DE2456384A1

DE2456384A1 - Fuehlelement zur elektrischen messung von neigungen

Info

Publication number: DE2456384A1
Application number: DE19742456384
Authority: DE
Inventors: Pierre Gernet; Harry Dipl Ing Chem Dr Zuest
Original assignee: Oerlikon Contraves AG
Current assignee: Rheinmetall Air Defence AG
Priority date: 1973-12-20
Filing date: 1974-11-28
Publication date: 1975-07-03
Also published as: JPS5712084B2; FR2255579B1; JPS5096255A; ATA857274A; GB1495489A; DE2456384B2; AT348267B; FR2255579A1; NL166788C; NO744525L; NL7414381A; SE7414922L; IT1025892B; DE2456384C3; DD114677A5

Description

Dipl.-Ing. H. MITSCHERLICH Ο —8 MÜNCHEN

DipL-ing. K. GUNSCHMANN S*in-.dorfstraBe

Dr. rer. not. W. KÖRBER ^ r« ·»«» Dipl.-Ing. J. SCHMIDT-EVERS

PATENTANWÄLTE ' ^2δ· NOV.. 197.4.

Dr.Kö/Ne

CONTRAVES AG.
Zürich/Schweiz

Schaffhauserstr. 58o

Patentanmeldung

.Fühlelement zur elektrischen Messung von Neigungen

Die Erfindung betrifft eine Libelle oder Fühlelement zur elektrischen Messung von Neigungen bzw. zum Bestimmen des wahren Lots bei ruhenden Körpern und des Scheinlots bei bewegten Körpern. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Fühlelement zur Lotbestimmung durch Messen einer in Abhängigkeit der Verkantung ändernden elektrischen Impedanz zwischen flächigen Elektroden, die mit einer in einem Behälter enthaltenen Flüssigkeit in Kontakt und mit je einem von aussen kontaktierbaren Elektrodenanschluß verbunden sind.

Es sind solche Fühlelemente bekannt, die in der Form von Röhrenlibellen zum Anzeigen der Neigung in nur eine Richtung und in der Form von Dosenlibellen zum Anzeigen der Neigung in allen Richtungen ausgebildet sind. Es ist bekannt, zur Herstellung solcher Fühlelemente in Kombination mit Elektroden aus gut leitendem Material eine Elektrolytlösung von guter Leitfähigkeit zu verwen-

— 2 —

■Sfl98?77 nan

den, beispielsweise eine Lösung eines Alkalihalogenide in einem Alkohol, und den Behälter mit dieser Lösung teilweise zu füllen, wobei eine Gasblase übrigbleibt, deren Position die Stromlinien zwischen den Elektroden und somit die gemessene Impedanz bestimmt; die Änderung der Impedanz zwischen zwei Elektroden wird in Abhängigkeit der Verkantung des Fühlelements durch die Änderung der Gleichgewichtsposition der Flüssigkeit bzw. der Gasblase im Behälter erzeugt. Es ist auch bekannt, Elektroden in eine elektrisch isolierende Wandung des Behälters einzulassen und die der Flüssigkeit zugewandte Seite dieses Gebildes als Ausschnitt einer hohlen kugel- oder ringförmigen Oberfläche zu formen. Auf eine gegenüberliegende Wandung wird oft eine sogenannte Basiselektrode angebracht, wobei die mit Elektroden versehenen Wandungen mindestens eine gemeinsame, in Normalstellung vertikale Symmetrieebene aufweisen. Die einzelnen Elektrodenanschlüsse werden mit den entsprechenden Elektroden durch Leitungen verbunden, die durch die Wandungen durchgeführt werden, sofern nicht Elektrode, Leitung und Elektrodenanschluß aus einem einzigen Teil bestehen, der in der Wandung verkittet liegt und sie durchquert.

Die Anforderungen bezüglich der geometrischen Form und Position der Elektroden"und der Wandungen stehen in direktem Zusammenhang mit der erwünschten Präzision der Neigungsmessung und werden besonders durch den Trend zur· Miniaturisierung der Fühlelemente verschärft. Als Fühlelement-Kennlinie, d. h. als Variation der gemessenen Impedanz in Abhängigkeit der Verkantung, wird eine vorgegebene, meist lineare Funktion angestrebt, wobei es schwierig ist, die Abweichung der Kennlinie von der Linearität sowie den Einfluss der Temperatur, welche über die Ausdehnung der Flüssigkeit die Dimension der

50 9827/08 04

Gasblase beeinflusst, möglichst klein zu halten.Dazu ■ kommen Anforderungen an Dichtigkeit, an Korrosionsbeständigkeit, an mechanischer Beständigkeit usw. Angesichts all dieser Anforderungen sind das Einsetzen und Verkitten der Elektroden in die Wandungen und das Schleifen dieser Gebilde auf die erwünschte präzise Form ziemlich schwierige und kostspielige Pertigungsvorgänge, bei denen trotz aller Maßnahmen eine hohe Ausschußquote und eine ungenügende Zuverlässigkeitsrate' des Erzeugnisses in Kauf zu nehmen sind.

Es ist bekannt, die durch das Einsetzen und Verkitten der Elektroden in die Wandungen und das Schleifen dieser Gebilde entstehenden Schwierigkeiten dadurch zu umgehen, daß die Elektroden aus als Paste oder Lack aufgetragenen Schichten ausgebildet sind, z. B. aus entsprechend aufgetragenen Platin- oder SiIberschichten. Dies ermöglicht zwar, aus je einer und der gleichen Schicht je eine Elektrode, einen zugehörigen Elektrodenanschluß und eine diese verbindende Leiterbahn auszubilden, wobei die Leiterbahnen vom Innern des Behälters nach außen an Verklebungsstellen hindurchgeführt werden, an welchen die zu einem Behälter zusammengefügten Bestandteile des Fühlelements in Berührung stehen. Bei dieser Lösung· ist aber nachteilig, dass bei gewissen Anwendungen z. B. im Militärbereich zum Horizontieren eines Geschützes die erforderliche geometrische Präzision des !Fühlelements wegen der Schichtdicke und Rauhigkeit der als Paste oder Lack aufgetragenen Elektroden bei weitem nicht erreichbar ist; dies betrifft sowohl die Präzision der 3?orm der inneren Wandung des Behälters im Bereich der Elektroden wie die Präzision des Zusammenfügen des Behälters an den Verklebungsstellen im Bereich der Leiterbahnen. Anderer-

BO9827/0804

seits ist auch nachteilig, daß die Haftfestigkeit der aufgetragenen Schichten u.a. bei der erwähnten Anwendung den Anforderungen nicht genügt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine neuartige Konstruktion eines Fühlelements zu schaffen, welche ein wesentlich preisgünstigeres Fertigungsverfahren ermöglicht und nicht nur bestehende Anforderungen zufriedenstellender erfüllt, sondern auch noch die Anpassung der Fühlelement-Kennlinie an den Anwendungszweck durch eine freiere Wahl der Elektrodenform verbessert.

Es wurde gefunden, daß die Lösung dieser Aufgabe durch Verwendung der sogenannten Dünnschichttechnik erleichtert wird. Unter Dünnschichten, wie sie beispielsweise in der Herstellung von elektronischen Bauelementen verwendet werden, versteht man solche Schichten, die auf einer" Unterlage gebildet werden, wobei die Schichtdicke üblicherweise unterhalb 5 μ und meist im Bereich von 0,01 bis 1 a. bleibt. Die zum Bilden von Dünnschichten in Betracht kommende Verfahren sind beispielsweise das Aufdampfen, das Zerstäuben, das Galvanisieren, das chemische Abscheiden, das Auftragen von Paste, wobei andere, dem Stand der Technik entsprechende Verfahren keineswegs ausgeschlossen sind, wie beispielsweise das Anodisieren zum Bilden von isolierenden Dünnschichten auf gewissen Metallen. Hingegen sind hiervon die sogenannten Dickschichten ausgeschlossen, die u.a. durch Auftragen von Paste oder Lack z. B. im Siebdruckverfahren gebildet werden, und deren Dicke typisch im Bereich von 20 u liegt.

- 5 -509827/0804

Erfindungsgemäß wird ein Fühlelement dadurch gekennzeichnet, daß mindestens auf einer der Flüssigkeit zugewandten, elektrisch isolierenden Oberfläche einer Wandung des Behälters eine Elektrode als auf. dieser oberflächliche aufgetragene Dünnschicht ausgebildet ist.

Solche als Dünnschicht aufgetragene Elektroden sind nicht wesentlich über die Oberfläche der Wandung erhaben; die um die Dicke der Elektrodenschicht stattfindende Überhöhung der Elektrodenoberfläche hat im wesentlichen keine Auswirkungen auf die Gleichgewichtsposition der Flüssigkeit bzw. der Gasblase.

In einer bevorzugten Ausbildung der als Dünnschicht aufgetragenen Elektroden sind diese mehrschichtig beschaffen. Auf der äusseren, der Wandung abgekehrten Seite des mehrschichtigen Elektrodengebildes befindet sich eine aufgedampfte, elektrochemisch aktive schwarze Schicht, welche nach dem Aufdampfen vorteilhafterweise galvanisch behandelt ist.

Mit solchen elektrochemisch aktiven schwarzen Schichten lassen sich eine bessere Benetzung durch die Libellenflüssigkeit sowie,eine Verringerung des Übergangswiderstandes zwischen den Elektroden und der Flüssigkeit erreichen.

In einer Libelle mit nach dieser Ausbildung beschaffenen Elektroden bestehen diese beispielsweise aus a) einer bis zu etwa 0,2 η. dicken Haftschicht aus 50 : 50 Hi-Cr-Legierung; b) einer bis zu etwa 0,06 u." dicken Schutz-

509827/0804

-■ 6 -

schicht aus Gold; und c) einer bis zu etwa 1,1 u dicken Schicht aus Goldschwarz. Die Haftschicht und die Schutzschicht werden unter üblichen Vakuumbedingungen aufgedampft. Das Aufdampfen der Goldschwarzschicht erfolgt bei Anwesenheit von Stickstoff- oder Helium-Restgas im Druckbereich von 0,1 bis 2 Torr mit hoher Aufdampfgeschwindigkeit. Als Gas ist auch z. B. Argon verwendbar, und die schwarzen Beläge können statt aus Gold auch aus anderen Edelmetallen wie z. B. Platin, Iridium, Rhodium, Osmium usw. oder auch aus gewissen Übergangselementen wie z. B. Antimon, Wismut usw. sowie aus deren Legierungen bestehen.

In einer anderen Ausbildung bestehen die Elektroden aus a) einer Haftschicht und b) einer Schutzschicht wie im vorangehenden Beispiel, ferner aus c) einer aufgedampften oder durch Zerstäuben gebildeten metallischen Plastinschicht, und d) aus einer galvanisch abgeschiedenen, bis zu etwa 1 u dicken Platinschwarz-Schicht. Die metallische Platinschicht unter c) kann auch galvanisch mit einer Dicke bis zu etwa 1 u gebildet werden.

Bei all diesen Beispielen bleibt die Gesamtdicke der Dünnschicht elektroden im wesentlichen unterhalb 5 V--

Mit den als Dünnschicht aufgetragenen Elektroden wird der Vorteil erreicht, daß die vom Wandungsmaterial und vom Elektrodenmaterial zu fordernden Eigenschaften voneinander unabhängig sind, so daß die Wahl der Materialien durch keine Forderung nach Kompatibilität eingeschränkt wird.

- 7 509827/0804

Das Material einer "Wandung wird mit Vorteil vor dem Auftragen der Elektroden auf die gewünschte geometrische Form gebracht, es ist also nur homogenes Material zu ■bearbeiten und nicht, wie bei bekannten Ausführungen, ein inhomogenes Gebilde aus Isolier-, Elektroden- und Kittmaterial. Die mechanische Bearbeitung wird entsprechend erleichtert und verbilligt. Es ist bekannt, für das Material einer Wandung einen elektrisch isolierenden Stoff zu verwenden, auf welchem die erfindungsgemässen Elektroden aufgetragen sind: es wird meist Hartglas angewendet, das im Handel als Pyrex oder Duran wohlbekannt ist. Durch das erfindungsgemässe Auftragen . einer Elektrode als Dünnschicht wird aber auch die Variante ermöglicht, wonach eine Wandung aus elektrisch leitendem Material ausgebildet ist, beispielsweise aus einem korrosionsbeständigem Metall wie Tantal oder Edelstahl, oder noch aus Silizium.

In dieser Herstellungsweise ist erfindungsgemäß eine aus elektrisch leitendem Material bestehende Wandung des Fühlelements mindestens auf ihrer der Flüssigkeit" zugewandten Oberfläche von einem als Dünnschicht aufgetragenen, elektrisch isolierenden Material überzogen, wodurch eine Wandung mit elektrisch isolierender Oberfläche geschaffen ist.

Das Auftragen solcher Isolierstoffe ist in der Dünnschichttechnik wohlbekannt. Angewendet werden z. B. das Zerstäuben von Oxiden im Hochfrequenzfeld oder das oxidative Zerstäuben von geeigneten oxidbildenden Metallen. Im Fall der Verwendung von Tantal und Silizium kann eine extrem dünne aber hochisolierende Oxidschicht durch Anodisieren gebildet werden. Auch Schichten aus Kunststoff können aufgetragen werden.

S09827/0804

Der Vorteil dieser erfindungsgemässen Variante ist, daß für das Material der Wandung ein Stoff auf Grund dessen Beständigkeit, leichterer oder präziserer Bearbeitung und ähnlicher Eigenschaften ohne Einschränkung auf Grund des elektrischen Verhaltens gewählt werden kann. Dem Material der Wandung wird mit Vorteil zunächst die gewünschte geometrische Form gegeben, und erst danach wird die der Flüssigkeit zugewandte Oberfläche mit einer Isolierschicht versehen, auf welche die gegebenenfalls benötigte Anzahl Elektroden aufgetragen wird.

Dank dem erfindungsgemässen Auftragen der Elektroden auf die elektrisch isolierende Oberfläche der Wandungen des Behälters kann die Form der Elektroden zum Erreichen der gewünschten Kennlinie optimiert werden.

Es ist bekannt, daß die großstmögliche Steilheit einer linearen Kennlinie mit einem Elektrodensatz erreicht wird, das aus einer Basiselektrode und, für jede direkt zu erfassende Verkantungsebene, aus einem Paar annährend als Kreisflächen ausgebildeter Elektroden besteht, wobei einerseits das Elektrodenpaar und andererseits die Basiselektrode um eine gemeinsame Symmetrieebene symmetrisch sind. Bei dieser annährend kreisflächigen Form der Elektroden ist nachteilig, daß eine temperaturbedingte Änderung der Gasblasendimension sich stark auf die Steilheit der Kennlinie auswirkt.

Es ist auch bekannt, den Elektroden einen rechteckigen Umriß zu geben, wobei je ein Seitenpaar eines Rechtecks parallel zu einer Symmetrieebene des Fühlelementes verläuft. Insofern dieser Umriß einem schmalen Streifen

- 9 509827/0804

gleichkommt, dessen Längsrichtung in der zu erfassenden Verkantungsebene liegt und dessen Enden relativ weit entfernt sind von der Abgrenzungslinie zwischen der Gasblase, der Elektrolytlösung und dem Behälter, ist die Kennlinie des. Fühlelements ziemlich unabhängig vom geometrischen Umriß des Streifens im Bereich dieser Enden; dadurch kann auf bekannte Weise diesen Enden eine beliebige, z. B. abgerundete Form gegeben werden. Nachteilig ist bei dieser Lösung, daß sie an die Dimension des Fühlelements Anforderungen stellt, die zu den Anforderungen der Miniaturisierung im Gegensatz stehen: der Einfluß der Gasblasendimension und die Abweichung von der Linearität'der Kennlinie werden nur dann kleingehalten, wenn die Breite der Elektrodenstreifen klein ist gegenüber deren Länge und.gegenüber der Gasblasendimension.

Es wurde gefunden, daß eine lineare Kennlinie bei einer anderen, besonderen Form der Elektrodenflächen erreicht werden kann, wobei mit dieser besonderen Form der Einfluß der Gasblasendimension auf dre Steilheit der Kennlinie sehr vermindert wird.

Erfindungsgemäß sind in einem Fühlelement mindestens zwei flächige Elektroden in an sich bekannter Weise als um eine in Normalstellung vertikale Ebene symmetrisches Paar einander zugeordnet, und der Umriß einer Elektrodenfläche ist der auf die Oberfläche, der Wandung senkrecht projizierte Umriß eines ebenen Vierecks, das aus einem zur Symmetrieebene parallele Seiten aufweisenden Rechteck durch Einsetzen von Kreisbogen mit zur Symmetrieebene zugewandter Konkavität anstelle der besagten Seiten abgeleitet ist.

509827/0804 - 10 -

■ - ic -

Vorzugsweise bestellen in einem Elektrodenpaar die Umrisse der Elektroden aus der Projektion zweier symmetrischer Vierecke, deren kreisbogenförmige Seiten als gleiche Bogen zweier gleichen, sich auf der Symmetrieebene schneidenden Kreise ausgebildet sind..

Bei einer solchen Ausführung.des erfindungsgemässen Fühlelements werden die Impedanzen zweckmassigerweise zwischen der Basiselektrode, und je einer Elektrode des Elektrodenpaars als Glied einer in Normalstellung abgeglichener Brücke erfaßt, und der von der Verkantung verursachte Abgleichfehler entspricht' der Kennlinie des Fühlelements. Eine möglichst lineare Kennlinie und eine möglichst geringe Abhängigkeit der Kennlinie von der Gasblasendimension wird erreicht, wenn die Gasblase in Normalstellung etwa die Hälfte jeder Elektrode abdeckt. Das Fühlelement kann sowohl röhrenförmig mit einem einzigen Elektrodenpaar und einer Basiselektrode als auch dosenförmig mit zwei Elektrodenpaaren und einer Basiselektrode ausgebildet sein, wobei das Fühlelement im ersteren Fall eine, im letzteren Fall zwei zueinander senkrechte Symmetrieebenen aufweist; Varianten mit drei oder mehr Elektrodenpaaren und Symmetrieebenen sind zwar nicht besonders zweckmässig, jedoch nicht ausgeschlossen.

Mit dem erfindungsgemässen Auftragen der Elektroden als Dünnschichten auf die elektrisch isolierende Oberfläche der Wandungen des Behälters wird es auch möglich, durch Anwendung anderer Elektrodenumrisse diverse nicht-lineare Kennlinien zu erzielen, beispielsweise und je nach Anwendungszweck quadratische, logarithmische und sonstige Kennlinien. Dank der mit der Dünnschichttechnik erreichbaren Präzision der Elektrodenumrisse werden nicht nur

- 11 50 9 8 27/0804

- 1Ί -

die erwähnten neuen Möglichkeiten eröffnet, auch die Reproduzierbarkeit der Erzeugnisse wird gegenüber den bekannten Ausführungen wesentlich erleichtert und verbessert. ·

Ein weiterer Torteil des erfindungsgemässen Auftragens der· Elektroden als Dünnschichten ist, daß zur Verbesserung deren Haftfestigkeit und der Korrosionsbestän-rdigkeit die Elektroden auf in der Dünnschichttechnik bekannte Weise mehrschichtig sein können. Es sind praktisch alle bekannten Kombinationen einer haftverbessernden unteren Schicht und einer elektrisch und chemisch vorteilhaften oberen Schicht anwendbar; beispielsweise wird auf einer Wandung aus Hartglas eine Dünnschicht, aufgetragen, die aus einer unteren Schicht aus Nickel-Chrom-Legierung und einer oberön Schicht aus Gold oder Platin besteht. Es sind viele isolierende Kunststoffe bekannt, die durch das Auftragen gewisser Dünnschichten beispielsweise-aus Aluminium oder· Gold nicht verletzt werden, so daß u.a. diese Metalle als untere Schicht verwendet werden können, um das Auftragen von Elektroden auf kunststoffbeschichtete Wandungen zu verbessern und die Anwendung solcher oberflächenisolierter-Wandungen zu erleichtern. " .

Wie bereits erwähnt, werden in den bekannten Ausführungen eines Fühlelements die einzelnen Elektrodenanschlüsse · mit den entsprechenden Elektroden durch Leitungen verbunden, die durch die Wandungen oder an Verklebungsstellen durchgeführt werden, was Schwierigkeiten in bezug auf die Herstellungskosten, die Präzision und die Zuverlässigkeit der Fühlelemente verursacht und in manchen Fällen die Anwendung von elektrisch leitendem Material

9827/0804 - 12

für die Wandungen des Behälters praktisch ausschließt. Es wurde gefunden, daß die Lösung auch dieser Probleme durch Verwendung der Dünnschichttechnik erleichtert wird.

Erfindungsgemäß ist eine Elektrode mit einem zugehörigen .Elektrodenanschluß auf an sich bekannte Weise durch eine Leiterbahn elektrisch verbunden, die als Dünnschicht in an sich bekannter Weise auf elektrisch isolierende Oberflächenteile von zu einem Behälter zusammenfügbaren Bestandteilen des Fühlelements aufgetragen ist.

Damit wird der Vorteil erreicht, daß die Leiterbahnen dank deren geringer Schichtdicke vom Innern des Behälters nach außen an Verklebungsstellen hindurchgeführt werden, an welchen die zu einem Behälter· zusammengefügten Bestandteile des Fühlelements in Berührung stehen, ohne die Präzision des Fühlelements zu beeinträchtigen.

Es ist vorteilhaft, obschon nicht zwingend erforderlich, daß die Leiterbahnen und die Elektroden aus denselben Dünn schichten bestehen. Auch können die Leiterbahnen entweder freiliegend oder auf bekannte Weise durch eine darauf aufgetragene, elektrisch isolierende Dünnschicht abgedeckt sein. Im letzteren Fall kommen die Leiterbahnen nicht mit der Flüssigkeit in Kontakt, und sie tragen zur Elektrodenfläche nicht bei. Im ,ersteren Fall ist, wenn die in Kontakt mit der Flüssigkeit liegende Teilfläche der Leiterbahnen im Verhältnis zur Fläche der entsprechenden Elektroden klein ist, ein Abdecken nicht erforderlich; diese besonders günstige Ausführungsweise wird mit kurzen und schmalen Leiterbahnen erreicht.

— i 3 — $09827/0804

Durch, die Anwendung der Dünnschichttechnik ist noch, ein anderer, neuartiger Aufbau eines Fühlelements möglich. Es ist in der Dünnschichttechnik "bekannt, durch. Auftragen von gewissen Legierungen wie z. B. Nickel-Chrom-Legierungen Schichten zu schaffen, auf deren Oberfläche zwischen zwei beliebigen Stellen ein wesentlich grösserer elektrischer Widerstand gemessen werden kann als zwischen zwei gleich gelegenen Stellen auf der Oberfläche eines guten Leiters, z. B. einer dicken Kupferschicht. Das gleiche Resultat kann durch Auftragen einer extrem dünnen Schicht eines auch guten elektrischen Leiters erreicht werden. Bei der Herstellung von Widerständen in der Dünnschichttechnik werden meist beide Parameter, die Schichtzusammensetzung und die Schichtdicke, nutzbringend eingesetzt.

Es wurde nun gefunden, daß in einem Fühlelement vorteilhafterweise ein ansehnlicher elektrischer Widerstand in den Elektroden lokalisiert ist und diese Elektroden von einer relativ gut leitenden Flüssigkeit auf einem variablen Anteil ihrer Fläche kontaktiert werden, wobei dieser Anteil dadurch praktisch kurzgeschlossen wird.

In dieser Herstellungsweise ist-ein Fühlelement srfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß in Abwesenheit der Flüssigkeit der elektrische Widerstand zwischen zwei Stellen einer Elektrodenoberfläche wesentlich größer ist als bei Kontaktierung dieser Stellen durch die Flüssige keit.

Als Flüssigkeit kann Quecksilber verwendet werden, wodurch aber gewisse Hetalle wie Gold und Silber für die Aus-

- 14- 509827/0804

bildung der Elektroden ausgeschlossen sind- Bei genügend großem spezifischem Flächenwiderstand der Elektroden kann als Flüssigkeit auch eine an sich bekannte Fühlelement-Flüssigkeit, z. B. eine Alkalihalogenid-Lösung in einem Alkohol verwendet werden. Je nach Anwendungszweck des Fühlelements führen die zwischen organischen Lösungen und Quecksilber bestehenden Unterschiede in spezifischem Gewicht, Viskosität, Benetzungsvermogen usw. zur Wahl der einen oder der anderen Flüssigkeit, wodurch eine neue Möglichkeit für eine optimale Anpassung des Fühlelements an den Anwendungszweck gegeben ist.

Die Erfindung ist in der Zeichnung veranschaulicht und im nachstehenden beispielsweise erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines Fühlelements, im Schnitt, mit aus Dünnschichten bestehenden Elektroden, Leiterbahnen und Elektrodenanschlüssen versehen;

Fig. 2 die Küvette des Fühlelements nach Fig, 1, im Schnitt, mit zur besseren Veranschaulichung sehr vergrößert eingezeichneten Schichtdicke der Dünn s chi cht en;

Fig. 3 die Abdeckung des Fühlelements nach Fig. 1., im Schnitt, mit zur besseren Veranschaulichung sehr vergrößert eingezeichneten Schichtdicke der Dünn s chi cht en;

Fig. 4- die Abdeckung des Fühlelements nach Fig. 1, in Draufsicht, eine erste Ausführungsform der Elektroden zeigend;

Fig. 5 die Abdeckung des Fühlelements nach Fig. 1, in Draufsicht, eine zweite Ausführungsform der Elektroden zeigend;

Fig. 6 eine zweite Ausführungsform eines Fühlelements,

509827/0804

— "15 —

im Schnitt, mit aus Dünnschichten bestehenden Elektroden, Leiterbahnen und Elektrodenanschlüssen versehen.

Im nachfolgenden bezieht sich Beispiel I auf Pig. 1, 2, 3 und 4; Beispiel II bezieht sich insbesondere auf Pig.. 4; Beispiel III bezieht sich insbesondere auf Fig. 5» auch Beispiel IV und Beispiel V entsprechen der Fig. 5; und Beispiel IT bezieht sich insbesondere auf Fig. 6. In allen Zeichnungen wird auf gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen gedeutet.

Beispiel I

Gemäß Fig. 1,2, 3 und 4- besteht ein Fühlelement in der Form einer Dosenlibelle aus einer Küvette 1 und einer Abdeckung 2, die zusammengefügt und verkittet den Behälter des Fühlelements bilden, wobei in Normalstellung die Abdeckung oberhalb der Küvette und im wesentlichen waagerecht zu liegen kommt. Beide Teile sind aus Hartglas (Kunststoffglas). Die Küvette ist annährend ein zylindrischer Hohlkörper mit Boden, dessen Durchmesser innen 24- mm und außen 28 mm beträgt. An einer Stelle der Verbindung zwischen Zylinder 11 und Boden 12 ist. ein abschmelzbarer Abfüilstutzen 3 vorgesehen. Der Boden 12 ist etwa 2 mm dick. Der obere Rand 13 des Zylinders 11 ist eben geschliffen. Die Abdeckung 2 ist annähernd ein flacher Zylinder, dessen obere Seite 21 eben und dessen untere Seite 22 als Kugelabschnitt von 360 mm Radius geschliffen und poliert ist. Am zylindrischen Rand 23 gemessen beträgt die Höhe 3 mm· Der Durchmesser beträgt 28 mm, so daß sich Küvette 1 und Abdeckung 2 im äußeren Durchmesser exakt aneinanderfügen.

. - 16 509827/0804

Alle Elektroden 40, 44 bestehen aus zwei durch Aufdampfen übereinander aufgetragenen Schichten, einer unteren etwa 0,15 V· dicken Schicht 41 aus 50 : 50 M-Cr-Legierung und einer oberen etwa 0,02 u dicken Goldschicht 42. Die Leiterbahnen 43, 45 bestehen aus dem gleichen Dünnschicht-Material und sind nicht abgedeckt. Die Basiselektrode 44 erstreckt sich über den ganzen Boden 12 ' im Innern der Küvette 1 und.eine 1 mm breite Leiterbahn führt von der Basiselektrode längs einer inneren Mantellinie des Zylinders 11 über den Rand 13 und längs einer äußeren Mantellinie bis zu einem etwa in halber Höhe gelegenen Fleck 46 von 5 mm Durchmesser, der als Elektrodenanschluß dient. Vier kreisförmige Elektroden 40 von 7 mm Durchmesser sind auf der unteren Seite 22 der Abdeckung 2 aufgetragen, und zwar im Viereck mit jeweils 7 mm Abstand vom Zentrum einer Elektrode bis zum Zentrum der Abdeckung. Von Jeder Elektrode 40 läuft radial nach außen eine 1 mm breite Leiterbahn 43, die sich über die entsprechende Mantellinie des Rands 23 und über die " obere Seite 21 der Abdeckung 2 bis zu einem Fleck 47 von 5 nun Durchmesser erstreckt, der als Elektrodenanschluß dient.

Die Küvette 1 und die Abdeckung 2 sind aufeinander durch übliches Epoxyharz 5 (Araldit) verkittet. Der daraus gebildete Behälter ist mit einer 1,5 %igen Lösung von LiCl in Äthanol 6 gefüllt, wobei eine Gasblase 7 übrigbleibt, die bei Raumtemperatur einen Durchmesser von etwa 14 mm Durchmesser aufweist. In einer optimalen Brückenschaltung wird bei Raumtemperatur und bei einer Speisespannung von 1 Volt (400 Hz) typisch eine lineare Kennlinie von 50 mV/mrad + 10 % erreicht.

- 17 509827/0804

Beispiel II

Gemäß Pig. 4- ist ein Fühlelement von dem im Beispiel Γ beschriebenen Fühlelement darin abweichend, daß der Durchmesser der auf der Abdeckung aufgetragenen vier Elektroden 5 ma beträgt und der Durchmesser der Gasblase etwa 16 mm beträgt. Es wird typisch eine lineare Kennlinie von 140 mV/mrad + 10 % erreicht.

Beispiel III

Gemäss Fig. 5 ist ein Fühlelement von dem im Beispiel I beschriebenen «Fühlelement darin abweichend, daß eine andere Elektrodenform für die vier auf die Abdeckung aufgetragenen Elektroden angewendet wird. Diese Elektroden werden aus der senkrechten Projektion eines ebenen Vierecks abgeleitet, das zwei gerade und parallele Seiten von 6 mm Länge in 4 mm Abstand voneinander und zwei kreisbogenförmige Seiten von 7 mm Radius aufweist. Der größte Abstand zweier gegenüberliegenden Elektroden beträgt 8 mm, so daß die vordere kreisbogenförmige Seite einer Elektrode auf demselben Kreis liegt wie die hintere kreisbogenförmige Seite der gegenüberliegenden Elektrode. Der Durchmesser der Gasblase beträgt bei Raumtemperatur etwa 14- mm. Es wird typisch eine lineare Kennlinie von 60 mV/mrad + 10 % erreicht.

Beispiel IV ·

Ein Fühlelement ist von dem im Beispiel III beschriebenen Fühlelement darin abweichend, daß andere Abmessungen der Elektroden verwendet werden. Die Länge der geraden Seiten beträgt 4-,1 mm, so daß die kreisbogenformigen Seiten

. - 18 BO98 2 7/080U

der Elektroden nicht auf denselben Kreisen zu liegen kommen. Es wird typisch eine lineare Kennlinie von 160 mV/mrad + 10 % erreicht.

Beispiel V

Ein !fühlelement ist von dem im Beispiel IV beschriebenen Fühlelement darin abweichend, daß die Abdeckung aus Silizium besteht, das mit einer 0,2 u dicken, thermisch erzeugten, elektrisch isolierenden Oxidschicht überzogen ist. Es werden die gleichen Resultate wie im Beispiel IV erreicht.

Beispiel VI

Gemäss Fig. 6 ist ein Fühlelement von dem in Beispiel III beschriebenen Fühlelement darin abweichend, daß die Basiselektrode und die Leiterbahnen aus reinem Nickel, die vier auf der Abdeckung aufgetragenen Elektroden hingegen aus einer 0,01 u dicken Schicht einer 80 : 20 Ni-Cr-Legierung bestehen, und als Flüssigkeit Quecksilber verwendet wird. In Normalstellung kommt die Abdeckung 2 unterhalb der Küvette 1 zu liegen. Das Quecksilber bildet auf der Abdeckung einen Flüssigkeitstropfen 8 von etwa 14 mm Durchmesser. Es wird eine annähernd lineare Kennlinie von 50 mV/mrad erreicht.

Patentansprüche:

- 19 -

509827/0804

Claims

Patentansprüche

Λ.) Fühlelement zur Lotbestimmung durch Messen einer in Abhängigkeit der Verkantung ändernden elektrischen Impedanz zwischen flächigen Elektroden, die mit einer in einem Behälter enthaltenen Flüssigkeit in Kontakt und mit je einem von außen kontaktierbaren Elektrodenanschluß verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens auf einer der Flüssigkeit zugewandten, elektrisch isolierenden Oberfläche einer Wandung des Behälters (1) eine Elektrode (40, A4) als auf diese Oberfläche aufgetragene Dünnschicht ausgebildet ist.

2. Fühlelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus elektrisch leitendem Material bestehende Wandung des Fühlelements mindestens auf ihrer der Flüssigkeit zugewandten Oberfläche von einem als Dünnschicht aufgetragenen, elektrisch isolierenden Material überzogen ist, wodurch eine Wandung mit elektrisch isolierender Oberfläche geschaffen ist.

Fühlelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei flächige Elektroden (40) dm an sich bekannter Weise als um eine in Normalstellung vertikale Ebene symmetrisches Paar einander zugeordnet sind, und der Umriß einer Elektrodenfläche der auf .die Oberfläche der Wandung senkrecht projizierte Umriß eines ebenen Vierecks ist, welches aus einem zur Symmetrieebene parallele Seiten aufweisenden Rechteck durch Einsetzen von Kreisbogen

5 09827/0804 -20-

mit zur Symmetrieebene zugewandter Konkavität anstelle der besagten Seiten abgeleitet ist.

4. Fühlelement nach Anspruch 3i dadurch gekennzeichnet, daß in einem Elektrodenpaar die Umriße der Elektroden (4-0) aus der Projektion zweier symmetrischer Vierecke bestehen, deren kreisbogenförmige Seiten als gleiche Bogen zweier gleiche', sich auf der Symmetrieebene schneidenden Kreise ausgebildet sind.

Fühlelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrode (40) mit einem zugehörigen Elektrodenanschluß durch eine Leiterbahn (43) elektrisch verbunden ist, welche als Dünnschicht auf elektrisch isolierende Oberflächenteile von zu einem Behälter zusammenfügbaren Bestandteilen des Fühlelements aufgetragen ist.

6. Fühlelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Abwesenheit der Flüssigkeit der elektrische Widerstand zwischen zwei Stellen einer Elektrodenoberfläche wesentlich größer ist als bei Kontaktierung dieser Stellen durch die Flüssigkeit.

7. Fühlelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Dünnschichtelektrode (40, 44) mehrschichtig ausgebildet ist und daß sich auf der äußeren, der Wandung abgekehrten Seite des mehrschichtigen Elektrodengebildes eine aufgedampfte, elektrochemisch aktive schwarze Schicht befindet.

509827/0804 - 21 -

8. Fühlelement nach Anspruch 7> dadurch gekennzeichnet, daß die elektrochemisch aktive schwarze Schicht nach dem Aufdampfen galvanisch behandelt ist.

Der Patentanwalt

5098 27/0804