DE2232008A1 - Elektrode fuer widerstandsgeber bzw. sensoren, insbesondere fuer hygrometer - Google Patents

Description

DR. ING. KARL BOEHMERT · DIPL-ING. ALBERT BOEHMERT

28 BREMEN · FELDSTRASSE 24 · TEL. (0421) *74Q44

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Name d. Anm.t Phys-Chemical Research Corp.

Mein Zeichens P 79 28 Bremen, den 30. Juni 1972

Phys-Chemical Research Corporation, 36 East 20 Street, New York, New York 10003 (V.St.A.)

Elektrode für Widerstandsgeber bzw. Sensoren, insbesondere für Hygrometer . ^:

Die Erfindung betrifft ganz allgemein die Zusammensetzung von Elektroden und befaßt sich insbesondere mit einem Geber oder Sensor mit einem als Auflager dienenden Körper, der einen auf den Umgebungszustand ansprechenden elektrischen Parameter hat; und einer mit dem Körper haftend verbundenen Elektrode.

Zur Feuchtigkeitsmessung sind viele Arten von Hygrometern von mechanischer und elektrischer Bauart entwickelt worden. Aufgrund ihres verhältnismäßig schnellen Ansprechena und ihrer gedrängten Bauweise finden elektrisch arbeitende Hygrometer in besonders großem Maße Verwendung. Diese sind üblicherweise mit Flächen versehen, deren elektrischer Widerstand sich mit der Umgebungsfeuchtigkeit ändert, beispielsweise

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mit einem dünnen Film aus wässrigem Lithiumchlorid oder einer dünnen Schicht aus ionenaustauschendem' Material der in der USA-Patentschrift 2 728 831 beschriebenen Art. Ein elektrisch arbeitender Wandler oder Sensor weist einen als Auflager dienenden Körper auf, der mit der ihrem Widerstand in Abhängigkeit von der Feuchtigkeit ändernden Materialschicht versehen ist, und hat ferner ein Paar von in dieser Schicht angeordneten, die Messung des sich ändernden Widerstands ermöglichenden Elektroden. Dieser weit verbreiteten Art von Feuchtigkeitsmeßgeraten haften jedoch noch einige Nachteile an, die vor allem in der Hysterese ihrer Eichkurven, in einer noch nicht ausreichend hohen Ansprechempfindlichkeit, und ferner darin bestehen, daß während der Lebensdauer des Geräts sich erhebliche Abweichungen von der ursprünglichen Eichkurve einstellen.

Die durch die Erfindung zu lösende- Aufgabe besteht nun darin, einem Widerstandssensor der eingangs erwähnten Art so zu verbessern, daß die vorstehend angeführten Mangel weitgehend behoben werden und der verbesserte Sensor insbesondere eine hohe Stabilität seiner ursprünglich bestimmten Eichwerte, eine niedrige Hysterese und eine hohe Ansprechempfindlichkeit hat.

Der Erfinder hat erkannt, daß die Ausbildung der Elektroden, die zur Herstellung einer leitenden Verbin-

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dung rait der Fläche aus ionenaustauschendem Material dienen, für die Kalibrierung des Sensors, aber auch für andere Parameter, wie Ansprechempfindlichkeit und Hysterese ausschlaggebend ist. , Ferner sind Sensoren mit ionenaustauschenden Flächen einer Polarisation unterworfen, so daß die Elektrode der einzige Teil des Sensors ist, der sich zur Verringerung der Polarisation leicht ändern läßt. Die Zusammensetzung der Elektroden ^xist daher von erheblicher Bedeutung, wenn man das Gerät hinsichtlich der genannten Faktoren verbessern will. Bisher sind Elektroden überwiege'nd aus pastenförmigen Metallen, beispielsweise aus Silberpaste hergestellt worden. Es hat sich aber gezeigt, daß mit Metallelektroden versehene Geräte mit ionenaustauschenden Oberflächen eine Langzeitinstabilität aufweisen, die aus der Wanderung von Ionen aus den Elektroden in den diese umgebenden Bereich des Sensors resultiert. Diese Instabilität läßt sich bei Geräten mit Metallelektroden nur durch Verwendung von aus Gold bestehenden Elektroden beheben. Ein Nachlassen der Stabilität tritt besonders bei Geräten auf, deren Elektroden aus Pasten aus eisenhaltigen Metallen, Silber und Kupfer gebildet sind, und läßt sich daran erkennen, daß der die Elektroden umgebende Bereich des Sensors dunkler wird, was auf in diesen Bereich hineinwandernde Metallionen zurückzuführen ist.

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Erfindungsgemäß wird die bereits erwähnte, der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch gelöst¹, daß bei einem Sensor der eingangs erwähnten Art die Elektrode aus einem durch ein Bindemittel verfestigten Gemisch von Ruß und Graphit besteht.

Das Gewichtsverhältnis von Ruß zu Graphit liegt zwischen 2 : 8 und 6 : 4-, vorzugsweise zwischen 3 ί 7 und 5 ί 5 und ist zum Beispiel 4- ί 6. Das Gewichtsverhältnis vom Kohlenstoff, d.h. Ruß plus Graphit, zum Bindemittel liegt zwischen 12 : 7 und 8 : 11, vorzugsweise zwischen 11 : 8 und 9 ' und beträgt beispielsweise 10 : 9· Das Bindemittel ist zweckmäßigerweise flexibel und weist ein geringes Eohäsionsvermögen auf, um Deformationen in der Fühlerfläche zu vermeiden. Die Elektrode ist vorzugsweise porös, so daß Wassermoleküle frei durch sie hindurchstreben können. Die Elektrode liegt als dünner Überzug auf dem als Auflager dienenden Körper (Substrat) auf und hat vorteilhafterweise eine Dicke von zwischen 0,0127 und 0,127 mm; vorzugsweise zwischen 0,051 und 0,102 mm.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung ist:

Fig. 1 eine Draufsicht auf den Meßwertgeberteil (Sensor) eines Hygrometers, bei dem die Erfindung Anwendung findet;

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Fig. 2 ein in größerem Maßstab gezeichneter Teilschnitt gemäß der Linie 2-2 der Fig. 1; und

Fig. 3 ein Schaubild mit Eichkurven,

aus denen im Laufe der Zeit auftretende Abweichungen in der Ansprechcharakteristik von erfin-r dungs ge mäße η und· bekannten Geräten ersichtlich sind.

Die Figuren 1 und 2 zeigen ein bevorzugtes Anwendungsbeispiel für die Erfindung in Form eines zur Bestimmung der Luftfeuchtigkeit dienenden Meßwertgebers bzw.-wandlers der im vorerwähnten USA-Patent beschriebenen Art. Der im folgenden als Sensor bezeichnete Meßwertgeber 10 hat einen Hauptteil oder eine Basis von rechteckiger Form, auf der eine dünne Schicht 12 aus einem auf Feuchtigkeit ansprechendem Material angeordnet ist. Die Basis 11 ist aus einem vernetzten Polystyrol mit 8% Divinylbenzolvernetzimg hergestellt. Die aus einem ionenaustauschenden Harz bestehende feuchtigkeitsempfindliche Schicht 12 ist dadurch erzeugt, daß zunächst eine Oberfläche der aus vernetztem Polystyrol bestehenden Basis 10 des Geräts sulfoniert und die sulfonierte Schicht mit einer Salzlösung, vorzugsweise einem Lithiumsalz, behandelt wird, um die Schicht in den Lithiura-Ionenzustand zu versetzen. Diese anschließend getrocknete Schicht bildet die ionenaustauschende, feuchtigkeitsempfindliche Harz- ' schicht 12. '

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Zum Erleichtern des Bestimmens des spezifischen Widerstands der feuchtigkeitsempfindlichen Schicht 12 sind auf dieser Schicht zwei auf Abstand stehende Elektroden 13 und 14- in einander gegenüberliegender Anordnung aufgelagert. Diese Elektroden bestehen aus dünnen Schichten eines weiter unten näher beschriebenen Elektrodenmaterial. Jede Elektrode 15, 14- weist eine Anzahl von auf Abstand stehenden Fingern 16 auf, wobei die Finger der einen Elektrode zwischen die Finger der anderen Elektrode fassen.

Die Elektroden sind für Wassermoleküle porös und haben eine Dicke von etwa 0,076 mm. Sie enthalten 4- Gewichtsteile reinen Ruß und 6 Gewichtsteile reines Graphitpulver sowie 9 Gewichtsteile eines Bindemittels. Die Mischung der aus .Kohlenstoff bestehenden Anteile wird in dem klebrigen Bindemittel dispergiert und abgebunden. Die so entstehende Grundmasse oder Matrix ist flexibel und hat ein geringes Kohäsionsvermögen. Sie wird auf die Schicht 12 aufgetragen und haftet an dieser. Das Bindemittel kann beispielsweise aus folgenden Stoffen zusammengesetzt sein: Zeliulosenitrat, Butylazetat, Azeton, Dicyclohexylphthalat, Äthylalkohol, -Zitronensäure und Kampfer.

Ein Paar von.Anschlußstücken 17 bzw. 18 sind mitden Elektroden 13 bzw. 14 verbunden. Jedes Anschlußstück besteht aus goldplattiertem Metall und weist

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einen.die Basis 11 untergreifenden und an dieser mittels einer goldplattierten Durchführungshülse 20 befestigten Schenkel 19 auf. Die Hülsen 20 erstrecken sich durch in den Elektroden 1$, 14-., in der Basis 11, in der Schicht 12 und in den Schenkeln 19 vorgesehene öffnungen hindurch und sind an ihren an den Schenkeln und an den Elektroden anliegenden Enden umgebördelt, so daß eine gut leitende Verbindung zwischen den Anschlußstücken und den Elektroden vorhanden ist·

Zum Herstellen der Elektroden wird eine gleichmäßige Mischung aus 4- Gewichtsteilen reinem Ruß, 6 Gewichtsteilen reinem Graphitpulver und 9 Teilen Bindemittel in einem Äthylenglykolmonoäthyläther-Lösungsmittel aufgelöst, um ein freifließendes Gel zu erhalten, in dem die Mischungsbestandteile fein verteilt sind. Dieses Gel wird dann in irgendeiner geeigneten Weise auf die für die Elektroden bestimmten Bereiche der Schicht 12 aufgebracht, beispielsweise mittels Siebung durch Seidenstoff. Der Äthylenglykolmonoäthyläther verdampft dann sehr schnell. Es sei hier bemerkt, daß die Schicht 12 durch das Lösungsmittel etwas aufquillt, was das Einbetten bzw. das Haften der Elektroden in bzw. an der Schicht 12 erleichtert.

Das klebrige Bindemittel setzt sich in Gew. % in folgender Weise zusammen:

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Bereich

Kampfer	10%	8% -	12%
Azeton	5%	5% -	7%
Butylazetat	10%	8% -	12%
Zellulosenitrat		4-5% -	65%
Dicyclohexylphthalat	5%	3% -	7%
Äthylalkohol	5%	3% -	7%
Zitronensäure	10%	8% -	12%

Zum Erzeugen des auf die Schicht 12 aufzubringenden Gels werden 50 Gewichtsteile der aus Kohlenstoff und Bindemittel bestehenden Masse mit 50 Gewichtsteilen Ä'thylenglykolmonoäthyläther vermischt.

In Fig. 3 sind die Widerstands-Relativfeuchtigkeits - Eichkurven für drei verschiedene Sensoren wiedergegeben. Die Kurve A stellt die Widerstands-Feuchtigkeit skurve eines in der" vorstehend beschriebenen, bevorzugten Weise hergestellten Sen-* sors dar, Diese Eichkurve gilt für den Zeitpunkt der Herstellung des Sensors und für wenigstens ein diesem Zeitpunkt folgendes Jahr. Nach 30 Tagen ließen sich keine merkbaren Abweichungen in der Kalibrierung feststellen. Ein von der bevorzugten Ausführungsform nur dadurch abweichender Sensor, daß für seine Elektroden ein aus einer Silberpaste in' einem nicht-ionischen klebenden Bindemittel bestehendes Elektrodenmaterial verwendet wurde, hatte zum Zeitpunkt seiner Herstellung die Eichkurve A. Bereits nach 30 Tagen wurde jedoch für diesen Sensor die Eichkurve 0 mit einer Ver-

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Schiebung der relativen Feuchtigkeit um 25% ermittelt.

Für einen von der bevorzugten Ausführungsform nur dadurch abweichenden Sensor, daß das Verhältnis von Ruß zu Graphit 6 : 4- war, wurde anfänglich die Eichkurve A und nach 30 Tagen die Eichkurve B mit einer Abweichung von 8 % in relativer Feuchtigkeit ermittelt.

Vorstehend wurde eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.beschrieben, die aber im Rahmen des Erfindungsgedankens in vielfacher Hinsicht abgewandelt werden kann.

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Claims (11)

1. AO

   Ansprüche

   1,) Sensor mit einem als Auflager dienenden Körper, fer einen auf den Umgebungszustand ansprechenden
   elektrischen Parameter hat; und einer mit dem Körper haftend verbundenen Elektrode, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (13, 14) aus einem
   durch ein Bindemittel verfestigten Gemisch von
   Ruß und Graphit besteht.
2. 2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewichtsverhältnis von Ruß zu Graphit zwischen 2 : 8 und 6 : 4 liegt.
3. 3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (13, 14) zwischen 8 und 12 Gewichtsteile Ruß und Graphit und zwischen 7 und 11 Gewichtsteile Bindemittel enthalten.
4. 4. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (13, 14) eine Dicke von zwischen 0,0127 und 0,152 mm hat.
5. 5. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (13, 14) porös ist.

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   AA
6. 6. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel ein polymeres Harz enthält.
7. 7. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,-dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel ein Zellulosederivat enthält.
8. 8. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche , mit Anschlußstücken für die Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Elektrode in Berührung stehenden Flächen der Anschlußstücke (17, 18) goldplattiert sind.
9. 9. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät in an sich bekannter Weise zwei auf Abstand stehende Elektroden (13, 14) aufweist, die mit dem als Auflager dienenden Körper verbunden sind.
10. 10. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der als Auflager für die Elektroden dienende Körper in an sich bekannter Weise aus einer auf der Basis (10) des Sensors aufgetragenen Schicht (12) aus ionenaustauschendem Harz oder aus Lithiumchlorid besteht.
11. 11. Elektrodenzusammensetzung, dadurch gekennzeichnet, daß in ihrer Grundmasse 2 bis 6 Teile Ruß und 8 bis 4 Teile Graphit dispergiert sind.

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