SE450664B - Fuktsensor av tunnskiktstyp samt forfarande for framstellning av densamma - Google Patents

Description

450 664 Uppfinningens uppgift är att tillhandahålla en fuktsensor av tunnskiktstyp för mätning av absolut fuktighet, vilken garan- terar den erforderliga genomslagssäkerheten längs dess omkrets vid användning i områden som är utsatta för explosionsrisk, i stor utsträckning avstår från användningen av aluminium och därför är obegränsat användbar i områden som är utsatta för explosionsrisk, vidare genom en enkel tillverkning har en robust och tryckhållfast konstruktion, vars kapacitans mot jord är liten och i vilken alla anslutningsledare förs utåt oberoende av genomföringskroppen som bär fuktsensorn, och_i vilken dessa ledare inte står i kontakt med mediet som skall mätas.

Enligt uppfinningen löses denna uppgift genom att genomfö- ringskroppen består av elektriskt isolerande material, att åt- minstone två genomföringsledare har förts tvärs igenom genom- föringskroppen på ett avstånd ifrån varandra på så sätt att ledarnas kontaktytor på framsidan ligger i samma plan som genomföringskroppens frontyta, att bottenelektroden är an- bringad på en del av genomföringskroppens framsida på så sätt att den täcker genomföringsledarens kontaktyta och är elektriskt ledande förbunden med denna, att det fuktkänsliga dielektråska skiktet är anbringat på bottenelektroden, och att toppelektroden är anbringad på åtminstone en del av det fuktkänsliga skiktet och på åtminstone en del av bottenelek- trodens otäckta framsida tillhörig genomföringskroppen, på så sätt att en ytterligare genomföringsledares kontaktyta täcks av toppelektroden och är elektriskt ledande förbunden med denna.

En särskild fördel med fuktsensorn enligt uppfinningen består i att det fiuktkänsliga systemet inklusive bottenelektroden, kan framställas med känd tunnskiktteknik på genomföringskrop- pens frontyta, varvid kontakten mellan de båda elektroderna skapas automatiskt vid anbringandet av de tunna metallskikten.

Framställningen är därför mycket enkel och kräver ingen meka- E! 450 664 nisk precisionsbearbetning. Ytterligare en fördel består i att inga organiska ämnen, såsom limmer, lacker, osv, används, var- igenom fuktgömmor undviks och fuktsensorn i stor utsträckning blir beständig mot organiska lösningamedel, så att funktions- säkerheten avsevärt förbättras.

Det har överraskande visat sig att fuktsensorn av tunnskikts- typ enligt uppfinningen, arbetar oberoende av temperaturen, också vid_förhål1andevis tjocka fuktkänsliga skikt, vilka kan vara 0,0006 mm tjocka eller mer, och följaktligen möjliggörs en mätning av den absoluta fuktigheten.

En särskild gynnsam utföringsform av fuktsensorn av tunn- skiktstyp enligt uppfinningen består i att genomföringskroppen är insatt i en hylsa av en höglegerad nickel-molybden- förening, t ex Hastelloy C, och förenad med denna på ett tryckhållfast sätt. Denna utföringsform uppfyller särskilt bra de krav som ställs vid användning i områden med risk för explosion.

Kännetecken för gynnsamma utformningar och utvecklingar av fuktsensorn enligt uppfinningen såväl som ett föredraget för- farande:fbr framställning av densamma finns angivna i de osjälvständiga kraven.

Uppfinningens ytterligare fördelar och kännetecken framgår av den följande beskrivningen av ett utföringsexempel med hjälp av ritningen. I ritningen visar: Fig l en snittvy i perspektiv av en fuktsensor enligt uppfin- ningen, fig 2 ett tvärsnitt av genomföringskroppens övre del och de därpå anbringade metallskikten, och fig 3 en planvy av fuktsensorn. 450 664 Den i ritningen återgivna fuktsensorn 10 är framställd med tunnskiktsteknik på framsidan av en tryckhållfast genomföring 12.

Genomföringen 12 består av en cylindrisk genomföringskropp 14 av isolermaterial, vilken är insatt i en hylsa 16 som består av en lämplig metall, och är tryckhållfast förenad med denna hylsa, exempelvis genom en hårdlödning 17. Genomföringskroppen 14 kan vara ett keramiskt formstycke, exempelvis av aluminium- oxid. Hylsan 16 består företrädesvis av en höglegerad nickel- molybden-förening, t ex Hastelloy C, och kan vara förnicklad.

Som hårdlod för förbandet 17 mellan genomföringskroppen 14 och hylsan 16, kan silverkoppareutektikum användas.

Fuktsensorns 10 elektriska anslutning sker via genomförings- ledare 18, 20 vilka dragits genom genomföringskroppen 14 på ett tryckhållfast sätt. Genomföringsledarna 18, 20 är exempel- vis stift av_Kovar.

Fuktsensorns 10 konstruktion förstås bäst från den följande beskrivningen av ett föredraget tillverkningsförfarande. 7 P Det keramiska formstycket som utgör genomföringskroppen-14 uppvisar två axiella borrningar 22, 24 (fig 2), vilka mot framsidesänden övergår i koniska utvidgningar 26, 28. Genom- föringsledarna (Kovarstift) 18, 20 införs i borrningarna 22, 24 så att de når fram till och in i de koniska utvidgningarna 26, 28, och de förbinds tryckhållfast med genomföringskroppen 14 med hårdlod 30, 32, vilket också fyller ut de koniska ut- vidgningarna 26, 28. Som hårdlod kan återigen silverkoppareu- tektikum användas. Efter fastlödningen av genomföringsledarna 18, 20 planslipas och poleras genomföringskroppens 14 front- yta 34 tillsammans med lödställena på framsidan. Hårdlodet 30, 32 som finns i det koniska utvidgningarna 26, 28 bildar då ^kontaktytor 36, 38 på framsidan, vilka ligger i ett plan med 'fl 450 664 genomföringskroppens 14 frontyta 34.

Härefter anbringas ett tunt aluminiumskikt 40 på en del av genomföringskroppens 14 frontyta så att detta täcker kontakt- ytan 36 men lämnar kontaktytan 38 fri.I det återgivna utfö- ringsexemplet är aluminiumskiktet 40 halvcirkelformigt. An- bringandet av aluminiumskiktet 40 sker enligt något känt tunn- skiktstekniskt förfarande, exempelvis genom katodisk för- stoftning (sputtring) eller förångning. Aluminiumskiktet har en tjocklek av mer än l pnn och beläggningen sker så att en god elektrisk kontakt mellan aluminiumskiktet 40 och kontakt- ytan 36 uppnås. På detta sätt är aluminiumskiktet 40 galva- niskt förenat med genomföringskroppen 14.

Det är fördelaktigt att anordna ett diffusionsspärrskikt av titannitrid eller något annat lämpligt material, mellan kon- taktytan 36 och aluminiumskiktet 40. Detta spärrskikt förhind- rar diffusion av koppar- och silveratomer från hårdlodet 30 in i aluminiumet i aluminiumskiktet 40. En sådan förorening skulle kunna verka störande vid den efterföljande anodise- ringsprocessen. Anbringandet av spärrskiktet (vilket inte är återgivet i ritningen) kan också ske med något känt tunn- skiktsteknåskt förfarande, naturligtvis i ett arbetsmoment som föregår anbringandet av aluminiumskiktet 40.

Formen på aluminiumskiktet 40 och spärrskiktet, om ett sådant föreligger, kan erhållas med hjälp av en hålmask. Detta inne- bär en avsevärd tids- och kostnadsbesparing gentemot den annars inom tunnskiktsteknik vanliga formningen på fotoli- tografisk väg.

Efter utbildandet av aluminiumskiktet 40, framställs på dess översida ett 0,0006 mm tjockt poröst aluminiumoxidskikt 42 genom anodisk oxidation, vilket omhöljer aluminiumskiktet 40 på alla sidor. För detta krävs det speciellt att frontytan 34 och köntaktytan 36 är jämna och i samma plan och uppvisar en 450 664 mycket ringa skrovlighet.

Härefter anbringas ett tunt, vattengenomsläppligt metallskikt 44 så att det delvis överlappar aluminiumskiktet 40 och det på detta bildade aluminiumoxidskiktet 42, och att det för övrigt ligger på genomföringskroppens 14 frontyta 34 så att det täcker den frilämnade kontaktytan 38. Metallskiktet 44 kan bestå av guld, nickel, krom eller någon liknande metall eller också av flera på varandra liggande skikt av olika metaller.

Detta skikt anbringas också med något vanligt tunnskiktstek- niskt förfarande, företrädesvis med användning av en hålmask, varvid man återigen man måste se till att en god elektrisk kontakt mellan metallskiktet 44 och kontaktytan 38 uppnås.

Slutligen anbringas ett kontaktförstärkande skikt 46 på den del av metallskiktet 44 som täcker kontaktytan 38, varvid det kontaktförstärkande skiktet 46 företrädesvis består av guld och säkerställer en god elektrisk kontakt mellan metallskiktet 44 och kontaktytan 38.

Aluminiumskiktet 40 bildar bottenelektrod och metallskiktet 44 toppelektroden av en kondensator, vars dielektrikum utgörs av det poröšaåaluminiumoxidskiktet 42. Den porösa aluminiumoxiden är det egentliga fuktkänsliga elementet i absolut-fuktsensdïn, då det absorberar vattenånga från resp avger vattenånga till omgivningen. Kondensatorns impedans är beroende av aluminium- oxidskiktets 42 vattenhalt, och därför ett mått på vattenång- halten i den omgivande gasen.

Hylsan 16 insätts trycktätt i öppningen av ett icke återgivet inskruvningsstycke, och svetsas samman med detta. Vid använd- ning av absolut-fuktsensorn inskruvas inskruvningsstycket med hjälp av dess gänga i väggen på en behållare, ett rör eller annat utrymme i vilket det medium befinner sig vars fuktighet skall mätas. De elektriska anslutningarna till kondensatorn, som utgörs av fuktsensorn, förs sedan utåt genom 450 664 genomföringskroppen 14, med vilken de är tryckhållfast för- bundna, så att de inte kommer i kontakt med mätmediet. Endast de beståndsdelar i fuktsensorn som :ned tunnskiktsteknik ska- pats på genomföringskroppens frontyta 34, utsätts för mätme- diet. Därgenom har alla möjliga orsaker till mätfel i stor utsträcking undanröjts. I mätutrymmet finns inga hörn och springor och inget organiskt material, såsom limställen vilka kan verka som fuktgömmor och ge en felaktig mätning. Fukt- sensorns kapacitans mot jord och därmed känsligheten mot yttre elektromagnetiska växelfält är liten. Eftersom anslutninga- ledarna inte kommer i kontakt med mätmediet, existerar ingen fara för parallellmotstånd, som kan påverka den högohmiga mätningen. Fuktsensorns konstruktion är mycket stabil och tryckhållfast, så att den lämpar sig särskilt för användning under extrema tryckförhållanden eller i områden som är utsatta för explosionsfara. Tillverkningen kan ske med användning av konventionell tunnskiktsteknik, utan mekanisk precisionsbear- betning och kan i stor utsträckning automatiseras. Fukt- sensorn enligt uppfinningen kan naturligtvis också användas för mätning av den relativa fuktigheten, om man i mätningen inbegriper en temperaturmätning.

Claims (21)

450 664 PATENTKRAV

1. l. Fuktsensor av tunnskiktstyp för mätning av absolut fuk- tighet innefattande en genomföringskropp, på vars framsida finns anordnat en metallisk bottenelektrod, ett fuktkänsligt dielektriskt skikt och en metallisk toppelektrod, och med åtminstone en genomföringsledare som dragits tvärs igenom genomföringskroppen, varvid genomföringsledaren är förbunden med en av de båda elektroderna på ett elektriskt ledande sätt, k ä n n e t e c k n a d av att genomföringskroppen (14) består av elektriskt isolerande material, att åtminstone två genomföringsledare (18, 20) på ett avstånd från varandra är dragna tvärs igenom genomföringskroppen (14) på ett sådant sätt att dessa kontaktytor (36, 38) på framsidan ligger i sam- ma plan som genomföringskroppens (14) frontyta (34), vidare av att bottenelektroden (40) är anbringad på en del av genomfö- ringskroppens (14) frontyta (34), så att den täcker en genom- föringsledares (18) kontaktyta (36) och är förbunden med denna på ett elektriskt ledande sätt, vidare att det fuktkänsliga dielektriska skiktet (42) är anbringat på bottenelektroden (40), och att toppelektroden (44) är anbringad på åtminstone en del av det fuktkänsliga skiktet (42) och på åtminstone en del av denåav bottenelektroden (40) icke täckta frontytan (3 ) på genomföringskroppen (14) på så sätt att den täcker"en ytterligare genomföringsledares (20) kontaktyta (38) och är förbunden med denna på ett elektriskt ledande sätt.

2. Fuktsensor enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att genomföringsledarna (18, 20) är hårdlödda i genomföringskrop- pen (14), och att genomföringskroppens frontyta (34) tillsam- mans med lodförbanden (30, 32) är planslipade och polerade.

3. Fuktsensor enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d av-att det i genomföringskroppen (14) finns borrningar (22, 24) ämna- de för genomföringsledarna (18, 20), vilka borrningar utvid- gar sig mot genomföringskroppens (14) frontyta, och att W 450 664 borrningarnas (22, 24) utvidgningar (26, 28) är fyllda med hårdlod (30, 32L

4. Fuktsensor enligt något av kraven l - 3, k ä n n e ~ t e c k n a d av att genomföringskroppen (14) utgörs av ett keramiskt formstycke.

5. Fuktsensor enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d av att det keramiska formstycket (14) består av aluminiumoxid.

6. Fuktsensor enligt något av kraven l - 5, k ä n n e - t e c k n a d av att genomföringskroppen (14) är insatt i öppningen av en hylsa (16) och förbunden med denna på ett tryckhållfast sätt.

7. Fuktsensor enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a d av att hylsan (16) består av en höglegerad nickel-molybden-förening.

8. Fuktsensor enligt något av de föregående kraven, k ä n - n e t e c k n a d av att bottenelektroden (40) och toppe- lektroden (44) utgörs av metallskikt vilka anbringats med tunnskiktsteknik.

9. Fuktsensor enligt något av de föregående kraven, k ä n - n e t e c k n a d av att bottenelektroden (40) består av alu- minium, och att det fuktkänsliga dielektriska skiktet (42) utgörs av ett som tunnskikt utbildat poröst aluminiumoxidskikt vilket framställts genom anodisk oxidation av aluminiumets fiOppYLa .

10. Fuktsensor enligt något av de föregående kraven, k ä n - n e t e c'k n a d av att det fuktkänsliga dielektriska skiktet (42) är ungefär 0,0006 mm tjockt.

11. ll. Fuktsensor enligt krav 9 eller 10, k ä n n e t e c k - n a d av att det mellan bottenelektroden (40) och den där 450 664 10 under befintliga kontaktytan (36) finns anordnat ett diffu- sionsspärrskikt.

12. Fuktsensor enligt krav ll, k ä n n e t e c k n a d av att diffusionsspärrskiktet består av titan-nitrid.

13. Fuktsensor enligt något av de föregående kraven, k ä n - n e t e c k n a d av att det som kontaktförstärkning an- bringats ett metallskikt (46) på den del av toppelektroden (44) som är belägen ovanför den tillkommande genomföringsledä- rens (20) kontaktyta (38L

14. Förfarande för framställning av en fuktsensor av tunn- skiktstyp för mätning av absolut fuktighet k ä n n e t e c k- n a t av att det i en genomföringskropp (14) som består av elektriskt isolerande material, görs åtminstone två axiella borrningar (22, 24) på ett avstånd från varandra, vilka mot genomföringskroppens (14) framsida utvidgar sig, vidare av att deti.varje borrning anordnas en genomföringsledare(l8, 20) på så sätt att den sträcker sig in i utvidgningen (26, 28L att varje genomföringsledare (18, 20) förbinds med genomföringskroppen (14) med hårdlod (30, 32), vilket fyller ut utvidgningen (26, 28), vidare av att genomföringskroppens (14) frontyta (34) tillsammans med det i varje utvidgning (26, 28) befintliga hårdlodet (30, 32), planslipas och poleras, vidare av att det på en del av frontytan (34) anbringas ett metallskikt som utgör bottenelektroden (40) på så sätt att den blir förbunden på ett elektriskt ledande sätt med hårdlodet (30) som finns i en utvidgning (26) och att den inte täcker hårdlodet (32) som finns i en andra utvidgning (28), vidare av att det på metallskiktet (40) skapas ett fuktkänsligt dielektrïskt skikt (42), och av att det på den av bottenelektroden (40) icke täckta delen av frontytan (34)-och på åtminstone en del av det fuktkänsliga skiktet (42) anbringas ett tillkommande metallskikt som utgör toppelektroden (44) på så sätt att skiktet blir förbundet på a fd 450 664 11 ett elektriskt ledande sätt med hårdlodet (32) som finns i den andra utvidgningen (ZBL

15. Förfarande enligt krav 14, k ä n n e t e c k n a t av att det anbringas ett diffusionsspärrskikt innan anbringandet av metallskiktet som utgör bottenelektroden (4OL

16. Förfarande enligt krav 14 eller 15, k ä n n e t e c k - n a t av att det på åtminstone en del av metallskiktet som utgör toppelektroden (44), anbringas ytterligare ett metall- skikt (46) som kontaktförstärkning.

17. Förfarande enligt kraven 14 - 16, k ä n n e t e c k - n a t av att det fuktkänsliga systemets skikt (40, 42, 44, 46) tillverkas med tunnskiktstekniska metoder.

18. Förfarande enligt krav 17, k ä n n e t e c k n a t av att metallskikten (40, 44,46) anbringas genom katodisk för- stoftning (sputtringL

19. Förfarande enligt krav 17, k ä n n e t e c k n a t av att metallskikten (40, 44, 46) anbringas genom förångning.

20. Förfarande enligt något av kraven 17 - 19, k ä n n e I' t e c k n a t av att formningen av metallskikten (40, 44, 46) vid anbringandet sker med hjälp av hålmasker.

21. Förfarande enligt något av kraven 14 - 20, k ä n n e - t e c k n a t av att metallskiktet som utgör bottenelektro- den (40) tillverkas av aluminium, och att det fuktkänslíga di- elektriska skiktet (42) framställs genom anodisk oxidation av aluminiumskiktets (40) toppyta.