DE3403844A1

DE3403844A1 - Transducer

Info

Publication number: DE3403844A1
Application number: DE19843403844
Authority: DE
Inventors: Leonard S. Tucson Ariz. Raymond
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-02-03
Filing date: 1984-02-03
Publication date: 1985-08-08

Abstract

A capacitive transducer 10 is provided, which comprises two thin-film capacitors 24, 26 and a liquid-tight container 12. The container is filled with a standard solution 52 of known composition. One of the two thin-film capacitors 26 is immersed in the standard solution within the container, while the other capacitor 24 is located outside the container 12. The transducer as a whole can be immersed in a test liquid, and the capacitance value of the outer capacitor 24, which depends on the dielectric constant of the test liquid 54, can be compared with the capacitance of the inner capacitor 26, after the standard solution 52 has attained thermal equilibrium with the test liquid 54. <IMAGE>

Description

WandlerConverter

Die Erfindung bezieht sich auf dielektrische Wandler und speziell auf dielektrische Wandler zur Prüfung oder Überwachung von Strömungsmitteln.The invention relates to dielectric transducers and in particular on dielectric transducers for testing or monitoring fluids.

Es ist bekannt, daß die dielektrischen Eigenschaften eines Prüflings bei der Auswertung des Prüflings benutzt werden können. So kann beispielsweise die Konzentration der Zusammensetzung einer Lösung von zwei Materialien mit unterschiedlichen relativen Dielektrizitätskonstanten leicht durch Messung der Dielektrizitätskonstanten der Lösung bestimmt werden. Im typischen Fall wird die Dielektrizitätskonstante des Prüflings durch kapazitive Methoden gemessen, wobei der Prüfling das gesamte Material bildet, welches die Platten des Kondensators trennt,oder auch nur einen Teil hiervon. Aus der Geometrie des Kondensators und dem gemessenen Kapazitätswert kann die Dielektrizitätskonstante des Prüflings abgeleitet werden. Dieser Wert kann dann mit einer Eichkurve oder Tabelle bekannter Werte von Dielektrizitätskonstanten für sich ändernde bekannte Konzentrationen der interessierenden Materialien verglichen werden. Im typischen Fall werden diese Werte dadurch bestimmt, daß direkt bekannte Konzentrationen der Materialien im Kondensator ersetzt werden.It is known that the dielectric properties of a test specimen can be used when evaluating the test item. For example, the Concentration of the composition of a solution of two materials with different relative dielectric constants easily by measuring the dielectric constant the solution can be determined. Typically this is the dielectric constant of the device under test measured by capacitive methods, with the device under test the entire Forms material that separates the plates of the capacitor, or just one Part of it. From the geometry of the capacitor and the measured capacitance value the dielectric constant of the test object can be derived. This value can then with a calibration curve or table of known values of dielectric constants for changing known concentrations of the materials of interest will. Typically these values are determined by directly known Concentrations of the materials in the condenser are replaced.

Um einen direkten Vergleich durchführen zu können, muß die Messung des Prüflings unter identischen Voraussetzungen durchgeführt werden, welche bei der Eichung angewandt wurden. So ist es beispielsweise bekannt, daß die Dielektrizitätskonstante eines Materials temperaturabhängig ist. So ändern sich beispielsweise die Dielektrizitätskonstanten der meisten polaren Flüssigkeiten invers mit der Temperatur. Wegen dieser Änderungen sollten alle Messungen des Prüflings im Idealfall bei einer vorbestimmten Temperatur durchgeführt werden. Sonst müßten die Wirkungen der Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstante berechnet und beispielsweise durch Temperaturmessung des Prüflings und Anwendung eines empirisch bestimmten Korrekturfaktors auf die Kapazitätsmessung berücksichtigt werden. Derartige Messungen entsprechen der herkömmlichen Laborpraxis, jedoch beeinträchtigen die Notwendigkeit der Temperatursteuerung oder eine getrennte Temperaturmessung unter Berücksichtigung einer unabhängig bestimmten thermischen Eichkurve die Nützlichkeit derartiger Methoden in vielen Prozeßsteueranwendungen oder bei Verbrauchsgütern.In order to be able to carry out a direct comparison, the measurement must of the test item must be carried out under the same conditions as those for the calibration were applied. For example, it is known that the dielectric constant of a material is temperature dependent. So change For example, the dielectric constants of most polar liquids inversely with temperature. Because of these changes, all measurements of the device under test should ideally be carried out at a predetermined temperature. Otherwise would have to the effects of the temperature dependence of the dielectric constant are calculated and, for example, by measuring the temperature of the test object and applying an empirical one specific correction factor can be taken into account on the capacitance measurement. Such Measurements correspond to conventional laboratory practice, but they have an adverse effect Need for temperature control or a separate temperature measurement under Consideration of an independently determined thermal calibration curve is useful such methods in many process control applications or in consumables.

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven Wandler zu schaffen, der für die Messung der dielektrischen Eigenschaften eines Prüflings geeignet ist.Accordingly, the invention is based on the object of a capacitive To create a transducer that is used for measuring the dielectric properties of a DUT is suitable.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe dadurch, daß der Wandler einen einfachen eingebauten Bezugsstandardkondensator aufweist, wodurch eine Eichung des Wandlers unter sich ändernden Bedingungen erlangt werden kann.The problem posed is achieved in that the converter has a simple one has built-in reference standard capacitor, whereby a calibration of the converter can be obtained under changing conditions.

Weiter bezweckt die Erfindung die Schaffung eines Wandlers, der eine Temperaturkompensation aufweist.Another object of the invention is to provide a transducer which is a Has temperature compensation.

Gemäß der Erfindung ist ein kapazitiver Wandler vorgesehen, der zwei miteinander verbundene Dünnfilm-Kondensatoren und einen flüssigkeitsdichten Behälter umfaßt. Der Behälter kann mit einer standardisierten Bezugsflüssigkeit bekannter Zusammensetzung angefüllt werden. Einer der beiden Dünnfilm-Kondensatoren wird in die Standardbezugslösung innerhalb des Behälters eingetaucht, während der andere Kondensator außerhalb des Behälters befindlich ist. Der gesamte Wandler kann in eine Prüfflüssigkeit eingetaucht werden und der Kapazitätswert des äußeren Kondensators, der von der Dielektrizitätskonstanten des Prüflings abhängig ist, kann mit dem Kapazitätswert des inneren Kondensators verglichen werden, nachdem die Bezugslösung ein thermisches Gleichgewicht mit der Prüfflüssigkeit erlangt hat.According to the invention, a capacitive transducer is provided, the two interconnected thin film capacitors and a liquid-tight container includes. The container can be known with a standardized reference liquid Composition to be filled. One of the two thin film capacitors is in the standard reference solution immersed inside the container while the other The condenser is located outside the container. The entire converter can be in a test liquid is immersed and the capacitance value of the external capacitor, which depends on the dielectric constant of the test object can be changed with the capacitance value of the inner capacitor can be compared after the reference solution has a thermal Has reached equilibrium with the test liquid.

Der vorbeschriebene Wandler hat den Vorteil, daß er in sich einen Bezugs standard enthält und außerdem eine Temperaturkompensation.The above converter has the advantage that it is a Reference standard contains and also a temperature compensation.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine Vorderansicht eines Wandlers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie 2-2 gemäß Fig.Exemplary embodiments of the invention are described below with reference to the drawing described. The drawings show: FIG. 1 a front view of a transducer according to FIG a preferred embodiment of the invention, Fig. 2 is a section along the line 2-2 according to Fig.

1, Fig. 3 in größerem Maßstab einen Schnitt nach der Linie 3-3 gemäß Fig. 1, Fig. 3A eine der Fig. 3 entsprechende Schnittansicht einer abgewandelten Ausführungsform des Wandlers gemäß Fig. 1, Fig. 4 ein für den Wandler gemäß Fig. 1 geeignetes Schaltbild. 1, Fig. 3 on a larger scale a section along the line 3-3 according to Fig. 1, FIG. 3A shows a sectional view corresponding to FIG. 3 modified embodiment of the converter according to FIG. 1, FIG. 4 for the converter according to Fig. 1 suitable circuit diagram.

In den verschiedenen Zeichnungsansichten sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.Identical parts are identical in the different drawing views Provided with reference numerals.

Aus den Fig. 1 und 2 ist ein Wandler 10 ersichtlich, der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung bildet. Der Wandler 10 ist auf bzw. in ein rechteckiges Gehäuse 12 aus elektrisch isolierendem Material eingebaut, welches so beschaffen ist, daß es für die in Frage kommenden Strömungsmittel undurchlässig ist und mit diesen nicht reagiert. Wenn beispielsweise verdünnte Säuren wie beispielsweise in Wasser verdünnte Schwefelsäure geprüft werden sollen, dann kann das rechteckige Gehäuse 12 aus einem Fluorplastikmaterial wie beispielsweise Polyvinylidenfluorid bestehen. Bei Benutzung in Verbindung mit anderen Flüssigkeiten können andere Materialien benutzt werden, wie dies für den Fachmann selbstverständlich ist.1 and 2, a transducer 10 can be seen which is a preferred one Forms embodiment of the invention. The transducer 10 is on or into a rectangular Housing 12 made of electrically insulating material built in, which is so is that it is impermeable to the fluids in question and with this does not respond. For example, if dilute acids such as in Water diluted sulfuric acid should be tested, then the rectangular Housing 12 made from a fluoroplastic material such as polyvinylidene fluoride exist. When used in conjunction with other liquids, other materials may be used can be used, as is obvious to a person skilled in the art.

Das rechteckige Gehäuse 12 ist ein dünnwandiger hohler Aufbau, der durch eine zentrale Scheidewand 14 in Kammern 16 und 18 unterteilt ist. Die Kammern 16 und 18 sind durch Deckel 20 bzw. 22 zugänglich. Die Deckel 20 und 22 sind plattenförmig so ausgebildet und dimensioniert, daß die offene Vorderfront des rechteckigen Gehäuses 12 vollständig abgedeckt wird, und sie stoßen stumpf über der Kammer 16 aneinander. Der Deckel 20 kann aus dem gleichen Material wie das rechteckige Gehäuse 12 bestehen, während der Deckel 22, der als Substrat für eine mikroelektronische Schaltung dient, vorzugsweise aus einem glatten, polierten, elektrisch isolierten, thermisch leitfähigen Material besteht, beispielsweise aus Saphir, Quarz, Glas, Aluminiumoxid oder dergleichen.The rectangular housing 12 is a thin-walled hollow structure that is divided into chambers 16 and 18 by a central partition 14. The chambers 16 and 18 are accessible through covers 20 and 22, respectively. The covers 20 and 22 are plate-shaped designed and dimensioned so that the open front of the rectangular housing 12th is completely covered, and they butt butt across the chamber 16 together. The lid 20 can be made of the same material as the rectangular Housing 12 exist, while the cover 22, which serves as a substrate for a microelectronic Circuit is used, preferably from a smooth, polished, electrically insulated, thermally conductive material, for example sapphire, quartz, glass, Alumina or the like.

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß der Deckel 22 mit zwei Kondensatoren 24 bzw. 26 versehen ist, die fingerartig bzw. kamm artig ineinandergreifende Elektroden aufweisen.From Fig. 1 it can be seen that the cover 22 with two capacitors 24 or 26 is provided, the finger-like or comb-like interlocking electrodes exhibit.

Die Kondensatoren 24 und 26 sind Dünnfilm-Kondensatoren, die auf gegenüberliegenden Oberflächen des Deckels 22 aufgebracht sind. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Kondensatoren 24 und 26 in ihrem Aufbau identisch und deshalb wird nur der Kondensator 24 im einzelnen beschrieben. Diese Einzelheiten treffen auch für den Kondensator 26 zu.The capacitors 24 and 26 are thin film capacitors placed on opposite sides Surfaces of the cover 22 are applied. According to a preferred embodiment the capacitors 24 and 26 are identical in structure and therefore only the capacitor 24 will be described in detail. These details also apply to the capacitor 26 to.

Der Kondensator 24 besteht aus mehreren parallelen, im gleichen Abstand zueinander angeordneten Elektroden 28, zwischen denen eine gleiche Zahl paralleler Elektroden 30 zu liegen kommt. Zwei parallel zueinander und senkrecht zu den Elektroden verlaufende Anschlußleitungen 32 und 34 sind elektrisch mit gegenüberliegenden Enden der Elektroden 28 bzw. 30 verbunden. Diese Leitungen 32 und 34 sind jeweils mit einem entfernt von den Elektroden liegenden Kontaktstück 36 verbunden. Zwei mit elektrisch leitendem Material versehene Durchgangsöffnungen 38 verlaufen vorzugsweise durch den Deckel 22, die eine Anschlußverbindung mit jedem Kontaktstück 36 des Kondensators 24 herstellen.The capacitor 24 consists of several parallel, equally spaced mutually arranged electrodes 28, between which an equal number of parallel Electrodes 30 come to rest. Two parallel to each other and perpendicular to the electrodes extending leads 32 and 34 are electrical with opposite ends of electrodes 28 and 30, respectively. These lines 32 and 34 are each with connected to a contact piece 36 located at a distance from the electrodes. Two with Through openings 38 provided with electrically conductive material preferably run through the cover 22, which is a terminal connection with each contact piece 36 of the capacitor 24 produce.

Die Elektroden 28 und 30, die Leiter 32 und 34 sowie die Kontaktstücke 36 bestehen aus einem elektrisch leitfähigen dünnen metallischen Film, beispielsweise aus Chrom, Aluminium, Wolfram, Titan, Tantal, Platin, Palladium oder dergleichen. In bekannter Weise können derartige Mikroschaltungen derartiger Dünnfilme durch verschiedene Verfahren abgelagert werden, beispielsweise durch Verdampfung, durch Sputtering, durch chemische Niederdruckdampfablagerung (LPCVD) und Plasmaspritzen. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel läßt man Wolfram auf einem Saphirsubstrat (Deckel 22) durch Reaktion von Wolframhexafluorid und Wasserstoff bei einer Temperatur von 720 °C in einem LPCVD-Reaktor wachsen. Man läßt das Metall wachsen, bis eine Dicke von etwa 0,2/um (2000 Å) erreicht ist. Der Kondensatoraufbau wird durch herkömmliche Photoätztechniken begrenzt und die Wolframschicht wird zunächst mit einer lichtempfindlichen Schicht überzogen, die dann mit dem gewünschten Muster belichtet wird. Nach der Belichtung wird die lichtempfindliche Schicht abgewaschen, um die nicht-polymerisierten Abschnitte der Schicht zu entfernen, und das so freigelegte Wolfram wird chemisch durch ein geeignetes Ätzmittel entfernt. Nach dem Ätzvorgang wird die Photoschicht mit einem geeigneten Lösungsmittel entfernt, so daß das Wolfram-Elektrodenmuster auf dem Saphirsubstrat verbleibt. Jede Elektrode ist etwa 0,025 mm breit und so angeordnet, daß die gegenüberliegende Elektrode in einem gleichen Abstand zu liegen kommt, d. h. die Elektroden 28 oder die Elektroden 30 sind von den jeweils gleichen Elektroden um 0,075 mm distanziert.The electrodes 28 and 30, the conductors 32 and 34 and the contact pieces 36 consist of an electrically conductive thin metallic film, for example made of chromium, aluminum, tungsten, titanium, tantalum, platinum, palladium or the like. In a known manner, such microcircuits of such thin films can through various methods can be deposited, for example by evaporation Sputtering, by low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) and plasma spraying. In a preferred embodiment, tungsten is left on a sapphire substrate (Lid 22) by reacting tungsten hexafluoride and hydrogen at one temperature of 720 ° C in an LPCVD reactor. Let the metal grow until one Thickness of about 0.2 / µm (2000 Å) is achieved. The capacitor structure is by conventional Photo-etching techniques are limited and the tungsten layer is initially covered with a photosensitive Layer coated, which is then exposed with the desired pattern. After Exposure will wash off the photosensitive layer to the non-polymerized Remove sections of the layer, and the exposed tungsten becomes chemical removed by a suitable etchant. After the etching process, the photo layer becomes removed with a suitable solvent, leaving the tungsten electrode pattern remains on the sapphire substrate. Each electrode is about 0.025mm wide and so arranged that the opposite electrode to be at an equal distance comes, d. H. the electrodes 28 or the electrodes 30 are each the same Electrodes spaced 0.075 mm.

Zufriedenstellende elektrische Ergebnisse wurden mit 80 Elektroden (d. h. je 40 Elektroden 28 und je 40 Elektroden 30) erreicht, wobei der Abstand zwischen den Zuführungsleitungen 32 und 34 3,57 mm betrug. Es ist jedoch klar, daß bei anderen Anwendungen sowohl Form als auch Abmessungen der Kondensatoren unterschieden sein könnten.Satisfactory electrical results were obtained with 80 electrodes (i.e. 40 electrodes 28 each and 40 electrodes 30 each), the spacing between feed lines 32 and 34 was 3.57 mm. It is clear, however, that in other applications there were differences in both the shape and dimensions of the capacitors could be.

Es ist am besten aus Fig. 3 ersichtlich, daß jeder Kondensator 24 (und 26) weiter mit einer dielektrischen Schicht 31 überzogen ist. Die dielektrische Schicht 31 ist nicht nur im Hinblick auf ihre dielektrischen Eigenschaften ausgewählt, sondern auch im Hinblick auf eine Undurchlässigkeit für die in Betracht kommenden Flüssigkeiten. Die dielektrische Schicht 31 dient als mechanische und chemische Schutzschicht für die Elektroden 28 und 30 und die Zuleitungen 32 und 34 der Kondensatoren 24 und 26. Außerdem ist es für Wandler, die zur Überwachung elektrochemischer Prozesse (beispielsweise Konzentration eines Elektrolyten in einer Batterie oder einem Plattierungsbad) verwendet werden, wichtig, daß die Schicht 31 eine wirksame elektrische Isolation für den Kondensator gegenüber dem Elektrolyten bildet. Auf diese Weise wird sowohl eine Elektrolyse der Elektroden als auch eine Streustromerzeugung innerhalb des Meßkreises vermieden.It is best seen in FIG. 3 that each capacitor 24 (and 26) is further coated with a dielectric layer 31. The dielectric Layer 31 is not only selected for its dielectric properties, but also in terms of impermeability for those in question Liquids. The dielectric layer 31 serves as mechanical and chemical Protective layer for the electrodes 28 and 30 and the leads 32 and 34 of the capacitors 24 and 26. It is also used for converters used to monitor electrochemical processes (e.g. concentration of an electrolyte in a battery or a plating bath) It is important that the layer 31 provides effective electrical insulation for the capacitor compared to the electrolyte. That way, both will an electrolysis of the electrodes as well as a stray current generation within the Measuring circle avoided.

Bei der Benutzung in Verbindung mit Batterie-Elektrolyten beispielsweise kann die dielektrische Schicht 31 aus Siliziumnitrid, Siliziumdioxid, Siliziumoxynitrid, Aluminiumoxid und dergleichen bestehen. Beispielsweise kann Siliziumnitrid durch LPCVD durch Reaktion von Silan (SiHF) und Ammoniak gewonnen werden. Zufriedenstellend arbeitende Wandler besaßen eine dielektrische Schicht aus Siliziumnitrid von etwa 0,35 µm (3500 Å). Es ist jedoch klar, daß bei Anwendungsfällen, wo ein elektrischer, chemischer oder mechanischer Schutz für die Kondensatoren nicht erforderlich ist, eine solche dielektrische Schicht 31 auch fortfallen kann.When used in conjunction with battery electrolytes, for example the dielectric layer 31 can be made of silicon nitride, silicon dioxide, silicon oxynitride, Consist of alumina and the like. For example, silicon nitride can through LPCVD can be obtained through the reaction of silane (SiHF) and ammonia. Satisfactory working transducers had a dielectric layer made of Silicon nitride of about 0.35 µm (3500 Å). It is clear, however, that in use cases where a electrical, chemical or mechanical protection for the capacitors is not required such a dielectric layer 31 can also be omitted.

Wie im folgenden beschrieben, stehen im Betrieb die Kondensatoren 24 und 26 in Berührung einerseits mit dem zu prüfenden Strömungsmittel und andererseits mit einem Bezugs-Standardströmungsmittel und die Kapazität des jeweiligen Kondensators hängt teilweise von der Dielektrizitätskonstanten des Strömungsmittels ab. Die Kapazität infolge des Strömungsmittels liegt wirksam in Reihe mit zwei Kondensatoren, die durch die dielektrische Schicht 31 gebildet werden, die das Strömungsmittel von den Elektroden des jeweiligen Kondensators 24 und 26 trennt.As described below, the capacitors are in operation 24 and 26 in contact on the one hand with the fluid to be tested and on the other hand with a reference standard fluid and the capacitance of the respective condenser depends in part on the dielectric constant of the fluid. The capacity as a result of the fluid is effectively in series with two condensers, the be formed by the dielectric layer 31, which the fluid of the electrodes of the respective capacitor 24 and 26 separates.

Außerdem gibt es eine Restkapazität in jedem Kondensator, die von dem Substrat 22 und den Zwischenelektrodenabschnitten der Schicht 31 herrührt und die in ihrer Wirkung parallel zu der Reihenschaltung: Dielektrische Schicht - Strömungsmittel - Dielektrikumschicht liegt. Um zu gewährleisten, daß eine Änderung in den Eigenschaften des Strömungsmittels eine genügend große Änderung im Wert des entsprechenden Kondensators 24 oder 26 erzeugt, sollte die Reihenschaltung infolge der dielektrischen Schicht 31 so groß wie möglich gemacht werden.Also, there is a residual capacitance in each capacitor, which is from the substrate 22 and the inter-electrode portions of the layer 31 and which in its effect parallel to the series connection: Dielectric layer - fluid - Dielectric layer is on. To ensure that there is a change in properties of the fluid a sufficiently large change in the value of the corresponding capacitor 24 or 26, the series connection should be due to the dielectric layer 31 should be made as big as possible.

Wie erwähnt, hat der Kondensator 26 vorzugsweise den gleichen Aufbau und die gleichen Abmessungen wie der Kondensator 24, obgleich bei gewissen Anwendungsfällen unterschiedliche Geometrien und Dimensionen erwünscht sein können.As mentioned, the capacitor 26 preferably has the same structure and the same dimensions as capacitor 24, although in certain applications different geometries and dimensions may be desired.

Der Deckel 22 ist beispielsweise durch ein Epoxydharz oder einen ähnlichen Kleber auf dem rechteckigen Gehäuse 12 so befestigt, daß eine flüssigkeitsdichte Kammer 18 gebildet wird, in der der Kondensator 26 zu liegen kommt. Die Sammelleitungen 32 und 34 erstrecken sich über die zentrale Scheidewand 14 des rechteckigen Gehäuses 12 in Kontakt mit den Anschlüssen 36, die im Falle des Kondensators 24 gegenüber der Kammer 16 und hinsichtlich des Kondensators 26 innerhalb der Kammer 16 angeordnet sind.The cover 22 is, for example, made of an epoxy resin or the like Glue attached to the rectangular housing 12 so that a liquid-tight Chamber 18 is formed in which the capacitor 26 comes to rest. The manifolds 32 and 34 extend across the central partition 14 of the rectangular housing 12 in contact with the terminals 36, which in the case of the capacitor 24 are opposite of the chamber 16 and, with respect to the condenser 26, arranged within the chamber 16 are.

Die Kondensatoren 24 und 26 sind miteinander und mit einer äußeren Schaltung derart verbunden, daß sie eine Kapazitätsbrücke bilden. Die hierfür notwendigen Verbindungen werden dadurch hergestellt, daß ein Silberepoxydharz mit den Kontakten 36 verbunden wird oder daß eine entsprechende Lötverbindung oder eine andere elektrische Verbindung hergestellt wird.The capacitors 24 and 26 are mutually and with an outer one Circuit connected so that they form a capacitance bridge. The necessary Connections are made by placing a silver epoxy resin on the contacts 36 is connected or that a corresponding soldered connection or another electrical Connection is established.

Ein Beispiel einer geeigneten Brückenschaltung zur Verwendung in Verbindung mit dem Wandler ist in dem Schaltbild gemäß Fig. 4 dargestellt. Diese spezielle Schaltung, die hier nur insoweit beschrieben wird, wie es notwendig ist, um die Arbeitsweise des Wandlers 10 zu beschreiben, ist in dem Artikel von D. R. Harrison, W. J. Kerwin und G. L. Shaffer beschrieben in "The Review of Scientific Instruments1, Band 41, Nr. 12, S. 1783 ff (Dezember 1970). Der Meßkondensator 24 und der Bezugskondensator 26 (beide sind als variable Kondensatoren dargestellt, da sich die Kapazität des Kondensators 24 mit Zusammensetzung und Temperatur des Prüflings ändert und die Kapazität des Kondensators 26 sich mit der Temperatur der Bezugs-Standardflüssigkeit in der Kammer 18 ändert) sind über Dioden 40 und gleiche Widerstände 42 so verbunden, daß eine Dioden-Impedanzbrückenschaltung geschaffen wird. Dieser Teil der Schaltung kann innerhalb des Wandlers 10 untergebracht werden, während die Dioden 40 und die Widerstände 42 in der Kammer 16 eingeschlossen sind.An example of a suitable bridge circuit for use in connection with the converter is shown in the circuit diagram according to FIG. This special Circuit, which is only described here insofar as it is necessary to the To describe the operation of the transducer 10 is in the article by D. R. Harrison, W. J. Kerwin and G. L. Shaffer described in "The Review of Scientific Instruments1, Volume 41, No. 12, pp. 1783 ff (December 1970). The measuring capacitor 24 and the reference capacitor 26 (both are shown as variable capacitors, since the capacitance of the Capacitor 24 changes with the composition and temperature of the test object and the The capacitance of the condenser 26 varies with the temperature of the reference standard liquid in the chamber 18 changes) are connected via diodes 40 and the same resistors 42 so that that a diode impedance bridge circuit is created. This part of the circuit can be housed within the converter 10, while the diodes 40 and the Resistors 42 in chamber 16 are included.

Die Dioden 40 liegen parallel mit entgegengesetzter Polarität in einer Verzweigung der Leitung 44. Die Leitung 44 ist über einen Koppelkondensator 48 an einen Signalgenerator 46 angeschlossen. Ein Voltmeter 50 liegt parallel zu der Reihenschaltung aus Generator 46 und Kondensator 48 an der Doppelleitung 44. Der zweite Leiter der Doppelleitung ist mit der Mittelanzapfung zwischen den beiden Widerständen 42 und dem Verbindungspunkt der Kondensatoren 24 und 26 verbunden, deren anderes Ende mit den Dioden 40 verbunden ist. Wenn der Signalgenerator 46 angeschaltet wird, dann tritt am Voltmeter 50 eine Gleichspannung auf, die direkt proportional zur Differenz der Kapazitäten zwischen den Kondensatoren 24 und 26 ist und invers proportional zur Summe der gleichen beiden Kondensatoren.The diodes 40 are parallel with opposite polarity in one Branch of line 44. Line 44 is connected via a coupling capacitor 48 a signal generator 46 is connected. A voltmeter 50 is in parallel with the series circuit from generator 46 and capacitor 48 on double line 44. The second conductor of the Double line is with the center tap between the two resistors 42 and connected to the junction of the capacitors 24 and 26, the other end to the diodes 40 is connected. If the signal generator 46 is turned on, then occurs at voltmeter 50 a direct voltage that is directly proportional to the difference of the capacitance between capacitors 24 and 26 is and inversely proportional to the sum of the same two capacitors.

Im Betrieb wird die Kammer 18 mit einer geeigneten standardisierten Bezugsflüssigkeit 52 angefüllt und der gesamte Wandler 10 wird eingetaucht in eine Prüfflüssigkeit 54, welche untersucht werden soll (Fig. 2). Die standardisierte Bezugsflüssigkeit 52 kann in die Kammer 18 bei der Herstellung eingeführt werden, oder sie kann auch später eingeführt werden, beispielsweise über eine abnehmbare Füllkappe (nicht dargestellt) oder über eine Handspritze, eine Injektionsspritze oder dergleichen (ebenfalls nicht dargestellt). Vorzugsweise ist die Bezugsflüssigkeit 52 so gewählt, daß sie dielektrische Eigenschaften besitzt, die ähnlich sind wie die Eigenschaften der interessierenden Flüssigkeit. So wird vorzugsweise die standardisierte Bezugsflüssigkeit 52 so gewählt, daß sie sowohl eine Dielektrizitätskonstante besitzt, die ähnlich ist wie die Dielektrizitätskonstante der Prüfflüssigkeit bei einem speziellen Parameter (beispielsweise Konzentration), als es auch zweckmäßig ist, eine gleiche Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstanten von Standardflüssigkeit und Prüfflüssigkeit zur Verfügung zu haben. Unter diesen Umständen besitzen die Kondensatoren 24 und 26, welche einen identischen Aufbau und identische Größe haben, einen gleichen Kapazitätswert, wenn die Prüfflüssigkeit 54 die gleiche Dielektrizitätskonstante besitzt wie die standardisierte Bezugsflüssigkeit 52. In diesem Fall ist die Kapazitätsbrücke ausgeglichen und das Voltmeter 50 hat einen Ausschlag von Null. Irgendwelche Abweichungen der Dielektrizitätskonstanten von Bezugsflüssigkeit 52 und Prüfflüssigkeit 54 führen zu einer Differenz des Kapazitätswertes der Kondensatoren 26 und 24 und es wird eine entsprechende positive oder negative Gleichspannung am Voltmeter 50 angezeigt. Bei einer gegebenen Temperatur von Prüfflüssigkeit und standardisierter Bezugsflüssigkeit kann diese Spannungsablesung in Einheiten des interessierenden Parameters der Prüfflüssigkeit geeicht werden, wobei eine Null-Volt-Anzeige einem Wert entspricht, welcher durch die Dielektrizitätskonstante der Bezugsflüssigkeit 52 bestimmt ist.In operation, the chamber 18 is standardized with a suitable one Reference liquid 52 is filled and the entire transducer 10 is immersed in a Test liquid 54 which is to be examined (FIG. 2). The standardized Reference liquid 52 can be introduced into chamber 18 at manufacture, or it can also be introduced later, for example via a removable one Filling cap (not shown) or via a hand syringe, an injection syringe or the like (also not shown). Preferably is the reference liquid 52 is chosen to have dielectric properties similar to the Properties of the fluid of interest. So will be preferable the standardized reference liquid 52 is chosen so that it has both a dielectric constant which is similar to the dielectric constant of the test liquid at a special parameter (e.g. concentration), as well as expedient is, an equal temperature dependence of the dielectric constant of standard liquid and test liquid available. In these circumstances, the Capacitors 24 and 26, which are identical in structure and size, an equal capacitance value if the test liquid 54 has the same dielectric constant possesses like the standardized reference liquid 52. In this case the capacitance bridge balanced and the voltmeter 50 has a reading of zero. Any deviations the dielectric constant of reference liquid 52 and test liquid 54 lead to a difference in the capacitance value of the capacitors 26 and 24 and it becomes a corresponding positive or negative DC voltage is displayed on voltmeter 50. At a given temperature of test liquid and standardized reference liquid this voltage reading can be in units of the parameter of interest of the test fluid be calibrated, with a zero volt display corresponding to a value which is indicated by the dielectric constant of the reference liquid 52 is determined.

Da die Kondensatoren 24 und 26 dicht benachbart zueinander auf einem thermisch hochleitfähigen Substrat angeordnet sind, kommt der Kondensator 26 sehr schnell in ein thermisches Gleichgewicht mit dem Kondensator 24.Since the capacitors 24 and 26 are closely adjacent to each other on a thermally highly conductive substrate are arranged, the capacitor 26 comes very quickly into thermal equilibrium with the condenser 24.

Irgendwelche Änderungen der Dielektrizitätskonstanten der Prüfflüssigkeit 54 infolge von Temperaturänderungen werden, vorausgesetzt, daß sie langsam genug verlaufen, durch ähnliche Änderungen der Dielektrizitätskonstanten der Bezugsflüssigkeit 52 ausgeglichen. In diesem Zusammenhang soll festgestellt werden, daß es nicht notwendig ist, daß die gesamte Bezugsflüssigkeit 52 in thermischem Gleichgewicht mit der gesamten Prüfflüssigkeit 54 steht, da die Anteile der beiden Flüssigkeiten auf die Kapazitätswerte der jeweiligen Kondensatoren vorherrschend von der Flüssigkeitsschicht bestimmt werden, die den Kondensatoren 26 und 24 anliegt. Vorausgesetzt, daß die Dielektrizitätskonstanten der beiden Flüssigkeiten die gleiche Temperaturänderungsrate besitzen, wird die Null-Volt-Eichung des Voltmeters 50 unabhängig von der Temperatur sein, vorausgesetzt natürlich, daß der interessierende Parameter nicht seinerseits temperaturabhängig ist.Any changes in the dielectric constant of the test liquid 54 will be due to temperature changes, provided that they are slow enough due to similar changes in the dielectric constant of the reference liquid 52 balanced. In this context it should be noted that it is not necessary is that all of the reference liquid 52 is in thermal equilibrium with the whole Test liquid 54 is available as the proportions of the two liquids on the capacitance values of the respective capacitors predominantly determined by the liquid layer which is applied to the capacitors 26 and 24. Provided that the dielectric constant of the two liquids have the same rate of temperature change, the The zero volt calibration of the voltmeter 50 should be independent of temperature, provided of course, that the parameter of interest is not in turn temperature dependent is.

Das bevorzugte, im einzelnen beschriebene Ausführungsbeispiel kann beispielsweise als Ladungspegelmonitor für Blei-Säure-Batterien benutzt werden. Die benutzten Materialien sind relativ undurchlässig gegenüber dem Schwefelsäureelektrolyten derartiger Batterien und infolgedessen kann der Wandler 10 in eine Zelle einer solchen Batterie eingetaucht werden, und zwar entweder über das Einfülloch der Zelle selbst oder ein solcher Wandler kann bei der Herstellung der Batterie mit eingebaut werden.The preferred embodiment described in detail can can be used, for example, as a charge level monitor for lead-acid batteries. The materials used are relatively impermeable to the sulfuric acid electrolyte such batteries and, consequently, the converter 10 can be incorporated into a cell of such Battery, either through the filling hole of the cell itself or such a converter can be built in during the manufacture of the battery.

Andererseits könnte der Wandler 10 mit dem Kondensator 24 vollständig in den Elektrolyten der Zelle eingetaucht werden, und zwar derart, daß der Elektrolyt frei am Kondensator 24 vorbeifließt, wodurch eine nicht vorgespannte Messung geleistet wird. In diesem Falle wird die Kammer 18 normalerweise mit einem Batterie-Elektrolyten bekannter Konzentration gefüllt und das Voltmeter 50 wird in Ausdrücken der Elektrolytkonzentration, des spezifischen Gewichts oder der Ladungsänderung geeicht; denn alle diese Werte können abgeleitet werden von der Dielektrizitätskonstanten des Elektrolyten. Bei dem speziellen Konzentrationswert des Elektrolyten in der Kammer 18 würde ein identischer Aufbau der Kondensatoren 24 und 26 eine Konzentrationsablesung gewährleisten, die unabhängig von der Temperatur ist, selbst wenn die diesem Konzentrationswert entsprechende Dielektrizitätskonstante sich ändert.On the other hand, the converter 10 with the capacitor 24 could be complete are immersed in the electrolyte of the cell, in such a way that the electrolyte flows freely past the capacitor 24, whereby a non-biased measurement is made will. In this case the Chamber 18 usually with one Battery electrolytes of known concentration are filled and the voltmeter is 50 in terms of the electrolyte concentration, the specific gravity or the change in charge calibrated; because all these values can be derived from the dielectric constant of the electrolyte. With the special concentration value of the electrolyte in the Chamber 18 would have an identical construction to capacitors 24 and 26 for a concentration reading ensure that is independent of the temperature, even if the this concentration value corresponding dielectric constant changes.

Die von einer Batterie zur Verfügung gestellte Energie ist nicht nur von der Elektrolytkonzentration (Ladungspegel), sondern auch von der Temperatur der Batterie abhängig. Das heißt, daß die elektrochemische Reaktionsgeschwindigkeit einer gegebenen Konzentration von Elektrolyten sich mit der Temperatur ändert. Es ist wichtig, daß der Wandler gemäß der Erfindung so abgewandelt werden kann, daß in die Ausgangsspannung eine freiwillige Temperaturabhängigkeit eingegeben werden kann, wodurch ein Maß der verfügbaren Energie geliefert wird. Dies kann dadurch geschehen, daß entweder die Zusammensetzung der Bezugsflüssigkeit 52 oder die relative Größe des Kondensators 24 im Vergleich zum Kondensator 26 geändert wird, oder auch beide. Dadurch, daß die relativen Größen der Kondensatoren 24 und 26 entweder durch Änderung der Dimensionen des einen oder anderen oder durch Änderung der Dielektrizitätskonstanten verändert werden, kann die Temperaturänderungsgeschwindigkeit der Kapazitätsdifferenz zwischen den Kondensatoren gewählt werden, wodurch freiwillig eine gewählte Temperaturabhängigkeit in die Messung eingeführt wird.The energy provided by a battery is not only on the electrolyte concentration (charge level), but also on the temperature depends on the battery. That is, the electrochemical reaction rate a given concentration of electrolyte changes with temperature. It It is important that the transducer according to the invention can be modified so that a voluntary temperature dependency can be entered in the output voltage can, thereby providing a measure of the available energy. This can be done by happen that either the composition of the reference liquid 52 or the relative Size of the capacitor 24 compared to the capacitor 26 is changed, or else both. By having the relative sizes of capacitors 24 and 26 by either Changing the dimensions of one or the other or by changing the dielectric constant can be changed, the temperature change rate of the capacity difference can be chosen between the capacitors, thereby voluntarily creating a elected Temperature dependence is introduced into the measurement.

Bei gewissen Anwendungen kann die gleichzeitige elektrische Isolation der Elektroden der Kondensatoren 24 und 26 von der Flüssigkeit und ein großer Reihenwiderstand infolge der dielektrischen Schicht 31 am besten durch Abwandlung des Aufbaus des Kondensators erreicht werden, wie dies in Fig. 3A dargestellt ist. Der Kondensator 124, der entweder den Kondensator 24 oder den Kondensator 26 ersetzen kann, ist mit mehreren dielektrischen Überzügen in Form von dielektrischen Schichten 31 und 131 versehen. Die Schichten 31 und 131 bestehen aus unterschiedlichen Materialien, die jeweils im Hinblick auf ihre Dielektrizitäts- und Isoliereigenschaften gewählt sind.In certain applications, the simultaneous electrical insulation of the electrodes of the capacitors 24 and 26 from the liquid and a large series resistance due to the dielectric layer 31, best by modifying the structure of the Capacitor can be achieved, as shown in Fig. 3A. The condenser 124, which can replace either the capacitor 24 or the capacitor 26 is with a plurality of dielectric coatings in the form of dielectric layers 31 and 131 provided. The layers 31 and 131 consist of different materials, each chosen with regard to their dielectric and insulating properties are.

Es ist klar, daß die Schicht 131 auch im Hinblick auf die mechanischen und chemischen Eigenschaften gewählt werden muß. Die dielektrische Schicht 31 kann so gewählt werden, daß sie eine große dielektrische Konstante erhält, während die dielektrische Schicht 131 im Hinblick auf die Isolationseigenschaften gewählt wird. Im übrigen kann der Kondensator 124 gleich dem Kondensator 24 (oder 26) sein.It is clear that the layer 131 also with regard to the mechanical and chemical properties must be chosen. The dielectric layer 31 can can be chosen to have a large dielectric constant while the dielectric layer 131 is selected in view of the insulation properties. Otherwise, capacitor 124 may be the same as capacitor 24 (or 26).

Als Beispiel eines mehrschichtigen dielektrischen uberzuge kann die dielektrische Schicht 31 wie bei den vorherigen Ausführungsbeispielen aus einer Siliziumnitridschicht bestehen, die bei Raumtemperatur eine Dielektrizitätskonstante £ von ungefähr 8,6 und einen spezifischen Widerstand von ungefähr 1016 Ohm/cm besitzt, während die Schicht 131 aus Polyimid bestehen kann mit einer Dielektrizitätskonstanten bei Raumtemperatur von # @ 3,4 und einem spezifischen Widerstand von 1017 Ohm/cm. Durch Anwendung derartiger Mehrfachschichten können die unterschiedlichsten Widerstands- und Kapazitätswerte erreicht werden.As an example of a multilayer dielectric coating, the dielectric layer 31 as in the previous embodiments from a There are silicon nitride layers that have a dielectric constant at room temperature £ of approximately 8.6 and a resistivity of approximately 1016 ohms / cm, while layer 131 may be made of polyimide having a dielectric constant at room temperature of # @ 3.4 and a specific resistance of 1017 ohms / cm. By using such multiple layers, the most varied Resistance and capacitance values can be achieved.

Es ist klar, daß zahlreiche Abwandlungen getroffen werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Wie erwähnt, kann die Kapazität der Meß- bzw. Bezugskondensatoren so gewählt werden, daß sie unterschiedlich voneinander sind. Auch die Dielektrizitätsschicht 31 kann wegfallen.It is clear that numerous modifications can be made without departing from the scope of the invention. As mentioned, the capacity of the Measuring or reference capacitors are chosen so that they are different from each other are. The dielectric layer 31 can also be omitted.

Außerdem kann die Geometrie der Kondensatoren unterschiedlich gegenüber der dargestellten Ausführung sein.Also, the geometry of the capacitors can be different compared to be of the version shown.

Es ist nicht unbedingt das kammartige Ineinandergreifen der Elektroden erforderlich und es können beispielsweise mehrere konzentrisch angeordnete Elektroden Anwendung finden. Es ist auch nicht erforderlich, die Kondensatoren durch Mikroschaltungstechnik herzustellen, und die Elektroden und Zuführungsleitungen könnten statt dessen in gedruckter Schaltung oder als Siebdruck auf einem Substrat angeordnet werden. Insbesondere bei der zuletzt erwähnten Version könnte das Substrat ein Polymermaterial sein.It is not necessarily the comb-like interlocking of the electrodes required and it can, for example, several concentrically arranged electrodes Find application. It is also not necessary to use the capacitors by microcircuit technology and the electrodes and leads could instead be in printed circuit or as a screen print on a substrate. In particular in the latter version, the substrate could be a polymeric material.

Bezugs- und Prüfkondensatoren brauchen auch nicht auf dem gleichen Substrat angeordnet zu werden, vorausgesetzt, daß eine ausreichende thermische Leitfähigkeit dazwischen aufrechterhalten wird. Bezugs- und Prüfkondensatoren brauchen auch nicht auf gegenüberliegenden Seiten eines Substrats angeordnet zu werden und es ist auch eine seitlich nebeneinander liegende Anordnung möglich, wobei die Kammer 18 und der Kondensator 26 längs des Kondensators 24 liegen. Auch eine Blister-Packung aus einem geeigneten Polymermaterial könnte auf dem Substrat 22 aufgebracht werden, um die Kammer 18 zu bilden.Reference and test capacitors don't need to be on the same either Substrate to be placed, provided that it has sufficient thermal conductivity is maintained in between. Reference and test capacitors do not need either to be placed on opposite sides of a substrate and it is too a side-by-side arrangement is possible, with the chamber 18 and the capacitor 26 lie alongside the capacitor 24. Also a blister pack made of a suitable polymer material could be applied to the substrate 22, to form the chamber 18.

Der Wandler ist auch nicht beschränkt hinsichtlich der Messung von Parametern von Elektrolyten, sondern er ist anwendbar für eine Vielzahl von Strömungsmitteln einschließlich Flüssigkeiten und Gasen. Außerdem können Konzentrationen verschiedener anorganischer, organischer und biologischer Materialien in Lösungen und Suspensionen gemessen werden, um Verunreinigungen oder Verschmutzungen festzustellen, und es könnten chemische Prozesse überwacht werden, und zwar sowohl in diskreten Proben als auch in fließenden Strömungen.The transducer is also not limited in terms of measuring Parameters of electrolytes, but is applicable to a variety of fluids including liquids and gases. In addition, concentrations of different inorganic, organic and biological materials in solutions and suspensions can be measured to determine contamination or contamination, and it Chemical processes could be monitored, both in discrete samples as well as in flowing currents.

Claims

Converter claims: 1. Converter for measuring a property, which depends on the dielectric properties of a first fluid, d a d u r ch g e -k e n n n z e i c h n e t that a first capacitive sensor (24) with a multiplicity of alternating electrically conductive ones arranged in one plane Electrodes (28, 30) is arranged on an electrically insulating substrate that a second capacitive sensor (26) which corresponds to the first capacitive sensor (24), mechanically and electrostatically isolated from the first capacitive sensor (24) in thermal conductivity is hereby mounted and that walls that are chemically connected to the first fluid does not react and is physically impermeable to this Fluids are, one enclose sealable chamber (18), the second capacitive sensor (26) excluding the first capacitive sensor (24) and a second fluid (52) (reference fluid) under exclusion of the first fluid (54) encloses such that the second capacitive sensor (26), but not the first capacitive sensor (24), in electrostatic connection with an inner portion of the chamber stands, so that when immersed in the first capacitive Sensor (24) in the first fluid (54) of the inner section in thermal Is in communication with the first fluid.

2. Converter according to claim 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that the inner portion of the chamber (18) with the second fluid (52) is filled out.

3. Converter according to claim 2, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that the first fluid is an electrolytic solution and the second fluid is a reference solution of known concentration of the same electrolyte.

4. Converter according to claim 3, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h ne t that the electrolyte is a dilute solution of sulfuric acid.

5. Converter according to claims 1 or 2, d a -d u r c h g e k e n It should be noted that the first capacitive sensor and the second capacitive sensor are arranged on a common substrate and that this substrate has a high has thermal conductivity.

6. Converter according to claim 5, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that the substrate is a thin plate.

7. Converter according to claim 6, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that the substrate (22) consists of a material selected from the group of materials is selected, which includes sapphire, quartz, glass and alumina.

8. Converter according to claims 1 or 2, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the electrically conductive electrodes consist of an electrically conductive metal film.

9. Converter according to claim 8, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that the metallic film is selected from one of the group of materials which includes chromium, aluminum, titanium, tantalum, tungsten, platinum and palladium.

10. Converter according to claim 8, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that the first and second capacitive sensors from one same plurality of parallel electrodes arranged at the same distance from one another (28, 30) can be formed.

11. Converter according to claims 1 or 2, d a -d u r c h g e k e n It is noted that at least one non-reactive impermeable dielectric layer is joined over one of the capacitive sensors.

12. Converter according to claim 11, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that the dielectric layer consists of a material which consists of the Group of materials is selected, which silicon nitride, silicon dioxide, silicon oxynitride and contains alumina.

13. Converter according to claim 11, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that at least one dielectric layer consists of several individual layers.

14. Converter according to claim 13, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that one of the dielectric layers is made of polyimide.

15. Converter according to claims 1 or 2, d a -d u r c h g e k e n It should be noted that a second liquid impermeable, non-reactive envelope is provided.