurable.

27. Use of universal transducers after at least one of the preceding claims as a reference electrode, as Sensor element for potentiometric determination and / or as a sensor element for the amperometric determination of Analyte concentrations or ion activities.

28. Use according to the preceding claim for determination the concentration of dissolved carbon dioxide, oxygen, Glucose and / or other metabolites and / or urea or to determine the pH or other parameters.