AT393327B - Verfahren zur erzeugung eines elektrischen feuchtigkeitsfuehlers - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines elektrischen Feuchtigkeitsfühlers.

Eine Möglichkeit, die Feuchtigkeit eines Mediums zu bestimmen, besteht in der Anwendung von Fühlern, durch welche die Angabe des Feuchtigkeitsgehaltes in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Derzeit werden vor allem Fühler mit Lithiumchlorid erzeugt, welches mit einem geeigneten Bindemittel auf eine Unterlage S aufgetragen wird, ferner Fühler mit Kohlepulver, Fühler mit Schichten verschiedener Polymere oder Fühler auf der Basis von porösem Aluminiumoxid. Fühler mit Lithiumchlorid, Fühler mit Kohlepulver und Fühler mit Polymeren sind für Feuchtigkeit auf Grund von Volumenänderungen in den Schichten empfindlich. Nachteile solcher Fühler sind jedoch die lange Zeitspanne für eine Reaktion auf Feuchtigkeitsänderungen, die Unbeständigkeit der Kalibrierkurve und ihre starke 10 Abhängigkeit von der Temperatur des Fühlers.

Bessere Eigenschaften weist ein Fühler mit einer dünnen porösen Schicht auf, wobei eine Absorption von Wasser an der Oberfläche der Poren dieser Schicht zustandekommt, was eine Änderung ihrer elektrischen Parameter verursacht In diesem Fall handelt es sich um Oberflächenvorgänge und die Reaktionszeit dieser Fühler ist wesentlich kürzer. Die erzielbare langzeitige Kalibrierbeständigkeit und da resultierende Wat der elektrischen 15 Impedanz dieser Fühler sind von der Herstellungstechnologie der Aluminiumoxidschicht und von deren weiterer

Verarbeitung abhängig.

Gute Ergebnisse werden mit Fühlern gemäß der US-PS 3 075 385 erzielt wobei die poröse Aluminiumoxidschicht auf der Oberfläche eines reinen, polierten Aluminiumbleches, das gleichzeitig eine Hauptelektrode des Fühlers bildet durch anodische Oxidation mittels Wechselstrom einer Dichte von etwa 20 13 mA/cm in 50 % Schwefelsäure bei einer Temperatur von 33 °C während 25 min erzeugt wird. Die so entstandene Schicht mit einer Dicke von 2 |tm wird gleich nach dem Waschen mit destilliertem Wasser einer Hydratation in siedendem redestillierten Wasser, dem sogenannten Siegeln, unterworfen, was über eine Zeit von etwa 30 min vor sich geht Während dieses Vorganges (Hydratation) bedeckt sich die Oberfläche des Fühlers mit einer dünnen Schicht von Aluminiumoxidhydroxid, dem sogenannten Böhmit An einem Teil der so hergestellten 25 zusammengesetzten Schicht wird auf geeignete Weise eine dünne halbdurchlässige metallische Gegenelektrode gebildet Die so entstandene Kondensatorstruktur reagiert auf Änderungen der Feuchtigkeit der Umgebung durch Änderung der elektrischen Parameter, welche ausgewertet werden. Die derart erzeugten Fühler sind in einem weiten Feuchtigkeitsbereich empfindlich und haben eine verhältnismäßig geringe Reaktionszeit ein Nachteil besteht jedoch darin, daß während ihrer Wirkung Wasser an der porösen Schicht absorbiert wird und eine weiter 30 schreitende Hydratation eintritt welche zu irreversiblen Änderungen der Struktur des Fühlers führt wobei eine Herabsetzung seiner Empfindlichkeit eintritt

Die erwähnten Nachteile lassen sich in hohem Maße durch Anwendung eines von der Patentinhaber^ früher vorgeschlagenen Verfahrens zur Herstellung eines elektrischen Feuchtigkeitsfühlers mit einer Schicht von Aluminiumoxid nach der US-PS 4 441 968 beheben, welches darin besteht, daß die Oberfläche der hydratisierten 35 porösen Schicht von Aluminiumoxid vor dem Aufbringen der halbdurchlässigen Gegenelektrode stabilisiert wird, z. B. durch Tränken in einer wäßrigen Lösung von 0,1 Mol Natriumdihydrogenphosphat bei 90 °C über 10 min und nachfolgendes Tempern des Fühlers in einem gasförmigen Medium, welches gegenüber der hergestellten Schicht chemisch inert ist bei einer Temperatur von 90 °C über 8 h.

Obwohl derart hergestellte Fühler eine sehr gute Kalibrierbeständigkeit auf weisen, haben sie den Nachteil, daß 40 ihre Herstellung verhältnismäßig kompliziert ist da sie eine Reihe verschiedener Vorgänge erfordert Das kann natürlich zu einem größeren Anteil an Ausschuß, zu einer Streuung da resultierenden Parameter einzelner Fühler und zu eina gewissen Untaschiedlichkeit da Form ihrer Kalibrierkurven führen.

Die Erfindung zielt darauf ab, die vorerwähnten Nachteile zu beheben, und zur Lösung dieser Aufgabe besteht das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung eines elektrischen Feuchtigkeitsfuhlas im wesentlichen darin, 45 daß auf einem reinen die Hauptelektrode bildenden Aluminiumsubstrat eine Schicht Aluminiumoxidhydroxid in an sich bekannter Weise durch dessen Eintauchen in siedendes rcdestilliertes Wasser über 5 bis 60 min gebildet wird und diese Schicht in an sich bekannter Weise durch Tränken in einer wässerigen Lösung von Natriumdihydrogenphosphat einer Konzentration von 0,01 bis 2 Mol bei einer Temperatur von 35 bis 100 °C über 5 bis 60 min stabilisiert wird und auf die Oberseite dieser Schicht eine halbdurchlässige Gegenelektrode 50 aufgebracht wird.

Eine Ausführungsmöglichkeit besteht hiebei darin, daß das Aluminiumsubstrat aus kompaktem Aluminium gebildet wird, vorzugsweise in Form von chemisch oder elektrochemisch poliertem Blech.

Eine andere Ausführungsmöglichkeit besteht darin, daß das Aluminiumsubstrat aus einer dünnen Aluminiumschicht gebildet wird, die durch Vakuumaufdampfot oder Aufstäuben anf eine Untalage erzeugt wird, 55 die aus Silizium besteht und mit einer Isolierschicht aus Siliziumdioxid vosehen ist

Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß die stabilisierte Schicht von Aluminiumoxidhydroxid in an sich bekannter Weise in einem gasförmigen Medium getempert wird, welches gegenüber diesa Schicht inert ist, zweckmäßig in Luft bei eina Temperatur von 70 bis 110 °C für 2 bis 24 h, wobei dieses Medium Wasserdampf unter niedrigerem Druck enthält, als der Dampfdruck von Wasser bei 60 da Temperungstemperatur beträgt

Ein Vorteil der Erfindung beruht in da Schaffung eines Verfahrens zur Erzeugung eines elektrischen -2-

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Feuchtigkeitsfühlers auf der Basis von Aluminiumoxidhydroxid, welches zu einer weiteren Verbesserung der Zeitbeständigkeit der Kalibrierkurve und deren Verlaufes führt. Ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Erzeugungsverfahrens ist dessen außerordentliche Einfachheit, welche die Ausbeute und die Erzeugungskosten vorteilhaft beeinflußt und zu einer geringeren Streuung der Parameter einzelner Fühler führt. 5 Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Erzeugungsverfahrens ist ferner, daß die aktive Schicht bei geeigneter Wahl der Bedingungen im Verlauf ihrer Bildung eine resultierende Dicke von etwa 300 nm erreicht, welche sich für die Erzielung einer kurzen Reaktionszeit als optimal erweist.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Erzeugungsverfahrens besteht darin, daß es der Herstellungstechnologie integrierter Schaltkreise entspricht, was nicht nur die Ausbildung von Feuchtigkeitsfühlern 10 minimaler Abmessungen gestattet, sondern auch ermöglicht, sie als Teile integrierter Schaltkreise zu benützen.

Der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte Fühler spricht auf Änderungen des absoluten Feuchtigkeitsgrades eines Mediums in einem extrem weiten Bereich und mit sehr kurzer Reaktionszeit an, wobei dessen Langzeitbeständigkeit bei vorteilhaftem Verlauf der Kalibrierkurve mindestens gleich oder besser ist als bei vorangehenden Typen dieser Fühl»'. 15 Das erfindungsgemäße Erzeugungsverfahren und dessen Vorteile gegenüber derzeit bestehenden bekannten Verfahren werden nachfolgend an Hand der Zeichnung und typisch» Ausführungsbeispiele näher erläutert, wobei Fig. 1 eine typische Kalibrierkurve des Fühlers und die zeitliche Beständigkeit ihres V»laufes und Fig. 2 eine Ausführungsform des Fühlers im Schnitt zeigt

In Fig. 1 ist an der x-Achse bei 0 °C d» Taupunkt und an der y-Achse der durch den Fühl» fließende Strom 20 in μΑ aufgetragen. Die Kalibrierkurve (1) in Fig. 1 zeigt die Abhängigkeit des Signals des nach dem erfindungsgemäßen V»fahren »zeugten Fühlers von der umgebend»i Feuchtigkeit die Kurve (2) in Fig. 1 zeigt die selbe Abhängigkeit gemessen 6 Monate spät». Die gegenseitige Versetzung beid» Kalibrierkurven ist ein Maß d» Kalibrierbeständigkeit des Fühlers.

Der Fühler gemäß Fig. 2 weist eine Hauptelektrode (3) auf, die mit ein» Schicht (4) aus Böhmit versehen 25 ist auf welcher eine halbduichlässige Elektrode (6) aufgebracht ist Der Zweck der Trennschicht (5) ist derselbe wie bei bestehenden Fühlern. Die Struktur des erfindungsgemäßen Fühlers ist somit einfach in der Erzeugung, denn sie enthält lediglich eine Schicht Böhmit wogegen bei bekannten Fühlern eine kombinierte Schicht angewendet wird. Die Hauptelektrode besteht üblicherweise aus hartgezogenem Aluminiumblech ein» Reinheit von 99,99 % mit einer Dicke von 0,25 mm. Die Anwendung eines Materials gering»» Reinheit und anderer 30 Dicke ist ebenfalls möglich. Die halbdurchlässige Gegenelektrode (6) wird durch eine im Vakuum aufgedampfte Goldschicht mit einer Dicke von etwa 100 nm gebildet Zum Erzeugen dies» Schicht kann auch ein anderes Material, wie Platin, Nickel oder Aluminium, angewendet werden.

Beispiel 1 35 Auf 0,25 mm dickes Aluminiumblech einer Reinheit von 99,99 %, das an d» Oberfläche durch chemisches oder elektrochemisches Polieren behandelt wurde, wurde eine Schicht Böhmit durch direkte Hydratation in siedendem redestillierten Wasser üb» 30 min gebildet. Unmittelbar nach der Hydratation wurde diese Schicht durch Tränken in einer wässerigen Lösung von 0,1 Mol Natriumdihydrogenphosphat bei 90 °C über 10 min stabilisiert und nachfolgend bei ein» Temperatur von 90 °C üb» 8 h in ein» Luftatmosphäre mit 50 % relativer 40 Feuchtigkeit getempert. Die Fertigstellung des Fühlers endete mit dem Aufträgen ein» Trennschicht (5), z. B. aus Epoxidharz, an der Stelle der späteren Zuführung zur Gegenelektrode (6) und mit dem Aufdampfen der halbdurchlässigen Gegenelektrode (6).

Psisp.te.12 45 Auf eine mit einer SiOj-Isolierschicht versehene Siliziumunterlage wurde an der Stelle des zukünftigen Fühlers eine Schicht reinen Aluminiums mit einer Dicke von wenigstens 1 pm, z. B. durch Vakuumaufstäuben oder Aufdampfen, gebildet. Diese Schicht wurde hydratisiert, stabilisiert und getempert wie in Beispiel 1. Zum Unterschied gegenüber diesem vorangehenden Beispiel ist es nicht nötig, eine Trennschicht an der Stelle der Zuführung zur Gegenelektrode auszubilden, da es in diesem Fall möglich ist, die Gegenelektrode über eine 50 geeignet geformte Maske so aufzutragen, daß der Kontakt an der Siliziumunterlage außerhalb der aktiven Fläche des Fühlers vorgesehen werden kann. 55 -3- 60

Claims (4)

1. 5 AT 393 327 B PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Erzeugung eines elektrischen Feuchtigkeitsfühlers, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem 10 reinen die Hauptelektrode bildenden Aluminiumsubstrat eine Schicht Aluminiumoxidhydroxid in an sich bekannter Weise durch dessen Eintauchen in siedendes redestilliertes Wasser über 5 bis 60 min gebildet wird und diese Schicht in an sich bekannter Weise durch Tränken in einer wässerigen Lösung von Natrium-dihydrogenphosphat einer Konzentration von 0,01 bis 2 Mol bei einer Temperatur von 35 bis 100 °C über 5 bis 60 min stabilisiert wird und auf die Oberseite dieser Schicht eine halbdurchlässige Gegenelektrode aufgebracht 15 wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminiumsubstrat aus kompaktem Aluminium gebildet wird, vorzugsweise in Form von chemisch oder elektrochemisch poliertem Blech.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminiumsubstrat aus einer dünnen Aluminiumschicht gebildet wird, die durch Vakuumaufdampfen oder Aufstäuben auf eine Unterlage erzeugt wird, die aus Silizium besteht und mit einer Isolierschicht aus Siliziumdioxid versehen ist.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die stabilisierte Schicht von 25 Aluminiumoxidhydroxid in an sich bekannter Weise in einem gasförmigen Medium getempert wird, welches gegenüber dieser Schicht inert ist, zweckmäßig in Luft bei einer Temperatur von 70 bis 110 °C für 2 bis 24 h, wobei dieses Medium Wasserdampf unter niedrigerem Druck enthält, als der Dampfdruck von Wasser bei der Temperungstemperatur beträgt. 30 Hiezu 2 Blatt Zeichnungen -4-