DE2456384C3 - Verfahren zur Herstellung einer Dünnschichtelektrode in einem Fühlelement zur Bestimmung einer Abweichung vom Lot - Google Patents

Description

eine der Flüssigkeit zugewendete, elektrisch isolierende Oberfläche eines Wandungsteiles des Behälters aufgetragen wird und anschließend in einem zweiten Verfahrensschritt eine zusätzliche Dünnschicht auf die vorgängig aufgetragene Dünnschicht aufgetragen wird, wobei dieser zweite Verfahrensschritt mindestens einmal als ein Aufdampfen von Gold in einer Vakuumkammer unter einem, auf dem Bereich von 0,1 bis 2 Torr reduzierten. Druck eines Restgases durchgeführt wird, wodurch eine elektrochemisch aktive schwarze Goldschicht während dieses letzten Verfahrensschriues aufgetragen wird.

Die erfindungsgemäß als Dünnschichten aufgetragenen Elektroden sind nicht wesentlich über die Oberfläche der Wandung erhaben und verändern daher die Geometrie des Behälters praktisch nicht

Das erfindungsgemäße mehrschichtige Auftragen dient der Verbesserung der Haftfestigkeit und der Korrosionsbeständigkeit Es sind praktisch alle Kombinationen einer haftverbessernden unteren Schicht und einer elektrisch und chemisch vorteilhaften oberen Schicht anwendbar; beispielsweise wird au^f einer Wandung aus Hartglas eine Dünnschicht aufgetragen, die aus einer unteren Schicht aus Nickel-Chrom-Legierung und einer oberen Schicht aus Gold 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.

Durch die oberste Schicht, nämlich die elektrochemisch aktive schwarze Goldschicht werden eine bessere Benetzung durch die Libellenflüssigkeit sowie eine Verringerung des Übergangswiderstandes zwischen der Flüssigkeit und den Elektroden erreicht

Das Material einer Wandung wird mit Vorteil vor dem Auftrage-¹, 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 üblich, als Wandungsmaterial ;inen elektrisch isolierenden Stoff zu verwenden, meist Hartglas. Alternativ kann die Wandung aber auch aus elektrisch leitendem Material ausgebildet sein, beispielsweise aus einem korrosionsbeständigrn Metall wie Tantal oder Edelstahl, oder auch aus Silizium. In diesem Fall wird zumindest dir der Flüssigkeit zugewandte Oberfläche der Wandung mit einer Dünnschicht aus elektrisch isolierendem Material überzogen, um eine Wandung mit elektrisch isolierendet· Oberfläche zu bilden, bevor das erfindungsgemäße Verfahren angewandt wird. Der Vorteil dieser Variante liegt darin, daß als Wandungsmaterial ein Stoff nach Gesichtspunkten der Beständigkeit, leichterer und präziserer Bearbeitung und dgl. ohne Einschränkung aufgrund des elektrischen Verhaltens gewählt werden kann. In diesem Fall wird die Isolierschicht nach der Formgebung aufgebracht.

Zweckmäßigerweise sind mindestens zwei Elektroden in bekannter Weise als um eine in Normalstellung vertikale Ebene symmetrisches Paar einander zugeordnet. Bei dieser Ausfünrung werden zweckmäßig die Impedanzen zwischen je eiTj-jr Elektrode des Paares und einer Basiselektrode als Glieder einer in Normalstelliing abgeglichenen Brücke erfaßt. Durch geeignete Formgebung der Elektrodenflächen wird eine lineare Kennlinie erzielt Eine relativ geringe Abhängigkeit der Kennlinie von der Gasblasendimension wird erreicht, wenn die ϊ Gasblase in Normalstellung etwa die Hälfte jeder Elektrode abdeckt

Alternativ können durch Anwendung anderer Elektrodenumrisse nichtlineare Kennlinien verschiedenster Form erzielt werden.

in Vorzugsweise ist die Leiterbahn, die eine Elektrode mit einem Elektrodenanschluß verbindet als Dünnschicht ausgebildet und wird an einer Verklebungsstelle zwischen den Behälterteilen von innen nach außen geführt wobei wegen der geringen Schichtdicke die

ι") Präzision des Fühlelementes nicht beeinträchtigt wird.

Es ist vorteilhaft obschon nicht zwingend erforderlich, daß die Leiterbahnen und die Elektroden aus denselben Dünnschichten bestehen. Die Leiterbahnen können auch freiliegen oder durch eine darauf

_'ii aufgetragene elektrisch isolierende Dünnschicht abgedeckt sein. Im letzteren Fall kommer, «.ie Leiterbahnen nicht mit der Flüssigkeit in Kontakt und tri^en nicht zur Elektrodenfläche bei. Im ersteren Fall ist, wenn die in Kontakt mit der Flüssigkeit liegende Teilfläche der

2\ Leiterbahnen im Verhältnis zur Fläche de;· entsprechenden Elek'.-.oden klein ist, ein Abdecken nicht erforderlich; diese besonders günstige Ausführungsweise wird mit kurzen und schmalen Leiterbahnen erreicht.
In einer Libelle mit erfindungsgemaß aufgetragenen

in Elektroden bestehen diese beispielsweise aus einer bis zu etwa 0,2 μ dicken Haftschicht aus 50 : 50 Ni-Cr-Legierung, einer darauf aufgetragenen, bis zu etwa 0,06 μ dicken Schutzschicht aus Gold und einer bis zu etwa 1,1 μ dicken Schicht aus Goldschwarz. Die Haftschicht

!'> und die Schutzschicht werden unter üblichen Vakuurr.-bedingungen aufgedampft. Das Aufdampfen der Goldschwarzschicht erfolgt bei Anwesenheit von Stickstoffoder Helium-Restgas mit hoher Aufdampfgeschwindigkeit Als Gas ist auch z. B. Argon verwendbar.

in Die Gesamtdicke der Dünnschichtelektroden liegt in diesem Fall wie auch bei anderen Ausführungen irn wesentlichen unterhalb von 5 μ.

Die Erfindung ist in der Zeichnung veranschaulicht und im nachstehenden beispielsweise erläutert. Hs zeigt

r> F i g. 1 eine erste Ausführungsform pines Fühlelements, im Schnitt, mit aus Dünnschichten bestehenden Elektroden, Leiterbahnen und Elektrodenanschlüssen versehen;

F i g. 2 die Küvette des Fühlelements nach F i g. 1, im

"·" Schnitt, mit zur besseren Veranschaulichung sehr vergrößert eingezeichneten Schichtdicke der Dünnschichten;

F i g. 3 die Abdeckung des Fühlelements nach Fig. 1, im Schnitt, mit zur besseren Veranschaulichung sehr

r> vergrößert eingezeichneten Schichtdicke der Dürnschichten;

F i g. 4 die Abdeckung des Fühlelements nach Fig. 1, in Draufsicht, eine erste Ausführungsform der Elektroden zeigend und

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

Im nachfolgenden bezieht sich Beispie! I auf Fig. 1,2, 3 und 4; Beispiel Il bezieht sich insbesondere auf F i g. 4; Beispiel III bezieht s^:rh insbesondere auf Fig. 5; auch Beispiel IV und Beispiel V entsprechen der F i g. 5. In allen Zeichnungen wird auf gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen gedeutet.

Beispiel I

Gemäß F- i g. I, 2, J 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 annähernd 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 Abfüllstutzen 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

nit- V iKFA

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.

Alle Elektroden 40, 44 bestehen aus zwei durch Aufdampfen übereinander aufgetragenen Schichten, einer unteren etwa 0,15 μ dicken Schicht 41 aus 50 :50 Ni-Cr-Legierung und einer oberen etwa 0,02 μ 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 I mm breite Leiterbahn 45 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 mm Durchmesser erstreckt, der als Elektrodenanschluß dient.

Die Küvette 1 und die Abdeckung 2 sind aufeinander durch übliches Epoxyharz 5 verkittet. Der daraus gebildete Behälter ist mit einer 1.5%igen Lösung von LiCI in Äthanol 6 gefüllt, wobei eine Gasblase 7 übrigbleibt, die bc^; Raumtemperatur einen Durchmesser von etwa 14 mm Durchmesser aufweist. In einer optimalen Brückenschallung wird bei Raumtemperatur und bei einer Speisespannung von 1 Volt (400 Hz typisch eine lineare Kennlinie von 50mV/mrad ± 10% erreicht.

Beispiel Il

Gemäß F i g. 4 ist ein Fühlelement von dem im Beispiel I beschriebenen Fühlelement darin abweichend daß der Durchmesser der auf der Abdeckung aufgetra genen vier Elektroden 5 mm beträgt und der Durchmes scr der Gasblase etwa 16 mm beträgt. Es wird typisch eine lineare Kennlinie von l40mV/mrad ± 10% er reicht.

Beispiel III

Gemäß Fig. 5 ist ein Fühlelement von dem irr Rrknirl I hosrhrirhrnpn Ffihlrlrmi»nl darin ahwrirhrnd daß eine andere Elektrodenform für die vier auf die Abdeckung aufgetragenen Elektroden angewende wird. Diese Elektroden werden aus der senkrechter Projektion eines ebenen Vierecks abgeleitet, das zwe gerade und parallele Seiten von 6 mm Länge in 4 mir Abstand voneinander und zwei kreisbogenförmige Seiten von 7 mm Radius aufweist. Der größte Abstanc zweier gegenüberliegenden Elektroden beträgt 8 mm so daP die vordere kreisbogenförmige Seite eine Elektrode auf demselben Kreis liegt wie die hintere kreisbogenförmige Seite der gegenüberliegenden Elek trode. Der Durchmesser der Gasblase beträgt be Raumtemperatur etwa 14 mm. Es wird typisch eint lineare Kennlinie von 60 mV/mrad ± 10% erreicht.

Beispiel IV

Ein Fühlelement ist von dem im Beispiel Il beschriebenen Fühlelement darin abweichend, daC andere Abmessungen der Elektroden verwendet wer den. Die l^änge der geraden Seiten beträgt 4,1 mm, se daß die kreisbogenförmigen Seiten der Elektroden nich auf denselben Kreisen zu liegen kommen. Es wire typisch eine lineare Kennlinie von 16OmV/ mrad ± 10% erreicht.

Beispiel V

Ein Fühlelement ist von dem im Beispiel I\ beschriebenen Fühlelement darin abweichend, daß di< Abdeckung aus Silizium besteht, das mit einer 0,2 \- dicken, thermisch erzeugten, elektrisch isolierender Oxidschicht überzogen ist. Es werden die gleicher Resultate wie im Beispiel IV erreicht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zur Herstellung einer Dünnschichtelektrode in einem Fühlelement zur Bestimmung einer · Abweichung vom Lot durch Messen einer sich in Abhängigkeit von der Verkantung ändernden elektrischen Impedanz zwischen flächigen Elektroden, die auf einem von der Verkantung abhängigen Teil ihier Fläche mit einer in einem Behälter ι» enthaltenen, elektrisch leitenden Flüssigkeit in Kontakt stehen und mit je einem von außen kontaktierbaren Elektrodenanschluß verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Verfahrensschritt eine Dünnschicht auf ι "· eine der Flüssigkeit zugewendete, elektrisch isolierende Oberfläche eines Wandungsteiles des Behälters aufgetragen wird und anschließend in einem zweiten Verfahrensschritt eine zusätzliche Dünnschicht auf dki vorgängig aufgetragene Dünnschicht -'<> aufgetragen wird, wobei dieser zweite Verfahrensschritt mindestens einmal als ein Aufdampfen von Gold in einer Vakuumkammer unter einem, auf den Bereich von 0,1 bis 2 Torr reduzierten, Druck eines Restgases durchgeführt wird, wodurch eine elektro- y> chemisch aktive schwarze Goldschicht während dieses letzten Verfahrensschrittes aufgetragen wird.

   Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Dünnschichtelektrode in einem Fühlelement zur Bestimmung einer Abweichung vom .-ot durch Messen einer sich in Abhängigkeit von der Verkantung ändernden elektrischen Impedanz zwischen flächigen Elektroden, die auf einem von der Verkantung abhängigen Teil ihrer Fläche mit einer in einem Behälter enthaltenen, elektrisch leitenden Flüssigkeit in Kontakt stehen 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 einer Richtung und in der Form von Dosenlibellen zum Anzeigen der Neigung in allen Richtungen ausgebildet sind. Bei derartigen Fühlelementen werden Elektroden aus gut leitendem Material verwendet, und der Behälter wird mit einer Elektrolytlösung von guter Leitfähigkeit, beispielsweise einer Lösung eines Alkalihalogenide in einem Alkohol, teilweise gefüllt, 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 von der Verkantung des Fiihlelements 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 Giberfläche 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 an die geometrische Form und Position der Elektroden und der Wandungen hängen von der erwünschten Präzision der Neigungsmessung ab und werden besonders durch den Trend zur Miniaturisierung verschärft. Als Fühlelement-Kenjlinie, d. h. als Variation der gemessenen Impedanz in Abhängigkeit von der Verkantung, wird eine vorgegebene, meint 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 Gasblase beeinflußt, möglichst klein zu halten. Dazu kommen Anforderungen an Dichtigkeit, an Korrosionsbeständigkeit, an mechanische Beständigkeif usw. Angesichts all dieser Anforderungen sind das Einsetzen und Verkitten der Elektroden in die Wandungen und das Schleifen auf die erwünschte präzise Form ziemlich schwierige und kostpielige Fertigungsvorgänge, bei denen trotz aller Maßnahmen eine hohe Ausschußquote und eine ungenügende Zuverlässigkeitsrate des Erzeugnisses in Kauf zu nehmen sind.

   Derartige Schwierigkeiten werden bei einem bekannten Fühlelement (GB-?S 7 94 508) dadurch umgangen, daß auf die Innenflächen des aus zwei Halbschalen gebildeten Glasbehälters Platinelektroden schichtförmig als Paste oder Lack aufgetragen werden. Dies ermöglicht die Ausbildung je einer Elektrode, eines zugehörigen Elektrodenanschlusses und einer diese verbindenden Leiterbahn aus ein und derselben Schicht, wobei die Leiterbahnen vom Innern des Behälters nach außen an Verklebungsstellen hindurchgeführt werden, an welchen die zu einem Behälter zusammengefügten Halbschalen 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 Präzision des Fühlelements wegen der Schichtdicke und Rauhigkeit der Elektroden bei weitem nicht erreichbar ist und die Haftfestigkeit der aufgetragenen Schichten den Anforderungen nicht genügt.

   Bei diesem bekannten Fühlelement wäre es wohl günstiger, statt der als Paste oder Lack aufgetragenen Dickschichtelektroden Dütinschichtelektroden zu verwenden. Im Gegensatz zu Dickschichten, die z. B. irn Siebdruckverfahren aufgebracht werden, und deren Dicke typisch im Bereich von 20 μ liegt, werden unter Dünnschichten Schichten verstanden, die auf einer Unterlage mit einer Schichtdicke gebildet werden, die üblicherweise unterhalb 5 μ und meist im Bereich von 0,01 bis 1 μ bleibt. Die zum Bilden von Dünnschichten in Betracht kommenden Verfahren sind beispielsweise das Aufdampfen, das Zerstäuben, das Galvanisieren, das chemische Abscheiden, wobei andere, dem Stand der Technik entsprechende Verfahren keineswegs ausgeschlossen sind, wie beispielsweise das Anodisieren zum Bilden von isolierenden Dünnschichten auf gewissen Metallen.

   Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das höchste Anforderungen an die geometrische Genauigkeit und die Haftfestigkeit der Dünnschichtelektroden erfüllt.

   Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einem ersten Verfahrenüschritt eine Dünnschicht auf