FI98568C - Sähköisesti ilmaistu impedanssianturi fysikaalisten suureiden, etenkin lämpötilan tai kosteuden, mittaamiseksi sekä menetelmä kyseisten anturien valmistamiseksi - Google Patents

Description

98568 Sähköisesti ilmaistu impedanssianturi fysikaalisten suureiden, etenkin lämpötilan tai kosteuden, mittaamiseksi sekä menetelmä kyseisten anturien valmistamiseksi 5 Elektrisk impedansgiväre för mätning av fysikaliska storheter, speciellt temperatur eller fuktighet samt förfarande för framställning av ifrägavrande givare 10

Keksinnön kohteena on sähköinen impedanssianturi fysikaalisten suureiden etenkin lämpötilan tai kosteuden mittaamiseksi, joka impedanssianturi on koostettu jatkuvasta anturilangasta katkotuista pätkistä, ja 15 joka anturilanka käsittää sähköäjohtavan elektrodilankaparin tai vastaavan elektrodilankayhdelmän, jonka päällä ja/tai välissä on aktiivista materiaalia, jonka impedanssiominaisuudet ovat mitattavan fysikaalisen suureen funktio, ja joiden elektrodilankojen välille mitattava impedanssi on järjestetty muodostuvaksi.

20

Lisäksi keksinnön kohteena on menetelmä sähköisten impedanssianturien valmistamiseksi, joka anturi on tarkoitettu fysikaalisten suureiden, etenkin lämpötilan tai suhteellisen kosteuden mittaamista varten, jossa . " menetelmässä valmistetaan jatkuvana vetoprosessina anturilanka-aihiota ' ' 25 käyttäen kantajaiankana ja vetovälineenä sähköäjohtavaa elektrodilan- kaparia tai vastaavaa elektrodilankayhdelmää; ja menetelmässä päällys-ί ίί tetään jatkuvassa lankaprosessissa mainittua elektrodilankaparia tai *;· elektrodilankayhdelmää aktiivisella materiaalilla, jonka impedanssi- *9 ·· ·*;*; ominaisuudet ovat mitattavan fysikaalisen suureen funktio ja pätkitään 9 30 edellä määritellyissä vaiheissa saadusta anturilangasta pituudeltaan : .·, käyttötarkoituksen mukaisia pätkiä, joiden molemmista päistä paljaste- • · · taan elektrodilankalangat anturin sähköisiksi kytkentäkohdiksi.

• · · ’·"· Useissa sovelluksissa mittausantureilta, etenkin lämpötilan tai suh- 35 teellisen kosteuden mittaukseen tarkoitetuilta antureita, vaaditaan .···, suurta nopeutta, pientä kokoa ja pientä säteilyvirhettä. Mainitut vaa- ... timukset ovat erityisen tiukat esim. radiosondien antureissa.

2 98568

Ennestään tunnetusti esim. radiosondien lämpötila-antureina käytetään yleensä kapasitiivisia antureita, joiden aktiivisena materiaalina on keraami, jonka dielektrisyys on lämpötilasta riippuvainen. Tunnetut keraamiset ja lasikeraamiset lämpötila-anturit ovat kuitenkin verraten 5 suurikokoisia ja sen vuoksi niiden nopeudessa ja säteilyvirheessä sekä valmistusmenetelmissä on parantamisen varaa. Auringon säteilyn aiheuttama säteilyvirhe on ollut suurin ongelma radiosondien lämpötilamit-tauksessa käytettäessä ennestään tunnettuja lämpötila-antureita.

10 Kapasitiivisten antureiden lisäksi lämpötila-antureina radiosondeissa ja vastaavissa on käytetty myös resistiivisiä antureita ja termoelementtejä.

Ennestään tunnetaan sellaisia kapasitiivisia kosteusantureita, joiden 15 kapasitanssin dielektrimateriaalina käytetään polymeeriä, keräämiä tai lasikeraamia, jonka dielektrisyysvakio on sen absorboiman kosteuden funktio. Myös näiden antureiden nopeudessa ja vastaavissa ominaisuuksissa sekä valmistusmenetelmissä on kehittämistarpeita, etenkin radio-sondisovelluksia silmällä pitäen.

20

Ennestään tunnettujen sähköisesti ilmaistujen lämpötila- ja kosteus-·, antureiden osalta viitataan esim. US-patentteihin nrot 3168829 ja . 3350941 sekä hakijan FI-patenttiin nro 48229, jossa viimemainitussa FI-patentissa on esitetty kapasitiivinen kosteusanturi, jossa dielek- , 25 trisenä eristeaineena on polymeerikalvo, jonka permittiivisyys on poly- • · · ··· merikalvon absorboiman vesimäärän funktio.

• · · • · · · • « · a · · *,· * Em. FI-patentissa esitetty kosteusanturi on pääasialliselta rakenteel taan ohut levy, jonka pinnalle on prosessoitu kosteudelle herkkä raken- • · : : j 30 ne. Epäkohtana tässä tunnetussa rakenteessa on pintaelektrodin veden läpäisykyvyn hajonta ja tästä johtuva anturin nopeushajonta. Lisäksi rakenne on kooltaan varsin suuri, mistä aiheutuu etenkin radiosondikäy-tössä säteilyvirhettä, koska auringonsäteilylle altis pinta on huomattava ja sen tuuletus on suhteellisen huono. Koska kyseisessä tunnetussa 3 98568 anturissa aktiivinen pinta on suora, on vedellä taipumus jäädä tälle pinnalle pisaroina.

Ennestään tunnettujen impedanssianturien ja vastavien valmistusmenetel-5 mät ovat olleet monimutkaisia, usein vaikeasti automatisoitavissa ja huonosti jatkuviin valmistusprosesseihin soveltuvia. Kyseisten antureiden tunnetut valmistusmenetelmät ovat olleet vaativia ja monivaiheisia, etenkin kun pyritään mahdollisimman nopeaan ja tarkkaan anturiin, mikä yleensä edellyttää rakenteilta hyvin pientä kokoa ja 10 tarkkaa mitoitusta sekä valmistusprosessien eri parametrien hyvää hallintaa .

Esillä olevaan keksintöön liittyvän ja sitä sivuavan hakijan viimeisimmän kehitystyön osalta viittaamme seuraaviin FI-patentteihin: 92441 15 (pat.hak. 921449, jätetty 01.04.1992), 92440 (pat.hak. 933701, jätetty 23.08.1993) ja 92439 (pat.hak. 934268, jätetty 29.09.1993) sekä Fl-pa-tenttihakemukseen 933702 (jätetty 23.08.1993) Em. patenteissa ja hakemuksessa esitettyjä rakenteita ja menetelmiä voidaan soveltuvin osin käyttää kombinaationa myös esillä olevan keksinnön kanssa.

20

Esillä olevaan keksintöön liittyy myös hakijan FI-patentissa 92441 ·. (pat.hak. 921449, jätetty 1.4.1992, julkinen 4.10.1993) (vast. US-hake- musta 08/040,129 ja EP-hakemusta 93 850 046.9) esitetty menetelmä ja . anturirakenne. Tässä FI-patentissa on esitetty sähköinen impedanssian- 25 turi, jossa sen elektrodien välisenä aktiivisena materiaalina on nimen- • · * *···* omaan lasinvetotekniikalla valmistettu hyvin ohut lankamainen lasi tai • · · lasikeraamikuitu. Mainittuna kuituna on sellainen lasikeraamikuitu, • · · ·.· · jonka veto lasikuitulangaksi on tehty lasimaisessa muodossa ja kiteytys lasikeraamiseen muotoon on tehty lämpökäsittelyssä. Lasikeraamimateri- ; 30 aalissa on aktiivisena aineosana lasimatriisissa oleva kiteinen barium- • · · · j*·*; strontium-titanaatti Ba^Sr^T^ tai kiteinen lyijy-strontium-titanaatti * . Pb^Sri-xTiOs, joissa x on välillä 0...1. Anturilanka on poikkileikkauk seltaan pääasiallisesti ympyränmuotoinen ja sen halkaisija on luokkaa ' ‘ 25...500 pm.

*·...: 35 4 98568

Em. FI-patentissa 92441 esitetty anturi on rakenteeltaan sopivimmin koaksiaalinen käsittäen täyteläisen keskielektrodilangan tai vastaavan onton elektrodilangan ja sen ympärillä olevan lasi- tai lasikeraamiker-roksen, jonka päällä on hermeettinen lasikerros ja sen päällä erilli-5 sessä vaiheessa tehty elektrodikerros ja/tai elektrodikuidut. Kyseinen anturi voidaan muodostaa kahdesta anturikuitulangasta, jotka liitetään yhdensuuntaisella liitoksella esim. liimaliitoksella tietyltä pituudeltaan toisiinsa. Lisäksi em. FI-patentissa on esitetty menetelmä sähköisten impedanssianturien valmistamiseksi, joka menetelmä käsittää 10 kombinaationa seuraavat vaiheet: valmistetaan anturin aktiiviselle materiaalille sopivat sähköiset ominaisuudet antavalla lisäaineella tai lisäaineilla seostetusta sulasta lasimassasta sinänsä tunnetulla lasin-vetotekniikalla jatkuvaa olennaisesti pyöreäpoikkipintaista anturikui-tulankaa; anturikuitulankaa kiteytetään lämpökäsittelyllä lasikeraami-15 seen muotoon tai sen materiaali valitaan tai muutoin käsitellään niin, että saadaan aikaan aktiivista anturimateriaalia, jonka kapasitanssi ja/tai resistanssi riippuu lämpötilasta tai erityistapauksissa aktiivisen materiaalin absorpoimasta vesimäärästä; ja anturikuitulankaa katkotaan yksittäisiä antureita varten sopiviksi anturikuitulankapätkiksi, 20 joihin liitetään ja/tai joiden em. langanvetovaiheessa varustettuihin elektrodeihin kytketään yhteet, joiden välistä anturin impedanssi on mitattavissa.

Em. FI-patentin 92441 edellä selostetussa menetelmässä anturikuitulan-25 gan veto suoritetaan käyttäen optisten kuitujen valmistuksessa sinänsä • · · ***** tunnettua kaksoisupokasmenetelmää, jossa sisäupokkaassa käytetään sulaa • · · ...Ϊ ydinlasia, johon on lisätty strontium-, barium- ja titaanioksidia • · · *.· * ja/tai vastaavaa muuta lisäainetta ja ulkoupokkaassa käytetään sulaa lasimateriaalia kuten aluminosilikaattilasia, josta saadaan anturikui- • · » : : 30 tulangan päälle putkimainen hermeettinen ulkokerros. Em. FI-patentin ;*·*; menetelmässä sulan anturikuidun sisälle syötetään elektrodilankaa tai sisäelektrodi viedään lasiputkiaihion sisään, jotka yhdessä vedetään anturikuitulangaksi tai valmistetaan ensin ontto anturikuitulanka ja metalloidaan sen sisäpuoli jälkeenpäin. Kyseisessä menetelmässä anturi- : : 35 kuitulanka päällystetään johtavalla elektrodikerroksella ohjaamalla 5 98568 kuitulanka reikäpohjaisen upokkaan ja uunin läpi, jossa upokkaassa on päällystyspastana johdepastaa. Kuitulangan päälle tehdään johdekuviot höyrystämällä tai fotolitografisella menetelmällä. Menetelmässä jatkuvasta anturikuitulangasta katkotaan n. 1-5 cm pätkiä, jotka liitetään 5 pituussuuntaisella liitoksella vierekkäin toisiinsa tai jonka anturi-kuitulangan pätkän molemmin puolin liitetään anturilangat. FI-hakemuksen mukaisessa menetelmässä elektrodilanka ei toimi valmistusprosessissa kantaja- tai vetolankana, jona on nimenomaan lasikuitulanka.

10 Esillä olevaan keksintöön lähiten liittyy hakijan em. FI-patentissa 92439 esitetty impedanssianturi ja sen valmistusmenetelmä. Kyseiselle ennestään tunnetulle anturille on pääasiallisesti tunnusomaista se, että anturi on koostettu jatkuvasta anturilangasta katkotuista pätkistä, joka anturilanka käsittää johtavan elektrodilangan tai elektrodi-15 lankayhdelmän, jonka päällä ja/tai välissä on aktiivista materiaalia, jonka impedanssiominaisuudet ovat mitattavan fysikaalisen suureen funktio .

Em. FI-patentissa 92439 esitetylle menetelmälle on puolestaan tunnus-20 omaista se, että menetelmä käsittää kombinaationa seuraavat vaiheet: valmistetaan jatkuvana vetoprosessina anturilankaa käyttäen kantaja-lankana ja vetovälineenä johtavaa elektrodilankaa tai elektrodi- 4 lankayhdelmää; päällystetään jatkuvassa lankaprosessissa mainittua elektrodilankaa tai elektrodilankayhdelmää aktiivisella materiaalilla, . 25 jonka impedanssiominaisuudet ovat mitattavan fysikaalisen suureen • · · • · · **' funktio; ja pätkitään edellä määriteltyjen vaiheiden mukaisesti valmis- • · · ···· tetusta jatkuvasta anturilangasta pituudeltaan käyttötarkoituksen mu- • « · V 1 kaisia pätkiä, joiden toisesta tai molemmista päistä paljastetaan elektrodilanka tai -langat impedanssianturin sähköisiksi kontaktikoh- Ϊ 30 diksi.

• · « · · · • ♦ · • · · . Em. FI-patentissa 92439 on selostettu pääasiallisesti sellaista mene- , telmää, jossa elektrodilangan veto tapahtuu sulasta lasista. Tässä 4 4 , menetelmässä on epäkohtana se, että vetoa ei voida tehdä huoneen lämpö- 35 tilassa vaan lämpötilan on oltava yli 1000°C. Lisäksi menetelmää to-; ‘ : teuttava laitteisto on varsin monimutkainen ja prosessi vaikeasti hai- 6 98568 liitävissä. Em. FI-patentissa 92439 esitetyssä menetelmässä anturilan-gat on erotettava toisistaan ja ylimääräiset jalat poistettava, mikä on anturirakenteiden valmistuksen kannalta vaikein ja hankalimmin automatisoitavissa oleva vaihe.

5

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on kehittää edelleen ennestään tunnettujen impedanssianturien sekä rakenteita että niiden valmistusmenetelmiä edellä esitettyjen epäkohtien välttämiseksi sekä mainittuihin ja myöhemmin selviäviin päämääriin pääsemiseksi.

10

Toisaalta keksinnössä on soveltuvin osin tarkoitus hyödyntää myös edellä selostetun hakijan kehittämän tekniikan tason edullisia menetelmä-vaiheita ja anturin rakennepiirteitä ja ominaisuuksia em. FI-patenteis-sa esitettyjen päämäärien saavuttamiseksi.

15

Edellä esitettyihin ja myöhemmin selviäviin päämääriin pääsemiseksi keksinnön mukaiselle sähköiselle impedanssianturille on pääasiallisesti tunnusomaista se, että anturilangan eri elektrodilangat on katkaistu anturilankapätkissä niiden vastakkaisten päiden välistä keskenään eri 20 kohdilta niin, että mitattava impedanssi on muodostuva elektrodilanko-jen mainittujen sähköäjohtamattomien katkaisukohtien väliselle alueelle ja että anturilankapätkän molemmissa päissä elektrodilangat on paljas- » tettu kytkentäkohtien muodostamista varten, joissa molemmissa kohdissa elektrodilangat on kytkettävissä samaan potentiaaliin ja anturi-impe- . 25 danssin kytkentäkohtioihin.

• « · » · « • · · «·« ···· Keksinnön mukaiselle anturin valmistusmenetelmän ensimmäiselle toteu- 0 * * *·* * tusmuodolle on puolestaan pääasiallisesti tunnusomaista se, että aktii visen materiaalikerroksen lähtömateriaalina käytetään lasipastaa, jonka • ♦ · 30 läpi elektrodilankapari tai vastaava elektrodilankayhdelmä vedetään J I : kuivatusuunin läpi tulokehikolle ja että aktiivisen materiaalikerroksen ’ . kiteytysvaihe tapahtuu kehimisvaiheen jälkeen tapahtuvassa erillisessä . lämpökäsittelyvaiheessa.

IHM i % !,,«' 35 Keksinnön mukaisessa anturissa ovat anturilankapätkän molemmissa päissä · : olevat elektrodilangat edullisesti paljastettavissa ja kytkettävissä 7 98568 samaan potentiaaliin ja kytkentäosaan, jolloin ei tarvita lainkaan elektrodilankojen erotusvaihetta eikä ylimääräisten lankojen poistoa, jotka työvaiheet ovat aikaavieviä ja hankalasti automatisoitavissa.

5 Kun keksinnön menetelmässä käytetään aktiivisen lasimateriaalin lähtöaineena lasipastaa ja tämän materiaalin kiteytys suoritetaan päällystetyn lanka-aihion kehimisvaiheen jälkeen samalla kehikolla, jonka varassa suoritetaan anturilanka-aihioiden muitakin käsittely- ja työnstövai-heita, saadaan aikaan entistä edullisempi valmistusmenetelmä, jonka 10 etuja selostetaan tarkemmin seuraavassa.

Em. FI-patentissa 92439 esitetyssä sulasta lasista tehtävässä vedossa langan ohentamista rajoittaa käytetty korkea lämpötila. Korkeassa lämpötilassa langan vetolujuus heikkenee, jolloin hyvin ohut lanka ei enää 15 kestä vetoprosessissa vaan katkeaa. Matalammassa lämpötilassa pystytään näin ollen käyttämään oleellisesti ohuempaa lankaa. Em. FI-patentissa esitettyyn menetelmään verrattuna keksinnön menetelmän sillä sovellus-muodolla, jossa käytetään lasipastaa, on seuraavat edut: '20 - Veto voidaan tehdä huoneen lämpötilassa, kun lasisulasta vedossa ; lämpötilan on oltava > 1000°C. Tällöin keksinnössä voidaan käyt- ; tää ohuempaa lankaa, jonka vetolujuus on parempi matalassa läm pötilassa. Tuloksena on halkaisijaltaan pienempi anturi, joka on nimenomaan radiosondisovelluksessa edullinen nopeutensa ja pie-25 nemmän säteilyvirheensä puolesta.

Laitteisto on yksikertaisempi.

.. - Prosessi on helpompi hallita.

• · · 30 - Lasipastaa voidaan (ennen sintrausta) poistaa anturin päistä yksinkertaisesti liuottamalla.

Keksinnön erityisen edullisessa sovellusmuodossa käytetään nimenomaan 35 levymäistä ja litteää kehikkoa, jolle päällystysvaiheen jälkeen anturi-lanka kehitään spiraalimaisesti, ja anturilanka-aihion ollessa mainitun 8 98568 saman kehikon varassa sille suoritetaan kaikki muut käsittelyvaiheet kuten aktiivisen materiaalin kiteytysvaihe, elektrodilankojen katkonta-vaihe, kehikon sivujen välisten elektrodilangan suorien vetojen päiden kohdalla tapahtuva elektrodilankojen paljastusvaihe, sopivimmin liuot-5 tamalla, ja elektrodilankojen päällystys suojalasikerroksella tai vastaavalla ainakin mitattavan impedanssin muodostumisalueelta. Vasta kaikkien edellä esitettyjen vaiheiden jälkeen elektrodilankapätkät irrotetaan mainitusta kehikosta katkaisemlla elektrodilangat kehikon sivujen kohdilta lankakierrosten molemmista päistä.

10

Keksinnössä lasipastan lasimateriaalina käytetään edullisesti alumino-boraattista lasia, joka valmistetaan ja jonka koostumus on hakijan em.

FI-patenteissa 92441 ja 92439 esitetyn kaltainen.

15 Tässä yhteydessä korostettakoon, että edellä määritellyssä päällystys-vaiheessa päällystyksellä ei välttämättä tarkoiteta sitä, että aktiivinen materiaali kokonaan ympäröi elektrodilankoja, vaikka se onkin edullista .

20 Keksinnössä elektrodilanka, sopivimmin elektrodilankapari tai vastaava elektrodilankayhdelmä toimii valmistusprosessissa veto- ja kantajalan-kana, joka vastaanottaa valmistusprosessissa tarvittavat vetojännityk-set ja joka elektrodilanka tai -lankayhdelmä antaa valmiille anturille olennaisen osan, sopivimmin pääasiallisen osan, sen mekaanista lujuut- 25 ta. Keksinnön menetelmässä anturin muut kerrokset ja osat prosessoidaan ja tartutetaan nimenomaan elektrodilangan tai -lankayhdelmän yhteyteen eikä lasikuitulangan yhteyteen, kuten em. FI-patentin 92441 mukaisessa menetelmässä ja anturissa.

» · .

li» • · *«* 30 Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti viittaamalla e oheisen piirustuksen kuvioissa esitettyihin keksinnön eräisiin sovel-,,,.· lusesimerkkeihin, joiden yksityiskohtiin keksintöä ei ole mitenkään 1 ahtaasti rajoitettu.

9 98568

Kuvio 1 esittää kaaviollisesti keksinnön mukaista menetelmävaihetta, jossa elektrodilankapari vedetään lähtökelaparilta tulokehikolle lanka-ohjaimen kautta lasipastaa sisältävän upokkaan läpi.

5 Kuvio 2 esittää kuviossa 1 näkyvää anturilangan täyteen kehittyä antu-rilankakehikkoa.

Kuvio 3A esittää anturilanka-aihiota kuvioiden 1 ja 2 leikkauksena A-A.

10 Kuvio 3B esittää poikkileikkausta B-B kuvion 6 mukaisesta valmiista impedanssiänturista.

Kuvio 4 esittää kaaviollisena sivukuvana metallisten elektrodilankojen leikkauksessa käytettyä laserlaitetta.

15

Kuvio 5 esittää anturilanka-aihiopätkää, jonka elektrodilangat on katkottu keksinnön mukaisesti kuvion 4 mukaisella laitteella.

' Kuvio 6 esittää keskeisenä aksiaalileikkauksena kuvioon 3B merkityssä ' 20 tasossa C-C valmista keksinnön mukaista anturia.

; Keksinnön mukaisessa menetelmässä ja impedanssianturissa käytetään aktiivisena materiaalina lasikeraamia, jossa aktiivisena aineosana lasimatriisissa on esim. kiteinen barium-strontium-titanaatti 25 Ba^Ri-xTiC^ tai kiteinen lyijy-strontium-titanaatti PbxSRj-xTiOa, joissa x on välillä 0...1. Anturissa käytetyn aluminoboraatti-pohjaisen lasin valmistus ja koostumus on edullisesti hakijan em. FI-patenteissa 92441 ja 92439 esitetyn kaltainen.

• k • f « · · 30 Kuvion 1 mukaisesti tapahtuu anturilangan valmistus käyttäen jatkuvan lankaprosessin kantajalankana ja vetovälineenä elektrodilankaparia 10a .··.* ja 10b, jotka vedetään kitkajarruilla 30c varustetuilta lähtökeloilta 30a ja 30b kvartsiupokkaan 32 läpi. Kvartsiupokkaassa 32 oleva esim. alumiiniboraattipohjainen lasimateriaali IIP valmistetaan edullisesti ' 35 paksukalvotekniikasta tunnetuilla menetelmillä esim. seuraavasti: 10 98568 lasi jauhetaan kuulamyllyssä ja siihen sekoitetaan orgaaninen aineosa, jonka koostumus on esim. etyyliselluloosa (4 paino-%), Antharox (1,3 paino-%) ja terpineoli (94,7 paino-%). Sopiva viskositeetti em. koostumuksella saadaan, kun lasijauheen osuus on - 80 paino-% ja 5 orgaanisen aineosan - 20 paino-%.

Vetoupokas 32 valmistetaan esim. kvartsiputkesta, jonka pää vedetään teräväkärkiseksi kartioksi. Kartion pää katkaistaan niin, että syntyy n. 0,3 mm halkaisijaltaan oleva upokkaan 32 pohjareikä 33. Elektrodi-10 langat 10a,10b, esim. 25 μπι läpimittaista platinalankaa, kelataan kit-kajarrulla 30c varustetuille syöttökeloille 30a,30b, jotka asetetaan vetolaitteeseen. Lankojen 10a,10b päät pujotetaan lankaohjaimen 31 kautta kvartsiupokkaan 32 pohjareiän 33 ja kuivatusuunin 34 läpi ja kiinnitetään kelauslaitteessa 25 olevaan kehikkoon 35.

15

Upokkaan 32 pohjalle kaadetaan lasipastaa IIP. Kelauslaite 25 käynnistetään, jolloin sen moottori 39a alkaa pyörittää kehikkoa 35 vetäen samalla elektrodilankoja 10a,10b upokkaan 32 läpi tasaisella nopeudella v. Upokkaan 32 läpi kulkiessaan elektrodilangat 10a,10b päällystyvät 20 kokonaan lasipastalla 11' (kuvio 3A), joka kuivuu langan 20A kulkiessa putkiuunin 34 läpi, jonka uunin lämpötila on Tx ~ 100...150°C. Kelauksen kuluessa kelauslaite 25 siirtää samalla kehikkoa 35 hitaasti poikit-taissuunnassa (nuoli P) niin, että lanka 20A kelautuu ruuvimaisesti koko kehikon 35 pituudelle kuvion 2 mukaisesti.

25

Kelauslaite 25 on toteutettu esim. kuvion 1 mukaisesti siten, että kelauslaite 25 käsittää ruuvimoottorin 39a, joka pyörittää kierteellä varustettua ruuvia 39b, johon kehikko 35 on kiinnitetty kiinnitysosalla t • -· 38, esim. sopivalla pikaliittimellä. Tasomaisen ja litteän kehikon 35 * · ',· 30 pyöritysnopeus voidaan järjestää siten syklisesti esim. sinimuotoisesti • * vaihtelevaksi, että langan 20A vetonopeus v pysyy vakiollisena. Mootto-ri 39a siirtää ruuvia 39b nuolen P suunnassa langan 20A kelauksen edistyessä. Myös monet muut kelauslaitteen 25 toteutukset, jotka olennaisesti poikkeavat kuviossa 1 esitetystä, ovat mahdollisia ja keksinnön ' 35 piiriin kuuluvia.

11 98568

Vetonopeuden vakiona pitävää systeemiä ei kelauslaitteessa kuitenkaan välttämättä tarvita. Kelauslaite voi pyöriä vakionopeudella, jolloin vetonopeus vaihtelee sinimuotoisesti. Vastaavasti päällystyspaksuus vaihtelee jonkin verran jaksottaisesti. Kehikon 35 etäisyys upokkaasta 5 32 on mitoitettu siten, että hitaimmin vedetyt langan osat ja siis pak- suimmin päällystetyt osuvat kehikon 35 reunojen kohdalle. Kehikon 35 keskellä anturin aktiivisella osalla päällystyspaksuus vaihtelee vain vähän. Ko. vaihtelusta ei ole haittaa anturin valmistuksessa eikä se myöskään heikennä valmistusprosessin toistettavuutta, koska se toistuu 10 samanlaisena jokaisen anturin kohdalla.

Kuviossa 3A on esitetty päällystetyn langan 20A poikkileikkaus vedon jälkeen. Kelojen 30a,30b kitkajarruja 30c (vetojännitys T), lankaohjai-men 31 paikkaa, vetonopeutta v ja/tai lämpötilaa Tx säätämällä voidaan 15 vaikuttaa elektrodilankojen 10a,10b väliseen etäisyyteen V. Sopiva etäisyys V D0 » 25 /xm:n elektrodilankoja 10a, 10b käytettäessä on V ~ 5...10 jim. Elektrodilankojen keskiöiden etäisyys E on E - D0 + V, siis eo. dimensioilla E « 30...35 /im. Sopivilla em. parametrien Tj^v.Dq valinnoilla saadaan optimaalinen parilanka-aihio 20A niin, että saadaan 20 anturin halkaisija ja samalla sen säteilyvirhe ja vasteaika mahdollisimman pieniksi.

Kuvioissa 1 ja 2 esitetty kelauskehikko 35 on valmistettu hitsaamalla '1 neljästä ohuesta, esim. 2 mm metallitangoista 36a,36b ja 37a,37b. Sopi- : ; ; 25 va materiaali kehikon pidemmiksi sivuiksi 36a ja 36b on sellainen me talli, esim. nikkeli, jonka pintaan syntyy lämpökäsittelyssä oksidi-kerros. Oksidi sitoo langan 20A kiinni kehikkoon niin, että myöhemmässä anturiaihioiden irrotusvaiheessa ne voidaan irrottaa yksitellen ilman, . että koko lanka-aihio 20A purkautuu kehikolta 35. Kehikon 35 lyhyemmäk- 30 si sivuiksi 37a ja 37b sopii parhaiten metalli, jonka lämpölaajenemis-’ * kerroin on likimain sama kuin elektrodilangoilla 10a,10b ja platinalan- : ·.: koja 10a,10b käytettäessä sopiva materiaali on esim. titaani. Kehikko ;·· 35 on kertakäyttöinen.

; · 35 Kehikolle 35 kelauksen jälkeen anturiaihioiden päistä 42a,42b (kuvio 6) poistetaan pastaa lyhyeltä esim. n. 1 mm matkalta upottamalla kehikko 12 98568 35 pitkät sivut 36a ja 36b edellä sopivalla liuottimella (esim. xylee-ni) täytettyyn ultraäänipesuriin (ei esitetty). Tarkoituksena on paljastaa elektrodilankojen 10a,10b päät 42a,42b niin, että niiden kontak-tointi anturin 40 kytkentävaiheessa onnistuu varmasti.

5

Anturien 40 lasikeraamimateriaalin 11' kiteytys tapahtuu myös saman kehikon 35 varassa samanlaisella lämpökäsittelyllä kuin FI-patentissa 92439 on kuvattu. Lasipastaa IIP soveltavassa menetelmässä tapahtuu lämpökäsittelyn ensimmäisessä vaiheessa (matalampi lämpötila, esim. 1 h 10 500°C) lasipastan sintrautuminen. Toisessa vaiheessa (korkeampi lämpöti la, esim. 1 h 950°C) lasi kiteytyy lasikeraamiksi, jolla on impedans-sianturille sopivat dielektriset ominaisuudet.

Lasikeraamimateriaalin 11' kiteytysvaiheen jälkeen edelleen kehikon 35 15 varassa suoritettavassa katkontavaiheessa parilangan 20B kumpikin elektrodilanka 10a ja 10b katkaistaan yhdestä kohtaa 41a ja 41b niin, että muodostuu neljä osaa D, E, F ja G (kuvio 5), jotka välissä oleva lasikeraami 11 sitoo yhteen kuvion 5 mukaisesti. Anturin 40 aktiivinen osa, so. mitattava kondensaattori, muodostuu katkontakohtien 41a ja 41b 20 välille CV, jolla elektrodilangat 10a ja 10b ovat limittäin. Anturi 40 tulee kytkettäväksi toimipaikalleen päistään niin, että molemmat langat 10a,10b kontaktoidaan samaan elektrodiin (kuvio 6) anturin kummassakin päässä. Tällöin pätkät D ja E sekä vastaavasti pätkät F ja G tulevat ·; olemaan samassa potentiaalissa mittauksen aikana.

25

Mainittu katkomisvaihe suoritetaan esim. kuvion 4 mukaisesti asettamalla anturikehikko 35 XYZ-pöydälle 54 ja kohdistamalla laserin 51 säde LB leikkauskohdalle toisen elektrodilangan 10a,10b päälle joko manuaali- . sesti monitorin 56 avulla tai käyttäen konenäköjärjestelmää. Katkaisus- • · · •**| 30 sa käytetään laseria, esim. työstökäyttöön tarkoitettua pulssitettua ’·[ Nd/YAG-laseria. Tähän laseriin kuuluu leikkauspää, johon sisältyy la- : ·.: sersäteen kollimointi ja kohdistukseen tarvittava optiikka. Elektrodi- lanka 10a,10b katkaistaan ampumalla yksi pulssi laserilla 51. Tämän jälkeen laserin 51 säde LB kohdistetaan uudelleen toiseen leikkauskoh-35 taan 41a/41b ja tehdään toinen katkaisu. Näin katkotaan kaikki kehikon 35 päällimmäisellä puolella olevien anturiaihioiden elektrodilangat 13 98568 10a,10b, minkä jälkeen kehikko 35 käännetään ja tehdään sama toisen puolen anturiaihioille.

Anturin 40 aktiivinen osa on suojattava hermeettisesti kosteudelta.

5 Tämä tehdään lasittamalla anturin 40 keskiosa lasikerroksella 12 (kuviot 3B ja 6). Lasitukseen käytetään lasipastaa, jossa lasikom-ponenttina on jokin lämpölaajenemiskertoimeltaan lähellä platinaa oleva lasi, esim. platina/lasi-liitoksiin tarkoitetut lyijylasit, joita on saatavissa useilta valmistajilta. Pastan orgaaninen osa voi olla 10 sama kuin edellä lasi-keraamipastassa. Myös valmiita, hermeettiseen kapselointiin tarkoitettuja paksukalvopastoja voidaan käyttää. Suoja-lasipasta levitetään sprayaamalla anturin keskiosalle. Yleensä tarvitaan useampia, esim. neljä ruiskutuskertaa eri suunnilta lankaa 20B.

Pasta kuivataan ja sintrataan käyttäen ko. pastalle soveltuvaa lämpöti-15 laprofiilia. Suojalasikerrroksen 12 paksuus on 10...50 μπι Dx « 25 μπκη Pt-lankoja 10a,10b käytettäessä käytettävästä pastasta riippuen. Anturin 40 kokonaispaksuudeksi tulee tällöin Di « 100...150 pm. Kuvioon 6 on merkitty anturin ja sen eri osien aksiaalisia pituuksia Llt 1¾ ja L3.

Nämä pituudet valitaan edellä esitettyjä muita dimensioita käyttäen 20 esim. seuraavasti: Lx » 20 mm, L2~6mmjaL3 = 2 mm.

Kuvion 3B mukaisesti on anturilanka 20B ja valmis anturi 40 suojakerroksen 12 kohdalla poikkileikkaukseltaan ellipsin muotoinen niin, että suurempi halkaisija on elektrodilankojen 10a, 10b keskiöiden kohdalla.

: ; . 25 Myös muut anturilangan 20B poikkileikkaukset kuin kuviossa esitetyt ovat mahdollisia.

Elektrodilankaparin 10a,10b asemesta voidaan käyttää myös muunlaista elektrodilankayhdelmää, jotka voidaan katkaista muullakin tavalla kuin 30 kuvioissa 5 ja 6 on esitetty. Tällöin voi mitattava kapasitanssi muo-*. . dostua eri tavoin anturilangan 20 pituudelle sovitettujen osaimpedans- : sien sarjaan- ja/tai rinnankytkennöistä.

Vasta kaikkien edellä selostettujen vaiheiden jälkeen anturiaihiot 1 ’. 35 irrotetaan kehikosta 35 katkaisemalla yksi kerrallaan anturilangat 20 molemmista päistään läheltä kehikkoa 35 kohdista, josta lasikerros 11 14 98568 on liuotettu. Näin anturien 40 päihin jäävät lyhyet kontaktikohdat 42a,42b paljasta elektrodilankaa 10a,10b, josta se on helppo kiinnittää toimipaikalleen juottamalla tai johtavalla liimalla.

5 Edellä selostetun anturirakenteen etu verrattuna FI-patentissa 92439 esitettyihin rakenteisiin nähden on siinä, ettei elektrodilankoja tarvitse erottaa toisistaan eikä ylimääräisiä jalkoja poistaa. Tämä vaihe on em. patentissa esitettyjen anturirakenteitten valmistuksen vaikein ja hankalimmin automatisoitavissa oleva osa. Uusi rakenne tekee antu-10 rista tässäkin suhteessa oleellisesti entistä helpommin valmistettavan.

Keksintö ei ole mitenkään ahtaasti rajoitettu edellä selostettuihin menetelmävaiheisiin ja niiden keskinäiseen järjestykseen eikä anturi-15 lanka-aihion 20B ja valmiiden antureiden yksityiskohtiin. Esim. mene-telmävaiheiden keskinäinen järjestys voi jossain määrin vaihdella ja anturin yksityiskohdat voivat myös vaihdella esim. niin, että käytetään useampaa kuin kahta elektrodilankaa, vaikka sellaiset variaatiot eivät yleensä ole edullisia. Tämänhetkisen arvion mukaisesti kuitenkin saa-20 daan aikaan edullisin toteutus, kun käytetään yhtä elektrodilankaparia 10a,10b, joka katkaistaan kuvioista 5 ja 6 näkyvällä tavalla.

Seuraavassa esitetään patenttivaatimukset, joiden määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa keksinnön eri yksityiskohdat voivat vaih-: ; . 25 della ja poiketa edellä vain esimerkinomaisesti esitetystä.

• · • · · • · • · ·

Claims (15)

15 98568

1. Sähköinen impedanssianturi fysikaalisten suureiden etenkin lämpötilan tai kosteuden mittaamiseksi, joka impedanssianturi on koostettu 5 jatkuvasta anturilangasta (20) katkotuista pätkistä, ja joka anturilan-ka (20) käsittää sähköäjohtavan elektrodilankaparin (10a,10b) tai vastaavan elektrodilankayhdelmän, jonka päällä ja/tai välissä on aktiivista materiaalia (11), jonka impedanssiominaisuudet ovat mitattavan fysikaalisen suureen funktio, ja joiden elektrodilankojen (10a,10b) 10 välille mitattava impedanssi on järjestetty muodostuvaksi, tunnettu siitä, että anturilangan (20) eri elektrodilangat (10a,10b) on katkaistu anturilankapätkissä (20) niiden vastakkaisten päiden välistä keskenään eri kohdilta (41a,41b) niin, että mitattava impedanssi (CM) on muodostuva elektrodilankojen (10a,10b) mainittujen sähköäjohta-15 mattomien katkaisukohtien (41a,41b) väliselle alueelle (CV) ja että anturilankapätkän (20) molemmissa päissä elektrodilangat (10a,10b) on paljastettu kytkentäkohtien (42a,42b) muodostamista varten, joissa molemmissa kohdissa (42a,42b) elektrodilangat (10a,10b) on kytkettävissä samaan potentiaaliin ja anturi-impedanssin (CM) kytkentäkohtioihin. 20

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen impedanssianturi, tunnettu siitä, että ainakin mitattavan impedanssin (CM) alueella elektrodi- .lankapätkistä (20) on päällystetty ulkopuolisella suojakerroksella, t ; sopivimmin suojalasikerroksella (12). 25 • » « k

· · *" 3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen impedanssianturi, t u n - Ml *··· n e t t u siitä, että anturi (40) on kapasitiivinen anturi ja sen t I I V ‘ aktiivisena materiaalina on lasikeraamikerros, sopivimmin alumino- boraattipohjainen lasikeraamikerros, joka on valmistettu lasipastasta l\\ 30 (HP). • ♦t • · · « I I B f

' > 4. Menetelmä sähköisten impedanssianturien (40) valmistamiseksi, joka anturi (40) on tarkoitettu fysikaalisten suureiden, etenkin lämpötilan tai suhteellisen kosteuden mittaamista varten, jossa menetelmässä val-'t tt: 35 mistetaan jatkuvana vetoprosessina anturilanka-aihiota (20) käyttäen kantajalankana ja vetovälineenä sähköäjohtavaa elektrodilankaparia 16 98568 (10a,10b) tai vastaavaa elektrodilankayhdelmää; ja menetelmässä päällystetään jatkuvassa lankaprosessissa mainittua elektrodilankaparia (10a,10b) tai elektrodilankayhdelmää aktiivisella materiaalilla (11'), jonka impedanssiominaisuudet ovat mitattavan fysikaalisen suureen funk-5 tio ja pätkitään edellä määritellyissä vaiheissa saadusta anturilangas-ta (20) pituudeltaan käyttötarkoituksen mukaisia pätkiä, joiden molemmista päistä paljastetaan elektrodilankalangat (10a,10b) anturin (40) sähköisiksi kytkentäkohdiksi (42a,42b), tunnettu siitä, että aktiivisen materiaalikerroksen (11') lähtömateriaalina käytetään lasi-10 pastaa (IIP), jonka läpi elektrodilankapari (10a,10b) tai vastaava elektrodilankayhdelmä vedetään kuivatusuunin (34) läpi tulokehikolle (35) ja että aktiivisen materiaalikerroksen kiteytysvaihe tapahtuu kehimisvaiheen jälkeen tapahtuvassa erillisessä lämpökäsittelyvaihees-sa. 15

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu lasipastan kiteytysvaihe suoritetaan samalla litteällä ja levymäisellä kehikolla (35), jolle päällystys- ja langanvetovaiheessa (kuvio 1) lanka-aihio (20A) on kehitty. 20

6. Patenttivaatimuksen 4 tai 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että aktiivisen materiaalin kiteytys tapahtuu kahdessa eri läm-pökäsittelyvaiheessa, joista ensimmäisessä vaiheessa matalammalla läm- . pötilalla, sopivimmin noin 500°C, suoritetaan lasipastan sintraaminen ja . 25 toisessa korkeammassa lämpötilassa, sopivimmin noin 950°C, tapahtuvassa • m · · » vaiheessa lasimateriaali kiteytetään lasikeraamiseksi materiaaliksi, • * · *···* jolla on impedanssianturille sopivat dielektriset ominaisuudet. • · · • · · » • · · V

· 7. Jonkin patenttivaatimuksen 4-6 mukainen menetelmä, tunnettu 30 siitä, että anturilankapätkien (20) elektrodilangat (10a,10b) katkais- Ϊ : i taan keskenään eri kohdista (41a,41b) niin, että katkaisukohtien • ·· · (41a,41b) välille muodostuu mitattava impedanssi (CM).

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 35 että edellä mainittu katkaisuvaihe suoritetaan, sopivimmin edellä mai-: : nitun lasimateriaalin kiteytysvaiheen jälkeen, samalla litteällä ja 17 98568 levymäisellä kehikolla, jolle elektrodilanka (20A) päällystysvaiheensa (kuvio 1) jälkeen on kehitty.

9. Jonkin patenttivaatimuksen 4-8 mukainen menetelmä, tunnettu 5 siitä, että mainitun kehimisvaiheen jälkeen anturilangan (20A) peräkkäisten suorien osien päistä poistetaan lasipastaa lyhyeltä osalta upottamalla mainittu kehikko (35), sopivimmin sen pitkä sivu (36a,36b) edellä sopivaan liuottimeen, jolloin muodostuu anturilankapätkien (20) molempiin päihin elektrodilankojen (10a,10b) paljastetut kytkentäkoh- 10 dat.

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu liuotusvaihe suoritetaan ultraäänipesurissa.

11. Jonkin patenttivaatimuksen 4-10 mukainen menetelmä, tunnet- t u siitä, että mainittu elektrodilankojen katkontavaihe suoritetaan lasersäteellä (LB) elektrodilangan ollessa kehittynä mainitulle kehikolle (35) sopivimmin siten, että katkotaan kaikki kehikon päällimmäisellä puolella olevien lanka-aihioiden (20) elektrodilangat (10a,10b), 20 minkä jälkeen kehikko (35) käännetään ja tehdään samat katkontavaiheet kehikon toisen puolen elektrodilangoille (10a,10b).

12. Jonkin patenttivaatimuksen 4-11 mukainen menetelmä, tunnet- t u siitä, että anturin aktiivinen osa suojataan hermeettisesti kos- . 25 teudelta tekemällä kyseisen osan päälle suojakerros, sopivimmin lasi- • · · · kerros (12) suojalasipastaa sprayaamalla anturin keskiosalle levittä- • · · *···1 mällä ja tämän jälkeen suojalasipasta kuivaamalla ja sintraamalla. * · · »IM

• · · *.· · 13. Jonkin patenttivaatimuksen 4-12 mukainen menetelmä, tunnet- 30. u siitä, että anturilangan (20) pätkimisvaihe erillisiksi anturilan- : kapätkiksi suoritetaan anturilangan (20) ollessa kehittynä mainitulle • · · · samalle kehikolle (35).

14. Jonkin patenttivaatimuksen 4-13 mukainen menetelmä, tunnet-35 t u siitä, että mainittuna kehikkona (35) käytetään suorakaiteen muo-: : toista ohuista metallilangoista tai vastaavista koostettua kehikkoa, 18 98568 jonka pitkien sivujen (36a,36b) ympäri elektrodilankaa (20A) spiraali-maisesti kehitään mainittua kehikkoa (35) pitkien sivujensa suuntaisen keskiakselin ympäri pyörittämällä ja samalla mainitun akselin suunnassa siirtämällä (p). 5

15. Jonkin patenttivaatimuksen 4-14 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että aktiivisella materiaalikerroksella (11') päällystetyn elektrodilankaparin (10a,10b) kaikki käsittely- ja työstövaiheet antu-rilangalle (20a,20b) suoritetaan anturilangan (20a,20b) ollessa saman 10 litteän ja levymäisen kehikon (35) varassa, jolle anturilanka-aihio (20A) kehittiin päällystysvaiheestaan (kuvio 1) ja että edellä esitettyjen käsittely- ja työstövaiheiden jälkeen anturilankakierrokset katkaistaan molemmista mainitun kehikon sivujen (36a,36b) kohdalla olevista päistään, jolloin muodostuu valmiita tai lähes valmiita anturilanka-15 pätkiä (40). ·»·· • · · • · · • · · • · · • · · · • · · r : : • · • · ♦ • · · • · · · 1 · · 19 98568