DE2728092A1

DE2728092A1 - Feuchtigkeitssensor fuer ein elektrisches hygrometer und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE2728092A1
Application number: DE19772728092
Authority: DE
Inventors: Tibor Dudas
Original assignee: Molecular Controls Ltd
Current assignee: Molecular Controls Ltd
Priority date: 1976-06-24
Filing date: 1977-06-22
Publication date: 1978-01-05
Also published as: FR2356136A1; GB1577724A; FR2356136B1

Description

HEINZ H. PUSCHMANN · PATENTANWALT

D 8000 MONCHtN 22 · THOMAS- WtMMER-RING 14 TELEFON 089/227887

MOLECULAR CONTROLS LIMITED 30 Park Cross Street, Leeds LS1 2QH, Großbritannien

München, P 476/77 Pu/mo

den 21.06.1977

Feuchtigkeitssensor für ein elektrisches Hygrometer und Verfahren zu seiner Herstellung

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Die Erfindung betrifft einen Feuchtigkeitssensor für einen elektrischen Hygrometer, bestehend aus einer Basiselektrode aus einem ersten Metall mit einer auf mindestens einer Seite der Basiselektrode aufgebrachten oder diese umhüllenden Metalloxydschicht sowie einer einen Teil der Oxydschicht bedeckenden äußeren Elektrode aus einem zweiten Metall.

Aus der GB-PS 1 393 9ol ist es bekannt, solche Feuchtigkeitssonsoren so auszubilden, daß sie als veränderbare Kondensatoren wirken, deren Kapazität sich entsprechend dem sich ändern-den Feuchtigkeitsgehalt in der Umgebungsluft ändert. Sie werden in der Weise hergestellt, daß auf die Oberfläche einer Basisplatte aus Aluminium eine elektrisch isolierende Oxydschicht aufgebracht und anschließend diese Oxydschicht mit einem leitfähigen Metall in bestimmter Form bedeckt wird. Die Aluminium- Basisplatte und die Auflage aus leitfähigem Metall, beispielsweise in Form einer Folie, bildeten dann die jeweils innere und äußere oder erste und zweite Elektroden des Kondensators. Da die Oxydschicht porös ist, nimmt sie Feuchtigkeit in einer vom Dimpfdruck des Hassers in der Umgebungsluft abhängigen Menge auf. Eine Änderung des Dampfdruckes führt daher zu einer Änderung in der Kapazität des Sensors, und, wenn der Sensor mit einem geeigneten elektrischen Stromkreis verbunden wird, können die den Kapazitätsänderungen entsprechenden Änderungen im Feuchtigkeitsgehalt der Umgebungsluft unmittelbar angezeigt werden.

Feuchtigkeitssensoren auf Aluminiumbasis sind für industrielle Zwecke weit verbreitet. Sie sind jedoch nicht immer voll funktionsfähig. Dies gilt vor allem dann, wenn die Umgebungsluft stark korrodierend oder oxydierend wirkende Stoffe enthält, wie beispielsweise durch Kracken gewonnenes Ammoniak (NH₃), Äthyloxyd, Chlor, Chlordämpfe, Säuredämpfe oder Dämpfe gesättigter Salzlösungen. Diese Stoffe bringen die isolierende

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Oxydschicht eines solchen Sensors sehr schnell teilweise oder gänzlich zum Ausfall. Dies führt zur Korrosion des Basisstückes aus Aluminium und daher zum Ausfall des gesamten Sensors. Wie die Erfahrung gezeigt hat, nimmt der Grad der Korrosion bei höherem Feuchtigkeitsgehalt und höheren Betriebstemperaturen sehr rasch zu.

Es sind bereits Versuche unternommen worden, einen Sensor auf Aluminiumbasis gegen chemischen Angriff widerstandsfähiger zu machen, jedoch ohne zufriedenstellende Ergebnisse. Es wird angenommen, daß dies auf die diesem Material innewohnenden Eigenschaften zurückzuführen ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen neuen, nach dem kapazitiven Verfahren arbeitenden Feuchtigkeitssensor zu schaffen, der gegenüber chemischen Angriffen widerstandsfähiger als bisher ist.

Ausgehend von einem Sensor der eingangs genannten Art ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Basiselektrode aus einem Stück Tantal besteht. Die Oxydschicht ist gemäß der Erfindung durch anodische Oxydation des Tantalstückes in einer Sodaoder Kaliumhydroxydlösung gebildet.

Ein Verfahren zur Herstellung des Feuchtigkeitssensors ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß ein flacher Streifen aus Tantal mechanisch poliert und durch ein Lösungsmittel entfettet wird, daß der Tantalstreifen in einer heißen Lösung aus Schwefelsäure anodisch oxydiert und dabei durch Beigabe von Lithium zur Schwefelsäure-Lösung dotiert wird, daß der überschüssige Elektrolyt durch Kochen des oxydierten Tantalstreifens in destilliertem Wasser entfernt wird, daß in den Überzug ein Draht zur Aufnahme der zweiten Elektrode eingebracht wird, und daß der so behandelte Tantalstreifen in elektrisch leitende Farbe getaucht wird, bis auch ein Teil des mit Epoxydharz versehenen Teils mit einem elektrisch leitenden Anstrich überzogen ist.

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Durch die Verwendung von Tantal als Basiselektrode für einen Feuchtigkeitssensor, in Verbindung mit besonders ausgewählten anderen Stoffen, wie beispielsweise Graphit, Gold, Silber, Platin oder Kupfer für die äußere oder zweite Elektrode, ergibt einen Sensor, der sehr korrosionsbeständig ist und auch unter Bedingungen voll funktionsfähig bleibt, in denen auf einer Aluminiumbasis aufgebaute Sensoren nicht mehr eingesetzt werden können.

Die Erfindung ist nachstehend an Hand in der Zeichnung mehr oder minder schematisch dargestellter Ausführungebeispiele erläutert. Es zeigen

Figuren 1 bis 7

und 8 bis 13 schematisch aufeinanderfolgende Stufen

bei der Herstellung verschiedener Ausführungsformen von Feuchtigkeitssensoren gemäß der Erfindung.

Der konstruktive Aufbau des Tantaloxyd-Feuchtigkeitssensor gemäß der Erfindung entspricht dem konstruktiven Aufbau des Aluminiumoxyd-Sensor nach der britischen Patentschrift 1 393 9ol

Demgemäß ist, wie die Figuren 1 bis 7 zeigen,ein flächenförmiges die erste Elektrode bildendes Basistück aus Tantal auf elektrolytischem Wege in einer Soda- oder Kaliumhydroxydlösung anodisch oxydiert worden,um einen elektrisch isolierenden Metalloxydüberzug 4 zu erhalten. Auf dies wird ein zweiter elektrisch leitender Stoff Io aufgebracht, der die äußere Elekrode eines Kondensators bildet.

Das Basisstück 1 kann als flacher Streifen oder als flache Platte , als Flachdraht, Rundstab oder Draht ausgebildet sein. Der die zweite Elektrode bildende Stoff Io kann durch Bedampfen, Tauchen, Streichen, Wickeln - bei Verwendung

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drahtförmigen Materials - aufgebracht werden.

Die Materialauswahl und das jeweilige Auftragverfahren zur Bildung der äußeren Elekrode hängen weitgehend vom vorgesehenen Einsatz und den Funktionsbedingungen des fertigen Sensors ab. Beispielsweise reicht es für seine Verwendung in Gasen oder Flüssigkeiten oder wenn der Sensor nur in eine Flüssigkeit einzutauchen ist, aus, wenn die äußere Elektrode durch Aufdampfen, Eintauchen oder Aufstreichen aufgebracht wird.Soll jedoch der Feuchtigkeitsgehalt in einem Flüssigkeitsstrom gemessen werden, ist es sinnvoll die äußere Elektrode aus Wickelfolie oder einem aufgespulten Draht zu bilden, damit sie nicht durch den Flüssigkeitsstrom abgewaschen werden kann. Die konstruktiven Einzelheiten des Sensors entsprechen also den Angaben in der britischen Patentschrift 1 393 9ol, wobei jedoch als Basis-Metall anstelle von Aluminium Tantal verwendet wird.

Andere Ausführungsformen von Feuchtigkeitssensoren auf Tantalbasis sind in den Figuren 8 bis 13 dargestellt. Hier wird ein Tantalelement 11 geeigneter Größe, das ein flacher Streifen oder eine Platte, ein Flachdraht, Runddraht oder Rundstab sein kann, mechanisch poliert und durch ein Lösungsmittel entfettet.

Das Tantalstück wird dann auf elektrolytischem Hege oxydiert (d.h. eloxiert), und zwar in einer heißen (+ 90⁰C) Lösung aus Schwefel- oder Phosphorsäure, oder in einer alkalischen Lösung (d.h. Natronlauge oder Kalilauge) über einen Zeitraum zwischen 3o Sekunden und einer halben Stunde, je nach der Stärke der Lösung und der gewünschten Dicke der Oxydschicht. Die verwendete Spannung lag zwischen 30V bis 200V und die Stromdichte bei 10 Milliampere pro Quadratzoll.

Eine genau abgemessene Menge Lithium oder Magnesiumchlorid wurde der elektrolytischen Lösung zur "Dotierung" der Vorrichtung bei dieser Herstellungsphase zugesetzt.

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Nach vollständiger Oxydierung des Tantalstückes 11 istcfer überschüssige Elektrolyt durch Kochen des Teiles in destilliertem Wasser während Io Sekunden oder durch Reinigung mit Ultraschall über 5 Sekunden zu entfernen. Das Tantalstück 11 wird dann mit einem Ende im Innern eines Messingrohres 12 angelötet. Anschließend wird ein Teil des Tantalstückes 11 mit Epoxydharz überzogen, so daß es eine elektrisch isolierende Oberfläche 13 erhält, in der sich ein Draht 14 zur Aufnahme der zweiten oder äußeren Elektrode verankern läßt.

Die zweite oder äußere Elektrode 15 ist dann durch eine der folgenden Methoden aufzubringen:

Eintauchen des oxydierten Tantalstückes 11 in eine elekrisch leitenden Farbe, die aus Graphit, Silber oder einer anderen Substanz jeweils in kolloidaler Lösung bestehen kann, derart, daß auch ein Teil des zuvor mit einem Epoxydharzüberzug versehenen Teiles mit einem Anstrich bedeckt wird, vgl. Figur 11; oder

Aufbringen eines leitenden Materials aus Kohlenstoff, Graphit, oder Metall durch Aufdampfen; oder

Aufwickeln oder Auftragen eines Stückes feiner Goldfolie auf das Tantalstück ; oder

Umwickeln des oxydierten Tantalstückes mit einem sehr feinen Gold, Silber, Tantal-, oder Kupferdrahtes oder mit einem Kohlefaden, vgl. Figur Io.

Unabhängig davon, welche Methode für die Herstellung der äußeren Elektrode angewandt wird, muß in jedem Fall der "Auftrag" teilweise den Epoxydharzüberzug überdecken. Der elektrische Anschluß des Auftrages erfolgt über einen feinen Draht. In den Figuren Io und 11, ist eine Abschlußkappe 16 aus Epoxydharz gezeigt, die einen zweiten Endpunkt bildet.

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Wurde die Vorrichtung während des Oxydierens nicht dotiert, so kann dieser Verfahrenschritt nunmehr angeschlossen werden, indem das soweit fertige Teil in einer Lösung von Magnesium oder Lithiumchlorid Io bis 60 Sekunden lang gekocht wird, je nach der gewünschten Korrektur der Empfindlichkeitskurve. Überschüssige Lösung wird durch Waschen der Vorrichtung in destilliertem Wasser entfernt, anschließend wird die Vorrichtung getrocknet und auf einer Basis montiert, die zur Herstellung einer elektrischen Verbindung mit einem Meßstromkreis geeignet ist.

Die Endphase bei der Herstellung des Sensors beinhaltet die Ermittlung der Durchbruchsspannung infolge von Schwachstellen in der isolierenden Oxydschicht. Zu diesem Zweck wird der nunmehr fertige Sensor an eine Wechselstromquelle von 10 V und 2 A während 15 Sekunden angeschlossen. Hält der Sensor diesen Versuch aus, ist er für die Verwendung zur Feuchtigkeitsmessung zuverlässig geeignet.

Die Antwort-Spannung dieser Sensoren in einem geeigneten elektronischen Schaltkreis ist antilogarithmisch über 90% seines Ansprechbereichs. Dies kann in praktischem Einsatz zu Schwierigkeiten führen, nämlich dort, wo eine graphische Aufzeichnung, eine Datenerfassung oder ein Rechneranschluß erforderlich ist, Diese Schwierigkeit kann durch "Geradrichten" der Anzeigecharakteristik für bestimmte Meßbereiche beseitigt werden, indem der Sensor durch Einbetten geringer Mengen von Mineralsalzen in die Oxydschicht selektiv dotiert wird. Diese Implantation kann während des Oxydationsprozesses erfolgen, indem eine genau abgemessene Menge eines Salzes dem Oxydationselektrolyten zugesetzt wird, oder nach dem Oxydationsprozeß, wo die Vorrichtung in einer geeigneten Lösung gekocht wird.

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Zum die gewünschte Änderung in der Empfindlichkeitskurve
bewirkenden Dotieren der Vorrichtung geeignete Salze sind Magnesiumchlorid, Lithiumchlorid oder Phophorsäure. Die
erforderliche Menge an Salz oder Säure in kochendem
destillierten Kasser schwankt zwischen 0,1% bis 5,0%
maximal, wobei die Stärke der Lösung von der gewünsch ten Korrektur abhängt. Die nach den vorbeschriebenen Verfahren erzielten Dotierungen sind permanent, d.h. der Salzniederschlag kann nachträglich nicht durch Auswaschen, Kochen oder Einweichen entfernt werden; darüberhinaus kann ein so "dotierter" Sensor bei normaler Raumluftfeuchtigkeit ohne besondere
Vorsichtsmaßregeln gelagert, gehandhabt oder versandt werden. Das wäre bei Verwendung von gesättigten Salzlösungen zur
Dotierung nicht möglich.

Wird die Tantal-Basiselektode in einer Soda- oder Kaliumhydroxydlögung eloxiert, und nicht in einer sauren Lösung, so ist die für die anodische Oxydation erforderliche Zeit
wesentlich kürzer.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

L. Feuchtiqkeitssensor für einen elektrischen Hygrometer, bestehend aus einer Basiselektrode aus einem ersten Metall mit einer auf mindestens einer Seite der Basiselektrode aufgebrachten oder diese umhüllenden Metalloxydschicht sowie einer einen Teil der Oxydschicht bedeckenden äußeren Elektrode aus einem zweiten Metall, dadurch gekennzeichnet , daß die Basiselektrode (1) aus einem Stück Tantal besteht.
2. Feuchtigkeitssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Oxydschicht (4) durch anodische Oxydation des Tantalstückes (1,11) in einer Soda- oder Kaliumhydroxydlösung gebildet ist.
3. Feuchtigkeitssensor nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die aus Tantal bestehende Basiselektrode (1,11) als kurzer, flacher, polierter Streifen ausgebildet ist, und daß die Oxydschicht (4) auf einer ebenen Fläche des Streifens aufgebracht ist.
4. Feuchtigkeitssensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß das eine Ende mit einer Abschlußkappe (16) aus Epoxydharz überzogen ist.

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ORIGINAL INSPECTED
5. Feuchtigkeitssensor nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die äußere Elektrode (4) aus einer Schicht aus Graphit, Gold, Silber , Platin oder Kupfer besteht.
6. Verfahren zur Herstellung eines Feuchtigkeitssensors nach

den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß ein flacher Streifen aus Tantal mechanisch poliert und durch ein Lösungsmittel entfettet wird, daß der Tantalstreifen in einer heißen Lösung aus Schwefelsäure anodisch oxydiert und dabei durch Beigabe von Lithium zur Schwefelsäure-Lösung dotiert wird, daß der überschüssige Elektrolyt durch Kochen des oxydierten Tantalstreifens in destilliertem Wasser entfernt wird, daß ein Teil des Tantalstreifens mit Epoxydharz überzogen wird, daß in den Überzug ein Draht zur Aufnahme der zweiten Elektrode eingebracht wird, und daß der so behandelte Tantalstreifen in elektrisch leitende Farbe getaucht wird, bis auch ein Teil des mit Epoxydharz versehenen Teils mit einem elektrisch leitenden Anstrich überzogen ist.

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