Die Erfindung betrifft ein Fühlelement zur Bestimmung der Abweichung vom Lot durch Messung einer in Abhängingkeit von einer Verkantung sich ändernden elektrischen Impedanz zwischen flächigen Elektroden, die mit einer in einem Behälter enthaltenen Flüssigkeit in Kontakt stehen und mit je einem von aussen kontaktierbaren Elektrodenanschluss verbunden sind.
Ein solches Fühlelement dient beispielsweise zum Bestimmen des wahren Lots bei ruhenden Körpern und des Scheinlots bei bewegten Körpern, und es wird beispielsweise als Glied eines Reglers verwendet, der einen solchen Körper in eine in bezug auf die Lotrichtung vorbestimmte Lage bringt und hält.
Es sind solche Fühlelemente bekannt, die in der Form von Röhrenlibellen zum Anzeigen der Neigung in nur einer Richtung und in der Form von Dosenlibellen zum Anzeigen der Neigung in allen Richtungen ausgebildet sind. Es ist bekannt, zur Herstellung solcher Fühlelemente in Kombination mit Elektroden aus gut leitendem Material eine Elektrolytlösung von guter Leitfähigkeit zu verwenden, beispielsweise eine Lösung eines Alkalihalogenids in einem Alkohol, und den Behälter mit dieser Lösung teilweise zu füllen, wobei eine Gasblase übrigbleibt, deren Position die Stromlinien zwischen den Elektroden und somit die gemessene Impedanz bestimmt; die Änderung der Impedanz zwischen zwei Elektroden wird in Abhängigkeit von der Verkantung des Fühlelements durch die Änderung der Gleichgewichtsposition der Flüssigkeit bzw. der Gasblase im Behälter erzeugt.
Es ist auch bekannt, Elektroden in eine elektrisch isolierende Wandung des Behälters einzulassen und die der Flüssigkeit zugewandte Seite dieses Gebildes als Ausschnitt einer hohlen kugel- oder ringförmigen Oberfläche zu formen. Auf eine gegenüberliegende Wandung wird oft eine sogenannte Basiselektrode angebracht, wobei die mit Elektroden versehenen Wandungen mindestens eine gemeinsame, in Normalstellung vertikale Symmetrieebene aufweisen.
Die einzelnen Elektrodenanschlüsse werden mit den entsprechenden Elektroden durch besondere Leitungen verbunden, die durch die Wandungen durchgeführt werden, sofern nicht Elektrode, Leitung und Elektrodenanschluss aus einem einzigen Teil bestehen, der in der Wandung verkittet liegt und sie durchquert.
Die Anforderungen bezüglich der geometrischen Form und Position der Elektoden und der Wandungen stehen in direktem Zusammenhang mit der erwünschten Präzision der Neigungsmessung und werden besonders durch den Trend zur Miniaturisierung der Fühlelemente verschärft. Als Fühlelement-Kennlinie, d. h. als Variation der gemessenen Impedanz in Abhängigkeit von der Verkantung, wird eine vorgegebene, meist lineare Funktion angestrebt, wobei es schwierig ist, die Abweichung der Kennlinie von der Linearität sowie den Einfluss der Temperatur, welche über die Ausdehnung der Flüssigkeit die Dimension der Gasblase beeinflusst, möglichst klein zu halten.
Dazu kommen Anforderungen an Dichtigkeit, an Korrosionsbeständigkeit, an mechanischer Beständigkeit usw. Angesichts all dieser Anforderungen sind das Einsetzen und Verkitten der Elektroden in die Wandungen und das Schleifen dieser Gebilde auf die erwünschte präzise Form ziemlich schwierige und kostspielige Fertigungsvorgänge, bei denen trotz aller Massnahmen eine hohe Ausschussquote und eine ungenügende Zuverlässigkeitsrate des Erzeugnisses in Kauf zu nehmen sind.
Es ist bekannt, die durch das Einsetzen und Verkitten der Elektroden in die Wandungen und das Schleifen dieser Gebilde entstehenden Schwierigkeiten dadurch zu umgehen, dass die Elektroden aus als Paste oder Lack aufgetragenen Schichten ausgebildet sind, z. B. aus entsprechend aufgetragenen Platinoder Silberschichten. Dies ermöglicht zwar, aus je einer und der gleichen Schicht je eine Elektrode, einen zugehörigen Elektrodenanschluss und eine diese verbindende Leiterbahn auszubilden, wobei die Leiterbahnen vom Innern des Behälters nach aussen an Verklebungsstellen hindurchgeführt werden, an welchen die zu einem Behälter zusammengefügten Bestandteile des Fühlelements in Berührung stehen.
Bei dieser Lösung ist aber nachteilig, dass bei gewissen Anwendungen, z.B. im Militärbereich zum Horizontieren eines Geschützes, die erforderliche geometrische Präzision des Fühlelements wegen der Schichtdicke und Rauhigkeit der als Paste oder Lack aufgetragenen Elektroden bei weitem nicht erreichbar ist; dies betrifft sowohl die Präzision der Form der inneren Wandung des Behälters im Bereich der Elektroden wie die Präzision des Zusammenfügens des Behälters an den Verklebungsstellen im Bereich der Leiterbahnen. Andererseits ist auch nachteilig, dass die Haftfestigkeit der aufgetragenen Schichten u. a. bei der erwähnten Anwendung den Anforderungen nicht genügt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine neuartige Konstruktion eines Fühlelements zu schaffen, welche ein wesentlich preisgünstigeres Fertigungsverfahren ermöglicht und nicht nur bestehende Anforderungen zufriedenstellender erfüllt, sondern auch noch die Anpassung der Fühlelement-Kennlinie an den Anwendungszweck durch eine freiere Wahl der Elektrodenform verbessert.
Es wurde gefunden, dass die Lösung dieser Aufgabe durch Verwendung der sogenannten Dünnschichttechnik erleichtert wird. Unter Dünnschichten, wie sie beispielsweise in der Herstellung von elektronischen Bauelementen verwendet werden, versteht man solche Schichten, die auf einer Unterlage gebildet werden, wobei die Schichtdicke üblicherweise unterhalb 5y und meist im Bereich von 0,01 bis 1Se bleibt. Die zum Bilden von Dünnschichten in Betracht kommenden Verfahren sind beispielsweise das Aufdampfen, das Zerstäuben, das Galvanisieren, das chemische Abscheiden, das Auftragen von Paste, wobei andere, dem Stand der Technik entsprechende Verfahren keineswegs ausgeschlossen sind, wie beispielsweise das Anodisieren zum Bilden von isolierenden Dünnschichten auf gewissen Metallen.
Hingegen sind hievon die sogenannten Dickschichten ausgeschlossen, die u. a. durch Auftragen von Paste oder Lack z. B. im Siebdruckverfahren gebildet werden, und deren Dicke typisch im Bereich von 20y liegt.
Erfindungsgemäss ist das Fühlelement dadurch gekennzeichnet, dass sich mindestens auf einer der Flüssigkeit zugewandten, elektrisch isolierenden Oberfläche eines Wandungsteiles des Behälters eine als Dünnschicht ausgebildete Elektrode befindet.
Solche als Dünnschicht aufgetragene Elektroden sind nicht wesentlich über die Oberfläche der Wandung erhaben; die um die Dicke der Elektrodenschicht stattfindende Überhöhung der Elektrodenoberfläche hat im wesentlichen keine Auswirkungen auf die Gleichgewichtsposition der Flüssigkeit bzw. der Gasblase.
Mit den als Dünnschicht aufgetragenen Elektroden wird der Vorteil erreicht, dass die vom Wandungsmaterial und vom Elektrodenmaterial zu fordernden Eigenschaften voneinander unabhängig sind, so dass die Wahl der Materialien durch keine Forderung nach Kompatibilität eingeschränkt wird.
Das Material einer Wandung wird mit Vorteil von dem Auftragen der Elektroden auf die gewünschte geometrische Form gebracht, es ist also nur homogenes Material zu bearbeiten und nicht, wie bei bekannten Ausführungen, ein inhomogenes Gebilde aus Isolier-, Elektroden- und Kittmaterial. Die mechanische Bearbeitung wird entsprechend erleichtert und verbilligt. Es ist bekannt, für das Material der Wandung, welche die Elektroden trägt, Hartglas zu verwenden, das im Handel als Pyrex oder Duran wohlbekannt ist. Durch die erfindungsgemässe Ausbildung der Elektrode als Dünnschicht kann aber auch eine solche Variante ermöglicht werden, bei der eine Wandung aus elektrisch leitendem Material ausgebildet ist, beispielsweise aus einem korrosionsbeständigen Metall wie Tantal oder Edelstahl, oder auch aus Silizium.
Bei einer solchen Ausführungsform der Erfindung besteht der Grundkörper des genannten Wandungsteiles aus elektrisch leitendem Material, und dieser Körper ist zur Bildung der isolierenden Oberfläche mindestens auf der der Flüssigkeit zugewandten Seite mit einer Dünnschicht aus elektrisch isolierendem Material überzogen.
Das Auftragen solcher Isolierstoffe ist in der Dünnschichttechnik wohlbekannt. Angewendet werden z. B. das Zerstäuben von Oxyden im Hochfrequenzfeld oder das oxydative Zerstäuben von geeigneten oxydbildenden Metallen. Im Fall der Verwendung von Tantal und Silizium kann eine extrem dünne aber hochisolierende Oxydschicht durch Anodisieren gebildet werden. Auch Schichten aus Kunststoff können aufgetragen werden.
Der Vorteil dieser Variante ist, dass für das Material der Wandung ein Stoff auf Grund dessen Beständigkeit, leichterer oder präziserer Bearbeitung und ähnlicher Eigenschaften ohne Einschränkung auf Grund des elektrischen Verhaltens gewählt werden kann. Dem Material der Wandung wird mit Vorteil zunächst die gewünschte geometrische Form gegeben, und erst danach wird die der Flüssigkeit zugewandte Oberfläche mit einer Isolierschicht versehen, auf welche die gegebenenfalls benötigte Anzahl Elektroden aufgetragen wird.
Dank dem Auftragen der Elektroden als Dünnschichten auf die elektrisch isolierende Oberfläche der Wandung des Behälters kann die Form der Elektroden zum Erreichen der gewünschten Kennlinie optimiert werden.
Es ist bekannt, das die grösstmögliche Steilheit einer linearen Kennlinie mit einem Elektrodensatz erreicht wird, das aus einer Basiselektrode und, für jede direkt zu erfassende Verkantungsebene, aus einem Paar annähernd als Kreisflächen ausgebildeter Elektroden besteht, wobei einerseits das Elektrodenpaar und andererseits die Basiselektrode um eine gemeinsame Symmetrieebene symmetrisch sind. Bei dieser annähernd kreisflächigen Form der Elektroden ist nachteilig, dass eine temperaturbedingte Änderung der Gasblasendimension sich stark auf die Steilheit der Kennlinie auswirkt.
Es ist auch bekannt, den Elektroden einen rechteckigen Umriss zu geben, wobei je ein Seitenpaar eines Rechtecks parallel zu einer Symmetrieebene des Fühlelements verläuft.
Insofern dieser Umriss einem schmalen Streifen gleichkommt, dessen Längsrichtung in der zu erfassenden Verkantungsebene liegt und dessen Enden relativ weit entfernt sind von der Abgrenzungslinie zwischen der Gasblase, der Elektrolytlösung und dem Behälter, ist die Kennlinie des Fühlelements ziemlich unabhängig vom geometrischen Umriss des Streifens im Bereich dieser Enden; dadurch kann auf bekannte Weise diesen Enden eine beliebige, z. B. abgerundete Form gegeben werden. Nachteilig ist bei dieser Lösung, dass sie an die Dimension des Fühlelements Anforderungen stellt, die zu den Anforderungen der Miniaturisierung im Gegensatz stehen: der Einfluss der Gasblasendimension und die Abweichung von der Linearität der Kennlinie werden nur dann kleingehalten, wenn die Breite der Elektrodenstreifen klein ist gegenüber deren Länge und gegenüber der Gasblasendimension.
Es wurde gefunden, dass eine lineare Kennlinie bei einer anderen, besonderen Form der Elektrodenflächen erreicht werden kann, wobei mit dieser besonderen Form der Einfluss der Gasblasendimension auf die Steilheit der Kennlinie sehr vermindert wird.
So können beispielsweise mindestens zwei flächige Elektroden spiegelbildlich zu einer in der Normalstellung des Fühlelementes vertikalen Ebene angeordnet werden, wobei der Umriss einer Elektrodenfläche dem auf die Oberfläche des Wandungsteiles rechtwinklig projizierten Umriss eines ebenen Vierecks entspricht, dessen Ecken ein Rechteck bestimmen, von welchem zwei zur Symmetrieebene senkrechte Seiten zwei Seiten des genannten Vierecks bilden, während die übrigen Seiten des Vierecks durch Kreisbogen mit zur Symmetrieebene gewandter Konkavität gebildet sind.
Vorzugsweise weisen in einem Elektrodenpaar alle Kreisbogen gleiche Radien auf, und die kreisbogenförmigen Seiten der beiden Elektroden bilden paarweise Bogen zweier gleicher, sich in der Symmetrieebene schneidender Kreise.
Bei einer solchen Ausführung des erfindungsgemässen Fühlelements werden die Impedanzen zweckmässigerweise zwischen der Basiselektrode und je einer Elektrode des Elektrodenpaars als Glied einer in Normalstellung abgeglichener Brücke erfasst, und der von der Verkantung verursachte Abgleichfehler entspricht der Kennlinie des Fühlelements. Eine möglichst lineare Kennlinie und eine möglichst geringe Abhängigkeit der Kennlinie von der Gasblasendimension wird erreicht, wenn die Gasblase in Normalstellung etwa die Hälfte jeder Elektrode abdeckt.
Das Fühlelement kann sowohl röhrenförmig mit einem einzigen Elektrodenpaar und einer Basiselektrode als auch dosenförmig mit zwei Elektrodenpaaren und einer Basiselektrode ausgebildet sein, wobei das Fühlelement im ersteren Fall eine, im letzteren Fall zwei zueinander senkrechte Symmetrieebenen aufweist; Varianten mit drei oder mehr Elektrodenpaaren und Symmetrieebenen sind zwar nicht besonders zweckmässig, jedoch nicht ausgeschlossen.
Durch das Auftragen der Elektroden als Dünnschichten auf die elektrisch isolierende Oberfläche der Wandung des Behälters kann es auch ermöglicht werden, durch Anwendung anderer Elektrodenumrisse diverse nicht-lineare Kennlinien zu erzielen, beispielsweise und je nach Anwendungszweck quadratische, logarithmische und sonstige Kennlinien. Dank der mit der Dünnschichttechnik erreichbaren Präzision der Elektrodenumrisse werden nicht nur die erwähnten neuen Möglichkeiten eröffnet, auch die Reproduzierbarkeit der Erzeugnisse wird gegenüber den bekannten Ausführungen wesentlich erleichtert und verbessert.
Ein weiterer Vorteil der Ausbildung der Elektroden als Dünnschichten ist, dass zur Verbesserung deren Haftfestigkeit und der Korrosionsbeständigkeit die Elektroden auf in der Dünnschichttechnik bekannte Weise mehrschichtig sein können. Es sind praktisch alle bekannten Kombinationen einer haftverbessernden unteren Schicht und einer elektrisch und chemisch vorteilhaften oberen Schicht anwendbar: beispielsweise wird auf einer Wandung aus Hartglas eine Dünnschicht aufgetragen, die aus einer unteren Schicht aus Nickel-Chrom Legierung und einer oberen Schicht aus Gold oder Platin besteht.
Es sind viele isolierende Kunststoffe bekannt, die durch das Auftragen gewisser Dünnschichten beispielsweise aus Aluminium oder Gold nicht verletzt werden, so dass u. a. diese Metalle als untere Schicht verwendet werden können, um das Auftragen von Elektroden auf kunststoffbeschichtete Wandungen zu verbessern und die Anwendung solcher oberflächenisolierter Wandungen zu erleichtern.
Wie bereits erwähnt, werden in den bekannten Ausführungen eines Fühlelements die einzelnen Elektrodenanschlüsse mit den entsprechenden Elektroden durch Leitungen verbunden, die durch die Wandungen oder an Verklebungsstellen durchgeführt werden, was Schwierigkeiten in bezug auf die Herstellungskosten die Präzision und die Zuverlässigkeit der Fühlelemente verursacht und in manchen Fällen die Anwendung von elektrisch leitendem Material für die Wandungen des Behälters praktisch ausschliesst. Es wurde gefunden, dass die Lösung auch dieser Probleme durch Verwendung der Dünnschichttechnik erleichtert wird.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist eine Elektrode mit dem zugehörigen Elektrodenanschluss auf an sich bekannte Weise durch eine Leiterbahn elektrisch verbunden, die als Dünnschicht in an sich bekannter Weise auf elektrisch isolierende Oberflächenteile von zum Behälter zusammenfügbaren Bestandteilen des Fühlelements aufgetragen ist.
Damit wird der Vorteil erreicht, dass die Leiterbahnen dank deren geringer Schichtdicke vom Innern des Behälters nach aussen an Verklebungsstellen hindurchgeführt werden, an welchen die zu einem Behälter zusammengefügten Bestandteile des Fühlelements in Berührung stehen, ohne die Präzision des Fühlelements zu beeinträchtigen.
Es ist dabei vorteilhaft, obschon nicht zwingend erforderlich, dass die Leiterbahnen und die Elektroden aus denselben Dünnschichten bestehen. Auch können die Leiterbahnen entweder freiliegend oder auf bekannte Weise durch eine darauf aufgetragene, elektrisch isolierende Dünnschicht abgedeckt sein. Im letzteren Fall kommen die Leiterbahnen nicht mit der Flüssigkeit in Kontakt, und sie tragen zur Elektrodenfläche nicht bei. Im ersteren Fall ist, wenn die in Kontakt mit der Flüssigkeit liegende Teilfläche der Leiterbahnen im Verhältnis zur Fläche der entsprechenden Elektroden klein ist, ein Abdecken nicht erforderlich; diese besonders günstige Ausführungsweise wird mit kurzen und schmalen Leiterbahnen erreicht.
Durch die Anwendung der Dünnschichttechnik ist noch ein anderer, neuartiger Aufbau eines Fühlelements möglich. Es ist in der Dünnschichttechnik bekannt, durch Auftragen von gewissen Legierungen wie z. B. Nickel-Chrom-Legierungen Schichten zu schaffen, auf deren Oberfläche zwischen zwei beliebigen Stellen ein wesentlich grösserer elektrischer Widerstand gemessen werden kann als zwischen zwei gleich gelegenen Stellen auf der Oberfläche eines guten Leiters, z. B. einer dicken Kuperschicht. Das gleiche Resultat kann durch Auftragen einer extrem dünnen Schicht eines auch guten elektrischen Leiters erreicht werden. Bei der Herstellung von Widerständen in der Dünnschichttechnik werden meist beide Parameter, die Schichtzusammensetzung und die Schichtdicke, nutzbringend eingesetzt.
Es wurde nun gefunden, dass in einem Fühlelement vorteilhafterweise ein ansehnlicher elektrischer Widerstand in den Elektroden lokalisiert ist und diese Elektroden von einer relativ gut leitenden Flüssigkeit auf einem variablen Anteil ihrer Fläche kontaktiert werden, wobei dieser Anteil dadurch praktisch kurzgeschlossen wird.
Bei dieser Ausführung eines Fühlelementes ist somit in Abwesenheit der Flüssigkeit der elektrische Widerstand zwischen zwei Stellen einer Elektrodenoberfläche gross gegen über dem Widerstand bei Kontaktierung dieser Stellen durch die Flüssigkeit.
Als Flüssigkeit kann Quecksilber verwendet werden, wodurch aber gewisse Metalle wie Gold und Silber für die Ausbildung der Elektroden ausgeschlossen sind. Bei genügend grossem spezifischem Flächenwiderstand der Elektroden kann als Flüssigkeit auch eine an sich bekannte Fühlelement-Flüssigkeit, z. B. eine Alkalihalogenid-Lösung in einem Alkohol verwendet werden. Je nach Anwendungszweck des Fühlelements führen die zwischen organischen Lösungen und Quecksilber bestehenden Unterschiede in spezifischem Gewicht, Viskosität, Benetzungsvermögen usw. zur Wahl der einen oder der anderen Flüssigkeit, wodurch eine neue Möglichkeit für eine optimale Anpassung des Fühlelements an den Anwendungszweck gegeben ist.
Die Erfindung ist in der Zeichnung veranschaulicht und im nachstehenden beispielsweise erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines Fühlelements, im Schnitt, mit aus Dünnschichten bestehenden Elektroden, Leiterbahnen und Elektrodenanschlüssen versehen;
Fig. 2 die Küvette des Fühlelements nach Fig. 1, im Schnitt, mit zur besseren Veranschaulichung sehr vergrössert eingezeichneten Schichtdicke der Dünnschichten;
Fig. 3 die Abdeckung des Fühlelements nach Fig. 1, im Schnitt, mit zur besseren Veranschaulichung sehr vergrössert eingezeichneten Schichtdicke der Dünnschichten;
Fig. 4 die Abdeckung des Fühlelements nach Fig. 1, in Draufsicht, eine erste Ausführungsform der Elektroden zeigend;
Fig. 5 die Abdeckung des Fühlelements nach Fig. 1, in Draufsicht, eine zweite Ausführungsform der Elektroden zeigend;
Fig. 6 eine zweite Ausführungsform eines Fühlelements, im Schnitt, mit aus Dünnschichten bestehenden Elektroden, Leiterbahnen und Elektrodenanschlüssen.versehen.
Im nachfolgenden bezieht sich Beispiel I auf Fig. 1, 2, 3 und 4; Beispiel II bezieht sich insbesondere auf Fig. 4; Beispiel III bezieht sich insbesondere auf Fig. 5; auch Beispiel IV und Beispiel V entsprechen der Fig. 5; und Beispiel IV bezieht sich insbesondere auf Fig. 6. In allen Zeichnungen wird auf gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen gedeutet.
Beispiel 1
Gemäss Fig. 1,2,3 und 4 besteht ein Fühlelement in der Form einer Dosenlibelle aus einer Küvette 1 und einer Abdekkung 2, die zusammengefügt und verkittet den Behälter des Fühlelements bilden, wobei in Normalstellung die Abdeckung oberhalb der Küvette und im wesentlichen waagrecht zu liegen kommt. Beide Teile sind aus Hartglas (Pyrex). Die Küvette ist annähernd ein zylindrischer Hohlkörper mit Boden, dessen Durchmesser innen 24 mm und aussen 28 mm beträgt. An einer Stelle der Verbindung zwischen Zylinder 11 und Boden 12 ist ein abschmelzbarer Abfüllstutzen 3 vorgesehen. Der Boden 12 ist etwa 2 mm dick. Der obere Rand 13 des Zylinders 11 ist eben geschliffen. Die Abdeckung 2 ist annähernd ein flacher Zylinder, dessen obere Seite 21 eben und dessen untere Seite 22 als Kugelabschnitt von 360 mm Radius geschliffen und poliert ist.
Am zylindrischen Rand 23 gemessen beträgt die Höhe 3 mm. Der Durchmesser beträgt 28 mm, so dass sich Küvette 1 und Abdeckung 2 im äusseren Durchmesser exakt aufeinanderfügen.
Alle Elektroden 40,44 bestehen aus zwei durch Aufdampfen übereinander aufgetragenen Schichten, einer unteren etwa 0,15y dicken Schicht 41 aus 50:50 Ni-Cr-Legierung und einer oberen etwa 0,02, dicken Goldschicht 42. Die Leiterbahnen 43, 45 bestehen aus dem gleichen Dünnschicht-Material und sind nicht abgedeckt. Die Basiselektrode 44 erstreckt sich über den ganzen Boden 12 im Innern der Küvette 1, und eine 1 mm breite Leiterbahn 45 führt von der Basiselektrode längs einer inneren Mantellinie des Zylinders 11, über den Rand 13 und längs einer äusseren Mantellinie bis zu einem etwa in halber Höhe gelegenen Fleck 46 von 5 mm Durchmesser, der als Elektrodenanschluss dient.
Vier kreisförmige Elektroden 40 von 7 mm Durchmesser sind auf der unteren Seite 22 der Abdeckung 2 aufgetragen, und zwar im Viereck mit jeweils 7 mm Abstand vom Zentrum einer Elektrode bis zum Zentrum der Abdeckung. Von jeder Elektrode 40 läuft radial nach aussen eine 1 mm breite Leiterbahn 43, die sich über die entsprechende Mantellinie des Randes 23 und über die obere Seite 21 der Abdeckung 2 bis zu einem Fleck 47 von 5 mm Durchmesser erstreckt, der als Elektrodenanschluss dient.
Die Küvette 1 und die Abdeckung 2 sind aufeinander durch übliches Epoxyharz 5 (Araldit) verkittet. Der daraus gebildete Behälter ist mit einer 1,5 %-igen Lösung von LiC1 in Äthanol 6 gefüllt, wobei eine Gasblase 7 übrigbleibt, die bei Raumtemperatur einen Durchmesser von etwa 14 mm Durchmesser aufweist. In einer optimalen Brückenschaltung wird bei Raumtemperatur und bei einer Speisespannung von 1 Volt (400 Hz) typisch eine lineare Kennlinie von 50 mV/mrad + 10% erreicht.
Beispiel II
Gemäss Fig. 4 ist ein Fühlelement von dem im Beispiel 1 beschriebenen Fühlelement darin abweichend, dass der Durchmesser der auf der Abdeckung aufgetragenen vier Elektroden 5 mm beträgt und der Durchmesser der Gasblase etwa 16 mm beträgt. Es wird typisch eine lineare Kennlinie von 140 mV/mrad + 10% erreicht.
Beispiel 111
Gemäss Fig. 5 ist ein Fühlelement von dem im Beispiel 1 beschriebenen Fühlelement darin abweichend, dass eine andere Elektrodenform für die vier auf die Abdeckung aufgetragenen Elektroden angewendet wird. Diese Elektroden werden aus der senkrechten Projektion eines ebenen Vierecks abgeleitet, das zwei gerade und parallele Seiten von 6 mm Länge in 4 mm Abstand voneinander und zwei kreisbogenförmige Seiten von 7 mm Radius aufweist. Der grösste Abstand zweier gegenüberliegenden Elektroden beträgt 8 mm, so dass die vordere kreisbogenförmige Seite einer Elektrode auf demselben Kreis liegt wie die hintere kreisbogenförmige Seite der gegenüberliegenden Elektrode. Der Durchmesser der Gasblase beträgt bei Raumtemperatur etwa 14 mm.
Es wird typisch eine lineare Kennlinie von 60 mV/mrad + 10% erreicht.
Beispiel IV
Ein Fühlelement ist von dem im Beispiel III beschriebenen Fühlelement darin abweichend, dass andere Abmessungen der Elektroden verwendet werden. Die Länge der geraden Seiten beträgt 4,1 mm, so dass die kreisbogenförmigen Seiten der Elektroden nicht auf denselben Kreisen zu liegen kommen. Es wird typisch eine lineare Kennlinie von 160 mV/mrad i 10% erreicht.
Beispiel V
Ein Fühlelement ist von dem im Beispiel IV beschriebenen Fühlelement darin abweichend, dass die Abdeckung aus Silizium besteht, das mit einer 0,2y dicken, thermisch erzeugten, elektrisch isolierenden Oxydschicht überzogen ist. Es werden die gleichen Resultate wie im Beispiel Iv erreicht.
Beispiel Vl
Gemäss Fig. 6 ist ein Fühlelement von dem im Beispiel III beschriebenen Fühlelement darin abweichend, dass die Basiselektrode und die Leiterbahnen aus reinem Nickel, die vier auf der Abdeckung aufgetragenen Elektroden hingegen aus einer 0,01jet dicken Schicht einer 80:20 Ni-Cr-Legierung bestehen, und als Flüssigkeit Quecksilber verwendet wird. In Normalstellung kommt die Abdeckung 2 unterhalb der Küvette 1 zu liegen. Das Quecksilber bildet auf der Abdeckung einen Flüssigkeitstropfen 8 von etwa 14 mm Durchmesser. Es wird eine annähernd lineare Kennlinie von 50 mV/mrad erreicht.
The invention relates to a sensing element for determining the deviation from the perpendicular by measuring an electrical impedance, which changes as a function of a tilt, between flat electrodes that are in contact with a liquid contained in a container and each connected to an externally contactable electrode connection.
Such a sensing element is used, for example, to determine the true perpendicular in the case of bodies at rest and the apparent perpendicular in the case of moving bodies, and it is used, for example, as a member of a controller which brings and holds such a body in a predetermined position with respect to the perpendicular direction.
Such sensing elements are known which are in the form of tubular vials for indicating the inclination in only one direction and in the form of circular vials for indicating the inclination in all directions. It is known to use an electrolyte solution of good conductivity, for example a solution of an alkali halide in an alcohol, to manufacture such sensing elements in combination with electrodes made of a highly conductive material, and to partially fill the container with this solution, leaving a gas bubble, whose position determines the current lines between the electrodes and thus the measured impedance; the change in impedance between two electrodes is generated as a function of the tilting of the sensing element by changing the equilibrium position of the liquid or the gas bubble in the container.
It is also known to let electrodes in an electrically insulating wall of the container and to shape the side of this structure facing the liquid as a section of a hollow spherical or ring-shaped surface. A so-called base electrode is often attached to an opposite wall, the walls provided with electrodes having at least one common plane of symmetry that is vertical in the normal position.
The individual electrode connections are connected to the corresponding electrodes by special lines that are passed through the walls, unless the electrode, line and electrode connection consist of a single part that is cemented into the wall and crosses it.
The requirements with regard to the geometrical shape and position of the electrodes and the walls are directly related to the desired precision of the inclination measurement and are particularly exacerbated by the trend towards miniaturization of the sensing elements. As a sensing element characteristic, i.e. H. As a variation of the measured impedance depending on the tilt, a predetermined, mostly linear function is aimed for, whereby it is difficult to determine the deviation of the characteristic curve from the linearity as well as the influence of the temperature, which influences the dimension of the gas bubble via the expansion of the liquid, to be kept as small as possible.
In addition, there are requirements for tightness, corrosion resistance, mechanical resistance, etc. In view of all these requirements, the insertion and cementing of the electrodes in the walls and the grinding of these structures to the desired precise shape are quite difficult and expensive manufacturing processes, in which, despite all measures high reject rate and an inadequate reliability rate of the product are to be accepted.
It is known that the difficulties arising from the insertion and cementing of the electrodes in the walls and the grinding of these structures can be circumvented in that the electrodes are formed from layers applied as paste or lacquer, e.g. B. from appropriately applied platinum or silver layers. This makes it possible to form an electrode, an associated electrode connection and a conductor track connecting them from one and the same layer, the conductor tracks being passed from the inside of the container to the outside at bonding points at which the components of the sensing element joined together to form a container in Standing touch.
However, this solution has the disadvantage that in certain applications, e.g. in the military sector for leveling a gun, the required geometric precision of the sensing element is far from attainable because of the layer thickness and roughness of the electrodes applied as paste or lacquer; this concerns both the precision of the shape of the inner wall of the container in the area of the electrodes and the precision of the joining of the container at the gluing points in the area of the conductor tracks. On the other hand, it is also disadvantageous that the adhesive strength of the applied layers u. a. does not meet the requirements for the application mentioned.
The object of the invention is to create a novel construction of a sensing element, which enables a significantly cheaper manufacturing process and not only meets existing requirements more satisfactorily, but also improves the adaptation of the sensing element characteristic to the application by a more free choice of electrode shape.
It has been found that the solution to this problem is made easier by using what is known as thin-film technology. Thin layers, as used, for example, in the production of electronic components, are those layers which are formed on a base, the layer thickness usually remaining below 5 y and usually in the range from 0.01 to 1 Se. The methods that can be considered for forming thin layers are, for example, vapor deposition, sputtering, electroplating, chemical deposition, and the application of paste, although other prior art methods are by no means excluded, such as anodizing to form insulating Thin films on certain metals.
In contrast, the so-called thick layers are excluded from this. a. by applying paste or varnish e.g. B. are formed by screen printing, and their thickness is typically in the range of 20y.
According to the invention, the sensing element is characterized in that an electrode in the form of a thin layer is located on at least one electrically insulating surface of a wall part of the container facing the liquid.
Such electrodes applied as a thin layer are not raised significantly above the surface of the wall; the elevation of the electrode surface by the thickness of the electrode layer has essentially no effects on the equilibrium position of the liquid or the gas bubble.
With the electrodes applied as a thin layer, the advantage is achieved that the properties to be required of the wall material and of the electrode material are independent of one another, so that the choice of materials is not restricted by any requirement for compatibility.
The material of a wall is advantageously brought to the desired geometric shape by the application of the electrodes, so only homogeneous material needs to be processed and not, as in known designs, an inhomogeneous structure made of insulating, electrode and cement material. The mechanical processing is made easier and cheaper. It is known to use toughened glass for the material of the wall which supports the electrodes, which is well known in the trade as Pyrex or Duran. The inventive design of the electrode as a thin layer, however, also enables a variant in which a wall is formed from electrically conductive material, for example from a corrosion-resistant metal such as tantalum or stainless steel, or from silicon.
In such an embodiment of the invention, the base body of said wall part consists of electrically conductive material, and this body is coated with a thin layer of electrically insulating material at least on the side facing the liquid to form the insulating surface.
The application of such insulating materials is well known in thin-film technology. Are used z. B. the sputtering of oxides in a high frequency field or the oxidative sputtering of suitable oxide-forming metals. If tantalum and silicon are used, an extremely thin but highly insulating oxide layer can be formed by anodizing. Layers of plastic can also be applied.
The advantage of this variant is that a material can be selected for the material of the wall due to its durability, easier or more precise processing and similar properties without restriction due to the electrical behavior. The material of the wall is advantageously first given the desired geometric shape, and only then is the surface facing the liquid provided with an insulating layer, on which the possibly required number of electrodes is applied.
Thanks to the application of the electrodes as thin layers on the electrically insulating surface of the wall of the container, the shape of the electrodes can be optimized to achieve the desired characteristic.
It is known that the greatest possible steepness of a linear characteristic curve is achieved with an electrode set that consists of a base electrode and, for each tilt plane to be detected directly, of a pair of electrodes designed approximately as circular areas, with the pair of electrodes on the one hand and the base electrode around one on the other common plane of symmetry are symmetrical. In the case of this approximately circular shape of the electrodes, it is disadvantageous that a temperature-related change in the gas bubble dimension has a strong effect on the steepness of the characteristic curve.
It is also known to give the electrodes a rectangular outline, one pair of sides of a rectangle each running parallel to a plane of symmetry of the sensing element.
Insofar as this outline is equivalent to a narrow strip, the longitudinal direction of which lies in the canting plane to be detected and the ends of which are relatively far away from the boundary line between the gas bubble, the electrolyte solution and the container, the characteristic of the sensing element is fairly independent of the geometric outline of the strip in the area these ends; thereby, in a known manner, these ends can be any, e.g. B. rounded shape. The disadvantage of this solution is that it places demands on the dimensions of the sensing element that are in contrast to the demands of miniaturization: the influence of the gas bubble dimensions and the deviation from the linearity of the characteristic curve are only kept small if the width of the electrode strips is small compared to their length and compared to the gas bubble dimension.
It has been found that a linear characteristic can be achieved with a different, special shape of the electrode surfaces, this special shape greatly reducing the influence of the gas bubble dimension on the steepness of the characteristic.
For example, at least two flat electrodes can be arranged in a mirror image of a plane that is vertical in the normal position of the sensing element, with the outline of an electrode surface corresponding to the outline of a plane square projected at right angles onto the surface of the wall part, the corners of which define a rectangle, two of which to the plane of symmetry vertical sides form two sides of the said square, while the other sides of the square are formed by circular arcs with a concavity facing the plane of symmetry.
Preferably, all circular arcs in an electrode pair have the same radii, and the circular arc-shaped sides of the two electrodes form pairs of arcs of two identical circles intersecting in the plane of symmetry.
In such an embodiment of the inventive sensing element, the impedances are expediently recorded between the base electrode and one electrode of the pair of electrodes as a member of a bridge that is balanced in the normal position, and the adjustment error caused by the tilt corresponds to the characteristic of the sensing element. A characteristic curve that is as linear as possible and the least possible dependence of the characteristic curve on the gas bubble dimension is achieved when the gas bubble covers approximately half of each electrode in the normal position.
The sensing element can be tubular with a single pair of electrodes and a base electrode as well as can-shaped with two pairs of electrodes and a base electrode, the sensing element in the former case having one, in the latter case two mutually perpendicular planes of symmetry; Variants with three or more pairs of electrodes and planes of symmetry are not particularly useful, but not excluded.
Applying the electrodes as thin layers to the electrically insulating surface of the wall of the container can also make it possible to use different electrode outlines to achieve various non-linear characteristics, for example square, logarithmic and other characteristics depending on the application. Thanks to the precision of the electrode outlines that can be achieved with thin-film technology, not only are the new possibilities mentioned opened up, but the reproducibility of the products is also considerably facilitated and improved compared to the known designs.
Another advantage of forming the electrodes as thin layers is that, in order to improve their adhesive strength and corrosion resistance, the electrodes can be multilayered in a manner known in thin-layer technology. Practically all known combinations of an adhesion-improving lower layer and an electrically and chemically advantageous upper layer can be used: for example, a thin layer consisting of a lower layer of nickel-chromium alloy and an upper layer of gold or platinum is applied to a hard glass wall .
There are many insulating plastics known that are not injured by the application of certain thin layers, for example of aluminum or gold, so that u. a. these metals can be used as the lower layer in order to improve the application of electrodes to plastic-coated walls and to facilitate the use of such surface-insulated walls.
As already mentioned, in the known designs of a sensing element, the individual electrode connections are connected to the corresponding electrodes by lines that are passed through the walls or at gluing points, which causes difficulties in terms of manufacturing costs, the precision and reliability of the sensing elements and in some Cases practically excludes the use of electrically conductive material for the walls of the container. It has been found that the solution to these problems is also facilitated by using thin-film technology.
In one embodiment, an electrode is electrically connected to the associated electrode connection in a manner known per se by a conductor track which is applied as a thin layer in a manner known per se to electrically insulating surface parts of components of the sensing element that can be assembled to form the container.
This has the advantage that, thanks to their small layer thickness, the conductor tracks are passed from the inside of the container to the outside at gluing points at which the components of the sensing element joined together to form a container are in contact without impairing the precision of the sensing element.
It is advantageous, although not absolutely necessary, for the conductor tracks and the electrodes to consist of the same thin layers. The conductor tracks can also be either exposed or covered in a known manner by an electrically insulating thin layer applied thereon. In the latter case, the conductor tracks do not come into contact with the liquid and they do not contribute to the electrode area. In the former case, if the partial area of the conductor tracks which is in contact with the liquid is small in relation to the area of the corresponding electrodes, covering is not necessary; this particularly favorable embodiment is achieved with short and narrow conductor tracks.
By using thin-film technology, another new type of construction of a sensing element is possible. It is known in thin film technology, by applying certain alloys such as. B. nickel-chromium alloys to create layers on the surface of which a much greater electrical resistance can be measured between any two points than between two identical points on the surface of a good conductor, e.g. B. a thick copper layer. The same result can be achieved by applying an extremely thin layer of a good electrical conductor. When manufacturing resistors in thin-film technology, both parameters, the layer composition and the layer thickness, are usually used to good effect.
It has now been found that a considerable electrical resistance is advantageously localized in the electrodes in a sensing element and that these electrodes are contacted by a relatively highly conductive liquid on a variable portion of their area, this portion being practically short-circuited as a result.
In this embodiment of a sensing element, in the absence of the liquid, the electrical resistance between two points on an electrode surface is high compared to the resistance when these points are contacted by the liquid.
Mercury can be used as the liquid, but this excludes certain metals such as gold and silver for the formation of the electrodes. If the specific sheet resistance of the electrodes is sufficiently large, a known sensing element liquid, e.g. B. an alkali halide solution in an alcohol can be used. Depending on the intended use of the sensing element, the differences between organic solutions and mercury in specific gravity, viscosity, wettability, etc. lead to the choice of one or the other liquid, which opens up a new way of optimally adapting the sensing element to the application.
The invention is illustrated in the drawing and explained below, for example. Show it:
1 shows a first embodiment of a sensing element, in section, with electrodes, conductor tracks and electrode connections consisting of thin layers;
2 shows the cuvette of the sensing element according to FIG. 1, in section, with the layer thickness of the thin layers drawn in very enlarged for better illustration;
3 shows the cover of the sensing element according to FIG. 1, in section, with the layer thickness of the thin layers drawn very enlarged for better illustration;
4 shows the cover of the sensing element according to FIG. 1, in plan view, showing a first embodiment of the electrodes;
5 shows the cover of the sensing element according to FIG. 1, in plan view, showing a second embodiment of the electrodes;
6 shows a second embodiment of a sensing element, in section, with electrodes, conductor tracks and electrode connections consisting of thin layers.
In the following, Example I refers to Figures 1, 2, 3 and 4; Example II particularly relates to Figure 4; Example III particularly relates to Figure 5; Example IV and Example V also correspond to FIG. 5; and Example IV relates in particular to Fig. 6. In all drawings, the same elements are interpreted with the same reference numerals.
example 1
According to FIGS. 1, 2, 3 and 4, a sensing element in the form of a circular vial consists of a cuvette 1 and a cover 2 which, when joined and cemented, form the container of the sensing element, the cover being above the cuvette and essentially horizontal in the normal position to lie down. Both parts are made of tempered glass (Pyrex). The cuvette is approximately a cylindrical hollow body with a bottom, the diameter of which is 24 mm on the inside and 28 mm on the outside. At one point of the connection between cylinder 11 and base 12, a fusible filler neck 3 is provided. The bottom 12 is about 2 mm thick. The upper edge 13 of the cylinder 11 is ground flat. The cover 2 is approximately a flat cylinder, the upper side 21 of which is flat and the lower side 22 of which is ground and polished as a spherical segment of 360 mm radius.
Measured at the cylindrical edge 23, the height is 3 mm. The diameter is 28 mm, so that cuvette 1 and cover 2 fit one another exactly in terms of their outer diameter.
All electrodes 40, 44 consist of two layers deposited one above the other by vapor deposition, a lower about 0.15y thick layer 41 made of 50:50 Ni-Cr alloy and an upper about 0.02 thick gold layer 42. The conductor tracks 43, 45 consist made of the same thin-film material and are not covered. The base electrode 44 extends over the entire base 12 inside the cuvette 1, and a 1 mm wide conductor track 45 leads from the base electrode along an inner surface line of the cylinder 11, over the edge 13 and along an outer surface line up to about halfway Spot 46 at a height of 5 mm in diameter, which serves as an electrode connection.
Four circular electrodes 40 with a diameter of 7 mm are applied to the lower side 22 of the cover 2, namely in a square with a distance of 7 mm from the center of an electrode to the center of the cover. A 1 mm wide conductor track 43 runs radially outward from each electrode 40 and extends over the corresponding surface line of the edge 23 and over the upper side 21 of the cover 2 to a spot 47 with a diameter of 5 mm, which serves as an electrode connection.
The cuvette 1 and the cover 2 are cemented to one another by conventional epoxy resin 5 (araldite). The container formed therefrom is filled with a 1.5% strength solution of LiCl in ethanol 6, a gas bubble 7 remaining which has a diameter of approximately 14 mm at room temperature. In an optimal bridge circuit, a linear characteristic of 50 mV / mrad + 10% is typically achieved at room temperature and with a supply voltage of 1 volt (400 Hz).
Example II
According to FIG. 4, a sensing element differs from the sensing element described in Example 1 in that the diameter of the four electrodes applied to the cover is 5 mm and the diameter of the gas bubble is approximately 16 mm. A linear characteristic of 140 mV / mrad + 10% is typically achieved.
Example 111
According to FIG. 5, a sensing element differs from the sensing element described in Example 1 in that a different electrode shape is used for the four electrodes applied to the cover. These electrodes are derived from the vertical projection of a flat quadrilateral which has two straight and parallel sides 6 mm long and 4 mm apart and two circular arc-shaped sides 7 mm in radius. The greatest distance between two opposing electrodes is 8 mm, so that the front circular arc-shaped side of one electrode lies on the same circle as the rear circular arc-shaped side of the opposite electrode. The diameter of the gas bubble is about 14 mm at room temperature.
A linear characteristic of 60 mV / mrad + 10% is typically achieved.
Example IV
A sensing element differs from the sensing element described in Example III in that other dimensions of the electrodes are used. The length of the straight sides is 4.1 mm, so that the arcuate sides of the electrodes do not come to lie on the same circles. A linear characteristic curve of 160 mV / mrad i 10% is typically achieved.
Example V
A sensing element differs from the sensing element described in Example IV in that the cover is made of silicon, which is covered with a 0.2 y thick, thermally generated, electrically insulating oxide layer. The same results as in Example Iv are achieved.
Example Vl
According to Fig. 6, a sensing element differs from the sensing element described in Example III in that the base electrode and the conductor tracks are made of pure nickel, while the four electrodes applied to the cover are made of a 0.01-jet thick layer of an 80:20 Ni-Cr- Alloy, and the liquid used is mercury. In the normal position, the cover 2 comes to lie below the cuvette 1. The mercury forms a liquid droplet 8 about 14 mm in diameter on the cover. An almost linear characteristic of 50 mV / mrad is achieved.