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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Feuchtesensor zum Bestimmen einer Feuchtigkeit eines Messmediums in einer Umgebung des Feuchtesensors, auf ein Verfahren zum Schützen eines Feuchtesensors und auf eine Verwendung von Graphenoxid als Schutzschicht für einen Feuchtesensor.
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Feuchtesensoren sind häufig aggressiven Medien, wie beispielsweise Schmutz, Säuren oder anderen Schadstoffen ausgesetzt und sind vor solchen Medien zu schützen. Jedoch sollen Feuchtesensoren für die zu erfassende Feuchtigkeit in umgebenden Medien zugänglich sein.
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Die
DE 10 2006 033 251 A1 offenbart eine Schutzeinrichtung für einen Feuchtesensor in aggressiver Atmosphäre.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden ein verbesserter Feuchtesensor zum Bestimmen einer Feuchtigkeit eines Messmediums in einer Umgebung des Feuchtesensors, ein verbessertes Verfahren zum Schützen eines Feuchtesensors sowie eine vorteilhafte Verwendung von Graphenoxid als Schutzschicht für einen Feuchtesensor gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann ein Feuchtesensor mit einer vorteilhaften Schutzschicht bereitgestellt werden. Vorgesehen ist beispielsweise eine zumindest partielle Umhüllung oder Beschichtung eines Feuchtesensors mit einer Schicht, welche spezifisch nur Feuchtigkeit durchlässt. Hierzu eignet sich insbesondere eine Graphenoxidschicht. Insbesondere ist der Feuchtesensor mit einer Schutzschicht versehen, welche Feuchtigkeit besonders gut durchlässt, aber unerwünschte Schadstoffe vom Sensor fernhält.
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Ein Vorteil von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist ein zuverlässiger Schutz eines Feuchtesensors durch die Schutzschicht z. B. aus Graphenoxid, die insbesondere nur durchlässig für Wasser ist und somit unerwünschte Schadstoffe vom Sensor fernhält. Daher kann ein verbesserter Schutz des Sensors vor schädlichen bzw. eine Funktion des Sensors beeinträchtigenden Umgebungseinflüssen erreicht werden, wobei ein Kontakt des Sensors zu dem zu erfassenden Stoff im Umgebungsmedium beibehalten ist. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen insbesondere auch eine vorteilhafte Anwendung einer Graphenoxid-Membran oder -Beschichtung zum Schutz eines Feuchtesensors vor Beschädigung durch Säuren, Schmutz und dergleichen.
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Ein Feuchtesensor zum Bestimmen einer Feuchtigkeit eines Messmediums in einer Umgebung des Feuchtesensors weist folgende Merkmale auf:
zumindest ein feuchteempfindliches Sensorelement, wobei zumindest eine Eigenschaft des Sensorelements von der Feuchtigkeit des Messmediums beeinflussbar ist; und
eine Schutzschicht, mittels derer das zumindest eine Sensorelement von der Umgebung des Feuchtesensors abtrennbar ist, sodass ein Stoffaustausch zwischen dem Messmedium und dem zumindest einen Sensorelement ausschließlich über die Schutzschicht erfolgt, wobei die Schutzschicht ausgebildet ist, um für Wasser in dem Messmedium permeabel zu sein und für andere Stoffe in dem Messmedium im Wesentlichen impermeabel zu sein.
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Der Feuchtesensor kann insbesondere für Automobilanwendungen bzw. Automotive Anwendungen vorgesehen sein. Somit kann der Feuchtesensor beispielsweise in Verbindung mit einem Fahrzeug zur Anwendung kommen, um eine Feuchtigkeit zu bestimmen. Bei dem Fahrzeug kann es sich um ein Kraftfahrzeug handeln, insbesondere ein straßengebundenes Kraftfahrzeug, wie einen Personenkraftwagen, einen Lastkraftwagen oder ein sonstiges Nutzfahrzeug. Bei dem Sensorelement kann es sich um ein allgemein bekanntes Element zur Detektion von Feuchtigkeit handeln. Das Sensorelement kann beispielsweise auf einer kapazitiven Messanordnung basieren. Bei der zumindest einen Eigenschaft des Sensorelements, die von der Feuchtigkeit des Messmediums beeinflussbar ist, kann es sich um eine Leitfähigkeit, beispielsweise eine elektrische oder dielektrische Leitfähigkeit des Sensorelements handeln. Das Sensorelement oder ein Material des Sensorelements ist ausgebildet, um seine Eigenschaft zu ändern, wenn es mit Feuchtigkeit beaufschlagt oder mit Feuchtigkeit in Kontakt gebracht wird. Das Sensorelement kann beispielsweise ein Feuchtigkeit aufnehmendes Material, beispielsweise ein Polymer umfassen. Die Eigenschaft oder eine Änderung der Eigenschaft kann messtechnisch erfasst werden. Dadurch kann erkannt werden, ob das Sensorelement von Feuchtigkeit beeinflusst ist oder nicht. Gegebenenfalls kann auch erkannt werden von welcher Menge an Feuchtigkeit das Sensorelement beeinflusst wir. Die Schutzschicht des Feuchtesensors bzw. für den Feuchtesensor kann ausgebildet sein, um für Wasserdampf in dem Messmedium permeabel bzw. durchlässig zu sein. Dahingegen kann die Schutzschicht des Feuchtesensors bzw. für den Feuchtesensor kann ausgebildet sein, um für andere Stoffe bzw. Moleküle, insbesondere auch im gasförmigen Zustand, in dem Messmedium im Wesentlichen impermeabel bzw. undurchlässig zu sein. Hierbei ist unter im Wesentlichen impermeabel eine vollständige Undurchlässigkeit oder vernachlässigbar geringe Durchlässigkeit zu verstehen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Schutzschicht Graphenoxid aufweisen. Insbesondere kann die Schutzschicht aus Graphen bzw. Graphenoxid bestehen. Eine solche Graphenoxidschicht kann durchlässig für Wasser bzw. Feuchtigkeit, aber undurchlässig gegenüber anderen Gasen bzw. Molekülen sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass ein Schutz des Sensorelements und gegebenenfalls auch weiterer Erfassungsmerkmale des Feuchtesensors vor schädlichen Umwelteinflüssen erhöht werden kann, ohne jedoch eine Erfassungsfunktion des Sensorelements einzuschränken. Graphenoxid ist gasdicht, jedoch permeabel für Wassermoleküle und weist eine gute Zugfestigkeit sowie Steifigkeit auf.
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Auch kann die Schutzschicht als eine Membran ausgeformt sein. Somit kann eine Schutzmembran aus Graphen bzw. Graphenoxid vorgesehen sein. Die Schutzmembran kann ausgebildet sein, um das zumindest eine feuchteempfindliche Sensorelement gegebenenfalls auch weitere Erfassungsmerkmale des Feuchtesensors zu umhüllen oder einzuhüllen bzw. zumindest teilumfänglich zu umgeben. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine Membran, insbesondere eine Graphenoxidmembran, sich durch gute mechanische Eigenschaften auszeichnet und ein Sensorelement auf einfache Weise mittels einer solchen Membran umgeben und geschützt werden kann.
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Ferner kann die Schutzschicht als eine Beschichtung des zumindest einen Sensorelements ausgeformt sein. Somit kann eine Beschichtung aus Graphen bzw. Graphenoxid vorgesehen sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass auch mittels einer Beschichtung, insbesondere mit Graphenoxid, das Sensorelement auf einfache Weise geschützt werden kann.
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Vorteilhafterweise kann die Schutzschicht sich über zumindest eine Seite des zumindest einen Sensorelements erstreckend angeordnet sein. Beispielsweise kann die Schutzschicht eine Oberfläche, eine Oberfläche und eine Seitenfläche oder eine Oberfläche und einen umlaufenden Rand des Sensorelements teilweise oder vollständig bedecken. Hierbei kann zumindest eine Seite des Sensorelements mit der Schutzschicht beschichtet oder abgedeckt sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass sowohl ein großflächiger Wasseraustausch mit der Umgebung des Feuchtesensors als auch ein großflächiger Schutz des Feuchtesensors bzw. insbesondere des zumindest einen Sensorelements vor Verunreinigungen, schädlichen Stoffen und dergleichen ermöglicht werden kann.
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Insbesondere kann das zumindest eine Sensorelement ein feuchteempfindliches Polymermaterial aufweisen. Dabei kann das Sensorelement ausgebildet sein, um Wasser einzulagern. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass ein Polymer-Sensorelement eine einfache Abhängigkeit und Erfassbarkeit der Feuchtigkeit des Messmediums anhand der Menge des eingelagerten Wassers ermöglicht ist. Abhängig von der Menge eingelagerten Wassers kann sich die Eigenschaft, beispielsweise eine Permittivität oder Leitfähigkeit des Polymermaterials ändern.
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Zudem kann das zumindest eine Sensorelement zwei Elektroden aufweisen. Zwischen den Elektroden kann ein Feuchtigkeit aufnehmendes Material des Sensorelements angeordnet sein. Hierbei können die zwei Elektroden in Kontakt mit dem Feuchtigkeit aufnehmenden Material sein. Das Material kann somit ein Dielektrikum einer Kondensatoranordnung bilden. Durch eine Spannungsmessung an den Elektroden oder eine Strommessung zwischen den Elektroden kann eine durch die Feuchtigkeit hervorgerufene Änderung einer dielektrische Leitfähigkeit des Materials erfasst werden. Aus der Änderung der dielektrische Leitfähigkeit kann wiederum auf die Feuchtigkeit geschlossen werden, die die Änderung hervorgerufen hat.
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Dabei können die zwei Elektroden als zwei parallel oder schräg zueinander angeordnete Plattenelektroden oder als zwei fingerförmig ineinandergreifende Interdigitalelektroden ausgeformt sein. Die zwei Elektroden können auch als zwei elektrisch leitfähige Schichten ausgeformt sein. Die zwei bezüglich einander parallel oder schräg angeordneten Plattenelektroden können Teil eines Plattenkondensators sein, wobei der Feuchtesensor eine kapazitive Auswertung bzw. Erfassung aufweisen kann. Hierbei kann die Feuchtigkeit des Messmediums beispielsweise über eine Einlagerung von Wasser in das zumindest eine Sensorelement bzw. eine Polymerschicht zwischen den zwei Elektroden bzw. leitfähigen Schichten des Sensorelements detektiert werden. Eine veränderte Einlagerung von Wasser bzw. die davon abhängige elektrische Leitfähigkeit ändert eine Kapazität des Plattenkondensators, was wiederum elektrisch erfasst werden kann. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine einfache und zuverlässige sowie genaue Bestimmung der Feuchtigkeit des Messmediums ermöglicht ist.
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Gemäß einer Ausführungsform kann ein Träger vorgesehen sein, an dem das zumindest eine Sensorelement angebracht ist. Hierbei kann die Schutzschicht sich über alle bis auf eine Seite des zumindest einen Sensorelements erstreckend angeordnet sein. Dabei kann die Schutzschicht an dem Träger angebracht sein. Ferner kann die Schutzschicht das zumindest eine Sensorelement und gegebenenfalls die zwei Elektroden überspannend angeordnet sein. Somit kann das zumindest eine Sensorelement an einer Seite an dem Träger angebracht sein und an den anderen Seiten von der Schutzschicht umgeben sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass ein unkomplizierter Aufbau eines sicher vor unerwünschten Umwelteinflüssen geschützten Feuchtesensors ermöglicht ist.
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Ein Verfahren zum Schützen eines Feuchtesensors, der zum Bestimmen einer Feuchtigkeit eines Messmediums in einer Umgebung des Feuchtesensors vorgesehen ist, weist folgende Schritte auf:
Bereitstellen zumindest eines feuchteempfindlichen Sensorelements, wobei zumindest eine Eigenschaft des Sensorelements von der Feuchtigkeit des Messmediums abhängig ist; und
Anordnen einer Schutzschicht zum Abtrennen des zumindest einen Sensorelements von der Umgebung des Feuchtesensors an dem zumindest einen Sensorelement, sodass ein Stoffaustausch zwischen dem Messmedium und dem zumindest einen Sensorelement ausschließlich über die Schutzschicht erfolgt, wobei die Schutzschicht ausgebildet ist, um für Wasser in dem Messmedium permeabel zu sein und für andere Stoffe in dem Messmedium im Wesentlichen impermeabel zu sein.
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Das Verfahren zum Schützen eines Feuchtesensors kann ausgeführt werden, um den vorstehend genannten Feuchtesensor vorteilhaft zu fertigen bzw. einen Feuchtesensor vorteilhaft zu schützen. Im Schritt des Bereitstellens kann auch eine Grundvorrichtung des Feuchtesensors bereitgestellt werden, wobei das zumindest eine feuchteempfindliche Sensorelement ein Teil der Grundvorrichtung ist. Eine solche Grundvorrichtung kann ferner einen Träger, an dem das zumindest eine Sensorelement angebracht ist, und zwei Elektroden aufweisen, zwischen denen das zumindest eine Sensorelement angeordnet ist. Im Schritt des Anordnens kann die Schutzschicht als eine Membran über dem zumindest einen Sensorelement oder als eine Beschichtung des zumindest einen Sensorelements ausgeformt sein.
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Vorteilhaft ist auch eine Verwendung von Graphenoxid als Schutzschicht für einen Feuchtesensor. Graphenoxid kann durchlässig für Wasser bzw. Feuchtigkeit, aber undurchlässig gegenüber anderen Gasen bzw. Molekülen sein. Durch die Verwendung von Graphenoxid als Schutzschicht für einen Feuchtesensor kann ein Schutz des Feuchtesensors vor schädlichen Umwelteinflüssen erhöht werden, ohne jedoch eine Erfassungsfunktion des Feuchtesensors einzuschränken. Graphenoxid ist gasdicht sowie permeabel für Wassermoleküle und weist eine gute Zugfestigkeit sowie Steifigkeit auf.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen Feuchtesensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2A und 2B einen Feuchtesensor gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Feuchtesensors 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Feuchtesensor 100 weist einen Träger 110, eine erste Elektrode 120, eine zweite Elektrode 130, ein Sensorelement 140 und eine Schutzschicht 150 auf. Der Feuchtesensor 100 ist in einem umgebenden Messmedium 160 angeordnet bzw. demselben ausgesetzt. Das Messmedium 160 enthält Feuchte bzw. Feuchtigkeit in Form von Wasser 162 bzw. Wassermolekülen sowie andere Stoffe 164, wie beispielsweise Schmutz, Säuren und/oder dergleichen.
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Gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist an dem Träger 110 die erste Elektrode 120 angeordnet. Zwischen der ersten Elektrode 120 und der zweiten Elektrode 130 ist das Sensorelement 140 angeordnet. Somit ist die erste Elektrode 120 zwischen dem Träger 110 und der zweiten Elektrode 130 angeordnet. Die Schutzschicht 150 ist an dem Träger angebracht und ist die die erste Elektrode 120, die zweite Elektrode 130 und das Sensorelement 140 umhüllend angeordnet.
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Die erste Elektrode 120 und die zweite Elektrode 130 sind als Kondensatorplatten ausgeformt. Das Sensorelement 140 weist ein Polymer auf, das ausgebildet ist, um eine Feuchte bzw. Feuchtigkeit aufzunehmen. Die Feuchtigkeit stammt hierbei von dem Wasser 162 des Messmediums 160. Das Messmedium 160 umgibt den Feuchtesensor 100. Der Feuchtesensor 100 ist ausgebildet, um eine Feuchtigkeit des Messmediums 160 zu bestimmen. Die Schutzschicht 150 des Feuchtesensors 100 weist beispielhaft Graphenoxid auf, auch wenn dies in 1 nicht explizit grafisch dargestellt ist.
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Die Schutzschicht 150 des Feuchtesensors 100 ist ausgebildet, um für das Wasser 162 bzw. die Wassermoleküle des Messmediums 160 durchlässig zu sein. Dies ist in 1 durch einen Zweirichtungspfeil symbolisiert, der sich zwischen dem Messmedium 160 und dem Sensorelement 140 sowie durch die Schutzschicht 150 hindurch erstreckt. Die Schutzschicht 150 des Feuchtesensors 100 ist ausgebildet, um für die anderen Stoffe 164 des Messmediums 160 undurchlässig zu sein. Dies ist in 1 durch einen Pfeil symbolisiert, der in dem Messmedium 160 außerhalb der Schutzschicht 150 verläuft, wobei der Pfeil auf die Schutzschicht 150 auftrifft und von der Schutzschicht 150 zurück in das Messmedium 160 zeigt. Das Wasser 162, das die Schutzschicht 150 durchdringt, wird von dem Sensorelement 140 aufgenommen bzw. eingelagert. Dabei ist eine dielektrische Leitfähigkeit des Sensorelements 140 von einer Menge des eingelagerten Wassers 162 abhängig. Dies ist mittels der ersten Elektrode 120 und der zweiten Elektrode 130 beispielhaft kapazitiv erfassbar, sodass die Feuchtigkeit des Messmediums 160 bestimmbar ist.
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Der Feuchtesensor 100 in 2A bzw. 2B entspricht beispielsweise hinsichtlich seiner Funktionsweise und Bauteile dem Feuchtesensor aus 1 mit der Ausnahme, dass in 2A bzw. 2B die Bauteile des Feuchtesensors 100 eine andere Anordnung und/oder Ausformung aufweisen.
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2A zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Feuchtesensor 100 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt sind in der schematischen Draufsicht des Feuchtesensors 100 eine erste Elektrode 120, eine zweite Elektrode 130, ein Sensorelement 140 sowie eine Schnittlinie A-A. Die erste Elektrode 120 und die zweite Elektrode 130 sind gemäß dem in 2A bzw. 2B dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung als Interdigitalelektroden ausgeformt bzw. bilden eine Interdigitalstruktur bzw. ineinandergreifende Struktur. Das Sensorelement 140 ist zwischen der ersten Elektrode 120 und der zweiten Elektrode 130 angeordnet. Das Sensorelement 140 erstreckt sich hierbei serpentinenförmig zwischen der ersten Elektrode 120 und der zweiten Elektrode 130.
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2B zeigt eine Querschnittsdarstellung des in 2A dargestellten Feuchtesensors 100 entlang der Schnittlinie A-A. Gezeigt sind in der Querschnittsdarstellung des Feuchtesensors 100 ein Träger 110, die erste Elektrode 120, die zweite Elektrode 130, das Sensorelement 140 und eine Schutzschicht 150.
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Dabei sind die erste Elektrode 120, die zweite Elektrode 130 und das Sensorelement 140 an dem Träger 110 angebracht. Das Sensorelement 140 ist hierbei zwischen der ersten Elektrode 120 und der zweiten Elektrode 130 angeordnet. Die Schutzschicht 150 erstreckt sich von der ersten Elektrode 120 zu der zweiten Elektrode 130 über das Sensorelement 140 hinweg. Somit ist das Sensorelement 140 zwischen dem Träger 110 und der Schutzschicht 150 angeordnet. In der Querschnittsdarstellung von 2B ist das Sensorelement 140 von dem Träger 110, der ersten Elektrode 120, der zweiten Elektrode 130 und der Schutzschicht 150 umgeben.
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Somit zeigt 2B einen Feuchtesensor 100, bei dem auf dem Träger 110, der z. B. ein Halbleitersubstrat oder auch ein anderes Trägermaterial aufweist, die Elektroden 120 und 130, z. B. in Form einer Interdigitalstruktur, wobei auch andere Strukturen möglich sind, angeordnet sind. Zwischenräume zwischen den Elektroden 120 und 130 sind mit dem Sensorelement 140 bzw. einer feuchtesensitiven Schicht, z. B. einer Polymerschicht, aufgefüllt und mit der Schutzschicht 150 abgedeckt.
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 300 zum Schützen eines Feuchtesensors, der zum Bestimmen einer Feuchtigkeit eines Messmediums in einer Umgebung des Feuchtesensors vorgesehen ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei weist das Verfahren 300 einen Schritt des Bereitstellens 310 zumindest eines feuchteempfindlichen Sensorelements auf. Hierbei ist zumindest eine Eigenschaft des Sensorelements von der Feuchtigkeit des Messmediums abhängig. Auch umfasst das Verfahren 300 einen Schritt des Anordnens 320 einer Schutzschicht zum Abtrennen des zumindest einen Sensorelements von der Umgebung des Feuchtesensors an dem zumindest einen Sensorelement, sodass ein Stoffaustausch zwischen dem Messmedium und dem zumindest einen Sensorelement ausschließlich über die Schutzschicht erfolgt. Dabei ist die Schutzschicht ausgebildet, um für Wasser in dem Messmedium permeabel zu sein und für andere Stoffe in dem Messmedium im Wesentlichen impermeabel zu sein. Das Verfahren 300 zum Schützen eines Feuchtesensors kann ausgeführt werden, um den in 1 bzw. 2A und 2B gezeigten und beschriebenen Feuchtesensor vorteilhaft zu fertigen bzw. einen Feuchtesensor vorteilhaft zu schützen.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. Ferner können Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006033251 A1 [0003]
