DE10036178A1 - Feuchtesensor und Verwendung - Google Patents

Abstract

Das Messprinzip der Austrittsarbeitsänderung wird kombiniert mit der Verwendung von Polymeren, insbesondere organischen, eventuell dotierten Polymeren als sensitive Schicht. Dies ermöglicht die Herstellung von kostengünstigen Feuchte- und Gassensoren. Die meist notwendige Berücksichtigung von Querempfindlichkeiten, insbesondere auf Feuchtigkeit, lässt sich in vorteilhafter Weise durch die Darstellung eines Feldeffekttransistors realisieren, der feuchtigkeitssensitive und gassensitive Schichten enthält.

Description

Die Erfindung betrifft einen Feuchtesensor, der nach dem Prinzip der Messung der Austrittsarbeit an der Oberfläche ei­ ner sensitiven Schicht ausgewertet wird.

Feuchtesensoren sind neben Gassensoren in vielen Lebensberei­ chen verbreitete Messelemente. So spielt die Messung der Feuchtigkeit eines Gases als Kenngröße für viele Bereiche wie für die Kraftfahrzeug-Luftgüte, die Branderkennung, die Raum­ luftüberwachung, den Wäschetrockner oder für die Qualitäts­ kontrolle von Nahrungsmitteln eine wesentliche Rolle. Darüber hinaus stehen viele bei Raumtemperatur durchgeführte gemssen­ sitive Reaktionen von Sensoren für bestimmte Gase in einem direkten Zusammenhang mit dem Feuchtigkeitsgehalt. Zum einen kann der Feuchtegehalt zu veränderten Gassensitivitäten füh­ ren und zum anderen gibt es viele Gasreaktionen, die erst durch die Anwesenheit der Feuchtigkeit ermöglicht werden (Li­ teraturstelle 1). Um diese Einschlussgröße der Feuchtigkeit zu bestimmen und gegebenenfalls die Ergebnisse der Gasdetek­ tion zu korrigieren, ist es oft notwendig, parallel zur ei­ gentlichen Gasdetektion den Feuchtegehalt zu messen.

Im Stand der Technik ist eine Reine von kommerziellen Feuch­ tesensoren, die im Wesentlichen nach vier verschiedenen Prin­ zipien arbeiten, bekannt:

• - Kapazitive Luftfeuchtemessungen können kostengünstig durch­ geführt werden. Hierbei wird eine hygroskopische Polymer­ schicht verwendet, deren Dielektrizitätskonstante durch die Wasseraufnahme entsprechend der relativen Luftfeuchtigkeit verändert wird. Die somit veränderte Kapazität eines Dünn­ schichtkondensators ist direkt proportional zur relativen Feuchte (Literaturstelle 2).
• - Psychrometrische Luftfeuchtemessung ist relativ kostenin­ tensiv. Psychrometer sind Geräte, die mit einem trockenen und einem befeuchteten Temperaturfühler ausgestattet sind. Aufgrund der Verdunstung kühlt sich der Feuchtigkeitsfühler ab. Durch die Bestimmung der Temperaturdifferenz zwischen beiden Fühlern kann die Luftfeuchtigkeit ermittelt werden.
• - Hygrometrische Luftfeuchtemessung ist ebenfalls aufwendig. Hygrometrische Messwertgeber sind mit einem Material aus­ gestattet, welches sich je nach Feuchtigkeit dehnt oder zu­ sammenzieht. Verwendet wird organisches Material, Kunst­ stoff oder porös gesinterte keramische Materialien wie Alu­ miniumoxid oder Zinkoxid.
• - Eine weitere Feuchtigkeitsmessmethode ist durch ein Tau­ punktspiegelhygrometer gegeben. Bei diesem sehr präzise messenden Verfahren wird die Kondensation von Wasserdampf bei Taupunktsunterschreitung ausgewertet. Die Temperatur einer verspiegelten Fläche wird soweit abgekühlt, bis diese gerade anfängt zu beschlagen. Die in diesem Moment gemesse­ ne Temperatur entspricht der Taupunkttemperatur.

Nachteile dieser aufgezählten Messsysteme ist, dass sie sehr kostenintensiv sind auf die jeweilige Anwendung und den Mess­ bereich abgestimmt werden müssen bzw. für viele Anwendungen nicht geeignet sind.

Ein wesentliches Problem, zu dessen Lösung die Feuchtigkeits­ messung dient, ist die Querempfindlichkeit der Feuchtigkeit auf viele Gasmessverfahren. Um diesem Problem zu begegnen, gibt es Bestrebungen, die gassensitiven Materialien der Gas­ sensoren dahingehend weiter zu entwickeln, dass sie nur ge­ ringe Sensitivität gegenüber Wasser, bei gleichzeitig hoher Sensitivität zu einem zu detektierenden Gas besitzen (Litera­ turstelle 7). Andererseits werden auch Untersuchungen durch­ geführt, Detektionsgas und Feuchtigkeit gleichzeitig aber mit verschiedenen Schichten zu messen und mittels Mustererkennung oder Frequenzanalyse die Gasdetektion durchzuführen (Litera­ turstellen 3 und 4). Die Auslesung dieser Feuchtesensoren er­ folgt über Oberflächenwellenfilter, durch Widerstandsmessun­ gen oder anhand der Änderung von Dielektrizitätseigenschaften (Literaturstellen 5 und 6). Derartige Ausleseverfahren sind mit sehr hohen Kosten, im Wesentlichen für die Elektronik, verbunden bzw. erfordern häufig eine Rekalibrierung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Feuchtesensor mit weitem Einsatzfeld, zuverlässiger und reproduzierbarer Signalauswertung und kostengünstigem Aufbau bereitzustellen. Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch Merkmalskombination des Anspruchs 1.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass durch die Kom­ bination von Auslesung des Sensorsignals mittels Austrittsar­ beitsänderung bei gleichzeitiger Verwendung eines Feldeffekt­ transistors der ein entsprechend sensitives Material als Be­ standteil seines Gates aufweist, ein kostengünstiger Sensor dargestellt werden kann. Dabei ist der Einsatz von Polymeren als feuchtesensitives Material besonders vorteilhaft. Die Entwicklung eines auf organischen Verbindungen basierenden Feuchtesensors, dessen Signal mittels Austrittsarbeitsände­ rung ausgelegen wird, bietet den Vorteil, dass der Sensor bei Raumtemperatur betrieben werden kann. Hierbei können Messun­ gen im Gegensatz zu bisher üblichen geheizten resistiven Sen­ soren bei reduziertem Heizenergiebedarf durchgeführt werden. Insbesondere durch die Einsparung der Heizenergie können kos­ tengünstige Anwendungen erschlossen werden. Darüber hinaus ergeben sich Vorteile in Richtung einer freien Auswahl des sensitiven Materials sowie einer relativ einfachen Material­ präparation.

Es ist weiterhin vorteilhaft verschiedene organische Polymere einzusetzen, wie beispielsweise Polyamide, Polyvinyl, Pyrro­ lidon, Polyimide oder Ethylcellulose. Des weiteren können in vorteilhafterweise dotierte Polymerverbindungen als feuchtesensitive Schichten eingesetzt werden. Zur Dotierung wird insbesondere Kobaltchlorid oder Kupferchlorid verwendet.

Durch die Auslesung der Austrittsarbeitsänderung über einen neu entwickelten Feldeffekttransistor wird ein kleiner und kostengünstiger Aufbau eine Gassensorsystems ermöglicht. Durch die Kombination von verschiedenen Schichten, feuchte­ sensitiven Schichten und gassensitiven Schichten, in einer Sensoranordnung können bei bekannter Temperatur Feuch­ teeinflüsse im Vergleich der zu messenden Gasreaktion be­ stimmt werden. Dies ermöglicht einen direkten Signalabgleich und eine spezifische Bewertung des eigentlichen Gassensorsig­ nals. Somit wird der Feuchtesensor in einer derartigen Sen­ soranordnung direkt dazu herangezogen, bei Gassensoren Quer­ empfindlichkeiten auf Feuchtigkeit zu eliminieren.

Die Kostenreduzierung zur Herstellung eines derartigen Sen­ sors resultiert im Wesentlichen aus dem verwendeten Detekti­ onsverfahren auf der Basis der Messung der Austrittsarbeits­ änderung.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen können den Unteransprü­ chen entnommen werden.

Im folgenden werden anhand von schematischen Figuren nicht einschränkende Ausführungsbeispiele beschrieben.

Fig. 1 zeigt den Aufbau eines gassensitiven Feldeffekttran­ sistors,

Fig. 2 zeigt eine Ausführung mit feuchte- und gassensitiver Schicht in einem Feldeffekttransistor, zugleich Gas­ sensor,

Fig. 3 zeigt die Kennlinie und die Ansprechzeiten einer E­ thylcellulose-CoCl₂-Schicht bei unterschiedlichen Feuchtgehalten,

Fig. 4 und 5 zeigen Kennlinien und Ansprechzeiten von be­ stimmten Polyamiden.

Fig. 1 zeigt das Prinzip eines Feldeffekttransistors zur De­ tektion von Feuchtigkeit bzw. Gas. Die durch die Anwesenheit eines Zielgases entstehende feuchtigkeits- bzw. gasinduzierte Spannung V_G wird entsprechend zwischen Substrat 2 und sensi­ tiver Schicht 1 abgegriffen. In Fig. 1 sind die Bestandteile des Feldeffekttransistors FET, sowie in dem Substrat 2 darge­ stellte Source- und Drain-Bereiche gekennzeichnet. Die Kanal­ isolierung 3 ist in Form einer das Substrat, den Source- und dem Drain-Bereich überdeckenden Schicht ausgebildet. Die in Fig. 1 dargestellte Variante eines Feldeffekttransistors nem sensitiven Material auf. Dies entspricht dem Prinzip ei­ nes Suspended Gate-FET. Als Grundidee liegt hier eine frei wählbare Sensorschicht vor, wobei bei Gasadsorpti­ on/Oberflächenreaktion an dieser Schicht eine reversible Än­ derung der Austrittsarbeit auftritt. Diese Potentialdiffe­ renz, welche in der Größenordnung von 50 mv liegt, koppelt kapazitiv über den Luftspalt an die Kanaloberfläche und indu­ ziert Ladungen in die FET-Struktur.

In Fig. 2 sind gleichzeitig eine feuchtesensitive 4 und eine gassensitive Schicht 5 in einer einzigen Anordnung von zwei integrierten Feldeffekttransistoren vorhanden. Die sensitiven Schichten 4, 5 sind jeweils zwischen den gegenüber liegenden Source- und Drain-Bereichen auf dem Substrat 2 positioniert. Der Abgriff von entsprechenden Sensorsignalen erfolgt analog zu Fig. 1.

Mit dem derart vorgestellten Gassensor ist also zum einen ei­ ne kostengünstige Realisierung für die direkte Entwicklung von Feuchtesensoren für verschiedene Anwendungen möglich, wie beispielsweise Wäschetrockner, Kraftfahrzeug-Luftgüte, Klima­ anlagen usw.. Zum anderen können durch Kombination von gassensitiver Schicht und feuchtesensitiver Schicht gassensitive Effekte, die durch den Feuchtigkeitsgehalt beeinflusst sind, korrigiert werden.

Die Kombination des Messprinzipes der Austrittsarbeitsände­ rung an sensitiven Schichten und der Verwendung von organi­ schen Materialien für die sensitive Schicht kann somit zur Bestimmung der Feuchte in Gasen herangezogen werden, wobei ein Sonderfall die direkte Verwendung dieser Information zur Eliminierung von Querempfindlichkeiten aufgrund vorhandener Feuchte bei der Gasdetektion ermöglicht. Damit ergibt sich gleichzeitig eine kostengünstige sogenannte Lowpower/Lowcost- Variante eines Gassensorsystems, da Gassensoren entsprechend der Fig. 1 und 2 kostengünstig herzustellen sind. Zusätz­ lich können derartige Feuchtesensoren mit der Bestimmung der Gastemperatur kombiniert werden, so dass sämtliche weiteren hygroskopischen Parameter wie Taupunkt, relative Luftfeuchte, Sättigungsdampfdruck oder Partialdampfdruck ermittelbar sind.

Untersuchungen verschiedener Verbindungen zeigten, dass orga­ nische Polymere wie beispielsweise Polyimide, Polyamide, E­ thylcellulose und dotierte Polymere für eine direkte Messung der Feuchte mittels Austrittsarbeitsänderung geeignet sind.

Darüber hinaus konnte durch Dotierung von organischen Polyme­ ren mit hygroskopischen Metallsalzen wie beispielsweise mit Kobaltchlorid oder Kupferchlorid eine Steigerung der Feuchte­ sensitivität gegenüber den undotierten Polymeren erzielt wer­ den.

Fig. 3 zeigt die Kennlinie und Ansprechzeiten einer mit Ko­ baltchlorid dotierten Ethylcellulose-Schicht bei unterschied­ lichen Feuchtegehalten. Das Sensorsignal wird in Milli­ elektronenvolt gemessen und zeigt eine annähernd lineare Ab­ hängigkeit von der relativen Feuchte des Messgases.

Die Fig. 4 und 5 zeigen Kennlinien und Ansprechzeiten von verschiedenen Polyamid-Derivaten. In Fig. 4 wurde eine feuchtigkeitssensitive Schicht aus Nylon 6/6 verwendet und in Fig. 5 eine aus Nylon 6/66. Das Signal der jeweiligen Senso­ ren steigt mit zunehmender Feuchtekonzentration an. Bei einer Änderung der relativen Feuchte von 20% auf 80% ergibt sich jeweils ein Sensorsignal von 95 meV bzw. 135 meV. Dies ent­ spricht der feuchtigkeitsinduzierten Spannung aufgrund der Austrittsarbeitsänderung an der feuchtigkeitssensitiven Schicht. Querempfindlichkeiten hinsichtlich der Messungen entsprechend Fig. 4 und 5 auf andere Bestandteile eines Gas­ gemisches können nach wie vor auftreten.

Die Polymerverbindungen wie z. B. Polyvinylyprrolidon werden mittels Siebdrucktechnik, Sprühfilm oder Tampondruck als strukturierte Schicht auf das Gate des SG-FET aufgebracht. Durch die Verwendung einer Polymer-Paste werden bestimmte Schichtstrukturen mit festgelegter Schichtdicke hergestellt die wesentlich die Sensitivität des Sensors beeinflussen. Das Polymer Polyvinylpyrrolidon hat z. B. bei einer Schichtdicke von 4.5 µm eine um 50% höhere Sensitivität als mit einer Schichtdicke von 2.5 µm. Diese Paste besteht aus dem Polymer und zwei oder mehreren Lösungsmitteln, die in einem bestimm­ ten Verhältnis (z. B. 2 Teile Polyvinylpyrrolidon + 16 Teile Terpineol + 1 Teil Hexan) gemischt werden um die entsprechen­ de Viskosität zu erhalten, die wesentlich für die Schicht­ struktur und Schichtdicke ist.

Literaturliste

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Claims (11)

1. Feuchtesensor bestehend aus:
mindestens einer sensitiven Schicht 1 (deren Austrittsar­ beit von der Konzentration der vorhandenen Feuchtigkeit abhängt,
einem Feldeffekttransistor (FET) mit der mindestens einen sensitiven Schicht 1 als Bestandteil seines Gates.

2. Feuchtesensor nach Anspruch 1, bei dem die sensitive Schicht 1 aus einem Polymermaterial besteht.

3. Feuchtesensor nach Anspruch 2, bei dem die sensitive Schicht 1 aus einem organischen Polymer besteht wie Polyamid, Polyvinyl, Pyrrolidon, Polyimid oder Ethylcellulose.

4. Feuchtesensor nach Anspruch 2 oder 3, bei dem ein Polymer mit Kobaltchlorid oder Kupferchlorid dotiert ist.

5. Feuchtesensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im gleichen Feldeffekttransistor (FET) neben einer feuch­ tesensitiven Schicht 4 mindestens eine gassensitive Schicht 5 vorhanden ist, die nach dem gleichem Messprinzip auslösbar ist.

6. Feuchtesensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zusätzlich eine Temperaturmesseinheit vorhanden ist.

7. Verwendung eines Feuchtesensors entsprechend einem der An­ sprüche 1 bis 6 als integraler Bestandteil eines Gassensors zur Eliminierung der Feuchtequerempfindlichkeit für das Sig­ nal des Gassensors.

8. Verfahren zur Herstellung eines Feuchtesensors entspre­ chend einem der Ansprüche 1-6, bei dem die als sensitive Schicht dienende Polymerverbindung mittels Siebdrucktechnik, Sprühfilm oder Tampondruck als strukturierte Schicht auf ei­ nen SG-FET (Suspended Gate FET) aufgebracht wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die hergestellte Schichtdicke ungefähr 4,5 µm beträgt.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem eine beim Druck verwendete Paste aus dem Polymer und zwei oder mehreren Lö­ sungsmitteln besteht.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem ein Verhältnis von 2 Teilen Polyvinylpyrrolidon, 16 Teilen Terpineol und einem Teil Hexan vorliegt.