FI71998B - Kapacitiv hygrometer daeri anvaend kondensator och foerfarandefoer framstaellning av kondensatorn - Google Patents

Description

71998

Kapasitiivinen kosteusmittari siinä käytetty kondensaattori ja menetelmä kondensaattorin valmistamiseksi.

5 Keksinnön kohteena on kapasitiivinen kosteusmittari, joka käsittää kondensaattorin jossa on eristysaine kahden johtavan pinnan välissä, jolloin eristysaineen eristevakio vaihtelee absorboituneen veden määrän mukaan, ja jolloin kondensaattorin johtavat pinnat on liitetty eristevakion ^ q mittauslaitteisiin.

Keksinnön kohteena on myös kosteusmittarissa käytetty kondensaattori ja menetelmä kondensaattorin valmistamiseksi.

Ilman kosteuden mittaamiseen käytettävä tunnettu laite käsittää kondensaattorin, jonka dielektrinen materiaali 15 absorboi tietyn määrän vettä ilman kosteudesta riippuen, jolloin mitataan eristevakio.

Jotta tällainen laite toimisi moitteettomasti, on ainakin kondensaattorin yhden elektrodin täytettävä seuraa-vat ehdot: 20 - läpäistävä vettä, - oltava sähkövastukseltaan heikko, - kestettävä hyvin korroosiota.

Nyt käytettävissä laitteissa nämä vaatimukset saadaan keskinäiseen tasapainoon yleensä käyttämällä hyvin ohutta 2^ kultakerrosta (noin 100 A), joka on saostettu tyhjössä. Vaikka kaksi ensimmäistä vaatimusta (kullan hyvä sähkönjohtavuus ja hyvä vedenläpäisevyys, koska kerros on erittäin ohut) pystytäänkin täyttämään yleensä hyvin, tällaiset kondensaattorit eivät kuitenkaan kestä tarpeeksi hyvin korroo-20 siota, vaan epäpuhtaudet, nimenomaan rikkiperustaiset epäpuhtaudet (SC>2/ I^SO^), voivat hyvin nopeasti syövyttää 100 A:n kultakerroksen, mikä lyhentää laitteen käyttöikää.

Tämä probleemi pyritään tavallisesti ratkaisemaan suojaamalla kultakerros suodattimilla, esim. sellofaanikalvolla. 25 Tämä lisää valitettavasti laitteen vasteaikaa ja reagoi ja vähentää näin ollen laitteen herkkyyttä.

2 71998

Keksinnön tarkoituksena on saada aikaan sellainen kapasitiivinen kosteusmittari, jolla on sekä lyhyt vaste että korroosiokestävyys.

Keksinnön mukaiselle kosteusmittarille on tunnusomais-5 ta, että kondensaattorin toinen johtava pinta sekä eristys-aine sisältävät useita sattumanvaraisia uria, jotka saattavat eristysaineen suoraan kosketukseen sen ympäröivän ilman kanssa, jonka kosteuspitoisuus halutaan mitata, jolloin johtavan urilla varustetun pinnan sähköinen jatkuvuus edel-10 leen ylläpidetään.

Urien ansiosta dielektrinen materiaali on suorassa kosketuksessa ympäröivään ilmaan eikä sitä enää ole erotettu ilmasta ohuella metallikerroksella, johon mahdollisesti on lisätty vielä suodatin. Kosteusmittarin vaste on saatu näin 15 tuntuvasti nopeammaksi.

Uritetussa elektrodissa ei myöskään tarvita enää hyvin ohutta metallikerrosta, koska elektrodi nyt on riittävästi lovitettu. Elektrodi voi käsittää yhden tai useamman vahvemman kerroksen, jonka tai joiden valmistukseen on käy-20 tetty yhtä tai useampaa kestävämpää materiaalia (esim. kromi-kerros) , mikä tekee sen käytännöllisesti katsoen syöpymättö-mäksi ja lisää laitteen käyttöaikaa.

Keksinnön mukaiselle kondensaattorille on tunnusomaista, että toinen johtava pinta sekä eristysaine 25 sisältävät lukuisia sattumanvaraisia uria, jotka saattavat eristysaineen suoraan kosketukseen ympäröivän ilman kanssa, johon kondensaattori on sijoitettu jolloin jokainen ura on sekä eritysaineessa ja johtavassa pinnassa ja jolloin johtavan urilla varustetun pinnan sähköinen jatkuvuus edelleen 30 ylläpidetään.

Keksinnön mukaiselle menetelmälle kondensaattorin valmistamiseksi on tunnusomaista, että eristysaineen päälle saostetaan kerros johtavaa materiaalia, jossa on jännityksiä, jotka kykenevät muodostamaan johtavaan pintaan ja eristysai-35 neeseen urat eristysaineen saattamiseksi kosketukseen ympäröivän ilman kanssa.

3 71 998

Keksintöä selostetaan nyt lähemmin seuraavan, asian havainnollistamiseksi esitettävän rakenteen avulla viittaamalla tällöin oheisiin piirustuksiin, joissa kuv. 1 on perspektiivi keksinnön mukaisesta kosteus-5 mittarista, kuv. 2 esittää tasokuvana keksinnön mukaisen kosteus-mittarin valmistusmenetelmää, ja kuv. 3 on leikkaus kuvan 2 linjaa A-Δ pitkin.

Kuvassa 1 nähdään kondensaattori 1, jossa on yhtä-10 jaksoinen ja uraton ensimmäinen elektrodi 2. Sen päälle on sijoitettu dielektrinen materiaali 3, joka voi olla esimerkiksi selluloosaesteriä, ja toinen elektrodi 4. Tämä 4 ja sähköeriste 3 on varustettu useilla urilla 5. Asian selventämiseksi urat on suurennettu kuvassa 1, mutta ne ovat 15 todellisuudessa mikroskooppisia uria, joita ei pystytä paljain silmin näkemään. Kaksi johdinta 6 ja 7 on yhdistetty vastaaviin elektrodeihin 2 ja 4, niin että ne yhdistävät kondensaattorin mittauslaitteisiin 8, jolloin voidaan mitata eristevakio.

20 Uritettu elektrodi 4 on korroosiota kestävää metallia, esim. kromia. Tässä kuvatussa rakenteessa ilman kosteus ei joudu menemään ohuen metallikerroksen läpi, ja uritettu elektrodi 4 voi olla läpäisemätön ja jopa hyvin paksu. Tällaisissa kosteusmittareissa kromikerroksen vahvuus vaihte-25 lee alueella 200-5000 Ä. Sanottavaa eroa vasteajassa ei ole kuitenkaan pystytty toteamaan. Samasta syystä korroosio-kestävyyttä voidaan vielä parantaa lisäämällä kromikerrokseen jalometallikerros, esim. platinaa tai kultaa, jolloin koste-usmittarin käyttöikä pitenee.

30 Kondensaattori on valmistettu höyrystyssaostamalla kerroksen päälle jokin metalli, joka supistuu jännityksen johdosta, kun sitä on ohuena kerroksena, ja muodostaa lukuisia halkeamia. Tilassa, johon on muodostettu tyhjö, valmistetaan polymeerikerros, esim. selluloosaesterikerros, joka 35 toimii eristeenä. Tässä samassa tilassa höyrystetään metalli eristeen päälle. Koeolosuhteet voidaan tällöin säätää haluttavan vahvuuden perusteella.

4 71998

Ensimmäisenä elektrodina on anodisesti hapetettu tan-talikerros. Erittäin ohut tantalioksidikerros estää kahden elektrodin välisen oikosulun myös silloin, kun polymeerissä on reikiä. Tantali kerros muodostaa erittäin suuren kapasi-5 tanssin sarjassa polymeerin kapasitanssin kanssa eikä vähennä lainkaan laitteen herkkyyttä.

Osa ensimmäistä elektrodia on hapettumiselta suojattu kosketuksen aikaansaamiseksi. Polymeeri voidaan saostaa upottamalla liuokseen ja kuivaamalla.

10 Yleisesti käytetty polymeeri on selluloosa-asetobuty- raatti, mutta riittävään herkkyyteen päästään myös muilla polymeereillä, esim. polyimideilla tai pleksilasilla.

Metallikerros, joka erilaisista tuntemattomista syistä johtuen kutistuu, kohdistaa tuntuvia voimia polymeeriin.

15 Jos polymeeri ei ole kovin vahva, metallikerros repeää ja tällöin myös polymeerikerrokseen tulee repeämiä. Näin saadaan lukuisia sellaisia mikroskooppisia halkeamia käsittävä verkko, joiden leveys on mikrometrin murto-osan suuruinen.

Tämä verkko rajaa "metallisaarekkeita" kondensaattorin 20 pintaan. Niiden koko on suuruusluokaltaan joitakin mikro-metrejä, mutta kokeiden avulla on todettu, että tällaisten saarekkeiden välissä on aina joitakin kosketuskohtia ja että uraelektrodin 4 sähköinen jatkuvuus on taattu.

Kuviot 2 ja 3 havainnollistavat erästä keksinnön mu-25 kaisen kosteusmittarin erikoisrakennetta.

Eristysalustalle 11 (esim. lasia) muodostetaan tanta-likerros 12, joka toimii ensimmäisenä elektrodina ja hapetetaan anodisesti, niin että saadaan oksidipintakerros 13. Tämän jälkeen muodostetaan kosketuselektrodit, ts. ensim-30 mäinen kosketuselektrodi 14 ensimmäiseen elektrodin päälle 12 ja toinen kosketuselektrodi 16 alustan 11 päälle ensimmäisen tantalielektrodin 12 viereen. Kosketuselektrodit voivat olla esim. kromia, nikkeliä tai kultaa. Jotta elektrodien 14 ja 12 väliin saadaan sähkökosketus, elektrodi 12 35 voidaan suojata hapettumiselta sopivalla hartsilla tai puhkaista oksidikerros ennen yhteenliittämistä.

5 71998 Tämän jälkeen muodostetaan polymeerikerros 15 koko alustapinnalle 11, niin että siihen tulee tietty määrä reikiä 17. Tätä varten yhdistelmää on edullista pyörittää nopeasti sellaisella laitteella, jota käytetään valoherkkien 5 hartsien levittämiseen integroituihin piireihin. Polymeerin annetaan kuivua ja sen päälle tehdään sitten paksu ja huokoinen kromikerros 20. Tarvittaessa kondensaattorin kapasiteettia voidaan säätää "raaputtamalla” polymeeriä ja siihen liitettyä kromikerrosta. Polymeerikerroksen 10 reikien 17 avulla kromi saa sähkökosketuksen kosketuselek-trodin 16 kanssa.

Tällä menetelmällä on voitu valmistaa 6 x 6 mm laitteita 49 kpl sarjana hyötysuhteen ollessa melkein 100%.

Nopealla laskutoimituksella saadaan selville keksin-15 nön mukaisen kosteusmittarin vasteajan etu tavanomaiseen kosteusmittariin verrattuna.

Tavanomaisessa kosteusmittarissa eristepinta, joka on yhteydessä ilman kosteuteen ohuen kultakerroksen avulla, vastaa kondensaattorin levyjen pinta-alaa, kun taas 20 keksinnön mukaisessa kosteusmittarissa eristepinta vastaa urien muodostamaa pintaa. Jos urien keskimääräinen etäisyys on d ja polymeerin vahvuus e, ja jos jokainen saareke on neliö ja jokainen ura leikkaa täydellisesti eristeen, niin tavanomaisen kosteusmittarin ja keksinnön mukaisen mittarin 25 ilman kanssa kosketukseen joutuvien pintojen välinen suhde on d2 4 ed

Valmistetuissa laitteissa on päästy arvoihin e-cU^um. Ympäröivään ilmaan yhteydessä oleva kosketuspinta kerrotaan 30 siis neljällä, kun kysymyksessä on sama eristyseinetilavuus ja sama kondensaattorien laitteiden pinta-ala. Suoritetuissa kokeissa on itse asiassa todettu vielä suurempi etu vasteajan kohdalla. Tämä todistaa taas sitä, että keksinnön mukainen uritettu eriste päästää veden lävitseen paljon hel-35 pommin kuin metallikerroksella kokonaan peitetty eriste, vaikka metallikerros olisikin hyvin ohut, kuten aikaisemmissa kosteusmittareissa.

6 71998

Voidaan siis todeta, että keksinnön mukaiseen kosteus-mittariin liittyy useita etuja: se reagoi ilman kosteusas-teen vaihteluihin lyhyellä vasteajalla, se ei myöskään ole herkkä korroosiolle, koska uraelektrodin ei tarvitse enää 5 olla hyvin ohut ilman kosteuden pääsemiseksi sen läpi, vaan se voi olla paksu, mikä lisää sekä elektrodin että näin ollen myös kosteusmittarin käyttöikää. Urat ovat toisaalta hyvin pieniä (1000-2000 A), joten ilmassa oleva pöly, joka on yleensä karkearakeista, ei pääse niihin, mikä onkin toinen 10 laitteen käyttäikää lisäävä edullinen piirre.

Claims (11)

1. Kapasitiivinen kosteusmittari, joka käsittää kondensaattorin jossa on eristysaine (3) kahden johtavan pin- 5 nan välissä, jolloin eristysaineen eristevakio vaihtelee absorboituneen veden määrän mukaan, ja jolloin kondensaattorin johtavat pinnat on liitetty eristevakion mittauslaitteisiin (8), tunnettu siitä, että kondensaattorin toinen johtava pinta (4) sekä eristysaine (3) sisältävät useita i o sattumanvaraisia uria (5), jotka saattavat eristysaineen (3) suoraan kosketukseen sen ympäröivän ilman kanssa, jonka kosteuspitoisuus halutaan mitata, jolloin urilla varustetun johtavan pinnan (4) sähköinen jatkuvuus edelleen ylläpidetään.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kosteusmittari, 1 5 tunnettu siitä, että eristysaine (3) on selluloosa-esteri .

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen kosteusmittari, tunnettu siitä, että johtava urilla varustettu pinta (4) koostuu sellaisesta johtavasta materiaalista, joka ei ole ^ korroosioherkkä.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen kosteusmittari, tunnettu siitä, että johtavan urilla varustetun pinnan (4) muodostava materiaali on kromia.

5. Patenttivaatimuksen 3 tai 4 mukainen kosteusmittari, 25 tunnettu siitä, että johtavan urilla varustetun pinnan (4) muodostava materiaali on päällystetty jalometalli-kerroksella, erikoisesti platina- tai kultakerroksella.

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen kosteusmittari, tunnettu siitä, että kondensaattorin toisen 30 johtava pinta (2) koostuu anodisesti hapetetusta tantali-kerroksesta.

7. Kondensaattori, joka koostuu kahden johtavan pinnan välissä olevasta kerroksesta eristysainetta (3), jonka eristevakio vaihtelee absorboituneen veden mukaan, tunnettu 35 siitä, että toinen johtava pinta (4) sekä eristysaine (3) sisältävät lukuisia sattumanvaraisia uria (5), jotka saatta- 8 71998 vat eristysaineen suoraan kosketukseen ympäröivän ilman kanssa, johon kondensaattori on sijoitettu, jolloin jokainen ura on sekä eristysaineessa ja johtavassa pinnassa ja jolloin johtavan urilla varustetun pinnan (4) sähköinen jatkuvuus edelleen 5 ylläpidetään.

7 71998

8. Menetelmä sellaisen kondensaattorin valmistamiseksi, joka koostuu kahden johtavan pinnan välissä olevasta kerroksesta eristysainetta (3), jonka eristevakio vaihtee absorboituneen veden mukaan, tunnettu siitä, että eritysaineen 10 päälle seostetaan kerros johtavaa materiaalia, jossa on jännityksiä, jotka kykenevät muodostamaan johtavaan pintaan (4) ja eristysaineeseen (3) urat (5) eristysaineen saattamiseksi kosketukseen ympäröivän ilman kanssa.

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen menetelmä, tunnet-15 t u siitä, että kerros muodostetaan höyrystämällä.

10. Patenttivaatimuksen 8 tai 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että eritysaine on polyimidiä ja että johtava materiaalia on kromia.

11. Jonkin patenttivaatimuksen 8-10 mukainen menetelmä, 20 tunnettu siitä, että se käsittää seuraavat vaiheet: - eristysalustan (11) päälle sijoitetaan ensimmäinen elektrodi (12) tantalista, joka hapetetaan anodisesti, - ensimmäinen kosketuselektrodi (14) sijoitetaan ensimmäisen elektrodin (12) päälle ja toinen kosketuselektrodi (16) 25 alustan (11) päälle, - koko alustapinnan (11) päälle muodostetaan polymeeri-kerros (15), jossa on tietty määrä reikiä, ja - valmistetaan huokoinen metallikerros (20) , joka toimii toisena elektrodina. 9 71998