DE102007047156A1 - Humidity sensor for detecting amount of water in e.g. liquid, has physical transducer coupled with sensor layer in such manner that characteristic of transducer depends on water amount absorbed by sensor layer - Google Patents

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Abstract

The sensor (1) has a sensor layer (2) with hygroscopic ceramics for sorption of water. A physical transducer (3) is coupled with the sensor layer in such a manner that a characteristic of the transducer depends on water amount absorbed by the sensor layer. The transducer comprises an electrical resistor i.e. Ohmic resistor, where the characteristic of the transducer is selected from a resistance value of the electrical resistor. The sensor layer directly stays in contact with electrodes (31, 32) of the transducer. An independent claim is also included for a method for detecting water in a fluid using a humidity sensor.

Description

Die Erfindung betrifft einen Feuchtigkeitssensor mit hygroskopischer Keramikschicht und ein Verfahren zur Detektion von Wasser in einem Fluid unter Verwendung des Feuchtigkeitssensors.The The invention relates to a hygroscopic humidity sensor Ceramic layer and a method for the detection of water in one Fluid using the humidity sensor.

In der Technik finden verschiedene Feuchtigkeitssensoren (Hygrometer) Anwendung. Oft werden physikalische Eigenschaften hygroskopischer Materialien genutzt und mit Hilfe eines so genannten physikalischen Transducers in ein elektrisches Signal ungesetzt.In the technology find different humidity sensors (hygrometer) Application. Often, physical properties become more hygroscopic Materials used and with the help of a so-called physical Transducers set in an electrical signal.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen effizienten, reversiblen und schnell ansprechenden Feuchtigkeitssensor anzugeben.task The invention is an efficient, reversible and fast to indicate responsive moisture sensor.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Feuchtigkeitssensor angegeben, aufweisend mindestens eine Sensorschicht mit einer hygroskopischen Keramik zur Sorption von Wasser und mindestens einen physikalischen Transducer, der mit der Sensorschicht derart gekoppelt ist, dass eine Kenngröße des Transducers von einer durch die Sensorschicht sorbierten Wassermenge abhängt, wobei das keramische Material ein Alkali-Niobat aufweist.to solution The object is a moisture sensor, comprising at least a sensor layer with a hygroscopic ceramic for sorption of water and at least one physical transducer associated with the sensor layer is coupled such that a characteristic of the transducer depends on a sorbed by the sensor layer amount of water, wherein the ceramic material comprises an alkali niobate.

Insbesondere weist das Alkali-Niobat Kalium-Niobat (KNbO3) auf. Derivate des Kalium-Niobats sind auch denkbar, bei denen Kalium durch die weiteren Alkalimetalle Lithium und Natrium ganz oder teilweise ersetzt sind.In particular, the alkali niobate has potassium niobate (KNbO 3 ). Derivatives of potassium niobate are also conceivable in which potassium is completely or partially replaced by the other alkali metals lithium and sodium.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Detektion von Wasser in einem Fluid unter Verwendung des Feuchtigkeitssensors mit folgenden Verfahrensschritten angegeben: a) Zusammenbringen des Fluids und der Sensorschicht derart, dass Wasser durch die Sensorschicht sorbiert werden kann, und b) Bestimmen der Kenngröße des physikalischen Transducers, wobei aus der Kenngröße auf die durch die Sensorschicht sorbierte Wassermenge geschlossen wird.According to one second aspect of the invention is a method for the detection of Water in a fluid using the moisture sensor with the following process steps are given: a) bringing together the Fluids and the sensor layer such that water through the sensor layer can be sorbed, and b) determining the characteristic of the physical Transducers, where from the characteristic to the through the sensor layer sorbed amount of water is closed.

Alkali-Niobat-Schichten und insbesondere Kalium-Niobat-Schichten zeigen hygroskopisches Verhalten. Dies kann auf einer gewissen Porosität des Materials beruhen. Denkbar ist auch, dass sich im Verlauf des Herstellungsprozesses hygroskopische Fremdphasen bilden. In jedem Fall wird Wasser durch die Alkali-Niobat-Schicht sorbiert. In Folge der Sorption ändert sich eine Eigenschaft der Schicht, beispielsweise ihre Permittivität oder ihr elektrischer Widerstand. Mit Hilfe des physikalischen Transducers wird die Eigenschaft bzw. die Änderung der Eigenschaft der Sensorschicht abgegriffen.Alkali niobate layers and in particular potassium niobate layers show hygroscopic behavior. This may be due to some porosity of the material based. It is also conceivable that in the course of the manufacturing process form hygroscopic foreign phases. In any case, water gets through sorbs the alkali niobate layer. As a result of sorption changes a property of the layer, for example its permittivity or its electrical resistance. With the help of the physical transducer becomes the property or change the property of the sensor layer tapped.

Es hat sich gezeigt, dass gerade bei einer Sensorschicht aus Kalium-Niobat deren Eigenschaften in Abhängigkeit vom Wassergehalt schnell, reversibel und linear geändert werden. Als weiterer Vorteil ist sowohl die Temperaturbeständigkeit als auch die Beständigkeit der Sensorschicht aus einer Keramik gegenüber einer Vielzahl von Chemikalien hervorzuheben. Darüber hinaus können nach der Integration des Sensors in ein Bauteil weitere, bei höherer Temperatur ablaufende Prozessschritte folgen, da der Feuchtigkeitssensor durch die keramische Sensorschicht geschützt ist.It It has been shown that especially with a sensor layer of potassium niobate their properties in dependence be changed quickly, reversibly and linearly from the water content. Another advantage is both the temperature resistance as well as the consistency the sensor layer of a ceramic against a variety of chemicals emphasized. About that can out after integration of the sensor into a component further, at higher temperature proceeding process steps follow, as the moisture sensor through the ceramic sensor layer is protected.

Beliebige Transducer mit einer Vielzahl von elektrischen Kenngrößen können in dem Feuchtigkeitssensor zum Einsatz kommen. Gemäß einer besonderen Ausgestaltung weist der Transducer einen elektrischen Widerstand auf. Die vom Wassergehalt abhängige Kenngröße ist ein Widerstandswert des elektrischen Widerstands ist. Der Widerstand kann als ohmscher Widerstand ausgestaltet sein. Denkbar ist auch, dass der Widerstandswert ein Scheinwiderstand ist. Über Elektroden, die mit der Sensorschicht verbunden sind, wird ein elektrisches Wechselfeld in die Sensorschicht eingekoppelt. Die abzugreifende Kenngröße ist der Scheinwiderstand (komplexer Widerstand).any Transducers with a variety of electrical characteristics can be used in the humidity sensor are used. According to a particular embodiment the transducer has an electrical resistance. The ones from Water content dependent Characteristic is a Resistance value of the electrical resistance is. The resistance can be configured as an ohmic resistance. It is also conceivable that the resistance value is an impedance. About electrodes, which are connected to the sensor layer, an electric Alternating field coupled into the sensor layer. The characteristic to be taken off is the Impedance (complex resistance).

In einer besonderen Ausgestaltung weist der Transducer einen Kondensator auf. Die von der sorbierten Wassermenge abhängige Kenngröße ist eine Kapazität des Kondensator.In In a particular embodiment, the transducer has a capacitor on. The parameter dependent on the sorbed water quantity is a capacity of the condenser.

In einer besonderen Ausgestaltung weist die Sensorschicht eine aus dem Bereich von einschließlich 5 nm bis einschließlich 400 nm und insbesondere aus dem Bereich von einschließlich 10 nm bis 100 nm ausgewählte Sensorschichtdicke auf. Die Alkali-Niobatschicht ist als so genannte Dünnschicht ausgestaltet.In In a particular embodiment, the sensor layer comprises one including the area of 5 nm up to and including 400 nm and in particular from the range of 10 inclusive nm to 100 nm selected Sensor layer thickness on. The alkali niobate layer is called a thin layer designed.

Zur Kopplung können die Sensorschicht und der Transducer mittelbar, beispielsweise über eine Zwischenschicht mit einander verbunden sein. Vorzugsweise sind die Sensorschicht und der Transducer direkt miteinander verbunden. In einer besonderen Ausgestaltung steht daher die Sensorschicht direkt mit einer Elektrode des Transducers in Kontakt. Beispielsweise ist der Transducer ein Plattenkondensator und die Sensorschicht eine zwischen den Elektroden des Plattenkondensators angeordnete dielektrische Schicht des Plattenkondensators. Denkbar ist auch, dass die Elektroden eines Kondensators an einer Seite der Sensorschicht aufgebracht sind.to Coupling can the sensor layer and the transducer indirectly, for example via an intermediate layer be connected with each other. Preferably, the sensor layer and the transducer connected directly to each other. In a special Design is therefore the sensor layer directly with an electrode of the transducer in contact. For example, the transducer is on Plate capacitor and the sensor layer one between the electrodes the plate capacitor arranged dielectric layer of the plate capacitor. It is also conceivable that the electrodes of a capacitor on a Side of the sensor layer are applied.

Zum Aufbringen der Sensorschicht auf eine Elektrodenschicht des Transducers wird beispielsweise ein Sol-Gel-Prozess eingesetzt. Zum Erzeugen der Sol-Gel-Schicht wird beispielsweise wie folgt vorgegangen: Es wird zunächst ein Sol mit den Metallen, beispielsweise Kalium und Niob, als dünne Sol-Schicht auf die Elektrodenschicht aufgetragen. Dazu werden bekannte Verfahren wie Spincoating (Aufschleudern) oder Dipcoating (Tauchverfahren) eingesetzt. Danach oder gleichzeitig wird ein Gelierungsprozess in Gang gesetzt. Es bildet sich eine Gel-Schicht. Diese Gel-Schicht wird der Wärmebehandlung unterzogen. Es kommt zur Bildung der Sensorschicht mit der hygroskopischen Keramik. Andere Verfahren, beispielsweise ein Gasabscheidungsverfahren (Sputtern, etc.) sind auch denkbar.For applying the sensor layer to an electrode layer of the transducer, for example, a sol-gel process is used. To produce the sol-gel layer, the procedure is, for example, as follows: First, a sol with the metals, for example potassium and niobium, is applied to the electrode layer as a thin sol layer. For this purpose, known methods such as spin coating (spin-on) or dip coating (dipping method) are used. Thereafter, or simultaneously, a gelation process is initiated. It forms a gel layer. This gel layer is subjected to the heat treatment. It comes to the formation of the sensor layer with the hygroscopic ceramic. Other methods, such as a gas deposition method (sputtering, etc.) are also conceivable.

Das Verfahren zur Detektion von Wasser kann sowohl auf Gase als auch auf Flüssigkeiten angewendet werden. Es wird ein Fluid verwendet, das aus der Gruppe Gas und/oder Flüssigkeit ausgewählt wird. Das Gas kann ein Gasgemisch sein, wie beispielsweise Luft. Mit Hilfe des Verfahrens lässt sich so die Luftfeuchtigkeit und deren Änderung bestimmen. Das Fluid kann aber auch eine Flüssigkeit sein, beispielsweise ein organisches Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch. Mit Hilfe des Feuchtigkeitssensors kann ein Wassergehalt des Lösungsmittels bestimmt werden.The Method of detecting water can be applied to both gases and on liquids be applied. It uses a fluid that is from the group Gas and / or liquid is selected. The gas may be a gas mixture, such as air. With help of the procedure so determine the humidity and its change. The fluid but it can also be a liquid be, for example, an organic solvent or solvent mixture. With the help of the moisture sensor, a water content of the solvent can be determined become.

Anhand eines Ausführungsbeispiels und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher vorgestellt. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.Based an embodiment and the associated Figures, the invention is presented in more detail below. The figures are schematic and do not represent true to scale illustrations.

1 zeigt einen Feuchtigkeitssensor mit einem Kondensator als physikalischen Transducer in einem seitlichen Querschnitt. 1 shows a moisture sensor with a capacitor as a physical transducer in a lateral cross-section.

2 zeigt die Abhängigkeit Kenngröße Kapazität des Kondensators von einer durch die Sensorsicht sorbierten Wassermenge. 2 shows the dependence characteristic capacitance of the capacitor of a sorbed by the sensor amount of water.

Der Feuchtigkeitssensor 1 weist zwei wesentliche Bestandteile auf: eine physikalischen Transducer in Form eines Kondensators 3 und eine Sensorschicht 2 aus Kalium-Niobat. Die Kalium-Niobat-Sensorschicht und die Elektroden 31 und 32 des Kondensators sind direkt miteinander verbunden. Wie in 1 dargestellt, sind die Elektrodenschichten auf einer der Seiten der Sensorschicht. In einer alternativen Ausgestaltung sind die Elektroden beidseitig mit der Sensorschicht verbunden.The moisture sensor 1 has two essential components: a physical transducer in the form of a capacitor 3 and a sensor layer 2 from potassium niobate. The potassium niobate sensor layer and the electrodes 31 and 32 of the capacitor are directly connected. As in 1 As shown, the electrode layers are on one side of the sensor layer. In an alternative embodiment, the electrodes are connected on both sides with the sensor layer.

In 2 ist das Ergebnis einer mit dem Feuchtigkeitssensor aufgenommenen Messung zu sehen. Der Feuchtigkeitssensor wurde steigender Luftfeuchtigkeit (Bezugszeichen 20 bis Bezugszeichen 21) ausgesetzt. Dieser Bereich ist vergrößert dargestellt.In 2 is the result of a measurement taken with the moisture sensor. The humidity sensor was increasing humidity (reference numeral 20 to reference number 21 ) exposed. This area is shown enlarged.

Bereits im Bereich von unter 1% relative Luftfeuchtigkeit zeigt der Feuchtigkeitssensor hervorragende Eigenschaften: Die Luftfeuchtigkeit ist zuverlässig mit einem linearen Anstieg detektierbar.Already in the range of less than 1% relative humidity, the humidity sensor shows Excellent properties: The humidity is reliable with a linear increase detectable.

Auch höhere Luftfeuchtigkeiten sind zuverlässig detektierbar mit extrem niedrigen Ansprechzeiten.Also higher Humidities are reliable detectable with extremely low response times.

Claims (8)

Feuchtigkeitssensor (1), aufweisend – mindestens eine Sensorschicht (2) mit einer hygroskopischen Keramik zur Sorption von Wasser und – mindestens einen physikalischen Transducer (3), der mit der Sensorschicht derart gekoppelt ist, dass eine Kenngröße des Transducers von einer durch die Sensorschicht sorbierten Wassermenge abhängt, wobei das keramische Material ein Alkali-Niobat aufweist.Moisture sensor ( 1 ), comprising - at least one sensor layer ( 2 ) with a hygroscopic ceramic for the sorption of water and - at least one physical transducer ( 3 ) coupled to the sensor layer such that a characteristic of the transducer depends on an amount of water sorbed by the sensor layer, the ceramic material comprising an alkali niobate. Feuchtigkeitssensor nach Anspruch 1, wobei das Alkali-Niobat Kalium-Niobat ist.Moisture sensor according to claim 1, wherein the alkali niobate potassium niobate is. Feuchtigkeitssensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Transducer einen Kondensator aufweist und die Kenngröße eine Kapazität des Kondensator ist.Moisture sensor according to claim 1 or 2, wherein the transducer has a capacitor and the characteristic a capacity the capacitor is. Feuchtigkeitssensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Transducer einen elektrischen Widerstand aufweist und die Kenngröße ein Widerstandswert des elektrischen Widerstands ist.Moisture sensor according to claim 1 or 2, wherein the transducer has an electrical resistance and the characteristic has a resistance value of electrical resistance is. Feuchtigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Sensorschicht direkt mit einer Elektrode (31, 32) des Transducers in Kontakt steht.Moisture sensor according to one of claims 1 to 4, wherein the sensor layer directly with an electrode ( 31 . 32 ) of the transducer is in contact. Feuchtigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Sensorschicht eine aus dem Bereich von einschließlich 5 nm bis einschließlich 400 nm und insbesondere aus dem Bereich von einschließlich 10 nm bis 100 nm ausgewählte Sensorschichtdicke aufweist.Moisture sensor according to one of claims 1 to 5, wherein the sensor layer is one of the range of 5 inclusive nm up to and including 400 nm and in particular from the range of 10 inclusive nm to 100 nm selected Has sensor layer thickness. Verfahren zur Detektion von Wasser in einem Fluid unter Verwendung des Feuchtigkeitssensors nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit folgenden Verfahrensschritten: a) Zusammenbringen des Fluids und der Sensorschicht derart, dass Wasser durch die Sensorschicht sorbiert werden kann, und b) Bestimmen der Kenngröße des physikalischen Transducers, wobei aus der Kenngröße auf die durch die Sensorschicht sorbierte Wassermenge geschlossen wird.Method for detecting water in a fluid using the humidity sensor according to any one of claims 1 to 6 with the following process steps: a) bringing together the Fluids and the sensor layer such that water sorbs through the sensor layer can be, and b) determining the characteristic of the physical transducer, where from the characteristic on the is closed by the sensor layer sorbed amount of water. Verfahren, nach Anspruch 7, wobei ein Fluid verwendet wird, das aus der Gruppe Gas und/oder Flüssigkeit ausgewählt wird.A method according to claim 7, wherein a fluid is used which is selected from the group of gas and / or liquid.
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