DE19803540C2 - Feuchtigkeitssensor vom elektrischen Widerstandstyp - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Feuchtigkeitssensor zum Erfassen von Feuchtigkeit, und insbesondere einen Feuch­ tigkeitssensor vom elektrischen Widerstandstyp, der Holz- Keramik benutzt und preiswert, klein, hervorragend warmfest und hochgenau ist.

Feuchtigkeitssensoren lassen sich nicht nur zum Messen von Feuchtigkeit in einer Atmosphäre sondern auch zur selbstän­ digen Steuerung von Befeuchtungsvorrichtungen, Trockenvor­ richtungen, Klimaregelungen zum Angleichen von Feuchtig­ keitswerten usw. einsetzen. Für solche Feuchtigkeitssensoren werden verschiedene Werkstoffe benutzt, aber in den letzen Jahren wurden Feuchtigkeitssensoren bekannt, die Keramik­ stoffe einsetzen. Wenn an den Keramik-Feuchtigkeitssensor eine bestimmte Spannung gelegt wird, verändert sich ein elektrischer Widerstand exponentiell mit der relativen Feuchtigkeit, dabei läßt sich die relative Feuchtigkeit aufgrund des elektrischen Widerstands bestimmen. Jedoch tritt beim üblichen Keramik-Feuchtigkeitssensor ein Problem auf. Und zwar wird im Keramik-Feuchtigkeitssensor ein elektrisches Isolierungsmaterial benutzt, so daß die Impedanz sehr hoch ist. Im Falle des Keramik-Feuchtigkeitssensors wird die Impedanz signifikant hoch, besonders in einem unteren Feuchtigkeitsbereich, daher wird bei der herkömmlichen Methode das Messen der Feuchtigkeit schwierig und die elek­ tronische Schaltung wird komplex.

Ferner haben die meisten Keramik-Feuchtigkeitssensoren nicht­ lineare Kennlinien und die Veränderung der Feuchtigkeits/­ Widerstands-Kennlinien entspricht in Wirklichkeit nicht einer genauen Exponentialfunktion und ist gekrümmt. Aus diesem Grund nimmt beim Erweitern eines Meßbereichs der Meßfehler zu, so daß kein hochgenauer Ausgang erhalten werden kann. Zusätzlich wird, weil ein linearisierender Schaltkreis zum Korrigieren der Krümmung nicht komplett ist, die Schaltung selbst ziemlich komplex, was in der Praxis ein großes Hinder­ nis ist. Ferner sind die Keramik-Feuchtigkeitssensoren tempe­ raturabhängig, und auch wenn die Feuchtigkeit konstant ist, verändert sich der elektrische Widerstand des Keramiksensors infolge der Temperatur auf unannehmbare Weise. Zusätzlich haben ein Thermistor und ein Platin-Temperaturmeßelement, die üblicherweise für gewöhnliche Temperaturmessungen eingesetzt werden, Temperaturkoeffizienten, die sich von denen der Keramik-Feuchtigkeitssensoren unterscheiden, und daher tritt auch das signifikante Problem auf, daß die Temperatur­ korrektur nicht vollständig ausgeführt werden kann.

Vorgeschlagen wurden mit einem Temperaturfühler für die Tem­ peraturkorrektur ausgestattete Feuchtigkeitssensoren, die die Temperaturabhängigkeit eines solchen Keramik-Feuchtigkeits­ sensors korrigieren können. Z. B. gibt es "eine Feuchtig­ keitserfassungsschaltung", beschrieben in der Japanischen Patentanmeldung, offengelegt unter Nr. 274251/1978, und "einen Keramik-Feuchtigkeitssensor" beschrieben in der Japanischen Patentveröffentlichung Nr. 81974/1995. Die obige "Feuchtigkeitserfassungsschaltung" ist wie folgt aufgebaut. An einem Ende des Feuchtigkeitssensors, der die Merkmale der Impedanzveränderung gemäß der Änderungen in Feuchtigkeit und Temperatur aufweist, ist ein Schwingkreis angeschlossen, und am anderen Ende des Feuchtigkeitssensors ist ein Temperatur­ korrekturelement angeschlossen, das den gleichen Thermistor­ koeffizient aufweist wie der Feuchtigkeitssensor, und wobei sich die Impedanz gemäß den Temperaturschwankungen ändert. Ferner sind auch eine Gleichrichterschaltung und eine Ver­ stärkerschaltung angeschlossen, die die Feuchtigkeits­ erfassungssignale am Kontaktpunkt des Feuchtigkeitssensors und des Temperaturkorrekturelemente nach Bedarf verarbeitet. Diese Erfassungssignale bzw. verarbeiteten Erfassungssignale werden in den ersten Eingangsanschluß, und geeignete Refe­ renzsignale werden in den zweiten Eingangsanschluß einge­ geben. Dann ist ein Komparatorschaltkreis angeschlossen, der die Werte der Referenzsignale und der Erfassungssignale vergleicht. Auch ein Ausgangsschaltkreis ist angeschlossen, der das Feuchtigkeitssignal durch Empfangen des Ausgangs vom Komparatorschaltkreis ausgibt.

Jedoch wird beim obigen "Feuchtigkeitserfassungsschaltkreis" ein Schwingkreis benutzt und das am anderen Ende des Feuch­ tigkeitssensors angeschlossene Temperaturkorrekturelement sollte den gleichen Thermistorkoeffizienten aufweisen wie der Feuchtigkeitssensor und die Impedanz gemäß den Temperatur­ schwankungen verändern. Da aber der Feuchtigkeitssensor und der Temperaturfühler aus unterschiedlichen Werkstoffen be­ stehen, tritt das signifikante Problem auf, daß es schwierig ist, diese beiden so zu fertigen, daß sie identische Merkmale aufweisen.

Ferner ist der obige "Keramik-Feuchtigkeitssensor" mit einem dünnen, eine hohe dielektrische Konstante aufweisenden kera­ mischen Substrat, einer porösen, auf einem Teil der einen Oberfläche des Substrats ausgeformten Keramikschicht mit hoher dielektrischer Konstante, einer maschenähnlichen, auf der porösen Keramikschicht ausgebildeten Meßelektrode, einer auf einem Teil ausgebildeten Referenzelektrode, wo die poröse Keramikschicht nicht ausgeformt ist, einer auf der anderen Seite des Keramiksubstrats ausgebildeten gemeinsamen Elek­ trode, und mit einer arithmetischen Einheit, die eine elek­ trostatische Kapazitanz zwischen der Meßelektrode und der gemeinsamen Elektrode sowie eine elektrostatische Kapazitanz zwischen der Referenzelektrode und der gemeinsamen Elektrode mißt und die erhaltenen Ergebnisse berechnet, ausgerüstet. Durch diesen Aufbau wird eine Temperaturkorrektur möglich.

Jedoch wird es bei dem obigen "Keramik-Feuchtigkeitssensor" höchst kompliziert, bei der Fertigung auf dem keramischen Substrat eine poröse Schicht, eine Meßelektrode, eine Refe­ renzelektrode und auch eine gemeinsame Elektrode sowie eine Schutzelektrode auszubilden. Ferner besteht das Problem, daß die Signalverarbeitung durch die arithmetische Einheit kom­ pliziert wird.

Aus DE 31 00 057 A1 ist ein Aufbau für einen Feuchtigkeitssensor bekannt, bei dem ein feuchteabhängiger elektrischer Widerstand als sehr dünne Schicht auf einen Trägerkörper aufgezogen ist, wobei eine Kompensation von temperaturbedingten Änderungen von Wider­ standswerten in einem Phasenschieberoszillator stattfindet.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Feuchtigkeitssensor vom elektrischen Widerstandstyp vorzu­ sehen, der nicht mit den Fehlern der herkömmlichen Feuchtig­ keitssensoren behaftet ist, der über den ganzen Feuchtig­ keitsbereich hochgenau ist und der einen einfachen Aufbau hat, durch Verwenden von Holz-Keramik, deren Feuchtig­ keits/Widerstands-Kennlinie ausgezeichnet linear ist, im Gegensatz zu den nichtlinearen Kennlinien anderer Sensor­ materialien.

Eine weiter Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Feuchtigkeitssensor von elektrischen Widerstandstyp vorzu­ sehen, der ausgezeichnet sowohl in Bezug auf Zuverlässigkeit als auch auf Massenproduktion ist.

Noch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Feuchtigkeitssensor von elektrischen Widerstandstyp vorzusehen, der auf einfache Weise und mit niedrigen Kosten gefertigt werden kann.

Die obigen und noch weitere Aufgaben und Vorteile der vor­ liegenden Erfindung werden unter Berücksichtigung der folgen­ den Beschreibung und anhand der beiliegenden Zeichnungen voll verstanden.

Fig. 1 ist ein Schaubild 'relative Feuchtigkeit gegen elek­ trischen Widerstand' eines erfindungsgemäßen Feuchtigkeits­ sensors von elektrischen Widerstandstyp;

Fig. 2 ist ein ähnliches Schaubild 'Feuchtigkeit gegen elek­ trischen Widerstand';

Fig. 3 ist ein Schaubild 'Temperatur gegen elektrischen Widerstand';

Fig. 4 ist eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in Fig. 4;

Fig. 6 ist eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7 ist eine Schnittansicht entlang der Linie B-B in Fig. 6;

Fig. 8 ist eine Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 9 ist eine Schnittansicht entlang der Linie C-C in Fig. 8;

Fig. 10 ist ein Diagramm einer Analogschaltung in der vor­ liegenden Erfindung;

Fig. 11 ist ein Diagramm einer Digitalschaltung in der vor­ liegenden Erfindung.

Zur Lösung der obigen Aufgaben ist die vorliegende Erfindung aufgebaut wie folgt. Ein erfindungsgemäßer Feuchtigkeits­ sensor vom elektrischen Widerstandstyp enthält einen Feuch­ tigkeitssensor, in dem Elektroden auf einem Holz-Keramik- Substrat ausgebildet sind, und einen Temperaturfühler zur Temperaturkorrektur, in dem Elektroden auf einem weiteren Holz-Keramik-Substrat ausgebildet sind, das die gleichen Merkmale hat wie die Holz-Keramik, die für die Feuchtig­ keitserfassung benutzt wird, und ein Dünnschichtüberzug aus nichthygroskopischem Material ist auf der Oberfläche des Substrats ausgebildet. So werden die vom Feuchtigkeitssensor gemessenen Widerstandswerte auf der Grundlage der Wider­ standswerte korrigiert, die vom Temperaturfühler mit dem gleichen Temperaturkoeffizienten wie der des Feuchtigkeits­ sensors gemessen wurden, um eine Ausgangsspannung zu er­ halten, die proportional der relativen Feuchtigkeit ist.

Der erfindungsgemäße Feuchtigkeitssensor ist so aufgebaut, daß er die Holz-Keramik des einzigen Materials mit linearer Charakteristik gegenüber der Feuchtigkeit, und, mit ver­ siegelter Oberfläche, die eine feuchtigkeitsunempfindliche Struktur bewirkt, die andere Holz-Keramik als Temperatur­ fühler für die Temperaturkorrektur benutzt, um Holz-Keramik mit dem gleichen Temperaturkoeffizienten zur Temperatur­ korrektur zu verwenden. Dementsprechend läßt sich ein großer Feuchtigkeitsbereich mit hoher Genauigkeit und hoher Zuver­ lässigkeit messen. Ferner ist diese Konstruktion infolge ihrer einfachen Struktur ausgezeichnet für die Massenproduktion geeignet, kann zu geringem Preis vermarktet und sehr klein hergestellt werden. Zusätzlich kann durch Durch­ führen der Temperaturkorrektur mit Holz-Keramik des gleichen Materials der Temperaturkoeffizient identisch gehalten werden, so daß die elektronische Schaltung weitgehend ver­ einfacht werden kann. Ferner läßt sich bei geeigneter Höhe des elektrischen Widerstandes (der kein Isolator ist) die Holz-Keramik als selbstheizendes Element einsetzen. Das Schicken eines elektrischen Stroms durch die Holz-Keramik kann eine Wärmereinigung durchführen, weil sie vom elektri­ schen Widerstandstyp ist. Das heißt, ein Heizvorgang kann durchgeführt werden, indem man einen stärkeren Strom hin­ durchschickt als für Feuchtigkeitsmessungen. Durch den Heizvorgang wird Wärme erzeugt und die Feuchtigkeit im Holz- Keramik-Feuchtigkeitssensor dampft in kürzester Zeit ab. Nach dem Heizen bewirkt das Fließen des schwächeren elektrischen Stroms die normale Messung zur Feuchtigkeitserfassung. Damit kann sich im Feuchtigkeitssensor vom elektrischen Wider­ standstyp, der die Holz-Keramik einsetzt, kein Schimmel aus­ bilden, im Gegensatz zu anderen Feuchtigkeitssensoren, bei denen z. B. Polymere, Zellulose, Keramik, Haare und dergl. verwendet werden.

Ferner ist ein erfindungsgemäßer Feuchtigkeitssensor vom elektrischen Widerstandstyp ein Sensor, in dem Elektroden an beiden Enden und in der Mitte eines Holz-Keramik-Substrats ausgebildet sind; ein Dünnschichtüberzug aus einem nicht­ hygroskopischen Material ist auf der Oberfläche zwischen der Elektrode an einem Ende und der gemeinsamen Elektrode in der Mitte ausgebildet; der nicht mit der Dünnschicht abgedeckte Teil zwischen der Elektrode am anderen Ende und der gemein­ samen Elektrode in der Mitte arbeitet als Feuchtigkeits­ sensor, und der mit einer Dünnschicht abgedeckte Teil ar­ beitet als Temperaturfühler für die Temperaturkorrektur. Ferner kann im obigen erfindungsgemäßen Feuchtigkeitssensor vom elektrischen Widerstandstyp der obigen Konstitution das Holz-Keramik-Substrat in einer linearen Form ausgeführt sein oder das Holz-Keramik-Substrat kann in U-Form ausgebildet sein. Falls das Holz-Keramik-Substrat auf diese Weise benutzt wird, läßt sich der Fertigungsprozeß vereinfachen und die Struktur miniaturisieren.

Ferner läßt sich ein erfindungsgemäßer Feuchtigkeitssensor vom elektrischen Widerstandstyp herstellen, indem zwei dünne Platten oder Dünnschichten aus Holz-Keramik auf einem isolie­ renden Substrat ausgebildet werden; eine Dünnschicht aus nichthygroskopischem Material wird auf der Oberfläche der einen Fläche aufgebracht und diese wirkt somit als Tempera­ turfühler zur Temperaturkorrektur; auf der anderen Fläche desselben ist keine Dünnschicht ausgebildet und die dünn­ schichtfreie Oberfläche arbeitet als Feuchtigkeitssensor; ein vom Feuchtigkeitssensor gemessener Widerstandswert wird auf der Grundlage des vom Temperaturfühler gemessenen Wider­ standswerts korrigiert, um einen zur relativen Feuchtigkeit proportionalen Spannungsausgang zu erhalten.

Zwecks besseren Verständnisses wird die vorliegende Erfindung gemäß den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen in näheren Einzelheiten beschrieben.

Hier bedeutet Holz-Keramik, die in den erfindungsgemäßen Mitteln eingesetzt werden kann, ein poröses Kohlenstoff­ material, das erzeugt wird durch Sintern und Karbonisieren eines zusammengesetzten Materials aus Holz (Zweckholz, Papier oder dergl.) und einem wärmeaushärtbaren Harz bei hoher Temperatur. Die Holz-Keramik ist hergestellt aus Rohmaterial wie Abfallholz und Abfallpapier (bereits benutztes Papier) und so sind diese Materialien umweltfreundlich und öko­ logisch. Bekanntlich sind Kohlenstoffmaterialien gute elektrische Leiter und ihr elektrischer spezifischer Widerstand ist temperaturabhängig.

Der elektrische Widerstand der Holz-Keramik hängt auch von der Temperatur ab, und die Fig. 2 und 3 zeigen die gemessenen Werte im Hinblick auf die obige Charakteristik.

Fig. 1 zeigt die gemessenen Werte der Kurve relative Feuch­ tigkeit/Widerstand als Reaktion auf Feuchtigkeitsverände­ rungen unter der Bedingung, daß 5 mA Gleichstrom hindurch­ fließt, während die atmosphärische Temperatur auf 26°C ge­ halten wird. Die hier eingesetzte Holz-Keramik wurde herge­ stellt durch Benutzen einer Faserplatte mittlerer Dichte (Medium Density Fiberboard - MDF) als eine Art Holzmaterial, unter Ultraschallimprägnierung der MDF-Platte mit Phenolharz als wärmeaushärtendem Harz, und dann Sintern des entstehenden Materials bei 750°C. Bei der allgemeinen Keramik verändert sich ein elektrischer Widerstand exponentiell mit der relativen Feuchtigkeit (%RH) und hat eine gekrümmte Nicht­ linearität. Wie aber aus den Meßergebnissen hervorgeht, haben Holz-Keramiken lineare Kennlinien gegenüber der relativen Feuchtigkeit (%RH), und man sieht, daß eine hochpräzise Messung über einen weiten Bereich der Feuchtigkeit möglich wird. Da Keramiken üblicherweise Isolatoren sind, werden die Impedanzwerte bei niedrigen Feuchtigkeitswerten besonders hoch, so daß die Messung signifikant schwierig wird.

Fig. 2 zeigt die Charakteristik relative Feuchtigkeit/Wider­ stand eines anderen Holz-Keramik-Beispiels, das bei 650°C gesintert und bei 1 mA konstantem Gleichstrom gemessen wurde unter Veränderung der atmosphärischen Temperatur als Para­ meter auf 20°C, 30°C, 40°C und 50°C. Hier ist anzumerken daß der elektrische Widerstand der üblichen Keramik zur relativen Feuchtigkeit eine nichtlineare Charakteristik aufweist, während der elektrische Widerstand der Holz-Keramik zur relativen Feuchtigkeit eine ausgezeichnete lineare Charakte­ ristik aufweist. Aus diesem Umstand kann man erkennen, daß durch Anwenden der Holz-Keramik eine hochpräzise Messung in einem weiten Feuchtigkeitsbereich möglich wird.

Fig. 3 zeigt Temperatur/Widerstands-Kennlinien, gemessen in Übereinstimmung mit der Temperaturänderung (°C) bei einem konstanten Gleichstrom von 1 mA, während die relativen Feuchtigkeitswerte (%RH) auf 5%RH, 26%RH bzw. 53%RH gehalten werden. Die hier eingesetzte Holz-Keramik wurde hergestellt durch Verwenden einer mitteldichten Faserplatte (Medium Dense Fiberboard - MDF) als eine Art Holzmaterial, unter Ultraschallimprägnierung der MDF-Platte mit Phenolharz als wärmeaushärtendem Harz, und dann Sintern des entstehenden Materials bei 650°C. Wie aus den gemessenen Ergebnissen er­ sichtlich wird, haben die Holz-Keramiken im Gegensatz zu den üblichen Keramiken lineare Kennlinien gegenüber der Tempera­ tur, und man kann erkennen, daß über einen weiten Temperatur­ bereich eine präzise Temperaturmessung möglich ist. Beim Einsatz von üblichen Keramiken für Temperaturmessungen wird insbesondere der Impedanzwert hoch, so daß die Messung bei niedrigen Temperaturen signifikant schwierig wird.

Wie oben beschrieben, werden in der vorliegenden Erfindung die linearen Charakteristiken der Holz-Keramik sowohl gegen­ über der Feuchtigkeit als auch der Temperatur eingesetzt, und der Feuchtigkeitssensor und der Temperaturfühler für die Temperaturkorrektur sind aus einem Material gemacht, d. i. aus Holz-Keramik.

Da nun das gleiche Material, Holz-Keramik mit identischen Kennlinien als Feuchtigkeitssensor und als Temperaturfühler eingesetzt wird, sind auch deren Temperaturkoeffizienten gleich. Wenn also die Feuchtigkeit abgelesen wird, läßt sich die Temperaturkorrektur auf ganz einfache Weise und mit hoher Genauigkeit durchführen.

Bei der elektronischen Feuchtigkeitsmessung sind fast alle feuchtigkeitsempfindlichen Elemente temperaturabhängig, und daher muß zum Bestimmen der genauen Feuchtigkeitswerte gleichzeitig die Temperatur gemessen werden und der Tempera­ turmeßbeitrag muß dann von dem ersten Wert abgezogen werden. In der Regel wird zur Durchführung der Temperaturkorrektur ein Thermistor, ein Platin-Temperaturmeßelement oder dergl. zur Temperaturmessung eingesetzt. Diese sind jedoch aus Materialien gefertigt, die sich von denen des Feuchtigkeits­ sensors unterscheiden, und in diesem Falle unterscheiden sich die Temperaturkoeffizienten dieser Materialien weitgehend. Und damit sind auch eine Ausgangsverarbeitungsschaltung des Feuchtigkeitssensors und eine Ausgangsverarbeitungsschaltung des Temperaturfühlers spezifisch und komplex.

Die vorliegende Erfindung macht sich die Tatsache zunutze, daß die Holz-Keramiken gute lineare Charakteristiken auf­ weisen sowohl für Feuchtigkeit als auch für Temperatur, so daß, wenn einer der beiden eine Struktur aufweist, die unempfindlich gegen Feuchtigkeit ist, dieser leicht als Temperaturfühler zur Temperaturkorrektur eingesetzt werden kann. Da nun der andere sowohl auf Temperatur als auch auf Feuchtigkeit anspricht, wird durch Subtraktion des Ausgang des Temperaturfühlers vom Ausgangs "Temperaturbeitrag + Feuchtigkeitsbeitrag" im Feuchtigkeitssensor der Feuchtig­ keitsbetrag allein erhalten, woraus sich leicht die relative Feuchtigkeit errechnet. Das heißt, ein Merkmal der vorliegen­ den Erfindung ist, daß durch Anwenden des identischen Mate­ rials, d. h. Holz-Keramik, zur Temperaturkorrektur die Verarbeitungsschaltung sehr einfach und leicht, und dazu hochgenau wird. Zusätzlich kann erfindungsgemäß aufgrund der Tatsache, daß die Holz-Keramik selbst einen gemäßigten Widerstand aufweist, ein Strom durch sie hindurch geschickt werden, wodurch die Holz-Keramik die Funktion eines Heizers übernehmen kann. Erfindungsgemäß kann also die Feuchtigkeits­ messung zeitweilig ausgesetzt werden, um in den Holz-Kerami­ ken kurzzeitig Feuchtigkeit durch diese Heizfunktion zu verdampfen, wodurch der Sensor gegen Schimmeln geschützt wird.

Anschließend soll nun ein Feuchtigkeitssensor S1 der ersten Ausführungsform erläutert werden, der die Holz-Keramiken der obigen Charakteristik einsetzt. Zunächst, als Erklärung der ersten Ausführungsform, die in den Fig. 4 und 5 gezeigt wird, bezeichnet die Bezugsziffer 1 ein Holz-Keramik-Substrat, auf dem die Meßelektroden 2 und 3 an den beiden Enden des oben­ genannten Holz-Keramik-Substrats 1 ausgebildet sind und eine gemeinsame Elektrode 4 im Mittelbereich ausgeführt ist. Fer­ ner ist der Bereich, der die Hälfte des Holz-Keramik-Sub­ strats 1 zwischen der obigen Meßelektrode 2 und der gemein­ samen Elektrode 4 einnimmt, durch eine Dünnschichtabdeckung 5 mit einem Material versiegelt, das keine hygroskopische Eigenschaft hat. Als Material ohne hygroskopische Eigenschaft können z. B. Epoxidharz, Harze vom ungesättigten Polyestertyp, Harze von Acryltyp, ABS-Harze, Silikongummi, Bindemittel vom Glastyp und dergl. eingesetzt werden. Zu jeder der obigen Elektroden ist ein Leitungsdraht vorgesehen. In der obigen Konfiguration ist der Bereich zwischen der Meßelektrode 2 und der gemeinsamen Elektrode 4, auf dem der Dünnschichtüberzug 5 ausgebildet ist, nicht von der Feuchtigkeit betroffen, und ergibt einen Temperaturfühler 6 zur Temperaturkorrektur, und der Bereich zwischen der Meßelektrode 3 und der gemeinsamen Elektrode 4, auf der keine Beschichtung ausgebildet ist, ist als Feuchtigkeitssensor 7 eingerichtet.

Zur weiteren Erklärung des Feuchtigkeitssensors S2 der zweiten Ausführungsform, die in den Fig. 6 und 7 gezeigt wird, bedeutet die Bezugsziffer 11 ein in U-Form ausge­ bildetes Holz-Keramik-Substrat in einer Ebene, bei der an beiden Enden des obigen Holz-Keramik-Substrats Meßelektroden 12 bzw. 13 ausgebildet sind und die mit der gemeinsamen Elektrode 14 im Mittelbereich versehen ist. Dann wird der Bereich zwischen der obengenannten Meßelektrode 12 auf der einen Seite des obigen Holz-Keramik-Substrats 11 und der gemeinsamen Elektrode 14 ähnlich wie in der ersten Aus­ führungsform durch die Beschichtung 15 voll versiegelt mit einem Material, das keine hygroskopische Eigenschaft auf­ weist, und als Temperaturfühler 16 eingerichtet, und der Bereich zwischen der Meßelektrode 13 auf der anderen Seite, auf der keine Beschichtung ausgebildet ist, und der gemein­ samen Elektrode 14 wird als Feuchtigkeitssensor 17 einge­ richtet. Leitungsdrähte zu jeder der obigen Elektroden sind vorgesehen.

Die Fig. 8 und 9 zeigen den Feuchtigkeitssensor S3 der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bezugs­ ziffer 21 ist eine dünne Schicht aus Holz-Keramik, die durch Vakuumbedampfung, Aufsprühen, oder Beschichtungsverfahren wie Aufdrucken auf ein Isoliersubstrat 28 (Keramik, Polymer, Zellulose, Glas oder dergl.) aufgebracht wird. Hier kann die durch Vakuumbedampfen aufgebrachte Holz-Keramik-Dünnschicht durch herkömmliche Methoden wie RF-Aufstäuben, Ionenplattie­ ren, Ionenstrahlabscheidung, thermische Verdampfung und dergl. aufgebracht werden. Zusätzlich kann sie auch durch Sprühen oder Beschichten mit in einem organischen Lösungs­ mittel gelösten Holz-Keramik-Pulver gefolgt von Trocknen aufgebracht werden.

Meßelektroden 22 und 23 sind an beiden Enden der obengenann­ ten Holz-Keramik-Dünnschicht 21 aufgebracht und auch eine gemeinsame Elektrode 24 ist ausgebildet. Der Bereich zwischen der Meßelektrode 22 an der einen Seite der Holz-Keramik- Dünnschicht 21 und der gemeinsamen Elektrode 24 wird zur Gänze durch eine nichthygroskopische Dünnschicht 25 ver­ siegelt. Zu jeder der Elektroden führt ein Leitungsdraht. In der obigen Konfiguration wird die Seite, auf der die nicht­ hygroskopische Dünnschicht 25 aufgebracht ist, als Tempera­ turfühler 26 eingerichtet, der die Temperaturkorrektur durch­ führt ohne von der Feuchtigkeit betroffen zu werden, und der Bereich zwischen der Meßelektrode 23 ohne die Dünnschichtab­ deckung 25 und der gemeinsamen Elektrode 24 ist als Feuchtig­ keitssensor 27 eingerichtet. Als die obengenannte Holz- Keramik-Dünnschicht 21 kann durch Anwenden eines Isolier­ substrats 28 aus Kunststoff, Glas, Keramik und dergl. (Isola­ toren) auch eine aus einer Holz-Keramik-Masse ausgeschnittene Platte verwendet werden.

In jeder der obigen Ausführungsformen werden die Temperatur­ fühler 6, 16 und 26 durch Beschichtungen 5, 15 und 25 ver­ siegelt und so vor der Feuchtigkeit geschützt. Daher ist es möglich, weil ja keine Wirkung aufgrund der Feuchtigkeit eintreten kann, die relative Feuchtigkeit zu bestimmen durch Messen der Veränderungen des elektrischen Widerstands durch Benutzen der Temperaturfühler 6, 16 und 26, und durch Korri­ gieren der elektrischen Widerstandswerte der Feuchtigkeits­ sensoren 7, 17 und 27, so daß die genaue Feuchtigkeit gemessen werden kann. Obwohl ferner der Feuchtigkeitssensor und der Temperaturfühler zur Temperaturkorrektur des Feuchtigkeitssensors getrennt sind und, wie in der dritten Ausführungsform, jeder individuell ausgeführt ist, kann der Fertigungsprozeß vereinfacht werden durch Einrichtung der Hälfte eines einzigen Holz-Keramik-Substrats als Feuchtig­ keitssensor und Einrichten der anderen Hälfte als Tempera­ turfühler zur Temperaturkorrektur, wie in der ersten und in der zweiten Ausführungsform.

Anhand der Fig. 10 wird jetzt ein Schaltbild des obigen Feuchtigkeitssensors erklärt. Fig. 10 ist ein typisches Beispiel für einen Analogschaltkreis, und liefert eine Ausgangsspannung, die proportional zur relativen Feuchtigkeit (%RH) ist. Die Ausgänge des Temperaturfühlers 6 und des Feuchtigkeitssensors 7 in einer Sensortreiberschaltung 20 werden in die Operationsverstärker 31 und 32 einer Puffer­ schaltung 30 eingegeben. Nach Durchführung der Temperatur­ korrektur, die in einer Differentialverstärkerschaltung 40 ausgeführt wird, wird diese als Signal für die relative Feuchtigkeit in eine Ausgangsschaltung ausgegeben, die differentiell verstärkt wurde.

Genauer gesagt, in der Sensortreiberschaltung 20 bezeichnet die Bezugsziffer 29 eine konstante Stromquelle. Da der Temperaturfühler 6 und der Feuchtigkeitssensor 7 elektrisch in Reihe geschaltet sind, wird durch Anlegen eines konstanten Stroms IS mit ein paar mAs unter Verwendung der konstanten Stromquelle 29 eine Potentialdifferenz von IS × R1 = E1 am Feuchtigkeitssensor 7 generiert, und eine Potentialdifferenz von IS × R2 = E2 wird am Temperaturfühler 6 generiert. Damit wird durch Differentialverstärkung IS.R2 - IS.R1 = Is.RH = E2 - E1 erhalten; dieses E2 - E1 entsteht im Ausgang, der proportional zur Feuchtigkeit ist. Um E2 - E1 mit einer einfachsten Speiseschaltung mit einer einzigen Speisequelle zu erhalten, muß eine Schaltung verwendet werden, die V2 - 2V1 macht. Die Berechnung (V2 - 2V1) wird ausgeführt durch die Differentialverstärkerschaltung 40, die noch beschrieben wird, und die Subtraktion ausführt. Hier ist RT in der Sensortreiberschaltung 20 der Beitragsteil der Widerstands­ änderung infolge der Temperatur, RH ist der Beitragsteil der Widerstandsänderung infolge der Feuchtigkeit, und jede derselben weist negative Widerstandsmerkmale auf.

Die Pufferschaltung 30 ist eine Impedanzwandlerschaltung vom Verstärkungsgrad 1, auf der Grundlage der typischen Opera­ tionsverstärker 31 und 32. Der Zweck dieser obigen Puffer­ schaltung 30 ist das Vermeiden des Absinkens der Genauigkeit der Differentialverstärkerschaltung 40, die sich aus dem Unterschied der Signalquellenwiderstände von V1 und V2 ergibt. Die Differentialverstärkerschaltung 40 ist eine Subtraktionsschaltung vom Differential-Eingangstyp auf der Grundlage eines typischen Operationsverstärkers 41. In dieser Schaltung wird, da der Rückkopplungswiderstand der inver­ tierten Eingangsseite 2R beträgt, V0 = V2 - 2V1 erhalten, und eine Ausgangsspannung wird erhalten, die proportional zur relativen Feuchtigkeit ist. Hier ist zum Beispiel bei einer Feuchtigkeit gleich 0%RH, da sowohl R2 als auch R1 nur zur Temperatur beitragen, R2 = R1 selbstverständlich. In diesem Fall wird E2 = E1, d. h. V2 - 2V1 = 0, so daß der Ausgang V0 = 0 wird und der Feuchtigkeit 0%RH entspricht. Im Falle, daß die Feuchtigkeit 100%RH erreicht, wird R1 = min (da Holz-Keramiken die Eigenschaften des negativen Widerstands aufweisen) d. h. E1 = min, V2 - 2V1min = V0max wird erhalten.

Dementsprechend wird der Ausgang V0 maximum, entsprechend einer Feuchtigkeit von 100%RH. Als Ergebnis davon kann der Ausgang einer beliebigen Feuchtigkeit zwischen 0 und 100%RH ausgegeben werden, wobei jeder Ausgang proportional der Feuchtigkeit ist. Durch Eingeben dieses Ausgangs in eine Analogvergleicherschaltung wird ein ON/OFF-Ausgang ent­ sprechend dem vorher eingestellten Schwellenwert erzielt, so daß durch diesen Ausgang eine binäre Steuerung der Feuchtig­ keit gemacht werden kann.

Die Feuchtigkeit kann auch durch eine Analoganzeige und durch eine Digitalanzeige gelesen werden. Ferner wird durch Digi­ talisieren des Wertes dieses Ausgangs mittels des A/D- Wandlers auch möglich, diesen zur Steuerung durch einen Rechner usw. einzusetzen. Ferner ist es möglich, auf die Pufferschaltung 30 auf geeignete Weise zu verzichten je nach den Werten von R1 und R2. Auch wenn der Sensor im Hinblick auf Einsparung einer Batterie impulsgetrieben ist anstatt durch Gleichstrom, kann durch Vorsehen einer Gleichrichter­ schaltung zwischen der Pufferschaltung 30 und der Differen­ tialverstärkerschaltung 40 die obige Schaltung so eingesetzt werden wie sie ist.

Fig. 11 zeigt ein Beispiel für eine Digitalschaltung des obengenannten Feuchtigkeitssensors. Da in den letzten Jahren ICs zu sehr günstigen Preisen erhältlich wurden, kann die Analogschaltung der Fig. 10 durch die Digitalschaltung der Fig. 11 zur Erfassung der Feuchtigkeit ersetzt werden. Die Potentialdifferenz E1, die die obigen Feuchtigkeitssensoren 7, 17 und 27 generieren, und die Potentialdifferenz E2, die die obigen Feuchtigkeitssensoren 6, 16 und 26 generieren, werden entsprechend A/D-gewandelt in eine ROM-Tabelle oder einen Ein-Leiterplatten-Computer und dergl. eingegeben. Nach Vergleichen mit den vorher abgespeicherten Daten und Tempera­ turkorrektur ergibt die Potentialdifferenz die relative Feuchtigkeit als Ausgang.

Beim Feuchtigkeitssensor gemäß der vorliegenden Erfindung werden nur Holz-Keramiken mit linearen Charakteristiken der Feuchtigkeit gegenüber eingesetzt, und eine Struktur die infolge des Versiegelns ihrer Oberfläche unempfindlich gegen Feuchtigkeit ist, wird als Temperaturfühler zur Temperatur­ korrektur eingesetzt. Hier ist anzumerken, daß Holz-Keramiken mit identischen Temperaturkoeffizienten zur Temperaturkorrek­ tur verwendet werden. Daher ermöglicht der Holz-Keramik- Feuchtigkeitssensor das Messen der Feuchtigkeit mit hoher Genauigkeit und Zuverlässigkeit über einen weiten Bereich. Ferner ist der erfindungsgemäße Holz-Keramik-Sensor preis­ wert, klein und ausgezeichnet hinsichtlich Zuverlässigkeit und Massenproduktion. Zusätzlich wird infolge der Ausführung der Temperaturkorrektur durch Holz-Keramik aus identischem Material auch deren Temperaturkoeffizient gleich und ver­ einfacht auf diese Weise die Schaltung mit hoher Genauigkeit. Ferner, da die vorliegende Erfindung einen elektrischen Widerstandstyp betrifft, der Holz-Keramiken gemäßigten Widerstandes benutzt (d. h. es handelt sich nicht um einen Isolator), läßt sich Strom durch die Kernschaltung schicken und ermöglicht somit die Wärmereinigung. Daher tritt auch kein Schimmel auf, anders als bei anderen Feuchtigkeits­ sensorelementen, wie Polymere, Zellulose, Keramik und Haar.

Claims (5)

1. Feuchtigkeitssensor vom elektrischen Widerstandstyp, in dem Elektroden auf einem Holz-Keramik-Substrat ausgebildet sind, und einen Temperaturfühler zur Temperaturkorrektur, in dem Elektroden auf einem anderen Holz-Keramik-Substrat ausgebildet sind, das die gleichen Charakteristiken aufweist wie der Holz-Keramik- Feuchtigkeitssensor, und ein Dünnschichtüberzug aus einem nichthygroskopischen Material auf der Oberfläche des Sub­ strats ausgebildet ist; ein vom Feuchtigkeitssensor gemes­ sener Widerstandswert auf der Grundlage eines vom Tempera­ turfühler mit dem identischen Holz-Keramik-Temperaturkoeffi­ zient gemessenen Widerstandswerts korrigiert wird, um eine Ausgangsspannung zu erhalten, die proportional einer rela­ tiven Feuchtigkeit ist.

2. Feuchtigkeitssensor vom elektrischen Widerstandstyp gemäß Anspruch 1, in dem die Elektroden an beiden Enden und in der Mitte des Holz-Keramik-Substrats ausgebildet sind; der Dünnschichtüberzug aus nichthygroskopischem Material auf der Oberfläche zwischen einer Elektrode an einem Ende und einer Elektrode in der Mitte ausgebildet ist; ein dünnschichtfreier Teil zwischen der Elektrode am anderen Ende und der Elektrode in der Mitte gelassen wurde, als Feuchtigkeitssensor ar­ beitet; und ein Teil mit dem Dünnschichtüberzug als Tempera­ turfühler zur Temperaturkorrektur arbeitet.

3. Feuchtigkeitssensor vom elektrischen Widerstandstyp gemäß Anspruch 2, in dem das Holz-Keramik-Substrat linien­ förmig ausgebildet ist.

4. Feuchtigkeitssensor vom elektrischen Widerstandstyp gemäß Anspruch 2, in dem das Holz-Keramik-Substrat U-förmig ausgebildet ist.

5. Feuchtigkeitssensor vom elektrischen Widerstandstyp, in dem zwei gesonderte dünne Platten oder dünne Schichten aus Holz-Keramik auf einem Isoliersubstrat ausgebildet sind; und welches ein Elektroden enthält; Dünnschichtüberzug aus einem nichthygroskopischen Material auf einer seiner Oberflächen als Temperaturfühler zur Tempe­ raturkorrektur ausgebildet ist; kein Dünnschichtüberzug auf der anderen Oberfläche ausgebildet wird und die überzugsfreie Holz-Keramik als Feuchtigkeitssensor arbeitet; und der vom Feuchtigkeitssensor gemessene Wert auf der Grundlage eines Widerstandswerts korrigiert wird, der vom Temperaturfühler gemessen wird, um eine Ausgangsspannung zu erhalten, die proportional zur relativen Feuchtigkeit ist.