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Dokumentenidentifikation DE10309746A1 08.01.2004
Titel Elektrodensystem, insbesondere für Sensoren
Anmelder UST Umweltsensortechnik GmbH, 98716 Geschwenda, DE
Erfinder Kiesewetter, Olaf, Dr., 98716 Geschwenda, DE;
Melchert, Volkmar, 98693 Martinroda, DE
Vertreter Liedtke, K., Dr.-Ing., Pat.-Anw., 99096 Erfurt
DE-Anmeldedatum 06.03.2003
DE-Aktenzeichen 10309746
Offenlegungstag 08.01.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.01.2004
IPC-Hauptklasse G01N 27/07
Zusammenfassung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Elektrodensystem der eingangs genannten Art anzugeben, das durch Anwendung üblicher mikrosystemtechnischer Technologien mit hoher Qualität hergestellt werden kann und sich durch langlebigen Einsatz auch in größeren Temperaturbereichen mit hoher Zuverlässigkeit auszeichnet.
Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe dadurch, dass der Keramikträger mit einer hochschmelzenden Isolierschicht aus Keramik oder Glas verbunden und die metallische Elektrode von der Isolierschicht auf einer geschlossenen Fläche so umgeben ist, dass die Isolierschicht in die Metallschicht hineinragt.
Die Erfindung betrifft ein Elektrodensystem, isbesondere für Sensoren, bei dem auf einem Keramikträger eine metallische Elektrode angebracht ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Elektrodensystem, insbesondere für Sensoren, bei dem auf einem Keramikträger eine metallische Elektrode angebracht ist.

Es handelt sich dabei um ein mikrosystemtechnisches Bauelement, das besonders zur driftfreien Messung elektrischer Parameter in Flüssigkeiten geeignet ist.

Die Messung elektrischer Parameter, beispielsweise der Leitfähigkeiten von Flüssigkeiten ist in vielen Fällen notwendig, um chemische Prozesse zu kontrollieren oder um Verunreinigungen festzustellen. Dabei müssen an die Stabilität und chemische Beständigkeit solcher Systeme hohe Anforderungen gestellt werden, so dass entsprechende elektrische und chemische Anforderungen hinsichtlich der Materialauswahl sowie die Gestaltung der Layouts erfüllt werden müssen.

Häufig ist es deshalb erforderlich die eingesetzten Elektrodenmaterialien nur nach Gesichtspunkten der chemischen Beständigkeit auszuwählen, ohne dass physikalische Anforderungen für geeignete Messungen, insbesondere bei Leitfähigkeitsmessungen, ausreichend berücksichtigt werden können.

Erschwerend kommt hinzu, dass die zwischen den Elektroden verwendeten Isolationsmaterialien oftmals auch nicht nach den physikalischen und chemischer Erfordernissen ausgewählt werden können, sondern anhand technologischer Vorgaben festgelegt sind, weshalb häufig funktionelle Kompromisslösungen erforderlich sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Elektrodensystem der eingangs genannten Art anzugeben, das durch Anwendung üblicher mikrosystemtechnischer Technologien mit hoher Qualität hergestellt werden kann und sich durch langlebigen Einsatz auch in größeren Temperaturbereichen mit hoher Zuverlässigkeit auszeichnet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Anordnung, welche die in die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung zeichnet sich durch eine Reihe von Vorteilen aus. Hierzu zählen insbesondere:

  • 1. Es wird eine hervorragende Haftung von metallischen Schichten auf Keramiken, bei gleichzeitiger Dichtheit und idealer Beständigkeit des Systems gegenüber aggressiven Medien erzielt.
  • 2. Für die Elektrodenanordnung bestehend umfassende Einsatzmöglichkeiten, da sich auf dem System neben Elektrodenanordnung für die Leitfähigkeitsmessung auch weitere Funktionselemente befinden können, die z. B. die Temperatur, die Kapazität oder ähnliche Parameter bestimmen.
  • 3. Es wird eine einfache und direkte Verbindung von keramischen mit metallischen Materialien für größere Temperatureinsatzbereiche geschaffen, ohne das die sonst erforderlichen Haftmittel benötigt werden.
  • 4. Der erfindungsgemäße Aufbau nutzt gerade die unterschiedliche Längenausdehnung von metallischen und keramischen Werkstoffen um die erforderliche Haftfestigkeit und Dichtheit von metallischen Elektroden auf keramischen Materialien zu gewährleisten.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

1 die Befestigung einer stabförmigen Elektrodenanordnung an einem Keramikträger und

2 die Befestigung einer flächigen Elektrodenanordnung an einem Keramikträger.

Bei der in 1 dargestellten Elektrodenanordnung ist eine stabförmige Elektrodenanordnung, bei der die metallische Elektrode 2 in Form einer Doppelwulst ausgebildet ist, auf dem Keramikträger 1 angebracht. Der flächig ausgebildete Keramikkörper 1 besteht aus einem hochisolierenden, chemisch hochstabilen keramischen Material, vorzugsweise aus Aluminiumoxid, Glaskeramik oder ähnlichen Werkstoffen. Die Verbindung wird durch eine Isolierschicht 3 hergestellt. Die Isolierschicht 3 ist besteht aus einer hochschmelzenden Keramik- oder Glasschicht.

Die chemisch beständige und mechanisch feste Verbindung der metallischen Elektrode 2 mit der Isolierschicht 3 wird beim Durchlaufen eines bestimmten Temperaturregims erreicht, wobei Spannungen im System erzeugt werden, die eine hohe Dichtheit der verbundene Teile gewähren.

Die thermische Längenausdehnung der metallischen Elektrode 2 ist gegenüber der thermischen Längenausdehnung des Keramikträgers 1 und der Isolierschicht 3 üblicherweise um den Faktor 5 bis 10 größer. Im Gegensatz zu Gläsern haben Metalle über einen weiteren Temperaturbereich bis zu Ihren Schmelzpunkt eine stetige Längenausdehnung. Neben der deutlich kleineren thermischen Längenausdehnung von Gläsern oder keramischen Materialien tritt bei diesen oberhalb des Transformationspunktes (TG-Punkt) eine plastische Verformbarkeit ein. Wird die beschriebenen Anordnung auf eine Temperatur erwärmt, die über den TG-Punkt der Keramik- oder Glasschicht 3 liegt, so werden aufgrund der plastischen Verformung und der Adhäsionskräfte an den Rändern, an denen sich die beiden Körper berühren, durch diese Verformung die üblicherweise unvermeidlichen Spalte vollständig geschlossen.

Da sich beim Abkühlen des Systems unterhalb des TG-Punktes die Glas- oder Keramikschicht 3 nicht mehr verformt, die metallische Elektrode 2 sich somit nur noch elastisch verformen kann, treten in den Randbereich hohe Druckkräfte auf, die gewährleisten, dass die sonst bei Standardelektrodensystemen unvermeidlichen Haarrisse vermieden werden.

Es ist auch möglich, die Durchbrüche 4 an der Keramik- oder Glasschicht 3 konus- oder kalottenförmig zu gestalten, so dass sich für die Randflächen an der Verbindungsstelle eine Neigung 4.1 ergibt und die Elastizitätsgrenze des Kontaktwerkstoffs beim Abkühlen nicht überschritten wird.

In 2 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der eine flächige Elektrodenanordnung an einem Keramikträger befestigt ist. Bei der Fertigung dieser Anordnung wird auf dem Keramikkörper 1 die metallische Elektrode 2 in Form einer metallischen Primärschicht 2.1 aufgebracht und durch die Isolierschicht 3, welche die hochschmelzende Keramik- oder Glasschicht bildet, abgedeckt. Die Isolierschicht 3 weist an den Stellen, an den später die Elektroden 2 angeordnet werden, Durchbrüche 4 auf, die mit einem niedriger schmelzenden Elektrodenmaterial gefüllt werden, das die metallische Zusatzschicht 2.2 bildet. Dabei werden die Ränder der Durchbrüche 4 von der metallische Zusatzschicht 2.2 überlappt.

Wegen der geringeren thermischen Längenausdehnung der Isolierschicht 4 gegenüber den Längenausdehnungen der metallischen Schichten 2.1 und 2.2 wird die Isolierschicht nach dem Abkühl- und Tempervorgang ähnlich einem Druckknopf fest zwischen der metallischen Primärschicht 2.1 und der metallische Zusatzschicht 2.2 gepresst, und gewährleistet so die Spaltfreiheit an den Grenzschichten.

1 Keramikträger 2 metallische Elektrode 2.1 metallische Primärschicht 2.2 metallische Zusatzschicht 3 Isolierschicht 4 Durchbruch 4.1 Neigung

Anspruch[de]
  1. Elektrodensystem, insbesondere für Sensoren, bei dem auf einem Keramikträger (1) eine metallische Elektrode (2) angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikträger (1) mit einer hochschmelzenden Isolierschicht (3) aus Keramik oder Glas verbunden und die metallische Elektrode (2) von der Isolierschicht (3) auf einer geschlossenen so Fläche umgeben ist, dass die Isolierschicht (3) in die Metallschicht hineinragt.
  2. Elektrodensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikträger (1) aus einem hochisolierenden, chemisch hochstabilen, keramischen Material besteht.
  3. Elektrodensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikträger (1) ein flächig ausgebildeter Körper ist.
  4. Elektrodensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Elektrode (2), aus einem hochschmelzenden Metall besteht.
  5. Elektrodensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als hochschmelzendes Metall Platin, Wolfram oder Palladium verwendet wird.
  6. Elektrodensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hochschmelzende Isolierschicht (3) eine niedrigere Schmelztemperatur besitzt als die metallische Elektrode (2) und der Keramikträger (1).
  7. Elektrodensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Elektrode (2) eine Schmelztemperatur besitzt, die höher ist als der TG-Punkt des Materials der hochschmelzenden Isolierschicht (3).
  8. Elektrodensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Keramikträger (1) eine metallische Primärschicht (2.1) aufgebracht ist, die durch die hochschmelzende Isolierschicht (3) abgedeckt ist und die Isolierschicht (3) Durchbrüche (4) aufweist, in denen eine metallische Zusatzschicht (2.2) aus niedriger schmelzendem Material gefüllt ist, wobei die metallische Zusatzschicht (2.2) die Ränder der Durchbrüche (4) überlappt und mit der metallischen Primärschicht (2.1) fest verbunden ist.
  9. Elektrodensystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Randflächen an den Durchbrüchen (4) der hochschmelzenden Isolierschicht (3) eine Neigung (4.1) aufweisen.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






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