DE2558560C3 - Feuchtigkeitssensor mit einem negativen Koeffizienten des elektrischen Widerstandes - Google Patents
Feuchtigkeitssensor mit einem negativen Koeffizienten des elektrischen WiderstandesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Feuchtigkeitssensor mit einem negativen Koeffizienten des elektrischen Widerstandes
zur Messung der relativen Feuchtigkeit, bei dem Eisenoxid (Fe2Oi) als Indikatorstoff verwendet ist Ein
derartiger Feucntigkeitssensor ist aus der GB-PS 13 48 865 bekanntgeworden. Er » >d hergestellt, indem
man eine Mischung aus Fv2O3 und einem flüchtigen
Bindemittel auf eine Elektroden tr; _$ende Fläche eines dielektrischen Trägers aufbringt, die Beschichtung
brennt und vorzugsweise die gebrannte Beschichtung weiterhin mit FeCl4 benetzt und schließlich diese
benetzte FeCU-Schicht erneut brennt. Die Feuchtigkeitsfühleigenschaften
dieses Sensors lassen sich beispielsweise mit der Menge des FeCU variieren Bei
diesem bekannten Feuchtigkeitssensor treten jedoch bei der Messung der Feuchte Schwankungen auf;
außerdem ist es verhältnismäßig schwierig, die Feuchtigkeits-Widerstands-Kennlinie
des bekannten Sensors einzustellen.
Es sind verschiedene weitere Feuchtigkeitssensoren bekanntgeworden, die Änderungen der relativen Luftfeuchtigkeit
der Atmosphäre als Änderungen ihres elektrischen Widerstandes erfassen. Diese Feuchtigkeitssensoren
bestehen aus einer Schicht aus beispielsweise Lithiumchlorid (LiCI), die auf oder in einen
porösen Körper auf- bzw. eingebracht ist, weiterhin Harzen mit einem eindispergierten Metall wie Gold
(Au) oder Silber (Ag), Anthracen-Einkristaiien mit durch Ozon oxidierter Oberfläche, P- oder N-dotierten
Siliziumeinkristallen, hydrophilen organischen Polymerisatschichten mit eindispergiertem Kohlenstoff, Metallen
mit oxidierter Oberfläche wie eloxiertes poröses Aluminium sowie Metalloxidsystemen wie Magnetit
(Fe1OO, Si-Na2O-V2O5-GIaS, Selenöxid (SeO2), Zinnoxid-Antimonoxid
(SnO2-Sb2Oj), Manganoxid-Titanoxid
(MnIO4-TiO2). Bariumtitanat (BaTiOj), Lithiumferrit
(LiFe2O4) sowie Hämatit (Fe2O1). Sämtliche Feuchtig
keitssensoren dieser Art haben jedoch für die Feuchtigkeitsbestimmiing und Steuerungsaufgaben keine
weitgehende Anwendung gefunden, da sie für die praktische Anwendung zu viele Mangel aufweisen.
Von Feuchtigkeitssensoren, die in derartigen Fällen einsetzbar sein sollen, wird verlangt, daß der elektrische
Widerstand bei bereits geringen Feuchtigkeitsänderungen innerhalb des gesamten vorkommenden Bereiches
der relativen Feuchtigkeiten oder auch an einem bestimmten Punkt oder Bereich der vorkommenden
relativen Luftfeuchtigkeit erhebliche Widerstandsänderungen hervorruft Beispiele für bekannte Feuchtigkeitssensoren
sind ein Sensor, der hergestellt wird, indem man eine hochmolekulare Substanz, die als
Isolator wirkt, mit einer dünnen Schicht eines hygroskopischen elektrolytischen Salzes wie beispielsweise
Lithiumchlorid beschichtet, sowie ein Sensor, zu dessen Herstellung ein poröses Kunstharz mit einem
hygroskopischen elektrolytischen Salz wie Lithiumchlorid getränkt wird (im folgenden nur als »Lithiumchloridsensoren«
bezeichnet). Im Fall dieser Feuchtigkeitssensoren trocknet oder benetzt sich das Salz entsprechend
den Änderungen der relativen Luftfeuchtigkeit Bei einem Stromfluß läßt sich die aufgenommene Feuchtigkeitsmenge
als Änderung des elektrischen Widerstandes elektrisch messen. Infolge seiner natürlichen
Eigenschaften löst sich jedoch das hygroskopische elektrolytische Salz in einer sehr feuchten Atmosphäre
beim Aufnehmen großer Feuchtigkeitsmengen auf und läßt sich dann als Widerstandsschicht nicht weiterbenutzen,
so daß Feuchtigkeitssensoren mit einem Salz wie Lithiumchlorid erheblichen Einschränkungen dahingehend
ausgesetzt sind, daß sie nur unter Bedingungen geringer Feuchte einsetzbar sind. Außerdem schwankt
der Widerstand auch mit der Temperatur erheblich. Ein weiterer Mangel des Lithiumchlorid-Feuchtigkeitssensors
besteht darin, daß bei einer Umgebungstemperatur von mehr als 35° C die Widerstandsänderung nach 6
Monaten bereits einen Fehler von mehr als 10% rel. F. im angezeigten Feuchtigkeitswert hervorruft Ein
weiterer Mangel dieser Art von Feuchtigkeitssensoren ist die geringe Ansprechgeschwindigkeit auf Feuchtigkeitsänderungen
in der Atmosphäre. Ein solcher Sensor benötigt 5 bis 40 min, um bei 200C auf eine
Feuchtigkeitsänderung von 40 auf 80% rel. F. anzusprechen, und 10 bis 80 min sind erforderlich, um einen
vollen Zyklus von Absorption zur Desorption zu durchlaufen. Ein weiterer Mangel des Lithiumchloridsensors
ist sein hoher Widerstand bei geringer Feuchtigkeit von weniger als 40% rel. F. Infolge der
ziemlich kurzen Standzeit der Stabilität der Widerstandsfeuchtigkeitskennlinie von etwa einem Jahr ist der
praktisch ausnutzbare Feuchtigkeitsbereich dieses Sensors auch bei Raumtemperatur (unter 35° C) auf den
Bereich zwischen 40 und 90% rel. F. beschränkt.
Bei Feuchtigkeitssensoren unter Verwendung von Magnetit (Fe3O4) als Widerstandsmaterial wird eine
Magnetitteilchen enthaltende kolloidale Flüssigkeit (Teilchengröße etwa 1000 Angström) zubereitet und
dann auf ein isolierendes Substrat zu einer Schicht aufgesprüht, da das Magnetit beim Brennen bei mehr als
150° C seine Feuchtigkeitswiderstandseigenschaften
verliert. Die so erhaltene Sensorschicht hat jedoch eine unzureichende mechanische Festigkeit Unter mechanischem
oder Wärmeschock löst sie sich leicht und wird instabil, wenn ein Ablösen eingesetzt hat. Dieser
Feuchtigkeitssensor wird in einem Feuchtigkeitsbereich von 30 bis 95% rel. F. eingesetzt, wobei der Widerstandswert
mit zunehmender atmosphärischer Feuchtigkeit in negativer Richtung von 108 bis \0* Ohm sinkt.
Diese Widerstandsfeuchtigkeitskennlinie wird jedoch in hohem Maß von den Verfahrensbedingungen beein-
trächtigt — beispielsweise von der Art und Weise der
Alkaliwäsche beim Mehrfachausfällen, von der Dicke der Magnetitschicht und von der Wärmebehandlung,
und dieser Umstand führt zu einer schlechten Reproduzierbarkeit und geringen Produktionsraten. Ein
weiterer Mangel des Magnetit-Feuchtigkeitssensors ist die erhebliche Hysterese, d. h. die Widerstandsänderung
bei zunehmender gegenüber abnehmender Feuchtigkeit, insbesondere bei hoher Feuchtigkeit, d.h. nahe
90% rel.F.; d.h. die Zeitkonstante der Wasserdesorption
ist wesentlich höher als die der Adsorption. Weiterhin zeigt der Magnetitsensor in einer Gasatmosphäre
eine geringe Stabilität und seine Widerstandsfeuchtigkeitskennlinie ist stark temperaturabhängig. Da
die Widerstandsfeuchtigkeitskennlinie des Magnetitsensors von der Berührung kleiner Magnetitteilchen
(FeiO4) abhängt, nimmt der Widerstand zu, wenn ein
Teil der Oberfläche des Magnetits zu y-Hämatit (y-Fe2Os) oxidiert Die Oxidationsreaktion des Magnetitsensors
ist im praktischen Einsatz von der Betriebstemperatur bestimmt; sie tritt aber auch bei geringen
Temperaturen auf und verstärkt sich mit steigender Temperatur. Die Stabilität und maximale Temperatur
sind im praktischen Einsatz vom Ausmaß der Oxidation des Magnetit zu y-Hämatit bestimmt, und dieser
Feuchtigkeitssensor läßt sich bei hohen Temperaturen wie 1000C und bei erforderlicher hoher Stabilität nicht
sinnvoll verwenden. Wenn weiterhin die relative Feuchtigkeit unter 30% rel. F. absinkt, kann der
Sensorwiderstand auf mehr als 108 Ohm zunehmen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen Feuchtigkeitssensor zu schaffen, der
bei der Feuchtigkeitsmessung ohne Schwankungen arbeitet und dessen Feuchtigkeits-Widerstands-Kennlinie
sich leicht einstellen läßt
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst,
daß der Sensor 99,99 bis 10 MoI-%Eisenoxid (Fe2O3)
und 0,01 bis 90 Mol-% mindestens eines Alkalimetalloxids aus der Gruppe Kaliumoxid (K2O), Lithiumoxid
(Li2O), Natiiumoxid (Na2O) und Cäsiumoxid (Cs2O)
aufweist.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen herausgestellt.
Durch die Erfindung wird erreicht, daß der Feuchtigkeitssensor
auch bei wiederholtem Einsatz in Umgebungen mit sehr hoher Umgebungstemperatur von bis zu
1000C keine Beeinträchtigung der Widerstandsfeuchtigkeitskennlinie
erfährt und sich als elektrisches Element zur Bestimmung des Trockenzustandes bei Temperaturen
bis 15O0C einsetzen läßt.
Durch die Erfindung wird ferner erreicht, daß der Feuchtigkeitssensor bei Temperaturschwankungen
praktisch keine Widerstandsänderung erfährt und einen Eigenwiderstand innerhalb eines praktisch verwertbaren
Bereiches aufweist und deshalb keine komplizierten elektrischen Auswerteschaltungen erfordert.
Der Feuchtigkeitssensor besitzt einen porösen Sinterkörper, dessen Widerstandsfeuchtigkeitskennlinie
durch die Oberflächen kleiner Teilchen bzw. Körner in dem Sinterkörper verursacht wird und der eine
ausgezeichnete mechanische Festigkeit aufweist.
Gegenüber dem eingangs genannten Sensor nach der GB-PS 13 48 865 besitzt der Sensor nach der Erfindung
wesentlich mehr Poren, so daß die wirksame Berührungsfläche des Sensors mit umgehender Feuchtigkeit
wesentlich größer sein kann. Daher beeinträchtigt beispielsweise eine Verschmutzung der Oberfläche des
iTfindungsgemälDen Sensors dessen Funktion nicht
wesentlich. Weiterhin IaBt die Feuchtigkeitswiderstandskennlinie
des Sensors sich leicht über die zugegebene Menge des Alkalimetalloxids und/oder die
Sintertemperatur einstellen.
Anhand der Zeichnungen werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung näher beschrieben.
Fig. 1 bis 4 sind Diagramme von Kennlinien
(elektrischer Widerstand als Funktion der rel. Feuchtigkeit) für Feuchtigkeitssensoren nach der Erfindung;
F i g. 5 ist eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines Feuchtigkeitssensors nach der Erfindung;
F i g. 6 ist eine perspektivische, teilweise aufgebrochene Ansicht eines Feuchtigkeitssensors nach der
Erfindung und
F i g. 7 ist ein Diagramm, das die Hysterese des Feuchtigkeitssensors nach der Erfindung ausweist
Es wurde festgestellt, daß es mit dem Feuchtigkeitssensor nach der vorliegenden Erfindung möglich ist, die
relative Feuchtigkeit genau zu messen, da dessen Widerstand sich mit der Feuc'wgkeit über den
gesamten Bereich der relativen Feuchte oder in einem herausgegriffenen niedrigen, mittleren oder hohen
Unterbereich exponentiell ändert Es hat sich ebenfalls herausgestellt, daß selbst bei wiederholtem Einsatz in
einer -ehr feuchten Atmosphäre, einer praktisch vorkommenden relativen Feuchte und bei hoher
Umgebungstemperatur von bis zu 1500C die Eigenschaften des Sensors hinsichtlich der Abhängigkeit des
Widerstandes von der relativen Feuchte nicht beeinträchtigt werden und Temperaturänderungen keine
wesentlichen Widerstandsänderungen des Sensors bewirken.
Der Sensor läßt sich nicht nur im Urzustand für Feuchtemessungen einsetzen, sondern auch im trockenen
und nassen Zustand, und er läßt sich mit Vorteil als Steuerungselement benutzen, da er innerhalb eines
Bereiches von 0 bis 100% rel. F. den Widerstand im relativ niedrigen Bereich von etwa 107 Ghm ■ ^m bis
10° Ohm · cm ändert. Weiterhin wird die Feuchtigkeitsabhängigkeit des Sensors an der Oberfläche der kleinen
Teichen bzw. Körner in einem porösen Sinterkörper verursacht, und dieser weist eine ausgezeichnete
mechanische Festigkeit auf.
Für den Feuchtigkeitssensor und das Erreichen der oben beschriebenen Wirkungen sind die angegebenen
Mengen des Eisenoxids (Fe2Oj) und des mindestens
einen Alkalimetalloxids aus der Gruppe Lithiumoxid (Li2O), Natriumoxid (Na2O), Kaliumoxid (K2O) und
Cäsiumoxid (Cs2O) wesentlich und kritisch. Zunächst ist
erforderlich, daß dis Menge der Alkalimetalloxide 0,01
... 90 Mol-% beträgt. Ist sie geringer als 0,01 Mol-%, läßt sich die exponentiell Abhängigkeit des Widerstandes
vjn der relativen Feuchte nicht erreichen, und der
Eigenwiderstand bleibt auch bei sehr hoher relativer Feuchtigkeit höher als lO'Ohm · cm. Liegt die Menge
höher als 90 Mol-%, nimmt der spezifische Widerstand stark ab, und es läßt sich ebenfalls kein exponentieller
Zusammenhang erreichen. Nach Versuchen liegt der bevorzugte Anteil der Alkalimetalloxide zwischen 0,01
und 25 Mol-%, Bei den Alkalimetalloxiden kann es sich um mindestens ein Mitglied der aus Lithiumoxid (Li2O),
Natriumoxid (Na2O) K'üumoxid (K2O) und Cäsiumoxid
(Cs2O) handeln; von ii<-sen wird bevorzugt Kaliumoxid
eingesetzt.
Um eine sehr hohe F.mpfindlichkeit des Feuchtigkeitssensors in.einem Bereich hoher Feuchtigkeit wie
etwa 90% relativer Feuchte oder mehr zu erhalten, ist der Meneenanteil der Alkalimetalloxide insgesamt
vorzugsweise O.Ul bis 2 0 Mol·"/". Wenn der Mengenan
teil 2,0 MoI-1Vp übersteigt, wird die Empfindlichkeit i:i
einem derartigen Bereich hoher Feuchtigkeit nicht sehr
groß, ledoch bewirkt ein Mengenanteil oberhalb von 2.0
MoI-0Zn, daß die Empfindlichkeit im Bereich mittlerer
Feuchte recht hoch wird. Dahor liegt der Mengenanteil
der Alkalimetalloxide insgesamt vorzugsweise /wischen 2.0 und 4.0 Mol-%. wenn eine recht hohe Empfindlichkeit
des Feuchtigkeitssensors in einem mittleren Bereich der Feuchte erhalten werden soll. Wenn der Mengenanteil
4.0 Mol-% übersteigt, wird die Empfindlichkeil in dem mittleren Bereich der Feuchte nicht sehr hoch
Jedocri bewirkt ein Mengenanteil von mehr als 4.0 Mol-%. daß die Empfindlichkeit in einem Bereich
geringer Feuchte sehr groß wird. Daher ist der Mengenanteil der Alkalimetalioxide insgesamt Vorzugs
weise 4,0 bis 25 Mol-%, wenn eine sehr hohe Empfindlichkeit des Feuchtigkeitssensors in einem
Bereich niedriger Feuchte erreicht werden soll. Auch wenn der Mengenanteil 25 Mol-% übersteigt, kann eine
hohe Empfindlichkeit in dem Bereich niedriger leuchte erhalten werden, jedoch ist ein Mengenanteil von mehr
,ils 25 Mol-% nicht besonders geeignet, weil ein derartig
hoher Anteil dazu führt, daß der gesinterte Körper des Feuchtigkeitssensors eine recht geringe mechanische
Festigkeit besitzt, und weil der spezifische Widerstand
des Feuchtigkeitssensors in Abhängigkeit von der
Temperatur leicht erheblichen Schwankungen unterworfen
ist.
Jedenfalls ergibt sich aus dem Gesagten, daß tier
Feuchtigkeitsbereich, in dem der Feuchtigkeitssensor
eine sehr hohe oder recht hohe Empfindlichkeit besitzt,
geändert werden kann, indem man den Mengenanleil
der Alkalimetalloxide im Feuchtigkeitssensor ändert.
Bei mehr als 25 MoI-0O nimmt der spezifische
Widerstand exponentiell zur relativen Feuchte ab, zeigt aber bei niedrigen Widerstandswerten eine starke
Temperaturabhängigkeit. Weiterhin ergeben sich dann eine geringe mechanische Festigkeit sowie ein minderwertiger
Sinterkörper
Der Sinterkörper wird nach folgendem Verfahren hergestellt. Die Ausgangsmateriahen Eisenoxid und das
mindestens eine Alkalioxid werden abgewogen und in einer Naßmühle gut vermischt, so daß sich eine
homogene Mischung ergibt, die man trocknet und granuliert, indem man sie mit einer organischen
Bindemittellösung durch ein 500-um-Sieb schickt, und
dann in einer Form unter Druck von 50 ... 500 kg'cm-1
zu einer Scheibe von 17.5 mm Durchmesser und 1.4 mm Dicke verpreßt, die man 0.5 bis 50 Stunden an Luft be:
einer Temperatur vor, 800 .. 1400*C sintert. Sodann
Kuhit man den Sinterkörper im Ofen auf Raumtemperatur
ab (etwa 20'C). Bei etwa 350 bis 900 C werden Si.berelektroden auf beide Flächen des Sinterkörpers
aufgebrannt Eine Brenntemperatur vcn weniger als 350° C ist unerwünscht, wenn man auf eine ausreichende
mechanische Festigkeit des Feuchtigkeitssensors Wert
legt; bei einer Brenntemperatur von mehr als 900°C schmelzen die Silberelektroden weg.
F i g. 5 ist eine Schnittansicht des Feuchtigkeitssensors. der auf den beiden Oberflächen des Sinterkörpers
1 die Silberelektroden 2, 2' trägt, an die die Zuleitungsdrähte 3, 3' durch ohmsche Lötkontakte 4
bzw. 4' angebracht sind. Wie jedoch unten beschrieben, ist es auch möglich, den Feuchtigkeitssensor in einer
völlig anderen Form auszuführen — beispielsweise als Dünnschicht —. zu deren Herstellung man den wie oben
hergestellten Sinterkörper zerstößt, daraus eine Paste herstellt und diese auf einen Träger aufbrennt.
Die Abhängigkeit de*, -,pe/ifisch'.'n Widerstandes voider
relativen Feuchte der so hergestellten Sensoren wurden in einer Feuchtigkeit- und T'emperattirkammcr
bei 0 bis 100C sowie 0 bis 100% rel. F gemessen. Die
elektrischen Eigenschaften des auf diese Weise erhalle tien Feuchtigkeitssensors ergeben sich aus den folgen
den Beispielen, die hevor/.ugte Ausfühningsformen der
Erfindung beschreiben sollen.
B e ι s [i i c I I
F.inc nach Tabelle 1 /usammengcsct/tc Ausgangsmi
schung wurde 2 Std bei 1300 C gesintert und daraus
nach dem oben beschriebenen Verfahren F'euchtigkcits
sensoren hergestellt Die Proben wurden in eine auf 80?C gehaltene Feuchtigkeitskammer eingebracht und
die Änderung des spezifischen Widerstandes mit der Feuchtigkeit bei einer konstanten Spannung von 10 V
und 100 Hz Frequenz gemessen. Die Ergebnisse dieser Messung sind in der Kennlinie der Fig. 1 zusammenee
faßt. Aus der Kennlinie der Fig. 1 ergibt sich, dalJ die
funktionsfähigen Minimal- und Maximalantcile des
Kaliiimoxids im Feuchtigkeitssensor nach der Erfindung
0.01 bzw 90 Mol-'v'o sind. I ürdie Widei siandskörper mn
0.01 ... 90 MoI-0O Kaliumoxid aus den Ausgangsmi
schlingen I -I bis I -VIII nach der vorliegenden Erfindung
ändert sich der spezifische Widerstand mit der relativen
Feuchtigkeit exponentiell bei allen Werten der relatr. ι ii
Feuchte nämlich bei geringen Feuchtigkeiten (a V bis
IVIIl). im gesamten Bereich (l-lll und 1-IV) b/w. bei
hohen Feuchtigkeiten (1-1 und ITI).
Auch ,ils die Kennlinie mit einem Schutzring
gernessen wurde, der einen ! .eckstrom über die
Seitenfläche des Sinterkörpers verhindern Sf)IlIe. ergaben
sich die gleichen Ergebnisse. Es ergibt sich, daß die Kennlinie dieses Feuchtigkeitssensors sich der Masse
des Sinterkörpers selbst zuschreiben läßt. Weiterhin sind die mechanischen Eigenschaften und die Stabilität
infolge der hohen Temperatur während der Herstellung und der sehr großen Oberfläche de- vielen kleinen
Teilchen und Körnchen im Innern des S.nterkörpers den
herkömmlichen Ausführungen in Form von Schichtanordnungen
überlegen. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß der Feuchtigkeitssensor der bereits angegebenen
und der folgenden Zusammensetzungen nicht auf Sinterkörper beschränkt is; und die Zusammensetzung
sich auch für Feuchtigkeitssensoren in Form einer Schicht auf einem isolierenden Träger anwenden läßt.
Ausgangszusammensetzungen nach Tabelle 2 wurden bei den in Tabelle 2 angegebenen Temper?"iren
gesintert, daraus wurden Feuchtigkeitssensoren hergestellt und deren Kennlinien wie im Beispie! i
aufgenommen; die Ergebnisse sind in F i g. 2 zusammengefaßt Wie ersichtlich, war hier die Sintertemperatur
800 bis 14000C beschränkt, da sich bei Temperaturen von weniger als 8000C kein stabiler Sinterkörper ergibt
und bei Temperaturen über 1400°C der Körper übersintert wird und keine Feuchtigkeitsabhängigkeit
des spezifischen Widerstandes mehrzeigt
Beispie 1 3
Eine Ausgangszusammensetzung nach Tabelle 3 wurde 2 Std. bei 13000C gesintert und daraus wurden
Feuchtigkeitssensoren hergestellt, an denen nach Beispiel 1 die Kennlinie gemessen wurde; die Ergebnisse
sind in der F i g. 3 gezeigt Wie ersichtlich, ändert die
Kennlinie der erhaltenen Sensoren sich nach der Art
und Menge des eingesetzten Alkalimetalloxids Das heißt, je nach dem eingesetzten Alkalimetalloxid ergibt
sich eine exponrntielle Abhängigkeit zwischen Feuchtigkeit
und spezifischem Widerstand im Bereich mittlerer, hoher und niedriger Luftfeuchtigkeit. Aus den
F i g. I und 3 ergibt sich weiterhin, daß bei gleichen Alkpl/.Tietalloxidmengen derjenige Feuchtigkeitsbereich,
;n dem eine abrupte Änderung von hohen zu niedrigen Werten auftritt, sich in der Reihenfolge
Lithiumoxid, Natriumoxid, Kaliumoxid und Cäsiumoxid verschiebt. Beispielsweise läßt sich dies für 10 Mol %
Alkalimetalloxid in der Reihenfolge J-Il. )-V. 1 Vl und
3-VIII in den F i g. J und I ersehen.
Zusätze von mehr als zwei Alkalimetalloxiden nach Tabelle 4 wurden mit Eisenoxid vermischt und die
Mischungen verpreßt und 2 Std. bei 1300°C gesintert; die nach Eleispiel I gemessenen Kennlinien der so
hergestellten Sensoren sind in Fig 4 zusammengefaßt.
Wie ersichtlich, ändern die Kennlinien dieser Sensoren sich mit der Art und Menge der eingesetzten
Alkalimetalloxide. Ein exponentieller Zusammenhang /wischen relativer Feuchtigkeit und spezifischem
Widerstand findet sich je nach der Kombination und Menge der Alkalimetalloxide in den Bereichen mittlerer,
hoher oder niedriger Feuchtigkeit bzw. innerhalb des gesamten Feuchtigkeitsbereiches.
Die in den vorigen Beispielen hergestellten Feuchtigkeitssensoren wurden in eine Feuchtigkeits: und
Temperaturkammer eingebracht, um die Temperaturabhängigkeit der Feuchtigkeitswiderstandskennlinien
zwischen 0 und 1000C aufzunehmen. Die Tabelle 5 zeigt die Ergebnisse, wobei die Temperaturabhängigkeit der
Eigenschaften mit der Temperaturabhängigkeit der Feuchtigkeit (ermittelte Feuchtigkeitsänderung infolge
der Widerstandsänderung) dargestellt ist. Die Tabelle 5 zeigt auch die Änderungen an den Proben der Beispiele
1 und 2 (K2O), des Beispiels 3 (Li2O, Na2O oder Cs2O)
und Beispiel 4 (mehr als zwei Alkalimetalloxide) η ich verschiedenen Tests. Beim Temperaturtest wurde der
Prüfling 5 · 103 Std. bei 200° C und üblicher Raumfeuchtigkeit
(etwa 5% rel. F.) unter 10 Vss Wechselspannung
vorgehalten. Im Temperaturtest wurden die Feuchtigkeitseigenschaften des Prüflings gemessen und deren
Abweichung von den anfänglichen Werten in der Tabelle 5 als Änderung nach dem Test in % rel. F.
festgehalten. Entsprechend wurde ein Feuchtigkeitstest bei 80°C und 70% rel. F. für 5 ■ 1(P Std. unter 10VS!
Wechselspannung durchgeführt Der Feuchtigkeitszyklentest wurde mit 104 Feuchtigkeitszyklen zwischen 5
und 90% reL F. bei 800C durchgeführt; die Proben
wurden dabei auf jeder Feuchtigkeit bei angelegter Wechselspannung von 10VK 15 min vorgehalten. Der
Wärmestoßtest wurde durchgeführt, indem die Proben Wmal einer Temperaturänderung von —40 auf 150°C
ausgesetzt und auf diesen Temperaturen jeweils 30 min vorgehalten wurden. Beim Lagertest wurden die Proben
mit oder ohne 10-Vk-Wechsellast ein Jahr lang bei normaler Temperatur, Luftdruck und Feuchtigkeit, d. h.
2 bis 30° C, etwa 1 Atm. und 40 bis 80% rel. F.
vorgehalten. Wie bei der Prüfung auf Temperaturabhängigkeit sind sämtliche Änderungen der Eigenschaften in Tabelle 5 als Änderungen der mit den Proben
ermittelten Feuchtigkeitswerte angegeben. Es ergibt sich ;uis der Tabelle 5. daß sämtliche Änderungen sehr
gering sind und der Sensor unproblematisch einsetzbar ist. Selbst nach dem Gas- und dem Einritz-Tesi ugaben
sich keine wesentlichen Änderungen der Kennlinien der !'rohen
Unter Benutzung der repräsentativen Zusammensetzung Nr. I -Vl des Beispiels I wurde ein Oberflächensensor
hergestellt. Die Scheibe aus einem Sinterkörper mit 90 Mol-% Eisenoxid und 10 Mol-% Kaliumoxid
(hergestellt nach Beispiel I) wurde in einer Naßmtihlc zu feinen Teilchen von weniger als I (im mittlerem
Durchmesser zermahlen. das Pulver mit 5 dew. % einer Äthylcellulosdösung und 0,8 Guw.-% Gerbsäure vermischt,
diese Mischung 1 Std. in einem Kneter zu einer Paste verknetet und diese mittels Siebdruck auf ein
Substrat 1 aus Almniniumoxidporzellan nach F i g. 6 mit
Abmessungen von 20 χ 20 χ I mm mit zwei Goldelektroden
2,3 von etwa 50 μιιι Dicke in Form von Kämmen
aufgebracht, deren Zähne 2', 3' jeweils eine Breite von 0,2 mm und einen Abstand von 0,3 mm aufwiesen. Die
auf das Substrat etwa 10 mm breit aufgestrichene Schicht, die die Karfimelcktroden 2', 3' überdeckte,
wurde etwa 30 min bei 100" C getrocknet und dann
2 Std. in Luft bei lOOO'C zu einem halbierenden Film
gebrannt. Sodann wurden an den Goldelektroden 2, 3 Kupferdrähte 5 von 0,8 mm 0 angebracht. Die Kennlinie
des so hergestellten Oberflächen-Feuchtigkeitssensors wurde entsprechend den Angaben im Beispiel 1
bestimmt; die Ergebnisse sind in der F i g. 7 zusammengestellt. Wie ersichtlich, beträgt die Hysterese nicht
mehr als ±2% rel. F, Die Änderung des angegebenen Feuchtigkeitswertes bei zunehmender gegenüber abnehmender
Feuchtigkeit ist äußerst gering. Weiterhin ist, wie ersichtlich, die Widerstandsänderung im Bereich
niedriger Feuchtigkeiten sehr groß, und das Änderungsverhältnis im Bereich zwischen 0 und 50% rel. F. ist
höher als 104. Nach mehreren Tests unter Bedingungen,
wie sie für den praktischen Einsatz eines Sensors für den Trockenzustand zu erwarten sind, ließen sich keine
Änderungen der Kennlinie feststellen.
Nr. | Zusammensetzung | (Mol-%) |
FeKh | K2O | |
1-1 | 99,99 | 0,01 |
1-11 | 99 | 1 |
HII | 98 | 2 |
1-lV | 97 | 3 |
'-V | 95 | 5 |
I-Yl | 90 | 10 |
1-VII | 75 | 25 |
l-vin | 10 | 90 |
Zusammensetzung
(Mol-%)
K2O
Sinterbedingungen
"C Std
"C Std
2-1 | 99,99 | 0,01 | 800 | 50 |
2-11 | 9939 | 0,01 | 1400 | 2 |
2-III | 98 | 2,0 | 900 | 10 |
2-IV | 98 | 2,0 | 1350 | 03 |
2-V | 90 | 10 | 850 | 30 |
2-VI | 90 | 10 | 1200 | 2 |
2-VI I | 90 | 10 | 1400 | 5 |
Tabelle 3 | Zusammensetzung | Alkalimetalloxid | 0,01 |
Nr. | (Mol-%) | UiO | 10 |
FeiOi | Ι.Ι2θ | 90 | |
%<*99 | Li;O | 0,01 | |
J-I | 90 | NaiO | 10 |
3-11 | 10 | N a.Ό | 90 |
3-111 | 99.99 | Na>O | 0,01 |
TIV | 90 | Cs?O | 10 |
3-V | 10 | CsiO | 90 |
3-VI | 99,99 | CsjO | |
J-VII | 90 | ||
3-VIII | 10 | ||
3-IX | |||
25 58 560 | Zusatz (MoI' | 10 | Mi) | KiO | CsiO |
L.iiO | NaiO | 0,005 | . | ||
Tabelle 4 | 0,005 | 5 | _ | ||
Nr. | 5 | _ | 45 | — | |
45 | _ | 10 | — | ||
4-1 | — | 5 | 10 | 5 | |
4-11 | — | _ | _ | _ | |
4-III | 10 | 5 | _ | 5 | |
4-IV | _ | 10 | 10 | _ | |
.,. 4-V | 5 | 0.05 | 10 | 5 | |
4 Vl | 0.005 | _ | 10 | 0,005 | |
4-VII | — | 5 | 10 | 2 | |
4 VIII | 10 | 5 | |||
4-IX | |||||
, 4-X | |||||
4-XI | |||||
Temperaturabhängigkeit
(°/o rel. FVC)
Änderung nach dem Test (% rcl. F.)
Temperaturtest Feuchtigkeitstest Fcuchtigkeits-
/yklentest
Beispiel I u. 2 -0,7 bis -0.5 \\Z bis 3.6 -3.5 bis Ui +2,0 bis 5.1
Beispiel 3 - 1,0 bis -0,8 +4,9 bis 7.2 - \o bis 6.2 t- 7,2 bis 9,8
Beispiel 4 -0,4 bis 0,3 +3,0 his 5,0 2.0 bis 4.5 +1.0 bis 4,2
Wärmestoßtest Lagertest
+ 0,1 bis 0,3
+ 0,3 bis 0,5
+ 0.2 bis 0,3
+ 0,3 bis 0,5
+ 0.2 bis 0,3
-2,0 bis + 1,0 -5,0 bis -0.2 -2.0 bis 0,1
Ul,ill
Claims (5)
1. Feuchtigkeitssensor mit einem negativen Koeffizienten des elektrischen Widerstandes zur
Messung der relativen Feuchtigkeit, bei dem Eisenoxid (Fe2O3) als Indikatorstoff verwendet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor 99,99 bis 10 Mol-% Eisenoxid (Fe2Oi) und 0,01 bis 90
Mol-% mindestens eines Alkalimetalloxids aus der Gruppe Kaliumoxid (K2O), Lithiumoxid (Li2O),
Natriumoxid (Na2O) und Cesiumoxid (Cs2O) aufweist
2. Feuchtigkeitssensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Anteil des Alkalimetalloxids
von 0,01 bis 25 Mol-%.
3. Feuchtigkeitssensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Anteil von 0,01 bis 2,0 Mol-%
Kaliumoxid (K2O).
4. Feuchtigkeitssensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet ctirch einen Anteil von 2,0 ... 4,0 Mol-%
Kaliumoxid {JC2O).
5. Feuchtigkeitssensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Anteil von 4,0 ... 25 Mol-%
Kaliumoxid (K2O).
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