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Die Erfindung betrifft ein Sensorelement zur Bestimmung des Feuchtegehalts eines gasförmigen Mediums.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits Sensorelemente zur Messung des Feuchtegehalts (= Feuchtesensoren) eines das Sensorelement umgebenden Messmediums, insbesondere eines gasförmigen Messmediums, bekannt. Derartige Sensoren bedienen sich unterschiedlicher Messverfahren.
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Zum einen sind kapazitive Feuchtesensoren weit verbreitet. Bei diesen Feuchtesensoren wird der Feuchtegehalt anhand der feuchteabhängigen Dielektrizitätskonstante eines zwischen zwei Kondensatorplatten eingefassten Dielektrikums erfasst.
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Zum anderen existieren resistive Feuchtesensoren, bei welchen sich die Leitfähigkeit einer aktiven Schicht in Abhängigkeit vom Feuchtegehalt des den Feuchtesensor umgebenden Messmediums ändert.
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In bestimmten Anwendungen, beziehungsweise in bestimmten Applikationen, ist es erforderlich, dass Feuchtesensoren eine schnelle Ansprechzeit aufweisen. Eine Anwendung, bei welcher eine sehr schnelle Ansprechzeit gefordert wird, ist das Verwenden von Feuchtesensoren in Wetterballons. Stand der Technik ist es hier, Feuchtesensoren zu verwenden, welche auf Basis eines feuchteempfindlichen Polymers aufgebaut sind. Hierbei existieren üblicherweise zwei verschiedene Ausführungsformen:
In einer ersten üblichen Variante ist auf einem Trägersubstrat eine interdigitale Struktur angebracht. Diese interdigitale Struktur ist mit einer feuchteempfindlichen Polymerschicht bedeckt. Als interdigitale Struktur wird in diesem Falle eine Anordnung zweier Elektroden bezeichnet, bei der die Elektroden finger- oder auch kammartige Strukturen aufweisen, welche ohne sich zur berühren ineinandergreifen.
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In einer zweiten üblichen Variante ist auf dem Trägersubstrat eine Grundelektrode angebracht, welche mit der feuchteempfindlichen Polymerschicht bedeckt ist. Auf der feuchteempfindlichen Polymerschicht wiederum ist eine Gegenelektrode platziert. Der Aufbau entspricht einem Plattenkondensator, wobei das feuchteempfindliche Polymer als Dielektrikum dient.
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Bei beiden Varianten ist von Nachteil, dass die Feuchte nur von oben in das Polymer gelangt, wodurch die Ansprechzeit beschränkt ist.
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Ausgehend von dieser Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Sensorelement zur Bestimmung des Feuchtegehalts eines gasförmigen Mediums vorzustellen, welches eine verbesserte Ansprechzeit aufweist.
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Die Aufgabe wird durch ein Sensorelement zur Bestimmung des Feuchtegehalts eines gasförmigen Mediums gelöst, umfassend:
- – ein Substrat, welches eine Aussparung aufweist;
- – eine Membran, welche auf dem Substrat angebracht ist und in der Aussparung des Substrats angeordnet ist, wobei die Membran im Wesentlichen aus einem feuchteempfindlichen Polymer mit einer von dem Feuchtegehalt des Mediums abhängigen Dielektrizitätskonstante und/oder elektrischen Leitfähigkeit besteht; und
- – eine auf der Membran aufgebrachte Elektrodenanordnung zur Messung eines Kapazitätswerts und/oder der elektrischen Leitfähigkeit der Membran.
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Der große Vorteil des erfindungsgemäßen Sensorelements besteht darin, dass das Messmedium das feuchteempfindliche Polymer von der Oberseite und von der Unterseite des Sensorelements erreichen kann, wodurch die Feuchtigkeit des Messmediums von oben und von unten in das feuchtempfindliche Polymer gelangt.
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Dadurch wird die Diffusion von Feuchtigkeit in das Polymer beschleunigt, wodurch die Ansprechzeit des Sensorelements verringert ist.
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Anwendungen für das erfindungsgemäße Sensorelement sind bereits im einleitenden Teil der Beschreibung beispielhaft beschrieben.
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Gemäß einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass die Elektrodenanordnung zumindest eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode umfasst.
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Eine Ausgestaltung der ersten Variante des erfindungsgemäßen Sensorelements sieht vor, dass die erste Elektrode auf der Fläche der Oberseite der Membran angeordnet ist, und dass die zweite Elektrode auf der Fläche der Unterseite der Membran angeordnet ist.
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Eine weitere Ausgestaltung der ersten Variante des erfindungsgemäßen Sensorelements sieht vor, dass die erste und die zweite Elektrode gemeinsam auf der Fläche der Oberseite oder auf der Fläche der Unterseite der Membran angeordnet sind. Das erfindungsgemäße Sensorelement bietet somit eine Vielzahl an Anordnungsmöglichkeiten in Bezug auf die Elektrodenstruktur.
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Gemäß einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass die Elektrodenanordnung aus einer interdigitalen Struktur besteht, welche auf der Fläche der Oberseite oder auf der Fläche der Unterseite der Membran angeordnet ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass das Sensorelement zusätzlich ein auf der Fläche der Oberseite oder auf der Fläche der Unterseite der Membran aufgebrachtes Heizelement aufweist. Das Heizelement ist dazu ausgestaltet, die Membran 120 zu erwärmen. Dadurch wird die Ansprechzeit des Sensorelements weiter verringert, da die Diffusionszeit der Wassermoleküle in das feuchteempfindliche Polymer durch das Aufheizen deutlich verkürzt ist. Da die Membran lediglich eine geringe Dicke von wenigen Mikrometern aufweist, kann das Sensorelement mit einer sehr geringen elektrischen Leistung beheizt werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass das Sensorelement zusätzlich einen auf die Membran aufgebrachten Temperatursensor aufweist. Durch den Temperatursensor kann auf einfache Art und Weise die Temperatur des Sensorelements bestimmt werden, wodurch das Heizelement das Sensorelement zuverlässig auf eine gezielte Temperatur erwärmen kann. Das Heizelement wird vorzugsweise durch ein Widerstandselement gebildet.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass das Substrat im Wesentlichen aus einem metallischen Material, insbesondere aus Edelstahl, besteht.
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Gemäß einer alternativen bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass das Substrat im Wesentlichen aus Glas besteht.
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Gemäß einer weiteren alternativen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass das Substrat im Wesentlichen aus einem keramischen Material besteht.
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Des Weiteren kann auch vorgesehen sein, dass das Substrat im Wesentlichen aus einem Halbleitermaterial, insbesondere Silizium oder Germanium, besteht.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass die Elektrodenanordnung im Wesentlichen aus einem metallischen Material, insbesondere Platin, Gold oder Nickel, besteht. Diese Materialien sind in der Mikrofertigung etabliert.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements sieht vor, dass das Heizelement und/oder der Temperatursensor im Wesentlichen aus einem metallischen Material, insbesondere aus Platin, Gold, Chrom, Tantal oder Nickel, oder aus einer metallischen Materialkombination besteht.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements sieht vor, dass i die interdigitale Struktur das Heizelement bildet.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass das Heizelement und/oder der Temperatursensor im Wesentlichen aus einem polykristallinen oder dotierten Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, Germanium oder Galliumarsenid, besteht. Es versteht sich von selbst, dass prinzipiell jedes gebräuchliche Halbleitermaterial verwendet werden kann.
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Vorteilhafter Weise besteht das Heizelement und/oder der Temperatursensor also aus einem Material mit einem definierten Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands, welcher ungleich Null ist und besitzen daher aufgrund ihrer jeweiligen Temperaturkoeffizienten ausgeprägte Temperaturkennlinien
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements sieht vor, dass die Membran auf einem Membranträger aufgebracht ist, welcher insbesondere aus dem Material des Substrats, bzw. einer Materialkombination besteht. Hierbei wird das Substrat hinterätzt, so dass eine „Ätzwanne“ entsteht. Damit das Messmedium von beiden Seiten zur Membran gelangen kann, weist der Membranträger Öffnungen auf oder ist perforiert. Insbesondere besteht der Membranträger aus Siliziumnitrid oder aus Siliziumdioxid, wenn das Substratmaterial Silizium ist.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt
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1: ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensorelements;
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2: verschiedene Ausgestaltungen der Membran des erfindungsgemäßen Sensorelements; und
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3: verschiedene Ausgestaltungen der Elektrodenanordnung des erfindungsgemäßen Sensorelements.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensorelements 1. In einem Substrat 110 ist eine Aussparung vorgesehen. Bei dem Substrat 110, welches typischerweise eine Dicke von mehreren hundert Mikrometern aufweist, handelt es sich bevorzugt um ein Substrat aus Edelstahl. Das Substrat 110 kann jedoch auch aus jedem beliebigen weiteren metallischen Material, keramischen Material oder Halbleitermaterial gefertigt sein.
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An dem Substrat ist eine Membran 120 angebracht. Bei besagter Membran 120 handelt es sich um eine Dünnschicht mit einer Schichtdicke von wenigen Mikrometern, welche aus einem feuchteempfindlichen Polymer besteht.
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1a) zeigt die Oberseite des Sensorelements 1. Auf der Fläche der Oberseite der Membran ist eine Elektrodenanordnung 130 in Form einer interdigitalen Struktur aufgebracht. Mittels der Elektrodenanordnung 130 werden der aktuelle Kapazitätswert und/oder die aktuelle elektrische Leitfähigkeit der Membran 120 bestimmt. Die Elektrodenanordnung 130 besteht insbesondere aus einer Dünnschicht Gold, kann aber auch aus jedem weiteren metallischen Material bestehen, wobei die Dünnschicht auf der Fläche der Oberseite der Membran 120 aufgetragen ist.
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Die Elektrodenanordnung 130 ist mittels Leiterbahnen mit Kontaktpads 150 verbunden. Über die Kontaktpads 150 kann die Elektrodenanordnung mit einer externen Spannung beaufschlagt werden, bzw. der aktuelle Kapazitätswert, bzw. die aktuelle elektrische Leitfähigkeit der Membran 120 ausgelesen werden.
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1b) zeigt die Unterseite des Sensorelements 1. Auf der Fläche der Unterseite der Membran 120 ist ein Heizelement 140 in Form eines Widerstandselements angeordnet und aufgetragen. Das Heizelement 140 besteht aus einem metallischen Material, insbesondere Platin, Nickel, oder Kupfer, oder aber aus einem dotierten oder polykristallinen Halbeitermaterial.
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Das Heizelement 140 ist mittels Leiterbahnen mit Kontaktpads 150 verbunden. Über die Kontaktpads 150 wird das Heizelement 140 mit einer elektrischen Leistung beaufschlagt und erzeugt dadurch joulesche Wärme, welche ein Erwärmen der Membran 120 bewirkt.
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Das, insbesondere gasförmige, Messmedium trifft sowohl auf die Oberfläche der Oberseite der Membran 120, als auch auf die Oberfläche der Unterseite der Membran 120. Abhängig vom Feuchtegehalt des Messmediums ändert sich der Kapazitätswert und/oder die Leitfähigkeit des feuchteabhängigen Polymers der Membran 120. Im Gegensatz zu den im Stand der Technik beschriebenen Feuchtesensoren besitzt das erfindungsgemäße Sensorelement 1 dadurch eine deutlich verringerte Ansprechzeit auf einer Veränderung des Feuchtegehalts des Messmediums.
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Durch das Aufheizen der Membran 120 mittels des Heizelements 150 kann die Diffusionszeit der Wassermoleküle in und/oder aus dem feuchteempfindlichen Polymer weiter verringert werden. Zusätzlich zu dem Heizelement 150 kann ein, hier nicht gezeigter, Temperatursensor auf der Membran 120 aufgebracht werden, welcher die aktuelle Temperatur misst. In Phasen, in denen das Heizelement 150 nicht eingeschaltet ist, kann auch dieses als Temperatursensor dienen.
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2 zeigt verschiedene Ausgestaltungen der Membran 120 des erfindungsgemäßen Sensorelements 1. In 2a) ist die Membran 120 direkt auf die Aussparung des Substrats 110 aufgebracht. In diesem Ausführungsbeispiel besteht das Substrat aus Edelstahl, in welche die Aussparung geätzt wurde. Alternativ kann die Aussparung auch gesägt oder gefräst werden.
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In 2b) ist die Membran 120 auf einen Membranträger 111 aufgebracht. Der Membranträger 111 besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus dem Material des Substrats 110 selbst. Häufig wird als Substratmaterial ein Halbleitermaterial gewählt. Durch anisotropes Ätzen des Substrats 110 entsteht eine „Ätzwanne“. Die Dimensionen des Membranträgers 111 sind derart gewählt, dass dieser Mindestens die Abmessungen der Membran 120 und mindesten die Dicke der Membran 120 aufweist. Damit das Messmedium von beiden Seiten zur Membran gelangen kann, weist der Membranträger 111 Öffnungen auf oder ist perforiert.
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3 zeigt verschiedene Ausgestaltungen der Elektrodenanordnung 130 des erfindungsgemäßen Sensorelements 1. In 3a) besteht die Elektrodenanordnung 130 aus einer ersten Elektrode 131 und aus einer zweiten Elektrode 132. Diese sind gemeinsam auf der Oberfläche der Oberseite der Membran 120 angeordnet. Die Fläche, welche für die Messung der Kapazität (C~(Länge/Fläche)) bzw. der elektrischen Leitfähigkeit maßgeblich ist wird durch die Breite und die Dicke der Membran 120 gebildet. Alternativ sind die erste Elektrode 131 und die zweite Elektrode 132 gemeinsam auf der Oberfläche der Oberseite der Membran 120 angeordnet.
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In 3b) ist die erste Elektrode 131 auf der Oberfläche der Oberseite der Membran 120 angeordnet. Die zweite Elektrode 132 ist auf der Oberfläche der Oberseite der Membran 120.
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Es versteht sich von selbst, dass das erfindungsgemäße Sensorelement 1 nicht auf die in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern alle möglichen Kombinationen und Anordnungen der Komponenten des Sensorelements 1 umfasst. Die Fläche, welche für die Messung der Kapazität bzw. der elektrischen Leitfähigkeit maßgeblich ist wird durch die Breite und die Länge der Membran 120 gebildet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sensorelement
- 110
- Substrat
- 111
- Membranträger
- 120
- Membran
- 130
- Elektrodenanordnung
- 131
- erste Elektrode
- 132
- zweite Elektrode
- 140
- Heizelement
- 150
- Kontaktpads
