DE3713505C2 - Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Feuchtigkeitsfühlers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Feuchtigkeitsfühlers.

Eine Möglichkeit, die Feuchtigkeit eines Mediums zu be­ stimmen, ist die Anwendung von Fühlern, wobei die Anga­ be des Feuchtigkeitsgehaltes in ein elektrisches Signal überführt wird. Derzeit werden vor allem Fühler mit Li­ thiumchlorid verwendet, welches mit einem geeigneten Bindemittel auf eine Unterlage aufgetragen wurde; fer­ ner Fühler mit Kohlepulver, Fühler mit Schichten ver­ schiedener Polymere oder Fühler auf der Basis von po­ rösem Aluminiumoxyd.

Fühler mit Lithiumchlorid, mit Kohlepulver und Fühler mit Polymeren sind auf Feuchtigkeit aufgrund von Volu­ menänderungen in den Schichten empfindlich. Deren Nach­ teile sind jedoch die lange Zeitspanne ihrer Reaktion auf Feuchtigkeitsänderungen, die Unbeständigkeit der Kalibrationskurve und ihre starke Abhängigkeit von der Temperatur des Fühlers.

Bessere Eigenschaften weist ein Fühler mit einer dünnen porösen Schicht auf, wo eine Wasserabsorption an der Oberfläche der Poren dieser Schicht zustandekommt, was eine Änderung ihrer elektrischen Parameter verursacht. In diesem Fall handelt es sich jedoch um Oberflächenvor­ gänge, und die Reaktionszeit dieser Fühler ist wesent­ lich kürzer. Die erzielbare langzeitige Kalibrations­ beständigkeit und der resultierende Wert der elektri­ schen Impedanz dieser Fühler sind von der Technologie der Herstellung der Aluminiumoxydschicht und von deren weiterer Bearbeitung abhängig.

Gute Ergebnisse werden mit Fühlern gemäß der US-PS 3 075 385 erzielt, wo die poröse Aluminiumoxydschicht auf der Oberfläche eines reinen, polierten Aluminium­ bleches erzeugt wird, das gleichzeitig eine Hauptelek­ trode des Fühlers bildet, durch anodische Oxydation mittels Wechselstrom einer Dichte von etwa 13 mA/cm² in 50% Schwefelsäure bei einer Temperatur von 33°C wäh­ rend 25 Minuten. Die so entstandene Schicht in einer Dicke von 2 µm wird gleich nach dem Waschen mit de­ stilliertem Wasser einer Hydratation in siedendem re­ destilliertem Wasser, dem sogenannten Siegeln unter­ worfen, was während etwa 30 Minuten vor sich geht. Während dieses Vorganges bedeckt sich die Oberfläche des porösen Aluininiumoxyds mit einer dünnen Schicht von Aluminiumoxydhydroxyd mit dem sogenannten Böhmit. An einem Teil der so bearbeiteten Schicht wird auf geeignete Weise eine dünne, halbdurchlässige metal­ lische Gegenelektrode angebracht. Der so erhaltene Kondensator reagiert auf Änderungen der Feuchtigkeit der Umgebung durch Änderung der elektrischen Para­ meter, welche ausgewertet wird. Die derart erhaltenen Fühler sind in einem weiten Feuchtigkeitsbereich em­ pfindlich und haben eine verhältnismäßig geringe Reaktionszeit. Ihr Nachteil ist jedoch, daß während ihres Betriebs Wasser an der porösen Schicht absor­ biert wird und eine weitere fortlaufende Hydratation eintritt, welche zu irreversiblen Änderungen der Struktur des Fühlers führt und eine Herabsetzung sei­ ner Empfindlichkeit bewirkt.

Eine Abänderung dieses Verfahrens ist die technolo­ gische Variante aus der US-PS 3 523 244, wo die Schicht­ dicke des Aluminiumoxyds nach der Hydratation durch mechanisches Abschleifen bis zu einer Dicke von etwa 300 nm verringert wird, was zu einem Herabsetzen der Reaktionszeit des Fühlers führt.

Die oben erwähnten Nachteile behebt in hohem Maße ein Verfahren gemäß CS-PS 197 742 und 210 174 und der US-PS 4 441 968, welches darauf beruht, daß die Oberfläche der hydratisierten porösen Alumi­ niumoxydschicht noch vor dem Auftragen der Gegen­ elektrode passiviert wird, zum Beispiel durch Tränken in einer wäßrigen Lösung von 0,1 Mol Natriumdihydro­ genphosphat bei 90°C während 10 Minuten mit nach­ folgendem Temperieren in einem gasförmigen Medium, welches gegenüber dieser so erhaltenen Schicht che­ misch inert ist, bei einer Temperatur von 90°C wäh­ rend 8 Stunden. Es ist dabei zweckmäßig, als Medium Wasserdampf unter niedrigerem Druck als der Wasser­ dampfdruck bei der Temperiertemperatur beträgt, zu verwenden.

Obwohl so hergestellte Fühler eine sehr gute Kalibra­ tionsbeständigkeit aufweisen, ist ihr Nachteil, daß ihr Herstellungsverfahren verhältnismäßig kompliziert ist, da es eine Reihe verschiedener Vorgänge aufweist. Das kann natürlich zu größeren Ausschüssen in der Er­ zeugung, zu einer Streuung der resultierenden Parame­ ter einzelner Fühler und zu einer gewissen Unterschied­ lichkeit in der Form ihrer Kalibrationskurven führen.

Aufgabe der Erfindung war es, diese Nachteile zu be­ heben. Diese Aufgabe wird wie aus den vorstehenden Ansprüchen ersichtlich gelöst.

Gemäß einer bevorzugten Ausbildung kann das reine Aluminiumsubstrat durch kompaktes Aluminium, insbeson­ dere in Form chemisch oder elektrochemisch polierten Blechs gebildet werden.

Gemäß einer anderen Variante kann das reine Aluminium­ substrat aus einer dünnen Schicht von Aluminium beste­ hen, die zum Beispiel durch Aufdampfen oder Aufstäuben in einem Vakuum auf eine aus Silizium bestehende Unter­ lage gebildet wurde, die mit einer Isolierschicht von Siliziumdioxyd bedeckt ist.

Schließlich kann erfindungsgemäß die Aluminiumoxyd­ hydroxydschicht in einem gasförmigen Milieu temperiert werden, welches gegenüber dieser Schicht chemisch inert ist, insbesondere in Luft bei einer Temperatur von 70 bis 110°C während 2 bis 24 Stunden, wobei dieses Medium Wasserdampf unter niedrigerem Druck enthält als der Wasserdampfdruck bei der Temperiertemperatur beträgt.

Ein Vorteil dieses Verfahrens beruht in einem weiteren Verbessern der Zeitbeständigkeit der Kalibrationskurve und deren Verlaufes. Ein wesentlicher Vorteil des er­ findungsgemäßen Verfahrens ist ferner dessen außeror­ dentliche Einfachheit, welche die Ausbeute und die Her­ stellungskosten vorteilhaft beeinflußt und zu einer gerin­ geren Streuung der Parameter einzelner Fühler führt.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ferner, daß die aktive Schicht bei geeigneter Wahl der Bedin­ gungen im Verlauf ihrer Bildung eine Dicke von etwa 300 nm erreicht, welche sich für ein Erzielen einer kurzen Reaktionszeit als optimal erweist.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist schließlich, daß es der Technologie der Bildung integrierter Kreise entspricht, was nicht nur Feuchtig­ keitsfühler minimaler Abmessungen herzustellen ermög­ licht, sondern sie auch als Teile integrierter Kreise zu benützen.

Der erfindungsgemäß hergestellte Fühler spricht auf Änderungen des absoluten Feuchtigkeitsgrades eines Mediums in einem weiten Bereich und mit sehr kurzer Reaktionszeit an, wobei seine langzeitige Beständigkeit bei vorteilhaftem Verlauf der Kalibrationskurve wenig­ stens gleich oder besser ist als bei den bekannten Typen dieser Fühler.

Das erfindungsgemäße Verfahren und seine Vorteile gegenüber den bekannten Verfahren werden anhand bei­ liegender Zeichnungen und typischer Ausführungsbei­ spiele näher erläutert, wobei Fig. 1 eine typische Kalibrationskurve, die Beständigkeit des Zeitverlaufs eines Fühlers und Fig. 2 einen Querschnitt des Fühlers zeigt.

An der x-Achse in Fig. 1 ist bei 0°C der Taupunkt auf­ getragen, an der y-Achse der durch den Fühler strömen­ de Strom in µA. Die Kalibrationskurve 1 in Fig. 1 zeigt die Abhängigkeit des Signals des erfindungsgemäß herge­ stellten Fühlers von der umgebenden Feuchtigkeit, Kurve 2 in Fig. 1 zeigt dieselbe Abhängigkeit gemessen 6 Monate später. Das gegenseitige Versetzen beider Kali­ brationskurven ist so ein Maß der Kalibrationsbeständig­ keit des Fühlers.

Der Fühler gemäß Fig. 2 besteht lediglich aus der Haupt­ elektrode 3, die mit einer Schicht 4 aus Böhmit versehen ist, auf welcher eine halbdurchlässige Elektrode 6 aufge­ tragen ist. Zweck der Trennschicht 5 ist derselbe wie bei den bekannten Fühlern. Die Struktur des erfindungs­ gemäßen Fühlers ist somit einfach in der Herstellung, denn sie enthält lediglich eine Schicht Böhmit, im Unterschied zu der kombinierten Schicht, die bei den bekannten Füh­ lern vorhanden ist. Die Hauptelektrode besteht üblicher­ weise aus hart gezogenem Aluminiumblech einer Reinheit von 99,99% und einer Dicke von 0,25 mm. Die Anwendung eines Materials geringerer Reinheit und anderer Dicke ist möglich. Die halbdurchlässige Gegenelektrode wird durch eine in Vakuum aufgedampfte Goldschicht einer Dicke von etwa 100 nm gebildet. Zum Herstellen dieser Schicht kann auch anderes Material wie Platin, Nickel oder Aluminium angewendet werden.

Beispiel 1

Auf 0,25 mm dickes Aluminiumblech einer Reinheit von 99,99%, das an der Oberfläche durch chemisches oder elektrochemisches Polieren behandelt wurde, wurde eine Schicht Böhmit durch direkte Hydratation in siedendem redestilliertem Wasser während 30 Minuten gebildet. Unmittelbar nach der Hydratation wurde diese Schicht durch Tränken in einer wäßrigen Lösung 0,1 mol Natriumhydrogenphosphat bei 90°C während 10 Minuten passiviert, mit nachfolgendem Temperieren bei einer Temperatur von 90°C während 8 Stunden in einer Luftatmosphäre, die mit Wasserdampf auf 50% relativer Feuchtigkeit gesättigt war. Das Herstellen des Fühlers endete durch Auftragen einer Trennschicht, zum Beispiel aus Epoxydharz, an der Stelle der spä­ teren Zufuhr zur Gegenelektrode und durch Aufdampfen einer halbdurchlässigen Gegenelektrode.

Beispiel 2

Auf eine mit einer Siliziumdioxyd-Isolierschicht ver­ sehene Siliziumunterlage wurde an der Stelle des zu­ künftigen Fühlers eine Schicht reinen Aluminiums einer Dicke von wenigstens 1 µm, zum Beispiel durch Vakuum­ aufstäuben oder Aufdämpfen, gebildet. Diese Schicht wurde hydratisiert, passiviert und temperiert wie in Beispiel 1. Im Unterschied zu diesem Beispiel ist es nicht nötig, eine Trennschicht an der Stelle der Zufuhr zur Gegenelektrode zu bilden, da es in diesem Fall möglich ist, die Gegenelektrode über eine geeig­ net geformte Maske so aufzutragen, daß der Kontakt an der Siliziumunterlage außerhalb der aktiven Fläche des Fühlers vorgesehen werden kann.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Feuchtigkeits­ fühlers, bei welchem man an einem reinen Aluminiumsubstrat eine Schicht Aluminiumoxydhydroxyd durch Hydratation in sie­ dendem bidestilliertem Wasser während 5 bis 60 Minuten bildet und die Schicht durch Tränken in einer wässerigen Lösung von Natriumdihydrogenphosphat mit einer Konzentration von 0,01 bis 2 Mol bei einer Temperatur von 35 bis 100°C während 5 bis 60 Minuten passiviert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß man das reine Aluminiumsubstrat aus kompaktem Aluminium bildet, vorzugsweise in Form von chemisch oder elektrochemisch poliertem Blech.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß man das reine Aluminiumsubstrat als dünne Aluminiumschicht bildet, die durch Vakuumaufdampfen oder Aufstäuben auf eine Unterlage erhalten wird, die aus Silizium besteht, welches mit einer Isolierschicht aus Siliziumdioxyd versehen ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß man die passivierte Schicht von Aluminiumoxydhydroxyd in einem gasförmigen Medium temperiert, welches gegenüber dieser Schicht inert ist, vorzugsweise in Luft bei einer Temperatur von 70 bis 110°C während 2 bis 24 Stunden, wobei dieses Medium Wasserdampf unter niedrigerem Druck enthält, als der Wasserdampfdruck bei der Temperiertem­ peratur beträgt.