DE2826515A1

DE2826515A1 - Festkoerper-sensorelement

Info

Publication number: DE2826515A1
Application number: DE19782826515
Authority: DE
Inventors: James Stewart Johnston
Original assignee: Rosemount Engineering Co Ltd
Current assignee: Emerson Process Management Ltd
Priority date: 1977-06-22
Filing date: 1978-06-16
Publication date: 1979-01-11
Also published as: GB1586117A; JPS549997A; DE2826515C2; US4307373A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Festkörper-Sensorelemente, die auf die Messung ausgewählter Parameter von Materialien oder die umgebende Atmosphäre ansprechen, und insbesondere auf solche Elemente zur Bestimmung von Eigenschaften, die sich mit der Temperatur ändern.

Durch die Erfindung wird ein Festkörper-Sensorelement geschaffen, das sich durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auszeichnet. Vie später erläutert wird, können eine oder mehrere Materialschichten auf den getrennten Leitern zur Ermittlung bestimmter Parameter der umgebenden Atmosphäre, zum Beispiel des Sauerstoffpartikaidruckes oder des Vorhandenseins bestimmter Gase in der umgebenden Atmosphäre oder zur Feuchtigkeitsmessung vorgesehen sein. In der einfachsten Form jedoch kann eine unbeschichtete Vorrichtung zum Beispiel zur Messung des Taupunktes verwendet werden.

Zur Messung des Taupunktes mit einer Vorrichtung der zuvor beschriebenen Art können Mittel vorgesehen sein, die auf den elektrischen Widerstand zwischen den getrennten elektrischen Leitern vorgesehen sind, und der auf die Temperatur ansprechende leitende Pfad kann mit einem Meßkreis zur Bestimmung der Temperatur der Vorrichtung verbunden sein. Die Vorrichtung kann dann gekühlt werden, wobei die Kühlung andauert, bis eine Abnahme des Widerstandes zwischen den Leitern erfolgt, die durch die Kondensation der Feuchtigkeit auf der Oberfläche der Vorrichtung hervorgerufen wird. Die

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Temperatur, bei der diese Änderung des Widerstandes auftritt, stellt die Messung des Taupunktes dar. Die Kühlung kann zweckmäßigerweise durch Befestigen des Substrats an einer Peltier-Vorrichtung erfolgen. Statt der unbeschichteten Leiter können diese mit einer dünnen Schicht dielektrischen Materials, zum Beispiel Glas, überzogen werden, und die Änderung der Kapazität zwischen den beiden Leitern statt der Änderung des Leitwertes kann ermittelt werden, um zu bestimmen, wenn der Taupunkt erreicht ist.

Bei einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung können die Leiter mit einer Schicht eines hitzebeständigen Oxidmaterials überzogen sein, das eine elektrische Leitfähigkeit hat, die von dem Vorhandensein und/oder der Konzentration eines Gases oder von Gasen in der umgebenden Atmosphäre abhängt. Zum Beispiel ist die elektrische Leitfähigkeit bestimmter Oxide von dem Sauerstoffpartialdruck in ihrer unmittelbaren Nachbarschaft abhängig. Ein typisches Beispiel solch eines Oxids ist zum Beispiel Zirkoniumoxid, das mit Yttriumoxid dotiert ist. Eine Schicht dieses Materials kann auf die Leiter aufgebracht werden. Der Widerstand zwischen den beiden Leitern stellt die Messung des Sauerstoff partialdruckes dar, ist jedoch von der Temperatur abhängig. Der auf die Temperatur ansprechende leitende Pfad kann nicht nur zur Messung der Temperatur, sondern auch zur Erwärmung der Vorrichtung verwendet werden. Zum Beispiel kann der Strom durch diesen auf Temperatur ansprechenden leitenden Pfad so gesteuert werden, daß die Vorrichtung auf einer bestimmten Temperatur im Bereich von zum Beispiel 400 bis 800⁰C gehalten wird. Anstelle des mit Zirkoniumoxid do-

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Kobaltoxid	Co₃O₄
Nickeloxid	NiO
Kupferoxid	CuO
Chromoxid	Cr₂O₃
Uranoxid

tierten Yttriumoxids kann irgendeines der folgenden Oxide verwendet werden:

einfache Oxide komplexe Oxide

Wismutmolybdänoxid Vanadiummolybdänoxid Uranantimonoxid Strontiumeisenoxid

Als ein weiteres Beispiel der Verwendung einer Schicht auf den Leitern zur Ermittlung bzw. Messung der Konzentration eines Gases kann eine Halbleiterschicht auf diese Leiter aufgebracht werden. Solch eine Schicht zeigt die Änderungen des Widerstandes, der von der Konzentration bestimmter toxischer Gase, wie Schwefelwasserstoff und Kohlenmonoxid, abhängt. Wiederum hängt der Widerstand von der Temperatur der Vorrichtung ab, jedoch ermöglicht es der auf die Temperatur ansprechende leitende Pfad auf der anderen Seite, die Temperatur durch Einstellung des Stromes zu messen und zu steuern, der in diesem Pfad fließt, bis sein Widerstand die der gewünschten Temperatur entsprechende Größe erreicht. Die Halbleiterschicht kann Zinkoxid sein.

Als weiteres Beispiel der Verwendung einer Vorrichtung mit einer Schicht auf den Leitern können diese Leiter mit einem porösen Material überzogen sein. Zur Messung der relativen Feuchtigkeit kann ein poröses Material, wie Aluminiumoxid, verwendet werden, das die Feuchtigkeit der Atmosphäre absorbieren kann. Diese Feuchtigkeit ändert die Leitfähigkeit und die Dielektrizitätskonstante und damit kann die Messung

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entweder des Widerstandes oder der Kapazität zwischen den Leitern durchgeführt werden. Zur Bestimmung der relativen Feuchtigkeit ist es notwendig, die Temperatur der umgebenden Atmosphäre zu kennen; diese kann durch Verwendung des auf die Temperatur ansprechenden leitenden Pfades an der Vorrichtung gemessen werden.

Der Taupunkt kann durch Beschichten der Leiter mit einem porösen Material bestimmt werden, das mit einer Lösung eines hygroskopischen Materials, vorzugsweise Lithiumchlorid, imprägniert ist. Bei dieser Vorrichtung kann ein Wechselstrom durch die beiden Leiter geschickt werden, um die Temperatur der Vorrichtung zu erhöhen und die Lösung des hygroskopischen Materials zur Verdampfung zu veranlassen. Die Verdampfung verringert die Leitfähigkeit und damit den Erwärmungseffekt, so daß die Vorrichtung eine stabile Temperatur erreicht. Diese Temperatur entspricht der, bei der der Dampfdruck über der Lithiumchloridlösung mit dem der umgebenden Atmosphäre im Gleichgewicht ist. Die Temperatur kann mittels des auf die Temperatur ansprechenden leitenden Pfades der Vorrichtung bestimmt und zum Taupunkt der umgebenden Atmosphäre in Beziehung gebracht werden. Eine andere Methode zum Betrieb dieser Vorrichtung besteht darin, einen einstellbaren Strom durch den auf die Temperatur ansprechenden leitenden Pfad zu schicken und ihn zur Erwärmung zu veranlassen, bis die gewünschte Leitfähigkeit zwischen den beiden Leitern festgestellt wird. Die Messung des Widerstandes des auf die Temperatur ansprechenden leitenden Pfades ermöglicht die Bestimmung der Temperatur der Vorrichtung. Zweckmäßigerweise wird zu diesem Zweck ein elektronischer Kreis verwendet, um das

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Verhältnis des Spannungsabfalles über diesem Pfad zu dem durch, ihn fließenden Strom zu bestimmen.

Der Taupunkt kann ebenfalls durch den obigen Vorgang gemessen werden, wobei jedoch die Leiter mit einem Gemisch eines hygroskopischen Materials und eines Gelbildners überzogen sind. Zum Beispiel kann der Überzug durch Beschichten der Leiter mit einer 2 g Lithiumchlorid und 4- g Polyvinylalkohol mit 100 ml Wasser enthaltenden Lösung gebildet werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren 1 bis 3 beispielsweise erläutert. Es zeigt:

Figur 1 bei (a) und (b) die beiden Stirnseiten einer Ausführungsform eines Sensorelementes,

Figur 2 bei (a) und (b) jeweils die beiden Stirnseiten einer weiteren Ausführungsform, und

Figur 3 einen Querschnitt eines Beispiels.

Figur 1 zeigt bei (a) die Stirnseite eines langgestreckten dünnen Substrats 10 aus elektrisch isolierendem Material, auf das ein auf Temperatur ansprechender leitender Pfad 11 gedruckt ist, der sich zwischen zwei Bereichen 12, 13 erstreckt, mit denen Leitungen 14, 15 verbunden sind. Das Substrat 10 ist zweckmäßigerweise eine Platte aus keramischem Material, wie Aluminiumoxid. Der Pfad ist vorzugsweise aus Platin gebildet, obwohl es möglich ist, andere Materialien, wie Nickel oder Kupfer oder deren Legierungen in Widerstandsthermometervorrichtungen zu verwenden.

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Vorzugsweise ist der Pfad aus einem geschmolzenen glasartigen Material gebildet, das Platinpartikel enthält, wie dies für die Herstellung von Widerstandsthermometern bekannt ist. Eine isolierende Schutzschicht, wie eine glasierte Schicht, kann über diesem Pfad vorgesehen sein.

In Figur 1 ist bei (b) die andere Seite der Vorrichtung der Figur 1 bei (a) gezeigt. Diese Seite hat ineinandergreifende Leiter 20, 21, die ein Gitter bilden und jeweils mit Anschlußbereichen 22, 23 verbunden sind, mit denen die Leitungen 24, 25 verbunden sind. Diese Leiter 20, 21 sind zweckmäßigerweise aus einem Edelmetall, wie Gold, gebildet, das in bekannter Weise auf das Substrat 10 gedruckt ist. Über den Leitern 20, 21 kann eine Schicht irgendeiner der zuvor für das Beispiel der hitzebeständigen Oxide, wie Zirkoniumoxid, dotiert mit Yttriumoxid, oder porösem Material, wie Aluminiumoxid oder einem Halbleiter in Abhängigkeit von dem erforderlichen Verwendungszweck der Vorrichtung beschriebenen Formen vorgesehen sein. Wie gezeigt ist, sind die Leiter 20 und 21 getrennt und bilden einen langgestreckten, serpentinenförmigen Spalt von im wesentlichen konstanter Breite.

Eine zweite Ausführungsform zeigt Figur 2. Bei (a) ist ein Widerstandsthermometer gezeigt, bestehend aus einem leitenden Pfad 40, der auf eine Seite einer dünnen Platte 41 aus elektrisch isolierendem Material, zum Beispiel einem Keramikmaterial, das das Substrat der Vorrichtung bildet, aufgedruckt ist. Die beiden Enden des Widerstandsthermometer-

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pfades 40 sind jeweils mit leitenden Bereichen 42, 43 verbunden, die Anschlüsse für den Anschluß von nach außen führenden Leitungen 44, 45 bilden. Dieser Pfad kann aus irgendeinem geeigneten, auf Temperatur ansprechenden Material gebildet sein, wie es zuvor beschrieben wurde, und vorzugsweise aus Platinpartikel, die in einer glasartigen Schicht eingebettet sind.

Wie bei (b) gezeigt ist, hat die andere Seite des Substrats 41 zwei Leiter 50, 51» die ineinandergreifende Bereiche bilden. Diese beiden Leiter sind mit den Anschlußbereichen 53» 54 einstückig ausgebildet, die mit den Ausgangsleitungen 55» 56 verbunden sind. Die Leiter 50, 51 bestehen zweckmäßigerweise aus Gold und können auf das Substrat in bekannter Weise aufgedruckt sein. Die in Figur bei (b) gezeigte Seite der Vorrichtung kann in irgendeiner der zuvor beschriebenen Art in Abhängigkeit von dem erforderlichen Verwendungszweck der Vorrichtung beschichtet sein, wobei sich die Schicht über die beiden Leiter 50, 51 erstreckt. Wiederum sind die Leiter 50 und 51 durch einen langgestreckten Spalt 52 im wesentlichen gleichmäßiger Breite getrennt.

Die Dicke des Substrats ist nicht kritisch, so lange die beiden Oberflächen als temperaturgleich angenommen werden können. Das Substrat ist üblicherweise eine dünne Platte, deren Dicke im Vergleich zu ihren anderen Abmessungen klein ist.

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Figur 3 ist ein Querschnitt durch, ein Zwischensensor element und zeigt die Anordnung eines auf Temperatur ansprechenden leitenden Pfades 62, der mit einer undurchlässigen Glasschutzschicht 63 überzogen ist, auf der einen Seite 61 eines Substrats 60, auf dessen anderer Seite 64 Leiter 65 und eine Schicht 66 aufgebracht sein können.

Bei einem besonderen Beispiel hat ein Feuchtigkerfcssensor die in Figur 1 gezeigte Form und besteht aus einem Aluminiumoxidsubstrat mit einem glasartigen Platinwiderstandsthermometerpfad und ineinandergreifenden Leitern aus Gold. Eine Schicht ist über dem ineinandergreifenden Gitter dadurch gebildet, daß die gesamte Stirnseite des Elementes mit einer Lösung aus 2 g Lithiumchlorid und 4 g Polyvinylalkohol mit 100 ml Wasser beschichtet wird. Der Sensor ist etwa 3 mm breit, 30 mm lang und 0,6 mm dick. Die Leitungen bestehen aus einem Platindraht mit einem Durchmesser von 0,3 mm. Der Widerstandsthermometerpfad hat einen Gefrierpunktwiderstand von 100 0hm +0,1 0hm und einen Widerstandstemperaturkoeffizienten OC von O,OO385°C .

Bei einem weiteren Beispiel hat ein Sauerstoffsensor die in Figur 2 gezeigte Form und besteht aus einem Aluminiumoxidsubstrat mit einem glasartigen Platinwiderstandsthermometerpfad und ineinandergreifenden Leitern aus Gold. Die gesamte Stirnseite mit den ineinandergreifenden Bereichen ist mit mit Yttrium dotiertem Zirkoniumoxid beschichtet, das durch Mischen in Pulverform mit zwischen 10 und 30 %, und vorzugsweise 20 Vol.-% Natriumsilikat haftend gemacht wird.

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Der Sensor ist quadratisch mit einer Seitenlänge von etwa 3 mm und einer Dicke von 0,6 mm und hat Platinleitungen mit einem Durchmesser von 0,1 mm. Der Widerstandsthermometerpfad hat einen Gefrierpunktwiderstand von 10 Ohm +0,1 Ohm und einen Widerstandstemperaturkoeffizienten OC von 0,00385⁰C"¹.

Die getrennten Leiter auf der Stirnseite des Sensors gegenüber dem auf Temperatur ansprechenden Pfad können andere Formen außer der bei den Beispielen beschriebenen ineinandergreifenden Anordnung haben. In der einfachsten Anordnung können die Leiter zwei parallele Pfade sein.

Anstelle eines metallischen Pfades mit einem positiven Widerstandstemperaturkoeffizienten kann der auf Temperatur ansprechende Pfad des Elementes aus einem Thermistormaterial hergestellt sein.

Die Ausgangsleitungen der beiden Seiten des Elementes können sich von dem gleichen Ende oder Rand oder von gegenüberliegenden Enden oder Rändern erstrecken, so daß sie zur mechanischen Halterung des Elementes verwendet werden können.

Die Vorrichtung der Figur 2 kann zweckmäßigerweise in einem T05-Transistorgehäuse angeordnet sein, dessen oberes Ende perforiert ist, so daß das Element den umgebenden Gasen ausgesetzt ist.

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Leerseite

Claims

R. SPLANEMANN dr. B. REITZNER J.RICHTER F. WERDERMANN

DiPl ING. DIPL-CHEM. DIPU-ING. DIPL.-INS.

MÜNCHEN HAMSURS

ROSEMOUKT 8OOO München 2 16. Juni 1978

£,» _{(089) 226207/226209}

Telegramme: Invenlius München

ENGINEERING COMPANY Ltd. £,» _{(089) 226207/226209}

Bognor Regis, Sussex

England un.cr.Akh,, 4119-1-10.352

Ihr Zeichen:

Pestkörper-Sensorelement

Patentansprüche

⁽ 1.) Pestkörper-Sensorelement, gekennzeichnet durch ein ebenes Substrat (10; 41; 60) aus elektrisch isolierendem Material oder einem Material mit elektrisch isolierenden Oberflächen, wobei das Substrat auf der einen Seite ein erstes Paar elektrischer Anschlußpunkte (12, 13; 42, 43) und einen auf Temperatur ansprechenden elektrisch leitenden Pfad (14; 40; 42) hat, der sich zwischen diesen erstreckt, und auf der anderen Seite des Substrats ein zweites Paar Anschlußpunkte (22, 23; 53» 54) und zwei getrennte elektrische Leiter (20, 21; 50, 51; 65), die jeweils mit dem zweiten Paar Anschlußpunkte verbunden sind und zwischen diesen ein langgestreckter Spalt (26; 52) im wesentlichen konstanter Breite besteht.

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ORIGINAL INSPECTED
2. Sensorelement nach. Anspruch. 1, gekennzeichnet durch, wenigstens eine Schicht (66) auf den beiden Leitern, die aus einem Material besteht, das auf Änderungen eines ausgewählten Parameters der umgebenden Atmosphäre elektrisch anspricht.
3. Sensorelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht auf eine Schicht eines hitzebeständigen Oxidmaterials aufgebracht ist, das eine elektrische Leitfähigkeit hat, die von dem Vorhandensein und/oder der Konzentration eines Gases oder von Gasen in der umgebenden Atmosphäre abhängt.
4·. Sensorelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die hitzebeständige Oxidschicht aus Zirkoniumoxid, dotiert mit Yttriumoxid, oder aus einem OxLd der folgenden Gruppe besteht:

einfache Oxide komplexe Oxide

Kobaltoxid Co₃O^ Wi smutmolybdänoxid Nickeloxid NiO Vanadiummolybdänoxid Kupferoxid CuO Uranantimonoxid Chromoxid Cr₂O₃ Strontiumoxid Uranoxid u O₂
5· Sensorelement nach Anspruch 4-, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Schicht zwischen 10 und 30 Vol.-% Natriumsilikat enthält.

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I J
6. Sensorelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus Halbleitermaterial besteht.
7. Sensorelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement Zinkoxid ist.
8. Sensorelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus porösem Material besteht.
9. Sensorelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Material Aluminiumoxid ist.
10. Sensorelement nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennz eichnet, daß das poröse Material mit einer Lösung eines hygroskopischen Materials imprägniert ist.
11. Sensorelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das hygroskopische Material Lithiumchlorid ist.
12. Sensorelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus einem Gemisch eines hygroskopischen Materials und eines Gelbildners besteht.
13· Sensorelement nach Anspruch 12, dadurch gekennz eichnet, daß die Schicht ein Gemisch aus Lithiumchlorid und Polyvinylalkohol ist.

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ORIGINAL INSPECTED
14-. Sensorelement nach, einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der auf Temperatur ansprechende elektrisch leitende Pfad eine undurchlässige Schicht (33) aus einem inerten Material hat.
15· Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennz eichnet, daß der auf Temperatur ansprechende elektrisch leitende Pfad aus einem geschmolzenen glasartigen, Platinpartikel enthaltenden Film gebildet ist.
16. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennz eichnet, daß die elektrischen Leiter Filme aus Edelmetall sind.

17· Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Leiter ineinandergreifen.

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