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DE10314716A1 - Electrical connector for sensor monitoring physical or chemical measurements, includes area of surface microstructuring - Google Patents

Electrical connector for sensor monitoring physical or chemical measurements, includes area of surface microstructuring Download PDF

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Ralf Könemann
Martin Gehrke
Friedrich FÜSS
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Abstract

At least a partial area (4) of the connector (1) has a microstructured surface. The connector is mounted on a circuit board (2).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Anschlußelement für einen Sensor zur Bestimmung und/oder Überwachung einer physikalischen und/oder chemischen Prozeßgröße eines Meßmediums.The Invention relates to an electrical connection element for one Sensor for determination and / or monitoring a physical and / or chemical process variable of a measuring medium.

Um beispielsweise den pH-Wert eines Flüssigkeit zu messen, werden pH-Sensoren mit einem hohen Innenwiderstand, der in der Größenordnung von 109 Ω liegt, verwendet. Um eine gewünschte Meßgenauigkeit zu erzielen, muß der Meßverstärker über einen entsprechend höheren Innenwiderstand verfügen. Dieser liegt z. B. in der Größenordnung von 101 2 Ω. Üblicherweise sind der Meßverstärker und der pH-Sensor über Anschlußklemmen oder Anschlußstecker und eine elektrische Leitung miteinander verbunden. Erhebliche Meßfehler treten auf, wenn nun aus irgendwelchen Gründen in der Meßkette, gebildet aus Sensor und Meßverstärker, Kriechströme auftreten. Derartige Kriechströme können sich ausbilden und vom Eingang des Meßverstärkers zu den umliegenden Potentialen fließen, sobald sich ein geschlossener, elektrisch leitfähiger Flüssigkeits- oder Schmutzbelag auf den Anschlußelementen bildet. Bislang wurde versucht, die Kriechstombildung zu unterbinden, indem man die physikalischen oder geometrischen Eigenschaften der Anschlußelemente und deren Umgebung entsprechend präpariert oder ausgestaltet hat.For example, to measure the pH of a liquid, pH sensors with a high internal resistance, which is of the order of 10 9 Ω, are used. In order to achieve a desired measuring accuracy, the measuring amplifier must have a correspondingly higher internal resistance. This is z. B. in the order of 10 1 2 Ω. The measuring amplifier and the pH sensor are usually connected to one another via connecting terminals or connecting plugs and an electrical line. Significant measuring errors occur when for some reason leakage currents occur in the measuring chain, formed from the sensor and measuring amplifier. Such leakage currents can form and flow from the input of the measuring amplifier to the surrounding potentials as soon as a closed, electrically conductive liquid or dirt deposit forms on the connection elements. So far, attempts have been made to prevent the formation of creeping currents by preparing or designing the physical or geometric properties of the connection elements and their surroundings accordingly.

So sind handelsübliche Anschlußelemente, bei denen es sich um Klemmen, Stecker und/oder Buchsen handelt, beispielsweise aus Kunststoff, insbesondere aus den Basismaterialien LCP oder PBT, die anwendungsbezogen mit Füllmaterialien veredelt werden, gefertigt. Allerdings erfüllen die aus diesen Materialien gefertigten Anschlußelemente die Anforderungen an die Hochohmigkeit nur unter trockenen und sauberen Umgebungsbedingungen. Um die erhöhten Anforderungen, die insbesondere in der pH-Meßtechnik aber ebenso auch in anderen Bereichen der Prozeßmeßtechnik gelten, einigermaßen erfüllen zu können, sind aus dem Stand der Technik zwei unterschiedliche Lösungen bekannt geworden:

  • a) Die Schlußklemmen/-stecker/-buchsen werden räumlich von allen anderen Potentialen elektrisch entkoppelt. Hierzu werden zwischen den Anschlußelementen und den Potentialen Zwischenräume ausgebildet, die üblicherweise mit Luft gefüllt sind und somit Isolationsstrecken bilden. Die Nachteile bei dieser bekannt gewordenen Lösung sind darin zu sehen, daß sie mit einem über die Abmessungen des Anschlußelements hinausgehenden Platzbedarf einhergehen; anderseits müssen aufwendige Bestückungsverfahren auf der betroffenen Elektronikbaugruppe durchgeführt werden. So ist es beispielsweise erforderlich, die Bauteileanschlüsse zu verbiegen.
  • b) Die Anschlußelemente werden aus zumindest einem hydrophoben Kunststoff wie PTFE, PFA oder PEEK gefertigt. Diese Kunststoffe sind hinreichend hochohmig (ca. 2 × 101 2 Ω) und verhindern aufgrund ihrer Oberflächenbeschaffenheit die Bildung eines Feuchtigkeits- bzw. eines Schmutzfilms. Nachteilig bei dieser bekannten Lösung ist, daß die Herstellung derartiger spezieller Anschlußelemente aufwendig und damit entsprechend teuer ist.
For example, commercially available connection elements, which are terminals, plugs and / or sockets, are made, for example, of plastic, in particular of the base materials LCP or PBT, which are refined with filler materials according to the application. However, the connection elements made from these materials only meet the requirements for high impedance under dry and clean ambient conditions. In order to be able to meet the increased requirements, which particularly apply in pH measurement technology as well as in other areas of process measurement technology, two different solutions have become known from the prior art:
  • a) The terminal blocks / plugs / sockets are spatially electrically decoupled from all other potentials. For this purpose, spaces are formed between the connection elements and the potentials, which are usually filled with air and thus form insulation sections. The disadvantages of this known solution can be seen in the fact that it is associated with a space requirement that goes beyond the dimensions of the connecting element; on the other hand, complex assembly processes have to be carried out on the electronics module concerned. For example, it is necessary to bend the component connections.
  • b) The connection elements are made of at least one hydrophobic plastic such as PTFE, PFA or PEEK. These plastics are sufficiently high-resistance (approx. 2 × 10 1 2 Ω) and, due to their surface properties, prevent the formation of a moisture or dirt film. A disadvantage of this known solution is that the production of such special connection elements is complex and therefore correspondingly expensive.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Anschlußelement für die Prozeßmeßtechnik vorzuschlagen, das auf einfache und kostengünstige Art und Weise die Kriechstrombildung unterbindet.The The invention has for its object a connector for the process measurement propose that the leakage current formation in a simple and inexpensive manner in derogation.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zumindest eine Teilfläche des Anschlußelements eine mikrostrukturierte Oberfläche aufweist. Die erfindungsgemäße Ausbildung der mikrostrukturierten Oberfläche auf dem Anschlußelement bzw. auf zumindest einer Teilfläche des Anschlußelements führt zum sog. Lotuseffekt. Hierdurch werden der entsprechend ausgebildeten bzw. präparierten Oberfläche flüssigkeits- und schmutzabweisende Eigenschaften verliehen.The Task is solved by that at least a partial area of the connecting element a microstructured surface having. The training according to the invention the microstructured surface on the connector or on at least one partial area of the connecting element leads to so-called lotus effect. As a result, the appropriately trained or prepared surface liquid and dirt-repellent properties.

Bei dem Anschlußelement handelt es sich beispielsweise um einen Stecker, eine Buchse oder eine Klemme. Durch die erfindungsgemäße Lösung ist es möglich, ein herkömmliches Standard-Anschlußelement nachträglich wasser- und/oder schmutzabweisend auszugestalten, indem die Oberfläche zumindest in Teilbereichen geeignet beschichtet und/oder ausgestaltet wird. Wesentliche Voraussetzung ist, daß die entsprechend dem Lotuseffekt ausgestaltete mikrostrukturierte Oberfläche bzw. die entsprechende Teilfläche des Anschlußelements hinreichend hochohmig und nicht hygroskopisch ist. Aufgrund dieser Eigenschaften kann sich auf der Oberfläche des Anschlußelements keine durchgängige leitende Oberflächenbeschichtung ausbilden, wodurch das Fließen von Kriechströmen wirkungsvoll unterbunden wird. Insbesondere muß die mikrostrukturierte Oberfläche bzw. die entsprechende Oberflächenschicht so beschaffen sein, daß sich ihr Innenwiderstand unter sich ändernden Klimabedingungen möglichst wenig ändert.at the connecting element it is for example a plug, a socket or a Terminal. By the solution according to the invention it possible a conventional one Standard connection element later water and / or Dirt-repellent design by at least the surface is suitably coated and / or designed in some areas. An essential requirement is that the lotus effect designed microstructured surface or the corresponding subarea of the connecting element is sufficiently high-impedance and not hygroscopic. Based on these Properties can be found on the surface of the connector no consistent senior surface coating train, causing the flow of leakage currents is effectively prevented. In particular, the microstructured surface or the corresponding surface layer to be such that their internal resistance under changing Climatic conditions if possible little changes.

Eine Weiterbildung sieht darüber hinaus vor, daß das Anschlußelement zumindest teilweise aus einem hochohmigen Material bzw. aus einem Isolator gefertigt ist und daß die Oberfläche in einem zweiten Schritt so präpariert wird, daß sie den Lotuseffekt zeigt.A Continuing education sees about it in addition to that connecting element at least partially from a high-resistance material or from a Insulator is made and that the surface prepared in a second step will that she shows the lotus effect.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die mikrostrukturierte Schicht als Oberflächenbeschichtung auf die zumindest eine Teilfläche augebracht. Bevorzugt wird übrigens wegen der Einfachheit der Applikation die Ausgestaltung, daß es sich bei der Oberflächenbeschichtung um eine Lack- oder Farbschicht handelt, die auf die zumindest eine Teilfläche aufgetragen wird. Möglich ist es jedoch auch, die Oberflächenschicht durch eine andere Fertigungstechnik aufzubringen. Als Beispiele seien hier das Aufdampfen oder Aufsputtern genannt.According to an advantageous development of the device according to the invention, the microstructured layer is applied as a surface coating to the at least one partial area. Incidentally, preference is given to the simplicity of the application the configuration that the surface coating is a lacquer or colored layer which is applied to the at least one partial surface. However, it is also possible to apply the surface layer by another manufacturing technique. Examples include vapor deposition or sputtering.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung schlägt vor, daß die mikrostrukturierte Oberfläche Erhebungen und Vertiefungen aufweist, wobei der Abstand zwischen den Erhebungen im Bereich von 5 bis 200 μm und die Höhe der Erhebungen im Bereich von 5 bis 100μm liegt. Wie die mikrostrukturierte Oberfläche ausgebildet sein kann, ist im Detail der EP 0 772 514 B1 zu entnehmen.An advantageous embodiment of the device according to the invention proposes that the microstructured surface has elevations and depressions, the distance between the elevations being in the range from 5 to 200 μm and the height of the elevations in the range from 5 to 100 μm. How the microstructured surface can be formed is detailed in the EP 0 772 514 B1 refer to.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung schlägt darüber hinaus vor, daß das erfindugsgemäße Anschlußelement an einer Leiterkarte befestigbar ist, und daß die Teilfläche mit der mikrostrukturierte Oberfläche die Kontaktfläche zwischen dem Anschlußelement und der Leiterkarte und ggf. benachbarte Randbereiche der Kontaktfläche umfaßt. Eine weitere Ausgestaltung sieht die Teilfläche mit der mikrostrukturierten Oberfläche im Bereich von zumindest einem Steck- und/oder Klemmkontakt des Anschlußelementes vor. Das Anschlußelement kann übrigens vor oder nach der Montage des Anschlußelements auf z.B. einer Leiterkarte mit der den Lotuseffekt hervorrufenden mikrostrukturierten Oberflächenschicht versehen werden. Als Vorteil des erfindungsgemäßen Anschlußelements ist übrigens noch hervorzuheben, daß der Platz, den das erfindungsgemäße Anschlußelement auf einer Leiterkarte belegt, durch die Dimensionen des Anschlußelements festgelegt ist. Isolierende Zwischenräume zur Unterbindung von Kriechströmen – wie sie aus dem Stand der Technik bekannt geworden sind – können entfallen.A advantageous embodiment suggests about that in addition to that Connection element according to the invention is attachable to a circuit board, and that the partial area with the microstructured surface contact area between the connector and the circuit board and possibly adjacent edge areas of the contact surface. A the sub-area with the microstructured provides a further embodiment surface in the range of at least one plug and / or terminal contact of the connecting element in front. The connector can by the way before or after mounting the connection element on e.g. a printed circuit board with the microstructured surface layer that creates the lotus effect be provided. Incidentally, it is an advantage of the connecting element according to the invention to emphasize that the Space that the connection element according to the invention on a printed circuit board, by the dimensions of the connection element is set. Insulating gaps to prevent leakage currents - like them have become known from the prior art - can be omitted.

Wie bereits zuvor erwähnt, wird das erfindungsgemäße Anschlußelement bevorzugt in der Prozeßmeßtechnik eingesetzt. Bei dem Sensor, der über das Anschlußelement mit dem Meßververstärker verbunden wird, handelt es sich u.a. um einen Sensor zur Bestimmung der Ionenaktivität in einer Meßlösung, also z.B. μm einen pH-Sensor, oder um einen Sensor zur Durchführung eines potentiometrischen Verfahrens zur Messung der Konzentration einer bestimmten Substanz. Beispielhafte Substanzen sind Nitrat, Ammonium, Fluorid, Natrium oder Phosphat. Der wesentliche Unterschied zwischen einem Sensor zur Messung einer der zuletzt genannten Substanzen und einem pH-Sensor besteht übrigens darin, daß z.B. einem Nitratsensor eine Membran zur entsprechenden Ionenselektion vorgeschaltet ist.How previously mentioned becomes the connecting element according to the invention preferred in process measurement technology used. With the sensor that over the connecting element connected to the measuring amplifier is, among other things a sensor for determining the ion activity in a measuring solution, ie e.g. microns a pH sensor, or a sensor for performing a potentiometric Method for measuring the concentration of a certain substance. Exemplary substances are nitrate, ammonium, fluoride, sodium or phosphate. The main difference between a sensor Incidentally, for measuring one of the last-mentioned substances and a pH sensor, that e.g. a nitrate sensor a membrane for the appropriate ion selection is connected upstream.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:The Invention is explained in more detail with reference to the following drawings. It shows:

1: eine schematische Darstellung von zwei erfindungsgemäßen Anschlußelementen, die auf einer Leiterplatte befestigt sind und 1 : A schematic representation of two connection elements according to the invention, which are attached to a circuit board and

2: eine vorteilhafte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Anschlußelements. 2 : an advantageous embodiment of a connecting element according to the invention.

1 zeigt eine schematische Darstellung von zwei erfindungsgemäßen Anschlußelementen 1, die auf einer Leiterplatte 2 befestigt sind. Bei den beiden Anschlußelementen 1 handelt es sich um Klemmen oder Stecker, die über die Kontaktflächen 6 an der Leiterkarte 2 befestigt sind. Bei dem linken Anschlußelement 1 ist die gesamte Außenfläche als mikrostrukturierte Fläche ausgebildet. Das rechte Anschlußelement 1 trägt die mikrostrukturierte Fläche lediglich im Bereich der Kontaktfläche 6 und der seitlichen Randbereiche zur Kontaktfläche 6. Wie bereits gesagt, handelt es sich bevorzugt um eine mikrostrukturierte Oberflächenbeschichtung, also um eine Lack- oder Farbschicht, die nachträglich auf ein herkömmliches Anschlußelement 1 aufgebracht worden ist. Die Aufbringung der den Lotuseffekt hervorrufenden Beschichtung kann vor oder nach der Montage der Anschlußelemente 1 auf der Leiterkarte 2 erfolgen. 1 shows a schematic representation of two connection elements according to the invention 1 that on a circuit board 2 are attached. With the two connection elements 1 are terminals or plugs that go over the contact surfaces 6 on the circuit board 2 are attached. At the left connector 1 the entire outer surface is designed as a microstructured surface. The right connector 1 the microstructured surface only bears in the area of the contact surface 6 and the lateral edge areas to the contact surface 6 , As already mentioned, it is preferably a microstructured surface coating, that is to say a lacquer or colored layer, which is subsequently applied to a conventional connecting element 1 has been applied. The application of the coating which causes the lotus effect can take place before or after the assembly of the connection elements 1 on the circuit board 2 respectively.

In 2 ist eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Anschlußelements 1 zu sehen. Wiederum ist die Schicht nur in einer Teilfäche 4 des Anschlußelements zu finden. Gezeigt ist in 2 darüber hinaus das Verbindungskabel 5 eines nicht gesondert dargestellten Sensors, z.B. eines pH-Sensors, der mit dem Steckkontakt 3 korrespondiert.In 2 is a further embodiment of a connecting element according to the invention 1 to see. Again, the layer is only in one part 4 to find the connecting element. Is shown in 2 also the connection cable 5 a sensor, not shown separately, for example a pH sensor with the plug contact 3 corresponds.

Claims (10)

Elektrisches Anschlußelement für einen Sensor zur Bestimmung und/oder Überwachung einer physikalischen und/oder chemischen Prozeßgröße eines Meßmediums, wobei zumindest eine Teilfläche (4) des Anschlußelements (1) eine mikrostrukturierte Oberfläche aufweist.Electrical connection element for a sensor for determining and / or monitoring a physical and / or chemical process variable of a measuring medium, at least one partial area ( 4 ) of the connection element ( 1 ) has a microstructured surface. Anschlußelement nach Anspruch 1, wobei es sich bei der mikrostrukturierten Oberfläche um eine Oberflächenbeschichtung handelt, die auf die zumindest eine Teilfläche (4) aufgebracht ist.Connection element according to claim 1, wherein the microstructured surface is a surface coating which is applied to the at least one partial surface ( 4 ) is applied. Anschlußelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mikrostrukturierte Oberfläche Erhebungen und Vertiefungen aufweist und wobei der Abstand zwischen den Erhebungen im Bereich von 5 bis 200 μm und die Höhe der Erhebungen im Bereich von 5 bis 100 μm liegt.connecting element according to claim 1 or 2, where the microstructured surface bumps and Has depressions and being the distance between the bumps in the range from 5 to 200 μm and the height the elevations are in the range from 5 to 100 μm. Anschlußelement nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Oberflächenschicht eine Lack- oder Farbschicht ist, die auf die zumindest eine Teilfläche (4) aufgebracht ist.Connection element according to claim 2 or 3, wherein the surface layer is a lacquer or paint layer which on the at least one partial surface ( 4 ) is applied. Anschlußelement nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Anschlußelement (1) um einen Stecker, eine Buchse oder eine Klemme handelt.Connection element according to claim 1, wherein the connection element ( 1 ) is a plug, a socket or a terminal. Anschlußelement nach Anspruch 1, wobei das Anschlußelement (1) zumindest teilweise aus einem hochohmigen Material bzw. aus einem Isolator gefertigt ist.Connection element according to claim 1, wherein the connection element ( 1 ) is at least partially made of a high-resistance material or an insulator. Anschlußelement nach Anspruch 1, wobei das Anschlußelement (1) an einer Leiterkarte (2) befestigbar ist, und wobei die Teilfläche (4) mit der mikrostrukturierte Oberfläche die Kontaktfläche (6) zwischen dem Anschlußelement (1) und der Leiterkarte (2) und die benachbarten Randbereiche der Kontaktfläche (6) umfaßt.Connection element according to claim 1, wherein the connection element ( 1 ) on a circuit board ( 2 ) can be fastened, and the partial surface ( 4 ) with the microstructured surface the contact surface ( 6 ) between the connection element ( 1 ) and the circuit board ( 2 ) and the neighboring edge areas of the contact surface ( 6 ) includes. Anschlußelement nach Anspruch 1, wobei die Teilfläche (4) mit der mikrostrukturierten Oberfläche im Bereich von zumindest einem Steck- bzw. Klemmkontakt (3) des Anschlußelementes (1) vorgesehen ist.Connection element according to claim 1, wherein the partial surface ( 4 ) with the microstructured surface in the area of at least one plug or clamp contact ( 3 ) of the connection element ( 1 ) is provided. Anschlußelement nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Sensor um einen Sensor zur Bestimmung der Ionenaktivität in einer Meßlösung bzw. in einem Meßmedium handelt.connecting element of claim 1, wherein the sensor is a sensor for Determination of ion activity in a measuring solution or in a measuring medium is. Anschlußelement nach Anspruch 9, wobei es sich bei dem Sensor um einen pH-Sensor oder um einen Sensor zur potentiometrischen Messung einer chemischen Substanz handelt.connecting element The claim 9, wherein the sensor is a pH sensor or a sensor for potentiometric measurement of a chemical Substance acts.
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