光化学传感器的传感器盖和相应的光化学传感器的制作方法

本发明涉及一种用于确定或监视存在于介质中的至少一种分析物的光化学传感器的传感器盖，以及一种配备有根据本发明的传感器盖的电化学传感器。

背景技术：

诸如氧传感器的光化学分析物传感器是基于通常引入聚合物基质中的有机染料的分析物诱导的荧光或发光猝灭(luminescencequenching)的原理。特别地，为给定分析物定制的聚合物/染料混合物作为固体膜施加到例如玻璃板或光波导管的衬底。

在wo2005/100957a1中公开了用于确定和/或监视包含在流体过程介质中的分析物的装置。已知的装置具有带测量膜的传感器，该测量膜具有多孔的支撑结构。发光物质嵌入在支撑结构中并且与过程介质形成接触。此外，提供了发送单元和接收单元，其中发送单元发送测量辐射，并且发光物质被激发以发出发光辐射，并且其中接收单元检测相应产生的发光辐射。控制/评估单元基于发光物质的发光辐射的猝灭来检测过程介质中的分析物的浓度或部分压力/压力。顺便提及，发光是用于随着从激发态到基态的跃迁发生的在物质中产生光辐射的通用术语。

由申请人提供和销售的氧传感器在附图的如下描述的图1中示出。给定传感器外壳和传感器膜之间的无间隙密封，当传感器用于例如食品工业中时，该传感器满足对传感器设置的要求多的卫生要求。然而，如果已知的氧传感器在管道中，含有分析物的介质流过该管道，则在面向介质的膜的表面上可能发生气泡形成。当然，由于在膜的表面上形成气泡，所以作为在流动介质中待确定的分析物的氧的被测量值显著失真。

在de102011088012a1中公开了传感器盖，其具有面向介质的凸形形状。感测元件紧固到面向介质的凸形表面。在该专利申请中既没有提出这种凸形形状的优点，也没有谈到满足卫生要求。

技术实现要素：

本发明的目的是提出用于卫生应用的流动优化的传感器盖和相应的传感器。

该目的通过光化学传感器的传感器盖来实现，该传感器盖用于确定或监视存在于介质中的至少一种分析物并且具有基本上圆柱形的插入部件和套筒形外部部件。在面向介质的端部区域中，插入部件具有光学部件，该光学部件具有成形用于最佳流动的表面区域。该表面区域优选地是凸形的。在成形用于优化流动的表面区域的-优选地凸形-区域中，光学部件至少部分地由对测量辐射透明的材料构成。在光学部件的凸形表面区域上设置有基质，该基质具有至少一个分析物敏感功能层，该功能层具有对分析物敏感的物质。插入部件和套筒形部件被设计成使得与介质形成接触的连接区域在插入部件和套筒形外部部件之间，具体地在用于优化光学部件的流动的凸形表面区域的边缘区域中，或者在离光学部件的凸形表面区域的边缘区域一定的径向距离处，并且面向介质无间隙地被密封。

待确定或监视的分析物是存在于介质中的任何离子或气体，例如氧、氯等。具有分析物敏感功能层的基质优选由几个功能层构成。在本发明的几个实施例中，基质或基质的功能层中的至少一个能够布置在由塑料或金属网构成的衬底膜之内或之上。在本发明中，将具有至少一个功能层的基质和载体介质的这种组合称为膜。下面描述不限制本发明的实例。

根据本发明的传感器盖尤其具有以下优点：

-与分析物敏感的基质或膜的气泡粘附被流动优化的表面区域防止。

-传感器盖的设计满足了特别是在食品工业中的非常重要的要求多的卫生要求。

-传感器盖的设计是耐应力的。

根据本发明的传感器盖的优选实施例，如上所述，敏感基质是由至少两个功能层构成的多层系统，其中功能层中的一个包含分析物敏感物质或由分析物敏感物质构成。已知的传感器经常具有三个功能层，例如分析物可选择性渗透的第一功能层，用于化学和/或机械稳定性的第二功能层，以及包含分析物敏感的、并且因此传感器特定的物质的第三功能层。当相应地被光源激发时，该第三功能层以特定波长和/或分析物特定相位角发送发光或荧光或磷光信号，或者它吸收特定波长的辐射光。测量辐射的相应变化被检测到，并且测量辐射的相应变化是介质中的分析物的浓度的测量结果。

膜必须是分析物能够扩散通过的膜。然而，膜也可能具有透明的、非扩散的衬底膜。这阻挡了分析物。两种相应的膜设计在图4和图6中示出。

在根据本发明的传感器盖的一个有利的实施例中，分析物敏感的基质被布置在分析物能够扩散通过的膜之上或之中，该膜连接到凸形表面区域。表面区域与膜或基质之间的连接被设计为可分开的或不可分开的。如果膜由几个功能层构成，则单独的功能层之间的连接必须设计成使得即使在高温和高压下它也是化学上和物理上惰性的。

根据本发明的传感器盖的优选实施例，插入部件被设计为单件。分析物敏感的基质和/或膜被设计为柔性的并且另外用作用于插入部件和套筒形外部部件之间的无间隙密封的密封的装置。

在根据本发明的传感器盖的第一变型中，插入部件也被设计为单件。在凸形表面区域的边缘区域中设置有用于接收密封环的环形凹部。凹部和密封环定位和设计成使得与介质形成接触并且在插入部件和套筒形外部部件之间的连接区域抵靠介质无间隙地密封。

在根据本发明的传感器盖的有利的第二变型中，在与套筒形外部部件的轴向重叠区域中，插入部件在由两个部件构成：具有台阶状内轮廓的外环，以及具有与所述内轮廓对应的外轮廓的内环。光学部件在凸形表面区域的边缘区域中连接到内环。

特别地，对于根据本发明的传感器盖的上述第二变型，具有敏感基质的膜被尺寸设定为大于光学部件的凸形表面区域。突出超过凸形表面区域的膜的边缘区域固附在插入部件的内环和外环之间。固定优选借助于按压外环和内环来发生。

根据根据本发明的传感器盖的第二变型的修改，具有外轮廓的内环是插入部件的整体部分。

根据本发明的传感器盖的有利演变，并且特别是根据本发明的传感器盖的第二变型提供了用于将密封环容纳在面向介质的外环的边缘区域中的环形凹部。凹部和密封环定位和设计成使得与介质形成接触并且在插入部件的外环和套筒形外部部件之间的连接区域抵靠介质无间隙地密封。

此外，与上述传感器盖一起提出，外环的面向凸形表面区域的内边缘被设计成使得其与被设计为柔性膜的柔性敏感基质或敏感基质形成无间隙的环形接触区域。因此，膜或基质另外呈现(takeon)用于该过程的传感器盖的内腔室的密封。由于该密封是无间隙的，所以其满足在自动化工程的一些领域中施加在传感器上的要求多的卫生要求。

上面已经提到，传感器盖的单独部件借助于按压连接。或者，外环的内轮廓和内环的外轮廓具有相应的螺旋螺纹并且螺接在一起。该设计的优点是外环和内环能够使用特定的力矩彼此连接。

为了特别地限制插入部件和套筒形外部部件在轴向方向上的位置，相应地，在套筒形外部部件的内表面和插入部件的外表面上设置优选环形的止挡边缘。

该目的进一步通过用于确定或监视存在于介质中的至少一种分析物的光化学传感器来实现。这包括如上文在各种实施例中描述的根据本发明的传感器盖，具有光源、检测单元和控制/评估单元的电子部件。

优选地，光学部件被设计为使得其允许至少一个特定波长的光通过，而特定波长之外的波长被滤出。为此目的，膜或基质的功能层中的一个被设计为具有过滤功能的层。

光化学传感器的一个有利的实施例提出，光源和检测器单元直接布置在光学部件的背离介质的区域处。测量辐射或光直接朝向光学部件辐射，或者检测器单元直接从光学部件接收光。在这方面，“直接”意味着没有中间光波导管。

光化学传感器的替代实施例提供至少一个光波导管，借助于所述至少一个光波导管将光从光源引导到光学部件的背离介质的区域以及从光学部件的背离介质的区域引导到检测器单元。

根据本发明的具有传感器盖的传感器的优选实施例提供，光波导管被设计为尺寸上稳定的杆形部件，在该杆形部件上，光学部件形成在面向介质的端部区域上。因此，光波导管和光学部件形成整体单元。

优选地，光学部件由诸如玻璃的固体构成。然而，在本申请中描述的一些实施例中，光学部件能够由至少一种弹性材料制成。此外，光学部件能够由实心材料和弹性材料构造。取决于传感器设计，光学部件的与套筒形部件形成接触的区域例如由弹性材料构成，而其余部分由固体制成。

附图说明

参照下面的附图更详细地解释本发明。示出的是：

图1：从现有技术中已知的传感器盖的纵向截面，

图1a：来自图1的被指定为a的截面的放大图，

图2：根据本发明的传感器盖的第一变型的纵向截面，

图2a：来自图2的被指定为a的截面的放大图，

图3：根据本发明的传感器盖的第二变型的纵向截面，

图3a：来自图3的被指定为a的截面的放大图，

图4：与根据本发明的传感器盖一起使用的分析物敏感膜的第一变型的横截面，

图5：与根据本发明的传感器盖一起使用的分析物敏感膜的第二变型的横截面，

图6：根据本发明的传感器盖的第三变型的纵向截面，

图6a：来自图6的被指定为a的截面的放大图，

图7：根据本发明的传感器盖的第四变型的纵向截面，

图7a：来自图7的被指定为a的截面的放大图。

具体实施方式

图1示出从现有技术已知的光化学传感器盖2的纵向截面。图1a示出来自图1的被指定为a的截面的放大图。传感器盖2由经常也称为圆点壳体(spothousing)的圆柱形壳体构成，其由套筒形外部部件6和插入部件5构成。部件5、6、7在传感器轴的区域中借助于螺纹接头35相互连接。

面向介质3的圆柱形壳体的端部区域由用于确定分析物4的基质11封闭。待确定或监视的分析物4是存在于介质3中的任何离子或气体。分析物敏感的基质11优选由几个功能层构成。功能层12中的一个包含分析物敏感物质。

在已知的解决方案中，圆形的、平坦的、透明的玻璃基板被用作光学部件7或光学零件，其中在面向介质3的表面上施加有分析物敏感的基质11。套筒形外部部件6的面向介质3的端部区域具有环形凹部38，o形环16作为密封件插入该环形凹部38中。借助于o形环16，在连接区域10中的套筒形外部部件6抵靠分析物敏感的基质11或膜轴向地且无间隙地密封。

已知的设计满足施加在光化学传感器1或光化学传感器盖2上的所有必需的敏感、卫生和负载特定的要求。然而，在某些应用中，在朝向内部凹进的膜11的边缘区域中的连接是不利的。如果已知的传感器1基本上垂直地安装在容器或管道中，则存在气泡聚集在分析物敏感膜11上的危险，这通常在确定分析物4中引起测量误差。当然，该影响对于氧传感器1是特别有问题的。

此外，已经公开了传感器1，其具有也被称为圆点的敏感部件的稍微凸形变形。一方面，通过将经涂覆的玻璃基板7胶合到外部部件6(也称为圆点套筒)，另一方面，通过直接按压敏感基质11或膜的圆点套筒6来提供密封。两种已知的密封变型不像根据本发明的本解决方案一样有效地满足要求多的卫生要求或者防止气泡附着到分析物敏感膜11上。

图2示出根据本发明的传感器盖2的第一变型的纵向截面。图2a示出来自图2的被指定为a的截面的放大图。在该变型中，光学部件7同时被设计为插入部件5。就生产工程而言，该解决方案是特别有用的，因为插入部件5和光学部件7形成整体单元。光学部件5优选地由透明塑料制成，或者替代地由石英玻璃制成。为了满足光学要求，当凸形成形或成形为优化光学部件7的流动的表面区域8的至少一部分由对光源的测量辐射透明的材料构成时也是足够的，该光源在图1中未单独示出。

分析物敏感的基质11直接施加到面向介质3的表面区域8。这优选由具有不同功能层12、13、14的多层系统构成。多层系统的两个示例在图4和图5中进一步描述。

在根据本发明的传感器盖2的所有设计中，多层系统还优选地使用喷涂方法或使用另一种已知的施加方法来施加。基质11的功能层12、13、14或者直接施加到表面区域8上，或者它们被施加在衬底膜41或网42上，其中以这种方式形成的膜43然后与表面区域8形成接触。基质11或膜43覆盖形成为优化流动的表面区域8的至少一部分。为了确保基质11或膜43与表面区域8之间的物理上和化学上可靠的结合，光学部件7的材料在至少表面区域8中是强粘合剂，或者它能够通过相应的表面激活方法粘附地激活。这也又适用于根据本申请中描述的本发明的传感器盖2的所有实施例。

插入部件5在所描绘的情况下对应于光学部件7。插入部件5和套筒形部件6设计成使得，与插入部件5；7和套筒形外部部件6之间的介质3形成接触的连接区域10位于光学部件7的凸形表面区域8的边缘区域9内，并且抵靠介质5无间隙地密封。为此目的，插入部件5或光学部件7具有环形凹部15，该环形凹部15用于将密封环16、特别是o形环容纳在优选为凸形表面区域8的边缘区域9中。当然，也能够使用其它密封件，例如模制密封件。o形环沟槽15因此被直接引入到光学部件中。密封环16以径向和无间隙的方式密封连接区域10。在根据本发明的解决方案的上下文中，“无间隙”意味着在与介质形成接触的连接区域10中不会出现以下空腔：介质颗粒可能在该空腔中累积，使得不能使用在自动化工程中常见的清洁过程来消除它们。

为了插入部件5或光学部件7在套筒形外部部件6中的特定轴向定位的目的，在传感器轴的区域中，在插入部件5和套筒形外部部件6的重叠区域处设置相应的止挡边缘28、29。优选地，两个部件5、6借助于压配合彼此连接。

在所描绘的实施例中，防止了敏感基质11上的机械应力，因为在密封环16与分析物敏感的基质11或膜之间没有接触。光学部件7联接到一个或多个光波导管34。或者，光源31和检测器单元32也能够与光学部件7直接相互作用，即，而不介入至少一个光波导管34。给定材料的适当选择和适当的设计，光学部件7也能够呈现附加的功能。因此，光学部件7还能够被设计为用于不同光谱的单侧或双侧滤光器元件，作为用于光束偏转和/或光束分割的棱镜元件，或者被设计为单侧、双侧、全反射或半反射元件。这种可能性也适用于根据本申请中描述的本发明的所有解决方案。

用于光学部件7的合适的材料例如是对于所选择的波长范围透明的。其在热、气密、非膨胀或仅轻微膨胀(水吸收剂)和/或耐化学的情况下是尺寸稳定的。例如，石英玻璃具有所有这些性质；然而，也存在完全满足上述性质的合适的塑料。

为了防止插入部件5或光学部件(例如由于来自介质的压力)的轴向移位，插入部件5由位于中心轴的区域中的固定部件阻滞(arrest)。在所描绘的情况下，该可固定安装的部件是光波导管34的套筒。

未单独描绘的、在图2中描述的变型的优选实施例，提供的是，光学部件7至少在表面区域8的边缘区域9中被弹性地设计。在这种情况下，能够省略密封环16。能够通过在套筒形外部部件6的合适地设计的边缘区域和光学部件7的表面区域8的弹性设计的边缘区域9之间的夹紧连接部来实现无间隙密封。

根据本发明的传感器盖2的第一变型的主要优点是，由于相应的设计，仅使用单个部件作为插入部件5，所述部件呈现各种不同的机械和光学功能。这些功能具体地是：

-用于分析物敏感的基质的支撑元件，

-避免由于光学部件7的凸形或流动优化的形状而在基质11上的气泡形成，

-作为用于将插入部件5；7紧固在套筒形外部部件6中的机械紧固元件的光学部件7的设计，

-在光波导管34和敏感基质11之间的光学连接元件，

-支撑用于无间隙密封的密封环16。

已经结合根据本发明的传感器盖2的第一变型描述了光学部件7的其它有利实施例。

进一步的优点是：

-只有一个与介质3形成接触的、可能可更换的密封环16。

-连接部满足要求多的卫生要求，例如用于食品工业或制药工业。

-分析物敏感的基质11具有流动优化的、特别是凸形或平坦形状。

-分析物敏感的基质11不经受机械负荷。

-圆点套筒或套筒形外部部件是可重复使用的。

-安装或更换点易于执行。

大部分上述优点也适用于下面描述的解决方案。这些解决方案在在每个单独情况中都容易能够由有专业资格的人辨别。

图3示出根据本发明的传感器盖2的第二变型的纵向截面。图3a示出来自图3的被指定为a的截面的放大图。尽管在上述实施例中光学部件7同时被设计为插入部件5，但是这两个功能在图3中所示的实施例中是分开的。

插入部件5在套筒形外部部件6中的机械紧固通过外环18和内环20实现，其中外部部件6具有内轮廓19，该内轮廓19对应于内环20的外轮廓21。光学部件7借助于相应的止挡边缘连接到插入部件5。这些是光学部件7和内环20上的止挡边缘36、37。在所描绘的情况下，在背离介质3的方向上的轴向固定在另一方面由光波导管34的套筒实现。有专业资格的人熟悉其它紧固选项。

内环20的面向介质3的、搁靠(lieagainst)光学部件7的凸形表面区域8的端部区域被成形为使得在两个部件之间存在平滑过渡。表面区域8的曲率因此在内环20的面向介质3的端部区域中连续。

分析物敏感膜11优选地设计成使得其边缘区域突出超过凸形表面区域8和内环20的面向介质3的邻接端部区域。当两个环18、20挤压在一起时，分析物敏感膜11的突出边缘区域夹紧在外环18和内环20之间。当然，当仅在光学部件7的流动优化的成形的表面区域8的区域中施加单独的功能层12、13、14是足够的。

外环18的面向介质3的端部区域的内边缘25被成形为使得其与柔性设计的膜11一起形成无间隙连接部10。连接区域10优选地毗连膜11的分析物敏感涂层的外部。在分析物敏感涂层的区域中避免了膜11上的机械负荷。由于膜11被优选不可逆地压紧在外环18和内环20之间，所以膜11同时实现卫生密封的功能。

在面向介质3的端部区域处，外环18在外边缘24的区域中具有环形凹部23，用于容纳密封环16。环形凹部15和密封环16布置和设计成使得，在插入部件5-这里具体地是外环18的外边缘-和套筒形外部部件6之间产生无间隙连接部10。在该实施例中，在插入部件5与套筒形外部部件6之间的无间隙卫生连接部10因此在离光学部件7的凸形表面区域8的边缘区域9一定的径向距离处。

光波导管34到敏感膜11或基质的光学链路通过光学部件7来实现，光学部件7被设计为实心模制部件或弹性模制部件，这取决于根据本发明的传感器盖2的变型。光学部件7与分析物敏感膜11以及由内环20和外环18组成的插入部件5一起提供能够根据需要更换的可靠连接部。

如在根据本发明的传感器盖2的第一变型的描述的上下文中已经提到的，给定相应的设计，光学部件7能够呈现各种功能。除了在期望的光谱范围内对光的高渗透率的要求之外，光学部件7还能够呈现成形功能。膜11的无论什么性质的形状由光学部件7的几何形状提供。已经结合根据本发明的传感器盖2的第一变型描述了另外的选项，并且所述另外的选项当然也能够用于这个和下面描述的本发明的实施例。

根据本发明的传感器盖2的第二变型的优点具体地是：

-光学部件7的面向介质3的表面区域8借助于分析物敏感的基质11与介质3分开。因此，任何基质后处理方法，例如清洁过程，只对分析物敏感的基质11或者膜施加应力，而不对光学部件7施加应力。

-只有一个与介质3形成接触的、可能可更换的密封环16。

-插入部件5和外部部件6之间的连接，其满足例如在食品工业或制药工业中的使用的要求多的卫生要求。

-分析物敏感的基质11具有流动优化的、特别是凸形或平坦形状。

-在分析物敏感表面区域8中，基质是机械无应力的。

-圆点套筒或套筒形外部部件6是可重复使用的。

-安装或更换圆点易于执行。

-具有流动优化的形状的光学部件7具有简单的设计。

在这种情况下，以下也保持正确：大多数上述优点也适用于根据本发明的解决方案的其它变型。这些解决方案的其它变型在在每个单独的情况中都容易能够由有专业资格的人辨别。

图4示出与根据本发明的传感器盖2一起使用的分析物敏感膜11的第一变型的横截面。优选地，介质和分析物不可渗透的膜41用作支撑元件，该支撑元件被施加有由三个功能层12、13、14构成并且形成层结构的基质11。功能层12、13、14中的一个包含分析物敏感物质。这提供了选择性分析物渗透性，并且当被适当激发时，以特定波长和/或分析物特定相位角发出发光或荧光或磷光信号，或者其吸收光。

附加的功能层确保来自环境的入射干扰辐射至少部分地被吸收。另一层确保例如物理和/或化学稳定性。取决于应用，功能层的组成能够变化。

图5示出与根据本发明的传感器盖2一起使用的膜43的第二变型的横截面。基质11施加到作为支撑元件的、可渗透分析物4的网42，例如金属网。膜43的这个实施例区别在于高的灵活性，其特别地简化了其与光学部件7的连接。关于基质11的层结构的构造，参考图4的示例性描述。不言而喻，基质11的层结构能够设计成非常灵活。

图6示出根据本发明的传感器盖2的第三变型的纵向截面，其相对于在图3中所示的第二变型仅具有结构的修改。图6a示出来自图6的被标记为a的截面的放大图。在该变型中，在图4中描述的并且形成插入部件5的元件的内环20是光学部件7的整体部分。因此，光学部件7呈现形状形成和结构上密封以及光学的任务。

图7示出根据本发明的传感器盖2的第四变型的纵向截面。另一方面，图7a示出来自图7的被标记为a的截面的放大图。

第四变型非常类似于根据在图3中所示的本发明的传感器盖2的第二变型。然而，其与第二变型的不同在于，敏感膜11不固定在外环18和内环20之间。在所描绘的情况下，内环20被设计为压环。压环在轴向方向上固定光学部件7。压环20的接触压力例如借助于螺接到外环18或通过按压来提供。

在该变型中，光学部件7再次被非常简单地设计。如在图3中所示的变型中，通过外环18的内边缘25的特定形状，实现了到光学部件7的无间隙连接部10。弹性设计的基质11的对应的边缘区域9被用作密封部，或者光学部件7被设计为至少在相应的接触区域26内是柔性的，并且呈现密封功能。

外环18和套筒形外部部件6或圆点套筒之间的无间隙连接部10由定位于外环18的外边缘24中的环形凹部23中的密封环16提供。为了进一步细节参见图3的描述。

附图标记列表

1光化学传感器

2光化学传感器盖

3介质

4分析物、诸如氧

5插入部件

6套筒形外部部件

7光学部件

8表面区域

9边缘区域

10无间隙连接区域

11基质

12具有传感器特定物质的分析物敏感功能层

13功能层

14功能层

15环形凹部

16密封环

17连接区域

18外环

19内轮廓

20内环

21外轮廓

22边缘区域

23环形凹部

24外环的外边缘

25外环的内边缘

26接触区域

27螺旋螺纹

28止挡边缘

29止挡边缘

30电子部件

31光源

32检测单元

33控制/评估单元

34光波导管

35螺纹接头

36止挡边缘

37止挡边缘

38环形凹部

41衬底膜或阻挡层

42材料网或可渗透层

43膜