DE10036178A1 - Feuchtesensor und Verwendung - Google Patents
Feuchtesensor und VerwendungInfo
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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 VG 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.
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) 37-42
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.
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.
Priority Applications (2)
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DE2000136178 DE10036178A1 (de) | 2000-07-25 | 2000-07-25 | Feuchtesensor und Verwendung |
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ID=7650135
Family Applications (1)
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Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: MICRONAS GMBH, 79108 FREIBURG, DE |
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R120 | Application withdrawn or ip right abandoned | ||
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Effective date: 20130121 |