DE112020004741T5

DE112020004741T5 - Keramikstruktur mit eingebetteter Elektrode

Info

Publication number: DE112020004741T5
Application number: DE112020004741.5T
Authority: DE
Inventors: Takao Ohnishi; Daishi Tanabe; Akifumi MORISHITA
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2019-10-04
Filing date: 2020-09-29
Publication date: 2022-07-21
Also published as: JP7394144B2; JPWO2021065901A1; US20220214205A1; WO2021065901A1

Abstract

Eine Keramikstruktur (10) mit eingebetteter Elektrode beinhaltet: eine erste Keramikschicht (2); eine Elektrodenschicht (4), die auf der ersten Keramikschicht (2) ausgebildet ist; und eine zweite Keramikschicht (6), die die erste Keramikschicht (2) und die Elektrodenschicht (4) bedeckt, wobei die zweite Keramikschicht (6) dünner als die erste Keramikschicht (2) ist. In einem Querschnitt der ersten Keramikschicht (2), der Elektrodenschicht (4) und der zweiten Keramikschicht (6) entlang einer Laminierrichtung in dieser Keramikstruktur (10) mit eingebetteter Elektrode erfüllen T1 und T2 die Gleichung (T2 - T1) / T2 ≤ 0,15, wobei T1 einen Abschnitt mit der geringsten Dicke in der zweiten Keramikschicht (6) bezeichnet und T2 eine durchschnittliche Dicke der zweiten Keramikschicht (6) bezeichnet.

Description

Technisches Gebiet
Diese Beschreibung offenbart eine Technologie bezüglich einer Keramikstruktur mit eingebetteter Elektrode.
Technischer Hintergrund
Es sind Keramikstrukturen bekannt, in die jeweils eine Elektrode eingebettet ist. Solche Keramikstrukturen sind als Vorrichtungen wie Heizer, Sensoren, piezoelektrische Elemente und Entladungsvorrichtungen erhältlich. Das Patentdokument 1 offenbart eine Entladungsvorrichtung, die die Keramikstruktur verwendet. In der Keramikstruktur des Patentdokuments 1 ist eine Elektrodenschicht (eine Entladungselektrode) auf die Oberfläche der ersten Keramikschicht (eine Keramikplatte) gedruckt. Die zweite Keramikschicht (eine Schutzschicht) wird auf der Oberfläche der ersten Keramikschicht gebildet, um die erste Keramikschicht und die Elektrodenschicht zu bedecken. Im Patentdokument 1 hat die zweite Keramikschicht eine Oberflächenrauhigkeit Ra von weniger als oder gleich 10 µm. Dadurch wird die Haltbarkeit (Lebensdauer) der Entladungsvorrichtung erhöht. Auch im Patentdokument 1 ist die zweite Keramikschicht 10 µm oder mehr dick. Die Oberfläche der zweiten Keramikschicht ist z.B. mit einem nicht kristallisierenden Glas oder einem Polyimid bedeckt.
Dokument zum Stand der Technik
Patentdokument
Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldung Offenlegung Nr. 2005-135716
Kurzdarstellung
Durch die Erfindung zu lösendes Problem
In der Keramikstruktur, in die die Elektrode eingebettet ist (Keramikstruktur mit eingebetteter Elektrode), fungiert die zweite Keramikschicht als Isolierschicht oder als Wärmeisolierschicht. Daher wird die zweite Keramikschicht vorzugsweise dünner gestaltet, um bessere Eigenschaften in einer Vorrichtung mit einer Keramikstruktur mit eingebetteter Elektrode zu erzielen. Je dünner jedoch die zweite Keramikschicht ist, desto mehr nimmt die Haltbarkeit (Lebensdauer) der Vorrichtung ab. Wie vorstehend beschrieben, ist die zweite Keramikschicht im Patentdokument 1 10 µm oder mehr dick. Dadurch wird eine Verringerung der Haltbarkeit (Lebensdauer) der Vorrichtung verhindert. Die herkömmlichen Keramikstrukturen mit eingebetteter Elektrode stehen also in einer Kompromissbeziehung zwischen den Eigenschaften und der Haltbarkeit. Bei dem herkömmlichen Konstruktionskonzept ist es schwierig, die Eigenschaften und die Lebensdauer der Keramikstruktur mit eingebetteter Elektrode miteinander in Einklang zu bringen. Daher ist es wünschenswert, eine Keramikstruktur mit eingebetteter Elektrode auf der Grundlage eines neuen Konstruktionskonzepts zu entwickeln. Die Aufgabe dieser Beschreibung ist es, eine neue Keramikstruktur mit eingebetteter Elektrode bereitzustellen, die auf einem neuen Konstruktionskonzept basiert, das sich von dem herkömmlichen Konstruktionskonzept unterscheidet.
Mittel zur Lösung des Problems
Eine Keramikstruktur mit eingebetteter Elektrode beinhaltet: eine erste Keramikschicht; eine auf der ersten Keramikschicht gebildete Elektrodenschicht; und eine zweite Keramikschicht, die die erste Keramikschicht und die Elektrodenschicht bedeckt, wobei die zweite Keramikschicht dünner ist als die erste Keramikschicht. In einem Querschnitt der ersten Keramikschicht, der Elektrodenschicht und der zweiten Keramikschicht entlang einer Laminierrichtung in dieser Keramikstruktur mit eingebetteter Elektrode können T1 und T2 die nachstehende Gleichung (1) erfüllen, wobei T1 einen Abschnitt mit der geringsten Dicke in der zweiten Keramikschicht bezeichnet und T2 eine durchschnittliche Dicke der zweiten Keramikschicht bezeichnet: $(T2 - T1) / T2<0,15$
Figurenliste

1 zeigt eine schematische Ansicht (perspektivische Ansicht) einer Keramikstruktur mit eingebetteter Elektrode gemäß Ausführungsform 1.
2 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie II-II in 1.
3 zeigt eine vergrößerte Ansicht der von der gestrichelten Linie in 2 eingeschlossenen Fläche.
4 zeigt eine vergrößerte Ansicht (einen Querschnitt) der ersten Keramikschicht.
5 ist eine Draufsicht, die schematisch eine Struktur eines Detektionssystems mit einem kapazitiven Sensor gemäß Ausführungsform 2 zeigt.
6 ist eine schematische Rückansicht von 5.
7 ist ein schematischer Teilquerschnitt entlang der Linie VII-VII in 5 und 6.
8 ist ein schematischer Teilquerschnitt entlang der Linie VIII-VIII in 5 und 6.
9 ist ein schematischer Teilquerschnitt entlang der Linie IX-IX in 5 und 6.
10 ist ein Schaltplan, der ein ungefähres Ersatzschaltbild entsprechend 9 darstellt.
11 ist ein Querschnitt, der schematisch eine Struktur eines kapazitiven Sensors gemäß Ausführungsform 3 zeigt.
12 ist ein schematischer Teilquerschnitt entlang der Linie XII-XII in 11
13 ist ein schematischer Teilquerschnitt entlang der Linie XIII-XIII in 11.
14 ist ein schematischer Teilquerschnitt entlang der Linie XIV- XIV in 11.
15 ist eine Draufsicht, die schematisch die Struktur eines Detektionssystems mit einem kapazitiven Sensor gemäß Ausführungsform 4 darstellt.
16 ist eine Draufsicht, die schematisch die Struktur eines Detektionssystems mit einem kapazitiven Sensor gemäß Ausführungsform 5 zeigt.

Beschreibung der Ausführungsformen
[Ausführungsform 1]
Eine in dieser Beschreibung offenbarte Keramikstruktur mit eingebetteter Elektrode kann beinhalten: eine erste Keramikschicht; eine auf der ersten Keramikschicht gebildete Elektrodenschicht; und eine zweite Keramikschicht, die die erste Keramikschicht und die Elektrodenschicht bedeckt. Beispielmaterialien für die erste und zweite Keramikschicht können Zirkoniumdioxid (ZrO₂), teilstabilisiertes Zirkoniumdioxid und stabilisiertes Zirkoniumdioxid beinhalten. Das stabilisierte oder teilstabilisierte Zirkoniumdioxid ist ein Material, dem Yttriumoxid (Y₂O₃) oder Calciumoxid (CaO) als Stabilisator zugesetzt wurde. Die erste und die zweite Keramikschicht können aus demselben Material oder aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Die erste und die zweite Keramikschicht bestehen vorzugsweise aus demselben Material, so dass sie gut miteinander versintert sind. Die zweite Keramikschicht kann dünner als die erste Keramikschicht sein. Die Dicke der zweiten Keramikschicht ist nicht besonders begrenzt, sondern kann von 1 µm bis 10 µm sein. Die zweite Keramikschicht kann 8 µm oder weniger dick, 5 µm oder weniger dick oder 3 µm oder weniger dick sein. Die zweite Keramikschicht kann 2 µm oder mehr, 4 µm oder mehr oder 6 µm oder mehr dick sein. Die zweite Keramikschicht kann als Schutzschicht für eine Elektrode (Elektrodenschicht) angesehen werden.
Die zweite Keramikschicht hat vorzugsweise eine gleichmäßige Dicke ohne einen lokal dünneren oder einen lokal dickeren Abschnitt. Insbesondere können in einem Querschnitt der ersten Keramikschicht, der Elektrodenschicht und der zweiten Keramikschicht entlang einer Laminierrichtung ein Abschnitt mit der geringsten Dicke (T1) und eine durchschnittliche Dicke (T2) der zweiten Keramikschicht die Beziehung der nachstehenden Gleichung (1) erfüllen: $(T2 - T1) / T2 \leq 0,15$
Die vorstehende Gleichung (1) zeigt, dass die Differenz zwischen der durchschnittlichen Dicke T2 und der geringsten Dicke T1 der zweiten Keramikschicht kleiner oder gleich 15 % der durchschnittlichen Dicke T2 ist. Die Differenz zwischen der durchschnittlichen Dicke T2 und der geringsten Dicke T1 der zweiten Keramikschicht (T2 - T1) kann weniger als oder gleich 12%, 8%, 5% oder 3% der durchschnittlichen Dicke T2 betragen.
Je dünner die zweite Keramikschicht in der Keramikstruktur mit eingebetteter Elektrode ist, desto besser werden die Eigenschaften. Andererseits nimmt die Haltbarkeit umso mehr ab, je dünner die zweite Keramikschicht ist. Der Abschnitt mit der geringsten Dicke beeinflusst die Haltbarkeit der Keramikstruktur mit eingebetteter Elektrode (die zweite Keramikschicht) am stärksten. Mit anderen Worten, die zweite Keramikschicht verschlechtert sich ausgehend vom Abschnitt mit der geringsten Dicke. Daher wird die zweite Keramikschicht üblicherweise so verdickt, dass der Abschnitt mit der geringsten Dicke eine bestimmte Dicke gewährleistet. Dies hat zur Folge, dass die durchschnittliche Dicke der zweiten Keramikschicht zwangsläufig größer wird, was die Verbesserung der Eigenschaften einschränkt. In diesem Fall kann die Anpassung der Dicke der zweiten Keramikschicht, so dass Gleichung (1) erfüllt ist, die Haltbarkeit der zweiten Keramikschicht (Keramikstruktur mit eingebetteter Elektrode) verbessern, ohne die durchschnittliche Dicke der zweiten Keramikschicht zu erhöhen (ohne Verschlechterung der Eigenschaften). Die Dicken der zweiten Keramikschicht (T1, T2) werden wie folgt bestimmt. Zunächst werden Bilder der zweiten Keramikschicht (z.B. mit einer Länge von 100 µm) aufgenommen, so dass die geringste Dicke T1 gemessen wird. Aus den Dicken von z.B. 100 beliebigen Stellen kann die durchschnittliche Dicke T2 berechnet werden.
Der Prozentsatz der Hohlräume in der zweiten Keramikschicht kann weniger als oder gleich 0,05% betragen. Wenn die zweite Keramikschicht Hohlräume aufweist, ist die Dicke der Matrix (Keramik) in einem Abschnitt mit dem Hohlraum um den Hohlraum verringert. Wenn der Prozentsatz der Hohlräume in der zweiten Keramikschicht weniger als oder gleich 0,05% ist, kann vermieden werden, dass die Matrix einen Hohlraum mit einem lokal dünner gestalteten Abschnitt aufweist, und eine Abnahme der Haltbarkeit kann zuverlässiger verhindert werden. Der Prozentsatz der Hohlräume in der zweiten Keramikschicht kann beispielsweise berechnet werden, indem REM-Bilder der zweiten Keramikschicht einer Bildverarbeitung durch die i-TEM-Analysesoftware (hergestellt von SEIKA CORPORATION) unterzogen werden.
Die Elektrodenschicht kann auf einem Teil der Oberfläche der ersten Keramikschicht ausgebildet sein. Insbesondere kann die Elektrodenschicht von der ersten Keramikschicht auf der Oberfläche der ersten Keramikschicht umgeben sein. Mit anderen Worten, die Elektrodenschicht kann in einem anderen Abschnitt als dem Randbereich (einem mittleren Abschnitt) auf der Oberfläche der ersten Keramikschicht ausgebildet sein. Auf der Oberfläche der ersten Keramikschicht kann eine Vielzahl von Elektrodenschichten ausgebildet sein. Wie vorstehend beschrieben, bedeckt die zweite Keramikschicht die erste Keramikschicht und die Elektrodenschicht. So wird eine laminierte Struktur aus der ersten Keramikschicht, der Elektrodenschicht und der zweiten Keramikschicht in dem Abschnitt mit der Elektrode auf der ersten Keramikschicht gebildet. Andererseits sind die erste Keramikschicht und die zweite Keramikschicht in einem Abschnitt ohne die Elektrode auf der ersten Keramikschicht miteinander in Kontakt. Insbesondere sind die erste Keramikschicht und die zweite Keramikschicht gesintert und miteinander verbunden.
In dem Abschnitt, in dem die erste Keramikschicht, die Elektrodenschicht und die zweite Keramikschicht laminiert sind, braucht eine Grenzfläche zwischen der Elektrodenschicht und jeder der Keramikschichten nicht eben zu sein. Mit anderen Worten, die vordere Oberfläche und die hintere Oberfläche der Elektrodenschicht (Kontaktoberflächen mit der ersten Keramikschicht und der zweiten Keramikschicht) müssen nicht eben sein. Insbesondere können im Querschnitt der ersten Keramikschicht, der Elektrodenschicht und der zweiten Keramikschicht entlang der Laminierrichtung eine Länge der Elektrodenschicht auf der ersten Keramikschicht (L1), eine Länge der Elektrodenschicht auf der zweiten Keramikschicht (L2) und eine Länge der Elektrodenschicht in einer Richtung rechtwinklig zur Laminierrichtung (L3) eine Beziehung der folgenden Gleichung (2) erfüllen: $(L1 + L2) / L3 \geq 2,2$
In der Definition ist die Länge L3 eine lineare Länge entlang der Richtung rechtwinklig zur Laminierrichtung. Außerdem ist die Länge L1 eine Länge entlang der Grenzfläche zwischen der Elektrodenschicht und der ersten Keramikschicht. Die Länge L2 ist eine Länge entlang der Grenzfläche zwischen der Elektrodenschicht und der zweiten Keramikschicht.
Die vorstehende Gleichung (2) zeigt an, dass die Summe der Längen auf der vorderen und hinteren Oberfläche der Elektrodenschicht 10 % größer als oder gleich der Summe der Längen ist, wenn die vordere und hintere Oberfläche der Elektrodenschicht flach sind. Mit anderen Worten, die vorstehende Gleichung (2) zeigt an, dass die vordere und hintere Oberfläche der Elektrodenschicht rau sind. Die Rauheit auf der vorderen und hinteren Oberfläche der Elektrodenschicht ermöglicht es der Elektrodenschicht und den Keramikschichten, sich gegenseitig zu durchdringen. Dies kann den Verankerungseffekt bewirken, dass die Elektrodenschicht und die Keramikschichten fest miteinander verbunden werden. Kurz gesagt, eine Delaminierung der Elektrodenschicht von den Keramikschichten kann verhindert werden. Wenn F1 als F1 = (L1 + L2) / L3 in vorstehender Gleichung (2) definiert ist, kann F1 größer als oder gleich 2,4, 2,6, 2,8 oder 3,0 sein.
Die Länge L1 kann größer sein als die Länge L2. Mit anderen Worten, die Rauheit der Elektrodenschicht auf der ersten Keramikschicht kann größer sein als die auf der zweiten Keramikschicht. Schwankungen in der Dicke der zweiten Keramikschicht (die Schicht, die dünner ist als die erste Keramikschicht) können vermindert werden, während die Delaminierung der Elektrodenschicht von den Keramikschichten verhindert wird. Die Länge L1 kann 1,1-, 1,2-, 1,3- oder 1,4-mal größer als oder gleich der Länge L2 sein. Die Längen der vorderen Oberfläche und der hinteren Oberfläche der Elektrodenschicht (die Längen L1 und L2) können z.B. anhand von REM-Bildern der Elektrodenschicht unter Verwendung der vorstehend erwähnten iTEM-Analysesoftware berechnet werden.
Die Elektrodenschicht kann z.B. aus Platin (Pt) oder einer goldhaltigen Au-Pt-Legierung (Au) bestehen. Außerdem kann die Elektrodenschicht Keramikteilchen enthalten. Der Wärmeausdehnungskoeffizient der Elektrodenschicht, die Keramikteilchen enthält, kann sich dem von Keramikschichten (der ersten und zweiten Keramikschicht) stärker annähern als dem einer Elektrodenschicht aus Metall. Darüber hinaus wird als Vorteil erwartet, dass das Sintern der Keramikteilchen in der Elektrodenschicht mit den Keramikschichten die Bildung der Rauheit auf der Oberfläche der Elektrode erleichtert. Der Prozentsatz der Keramikteilchen in der Elektrodenschicht kann höher als oder gleich 4 % sein. Der Prozentsatz der Keramikteilchen in der Elektrodenschicht kann höher als oder gleich 5%, 7% oder 10% sein. Je höher der Prozentsatz der Keramikteilchen ist, desto leichter lassen sich die Vorteile herstellen. Der Prozentsatz der Keramikteilchen in der Elektrodenschicht kann weniger als oder gleich 50%, 30% oder 20% sein. Wenn der Prozentsatz der Keramikteilchen in der Elektrodenschicht weniger als oder gleich 50% beträgt, kann die Elektrodenschicht ihre Funktionen als Elektrode ausreichend ausüben.
Der Prozentsatz der Keramikteilchen in der Elektrodenschicht kann z.B. aus den Flächen des Metalls und der Keramikteilchen in der Elektrodenschicht berechnet werden, indem REM-Aufnahmen des Querschnitts der ersten Keramikschicht, der Elektrodenschicht und der zweiten Keramikschicht entlang der Laminierrichtung vorgenommen werden. Die Flächen des Metalls und der Keramikteilchen in der Elektrodenschicht können beispielsweise unter Verwendung der vorstehend erwähnten i-TEM-Analysesoftware berechnet werden.
Zu den Beispielmaterialien der Keramikteilchen können Zirkoniumdioxid (ZrO₂), teilstabilisiertes Zirkoniumdioxid und stabilisiertes Zirkoniumdioxid gehören. Das stabilisierte oder teilstabilisierte Zirkoniumdioxid ist ein Material, dem Yttriumoxid (Y₂O₃) oder Calciumoxid (CaO) als Stabilisator zugesetzt wurde. Mit anderen Worten, die Keramikteilchen können aus einem Material bestehen, das mit dem der ersten und zweiten Keramikschicht identisch ist. Außerdem können die Keramikteilchen aus einem Metalloxid bestehen, das sich von dem der ersten und zweiten Keramikschicht unterscheidet. Beispiele für Metalloxid sind Aluminiumoxid (Al₂O₃), Spinell (MgAl₂O₄), Titandioxid (TiO₂), Zirkoniumdioxid (ZrO₂), Magnesiumoxid (MgO), Mullit (Al₆O₁₃Si₂) und Cordierit (MgO-Al₂O₃-SiO₂).
[Beispiel]
Ein Beispiel für eine Keramikstruktur mit eingebetteter Elektrode wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 beschrieben. 1 zeigt eine Keramikstruktur 10, in die eine Pt-Elektrode 4 eingebettet ist. Die Keramikstruktur 10 beinhaltet ein Substrat 2 aus Zirkoniumdioxid, die Pt-Elektrode 4, die auf der Oberfläche des Substrats 2 ausgebildet ist, und eine Schutzschicht 6 aus Zirkoniumdioxid und die das Substrat 2 und die Pt-Elektrode 4 bedeckt. Das Substrat 2 ist ein Beispiel für die erste Keramikschicht. Die Pt-Elektrode 4 ist ein Beispiel für die Elektrodenschicht. Die Schutzschicht 6 ist ein Beispiel für die zweite Keramikschicht.
Wie in den 1 und 2 dargestellt, ist die Pt-Elektrode 4 in einem mittleren Abschnitt der Oberfläche des Substrats 2 angeordnet. Somit sind alle Oberflächen der Pt-Elektrode 4 von den Keramikschichten (dem Substrat 2 und der Schutzschicht 6) umgeben und die Pt-Elektrode 4 ist außerhalb der Keramikstruktur 10 nicht sichtbar. In dem Abschnitt mit der Pt-Elektrode 4 wird eine laminierte Struktur aus dem Substrat 2, der Pt-Elektrode 4 und der Schutzschicht 6 gebildet. Außerdem sind das Substrat 2 und die Schutzschicht 6 in einem Abschnitt ohne die Pt-Elektrode 4 miteinander verbunden. 1 und 2 zeigen eine Verbundoberfläche 8 zwischen dem Substrat 2 und der Schutzschicht 6 unter Verwendung virtueller Linien. Da das Substrat 2 und die Schutzschicht 6 tatsächlich gesintert sind, haben das Substrat 2 und die Schutzschicht 6 keine klare Grenze auf der Verbundoberfläche 8. Wenn also die Formen und Größen des Substrats 2 und der Schutzschicht 6 beschrieben werden, werden die Formen und Größen in einem Abschnitt der laminierten Struktur des Substrats 2, der Pt-Elektrode 4 und der Schutzschicht 6 beschrieben. In der Keramikstruktur 10 ist das Substrat 2 im Durchschnitt 1 mm dick, die Pt-Elektrode 4 ist 3 µm dick und die Schutzschicht 6 ist 3 µm dick (Dicke t6 in 2).
Die Keramikstruktur 10 wurde wie nachstehend hergestellt: Herstellung des Substrats 2, auf dessen Oberfläche eine Pt-Paste im Siebdruckverfahren aufgebracht wurde; Herstellung der Schutzschicht 6 durch ein Plattenbildungsverfahren getrennt vom Substrat 2; Aufbringen der Schutzschicht 6 auf die Oberfläche des Substrats 2; und Drucklaminierung/Brennen des Substrats 2 und der Schutzschicht 6. Konkret wurde eine Pt-Paste, die volumenmäßig 25 % Zirkoniumdioxidteilchen mit einem durchschnittlichen Korndurchmesser von 0,5 µm enthält, im Siebdruckverfahren auf eine bestimmte Stelle einer Oberfläche eines Zirkoniumdioxidsubstrats von 1 mm gedruckt. Auf diese Weise entstand das Substrat 2, auf dessen Oberfläche die Pt-Elektrode 4 gebildet wurde. Die Bedingungen für den Siebdruck wurden so eingestellt, dass die eingebrannte Schutzschicht 6 3 µm dick war. Außerdem wurde die Schutzschicht 6 hergestellt, indem eine Zirkoniumdioxidaufschlämmung mit Zirkoniumdioxidteilchen hergestellt, die Zirkoniumdioxidaufschlämmung in einem Matrizenbeschichtungsverfahren zu einer Zirkoniumdioxidplatte von 3 µm geformt und die Zirkoniumdioxidplatte getrocknet wurde. Dann wurde die Keramikstruktur 10 durch Drucklaminierung der Zirkoniumdioxidplatte auf die Oberfläche des Substrats 2 und Brennen der Zirkoniumdioxidplatte bei 1500°C an der Atmosphäre hergestellt.
3 zeigt eine vergrößerte Ansicht (eine 3000-fach vergrößerte Ansicht) eines Abschnitts der laminierten Struktur des Substrats 2, der Pt-Elektrode 4 und der Schutzschicht 6. Wie in 3 dargestellt, wurden innerhalb der Pt-Elektrode 4 Zirkoniumdioxidteilchen 14 beobachtet. Die Existenz der verstreuten Zirkoniumdioxidteilchen 14 in der Pt-Elektrode 4 wurde beobachtet. Anhand des Ergebnisses der Berechnung eines Prozentsatzes (eines Flächenverhältnisses) der Zirkoniumdioxidteilchen 14 in der Pt-Elektrode 4 unter Verwendung der iTEM-Analysesoftware haben wir die Existenz von 5 % Zirkoniumdioxidteilchen 14 in der Pt-Elektrode 4 bestätigt.
Darüber hinaus wurde die Rauheit auf einer vorderen Oberfläche 4a (eine der Schutzschicht 6 zugewandte Oberfläche) und einer hinteren Oberfläche 4b (eine dem Substrat 2 zugewandte Oberfläche) der Pt-Elektrode 4 beobachtet. Die Länge der vorderen Oberfläche 4a war 1,03-mal größer und die Länge der hinteren Oberfläche 4b war 1,21-mal größer als die der Pt-Elektrode 4 (die Pt-Elektrode 4 im Bild (3) in horizontaler Richtung). Die Summe der Längen der Pt-Elektrode 4 auf der vorderen und hinteren Oberfläche war 2,24-mal größer als die Länge der Pt-Elektrode 4. Mit anderen Worten, die durchschnittliche Länge der Pt-Elektrode 4 auf der vorderen und hinteren Oberfläche war 12 % (1,12-mal) größer als die Länge der Pt-Elektrode 4. Außerdem war die Länge der hinteren Oberfläche 4b größer als die der vorderen Oberfläche 4a und 1,17-mal größer als die der vorderen Oberfläche 4a. Die Längen der vorderen Oberfläche 4a und der hinteren Oberfläche 4b wurden mit der iTEM-Analysesoftware berechnet.
4 zeigt eine vergrößerte Ansicht (eine 3000-fach vergrößerte Ansicht) von einem gebundenen Abschnitt zwischen der Pt-Elektrode 4 und der Schutzschicht 6 bis zur Oberfläche der Schutzschicht 6. Wie in 4 dargestellt, haben wir festgestellt, dass die Verbundoberfläche zwischen dem Substrat 4 und der Schutzschicht 6 nicht eben ist und die Dicke der Schutzschicht 6 variiert. Zur Messung der Dicke der Schutzschicht 6 wurde eine Vielzahl von Bildern der Schutzschicht 6 (mit einer Länge von etwa 100 µm) aufgenommen. Anschließend wurde die geringste Dicke T1 gemessen. Außerdem wurden die Dicken von 100 beliebigen Stellen gemessen und die durchschnittliche Dicke T2 der Schutzschicht 6 berechnet. Das Ergebnis war, dass die geringste Dicke T1 2,6 µm und die durchschnittliche Dicke T2 3,0 µm betrug. Mit anderen Worten, der Unterschied zwischen der geringsten Dicke T1 und der durchschnittlichen Dicke T2 betrug 13 % der durchschnittlichen Dicke T2.
Darüber hinaus wurde der Prozentsatz der Hohlräume in der Schutzschicht 6 unter Verwendung der iTEM-Analysesoftware berechnet. Bei der Berechnung des Prozentsatzes von Hohlräumen in der Schutzschicht 6 wird ein Hohlraum 16, der von einer Matrix der Schutzschicht 6 umschlossen ist, als Hohlraum in der Schutzschicht 6 betrachtet, und ein Hohlraum 18, der zwischen der Schutzschicht 5 und der Pt-Elektrode 4 beobachtet wird, wird nicht als Hohlraum in der Schutzschicht 6 betrachtet (siehe 4). Es wurden mehrere Bilder der Schutzschicht 6 (mit einer Länge von etwa 100 µm) aufgenommen und es wurde ein Durchschnittswert der Prozentsätze der Hohlräume an mehreren Stellen berechnet. Das Ergebnis bestätigte die Existenz von 0,05 % an Hohlräumen in der Schutzschicht 6.
[Stehspannungsprüfung]
Wir haben die Eigenschaften (Haltbarkeit) der Keramikstruktur 10 bewertet. Insbesondere wurde eine Oberflächenelektrode auf der Oberfläche der Schutzschicht 6 gebildet (eine Oberfläche, die der Oberfläche mit der Pt-Elektrode 4 gegenüberliegt), es wurden Prüfspannungen zwischen der Oberflächenelektrode und der Pt-Elektrode 4 angelegt und es wurde geprüft, ob ein dielektrischer Durchschlag auftrat (Stehspannungsprüfung). Die Prüfspannungen betrugen 10 V, 20 V, 30 V und 40 V. Nachdem die Prüfspannungen 30 Minuten lang angelegt worden waren, wurde die Keramikstruktur 10, bei der kein dielektrischer Durchschlag auftrat, als akzeptabel eingestuft, und die Keramikstruktur 10, bei der innerhalb von 30 Minuten ein dielektrischer Durchschlag auftrat, wurde als Fehler eingestuft. Als Vergleichsbeispiele wurden auch Proben mit Schutzschichten bewertet, deren durchschnittliche Dicke der der Keramikstruktur 10 (3,0 µm) entsprach und deren Dickenschwankungen größer waren als die der Keramikstruktur 10 (der Unterschied zwischen der durchschnittlichen Dicke und der geringsten Dicke der Schutzschichten betrug 22 % der durchschnittlichen Dicke). Jede der Proben der Vergleichsbeispiele wurde durch Siebdruck einer Zirkoniumdioxidpaste (ein Material der Schutzschichten) auf die Oberfläche eines Substrats hergestellt, auf dem eine Pt-Elektrode gebildet wurde. Bei den Proben der Vergleichsbeispiele betrug der Prozentsatz der Hohlräume in den Schutzschichten 0,7 %.
Als Ergebnis der Stehspannungsprüfung ist bei den Proben der Vergleichsbeispiele ein dielektrischer Durchschlag bei 20 V aufgetreten. Im Gegensatz dazu wurde bei der Keramikstruktur 10 selbst bei Anlegen einer Spannung von 40 V für 30 Minuten kein dielektrischer Durchschlag beobachtet. Da die Dickenschwankungen der Keramikstruktur 10 geringer sind (der Unterschied zwischen der durchschnittlichen Dicke T2 und der geringsten Dicke T1 beträgt 13 % der durchschnittlichen Dicke T2), wurde eine hohe Haltbarkeit der Keramikstruktur 10 bestätigt.
[Thermoschockprüfung]
Anschließend wurden Proben (Proben 1) mit jeweils einer Pt-Elektrode 4 und einer Schutzschicht 6 hergestellt, deren Dicken sich von denen der Keramikstruktur 10 unterscheiden. Anschließend wurden die Eigenschaften der Pt-Elektroden 4 bewertet (Vorhandensein oder Fehlen einer Delaminierung der Pt-Elektroden 4 von den Substraten 2). Konkret wurden Proben 1 hergestellt, deren durchschnittliche Dicke der Pt-Elektroden 4 auf 10 µm und deren durchschnittliche Dicke der Schutzschichten 6 auf 5 µm geändert wurde. Dann wurde eine Prüfung (Thermoschockprüfung) an den Proben 1 durchgeführt, indem eine an die Pt-Elektroden 4 der Proben 1 angelegte Spannung wiederholt geändert und ein Verfahren der Erhöhung der Temperatur auf 600°C für 15 Sekunden und der Abkühlung der Temperatur auf 100°C für 15 Sekunden als ein Zyklus durchgeführt wurde. Um zu verhindern, dass die Dicke der Schutzschichten 6 die Prüfungsergebnisse beeinflusst, wurden die Pt-Elektroden 4 und die Schutzschichten 6 der Proben 1 dicker ausgeführt als die der Keramikstruktur 10 in der Thermoschockprüfung. Darüber hinaus wurden Keramikstrukturen ohne Keramikteilchen (Zirkoniumdioxidteilchen) in den Pt-Elektroden (die durchschnittliche Dicke der Pt-Elektroden betrug 10 µm und die durchschnittliche Dicke der Schutzschichten 5 µm) als Vergleichsbeispiele hergestellt und ebenfalls bewertet (Proben 2). In jeder der Keramikstrukturen der Vergleichsbeispiele (Proben 2) waren die vordere und die hinteren Oberfläche der Pt-Elektrode nahezu eben. Die Summe der Längen der vorderen und hinteren Oberfläche der Pt-Elektrode war 2,04-mal größer als die Länge der Pt-Elektrode. Mit anderen Worten, die durchschnittliche Länge der vorderen Oberfläche und hinteren Oberfläche der Pt-Elektrode in jeder der Keramikstrukturen der Proben 2 war 2% größer als die Länge der Pt-Elektrode.
Infolge der Thermoschockprüfung kam es bei den Keramikstrukturen der Proben 2 im 20. Zyklus zu einer Delaminierung der Pt-Elektroden von den Substraten. Im Gegensatz dazu wurde bei den Proben 1 auch nach einer Prüfung mit 100 Zyklen keine Delaminierung der Pt-Elektroden 4 von den Substraten 2 beobachtet. Auf der vorderen und hinteren Oberfläche der Pt-Elektrode 4 in der Keramikstruktur 10 bildeten sich große Rauigkeiten (die Summe der Längen der vorderen und hinteren Oberfläche war 2,2-mal größer als oder gleich der Länge der Pt-Elektrode). Auf diese Weise wurde bestätigt, dass die Pt-Elektrode 4 fest mit dem Substrat 2 und der Schutzschicht 6 verbunden war und dass eine Delaminierung verhindert wurde (eine hohe Haltbarkeit wurde erreicht).
Die Keramikstruktur mit eingebetteter Elektrode, die Keramikteilchen in der Elektrodenschicht enthält, wird in den Beispielen beschrieben. Die in dieser Beschreibung offenbarte Technologie ist jedoch auch auf eine Keramikstruktur mit eingebetteter Elektrode ohne Keramikteilchen in der Elektrodenschicht anwendbar. Wichtig ist, dass die Differenz zwischen der durchschnittlichen Dicke und der geringsten Dicke der Schutzschicht (der zweiten Keramikschicht), die das Substrat und die Elektrodenschicht bedeckt, auf weniger als oder gleich 15% der durchschnittlichen Dicke eingestellt wird.
[Ausführungsform 2]
[Struktur]
5 und 6 sind eine Draufsicht bzw. eine Rückansicht, die jeweils schematisch eine Struktur eines Detektionssystems 500 mit einem kapazitiven Sensor 101 (eine Keramikstruktur mit eingebetteter Elektrode) gemäß Ausführungsform 2 darstellen. 7 ist ein schematischer Teilquerschnitt entlang der Linie VII-VII in 5 und 6. 8 ist ein schematischer Teilquerschnitt entlang der Linie VIII-VIII in 5 und 6. 9 ist ein schematischer Teilquerschnitt entlang der Linie IX-IX in den 5 und 6. Das Detektionssystem 500 ist ein System, das Flüssigkeit detektiert, insbesondere ein System, das einen Flüssigkeitsstand detektiert. Somit ist der kapazitive Sensor 101 ein Flüssigkeitssensor, insbesondere ein Flüssigkeitsstandsensor. 5 und 6 zeigen ein Beispiel für einen Flüssigkeitsstand PL einer Flüssigkeit LQ, die von dem kapazitiven Sensor 101 detektiert werden soll, unter Verwendung virtueller Linien. 9 illustriert ebenfalls die Flüssigkeit LQ. Ein rechtwinkliges XYZ-Koordinatensystem wird dargestellt, um die Betrachtung der Zeichnungen zu erleichtern. In Ausführungsform 2 ist die Richtung Z gleich einer vertikalen Aufwärtsrichtung. Der Ursprung in der Richtung Z entspricht einer Nullposition des Flüssigkeitsstands PL.
Das Detektionssystem 500 beinhaltet den kapazitiven Sensor 101 und ein Messgerät 200. Der kapazitive Sensor 101 ist ein kapazitiver Sensor zur Detektion von Kapazitanzsänderungen. Der kapazitive Sensor 101 beinhaltet: eine Isolierschicht 52 (die erste Keramikschicht in Ausführungsform 2), eine Elektrodenschicht 54 und eine Schutzschicht 56 (die zweite Keramikschicht in Ausführungsform 2). Die Beschreibung der ersten Keramikschicht, der Elektrodenschicht und der zweiten Keramikschicht in Ausführungsform 1 gilt auch für jene in Ausführungsform 2. Die Elektrodenschicht 54 beinhaltet eine erste Sensorelektrode 21 und eine zweite Sensorelektrode 22. Der kapazitive Sensor 101 kann weiterhin eine erste Padelektrode 31, eine zweite Padelektrode 32, eine erste Durchgangselektrode 41 und eine zweite Durchgangselektrode 42 beinhalten.
Die Isolierschicht 52 besteht vorzugsweise aus einem keramischen Isolator und zwar vorzugsweise aus demselben Material wie die Schutzschicht 56. Die Isolierschicht 52 ist z.B. etwa 1 mm dick.
Wie in den 7 bis 9 dargestellt, ist die erste Sensorelektrode 21 auf einer Oberfläche der Isolierschicht 52 ausgebildet. Die zweite Sensorelektrode 22 ist getrennt von der ersten Sensorelektrode 21 auf der Isolierschicht 52 ausgebildet. Die zweite Sensorelektrode 22 bildet die Kapazitanz mit der ersten Sensorelektrode 21. Wie in 5 dargestellt, können die erste Sensorelektrode 21 und die zweite Sensorelektrode 22 ein Linien- und Raummuster bilden. Die erste Sensorelektrode 21 und die zweite Sensorelektrode 22 bestehen vorzugsweise aus einem hochschmelzenden Metall, das kaum oxidiert wird, z.B. Platin, Wolfram oder Kobalt. Jede der ersten Sensorelektrode 21 und der zweiten Sensorelektrode 22 ist beispielsweise etwa 5 µm dick.
Die Schutzschicht 56 bedeckt die erste Sensorelektrode 21 und die zweite Sensorelektrode 22. Insbesondere weist die Schutzschicht 56 eine Oberfläche SF und eine der Oberfläche SF gegenüberliegende und der ersten Sensorelektrode 21 und der zweiten Sensorelektrode 22 zugewandte Oberfläche auf. Die Schutzschicht 56 weist eine Dicke d von 1 µm ≤ d ≤ 10 µm auf, vorzugsweise erfüllt die Dicke d 1 µm ≤ d ≤ 5 µm. Die Schutzschicht 56 ist aus Zirkoniumdioxid oder Aluminiumoxid, vorzugsweise aus Zirkoniumdioxid, hergestellt. Die Schutzschicht 56 hat eine Dielektrizitätskonstante ε und beträgt vorzugsweise ε ≥ 10. Beispielsweise kann ε in der Schutzschicht 56 aus Zirkoniumdioxid etwa 30 betragen und ε in der Schutzschicht 56 aus Aluminiumoxid kann etwa 10 betragen. Vorzugsweise erfüllt ε/d ≥ 1.
Die erste Padelektrode 31 ist auf einer Oberfläche der Isolierschicht 52 gegenüber der vorstehend erwähnten einen Oberfläche ausgebildet. Die zweite Padelektrode 32 ist neben der ersten Padelektrode 31 auf der Oberfläche der Isolierschicht 52 gegenüber der vorstehend erwähnten einen Oberfläche ausgebildet. Die erste Durchgangselektrode 41 durchdringt die Isolierschicht 52 und ist mit ihrem einen Ende mit der ersten Sensorelektrode 21 und mit ihrem anderen Ende mit der ersten Padelektrode 31 verbunden. Die zweite Durchgangselektrode 42 durchdringt die Isolierschicht 52 und ist mit einem Ende mit der zweiten Sensorelektrode 22 und mit dem anderen Ende mit der zweiten Padelektrode 32 verbunden.
Das Messgerät 200 hat die Aufgabe, die Kapazitanz zu messen. Das Messgerät 200 ist elektrisch mit der ersten Padelektrode 31 und der zweiten Padelektrode 32 verbunden. Dadurch kann das Messgerät 200 die Kapazitanz messen, die von der ersten Sensorelektrode 21 und der zweiten Sensorelektrode 22 gebildet wird.
In einem Flüssigkeitsdetektionsverfahren, das von dem kapazitiven Sensor 101 durchgeführt wird, wird eine Vielzahl von Schritten durchgeführt. Zunächst wird ein Schritt zur Detektion der Kapazitanz des kapazitiven Sensors 101 durchgeführt. Als nächstes wird ein Schritt zur Detektion der Flüssigkeit LQ, insbesondere ein Schritt zur Detektion des Flüssigkeitsstands PL der Flüssigkeit LQ, auf der Grundlage der im Schritt zur Detektion der Kapazitanz detektierten Kapazitanz durchgeführt.
10 ist ein Schaltplan, der ein ungefähres Ersatzschaltbild entsprechend 9 darstellt. Unter Bezugnahme auf 9 und 10 bildet eine Struktur, bei der die Flüssigkeit LQ der ersten Sensorelektrode 21 durch die Schutzschicht 56 hindurch gegenüberliegt, eine Kapazitanz C1. In ähnlicher Weise bildet eine Struktur, in der die Flüssigkeit LQ der zweiten Sensorelektrode 22 durch die Schutzschicht 56 hindurch zugewandt ist, eine Kapazitanz C2. Eine mit dem Messgerät gemessene Kapazitanz C ist annähernd äquivalent zu einer Kapazitanz einer Reihenschaltung aus der Kapazitanz C1 und der Kapazitanz C2. Die Kapazitanz C wird also wie nachstehend berechnet: $C = C1 \times C2/ (C1+C2) .$
Wie in 5 dargestellt, ist C2 = C1, wenn die zweite Sensorelektrode 22 die gleiche Struktur wie die erste Sensorelektrode 21 aufweist. In diesem Fall lässt sich die vorstehende Gleichung wie folgt umschreiben: $C = C1 / 2 .$
Wie in 10 dargestellt, ist der Messwert der Kapazitanz C ungefähr proportional zum Flüssigkeitsstand PL. Daher ermöglicht die Kenntnis der Beziehung zwischen dem Flüssigkeitsstand PL und dem Messwert der Kapazitanz C im Voraus die Detektion des Flüssigkeitsstands unter Verwendung des Messwerts des kapazitiven Sensors 101.
Hier wird die Kapazitanz C durch die durch die Schutzschicht 56 gebildete Kapazitanz angenähert. Die Kapazitanz C ist also annähernd proportional zum Produkt aus der Dielektrizitätskonstante und der Dicke der Schutzschicht 56, also ε/d. Um eine Änderungsrate der Kapazitanz C mit hoher Präzision zu detektieren, ist die Kapazitanz C vorzugsweise etwas größer. Daher ist ε/d vorzugsweise in gewissem Maße größer. Insbesondere ist ε/d ≥ 1 vorzugsweise erfüllt.
[Zusammenfassung der Vorteile]
Mit Ausführungsform 2 können die gleichen Vorteile wie mit Ausführungsform 1 erzielt werden.
Erstens, wenn die Schutzschicht 56, die die erste Sensorelektrode 21 und die zweite Sensorelektrode 22 bedeckt, aus Zirkoniumdioxid oder Aluminiumoxid besteht, werden die Korrosionsbeständigkeit und die chemische Beständigkeit des kapazitiven Sensors 101 erhöht.
Zweitens wird durch die Dicke d der Schutzschicht 56, die 1 µm ≤ d ≤ 10 µm beträgt, eine signifikante Verringerung der Empfindlichkeit des kapazitiven Sensors 101 aufgrund der Bildung der Schutzschicht 56 vermieden und gleichzeitig die Korrosionsbeständigkeit und die chemische Beständigkeit gewährleistet.
Folglich ist die Detektion mit hoher Empfindlichkeit möglich, während die Korrosionsbeständigkeit und die chemische Beständigkeit gewährleistet sind. Insbesondere kann der Flüssigkeitsstand mit hoher Empfindlichkeit detektiert werden.
Die Schutzschicht 56 ist vorzugsweise aus Zirkoniumdioxid hergestellt. Dabei ist die Dielektrizitätskonstante ε der Schutzschicht 56 ein hoher Wert um 30. Dadurch wird eine Abnahme der Empfindlichkeit des kapazitiven Sensors 101 durch die Bildung der Schutzschicht 56 ausreichend vermieden.
Vorzugsweise wird ε/d ≥ 1 erfüllt. Dies erhöht die Kapazitanz pro Flächeneinheit, die durch die Schutzschicht 56 gebildet wird. Dadurch wird die Empfindlichkeit des kapazitiven Sensors 101 ausreichend gewährleistet.
Sowohl die Isolierschicht 52 als auch die Schutzschicht 56 bestehen vorzugsweise aus einem keramischen Isolator, bevorzugter aus demselben Material. Dadurch wird ein Unterschied im Schrumpfungsgrad beim Brennvorgang zur Herstellung des kapazitiven Sensors 101 vermindert. Selbst wenn die Dicke d der Schutzschicht 56 relativ klein ist, kann die Schutzschicht 56 ohne Pinhole erhalten werden. Somit kann die Dicke d vermindert werden, während die Schutzschicht 56 die Auswirkungen der Korrosionsbeständigkeit und der chemischen Beständigkeit vollständig verbessert.
Ein Abschnitt der Schutzschicht 56 wird vorzugsweise durch Pressbonding einer Grünplatte gebildet. Selbst wenn die Dicke d der Schutzschicht 56 relativ kleiner ist als die des Abschnitts, der durch Auftragen einer Keramikpaste gebildet wird, kann die Schutzschicht 56 ohne Pinhole erhalten werden.
Die erste Sensorelektrode 21 und die zweite Sensorelektrode 22 bestehen vorzugsweise aus einem hochschmelzenden Metall, z.B. Platin, Wolfram oder Kobalt. Dadurch kann das Verflüchtigen oder Schmelzen einer Elektrode im Brennvorgang zur Herstellung des kapazitiven Sensors 101 vermieden werden.
[Ausführungsform 3]
11 ist ein Querschnitt, der schematisch eine Struktur eines kapazitiven Sensors 102 (eine Keramikstruktur mit eingebetteter Elektrode) gemäß Ausführungsform 3 zeigt. 12, 13 und 14 sind schematische Teilquerschnitte entlang der Linie XII-XII, der Linie XIII-XIII bzw. der Linie XIV-XIV in 11.
Im Detektionssystem 500 (5 und 6) ermöglicht die Verwendung nicht nur des kapazitiven Sensors 101, sondern auch des kapazitiven Sensors 102 die Detektion von Kondensation auf der Schutzschicht 56. Der kapazitive Sensor 102 ist also ein Flüssigkeitssensor, genauer gesagt, ein Kondensationssensor. Die erste Sensorelektrode 21 und die zweite Sensorelektrode 22 für den kapazitiven Sensor 102 sind vorzugsweise kammförmig, wie in 12 dargestellt. Dies kann die Empfindlichkeit der Detektion von Kondensation erhöhen.
Der kapazitive Sensor 102 enthält vorzugsweise einen Heizer 60 zur Erwärmung der Schutzschicht 56. Durch Anlegen eines Stroms an den Heizer 60 wird Wärme erzeugt. Dadurch kann durch die Erwärmung der Schutzschicht 56 die auf der Oberfläche SF abgelagerte Flüssigkeit durch Verdampfung entfernt werden. Wenn sich auf der Oberfläche SF aufgrund von Reinigung oder längerem Gebrauch eine große Menge an Flüssigkeit abgesetzt hat, kann die Entfernung der Flüssigkeit unter Verwendung des Heizers 60 sofort einen Zustand herbeiführen, in dem wieder Kondensation festgestellt werden kann.
Der Heizer 60 ist vorzugsweise in den kapazitiven Sensor 102 eingebettet, bevorzugter in die Isolierschicht 52. Hier kann der kapazitive Sensor 102 Padelektroden 71 und 72 und Durchgangselektroden 81 und 82 enthalten, um eine elektrische Verbindung mit dem Heizer 60 zu ermöglichen. Ein Ende der Durchgangselektrode 81 (ein oberes Ende in 11) und ein Ende der Durchgangselektrode 82 (ein oberes Ende in 11) sind mit dem einen Ende bzw. dem anderen Ende des Heizers 60 verbunden. Das andere Ende der Durchgangselektrode 81 (ein unteres Ende in 11) und das andere Ende der Durchgangselektrode 82 (ein unteres Ende in 11) sind mit der Padelektrode 71 bzw. der Padelektrode 72 verbunden. Diese Struktur ermöglicht es dem Heizer 60, durch Anlegen einer Spannung zwischen den Padelektroden 71 und 72 Wärme zu erzeugen.
Der Heizer 60 und die mit dem Heizer 60 verbundene Struktur können auf andere kapazitive Sensoren, einschließlich des kapazitiven Sensors 101 (Ausführungsform 2), angewendet werden.
Da die anderen als die vorstehend genannten Strukturen nahezu identisch mit denen des kapazitiven Sensors 101 (Ausführungsform 2) sind, werden dieselben oder entsprechende Bestandteilselemente mit denselben Bezugsziffern bezeichnet, und ihre Beschreibung wird nicht wiederholt.
Ausführungsform 3 ermöglicht die Detektion von Kondensation mit hoher Empfindlichkeit bei gleichzeitiger Gewährleistung der Korrosionsbeständigkeit und der chemischen Beständigkeit. Die bevorzugte Struktur der Schutzschicht 56 in Ausführungsform 3 ist fast die gleiche wie die von Ausführungsform 2.
Der Heizer 60 kann die auf der Oberfläche SF der Schutzschicht 56 abgelagerte Flüssigkeit durch Erwärmung entfernen. Dadurch kann die Empfindlichkeit für neu detektierte Flüssigkeit sofort sichergestellt werden.
[Ausführungsform 4]
15 ist eine Draufsicht, die schematisch eine Struktur eines Detektionssystems 510 mit einem Oberflächenpotenzialsensor 103 (eine Keramikstruktur mit eingebetteter Elektrode) gemäß Ausführungsform 4 darstellt. In einer Vorrichtung, die Plasma verwendet, ist das Detektionssystem 510 ein System, das Plasmaanomalien detektiert. Insbesondere ist das Detektionssystem 510 ein System, das einen transienten Strom detektiert, der durch eine Änderung der Oberflächenladung erzeugt wird, die durch die Plasmaanomalien verursacht wird. Somit ist der Oberflächenpotenzialsensor 103 ein Plasmazustandssensor, insbesondere ein Plasmaanomaliensensor.
Das Detektionssystem 510 enthält den Oberflächenpotenzialsensor 103 und ein Messgerät 210. Der kapazitive Sensor 101 (5: Ausführungsform 2) enthält eine Vielzahl von Elektroden (insbesondere die erste Sensorelektrode 21 und die zweite Sensorelektrode 22) als Elektrodenschicht 54. Im Gegensatz dazu enthält der Oberflächenpotenzialsensor 103 mindestens eine Sensorelektrode als Elektrodenschicht 54, in dem in 15 dargestellten Beispiel nur eine einzige Sensorelektrode. Das Messgerät 210 ist elektrisch mit dieser einzigen Sensorelektrode verbunden. Für diese Verbindung können beispielsweise eine Padelektrode und eine Durchgangselektrode ähnlich der ersten Padelektrode 31 und der ersten Durchgangselektrode 41 (8: Ausführungsform 2) vorgesehen sein. Darüber hinaus enthält der Oberflächenpotenzialsensor 103 die Isolierschicht 52 und die Schutzschicht 56 (siehe 8) ähnlich wie der kapazitive Sensor 101. Der Oberflächenpotenzialsensor 103 ist ein Oberflächenpotenzialsensor, der die Änderung des Oberflächenpotenzials der Schutzschicht 56 nutzt.
Plasmaanomalien an einer Stelle mit dem Oberflächenpotenzialsensor 103 bewirken eine vorübergehende elektrische Aufladung der Schutzschicht 56. Dadurch werden Ladungen mit entgegengesetztem Vorzeichen in der Elektrodenschicht 54 induziert. Das Messgerät 210 misst die induzierten transienten elektrischen Ladungen. Wenn die durch die Ladungen erzeugte Spannung beispielsweise über einem Schwellenwert liegt, wird das Auftreten einer Plasmaanomalie festgestellt. Der Oberflächenpotenzialsensor 103 ist also eine elektrische Sonde zur Messung des Plasmas.
[Ausführungsform 5]
16 ist eine Draufsicht, die schematisch eine Struktur eines Detektionssystems 520 mit einem Oberflächenpotenzialsensor 104 (eine Keramikstruktur mit eingebetteter Elektrode) gemäß Ausführungsform 5 zeigt. Das Detektionssystem 520 enthält den Oberflächenpotenzialsensor 104, ein Messgerät 220 und einen Spannungsgenerator 320. Die Struktur des Oberflächenpotenzialsensors 104 kann dieselbe sein wie die des Oberflächenpotenzialsensors 103 (15: Ausführungsform 4). Der Oberflächenpotenzialsensor 104 ist ebenfalls ein Oberflächenpotenzialsensor, der die Änderung des Oberflächenpotenzials der Schutzschicht 56 (siehe 8) nutzt, ähnlich wie der Oberflächenpotenzialsensor 103. In einer Vorrichtung, die Plasma verwendet, ist das Detektionssystem 520 ein System, das die Änderung des Oberflächenpotenzials des Plasmas detektiert. Insbesondere ist das Detektionssystem 520 ein System, das die Änderung des Oberflächenpotenzials des Plasmas anhand der Spannungs-Strom-Kennlinien im Oberflächenpotenzialsensor 104 detektiert. Der Spannungsgenerator 320 steuert die Spannung bei der Messung der Spannungs-Strom-Kennlinien. Das Messgerät 220 misst die Stromkennlinie. Der Oberflächenpotenzialsensor 104 ist also eine elektrische Sonde zur Messung von Plasma.
Die speziellen Beispiele der vorliegenden Erfindung sind vorstehend ausführlich beschrieben. Diese sind lediglich Beispiele und schränken die Ansprüche nicht ein. Die in den Ansprüchen beschriebene Technologie enthält verschiedene Modifizierungen und Änderungen an den beispielhaften speziellen Beispielen. Die Einzelverwendung oder verschiedene Kombinationen der in dieser Beschreibung oder den Zeichnungen beschriebenen technologischen Elemente bringen die technologische Verwendbarkeit. Die technischen Elemente sind nicht durch die Kombinationen in den ursprünglich eingereichten Ansprüchen eingeschränkt. Die in dieser Beschreibung oder den Zeichnungen beispielhaft dargestellte Technologie kann eine Vielzahl von Aufgaben lösen. Das Lösen einer der Aufgaben bringt die technologische Verwendbarkeit mit sich.
Bezugszeichenliste

2,52: erste Keramikschicht
4,54: Elektrodenschicht
6,56: zweite Keramikschicht
10, 101 bis 103: Keramikstruktur mit eingebetteter Elektrode

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2005135716 [0003]

Claims

Keramikstruktur mit eingebetteter Elektrode, umfassend: eine erste Keramikschicht; eine Elektrodenschicht, die auf einer Oberfläche der ersten Keramikschicht ausgebildet ist; und eine zweite Keramikschicht, die die erste Keramikschicht und die Elektrodenschicht bedeckt, wobei die zweite Keramikschicht dünner ist als die erste Keramikschicht, wobei in einem Querschnitt der ersten Keramikschicht, der Elektrodenschicht und der zweiten Keramikschicht entlang einer Laminierrichtung T1 und T2 die nachstehende Gleichung (1) erfüllen, wobei T1 einen Abschnitt mit der geringsten Dicke in der zweiten Keramikschicht bezeichnet und T2 eine durchschnittliche Dicke der zweiten Keramikschicht bezeichnet: $(T2 - T1) / T2 \leq 0,15$
Keramikstruktur mit eingebetteter Elektrode nach Anspruch 1, wobei der Prozentsatz der Hohlräume in der zweiten Keramikschicht weniger als oder gleich 0,05 % beträgt.
Keramikstruktur mit eingebetteter Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, wobei im Querschnitt L1, L2 und L3 die nachstehende Gleichung (2) erfüllen, wobei L1 eine Länge der Elektrodenschicht auf der ersten Keramikschicht bezeichnet, L2 eine Länge der Elektrodenschicht auf der zweiten Keramikschicht bezeichnet und L3 eine Länge der Elektrodenschicht in einer Richtung rechtwinklig zur Laminierrichtung bezeichnet: $(L1 + L2) / L3 \geq 2,2$
Keramikstruktur mit eingebetteter Elektrode nach Anspruch 3, wobei die Länge L1 größer ist als die Länge L2.
Keramikstruktur mit eingebetteter Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Elektrodenschicht Keramikteilchen enthält, und der Prozentsatz der Keramikteilchen in der Elektrodenschicht höher als oder gleich 4 % ist.
Keramikstruktur mit eingebetteter Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Dicke der zweiten Keramikschicht im Bereich von 1 µm bis 10 µm liegt.
Keramikstruktur mit eingebetteter Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Keramikstruktur mit eingebetteter Elektrode ein kapazitiver Sensor ist, der eine Kapazitanzänderung nutzt.
Keramikstruktur mit eingebetteter Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Keramikstruktur mit eingebetteter Elektrode ein Oberflächenpotenzialsensor ist, der die Änderung des Oberflächenpotenzials der zweiten Keramikschicht nutzt.