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DE19822677A1 - Planar electrochemical sensor element, e.g. for studying cell growth in biological systems or in small caliber flow-through systems - Google Patents

Planar electrochemical sensor element, e.g. for studying cell growth in biological systems or in small caliber flow-through systems

Info

Publication number
DE19822677A1
DE19822677A1 DE1998122677 DE19822677A DE19822677A1 DE 19822677 A1 DE19822677 A1 DE 19822677A1 DE 1998122677 DE1998122677 DE 1998122677 DE 19822677 A DE19822677 A DE 19822677A DE 19822677 A1 DE19822677 A1 DE 19822677A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
layers
sensor element
metal
noble metal
substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE1998122677
Other languages
German (de)
Inventor
Winfried Vonau
Juergen Spindler
Matthias Reinecke
Heiner Kaden
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kurt Schwabe Institut fuer Mess und Sensortechnik Ev Meinsberg
Original Assignee
Kurt Schwabe Institut fuer Mess und Sensortechnik Ev Meinsberg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kurt Schwabe Institut fuer Mess und Sensortechnik Ev Meinsberg filed Critical Kurt Schwabe Institut fuer Mess und Sensortechnik Ev Meinsberg
Priority to DE1998122677 priority Critical patent/DE19822677A1/en
Publication of DE19822677A1 publication Critical patent/DE19822677A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
    • G01N27/4035Combination of a single ion-sensing electrode and a single reference electrode

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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  • Immunology (AREA)
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  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)

Abstract

The electrochemical sensor element has planar half-cells comprising precious metal functional layers (2) chemically deposited on nickel-phosphorus coatings (5) on a dielectric substrate (1). The sensor element for electrochemical measurements has one or more planar half-cells which are located on a dielectric (preferably oxide-ceramic or glass) substrate (1) and which comprise metallic functional layers (2) and optionally overlying metallic or nonmetallic layers (3), each half-cell being connected to a conductor line (4) of the same metal as the lowermost metal layer. The metal layers comprise 1-10 mu m thick precious metal (alloy) layers chemically deposited on nickel-phosphorus coatings (5), whereby various chemically deposited metal layers can be provided on a substrate. An Independent claim is also included for the production of the above sensor element in which a dielectric substrate is cleaned and then subjected to a lithographic process for forming a negative image of the sensor element structure.

Description

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft planare Sensorelemente für elektrochemische Messungen und Verfahren zu ihrer HerstellungThe invention relates to planar sensor elements for electrochemical measurements and Process for their production

Stand der TechnikState of the art

Neben elektrochemischen Sensoren in konventioneller Bauweise, z. B. mit zylinder­ förmigen Schäften und z. B. kugel- oder kuppenförmigen Membranen, sind auch Sensoren in planarer Bauform bekannt, die für verschiedene Anwendungsfälle, z. B. für das Studium des Zellwachstums in biologischen Systemen oder in schmalkalibri­ gen Durchflußsystemen, benötigt werden. Für den Sensoraufbau sind generell me­ tallische Funktionselemente notwendig. So werden für konduktometrische Sensoren meist die Metalle Gold oder Platin eingesetzt, wobei mehrere Flächen dieser Metalle in definierter Geometrie die Meßzelle bilden. Für die potentiometrische Bestimmung des Redoxpotentials werden vorzugsweise Indikatorelektroden aus Platin oder Gold angewendet. Andere elektrochemische Meßfühler funktionieren durch das Zusam­ menwirken metallischer Elektroden mit Salzschichten und/oder anderen Materialien, z. B. Glasuren, oder von Elektroden aus einem Edelmetall.In addition to electrochemical sensors in conventional design, e.g. B. with cylinder shaped shafts and z. B. spherical or dome-shaped membranes are also Known sensors in planar design, which for different applications, for. B. for studying cell growth in biological systems or in narrow calibri flow systems are needed. For the sensor structure are generally me metallic functional elements necessary. So are for conductometric sensors mostly the metals gold or platinum used, with several surfaces of these metals form the measuring cell in a defined geometry. For potentiometric determination of the redox potential are preferably indicator electrodes made of platinum or gold applied. Other electrochemical sensors work together effect of metallic electrodes with layers of salt and / or other materials, e.g. B. glazes, or electrodes made of a precious metal.

Planare elektrochemische Sensoren sind bisher in Dickschicht-Ausführung auf di­ elektrischen Substraten [siehe z. B. A.A. Shul'ga, B. Ahlers, K. Camman: Ionen­ selektive konduktometrische Mikrosensoren: Theorie und Praxis. 2. Dresdner Sen­ sor-Symposium (Kurzfassungen), Dresden 1995; G. Steiner, K. Camman, B. Ross: Thick-film nitrate sensor with integrated miniaturised reference electrode. Eurosen­ sors 1994. Toluose, April, 25-28 1994 (proc. P. 64); H. Kaden, M. Hösel, M. Gläser, W. Oelßner: pH-Sensor in Dickschichttechnik und Verfahren zu seiner Herstellung. Planar electrochemical sensors have so far been available in a thick film version on di electrical substrates [see e.g. B. A.A. Shul'ga, B. Ahlers, K. Camman: Ions selective conductometric microsensors: theory and practice. 2. Dresden Sen sor symposium (short versions), Dresden 1995; G. Steiner, K. Camman, B. Ross: Thick-film nitrate sensor with integrated miniaturized reference electrode. Euroses sors 1994. Toluose, April, 25-28 1994 (proc. P. 64); H. Kaden, M. Hösel, M. Brille, W. Oelßner: pH sensor in thick-film technology and process for its production.  

DE 195 06 883 (1995); W. Oelßner, H. Kaden, G. Köhler, B. Hegewald: Iridiumoxide­ lektrode zur Messung des pH-Wertes und Verfahren zu ihrer Herstellung. DE 4 40 662 (1994); W. Vonau, H. Kaden, C. Kretzschmar, P. Otschik, I. Krabbes, W. Woithe, M. Große (1997): Elektrochemischer Sensor und Verfahren zu seiner Herstellung. P 197 14 474.8] und in der Dünnfilmtechnik [M. Lamprechts, W. Sansen: Biosensors: Micromechanical Devices. Institute of Physics Publishing. Bristol, Philadelphia, New York. 1992; W. Oelßner: ISFET - Vorzüge und Probleme. Achema-Magazin (Frank­ furt/Main) (1991) 48-54] bekannt.DE 195 06 883 (1995); W. Oelßner, H. Kaden, G. Köhler, B. Hegewald: Iridium oxides Electrode for measuring the pH value and process for its production. DE 4 40 662 (1994); W. Vonau, H. Kaden, C. Kretzschmar, P. Otschik, I. Krabbes, W. Woithe, M. Große (1997): Electrochemical sensor and method for its production. P 197 14 474.8] and in thin film technology [M. Lamprechts, W. Sansen: Biosensors: Micromechanical devices. Institute of Physics Publishing. Bristol, Philadelphia, New York. 1992; W. Oelßner: ISFET - advantages and problems. Achema magazine (Frank furt / Main) (1991) 48-54].

Kritik am Stand der TechnikCriticism of the state of the art

Die Wirtschaftlichkeit von dünnfilmtechnisch erzeugten Produkten ist nach allgemei­ ner Erfahrung erst bei Stückzahlen < 100.000 pro Jahr gegeben, bedingt durch hohe Investitionskosten für die Anschaffung der apparativen Ausrüstung zur Durchführung der Dünnfilmtechnologie. In Dickschichttechnik hergestellte Erzeugnisse dagegen können schon ab einem Bedarf von einigen hundert Stück pro Jahr rentabel produ­ ziert werden. Elektrochemische Sensoren werden aber nicht in den für die Anwen­ dung der Dünnfilmtechnik rentablen Produktionszahlen benötigt.The economy of thin film products is general Experience is only given for quantities <100,000 per year, due to high Investment costs for the acquisition of equipment for implementation of thin film technology. By contrast, products manufactured using thick-film technology can produce profitably from a requirement of a few hundred pieces per year be decorated. However, electrochemical sensors are not used for the users profitable production figures.

Die Dicke der in Dünnfilmtechnik erzeugbaren Edelmetallschichten beträgt ≦ 1 µm. In den Fällen, in denen zur Sensorherstellung eine partielle chemische Umsetzung die­ ser Schichten (beispielsweise durch Bildung von AgBr aus Silber nach: Ag + Br → AgBr + e⁻) erforderlich ist, besteht bei geringen Schichtdicken des Metalls die Gefahr, daß das gesamte Metall umgesetzt wird. Es würde danach kein Elektronenleiter zur Ableitung des Sensorsignals zur Verfügung stehen. Desweiteren ist der Schichtauf­ bau auf den Silicium-Substraten bis hin zur außenliegenden metallischen Nutz­ schicht sehr komplex und daher nur mit hohem Aufwand zu realisieren. Im Falle ei­ ner Pt-Dünnfilmelektrode ist z. B. die Schichtfolge Silicium-Siliciumdioxid- Siliciumnitrid-Titan-Platin üblich, bei entsprechenden Goldelektroden müssen Zwi­ schenschichten aus Ni und Nickel/Chrom erzeugt werden. Bei der Vereinzelung der auf einem Wafer erzeugten Elektroden wird an den Kanten des Substrates leiffähi­ ges Silicium freigelegt, das durch nachfolgende Schritte, wie anodische Oxydation oder Verkappung mit Harzen, isoliert werden muß.The thickness of the precious metal layers that can be produced using thin-film technology is ≦ 1 µm. In the cases in which a partial chemical conversion is required for sensor production these layers (for example by forming AgBr from silver according to: Ag + Br → AgBr + e⁻) is necessary, there is a risk with thin layers of metal, that all the metal is implemented. There would then be no electron conductor Derivation of the sensor signal are available. Furthermore, the layer is on construction on the silicon substrates up to the external metallic use layer very complex and can therefore only be realized with great effort. In the case of egg ner Pt thin film electrode is e.g. B. the layer sequence silicon-silicon dioxide Silicon nitride titanium platinum usual, with appropriate gold electrodes Zwi layer layers of Ni and nickel / chrome can be produced. When separating the Electrodes produced on a wafer become conductive at the edges of the substrate  full silicon exposed by subsequent steps, such as anodic oxidation or capping with resins, must be isolated.

Der Einsatz der Dickschichttechnik hat den Nachteil, daß durch den verfahrensbe­ dingten Zusatz von Hilfsstoffen zu den Dickschichtpasten, z. B. organischer oder anorganischer Bindern, Fremdstoffe in die herzustellenden Schichten eingebracht werden. Das erweist sich dann als ungünstig, wenn durch diese Fremdstoffe stören­ de Wechselwirkungen zwischen der Funktionsschicht des Sensors und Bestandtei­ len der Meßmedien auftreten. Beispielsweise kann ein organischer Binder beim Kontakt der Dickschichtstruktur mit organischen Lösungsmitteln bei höheren Tempe­ raturen zumindest teilweise angegriffen werden. Darüber hinaus kann es zu chemi­ schen Reaktionen zwischen dem feinstkörnigen Metall in der Dickschicht und der als Binder fungierenden Substanz kommen. Weiterhin weichen die elektrischen Eigen­ schaften von in Dickschichttechnik hergestellten Metallschichten durch die Anwe­ senheit von Fremdstoffen in unerwünschter Weise von denen der reinen Metalle ab. Die Folge ist, daß der höhere innere Widerstand der Dickschichtsensoren gegenüber gleichartigen Sensoren mit Funktionselementen aus kompakten Metallkörpern, wie Drähten und Blechen, zu meßtechnischen Problemen führen kann. Für den Fall, daß im Herstellungsprozeß des Sensors Metallschichten durch nachfolgende chemische Reaktionen modifiziert werden müssen, ist eine verminderte Leitfähigkeit ebenfalls nachteilig. Die für das Einbrennen der Pasten notwendigen hohen Temperaturen können sich in vielfältiger Weise nachteilig auswirken, z. B. auf die Formstabilität von Glassubstraten.The use of thick-film technology has the disadvantage that Addition of additives to the thick-film pastes, e.g. B. organic or inorganic binders, foreign substances introduced into the layers to be produced become. This proves to be unfavorable if these foreign substances interfere de Interactions between the functional layer of the sensor and constituent len of the measuring media occur. For example, an organic binder can Contact of the thick-film structure with organic solvents at higher temperatures instruments are at least partially attacked. In addition, it can be too chemi reactions between the fine-grained metal in the thick layer and the as Binder acting substance come. Furthermore, the electrical properties give way through the application of metal layers produced in thick-film technology Foreign substances undesirably from those of pure metals. The result is that the higher internal resistance of the thick film sensors Similar sensors with functional elements made of compact metal bodies, such as Wires and sheets, can lead to measurement problems. In case that in the manufacturing process of the sensor metal layers by subsequent chemical Reactions that need to be modified are also reduced conductivity disadvantageous. The high temperatures necessary for baking the pastes can adversely affect in a variety of ways, e.g. B. on the dimensional stability of Glass substrates.

Aufgabetask

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sensorelement für elektrochemische Messungen zu schaffen, das eine oder mehrere nebeneinander angeordnete metal­ lische Flächen auf einem planaren Substrat aufweist, die haftfest und beständig ge­ genüber Elektrolytlösungen sind. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein in technischem Maßstab rationell durchführbares Herstellungsverfahren für ein derarti­ ges Sensorelement aufzuzeigen. The invention has for its object a sensor element for electrochemical Measurements to create one or more metal arranged side by side ical surfaces on a planar substrate that ge adherent and resistant compared to electrolyte solutions. It is another object of the invention to provide a technical scale rationally feasible manufacturing process for such a to show the sensor element.  

Lösungsolution

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Überzug aus Nickel- Phosphor (unstöchiometrische Verbindung beider Elemente, im folgenden als NiP bezeichnet) mit einem Phosphorgehalt zwischen 8 und 11 Masseprozent oder meh­ rere Überzüge 5 aus NiP auf Oxid-Keramik- oder Glassubstraten 1 stromlos aufge­ bracht und diese mit einer oder mehreren stromlos oder galvanisch abgeschiedenen Edelmetall- oder Edelmetall-Legierungsschichten 2 überschichtet werden. Zur Bil­ dung einer definierten Sensorfläche wird eine isolierende Schutzschicht 6, ggf. mit Fenstern, über die Metallstruktur(en) aufgebracht. Darüber hinaus können auf das metallische Schichtsystem zusätzliche Metalle galvanisch abgeschieden werden. Auf dem Substrat können weitere Strukturelemente vorhanden sein, die hinsichtlich ihrer geometrischen Form und ihrer Zusammensetzung entweder gleich oder unterschied­ lich aufgebaut sind. Mehrere auf dem Substrat befindliche Strukturelemente können zu einem Sensor zusammengeschaltet sein, z. B. als Dreielektrodenmeßzelle, bestehend aus räumlich getrennter Arbeitselektrode mit dem Schichtaufbau NiP/Au, Bezugselektrode mit dem Schicht­ aufbau: NiP/Au/Ag/AgCl und Gegenelektrode mit dem Schichtaufbau: NiP/Au. Es können mehrere einzelne Sensoren als Multisensormodul, beispielsweise als amperometrische Zweielektrodenmeßzelle mit den Schichtaufbauten NiP/Au/Ag/AgCl als Anode und NiP/Au als Kathode, Redoxelektrode mit dem Schichtaufbau NiP/Au sowie Referenzelektrode mit dem Schichtaufbau NiP/Au/Ag/AgCl zusammenwirken.According to the invention the object is achieved in that a coating of nickel phosphorus (unstoichiometric connection of both elements, hereinafter referred to as NiP) with a phosphorus content between 8 and 11 percent by mass or several coatings 5 of NiP on oxide-ceramic or glass substrates 1 without current brought up and these are covered with one or more electroless or electrodeposited precious metal or precious metal alloy layers 2 . To form a defined sensor surface, an insulating protective layer 6 , possibly with windows, is applied over the metal structure (s). In addition, additional metals can be electroplated onto the metallic layer system. Further structural elements can be present on the substrate, which are either identical or different in structure with regard to their geometric shape and composition. Several structural elements located on the substrate can be interconnected to form a sensor, e.g. B. as a three-electrode measuring cell, consisting of spatially separated working electrode with the layer structure NiP / Au, reference electrode with the layer structure: NiP / Au / Ag / AgCl and counter electrode with the layer structure: NiP / Au. Several individual sensors can be used as a multi-sensor module, for example as an amperometric two-electrode measuring cell with the layer structure NiP / Au / Ag / AgCl as anode and NiP / Au as cathode, redox electrode with the layer structure NiP / Au and reference electrode with the layer structure NiP / Au / Ag / AgCl work together.

Die Strukturen werden über die ebenfalls durch chemische Metallabscheidung er­ zeugten elektrischen Leitbahnen 4 mittels Steck- oder Bondverbindung 8 mit einem Ableitkabel 7 elektrisch kontaktiert. The structures are electrically contacted via the electrical interconnects 4, which are also produced by chemical metal deposition, by means of a plug or bond connection 8 with a discharge cable 7 .

AusführungsbeispielEmbodiment

An einem Aluminiumoxid-Keramiksubstrat (Reinheit < 99,9%) 1 werden folgende Arbeitsschritte zur Herstellung eines Sensors zur potentiometrischen Bestimmung des Redoxpotentials vollzogen:
The following steps for producing a sensor for the potentiometric determination of the redox potential are carried out on an aluminum oxide ceramic substrate (purity <99.9%) 1 :

  • 1. Reinigen der Substratoberfläche von Staub, Schmutz, Fett sowie anhaftenden Verunreinigungen durch Behandlung mit einem alkalischen Heißentfetter bei 60°C und anschließend mit Aceton, nachfolgendes Beizen mit 20%iger NaOH-Lösung bei 60°C1. Clean the substrate surface from dust, dirt, grease and adhering Contamination by treatment with an alkaline hot degreaser 60 ° C and then with acetone, subsequent pickling with 20% NaOH solution at 60 ° C
  • 2. Vollständiges Überziehen der Substratoberfläche mit Photolack2. Complete coating of the substrate surface with photoresist
  • 3. Belichten des Photolackes mit Strukturnegativ mittels UV-Strahlung Gemäß Bild 2 besteht die Struktur aus zwei rechteckigen Flächen sowie den elektrischen Ableitbahnen.3. Exposing the photoresist with structure negative using UV radiation. According to Figure 2, the structure consists of two rectangular areas and the electrical conductor tracks.
  • 4. Öffnen der zu metallisierenden Fenster im Photolack4. Open the windows to be metallized in the photoresist
  • 5. Sensibilisieren der Substratoberfläche mit Zinn(II)-Ionen bei Raumtemperatur5. Sensitize the substrate surface with tin (II) ions at room temperature
  • 6. Reduktion von Pd(II)-Ionen auf der Substratoberfläche zur Bildung von Palla­ diumkeimen6. Reduction of Pd (II) ions on the substrate surface to form palla germinating
  • 7. Abscheiden eines phosphorreichen NiP-Überzuges 5 im Elektrolyte, wobei die Schichtdicke von 1 µm nicht überschritten werden darf, da sonst das Entlac­ ken nicht mehr möglich ist7. Deposition of a phosphorus-rich NiP coating 5 in the electrolyte, the layer thickness not exceeding 1 .mu.m, since otherwise the Entlac ken is no longer possible
  • 8. Entfernen der Lackstruktur mit Aceton im Ultraschallbad8. Remove the lacquer structure with acetone in an ultrasonic bath
  • 9. galvanische Goldschicht (Goldgehalt < 99,9 Masseprozent) 2 auf NiP- Strukturen 5 auf der Basis eines Kaliumgoldcyanid-Elektrolyten mit einer Goldkonzentration von 12 g/l Au bei pH = 7 und einer Temperatur von 50°C mit einer Abscheiderate von 0,15 um/min abscheiden9. electroplated gold layer (gold content <99.9 mass percent) 2 on NiP structures 5 based on a potassium gold cyanide electrolyte with a gold concentration of 12 g / l Au at pH = 7 and a temperature of 50 ° C. with a deposition rate of 0 , Deposit 15 µm / min
  • 10. Bonden von zwei Kabeln 7 an die Leitbahnen 4 10.Bonding two cables 7 to the interconnects 4
  • 11. Aufbringen isolierender Deckschicht mit Fenster(n) 6 über Metallstrukturen Das Isolationsmaterial besteht aus Epoxidharz, welches im Gießverfahren aufgetragen wird. Um mindestens eine der beiden Gold-Strukturen wird das Harz wannenförmig ausgebildet, d. h. es besteht ein Harzüberstand von min­ destens 1 mm.11. Application of an insulating cover layer with window (s) 6 over metal structures. The insulation material consists of epoxy resin, which is applied using the casting process. The resin is trough-shaped around at least one of the two gold structures, ie there is a resin overhang of at least 1 mm.
  • 12. Erzeugung weiterer Schichten 3 in einem oder in beiden der Fenster
    Die Goldschicht wird chemisch versilbert und das entstandene Silber wird elektrochemisch zu AgCl umgesetzt. Anschließend wird ein mit Kaliumchlorid gefülltes Polymergel auf Basis von Polyvinylalkohol in die vom Isolationsmate­ rial gebildete Wanne eingebracht und darüber eine dünne Membran durch Aufbringung eines Gemisches aus 10% Celluloseacetat in Aceton oder 7,5% Cellulosetriacetat in Methylenchlorid abgeschieden.
    12. Generation of additional layers 3 in one or both of the windows
    The gold layer is chemically silver-plated and the resulting silver is electrochemically converted to AgCl. Subsequently, a polymer gel filled with potassium chloride based on polyvinyl alcohol is introduced into the tub formed by the insulating material and a thin membrane is deposited over it by applying a mixture of 10% cellulose acetate in acetone or 7.5% cellulose triacetate in methylene chloride.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Der Vorteil der Erfindung besteht dann, daß ein planares Sensorelement für elektro­ chemische Messungen mit sowohl mechanisch als auch unter Einwirkung von elek­ trolytischen Lösungen haftfesten strukturierten metallischen Funktionsschichten zur Verfügung steht, was durch Abrißtests und Polarisationsversuche in elektrolytischen Lösungen belegt wurde, wobei diese metallischen Schichten mit einer preisgünstigen Technologie erzeugt werden können. Es können Strukturbreiten von minimal 50 µm erreicht und sowohl gleichartige als auch unterschiedliche metallische Schichten nach identischen Verfahren auf ein Substrat aufgebracht werden. The advantage of the invention is that a planar sensor element for electro chemical measurements with both mechanical and under the influence of elec trolytic solutions of adherent structured structured functional layers What is available is by demolition tests and polarization tests in electrolytic Solutions was proven, these metallic layers with an inexpensive Technology can be generated. Structure widths of at least 50 µm can be achieved achieved and both similar and different metallic layers are applied to a substrate using identical methods.  

BezugszeichenlisteReference list

11

Substrat
Substrate

22nd

metallische Funktionsschicht
metallic functional layer

33rd

weitere Funktionsschicht(en)
further functional layer (s)

44th

elektrische Leitbahn
electrical interconnect

55

Ni-P-Überzug
Ni-P coating

66

Ummantelungsmaterial
Sheathing material

77

Kabel
electric wire

88th

Löt- oder Bondstelle
Solder or bond point

AbbildungenIllustrations

Abb. 1
Querschnitt durch das erfindungsgemäße Sensorelement für elektrochemische Mes­ sungen
Fig. 1
Cross section through the sensor element according to the invention for electrochemical measurement solutions

Abb. 2
Draufsicht auf eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorelementes zur Redoxpotentialmessung.
Fig. 2
Top view of an embodiment of the sensor element according to the invention for redox potential measurement.

Claims (14)

1. Sensorelement für elektrochemische Messungen mit einer oder mehreren plana­ ren, auf einem dielektrischen Substrat (1), vorzugsweise Oxid-Keramik oder Glas, befindlichen Halbzellen, die entweder nur aus metallischen Funktionsschichten (2) oder zusätzlich zu diesen aus weiteren darüberliegenden metallischen oder nicht­ metallischen Schichten (3) bestehen, wobei jede Halbzelle mit einer elektrischen Leitbahn (4) aus dem Metall der zuunterst liegenden Metallschicht verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Metallschicht jeweils um auf Nickel- Phosphor-Überzügen (5) auf chemischem Wege aufgetragene Edelmetall- oder Edelmetall-Legierungsschichten mit Dicken von 1 bis 10 µm handelt, wobei auf ei­ nem Substrat unterschiedliche auf chemischem Wege aufgetragene Metall­ schichten vorhanden sein können.1. Sensor element for electrochemical measurements with one or more plan, on a dielectric substrate ( 1 ), preferably oxide-ceramic or glass, located half-cells, either only from metallic functional layers ( 2 ) or in addition to these from other overlying metallic or not metallic layers ( 3 ), each half cell being connected to an electrical interconnect ( 4 ) made of the metal of the lowest metal layer, characterized in that the metal layer is in each case made of nickel-phosphorus coatings ( 5 ) by chemical means applied noble metal or noble metal alloy layers with thicknesses of 1 to 10 microns, wherein different layers of chemically applied metal layers may be present on a substrate. 2. Sensorelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Nickel- Phosphorüberzug (5) eine Dicke von 3 µm aufweist.2. Sensor element according to claim 2, characterized in that the nickel-phosphor coating ( 5 ) has a thickness of 3 microns. 3. Sensorelement nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Nickel-Phosphorüberzug 8 bis 11 Masseprozent Phosphor enthält.3. Sensor element according to claims 1 and 2, characterized in that the Nickel-phosphorus coating contains 8 to 11 percent by mass of phosphorus. 4. Sensorelement nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die auf den Nickel-Phosphorüberzügen (5) aufgetragenen Edelmetall- oder Edelme­ tall-Legierungsschichten strukturiert sind.4. Sensor element according to claims 1 to 3, characterized in that the on the nickel-phosphor coatings ( 5 ) applied precious metal or Edelme tall alloy layers are structured. 5. Sensorelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die auf chemischem Wege erzeugten Edelmetall- oder Edelmetall-Legierungsschichten (2) durch chemische oder elektrochemische Re­ aktionen, z. B. Chlorierung von Silber, teilweise an der dem Substrat (1) abge­ wandten Seite umgesetzt oder stromlos bzw. elektrolytisch mit anderen Metallen (3) beschichtet sind.5. Sensor element according to one or more of the preceding claims, characterized in that the noble metal or noble metal alloy layers ( 2 ) produced by chemical means by chemical or electrochemical reactions, for. B. chlorination of silver, partially on the side facing the substrate ( 1 ) implemented or electrolessly or electrolytically coated with other metals ( 3 ). 6. Sensorelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß über den Edelmetall- oder Edelmetall- Legierungsschichten (2) oder über den durch chemische oder elektrochemische Umsetzung dieser Schichten bzw. durch galvanische oder elektrolytische Metall­ abscheidung hergestellten zusätzlichen Schichten weitere mit anderen Methoden, z. B. durch Siebdruck von chemisch aktiven Pasten erzeugte Schichten vorhanden sind.6. Sensor element according to one or more of the preceding claims, characterized in that over the noble metal or noble metal alloy layers ( 2 ) or over the additional layers produced by chemical or electrochemical implementation of these layers or by galvanic or electrolytic metal deposition other methods, e.g. B. layers produced by screen printing of chemically active pastes are present. 7. Sensorelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die beschichteten Substrate (1) konfektioniert, d. h. mit an den Leitbahnen (4) über Löt- oder Bondstellen (8) angebrachten elektrischen Leitungen (7) oder Steckverbindern versehen und mit isolierenden Verkappungs­ materialien (6) in der Weise ummantelt sind, daß definierte Flächen der jeweils außen liegenden Schichten zur Signalerzeugung mit Meßmedien freiliegend sind.7. Sensor element according to one or more of the preceding claims, characterized in that the coated substrates ( 1 ) are assembled, ie provided with electrical conductors ( 7 ) or plug connectors on the interconnects ( 4 ) via soldering or bonding points ( 8 ) and are coated with insulating capping materials ( 6 ) in such a way that defined areas of the respective outer layers for signal generation with measuring media are exposed. 8. Verfahren zur Herstellung von Sensorelementen für elektrochemische Messungen nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Reinigung eines dielektrischen Substrates in einem photolithographischen Prozeß das Negativbild der für das Sensorelement vorgesehenen Struktur erzeugt wird.8. Process for the production of sensor elements for electrochemical measurements according to the preceding claims, characterized in that according to the Cleaning a dielectric substrate in a photolithographic process the negative image of the structure provided for the sensor element is generated. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratoberfläche, die im Falle des Vorhandenseins von mindestens zwei isoliert nebeneinander lie­ genden, durch Photolithographie erzeugte Flächen strukturiert ist, sensibilisiert, aktiviert und stromlos mit einem NiP-Überzug (5) metallisiert wird, wobei die NiP- Schicht eine Stärke von 0,1 µm nicht überschreiten darf.9. The method according to claim 8, characterized in that the substrate surface, which is structured in the presence of at least two insulated lying lying areas, generated by photolithography, is sensitized, activated and electrolessly metallized with a NiP coating ( 5 ), the NiP layer must not exceed a thickness of 0.1 µm. 10. Verfahren nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die ge­ samte Probe gestrippt und dadurch die Metallstruktur festgelegt wird.10. The method according to claims 8 and 9, characterized in that the ge entire sample is stripped and thereby the metal structure is determined. 11. Verfahren nach den Ansprüchen 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der NiP- Überzug stromlos oder galvanisch verstärkt wird.11. The method according to claims 8 to 10, characterized in that the NiP Coating is electrolessly or galvanically reinforced. 12. Verfahren nach den Ansprüchen 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die ver­ stärkte NiP-Anschlagschicht (5) auf chemischem Wege mit einem Edelmetall, vor­ zugsweise Gold, Palladium oder Silber, überzogen wird, wodurch eine beliebige Anzahl von flächigen, linien- oder punktförmigen Strukturelementen erzeugt wer­ den kann. 12. The method according to claims 8 to 11, characterized in that the reinforced NiP stop layer ( 5 ) is chemically coated with a noble metal, preferably gold, palladium or silver, whereby any number of flat, linear or point-shaped structural elements who can. 13. Verfahren nach den Ansprüchen 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß alle oder auch nur einige der auf chemischem Wege hergestellten Edelmetallschichten (2) durch zusätzliche, über diesen liegende Schichten (3) durch partielle elektroche­ mische oder chemische Umsetzung der Edelmetallschichten, überzogen werden.13. The method according to claims 8 to 12, characterized in that all or only some of the noble metal layers produced by chemical means (2) are covered by additional, overlying these layers (3) by partial electrochemical mix or chemical reaction of the noble metal layers, . 14. Verfahren nach den Ansprüchen 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das alle Strukturelemente tragende Substrat (1), einschließlich der nach den Verfahrens­ schriften der Ansprüche 8 bis 12 erzeugten Ableitbahnen (4) und evt. zusätzlichen Schichten (3) konfektioniert wird, d. h. es wird an den Leitbahnen (4) kontaktiert und durch Umspritzen oder Umgießen mit nichtleitfähigen Ummantelungsmateria­ lien (6), wie Polypropen oder Epoxidharzen, vor dem Angriff durch Meßmedien geschützt.14. The method according to claims 8 to 13, characterized in that the substrate carrying all the structural elements ( 1 ), including the deflection paths ( 4 ) produced according to the method specifications of claims 8 to 12 and possibly additional layers ( 3 ) is assembled, that is, it is contacted on the interconnects ( 4 ) and by extrusion coating or encapsulation with non-conductive sheathing materials ( 6 ), such as polypropene or epoxy resins, to protect them from attack by measuring media.
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