DE10016427C2 - Sensor, in particular moisture sensor, and method for producing the same - Google Patents

Sensor, in particular moisture sensor, and method for producing the same

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Feuchtesensor nach Anspruch 1 sowie auf ein Verfahren zur Herstellung desselben und dessen Verwendung.The invention relates to a moisture sensor according to claim 1 and to a Process for producing the same and its use.

Feuchtesensoren weisen üblicherweise eine Schicht eines hygroskopischen und damit gegenüber Wasserdampf sensitiven Materials auf. Je nach Menge des in der Schicht gespeicherten Wassers verändert sich sowohl die Dielektrizitätskonstante des Schichtmaterials wie auch dessen elektrischer Widerstand. Dies ermöglicht sowohl eine kapazitive als auch eine resistive Bestimmung des Wasserdampfgehalts einer die Schicht umgebenden Atmosphäre.Moisture sensors usually have a layer of a hygroscopic and therefore material sensitive to water vapor. Depending on the amount of that in the shift stored water changes both the dielectric constant of the Layer material as well as its electrical resistance. This enables both capacitive as well as resistive determination of the water vapor content of the layer surrounding atmosphere.

Wird eine kapazitive Bestimmung des Wasserdampfgehalts angewandt, so hat sich eine Schichtanordnung bewährt, bei der sich auf einer Substratoberfläche eine Abfolge aufeinander angeordneter Schichten bestehend aus einer Basiselektrode, einer auf Wasserdampf sensitiven Schicht und einer Deckelektrode befindet. Derartige Schichtanordnungen sind beispielsweise der FR 2750494 A1 und der US 5,177,662 zu entnehmen. Problematisch an diesem Schichtaufbau ist, daß die Deckelektrode den Zutritt der umgebenden Gasatmosphäre zur sensitiven Schicht stark einschränkt und der Sensor nur verzögert auf eine Veränderung des Wasser­ dampfgehalts der Gasatmosphäre anspricht. Die Erzeugung ex­ trem dünner und damit gasdurchlässiger Deckelektroden kann mittels einer Dünnschichttechnologie wie beispielsweise Sputtern erfolgen; sie ist jedoch sehr aufwendig.If a capacitive determination of the water vapor content is used, one has Layer arrangement has proven itself in which there is a sequence on a substrate surface layers arranged one on top of the other consisting of a base electrode, one on Water vapor sensitive layer and a cover electrode is located. such Layer arrangements are, for example, FR 2750494 A1 and US 5,177,662 remove. The problem with this layer structure is that the top electrode has access the surrounding  Gas atmosphere to the sensitive layer is greatly restricted and the sensor only delays for a change in water vapor content of the gas atmosphere. The generation ex extremely thin and therefore gas-permeable cover electrodes using thin-film technology such as Sputtering done; however, it is very complex.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde auf ein Komposit­ material mit einem organischen Binder als Matrix und elek­ trisch leitfähigen Partikeln zur Gewährleistung der Leitfä­ higkeit der Deckschicht zurückgegriffen.In the context of the present invention, a composite was used material with an organic binder as matrix and elec trically conductive particles to ensure the guideline ability of the top layer.

Aus der US 4,120,813 ist ein resistiver Feuchtesensor mit Elektroden bekannt, die aus einem Gemisch von Graphit- oder Metallpartikeln und einem Polymer bestehen. Da bei derarti­ gen resistiven Feuchtesensoren die Elektroden und die sensi­ tive Schicht flächig angeordnet werden, spielt die Gasdurch­ lässigkeit der Elektroden keine Rolle.From US 4,120,813 is a resistive moisture sensor Known electrodes made of a mixture of graphite or Metal particles and a polymer exist. Because at suchi the electrodes and the sensi tive layer are arranged flatly, the gas plays through permeability of the electrodes does not matter.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Sensorelement mit einer gasdurchlässigen und trotzdem mit einem geringen Herstel­ lungsaufwand erzeugbaren Basis- und/oder Deckelektrodenschicht bereitzustellen.The object of the present invention is to provide a sensor element a gas-permeable and still with a small manufacture effort to generate base and / or cover electrode layer provide.

Der erfindungsgemäße Feuchtesensor gemäß Anspruch 1 hat den Vorteil, daß er insbesondere eine offenporige Deckelektro­ denschicht aufweist, die einen annähernd ungehinderten Zu­ tritt der umgebenden Atmosphäre zu der auf Wasserdampf sen­ sitiven Schicht des Sensors gestattet. Die offenporige Dec­ kelektrodenschicht enthält ein Kompositmaterial aus elek­ trisch leitfähigen Partikeln und einem Polymer. Die Porosität kann vorzugsweise über das Mischungsverhältnis von leit­ fähigen Partikeln und Polymer insbesondere mittels des er­ findungsgemäßen Herstellungsverfahrens vorteilhaft einge­ stellt werden.The moisture sensor according to the invention has the Advantage that he is in particular an open-pore lid electric has a layer that has an almost unhindered closure occurs the surrounding atmosphere to that of water vapor sitative layer of the sensor allowed. The open-pored Dec The electrode layer contains a composite material made of elec trically conductive particles and a polymer. The porosity  can preferably over the mixing ratio of conductive capable particles and polymer in particular by means of the he Manufacturing process according to the invention advantageously turned on be put.

Mit den in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Feuchte­ sensors möglich.With the measures listed in the subclaims advantageous developments of the moisture according to the invention sensors possible.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Zwischenräume zwi­ schen den elektrisch leitfähigen Partikeln der Deckelektro­ denschicht nur maximal zu 25 Vol% mit dem Polymer ausgefüllt sind, weil dann das Porenvolumen der Schicht so groß ist, daß die Schicht insgesamt offenporig ist und trotzdem eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweist.It is particularly advantageous if the spaces between the electrically conductive particles of the lid electro only up to 25 vol% of the polymer layer because the pore volume of the layer is so large that the layer as a whole is open-pored and still a has sufficient mechanical strength.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er­ läutert. Fig. 1 zeigt eine Schnittdarstellung eines Ausfüh­ rungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Feuchtesensors.An embodiment of the invention is shown in the drawing and in the following description he explains. Fig. 1 shows a sectional view of an exemplary embodiment of a moisture sensor according to the invention.

Der in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Feuchtesensor umfaßt eine Schichtabfolge, die ein Substrat 12, eine elek­ trisch leitfähige Basisschicht 14, eine sensitive Schicht 16 und eine elektrisch leitfähige Deckschicht 18 umfaßt.The moisture sensor according to the invention shown in Fig. 1 comprises a layer sequence comprising a substrate 12 , an electrically conductive base layer 14 , a sensitive layer 16 and an electrically conductive cover layer 18 .

Das Substrat 12 ist als ebene Schicht ausgeführt, die bevor­ zugt aus Aluminiumoxid besteht, jedoch auch aus Kunststoff, Glas oder Silicium gefertigt sein kann. Sie ist elektrisch nichtleitend.The substrate 12 is designed as a flat layer, which consists of aluminum oxide before, but can also be made of plastic, glass or silicon. It is electrically non-conductive.

Der erfindungsgemäße Feuchtesensor umfaßt weiterhin eine auf Wasserdampf sensitive Schicht 16, die zwischen der elek­ trisch leitfähigen Basisschicht 14 und der elektrisch leit­ fähigen Deckschicht 18 angeordnet ist. Sie besteht bei­ spielsweise aus einem Polyimid.The moisture sensor according to the invention further comprises a layer 16 sensitive to water vapor, which is arranged between the electrically conductive base layer 14 and the electrically conductive cover layer 18 . For example, it consists of a polyimide.

Die elektrisch leitfähige Basisschicht 14 und die elektrisch leitfähige Deckschicht 18 sind beispielsweise aus dem glei­ chen Material ausgeführt und bestehen aus einem Kompositma­ terial, das elektrisch leitfähige Partikel 13 und einen or­ ganischen Binder 15 umfaßt. Das Kompositmaterial ist offen­ porig ausgeführt, d. h., die in den Poren eingeschlossenen Gasräume stehen so miteinander in Kontakt, daß ein nahezu ungehinderter Zutritt der Gasatmosphäre zur sensitiven Schicht 14 gewährleistet ist.The electrically conductive base layer 14 and the electrically conductive cover layer 18 are made, for example, of the same material and consist of a composite material which comprises electrically conductive particles 13 and an organic binder 15 . The composite material is open-pored, ie the gas spaces enclosed in the pores are in contact with one another in such a way that an almost unhindered access of the gas atmosphere to the sensitive layer 14 is ensured.

Als elektrisch leitfähige Partikel 13 eignen sich insbeson­ dere Kohle- oder Metallpartikel oder Mischungen derselben. Als organischer Binder 15 sind eine Vielzahl handelsüblicher Polymere oder Polymermischungen verwendbar, bevorzugt wird als organischer Binder jedoch dasselbe Polymer zugesetzt, welches auch in der sensitiven Schicht 16 vorhanden ist.Particularly suitable as electrically conductive particles 13 are carbon or metal particles or mixtures thereof. A large number of commercially available polymers or polymer mixtures can be used as the organic binder 15 , but the same polymer which is also present in the sensitive layer 16 is preferably added as the organic binder.

Die elektrisch leitfähigen Schichten 14, 18 werden als Elek­ troden kontaktiert und bilden zusammen mit der sensitiven Schicht 16 einen Plattenkondensator, dessen Kapazität von der Dielektrizitätskonstante der sensitiven Schicht 16 und damit vom Wassergehalt dieser Schicht abhängt.The electrically conductive layers 14 , 18 are contacted as electrodes and form together with the sensitive layer 16 a plate capacitor, the capacitance of which depends on the dielectric constant of the sensitive layer 16 and thus on the water content of this layer.

Bei der Herstellung des Feuchtesensors wird zunächst auf das Substrat 12 mittels einer Druckpaste die elektrisch leitfä­ hige Basisschicht 14 gedruckt und ausgehärtet. Auf die ausgehärtete elektrisch leitfähige Basisschicht 14 wird in ei­ nem zweiten Schritt eine sensitive Schicht 16 des auf Was­ serdampf sensitiven Polymers gedruckt und ausgehärtet, wor­ auf in einem letzten Verarbeitungsschritt die elektrisch leitfähige Deckschicht 18 auf die ausgehärtete sensitive Schicht 16 gedruckt wird und ebenfalls ausgehärtet wird. Die Druckpasten für die elektrisch leitfähige Basis- oder Deck­ schicht 14, 16 enthalten die elektrisch leitenden Partikel 13 und den mit einem Lösungsmittel versetzten organischen Binder 15. Bei der Aushärtung entweicht das in der Mischung enthaltene Lösungsmittel und es bleibt eine Matrix aus elek­ trisch leitenden Partikeln und dem festen Binder zurück. Das in der Mischung enthaltene Lösungsmittelvolumen entspricht also annähernd dem späteren Porenvolumen der offenporigen Schichten 14, 16. Durch die gezielte Einstellung des Mi­ schungsverhältnisses von elektrisch leitenden Partikeln 13, organischem Binder 15 und Lösungsmittel kann demnach die Porosität der resultierenden elektrisch leitfähigen Schich­ ten 14, 16 eingestellt werden.In the manufacture of the moisture sensor, the electrically conductive base layer 14 is first printed on the substrate 12 by means of a printing paste and cured. In a second step, a sensitive layer 16 of the polymer sensitive to water vapor is printed and hardened on the hardened electrically conductive base layer 14 , in which the electrically conductive cover layer 18 is printed on the hardened sensitive layer 16 in a last processing step and is likewise hardened , The printing pastes for the electrically conductive base or cover layer 14 , 16 contain the electrically conductive particles 13 and the organic binder 15 mixed with a solvent. During curing, the solvent contained in the mixture escapes, leaving a matrix of electrically conductive particles and the solid binder. The volume of solvent contained in the mixture thus approximately corresponds to the later pore volume of the open-pore layers 14 , 16 . By specifically adjusting the mixing ratio of electrically conductive particles 13 , organic binder 15 and solvent, the porosity of the resulting electrically conductive layers 14 , 16 can accordingly be adjusted.

Die theoretisch maximal erreichbare Porosität der elektrisch leitfähigen Schichten 14, 16 wäre dann erreicht, wenn diese aus einer Mischung von leitfähigen Partikel mit einem Lö­ sungsmittel unter Verzicht auf einen Binder hergestellt wür­ den. Derartige Schichten sind jedoch gegenüber mechanischen Belastungen instabil.The theoretically maximum achievable porosity of the electrically conductive layers 14 , 16 would be achieved if these were produced from a mixture of conductive particles with a solvent without the use of a binder. However, such layers are unstable with regard to mechanical loads.

Wird der Mischung eine genügend kleine Menge an organischem Binder zugesetzt, so bildet sich ein offenporiges System, das mit zunehmendem Binderanteil immer robuster wird, jedoch ab einem bestimmten Binderanteil in ein geschlossenporiges System übergeht, bei dem die in den Poren eingeschlossenen Gasräume nicht mehr ausreichend miteinander in Kontakt ste­ hen. Dieses ist dann nur noch eingeschränkt gasdurchlässig. The mixture will have a small enough amount of organic Binder added, so an open-pore system forms, that becomes more and more robust as the proportion of binder increases, however from a certain proportion of binder into a closed-pore System passes in which the trapped in the pores Gas spaces are no longer in sufficient contact with each other hen. This is then only gas permeable to a limited extent.  

Es ist demnach wünschenswert, den Binderanteil gerade so hoch zu wählen, daß zwar noch keine geschlossenporige Schicht entsteht, andererseits jedoch eine möglichst robuste Elektrodenschicht erzeugt wird. Dies ist der Fall, wenn die Zwischenräume 17 zwischen den elektrisch leitfähigen Parti­ keln 13 in der ausgehärteten Schicht 14, 18 maximal zu 25 Vol.% mit dem organischen Binder 15 ausgefüllt sind.It is therefore desirable to choose the binder content just high enough that a closed-pore layer is not yet formed, but on the other hand an electrode layer that is as robust as possible is produced. This is the case if the spaces 17 between the electrically conductive particles 13 in the hardened layer 14 , 18 are filled to a maximum of 25% by volume with the organic binder 15 .

Die Zusammensetzung einer Mischung, die diesen Ansprüchen genügt, läßt sich nach folgender Formel berechnen:
The composition of a mixture that meets these requirements can be calculated using the following formula:

Hierbei kennzeichnet V das Volumen der herzustellenden elek­ trisch leitfähigen Basis- oder Deckschicht 14, 16, VB die Menge des in der Mischung enthaltenen organischen Binders 15, VL das Lösungsmittelvolumen der Mischung und VMK die Summe der in der Mischung enthaltenen Volumina an Metall- und Kohlenstoffpartikel.Here V denotes the volume of the electrically conductive base or cover layer 14 , 16 , V B the amount of organic binder 15 contained in the mixture, V L the solvent volume of the mixture and V MK the sum of the volumes of metal contained in the mixture - and carbon particles.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbei­ spiel beschränkt, sondern es sind neben dem in Fig. 1 dar­ gestellten und beschriebenen Feuchtesensor auch weitere An­ wendungen denkbar, bei denen eine offenporige gasdurchlässi­ ge Elektrodenschicht verwendet werden kann, wie beispiels­ weise bei Gassensoren, die auf einem resistiven Meßprinzip beruhen. Dies gilt vor allem, wenn bei derartigen Sensoren die Elektrodenschichten und die sensitive Schicht stapelför­ mig übereinander auf einem Substrat angeordnet sind und nicht flächig nebeneinander.The invention is not limited to the exemplary embodiment described, but in addition to the moisture sensor shown and illustrated in FIG. 1, further applications are also conceivable in which an open-pored gas-permeable electrode layer can be used, such as, for example, with gas sensors which based on a resistive measuring principle. This applies in particular if, in the case of such sensors, the electrode layers and the sensitive layer are stacked on top of one another on a substrate and not flat next to one another.

Des weiteren sind auch Feuchtesensoren denkbar, die ein po­ röses Substrat 12 aufweisen. Der Gaszutritt zur sensitiven Schicht 16 könnte so nicht nur über die elektrisch leitfähige Deckschicht 18 sondern auch über das Substrat 12 und die elektrisch leitfähige Basisschicht 14 erfolgenFurthermore, moisture sensors are also conceivable that have a porous substrate 12 . The gas access to the sensitive layer 16 could thus take place not only via the electrically conductive cover layer 18 but also via the substrate 12 and the electrically conductive base layer 14

Claims (8)

1. Kapazitiver Sensor, insbesondere Feuchtesensor, mit einer auf einem Substrat (12) angeordneten elektrisch leit­ fähigen Basisschicht (14), mit einer über der Basisschicht (14) angeordneten und auf Wasserdampf sensitiven Schicht (16), insbesondere Polymerschicht, und mit einer auf der sensitiven Schicht (16) angeordneten elektrisch leitfähigen Deckschicht (18), wobei die Basisschicht (14) und/oder Deck­ schicht (18) elektrisch leitfähige Partikel (13), vorzugs­ weise Kohle- und/oder Metallpartikel, sowie einen organi­ schen Binder (15) enthält und offenporig ist.1. Capacitive sensor, in particular moisture sensor, with an electrically conductive base layer ( 14 ) arranged on a substrate ( 12 ), with a layer ( 16 ), in particular polymer layer, arranged above the base layer ( 14 ) and sensitive to water vapor, and with one the sensitive layer ( 16 ) arranged electrically conductive cover layer ( 18 ), the base layer ( 14 ) and / or cover layer ( 18 ) electrically conductive particles ( 13 ), preferably carbon and / or metal particles, and an organic binder ( 15 ) contains and is porous. 2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisschicht (14) und/oder Deckschicht (16) Zwischenräume (17) zwischen den Kohle- und/oder Metallpartikel aufweist, die zwi­ schen 0 und 25 Vol% an organischem Binder (15) enthalten.2. Sensor according to claim 1, characterized in that the base layer ( 14 ) and / or cover layer ( 16 ) has gaps ( 17 ) between the carbon and / or metal particles, the between 0 and 25% by volume of organic binder ( 15th ) contain. 3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der organische Binder (15) ein Polyimid enthält. 3. Sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the organic binder ( 15 ) contains a polyimide. 4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die sensitive Schicht (16) ein Polyimid enthält.4. Sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the sensitive layer ( 16 ) contains a polyimide. 5. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Substrat (12) im wesentlichen aus Aluminiumoxid besteht.5. Sensor according to any one of the preceding claims, characterized in that the substrate ( 12 ) consists essentially of aluminum oxide. 6. Verfahren zur Herstellung eines Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrisch leitfähige Basisschicht (14) und/oder Deckschicht (18) durch flächigen Auftrag einer Mischung elektrisch leit­ fähiger Partikel (13) und eines organischen Binder (15) er­ zeugt werden und daß die Porosität der Basisschicht (14) und/oder Deckschicht (18) über das Mischungsverhältnis von elektrisch leitfähiger Partikel (13) zu organischem Binder (15) eingestellt wird.6. A method for producing a sensor according to one of claims 1 to 5, characterized in that an electrically conductive base layer ( 14 ) and / or cover layer ( 18 ) by surface application of a mixture of electrically conductive particles ( 13 ) and an organic binder ( 15 ) it is produced and that the porosity of the base layer ( 14 ) and / or cover layer ( 18 ) is adjusted via the mixing ratio of electrically conductive particles ( 13 ) to organic binder ( 15 ). 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung eine nach der Formel
berechnete Menge VB an organischem Binder (13) enthält, wo­ bei VL das Lösungsmittelvolumen der Mischung, V das Volumen der Basisschicht (14) und/oder Deckschicht (18) und VMK die Summe der in der Mischung enthaltenen Volumina an Metall- und Kohlenstoffpartikel bezeichnet.7. The method according to claim 6, characterized in that the mixture is one according to the formula
calculated amount V B of organic binder ( 13 ), where at V L the solvent volume of the mixture, V the volume of the base layer ( 14 ) and / or top layer ( 18 ) and V MK the sum of the volumes of metal contained in the mixture and carbon particles. 8. Verwendung des Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Bestimmung der Luftfeuchtigkeit, insbesondere in In­ nenräumen.8. Use of the sensor according to one of claims 1 to 5 for determining the air humidity, especially in In , interior rooms.
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