DE1037175B

DE1037175B - Feuchtigkeitsmesseinrichtung mit einem keramischen Halbleiter und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE1037175B
Application number: DEB31631A
Authority: DE
Inventors: Stanley Martin
Original assignee: BRITISH SCIENT INSTR RES ASS
Current assignee: BRITISH SCIENT INSTR RES ASS
Priority date: 1954-07-24
Filing date: 1954-06-29
Publication date: 1958-08-21
Also published as: GB795031A; US2886682A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Geräte zum Messen von Feuchtigkeit und insbesondere auf feuchtigkeitsempfindliche Geräte, die verschiedene in feuchtigkeitsabsorbierender Luft oder Gas liegende, elektrische, auf Feuchtigkeitsgehalt ansprechende Widerstände besitzen.

Bisher werden z. B. keramische Elemente für diesen Zweck verwendet. Die bisher bekannten Elemente dieser Art leiden aber unter dem Nachteil, daß sie im allgemeinen im trockenen Zustand einen sehr hohen Widerstand haben und daß der Widerstand mit wachsender Feuchtigkeit sich außerordentlich stark ändert. Wegen dieser Charakteristik sind beträchtliche Widerstände anzuordnen, um mit einem einfachen und robusten Instrument den Widerstand der Elemente messen zu können.

Es ist auch bekannt, ein feuchtigkeitsempfindliches Element in der Weise herzustellen, daß auf einem Träger eine dünne Schicht feuchtigkeitsempfindlichen Materials, z. B. ein Fluoridfilm, angebracht wird. Elemente dieser Art haben aber den Nachteil, daß sie infolge der unkontrollierbaren Einflüsse auf die dünne Schicht keine genauen Messungen erlauben. Außerdem sind derartige dünne Filme von geringer Haltbarkeit und besonders leicht mechanischen Beschädigungen ausgesetzt.

Schließlich ist es bekannt. Halbleiterwiderstände aus Titandioxyd herzustellen, deren Widerstandswert durch Änderung der stöchiometrischen Zusammensetzung (Unscharfe) eingestellt werden kann.

Die Erfindung knüpft an diesen Entwicklungsstand an und besteht in der Verwendung des an sich bekannten Titandioxyds mit stöchiometrischer Unscharfe, vorzugsweise von Titandioxyd mit der Formel TiO₂ bis TiO_li97 als keramischer Halbleiterkörper in poröser Form für feuchtigkeitsempfindliche Elemente von Feuchtigkeitsmeßapparaten. Eine besonders bevorzugte Form des erfindungsgemäßen Elementes besteht aus bis zur Blaufärbung reduziertem Titandioxyd Zweckmäßigerweise ist das verbesserte feuchtigkeitsempfindliche Element aus feingemahlenem Titandioxyd hergestellt, welches mit destilliertem Wasser gemischt ist. Diese Mischung wird dann zu Platten od. dgl. ausgeformt und daraufhin langsam getrocknet. In Abänderung hierzu können die Platten auch durch Pressen auf trockenem Wege hergestellt werden. Daraufhin werden die Platten bei 900 bis HOO⁰C in einem oxydierenden oder inerten Gas gebrannt, um das Material zu sintern und einen Körper von entsprechender Festigkeit herzustellen. Nachher werden die Platten in einem Wasserstoffstrom oder einer anderen reduzierenden Atmosphäre bei etwa 400 bis 900° C mehrere Stunden lang erwärmt, um das Titan zu reduzieren. Die Länge der Feuchtigkeitsmeßeinrichtung

mit einem keramischen Halbleiter

und Verfahren zu seiner Herstellung

Anmelder:

British Scientific Instrument Research
Association, London

Vertreter: Dipl.-Ing. Dr. jur. W. Böhme, Patentanwalt, Nürnberg, Frauentorgraben 73

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 24. Juli 1953 und 11. Mai 1954

Stanley Martin, London,
ist als Erfinder genannt worden

Zeit hängt davon ab, welche Temperaturhöhe angewendet wird. Es wurde gefunden, daß der Widerstand des Materials sinkt, wenn die Temperatur und die Dauer des Erhitzens im Wasserstoffstrom gesteigert werden. Es wurde weiterhin gefunden, daß der Reduktionsprozeß anzuhalten ist, wenn das Material eine mittelblaue Farbe erhält, da dann der keramische Körper eine optimale Charakteristik besitzt. Diese Färbung zeigt an, daß das Material ein Oxydationsprodukt enthält, das etwa zwischen TiO₂ und TiO_1>97 liegt. Eine hiervon abweichende Herstellungsmethode besteht darin, daß die Platten in einer reduzierenden Atmosphäre von 900 bis 1100° C gebrannt und dann teilweise bei einer niedrigeren Temperatur oxydiert werden, bis die mittelblaue Farbe wiederum erreicht ist.

Nach einer anderen Methode wird das Material in einem inerten oder oxydierenden Gas bei 900 bis 1100° C und dann in einer reduzierenden Atmosphäre während einer Dauer von V2 bis 3 Minuten bei derselben Temperatur erhitzt.

Eine weitere Methode besteht darin, feinverteilte Kohle oder andere Brennstoffe mit dem noch nicht gebrannten Titan zu vermischen, diese Mischung in einer nicht oxydierenden Atmosphäre zu sintern und dann die Kohle in einer oxydierenden Atmosphäre abzubrennen. Weitere Unterschiede in der porösen Struktur können dadurch erhalten werden, daß eine Platte aus reduziertem Titan zu einem feinen Pulver

S09 598/285

gemahlten, dann wiederum zu einer neuen Platte geformt und nun neu gebrannt wird.

Nach dem Auskühlen werden die nach irgendeiner der vorstehenden Methoden geformten Platten in Stücke geschnitten, die ungefähr der gewünschten Größe entsprechen. Das Ergebnis ist dann eine Keramikplatte, die im Trockenzustand einen Halbleiter darstellt, aber deren Widerstand mit steigender Feuchtigkeit, welche die Platte absorbiert, stetig abfällt. Aus diesem Grunde kann das Element ge- ίο brauchsfertig in einem Instrument verwendet werden, in dem der Widerstand des Elementes und damit die Feuchtigkeit der Luft oder des Gases, in welchen dieses Teil angeordnet ist, gemessen wird.

Bevor der Zusammenhang zwischen der relativen Feuchtigkeit und dem elektrischen Widerstand für jedes Element oder einer Teilmenge des Elementes durch Kalibrierung festgelegt wird, setzt man vorzugsweise das Element während 6 Monate dem normalen Feuchtigkeitswechsel der Atmosphäre aus. Hierdurch wird die Stabilität der Kalibrierung verbessert. Dieser Alterungsprozeß kann z. B. durch Einlagern der Elemente in Dampf oder Wasser während mehrerer Tage künstlich beschleunigt werden. Ein Element, das aus reduziertem Titandioxyd hergestellt ist, hat mithin den Vorteil, daß es chemisch relativ inert ist. Das Material befindet sich feinverteilt im Körper. Der gesinterte Körper besitzt sehr feine Poren. Dies bedingt hohe Empfindlichkeit. Von weiterem Vorteil ist es, daß das Titandioxyd im Sinterungsprozeß gebrauchsfertig bis zur gewünschten Halbleitercharakteristik reduziert wird.

Ein weiterer Vorteil des reduzierten Titandioxyds ist es, daß es dank seiner geringen Abweichungen in bezug auf die Widerstandsgröße als Fertigkörper in ein Meßinstrument eingebaut werden kann. Solch ein Meßinstrument kann z. B. ein feuchtigkeitsempfindliches Element aus reduziertem Titandioxyd besitzen, das mit einer Wechselstromquelle in Serie geschaltet wird, so daß ein Mikroamperemeter zum Messen des durch das Element und durch die Feuchtigkeit der Atmosphäre bestimmten Stromes verwendet werden kann. Die Instrumentenskala zum Messen der relativen Feuchtigkeit kann am trockenen Ende eine enge Einteilung, am feuchten Ende eine weitere Einteilung besitzen, ausgehend von einem Nullwert, der bei einer etwa 50%igen relativen Feuchtigkeit liegt. Durch die Addition mehrerer Widerstände vom genauen Wert ist es jedoch möglich, den Wert für die 50% relative Feuchtigkeit auf der Mitte der Skala zu vermerken, so daß die Skala dann in der Mitte weit auseinanderliegende und nach jedem Ende zu eng zusammenliegende Werte besitzt. Das Auseinanderziehen dieser Skalenwerte an den äußeren Enden der Skala hängt von der dem Element entsprechenden Kurve ab, und ein Instrument kann beim Gebrauch von Titandioxyd als Element derart konstruiert sein, daß es eine Skala von befriedigender Genauigkeit besitzt. Die Genauigkeit ist größer als bei Verwendung eines Elementes, dessen Leitungswiderstand stark variiert. Durch Verwendung von zwei Elementen aus reduziertem Titandioxyd und zwei Widerständen in einer kombinierten Serien-Parallel-Schaltung kann ein sehr einfaches Instrument mit einer völlig gleichförmigen Skaleneinteilung erhalten werden. Durch entsprechende Schaltung der Widerstände und der Elemente ist eine nahezu lineare Kalibrierung möglich.

Grundsätzlich werden ein Widerstand und ein Element bzw. ein Paar Elemente, die sich entsprechen, in Serien verbunden und bilden damit zwei Arme eines parallelen Leitungsnetzes, das mit einer Wechselstromquelle und einem Mikro-Wechsel strom-Ampere-Messer verbunden ist.

Falls erforderlich, können die Elemente auch mit metallischen Kontakten versehen sein. Zu diesem Zweck kann das Element mit einem flüssigen oder pastenförmigen Mittel versehen werden, welches nach dem Brennen in einer entsprechenden Temperatur einen gut leitenden metallischen Film bildet, an welchen elektrische Leitungen gelötet werden können.

Claims

Patentansprüche.

1. Verwendung des an sich bekannten Titandioxyds mit stöchiometri scher Unscharfe, insbesondere von Titandioxyd mit der Formel TiO₀ bis TiO_1>97 als keramischer Halbleiterkörper in poröser Form für feuchtigkeitsempfindliche Elemente von Feuchtigkeitsmeßapparaten.

2. Halbleiterkörper mit Titandioxyd zur Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieser einen blauen Farbton besitzt.

3. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterkörpers aus keramischem Material gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß körniges Titandioxyd zu einem porösen Körper gesintert wird, der dann vorzugsweise mehrere Stunden lang in einer reduzierenden Atmosphäre bei 400 bis 900° C erhitzt wird.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gesinterte poröse Körper in einer reduzierenden Atmosphäre bei 900 bis 1100° C erwärmt und daraufhin bei einer niedrigeren Temperatur oxydiert wird, um die gewünschte Zusammensetzung zu erhalten.

5. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterkörpers aus keramischem Material gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das mit Kohle vermischte körnige Titandioxyd in einer nicht oxydierenden Atmosphäre gesintert und dann die verbleibende Kohle abgebrannt wird.

6. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterkörpers aus keramischem Material gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das halbleitende Material in körnigem Zustand gesintert wird.

7. Feuchtigkeitsmeßinstrument, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Element gemäß Anspruch 1 und 2 enthält, welches mit einer Wechselstromquelle und einem Strommesser in Serie und vorzugsweise auch derart mit einem Widerstand zusammengeschaltet ist, daß die relative Feuchtigkeitsskala des Instrumentes in der Mitte eine große Skalenstrichentfernung und an den Enden eine kleine Strichentfernung besitzt.

8. Meßinstrument gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwei feuchtigkeitsempfindliche Elemente gemäß Anspruch 1 und 2 und zwei Widerstände in derartiger Kombination hintereinander parallel geschaltet sind, daß eine im wesentlichen lineare Skaleneinteilung Verwendung finden kann.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 504359;

französische Patentschrift Nr. 1062 510;

»Elektrotechnische Zeitschrift«, Bd. 59, 1938,
S. 1085 bis 1089;

»American Ceramic Society«, 1947, S. 290 bis 296;

Keiηath, »Elektrische Temperaturmeßgeräte«,
1923, S. 91, 92.