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Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zum Bestimmen der relativen Feuchtigkeit in einem Gasvolumen und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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Feuchtigkeitssensoren zur Messung der relativen Feuchte kommen in weiten Bereichen der Industrie und Forschung zum Einsatz, beispielsweise in der Atmosphärenforschung, Biotechnologie, Lebensmittelproduktion, Raumluftüberwachung und Prozesssicherheit, sowie bei der Herstellung von Haushaltsgeräten und Elektronikanwendungen. Dazu sollen Feuchtigkeitssensoren in einem möglichst großen Messbereich eine hohe Sensitivität und Selektivität aufweisen, was typischerweise eine starke Interaktion eines sensitiven Materials mit dem umgebenden Medium erfordert dessen Feuchtigkeit gemessen werden soll. Andererseits sollen die den Feuchtigkeitssensor bildenden sensitiven Materialien hohen thermischen und chemischen Belastungen standhalten, eine gute Reproduzierbarkeit der Messergebnisse ermöglichen und eine möglichst kurze Antwort- bzw. Erholungszeit benötigen. Letzteres wird durch eine schwache Interaktion mit dem umgebenden Medium begünstigt. Darüber hinaus erfordert insbesondere der industrielle Einsatz Herstellungsverfahren, die möglichst geringe Fertigungs- und Instandhaltungskosten, eine hohe Lebensdauer und geringe Abmessungen der Sensoren ermöglichen.
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Um diesen unterschiedlichen und teilweise gegensätzlichen Anforderungen gerecht zu werden, können verschiedene Funktionsprinzipien für die Messung der relativen Feuchtigkeit genutzt werden. So kann zwischen elektrischen, d.h. kapazitiven oder resistiven, optischen und gravimetrischen Feuchtigkeitssensoren unterschieden werden. Dabei sind kapazitive Sensoren aufgrund ihres einfachen und zuverlässigen Funktionsprinzips am weitesten verbreitet.
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Ein entscheidender Vorteil der resistiven gegenüber den kapazitiven Feuchtigkeitssensoren besteht insbesondere in der stark ausgeprägten Linearität des Ausgangssignals, was eine komplizierte Kalibrierung überflüssig macht. Nach-teilig wirken sich üblicherweise ein kleiner Messbereich, eine geringe Selektivität und eine hohe Querempfindlichkeit gegenüber Fremdstoffen aus.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine auf einem resistiven Funktionsprinzip beruhende Sensorvorrichtung zum Erfassen der relativen Feuchtigkeit vorzuschlagen, die eine hohe Sensitivität und Zuverlässigkeit in einem großem Messbereich ermöglicht und gleichzeitig einfach und kostengünstig herzustellen ist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den in Anspruch 1 und 6 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Varianten ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
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Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung zum Bestimmen der relativen Feuchtigkeit in einem Gasvolumen umfasst einen Sensorträger und ein Kompositmaterial, das auf einer Oberfläche des Sensorträgers angeordnet ist. Das Kompositmaterial ist mit einem sulfonierten, perfluorierten Polymer und Kohlenstoffnanoröhren gebildet, wobei das Kompositmaterial mit zwei voneinander beabstandet angeordneten elektrischen Kontaktelementen in einem berührenden Kontakt steht und elektrisch kontaktiert ist. Anstelle des sulfonierten, perfluorierten Polymers kann das Kompositmaterial auch mit einem wasseraffinen Polymer insbesondere Epoxidharz, das beispielsweise unter der Handelsbezeichnung L268 kommerziell erhältlich ist, oder einem Silikon, das das beispielsweise unter der Handelsbezeichnung Sylgard 184 kommerziell erhältlich ist, gebildet sein. Bevorzugt sind jedoch sulfonierte, perfluorierte Polymere.
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Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung umfasst zudem eine elektronische Auswerte- und Steuereinheit, die ausgebildet ist, die relative Feuchtigkeit des Gasvolumens über einen mit den elektrischen Kontaktelementen ermittelten elektrischen Widerstand und einem Vergleich mit einem Referenzwertverlauf zu bestimmen.
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Das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung beruht auf der Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit des Kompositmaterials von dem Wassergehalt der Umgebung. Dabei werden zum einen die guten Quelleigenschaften des Polymers und zum anderen das große Oberflächen-zu-Volumen Verhältnis der Kohlenstoffnanoröhren und die damit verbundene hohe Adsorption fremder Moleküle ausgenutzt. Insbesondere können über das Polymer aufgenommene Wassermoleküle eine schwache Bindung mit den an der äußeren Oberfläche der Kohlenstoffnanoröhren angeordneten Kohlenstoffatomen eingehen. Dabei kann ein Ladungstransport stattfinden, bei dem die elektrische Leitfähigkeit der Kohlenstoffnanoröhren reduziert bzw. deren elektrischer Widerstand erhöht werden kann. Zusätzlich kann das Kompositmaterial durch die Wassereinlagerung des Polymers aufquellen, was den Abstand der Kohlenstoffnanoröhren und damit auch den elektrischen Widerstand zusätzlich erhöhen kann. Dabei kann sich insbesondere oberhalb der Perkolationsschwelle ein linearer Zusammenhang zwischen dem elektrischen Widerstand und der relativen Luftfeuchtigkeit in einem großen Messbereich bis hin zur Kondensation ergeben, der für die Bestimmung der relativen Feuchtigkeit ausgenutzt werden kann.
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Der elektrische Widerstand kann über die elektrischen Kontaktelemente mittels der elektronischen Steuer- und Auswerteeinheit ermittelt werden. Dazu kann die elektronische Steuer- und Auswerteeinheit mit den elektrischen Kontaktelementen elektrisch verbunden sein. Der elektrische Widerstand kann dabei entweder direkt, z.B. über eine Impedanz, oder indirekt über eine Messung der elektrischen Spannung und/oder einer elektrischen Stromstärke ermittelt werden. Durch einen Vergleich des so ermittelten elektrischen Widerstands mit einem Referenzwertverlauf, der die Abhängigkeit des elektrischen Widerstands von der relativen Feuchtigkeit angibt, kann dann die relative Feuchtigkeit in dem Gasvolumen bestimmt werden. Der Referenzwertverlauf kann aus einer Normierung und/oder einer zeitlichen Mittelung und/oder einer Ensemblemittelung von Werten für den elektrischen Widerstand, die für einen oder mehrere Prototypen der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung in verschiedenen Gasvolumina mit jeweils bekannten relativen Feuchtigkeitswerten ermittelt wurden, gebildet sein. Vor-zugsweise ist der Referenzwertverlauf in einem elektronischen Speicher der elektronische Steuer- und Auswerteeinheit gespeichert. Es können auch mehrere Referenzwertverläufe in einem elektronischen Speicher der elektronische Steuer- und Auswerteeinheit gespeichert sein, wobei die Referenzwertverläufe jeweils einem Teilbereich des Messbereichs oder jeweils einem Wertebereich eines anderen Umgebungsparameters zugeordnet sein können.
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Mit der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung kann insbesondere der Messbereich gegenüber konventionellen, resistiven Feuchtigkeitssensoren stark erweitert werden. So weisen insbesondere die sulfonierten, perfluorierten Polymere starke Quelleigenschaften auf, die zu einer Vergrößerung des Signalhubs und einer Verbesserung des Signal-Rausch-Verhaltens führen. Sulfonierte, perfluorierte Polymere sind partialdruckabhängig sehr permeabel für Wasser, was sowohl das Ansprechwie auch das Erholungsverhalten positiv beeinflusst, so dass kleine Zeitkonstanten erreicht werden können.
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Durch die Kombination der sulfonierten, perfluorierten Polymere mit den Kohlenstoffnanoröhren in dem Kompositmaterial werden sowohl die guten Quelleigenschaften des Polymers als auch die vorteilhaften elektrischen und mechanischen Eigenschaften der Kohlenstoffnanoröhren ausgenutzt, um ein selektives, hochgenaues Messsignal zu erzielen. So können Anwendungen bis hin zur Kondensation ermöglicht werden. Zudem reduziert die Einbettung der Kohlenstoffnanoröhren in das Polymer die Querempfindlichkeit der Kohlenstoffnanoröhren und erhöht die Zuverlässigkeit der Sensorvorrichtung und des Messsignals. Desweiteren kann die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung stark miniaturisiert werden, wodurch auch ungewünschte nichtlineare Effekte, wie z.B. Hysterese, weiter unterdrückt werden können.
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Der Sensorträger kann aus verschiedenen Trägermaterialien bestehen. Beispielsweise kann der Sensorträger mit Aluminiumoxidkeramik gebildet sein. Der Sensorträger kann auch flexibel und biegsam ausgebildet sein. Das Kompositmaterial kann beispielsweise direkt auf und/oder in Textilien, z.B. als Wearabel, angeordnet sein. In diesem Fall bildet das Textil, auf dem das Kompositmaterial angeordnet ist, den Sensorträger. So kann man z.B. auch Sensorträger in Form eines Fadens herstellen und Fäden in ein Gewebe einbinden.
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Das sulfonierte, perfluorierte Polymer kann ein Copolymer sein, das eine Sulfogruppe als ionische Gruppe enthält. Das sulfonierte, perfluorierte Polymer kann beispielsweise aus Nafion (C7HF13O5S.C2F4, eingetragenes Warenzeichen der Firma DuPont) bestehen. Sulfonierte, perfluorierte Polymere zeigen eine schnelle Diffusion von Wasser, sind aber gleichzeitig hydraulisch dicht und weisen eine hohe chemische Resistenz auf. Darüberhinaus zeichnen sich sulfonierte, perfluorierte Polymere durch eine hohen Selektivität und Permeabilität für Wasserdampf aus.
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Vorteilhaft wirkt es sich aus, wenn die Kohlenstoffnanoröhren mehrwandig ausgebildet sind. Dadurch kann die Grenzoberflächenbindung zu dem Polymer und damit auch die Sensitivität und der Messbereich vergrößert werden. Desweiteren wurde festgestellt, dass ein Kompositmaterial, das mit mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren gebildet ist, eine kürzere Antwort- und Erholungszeit aufweist. Im Vergleich zu einwandigen Kohlenstoffnanoröhren sind mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren zudem kostengünstiger und mit weniger Aufwand herzustellen.
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Vorzugsweise weisen die Kohlenstoffnanoröhren eine Funktionalisierung auf, um das Dispersionsverhalten zu verbessern ohne die physikalischen Eigenschaften negativ zu beeinflussen. Eine Funktionalisierung kann auch das Adsorptionsverhalten verbessern und so die Sensitivität weiter steigern. Beispielsweise können die Kohlenstoffnanoröhren eine kovalente Seitenwandfunktionalisierung, eine Funktionalisierung mittels hydrophilen Carboxygruppen, oder eine nicht-kovalente exohedrale Funktionalisierung, bei der die Kohlenstoffnanoröhren mit Tensid- oder Polymerketten umwickelt werden, aufweisen.
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Vorteilhaft wirkt es sich auch aus, wenn die Kohlenstoffnanoröhren in dem Kompositmaterial weitgehend homogen verteilt und angeordnet sind. Eine weitgehend homogene Verteilung kann beispielsweise durch eine Ultraschallbehandlung erreicht werden und dazu beitragen, dass auch nahe der Perkolationsschwelle ein stabiler elektrischer Widerstand gewährleistet ist. Eine weitestgehend homogene Verteilung der Kohlenstoffnanoröhren erhöht somit die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Sensorvorrichtung. Vorzugsweise sind die Kohlenstoffnanoröhren auch mittels Dielektrophorese ausgerichtet, um eine verbesserte Kontaktierung zu den elektrischen Kontaktelementen zu erreichen und den elektrischen Widerstand weiter zu stabilisieren. Dazu kann an dem Kompositmaterial ein elektrisches Feld in Richtung der elektrischen Kontaktelemente angelegt werden, sodass bevorzugt eine Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhren in Richtung der elektrischen Kontaktelemente und parallel zueinander erreicht wird.
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Ein Massenanteil der Kohlenstoffnanoröhren in dem Kompositmaterial sollte vorteilhaft oberhalb der Perkolationsschwelle gewählt werden. Unterhalb der Perkolationsschwelle hängt der elektrische Widerstand größtenteils von den elektrischen Eigenschaften des Polymers ab und zeigt eine nichtlineare Abhängigkeit von der relativen Feuchtigkeit. Oberhalb der Perkolationsschwelle bilden die Kohlenstoffnanoröhren ein elektrisch leitendes Netzwerk aus, wodurch die Sensitivität der Sensorvorrichtung bezüglich der Adsorption von Wassermolekülen gesteigert werden kann. Vorzugsweise weist das Kompositmaterial einen Massenanteil der Kohlenstoffnanoröhren zwischen 0,1 Masse-% und 5 Masse-% auf.
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Die elektrischen Kontaktelemente können auf einer dem Kompositmaterial zugewandten Oberfläche des Sensorträgers angeordnet sein. Vorzugsweise sind die elektrischen Kontaktelemente mit Gold als Goldelektroden ausgebildet oder können mit einem anderen Edelmetall gebildet werden. Die elektrischen Kontaktelemente können zumindest teilweise zwischen der dem Kompositmaterial zugewandten Oberfläche des Sensorträgers und zumindest einem Teilbereich der dem Sensorträger zugewandten Oberfläche des Kompositmaterials angeordnet sein.
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Ein Teilbereich oder mehrere Teilbereiche des Kompositmaterials können auch streifenförmig als elektrische leitende Zuleitungen ausgebildet und an einen Randbereich des Sensorträgers geführt sein, wobei in dem Randbereich eine elektrische Kontaktierung zwischen dem Kompositmaterial und den elektrischen Kontaktelementen ausgebildet sein kann. Ein Teilbereich oder ein weiterer Teilbereich des Kompositmaterials kann auch auf einer Oberfläche des Sensorträgers mäanderförmig ausgebildet sein.
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Vorzugsweise ist auf einer äußeren Oberfläche des Kompositmaterials eine Schutzmembran, die mit einem sulfonierten perfluorierten Polymer ohne Kohlenstoffnanoröhren gebildet sein kann, angeordnet. Besonders vorzugsweise ist die Schutzmembran mit demselben sulfonierten perfluorierten Polymer gebildet wie das Kompositmaterial, z.B. Nafion. Durch eine solche Schutzmembran wird insbesondere die Selektivität der Sensorvorrichtung weiter verbessert. Zudem wird eine effektive Abschirmung gegenüber störenden chemischen oder physikalischen Einflüssen erreicht, sodass auch die sogenannte Querempfindlichkeit der Sensorvorrichtung gegenüber Fremdstoffen weiter reduziert werden kann. Die Schutzmembran kann das auf dem Sensorträger angeordnete Kompositmaterial vollständig überdecken.
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Die Sensorvorrichtung kann auch mindestens ein Heizelement zur Temperaturkompensation aufweisen. Mit dem mindestens einen Heizelement, das mit der elektronischen Auswerte- und Steuereinheit elektrisch verbunden sein kann, kann die Temperatur der Sensorvorrichtung beispielsweise konstant gehalten oder einem vorgegebene Zielwert angenähert werden. Vorzugsweise ist das mindestens eine Heizelement auf einer von dem Kompositmaterial abgewandten Seite des Sensorträgers angeordnet. Für eine elektrische Kontaktierung des mindestens einen Heizelements, beispielsweise mittels der elektronischen Auswerte- und Steuereinheit, können zusätzliche elektrische Kontaktelemente auf der dem mindestens einen Heizelement zugewandten Oberfläche des Sensorträgers angeordnet sein. Das mindestens eine Heizelement und/oder die zusätzlichen elektrischen Kontaktelemente können/kann aber auch auf der dem Kompositmaterial zugewandten Seite des Sensorträgers angeordnet sein.
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Die Schichtdicke des Kompositmaterials kann Werte in einem Bereich von 1µm bis 500µm, vorzugsweise von 2µm bis 50, annehmen. Diese Schichtdicken können erreicht werden, wenn das Kompositmaterial in Dickschichttechnik aufgebracht wird. Bei einem Aufbringen des Kompositmaterials in Dünnschichttechnik, z.B. durch Verdampfen und Kondensieren im Vakuum, können Schichtdicken im Bereich 100 nm bis 250 nm realisiert werden, die ebenfalls ausreichend sensitiv sind.
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Die Schichtdicke der Schutzmembran kann Werte in einem Bereich von 100nm bis 10µm, vorzugsweise von 500nm bis 1µm, annehmen.
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Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung kann mit dem im Folgenden beschriebenen Verfahren besonders effizient und kostengünstig hergestellt werden:
- Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Sensorvorrichtung wird in Schritt (a) eine Epoxidharz, Silikon oder sulfonierte, perfluorierte Polymere und Bindemittel enthaltende Suspension und Kohlenstoffnanoröhren vermengt und das so erhaltene Gemisch bevorzugt mittels Ultraschall homogenisiert, um eine siebdruckfähige Paste zu erhalten. Eine Homogenisierung kann auch mit anderen technischen Mitteln, wie z.B. Kalanderwalzen, durch einfaches Rühren, einem Speedmixer oder einer Kugelmühle erreicht werden.
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In Schritt (b) wird auf einer Oberfläche eines Sensorträgers die in Schritt (a) hergestellte siebdruckfähige Paste bevorzugt mittels Dickschichttechnik aufgebracht und es werden elektrische Kontaktelemente mit der siebdruckfähigen Paste in berührenden Kontakt gebracht.
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In Schritt (c) wird die in Schritt (b) aufgebrachte siebdruckfähige Paste oder Suspension an-schließend getrocknet, um eine nahezu vollständige Entfernung organischer Bestandteile, insbesondere von Bindemittel zu erreichen und aus der aufgedruckten siebdruckfähigen Paste oder Suspension ein Kompositmaterial, das mit Epoxidharz, Silikon oder sulfonierten, perfluorierten Polymeren und Kohlenstoffnanoröhren gebildet ist, auszubilden. In diesem Schritt sollten möglichst alle organischen Bestandteile bis auf das Epoxidharz, Silikon oder sulfoniertes, perfluoriertes Polymer entfernt werden.
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Durch die Siebdruckfähigkeit der Paste wird eine kostengünstige Serienproduktion sowie eine einfache Integration in verschiedenste Produktionsprozesse ermöglicht.
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Vorzugsweise wird ein Massenanteil der sulfonierten, perfluorierten Polymere in dem Gemisch in Schritt (a) zwischen 0,1 Masse-% und 25 Masse-%, besonders vorzugsweise zwischen 0,4 Masse-% und 6 Masse-%, eingehalten. Dazu kann das sulfonierte, perfluorierte Polymer als Suspension in einer Mischung aus Wasser und Propanol und dem Gemisch in Schritt (a) beigemengt werden.
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Wird das Kompositmaterial mit Epoxidharz gebildet, sollte Epoxidharz mit einem Masseanteil im Bereich 10 Masse-% bis 80 Masse-% bzw. Silikon mit einem Masseanteil im Bereich 95 Masse-% bis 99 Masse-% enthalten sein.
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Ein Massenanteil der Kohlenstoffnanoröhren in dem Gemisch in Schritt (a) kann zwischen 0,01 Masse-% und 5 Masse-% eingehalten werden. Ein Massenanteil der Kohlenstoffnanoröhren in dem Kompositmaterial nach der Trocknung in Schritt (c) kann vorzugsweise zwischen 0,05 Masse-% und 20 Masse-%, bevorzugt bis maximal 5 Masse-% betragen.
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Vorteilhaft wirkt es sich auch aus, wenn die Kohlenstoffnanoröhren vor der Durchführung der Schritte (a) bis (c) mittels der weiter oben beschriebenen Funktionalisierungsprinzipien behandelt werden. Alternativ oder zusätzlich können die Kohlenstoffnanoröhren auch mittels Dielektrophorese in dem Gemisch und/oder in der siebdruckfähigen Paste durch Anlegen eines elektrischen Feldes in Richtung der elektrischen Kontaktelemente ausgerichtet werden.
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Eine Homogenisierung der Kohlenstoffnanoröhren in dem Gemisch in Schritt (a) kann bevorzugt mittels eines Ultraschall-Homogenisators erfolgen. Dabei erfolgt auch eine Erwärmung des Gemischs, wobei eine Temperatur des Gemischs unterhalb der Degradationstemperatur des Epoxidharzes, Silikons oder sulfonierten, perfluorierten Polymers eingehalten werden sollte.
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Nach der Ultraschallbehandlung kann es vorkommen, dass das Gemisch noch keine ausreichend hohe Viskosität aufweist, um mittels eines Siebdruckverfahrens weiterverarbeitet zu werden. Deshalb kann das Gemisch in Schritt (a) mittels Heizplatte und/oder Magnetrührer bis zum Erreichen einer siebdruckfähigen Viskosität erwärmt und ggf. eingedampft werden. Beispielsweise kann das Gemisch nach der Homogenisierung in Schritt (a) und vor der Durchführung von Schritt (b) in einem Eindampfprozess erwärmt werden, wobei eine Temperatur des Gemischs größer als 50 Grad Celsius und kleiner als die Degradationstemperatur des Epoxidharzes, Silikons oder des sulfonierten, perfluorierten Polymers eingehalten werden sollte.
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Bevorzugt mittels Dickschichttechnik können in Schritt (b) zunächst die elektrischen Kontaktelemente auf einer Oberfläche des Sensorträgers aufgedruckt, getrocknet und mit dem Sensorträger versintert werden. Anschließend kann die siebdruckfähige, z.B. mittels Siebdruck- oder Schablonendruckverfahren, auf die Oberfläche des Sensorträgers gedruckt werden. Dabei kann zumindest ein Teilbereich der vom Sensorträger abgewandten Oberfläche der elektrischen Kontaktelemente von der siebdruckfähigen Paste überdeckt werden. Um eine möglichst vollständige Entfernung organischer Bestandteile zu gewährleisten, wird die siebdruckfähige und aufgedruckte Paste anschließend noch getrocknet.
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Auf der äußeren Oberfläche des auf dem Sensorträger aufgedruckten und getrockneten Kompositmaterials kann eine Schutzmembran, z.B. mittels Tauchverfahren, Aufsprühen oder spin coating, aufgebracht werden. Die Schutzmembran kann wie das Kompositmaterial mit sulfonierten, perfluorierten Polymeren gebildet sein. Vorzugsweise wird die Schutzmembran als Nafion Dispersion aufgebracht. Besonders vorzugsweise beträgt ein Massenanteil des Nafion in der Dispersion zwischen 0,1 Masse-% und 20 Masse-%. Die Schutzmembran kann anschließend in einem Trockenofen getrocknet werden.
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Auf einer Oberfläche des Sensorträgers kann zusätzlich mindestens ein Heizelement mittels Dickschichttechnik aufgedruckt und mit dem Sensorträger versintert werden. Vorzugsweise sollte das mindestens eine Heizelement vor dem Aufdrucken der elektrischen Kontaktelemente und der siebdruckfähigen Paste in Schritt (b) des Verfahrens aufgedruckt, getrocknet und mit dem Sensorträger versintert werden. Anschließend können zusätzliche elektrische Kontaktelemente zur Kontaktierung des mindestens einen Heizelements zusammen mit den elektrischen Kontaktelementen zur Kontaktierung des Kompositmaterials in Schritt (b) mit dem Sensorträger versintert werden.
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Durch die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung und das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren können insbesondere kostengünstige, waschbare, miniaturisierbare und flexible Feuchtigkeitssensoren für neue Anwendungsfelder bereitgestellt werden. Die Umsetzung leichter und flexibler Feuchtigkeitssensoren ist insbesondere als Textilanwendung, z.B. als Wearable, oder als Elektronikanwendung, z.B. in Haushaltsgeräten, interessant. Zudem weisen die erfindungsgemäßen Feuchtigkeitssensoren einen breiten Messbereich auf und können kleinste Signale (im ppm-Bereich) ermitteln. Sie sind darüberhinaus in Ihrer Geometrie und über die weiter oben beschriebene Dickschichttechnologie nahezu grenzenlos adaptierbar. Beispielsweise kann die Sensorvorrichtung oder das Kompositmaterial auch auf gekrümmten Oberflächen mit sehr kleinen Radien angeordnet werden. Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung kann insbesondere für die Bestimmung des Wassergehalts in Gasen verwendet werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend anhand der 1 erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1a ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung mit einer Schutzmembran, und
- 1b einen Querschnitt durch die Sensorvorrichtung entlang der Schnittlinie A-A entsprechend 1a.
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Die 1a und 1b zeigen eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung zum Bestimmen der relativen Feuchtigkeit in einem Gasvolumen mit einem Sensorträger 1, einem Kompositmaterial 2, das auf einer Oberfläche des Sensorträgers 1 angeordnet ist, und einer Schutzmembran 4, die auf einer Oberfläche des Kompositmaterials 2 angeordnet ist.
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Das Kompositmaterial 2 ist mit Nafion und mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren gebildet. Der Massenanteil der mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren im Kompositmaterial 2 beträgt 4 Masse-%. Die Schutzmembran 4 besteht aus Nafion. Das Kompositmaterial 2 steht mit zwei voneinander beabstandet angeordneten elektrischen Kontaktelementen 3 aus Gold in einem berührenden Kontakt, wobei die elektrischen Kontaktelemente 3 mit einer elektronischen Auswerte- und Steuereinheit (nicht gezeigt) elektrisch verbunden sind. Die relative Feuchtigkeit wird mittels der elektronischen Auswerte- und Steuereinheit über einen mit den elektrischen Kontaktelementen 3 ermittelten elektrischen Widerstand und dem Vergleich mit einem Referenzwertverlauf bestimmt. Die Kohlenstoffnanoröhren sind mittels hydrophiler Carboxygruppen funktionalisiert und wurden mittels Dielektrophorese durch Anlegen eines elektrischen Feldes in Richtung der elektrischen Kontaktelemente 3 ausgerichtet.
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Zur Herstellung der oben beschriebenen Sensorvorrichtung wird in Schritt (a) eine Nafion enthaltende Dispersion mit einem Massenanteil des Nafions von 5 Masse-% mit Isopropanol zu einer Suspension mit einem Massenanteil des Nafions von 0,5 Masse-% verdünnt. Der so erhaltenen verdünnten Nafion-Suspension wird ein Füllmittel mit einem Massenanteil von 15 Masse-% und Kohlenstoffnanoröhren mit einem Massenanteil von 4 Masse-% beigegeben.
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Das so erhaltene Gemisch wird vermengt und anschließend mittels Ultraschall homogenisiert. Nach der Homogenisierung wird das Gemisch mittels Heizplatte und Magnetrührer auf eine Temperatur zwischen 50 Grad Celsius und 70 Grad Celsius erwärmt, um eine siebdruckfähige Paste zu erhalten.
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In Schritt (b) werden auf einer Oberfläche eines Sensorträgers 1 die elektrischen Kontaktelemente 3 aus Gold aufgedruckt und bei 1000 Grad Celsius mit dem Sensorträger 1 versintert. Die in Schritt (a) hergestellte siebdruckfähige Paste wird auf die mit den elektrischen Kontaktelementen 3 bedruckte Oberfläche des Sensorträgers 1 mittels Schablonendruck aufgedruckt, sodass die aufgedruckten elektrischen Kontaktelemente 3 und die aufgedruckte siebdruckfähige Paste in berührendem Kontakt stehen. Die durch das Kompositmaterial 2 bedruckte Fläche des Sensorträgers 1 ist etwa 3,5 mm mal 15 mm groß.
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In Schritt (c) wird die in Schritt (b) aufgedruckte siebdruckfähige Paste anschließend getrocknet, um eine nahezu vollständige Entfernung organischer Bestandteile, insbesondere von organischem Binder zu erreichen.
